(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶ガラス・セラミックフレーク材料（１２）を含む電気機械用の導体棒（１）のための絶縁材料（３）であって、
前記多結晶ガラス・セラミックフレーク材料（１２）が、４０％〜８０％の結晶質成分を含み、
その熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫよりも高い、または、室温と２００℃との間の平均熱膨張率が１１×１０−６Ｋ−１よりも高い、
絶縁材料（３）。
【請求項２】
ガラス・セラミックフレーク（１２）が残部としての非晶質ガラスを含む、請求項１に記載の絶縁材料（３）。
【請求項３】
絶縁材料（３）が、結晶相のケイ酸リチウム亜鉛、メタケイ酸リチウム、二ケイ酸リチウム、石英、クリストバライト又は鱗珪石を含むガラス・セラミックフレーク（１２）を主成分として含む、請求項２に記載の絶縁材料（３）。
【請求項４】
制御された熱処理によってガラス・セラミックに変換し得る１種類のシリカガラス前駆体が、シリカ、酸化リチウム、酸化亜鉛及び五酸化リンを含む、請求項３に記載の絶縁材料（３）。
【請求項５】
制御された熱処理によってガラス・セラミックに変換し得る１種類のシリカガラス前駆体が、シリカ、酸化リチウム、酸化亜鉛、酸化カリウム及び五酸化リンを含む、請求項３に記載の絶縁材料（３）。
【請求項６】
絶縁材料（３）の無機成分が、約８０％、約４４％又は、約４０％の結晶質成分がガラスフレークの残部としての非晶質ガラスで囲まれたものからなるガラス・セラミックフレーク（１２）を含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の絶縁材料（３）。
【請求項７】
多結晶ガラス・セラミックフレーク（１２）を製造する方法であって、
前記多結晶ガラス・セラミックフレーク材料（１２）が、４０％〜８０％の結晶質成分を含み、
その熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫよりも高く、または、室温と２００℃との間の平均熱膨張率が１１×１０−６Ｋ−１よりも高く、
前記方法が、多結晶構造組成を得るための温度で複数の非結質フレークを熱処理する工程を含み、
前記複数の非結質フレークが、シリカ、酸化リチウム、酸化亜鉛及び五酸化リンから構成される第１のケイ酸塩ガラスと、シリカ、酸化リチウム、酸化亜鉛、酸化カリウム及び五酸化リンから構成される、第２のケイ酸塩ガラスを含む、
方法。
【請求項８】
絶縁材料（３）の製造方法であって、
ケイ酸塩ガラスフレークを熱処理してガラス・セラミックフレーク材料（１２）を得る工程であって、前記ケイ酸塩ガラスフレークが、第１のケイ酸塩ガラスと、第２のケイ酸塩ガラスを加熱して得られた非結質フレークを含む、前記工程を含み、
前記第１のケイ酸塩ガラスが、シリカ、酸化リチウム、酸化亜鉛及び五酸化リンから構成され、
前記第２のケイ酸塩ガラスが、シリカ、酸化リチウム、酸化亜鉛、酸化カリウム及び五酸化リンから構成される、製造方法。
【請求項９】
前記第１のケイ酸塩ガラスを空気中で１３００℃にて溶融させて第１のガラスフレークを製造する工程と、
前記第２のケイ酸塩ガラスを空気中で１４００℃にて溶融させて第２のガラスフレークを製造する工程と、
前記第１及び第２のガラスフレークを熱処理に付す工程と、
を含む、請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記ガラス・セラミックフレーク材料（１２）が、多結晶である、請求項８または９に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電気機械の導体棒のための絶縁材料、電気機械用の導体棒のための絶縁材料の製造方法、及び電気機械の導体棒のための絶縁材料としてのガラス・セラミックフレークの使用に関する。
【０００２】
ここでいう電気機械は特に回転電気機械であり、例えば、ガスタービンもしくは蒸気タービンに接続される同期発電機（タービン発電機）、又は水力タービンに接続される同期発電機（水力発電機）、又は非同期発電機、又は同期もしくは非同期電気モータその他の種類の電気機械等が挙げられる。
