CN103683041A - 具有星形冷凝器的用于开关装置的无源冷却系统 - Google Patents

Abstract

本文提供一种具有星形冷凝器的用于开关装置的无源冷却系统。一种用于冷凝蒸汽为液体以便冷却开关装置的冷凝器，开关装置具有在外壳以内的发热部件和与发热部件关联的管道结构。工作流体设置于管道结构的端部内。冷凝器包括限定体并且具有第一和第二相对开端的空心管状基部。多个散热片从基部的外围延伸。散热片有间隔关系并且设置于基部的整个圆周周围。第一端帽耦合到基部以便封闭第一开端。第二端帽耦合到基部以封闭第二开端。第二端帽具有被构造和布置用于流动地连通管道结构与体的端口结构。

Description

具有星形冷凝器的用于开关装置的无源冷却系统

技术领域

本发明涉及开关装置电路断路器，并且更具体地涉及一种包括星形冷凝器的冷却系统。

背景技术

开关装置配置具有基于在周围室温之上的生热的电流限制。一般希望限制开关装置主汇流条上的最热点的最高温度为如标准IEEE37.20.2所规定的105℃(在40℃的假定的周围温度之上的65℃的上升)。由于热生成，典型的中和高电压金属包层开关装置布置具有约3000A的最大连续电流额定值。希望增加这一电流额定值至4000A及以上。

参照图1，在10处大体地指示的常规基于热管的冷却系统针对向在开关装置外壳12以外的周围环境散热提供附加路径。在于2012年4月12日提交的第13/444,888号共同未决的美国申请中公开这样的系统。热能够通过利用热驱动的蒸发和冷凝过程从热源很高效地被传送，并且随后向散热器散热。热管是部分由工作流体填充的真空密封系统。在14处大体地指示的专用蒸发器节段(来自开关装置的热输入)可以借助柔性和很紧凑的热管或者管道结构18连接到冷凝器16(热输出至环境)。这样的系统能够作为开关装置外壳系统的集成部分来使用，而不违反对于自包含式隔间的要求。

开关装置设备可以由一个公共热管网络冷却，该公共热管网络具有用作散热器的一个冷凝器或者具有若干热管，以并行地且具有独立矩形盒型冷凝器16地来操作该热管。冷凝器16优选地位于开关装置壳12的背面处或者顶部上。

冷凝器费用占系统总成本的约50％。并且常规冷凝器176由一个大型铝矩形体构建，该矩形体具有用于热管中的每一个热管的六个独立室，这造成安装繁琐的重型构造。

因此需要提供一种减少制造成本并且模块式而且易于在有限空间中安装的冷凝器结构。

发明内容

本发明的目的是满足以上提到的需要。根据本发明的原理，通过提供一种用于冷凝蒸汽为液体以便冷却开关装置的冷凝器来实现这一目的。开关装置具有在外壳以内的至少一个发热部件和与发热部件关联的管道结构。工作流体设置于与发热部件关联的管道结构的端部内。冷凝器包括限定体的空心管状基部并且具有第一和第二相对开端。基部具有圆周。多个散热片从基部的外围延伸。散热片有间隔关系并且设置于基部的整个圆周周围。第一端帽耦合到基部以便封闭第一开端。第二端帽耦合到基部以封闭第二开端。第二端帽具有端口结构，端口结构被构造和布置用于流动地连通管道结构与体，从而在工作流体由发热部件加热成汽态时，管道结构被构造和布置用于向冷凝器传送蒸汽，而散热片通过自然对流向周围空气传热并且蒸汽在基部的体内相变成液体。液体无源地返回到管道结构的端部、由此冷却至少一个发热部件。

根据本发明的另一方面，一种方法冷却开关装置，开关装置具有在开关装置的外壳内部的至少一个发热部件。该方法提供装配在外壳外部的冷凝器。冷凝器包括限定封闭体的空心管状基部。基部具有圆周。多个散热片从基部的外围延伸。散热片有间隔关系并且设置于基部的整个圆周周围。体与管道结构流动地连通。管道结构与发热部件关联。在与发热部件关联的管道结构的端部内提供工作流体。热从发热部件向工作流体传送以使工作流体蒸发，而蒸发的蒸汽经由管道结构被递送至冷凝器。经由散热片通过自然对流向周围空气传热，而蒸汽在基部的体内相变成液体。液体无源地返回到管道结构的端部、由此冷却至少一个发热部件。

