EP2915173B1 - Kühlvorrichtung für in installationsgeräten auftretende gase - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a cooling device for during and after a switching operation in electrical installation equipment, preferably occurring in low-voltage circuit breakers hot gases.
- blow-out When switching off electrical currents in electromechanical switchgear creates a switching arc when opening the contacts.
- the arc heats up the air in the switching chamber, which leads to an increase in pressure and consequently to an outflow of the heated gases through exhaust openings - hereinafter referred to as blow-out.
- These heated and conductive gases also contain in finely divided form solid particles and are depending on the composition and gas temperature even after leaving the installation device different conductivity.
- the processes at the blow-out (temperature, chamber pressure) must be considered.
- the hot blown-out gases are electrically conductive and can ignite arcs between live parts outside the installation device and cause damage, unless sufficient safety distance to adjacent, conductive and potentially live parts is maintained.
- the DE 1640265 A1 shows a cascade of cooling devices in which plates are angled at the exit of a pre-cooler, making a return path of arcs is difficult. Furthermore, the shows DE 35 41 514 A1 an arc extinguishing chamber with an attachment for further cooling of the exiting gases.
- the object of the invention is to provide a device to installation devices, which serves the cooling of blown switching gases, and in which there is only a minimal pressure build-up in the switching chamber.
- the DE 1 640 153 B1 shows a cooling device according to the preamble of the main claim.
- An essential aspect of the invention is that with as little influence as possible, the switching gases flow through a window with narrow passages in the gas flow path, and the window is made of a material of high thermal conductivity and high heat capacity determined by volume and mass.
- the passage openings in the window are formed planar and arranged parallel to each other. The passage openings form the flow path and direction of the switching gases.
- the blow-out is conducted between parallel flat cooling plates of a metal material with a very small gap (slot).
- the cooling plate spacing is significantly smaller than typical arc splitter spacing.
- the short distance ensures a good convective heat transfer from the gas into the surface of the cooling device. Due to the high thermal conductivity, the heat is dissipated quickly from the surface. Melting of the material is avoided.
- the heat is cached in the plates themselves, which is achieved by a corresponding heat capacity of the plates. By arranged parallel to the flow and planar plates occurs no flow deflection; the pressure build-up is reduced to a minimum.
- the geometrically simple structure makes the arrangement according to the invention less sensitive to damage and blockages caused by the blowout.
- Metallic cooling plates of the cooling device may (need not) be conductively connected together.
- the cooling device should be arranged in the flow path behind an arc extinguishing device.
- the cooling device should be arranged at the end of the switching chamber such that an arc beyond the arc extinguishing device does not reach the cooling device. Such an arc must not find any contact, foot point on the cooling device.
- the cooling plates are made relatively thin and not suitable for an arc extinguishing device.
- Narrow slots which have a width of 100 to 500 ⁇ m, between the cooling plates ensure good heat transfer between gas and cooling plates.
- the dimensioning of the window that is number of slots and width and width of the slots is based on the Ausblas of the specific device. The given total cross-section is determined by the number of slots, the slot width and the slot width.
- the dimensioning of the cooling device is essentially determined by the switching behavior of the installation device, with the parameters switching capacity and rated current.
- a material with good thermal conductivity paired with high heat capacity and sufficiently high melting temperature is selected.
- thermally conductive ceramics can be used in principle.
- the cooling plate thickness and the material of the cooling plates are chosen so that the heat of the outgassing is absorbed without melting.
- the cooling plates may preferably be formed as a compact stack, which means that the cooling plates are mechanically connected to each other. With appropriate elements, which are arranged laterally or between the cooling plates, a precise adherence to the small intermediate distances is ensured.
- the stack can be inserted into the window formed in the switching current path or into a frame formed there. The entire switching gas flow is to penetrate the stack. The stack is sealed against side openings.
- the metallic plates of the cooling device can be electrically conductively connected.
- an obstacle in the exhaust duct creates an increase in pressure, which is on the Reverse switching behavior of the installation device.
