CN214479037U - 气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置 - Google Patents

Abstract

一种气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，包括散热涂层、第一散热装置和第二散热装置，所述散热涂层涂布在气箱内的至少一处发热体的表面，第一散热装置设置于气箱内以用于传导绝缘气体的热量，第二散热装置包括热管，所述热管通过密封装置连接于气箱内外两侧以用于将气箱内的热量传输到外界；导体散热的热量先通过散热涂层向外发散到绝缘气体内，而后经过第一散热装置将绝缘气体内的热量发散均匀，第二散热装置与绝缘气体进行热交换，将气箱内的热量传递到外界，具有能够将气箱内的热量快速散出的技术效果。

Description

气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置

技术领域

本实用新型涉及开关柜散热技术领域，特别涉及一种气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置。

背景技术

气体绝缘金属封闭开关设备(以下简称“充气柜”)是将高压元件如母线、断路器、隔离开关、互感器等集中密封在充有绝缘气体的壳体中的开关成套设备，具有结构紧凑、可扩展、全绝缘、密封性能好、受环境影响小以及维护工作量少等优点，已成为重要的配电设备。

同时，充气柜也存在散热困难、温升容易超标的问题。首先，由于柜体体积小、结构紧凑，导致其散热面积小。其次，气箱壳体被焊接成完全气密式结构，工作时内部气体无法与外部空气直接进行热量交换，主要通过气箱内部的对流换热方式进行散热，造成气箱内部热量聚集，散热困难。此外，N₂或干燥空气作为环保绝缘气体，其对流换热系数小于传统的SF₆气体，进一步增加了环保充气柜的散热难度，尤其是大电流产品，容易导致充气柜内温升过高，影响开关设备的整体安全运行。

为了满足温升技术要求，采用的散热设计需要具备以下特征：应具有既有效又可靠的散热效果；应保证在充气柜气箱壳体的气密性；应保证不影响气箱内部结构的绝缘特性。

在专利(CN205070232U)中说描述的气体绝缘金属封闭开关柜，所涉及的由散热片组、槽型弯板和风机组成的散热装置，这个散热装置的特征是依靠安装在充气柜壳体外表面的散热片组把气箱内部的热量传递至散热通道内。但是，由于气箱内部热量通常聚集在母排、触头等导体表面而非壳体表面，因此散热片组的吸热散热效果比较有限，难以达到有效降低充气柜气箱内发热严重部件处温升的目标。

因此如何有效吸收充气柜内部的热量，并将热量从充气柜内排出是一个需要解决的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，包括散热涂层、第一散热装置和第二散热装置，所述散热涂层涂布在气箱内的至少一处发热体的表面，第一散热装置设置于气箱内以用于传导绝缘气体的热量，第二散热装置包括热管，所述热管通过密封装置连接于气箱内外两侧以用于将气箱内的热量传输到外界。

优选的，所述散热涂层为石墨烯、碳纳米管、富勒烯或石墨烯复合涂层的一种或多种。

优选的，所述第一散热装置固定于气箱箱体内表面，至少为一组。

优选的，所述第一散热装置为泡沫金属板。

优选的，所述泡沫金属板的截面为矩形波形形状，矩形波形的扩展方向为沿着气箱的高度方向。

优选的，所述第二散热装置还包括散热鳍片组、热管压板，所述热管位于气箱外的部分通过热管压板与散热鳍片组相连。

优选的，所述热管内充有换热液体形成散热回路与外界换热。

优选的，所述密封装置包括法兰，法兰的底部开设有第一密封槽，第一密封槽内套设有矩形密封圈与气箱紧贴以用于法兰与气箱之间的密封连接；法兰的内部开设有上下设置的第二密封槽，两个第二密封槽内均设有轴套，两个轴套均与热管的外壁紧贴以用于法兰与热管的密封连接。

优选的，每个轴套内均设有一个与热管外壁紧贴的Y型密封圈；在两个第一密封槽之间开设有两道上下设置的第三密封槽，两个第三密封槽内均套设有O 型密封圈，每道O型密封圈均与热管紧密贴合。

