KR20190076546A - 자성 나노유체가 혼합된 혼합 절연유를 사용하는 냉각 절연 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 식물성 절연유 기반으로 자성 나노유체를 혼합한 혼합 절연유를 사용하는 냉각 절연 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 친환경 절연유와 자성 나노유체를 혼합한 혼합 절연유를 사용함으로써 전력기기의 발열부에서 발생하는 열을 자기 대류 효과로 효율적으로 냉각할 수 있으며, 친환경 절연유와 자성 나노유체의 혼합 절연유를 사용함으로써 환경 보호에 도움을 주면서 발열부에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각할 수 있다.

Description

자성 나노유체가 혼합된 혼합 절연유를 사용하는 냉각 절연 장치{Cooling isolating apparatus using magnetic nano-fluid}

본 발명은 식물성 절연유 기반으로 자성 나노유체를 혼합한 혼합 절연유를 사용하는 냉각 절연 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 친환경 절연유와 자성 나노유체를 혼합한 혼합 절연유를 사용함으로써 전력기기의 발열부에서 발생하는 열을 자기 대류 효과로 효율적으로 냉각할 수 있으며, 친환경 절연유와 자성 나노유체의 혼합 절연유를 사용함으로써 환경 보호에 도움을 주면서 발열부에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각할 수 있다.

나노분말을 분산시킨 유체의 열전도도 향상 경향은 1995년 미국 아르곤 연구소에 의해 보고되었으며, 이러한 유체를 나노유체라 한다. 열전도도가 월등한 고체 나노분말을 이용하여 나노유체를 제조할 경우, 기본 유체 대비 열전도도가 크게 증가하여 열전달 성능이 향상되는 특성을 나타낸다. 이러한 특성에 의해 나노유체는 열교환기, 차량의 냉각기, 전기자동차의 배터리, 원자로의 냉각시스템 등 전기, 전자, 기계분야 등 냉각을 위해 과도한 에너지 소비가 필요한 곳에 이용되고 있다.

초기에 알려진 나노유체는 Al₂O₃, CuO, Cu등의 금속 및 금속산화물 나노입자를 수용액 함유 기본 유체에 분산하여 제조되었다. 이때, 첨가되는 나노입자의 부피비, 나노유체의 온도가 높을수록 열전도도 향상 폭이 커지는 경향을 보였다. 또한, 나노분말 자체의 열전도도가 높을수록 더 높은 열전도도 향상 경향을 보였다.

그러나 이러한 금속 산화물은 높은 비중으로 인해 유체의 흐름이 없을 때 가라앉기 쉽고 강성이 높아 시스템을 가동했을 때 시스템 내부에 손상을 입힐 수 있다. 또한, 열전도도가 높은 금속 나노입자의 안정적인 분산을 위해 매우 많은 양의 분산제 또는 계면 활성제가 사용되는 한계가 있으며, 물 등 극성을 갖는 용매에 분산 가능한 나노입자가 제한되어 있어 활용분야에 적합한 특성을 갖는 나노유체를 제조하는 것에 어려움이 있다.

한편, 종래에는 전기, 전자, 기계분야 등 냉각을 위해 정제 광유, 알킬벤젠, 폴리부덴, 알킬나프탈렌, 알킬디페닐에탄, 실리콘유, 에스테르유 등의 다양한 종류의 절연유가 이용되고 있다. 전기 절연유로 염소계 유기 화합물의 일종인 PCBs가 많이 사용되었으나, 생식기관, 내분비계 장애 등을 일으키는 원인물질로 알려져 1970년대 후반부터 국제적으로 사용을 규제하고 있다.

최근 개발되는 전력기기에 대하여 환경 기후 협약에 따른 규약의 대응으로 인체 및 자연환경에 친화적이어야 하며, 경제성의 향상, 소형화에 대한 요구가 증가되고 있다. 종래의 변압기 오일에 있어서 석유를 기초로 한 광유는 PCB 성분으로 인하여 인체 유해성 및 환경오염 문제가 매우 심각하고 인화점이 150℃ 정도로 낮아 과부하시 폭발의 위험성을 내포하고 있으며, 실리콘유는 동점도가 높아 변압기 내부에서 순환이 양호하기 못해 냉각 효율이 떨어지는 단점이 있었다.

또한, 유입변압기에 있어서 유분출 고장은 도심지에 있어서 화재로 인한 인명사고와 2차적인 문제를 유발시킬 수 있으며, 연소 시 발생하는 탄소가스 증가 및 대기오염, 수질오염 등의 2차적인 환경오염은 심각한 문제가 아닐 수 없다. 또한, 석유 자원 고갈에 따라 절연유의 공급이 불안해지고, 수급 불안정에 따른 원가 상승을 야기한다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 목적은 종래 나노 유체를 이용한 절연장치가 가지는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 목적은 친환경 절연유와 자성 나노유체를 혼합하여 전력기기의 발열부에서 발생하는 열을 자기대류효과로 효율적으로 냉각할 수 있는 냉각 절연장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 목적은 친환경 절연유와 자성 나노유체의 혼합 절연유를 사용하여 환경 보호에 도움을 줄 수 있는 냉각 절연장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 냉각 절연장치는 하우징부와, 하우징부 내부에 배치되는, 코일을 구비하며 코일로 인가되는 전원에 의해 열을 발생하는 발열부와, 하우징부 내부에 채워지는, 친환경 절연유와 자성 나노유체의 혼합물로 이루어진 혼합 절연유를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 자성 나노입자는 부력과 켈빈의 전자기력 밀도에 따라 발열부를 중심으로 자기 대류되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 냉각 절연장치는 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명에 따른 냉각 절연장치는 친환경 절연유와 자성 나노유체를 혼합한 혼합 절연유를 사용함으로써, 전력기기의 발열부에서 발생하는 열을 자기대류효과로 효율적으로 냉각할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 냉각 절연장치는 친환경 절연유와 자성 나노유체의 혼합 절연유를 사용함으로써, 환경 보호에 도움을 주면서 발열부에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각 절연장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 절연장치에서 발열부을 중심으로 발열부 주변의 온도를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 자성 나노유체의 자기 대류를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