- flow deflections represent such an obstacle.
- the present arrangement should manage with the least increase in pressure. Installation devices are each designed so that the switching chamber remains unbroken against current, and dependent on the maximum switching power pressure increases.
- deflections are avoided in the gas guide, so that an increase in pressure is reduced to a minimum.
- This also makes it possible to install the cooling device optionally outside the device (the switching chamber) in front of the blow-out opening (according to customer requirements) without causing any relevant repercussions on the switching behavior.
- FIG. 1 shows by way of example a cooling device 10, which is installed in the terminal cover (or in the blow-out) of an installation device shown as a circuit breaker.
- a window 13 with narrow passage openings 17, 18 of a material of high thermal conductivity and high heat capacity arranges.
- the cooling device is flowed through by the switching gas flow 20 from the switching chamber 11. Burning arcs should not be able to reach the cooling device.
- the attachment in the installation device may be such that the cooling device forms an integral part of the device, or the cooling device may be releasably attachable to the housing of the installation device.
- Corresponding fastening means not shown, however, may for example consist of screw.
- FIG. 2 is a sectional view, wherein the cooling device 10 is cut perpendicularly in the middle (with reference numeral 12 as a sectional plane). Between the passage openings 17, cooling plates 15 are arranged transversely to the flow direction 20 and form the cooling plate stack. The location of the cooling plates 15 may be horizontal (as in Figure) or vertical. In the illustrated embodiment according to Fig. 2 There are twenty-three cooling plates, which together with the frame 14 by mass, volume and material form the heat capacity of the cooling device. Twenty-two slots 17 are formed between the cooling plates.
- All cooling plates 15 have the same thickness 16.
- the thickness 16 should have a size between 500 to 1000 microns.
- the thickness can be selected in a narrower range from 700 to 900 microns.
- All passage openings which are formed as flat, planar-shaped slots 17, have the same extent with respect to width 18 and width 19.
- the slot width 18 transverse to the flow direction 20 and transversely to the orientation of the cooling plates can each according to Expected gas mass flow graded be: 100 to 500 microns, or 250 to 400 microns, or even narrower 200 to 300 microns.
- the total cross section of the passage openings is essentially determined by and dependent on the switching power or rated current of the installation device.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für während und nach einem Schaltvorgang in elektrischen Installationsgeräten, vorzugsweise in Niederspannungs-Leistungsschaltern auftretende heiße Gase.
- Beim Abschalten von elektrischen Strömen in elektromechanischen Schaltgeräten entsteht beim Öffnen der Kontakte ein Schaltlichtbogen. Der Lichtbogen heizt die Luft in der Schaltkammer auf, was zu einer Druckerhöhung und folglich zu einer Ausströmung der aufgeheizten Gase durch Ausblasöffnungen führt - im Weiteren Ausblasung genannt. Diese aufgeheizten und leitfähigen Gase enthalten außerdem in fein verteilter Form Feststoffpartikel und sind je nach Zusammensetzung und Gastemperatur auch nach Verlassen des Installationsgeräts unterschiedlich leitfähig. Bei der Auslegung von Schaltkammern (Gehäusefestigkeit) müssen die Prozesse bei der Ausblasung (Temperatur, Kammerdruck) berücksichtigt werden.
- Ein großer Teil der Lichtbogenenergie wird bereits in der Schaltkammer durch die Kammerwände aufgenommen. Zur Kühlung und Aufteilung des Schaltlichtbogens werden in der Regel in Leistungsschaltern Löschbleche eingesetzt, die das schnelle Erlöschen des Lichtbogens bewirken. Diese Lichtbogenkühlung in der Schaltkammer findet auf einem hohen Temperaturniveau statt und erfolgt im Wesentlichen durch Strahlungstransport.
