CN101132123A - 用于电气工作元件的制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制冷装置(3)，用于具有待制冷表面的电气工作器件(1)。制冷装置(3)包括制冷剂(26)、其内部限定了用于制冷剂(26)的容积(20)的环壁(30)、用于固定制冷装置(3)在电气工作器件(1)上的紧固件(38)、以及压紧器件(40)。环壁(30)具有带有接触面(33)的可导热的接触壁(32)，接触面(33)为了与待制冷表面之间的面接触而构造。压紧器件(40)机械地预张紧接触壁(32)，以使当制冷装置固定在电气工作器件上时，在待制冷表面上产生接触面的、面的紧压力。

Description

用于电气工作元件的制冷装置

技术领域

本发明涉及一种制冷装置，尤其是一种用于电气工作器件的制冷装置和一种带有固定于其上的制冷装置的电气工作器件，以及一种用于制造制冷装置，尤其是用于电气工作器件的制冷装置的方法。

背景技术

在文献“K.Albert等，发电站与工业中的电气自用辅助设备/能源技术(Elektrischer Eigenbedarf/Energietechnik in Kraftwerken undIndustrie)，VDE出版社，ISBN3-8007-1586-4，第10.3章节(第431-455页)”中公开了一种带有强制制冷的发电机漏电防护管。为了发电机漏电防护管的内导体的制冷，要通过吹气产生空气流。另外从文献EP1022830A1中已知，为了冷却大功率开关的封闭内导体，设置了吹风器。

对于这些和其它制冷系统，为了连续操作，制冷系统和待制冷部分之间的连接是值得改善的。例如，该连接并不一直具有最优的导热特性，而限制了可获得的制冷效果。而且导热特性在长时间操作中并不一直稳定。因此，只有在常规情况下对该连接进行高成本的诊断以及在必要情况下对该连接进行保养，可靠的连续工作才能被保证。

发明内容

本发明试图减缓至少一部分上文所提的问题。此目的通过这些来实现：根据独立权利要求1所述的制冷装置，根据从属权利要求12所述的带有制冷装置的电气工作器件，以及根据从属权利要求13所述的制冷装置的制造方法。本发明更多的优点、特征、观点、细节和优选实施例，以及本发明的特殊的观点将在从属权利要求、说明书及附图中给出。

根据本发明观点，推荐一种用于电气工作器件的制冷装置，电气工作器件具有待制冷的表面。该制冷装置包含制冷剂。该制冷装置还包含环壁(Umwandung)——其内部限定了制冷剂的容积——以及用于固定制冷装置于电气工作器件上的紧固件。环壁具有可导热的接触壁，其带有接触面。接触面为了与待制冷表面形成面接触而设计，即它允许接触面与待制冷表面之间的面接触。面接触并不要求接触面的所有区域与待制冷表面一定接触。作为替代，面接触不依赖于例如微小的不平整性。另外，面接触也不强制要求，接触面与待制冷表面完全接触。或者说，这样的接触在表面之间存在导热粘剂或者其它材料时发生。因此，当至少一块接触面的平面区域与待制冷表面上基本上形状配合时，对于面接触这足够了。制冷装置还包括压紧器件(Anpressmittel)。当制冷装置固定在电气工作器件上时，该压紧器件预张紧接触壁，以产生接触面作用在待制冷表面上的、平面的(即在平面上分布的)紧压力(Anpressdruck)。

通过该紧压力，接触面至少一部分可以获得与待制冷表面作用力决定的(Kraftschluessig)连接。通过该作用力决定的连接，即使存在制造公差或其它表面不平整性，在接触面和待制冷表面之间，也可以获得良好的及长时间的稳定的热接触。压紧器件使得接触壁可以设计得更薄以及特别的导热，紧靠在待制冷表面上。

