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KR101239303B1 - 열교환 타입 변압기 냉각 시스템 - Google Patents

열교환 타입 변압기 냉각 시스템 Download PDF

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KR101239303B1
KR101239303B1 KR1020130005018A KR20130005018A KR101239303B1 KR 101239303 B1 KR101239303 B1 KR 101239303B1 KR 1020130005018 A KR1020130005018 A KR 1020130005018A KR 20130005018 A KR20130005018 A KR 20130005018A KR 101239303 B1 KR101239303 B1 KR 101239303B1
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insulating oil
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heat exchange
channel portion
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갑 동 김
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갑 동 김
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Abstract

본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치는, 변압기의 내부에 채워진 절연유가 외부로 인출된 후 다시 상기 변압기로 회송될 수 있게 폐회로 형태로 구성된 절연유 순환배관; 상기 절연유를 이송시킬 수 있게 형성된 절연유 펌프; 및 상기 절연유를 냉각시킬 수 있게 형성된 절연유 냉각시스템을 포함하고, 상기 절연유 냉각시스템은, 전체 순환사이클 동안 액체상태가 유지되는 액체 냉매; 상기 액체 냉매를 순환시키는 냉매 순환배관; 상기 액체 냉매를 이송시킬 수 있게 형성되는 냉매 펌프; 및 상기 냉매와 상기 절연유를 열교환시켜 상기 절연유를 냉각시키는 열교환부를 포함하고, 상기 열교환부는, 상기 절연유가 복수의 층상으로 흐를 수 있게 복수의 층을 형성하는 다층채널부; 상기 다층채널부의 상류에 배치되는 인렛부 및 상기 다층채널부의 하류에 배치되는 아웃렛부; 및 상기 다층채널부를 둘러쌀 수 있게 형성되며, 상기 다층채널부의 주위로 상기 냉매가 흐를 수 있게 형성된 냉매 케이싱부를 포함한다.

Description

열교환 타입 변압기 냉각 시스템{HEAT EXCHANGE TYPE COOLING SYSTEM FOR TRANSFORMER}
본 발명은 경량이면서 저에너지 고효율 냉각 성능을 발휘할 수 있는 열교환 타입 변압기 냉각장치에 관한 것이다.
대용량의 변압기일수록 발열량이 증가하고 온도 상승이 크며 그에 따른 변압효율 문제가 발생한다. 따라서, 변압기에는 코일에 흐르는 줄열에 따른 온도 상승을 차단하도록 변압기 오일을 채워 넣고 이를 냉각시켜 일정 온도로 운전하게 된다. 변압기 오일은 광유를 분류 정제(分溜精製)해서 얻어지는 절연유로서 변압기의 절연과 냉각을 목적으로 사용된다.
그러한 변압기의 냉각시스템은 용량에 따라 건식자냉식, 건풍식냉식. 유입자냉식, 유입풍냉식, 유입수냉식, 유입송냉식 등 여러 가지 냉각방식이 이용되고 있다.
이중 유입자냉식은 변압기유를 가득히 채운 외함에 변압기 본체를 넣고 변압기유의 대류작용에 의해서 철심 및 권선에 발생하는 열을 외함으로 전달하고 외함에서의 방사와 대류에 의해서 열을 외기 중으로 방산시키는 방식이고, 유입풍냉식은 방열기를 부착한 유입변압기에 송풍기를 부착하여 강제통풍을 시킴으로 냉각효과를 얻는 방식으로 대용량 변압기에 사용되며, 유입수냉식은 변압기 외함의 상부 절연유 중에 냉각관을 설치하고 냉각수를 순환시켜 변압기를 냉각시키는 방식이다.
한편, 각종 전동차는 구동 모터에 전원을 공급하기 위한 변압기를 구비하고 있는데, 운전 중의 변압기는 상당한 열을 발생한다. 변압기의 냉각을 위하여 다양한 냉각시스템을 적용할 수 있으나, 전통적으로 많이 사용되어 온 송풍팬 방식의 경우 각 변압기마다 수백 킬로그램의 송풍팬이 구비되어 있어 무게가 지나치게 무겁고 설치공간도 그만큼 소요하게 된다는 단점이 있다. 또한, 송풍팬의 가동을 위한 에너지도 전체 효율에 영향을 미친다.
