CN114730672A - 电气开关装置和包括这种装置的交通工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特别用于铁路交通工具的电气开关装置，包括：第一电触头；第二电触头，该第二电触头可相对于第一触头移动；致动器；和控制模块(40)，该控制模块适于通过致动器控制第二触头在第一位置与第二位置之间的移动，在第一位置中，第一触头和第二触头彼此电连接，在第二位置中，第一触头和第二触头彼此电断开。开关装置还包括热电模块(45)和散热器(50)，热电模块(45)插入在散热器(50)与控制模块(40)之间，并且被配置为优选地通过珀尔帖效应产生从控制模块(40)到散热器(50)的热流。

Description

电气开关装置和包括这种装置的交通工具

【技术领域】

本发明涉及电气开关装置以及包括这种电气开关装置的交通工具。

【背景技术】

常用的电气开关装置包括：两个电触头，该两个电触头可相对于彼此移动；和致动器，该致动器被配置为移动两个电触头中的任一个以断开或闭合包括这两个触头的电路。致动器通常由控制模块或者单独的模块控制，该控制模块例如在用户发出命令时或者在控制模块检测到发生电气故障之后确定是断开还是闭合电路。

控制模块和致动器在其操作期间可能产生热量。另外，组成它们的电子部件的操作受环境温度的影响，使得许多电气开关装置例如经由设置在围绕电气开关装置的壳体中的开口或通过选择将装置定位在气流自然穿过的位置来冷却。例如，在交通工具中，当交通工具移动时产生的气流允许去除一些热量。在一些情况下，开关装置定位在空调隔室(诸如乘客舱)中。

然而，这些已知的冷却方法对开关装置的定位或绝缘(特别是电气绝缘)施加了限制。例如，必须提供将冷却空气引导到开关装置的待冷却部分的管道。另外，已知的冷却方法并不总是足够的，尤其是当所产生的外部气流温度在交通工具移动时较高时，诸如在炎热的国家或在夏天。

因此，需要一种电气开关装置，该电气开关装置比现有技术的开关装置更适应，尤其是在交通工具中的定位方面，同时具有良好的性能。

【发明内容】

为此，提出了一种特别用于铁路交通工具的电气开关装置，该电气开关装置包括：第一电触头；第二电触头，该第二电触头可相对于第一触头移动；致动器；和控制模块，该控制模块适于通过致动器控制第二触头在第一位置与第二位置之间的移动，在第一位置中，第一触头和第二触头彼此电连接，在第二位置中，第一触头和第二触头彼此电断开，开关装置还包括热电模块和散热器，热电模块插入在散热器与控制模块之间，并且被配置为优选地通过珀尔帖效应产生从控制模块到散热器的热流。

根据特定实施方式，电气开关装置具有以下特征中的一个或多个，这些特征单独采取或以任意技术上可以的组合来采取：

-散热器形成界定内部体积的壳体，致动器、控制模块和热电模块容纳在内部体积中；

-控制模块和热电模块安装在壳体的内壁上；

-控制模块包括印刷电路板，热电模块被共同支撑抵靠印刷电路板和散热器；

-印刷电路板具有第一面和第二面，第一面承载一组电子部件，第二面承载将电子部件连接在一起的一组导电轨道，热电模块与第二面接触；

-热电模块包括具有热面(hot face)和冷面(cold face)的热电元件，热电元件被配置为产生从冷面到热面的热流(heat flow)，热电模块还包括第一热板和第二热板，第一热板被夹持在控制模块与热电元件之间，第二热板被夹持在散热器与热电元件之间；