根据本发明的另一个观点推荐一种带有制冷装置的电气工作器件。制冷装置通过紧固件固定在电气工作器件上，且具有前文及权利要求1中所描述的特征。

根据本发明的另一个观点推荐一种制造用于电气工作器件的制冷装置的，具有权利要求13所定义的步骤的方法。

压紧器件可以用于产生接触壁和待制冷表面之间的、作用力决定的连接。因此在实施例中接触壁具有柔性的或者甚至弹性的区域，其有着可变的和典型地取决于压力或作用力的偏移。接触壁的弹性区域可以有在该区域上的大于0.001mm/N的普通作用力的偏移或大于1mm/bar的压力的偏移。正常地，该取决于压力或作用力的偏移沿表面的方向。压紧器件作用在接触壁的弹性区域，并且特别地，可以紧压在待制冷表面的运动区域。

在实施例中，压紧器件是弹簧。它可以是螺旋弹簧、片簧、板簧或者其它弹簧。弹簧可以一体地形成在环壁上或者单独形成。弹簧可以固定在环壁上或者并不固定在环壁上。优选地，该压紧器件设置在用于制冷剂的容积内或者环壁内部，或直接邻接该容积或者环壁内部。特别优选地，压紧器件完全地设置在用于制冷剂的容积内或者环壁内部。压紧器件优选地包含金属，且特别优选地包含钢。

在实施例中，压紧器件设置为能够传递环壁上的紧压力的反压力。因此紧密和稳定的构造成为可能。在特别的实施例，紧压力的反作用力传递到与接触壁相对而置的环壁的部分。

在实施例中，电气工作器件是开关，变压器或过压防护放电器。例如，电气工作器件是功率开关，尤其是大功率开关，例如高压装置。电气工作器件可以是发电机开关。

在实施例中，制冷剂是流体的和/或气状的。在实施例中，为达到制冷效果，设置了制冷剂的流体相和气体相之间的过渡相。制冷剂然后，例如，通过吸收待制冷表面的热能而蒸发，并且通过向周围环境释放热能而冷凝。

在实施例中，制冷装置是无源的制冷装置，例如热管或热虹吸管。在一些这样的实施例中，环壁形成蒸发器以蒸发制冷剂，而制冷装置还包括连接于蒸发器的冷凝器以冷凝制冷剂，冷凝器具有向周围环境释放热能的器件，例如散热片装置。该实施例具有优点，即无能量消耗或只有仅仅一些能量消耗而能获得良好的制冷效果。

在实施例中，制冷装置包含多个蒸发器，其各自具有至少一个接触面，彼此流体连接。

在实施例中，制冷剂保持在环壁内部限定的容积中。在实施例中，环壁内部被周围环境或周围环境空气气密地封闭。因此可以防止制冷剂进入周围环境，而制冷效果下降。同样也可以减少环境污染。

在实施例中，制冷装置固定在电气工作器件上。优化地，在接触面和待制冷表面之间设有导热粘剂。

在实施例中，接触壁具有基材和附层。基材可以包括例如铜、铝或钢。附层常规地设置在接触面的侧面。附层通常比基材柔软，即它具有比基材小的布氏硬度。附层可以包括银。附层具有优点，即可以补偿接触面或待制冷表面的微小的不平整性，不管怎样，由合适材料制成的接触壁，其结构是可以稳定的。

常规地，预张紧具有分力，其垂直于接触面且指向环壁外部的方向。

在实施例中，制冷装置这样形成，即当制冷装置固定在电气工作器件上时，它伸展至电气工作器件外部。

在实施例中，制冷剂的压力或环壁内部的压力在设置的操作条件下不低于最小压力，而紧压力较大，且优化地比周围环境(例如环境空气)和最小压力的压力差大0.2bar以上或0.5bar以上。在实施例中，压紧器件的紧压力大于0.5bar，典型地大于1bar或甚至大于2bar。

在实施例中，接触壁薄于1mm。在实施例中，压紧器件在接触面的区域产生紧压力，接触面薄于1mm。在实施例中，接触壁具有导热性能，其小于80W/(mxK)。在实施例中，接触面面积大于10cm²。

