JP2012162802A - 導電性部品及び導電性部品の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性部品（５０）及び導電性部品（５０）を処理して部品（５０）内の導電性を改質する方法を提供する。
【解決手段】方法は、部品（５０）の内側層（５２）の焼き鈍しを起こさずに部品（５０）の外側層（５４）の焼き鈍しが起こるように部品（５０）を加熱することを含むが、ただし、内側層（５２）は外側層（５４）に隣接して一体として設けられる。方法は、内側層（５２）の焼き鈍しを起こさずに外側層（５４）の焼き鈍しが終わるように部品（５０）を冷却することをさらに含む。部品（５０）は、約１０ｍｍ以下の厚さ（５８）を有する焼き鈍し外側層（５４）及び外側層（５４）に隣接して一体として設けられている非焼き鈍し内側層（５２）を備える。
【選択図】 図３

Description

本開示は、一般に、導電性部品に関する。より具体的には、本開示は、部品を通しての導電性を改質するための導電性部品の処理方法及び導電特性が改質された導電性部品に関する。

タービンシステムは、発電などの分野において広く利用されている。例えば、従来のガスタービンシステムは、圧縮機、燃焼器及び発電機に接続されているタービンを備える。圧縮機、燃焼器及びタービンが発生する機械的エネルギーは、発電機に伝達される。次いで、発電機は、機械的エネルギーを、電力供給網に供給することができる電気エネルギーに変換する。

発電機の様々な部品及び特に発電機用固定子の様々な部品は、導電性材料から形成することができる。例えば、これらの部品は銅から形成されることが多い。交流（「ＡＣ」）電力は、固定子内のこれらの部品内に送られる。

これらの導電性材料は、処理されていないときには、不良導体であることがある。例えば、硬銅は、比較的強い材料であるが、例えば軟銅に比べると不良導体である。しかし、導電性材料は、比較的導電性の高い導体となるように処理されると、その強度を失う。これは、発電機の運転を損なう可能性がある。例えば、これらの処理済み材料から形成された部品は、自重を支え、疲労荷重に耐える必要があると思われる。そのため、これらの部品が処理されている場合、追加の材料又は他の補強材を使用して部品の支持を構成する必要があるが、そうすると、高価で、重く、不効率なものとなる可能性がある。

そのため、当技術分野では、改善された導電性部品及び導電性部品の改良処理方法が望まれている。例えば、導電性部品の強度の著しい喪失を防ぎつつ導電性部品の保持できる導電性を改善する、導電性部品並びに導電性部品を処理する方法があれば有益であろう。

本発明の態様及び利点については、一部は以下の詳細な説明で開示するが、以下の詳細な説明から自明であろうし、本発明を実施することによって明らかとなろう。

一実施形態では、導電性部品を処理して部品を通しての導電性を改質する方法が開示される。この方法は、部品の内側層の焼き鈍し（アニーリング）を起こさずに部品の外側層の焼き鈍しが起こるように部品を加熱することを含むが、ただし、内側層は外側層に隣接して一体として設けられる。この方法は、内側層の焼き鈍しを起こさずに外側層の焼き鈍しが終わるように部品を冷却することをさらに含む。

別の実施形態では、導電性部品が開示される。部品は、約１０ｍｍ以下の厚さを有する焼き鈍し外側層及び外側層に隣接して一体として設けられている非焼き鈍し内側層を備える。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することによって理解を深めることができるであろう。なお、本願の内容の一部をなす添付の図面には、本発明の実施形態を例示するとともに、発明の詳細な説明と併せて本発明の原理を説明する。

本発明を当業者が実施できるように、以下の詳細な説明では、図面を参照しながら、本発明を最良の形態を含めて十分に開示する。

ガスタービンシステムの略図である。 本開示のさらに一実施形態による発電機の固定子の斜視図である。 本開示の一実施形態に従って処理した後の導電性部品の断面図である。 本開示の別の実施形態に従って処理した後の導電性部品の断面図である。

