EP1672655A1 - Vacuum switch with increased current load capacity - Google Patents
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- EP1672655A1 EP1672655A1 EP04405786A EP04405786A EP1672655A1 EP 1672655 A1 EP1672655 A1 EP 1672655A1 EP 04405786 A EP04405786 A EP 04405786A EP 04405786 A EP04405786 A EP 04405786A EP 1672655 A1 EP1672655 A1 EP 1672655A1
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- heat
- vacuum
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- H01H33/66—Vacuum switches
- H01H33/6606—Terminal arrangements
Definitions
- the invention relates to the field of switch technology, in particular the high and medium voltage switch technology and especially to vacuum interrupters. It relates to a vacuum interrupter chamber and a method for cooling a vacuum interrupter chamber according to the preamble of the independent claims.
- Vacuum switching chambers are known from the prior art, which are forced to increase the current carrying capacity forced.
- the vacuum interrupter chamber is arranged in an insulating tube, which is flowed through by means of a blower of air, so that even at high current load too high heating of the vacuum interrupter chamber is avoided.
- blower is active, that is, it has to be driven. It has to be maintained and can fail.
- the blower can be made redundant, whereby a greater reliability can be achieved. Nevertheless, greater reliability of cooling is desirable.
- a vacuum interrupter chamber with a passive and (almost) maintenance-free cooling system is to be created.
- the inventive vacuum switching chamber has at least one heat pipe.
- the heat pipe also known as heat pipe
- the vacuum interrupter chamber has at least two contact pieces, and the current flows through the two contact pieces.
- Additional heat is generated during a short period of time by a burning in the case of switching between the contact pieces arc. This additional heat can be dissipated to a part through the heat pipe.
- a heat pipe is a passive cooling device. It requires no power or other supply. As a cooling system with a hermetically closed circuit, there is generally no need for maintenance and generally it can be maintenance free for years and decades.
- the size of the vacuum interrupter chamber can be kept very small at large rated current carrying capacity by providing the heat pipe. A compact design with high current carrying capacity is possible. Two or more heat pipes may be provided on a vacuum interrupter chamber.
- a heat pipe in close thermal contact with at least one of the contact pieces may be provided in close thermal contact with a contact piece. It may also be two or, if present, even more contact pieces, each with one or more heat pipes in close thermal contact. It may also be a heat pipe with two or more contact pieces in close thermal contact.
- the vacuum switching chamber may have RMF and / or AMF contact pieces.
- the at least one heat pipe includes a working medium for dissipating the heat by evaporation of the working medium in a section of the heat pipe designated as an evaporator and condensing the working medium in a section of the heat pipe designated as a condenser.
- the working medium should be enclosed in a hermetically sealed volume that includes the evaporator and the condenser.
- the heat pipe can be designed as a thermosyphon.
- a heat pipe designed as a thermosiphon the return transport of the condensed working medium takes place (predominantly) by gravity.
- the condenser in the gravitational field
- the condenser is located higher than the evaporator, and between these must be a monotonous slope along the heat pipe.
- the heat pipe includes means for returning condensed working fluid to the evaporator by capillary forces.
- means for returning condensed working fluid to the evaporator by capillary forces for example, porous materials come into question. Mesh-like structured and / or fabric-like materials are also suitable.
- such means are provided on the inner surface of the heat pipe.
- the evaporator is in close thermal contact with the first contact piece. This allows a particularly efficient cooling in the region of this contact piece. It is also possible to arrange the evaporator in less direct thermal contact with the contact piece. For example, if the contact piece is connected to a contact stem, the evaporator may also be in close thermal contact with the Contact stem be provided. As a result, while the thermal contact with the contact piece is generally inferior, it may be easier to make the vacuum interrupter chamber with the heat pipe. Or if the contact stem is in turn connected to a contact carrier, the evaporator can also be provided in the contact carrier or at least in close thermal contact with the contact carrier. Such a contact carrier is generally not movable, so that the heat pipe does not need to be movable.
- a movable heat pipe would be realized, for example, that, preferably between the evaporator and condenser, a flexible deformable portion of the heat pipe is provided, for example by a bellows or a hose made of elastically deformable material.
- At least part of the evaporator is integrated in the first contact piece. This ensures a very good thermal contact between evaporator and contact piece. Additionally or alternatively, at least a part of the evaporator may also be integrated in a contact stem connected to the first contact piece.
- At least a part of the evaporator may be formed by a cavity in the first contact piece.
- the cavity may be formed by a blind hole.
- the heat pipe in close thermal contact with a fixed contact piece. As explained above, this allows a simplified construction of the heat pipe. In addition, the mass to be moved during a switching operation is lower.
- the capacitor has a device for heat dissipation.
- the device for heat dissipation can, for example a heat exchanger, a radiator or a cooling fin arrangement include or be. If cooling fins are provided, these are advantageously arranged so that they are oriented substantially vertically when the vacuum interrupter is aligned in the intended manner.
- a vacuum switching chamber is substantially rotationally symmetrical with an axis, and the vacuum interrupter chamber is generally provided for mounting with a vertically aligned axis.
- the cooling fins of the cooling fin arrangement are advantageously aligned substantially parallel to the axis.
- a vacuum interrupter chamber has an evacuated volume containing the contacts.
- the capacitor or at least a part of the capacitor and in particular a device for heat dissipation outside this volume is arranged.
