KR20220159460A - 전기 배열체, 패널 및 열 교환기 - Google Patents
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Abstract
전기 배열체 (10) 로서,
- 케이싱 (14);
- 상기 케이싱 (14) 내측에 배열된 열 발생 전기 구성요소 (18); 및
- 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 포함하는 열 교환기 (12) 를 포함하고,
상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 주위 유체 (20) 와의 열 교환을 위해 상기 상기 케이싱 (14) 의 외부 측면에서 상기 케이싱 (14) 으로부터 그리고 다시 상기 전기 구성요소 (18) 의 냉각을 위해 상기 케이싱 (14) 을 향해 유전성 냉각 유체 (16) 를 안내하도록 배열된다. 열 교환기 (12) 를 위한 패널 (60) 및 복수의 패널 (60) 을 포함하는 열 교환기 (12) 가 또한 제공된다.
- 케이싱 (14);
- 상기 케이싱 (14) 내측에 배열된 열 발생 전기 구성요소 (18); 및
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상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 주위 유체 (20) 와의 열 교환을 위해 상기 상기 케이싱 (14) 의 외부 측면에서 상기 케이싱 (14) 으로부터 그리고 다시 상기 전기 구성요소 (18) 의 냉각을 위해 상기 케이싱 (14) 을 향해 유전성 냉각 유체 (16) 를 안내하도록 배열된다. 열 교환기 (12) 를 위한 패널 (60) 및 복수의 패널 (60) 을 포함하는 열 교환기 (12) 가 또한 제공된다.
Description
본 개시는 일반적으로 전기 배열체를 위한 열 교환기에 관한 것이다. 특히, 열 교환기, 열 교환기를 위한 패널, 및 복수의 패널을 포함하는 열 교환기를 포함하는 전기 배열체가 제공된다.
전력 변압기들에 사용되는 변압기 오일은 종종 라디에이터 또는 냉각기와 같은 냉각 배열체들에 의해 냉각된다. 이러한 냉각 배열체들은 종종 변압기의 풋프린트의 상당한 부품을 구성한다.
US 2020033070 A1 은 인클로저 및 인클로저 내의 최소 표면 구조체를 포함하는 열 교환기를 개시한다. 인클로저는 제 1 입구, 제 1 출구, 제 2 입구, 및 제 2 출구를 포함한다. 최소 표면 구조체는 인클로저 내에서 제 1 볼륨과 제 2 볼륨을 분리한다. 제 1 입구 및 제 1 출구는 제 1 볼륨과 유체 연통하고, 제 2 입구 및 제 2 출구는 제 2 볼륨과 유체 연통한다. 제 1 및 제 2 볼륨들은 서로 혼합되는 것으로부터 분리된다.
본 발명의 하나의 목적은 열 발생 전기 구성요소 및 열 교환기를 포함하는 전기 배열체를 제공하는 것이며, 상기 전기 배열체는 전기 구성요소의 개선된 냉각을 가능한다.
본 개시내용의 추가적인 목적은, 열 교환기를 포함하는 전기 배열체를 제공하는 것이고, 상기 전기 배열체는 간단한 유지 보수를 가능하게 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 열 교환기를 포함하는 전기 배열체를 제공하는 것이며, 상기 전기 배열체는 컴팩트한 설계를 갖는다.
본 발명의 또 다른 목적은 열 교환기를 포함하는 전기 배열체를 제공하는 것이며, 상기 전기 배열체는 낮은 중량을 갖는다.
본 개시내용의 추가의 다른 목적은 열 교환기를 포함하는 전기 배열체를 제공하는 것이며, 상기 전기 배열체는 적은 양의 유전성 냉각 유체를 요구한다.
본 발명의 추가의 다른 목적은 열 교환기를 포함하는 전기 배열체를 제공하는 것이며, 상기 전기 배열체는 전술한 목적들 중 몇개 또는 전부를 조합하여 해결한다.
본 발명의 추가의 다른 목적은 전술한 목적들 중 하나, 몇개 또는 전부를 해결하는 열 교환기를 위한 패널을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 다른 목적은 전술한 목적들 중 하나, 몇개 또는 전부를 해결하는 전기 배열체를 위한 열 교환기를 제공하는 것이다.
하나의 양상에 따르면 전기 배열체가 제공되고, 상기 전기 배열체는 케이싱; 상기 케이싱 내측에 배열된 열 발생 전기 구성요소; 및 3차원 격자 셀 구조체를 포함하는 열 교환기를 포함하고, 상기 3차원 격자 셀 구조체는 주위 유체와의 열 교환을 위해 상기 상기 케이싱의 외부 측면에서 상기 케이싱으로부터 그리고 다시 상기 전기 구성요소의 냉각을 위해 상기 케이싱을 향해 유전성 냉각 유체를 안내하도록 배열된다.