이외에, 대한민국 공개특허 제10-2005-0108508호는 열교환 방식을 이용하는 변압기의 오일 강제 냉각장치를 개시하고 있으나, 진동이 많은 분야에 적용할 수 있는 순환용 펌프 및 열교환기의 제시가 없으며, 냉동 사이클을 위하여 압축기와 증발기 등을 구비하는 것이므로 에너지 효율이 떨어지는 단점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2007-0075970호는 압축기가 없는 냉동사이클을 이용한 변압기 냉각장치를 제시하고 있으나, 끓는점이 95℃ 미만인 액화가스 계열의 냉매를 사용하는 것으로서 여전히 증발기를 포함하고 있으며, 그에 따른 장치의 컴팩트화 및 에너지절약에 제약이 있으며, 냉각 성능을 제고할 수 있는 열교환기의 구조 또는 경량화를 위한 고려가 없다는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 점을 감안한 것으로, 경량·소형화 제작이 가능하면서도 에너지 절약 및 소음이나 진동으로부터 내구성이 높고 냉각 성능이 우수한 열교환 타입 변압기 냉각장치를 제시하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치는, 변압기의 내부에 채워진 절연유가 외부로 인출된 후 다시 상기 변압기로 회송될 수 있게 폐회로 형태로 구성된 절연유 순환배관; 상기 절연유를 이송시킬 수 있게 형성된 절연유 펌프; 및 상기 절연유를 냉각시킬 수 있게 형성된 절연유 냉각시스템을 포함하고, 상기 절연유 냉각시스템은, 전체 순환사이클 동안 액체상태가 유지되는 액체 냉매; 상기 액체 냉매를 순환시키는 냉매 순환배관; 상기 액체 냉매를 이송시킬 수 있게 형성되는 냉매 펌프; 및 상기 냉매와 상기 절연유를 열교환시켜 상기 절연유를 냉각시키는 열교환부를 포함하고, 상기 열교환부는, 상기 절연유가 복수의 층상으로 흐를 수 있게 복수의 층을 형성하는 다층채널부; 상기 다층채널부의 상류에 배치되는 인렛부 및 상기 다층채널부의 하류에 배치되는 아웃렛부; 및 상기 다층채널부를 둘러쌀 수 있게 형성되며, 상기 다층채널부의 주위로 상기 냉매가 흐를 수 있게 형성된 냉매 케이싱부를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 액체 냉매는 끓는점이 120℃ 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 액체 냉매는 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol; EG)을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 다층채널부, 상기 인렛부, 상기 아웃렛부 및 상기 냉매 케이싱부는 스테인리스 스틸에 의해 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 다층채널부를 이루는 각 채널부는 금속박판을 사각으로 절곡하여 형성된 것일 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 금속박판의 두께(t)는 0.4 ~ 0.8 mm일 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 각 채널부는 장방형의 사각 단면을 갖는 것으로서, 상기 각 채널부의 내측 단폭(h)은 1.8 ~ 2.2mm이고 내측 장폭(w)은 80 ~ 120mm일 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 다층채널부는, 일정한 수평 거리를 두고 이격되게 배치된 제1다층채널부 및 제2다층채널부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 인렛부는 상기 절연유를 균등하게 상기 다층채널부로 공급할 수 있도록 복수 갈래로 유로를 전환시키는 가이드판을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 열교환 타입 변압기 냉각장치는, 상기 열교환부의 설정 냉각온도를 계절에 따라 하절기에는 상기 절연유의 냉각온도를 동절기의 냉각온도보다 크게 조절할 수 있도록 형성된 제어판을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 냉매 펌프는 모터부와 상기 모터부에 의해 상기 냉매를 압송시키는 임펠러부를 포함하고, 상기 냉매는 상기 모터부의 내부로 순환될 수 있게 구성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 절연유 순환배관, 상기 절연유 펌프 및 상기 절연유 냉각시스템은, 하나의 변압기의 일측에 구비되는 제1절연유 순환배관, 상기 제1절연유 순환배관 내의 절연유를 이송시키는 제1절연유 펌프 및 상기 제1절연유 순환배관 내의 절연유를 냉각시키는 제1절연유 냉각시스템; 및 상기 변압기의 타측에 구비되는 제2절연유 순환배관, 비상시 상기 제2절연유 순환배관 내의 절연유를 이송시키는 제2절연유 펌프 및 상기 제2절연유 순환배관 내의 절연유를 냉각시키는 제2절연유 냉각시스템을 포함할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치에 의하면, 다층 형태로 제작된 열교환부 및 전체 사이클 동안 액체상태로 유지되는 액체 냉매에 의하여 절연유를 냉각시키는 것이므로 냉각을 위하여 별도의 송풍팬을 설치하는 기존의 냉각시스템에 비하여 무게를 현저히 줄일 수 있으며, 압축기나 응축기 및 팬의 회전을 위한 모터 등이 전혀 필효하지 않으므로 그에 따른 비용 및 에너지의 절감 효과가 뛰어난 장점이 있다.
