用于具有带有集成母线管的热管结构的开关设备的冷却装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于开关的冷却装置。所述开关具有构造并且布置为连接到断路器的端子的一个或多个主触头。冷却装置包括构造并且布置为与各主触头相关的蒸发器。冷凝器定位在比蒸发器更高的高度处。流体导管结构使蒸发器与冷凝器流体地连接。流体导管结构的一部分限定母线管，所述母线管与相关主触头电连接并且限定开关的母线。工作流体在蒸发器中以便加热到蒸汽状态，流体导管结构构造并且布置为将蒸汽传送到冷凝器并且使冷凝的工作流体被动地返回到蒸发器以便冷却至少一个主触头与相关的母线管。
【专利说明】
用于具有带有集成母线管的热管结构的开关设备的冷却装
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关设备断路器，并且更具体地说，涉及冷却装置，其中母线包括在热管结构中以便其冷却。
【背景技术】
[0002]开关设备构造具有根据超过周围环境室温的热升高的电流限制。通常期望的是将开关设备主要母线上的最热点的最大温度限制到105°C (升高超过40°C的假设的周围环境温度65°C )，如通过标准IEEE37.20.2所指示的。由于产生热量，通常的中压与高电压金属包覆开关设备装置具有约3000A的最大连续电流等级。期望的是将此电流等级增加到约4000A。
[0003]热管可以以改装方式附接到主触头，所述主触头是实际开关设备组件中的主要热点并且可以通过具有冷凝器的蒸发性冷却系统将额外热量从主触头移除。尽管触头被非常有效地冷却，更远离热管(例如，母线接头)的其它部分趋于过度加热并且需要额外的冷却加强(例如，翅片表面、散热器)。此外，在开关设备隔室内部的空间非常紧并且针对母线电间隙距离而优化。此改装的热管系统需要与此边界条件匹配。从主触头达到定位在开关设备封装的顶部上的冷凝器的管子布置在电源系统旁边。特别地，绝缘管部分被主触头后面的狭窄空间约束。
[0004]因此，需要提供一种用于开关设备的冷却装置，所述冷却装置在不干扰开关设备的电安全性的情况下不仅冷却主触头而且还冷却母线。
【发明内容】
[0005]本发明的一个目的是实现上述需要。根据本发明的原理，通过提供用于开关设备的冷却装置实现了此目的。所述开关设备具有构造并且布置为连接到断路器的端子的一个或多个主触头。冷却装置包括构造并且布置为与各主触头相关的蒸发器。冷凝器定位在比蒸发器更高的高度处。流体导管结构使蒸发器与冷凝器流体地连接。流体导管结构的一部分限定母线管，所述母线管与相关主触头电连接并且限定开关设备的母线。工作流体在蒸发器中以便加热到蒸汽状态，流体导管结构构造并且布置为将蒸汽传送到冷凝器并且使冷凝的工作流体被动地返回到蒸发器以便冷却至少一个主触头与相关的母线管。
[0006]根据本发明的另一个方面，提供了冷却开关设备的方法。此开关设备具有构造并且布置为连接到断路器的端子的至少一个主触头。此方法使蒸发器与主触头相关。冷凝器定位在比蒸发器更高的高度处。流体导管结构使蒸发器与冷凝器流体地连接，并且工作流体设置在蒸发器中。此方法将流体导管结构的母线管与主触头电连接以限定开关设备的母线。热量从主触头与母线管传送到工作流体以致使工作流体在蒸发器中蒸发，蒸发的蒸汽经由流体导管结构传送到冷凝器。在冷凝器中冷凝的工作流体经由流体导管结构被动地返回到蒸发器。
[0007]当参照附图考虑下面的详细描述与所附权利要求时，本发明的其它目的、特征与特点、以及操作的方法以及结构的相关元件的功能、部件的组合和制造经济性将变得显而易见，其全部形成此说明书的一部分。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]通过本发明的优选实施方式的下面的详细描述，结合其中相同附图标记指示相同部件的附图，将会更好地理解本发明。
[0009]图1是示出安装在开关设备中的根据实施方式的以热管结构形式的蒸发性冷却装置的视图。