- a heat pipe according to the invention can have a hollow insulating body (for example a ceramic or glass tube) to bridge a potential difference between the evaporator and the condenser, in particular if the capacitor (and in particular a cooling rib arrangement of the capacitor) is to be touchable when electrical high voltage is applied to the vacuum switching chamber and thus should be at ground potential. If the heat pipe is to form such an electrical insulation gap, an electrically insulating working medium is also to be provided.
- a hollow insulating body for example a ceramic or glass tube
- the evaporator is arranged near the middle of the vacuum interrupter chamber.
- a particularly efficient cooling of the vacuum interrupter chamber is achieved.
- a switching device for example a high-power switch, high-voltage power switch, generator switch, medium-voltage switch or the like, has at least one vacuum interrupter chamber according to the invention.
- the inventive method for cooling a vacuum interrupter chamber is characterized in that a working medium is vaporized at a location called evaporator by absorbing heat and is condensed with release of heat at a designated capacitor location and the condensed working fluid is returned to the evaporator.
- the absorbed and dissipated heat is essentially generated by a current flowing through the vacuum interrupter in the closed state (rated current).
- Fig. 1 shows schematically and cut a vacuum interrupter chamber in the open state. For the invention insignificant details are not discussed and are largely not shown.
- the vacuum interrupter chamber is substantially rotationally symmetrical with an axis A and includes two contact pieces 1 1 and 12.
- the contact piece 12 is movable by means of a non-illustrated drive.
- Contact piece 1 1 is fixed.
- the contact pieces 1 1 and 12 are attached to contact stems 21 and 22, respectively.
- the vacuum interrupter chamber further has an insulating body 50, typically made of ceramic, which is formed as a hollow cylinder and is closed at its ends by a cover 41, 42.
- the enclosed volume 10 is evacuated.
- the movable contact stem 22 is attached to the lid 42 with the interposition of a bellows 70.
- the fixed contact stem 21 is on the lid 41st attached.
- a shield 60 prevents the insulating body 50 loses its insulating properties by vapor deposition, especially with metal vapor from an arc zone between the contact pieces 11,12 and becomes electrically conductive.
- the contact pieces 11, 12 as well as the contact posts 21, 22 are advantageously made of copper, and the contact pieces 11, 12 are provided on their mutually facing side with a coating 15 made of an erosion-resistant material, for example Cu / Cr.
- a contact piece 11, 12 can also be formed in one piece with a contact stem 21, 22.
- a heat pipe 1 integrated in the vacuum interrupter chamber is provided.
- the heat is mainly due to ohmic losses that occur when the vacuum interrupter chamber (and the contact pieces) are traversed in the closed switching state of an electric current (rated current).
- a beam-like fixed contact carrier 31 is connected to the contact stem 21, for example by means of a thread 36, and a likewise bar-like drive contact carrier 32 is slidably connected to the contact stem 22.
- spring contact rings or multi-contact blades can be provided, for example, in recesses 35.
- Substantial parts of the vacuum interrupter chamber are disposed within an outer insulating tube 80 which serves for electrical shielding and mechanical stabilization.
- the heat pipe 1 has a volume that includes a working medium 2.
- the volume of the heat pipe 1 can be evacuated prior to filling the working medium 2, so that it contains only the working medium.
- the volume is formed by a plurality of sub-volumes, which are provided in the contact piece 11, the contact piece 21, a flange 5 and a pipe 7.
- An arranged in the contact piece 11 and the contact stem 21 region of the heat pipe 1 serves as an evaporator 3:
- the first liquid working medium 2 is evaporated.
- the gaseous working medium 2 absorbs absorbed heat energy and condenses, whereupon it is returned to the evaporator 3.
- the unilaterally closed tube 7 is preferably made of copper and, for example, welded to the flange 5, which advantageously has a socket for receiving the tube 7.
- the flange 5 is screwed, for example, with the contact stem 21 and has to ensure a gas and pressure-tight connection to a cutting ring 6, which cooperates with the contact stem 21.
- the contact stem 21 is annealed copper, which is generally the case anyway due to the manufacturing process of the vacuum interrupter chamber.
- the flange 5 is made of a harder material, preferably also of copper, for example, copper in die-hard quality.
- the material of the contact stem 21 would be harder than that of the flange 5, in which case the cutting ring 6 would advantageously be provided on the contact stem 21.
- the tube 7 or at least its upper part serves as the condenser 4.
- a tube system of the heat pipe 1 in the condenser.
- a tube system of the heat pipe 1 can also be provided there.
- a cooling fin arrangement 8 is provided on the tube 7.
- the cooling fins aligned substantially parallel to the axis A can be arranged approximately in a star-shaped (radial) manner around the tube.
- Fig. 2 shows schematically and parallel to the axis A cut such a possible cooling fin arrangement.
- the individual cooling fins can also be branched (not shown).
- Fig. 3 shows schematically and parallel to the axis A cut another possible embodiment of a capacitor 4.
- the condenser 4 has a multiplicity of elongate and / or areally extending cavities 8a. In this way, on the one hand a large surface for cooling the capacitor 4 from the outside by air (ambient air, optionally forced) realized and on the other hand, a large surface area, on which working fluid from the inside can condense.
- a heat pipe 1 can advantageously be designed so that the internal pressure in the heat pipe 1 is approximately between 900 mbar and 1300 mbar, when the contact pieces 11, 12 are current-carrying. But there are also pressures of several bar possible, especially if the heat pipe 1 is substantially metallic and thus can easily withstand high pressures and remains gas-tight.
