用于低压开关设备的电弧室的制作方法

本发明涉及一种用于具有高中断功率的开关设备(特别是断路器、隔离开关或接触器)的电弧室，优选地用在低压电气系统中。本发明同样涉及一种包括所述电弧室的开关设备。

众所周知，开关设备(诸如断路器、隔离开关、接触器、限位器，为简洁起见在下文中简称为开关)一般包括壳体和一个或多个电极，每个电极有与之相关联的至少一对触头，这些触头可以彼此耦合或解耦。已知技术的开关还包括控制装置，该控制装置导致所述触头对相对移动，使得它们可以采取至少一个第一耦合位置(电路闭合)和一个第二分离位置(电路断开)。

如已知的，在低压开关的使用寿命期间，会发生使开关和网络暴露于特别大的应力的现象。这首先在要求开关承受(即使是在短时间内承受)大于额定值的电流时发生。

因此，一般而言，在低压开关中，由开关在所述开关的由所谓去离子电弧室构成的特定部分中提供中断电流(无论是额定电流、过载电流还是短路电流)的关键功能。

因此，一般而言，与开关的每个极相关联地有至少一个电弧室，即，特别适于促进电弧中断的空间的区域。电弧室可以是在开关的壳体中提供的简单区域，或者可以包括成形的各种模块化元件，例如配备有断弧板的绝缘材料制成的壳体。更先进的模块化电弧室呈现出易于更换的优点；而且，与例如用于开关的壳体的材料相比，它们也可以使用更合适的材料来制造。

在操作条件下，由于断开移动，触头之间的电压会造成空气的介电放电，从而导致在腔室内形成电弧。电弧由布置在腔室内的一系列灭弧金属板内部的电磁效应和流体动力学效应推动，这意味着通过冷却和分裂动作来熄灭所述电弧。

在电弧形成期间，由焦耳效应释放的能量非常高并且在板容纳区域内造成热应力和机械应力。为了承受这些应力，必须仔细评估电弧室的设计，以便获得足够坚固以承受热应力和机械应力的部件。

值得注意的是，取决于开关的类型和所发生的电弧放电现象，接触区中(特别是电弧室中)的压力可达到非常高的值，例如高达30-40bar，而离子化气体的温度可达到3000-4000°k的值。

因此，有必要为电弧室提供适当的系统，以排出和冷却在电弧放电期间产生的热气。为此，现有的用于低压开关设备的电弧室一般设有用于排出在电弧放电期间产生的热气的开口并且设有过滤系统，该过滤系统尤其具有冷却气体、降低排出口处的流速、防止发出火焰和/或白炽气体的功能。

已知解决方案的典型示例在附图1中给出。在这种解决方案中，电弧室100通常包括绝缘壳体1，该绝缘壳体具有两个侧壁2、3以及后壁4和前壁5。壳体1的顶部具有开口，该开口被具有多个大的排出口的顶盖7覆盖。在顶盖7和绝缘壳体1之间插入有由塑料隔片9隔开的两个塑料穿孔板8。电弧室100内部生成的过大压力通过其顶部的开口排出，并且两个塑料片8中的穿孔一般未对准，从而使沿着气体路径的曲折最大化。

在专利文献us20110259852a1中给出了低压开关设备中的电弧室排气系统的工业实施例的另一个更加复杂的示例，该专利文献公开了一种用于电弧室的闭合系统，该闭合系统使得由电弧生成的气体能够被冷却和过滤，并且能够根据故障的重要性和由此生成的过大压力而以不同的方式去除所述气体。

这些以及其它现有技术系统的共同问题是相对大量的组成零件，这使得它们的组装复杂且费时。而且，现有系统的每单位体积的热容量并不总是最优的以保证热气从电弧室适当地排出而无需复杂且麻烦的解决方案。