【背景技術】
【０００３】
電気機械ではステータ及びロータに関して一般に導電性の棒が用いられる。導電棒は、通常はステータ又はロータの本体を削って形成されるノッチ内に配設される。導体棒は、発電機の技術分野に用いられる場合は高電圧に対して絶縁される。なお、導体棒はリード線の穿孔構成部を有することがあり、その場合はレーベル（Ｒｏｅｂｅｌ）棒と呼ばれる。導体棒の絶縁層は、多くの場合、３成分で構成され、そのうち雲母（マイカ）を主成分とする。雲母は、軸方向（面直方向）の熱伝導率が約０．５Ｗ／ｍＫと比較的低く、そのため絶縁部全体内の熱伝達を制限する。雲母はまた面内方向における絶縁体の熱膨張率（ＣＴＥ）を左右するため、絶縁体のＣＴＥが約１０×１０-6Ｋ-1に抑えられる。この値は銅導体のＣＴＥよりかなり低い。そのため、熱伝導率及びＣＴＥがより高い代替的な電気絶縁材料が求められている。
【０００４】
欧州特許出願公開第２１０２９６８号には、複数の部分導体が内部に配設され、その外側が絶縁層によって包囲され、含浸を施したガラス／雲母の帯が部分導体に巻き付けられた、発電機のステータのための導体棒が記載されている。部分導体と絶縁層との間の機械的接着性を向上させるため、絶縁層と部分導体との間に少なくとも１層の中間層が設けられている。
【０００５】
本発明の目的は、電気機械分野において代替的な絶縁材料を提供することにある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２１０２９６８号
【発明の概要】
【０００７】
本開示の一態様は、多結晶ガラス・セラミック材料を主成分として含む電気機械用の絶縁材料を含む。
【０００８】
本開示の別の態様は、ガラス・セラミック材料を得るためにケイ酸塩ガラスを熱処理する工程を含む絶縁材料の製造方法を提供する。
【０００９】
本開示のその他の態様は、電気機械内の導体棒のための絶縁材料の使用である。
【００１０】
本発明のその他の例は、添付の特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１１】
その他の特性及び利点は、絶縁材料及びその使用の好ましい（ただし非限定的な）実施形態の説明を読むことで、より明確になるだろう。その非限定的な例を添付の図面並びに顕微鏡写真に示している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一例に係る絶縁材料を含む導体棒の断面の概略図である。
【図２】本発明の一例に係るガラス・セラミックフレークのミリメートルレベルの大きさの顕微鏡写真である。
【図３】本発明の一例に係るガラス・セラミックフレークの、図１と同様だが倍率を高めたミクロンレベルの大きさの顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照すると、図面は導体棒１の概略的断面及びガラス・セラミックフレーク１２を示している。
【００１４】
図１は、本発明の一例に係る絶縁材料３を含む導体棒１の概略的な断面を示している。内部には導電棒１１が配置される。導電棒１１は絶縁材料３からなる絶縁層（主壁絶縁体とも言う）で覆われている。一般的な最新の絶縁体は、本発明に従って使用される絶縁材料３とは異なる樹脂を含浸した雲母材料を含む。導電棒１１は、銅より線のうちの実際の半巻き部分で構成される。内部に導体棒１が組み立てられた発電機の動作時には、その部分において電圧が誘起され、電流が流れる。絶縁層３の外周に離型テープ５を設けてもよい。これは、樹脂の硬化後に絶縁材料３を損傷せずに導体棒１を取り出すのに役立つ。さらに、離型テープ５の周りに、上記３つの要素を本質的に封入する２つの型材１０もしくは収容具が設けられる。型材１０の目的は、絶縁された導電棒１１の平坦部について所定の寸法及び滑らかな表面を与えることである。型材１０は鋼製であり、長辺と短辺とを１本ずつ有するＬ字型を有し、短辺は長辺の端部で長辺と直交している。型材１０は、長円構成物の周りに閉じたループを形成するとともに、導体棒１の製造後に取り外されるように備わっている。当技術分野の専門家であれば、絶縁分野においてガラス・セラミックフレーク１２のさらに別の用途を考えることができるだろう。したがって、ガラス・セラミックフレーク１２並びに製造方法の対象は、本明細書に記載する電気機械の導体棒１には限定されない。