이하 첨부한 도면을 참고로 본 발명에 따른 냉각 절연장치에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각 절연장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참고로 보다 구체적으로 살펴보면, 냉각 절연장치의 하우징(110) 내부에는 코일을 포함한 발열부(130)가 배치되어 있는데, 발열부(130)는 전원부(120)로부터 제공되는 전원을 옴손실시켜 열을 발생하게 된다. 여기서 하우징(110)에는 전력기기에서 열을 발생하는 발열부(130)가 밀봉되어 있는데, 하우징(110) 내부에는 발열부(130)에 흐르는 전원을 외부로 절연시키기 위한 절연유가 포함되어 있다.

본 발명에서는 기존의 석유를 기초로 한 절연유와 대별될 수 있는 생분해성 친환경 절연유로 채워져 있는데, 친환경 절연유의 일 예로 식물성 오일 등이 사용될 수 있다. 식물성 오일은 우수한 전기적 절연 성질을 지니고 있으나, 점성이 높아 발열부(130) 주변에서 온도가 상승하는 경우 발열부(130) 주변에 존재하는 절연유는 발열부(130)의 온도와 함께 상승하게 되며, 이로 인하여 화재 등이 발생할 위험을 가진다.

본 발명에서는 친환경 절연유와 자성 나노유체를 혼합한 혼합 절연유를 사용하는데, 여기서 자성 나노유체는 액체 속에 나노입자(150)로 이루어진 자성분말을 콜로이드 모양으로 안정, 분산시킨 다음 침전이나 응집이 생기지 않도록 계면활성제를 첨가한 유체이다.

발열부(130) 주변에 위치하는 자성 나노유체의 나노입자(150)는 발열부(130)로부터 열을 전달받은 경우 같이 온도가 올라가 자화력이 낮아지게 되며, 발열부(130)로부터 멀리 떨어져 있는 자성 나노유체의 나노입자(150)는 발열부(130)로부터 상대적으로 열을 적게 전달받아 온도가 내려가며 이로 인하여 자화력이 커지게 된다. 코일에 전원이 인가되는 경우 코일을 포함한 발열부(130) 주변에서는 자기장이 형성되며, 발열부(130) 주변에서 형성된 자기장은 큰 자화력을 가지는 낮은 온도의 나노입자(150)는 끌어당기고 작은 자화력을 가지는 높은 온도의 나노입자(150)는 낮은 온도의 나노입자(150)가 존재하는 공간으로 이동하게 된다.

즉, 발열부(130)를 중심으로 자성 나노유체는 자기대류를 일으키며, 이로 인하여 발열부(130)에서 발생한 열은 용이하게 냉각될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 냉각 절연장치에서 발열부을 중심으로 발열부 주변의 온도를 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 발열부와 가장 가까운 제1 영역(A1)에 존재하는 자성 나노유체는 발열부에서 발생하는 열이 가장 잘 전달되어 가장 온도가 높으며, 발열부에서 가장 먼 제3 영역(A3)에 존재하는 자성 나노유체는 발열부에서 발생하는 열이 상대적으로 전달되지 않아 온도가 낮으며, 제1 영역(A1)과 제3 영역(A3) 사이에 존재하는 제2영역(A2)에 존재하는 자성 나노유체는 제1 영역(A1)과 제3 영역(A3) 사이의 온도를 가지게 된다.

도 3은 본 발명에 따라 자성 나노유체의 자기 대류를 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역에 존재하는 자성 나노유체의 온도는 제1 영역에서 제3 영역으로 갈수록 낮아지는데, 본 발명에서는 식물성 절연유와 함께 자성 나노유체를 혼합한 혼합 절연유를 사용함으로써, 발열부(130)에서 발생한 자기장으로 자화력이 낮고 온도가 높은 제1 영역의 자성 나노유체는 위로 상승하여 발열부로부터 멀어지고 자화력이 높고 온도가 낮은 제3 영역의 자성 나노유체는 하단에서 발열부로 이동하게 된다.

이로 인하여 하우징 내부에 존재하는 혼합 절연유는 발열부를 중심으로 자기대류가 형성되어 발열부에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있게 된다.

여기서 자기 대류 효과는 유동장의 체적력에 의해 결정되는데, 유동장의 체적력(F)은 부력과 더불어 켈빈의 전자기력 밀도를 고려하여 아래의 수학식(1)과 같이 계산된다.

[수학식 1]

여기서 μ₀는 진공 중의 투자율, 나노입자의 M은 자화 정도, ρ는 자성 나노유체의 밀도, β는 나노 입자의 열 팽창계수, T는 자성 나노유체의 온도, T_ref는 부력의 기준온도, g는 중력을 나타낸다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

110: 하우징부 120: 전원부
130: 발열부 150: 자성 나노입자

Claims (2)

1. 하우징부;
   상기 하우징부 내부에 배치되는, 코일을 구비하며 상기 코일로 인가되는 전원에 의해 열을 발생하는 발열부; 및
   상기 하우징부 내부에 채워지는, 친환경 절연유와 자성 나노유체의 혼합물로 이루어진 혼합 절연유를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 절연 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 자성 나노입자는 부력과 켈빈의 전자기력 밀도에 따라 상기 발열부를 중심으로 자기 대류되는 것을 특징으로 하는 냉각 절연 장치.

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