(57)【要約】【課題】ステータ水冷システム内の複数の中空銅ストランドを不動態化するためのシステムを提供すること。【解決手段】本システムは、洗浄液を収容する第１の貯蔵タンクと、リンス液を収容する第２の貯蔵タンクと、不動態化溶液を収容する第３の貯蔵タンクと、複数の中空銅ストランドを用いて第１、第２及び第３の貯蔵タンクを閉ループで接続する複数の導管と、洗浄液、リンス液及び不動態化溶液を閉ループを通して圧送するためのアルカリポンプとを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ水冷システム内の複数の中空銅ストランドを不動態化するためのシステムであって、当該システムが
洗浄液を収容する第１の貯蔵タンクと、
リンス液を収容する第２の貯蔵タンクと、
不動態化溶液を収容する第３の貯蔵タンクと、
複数の中空銅ストランドを用いて第１、第２及び第３の貯蔵タンクを閉ループで接続する複数の導管と、
洗浄液、リンス液及び不動態化溶液を閉ループを通して圧送するためのアルカリポンプと
を備えるシステム。
【請求項２】
前記閉ループを通る洗浄液、リンス液、不動態化溶液の流れを制御するための流れ制御デバイスと、
洗浄液、リンス液及び不動態化溶液の温度を制御するための温度制御デバイスと
をさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記不動態化溶液が、亜塩素酸ナトリウム溶液、水酸化ナトリウム溶液、リン酸三ナトリウム溶液及び脱イオン水の１種以上を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記複数の導管がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記洗浄液が洗浄剤及び水を含み、洗浄液と水との比率が約１部：約３部である、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記複数の中空銅ストランドを通るように高温空気を送風するための高温空気ファンをさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記複数の中空銅ストランドからの放出物を受けるための排水タンクをさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
１以上の中空銅ストランドを不動態化するための方法であって、
洗浄液を用いて１以上の中空銅ストランドの内側表面を洗浄し、
洗浄後にリンス液を用いて内側表面をリンスし、
リンス後に不動態化溶液を用いて内側表面を不動態化する
ことを含む方法。
【請求項９】
前記洗浄液が洗浄剤及び水を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記洗浄剤と水との比率が約１部：約３部である、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記洗浄剤が約５０℃の温度である、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記リンス液が約５０℃〜７０℃の温度を有し、リンスステップが約３分間行われる、請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記不動態化溶液が、亜塩素酸ナトリウム溶液、水酸化ナトリウム溶液、リン酸三ナトリウム溶液及び脱イオン水の１種以上を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１４】
前記不動態化中の不動態化溶液の温度が約５０℃〜約７０℃の範囲内にある、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記不動態化が約２分〜約３０分の時間範囲である、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記不動態化が、約１立方フィート／秒（０．０２８ｍ3／秒）の流量で不動態化溶液を流すことを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１７】