[0010]图2A是固定在支撑套管中的主触头的实施方式的横截面视图，示出了在主触头中的蒸发器室并且示出了母线管的一部分内的液体返回的一部分。
[0011]图2B是从支撑套管可移除的主触头的实施方式的横截面视图，示出了在主触头中的蒸发器室并且示出了母线管的一部分内的液体返回的一部分。
[0012]图3是根据实施方式的附接到相关主触头的母线管的视图。
[0013]图4是示出以60Hz大部分电流(集肤效应)在材料的最外部1mm中流动的图表。
[0014]图5A示出了限定具有根据图4图表的壁厚的母线管的母线管结构的实施方式的横截面，示出为液体返回管在其中。
[0015]图5B示出了具有将液相工作流体与气相工作流体分开的至少两个独立通道的挤出型材的另选母线管结构。
[0016]图6是示出冷凝器管结构、绝缘管结构与母线管结构之间的连接的放大图。
【具体实施方式】
[0017]参照图1，示出了以热管结构的形式的大体上以10指示的安装在大体上以12指示的开关设备12中的冷却装置。在此实施方式中，开关设备12优选地是具有约4000安培的额定最大连续电流，但是可以用于额定在约2000A的开关设备的室内、中压或高压金属包覆开关设备。如这里使用的，术语“中压开关设备”与“高压开关设备”可互换地使用，并且涉及以额定IkV或超过IkV操作的开关设备。通常地，开关设备12包括用于容纳开关设备组件的诸如金属包层封装14的封装。封装14可以含有一个或多个单独隔室，诸如含有一个或多个断路器18的断路器隔室16、容纳主母线22的主母线隔室20、以及缆线隔室24。在示出的实施方式中，断路器18是三极拉出式断路器。断路器18连接到通过主套管板27支撑并且连接到大体上以28指示与主母线22相关的电流承载母线管结构的主触头26。
[0018]如上所述，开关设备12的主母线22具有相对于周围环境温度测量的温升限制。根据此实施方式，热管结构10应用蒸发性循环冷却装置，其具有定位在与主母线22、竖板、缆线连接件、和/或主触头26与母线结构28相关的优选地其中当前地利用传统铜空间板的地方的方便与重要点的蒸发器。
[0019]参照图2A和图3，每个主触头26都固定地定位到套管板27。另选地，参照图2B，每个主触头26都经由与触头26的圆锥部分33接合的圆锥金属安装环29可移除地定位到套管板27。通常地，套管板27包括玻璃加强聚酯、陶瓷、或环氧树脂材料，并且构造为支撑触头的重量以及优选地还支撑诸如电流互感器(未示出)的辅助硬件。在示出的实施方式中，套管板27构造为固定到开关设备12的隔室壁，并且其保持三个主触头26 (每个极一个触头)。然而，如可以理解的，这里可以利用包括单个套管组件(各主触头一个)的其它套管构造。在图1中示出的类型的开关设备实施方式的操作中，两个套管板27堆叠并固定到开关设备12的隔室壁，以提供邻近断路器18的六个主触头(每个电极两个触头)，以便附接到那里。
[0020]参照图4，可以看出在60Hz，大部分电流在材料的最外部1mm中流动并且被称为集肤效应。根据此信息并且参照图5A，母线管结构28包括优选地由铜或铝制成的具有约12mm的内径与约40mm的外径的母线管31以提供用于承载4000A的电流的足够的壁厚(集肤效应)。因此，母线管31承载与传统母线类似的电流。另选地，如图5B中所示，母线管31’可以由具有至少两个分离通道(用于蒸汽G的通道50与用于液体工作流体L的通道48’)的挤出型材制成。可以将绝缘部分设置为母线管31’的一部分，或者可以随着挤压传导件以限定两个单独的通道而注入环氧树脂。
