KR101070427B1

KR101070427B1 - 발전기의 냉각장치

Info

Publication number: KR101070427B1
Application number: KR1020100011908A
Authority: KR
Inventors: 조동현
Original assignee: 조동현; 대진대학교 산학협력단
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2011-10-06
Also published as: KR20110092469A

Abstract

본 발명은 발전기의 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 써모사이폰을 이용하여 발전기의 발열부에 냉각작용을 수행할 수 있도록 구성함으로써, 구조가 간결, 단순하고, 내구성을 향상시킬 수 있으며, 운전비용과 유지보수비용을 절감할 수 있는 발전기의 냉각장치에 관한 것이다.
본 발명의 발전기의 냉각장치는, 발전기의 냉각장치에 있어서, 발전기 발열 부위의 냉각을 위해 발열부에 오일이 수용되도록 형성되는 오일쿨러; 및 상기 오일쿨러 내부에 가열된 오일을 열교환 과정을 통해 냉각할 수 있도록 써머싸이폰의 증발부를 오일과 접촉되도록 설치한 써머사이폰 냉각모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 외부에서 일의 공급이 없더라도 기-액 상변화를 이용하여 냉각작용을 수행하는 써머사이폰에 의해 발전기의 발열부를 냉각할 수 있으므로, 에너지의 소비량을 줄일 수 있고 발전설비의 구조를 간결, 단순화할 수 있는 효과가 있다. 이로 인해, 설비투자비를 현저히 줄일 수 있고 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 운전비용과 유지보수비용을 절감할 수 있다.

Description

발전기의 냉각장치{COOLING APPARATUS OF GENERATOR}

본 발명은 발전기의 냉각장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 써모사이폰을 이용하여 발전기의 발열부에 냉각작용을 수행할 수 있도록 구성함으로써, 구조가 간결, 단순하고, 내구성을 향상시킬 수 있으며, 운전비용과 유지보수비용을 절감할 수 있는 발전기의 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로, 수력발전, 화력발전, 및 원자력발전과 같은 발전설비에 이용되는 발전기는 전력의 생산시에 회전체의 회전으로 인한 각종 기계적 마찰 등에 의해 열이 발생 되므로 안정된 발전을 위해서는 이를 적절하게 냉각할 필요가 있다.

그리고, 발전설비에 적용되는 발전기는 그 규모가 크고 작동과정에서 큰 부하가 작용되므로 소형 발전기와 같이 냉각핀에 의한 자체적인 공냉방식의 냉각으로는 충분한 냉각작용을 수행할 수 없으므로 별도의 발전기용 냉각시스템을 갖추고 있다.

도1은 종래 발전기의 냉각장치를 설명하기 위한 도면으로, 이에 도시된 바와 같이 발전용 발전기(1)는 터어빈(미도시)과 발전모듈(미도시) 사이와, 발전모듈과 여자기 사이의 연결부 등의 발열부(1a)에 고열이 발생하게 되므로 이를 냉각하기 위한 오일쿨러(2)가 구비되어 있고, 이 오일쿨러(2)는 발전기의 냉각과정에서 가열되는 오일을 냉각하기 위한 별도의 냉각시스템을 갖추고 있다.

냉각시스템은 오일쿨러(2) 내의 오일을 냉각을 위해 순환시키는 오일순환펌프(3), 오일순환펌프(3)에 의해 압송되는 오일을 냉각하는 오일냉각쿨러(4), 오일냉각쿨러(4)의 오일유입측과 오일배출측 사이에 연결되는 오일순환배관(5)을 구비하고, 이 오일순환배관(5)에는 오일의 흐름을 제어하기 위한 제어밸브(6)와, 유량콘트롤러(7) 등이 접속되어 있다.

그리고, 오일냉각쿨러(4)로 유입되는 오일은 수냉방식에 의해 냉각되도록 구성되어 있다. 이를 위해, 냉각수를 오일냉각쿨러(4) 내부로 공급하기 위한 냉각수 공급배관(8), 열교환된 냉각수가 배기되는 냉각수 배기배관(9), 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환펌프(10), 및 가열된 냉각수를 냉각하는 냉각탑(11), 제어밸브(12) 등이 구비되어 있다.