本发明的其它目的、特征和特点以及结构的有关单元的操作方法和功能、部分的组合和制造经济性将在参照附图考虑以下具体描述和所附权利要求时变得更清楚，所有附图形成本说明书的部分。

附图说明

将从结合附图进行的对本发明的优选实施例的以下具体描述中更好地理解本发明，在附图中，相似标号指示相似部分，在附图中：

图1是表示为装配在开关装置中的形式为热管结构和常规冷凝器的常规蒸发冷却系统的视图。

图2是用于图1中所示类型的开关装置蒸发冷却系统的根据一个实施例提供的星形冷凝器的分解图。

图3a-3c示出配置图2的星形冷凝器的各种方式。

图4是用于耦合到图2的冷凝器的管道结构的部分的截面图。

图5a是图2的冷凝器的底部端帽的端口结构的端视图。

图5b是图2的冷凝器的底部端帽的端口结构的另一实施例的端视图。

图6是表示为装配在开关装置外壳上的并且与管道结构连接的实施例的六个冷凝器的视图。

图7是具有板到板连接的根据另一实施例提供的星形冷凝器的分解图。

具体实施方式

参照图2，示出用于开关装置蒸发冷却系统的根据一个实施例提供的在16’处大体地指示的冷凝器。冷凝器16’包括分别具有第一和第二相对开端22和24的空心管状基部20。基部20具有圆周C和内部体V(图3a)。多个散热片26以悬臂方式从基部20的外围延伸。散热片26有间隔关系并且设置于基部20的整个圆周C周围。因此，在从端部查看时，冷凝器大体上为星形并且关于纵轴X对称。冷凝器16’优选地由挤制型材制成、比如由具有最小化壁厚度的铝制成。

参照图3a-3c，可以用各种方式制造星形冷凝器16’，所有方式的共同点在于散热片26由挤制型材制成。图3a示出基部20和散热片26的一体构造。图3b示出基部20和在27处大体地指示的分离散热片节段。每个散热片节段27包括弧形构件25和耦合到弧形构件的散热片26。每个弧形构件25耦合到基部20的外围。图3c示出在体V内部的两段结构，该结构具有在其壁31处接合到第二节段29’的第一节段29。图3a-3c示出简化示例，但是可以将外部散热片26轴向地开槽以便增加表面积和/或可以将每个散热片26附加地分岔。其它更复杂的热传递增强包括表面的机械(例如喷沙)和化学处理。另外，通过表面涂层、涂刷或者阳极氧化可以提高辐射热传递。

回到图2，在第一开端22中接收在28处大体地指示的顶部帽以封闭第一开端22。顶部端帽28包括用于接收干燥剂以在长时间段内吸收扩散的水的干燥剂容器30。顶部端帽28也优选地包括检修端口32。

在第二开端24中接收在34处大体地指示的底部端帽以封闭第二开端24。底部端帽34包括端口结构36，该端口结构连接图1(和图6中所示)的热管或管道结构18至基部20的体V。参照图1和4，管道结构18包括内部空腔38和在内部空腔38中的液体返回管40。管道结构的端部42与关联于主触点44的蒸发室有流动连通。蒸发室可以视为管道结构18的端部42的部分。液体工作流体47设置于蒸发室中。管道结构18的另一端46耦合到底部帽34的端口结构36。端帽28和34封闭体V。

图5a示出具有至少两个分离管的端口结构36的端视图，这些管限定用于蒸汽(G)的通道48和用于液体工作流体(L)的通道50。通道48与管道结构18的内部空腔38连通，并且通道50与管道结构18的液体返回管40连通。备选地，如图5b中所示，端口结构36’可以由带有至少两个分离通道48’(用于气体G)和50’(用于液体工作流体L)的挤制型材制成。

冷凝器16’能够取代图1的系统中的冷凝器16用于诸如与电路断路器45关联的主触点44的发热部件的蒸发冷却。因此，热管冷却系统操作以通过经由工作流体47的使用将热从第一位置(例如，在与主汇流条15关联、比如与母线17耦合或者与主触点44耦合的发热部件附近)传递至第二位置传热来冷却第一位置。液体工作流体47驻留在与主触点关联的每个蒸发室的底部内，如于2012年4月12日提交的第13/444,888号共同未决美国申请中公开的那样，该申请的内容通过引用结合于本说明书中。来自主触点44的热使液体工作流体47主要在蒸发室中蒸发。随后，工作流体(主要在气或者汽态G中)经过管道结构18的内部空腔38、经过底部帽34的端口结构36的通道48向上移动到冷凝器16’的体V，在该体V中蒸发的工作流体的大部分冷凝回至液态时释放热。冷凝的(例如液体L)工作流体然后从冷凝器16’、经过液体返回管50向下移动回到与主触点44关联的蒸发室以完成冷却循环。

