JP6457591B2 - 熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器 - Google Patents

Description

本発明は、変圧器に関する。

変圧器は、エネルギーの伝送と転換の時によく使われる装置である。操作中に、変圧器は、数多くの要素により昇温することがある。例を挙げると、変圧器巻線を流れる電流により、変圧器導体の抵抗加熱（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｈｅａｔｉｎｇ）を引き起こし、そして熱が導体により放散される。具体的には、誘導された渦電流（ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ）は変圧器の鉄心内に循環するため、抵抗加熱を引き起こす。渦電流が鉄心内に生じる熱エネルギーは、続けて変圧器の他の素子に伝送されることがある。また、変圧器における残留ＤＣ電流（ｒｅｓｉｄｕａｌ ＤＣ ｃｕｒｒｅｎｔ）は、変圧器の加熱を引き起こすこともある。従って、変圧器の操作には、一般的にそれに伴う変圧器の加熱がある。

従来の降温方式としては、変圧器に対して強制空冷（例えば、ファンを採用）を行うことである。しかしながら、このやり方は、効き目が明らかではなく、変圧器の操作時に生じた熱エネルギーを効果的に放散できないため、変圧器の操作時の温度と室温との間の温度差がやはり大きすぎて、変圧器の効能に深刻な影響を及ぼす。

従って、上記課題を解決できる変圧器を如何に提出するかは、現在、業界において研究開発の資源を投入して解決することが望まれている課題の１つとなる。

これに鑑みて、本発明の一つの目的は、操作時の温度を効果的に低下させることができる熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器を提出することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器は、鉄心、少なくとも１つの巻線及び少なくとも１つの第１の熱伝導性部材を含む。巻線は、鉄心に巻設される。巻線は、複数のフラットケーブル層を有する。第１の熱伝導性部材は、複数のフラットケーブル層において隣接する２つのフラットケーブル層の間に熱的に接続される。第１の熱伝導性部材は、熱伝導流体がその中を流れるために配置される。

要するに、本発明の熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器は、巻線の隣接する２つのフラットケーブル層の間に第１の熱伝導性部材を設けるため、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器の操作時に巻線に生じた熱エネルギーを効果的に放出することができ、更に熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器と室温との間の温度差を大幅に低下させることができ、これにより熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器の効能を改善する。

本発明の上記及び他の目的、特徴、メリット及び実施例をより分かりやすくするために、添付図面の説明は以下の通りである。
本発明の一実施形態に係る熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器を示す斜視略図である。 図１における熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器を示す一部上面図である。 図１における熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器を示す一部素子略図である。 図３における第１の熱伝導性部材の線分４−４に沿う断面図である。 本発明の別の実施形態に係る熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器を示す一部素子略図である。

上記は、本発明が解決しようとする課題、課題を解決するための技術手段、及びその効果等を記述するためのものであり、本発明の具体的な細部を、下記の実施形態及び関連する図面において詳しく説明する。

以下、図面で本発明の複数の実施形態を開示し、明らかに説明するために、下記叙述で多くの実際の細部を合わせて説明する。しかしながら、理解すべきなのは、これらの実際の細部が、本発明を制限するためのものではない。つまり、本発明の実施形態の一部において、これらの実際の細部は、必要ないものである。また、図面を簡略化するために、従来慣用の構造及び素子は、図面において簡単で模式的に示される。なお、他の表示がない限り、異なる図面における同じ素子符号は対応する素子と認められてもよい。これら図面は、明らかにこれら実施形態における各素子の間の接続関係を示すためのものだけであり、各素子の実際的なサイズを示すものではない。

