KR100996103B1

KR100996103B1 - 열발산능력 및 강도가 향상된 부스덕트용 부스바

Info

Publication number: KR100996103B1
Application number: KR1020080099438A
Authority: KR
Inventors: 김동욱; 김태성; 이동은; 이상훈; 허성수; 장원재; 박성희
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2010-11-22
Also published as: KR20100040374A; CN101728004A

Abstract

본 발명은 열발산능력 및 강도가 향상된 부스덕트용 부스바에 관한 것으로서, 부스덕트용 부스바를 중공형으로 구성하여 단면적을 줄이면서도 열발산 능력 및 강도가 증대되도록 한 것이다.

본 발명은, 부스덕트용 부스바(30)로서, 상기 부스바(30)는 하나 이상의 중공부(31)가 형성된 구조이다.

이러한 구조를 가지는 본 발명은 부스덕트에 구비되는 부스바를 중공형 타입의 부스바로 형성하여, 열발산 능력이 향상되어 전류별 최대 단면적을 종래의 중실형 부스바보다 줄일 수 있고, 단면 2차모멘트의 증가로 인해 부스바의 기계적 강도가 종래의 중실형 부스바에 비해 향상되며, 부스바의 폭이 길어져서 조립시 취급이 용이한 효과가 있도록 한 것이다.

부스덕트, 부스바, 단면적, 중공부, 단면2차모멘트, 강도, 열발산, 향상

Description

열발산능력 및 강도가 향상된 부스덕트용 부스바{Busbar for Bus Duct Heat Enhancing Emission Efficiency and Strength}

본 발명은 열발산능력 및 강도가 향상된 부스덕트용 부스바에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부스덕트용 부스바를 중공형으로 구성하여 단면적을 줄이면서도 열발산 능력 및 강도가 증대되도록 한 것이다.

일반적으로, 전기 에너지를 전달하는 매개체로 예전에는 케이블(Cable)을 많이 사용해 왔으나, 최근에는 케이블의 대체품으로 부스바(bus bar)가 많이 사용되고 있다.

부스바(bus bar)는 케이블과 같은 도체이지만 많은 양의 전기 에너지를 전달할 때 유리한 장점이 있다. 예전에 비해서 지금의 건축물의 시스템은 점점 크고 다양한 용량의 에너지를 필요로 하고 있다.

이러한 추세에 맞추어 안전하고 에너지 손실이 적은 부스바의 장점이 인식되면서 급속하게 사용이 증가되고 있다.

예컨대, 부스바는 공장, 빌딩, 아파트, 대형 할인마트, 오피스텔, 연구단지, 백화점, 골프장, 터널 반도체, LCD공장, 화학, 정유, 제철, 초고층빌딩, 초고압 변전소, LNG인수기지, 신공항, 항만 등에 다양한 분야에 다각도로 공급되고 있다.

상기 부스바는 통상적으로, 고압의 전류가 흐르기때문에, 소정크기의 부스덕트안에 구비된다.

이렇게 부스덕트안에 구비되는 도체인 부스바에 전류를 통전시킬 경우, 주울열(joule heating)(Q=I²R, I는 전류, R은 저항임)이 발생하고, 이 열로 인해 온도가 상승하며, 전류의 통전용량과 도체인 부스바의 사이즈는 부스바를 감싸고 있는 절연체 또는 부스바를 감싸고 있는 어떠한 구조물의 허용온도 영역내에서 제한을 받아 결정된다.

따라서, 사용되는 부스바의 사이즈를 줄이기 위해서 전류통전시 발생되는 열을 효과적으로 발산시켜야 하며, 이를 위해서 주로 저압의 경우, 부스바를 금속재의 하우징안에 밀착시켜서 샌드위치 시키거나, 또는 공기절연방식으로 방열효과를 극대화하는 구조로 설치된다.

한편, 부스덕트는 대전류가 흐르는 제품이기때문에, 절연사고로 인해 부스바 상호간에 단락사고가 발생할 경우, 흐르는 대전류에 의해 매우 큰 단락전자력이 발생하게 되어 제품 자체를 파괴시키는 경우도 있다. 따라서, 이때 사용되는 도체인 부스바들도 단지 전기적 특성이 양호한 것 외에 기계적 강도도 안정성이 확보되어야 한다.

