JPH0521236A

JPH0521236A - 自冷変圧器用放熱器

Info

Publication number: JPH0521236A
Application number: JP17214891A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sakamoto; 健坂元; Haruyuki Yamazaki; 晴幸山崎; Ryoji Nakatake; 良二中武; Mitsuhiro Hamada; 充弘浜田; Yoshito Ueno; 義人上野; Kiyoto Hiraishi; 清登平石
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-07-12
Filing date: 1991-07-12
Publication date: 1993-01-29

Abstract

(57)【要約】【目的】自冷式液冷不燃変圧器において、高価な液状不
燃性絶縁冷媒の使用量を低減し高性能でコンパクトな放
熱器を提供する。【構成】変圧器タンク１内には鉄心２や巻線３が液状絶
縁冷媒４に浸されて収納され、放熱器９は配管８ａ，８
ｂによりタンク１に接続されている。放熱器９を構成す
る伝熱管１１は押出し法等により成型された扁平なもの
で、伝熱管外部に管軸方向に伸びるフィン１２を設けて
ある。また、伝熱管複数本で放熱器ユニットを構成し、
上下のヘッダ１０ａ，１０ｂは流れ方向を軸として傾斜
させてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は不燃性の液状絶縁冷媒を
用いた変圧器において大気の自然対流熱伝達で絶縁冷媒
を冷却する放熱器に係り、特に、高価な不燃性液状絶縁
冷媒の使用量を低減した変圧器用放熱器に関する。

【０００２】

【従来の技術】都市部の過密化が進むにつれて、都市に
設置する変圧器には防災上、不燃化の要望が強く、ま
た、大容量化，据付けスペ−スの縮小化，低騒音化，省
力化の要求も強い。従来の不燃変圧器としては、ＳＦ₆
ガスを絶縁冷媒としたガス絶縁変圧器があるが、ＳＦ₆
ガスは密度，比熱，熱伝導率などの伝熱性能に関係する
物性値が小さいために冷却性能が悪く、上記諸要求への
対応が困難である。変圧器の冷却性能を上げるには、液
状の絶縁冷媒が必要であり、不燃性の液状絶縁冷媒は現
在のところ、絶縁性や熱安定性，安全性、また冷却性能
を考慮すると、パーフルオロカーボン液（主成分がＣ₈
Ｆ₁₈Ｏ）が最も有望である。しかし、この液は非常に
高価であり、経済性のある変圧器にするには、使用液量
を極力少なくする必要がある。

【０００３】従来、液状の絶縁冷媒として変圧器油（不
燃性ではない）があるが、変圧器油用の自冷式放熱器を
構成する伝熱管あるいは伝熱面は、円滑管か、二枚の平
板を空隙を作って張り合わせた構造のものがほとんどで
あった。このような構造では、変圧器用絶縁冷媒側の伝
熱面積と空気側の伝熱面積とに大差がなく、放熱器の冷
却性能は熱伝達率の小さい空気側の性能によってほとん
ど決まり、放熱器としては大きな構造となる。また、放
熱器の内部容積も大きくなり、このような構造で高価な
パーフルオロカーボン液を絶縁冷媒として使うと、変圧
器が高価となり、経済的でない。さらに、パーフルオロ
カーボン液は比重量も大きく、放熱器の重量も大きなも
のとなり、放熱器の支持能力を高める必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】現在、絶縁冷媒として
ＳＦ₆ガスを用いている不燃変圧器にパーフルオロカー
ボン液を用いれば、大幅なコンパクト化が図れ、外部動
力を使わないで運転できる自然循環冷却（自冷）容量を
拡大できる可能性がある。

