(57)【要約】【課題】内部温度が上昇しても遠赤外線を用いて放射冷却を効率良く行うことにより、冷却能力を最大限に発揮でき、冷却性能の向上を図ったガス絶縁変圧器を得る。【解決手段】導線２１を覆うようにして、酸化チタンを層状にした熱放射層２２が設置される。この熱放射層２２の表面全体にはＰＥＴ製の絶縁物フィルム２３が被覆され、その上に酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４が取り付けられる。これにより、導線２１から絶縁物フィルム２３への熱伝導に加えて、熱放射層２２及び酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４による遠赤外線放射を利用でき、冷却性能の向上が図れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内にけい素鋼板を積層した鉄心と前記鉄心の主脚部分に導線を巻回してなる巻線とが配置されると共に前記巻線を冷却するための絶縁ガスが封入され、前記導線は絶縁物により被覆されているガス絶縁変圧器において、
前記導線と前記絶縁物との間に遠赤外線放射セラミックス材料からなる熱放射部が設けられたことを特徴とするガス絶縁変圧器。
【請求項２】
前記絶縁物の外側に第２の熱放射部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のガス絶縁変圧器。
【請求項３】
前記熱放射部は、前記導線又は前記絶縁物に対し密着して取り付けられたフィルム状の遠赤外線放射セラミックス材料から構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のガス絶縁変圧器。
【請求項４】
前記熱放射部は、前記絶縁物に埋め込まれた粒子状の遠赤外線放射セラミックス材料から構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス絶縁変圧器。
【請求項５】
前記導線間にスペーサが挿入され、
前記スペーサの表面に前記熱放射部が設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス絶縁変圧器。
【請求項６】
少なくともシリンダーもしくは巻きつけバーリアを含む前記巻線の付設部材に前記熱放射部が取り付けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス絶縁変圧器。
【請求項７】
前記巻線に近接して絶縁ガスが流れるガス流路が形成されており、
前記ガス流路に絶縁物からなる放射板が設置されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス絶縁変圧器。
【請求項８】
前記放射板の表面に前記熱放射部が設けられたことを特徴とする請求項７記載のガス絶縁変圧器。
【請求項９】
前記遠赤外線放射セラミックス材料として、少なくとも酸化チタン、アルミナ及び珪酸ジルコニウムのいずれかを含むセラミックス材料が用いられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１に記載のガス絶縁変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻線に関しての冷却性能を高めたガス絶縁変圧器に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、容器内に絶縁ガスを封入し、これにより機器本体を冷却するガス絶縁変圧器が広く知られている。ここで、ガス絶縁変圧器の従来例について、図１０〜図１２を用いて、具体的に説明する。
【０００３】
図１０及び図１１に示すように、タンク１内に冷却媒体として絶縁ガス４が封入されている。また、タンク１内にはガス絶縁変圧器の機器本体となる鉄心２及び巻線３が配置されている。このうち、鉄心２は、けい素鋼板を積層して構成されている。
【０００４】
巻線３は鉄心２の主脚部分に巻回されている。なお、図１１では巻線３を１相分しか示していないが、実際には一つのタンク１内に３相分の巻線３が設置されている場合もある。また、巻線３は図１２に示すように、導線を絶縁物によって被覆したものを素線とし、この素線を円板状に巻回して、これを複数層上下に並べて形成した円板巻線となっている。
【０００５】
さらに、巻線３の内周側及び外周側には同心円状に絶縁筒６ａ、６ｂが設置されており、これら絶縁筒６ａ、６ｂにより巻線３同士や巻線３と鉄心２との区分がされている。また、巻線３には一定の間隔で水平方向にガス仕切り板１２が挿入されている。
【０００６】
さらに、各巻線３間及び巻線３と絶縁筒６ａ、６ｂとの間にはスペーサ１４が円周方向に配置されており、このスペーサ１４の両端部にはダクトピース１５が設置されている。これらスペーサ１４及びダクトピース１５を設けたことによって、巻線３に近接した空間に上下方向に延びる垂直ダクト７が形成される。
【０００７】
