(57)【要約】【課題】  粒子の沈降を抑制して絶縁性能の低下を防止し、長期的な信頼性を得ることができる電気絶縁油および静止誘導電器を提供する。【解決手段】  本発明の電気絶縁油は、絶縁油と、粒子と、添加剤とを含み、前記添加剤は、親水基と疎水基の両方を有し、前記粒子は凝集体を形成し、前記凝集体が１．２μｍ以下であることを特徴とする。【選択図】図１
2020167026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁油と、粒子と、添加剤とを含み、前記添加剤は、親水基と疎水基の両方を有し、前記粒子は凝集体を形成し、前記凝集体が１．２μｍ以下であることを特徴とする電気絶縁油。
【請求項２】
前記添加剤が、界面活性剤であることを特徴とする請求項１に記載の電気絶縁油。
【請求項３】
前記添加剤が、非イオン性であることを特徴とする請求項１に記載の電気絶縁油。
【請求項４】
前記添加剤は、ポリオキシエチレンアルキルエーテルを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気絶縁油。
【請求項５】
前記添加剤の前記親水基と前記疎水基の比率を表すＨＬＢ値が８．２〜１２．６であることを特徴とする請求項１に記載の電気絶縁油。
【請求項６】
前記添加剤が前記粒子の表面に結合していることを特徴とする請求項１に記載の電気絶縁油。
【請求項７】
前記粒子の粒径が１．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電気絶縁油。
【請求項８】
前記粒子が金属酸化物であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電気絶縁油。
【請求項９】
前記粒子が無機物であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電気絶縁油。
【請求項１０】
前記粒子が有機物であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電気絶縁油。
【請求項１１】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気絶縁油を含む静止誘導電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気絶縁油および静止誘導電器に関する。
【背景技術】
【０００２】
静止誘導電器として、例えば電力用油入変圧器が挙げられる。変圧器には交流や直流電圧、雷などのサージが印可される。変圧器には絶縁材料が設けられており、様々な電圧から保護しているが、絶縁が不十分な場合、機器が破壊に至ることもある。
【０００３】
油入変圧器の例として、特表２００１−５０９６３５号（特許文献１）がある。特許文献１には、電磁装置（電力変圧器）を絶縁すると共に（或いは）冷却する新規なコロイド流体として、（ａ）約９９．９９体積％〜約９８体積％のキャリヤー液と、（ｂ）約０．０１体積％〜約２体積％の非金属粒子とから成る安定なコロイド流体であって、コロイド流体は、約５０ガウス未満の飽和磁化を有することを特徴とするコロイド流体が開示されている。特許文献１に記載のコロイド絶縁冷却液体は、絶縁油と非金属粒子を混合した飽和磁化が５０ガウス未満の液体であり、絶縁油の絶縁性能と冷却性能の両方、あるいはいずれかを向上できるという特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、液体中の粒子は時間経過に応じて、沈降する。ポリマーコンポジットなど熱可塑性樹脂と粒子を混合する場合は、粒子が浮遊した状態で樹脂が硬化するため、粒子が沈降することが問題となることは少ない。ただし、本技術のように流体として材料を使用する場合、使用中も粒子が自由に動くため、時間経過とともに沈降するという課題がある。
【０００６】
粒子が沈降した場合の問題点は、液体中における密度分布が異なり、所望の絶縁耐力が得られないことが懸念される。特許文献１に記載されている通り、コロイド絶縁冷却液体の飽和磁化、ひいては粒子の配合率により、絶縁性能や冷却性能の向上のレベルが異なる。それ故、粒子が沈降した下部と上部では粒子の濃度が異なり、絶縁性能に違いが生じる、あるいは絶縁性能の低下を招く恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、上記事情に鑑み、粒子の沈降を抑制して絶縁性能の低下を防止し、長期的な信頼性を得ることができる電気絶縁油および静止誘導電器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の一態様は、絶縁油と、粒子と、添加剤とを含み、添加剤は、親水基と疎水基の両方を有し、粒子は凝集体を形成し、凝集体が１．２μｍ以下であることを特徴とする電気絶縁油である。
【０００９】
また、本発明の他の態様は、上記本発明の電気絶縁油を用いた静止誘導電器を提供する。
【００１０】