본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치의 일 예에 의하면, 냉매 펌프에 냉매가 순환되는 구조인 캔드모터 타입을 적용함으로써 진동이나 고온의 환경에서도 실링을 유지할 수 있으므로 고속 전동열차 또는 진동이 많은 산업 분야에 널리 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치(100, 100')가 적용된 변압기 냉각시스템의 개념도
도 2는 본 발명과 관련된 일 예에 따른 냉매 펌프(160)의 단면도
도 3은 본 발명과 관련된 일 예에 따른 열교환부(170)의 측면도
도 4는 본 발명과 관련된 열교환부(170)의 분해 사시도
도 5는 본 발명과 관련된 열교환부(170)의 부분단면 사시도
도 6은 본 발명과 관련된 일 예에 다른 다층채널부(171)의 제작방법을 보인 개념도
도 7은 본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치에 의한 냉각 성능을 시험한 결과를 보인 그래프
이하, 본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치(100, 100')가 적용된 변압기 냉각시스템의 개념도이다.
도 1과 같이, 본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치(100, 100')는 변압기(101)의 내부에 채워져 있는 절연유가 순환하면서 변압기(101) 내부의 코일에 의해 발생된 줄(Joule)열을 외부로 소산시킬 수 있게 구성되어 있다. 이를 위하여, 변압기(101)의 일측에는 절연유의 공급을 위한 탱크(102)가 구비되어 있으며, 절연유는 이후 설명될 각종 펌프 등에 의하여 순환되면서 냉각된 후 변압기(101)의 내부로 회송된다. 여기서, 본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치는 무게 또는 에너지 사용이 많은 송풍기나 팬과 같은 부품을 포함하고 있지 않으며, 열교환기에 의해 경량, 소형, 저에너지 및 고효율냉각을 구현하였음을 밝힌다.
도 1과 같이, 고장이나 비상시에도 변압기(101)의 보장할 수 있도록 열교환 타입 변압기 냉각장치는 하나의 열교환 타입 변압기 냉각장치(100)과 다른 하나의 열교환 타입 변압기 냉각장치(100')가 구비될 수 있다. 즉, 평상시에는 어느 하나의 열교환 타입 변압기 냉각장치가 운전되며, 유지보수 등의 상황이 발생된 경우 다른 하나의 열교환 타입 변압기 냉각장치를 운전하여 전체적으로 변압기(101)의 냉각이 중단되지 않도록 한다.
열교환 타입 변압기 냉각장치(100)는 전체적으로 절연유 순환배관(110), 절펌절연유 펌프(120), 각종 밸브(131, 132) 및 절연유 냉각시스템(140)을 포함할 수 있다.
절연유 순환배관(110)은 변압기(101)의 내부에 채워진 절연유가 외부로 인출된 후 다시 변압기(101)로 회송될 수 있게 폐회로 형태로 구성되어 있다.
절연유 펌프(120)는 절연유를 동력에 의하여 이송시킬 수 있게 구성된 것으로, 모터 펌프 등을 포함할 수 있다. 이러한 절연유 펌프(120)은 뒤에서 설명될 열교환부의 성능 향상에 따라 저속으로 운전될 수 있는 것이 채택될 수 있으며, 약 1,800RPM 정도의 4극 모터 펌프가 적용될 수 있다. 이 경우, 회전수가 낮으므로 소음 및 진동이 현저하게 줄어들고, 베어링의 수명이 연장되며, 잦은 고장으로 인한 수리비 및 관리비가 절감될 수 있는 장점이 있다.