하지만, 전술한 종래 발전기의 냉각장치는 오일쿨러(2) 내의 오일을 냉각하기 위한 오일냉각쿨러(4), 오일순환펌프(3), 오일 배관 등의 구성요소가 필요하고, 오일냉각쿨러(4) 내에서의 열교환을 위한 냉각수 배관(8,9), 냉각탑(11), 냉각수 순환펌프(10) 등이 필요하므로, 많은 시설투자가 필요하고, 설비가 복잡할 뿐만 아니라 시설의 구성을 위해 많은 설치공간이 요구되는 단점을 갖는다.

그리고, 냉각탑(11)의 냉각팬을 구동하거나 오일순환펌프(3), 냉각수 순환펌프(10) 등의 구동을 위해 많은 전력이 필요하게 되므로 운전비용이 증가되고 에너지 낭비가 심하다는 단점을 갖는다.

또한, 오일냉각쿨러(4) 내에서의 열교환을 위한 냉각수 배관(8,9), 냉각탑(11), 냉각수 순환펌프(10) 등은 장시간 사용시에 부식 등으로 인해 내구성이 취약하여, 주기적으로 유지보수작업을 시행하여야 하므로 과다한 유지보수비용이 발생되는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 상기 내용에 착안하여 제안된 것으로, 써모사이폰을 이용하여 냉각작용을 수행할 수 있도록 구성함으로써, 구조가 간결, 단순하고, 내구성을 향상시킬 수 있으며, 운전비용과 유지보수비용을 절감할 수 있도록 한 발전기의 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 발전기의 냉각장치는 발전기의 냉각장치에 있어서, 발전기 발열 부위의 냉각을 위해 발열부에 오일이 수용되도록 형성되는 오일쿨러; 및 상기 오일쿨러 내부에 가열된 오일을 열교환 과정을 통해 냉각할 수 있도록 써머싸이폰의 증발부를 오일과 접촉되도록 설치한 써머사이폰 냉각모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 써머사이폰 냉각모듈은, 상기 오일쿨러의 배출측 및 유입측 배관에 일단 및 타단이 접속되고 상기 증발부가 설치되는 다수의 사이폰설치부가 형성된 사이폰설치배관; 및 상기 사이폰설치배관에 접속되어 내부에 수용된 오일을 순환시키는 오일순환펌프를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 사이폰설치배관은 상기 발열부의 외부를 따라 다수의 굴곡부를 갖도록 배치, 형성될 수 있다.

상기 사이폰설치부는 상기 사이폰설치배관의 외주면에 체결부가 형성된 체결보스로 구성되고, 상기 써머사이폰은 외주면에 상기 사이폰설치부에 체결되도록 체결프랜지가 결합, 구성될 수 있다.

한편, 상기 사이폰설치배관으로부터 분기되어 상기 오일쿨러의 유입측 배관에 접속되게 설치되는 적어도 하나 이상의 분기관; 상기 분기관과 상기 사이폰설치배관의 접속부에 설치되어 오일의 흐름을 제어하는 제어밸브; 상기 오일쿨러 내의 오일 온도를 측정할 수 있도록 설치되는 온도감지부; 및 상기 온도감지부로부터 인가되는 신호로부터 오일의 온도를 산출하고 기 설정된 온도와 비교하여 상기 오일순환펌프 및 상기 제어밸브의 구동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 발전기의 냉각장치는, 외부에서 일의 공급이 없더라도 기-액 상변화를 이용하여 냉각작용을 수행하는 써머사이폰에 의해 발전기의 발열부를 냉각할 수 있으므로, 에너지의 소비량을 줄일 수 있고 발전설비의 구조를 간결, 단순화할 수 있는 효과가 있다. 이로 인해, 설비투자비를 현저히 줄일 수 있고 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 운전비용과 유지보수비용을 절감할 수 있다.

도1은 종래 발전기의 냉각장치를 설명하기 위한 도면,
도2는 본 발명에 따른 발전기의 냉각장치의 기술적 사상을 설명하기 위한 도면,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 냉각장치를 개략적으로 나타내는 도면,
도4는 도3의 요부 확대도,
도5는 도4의 A부 확대 단면도,
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전기의 냉각장치를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 발전기의 냉각장치의 기술적 사상을 설명하기 위한 도면, 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 냉각장치를 개략적으로 나타내는 도면, 도4는 도3의 요부 확대도, 도5는 도4의 A부 확대 단면도이다.

