KR101167689B1 - 변압기용 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기용 냉각장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 절연유가 고온이 되었을 때 외부의 온도를 이용하여 절연유를 냉각시킴으로써 열교환의 효율이 향상되도록 한 냉각성능이 향상된 변압기용 냉각장치에 관한 것인바, 본 발명은 절연유와 트랜스가 내장되는 변압기케이스의 상부 뚜껑체에 방열핀을 통해 절연유의 방열작용이 이루어짐을 특징으로 하는 변압기의 냉각장치에 있어서, 방열플레이트에 다수로 구획된 냉각유로를 형성하되 상기 다수로 구획된 냉각유로에는 각각의 유입구와 배출구를 형성한 방열수단과; 상기 배출구 내측에 설치된 오리피스부재와; 단면형상이 직사각 형태로 이루어지면서 내부에 공간부를 구비한 몸체에 일체로 변압기 케이스의 측면에 걸려지는 날개판을 일체로 구비한 직간접가열판부와; 상기 직간접가열판부의 하측 끝단부에 충입된 열매체를 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.

Description

변압기용 냉각장치{Cooling System for Transformer}

본 발명은 변압기용 냉각장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 절연유가 고온이 되었을 때 외부의 온도를 이용하여 절연유를 냉각시킴으로써 열교환의 효율이 향상되도록 한 냉각성능이 향상된 변압기용 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로, 변압기는 송배전선로에 접속되는 전력용 변압기와 전자회로에 사용되는 결합용 변압기까지 많은 종류가 있으며, 전력용 변압기는 변압기로 교류회로에 가하여지는 어떤 전압을 그보다 높이거나 또는 낮은 전압으로 변화시킬 수 있으며 전력은 변하지 않는 것이며, 전원에 연결하는 1차권선과 부하에 연결하는 2차권선은 같은 철심(鐵心)위에 감겨져 있는 구조(이하, 이를 트랜스라 칭함.)를 갖는 것이다.

여기서, 배전선로에 사용되는 변압기는 수십 kva 정도까지의 용량이지만 고압 송전선로에는 수십만 kva가 되는 대용량의 것도 있다. 변압기의 실제 구조는 용량이나 전압에 따라서 다르나, 주요한 부분은 권선과 철심이며 이것을 케이스 안에 넣고 절연유(絶緣油)를 가득 채운다.

절연유를 사용하는 이유는 권선의 절연물에 습기나 먼지가 들어가서 절연내력(絶緣耐力)을 저하시키기 때문에 이런 현상을 방지하고, 철심이나 권선에서 발생하는 열을 기름의 대류나 복사(輻射)에 의해 방열시키기 위해서이다.

대용량의 변압기에서는 방열이 잘 되게 하기 위하여 탱크의 외부에 기름을 순환시키는 파이프나 방열기를 설치하며, 더욱 대용량의 변압기에서는 방열기에 선풍기를 설치하고 이것으로 바람을 보내서 방열효과를 좋게 하는 것도 있다.

이때, 변압기를 설치하는 장소에 따라서는 방열기를 설치하는 대신에 변압기 내에서 뜨거워진 기름을 파이프를 통해서 밖으로 끌어내고, 냉각수로 냉각시키는 방법과, 또는 수랭관을 변압기 속으로 통과시켜 펌프로 물을 순환시키는 방법이 있으며, 중 ?대용량의 변압기에 3상식(三相式)을 사용하는 경우도 많다.

이에, 도 1은 종래의 변압기 케이스의 일부 분해 사시도인데, 이에 도시된 바와같이 절연유 및 트랜스가 내장되는 변압기 케이스는본체(1)에 방열기(2)가 설치되는 구성을 하고 있다.

상기와 같은 방열기(1)는 여러개의 방열판(2a)으로 이루어진다. 각각의 방열판(2a)에는 절연유가 흐를 수 있도록 상,하부에 절연유구멍(2b)이 형성되어 있고, 방열판(2a) 각각은 연결파이프(2c)에 의하여 서로 결합된다. 이후, 결합된 방열판은 절연유통로(3)가 형성된 본체(1)에 연결파이프(2d)에 의해 용접된다.

