CN1263516A - 胶体绝缘和冷却液体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种胶体液体,该胶体液体具有改善的绝缘性质和冷却性质。本发明的实施方案涉及的胶体液体包括一种载液和一种非金属颗粒的分散相,其中,胶体液体的磁化饱和度小于50高斯。该组合物可以用于绝缘和/或者冷却电磁装置,包括较高功率装置例如电源变压器。

Description

胶体绝缘和冷却液体
技术领域
本发明涉及一种新型的胶体液体，特别涉及一种新型的胶体液体以及这些胶体液体对电磁装置的绝缘和/或冷却应用。
背景技术
在电磁装置如一个电源变压器内的液体绝缘物承受不同类型的电压。这些电压包括AC交流电压和脉冲(主要是短寿命的DC直流电)电压。其中，交流电压具有较宽范围的振幅和频率，而脉冲电压则具有较高的幅度。液体绝缘物承受特定电压的电场所施加的应力的能力往往是该液体绝缘物最重要的性质。这决定了一种特定的液体是否可以作为一个给定变压比的变压器(或者任何其它使用高压的电磁装置)的绝缘物来使用。一个绝缘物的选择是非常重要的，就是因为该绝缘物决定了该电磁装置的所有主要元件的设计。
通常，对液体绝缘物产生应力的高压是脉冲(照明)电压。当液体绝缘物承受一个通过升高到该绝缘物的峰值脉冲电压时所产生的临界介电应力时，可能发生该绝缘物被击穿(breakdown)的现象。
为了使得电能输送和分配的效率最大，在电磁装置内往往需要使用较高电流密度和较高交流电压。较高的电流导致所产生的热量增加，而较高电压则加剧了施加到电磁装置的绝缘部件上的静电应力的程度。产生热量的增加限制了电磁装置的导电元件安全承载的最大电流，并且由于需要增加导电材料还增加了与电能的输送、分配和最终使用有关的成本。这也导致一个给定的电磁装置的重量和尺寸增加。较高的静电应力也限制了电磁装置中单位空间内的电压降。因此增加了能量从产生地点输送到最终使用者的有关成本。而且，为了弥补较高应力，往往需要增大绕组匝间用绝缘液体例如变压器油填充的空间，因此进一步增加了变压器的尺寸和成本。
既然电流既产生热量又产生静电应力，电绝缘物能够连续完成以下所述的两种不同的功能是非常重要的。这两个功能是：(a)防止电流在具有不同电压的导电部件之间流动；和(b)将热量从绕组和磁心传递到待冷却的电子装置的外壁。液体绝缘物的介电性质是最关键的性质，因为该性质决定了较高电压电磁装置的功能，并且一种绝缘液体的介电强度是不可能打折扣的。结果，在实践中现有技术中的液体绝缘系统都具有较高的介电强度、较低的电导率和较高的纯度；一般认为后者对于获得所需的介电强度是非常必要的。然而现有技术的液体绝缘系统还具有较低的热传导性，这阻止了热量通过传导而进行有效传递。此外，电磁装置通常利用阿基米德对流，阿基米德对流由液体绝缘物例如变压器油被加热到一个较高温度而发生膨胀所形成，因此形成阿基米德力，所形成的阿基米德力使热(密度较低)的变压器油上升，而将冷(密度较高)的变压器油挤压向下。因此，建立了热对流，热量能够从绕组传递到电磁装置的外壁。然而这种类型的热传递具有较低的效率，要求在绕组和磁心内提供特殊的通道(渠道)，因此变压器油可以流过产生热量的该装置的各个部件的最热的内部。依靠不太有效的阿基米德对流机制的热传递将由于单位体积内的导电材料和磁性材料的量减少而导致装置的尺寸以及成本增加。而且，即使采取必要的预防措施保证热传递，在绕组/磁心装置内还是会形成热点，该热点也限制了电压和电流。
现有技术的液体绝缘系统只能在决定一个电磁装置的额定功率的有限的电流、电压和环境条件下完成其功能。因此需要突破这些限制从而使得电磁装置可传输大功率即较高电压或者电流，而不必降低其安全性和可靠性，或者使得同样的功率用较小和成本较低的装置进行传输。本发明针对上述问题以及其它重要的目的。
发明概述
本发明的一部分涉及一种胶体液体。具体地，在一个实施方案中，本发明涉及一种稳定的胶体液体，包括：(a)约99.99％到约98％体积(百分比浓度)的一载液；以及(b)约0.01％到约2％体积(百分比浓度)的非金属颗粒，其中，该胶体液体的磁化饱和度小于50高斯。
本发明的另外一个实施方案涉及一种稳定的胶体液体，包括：(a)一载液；以及(b)非金属颗粒，其中，该胶体液体的磁化饱和度小于50高斯。
本发明的又一个实施方案涉及一种制备磁化饱和度小于50高斯的稳定胶体液体的方法。该方法包括下列步骤：(a)提供一载液；以及(b)将非金属颗粒与所述的载液合并。