１以上の中空銅ストランドを不動態化するためのシステムであって、当該システムが、
洗浄液を収容する第１の貯蔵タンクと、
リンス液を収容する第２の貯蔵タンクと、
不動態化溶液を収容する第３の貯蔵タンクと、
１以上の中空銅ストランドを用いて第１、第２及び第３の貯蔵タンクを閉ループで接続する複数の導管と、
洗浄液、リンス液及び不動態化溶液を閉ループを通して圧送するためのアルカリポンプと
を備えるシステム。
【請求項１８】
前記閉ループを通る洗浄液、リンス液、不動態化溶液の流れを制御するための流れ制御デバイスと、
洗浄液、リンス液及び不動態化溶液の温度を制御するための温度制御デバイスと
をさらに備える、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記不動態化溶液が、亜塩素酸ナトリウム溶液、水酸化ナトリウム溶液、リン酸三ナトリウム溶液及び脱イオン水の１種以上を含む、請求項１７記載のシステム。
【請求項２０】
前記洗浄液が洗浄剤及び水を含み、洗浄液と水との比率が約１部：約３部である、請求項１７記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して発電装置のためのステータ水冷システムに関し、より詳細には、ステータ水冷システム内の中空銅ストランドを障害物に対して不動態化することに関する。
【背景技術】
【０００２】
高メガワット電力の発電装置はそれらのステータ巻線のための液冷システムを有する可能性がある。このような液冷システムはステータ水冷システム（ＳＷＣＳ））としても知られる。ステータ冷却流体、例えば溶存酸素含有量が２ｐｐｍを超えている（重量基準の百万分率）ことが推奨される酸素添加水がＳＷＣＳを循環してステータ巻線を冷却する。冷却流体は、ステータ巻線を通って流れる高エネルギー電流によって発生する熱をステータ巻線から取り除く。ＳＷＣＳはステータ全体にわたる冷却通路の回路網を有し、冷却通路はステータ巻線の間に延在している。ステータ巻線のすべての部分に大流量の冷却流体が流れるようにするために、これらの冷却通路は障害物のない開放状態を維持するべきである。また、ＳＷＣＳはステータの外部にいくつかの構成要素を有し、これらには、パイプ、ポンプ、フィルタ、貯留タンク及びストレーナが含まれる。公知の通り、ＳＷＣＳは追加の構成要素も有することができる。
【０００３】
図１は、発電装置１０４を通るように冷却剤、例えば酸素添加水を循環させるステータ水冷システム（ＳＷＣＳ）１００を概略的に示しており、発電装置１０４は複数のステータ巻線（図示せず）を有し、各ステータ巻線は複数の銅ストランド１０２を有する。図２は、公知のステータ巻線１０１及び複数の銅ストランド１０２の一部切欠斜視図を示している。ステータ巻線１０１は、頂部ステータバー１０７及び底部ステータバー１０９を有し、両方のステータバー１０７、１０９は複数の銅ストランド１０２を有する。図３は、ステータ巻線内の複数の銅ストランド１０２の断面図を示している。図４は、公知の銅ストランド１０２の断面斜視図を示している。複数の銅ストランド１０２は中空であり、それにより冷却剤が複数の銅ストランド１０２を通過することが可能となる。したがって、各銅ストランド１０２は内側表面１０３及び外側表面１０５を有する。再び図１を参照すると、ＳＷＣＳ１００は、発電装置１０４の外部にあって回路網を通して冷却剤を運ぶパイプ１０６を有し、この回路網は、貯留タンク１０８と、１以上のポンプ１１０と、イオン交換樹脂層１１２と、整流器１１４と、１以上の熱交換器１１６と、流れ制御バルブ１１８と、１以上のフィルタ１２０と、ストレーナ１２２とを含む。ストレーナ１２２は、冷却剤中の沈澱可能な溶質及び粒子状不純物を捕捉することができるメッシュ（図示せず）を有することができる。ストレーナ１２２は通常はパイプ１０６内で発電装置１０４の上流側にあり（冷却剤の流れを基準とする）、ＳＷＣＳ１００の冷却温度（低温）部分にある。
【０００４】
