(57)【要約】【課題】高温蒸気の使用を可能にして熱効率の向上を図るとともに、経済性及び信頼性に優れた蒸気機器を提供する。【解決手段】一方の面が高温蒸気３に暴露され、他方の面が高温蒸気３より温度の低い冷却蒸気４によって冷却される高温部材１と、冷却蒸気４の流路を介して高温部材１と対向するように配置され、高温部材１より耐熱性の低い材料からなる低温部材２とを具備した蒸気機器である。高温部材１の高温蒸気３に暴露される面に形成され赤外線に対する反射率が高温部材１より高い第１高反射率皮膜６、及び、低温部材２の高温部材１と対向する面に形成され赤外線に対する反射率が低温部材２より高い第２高反射率皮膜１０、の少なくともいずれか一方の高反射率皮膜を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面が高温蒸気に暴露され、他方の面が前記高温蒸気より温度の低い低温蒸気によって冷却される第１部材と、
前記低温蒸気の流路を介して前記第１部材と対向するように配置され、前記第１部材より耐熱性の低い材料からなる第２部材と
を具備した蒸気機器において、
前記第１部材の前記高温蒸気に暴露される面に形成され赤外線に対する反射率が前記第１部材より高い第１高反射率皮膜、
及び、前記第２部材の前記第１部材と対向する面に形成され赤外線に対する反射率が前記第２部材より高い第２高反射率皮膜、
の少なくともいずれか一方の高反射率皮膜を有することを特徴とする蒸気機器。
【請求項２】
一方の面が高温蒸気に暴露され、他方の面が前記高温蒸気より温度の低い低温蒸気によって冷却される第１部材と、
前記低温蒸気の流路を介して前記第１部材と対向するように配置され、前記第１部材より耐熱性の低い材料からなる第２部材と
を具備した蒸気機器において、
前記第１部材の前記低温蒸気によって冷却される面に形成され放射率が前記第１部材より低い低放射率皮膜を有することを特徴とする蒸気機器。
【請求項３】
一方の面が高温蒸気に暴露され、他方の面が前記高温蒸気より温度の低い低温蒸気によって冷却される第１部材と、
前記低温蒸気の流路を介して前記第１部材と対向するように配置され、前記第１部材より耐熱性の低い材料からなる第２部材と
を具備した蒸気機器において、
前記第１部材の前記高温蒸気に暴露される面に形成され赤外線に対する反射率が前記第１部材より高い第１高反射率皮膜、
及び、前記第２部材の前記第１部材と対向する面に形成され赤外線に対する反射率が前記第２部材より高い第２高反射率皮膜、
の少なくともいずれか一方の高反射率皮膜を有し、
かつ、前記第１部材の前記低温蒸気によって冷却される面に形成され放射率が前記第１部材より低い低放射率皮膜を有することを特徴とする蒸気機器。
【請求項４】
前記第１及び第２高反射率皮膜が、低屈折率材料層と、当該低屈折率材料層より屈折率の高い高屈折率材料層とを積層した構造を有することを特徴とする請求項１又は３記載の蒸気機器。
【請求項５】
前記低放射率皮膜が、低屈折率材料層と、当該低屈折率材料層より屈折率の高い高屈折率材料層とを積層した構造を有することを特徴とする請求項２又は３記載の蒸気機器。
【請求項６】
前記低屈折率材料層及び前記高屈折率材料層は、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、ガリウム酸化物（Ｇａ２Ｏ３）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、サマリウム酸化物（Ｓｍ２Ｏ３）、イットリウム酸化物（Ｙ２Ｏ３）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ２）、セリウム酸化物（Ｃｅ２Ｏ３）、クロム酸化物（Ｃｒ２Ｏ３）、ニオブ酸化物（Ｎｂ２Ｏ５）、タンタル酸化物（Ｔａ２Ｏ５）、タングステン酸化物（ＷＯ３）、チタン酸化物（ＴｉＯ２）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）から選ばれる少なくとも１種を含む誘電性酸化物からなり、かつ、前記低屈折率材料層の屈折率が前記高屈折率材料層の屈折率より低いことを特徴とする請求項４又は５記載の蒸気機器。
【請求項７】
前記第１及び第２高反射率皮膜が、酸化物の粒子の表面に屈折率の異なる少なくとも２種類の誘電性酸化物の層を積層させた複数の粒子を、無機あるいは有機物からなる物質によって結合させた構造を有することを特徴とする請求項１又は３記載の蒸気機器。
【請求項８】
前記低放射率皮膜が、酸化物の粒子の表面に屈折率の異なる少なくとも２種類の誘電性酸化物の層を積層させた複数の粒子を、無機あるいは有機物からなる物質によって結合させた構造を有することを特徴とする請求項２又は３記載の蒸気機器。
【請求項９】
前記第１高反射率皮膜、前記第２高反射率皮膜の少なくとも一方に、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以下の皮膜が積層されて形成されていることを特徴とする請求項１又は３記載の蒸気機器。
【請求項１０】
前記低放射率皮膜に、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以下の皮膜が積層されて形成されていることを特徴とする請求項２又は３記載の蒸気機器。
【請求項１１】
前記第１及び第２高反射率皮膜が、ケイ素酸化物を含有する酸化物をマトリックスとし、前記マトリックスとは異なった酸化物の粒子からなるフィラーを２０から８０体積％含有した気孔率３％以下の緻密層からなることを特徴とする請求項１又は３記載の蒸気機器。
【請求項１２】
