JP2000068119A

JP2000068119A - 変圧器用冷却器

Info

Publication number: JP2000068119A
Application number: JP23876898A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Kaga; 邦彦加賀; Toshihiko Fujiwara; 利彦藤原; Hiroshi Murakami; 寛村上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2000-03-03
Anticipated expiration: 2018-08-25
Also published as: JP3725343B2; CN1167932C; CN1245961A

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で圧力損失が小さく、熱交換能力が大き
い変圧器用冷却器を得る。【解決手段】フィン１への切り起こし３の設置に伴う
圧力損失の増加ΔＰ*が、切り起こし３の設置に伴う伝
熱量の増加Ｑ*を上回らないように、切り起こし３の数
Ｎを設定する。好ましいＮの値をとるための、各種パラ
メータの間にとるべき関係を明らかにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変圧器用冷却器に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の変圧器用冷却器について説明す
る。図１３は変圧器の断面図であり、変圧器は変圧器本
体４１、油循環用ポンプ４２、冷却器４３およびコンサ
ベータ４４よりなる。変圧器はコイル４５や鉄心４６の
損失のために熱の発生を伴い、温度の上昇は絶縁物の劣
化から絶縁破壊などの重大な問題をひきおこすため、変
圧器本体４１内部に絶縁油を循環させることによりある
一定温度以下に保持する。絶縁油は、変圧器本体４１の
外部に設けられた油循環用ポンプ４２により循環し、変
圧器本体４１の内部を流動して熱を除去したあと変圧器
本体４１の外部に設けられた冷却器４３内に導かれ空気
と熱交換することにより冷却されて再び変圧器本体４１
内に流入する。コンサベータ４４は、コイル４５などの
発生熱により絶縁油が膨張した場合の体積変化を吸収す
る装置であり、内部に空気の封入されたゴム袋など体積
収縮性を有する部材が入っている。変圧器内を循環する
絶縁油はコンサベータ高さ以下に存在する必要があるの
で、コンサベータ４４はつねに変圧器本体４１、冷却器
４３の上面よりも高い位置に設けられる。

【０００３】図１４（ａ）、（ｂ）は変圧器の冷却器の
側面図と平面図である。また、図１５は内部を示すため
に一部を破断して示した熱交換器の斜視図である。冷却
器は、変圧器の容量（容量が大きいと熱発生量も増大）
に応じて、通常、複数基を搭載している。変圧器用の冷
却器４３は通常、送風機５１およびプレートフィンチュ
ーブタイプの熱交換器５２からなる。プレートフィンチ
ューブタイプの熱交換器５２は、ヘッダ５３と接続する
複数の伝熱管２内を絶縁油が流動し、一方、伝熱管２と
垂直に多数植設されたフィン１の間を送風機５１により
駆動された空気が流れ、絶縁油と空気の間で熱交換が行
われるしくみになっている。図１３、１４から分かるよ
うに、変圧器用の冷却器４３はその体積が変圧器本体４
１に比較して無視できない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上に述べたように、変
圧器用冷却器はその体積が変圧器本体に比較して無視で
きず、また変圧器の容量に応じて複数の冷却器を並列に
設置する必要がある。そのため、冷却器製造費用および
変圧形本体への接続配管、ポンプの費用が増大化するば
かりでなく、変圧器を設置する現場への輸送費用が増大
化する。加えて、現地で変圧器を設置するためのスペー
スがより多く必要となるとともに、基礎工事の費用が増
大化する。また、冷却器が大型であると、変圧器本体へ
の取り付け支持部を補強する、もしくは冷却器を搭載す
る架台の強度を補強する必要が生じ、費用の増大化につ
ながっていた。また冷却容量を得るため冷却器を高さ方
向に大きくすると、コンサベータ高さもそれに応じて高
くする必要があり、変圧器本体自身がコンパクトであっ
ても全体の高さが大きくなり、輸送時の高さ制限に抵触
するため、変圧器本体と冷却器およびコンサベータとを
分解して輸送し、現地で再度組み立てるといった必要が
生じていた。このため輸送費用が増加し、同時に解体、
組立の時間とコストがよけいにかかるといった問題があ
った。さらに、冷却器が増大すると送風機や油循環用ポ
ンプのための補機損が増えるという問題もあった。

【０００５】以上のようなことから、変圧器用の冷却器
の本体を小型化するかもしくは一台あたりの冷却器の冷
却容量を向上させて設置個数を減少させることは非常に
重要である。冷却器の冷却容量を増加させる方法の一つ
に、熱交換器のフィン上に切り起こしを設けて、空気と
フィンとの間の熱伝達率を向上させ、より少ない伝熱面
積で必要な熱交換能力を得る方式が行われている。図１
６は、例えば、特開平２−３３５９５号公報に示され
た、そのようなフィンの図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。フィ
ン１には切り起こし３が形成されている。しかし、切り
起こし３を施した部分での空気流の圧力損失が増大する
ため、空気は切り起こしが存在しない伝熱管２近傍の、
圧力損失が比較的小さい領域を選択的に流れるため、切
り起こし群間を流れる空気の流速が減少し、期待した伝
熱促進効果が十分に得られない場合がある。これは切り
起こしの幅や設置個数の決定にあたり、フィン間の空気
の流れに対する切り起こし上での温度境界層の形成を最
適にするための検討が十分なされていないためであり、
熱交換性能が十分に引き出されないという問題があっ
た。さらに、空気の流れ２０に対して角度をもって設け
られた切り起こしの脚部３ｃでは、空気が脚部に沿って
流れないため脚部下流で剥離が発生し、脚部下流の伝熱
が阻害されるのとともに形状損失による圧力損失をさら
に増大させるという問題点があった。

