JP2718922B2 - 液体収容容器，熱交換手段および液体冷却式変圧器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は液体冷却式変圧器の鉄心を冷却するための装
置と方法に関するものであり、更に詳しくは液体冷却式
変圧器の鉄心内の液体冷却を制限するための装置に関す
るものである。 変圧器の設計に於いては、スペースの使用を最適化す
ることが一般に望ましい。すなわち、所定の定格を有す
る変圧器は承認された電気設計の原理を満足しつつ物理
的にできる限り小さくしなければならない。変圧器の寸
法を所定限度以下に小さくすることをしばしば妨げる主
な要因は動作中に変圧器内部に発生する熱量である。周
囲の大気への自然放熱による場合に比べて変圧器の冷却
を増強するためいくつかの方式が使用されてきた。この
ような方式の１つは、たとえば米国特許第4,477,767号
に開示されているようにガス冷却式変圧器を用いてい
る。この場合、回転電気機械の回転子を冷却するために
使用される水素ガス等の冷却流体を有効に使用するよう
に大形回転電気機械の冷却ドーム内に変圧器が配置され
ている。しかし、ガス冷却式変圧器では、通常、冷却ガ
スを変圧器鉄心の磁性板に直接接触できるように通すた
めの内部通路とベントが必要となる。（変圧器の鉄心
は、通常、渦電流とそれによって生ずる熱を減らすため
に、複数の積層した極性板で作られ、これらの磁性板は
一般に組立ての際に一緒に堅く圧縮されて、隣り合う磁
性板が互いに適切に表面接触し、かつ全体の寸法が最小
になるようにされる）。これらの冷却ガス用の通路また
はダクトにより、変圧器の全体の物理的寸法が水等の液
体のような一層効率のよい熱交換媒体（すなわち熱伝導
率が一層高いもの）を使うことのできる変圧器に比べて
大きくなり、および／または変圧器を同じ寸法の外側ハ
ウジング内に配置した場合に変圧器の定格を大きくする
ように変圧器鉄心用の磁性板を追加するために使用でき
るようなスペースが必要となる。 変圧器を冷却するためのもう１つの方式は、水、好ま
しくは脱イオン水または蒸留水のような液体を使用する
ものである。用途によっては、水が変圧器鉄心の磁性板
に直接接触しないことが好ましい。水を鉄心の磁性板に
直接接触させないで、しかも磁性板と熱流が通じるよう
に変圧器の中に水を収容するため、鉄心の磁性板間に磁
性板と熱流が通じるように配置された室が設けられる。
室の寸法を最小にし、変圧器鉄心の磁性板と室内の液体
との間の熱流を最適化するため、室壁の厚さを最小にす
ることが好ましい。しかし、変圧器鉄心の組立ての際、
このような室を所定の間隔を置いて内部に配置した鉄心
の積層磁性板を圧縮することにより個々の磁性板間の間
隔を最小にして鉄心全体の寸法を最小にすることが必要
である。このような圧縮に伴なう力によって室の側壁が
押しつぶされる傾向があり、これにより室を通る液体の
流れに対する容積が減少し、したがって室の冷却効率が
低下する。更に、特に変圧器の動作中に鉄心の積層磁性
板を堅く締め付けられた状態に保つため、冷却液体から
利用できる圧力を使って圧縮力を磁性板に加えることが
望ましい。 動作中、その一部が鉄心の磁性板中に誘導される渦電
流によって生じるような磁気ひずみ力は磁性板を互に分
離し振動させるように作用する。ゆるんだ積層磁性板は
振動し易いので、鉄心組立て時に達成された鉄心の積層
磁性板の密着性とコンパクト性を維持することが望まし
い。この振動によってフレッチング、摩耗、および過大
なまたは望ましくない雑音が生じることがあり、ゆるみ
によって鉄心を通る熱伝導が有害な程度まで低下するこ
とがある。 したがって、本発明の１つの目的は鉄心を組立てるた
めに使用される組立て時の圧縮力に屈することなく変圧
器鉄心の磁性板と熱流が通じるように液体を収容するた
めの手段と方法を提供することである。 本発明のもう１つの目的は変圧器の動作中に、鉄心組
立て時に使用された、変圧器鉄心の磁性板に加わる圧縮
力を増強するための手段と方法を提供することである。 発明の要約 本発明によれば、変圧器鉄心と熱流が通じるように配
置された熱交換手段を有する液体冷却式変圧器におい
て、この熱変換手段を、相互間に液体室を形成するため
の離間して対向して配置された一対の部材、上記室の寸
法を小さくするような力が上記部材に加わったときに上
記室の寸法が所定の限界より小さくならないようにする