基于上述考虑，需要有能够克服上面阐述的限制和问题的可用的替代技术方案。

因此，本公开旨在提供一种用于低压开关设备的电弧室，其允许克服上面提到的缺点的至少一部分。

特别地，本发明旨在提供一种用于低压开关设备的电弧室，该电弧室能够降低排出口处的气流的速度。

此外，本发明旨在提供一种用于低压开关设备的电弧室，该电弧室能够防止在外部环境中发出火焰和/或白炽气体。

而且，本发明旨在提供一种用于低压开关设备的电弧室，该电弧室能够减小在中断期间生成的冲击波的强度。

此外，本发明旨在提供一种用于低压开关设备的电弧室，该电弧室能够限制在电弧室的内部生成的背压波。

此外，本发明旨在提供一种用于低压开关设备的电弧室，该电弧室能够承受在发生电弧放电现象时生成的高机械应力和热应力。

此外，本发明旨在提供一种用于低压开关设备的电弧室，其中部件的数量受到限制。

而且，本发明旨在提供一种用于低压开关设备的电弧室，该电弧室可靠且相对容易以有竞争力的成本生产。

因此，本发明涉及一种用于低压开关设备的电弧室，该电弧室包括绝缘壳体，该绝缘壳体具有限定容纳有多个断弧板的内部空间的第一侧壁和第二侧壁、后壁和前壁，所述壳体的顶壁具有用于从所述内部空间排出气体的排出口，所述排出口被顶盖覆盖。本发明的用于低压开关设备的电弧室的特征在于由开孔金属泡沫制成的过滤器位于所述排出口处。

包括如本文所公开的电弧室的低压开关设备(例如断路器、隔离开关或接触器)也是本发明的一部分。

如在下面的描述中更好地解释的，由于本发明的用于低压开关设备的电弧室的特定结构，可以避免或至少大大减少上述问题。

实际上，由于使用开孔金属泡沫作为过滤器的制造材料，相对于现有解决方案，电弧室的性能可以大大提高，同时减少零件数量，从而大大简化了电弧室的制造过程。

开孔金属泡沫以及一般的金属泡沫是一类相对新的材料。它们的特征一般是低密度以及使其在机电领域中的应用极为有趣的一系列物理、机械、热、电和声学特性。

在本发明的情况下，已经发现，相对于现有的常规解决方案，使用开孔金属泡沫作为过滤器的制造材料带来了许多意想不到的优点。

实际上，如在下面的描述中更好地解释的，在最简单的解决方案中，用适当尺寸的开孔金属泡沫层基本上完全覆盖电弧室的排出口从而在冷却气体、降低排出口处的流速、防止从腔室向外部环境发出火焰和/或白炽气体方面获得充分的效果，这就足够了。

这是相对于现有解决方案的一项改进，在现有解决方案中，有必要诉诸于具有大量部件零件的更为复杂的系统，从而增加了组装时间和成本。

而且，还发现，由于相对于更常规的材料，开孔金属泡沫的单位体积具有更高的热容量，因此相对于已知类型过滤器，可以减小过滤器的尺寸或者对于给定的过滤器尺寸实现更好的冷却效果。

一般而言，已经发现使用开孔金属泡沫作为过滤器的制造材料带来以下一种或多种因素的改进，这些因素对于低压开关设备的电弧室中的过滤系统的最优运行是必不可少的，或者至少是期望的：

-流量控制；

-声学控制；

-感应出的振动的机械热-弹性阻尼；

-防火；

-在开关设备的排出口处的机械刚度增大。

开孔金属泡沫作为过滤器制造材料具有良好功能的另一个重要因素是由于泡沫的内部结构和孔隙度。在这方面，已经发现，在开孔金属泡沫中内部通道随机分布以使得路径曲折性的增加导致气流湍流的增加，从而就降压和冷却效果而言具有更好结果的情况下，可获得更好的结果。

孔隙度也是重要的因素，因为较高的孔隙度导致较高的润湿表面，即，增加了过滤器的可用于与排出气体进行热交换的内表面。

在这方面，在根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的典型实施例中，用作过滤器材料的开孔金属泡沫的孔隙度大于70％。在本发明的更优选的实施例中，开孔金属泡沫的孔隙度大于80％，在进一步优选的实施例中，孔隙度大于85％。

关于材料，已经发现使用ni-cr合金作为开孔泡沫的制造材料获得特别好的结果。但是，材料的选择取决于设计约束(例如，尺寸、压降、预期温度等)，并且以上指出的合金被指示为示例性实施例而非限制性特征。

要考虑的另一个重要特性是用于制造过滤器的开孔金属泡沫的热导率。已经发现，开孔金属泡沫的热导率应当相对低，以便限制过滤器的损坏(例如，熔化)并限制紧邻过滤器周围的区域中的热扩散。

在这方面，在根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的优选实施例中，开孔金属泡沫的导热率低于15w·m^-1·k^-1。在本发明的更优选的实施例中，热导率更优选地低于12w·m^-1·k^-1，在进一步优选的实施例中，热导率低于10w·m^-1·k^-1。

从机械的观点来看，考虑到过滤器所承受的机械负载和应力，要考虑的另一个重要特性是抗拉强度，其应当足够高以承受这种负载和应力。

因此，在根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的优选实施例中，开孔金属泡沫优选地具有大于5mpa的抗拉强度。在本发明的更优选的实施例中，抗拉强度更优选地大于10mpa，并且在进一步优选的实施例中，抗拉强度大于15mpa。

