TW201611045A - 用於成束電力傳輸纜線之金屬線的電陶瓷塗層 - Google Patents
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Abstract
一種用於電力配送應用之電纜包括捆束至該電纜內之複數個金屬線。該複數個金屬線通常包含內部金屬線及周邊金屬線，其中該等周邊金屬線包圍該等內部金屬線。至少一個金屬線塗佈有高發射率塗層，該高發射率塗層包括至少10重量百分比氧化鋁及不同於氧化鋁之金屬氧化物。特性上，塗佈有該高發射率塗層之該金屬線在電磁波譜之紅外線區域中具有大於約0.5之發射率，及為在塗佈有該高發射率塗層前的裸金屬線之表面積之至少50倍大的表面積。
Description
本申請案主張2014年8月7日申請的美國臨時申請案第62/034,358號及2014年8月7日申請的美國臨時申請案第62/034,308號之權利，該等申請案之揭示內容在此被以引用的方式全部併入本文中。
在至少一個態樣中，本發明與用於高張力電纜之經塗佈金屬線有關。
用於電之電力傳輸及配電系統包括載運在高壓(亦即，大於100kV等)下之電以用於配送及傳輸的架空電纜。每一電纜為一束多個金屬線。電纜為並排伸展且結合、絞撚或編繞在一起以形成單一總成之兩個或兩個以上金屬線。此等金屬線常自元素鋁金屬及/或鋁合金製造或包括元素鋁金屬及/或鋁合金。對用於架空電力傳輸應用之電纜的合乎需要的效能要求包括耐腐蝕性、環境持久性(例如，UV及水分)、耐在高溫下之強度損失性、抗蠕變性以及相對高彈性模數、低密度、低熱膨脹係數、高電導率及高強度。甚至在高傳導率之情況下，金屬線具有一定電阻(R)，其傾向於隨增大之溫度而增大。當電流穿過電纜中之金屬線時，金屬線之電阻引起一些電力(P)之損失，作為熱量，根據等式P=I2R，電流愈大，則產生之熱量愈多，此又增
大電阻R。
鋁傳輸電纜常裸露或未塗佈，充當在高溫(例如，大致攝氏60度至160度)下操作之電導體，且具有不良發射率。發射率(ε)為與其ε經在相同溫度下定義為1之理想黑色主體相比的表面發射輻射能量之能力。將發射率表達為由表面發射之輻射對由黑色主體發射之輻射的比率(標度為0至1，其中較低數目指示較不良發射率)。在使用中的未塗佈鋁金屬線電纜之發射率可在範圍0.05至0.10或類似者中，給電纜之熱耗散能力之改良留下顯著空間。熱鋁電纜具有聲子振動，其又引起額外焦耳加熱，或電阻性加熱。
架空供電傳輸電纜之使用者(例如，電力公司及公用事業)經歷隨著電纜之操作溫度增大由電纜引起的大能量損失，此係因為導體之電阻率通常隨增大之溫度而增大。此能量損失經估計以考量當產生之電力移動穿過電網時經由其損失而產生的每年數十億的費用。舉例而言，典型有負荷之電纜在高達攝氏180度之溫度下的負荷下操作。習知未塗佈之鋁架空供電傳輸電纜具有隨著電纜操作溫度增大而經由過多焦耳加熱的能量損失。取決於電網大小，來自未塗佈電纜之焦耳加熱損失可超過25%的所產生電力。另外，隨著鋁電纜之溫度增大，電纜亦因重力而向下垂，此可引起危險。此下垂現象需要電纜之增加強度，通常藉由在電纜之芯中包括重的鋼絲，且使用重硬體及塔以固持金屬線且保證其處於安全距離以消除係關於使電纜接地及電短路之問題。雖然包括鋁金屬線之架空電力傳輸電纜係已知的，但對於一些應用，存在(例如)對改良之傳導效率的持續需求。
先前使用諸如塗料及陽極氧化等之其他塗層(見(例如)WO2014025420)且將異種金屬層陰極電鍍至金屬線上來塗佈習知裸電纜；然而，此等塗層在覆蓋及靈活性方面受限，展示出開裂及分層，且不提供至電纜之黏著力，使得塗層具有低耐久性。
本發明藉由在至少一個實施例中提供經塗佈金屬線來解決先前技術之一或多個問題。經塗佈金屬線包括金屬線及安置於金屬線上且與金屬線直接接觸之高發射率塗層。高發射率塗層包括高發射率塗層之總重量的至少10重量百分比氧化鋁，及至少一種不同於氧化鋁之金屬氧化物。特性上，高發射率塗層具有在電磁波譜之紅外線區域中大於或等於0.5的發射率及為塗佈前的金屬線之表面積之至少20倍大的表面積。
在另一實施例中，提供一種用於電力配送應用之電纜。該電纜包括捆束至該電纜之複數個金屬線。該複數個金屬線通常具有內部金屬線及周邊金屬線，其中周邊金屬線包圍內部金屬線。至少一個周邊金屬線可塗佈有高發射率塗層。高發射率塗層包括高發射率塗層之總重量的至少10重量百分比氧化鋁，及至少一種不同於氧化鋁之金屬氧化物。特性上，高發射率塗層在電磁波譜之紅外線區域中具有大於或等於0.5之發射率，及為在塗佈有高發射率塗層前的裸金屬線之表面積之至少20倍大的表面積。
在另一實施例中，提供一種用於電力配送應用之電纜。該電纜包括捆束至該電纜之複數個金屬線。該複數個金屬線通常具有內部金屬線及周邊金屬線，其中周邊金屬線包圍內部金屬線。周邊金屬線塗佈有高發射率電陶瓷塗層。高發射率電陶瓷塗層包括氧化鈦及高發射率塗層之總重量的至少10重量百分比氧化鋁。特性上，高發射率塗層在電磁波譜之紅外線區域中具有大於或等於0.5之發射率，及為在塗佈有高發射率塗層前的裸金屬線之表面積之至少20倍大的表面積。
