(57)【要約】  本発明は変圧器に加えられる熱を冷却させるため、冷媒発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置に関するものである。変圧器の絶縁油と熱交換する冷媒を冷媒用のボイラー１３の２次側に充填し、１次側は、変圧器と閉回路を形成するようにパイプで連結し、絶縁油を強制循環させて冷媒用のボイラー１３を加熱する。この熱により、冷媒用のボイラー１３の２次側に充填された冷媒は気化し、この際、変圧器の絶縁油が冷却される。気体化した冷媒は、冷媒用のボイラー１３と、圧力調節バルブ１４と、膨張機１５と、凝縮器１６とを経て外部に熱を排出し、液体に状態変化をする。液体に変化した冷媒は、凝縮器１６の下部に設置された冷媒タンク１７に集まるようになり、この冷媒は、重力または下部に設置されたチェックバルブ１９が並列に取り付けられた冷媒供給ポンプ１８により再び冷媒用のボイラー１３に帰還して冷却の一周期を完了する。本発明による発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置は、冷凍サイクルを用いることに比べて、圧縮機を使用せず、エネルギーを節約することができ、圧縮機の故障による変圧器の運転停止を事前に予防することができる。本発明を実行して製造した冷却装置で変圧器を冷却した結果、冷却性能が非常に優れており、故障が発生しないという効果があり、今後、変圧器の冷却装置を代替できると判断される。
2009530844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器本体１０と；二つの流体空間を有する熱交換機形態の冷媒用ボイラー１３と；変圧器の本体１０と冷媒用のボイラー１３の一つの流体空間を連結して閉回路を形成する多数個の循環管１１と；循環管１１の管路に設置される絶縁油の循環ポンプ１２と；冷媒用のボイラー１３の絶縁油の空間ではない他の空間に充填され、沸騰点が変圧器の絶縁油の温度維持範囲以内である冷媒と；冷媒用のボイラー１３より高い位置に設置される凝縮器１６と；凝縮器１６と冷媒用のボイラーの他の一つの流体空間を二つ以上のパイプで連結して冷媒の循環回路を形成することを特徴とする発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置。
【請求項２】
凝縮器１６の下端と冷媒用のボイラー１３とを連結するパイプ管路にチェックバルブ１９が並列に取り付けられた冷媒供給ポンプ１８を設置して構成されることを特徴とする請求項１に記載の発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置。
【請求項３】
凝縮器１６の上端と冷媒用のボイラー１３とを連結するパイプ管路に圧力調節バルブ１４が直列に取り付けられた膨張機１５を設置して構成されることを特徴とする請求項２に記載の発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置。
【請求項４】
冷媒を収容する一つの空間のみを有し、変圧器の内部に設置されるか、外部の表面またはラジエーターと接触するよう設置される冷媒用のボイラー１３と；冷媒用のボイラー１３より高い位置に設置される凝縮器１６と；凝縮器１６と冷媒用のボイラー１３を二つ以上のパイプで連結して冷媒の循環回路を形成することを特徴とする発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置。
【請求項５】
変圧器のラジエーター８１を取り囲むように設置され、内部に冷媒を収容する冷媒用のボイラー１３と；冷媒用のボイラー１３より高い位置に設置される凝縮器１６と；凝縮器１６と冷媒用のボイラー１３を二つ以上のパイプで連結して冷媒の循環回路を形成することを特徴とする発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変圧器の冷却分野に属する。変圧器に加えられる熱は、内部から発生する熱と、外部から発生する熱とに区分することができる。内部から発生する熱は、変圧器の無負荷損失と負荷損失により発生する。これらの熱は、絶縁油の温度に影響をおよぼし、結果的に変圧器の巻線の絶縁体の絶縁性能に影響をおよぼし、変圧器の容量と寿命を決定する重要要因となる。