CN101133471A - 带热管的开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于切断高压交变电流的装置(1)，包括与导体(4、7、9、10)连接以及装在触头壳体内的触头(5、6)，其中，导体(4、7、9、10)可至少部分运动地导引以及触头(5、6)可借助驱动器和驱动运动从接触位置过渡为分离位置，为了用这种装置即使电流更大也能掌控，本发明建议了一根带有流体密封的热管外壳(14)的热管(11、12)，它有一个蒸发区(15)、一个冷凝区(16)和一个毛细结构(20)，毛细结构在蒸发区(15)与冷凝区(16)之间延伸并与它们热耦合，其中，热管外壳(14)有一种传热介质以及蒸发区(15)与导体(4、7、9、10)之一或触头(5、6)之一导热连接。

Description

带热管的开关装置
本发明涉及一种用于切断高压交变电流的装置，包括与导体连接以及装在触头壳体内的触头，其中，导体可至少部分运动地导引以及触头可借助驱动器和驱动运动从接触位置过渡转换为分离位置。
例如由EP0606265B1已知这种装置。在那里公开的装置设计用于切断高压电流。该装置有一个经触头导通的导电路径。触头沿纵向彼此相对以及可通过引入开关运动，从触头互相触点接通的接触位置过渡到触头彼此分开的分离位置。在这里，触头装在真空开关管内，其中处于真空状态以熄灭在触头分离时引发的电弧。触头之一通过一个与真空外壳固定连接的固定触头导体保持位置固定不动。固定触头导体穿过真空外壳伸出，并通过另一个导体与输入接头导电连接。可运动的触头安置在一根同样装在真空外壳中纵向运动导引的操作杆端部。为了电连接，在输出接头与操作杆之间装有设计为弯曲弹性导电带的耦连器件。一个限制已知装置工作能力的因素是，尤其在大电流时出现的在导电路径的导体上的发热。这种发热尤其可以在触头的接触面但也可以在导电带上观察到，与导电路径的其余导体相比，导电带有较小的导体截面。
由DE19717235A1已知一种热管，它有基本上空心圆柱形结构的热管外壳，它在其一端有一个蒸发区和在其另一端有一个冷凝区。在热管外壳的内部，在蒸发区与冷凝区之间延伸一个毛细结构。此外，热管还有一种流体状的传热介质，它相对于外部大气被热管外壳密封。在热管外壳密封前，传热介质的气相被抽成真空，所以在热管外壳内存在的压力大体上与传热介质在当时存在的温度下的蒸汽压相同。换句话说，几乎仅仅由传热介质组成的气相与传热介质的液相平衡。若热管的一侧遭受比其另一侧高的温度，则导致在加热的蒸发区内液体蒸发以及蒸汽向冷凝区方向输送，冷凝区与蒸发区相比较冷以及促使传热介质凝结。在此过程中热量向外部环境排出。迄今热管主要在计算机的技术领域中使用。
本发明的目的是提供一种前言所述类型的装置，用它即使电流更大也可以掌控。
本发明为达到此目的建议一种有流体密封的热管外壳的热管，它有一个蒸发区、一个冷凝区和一个毛细结构，毛细结构在蒸发区与冷凝区之间延伸并与它们热耦合，其中，热管外壳有一种传热介质，以及所述蒸发区与导体之一或触头之一导热连接。
按本发明，在那些以特别严重的发热为特征的地方，通过迄今只是由计算机技术领域已知的热管排出热量。在这里热管起快速热导体的作用，热量通过它从危险部位迅速输出，并通过冷凝区排入任意的外部环境，例如大气中。传热以蒸发区内传热介质的蒸发为基础，此时由于需要蒸发焓，因而从与热管的蒸发区触点接通的导体提取热量。气相的传热介质力图到达与蒸发区相比温度更低的冷凝区。基于已饱和的汽相，在冷凝区导致传热介质凝结并因而排出形式上为热量的蒸发焓。接着，基于在冷凝区与蒸发区之间延伸的毛细结构的毛细作用，凝结的传热介质实施其向蒸发区的回程。以此方式造成一个循环，它可以通过传热介质的蒸发和冷凝有效地传热。业已证实恰当的是，为计算机工业设计的热管出人意外地也可以在高压范围内和尤其在中压范围内，亦即在电压从1千伏至52千伏有价值的业务范围内，提供用于冷却发热的构件。在本发明的范围内，可以动用几乎任意设计结构的热管。