冷却剤は、ＳＷＣＳ１００の回路網を通って継続的に循環する。冷却剤は、１以上のポンプ１１０によって貯留タンク１０８から吸引されて１以上の熱交換器１１６内へと流れ、そこで冷却される。熱交換器１１６からの冷却流体は、１以上のフィルタ１２０及びストレーナ１２２を通って複数の銅ストランド１０２内へと流れる。冷却剤が複数の銅ストランド１０２を流れる際に、冷却剤はステータ巻線及び複数の銅ストランド１０２から熱を除去する。熱は、冷却剤によって発電装置１０４から貯留タンク１０８へと運ばれる。
【０００５】
ステータ内の高度に帯電した通路を通って流れるときに冷却剤に蓄積された電荷はすべて、冷却剤が整流器１１４を通って循環する際に放電される。冷却剤はイオン交換層１１２内で脱イオン化され、冷却剤中で金属酸化物が形成される傾向を低減させる。冷却剤の流量は、流れ制御バルブ１１８によって制御される。流量は流量計（図示せず）によって監視してもよく、流量計は、流れ制御バルブ１１８を作動させる制御装置（図示せず）にフィードバック制御をもたらす。
【０００６】
複数の銅ストランド１０２には、ＳＷＣＳ１００の冷却剤から酸化第一銅及び酸化第二銅の形態の酸化銅が堆積する傾向がある。これらの酸化物は、銅ストランド１０２の内側表面上に堆積し、冷却剤の流れを減少させる。銅ストランド１０２内の酸化銅堆積物が増加すると、冷却剤流れに対する複数の銅ストランド１０２の抵抗も同様に増大する。複数の銅ストランド１０２内で堆積する酸化銅の堆積物は、最終的に冷却剤の流れを妨害し、ステータを通る冷却流体の流れを減少させ、ステータ巻線組立体を適切に冷却することを阻害する可能性がある。
【０００７】
酸化銅の中でも、粒子状の酸化第一銅（Ｃｕ2Ｏ）の層の形成が特に問題となる。酸化第一銅は赤色で、遊離しやすく、形態学的及び化学的に不安定であることから、微粒子形態で冷却剤流中へと消えてしまう。酸化第一銅の層は複数の銅ストランド１０２の内側表面１０３上、さらにはストレーナ１２２上に形成される。露出が不十分である、又は冷却剤流れ中の酸素含有量が不十分であると（例えば、２５ｐｐｂ〜２５０ｐｐｂ（重量基準百万分率））、酸化第一銅の層は、その形態学的不安定性を原因として最も急速な銅腐食率に結びつくことが判明しており、妨害堆積物の大部分を占める。しかし、酸化第二銅（ＣｕＯ）は形態学的及び化学的に安定している。酸化第二銅は冷却剤流れにより良好に抵抗するような堅固な層を形成する傾向があり、複数の銅ストランド１０２の内側表面１０３上に厚い妨害堆積物を形成するには長い時間を要する。冷却剤流れの中への堅固な酸化第二銅の層の流入は、それが起こった場合には、溶解性の酸化第二銅を形成し、酸化第一銅などの不溶性の粒子を形成することはない。これらの溶解性の酸化第二銅はストレーナ１２２上に堆積する傾向があり、このストレーナ１２２は、運転を中断させることなくおよそ年に一度交換することが可能である。
【０００８】
複数の銅ストランド１０２の内側表面１０３での遊離性の酸化第一銅の形成を防ぐことは経済的に困難であり、多大な労力を要することが分かっている。ＳＷＣＳ１００内の酸素を完全に排除する（例えば、２５ｐｐｂ〜２５０ｐｐｂ未満）には非常に厳密に制御を行う必要があり、また、常用される脱イオン水のような大量の産業用冷却剤を厳格に処理することも必要となる。水中の酸素含有量が高いと、複数の銅ストランド１０２の内側表面１０３がきれいになっても継続的に酸化が深くまで進行するため、別の問題が発生する。高い酸素含有量によって、１０年単位の耐用寿命を有するように設計された複数の銅ストランド１０２であっても、最終的には腐食する。比較的狭い仕様範囲内の酸素添加冷却水が提案され、使用されている。この冷却水では、遊離性の粒子状の酸化第一銅の層に対して堅固な酸化第二銅の層の形成される比率が高くなる傾向があることから、銅腐食の発生率が低下し、ストランド及びストレーナの目詰まりの発生も減少する。しかし、水の酸素含有量をこのレベルにするには、厳密な制御を行うことや、発電装置の運転中に常に監視及び調整を行うことが必要であり、これらを行う際には、他の重要な運転パラメータの保守も優先度に応じて行われる。このような１０年単位の耐用寿命を有するステータバーの複数の銅ストランド１０２の内側表面１０３上に赤色又は紫色の層の堆積が観察された場合、それは、運転中に水の酸素含有量の仕様から外れたことが原因であることが多い。