このため、これまでは空冷式、送油風冷式、水冷式の冷却方式を採択して変圧器に加えられる熱を除去してきた。最近、冷凍サイクルまたはヒートパイプを利用した変圧器の冷却装置が開発されている。本発明は、エネルギー使用を最小化する発電サイクルを利用した変圧器の冷却装置を新しく導入するためのものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、本発明者をはじめとして多数の研究者が冷凍サイクルによる変圧器の冷却装置を発明した。しかし、冷凍サイクルは、絶縁油の温度を大気温度より低く冷却することができるという長所はある一方、必ず圧縮機を必要とするため、運転に大きなエネルギーが消耗され、圧縮機に故障が発生した場合、変圧器が運転を停止しなければならないという短所がある。これに対し、発電サイクルは、絶縁油の温度を大気温度以下に低くすることはできないが、圧縮機を必要とせず、運転時のエネルギー消耗がなく、圧縮機の故障を心配する必要がないという効果を有しており、新しい冷却方式として有用に使用することができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
油入変圧器の場合、巻線にＡ種の絶縁を適用しており、Ａ種絶縁の場合、絶縁油が最大１０５℃まで耐えることができ、平均絶縁油の温度は９５℃まで耐えるように設計されている。この温度範囲で気化する冷媒を変圧器の絶縁油または変圧器の本体と接触するよう設置された冷媒用のボイラーに充填して絶縁油または変圧器の本体の熱により冷媒が気化するようになり、冷媒の気化熱により変圧器の絶縁油が冷却するようにする。気化した冷媒は、膨張機に流入して、膨張機の内部に設置されたタービンを回転させて発電し、凝縮器に流入して熱を排出し、再び液体に状態変化をする。液体に状態変化した冷媒は、再び冷媒用のボイラーに流入し、冷却循環の一周期を終了する。Ａ種絶縁変圧器の絶縁油の温度は最大１０５℃まで、平均９５℃まで上昇しても構わず、大気温度以下に冷却させる冷凍サイクルを適用するのは過冷却のおそれがあり、必ず圧縮機を必要とするので運転中に故障する可能性が非常に高くなる。ヒートパイプの場合、真空を維持するのが難しく、気体と液体とが一つのパイプで流通するパイプ形状の小型装置では大型変圧器を冷却することが難しい。発電サイクルは、絶縁油の温度を凝縮器温度以下にすることはできないが、圧縮機が必要ないのでエネルギーを使わず、故障のおそれが無いという効果がある。発電機や一部の設備を省略することにより、冷却装置を非常に簡単化することができる。冷媒用のボイラーを接触式に構成すれば、油入変圧器だけではなく、一般変圧器も接触によるボイラーの稼動で冷却装置が作動することができる。
【発明の効果】
【０００４】
本発明による発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置は、圧縮機を使用せず、圧縮機を稼動させるエネルギーが必要ない、また、圧縮機が故障して変圧器の運転が停止することがないなど、運転費用および信頼度の面で非常に効果的である。本発明による発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置は、都心地域の屋内や地下に設置される変圧器に適用すると非常に効果的である。従来はこのような場合、変圧器を水冷却することにより、水循環系統が非常に複雑で、水循環ポンプの使用エネルギーが大きく、故障可能性が非常に大きかったため、運転における多くの問題点を抱えていた。このような水冷却変圧器の代替冷却方式として非常に効果的である。本発明による発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置を設置して運転した結果、その性能が極めて優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。
【０００６】
