JP2021197377A - 油入機器の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】従来とは異なる構造により冷却効率を向上させた冷却構造を備える油入機器を提供する。【解決手段】冷却構造は、鉄心（２）および巻線（３）を収容するタンク（１）と、流入配管（３０）および流出配管（４０）によってタンク（１）と接続される放熱器（２０）とを備える。流入配管（３０）とタンク（１）とを接続する流入口（５）は、巻線（３）の底部よりも高い位置に形成され、流出配管（４０）とタンク（１）とを接続する流出口（６）は、鉄心（２）の頂部よりも高い位置に形成されている。タンク（１）内の流入口上部には、導油バリヤ（７）が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は油入機器の冷却構造に関する。

変圧器などの油入機器において、変圧器内の電力損失は、タンク内に収容されている鉄心および巻線の温度を上昇させる。このため、油入機器は、鉄心および巻線を冷却するための冷却構造を備えている。このように構成された油入機器において、冷却効率を向上させることが所望される。

例えば、特許文献１に開示されている電気機器は、冷却器の上部ヘッダーをタンクの上面より上方に配置し、さらに放熱パネルを鉛直方向に対して傾斜して取り付けることにより、冷却器の高さ方向の中心位置を高くしている。これにより、自然循環の循環効率を向上させ、冷却効率を向上させている。

特開２０１４−１１６３３９号公報（２０１４年６月２６日公開）

しかしながら、上述の特許文献１に記載の従来技術は、冷却器の構造が複雑化するという問題がある。また、冷却器で冷却された絶縁油によって、鉄心２および巻線３が効率よく冷却されることが所望されるが、特許文献１に記載の従来技術では、冷却器から流入した絶縁油が、巻線内に流入しにくいという問題点がある。

本発明の一態様は、このような現状を鑑み、冷却効率を向上させた冷却構造を備える油入機器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る冷却構造は、鉄心および巻線を収容するタンクと、流入配管および流出配管によって前記タンクと接続される放熱器とを備え、前記タンクおよび前記放熱器内において絶縁油を循環させる油入機器の冷却構造であって、前記流入配管と前記タンクとを接続する流入口が、前記巻線の底部よりも高い位置に形成されており、前記流出配管と前記タンクとを接続する流出口が、前記鉄心の頂部よりも高い位置に形成されており、前記タンク内の前記流入口上部に設けられている導油バリヤを備えていることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、冷却効率を向上させた油入機器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る冷却構造を備える装置の一例としての油入機器をＸ方向に平行な側面方向から見たときの概略的構成を示す断面図である。 上述の油入機器を上部から見たときの概略的構成を示す断面図である。 上述の油入機器が備える巻線の底部構造を示す断面図である。 比較例としての油入機器の断面図である。 比較例の油入機器内の絶縁油温度上昇値と、本発明の油入機器内の絶縁油温度上昇値とを比較した結果を示すグラフである。 巻線内を絶縁油が通過する速度を、比較例と発明の技術とで比較したグラフである。 流入配管の変型例を説明するための断面概略図である。

〔実施形態１〕
本発明の一実施形態について、図面に基づいて以下に説明する。なお、以下の記載は発明の趣旨をよりよく理解させるためのものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、本出願における各図面に記載した構成の形状および寸法（長さ、幅等）は、実際の形状および寸法を必ずしも反映させたものではなく、図面の明瞭化および簡略化のために適宜変更している。

（油入機器１０の構成）
本実施形態における冷却構造を備える装置の一例としての油入機器１０の構成を、図１〜図３を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明において、図１のＺ軸の正方向を上方向と定義する。図１は、油入機器１０をＸ方向に平行な側面方向から見たときの概略的構成を示す断面図であり、図２のＢ−Ｂ線矢視断面図である。図２は、油入機器１０を上部から見たときの概略的構成を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。図３は、巻線３の底部構造を示す断面図であり、図１のＣ−Ｃ線矢視断面図である。

油入機器１０は、例えば、油入変圧器であり、冷却構造を備えている。油入機器１０の冷却構造は、図１および図２に示すように、タンク１と、放熱器２０とを備えている。通常、油入機器１０の冷却構造は、複数の放熱器２０を備えている。図２では、放熱器２０を６つ備えている例を示しているが、放熱器２０の数は６つに限定されず、１以上の複数であり得る。下記では、簡単のために１つの放熱器２０に注目して説明するが、他の放熱器２０についても同様である。

タンク１は、鉄心２および巻線３を収容するための金属製の筐体である。タンク１の内部には、図１および図２に示すように、巻線３の底部よりも高い位置に形成されている流入口５上部のＸ−Ｙ平面に、導油バリヤ７が設けられている。タンク１は、流入配管３０および流出配管４０によって放熱器２０と接続されている。タンク１の内部は、絶縁油４によって満たされている。

