KR20080003117U - 점도가 작은 유체에 의한 접촉식 라디에이터 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 변압기, 리액터, GIS(Gas Insulated Switchgear), 컴퓨터, 통신기기 등의 열이 발생하여 냉각이 필요한 냉각대상(61)에 냉각대상(61)과 분리 가능한 라디에이터를 접촉하여 열교환하고 라디에이터(14)에 수용된 점도가 작은 유체에 의해 효과적으로 냉각하는 점도가 작은 유체에 의한 접촉식 라디에이터에 관한 것이다.
이제까지 라디에이터(14)는 열이 발생하는 열원을 식히기 위한 냉각유체가 기기 내부에 존재하는 경우에만 설치되며 이 냉각유체가 라디에이터(14) 내부를 순환하며 라디에이터(14) 표면으로 열을 제거시키는 역할을 하였다. 특히 변압기, 리액터와 같은 전기설비는 절연을 하기 위하여 기기 내부에 절연유가 채워지며 기기내부의 절연유가 라디에이터(14)를 따라 순환하면서 열을 외부로 버리지만 절연유의 점도가 커서 효과적인 냉각이 어렵다. 즉 기기 내부에 냉각유체를 사용하지 않는 냉각대상(61)에는 라디에이터(14)를 사용할 수 없으며 설령 냉각대상(61) 내부에 냉각유체가 존재하더라도 기기 특성상 냉각유체의 점도가 클 경우 냉각에 많은 문제점이 발생한다.
본 고안에서는 냉각대상(61) 내부에 냉각유체가 없더라도 접촉식 라디에이터 를 구성하는 접촉식열교환기(21)가 냉각대상(61)에 접촉하여 열을 흡수한 후 내부에 채워진 냉각유체를 가열하고 냉각유체가 대류함으로써 열을 외부로 방출할 수 있도록 하였고, 냉각대상(61) 내부에 냉각유체가 채워져 있어도 점도가 클 경우 냉 각효과가 떨어지므로 접촉식 라디에이터(14) 내부에는 냉각대상(61)에 사용하는 냉각유체와 별개의 점도가 작은 냉각유체를 사용하여 냉각효과를 높게 하였다. 접촉식 라디에이터(14) 내부에 채워지는 냉각유체에 나노입자인 산화물분말을 첨가하여 냉각유체를 나노유체(Nanofluid)로 만들어 냉각효과를 더욱더 높게 하였다.
라디에이터, 점도, 점성계수, 물, 응축기

Description

점도가 작은 유체에 의한 접촉식 라디에이터{ The radiator of the contact type working by the small viscosity fluid}
도 1은 기존 변압기 구조 설명도이다.
도 2는 본 고안에 의한 접촉식 라디에이터 설명도이다.
도 3은 지지편이 추가된 접촉식 라디에이터 설명도이다.
도 4는 내부에 핀이 설치된 접촉식열교환기 설명도이다.
도 5는 내부에 돌기가 설치된 접촉식열교환기 설명도이다.
도 6은 접촉식 라디에이터를 냉각대상에 결합상태 설명도이다.
도 7은 접촉식 라디에이터를 냉각대상에 결합상태의 다른 사례 설명도이다.
도 8은 원형 냉각대상 전면에 접촉식 라디에이터 결합 사례 설명도이다.