【０００９】
複数の銅ストランド１０２の内側表面１０３を不動態化することは、ステータの裸のバーを形成するために複数の銅ストランド１０２の内側表面１０３をレーベル転位（Ｒｏｅｂｅｌｌｉｎｇ）する前又は後に最も良好に実施し得る。しかし、ステータバー製造プロセスの特定の段階では、線引抜処理中に付着するグリース又は別の洗浄剤が複数の銅ストランド１０２の内側表面１０３上に存在する可能性があることが知られている。しかし、複数の銅ストランド１０２の内側表面１０３がきれいで新しい銅表面を有する場合でも、空気にほとんど曝露せずに望ましい堅固な不動態化層を形成するには一か月とは言わないまでも数週間はかかり、それでもこの場合、均質性や時間の制御、さらには中空ストランドの軸に沿う層の厚さは保証されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／００３１４３５（Ａ１）号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様は、ステータ水冷システム内の複数の中空銅ストランドを不動態化するためのシステムを提供し、本システムは、洗浄液を収容する第１の貯蔵タンクと、リンス液を収容する第２の貯蔵タンクと、不動態化溶液を収容する第３の貯蔵タンクと、複数の中空銅ストランドを用いて第１、第２及び第３の貯蔵タンクを閉ループで接続する複数の導管と、洗浄液、リンス液及び不動態化溶液を閉ループを通して圧送するためのアルカリポンプとを備える。
【００１２】
本発明の第２の態様は、１以上の中空銅ストランドを不動態化するための方法を提供し、本方法は、洗浄液を用いて１以上の中空銅ストランドの内側表面を洗浄し、洗浄後にリンス液を用いて内側表面をリンスし、洗浄後に不動態化溶液を用いて内側表面を不動態化することを含む。
【００１３】
本発明の第３の態様は、１以上の中空銅ストランドを不動態化するためのシステムを提供し、本システムは、洗浄液を収容する第１の貯蔵タンクと、リンス液を収容する第２の貯蔵タンクと、不動態化溶液を収容する第３の貯蔵タンクと、中空銅ストランドを用いて第１、第２及び第３の貯蔵タンクを閉ループで接続する複数の導管と、洗浄液、リンス液及び不動態化溶液を閉ループを通して圧送するためのアルカリポンプとを備える。
【００１４】
本発明の上記その他の態様、利点及び顕著な特徴が、複数の図面を通して同様の部品に対して同様の参照符号が割り当てられる添付図面と併せて本発明の実施形態を開示する以下の詳細な説明を読むことにより、明らかとなる。
【００１５】
添付図面と併せて以下の本発明のより詳細な説明を読むことにより、本発明の上記及び別の態様、特徴及び利点がより良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】公知のステータ水冷システム（ＳＷＣＳ）を示す概略図である。
【図２】公知のステータ巻線及び複数の銅ストランドを示す一部切欠斜視図である。
【図３】ステータ巻線内の複数の銅ストランドを示す断面図である。
【図４】公知の銅ストランドを示す断面斜視図である。
【図５】本発明による、ステータ水冷システム内の複数の中空銅ストランドを不動態化するためのシステムの一実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明による、ステータ巻線組立体のためのステータ水冷システムの複数の中空銅ストランドを不動態化するためのプロセスの一実施形態を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
これらの図面は必ずしも正確な縮尺ではない。これら図面は単に概略的に説明することを目的としており、本発明の特定のパラメータを描写することを意図されない。これらの図面は本発明の典型的な実施形態のみを描くことを意図され、したがって、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。これらの図面では、同様の参照符号が同様の要素を示す。