参照图6，冷凝器16’与关联的管道结构18流动地耦合以针对诸如母线17和主触点44的开关装置外壳12内的各种位置提供冷却。如图所示，六个分离的冷凝器16’被提供并且以相邻的方式装配至外壳12的顶部52。如以上所言，在操作中，蒸汽从关联的管道结构18进入体V并且都沿着基部20的内表面冷凝。通过相变(蒸汽到液体)释放热、经过铝散热片26传导热并且主要通过在散热片26的外表面处的自然空气对流向周围放热。在每个冷凝器16’的底部收集并且仅通过重力在通道50和返回管40中排尽冷凝物。

如以上所言，蒸汽都沿着管状基部20的内表面冷凝。通过增加这一内表面积来减少热冷凝阻力。可以通过在基部20的内侧表面处具有轴向波纹状或者甚至略微带翅的结构来增加这一表面积。

如果管状基部20的直径等于散热片26的长度则满足空间的最优利用(max[Area_Conv/Volume_Condenser])。换而言之，带翅的构造的总外部直径近似为每个散热片26的长度的三倍，从而造成充气室后面的空间(见图6)的最佳利用。

冷凝器16’的总外表面积，例如它的自然对流阻力，取决于每个系统的总热通量。例如去除350瓦特热需要约3.9平方米的表面(例如仅通过温度为40℃(最坏情况)的周围空气的自然对流并且在给定70℃以上的冷凝器壁温度时去除热(350W))。如以上提到的那样，管直径等于散热片长度，这产生估计等式：

$A=2\frac{\mathrm{\πs}}{d}\mathrm{sh}\→s=\sqrt{\frac{\mathrm{Ad}}{2\mathrm{\πh}}}$

其中总(散热片)表面为A、冷凝器高度为h、散热片长度为s，并且在散热片之间的给定距离为d。就这一示例而言，散热片的长度近似为s=0.11米。

迄今为止，冷凝器16是热管冷却系统的固有部分并且直接连接到真空密封管道系统。为了组装，有利的是操纵冷凝器与蒸发器/管道系统完全分离以便减少总重量并且避免在现场组装开关装置设备时对冷凝器的任何损害。这样的去耦合可以由如图7中所示用板到板连接器54热和机械附着的冷凝器16”的第二实施例实现。两个串联热管18(未示出)与板56和58连接。

冷凝器16’、16”减少制造成本，其比由一个公共铝体构建的常规冷凝器16较少繁琐和更轻，该铝体具有用于热管中的每一个热管的六个独立室。六个冷凝器必须适合在充气室后面和开关装置外壳12上面的空间很有限的区域。冷凝器16’、16”为模块化并且容易可适配(例如限制高度)用于这样的有限空间。挤压具有散热片的冷凝器体(例如为一体)并且需要很少附加加工从而实现成本高效解决方案。管状基部20的体V足够宽敞使得可以包括具有干燥剂的容器30。利用其它冷凝器配置，这一容器将附着于外侧，因此增添制造成本，因为它需要被封闭为真空密封。轴向对称配置使得易于在底部端帽34处从蒸汽相分离液体。在图6的实施例中，每个热管18配备有它自己的冷凝器16’；因此减少系统的重量并且简化与开关装置设备的组装。

已经出于举例说明本发明的结构和功能原理以及举例说明采用优选实施例的方法这样的目的而示出和描述前述优选实施例，并且这些优选实施例受到改变而未脱离这样的原理。因此，本发明包括在所附权利要求的精神内涵盖的所有修改。

Claims (19)

1.一种用于冷凝蒸汽为液体以便冷却开关装置的冷凝器，所述开关装置具有在外壳以内的至少一个发热部件和与所述发热部件关联的管道结构，工作流体设置于与所述发热部件关联的所述管道结构的端部内，所述冷凝器包括：

