KR101384569B1 - 공냉식 방열기를 가진 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공냉식 방열기를 가지는 변압기에 관한 것이다. 본 발명에서 변압기 본체(10)의 외관을 외함(12)이 형성한다. 상기 외함(12)의 내부에서 발생하는 열을 절연유가 방열기(14)를 통과하면서 배출하도록 한다. 상기 방열기(14)에는 상하부 헤더파이프(16,16') 사이에 연결되게 방열판(18)이 설치되는데, 상기 방열판(18)의 내부에는 내부유로(24)가 형성되어 절연유가 내부를 따라 유동하고, 인접하는 방열판(18)의 외면 사이에는 공기유로(26)가 형성된다. 상기 공기유로(26)로는 팬(30)이 가압하여 전달한 공기가 유동된다. 상기 공기유로(26)는 인접하는 방열판(18)의 열 사이에서는 서로 어긋나게 형성된다. 상기 방열판(18)의 내부유로(24)의 내면에서 돌출되어 돌기(20',22')들이 돌출되는데, 상기 돌기(20',22')들은 서로 마주보는 내면에 있는 것들이 서로 어긋나게 형성된다. 본 발명에 의하면 방열기(14)에서의 열방출성능이 향상되어 변압기의 동작특성이 좋아지는 이점이 있다.

Description

공냉식 방열기를 가진 변압기{Transformer having air cooling type radiator}

본 발명은 공냉식 방열기를 가진 변압기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변압기에서 발생하는 열을 외부로 효율적으로 배출하기 위해 방열판의 배치를 비대칭으로 하고 방열판의 내부와 외부에 유체의 유동을 제어하는 돌기를 형성한 공냉식 방열기를 가진 변압기에 관한 것이다.

변압기는 주로 전압을 높이거나 낮추는 역할을 하는 것으로, 전력계통의 중요한 구성요소가 된다. 이와 같은 변압기는 전력의 안정된 공급을 위해 그 역할이 매우 중요하다. 변압기에서 전압을 변환시킬 때, 전류의 자기작용으로 인해 열이 발생하고, 이 열로 인해 변압기의 외함 내부에 있는 절연유의 온도상승이 발생한다.

상기 절연유의 온도상승이 발생하면 변압기의 내부 압력도 함께 상승하게 되어, 과열 및 압력상승으로 인해 변압기의 폭발사고를 유발시키고, 절연유가 열화되어 절연손상이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 변압기의 외부에 방열기를 설치하여 변압기 내부에서 발생되어 절연유로 전달된 열을 방열기를 통해 배출한다. 즉, 상기 절연유를 상기 방열기로 보내 외부로 열을 배출시키고, 온도가 낮아진 절연유는 다시 변압기의 내부로 보내 사용하는 것이다.

도 1에는 일반적으로 사용되는 변압기의 구성이 개시되어 있다. 이에 따르면, 변압기본체(1)의 외관을 외함(3)이 구성하는데, 상기 외함(3)의 내부에는 코어에 코일이 권선되어 변압을 할 수 있도록 되어 있고, 상기 외함(3)에는 절연유가 채워져 있다.

상기 변압기본체(1)에서 발생한 열을 외부로 방출하기 위해 방열기(5)가 상기 변압기본체(1) 외부 일측에 연결되어 있다. 상기 방열기(5)로는 상기 외함(3) 내부의 절연유가 유동되어 외부로 열을 배출하게 된다.

상기 방열기(5)에는 상기 변압기본체(1)의 상부를 통해 외함(3)의 내부와 연통되는 상부헤더파이프(7)가 있고, 상기 변압기본체(1)의 하부를 통해 외함(3)의 내부와 연통되는 하부헤더파이프(7')가 있다. 이들 헤더파이프(7,7')의 사이에는 다수개의 방열판(9)이 설치된다. 상기 방열판(9)은 두 개의 패널이 내부에 절연유가 유동되는 공간을 형성하도록 결합되어 구성되는 것이다. 상기 방열판(9)의 상부는 상기 상부헤더파이프(7)에 연결되고, 상기 방열판(9)의 하부는 상기 하부헤더파이프(7')에 연결된다.

상기 상부헤더파이프(7)를 통해서는 상기 외함(3)에서부터 절연유가 공급되고, 상기 상부헤더파이프(7)에서 상기 방열판(9)의 내부로 절연유가 공급되어 상기 방열판(9)에서 외부로 열이 방출된다. 상기 방열판(9)을 통과한 절연유는 상기 하부헤더파이프(7')를 통해 다시 상기 외함(3)으로 전달되어 절연작용을 수행한다.