【００１８】
図５を参照すると、本発明の一実施形態の概略図を示す。図５に示す通り、ステータ水冷システム内の複数の中空銅ストランド２０２を不動態化するためのシステム２００は公知のＳＷＣＳ（図１の１００）に組み込んでもよいし、或いは複数の中空銅ストランド２０２を不動態化するための独立システムであってもよい。システム２００は、洗浄液を収容する第１の貯蔵タンク２０４と、リンス液を収容する第２の貯蔵タンク２０６と、不動態化溶液を収容する第３の貯蔵タンク２０８と、複数の中空銅ストランド２０２を用いて第１の貯蔵タンク２０４、第２の貯蔵タンク２０６及び第３の貯蔵タンク２０８を閉ループで接続する複数の導管２１０と、洗浄液、リンス液及び不動態化溶液を閉ループを通して圧送するためのアルカリポンプ２１２とを備える。システム２００が１以上の中空銅ストランド２０２の不動態化に使用できることは当業者には自明であろう。
【００１９】
システム２００は、閉ループを通る洗浄液、リンス液及び不動態化溶液の流れを制御するための１以上の流れ制御バルブ２１４をさらに有することができる。流れ制御バルブ２１４は多様な速度に調節することができ、流れを停止させることもできる。洗浄液、リンス液及び不動態化溶液の流れを制御するために流れ制御バルブ２１４が閉ループ内の任意の場所に配置できることは当業者には自明であろう。洗浄液、リンス液及び／又は不動態化溶液の温度を制御するために１以上の温度制御デバイス２１６を設けてもよい。２以上の温度制御デバイス２１６を設けてもよいことは当業者には自明であろう。例えば、第１の貯蔵タンク２０６、第２の貯蔵タンク２０８及び第３の貯蔵タンク２０９の各々が温度制御デバイス２１６を有することができる。洗浄液、リンス液又は不動態化溶液の中のデブリ及び粒子を濾過するために１以上のフィルタ２１８を設けてもよい。
【００２０】
不動態化溶液としては、例えば、亜塩素酸ナトリウム溶液、水酸化ナトリウム溶液、リン酸三ナトリウム溶液、脱イオン水及びこれらの組合せの１種以上が挙げられる。亜塩素酸ナトリウム溶液は、１Ｌの脱イオン水中に約３０ｇ／Ｌの濃度の亜塩素酸ナトリウムを含む。水酸化ナトリウム溶液は、１Ｌの脱イオン水中に約１０ｇ／Ｌの濃度の水酸化ナトリウムを含む。リン酸三ナトリウム溶液は、１Ｌの脱イオン水中に約５ｇ／Ｌの濃度のリン酸三ナトリウムを含む。複数の導管２１０は可撓性であっても又は剛性であってもよく、例えばホース及びパイプを含む。複数の導管２１０は、銅不動態化溶液との化学反応に耐性を有するようにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含むことができる。別の材料も同様に使用できる。
【００２１】
システム２００は、リンス後に液冷ステータ巻線クリップ（図示せず）を介して複数の中空銅ストランド２０２を通るように高温空気を送風するための高温空気ファン２２０と、洗浄、リンス又は不動態化後に複数の中空銅ストランド２０２を水抜きするための排水タンク２２２とをさらに有することができる。閉ループでの送風及び水抜きを制御するために、高温空気ファン制御バルブ２２４及び排水タンクバルブ２２６を設けてもよい。
【００２２】
図６を参照すると、１以上の中空銅ストランド（図５の２０２）を不動態化するための方法の一実施形態の流れ図を示す。図６に示す通り、Ｓ１で、１以上の中空銅ストランド（図５の２０２）の内側表面が洗浄液で洗浄してもよい。洗浄により、１以上の中空銅ストランド（図５の２０２）からオイル、グリース、埃及び別の汚染物質を除去することができる。洗浄溶液は洗浄剤及び水を含むことができる。洗浄剤と水との比率は約１部：約３部であってよい。洗浄液は約５０℃の温度であってよい。
【００２３】
Ｓ２で、洗浄後に、内側表面がリンス液でリンスしてもよい。リンスには水を用いたリンスが含まれる。リンス液は約１２０℃の温度であってよく、リンスは約３分間実施し得る。Ｓ３で、任意選択でリンス後、乾燥を行うために高温空気が１以上の中空銅ストランド（図５の２０２）を通るように送風してもよい。
【００２４】
