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  • 特許-電気機器 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-07
(45)【発行日】2022-11-15
(54)【発明の名称】電気機器
(51)【国際特許分類】
   H01F 27/12 20060101AFI20221108BHJP
   H01B 3/20 20060101ALN20221108BHJP
【FI】
H01F27/12 Z
H01B3/20 N
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2019114372
(22)【出願日】2019-06-20
(65)【公開番号】P2021002547
(43)【公開日】2021-01-07
【審査請求日】2021-11-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】師岡 寿至
(72)【発明者】
【氏名】山岸 明
(72)【発明者】
【氏名】大原 伸也
(72)【発明者】
【氏名】村木 孝仁
【審査官】古河 雅輝
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2018/70091(WO,A1)
【文献】特表2008-540701(JP,A)
【文献】国際公開第2016/167176(WO,A1)
【文献】中国特許出願公開第107779248(CN,A)
【文献】中国特許出願公開第106433889(CN,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01B 3/16- 3/56
H01F 27/00-27/22
H01F 27/24-27/28
H01F 27/29-27/32
H01F 30/00-38/12
H01F 38/16
H01F 41/12
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
植物油と、下記式1で表されるホウ素化合物と、を含む絶縁油を有することを特徴とする電気機器。
【化1】
式1中、Z、Zは、互いに独立に、アルキル基(R)またはアルコキシ基(OR)であり、前記Rは、アルキル基、シクロアルキル基、アラルキル基またはアリール基である。
【請求項2】
植物油と、前記植物油の中に配置され、下記式1で表されるホウ素化合物を含む保持体と、を含む絶縁油を有することを特徴とする電気機器。
【化2】
式1中、Z、Zは、互いに独立に、アルキル基(R)またはアルコキシ基(OR)であり、前記Rは、アルキル基、シクロアルキル基、アラルキル基またはアリール基である。
【請求項3】
前記電気機器は、鉄心と、前記鉄心に装着された巻線と、前記鉄心および前記巻線を内部に収容するタンクと、前記タンクに充填された前記絶縁油と、前記絶縁油を冷却するための冷却器と、を有する油入変圧器であり、
前記タンク、前記冷却器または前記タンクと前記冷却器とをつなぐ配管の内部に、前記式1で表されるホウ素化合物を含む保持体が配置されていることを特徴とする請求項2に記載の電気機器。
【請求項4】
前記ホウ素化合物が、無機化合物または有機化合物の粉体、シートまたはファイバからなる保持体に含まれていることを特徴とする請求項2または3に記載の電気機器。
【請求項5】
前記ホウ素化合物がジアルキルボラン、ジアルコキシボランまたはアルキルアルコキシボランであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気機器に関する。
【背景技術】
【0002】
絶縁冷却媒体を含む電気機器の1つである油入変圧器は、一般に、タンク内の絶縁冷却媒体中に、鉄心と、鉄心に装着され絶縁紙が巻回された電線からなるコイルと、コイル絶縁用及び絶縁冷却媒体の冷却通路構成用の絶縁物を備えた巻線とが浸漬されている。油入変圧器の絶縁冷却媒体としては、従来、絶縁特性の優れた鉱油が広く用いられてきた。近年は、絶縁冷却媒体として、鉱油に代わり、生分解性の植物油が適用されている。
【0003】
植物油は脂肪酸とグリセリンがエステル結合した化合物であり、水と反応し、脂肪酸とグリセリンとに分解(加水分解)する。さらに、生成した脂肪酸は、触媒作用により、植物油の加水分解を加速する可能性がある。また、脂肪酸には、炭化水素鎖の炭素間の結合がすべて単結合である飽和脂肪酸と、炭化水素鎖に不飽和の炭素結合(二重結合)を持つ不飽和脂肪酸とがあるが、二重結合は経年劣化で酸化、あるいは重合する可能性がある。
【0004】