【０００６】この発明は上記のような問題を解決するた
めになされたもので、小型で圧力損失が小さく、熱交換
能力が大きい変圧器用冷却器を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る変圧器用
冷却器は、互いに平行に配置された複数のフィン、これ
らのフィンを垂直に貫通し内部に変圧器本体からの流体
が流れる伝熱管、および前記フィンの間に空気を流す送
風機を備え、前記空気により前記流体を冷却する変圧器
用冷却器において、前記フィンは板状のフィンベース
と、このフィンベースから切り起こされて前記フィンベ
ースに平行な平面に変位するとともに前記空気の流れに
対向して開口した複数の切り起こしとからなり、隣り合
う前記フィンベースの間隔をＨｆ［ｍ］、前記空気の流
れ方向についての１列分の前記フィンの長さをＬｐ
［ｍ］、前記空気の流れ方向についての１列分の前記切
り起こしの数をＮとし、ｈeff＝0.056／Ｈｆ×｛１＋Ｎ（5100×Ｈｆ²／Ｌ
ｐ）｝ＮTU＝0.000415（Ｌｐ×ｈeff）／ＨｆＮ＝０のときのＮTUをＮTU0とし、 ΔＰ*＝Ｎ（1700×Ｈｆ²／Ｌｐ）Ｑ*＝｛１−exp(-ＮTU)｝／｛１−exp(-ＮTU0)｝−１としたとき、 ΔＰ*≦Ｑ* となるようにしたものである。

【０００８】請求項２に係る変圧器用冷却器は、請求項
１のものにおいて、空気の流れ方向の切り起こしの幅ａ
が0.003〜0.005ｍ、１列分のフィンの長さＬｐが0.04〜
0.06ｍ、前記フィンの積み方向のピッチｆｐが0.003〜0.
004ｍ、伝熱管の外径Ｄが0.02〜0.03ｍ、前記空気の流れ
方向の前記伝熱管のピッチＤｐが0.04〜0.06ｍ、前記空
気の流れ方向の列数Ｎ１が２〜４、前記フィンの前面風
速Ｕｆが１〜４ｍ／ｓのとき、前記空気の流れ方向の切
り起こしの数Ｎを４以下としたものである。請求項３に
係る変圧器用冷却器は、請求項１のものにおいて、切り
起こし上に発達する温度境界層の厚さの最大値が、隣り
合うフィンベースの間隔の１／２以下となるようにした
ものである。請求項４に係る変圧器用冷却器は、請求項
１のものにおいて、空気の流れ方向の切り起こしの幅ａ
［ｍ］が、ａ≦2040Ｈｆ² となるようにしたものである。請求項５に係る変圧器用
冷却器は、請求項１のものにおいて、2040Ｈｆ²≦0.001
のとき、空気の流れ方向の切り起こしの幅ａ［ｍ］を、ａ＝0.001 としたものである。

【０００９】請求項６に係る変圧器用冷却器は、請求項
１から請求項５のいずれかのものにおいて、空気の流れ
方向と平行に伝熱管へ外接する２つの平面の間で、かつ
伝熱管の前記空気の流れの上流側に、１つ以上の切り起
こしの一部または全体が配置されものである。請求項７
に係る変圧器用冷却器は、請求項６のものにおいて、空
気の流れ方向と平行に伝熱管へ外接する２つの平面の間
で、かつ伝熱管の前記空気の流れの上流側に、１つ以上
の切り起こしの脚部の一部または全体が配置されたもの
である。請求項８に係る変圧器用冷却器は、請求項１か
ら請求項５のいずれかのものにおいて、切り起こしの脚
部が、近傍の局所的な気流の方向と平行に配置されたも
のである。請求項９に係る変圧器用冷却器は、請求項１
から請求項５のいずれかのものにおいて、空気の流れに
垂直な方向に隣り合う２つの伝熱管の間に配置された切
り起こしは、前記空気の流れに垂直な方向には１つのみ
配置されたものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の実
施の形態１における変圧器用冷却器（以下、冷却器と称
する）のフィンの図であり、（ａ）はフィンの平面図、
（ｂ）はその一部を拡大した平面図、（ｃ）は（ｂ）の
フィンの断面図である。図において、１はフィンで、積
み方向に多数のフィン１が互いに平行に配置されてい
る。なお、図１（ａ）において、奥行方向を積み方向、
上下方向を段方向、左右方向を列方向と称する。２はフ
ィン１に対して垂直に貫通して設けられた伝熱管であ
る。フィン１は、板状のフィンベース５と、フィンベー
ス５から切り起こされてフィンベース５に平行な平面に
変位した切り起こし３とからなっている。図１（ｃ）は
フィンの斜視図であり、切り起こし３は脚部３ｃを有
し、脚部３ｃによりフィンベース５で支持されている。

【００１１】伝熱管２内には、図示外の油循環ポンプか
ら送られた絶縁油が流れている。２０は図示外の送風機
によりフィン１間に流れる空気の流れを示し、切り起こ
し３はこの空気の流れ２０に対向して開口した開口部３
４を形成している。上記のフィン１と伝熱管２で熱交換
器を構成するとともに、冷却器全体および変圧器全体の
構成は図１３〜図１５に示したのと同様になっており、
変圧器本体で発生した熱を冷却器での絶縁油−空気間の
熱交換により外気へ放散するようになっている。