図１は、本発明の発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置の説明図である。絶縁油を強制循環させて冷却する場合、変圧器の本体１０と冷媒用ボイラー１３との間に循環管１１を二つ以上設置する。少なくとも一つ以上の循環管１１の管路には、循環ポンプ１２を設置する。この場合、冷媒用ボイラー１３は、一種の熱交換機であって強制循環される絶縁油と冷媒との間で熱交換がなされる。冷媒用ボイラー１３の冷媒側と、圧力調節バルブ１４と、膨張機１５と、凝縮器１６と、冷媒タンク１７と、チェックバルブ１９が並列に設置された冷媒供給ポンプ１８、再び冷媒用ボイラー１３の冷媒側になるようパイプで循環回路を形成する。作動原理は次のとおりである。
【０００７】
循環ポンプ１２が作動すれば、変圧器の本体１０の内部の絶縁油は循環管１１を介して冷媒用ボイラー１３の１次側に流入する。冷媒用ボイラー１３の２次側に充填された冷媒は、１次側の絶縁油と熱交換して気化する。この際、冷媒の蒸発潜熱により絶縁油は冷却される。気体状態の冷媒は、パイプを介して圧力調節バルブ１４を経て膨張機１５に流入する。圧力調節バルブ１４により圧力が上昇した気体冷媒は、膨張機１５で圧力が低くなり断熱膨張をする。この膨張機１５の内部にはタービン（図示しない）を設けることにより、冷媒の流れによりタービンを回転させ、タービンの他方端に設けられている発電機（図示しない）で発電を行うことができる。膨張機で断熱膨張した冷媒は、凝縮器１６で熱を外部に廃棄し、液体状態に状態変化する。液体冷媒は、冷媒タンク１７に流入し、冷媒供給ポンプ１８が作動しない場合は、チェックバルブ１９付きのパイプを介して冷媒用ボイラー１３に流入し、冷却の一周期が終了する。冷媒供給ポンプ１８が作動する場合は、チェックバルブ１９が閉まり、冷媒は冷媒供給ポンプ１８を経て冷媒用ボイラー１３に流入することで冷却の一周期を終了する。液体冷媒が重力により凝縮器１６で冷媒用ボイラー１３に流入されるように、凝縮器１６と、冷媒タンク１７と、チェックバルブ１９とが設置された冷媒供給ポンプ１８、冷媒用のボイラー１３の順に上部から下部へ設置することも可能である。冷媒は、変圧器の温度維持範囲内の温度で蒸発されるものを選択する。Ｒ１４１ｂは、１気圧で沸騰点が約３２℃であり、Ｒ１２３は、１気圧で沸騰点が約２８℃であり、ＡＫ２２５は１気圧で沸騰点が約５４℃であり、アルコールは沸騰点が約７８℃である。この他にも沸騰点が変圧器の温度維持範囲内である冷媒は非常に多い。もちろん冷媒系統に冷媒を注入する注入口（図示しない）や非凝縮気体である空気を排出することができる排出口（図示しない）が冷媒系統に設置されなければならず、凝縮器の冷却方式としては、空冷式と水冷式のいずれも適用することができる。
【０００８】
図２は、冷凍サイクルのＰ−ｈ線図の説明図である。冷凍サイクルにおいて蒸発機の圧力Ｐｅおよび温度は、凝縮器の圧力Ｐｃおよび温度より低い。しかし変圧器では、蒸発機と接する変圧器の絶縁油の温度を凝縮器が接する大気温度より低く維持する理由がなく、冷凍サイクルは変圧器の冷却に効用が少ない。さらに、凝縮器が除去しなければならない熱量Ｅｃは、変圧器から取得した熱量Ｅｅに、圧縮機が行った仕事に相応する熱量Ｅｐを追加して凝縮器が大きくなる短点がある。なお、冷凍サイクルが作動するためには圧縮機が必ず必要である。
【０００９】
図３は、発電サイクルのＰ−ｈ線図の説明図である。発電サイクルにおいてボイラーの圧力Ｐｂおよび温度は、凝縮気の圧力Ｐｃおよび温度より高い。このため、変圧器ではボイラーと接する変圧器の絶縁油の温度を凝縮器が接する大気温度より高く維持することができるので、発電サイクルは変圧器の冷却に適している。さらに、凝縮器が除去しなければならない熱量Ｅｃは、変圧器から取得した熱量Ｅｂから、膨張機の内部に存在する機器に行った仕事により外部に流出したエネルギーに相当する熱量（一種の発電量）Ｅｇを差し引いた値となるので、凝縮器が小さくなるという効果がある。
【００１０】
図４は、膨張機と冷媒タンクが省略された発電サイクルの冷却装置の説明図である。図１の場合と類似しているが、圧力調節バルブ１４が直列に設置された膨張機１５と冷媒タンク１７が省略されている。この場合、発電サイクルの冷却装置の機能は若干減少するが、大きな損傷なしに装置構造を簡単化することができる。冷媒用ボイラー１３で気化した気体冷媒は、直ちに凝縮器１６に流入して外部に熱を廃棄し、液化された後、パイプを介してチェックバルブ１９が並列に設置された冷媒供給ポンプ１８を通じて冷媒用のボイラー１３に流入することで冷却の一周期を終了する。