【０００５】本発明は、高価なパーフルオロカーボン液
量の使用量が少なく、空気による自然対流熱伝達率を小
さくせずに体積を小さくし、経済的な変圧器用放熱器を
提供することを目的としている。また、変圧器本体への
放熱器の取付けを強固な構造とすることを他の目的とし
ている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】放熱器を構成する伝熱管
の構造として内部に支持部材をもった扁平な管とし、そ
の外壁の平坦部に長手管軸方向に伸びる板上のフィンを
複数枚取り付け、このような伝熱管を複数本、上下の箱
状のヘッダ間に鉛直に配設した放熱器構成とする。この
ような放熱器は、取り扱い易いようにユニット状にし、
変圧器本体（タンク）へは複数の放熱器ユニットを適度
な隙間を開けて取り付けるようにする。なお、上下の箱
状のヘッダは、周囲空気の流れを円滑にするため、ヘッ
ダ内の冷媒の流れ方向を軸として傾斜させる。この場
合、伝熱管外面に付けた各フィンの上下端は高さを揃え
る。上下の箱状ヘッダを傾斜させない場合はヘッダの幅
方向にフィンの高さに傾斜を持たせる。また、ヘッダ内
の冷媒流路断面積をタンクから離れるにつれて小さくし
ても良い。伝熱管の製作法は、押出し成型法で製作す
る。この方法で成型するために、管の材料はアルミニウ
ムが適している。なお、押出し成型法で製作する際、フ
ィン付きの状態で押出し成型を行なってもよいし、ま
た、扁平管のみを押出し成型し、後でフィンを付けても
よい。

【０００７】

【作用】伝熱管の外表面に付けたフィンのため、熱伝達
率の悪い空気側の伝熱面積を大きく出来る。このため、
伝熱管内部の体積あるいは伝熱面積当たりの放熱量を多
くすることが出来る。また、伝熱管外表面に付けたフィ
ンが鉛直方向であるため、空気の対流を円滑にし、大き
な熱伝達率を得ることが出来る。また、放熱器ユニット
を複数個変圧器本体に取り付けても、ヘッダが傾斜して
いるため、伝熱管群の下部及び上部での空気の流れを円
滑にできるため、伝熱管を密に配置しても空気側の熱伝
達率が小さくならずに済む。また、傾斜させないヘッダ
の放熱器の場合でも、上下ヘッダ付近のフィンの高さに
傾斜があるので、同様に空気の流れは円滑になる。ま
た、扁平管は押出し成型法で製作するので、溶接作業が
無く、量産に好適であり、内圧に対して強度が確保でき
る。また、材料がアルミニウムのため重量が軽くなる。
さらに、扁平管は周長に対して内部の断面積が小さくで
きるため、液冷媒の体積を少なくでき、経済的な放熱器
を提供できる。

【０００８】

【実施例】本発明の実施例を図１により説明する。図１
は液状絶縁冷媒を用いた自然循環冷却の不燃変圧器の場
合の縦断面概略図である。タンク１の中には鉄心２，巻
線３等の構造物が収納されている。これらの構造物は液
状絶縁冷媒４に浸されている。また、タンク上方の空隙
部には、タンク内の圧力を適正値に保つため及び避圧空
間をかねてセパレータ６を隔壁として絶縁性ガス５が充
填されている。また、液状絶縁冷媒４は高価であるた
め、使用液量を少なくするための絶縁性節液材７が、タ
ンク内壁面および他の構造物から適正な隙間を設けて、
比較的大きな空隙部に配設されている。また、放熱器９
は、配管８ａ及び８ｂによりタンク１に接続されてい
る。放熱器９は上部ヘッダ１０ａ及び下部ヘッダ１０ｂ
の間に外部フィン１２をもつ複数の伝熱管が配設された
構成となっている。本発明による実施例をさらに詳細に
説明するために、図２に放熱器９を構成する伝熱管の断
面図を示す。伝熱管はアルミニウムの押出し法により製
作されたフィン付きの扁平な管で、その外表面の平坦部
には外部フィン１２、内部には内部フィン１３が長手管
軸方向に設けられている。さらに図３は、図２に示すフ
ィンの付いた伝熱管を複数本、上下のヘッダ１０ａ，１
０ｂ間に配設した放熱器ユニット１４を示す。ここで、
ヘッダ１０ａ，１０ｂは、内部を流れる冷媒の流れ方向
を軸として、傾斜させてある。１５はフランジで、変圧
器本体のタンクに取り付けるための手段である。さら
に、図４に放熱器ユニット１４が変圧器本体に複数個並
べて取り付けられたときの状況を示す。放熱器ヘッダ１
０ａ，１０ｂはその傾斜の方向が上部及び下部でそれぞ
れ同一になるように揃えられている。