- Die heißen ausgeblasenen Gase sind elektrisch leitfähig und können außerhalb des Installationsgeräts Lichtbögen zwischen spannungsführenden Teilen zünden und Schäden verursachen, sofern nicht ausreichend Sicherheitsabstand zu benachbarten, leitfähigen und eventuell spannungsführenden Teilen eingehalten wird.
- Es ist eine Kühlvorrichtung in Niederspannungsleistungsschaltern bekannt, bei der ein engmaschiges metallisches Netz oder Gitter eingesetzt wird (
EP 0817223 B1 ). - Auch andere Erfindungen setzen sich mit der Kühlung der Ausblasung auseinander; beispielsweise in
US 7488915 B2 oder inDE 102010034264 B3 . Bei diesen Lösungen wird jedoch die Strömung mehrfach umgelenkt. Nachteile dieser Anordnungen sind, dass ein Druckaufbau durch die Strömungsumlenkung entlang der Kühlvorrichtung entsteht, welcher nachteilig auf das Schaltverhalten zurückwirkt. Will man diese Rückwirkung vermeiden, muss eine Querschnittsvergrößerung vorgenommen werden. Durch die komplexe Strömungsführung (u.a. viele Umlenkungen) und den filigranen Aufbau kann es bei den engmaschigen Kühlgeflechten (EP 0817223 A1 ) zu Verstopfungen der Strömungskanäle durch Partikel in der Ausblasung und zu Schädigungen des Geflechts kommen. - Die
DE 1640265 A1 zeigt eine Kaskade von Kühlvorrichtungen, bei denen Platten am Abgang eines Vorkühlers abgewinkelt sind, wodurch ein Rückweg von Lichtbögen erschwert werden soll. Ferner zeigt dieDE 35 41 514 A1 eine Lichtbogenlöschkammer mit einem Aufsatz zur weiteren Abkühlung der austretenden Gase. - Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung an Installationsgeräten anzugeben, die der Kühlung von ausgeblasenen Schaltgasen dient, und bei der nur ein minimaler Druckaufbau in der Schaltkammer stattfindet.
- Die
DE 1 640 153 B1 zeigt eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. - Die Lösung der Aufgabe findet sich in den Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen formuliert.
- Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass mit möglichst geringer Beeinflussung die Schaltgase im Gasströmungsweg ein Fenster mit engen Durchtrittsöffnungen durchströmen, und das Fenster aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher, durch Volumen und Masse bestimmte Wärmekapazität vorhanden ist. Die Durchtrittsöffnungen im Fenster sind ebenflächig ausgebildet und parallel zueinander angeordnet. Die Durchtrittsöffnungen bilden Strömungsweg und -richtung der Schaltgase. Mit der Kühlvorrichtung wird die Temperatur der Schaltgase soweit abgesenkt, dass diese ihre elektrische Leitfähigkeit und damit einen wesentlichen Teil ihrer Schädigungswirkung verlieren. Das Schaltverhalten wird wenig beeinflusst. Durch die Kühlvorrichtung wird weder die Strömung noch der Druckaufbau in der Schaltkammer wesentlich beeinflusst.
- Die Ausblasung wird zwischen parallelen ebenen Kühlplatten aus einem metallischen Material mit sehr geringem Abstand (Schlitz) geführt. Der Kühlplattenabstand ist deutlich kleiner als typische Lichtbogen-Löschblechabstände.
- Der geringe Abstand sorgt für einen guten konvektiven Wärmeübergang aus dem Gas in die Oberfläche der Kühlvorrichtung. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit wird die Wärme schnell von der Oberfläche abgeführt. Ein Aufschmelzen des Materials wird vermieden. Die Wärme wird dabei in den Platten selbst zwischengespeichert, was durch eine entsprechende Wärmekapazität der Platten erreicht wird. Durch die parallel zur Strömung angeordneten und ebenflächigen Platten tritt keine Strömungsumlenkung auf; der Druckaufbau wird auf ein Minimum reduziert. Der geometrisch einfache Aufbau macht die erfindungsgemäße Anordnung unempfindlicher gegenüber Beschädigungen und Verstopfungen durch die Ausblasung.