前記低放射率皮膜が、ケイ素酸化物を含有する酸化物をマトリックスとし、前記マトリックスとは異なった酸化物の粒子からなるフィラーを２０から８０体積％含有した気孔率３％以下の緻密層からなることを特徴とする請求項２又は３記載の蒸気機器。
【請求項１３】
前記フィラーが、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）、チタン酸化物（ＴｉＯ２）から選ばれる少なくとも１種の酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の蒸気機器。
【請求項１４】
前記第１及び第２高反射率皮膜方が、ケイ素酸化物を含有する酸化物をマトリックスとし、金属の粒子からなるフィラーを１０から８０体積％含有した気孔率３％以下の緻密層からなることを特徴とする請求項１又は３記載の蒸気機器。
【請求項１５】
前記低放射率皮膜が、ケイ素酸化物を含有する酸化物をマトリックスとし、金属の粒子からなるフィラーを１０から８０体積％含有した気孔率３％以下の緻密層からなることを特徴とする請求項２又は３記載の蒸気機器。
【請求項１６】
前記フィラーが、アルミニウム、銀、白金、金から選ばれる少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の蒸気機器。
【請求項１７】
波長２．７ミクロンの赤外線に対する前記緻密層の放射率が０．３以下、もしくは反射率が０．７以上であることを特徴とする請求項１１乃至１６いずれか１項に記載の蒸気機器。
【請求項１８】
前記緻密層の下層に、当該緻密層より熱伝導率の低い断熱セラミックス層が形成されていることを特徴とする請求項１１乃至１７いずれか１項に記載の蒸気機器。
【請求項１９】
前記断熱セラミックス層の気孔率が、５％から５０％とされていることを特徴とする請求項１８に記載の蒸気機器。
【請求項２０】
前記断熱セラミックス層が、ジルコニウム酸化物、セリウム酸化物、ハフニウム酸化物、イットリウム酸化物、硼化物のいずれかからなることを特徴とする請求項１８又は１９に記載の蒸気機器。
【請求項２１】
前記第１部材が蒸気タービンの蒸気流入管の高温スリーブであり、前記第２部材が前記高温スリーブの周囲を囲む流入管ケーシングであることを特徴とする請求項１乃至２０いずれか１項記載の蒸気機器。
【請求項２２】
前記第１部材が蒸気タービンの流入蒸気をタービン部に導くノズルボックス部の構成部材であり、前記第２部材が前記ノズルボックス部の構成部材と対向するタービンロータであることを特徴とする請求項１乃至２０いずれか１項記載の蒸気機器。
【請求項２３】
前記第１部材が蒸気タービンのノズルダイヤフラムを固定する内部ケーシングであり、前記第２部材が前記内部ケーシングの外側にある外部ケーシングであることを特徴とする請求項１乃至２０いずれか１項記載の蒸気機器。
【請求項２４】
前記第１又は第高反射率皮膜が耐熱性のタイルの表面に形成され、前記耐熱性のタイルが前記第１又は第２部材に固定されていることを特徴とする請求項１又は３記載の蒸気機器。
【請求項２５】
前記低放射率皮膜が耐熱性タイルの表面に形成され、前記耐熱性タイルが前記第１部材に固定されていることを特徴とする請求項２又は３記載の蒸気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
内部に高温蒸気が流通される蒸気機器、例えば従来の火力発電設備における蒸気タービンでは、蒸気温度が６００℃未満であることから、その高温部（タービンロータ、動翼等）の主要部品に、経済性や製造性を考慮してフェライト系耐熱鋼が一般に利用されている。
【０００３】
また近年の環境保全を背景とした火力発電設備の高効率化を目的として、６００℃程度の高温蒸気を利用した蒸気タービンが運転されている。このような蒸気タービンでは、蒸気温度の高温化によってフェライト系耐熱鋼では高温強度が不足することから、ニッケルを主成分とする耐熱合金やオーステナイト系耐熱鋼が適用されているものもある。
【０００４】
現在では、さらに高温の６５０℃以上の高温蒸気を用いた蒸気タービンの検討もなされているが、経済性や製造性などの観点から、耐熱合金やオーステナイト系耐熱鋼の使用部を極力削減して、蒸気タービン発電設備を構成する技術が開示されている（例えば、特許文献１−３参照。）。
【０００５】
この蒸気タービン設備は、超高圧タービン部、高圧タービン部、中圧タービン部、低圧タービン（１）、低圧タービン（２）、および発電機が１軸に連結されており、超高圧タービンと高圧タービンは同一の外部ケーシングに組み込まれて独立しており、超高圧タービン部の特に高温部に耐熱合金やオーステナイト系耐熱鋼の使用を限定している。
【０００６】
しかしながら、７００℃を超えるような蒸気温度の高温化を実現するためには、基材金属の耐熱温度の上昇だけでは限界があり、冷却蒸気による高温部品の冷却技術が不可欠であり（例えば、非特許文献１参照。）、これに関する特許も開示されている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００７】
ところでガスタービンの分野では、高強度のＮｉ基超合金やＣｏ基超合金を用いた部材を高温の燃焼ガスから保護するため、表面に低熱伝導のセラミックス層を設け、高温部品の内面を冷却する遮熱コーティングの技術が用いられてきた。一般にこのセラミックス層の形成には溶射法が用いられるが、表面平滑化等の目的で、セラミックスの前駆体を利用したスラリー／ゲルコーティング法を用いる検討もなされている（例えば、特許文献５参照。）。しかし蒸気タービンの場合には、蒸気が赤外線輻射による熱放射性ガスであるため、輻射伝熱がより重要となることや、受熱する部材だけでなく、放熱する部材にも遮熱性能が求められるなど、技術的に異なる課題が存在している。また、主流である溶射法によるガスタービン用セラミックス遮熱コーティングでは、セラミックス層に気孔を含むことによって、低熱伝導化を実現しているが、蒸気タービンでは、この気孔部に熱伝導率の高い蒸気が侵入することによって、熱伝導率が上昇するという問題が懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２４７８０６号公報