絶縁油４は、油入機器１０の絶縁および冷却の役割を担う絶縁流体であり、例えば鉱物油が用いられる。絶縁油４は、鉄心２および巻線３によって加熱されることにより、対流による流れ場を形成し、流入配管３０および流出配管４０を介してタンク１から絶縁油４が流入および流出することにより、タンク１および放熱器２０内を循環する。

鉄心２は、磁気回路を構成し、磁束が流れることで鉄損を生じる発熱体である。巻線３は、電気回路を構成し、電流が流れることでジュール熱を生じる発熱体である。巻線３の底部および上部には、それぞれ油導部８および油導部９が設けられている。図３は、例として、巻線３の底部に設けられた油導部８の断面構造を示しているが、上部に設けられた油導部９も同様の構造である。図３に示すように、油導部８には、複数の油導路８１が放射状に形成されており、絶縁油４は、油導路８１を介して巻線内に流入する。油導部９においても同様に油導路９１（図示せず）が形成されており、巻線内を通過した絶縁油４は、油導路９１を介して巻線外に流出する。

放熱器２０は、絶縁油４を冷却するための装置である。放熱器２０は、複数の放熱パネル２１を備えている。流出配管４０を介して放熱器２０に流入した絶縁油４は、放熱パネル２１内を通過する間に冷却され、流入配管３０を介してタンク１内に流入する。冷却された絶縁油４がタンク１内を循環することにより、タンク１内の鉄心２および巻線３を冷却することができる。

流入配管３０は、タンク１と、放熱器２０のヘッダーパイプとを接続する管である。絶縁油４は、流入配管３０を介して放熱器２０からタンク１に向けて流入する。実施形態１において、流入配管３０は、放熱器２０側の端部における管径よりもタンク１側の端部における管径の方が大きい。流入配管３０のタンク１側の端部は、巻線３の底部よりも高い位置に形成されている流入口５において、タンク１と、例えば溶接により接続されている。流入配管３０と、放熱器２０のヘッダーパイプとの接続は、例えば、流入配管３０の放熱器２０側の端部に設けられたフランジ（図示せず）と、放熱器２０のヘッダーパイプ端部に設けられたフランジ（図示せず）とをボルト締めすることにより、接続される。流入配管３０として、レデューサパイプ（レデューサ継手）を用いてもよい。

流出配管４０は、タンク１と放熱器２０とを接続する管である。絶縁油４は、流出配管４０を介して、タンク１から放熱器２０に向けて流出する。流出配管４０のタンク１側の端部は、鉄心２の頂部よりも高い位置に形成されている流出口６において、タンク１と、例えば溶接により接続されている。流出配管４０の放熱器２０との接続については、流入配管３０の場合と同様である。図１では、流入配管３０と同様に、放熱器２０側の端部における管径よりもタンク１側の端部における管径の方が大きい流出配管４０の例が記載されているが、流出配管４０は、上記形状に限定されない。

導油バリヤ７は、流入口５から流入した絶縁油４の流れを制限するためのものである。導油バリヤ７としては、例えば、紙製のプレスボードなどの絶縁材料からなる板が用いられ得る。導油バリヤ７を流入口５の上部に設けることにより、流入口５から流入してきた絶縁油４の上方向への流れを抑制する。導油バリヤ７は、例えば、図２に示されるようにタンク１内部の導油バリヤ７が設けられている面において、鉄心２および巻線３以外の領域の少なくとも一部を覆うように設けられている。

導油バリヤ７が設けられていることにより、流入口５から流入した絶縁油４は、巻線３の外壁に沿って下方向に流れ、巻線３の油導部９から巻線３内に流入する。図２では、導油バリヤ７が設けられている面において、タンク１内部の鉄心２および巻線３以外の領域が全て導油バリヤ７によって覆われているが、導油バリヤ７とタンク１との境界において、部分的に隙間があってもよい。当該隙間は、導油バリヤ７の役割を考慮すると、流入口５から離れた位置であることが好ましい。

（本実施形態の効果）
上述のように、本実施形態における冷却構造は、鉄心２および巻線３を収容するタンク１と、流入配管３０および流出配管４０によってタンク１と接続される放熱器２０とを備え、タンク１および放熱器２０内において絶縁油４を循環させる。流入配管３０とタンク１とを接続する流入口５は、巻線３の底部よりも高い位置に形成されている。流出配管４０とタンク１とを接続する流出口６は、鉄心２の頂部よりも高い位置に形成されている。また、本実施形態における冷却構造は、タンク１内の流入口５上部に設けられている導油バリヤ７を備えている。

上記構成によれば、流入口５が巻線３の底部よりも高い位置に形成されることにより、絶縁油４の駆動力が増加し、タンク１内の絶縁油４の循環効率を向上させることができる。

さらに、導油バリヤ７を設けることにより、タンク１内に流入した絶縁油４は、巻線３の外壁に沿って巻線３の底部方向に導かれ、絶縁油４を巻線３内に積極的に流入させることができる。これにより、油入機器１０の冷却効率を向上させることができる。