タンク１内の絶縁ガス４は、図１２中の矢印３３で示すように垂直ダクト７に沿って下方から上方に流れ、さらに巻線３の水平面に沿って左右方向に流れるようになっている。この時の左右方向に関しての絶縁ガス４の流れは、ガス仕切り板１２で区切られた空間ごとに、流れる方向が逆になるように設定されている。このようにして流れる絶縁ガス４が巻線３の表面から熱を奪うことによって、巻線３の冷却が行われている。
【０００８】
絶縁ガス４は鉄心２及び巻線３を冷却することで、温度が上昇し、それに伴って巻線との温度差が低減し冷却能力が下がるので、これを冷却する必要がある。そこで図１０及び図１１に示すように、タンク１の外部に、絶縁ガス４を冷却するためのパネル式の冷却器８が複数設置されている。
【０００９】
冷却器８には複数枚の放熱パネル（図示せず）が具備されており、上部及び下部に共通配管９ａ、９ｂが設けられている。上部の共通配管９ａは絶縁ガス４を均一に分流させて冷却器８側に送り込むものであり、下部の共通配管９ｂは絶縁ガス４を均一に合流させてタンク１側に送り込むものである。
【００１０】
これら共通配管９ａ、９ｂにはそれぞれ、上部配管１０及び下部配管１１が取り付けられている。以上の配管９ａ、９ｂ、１０、１１を介して冷却器８がタンク１に接続されている。このような配管構成を有するガス絶縁変圧器では、鉄心２及び巻線３を冷却したことで高温となった絶縁ガス４は、タンク１上部から流れ出て、上部配管１０を経て上部共通配管９ａに流れ、ここで各冷却器８に分流して、冷却器８にて冷却される。
【００１１】
そして、各冷却器８にて冷却され再び低温となった絶縁ガス４は、各冷却器８下部から流れ出て、下部共通配管９ｂで合流し、下部配管１１を通ってタンク１下部に戻る。上記のようにして冷却器８にて冷却されることで絶縁ガス４は冷却能力を維持することができ、鉄心２と巻線３を効率よく冷却することが可能である。
【００１２】
ところで、ガス絶縁変圧器の容器内に封入される絶縁ガスとしては、従来ではＳＦ６ガスが主流であった。しかし近年では、環境問題の観点からＳＦ６ガスの排出量削減が求められている。ＳＦ６ガスの排出量削減を実施するためには、ＳＦ６ガスの使用量を低減することが求められており、機器の小型化や、ＳＦ６ガス以外の絶縁ガスの使用などの対策が講じられている。
【００１３】
ＳＦ６ガスの代替ガスとしては、窒素ガス、炭酸ガス、空気、あるいはこれらの混合ガスなどが提案されている。ただし、これらの代替ガスの冷却能力は、分子量にほぼ比例しており、代替ガスとして挙げられているガスはＳＦ６ガスに比べて分子量が小さい。このため、代替ガスの冷却能力はＳＦ６ガスのそれと比べて格段に少ない。ガス絶縁機器の小型化はＳＦ６ガスを使用したことで進められてきたといっても過言ではなく、ＳＦ６ガスの代替ガスを使用した上で、機器の小型化を実現することは困難である。
【００１４】
むしろ、ＳＦ６ガス以外の絶縁ガスを用いた場合には、ＳＦ６ガスと同等の冷却性能を得るために大量の絶縁ガスが必要となる。このため、変圧器の導体の単位体積当たりの電流密度を小さくして、熱の発生を少なくする代わりに巻線を大きくする方法では変圧器全体の大型化を招いていた。これにより、ガス絶縁機器の据付面積が大きくなるばかりでなく、コストが上昇するといった不具合が生じた。
【００１５】
以上述べたように、ガス絶縁機器の分野で環境対策を進めるに際して、ＳＦ６ガスの使用量を低減するためには、冷却性能の向上が急務となっていた。特に、ガス絶縁機器の中でも大型であるガス絶縁変圧器は、絶縁ガスを封入するための容器が大きいため、絶縁ガスの使用量が多く、ＳＦ６ガスの代替ガスを採用した場合の冷却能力の減少は深刻であった。
【００１６】
したがって、ガス絶縁変圧器に関しては、その冷却性能を高めることが強く要請されている。そこで、この要望を満たすべく、特許文献１、２などが提案されている。これらの従来例は、ガス絶縁変圧器の内部の熱を外部へと移動させる際、熱伝導だけでなく、熱放射も利用することによって、移動する熱量を増大させ、ガス絶縁変圧器の冷却性能を高めるようにした技術である。
【００１７】
特許文献１に記載のガス絶縁変圧器では、発熱部とタンク内面の少なくとも一方に、発熱部からの放射熱を放射あるいは吸収する高放射率物質を設けている。この技術では、発熱部からの放射熱を高放射率物質が吸収することで、変圧器内部からタンクまでの放射伝熱量を増やしている。
【００１８】
しかしながら、上記の特許文献１の技術には、次のような問題点がある。すなわち、一般的に巻線はセルロースや高分子材料であるポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴ）などの絶縁物によって導線が被覆されているが、これら絶縁物でも赤外線の授受がなされている。
【００１９】
つまり、通常の巻線であっても、熱放射を行っていることに変わりはなく、高放射率物質として作用することができ、特許文献１の方法だけで大きな冷却効果の向上は期待できない。そこで、さらに冷却性能を高めるガス絶縁変圧器として、特許文献２に記載の技術が提案されている。
【００２０】
特許文献２に記載のガス絶縁変圧器の概要に関して図６を用いて説明する。特許文献２の特徴は、図６の左側の断面図に示すように、巻線３を冷やす絶縁ガス４の流路に放射板１３を配置した点にあり、巻線３及び放射板１３からの放射熱３１が絶縁ガス４に伝搬する。
【００２１】