以下、本発明の実施形態について詳しく説明するが、その１以上の実施例を図面に示す。各実施例は例示にすぎず、本発明を限定するものではない。実際、本発明の技術的範囲又は技術的思想から逸脱せずに、本発明に様々な修正及び変形をなすことができることは当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示又は説明した特徴を、別の実施形態に用いてさらに別の実施形態としてもよい。従って、本発明は、かかる修正及び変形を特許請求の範囲で規定される技術的範囲及びその均等の範囲に属するものとして包含する。

図１は、ガスタービンシステム１０の略図である。システム１０は、圧縮機１２、燃焼器１４及びタービン１６を備えることができる。さらに、システム１０は、複数の圧縮機１２、燃焼器１４及びタービン１６を備えることができる。圧縮機１２及びタービン１６は、シャフト１８によって結合されうる。シャフト１８は、単一のシャフトであるか又は一緒に結合されたシャフト１８を形成する複数のシャフトセグメントであるものとしてよい。蒸気タービンシステムなどの、様々な他のシステムをガスタービンシステム１０に接続することができる。さらに、本開示は、ガスタービンシステム１０に限定されないこと及びむしろ好適なガス、蒸気又は他のタービンシステムが本開示の範囲及び精神のうちの含まれることは理解されるであろう。

システム１０は、発電機２０をさらに備えることができる。発電機２０は、システム１０の他の部品によって発生する機械的エネルギーを受け取り、このエネルギーを電気エネルギーに変換することができる。例えば、発電機２０は、回転子（図示せず）及び固定子２２を備えることができる。当技術分野で知られているように、回転子は、発電機２０の一般的に動くことが可能な部品であるが、固定子２２は、発電機２２の一般的に静止している部品である。

図２に示すように、固定子２２は、様々な導電性部品を備えることができる。これらの導電性部品は、その中にＡＣ電力などの電気を通し、この電気を、例えば、電力供給網に送ることができる。例えば、固定子バー３２のアレイは、その中に電気を通すことができる。それぞれの固定子バー３２は、銅より線などの複数の導電性のより線から形成されうる。様々な固定子バー３２同士をシリーズコネクタ３４によって接続し、それらの間に直列接続を形成することができる。例えば、位相コネクタ３６の接続を通して追加の接続を形成することもできる。位相コネクタ３６を固定子バー３２及び／又はシリーズコネクタ３４に接続して、発電機２０から出力できるＡＣ電力の様々な位相間の接続などの追加接続を行うことができる。例えば、例示的な実施形態では、発電機２０は、三相ＡＣ電力を出力することができる。位相コネクタ３６を使用することで、これらの位相間の接続を行うことができる。

バー３２、シリーズコネクタ３４及び／又は位相コネクタ３６は、１以上の接続リング３８に接続することができる。接続リング３８は、一般的に固定子２２の端部に配設される環状又は弧状の部品であってよい。電気は、発電機２０から接続リング３８を通って、電力供給網又は他の好適な場所へ流れ出るものとしてよい。例えば、接続リング３８は、様々なバー又は部品（図示せず）によって高電圧ブッシング（図示せず）に接続されうる。高電圧ブッシングは、発電機３０から電力を取り出すことができる。

発電機２０の上述の導電性部品は、単に発電機の一実施形態の様々な部品であるにすぎず、また発電機２０内の部品の好適な発電機及び配置構成は、本開示の範囲及び精神の範囲内にあることも理解されたい。

上述のように、発電機２０の様々な部品は、ＡＣ電力などの電気を中に通すように構成された導電性部品である。以前には、発電機で利用される部品は、一般的に、比較的強度が高いが、比較的不良導体である未処理の材料又は比較的良導体であるが、比較的強度が低い処理済みの材料のいずれかから形成されていた。