本发明的再一个实施方案涉及一种电磁装置，包括：(a)用于产生电磁场和热量的机构；以及(b)一稳定的与所述的装置接触的胶体绝缘液体，该绝缘液体包括：(i)一载液；以及(ii)非金属颗粒，其中，该胶体液体的磁化饱和度小于50高斯。
本发明的又一个实施方案涉及一种使得产生外部磁场和热量的电磁装置绝缘和冷却的方法，其中，该方法包括使得该电磁装置与一种稳定的胶体绝缘液体接触，该绝缘液体包括：(a)一载液；以及(b)非金属颗粒。该胶体液体的磁化饱和度为大于0到小于50高斯。
从下面本说明书和权利要求使得本发明的这些和其它目的将会变得更加清楚。
附图的简要描述
为了说明本发明的实施方案，提供一幅附图，该附图是优选的。但是应该能够理解，本发明不限于图中所示的各个部件的精确设置。
图1是一个变压器的示意图，该变压器包括一个根据本发明的一个实施方案的用于冷却变压器的一个系统。
发明的详述
本发明的一部分是针对一种例如与电子装置一起使用的新型的胶体液体。这里所使用的术语“胶体”是指物质的一种状态，该物质中可能包括单个的大分子、或者较小的分子的集合。在胶体内，超微尺寸的颗粒(通常称为分散相)通常被不同的物质(通常称为载液、分散介质或者外部相)包围着。在本发明的胶体内的颗粒的尺寸根据所使用的颗粒、某一特定的应用等条件而有所不同。一般来讲，颗粒的尺寸最好为1～100纳米以及该范围内的所有颗粒的组合和亚组合。因此，本发明的胶体通常可以称为“纳米级液体”(“nanofluids”)。在本发明的某些实施方案中，胶体中的颗粒可以具有磁性。这里的术语“磁性”是指物质的一种性质，亦即在某些条件下，这些物质可以互相吸引或者排斥。作为含有磁性颗粒的胶体的例子是“铁磁流体”。这里所述的铁磁流体可以对所施加的磁场进行反应，仿佛流体本身具有磁性一样。在本发明的某些其它实施方案中，胶体含有非磁性的颗粒。这里所使用的术语“非磁性”是指基本上(完全)缺乏磁性。
本发明的胶体致力于解决上述的三个限制装置单位体积(重量)内功率分布的基本问题。本发明的胶体特别是具有下面一个或者多个特征：(a)较高的局部放电电压，该性质允许在使用时通过提高对短期交流电波动的极限而允许装置导电部件之间具有较小的距离；(b)脉冲击穿强度增高，因此变压器的带电部件之间可以具有较小的距离，并且在高电压脉冲冲击下其可靠性得到提高；和(c)提高了与磁场强度成正比的热传递能力，因此，热量可以有效地从磁场最强而有效的热交换也是最关键的绕组内部传递出去。
一般来讲，本发明的新型的胶体例如可以通常将颗粒与载液混合来制备。在一个优选的方法中，胶体可以通过将具有相对较高浓度颗粒的胶体与一常规的液体(如常规的变压器油)绝缘物混合，从而提供上文所述的纳米级液体。其它制备胶体的方法将在后面进行详细描述。在本发明的一个最佳实施方案中，纳米级液体可以具有介电性质。这些介电性纳米级液体可以基本上是非磁性的或者可以具有磁活性(磁性)性质。本发明的介电性纳米级液体的例子为铁磁流体。这里所述的纳米级液体例如可以根据其具体的应用来配制，以获得所需要的性质。例如，可制备主要是为了提高绝缘介电强度的纳米级液体。增加颗粒的体积浓度可以使得磁化饱和度增加，结果使得纳米级液体的绝缘介电强度和热传递性能均得到提高。也可将胶体配制成主要是提供所需的热传递性能。
铁磁流体的磁化饱和效应和铁磁流体在交流电压和直流电压条件下的磁活性液体介电强度及其冷却能力下的电阻率(该电阻率可以由磁性颗粒的体积百分比、其平均尺寸和频率分布以及铁磁流体的制造规格来确定)已经在实验室内和商业用的变压器上进行了试验。所研制的本发明新型的胶体绝缘液体的局部放电(PD)起始电压、热传递能力和脉冲击穿电压均与两个在磁活性液体制备后很容易测量的两个参数有关，这两个参数是：磁化饱和度(Ms)和电阻率(R)。对于请求保护和所说明的本申请而言，磁化饱和度可以是零(对于非磁性胶体)，或者从0.5Gs到50Gs；而电阻率可以在约109到大于1013Ohm-cm范围内变化。对于给定的变压器，这两个参数的实际值取决于所需要的绝缘性质和冷却能力的特定结合。