在再一實施例中，提供一種用於電力配送應用之電纜。該電纜包括捆束至該電纜之複數個金屬線。該複數個金屬線通常具有內部金屬線及周邊金屬線，其中周邊金屬線包圍內部金屬線。周邊金屬線塗
佈有高發射率電陶瓷混合氧化物塗層。特性上，高發射率塗層在電磁波譜之紅外線區域中具有大於或等於0.5之發射率，及為在塗佈有高發射率塗層前的裸金屬線之表面積之至少20倍大的表面積。
本發明之各種實施例具有相關聯的非限制性優勢。舉例而言，在電纜之外支架或金屬線上的電陶瓷塗層提供電纜之增大的發射率及較低電纜操作溫度。藉由降低電纜操作溫度，由焦耳加熱招致的來自電纜之損失減小，且可減小電纜下垂。又，藉由在低溫下操作電纜，電纜可更有效率地傳輸與未塗佈電纜相同量之電力，或在與相同或類似材料及構造之未塗佈電纜相同的操作溫度下傳輸較高量之電力。
10‧‧‧電系統
12‧‧‧發電站
14‧‧‧升壓變壓器
16‧‧‧電力傳輸系統
18‧‧‧高張力電纜
20‧‧‧塔
24‧‧‧重工業
26‧‧‧輕工業
28‧‧‧商業及住宅目的地
30‧‧‧太陽輻射
32‧‧‧輻射熱傳遞及發射
40‧‧‧金屬線或股線
42‧‧‧金屬線或股線
44‧‧‧金屬線或股線
46‧‧‧金屬線或股線
48‧‧‧金屬線或股線
49‧‧‧金屬線或股線
50‧‧‧層
52‧‧‧層
54‧‧‧層
56‧‧‧層
58‧‧‧層
59‧‧‧層
60‧‧‧中央金屬線
62‧‧‧高發射率塗層
70‧‧‧孔
圖1提供展示在使用中的根據一實施例之電纜之示意圖；圖2提供根據一實施例的電纜之剖面之剖視圖；及圖3提供圖2中描繪的電纜之橫截面；及圖4提供外塗佈有多孔高發射率塗層的金屬線之橫截面。
現將對構成目前為本發明人已知的實踐本發明之最好模式的本發明之組成、實施例及方法進行詳細參考。該等圖未必按比例。然而，應理解，所揭示之實施例僅例示說明可以各種及替代形式體現的本發明。因此，不應將本文中揭示之具體細節解釋為限制性的，而僅作為用於本發明之任一態樣的代表性基礎及/或作為用於對熟習此項技術者教示不同地使用本發明的代表性基礎。亦應理解，本發明並不限於以下描述之具體實施例及方法，因為具體組分及/或條件當然可變化。此外，本文中使用之術語僅出於描述本發明之特定實施例的目的而使用，且無論如何並不意欲為限制性。
惟在實例中或另有明確指示之情況除外，在描述本發明之最廣泛範疇時，在本說明書中指示反應及/或使用的材料之量或條件之所
有數值量應理解為由詞「約」來修飾。又，除非明確地作出相反陳述：否則百分比、「……之份數」及比率值係按重量計；將一群或一類材料描述為適合於與本發明相關之給定目標暗示該群組或類別之成員中的任何兩者或兩者以上之混合同等地為合適的；用化學術語描述成分指在添加至描述中所指定之任何組合中時之成分，且未必排除一旦經混合則在混合物之成分當中的化學相互作用；縮略語或其它縮寫之第一次定義應用於同一縮寫在本文中之所有後續使用，且加以必要修正地應用於初始定義之縮寫的正常語法變化形式；且，除非明確地作出相反陳述，否則性質之量測藉由與先前或稍後針對相同性質所參考的相同技術來判定。
亦必須注意到，除非上下文另有清晰的指示，否則如在本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，單數形式「一(a、an)」及「該」包括複數個指示物。例如，以單數形式對一組件之提及意欲包含複數個組件。
貫穿本申請案，在參考公開案之情況下，此等公開案之揭示內容在此以引用之方式全部併入本申請案中，以更充分地描述本發明係關於的目前先進技術。
如本文中所使用之術語「均質」指整個具有相同組成之層。在改進中，該術語指在大於100nm之大小規模上具有相同組成之層。舉例而言，均質層並非具有分散於黏合劑(且詳言之，樹脂黏合劑)內之粒子的層。如本文中所使用之術語「發射率」指在波譜之紅外線區域中量測的平均發射率。
圖1說明自產生至使用點的電系統10之示意圖。可在發電站12(諸如，燃煤電廠、核電廠或類似者)處發電。電接著離開發電站12且通常可引導至升壓變壓器14。升壓變壓器14增大電之電壓。電力傳輸系統16可電連接至變壓器14且包括高張力電纜18。電纜18之一實例說
明於圖2中。圖1之電力傳輸系統16可包括電在電網中之傳輸及配送兩者，且在各種高張力(亦即，100kV、800kV等)下操作。電纜18由塔20支撐。電纜18為成束之傳導性金屬線(諸如，鋁)，且根據一實施例，塗佈有具有在0.5至0.96之範圍中的發射率之發射材料(諸如，陶瓷材料)。習知電纜為裸露的或未塗佈，使得電纜之裸金屬表面可直接曝露於環境，且可將空氣用作絕緣材料。習知未塗佈電纜具有低發射率，大約0.05至0.10。
