JP2012256763A - 静止誘導機器、金属管誘導加熱装置及びインボリュート鉄心冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】脚鉄心の磁束密度を高くしながらも鉄心断面積を小さくする。
【解決手段】インボリュート形状に湾曲された湾曲部１０ｂを有する多数の磁性鋼板１０を放射状に積層して円筒状に形成した円筒状の脚鉄心２、３と、前記脚鉄心２、３の内側周面に密着して設けられた冷却管１４とを備えており、前記冷却管１４に冷却媒体を流通させることによって前記脚鉄心２、３を冷却させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、変圧器やリアクトル等の静止誘導機器、この静止誘導機器を用いた金属管誘導加熱装置及びインボリュート鉄心の冷却構造に関するものである。

静止誘導機器の脚鉄心には、飽和磁束密度が２Ｔ（テスラー）程度である珪素鋼板が多用されている（特許文献１）。この珪素鋼板を用いることによって脚鉄心による鉄損を低減して脚鉄心の温度上昇を低減することができる。

しかしながら、珪素鋼板を用いた脚鉄心であっても、高周波領域では脚鉄心における鉄損が増加してしまうという問題がある。また、リアクトルのように漏れ磁束が多い条件下においても脚鉄心における鉄損が増加してしまうという問題がある。このように鉄損が生じることにより脚鉄心の温度が上昇してしまう。

また、このような温度上昇を抑えるためには、脚鉄心の磁束密度を、珪素鋼板の飽和磁束密度以下の低い値となるように設計しなければならず、結果的に鉄心の断面積を大きくすることになってしまう。

特開２００１−２８４１３６号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、脚鉄心の磁束密度を高くしながらも鉄心断面積を小さくすることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る静止誘導機器は、インボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を放射状に積層して円筒状に形成した円筒状の脚鉄心と、前記脚鉄心の内側周面に密着して設けられた冷却管とを備えており、前記冷却管に冷却媒体を流通させることによって前記脚鉄心を冷却することを特徴とする。

このようなものであれば、インボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を放射状に積層して円筒状に形成した円筒状の脚鉄心に特有の構造を活かして脚鉄心を冷却することができる。つまり、円筒状の脚鉄心の外側には巻回されるコイル等との関係から冷却構造を設けることが難しいが、円筒状鉄心の内側にはコイル等の部材が設けられないことから冷却管を設けることができる。そして、この冷却管を脚鉄心の内側周面に密着して設けるとともに、冷却管内に冷却媒体を流通させることによって脚鉄心の周方向全体を効率良く冷却することができる。したがって、脚鉄心の磁束密度を高くしながらも鉄心断面積を小さくすることができる。

また、本発明に係る静止誘導機器は、インボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を放射状に積層して円筒状に形成した円筒状の脚鉄心と、前記脚鉄心の内側周面に密着して設けられたヒートパイプとを備えており、前記ヒートパイプの端部を冷却することによって前記脚鉄心を冷却することを特徴とする。このようなものであっても、上述したように、脚鉄心の周方向全体を効率良く冷却することができ脚鉄心の磁束密度を高くしながらも鉄心断面積を小さくすることができる。また、冷却管に冷却媒体を流通させるものに比べると冷却性能は劣るものの冷却管に冷却媒体を流通させるシステムを不要とすることができるので、冷却構造を簡素化することができる。

前記脚鉄心の外側周面に密着させた絶縁紙を介して、前記脚鉄心に巻き線を巻回していることが望ましい。これならば、巻き線を鉄心を介して冷却することができ、静止誘導機器を小型化することができる。また、従来は静止誘導機器の外周面に大気を対流させたり、ファン等により大気を通流したりして冷却していたが、大気中の粉塵等により誘導コイルの絶縁が劣化するという問題があった。本発明により、防塵対策として静止誘導機器を密閉空間に設置する場合や、設置雰囲気内部に放熱できない環境、例えばビルの地下室等に設置する場合に、脚鉄心及び巻き線で発生する熱を冷却媒体により外部に持ち出して放熱することができる。