ために少なくとも１つの上記部材に結合された離隔手
段、ならびに液体の上記室への導入および上記室からの
取出しをそれぞれ行なうために上記室に結合された液体
供給手段および液体抽出手段で構成する。 加圧された液体が室に供給されたとき、熱交換手段は
この加圧された液体の圧力により磁性板に室内から力を
加えて、鉄心組立ての際に磁性板に加えられた圧縮力
（以下、組立て圧縮力とも呼ぶ）のその後に残っている
残留圧縮力を増強することができる。離隔手段は複数の
くぼみまたは内出し部で構成することができ、これらの
くぼみは製造が容易なように所定のパターンで配列する
ことができる。 更に、本発明による液体冷却式変圧器を組立てるため
の方法は、冷却液体を受入れるための室をそなえた熱交
換手段を鉄心の少なくとも一部を形成する２つの磁性板
の間に配置するステップ、鉄心の所望の電気的特性およ
び磁気的特性を得るのに充分な数の追加の磁性板を付加
するステップ、熱交換手段、２枚の磁性板および追加の
磁性板を組立て圧縮力で圧縮することによりサンドイッ
チ状の構造を形成するステップ、熱交換手段に結合され
て室の中に延在する離隔手段を設けることにより室の大
きさが所定限界より小さくならないようにするステッ
プ、一次コイル手段と二次コイル手段を上記サンドイッ
チ状構造と磁束が通じるように配置するステップ、およ
びサンドイッチ状構造を固定することにより組立て圧縮
力が除かれた後も残留圧縮力がほぼ維持されるようにす
るステップを含む。また、加圧した冷却液体を室内に導
入して熱交換手段を拡大させることにより残留圧縮力を
増強することもできる。 新規と考えられる本発明の特徴は特許請求の範囲に具
体的に規定されているが、本発明自体の構成と動作方
法、ならびに上記以外の目的と利点は図面を参照した以
外の説明により一層よく理解されよう。 詳細な説明 図面、特に第１図および第２図には、液体冷却式変圧
器の冷却液体を収容するための容器10が示されている。
容器10は、相互間に室すなわち板間スペース23を形成す
るためのほぼ平行に離間して配置された一対の板20およ
び25、一対の液体入力ポート15をそなえた入力ヘッダ12
のような液体供給手段、ならびに一対の液体出力ポート
16をそなえた出力ヘッダ14のような液体抽出手段を有す
る。もちろん、希望する場合には１つの入力ポート15と
１つの出力ポートを使ってもよい。また、板20と25は互
いに一体とし、１つの縁に沿って曲げるか折り重ねて所
望の形状に形成したものでよい。ヘッダ12は容器10の１
つの縁に沿って取り付け、ヘッダ12と室23との間で液体
流が連通するように所定の間隔を置いて配置された孔11
のような出力流手段を含むことが好ましい。ヘッダ14は
容器10のヘッダ12とは反対側の縁に取り付け、室23と液
体流が連通するように所定の間隔を置いて配置された複
数の孔13のような入力流手段を含むことが好ましい。出
力流手段11および入力流手段13はそれぞれ入力ヘッダ12
および出力ヘッダ14の長手方向に沿って縦方向ボイド
（空所）を含んでいてもよい。しかし、孔11および12に
よって、室23を通る液体流を一層良好に制御し分配する
と考えられる。動作させるために変圧器の中に配置する
とき、入力ヘッダ12は出力ヘッダ13より低い位置に配置
して、ヘッダ12に入った比較的低温の液体がヘッダ13に
達するために重力に逆って動かなければならないように
し、これにより比較的高温の液体が室23からヘッダ13そ
して最終的に出力ポート16に運ばれるようにするのが好
ましい。また、特に室23を形成する際に板20および25の
周縁を溶接等により密封するとき、室23の適当な寸法を
維持するため容器10の周縁に沿って板20と25の間に複数
のスペーサ27を予め定められた位置に配置してもよい。 ほぼ平らな板20および25は熱伝導率の良好な金属等の
材料で構成され、液体を室23に限定するため溶接等によ
り容器10の縁のまわりで封止される。板20および25は、
変圧器の巻線を受け入れる切抜き部17を形成するための
一対の相互に整合可能な分割手段（すなわち孔）を含
む。液体を室23に限定するため切抜き部17も溶接等によ
りその縁に沿って封止される。切抜き部17により容器10
は複数の領域に分割され、これらの領域は鉄心脚24,26
および28,ならびに横に伸びるヨーク21および29と呼ぶ
ことができる。ヨーク21および29はそれぞれ脚24,26お
よび28の対応する端を接続する。脚24,26および28には