一方、油入変圧器の巻線では、絶縁材料として鉱油とともに良質の木材パルプからなる紙が大量に用いられている。例えば、巻線リード線の絶縁被覆としてクラフト紙やクレープ紙が用いられ、巻線内の冷却油道を確保するための各種スペーサ、主絶縁を構成する絶縁物、巻線を支持するために巻線の上下に配置された支持絶縁物、リード線バリヤを構成する絶縁筒やスペーサ及びリード線を支持するための腕木等の素材として、紙を強圧縮したプレスボードが用いられてきている。
【0005】
絶縁紙の主成分であるセルロース中のエーテル結合は、水が存在すると加水分解される。また、植物油の加水分解で生成した脂肪酸は、触媒作用により、クラフト紙の加水分解を加速する可能性がある。加水分解反応で、セルロースの主鎖が切断されると、セルロース分子の重合度は低下することから、絶縁紙の引張強度も低下すると考えられる。
【0006】
電力流通の重要なコンポーネントである油入変圧器には高い信頼性が要求されるが、上述した植物油や絶縁紙等の絶縁材料の経年劣化による特性低下が、変圧器の経年劣化の要因であり、変圧器の寿命を左右すると考えられている。
【0007】
変圧器の経年劣化を抑制する技術として、以下の特許文献1および特許文献2がある。特許文献1には、絶縁油の循環を行う配管系統上に高分子系のフィルム材料を介して吸着剤ケースを着脱自在に取り付けることによる、絶縁油からの水分除去方法が開示されている。特許文献2には、植物油に酸化防止剤を添加することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特開2007-221047号公報
【文献】特表2000-502493号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
油入変圧器タンク内の絶縁冷却媒体の植物油、あるいは絶縁材料の絶縁紙の加水分解を抑制する方法として、上述した特許文献1のように、植物油中の水分を除去することが挙げられる。水を良く吸着するゼオライトやシリカのような吸着剤を絶縁冷却媒体中に配置することによって、絶縁冷却媒体中の水を除去することは可能である。しかし、これらの吸着剤は水以外の化合物も吸着することから、吸着剤を直接、絶縁冷却媒体中に配置した場合、絶縁冷却媒体中の水を十分に除去するのが難しいという課題があった。
【0010】
一方、絶縁冷却媒体の植物油の酸化を抑制する方法として、上述した特許文献2のように、植物油に酸化防止剤を添加する方法が挙げられる。これは、植物油と酸素との反応で生成するラジカルを、添加した酸化防止剤が捕捉することで、ラジカルの連鎖反応による酸化を抑制するものである。しかしながら、植物油に含まれる脂肪酸を低減することや、不飽和脂肪酸構造に含まれる二重結合を低減することはできない。
【0011】
本発明の目的は、絶縁材料(絶縁油や絶縁紙)の経年劣化を抑制する電気機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
絶植物油と、下記式1で表されるホウ素化合物と、を含む絶縁油を有することを特徴とする電気機器である。
【0013】
【化1】
【0014】
式1中、Z、Zは、互いに独立に、アルキル基(R)またはアルコキシ基(OR)であり、Rは、アルキル基、シクロアルキル基、アラルキル基またはアリール基である。
【0015】
また、上記目的を達成するための本発明の第2の態様は、植物油と、植物油の中に配置され、上述した式1で表されるホウ素化合物を含む保持体と、を含む絶縁油を有することを特徴とする電気機器である。
【0016】
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】
【0017】
本発明によれば、絶縁材料の経年劣化を抑制する電気機器を提供することができる。
【0018】
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】
【0019】
図1】本発明の油入変圧器の一実施形態を示す断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の電気機器について、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例
【0021】
図1は本発明の電気機器の一実施形態を示す断面模式図である。本実施例では、電気機器として油入変圧器(以下、単に「変圧器」とも称する。)を例にして説明する。図1に示すように、油入変圧器100は、鉄心2と、鉄心2に装着された巻線(内側巻線3および外側巻線4)と、タンク1に充填された絶縁油6と、を有する。絶縁油6は、タンク1の内部に備えられた鉄心2、内側巻線3および外側巻線4を冷却して、鉄心2、内側巻線3および外側巻線4から発生するジュール熱を奪うように機能している。