前記脚鉄心と巻き線との間及び前記巻き線からなる巻き線層の間に、無溶剤系絶縁接着剤を全面に塗着した絶縁紙を設けていることが望ましい。これならば、乾燥時に発泡しない無溶剤系絶縁接着剤を塗着した絶縁紙を挿入しているので、脚鉄心及び巻き線間の熱伝導が良くなり、脚鉄心内部の冷却構造（金属管又はヒートパイプ）からの熱を効率良く巻き線に伝熱することができ、冷却効率を高めることができる。

前記絶縁紙がポリイミド系フィルムであることが望ましい。ポリイミド系フィルムは絶縁耐力が高いので所望の絶縁性を確保しつつ可及的に薄くすることができるとともに、耐熱温度及び熱伝導率も高いので、一層冷却効率を高めることができる。

上述した脚鉄心を第１の脚鉄心とし、入力巻線を巻回した脚鉄心を第２の脚鉄心として、それら第１の脚鉄心及び前記第２の脚鉄心を継鉄心で連結することにより閉磁路を形成し、前記第１の脚鉄心を被加熱物である金属管に挿入することで、前記金属管を加熱する金属管誘導加熱装置として構成することが望ましい。このように金属管誘導加熱装置を構成すれば、金属管を高温加熱しても絶縁損傷する可能性を低下させることができる。

また本発明に係るインボリュート鉄心の冷却構造は、インボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を放射状に積層して円筒状に形成した円筒状のインボリュート鉄心と、前記インボリュート鉄心の内側周面に密着して設けられた冷却管とを備えており、前記冷却管に冷却媒体を流通させることによって前記インボリュート鉄心を冷却することを特徴とする。このようなものであれば、インボリュート鉄心特有の構成を活かした冷却構造を提供することができる。また、冷却管に冷却媒体を流通させることから、冷却媒体の温度及び流量を調節することでインボリュート鉄心を所望の温度に冷却させることができる。

このように構成した本発明によれば、脚鉄心を効率良く冷却することができるので、脚鉄心の磁束密度を高くしながらも鉄心断面積を小さくすることができる。

本発明の一実施形態に係る静止誘導機器の一部断面を示す側面図。 脚鉄心の構成を示す図。 同実施形態の１次巻き線及び２次巻き線の構成を模式的に示す図。 昇温特性の実験に用いた変圧器の仕様を示す図。 昇温特性の実験結果を示す図。 変形実施形態に係る金属管誘導加熱装置の構成を示す図。

以下に本発明に係る静止誘導機器の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る静止誘導機器１００は、図１に示すように、第１の脚鉄心２と、第２の脚鉄心３と、これら第１の脚鉄心２及び第２の脚鉄心３の上下それぞれを連結する一対の継鉄心４とを有し、第１の脚鉄心２及び第２の脚鉄心３それぞれに１次巻き線５及び二次巻き線６が同心配置された２脚巻きの衝合型乾式変圧器である。なお、図１は第１の脚鉄心２の一部断面を示している。

なお、各脚鉄心２、３と継鉄心４とは、固定用構造部材７を介して鉄心締結ボルト８及びナット９によって、各脚鉄心２、３の上面及び下面と継鉄心４とが衝合するように連結されている。

第１の脚鉄心２及び第２の脚鉄心３は、図２に示すように、屈曲部１０ａとこの屈曲部１０ａに連続してインボリュート曲線状に湾曲した湾曲部１０ｂを有する複数の珪素鋼板１０を円周方向に放射状に積み重ねて円筒状に形成した円筒状のインボリュート鉄心である。なお、各脚鉄心２、３は、前記複数の珪素鋼板１０を放射状に積層して円筒状に形成し、これを径方向に同心円状に多段積層（段数は必要とする脚鉄心の直径に合わせる。）して形成しても良い。なお、湾曲部１０ｂのみからなる珪素鋼板１０を用いても良い。