図１及び図２を参照されたい。図１は、本発明の一実施形態に係る熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００を示す斜視略図である。図２は、図１における熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００を示す一部上面図である。図１と図２に示すように、本実施形態において、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００は、鉄心１１０、複数の巻線１２０、複数の第１の熱伝導性部材１３０、複数の第２の熱伝導性部材１４０及び流体出力モジュール１５０を含む。鉄心１１０は、複数の芯部１１１を含む。巻線１２０は、それぞれ芯部１１１に巻設される。第１の熱伝導性部材１３０は、それぞれ芯部１１１に対応し、且つ第２の熱伝導性部材１４０もそれぞれ芯部１１１に対応する。巻線１２０は、複数のフラットケーブル層１２１を有する。複数の第１の熱伝導性部材１３０のそれぞれは、対応する巻線１２０の隣接する２つのフラットケーブル層１２１の間に熱的に接続される。これにより、第１の熱伝導性部材１３０と熱的に接続するフラットケーブル層１２１は、生じた熱エネルギーを第１の熱伝導性部材１３０に伝送することができる。複数の第２の熱伝導性部材１４０のそれぞれは、対応する芯部１１１と巻線１２０の間に熱的に接続される。これにより、第２の熱伝導性部材１４０と熱的に接続する芯部１１１と巻線１２０は、生じた熱エネルギーを第２の熱伝導性部材１４０に伝送することができる。第１の熱伝導性部材１３０と第２の熱伝導性部材１４０とは、流体連通され、そして熱伝導流体Ｌ（先に図４を参照）がその中を流れるために配置される。流体出力モジュール１５０が熱伝導流体Ｌを第２の熱伝導性部材１４０に提供するために配置されるため、熱伝導流体Ｌは、第２の熱伝導性部材１４０を介して第１の熱伝導性部材１３０に流れる。

以上の構造配置により、第２の熱伝導性部材１４０における互いに熱的に接続する芯部１１１と巻線１２０から吸収された熱エネルギーは、その中を流れる熱伝導流体Ｌによって放出され、同時に、第１の熱伝導性部材１３０における互いに熱的に接続するフラットケーブル層１２１から吸収された熱エネルギーも、その中を流れる熱伝導流体Ｌによって放出され、更に熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００全体の温度を大幅に低下させることができる。

本実施形態において、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００は、流体回収モジュール１６０を更に含む。流体回収モジュール１６０と第１の熱伝導性部材１３０とは、流体連通され、そして第１の熱伝導性部材１３０内に流れる熱伝導流体Ｌを回収するために配置される。幾つかの実施形態において、流体出力モジュール１５０と流体回収モジュール１６０は、更に流体循環装置（未図示）内に含まれてもよく、流体回収モジュール１６０に回収された高温熱伝導流体Ｌを降温させ（例えば、圧縮機、凝縮器、冷媒等の素子を含む冷却モジュールが提供された冷却メカニズを利用）、また流体出力モジュール１５０を介して再び第２の熱伝導性部材１４０に循環させるために配置される。

図３を参照されたい。図３は、図１における熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００を示す一部素子略図である。図３は、鉄心１１０の一側に設けられる第１の熱伝導性部材１３０と第２の熱伝導性部材１４０からなる流体径路配置として説明される。本実施形態において、第２の熱伝導性部材１４０は、芯部１１１の配列方向Ａの第１端Ｅ１（即ち、流体出力モジュール１５０に近付く一端）から第２端Ｅ２（即ち、流体出力モジュール１５０から離れる一端）へ順次に直列的に流体接続される。第１の熱伝導性部材１３０も、第１端Ｅ１から第２端Ｅ２へ順次に直列的に流体接続される。第２端Ｅ２に配列される第１の熱伝導性部材１３０と第２の熱伝導性部材１４０とは、さらに直列的に流体接続される。流体出力モジュール１５０は、熱伝導流体Ｌを第１端Ｅ１に配列される第２の熱伝導性部材１４０に提供するために配置される。流体回収モジュール１６０は、第１端Ｅ１に配列される第１の熱伝導性部材１３０により熱伝導流体Ｌを回収するために配置される。つまり、流体出力モジュール１５０が提供された熱伝導流体Ｌは、第１端Ｅ１に配列される第２の熱伝導性部材１４０から第２端Ｅ２に配列される第２の熱伝導性部材１４０へ順次に流れて、また第２端Ｅ２に配列される第１の熱伝導性部材１３０から第１端Ｅ１に配列される第１の熱伝導性部材１３０へ順次に流れて、最後に流体回収モジュール１６０によって回収される。