그러나 상기한 바와 같은 구성을 가지는 종래 기술에 의한 변압기에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

상기 방열기(5)에서는 절연유의 열을 효과적으로 외부로 배출할 수 있도록 되어야 한다. 하지만, 상기 방열판(9)의 내부를 통해 흐르는 절연유는 상기 방열판(9)의 내부공간에서 일정한 흐름을 가지므로 상대적으로 상기 방열판(9)으로의 열전달효율이 떨어지는 문제점이 있다.

그리고, 상기 방열판(9)은 다수개가 상기 상,하부헤더파이프(7,7')에 열을 지어 설치되고, 이와 같은 상,하부헤더파이프(7,7')와 열을 지어 있는 방열판(9)의 세트는 다수개가 인접하여 설치되어 있다. 따라서, 상기 상,하부헤더파이프(7,7')와 다수개의 방열판의 세트들 사이에서는 공기의 유동이 원활하지 못해 방열작용이 상대적으로 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 상기 방열판들 사이를 통해 공기가 유동되어야 하는데, 도시된 바와 같이 상기 방열판의 외면은 평면으로 매끈하게 되어 있어 이들 사이를 통한 공기의 흐름이 대략 층류를 형성하여 열교환효율이 떨어지는 문제점도 있다.

대한민국 등록특허 10-0773027

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 변압기에 구비되는 방열기에서 방열판의 내부를 유동하는 절연유가 난류를 형성할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 변압기에 구비되는 방열기에서 방열판 사이를 유동하는 공기가 난류를 형성할 수 있도록 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 외함이 외관을 구성하고 상기 외함의 내부에 절연유가 채워지고 변압을 수행하는 변압기본체와, 상기 변압기본체의 외부 일측에 설치되는 것으로 다수개의 방열판이 열을 지어 설치되고 상기 방열판의 사이에는 공기유로가 형성되고 상기 절연유가 내부를 통과하면서 외부와의 열교환을 수행하는 방열기를 포함하고, 상기 방열판의 열은 다수개가 구비되는데, 인접하는 상기 방열판의 열에서 상기 방열판이 서로 어긋나게 배치되어 상기 공기유로를 유동하는 공기가 인접한 방열판 열의 방열판의 단부에 부딪히도록 구성되고, 상기 방열판을 구성하는 서로 마주보는 제1패널과 제2패널의 사이에는 내부유로가 형성되고 상기 제1패널과 제2패널에서 상기 내부유로로 돌출되게 돌기가 형성되는데, 상기 제1패널과 제2패널의 돌기가 서로 어긋나게 돌출되며 상기 돌기의 형성에 의해 상기 방열판의 외면에는 난류형성홈이 형성되는 공냉식 방열기를 가진다.

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인접하여 열을 이루는 방열판의 외면에는 서로 어긋나게 상기 난류형성홈이 형성된다.

상기 방열기의 일측에는 상기 방열판의 사이에 형성되는 공기유로를 통과하도록 공기를 가압하여 전달하는 팬이 더 구비된다.

상기 돌기는 반구형, 그 횡단면이 다각형 또는 돌기의 횡단면이 비대칭형 중 어느 하나로 된다.

상기 돌기는 상기 방열판의 제1패널과 제2패널에 배치되는데, 상기 제1패널의 돌기와 제2패널의 돌기가 같은 열에 교대로 배치되거나 다른 열에 있으면서 교대로 배치된다.

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본 발명에 의한 공냉식 방열기를 가진 변압기에서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

먼저, 본 발명에서 사용되는 방열기의 방열판 내부에는 제1 및 제2 패널에 서로 어긋나게 돌기가 형성되어 있어, 상기 방열판의 내부에서 절연유가 유동될 때 난류가 발생하도록 된다. 따라서, 상기 절연유로부터 상기 방열판으로의 열전달이 효율적으로 일어나게 되어 방열기의 열방출성능 향상에 따른 변압기의 성능향상효과를 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명에서는 방열판의 외면에 각각의 패널에 의해 방열판의 내부로 돌출되는 돌기에 의해 형성되는 난류홈들이 서로 마주보는 방열판에 대해 교대로 형성되어 있어 상기 방열판 사이를 통과하는 공기가 난류를 형성하게 된다. 따라서, 상기 방열판에서부터 외부로의 열전달이 효율적으로 일어나게 되어 방열기의 열방출성능이 높아지면서 변압기의 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