そして第１の脚鉄心２及び第２の脚鉄心３の外側周面には、図３に示すように、両面に無溶剤系絶縁接着剤層１２を塗着した絶縁紙１１を巻回して密着させて、この無溶剤系絶縁接着剤層１２に密着して１次巻き線５を巻回する。この１次巻き線５は、例えば銅等からなる導体から形成されており、その外側周面に絶縁処理を施しても良い。そして、巻回された１次巻き線５により形成される同心円状となる各巻き線層５Ｌの間に絶縁紙１１（両面に無溶剤系絶縁接着剤層１２を塗着したものでも良い。）を巻回することで設けている。無溶剤系絶縁接着剤層１２を両面に塗着した絶縁紙１１は断熱効果が低く熱伝導性が高い。また、絶縁紙１１としてポリイミド系フィルムを用いることによりその効果を一層顕著にすることができる。なお、図３においては理解容易のため便宜上、各部材を離間して示している。

そして、巻回した１次巻き線５の最外周に混触防止板１３を設けて、当該混触防止板１３の外側周面に２次巻き線６を巻回する。ここで、１次巻き線５と混触防止板１３との間及び混触防止板１３と２次巻き線６との間には、ポリイミド系フィルムからなる絶縁紙１１（両面に無溶剤系絶縁接着剤層１２を塗着したものでも良い。）を設けている。また、巻回された２次巻き線６により形成される同心円状となる各巻き線層６Ｌの間に、絶縁紙１１（両面に無溶剤系絶縁接着剤層１２を塗着したものでも良い。）を巻回することで設けている。なお、１次巻き線５及び２次巻き線６に水などの冷却媒体を流通可能な巻回導管を用いることが考えられるが、導管内で結露が生じてしまい、絶縁破壊や腐食等の劣化が生じてしまい好ましくない。

しかして本実施形態の静止誘導機器１００は、図１に示すように、各脚鉄心２、３の円形状をなす内側周面に密着して設けられた円筒状の冷却管１４とを備えており、冷却管１４に冷却媒体を流通させることによって脚鉄心２、３を冷却するように構成している。

冷却管１４は、脚鉄心２、３の上部から下部まで貫通するように設けられており、その脚鉄心２、３の外部に位置する端部から例えば水等の冷却媒体を導入する導入ポートＰ１と、その冷却媒体を導出する導出ポートＰ２とを有する。導入ポートＰ１には冷却媒体供給配管１５が接続され、導出ポートＰ２には冷却媒体導出配管１６が接続されており、これら配管１５、１６に接続された冷却媒体源（不図示）から冷却媒体が供給されることにより冷却管１４内を冷却媒体が流通する。冷却媒体の温度及び流量は、図示しない例えば熱交換機などの温調機構及び例えばマスフローコントローラ等の流量制御機器等によって制御される。なお、図１においては、導入ポートＰ１を脚鉄心２、３の下部に設け、導出ポートＰ２を脚鉄心２、３の上部に設けた場合を示している。

具体的に冷却管１４は、ステンレス製であり、内管１４１及び外管１４２を有する二重管構造であり、内管１４１の外側周面には螺旋状のリブ（又は溝）１４３が設けられている。そして、導入ポートＰ１から流入した冷却媒体は内管１４１及び外管１４２の間の空間を通って脚鉄心２、３を貫流して導出ポートＰ２から流出する。この螺旋状のリブ１４３により、冷却媒体が内管１４１及び外管１４２の間の空間で撹拌されることになり、外管１４２と脚鉄心２、３との熱交換を効率良く行うことができる。なお、外管１４２の内側周面に螺旋状のリブ又は溝を設けても良い。また、内管１４１内には、前記脚鉄心２、３及び継鉄心４を衝合連結するための鉄心締結ボルト８が挿入される。

また、冷却管１４は、図１に示すように、脚鉄心２、３に衝合連結された継鉄心４を貫通するように設けられており、脚鉄心２、３から継鉄心４への伝熱により継鉄心４が高温になることも防止している。つまり、継鉄心４には冷却管１４を挿入するための挿入孔４１が形成されており、当該挿入孔４１の内側周面には冷却管１４が密着して設けられる。