【特許文献２】特開２０００−２８２８０８号公報
【特許文献３】特許第３０９５７４５号公報
【特許文献４】特開２００４−３５３６０３号公報
【特許文献５】特開２００１−２２６７５９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「機能材料」２００８年１月号, vol.28, p.6-18
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した７００℃を超えるような蒸気温度の蒸気タービンでは、ガスタービン構成部品の強度を保証する方法について様々な検討がなされている。従来の火力発電設備では、蒸気タービンに使用するタービンロータやノズル、動翼、ノズルボックス（蒸気室）、蒸気供給管等のタービン構成部品に改良された耐熱鋼が使用されているが、蒸気温度が７００℃を超えると、これらのタービン構成部品の強度を保証するのは困難である。
【００１１】
このため、蒸気タービンにおいて、経済性や信頼性に優れる従来の改良された耐熱鋼を低温部に用い、高温蒸気に暴露される部分に限定して耐熱性の高い材料を用い、両者の間に冷却蒸気を導入する技術が期待されている。しかし、例えば、タービン初段に対応する部材から従来材を適用するためにタービンロータやケーシングを冷却蒸気によって冷却するためには、主流の数％に及ぶ冷却蒸気量を必要とする。また、冷却蒸気が蒸気通路部内に流入することにより、翼列性能の低下に伴うタービン単体での内部効率の低下が問題となる。
【００１２】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、高温蒸気の使用を可能にして熱効率の向上を図るとともに、経済性及び信頼性に優れた蒸気機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る蒸気機器の一態様は、一方の面が高温蒸気に暴露され、他方の面が前記高温蒸気より温度の低い低温蒸気によって冷却される第１部材と、前記低温蒸気の流路を介して前記第１部材と対向するように配置され、前記第１部材より耐熱性の低い材料からなる第２部材とを具備した蒸気機器において、前記第１部材の前記高温蒸気に暴露される面に形成され赤外線に対する反射率が前記第１部材より高い第１高反射率皮膜、及び、前記第２部材の前記第１部材と対向する面に形成され赤外線に対する反射率が前記第２部材より高い第２高反射率皮膜、の少なくともいずれか一方の高反射率皮膜を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る蒸気機器の他の一態様は、一方の面が高温蒸気に暴露され、他方の面が前記高温蒸気より温度の低い低温蒸気によって冷却される第１部材と、前記低温蒸気の流路を介して前記第１部材と対向するように配置され、前記第１部材より耐熱性の低い材料からなる第２部材とを具備した蒸気機器において、前記第１部材の前記低温蒸気によって冷却される面に形成され放射率が前記第１部材より低い低放射率皮膜を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る蒸気機器の他の一態様は、一方の面が高温蒸気に暴露され、他方の面が前記高温蒸気より温度の低い低温蒸気によって冷却される第１部材と、前記低温蒸気の流路を介して前記第１部材と対向するように配置され、前記第１部材より耐熱性の低い材料からなる第２部材とを具備した蒸気機器において、前記第１部材の前記高温蒸気に暴露される面に形成され赤外線に対する反射率が前記第１部材より高い第１高反射率皮膜、及び、前記第２部材の前記第１部材と対向する面に形成され赤外線に対する反射率が前記第２部材より高い第２高反射率皮膜、の少なくともいずれか一方の高反射率皮膜を有し、かつ、前記第１部材の前記低温蒸気によって冷却される面に形成され放射率が前記第１部材より低い低放射率皮膜を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高温蒸気の使用を可能にして熱効率の向上を図るとともに、経済性及び信頼性に優れた蒸気機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態の要部断面構成を模式的に示す図。
【図２】温度による黒体放射エネルギースペクトルの変化を示す図。
【図３】屈折率の異なる誘電体薄膜の積層による皮膜の構成例を示す図。
【図４】誘電性酸化物による低屈折率材料と高屈折率材料との組合せ例を説明するための図。
【図５】皮膜を構成するための赤外線反射粒子の断面構造を示す図。
【図６】図５に示した赤外線反射粒子を用いた皮膜の断面構造を示す図。
【図７】他の実施形態の要部断面構成を模式的に示す図。
【図８】酸化物のフィラーを用いた場合のフィラー含有量と反射率の関係を示すグラフ。
【図９】金属のフィラーを用いた場合のフィラー含有量と反射率の関係を示すグラフ。
【図１０】変形例の要部断面構成を模式的に示す図。
【図１１】他の変形例の要部断面構成を模式的に示す図。
【図１２】フィラーの平均粒径と反射率との関係を示すグラフ。