3차원 격자 셀 구조체는 열 전달을 위해 노출되는 표면적을 증가시킨다. 따라서, 3차원 격자 셀 구조체에 의해 열 전달 효율이 향상된다. 결과적으로, 전기 구성요소의 냉각 효율도 향상된다. 열 교환기의 높은 열전달 효율로 인해, 냉각 유체의 양은 또한 비교적 적을 수 있다. 3차원 격자 셀 구조체는 양호한 혼합 환경 및 낮은 압력 강하 증가를 더 제공한다.
3차원 격자 셀 구조체는 열 교환기의 컴팩트한 설계를 추가로 가능하게 한다. 그 결과로서, 또한 전기 배열체가 더 컴팩트하게 제조될 수 있다. 대안적으로, 전기 배열체는 동일한 풋프린트로 더 강력하게 제조될 수 있다.
또한, 3차원 격자 셀 구조체에 의해 전기 배열체는 보다 경량으로 제조될 수 있다. 이는 결국 수송 비용을 감소시킨다. 3차원 격자 셀 구조체는 또한 전기 배열체의 제조를 보다 용이하게 할 수 있다.
3차원 격자 셀 구조체는 3개의 상이한 방향 각각으로 주기적 패턴을 포함할 수 있다. 각각의 주기적 패턴은 적어도 3개의 주기를 포함할 수 있다. 방향들은 실질적으로 직교하거나 직교할 수 있다. 3차원 격자 셀 구조체는 복수의 셀을 포함한다. 셀들은 2개의 방향 또는 3개의 방향으로 실질적으로 직교 또는 직교하게 배열될 수 있다.
3차원 격자 셀 구조체는 내부 격자 셀 구조체 볼륨을 규정할 수 있다. 내부 격자 셀 구조체 볼륨은 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 따라서, 내부 격자 셀 구조체 볼륨은 냉각 유체를 위한 연속적인 미로형 네트워크를 형성할 수 있거나, 냉각 유체를 위한 몇개의 평행한 미로형 네트워크를 형성할 수 있다. 임의의 경우에, 내부 격자 셀 구조체 볼륨은 케이싱의 내부와 유체 연통할 수 있다.
3차원 격자 셀 구조체는 외부 격자 셀 구조체 볼륨을 규정할 수 있다. 외부 격자 셀 구조체 볼륨은 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 따라서, 외부 격자 셀 구조체 볼륨은 주위 유체를 위한 연속적인 미로형 네트워크를 형성할 수 있거나, 주위 유체를 위한 몇개의 평행한 미로형 네트워크를 형성할 수 있다. 임의의 경우에, 외부 격자 셀 구조체 볼륨은 주위 유체와 유체 연통할 수 있다.
냉각 유체는 유전체 오일과 같은 유전체 액체일 수 있다. 주위 유체는 주위 공기 또는 물일 수 있다.
케이싱과 3차원 격자 셀 구조체는 냉각 유체를 위한 회로를 규정할 수 있다. 열 교환기는 하나 이상의 입구 및 하나 이상의 출구를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 3차원 격자 셀 구조체는 하나 이상의 입구와 하나 이상의 출구 사이에 유체적으로 배열될 수 있다. 입구 및 출구 각각은 케이싱과 3차원 격자 셀 구조체 사이에 유체적으로 배열될 수 있다. 입구는 출구보다 측지학적으로 더 높게 배열될 수 있다.
케이싱은 복수의 벽을 포함할 수 있다. 3차원 격자 셀 구조체는 벽들 중 하나에 엠베딩될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 3차원 격자 셀 구조체는 벽들 중 하나에 용접되거나 볼트결합될 수 있다.
열 교환기는 복수의 본체들을 포함하고, 각각의 본체는 3차원 격자 셀 구조체 또는 2차원 격자 구조체를 포함할 수 있다. 각각의 본체는 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 본체는 적층 가공될 수 있다. 적층 가공의 일 예는 3D 프린팅이다.
각각의 본체는 케이싱에 분리 가능하게 연결될 수 있다. 이는 조립 시간을 감소시키고 수리를 용이하게 한다. 예를 들어, 나머지 본체들을 교체하지 않고 본체들 중 하나가 교체될 수 있다. 교체가 필요한 하나의 이유는 누출일 수 있다.
각각의 본체는 2차원 격자 셀 구조체를 포함하는 패널일 수 있다. 2차원 격자 셀 구조체는 2개의 상이한 방향 각각으로 주기적 패턴을 포함할 수 있다. 각각의 주기적 패턴은 적어도 3개의 주기를 포함할 수 있다. 방향들은 실질적으로 직교하거나 직교할 수 있다.
패널들은 3차원 격자 셀 구조체를 형성하도록 스택으로 배열될 수 있다. 이러한 경우, 인접한 패널들의 셀들은 정렬 또는 오프셋될 수 있다. 대안적으로, 각각의 본체는 파이프 형상과 같은 세장형일 수 있다.