【０００９】このような構成において、タンク内で発熱
する構造物は液状絶縁冷媒４により冷却される。また、
液状絶縁冷媒４は構造物により加熱されて温度上昇し、
タンク１の上方より配管８ａを通って放熱器９へ流れ、
放熱器９で冷却されて下方より配管８ｂを通ってタンク
１の下部に入る。

【００１０】本実施例によれば、扁平な伝熱管の外表面
にフィンがあるため、内部の液側の伝熱面積に対して伝
熱特性の悪い空気側の伝熱面積が大きくとれ、内部の液
量当たり、あるいは伝熱面積当たりの伝熱量を増加する
ことが出来る。あるいは、内部の液の温度を下げること
が出来る。すなわち、放熱器の放熱量Ｑ（Ｗ）は、液側
の伝熱面積をＡi（ｍ²）、空気側の伝熱面積をＡo
（ｍ²），液側の熱伝達率をαi（Ｗ／ｍ²℃）、空気側
の熱伝達率をαo（Ｗ／ｍ²℃）、伝熱面積基準の熱通過
率をＫ（Ｗ／ｍ²℃）、冷媒と周囲空気との温度差をΔ
Ｔ（℃）とすると、Ｑは、Ｑ＝ＫＡiΔＴ …（数１）ここで、Ｋは１／Ｋ＝１／αi＋Ａi／（αoＡo） …（数２）と表される。従来技術による伝熱管である円滑管や板上
伝熱面を張り合わせた構造のものでは、冷媒側と空気側
の伝熱面積の比（Ａｉ／Ａｏ）が１程度であり、数
（１）は１／Ｋ＝１／αi＋１／αo …（数３）と表される。例として絶縁冷媒にパーフルオロカーボン
液を用いた変圧器の放熱器ではαiは約１００Ｗ／ｍ
²℃、αoは約４Ｗ／ｍ²℃であり、これらの数値を数３
に代入すると、Ｋは３.８Ｗ／ｍ²℃となる。本発明に
よれば、Ａi／Ａo を１／２.５程度には製作できるの
で、数（２）によりＫは９.０９Ｗ／ｍ²℃ 程度にな
る。このため、同じ温度条件では、本発明の場合、従来
のものの二倍強の熱量を処理でき、その分、放熱器をコ
ンパクトにすることができる。一方、上下のヘッダが傾
斜しているので、隣りの放熱器ユニットのヘッダとの隙
間が大きく取れ、放熱器上下端部での空気の流れが容易
であり、自然対流熱伝達を円滑に行える。

【００１１】また、ヘッダは平板で製作されるので、内
部の断面積当たり、大きな伝熱面積を提供でき、放熱量
を多くできる。また、従来の放熱器のヘッダはほとんど
が円管であり、平板状の伝熱面を接続する場合は複雑な
形状の絞り管が必要であるが、本発明によれば、その必
要が無く部品要素が単純で、このため液状冷媒の流れも
単純となり圧力損失が小さくなり、冷媒の循環流量を多
くできる。このことは変圧器本体内の構造物を効率良く
冷却できることになる。また、放熱器はアルミニウムで
あるため、放熱器本体の重量が小さくでき、支持構造が
簡略化できる。図５は本発明による他の実施例の場合の
伝熱管断面図を示す。本実施例では内部フィン１３を設
けた扁平な伝熱管１１′のみを押出し成型法で製作し、
後で外表面に、Ｕ字状の外部フィン１２′をつけるもの
である。この場合は押出し成型が単純化し、また、外部
フィンの厚さを薄く出来、材料の節約が出来る。

【００１２】図６(ａ)に本発明による他の実施例の場合
の放熱器ユニットの縦断面図を示す。本実施例ではヘッ
ダは傾斜させず、ヘッダの幅方向にフィンの高さに傾斜
を持たせたものである。本実施例によれば、下部ヘッダ
の両側から空気が円滑に扁平な伝熱管及びフィンの表面
に流れ込み、空気の自然対流を正常に保持できる。な
お、図６(ｂ)にはフィンの高さの傾斜のさせ方を一方向
にしたもので前記と同様の効果が得られる。