附图说明

下面将根据普遍的特征及附图中所示的实施示例来详细地说明本发明。

其中：

图1显示了制冷装置的工作方式的示意图；

图2a和2b各自显示了电气工作器件的截面图，电气工作器件上固定有制冷装置；

图3a显示了不根据本发明的、无压紧器件的制冷装置的示意图；

图3b显示了根据本发明的、带压紧器件的制冷装置的示意图；

图4显示了测量曲线图，其中可以比较图3a和图3b中所示的制冷装置的制冷效果；而

图5至7显示了更多的根据本发明的制冷装置的示意图。

参考标号

1电气工作器件

2电气工作器件外壳

3制冷装置

10热源

12待制冷表面

20蒸发器

22内部容积

26制冷剂

27冷凝的制冷剂

30环壁

32接触壁

33接触面

34相对而置的壁

36板件

38固定用件

40预张紧元件

50散热器/向环境释放热量的器件

具体实施方式

图1显示了用于制冷热源10(例如电气工作器件)的热虹吸管3的示意图。热源10具有待制冷表面12，通过它热量从热源10传递到热虹吸管3。热虹吸管3包括环壁30，在其内部的容积22内，包含有制冷剂26。内部容积22一般气密地与周围环境隔绝。为了制冷剂26在长时间操作中不会泄露，容积22的密封满足高真空的要求。

热虹吸管3的下部区域设计为蒸发器20的形式。蒸发器20与热源10存在热连接。为此，环壁30的一部分设计为带有接触面的接触壁32的形式。接触面与热源10的待制冷表面12存在面连接。热虹吸管3的上部区域与散热器50(冷凝器)存在热连接。可以应用每种已知的散热器。散热器50可以例如通过散热片或相似物形成，其优选地处在天然的或人造的空气流中。特别的，空气流可以作为对流气流通过加热散热器50产生。散热器50可以一体地设置在环壁30上或环壁的一部分上。代替散热片装置，也可以安装其它器件(例如热交换器)以用于将热量传出。也可以考虑强制制冷，例如通过鼓风机。

处于容积22内部的制冷剂26是至少部分流动的。如果制冷剂26在接触壁32区域内是流动的，并且湿润它，对接触壁32的良好导热是有利的。通过从热源10经由接触壁32的吸热，制冷剂26的一部分被蒸发。制冷剂蒸汽上升至散热器(冷凝器)50附近，并且在此过程中携带热量。向散热器50传递热量时，制冷剂26冷凝。冷凝的、即变为液体的制冷剂27流回蒸发器。在专利申请EP04405704.0中描述了一种类似的热虹吸管，其通过参考引用整体地结合于本发明中。

对制冷效果意义重大的热量流在图1中通过黑色粗箭头概括。热量流流动如下：热量从热源10的待制冷表面12传递到热虹吸管3的接触壁32上，从那里被引入到热虹吸管的上部区域，然后被引向散热器50。

在已描述的热虹吸管中存在冷凝的制冷剂通过万有引力向回传输，因为在冷凝器与蒸发器之间存在单调的下降。一般地，可以使用热管(也称作Heat Pipe)，其中也可以设置其它器件用于制冷气体从冷凝器到蒸发器的反馈，例如借助毛细管力。

热管气密地(不透气地)封闭是有利的，以使其内可以形成封闭的循环。热管的长的或者管式的形状是有利的，但也不是必须的。已描述的热管是无源的制冷器件。它不需要电流输入或其它输入。作为带有不透气地封闭的循环的制冷系统，它一般不需要保养，而且通常可以几年或十几年的不带保养的工作。

图2a与2b各自显示了电气工作器件的截面图，电气工作器件上固定有制冷装置。图2a和2b中所示的电气工作器件3是用于发电机各个开关极的发电机开关。每个开关极具有管形的内导体10，其各自被壳式的开关外导体所包围。在工作状态下，内导体10和各自的外导体2之间存在高电压，其中外导体2处于地电位G。外导体也可以被称作电气工作器件的外壳。