3차원 격자 셀 구조체는 삼중 주기의 실질적으로 최소 표면, 예를 들어 삼중 주기 최소 표면 (triply periodic minimal surface), TPMS 을 포함할 수 있다. TPMS 는 예를 들어 슈바르츠 (Schwarz) P 표면을 포함할 수 있다. 삼중 주기의 실질적으로 최소 표면은 TPMS 와 유사하지만 TPMS 로 명명되는 요건을 충족시키지 않는 표면일 수 있다.
3차원 격자 셀 구조체는 비-플랫형이고 유동-촉진 단부를 포함할 수 있다. 단부들은 예를 들어 원뿔형 또는 반구형일 수 있다. 각각의 단부는 3차원 격자 셀 구조체의 각각의 셀을 폐쇄할 수 있다.
열 교환기는 평행하게 배열된 2개의 3차원 격자 셀 구조체들을 포함하고, 각각의 3차원 격자 셀 구조체는 주위 유체와의 열 교환을 위해 케이싱의 외부 측면에서 케이싱으로부터 그리고 다시 전기 구성요소의 냉각을 위해 케이싱을 향해 냉각 유체를 안내하도록 배열된다. 이러한 경우, 열 교환기는 복수의 입구와 복수의 출구를 포함할 수 있다. 입구 및 출구의 각각의 쌍은 하나의 3차원 격자 셀 구조체와 연관될 수 있다. 각각의 3차원 격자 셀 구조체는 관련된 입구와 출구 사이에 유동적으로 배열될 수 있다.
열 교환기는 3차원 격자 셀 구조체를 통해 주위 유체를 전달하기 위한 파이프들을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 경우, 주위 유체는 파이프들의 내측 및 외측 모두에서 3차원 격자 셀 구조체를 통해 유동할 수 있다. 즉, 주위 유체는 파이프 내측 및 외부 격자 셀 구조체 볼륨 내측 모두에서 유동할 수 있다. 이는 냉각 유체와 주위 유체 사이의 열 전달을 더욱 증가시킨다. 파이프들은 3차원 격자 셀 구조체의 셀들을 통해 연장될 수 있다.
대안예로서, 파이프들은 2상 냉각제를 포함하는 열 파이프들일 수 있다. 이러한 경우, 열 파이프의 내부 표면은 모세관 구조를 포함할 수 있다. 3차원 격자 셀 구조체 외측의 열 파이프들의 섹션들은 응축기 영역을 구성할 수 있고, 3차원 격자 셀 구조체 내측의 열 파이프들의 섹션들은 증발기 영역을 구성할 수 있다. 냉각 유체에 인접한 열 파이프의 증발기 영역에서 2상 냉각제가 냉각 유체로부터 열을 흡수하여 증발한다. 증기는 열 파이프들 내측에서, 그러나 모세관 구조 외측에서, 3차원 격자 셀 구조체 외측의 열 파이프들의 보다 낮은 응축기 영역으로 트레블하고, 여기서 증기는 다시 액체로 응축되고 모세관 구조에 의해 흡수된다. 그후, 액체는 모세관 구조 내측에서 응축기 영역으로부터 다시 증발기 영역으로 트레블한다.
열 교환기는 3차원 격자 셀 구조체 내측에 안내 구조체를 포함하고, 안내 구조체는 3차원 격자 셀 구조체 내측에서 규정된 경로를 따라 냉각 유체를 안내하도록 배열된다. 경로는 실질적으로 전체, 또는 전체 3차원 격자 셀 구조체를 통과할 수 있다. 경로는 구불구불한 경로일 수 있다. 케이싱은 복수의 벽을 포함할 수 있다.
전기 배열체는 3차원 격자 셀 구조체를 통해 냉각 유체의 유동을 생성하도록 배열된 펌프 배열체를 더 포함한다. 이는 열 교환을 추가로 개선시킨다. 펌프 배열체는 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있다. 대안적으로, 전기 배열체는 자연 대류에 의해서만, 즉 냉각 유체를 순환시키기 위한 임의의 기계적 보조 없이 냉각 유체를 순환시키도록 구성될 수 있다.
전기 배열체는 3차원 격자 셀 구조체에서 주위 유체의 유동을 생성하도록 배열된 팬 배열체를 더 포함한다. 이는 열 교환을 추가로 개선시킨다. 팬 배열체는 3차원 격자 셀 구조체를 통해 주위 유체의 유동을 생성하도록 배열된다. 팬 배열체는 하나 이상의 팬들을 포함할 수 있다.
팬 배열체는 3차원 격자 셀 구조체에서 주위 유체의 유동을 적어도 2개의 상이한 방향으로, 예를 들어 적어도 3개의 상이한 방향으로 생성하도록 배열될 수 있다. 방향들은 실질적으로 직교하거나 직교할 수 있다.
전기 배열체는 전력 변압기 또는 분로 리액터 (shunt reactor) 와 같은 고전압 정전기 유도 시스템일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 고전압은 적어도 30 kV, 예를 들어 적어도 100 kV 일 수 있다. 전기 배열체는는 주로 전력 변환기로서 설명되지만, 전기 배열체는 전력 변환기에 제한되지 않는다.
