KR101611560B1 - 직류 트랜스포머 및 이를 이용한 전도 가열 장치 - Google Patents

Abstract

직류 트랜스포머 및 이를 이용한 전도 가열 장치가 개시된다. 직류 트랜스포머는 2턴 이상의 코일을 적어도 두 개 이상 병렬로 배치한 1차 권선부와 1차 권선부의 각 코일과 교차하여 병렬로 배치된 적어도 두 개 이상의 도체 블록으로 구성된 2차 권선부 및 이들을 감싸는 컷코어로 구성된다.

Description

직류 트랜스포머 및 이를 이용한 전도 가열 장치{Direct Current Transformer, and conduction heating apparatus using DC transformer}

본 발명은 직류 트랜스포머에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전도 가열(conduction heating) 등에 사용될 수 있는 직류 트랜스포머에 관한 것이다.

일반적으로 전도 가열에는 상용주파수(60Hz)의 3상(3 Phase) 트랜스포머를 사용한다. 그러나 3상 트랜스포머를 사용하는 경우에 출력단에서의 역률이 일정하지 않고 매우 낮아지는 단점이 있다. 특히 50% 이하의 낮은 출력 영역 대에서 역률이 현저히 저하되는 문제점이 있다.

특허공개번호 제2012-0060532호

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 자체 코일의 리액턴스 값을 최소화하여 극저 임피던스 부하에서도 고효율을 보장할 수 있는 직류 트랜스포머 및 이를 이용한 전도 가열 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예는, 2턴 이상의 코일을 적어도 두 개 이상 병렬로 배치한 1차 권선부; 상기 1차 권선부의 각 코일과 교차하여 병렬로 배치된 적어도 두 개 이상의 도체 블록으로 구성된 2차 권선부; 및 상기 1차 권선부와 상기 2차 권선부를 감싸는 컷코어;를 포함한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 전도 가열 장치의 일 예는, 입력 전원의 역률을 교정하는 역률 교정부; 상기 역률 교정부의 출력을 정류하는 제1 정류부; 상기 정류부의 출력을 단속하는 초퍼; 직류 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머의 2차 코일의 출력을 직류 정류하는 제2 정류부;를 포함하고, 상기 직류 트랜스포머는, 2턴 이상의 코일을 적어도 두 개 이상 병렬로 배치한 1차 권선부; 상기 1차 권선부의 각 코일과 교차하여 병렬로 배치된 적어도 두 개 이상의 도체 블록으로 구성된 2차 권선부; 및 상기 1차 권선부와 상기 2차 권선부를 감싸는 컷코어;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 직류 트랜스포머는 1차 코일과 2차 코일의 적층형 구조를 통해 자체 코일 리액턴스값을 최소화하여 극저 임피던스 부하에도 고효율을 보장할 수 있다. 또한 중주파(400~20,000Hz)를 적용함으로써 효율을 향상시키고 부피를 절감할 수 있다. 또한 컷 코어 측면에 솔더링 방식으로 수냉식 파이프를 부착하여 코어의 발열을 줄일 수 있다. 또한 진공 함침 방식을 사용하여 절연 내압을 확보할 수 있다. 또한 2차 코일 하나당 20,000A 이상을 통전할 수 있고, 1차 코일 측에 형성된 멀티탭 구조를 이용하여 1차 코일을 직/병렬 구조로 용이하게 변경함으로써 다양한 부하에 적용할 수 있다. 전도 가열(conduction heating) 뿐만 아니라 유도 가열(induction heating)에도 적용 가능하며, 컷 코어를 사용함으로써 코어 손실을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직류 트랜스포머를 이용한 전도 가열 장치의 일 예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예를 도시한 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예를 도시한 평면도,
도 5는 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예를 도시한 좌측면도,
도 6은 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예를 도시한 우측면도,
도 7은 본 발명에 따른 1차 권선부의 멀티 탭 구조의 일 예를 도시한 도면, 그리고,
도 8은 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예의 단면을 도시한 도면이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 직류 트랜스포머 및 이를 이용한 전도 가열 장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 직류 트랜스포머를 이용한 전도 가열 장치의 일 예를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 전도 가열 장치는 배선용차단기(MCCB, Mold Case Current breaker)(100), 역률교정부(PFC, Power Factor Corrector)(110), EMI필터(120), 제1 정류부(130), 초퍼부(140), 직류 트랜스포머(150), 제2 정류부(160)를 포함한다.

