JPS6019425B2 - 蒸発冷却型電気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発熱体の蒸発冷却方法および電気装置用の蒸発
冷却装置に関するものである。

発熱体を発熱体上にスプレーあるいは噴射された液体の
蒸発によって冷却することは周知であり、この実現は通
常は困難ではない。

しかしながら本発明は、高に信頼性が要求され、冷却剤
に冷却作用だけでなく例えば絶縁等の他の作用をも要求
される密閉内蔵型装置に適用される蒸発冷却に主として
関するものである。このような装置は、例えば米国特許
第３８１９３０１号、第３８３４８３５号および第２８
４５４７２号‘こ記載されている如き蒸発冷却型電力変
圧器であって、蒸発できる液体を貯槽あるいは液体溜め
からポンプで発熱体、この場合には変圧器の鉄心および
コイルの上方に上げて発熱体上にスプレーあるいは噴射
させ、液体の蒸発により発熱体を冷却し、蒸気は例えば
冷却器を通して凝縮させて液体貯槽に戻すものである。
このサイクルは、貯槽から液体冷却剤が発熱体上にポン
プ送りされ続ける限り変圧器の運転中は連続的に糠返え
される。変圧器に負荷が与えられているとき冷却剤のポ
ンプ送りが停止すると、急激な温度上昇が起こり、重大
な問題が引起こされる。従って、ポンプ（従来一般には
電気機械的ポンプ）の動作信頼性が絶体的であることが
極めて重要であった。蒸発冷却型変圧器に普通用いられ
る液体冷却剤は、例えばフロオロカーボン、最近はテト
ラクロルェチレンであるが、変圧器の充電部分とハウジ
ングあるいはタンクとの間の絶縁破壊を防ぐ絶縁剤とし
ても用いられる。

しかし冷却剤がこの作用をするのは、充分な液体が蒸発
して適当な絶縁強度をもたらす蒸気圧が生じているとき
だけであり、従って負荷の掛け始めあるいは低負荷時に
は冷却剤の蒸気だけによる絶縁破壊強度では不充分であ
る。このため、大絶縁強度を有し変圧器負荷状態に拘ら
ず凝縮しない気体艮０ち六弗化硫黄を加えて、冷却剤蒸
気圧が充分でないときにも適切な絶縁性能を与えるよう
にするのが普通である。しかしながら、このように気体
を加えると冷却効率が低下する。従って本発明の目的は
、常時適当な冷却作用と絶縁作用とを得るために従来の
如きポンプも気体誘電体を必要としない、発熱体の蒸発
冷却方法および装置を得ることである。

従って本発明は、スプレーされた液体の蒸発により発熱
体を冷却する蒸発冷却方法に於て、発熱体を発熱体の通
常作動温度範囲内で蒸発する液体を収容した室の中に閉
じ込め、上記液体を音響的に頃霧化させる強さの超音波
振動を上記液体中に発生させ、もって上記スプレーを発
生させることを特徴とする蒸発冷却方法に在る。

本発明はまた、室を形成するハウジングと、上記室内に
設けられた冷却すべき発熱体と、上記室内に設けられ上
記発熱体の通常作動温度範囲内で蒸発する誘電性の液体
とを備えた蒸発冷却型電気装置用の蒸発冷却装置に於て
、少なくとも１つの超音波変換器を有する音響エネルギ
ー発生装置を備え、上記超音波変換器は附勢されたとき
、上記液体を音響的に曙霧化させて上記発熱体にスプレ
ーさせるように上記液体に当てられる超音波ビームを発
生するものであることを特徴とする蒸発冷却装置にも在
る。

望ましくは適当な高周波電源により附勢されたピェゾセ
ラミック発振器である超音波変換器により放射されたビ
ームは強い超音波ビームであり、特に集中されると、液
体表面からスプレーおよび噴霧の音響的頃泉を立上らせ
て発熱体を濡らす。