추가의 양상에 따르면, 입구, 출구 및 상기 입구와 상기 출구 사이에 유체적으로 존재하는 2차원 격자 셀 구조체를 포함하는 열 교환기를 위한 패널이 제공된다. 패널은 본 발명에 따른 임의의 유형일 수 있다.
추가의 양상에 따르면, 전기 배열체를 위한 열 교환기가 제공되며, 상기 열 교환기는 본 개시내용에 따른 복수의 패널들을 포함하고, 상기 패널들은 3차원 격자 셀 구조체를 형성하도록 스택으로 배열된다. 인접한 패널들의 셀들은 정렬 또는 오프셋될 수 있다.
각각의 패널은 2차원 격자 셀 구조체를 포함할 수 있다. 2차원 격자 셀 구조체는 2개의 상이한 방향 각각으로 주기적 패턴을 포함할 수 있다. 각각의 주기적 패턴은 적어도 3개의 주기를 포함할 수 있다. 방향들은 실질적으로 직교하거나 직교할 수 있다.
본 개시내용의 추가적인 세부사항들, 이점들 및 양상들은 도면들과 함께 취해지는 다음의 실시예들로부터 명백해질 것이다.
도 1 은 열 교환기를 포함하는 전기 배열체의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 도 1 의 열 교환기의 3차원 격자 셀 구조체의 부분 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 열 교환기의 추가 예를 포함하는 전기 배열체의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 4 는 도 3 의 열 교환기의 부분 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 5 은 열 교환기의 추가 예를 포함하는 전기 배열체의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 6 은 열 교환기의 추가 예를 포함하는 전기 배열체의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 7 은 열 교환기의 추가 예를 포함하는 전기 배열체의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 8 은 도 7 의 열 교환기의 패널의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 9 는 도 8 의 패널의 정면도를 개략적으로 도시한다.
도 10 은 열 교환기의 추가 예를 포함하는 전기 배열체의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 11 은 도 10 의 전기 배열체의 정면도를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 도 1 의 열 교환기의 3차원 격자 셀 구조체의 부분 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 열 교환기의 추가 예를 포함하는 전기 배열체의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 4 는 도 3 의 열 교환기의 부분 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 5 은 열 교환기의 추가 예를 포함하는 전기 배열체의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 6 은 열 교환기의 추가 예를 포함하는 전기 배열체의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 7 은 열 교환기의 추가 예를 포함하는 전기 배열체의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 8 은 도 7 의 열 교환기의 패널의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 9 는 도 8 의 패널의 정면도를 개략적으로 도시한다.
도 10 은 열 교환기의 추가 예를 포함하는 전기 배열체의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 11 은 도 10 의 전기 배열체의 정면도를 개략적으로 도시한다.
이하에서, 열 교환기, 열 교환기를 위한 패널, 및 복수의 패널을 포함하는 열 교환기를 포함하는 전기 배열체가 설명될 것이다. 동일하거나 유사한 구조적 특징을 나타내기 위해 동일하거나 유사한 도면 번호가 사용될 것이다.
도 1 은 열 교환기 (12) 를 포함하는 전력 변압기 (10) 의 측면도를 개략적으로 도시한다. 전력 변압기 (10) 는 전기적 배열체의 하나의 예이다. 전력 변압기 (10) 는 케이싱 (14) 을 포함한다. 케이싱 (14) 은 유전체 오일 (16) 을 포함한다. 유전체 오일 (16) 은 유전성 냉각 유체의 하나의 예이다.
전력 변압기 (10) 는 전기 구성요소 (18) 를 더 포함한다. 전기 구성요소 (18) 는 케이싱 (14) 의 내측에 배열된다. 전기 구성요소 (18) 는 오일 (16) 에 침지된다. 전기 구성요소 (18) 는 전력 변압기 (10) 의 작동 동안 열을 생성한다. 전기 구성요소 (18) 는 예를 들어 전력 변압기 (10) 의 와인딩일 수 있다.
도 1 은 케이싱 (14) 외측의 주위 공기 (20) 를 추가로 도시한다. 공기 (20) 는 대기일 수 있다. 공기 (20) 는 주위 유체의 하나의 예이다.
열 교환기 (12) 는 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 포함한다. 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 복수의 셀 (24) 을 포함한다. 본 예의 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 세장형 슈바르츠 (Schwarz) P 표면을 갖는 실질적으로 삼중 주기 최소의 표면을 포함한다. 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 예를 들어 3D 인쇄될 수 있다.
