JP2022159781A - 油入機器の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】構造簡単で冷却効率を向上させることができる冷却構造及び油入機器を提供する。【解決手段】油入変圧器（１０）の冷却構造（１００）は、流入配管（３０）とタンク（１）とを接続する流入口（５）が巻線（３）の底部よりも高い位置に形成されており、流出配管（４０）とタンク（１）とを接続する流出口（６）が、鉄心（２）の頂部よりも高い位置に形成されており、タンク（１）の内部には、絶縁油（４）を巻線（３）側に導く導油パイプ（７）が設けられている。【選択図】図１

Description

本開示は、油入機器の冷却構造に関する。

油入変圧器などの油入機器は、タンク内に収容された鉄心、巻線、及び絶縁油を備えており、その動作時には、巻線を流れる電流によるジュール熱などに応じて、鉄心、巻線、及び絶縁油の各温度は、上昇する。このため、油入機器には、鉄心、巻線、及び絶縁油を冷却するための冷却構造が設けられている。このように構成された油入機器では、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に記載の従来技術では、冷却構造が複雑化するという問題点を生じた。

本開示は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、構造簡単で冷却効率を向上させることができる冷却構造及び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、本開示の一側面に係る冷却構造は、鉄心、巻線、及び絶縁油を収容するタンクと、前記タンクに前記絶縁油を流入する流入配管及び前記タンクから前記絶縁油を流出する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、前記タンク及び前記放熱器内において前記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、前記タンクの内部には、一方の開口が前記流入口に取り付けられるとともに、他方の開口が前記巻線と対向するように設けられて、前記絶縁油を前記巻線側に導く導油パイプが設けられている。

本開示の一態様によれば、構造簡単で冷却効率を向上させることができる冷却構造及び油入機器を提供することができる。

本開示の実施形態１に係る冷却構造を備えた油入変圧器の要部構成例を示す側面図である。 上記油入変圧器の要部構成例を示す、図１のＡ－Ａ線矢視図である。 上記油入変圧器の要部構成例を示す、図１のＢ－Ｂ線矢視図である。 上記油入変圧器での絶縁油の具体的な循環経路を説明する図である。 本開示の実施形態２に係る冷却構造の要部構成例を示す拡大側面図である。 本開示の実施形態３に係る冷却構造の要部構成例を示す拡大側面図である。

〔実施形態１〕
以下、本開示の一実施形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。なお、以下の説明では、油入機器として、例えば、三相電力の油入変圧器に適用した場合について説明する。しかしながら、本開示の油入機器は、タンク内に鉄心、巻線、及び絶縁油を収容したものであれば何等限定されるものではなく、本開示の冷却構造は、例えば、リアクトルなどの油入機器にも適用することができる。

＜冷却構造１００及び油入変圧器１０＞
図１～図４を参照して、本実施形態の冷却構造１００及び油入変圧器１０について具体的に説明する。図１は、本開示の実施形態１に係る冷却構造を備えた油入変圧器の要部構成例を示す側面図である。図２は、上記油入変圧器の要部構成例を示す、図１のＡ－Ａ線矢視図である。図３は、上記油入変圧器の要部構成例を示す、図１のＢ－Ｂ線矢視図である。図４は、上記油入変圧器での絶縁油の具体的な循環経路を説明する図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の冷却構造１００は、油入変圧器１０に一体的に設けられている。本実施形態の冷却構造１００は、タンク１と、少なくとも１つ、例えば、６つの放熱器２０とを備える。

タンク１は、金属製の筐体である。タンク１の内部には、鉄心２、巻線３、及び絶縁油４が収容されている。また、タンク１の内部には、例えば、無負荷時タップ切換器Ｋの切換器本体Ｋ１が設置されている。この切換器本体Ｋ１には、後述のタップ巻線が電気的に接続されており、タンク１の外部に引き出された操作ハンドルＫ２が操作されることにより、切換器本体Ｋ１が動作して、油入変圧器１０でのタップ電圧の切換動作が行われる。