【図１３】高温蒸気タービンの上半ケーシング部の断面構造を示す図。
【図１４】本発明を蒸気タービンの蒸気流入管部に適用した実施形態を示す図。
【図１５】本発明を蒸気タービンのノズルボックス部に適用した実施形態を示す図。
【図１６】本発明を蒸気タービンのヒートチャンバ部に適用した実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンの要部断面構成を模式的に示した図である。フェライト系耐熱鋼の耐熱温度５５０℃を超える（例えば６００℃〜７００℃程度）高温蒸気を使用した蒸気タービンにおける高温部材（耐熱性の高い部材）を低温蒸気によって冷却する場合、図１に示すように、高温蒸気３に曝される高温部材（耐熱性の高い部材）１と、蒸気タービンの強度を主として保証する低温部材（高温部材より耐熱性の低い部材）２とが、冷却蒸気４の流路を挟んで対向する構成となる。なお、図１において５は大気を示している。
【００２０】
このような部材における熱の流れとしては、高温蒸気３から高温部材１に熱が伝わった後、熱の一部は温度の低い蒸気下流側へ高温部材１内部を伝導すると同時に、残りは冷却蒸気４の温度上昇に消費される。冷却蒸気４の温度上昇は最終的に低温部材２の温度上昇を引き起こす。
【００２１】
本実施形態では、高温蒸気３に曝される高温部材１の表面に、高温部材１より赤外線に対する反射率が高い第１高反射率皮膜６を形成する。高温蒸気３から高温部材１への熱伝達は、対流伝熱とともに、放射伝熱によってなされる。したがって、第１高反射率皮膜６の形成によって、蒸気からの伝熱を抑制し、高温部材１の温度上昇を低減することが可能である。
【００２２】
また、遮熱効果を向上させるために、高温部材１の高温蒸気３に晒される面側に第１低熱伝導皮膜７を設けると、さらに効果的である。図１では、第１低熱伝導皮膜７は第１高反射率皮膜６と高温部材１との間に形成されているが、第１低熱伝導皮膜７の赤外線の透過率が高い場合には、第１高反射率皮膜６の外側に第１低熱伝導皮膜７を形成し、赤外線反射膜を水蒸気やエロージョン環境から保護する役割を第１低熱伝導皮膜７に持たせることも可能である。また熱伝導率にかかわらず、赤外線の透過率が高く、水蒸気やエロージョン環境から保護する役割を持った皮膜を最表面などに別途、追加して形成することも可能である。第１低熱伝導皮膜７の材料としては、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以下の材料を使用することが好ましい。この点は後述する他の低熱伝導皮膜についても同様である。
【００２３】
ところで、蒸気タービン部品を蒸気冷却する場合、高温部材１には耐熱温度の高い合金などを用いることから高温強度の面で裕度があるが、低温部材２には一般的なフェライト鋼の適用を考えていることから、低温部材２の温度上昇の方が、蒸気タービンの深刻な損傷劣化を引き起こす可能性が高い。このため高温部材１から冷却蒸気４への放熱量を低減し、冷却蒸気４の温度の上昇を抑え、低温部材２の温度上昇を低減することが、部品の損傷低減に有効である。
【００２４】
冷却蒸気４への放熱量を低減するためには、高温部材１の冷却蒸気流路側の表面に、高温部材１より放射率の低い低放射率皮膜９を設けることが効果的である。理論的に電磁波の放射率と反射率、吸収率は加え合わせると１になることから、吸収率が変化しなければ、低放射率は高反射率と同義であると考えてよい。したがって、第１高反射率皮膜６と低放射率皮膜９とに同じ材料を用いることも可能である。このようにすると、例えばスラリー中に高温部材１を浸漬し、高温部材１の高温蒸気３側と冷却蒸気４側の２つの表面に同時に皮膜を形成することが可能であり、製造工程を簡素化する上で好ましい。
【００２５】
また、冷却蒸気４の温度の上昇を抑制するという点では、高温部材１の冷却蒸気４側の表面に第２低熱伝導皮膜８を設けることも効果的である。しかし、この放熱側の第２低熱伝導皮膜８については、冷却蒸気量が多く、低温部材２の温度上昇が設計上の問題とならない場合には、むしろ積極的に伝熱促進を図り、高温部材１の温度を低減した方が効果的であることから、第２低熱伝導皮膜８を設けることなく、逆に放射率と熱伝導率が高い皮膜を設けることが望ましいケースや部位もある。
【００２６】
さらに、冷却蒸気４からの入熱を抑制するために、低温部材２の高温部材１と対向する側の面に、低温部材２より赤外線に対する反射率が高い第２高反射率皮膜１０を形成する。また、低温部材２の高温部材１と対向する側の面に、第３低熱伝導皮膜１１を形成すると、さらに遮熱効果を改善することができる。
【００２７】
上記構成の実施形態において、上記した第１高反射率皮膜６、第２高反射率皮膜１０、低放射率皮膜９は、少なくともいずれか１つを設ければよく、これらのうちのいずれか２つを設けても、全てを設けてもよい。また、第１低熱伝導皮膜７、第２低熱伝導皮膜８、第３低熱伝導皮膜１１は、必ずしも設ける必要はなく、いずれか１つ、いずれか２つ、又は、全てを設けてもよい。
【００２８】
また、図１に示された第１高反射率皮膜６、第２高反射率皮膜１０、低放射率皮膜９及び第１低熱伝導皮膜７、第２低熱伝導皮膜８、第３低熱伝導皮膜１１の形成プロセスとしては、とくに限定は無いが、例えば、溶射法、物理蒸着法、化学蒸着法、スラリー法などを用いて形成することができる。
【００２９】
図２に黒体放射を仮定した場合の温度による放射スペクトルの変化を示す。なお、図２において、１２は７００℃のスペクトル、１３は６００℃のスペクトル、１４は５００℃のスペクトルである。このように５００℃〜７００℃程度の温度範囲では、波長２．５ミクロンから４ミクロン（２５００ｎｍ〜４０００ｎｍ）程度にエネルギー密度のピークがあり、これらの波長域の赤外線に対する反射率が高い皮膜が特に第１高反射率皮膜６、第２高反射率皮膜１０としての性能に優れると推測される。