このようにして冷却管１４を流れる冷却媒体が脚鉄心２、３及び継鉄心４の温度を奪い脚鉄心２、３が冷却される。また、脚鉄心２、３と１次巻き線５との間に、無溶剤系絶縁接着剤層１２を両面に塗着したポリイミド系フィルムからなる絶縁紙１１を設けているので、脚鉄心２、３及び１次巻き線５の間の熱伝導を良くすることができ、１次巻き線５の冷却も行うことができる。さらに１次巻き線５及び２次巻き線６の間にもポリイミド系フィルムからなる絶縁紙１１を設けているので、１次巻き線５及び２次巻き線６の間の熱伝導を良くすることができ、２次巻き線６の冷却も行うことができる。なお、冷却管１４と脚鉄心２、３との間に例えばエポキシ樹脂等の耐熱性に優れ熱伝導性に優れた接着剤を充填することで脚鉄心２、３等をより一層効率良く冷却することができる。

ここで脚鉄心２、３、継鉄心４及び冷却管１４の組み立て方法について簡単に説明する。まず、脚鉄心２、３の内側周面に冷却管１４が密着するように、冷却管１４を芯にしてインボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を放射状に積層し、又は、脚鉄心２、３内に冷却管１４を挿入する。そして、脚鉄心２、３の上部及び下部から延出した冷却管１４を継鉄心４の挿入孔４１に挿入する。このように脚鉄心２、３及び一対の継鉄心４に冷却管１４を挿入した後に、固定用構造部材７を介して、冷却管１４の内管１４１内に鉄心締結ボルト８を挿入してボルト９により固定する。なお、脚鉄心２、３の内側周面と一対の継鉄心４の挿入孔４１とが連通するようにそれらを重ね合わせた後に冷却管１４を挿入しても良い。このように冷却管１４を脚鉄心２、３内に挿入して設ける構造を活用し、脚鉄心２、３及び一対の継鉄心４の組み立てを保持する芯材としても機能させている。また、冷却管１４の内管１４１内に鉄心締結ボルト８を挿入する構造としているので本実施形態の二重管構造を有効活用することができる。

次にこのように構成した変圧器１００の昇温特性の実験結果について図４及び図５を参照して説明する。図４は、実験に用いた変圧器の具体的仕様である。この変圧器１００において、脚鉄心温度と、６層に巻回された１次巻き線のうち１層目及び６層目の上部温度及び下部温度と、上下６段に巻回された２次巻き線全ての段の上部温度及び下部温度を測定した。各部の検出温度を図６に示す。この図６から分かるように、脚鉄心温度を４８．８℃に抑えることができるとともに、１次巻き線及び２次巻き線の最高温度を１８２．３℃に抑えることができる。このように、外部に送風機構等の強制冷却機構を設けることなく最高温度を下げることができ、変圧器を密閉空間に設ける用途に好適に用いることができる。

このように構成した本実施形態に係る静止誘導機器１００によれば、インボリュート脚鉄心２、３に特有の構造を活かして脚鉄心２、３を冷却することができる。つまり、インボリュート脚鉄心２、３の外側には巻回されるコイル等との関係から冷却構造を設けることが難しいが、インボリュート脚鉄心２、３の内側にはコイル等の部材が設けられないことから冷却管１４を設けることができる。そして、この冷却管１４を脚鉄心２、３の内側周面に密着して設けるとともに、冷却管１４内に冷却媒体を流通させることによって脚鉄心２、３の周方向全体を効率良く冷却することができる。したがって、脚鉄心２、３の磁束密度を高くしながらも鉄心断面積を小さくすることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では静止誘導機器として２脚巻きの変圧器について説明したが、通常巻の変圧器や、上下に２分割された分割巻きの変圧器に適用しても良いし、リアクトルに適用しても良い。