- Suitable working media 2 are, for example, water, acetone, fluorinated hydrocarbons such as “FC-72” from 3M, or hydro-fluoro ethers such as "HFE-7100" from 3M.
- a vacuum interrupter chamber can take place in two separate steps, wherein in a first step the parts forming the volume 10 and the parts arranged in the volume 10 are joined together and advantageously also the contact carriers 31, 32 and the outer insulating tube 80 can, for example be added. In a second step, the working medium 2 can then be filled and the other parts belonging to the heat pipe 1 (flange 5, pipe 7, cooling rib arrangement 8) are added.
- An advantage of the illustrated embodiment is that the vacuum interrupter chamber can be optionally used with or without heat pipe simply by performing or omitting the second production step.
- a vacuum interrupter chamber of small size By integrating a heat pipe or a part of a heat pipe 1 in a current-carrying conductor of the vacuum interrupter chamber, a vacuum interrupter chamber of small size can be realized with high current carrying capacity.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Schaltertechnik, insbesondere der Hoch- und Mittelspannungs-Schaltertechnik und speziell auf Vakuumschaltkammern. Sie bezieht sich auf eine Vakuumschaltkammer und ein Verfahren zur Kühlung einer Vakuumschaltkammer gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to the field of switch technology, in particular the high and medium voltage switch technology and especially to vacuum interrupters. It relates to a vacuum interrupter chamber and a method for cooling a vacuum interrupter chamber according to the preamble of the independent claims.
Aus dem Stand der Technik sind Vakuumschaltkammern bekannt, die zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit forciert gekühlt sind. Die Vakuumschaltkammer ist in einem Isolierrohr angeordnet, das mit Hilfe eines Gebläses von Luft durchströmt wird, so dass auch bei hoher Strombelastung eine zu hohe Erwärmung der Vakuumschaltkammer vermieden wird.Vacuum switching chambers are known from the prior art, which are forced to increase the current carrying capacity forced. The vacuum interrupter chamber is arranged in an insulating tube, which is flowed through by means of a blower of air, so that even at high current load too high heating of the vacuum interrupter chamber is avoided.
Ein Problem einer solchen Anordnung ist, dass das Gebläse aktiv ist, also angetrieben werden muss. Es muss gewartet werden und kann ausfallen.One problem with such an arrangement is that the blower is active, that is, it has to be driven. It has to be maintained and can fail.
Gegebenenfalls kann das Gebläse redundant ausgeführt werden, wodurch eine grössere Zuverlässigkeit erreichbar ist. Dennoch ist eine grössere Zuverlässigkeit der Kühlung wünschenswert.Optionally, the blower can be made redundant, whereby a greater reliability can be achieved. Nevertheless, greater reliability of cooling is desirable.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumschaltkammer und ein Verfahren zur Kühlung einer Vakuumschaltkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll eine Vakuumschaltkammer mit einem passiven und (nahezu) wartungsfreien Kühlsystem geschaffen werden.It is therefore an object of the invention to provide a vacuum interrupter chamber and a method for cooling a vacuum interrupter chamber of the type mentioned, which do not have the disadvantages mentioned above. In particular, a vacuum interrupter chamber with a passive and (almost) maintenance-free cooling system is to be created.
Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.This object is achieved by a device and a method having the features of the independent patent claims.
Die erfindungsgemässe Vakuumschaltkammer weist mindestens ein Wärmerohr auf. Das Wärmerohr (auch als Heatpipe bekannt) dient vor allem dem Abführen von Wärme, die durch einen im geschlossenen Schaltzustand durch die Vakuumschaltkammer fliessenden elektrischen Strom (Nennstrom) entsteht. Im allgemeinen weist die Vakuumschaltkammer mindestens zwei Kontaktstücke auf, und der Strom fliesst durch die beiden Kontaktstücke.The inventive vacuum switching chamber has at least one heat pipe. The heat pipe (also known as heat pipe) is used primarily to dissipate heat, which is generated by a flowing in the closed state through the vacuum interrupter chamber electrical current (rated current). In general, the vacuum interrupter chamber has at least two contact pieces, and the current flows through the two contact pieces.
Zusätzliche Wärme entsteht während einer kurzen Zeitspanne durch einen im Schaltfall zwischen den Kontaktstücken brennenden Lichtbogen. Diese zusätzliche Wärme kann zu einem Teil auch durch das Wärmerohr abführbar sein.Additional heat is generated during a short period of time by a burning in the case of switching between the contact pieces arc. This additional heat can be dissipated to a part through the heat pipe.
Durch das Vorsehen des Wärmerohres ist ein effizientes Abführen von Wärme möglich, so dass eine grössere Stromtragfähigkeit erreicht wird.By providing the heat pipe, an efficient dissipation of heat is possible, so that a greater current carrying capacity is achieved.
Ein Wärmerohr ist eine passive Kühlvorrichtung. Es bedarf keiner Stromzufuhr oder einer anderen Versorgung. Als ein Kühlsystem mit einem hermetisch geschlossenen Kreislauf bedarf es in der Regel keiner Wartung und kann im allgemeinen über Jahre und Jahrzehnte wartungsfrei funktionieren.A heat pipe is a passive cooling device. It requires no power or other supply. As a cooling system with a hermetically closed circuit, there is generally no need for maintenance and generally it can be maintenance free for years and decades.