-第二热板由石墨制成。

还提出了一种铁路交通工具，该铁路交通工具包括如先前定义的电气开关装置。

根据特定实施方式，交通工具具有以下特征中的一个或多个，这些特征单独采取或根据任意技术上可以的组合来采取：

-电气开关装置是高压断路器；

-电气开关装置附接至铁路交通工具的顶板，电气开关装置特别地延伸穿过所述顶板中的开口。

【附图说明】

本发明的特征和优点将从以下描述变得显而易见，该以下描述仅被给出为非限制性示例，并且参照附图来进行，附图中：

图1是根据本发明的电气开关装置的示意图，包括控制模块、热电模块和散热器；以及

图2是图1的控制模块、热电模块和散热器的示意图。

【具体实施方式】

图1中示出了电气开关装置10的示例。

特别地，开关装置10集成到图1中部分示出的交通工具15中。例如，开关装置10附接到交通工具15的顶板20。然而，也可以想到其中开关装置10布置在交通工具15内部(诸如在乘客舱中)或在交通工具15的底板下方的实施方式。

根据一个变型，开关装置10集成到诸如建筑物的固定设施中。

交通工具15例如是铁路交通工具。在变型中，交通工具15是机动交通工具、或船舶或飞机。

开关装置10包括第一电触头25、第二电触头30、致动器35、控制模块40、热电模块45和散热器50。

开关装置10被配置为在第一配置与第二配置之间切换，在第一配置中，第一电触头25电连接到第二电触头30，在第二配置中，第一电触头25与第二电触头30电隔离。

开关装置10例如附接到顶板20。根据一个实施方式，开关装置10延伸穿过顶板20中的开口。

开关装置10例如是高压断路器，该高压断路器适于在两个电触头25和30之间的电压大于或等于5千伏(kV)时在第二配置中提供电触头25和30之间的隔离。

特别地，电触头25和30形成插入在接触网或受电弓与交通工具15的电气系统(特别是电力变压器)之间的真空开关。在这种情况下，开关装置10还包括板52和外壳54。

板52例如是金属板，特别是铝板。板52至少部分地封闭开关装置10延伸穿过的顶板开口20。板52例如由顶板20支撑，特别地附接到顶板20的上侧。

板52限定了通道55，致动器35特别地在水平面中延伸穿过该通道。

外壳54从板52开始延伸，特别地沿着交通工具15的竖直方向延伸。外壳54适于将致动器35和触头25、30与外部电隔离。外壳54例如是圆柱形的或者甚至是平行六面体。

外壳54由电绝缘材料制成。外壳54包括例如真空球管(vacuum bulb)60，第一和第二电触头25、30容纳在该真空球管中。以本身已知的方式，真空球管允许电流在高压下切换，同时维持触头25和30之间的小距离，真空然后用作电绝缘体。

开关装置10例如被配置为执行包括触头25和30的电路的电气保护，并且特别地在检测到电气故障的情况下从第一配置切换到第二配置。电气故障例如是短路、着火、过电压或过电流。

在变型中，开关装置10是低压断路器、接触器或某种类型的开关。

第一触头25和第二触头30中的每一个容纳在外壳54内。

第一触头25例如是相对于顶板20固定的触头。例如，第一触头25固定到外壳54。

第二触头30是可在第一位置与第二位置之间移动的触头，在第一位置中，第二触头30抵靠第一触头25，在第二位置中，第二触头30与第一触头25隔开。当第二触头30处于第一位置时，开关装置10处于第一配置，当第二触头30处于第二位置时，开关装置10处于第二配置。

第二触头30例如可沿着交通工具15的竖直方向在其第一位置与第二位置之间移动。

致动器35被配置为使第二电触头30在其第一位置与第二位置之间移动。

致动器35例如包括致动构件65和驱动构件70。

致动构件65通过驱动构件70连接到第二触头30，该驱动构件例如是由诸如基于玻璃纤维的层压板的电绝缘材料制成的杆。

致动构件65被配置为在驱动构件70上施加第一力，从而导致驱动构件70和第二触头30一起移动，以便在第一位置与第二位置之间移动第二触头30。

致动构件65例如包括电磁体。然而，可想到其它类型的致动构件65。

根据一个实施方式，致动器35还包括返回构件(诸如弹簧)，该返回构件适于在驱动构件70上施加第二力，从而倾向于使第二触头30朝向其第二位置移动。在这种情况下，第一力倾向于使第二触头30朝向第一位置移动，然后当致动构件65不施加第一力时，第二触头30通过返回构件朝向第二位置返回。