하지만, 상기와 같은 방열기를 갖는 종래 변압기는 방열기 자체를 형성하기 위해 각각의 방열판에 절연유가 흐를 수 있는 절연유구멍을 형성하고, 방열판 내부에 절연유가 순환할 수 있는 공간을 형성해야하며, 각각의 방열판을 연결파이프를 이용하여 결합시키는 작업등 다단계의 공정을 요구하게 되므로 구조 또한 복잡함에 따라 근본적으로 변압기의 생산단가를 높고 생산성 또한 저하시키게 되며, 측면에 돌출되는 형태로 방열기가 설치됨에 따라 변압기의 설치시 설치면적을 많이 차지하게 되는 문제점을 갖는 것이었다.

한편, 근래에 들어서는 전술한 문제점을 해결하기 위해 국내특허공개 2001-107124호로 출원된 변압기 케이스가 제시된 바 있는데, 이러한 선출원고안의 방열기는 절연유공간과 절곡날개를 갖는 판형상의 방열기 본체를 절연유 통공에 결합시킨 구조를 갖는 것이다.

하지만, 이와 같은 선출원고안은 기존의 구조적인 문제점을 일부 해소할 수 있으나, 여전히 변압기의 결합방식으로 용접 접합 등을 적용하는 것이며, 기존과 같이 과열된 절연유가 변압기 케이스의 측벽에 돌출되는 방열기를 통해 자연대류 현상으로 방열하는 방식을 채택함에 따라, 설치면적을 많이 차지함은 물론 특히 여름철에는 기온의 상승으로 방열기 자체가 외부기온에 의해 가열되어 방열기능을 제대로 행하지 못하는 문제점을 갖는 것이었다.

상기한 종래 문제점을 해소하고자 본 출원인은 대한민국 실용신안등록 제274840호를 등록받은 바 있으며, 대한민국 실용신안등록 제274840호인 변압기의 냉각장치는 첨부도면 도 2에 도시된 바와 같이 절연유와 트랜스가 내장되는 변압기케이스의 상부 뚜껑체에 삽입나사공을 형성하고, 연결수단에 의해 방열핀(3a)을 갖는 방열부(32)와 입열부(31)로 구성되는 히트파이프(3)를 상기 삽입나사공(21)을 통해 설치하여, 이 히트파이프(3)를 통해 절연유의 방열작용이 이루어지도록 구성된 구조이다.

상기와 같이 히트파이프를 이용하는 변압기의 냉각장치는 입열부에 충입되어 있던 액체형의 열매체가 고온의 절연유에 의해 열이 전달되어 기화됨으로 상부 즉 방열부로 이동되고 상부로 이동된 증기(기체) 형태의 열매체는 응축되어 하부로 떨어질 때 상부의 방열부로 기화되는 열매체와 응축되어 하부의 입열부로 떨어지는 열매체간 충돌이 일어나 충돌되는 부분에 병목현상이 발생하게 되어 열교환이 이루어져야 하는데 기화된 열매체가 최상부까지 가지 못하고 일부가 응축된 열매체에 열을 전달하여 열전달 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 감안하여 안출한 것으로서 본 발명의 목적은 절연유에 의해 기화된 열매체와 상기 기화된 열매체를 변압기의 내부 온도로 간접가열하여 기체의 흐름을 용이하게 유지시키고 방열판에 의해 냉각되어 응축된 열매체가 서로 부딪히는 것을 방지하며, 또한 방열판에 의해 냉각되어 응축되는 응축구간을 다수개로 구획하여 방열 면적을 넓게 형성하도록 함으로서 열교환의 효율을 극대화하고, 이로 인해 변압기 내부의 온도 상승을 억제하여 변압기 폭발을 방지함으로써 안전사고 예방 등의 이점이 있는 변압기용 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적은 절연유와 트랜스가 내장되는 변압기케이스의 상부 뚜껑체에 방열핀을 통해 절연유의 방열작용이 이루어짐을 특징으로 하는 변압기의 냉각장치에 있어서,