工作时，内导体10和外导体2上发生热损耗。热量基本上通过欧姆损耗产生。此外还存在其它损耗，例如通过集肤效应的损失，或涡流损失与滞后损失。外导体2升温相对较少，因为它具有大的截面且处在环境空气中。而对于内导体10，这些不适用。因此为了获得大的工作电流，使用了制冷装置，如图2a和2b所示。制冷装置优选地这样布置，即大功率开关一般不高于105℃或最高为120℃。

制冷装置通过热管(尤其是热虹吸管)3形成，如其在图1中所描述的。图1中的描述基本上适用于图2a和2b，且功能相似的部分使用了相同的标号。

图2a中所示的热管3具有两个基本上中空圆柱片段形式的、金属的蒸发器20，其形状与内导体10的构造配合。这两个蒸发器的内容积通过属于热管3的、优选地金属的管件彼此连接。管件又进一步连接于冷凝器50。冷凝器50具有优选地金属的散热片装置，其固定在外导体上。在冷凝器中可以扩散有气体形式的工作媒质，用于热量传递之后的冷凝(见图1)。因此制冷装置延伸至电气工作器件外部。

图2b中所示的制冷装置与图2a中的制冷装置相似，且功能相似的部分使用了相同的标号。图2b中所示的蒸发器，不管怎样，再次具有两个基本上中空圆柱片段形式的、金属的蒸发器20，其带有接触面。其形状与内导体10的构造配合。该元件通过优选为金属的管件彼此连接且连接于冷凝器50。

代替图2a和2b中所示的2或4个元件，热管3也可以具有1、3、5、6、7、8或更多元件，吸收内导体10的热量。内导体10内也可以安装多于一个的热管，以提高制冷效率。例如，内导体10可以具有多个部分，其各自设置有至少一个热管。

在许多应用情况下，特别地，热源10与制冷装置3的接触壁30之间的热接触的质量限制了制冷效率。因此这样是有利的，即保证这些部分之间尽可能良好的热导接触，且兼容于密封的制冷剂容器。

制造尽可能良好的热导接触的困难在图3a中被显示。其中显示了不根据本发明的、热虹吸管的蒸发器20。热虹吸管符合前图中所示的结构，且功能相似的部分使用了相同的标号。蒸发器20使用固定螺钉38固定在热源10上，以使蒸发器的接触面32靠在热源的待制冷表面12上。然而接触壁32的接触面33和待制冷表面12之间的固定的压力接触仅仅在固定螺钉38的区域被保证。接触面33的其它区域并未压在待制冷表面上。

在图3a右边的压力曲线图显示了紧压力与截面平面上的垂直位置的函数。该曲线图清楚地表示，大的紧压力仅存在于固定螺钉的区域，而不在固定螺钉之间的区域(该区域在图3a左侧用椭圆表示)。固定螺钉之间的区域却是决定热传递的区域，因为在该区域接触壁32薄而且因此特别地导热。因为小的紧压力，在该区域热接触剧烈减少。尤其是，小的紧压力容易形成热绝缘的空气垫，例如，如果存在制造公差或微小的不平整。另外，这样的空气垫可能在工作导致的压力的波动时在容积22内部产生，然后这些或相似的波动可能导致不希望的、接触壁32的运动，以及面接触的变化。

为了制造所希望的面接触，这样是有利的，即在待制冷表面12和接触壁32的接触面之间应用热导粘剂，然而这样可能不够或者不能在足够长的时间稳定。通常在该区域附加固定螺钉的安装总是带来容积22内部密封性的损失。

图3b中显示了根据本发明的、热虹吸管的蒸发器20。该蒸发器除了图3a中的特征还具有压紧弹簧40。压紧弹簧40在接触壁32上产生面的，即在面上分布的紧压力。由此接触壁32机械地预张紧，以使它被挤压在待制冷表面12上。由此产生接触面33和待制冷表面12之间的面接触。该紧压力在图3b中通过彼此指向的箭头对表示。该紧压力还显示在图3b右侧的压力曲线图中。该压力曲线图显示了相对图3a中的蒸发器，在接触壁的区域和固定螺钉38之间也有紧压力产生。

