包括熄灭气体过滤装置的用于断开空气中电流的电气设备的制作方法

本发明涉及一种用于断开空气中的电流的电气设备，例如断路器或接触器，其包括改进的熄灭气体过滤装置。

背景技术：

以已知的方式，诸如断路器或接触器的电气设备允许中断在诸如家用或工业分配系统的电路中的电流的循环。通常，这些装置包括连接到用于输入和输出电流的端子的可分离电触头。这些电触头可在闭合位置和分断位置之间选择性地移动，在闭合位置，它们允许电流在端子之间流动，或者可选地，在分断位置，它们相互隔开从而防止所述电流流动。

特别已知的是，当这些电触头在存在电流时朝向其分断位置运动时，可能在这两个电触头之间产生电弧。该电弧使装置中的环境空气电离，从而产生被描述为熄灭气体的气体，然后该气体被排放到装置的外部。然后，电弧由装置中的电弧熄灭腔室熄灭，以便中断电流的流动。熄灭气体具有高温，通常超过4000℃，并且包含悬浮的颗粒如烟灰或金属颗粒，其通常源自装置的内部组分响应于电弧的作用而部分熔化。

因此，熄灭气体必须在被排放到装置外部之前使用装置上的专用过滤系统来冷却和去离子。这允许防止与电离的熄灭气体的高导电性相关联的装置外部上的电弧电流的任何环回，例如在输入和/或输出端子和外部金属部件之间的任何环回。任何这种环回将导致短路的形成，引起不可接受的和危险的安全缺陷。

已知的过滤系统通常包括含有金属元件的过滤器。如果熄灭气体非常热，或者在高电流强度的电弧的情况下，则存在电弧经由过滤器环回的风险。

作为改正，ep1251533a1描述了一种气体扩散器，其插置在用于来自电弧熄灭腔室的气体的排气孔和熄灭气体过滤器之间。气体扩散器的功能是允许来自电弧熄灭腔室的熄灭气体朝向过滤器通过，并且防止电流从电弧熄灭腔室沿过滤器的方向流过。

然而，这种气体扩散器在它用于具有高断路能力的工业级电气设备的情况下不能提供完全的满意度。通过“高断路能力”，可以理解，短路断开电流等于或大于50ka。作为高强度电流的结果，扩散器不能防止在其中流动的熄灭气体中的电流环回。因此，由于外部环回，其中在电气设备的端子和外部部件之间形成电弧，或由于内部环回，其中电弧穿过过滤器并使电弧熄灭腔室中的分离器短路，扩散器的使用具有发生故障的风险。这对使用者或使用的电气设备中的电路造成严重的危险。此外，由于限制气体扩散器结合到电气设备中的空间约束，难以修改该扩散器的尺寸，例如为了增加在其中循环的熄灭气体的轨迹的长度。

技术实现要素：

本发明更具体地旨在通过提出一种用于断开空气中的电流的电气设备来纠正这些缺点，该电气设备具有用于过滤熄灭气体的系统，其包括气体扩散器，所述气体扩散器提供更有效的保护以防止电弧电流回流到过滤器中的风险，同时保持令人满意的机械性能。

为此，本发明涉及一种用于断开电流的电气设备，包括：

-两个可分离的电触头，连接到用于电流的输入端和输出端的端子；

电弧熄灭腔室，用于熄灭在电触头分离时形成的电弧，其中该电弧熄灭腔室设置有熄灭气体排气孔；

-熄灭气体过滤系统，其设置在所述排气孔的输出处并且包括过滤器和电绝缘材料结构的气体扩散器，其中所述气体扩散器插置在所述排气孔和过滤器之间。

所述气体扩散器包括叠置在它们之间的中心层和布置在所述中心层的两侧的两个外层，所述中心层设置有第一通孔，每个外层设置有第二通孔，第一孔相对于第二孔不对准，使得每个第二孔出现在中心层的没有任何第一孔的实心部分上。