Die Baugrösse der Vakuumschaltkammer kann bei grosser Nennstromtragfähigkeit durch das Vorsehen des Wärmerohres sehr klein gehalten werden. Eine kompakte Bauweise bei grosser Stromtragfähigkeit wird ermöglicht. Es können zwei oder mehr Wärmerohre an einer Vakuumschaltkammer vorgesehen sein.The size of the vacuum interrupter chamber can be kept very small at large rated current carrying capacity by providing the heat pipe. A compact design with high current carrying capacity is possible. Two or more heat pipes may be provided on a vacuum interrupter chamber.
Vorteilhaft ist ein Wärmerohr in engem thermischen Kontakt mit mindestens einem der Kontaktstücke. Es können auch zwei oder mehr Wärmerohre in engem thermischen Kontakt mit einem Kontaktstück vorgesehen sein. Es können auch zwei oder, falls vorhanden, noch weitere Kontaktstücke mit je einem oder mehreren Wärmerohren in engem thermischen Kontakt sein. Es kann auch ein Wärmerohr mit zwei oder mehr Kontaktstücken in engem thermischen Kontakt sein.Advantageously, a heat pipe in close thermal contact with at least one of the contact pieces. Also, two or more heat pipes may be provided in close thermal contact with a contact piece. It may also be two or, if present, even more contact pieces, each with one or more heat pipes in close thermal contact. It may also be a heat pipe with two or more contact pieces in close thermal contact.
Die Vakuumschaltkammer kann RMF- und/oder AMF-Kontaktstücke aufweisen.The vacuum switching chamber may have RMF and / or AMF contact pieces.
Im allgemeinen beinhaltet das mindestens eine Wärmerohr ein Arbeitsmedium zum Abführen der Wärme durch Verdampfen des Arbeitsmediums in einem als Verdampfer bezeichneten Abschnitt des Wärmerohres und Kondensieren des Arbeitsmediums in einem als Kondensator bezeichneten Abschnitt des Wärmerohres. Das Arbeitsmedium sollte in einem hermetisch geschlossenen Volumen eingeschlossen sein, das den Verdampfer und den Kondensator umfasst.In general, the at least one heat pipe includes a working medium for dissipating the heat by evaporation of the working medium in a section of the heat pipe designated as an evaporator and condensing the working medium in a section of the heat pipe designated as a condenser. The working medium should be enclosed in a hermetically sealed volume that includes the evaporator and the condenser.
Das Wärmerohr kann als Thermosiphon ausgebildet sein. Bei einem als Thermosiphon ausgestalteten Wärmerohr findet der Rücktransport des kondensierten Arbeitsmediums (vorwiegend) durch die Gravitation statt. Somit ist der Kondensator (im Gravitationsfeld) höher angeordnet als der Verdampfer, und zwischen diesen muss entlang des Wärmerohres ein monotones Gefälle sein.The heat pipe can be designed as a thermosyphon. In a heat pipe designed as a thermosiphon, the return transport of the condensed working medium takes place (predominantly) by gravity. Thus, the condenser (in the gravitational field) is located higher than the evaporator, and between these must be a monotonous slope along the heat pipe.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das Wärmerohr ein Mittel zur Rückführung von kondensiertem Arbeitsmedium zum Verdampfer durch Kapillarkräfte. Eine solche Ausführungsform wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn der Kondensator unterhalb von dem Verdampfer angeordnet ist; sie kann aber auch in Verbindung mit einem Thermosiphon eingesetzt werden. Als Mittel zur Rückführung von kondensiertem Arbeitsmedium zum Verdampfer durch Kapillarkräfte kommen beispielsweise poröse Materialien in Frage. Netzartig strukturierte und/oder gewebeartige Materialien sind ebenfalls geeignet. Vorzugsweise sind solche Mittel an der Innenfläche des Wärmerohrs vorgesehen. Durch das Vorsehen eines Mittels zur Rückführung von kondensiertem Arbeitsmedium zum Verdampfer durch Kapillarkräfte kann das Wärmerohr und die Vakuumschaltkammer lageunabhängig betrieben werden.In another embodiment, the heat pipe includes means for returning condensed working fluid to the evaporator by capillary forces. Such an embodiment is preferably used when the condenser is arranged below the evaporator; but it can also be used in conjunction with a thermosyphon. As a means for returning condensed working medium to the evaporator by capillary forces, for example, porous materials come into question. Mesh-like structured and / or fabric-like materials are also suitable. Preferably, such means are provided on the inner surface of the heat pipe. By providing a means for returning condensed working fluid to the evaporator by capillary forces, the heat pipe and the vacuum interrupter chamber can be operated independently of position.