そこで、本開示は、発電機２０において利用される導電性部品などの、導電性部品５０を処理して、部品５０内の導電性を改善するなど、改質するための改善された方法、並びに改善された導電性部品５０をさらに対象とする。例示的な実施形態では、これらの部品は、その結果得られる処理済みの部品が比較的良導体であると同時に比較的強度が高いものとなるように処理される。本開示では発電機２０及びシステム１０との関連で改善された方法及び部品の利点について説明しているが、本開示は、発電機２０における、部品の使用又は部品を処理する方法に限定されないことは理解されるであろう。むしろ、単独の又は好適な装置若しくはプロセス内で利用される、好適な部品は本開示の範囲及び精神のうちに含まれる。

図３及び４は、本開示の部品５０の様々な実施形態を例示している。例示的な実施形態では、部品５０は、銅若しくは銅合金から形成することができる。特に、幾つかの実施形態では、部品５０は、タフピッチ銅から形成することができるが、他の実施形態では、部品５０は、無酸素銅から形成することができる。しかし、別の実施形態では、部品５０は、アルミニウム若しくはアルミニウム合金、銀若しくは銀合金又は他の好適な金属、金属合金、若しくは他の好適な材料から形成することができる。

例示的な実施形態では、部品５０は、上述のように、発電機２０の一部品であってよい。例えば、部品５０は、固定子バー３２、シリーズコネクタ３４、位相コネクタ３６、接続リング３８、高電圧ブッシング又は発電機２０の他の好適な部品とすることができる。

本開示の部品５０は、内側層５２又は複数の内側層５２及び外側層５４又は複数の外側層５４を備える。内側層５２は、外側層５４に隣接し、一体であるものとしてよい。外側層５４は、部品５０の１以上の外側表面５６を画成することができる。

例えば、幾つかの実施形態では、図３に示すように、部品５０は、中空でないバーとすることができる。他の実施形態では、図４に示すように、部品５０は、中空管とすることができる。部品５０は、複数の外側層５４を有することができる。例えば、複数の外側層５４は、一般的に、部品５０又はその様々な部分の外側全体を取り囲む。図３に示すような中空でないバーの実施形態に関して、外面のそれぞれは、外側層５４によって画成される外側表面５６とすることができる。例えば、図４に示すような中空管の実施形態に関して、内面及び外面は、エッジ面とともに、外側層５４によって画成される外側表面５６とすることができる。

本開示による部品５０は、上で開示されているような中空でないバー及び中空管に限定されないことは理解されるであろう。むしろ、任意の好適なサイズを有する任意の好適な形状の部品が、本開示の範囲及び精神のうちに含まれる。

上述のように、内側層５２及び外側層５４は、部品５０の一体となる部分であるものとしてよい。言い換えると、内側層５２及び外側層５４は、部品５０を形成する材料の単なる一部である。そのため、本発明の方法により部品を処理する前に、内側層５２及び外側層５４は、区別できないものであってもよい。しかし、本発明による部品の処理中及び処理後に、内側層５２及び外側層５４の様々な部分又は全部が、後述のように、互いに区別可能であってもよい。したがって本発明の方法による部品の処理では、１以上の層５２の焼き鈍しを防ぎつつ、焼き鈍しを通じて１以上の外側層５４を処理することができる。処理後、１以上の外側層５４をアニールすることができるが、関連する内側層５２はアニールされないままにできる。

上述のように導電性部品５０を処理して処理済みの導電性部品を形成するために、本発明の方法が開示される。この方法は、例えば、１以上の外側層５４の焼き鈍しが起こるように部品５０を加熱することを含む。一般に、材料の再結晶が起こり始めるときに焼き鈍しがなされる。これは、一般的に焼き鈍しの技術分野において知られているような他の変数とともに、アニールされる材料、材料を加熱する温度、材料が加熱されている時間に基づく。外側層５４の焼き鈍しは、焼き鈍し外側層５４を区別し、形成することができる。例えば、焼き鈍しは外側表面５６のところで始まり、内側へ進行し、外側層５４が徐々にアニールされてゆくものとしてよい。さらに、焼き鈍しを引き起こすこの加熱は、内側層５２をアニールすることなく行うことができる。そのため、説明されているような部品５０の加熱は、内側層５２の焼き鈍しが開始する前に停止しうる。一般に、内側層５２は、外側層５４の焼き鈍しによって画成され、したがって、内側層５２は、焼き鈍しが行われなかった場所で始まる。