換言すれば、ビームは単に冷却および絶縁用液体の項霧
化を行なうだけでなく、「ポンプ送り」をも行ない、従
来必要であった他のポンプを用いずに蒸発冷却をするこ
とができる。更に、贋霧化もポンプ作用も変換器の附勢
と同時に開始されるので、室が直ちに誘電性のスプレー
および霧で満たされ、しかもこれは負荷従った発熱体の
温度に無関係に行なわれる。従って負荷の初期あるいは
軽負荷時に必要な絶縁耐力を与える例えばＳＦ６等の特
別の絶縁ガスを用いる必要がない。更に、本発明の音響
エネルギー発生装置を用いることによる別の利点は、そ
の動作の制御が容易で、様々な条件に合わせて誘電液体
冷却剤の頃霧化およびポンプ送りの速度を調節できるこ
とである。次に添付図面に示す本発明の実施例に沿って
本発明を説明する。

第１図に於て、電力変圧器１１は密閉されたハウジング
１３と、変圧器１５等の発熱体と、凝縮器型の冷却器１
７とを備えている。

電力変圧器はまた超音波振動を発生する装置１９をも備
えている。ハウジング１３は、変圧器１５、冷却器１７
および装置１９を収容する室２１を形成する密閉された
囲いである。ハウジング１３は金属あるいはグラスファ
イバー等の適当な剛性材料で構成されている。変圧器１
５は磁気鉄０２６と巻線２３とを有する鉄心コイル組立
体を備えている。

簡単化のために図示してはないが、変圧器は鉄心コイル
組立体用の支持構造や巻線２３とブッシング２７等のブ
ッシングとの間の導体を備えている。冷却器１７は、空
気等の冷却媒体が通れるように外部に開いた空間３１‘
こより分離された複数の管２９を備えている。

管２９は、上端で室２１の上部に蓮通し、下端で室の下
部に蓮適していて、液体冷却剤蒸気および霧が上端から
管に入り、管内で冷却され凝縮され、下端から出て室の
下部に入り、再び後に説明する如く蒸気および霧に変換
されるようにしてある。本発明によれば、超音波振動発
生装置１９はハウジング１３の下部則ち底の近くに設け
られており、例えばオハイオ州ベッドフオードのベルン
トロン社の圧電部門からＰＺＴ−５として販売されてい
るもの等の適当なピェゾセラミック装置である少なくと
も１つの超音波振動発生装置即ち超音波変換器３３を備
えている。

望ましくは、ピェゾセラミック装置３３はボウル形部材
内に収容された適当な絶縁性液体の液面上に超音波振動
を集中させるように窪んでボウル形とされている。望ま
しくは、室２１は互いに離間した数個、例えば６個のボ
ウル形ピェゾセラミック装置３３を有し、夫々の間の空
間も同様に適当な液体３７で満たされた容器３５で占め
られている。ボウル形のピェゾセラミック装置３３と容
器３５の上緑部は液体密に接触しており、夫々内の液体
が所定レベルに維持されるようにしてある。容器３５は
絶縁性液体３７で満たされ、ピヱゾセラミック菱直３３
用の貯槽の作用をする。液体が冷却器１７内で凝縮する
と容器３５に戻りオーバーフローしてピェゾセラミック
装置内に入って最適の蒸気発生をする適切な液体レベル
を維持する。ピェゾセラミック装置３３は、空気あるい
はＳＦ６等の、ピェゾセラミック装置３３から発せられ
る音響エネルギーを殆んど全て液体表面に向かわせるよ
うな液体に対する音響インピーダンスを有する材料で満
たされた空間３９上に支持されている。容器３５はテト
ラフルオロェチレン（テフロン）等の材料４１上に支持
されている。ピェゾセラミック装置３３は、パルス装置
４３と組合わされ、電力ケーブル４５により超音波振動
発生装置３３に結合された高周波電源４２により附勢さ
れる。電源４２により附勢されると、ピェゾセラミック
装置３３は液体中に強い超音波を発し、この超音波は絶
縁性液体３７に液面に向けられ、また装置３３のボウル
形のためにそこに集中される。このため液体はキャビテ
ーショーンを起こし階霧化されて、微少霧および蒸気分
子の音響贋泉４７を各ピェゾセラミック装置３３内の液
体から立昇らせ、変圧器の巻線２３および鉄心２５の表
面を濡らす。ボウル形のピェゾセラミック装置３３は望
ましくは約１０ｃのの直径であり、約０．１乃至８ＭＨ
ｚの周波数範囲で作動する。背後には空気あるいはＳＦ
６が存在しているので、各ピェゾセラミック装置による
音響エネルギーの袷んど全てはその焦点４９に指向され
る。等間隔に配置された６個の装置３３は約ｌｋｗの高
周波電源で作動できるが、必要な電力は個々の構造およ
び装置の数に応じて変わるものであり、また動作周波数
も例えばテトラクロルェチレン（Ｃ２ＣＩ４）等の使用
される液体絶縁体等の幾つかの要因によって変わる。変
圧器１５の運転中は音響頃泉４７を維持し続けるのが望
ましい。