通常、変圧器のそれぞれの相巻線が巻装される。このよ
うに図示した実施例は、通常、三相変圧器に使用され
る。同様の容器を単相変圧器用に作ることができる。こ
の場合、切抜き部17は不要となる。一般に、容器10の全
体的形状はこの容器を用いる変圧器の鉄心の磁性板と同
様な形状にして、最適な熱伝達のために磁性板と容器10
との間に最大表面接触が得られるようにするとともに、
変圧器巻線を変圧器鉄心に対して所望の磁束の連通が得
られるように適切に配置できるようにする。 第１図および第２図に示すように、板20は板25の内側
表面に向って室23の中に延び出るくぼみまたは打出し部
22のような複数の離隔手段を含む。くぼみ22は板20の表
面上に適当な間隔を置いて（たとえば製造が容易なよう
に長方形のグリッド・パターンで）配列され、変圧器鉄
心の組立て中に磁性板と容器10を圧縮したときに室23が
適当な容積に維持されて室23に適当な流量の冷却液体が
流れ得るように板25の内側表面に向って充分伸びてい
る。離隔手段は図のように板20に形成されるか、または
板20に取り付けられるが、代りに離隔手段を同様に板25
に形成するか、または板25に取り付けてもよい。あるい
は、離隔手段の予め定められた第１の部分と第２の部分
をそれぞれ板20と25に形成するかまたはそれぞれ板20と
板25に取り付て、これらを組合わせて用いてもよい。 変圧器鉄心を組立てる際、容器10の両側に配置した磁
性板30（図にはその一部のみを示してある）に矢印35で
示す方向に組立て圧縮力が加えられる。この組立て圧縮
力は板20および25を一緒に押しつぶして室23の容積を減
少させるか室23を完全に消失させる傾向がある。しか
し、くぼみ22を板20の内側表面の上に適切に間隔を置い
て設けることによって、組立て圧縮力35により室23の容
積が所定限界より小さくなることを防止する。くぼみ22
は任意の形状にできるが、（たとえばパンチングによる
ような）製造の容易さのために円錐形とすることが好ま
しい。鉄心を組立てる際、室23が所定の容積または寸法
限界に達したときにくぼみ22は板25の内側表面に接触
し、室23の容積がそれ以上減少することが防止される。
しかし、くぼみ22は板25の内側表面から自由な状態にあ
り、すなわち板25の内側表面に付着または固定されては
いない。 容器10の別の利点は動作中に得られる。変圧器が組立
てられて磁性板30と容器10のサンドイッチ状構成が固定
されることにより組立て圧縮力35が除かれた後も残留圧
縮力が実質的に維持されるようになると、冷却液体を入
力ヘッダに供給することができる。室23内の冷却液体の
圧力を制御することによって、この冷却液体の圧力によ
り板20と25を離すような力を加えて磁性板30と容器10に
対する残留圧縮力を増大させることができる。 離隔手段はくぼみ22の代りに、板20の内側表面に固定
されるかまたはそれと一体になったリブで構成してもよ
い。しかし、くぼみまたは打出し部22の方が好ましい。
と云うのは、これらは形成が容易であって、室23内の冷
却液体の流れに対する妨害が最小限になるからである。
容器10の予想過熱点に冷却液体を差し向けるため等の確
実な液体流制御を行なうことが望ましい場合にはリブを
用いることができる。と云うのは、リブの方が一般にく
ぼみ22より液体流の制御がより良く行なえるからであ
る。 第３図には本発明による液体冷却式三相変圧器の側面
図が示されている。変圧器は、脚61,63および65ならび
にヨーク66および68から成る鉄心33を形成する複数の磁
性板30、それぞれ脚61,63および65を囲むコイル71,73お
よび75、ならびに対のクランプ・チャネル62および64を
有する。このクランプ・チャネル62および64は金属でも
よいが、変圧器の電気回路または磁気回路のどの部分も
形成しない。クランプ・チャネルは磁性板30と容器10を
一緒にしっかり締め付けて圧縮するためにヨーク68およ
び66の両側にそれぞれ配置されている。 第４図は第３図の液体冷却式変圧器の一部分の断面図
である。変圧器鉄心33は、予め定められた通りに区分毎
に配列された複数の磁性板30、および磁性板30間に所定
の間隔をおいて配置された複数の容器10を含む。もちろ
ん、１つの容器10によって適切な冷却が得られる場合に
は、１つの容器10だけを用いてもよい。コイル75は、磁
性板30および容器10を円周方向に囲み、かつそれらから