在变型中，致动构件65适于施加第一力以及第二力，第一力倾向于使第二触头30朝向第一位置移动，第二力倾向于使第二触头30朝向其第二位置移动。

控制模块40被配置为控制开关装置10在第一配置与第二配置之间的切换。特别地，控制模块40被配置为控制第二触头30从第一位置到第二位置的移动，反之亦然。

例如，控制模块40被配置为生成第一切换命令并且将第一命令发送到致动器35。控制模块40还被配置为生成第二切换命令并将第二命令发送到致动器35。

第一命令是从第一配置切换到第二配置的命令。第二命令是从第二配置到第一配置的切换命令。

控制模块40例如被配置为检测电气故障并且在检测到电气故障时生成第一命令。在变型中，控制模块40被配置为在接收到来自操作者的指令(诸如来自交通工具15的驾驶员的指令)时生成第一命令。在变型中，控制模块40被配置为在从列车系统(诸如列车的车载故障检测系统)接收到指令之后生成第一命令。

控制模块40例如被配置为在接收到来自操作者的指令之后生成第二命令。

在变型中或另外地，控制模块40被配置为将关于开关装置10的状态的信息发送到远程设备(诸如交通工具监测模块15)。例如，控制模块40被配置为发送包括指示符的消息，当开关装置10处于第一配置时，该指示符具有第一值，并且当开关装置10处于第二配置时，该指示符具有不同于第一值的第二值。

根据另一变型，控制模块40被配置为测量开关装置10的参数值，并将所测量的值发送到远程设备(诸如交通工具监测模块15)。参数例如是诸如触头25和30之间的电压、流过致动器的电流、在两个触头25和30之间流动的电流的电参数，或者是诸如开关装置10的温度或空气中的湿度水平的热力学参数。

控制模块40例如包括至少一个印刷电路板75、一组电子部件80和外壳85。

在图2中可见的实施方式中存在单个电路板75，但是也可以想到其中存在多个电路板75的实施方式。

各个电路板75被配置为支撑电子部件80的至少一部分。例如，印刷电路板75具有第一面90和第二面95，其中电子部件80承载在第一面90上。

第一面90和第二面95中的每一个例如是平坦的。

第二面95面向散热器50。

各个印刷电路板75由电绝缘材料、特别是塑料材料制成。

根据一个实施方式，第二面95承载由诸如金或铜的导电材料制成的至少一个轨道。例如，第二面95承载一组这样的轨道。

各个轨道将至少两个电子部件80连接在一起。例如，各个轨道通过过孔(via)电连接到电子部件80，从而通过印刷电路板75将第一面90连接到第二面95。

应当注意，也可以想到其中至少一个轨道由第一面90承载的实施方式。

当通过轨道连接在一起时，该组部件80被配置为形成用于生成第一命令的模块、用于生成第二命令的模块、以及可选地用于测量各个参数值的模块和/或用于发送包含开关装置10的至少一个测量值和/或至少一个配置指示符的消息的模块。

例如，该组部件80包括处理器和包括一组软件指令的存储器。当在处理器上执行时，软件指令特别地形成用于生成第一命令的模块、用于生成第二命令的模块、用于测量各个参数的值的模块和/或用于发送消息的模块。

在变型中或另外地，该组部件80包括可编程逻辑电路，称为现场可编程门阵列(FPGA)。具体地，FPGA被配置为形成用于生成第一命令的模块、用于生成第二命令的模块、用于测量各个参数的值的模块和/或用于发送消息的模块。

