CN103597678B - 具有热虹吸热管冷却套管的抽出式开关设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于冷却开关设备的冷却装置。开关设备具有由套管支撑并且被构建和布置为连接到断路器的端子的一个或多个主触头。冷却装置包括与每个主触头相关联的至少一个蒸发器、位于比至少一个蒸发器更高的高度处的冷凝器装置、将至少一个蒸发室连接到冷凝器装置的流体导管结构以及在至少一个蒸发器中以便于被加热成蒸汽状态的电绝缘工作的流体，其中流体导管结构被构建和布置为将蒸汽传送到冷凝器装置并且将冷凝的工作流体被动地返回到至少一个蒸发器。

Description

具有热虹吸热管冷却套管的抽出式开关设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年5月23日提交的美国临时申请号61/488,919的较早提交日期的优先权权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明针对具有冷却装置的中压和高压开关设备。具体地，针对具有整体蒸发室的包括主触头的蒸发冷却装置。
背景技术
通常，以合理成本实现用于中压和高压开关设备的高连续电流额定值存在设计上的挑战。连续电流额定值通过开关设备导体内的发热来决定。开关设备导体中的高电流流动产生热。在电流路径中的例如主套管触头的特定点处，由于局部高电阻而导致产生过热点。
通常期望将开关设备母线系统上的最热的点的最高温度限制为105℃(在40℃的假定环境温度上升高65℃)，如标准IEEE 37.20.2所指示的。典型的中高压金属包层的开关设备布置由于生热而具有大约3000A的最大连续电流额定值。期望提高该电流额定值。如可以实践的，还可以期望在不考虑提高最大电流额定值的情况下使用冷却来操纵不同的开关设备参数，诸如导体横截面或开关设备尺寸。
能够通过很多手段，例如通过增加电流承载母线的横截面、通过增加开关设备隔间的尺寸等，来处理过热点并且由此达到更高的连续电流额定值。一个常见的解决方案是使用安装在每第三或第四开关设备框架中的具有风扇的强制空气冷却。前一种解决方案通常导致的不能接受的成本和/或开关设备外壳的尺寸。因为电弧故障的副作用必然包含在开关设备内，所以后一种解决方案在很多情况下并不实用，包括在耐电弧的开关设备的情况下也不实用。
因此，需要提供一种用于开关设备的有效的被动冷却布置。
发明内容
本发明的目的在于满足上述需要。根据本发明的实施例，通过提供用于开关设备的冷却装置来实现该目的。开关设备包括通过套管支撑并且被构建和布置为连接到电路断路器的端子的一个或多个主触头。冷却装置包括与每个主触头相关联的至少一个蒸发器、位于比至少一个蒸发器更高的高度处的冷凝器装置、将至少一个蒸发器连接到冷凝器装置的流体导管结构以及在至少一个蒸发器中以便于加热成蒸汽状态的电绝缘工作流体，其中流体导管结构被构建和布置为将蒸汽传送到冷凝器装置并且将冷凝的工作流体被动地返回到至少一个蒸发器。
根据本发明的一个方面，提供一种用于开关设备的冷却装置，所述开关设备具有多个静止导电主触头，所述多个静止导电主触头由套管板支撑并且被构建和布置为连接到断路器的端子，所述冷却装置包括：
至少一个蒸发器，所述至少一个蒸发器被构建和布置为与每个静止导电主触头连接；
冷凝器装置，所述冷凝器装置位于比所述至少一个蒸发器更高的高度处；
流体导管结构，所述流体导管结构将所述至少一个蒸发器与所述冷凝器装置连接；以及
电绝缘工作流体，所述电绝缘工作流体在所述至少一个蒸发器中以便于被加热成蒸汽状态，其中所述流体导管结构被构建和布置为将所述蒸汽传送到所述冷凝器装置，并且将冷凝的工作流体被动地返回到所述至少一个蒸发器，
其中每个蒸发器包括与经连接的静止导电主触头集成并且在所述经连接的静止导电主触头内形成的蒸发室，
其中所述流体导管结构包括：
延长管，所述延长管具有连接到所述经连接的静止导电主触头并且与其蒸发室连通的第一端，
冷凝器管结构，所述冷凝器管结构与所述延长管分开并且连接到所述冷凝器装置，以及
过渡管结构，所述过渡管结构将所述延长管连接到所述冷凝器管结构，其中所述过渡管结构与所述延长管分开并且与所述冷凝器管结构分开，其中所述过渡管结构与所述延长管分开并且与所述冷凝器管结构分开，并且所述过渡管结构是将所述延长管从所述冷凝器管结构电绝缘的绝缘部件，
其中所述冷凝器装置是被动空气冷却的翅片式换热器；
所述冷却装置进一步包括在流体导管结构内嵌套的流分离软管网络，所述流分离软管网络被构建和布置为将所述冷凝的工作流体返回到所述蒸发室；
其中所述流分离软管网络包括分流器，所述分流器具有第一端和第二端，所述第一端具有用于从所述冷凝器装置接收所述冷凝的工作流体的单个输入，所述第二端具有用于将所述冷凝的工作流体返回到所述蒸发室的多个输出。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于开关设备的冷却装置，所述开关设备具有多个静止导电主触头，所述多个静止导电主触头由套管板支撑并且被构建和布置为连接到断路器的端子，所述冷却装置包括：
至少一个蒸发器，所述至少一个蒸发器被构建和布置为与每个静止导电主触头连接；
冷凝器装置，所述冷凝器装置位于比所述至少一个蒸发器更高的高度处；
