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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsschalter aufweisend ein Wärmerohe und ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsschalters.
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Hintergrund der Erfindung
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Wie in 7 dargestellt werden heutige Leistungsschalter mittels komplexer Geometrien, welche eine Vielzahl von Kühlrippen aufweisen, gekühlt. Somit können benötigte Betriebstemperaturen sichergestellt werden. Insbesondere werden ein Polkopf 710 mit einer Vielzahl von Kühlrippen und eine Polkontaktplatte 720 mit einer Vielzahl von Kühlrippen an dem Leistungsschalter 700 ausgebildet.
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Das bisherige Design der heutigen Leistungsschalter benötigt für eine ausreichende Wärmeabfuhr massive Polköpfe mit Kühlrippen und große Polkontaktplatten. Dies verursacht ein raumeinnehmendes Design der Leistungsschalter, um mehr Raum für den Wärmetransport bereitzustellen. Auch werden in heutigen Leistungsschalter, um den Wärmeabfuhr sicherzustellen, Kupferteile verbaut anstelle von Aluminiumbauteilen. Wenn in heutigen Leistungsschaltern trotz der baulichen Maßnahmen eine Betriebstemperatur überstiegen wird, werden die Nennströme des Leistungsschalters herabgesetzt, um einen sicheren Betrieb des Leistungsschalters zu gewährleisten.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sicher zu betreibenden Leistungsschalter mit einem kompakten Design bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Leistungsschalter und einem Verfahren zum Herstellen eines Leistungsschalters gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungsschalter beansprucht. Der Leistungsschalter weist auf ein zu kühlendes Bauteil, ein Wärmesenkenelement, das derart ausgebildet ist, dass Wärme an eine Umgebung abführbar ist, und ein Wärmerohr, welches zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Wärmesenkenelement derart angeordnet ist, dass Wärme von dem zu kühlenden Bauteil über das Wärmerohr zu dem Wärmesenkenelement leitbar ist.
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Mit dem vorliegenden Leistungsschalter wird eine Wärmeabfuhreffizienz in einem Strompfad des Leistungsschalters gesteigert, so dass eine kompakte Bauform des Leistungsschalters bei gleichzeitig höheren Nennströmen und höheren Betriebstemperaturen erreichbar ist. Darüber hinaus kann Aluminium anstelle von Kupfer verwendet werden, so dass der Leistungsschalter auch günstiger bereitgestellt werden kann.
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Das zu kühlende Bauteil kann ein Bauteil sein, welches in einem heißesten Ort des Leistungsschalters angeordnet ist. Somit kann für eine effiziente Wärmeabfuhr ein hoher Temperaturunterschied ausgenutzt werden und die Wärmeabfuhr zusätzlich noch effizienter zu gestalten werden.
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Über das Wärmesenkenelement kann vorteilhafterweise Wärme an die Umgebung abgegeben werden, indem ein Luftstrom um das Wärmesenkenelement herumgeleitet wird. Durch die stetige Luftströmung und dadurch resultierende Bewegung, kann die Wärme schnell an die Umgebung abgeleitet werden. Wenn die Luftströmung an dem Wärmesenkenelement eine niedrigere Temperatur als das Wärmesenkenelement aufweist, kann die Wärme schneller abgeführt werden. Somit führt vorteilhafterweise ein höherer Temperaturunterschied auch zu einer effizienteren Wärmeabfuhr.
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Das Wärmerohr leitet Wärme von dem zu kühlenden Bauteil vorteilhafterweise schnell und effizient und auch bei geringen Temperaturunterschieden zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Wärmesenkenelement von dem zu kühlenden Bauteil an das Wärmesenkenelement.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zu kühlende Bauteil ein Bauteil in einem stromführenden Pfad des Leistungsschalters sein.
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Der stromführende Pfad des Leistungsschalters weist diejenigen Bauteile des Leistungsschalters auf, durch die im Betrieb des Leistungsschalters ein Strom fließt. Somit kann ein Bauteil, welches auf Dauer während des Betriebs von einem Strom durchflossen wird und sich aufgrund seines inneren Widerstands erwärmt, auch während des Betriebs gekühlt werden.
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Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Leistungsschalter auch ein innenliegendes Bauteil in dem stromführenden Pfad effizient gekühlt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Leistungsschalter ferner eine Vakuum-Schaltröhre auf, wobei das zu kühlende Bauteil angrenzend an die Vakuum-Schaltröhre angeordnet ist.
