CN104170043A - 用于具有增强母线接头冷却的开关的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于开关的冷却装置，此开关具有与断路器的端子连接的至少一个主触头，母线接头连接到主触头。冷却装置包括与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。热管结构使蒸发器与冷凝器流体地连接。热传送结构与母线接头联接以使热量从所述母线接头移除。工作流体在蒸发器中以便被加热到蒸汽状态，热管结构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。

Description

用于具有增强母线接头冷却的开关的冷却装置

技术领域

本发明涉及开关断路器，并且更具体地说，涉及增强沿着电流路径的其它热点冷却的冷却装置。

背景技术

开关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主总线上的最热点的最大温度限制到105℃(升高超过40℃的假设的周围环境温度65℃)，如通过标准IEEE37.20.2所指示的。由于产生热量，通常的中间与高电压金属包覆开关装置具有约3000A的最大连续电流额定值。理想的是将此电流额定值增加到约4000A。

由于这些开关必须是抗电弧故障的，因此使由开关隔室内部的额定电流产生的热损失消散是非常困难的。目前通过从电流路径到封装并且然后到周围环境的辐射与对流消散热损失。此热传递过程是低效率的，并且因此开关产品通常地通过其额定电流而被热限制。

因此，需要提供用于开关的冷却装置，其冷却主要触点并且还减小了沿着包括母线接头的电流路径的温度增加。

发明内容

本发明的目的是实现上述需要。根据本发明的原理，通过提供用于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的开关的冷却装置实现了此目的，母线接头连接到主触头。冷却装置包括构造并且布置为与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。热管结构使蒸发器与冷凝器流体地连接。热传送结构与母线接头联接以使热量从母线接头移除。工作流体在蒸发器中以便加热到蒸汽状态，热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。

根据实施方式的另一个方面，提供了用于开关的热传送结构，该开关具有构造并且布置为连接到断路器端子的一个或多个主触头，并且母线接头连接到主触头。每个母线接头都包括平行布置的至少一对第一母线以限定其间的空间。热传送结构包括：多个翅片、以及穿过所述翅片以接合翅片使得翅片处于间隔关系的多个散热器。热传送结构构造并且布置为容纳在第一母线对之间的空间中，使得散热器沿着第一母线分配热量，翅片通过自然对流将热量传送到周围空气。

根据实施方式的另一个方面，提供了冷却开关的方法。此开关具有构造并布置为与断路器的端子连接的至少一个主触头，以及连接到主触头的母线接头。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。热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。此方法将热传送结构联接到母线接头。热量从主触头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。热量经由热传送结构从母线接头移除。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。

当参照其全部形成此说明书的一部分的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。

附图说明

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。

图1是示出安装在开关中的以热管结构形式的蒸发性冷却装置的视图。

图2是联接到母线接头处的水平母线的竖直母线的视图，根据实施方式的热传送结构示出为插入到水平母线之间的空间中。

图3是示出联接到母线接头的图2的热传送结构的横截面视图。

图4是作为母线接头与热管结构之间的连接的热传送结构的视图。

图5是作为母线接头与热管结构之间的连接的热传送结构的另一个实施方式。

图6是作为母线接头与热管结构之间的连接的热传送结构的另一个实施方式。

图7是作为将热量从母线接头传送到主触头处的蒸发器的散热器的热传送结构的另一个实施方式的视图。

具体实施方式

参照图1，大体上以10指示的以热管系统的形式的冷却装置，示出为如在共同拥有的，共同未决的标题为“具有蒸发性冷却装置的开关”的代理案号US 11033-31-553的美国专利申请中公开的，其内容在此通过引用的方式包含在本说明书中。热管系统10用于在不破坏用于开关14的自容纳隔室的安全要求的情况下有效地冷却主触头12。系统10包括与各主触头12相关的蒸发器15以及联接在蒸发器15与冷凝器17之间的热管结构16。冷凝器17定位在比蒸发器15更高的高度处。主触头12的热量致使蒸发器15中的工作流体蒸发并且蒸汽被引导到冷凝器17。由于与周围空气的热交换，冷凝器17将蒸汽冷凝返回到液态并且液态工作流体经由热管结构16返回到蒸发器15以完成冷却循环。此蒸发性冷却减小了在主要热源处的热量并且允许较高的额定电流。然而，由于增加的电流流动，沿着电流路径与其它电部件的热损失变得被热限制，尤其是在大体上以18指示的连接到主触头12的母线接头或缆线连接器处。

参照图2，用于冷却母线接头18处的额外热点的冷却装置的第一实施方式增加了到周围空气的热传送。由此，冷却装置是设置在平行布置的一对第一水平母线24之间的空间22中的大体上以20指示的热传送结构。水平母线24联接到第二、竖直母线26以限定母线接头18。竖直母线26以传统方式与主触头12电连接。因此，热传送结构20与图1的热管系统一起使用以减少在母线接头18处的热量。