다음으로, 본 발명에서는 방열판의 열들을 배치함에 있어서, 인접한 방열판의 열에서 방열판들이 서로 교대로 위치되도록 하였다. 따라서, 방열판들의 사이로 통과하는 공기들이 방열판에 부딪치면서 난류를 형성하게 되어 방열판에서부터 외부로의 열전달 효율을 높일 수 있어 변압기의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 방열기를 가진 변압기의 구성을 보인 개략 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 공냉식 방열기를 가진 변압기의 바람직한 실시예의 구성을 보인 사시도.
도 3은 본 발명 실시예의 구성을 보인 개략평면도.
도 4는 본 발명 실시예의 방열판을 구성하는 제1패널과 제2패널의 구성을 보인 평면도.
도 5는 본 발명 실시예의 방열판의 내부 구성을 보인 횡단면도.
도 6은 본 발명 실시예에서 방열판의 열 사이에서의 공기유동을 보인 동작상태도.

이하 본 발명에 의한 공냉식 방열기를 가진 변압기의 바람직한 실시예의 구성을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도면들에 도시된 바에 따르면, 변압기의 변압기본체(10) 외관을 외함(12)이 형성한다. 상기 외함(12)은 대략 육면체 형상으로 되는데, 내부에는 코어에 코일이 권선되어 설치되고, 상기 외함(12)의 내부에는 절연유가 채워져 있다. 상기 외함(12) 내부에 구비되는 구성에 대해서는 본 발명의 요지가 아니므로 더 이상의 설명을 생략한다.

상기 변압기본체(10)의 외부에는 방열기(14)가 설치된다. 상기 방열기(14)는 상기 외함(12) 내부에 있는 상기 코일을 흐르는 전류에 의한 자기작용에 의해 발생된 열을 외부로 방출하기 위한 것이다.

상기 방열기(14)에는 상기 외함(12)의 상단과 연결되어 상기 외함(12)으로부터 절연유를 전달받는 상부헤더파이프(16)와 상기 외함(12)의 하단과 연결되어 상기 외함(12)으로 절연유를 전달하는 하부헤더파이프(16')가 있다.

상기 상부헤더파이프(16)와 하부헤더파이프(16')의 사이에는 방열판(18)이 설치된다. 상기 방열판(18)은 제1패널(20)과 제2패널(22)을 서로 결합하여 내부에 내부유로(24)를 형성한 것이다. 상기 내부유로(24)를 통해 절연유가 상기 상부헤더파이프(16)에서 상기 하부헤더파이프(16')로 유동하면서 열교환이 일어나는 것이다. 여기서, 상기 방열판(18)이 반드시 제1패널(20)과 제2패널(22)로만 형성되는 것은 아니다. 더 많은 수의 패널이 있을 수도 있고, 패널(20,22)의 사이를 연결하는 별도의 부재가 있을 수도 있다.

상기 제1패널(20)과 제2패널(22)에는 각각 상기 내부유로(24)를 향해 돌출되게 반구형의 돌기(20',22')가 형성된다. 상기 돌기(20',22')는 상기 제1패널(20)과 제2패널(22)의 것이 서로 어긋나게 형성되어 있다. 이와 같이 돌기(20',22')가 어긋나게 형성됨에 의해 내부유로(24)를 흐르는 절연유가 분배되어 유동되면서 층류가 아닌 난류를 형성할 수 있게 된다. 본 실시예에서는 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 제1패널(20)에는 용접부(21)의 사이에 3개씩의 돌기(20')가 형성되어 있고, 제2패널(22)에는 용접부(23)의 사이에 4개씩의 돌기(22')가 형성되어 있다. 따라서, 이들 돌기(20',22')들은 상기 제1패널(20)과 제2패널(22)이 서로 마주보게 결합되었을 때, 서로 어긋난 위치에 교대로 위치하게 된다. 이와 같은 돌기(20'22')의 배치는 내부유로(24)에서 난류가 발생하도록 한다.

한편, 상기 방열판(18)들은 상기 상부헤더파이프(16) 및 하부헤더파이프(16')의 사이에 각각 소정의 간격을 두고 열을 지어 배치되어 있다. 이들 방열판(18) 사이를 통해 공기가 유동되는 유로를 공기유로(26)라고 한다. 상기 공기유로(26)를 통해서는 자연적으로 외부공기가 흐르거나, 아래에서 설명될 팬(30)에 의해 가압된 공기가 유동된다.

상기 공기유로(26)는 상기 방열판(18)의 외면들 사이에 형성되는데, 상기 방열판(18)의 외면에는 상기 돌기(20',22')들을 형성함에 의해 난류형성홈(28)이 형성된다. 상기 난류형성홈(28)은 상기 방열판(18)을 구성하는 제1 및 제2패널(20,22)의 외면에 오목하게 형성된다. 상기 난류형성홈(28)은 인접하는 방열판(18)의 외면에 있는 것이 서로 어긋나게 교대로 형성되어 있다.

