CN113892161A - 用于低压连接的热致变色温度指示 - Google Patents

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Abstract

包括热致变色材料的指示标签安装成与外壳中的电气部件热接触。外壳的盖中的观察端口与指示标签并置，使得能够目视观察指示部件温度的热致变色材料。每个指示标签包括位于臂的一端的可见部分和位于另一端的紧固部分，紧固部分与部件热接触，热致变色材料位于可见部分。指示标签由具有高热导率的材料构成，以有效地将热量朝向可见部分传导。在部件紧密在一起的外壳中，臂可以由高电阻率材料构成，以避免与其他部件产生短路。可替代地，在部件未被紧密定位的外壳中，臂可以由金属材料构成。

Description

用于低压连接的热致变色温度指示
相关申请的交叉引用
本国际申请基于2019年5月30日提交的题为“THERMOCHROMIC TEMPERATUREINDICATION FOR LOW VOLTAGE CONNECTIONS”的美国专利申请序列号16/426752，并要求其优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开涉及外壳中的电气部件的热监测，更具体地涉及变色材料，该变色材料基于它们所接触的电气部件的温度而改变颜色。
背景技术
热监测是许多客户日常预防性维护活动的一项重要活动和一部分。常见的方法是使用IR扫描设备定期进行热监测。打开电气机柜门，用IR测量工具扫描设备，寻找需要注意的热点。通常，IR扫描需要给电气装置通电并产生热量，有可能暴露到带电部件。
发明内容
根据本文描述的一个实施例，热监测系统能够从电气外壳外部的观察点对带电设备进行被动热扫描。该系统由一个或多个指示标签构成，这些标签包含热致变色材料，该材料根据与其热接触的电气部件的温度而改变颜色。每个指示标签包括由具有高热导率的材料构成的臂。位于臂的一端的指示标签的可见部分包括热致变色材料。指示标签的紧固部分位于臂的相对端，并与外壳内的电气部件热接触。外壳盖中的观察端口与指示标签的可见部分并置，以便能够从外壳外部目视观察热致变色材料的颜色，该颜色指示电气部件的温度。
每个指示标签由具有高热导率的材料构成，以有效地将热量从紧固部分朝向指示标签的热致变色材料所位于的可见部分传导。当指示标签用于部件被紧密定位的电气外壳时，臂可以由高电阻率材料构成，以防止电气部件和附近其他电气部件之间的电气短路。可替代地，当指示标签用于部件没有被紧密定位的电气外壳时，臂可以由具有高热导率的金属材料构成，以有效地将热量从紧固部分朝向指示标签的热致变色材料所位于的可见部分传导。
该实施例使人员能够在任何时候快速检测载流部件的温度，而不需要关闭设备。外壳的观察端口或观察窗口使得能够从外壳外部目视观察指示标签的颜色，而不会暴露于危险的带电部件。
指示标签的示例实施例包括：
指示标签，其包括由具有高热导率的材料构成的臂；
位于臂的一端上的指示标签的可见部分，该可见部分包括热致变色材料；以及
位于臂的与可见部分相对的一端上的指示标签的紧固部分，该紧固部分热接触电气部件，该电气部件的温度由可见部分的热致变色材料的颜色指示。
可从外壳外部观察的指示标签的示例实施例包括：
指示标签，其包括由具有高热导率的材料构成的臂；
位于臂的一端上的指示标签的可见部分，该可见部分包括热致变色材料；
位于臂的与可见部分相对的一端上的指示标签的紧固部分，该紧固部分热接触外壳中的电气部件，该部件的温度由可见部分的热致变色材料的颜色指示；以及
外壳的盖中的观察端口，其与指示标签的可见部分并置，使得能够从外壳的外部目视观察热致变色材料的颜色。
附图说明
上文简要概述的本公开的更详细描述可以通过参考各种实施例来获得，其中一些在附图中示出。虽然附图示出了本公开的选定实施例，但这些附图不应被认为限制其范围，因为本公开可以允许其他同等有效的实施例。
图1是外壳及其观察端口的前视图，通过该观察端口可以看到指示外壳内电气部件温度的指示标签的颜色。
图2是图1外壳的前透视图，通过观察端口看到的指示标签指示外壳内电气部件的温度。
图3A是指示标签的第一实施例的俯视图。
图3B是图3A的指示标签的第一实施例的侧视图，示出了其安装在电气部件上。
图4A是具有热致变色材料涂层的指示标签的第二实施例的俯视图。
图4B是图4A的指示标签的第二实施例的侧视图，示出了其安装在电气部件上。