【００３０】
したがって、第１高反射率皮膜６、第２高反射率皮膜１０としては２．５ミクロンから４ミクロン（２５００ｎｍ〜４０００ｎｍ）の波長の電磁波に対する反射率が高いものほど好ましいが、現実的には反射率が６０％以上であれば、皮膜を形成しない場合に比べ、十分な効果を得ることができる。また、高温部材１の放熱面側に施工する低放射率皮膜９の放射率も低いほど好ましいが、実用上は４０％以下であれば、低放射率皮膜９を形成しない場合に比べ、十分な効果を得ることができる。
【００３１】
皮膜の赤外線反射率を向上させるため、あるいは放射率を低下させるためには、屈折率の異なる誘電性物質を積層し、界面での反射光の干渉を利用して、反射率を高める方法を用いることができる。このような多層構造の皮膜を用いた実施形態の例を図３に示す。図３に示された多層構造の皮膜の構成例は、高温部材１の表面にｎ層の高屈折率層（１）１５〜高屈折率層（ｎ）１７と、ｎ層の低屈折率層（１）１６〜低屈折率層（ｎ）１８とが交互に積層された構成の第１高反射率皮膜６である。
【００３２】
上記高屈折率層（１）１５〜高屈折率層（ｎ）１７、低屈折率層（１）１６〜低屈折率層（ｎ）１８の材料としては、高温での安定性に優れる観点から、酸化物系の誘電材料が好適である。候補材料を屈折率の順にまとめたものを図４に示す。屈折率２前後を境に材料選定を行うのが実用的であり、この境界に近いＨｆＯ２やＮｉＯ、ＺｒＯ２などは、相手の材料によって、高屈折率層及び低屈折率層のいずれの材料としても選択することが可能である。
【００３３】
高温水蒸気環境下での長期の安定性を考慮すると、耐環境性に優れる保護皮膜として実績のあるＡｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ２＋ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｃｅ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２等から選ぶことが好ましい。なお、反射膜の形成方法としては、ミクロンオーダーでの膜厚制御が必要であることから、物理蒸着法の１種であるスパッタ法や電子ビームによる物理蒸着法が好適である。なお、各層の膜厚は、光路長が設計波長の１／４となる場合、反射が強まることから０．０１〜１０ミクロン程度の膜厚とすることが好ましい。
【００３４】
図５は、他の構造の高反射率皮膜を構成する、例えば球状の赤外線反射粒子２５を説明するための図である。図５において１９は、酸化物粒子であり、この酸化物粒子１９の表面に前述したような屈折率の異なる誘電性酸化物からなる高屈折率層（１）２１、高屈折率層（２）２３、及び、低屈折率層（１）２２、低屈折率層（２）２４が形成されている。また、酸化物粒子１９の内部には、真空領域２０が形成されている。尚、赤外線粒子２５の形状は球状に限られることはない。このように、酸化物粒子１９の内部に真空領域２０を形成した中空粒子を使用すると、熱伝導率も低減できることから、さらに好ましい。なお酸化物粒子１９の材料としてはＺｒＯ２やＨｆＯ２、ＣｅＯ２のような低熱伝導の材料が優れるが、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などを用いることも可能である。
【００３５】
図５に示した赤外線反射粒子２５を用いた他の構造の高反射率皮膜構造の例を図６に示す。この皮膜は、赤外線反射粒子２５の隙間を結合材２６が埋めるような構造となっている。なお結合材２６としては無機物、有機物のいずれを用いてもよいが、コロイダルシリカや珪酸リチウム、珪酸ナトリウム、リン酸アルミニウム、もしくはセメントなどの無機バインダーを用いる方が耐熱性や耐環境性の観点から好ましい。
【００３６】
図７は、他の構造の高反射率皮膜を用いた実施形態の構成を模式的に示した図である。この実施形態では、ケイ素酸化物を含有する酸化物をマトリックス１３１とし、マトリックス１３１とは異なった酸化物の粒子又は金属の粒子からなるフィラー１３２を含有した気孔率３％以下の緻密層１３０からなる。フィラー１３２が酸化物の粒子からなる場合フィラー１３２の含有量は２０から８０体積％とする。また、フィラー１３２が金属の粒子からなる場合、フィラー１３２の含有量は１０から８０体積％とする。この理由については後述する。
【００３７】
マトリックス１３１としては、ガラス質相を形成するＳｉＯ２（シリカ）を主成分としたセラミックスを用いている。このようなガラス質相を形成するセラミックス用いる理由は欠陥の少ない緻密層１３０を形成できるためである。なお、マトリックス１３１としては、純粋なシリカだけでなく、アルミナとシリカから生成されるムライトのようなアルミノケイ酸塩化合物などを用いることも可能である。
【００３８】
フィラー１３２としては、蒸気の放射する波長の赤外線を反射する材料であれば金属、マトリックス１３１とは異なった酸化物（セラミックス）の各種の材料を利用することが可能であるが、その選定にあたっては緻密層１３０が晒される温度を考慮することが重要である。すなわち、６００℃を下回るような比較的温度の低い部位に用いる場合には、金属光沢を有し、反射率が高いアルミニウム、銀、白金、金などの金属フィラーを用いることが好ましいが、高温になると酸化することによって反射率が著しく低下する可能性がある。このため、６００℃を上回る高温となる部位に用いる場合には、白色系の顔料として広く利用されているチタン酸化物や、アルミニウム酸化物、ジルコニウム酸化物等を主成分とするものを用いると遮熱効果を長時間維持することができる。また、ケイ酸塩化合物を主成分とするフィラーも用いることができる。