電力傳輸系統16可連接至降低電之電壓的一或多個降壓變壓器22，用於在重工業24及輕工業26、商業及住宅目的地28中使用。
通常，隨著系統16中的電纜18之操作溫度增大，招致能量損失。使用習知電纜，系統16及電網中之損失可以數十億美元來量測。又，隨著電纜之操作溫度增大，電纜可下垂或下降。因此，需要加強習知電纜。用於電纜之塔20及連接硬體用以固持電纜且保證其處於安全距離以減少或消除係關於使電纜接地及短路之問題。
當經塗佈電纜18曝露於太陽輻射30時，可將能量傳送至電纜18。電纜亦基於聲子振動及焦耳加熱產生大量熱。藉由增大電纜之發射率，經由輻射熱傳遞及發射32自電纜失去之能量可增大，藉此與具有相同施加之負荷且在相同條件(例如，天氣)下操作的相同或類似材料及構造之未塗佈電纜相比，降低經塗佈電纜18之總操作溫度。經塗佈電纜接著在安培負載(電流)下維持低溫，以及提供黑體輻射以與在較淡色彩或裸金屬線之情況下相比有效率地將熱量移除離開金屬線之表面。習知有負荷之電纜在高達大致攝氏180度之溫度下的負荷下操作。經塗佈電纜18可在達30%低之溫度下在相同負載下操作。此允許經塗佈電纜18具有減小之能量損失或電纜可承受的安培數之增大。
參看圖2及圖3，提供具有一或多個經塗佈金屬線的高張力電纜之示意性說明。高張力電纜18包括分別配置於多個層50、52、54、
56、58、59中之金屬線或股線40、42、44、46、48、49。詳言之，周邊金屬線40包圍第一組內部金屬線42，第一組內部金屬線包圍第二組內部金屬線44。類似地，第二組內部金屬線44包圍第三組內部金屬線46，第三組內部金屬線包圍第四組內部金屬線48，第四組內部金屬線包圍第五組內部金屬線49。電纜18中的金屬線40、42、44、46、48、49中之所有者可由鋁、鋁合金或另一合適的輕型傳導性材料製成。在一替代性實施例中，如所展示，電纜中的金屬線之一部分(諸如，中央金屬線60)可由支撐材料(諸如，鋼)製成，以對電纜提供額外強度。雖然將金屬線40、42、44、46、48、49、60展示為具有圓形橫截面，但如此項技術中已知，可使用其他橫截面，包括梯形及類似者。電纜18可含有具有共同直徑之金屬線40、42、44、46、48、49、60，或可含有變化直徑之金屬線。
電纜18可使用任何數目個層，包括比圖2及圖3中所展示多或少的層。術語「中心軸線」及「中心縱向軸線」可互換使用以表示徑向定位於多層多股電纜之中心處的共同縱向軸線，其平行於如圖2中所展示之中央金屬線60伸展。各組金屬線40、42、44、46、48、49及類似者可平行於中心縱向軸線或與中心縱向軸線成一角度而伸展。術語「撚向角度」指由電纜之多股金屬線相對於多股電纜之中心縱向軸線形成的角度。通常，多股電纜包括界定中心縱向軸線之中央金屬線60，及螺旋形地圍繞中央金屬線絞合之數組金屬線。在圖2中展示之實施例中，第一組金屬線按相對於中心縱向軸線界定之第一撚向角度螺旋形地絞合，且第二組金屬線圍繞第一組金屬線按相對於中心縱向軸線界定之第二撚向角度螺旋形地絞合，對於其餘組金屬線，不一而足。通常，金屬線之一層之撚向角度與金屬線之底層之撚向角度(例如，第一撚向角度與第二撚向角度)之間的相對差為約10度或以下。
如圖3中所展示，在電纜中的金屬線中之僅一些可塗佈有高發射
率塗層62。在一個變化中，金屬線40中之至少一者可塗佈有高發射率塗層62(例如，大於或等於0.5之發射率)。在另一變化中，所有周邊金屬線40塗佈有高發射率塗層62，如在圖3中。在其他變化中，內部金屬線42、44、46、48中之至少一者塗佈有高發射率塗層62。在一些應用中，所有內部金屬線42、44、46、48塗佈有高發射率塗層62。
在改進中，高發射率塗層62包含高發射率塗層之總重量的至少10重量百分比氧化鋁，及並非氧化鋁之至少一種金屬氧化物。
在另一改進中，高發射率電陶瓷塗層62可包括呈高發射率塗層之總重量的至少5重量百分比、10重量百分比、15重量百分比、20重量百分比、25重量百分比或30重量百分比之量的氧化鋁，且獨立地可包括呈高發射率塗層之總重量的至多80重量百分比、75重量百分比、70重量百分比、60重量百分比、50重量百分比或40重量百分比之量的氧化鋁。
在一些實施例中，不同於氧化鋁之該或該等金屬氧化物按高發射率塗層之總重量的至少10、15、20、25、30、35、40、45或50重量百分比之量存在。在再一改進中，高發射率電陶瓷塗層62可包括呈高發射率塗層之總重量的至多95重量百分比、90重量百分比、85重量百分比、80重量百分比、75重量百分比、70重量百分比、65重量百分比、60重量百分比、55重量百分比之量的不同於氧化鋁之該或該等金屬氧化物。