Vorteilhaft ist der Verdampfer in engem thermischen Kontakt mit dem ersten Kontaktstück. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Kühlung im Bereich dieses Kontaktstücks. Es ist auch möglich, den Verdampfer in weniger direktem thermischen Kontakt mit dem Kontaktstück anzuordnen. Beispielsweise, wenn das Kontaktstück mit einem Kontaktstengel verbunden ist, kann der Verdampfer auch in engem thermischen Kontakt mit dem Kontaktstengel vorgesehen sein. Dadurch ist zwar der thermische Kontakt zum Kontaktstück im allgemeinen schlechter, aber möglicherweise ist die Herstellung der Vakuumschaltkammer mit dem Wärmerohr einfacher. Oder wenn der Kontaktstengel wiederum mir einem Kontaktträger verbunden ist, ist der Verdampfer auch in dem Kontaktträger oder zumindest in engem thermischen Kontakt mit dem Kontaktträger vorsehbar. Ein solcher Kontaktträger ist im allgemeinen nicht beweglich, so dass auch das Wärmerohr nicht beweglich zu sein braucht. Ein bewegliches Wärmerohr wäre beispielsweise dadurch realisierbar, dass, vorzugsweise zwischen Verdampfer und Kondensator, ein flexibel verformbarer Abschnitt des Wärmerohres vorgesehen ist, beispielsweise durch einen Balg oder einen Schlauch aus elastisch verformbarem Material.Advantageously, the evaporator is in close thermal contact with the first contact piece. This allows a particularly efficient cooling in the region of this contact piece. It is also possible to arrange the evaporator in less direct thermal contact with the contact piece. For example, if the contact piece is connected to a contact stem, the evaporator may also be in close thermal contact with the Contact stem be provided. As a result, while the thermal contact with the contact piece is generally inferior, it may be easier to make the vacuum interrupter chamber with the heat pipe. Or if the contact stem is in turn connected to a contact carrier, the evaporator can also be provided in the contact carrier or at least in close thermal contact with the contact carrier. Such a contact carrier is generally not movable, so that the heat pipe does not need to be movable. A movable heat pipe would be realized, for example, that, preferably between the evaporator and condenser, a flexible deformable portion of the heat pipe is provided, for example by a bellows or a hose made of elastically deformable material.
Mit grossem Vorteil ist zumindest ein Teil des Verdampfers in dem ersten Kontaktstück integriert. Dies gewährleistet einen sehr guten thermischen Kontakt zwischen Verdampfer und Kontaktstück. Zusätzlich oder alternativ kann auch zumindest ein Teil des Verdampfers in einem mit dem ersten Kontaktstück verbundenen Kontaktstengel integriert sein.With great advantage at least part of the evaporator is integrated in the first contact piece. This ensures a very good thermal contact between evaporator and contact piece. Additionally or alternatively, at least a part of the evaporator may also be integrated in a contact stem connected to the first contact piece.
Vorteilhaft kann zumindest ein Teil des Verdampfers durch einen Hohlraum in dem ersten Kontaktstück gebildet sein. Beispielsweise kann der Hohlraum durch ein Sackloch gebildet sein.Advantageously, at least a part of the evaporator may be formed by a cavity in the first contact piece. For example, the cavity may be formed by a blind hole.
Vorteilhaft ist das Wärmerohr in engem thermischen Kontakt mit einem feststehenden Kontaktstück. Wie oben erläutert ist dadurch eine vereinfachte Konstruktion des Wärmerohres möglich. Ausserdem ist die bei einem Schaltvorgang zu bewegende Masse geringer.Advantageously, the heat pipe in close thermal contact with a fixed contact piece. As explained above, this allows a simplified construction of the heat pipe. In addition, the mass to be moved during a switching operation is lower.
Mit grossem Vorteil weist der Kondensator eine Vorrichtung zur Wärmeabgabe auf. Die Vorrichtung zur Wärmeabgabe kann beispielsweise ein Wärmetauscher, ein Radiator oder eine Kühlrippenanordnung beinhalten oder sein. Wenn Kühlrippen vorgesehen sind, sind diese vorteilhaft derart angeordnet, dass sie im wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, wenn die Vakuumschaltkammer in vorgesehener Weise ausgerichtet ist. Im allgemeinen ist eine Vakuumschaltkammer im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet mit einer Achse, und die Vakuumschaltkammer ist im allgemeinen zur Montage mit vertikal ausgerichteter Achse vorgesehen. In diesem Fall sind die Kühlrippen der Kühlrippenanordnung vorteilhaft im wesentlichen parallel zu der Achse ausgerichtet.With great advantage, the capacitor has a device for heat dissipation. The device for heat dissipation can, for example a heat exchanger, a radiator or a cooling fin arrangement include or be. If cooling fins are provided, these are advantageously arranged so that they are oriented substantially vertically when the vacuum interrupter is aligned in the intended manner. In general, a vacuum switching chamber is substantially rotationally symmetrical with an axis, and the vacuum interrupter chamber is generally provided for mounting with a vertically aligned axis. In this case, the cooling fins of the cooling fin arrangement are advantageously aligned substantially parallel to the axis.
Im allgemeinen weist eine Vakuumschaltkammer ein die Kontaktstücke beinhaltendes evakuiertes Volumen auf. Vorteilhaft ist der Kondensator oder zumindest ein Teil des Kondensators und insbesondere eine Vorrichtung zur Wärmeabgabe ausserhalb dieses Volumens angeordnet.In general, a vacuum interrupter chamber has an evacuated volume containing the contacts. Advantageously, the capacitor or at least a part of the capacitor and in particular a device for heat dissipation outside this volume is arranged.