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Die Vakuum-Schaltröhre („vacuum interrupter“) ist derjenige Teil des Leistungsschalters, in dem innerhalb einer VakuumKammer die zwei Kontaktelemente des Leistungsschalters im Betrieb miteinander in Kontakt sind und im Fall eines Ausschaltens des Leistungsschalters voneinander getrennt werden.
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In Leistungsschaltern mit hohen Nennströmen bilden die Verbindungsstelle zwischen der Vakuum-Schaltröhre und der Strombandklemme sowie die Verbindungsstelle zwischen der Vakuum-Schaltröhre und dem Polkopf die heißesten Stellen des Leistungsschalters.
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Somit kann an den heißesten Stellen die entstehende Wärme mit einer hohen Wärmeabfuhrrate an das Wärmesenkenelement abgeführt werden, an welchem die Wärme anschließend durch eine Luftströmung an die Umgebung abgeführt wird.
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Angrenzend an die Vakuum-Schaltröhre gemäß der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass das Bauteil in der Nähe eines Anschlusses an die Vakuum-Schaltröhre, insbesondere in der unmittelbaren Nähe des Anschlusses an die Vakuum-Schaltröhre, angeordnet ist.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zu kühlende Bauteil aufweisen zumindest eines aus der Gruppe aufweisend einen Anschluss eines beweglichen Kontaktelements der Vakuum-Schaltröhre und einen Anschluss eines unbeweglichen Kontaktelements der Vakuum-Schaltröhre.
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Das bewegliche Kontaktelement der Vakuum-Schaltröhre ist über einen Kontaktbolzen in der Vakuum-Schaltröhre derart gelagert, dass das bewegliche Kontaktelement über ein Faltenbalg entlang seiner Axialrichtung beweglich ist und im Falle eines Unterbrechens des Stromflusses durch den Leistungsschalter von dem unbeweglichen Kontaktelement wegbewegt wird.
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Der Anschluss des beweglichen Kontaktelements ist der Anschluss, an welchem der durch den Leistungsschalter fließende Strom von der Vakuum-Schaltröhre abgeführt wird.
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Das unbewegliche Schaltelement der Vakuum-Schaltröhre ist über einen unbewegliche in der Vakuum-Schaltröhre gelagerten Kontaktbolzen unbeweglich in der Vakuum-Schaltröhre angeordnet.
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Der Anschluss des unbeweglichen Kontaktelements relativ zu dem Anschluss des beweglichen Kontaktelements ist an dem gegenüberliegenden Ende der Vakuum-Schaltröhre angeordnet. Auch an dem Anschluss des unbeweglichen Kontaktelements wird der durch den Leistungsschalter fließende Strom von der Vakuum-Schaltröhre abgeführt.
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Der Anschluss des unbeweglichen Kontaktelements und der Anschluss des beweglichen Kontaktelements können diejenigen Bauteile des Leistungsschalters sein, welche im Betrieb des Leistungsschalters am heißesten werden. Folglich kann die Wärme aufgrund des hohen Temperaturunterschieds schnell und effizient abgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das Wärmerohr ein erstes Ende aufweisen, wobei das erste Ende an das Wärmesenkenelement gekoppelt ist.
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Das erste Ende kann an ein Wärmesenkenelement gekoppelt sein, indem das erste Ende mit dem Wärmesenkenelement unlösbar verbunden ist. Das erste Ende kann mit dem Wärmesenkenelement beispielsweise mittels Schweißens oder Lötens unlösbar gekoppelt sein. Sind das Wärmerohr und das Wärmesenkenelement unlösbar miteinander verbunden kann eine stabile Verbindung von Wärmerohr und Wärmeabfuhrelement sichergestellt sein und eine Wärmeabfuhr zuverlässig sichergestellt sein.