在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中公共的相同元件。然而，在一个实施例中公开的元件可以有益地用于其他实施例，而无需具体叙述。
具体实施方式
根据本文描述的一个实施例，可以通过观察端口从电气外壳的外部安全地监测电气外壳内的带电部件的温度。通过观察端口可以看到指示标签的颜色，指示它们在外壳内接触的电气部件的温度。指示标签包括热致变色材料，该材料根据与其热接触的电气部件的温度改变颜色。每个指示标签包括由具有高热导率的材料构成的臂。位于臂的一端的指示标签的可见部分包括热致变色材料。指示标签的紧固部分位于臂的相对端，并与外壳内的电气部件热接触。外壳的观察端口与指示标签的可见部分并置，以使得能够从外壳外部目视观察热致变色材料的颜色，该颜色指示电气部件的温度。
图1是外壳100及其观察端口120的前视图，通过该观察端口可以看到指示标签110的颜色，其指示外壳内的电气部件114的温度。如通过外壳中的观察端口120看到，每个指示标签110包括与外壳100中的低压电气部件114热接触的热致变色材料112。用于指示电气部件114的温度的指示标签110的应用是用于通常在低于600伏范围内的工作电压。增加电气部件114的温度的热量可以由部件内的电阻加热产生，或者其可以是从其他附近部件辐射或传导的热量。
外壳100的盖102中的观察端口或窗口120与指示标签110并置，以能够从外壳100的外部目视观察热致变色材料112，从而观察指示低压电气部件114的温度的热致变色材料112的颜色。色标130位于盖102上，以便于关联观察到的热致变色材料112的颜色。色标表示被认为是低压电气部件114的“冷”、“暖”、“热”和“注意”状态的温度。例如，没有实际温度值的相对标度可以是蓝色＝0-25％，黄色＝25-50％，橙色＝50-75％，红色＝75+％，其中每个值代表被监测部件的热极限的百分比。
取决于热致变色材料112，颜色变化发生在特定温度，这被称为热致变色转变温度。当达到该转变温度时，颜色变化可能会迅速发生。大多数无机热致变色材料的转变温度高于大多数有机热致变色材料的转变温度。为了监测电气部件的较高温度，无机热致变色材料可能是优选的。
图2是图1的外壳100的前透视图，通过观察端口120看到的指示标签110指示外壳内的电气部件114的温度。指示标签110包括与外壳100中的电气部件114热接触的热致变色材料112。外壳100可以是安全开关、负载中心外壳、HVAC机柜、工业控制面板、封闭电机控制装置、电力变压器机柜等。观察端口120位于这种外壳100的盖102中，与指示标签110的可见部分并置，以便能够从外壳100的外部目视观察热致变色材料的颜色，其指示电气部件114的温度。
图3A是指示标签110的第一实施例的俯视图。指示标签110包括可见部分116，其在臂118的一端可以具有大致圆形形状。可见部分116可以具有其他形状，比如配置为通过观察端口足够可见的方形、矩形或其他多边形，指示电气部件的温度。可见部分116包括指示电气部件114的温度的热致变色材料112，其可以是可见部分116的主体部分的成分中嵌入的热致变色添加剂。臂118的另一端包括紧固部分117，比如臂118中的孔，紧固件115可以穿过该孔，以将指示标签110紧固到电气部件114，用于良好的热接触。
图3B是图3A的指示标签110的第一实施例的侧视图，示出了其通过穿过孔117的紧固件115安装在电气部件114上。也可以使用其他形式的紧固，比如焊接或夹紧到被监测的部件114。电气部件114例如可以是电接线片、母线、电线、刀片或电终端。当电气部件114通电时，流经它的电流产生电阻加热。孔117位置处的紧固件115迫使臂118的下侧抵靠其在电气部件114上的安装位置，以确保从电气部件114到臂118的有效热传递。构成臂118的材料被选择为具有相对高的热导率，被选择为有效地将在孔117的位置进入臂118的热量朝向热致变色材料112所在的指示标签110的可见部分116传导。当指示标签用于部件114紧密间隔在一起的电气外壳中时，臂118可以由高电阻率材料构成，以避免无意中在电气部件114和其他附近电气部件之间产生电短路。可替代地，当指示标签用于部件114未被紧密定位的电气外壳中时，臂118可以由金属材料构成。
诸如环氧树脂、聚氨酯和聚丙烯酸树脂的有机聚合物材料通常具有相对高的电阻率，但也通常具有相对低的热导率。然而，通过引入具有相对高热导率的无机填料，通过引入嵌入的热致变色添加剂，可以产生适用于指示标签110的臂118和可见部分116的复合组合物。