根据另一变型，该组部件80包括一组模拟部件，该组模拟部件形成用于生成第一命令的模块、用于生成第二命令的模块、用于测量各个参数的值的模块和/或用于发送消息的模块。

外壳85被配置为将各个印刷电路板75和部件组件80与致动器35隔离。特别地，外壳85至少部分地围封容纳各个印刷电路板75和部件组件80的室。

例如，外壳85附接到散热器50。根据图2所示的实施方式，外壳85与散热器50相互作用以形成室。例如，外壳85限定了由散热器50封闭的凹部以形成室。应当注意，还设想了以下实施方式，其中，室完全由外壳85界定，特别地其中，外壳85的壁插入在各个印刷电路板75与散热器85之间。

热电模块45插入在控制模块40与散热器50之间，特别地，热电模块45与控制模块40和散热器50接触。

特别地，热电模块45插入在各个印刷电路板75与散热器50之间，包括抵靠印刷电路板45和抵靠散热器50。例如，热电模块45与各个印刷电路板75的第二面95接触。

根据图2所示的示例，热电模块45容纳在壳体85内。

热电模块45被配置为产生从控制模块40到散热器50的热流F。特别地，热电模块45被配置为将热量从控制模块40传递到散热器50。换言之，热电模块45被配置为冷却控制模块40并相应地加热散热器50。

热电模块45被配置为通过热电效应产生热流。特别地，热电模块45被配置为通过珀尔帖效应产生热流。

珀尔帖效应特别在于冷却两个半导体电极的端部之间的接合点，各个半导体电极具有与另一个电极的掺杂类型不同的掺杂类型，当电流通过该接合点时，冷却伴随着加热电极的另一端。

热电模块45例如包括热电元件100、第一热晶片105和第二热晶片110。

热电元件100具有热面110和冷面115。

热电元件100被配置为产生热流F。特别地，热电元件100被配置为产生从冷面115到热面110的热流F。

热电元件100被配置为通过珀尔帖效应产生热流F。

热电元件100例如包括封套(envelope)和以本身已知的方式串联连接的一组电极。

各个电极容纳在封套中。

热面110和冷面115是封套的外表面。热面110和冷面115例如彼此平行。冷面115被布置为与控制模块40相对，特别是与各个印刷电路板75的第二面95相对。

例如，热面110是封套的第一部分的面，冷面是封套的第二部分的面。

封套由诸如金属材料的导热材料制成。

各个电极由半导体材料制成。

各个电极例如由单一半导体材料制成。

根据一个实施方式，至少一个电极具有多个部分，各个部分由与特定电极的其他部分不同的半导体材料制成。

各个电极具有掺杂。掺杂被定义为在材料中存在杂质，提供自由载流子。杂质例如是在材料中非天然存在的元素的原子。

当与未掺杂的材料相比，杂质的存在增加了材料中存在的空穴的体积密度时，掺杂是p型的。

当与未掺杂的材料相比，杂质的存在增加了材料中存在的自由电子的密度时，掺杂是n型的。

各个电极具有热端和冷端。

电极彼此串联连接。

热电元件100包括适于产生连续流过所有电极的电流的电源。

有利地，控制模块40适于将电力供应至热电模块45。电源电缆例如在模块40和45之间延伸。

电极限定一组接合点(junctions)。各个接合点由两个连续电极的热端或冷端形成，这些热端或冷端彼此电连接。由此，流过电极组件的电流从形成接合点的两个电极中的一个电极的热端流到形成接合点的另一个电极的热端，或者从一个电极的冷端流到另一个电极的冷端。

热电元件100被配置为使得电流的流动产生各个电极的热端的加热和各个电极的冷端的冷却。

特别地，电极使得两个连续的电极具有不同的掺杂类型，各种掺杂类型选自n型和p型掺杂。

电极被布置为使得各个电极的热端与封套的第一部分接触，冷端与封套的第二部分接触。由此，当电流通过各个电极时，冷面115被电极的冷端冷却，热面110被电极的热端加热，由此产生热流F。