高發射率電陶瓷塗層直接化學結合至金屬線基板表面，且具有與金屬表面之界面。鋁之包括(至少部分自金屬表面至高發射率電陶瓷塗層內)提供塗層的改良之黏著力。在一變化中，氧化鋁濃度在高發射率電陶瓷塗層之厚度上變化，其中氧化鋁之量在塗層基板界面處較大，且通常隨著遠離金屬線基板金屬表面之距離增大而減少。舉例而言，鋁濃度在距界面0.1微米處可比在距界面3、5、7或10微米處大
百分之10至50。
氧化鋁之包括有利地允許塗層特徵之調整，例如，高發射率塗層之色彩及耐磨性。詳言之，氧化鋁之添加可提供具有較高發射率(ε)值之「較淡」色彩。此外，變化氧化鋁之量可提供與不包括氧化鋁之塗層相比將發射率變化至少百分之10之量的能力。
不同於氧化鋁的合適金屬氧化物之實例包括(但不限於)包括氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氧化錫、氧化鍺、氧化硼、氧化鐵、氧化銅、氧化錳、氧化鈷、氧化鈰、氧化鉬、氧化鎢、氧化釔、氧化鉍、氧化鋅、氧化釩或其組合之氧化物塗層。氧化物塗層可有利地為如以下更詳細地所闡明而製備之均質電陶瓷層。高發射率塗層62可包括組合在一起的呈均質形成之氧化鋁及不同於氧化鋁之該或該等氧化物，使得高發射率電陶瓷塗層可在整個中相同。替代地，高發射率塗層62可包括呈具有氧化鋁之域(例如，晶粒或微晶)及不同於氧化鋁的該或該等氧化物之域之形式的氧化鋁與其他金屬氧化物組合。高發射率電陶瓷塗層可具有非晶形及結晶區域。此變化不包括黏合劑樹脂或基質來保持氧化物混合。本變化之混合氧化層可有利地為如以下更詳細地闡明之電陶瓷層。
在一變化中，高發射率塗層62包括包含至少第一氧化物及第二氧化物之氧化物混合物。在改進中，氧化物混合物可包括高發射率氧化物(例如，大於或等於0.5之發射率)、低發射率氧化物(例如，小於0.5之發射率)及其組合。氧化物之實例包括如以上列舉的不同於氧化鋁之合適金屬氧化物，以及氧化鋁及來自正被塗佈之任何鋁合金的合金元素之氧化物。通常，氧化物混合物包括5、10、20、30、40、50、60、70、80、90或95重量百分比之第一氧化物，及95、90、80、70、60、50、40、30、20、10或5重量百分比之第二氧化物。高發射率塗層62可包括呈均質形式之氧化物混合物，其中組成在整個中可相
同。替代地，高發射率塗層62可包括呈具有第一氧化物之域(例如，晶粒或微晶)及第二氧化物之域的形式之氧化物混合物。高發射率電陶瓷塗層可具有非晶形及結晶區域。此變化不包括黏合劑樹脂或基質來保持氧化物混合。本變化之混合氧化層可有利地為如以下更詳細地闡明之電陶瓷層。
在一改進中，塗層62可與底層裸鋁或鋁合金金屬線直接接觸，且亦可曝露於環境。通常，高發射率塗層62具有比裸金屬線(諸如，鋁)之表面高的發射率，且可為不同色彩。藉由塗佈電纜18中之周邊金屬線40，可有利地增大電纜之發射率。在自25℃至200℃之溫度下，在紅外線區域(例如，自約2至12微米光波長)中，高發射率塗層62通常具有大於約0.5之發射率。可藉由在其全部揭示內容在此被以引用的方式併入之ASTM E1933-99a(2010)中闡明之協定判定發射率。在一改進中，在自25℃至200℃之溫度下，在紅外線區域(例如，自約2至12微米光波長)中，高發射率塗層62通常具有自0.5至約0.96之發射率。在再一改進中，在自25℃至200℃之溫度下，在波譜之紅外線區域(例如，自約2至12微米光波長)中，高發射率塗層62通常具有大於或等於0.5、0.55、0.6、0.65或0.75之發射率。在又一改進中，在自25℃至200℃之溫度下，在波譜之紅外線區域(例如，自約2至12微米光波長)中，高發射率塗層62通常具有小於或等於0.99、0.95、0.9、0.85或0.8之發射率。
與裸金屬線表面積相比，高發射率塗層62通常增大金屬線表面積。增大之表面積提供自電纜的增大之輻射發射，以及改良之對流冷卻。就此而言，高發射率塗層62可具有自為在塗佈有高發射率塗層前的裸金屬線(例如，鋁或鋁合金)之表面積的10及250倍大之表面積。在一改進中，高發射率塗層60可具有為在塗佈有高發射率塗層前的裸金屬線之表面積的至少100倍大之表面積。可藉由(例如)由ASTM
C1274-12闡明之BET方法判定表面積；其全部揭示內容在此被以引用的方式併入。在其他改進中，高發射率塗層62通常具有為約為底層經塗佈金屬線之表面積(例如，裸金屬線之表面積)之10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、130、140、150、170或200倍大的表面積。在再一改進中，高發射率塗層62具有為底層經塗佈金屬線之表面積(例如，裸金屬線之表面積)之100倍大與1000倍大之間的表面積。在又其他改進中，高發射率塗層62通常具有小於為底層經塗佈金屬線之表面積(例如，裸金屬線之表面積)之1000、700、500、400、350、300、250或225倍大的表面積。高發射率塗層62可具有為約為底層經塗佈金屬線之表面積之10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、130、140、150、170或200倍大且小於底層經塗佈金屬線之表面積之1000、700、500、400、350、300、250或225倍大的表面積。在另一改進中，高發射率塗層62具有為約為底層經塗佈金屬線之表面積(例如，裸金屬線之表面積)之700倍大的表面積。