また、本実施形態における冷却構造において、流入配管３０は、放熱器２０側の端部における管径よりもタンク１側の端部における管径の方が大きい。

上記構成によれば、流入配管３０のタンク１側の管径を、放熱器２０側の管径よりも大きくすることにより、絶縁油４がタンク１へ流入するときの流れの抵抗を小さくすることができる。また、管径の差により生じる流入配管３０の管壁の傾斜により、流入する絶縁油４の上向きの流れが抑制され、絶縁油４を油導部８方向に導きやすくなる。つまり、絶縁油４の循環流量が増加し、絶縁油４が巻線３内に流入しやすくなるため、冷却効率を向上させることができる。

（解析検証試験の結果）
本発明の効果について解析検証した結果について以下に説明する。比較例として、図４に示す油入機器１０Ａを用いた。油入機器１０Ａは、流入口５Ａの位置が本発明の特徴を有していない。また、導油バリヤ７を備えていない点も相違する。なお、油入機器１０Ａの放熱器２０Ａにおける放熱部の総面積は、本発明の油入機器１０の放熱器２０における放熱部の総面積と等しい。

図５は、比較例の油入機器１０Ａ内の絶縁油温度上昇値と、本発明の油入機器１０内の絶縁油温度上昇値とを比較した結果を示すグラフである。図５のグラフにおいて示される絶縁油の平均温度上昇値は、油入機器１０Ａおよび油入機器１０において、２次側を短絡し１次側に全損失を発生する電流を温度上昇が飽和するまで通電したときの絶縁油の温度上昇値を、各油入機器における解析モデルで計算したものである。

比較例では、絶縁油の平均温度上昇値が６１Ｋであったのに対し、本発明の技術では、絶縁油の平均温度上昇値が５３Ｋであった。このことから、本発明の技術、すなわち本発明の冷却構造は、比較例と比較して絶縁油のベース温度が低下することが実証された。

図６は、巻線内を絶縁油が通過する速度を、比較例と発明の技術とで比較したグラフである。比較例では、巻線内を通過する絶縁油速度が４．２ｍｍ／ｓであったのに対し、本発明の技術では、６．７ｍｍ／ｓであった。このことから、本発明の技術、すなわち本発明の冷却構造は、比較例と比較して循環効率が向上することが実証された。

上述のことから、本発明の技術は、絶縁油のベース温度が低下し、循環効率が向上する、すなわち、冷却効率が向上することが実証された。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

実施形態１では、放熱器２０側の端部における管径よりもタンク１側の端部における管径の方が大きい流入配管３０について説明した。これに対し、実施形態２では、流入配管３０の変型例である流入配管３０Ｂについて図７を用いて説明する。図７は、流入配管３０の変型例である流入配管３０Ｂを説明するための断面概略図である。図７は、流入配管３０Ｂを用いた場合の油入機器１０の一部を示している。流入配管３０Ｂは、放熱器２０側の端部における管径とタンク１側の端部における管径が等しい。また、流入配管３０Ｂの内面は、放熱器２０側からタンク１側に向けて低くなるように傾斜している。その他については、実施形態１と同様である。

すなわち、実施形態２における冷却構造は、流入配管３０の内面が、放熱器２０側からタンク１側に向けて低くなるように傾斜していることを特徴とする。

上記構成によれば、流入配管３０に、放熱器２０側からタンク１側に向けて低くなるように傾斜を付けることにより、流入する絶縁油４の上向きの流れが抑制され、絶縁油４を油導部８方向に導きやすくなる。つまり、絶縁油４が巻線３内に流入しやすくなるため、冷却効率を向上させることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ タンク
２ 鉄心
３ 巻線
４ 絶縁油
５ 流入口
６ 流出口
７ 導油バリヤ
１０ 油入機器
２０ 放熱器
２１ 放熱パネル
３０ 流入配管
４０ 流出配管

Claims (4)

1. 鉄心および巻線を収容するタンクと、流入配管および流出配管によって前記タンクと接続される放熱器とを備え、前記タンクおよび前記放熱器内において絶縁油を循環させる油入機器の冷却構造であって、
   前記流入配管と前記タンクとを接続する流入口が、前記巻線の底部よりも高い位置に形成されており、
   前記流出配管と前記タンクとを接続する流出口が、前記鉄心の頂部よりも高い位置に形成されており、
   前記タンク内の前記流入口上部に設けられている導油バリヤを備えていることを特徴とする、冷却構造。
2. 前記流入配管は、前記放熱器側の端部における管径よりも前記タンク側の端部における管径の方が大きいことを特徴とする、請求項１に記載の冷却構造。
3. 前記流入配管の内面は、前記放熱器側から前記タンク側に向けて低くなるように傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の冷却構造。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却構造を備える、油入機器。

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