参照图2和图3，热传送结构20包括多个穿过多个翅片30并且将多个翅片30接合在一起的多个散热器28。翅片30是金属的并且是隔开的关系。翅片30基本上相对于散热器28横向地布置。如图3中所示，每个散热器28是金属线，热管、或者具有与竖直母线26接合的端部32的其它热传送构件。散热器28减小了在母线接头18处的温度峰值，并且沿着母线24、26分配热量。翅片30通过自然对流增加了到周围空气的热传送(箭头H)。由此，实现了母线接头18的被动冷却。然而，如果通过例如风扇迫使空气循环，那么热移除就可能成为主动的。

由于散热器28与翅片30是金属的并且与母线24、26接触，因此它们位于与母线24、26相同的电压电势。如果热传送结构20基本上不被母线24、26围绕，那么将在翅片30的尖端形成高电场。利用热传送结构20的几何形状，周围的母线24、26提供了屏蔽效果以减小电场。

参照图4-图6，示出了用于冷却母线接头18的热传送结构的第二实施方式。第二实施方式包括将母校接头18消散的热量引导到用于冷却主触头12的热管系统10(图1)。此第二实施方式可以制造为具有圆角边缘，和/或覆盖以绝缘塑料层(例如，环氧树脂)。此外，可以通过将短的热管嵌入此结构的内部来改进其热传导性。

参照图4，以金属连接结构36的形式的热传送结构联接在母线接头18(或者其平坦的母线24、26)与圆形热管结构16之间。热管结构16的端部38与同主触头12相关的蒸发器15联通。热管结构16的端部40与冷凝器17(图1)联通。由此，在母线接头18处的热点用作用于热管结构16的辅助蒸发器。此方法提供了最低热阻。然而，在母线接头18与热管结构16之间没有电绝缘。由此，热管结构16的电绝缘部分42布置在连接结构36与冷凝器17之间。直到母线接头18，热管结构16可以紧密地沿着母线布线，并且由于均具有相同的电压电势甚至直接接触。甚至可以通过联合母线与热管管路以进一步简化此系统。

如这里使用的，“热管结构”16大体上意味着蒸发器15与冷凝器17之间的单个导管组件(例如，软管、管子、管道等)或者承载处于冷凝状态或蒸发状态的工作流体的真空紧密密封地连接的导管结构的网络。例如，并且如图6中所示，热管结构16可以包括其中具有分离的液体返回管21的主管19使得蒸汽可以经由主管通道通过冷凝器并且液体可以经由液体返回管返回到蒸发器15。

参照图5，示出了以连接结构36’的形式的热传送结构的另一个实施方式。母线接头18(或其母线24或26)与热管结构16之间的连接结构36’由具有良热导性的电绝缘材料制成。在此情形中，热管结构16的绝缘部分42’可以刚好定位在主触头(图1)后面，并且此热管结构16在此点上方可以位于地电势。可以通过提供如在图6的电绝缘连接结构36”中示出的金属芯37提高电绝缘连接结构36’的热传导性。诸如铝或铜的材料的金属芯37可以通过螺钉39联接到母线24或26。环氧树脂层41基本上围绕金属芯37以确保周围部件的介电安全。环氧树脂夹具43可以通过使用螺钉39将热管结构16夹紧到环氧树脂层41。金属芯37可以是单个、固体构件或者可以包括多个小的热管或散热器。再次，在图5和图6的实施方式中母线接头加热用作辅助蒸发器。

参照图7，示出了用于冷却母线接头18的热传送结构的另一个实施方式。通过布置在平行的竖直母线26对与平行水平母线24对之间的以散热器429(例如，一个或几个平行的热管)的形式的热传送结构引导来自母线接头18的热负荷，向下到主触头12，到蒸发器15并且到工作流体44。然后来自主触头12和母线接头18的热量经由热管结构16中的工作流体以被动的方式传送到冷凝器17。散热器优选地是从母线24、26汲取热量的金属或其它热传导性构件。

在图1的实施方式中，仅在主触头26处的热点通过热管16冷却。沿着电流路径在其它点处(如例如母线接头18处)消散的热量仅可以通过辐射、对流、或者沿着母线24、26的传导而引开。由于主触头的冷却允许较高的额定电流，因此这不再充分，并且如已经提及的，出现其它热点。图4-图7的实施方式经由用于冷却主触头26的热管结构16将热量从母线接头18移除，而图2的实施方式提供了通过对流的母线接头18的冷却，以允许开关14的增加的额定电流。

此实施方式的冷却系统可以仅对开关14进行小的改变而结合。通过图2的实施方式，多个热传送结构20具有相同的构造以便是成本高效的。通过图4-图7的实施方式，母线24、26的下部可以与热管结构16接触并且由此被高效地冷却。这允许减小母线尺寸并且节约材料成本。甚至可以通过联合母线与热管结构进一步简化此冷却系统。此冷却方法还可以应用到任何其它额外热点。