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Das erste Ende kann an das Wärmesenkenelement lösbar verbunden sein. Sind das Wärmerohr und das Wärmesenkenelement lösbar verbunden kann das Wärmerohr oder das Wärmesenkenelement bei einem Versagen leicht ausgewechselt werden. Auch kann das Wärmerohr und/oder das Wärmesenkenelement beispielsweise bei einer veränderten notwendigen Wärmeabfuhrmenge an die abzuführende Wärme angepasst werden. Insbesondere kann das Wärmerohr durch ein anders dimensioniertes, insbesondere in seiner Wärmeabfuhreffizienz anders dimensioniertes, Wärmerohr ausgetauscht werden. Auch kann das Wärmesenkenelement gegen ein Wärmesenkenelement aus einem unterschiedlichen Material oder mit einer unterschiedlichen Geometrie ausgetauscht werden. Somit kann vorteilhafterweise ein langlebiger und an unterschiedliche Betriebszustände, insbesondere unterschiedliche Nennströme, anpassbarer Leistungsschalter bereitgestellt werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Wärmerohr ein zweites Ende aufweisen, welches gegenüberliegend zu dem ersten Ende angeordnet ist, wobei das zweite Ende an das zu kühlende Bauteil gekoppelt ist.
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Das zweite Ende und das erste Ende bilden jeweils ein freies Ende des Wärmerohrs. Das zweite Ende kann an das zu kühlende Bauteil entweder lösbar oder unlösbar gekoppelt sein.
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Das zweite Ende kann an das zu kühlende Bauteil gekoppelt sein, indem das zweite Ende mit dem zu kühlenden Bauteil unlösbar verbunden ist. Beispielsweise kann das zweite Ende mittels Schweißens und/oder Lötens an das zu kühlende Bauteil gekoppelt sein. Sind das Wärmerohr und das zu kühlende Bauteil unlösbar miteinander verbunden kann eine stabile Verbindung von Wärmerohr und zu kühlendem Bauteil und eine Wärmeabfuhr zuverlässig sichergestellt sein.
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Das zweite Ende kann an das zu kühlende Bauteil lösbar verbunden sein. Sind das Wärmerohr und das zu kühlende Bauteil lösbar verbunden kann das Wärmerohr oder das zu kühlende Bauteil bei einem Versagen leicht ausgewechselt werden. Auch kann das Wärmerohr beispielsweise bei einer veränderten notwendigen Wärmeabfuhrmenge an die abzuführende Wärme angepasst werden. Insbesondere kann das Wärmerohr durch ein anders dimensioniertes, insbesondere in seiner Wärmeabfuhreffizienz anders dimensioniertes, Wärmerohr ausgetauscht werden.
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Durch das Koppeln des ersten Endes mit dem Wärmesenkenelement und dem Koppeln des zweiten Endes mit dem zu kühlenden Bauteil kann vorteilhafterweise eine effiziente Wärmeabfuhr an dem zu kühlenden Bauteil sichergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der Leistungsschalter ferner eine Strombandklemme zum Befestigen eines Strombandes an dem Leistungsschalter aufweisen, wobei das zweite Ende an der Strombandklemmen befestigt ist.
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Die Strombandklemme kann einen zuverlässigen Anschluss des Strombandes an den Leistungsschalter, insbesondere an den Anschluss des beweglichen Kontaktelements und/oder das unbewegliche Schaltelement bereitstellen. Die Strombandklemme ist vorteilhafterweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt und ermöglicht ein wärmeleitfähiges Anschließen des Strombandes an den Leistungsschalter. Das Stromband kann große Ströme transportieren.
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Das zweite Ende kann mit der Strombandklemme vorteilhafterweise nahe an den Anschluss des beweglichen Kontaktelements und/oder des unbeweglichen Kontaktelements gebracht werden, so dass das zweite Ende nahe an dem zu kühlende Bauteil gekoppelt ist.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Wärmerohr zumindest ein Arbeitsmedium aufweisen aus der Gruppe aufweisend Wasser, Ammoniak, Helium und Stickstoff.
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Das Arbeitsmedium wird bevorzugt nach dem Arbeitspunkt ausgewählt, wobei die Verdampfungsenthalpie sowie die kinematische Viskosität des Arbeitsmediums berücksichtigt werden.
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Wasser wird bevorzugt ab 0°C als Arbeitsmedium verwendet. Ammoniak wird bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen - 20°C bis 0°C verwendet. Helium oder Stickstoff bieten sich vorzugsweise bei sehr niedrigen Temperaturen zwischen dem absoluten Nullpunkt (0°K) und -20°C an.