优选的，所述热管位于气箱外的部分的表面涂覆有散热涂料，所述热管位于气箱内的部分的表面涂覆有吸热涂料。

优选的，所述第一散热装置从气箱的顶部延伸至气箱的底部。

优选的，所述热管包括金属管壳和设置在金属管壳内的具有毛细多孔结构的吸液芯。

优选的，所述泡沫金属板的厚度为2-3mm，矩形波形的宽度为厚度的5-7 倍，矩形波形的间距为厚度的3-5倍，矩形波形的高度为厚度的10-15倍。

优选的，所述泡沫金属板通过散热贴片垂直固定于气箱内壁表面加强筋之间。

本实用新型的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，通过由内而外依次设置散热涂层、第一散热装置和第二散热装置，在导体表面-绝缘气体-气箱箱体三个不同的阶段均能够对热量进行有效的处理，从而进行快速散热。

此外，所述散热涂层为石墨烯/碳纳米管散热涂层，采用冷喷涂的方式涂布在气箱箱体的导体表面，并通过热辐射的方式将热源导体表面的热量快速散出。

此外，第一散热装置采用泡沫金属板制成矩形波形形状，接触面积得到大幅增加，换热更为迅速。

此外，第二散热装置的热管成环形，热管内充有换热液体形成散热回路与散热机构换热，所述热管包括金属管壳和设置在金属管壳内的具有毛细多空结构的吸液芯，结构简单且换热效率高。

附图说明

图1是本实用新型气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置的内部结构示意图；

图2是本实用新型气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置的另一内部结构示意图；

图3是本实用新型气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置的第一散热结构示意图；

图4是本实用新型气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置的密封装置结构示意图；

图5是本实用新型气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置的散热流向图。

图中：1、气箱；10、散热涂层；20、第二散热装置；201、散热鳍片组； 202、热管压板；203、热管；204、密封装置；2041、法兰；2042、矩形密封圈；2043、轴套；2044、Y型密封圈；2045、O型密封圈；30、第一散热装置。

具体实施方式

以下结合附图1至5给出的实施例，进一步说明本实用新型的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置的具体实施方式。本实用新型的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置不限于以下实施例的描述。

一种气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，包括散热涂层10、第一散热装置30和第二散热装置20，所述散热涂层10涂布在开关柜内的至少一处发热体的表面，用于吸收和辐射导体的热量，第一散热装置30设置于气箱1壳体内以用于传导绝缘气体的热量，第二散热装置20连接于气箱1内外两侧，用于将气箱1内的热量传输到外界；导体的热量先通过散热涂层向外发散到绝缘气体内，而后经过第一散热装置30将绝缘气体内的热量发散均匀，提高散热效率，第二散热装置20与绝缘气体进行热交换，将气箱1内的热量传递到外界。

气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置内的发热体，如母排、触头等导体表面积累的热量，通过三个阶段输送到充气柜的外侧，从内至外依次为导体表面-绝缘气体-气箱箱体，其中每个阶段均关乎着充气柜内热量的散发速度，本实用新型分别对三个阶段内的热气散热进行处理，以达到快速散热的效果。

如图1、图2所示，一种气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置的优选实施例，包括散热涂层10、第一散热装置30和第二散热装置20，散热涂层10处于导体表面散热阶段，涂布在发热严重易出现温升超标问题的若干发热体表面，通过热辐射的方式用于热源导体表面的快速散热，发热体可以为母排、触头等导体；第一散热装置30处于绝缘气体传热阶段，固定在气箱1壳体内，用于吸收发热元件周围聚集的热量，用于吸收发热元件周围聚集的热量并向气箱1内壁表面方向传导；第二散热装置20处于气箱1的箱体阶段，连接于气箱1内外两侧，用于将气箱1内部产生的热量传递到箱体外，通过与外界环境的快速换热，强化对流换热效率。通过三种散热装置相互组合，采用多维度、立体式对气箱1箱体内的热量进行快速散热。