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。

Claims (20)

1.一种用于开关的冷却装置，所述开关具有构造并布置为与断路器的端子连接的至少一个主触头，母线接头连接到所述主触头，所述冷却装置包括：

蒸发器，所述蒸发器被构造并且布置为与所述主触头相关，

冷凝器，所述冷凝器定位在比所述蒸发器更高的高度处，

热管结构，所述热管结构流体地连接所述蒸发器与所述冷凝器，

热传送结构，所述热传送结构与所述母线接头联接以使热量从所述母线接头移除，以及

在所述蒸发器中的工作流体，以便被加热到蒸汽状态，所述热管结构被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。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其中热传送结构包括：

多个翅片，以及

多个散热器，所述多个散热器穿过所述翅片以接合所述翅片使得所述翅片处于间隔关系，

其中所述热传送结构被构造并且布置为容纳在所述母线接头的一对第一母线之间的空间中，使得所述散热器沿着所述第一母线分配热量，所述翅片通过自然对流将热量传送到周围空气。

3.根据权利要求1所述的冷却装置，其中所述翅片是金属的并且相对于所述散热器基本上横向地布置。

4.根据权利要求1所述的冷却装置，与所述母线接头组合，所述第一母线对联接到第二母线，所述第二母线被构造并且布置为与主触头连接。

5.根据权利要求4所述的组合，其中每个散热器的端部都与第二母线联接。

6.根据权利要求5所述的组合，其中每个散热器是金属线或热管。

7.根据权利要求1所述的冷却装置，其中所述热传送结构包括将所述母线接头联接到所述热管结构的一部分的金属连接结构使得来自所述主触头与所述母线接头的热量通过所述热管结构传送到所述冷凝器。

8.根据权利要求1所述的冷却装置，其中所述热传送结构包括将所述母线接头联接到所述热管结构的一部分的电绝缘与热传导性连接结构，使得来自所述主触头与所述母线接头的热量通过所述热管结构传送到所述冷凝器。

9.根据权利要求8所述的冷却装置，其中所述热传导性连接结构的热传导性部分包括金属芯。

10.根据权利要求1所述的冷却装置，其中所述热传送结构包括从所述母线接头延伸到所述主触头的至少一个热传导性散热器。

11.根据权利要求10所述的冷却装置，其中所述至少一个散热器设置在所述母线接头的母线对之间。

12.一种用于开关的热传送结构，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，并且母线接头连接到所述主触头，每个母线接头都包括平行布置的至少一对第一母线以在其间限定空间，所述热传送结构包括：

多个翅片，以及

多个散热器，所述多个散热器穿过所述翅片以接合所述翅片使得所述翅片处于间隔的关系，

其中所述热传送结构被构造并且布置为容纳在所述第一母线对之间的空间中，使得所述散热器沿着所述第一母线分配热量，所述翅片通过自然对流将热量传送到周围空气。

13.根据权利要求12所述的结构，其中所述翅片是金属的并且相对于所述散热器基本上横向地布置。

14.根据权利要求12所述的结构，与所述母线接头组合，所述第一母线对联接到第二母线，所述第二母线被构造并且布置为与主触头连接。

15.根据权利要求14所述的组合，其中每个散热器的端部都与第二母线联接。

16.根据权利要求15所述的组合，其中每个散热器是金属线或热管。

17.一种冷却开关的方法，所述开关具有被构造并且布置为与断路器的端子连接的至少一个主触头，母线接头连接到所述主触头，所述方法包括以下步骤：

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，

提供使所述蒸发器与所述冷凝器流体地连接的热管结构，并且在所述蒸发器中提供工作流体，

将热传送结构联接到所述母线接头，

将热量从所述主触头传送到所述工作流体以致使所述工作流体在所述蒸发器中蒸发，所述蒸发的蒸汽经由所述流体导管结构传送到所述冷凝器，

经由所述热传送结构将热量从所述母线接头移除，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。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述热传送结构包括：多个翅片、以及穿过所述翅片以接合所述翅片使得所述翅片处于间隔关系的多个散热器，所述联接的步骤在所述母线接头的一对母线之间的空间中提供所述热传送结构，并且所述移除热量的步骤包括利用所述散热器沿着所述母线分配热量，所述翅片通过自然对流将热量传送到周围空气。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述联接所述热传送结构的步骤提供将所述母线接头连接到所述热管结构的一部分的热传导性连接结构，并且所述移除热量的步骤包括经由所述连接结构将热量传送到所述热管结构。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述联接所述热传送结构的步骤提供从所述母线接头延伸到所述主触头的热传导性散热器，并且所述移除热量的步骤包括将热量传送到所述主触头并且由此传送到所述蒸发器。