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、粒子の沈降を抑制して絶縁性能の低下を防止し、長期的な信頼性を得ることができる電気絶縁油および静止誘導電器を提供できる。
【００１２】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の電気絶縁油の構成を示す模式図
【図２】図１の添加剤７００を模式的に示す図
【図３】本発明の静止誘導電器の構成を示す模式図
【図４】粒子径と移動速度との関係を示すグラフ
【図５】ＨＬＢ値と粒子径との関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［本発明の基本思想］
本発明者は、電気絶縁油中の粒子の沈降を抑制するにあたり、電気絶縁中の粒子の沈降のメカニズムについて検討した。粒子が沈降する原因は、粒子の重力によるものである。液体中の粒子には、重力のほか、液体分子が粒子に衝突する際のブラウン運動が関係する。ブラウン運動が重力を上回る場合、粒子は浮遊した状態を維持することが可能となる。ただし、重力による液体中の粒子の終端速度は粒子径の２乗に比例する。そのため、粒子の沈降を抑制するためには、粒子自体のサイズを小さくすることが必要である。
【００１５】
しかし、粒子径が十分に小さいナノメートルサイズの粒子（ナノ粒子）を使用した場合でも、ナノ粒子が凝集し、実質的な粒子径が大きくなることで沈降するという課題がある。これには様々な原因があり、その一つとして粒子表面と液体の相溶性がある。たとえば、水と油のように、互いに混ざり合わない材料を混合した場合、液体同士、あるいは粒子同士で引かれ合うため、粒子が凝集する。特に、電気絶縁油は疎水性であり、粒子が親水性である場合、上記の観点から相溶性が低く、攪拌直後は粒子が分散し、浮遊した状態であっても、時間経過とともに粒子同士が引き寄せ合うため、凝集し、沈降する。
【００１６】
粒子と液体の相溶性を高める手段の一つとして、界面活性剤や分散剤、カップリング材などの添加剤を加えた状態で攪拌、あるいは粒子の表面にコーティングする方法がある。ただし、これらの添加剤は粒子と液体の双方との親和性が高いものを選定する必要がある。また、添加剤自体の絶縁性能は絶縁油と比較して高くないため、多量に添加することで、沈降の抑制は可能となるが、かえって絶縁性能を低下させる可能性がある。
【００１７】
そこで、本発明者は、絶縁油の絶縁性能を低下させずに、粒子の沈降を抑制可能な電気絶縁油の構成について鋭意検討し、本発明を完成した。以下に、本発明の構成について詳述する。
【００１８】
［電気絶縁油］
図１は本発明の電気絶縁油の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の電気絶縁油９００は、絶縁油２００と、粒子８００と、添加剤７００とを含む。そして、添加剤７００は、粒子８００の表面に化学結合（吸着）されている。
【００１９】
絶縁油２００は、特に限定は無く、電気絶縁に一般に用いられる油を用いることができる。例えば、炭化水素を主成分とするパラフィン系およびナフテン系の鉱油、シリコーン油、生分解性の高い絶縁油として天然エステル系絶縁油および合成エステル系絶縁油などから用いられる。
【００２０】
粒子８００は、絶縁油２００に添加され、絶縁油２００の絶縁性能を高めるために添加される。粒子８００は、無機物と有機物のどちらをも用いることができる。
【００２１】
無機物としては、金属酸化物を好ましく用いることができる。金属酸化物として、具体的には、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化ジルコニウム、酸化銅、酸化コバルト、酸化亜鉛、酸化セリウム、酸化マンガンおよび酸化イットリウムなどを用いることができる。
【００２２】
また、無機物として、上述した金属酸化物以外に、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化クロムおよびフッ化マグネシウムなどを用いることもできる。有機物としては、炭化ケイ素、グラフェン、カーボンナノチューブ、フラーレンおよび炭化チタンなどを好ましく用いることができる。
【００２３】
粒子８００は、上述した粒子の中から一つであっても良いし、あるいは複数を組合せて用いることができる。
【００２４】
添加剤７００は、油２００中で粒子８００の凝集および沈降を抑制する役割を果たす。図２は図１の添加剤７００を模式的に示す図である。添加剤７００は、図２に示すように、親水基７０１および疎水基７０２を有する。このような物質として、界面活性剤が好適である。
【００２５】
界面活性剤としては主に非イオン性のものが望ましい。これは陽イオン性、あるいは陰イオン性の界面活性剤を用いた場合、絶縁性能の低下を招く恐れがあるためである。そのため、非イオン性の界面活性剤としてポリオキシエチレンアルキルエーテル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミンおよびアルキルアルカノールアミドを主成分とするものか、あるいはこれらを含む界面活性剤を使用することが好ましい。ただし、絶縁性能は十分に満たしており、沈降のみを解決したい場合は、陽イオン性、陰イオン性の界面活性剤を使用することもできる。