이러한 종래의 부스덕트(1)의 일례들을 도면을 통해 보다 구체적으로 설명하 면, 먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 부스덕트(1)의 외관을 구성하는 소정 크기의 하우징(10)안에 도체로 이루어진 복수의 부스바(20)가 소정 간격을 두고 정렬되어 있다.

상기 하우징(10)은 2개의 부재로 이루어지고, 부스바(20)의 길이방향을 따라 격벽으로 이루어지는 절연체막(11)으로 둘러싸도록 한다.

도 2는 종래의 부스바(20)가 하우징(10)안에 소정의 공간부(21)를 두고 복수,구비된 모습을 정면에서 개략적으로 도시한 도면이다.

또한, 상기 부스바(20)의 다른 예들을 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이, 대략 횡방향으로 길이가 긴 타원형을 이루는 중실형 부스바(22)와, 도 4에 도시된 바와 같이, 중실형 부스바(22)와 유사한 이중 부스바(23)(일명 "엘크바"라고 함)가 있었다.

상기 이중 부스바(23)는 내부에 알루미늄재의 중심체(23a)와, 이 중심체(23a)를 외부에서 감싸면서 동 재질로 이루어진 피복체(23b)로 구성되어 있다.

우선, 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 중실형 부스바(22)는 고압의 전류를 통전시키고자 하는 경우, 그에 상응하게 발생되는 열을 효과적으로 발산하기 위해서는 그에 비례하여 폭(도 3에서 부스바(22)의 세로방향 길이)사이즈를 크게해야 하므로, 그 만큼 제품가격이 상승하는 문제가 발생한다. 만일, 부스바를 원통형으로 형성하는 경우, 고압의 전류를 통전시키기 위해서는 단면상 원형이므로 반경이 커지게 되므로, 그만큼 재료비의 상승원인이 되는 것이다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 이중 부스바(23)인 경우에는, 동일 사이즈의 알루미늄 부스바에 비해 전송 효율이 높고 기계적 강도가 좋다고 할 수 있지만, 동일 사이즈의 구리 부스바에 비해 전류수송량 및 기계적 강도 측면에서 약한 단점이 있고, 이중 압출을 통해 성형하므로, 제조공정상 가공비가 높게되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 동일용량의 전류를 통전시킬 경우, 종래의 부스바에 비해 단면적을 적게하면서도 기계적 강도를 향상시킬 수 있고, 동일 단면적일 경우에는 표면적이 증대되어 열발산능력이 향상될 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 부스덕트용 부스바로서, 상기 부스바는 하나 이상의 중공부가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 중공부의 둘레면은 평활한 면으로 형성되는 구조이다.

또한, 상기 부스바는 단면상 타원형으로 형성되는 구조이다.

또한, 상기 중공부의 둘레면은 열발산능력을 높이기 위한 파형부가 형성되는 구조이다.

또한, 상기 부스바의 외부 둘레면에도 파형부를 형성되는 구조이다.

이와 같이 본 발명은 부스덕트에 구비되는 부스바를 중공형 타입의 부스바로 형성하여, 열발산 능력이 향상되어 전류별 최대 단면적을 종래의 중실형 부스바보다 줄일 수 있고, 단면 2차모멘트의 증가로 인해 부스바의 기계적 강도가 종래의 중실형 부스바에 비해 향상되며, 부스바의 폭이 길어져서 조립시 취급이 용이한 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 부스바를 도시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 부스바(30)는 중공형으로서, 하나 이상의 중공부(31)가 형성된 구조이다.

상기 부스바(30)는 단면상 타원형으로 형성될 수 있는데, 전류용량이 증대에 비례하여 부스바의 폭이 커지더라도 원통형에 비해 전체적인 크기가 커지지 않으므로, 재료비가 상대적으로 절감된다.

상기 중공부(31)의 둘레면은 평활한 면으로 형성될 수 있고, 또한 도 6에 도시된 바와 같이, 열발산능력을 높이기 위한 파형부(31a)가 형성될 수 있다.

또한, 부스바(30)의 외부 둘레면에도 파형부(30a)를 형성할 수 있다.