離間した巻線ドラム42を含む。第１すなわち一次巻線手
段52の内側電気導体50が巻線ドラム42を円周方向に囲
む。外側電気導体55が内側導体50から離間して配置され
て内側導体50を円周方向に囲むことにより第２すなわち
二次巻線手段56を形成する。一次巻線手段52および二次
巻線手段56は変圧器鉄心33と電磁束が通じるように配置
されている。ガラス棒等の支持手段44を内側導体50と外
側導体55との間に配置してもよい。更に、巻線ドラム42
と変圧器鉄心33との間の空間、一次巻線手段52と二次巻
線手段56との間の空間、および二次巻線手段56の外側を
円周方向に囲む空間は、カプセル封じを行なうためと所
要の構造支持を変圧器に与えるためにエポキシ樹脂等の
保持手段40を充たしてもよい。更に、組立て圧縮力35
（第２図）が除かれた後も残留圧縮力が実質的に維持さ
れるように保持手段40は鉄心33の磁性板30と容器10を固
定する。鉄心33を組立てるためには、冷却液体を受入れ
るための室23をそなえた熱交換手段すなわち容器10が２
枚の磁性板の間に配置され、次いで鉄心33の所望の電気
的特性および電気的特性が得られるように鉄心33用の追
加の磁性板30が付加される。磁性板30と熱交換手段（容
器10）は組立て圧縮力で一緒に圧縮されて、サンドイッ
チ状構造を形成する。室23の容積が所定限界より小さく
なることは、熱交換手段（容器10）に結合されて室23の
中に伸びるくぼみのような離隔手段を設けることによっ
て防止される。組立て圧縮力が除かれた後も残留圧縮力
が維持されるようにサンドイッチ状構造が固定される。
残留圧縮力は周囲より大きい圧力で冷却液体を室の中に
導入して熱交換手段を拡大させることにより増強するこ
とができる。コイル71および73はコイル75と同様に組立
てることができる。 この液体冷却式構造によって、ガス流用の室またはダ
クトを必要とせずに磁性板30を密に配置することができ
る。鉄心からの熱がガス冷却式変圧器の場合より効率よ
く除かれるので、この構成により本発明の変圧器の定格
は冷却ガスを使用した同じ寸法の変圧器より大きくする
こと、および／またはガス冷却式変圧器と同じ定格を有
する変圧器の全体の寸法を小さくすることができる。更
に、本発明による変圧器の動作中、冷却液体の圧力によ
り変圧器鉄心内の圧縮力を増強することができ、これに
より動作中の磁性板を密接した状態に保持することがで
きる。 以上、鉄心の組立ての際に使用される圧縮力に屈する
ことなく変圧器鉄心の磁性板と熱流が通じるように冷却
液体を収容し、かつ変圧器の動作中は組立て圧縮力を増
強する手段と方法を図示し説明した。 本発明のいくつかの好ましい特徴だけを例示し説明し
たが、当業者には多くの変形や変更を考えることができ
よう。本発明の趣旨と範囲に入るこのような変形や変更
はすべて特許請求の範囲に包含されるものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による液体冷却式変圧器に使用するため
の液体容器の平面図である。第２図は第１図の線２−２
の矢印の方向を見た断面図である。第３図は本発明によ
る液体冷却式変圧器の側面図である。第４図は第３図の
線４−４の矢印の方向を見た断面図である。 （主な符号の説明） 10……容器（熱交換手段） 12……液体供給手段、 14……液体抽出手段、 19……分割手段 20,25……一対の板、 21,29……ヨーク、 22……くぼみ、 23……室、 24,26,28……鉄心の脚、 30……鉄心の磁性板、 33……鉄心、 52……一次巻線手段、 56……二次巻線手段、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トマス・エドウィン・バンシャイク アメリカ合衆国、ニューヨーク州、バー ント・ヒルズ、ホリスター・ウェイ、 120番 (72)発明者 ロナルド・ワレン・トリブレイ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケ ネクタデイ、リチャード・ストリート、 1541番 (56)参考文献 特開 昭54−162811（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−124929（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−66279（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．冷却用液体を収容するための容器に於いて、相互間