Vorteilhaft sind der Verdampfer und der Kondensator auf dem gleichen elektrischen Potential angeordnet. Ein erfindungsgemässes Wärmerohr kann aber einen Isolationshohlkörper (beispielsweise ein Keramik- oder Glasrohr) aufweisen, um eine Potentialdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator zu überbrücken, insbesondere wenn der Kondensator (und insbesondere eine Kühlrippenanordnung des Kondensators) bei an der Vakuumschaltkammer anliegender elektrischer Hochspannung berührbar sein soll und somit auf Erdpotential liegen soll. Wenn das Wärmerohr eine solche elektrische Isolationsstrecke bilden soll, ist auch ein elektrisch isolierendes Arbeitsmedium vorzusehen.Advantageously, the evaporator and the capacitor are arranged at the same electrical potential. However, a heat pipe according to the invention can have a hollow insulating body (for example a ceramic or glass tube) to bridge a potential difference between the evaporator and the condenser, in particular if the capacitor (and in particular a cooling rib arrangement of the capacitor) is to be touchable when electrical high voltage is applied to the vacuum switching chamber and thus should be at ground potential. If the heat pipe is to form such an electrical insulation gap, an electrically insulating working medium is also to be provided.
Mit Vorteil ist, insbesondere wenn nur ein Wärmerohr vorgesehen ist, der Verdampfer nahe der Mitte der Vakuumschaltkammer angeordnet. Dadurch wird eine besonders effiziente Kühlung der Vakuumschaltkammer erreicht.Advantageously, in particular if only one heat pipe is provided, the evaporator is arranged near the middle of the vacuum interrupter chamber. As a result, a particularly efficient cooling of the vacuum interrupter chamber is achieved.
Ein erfindungsgemässes Schaltgerät, beispielsweise ein Hochleistungsschalter, Hochspannungsteistungsschalter, Generatorschalter, Mittelspannungsschalter oder dergleichen, weist mindestens eine erfindungsgemässe Vakuumschaltkammer auf.A switching device according to the invention, for example a high-power switch, high-voltage power switch, generator switch, medium-voltage switch or the like, has at least one vacuum interrupter chamber according to the invention.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Kühlen einer Vakuumschaltkammer ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsmedium an einem als Verdampfer bezeichneten Ort durch Aufnahme von Wärme verdampft wird und unter Abgabe von Wärme an einem als Kondensator bezeichneten Ort kondensiert wird und das kondensierte Arbeitsmedium wieder zu dem Verdampfer zurückgeführt wird. Die aufgenommene und abgeführte Wärme entsteht im wesentlichen durch einen die Vakuumschaltkammer im geschlossenen Schaltzustand durchfliessenden Strom (Nennstrom).The inventive method for cooling a vacuum interrupter chamber is characterized in that a working medium is vaporized at a location called evaporator by absorbing heat and is condensed with release of heat at a designated capacitor location and the condensed working fluid is returned to the evaporator. The absorbed and dissipated heat is essentially generated by a current flowing through the vacuum interrupter in the closed state (rated current).
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Figur hervor.Further preferred embodiments and advantages will become apparent from the dependent claims and the figure.
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der beiliegenden Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
- Fig. 1
- einen Schnitt durch eine in einem äusseren Isolierrohr angeordnete Vakuumschaltkammer;
- Fig. 2
- einen Kondensator mit Kühlrippenanordnung, geschnitten senkrecht zur Achse;
- Fig. 3
- einen Kondensator mit integrierter Kühlrippenanordnung, geschnitten parallel zur Achse.
- Fig. 1
- a section through a arranged in an outer insulating vacuum interrupter chamber;
- Fig. 2
- a condenser with cooling fin arrangement, cut perpendicular to the axis;
- Fig. 3
- a condenser with integrated cooling fin arrangement, cut parallel to the axis.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.The reference numerals used in the drawings and their meaning are listed in the list of reference numerals. Basically, the same or equivalent parts are provided with the same or similar reference numerals. For the understanding of the invention non-essential parts are not shown in part. The described embodiments are exemplary of the subject invention and have no limiting effect.
Fig. 1 zeigt schematisch und geschnitten eine Vakuumschaltkammer in geöffnetem Zustand. Für die Erfindung unwesentliche Details werden nicht diskutiert und sind weitgehend nicht dargestellt.Fig. 1 shows schematically and cut a vacuum interrupter chamber in the open state. For the invention insignificant details are not discussed and are largely not shown.