【００１２】この実施の形態において、フィン１の積み
方向のピッチｆｐはｆｐ＝０．００４ｍであり、フィン
厚みｔｆはｔｆ＝０．０００４ｍ、また空気の流れ２０
の方向のフィン１の長さ、つまり１列の長さＬｐはＬｐ
＝０．０５５ｍ、熱交換器の前面風速ＵｆはＵｆ＝１．
０ｍ／ｓ、空気の流れ２０に垂直な、段方向の伝熱管２
のピッチＤｐはＤｐ＝０．０４８ｍ、伝熱管２の外径Ｄ
はＤ＝０．０２５ｍである。フィン間の自由通過体積基
準の風速ＵはＵ＝２．７ｍ／ｓである。ただし、自由通
過体積基準の風速Ｕは以下の式で定義される。Ｕ＝Ｕｆ×Ｌｐ×Ｄｐ×ｆｐ／{(Ｌｐ×Ｄｐ−π／４×Ｄ²)(ｆｐ−ｔｆ)} ・・・（１）空気の流れ２０方向の切り起こし３の寸法、つまり切り
起こし３の幅ａは、ａ＝４ｍｍに設定されている。ま
た、空気の流れ２０方向についての１列分、つまり伝熱
管１列あたりの切り起こし３の個数ＮはＮ＝３に設定さ
れていて、この３つの切り起こし３は、略等間隔に設置
されている。

【００１３】つぎに本実施形態の動作について述べる。
図２の（ａ）はフィンの断面図、（ｂ）はその切り起こ
し部分を拡大した断面図である。熱交換器のフィン１間
を流れる空気は、フィン１との間で熱交換することによ
り加熱される。フィン１の表面では、図２に示すように
温度境界層１１が発達し、伝熱はこの温度境界層１１を
介して行われる。一般に温度境界層１１が薄いほど空気
とフィン１との単位温度差あたりの伝熱量は大きく、図
２（ｂ）に示すように、切り起こし３の風上側先端では
温度境界層１１が更新され、切り起こし３の空気流れ方
向上流端での温度境界層厚みが非常に薄くなる、言い換
えれば温度勾配が非常に大きくなるため図２（ａ）の下
方に示すようにフィン先端での単位面積あたりの伝熱量
すなわち熱流束[W/m²]が増加する。

【００１４】フィン１は積み方向にピッチｆｐで積層さ
れており、ｆｐが小さいと切り起こし３の空気流れ方向
上流端から発達する温度境界層１１は下流の位置で積み
方向に隣り合う切り起こしから発達した温度境界層１１
と干渉する。干渉が発生した位置より下流では、温度境
界層の厚みは一定であり、空気流れ方向に単位長さあた
りの伝熱量は一定値となる。

【００１５】一方、温度境界層の厚みをｄｔとすると、
切り起こし３の空気流れ方向上流端から流れ方向の距離
ｘにおける温度境界層厚みｄｔは、以下の式で表され
る。ｄｔ＝５．０×（ν×ｘ／Ｕ）^0.5／Ｐｒ^0.3 ・・・（２）ここで、νは動粘性係数であり常温常圧の空気の場合ν
＝0.0000161[m²/s]である。Ｕは自由通過体積基準の風
速である。またＰｒはプラントル数で常温常圧の空気の
場合、Pr=0.72である。

【００１６】いまフィンベース間隔ＨｆをＨｆ＝ｆｐ−
ｔｆと定義すると切り起こし表面と空気との間の伝熱が
促進されるのは切り起こし３の下流、すなわちｘ＝ａで
の上記温度境界層厚みｄｔがフィン間幅Ｈｆの１／２以
下であることが必要である。したがって、切り起こしの
幅ａは、ａ≦Ｕ／ν×Ｐｒ^0.6×（Ｈｆ／１０）²＝５１０×Ｕ×Ｈｆ² ・・・（３）の条件を満たすように設定する。変圧器用冷却器の標準
的な使用範囲では、自由通過体積基準の風速Ｕ＝１〜４
ｍ／ｓ程度であるので、ａ≦５１０×Ｈｆ²〜２０４０×Ｈｆ² ・・・（４）である。ただし、計算に際して、ａ、Ｈｆの単位はとも
に［ｍ］であることに注意を要する。たとえば、ｆｐ＝
０．００４ｍ、ｔｆ＝０．０００４ｍとすればＨｆ＝
０．００３６ｍであり、（４）式からａ≦０．００６６
〜０．０２６ｍの範囲となる。

【００１７】一方で、フィン１の切り起こし３は、金型
を用いたプレス加工により形成するため、切り起こしの
可能な限界寸法が存在し、通常、上記の切り起こし幅ａ
について０．００１ｍ前後である。したがって、上に示
した不等式を満たす範囲が、上記の加工限界寸法を下回
る場合は製造が事実上困難になる。したがってその場合
は切り起こし幅ａ＝０．００１ｍとする。

