EP3143670A1 - Funkenstreckenanordnung mit verbesserter kühlung - Google Patents

Funkenstreckenanordnung mit verbesserter kühlung

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EP3143670A1
EP3143670A1 EP15722198.7A EP15722198A EP3143670A1 EP 3143670 A1 EP3143670 A1 EP 3143670A1 EP 15722198 A EP15722198 A EP 15722198A EP 3143670 A1 EP3143670 A1 EP 3143670A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spark gap
cooling medium
gap arrangement
arrangement according
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15722198.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Meyer
Jan-Erik Schmutz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP3143670A1 publication Critical patent/EP3143670A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/04Housings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00Details of spark gaps
    • H01T1/02Means for extinguishing arc
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00Details of spark gaps
    • H01T1/15Details of spark gaps for protection against excessive pressure

Definitions

  • the invention relates to a spark gap arrangement with improved cooling.
  • spark gaps are used to ensure safe protection of subsequent resources. Spark gaps generally have two spark gap electrodes, between which a plasma discharge occurs upon reaching or exceeding a predetermined voltage, which is also referred to as an arc.
  • the spark gaps are typically located in a flameproof enclosure.
  • Other dangers are e.g. a pressure wave, which results from a short-term strong warming. This pressure wave can e.g. lead to damage in control cabinets.
  • a plasma discharge, in particular within a housing not only leads to one
  • encapsulated spark gaps have been designed in the past that have an elongated drainage channel.
  • the invention is based on the object to provide an improved arrangement that is cost-effective and also provides a good cooling.
  • the object is achieved by the features of the independent claims.
  • Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 1 shows a spark gap arrangement with improved cooling 1 according to various embodiments of the invention.
  • the arrangement initially has at least two spark gap electrodes E ; E 2 within a housing G on.
  • the spark gap also has other spark gap electrodes, eg auxiliary electrodes for triggering the ignition or the like.
  • further electrodes can be introduced in order to determine the state of aging of the spark gap arrangement alone or in interaction with the at least two spark gap electrodes Ei, E 2 .
  • the housing G furthermore has a blow-out channel K through which plasma can escape from the housing G when the spark gap is ignited.
  • a cooling medium M with a large surface is introduced into the blow-out duct K, so that plasma flowing through the cooling medium M is cooled.
  • a cooling medium M has shown, which has an open porous material, wherein the porosity is preferably between 0, 1 and ⁇ 1, in particular ⁇ 0.7 is selected.
  • Porosity is defined as the ratio of void volume to total volume.
  • the total porosity of a substance is made up of the sum of the cavities that are in contact with each other and with the environment (open porosity, useful porosity) and the unconnected cavities (closed or dead-end porosity).
  • porosities of 0.1 to 0.7 are preferably used.
  • materials with a porosity of between 0.7 and nearly 1 may also be used, e.g. the strength of the material is of minor importance, or phase transition effects are used.
  • the cooling medium M provides a honeycomb-like structure, since here the porosity is particularly high, i. the cooling to be achieved is also particularly high.
  • the honeycomb structure which can be understood in the exhaust duct K as adjacent tubes, the discharge direction is essentially unobstructed, so that a particularly well-conducted flow can be brought about.
  • honeycomb structure is not limiting in the sense of a hexagonal honeycomb to understanding but as a bundle of adjacent tubes provided with substantially similar cross-section tubes. That The tube cross section can also be round or polygonal.
  • cooling media M may be electrically conductive or non-conductive. Due to the respective configuration of housings G, however, limitations that are necessary for the person skilled in the art may arise.
  • ceramic, polymer, metal or the like can be used as exemplary cooling media M.
  • ceramics are (fiber reinforced) ceramics based on eg C / C, C / SiC, SiC / SiC and Al 2 O 3 Al 2 O 3 , preferred because of their high thermal shock resistance.
  • the cooling medium M may also have a granular material.
  • the cooling medium M may be selected from a group comprising sand, gravel, metal ball, metal chips, ceramic ball, polymer balls.
  • the cooling medium M may also comprise fiber-reinforced ceramics.
  • the cooling medium M may also have a polymer selected from the group polyoxymethylene (POM), polymethyl methacrylate (PMMA), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyamide 66, or the cooling medium has alternatively or additionally a metal selected from the group iron , Copper or an alloy with iron or copper, eg WCu on.
  • the cooling medium M may alternatively or additionally comprise a fiber material, in particular Kevlar or an aramid fiber.
  • the surface in the discharge channel K is increased by the introduction of a cooling medium M, whereby a better cooling of the plasma is provided.
  • the cooling medium M may also have a combination of different materials and / or material forms.
  • aramid fibers and a granular ceramic can be introduced as a cooling medium M in the discharge channel K, this combination is only to be understood as an example.
  • materials for the cooling medium M with a high temperature resistance and a high thermal shock resistance can be used.
  • porous materials are used particularly advantageously.
  • the absorbed by the cooling medium M energy is, for example, relatively quickly delivered to the environment or stored in a heat capacity. This can e.g. be provided by the cooling medium M and / or the housing G.
  • the hot exhaust gas and energy can be removed by a phase transformation. That the cooling medium M may e.g. pass over in part or completely into another phase upon heat input and slowly release this energy during the reverse transformation.
  • the introduced cooling medium M preferably occupies no additional volume, the required installation space is reduced.
  • the cooling medium M can also assume a mechanical stabilizing task for the housing G and / or the spark gap arrangement as a whole in individual embodiments.
  • the invention enables a compact design. This can also be achieved a saving of required material.
  • a free-flowing cooling medium M the introduction into almost any formations of the blow-out channel K is possible.
  • many of the listed cooling media, such as sands, are available at low cost.