适用于有机聚合物材料的无机填料可以包括氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氮化硅和氧化铍。这些材料具有高的固有热导率和高的电阻率，使它们适用于指示标签110。用于指示标签110的有机聚合物材料的其它合适的无机填料可以包括陶瓷，比如二氧化硅、氧化锌、碳化硅和氧化镁，其是商用电加热器的标准材料。
热致变色材料112可以是聚合物本身、嵌入的热致变色添加剂或具有掺入的热致变色添加剂的聚合物的有序结构以及合适的无机填料比如聚合物-玻璃复合材料。颜色变化可以基于光反射、光吸收或光散射特性随温度变化的变化。在一些实施例中，热致变色材料112可以是热致变色有机材料，其中由液晶制成的某些有机染料在其温度改变时可逆地改变颜色。在一些实施例中，热致变色材料112可以是具有不可逆颜色变化的热敏材料，用于指示和记录在电气部件114中已经出现的温度极值。
热致变色材料112可以是无机热致变色材料，其被引入作为嵌入添加剂，以形成适用于指示标签110的臂118和可见部分116的复合组合物。示例无机热致变色材料的转变温度被提供在Jesse H.Day的技术出版物Thermochromism of Inorganic Compounds,Chem.Rev.,1968,68(6),pp 649–657。例如，热致变色无机氧化物比如二氧化钒(VO2)在68℃的相变温度下发生可逆转变。当材料的温度低于相变温度时，它是红外透明的，而当温度高于相变温度时，它是红外反射的。由相变引起的热致变色的另一示例是Ag2HgI4。室温颜色为暗红色。将Ag2HgI4晶体加热到50℃会导致相变，颜色变为橙色。当材料进一步加热到75℃时，会导致相变颜色变为黑色。参见Alexander N.Bourque,Investigations of Reversible Thermochromism in Three-Component Systems，博士论文，DalhousieUniversity,Halifax,Nova Scotia，2014年3月。碘化铜是固体棕灰色物质，在60-62℃时转变为橙色。偏钒酸铵是白色物质，在150℃时变成棕色，然后在170℃时变成黑色。锰紫(Mn(NH4)2P2O7)是紫色物质，在400℃时变成白色。
热致变色材料112可以是有机热致变色材料，比如嵌入指示标签110的可见部分116的主体的有机液晶或染料。加热材料会改变分子的排列，从而改变材料反射的光的颜色。然而，这些有机材料通常在约100℃的温度下降解。
图4A是指示标签110的第二实施例的俯视图，在指示标签110的可见部分116的基体113上具有热致变色材料112的涂层，比如有机热塑性或热固性涂层。热致变色材料112是可见部分116的基体113上的涂层，该涂层是热致变色聚合物涂层、涂层中嵌入的热致变色添加剂或涂层中掺入热致变色添加剂的聚合物的有序结构中的至少一个。当指示标签用于部件114紧密间隔在一起的电气外壳中时，指示标签110的主体可以是结构绝缘体，比如云母，其既是导热材料又是电绝缘材料。指示标签110的可见部分116可以涂覆有热致变色材料112，比如嵌入有无机或有机热致变色添加剂的环氧树脂、聚氨酯或聚丙烯酸树脂。图4B是图4A的指示标签110的第二实施例的侧视图，示出了在指示标签110的可见部分116的基体113上的无机或有机热致变色材料112的涂层。
在前面，参考了各种实施例。然而，本公开的范围不限于具体描述的实施例。相反，所描述的特征和元件的任何组合，无论是否与不同的实施例相关，都被预期来实现和实践预期的实施例。此外，尽管实施例可以实现优于其他可能的解决方案或现有技术的优点，但特定的优点是否由给定的实施例实现并不限制本公开的范围。因此，前面的方面、特征、实施例和优点仅仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求的要素或限制，除非在权利要求中明确陈述。
应当理解，以上描述旨在说明而非限制。在阅读和理解以上描述后，许多其他实施示例是显而易见的。尽管本公开描述了具体示例，但应当认识到，本公开的系统和方法不限于本文描述的示例，而是可以在所附权利要求的范围内进行修改来实施。因此，说明书和附图被认为是说明性的，而不是限制性的。因此，本公开的范围应当参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
指示标签，其包括由具有高热导率的材料构成的臂；
指示标签的可见部分，位于臂的一端，该可见部分包括热致变色材料；以及
