KR102183465B1 - 회전기의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 냉각핀의 열전달율을 향상시킴으로써 회전기의 온도 상승을 저감시킬 수 있는 회전기의 냉각장치에 관한 것으로, 이는 하우징, 및 상기 하우징의 외주면에 돌출되게 설치되는 복수의 냉각핀을 포함하고, 상기 복수의 냉각핀은 상기 하우징의 외주면에 대해 경사지게 배치되어 있다.

Description

회전기의 냉각장치 {COOLING APPARATUS OF ROTATING MACHINE}

본 발명은 회전기의 온도 상승을 저감시킬 수 있는 회전기의 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로, 회전기는 바깥의 대략 원통 모양의 고정자와 그 안쪽에서 회전하는 회전자로 구성되어 있으며, 고정자와 회전자는 소정의 간극을 두고 서로 분리되어 있다.

예를 들어, 고정자 또는 회전자는 각각의 코어와, 자속을 발생시키는 코일, 그리고 절연물을 포함할 수 있다. 회전자는 베어링에 의해 지지되고 회전축에 연결됨으로써, 이 회전축을 통해 전동기인 경우에는 토크를 전달하고 발전기인 경우에는 전압을 발생시킬 수 있다.

이러한 회전기는 작동 중에 코일의 저항이나 와전류, 철의 히스테리시스 또는 마찰 등에 의해서 열이 발생하고, 발생된 열이 충분히 배출되지 못할 경우에는 열적 부하에 의해 회전기의 성능과 출력이 저하되게 된다.

이를 해결하기 위해 회전기를 구성하는 하우징의 외면에, 대략 하우징의 축방향 길이 전체에 걸쳐 연장하는 복수의 냉각핀(cooling fin)을 장착하고 있다. 이와 같이 길게 형성된 냉각핀의 표면으로부터 대기로 열전달이 이루어지고, 이에 따라 회전기의 냉각이 이루어질 수 있다.

그러나 전술한 냉각 방식은 동일한 하우징의 크기에서 회전기의 출력을 증가시킬 경우에, 설령 냉각핀의 치수나 간격 등을 변경시키더라도 냉각능의 한계로 인하여 고정자의 절연 특성이 저하될 뿐만 아니라 심하면 파손으로 이어질 수 있는 문제가 있다.

(특허문헌 1) KR 2018-0001276 A

이에 본 발명은, 냉각핀의 열전달율을 향상시킴으로써 회전기의 온도 상승을 저감시킬 수 있는 회전기의 냉각장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전기의 냉각장치는, 하우징, 및 상기 하우징의 외주면에 돌출되게 설치되는 복수의 냉각핀을 포함하고, 상기 복수의 냉각핀은 상기 하우징의 외주면에 대해 상기 하우징의 축방향으로 경사지게 배치되며, 각 냉각핀은 유체의 유동방향에 따라 유체의 유입부 측에서부터 유출부 측으로 높이가 높아지는 방향으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 대류에 의한 열전달이 원활히 이루어질 수 있어 회전기의 온도 상승을 저감하는 냉각 성능이 대폭 향상될 수 있는 효과를 얻게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기의 냉각장치가 적용된 예를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복수의 냉각핀을 확대하여 도시한 사시도이다.
도 3은 냉각핀의 설계 변수를 설명하기 위한 부분 확대도이다.
도 4는 냉각핀의 경사각에 따른 유동 분포의 변화를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기의 냉각장치가 적용된 예를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 복수의 냉각핀을 확대하여 도시한 사시도이며, 도 3은 냉각핀의 설계 변수를 설명하기 위한 부분 확대도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기의 냉각장치는, 하우징(10), 및 이 하우징의 외주면에 돌출되게 설치되는 복수의 냉각핀(20)을 포함하고, 복수의 냉각핀은 하우징의 외주면에 대해 경사지게 배치되어 있다.

하우징(10)은 예를 들어 회전축(11), 이 회전축에 연결되어 회전하는 회전자(미도시), 및 이 회전자에 대향되게 위치하여 하우징의 내주면에 고정된 고정자(미도시)를 수용하고 지지할 수 있다. 이러한 하우징은 대략 원통형 부재로서, 주철 등과 같은 금속으로 만들어질 수 있다.

하우징(10) 내에 수용되는 회전축(11), 회전자, 고정자 등과 같은 구성요소는, 예컨대 전동기나 발전기 등으로 사용될 수 있는 회전기에서 이미 널리 알려진 사항이므로, 그 구성 및 작동에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

복수의 냉각핀(20)은 하우징(10)의 외주면에 마련되는 것으로, 하우징의 외주면에서 바깥을 향해 방사상으로 돌출 및 연장하여 형성된 것이다.

이들 냉각핀(20)은 주조와 같은 방법에 의해 하우징(10)과 일체로 성형되어 하우징에 설치될 수 있다. 하지만, 냉각핀의 설치방법은 반드시 이에 한정되지 않으며, 다른 임의의 방법으로 설치될 수 있음은 물론이다.

