专利名称：包括热管的变压器的制作方法
包括热管的变压器本发明涉及根据权利要求I的前序部分所述的变压器和根据权利要求14所述的制备变压器的方法。本领域中众所周知，变压器将处于某一电压下的电转化为处于值更高或更低的另一电压下的电。该电压转化使用初级线圈和次级线圈通过称为互感的效应实现，各线圈绕在铁磁性芯上且包括多匝电导体。初级线圈与电压源连接，次级线圈与负载连接。在初级线圈中的电流在磁芯中产生磁场,所述磁场在次级线圈中引起电压。在过去的几年中，常规变压器的性能不断改进。该性能改进伴随着在变压器及其部件的冷却方面的持续研发。有效冷却的问题在绕组通常浇铸在诸如环氧树脂的介电树脂中的干式变压器中特别有意义。 在这方面，美国专利申请公开US 2006/0200971号公开了ー种包括线圈、多个集成冷却导管和封装线圈的树脂的干式树脂封装的变压器。此外，德国公开DE 102 33 947号公开了ー种包括发电机的风能转换器，所述发电机包括密闭循环冷却系统。如在根据US2006/0200971的变压器中，冷却因此通过空气的自然对流实现。供选地，美国专利4，009, 417号公开了ー种使用热管冷却的配电变压器。由此，该变压器提供有以热管形式的外罩，该热管具有从外罩延伸到变压器的介电流体的蒸发器部分。热管冷却在美国专利5，656，984号中进ー步提到，该专利公开了具有用可压缩的闭孔发泡体覆盖的芯的实心绝缘变压器，所述变压器包括放置在内部线圈与芯之间以在温度积聚之前提取热的热管。并且，本发明的申请人的未公开的欧洲专利申请09161988号公开了ー种包括用于散发热能的热管的变压器线圈，所述热管包括形成沿绕组的圆周方向延伸的层状蒸发器段的蒸发器。为了实现变压器中的最佳热传输，该热管由此优选为环形的。根据在图中给出的实施方案，热管配置在初级绕组与次级绕组之间。虽然热管的使用使得与纯粹空气对流相比更有效地除去在导体中由欧姆损失产生的热，但是使用热管的已知变压器的制备比较复杂。另外，如果不采取适当技术措施，这类变压器常会在电有源部分(electrical active part)的电绝缘方面产生问题。例如,在低周围温度下，热管内部的压カ较低，意味着介电性能通常也较低。考虑到该低介电性能，在热管内部的电场常常太高而不允许变压器在低周围温度下安全操作。本发明的问题因此在于提供一种变压器，其允许有效冷却且同时允许其电有源部分在广泛温度范围且特别是也在低周围温度下有效电绝缘。该问题通过根据权利要求I的变压器解決。本发明的优选实施方案在从属权利要求中给出。根据权利要求1，本发明的变压器包括指定与电压源连接的初级线圈和指定与负载连接的次级线圏。在这些线圈中的至少ー个包括第一导体层和布置在所述第一导体层之上的第二导体层。第一导体层和第二导体层二者都包括在线圈的轴向配置的一个或多个盘形绕组，所述ー个或多个盘形绕组包括绕成多个同心匝的导体。包括第一导体层和第二导体层的线圈还包括至少ー个用于从线圈散发热能的热管，所述热管包括至少ー个热管蒸发器。在本发明中，此外，所述至少一个热管蒸发器安置在其被包括的线圈的第一导体层与第二导体层之间。因此，一方面，如果热管蒸发器被包括在初级线圈中，则其安置在初级线圈的第一导体层与第二导体层之间。另ー方面，如果热管蒸发器被包括在次级线圈中，则其安置在次级线圈的第一导体层与第二导体层之间。随着电压降低且因此在线圈的第一导体层与第二导体层之间的介电应カ比较低， 在各层之间的介质的比较低的介电性能适用于提供足够的绝缘。因此，虽然热管内部的压力会比较低，但由热管的工作介质和围绕热管的材料实现的绝缘性能足以允许变压器安全操作。由于热管蒸发器的特殊位置，本发明因此组合了由热管进行冷却的优势(S卩，更有效得多地除去导体中产生的热)与在具有高绝缘性能的材料中浇注电有源部分的优势(即，小间隙或空隙或绝缘距离足够)。因此，本发明允许使用具有较小截面积的导体(通过保持电流固定)或使更大电流流过导体。因此，根据本发明可获得具有较高功率密度的变压器，这对于其中可用空间有限的应用来说尤其有意义。优选在第一导体层中的盘形绕组的数目与在第二导体层中的盘形绕组的数目相同。具体地讲，第一导体层的盘形绕组通常分别同轴布置在第二导体层的盘形绕组内，以形成多个同轴盘形绕组对。结合本发明使用的术语“热管”将作广义解释且涵盖其中可实现热管的热循环的任何密闭系统。除了与待冷却的装置接触的热管蒸发器以外，热管通常还包括使流体在其中冷凝的热管冷凝器和连接热管蒸发器与热管冷凝器且在其中蒸气和液体分别向上和向下行进的连接管路。