根據一個實例，高發射率塗層62將金屬線之比表面積增大一至兩個數量級，亦即，十倍或一百倍，或類似者。在再一實例中，比表面積可為橫截面積之140至700倍，且具有每平方英呎800mg之重量。在另一實例中，高發射率塗層62之比表面積可在橫截面積之100至1000倍之範圍中，且在再一實例中，為橫截面積之700倍。比表面積為每單位質量之總表面積(m2/g)。具有塗佈有高發射率電陶瓷塗層之至少其周邊金屬線的電纜可在比在不存在高發射率電陶瓷塗層之類似電纜低約攝氏40至80度溫度下操作。此等電纜在高達大致攝氏160度之溫度下在電負荷下操作。經塗佈電纜可在比不存在高發射率電陶瓷塗層之類似電纜低高達20%至30%之溫度下操作(基於相同負荷)，此允許經塗佈電纜之減少的能量損失，或增大對於給定溫度的給定電纜之載流能力之能力。
高發射率塗層62可適用於藉由減少聲子振動來冷卻金屬線，藉此提供總焦耳加熱之減少。此可有效地每年每哩安裝之高張力電纜在浪費的電方面節省大約數萬美元。替代地，在相同操作溫度下，可在比習知電纜高的電流位準下操作經塗佈電纜，藉此提供增大之電力傳輸及有效地增大電纜及電網之最大電力輸送量之能力。高發射率電陶瓷塗層在紫外線(UV)光中通常穩定以承受曝露於日光。另外，高發射率塗層可耐刮擦，且可能夠與電纜18或經塗佈金屬線一起彎曲而不分層、開裂或破壞。高發射率塗層足夠薄，使得其不顯著增大電纜之總重量。在一個實例中，高發射率塗層在厚度上通常為至少約1、3、5、7、9、10、11或12微米，且在厚度上通常不大於約25、20、28、16、15、14、或13微米。在一些實例中，取決於厚度及化學成分，高發射率塗層將基板之質量自4g/m2增大至20g/m2。
本文中描述之高發射率塗層亦可藉由色彩來描述。在一改進中，使用Minolta CR-300系列之CIELAB色彩空間量測結果提供以下色彩資訊：基於氧化鈦之塗層樣本具有(46.62 +/- 20%，-4.99 +/- 20%，+0.13 +/- 20%)之(L,A,b)值，而含有塗層的氧化鋯之樣本具有(88.95 +/- 20%，-8.71 +/- 20%，+6.09 +/- 20%)之(L,A,b)值。
高發射率塗層62可通常為均勻塗層，其在外層金屬線46之周邊周圍具有恆定或大體恆定厚度。合乎需要地，在不存在塗層之拋光、研磨或其他移除之情況下達成此均勻性。在一個實施例中，厚度可變化0至25%，例如，至少1%、3%、5%、7%、9%或10%，且合乎需要地，不大於25%、20%、18%、16%、14%或12%，其中在較厚塗層下，較高公差係可接受的。與裸金屬線相比，高發射率電陶瓷塗層提供改良之發射率、表面積及熱傳遞。已演示金屬線上之塗層48通過0T至1T之T彎曲測試，其展示高彎曲強度及至金屬線之高黏著力以提供在風化條件下之靈活性及在使用期間之受力。在一個實例中，塗層之
發射率範圍自約0.5、0.6至1.00，且在再一實例中，發射率自0.6至0.96。
在一個變化中，高發射率塗層62可塗覆至在於大致100kV至1000kV下操作之高張力傳輸線或電纜18上將通常裸露或未塗佈之鋁外層金屬線42。增強之發射率、增強之表面積、UV穩定性及良好熱導率為由塗層62提供的合乎需要之特性。
注意，具有低太陽吸收(小於百分之20太陽吸收)之高發射率可有用於許多高張力電傳輸應用領域中。可變化塗層之陰影或色彩，例如，藉由範圍自白至黑之各種灰度級，其中較淡灰度級提供太陽發射之較低吸收。舉例而言，較深灰度級可用以幫助電纜擺脫冰。
參看圖4，提供描繪塗層62及複數個孔70的金屬線之橫截面。通常，高發射率塗層62可為電陶瓷塗層。此等孔70至少部分界定經塗佈金屬線之增大的表面積，如上所闡明。亦應瞭解，由於風在冷卻電傳輸電纜時有用，因此在以上闡明的高發射率塗層之實施例中，孔藉由增大電纜表面積來有利地增大風冷卻。在一額外變化中，高發射率粒子(例如，碳，諸如，碳黑、燈碳黑、石墨、石墨烯、石墨烯氧化物；硫化銅、MnO及類似者)可藉由與其接觸(諸如，壓光、珠粒噴擊及類似者)實體上併入至高發射率塗層之孔內。在一個變化中，藉由使塗層與石墨粒子研磨接觸將碳粒子(例如，石墨)嵌入至塗層62中之孔70內。
在一替代性變化中，40、42、44、46、48之外表面在高發射率塗層62之塗覆前經粗糙化。藉由諸如滾紋法或製來福線之製程進行的機械粗糙化將裸金屬線之表面積合乎需要地增大至少約百分之5至百分之30或更大。此粗糙化增大塗層之表面積以改良熱傳遞。亦應瞭解，製來福線及滾紋法，塗覆至此等變粗糙之表面的高發射率塗層遵循滾紋法之輪廓，而非填充粗糙度，如以樹脂黏合劑或油漆為典型。