气箱1箱体内的发热元器件工作时，发热导体表面的热量在使用中快速累积，累积的热量先通过散热涂层10以热辐射的方式向外快速散发，而后热量散发到绝缘气体内，位于气箱1箱体内的第一散热装置30吸收绝缘气体的热量，通过热传导的方式将气箱1内的热量分布均匀，而后热量再通过与第二散热装置20进行换热，将气箱1箱体内的热量快速散发到外界，实现排热效果。

优选地，所述散热涂层10为现有的石墨烯、碳纳米管、富勒烯或石墨烯复合涂层的一种或多种，采用冷喷涂的方式涂布在气箱1箱体的导体表面，并通过热辐射的方式将热源导体表面的热量快速散出。当然散热涂层10还可以采用其它的散热涂层。

如图3所示，优选地，所述第一散热装置30为采用现有泡沫金属材料制成的泡沫金属板。一种实施例为，所述第一散热装置30为采用高孔隙率且具有通孔结构的泡沫铝材料制成的泡沫金属板，泡沫金属板垂直固定于气箱1箱体内表面的加强筋之间，并且从气箱1的顶部延伸至气箱1的底部，利于绝缘气体的热量传导。当然，作为变劣的实施例，泡沫金属板也可以不从气箱1的顶部延伸至气箱1的底部，只延伸设置在气箱1内表面高度方向的部分区域。作为另一种实施例，优选地，泡沫金属板为铜泡沫金属板，以进一步加强气箱1内的热量分散。作为另一种变劣方案，第一散热装置30可以为金属散热片或金属散热块等其它方案。

由于气箱1箱体内不同位置处的热量并不均匀，并且绝缘气体吸收较多热量后，其密度变小转而上升，而吸收较少热量的绝缘气体开始下降，从而实现气体的对流，竖直设于气箱1箱体内表面的泡沫金属板与绝缘气体进行换热，换热后的泡沫金属板上部温度较高、下部温度较低，由于其能够自身能够快速进行热传导的特点，泡沫金属板上部的热量快速传递到下部，而后与下部的绝缘气体进行换热，这样下部的绝缘气体能够快速的得到热量，吸收热量较小的区域内的绝缘气体也能够与泡沫金属板换热而快速得到热量，从而促进气箱1 内热量的分散均匀。

优选地，为了提高泡沫金属板的散热面积，所述泡沫金属板的截面为矩形波形形状，矩形波形的扩展方向为沿着气箱1的高度方向。这样泡沫金属板与气箱1内绝缘气体的接触面积得到大幅增加，换热更为迅速。当然泡沫金属板也可以制成弧形波形形状，也属于本申请保护范围，但其没有矩形波形紧凑且接触面积大。

优选地，泡沫金属板的厚度优选为2-3mm，矩形波形的宽度(指图1中水平方向的宽度)为厚度的5-7倍，矩形波形的间距(即波长)为厚度的3-5倍，矩形波形的高度(即波幅)为厚度的10-15倍。

优选地，泡沫金属板能够通过散热贴片垂直固定于气箱1内壁表面加强筋之间，也可通过螺柱进行固定，固定稳定并且安拆便捷。

所述第二散热装置20包括热管203，热管203的一部分位于气箱1内，一部分位于气箱1外，位于气箱1外的部分与散热机构连接。如图1所示的优选实施例，第二散热装置20包括热管203、散热鳍片组201、热管压板202和密封装置204，所述散热机构为散热鳍片组201。热管203一部分位于气箱1内，另一部分位于气箱1外；位于气箱1内部的部分与绝缘气体接触进行换热，形成蒸发吸热区域，在不影响绝缘的情况下热管203尽可能靠近铜排等热量聚集区域，以快速吸收热量；位于气箱1外的部分与与散热鳍片组201相连，形成散热区域。

具体的，散热鳍片组201设于气箱1的外侧顶部，所述位于气箱1外的热管压板202上还设有热管压板202，散热鳍片组201设置在热管压板202上，所述热管203位于气箱1外的部分通过热管压板202与散热鳍片组201相连。在热管203与气箱1的连接处设有密封装置204，对热管203进行密封固定以保证气箱1的气密性，密封装置204设于气箱1的外侧并密封连接于热管203的蒸发吸热区域和散热区域之间，将气箱1密封，热管压板202和散热鳍片组201 均水平设置。