3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 내부 격자 셀 구조체 볼륨 (26) 및 외부 격자 셀 구조체 볼륨 (28) 을 규정한다. 내부 격자 셀 구조체 볼륨 (26) 및 외부 격자 셀 구조체 볼륨 (28) 은 2개의 별개의 네트워크를 구성한다. 케이싱 (14) 의 내부로부터의 오일 (16) 은 내부 격자 셀 구조체 볼륨 (26) 으로부터 안으로 그리고 밖으로 유동할 수 있다. 공기 (20) 는 외부 격자 셀 구조체 볼륨 (28) 으로부터 안으로 그리고 밖으로 유동할 수 있다. 이러한 예에서, 내부 격자 셀 구조체 볼륨 (26) 및 외부 격자 셀 구조체 볼륨 (28) 각각은 연속적이다.
따라서, 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 오일 (16) 을 케이싱 (14) 으로부터 케이싱 (14) 의 외부 측면으로 그리고 다시 케이싱 (14) 을 향해 전달하도록 구성된다. 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 오일 (16) 과 공기 (20) 사이의 열 교환을 위한 큰 표면적을 포함한다. 테스트들은 열 교환기 (12) 가 매우 높은 열전달 계수를 갖는다는 것을 보여주었다. 이에 의해, 라디에이터의 수가 감소될 수 있다. 열 교환을 위한 큰 표면적에도 불구하고, 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 또한 컴팩트하다.
열 교환기 (12) 는 입구 (30) 및 출구 (32) 를 포함한다. 입구 (30) 및 출구 (32) 각각은 케이싱 (14) 과 3차원 격자 셀 구조체 (22) 사이에 유체적으로 배열된다. 입구 (30) 는 출구 (32) 보다 측지학적으로 더 높게 배열된다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 케이싱 (14) 및 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 케이싱 (14), 입구 (30), 3차원 격자 셀 구조체 (22) 및 출구 (32) 를 포함하는 오일 (16) 을 위한 회로를 규정한다. 도 1 에서, 오일 (16) 은 화살표로 표시된 바와 같이 전력 변압기 (10) 의 작동 동안 시계 방향으로 이러한 회로에서 유동한다. 즉, 오일 (16) 은 전기 구성요소 (18) 에 의해 가열된다. 그후, 고온 오일 (16) 은 입구 (30) 를 통해 3차원 격자 셀 구조체 (22) 로 진입한다. 내부 격자 셀 구조체 볼륨 (26) 에서 고온 오일 (16) 은 그후 외부 격자 셀 구조체 볼륨 (28) 에서 공기 (20) 와의 열 교환에 의해 냉각된다. 그후, 저온 오일 (16) 은 출구 (32) 를 통해 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 진출한다. 전기 구성요소 (18) 는 그후 저온 오일 (16) 에 의해 냉각된다.
케이싱 (14) 은 4개의 측벽 (34) 및 상단 벽 (36) 을 포함한다. 도 1 의 예에서, 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 측벽들 (34) 중 하나에 엠베딩된다. 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 예를 들어 측벽 (34) 에 용접되거나 볼트결합될 수 있다.
전력 변압기 (10) 는 팬 배열체를 더 포함한다. 팬 배열체는 전방 팬 (38) 및 바닥 팬 (40) 을 포함한다. 전방 팬 (38) 은 공기 (20) 를 3차원 격자 셀 구조체 (22) 내로 수평으로 블로잉하도록 구성된다. 바닥 팬 (40) 은 공기 (20) 를 아래로부터 3차원 격자 셀 구조체 (22) 내로 수직으로 블로잉하도록 구성된다. 전력 변압기 (10) 의 냉각 효율은 팬들 (38, 40) 의 속도를 조정함으로써 용이하게 조절될 수 있다. 팬 배열체는 또한 전방 팬 (38) 의 블로잉 방향에 수직인 추가의 수평 방향으로 공기 (20) 를 블로잉하는 추가의 팬 (미도시) 을 포함할 수 있다.
3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 비-플랫형이고 유동-촉진 단부 (42) 를 더 포함한다. 각각의 단부 (42) 는 3차원 격자 셀 구조체 (22) 의 각각의 셀 (24) 을 폐쇄한다.
도 2 는 도 1 의 열 교환기 (12) 의 3차원 격자 셀 구조체 (22) 의 부분적인 사시도를 개략적으로 도시한다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 3개의 직교 방향 각각으로 주기적 패턴을 포함한다. 각각의 주기적 패턴은 복수의 주기들을 포함한다. 셀들 (24) 은 3개의 방향으로 직교하게 배열된다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 예의 각각의 비-플랫형 및 유동-촉진 단부 (42) 는 원뿔형 형상을 갖는다.
도 3 은 열 교환기 (12) 의 추가 예를 포함하는 전력 변압기 (10) 의 측면도를 개략적으로 도시하고, 도 4 는 도 3 의 열 교환기 (12) 의 부분적인 사시도를 개략적으로 도시한다. 도 3 및 도 4 를 전체적으로 참조하여, 주로 도 1 및 도 2 에 대한 차이점이 설명된다.
도 3 및 도 4 의 열 교환기 (12) 는 복수의 파이프 (44) 를 포함한다. 본 예에서, 각각의 파이프 (44) 는 직선형이고 수직으로 배향된다. 파이프 (44) 는 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 통해 공기 (20) 를 안내하도록 구성된다.