通过本发明，气体扩散器的三层结构和第一及第二通孔的布置允许熄灭气体在其从电弧熄灭腔室沿过滤器的方向排出时熄灭气体所遵循的轨迹的伸长。这限制了在扩散器的输出处的电弧的环回风险，其中熄灭气体的通量是相当大的或高度电离的。此外，三层结构提供了高度紧凑的布置，并且确保了扩散器的足够的刚度和机械耐受性，以允许其对通过熄灭气体通量在其从电弧熄灭腔室喷出时由于其高压而施加的机械应力的抵抗。

根据本发明的有利的但非强制性的方面，这种类型的电气设备可以在任何技术上允许的组合中并入一个或多个以下特性：

-一方面所述中心层和另一方面所述外层中有一个包括塑料材料的刚性板，而一方面所述中心层和另一方面所述外层中的另一个包括合成材料的板，其包含有芳族聚酰胺纤维。

-所述中心层包括塑料材料的刚性板，而所述外层各自包括包含有芳族聚酰胺纤维的合成材料的板。

-所述外层通过柔性连接器互连。

-所述塑料材料的刚性板在其至少一个表面上包括有间隔垫，所述间隔垫相对于所述表面突出，以便将与该表面相邻的所述合成材料板保持在与所述刚性板相距预定距离处，其中所述气体扩散器处于组装构造。

-所述第一孔具有菱形构造，其中所述侧边朝向所述菱形的中心向内弯曲。

每个外层具有范围为10％至40％的孔隙率，优选地具有范围为15％至30％的孔隙率。

所述第一孔相对于所述第二孔以交错图案布置。

所述外层是相同的。

附图说明

将通过以下对电气设备的一种形式的实施例的描述来增强对本发明的理解并进一步阐明其他优点，所述实施例的形式仅通过示例提供并参照附图给出，其中：

-图1示出了根据本发明的一种实施方式的用于断开电流的电气设备的纵向截面的示意图；

-图2示出了图1所示的电气设备中的熄灭气体过滤系统的示意性分解图；

-图3以透视图示出了处于组装构造的图2所示的熄灭气体过滤系统中的气体扩散器的示意图；

-图4和图5以透视图示出了处于拆卸构造的图3所示的气体扩散器的示意图；

-图6以正视图示出了布置在图2-4中所示的气体扩散器的中心层中的通孔的示意图；

-图7以正视图示出了布置在图2至图5中所示的气体扩散器的层中的孔的几何中心的图案的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于断开电流的电气设备2，其被设计用于电路中，以便允许例如响应于控制信号或者在检测到功能异常(诸如短路或过电流)时而中断所述电路中的电流供应。

在该示例中，电气设备2是低压直流断路器，其额定为例如415v的电压和超过630a的电流强度。该断路器上的短路断开电流等于或大于70ka。作为变型，该断路器是交流电类型。

电气设备2包括壳体4和用于电流的输入端子6和输出端子8，输入端子6和输出端子8被设计用于将电气设备2连接到电路，例如连接到电气配电盘的连系母线。端子6和8由诸如铜的导电材料形成。

电气设备2还包括可分离的电触头10和12，每个电触头承载分别连接到输入端子6和输出端子8的相应的接触垫或接触盘14、16。接触垫14和16由诸如铜的导电材料形成，

电触头10和12在分断位置和闭合位置之间可选择性地和可逆地相互运动。

在闭合位置，电触头10和12的接触垫14和16直接相互接触，从而允许电流在输入端子6和输出端子8之间流动。

在分断位置，接触垫14和16相互间隔开，例如以等于或大于5mm或10mm的距离。在接触垫14和16之间没有电弧的情况下，端子6和8之间的电流流动被防止。

电气设备2还包括位移机构18，其被构造为用于例如响应于检测到异常情况(例如电流过流)使可分离电触头10和12在它们的分断位置和闭合位置之间相互位移。这种类型的位移机构18是公知的，并且这里将不再更详细地描述。在这种情况下，电触头10相对于壳体4固定，并且只有电触头12被设计成通过位移机构18移动。