本実施形態において、第１の熱伝導性部材１３０と第２の熱伝導性部材１４０におけるそれぞれの流体入力口と流体出力口は、それぞれ上下両側に位置するが、本発明はこれに限定されない。幾つかの実施形態において、第１の熱伝導性部材１３０と第２の熱伝導性部材１４０における少なくとも１つの流体入力口と流体出力口は、同時に同じ側（例えば、同時に上側又は下側に位置する）に位置してもよい。

実用において、図１を合わせて参照すると、鉄心１１０の両側が第１の熱伝導性部材１３０と第２の熱伝導性部材１４０からなる流体径路配置は、対称又は非対称となるように選択的に設計されてもよい。即ち、鉄心１１０の両側の流体径路配置は、実際の需要に応じて柔軟的に調整されてもよい。例を挙げると、鉄心１１０の両側の流体径路配置は、何れも熱伝導流体Ｌを第１端Ｅ１から流れ込ませると、第２端Ｅ２に配列される芯部１１１及び巻線１２０の温度が第１端Ｅ１に位置する芯部１１１及び巻線１２０の温度よりも高くなることを引き起こすことがあり、これにより、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００の放熱が不均一となって全体の効能に影響を及ぼす。この状況を避けるために、熱伝導流体Ｌが第１端Ｅ１から流れ込むように鉄心１１０の一側の流体径路配置を設計して、熱伝導流体Ｌが第２端Ｅ２から流れ込むように鉄心１１０の他側の流体径路配置を設計すると、第１端Ｅ１と第２端Ｅ２との間の温度差を効果的に無くすことができる。

幾つかの実施形態において、第１の熱伝導性部材１３０と第２の熱伝導性部材１４０の構造は、実質的に同じである。図４を参照されたい。図４は、図３における第１の熱伝導性部材１３０の線分４−４に沿う断面図である。図４に示すように、第１の熱伝導性部材１３０を例として、第１の熱伝導性部材１３０は、流路１３１を内蔵した金属板であり、且つ熱伝導流体Ｌが流路１３１の中を流れる。幾つかの実施例において、第１の熱伝導性部材１３０は、２枚のプレートから組み合わせられてもよいが、本発明はこれに限定されない。幾つかの実施例において、流路１３１は、Ｓ字型と類似する繰り返し迂回の形で第１の熱伝導性部材１３０の内部に形成されるが、本発明はこれに限定されない。

図５を参照されたい。図５は、本発明の別の実施形態に係る熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００を示す一部素子略図である。図５は、鉄心１１０の一側に位置する第１の熱伝導性部材１３０と第２の熱伝導性部材１４０からなる流体径路配置により説明される。本実施形態において、第２の熱伝導性部材１４０は、同時に流体出力モジュール１５０に直列的に流体接続される。第１の熱伝導性部材１３０は、同時に流体回収モジュール１６０に直列的に流体接続される。第２の熱伝導性部材１４０は、１対１で、それぞれ第１の熱伝導性部材１３０に直列的に流体接続される。つまり、流体出力モジュール１５０が提供された熱伝導流体Ｌは、同時に複数の第２の熱伝導性部材１４０のそれぞれへ提供され、複数の第２の熱伝導性部材１４０のそれぞれの内の熱伝導流体Ｌは、また別々に対応する第１の熱伝導性部材１３０へ流れて、最後に流体回収モジュール１６０は、同時に第１の熱伝導性部材１３０により熱伝導流体Ｌを回収する。本実施形態の流体径路配置により、第２端Ｅ２に配列される芯部１１１及び巻線１２０の温度と、第１端Ｅ１に配列される芯部１１１及び巻線１２０の温度と、を比較的に一致させ、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００を比較的に均一的に放熱させることができる。