Die Vakuumschaltkammer ist im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet mit einer Achse A und beinhaltet zwei Kontaktstücke 1 1 und 12. Das Kontaktstück 12 ist mittels eines nicht-dargestellten Antriebes bewegbar. Kontaktstück 1 1 ist feststehend. Die Kontaktstücke 1 1 und 12 sind an Kontaktstengeln 21 beziehungsweise 22 befestigt.The vacuum interrupter chamber is substantially rotationally symmetrical with an axis A and includes two
Die Vakuumschaltkammer weist weiter einen Isolierkörper 50 auf, typischerweise aus Keramik, welcher hohlzylindrisch ausgebildet und an seinen Enden durch je einen Deckel 41 ;42 verschlossen ist. Das eingeschlossene Volumen 10 ist evakuiert. Der bewegliche Kontaktstengel 22 ist unter Zwischenfügung eines Faltenbalges 70 an dem Deckel 42 befestigt. Der feststehende Kontaktstengel 21 ist an dem Deckel 41 befestigt. Eine Abschirmung 60 verhindert, dass der Isolierkörper 50 durch Bedampfung, vor allem mit Metalldampf aus einer Lichtbogenzone zwischen den Kontaktstücken 11,12 seine Isoliereigenschaften verliert und elektrisch leitend wird.The vacuum interrupter chamber further has an insulating
Die Kontaktstücke 11,12 sowie auch die Kontaktstengel 21,22 sind vorteilhaft aus Kupfer, und die Kontaktstücke 11,12 sind auf ihrer einander zugewandten Seite mit einer Beschichtung 15 aus einem abbrandfestem Material, beispielsweise Cu/Cr, versehen. Ein Kontaktstück 11;12 kann auch einstückig mit einem Kontaktstengel 21;22 ausgebildet sein.The
Zum Abführen von Wärme, die in der Vakuumschaltkammer entsteht ist ein in die Vakuumschaltkammer integriertes Wärmerohr 1 vorgesehen. Die Wärme entsteht vor allem durch ohmsche Verluste, die auftreten, wenn die Vakuumschaltkammer (und die Kontaktstücke) in geschlossenem Schaltzustand von einem elektrischen Strom (Nennstrom) durchflossen sind.For dissipating heat that arises in the vacuum interrupter chamber, a
Zur elektrischen Kontaktierung der Vakuumschaltkammer ist ein balkenartiger Festkontaktträger 31 mit dem Kontaktstengel 21 verbunden, beispielsweise mittels eines Gewindes 36, und ein ebenfalls balkenartiger Antriebskontaktträger 32 ist mit dem Kontaktstengel 22 gleitend verbunden. Zur Herstellung des elektrischen Kontaktes zwischen dem beweglichen Kontaktstück 22 und dem Antriebskontaktträger 32 können beispielsweise in Aussparungen 35 Federkontaktringe oder Multikontaktlamellen (nicht dargestellt) vorgesehen werden.For electrically contacting the vacuum interrupter chamber, a beam-like
Wesentliche Teile der Vakuumschaltkammer sind innerhalb eines äusseren isolierrohres 80 angeordnet, das der elektrischen Abschirmung und mechanischen Stabilisierung dient.Substantial parts of the vacuum interrupter chamber are disposed within an outer insulating
Das Wärmerohr 1 weist ein Volumen auf, das ein Arbeitsmedium 2 beinhaltet. Mit Vorteil kann das Volumen des Wärmerohres 1 vor dem Einfüllen des Arbeitsmediums 2 evakuiert werden, so dass es nur das Arbeitsmedium beinhaltet.The
Das Volumen ist durch mehrere Teilvolumina gebildet, welche in dem Kontaktstück 11, dem Kontaktstück 21, einem Flansch 5 und einem Rohr 7 vorgesehen sind. Ein in dem Kontaktstück 11 und dem Kontaktstengel 21 angeordneter Bereich des Wärmerohres 1 dient als Verdampfer 3: Durch Aufnahme von Wärme des Kontaktstückes 11 wird das zunächst flüssige Arbeitsmedium 2 verdampft. In einem als Kondensator 4 bezeichneten Abschnitt des Wärmerohres 1 gibt das gasförmige Arbeitsmedium 2 aufgenommene Wärmeenergie wieder ab und kondensiert, woraufhin es zum Verdampfer 3 zurückgeführt wird.The volume is formed by a plurality of sub-volumes, which are provided in the
Das einseitig geschlossene Rohr 7 ist vorzugsweise aus Kupfer und beispielsweise mit dem Flansch 5 verschweisst, welcher zur Aufnahme des Rohres 7 vorteilhaft einen Stutzen aufweist. Der Flansch 5 ist beispielsweise mit dem Kontaktstengel 21 verschraubt und weist zur Sicherstellung einer gas- und druckdichten Verbindung einen Schneidring 6 auf, welcher mit dem Kontaktstengel 21 zusammenwirkt.The unilaterally closed
Vorzugsweise ist der Kontaktstengel 21 aus weichgeglühtem Kupfer, was aufgrund des Herstellungsprozesses der Vakuumschaltkammer im allgemeinen sowieso der Fall ist. Der Flansch 5 ist aus einem härteren Material, vorzugsweise ebenfalls aus Kupfer, beispielsweise Kupfer in ziehharter Qualität.Preferably, the
Es könnte auch vorgesehen sein, dass das Material des Kontaktstengels 21 härter wäre als das des Flansches 5, in welchem Fall vorteilhaft der Schneidring 6 an dem Kontaktstengel 21 vorgesehen wäre.It could also be provided that the material of the
Das Rohr 7 oder zumindest dessen oberer Teil dient als der Kondensator 4. Zur Vergrösserung der zur Kondensation des Arbeitsmediums 2 zur Verfügung stehenden Oberfläche ist es auch möglich, im Kondensator ein Röhrensystem des Wärmerohres 1 vorzusehen. Zur Verbesserung der Wärmeaufnahme im Verdampfer 3 kann auch dort ein Röhrensystem des Wärmerohres 1 vorgesehen sein.The