   に液体室を形成するための離間して対向して配置された
   一対の部材、上記一対の部材がこれらの両部材を一緒に
   合わせるような力を受けたときに上記室の容積が所定限
   界より小さくならないようにするために上記一対の部材
   の少なくとも一方に設けられた離隔手段、冷却用液体を
   上記室に導入するために上記室に結合された液体供給手
   段、および上記室から冷却用液体を除去するために上記
   室に結合された液体抽出手段を有し、上記一対の部材の
   各部材がほぼ平らな板を含み、上記板の各々が３つの間
   隔をおいた脚と各脚の少なくとも一端を接続するヨーク
   とを形成するように構成されており、上記離隔手段が上
   記室の中に伸びる打出し部で構成されていることを特徴
   とする冷却用液体収容容器。 ２．特許請求の範囲第（１）項記載の冷却用液体収容容
   器に於いて、上記打出し部が上記一対の部材の１方の部
   材にのみ設けられている冷却用液体収容容器。 ３．特許請求の範囲第（２）項記載の冷却用液体収容容
   器に於いて、上記離隔手段が上記一対の部材の１方の部
   材のみと一体になっている冷却用液体収容容器。 ４．鉄心をそなえた液体冷却式電気変圧器で該鉄心を冷
   却するために該鉄心の中に配置された熱交換手段に於い
   て、相互間に液体室を形成するための離間して対向して
   配置された一対の部材、上記一対の部材が上記室の容積
   を小さくするような力を受けたときに上記室の容積が所
   定限界より小さくならないようにするために上記一対の
   部材の少なくとも一方の部材に結合された離隔手段であ
   って、上記室の中に伸びる複数のくぼみで構成されてい
   る離隔手段、液体を上記室内に導入するために上記室に
   結合された液体供給手段、および上記室から液体を除去
   するために上記室に結合された液体抽出手段を含み、上
   記室内の液体の少なくとも一部が上記鉄心と熱流が通じ
   ていて上記鉄心から熱を除去することにより上記鉄心を
   冷却することを特徴とする熱交換手段。 ５．特許請求の範囲第（４）項記載の熱交換手段に於い
   て、上記一対の部材の各部材がほぼ平らな板で構成され
   ている熱交換手段。 ６．特許請求の範囲第（５）項記載の熱交換手段に於い
   て、上記一対の部材が互いに体になっている熱交換手
   段。 ７．特許請求の範囲第（５）項記載の熱交換手段に於い
   て、上記変圧器が三相変圧器であり、上記鉄心が各相毎
   に１個の脚をそなえ、各々の上記板が上記熱交換手段を
   分割して３個の脚を形成するための相互に整合可能な一
   対の分割手段を含み、上記３個の脚は上記鉄心の各相の
   脚にそれぞれ結合される熱交換手段。 ８．特許請求の範囲第（４）項記載の熱交換手段に於い
   て、上記くぼみが上記一対の部材の一方の部材にのみ結
   合されている熱交換手段。 ９．液体冷却式変圧器に於いて、少なくとも一部が複数
   の磁性板から形成される鉄心手段、上記鉄心手段と磁束
   が連通するように配置された一次コイル手段、上記鉄心
   手段と磁束が連通するように配置された二次コイル手
   段、ならびに上記鉄心手段の中に配置され、更に上記鉄
   心手段の２枚の磁性板の間に配置された熱交換手段を含
   み、該熱交換手段は液体室を形成するための離間して対
   向して配置された一対の部材を含み、上記液体室は液体
   を該液体室に導入する液体入力手段と液体を該液体室か
   ら除去する液体出力手段をそなえ、上記一対の部材の少
   なくとも一方は上記液体容積を小さくするような力を上
   記一対の部材が受けたときに上記液体室の容積が所定限
   界より小さくならないようするための離隔手段を含み、
   上記離隔手段が上記一対の部材の１方の部材から上記室
   の中に伸びて他方の部材に接触する複数のくぼみで構成
   されていることを特徴とする液体冷却式変圧器。 １０．特許請求の範囲第（９）項記載の液体冷却式変圧
   器に於いて、上記熱交換手段が複数個それぞれの別の磁
   性板間に配置されており、上記複数の熱交換手段が少な
   くとも１枚の磁性板によって隔てられている液体冷却式
   変圧器。