배선용차단기(100)는 3상 신호(R,S,T 신호)를 입력받으며, 과전류나 단락전류 등이 발생하면 신호 입력을 차단한다.

역률교정부(110)는 배선용차단기를 통해 공급되는 입력신호의 역률이 1이 되도록 개선한다.

EMI필터(120)는 신호 내 잡음을 제거하고, 제1 정류부(130)는 EMI 필터의 출력신호를 정류한다.

초퍼부(140)는 제1 정류부의 신호를 규칙적인 시간 간격으로 단속하며, 제2 정류부(160)는 직류 트랜스포머(150)의 출력을 정류하여 부하(170)에 공급한다.

직류 트랜스포머(150)는 복수의 1차 코일과 복수의 2차 코일이 교차하여 적층된 구조로서, 이에 대한 상세한 구성은 도 2 이하를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예를 도시한 사시도, 도 3은 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예를 도시한 정면도, 도 4는 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예를 도시한 평면도, 도 5는 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예를 도시한 좌측면도, 도 6은 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예를 도시한 우측면도이다. 그리고 도 7은 본 발명에 따른 1차 권선부의 멀티 탭 구조의 일 예를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 직류 트랜스포머의 일 예의 단면(도 4의 A-A' 단면)을 도시한 도면이다. 이하 도 2 내지 도 8을 함께 참조하여 설명한다.

직류 트랜스포머(200)는 1차 권선부(210,212,214,216,218), 2차 권선부(220,222,224,226), 컷 코어(230), 적어도 하나 이상의 제1 냉각수 유입부 및 유출부(250,252,254,256.258), 적어도 하나 이상의 제2 냉각수 유입부 및 유출부(260,262,264,266), 코어 냉각파이프(240), 상판 및 하판(270,272), 복수 개의 지지대(274), 대전류 블록(290,292,294,296) 등을 포함한다.

1차 권선부는 적어도 2 개 이상의 코일(210,212,214,216,218)을 포함하며, 각 코일은 2턴 이상이다. 1차 권선부는 자체 리액턴스(reactance)를 최소화하기 위하여 2 개 이상의 코일(210,212,214,216,218)을 병렬로 적층한 구조이다. 본 실시 예에서 1차 권선부는 5 개의 코일(210,212,214,216,218)을 병렬 배치한 구조를 도시하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 코일의 병렬 배치 개수는 실시 예에 따라 다양하게 변경 가능하다. 1차 권선부의 각 코일(210,212,214,216,218)은 적어도 2턴 이상을 포함하며, 본 실시예에서는 10회 감겨있는 경우를 일 예로 도시하고 있다.

1차 권선부의 각 코일(210,212,214,216,218)은 일반적인 도체 선뿐만 아니라 속이 빈 파이프 형태일 수 있다. 예를 들어, 1차 권선부의 각 코일(210,212,214,216,218)은 속이 빈 동 파이프가 될 수 있다. 1차 권선부가 속이 빈 파이프 형태인 경우에 각 코일(210,212,214,216,218)의 양 단은 냉각수 유입부 및 냉각수 유출부(250,252,254,256,258)에 각각 연결된다. 따라서 냉각수 유입부/유출부(250,252,254,256,258)를 통해 냉각수가 각 코일의 내부를 흐르도록 함으로써 1차 코일(210,212,214,216,218)에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.