流体导管结构，所述流体导管结构将所述至少一个蒸发器与所述冷凝器装置连接；以及
电绝缘工作流体，所述电绝缘工作流体在所述至少一个蒸发器中以便于被加热成蒸汽状态，其中所述流体导管结构被构建和布置为将所述蒸汽传送到所述冷凝器装置，并且将冷凝的工作流体被动地返回到所述至少一个蒸发器，
其中每个蒸发器包括与所述经连接的静止导电主触头集成并且在所述经连接的静止导电主触头内形成的蒸发室，其中所述蒸发室中的至少一些蒸发室彼此流体连通；
所述冷却装置进一步包括在流体导管结构内嵌套的流分离软管网络，所述流分离软管网络被构建和布置为将所述冷凝的工作流体返回到所述蒸发室；
其中所述流分离软管网络包括分流器，所述分流器具有第一端和第二端，所述第一端具有用于从所述冷凝器装置接收所述冷凝的工作流体的单个输入，所述第二端具有用于将所述冷凝的工作流体返回到所述蒸发室的多个输出。
根据本发明的另一个方面，提供一种冷却开关设备的方法，所述开关设备具有被构建和布置为连接到断路器的端子的静止导电主触头，所述方法包括下述步骤：
在每个静止导电主触头内提供蒸发器，
提供位于比每个蒸发器更高的高度处的冷凝器装置、将所述蒸发器与所述冷凝器装置流体连接的流体导管结构、以及在所述蒸发器中的工作流体，所述流体导管结构包括具有连接到经连接的静止导电主触头并且与其蒸发室连通的第一端的延长管，与所述延长管分开并且连接到所述冷凝器装置的冷凝器管结构，以及将所述延长管连接到所述冷凝器管结构的过渡管结构，其中所述过渡管结构与所述延长管分开并且与所述冷凝器管结构分开，
从所述静止导电主触头向所述工作流体传送热，以使得所述工作流体在所述蒸发器中进行蒸发，而所蒸发的蒸汽经由所述流体导管结构被递送到所述冷凝器装置，以及
经由所述流体导管结构将在所述冷凝器装置中冷凝的所述工作流体被动地返回到所述蒸发器，
其中每个蒸发器包括与每个静止导电主触头集成并且在每个静止导电主触头内的蒸发室，
其中所述蒸发室中的至少一些蒸发室与彼此流体连通；
所述冷却装置进一步包括在流体导管结构内嵌套的流分离软管网络，经由所述流分离软管网络将所述冷凝的工作流体返回到所述蒸发室；
其中所述流分离软管网络包括分流器，所述分流器具有第一端和第二端，经由所述第一端的单个输入，从所述冷凝器装置接收所述冷凝的工作流体，经由所述第二端的多个输出，将所述冷凝的工作流体返回到所述蒸发室。
根据本发明的另一方面，提供了一种冷却开关设备的方法。开关设备具有构建和布置成连接到电路断路器的端子的主触头。该方法将蒸发器与每个主触头相关联。冷凝器位于比每个蒸发器更高的高度处。流体导管结构将蒸发器与冷凝器流动地连接，并且工作流体被设置在每个蒸发器中。热量从主触头传送到工作流体，以使得工作流体在蒸发器中蒸发，蒸发的蒸汽经由流体导管结构被传递到冷凝器。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。
在参考形成本说明书的一部分的附图考虑了下面详细描述和所附权利要求之后，本发明的其他目的、特征和特性以及结构的相关元件的操作方法和功能、部件和制造成本的组合将变得显而易见。
附图说明
在附图中，结构实施例和以下提供的详细描述一起描述了具有蒸汽冷却装置的中压开关设备的示例性实施例。本领域的技术人员将认识到，组件可以被设计为多个组件，或者多个组件可以被设计为单个组件。
此外，在下面的附图和描述中，分别用相同的附图标记贯穿附图和所撰写的描述中指示类似的部件。附图没有按比例绘制，并且已经出于图示的方便放大了特定部分的比例。
图1是常见的热管装置的横截面正视图。
图2是耐电弧中压开关设备组件的横截面正视图。
图3A是套管平面和主触头的等距视图。
图3B是主触头的透视图。
图3C是图3B的主触头的横截面透视图。
图3D是主触头和附连的“环”蒸发器的透视图。
图3E是主触头和附连的“帽”蒸发器的透视图。
图4A是示出蒸发室和端子流分离管的一部分的主触头和支撑套管的一个实施例的横截面正视图。
图4B是示出蒸发室和端子流分离管的一部分的主触头和支撑套管的第二实施例的横截面正视图。
图4C是示出蒸发室和蒸发管以及端子流分离管的一部分的主触头和支撑套管的第三实施例的横截面正视图。
图5是图1的套管板和主触头的透视图和接近流体导管组件的一部分的分解视图。
图6A是上层和下层套管板组件和关联流体导管和冷凝器装置的透视图。
图6B是示出嵌套上层流分离软管的一部分的图6A的虚线A中示出的流体导管的该部分的放大横截面视图。
图6C是示出两个嵌套分流器和关联的流分离软管的图6A的虚线B中示出的流体导管的该部分的放大横截面视图。
图6D是具有部分透明外壁的分流器的放大透视图。
图7是具有蒸汽冷却装置的中压开关设备组件的横截面正视图。
图8是示出均衡管道配置的一个实施例的套管板和主触头的透视图。
图9A-9D是图示本文描述的蒸发冷却系统的四个非限制性实施例的示意图。
图10是固定到用于可移除地耦合主触头的套管板的安装结构的横截面视图。
图11A是具有六个独立室的冷凝器的视图。
图11B是图11A的冷凝器的横截面视图。
具体实施方式
开关设备中增加的持续电流导致了在传导元件中的生热的增加。具体地，在开关设备中的温度增加的关键点是包括在下文简称为主套管接口的在主套管和主触头(如下所述)之间的接口的区域。