【００１８】さて、このとき、切り起こし面の単位面積
当たり、単位温度差あたりの伝熱量を表す熱伝達率ｈｓ
[W/m²K]は以下のように与えられる。すなわち、ｈｓ＝ｋ／ａ×０．６６４×Ｒｅａ^0.5×Ｐｒ^0.3 ・・・（５）ただしｋは熱伝導率、Ｐｒはプラントル数でそれぞれ常
温常圧の空気の場合は、ｋ＝０．０２６１[W/mK]、Ｐｒ
＝０．７２[-]である。また、Ｒｅaはレイノルズ数で、
以下のように定義される。Ｒｅa＝Ｕ×ａ／ν ・・・（６）したがってｈｓ＝３．９１４×（Ｕ／ａ）^0.5 ・・・（７）（３）式からのａ≦５１０×Ｕ×Ｈｆ² ・・・（８）を（７）式に代入すれば、ｈｓ≧０．１７３／Ｈｆ・・・（９）一方、切り起こしがない場合の平面フィンの熱伝達率ｈ
ｂはおよそ以下のように計算できる。ｈｂ＝ｋ／（Ｈｆ×２）×４．３・・・（１０）したがって、ｈｂ＝０．０５６／Ｈｆ・・・（１１）

【００１９】いま１列分の長さＬｐのフィン平面上に形
成された、空気の流れ方向の切り起こしの数をＮとする
と、有効熱伝達率ｈeffは上述の２つの熱伝達率ｈｓ、
ｈｂの面積加重平均となる。すなわち、ｈeff＝ｈｂ＋（Ｎ×ａ／Ｌｐ）×（ｈｓ−ｈｂ）・・・（１２）したがって切り起こしによる熱伝達率の増加割合ｈ*
は、ｈ*＝（Ｎ×ａ／Ｌｐ）×（ｈｓ／ｈｂ−１） ≧Ｎ×（１２７４×Ｕ×Ｈｆ²／Ｌｐ）・・・（１３）となる。以上から切り起こし個数Ｎに比例する形で熱伝
達率は増加することが分かる。

【００２０】ただし、熱伝達率と伝熱量そのものは比例
関係にはなく、空気が下流に流される過程で空気温度が
フィン面の温度に接近して伝熱量が一定値に漸近する。
具体的には、単位温度差当たりの伝熱量Ｑは以下の式で
与えられる。Ｑ＝ρ×Ｃｐ×Ｕ×Ｈｆ×｛１−ｅｘｐ（−ＮTU）｝・・・（１４）ここでρは密度で常温常圧の空気の場合およそ１．２[k
g/m³]、Ｃｐは比熱で常温常圧の空気の場合１００４[J/
kgK]である。したがって、Ｑ＝１２０５×Ｕ×Ｈｆ×｛１−ｅｘｐ（−ＮTU）｝・・・（１５）である。また、ＮTUは伝熱ユニット数であり、ＮTU＝（ＮＬ×Ｌｐ×ｈeff）／（ρ×Ｃｐ×Ｕ×Ｈｆ）＝０．００１６６×（Ｌｐ×ｈeff）／（Ｕ×Ｈｆ）・・・（１６）である。ここで、ＮＬは空気の流れ方向に設置する伝熱
管の列数である。ｈeffは上で計算した熱伝達率であ
り、ｈeff＝０．０５６／Ｈｆ×｛１＋Ｎ×（１２７４×Ｕ×Ｈｆ²／Ｌｐ）｝・・・（１７）

【００２１】切り起こしの設置によるＱの上昇度合いＱ
*は以下のように書ける。Ｑ*＝｛１−ｅｘｐ（−ＮTU）｝／｛１−ｅｘｐ（−ＮTU0）｝−１・・・(18) ただし、ＮTU0は切り起こし数Ｎ＝０のときのＮTUであ
る。変圧器要冷却器で一般的な風速の上限はおよそＵ＝
４ｍ／ｓ程度であるから、Ｑ*の実質的な上限は、（１
６）式から以下のＮTU下限値で計算される。ＮTU＝０．０００４１５×（Ｌｐ×ｈeff）／Ｈｆ・・・（１９）

【００２２】次に、流れ方向の切り起こし個数Ｎの最適
値を与えるため圧力損失とＮの関係について述べる。切
り起こしの個数Ｎが多いと上に述べた温度境界層の更新
の効果で、伝熱量は増加するものの、熱交換器の圧力損
失が増加し送風機の動力増加につながるため個数Ｎを限
定する必要がある。いま、切り起こしのないフィン間の
単位長さ当たりの圧力損失ΔＰｂは以下のように与えら
れる。 ΔＰｂ＝３２／Ｒｅｆ×（１／Ｈｆ）×１／２×（γ／ｇ）×Ｕ² ・・・(20) ここでＲｅｆは以下のように定義される。Ｒｅｆ＝Ｕ×（２×Ｈｆ）／ν ・・・（２１）また、γは常温常圧空気の比重量[N/m³]、ｇは重力加速
度[m/s²]である。一方、切り起こし部分の単位長さあた
りの圧力損失ΔＰｓは一般に ΔＰｓ＝２×1.328／Ｒｅａ^0.5×(１／Ｈｆ)×１／２×(γ／ｇ)×Ｕ² ・・・（２２）したがって、圧力損失の和ΔＰは ΔＰ＝｛(Ｌｐ−Ｎ×ａ)×３２／Ｒｅｆ×(１／Ｈｆ) ＋Ｎ×ａ×2.656／Ｒｅａ^0.5×(１／Ｈｆ)｝×１／２×(γ／ｇ)×Ｕ² ＝Ｌｐ×ΔＰｂ＋Ｎ×ａ×（ΔＰｓ−ΔＰｂ）・・・（２３）