通常，热管包括限定热管内部的密封管道或管，例如在W003/107364中所描述类型的管，该专利的公开内容在此通过引用结合到本文中。一般来讲，在用工作介质填充之前将热管抽空，选择工作介质以与操作温度匹配。在操作期间，在变压器的线圈内产生的热能由热管蒸发器中的工作介质吸收，由此工作介质蒸发。工作介质蒸气迁移到热管冷凝器，在其中工作介质蒸气由于存在的较低温度而冷凝。冷凝的工作介质流回热管蒸发器，在其中再次蒸发等。因此，由于热能被热管蒸发器中的工作介质吸收而实现线圈的冷却。根据又ー优选的实施方案，所述至少一个热管蒸发器沿线圈的轴向延伸。因此，可以获得变压器的简便易行的设计。一般来讲，热管冷凝器(即在此释放吸收的热能的热管部分)配置在线圈外部。热管冷凝器的冷却可例如通过空气的自然对流实现。供选地，诸如风扇的冷却装置可效カ于冷却段。优选安置热管冷凝器使得在变压器操作期间其在热管蒸发器上方。因此，冷凝的工作介质由于重力流回热管蒸发器，允许非常简单的热管构造。在本发明的其他实施方案中，其中安置热管冷凝器使其在操作期间并未在热管蒸发器上方，热管的内部可包括能够对冷凝的工作介质施加毛细管压力的芯。该热管蒸发器基本可具有允许其实现其功能的任何形式。具体地讲，热管蒸发器可具有圆形或矩形截面。已经发现由一对空间隔开的弯曲侧壁连接在一起的具有至少大致椭圆形截面、空间隔开的通常平坦的前壁和后壁的热管蒸发器特别适合。根据本发明的又一优选的实施方案，间隔层布置在第一导体层与第二导体层之间，所述间隔层包括配置的至少一个间隔物以在第一导体层与第二导体层之间形成至少一个通道，且所述至少一个热管蒸发器由所述至少一个通道形成或布置在所述至少一个通道内。如果热管蒸发器通过使热管蒸发器导管滑动到相应通道中而布置在所述至少一个通道内，则间隔物优选具有大致对应热管的截面的截面(但尺寸稍大一点)。进一步优选所述至少一个热管蒸发器以如下方式配置与包括热管蒸发器的线圈的外壁相比，更加接近于其内壁配置。
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如上所述，此外优选所述热管蒸发器由通道本身形成，其在顶部和底部封闭。因此，不需要诸如热管蒸发器导管的额外装置。根据又一优选的实施方案，所述变压器包括多个热管蒸发器，所述热管蒸发器的内部彼此相互连接。在这方面，可优选各热管蒸发器的底端引入容器以便收集热管工作介质。如此收集的液体工作介质可重新引入或再循环到该多个热管蒸发器中。或者或另外，进一步优选各热管蒸发器的上端引入接合的热管冷凝器，特别是经连接管路。因此，收集冷凝的工作介质且可将其均匀分配到热管蒸发器。根据又一优选的实施方案，所述热管蒸发器由电绝缘材料制成。优选，所述材料同时具有足够的导热率以允许从线圈有效传热到热管蒸发器内部。具体地讲，热管蒸发器的材料可为玻璃加强的环氧树脂。关于热管的工作介质，优选使用满足以下需求中的至少一个的材料具体地讲，优选所述工作介质具有良好的热性质，特别是高蒸发潜热和高热容量以及低粘度。因为为了安全操作，系统中的压力需要保持在特定范围内，所以工作介质的沸点优选在变压器的约正常操作温度范围内。因此，避免热管中的显著压力不足或压力过大。另外，工作介质的凝固点优选低于周围温度，即变压器周围的温度。还在变压器的停工时间期间防止工作介质冻结。并且，工作介质优选为环境友好的且满足安全要求，诸如不燃性和低毒性，以符合对这些介质的比较严格的要求。为了防止热管中的放电，进一步高度优选工作介质为介电绝缘的。因此，所述热管优选包括作为工作介质的介电流体。然而，电绝缘工作介质的适用性由于其比较低的环境友好性而受限制。具体地讲，其全球变暖潜力(GWP)有时极高。在这方面，现在已经发现特别优选氟化烃(优选氟醚和/或氟酮)。具体地讲，已经发现具有4-12个碳原子、优选6个碳原子的氟酮非常适合本发明。最优选所述氟酮为十二氟-2-甲基戊-3-酮。
在具有6个碳原子的最优选的氟酮之中，已经发现十二氟-2-甲基戊-3-酮由于其高绝缘性质及其极低的GWP而特别优选。先前仅考虑了十二氣_2_甲基戍_3_丽(也称为1，1，1,2,2,4,5,5,5-九氟-4-(三氟甲基)-3-戊酮、全氟-2-甲基-3-戊酮或CF3CF2C (0) CF (CF3) 2)可用于完全不同的应用，即，加工熔融活性金属(如在WO 2004/090177中所提到)、用于清洁蒸气反应器(如在WO 02/086191中所提到)和用在灭火体系中或以液态用于冷却电子系统或在小型发电站中用于Rankine过程(如在EP-A-1764487中所提到)。十二氟-2-甲基戊-3-酮为透明无色且几乎无味的。其结构式如下给出