また、図６に示すように、インボリュート脚鉄心を第１の脚鉄心２０１とし、入力巻き線２０４を巻回した脚鉄心を第２脚鉄心２０２として、それら第１の脚鉄心２０１及び第２の脚鉄心２０２を一対の継鉄心２０３で連結することにより閉磁路を形成し、第１脚鉄心２０１を被加熱物である金属管３００に挿入して当該金属管３００を加熱する金属管誘導加熱装置２００に適用しても良い。この場合、金属管３００に挿入される第１の脚鉄心２０１の内側周面に密着して冷却管１４を設けて、この冷却管１４に冷却媒体を流通させる。これにより、金属管３００に挿入される第１の脚鉄心２０１を冷却することができ、第１の脚鉄心２０１をキュリー温度を超えさせることなく、金属管３００を脚鉄心２０１のキュリー温度以上に加熱することができる。なお、図６の冷却管１４は、導入ポートＰ１及び導出ポートＰ２が同一端部（下側端部）に設けられた二重管構造であり、導入ポートＰ１から内管１４１内を通って内管１４１及び外管１４２の間に冷却媒体が流れ、そして外管に設けられた導出ポートＰ２から導出されるように構成されている。

また冷却管の替わりにヒートパイプを脚鉄心の内側周面に密着して設けても良い。この場合、ヒートパイプの一端部を脚鉄心の上面又は下面から外部に延出するようにして、この延出した部分を冷却するように構成しても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、前記実施形態では、冷却管が二重管構造であったが単管構造であっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・静止誘導機器（変圧器）
１０ ・・・磁性鋼板
２ ・・・第１の脚鉄心
３ ・・・第２の脚鉄心
４ ・・・継鉄心
５ ・・・１次巻き線
５Ｌ ・・・１次巻き線の巻き線層
６ ・・・２次巻き線
６Ｌ ・・・２次巻き線の巻き線層
１１ ・・・絶縁紙
１２ ・・・無溶剤系絶縁接着剤層
１４ ・・・冷却管
２００・・・金属管誘導加熱装置
３００・・・金属管
２０１・・・第１の脚鉄心
２０２・・・第２の各鉄心
２０３・・・継鉄心
２０４・・・入力巻き線

Claims (7)

1. インボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を放射状に積層して円筒状に形成した円筒状の脚鉄心と、前記脚鉄心の内側周面に密着して設けられた冷却管とを備えており、前記冷却管に冷却媒体を流通させることによって前記脚鉄心を冷却する静止誘導機器。
2. インボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を放射状に積層して円筒状に形成した円筒状の脚鉄心と、前記脚鉄心の内側周面に密着して設けられたヒートパイプとを備えており、前記ヒートパイプの端部を冷却することによって前記脚鉄心を冷却する静止誘導機器。
3. 前記脚鉄心の外側周面に密着させた絶縁紙を介して、前記脚鉄心に巻き線を巻回している請求項１又は２記載の静止誘導機器。
4. 前記脚鉄心と巻き線との間及び前記巻き線からなる巻き線層の間に無溶剤系絶縁接着剤層を全面に塗着した絶縁紙を設けている請求項１、２又は３記載の静止誘導機器。
5. 前記絶縁紙がポリイミド系フィルムである請求項３又は４記載の静止誘導機器。
6. 請求項１乃至５に記載の脚鉄心を第１の脚鉄心とし、入力巻き線を巻回した脚鉄心を第２の脚鉄心として、それら第１の脚鉄心及び前記第２の脚鉄心を継鉄心で連結することにより閉磁路を形成し、前記第１の脚鉄心を被加熱物である金属管に挿入して当該金属管を加熱する金属管誘導加熱装置。
7. インボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を放射状に積層して円筒状に形成した円筒状のインボリュート鉄心と、前記インボリュート鉄心の内側周面に密着して設けられた冷却管とを備えており、前記冷却管に冷却媒体を流通させることによって前記インボリュート鉄心を冷却するインボリュート鉄心冷却構造。