压紧弹簧40固定在蒸发器20内部，即在含有制冷剂的容积22内。它们传递紧压力或者说紧压作用力于接触壁32上，如上文所描述。它们也传递相应的反压力或者说反作用力在与接触壁32相对而置的蒸发器20的背壁34上。

压紧弹簧40或其它压紧器件的分布是可以变化的。不依赖于所示实施例，应该尽力使紧压力平均分布在接触面上。为此，根据接触面的形状，在接触壁上六角形或正方形分布的压紧弹簧或其它压紧器件尤其合适。

不依赖于所示实施例，接触壁由热导材料制成，例如金属，诸如铝、铜或钢。为获得良好导热性能，它应该尽可能的薄，根据每种材料应该(举例来说)薄于20mm，薄于10mm或薄于5mm，或者甚至薄于2mm。

不依赖于所示实施例，接触面可以由某种材料附层，其比基材柔软，例如银。在这种方式下可以补偿接触面或待制冷表面的微小不平整性。

如图3a和3b所示，固定螺钉40也产生紧压力。即使接触壁32不预张紧，该紧压力仍然产生。由此固定螺钉38在待制冷表面12与接触壁32的接触面33之间不产生作用力决定的连接。

电气工作器件工作时，制冷剂被加热。在此期间，常规情况下，容积22内的气压上升(至少当容积气密地封闭时如此)。该气压也可以在待制冷表面12与接触面33之间产生紧压力。气压敏感地依赖于各自工作环境，并由此受强烈的波动影响。在一些实施例中，气压可以在最小气压1bar(正常气压)和1.5bar、2bar或者甚至3bar之间波动。

压紧器件也根据要求这样设置，即制冷剂容积内加载过压(例如2bar的气压)。这种情况下，没有机械的预张紧。机械的预张紧是有利的，即其常规下相对地不依赖于制冷剂容积内的各自温度。

不依赖于所示实施例，制冷剂的压力和/或环壁内部的压力在指定工作环境下典型地不低于最小压力(这里为1bar)。紧压力优选地较大，且优选地比周围环境(例如环境空气)与最小压力之间的压力差大0.2bar以上或0.5bar以上。在实施例中，压紧装置的紧压力大于0.5bar，典型地甚至大于1bar或2bar。

不依赖于所示实施例，接触壁机械地预张紧。因此，当环壁内部压力(气压或类似的尤其非机械式的压力)不大于环壁外部压力时，产生接触面的紧压力，作用在待制冷表面上。所谓机械式的预张紧，这里指用机械力学方式获得的预张紧，也即，例如以压紧器件的弹性或与此相等的效果为基础的预张紧。

图4显示了测量曲线图，其中可以比较图3a中的，即无压紧弹簧的(曲线“a”)制冷装置和图3b中的，即有压紧弹簧的(曲线“b”)制冷装置的制冷效果。测量曲线图的水平轴线上显示了图3a与3b所示热源10的热功率。这里热源选择为电的加热块。竖直轴线上显示了热源内部的点与待制冷表面上的点之间的温差。该大小是对各制冷装置的接触导热性的直接的测量。在很好的近似下，所测量温度区域的温差与待制冷表面12和接触面33之间的接触导热性能成正比例。图4显示了，通过压紧弹簧，接触导热性能提高了约两倍。

图5至7显示了更多根据本发明的制冷装置的示意图。如图3a和3b一样，其各自仅仅显示了蒸发器22的区域。制冷装置的其余部分可以如图1和2一样构造。与前图中制冷装置功能相似的部分使用了相同的标号。

在图5所示的实施例中，压紧弹簧40实现为片簧。片簧可以由几个窄的元件或类似栅栏的材料形成，以使从接触壁32和到接触壁32的制冷剂循环成为可能。图5中，紧压力的反作用力通过板件36产生，其固定在蒸发器20的环壁上。而在图6所示的实施例中，压紧弹簧40也作为片簧实现。