鉄心２は、油入変圧器１０の動作時に、磁気回路を構成して磁束が流れる。また、鉄心２では、磁束が流れたときに鉄損を生じて、熱を発する発熱体を構成する。

巻線３は、三相電力の相毎に、鉄心２の一部に巻回されて電気回路を構成する。巻線３は、油入変圧器１０の動作時に、電流が流れることでジュール熱を生じて、熱を発する発熱体を構成する。巻線３は、例えば、鉄心２に順次巻回された２次巻線（低圧巻線）及び１次巻線（高圧巻線）を含んでおり（図示せず）、例えば、３本の各タップ巻線Ｔ（図２）が１次巻線に接続されている。

巻線３の底部及び上部には、当該巻線３に対して絶縁油４を導くための油導部８及び９がそれぞれ設置されている。これらの油導部８及び９は、例えば、プレスボード等の絶縁材料を用いて構成された同一の構造体からなる。

具体的には、例えば、油導部８は、図３に示すように、鉄心２の周りに配置されるリング形状の基材８ａと、基材８ａ上で周方向に等間隔で配置された複数、例えば、１２個の直方体形状の油導片８ｂとを備える。油導部８では、油導路８ｃ（図３に点線にて例示）が周方向で隣接する２個の油導片８ｂの間に形成されており、絶縁油４が油導路８ｃによって導かれることにより、当該絶縁油４は放熱器２０側から鉄心２側及び巻線３側に向かって効率よく流れることができる。

絶縁油４には、例えば、ＪＩＳ２号絶縁油などの絶縁流体が用いられており、絶縁油４が、タンク１の内部に満たされることによってタンク１と巻線３などの電気部材との間での絶縁性が確保されている。また、絶縁油４は、冷却構造１００の冷却対象物であり、かつ、当該冷却構造１００の他の冷却対象物（すなわち、鉄心２や巻線３など）を冷却する冷却媒体としても機能する。

すなわち、本実施形態の冷却構造１００では、絶縁油４は、発熱した鉄心２及び発熱した巻線３によって加熱されることにより、自然対流による流れ場を形成し、更には流入配管３０及び流出配管４０を介してタンク１と放熱器２０との間で当該絶縁油４が流入及び流出することにより、タンク１及び放熱器２０内を循環する。そして、放熱器２０において、絶縁油４から鉄心２及び巻線３から伝播された熱が放熱されて、当該絶縁油４自体も冷却される。

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。複数の各放熱パネル２１では、その内部で絶縁油４が上記自然対流によって上側から下側に向かって流れるときに、放熱パネル２１の周囲の空気との間で熱交換を行うことにより、当該絶縁油４は冷却される。

流出配管４０は、タンク１と、放熱器２０の上部パイプとを接続して、タンク１から放熱器２０に絶縁油４を流出する管である。流出配管４０は、例えば、内径が均一ではないレジューサパイプ、つまり放熱器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パイプを用いて構成されている。

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。また、流出配管４０と、放熱器２０の上部パイプとの接続は、例えば、流出配管４０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の上部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、接続されている。

流入配管３０は、タンク１と、放熱器２０の下部パイプとを接続して、放熱器２０からタンク１に絶縁油４を流入する管である。流入配管３０は、例えば、均一な内径を有するストレートパイプ、つまりタンク１側の端部における管径と放熱器２０側の端部における管径とが等しいパイプを用いて構成されている。

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。また、流入配管３０と、放熱器２０の下部パイプとの接続は、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の下部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、接続されている。

本実施形態の冷却構造１００では、放熱器２０によって冷却された絶縁油４を巻線３側に導く導油パイプ７がタンク１の内部に設けられている。導油パイプ７は、例えば、プレスボードなどの絶縁材料を用いて、均一の内径を有する円筒形状に構成されたパイプである。導油パイプ７では、一方の開口７ａが流入口５に取り付けられるとともに、他方の開口７ｂが巻線３と対向するように設けられている。

具体的には、一方の開口７ａは、図示しないフランジを介して隙間なく取り付けられている。これにより、本実施形態の冷却構造１００では、放熱器２０から導油パイプ７に対して、絶縁油４を効率よく流入することができ、冷却効率を容易に向上させることができる。