1차 권선부의 각 코일(210,212,214,216,218)은 병렬 또는 직렬로 상호 연결될 수 있으며, 직/병렬의 용이한 연결을 위하여 1차 권선부는 도 7과 같은 멀티탭 구조를 포함할 수 있다. 멀티탭 구조를 보다 구체적으로 살펴보면, 멀티탭 구조는 각 코일의 양단과 연결되는 각 블록(280,281,282,283,284,285,286,287,288,289)과, 각 블록 사이를 연결하는 연결선(720,722,724,726)으로 구성된다. 각 블록 사이를 어떤방식으로 연결하느냐에 따라 1차 코일의 다양한 직/병렬의 연결형태를 구현할 수 있다. 또한 본 실시 예에 도시된 5 개의 코일 중 부하에 따라 2개의 코일 또는 3개의 코일 등 사용하는 코일 개수를 자유롭게 선택할 수 있다. 예를 들어, 입력 전원선 중 하나를 1차 권선부의 좌측 최상단 블록(700)과 연결하고 나머지 하나를 우측 상단 두 번째 블록(282)과 연결하여 2개의 코일만으로 운영할 수 있다.

2차 권선부는 1차 권선부의 각 코일과 교차 배치되는 복수 개의 도체 블록(220,222,224,226)으로 구성된다. 2차 권선부는 적어도 2 개 이상의 도체 블록(220,222,224,226)을 병렬로 적층함으로써 자체 리액턴스를 최소화할 수 있다. 또한 1차 권선부의 1차 코일과 2차 권선부의 도체 블록, 즉 2차 코일을 병렬 교차 적층하여 상호 인턱턴스(intuctance) 또한 최소화할 수 있다. 2차 권선부의 각 도체 블록(220,222,224,226)의 일 예로 동으로 된 블록을 사용할 수 있다. 본 실시 예의 경우, 2차 권선부는 1차 권선부의 코일 배치에 대응하여 병렬로 배치된 4 개의 도체 블록(220,222,224,226)으로 구성되어 있으나, 도체 블록의 개수는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 1차 권선부의 코일 개수 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

2차 권선부의 각 도체 블록(220,222,224,226)은 'ㄷ'자 형태로 구현할 수 있으며, 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 빈 공간(도 8의 800)을 포함할 수 있다. 'ㄷ' 자 형태의 도체 블록의 양 단은 각각 냉각수 유입부 및 냉각수 유출부(260,262,264,266)와 연결되며, 따라서 냉각수는 도체 블록의 내부 공간을 통해 흐를 수 있어 2차 권선부에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.

2차 권선부의 각 도체 블록(260,262,264,266)은 직렬 또는 병렬로 결선될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예의 경우 4개의 도체 블록 중 위 두 개의 도체 블록(220,222)과 아래 두 개의 도체 블록(224,226)은 대전류 통전을 위한 블록부(290,292,294,296)에 각각 병렬로 연결된다. 이 경우 좌측하단(292)과 우측상단(294)의 블록은 출력 극성 '+'와 연결되고, 좌측상단(290)과 우측하단(296)의 블록은 출력극성 '-'와 연결되어 대전류를 통전한다. 이 외에도 각 도체블록의 결선 방법은 실시 예에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

서로 교차하여 병렬로 배치된 1차 권선부와 2차 권선부 사이에는 절연체(미도시)가 존재할 수 있다. 또는 1차 권선부의 코일 외부가 절연체로 싸여 있거나 2차 권선부의 외부가 절연체로 싸여 있는 등 1차 권선부와 2차 권선부의 절연을 위한 다양한 방법이 적용될 수 있다.