しかし、ポンプ送り効率によっては、変圧器が最初に運
転されるとき高燥返し率でパルス動作させ、変圧器が後
に通常の動作温度になったとき低繰返し率でパルス動作
させることもでき、こうして変圧器運転開始時に微少霧
の電気的強度を適当なものとするために、タイミングシ
ーケンスを用いて、変圧器の附勢前例えば１０秒間音響
頃泉４７を生じさせることができる。音響曙泉４７は液
面から約１の立上ることができ、偏向器５１を適切に配
置すればコイル２３および鉄心２５を適切に濡らすこと
ができる。変圧器作動中、音響曙泉４７により発生され
た微少霧は変圧器鉄心および巻線の高温表面に接触する
と蒸発し、その蒸気が室２１を満たしてその上部から冷
却器１７に入りそこで凝縮して室２１の下部に戻り、容
器３５およびピェゾセラミツク装置３５内に入る。

第２図には本発明の別の実施例が示され、各超音波振動
発生装置即ちピェゾセラミック装置３３には、例えばフ
ァイバーグラス、ポリェスル組成物等の適当な誘電性材
料製の管５３が組合わされている。

管５３は枠５５等によりその下端が液体３７に浸けられ
た超音波振動ビームの焦点４９で液面から突出するよう
に支持されている。管５３の他端側は小径の中間部に対
して拡大されている。このような管５３に於ては、液体
３７からの音響エネルギーがその中間部で集中させられ
、絶縁剤の液滴を項霧化しスプレー５９として巻線２３
および鉄心２５上に径方向に放出する。この方法は超音
波実験に関連してＰｈｉｌｏｓｏｐｈｉｃａＩＭａｇａ
ｚｍｅａｎｄＪｏｕｍａｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ８．７
の第４巻第２２号第４１７頁乃至第４３６頁、１９２７
年９月に記載されている。蒸発冷却型変圧器１５に於て
は、誘電体の管５３は音響贋泉４７からの絶縁性液体で
被覆されて霧および微少霧の噴流５９を発生させ、これ
により変圧器の冷却を更に改善する。

他の形の管、例えば鉄心およびコイル周囲に巻いた螺旋
形の管等を用いて変圧器鉄心およびコイルの選択した部
分に霧およびスプレーを発生させることもできる。第３
図には本発明の更に別の実施例が示され、ここには室２
１の下部を横切って延びて底壁６３から離間したダイア
フラム６１が設けられており、ダイアフラム６１‘ま電
力変圧器１１の下部を流体密に分離している。ダイアフ
ラム６１は例えばグラスファイバーとェポキシとの混合
物等の可榛性材料で形成されている。流体中には超音波
振動発生装置３３が適当に設けられていて、作動時に流
体振動６９を発生するようにしてある。この振動６９は
ダイアフラム６１に集中されてダイアフラム６１の上側
の絶縁液体３７にキャビラーションを起こさせ、噂霧化
させ、上方に放射させて室２１内および変圧器１５の周
囲に音響頃泉４７を形成する。第４図に示す本発明の更
に別の実施例では、液体３７がハウジング１３の上部に
設けられた皿形容器７１内にあり、この液体３７中に浸
潰された超音波振動発生装置３３が設けられている。