또한, 복수의 냉각핀(20)이 하우징(10)과 일체로 성형됨으로써, 냉각핀은 하우징과 동일한 주철 등의 금속 재질로 만들어질 수 있다. 다른 방법으로 하우징에 냉각핀을 설치하는 경우에는, 주철 외에 예컨대 구리, 알루미늄 등과 같이 열전도성이 우수한 재질이 채용될 수도 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 각 냉각핀(20)은 대략 직사각형 단면의 얇은 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 하지만, 냉각핀의 단면 형상은 반드시 이에 한정되지 않으며, 냉각핀은 예를 들어 원형, 타원형, 다각형 등과 같이 다른 임의의 단면 형상으로 형성될 수 있다.

이러한 복수의 냉각핀(20)은 하우징(10)의 외주면에서 대략 격자 형태로 배열될 수 있다.

우선, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 냉각핀(20)이 서로 소정의 간격을 두고 1열로 정렬될 수 있다. 이러한 1열을 냉각핀열(21)이라 하며, 각 냉각핀열은 대략 하우징의 축방향 길이 전체로 위치할 수 있다.

여기서, 도 2 및 도 3을 참조하여, 하우징(10)의 표면에서 냉각핀(20)의 단부까지 직각방향(하우징의 방사상)의 거리를 냉각핀의 높이(H)라 하고, 하우징의 축방향으로 연장한 냉각핀의 길이를 폭(W)이라 하며, 하우징의 원주방향으로 연장한 냉각핀의 길이를 두께(T)라 칭한다. 원형 단면인 경우에는 폭과 두께가 동일하므로 통칭하여 직경이라 할 수 있다.

도 2에는 복수의 냉각핀(20)이 그 폭방향을 따라 1열로 정렬된 예가 나타나 있다. 이는 회전기의 외부 표면으로 유동되는 유체의 유동방향을 고려한 것으로, 유동방향이 상이한 경우에는 복수의 냉각핀이 예를 들어 두께방향을 따라 하우징의 축방향으로 정렬될 수 있다.

이어서, 복수의 냉각핀(20)이 하우징(10)의 축방향을 따라 직렬로 배열된 복수의 냉각핀열(21)이 하우징의 원주방향으로 소정의 거리를 두고 배치될 수 있다. 이와 같이 냉각핀열(21)이 배열되어 인접한 냉각핀열과 냉각핀열 사이에 공간(22)이 형성되게 된다.

이러한 공간(22)에는 유체, 즉 강제로 유입된 공기나 대기가 흐르면서 주위의 냉각핀(20)으로부터 열을 전달받을 수 있다.

여기서, 하우징(10)의 축방향으로 이격된 냉각핀(20)들 사이의 거리를 간격(S)이라 하고, 냉각핀들의 열과 열 사이의 거리는 공간(22)의 폭이라 칭한다.

이와 같이, 하우징(10)의 외주면에 형성된 복수의 냉각핀(20)은 하우징의 축방향으로 소정의 간격을 두고 배열되어 냉각핀열(21)을 형성하고, 복수의 냉각핀열은 하우징의 원주방향으로 소정의 공간(22)의 폭만큼 이격되어 대략 격자 형태의 냉각핀 배열이 이루어질 수 있게 되는 것이다.

하지만, 냉각핀의 배열 형태는 반드시 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 이웃한 냉각핀열(21)의 냉각핀(20)끼리는 서로 겹치지 않고 지그재그로 배열되도록 냉각핀열이 배치되어, 유체가 냉각핀에 의해 저항을 받지 않으면서도 냉각핀의 보다 다양한 영역과 접촉하도록 하여도 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전기의 냉각장치는, 복수의 냉각핀(20)이 하우징(10)의 외주면에 대해 경사지게 배치된 것을 주요 특징으로 한다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 냉각핀(20)은 유체의 유동방향에 따라 유체의 유입부 측에서부터 유출부 측으로 점점 높이가 높아지는 방향으로 경사지게 형성된다. 이에 따라, 회전기의 하우징(10)에서 발생되는 열을 냉각핀을 통해 유체와 접촉시켜 제거하면서도 유체의 흐름에 방해가 되지 않는다.

또한, 이러한 경사진 배치에 따라, 회전기의 하우징(10)이 보다 효과적으로 냉각되기 위한 냉각핀(20)의 높이(H)와 폭(W), 냉각핀들 사이의 간격(S) 등과 같은 치수가 특정하게 결정될 수 있다.

예를 들어, 냉각핀(20)의 높이(H)에 대한 폭(W)의 비(W/H)는 0을 초과하고 0.5 미만인 것이 바람직하며, 냉각핀의 폭(W)에 대한 냉각핀들의 간격(S)의 비(S/W)는 0을 초과하고 1 이하인 것이 바람직하다.