도 9는 원형 냉각대상 반면에 접촉식 라디에이터 결합 사례 설명도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 철심/권선 12 : 외함
13 : 상판 14 : 라디에이터
15 : 지지대 21 : 접촉식열교환기
22 : 열교환면 23 : 응축기
24 : 주입구 25 : 밸브
26 : 고정볼트홈 31 : 간격지지편
32 : 볼트홈 41 : 핀
51 : 돌기 61 : 냉각대상
62 : 접촉증대박판 63 : 볼트
64 : 너트 81 : 열교환기간고정너트
82 : 열교환기간고정볼트 91 : 벤드
92 : 밴드고정장치
냉각대상(61)의 내부에 냉각유체가 있는 경우에는 냉각대상(61) 외함에 라디에이터(14)를 설치하고 이 냉각유체가 냉각대상(61)과 라디에이터(14) 사이를 대류하면서 라디에이터(14) 표면을 통하여 열을 외부로 방출시키는 역할을 수행하였다. 따라서 라디에이터(14)를 설치하려면 냉각대상(61)이 냉각유체를 사용하는 기기이어야 하고 순환하는 냉각유체는 냉각대상(61)에 채워지는 냉각유체이므로 설령 이 냉각유체가 점도가 커서 원활한 순환이 어려워도 어쩔 수 없이 이 냉각유체를 냉각대상(61)과 라디에이터(14) 사이를 대류시키면서 냉각을 시킬 수 밖에 없어서 매우 비효율적이었다. 이제까지 컴퓨터, 통신기기 등 냉각유체를 사용하지 않는 냉각대 상(61)에 라디에이터(14)를 설치하지 않았으며 변압기나 리액터와 같은 냉각대상(61)이 사용하고 있는 냉각유체인 절연유가 점도가 커서 순환에 문제가 있어도 그냥 사용할 수 밖에 없었고 이 분야에 대한 연구는 진행되지 않고 있다.
본 고안에서는 라디에이터를 설치하되 냉각대상(61)과 분리가 가능하고 냉각대상과 접촉에 의해 열을 교환시켜 내부에 냉각유체를 사용하지 않는 냉각대상(61)에도 라디에이터(14)를 설치할 수 있도록 한다. 또한 라디에이터(14) 내부를 순환하는 냉각유체는 점도가 작은 것을 택하여 냉각효과가 높도록 한다. 그리고 라디에이터(14) 내부에 채워지는 냉각유체에 나노입자인 산화물분말을 첨가하여 냉각유체를 나노유체(Nanofluid)로 만들어 냉각효과를 더욱더 높게 하는 방법도 추가한다.
본 고안은 기기 내부에 냉각유체를 사용하고 있지 않는 컴퓨터, 통신기기, GIS(Gas Insulated Switchgear) 등이나 냉각유체를 사용하고 있더라도 기기적 특성에 의해 점도가 큰 냉각유체를 사용할 수 밖에 없는 기기인 변압기(전력용변압기, 주상변압기, 몰드변압기, 건식변압기, 지상설치배전변압기 등), 리액터 등의 냉각성능을 높이기 위하여 열흡수는 접촉에 의한 전도로 하며 열발산은 점도가 작은 냉각유체의 대류에 의존하는 효율적인 냉각장치를 구현한다.
도 1은 기존 변압기 구조 설명도이다. 외함(12) 중앙에 철심/권선(11)이 배치되며 외함(12)을 돌아가면서 라디에이터(14)가 외함(12)을 뚫고 변압기 내부와 통하도록 설치된다. 외함(12)과 라디에이터(14)로 구성되는 공간에는 절연유가 채워 지며 상판을 덮어 변압기의 기능을 수행한다. 작동원리는 다음과 같다. 권선에 전압이 가해지고 전류가 흐르면 변압기 내부에서 전력손실에 의한 열이 발생하고 이 열은 변압기 내부를 채우고 있는 절연유를 가열하게 되고 각 부위의 절연유는 밀도차이가 발생하고 이 밀도차이에 의해 절연유는 자연대류하는 힘을 얻으며 절연유는 변압기 내부와 라디에이터(14) 사이를 순환하면서 라디에이터(14) 표면에서 열을 외부로 방출시켜 냉각작용을 한다. 그러나 절연유의 동점도는 40℃에서 약 13센티스톡스(cSt) 정도로 점도가 큰 편이다. 물의 동점도가 40℃에서 약 0.6센티스톡스(cSt)임을 감안하면 냉각에 많은 문제점이 있음을 알 수 있다. 특히 화재의 우려로 최근에는 난연성 절연유를 사용하려는 시도가 있으나 이 절연유는 보통의 절연유보다 점도가 10배정도 커서 냉각에 심각한 문제점을 보여주고 있어서 이 절연유를 사용할 경우 변압기 사용용량은 약30%정도 줄어 든다.