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Wird Wasser als Arbeitsmedium verwendet hat dies den Vorteil, dass Wärmerohre mit Wasser als Arbeitsmedium weit verbreitet und weit entwickelt sind. Folglich sind Wärmerohre mit Wasser als Arbeitsmedium in unterschiedlichen Größen und Ausgestaltungen günstig zu beschaffen und auch bei unterschiedlichen Anwendungsbereichen und/oder Arbeitspunkten können weit entwickelte und geprüfte Wärmerohre verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das Wärmerohr derart ausgebildet sein, dass ein Arbeitsmedium in dem Wärmerohr mittels Kapillarwirkung bewegbar ist.
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Wird ein Wärmerohr, in welchem das Arbeitsmedium mittels Kapillarwirkung bewegt wird, verwendet kann das Wärmerohr auch ohne Ausnutzung der Schwerkraft verwendet werden. Somit kann das Wärmerohr auch horizontal oder mit lediglich geringer Neigung in dem Leistungsschalter verbaut und eingesetzt sein/werden.
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Entsprechend kann gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Wärmesenkenelement eine Mehrzahl von Kühlrippen aufweisen.
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Weist das Wärmesenkenelement eine Mehrzahl von Kühlrippen auf, kann vorteilhafterweise die von dem Wärmerohr an das Wärmesenkenelement abgegebene Wärme schnell und effizient an die Umgebung abgegeben werden.
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Die Anzahl der Mehrzahl von Kühlrippen und die Form der einzelnen Kühlrippen kann an den individuellen Bedarf des zu kühlenden Leistungsschalter angepasst werden. Soll beispielsweise viel Wärme abgeführt werden kann die Anzahl der Mehrzahl der Kühlrippen hoch sein. Soll alternativ oder zusätzlich die Wärme schnell abgeführt werden, kann das Wärmesenkenelement vorteilhafterweise ebenfalls eine hohe Anzahl der Mehrzahl von Kühlrippen aufweisen.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das Wärmesenkenelement aufweisen einen Metallblock, und eine Mehrzahl von Kühlrippen, welche an dem Metallblock an einer von der Strombandklemme abgewandten Seite des Metallblocks angeordnet sind, wobei der Metallblock eine Aufnahmeöffnung aufweist, wobei das Wärmerohr durch die Aufnahmeöffnung hindurch gesteckt ist, so dass das erste Ende des Wärmerohrs in dem Wärmesenkenelement angeordnet ist.
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Der Metallblock und die Mehrzahl von Kühlrippen sind entweder einstückig oder mehrstückig ausgebildet.
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Sind der Metallblock und die Mehrzahl von Kühlrippen einstückig ausgebildet, kann vorteilhafterweise ein gleichmäßige Wärmeleitung sichergestellt werden. Außerdem sind folglich der Metallblock und die Mehrzahl von Kühlrippen sicher und fest miteinander verbunden.
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Sind der Metallblock und die Mehrzahl von Kühlrippen mehrstückig ausgebildet, können der Metallblock und die Mehrzahl von Kühlrippen vorteilhafterweise aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Darüber hinaus kann der Metallblock und/oder die Mehrzahl von Kühlrippen im Falle einer Beschädigung und/oder Ermüdung einfach und kostengünstig ausgetauscht werden.
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Die Mehrzahl von Kühlrippen sind an einer von der Strombandklemme abgewandten Seite angeordnet, so dass der Metallblock angrenzend an die Strombandklemme angeordnet ist. Somit kann eine sichere Verbindung zwischen dem Wärmesenkenelement und der Strombandklemme sichergestellt werden.
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Die Aufnahmeöffnung ist in dem Metallblock vorgesehen, so dass vorteilhafterweise das Wärmerohr in der Aufnahmeöffnung in dem Metallblock gehalten werden kann und gleichzeitig das erste Ende an das Wärmesenkenelement und das zweite Ende an das zu kühlende Bauteil gekoppelt sind.
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Die Aufnahmeöffnung hält das Wärmerohr zuverlässig an seiner Position in dem Leistungsschalter. Zusätzlich ist das erste Ende in dem Wärmesenkenelement angeordnet. In dem Wärmesenkenelement angeordnet bedeutet gemäß der vorliegenden Erfindung, dass in dem Wärmesenkenelement ein Sackloch vorgesehen ist, in dem das Wärmerohr mit seinem ersten Ende endet. An dem ersten Ende des Wärmerohrs kondensiert das Arbeitsmedium und gibt Wärme an das Wärmesenkenelement und somit indirekt an die Umgebung ab. Durch das Anordnen des ersten Endes in dem Sackloch in dem Wärmesenkenelement kann die Wärme in jede Richtung im Raum an das Material des Wärmesenkenelements und folglich des Wärmesenkenelements abgeleitet werden. Folglich kann die abzuführende Wärme besonders effizient an das Wärmesenkenelement abgegeben werden.