蒸发冷却系统通常可以包括热管。热管操作为通过经由使用工作流体来将热从所述第一位置传输到第二个位置来冷却第一位置。参考图1，图示了热管100的常见布置。热管100包括在其相对的端处将蒸发器120连接到冷凝器装置130的流体导管结构110。工作流体140驻留在热管100中。在操作中，蒸发器120处于与要被冷却的第一位置的热接触。来自第一位置的热使得工作流体140主要在蒸发器120处蒸发。此后，工作流体140(以气态)向上行进至冷凝器装置130，在冷凝器处热被释放作为蒸发的工作流体冷凝回至液体状态的重要部分(但是一些冷凝和蒸发也可以在流体导管结构中发生)。冷凝的(即，液态)工作流体然后向下行进到蒸发器120以完成一个循环。
热管100有利具有热虹吸的形式，热虹吸是表示主要通过重力作用而从冷凝器到蒸发器传输冷凝工作流体的术语。这样，通常在热虹吸中，冷凝器被布置在比蒸发器更高的高度(在重力场中)，并且应当沿着在冷凝器和蒸发器之间的热管而存在下降。
如前所述，期望实现用于中高压开关设备的高连续电流额定值。参考图2，示出了中压开关设备200的一个非限制性示例。如本文所用，术语“中压开关设备”和“高压开关设备”可以互换地使用，并且指开关设备额定在lkV或超过lkV操作。通常，开关设备200包括用于容纳开关设备组件的外壳，如金属包层外壳210。外壳210可以包含一个或多个独立隔间，诸如电路断路器隔间220、主母线隔间230和电缆隔间240。开关设备200包含一个或多个断路器250。在所示出的实施例中，断路器250是三极抽出式断路器。断路器250被连接到由主套管板260a、b支撑并且被连接到电流承载汇流条270的主触头(如下所述)。
参考图3A，主触头300被示出为固定地位于套管板260中。通常，套管板260包括玻璃纤维增强聚酯、陶瓷或环氧树脂材料，并且被配置为支持触头的重量以及优选地辅助硬件，诸如电流互感器(未示出)。在所示的实施例中，套管板260是板布置，该板布置被配置成贴附到开关设备200的隔间壁上，并且保持三个主触头(每个极一个主触头)。然而，如可以理解的，这里可以利用其他套管配置，包括单个套管组件(每个主触头一个套管组件)。在操作中，在图2中示出的类型的开关设备实施例中，两个套管板260被堆叠并且粘附到开关设备200的隔间壁，在断路器250附近提供6个主触头(每极两个)，用于与之附连。
参考图3B和图3C，主触头300是用于与断路器接合的任何静止触头，并且可以由任何适当的导体来制成，并且可以具有任何适当的配置。在一个非限制性实施例中，主触头300由镀银铜制成，并且具有第一端310和第二端320，该第一端310被配置为经由螺栓孔311连接到主汇流条(未示出)，第二端320被设计为接受圆形郁金香式连接器。除非另相反说明，如本文所使用的，术语“端”表示并且包括在端点附近的区域或部分。
在本发明的一个非限制性实施例中，蒸发器120包括一个或多个蒸发室330，该一个或多个蒸发室330与主触头300形成整体。蒸发室330通常是具有第一端331和封闭的第二端332的纵向腔或腔室，该第一端331包括适用于在与流体导管组件流体连接的孔。在一个非限制性实施例中，第一端331是有螺纹的，并且第二端332是终端孔。如本文所使用的，“流体导管结构”通常表示单个导管组件(例如，软管、管道、管路等)或密封连接的导管组件的网络，其承载在蒸发室330和冷凝器装置(如下所述)之间处于冷凝状态或蒸发状态的工作流体(如下所述)，并且其中以嵌套的关系包含流分离管道或管道网络(如下所述)。
在所示出的非限制性实施例中，蒸发室330具有圆形横截面，该圆形横截面定中心在主触头300的纵轴上，并且基本上沿着主触头300的整个长度延伸。然而，可以理解的是，广泛的蒸发室配置可以根据包含在其中的(例如)主触头和套管等的配置和构成来实现对主触头和套管接口定的充分冷却。例如，在一个实施例中，蒸发室330是纵向室，具有在第一部分上的第一圆形横截面以及在第二端332附近的第二部分上的第二圆形横截面，其中第二横截面具有比第一横截面大的半径，从而形成在第二端332附近的扩大的室部分。
在本发明的另一非限制性实施例中，蒸发器包括一个或多个外部蒸发器隔间，该一个或多个外部蒸发器隔间被热和机械地连接到主触头，以下称为“附连的蒸发器”。通常，如果具有对主触头的充分热和机械连接；如果具有与主触头的热接触的充分的横截面面积；并且如果具有用于接纳可以在具体实施例中利用的工作流体和任何流分离以及均衡管道组件的充分的内部体积，则附连的蒸发器适用于在本文中使用。图3D示出了适用于在本发明中使用的附连的蒸发器340的一个非限制性示例。如示，附连的蒸发器340是围绕主触头300的中空的环形圆筒，并且与之机械附连并与其热接触。附连的蒸发器340有孔341，该孔341适用于与诸如延长管的流体导管组件流体连接，如以下更详细描述的。在一个实施例中，附连的蒸发器340由铜或铝制成。
在图3E中，示出了适用于在本发明中使用的附连的蒸发器的另一非限制性的示例。附连的蒸发器350是机械地固定到主触头300的第一端310使得工作流体接触第一端310的中空圆柱形帽。蒸发器350具有孔351，该孔351适用于与诸如延长管的流体导管组件流体连接，如以下更详细描述的。在一个或多个实施例中，一个或多个主汇流条(未示出)经由可密封通过器件(例如，套管)(未示出)通过蒸发器350的圆柱形侧壁，使得汇流条可以连接到主触头300的第一端310。在一个实施例中，附连的蒸发器340由铜或铝制成。
