JP2022115117A - トランスオイル、当該トランスオイルを備えた変圧器およびトランスオイル生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のトランスオイルよりも適切に変圧器本体を冷却することができるトランスオイル、当該トランスオイルを備えた変圧器およびトランスオイル生成方法を提供する。【解決手段】トランスオイルは、磁性粒子と、界面活性剤と、絶縁油と、を含んでいる。磁性粒子は、１体積％以上１０体積％未満であるとともに、絶縁油中に分散させられている。界面活性剤は、磁性粒子をコーティングしている。変圧器は、当該トランスオイルを備えている。また、トランスオイル生成方法は、絶縁油に、磁性流体を添加し、磁性粒子の体積割合を１％以上１０％未満に調整して、トランスオイルを生成する。【選択図】図３

Description

本発明は、トランスオイル、当該トランスオイルを備えた変圧器およびトランスオイル生成方法に関する。

従来、中型の変圧器として、例えば、電信柱に設置された柱上変圧器がある。この柱上変圧器は、収納容器と、収納容器内のトランスオイルと、変圧器本体と、を備えている。変圧器本体は、鉄心と鉄心に巻回された高圧コイルおよび低圧コイルを有し、これらコイルの電磁誘導によって、変電所から送られてくる電圧を各家庭で使用する電圧に変換する。トランスオイルは、絶縁油であって、電気的絶縁と、変圧器によって発生させられた熱の拡散とに利用される。

ところで、このような中型以上の変圧器は、通電時に高熱を発生させるので、従来のトランスオイルの放熱作用だけでは熱を適切に拡散できず、その高熱によって変圧器本体が故障するおそれがある。そこで、高熱による変圧器本体の故障を防止するとともに変圧器の耐久性を高めるために、例えば、特許文献１に記載の変圧器用冷却装置が開発されてきた。この冷却装置は、柱上変圧器用の冷却装置であって、変圧器本体の上下いずれかに設けられたファンをモータによって駆動させることにより変圧器本体を冷却する。また、例えば、特許文献２には、柱上変圧器にリブ放熱器を設け、当該放熱器によって柱上変圧器のトランスオイルと外側の空気との間で熱交換を行なわせる冷却方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１および２に開示の冷却装置や冷却方法では、冷却部の構造が複雑となり、その製造には多大なコストを要するので問題であった。

特開２０１４－９００６７号公報 特開２０１２－０７４６３９号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、従来のトランスオイルよりも適切に変圧器本体を冷却することができるトランスオイル、当該トランスオイルを備えた変圧器および当該トランスオイルを生成する方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るトランスオイルは、
磁性粒子と、
界面活性剤と、
絶縁油と、を備え、
磁性粒子は、１体積％以上１０体積％未満であるとともに、絶縁油中に分散させられており、
界面活性剤は、磁性粒子をコーティングしている、ことを特徴とする。

上記トランスオイルは、好ましくは、
磁性粒子が、マンガン亜鉛フェライトである。

上記トランスオイルは、好ましくは、
磁性粒子のキュリー温度が、１５０℃以上６００℃未満である。

上記課題を解決するために、本発明に係る変圧器は、
上記トランスオイルを備える、ことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るトランスオイル生成方法は、
絶縁油に、磁性流体を添加し、
磁性粒子の体積割合を１％以上１０％未満に調整して、トランスオイルを生成する、ことを特徴とする。

上記トランスオイル生成方法は、好ましくは、
磁性流体が、磁性粒子を２体積％以上５０体積％未満含み、
磁性流体を、トランスオイルにおける前記磁性流体の体積割合が２％以上２５％未満になるように前記絶縁油に添加する。

本発明に係るトランスオイルは、従来のトランスオイルよりも適切に変圧器本体を冷却することができる。また、当該トランスオイルを備えた変圧器は、従来の変圧器よりも適切に変圧器本体を冷却することができる。さらに、本発明に係るトランスオイル生成方法は、従来のトランスオイルよりも適切に変圧器本体を冷却することができるトランスオイルを生成することができる。

本発明の一実施例に係るトランスオイルを評価する実験装置の概略図である。 図１のトランスオイルの評価結果を示すグラフである。 図１のトランスオイルの別の評価結果を示すグラフである。

＜トランスオイル＞
まず、本発明のトランスオイルに係る一実施例について説明する。

本発明の一実施例に係るトランスオイル１は、絶縁油と、磁性流体と、を含有する。

絶縁油は、ＪＩＳＣ２３２０に規定される１種の鉱物油である。本実施例では、鉱物油は、ＪＩＳＣ２３２０に規定される１種２号絶縁油の規定を満たす谷口石油製の高圧絶縁油であるが、単なる一例であって、これに限定されない。絶縁油は、トランスオイル１のベースオイルである。本実施例の絶縁油の特性を次の表に示す。