在图7所示的实施例中，接触壁32向外弯曲且因此机械地变形，以沿待制冷表面的方向产生预张紧。接触壁的弯曲图7中被夸大地显示。通过接触壁32的变形，在固定蒸发器于热源上时，能够在待制冷表面上产生紧压力，且作用力决定的连接成为可能。因此图7所示的制冷装置具有压紧器件，其通过接触壁32的变形实现。

所示实施例可以进一步变化，并不依赖于权利要求中限定的保护范围。例如，可以通过制冷剂进行任意的制冷，无论它是无源的还是有源的。本发明也因此可以通过液体流或冷气流适用于水制冷或其它制冷，无论是否带有泵及风扇。

本发明根据发电机开关的制冷装置而描述。一般地，它涉及任意的电气工作器件，例如开关，变压器或过压分导器。举例来说，电气工作器件可以是功率开关，尤其是大功率开关，例如高压器件。此外，该制冷系统和方法并不仅仅用于电气工作器件(如所示的发电机)，也可以用于各种类型的电气设备或其它设备。

Claims (13)

1.一种用于电气工作器件(1)的制冷装置(3)，具有待制冷表面(12)；制冷装置(3)包括

-制冷剂(26)，

-环壁(30)，其内部限定用于制冷剂(26)的容积(20)，

-用于固定制冷装置(3)于电气工作器件(1)上的紧固件(38)，及

-压紧器件(40)，其中

环壁(30)具有带接触面(33)的导热的接触壁(32)，为了与待制冷表面之间的面接触而构造，

压紧器件(40)机械地预张紧接触壁(32)，以使当制冷装置固定在电气工作器件上时，在待制冷表面上产生接触面的面紧压力。

2.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，接触壁(32)具有带有可变偏移的挠性(弹性)区域，压紧器件(40)作用在所述挠性区域。

3.根据权利要求1或2所述的制冷装置，其特征在于，所述压紧器件(40)是弹簧。

4.根据权利要求3所述的制冷装置，其特征在于，所述压紧器件(40)设置在用于制冷剂(26)的容积(22)中或者邻接用于制冷剂的容积。

5.根据前述权利要求中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述接触壁(32)具有基材和附层，附层比基材柔软。

6.根据前述权利要求中任一项所述的制冷装置，其特征在于，设置所述压紧器件(40)以传递紧压力的反作用力于环壁(30)上。

7.根据前述权利要求中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述电气工作器件是功率开关。

8.根据前述权利要求中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述制冷装置是热管，且包括用于蒸发制冷剂(26)的蒸发器(20)，蒸发器(20)的环壁具有接触壁(32)，还包括

连接于蒸发器的冷凝器(50)，用于冷凝制冷剂(26)，且具有向环境中释放热量的器件。

9.根据前述权利要求中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述环壁(30)的内部与周围环境气密地隔绝。

10.根据前述权利要求中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述制冷装置是无源制冷装置。

11.根据前述权利要求中任一项所述的制冷装置，其特征在于，通过压紧器件(40)在接触壁上施加的压力，与处于环壁内部(30)的气体气压相比较，具有较小的温度依赖性。

12.一种电气工作器件，具有固定于其上的根据前述权利要求中任一项所述的制冷装置(3)。

13.一种制造用于具有待制冷表面(12)的电气工作器件(1)的制冷装置(3)的方法，包括以下步骤：

-形成带有导热接触壁(32)的环壁(30)，

-形成用于固定制冷装置(3)于电气工作器件(1)上的紧固件(38)；

-构造接触壁(32)的接触面(33)，使其允许接触面(33)与待制冷表面(12)之间的面接触，

-通过压紧器件(40)预张紧接触壁(32)，使得当制冷装置(3)固定在电气工作器件(1)上时，可以在待制冷表面(12)上产生接触面(33)的紧压力，以及

-制冷剂(26)放置在通过环壁(30)内部所限定的容积(22)中以使用。

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