한 예로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 같은(또는 유사한) 단면적을 가지는 (a)에 도시한 중실형 부스바와 (b)에 도시한 본 발명에 따른 중공형 부스바에 각각 소정의 치수를 정하고, 그에 해당하는 각각의 단면 2차모멘트를 구하면 다음과 같다.

(a) 중실형 부스바의 단면 2차 모멘트 및 단면계수

종래의 중실형 부스바에 대한 단면 2차모멘트는 일반적으로 (1/12)bh³에 의거 아래와 같이 계산된다.

(b) 중공형 부스바의 단면 2차모멘트 및 단면계수

본 발명에 따른 중공형 부스바의 단면 2차모멘트는 아래와 같이 계산되는데, 도 7b를 참조하면, ①은 녹색영역에 대한 것이고, ②는 노란색 영역, ③은 파란색 영역, ④는 분홍색 영역에 대하여 계산한 것이다.

또한, ② 영역은 평행축정리(단면2차모멘트 + (면적×도형의 무게중심에서 도심축까지의 거리의 제곱)에 의거 계산한 것이고, 중공부 아래부분에 동일한 영역이 있으므로, 2배를 해준 것이다.

이와 같이, 중실형 및 중공형 부스바에 대한 단면 2차 모멘트와 단면계수를 계산한 결과, 중공형 부스바가 중실형 부스바에 비해 상대적으로 약 2배 정도 큰 값을 가짐을 알 수 있다.

한편, 예시도면 도 8에 도시된 바와 같이, 빔(도체로 가정)에 대한 굽힘하중(분포하중)이 작용할때의 처짐요소(처짐양과 처짐각도)는 일반적으로 다음과 같은 수학식 1로 표현될 수 있다.

여기서, δ(max)는 최대처짐양, θ(max)는 최대 처짐각도, w는 굽힘하중, I는 단면 2차모멘트, E는 재료의 탄성계수, L은 빔의 길이이다.

이러한 수학식 1을 통해서 중공형 부스바와 중실형 부스바의 처짐요소를 계산하면 다음과 같다.

여기서, 수학식 1에 사용된 하중, 길이, 탄성계수는 다음과 같이 가정한 값을 고려하였다.

굽힘(분포)하중(w) = 100kg/m

길이(L) = 250mm

탄성계수(E) = 57kgf/mm²

상기 탄성계수는 인장강도 7.5kgf/mm²(KS규격 참조), 신장률 13% 이상의 알루미늄 1070P에 대한 탄성계수이다.

- 중실형 부스바인 경우 -

- 중공형 부스바인 경우 -

다시 말해서, 중실형 부스바의 경우가 동일한 굽힘하중에서의 변형이 크게 일어남을 알 수 있다.

이와 같이, 동일한 단면적을 가지는 중공형 부스바와 중실형 부스바인 경우, 단면 2차 모멘트 및 굽힘하중이 가해졌을때, 부스바 변형량이 중공형 부스바가 중실형 부스바에 비해 2 ~3배 정도 안정적인 것을 알 수 있다.

또한, 부스바에서는 우수한 열전달특성을 가져야 하는데, 중공형 부스바인 경우, 동일한 단면적을 사용하지만, 부스바에서 발생되는 열을 발산할 수 있는 전 표면적이 중실형 부스바에 비해 크므로, 매우 효과적으로 열을 발산할 수 있다.

아래 표 1은 종래의 중실형 부스바와 본 발명에 따른 중공형 부스바(30)의 온도해석결과를 대비한 것이다.

	부스바 단면적(m²)	부스바 온도(℃)	하우징 온도(℃)	부스바 온도차	하우징 온도차
중실형 부스바	264.16	97	41	74	18
제 1중공형 부스바	264.16	75	37	52	14
제 2중공형 부스바	164.0	101	44	78	21

(주위온도 : 23℃)

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 중실형 부스바와 제 1중공형 부스바와 동일단면적인 경우, 부스바 온도는 각각 97℃와 75℃로서, 제 1중공형 부스바의 온도가 낮음을 알 수 있다.

또한, 하우징의 온도도, 중실형 부스바에 비해 제 1중공형 부스바의 온도가 낮음을 알 수 있다.

여기서, 상기 부스바 온도차와 하우징 온도차는 부스바온도 및 하우징온도에서 주위온도를 뺀 값이다.