절연유 냉각시스템(140)은 압축이나 응축이 필요 없는 액체 냉매를 사용할 수 있다. 즉, 본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치에 사용된 냉매는 끓는점이 높은 액체 냉매로서, 전체 순환사이클 동안 액체상태가 유지된다. 절연유의 열변성이 일어날 수 있는 온도 이상에서도 액체상태를 유지하면서 절연유가 갖는 열에너지를 효과적으로 소산시킬 수 있는 것으로서, 액체 냉매는 끓는점이 120℃ 이상인 물질이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 그러한 액체 냉매로서 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol; EG)이 사용되었다. 에틸렌 글리콜은 자동차 등의 부동액에 사용될 정도로 어는점이 낮은 반면 끓는점이 높은 물질로서, 사이클동안 상변태가 되지 않으면서도 절연유의 냉각작용을 효과적으로 구현한다. 결과적으로 압축기와 응축기가 수반되지 않으므로 이들을 구성하기 위한 비용 및 무게의 증가, 운전에너지의 증가, 유지 보수건의 증대, 설치면적의 증대 등이 원천적으로 발생하지 않는다.
절연유 냉각시스템(140)은 위와 같이 전체 순환사이클 동안 액체상태가 유지되는 액체 냉매와, 액체 냉매를 순환시키는 냉매를 순환시키는 냉매 순환배관(150), 액체 냉매를 이송시킬 수 있게 형성되는 냉매 펌프(160) 및 절연유와 액체 냉매를 열교환시켜 절연유를 냉각시키는 열교환부(170)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명과 관련된 일 예에 따른 냉매 펌프(160)의 단면도이다. 본 예의 냉매 펌프(160)는 고온에서 견딜 수 있는 고내열 펌프로서, 전동열차 등의 극심한 진동 환경에서도 실링의 손상이 없는 논씰드(non sealed) 캔드(canned) 모터펌프가 적용될 수 있다. 즉, 냉매 펌프(160)는 모터부와 임펠러부를 포함할 수 있으며, 냉매는 모터부의 내부로 순환될 수 있게 구성되어 있다. 이하, 냉매 펌프(160)를 보다 구체적으로 설명한다.
냉매 펌프(160)는 케이싱(160-10), 임펠러(160-15), 프론트 하우징(160-21), 리어 하우징(160-22), 스테이터 유닛(160-30), 로터 어셈블리(160-40), 베어링(160-51, 160-52), 슬리브(160-55, 160-56), 보조 임펠러(160-60), 커넥터(160-70) 등의 요소를 포함할 수 있다. 다만, 이러한 냉매 펌프(160)의 세부 구성상의 요소는 경우에 따라 이중 일부를 포함하지 않거나 다른 형태로 대체될 수 있다.
케이싱(160-10)은 임펠러(160-15)를 감싸는 부분으로서, 작동유체 즉, 액체 냉매 등이 들어오는 유입부(inlet; 111)와 원심력에 의하여 압송되는 토출부(outlet; 112)가 각각 형성되어 있다.
임펠러(160-15)는 로터 어셈블리(160-40)에 결합되는 부품으로서, 로터 어셈블리(160-40)로부터 구동력을 제공받아 회전에 의해 작동유체를 원심방향으로 강제로 안내함으로써 작동유체가 케이싱(160-10)의 토출부(112)로 향하도록 한다.
프론트 하우징(160-21) 및 리어 하우징(160-22)은 베어링(160-51, 160-52)이 안착될 자리를 제공할 수 있도록 각각 내측으로 연장된 형태로 되어 있다. 프론트 하우징(160-21) 및 리어 하우징(160-22)의 체결을 위해, 스테이터 유닛(160-30)에는 각각의 플랜지(160-31, 160-32)가 구비되어 있다. 이중 프론트 플랜지(131)는 케이싱(160-10)과의 직접 체결을 위해 리어 플랜지(132)에 비해 직경이 큰 형태로 형성될 수 있다. 프론트 플랜지(131)와 케이싱(160-10)은 프론트플랜지(131) 쪽에서 삽입되는 플랜지볼트(135)에 의해 체결된다. 스테이터 유닛(160-30)과 케이싱(160-10)의 직접 체결구조에 의해 높은 밀봉력을 얻을 수 있으며, 조립도 간편화될 수 있다. 프론트 하우징(160-21)은 스테이터 유닛(160-30)의 프론트 플랜지(131)에 프론트 하우징(160-21) 쪽에서 삽입되는 플랜지볼트(125)에 의해 체결된다.
로터 어셈블리(160-40)는 샤프트(160-41) 및 샤프트(160-41)에 고정되어 있는 로터 코어(160-42) 및 로터 코어(160-42)를 밀봉하는 로터캔(143)을 포함하다.