이러한 냉각핀(20)의 크기와 냉각핀들 사이의 간격은 설계 조건이나 환경에 따라 변경될 수 있음은 당연하다.

특히, 냉각핀(20)의 경사각(θ)에 따라 온도 분포와 유동 분포가 변화될 수 있는데, 이에 대한 시뮬레이션 해석의 결과가 표 1과 도 4에 나타나 있다.

경사각(도)	30	45	60	90
평균 상승 온도차 (K)	27.84	25.69	27.38	34.50

냉각핀(20)의 경사각(θ)에 따른 온도 분포를 살펴보면, 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이 냉각핀의 경사각이 30 내지 60도의 범위에 있을 때, 대기 온도(300K)를 기준으로 25 내지 28도만큼 냉각핀에서의 온도가 상승하지만, 냉각핀이 경사지지 않은, 즉 90도인 경우에는 최대 거의 10도 정도 더 높은 온도로 냉각핀이 상승함을 확인할 수 있었다.

이에 따라, 냉각핀(20)의 경사각(θ)은 45도인 것이 가장 바람직하며, 이 경우에 온도의 상승이 최대로 억제되면서 가장 최대의 냉각 효과가 발휘됨을 알 수 있다.

이러한 온도 분포와 더불어, 냉각핀(20)의 경사각(θ)에 따른 유동 분포를 살펴보면, 도 4의 (a)는 냉각핀의 경사각이 90도인 경우로서, 유동이 냉각핀열 사이의 공간을 통과하면서 점차 상승하여 유출부 측에서는 냉각핀의 높이 밖으로 향하고 있다.

반면에, 도 4의 (b)는 냉각핀(20)의 경사각(θ)이 45도인 경우로서, 복수의 냉각핀이 경사지게 배치되면 유동이 냉각핀열(21) 사이의 공간(22)을 통과하면서 냉각핀의 높이 밖으로 향하는 것이 억제되어 회전기의 표면, 다시 말해 하우징(10)의 표면을 냉각하는 유동량이 증가됨을 확인할 수 있었다.

이로써. 경사지지 않은 경우보다 냉각핀(20)은 경사지게 배치된 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 냉각핀의 경사각(θ)이 30 내지 60도의 범위 내에 있는 경우, 가장 바람직하기로는 냉각핀의 경사각이 45도인 경우이며, 그 결과 냉각하는 유동량이 증가되면서 월등한 냉각 효과가 이루어질 수 있을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 종래의 길게 연장하여 형성된 냉각핀보다 회전기의 하우징의 평균 온도 상승을 저감시킬 수 있다.

본 발명에 따른 회전기의 냉각장치에서는 하우징의 외주면에 복수의 냉각핀열을 배치함으로써, 종래에 비하여 방열 면적은 감소하지만 난류 유동의 생성으로 인하여 회전기의 하우징의 표면에서 그 대류 열전달 계수를 약 33% 정도 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 회전기의 냉각장치에서는 복수의 냉각핀을 하우징의 외주면에 대해 경사지게 배치함으로써, 표면 밖으로 향하는 유동을 억제하면서 표면을 냉각하는 유동량을 증가시켜, 하우징의 평균 표면 온도는 약 16% 정도 감소시킬 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 하우징 11: 회전축
20: 냉각핀 21: 냉각핀열
22: 공간
H: 높이 W: 폭
T: 두께 S: 간격
θ: 경사각

Claims (7)

1. 하우징, 및
   상기 하우징의 외주면에 돌출되게 설치되는 복수의 냉각핀
   을 포함하고,
   상기 복수의 냉각핀은 상기 하우징의 외주면에 대해 상기 하우징의 축방향으로 경사지게 배치되며,
   각 냉각핀은 유체의 유동방향에 따라 유체의 유입부 측에서부터 유출부 측으로 높이가 높아지는 방향으로 경사지게 형성된, 회전기의 냉각장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 냉각핀의 경사각은 30 내지 60도의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 회전기의 냉각장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 냉각핀은 원형, 타원형, 다각형 중 하나의 단면을 가진 기둥 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 회전기의 냉각장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   복수의 상기 냉각핀은 상기 하우징의 축방향으로 소정의 간격을 두고 1열로 정렬되어 냉각핀열을 형성하고,
   복수의 상기 냉각핀열은 상기 하우징의 원주방향으로 소정의 거리만큼 이격되어 배열된 것을 특징으로 하는 회전기의 냉각장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 냉각핀의 높이에 대한 폭의 비는 0을 초과하고 0.5 미만이며,
   상기 냉각핀의 폭에 대한 냉각핀들의 간격의 비는 0을 초과하고 1 이하인 것을 특징으로 하는 회전기의 냉각장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   복수의 상기 냉각핀은 상기 하우징과 일체로 성형되는 것을 특징으로 하는 회전기의 냉각장치.
   

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