本发明的显著特征之一是由于以下事实：考虑到由开孔金属泡沫制成的过滤器具有机械特性、热特性和流量控制特性的良好平衡，可以将过滤器制成单个件而不是诉诸于多个件(由不同材料制成和/或具有不同的特征和特性和/或具有不同目的的多个件)的组合来实现具有现有技术过滤器中期望的完整特性集的过滤器。

然后，出于实际的观点，取决于需要以及设计和功能约束，可以根据多个实施例将过滤器实现到电弧室中。

在根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的第一示例性实施例中，由开孔金属泡沫制成的过滤器可以直接插入在所述排出口和所述顶盖之间。

在根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的第二示例性实施例中，可以存在其它部件零件。例如，电弧室可以包括穿孔板，其位于由开孔金属泡沫制成的所述过滤器和所述排出口之间；然后可以在所述穿孔板和由开孔金属泡沫制成的所述过滤器之间插入隔片，并且顶盖叠加在由开孔金属泡沫制成的所述过滤器上。

在根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的第三示例性实施例中，由开孔金属泡沫制成的过滤器可以集成到顶盖的结构中。例如，可以将由开孔金属泡沫制成的过滤器插入所述顶盖中，特别是插入在顶盖中提供的合适的座中。当过滤器和顶盖由不同材料制成时，可以使用这种解决方案。

可替代地，当过滤器和顶盖由不同材料制成时，在根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的第四示例性实施例中，可以将由开孔金属泡沫制成的过滤器在所述顶盖内一体地制成。

然后，在根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的第五示例性实施例中，所述顶盖可以完全由所述开孔金属泡沫制成。在实践中，对于这种解决方案，过滤器和顶盖是一个相同的部件，在紧凑性、更好的机械稳定性、组装容易性、降低制造成本方面具有大的优势。

如前所述，在另一方面，本发明还涉及一种包括如本文所公开的电弧室的低压开关设备，包括但不限于断路器、隔离开关或接触器。这种开关设备的实际实施方式非常容易并且不要求进一步的解释，因为在现有开关设备的电弧室的壳体中集成如本文所公开的过滤器是非常容易和直接的。

通过本发明的用于低压开关设备的电弧室的优选但非排他的实施例的描述，本发明的另外的特征和优点将变得更加清楚，所述实施例在附图中以示例的方式示出，其中：

图1是用于低压开关设备的电弧室的现有技术实施例的透视图；

图2是根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的第一实施例的透视图；

图3是根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的第一实施例的分解图；

图4是根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的第二实施例的分解图；

图5是根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的第三实施例的分解图；

图6是根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的第四实施例的分解图；

图7是根据本发明的用于低压开关设备的电弧室的第五实施例的分解图；

图8是容纳有根据本发明的电弧室的低压功率断路器的极的分解图；

图9是容纳有根据本发明的电弧室的低压功率断路器的透视图。

参考附图，本发明的用于低压开关设备的电弧室包括绝缘壳体1，该绝缘壳体具有第一侧壁2和第二侧壁3、后壁4和前壁5。

壳体1限定容纳有多个断弧板的内部空间。这种板在电弧室中的设置取决于开关设备的类型并且一般是众所周知的，因此将不作进一步的详细描述。

电弧室10、20、30、40、50的壳体1设有顶壁6，该顶壁6具有用于从所述内部空间排出气体的排出口101，所述排出口101一般被顶盖7、37、47、57盖住。

本发明的电弧室10、20、30、40、50的区别特征之一是由开孔金属泡沫制成的过滤器11、21、31、41、51位于所述排出口101处。

如前面所解释的，由开孔金属泡沫制成的过滤器具有一系列良好平衡的机械特性、热特性和流量控制特性，这使其非常适合于预期的范围。

在这方面，所述过滤器11、21、31、41、51的开孔金属泡沫优选地具有以下特性：

-孔隙度大于70％，优选地大于80％，更优选地大于85％；

-导热率低于15w·m^-1·k^-1，优选地低于12w·m^-1·k^-1，更优选地低于10w·m^-1·k^-1；

-抗拉强度大于5mpa，优选地大于10mpa，更优选地大于15mpa。

而且，为了保证增加气流的湍流，所述过滤器11、21、31、41、51的开孔金属泡沫方便地设有具有随机分布的通道的结构。

因此，一般而言，由开孔金属泡沫制成的过滤器11、21、31、41、51位于所述排出口101处，以完全覆盖所述排出口101，从而完全控制热气从电弧室10、20、30、40、50的内部空间向外部环境的排放。