도2 내지 도5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 발전기 발열부(1a)의 냉각을 위해 내부에 냉각용 오일이 수용되도록 마련된 오일쿨러(100)와, 발전기(1)의 작동에 따라 발생된 열기를 흡수한 오일쿨러(100) 내의 오일을 냉각하기 위한 써머사이폰 냉각모듈(200)을 구비한다.

오일쿨러(100)는 발전기(1)의 발열부(1a)에 형성되어 발열되는 열을 흡수하는 오일 수용공간의 기능을 수행하는 구성으로, 본 실시예에서는 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 터어빈(1b)과 발전기 몸체 사이에 설치되는 회동축(12)과 베어링(13) 사이의 기계적 마찰에 따라 발생되는 열을 흡수하도록 구성되어 있다.

그리고, 오일쿨러(100)는 도4에 도시된 바와 같이 내부에서 가열된 오일이 배출되는 배출측 배관(110)과, 써머사이폰 냉각모듈(200)을 경유하여 냉각된 오일이 다시 오일쿨러(100) 내부로 유입되도록 하는 유입측 배관(120)이 형성되어 있다.

써머사이폰 냉각모듈(200)은 열교환 과정을 통해 오일쿨러(100) 내부에서 가열된 오일의 실질적인 냉각작용을 수행하는 구성으로, 사이폰설치배관(210), 이 사이폰설치배관(210)에 설치되는 다수의 써모사이폰(220), 및 사이폰설치배관(210)에 접속되어 내부에 수용된 오일을 순환시키는 오일순환펌프(230)를 구비한다.

써머사이폰(Thermo-siphon,220)은 도5에 도시된 바와 같이 대략 원통 형상을 갖는 용기(221)와, 이 용기(221)의 내부에 수용되는 작동유체(222)로 이루어진 것으로, 용기(221)는 하측으로부터 증발부(a;evaporator section), 단열부(b;adiabatic section), 및 응축부(c;condenser section)으로 이루어져 있다. 그리고, 써머사이폰(220)은 작동유체(222)가 흐르도록 용기(221)의 내벽면에 윅(wick, 미도시)을 구비한 것도 있으며, 이와 같이 윅이 구비된 것을 히트파이프로 호칭하고 윅이 없는 것을 써머사이폰이라 호칭하기도 하지만 본 실시예에서는 써머사이폰으로 통칭한다.

이 써머사이폰(220,Thermo-siphon)은 증발부(a)에 열부하가 인가되면 하단으로부터 액상의 작동유체(222)가 비등을 일으켜 기화되고 증기가 응축부(c)로 이동된다. 응축부(c)로 이동된 증기는 열을 전달하고 액화되어 냉각된 벽면 상에서 작용하는 중력 등의 체적력에 의해 관벽을 따라 증발부로 되돌아 오게 되는데, 이러한 일련의 과정을 반복하면서 열원의 열을 이동시켜 냉각작용을 수행하게 된다. 이와 같이 써머사이폰(220)에 의해 냉각작용을 수행하기 위해서는 증발부(a)가 오일과 접촉되도록 사이폰설치배관(210)의 내부로 삽입, 설치되어야 한다.

그리고, 써머사이폰(220)은 발전기의 종류, 용량, 등에 따라 길이, 직경, 설치경사각, 작동유체 충진율, 작동유체의 물성 등을 다양하게 하여 구성할 수 있지만, 본 실시예에서는 실험을 통해 열전달 성능이 뛰어난 것으로 확인된, 작동유체 충진율이 20% 내외이고 응축부(c)의 길이가 150mm 정도인 써머사이폰를 적용하여 구성한다.

사이폰설치배관(210)은 발전기의 종류, 용량, 발열량 등에 따라 정해진 소정 직경과 길이를 갖는 파이프의 일단이 오일쿨러(100)의 배출측 배관(110)에 접속되도록 하고, 타단이 유입측 배관(120)에 접속되도록 하여 구성한다. 그리고, 사이폰설치배관(210)의 외주면에는 써머사이폰(220)의 증발부(a)가 설치되는 다수의 사이폰설치부(211)가 형성되어 있다.