도 2는 본 고안에 의한 접촉식 라디에이터 설명도이다. 라디에이터 규격에 적합한 크기의 접촉식열교환기(21)를 통형으로 만든다. 한 쪽 면은 냉각대상(61)과 열교환을 원활히 할 수 있도록 냉각대상의 접하는 면과 잘 접촉하도록 열교환면(22)이 된다. 열교환기(21)의 열교환면(22)은 열전도가 잘되는 물질로 만든다. 다른 면에는 다수의 라디에이터(14)를 설치한다. 접촉식열교환기(21)의 크기는 설치되는 라디에이터(14)의 열발산 능력에 맞추어 조절할 수 있다. 라디에이터(14) 상부에는 라디에이터(14) 방열판 상부와 관통하도록 응축기(23)를 설치하고 응축기 상부 일측에는 주입구(24)를 만들고 주입구에 밸브(25)를 설치한다. 응축기(23)는 냉각유체중 일부가 기화되었을 때 이 기체를 다시 액화시킬 수 있는 구조로 만든 다. 접촉식열교환기(21)를 냉각대상(61)에 고정시킬 수 있도록 열교환면(22)에 연장하여 고정볼트홈(26)을 다수 설치한다. 라디에이터(14)와 접촉식열교환기(21) 내부에 채워지는 냉각유체는 점도가 작은 냉각유체를 택한다. 특히 냉각대상(61)에서 발생하는 열에 의한 온도범위를 감안하여 비등점이 그 온도 근처인 냉각유체를 택하면 비등과정에서 냉각유체의 급격한 대류의 힘을 얻을 수 있으므로 이를 감안한다. 전기설비의 경우 온도유지범위가 약95℃ 정도이므로 비등점이 100℃인 물을 택하면 운전중인 온도에서 큰 대류의 힘을 얻을 수 있고 동점도도 절연유 동점도의 약1/15에 불과하다. 비등점이 100℃ 이하이고 동점도가 절연유동점도보다 작은 액체는 거의 동일한 효과를 볼 수 있어 냉각유체로 채택이 가능하다. 알코올은 비등점이 약78℃이고 프레온냉매의 일종인 R123은 약28℃, k141b는 32℃, AK225는 54℃ 이므로 본 고안에서는 물 뿐 만 아니라 상기에서 제시한 유체도 냉각대상(61)의 온도유지범위를 고려하여 적합한 것을 냉각유체로 사용한다. 냉각유체에 나노스케일 입자크기인 직경 20내지 100nm의 알루미나 나노입자와 같은 산화물분말을 첨가하여 냉각유체를 나노유체(Nanofluid)로 만들면 순환속도가 빨라져서 냉각효과를 한층 높일 수 있다. 작동원리는 다음과 같다. 접촉식열교환기(21)의 열교환면(22)이 냉각대상(61)과 접촉하여 열을 흡수하면 접촉식열교환기(21) 내부에 채워진 냉각유체는 열을 흡수하여 밀도가 낮아지며 라디에이터(14) 내부의 냉각유체와 밀도차이가 발생하여 접촉식열교환기(21)와 라디에이터(14)사이를 대류현상에 의해 순환하게 된다. 포아즈이유 법칙에 따라 유량률은 점성계수에 반비례하므로 점도가 작은 냉각유체를 사용하면 그 만큼 순환유량이 많아지고 냉각효과는 좋아진다. 비등점이 낮은 유체를 냉각유체로 선택한 경우 온도가 올라감에 따라 증발 또는 비등에 의해 기체가 발생하여 냉각유체 공간의 압력을 상승시킬 수 있으므로 라디에이터(14) 상부의 응축기(23)에서 발생한 기체를 다시 액화시킨다. 이것도 냉각의 일환이므로 응축기(23)에서도 일부 냉각작용이 일어난다. 응축기(23)는 냉각유체의 열팽창량을 흡수하는 공간으로도 사용된다. 응축기(23) 상부에 설치된 주입구(24)를 통하여 냉각유체의 유입과 유출을 할 수 있게 하고 밸브(25)는 방압변 역할을 겸한다.