このとき、巻線３と放射板１３との距離は接近しているため、放射板１３が無く絶縁ガス４しか存在しない場合（図６の右側の断面図）と比べて、巻線３から放射板１３までの対流３２による熱の移動量は大きくなる。これにより、巻線３は優れた冷却性能を発揮することが可能である。
【特許文献１】特開２００３−１２４０３３号公報
【特許文献２】特開２００３−１０９８２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上述したように、特許文献１、２では共に、ガス絶縁変圧器の冷却に際して熱放射を利用しており、特許文献２ではこれに加えて、対流による熱移動量の増大を図っている。熱の移動形態としては、伝導、対流、放射の３つがあるが、このうち放射に関しては、ガス絶縁変圧器の内部温度の上昇に伴って、その効果が低下するといった問題がある。本来なら、ガス絶縁変圧器の内部温度が高くなったときほど、より多く、熱放射を利用して冷却したいところであるが、実際にはそうなっていない。この点に関して、図７〜図９を用いて説明する。
【００２３】
絶縁材料では熱の放射特性と吸収特性は同じ特性を示す。図７及び図８のグラフは、絶縁材料としてよく使用されるポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴ）及びセルロースの赤外線の吸収特性を示している。すなわち、絶縁材料において放射及び吸収する赤外線は一部の領域に限られている。
【００２４】
また、物体は温度の４乗に比例して熱を放射することが知られている。このため、絶縁材料が対向配置している場合、高温の絶縁材料から低温の絶縁材料に向かって熱を放射し時間遅れなく熱量が移動する。このとき、図９のグラフに示すように、絶縁材料から放射される赤外線の波長は、絶縁材料の温度によって変化する。
【００２５】
図９のグラフは、温度変化による黒体（放射で与えられた熱を１００％吸収する仮想物体）の放射エネルギーの推移を示しており、このグラフから明らかなように、温度が高くなるにつれて、放射の中心となる赤外線のピーク波長は、波長の短いところに移行していく。しかし、上述したように絶縁材料では放射及び吸収する赤外線は一部の領域に限られている。
【００２６】
したがって、絶縁材料が高温になれば、そこから放射される赤外線の波長は短くなり、放射される赤外線の波長が短くなった分だけ、全体の熱移動量に対し、放射による熱移動量の割合は低くなる。このように、ガス絶縁変圧器の内部温度が高くなると、放射される赤外線の波長が短くなり、結果的に、温度上昇に応じて放射伝熱量の割合を増やしたいにもかかわらず、反対に放射伝熱量の割合が低下するといった不具合が生じていた。
【００２７】
本発明は、上記の課題を解決するために提案されたものであり、内部温度が上昇しても遠赤外線を用いて放射冷却を効率良く行うことにより、冷却能力を最大限に発揮でき、冷却性能の向上を図ったガス絶縁変圧器を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上記目的を達成するために、本発明は、容器内にけい素鋼板を積層した鉄心と前記鉄心の主脚部分に導線を巻回してなる巻線とが配置されると共に前記巻線を冷却するための絶縁ガスが封入され、前記導線は絶縁物により被覆されているガス絶縁変圧器において、前記導線と前記絶縁物との間に遠赤外線放射セラミックス材料からなる熱放射部が設けられたことを特徴としている。
【００２９】
このような本発明では、巻線中心部の導線から巻線表面側の絶縁物に向かって、熱伝導により熱が伝わる以外に、導線と絶縁物の間に設けた熱放射部の遠赤外線放射セラミックス材料の働きにより、導線からの熱が放射によって絶縁物側に伝わる。このため、導線から絶縁物表面までの熱抵抗は極めて小さくなり、導線自体と、これを被覆する絶縁物との温度差は殆ど無くなる。
【００３０】
すなわち、巻線の導線にて発生した熱は、導線から絶縁物表面までスムーズに移動し、巻線は効率良く放射冷却を実施できる。したがって、巻線の冷却効率を高めることが可能であり、巻線温度の上昇を抑えることができる。しかも、熱放射部は遠赤外線放射セラミックス材料からなるので、波長の長い赤外線を放射可能であり、放射熱が絶縁物表面にまで確実に到達する。これにより、優れた巻線冷却性能を維持することが可能である。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、導線と絶縁物との間に遠赤外線放射セラミックス材料からなる熱放射部を設けるといった極めて簡単な構成により、遠赤外線を用いて巻線における放射冷却を効率良く実施でき、冷却性能が大幅に向上したガス絶縁変圧器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に係る実施形態の一例について図１〜図５を参照して説明する。なお、図中、図６及び図１０〜図１２に示した従来技術と同一の符号を付した部分は、従来技術と同一又は相当する部分であって、説明は省略する。
【００３３】
（代表的な実施形態）
［構成］
図１の断面図を用いて、本発明のガス絶縁変圧器に係る代表的な実施形態について説明する。図１に示すように、巻線３を構成する素線５には銅製の導線２１が設けられている。この導線２１の表面全体を覆うようにして熱放射層２２が設置されている。