【００２６】
界面活性剤の種類は、親水基と疎水基の比率であるＨＬＢ（Ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ−Ｌｉｐｏｐｈｉｌｉｃ  Ｂａｌａｎｃｅ）値によって分類される。この値は０に近いほど疎水基が多く、油などの疎水性の液体に溶けやすい。反対に、値が大きい場合には、親水基が多く、水に溶けやすい性質となっている。ＨＬＢ値を定義する手法の一つとして、ＧｒｉｆｆｉｎのＨＬＢ値がある。例えば、ポリオキシエチレン型の非イオン性界面活性剤の場合、ＨＬＢ値は以下の式１より計算される。
【００２７】
【数１】
2020167026.tif 000003
【００２８】
例えば、Ｃ１２Ｈ２５−Ｏ−（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）９−Ｈの場合、オキシエチレン基の質量分率は６７．９５％となることから、ＨＬＢ値は１３．５９と計算される。
【００２９】
［静止誘導電器］
図３は本発明の静止誘導電器の構成を示す模式図である。図３では、静止誘導電器の一例として、油入変圧器の概略図を示している。図３に示すように、油入変圧器１００は、一次巻線５００と二次巻線６００、固体絶縁物である絶縁紙４００が鉄心３００を軸に巻かれており、流体絶縁物である絶縁油２００が満たされた状態でタンク１００に格納されている。絶縁油２００は、上述した本発明の電気絶縁油である。流体絶縁物は冷却と絶縁の両方を担っており、変圧器を構成する重要な要素であり、変圧器の信頼性を向上するため、材料の絶縁性能を向上することが重要である。
【００３０】
なお、本発明の電気絶縁油は、上述した静止誘導電器（油入変圧器）に限らず、絶縁油を使用する全ての装置に適用可能である。
【実施例】
【００３１】
上述した構成を有する粒子８００が絶縁油２００中で浮遊可能かを検証するため、このＨＬＢ値を指標に試験した。粒子８００は、日本アエロジル株式会社のＴｉＯ２Ｐ２５（一次粒径：２１ｎｍ）を用い、油２００として鉱油を用いた。
【００３２】
添加剤７００は、花王株式会社のポリオキシエチレンアルキルエーテルを用い、ＨＬＢ値が６．３、８．１および１０．５の３つのサンプルを比較した。試験方法は、油２００、粒子８００および添加剤７００を超音波処理により攪拌後に静置し、液相と粒子相に分離するかを判定基準とした。
【００３３】
次に、液相と粒子相が分離し、粒子が沈降するまでに要する時間から油２００中の粒子８００の粒子径を推定した。小さい粒子が流体中を沈降する際の終端速度ｖ＿ｓは、以下のストークスの以下の式２より計算される。
【００３４】
【数２】
2020167026.tif 000004
【００３５】
また、ブラウン運動による粒子の拡散係数Ｄは、以下のストークスアインシュタインの式３から計算される。
【００３６】
【数３】
2020167026.tif 000005
【００３７】
図４は粒子径と移動速度との関係を示すグラフである。この結果から、粒子径が１．２μｍ以下であれば、ブラウン運動が沈降速度を上回り、粒子が浮遊した状態を維持できることがわかる。図５はＨＬＢ値と粒子径との関係を示すグラフである。図５から、ＨＬＢ値が６〜８の場合は、一日経過後に液相と粒子相の分離が確認された。上述の沈降速度の式から粒子径が２μｍの場合、一日経過後の移動距離が約３．６ｃｍであり実験結果から分離が確認された時間と一致するため、粒子径を２μｍと評価した。
【００３８】
ＨＬＢ値が１０の場合では、１０日経過後も液相と粒子相の分離が確認されなかったため、１．２μｍ以下に凝集が小さくなっていると判断した。
【００３９】
この結果から、本条件、とくにポリオキシエチレンアルキルエーテルにおけるＨＬＢ値は１０程度が適切であることがわかる。実験では確認していないが、ＨＬＢ値が高い場合、親水基が多いことから、絶縁油に溶解しない可能性があるため、ＨＬＢ値が８．２〜１２．６の範囲であれば、粒子が浮遊状態を維持することができ、油中での粒子の沈降を抑制できる。
【００４０】
本実験ではポリオキシエチレンアルキルエーテルの界面活性剤を用いたが同種の成分を含む分散材などの添加剤に関しても、同様に効果が得られることが期待される。
【００４１】
以上、説明したように、本発明によれば、粒子の沈降を抑制して絶縁性能の低下を防止し、長期的な信頼性を得ることができる電気絶縁油および静止誘導電器を提供できることが実証された。
【００４２】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１００…タンク、２００…電気絶縁油、３００…鉄心、４００…絶縁紙、５００…一次巻線、６００…二次巻線、７００…添加剤、７０１…親水基、７０２…疎水基、８００…粒子、９００…電気絶縁油。
【図１】
2020167026.tif 000006
【図２】
2020167026.tif 000007
【図３】
2020167026.tif 000008
【図４】
2020167026.tif 000009
【図５】
2020167026.tif 000010