参考图4A、图4B和图4C，对于本发明的三个示例性和非限制性实施例示出固定位于套管板260中的主触头300的横截面。如示，延长管400在蒸发室330的第一端331处密封地连接到主触头300。延长管400是流体导管结构110的一部分，用于通过连接的汇流条(未示出)延长蒸发室330。通常，延长管400可以以适当地确保充分的机械附连和气密密封的任何方式被密封地连接到主触头300。在一个实施例中，延长管400经由螺纹密封连接并且用金属O型环来密封地连接。如可以理解的，延长管400可以是任何适当的形状，并且由任何适当的材料制成以实现其功能。在适当时使用金属组件特别有利(但不是限制性的)，因为金属组件通常抗随时间的气态工作流体的扩散，并且通常具有低的热阻。在一个非限制性实施例中，延长管400是铜或铝的圆柱形管道。
示出了端子流分离软管410的一部分。通常，端子流分离软管410是驻留在一个或多个流体导管组件中并且用于运载冷凝的(液态)工作流体(如虚线所示)到蒸发室330的第二端332的软管或管。该布置有助于最小化下述情况：如箭头描绘的，剧烈向上行进到冷凝器装置的蒸发(气态)的工作流体中断从冷凝器装置朝着过热点向下行进的冷凝的(液态)工作流体的流动，该状况被称为“蒸汽枕形成”或逆流限制。而且，端子流分离软管410有助于与冷凝的工作流体热绝缘，使得与缺少端子流分离软管的其他等同实施例相比，增加量的冷凝工作流体被传递到期望的区域或过热点。
在所示的实施例中，端子流分离软管410驻留在延长管400内，并且第一端411部分地延长到蒸发室330中。第一端411延长到蒸发室330中的程度可以根据期望的冷却性能以及讨论中的具体开关设备设计的性能特性而从0％到100％地进行变化。在一个实施例中，第一端411从总距离的50％到99％延长到蒸发室330中。在另一个实施例中，第一端411从总具体的75％到95％延长到蒸发室330中。
端子流分离软管410的相对端(未示出)向上连接到一起形成流分离软管网络的流体导管结构110的一个或多个额外流分离组件，如在下面更详细地描述，其优选地处于嵌套布置中。嵌套布置有助于通过如上所述的减少蒸汽枕形成并且与冷凝工作流体热绝缘来确保冷凝的液体被效地传递到目标过热点(例如，主套管接口)。此外，流体导管网络内的流分离网络的嵌套布置减少真空密闭连接的数目，由此易于装配和减少系统的成本。
在图4A中所示的实施例中，蒸发室330在第二端332处封闭。在图4B和图4C中所示的实施例中，蒸发室330是通过栓塞420在第二端332处密封封闭的通孔。
在图4C中所示的一个非限制性实施例中，将蒸发管430插入到蒸发室330中。蒸发管430具有最接近蒸发室330的第一端331的第一端431以及接近蒸发室330的第二端332的第二端432。第二端432是封闭的。在一个非限制性实施例中，蒸发管430被配置为与蒸发室330的内部形状匹配，使得在两个结果之间紧密配合，从而降低了热阻。在一个实施例中，蒸发管430可密封地附连到延长管400，从而允许在安装到蒸发室330中之前完全密封可以填充工作流体的流体导管、可以有助于制造和装配开关设备200的条件。通常，蒸发管430是金属的。在一个非限制性实施例中，蒸发管430是铜管或铝管。
图5是本发明的一个非限制性实施例的在套管板260和触头300附近的流体导管结构110的一部分的分解视图。流体导管结构110的每个延长管400a、400b、400c具有如上所述密封地贴附到主触头300的第一端401，以及最接近过渡管结构510的最近分支511a、511b、511c并且与之密封地固定的第二端402。通常，过渡管结构510是用于收集蒸发器的蒸发液体并且容纳流分离软管或其他组件以及在特定实施例中的均衡管道(如下所述)的流体导管结构的组件。
可以通过确保充分的机械和密封性质的任何适当的器件来实现在第二端402和分支511之间的密封结点。在一个实施例中，结点通过螺纹套环500以及一个或多个O形环垫圈501来实现。如可以理解的，这里考虑其他适当的配置。在一个实施例中，过渡管结构510不具有任何分支，并且延长管400a、400b、400c直接密封地附连到过渡管结构510。
在一个实施例中，主触头300和延长管400a、400b、400c处于相同的电势，而冷凝器装置(如下所述)处于相对低或地电势。为了桥接该电势差，流体导管的至少一个部分应当由电绝缘材料组成。充分的绝缘材料的非限制性示例是陶瓷和玻璃材料，包括玻璃纤维增强环氧树脂、其他塑料和橡胶材料，包括任何铸造加工管道等。
在图5中所示的实施例中，过渡管结构510是绝缘组件，并且由硼硅玻璃组成。如可以理解的，其他设计可以用于过渡管结构510，但是仍然可以由本文所包含。在一个非限制性实施例中，过渡管结构510具有绝缘部分和传导部分，其中，传导部分位于主触头和绝缘部之间。在另一非限制性的实施例中，过渡管结构510被配置为包括加长爬电距离的屏蔽部分。以下详细说明与图9相关的其他示例性配置。