【００２３】圧力損失の増加割合ΔＰ*は、（６）式、
（２０）〜（２２）式より ΔＰ*＝（Ｎ×ａ／Ｌｐ）×（ΔＰｓ／ΔＰｂ−１）＝(Ｎ×ａ／Ｌｐ)×｛２．６５６／Ｒｅａ^0.5／(３２／Ｒｅｆ)−１｝＝Ｎ×ａ／Ｌｐ×{０．０８３×２×Ｈｆ／(ａ／Ｕ×ν)^0.5−１} ・・・(24) ａ＝５１０×Ｕ×ｆｐ²などの条件を代入して上記の式
を整理すると、 ΔＰ*＝Ｎ×（４２４×Ｕ×Ｈｆ²／Ｌｐ）・・・（２５）となる。すなわち、切り起こしの個数Ｎに比例して圧力
損失が増加することを意味する。したがって、先に述べ
た伝熱量の上昇度合いＱ*とのかねあいでＮの最適な範
囲が存在する。変圧器用冷却器で一般的な風速の上限は
およそＵ＝４ｍ／ｓ程度であるから、ΔＰ*の実質的な
上限は、 ΔＰ*＝Ｎ×（１７００×Ｈｆ²／Ｌｐ）・・・（２６）となる。

【００２４】図１に示した本実施の形態では、変圧器の
冷却器として標準的な、ｆｐ＝４ｍｍ、ｔｆ＝０．４ｍ
ｍ、Ｌｐ＝５５ｍｍ、Ｄｐ＝４８ｍｍ、Ｄ＝２５ｍｍ、
Ｕｆ＝２ｍ／ｓ、ａ＝４ｍｍ、流れ方向に２列配置され
たケースとなっている。このとき、Ｕ＝２．７ｍ／ｓで
ある。Ｕ×Ｈｆ²／Ｌｐ＝０．０００７２９・・・（２７）したがって、ｈ*＝０．９２９Ｎ、ΔＰ*＝０．３０９Ｎ
となる。この場合の切り起こしの数Ｎによる圧力損失Δ
Ｐの変化と、伝熱量Ｑの変化について図３に示す。切り
起こしのない場合（すなわちＮ＝０）の圧力損失ΔＰお
よび伝熱量Ｑで規格化し、１＋ΔＰ*および１＋Ｑ*の形
で示した。また能力の向上度合いを圧力損失の向上度合
いで除した総合性能パラメータ（１＋Ｑ*）／（１＋Δ
Ｐ*）の変化について図４に表す。図３によればＮが９
と１０の間で二つの曲線が交差し、それ以上のＮでは、
圧力損失の増加が支配的になる。

【００２５】いま、切り起こしの設置による熱交換器の
能力増加の分だけ流れの方向に沿った列数を減少させて
小型化することを考えた場合、圧力損失は列数に比例す
るから、１＋ΔＰ*＜１＋Ｑ*の場合であれば、能力同一
の条件下での圧力損失は現状（切り起こしなしの場合）
以下となり、風量が増加してさらなる能力アップにつな
がる。逆に１＋ΔＰ*＞１＋Ｑ*であれば、同一圧力損失
の条件下では、列数をより減少させる必要があるため、
必要な性能が得られない。さらに図４によれば、総合性
能パラメータはＮ＝３にピークを有する曲線となり、こ
のとき、伝熱量の向上率が圧力損失の向上率に対しても
っとも大きくなる。このとき、圧力損失を現状と同一に
するよう列数を設定したとき、能力は現状に比較して最
大限改善し、冷却器の設置基数の低減などの効果を奏す
る。以上より、切り起こし数ＮはＮ≦９とする必要があ
り、望ましくはＮ＝３とする。また、切り起こしは、気
流上流の切り起こしの影響を避けるため、１列の長さの
中で切り起こしの前後の間隔を開け、また、概ね等間隔
に並べることが望ましい。

【００２６】なお、本実施の形態においては、標準的な
寸法に対して計算を行いＮ＝３としているが、各パラメ
ータを、ａ＝０．００３〜０．００５ｍｍ、Ｕｆ＝１〜
４ｍ／ｓ、Ｄ＝０．０２ｍ〜０．０３ｍｍ、ｆｐ＝３〜
４ｍｍ、Ｌｐ＝０．０４ｍ〜０．０６ｍ、Ｄｐ＝０．０
４ｍ〜０．０６ｍ、列数Ｎｌ＝２〜４の範囲で変化させ
たところ、図４のピークに対応するＮの値がほぼ４以下
の範囲となり、したがって、切り起こし数Ｎは４以下が
望ましいことを確認した。切り起こし数Ｎの数値は、以
上に示した式にしたがい、寸法、風速の条件に合わせ、
圧力損失の増加割合と伝熱量の増加割合から適切に決め
られることはいうまでもない。