权利要求
1.变压器(10)，其包括指定与电压源连接的初级线圈和指定与负载连接的次级线圈，所述线圈中的至少ー个包括 第一导体层(32)，其包括在所述线圈的轴向配置的ー个或多个盘形绕组(36)，所述ー个或多个盘形绕组(36)包括绕成多个同心匝的导体(46)； 布置在所述第一导体层(32)之上的第二导体层(34)，所述第二导体层(34)包括在所述线圈的轴向配置的ー个或多个盘形绕组(36)，所述ー个或多个盘形绕组(36)包括绕成多个同心阻的导体(46);和 用于散发来自所述线圈的热能的至少ー个热管，所述热管包括至少ー个热管蒸发器(40)，其中 所述至少一个热管蒸发器(40)安置在其被包括的线圈的所述第一导体层(32)与所述第二导体层(34)之间。
2.权利要求I的变压器(10)，其中所述至少一个热管蒸发器(40)在所述线圈的轴向延伸。
3.前述权利要求中任ー项的变压器(10)，其中间隔层(120)布置在所述第一导体层(32)与所述第二导体层(34)之间，所述间隔层(120)包括经配置以在所述第一导体层(32)与所述第二导体层(34)之间形成至少ー个通道的至少ー个间隔物(112)，且所述至少一个热管蒸发器(40)由所述至少一个通道形成或布置在所述至少一个通道内部。
4.前述权利要求中任ー项的变压器(10)，其中所述变压器(10)包括多个热管蒸发器(40)，所述热管蒸发器(40)的内部彼此相互连接。
5.权利要求4的变压器(10)，其中各热管蒸发器(40)的底端引入容器以便收集热管工作介质。
6.权利要求4-5中任ー项的变压器(10)，其中各热管蒸发器(40)的上端引入接合的热管冷凝器，特别是经连接管路。
7.前述权利要求中任ー项的变压器(10)，其中所述至少一个热管蒸发器(40)由电绝缘材料、特别是玻璃加强的环氧树脂制成。
8.前述权利要求中任ー项的变压器(10)，其中包括所述第一导体层(32)和所述第二导体层(34)的线圈为高压线圈(30)。
9.前述权利要求中任ー项的变压器(10)，其中所述变压器(10)为干式变压器。
10.前述权利要求中任ー项的变压器(10)，其中所述热管包括作为工作介质的介电流体。
11.权利要求10的变压器(10)，其中所述介电流体为氟化烃，优选为氟醚和/或氟酮。
12.权利要求11的变压器(10)，其中所述氟酮具有4-12个碳原子，优选6个碳原子。
13.权利要求12的变压器(10)，其中所述氟酮为十二氟-2-甲基戊-3-酮。
14.制备权利要求3-13中任ー项的变压器(10)的方法，其包括 a)形成第一导体层(32)； b)在所述第一导体层(32)之上形成间隔层(120);和 c)在所述间隔层(120)之上形成第二导体层(34)，其中形成所述间隔层(120)以使得当形成所述第二导体层(34)时，在所述第一导体层(32)与所述第二导体层(34)之间形成至少ー个轴向延伸的通道，所述至少一个通道形成热管蒸发器(40)或包括热管蒸发器(40)。
15.权利要求14的方法，其包括在步骤c)之后的以下额外步骤 d)使至少ー个热管蒸发器导管滑动到所述至少ー个通道中以布置在所述第一导体层(32)与所述第二导体层(34)之间。
全文摘要
本发明涉及变压器，其包括指定与电压源连接的初级线圈和指定与负载连接的次级线圈。所述线圈中的至少一个包括第一导体层，所述第一导体层包括在所述线圈的轴向配置的一个或多个盘形绕组，所述一个或多个盘形绕组包括绕成多个同心匝的导体；布置在所述第一导体层之上的第二导体层，所述第二导体层包括在所述线圈的轴向配置的一个或多个盘形绕组，所述一个或多个盘形绕组包括绕成多个同心匝的导体；和用于散发来自所述线圈的热能的至少一个热管，所述热管包括至少一个热管蒸发器。所述变压器包括至少一个热管蒸发器，所述热管蒸发器安置在其被包括的线圈的所述第一导体层与所述第二导体层之间。
文档编号H01F27/08GK102696081SQ200980162471
公开日2012年9月26日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年9月11日
发明者D·查图尼, J·斯马吉克, L·唐策尔, L·考夫曼, P·考夫曼, R·穆里略 申请人:Abb研究有限公司