[0021]如图2中所示，每个主触头26都包括优选地以蒸发器室38的形式的一体的蒸发器。蒸发器室38大体上是具有包括适于与大体上以44指示的流体导管结构流体连接的穿孔42的第一端40和闭合的第二端46的纵向腔体或室。如这里使用的，“流体导管结构”大体上意味着单个导管组件(例如，软管、管子、管道等)或者承载蒸发器室38与冷凝器30之间的处于冷凝状态或蒸发状态的工作流体(如下所述)的真空紧密密封地连接的导管结构的网络。可以通过热与机械连接到主触头的外部蒸发器隔室限定蒸发器室38-下文称作“附接的蒸发器”。通常来说，附接的蒸发器如果具有到主触头的足够的热连接与机械连接；如果其具有与主触头热接触的足够的横截面积；并且如果其具有用于接收工作流体以及可以在特定实施方式中使用的任何流分离与平衡管部件的足够内部容积，就适于在此处使用。如图1中所示，冷凝器30定位在较高高度，使得蒸发器室在主触头26中。另选地，主触头26可以是母线管31的一部分，蒸发器室38作为母线管31的最下端部分。
[0022]参照图2和图3，流体导管结构包括与蒸汽室38流体联通的液体返回管48。液体返回管48优选的是布置在母线管31的内腔体50内并且延伸到冷凝器30的塑料管。在该实施方式中，液体返回管48的一部分定位在蒸发器室38内并且用于朝向蒸发器室38的第二端46运送以虚线描述的冷凝(液态)工作流体45。此布置有助于使其中如箭头描述的激进地朝向冷凝器30向上游前进的蒸发(气态)工作流体与从冷凝器30朝向热点向下游前进的冷凝(液态)工作流体45的流动干扰的情形-称作“蒸汽枕形成”，或逆流流动限制的情形最小化。而且，当与缺少热流分离管的另外的相同实施方式比较时，液体返回件48有助于使冷凝的工作流体热绝缘使得增加数量的冷凝工作流体传送到期望区域或热点。液体返回件48的端部52部分地延伸到蒸发室38中。端部52延伸进入蒸发室38中的程度可以根据考虑中的特定开关设备构造的期望的冷却性能与性能特性而从0%改变到100%。在一个实施方式中，端部52延伸到蒸发室38中从全部距离的50% -99%。在另一个实施方式中，端部52延伸到蒸发室38中从全部距离的75% -95%。
[0023]母线管31的第一、凸缘端部54经由螺栓孔34并且利用金属密封环56 (图2)联接到相关的主触头26，以形成真空紧密密封。与接触面积相比金属密封环56很小，由此未减少电接触。母线管31的第二端58延伸到与绝缘管结构62联接的连接器60。在此实施方式中，主触头26与母线管31位于相同的电势，而冷凝器30位于相对低或接地电势。为了桥接电势差，至少一部分流体导管结构44应该包括电绝缘材料。充分绝缘材料的非限定实例是陶瓷与玻璃材料，包括玻璃纤维加强环氧树脂、其它塑料与橡胶材料，包括任意浇注处理的管子等。在此实施方式中，绝缘管结构62是电绝缘部件，并且包括环氧树脂。如可以理解的，可以使用用于绝缘管结构62的其它构造并且还包含于此。
[0024]如果冷却系统旨在形成电隔离间隙，便需要提供电绝缘工作流体。适当工作流体的非限定实例是诸如氢氟烃(例如R134a，R245fa)，萤石酮(例如，从3M商业上可获得的N0VEC-649?)，和氢氟醚(例如，从3M商业上可获得的HFE-7100?)的制冷剂。
[0025]如图1中所示，绝缘管结构62流体地联接到冷凝器管结构63，所述冷凝器管结构63流体地联接到冷凝器30。替代提供单独的冷凝器管结构，绝缘管结构62可以直接地延伸到冷凝器30。因此，在此实施方式中，流体导管结构44包括母线管结构28、绝缘管结构62与冷凝器管结构63、以及布置在其中的液体返回管48。为了绝缘目的，可以利用环氧树脂浇注母线管31并且具有绝缘管结构62的连接件60可以覆盖以硅胶盖(未示出)。
[0026]参照图6，液体返回管48延伸通过母线管31，通过绝缘管结构62，通过冷凝器管结构63并且到冷凝器30(图1)。然而，替代提供单个液体返回管48，管子48可以分成多个部分并且连接在一起。