【００２７】本実施の形態で示したフィンを用いた冷却
器では、従来のフィンを用いた冷却器に対して、熱交換
器の同一冷却能力の条件下で体積が小型化でき、重量が
軽くなるため、次のような利点が生じる。図５〜図８は
従来品と比較して上記実施の形態で示した本発明品の効
果を示すための模式図であり、（ａ）は従来品を、
（ｂ）は本発明品を示す。図５に示すように変圧器本体
４１に直接とりつけるタイプのものは冷却器４３の支持
金具６１が簡素化でき、材料費の低減、設備工事の工数
の削減が実現できる。また図６に示すように、冷却器４
１を架台６３に搭載して変圧器本体４１と接続するタイ
プのものは架台６３の強度確保のための強度部材６２を
減らすことができるため材料費の低減、設備工事の工数
の削減が実現できる。図７では、冷却器４３の高さを低
くすることによりコンサベータ４４高さを低くすること
ができるため、変圧器本体４１と冷却器４３およびコン
サベータ４４とを分解して輸送し、現地で再度組み立て
るといった必要がなくなり、このため輸送費用が削減で
きるばかりでなく、解体組立工程が省略できるといった
効果を奏する。

【００２８】また、本実施形態で示したフィンを用いた
冷却器では、従来のフィンを用いた冷却器に対して、熱
交換器の同一体積の条件下で能力が向上するため、複数
の冷却器を設置する必要のある大容量の変圧器設備にお
いては、変圧器基数を減ずることができる。図８はその
ような変圧器を示した平面模式図であり、この例におい
ては変圧器本体４１の周囲に設置された冷却器数を従来
の５基から４基に減ずることを実現している。この場
合、冷却器および配管、ポンプに必要な材料費、加工費
の低減、工事範囲の縮小による基礎工事期間の短縮、消
火設備の簡素化、工場での組立・解体時間の短縮、冷却
器輸送用のトレーラの台数削減、さらには据付面積の縮
減補機損の低減といった多岐にわたる効果が得られる。

【００２９】実施の形態２．図９に、本発明の実施の形
態２による熱交換器のフィンの平面図を示す。実施の形
態１と同様に、熱交換器はフィン１と、フィン１に対し
て垂直に挿入された伝熱管２より構成されるとともに、
フィン１は板状のフィンベース５と、切り起こし３から
なっている。さらに切り起こし３は、段方向（図９の上
下方向）に隣接する伝熱管２の間に設けられた切り起こ
し３５と伝熱管２の空気の流れ２０方向の上流側に設け
られた切り起こし３１からなっている。２ａ、２ｂは空
気の流れ２０の方向と平行に伝熱管へ外接する２つの平
面であり、その間に、伝熱管上流切り起こし３１の一部
が位置している。その他、送風機など実施の形態１の場
合と同様に設けられている。

【００３０】本実施の形態の冷却器は以上のように構成
されているので、以下のような効果を有する。すなわ
ち、伝熱管２の上流に設けられた切り起こし３１は、伝
熱管２の上流における空気流れの摩擦損失を大幅に上昇
させ、伝熱管２の上流から伝熱管２の側面を通過して流
れる空気流の流量を低下させる。それにより、相対的
に、段方向に隣接する２本の伝熱管の間のフィン面上を
流れる空気流量が増加し、この部分に設けられた切り起
こし群の境界層更新効果により促進される伝熱量が増大
する。

【００３１】実施の形態３．図１０は、本発明の実施の
形態３による熱交換器のフィンの平面図である。この図
によれば、伝熱管２の気流上流に設けられた切り起こし
３１に加えて伝熱管の下流にも同様の切り起こし３２が
設けられ、段方向に複数本設けられた伝熱管２の中心の
間を結ぶ線、すなわちフィンの縦中心線ＣＬに対して対
称の構成としている。その他は実施の形態２と同様であ
るので説明を省略する。このように構成することによ
り、切り起こし３が対称でない場合に比較してフィン１
の形状が安定し、湾曲などの変形による不具合が起こり
にくいことに加え、熱交換器の気流の流入・流出の口を
逆にしても用いることが出来るため生産管理が容易とな
るという効果を奏する。

【００３２】実施の形態４．図１１（ａ）に本発明の実
施の形態４による熱交換器のフィンの平面図を示した。
切り起こしの脚部３ｃが近傍の局所的な気流と平行にな
るように配置されている。すなわち、段方向に隣接する
伝熱管２の間に設けられた切り起こし３の脚部３ｃのう
ち、伝熱管２に近い側の脚部３ｄについては、伝熱管２
の外側面に略沿うように前記脚部３ｄの側面が空気の流
れ２０方向に対して斜めに切り起こされており、一方、
段方向に隣接する２つの伝熱管２間の中心線に近い側に
設けられた脚部３ｂについてはその側面が空気の流れ２
０方向と一致するよう切り起こされている。その他は実
施の形態２と同様になっている。このように構成するこ
とにより、局所的な気流２１は切り起こしの脚部３ｂ、
３ｄに沿って流れ、図１１（ｂ）に示すような下流での
剥離域４の発生による騒音や伝熱量低下を抑制して、図
１１（ｃ）のように脚部３ｂの下流でもスムーズに流れ
るとともに、伝熱管２の近傍では伝熱管２の外側面に沿
って流れ圧力損失の増大を防ぐ。

【００３３】実施の形態５．図１２（ａ）に、本発明の
実施の形態５による熱交換器のフィンの平面図を示し
た。切り起こし３のうち、段方向に隣接する伝熱管２の
間に設けられている切り起こし３５は、空気の流れ２０
に垂直な方向（図１２（ａ）の縦方向）、つまり段方向
には非分割であり１つだけ設けられていて、空気の流れ
２０に沿った方向には複数設けられている。切り起こし
３のうち最上流に位置する切り起こし３３については、
フィン１の気流上流端１ａに沿って隣り合う切り起こし
３３の脚部３ｃが伝熱管２の上流側におかれそのもっと
も狭い間隔Ｗ１（図１２（ａ）では気流上流側の間隔）
が、それら切り起こし３３の間に位置する伝熱管２の外
直径Ｄよりも小さくなる位置に設置されている。