각각의 파이프 (44) 는 전체 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 통해 연장된다. 본 예에서, 각각의 파이프 (44) 는 3차원 격자 셀 구조체 (22) 의 셀 (24) 을 통해 연장된다.
도 3 의 열 교환기 (12) 는 매니폴드 (46) 를 더 포함한다. 매니폴드 (46) 는 파이프 (44) 내로 분기된다. 바닥 팬 (40) 은 매니폴드 (46) 를 거쳐 파이프 (44) 를 통해 공기 (20) 를 블로잉하도록 배열된다. 전방 팬 (38) 은 도 1 에서와 동일한 방식으로 3차원 격자 셀 구조체 (22) 내로 공기 (20) 를 블로잉하도록 배열된다. 따라서, 도 3 에서, 오일 (16) 과 공기 (20) 사이의 열 교환은 내부 격자 셀 구조체 볼륨 (26) 과 외부 격자 셀 구조체 볼륨 (28) 사이 및 내부 격자 셀 구조체 볼륨 (26) 과 파이프 (44) 양쪽 사이에서 행해진다. 이러한 방식으로, 오일 (16) 과 공기 (20) 사이의 열전달 효율이 더욱 증가된다. 도 3 에서의 열 교환기 (12) 는 또한 간단한 구조체를 갖는다.
도 3 및 도 4 의 파이프 (44) 는 대안적으로 2상 냉각제를 수용하고 내부 모세관 구조체가 제공된 열 파이프로서 구성될 수 있다. 이러한 경우, 파이프들 (44) 은 3차원 격자 셀 구조체 (22) 외측으로 더 연장될 수 있다.
도 5 은 열 교환기 (12) 의 추가의 예를 포함하는 전력 변압기 (10) 의 측면도를 개략적으로 도시한다. 주로 도 1 및 도 2 에 대한 차이점이 설명된다.
도 5 의 열 교환기 (12) 는 복수의 플레이트 (48) 를 더 포함한다. 플레이트들 (48) 은 내부 격자 셀 구조체 볼륨 (26) 내측에서 경로 (50) 를 규정한다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 경로 (50) 는 구불구불한 형상이다. 플레이트들 (48) 은 3차원 격자 셀 구조체 (22) 내측에서 오일 (16) 을 안내하기 위한 안내 구조체의 하나의 예이다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 플레이트 (48) 는 오일 (16) 을 3차원 격자 셀 구조체 (22) 의 (케이싱 (14) 에 대해) 원위 영역으로 강제한다. 이에 의해, 플레이트 (48) 는 3차원 격자 셀 구조체 (22) 에서 오일 (16) 과 공기 (20) 사이의 열 전달을 더욱 개선시킨다.
도 6 은 열 교환기 (12) 의 추가의 예를 포함하는 전력 변압기 (10) 의 측면도를 개략적으로 도시한다. 주로 도 1 및 도 2 에 대한 차이점이 설명된다.
도 6 의 열 교환기 (12) 는 복수의 본체들 (52) 을 포함한다. 각각의 본체 (52) 는 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 포함한다. 따라서, 본체 (52) 는 오일 (16) 을 위한 복수의 평행한 네트워크를 형성한다. 각각의 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 공기 (20) 와의 열 교환을 위해 케이싱 (14) 의 외부 측면에서 케이싱 (14) 으로부터 그리고 다시 전기 구성요소 (18) 를 냉각하기 위해 케이싱 (14) 을 향해 오일 (16) 을 전달하도록 구성된다.
각각의 본체 (52) 는 케이싱 (14) 에 분리 가능하게 연결가능하다. 전력 변환기 (10) 는 본체들 (52) 중 하나가 교체를 위해 제거된 경우에도 기능할 수 있다. 이 경우에, 교체를 위해 제거된 본체 (52) 내로의 개구들은 폐쇄될 필요가 있다. 단지 하나의 본체 (52) 의 교체가 더 간단하고 더 저렴하다.
그러나, 본체 (52) 는 케이싱 (14) 에 직접 연결될 필요는 없다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 열 교환기 (12) 는 상부 매니폴드 (54) 및 하부 매니폴드 (56) 를 포함한다. 상부 매니폴드 (54) 는 각각의 본체 (52) 의 입구 (30) 내로 분기된다. 각각의 본체 (52) 의 출구 (32) 는 하부 매니폴드 (56) 에 의해 결합된다. 각각의 본체 (52) 는 상부 매니폴드 (54) 및 하부 매니폴드 (56) 에 분리가능하게 연결될 수 있다.
도 6 의 전력 변환기 (10) 는 펌프 (58) 를 더 포함한다. 펌프 (58) 는 펌프 배열체의 하나의 예를 구성한다. 펌프 (58) 는 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 통한 오일 (16) 의 유동을 선택적으로 향상시키도록 구성된다. 전력 변압기 (10) 의 냉각 효율은 펌드 (58) 의 속도를 조정함으로써 용이하게 조절될 수 있다. 도 6 의 예에서, 펌프 (58) 는 하부 매니폴드 (56) 에, 즉 본체 (52) 의 하류에 배열된다.