- Metallische Kühlplatten der Kühlvorrichtung können (müssen nicht) leitfähig miteinander verbunden sein. Die Kühlvorrichtung sollte im Strömungsweg hinter einer Lichtbogenlöschvorrichtung angeordnet sein. Die Kühlvorrichtung sollte am Ende der Schaltkammer derart angeordnet sein, dass ein über die Lichtbogenlöschvorrichtung hinaus austretender Lichtbogen die Kühlvorrichtung nicht erreicht. Ein solcher Lichtbogen darf an der Kühlvorrichtung keinen Kontakt, keinen Fußpunkt finden. Die Kühlplatten sind relativ dünn ausgeführt und für eine Lichtbogenlöschvorrichtung nicht geeignet.
- Enge Schlitze, die eine Weite von 100 bis 500 µm haben, zwischen den Kühlplatten sorgen für guten Wärmeübergang zwischen Gas und Kühlplatten. Die Dimensionierung des Fensters, das heißt Anzahl der Schlitze und Weite und Breite der Schlitze orientiert sich am Ausblasverhalten des konkreten Gerätes. Der gegebene Gesamtquerschnitt wird durch die Zahl der Schlitze, durch die Schlitzweite und die Schlitzbreite bestimmt. Die Dimensionierung der Kühlvorrichtung ist im Wesentlichen bestimmt vom Schaltverhalten des Installationsgeräts, mit den Kenngrößen Schaltleistung bzw. Nennstrom.
- Bevorzugte Ausführungsformen werden im Folgenden kurz aufgezählt
- Die Durchtrittsöffnungen werden von ebenflächigen Kühlplatten gebildet; die Kühlplatten bilden einen kompakten Stapel als selbsttragende Struktur.
- Die gesamte Schaltgasströmung durchdringt die Durchtrittsöffnungen. Seitliche Öffnungen sollen nicht vorhanden sein; evtl. durch entsprechende Abdichtung zu schließen.
- Alle Kühlplatten haben dieselbe Dicke, wobei vorzugsweise eine Dicke von 500 bis 1000 µm vorgesehen sein kann, wobei das Dickenmaß bei großer Wärmeaufnahmekapazität der Kühlplatten kleinere Werte und bei geringerer Wärmeaufnahmekapazität der Kühlplatten größere Werte annimmt.
- Alle Durchtrittsöffnungen sollen aus ebenflächigen Kühlplatten gebildet sein; alle Durchtrittsöffnungen können dieselbe Ausdehnung haben.
- Die Kühlvorrichtung kann am Gehäuse eines Installationsgeräts lösbar angeordnet oder in das Installationsgerät eingebaut sein.
- Bei der Materialwahl für die Kühlvorrichtung wird ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gepaart mit hoher Wärmekapazität und ausreichend hoher Schmelztemperatur gewählt. Diese Eigenschaften erfüllen erfindungsgemäß z.B. diverse Stähle (vorzugsweise einfacher Baustahl) und Kupferlegierungen. Aber auch gut wärmeleitfähige Keramiken können im Prinzip zum Einsatz kommen. Die Kühlplattendicke und das Material der Kühlplatten werden so gewählt, dass die Wärme der Ausgasung ohne Schmelzen aufgenommen wird.
- Die Kühlplatten können vorzugsweise als kompakter Stapel ausgebildet sein, das bedeutet, dass die Kühlplatten untereinander mechanisch verbunden sind. Mit entsprechenden Elementen, die seitlich oder zwischen den Kühlplatten angeordnet sind, wird eine präzise Einhaltung der kleinmaßigen Zwischenabstände sichergestellt. In dieser kompakten Form ist der Stapel in das im Schaltstromweg ausgebildete Fenster oder in einen dort ausgebildeten Rahmen einsetzbar. Die gesamte Schaltgasströmung soll den Stapel durchdringen. Der Stapel ist gegen seitliche Öffnungen abgedichtet.