【００３９】
この緻密層１３０を形成する方法としては、スラリー／ゲルを用いる方法が好適である。すなわち、シリカマトリックスを形成する酸化物前駆体と、フィラーの原料とを混合したスラリー／ゲル状の材料を、スプレーによって基材上に塗布したり、基材を浸漬することによって水分や有機分を含む皮膜を形成し、その後、乾燥・焼成過程によって水分や有機分を揮発させ、セラミックスの前駆体からシリカを主成分とするマトリックスを形成する。この方法によれば、蒸気タービンの高温部品のような複雑な形状を有する部品であっても、比較的容易に緻密層１３０を形成することが可能である。室温でスラリー／ゲル状の形態を有し、高温焼成することによって、ＳｉＯ２などのケイ素を含む化合物を形成する材料としては、様々な末端停止官能基を有するシロキサン結合を含む化合物や、各種のシリコンエマルジョン材料などを用いることができる。
【００４０】
ＴｉＯ２をフィラー１３２として用い、その含有量を０体積％から９０体積％まで変化させた場合の赤外線反射率（波長２．７ミクロン）の変化を、縦軸を赤外線反射率、横軸をフィラー含有量（体積％）とした図８のグラフに示す。赤外線の反射率は、フィラー１３２の含有量が２０体積％前後から急速に増加し、さらなるフィラー１３２の増加とともにわずかに増加する傾向にある。このため、ＴｉＯ２等の酸化物（セラミックス）をフィラー１３２として用いた場合、その含有量２０体積％以上とする必要がある。
【００４１】
一方、金属をフィラー１３２として用い、その含有量を０体積％から９０体積％まで変化させた場合の赤外線反射率（波長２．７ミクロン）の変化を、縦軸を赤外線反射率、横軸をフィラー含有量（体積％）とした図９のグラフに示す。赤外線の反射率は、フィラー１３２の含有量が１０体積％以上になると反射率が７０％を超える。このため、金属をフィラー１３２として用いた場合、フィラー１３２の含有量は１０体積％以上とすればよい。なお、一般に、透過率が０であれば反射率と放射率
との関係は次式のようになる。
反射率＝１−放射率
表面にコーティングを施さない金属基材の反射率は、酸化が生じていない場合には０．７程度、放射率で０．３程度である。したがって、緻密層１３０の反射率は、０．７より高くすることが好ましい。ただし、通常金属基材は酸化することによって反射率が著しく低下することから、初期の反射率や放射率が金属基材と同程度であっても、高温水蒸気中での酸化が抑制されれば、十分な放射伝熱の抑制効果を期待することができる。
【００４２】
また、緻密層１３０の密着性を評価することを目的として、ＪＩＳ  Ｋ５６００に準じた、粘着性テープの貼り付けと引き剥がしによる試験を実施した。その結果、金属フィラーであっても、酸化物フィラーであっても、その含有量が８０体積％を超えるものは、粘着テープの引き剥がし後に、テープ側に緻密層１３０が残っており、密着性が低いことがわかった。この結果は、マトリックスとなるシリカを主成分とする酸化物の量が極端に少なくなると、緻密層１３０の強度が低下することが原因であると考えられる。したがって、フィラー含有量は８０体積％以下とする必要がある。
【００４３】
以上のことから、酸化物（セラミックス）をフィラー１３２として用いた場合、フィラー含有量２０〜８０体積％とし、金属をフィラー１３２として用いた場合、フィラー含有量１０〜８０体積％とすることによって、必要な反射率を確保することができ、かつ、膜の必要な密着性及び強度を確保することができる。なお、図２に示すように、緻密層１３０で反射させる蒸気の吸収スペクトルは幅広い波長範囲を持っているが、とくに２．７ミクロン（２７００ｎｍ）程度に高い吸収のピークがあることから、この波長を中心として高い反射率を有する緻密層１３０を用いれば、蒸気に対して高い反射率を有する皮膜とすることができる。上記構成の緻密層１３０は、蒸気からの放射による伝熱の抑制、もしくは部材から冷却蒸気への放射を抑制すると同時に、後述する下部の多孔質セラミックス層１４０への蒸気の侵入を妨げる役割を有する。
【００４４】
上記の緻密層１３０の下層に設けられた第１〜３低熱伝導皮膜として、本実施形態では、気孔率が５〜５０％の多孔質セラミックス層１４０を用いている。この多孔質セラミックス層１４０の厚さが厚い方が熱抵抗が大きくなり、また、基材（高温部材１）と緻密層１３０との間の熱膨張係数差によって発生する熱応力を緩和する効果も高くなることから、多孔質セラミックス層１４０の厚さは１００ミクロン以上とすることが好ましい。
【００４５】
また、多孔質セラミックス層１４０の気孔率は、大きくすると熱伝導率の低減と、基材（高温部材１）との熱膨張係数の差による熱応力の緩和に有効であり、５％以上にすることが好ましく、１０％以上にすることがさらに望ましい。しかし、あまりに気孔率が高いと気孔の間を連結するように亀裂が伝播し、強度が低下するため、５０％以下に抑制することが好ましく、２５％以下に抑制することがさらに好ましい。この多孔質セラミックス層１４０は、例えば大気プラズマ溶射法によって形成することができる。この方法では、溶射ガンを用い、大気中で高速のアークプラズマ流の内部にセラミックス粉末を投入して溶融し、この液滴を高速で基材表面に衝突させ、基材上で凝固させて皮膜を形成する。通常は溶射ガンを走査して層を重ねることによって、大面積の基材上に数１００ミクロンから数ミリのセラミックスの厚膜を形成させる。投入する粉末として、中空の粉末を利用することや、プラズマの出力や溶射ガンと基材との距離を制御することによって、皮膜内部の気孔率を制御することが可能である。