動作時には、振動則ち音響エネルギーのビーム７３が液
体３７の表面上に集中即ち焦点合わせさせられ、液体に
キャビテーションを起こさせて微少霧７５を発生させる
。微少霧７５は容器７１の上緑７７近傍の孔を通って容
器７１から室２１内に出て重力により変圧器１５の鉄○
およびコイルの表面上に落下してこれらを蒸発冷却する
。これにより発生した蒸気は冷却器１７内に入って凝縮
し、凝縮した液体はハウジング１３の下部に流れてポン
プに連結された導管７９を通って容器７１に戻される。
更に別の実施例が第５図に示され、これは第１図乃至第
４図のものに対して冷却器１７を含む内側のハウジング
１３が外側ハウジング則ちケーシスグ８１により囲まれ
、ハウジング１３が適当な枠構造８３によりケーシング
８１内に支持されている点が異なっている。

超音波振動発生装置３３はケーシング８１とハウジング
１３との間に設けられて鍵油等の音響エネルギー伝送性
液体６５中に浸清されており、超音波振動発生装置３３
からの振動８７がハウジング１３の底に伝達されてハウ
ジング内の絶縁生液体３７にキャビテーションを起こし
、変圧器１５を囲んでその表面を濡らす霧およびスプレ
ーの噴泉８９を形成するようにしてある。前の実施例と
同様に、蒸気は蒸発しなかった微少霧と共に冷却器１７
に入りハウジング１３の底に凝縮して戻る。ハウジング
１３は、例えば約１肌乃至３側厚のポリエステルノフア
ィバーグラス等の音響エネルギーを受け入れてハウジン
グ１３の底で液体３７にキャビテーションを起こさせて
噴霧化させ得る材料で形成されている。外側のケーシン
グ８１は鋼等の金属で良い。附加的にビーェゾセラミッ
ク素子３３′を設けてハウジング１３の内面上の液体を
局部的に頃霧化させることもできる。第６図には更に別
の実施例が示されており、この例ではフランジ９３で互
いに固着された上部および下部で構成するのが望ましい
ハウジング９１を備えている。

ハウジング９１は略々球形（望ましくは球あるいはレン
ズ状）のタンクで、例えば１脇乃至５帆厚のポリエステ
ル／ファイバーグラス材料で形成されている。タンクは
音響エネルギーを受け入れて液化のキャピテーションお
よび音響頃泉の形成ができるような他の適当な材料で形
成しても良い。動作時には、装置３３からの超音波振動
８７はハウジング９１の下部壁部に伝達される。このた
めタンク内の絶縁性液体３７の液面にキャビテーション
を起こさせて、ハウジング内の室９５内の変圧器１５を
囲む微少霧の音響噂泉４７を形成させる。振動はハウジ
ングの壁をも伝わるが、この壁には制限部即ち減少部９
７および９９が設けられていて、壁を伝わる音響エネル
ギーを局部的に強くしてハウジングの内面上の液体を噴
霧化して、変圧器１５に向かうスプレーの噴流１０１お
よび１０３を発生させるようにしてある。冷却管１０５
がハウジング９１の外側に熱伝達関係に設けられていて
、ハウジング壁を冷却して、矢印１０７で示す如く循環
する音響鰭泉４７からの蒸気および微少霧がハウジング
壁内面で凝縮し、一部は噴流１０１，１０３の如く噴霧
化されるが、残りはハウジング９１の底の液体絶縁体３
７の溜り１こ戻り、このサイクル（微少霧の発生、微少
霧の蒸発による変圧器の冷却、蒸気の凝縮、および凝縮
物の液体溜りへの戻り）が操返えされる。全ての実施例
中で同様の符号は同様の部分を示すものである。

蒸発冷却装置に於いて音響燈泉４７の発生に用いられる
種々の方法が第７図乃至第９図に示されている。

第７図に於て、超音波振動発生装置劇ち振動ェミッター
１０９は絶縁性液体３７中に浸清され、強い超音波振動
の細いビーム１１１を反射器１１３に発射し、反射器１
１３は反射ビーム１１５を液体と空気との界面１１７に
向けて液体にキャビテーションを起こさせ噴霧化して蒸
気および霧の音響贋泉１ １９を形成させる。反射器１
１３は平面で反射ビーム１１５が液体−空気界面に近
づくにつれて外側に拡がるようにしてある。第８図に於
て、ピェゾセラミック材料のェミッタ−１０９は超音波
ビーム１１１を凹面反射器１２１に発射し、反射ビーム
１２３は液体−空気界面で液体にキャビテーションを起
こさせて微少霧および原子を音響噴泉１２５として上方
に放射する。反射器１２１は凹面であるので、反射ビー
ム１２３は第７図の実施例よりも小さい面積で液体−空
気界面上に集中される。第９図に於ては絶縁性液体３７
中にはピェゾセラミック材料の管状ェミッター１２７が
浸潰されており、ェミッターから蚤方向に離間した反射
器１３１に向けて音響エネルギーの多方向性ビーム１２
９を発射する。