また、他方の開口７ｂは、図１に示すように、一方の開口７ａよりもタンク１の底側に位置するように、下向きに構成されている。これにより、本実施形態の冷却構造１００では、導油パイプ７からの絶縁油４が巻線３の上側に流れるのを抑制することができ、少なくとも巻線３の冷却効率を容易に向上させることができる。

また、導油パイプ７では、図２に示すように、各相の巻線３に対して、他方の開口７ｂが巻線３の底部側の油導部８の油導路８ｃに対向するように設けられている。これにより、本実施形態の冷却構造１００では、油導路８ｃを介して導油パイプ７から冷却された絶縁油４を巻線３側及び鉄心２側に効率よく流すことができ、これらの巻線３及び鉄心２を効率よく冷却することが可能となって、冷却効率をより確実に向上させることができる。

以上の構成により、本実施形態の冷却構造１００及び油入変圧器１０では、当該油入変圧器１０の動作時において、鉄心２及び巻線３から熱が伝えられた絶縁油４は、図４に矢印４Ｆで示すように、流出配管４０を介して放熱器２０の複数の各放熱パネル２１の内部に流入する。そして、絶縁油４は、放熱パネル２１の周囲に熱を放熱しつつ、放熱パネル２１の内部を下向きに流れて、流入配管３０及び導油パイプ７を介して油導部８の油導路８ｃに流入する。その後、絶縁油４は、鉄心２及び巻線３から熱を吸熱して当該鉄心２及び巻線３を冷却しつつ、油導部９の油導路を介してタンク１の上側の流出配管４０に向かって流れる。

以上のように構成された本実施形態の冷却構造１００及び油入変圧器１０では、流入口５が、巻線３の底部よりも高い位置に形成されており、流出口６が、鉄心２の頂部よりも高い位置に形成されている。また、タンク１の内部には、一方の開口７ａが流入口５に取り付けられるとともに、他方の開口７ｂが巻線３と対向するように設けられて、絶縁油４を巻線３側に導く導油パイプ７が設けられている。これにより、本実施形態では、上記従来例と異なり、冷却構造が複雑化することなく、構造簡単で冷却効率を向上させることができる冷却構造１００及び油入変圧器１０を構成することができる。

尚、例えば、流入口５の上側に絶縁材料を配置して、タンク１の内部を上側部分と下側部分とに分割することにより、流入口５からの冷却された絶縁油４が巻線３の上側に直ちに流れるのを抑制する構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、冷却構造の冷却効率を大幅に向上させることが難しい場合がある。つまり、絶縁油４が巻線３の上側に直ちに流れるのを抑制するためには、鉄心２及び巻線３に隙間を生じることなく密接するように、絶縁材料を設ける必要がある。

ところが、鉄心２は、通常、外周部分に段差を有しており、完全な多角形柱体ではなく、巻線３の外周形状も完全な円周形状ではない。特に、巻線３にタップ巻線Ｔが設けられている場合では、巻線３の外周形状が完全な円周形状とならずに、タップ巻線Ｔの部分がその周囲部分よりも突出した突出部となる。このため、鉄心２及び巻線３に対して、隙間を生じることなく絶縁材料を設置することは困難となり易い。従って、上記隙間から絶縁油４が、巻線３の上側に直ちに流れるのを抑えることができずに、冷却効率の大幅な向上が難しくなることがある。

これに対して、本実施形態では、巻線３に対して、導油パイプ７から冷却された絶縁油４を直接的に導くことができるので、簡単な構成を用いて、冷却構造１００の冷却効率を大幅に向上させることが可能となる。

〔実施形態２〕
本開示の実施形態２について、図５を用いて具体的に説明する。図５は、本開示の実施形態２に係る冷却構造の要部構成例を示す拡大側面図である。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。

本実施形態２と上記実施形態１との主な相違点は、レジューサパイプを用いて流入配管３０Ａを構成した点である。

本実施形態の冷却構造１００では、図５に示すように、流入配管３０Ａは、上記レジューサパイプ、つまり放熱器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パイプを用いて構成されている。これにより、本実施形態では、タンク１に流入する絶縁油４の流量を増加させることができ、当該絶縁油４の循環流量を増加させて冷却効率を容易に向上させることができる。