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Entsprechend kann gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Strombandklemme eine weitere Aufnahmeöffnung aufweisen, wobei das Wärmerohr durch die Aufnahmeöffnung hindurchgesteckt ist, so dass das zweite Ende des Wärmerohrs in der Strombandklemme angeordnet ist.
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Das zweite Ende kann in der Strombandklemme angeordnet sein bedeutet gemäß der vorliegenden Erfindung, dass das erste Ende in einem Inneren der Strombandklemme angeordnet ist. In der Strombandklemme ist hierfür ein Sackloch vorgesehen, in welches das Wärmerohr einführbar ist. Die Strombandklemme ist vorteilhafterweise aus einem gut wärmeleitenden Material, insbesondere aus Kupfer, hergestellt. Durch das Anordnen des zweiten Endes in der Strombandklemme ist das Ende in der Strombandklemme angeordnet, an welchem das Arbeitsmedium Wärmeenergie aufnimmt und verdampft. Ist das zweite Ende in der Strombandklemme angeordnet, insbesondere in einem Sackloch in der Strombandklemme kann vorteilhafterweise Wärme in jeder Richtung im Raum an dem zweiten Ende aufgenommen werden. Folglich kann durch das Anordnen des zweiten Endes in der Strombandklemme eine effiziente Wärmeabfuhr sichergestellt werden.
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Vorteilhafterweise ist das erste Ende des Wärmerohrs in dem Wärmesenkenelement und das zweite Ende des Wärmerohrs in der Strombandklemme angeordnet und ein Bereich des Wärmerohrs, welcher sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckt, wird in den Durchgangslöchern des Wärmesenkenelements und der Strombandklemme gehalten. Somit kann eine gute Wärmeabfuhr zuverlässig sichergestellt werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Wärmesenkenelement ferner zumindest ein Verschraubungsdurchgangsloch aufweisen, wobei die Strombandklemme zumindest ein weiteres Verschraubungsdurchgangsloch aufweist, welches zu dem Verschraubungsdurchgangsloch der Wärmesenke korrespondierend angeordnet ist, wobei das Wärmesenkenelement und die Strombandklemme über das Verschraubungsdurchgangsloch und das weitere Verschraubungsdurchgangsloch mittels einer Verschraubung miteinander verbunden sind.
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Das Verschraubungsdurchgangsloch ist beanstandet zu der Aufnahmeöffnung angeordnet. Vorteilhafterweise weist das Verschraubungsdurchgangloch einen Durchmesser auf, welcher unterschiedlich zu einem Durchmesser der Aufnahmeöffnung ist. Somit kann sichergestellt werden, dass sowohl die Verschraubung als auch das Wärmerohr an der richtigen Position verbaut sind.
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Das Verschraubungsdurchgangsloch in dem Wärmesenkenelement und das weitere Verschraubungsdurchgangsloch in der Strombandklemme sind vorteilhafterweise korrespondierend zueinander angeordnet, so dass ein Element der Verschraubung durch das Verschraubungsdurchgangsloch und das weitere Verschraubungsdurchgangsloch hindurchgesteckt ist und ein Ende des Elements an jeder Seite hervorsteht. Somit kann eine sichere und wieder lösbare Verbindung der Strombandklemme und der Wärmesenke bereitgestellt werden. Die Strombandklemme ist wiederum in unmittelbarer Nähe, insbesondere um den Anschluss des beweglichen Kontaktelements herum, des beweglichen Kontaktelements angeordnet, so dass das Wärmerohr vorteilhafterweise sicher an dem zu kühlenden Bauteil angeordnet ist.