以已知的方式，其中当电流在端子6和8之间流动时，触头10和12从它们的闭合位置相互分离到其分断位置，在接触垫14和16之间可能形成电弧。这种电弧允许电流在端子6和8之间流动，并且必须被清除，即熄灭，以便中断电流的流动。在这种情况下，壳体4的内部充满空气。

为此，电气设备2包括用于电弧的猝灭腔室20。猝灭腔室20设置在壳体4的内部，面向接触垫14和16，以便在电弧形成时接收电弧。猝灭腔室20包括由金属材料形成并且被构造为例如通过电弧分离来消除这种电弧的一叠弧分离器板22。

猝灭腔室20包括排气孔24，排气孔24排放到壳体4的外部。

以已知的方式，接触垫14和16之间的电弧的发生电离并且强烈地加热环境空气。这导致形成称为“熄灭气体”的气体，其具有高温，通常超过5000℃。

在形成电弧时，该熄灭气体通过排气孔24排出到猝灭腔室20的外部，并因此排出到壳体4的外部。

由于安全原因，这种熄灭气体必须在排放到外部之前进行冷却和净化。为此，电气设备2包括布置在排气孔24的出口处的熄灭气体过滤系统26。

如图2所示，过滤系统26包括过滤器28和气体扩散器30。在这种情况下，在分解图中示出了过滤系统26。在过滤系统26处于安装构造中时，气体扩散器30与排气孔24和过滤器28直接接触。

过滤器28的功能是将熄灭气体冷却到允许将其释放到壳体4的外部的温度，例如低于2000℃。过滤器28还净化熄灭气体，使得其导电颗粒的浓度足够低，以消除与壳体4的外部上的电流的环回相关联的任何短路的风险。

在这种情况下，过滤器28包括由在相互平行的方向上编织的多个金属织物的覆盖物形成的多孔筛。金属织物从排气孔24朝向壳体4的外部以逐渐减小的网孔尺寸布置。这种类型的过滤器的示例在ep0817223b1中描述。

在这种情况下，过滤器28在几何平面p中延伸。这里，该平面p平行于排气孔24。熄灭气体在基本上垂直于平面p的方向上从猝灭腔室20排出。“x1”表示电气设备2的垂直于平面p的固定轴线。

气体扩散器30插置在排气孔24和过滤器28之间，使得经由排气孔24排出的熄灭气体被迫朝向过滤器28流过气体扩散器30。在这种情况下，熄灭气体不能经由排气孔24离开猝灭腔室20。

气体扩散器30的功能是允许熄灭气体从猝灭腔室20沿朝向过滤器28的方向通过，同时提供电流进入过滤器28的通道。由于过滤器28是金属材料结构，因此它是导电的。因此，存在电流回流到过滤器28的内部的风险。

图3、图4和图5分别表示处于一个组装构造和两个拆卸构造的气体扩散器30的实施例的一种形式。

气体扩散器30包括中心层40和布置在中心层40的两侧的两个外层42和44。中心层40和外层42及44在相互平行的方向上相互重叠。有利地，外层42和44固定到中心层40。

中心层40和外层42、44具有平面形式。在下文中，层的“主平面”是指所述层在其中延伸的平面。层的“主表面”是所述层的平行于相关层的主平面的表面。在这种情况下，层40、42和44平行于几何平面p布置。

层40、42和44每个都是四边形形状，例如矩形平行六面体。作为说明性示例，中心层40的尺寸为长55mm和宽40mm。每个层42、44具有长度为54mm和宽度为40mm的尺寸。这些尺寸平行于平面p测量。

例如，层42布置在中心层40的上游侧，与排气孔24接触。层44布置在中心层40的下游侧，与过滤器28接触。术语“上游”和“下游”在本文中参照从排气孔24朝向过滤器28的熄灭气体的流动方向来限定。