【００４６】
また、多孔質セラミックス層１４０の材料としては、低熱伝導率と高温安定性を備える材料であればとくに制限は無いが、これまでの実績や熱膨張係数がセラミックスの中では大きいなどの点からイットリアによって相安定化されたジルコニアを用いることが望ましい。ただし、安定化剤となるイットリアの量が少なかったり、イットリアが偏析した材料を用いると、水蒸気によって腐食を生じることが知られていることから、イットリアの含有量としては少なくとも５質量％以上、好ましくは８質量％以上のジルコニアを用いることが望ましい。また、ハフニアやセリアなどのジルコニアと同じ蛍石型の結晶構造を有する酸化物を用いることもできるが、この場合にも、水蒸気中でも不安定な相が形成されることがないよう、イットリアや希土類酸化物などの安定化剤の添加量を制御する必要がある。また、イットリウムやランタンなどの希土類酸化物も用いることができる。
【００４７】
図１０は、上記実施形態の変形例の構成を示すものであり、この変形例では、緻密層１３０と多孔質セラミックス層１４０との間に、セラミックス接合層１５０が設けられている。セラミックス接合層１５０としては、接合強度が高く多孔質セラミックス層１４０と緻密層１３０との中間的な熱膨張係数をもつ材料を用いることが好ましい。また、フィラー１３２を含まないマトリクス１３１からなる層を用いてもよい。このような構成とすれば、各層の密着性を向上させることができる。
【００４８】
図１１は、他の変形例の構成を示すものであり、この変形例では、図１１中左側に示すように、フィラー１３２の含有量（体積％）が緻密層１３０の厚さ方向に傾斜を有しており、表面側でフィラー１３２の含有量が多く、多孔質セラミックス層１４０側で少なくなっている。このような構造の緻密層１３０とすれば、多孔質セラミックス層１４０との密着性が高く、かつ、赤外線反射にも優れた皮膜とすることができる。
【００４９】
図１２は、縦軸を反射率、横軸をフィラー平均粒径として、Ｓｉ系のマトリクスにＴｉＯ２フィラー１３２を体積率５０％で分散させた厚さ１０ミクロンの膜における反射率と平均粒径との関係を示すグラフである。フィラー１３２の平均粒径が赤外線の波長の１／４より小さいと、赤外線の透過が大きく膜の反射率が低下する。したがって、フィラー１３２の平均粒径は、赤外線の波長の１／４以上とすることが好ましい。また、フィラー１３２の平均粒径が膜厚の１／２より大きくなると、確率的に赤外線がフィラー１３２に当たらずに膜をすり抜ける量が多くなるため、フィラー１３２の平均粒径は、膜厚の１／２以下とすることが好ましい。
【００５０】
なお、上記構成の緻密層１３０は、高反射率の皮膜又は低放射率の皮膜として、図１に示した構造の蒸気機器以外のあらゆる構成の蒸気機器にも使用することができる。この場合、緻密層１３０を形成する基材としては、例えば、フェライト系鉄鋼材料、オーステナイト系鉄鋼材料、もしくはニッケルを主成分とする合金等、あらゆる基材に対して用いることができる。また、緻密層１３０と基材との間には、断熱性を高めるため低熱伝導率の多孔質セラミックス層１４０を設けることが好ましい。
【００５１】
図１３に発明の適用対象である高温蒸気タービンの上半ケーシング部における断面構造の一例を示す。図１３に示すように、蒸気タービンは内部ケーシング３５とその外側の外部ケーシング３６とから構成される二重構造のケーシングを備え、これらケーシングの間にはヒートチャンバ３８が形成され、内部を冷却蒸気が流れている。内部ケーシング３５の中央部にタービンロータ２８が貫設されている。そして、内部ケーシング３５の内面にはノズルダイヤフラム外輪３３が固定され、複数段落からなるノズル３１が配設されている。また、タービンロータ２８側には、各ノズルに対応するようにホイール部２７を介して動翼３２が植え込まれている。なお、初段ノズル３１ａについては、蒸気流入管２９からタービン部への高温蒸気の流入経路となるノズルボックス３０に固定された構造となっている。
【００５２】
温度が７００℃程度から約５５０℃までの高温蒸気に曝される蒸気流入管２９、ノズルボックス３０、ノズル３１ａ、３１、動翼３２ａ、３２、ノズルダイヤフラム外輪３３、ノズルダイヤフラム内輪３４などは高温強度特性（例えば１０万時間クリープ破断強度）が高く、かつ耐水蒸気腐食性に優れる耐食性耐熱合金が適用される。このような合金としては、例えばインコネル社製のＩｎｃｏ６２５や、Ｉｎｃｏ６１７、Ｉｎｃｏ７１３（いずれも商品名）などのＮｉ基合金の適用が検討されている。なお、図７において３７は、冷却蒸気流路である。
【００５３】
図１４は、上記高温蒸気タービンの上半ケーシング部の蒸気流入管２９の部分を拡大して示すものである。蒸気流入管２９を内側の高温スリーブ３９と、外側の流入管ケーシング４０若しくは内部ケーシング３５との２重構造とし、両者の隙間を冷却蒸気４が流れるような構造となっている。このような構成にすることによって、蒸気流入管２９から外部にあるケーシングなどの耐熱温度の低い材料を用いた部材への放射や熱伝達による熱伝導を効果的に抑制したり、高温蒸気３から蒸気流入管２９への熱の侵入を抑制することが可能となり、蒸気流入管２９の信頼性の向上や長寿命化が実現される。
【００５４】
上記高温スリーブ３９の内面には、図１に示した第１高反射率皮膜６に相当する受熱面側皮膜４２ａが形成されている。この受熱面側皮膜４２ａは、前述したとおり、少なくとも赤外線反射機能を有する皮膜であり、赤外線反射機能とともに遮熱機能を有する皮膜であってもよい。また、受熱面側皮膜４２ａとして、図１に示した第１高反射率皮膜６と第１低熱伝導皮膜７とを積層させた構造の皮膜を用いてもよい。このように受熱面側皮膜４２ａを形成すると、高温スリーブ３９の温度を低減することができ、損傷劣化を軽減することが可能である。