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Die Verschraubung weist vorteilhafterweise einen Bolzen mit einem Innengewinde und einem Durchmesser, welcher dem Durchmesser des Verschraubungsdurchgangslochs entspricht, auf. Das Innengewinde ist vorteilhafterweise an beiden Enden des Bolzens vorgesehen. An jedem der beiden Enden des Bolzens ist dann eine Schraube eindrehbar, so dass ein Schraubenkopf der ersten Schraube an der Strombandklemme anliegt, gegebenenfalls mittels einer dazwischenliegenden Beilegscheibe, und ein Schraubenkopf der zweiten Schraube an dem Metallblock anliegt, gegebenenfalls mittels einer dazwischenliegenden Beilegscheibe. Folglich kann somit vorteilhafterweise das Wärmesenkenelement zuverlässig und sicher an dem zu kühlenden Bauteil indirekt gekoppelt sein.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die Verschraubung sich von einem dem Wärmesenkenelement abgewandten Seite der Strombandklemme durch das Verschraubungsdurchgangsloch und durch das weitere Verschraubungsdurchgangsloch hindurch bis zu einer von der Strombandklemme abgewandten Seite des Wärmesenkenelements erstrecken, wobei die Verschraubung insbesondere an der von der dem Wärmesenkenelement abgewandten Seite der Strombandklemme und an der von der Strombandklemme abgewandten Seite des Wärmesenkenelements von außen derart zugänglich ist, dass die Verschraubung befestigbar ist.
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Vorteilhafterweise ist die Verschraubung von außen zugänglich, so dass ein Koppeln und Entkoppeln der Verschraubung ohne ein Zerstören und/oder Demontieren eines Bauteils des Leistungsschalters ermöglicht ist.
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Die vorstehend beschriebene erste Schraube ist an dem an der Strombandklemme angeordneten Ende der Verschraubung und die vorstehend beschriebene zweite Schraube ist an dem an dem Wärmesenkenelement angeordneten Ende der Verschraubung angeordnet.
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Ist die Verschraubung von außen zugänglich, kann vorteilhafterweise das Wärmerohr zuverlässig und zügig getauscht werden falls notwendig.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsschalters beansprucht. Das Verfahren weist auf (a) Bereitstellen eines zu kühlenden Bauteils, (b) Bereitstellen eines Wärmesenkenelements, das derart ausgebildet ist, dass Wärme an eine Umgebung abführbar ist, (c) Ausbilden eines Wärmerohrs zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Wärmesenkenelement, derart dass Wärme von dem zu kühlenden Bauteil zu dem Wärmesenkenelement leitbar ist.
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Mit dem vorliegenden Verfahren zum Herstellen eines Leistungsschalters wird ein Leistungsschalter bereitgestellt, welcher eine Wärmeabfuhreffizienz in einem Strompfad des Leistungsschalters steigert, so dass eine kompakte Bauform des Leistungsschalters bei gleichzeitig höheren Nennströmen und höheren Betriebstemperaturen erreichbar ist. Darüber hinaus kann Aluminium anstelle von Kupfer verwendet werden, so dass der Leistungsschalter auch günstiger bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann mittels eines Implementierens eines Wärmerohrs in einem Strompfad des Leistungsschalters die Wärmetransporteffizienz gesteigert werden. Allgemein ist die heißeste Stelle in einem Leistungsschalter mit hohen Nennströmen an einer Schnittstelle zwischen der Vakuum-Schaltröhre/dem Vakuum-Unterbrecher („vacuum interrupter“) und der Strombandklemme/ Verbindungsklemme oder der Schnittstelle zwischen der Vakuum-Schaltröhre und dem Polkopf. Mittels des Leistungsschalters gemäß der vorliegenden Erfindung kann die an dieser heißesten Stelle generierte Wärme im schnelleren Maße an das Wärmesenkenelement übertragen werden, an welchem die Wärme an einen sich bewegenden Luftstrom aufgrund des bestehenden Temperaturgradienten übertragen und somit abgeführt wird. Mit anderen Worten wird die Wärmeübertragungseffizienz gesteigert indem ein Temperaturdelta zwischen der Strombandklemme und dem Wärmesenkenelement verringert wird. Somit wird folglich Wärme mit einem höheren Tempo an die Luft abgeführt.
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Beispielhaft können sechs Wärmerohre zwischen der Strombandklemme und dem Wärmesenkenelement aus Aluminium gekoppelt sein. Die hohen Temperaturen nahe der Vakuum-Schaltröhren Schnittstellen werden somit schnell an das Wärmesenkenelement übertragen, wo die hohen Temperaturen anschließend an die bewegte Luftströmung übertragen werden.