因此，本发明的胶体可以具有非常良好的电阻率，因此特别适合作为包括变压器在内的电磁装置的绝缘液体来使用。特别是和现有技术的绝缘液体的最小的(正)脉冲击穿电压相比，本发明的胶体可以显著地增加脉冲击穿电压的最小(正)值。在最佳实施方案中，本发明的胶体的脉冲击穿电压的正值可以增加至少10％，大于10％更好，例如，包括15％。作为优先的选择，本发明的胶体的脉冲击穿电压的正值增加大于15％，例如，增加约20％；大于20％更好，例如包括25％。作为更为优先的选择，本发明的胶体的脉冲击穿电压的正值增加大于25％，例如，增加约30％；大于30％更好，例如包括35％。作为进一步更为优先的选择，本发明的胶体的脉冲击穿电压的正值增加大于35％，例如，增加约40％；大于40％更好，例如包括45％。作为最为优先的选择，本发明的胶体的脉冲击穿电压的正值增加大于45％，例如，增加约50％；大于50％更好。
除了上述所需的绝缘性质外，本发明实施方案所提供的胶体还具有良好的热传递性质。因此，例如，本发明的胶体可以用作冷却液体，来冷却在高温下工作的电磁装置，包括高电源变压器。正如本领域的普通技术人员所公知的那样，高电源变压器通常在70℃到90℃下进行工作，典型地具有110℃的最高工作温度，在所谓的热点，该温度上升到约130℃。当本发明的绝缘液体作为冷却液体使用时，所观测到的温度的增高基本上小于在现有技术中的绝缘和/或冷却液体所观测到的温度。在一个最佳实施方案中，本发明的胶体升温至少降低1％，升温的降低大于1％更好，例如，包括5％。作为优先的一种选择，本发明的胶体升温的降低最好大于5％，例如，包括10％。降低超过10％更好。例如，包括15％。
尽管不受任何一种工作理论或多种理论的束缚，但应该相信，以本发明的实施方案所获得的所需要的冷却性质可能(至少部分)归因于磁性的利用。在这种情况下，如下文所详细描述的那样，本发明的胶体具有达到50高斯(最好小于50高斯，在某些实施方案中，为大于0到小于约50高斯)的磁化饱和度。因此，例如对于含有磁性颗粒的胶体溶液，电磁装置所形成的磁场梯度可以向着装置的磁场最强的区域(例如绕组区域)吸引和拉动胶体。这显著地加强了对流循环，该对流循环受两种力驱动，这两种力包括磁力和重力。但是，在某些变压器(例如具有扁平绕组的变压器)设计中，磁力主要产生水平对流，该对流与阿基米德对流垂直，因此会有害地干扰冷却液体的阿基米德对流。而通过限制胶体液体的磁化饱和度可以减少水平对流。因此需要对本发明的胶体的磁化饱和度进行选择，以在线圈/磁心组合件内产生径向对流和角度对流(angular convection)，从而通过防止形成有害的热点而改善冷却效果。同时，在线圈/磁心组合件外侧，由于磁场急剧降低，阿基米德对流加强，因此保证了液体循环的正常(垂直)轨迹。
本发明的胶体最好是高度稳定的。这里所述的“稳定”是指本发明的胶体即使暴露于各种温度环境(包括与电磁装置例如变压器的操作有关的温度升高的环境)下在较长的一段时间内基本上或者完全不产生分解(例如，包括分散相和/或载液相的化学降解，以及分散相和载液相的分离)。因此，本发明的胶体，例如，特别适合作为包括大电源变压器在内的电磁装置的变压器的绝缘液体来使用，这使得该电磁装置具有非常长的寿命周期。在一个最佳实施方案中，本发明的胶体最好具有至少109ohm·cm的电阻率，该电阻率大于109ohm·cm更好。作为一种更优先的选择，本发明的胶体的电阻率为109ohm·cm～1013ohm·cm。如上所述，本发明的胶体具有良好的热传递性质。因此，所述的胶体可以作为电子装置的冷却剂来使用。这些电磁装置包括在较高功率下工作并可能产生较高工作温度的电磁装置，例如变压器。
多种材料可用于本发明的胶体，例如作为分散相和/或载液相来使用。所使用的具体的材料随所需要的磁化程度、冷却性质、电阻率和类似性质以及具体的应用而变化。在一个最佳实施方案中，分散相和载液相的选择应当使得本发明的胶体具有不大于50高斯并且最好小于50高斯(例如，从0到50高斯，包括该范围内的所有组合和亚组合)的磁化饱和度(Ms)。在由非磁性颗粒制备的胶体中，胶体的磁化饱和度为零。在由具有磁性的颗粒制备的胶体的例子中，胶体的磁化饱和度从大于零到小于50高斯。已经观察到在胶体的磁化饱和度在0.5到小于50高斯时其冷却效果极为良好，而当该磁化饱和度为约20到40高斯时其冷却效果是最优的。特别是当本发明的胶体的磁化饱和度为约0.1到5高斯，尤其是在约0.5到2高斯时可以观察到本发明的胶体具有最优的介电强度。为了同时获得所需的冷却性质和介电性质，本发明的胶体的磁化饱和度最好为约1到约20高斯，而约5到20高斯能够提供最优的综合性质。
根据本发明的最佳实施方案，作为载液相的液体其本身最好是稳定的，并且能够为分散相提供所需的稳定的环境。载液相最好还具有较低的介电常数，该介电常数最好小于3。载液相最好还具有较高的电阻率，如上所述，可以提高本发明胶体的电阻率。可以根据需要选择载液的粘度，从而满足本发明的胶体所需的稳定性以及上述的有利的对流冷却性质。