此外，諸如脊椎鰭片之二級熱傳遞鰭片或具有高表面積且為黏著結合之輔助鰭片的鰭片可黏著地結合至電纜18或外層金屬線46，以用於額外表面積增強。亦可塗佈此等二級熱傳遞鰭片。關於二級熱傳遞鰭片之此後者變化對於修整已在使用中之電纜有用。此外，在另一變化中，以上闡明的塗佈有高發射率塗層之金屬線可纏繞於先天電纜周圍以藉由有效地增大電纜表面積而自電纜傳遞熱量。
如上所闡明，金屬線40、42、44、46、48中之一或多者包括安置於其表面上之高表面積、高發射率塗層。已發現，此高表面積、高發射率塗層為有利的電陶瓷塗層。詳言之，此等塗層可藉由在美國專利第6,797,147號、第6,916,414號及第7,578,921號中闡明之製程來製備，該等專利之全部揭示內容在此被以引用的方式併入。一般而言，高發射率塗層係藉由可使裸金屬線與含有具有用於電陶瓷塗層之前驅體之水溶液的浴槽接觸之方法形成。裸金屬線帶電有高電壓及高電流；且與浴槽中之前驅體電化學反應以在金屬線之外表面上提供高發射率塗層。如本文中所使用，在塗佈裝置及製程中使用之「高電壓」包括至少約140伏特直至約800伏特之峰值電壓電位；如本文中所使用之「高電流」包括每金屬線至少約20安培且高達約1000安培之有效電流。在於每金屬線至少10kW、20kW、30kW、40kW或50kW之功率施加範圍內實踐連續塗佈製程時，可變化此等值。倘若金屬線具有足夠大之橫截面積以承受添加之kW而不損壞金屬線，則可將較大kW施加至金屬線。
可使用直流電及/或交流電。在一些實施例中，電流可為具有0.01至40毫秒之頻率的方波形圖案。頻率可自25Hz調整至25,000Hz，可為諸如200Hz至25,000Hz或100Hz至10,000Hz之高頻率。波形可包括在AC、DC或脈衝DC電流中之任何者中呈正弦形、三角形及/或矩形，以及含有疊加波形之複雜波形，例如，在DC波形上之AC波
形。
高電流為處於或大於每金屬線約20安培至1000安培之有效電流。隨著金屬線大小增大，載流能力亦增大，而不損壞金屬線。經由金屬線之過多電流可導致金屬線之過度加熱，從而導致金屬線之脆化。取決於待塗佈的金屬線之規格，對於高張力金屬線，可將安培數調整至至少每金屬線(亦即，單股金屬線)20安培、30安培、40安培、50安培、60安培、70安培、80安培、90安培或100安培，且較佳地不大於1000安培、800安培、600安培、400安培、300安培、200安培、180安培、160安培、140安培、120安培。施加之電流可為交流電、不對稱交流電、直流電或脈衝直流電。在一些實例中，使用直流電且可將其作為開/關波形施加。在一個實施例中，波形之總週期為至少0.01、0.1、1或10毫秒，且高達50、40、30、20或15毫秒。可將波形調整至至少以下之比率：0.1、0.3、0.6、1.0、1.2、1.5、1.7、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、5.0、10.0或高達無限大比率，其中直流電始終接通，且不存在斷開部分，亦被稱作直DC。
通常，滯留時間範圍自約1、2、3、4、5、6、8或10秒，且至少為了效率，不大於180、160、140、120、100、60、45、30、20或15秒。在一個實例中，滯留時間為大致五至十秒。通常，饋入速率或金屬線速度取決於對於所要的塗層性質(例如，厚度、表面積及發射率)，達成足夠滯留時間，且合乎需要地，範圍可自每分鐘約10英呎至每分鐘約200英呎。可使用較高速度，其限制條件為維持滯留時間。
在另一實施例中，藉由改變電解槽中的電瓷塗層前驅體之身分來修改塗層之發射率，例如，前驅體元素可包括Ti、Zr、Zn、Hf、Sn、B、Al、Ge、Fe、Cu、Ce、Y、Bi、P、V、Nb、Mo、Mn、W及Co。在一個實施例中，藉由改變水溶液之鋁及/或鋯濃度來調整塗層
之特徵。氧化鋁及/或氧化鋯之包括有利地允許塗層特徵(例如，高發射率塗層之色彩及/或耐磨性)之調整。用於形成高發射率塗層之化學前驅體較佳地無以下化學物：鉻、氰化物、亞硝酸根離子、草酸鹽；碳酸鹽；矽，例如，矽氧烷、有機矽氧烷、矽烷、矽酸鹽；羥胺、鈉及硫。具體言之，獨立地針對以下列出的每一較佳地最小化之組分，按給定之次序，愈來愈較佳的，用於根據本發明之電陶瓷塗層的前驅體當直接與根據本發明之製程中的金屬接觸時，含有不超過百分之1.0、0.35、0.10、0.08、0.04、0.02、0.01、0.001或0.0002的以下成分中之每一者：鉻、氰化物、亞硝酸根離子；草酸鹽；碳酸鹽；矽，例如，矽氧烷、有機矽氧烷、矽烷、矽酸鹽；羥胺、鈉及硫。