优选的，如图2所示，热管203成环形，热管203内充有换热液体形成散热回路与散热机构的散热鳍片组201换热。进一步优选的，所述热管203包括金属管壳和设置在金属管壳内的具有毛细多空结构的吸液芯。本实施例中，热管203由纯铜管壳、毛细多孔材料构成的吸液芯，以及端盖组成。将管内抽成负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后进行密封。它的主要特点在于依靠热管203内部工作介质的相变进行高效的热量传递，所述吸液芯也可以采用铜材料制备，工作液体可以采用水。

由于散热鳍片位于气箱1的顶部，则热管203的上部与散热鳍片接近，形成散热区域，热管203的下部伸入到气箱1内，形成快速吸热区域。气箱1内元器件工作时，热管203的下部与绝缘气体进行换热，热管203吸热后将热量向上传递，进入到热管203的上部，而后热管203的上部的热量与散热鳍片组 201接触进行换热交换，散热鳍片组201与外界空气进行对流换热，从而实现将气箱1内热量的快速排出。热管压板202保证散热鳍片组201与热管203的稳定连接，密封装置204对热管203进行密封固定以保证气箱1的气密性。

如图4所示，优选地，密封装置204包括法兰2041。法兰2041和气箱1的盖板之间、法兰2041与热管203之间均进行密封连接，法兰2041的底部开设有第一密封槽，第一密封槽内套设有矩形密封圈2042与气箱1的盖板紧贴实现法兰2041与气箱1的盖板之间的密封连接；法兰2041的内部开设有上下设置的第二密封槽，两个第二密封槽内均设有轴套2043，两个轴套2043均与热管 203的外壁紧贴，实现法兰2041与热管203的密封连接。

优选地，每个轴套2043内均设有一个与热管203外壁紧贴的Y型密封圈2044，两组Y型密封圈2044上下分布，实现对热管203的进一步密封。

优选地，在两个第一密封槽之间开设有两道上下设置的第三密封槽，两个第三密封槽内均套设有O型密封圈2045，每道O型密封圈2045均与热管203紧密贴合，实现对热管203的进一步密封。

在气箱1的盖板的合适位置开圆孔，法兰2041的内部开槽，按照顺序依次装入O型密封圈2045、Y型密封圈2044和轴套2043，圆孔、法兰2041、Y型密封圈2044、O型密封圈2045以及轴套2043的尺寸和热管203的尺寸紧密配合，通过多重密封结构的配合使用，保证气箱1在工作过程中的气密性。

法兰2041通过在其外侧边缘位置设置螺栓安装孔，并通过螺栓和矩形密封圈2042密封安装在气箱1的盖板上，同时实现对法兰2041的有效固定，但是法兰2041的固定方式不限于螺栓，在其他实施例中，法兰2041与气箱1的盖板之间也可以采用焊接方式紧固连接。

优选地，热管203上部位于气箱1外的部分的表面涂覆有散热涂料，加快向外散热速度，降低温度；热管203下部位于气箱1内的部分的表面涂覆有吸热涂料，提高热管203吸收气箱1内部热量的效率。

作为第二散热装置20的另一种实施例，所述散热机构也可以不采用散热鳍片组201，也可以采用流有第二换热液体的换热回路的方式，散热机构的换热回路与热管203通过换热板进行换热。

作为第二散热装置20的另一种实施例，第二散热装置20可以包括热管203，热管203的一部分位于气箱1内，一部分位于气箱1外，热管203在气箱1内的部分连接有吸热片，热管203在气箱1外的部分可以连接有散热片，热管203 通过密封结构与气箱1连接。