幾つかの実施形態において、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００は、流体出力モジュール１５０が熱伝導流体Ｌを第１の熱伝導性部材１３０に提供するとともに、流体回収モジュール１６０が第２の熱伝導性部材１４０により熱伝導流体Ｌを回収するために設計されてもよい。例を挙げると、鉄心１１０に生じた熱エネルギーが巻線１２０よりも多ければ（又は鉄心１１０の温度が高い）、吸熱していなく且つ比較的に低温となる熱伝導流体Ｌにより速く鉄心１１０に生じた熱エネルギーを放出し、大量の熱エネルギーが鉄心１１０に積もることを防止するように、流体出力モジュール１５０が熱伝導流体Ｌを第２の熱伝導性部材１４０に提供するために設計されてもよい。これに対して、巻線１２０に生じた熱エネルギーが鉄心１１０より多ければ（又は巻線１２０の温度が高い）、吸熱していなく且つ比較的に低温となる熱伝導流体Ｌにより速く巻線１２０に生じた熱エネルギーを放出し、大量の熱エネルギーが巻線１２０に積もることを防止するように、流体出力モジュール１５０が熱伝導流体Ｌを第１の熱伝導性部材１３０に提供するために設計されてもよい。

図１と図２に示すように、本実施形態において、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００は、複数の通気ストリップ１７０を更に含む。複数の通気ストリップ１７０のそれぞれは、隣接する２つのフラットケーブル層１２１の間の間隙を維持するように、隣接する２つのフラットケーブル層１２１の間に設けられる。これにより、前記間隙は、外気の通過に供すことができ、気流がフラットケーブル層１２１に生じた熱エネルギーを放出することに寄与する。

本実施形態において、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００は、第１の熱伝導性部材１３０が介在されない何れか２つのフラットケーブル層１２１の間に前記通気ストリップ１７０が設けられる。つまり、第１の熱伝導性部材１３０が介在された何れか２つのフラットケーブル層１２１にとっては、第１の熱伝導性部材１３０を利用して熱伝導によりフラットケーブル層１２１に生じた熱エネルギーを放出するが、第１の熱伝導性部材１３０が介在されない何れか２つのフラットケーブル層１２１にとっては、通気ストリップ１７０からなる間隙を利用して熱対流によりフラットケーブル層１２１に生じた熱エネルギーを放出する。

図１と図２に示すように、本実施形態において、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００は、複数の絶縁層１８０を更に含む。絶縁層１８０は、フラットケーブル層１２１の間及び鉄心１１０と巻線１２０との間を絶縁させるように、それぞれフラットケーブル層１２１の間及び鉄心１１０と巻線１２０との間に設けられる。幾つかの実施形態において、前記絶縁層１８０は、絶縁紙であるが、本発明はこれに限定されない。

幾つかの実施形態において、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００は、第１の熱伝導性部材１３０のみを含むが第２の熱伝導性部材１４０を含まなくてもよく、且つ流体出力モジュール１５０が熱伝導流体Ｌを第１の熱伝導性部材１３０に直接提供し、流体回収モジュール１６０が第１の熱伝導性部材１３０により熱伝導流体Ｌを回収する。他の幾つかの実施形態において、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００は、第２の熱伝導性部材１４０のみを含むが第１の熱伝導性部材１３０を含まなくてもよく、且つ流体出力モジュール１５０が熱伝導流体Ｌを第２の熱伝導性部材１４０に直接提供し、流体回収モジュール１６０も第２の熱伝導性部材１４０により熱伝導流体Ｌを回収する。

図１に示すように、本実施形態において、鉄心１１０に含まれる芯部１１１の数、及び鉄心１１０の一側の第１の熱伝導性部材１３０と第２の熱伝導性部材１４０の数はそれぞれ３つであるが、本発明はこれに限定されなく、実際の需要に応じて柔軟的に増減することができる。実用において、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器１００に採用された鉄心１１０の形式は、図１に示すような鉄心１１０に限定されない。

図１に示すように、本実施形態において、複数の巻線１２０のそれぞれに含まれるフラットケーブル層１２１の数は４層であるが、本発明はこれに限定されなく、実際の需要に応じて柔軟的に増減することができる。