방열플레이트에 다수로 구획된 냉각유로를 형성하되 상기 다수로 구획된 냉각유로에는 각각의 유입구와 배출구를 형성한 방열수단과;

상기 배출구 내측에 설치된 오리피스부재와;

단면형상이 직사각 형태로 이루어지면서 내부에 공간부를 구비한 몸체에 일체로 변압기 케이스의 측면에 걸려지는 날개판을 일체로 구비한 직간접가열판부와;

상기 직간접가열판부의 하측 끝단부에 충입된 열매체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 변압기용 냉각장치에 의하여 달성된다.

상기 직간접가열판부의 하측 끝단부에 충입된 열매체가 충입되어 절연유에 잠져진 부분은 직접가열부이고 절연유에 잠져지지 않고 변압기 내측 공간부로 들어나 절연유의 온도에 의해 가열되는 간접가부로 나누어지는 것을 특징으로 하는 변압기용 냉각장치에 의하여 달성된다.

상기 직간접가열판부가 방열수단보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 변압기용 냉각장치에 의하여 달성된다.

상기 직간접가열판부가 방열기 케이스의 곡률과 갖은 곡률을 구비하도록 형성된 것을 특징으로 하는 변압기용 냉각장치에 의하여 달성되며, 상기 열매체의 수면이 절연유의 수면보다 아래에 위치하도록 충입된 것을 특징으로 하는 변압기용 냉각장치에 의하여 달성된다.

이와 같은 본 발명은 절연유에 의해 기화된 열매체와 상기 기화된 열매체를 변압기의 내부 온도로 간접가열하여 기체의 흐름을 용이하게 유지시키고 방열판에 의해 냉각되어 응축된 열매체가 서로 부딪히는 것을 방지하며, 또한 방열판에 의해 냉각되어 응축되는 응축구간을 다수개로 구획하여 방열 면적을 넓게 형성하도록 함으로서 열교환의 효율을 극대화하고, 이로 인해 변압기 내부의 온도 상승을 억제하여 변압기 폭발을 방지함으로써 안전사고 예방 등의 효과가 있다.

도 1은 일반적인 변압기의 구조를 보여주는 사시도.
도 2는 종래 변압기용 냉각장치의 설치상태를 보여주는 단면도.
도 3a는 본 발명의 기술이 적용된 변압기용 냉각장치의 설치상태를 보여주는 사시도.
도 3b는 본 발명의 기술이 적용된 변압기용 냉각장치의 설치상태를 보여주는 단면도.
도 3c는 본 발명의 기술이 적용된 변압기용 냉각장치의 설치상태를 보여주는 평면도.
도 4a는 본 발명의 기술적 요지인 변압기용 냉각장치의 구조를 보여주는 사시도.
도 4b는 본 발명의 기술적 요지인 변압기용 냉각장치의 구조를 보여주는 단면도.
도 5는 본 발명인 변압기용 냉각장치를 사용했을 때 각 부위별 온도를 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 단면도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 3a는 본 발명의 기술이 적용된 변압기용 냉각장치의 설치상태를 보여주는 사시도이고 도 3b는 본 발명의 기술이 적용된 변압기용 냉각장치의 설치상태를 보여주는 단면도이며, 도 3c는 본 발명의 기술이 적용된 변압기용 냉각장치의 설치상태를 보여주는 평면도로서 이에 따르면 본 발명은 절연유(S)와 트랜스(T)가 내장되는 변압기케이스(C)의 측면에 부착된 냉각장치(10)를 통해 절연유(S)의 방열작용을 유도하여 변압기의 내부 온도를 냉각시킨다.

상기 본 발명의 기술이 적용된 냉각장치(10)는 첨부도면 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 방열플레이트(24)에 다수로 구획된 냉각유로(21)를 형성하되 상기 다수로 구획된 냉각유로(21)에는 각각의 유입구(22)와 배출구(23)를 형성한 방열수단(20)과 상기 배출구(23) 내측에 설치된 오리피스부재(30)와 단면형상이 직사각 형태로 이루어지면서 내부에 공간부를 구비한 몸체(41)에 일체로 변압기 케이스의 측면에 걸려지는 날개판(42)을 일체로 구비한 직간접가열판부(41a)와 상기 직간접가열판부(41a)의 하측 끝단부에 충입된 열매체(50)를 포함하여 이루어진 구조이다.

