KR20090035088A - 변압기용 히트파이프 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기 외 함 한쪽 측면 상단과 하단에 각각 직교된 상태로 1-3 개 이상의 구멍을 뚫어 히트파이프 어레이가 내부에 다수 장착된 사각의 긴 통을 변압기 외 함 상.하단의 구멍에 각각 수평으로 맞춰 결합하여 변압기 내부에 수용된 절연유를 변압기 밖 사각 통으로 흘러나와 열교환을 한뒤 직교된 하단의 구멍으로 다시 들어가도록 무중력으로 자연대류 시키면서 히트파이프 어레이를 통해 변압기내 절연유에서 발생하는 열을 흡열한뒤 히트파이프 어레이와 연통된 외부의 방열핀으로 방열, 냉각시킴으로써 변압기내의 절연유 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 변압기 냉각용 히트파이프 열교환기에 관한 것이다.

절연유(12) 및 트랜스가 내장되는 변압기(T) 측면에 방열 판(2)이 설치되는 통상의 변압기에 있어서, 상기 변압기(T) 의 일 측면 밖 사각 통 안에 설치되는 히트파이프 어레이(20)는, 상기 변압기(T)일 측면 상.하단에 50 밀리미터의 이상의 구멍을 변압기 규격에 따라 직교된 상태로 1-3 개이상 뚫어 히트파이프 어레이가 내장된 사각통(40) 상.하단에 수직으로 결합하여 변압기 내부에 수용된 절연유가 변압기 밖 사각 통 안으로 흘러 들어간뒤 하단의 50 밀리미터 이상의 관으로 연결된 구멍을 통해 다시 변압기 안으로 들어가도록 하였으며, 절연유가 통과하는 사각 통(40) 안에 히트파이프 어레이를 수평으로 다수 설치함으로써 절연유의 열이 흡수됨에 따라 기화되는 작동유체(F)가 내부에 수용된 다수의 흡열부(22)와 상기 흡열부(22)타단과 직교된 형태로 사각 통 밖으로 설치되되 상기 흡열부(22)내부와 연통 되어 흡열부(22)에서 기화된 작동유체(F)가 내부에서 증발 및 액화되고 상기 흡열부(22)로 흡열된 열을 방출하는 다수의 방열 핀(24)이 외주 면에 형성된 다수의 발열 부(26)로 구성된 것으로 상기 변압기 냉각용 히트파이프 열교환기(28)는 기존 방열 판에 비해 설치 면적이 크게 축소될 뿐만 아니라 변압기 내부에 수용된 절연유의 사용량도 대량 줄일 수 있는 에너지 절감 효과가 있다.

변압기, 히트파이프 어레이,사각 통, 방열 판, 절연유, 히트파이프 열교환기, 방열 핀, 흡열부, 발열부.

Description

변압기용 히트파이프 열교환기{a Heat pipe heatexchange for Transformer}

본 발명은 변압기 절연유 냉각용 히트파이프 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변압기 외 함 상단 한 측면으로 히트파이프 어레이가 다수 내장된 사각의 긴 통을 수평으로 설치하여 변압기 내부에 가득 차 있는 절연유가 사각 통 으로 흘러 들어와 히트파이프 어레이를 통해 절연유의 열을 외부로 방열하여 일정한 온도로 유지할 수 있는 변압기용 히트파이프 열교환기에 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 안는 것으로 전원에 연결하는 1 차 권선과 부하에 연결하는 2 차 권선은 같은 철심 위에 감겨져 있는 구조를 갖는 것이다.

여기서, 배전선로에 사용되는 변압기는 수십 KVA 정도까지의 용량이지만 고압 송전 선로에는 수십만 KVA 가 되는 대용량의 것도 있다.

상기 변압기의 실제 구조는 용량이나 전압에 따라서 다르나 주요한 부분은 권선과 철심이며 이것을 케이스 안에 넣고 절연유를 가득 채운다.

상기 절연유를 사용하는 이유는 권선의 절연물에 습기나 먼지가 들어가서 절연내력을 저하시 키기 때문에 이런 현상을 방지하고, 철심이나 권선에서 발생하는 열을 기름의 대류나 복사에 의해 방열시키기 위해서이다.