【００３４】
熱放射層２２は、遠赤外線放射セラミックス材料である酸化チタンを層状にして構成されたものである。また、熱放射層２２の表面全体にはＰＥＴ製の絶縁物フィルム２３が被覆されている。つまり、導線２１と絶縁物フィルム２３との間に熱放射層２２が密着して取り付けられている。
【００３５】
さらに、絶縁物フィルム２３の表面全体を覆う部分すなわち素線５の最外側には、第２の熱放射部として、酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４が取り付けられている。酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４は薄い絶縁物フィルムに遠赤外線放射セラミックス材料である酸化チタン粒子２４ａが埋めこまれて構成されている。
【００３６】
［作用］
このように構成された本実施の形態では、抵抗損、漂遊損によって導線２１に熱が発生したとき、この熱は熱伝導で導線２１から熱放射層２２を経て絶縁物フィルム２３に伝わる。また、導体２１表面に取り付けられた熱放射層２２は、赤外線放射セラミックス材料である酸化チタンの働きによって遠赤外線を層全体から放射する。
【００３７】
熱放射層２２からの遠赤外線を受けた絶縁物フィルム２３は、所定の領域で遠赤外線における吸収スペクトル部分を吸収し、その熱は絶縁物フィルム２３の表面側に伝わる。また、熱放射層２２の放射した遠赤外線において、絶縁物フィルム２３での吸収スペクトル部分が無い部分は、絶縁物フィルム２３で吸収されることなく、絶縁物フィルム２３を透過して絶縁物フィルム２３の表面に到達する。
【００３８】
このようにして絶縁物フィルム２３表面に達した遠赤外線は、素線５の最外側に取り付けられた酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４において、酸化チタン粒子２４ａの作用により熱に変わり、この熱が絶縁ガス４へと伝わる。このようにして、導線２１から絶縁物フィルム２３へ熱伝導によって熱が伝わる以外に、熱放射層２２及び酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４からの熱放射によって、導線２１から素線５の最外部に至るまで熱を伝えることができる。
【００３９】
したがって、素線５内部で熱が伝搬する際の熱抵抗を小さく抑えることができ、素線５を構成する中心部の導線２１から最外部の酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４表面に至るまで、温度差を無くすことができる。その結果、導線２１で発生した熱は外側へ向かってスムーズに移動していき、最終的に酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４表面から絶縁ガス４へと熱伝導で伝わり、さらに絶縁ガス４の対流によって熱が移動することで、素線５が効率よく冷却されることになる。
【００４０】
しかも、熱放射層２２及び酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４はいずれも、遠赤外線放射セラミックス材料である酸化チタンを具備しているので、波長の長い赤外線を放射することができる。このため、放射熱を絶縁物フィルム２３や絶縁ガス４に確実に伝えることができる。
【００４１】
以上のようにして巻線３の素線５は優れた冷却性能を発揮することができ、巻線３の温度上昇を抑止して、絶縁ガス４により効率良く冷却可能である。これにより、絶縁ガスとしてＳＦ６ガスの代替ガスを用いた場合であっても、冷却性能の向上を図ることができ、環境調和性に優れたガス絶縁変圧器として好適である。
【００４２】
［効果］
以上のような本実施形態によれば、導線２１から絶縁物フィルム２３への熱伝導に加えて、熱放射層２２及び酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４による遠赤外線放射を利用することで、導線２１から絶縁ガス４へと移動する熱を、効率良く伝搬することができる。
【００４３】
すなわち、導線２１及び絶縁物フィルム２３に対して熱放射層２２及び酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４を取り付けるといった極めて簡単な構成を用いて、巻線３における高効率な放射冷却を実現することができ、ガス絶縁変圧器における冷却系の熱交換効率を高めて、冷却性能の大幅な向上に寄与することができる。
【００４４】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、図２〜図５に示すような実施形態も包含される。例えば、図２に示す実施形態のように、導線２１表面に熱放射層２２を取り付けるのではなく、これに代えて、酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４を導線２１表面に取り付けるようにしてもよい。
【００４５】