この方法は、部品５０の加熱後に部品５０を冷却することなどの、部品を冷却することをさらに含む。本開示による冷却は、内側層５２の焼き鈍しを起こさずに外側層５４の焼き鈍しが終わるように行うことができる。したがって、本開示によれば、外側層５４のみがアニールされ、内側層５２はアニールされない。

本発明の方法では、外側層５４をアニールし、内側層５２をアニールしないことにより、比較的良導体であり、比較的強度の高い導電性部品５０を形成することができる。例えば、外側層５４をアニールすると、外側層５４がより伝導性の高い特性を持つようになるが、内側層５２をアニールしないと、内側層５２は導電性部品５０に利用される材料の強度特性を維持することが可能になる。

本発明の方法により形成される導電性部品５０は、部品５０を通るＡＣ電力の導電に関して特に有利であると思われる。ＡＣ電力は、主に導電性材料の外皮若しくは外層を通って流れるのが一般的である。ＡＣ電流の密度、したがってＡＣ電力の量は、材料の表面からの距離に関して指数関数的に減少する。したがって、本開示による部品５０を使用すると、部品の焼き鈍しにより、１以上の外側層５４を通して流れている、部品５０を通って流れるＡＣ電力の大半をより良好に部品５０内に通すことが可能になる。さらに、部品５０の強度は、１以上の内側層５２をアニールしないことによってＡＣ電力の最小部分のみが流れる部品５０の部分において有利に維持される。

例示的な実施形態では、部品５０の加熱は、部品５０の誘導加熱を含むものとしてよい。幾つかの例示的な実施形態では、加熱段階は、約１００ｋＨｚ以上の周波数で実施されうる。他の例示的な実施形態では、加熱段階は、約１００ｋＨｚ〜約４００ｋＨｚの周波数で実施されうる。しかし、本開示は、上で開示されている周波数に限定されないこと及びむしろ好適な周波数が本開示の範囲及び精神のうちの含まれることは理解されるであろう。

さらに、本開示は、誘導加熱に限定されないことも理解されるであろう。むしろ、部品５０を要求されたとおりにアニールする好適な加熱方法は、本開示の範囲及び精神のうちに含まれる。

幾つかの実施態様では、冷却段階は、クエンチングを含むものとしてよい。それに加えて又は代替的に、冷却段階は、空冷、炉冷却又は他の好適な冷却技術を含むことができる。さらに、本開示は、上で開示されている冷却技術のうちのどれにも限定されないこと及びむしろアニールした後に部品５０を適切に冷却するための好適な技術が本開示の範囲及び精神のうちの含まれることは理解されるであろう。

幾つかの実施形態では、本開示の加熱段階及び冷却段階は、外側層の完全焼き鈍しを引き起こしうる。或いは、加熱段階及び冷却段階は、中間アニール又は他の好適なアニールを引き起こしうる。本開示は、上で開示されている種類のアニールのうちのどれにも限定されないこと及びむしろ好適な種類のアニールが本開示の範囲及び精神のうちの含まれることは理解されるであろう。

上述のように、本開示による方法及び導電性部品５０を使用すれば、内側層５２の強度を維持しながら外側層５４を通るＡＣ電力の流れをよくすることができる。外側層５４は、厚さ５８を有するものとしてよい。例示的な実施態様では、この厚さ５８は、望ましくは最小にすることができる。例えば、外側層５４の厚さ５８は、幾つかの実施形態では、約１０ｍｍ以下又は約９ｍｍ以下又は約５ｍｍ以下又は約４ｍｍ以下とすることができる。