그리고 대용량의 변압기에서는 방열이 잘 되게 하기 위해 변압기의 외부에 기름을 순환시키는 파이프나 방열 판을 설치하며 더욱 대용량의 변압기에서는 방열 판에 환풍기를 설치하고 이것으로 바람을 보내서 방열효과를 좋게 하는 것도 있다.

이때, 변압기를 설치하는 장소에 따라서는 방열 판을 설치하는 대신에 변압기 내에서 뜨거워 진 기름을 파이프를 통해서 밖으로 끌어내고, 냉각수로 냉각시키는 방법과 또는 수냉관을 변압기 속으로 통과시켜 펌프로 물을 순환시키는 방법이 있으며 이중 대용량의 변압기에 3 상식을 사용하는 경우도 많다.

한편 상기와 같은 종래의 변압기(T)는 도 1 에 나타난 바와 같이 절연유 및 트랜스(미도시)가 내장되는 변압기(T)에 방열 판(2)이 설치되는 구성을 하고 있다.

상기의 같은 방열 판(2)은 여러 개의 방열 판(2a)으로 이루어 진다. 각각의 방열 판(2a)에는 절연유가 흐를 수 있도록 상.하부에 연결파이프(2b)가 결합되며,결합된 방열 판(2a)은 변압기(T)에 용접되는 형태로 설치된다.

그러나 상기와 같은 방열 판을 갖는 종래 변압기는 방열의 효율을 높이기 위해서 방열 판을 변압기에 더 설치할 수 있으나 추가되는 방열 판 설치를 위해 각각의 방열 판에 절연유가 흐를 수 있는 구조로 형성해야 하기 때문에 변압기 본체 보다 규격이 커져 엄청난 면적을 차지할 뿐만 아니라 절연유 사용량도 대폭 늘어나는 이중의 문제점을 안고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 변압기 외 함 사면에 설치된 기존의 방열 판을 모두 제거한 뒤 외 함 한 곳에 히트파이프 어레이와 방열핀이 내부와 외부에 연결되어 있는 사각의 긴 통을 외 함 상단에 수평으로 설치하여 방열 효과를 높이고 기존의 방열 판이 차지하는 설치면적 또한 축소 하여 그 만큼 절연유 사용을 절감하는 변압기 냉각용 히트파이프 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 절연유 및 트랜스가 내장되는 변압기 사방 측면에 방열 판이 설치되는 통상의 변압기에 있어서, 상기 변압기 일 측면에 설치되는 히트파이프 열 교환기는 사각의 긴 통안에 장착된 히트파이프 어레이를 통해 변압기내 절연유에서 발생하는 열을 흡열한뒤 히트파이프 어레이와 직교된 상태로 연통된 외부의 방열핀으로 방열한다. 특히 히트파이프 어레이가 내부에 배열된 사각의 통을 상부에 수평으로 설치한 것은 변압기내의 뜨거운 절연유의 자연대류를 원활이 하고자 함이다. 외부로 흘러나온 뜨거운 절연유의 온도를 윗부분에서 방열하지 않을 경우 역류 또는 정체현상이 일어나 히트파이프의 기능을 할 수 없어 결국 냉각 효과도 없기 때문이다.또한 상기 흡열부 내부와 연통되어 흡열부에서 기화된 증류수 또는 아세톤은 내부에서 발열 및 액화되고 상기 흡열부로 흡열된 열을 방출하는 다수의 방열 핀이 외주 면에 형성된 다수의 발열 부로 구성되는 변 압기용 히트파이프를 제공한다.

상기 히트파이프 열교환기 내부는 진공상태이며.상기 히트파이프 내부에 수용되는 증류수는 내부 전체 체적의 30-80％ 중량인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 변압기 일측면 상 하단에는 50 밀리미터 이상의 구멍을 1 개이상 직교된 상태로 뚫어 히트파이프 어레이가 장착된 사각의 통을 수직으로 결합시켜 열교환과 함께 절연유의 자연대류를 원활하게 하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 변압기용 히트파이프 열교환기는 기존 변압기에 설치된 방열 판 외에 별도의 방열수단으로 본 발명에 따른 히트파이프 열교환기를 설치함으로써 절연유의 열을 방열하여 절연유의 온도를 일정한 수준으로 유지시켜 줄 수 있는 효과가 있다. 또한 기존 방열판의 경우 절연유가 방열판안에 가득 채워져 공랭식으로 열을 방출하므로 다량의 절연유가 필요하지만 본 발명에 따른 히트파이프 열교환기는 기존 방열판의 절연유 사용량 10-20％만 가지고도 열을 냉각시킬수 있으므로 변압기 크기를 최소 하 할 수 있을 뿐만 아니라 절연유 사용량도 절감할 수 있어 일석이조 이상의 효과를 낼 수 있다.