反射器１３１は凹面であるのが望ましく、ビーム１２９
の別々の反射ビーム１３３，１３５を液体−空気界面１
１７に集中させるようにする。反射ビーム１３３，１３
５は、図示の如く同一の同じ表面部分に集中させても、
あるいは別々の表面部分に集中させても良く、図示の如
く一つのあるいは数個の音響魔泉を形成させることがで
きる。以上の説明から明らかな通り、本発明の実施に適
当な音響噴泉の形成方法は、第１図乃至第６図に示す如
く、超音波振動発生装置３３から直接超音波振動を発射
させるものから、第７図乃至第９図に示す如く、超音波
振動発生装置（ェミッター）からの超音波ビームを液体
一気体界面に反射させる平面状あるいは集中凹形状の反
射器を用いるものまである。

実際の蒸発冷却電力変圧器に於ては、液溜め内の絶縁性
液体のレベルが変化するので効率的な音響頃泉を維持す
るために可変焦点超音波ビームとするのが望ましい。

これは電子的に、集中ピェゾセラミック動作周波数に近
い周波数範囲を通してサイクルさせること、あるいは液
体中の深さの異なる位簿の集中ピェゾセラミック装置を
用いることにより行なうことができる。最後に、蒸発冷
却型電力変圧器に関連して説明した本発明は、他の電気
装置、例えばＸ線装置、レーダー等の高電圧を用いる装
置の一時的冷却に、また電力遮断器の消弧装置等にも適
用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明の幾つかの実施例を示す垂直
断面図、第７図乃至第９図はピェゾセラミック発振器を
用いて微少霧および蒸気の音響贋泉を形成し維持する様
々な方法を示す概略図である。 １３・・・ハウジング、１５・・・発熱体（変圧器）、
２１・・・室、３３・・・超音波変換器（ピェゾセラミ
ック装置）、３７・・・液体。 ＦＩＧ．１． ＦＩＧ２ ＦＩＧ．３． ＦＩＧ．４． ＦＩＧ．５． ＦＩＧ．６． Ｆ′Ｇ．７． Ｆ′Ｇ．８． ‘′Ｇ．９．