【００３４】本実施形態の冷却器は以上のように構成さ
れているので、以下のような効果を有する。すなわち、
風の上流側から見ると、最上流に設けられた切り起こし
３３はその脚部３ｃが伝熱管２を遮る状態となるため気
流は偏向されて伝熱管２に直接衝突することなく、切り
起こし３に誘導される。その結果、伝熱管２の上流から
流入して伝熱管２の側面を通過して流れる空気流の流量
を低下させる。これにより、相対的に、段方向に隣接す
る２本の伝熱管２同士の間のフィン１面上を流れる空気
流量が増大し、この部分に設けられた切り起こし３の境
界層更新効果により促進される伝熱量が増大する。ま
た、隣り合う伝熱管２が対向する間では空気の流れ２０
に垂直な方向には切り起こし３が一つのみ設けられてい
るので、切り起こし脚部３ｃの個数が最少であり、図１
２（ｂ）に示すように、切り起こし脚部３ｃの下流で発
生する流れの剥離域４の影響が最小限に抑えられるとい
う効果が得られる。なお、上記実施の形態１〜５では伝
熱管２の中を流れる流体を絶縁油としたが、変圧器がガ
ス絶縁の場合は伝熱管２内を絶縁ガスが流れる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、以上に説明したように構成さ
れているので、以下に示すような効果を有する。請求項
１〜９に係る変圧器用冷却器は、切り起こしの気体の流
れ方向に沿う設置個数Ｎを、切り起こしの設置に伴う圧
力損失ΔＰの増加度合いΔＰ*が、切り起こしの設置に
伴う伝熱量Ｑの上昇度合いＱ*を上回ることがない範囲
に設定するので、圧力損失が比較的小さく、効果的に伝
熱量の向上が図られ、この熱交換器にフィンを用いた冷
却器では、従来のフィンを用いた冷却器に対して、熱交
換器の同一冷却能力の条件下で体積が小型化でき、重量
が軽くなるため、変圧器本体に直接とりつけるタイプの
ものは冷却器の支持金具が簡素化でき、材料費の低減、
設備工事の工数の削減が実現できる。また冷却器を架台
に搭載して変圧器本体と接続するタイプのものは架台の
強度確保のための部材数を減らすことができるため材料
費の低減、設備工事の工数の削減が実現できる。また冷
却器の高さを低くすることにより、コンサベータ高さを
低くすることができるため、変圧器本体と冷却器および
コンサベータとを分解して輸送し、現地で再度組み立て
るといった必要がなくなり、このため輸送費用が削減で
きるばかりでなく、解体組立工程が省略できるといった
効果を奏する。また、熱交換器の同一体積の条件下で能
力が向上するため、複数の冷却器を設置する必要のある
大容量の変圧器設備においては、冷却器基数を減ずるこ
とができ、冷却器および配管、ポンプに必要な材料費、
加工費の低減、工事範囲の縮小による基礎工事期間の短
縮、消火設備の簡素化、工場での組立・解体時間の短
縮、冷却基輸送用のトレーラの台数削減、さらには据付
面積の縮減、補機損の低減といった多岐にわたる効果が
得られる。

【００３６】さらに、請求項３、４に係る変圧器用冷却
器は、切り起こし上に発達する温度境界層の厚みｄｔの
最大値が前記板状フィンのフィン間幅Ｈｆの１／２以下
となるように気体の流れ方向に沿った切り起こしの幅ａ
を設定するので、切り起こし上の境界層の厚みが切り起
こしの先端から後端にわたって十分に薄く、隣接する切
り起こしから発達した境界層との間で干渉を生じないた
め、有効に伝熱促進が図られるという効果を有する。ま
た、請求項５に係る変圧器用冷却器は、２０４０Ｈｆ²
≦０．００１のとき、空気の流れ方向の幅ａを０．００
１ｍに設定するので、製造上大きな困難がなく、かつ最
大限の伝熱促進が図られるという効果を有する。

【００３７】また、請求項６、７に係る変圧器用冷却器
は、１つ以上の切り起こしの一部または全部が、あるい
は脚部の一部または全部が、伝熱管の空気流れ上流側に
配置されているので、伝熱管の周囲に集中する流れに対
して抵抗となり、段方向に隣接する２本の伝熱管同士の
間のフィン面上を流れる空気流量が増大し、この部分に
設けられた切り起こし群の境界層更新効果により促進さ
れる伝熱量が増加するという効果を有する。また、請求
項８に係る変圧器用冷却器は、切り起こしの脚部が近傍
の局所的な気体流れの方向と平行であるので、脚部の下
流で剥離域が発生せず、したがって圧力損失が増加する
ことがないという効果を有する。また、請求項９に係る
変圧器用冷却器は、気流に垂直な方向に隣り合う２つの
伝熱管の間に設けられた切り起こしについて、切り起こ
しが気流方向に垂直な方向には１つのみ設けられている
ので、切り起こし脚部の下流で発生する流れの剥離域の
影響が最小限に抑えられるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１における変圧器用冷
却器のフィンの平面図、断面図および斜視図である。