【００１５】
ここでは、雲母材料の代替物であるガラス・セラミックを２段階の材料製造プロセスに基づいて製造することについて例示的に説明する。最初は、薄いフレーク状の１以上の特殊な組成のケイ酸塩ガラスを製造するプロセスである。「特殊な組成」の語については後に詳しく示す。上記特定のガラス・セラミックを得るための開始物質もしくは前駆体物質として、２つ以上の組成のケイ酸塩ガラスが提供できる。ガラスフレークその他の材料のフレークの構造は、例えば、米国特許第５０１７２０７号に開示される方法によって得られる。ガラスフレークの大きさ及び形状は、以下の通り得られるガラス・セラミックフレーク１２の大きさ及び形状と同様でありうる。図２と図３に、顕微鏡スケールでのガラス・セラミックフレーク１２の写真を示す。図２にはミリメートルの縮尺目盛があり、図３からわかるように、ガラス・セラミックフレーク１２の長さは１ミリメートル未満から数ミリメートルの範囲にある。図２、そして特に図３からわかるように、ガラス・セラミックフレーク１２は長さに比べて厚さが薄い。図３には４０マイクロメートルの縮尺目盛があり、図２と同様の写真を、１つのガラス・セラミックフレーク１２の拡大側面図で示している。ガラス・セラミックフレーク１２の厚さは図３からわかるようにミクロンメートルのレベルである。ここではその厚さを「薄い」と称している。ガラス・セラミックを得るための前駆体としてのガラスフレークの組成物は、本発明の開示中に記載している。２つめのプロセスは、制御された熱処理によってフレーク状のケイ酸塩ガラス片を多結晶形態に変えることである。上記２つのプロセスの生成物は多結晶のガラス・セラミックフレーク１２である。一般に、ガラス・セラミックは有限体積の非晶質材料、すなわちガラスフレークからの残留ガラスを含む。この非晶質材料は晶子を包囲するため、非晶質マトリックスと理解することができる。参照文献として、ここでは「Ｔｈｅ  ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｓｏｍｅ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｚｉｎｃ  ｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓｅｓ  ａｎｄ  ｇｌａｓｓ  ｃｅｒａｍｉｃｓ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９８９年１１月、第２４巻、第１１号、３８９２〜３９０３ページ等）を挙げておく。ここに記載される非晶質材料は、得られるガラス・セラミック中の残留ガラスである。ガラス・セラミックに対する一般的な概念は「ＭＡＳ−ＮＭＲ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｚｉｎｃ  ｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓｅｓ  ａｎｄ  ｇｌａｓｓ−ｃｅｒａｍｉｃｓ  ｗｉｔｈ  ｖａｒｉｏｕｓ  ＺｎＯ  ｃｏｎｔｅｎｔ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、第１８１巻、第２号、２００８年２月、２６９〜２７５ページ）に記載されており、ここではそれを参照している。したがって、本例では、特殊な組成のガラスがガラスフレークとして最初に製造された後、それを制御可能な形で熱処理することによって多結晶のガラス・セラミックフレーク１２が製造される。ある特殊な組成のケイ酸塩ガラスの定義について以下に説明する。
【００１６】