在電纜18中使用之鋁或鋁合金金屬線可連續地塗佈有電陶瓷或其他高發射率UV穩定塗層。可將塗層塗覆於包圍金屬線之中心芯的最外部一組金屬線中之至少一或多者上，以便降低通電電纜之總操作溫度。在將金屬線捆束至電纜前，可在連續製程期間將塗層塗覆至個別金屬線。在一個實例中，在成束製程前，塗佈電纜18中之最外層金屬線40以形成成品電纜18。外層金屬線40經單個地塗佈且接著作為外金屬線置放於電纜18上，藉此僅塗佈直接受益於其上具有低發射率塗層的金屬線40，亦即，曝露於外部環境之金屬線。替代地，可塗佈全部電纜；雖然此態樣可提供電纜效率或操作溫度之僅較小改良，但塗佈全部電纜對於修整或其他目的可為合乎需要的。歸因於降低之操作溫度，高發射率塗層亦可允許同一設計之成品電纜的減小之下垂。
以下實例說明本發明之各種實施例。熟習此項技術者將認識到在本發明之精神及申請專利範圍之範疇內的許多變化。
在包含5.24份鹼性碳酸鋯及20.06份六氟鋯酸之含水電解沈積浴
槽中，在恆定溫度及410伏特峰值下，塗佈鋁合金樣本達3分鐘。使用具有1：3之開/關比率的DC脈衝方波形。經塗佈樣本經自浴槽移除，用水沖洗且允許乾燥。在3.1微米厚度下，樣本之發射率為0.68。
在包含1份六氟鈦酸及1份六氟鋯酸至0.375分的量測為磷酸鹽之磷酸鹽源之水溶液中塗佈鋁合金樣本。將水溶液通電至在恆定溫度下施加達足以沈積電瓷塗層之時間的450伏特。使用具有2.78之開/關比率的DC脈衝方波形。經塗佈樣本經自浴槽移除，用水沖洗且允許乾燥。在9.0微米下，樣本之發射率為0.79。
前述實例說明藉由針對塗佈金屬線之電陶瓷方法更改浴槽化學物來控制發射率。
在包含呈恆定濃度之磷酸鹽源及六氟鈦酸的電解沈積浴槽中塗佈鋁合金樣本。在恆定溫度下在同一浴槽中塗佈所有樣本。變化電壓、安培數、時間及波形，如以下所展示。用於脈衝DC電流之波形為方形。經塗佈樣本經自浴槽移除，用水沖洗且允許乾燥。針對使用之電壓、安培數、時間與波形之各種組合來判定樣本之發射率，且結果展示於下表中。
以上結果展示在不改變浴槽內容物之情況下，可藉由控制包括波形、電壓、安培數及接觸時間之沈積參數來將發射率自最低增大約40%至所展示之最高發射率。
使用輝光放電光學發射光譜法(GDOES)取得實例3之塗層的元素深度分佈。在距金屬表面特定距離處按重量百分比判定各種元素之量。對於所有樣本，在基板處，氧含量自小於2重量%之初始值逐漸堆積，而Al含量在約2微米之跨度上獨立於塗層厚度突然地下降。
在樣本上，表面分析物重量百分比係類似的，如下表中所展示：
比較來自實例3之塗層之GDOES分析的資料展示元素分佈之間的出人意料之類似性(儘管有不同發射率值)。此等結果傾向於展示協同工作以產生塗層的塗層厚度、沈積之波形、電壓及安培數，雖然基本上非常類似，但塗層具有不同發射率。
在包含呈恆定濃度之磷酸鹽源及六氟鈦酸的電解沈積浴槽中塗佈鋁合金樣本。在恆定溫度及電壓下在同一浴槽中塗佈所有樣本。變化時間及波形，如下所展示。用於脈衝DC電流之波形為方形。經塗佈樣本經自浴槽移除，用水沖洗且允許乾燥。針對各種組合判定樣本之發射率，且結果展示於下表中。
以上結果展示在浴槽內容物及電壓保持恆定之情況下，藉由控制波形及接觸時間將發射率自最低增大約10%至所展示之最高發射率。
在包含呈恆定濃度之磷酸鹽源及六氟鈦酸之電解沈積浴槽中塗佈數組市售鋁合金金屬線及鋁合金之代表性平板樣本。變化電壓、功率、時間及波形，如以下所展示。用於脈衝DC電流之波形為方形。經塗佈樣本經自其浴槽移除，用水沖洗且允許乾燥。評估塗層之品質
及厚度，且結果展示於下表中。
量測經選定具有用於取得發射率讀數之足夠平坦表面區的來自同一組之代表性平板樣本之發射率。平樣本之發射率經量測為0.73±0.03。以上結果展示，在浴槽內容物保持恆定之情況下，可藉由選擇及/或控制波形、電壓、功率及接觸時間來將發射率維持於給定級別(對於金屬線，此將通常為沿著恆定尺寸之路徑經由浴槽的每單位時間行進之距離，亦稱線速度)。
使用已藉由溶解之Al之添加修改的實例3之電解質，以如下表中展示之量，用具有2.78之開/關比的恆定波形，在435V之恆定電壓下電解塗佈一系列鋁合金樣本。在每一合金群組內，將施加之電流及塗佈時間保持恆定。經塗佈樣本經自電解質移除，用水沖洗且允許風乾。每一合金群組中之樣本經受使用CS-10級磨輪在500公克負荷下的磨損測試。在5000循環個測試後，判定重量損失及TWI。重量損失及TWI兩者之平均值展示如下。
以上結果展示將Al添加至電解槽改變塗層特徵，例如，所得塗層之耐磨性及TWI。
雖然以上描述例示性實施例，但並不意欲此等實施例描述本發明之所有可能形式。相反地，說明書中使用之字詞為描述而非限制之字詞，且應理解，在不脫離本發明之精神及範疇的情況下可進行各種改變。另外，各種實施實施例之特徵可經組合以形成本發明之另外實施例。
40‧‧‧金屬線或股線
62‧‧‧高發射率塗層