도 6 의 전력 변환기 (10) 는 복수의 바닥 팬들 (40) 을 더 포함한다. 각각의 바닥 팬 (40) 은 3차원 격자 셀 구조체 (22) 중 하나의 아래에 배열된다. 하나의 바닥 팬 (40) 은 각각의 3차원 격자 셀 구조체 (22) 와 연관된다.
도 7 은 열 교환기 (12) 의 추가의 예를 포함하는 전력 변압기 (10) 의 측면도를 개략적으로 도시한다. 열 교환기 (12) 는 복수의 패널들 (60) 을 포함한다. 도 8 은 도 7 의 열 교환기 (12) 의 패널들 (60) 중 하나의 사시도를 개략적으로 도시하고, 도 9 는 도 8 의 패널 (60) 의 정면도를 개략적으로 도시한다. 도 7 내지 도 9 를 전체적으로 참조하여, 주로 도 6 에 대한 차이점이 설명된다.
패널들 (60) 은 본 개시에 따른 본체의 추가 예들이다. 각각의 패널 (60) 은 케이싱 (14) 에 분리 가능하게 연결가능하다. 각각의 패널 (60) 은 2차원 격자 셀 구조체 (62) 를 포함한다. 또한, 본 예에서 각각의 패널 (60) 은 복수의 구멍들 (64) 을 포함한다. 구멍들 (64) 은 셀들 (24) 사이에 배열된다.
패널 (60) 은 스택으로 배열된다. 이러한 방식으로, 패널 (60) 은 공동으로 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 형성한다. 패널들 (60) 사이의 거리는 변경될 수 있으며, 예를 들어 개선된 열 전달을 위해 최적화될 수 있다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 각각의 패널 (60) 은 수평으로 배향된다. 도 7 내지 도 9 의 예에서, 내부 격자 셀 구조체 볼륨 (26) 은 불연속적이다. 따라서, 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 오일 (16) 을 위한 복수의 평행한 미로형 네트워크, 즉 각각의 패널 (60) 에서 하나의 네트워크를 형성한다.
구멍들 (64) 에 의해, 외부 격자 셀 구조체 볼륨 (28) 은 연속적이다. 그러나, 예를 들어 패널 (60) 이 시트 금속으로 제조되면, 패널 (60) 은 구멍 (64) 을 포함할 필요가 없다. 이러한 경우, 외부 격자 셀 구조체 볼륨 (28) 은 패널들 (60) 사이에서 불연속적일 것이다.
패널 (60) 은 조밀한 구성으로 배열된다. 본 예에서, 패널들 (60) 은 중첩된다. 즉, 하나의 패널 (60) 의 셀 (24) 은 인접한 패널 (60) 의 셀들 (24) 사이의 각각의 공간들 내로 진입한다. 따라서, 인접한 패널들 (60) 의 셀들 (24) 은 오프셋된다.
대안으로서, 패널 (60) 의 비-플랫형 단부 (42) 는 플랫형 단부로 교체될 수 있다. 이 경우, 패널들 (60) 은 서로 면대면 (face-to-face) 으로 컴팩트하게 배열될 수 있고, 인접한 패널들 (60) 의 셀들 (24) 은 오프셋될 필요가 없다.
열 교환기 (12) 는 도관 (66) 을 더 포함한다. 각각의 패널 (60) 의 출구 (32) 는 도관 (66) 에 연결된다. 도관 (66) 은 (오일 (16) 의 유동 방향에서 볼 때) 케이싱 (14) 에 연결되기 전에 수직에서 수평으로 전이된다. 펌프 (58) 는 도관 (66) 내에, 여기서는 그 수직 섹션에 배열된다. 바닥 팬 (40) 은 도관 (66) 의 수평 섹션과 3차원 격자 셀 구조체 (22) 사이에 수직으로 배열된다.
도 8 및 도 9 에 따른 패널 (60) 은 단지 하나의 구체적인 예이다. 특히, 입구 (30) 및 출구 (32) 의 설계는 변형될 수 있다.
도 10 은 열 교환기 (12) 의 추가 예를 포함하는 전력 변환기 (10) 의 측면도를 개략적으로 도시하고, 도 11 은 도 10 의 전력 변환기 (10) 의 정면도를 개략적으로 도시한다. 도 10 및 도 11 을 전체적으로 참조하여, 주로 도 7 에 대한 차이점이 설명된다.
도 10 및 도 11 에 사용된 패널 (60) 은 도 8 및 도 9 에서와 동일한 유형이다. 도 10 및 도 11 에 도시된 바와 같이, 각각의 패널 (60) 은 수직으로 배향된다. 패널들 (60) 은 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 공동으로 형성하도록 스택으로 배열된다.