优选地，第一散热装置30和第二散热装置20均可设置一组或多组，多组第一散热装置30沿着气箱1内壁呈环形分布，多组第二散热装置20沿着气箱1 的顶部并排设置。

气箱1箱体能够采用铝型材质焊接而成，气箱1箱体与第一散热装置30的泡沫金属板相贴而传递泡沫金属板上的热量，将气箱1箱体内的热量快速散出。

如图5所示，环保气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置的具体工作过程如下：当气箱1内通入电流时，母排、触头等导体表面产生并积累大量热量，这时附着在发热导体表面的石墨烯/碳纳米管散热涂层10利用辐射作用将热量快速传递到绝缘气体中，降低热量在导体表面的聚集。固定在气箱1内壁表面的泡沫金属板与绝缘气体进行热交换并将热量再上下之间进行传递，将热量从温度较高区域向温度较低区域进行扩散，从而将气箱1内的热量尽可能分布均匀。与此同时，热管203的下部与绝缘气体接触进行热交换，热管203蒸发段内的液体工作介质吸收气箱1内积累的热量而蒸发，蒸汽携带气化潜热在微小的压差下经空腔(绝热段)流向气箱1外的热管203另一端(冷凝段)，经管壁与外部的散热鳍片组201换热放出潜热从而完成传热任务，冷凝成液体，液体再经毛细多孔结构靠毛细力或重力回流到蒸发段，进入下一个工作循环。如此循环往复，通过布置在气箱1内部的热管203不断将气箱1内的热量传递到气箱1外，并利用散热鳍片组201将热量及时散发出去，有效地提高了气箱1的散热能力，确保了环保气体绝缘金属封闭开关柜整体的安全性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (14)

1.一种气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：包括散热涂层(10)、第一散热装置(30)和第二散热装置(20)，所述散热涂层(10)涂布在气箱(1)内的至少一处发热体的表面，第一散热装置(30)设置于气箱(1)内以用于传导绝缘气体的热量，第二散热装置(20)包括热管(203)，所述热管(203)通过密封装置(204)连接于气箱(1)内外两侧以用于将气箱(1)内的热量传输到外界。

2.根据权利要求1所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述散热涂层(10)为石墨烯、碳纳米管、富勒烯或石墨烯复合涂层的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述第一散热装置(30)固定于气箱(1)箱体内表面，至少为一组。

4.根据权利要求1所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述第一散热装置(30)为泡沫金属板。

5.根据权利要求4所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述泡沫金属板的截面为矩形波形形状，矩形波形的扩展方向为沿着气箱(1)的高度方向。

6.根据权利要求1所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述第二散热装置(20)还包括散热鳍片组(201)、热管压板(202)，所述热管(203)位于气箱(1)外的部分通过热管压板(202)与散热鳍片组(201)相连。

7.根据权利要求1所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述热管(203)内充有换热液体形成散热回路与外界换热。

8.根据权利要求1所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述密封装置(204)包括法兰(2041)，法兰(2041)的底部开设有第一密封槽，第一密封槽内套设有矩形密封圈(2042)与气箱(1)紧贴以用于法兰(2041)与气箱(1)之间的密封连接；法兰(2041)的内部开设有上下设置的第二密封槽，两个第二密封槽内均设有轴套(2043)，两个轴套(2043)均与热管(203)的外壁紧贴以用于法兰(2041)与热管(203)的密封连接。

9.根据权利要求8所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：每个轴套(2043)内均设有一个与热管(203)外壁紧贴的Y型密封圈(2044)；在两个第一密封槽之间开设有两道上下设置的第三密封槽，两个第三密封槽内均套设有O型密封圈(2045)，每道O型密封圈(2045)均与热管(203)紧密贴合。

10.根据权利要求1所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述热管(203)位于气箱(1)外的部分的表面涂覆有散热涂料，所述热管(203)位于气箱(1)内的部分的表面涂覆有吸热涂料。

11.根据权利要求3所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述第一散热装置(30)从气箱(1)的顶部延伸至气箱(1)的底部。

12.根据权利要求7所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述热管(203)包括金属管壳和设置在金属管壳内的具有毛细多孔结构的吸液芯。

13.根据权利要求5所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述泡沫金属板的厚度为2-3mm，矩形波形的宽度为厚度的5-7倍，矩形波形的间距为厚度的3-5倍，矩形波形的高度为厚度的10-15倍。

14.根据权利要求4所述的气体绝缘金属封闭开关柜组合散热装置，其特征在于：所述泡沫金属板通过散热贴片垂直固定于气箱(1)内壁表面加强筋之间。

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