在最佳实施方案中，本发明的胶体中所使用的载液相是油。作为油的例子例如可以包括许多当前用作大电源变压器的冷却液的油。那么，这些油例如可以包括各种形式的包括高分子量的石油、合成烃和硅酮。特别适合作为本发明的胶体的载液相使用的油是一种市售的变压器级矿物油，市售的商标为UNIVOLTTM，由Exxon公司(ST.Paul，MN)生产。借助于本发明所公开的内容，其它适合作为所述的胶体的载液相使用的材料对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
如上所述，本发明的胶体液体最好还包括一分散相，该分散相最好为颗粒形式。如同上面所讨论的载液相一样，多种材料可以作为所述的胶体中的分散相来使用。在一个最佳实施方案中，分散相自非金属材料获得。特别是当分散相中包括一种非金属材料时，可以观察到交流电击穿强度得到提高。这里所述的“非金属”是指基本上或者完全没有金属性质和/或特性的材料。用作分散相的分非金属材料的例子例如可以包括有机材料(例如聚合物材料)、无机材料(例如高分散性的硅胶)和某些元素，如碳元素。在列举的这些非金属材料中，优选的是无机材料，在无机材料中优选的是金属氧化物。
依据本发明的某些优选实施方案，分散相从磁性材料(这就是说，具有内在的磁偶极矩的材料)中获取，最好选用磁性和非金属材料。这是因为已经发现当分散相是非金属和磁性材料时，可以获得提高的交流电击穿强度和良好的冷却性质。作为优先的一种选择，分散相可以包括具有居里温度大于约200℃的材料。分散相包括磁性无机材料，以磁性金属氧化物为更好。例如，这些金属氧化物例如是铁的氧化物(例如FeO，Fe2O3和Fe3O4)、锌的氧化物(例如ZnO)、钴的氧化物(例如CoO)、锰的氧化物(例如MnO，Mn3O4和Mn2O3)、钛的氧化物(例如TiO2和Ti2O3)、铜的氧化物(例如Cu2O)、镍的氧化物(例如NiO和NiO2)和铬的氧化物(例如Cr2O3)。作为另外一种优先的选择可以选择复合金属氧化物，例如包括铁和钴的金属氧化物(例如Fe2CoO4)，铁、猛和锌的金属氧化物(例如MnxZn(1-x)Fe2O4，其中x的范围可以是0.4～0.8)以及铁、钴和锌的金属氧化物(例如CoxZn(1-x)Fe2O4，其中x的范围可以是0.2～0.6)。在这些金属氧化物中优选的金属氧化物是铁的氧化物。作为一种优选的选择，所使用的氧化物应该具有合理高的磁化水平，该磁化水平取决于温度。从这一点来看，MnxZn(1-x)氧化物和铁的氧化物是最为优选的，其中，MnxZn(1-x)氧化物特别适合于在最需要的条件(例如牵引式变压器)下使用，而铁的氧化物则特别适合于在常规的配电变压器和电源变压器中使用。
在本发明的某些其它的实施方案中，分散相可以自非磁性材料获得。优选的非磁性材料例如包括有机材料，例如聚合物材料和无机硅胶。在这些聚合物材料中优选的材料为氟化聚合物(例如包括聚四氟乙烯)，杜邦化学公司(Wilmington，DE)生产，市售商标为TEFLONTM。
借助于本发明所公开的内容，其它适合作为所述的胶体的分散相使用的材料对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
可以作为本发明的胶体的分散相使用的材料最好为颗粒形式。胶体内分散的颗粒的尺寸例如可以根据所使用的具体的分散相和载液相以及所需的应用而有所不同。但是，作为一种优先的选择，颗粒的尺寸从一个优选的颗粒尺寸范围选择。在这一点上，已经发现颗粒尺寸可以影响胶体的冷却性质和电阻率性质。例如，依赖于颗粒的化学成分，使用较小尺寸的颗粒将使得胶体的电阻率降低。因此，在应用该胶体时，该胶体将导致不必要的高介电损失。相反，根据所使用的颗粒的化学成分，使用较大尺寸的颗粒在较高温度下使得胶体的稳定性很差。如上所述，优选的颗粒尺寸范围为1～100纳米(nm)以及在该范围内的所有尺寸的组合和亚组合。作为较为优先的一种选择，颗粒的平均尺寸在约5纳米到约20纳米；以颗粒的平均尺寸大于约5纳米而小于约20纳米为最好，例如包括为15纳米。作为一种更为优先的选择，颗粒的平均尺寸可以至少为7纳米；以90％的颗粒的尺寸大于7纳米最好。