도 3은 지지편이 추가된 접촉식 라디에이터 설명도이다. 도2와 유사하나 접촉식열교환기(21)가 커질 경우 물리적 강도가 약해질 수 있으므로 적당한 위치에 간격지지편(31)을 다수 추가 설치하는 것이 다르다. 간격지지편(31)은 봉 형태로 만들며 접촉식열교환기(21) 내부공간을 분리시키지 않고 내부에 채워지는 냉각유체의 흐름을 방해하지 않도록 설치한다. 간격지지편(31) 중앙에는 볼트홈(32)를 만들어 접촉식열교환기(21)와 냉각대상(61)의 결합을 강하게 하는 용도로 사용할 수 있다. 만일 생길 수 있는 냉각유체의 기화에 의한 압력상승으로 접촉식열교환기(21)의 형상이 변형되는 것을 간격지지편(31)에 의해 막을 수 있도록 한다.
도 4는 내부에 핀이 설치된 접촉식열교환기 설명도이다. 도2와 유사하나 접촉식열교환기(21) 내부의 냉각유체 열교환량을 크게 하기 위하여 핀(41)을 접촉식열교환기(21) 내부면에 다수 설치한 점이 다르다. 냉각대상(61)으로부터 열교환면(22)을 통하여 흡수한 열을 접촉식열교환기(21) 내부 냉각유체에 빨리 전달시켜 냉각효과를 높인다.
도 5는 내부에 돌기가 설치된 접촉식열교환기 설명도이다. 도2와 유사하나 접촉식열교환기(21) 내부의 냉각유체 열교환량을 크게 하기 위하여 돌기(51)을 접촉식열교환기(21) 내부면에 다수 설치한 점이 다르다. 냉각대상(61)으로부터 열교환면(22)을 통하여 흡수한 열을 접촉식열교환기(21) 내부 냉각유체에 빨리 전달시켜 냉각효과를 높인다.
도 6은 접촉식 라디에이터를 냉각대상에 결합상태 설명도이다. 냉각대상(61)과 접촉식열교환기(21)를 결합시킬 때 두 기기의 표면이 밀착되지 않을 수 있으므로 이를 보완하기 위하여 금속박판으로 만든 접촉증대박판(62) 패드를 중간에 삽입한다. 그리고 볼트(63)와 너트(64)를 이용하여 두 기기가 밀착하여 결합하도록 한다. 냉각대상에서 발생한 열은 전도에 의해 열교환면(22)을 통하여 접촉식열교환기(21)로 이동하며 이 열은 접촉식열교환기(21) 내부의 점도가 작은 냉각유체를 가열하고 냉각유체는 대류에 의해 접촉식열교환기(21)와 라디에이터(14)를 순환하며 냉각작용을 한다. 접촉식 라디에이터가 파손되어 순환하는 냉각유체가 유출되더라도 냉각대상(61)은 접촉식 라디에이터를 제거하고 운전이 가능하므로 냉각대상(61) 기기를 운전하면서 해당 접촉식 라디에이터(14) 수리할 수 있어서 유지보수의 편리함이 추가된다. 접촉식열교환기(21)의 냉각대상(61)에 부착시키는 위치는 냉각대상(61)의 측면, 밑면, 상부 등 설치 가능한 공간에는 어디든지 할 수 있고 부착위치의 표면 형상에 따라 열교환면(22)은 열교환이 잘 일어나도록 밀착되는 형상으로 위치마다 다르게 가공할 수 있다.
도 7은 접촉식 라디에이터를 냉각대상에 결합상태의 다른 사례 설명도이다. 도6과 유사하나 냉각대상(61) 접촉면이 접촉식열교환기(21)가 삽입되는 형태일 경 우 이 공간에 맞도록 접촉식열교환기(21)를 삽입하여 설치하는 사례를 보여준다. 나머지는 도6에서 설명한 바와 같다.
도 8은 원형 냉각대상 전면에 접촉식 라디에이터 결합 사례 설명도이다. 주상변압기와 같이 원형의 냉각대상(61)인 경우 측면에 반쪽 원통 형상의 접촉식열교환기(21)를 접촉시키고 열교환기간고정너트(81)와 열교환기간고정볼트(82)를 이용하여 다수의 접촉식열교환기(21) 끼리 상호 결합하여 냉각대상(61)과 밀착하는 형태를 보여준다.