最初のプロセスとして、以下では２種類のケイ酸塩ガラスについて例示的に説明する。第１の特殊な組成のケイ酸塩ガラスは、シリカ、酸化リチウム、酸化亜鉛及び五酸化リンから構成される。後者の一連の材料もガラス前駆体という。組成範囲の一例として、シリカ５０〜６５重量％、酸化リチウム８〜１６重量％、酸化亜鉛２２〜３２重量％及び五酸化リン１．５〜３．５重量％が挙げられる。組成範囲の別の例として、シリカ７３〜８５重量％、酸化リチウム８〜１５重量％、酸化亜鉛２〜７重量％、五酸化リン１〜３重量％、及び酸化カリウム１．５〜３．５重量％が挙げられる。このケイ酸塩ガラスを空気中で１３００℃にて溶融させた後、処理を施してガラスフレークを製造する。このフレーク状のケイ酸塩ガラス片に熱処理を施すと、ケイ酸リチウム亜鉛型のガラス・セラミックフレーク１２に変わる。第２のケイ酸塩ガラスは、シリカ、酸化リチウム、酸化亜鉛、酸化カリウム及び五酸化リンから構成される。このガラスを空気中で１４００℃にて溶融させた後、処理を施してガラスフレークを製造する。このガラスフレークを熱処理に付すと、二ケイ酸リチウム型のガラス・セラミックフレーク１２に変わる。
【００１７】
本明細書に記載するようにして製造されるガラス・セラミックフレーク１２の一例は、８０％の結晶質成分と２０％の残留ガラスとを含有し、別の例は４０％の結晶質成分と６０％の残留ガラスとを含有し、さらに別の例は４４％の結晶質成分と５６％の残留ガラスとを含む。ガラス・セラミックのいくつかの特性を測定したところ以下のとおりであった。本発明の一例であるあるガラス・セラミックの、室温と２００℃との間の平均熱膨張率は、１１．４×１０-6Ｋ-1と測定され、絶縁耐力は３０〜４２ｋＶ／ｍｍの範囲である。別のガラス・セラミックにおける室温と２００℃との間の平均熱膨張率は１６．５×１０-6Ｋ-1と測定される。熱伝導率は２．６Ｗ／ｍＫ、絶縁耐力は２０〜３２ｋＶ／ｍｍの範囲である。
【００１８】
本発明の一例において得られるガラス・セラミック材料で、導体棒１の絶縁材料３の主成分となるものは、主としてミクロンスケールの晶子から成り、かつある割合の残留非晶質ガラスを含む複雑なミクロ組織を有する。ガラス・セラミックフレーク１２は多結晶が支配的であるため、約３Ｗ／ｍＫの等方的な熱伝導率を有する。これは、軸方向における雲母の熱伝導率より６倍高い。この特性のため、ガラス・セラミックフレーク１２は絶縁材料、特に電気機械のステータのスロットに配設する導体棒１のための絶縁材料としての用途に対してきわめて好適である。
【００１９】
フレーク状のシリカガラス片を熱処理によってガラス・セラミックに変えると、得られるガラス・セラミックは種々の結晶相を含む。この結晶相は、ケイ酸リチウム亜鉛、メタケイ酸リチウム、二ケイ酸リチウム、石英、クリストバライト、及び鱗珪石（トリジマイト）と同定されている。
【００２０】
具体的には、レーベル棒（ここでは、雲母の代わりにガラス・セラミックフレーク１２を含む導体棒１の一般例として用いている）の絶縁材の熱伝達は高くなる。これは、このガラス・セラミックの熱伝導率が、雲母の熱伝導率の約６倍高いことによる。
【００２１】
さらに、ガラス・セラミックフレーク１２は雲母のように剥離しないため、熱伝達が向上する。剥離とは、雲母材料の内部で分子層が剥がれてフレーク状の雲母が劣化するプロセスをいう。
【００２２】
雲母の代わりにガラス・セラミックフレーク１２を用いると、絶縁材料３内部の熱機械的な残留応力は低下する。これは、その熱膨張がレーベル棒もしくは導体棒１の銅の熱膨張に近いことによる。したがって、その他の利点として、クラックや、絶縁材料３がレーベル棒もしくは導体棒１から剥離する現象等の機械的破損の可能性が低減することが挙げられる。
【００２３】
本開示は、電気機械における導体棒１のための絶縁材料３の主成分としての多結晶ガラス・セラミック材料の使用にも関する。この用途では、導体棒１（例えばレーベル棒）における絶縁材としてよく使用される雲母材料の代わりに、本明細書で開示される材料が用いられる。
【符号の説明】
【００２４】
１  導体棒
３  絶縁材料、絶縁層
５  離型テープ
１０  型材
１１  導電棒
１２  ガラス・セラミックフレーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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