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 室を形成するハウジングと、上記室内に設けられた
   冷却かつ絶縁すべき電気装置である発熱体と、上記室内
   に設けられ上記発熱体の通常作動温度範囲内で蒸発する
   誘電性の液体とを備えた蒸発冷却型電気装置に於いて、
   少なくとも１つの超音波変換器を有する音響エネルギー
   発生装置を備え、上記超音波変換器は附勢されたとき、
   上記液体音響的に噴霧化させて上記発熱体にスプレーさ
   せるように上記液体に当てられる超音波ビームを発生す
   るものであり、上記超音波変換器が上記液体中に浸漬さ
   れ、上記ビームを上記液体の液面に向けるように構成さ
   れてなることを特徴とする蒸発冷却型電気装置。 ２ 上記超音波変換器がピエゾセラミツク発振器である
   特許請求の範囲第１項記載の蒸発冷却型電気装置。 ３ 上記超音波変換器が上記ビームを上記液体の液面に
   集中させる凹面出射面を有する特許請求の範囲第１項あ
   るいは第２項記載の蒸発冷却型電気装置。 ４ 上記超音波変換器が、少なくとも１つの反射器を組
   み合わせて有し、かつ上記反射器と共に上記液体中に浸
   漬されており、上記超音波変換器が上記ビームを上記反
   射器に向けて出射し、上記反射器が上記ビームを上記液
   体の液面に向けて反射するようにされてなる特許請求の
   範囲第１項あるいは第２項記載の蒸発冷却型電気装置。 ５ 上記反射器が、上記ビームを上記液体の液面に集中
   させる集中反射器である特許請求の範囲第４項記載の蒸
   発冷却型電気装置。６ 上記室に隣接し、上記液体に接
   触した音響エネルギー伝達性仕切りにより上記室から分
   離された空間を形成する装置を備え、上記空間が上記仕
   切りに接触した音響エネルギー結合流体を収容し、上記
   超音波変換器が上記音響エネルギー結合流体中に浸漬さ
   れてなる特許請求の範囲第１項あるいは第２項記載の蒸
   発冷却型電気装置。 ７ 上記超音波変換器が上記ビームを上記仕切りに指向
   させるよう構成されてなる特許請求の範囲第６項記載の
   蒸発冷却型電気装置。８ 上記超音波変換器が、上記ビ
   ームを上記仕切りと上記音響エネルギー結合流体との界
   面上に集中させる凹面出射面を有する特許請求の範囲第
   ７項記載の蒸発冷却型電気装置。 ９ 上記超音波変換器が、少なくとも１つの反射器を組
   み合わせて有し、かつ上記反射器と共に上記液体中に浸
   漬されており、上記超音波変換器が上記ビームを上記反
   射器に向けて出射し、上記反射器が上記ビームを上記仕
   切りに向けて反射するようにされてなる特許請求の範囲
   第６項記載の蒸発冷却型電気装置。 １０ 上記反射器が、上記ビームを上記液体の液面に集
   中させる集中反射器である特許請求の範囲第９項記載の
   蒸発冷却型電気装置。 １１ 上記仕切りが、上記ハウジング内部を上記室と上
   記空間とに分割するように上記ハウジング内に設けられ
   たダイアフラムであり、上記ダイアフラムが上記室に向
   かつて窪んでいて上記液体を保持してなる特許請求の範
   囲第６項乃至第１０項のいづれか記載の蒸発冷却型電気
   装置。 １２ 上記ハウジングが外ケーシングにより囲まれ、上
   記空間が上記ケーシングと上記ハウジングとの間に設け
   られて一部が上記ハウジングの壁部分により形成されて
   おり、上記壁部分が上記仕切りを形成しかつ上記室に向
   かつて窪んでいて上記液体を保持してなる特許請求の範
   囲第６項乃至第１０項のいづれか記載の蒸発冷却型電気
   装置。 １３ 上記室が略々球形であつて、その下部壁部分が上
   記液体を保持しかつ上記仕切りを形成してなる特許請求
   の範囲第６項乃至第１０項のいづれか記載の蒸発冷却型
   電気装置。 １４ 上記ハウジングが、上記ハウジング外でその壁部
   分に熱伝達関係に設けられた冷却装置を組み合わせて備
   えた特許請求の範囲第１３項記載の蒸発冷却型電気装置
   。 １５ 上記ハウジングが、その中に少なくとも１つの音
   響エネルギー伝達性の長い部材を備え、上記長い部材は
   、一端で上記液体中に浸漬されて音響エネルギーを受け
   るようにされ、上記発熱体に近接した部分を有し、この
   部分に音響エネルギーを集中させて上記スプレーからこ
   の部分上に付着した液体を噴霧化して上記発熱体に向け
   て投射させるよう構成されてなる特許請求の範囲第１項
   乃至第１４項のいづれか記載の蒸発冷却型電気装置。 １６ 上記ハウジングの壁部分がその上に、この壁部分
   の上記室を形成する表面上に超音波振動の局部的集中を
   発生させる装置を備え、もつて上記表面上の上記液体を
   局部的に噴霧化させて上記発熱体に指向される液体スプ
   レーの噴流を発生させる特許請求の範囲第１項乃至第１
   ５項のいづれか記載の蒸発冷却型電気装置。 １７ 上記超音波振動の局部的集中を発生させる装置が
   、上記室の外で上記壁部分上に取り付けられたピエゾセ
   ラミツク素子である特許請求の範囲第１６項記載の蒸発
   冷却型電気装置。 １８ 上記超音波振動の局部的集中を発生させる装置が
   、上記壁部分の音響エネルギー集中部分である特許請求
   の範囲第１６項あるいは第１７項記載の蒸発冷却型電気
   装置。