在图5中示出的非限制性实施例中，过渡管结构510基本上被水平定向，并且包括具有带有封闭的第一端512和开放的第二端513的主要部分的单个分支管。如可以理解的，具体定向取决于诸如主触头300的布置的因素，其在示例性配置中被水平布置在开关设备200的每个套管板260中。参考图2，一个过渡管结构位于母线隔间230和电缆隔间240的每一个中，并且与每个套管板260相关联。在一个非限制性实施例中，过渡管结构510具有在3mm和50mm之间的内径；在另一实施例中，具有在5mm和30mm之间的内径。
继续参考图5，第二端513通过连接器组件520被附连到冷凝器管530。通常，流体导管结构110的冷凝器管530可以是将过渡管结构510连接到冷凝器装置(如下所述)同时在操作条件下提供充分蒸汽密封和机械特性的任何导管(软管、管道、管等)。具体地，冷凝器管530以及其他流体导管结构组件必须能够在暴露于气态和液态的工作流体时在具体操作条件下在工作流体的升高的温度特性处保持机械和化学完整性。典型的升高的温度值的范围从90到150°F。
连接器组件520包括套环片522，该套环片522缠绕过渡管结构510的第二端513，并且通过螺钉523将第二端513牢固地贴附到板521。可以使用一个或多个垫圈。板521进而被密封并且牢固地贴附在冷凝器管530。如可以理解的，在本文中可以利用并且包含用于将过渡管结构510牢固地连接到冷凝器管530的其他适当的器件。
图6A图示了本发明的一个非限制性实施例。主套管板260a、b被示出为支撑连接到延长管400和过渡管结构510的主触头300，所有如上所述。过渡管结构510被示出为通过连接器组件520a、520b连接到冷凝器管530，如上所述。通常，冷凝器管530在过渡管结构510和冷凝器装置610之间延长。可以以允许充分的蒸汽流动到冷凝器装置610并且容纳嵌套在其中的如下面更详细描述的流分离软管网络的任何适当的方式来定尺寸和配置冷凝器管530。适当的冷凝器管的非限制性实施例是金属管，包括但不限于不锈钢和铝波纹管、橡胶管(例如丁基橡胶)、注塑I(例如，环氧树脂)等。在一个实施例中，冷凝器管530是大约1英寸直径的不锈钢波纹管。
在图6A中所示的实施例中，冷凝器管530具有上部600和密封地附连到冷凝器装置610的第一端601；冷凝器管530具有分支端子部602a、b以及密封地连接到馈送套管板260a、b的过渡管结构510a、b的第二端603a、b。在由分支器件提供充分的密封和机械性能的范围内，这里就可以利用用于分支冷凝器管530的任何适当器件。如可以理解的，冷凝器管530的具体分支配置部分地取决于需要被馈送工作流体的主触头的套管板设计和数目。
参考图6A-6D，描述适用于在本发明中使用的流体导管结构的流分离软管网络的一个实施例。通常，流分离软管网络是嵌套软管、管、结点等的嵌套布置，该软管、管、结点等用作使冷凝的(液态)工作流体从冷凝器装置610向过热点(例如，主套管接口)行进，如箭头L所述，并且由此有助于防止在蒸发器中的枕的形成，并且提供可以用于降低热管装置中的效率的热屏蔽。此外，与没有分离的系统相比，流分离使得减少流体导管网络管的直径(从而减少成本和所需要的空间)，因为在上升蒸发液态流和冷凝返回流之间的交互被最小化(例如，表面剪切力)，通常可能导致“逆流流动限制”的情况超过系统开始过热的特定热额定值。如上所述，在一个或多个非限制性实施例中，在主导体和冷凝装置之间存在电势差。在这样的实施例中，流动分离软管网络(全部或部分地)由电绝缘材料组成。
在图6B和图6C中分别图示了在图6A中标记为“A”和“B”的冷凝器管530部分的放大截面图。如示，上层流分离软管620驻留在冷凝器管530内，并且具有第一端(未示出)，该第一端连接到冷凝器装置610并且适用于接收来自冷凝器装置610的冷凝的(液态)工作流体。上层流分离软管620的第二端621是Y分支的并且连接到分流器630a、630b的上层固定装置631a、631b。分流器630a、630b的下层固定装置632a、632b连接到端子流分离软管410a、b。如上所述，端子流分离软管410延伸通过流体导管结构的其余部分，在本示例实施例中是冷凝器管530的其余部分、过渡管结构510和延长管400。在一个或多个非限制性实施例中，端子流分离软管410由电绝缘聚合物组成，诸如例如含氟聚合物、聚醚醚酮或者天然或合成橡胶等。在一个非限制性示例中，端子流分离软管410具有在1和10mm之间的内径；在其他实施例中，具有在2和6mm之间的内径。
冷凝器管530可以具有大得容纳包括分流器的流体分离组件的恒定半径。然而，如可以理解的，在一个或多个非限制性实施例中，冷凝器管530可以具有不同的半径、尺寸、形状或构造的部分或部，以适应不同尺寸的流体分离组件，如分流器组件。
图6D示出了适用于在本发明中使用的分流器630的一个非限制性实施例的放大透视图。通常，分流器是用于以使得以基本上相等的方式来在下游导管之间划分材料的方式来接收来自一个或多个导管(例如，软管、管等)的材料流动并且提供从分流器下游的大量流出导管的任何部件。关于分流器630，上层固定装置631贴附上层流分离软管620的第二端621，并且下层固定装置632贴附端子流分离软管410的上端。通常圆柱形侧壁635包括内部腔，该内部腔允许从上层流分离软管620接收到的冷凝工作流体的大致相等的分布。在一个非限制性实施例中，侧壁635中的一个或多个开口636允许工作流体的流入，该工作流体在流体导管结构110内冷凝，如由箭头E所示。