Ｓ４で、リンス後（又は、任意選択で送風後）、不動態化溶液を用いて内側表面を不動態化することができる。不動態化溶液としては、亜塩素酸ナトリウム溶液、水酸化ナトリウム溶液、リン酸三ナトリウム溶液及び脱イオン水の１種以上が挙げられる。不動態化溶液の不動態化温度は約５０℃〜７０℃とし得る。不動態化処理の継続時間は約２分〜約３０分とし得る。不動態化処理の継続時間の終了後、不動態化溶液を１以上の中空銅ストランド（図５の２０２）から排水すればよい。不動態化には、約１立方フィート／秒（０．０２８ｍ3／秒）の流量で不動態化溶液を流すことある。別法として、１以上の中空銅ストランド（図５の２０２）を不動態化溶液で満たした後、不動態化処理には、不動態化処理の継続時間を通して不動態化溶液を１以上の中空銅ストランド（図５の２０２）内に滞留させるようにすればよい。
【００２５】
本明細書で提示される方法及びシステムが単一の中空銅ストランドの不動態化に使用できることは当業者には自明であろう。例えば、ＳＷＣＳ１００内の複数の中空銅ストランド（図５の２０２）の各々は、機器を新たに設置する際又は既存の機器を保守もしくは修理する際のいずれかの場合、或いは中空銅ストランド（図５の２０２）としての任意の別の使用のためにＳＷＣＳ１００内に設置される前に不動態化してもよい。
【００２６】
本明細書で使用される用語は単に特定の実施形態を説明することを目的としており、本開示を限定することは意図されない。本明細書で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈により別の意味として明確に示されない限り、複数形も含むことが意図される。本明細書で使用される「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」及び／又は「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」という用語は、言及する特徴、整数、ステップ、オペレーション、要素、及び／又は、構成要素が存在することを意味し、１以上の別の特徴、整数、ステップ、オペレーション、要素、構成要素、及び／又は、それらのグループが存在するか又は追加されることを排除しないことがさらに理解されるであろう。
【００２７】
本明細書では種々の実施形態を説明してきたが、これらの実施形態において、要素の種々の組み合わせ、変形形態又は改良形態が当業者によって作られ得、それらが本発明の範囲内にあることを本明細書から認識されたい。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正形態が作られ得る。したがって、本発明は、本発明を実行するために企図される最良の形態として開示される特定の実施形態のみに限定されないことが意図され、本発明は添付の特許請求の範囲の範囲内にあるすべての実施形態を包含する。
【符号の説明】
【００２８】
１００  ＳＷＣＳ
１０１  ステータ巻線
１０２  銅ストランド
１０３  内側表面
１０４  発電装置
１０５  外側表面
１０６  パイプ
１０７  頂部ステータバー
１０８  貯留タンク
１０９  底部ステータバー
１１０  ポンプ
１１２  脱イオン水装置ベッド
１１４  整流器
１１６  熱交換器
１１８  流れ制御バルブ
１２０  フィルタ
１２２  ストレーナ
２００  システム
２０２  中空銅ストランド
２０４  第１の貯蔵タンク
２０６  第２の貯蔵タンク
２０８  第３の貯蔵タンク
２１０  導管
２１２  アルカリポンプ
２１４  流れ制御バルブ
２１６  温度制御デバイス
２１８  フィルタ
２２０  高温空気ファン
２２２  排水タンク
２２４  高温空気制御バルブ
２２６  排水タンクバルブ
Ｓ１  １以上の中空銅ストランドの内側表面を洗浄する
Ｓ２  リンス液を用いて内側表面をリンスする
Ｓ３  高温空気を内側表面に送風する
Ｓ４  不動態化溶液を用いて内側表面を不動態化する
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
2014176292000001.pdf