상기 직간접가열판부(41a)를 구체적으로 설명하면 하측 끝단부에 충입된 열매체(50)가 절연유(S)에 잠져진 부분은 직접가열부(41-1)이고 절연유(S)에 잠져지지 않고 변압기 내측 공간부로 들어나 절연유의 온도에 의해 가열되는 간접가부(41-2)로 나누어져 이루어진 구조이다.

한편 직간접가열판부(41a)가 방열수단(20)보다 크게 형성되는 것이 바람직하며, 상기 직간접가열판부(41a)가 방열기 케이스의 곡률과 갖은 곡률을 구비하도록 형성하는 것이 바람직하다.

상기에서와 같이 직간접가열판부(41a)가 방열기 케이스의 곡률과 갖은 곡률을 갖도록 하는 이유는 케이스의 내측에 안정성을 갖으면서 외측면에 날개판(42)이 밀착 설치되도록 하기 위함이다.

상기 열매체의 수면이 절연유(S)의 수면보다 아래에 위치하도록 충입시키는 것이 바람직하다. 그 이유는 고온을 형성하는 절연유(S)에 의해 열매체(50) 전체가 가열되도록 함으로서 열매체(50)의 기화가 용이하게 하기 위함이다.

예컨데 열매체(50)의 수면이 절연유(S)의 수면보다 높게 형성되어 있다면 절연유(S)의 수면을 기준으로 아래 방향의 열매체(50)는 가열되고 절연유(S)의 수면보다 높은 열매체(50)는 가열되지 않기 때문이다. 따라서 열매체(50) 중에 일부는 고온으로 직접 가열되고 열매체 일부는 절연유(S)에 의해 직접 가열되지 않은 문제점이 발생하기 때문이다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 작용 효과를 설명하면 변압기 사용으로 절연유(S)가 고온이 되면 절연유(S)의 수면 아래에 잠겨있는 직간접가열판부(41a)의 직접가열부(41-1)를 형성하는 충입된 열매체(50)가 가열되면서 일부가 기화된다.

한편 상기 충입된 열매체가 기화될 때 절연유(S)에 잠져있지 않은 부위 즉 변압기 내측 공간부로 들어나 절연유의 온도에 의해 직간접가열판부(41a)의 간접가부(41-2)도 가열된다.

상기 직접가열부(41-1)는 절연유(S)에 의해 직접 고온의 열이 전달되어 열매체(50)가 기화되는 부분이고, 열매체(50)가 기화됨으로 증기가 발생되는 부분이며 절연유(S)의 온도가 변압기의 내부 온도를 상승시키면서 간접적으로 전달되므로 간접가열부(41-2)에서는 공간이 가열되어 기화된 열매체 증기가 빠르게 상부방향으로 체류하지 않고 이동할 수 있도록 한다.

따라서 직접가열부(41-1)가 가열되면 첨부도면 도 4b에 도시된 빨간색 화살표와 같이 열매체(50)가 기화되어 간접가열부(41-2)의 공간으로 이동하게 되며, 상기 간접가열부(41-2)의 공간으로 기화되어 기체로 변한 열매체 증기는 간접가열부(41-2)를 따라 상방향으로 이동하게 되면서 방열플레이트(20)의 유입구(22)를 통해 다수로 구획된 냉각유로(21)로 각각 유입되며, 냉각유로(21)로 유입된 열매체 증기는 저온의 외부 공기에 의해 서서히 냉각(노란색 화살표 참조)되면서 응축이 이루어져 직간접가열판부(41a)의 직접가열부(41-1)로 리턴 되는 것(파란색 화살표 참조)이다.