如可以理解的，根据期望的下游流体流的数目、空间限制等，其他分流器设计可以适用于本文中的使用。而且，在一个替代实施例中，使用分流器来实现上层流分离软管620的y分支。
参考图7，描述冷凝器装置的非限制性实施例。如示，冷凝器装置610位于相对于蒸发室330的较高的位置，使得冷凝的工作流体在重力的影响下被动地流向蒸发器。具体地，在所示的实施例中，冷凝器装置机械地固定到开关设备外壳210的一个侧壁的上象限。可以理解的是，其他布置可以适用于在这里使用，诸如将冷凝器装置610贴附到开关设备外壳210的顶板。
通常，任何适当的冷凝器器件适合于用作这里的冷凝器装置，只要其被配置成接受来自本发明的流体导管的蒸发工作流体，能够允许工作流体的冷凝，并且被配置成将冷凝的工作流体供应到嵌套流分离网络(例如，经由对上层流分离软管620的连接)。而且，冷凝器装置应当被构造成提供如下的内表面面积和外表面面积，该内表面面积大得足以产生连续相位改变流的用于冷凝，该外表面面积大得足以产生通过自然气流(在被动冷凝器装置的情况下)或者通过强制气流(在辅助系统的情况下)的充分热移除。在一个或多个非限制性实施例中，外表面被涂覆以提高辐射热排放，并且内表面被涂覆或者机械地或化学地处理为提高冷凝效率。
适当的冷凝器装置的非限制性示例包括被动或强制空气冷却散热器式或翅片式换热器。在一个非限制性实施例中，冷凝器装置610是通过一个或多个风扇用强制空气冷却的翅片式换热器。在另一个非限制性示例中，冷凝器装置610的外表面被涂覆为提高辐射热释放，并且内表面被处理为提高冷凝效率。在操作中，冷凝器装置通常被保持为在158°F(70℃)或低于158°F的温度，以适当地影响迅速冷凝。
在操作中，工作流体通过蒸发冷却系统再循环，并且过热点以下述方式进行冷却。首先，端子流分离软管410将大量冷凝的(液态)工作流体运载到工作流体被蒸发的蒸发器(例如，蒸发室330)。在蒸发过程中，从电流导体(例如，主触头300)汲取热量，从而与缺乏冷却系统的控制相比，允许较高的电流额定值。此后，蒸发的(蒸汽)工作流体向上行进通过流体导管结构到达冷凝器装置——由图4A-C中的小箭头和由图6B和6C中的箭头G表示。此后，在蒸发的工作流体的一部分可能在流体导管本身中冷凝的同时，大部分在冷凝器装置中冷凝。工作流体的冷凝伴随着冷凝热的排放。由于重力作用，在冷凝器装置中冷凝的工作流体通过嵌套流分离软管网络而被动地回到蒸发器，该嵌套流分离软管网络在端子流分离软管410中终止，完成了再循环回路。
在图5和图6中示出的实施例中，来自冷凝器装置的冷凝的工作流体的流在嵌套的流分离网络中被分流，首先被分成两个并且此后被分成三个流——每个套管板260的每个蒸发器(例如，蒸发室330)对应一个流。分流器应当优选地挂在备用液面(当沸腾没有发生时在热管中的液面)上方但是在蒸汽流内的流体导管结构110中(例如，其冷凝管530)。
如果期望冷却系统形成电隔离间隙，则需要提供电绝缘工作流体。适当的工作流体的非限制性实施例是制冷剂，如氢氟碳化物(例如R134a、R245fa)、氟化酮(例如，NOVEC-649TM，商业上从3M提供)、以及氢氟醚(例如，HFE-7100TM，商业上从3M提供)。
在一个或多个非限制性实施例中，在本发明的冷却系统中提供均衡网络。通常，均衡网络表示以这样的方式连接以提供使液体经由毛细作用或以其他方式在每个主触头蒸发器(例如，蒸发室330)之间流动的一个或多个导管、软管或管。参考图8，套管板260a被示出为支撑主触头300a-c。示例性均衡网络包括：具有分别部分地延伸到主触头300a和300c的蒸发室的第一端和第二端的第一软管801；具有分别部分地延伸到主触头300a和300b的蒸发室的第一端和第二端的第二软管802；以及具有分别部分地延伸到主触头300b和300c的蒸发室的第一端和第二端的第三软管803。均衡软管位于在现有的流体导管组件内——即，延长管400(未示出)和过渡管结构510(未示出)内。认为提供了一种通过减少跨套管板的主触头中的冷却差异来增加性能的均衡网络。
参考图9，图示了替代流体导管结构布置的非限制性示例。图9A图示了上述布置，其中，流体导管结构的特征在于，例如，延长管400从每个主触头300中的每个蒸发器延伸；其中，过渡管结构包括水平的过渡管结构510，该水平的过渡管结构510连接到每个套管板(未示出)的每个延长管400并且将每个蒸发器链接到限定冷凝器管结构的单个冷凝器管530，其连接到冷凝器装置610。在图9B中图示的替代实施例中，过渡管结构包括三个垂直过渡管901，三个垂直过渡管901代替两个水平的过渡管结构510，并且将每个蒸发器链接到限定冷凝器管结构的单个冷凝器管910的分支端，其连接到冷凝器装置610。在图9C中图示的实施例中，过渡管结构包括6个独立的过渡管902，该6个独立的过渡管902在其第一端处分离地连接到延长管400，并且在其第二端处连接到分离的冷凝器管920，其中的每一个冷凝器管920限定冷凝器管结构并且连接到冷凝器装置610。在图9D图示的实施例中，过渡管结构包括串行链接的过渡管903，并且用于每个套管板的单个冷凝器管930a、b由此连接到冷凝器装置610。如可以理解的，流体导管和/或嵌套的流分离管的其他配置可以适用于在这里使用。在图9B至图9D中，管901、902和903是由例如环氧树脂、陶瓷、玻璃、橡胶或聚合物制成的电绝缘管部分。