한편, 써머사이폰 냉각모듈(200)은 도4에 도시된 바와 같이 피설치부(베어링 설치부)의 외부를 따라 사이폰설치배관(210)이 설치되고, 이 사이폰설치배관(210)의 사이폰설치부(211)에 다수의 써모사이폰(220)이 설치, 구성된다.

이때, 사이폰설치배관(210)은 피설치부(1a,발열부)의 외부를 따라 다수의 굴곡부를 갖도록 배치되게 형성하는 중요하다. 이와 같이 피설치부의 외부를 따라 굴곡지게 형성하게 되면, 정해진 공간 내에서 부피를 최소화하면서도 가능한 많은 수량의 써머사이폰(220)을 설치하는 것이 가능하게 된다.

사이폰설치부(211)는 도5에 도시된 바와 같이 사이폰설치배관(210)의 외주면에 돌출되고 외주면에 체결부가 형성된 체결보스로 구성되고, 이 사이폰설치부(211)에 접속되는 써머사이폰(220)은 외주면에 체결보스에 체결되도록 체결프랜지(223)가 결합, 구성되어 있다.

그리고, 사이폰설치부(211)와 체결프랜지(223) 사이의 접속부위와, 써머사이폰(220)의 외주면과 체결프랜지(223) 사이에는 기밀을 유지하기 위한 기밀유지용 패킹(212,224)이 삽입, 설치되어 있다.

한편, 도2의 미설명부호 14 및 15는 전자기유도작용에 의해 기전력이 생성되도록 하기 위해 구성되는 고정자와 회전자이다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 냉각장치의 작용을 간략하게 설명한다.

도4에 도시된 바와 같이 오일쿨러(100)의 배출측 배관(110)에 오일순환펌프(230)를 설치하고, 터어빈과 발전기 몸체 사이의 발열부(1a) 외부에 사이폰설치배관(210)를 굴곡지게 배치하여 양단부를 오일쿨러(100)와 오일순환펌프(230)에 접속한 후, 이 사이폰설치배관(210)의 사이폰설치부(211)에 다수의 써모사이폰(220)을 접속하여 써머사이폰 냉각모듈(200)의 조립을 완료한다. 이때, 사이폰설치배관(210)의 규격과 써모사이폰(220)의 규격 및 설치수량은 발열부의 발열용량에 따라 적절하게 설계하여 구성할 수 있다.

이와 같이 써머사이폰 냉각모듈(200)이 구비된 발전기를 이용하여 전력을 생산하는 과정에서 발생되는 열을 냉각하는 과정을 구체적으로 살펴보면, 먼저 터어빈(1b)의 회동에 따라 기계적 마찰 등으로 인해 터어빈과 발전기의 연결부가 발열되고, 발산되는 열은 오일쿨러(100) 내에 수용된 오일과 열교환되므로 오일의 온도는 점차적으로 상승된다.

이와 같이 오일의 온도가 상승되면 오일순환펌프(230)가 작동되면서 가열된 오일을 사이폰설치배관(210)으로 유동시키게 된다. 사이폰설치배관(210)을 통해 이동되는 오일은 도5에 도시된 바와 같이 써머사이폰(220)의 증발부(a)에 열부하를 작용하게 되므로 증발부의 하측에 수용된 액상의 작동유체(222)는 비등을 일으켜 기화되고 단열부(b)를 경유하여 응축부(c)로 이동된다.

응축부(c)로 이동된 증기는 열을 전달하면서 냉각된 후 액화되어 벽면상에서 작용하는 중력 등의 체적력에 의해 관벽을 따라 다시 증발부(a)로 되돌아 오게 된다. 이와 같이 사이폰설치배관(210)에 설치된 다수의 써머사이폰(220)은 전술한 일련의 과정을 반복하면서 열을 이동시켜 냉각작용을 수행하게 된다.

도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전기의 냉각장치를 설명하기 위한 도면으로, 이해를 돕기 위해 써머사이폰 냉각모듈을 평면 구조로 전개하고 관련 구성요소를 간략화하여 도시한 것으로 일 실시예와 동일, 유사한 구성에 대하여는 동일부호를 부여하여 설명한다.

도6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는 오일쿨러(100)와, 사이폰설치배관(210), 써머사이폰(220), 및 오일순환펌프(230)를 구비한 써머사이폰 냉각모듈(200)로 이루어지되, 써머사이폰 냉각모듈은 발전기의 발열부(1a) 발열온도에 따라 오일 순환경로를 조절할 수 있도록 구성되어 있다.