한편, 제 2중공형 부스바인 경우에는 중실형 부스바와 제 1중공형 부스바에 비해 단면적이 작아서, 부스바온도 및 하우징온도가 상대적으로 높지만, 부스바 온도차가 일반적으로 80을 넘지 않아야 하는 조건을 만족함을 알 수 있다.

또한, 도 9에 도시된 온도해석예를 그래픽으로 도시한 것을 보면, 동일 단면적일 경우, 중실형에 비해 중공형의 부스바가 그 높이를 크게할 수 있으면서도 전류의 통전에 의해 발생하는 열에 의한 부스바 자체의 온도는 중공형 부스바가 중실형 부스바보다 낮음을 알 수 있다.

도 9에서, 둘레를 형성하는 사각형은 부스덕트(1)를 구성하는 하우징(10)을 나타낸 것이고, 그 내부에 복수(도면에서는 4개)의 부스바가 구비된 상태를 나타낸 것이, 도 9(a)는 종래의 부스덕트안에 구비된 중실형 부스바를 나타낸 것이고, 도 9(b)는 부스덕트안에 구비된 본 발명의 중공형 부스바를 나타낸 것이다.

도면에서 적색부분에 가까울 수록 온도가 높다는 것을 의미하고, 파란색에 가까울 수록 온도가 낮음을 의미한다.

또한, 도 10(a)(b)에 도시된 유동속도 예를 그래픽으로 도시한 것을 보면, 동일면적일 경우, 중실형 부스바에 비해 중공형 부스바의 높이가 크므로, 그에 비례하여 부스바가 구비되는 하우징의 사이즈를 크게 할 수 있어 그 만큼 공기유동 통로면적이 확보되어 공기의 유동상태가 좋아서 대류에 의한 열전달이 보다 잘 이루어질 수 있는 것이다.

도 10에서도 적색부분이 가장 온도가 높은 부분을 나타내고, 파란색 부분이 가장 온도가 낮은 부분을 나타낸다.

본 발명은 편의상 첨부된 예시도면에 의거 본 발명의 일 실시예를 설명하였지만, 이에 국한되지 않고 본 발명이 기술적 사상의 범주내에서 여러가지 변형 및 수정이 가능함은 자명한 사실이다.

도 1은 종래의 부스덕트안에 구비되는 부스바의 일례를 도시한 일부 분리사시도이다.

도 3은 종래의 중실형 부스바를 도시한 단면도이다.

도 4는 종래의 이중 부스바를 도시한 단면도이다.

도 5는 본 발명의 중공형 부스바를 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 부스바에 형성된 중공부의 다른 일례를 도시한 확대도이다.

도 7(a)(b)은 종래의 중실형 부스바와 본 발명에 따른 중공형 부스바에 치수를 정한 상태의 도면이다.

도 8은 일반적인 빔에 작용하는 굽힘하중에 대한 처짐요소(처짐양 및 처짐각도)를 설명하기 위한 도면이다.

도 9는 하우징안에 구비되는 중실형 부스바와 중공형 부스바에 대한 온도해석예를 그래픽으로 도시한 도면이다.

도 10은 하우징안에 구비되는 중실형 부스바와 중공형 부스바에 대한 공기유동속도 해석예를 그래픽으로 도시한 도면이다.

[도면의 주요 부분에 대한 부호설명]

30 : 부스바

30a : 파형부

31 : 중공부

31a : 파형부

Claims

부스덕트용 부스바(30)로서,

상기 부스바(30)는 하나 이상의 중공부(31)가 형성되고, 상기 중공부(31)의 둘레면은 열발산능력을 높이기 위한 파형부(31a)가 형성된 것을 특징으로 하는 열발산능력 및 강도가 향상된 부스덕트용 부스바.
청구항 1에 있어서,

상기 부스바(30)는 단면상 타원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열발산 능력 및 강도가 향상된 부스덕트용 부스바.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 중공부(31)의 둘레면은 평활한 면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열발산능력 및 강도가 향상된 부스덕트용 부스바.
삭제
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 부스바(30)의 외부 둘레면에도 파형부(30a)가 형성되는 것을 특징으로 하는 열발산능력 및 강도가 향상된 부스덕트용 부스바.