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Vorteilhafterweise wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Wärmerohr in einem stromführenden Pfad in einem Mittelspannungs-Leistungsschalter eingebaut, um Wärme mit höherem Tempo an das Wärmesenkenelement zu leiten und somit die Betriebstemperatureffizienz des Leistungsschalters zu erhöhen.
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Bei Erwärmungsprüfungen ohne ein Wärmerohr hat sich ein Temperaturdelta von bis zu 15°K innerhalb eines Polkopfes von einem Bereich nahe der Vakuum-Schaltröhren Schnittstelle zu den Kühlrippen gezeigt. Mittels des Einbauens von Wärmerohren und dem daraus folgenden Veränderung der insgesamten Betriebstemperatureffizienz kann dieses Delta reduziert werden.
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Vorteilhafterweise kann die Baugröße des erfindungsgemäßen Leistungsschalters verringert werden und kompaktere Ausgestaltungen der Pole für höhere Nennströme sind möglich. Auch können Bauteile aus Aluminium anstelle von Bauteilen aus Kupfer verwendet werden, so dass hohe Kosteneinsparungen möglich sind. Zusätzlich kann die Betriebstemperatureffizienz erhöht werden und es ist kein Herabsetzen der Nennströme notwendig.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Wärmerohr auch an den Polkopf gekoppelt sein. Vielmehr kann das Wärmerohr auch an jedes Pol-Bauteil gekoppelt werden, um die Wärmeabfuhreffizienz zu erhöhen. Ein Wärmerohr kann auch in eine Leistungsschalter Stromschiene gekoppelt werden. Somit kann der Querschnitt eines verwendeten Kupfermaterials verringert werden und folglich Kosten gespart werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.
- 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
- 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
- 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Leistungsschalters ohne ein Wärmesenkenelement gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
- 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmesenkenelements gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
- 6 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht eines Wärmesenkenelements gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
- 7 zeigt einen Leistungsschalter gemäß dem Stand der Technik.
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Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
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Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellung in den Figuren ist schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
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Der Leistungsschalter 100 weist eine Vakuum-Schaltröhre 180, auch als Vakuum-Unterbrecher bezeichnet, einen Anschluss 110 eines beweglichen Kontaktelements der Vakuum-Schaltröhren 180, eine Strombandklemme 150, ein Stromband 140 und einen beweglichen Kontaktbolzen 160 mit einem an dem beweglichen Kontaktbolzen angeordneten Isolator 161, auf. Ferner weist der Leistungsschalter 100 sechs Wärmerohre 130 auf, wobei in der in 1 dargestellten Seitenansicht lediglich drei Wärmerohre 130 gezeigt sind.
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Der Anschluss 110 des beweglichen Kontaktelements der Vakuum-Schaltröhre ist das zu kühlenden Bauteil des Leistungsschalters 100. Das Wärmesenkenelement 120 ist derart ausgebildet, dass Wärme an eine Umgebung des Leistungsschalters 100 abführbar ist. Das Wärmerohr 130 ist zwischen dem Anschluss 110 des beweglichen Kontaktes der Vakuum-Schaltröhre 180 angeordnet, so dass Wärme von dem Anschluss 110 über das Wärmerohr 130 an das Wärmesenkenelement 120 leitbar ist.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
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In der Ansicht in 2 sind aufgrund der Perspektive lediglich drei der sechs Wärmerohre 130 gezeigt. Jedes Wärmerohr 130 weist ein erstes Ende 231 auf, welches an das Wärmesenkenelement 120 gekoppelt ist. Ferner weist jedes Wärmerohr 130 ein zweites Ende 232 auf, welches gegenüberliegend zu dem ersten Ende 231 an dem Wärmerohr angeordnet ist und mittels der Strombandklemme 150 an den Anschluss 110 gekoppelt ist. Das zweite Ende 232 ist dabei wie in 1 gezeigt in der Strombandklemme angrenzend an den Anschluss 110 angeordnet. Wie in 1 dargestellt, sind die drei Wärmerohre 130 beabstandet zueinander und zu dem Anschluss 110 in der Strombandklemme 150 angeordnet. Durch diese Anordnung kann Wärme effizient abgeführt werden.
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Darüber hinaus sind in 2 vier Schrauben 171 gezeigt, welche jeweils mit einem dazugehörigen Bolzen 272 verschraubt sind. Die Schraube 171 und der Bolzen 272 bilden zusammen eine sichere Verbindung der Wärmerohre 130 in dem Leistungsschalter aus.