상기 난류형성홈(28)은 상기 공기유로(26)를 유동하는 공기가 들어가서 그 내면을 따라 유동됨에 의해 난류가 발생하도록 한다. 이와 같이 난류가 발생함에 의해 상기 공기유로(26)를 유동하는 공기와 상기 방열판(18) 사이에서 열교환이 원활하게 이루어지게 된다.

한편, 상기 방열판(18)들은 상기 상부헤더파이프(16)와 하부헤더파이프(16') 사이에 열을 지어 설치되는데, 인접하여 설치되는 다른 열의 방열판(18)들과 비교할 때, 다른 열에 있는 방열판(18)과 설치위치가 일치하지 않도록 한다. 즉, 인접하여 설치되는 다른 열의 방열판(18)들은 서로 교대로 배치된다. 이는 도 2에 잘 도시되어 있다. 이와 같이 인접하는 다른 열의 방열판(18)들이 서로 교대로 배치됨에 의해 일측 방열판(18)의 열을 통과한 공기가 다른 방열판(18)의 열을 통과하면서는 방열판(18)에 부딪치면서 난류가 형성된다.

상기 방열기(14)의 일측에는 팬(30)이 설치된다. 상기 팬(30)은 상기 방열판(18)의 열을 횡으로 통과하도록 공기를 유동시킨다. 따라서, 상기 팬(30)에 의해 형성되는 기류는 상기 공기유로(26)를 통과하게 된다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 공냉식 방열기를 가진 변압기가 사용되는 것을 상세하게 설명한다.

변압기가 동작되는 과정에서 발생되는 열은 상기 외함(12)의 내부에서 절연유로 전달된다. 상기 절연유는 온도가 올라가면서 밀도가 낮아지면 상기 외함(12)의 상부로 이동하게 되고, 상기 외함(12)의 상부에서 상기 상부헤더파이프(16)로 전달된다.

상기 상부헤더파이프(16)를 절연유가 통과하면서 열을 지어 설치되어 있는 방열판(18)들로 나누어져 전달된다. 상기 각각의 방열판(18)들로 전달된 절연유는 상기 내부유로(24)를 따라 유동된다. 이때, 상기 내부유로(24)에서는 절연유가 유동될 때, 상기 돌기(20',22')들에 의해 난류가 발생된다. 즉, 절연유가 상기 돌기(20',22')를 만나게 되면 그 표면을 따라 나누어져 전체 내부유로(24)의 유동단면적을 따라 유동되도록 한다.

그리고, 이와 같이 돌기(20',22')들에 의해 전체적으로 분배되어 유동되는 절연유는 제1패널(20)의 것과 제2패널(22)의 것이 서로 어긋나게 되어 있으므로, 돌기(20',22')에 의한 절연유의 분배에 더해 제1패널(20)과 제2패널(22) 측에서의 서로 다른 흐름에 의해 난류를 발생하게 된다. 이와 같은 유동이 상기 돌기(20',22')들을 통과하면서 계속하여 만들어지면서 절연유에서 상기 방열판(18)의 패널(20,22)로 열이 전달된다.

한편, 상기 팬(30)이 동작되면서 공기를 가압하여 상기 방열판(18)의 열 사이에 형성된 공기유로(26)로 공기를 유동시킨다. 상기 공기가 상기 공기유로(26)를 통과하면서 상기 방열판(18)의 패널(20,22)들과 접촉되어 열을 전달받게 된다.

이때, 상기 공기유로(26)를 유동하는 공기는 상기 방열판(18)의 패널(20,22)에 형성된 난류형성홈(28)에 들어가게 된다. 상기 난류형성홈(28)은 상기 돌기(20',22')를 형성함에 의해 만들어지는 것으로 상기 패널(20,22)의 외면에 오목하게 반구형으로 들어가게 만들어진다. 따라서, 상기 난류형성홈(28)의 내부에 공기가 들어갔다 나오는 과정에서 난류가 만들어진다. 이와 같이 됨에 의해 상기 공기유로(26)를 따라 유동하는 공기에 난류가 발생하게 되어 상기 방열판(18)과 공기 사이의 열전달이 효과적으로 일어나게 된다.

그리고, 상기 방열기(14)에는 다수개의 방열판(18)의 열이 있는데, 이들 방열판(18)의 열들은 인접하는 열끼리 서로의 공기유로(26)가 어긋나게 형성되어 있다. 따라서, 하나의 방열기(14)의 열을 통과한 공기는 인접한 다음의 열에서는 방열판(18)에 부딪히게 된다. 이와 같은 동작은 도 6에 잘 도시되어 있다.