샤프트(160-41)의 중심은 길이방향의 관통홀(160-41a)이 형성되어 있으며, 관통홀(160-41a)에 연결되는 반경방향의 측공(160-41b)을 포함하고 있다. 모터가 작동되면 임펠러(160-15)의 작용에 의해 작동유체가 관통홀(160-41a)로 유입되고 측공(160-41b)을 통하여 모터의 내부공간으로 유입된다.
로터 어셈블리(160-40)의 전단과 후단은 슬리브(160-53, 160-54)에 의하여 각각 끼워져 있으며, 슬리브(160-53, 160-54)는 각각의 베어링(160-51, 160-52)에 의하여 지지된다. 베어링(160-51, 160-52)에는 나선 및 축선 방향으로 형성된 미로(labyrinth; 160-51a)가 형성되어 있으며, 미로(160-51a)를 따라 유동하는 작동유체에 의해 샤프트(160-41)와 베어링(160-51, 160-52) 사이의 원활한 미끄럼이 일어나게 된다. 따라서, 별도의 윤활유를 사용하지 않고 펌프에 의해 수송되는 작동유체인 액체 냉매에 의하여 윤활작용을 구현한다. 따라서, 냉매 펌프(160)가 운전하는 동안 실링(seal ring) 등이 사용되지 않으므로 실링의 깨짐으로 인한 냉매의 누수가 발생하지 않는다.
스테이터 유닛(160-30)은 철심 코어(160-33)에 전선이 권취된 형태로서, 스테이터캔(160-34)에 의하여 밀봉되어 있다. 스테이터 유닛(160-30)의 선단부와 후단부는 전술한 바와 같이 프론트 하우징(160-21)과 리어 하우징(160-22)에 각각 결합되기 위한 플랜지(160-31, 160-32)를 구비하고 있다.
보조 임펠러(160-60)는 로터 어셈블리(160-40)가 장착된 내부의 공간에 포함된 에어의 유출을 위한 통로를 제공한다. 즉, 장치가 작동된 후 임펠러(160-15)의 회전에 의하여 내부 공간으로 작동유체가 유입되도록 공기를 빼주고, 공기가 다 빠지면 이를 폐쇄시킨다.
커넥터(160-70)는 스테이터 유닛(160-30)의 전선 등이 외부의 단자와 연결하는 부분으로서, 연장튜브에 의하여 고온의 스테이터 유닛(160-30)과 일정한 거리를 두고 있다.
이와 같이, 논실드 캔드 모터펌프의 형태로 형성된 냉매 펌프(160)는 액체냉매가 그 내부로 들어와 순환되면서 냉매 펌프(160)의 모터부의 냉각작용 및 윤활작용을 구현하면서도 모터부의 내부 부품에 영향을 주지 않으므로 실링이 손상되지 않고 긴 내구성을 발휘할 수 있다.
도 3은 본 발명과 관련된 일 예에 따른 열교환부(170)의 측면도이고, 도 4는 본 발명과 관련된 열교환부(170)의 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명과 관련된 열교환부(170)의 부분단면 사시도이며, 도 6은 본 발명과 관련된 일 예에 다른 다층 채널부(171)의 제작방법을 보인 개념도이다.
이들 도면에 도시된 것과 같이, 열교환부(170)는 절연유와 액체 냉매가 독립되게 흐르도록 한 상태에서 절연유의 열을 액체 냉매에 전달할 수 있게 구성한 것으로서, 경량이면서도 긴 수명을 제공할 수 있는 형태로 제작되었다.
열교환부(170)부는 절연유가 복수의 층상으로 흐를 수 있게 복수의 층을 형성하는 다층채널부(171)와, 다층채널부(171)의 상류에 배치되는 인렛부(172), 다층 채널부(171)의 하류에 배치되는 아웃렛부(173) 및, 다층채널부(171) 둘러쌀 수 있게 형성되며 다층채널부(171) 주위로 액체 냉매가 흐를 수 있게 형성된 냉매 케이싱부(174)를 포함한다. 이러한 다층채널부(171), 인렛부(172), 아웃렛부(173) 및 냉매 케이싱부(174)는 무게를 줄이면서도 내식성이 있는 금속 박판에 의해 제작될 수 있다. 그러한 금속 박판은 구체적으로 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다.