【0022】
図1に示す変圧器100は、絶縁油6を冷却するための冷却器8を備えている。タンク1と冷却器8との間には冷却配管9a,9bが設けられ、タンク1の内部に収容されている絶縁油6は、タンク1の上部に設けられた冷却配管9aを通って、タンク1の内部から冷却器8の内部へ矢印で示す方向に流れる。冷却器8で冷却された絶縁油は、タンク1の下部に設けられた冷却配管9bを通って冷却器8から再びタンク1の内部に送り込まれる。
【0023】
鉄心2は、その上部と下部に夫々取り付けられた締付金具10a,10bによって締め付けられて保持されている。
【0024】
内側巻線3と外側巻線4は、絶縁筒5に収容され、その上部には絶縁物11,12が夫々設置され、下部には絶縁物13,14が夫々設置されている。また、鉄心2の中心側には、鉄心2を冷却する冷却用の油導入部15が形成されている。タンク1の上部には、窒素ガス7が封入されている。
【0025】
次に、絶縁油6の構成について詳述する。絶縁油6は、植物油と、上述した式1で示されるホウ素化合物とを有する。なお、本明細書において「ホウ素化合物」とは、上述した式1で示されるホウ素化合物を意味するものとする。このホウ素化合物が、植物油の劣化を抑制する作用を有する。
【0026】
植物油は、特に限定は無いが、例えば脂肪酸と三価のアルコールであるグリセリンとから生成するエステル化合物である菜種油および大豆油を用いることができる。
【0027】
植物油は、以下の式Aに示す通り、タンク1中で加水分解し、グリセリンと脂肪酸が生じる。
【0028】
【化2】
【0029】
上記式Aの反応で生成した脂肪酸は、植物油の加水分解を促進する作用を有する(脂肪酸の触媒作用)。さらに、脂肪酸には炭化水素鎖の炭素間結合がすべて単結合である飽和脂肪酸と、不飽和の炭素結合(二重結合)を持つ不飽和脂肪酸とがある。この不飽和脂肪酸の二重結合は、経年劣化で酸化、あるいは重合する可能性があり、その結果、絶縁油としての機能(絶縁性能や冷却性能)を低下させるおそれがある。
【0030】
そこで、本発明では、脂肪酸と上述した式1のホウ素化合物とを反応させ、絶縁油の劣化を抑制する。具体的には、脂肪酸のカルボキシル基と、上述した式1のホウ素化合物とが、不飽和脂肪酸構造中の二重結合と反応する。式1のホウ素化合物として、ジアルキルボラン(Z=R、Z=R)を用いた場合の反応の例を以下の式Bに示す。
【0031】
【化3】
【0032】
植物油の加水分解で生成した脂肪酸中のカルボキシル基とジアルキルボラン化合物とが、不飽和脂肪酸構造中の二重結合と反応することで、脂肪酸、不飽和脂肪酸中の二重結合およびカルボキシル基(カルボン酸)が減少する。この結果、植物油中の二重結合の酸化、あるいは重合を抑制することができる。
【0033】
本発明は、上述した式Bに示す反応の結果、植物油中に含まれる脂肪酸を低減することで、植物油中のエステル結合や絶縁紙の主成分であるセルロース中のエーテル結合の加水分解反応を抑制するとともに、不飽和脂肪酸構造中の二重結合の量を減少させることにより、その酸化反応を抑制するものであり、前述した特許文献2に記載の酸化防止剤による酸化抑制とは、劣化抑制の反応メカニズムが異なる。酸化防止剤による酸化抑制は、植物油と酸素との反応を抑制するものであるが、脂肪酸の触媒作用の抑制や、不飽和脂肪酸中の二重結合を低減するものではない。
【0034】
本発明の油入変圧器は、絶縁油に含まれるホウ素化合物が、不飽和脂肪酸中の二重結合およびカルボキシル基(酸)を減らすことで、絶縁材料の経年劣化を抑制することができる。
【0035】
なお、上述したホウ素化合物の反応を妨げるものでなければ、他の劣化抑制剤(例えば、酸化防止剤、加水分解抑制剤および吸湿剤等)絶縁油に添加しても良い。
【0036】
上述した式1に示す化学構造を持つホウ素化合物としては、例えば、以下の式2に示す化学構造を持つジアルキルボラン化合物を用いることができる。
【0037】
【化4】
【0038】
式2中、R、Rは、互いに独立しており、異なるものでもよいし、同一のものでもよい。Rは、アルキル基でも良いし、シクロアルキル基、アラルキル基またはアリール基等のアルキル基から派生した置換基でもよい。また、これらの置換基を複数含んでいても良い。さらに、Rは環状構造の化合物でも構わない。ジアルキルボラン化合物として、具体的には、9-BBN(9-ボラビシクロノナン)およびイソピノカンフェイルボラン等が挙げられる。これらのホウ素化合物は、二量体あるいはアミン錯体などでも構わない。
【0039】
また、ホウ素化合物として、以下の式3に示す化学構造を持つジアルコキシボラン化合物を用いることができる。