도 9는 원형 냉각대상 반면에 접촉식 라디에이터 결합 사례 설명도이다. 도8과 유사하나 접촉식열교환기(21)가 냉각대상(61)을 전체 감싸는 것이 아니라 반쪽 원통 형상한개일 경우 냉각대상(61)을 감싸는 밴드(91)와 접촉식열교환기(21) 양끝단에 설치한 밴드고정장치(92)를 이용하여 결합시키는 사례를 보여준다.
컴퓨터, 통신기기, GIS(Gas Insulated Switchgear) 등과 같이 기기내부에 냉각유체가 없어 냉각용 라디에이터를 설치할 수 없는 기기나 기기 내부에 냉각유체가 있더라도 절연유와 같이 기기특성상 점도가 큰 냉각유체를 사용할 수 밖에 없는 기기의 경우 냉각효과를 높이기 위하여 열흡수는 냉각대상(61)과 접촉식열교환기(21)의 접촉에 의한 전도로 하고 열발산은 접촉식열교환기(21) 내부에 채워진 점도가 작은 냉각유체의 대류에 의해 이루어지도록 함으로써 냉각효과를 매우 높게 할 수 있다. 변압기나 리액터에 사용중인 절연유보다 본 고안에서 적용되는 냉각유체의 하나인 물은 동점도가 약1/10에서 1/15로 매우 작아서 현격한 냉각차이를 나 타내어 냉각장치 규모를 획기적으로 줄여서 효과적인 투자와 자원의 효율적 사용을 달성할 수 있다.

Claims (3)

  1. 냉각대상(61)에 접촉하는 열교환면(22)이 한 면을 형성하는 통형의 접촉식열교환기(21)와; 접촉식열교환기(21)일측에 설치되며 접촉식열교환기(21)를 냉각대상(61)에 고정시키는 고정장치와; 접촉식열교환기(21) 형상 변화를 막기 위하여 접촉식열교환기(21) 내부의 마주 보는 면간에 설치되는 다수의 간격지지편(31)과; 각 간격지지편(31)을 관통하도록 설치되는 볼트홈(32)과; 열교환 면적을 넓히기 위하여 접촉식열교환기(21) 내부 표면에 설치되는 다수의 핀(41) 또는 돌기(51)와; 열교환면(22)과 냉각대상(61) 사이에 설치되는 접촉증대박판(62)과; 접촉식열교환기(21)의 열교환면(22)이 아닌 면에 관통하도록 설치되는 다수의 라디에이터(14)와; 라디에이터(14)의 방열판 상부와 관통되도록 연결되는 응축기(23)와; 접촉식열교환기(21)와 라디에이터(14) 공간에 채워지는 물 또는 알코올 또는 프레온냉매 또는 비등점이 100℃ 이하이며 동점도가 절연유의 동점도보다 작은 액체 중의 하나인 냉각유체와; 응축기(23) 상부 일측에 설치되는 주입구(24)와; 주입구(24) 관로에 설치되는 밸브(25)로 구성되는 것을 특징으로 하는 점도가 작은 유체에 의한 접촉식 라디에이터.
  2. 제1항에 있어서, 냉각대상(61)이 컴퓨터, 통신기기, GIS(Gas Insulated Switchgear), 변압기(전력용변압기, 주상변압기, 몰드변압기, 건식변압기, 지상설치배전변압기), 리액터 중의 하나인 것을 특징으로 하는 점도가 작은 유체에 의한 접촉식 라디에이터.
  3. 제1항에 있어서, 냉각유체에 나노스케일 입자크기인 직경 20내지 100nm의 산화물분말을 첨가하여 대류속도를 증대시키는 것을 특징으로 하는 점도가 작은 유체에 의한 접촉식 라디에이터.
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KR101284692B1 (ko) * 2011-12-15 2013-07-16 주식회사 포스코 나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치
KR101599784B1 (ko) 2014-12-04 2016-03-04 한국과학기술원 절연 냉각 유체 및 이의 제조 방법

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