〔実施形態３〕
本開示の実施形態３について、図６を用いて具体的に説明する。図６は、本開示の実施形態３に係る冷却構造の要部構成例を示す拡大側面図である。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。

本実施形態３と上記実施形態１との主な相違点は、流入配管３０Ｂを巻線３の底部側に向けて傾斜させた点である。

本実施形態の冷却構造１００では、図６に示すように、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。これにより、本実施形態では、タンク１に流入する絶縁油４の上向きの流れがより抑制され、絶縁油４を油導部８の方向により導き易くなる。この結果、本実施形態では、導油パイプ７からの絶縁油４が巻線３の上側に流れるのを抑制することができ、少なくとも巻線３の冷却効率を容易に向上させることができる。

尚、上記の各実施形態の説明では、無負荷時タップ切換器を有する油入変圧器に適用した場合について説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、例えば、負荷時タップ切換器を有する油入変圧器に適用してもよい。

〔まとめ〕
上記の課題を解決するために、本開示の一側面に係る冷却構造は、鉄心、巻線、及び絶縁油を収容するタンクと、前記タンクに前記絶縁油を流入する流入配管及び前記タンクから前記絶縁油を流出する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、前記タンク及び前記放熱器内において前記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、前記タンクの内部には、一方の開口が前記流入口に取り付けられるとともに、他方の開口が前記巻線と対向するように設けられて、前記絶縁油を前記巻線側に導く導油パイプが設けられている。

上記構成によれば、構造簡単で冷却効率を向上させることができる。

上記一側面に係る冷却構造において、前記導油パイプでは、前記一方の開口が前記流入口に対して隙間なく取り付けられてもよい。

上記構成によれば、導油パイプに対して、絶縁油を効率よく流入することができ、冷却効率を容易に向上させることができる。

上記一側面に係る冷却構造において、前記導油パイプは、前記他方の開口が前記一方の開口よりも前記タンクの底側に位置するように、下向きに構成されてもよい。

上記構成によれば、導油パイプからの絶縁油が巻線の上側に流れるのを抑制することができ、少なくとも巻線の冷却効率を容易に向上させることができる。

上記一側面に係る冷却構造において、前記流入配管及び前記流出配管の少なくとも一方は、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くてもよい。

上記構成によれば、タンク及び放熱器の少なくとも一方に流入する絶縁油の流量を増加させることができ、当該絶縁油の循環流量を増加させて冷却効率を容易に向上させることができる。

上記一側面に係る冷却構造において、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もよい。

上記構成によれば、導油パイプからの絶縁油が巻線の上側に流れるのを抑制することができ、少なくとも巻線の冷却効率を容易に向上させることができる。

また、本開示の一側面に係る油入機器は、上記いずれかの冷却構造を備える。

上記構成によれば、構造簡単で冷却効率を向上させることができる。

本開示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開示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 導油パイプ
７ａ 一方の開口
７ｂ 他方の開口
１０ 油入変圧器（油入機器）
２０ 放熱器
２１ 放熱パネル
３０、３０Ａ、３０Ｂ 流入配管
４０ 流出配管
１００ 冷却構造

Claims (6)

1. 鉄心、巻線、及び絶縁油を収容するタンクと、前記タンクに前記絶縁油を流入する流入配管及び前記タンクから前記絶縁油を流出する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、前記タンク及び前記放熱器内において前記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、
   前記タンクの内部には、一方の開口が前記流入口に取り付けられるとともに、他方の開口が前記巻線と対向するように設けられて、前記絶縁油を前記巻線側に導く導油パイプが設けられている、冷却構造。
2. 前記導油パイプでは、前記一方の開口が前記流入口に対して隙間なく取り付けられている、請求項１に記載の冷却構造。
3. 前記導油パイプは、前記他方の開口が前記一方の開口よりも前記タンクの底側に位置するように、下向きに構成されている、請求項１または２に記載の冷却構造。
4. 前記流入配管及び前記流出配管の少なくとも一方は、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、請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却構造。
5. 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、請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却構造。
6. 請求項１から５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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