中心层40包括第一通孔46，其布置在所述层40的平行于主平面的相对侧上。孔46在基本上垂直于层40的主平面的方向上穿过中心层40。

在这种情况下，中心层40是实心板，其中布置有孔46。附图标记48描述了中心层40的实心部分，其没有孔46。

在该示例中，中心层40中的第一孔46彼此相同，并且具有相同的尺寸。这些第一孔46以规则图案布置在中心层40的表面上。例如，这些第一孔46被布置成行并且成直线和相互垂直的列。在这种情况下，孔46布置成六行和相互垂直的九列。

有利地，每个第一孔46具有规则的菱形形状，其侧面朝向菱形的中心54向内弯曲，如图6所示。这种菱形形状有利地在中心层40中提供高度的孔隙率，同时充分限制了在熄灭气体通过时电流还回的风险。作为变型，其它形状是可能的，例如椭圆形，直边菱形，直的或弯曲的槽。

每个外层42和44包括分别标记为50和52的第二通孔。孔50和52布置在外层的主平面的相对且平行的分别为42和44的侧面上。孔50和52在基本上垂直于所述层的主平面的方向上分别穿过层42和44。孔50和52是圆盘形的。在这种情况下，孔50和52彼此相同，并且具有相同的尺寸。

在该示例中，每个第一孔46为圆柱形，具有平行于x1的轴线并且在中心层40的整个厚度上具有恒定的横截面。这同样适用于两个孔50和52，相对于外层42和44。

在该示例中，外层42和44是相同的。因此，下面仅描述外层42。关于外层42的完整描述同样适用于外层44。

选择第二孔50的数量和尺寸，使得外层42具有范围为10％至40％，优选地15％至30％的孔隙率。

由于第二孔50在外层42的整个厚度上具有恒定的直径，所以可以通过计算由所述层42承载的所有第二孔50的表面积除以层42的一个表面的总表面积来计算层42的孔隙率。

有利地，外层42的孔隙率等于过滤器28的孔隙率，在20％的余量(margin)内，或优选地在10％的余量内。“过滤器28的孔隙率”在本文中被理解为过滤器28的位于金属织物堆叠的在气体扩散器30的一侧的端部的编织金属织物的孔隙率。过滤器28的这种金属织物的孔隙率被定义为例如所述织物中所有网孔的表面积除以所述织物的总表面积。考虑到通常用于形成过滤器28的金属织物的特性，层42的孔隙率优选等于或大于20％，并且等于或小于25％。

作为示例性实例，层42具有七十个孔50，每个孔50的直径为3mm。孔50的总表面积等于489mm²，出自层42的等于2160mm²的总表面积，得到大约22.6％的孔隙率。

当熄灭气体通过气体扩散器30时，因此防止了熄灭气体流动的过度减小，以及对其向电气设备2外部的排放的任何过度阻碍。

孔50以规则图案相互隔开，在这种情况下隔开间距l等于5毫米。隔开间距l是在与平面p平行的方向上在两个连续开口50的相应几何中心56之间测量的。在气体扩散器30处于组装构造时，层42中的每个第二孔50与层44中的对应孔52对准。

在气体扩散器30的组装构造中，其中中心层40和外层42及44相互重叠，孔46在平行于平面p的方向上相对于第二孔50和52不对准，使得每个第二孔50和52出现在中心层40的实心部分48上。因此，在熄灭气体到达过滤器28之前，从排气孔24排出的熄灭气体必须在气体扩散器30的内部在中间层40和外层42、44之间规定路线(routed)。

在该示例中，在气体扩散器30处于组装构造的情况下，第二孔50相对于第一孔46以交错图案布置，如图7所示。更具体地，孔46的中心54在平面p中的正交投影相对于孔50的几何中心56在同一平面p中的每个正交投影在平面p的两个垂直方向上偏移等于l/2的距离。