- Die metallischen Platten der Kühlvorrichtung können elektrisch leitfähig verbunden sein. Wie schon erwähnt, erzeugt ein Hindernis im Ausblaskanal eine Druckerhöhung, die auf das Schaltverhalten des Installationsgeräts zurückwirkt. Insbesondere stellen Strömungsumlenkungen ein solches Hindernis dar. Die vorliegende Anordnung soll mit geringster Druckerhöhung auskommen. Installationsgeräte sind jeweils so ausgelegt, dass die Schaltkammer gegen aktuelle, und von der maximalen Schaltleistung abhängige Druckerhöhungen unzerstört bleibt.
- Nach der Erfindung werden Umlenkungen bei der Gasführung vermieden, so dass eine Druckerhöhung auf ein Mindestmaß reduziert ist. Dies erlaubt es, die Kühlvorrichtung auch optional (nach Kundenbedarf) außerhalb des Geräts (der Schaltkammer) vor die Ausblasöffnung zu montieren, ohne relevante Rückwirkungen auf das Schaltverhalten zu bewirken.
- Durch Vermeidung von Umlenkungen bei der Gasführung wird auch das Verstopfen der Anordnung durch Ablagerungen verringert, im Gegensatz beispielsweise zu feinmaschigen Metallgittern. Eine auch nur partielle Verstopfung kann zu einem erhöhten Druckaufbau führen.
- Die erfindungsgemäße Anordnung kann prinzipiell in allen elektromechanischen Schaltgeräten, die eine nennenswerte Ausblasung erzeugen, eingesetzt werden. Vorteilhafterweise kann dies bei Leistungsschaltern, Leitungsschutzschaltern und Motorschutzschaltern geschehen.
- Der Kühlvorgang erfolgt bei gleichzeitig verringertem Druckgefälle.
- Die Kühlvorrichtung kann optional am Installationsgerät angebaut werden (z.B. als Zubehör). Die Kühlvorrichtung kann auch in einem Rahmen eingebracht werden, welcher dann an einem Installationsgerät angebaut werden kann.
- Ein Sicherheitsabstand zu weiteren, in der Nähe des Installationsgeräts befindlichen leitfähigen Teilen kann verringert werden, da die austretenden Schaltgase soweit deionisiert und gekühlt sind, dass sie nicht mehr leitfähig sind.
- Reduzierter Aufwand für die Abschirmung bei Einsatz der Schaltgeräte in engen Gehäusen, Schaltschränken, etc.
- Die Erfindung wird in Zeichnungen dargestellt, wobei diese beispielhaft im Einzelnen zeigen:
-
Fig. 1 : Kühlvorrichtung im Schaltgasstrom eines Schaltgeräts und -
Fig. 2 : Kühlvorrichtung im Detail (Schnittdarstellung) -
Figur 1 zeigt beispielhaft eine Kühlvorrichtung 10, die in der Klemmenabdeckung (oder in den Ausblaskanal) eines als Leistungsschalter dargestellten Installationsgeräts eingebaut ist. Im Strömungsweg 20, bzw. in der Austrittsöffnung der heißen Schaltgase ist ein Fenster 13 mit engen Durchtrittsöffnungen 17, 18 aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Wärmekapazität anordnet. Die Kühlvorrichtung wird vom Schaltgasstrom 20 aus der Schaltkammer 11 durchströmt. Brennende Lichtbögen sollen die Kühlvorrichtung nicht erreichen können. Die Befestigung im Installationsgerät kann derart sein, dass die Kühlvorrichtung einen integralen Bestandteil des Geräts bildet, oder aber die Kühlvorrichtung kann lösbar am Gehäuse des Installationsgeräts anbringbar sein. Entsprechende Befestigungsmittel nicht gezeigt, können jedoch beispielsweise aus Schraubverbindungen bestehen. -
Figur 2 ist eine Schnittdarstellung, wobei die Kühlvorrichtung 10 senkrecht in der Mitte geschnitten ist (mit Bezugszeichen 12 als Schnittebene). Zwischen den Durchtrittsöffnungen 17 sind quer zur Strömungsrichtung 20 Kühlplatten 15 angeordnet und bilden den Kühlplattenstapel. Die Lage der Kühlplatten 15 kann horizontal (wie nach Figur) oder vertikal sein. In der zeichnerisch dargestellten Ausführung nachFig. 2 befinden sich dreiundzwanzig Kühlplatten, die zusammen mit dem Rahmen 14 nach Masse, Volumen und Material die Wärmekapazität der Kühlvorrichtung bilden. Zwischen den Kühlplatten sind zweiundzwanzig Schlitze 17 ausgebildet. - Alle Kühlplatten 15 haben dieselbe Dicke 16. Vorzugsweise soll die Dicke 16 eine Größe zwischen 500 bis 1000 µm haben. Für besondere Anwendungsfälle kann die Dicke auch in einem schmaleren Bereich von 700 bis 900 µm gewählt werden.