다층채널부(171)는 절연유가 여러 갈래로 흐르면서 최대한의 접촉면적을 확보할 수 있도록 하는 주요 부품으로서, 경량이면서도 일정한 강성과 넓은 표면적을 갖도록 구성되는 것이 바람직하다. 도 5와 같이, 다층채널부(171)는 상호 이격되게 배치되어 있는 제1다층채널부(171A)와 제2다층채널부(171B)를 포함할 수 있으며, 각 다층채널부(171A, 171B)는 상호 이격되게 적층된 채널부를 갖는다. 도 6과 같이, 그러한 다층채널부(171)는 얇은 두께를 갖는 스테인리스 스틸 박판(171-1)을 사각으로 절곡하여 형성한 후 만나는 부위를 용접에 의하여 밀봉하여 형성한다.
열교환을 위한 충분한 표면적 제공 및 구조적 강성을 위하여, 스테인리스 스틸 박판(171-1)의 두께(t), 내측 단폭(h) 및 내측 장폭(w)은 제한될 수 있다. 즉, 스테인리스 스틸 박판(171-1)의 두께(t)는 0.4 ~ 0.8 mm이고, 내측 단폭(h)은 1.8 ~ 2.2mm 이며, 내측 장폭(w)은 80 ~ 120mm인 것이 사용되었다. 길이(L)는 절연유의 양이나 변압기의 규모에 따라 조절될 수 있다.
이러한 장방형의 얇은 폭과 두께를 갖는 다층채널부(171)는 원형관 등을 사용하여 열교환기를 구성하는 경우에 비하여 열교환 효율이 매우 우수하며, 내부에 흐르는 절연유의 흐름이 원활하면서도 장치의 밀집도를 높일 수 있다. 따라서, 경량이면서도 소형 제작이 가능하게 된다.
인렛부(172)에는 절연유를 균등하게 다층채널부(171)로 공급할 수 있도록 복수 갈래로 유로를 전환시키는 가이드판(173)이 구비되어 있다. 이러한 가이드판(173)은 냉매 순환배관(150)으로부터 열교환부(170)로 확관되어지는 모양에 따라 일정한 경사 형태로 벌어지도록 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치에 의한 냉각 성능을 시험한 결과를 보인 그래프이다. 여기서, ch1은 절연유 펌프 외부의 온도이고, ch2는 절연유 펌프 내부의 온도이며, ch3는 열교환부 앞부분의 온도이고, ch4는 열교환부 뒷부분의 온도이며, ch5는 절연유 탱크에서의 온도이고, ch6는 냉매 탱크에서의 온도이다.
본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치를 구성한 후, 초기 상태에서 절연유액의 온도(ch5)는 90.6℃이고, 냉매의 온도(ch6)는 14.6℃였다. 운전을 시작한 후 절대시간의 경과에 따라 30초 단위로 이들 각 부위에서의 온도를 측정하였으며, 시간이 지남에 따라 절연유는 급속하게 온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
일정 시간에 맞추어(변압기의 운전에 따른 열 발생을 고려하여) 히팅을 실시한 후 그에 따른 온도 변화를 지속적으로 기록하였다. 히팅에 따라 절연유의 온도 상승이 있으나 전체적으로 시간의 경과에 따라 초기 온도에 비하여 약 30℃ 정도 낮은 온도가 일정하게 유지되고 있으며, 냉매의 온도도 초기 온도에 비하여 증가되었으나 약 54℃ 정도로 지속되는 것을 볼 수 있다. 액체 냉매의 열상승은 주행 중의 열차 등에 유입되는 주위 공기 등에 의하여 식힐 수 있다.
위와 같이 본 발명과 관련된 열교환 타입 변압기 냉각장치의 열교환효율을 실증하는 것으로서, 송풍팬 등에 의한 기존의 절연유 냉각 시스템의 대형화를 극복할 수 있으면서도 진동이 상존하는 전동열차 등에서 실링이 사용되지 않으므로 누수가 없고 높은 열교환 성능을 구현한 것으로서 적용 가능성이 우수하다.
또한, 열교환부의 설정 냉각온도를 계절에 따라 하절기에는 절연유의 냉각온도를 동절기의 냉각온도보다 크게 조절할 수 있도록 형성된 제어판 또는 컨트롤러가 포함될 수 있다. 이러한 컨트롤러는 계절에 따라 또는 변압기의 운용지역에 따라 변압기의 운전에 필요한 냉각온도를 쉽게 조절할 수 있으므로 효율이 우수하고 에너지를 더욱 절감할 수 있는 장점이 있다.