然而，其他布置也是可能的，只要它们避免孔46和50之间的任何重叠，即每个第一开口46的表面区域在平面p中的正交几何投影与每个第二开口50和52的在该同一平面p中的正交几何投影分离。

通过说明性示例的方式，孔50布置成分别平行于如上所述的其中布置有孔46的行和列的七个行和直线且相互垂直的十列。

气体扩散器30是电绝缘体，即由电绝缘材料形成。例如，气体扩散器30的电导率比过滤器28的电导率低至少十倍，优选地低至少一百倍。

一方面中心层40和另一方面外层42、44中有一个包括塑料材料的刚性板，而一方面中心层40和另一方面外层42、44中的另一个包括合成材料的板，该合成材料含有芳族聚酰胺纤维，也称为“芳族聚酰胺”。

根据本发明的优选实施例形式，中心层40包括刚性塑料材料。外层42和44各自包括包含有芳族聚酰胺纤维的合成材料的板。

例如，中心层40是热固性塑料材料(例如聚酯)的铸造部件。层42是合成纸的片材，其包含有热压光的芳族聚酰胺纤维，例如间-苯撑间苯二甲酰胺。例如，使用由“dupontdenemours”公司以商品名“t410”销售的材料片材。

中心层40具有小于5mm，优选等于或小于2.5mm，且等于或大于1mm的厚度d1。层42的厚度d2范围为0.5至1mm，优选地在区间[0.6mm；0.8mm]。因此，扩散器3的总厚度小于10mm，优选小于5mm，更优选小于3mm。在这种情况下，对于每个层，在与所述层的主平面垂直的方向上测量厚度。在这种情况下，在气体扩散器30处于组装构造的情况下，在垂直于平面p的轴线x1中测量厚度。

这种类型的合成材料的选择确保实现足够的机械稳定性，以抵抗在熄灭气体通过期间施加在气体扩散器30上的机械应力，所述机械应力与熄灭气体的高压相关联。具体地，该合成材料确保扩散器对熄灭气体的高温的有效耐受性。首先，这种类型的材料是低气体生产者。此外，在这种类型的合成材料中不存在玻璃纤维降低了在熄灭气体通过时该材料的介电击穿的风险。“不存在玻璃纤维”在这里应理解为该材料中玻璃纤维的质量浓度等于或低于0.01％，或优选地等于或低于0.001％。

作为该结构的结果，气体扩散器30在防止过滤器28内的电流回路方面提供令人满意的性能。其有限的厚度提供了高度紧凑的结构，从而使其与由过滤系统26的结构和猝灭腔室20施加的尺寸约束相兼容。

由于存在至少一个刚性板，并且由于在过滤器28和猝灭腔室20之间保持其直接接触，过滤器28和猝灭腔室20两者都显示出高度的机械刚性，因此这种气体扩散器30还显示出令人满意的机械耐受性。气体扩散器30因此能够抵抗由熄灭气体在其通过期间施加的机械应力。

有利地，中心层40在其至少一个主表面上包括间隔垫60，间隔垫60被设计成保持邻近该表面的外层42或44之一与中心层40相距预定距离。这防止了例如由于应变的结果，层42和44对全部或部分孔46的阻碍。

在该示例中，间隔垫60布置在层40的两个相对的上游和下游主表面上，使得外层42和44中的每一个保持在预定距离处。垫60从每个主表面垂直地突出。间隔垫60布置在中心层40的实心部分48上。在气体扩散器30的组装构造中，层42和44与间隔垫60接触，间隔垫60分布在每个所述表面的整个表面区域上。在这种情况下，间隔垫60均匀地分布在这些主表面中的每一个上，并且是具有例如椭圆形等长圆形设计的基底的圆柱形形状。