이를 위해, 사이폰설치배관(210)에는 오일쿨러(100)의 유입측 배관(120)에 접속되도록 분기되는 적어도 하나 이상의 분기관(250)과, 이 분기관(250)과 사이폰설치배관(210)의 접속부에 설치되어 오일의 흐름을 제어하는 제어밸브(260)가 구성되어 있다. 그리고, 오일쿨러(100)의 내부에는 오일의 가열온도를 측정할 수 있는 온도감지부(270)가 구성되며, 이 온도감지부(270)로부터 인가되는 신호로부터 오일의 온도를 산출하고 설정된 온도에 따라 오일순환펌프(230) 및 제어밸브(260)의 구동을 제어하는 제어부(미도시)가 구성되어 있다.

제어밸브(260)는 유로 흐름방향이 3개인 배관상에 설치되어 개폐동작을 수행하도록 구성된 쓰리웨이 밸브로 구성된다.

전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 온도감지부(270)로부터 감지되는 오일의 가열온도가 제어부에 설정된 온도 보다 높을 경우, 제어부는 분기관(250)으로 오일의 흐름이 차단되도록 제어밸브(260)를 구동시켜 사이폰설치배관(210) 전체 경로를 경유하도록 함으로써, 신속하면서도 적절한 냉각작용이 수행되도록 한다.

그리고, 온도감지부(270)로부터 감지되는 오일의 가열온도가 제어부에 설정된 온도 보다 낮을 경우, 제어부는 제어밸브(260)를 구동시켜 오일이 사이폰설치배관(210) 전체 경로를 경유하지 않고 분기관(250)을 통해 유동되도록 제어하여 오일의 냉각에 필요한 열용량에 대응하는 경로만을 순환하도록 함으로써 오일순환펌프(230)의 과부하나 에너지의 낭비를 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 발전기의 냉각장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않은 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

1:발전기 1a:발열부
100:오일쿨러 110:배출측 배관
120:유입측 배관 200:써머사이폰 냉각모듈
210:사이폰설치배관 211:사이폰설치부
212,224:패킹 220:써모사이폰
221:용기 222:작동유체
223:체결프랜지 230:오일순환펌프
250:분기관 260:제어밸브
270:온도감지부 a:증발부
b:단열부 c:응축부

Claims

발전기의 냉각장치에 있어서,
발전기 발열 부위의 냉각을 위해 발열부에 오일이 수용되도록 형성되는 오일쿨러; 및
상기 오일쿨러 내부에 가열된 오일을 열교환 과정을 통해 냉각할 수 있도록 써머싸이폰의 증발부를 오일과 접촉되도록 설치한 써머사이폰 냉각모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기의 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 써머사이폰 냉각모듈은,
상기 오일쿨러의 배출측 및 유입측 배관에 일단 및 타단이 접속되고 상기 증발부가 설치되는 다수의 사이폰설치부가 형성된 사이폰설치배관; 및
상기 사이폰설치배관에 접속되어 내부에 수용된 오일을 순환시키는 오일순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기의 냉각장치.
제2항에 있어서,
상기 사이폰설치배관은 상기 발열부의 외부를 따라 다수의 굴곡부를 갖도록 배치, 형성된 것을 특징으로 하는 발전기의 냉각장치.
제2항에 있어서,
상기 사이폰설치부는 상기 사이폰설치배관의 외주면에 체결부가 형성된 체결보스로 구성되고,
상기 써머사이폰은 외주면에 상기 사이폰설치부에 체결되도록 체결프랜지가 결합, 구성된 것을 특징으로 하는 발전기의 냉각장치.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 사이폰설치배관으로부터 분기되어 상기 오일쿨러의 유입측 배관에 접속되게 설치되는 적어도 하나 이상의 분기관;
상기 분기관과 상기 사이폰설치배관의 접속부에 설치되어 오일의 흐름을 제어하는 제어밸브;
상기 오일쿨러 내의 오일 온도를 측정할 수 있도록 설치되는 온도감지부; 및
상기 온도감지부로부터 인가되는 신호로부터 오일의 온도를 산출하고 기 설정된 온도와 비교하여 상기 오일순환펌프 및 상기 제어밸브의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기의 냉각장치.