이와 같은 동작에 의해 상기 공기유로(26)를 흐르는 공기는 인접한 열의 방열판(18)에 부딪히면서 난류를 형성하게 되어 공기가 계속하여 섞이면서 보다 열교환이 원활하게 일어나는 것이다.

한편, 상기 방열판(18)의 내부유로(24)를 통과한 절연유는 상기 하부헤더파이프(16')를 통해 상기 외함(12)의 내부로 다시 들어간다. 이때, 상기 하부헤더파이프(16')로 전달된 절연유는 상기 방열판(18)을 통과하면서 열을 방출하여 온도가 낮아진 상태가 된다.

이 온도가 낮아진 절연유는 상기 외함(12)의 내부에서 발생하는 열을 다시 받아서 위에서 설명된 과정을 반복하면서 열을 방열기(14)를 통해 외부로 계속하여 배출하게 된다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

예를 들면, 도시된 실시예에서는 상기 돌기(20',22')를 반구형으로 만들었으나, 이는 다양한 형상으로 만들 수 있다. 예를 들면, 횡단면이 사각, 오각 등 다각형이 되거나 횡단면의 형상이 비대칭인 형상으로 될 수도 있다.

그리고, 본 발명에서는 예를 들면 인접한 열의 방열판(18) 사이가 어긋나게 배치된 것만으로 방열판(18)에서 방열을 촉진시킬 수 있다. 따라서, 반드시, 상기 방열판(18) 내부의 돌기(20',22')나 외부의 난류형성홈(28)이 동시에 구비되어야 하는 것은 아니다. 물론, 상기 돌기(20',22')나 난류형성홈(28)만의 구성으로도 충분히 방열기(14)의 성능을 향상시킬 수 있다.

그리고, 상기 돌기(20',22')가 서로 어긋나게 위치되는 것은, 예를 들어 제1패널(20)과 제2패널(22')의 돌기(20',22)들이 일렬로 배치되면서 교대로 있거나 서로 다른 열을 형성하면서 교대로 있을 수 있다.

10: 변압기본체 12: 외함
14: 방열기 16: 상부헤더파이프
16': 하부헤더파이프 18: 방열판
20: 제1패널 20': 돌기
22: 제2패널 22': 돌기
24: 내부유로 26: 공기유로
28: 난류형성홈 30: 팬

Claims (11)

1. 외함이 외관을 구성하고 상기 외함의 내부에 절연유가 채워지고 변압을 수행하는 변압기본체와,
   상기 변압기본체의 외부 일측에 설치되는 것으로 다수개의 방열판이 열을 지어 설치되고 상기 방열판의 사이에는 공기유로가 형성되고 상기 절연유가 내부를 통과하면서 외부와의 열교환을 수행하는 방열기를 포함하고,
   상기 방열판의 열은 다수개가 구비되는데, 인접하는 상기 방열판의 열에서 상기 방열판이 서로 어긋나게 배치되어 상기 공기유로를 유동하는 공기가 인접한 방열판 열의 방열판의 단부에 부딪히도록 구성되고,
   상기 방열판을 구성하는 서로 마주보는 제1패널과 제2패널의 사이에는 내부유로가 형성되고 상기 제1패널과 제2패널에서 상기 내부유로로 돌출되게 돌기가 형성되는데, 상기 제1패널과 제2패널의 돌기가 서로 어긋나게 돌출되며 상기 돌기의 형성에 의해 상기 방열판의 외면에는 난류형성홈이 형성되는 공냉식 방열기를 가지는 변압기.
   
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3. 제 1 항에 있어서, 인접하여 열을 이루는 방열판의 외면에는 서로 어긋나게 상기 난류형성홈이 형성되는 공냉식 방열기를 가지는 변압기.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 방열기의 일측에는 상기 방열판의 사이에 형성되는 공기유로를 통과하도록 공기를 가압하여 전달하는 팬이 더 구비되는 공냉식 방열기를 가지는 변압기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 돌기는 반구형, 그 횡단면이 다각형 또는 돌기의 횡단면이 비대칭형 중 어느 하나로 되는 공냉식 방열기를 가지는 변압기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 돌기는 상기 방열판의 제1패널과 제2패널에 배치되는데, 상기 제1패널의 돌기와 제2패널의 돌기가 같은 열에 교대로 배치되거나 다른 열에 있으면서 교대로 배치되는 공냉식 방열기를 가지는 변압기.
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