磁性流体は、ベースオイルと、磁性粒子と、界面活性剤と、を含有する。ベースオイルが溶媒であり、磁性粒子が溶質である。

ベースオイルは、本実施例では、上述と同様の鉱物油である。この鉱物油は、単なる一例であって、上述の絶縁油と親和性があり、ＪＩＳＣ２３２０に規定される１種の鉱物油であれば、例えば、種類の異なる鉱物油でもよい。

磁性粒子の粒径は、７～１１ｎｍであって、磁性流体のキュリー温度は、１５０℃以上～６００℃未満である。磁性粒子のキュリー温度は、２５０℃以下が好ましい。本実施例では、磁性粒子は、キュリー温度が２５０℃以下のマンガン亜鉛フェライトであるが、単なる一例であって、本発明における磁性粒子はこれに限定されない。磁性粒子は、例えば、マグネタイトでもよい。

界面活性剤は、磁性粒子の表面に吸着させられており、磁性粒子同士の凝集を防止する。界面活性剤は、本実施例では、長鎖不飽和脂肪酸を多く含んだ界面活性剤であるオレイン酸であるが単なる一例であって、本発明における界面活性剤はこれに限定されない。界面活性剤は、磁性粒子の表面を２ｎｍ～３ｎｍの厚さでコーティングしている。

磁性流体における磁性粒子の体積割合は、２％以上かつ５０％未満である。本実施例では、磁性流体は、イチネンケミカルズ製の磁性流体であって、磁性流体における磁性粒子の体積割合は、４０％であるが単なる一例であって、本発明の磁性流体における磁性粒子の体積割合はこれに限定されない。

界面活性剤にコーティングされた磁性粒子は、ベースオイル中に分散させられている。磁性粒子は、界面活性剤にコーティングされていることにより、磁場をかけられたりベースオイル中で流れによる遠心力がかかっても、互いに凝集することなく均一な分散状態を維持する。磁性流体は、温度を上昇させられると次第に磁性が弱まる特性があり、キュリー温度以上では強磁性の性質を消失する。本発明における磁性粒子は、キュリー温度が１５０℃以上６００℃未満であるので、本発明における磁性流体は、比較的低い温度でも温度依存性を示す感温性磁性流体である。また、本実施例における磁性粒子は、キュリー温度の低い酸化物磁性粒子であるマンガン亜鉛フェライトであるので、本実施例における磁性流体は、１００℃以下の低温においても温度依存性がある。

トランスオイル１は、磁性流体の体積割合が２％以上２５％未満になるように、磁性流体を絶縁油に添加されるとともに、磁性流体を添加された絶縁油を撹拌されることにより生成される。トランスオイル１のベースオイルである絶縁油と、磁性流体のベースオイルである絶縁油とが同様の絶縁油であるので、当該絶縁油同士に親和性がある。したがって、磁性粒子は、トランスオイル１中において均一に分散している。

本実施例におけるトランスオイル１は、例えば、一般の柱上変圧器のトランスオイルとして利用することができる。この場合、トランスオイル１を備えた柱上変圧器は、収納容器と、変圧器本体とを備え、収納容器内にトランスオイル１を収納するとともにトランスオイル１内に変圧器本体を配置する。変圧器本体は、電流を印加されることにより磁場と熱を発生させる。トランスオイル１は、感温性磁性流体であるので、温度差に応じた磁場勾配によって対流を発生させられ、温度差による絶縁油自体の自然対流に相まってさらに対流を促進させられる。これにより、本実施例におけるトランスオイル１は、従来のトランスオイル１よりも適切に変圧器本体を冷却することができる。本実施例におけるトランスオイル１は、高い絶縁性を有するとともに、１００℃以下の低温においても温度依存性がある磁性流体を添加されているので、幅広い種類の変圧器や冷却装置に利用することができる。

＜実験方法＞
次に、図１を参照しつつ、本実施例におけるトランスオイル１の実験方法について説明する。本実験は、変圧器にトランスオイル１を利用したときを仮定してトランスオイル１の冷却能力を評価することを目的としている。トランスオイル１の冷却能力の評価は、ヌセルト数を算出することにより行う。

図１に示すように、実験装置Ｄは、本実施例に係るトランスオイル１と、２重円筒容器２と、鉄心３と、鉄心３に巻回された１次コイル４および２次コイル５と、エチレングリコール６と、温度測定用データロガー７と、交流電源８と、を備えている。２重円筒容器２は、アクリル製であって、中心の空間２ａにはトランスオイル１が満たされ、その外側の空間２ｂにはエチレングリコール６が満たされている。鉄心３は、１次コイル４および２次コイル５とともにトランスオイル１内において中心に配置されている。データロガーは、トランスオイル１内に配置された熱電対の電気信号からトランスオイル１の温度を計測する。

本実験では、エチレングリコール６を－２０度で循環させ、アクリル容器の温度が定常状態となった後、交流電流をコイルに印加した。また、本実験では、トランスオイル１における磁性流体の体積割合を２％、５％、１０％、２５％、５０％とし、かつ、各体積割合において、４Ａ、４．５Ａ、５Ａ、５．５Ａ、６Ａの電流を印加した。