指示标签的紧固部分，位于臂的与可见部分相对的一端，该紧固部分热接触电气部件，该电气部件的温度由可见部分的热致变色材料的颜色指示。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述臂的高热导率有效地将热量从所述指示标签的紧固部分朝向热致变色材料所在的可见部分传导，所述臂的材料还具有高电阻率，防止所述电气部件和其他附近电气部件之间的电气短路。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述臂的材料是金属材料，该金属材料具有高热导率，有效地将热量从所述指示标签的紧固部分朝向热致变色材料所在的可见部分传导。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热致变色材料是所述可见部分的基体上的涂层，所述涂层是热致变色聚合物涂层、涂层中嵌入的热致变色添加剂或涂层中掺入热致变色添加剂的聚合物的有序结构中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述可见部分包括作为可见部分的主体部分中嵌入的热致变色添加剂的热致变色材料。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热致变色材料是有机材料。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热致变色材料是所述指示标签上的热塑性涂层。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热致变色材料基于光反射、光吸收或光散射特性随温度变化的变化中的至少一个而产生颜色变化。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热致变色材料是热致变色有机材料，其中由液晶制成的有机染料在其温度改变时可逆地改变颜色。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热致变色材料是具有不可逆颜色变化的热敏材料，其指示并记录在所述电气部件中已经出现的温度极值。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热致变色材料是无机热致变色材料。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述可见部分在所述臂的一端具有大致多边形形状，所述臂的相对端安装在所述电气部件上。
13.一种设备，包括：
指示标签，其包括由具有高热导率的材料构成的臂；
指示标签的可见部分，位于臂的一端，该可见部分包括热致变色材料；
指示标签的紧固部分，位于臂的与可见部分相对的一端，该紧固部分热接触外壳中的电气部件，该部件的温度由可见部分的热致变色材料的颜色指示；以及
外壳的盖中的观察端口，其与指示标签的可见部分并置，使得能够从外壳外部目视观察热致变色材料的颜色。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述热致变色材料是所述可见部分的基体上的涂层，所述涂层是热致变色聚合物涂层、涂层中嵌入的热致变色添加剂或涂层中掺入热致变色添加剂的聚合物的有序结构中的至少一个。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述可见部分包括作为可见部分的主体部分中嵌入的热致变色添加剂的热致变色材料。
16.根据权利要求13所述的设备，其中，所述臂的高热导率有效地将热量从所述指示标签的紧固部分朝向热致变色材料所在的可见部分传导，所述臂的材料还具有高电阻率，防止所述电气部件和其他附近电气部件之间的电气短路。
17.根据权利要求13所述的设备，其中，所述臂的材料是金属材料，该金属材料具有高热导率，有效地将热量从所述指示标签的紧固部分朝向热致变色材料所在的可见部分传导。
18.根据权利要求13所述的设备，其中，所述热致变色材料基于光反射、光吸收或光散射特性随温度变化的变化中的至少一个而产生颜色变化。
19.根据权利要求13所述的设备，其中，所述热致变色材料是具有不可逆颜色变化的热敏材料，其指示并记录在所述电气部件中已经出现的温度极值。
20.根据权利要求13所述的设备，其中，所述外壳是安全开关、负载中心外壳、HVAC机柜、封闭电机控制装置或电气变压器机柜中的至少一个。
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