【００１３】図７は本発明による他の実施例の場合の一
部断面を含む放熱器概略図である。本実施例は上下のヘ
ッダ１０ａ，１０ｂの内部流路１６の断面積をフランジ
１５から離れるにつれて小さくしてある。本実施例によ
れば、高価な絶縁冷媒の入るヘッダ内の体積を、冷媒の
流れの抵抗を大きくせずに少なくでき、経済性を向上で
きる。

【００１４】

【発明の効果】本発明によれば、放熱器を構成する伝熱
管が扁平なため表面の伝熱面積を大きく取れる一方、内
部の液冷媒量を少なくでき、外表面にフィンを付けるこ
とにより、液側の伝熱面積に対して伝熱特性の悪い空気
側の伝熱面積が大きくとれ、放熱器をコンパクトにする
ことができる。さらに、放熱器全体の重量及び体積の低
減ができ、従って、据付け面積を小さくでき、経済的な
放熱器を提供できる。また、フィンの付いた扁平な伝熱
管の製作法である押出し法は、量産効果が大で、経済的
効果が大きい。さらに、伝熱管の配置が鉛直であるた
め、空気側の熱伝達率を大きく維持できる。一方、上下
のヘッダを傾斜させることにより、あるいはヘッダ幅方
向のフィンの高さに傾斜を与えることにより、ヘッダ近
傍の空気の流れの抵抗を低減でき、円滑な自然対流を確
保できる。また、ヘッダ内の流路断面積をフランジから
離れるにしたがい、小さくすることにより、高価な液冷
媒の量を少なくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す液冷却不燃変圧器の断
面図。

【図２】本発明による伝熱管の水平断面図。

【図３】本発明による放熱器の説明図。

【図４】本発明による放熱器ユニットの変圧器本体への
取付け状況を示す説明図。

【図５】本発明の他の実施例による伝熱管の水平断面
図。

【図６】本発明の他の実施例による放熱器ユニットの説
明図。

【図７】本発明の他の実施例による放熱器ユニットの説
明図。

【符号の説明】

１…タンク、３…巻線、４…液状絶縁冷媒、８ａ，８ｂ
…配管、９…放熱器、１０ａ…上部ヘッダ、１０ｂ…下
部ヘッダ、１１…伝熱管、１２…外部フィン、１３…内
部フィン、１４…放熱器ユニット、１５…フランジ。

フロントページの続き (72)発明者浜田充弘茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内 (72)発明者上野義人茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内 (72)発明者平石清登茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液状絶縁冷媒を使用し大気の自然対流熱伝
達で冷却する変圧器の放熱器において、放熱器を構成す
る伝熱管を、扁平な押出し管とし、その外部の平坦面に
長手管軸方向に伸びる平板状フィンを設け、前記伝熱管
を鉛直配置とし、管内部に前記液状絶縁冷媒を流すよう
にしたことを特徴とする自冷変圧器用放熱器。
【請求項２】請求項１において、前記扁平な押出し管の
上下端を平板からなる箱状のヘッダに取付け、前記ヘッ
ダを、その内部を冷媒が流れる方向を軸として傾斜させ
た自冷変圧器用放熱器。
【請求項３】請求項１において、前記伝熱管の材料をア
ルミニウムとした自冷変圧器用放熱器。
【請求項４】請求項１において、複数本の前記伝熱管を
上下のヘッダ間に取付けてユニットを構成し、前記ユニ
ットを複数個変圧器本体に取り付ける際、前記ユニット
間に適度な隙間を設けて取り付けた自冷変圧器用放熱
器。
【請求項５】請求項１において、箱状のヘッダ内の流れ
方向に直角な断面積を、変圧器本体から離れるに従い、
小さくした自冷変圧器用放熱器。
【請求項６】請求項１において、伝熱管に付けるフィン
を薄い波板状またはＵ字状にした自冷変圧器用放熱器。