第一热板105插入、特别是夹持在热电元件100与控制模块40之间。例如，第一热板105与第二面95和冷面115接触，特别是夹持在它们之间。

第一热板105被配置为确保冷面115与控制模块40之间的良好热接触。特别地，第一热板105被配置为允许热通量F从控制模块40传播到冷面115，特别地与冷面115将与控制模块40接触的情况相比增加热通量F的强度。

在图2所示的实施方式中，第一热板105被配置为确保冷面115与第二面95之间的良好热接触。特别地，第一热板105被配置为允许热流F从第二面95传播到冷面115，特别地与冷面115将与第二面95接触的情况相比增加热流F的强度。

第一热板105特别地被配置为当被夹持在控制模块40与冷面115之间时变形，以便填充可能存在于冷面115上和/或控制模块40的表面、特别是第二面95上的不规则。

第二热板107插入(包括夹持)在热电元件100与散热器40之间。例如，第二热板107与散热器50和热面110接触，特别是夹持在它们之间。

第二热板107被配置为确保热面110与散热器50之间的良好热接触。特别地，第二热板107被配置为允许热通量F从热面110传播到散热器50，特别地与热面110将与散热器50接触的情况相比增加热通量F的强度。

特别地，第一热板105被配置为当夹持在散热器50与热面110之间时变形，以便填充可能存在于热面110上和/或散热器40的表面上的不规则。

第二热板107例如由碳、特别是石墨制成。例如，第二热板107包括在垂直于热面110的方向上叠加的一组石墨烯层。第二热板107在被夹持在热电元件100与散热器40之间之前例如具有大约200微米(诸如在180微米与220微米之间)的厚度。

散热器50至少部分地由诸如铝的金属材料制成。

散热器50形成例如界定内部体积Vi的壳体。控制模块40、热电模块45和致动器35至少部分地容纳在内部体积Vi中。壳体被配置为防止操作者从壳体外部接近致动器35和/或控制模块40。

内部体积Vi例如由散热器50和板52界定。特别地，内部体积Vi在竖直方向上由板52限定。

散热器50例如从顶板20悬挂。特别地，散热器50附接到板52，该板自身附接到顶板20。特别地，散热器50抵靠板52的下侧。

散热器50例如插入在顶板20或板52与交通工具15的顶棚120(诸如交通工具15的乘客舱的顶棚)之间。

热电模块45和控制模块40例如安装在散热器50的内壁上。换言之，热电模块45和控制模块40在内部体积Vi内附接到散热器50。

根据一个实施方式，各个电路板75经由第一热板105附接到热电元件100，其中热电元件100附接到散热器50。

热电模块45例如附接到散热器50的平坦面。

散热器50具有例如平行六面体形状。特别地，散热器50具有4个竖直侧壁和水平底壁。

根据图2所示的示例，控制模块40和热电模块45附接到由散热器50形成的壳体的侧壁。例如，面90、95、110和115是竖直面。

控制模块40和热电模块45例如由散热器50支撑，特别是由它们所附接的侧壁支撑。

根据一个实施方式，散热器50至少部分地覆盖有涂层，该涂层具有严格大于制成散热器50的材料的发射率。然后，涂层通过辐射促进散热器50的冷却。

应当注意，其中散热器50不形成壳体的实施方式也是可能的。例如，开关装置10包括界定内部体积Vi的壳体，散热器通过壳体的壁与热电模块45接触。

在这种情况下，散热器50可以具有任何形状。例如，散热器50是适于将壳体、致动器35、控制模块40、热电模块45和/或触头25、30设置到交通工具15的壁的支撑件。

在变型中，散热器50是附接到开关装置10的壳体的散热器，或者简单地是金属板。

根据本发明，热电模块45允许控制模块40被高效地冷却，由此增加其使用寿命，同时具有小的尺寸。因此，热电模块45不需要对开关布置进行显著的调整。当散热器50形成界定内部体积Vi的壳体时，这特别是真实的，因为在这种情况下，热电模块45可以容易地添加到现有的开关装置，只要这些现有装置的壳体是金属的即可。