按本发明装置的一项恰当的进一步发展，导体之一有一个凹槽，热管部分延伸到凹槽内。因此热管将其蒸发区设在凹槽内。凹槽相宜地设置在那些会在那里热负荷特别高的区域附近。如已详细说明的那样，这是一些与其余导体相比导体横截面狭窄的区域。
按与此相关的一项进一步发展，凹槽设在一个穿过触头壳体的触头导体内，该触头导体在其设在触头壳体内的触头端上带有触头之一，其中，热管的冷凝区布置在触头壳体的外面。因此，凹槽穿过触头导体延伸到触头壳体内并因而设置在触头邻近，在触头的接触面上由于没有理想的面接触会导致高的热负荷。产生的热量可以此方式借助热管有效地从接触区排出。
按与此相关的另一项进一步发展，触头导体与触头壳体固定连接。按此项进一步发展，仅两个触头之一保持可以运动，为它配设的那个触头则位置固定地装在触头壳体内。通过将热管装在位置固定的那个触头导体内，避免热管运动。
按另一个方案，导体有一根可运动地导引并与触头中的运动触头连接的操作杆和一个输出接头，后者通过耦连器件与该操作杆电连接，其中，蒸发区设在所述输出接头之上或之内。按此恰当的进一步发展，热管装在耦连器件附近，在耦连器件处通常造成狭窄的导体横截面并因而在流过电流时导致大的发热量。
当然，在本发明的范围内此装置也可以有两根或更多根热管。例如一根热管装在位置固定的触头导体内，而另一根热管装在输出接头上。
按一项与此相关的恰当的进一步发展，耦连器件有一条弯曲弹性的导电带。在本发明的范围内同样可以使用的其他耦连器件，例如是一个滑动触头或滚动触头，在这里同样可观察到导体横截面变窄。导电带例如借助螺钉与接头连接，其中，热管恰当地在导电带邻近(例如只通过一个薄的导体层与导电带隔开)安装在一个加工在输出接头内的凹槽中。
按一项恰当的进一步发展，冷凝区与冷却器接触连接。通过在热管的散热区布置冷却器，显著提高热管的冷却效率。以此方式可以进一步降低装置由导体和触头构成的电流路径的工作温度。
有利地，触头装在一个接地的开关外壳内。开关外壳例如围绕三个触头装置，它们分别为交流电网的一相所设。在这里每个触头装置由两个互相配属的触头组成。这些触头例如沿纵向彼此对置，其中，触头之一与开关外壳固定连接，而另一个可沿纵向运动地在开关外壳内导引。
按一项与此相关的恰当的进一步发展，导体有一个汇流排，它借助绝缘套管通过在装置工作时处于地电位的外壳壁延伸，其中，汇流排在其背对触头壳体的那一侧有一个凹槽，热管部分装入其中。如已提及的那样，在本发明的范围内也可以同时在装置内或装置上使用多根热管。按此项进一步发展，其中一根或所述热管装在开关装置的模块化腔室外部或甚至装在整个开关装置外部，开关装置例如包括一个处于地电位的薄板外壳。
与之不同，所述触头壳体装在一个不导电的绝缘材料外壳内。这种绝缘材料外壳例如设计为周围闭合和空心圆柱形或管状，在这种情况下采用一些紧固件将触头壳体固定在绝缘材料外壳内。当然，在本发明的范围内触头壳体也可以浇注在绝缘材料外壳的塑料中，从而免去触头壳体与绝缘材料外壳之间的空隙。
有利地，触头壳体是一个其中抽成真空的真空管。按此项进一步发展，真空作为灭弧手段用于熄灭在触头分离时引发的电弧。热管尤其与真空开关管或真空管的使用相结合，因为在这些管的内部难以散热。在真空状态不可能通过对流传热。在真空管中热流只能通过导体的导热连接或通过热辐射实现。