본 발명에 따른 변압기용 히트파이프 열교환기의 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명자는 출원번호 20-2007-0009596 호로 ＜변압기용 히트파이프 방열기＞를 출원한바 있다. 이 고안에서는 히트파이프를 통해 절연유의 열을 발열하는 기 본개념에 관한 것이었으나 본 발명에서는 변압기의 절연유 열을 가장 효율적으로 냉각 시키고 절연유의 역류 또는 정체를 방지할 수 있는 세부적인 히트파이프 열교환기의 구조에 관하여 제시한다.

첨부한 도면, 도 1 은 종래에 따른 변압기를 나타낸 사시도 이고, 도 2 는 본 발명에 따른 사각의 통안 절연유에 수용된 히트파이프 어레이를 나타낸 사시도 이며, 도 3 은 본 발명에 따른 히트파이프 어레이를 나타낸 단면도이고, 도 4 는 본 발명에 따른 히트파이프 어레이와 직교된 상태로 연통될 외부의 히트파이프 단면도이며, 도 5 는 본 발명에 따른 히트파이프 열교환기가 변압기에 설치된 상태를 나타낸 사시도 이다.

본 발명에 따른 변압기용 히트파이프의 구성은 도 2 및 도 4 에 나타낸 바와 같이 절연유(12)및 트랜스(미도 시)가 내장되는 변압기(T) 일 측면에 방열 판이 설치되는 통상의 변압기(T)에 있어서, 상기 변압기(T) 일 측면으로 설치되는 히트파이프 열교환기(20)는 크게 다수의 흡열부(22)와 다수의 발열 부(26)로 구성된다.

특히 히트파이프 어레이(20) 의 흡열부와 발열부(26)가 변압기 상부에 수평의 사각의 통에 연통되어 있는 것은 변압기 안의 뜨거운 절연유가 밖으로 흘러 나오자 마자 열을 히트파이프 어레이를 통해 뺏기 위함이다.

이는 절연유 열을 변압기 상층부에서 냉각시키지 않을 경우 자연대류가 일어나지 않고 역류 또는 정체 현상이 발생하기 때문이다.

따라서 절연유의 열교환과 함께 신속한 자연대류를 일으키도록 하기위해 상기 변압기(T)일측면 상단과 하단에 50 밀리미터의 이상의 구멍을 변압기 규격에 따 라 1-3 개이상 뚫어 엘보와 관을 이용, 히트파이프 에러이가 내장된 사각 통(40) 상.하단에 수직으로 연결하여 변압기의 절연유가 사각 통으로 들어간뒤 하단의 구멍을 통해 다시 변압기 안으로 들어가도록 했으며,절연유가 담기는 히트파이프 어레이의 흡열부(22) 내부에는 작동 유체(F)가 충전된다. 그리고 상기 흡열부(22)각 타단 사각통 상면에는 구멍을 뚫어 발열부(26)와 직교된 형태로연통되어 설치되며,사각통과 관통되는 흡열부와 발열부 부분은 용접하여 사각통위에 견고하게 직립할 수 있도록 했다. .

상기 발열부(26) 외주면에는 열을 방출하는 방열핀이 다수 형성된다.

상기 흡열부(22)로 전달된 열은 흡열부(22) 내부에 수용된 작동유체(F)가 열을 흡수되면서 기화하게 된다. 본 발명에서 흡열부(22) 내부에 수용되는 작동유체(F)는 물, 증류수, 아세톤 등 여러 종류이며 히트파이프 열교환기(20)에 통상적으로 사용되는 작동유체들을 사용한다.

그리고 기화된 작동유체(F)는 상기 발열 부(26)로 상부로 이동하면서 발열 부(26) 외주 면에 다수 형성된 방열 핀(24)을 통해 열이 각각 방출됨과 동시에 기화된 작동유체(F)는 액화되는 과정을 거치고 다시 상기와 같은 과정을 반복하는 열 교환이 이루어 진다.