幾つかの実施形態において、フラットケーブル層１２１の材料は、銅を含むが、本発明はこれに限定されない。

以上の本発明の具体的な実施形態に対する詳しい説明から明らかに分かるように、本発明に係る熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器は、巻線の隣接する２つのフラットケーブル層の間に第１の熱伝導性部材が設けられるため、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器の操作時に巻線に生じた熱エネルギーを効果的に放出でき、更に熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器と室温との間の温度差を大幅に低下させ、これにより熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器の効能を改善することができる。熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器の温度をより効果的に低下させるために、本発明に係る熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器は、また鉄心と巻線の間に第２の熱伝導性部材が設けられるため、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器の操作時に鉄心に生じた熱エネルギーを効果的に放出することができる。なお、本発明に係る熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器は、熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器の操作時に鉄心及び巻線に生じた熱エネルギーの多少（又は温度の高低）に応じて、選択的に熱伝導流体が第１の熱伝導性部材又は第２の熱伝導性部材によって提供されるように設計されてもよい。

本発明の実施形態を前述の通りに開示したが、これは、本発明を限定するものではなく、当業者であれば、本発明の精神と範囲から逸脱しない限り、多様の変更や修飾を加えてもよく、したがって、本発明の保護範囲は、後の特許請求の範囲で指定した内容を基準とするものである。

１００ 熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器
１１０ 鉄心
１１１ 芯部
１２０ 巻線
１２１ フラットケーブル層
１３０ 第１の熱伝導性部材
１３１ 流路
１４０ 第２の熱伝導性部材
１５０ 流体出力モジュール
１６０ 流体回収モジュール
１７０ 通気ストリップ
１８０ 絶縁層
４−４ 線分
Ｅ１ 第１端
Ｅ２ 第２端
Ａ 配列方向
Ｌ 熱伝導流体

Claims (6)

1. 複数の芯部を含む鉄心と、
   複数の巻線と、
   複数の第１の熱伝導性部材と、
   複数の第２の熱伝導性部材を含み、
   前記複数の巻線のそれぞれが、前記芯部に巻設され、複数のフラットケーブル層を有し、
   前記複数の第１の熱伝導性部材のそれぞれが前記複数のフラットケーブル層において隣接する２つのフラットケーブル層の間に熱的に接続され、熱伝導流体がその中を流れるために配置されており、前記鉄心の一側に流体連通するように位置しており、
   前記複数の第２の熱伝導性部材のそれぞれが対応する前記芯部と対応する前記巻線の間に熱的に接続され、前記鉄心の前記一側に位置し、前記複数の第２の熱伝導性部材は前記熱伝導流体がその中を流れるために配置され、前記複数の第１の熱伝導性部材と流体連通されることを特徴とする熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器。
2. 前記複数の第１の熱伝導性部材と前記複数の第２の熱伝導性部材は、流路を内蔵した金属板であることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器。
3. 前記複数の第２の熱伝導性部材は、前記芯部の配列方向の第１端から第２端へ順次に直列的に流体接続され、前記複数の第１の熱伝導性部材は、前記第１端から前記第２端へ順次に直列的に流体接続され、且つ前記第２端に配列される前記第１の熱伝導性部材と前記第２の熱伝導性部材が直列的に流体接続されることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器。
4. 前記熱伝導流体を前記第１端に配列される前記第２の熱伝導性部材に提供するために配置される流体出力モジュールを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器。
5. 前記隣接する２つのフラットケーブル層の間の間隙を維持するように、それぞれ前記複数のフラットケーブル層において隣接する２つのフラットケーブル層の間に設けられる複数の通気ストリップを更に含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器。
6. 前記複数のフラットケーブル層の間及び前記鉄心と前記複数の巻線との間を絶縁させるように、それぞれ前記複数のフラットケーブル層の間及び前記鉄心と前記複数の巻線との間に設けられる複数の絶縁層を更に含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の熱伝導性部材が埋め込まれた変圧器。

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