本发明的液体胶体中的分散相的浓度例如可以依据所使用的具体的分散相和载液相、所需的胶体的应用等条件而有所不同。在必要情况下，胶体最初是由较高浓度的分散相来形成。这些浓度较高的胶体可以进行稀释从而获得一个优选的浓度，后文将详细描述。在这个问题上，本发明的胶体具有良好的通用性，因为根据具体的应用，浓度可以按要求最终由使用者来进行确定。在这一点上，例如可以考虑在使用胶体的地点(例如电源变压器的制造和/或者使用地点)对胶体进行稀释。较高浓度的胶体的原始产品可以减少将胶体运送到所需地点所需的空间。通过减低胶体运送到地点所需的必要性和/或次数，可节省大量运输费用而有助于胶体的运送。
一般来讲，包括在本发明的胶体中的分散相的浓度可以在大于0％体积(例如为0.01％)到约2％体积以及该范围内的所有的组合和亚组合。在胶体是由非磁性颗粒构成的分散相来制备的情况下，分散相的浓度优选为约0.01％体积到约0.5％体积，以分散相的浓度从约0.05％体积到约0.3％体积为更好。在胶体是由磁性颗粒构成的分散相来制备的情况下，分散相的浓度优选为约0.01％体积到小于约2％体积，以分散相的浓度为从约0.02％体积到约1％体积更好。
借助于本发明所公开的内容，对本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在所述的胶体中所使用的载液相的量例如可以根据如上所述的所使用的分散相的浓度而有所不同。因此，一般来讲，载液量的范围最好为约99.99％体积到小于98％体积，包括该范围内的所有组合和亚组合。在胶体是由非磁性颗粒构成的分散相来制备的情况下，载液浓度最好为约99.99％体积到约99.5％体积，以浓度从约99.95％体积到约99.7％体积为更好。在胶体是由磁性颗粒构成的分散相来制备的情况下，载液相的浓度最好为约99.99％体积到大于约99.8％体积，以浓度从约99.98％体积到约99％体积为更好。
除了上述的分散相和载液相外，本发明的胶体还可以选择性地包括其它添加剂材料，例如包括稳定剂材料，例如表面活性剂、分散剂、增稠剂、粘度改变剂、抗氧化剂和类似物。这些材料可以通过减少或者基本上(包括完全)阻止相分离、分散相的聚集以及类似问题从而提高本发明的胶体的稳定性。在最佳实施方案中，这些优选的添加剂材料包括一种表面活性剂。作为一种优先的选择，表面活性剂接触或者基本上(包括完全)涂覆在胶体内的颗粒上。在颗粒是非磁性材料情况下，颗粒可以进行硅烷化。
多种表面活性剂可以用于本发明的胶体。根据所使用的具体的分散相和载液相以及所需的应用，这些表面活性剂可以是阴离子、阳离子或者非离子的。作为例子，阳离子表面活性剂例如包括含有季胺基团的长链(脂肪类)化合物；非离子表面活性剂例如包括醇类和聚氧化烯聚合物。除了上述中所举例子外，借助于本发明所公开的内容，其它的表面活性剂以及其它适合本发明胶体的选择性的添加剂材料对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
在本发明的胶体中所使用的选择性的添加剂材料的浓度可以根据具体的添加剂材料、所使用的分散相和/或载液相而有所不同。作为一种优先的选择，所使用的添加剂材料的浓度应该能够提高胶体的所需性质，例如稳定性、冷却性质、抗氧化性质和/或绝缘性质。在最佳实施方案中，所使用的选择性的添加剂材料的浓度范围为约0.02％体积到约1％体积，以及该范围内的所有浓度的组合和亚组合。
一旦拥有了本发明所公开的内容，就可以应用本领域的普通技术人员的公知技术来制备本发明的胶体。例如胶体分散相的制备，可以通过使用球磨机在载液相存在下来研磨粗大颗粒。该研磨过程所产生的颗粒可以根据需要从载液中取出而重新分散到第二载液中。例如，颗粒的取出包括絮凝过程。制备胶体的方法，包括用于制备本发明的胶体的铁磁流体的方法，在Papell的美国专利US 3,215,572、Rosenswieg的美国专利US 3,917,538和《磁性流体和应用手册》(B.Berkovsky，V.Bashtovoy，Eds，Begall Publishing House NY，NY(1996))中进行了描述，这些文献公开的内容作为本发明的参考。
实施例
本发明将在下面的实施例中进行进一步描述。这些实施例是实际的例子，目的只是对本发明进行说明，而不能认为是对所附权利要求书所定义的本发明的限制。实施例1
该例子描述了一个试验，该试验用于评价在变压器油中不同的颗粒浓度下关于稳定性、介电强度和扩散因子的效果。试验的结果参见表1。在这些试验中所研究的成分包括UNIVOLTTM60油(一种市售的变压器级矿物油，Exxon公司(St.Paul，MN)出品)、作为磁性颗粒的铁氧化物(Fe3O4)颗粒、作为非磁性颗粒的TEFLONTM颗粒和作为表面活性剂的油酸。本实施例中试验方法依据ASTM标准进行。脉冲击穿电压根据ASTM D-3300进行评价。