【0040】
【化5】
【0041】
ジアルコキシボラン化合物として、具体的には、ピナコールボランおよびカテコールボラン等が挙げられる。
【0042】
また、ホウ素化合物として、以下の式4に示すアルキルアルコキシボランを用いることができる。
【0043】
【化6】
【0044】
絶縁油中のホウ素化合物は、上述した式2~4に示す化学構造を持つ化合物を少なくとも一つ用いればよく、複数の化合物を組み合わせて用いても構わない。式2~式4のホウ素化合物の中でも、式2に示すジアルキルボランの反応性が高く、最も好ましい。
【0045】
従来技術として、特開平5-186788号公報には、ベースオイルとして植物油を用い、添加剤としてホウ酸(B(OH))を含む自動トランスミツシヨン用および湿式ブレーキ用流体自動トランスミッション用および湿式ブレーキ用流体が開示されている。しかしながら、上述した式Bは、ホウ素化合物が水素を有していなければ起こらない反応であるため、ホウ酸では式Bの反応は起こらない。
【0046】
上述したホウ素化合物は、植物油に直接添加されていてもよいが、固体としてタンク1内に配置されていても良い。具体的には、上述したホウ素化合物を含む保持体を、タンク1内に配置しても良い。
【0047】
ホウ素化合物を含む保持体の材料としては、植物油に溶出し難いものであれば特に限定は無いが、無機または有機の粉体、シートおよびファイバ等を用いることができる。より具体的には、紙、布、プラスチックフィルム等の有機系の絶縁物の他、ガラスクロスやセラミックシートのような無機系の絶縁物を保持体として用いることができる。
【0048】
保持体として、紙や布、不織布およびガラスクロスのような繊維状の材料を用いることで、表面積、すなわちエステル油との接触面積を大きくすることができ、上述した式Bに示した化学反応を促進し、絶縁油の経年劣化を減少する効果をより高くすることができる。
【0049】
また、薄いシートを重ねる、折り畳むまたは丸めるなどして用いることで、単位体積あたりの表面積を大きくすることができる。さらに、例えば、式1に示す化学構造を持つホウ素化合物を保持した無機または有機の粉体やファイバを、プラスチックフィルム表面に配置するといった複合材料とすることも可能である。
【0050】
ホウ素化合物を含む保持体の作製方法として、特に限定は無いが、例えばホウ素化合物を溶解または分散した塗料を保持体に塗布したり、保持体を塗料に浸すことで作製することができる。特開2019-62143号公報には、酸化防止剤を含むシートが開示されており、同様の方法でホウ素化合物を含む保持体を作製することができる。また、ホウ素化合物と保持体とを化学的に結合させた物であっても良い。
【0051】
保持体を配置する場所として、タンク1、冷却器8、または冷却配管9a,9bの内部に配置することができる。この中でも、タンク下部の冷却配管9bの内部に配置することが好ましい。式Aの植物油の加水分解反応は、より温度が高くなるタンク上部においては起こりやすいと考えられる。これに対し、式Bの反応は、常温のような温和な条件でも起こる。このため、加水分解で生成した脂肪酸が冷却器で温度が低下した後で、冷却配管9bを通って再び、タンク1の内部に戻る前に、上記式Bの反応により、不飽和脂肪酸中の二重結合および脂肪酸のカルボキシル基(カルボン酸)を減らすことが好ましい。
【0052】
式1に示す化学構造を持つホウ素化合物を含む保持体は、定期的に交換することもできる。また、ホウ素化合物を植物油に直接添加する場合、定期的に補充することも可能である。
【0053】
以上、説明したように、本発明によれば、油入変圧器を構成する絶縁材料の経年劣化を抑制する油入変圧器を提供できることが示された。
【0054】
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。
【0055】
上述した実施例では、電気機器として油入変圧器を例にしたが、本発明の電気機器を構成する絶縁油は、油入変圧器に限らず、植物油を含む他の電気機器、例えばコンデンサや他の電気機器にも適用することができる。また、上述した本発明の電気機器を構成する絶縁油は、合成エステル油や鉱油等の植物油以外の油が含まれてもよい。さらに、上述した本発明の電気機器を構成する絶縁油は、潤滑油、油圧油、熱伝達用流体、冷却油等、電気機器以外の他の用途にも用いることができる。
【符号の説明】
【0056】
1…タンク、2…鉄心、3…内側巻線、4…外側巻線、5…絶縁筒、6…絶縁油、7…窒素ガス、8…冷却器、9a,9b…冷却配管、10a、10b…締付金具、11、12、13、14…絶縁物、15…油導入部、100…油入変圧器。
図1