[0027]热管结构10操作为通过经由工作流体45的使用将来自第一位置的热量传送到第二位置来冷却第一位置。液态(L)工作流体45位于各蒸发器室38的底部中。来自主触头26与母线管31的热量致使液态工作流体45主要地在蒸发室38中蒸发。此后，工作流体(主要地处于气态或蒸汽态G)向上游前进通过母线管31的内腔体50，通过绝缘管结构62的内腔体70，通过冷凝器管结构63的内腔体72，并且到冷凝器30，当蒸发的工作流体的大部分冷凝回到液态时在那里释放热量。然后冷凝(例如，液体L)工作流体45从冷凝器30向下游前进，通过液体返回管48并且返回到蒸发器室38以完成冷却循环。冷凝器30优选地安装到封装14的顶部并且可以定位在外部、内部或者部分地在封装14的内部和外部上，从而冷凝器30可以与充裕的周围环境气流交换热量。
[0028]因此母线管结构28有利地不仅经由母线管31提供了开关设备12的母线功能，并且还允许工作流体45经由母线管31的内腔体50与母线管31内部的液体返回管48引导到冷凝器30并从冷凝器引导出。因此，主触头26与相关的母线管31以及母线接头74被冷却。蒸汽/液体流通过电绝缘管结构62从接头74上方的导电部分解耦。
[0029]可以使得主触头26可移除，提供整个热管结构10的装配作为一个与开关设备装置平行的设备。主触头26可以与母线管制成一件以减小密封(提高紧密性)与部件(成本)的数量。电绝缘管结构62未附接到主触头26，但是移动超过母线接头74，其中在开关设备12中可获得更多的自由空间。母线管31与主触头26可以由铝制成，这提供了进一步的材料成本减少并且由于其低的重量易于安装。这以较高的损失为代价，由此通过热管结构10移除了额外热量。在主触头26的侧面，母线管31将需要作为标准处理的镀银。此外，容易涂覆环氧树脂涂层并且对于铝来说是持久的以提供电绝缘。
[0030]因此，可以理解的是母线管31与母线接头74通过热管结构10以及主触头26冷却。热管结构10提供了空间节约的具有母线管31与液体返回管48组合的一体系统。当使得主触头26可移除时可以在安装到开关设备以前执行热管结构10的完全装配与测试。由于结合的母线管31与液体返回管48提供了容易的安装，因为由于不需要随后安装传统的重的母线因此具有降低的损坏管子的风险。
[0031]为了描述本发明的结构与功能原理的目的已经示出且描述了上述优选实施方式，并且描述了利用优选实施方式的方法并且在不偏离此原理的情况下可以进行改变。因此，本发明包括包含在下面权利要求的精神内的全部修改。
【权利要求】
1.一种用于开关设备的冷却装置，所述开关设备具有构造并且布置为连接到断路器的端子的一个或多个主触头，所述冷却装置包括: 蒸发器，其构造并且布置为与各主触头相关， 冷凝器，其定位在比所述蒸发器更高的高度， 流体导管结构，流体地连接所述蒸发器与所述冷凝器，所述流体导管结构的一部分限定与相关主触头电连接的母线管并且限定所述开关设备的母线，以及 在所述蒸发器中的工作流体，以便加热到蒸汽状态，所述流体导管结构构造并且布置为将所述蒸汽传送到所述冷凝器并且使冷凝的工作流体被动地返回到所述蒸发器以便冷却所述至少一个主触头与所述相关的母线管。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述母线管由导电材料制成并且构造布置为承载约4000A的电流。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述母线管是铜，具有约12mm的内径与约40mm的外径。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述母线管的第一端与相关的主触头密封地连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一端是凸缘端部，所述凸缘端部利用在其间的金属密封环耦合到相关的主触头。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述母线管包括内腔体，所述流体导管结构的液体返回管布置在所述内腔体中并且与所述蒸发器连通，由此蒸汽被从所述蒸发器引导通过所述内腔体到所述冷凝器，所述冷凝的工作流体被从所述冷凝器引导并且通过所述液体返回管返回到所述相关的蒸发器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述流体导管结构的至少一部分是电绝缘的。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述工作流体是电绝缘的并且从由氢氟烃、氟酮和氢氟醚制冷剂、以及它们的任意混合物组成的组中选定。