    表1
   例子  颗粒浓度(体积％) 颗粒类型     Ms(高斯)                            特性测量 稳定性
            介电强度(KV)          损耗因子(tanδ)    增加的损失(占总量％)
  交流击穿电压        脉冲击穿电压
    正     负     25℃    100℃
    1A     0    --     0     55     78     151     0.005     0.04     0    --
    1B     5   磁性     250     46     85     135    ＞1000   ＞1000     25   稳定
    1C     5   非磁性     0     52     n/a     n/a     n/a     n/a     n/a 不稳定
    1D     2   磁性     100     47     89     120     150   ＞1000     8   稳定
    1E     2   非磁性     0     53     95     140     1.5     6     n/a 不稳定
    1F     1   磁性     50     49     105     110     12     95     5   稳定
    1G     1   非磁性     0     55     110     120     0.6     3.5     0.2   稳定
    1H     0.6   磁性     30     54     120     125     1.5     8     1   稳定
    1I     0.6   非磁性     0     55     110     120     0.4     2.5     0.1   稳定
    1J     0.1   磁性     5     54     120     120     1.2     4.5     0.4   稳定
    1K     0.1   非磁性     0     55     125     120     0.06     0.3     0   稳定
    1L     0.01   磁性     0.5     55     115     125     0.1     0.4     0.1   稳定
    1M     0.01   非磁性     0     55     115     125     0.009     0.05     0   稳定
注：Ms是磁化饱和度。
表1中的测试数据表明，与现有技术的胶体液体(这些胶体包括的分散相的浓度大于约2％体积，而磁化饱和度(Ms)为50高斯或者更高，参见例1B到1D和1F)和纯油(参见例1A)相比，在本发明范围(例如，例1E和1G到1M)内的胶体包括的分散相的浓度达到了约2％体积，而磁化饱和度(Ms)低于50高斯，该胶体呈现出较高的介电强度。和现有技术中的胶体相比，本发明范围内的胶体具有较高的脉冲击穿电压正值。这些数据还揭示了本发明范围内的胶体在环境温度(25℃)和较高温度(100℃)下损耗因子。实施例2
这个实施例描述的试验用于评价本发明范围内的胶体液体的冷却性质并与现有技术中胶体液体的冷却性质的对比结果。
通过将磁铁矿(FeO·Fe2O3)胶体在油中进行稀释，从而制成磁化饱和度分别为1、5、10、30、50和200高斯的胶体液体。这些胶体液体作为一种50KVA变压器的绝缘液体，并在70℃温度下进行作业。仅含有油的冷却液体(例2A)作为对照使用。在变压器绕组和冷却散热片周围不同位置读取温度读数。所获得的读数列表如下。
    表2
  实施例     Ms(高斯)                                     所测量温度升高的区域
                   绕组                     散热片
    顶部     中部    底部   平均值     顶部     中部     底部    平均值