【００１１】
図５は、冷媒用ボイラーと凝縮器のみ設置された発電サイクルの冷却装置の説明図である。図４の場合と類似しているが、チェックバルブ１９が並列に設置された冷媒供給ポンプ１８が省略されている。この場合、凝縮器１６から出た液体冷媒は、重力により冷媒用ボイラー１３で冷却の一周期を終了する。冷却装置が冷媒用ボイラー１３と凝縮器１６のみ設置された非常に簡単な構造に変わる。
【００１２】
図６は、接触式冷媒用のボイラーが設置された発電サイクルの冷却装置の説明図である。図５の場合と類似しているが、冷媒用のボイラー１３が変圧器の本体１０と接触して変圧器の熱を吸収しているのが異なる。冷媒用ボイラー１３の冷媒系統は、図１、図４および図５に示したものを全て適用することができる（図示しない）。ここで、油入変圧器の場合も、変圧器の本体１０の一部分である横面または上部面またはラジエーターなどに冷媒用ボイラー１３を接触させることにより作動させることができる。
【００１３】
図７は、変圧器の本体の内部に冷媒用ボイラーが設置された発電サイクルの冷却装置の説明図である。図６の場合と類似しているが、冷媒用ボイラー１３が変圧器の本体１０の内部に設置されているのが異なる。変圧器の巻線と絶縁距離さえ維持すれば、図６に比べて円滑な熱交換を誘導することができる。作動原理は図１、図４および図５に示したとおりである。
【００１４】
図８は、冷媒用のボイラーがラジエーターを取り囲む構造の発電サイクルの冷却装置の説明図である。ラジエーター８１を取り囲むように冷媒用ボイラー１３を製造する。冷媒系統は、図１、図４および図５の場合をいずれも適用することができる。変圧器で熱が発生すると、ラジエーターで熱くなった絶縁油が変圧器の本体１０および冷媒用ボイラー１３の間を自然対流するようになり、これに伴って冷媒用ボイラー１３の内部の冷媒は気化する。他の作動原理は図１、図４および図５に示したとおりである。
【００１５】
図４に示した例が最も代表的な実施の形態である。変圧器の本体１０と冷媒用のボイラー１３の１次側の間には循環管１１が多数連結されており、その一つの循環管に絶縁油の循環ポンプ１２を設置する。冷媒用ボイラー１３の２次側には、冷媒用ボイラー１３と、凝縮器１６と、チェックバルブ１９とが並列に設置された冷媒供給ポンプ１８、再び冷媒用ボイラー１３の２次側の閉回路を形成するようにパイプで連結する。重力により液体冷媒を循環させることができるので、凝縮器１６と、チェックバルブ１９とが並列に設置された冷媒供給ポンプ１８、冷媒用のボイラー１３の順に高いところから低いところに設置する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の発電サイクルを用いた変圧器の冷却装置の説明図。
【図２】冷凍サイクルのＰ−ｈ線図の説明図。
【図３】発電サイクルのＰ−ｈ線図の説明図。
【図４】膨張機と冷媒タンクが省略された発電サイクルの冷却装置の説明図。
【図５】冷媒用のボイラーと凝縮器のみ設置された発電サイクルの冷却装置の説明図。
【図６】接触式の冷媒用のボイラーが設置された発電サイクルの冷却装置の説明図。
【図７】変圧器の本体の内部に冷媒用のボイラーが設置された発電サイクルの冷却装置の説明図。
【図８】冷媒用のボイラーがラジエーターを取り囲む構造の発電サイクルの冷却装置の説明図。
【符号の説明】
【００１７】
１０  変圧器の本体
１１  循環管
１２  循環ポンプ
１３  冷媒用ボイラー
１４  圧力調節バルブ
１５  膨張機
１６  凝縮器
１７  冷媒タンク
１８  冷媒供給ポンプ
１９  チェックバルブ
８１  ラジエーター
【図１】
2009530844.tif 000003
【図２】
2009530844.tif 000004
【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】
2009530844.tif 000009
【図８】
2009530844.tif 000010
【国際調査報告】
2009530844.tif 000011
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