恰当地，传热介质有一种液相和一种汽相，其中，在热管外壳内部的压力与液相的蒸汽压相同。换句话说，在热管外壳内部的整个气相几乎仅仅由传热介质微粒组成，从而使汽相涉及一种所谓的饱和汽相，它与液体处于平衡状态。由于蒸发区的加热破坏了平衡，所述传热立即开始进行。
下面借助附图所示具体实施例对本发明其他恰当的扩展设计和优点予以说明，图中相同的符号表示作用相同的构件以及其中：
图1表示按本发明的装置的一种实施例；以及
图2表示按本发明的装置的另一种实施例。
图1示意表示按本发明的装置1的一种实施例。图示的装置1包括一个此类已知的真空开关管2，它有一个真空外壳3和一个通过固定触头导体4与真空外壳3固定连接、位置固定的固定触头5，它沿纵向与运动触头6对置。运动触头6安装在一根可沿纵向运动地导引的操作杆7上，因此通过操作杆7沿用箭头表示的方向的提升运动，运动触头可以从一个在那里它贴靠在固定触头5上接触位置，过渡到一个在那里它处于与固定触头5有间距的分离位置。操作杆7通过一个金属波纹盒8可纵向运动地与真空外壳3连接。
在真空外壳3内抽成真空，在真空中熄灭在触头5和6分离时引发的电弧。操作杆7通过导电带9与输出接头10连接，后者位置固定地装在图中未表示的一个绝缘材料外壳内。绝缘材料外壳围绕一个真空管，所以用三个装置1制成一个包括三个开关极的单极封装的开关。在这里每个极配属三相交流电网的一相。
在固定触头5与运动触头6的接触位置，尽管由触头弹簧提供大的压紧力，仍会导致两个触头之间点状的电流过渡以及引起有效的电流横截面狭窄的后果。换句话说，在触头5与6之间电流传输时引起大量发热，在真空中由于缺失对流作用，热量只能以热传导的形式通过触头导体4和操作杆7以及以热辐射的形式向外散出。
在导电带9上的电流经历另一处狭窄横截面。在这里也出现大量发热，其结果是限制真空开关管2并因而装置1的电流负载能力。
为了改善从装置1的散热，设热管11和12。热管11装在深入固定触头导体内的凹槽13中以及有一个流体密封的热管外壳14，它有一个面朝固定触头5的蒸发区15和一个背对固定触头的冷凝区16。这些相应地也适用于热管12，它将其蒸发区15靠近导电带9地装在输出接头10的凹槽17内。
每根热管11或12的冷凝区16配备有一个冷却器18，后者为了增大其热交换表面设有例如用导热的金属制成的散热片。流体密封的热管外壳14例如由一个气密的铜管构成，在其内侧在蒸发区15与冷凝区16之间延伸一个毛细结构19。在这里，该毛细结构19围绕一个内部空腔20。各热管11或12的热管外壳14内充填有一种图中未表示的传热介质，它有液相及汽相，其中，热管的内压基本上与传热介质的蒸汽压相等。换句话说，在热管外壳内部的汽相基本上没有外来气体。在热管有均匀的温度时，传热介质的这些相处于相互平衡状态。
在装置1工作时，蒸发区15的温度上升超过冷凝区16的温度。其结果是导致传热介质蒸发，它作为气体通过内部空腔20向冷凝区16亦即向较冷的区域输送。在那里基于较低的温度导致蒸汽状传热介质凝结，以及形成的液体借助毛细结构19的毛细力送回蒸发区。在蒸发时消耗的热焓以此方式有效地向冷凝区16的外部排出。通过冷却器18增大蒸发区15与冷凝区16之间的温差，并因而增加热管11或12的散热。
图2示意表示按本发明的装置1的另一种实施例。在本实施例中，图1表示的真空开关管和另两个真空开关管一起装在一个处于地电位的开关外壳21内，其中，在图2中同样没有表示的固定触头销分别与一个汇流排22连接。在图2的视图中只能看到其中一个汇流排22。