    2A     0     71.3     67.6     53.6     64.2     56.1     54.2     39.5     49.9
    2B     200     75.1     65.5     56     65.5     48.3     53.5     38     46.6
    2C     50     74.7     66.3     54.7     65.2     51.2     52.4     38.5     47.4
    2D     30     63.5     64     51.5     59.7     54.2     53     39     48.7
    2E     10     66.2     65.1     52.7     61.3     55.5     53.3     39.1     49.3
    2F     5     67     65.5     53     61.8     56     54     39.2     49.7
    2G     1     71     67.5     53.5     64     56     54     39.6     49.9
注：变压器的负载为110％；电压＝200V；电流＝275A。
表2中的测试的数据表明，与现有技术的冷却液体(参见例2B和2C以及2A，其中2B和2C中的胶体液体的磁化饱和度约为50高斯甚至更高，而2A中的冷却液体为纯油)的冷却效果相比，本发明的胶体液体(参见例2D、2E、2F和2G，这些胶体液体的磁化饱和度小于50高斯)在变压器周围不同位置的冷却得到改善。尤其是和现有技术中的冷却液体所遇到的温度梯度相比，应用本发明的胶体液体使得在变压器绕组的顶部和底部之间的温度梯度不再那么显著。这表明，本发明的冷却液体表现出在整个变压器内良好的循环特性。
本发明的胶体液体对变压器进行的冷却简要地显示在图1A和1B中。现在参考图1A，该图是表示一个变压器10的示意图。图中描述了胶体液体12在变压器10内的流动，特别是在左侧绕组14和右侧绕组16周围的流动。表示胶体液体12流动的是向量FA和向量FC。其中，向量FA表示作用到变热的胶体液体12上的向上的阿基米德力，而向量FC表示作用到胶体液体12的变冷部分上的阿基米德力的向下分量。向量FA与现有技术中使用常规油的向量基本相同。这种油也作为本胶体流体的载液油。而向量FM是胶体液体12与绕组16所形成的磁场之间相互磁作用而产生的力。
笛卡尔坐标轴18表示穿过绕组16的磁场密度。B0是绕组之间的磁感应强度，而B是在磁心内的磁感应强度。这个磁场梯度导致跨在绕组16两端的电压降，从而导致磁流体动力对流。实施例3
该试验用于评价本发明范围内的胶体冷却液体中的颗粒尺寸对电阻率和介电强度的影响。这些试验的结果列在表3中。
    表3
磁化饱和度(高斯)      不同颗粒尺寸(nm)下的电阻率(1010Ohm.cm)         不同颗粒尺寸(nm)下的损失增加(占总量的％)
    ＜7     9   ＞10     ＜7     9     ＞10
    30     1.5     5     12     6     1.0     0.7
    10     4     12     30     2.8     0.5     0.3
    5     7     20     50     1.5     0.2     0.1
表3中测试的数据表示，将平均颗粒尺寸从小于7纳米增加到大于10纳米将导致电阻率增加了约10倍，同时与介电损失的导电部件有关的功率损失降低了约10倍。
在本文中所引用或者描述的每一个专利、专利申请和专利公开的公开内容均引入本文作为本发明的参考。
除了上述内容以外，依据前述的描述，本发明的各种改进对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。这样的改进也落入所附的权利要求书的保护范围之内。

Claims (41)

1.一种稳定的胶体液体，包括：
(a)一种约99.99％到约98％体积的载液；以及
(b)约0.01％到约2％体积的非金属颗粒，
其中，该胶体液体的磁化饱和度小于约50高斯。
2.根据权利要求1所述的胶体液体，其中，所述颗粒是磁性颗粒。