【００５５】
また、高温スリーブ３９の外面には、図１に示した低放射率皮膜９に相当する放熱面側皮膜４３が形成されている。この放熱面側皮膜４３は、少なくとも低放射率の皮膜であればよく、低放射率であるとともに遮熱機能を有する皮膜であってもよい。また、放熱面側皮膜４３として図１に示した低放射率皮膜９と第２低熱伝導皮膜８とを積層させた構造の皮膜を用いてもよい。さらに、流入管ケーシング４０の内面には、図１に示した第２高反射率皮膜１０に相当する受熱面皮膜４２ｂが形成されている。この受熱面皮膜４２ｂは、少なくとも赤外線反射機能を有する皮膜であり、赤外線反射機能とともに遮熱機能を有する皮膜であってもよい。また、受熱面側皮膜４２ｂとして、図１に示した第２高反射率皮膜１０と第３低熱伝導皮膜１１とを積層させた構造の皮膜を用いてもよい。
【００５６】
上記のように、放熱面側皮膜４３及び受熱面側皮膜４２ｂを形成すると、耐熱強度の低い流入管ケーシング４０の温度上昇を妨げ、劣化損傷を軽減することが可能になる。ただし、放熱面皮膜４３については使用環境によって全く異なる特性の皮膜が要求される場合もある。すなわち、冷却蒸気４の流量が十分多いときには、放熱面皮膜４３は設けない、又は、熱伝導率、放射率の高い皮膜を形成することによって、高温スリーブ３９の温度を低減することも考えられる。また、上記の各皮膜の施工部位については、装置の仕様によって決定することができる。
【００５７】
なお、上記した各皮膜を部材表面に直接形成することが困難な場合や、部材に直接皮膜を形成すると剥離が生じる場合には、耐熱材料からなる板状のブロック、例えば耐熱性タイルを作製してその表面に皮膜を形成し、この耐熱性タイルを部材表面に固定した構造とすることも可能である。この点は、以下に説明する各実施形態でも同じである。
【００５８】
図１５は、図１３に示した高温蒸気タービンの上半ケーシング部に設けられ、高温蒸気３をタービン部に導くノズルボックス３０の部分を拡大して示すものである。図１５に示すように、ノズルボックス３０の外周面が冷却蒸気４によって冷却される構造を有し、ノズルボックス３０の内面に、受熱面側皮膜４２ａが形成され、ノズルボックス３０の外面、とくにロータに対向する表面に放熱面側皮膜４３が形成されている。さらに、ノズルボックスに対向するタービンロータ２８の表面に受熱面側皮膜４２ｂが形成されている。なお、上記の受熱面側皮膜４２ａ、受熱面側皮膜４２ｂ、放熱面側皮膜４３の構成は、前述した図１４に示した実施形態の場合と同様である。このような構造とすることにより、高温のノズルボックス３０から外側にあるケーシング部などへの熱の伝導を効果的に抑制したり、高温蒸気３からのノズルボックス３０への熱の侵入を効果的に抑制し、熱応力を低減することによって、ノズルボックス３０の信頼性や寿命を改善することが可能となる。なお、放熱面側皮膜４３の要求特性が冷却蒸気流量等によって変化することは、前述した蒸気流入管２９の場合と同様である。また、蒸気タービンの仕様によっては、ノズルボックスを用いずに、内部ケーシングを高温蒸気の流入経路とすることがあるが、このような場合には、内部ケーシングに皮膜を形成しても、ノズルボックスを有する場合と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
図１６は、図１３に示した高温蒸気タービンの上半ケーシング部のヒートチャンバ３８の部分を拡大して示すものである。図１６に示すように、２重のケーシング構造の蒸気タービンでは、内部ケーシング３５と外部ケーシング３６の間にヒートチャンバ３８を有している。この内部ケーシング３５の外表面に放熱面皮膜４３が形成され、内部ケーシング３５の外側に設けられ内部ケーシング３５と対向する外部ケーシング３６の内側の面に受熱面側皮膜４２ｂが形成されている。なお、上記の受熱面側皮膜４２ｂ、放熱面側皮膜４３の構成は、前述した図１４に示した実施形態の場合と同様である。このような構造とすることにより、内部ケーシング３５から外部ケーシング３６への熱侵入を抑制することが可能であり、ヒートチャンバ３８内の温度上昇を抑制し、外部ケーシング３６の損傷劣化を抑制して、蒸気タービンの信頼性向上に有効である。なお、放熱面側皮膜４３の要求特性が冷却蒸気流量等によって変化することは、前述した蒸気流入管２９の場合と同様である。
【符号の説明】
【００６０】
１……高温部材、２……低温部材、３……高温蒸気、４……冷却蒸気、５……外気、６……第１高反射率皮膜、７……第１低熱伝導皮膜、８……第２低熱伝導皮膜、９……低放射率皮膜、１０……第２高反射率皮膜、１１……第３低熱伝導皮膜。
【図１】
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【図２】
2010151120.tif 000004
【図３】
2010151120.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010151120.tif 000011
【図１０】
2010151120.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2010151120.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2010151120.tif 000017
【図１６】
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