例如，层40在其每个主表面上包括围绕层40的中心部分在所述表面的整个周边上延伸的边缘61。在边缘61处的层40的厚度大于在中心部分中的厚度。第一孔46和间隔垫60仅排列在中心部分。这里，层40的厚度d1在所述边缘61的水平处测量。在平行于轴线x1的方向上测量的间隔垫60的厚度使得没有相对于边缘61产生的过厚度。因此，在气体扩散器30的组装构造中，板42和44在中心层40的每个表面上同时与边缘61和间隔垫60接触。在这种情况下，预定距离不等于零。这里，该预定距离在中心部分的水平处，在与层40的平面垂直的方向上测量。在这种情况下，该距离由间隔垫60的厚度确定。

作为变型，中心层40可以仅在其上游表面上，即在电气设备2的组装构造中面向排气孔24的表面上包括有间隔垫60。这允许防止在熄灭气体通过时层42中的与熄灭气体的高压相关联的应变。

有利地，外层42和44通过柔性连接器70互连。在这种情况下，这些连接器70以带的形式配置，数量为两个，并且在外层42和44的彼此相对布置的相应下边缘之间延伸。柔性连接器70在用于制造和组装气体扩散器30的阶段期间便于外层42和44在中心层40的任一侧上的定位和装配。有利地，层40包括凹口72，这里凹口72布置在边缘61上，每个凹口被设计成容纳连接器70。连接器70因此位于相应的凹口72中，而没有导致在中心层40的边缘处的过厚度。

有利地，层40在其每个主表面上包括保持元件62，保持元件62被构造为例如通过卡扣配合将相应的外层42或44保持在中心层40上的固定位置。在这种情况下，保持元件62被布置成从层40的每个主表面的四个角处的边缘61突出。

图4和图5示出了将气体扩散器30组装成其组装构造的示例。首先通过在外层42和44之间布置中间层40来确保外层42和44的定位，使得连接器70装配到凹口72中。然后，外层42和44在图4和5上的箭头f1所示的方向上被相互压缩到中心层40上，直到外层42和44与边缘61和中心层40的间隔垫60完全接触。外层42和44的边缘与保持元件62接合，然后保持元件62将这些层保持在固定位置。在组装的构造中，每个外层42和44因此保持在距层40的中心部分预定距离处。

根据实施例的另一种形式，外层42和44每个包括上述的塑料材料的刚性板，并且中心层40包括合成材料的上述板，其包含有芳族聚酰胺纤维。根据该第二形式的实施例的扩散器允许实现对过滤器28内的电弧电流的环回风险的可接受的保护，但是具有占据比根据实施例的第一形式的气体扩散器30更多的空间的缺点。实际上，这种扩散器具有更大的总厚度，因为塑料材料板的厚度大于合成材料板的厚度。基于工业生产的限制，塑料材料板具有等于或大于1mm或1.5mm的厚度。因此，根据该第二形式的实施例的气体扩散器30在过滤系统26和电气设备2内的集成变得更有问题。

根据该实施例的另一形式的变型，间隔垫60布置在外层42和44的刚性塑料材料板上，例如仅布置在所述板的面向中心层40的表面上。

许多其他形式的实施例是可能的。例如，电气设备2可以是接触器或具有高断路能力的任何其他电气设备，其被设计为响应于控制信号或预定条件中断电流，其中所述电气设备包括用于猝灭空气中的电弧的腔室，其类似于猝灭腔室20。

过滤系统26可以是不同的，并且可以包括例如以相互串联的流体布置配置的多个过滤器28。在这种情况下，气体扩散器30优选地布置在排气孔和第一过滤器28之间。

电气设备2可以是多极装置，其被设计为例如用于多相电路中。因此，对于每个电极，它包括与剩余电极的输入和输出端子以及猝灭腔室分开的输入和输出端子。在这种情况下，与气体扩散器30相同的扩散器被包括在与这些猝灭腔室中的每一个相关联的每个气体过滤系统中。

连接器70可以省略，凹口72也可以省略，特别是在层42和44由塑料材料的刚性板形成的情况下。

保持元件62可以省略。在这种情况下，层42和44通过胶合粘合到中心层40。

以上设想的实施例和变型形式可以相互组合以产生实施例的新形式。