- Alle Durchtrittsöffnungen, die als flache, ebenflächige Schlitze 17 ausgebildet sind, haben bezüglich Weite 18 und Breite 19 dieselbe Ausdehnung. Die Schlitzweite 18 quer zur Strömungsrichtung 20 und quer zur Ausrichtung der Kühlplatten kann jeweils nach zu erwartenden Gasmassestrom abgestuft betragen: 100 bis 500 µm, oder 250 bis 400 µm, oder noch enger 200 bis 300 µm. Der Gesamtquerschnitt der Durchtrittsöffnungen ist im Wesentlichen bestimmt durch und abhängig von Schaltleistung bzw. Nennstrom des Installationsgeräts. Der Gesamtquerschnitt der Durchtrittsöffnungen der zeichnerisch in
Fig. 2 dargestellten Ausführung hat eine Größenordnung von 300 mm2, wenn als Weite = 0,2 mm, als Breite = 20 mm und die Anzahl mit 22 zugrunde gelegt wird. -
- 10
- Kühlvorrichtung
- 11
- Schaltkammer
- 12
- Schnittebene
- 13
- Fenster
- 14
- Rahmen
- 15
- Kühlplatte
- 16
- Plattendicke
- 17
- Schlitz
- 18
- Schlitzweite
- 19
- Schlitzbreite
- 20
- Schaltgasstrom
Claims (9)
- Kühlvorrichtung für nach einem Schaltvorgang in elektrischen Installationsgeräten, insbesondere in Niederspannungs-Leistungsschaltern, auftretende Schaltgase, wobei im Strömungsweg der Schaltgase ein Fenster (13) mit engen Durchtrittsöffnungen (17) angeordnet ist, und das Fenster (13, 19) aus einem metallischen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder hoher Wärmekapazität ausgebildet ist, wobei im Fenster die Durchtrittsöffnungen (17) aus ebenflächigen und parallel zur Strömungsrichtung (20) der Schaltgase ausgerichteten Kühlplatten (15) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (17) quer zur Strömungsrichtung und quer zur Ausrichtung der Kühlplatten eine Weite (18) von 100 bis 500 µm haben.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatten (15) in Form einer selbsttragenden Struktur einen kompakten Stapel bilden.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatten (15) aus einer Stahl- oder Kupferlegierung bestehen.
- Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kühlplatten (15) dieselbe Dicke (16) haben.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatten (15) eine Dicke (16) von 500 bis 1000 µm haben, vorzugsweise von 700 bis 900 µm.
- Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Durchtrittsöffnungen (17) bezüglich Weite (18) und Breite (19) dieselbe Ausdehnung haben.
- Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (10) am Gehäuse eines Installationsgeräts lösbar angeordnet ist.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (10) im Gehäuse eines Installationsgeräts integriert ist.
- Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (10) im Strömungsweg (20) hinter einer Lichtbogenlöschvorrichtung angeordnet ist.
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