参考图3A，通常，主触头300被固定在具有套管板260的铸造布置中。结果，热管100的缺陷(例如，缺少充分的密封性)的可能的校正需要开关设备产品的充分分解，其中泄漏作为安装/服务过程中的一部分进行测试。因此，优选地是在组装成开关设备产品之前，与开关设备产品的制造分离地构建用于测试的热管100。在这方面并且参考图10中，通过插入模制等将安装结构1010牢固地固定到套管板260。在本实施例中，安装结构1010是具有圆锥形或锥形内表面1020的金属环。关联的主触头300'具有圆锥形或锥形外表面1030，其摩擦地并且可移除地与内表面1020接合以相对于套管板260固定主触头300'。因此，热管组件(包括具有蒸发器120的主触头300'、流体导管结构110和冷凝器装置130)保持最佳接近热损失的开关设备电流路径的整体部分，但有利的是可移除的。现在可以与热管组件分离地制造开关设备。因此，热管组件可以是完整的，并且在被组装到开关设备中之前在专用测试设施中进行组装和测试。此外，为了在组装到开关设备中之后服务热管组件，热管组件可以易于从开关设备移除。
如上所述，图9C示出了流体耦合到公共冷凝器装置610的多个冷凝器管920。然而，参考图11A、图11B，冷凝器装置610'可以具有与每个冷凝器管920相关联的独立并且密封的室1110(图9C)，使得独立地操作六个热虹吸。冷凝器管920(图11A、图11B中未示出)连接到每个室1110的底部1120。室1110被设置在两个翅片之间，围绕其外围焊接有侵蚀板1130。替代地，每个冷凝器管920可以耦合到单独的冷凝器装置，但是这样的布置将增加成本。
在本实施例中，主触头300'可以由铝制成，因为为了温度降低而需要增强的热传导由于热管100的提供而不再被需要。
关于本说明书或权利要求书中使用术语“包括”，当“包括”用作权利要求中的过渡词时，意在以术语“包含”被解释的类似的方式是包含性的。此外，关于采用术语“或”(例如，A或B)，意在指“A或B或二者”。当申请人意在指示“只有A或B而非二者”时，那么将采用术语“只有A或B而非二者”。因此，这里的术语“或”的是包含性的，而不是专用的。参见BryanA.Garner,A Dictionary of Modern Legal Usage 624(2d.Ed.1995)。而且，关于本说明书或权利要求书中使用的术语“在…中”或“到…中”，意在另外指示“在…上”或“到…上”。此外，关于在说明书或权利要求书中使用的术语“连接”，意在不仅指“直接连接到”，而且还指“间接连接到”，诸如通过另一组件或多个组件连接。
尽管本申请说明了各种实施例，并且尽管在已经描述了这些实施例的一些细节，但是申请人的意图并不是将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制为这样的细节。其他优点和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明在其更广泛的方面并不限于所示出和描述的特定细节、代表性实施例和说明性示例。因此，在不脱离申请人的总的发明构思的精神或范围的情况下，可以脱离这些细节。

Claims (18)

1.一种用于开关设备的冷却装置，所述开关设备具有多个静止导电主触头，所述多个静止导电主触头由套管板支撑并且被构建和布置为连接到断路器的端子，所述冷却装置包括：
至少一个蒸发器，所述至少一个蒸发器被构建和布置为与每个静止导电主触头连接；
冷凝器装置，所述冷凝器装置位于比所述至少一个蒸发器更高的高度处；
流体导管结构，所述流体导管结构将所述至少一个蒸发器与所述冷凝器装置连接；以及
电绝缘工作流体，所述电绝缘工作流体在所述至少一个蒸发器中以便于被加热成蒸汽状态，其中所述流体导管结构被构建和布置为将所述蒸汽传送到所述冷凝器装置，并且将冷凝的工作流体被动地返回到所述至少一个蒸发器，
其中每个蒸发器包括与经连接的静止导电主触头集成并且在所述经连接的静止导电主触头内形成的蒸发室，
其中所述流体导管结构包括：
延长管，所述延长管具有连接到所述经连接的静止导电主触头并且与其蒸发室连通的第一端，
冷凝器管结构，所述冷凝器管结构与所述延长管分开并且连接到所述冷凝器装置，以及
过渡管结构，所述过渡管结构将所述延长管连接到所述冷凝器管结构，其中所述过渡管结构与所述延长管分开并且与所述冷凝器管结构分开，其中所述过渡管结构与所述延长管分开并且与所述冷凝器管结构分开，并且所述过渡管结构是将所述延长管从所述冷凝器管结构电绝缘的绝缘部件，
其中所述冷凝器装置是被动空气冷却的翅片式换热器；
所述冷却装置进一步包括在流体导管结构内嵌套的流分离软管网络，所述流分离软管网络被构建和布置为将所述冷凝的工作流体返回到所述蒸发室；
其中所述流分离软管网络包括分流器，所述分流器具有第一端和第二端，所述第一端具有用于从所述冷凝器装置接收所述冷凝的工作流体的单个输入，所述第二端具有用于将所述冷凝的工作流体返回到所述蒸发室的多个输出。
2.根据权利要求1所述的用于开关设备的冷却装置，其中所述工作流体是从由氢氟碳化物、氟化酮和氢氟醚制冷剂以及其任意混合物组成的组中选择的。
3.根据权利要求1所述的用于开关设备的冷却装置，其中所述至少一个蒸发器被构建和布置为机械地外部连接到所述多个静止导电主触头。