当热电模块45抵靠印刷电路板时，控制模块40与散热器50之间的热传递特别高效。不包括部件80的第二面95因此相对平坦，从而允许与热电模块45的良好热接触。热板105和107再次允许改进的热传递，由此允许控制模块40的冷却。

石墨导热垫107在传热方面非常有效，特别是在热面110与散热器50之间，因为热面110是平坦的，并且散热器50容易地适于具有平坦的表面。在这种情况下，石墨非常适合于在这些平坦表面之间形成良好的热界面。

这种开关装置10特别适合于承载在交通工具中，在交通工具中，相对小的可用空间使得难以采用具有足够效率的其它冷却方法。特别地，高压断路器经常用于空间受限的应用中，或者用于电绝缘问题使得难以采用某些冷却方法的应用中。

特别地，当开关装置10附接到交通工具15的顶板20时，照射在顶板20或板52上的太阳辐射可能将控制模块40的温度升高到太高的水平，以至于不能通过已知方法(包括通过外部气流)来有效地冷却。当交通工具15在炎热的国家或在夏天行驶时尤其如此，因为外部空气的温度太高而不能有效地冷却控制模块40。

当控制模块40和热电模块45附接到由散热器50形成的壳体的侧壁时，促进了内部体积Vi中的元件的布置。

Claims (10)

1.一种电气开关装置(10)，特别用于铁路交通工具(15)，包括：第一电触头(25)；第二电触头(30)，所述第二电触头可相对于所述第一触头(25)移动；致动器(35)；和控制模块(40)，所述控制模块适于通过所述致动器(35)控制所述第二触头(30)在第一位置与第二位置之间的移动，在第一位置中，所述第一触头(25)和所述第二触头(30)彼此电连接，在第二位置中，所述第一触头(25)和所述第二触头(30)彼此电断开，

所述开关装置(10)的特征在于，其还包括热电模块(45)和散热器(50)，所述热电模块(45)插入在所述散热器(50)与所述控制模块(40)之间，并且被配置为优选地通过珀尔帖效应产生从所述控制模块(40)到所述散热器(50)的热流。

2.根据权利要求1所述的电气开关装置，其中，所述散热器(50)形成界定内部体积(Vi)的壳体，所述致动器(35)、所述控制模块(40)和所述热电模块(45)容纳在所述内部体积(Vi)中。

3.根据权利要求2所述的电气开关装置，其中，所述控制模块(40)和所述热电模块(45)安装在所述壳体(50)的内壁上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电气开关装置，其中，所述控制模块(40)包括印刷电路板(75)，所述热电模块(45)抵靠所述电路板(75)和所述散热器(50)两者。

5.根据前述权利要求所述的电气开关装置，其中，所述印刷电路板(75)具有第一面(90)和第二面(95)，所述第一面(90)承载一组电子部件(80)，所述第二面(95)承载将所述电子部件(80)连接在一起的一组导电轨道，所述热电模块(45)与所述第二面(95)接触。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电气开关装置，其中，所述热电模块(45)包括具有热面(110)和冷面(115)的热电元件(100)，所述热电元件(100)被配置为产生从所述冷面(115)到所述热面(110)的热流(F)，所述热电模块(45)还包括第一热板(105)和第二热板(107)，所述第一热板(105)被夹持在所述控制模块(40)与所述热电元件(100)之间，所述第二热板(107)被夹持在所述散热器(50)与所述热电元件(100)之间。

7.根据前述权利要求所述的电气开关装置，其中，所述第二热板(107)由石墨制成。

8.一种铁路交通工具(15)，包括根据前述权利要求中任一项所述的电气开关装置(10)。

9.根据前述权利要求所述的铁路交通工具，其中，所述电气开关装置(10)是高压断路器。

10.根据前述权利要求所述的铁路交通工具，其中，所述电气开关装置(10)附接至所述铁路交通工具(15)的顶板(20)，所述电气开关装置(10)特别地延伸穿过设置在所述顶板(20)中的开口。

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