【図２】この発明の実施の形態１における変圧器用冷
却器のフィンの断面図である。

【図３】この発明の実施の形態１における変圧器用冷
却器のフィンの切り起こし個数に対する圧力損失と伝熱
量を示すグラフである。

【図４】この発明の実施の形態１における変圧器用冷
却器のフィンの切り起こし個数に対する総合性能を示す
グラフである。

【図５】この発明の実施の形態１における変圧器用冷
却器の効果を示すための側面模式図である。

【図６】この発明の実施の形態１における変圧器用冷
却器の効果を示すための側面模式図である。

【図７】この発明の実施の形態１における変圧器用冷
却器の効果を示すための側面模式図である。

【図８】この発明の実施の形態１における変圧器用冷
却器の効果を示すための平面模式図である。

【図９】この発明の実施の形態２における変圧器用冷
却器のフィンの平面図である。

【図１０】この発明の実施の形態３における変圧器用
冷却器のフィンの平面図である。

【図１１】この発明の実施の形態４における変圧器用
冷却器のフィンの平面図である。

【図１２】この発明の実施の形態５における変圧器用
冷却器のフィンの平面図である。

【図１３】変圧器の断面図である。

【図１４】変圧器用冷却器の側面図と平面図である。

【図１５】変圧器用冷却器の熱交換器の斜視図であ
る。

【図１６】従来の変圧器用冷却器のフィンの平面図と
断面図である。

【符号の説明】

１フィン、２伝熱管、３切り起こし、３ｃ脚
部、５フィンベース、１１温度境界層、２０空気
の流れ、２１局所的な気流、３１上流切り起こし、
３２下流切り起こし、３４開口部、３５伝熱管の
間の切り起こし、４３冷却器、５１送風機。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに平行に配置された複数のフィン、
これらのフィンを垂直に貫通し内部に変圧器本体からの
流体が流れる伝熱管、および前記フィンの間に空気を流
す送風機を備え、前記空気により前記流体を冷却する変
圧器用冷却器において、前記フィンは板状のフィンベー
スと、このフィンベースから切り起こされて前記フィン
ベースに平行な平面に変位するとともに前記空気の流れ
に対向して開口した複数の切り起こしとからなり、隣り
合う前記フィンベースの間隔をＨｆ［ｍ］、前記空気の
流れ方向についての１列分の前記フィンの長さをＬｐ
［ｍ］、前記空気の流れ方向についての１列分の前記切
り起こしの数をＮとし、ｈeff＝0.056／Ｈｆ×｛１＋Ｎ（5100×Ｈｆ²／Ｌ
ｐ）｝ＮTU＝0.000415（Ｌｐ×ｈeff）／ＨｆＮ＝０のときのＮTUをＮTU0とし、 ΔＰ*＝Ｎ（1700×Ｈｆ²／Ｌｐ）Ｑ*＝｛１−exp(-ＮTU)｝／｛１−exp(-ＮTU0)｝−１としたとき、 ΔＰ*≦Ｑ* となるようにしたことを特徴とする変圧器用冷却器。
【請求項２】空気の流れ方向の切り起こしの幅ａが0.
003〜0.005ｍ、１列分のフィンの長さＬｐが0.04〜0.06
ｍ、前記フィンの積み方向のピッチｆｐが0.003〜0.004
ｍ、伝熱管の外径Ｄが0.02〜0.03ｍ、前記空気の流れ方
向の前記伝熱管のピッチＤｐが0.04〜0.06ｍ、前記空気
の流れ方向の列数Ｎ１が２〜４、前記フィンの前面風速
Ｕｆが１〜４ｍ／ｓのとき、前記空気の流れ方向の切り
起こしの数Ｎが４以下であることを特徴とする請求項１
記載の変圧器用冷却器。
【請求項３】切り起こし上に発達する温度境界層の厚
さの最大値が、隣り合うフィンベースの間隔の１／２以
下となるようにしたことを特徴とする請求項１記載の変
圧器用冷却器。
【請求項４】空気の流れ方向の切り起こしの幅ａ
［ｍ］が、ａ≦2040Ｈｆ² となるようにしたことを特徴とする請求項１記載の変圧
器用冷却器。
【請求項５】 2040Ｈｆ²≦0.001のとき、空気の流れ方
向の切り起こしの幅ａ［ｍ］が、ａ＝0.001 であることを特徴とする請求項１記載の変圧器用冷却
器。
【請求項６】空気の流れ方向と平行に伝熱管へ外接す
る２つの平面の間で、かつ伝熱管の前記空気の流れの上
流側に、１つ以上の切り起こしの一部または全体が配置
されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれ
かに記載の変圧器用冷却器。
【請求項７】空気の流れ方向と平行に伝熱管へ外接す
る２つの平面の間で、かつ伝熱管の前記空気の流れの上
流側に、１つ以上の切り起こしの脚部の一部または全体
が配置されたことを特徴とする請求項６記載の変圧器用
冷却器。
【請求項８】切り起こしの脚部が、近傍の局所的な気
流の方向と平行に配置されたことを特徴とすることを特
徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の変圧
器用冷却器。
【請求項９】空気の流れに垂直な方向に隣り合う２つ
の伝熱管の間に配置された切り起こしは、前記空気の流
れに垂直な方向には１つのみ配置されたことを特徴とす
る請求項１から請求項５のいずれかに記載の変圧器用冷
却器。