空心管状基部，限定体并且具有第一和第二相对开端，所述基部具有圆周，

多个散热片，从所述基部的外围延伸，所述散热片有间隔关系并且设置于所述基部的整个所述圆周周围，

第一端帽，耦合到所述基部以便封闭所述第一开端，以及

第二端帽，耦合到所述基部以封闭所述第二开端，所述第二端帽具有端口结构，所述端口结构被构造和布置用于流动地连通所述管道结构与所述体，从而在所述工作流体由所述发热部件加热成汽态时，所述管道结构被构造和布置用于向所述冷凝器传送所述蒸汽，所述散热片通过自然对流向周围空气传热并且所述蒸汽在所述基部的所述体内相变成液体，所述液体无源地返回到所述管道结构的所述端部，由此冷却所述至少一个发热部件。

2.根据权利要求1所述的冷凝器，其中所述散热片以悬臂方式从所述基部延伸。

3.根据权利要求1所述的冷凝器，其中所述散热片和所述基部为一体挤压。

4.根据权利要求1所述的冷凝器，其中在多个分离散热片节段中提供所述散热片，每个散热片节段包括弧形构件和耦合到所述弧形构件的散热片，每个弧形构件耦合到所述基部的所述外围。

5.根据权利要求1所述的冷凝器，其中所述冷凝器提供为两段构造，所述两段构造具有在其所述体内部的壁处接合到第二节段的第一节段。

6.根据权利要求1所述的冷凝器，其中所述冷凝器关于其纵轴对称。

7.根据权利要求1所述的冷凝器，其中所述第一端帽包括被构造和布置用于在其中接收干燥剂的容器。

8.根据权利要求1所述的冷凝器，其中所述端口结构在其中包括第一和第二通道，所述第一通道被构造和布置用于接收所述蒸汽，并且所述第二通道被构造和布置用于接收所述液体。

9.根据权利要求8所述的冷凝器，与所述管道结构组合，所述管道结构包括与所述第一通道流动连通的内部空腔，以及在所述内部空腔中并且与所述第二通道流动连通的液体返回管。

10.根据权利要求11所述的冷凝器，与所述开关装置进一步组合，并且其中提供多个分离的冷凝器，每个冷凝器与关联的管道结构连接，并且以与所述开关装置的所述外壳的顶部相邻的方式装配每个冷凝器。

11.根据权利要求10所述的冷凝器，其中每个散热片的长度近似为0.11米。

12.一种冷却开关装置的方法，所述开关装置具有在所述开关装置的外壳以内的至少一个发热部件，所述方法包括以下步骤：

提供装配在所述外壳外部的冷凝器，所述冷凝器包括：

空心管状基部，限定封闭体，所述基部具有圆周，以及

多个散热片，从所述基部的外围延伸，所述散热片有间隔关系并且设置于所述基部的整个圆周周围，

流动地连通所述体与管道结构，所述管道结构与所述发热部件关联，工作流体设置于与所述发热部件关联的所述管道结构的端部内；

允许从所述发热部件向所述工作流体传热以使所述工作流体蒸发而所述蒸发的蒸汽经由所述管道结构递送至所述冷凝器，

经由所述散热片通过自然对流向周围空气传热，所述蒸汽在所述基部的所述体内相变成液体，并且

使所述液体无源地返回到所述管道结构的所述端部，由此冷却所述至少一个发热部件。

13.根据权利要求12所述的方法，其中提供所述冷凝器使得所述散热片以悬臂方式从所述基部延伸。

14.根据权利要求13所述的方法，其中提供所述冷凝器使得所述散热片和所述基部为一体挤压。

15.根据权利要求12所述的方法，其中提供所述冷凝器为关于其纵轴对称。

16.根据权利要求12所述的方法，其中第一端帽耦合到所述基部的一端并且限定容器，所述方法在所述容器中进一步提供干燥剂。

17.根据权利要求12所述的方法，其中第二端帽耦合到所述基部的第二端，所述第二端帽包括与所述体流动连通的端口结构，所述流动地连通所述体与所述管道结构的步骤包括将所述管道结构耦合到所述端口结构。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述端口结构在其中包括第一和第二通道，所述第一通道被构造和布置用于接收所述蒸汽并且所述第二通道被构造和布置用于接收所述液体，并且其中所述管道结构包括与所述第一通道流动连通的内部空腔以及在所述内部空腔中并且与所述第二通道流动连通的液体返回管。

19.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

提供多个分离的冷凝器，每个冷凝器与关联的管道结构连接，并且

以与所述开关装置的所述外壳的顶部相邻的方式装配每个冷凝器。

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