導電性部品５０の内側層５２及び外側層５４は、本方法に従って冷却した後、異なる硬さをさらに有することができる。一般に、焼き鈍し外側層５４の硬さは、非焼き鈍し内側層５２の硬さより軟らかいものとしてよい。例えば、幾つかの実施形態では、冷却後、外側層５４は、ロックウェルＦスケールで約５０より低い硬さを有するものとしてよい。内側層５２は、ロックウェルＦスケールの約８０〜約１００の硬さを有するものとしてよい。しかし、本開示は、上で開示されている硬さに限定されないこと及びむしろ好適な硬さが本開示の範囲及び精神のうちの含まれることは理解されるであろう。

説明されているように、１以上の外側層５４の焼き鈍しは、層５４の層の導電性を高めることができる。例えば、本開示により処理される前の部品５０は、国際軟銅規格スケールで約９７〜９８％の導電性を有することができる。冷却した後、外側層５４は、国際軟銅規格スケールで約１０１％以上の導電性を有することができる。しかし、本開示は、本開示による部品５０の処理前若しくは処理後のいずれにおいても上で開示されている導電性に限定されないこと及びむしろ好適な導電性が本開示の範囲及び精神のうちの含まれることは理解されるであろう。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ シャフト
２０ 発電機
２２ 固定子
３２ 固定子バー
３４ シリーズコネクタ
３６ 位相コネクタ
３８ 接続リング
５０ 部品
５２ 内側層
５４ 外側層
５６ 外側表面
５８ 厚さ

Claims (15)

1. 導電性部品（５０）を処理して前記部品（５０）内の導電性を改質する方法であって、
   前記部品（５０）の内側層（５２）の焼き鈍しを起こさずに前記部品（５０）の外側層（５４）の焼き鈍しが起こるように前記部品（５０）を加熱する段階であって、前記内側層（５２）が前記外側層（５４）に隣接して一体として設けられている、段階と、
   前記内側層（５２）の焼き鈍しを起こさずに前記外側層（５４）の焼き鈍しが終わるように前記部品（５０）を冷却する段階と
   を含む方法。
2. 前記加熱が誘導加熱を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記加熱が約１００ｋＨｚ以上の周波数で実施される、請求項２記載の方法。
4. 前記冷却がクエンチングを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記加熱及び前記冷却が、前記外側層（５４）の完全焼き鈍しを生じる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記導電性部品（５０）が銅から形成される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
7. 冷却後の前記外側層（５４）が約１０ｍｍ以下の厚さ（５８）を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
8. 冷却後の前記外側層（５４）がロックウェルＦスケールで約５０未満の硬さを有し、前記内側層（５２）がロックウェルスＦケールで約８０〜約１００の硬さを有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
9. 冷却後の前記外側層（５４）が国際軟銅規格スケールで約１０１％以上の導電性を有する、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 導電性部品（５０）であって、
    約１０ｍｍ以下の厚さ（５８）を有する焼き鈍し外側層（５４）と、
    前記外側層（５４）に隣接して一体として設けられている非焼き鈍し内側層（５２）と
    を備える導電性部品（５０）。
11. 銅から形成される、請求項１０記載の導電性部品（５０）。
12. 前記外側層（５４）がロックウェルＦスケールで約５０未満の硬さを有し、前記内側層（５２）がロックウェルスＦケールで約８０〜約１００の硬さを有する、請求項１０又は請求項１１記載の導電性部品（５０）。
13. 前記外側層（５４）が国際軟銅規格スケールで約１０１％以上の導電性を有する、請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項記載の導電性部品（５０）。
14. 複数の焼き鈍し外側層（５４）をさらに備える、請求項１０乃至請求項１３のいずれか１項記載の導電性部品（５０）。
15. タービンシステム（１０）用の発電機（２０）であって、当該発電機が、
    電気を通すように構成された部品（５０）を備える固定子（２２）を備えており、前記部品（５０）が、
    約１０ｍｍ以下の厚さ（５８）を有する焼き鈍し外側層（５４）と、
    前記外側層（５４）に隣接して一体として設けられている非焼き鈍し内側層（５２）と
    を備えている、発電機（２０）。