また、図３に示す実施形態では、酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４の厚さ寸法を厚くして、図２に示した実施形態から絶縁物フィルム２３を省いたものである。この実施形態における酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４では、導線２１に接する最内側部分から表面側の最外側にいたるまで、分散して疎に酸化チタン粒子２４ａを埋めこんでおり、熱伝導によって酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４の内側から伝導した熱は、全体に埋めこまれた酸化チタン粒子２４ａで遠赤外線放射を行うことができる。
【００４６】
したがって、ある程度は酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４中の他の酸化チタン粒子２４ａで吸収されるものの、大半は酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４の外側に放射される。このため、上記の代表的な実施形態と同様の作用効果を得ることができる。しかも、導線２１に酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４を一重に巻くだけなので、構成の簡略化を進めることができ、コスト的に有利である。
【００４７】
また、各構成部の厚さや配置数などは適宜選択可能であり、構成の簡略化を進めた実施形態としては、図４に示すように図１の実施形態から酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４を省くようにしたものも包含する。
【００４８】
さらには、図５に示すように巻線３間に放射板１３を配置した実施形態において、上記図１〜図４に示した素線５を採用してもよい。また、この実施形態において、放射板１３の表面に熱放射層２２又は酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４を取り付けることで、さらなる冷却性能の向上を図るようにしてもよい。
【００４９】
さらに、熱放射部を設置する部材としては、巻線３間の間隔を空けるキースペーサ、巻線３の最内側と最外側にある基礎シリンダー及び巻きつけバーリアなどでもよい。これらの部材はセルロースを主体とした繊維によって作られており、その表面に酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４が取り付けられている。
【００５０】
以上のような実施形態によれば、巻線３の素線５における遠赤外線放射セラミックス材料がその温度に応じた遠赤外線を放射したとき、巻線３間の間隔を開けるスペーサや、基礎シリンダー及び巻きつけバーリアの表面に取り付けられた酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４に伝わり、この酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム２４から絶縁ガス４へ熱が伝わる。このため、いっそう大きな冷却効果が期待できる。
【００５１】
なお、上記代表的な実施形態では遠赤外線放射セラミックス材料として酸化チタンを例に説明したが、アルミナや珪酸ジルコニウムなどの遠赤外線放射セラミックス材料やその他の遠赤外線放射セラミックス材料を用いても、同様の作用効果を獲得することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る代表的な実施の形態における巻線の素線断面図。
【図２】本発明に係る他の実施の形態における巻線の素線断面図。
【図３】本発明に係る他の実施の形態における巻線の素線断面図。
【図４】本発明に係る他の実施の形態における巻線の素線断面図。
【図５】本発明に係る他の実施の形態における巻線の素線断面図。
【図６】放射板の有無による放射による熱の移動を示す説明図。
【図７】ポリエチレンテレフタレートの赤外線の吸収特性を示すグラフ。
【図８】セルロースの赤外線の吸収特性を示すグラフ。
【図９】各温度における黒体の放射エネルギーを示すグラフ。
【図１０】従来のガス絶縁変圧器の正面図。
【図１１】図１０の平面図。
【図１２】ガス絶縁変圧器における巻線部の構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００５３】
１…タンク
２…鉄心
３…巻線
４…絶縁ガス
５…素線
６ａ、６ｂ…絶縁筒
７…垂直ダクト
８…冷却器
９ａ、９ｂ…共通配管
１０…上部配管
１１…下部配管
１２…ガス仕切り板
１３…放射板
１４…スペーサ
１５…ダクトピース
２１…導線
２２…熱放射層
２３…絶縁物フィルム
２４…酸化チタン粒子入り絶縁物フィルム
２４ａ…酸化チタン粒子
３１…放射による熱の移動
３２…対流による熱の移動
３３…ガスの流れ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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