상기와 같이 설명된 열교환 타입 변압기 냉각장치는 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용되지 않는다. 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100, 100': 열교환 타입 변압기 냉각장치
101: 변압기 102: 절연유 탱크
110: 절연유 순환배관 120: 절연유 펌프
131, 132: 밸브 140: 절연유 냉각시스템
150: 냉매 순환배관 160: 냉매 펌프
170: 열교환부 171: 다층채널부
171A: 제1다층채널부 171B: 제2다층채널부
172: 인렛부 173: 가이드판
174: 아웃렛부 175: 냉매 케이싱부
176: 냉매유입부 177: 냉매토출부

Claims (12)

  1. 변압기의 내부에 채워진 절연유가 외부로 인출된 후 다시 상기 변압기로 회송될 수 있게 폐회로 형태로 구성된 절연유 순환배관;
    상기 절연유를 이송시킬 수 있게 형성된 절연유 펌프; 및
    상기 절연유를 냉각시킬 수 있게 형성된 절연유 냉각시스템을 포함하고,
    상기 절연유 냉각시스템은,
    전체 순환사이클 동안 액체상태가 유지되는 액체 냉매;
    상기 액체 냉매를 순환시키는 냉매 순환배관;
    상기 액체 냉매를 이송시킬 수 있게 형성되는 냉매 펌프; 및
    상기 냉매를 액체 상태에서 상기 절연유와 열교환시켜 상기 절연유를 냉각시키는 열교환부를 포함하고, 상기 열교환부는,
    상기 절연유가 복수의 층상으로 흐를 수 있게 복수의 층을 형성하는 다층채널부;
    상기 다층채널부의 상류에 배치되는 인렛부 및 상기 다층채널부의 하류에 배치되는 아웃렛부; 및
    상기 다층채널부를 둘러쌀 수 있게 형성되며, 상기 다층채널부의 주위로 상기 냉매가 흐를 수 있게 형성된 냉매 케이싱부를 포함하고,
    상기 다층채널부를 이루는 각 채널부는 금속박판을 사각으로 절곡하여 형성되고,
    상기 인렛부는 상기 절연유를 균등하게 상기 다층채널부로 공급할 수 있도록 복수 갈래로 유로를 전환시키는 가이드판을 포함하는, 열교환 타입 변압기 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체 냉매는 끓는점이 120℃ 이상인 것인, 열교환 타입 변압기 냉각장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액체 냉매는 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol; EG)을 포함하는, 열교환 타입 변압기 냉각장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다층채널부, 상기 인렛부, 상기 아웃렛부 및 상기 냉매 케이싱부는 스테인리스 스틸에 의해 형성된, 열교환 타입 변압기 냉각 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속박판의 두께는 0.4 ~ 0.8 mm인, 열교환 타입 변압기 냉각장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 각 채널부는 장방형의 사각 단면을 갖는 것으로서, 상기 각 채널부의 내측 단폭(h)은 1.8 ~ 2.2mm이고 내측 장폭(w)은 80 ~ 120mm인, 열교환 타입 변압기 냉각장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다층채널부는,
    일정한 수평 거리를 두고 이격되게 배치된 제1다층채널부 및 제2다층채널부를 포함하는, 열교환 타입 변압기 냉각장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부의 설정 냉각온도를 계절에 따라 하절기에는 상기 절연유의 냉각온도를 동절기의 냉각온도보다 크게 조절할 수 있도록 형성된 제어판을 더 포함하는, 열교환 타입 변압기 냉각장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 냉매 펌프는 모터부와 상기 모터부에 의해 상기 냉매를 압송시키는 임펠러부를 포함하고,
    상기 냉매는 상기 모터부의 내부로 순환될 수 있게 구성된, 열교환 타입 변압기 냉각장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 절연유 순환배관, 상기 절연유 펌프 및 상기 절연유 냉각시스템은,
    하나의 변압기의 일측에 구비되는 제1절연유 순환배관, 상기 제1절연유 순환배관 내의 절연유를 이송시키는 제1절연유 펌프 및 상기 제1절연유 순환배관 내의 절연유를 냉각시키는 제1절연유 냉각시스템; 및
    상기 변압기의 타측에 구비되는 제2절연유 순환배관, 비상시 상기 제2절연유 순환배관 내의 절연유를 이송시키는 제2절연유 펌프 및 상기 제2절연유 순환배관 내의 절연유를 냉각시키는 제2절연유 냉각시스템을 포함하는, 열교환 타입 변압기 냉각장치.

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