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3 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
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Das Wärmesenkenelement 120 weist einen ersten und einen zweiten Vorsprung 322 auf. In dem ersten Vorsprung 322 sind drei erste Enden 231 von drei der sechs Wärmerohre 130 angeordnet. Die drei ersten Enden 231 sind versetzt und beabstandet zueinander jeweils in einer Aufnahmeöffnung 523 (in 5 gezeigt) angeordnet. Drei weitere erste Enden 231 sind in dem zweiten Vorsprung 322 und versetzt und beabstandet zueinander jeweils in einer Aufnahmeöffnung 523 (in 5 gezeigt) angeordnet.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines Leistungsschalters 100 ohne ein Wärmesenkenelement 120 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
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Die Strombandklemme 150 weist vier weitere Verschraubungsdurchgangslöcher 451 auf, in welchen jeweils ein Bolzen 272 angeordnet ist. Ferner weist die Strombandklemme 150 sechs weitere Aufnahmeöffnungen 452 auf, in welcher jeweils ein Wärmerohr 130 angeordnet und gehalten ist. Jeder der vier Bolzen 272 erstreckt sich kürzer über eine Stirnfläche 453 der Strombandklemme 150 hinaus als jedes der sechs Wärmerohre 130.
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In Breitenrichtung des zusammengebauten Leistungsschalters 100 betrachtet sind angrenzend an den Anschluss 110 zunächst rechts und links jeweils zwei weitere Durchgangsbohrungen 451 mit je einem Bolzen 272 angeordnet. Angrenzend daran sind jeweils rechts und links außen drei weitere Aufnahmeöffnungen 452 angeordnet, in welcher je ein Wärmerohr 130 angeordnet ist.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmesenkenelements 120 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
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Das Wärmesenkenelement 120 weist einen Metallblock 525 und vier Kühlrippen 521 auf. Direkt angrenzend an die beiden äußersten Kühlrippen 521 ist ein Vorsprung 322 ausgebildet, in welchem die ersten Enden 231 der sechs Wärmerohre 130 enden.
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In dem Metallblock 525 sind vier Durchgangsverschraubungslöcher 524 ausgebildet. Jedes der vier Durchgangsverschraubungslöcher 524 ist nicht gegenüberliegend zu den vier Kühlrippen 521 vorgesehen, sondern in einem Abstand zwischen den Kühlrippen 521. Ferner sind in dem Metallblock 525 sechs Aufnahmeöffnungen 523 ausgebildet. Die Aufnahmeöffnungen 523 sind als zwei Dreiergruppen auf jeweils einer Seite des Wärmesenkenelements 210 und beabstandet zu jeweils zwei der vier Durchgangslöcher 524 angeordnet. Die zwei Dreiergruppen von Aufnahmeöffnungen 523 sind derart voneinander beabstandet, dass der Anschluss 110 zwischen den zwei mal drei Aufnahmeöffnungen 523 im zusammengebauten Zustand des Leistungsschalters 100 angeordnet sein kann.
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6 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht eines Wärmesenkenelements 120 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
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Der Vorsprung 322 ist derart ausgebildet, dass von drei Wärmerohren 130 jeweils das erste Ende 231 in dem Vorsprung 322 angeordnet ist. Zusätzlich ist in 6 gezeigt, dass das Verschraubungsdurchgangsloch 524 zwischen der äußersten Kühlrippe 521 in Breitenrichtung betrachtet und einer angrenzenden Kühlrippe 521 angeordnet ist.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Leistungsschalter
- 110
- Anschluss
- 120
- Wärmesenkenelement
- 130
- Wärmerohr
- 140
- Stromband
- 150
- Strombandklemme
- 160
- Kontaktbolzen
- 171
- Schraube
- 231
- erstes Ende
- 232
- zweites Ende
- 272
- Bolzen
- 322
- Vorsprung
- 451
- weiteres Verschraubungsdurchgangsloch
- 452
- weitere Aufnahmeöffnung
- 453
- Stirnfläche
- 521
- Kühlrippe
- 523
- Aufnahmeöffnung
- 524
- Verschraubungsdurchgangsloch
- 525
- Metallblock
- 700
- Leistungsschalter
- 710
- Polkopf
- 720
- Polkontaktplatte