상기 히트파이프(20) 내부가 진공상태인 것은 초전도로 열을 외부로 가장 효율적으로 방출하기 위함이며, 상기 작동유체(F)가 상기 히트파이프(20) 내부 전체 체적의 30-80％로 했을 때 별첨 도표 1,2 에서 나타낸 바와 같이 절연유(12)의 온도가 일정 부분에서 포물선을 그리며 온도를 유지할 수 있기 때문이다.

이 도표는 성균관대 히트파이프 연구소에서 본 발명자가 제작한 히프파이프(길이 586mm,증발부 86mm ,응축부 500mm)의 열전달한계를 분석한 자료이다.

히트파이프 열교환기의 성능해석과 도표 1,2 는 다음과 같다.

히트파이프 개당 열전달 한계는 대략 300W 이고,피크 부하(절연유 온도 FR3 온도: 섭씨 95도 100％부하)에서 히트파이프 열교환기는 2 시간 이후에 정상상태에 도달하며,히트파이프 증발부에 절연유의 유동이 원활하여 증발부에 열전달이 증가하면 정상작동 시간이 감소하고 있어 증발부 면적이 증가하면 히트파이프 정상작동 시간이 감소할 수 있다는 것이다.

절연유 온도 T=50 도의 경우 히트파이프 열교환기 정상상태 도달시간은 대략 3 시간 이며, 히트파이프 증발부의 온도는 섭씨 46.5 도로 수렴한다.(도표 1 설명)

절연유 온도 T=70 도의 경우 히트파이프 열교환기의 정상상태 도달시간은 2 시간 30 분이며, 증발부의 온도는 63.5도로 수렴한다 (도표 2 설명)

(도표 1)

(도표 2)

또한 본 발명자가 출원번호 20-2007-0009596 로 제시한 성능분석 자료는 다음과 같다

[표 1]

_ 시험조건: 변압기 주위온도 섭씨 28 도, 습도 62％, 부하 율 40％ 운전시

[표 2]

일반 변압기와 히트 파이프 장착 변압기 비교(시험: 한국전기 연구원 300KVA)

도 1 은 종래에 따른 변압기를 나타낸 사시도.

도 2 는 본 발명에 따른 사각 통 안 절연유에 수용된 히트파이프 어레이를 나타낸 사시도.

도 3 은 본 발명에 따른 사각 통안의 히트파이프 어레이와 외부로 연통된 단면도..

도 4 는 본 발명에 따른 히트파이프 열교환기가 변압기에 설치된 상태를 나타낸 사시도.

Claims (2)

1. 절연유(12) 및 트랜스가 내장되는 변압기(T) 일 측면에 방열 판(14)이 설치되는 통상의 변압기에 있어서,

   상기 변압기(T)의 일 측면에 설치되는 히트파이프 열교환기(28)는,상기 변압기(T)일 측면 좌.우측 상단과 하단에 각각 직교된 상태로 50 밀리미터의 구멍을 뚫어 엘보(40)를 부착한 사각의 통을 변압기(T)에 결합하여 절연유를 밖으로 나오도록 통로를 만들었으며 사각의 통(50)안으로는 다수의 히트파이프 어레이(20)를 설치하여 내부에 수용된 절연유(12)에 위치되고 절연유(12)의 열이 흡수됨에 따라 기화되는 작동유체(F)가 내부에 수용된 다수의 히트파이프 어레이 흡열부(22)와 ;

   상기 흡열부(22) 타단과 직교된 형태로 설치되되 상기 흡열부(22) 내부와 연통되어 흡열부(22)에서 기화된 작동유체(F)가 내부에서 발열 및 액화되고 상기 흡열부(22)로 흡열된 열을 방출하는 다수의 방열 핀(24)이 외주 면에 형성된 다수의 발열 부(26)로 구성되는 것을 특징으로 하는 변압기 냉각용 히프파이프 열교환기.
2. 청구항 1 에 있어서,

   상기 변압기(T)의 상단에 수평으로 결합된 사각의 통 윗면에는 다수의 구멍을 뚫어 사각의 통안에 있는 히트파이프 어레이가 외부의 방열핀과 직교된 상태로 연통할 수 있도록 한 진공상태의 초전도 히트파이프 열교환기

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