Zur effizienten Abführung von Wärme am Kondensator 4 ist eine Kühlrippenanordnung 8 an dem Rohr 7 vorgesehen. Vorteilhaft können die im wesentlichen parallel zur Achse A ausgerichteten Kühlrippen in etwa sternförmig (radial) um das Rohr angeordnet sein. Fig. 2 zeigt schematisch und parallel zu der Achse A geschnitten eine solche mögliche Kühlrippenanordnung. Die einzelnen Kühlrippen können auch noch verzweigt sein (nicht dargestellt).For efficient removal of heat at the
Es ist möglich, eine forcierte Kühlung der Kühlrippenanordnung 8 beispielsweise mittels Gebläsen vorzusehen.It is possible to provide a forced cooling of the cooling
Fig. 3 zeigt schematisch und parallel zu der Achse A geschnitten eine weitere mögliche Ausgestaltung eines Kondensators 4. Es sind Kühlrippen in den Kondensator 4 integriert. Der Kondensator 4 weist eine Vielzahl von länglich und/oder flächig erstreckten Hohlräumen 8a auf. Auf diese Weise wird einerseits eine grosse Oberfläche zur Kühlung des Kondensators 4 von aussen durch Luft (Umgebungsluft, gegebenenfalls forciert) realisiert und andererseits auch eine grosse Oberfläche, an welcher Arbeitsmedium von innen kondensieren kann.Fig. 3 shows schematically and parallel to the axis A cut another possible embodiment of a
Ein Wärmerohr 1 kann vorteilhaft so ausgelegt sein, dass der Innendruck im Wärmerohr 1 etwa zwischen 900 mbar und 1300 mbar liegt, wenn die Kontaktstücke 11,12 stromdurchflossen sind. Es sind aber auch Drücke von mehreren Bar möglich, insbesondere wenn das Wärmerohr 1 im wesentlichen metallisch ist und somit einfach hohen Drücken standhalten kann und gasdicht bleibt.A
Geeignete Arbeitsmedien 2 sind beispielsweise Wasser, Aceton, fluorierte Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel "FC-72" der Firma 3M, oder Hydro-Fluor-Ether wie beispielsweise "HFE-7100" der Firma 3M.Suitable working
Die Herstellung einer Vakuumschaltkammer gemäss Fig. 1 kann in zwei getrennten Schritten erfolgen, wobei in einem ersten Schritt die das Volumen 10 bildenden und die in dem Volumen 10 angeordneten Teile zusammengefügt werden und vorteilhaft auch die Kontaktträger 31,32 sowie das äussere Isolierrohr 80 können beispielsweise angefügt werden. In einem zweiten Schritt kann dann das Arbeitsmedium 2 eingefüllt und die weiteren, zu dem Wärmerohr 1 gehörenden Teile (Flansch 5, Rohr 7, Kühlrippenanordnung 8) angefügt werden.The production of a vacuum interrupter chamber according to FIG. 1 can take place in two separate steps, wherein in a first step the parts forming the
Ein Vorteil der dargestellten Ausführungsform ist, dass die Vakuumschaltkammer wahlweise mit oder ohne Wärmerohr verwendet werden kann, indem einfach der zweite Herstellungsschritt durchgeführt oder weggelassen wird.An advantage of the illustrated embodiment is that the vacuum interrupter chamber can be optionally used with or without heat pipe simply by performing or omitting the second production step.
Durch eine Integration eines Wärmerohres oder eines Teiles eines Wärmerohres 1 in einen stromführenden Leiter der Vakuumschaltkammer kann eine Vakuumschaltkammer von kleiner Baugrösse mit grosser Stromtragfähigkeit realisiert werden.By integrating a heat pipe or a part of a
- 11
- Wärmerohrheat pipe
- 22
- Arbeitsmedium, ArbeitsflüssigkeitWorking medium, working fluid
- 33
- VerdampferEvaporator
- 44
- Kondensatorcapacitor
- 55
- Flanschflange
- 66
- Schneidring, SchneidkanteCutting ring, cutting edge
- 77
- Rohr, einseitig geschlossenes RohrPipe, one-sided closed pipe
- 88th
- Vorrichtung zur Wärmeabgabe, Wärmetauscher, Kühlrippenanordnung, RadiatorDevice for heat emission, heat exchanger, cooling fin arrangement, radiator
- 8a8a
- länglich oder flächig erstrecker Hohlraumelongated or flat erstrecker cavity
- 1010
- evakuiertes Volumen, Vakuumevacuated volume, vacuum
- 1111
- Kontaktstück, feststehendes KontaktstückContact piece, fixed contact piece
- 1212
- Kontaktstück, bewegliches KontaktstückContact piece, movable contact piece
- 1 51 5
- Beschichtung aus abbrandfestem MaterialCoating made of erosion-resistant material
- 2121
- Kontaktstengel, feststehender KontaktstengelContact stem, fixed contact stem
- 2222
- Kontaktstengel, beweglicher KontaktstengelContact stem, moving contact stem
- 3131
- Kontaktträger, Festkontaktträger, BalkenContact carrier, fixed contact carrier, beams
- 3232
- Kontaktträger, Antriebskontaktträger, BalkenContact carrier, drive contact carrier, beams
- 3535
- Aussparung, Aussparung für Multikontaktlamellen, Aussparung für KontaktfederRecess, recess for multi-contact blades, recess for contact spring
- 3636
- Gewindethread
- 4141
- Deckel, oberer KammerdeckelLid, upper chamber lid
- 4242
- Deckel, unterer KammerdeckelLid, lower chamber lid
- 5050
- Isolierkörper, Isolierrohr, KeramikInsulating body, insulating tube, ceramic
- 6060
- Abschirmungshielding
- 7070
- Balg, FaltenbalgBellows, bellows
- 8080
- äusseres Isolierrohrouter insulating tube
- AA
- Achse, RotationsachseAxis, axis of rotation
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