汇流排22装在另一个同样处于地电位的开关外壳23内。一个绝缘套管24用于将电导体从开关外壳23绝缘地引出。绝缘套管是众所周知的，所以此处不需要详细说明其结构。在这里只应指出，绝缘套管24有一个用浇铸树脂制成的不导电的绝缘体并通过此绝缘体固定在开关外壳23上。汇流排22有一个凹槽25，热管11部分在其中延伸，以及，热管11的冷凝区16和冷却器18布置在开关外壳23外部。当装置1工作时，热量通过导热的汇流排22向热管11的蒸发区15输送并由热管经冷却器18加速向外部大气散出。

Claims (12)

1.一种用于切断高压交变电流的装置(1)，包括与导体(4、7、9、10)连接以及装在一个触头壳体内的触头(5、6)，其中，导体(4、7、9、10)可至少部分运动地导引以及所述触头(5、6)可借助驱动器和驱动运动从接触位置转变为分离位置，其特征在于一根有流体密封的热管外壳(14)的热管(11、12)，它有一个蒸发区(15)、一个冷凝区(16)和一个毛细结构(20)，该毛细结构在所述蒸发区(15)与冷凝区(16)之间延伸并与它们热耦合，其中，所述热管外壳(14)有一种传热介质以及所述蒸发区(15)与所述导体(4、7、9、10)之一或所述触头(5、6)之一导热连接。
2.按照权利要求1所述的装置(1)，其特征为，所述导体(4、7、9、10)之一有一个凹槽(13)，所述热管(11、12)部分延伸到该凹槽内。
3.按照权利要求2所述的装置(1)，其特征为，所述凹槽(13)设在一个穿过触头壳体(3)的触头导体(4)内，该触头导体(4)在其设在所述触头壳体(3)内的触头端(5)上带有所述触头之一，其中，所述热管(11、12)的冷凝区(16)布置在所述触头壳体(3)的外面。
4.按照权利要求3所述的装置(1)，其特征为，所述触头导体(4)与所述触头壳体(3)固定连接。
5.按照权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征为，所述导体有一根可运动地导引并与所述触头(5、6)中的运动触头(6)连接的操作杆(7)和一个输出接头(10)，后者通过耦连器件(9)与所述操作杆(7)电连接，其中，所述蒸发区(15)设在所述输出接头(10)之上或之内。
6.按照权利要求4所述的装置(1)，其特征为，所述耦连器件有一条弯曲弹性的导电带(9)。
7.按照权利要求1至6之一所述的装置(1)，其特征为，所述冷凝区(16)与一冷却器(18)触点接通。
8.按照权利要求1至7之一所述的装置(1)，其特征为，所述触头壳体(3)装在一个接地的开关外壳(23)内。
9.按照权利要求7所述的装置(1)，其特征为，所述导体有一个汇流排(22)，后者借助一个绝缘套管(24)通过在该装置(1)工作时处于地电位的外壳壁(21、23)延伸，其中，该汇流排(22)在其背对所述触头壳体(3)的那一侧有一个凹槽(25)，所述热管(11)部分装入该凹槽(25)中。
10.按照权利要求1至6之一所述的装置(1)，其特征为，所述触头壳体(3)装在一个不导电的绝缘材料外壳内。
11.按照权利要求1至10之一所述的装置(1)，其特征为，所述触头壳体(3)是一个抽成真空的真空管(3)。
12.按照权利要求1至11之一所述的装置(1)，其特征为，所述导热介质有一种液相和一种汽相，其中，在所述热管外壳(14)内部的压力与液相的蒸汽压力相同。
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