도 11 은 팬 배열체가 2개의 추가 팬 (68) 을 포함하는 것을 추가로 도시한다. 각각의 팬 (68) 은 전방 팬 (38) 의 블로잉 방향에 수직인, 수평 방향으로 3차원 격자 셀 구조체 (22) 내로 공기 (20) 를 블로잉하도록 배열된다.
본 발명은 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 전술한 것에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 부품들의 치수들은 필요에 따라 변경될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항의 범위에 의해서만 제한될 수 있도록 의도된다.
Claims (16)
- 전기 배열체 (10) 로서,
- 케이싱 (14);
- 상기 케이싱 (14) 내측에 배열된 열 발생 전기 구성요소 (18); 및
- 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 포함하는 열 교환기 (12) 를 포함하고,
상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 주위 유체 (20) 와의 열 교환을 위해 상기 상기 케이싱 (14) 의 외부 측면에서 상기 케이싱 (14) 으로부터 그리고 상기 전기 구성요소 (18) 의 냉각을 위해 다시 상기 케이싱 (14) 을 향해 유전성 냉각 유체 (16) 를 안내하도록 배열되는, 전기 배열체 (10). - 제 1 항에 있어서,
상기 열 교환기 (12) 는 복수의 본체들 (52, 60) 을 포함하고, 각각의 본체 (52, 60) 는 3차원 격자 셀 구조체 (22) 또는 2차원 격자 구조체 (62) 를 포함하는, 전기 배열체 (10). - 제 2 항에 있어서,
각각의 본체 (52, 60) 는 상기 케이싱 (14) 에 분리가능하게 연결되는, 전기 배열체 (10). - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
각각의 본체는 2차원 격자 셀 구조체 (62) 를 포함하는 패널 (60) 인, 전기 배열체 (10). - 제 4 항에 있어서,
패널들 (60) 은 상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 형성하도록 스택으로 배열되는, 전기 배열체 (10). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 삼중 주기의 실질적으로 최소 표면 (triply periodic substantially minimal surface) 을 포함하는, 전기 배열체 (10). - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 비-플랫형이고 유동-촉진 단부들 (42) 을 포함하는, 전기 배열체 (10). - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 교환기 (12) 는 평행하게 배열된 2개의 3차원 격자 셀 구조체들 (22) 을 포함하고,
상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 는 주위 유체 (20) 와의 열 교환을 위해 상기 상기 케이싱 (14) 의 외부 측면에서 상기 케이싱 (14) 으로부터 상기 전기 구성요소 (18) 의 냉각을 위해 다시 상기 케이싱 (14) 을 향해 냉각 유체 (16) 를 안내하도록 배열되는, 전기 배열체 (10). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 교환기 (12) 는 상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 통해 상기 주위 유체 (20) 를 전달하기 위한 파이프들 (44) 을 더 포함하는, 전기 배열체 (10). - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 교환기 (12) 는 상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 내측에 안내 구조체 (48) 를 포함하고, 상기 안내 구조체 (48) 는 상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 내측에서 규정된 경로 (50) 를 따라 상기 냉각 유체 (16) 를 안내하도록 배열되는, 전기 배열체 (10). - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 배열체 (10) 는 상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 통해 상기 냉각 유체 (16) 의 유동을 생성하도록 배열된 펌프 배열체 (58) 를 더 포함하는, 전기 배열체 (10). - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 배열체 (10) 는 상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 에서 상기 주위 유체 (20) 의 유동을 생성하도록 배열된 팬 배열체 (38, 40, 68) 를 더 포함하는, 전기 배열체 (10). - 제 12 항에 있어서,
상기 팬 배열체 (38, 40, 68) 는 적어도 2개의 상이한 방향들로 상기 3차원 격자 셀 구조체 (22) 에서 상기 주위 유체 (20) 의 유동을 생성하도록 배열되는, 전기 배열체 (10). - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 배열체는 고전압 정전기 유도 시스템, 예를 들어 전력 변환기 (power transformer) 또는 분로 리액터 (shunt reactor) 인, 전기 배열체 (10). - 열 교환기 (12) 를 위한 패널 (60) 로서,
상기 패널 (60) 은 입구 (30), 출구 (32) 및 상기 입구 (30) 와 상기 출구 (32) 사이에 유체적으로 존재하는 2차원 격자 셀 구조체 (62) 를 포함하는, 패널 (60). - 전기 배열체 (10) 를 위한 열 교환기 (12) 로서,
상기 열 교환기 (12) 는 제 15 항에 따른 복수의 패널들 (60) 을 포함하고, 상기 패널 (60) 은 3차원 격자 셀 구조체 (22) 를 형성하도록 스택으로 배열되는, 열 교환기 (12).
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| RU219432U1 (ru) * | 2023-04-06 | 2023-07-17 | Алексей Александрович Лопатин | Теплообменный элемент с пространственной решетчатой упорядоченной градиентной структурой |
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