9.根据权利要求4所述的装置，其中所述流体导管结构的至少一部分是电绝缘的并且耦合到所述母线管的第二端。
10.根据权利要求1所述的装置，与一个或多个主触头和所述套管板结合，每个主触头都可移除地耦合到所述套管板。
11.根据权利要求1所述的装置，与多个主触头结合，其中每个蒸发器都包括形成在相关主触头中的蒸发室。
12.根据权利要求11所述的组合，其中每个蒸发室都具有靠近所述断路器的闭合第一端部以及与所述闭合端部相对的打开的端部，所述母线管密封地耦合到所述打开的端部。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述流体导管结构包括: 液体返回管，其布置在所述母线管的内腔体中并且在相关的蒸发器与所述冷凝器之间连通， 电绝缘管结构，其连接到所述母线管并且具有内腔体，以及 冷凝器管结构，其耦合到所述绝缘管结构并且具有内腔体， 其中所述母线管的所述内腔体、所述绝缘管结构以及所述冷凝器管结构流体连通使得所述蒸汽从所述相关蒸发器引导通过所述内腔体到所述冷凝器，并且所述冷凝的工作流体被从所述冷凝器引导通过所述液体返回管返回到所述相关的蒸发器。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述主触头与相关的母线管由铝制成。
15.一种冷却开关设备的方法，所述开关设备具有构造并且布置为连接至断路器的端子的至少一个主触头，所述方法包括步骤: 使蒸发器与所述主触头相关， 提供定位在比所述蒸发器更高高度处的冷凝器， 提供流体导管结构以流体地连接所述蒸发器与所述冷凝器，以及在所述蒸发器中提供工作流体， 使所述流体导管结构的母线管与所述主触头电连接以限定所述开关设备的母线， 将热量从所述主触头与所述母线管传送到所述工作流体以使所述工作流体在所述蒸发器中蒸发，所蒸发的蒸汽经由所述流体导管结构传送到所述冷凝器，以及 使在所述冷凝器中冷凝的所述工作流体经由所述流体导管结构被动地返回到所述蒸发器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述母线管包括内腔体，并且提供所述流体导管结构的所述步骤包括提供在所述内腔体中并且与所述蒸发器连通的液体返回管，由此所述传送热量的步骤包括将蒸汽从所述蒸发器引导通过所述内腔体并且到所述冷凝器，所述冷凝的工作流体被从所述冷凝器引导并且通过所述液体返回管返回到所述蒸发器。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述相关步骤包括将所述蒸发器限定为在所述主触头内的蒸发室。
18.根据权利要求15所述的方法，其中电连接所述母线管的步骤包括提供导电材料的所述母线管以便承载约4000A的电流。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述母线管由铜制成，并且具有约12mm的内径与约40mm的外径。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述工作流体被提供为电绝缘工作流体并且所述流体导管结构包括电绝缘的至少一部分。
【文档编号】H01H9/52GK104170042SQ201380012255
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2012年3月22日
【发明者】P·考夫曼, T·比勒, G·舒勒, P·昂特内赫雷 申请人:Abb技术有限公司