3.根据权利要求2所述的胶体液体，所述颗粒的浓度为约0.01％到小于2％体积。
4.根据权利要求3所述的胶体液体，所述颗粒的浓度为约0.02％到约1％体积。
5.根据权利要求1所述的胶体液体，其中，所述的颗粒是非磁性颗粒。
6.根据权利要求5所述的胶体液体，所述颗粒的浓度为约0.01％到约0.5％体积。
7.根据权利要求6所述的胶体液体，所述颗粒的浓度为约0.05％到约0.3％体积。
8.根据权利要求1所述的胶体液体，其电阻率至少为约109ohm·cm。
9.根据权利要求8所述的胶体液体，所述的电阻率为约109ohm·cm到大于1013ohm·cm。
10.根据权利要求1所述的胶体液体，其中，所述的载液包括一种油。
11.根据权利要求1所述的胶体液体，其中，所述的颗粒选自由无机颗粒、有机颗粒和碳颗粒构成的组。
12.根据权利要求11所述的胶体液体，其中，所述的颗粒包括无机颗粒。
13.根据权利要求12所述的胶体液体，其中，其中所述的颗粒选自由金属氧化物构成的组。
14.根据权利要求13的胶体液体，其中，所述的颗粒包括选自由铁、锌、锰、钛、铜、镍、铬的氧化物和它们的组合所构成的氧化物组中的金属氧化物。
15.根据权利要求11所述的胶体液体，其中，所述的颗粒包括有机颗粒。
16.根据权利要求15所述的胶体液体，其中，所述的颗粒包括聚合物颗粒。
17.根据权利要求16所述的胶体液体，其中，所述的聚合物包括氟化聚合物。
18.根据权利要求17所述的胶体液体，其中，所述的聚合物是聚四氟乙烯。
19.根据权利要求11所述的胶体液体，其中，所述的颗粒包括碳颗粒。
20.根据权利要求1所述的胶体液体，还包括一种稳定剂材料。
21.根据权利要求20所述的胶体液体，其中，所述的稳定剂材料包括一种表面活性剂。
22.一种稳定的胶体液体，包括：
(a)一种载液；以及
(b)非金属颗粒，
其中，该胶体绝缘液体的磁化饱和度小于约50高斯。
23.根据权利要求22所述的胶体液体，其磁化饱和度为约0到小于约50高斯。
24.根据权利要求23所述的胶体液体，其磁化饱和度为从大于0到小于约50高斯。
25.根据权利要求24所述的胶体液体，其磁化饱和度为从大于0.5到小于约50高斯。
26.根据权利要求25所述的胶体液体，其磁化饱和度为从约20到约40高斯。
27.根据权利要求24所述的胶体液体，其磁化饱和度为从约0.1到约5高斯。
28.根据权利要求27所述的胶体液体，其中，所述颗粒的平均尺寸为从约0.5到约2高斯。
29.根据权利要求24所述的胶体液体，其磁化饱和度为从约1到约20高斯。
30.根据权利要求29所述的胶体液体，其中，所述颗粒的平均尺寸为从约5到约20高斯。
31.根据权利要求22所述的胶体液体，其中，所述颗粒的尺寸为从约1到约100纳米。
32.根据权利要求31所述的胶体液体，其中，所述颗粒的平均尺寸为从约5到约20纳米。
33.根据权利要求32所述的胶体液体，其中，所述颗粒的平均尺寸为从约7到约20纳米。
34.根据权利要求22所述的胶体液体，该胶体液体的脉冲击穿电压的正值至少增加约10％。
35.一种制备磁化饱和度小于约50高斯的稳定胶体液体的方法，其中，该方法包括下列步骤：
(a)提供一种载液；以及
(b)将非金属颗粒与所述的载液合并。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述的载液包括一种油。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，所述的颗粒选自由无机颗粒、有机颗粒和碳颗粒构成的组。
38.根据权利要求35所述的方法，其中，所述的胶体液体的电阻率大于约109ohm·cm。
39.一种电磁装置，包括：
(a)用于产生电磁场和热量的机构；以及
(b)一种稳定的胶体绝缘液体，该绝缘液体与所述的装置接触，该绝缘液体包括：
(i)一种载液；以及
(ii)非金属颗粒，
其中，所述胶体绝缘液体的磁化饱和度小于约50高斯。
40.根据权利要求39所述的电磁装置，该电磁装置是电源变压器。
41.一种使得电磁装置绝缘和冷却的方法，所述电磁装置产生一外部磁场和热量，其中，该方法包括使得所述电磁装置与一种稳定的胶体绝缘液体接触，该绝缘液体包括：
(a)一种载液；以及
(b)非金属颗粒，
其中，所述胶体液体的磁化饱和度为大于0到小于约50高斯。
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