컷코어(cut core)(230,232)는 병렬 교차 배열된 1차 권선부(210,212,214,216,218)와 2차 권선부(220,222,224,226)를 감싼다. 본 실시 예는 두 개의 컷코어(230,232)를 도시하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 컷코어의 개수를 다양하게 선택변경가능하다. 또한 컷코어(230,232) 외에 1차 권선부와 2차 권선부의 중심을 관통하는 형태의 코어 등 다양한 종류의 코어가 사용될 수 있음은 물론이다. 일 예로, 컷코어(230,232)는 적층형 규소강판으로 구현될 수 있다.

코어 수냉파이프(240,242,244,246)는 컷코어의 측면에 솔더링 방식으로 고정되어 컷코어(230,232)에서 발생하는 열을 줄일 수 있다. 코어 수냉파이프(240,242,244,246)는 컷코어(230,232)의 측면 전체를 감싸는 하나의 파이프 형태로 구현할 수도 있으나, 본 실시 예는 두 부분으로 나뉜 컷코어의 각 부분에 대응하여 두 부분으로 나누어진 수냉파이프를 도시하고 있다. 즉 두 개의 컷코어(230,232)에 대응하여 구분된 4 개의 수냉파이프(240,242,244,246)가 존재한다. 수냉 파이프의 일측에는 냉각수가 유입되고 유출될 수 있는 유출입구(500,502)가 존재한다.

절연물인 상판(270)과 하판(272)이 존재하고, 또한 1차 및 2차 권선부를 고정하기 위한 세로의 지지물(274)이 다수 개 존재한다. 상판(270)과 하판(272), 지지물(274)의 구조와 형태는 실시 예에 따라 다양한 형태로 변경 가능하다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 2턴 이상의 코일을 적어도 두 개 이상 병렬로 배치한 1차 권선부;
   상기 1차 권선부의 각 코일과 교차하여 병렬로 배치된 적어도 두 개 이상의 도체 블록으로 구성된 2차 권선부; 및
   상기 1차 권선부와 상기 2차 권선부를 감싸는 컷코어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 트랜스포머.
2. 제 1항에 있어서,
   냉각수가 유입되고 유출되는 냉각수 유입부 및 냉각수 유출부;를 더 포함하고,
   상기 1차 권선부의 코일은 속이 빈 파이프 형태의 도체로 구성되고,
   상기 코일의 양단은 각각 상기 냉각수 유입부 및 냉각수 유출부와 연결되는 것을 특징으로 하는 직류 트랜스포머.
3. 제 1항에 있어서,
   냉각수가 유입되고 유출되는 냉각수 유입부 및 냉각수 유출부;를 더 포함하고,
   상기 2차 권선부의 도체 블록은 내부 빈 공간을 포함하고, 상기 내부 빈 공간과 연결되는 상기 도체 블록의 일단은 상기 냉각수 유입부와 연결되고, 상기 내부 빈 공간과 연결되는 상기 도체 블록의 타단은 상기 냉각수 유출부와 연결되는 것을 특징으로 하는 직류 트랜스포머.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 컷 코어의 측면을 따라 형성된 수냉파이프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 트랜스포머.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 2차 권선부의 복수의 도체 블록은 병렬 결선되는 것을 특징으로 하는 직류 트랜스포머.
6. 입력 전원의 역률을 교정하는 역률 교정부;
   상기 역률 교정부의 출력을 정류하는 제1 정류부;
   상기 정류부의 출력을 단속하는 초퍼;
   코일로 구성된 1차 권선부와 블록으로 구성된 2차 권선부를 병렬로 교차 배치하여 형성된 직류 트랜스포머; 및
   상기 직류 트랜스포머의 2차 코일의 출력을 직류 정류하는 제2 정류부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도 가열 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 직류 트랜스포머는,
   2턴 이상의 코일을 적어도 두 개 이상 병렬로 배치한 1차 권선부;
   상기 1차 권선부의 각 코일과 교차하여 병렬로 배치된 적어도 두 개 이상의 도체 블록으로 구성된 2차 권선부; 및
   상기 1차 권선부와 상기 2차 권선부를 감싸는 컷코어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도 가열 장치.

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