参考图2和图3，在根据本发明的用于低压开关设备的电弧室10的第一示例性实施例中，由开孔金属泡沫制成的所述过滤器11直接插入在电弧室10的壳体1的排出口101与所述顶盖7之间。通过将这种实施例与图1的现有技术实施例进行比较，很明显，前者比后者简单得多，因为它由单件制成，而不是如现有技术过滤器那样至少三件制成。而且，如先前所解释的，可以容易地调整过滤器11的机械特性、热特性和流量控制特性，以便相对于由不同零件的组合制成的现有技术过滤器更好地匹配实际需求。

但是，参考示出根据本发明的用于低压开关设备的电弧室20的第二示例性实施例的图4，如果期望这样，那么由开孔金属泡沫制成的过滤器21也可以与如现有技术过滤器的其它部件组合。

在这种情况下，根据这个实施例的用于低压开关设备的电弧室20包括穿孔板8，穿孔板8位于由开孔金属泡沫制成的所述过滤器21与电弧室20的壳体1的排出口101之间。然后，在所述穿孔板8和由开孔金属泡沫制成的所述过滤器21之间插入隔片9，并且将顶盖7叠加到由开孔金属泡沫制成的所述过滤器21上以完成组装。

参考图5，在根据本发明的用于低压开关设备的电弧室30的第三示例性实施例中给出了如本文所公开的过滤器的更简单的实施方式。

在电弧室30的这种实施例中，将由开孔金属泡沫制成的过滤器31插入顶盖37中。特别地，顶盖37设有与电弧室30的壳体1的排出口101匹配的座并且过滤器31被插入并固定到所述座中，从而实现了可以直接固定在电弧室30的壳体1的顶壁6上的组装方式。当顶盖37和过滤器31由不同材料制成时，可以使用这种解决方案。因此，相对于现有技术的系统，制造和组装过程被进一步简化。

在图6中给出了本文所公开的过滤器的实施方式的进一步简化形式，图6示出了根据本发明的用于低压开关设备的电弧室40的第四示例性实施例，当顶盖和过滤器由相同材料制成时，该电弧室40特别适合。

在这种情况下，由开孔金属泡沫制成的过滤器41在所述顶盖47内一体地制成，从而实现了将过滤器和顶盖的功能相组合的单件式元件。在实践中，单件式元件包括具有盖47的结构的框架和具有过滤器41的结构的芯。

参考图7，其示出了根据本发明的用于低压开关设备的电弧室50的第五示例性实施例，当所述顶盖57完全用由所述开孔金属泡沫制成的所述过滤器51制成时，可以获得如本文所公开的过滤器的实施方式的更简化形式。换言之，在电弧室50的这个实施例中，顶盖57和过滤器51完全重合，是同一个东西。

相对于先前示出的其它实施例，后者除了维持与现有技术系统相同的优点之外，同时还具有以下优点：

-改进的紧凑性；

-更高的机械稳定性；

-改进的组装便利性；

-进一步降低成本。

在另一方面，本发明还涉及一种包括如本文所公开的电弧室的低压开关设备，该低压开关设备包括但不限于断路器、隔离开关或接触器。

特别地，参考图8和9，当前公开的电弧室特别适用于低压功率断路器，诸如空气绝缘断路器或塑壳断路器(mccb)，其一般包括一个或多个电极110。

特别参考图8，低压功率断路器的典型的极110具有由壳体界定的内部空间，在所示的实施例中，该壳体由彼此耦合的两个半壳体制成。

在极110的所述内部空间内，存在接触区域111和紧邻所述接触区域111定位的灭弧区域112。固定触头组件121和可移动触头组件122分别位于所述接触区域111中，所述可移动触头组件122可在其与所述固定触头组件121接触的闭合位置和其与所述固定触头组件121间隔开的打开位置之间移动。这种断路器的极的设置在本领域中是众所周知的，并且将不进一步详细描述。

根据本领域众所周知的实施例，在极110的内部空间内还存在灭弧区域112，本发明的电弧室10、20、30、40、50的绝缘壳体1可以容易地安装在灭弧区域112中。

从上面的描述可以清楚地看出，本发明的低压功率断路器完全达到了预期的目的并解决了现有电气柜的上述突出问题。

在实践中，如前面所解释的，在本发明的电弧室中，使用由开孔金属泡沫制成的过滤器相对于已知类型的电弧室至少可以实现以下优点：

-热流的温度降低；

-流量控制；

-声学控制；

-感应出的振动的机械热-弹性阻尼；

-防火；

-在断路器的排出部分处的机械刚度增加。

可以对如此构想的用于低压开关设备的电弧室进行多种变化，所有这些变化都落入所附权利要求的范围内。在实践中，根据要求和现有技术，所使用的材料以及可能的尺寸和形状可以是任意的。