磁性流体を用いた磁気熱対流の研究に関する実験においては、直流磁場が印加されることが一般的である。本実験では、変圧器を模しているため、１次コイル４および２次コイル５には交流磁場が印加されている。磁気熱対流は、空間磁場勾配に起因して生じるところ、トランスオイル１内に交流磁場を発生させても磁気熱対流が生じるかについて明らかではなかった。そこで、本実験前に、磁気ナビエストークス方程式を用いて、交流磁場がトランスオイル１に及ぼす影響について確認したところ、直流磁場を印加した際と同様に、交流磁場を印加した際にも磁気熱対流が生じることがわかった。

＜実験結果＞
次に、図２および図３を参照しつつ、本実施例に係るトランスオイル１の実験結果について説明する。図２は、本実施例におけるトランスオイル１の熱磁気対流の実験結果を示している。各グラフは、トランスオイル１における磁性流体の体積割合ごとのグラフであって、縦軸は、ヌセルト数を示し、横軸は、プラントル数（Ｐｒ）とグラスホフ数（Ｇｒ）との積を示している。グラフ内における各ポイントは、１次コイル４および２次コイル５に印加された電流値ごとのポイントであって、左から右に向かって、４Ａ、４．５Ａ、５Ａ、５．５Ａ、６Ａの電流が印加されたときの値にプロットされている。

図３は、各条件における磁性流体の体積割合とヌセルト数の関係を示している。縦軸は、ヌセルト数を示し、横軸は、トランスオイル１における磁性流体の体積割合を示している。図３に示すように、磁性流体の体積割合５％のときのヌセルト数が他の体積割合よりも高くなっている。これは、ヌセルト数が、一般に、プラントル数とグラスホフ数との積の上昇に伴って高くなるところ、磁性流体の体積割合５％のときのプラントル数とグラスホフ数とのバランスがよかったものと思われる。磁性流体のヌセルト数は、一般的には、磁性粒子の体積割合を増加させることによって増加傾向を示すことがわかっていたが、本実験により、本実施例のトランスオイル１のヌセルト数は、トランスオイル１における磁性流体の体積割合が２％以上２５％未満において、磁性流体の体積割合２５％よりも高いことがわかった。すなわち、本実験により、本実施例のトランスオイル１のヌセルト数は、トランスオイル１における磁性粒子の体積割合が１％以上１０％未満において、磁性粒子の体積割合１０％よりも高いことがわかった。

さらに、本実施例のトランスオイル１のヌセルト数は、磁性流体の体積割合５％の方が磁性流体の体積割合５０％のときよりも高いことがわかった。すなわち、本実施例のトランスオイル１のヌセルト数は、磁性粒子の体積割合が０．０２％の方が磁性粒子の体積割合が０．２％のときよりも高いことがわかった。これにより、本実施例におけるトランスオイル１は、トランスオイル１における磁性粒子の体積割合を１％以上１０％未満で構成することにより、比較的安価で製造することができる。

しかも、本実施例によるトランスオイルの生成方法によれば、既存の変圧器のトランスオイルに上記磁性流体を添加することによりトランスオイル１を生成することができる。したがって、既存の変圧器内のトランスオイルをトランスオイル１に変更することに比して、変圧器の冷却性能を高めるコストを低く抑えることができる。

以上、本発明の一実施例に係るトランスオイル１について説明してきたが、本発明に係るトランスオイルは、上記実施例に限定されるものではない。

例えば、磁性粒子と、界面活性剤と、絶縁油と、を備えたトランスオイルを生成するに際し、トランスオイルにおける磁性粒子の体積割合を１％以上１０％未満にすることにより、本発明に係るトランスオイルを生成してもよい。

Ｄ 実験装置
１ トランスオイル
２ ２重円筒容器
３ 鉄心
４ １次コイル
５ ２次コイル
６ エチレングリコール
７ 温度測定用データロガー
８ 交流電源

Claims (6)

1. 磁性粒子と、
   界面活性剤と、
   絶縁油と、を含み、
   前記磁性粒子は、１体積％以上１０体積％未満であるとともに、前記絶縁油中に分散させられており、
   前記界面活性剤は、前記磁性粒子をコーティングしている
   ことを特徴とするトランスオイル。
2. 前記磁性粒子は、マンガン亜鉛フェライトである
   ことを特徴とする請求項１に記載のトランスオイル。
3. 前記磁性粒子のキュリー温度は、１５０℃以上６００℃未満である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のトランスオイル。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のトランスオイルを備えた変圧器。
5. 絶縁油に、磁性流体を添加し、
   磁性粒子の体積割合を１％以上１０％未満に調整して、トランスオイルを生成する
   ことを特徴とするトランスオイル生成方法。
6. 前記磁性流体は、前記磁性粒子を２体積％以上５０体積％未満含み、
   前記磁性流体を、前記トランスオイルにおける前記磁性流体の体積割合が２％以上２５％未満になるように前記絶縁油に添加する
   ことを特徴とする請求項５に記載のトランスオイル生成方法。

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