이때 배출구(23) 내측에는 오리피스부재(30)가 설치되어 있기 때문에 상기 오리피스부재(30)에 의해 열매체가 기화된 기체와 저온으로 냉각 및 응축되는 기체의 흐름을 서서히 흐르도록 함과 압력을 생성시켜 열매체(50)가 기화 후 응축되었을 때 직간접가열판부(41a)의 직접가열부(41-1)로 용이하게 배출하도록 하기 위함이다.

한편 첨부도면 도 5에 도시된 바와 같이 절연유(S)가 50℃ 내외(빨간색 그래프선 참조)일 때 기화된 열매체 증기의 온도는 35 ~ 38℃를 나타냄(노란색 그래프선 참조)을 알 수 있으며, 오리피스부재(30)가 설치된 배출구(23) 내의 응축된 열매체의 온도는 시간이 경과함에 따라 냉각(파란색 그래프선 참조)되는 것을 살펴볼 수 있다.

따라서 본 발명인 냉각장치(10)를 사용할 경우 절연유(S)에 의해 기화된 열매체(7)와 방열플레이트에 의해 냉각되어 응축된 열매체가 서로 부딪히는 것을 방지하며, 또한 응축되는 면적을 넓게 형성하여 열교환의 효율을 극대화시킴으로서 변압기 내부의 온도 상승을 방지/억제하여 변압기 폭발을 방지함으로서 안전사고 예방 등의 효과를 얻을 수 있게 됨을 알 수 있다.

첨부도면 도 3c에 도시된 바와 같이 본 발명의 냉각장치는 변압기 케이스의 외주면에 일정한 간격으로 다수개 설치하여 냉각효율을 극대화할 수 있다. 상기와 같이 본 발명인 냉각장치(1)를 다수개 설치하면 냉각 효율을 극대화시킬 수 있으며, 첨부도면 도 6에 도시된 바와 같이 변압기케이스(C)의 내부에 내장되어 있는 트랜스(T)에 열전달수단(90)을 더 설치하여 상기한 트랜스(T)에서 발생된 열을 절연유(S)로 보다 빠르게 열교환시켜 절연유(S)를 고온으로 만들고 다시 본 발명인 냉각장치(1)를 이용하여 용이하게 냉각시킴으로서 냉각의 효율을 극대화할 수 있게 한다.

10 : 냉각장치 21 : 냉각유료
22 : 유입구 23 : 배출구
24 : 방열플레이트 30 : 오리피스부재
41 : 몸체 42 : 날개판
50 : 열매체

Claims (6)

1. 절연유와 트랜스가 내장되는 변압기케이스의 상부 뚜껑체에 방열핀을 통해 절연유의 방열작용이 이루어짐을 특징으로 하는 변압기의 냉각장치에 있어서,
   방열플레이트에 다수로 구획된 냉각유로를 형성하되 상기 다수로 구획된 냉각유로에는 각각의 유입구와 배출구를 형성한 방열수단과;
   상기 배출구 내측에 설치된 오리피스부재와;
   단면형상이 직사각 형태로 이루어지면서 내부에 공간부를 구비한 몸체에 일체로 변압기 케이스의 측면에 걸려지는 날개판을 일체로 구비한 직간접가열판부와;
   상기 직간접가열판부의 하측 끝단부에 충입된 열매체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 변압기용 냉각장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 직간접가열판부의 하측 끝단부에 충입된 열매체가 충입되어 절연유에 잠져진 부분은 직접가열부이고 절연유에 잠져지지 않고 변압기 내측 공간부로 들어나 절연유의 온도에 의해 가열되는 간접가부로 나누어지는 것을 특징으로 하는 변압기용 냉각장치
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 직간접가열판부가 방열수단보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 변압기용 냉각장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 직간접가열판부가 방열기 케이스의 곡률과 갖은 곡률을 구비하도록 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 변압기용 냉각장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 열매체의 수면이 절연유의 수면보다 아래에 위치하도록 충입된 것을 특징으로 하는 변압기용 냉각장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 변압기케이스의 내부에 내장되어 있는 트랜스에 열전달수단을 더 설치하여 이루어진 것을 특징으로 하는 변압기용 냉각장치.

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