70‧‧‧孔
Claims (26)
- 一種用於電力配送應用之電纜，該電纜包含：複數個金屬線，其捆束至電纜內且沿著該電纜之中央縱向軸線延伸；該複數個金屬線包含內部金屬線及周邊金屬線，其中該等周邊金屬線包圍該等內部金屬線，至少一個周邊金屬線為具有沈積於其上之高發射率塗層的經塗佈金屬線，該高發射率塗層包含至少一種不同於氧化鋁之金屬氧化物及至少10重量百分比氧化鋁，該經塗佈金屬線具有大於或等於0.5之發射率及為在塗佈有該高發射率塗層前的裸周邊金屬線之表面積之至少20倍大的表面積。
- 如請求項1之電纜，其中該等內部金屬線及該等周邊金屬線包含鋁或鋁合金。
- 如請求項1之電纜，其中該等內部金屬線包含第一組內部金屬線及第二組內部金屬線，使得該第二組內部金屬線包圍該第一組內部金屬線。
- 如請求項1之電纜，其中該高發射率塗層為均質的。
- 如請求項1之電纜，其中該至少一種不同於氧化鋁之金屬氧化物包含金屬氧化物之混合物。
- 如請求項1之電纜，其中塗佈有該高發射率塗層之該經塗佈金屬線具有自約0.5至約0.96之發射率。
- 如請求項1之電纜，其中每一周邊金屬線塗佈有該高發射率塗層。
- 如請求項1之電纜，其中該高發射率塗層具有自約1微米至20微米之厚度。
- 如請求項1之電纜，其中該高發射率塗層具有約為塗佈有該高發 射率塗層前的該裸周邊金屬線之該表面積之100倍大的表面積。
- 如請求項1之電纜，其中該高發射率塗層具有自裸金屬線之表面積之30倍大至250倍大的表面積。
- 如請求項1之電纜，其中至少一個金屬線具有藉由滾紋法或製來福線而變粗糙之表面。
- 如請求項1之電纜，其中該高發射率塗層包含選自由以下各者組成的群之氧化物：氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氧化錫、氧化鍺、氧化硼、氧化鐵、氧化銅、氧化錳、氧化鈷、氧化鈰、氧化鉬、氧化鎢、氧化釔、氧化鉍、氧化鋅、氧化釩及其組合。
- 如請求項1之電纜，其中該高發射率塗層為電陶瓷塗層。
- 如請求項13之電纜，其中該高發射率塗層係藉由包含以下步驟之方法形成：使裸金屬線與含有具有用於該電陶瓷塗層之前驅體之水溶液的浴槽接觸；操作與該裸金屬線電連通之帶電器件以使該裸金屬線帶有高電壓及高電流；及在該浴槽中使該裸金屬線與該前驅體電化學反應以在該金屬線之外表面上沈積該高發射率塗層，藉此產生經塗佈金屬線。
- 如請求項1之電纜，其中該至少一種不同於氧化鋁之金屬氧化物為氧化物混合物，其包含第一氧化物及第二氧化物，該第一氧化物及該第二氧化物各獨立地選自由以下各者組成之群：氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氧化錫、氧化鍺、氧化硼、氧化鐵、氧化銅、氧化錳、氧化鈷、氧化鈰、氧化鉬、氧化鎢、氧化釔、氧化鉍、氧化鋅及氧化釩。
- 如請求項15之電纜，其中該高發射率塗層包含該第一氧化物之域及該第二氧化物之域。
- 如請求項1之電纜，其中該高發射率塗層包含複數個孔，該複數個孔中之至少一些具有實體上併入於其中之高發射率粒子。
- 如請求項17之電纜，其中該高發射率粒子係選自碳黑、燈碳黑、石墨、石墨烯、石墨烯氧化物、硫化銅、MnO之粒子。
- 一種用於電力配送應用之電纜，該電纜包含：複數個金屬線，其捆束至電纜內且沿著該電纜之中央縱向軸線延伸；該複數個金屬線包含內部金屬線及周邊金屬線，其中該等周邊金屬線包圍該等內部金屬線，至少一個周邊金屬線為具有沈積於其上之高發射率電陶瓷塗層的經塗佈金屬線，該高發射率電陶瓷塗層包含氧化鈦及氧化鋯中之至少一者；及至少10重量百分比氧化鋁，該經塗佈金屬線具有大於或等於0.5之發射率及為在塗佈有該高發射率塗層前的裸周邊金屬線之表面積之至少100倍大的表面積。
- 如請求項19之電纜，其中塗佈有該高發射率塗層之該經塗佈金屬線具有自約0.5至約0.96之發射率。
- 如請求項19之電纜，其中該高發射率塗層具有自1微米至20微米之厚度。
- 如請求項21之電纜，其中該高發射率塗層包含複數個孔，該複數個孔具有安置於其中之石墨。
- 如請求項19之電纜，其中高發射率電陶瓷塗層包含氧化鈦及氧化鋯。
- 如請求項19之電纜，其中該高發射率塗層具有約為塗佈有該高發射率塗層前的該裸周邊金屬線之該表面積之700倍大的表面積。
- 一種經塗佈金屬線，其包含：金屬線；及 直接化學黏附於該金屬線上之塗層，該塗層包含至少一種不同於氧化鋁之金屬氧化物及至少10重量百分比氧化鋁，該塗層具有大於或等於0.5之發射率及為塗佈有該塗層前的裸金屬線之表面積之至少20倍大的表面積。
- 如請求項25之經塗佈金屬線，其中該塗層為電陶瓷塗層，且該至少一種不同於氧化鋁之金屬氧化物係選自氧化鈦、氧化鋯及其組合。
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