4.根据权利要求1所述的用于开关设备的冷却装置，其中所述冷却装置与所述多个静止导电主触头以及所述套管板组合，每个静止导电主触头可移除地连接到所述套管板。
5.根据权利要求4所述的用于开关设备的冷却装置，其中安装结构被固定到所述套管板，并且以可移除的方式接合所述经连接的静止导电主触头的一部分。
6.根据权利要求5所述的用于开关设备的冷却装置，其中所述安装结构包括具有大体上圆锥形的内表面的金属环，并且所述经连接的静止导电主触头具有可移除地与所述内表面接合的大体上圆锥形的外表面。
7.根据权利要求1所述的用于开关设备的冷却装置，其中每个蒸发室具有接近所述断路器的封闭端以及与所述封闭端相对的开放端，所述流体导管结构连接到所述开放端。
8.根据权利要求1所述的用于开关设备的冷却装置，其中所述过渡管结构包括硼硅玻璃或环氧树脂。
9.根据权利要求1所述的用于开关设备的冷却装置，其中所述冷凝器管结构包括具有连接到所述冷凝器装置的第一端的单个冷凝器管，并且所述过渡管结构包括连接到经连接的延长管以及连接到所述单个冷凝器管的第二端的过渡管。
10.根据权利要求9所述的用于开关设备的冷却装置，其中所述单个冷凝器管的所述第二端是与每个过渡管连接的分支端。
11.根据权利要求1所述的用于开关设备的冷却装置，其中所述冷凝器管结构包括多个冷凝器管，每一个都具有连接到所述冷凝器装置的第一端，并且其中所述过渡管结构包括多个过渡管，每个过渡管连接到经连接的延长管并且连接到经连接的冷凝器管的第二端。
12.根据权利要求11所述的用于开关设备的冷却装置，其中所述冷凝器装置包括布置在两个翅片板之间的多个独立并且密封的室，每个冷凝器管的所述第一端与经连接的密封的室流体连通。
13.根据权利要求1所述的用于开关设备的冷却装置，其中流分离软管网络包括软管，所述软管具有在每个蒸发室内延伸所述蒸发室的整个内部横向距离的从50％到99％的距离的端。
14.根据权利要求1所述的用于开关设备的冷却装置，其中所述流分离软管网络包括由从含氟聚合物、聚醚醚酮、天然橡胶、合成橡胶及其任何组合组成的组中选择的电绝缘聚合物所组成的软管。
15.根据权利要求1所述的用于开关设备的冷却装置，其中所述分流器包括用于允许在所述流体导管结构内部冷凝的工作流体的流入的至少一个开口。
16.一种用于开关设备的冷却装置，所述开关设备具有多个静止导电主触头，所述多个静止导电主触头由套管板支撑并且被构建和布置为连接到断路器的端子，所述冷却装置包括：
至少一个蒸发器，所述至少一个蒸发器被构建和布置为与每个静止导电主触头连接；
冷凝器装置，所述冷凝器装置位于比所述至少一个蒸发器更高的高度处；
流体导管结构，所述流体导管结构将所述至少一个蒸发器与所述冷凝器装置连接；以及
电绝缘工作流体，所述电绝缘工作流体在所述至少一个蒸发器中以便于被加热成蒸汽状态，其中所述流体导管结构被构建和布置为将所述蒸汽传送到所述冷凝器装置，并且将冷凝的工作流体被动地返回到所述至少一个蒸发器，
其中每个蒸发器包括与所述经连接的静止导电主触头集成并且在所述经连接的静止导电主触头内形成的蒸发室，其中所述蒸发室中的至少一些蒸发室彼此流体连通；
所述冷却装置进一步包括在流体导管结构内嵌套的流分离软管网络，所述流分离软管网络被构建和布置为将所述冷凝的工作流体返回到所述蒸发室；
其中所述流分离软管网络包括分流器，所述分流器具有第一端和第二端，所述第一端具有用于从所述冷凝器装置接收所述冷凝的工作流体的单个输入，所述第二端具有用于将所述冷凝的工作流体返回到所述蒸发室的多个输出。
17.一种冷却开关设备的方法，所述开关设备具有被构建和布置为连接到断路器的端子的静止导电主触头，所述方法包括下述步骤：
在每个静止导电主触头内提供蒸发器，
提供位于比每个蒸发器更高的高度处的冷凝器装置、将所述蒸发器与所述冷凝器装置流体连接的流体导管结构、以及在所述蒸发器中的工作流体，所述流体导管结构包括具有连接到经连接的静止导电主触头并且与其蒸发室连通的第一端的延长管，与所述延长管分开并且连接到所述冷凝器装置的冷凝器管结构，以及将所述延长管连接到所述冷凝器管结构的过渡管结构，其中所述过渡管结构与所述延长管分开并且与所述冷凝器管结构分开，
从所述静止导电主触头向所述工作流体传送热，以使得所述工作流体在所述蒸发器中进行蒸发，而所蒸发的蒸汽经由所述流体导管结构被递送到所述冷凝器装置，以及
经由所述流体导管结构将在所述冷凝器装置中冷凝的所述工作流体被动地返回到所述蒸发器，
其中每个蒸发器包括与每个静止导电主触头集成并且在每个静止导电主触头内的蒸发室，
其中所述蒸发室中的至少一些蒸发室与彼此流体连通；
其中经由在所述流体导管结构内嵌套的流分离软管网络将冷凝的所述工作流体返回到所述蒸发室；
其中所述流分离软管网络包括分流器，所述分流器具有第一端和第二端，经由所述第一端的单个输入，从所述冷凝器装置接收所述冷凝的工作流体，经由所述第二端的多个输出，将所述冷凝的工作流体返回到所述蒸发室。
18.根据权利要求17所述冷却开关设备的方法，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流体导管结构。
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