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Funkenstreckenanordnung mit verbesserter Kühlung (1). Die Funkenstreckenanordnung weist zumindest zwei Funkenstreckenelektroden (E1, E2) innerhalb eines Gehäuses (G) auf, wobei das Gehäuse (G) über zumindest einen Ausblaskanal (K) verfügt, über den Plasma bei Zünden der Funkenstrecke aus dem Gehäuse (G) austreten kann, wobei in dem Ausblaskanal (K) ein Kühlmedium (M) mit großer Oberfläche eingebracht ist, sodass durch das Kühlmedium (M) strömendes Plasma gekühlt wird.

Description

Funkenstreckenanordnung mit verbesserter Kühlung
Phoenix Contact GmbH & Co KG, Blomberg
Die Erfindung betrifft eine Funkenstreckenanordnung mit verbesserter Kühlung.
In zahlreichen Überspannungsschutzanordnungen werden Funkenstrecken eingesetzt, um einen sicheren Schutz der nachfolgenden Betriebsmittel zu gewährleisten. Funkenstrecken weisen dabei in aller Regel zwei Funkenstreckenelektroden auf, zwischen denen bei Erreichen oder Überschreiten einer vorbestimmten Spannung eine Plasmaentladung entsteht, die auch als Lichtbogen bezeichnet wird.
Damit das entstehende ionisierte Gas nicht zu einer Gefährdung (z.B. Brandgefahr) für in der Nachbarschaft befindliche Anlagen oder Personen wird, sind die Funkenstrecken in aller Regel in einem druckfesten Gehäuse angeordnet. Andere Gefahren sind z.B. eine Druckwelle, welche sich durch eine kurzfristige starke Erwärmung ergibt. Diese Druckwelle kann z.B. zu Schäden in Schaltschränken führen. Eine Plasmaentladung insbesondere innerhalb eines Gehäuses führt nicht nur zu einer
Erwärmung des Gases sondern inhärent auch zu einem Druckanstieg im Gehäuse. Um diesen Druckanstieg bewältigen zu können als auch um ein Löschen der Funkenstrecke zu Erlauben, muss das entstehende (ionisierte) Gas der Plasmaentladung bzw. der Umgebung der Plasmaentladung zumindest teilweise aus dem druckfesten Gehäuse entweichen können, da sonst das Gehäuse zerstört werden könnte oder aber das Gehäuse konstruktiv sehr aufwändig und damit kostenträchtig und bauraumintensiv werden würde.
Um den vorgenannten Problemen zu begegnen, wurden in der Vergangenheit gekapselte Funkenstrecken entworfen, die einen langgestreckten Ableitkanal aufweisen.
Die bisherigen gekapselten Funkenstrecken waren jedoch aufwändig und stellten sich als kostenungünstig heraus. Dieses Problem ist umso größer, je stärker die Anforderung an die Kühlung ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Anordnung bereitzustellen, die zum einen kostengünstig realisierbar ist als auch eine gute Kühlung bereitstellt. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Funkenstreckenanordnung in einer Schnittdarstellung.
Figur 1 zeigt eine Funkenstreckenanordnung mit verbesserter Kühlung 1 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. Dabei weist die Anordnung zunächst zumindest zwei Funkenstreckenelektroden E ; E2 innerhalb eines Gehäuses G auf. Ohne weiteres kann vorgesehen sein, dass die Funkenstrecke auch weitere Funkenstreckenelektroden z.B. Hilfselektroden um eine Triggerung der Zündung oder ähnliches zu erreichen, aufweist. Auch können weitere Elektroden eingebracht sein, um den Alterungszustand der Funkenstreckenanordnung alleine oder im Zusammenspiel mit den zumindest zwei Funkenstreckenelektroden Ei , E2 zu bestimmen. Das Gehäuse G verfügt weiterhin über einen Ausblaskanal K über den Plasma bei Zünden der Funkenstrecke aus dem Gehäuse G austreten kann.
Damit auch mit konstruktiv einfach gestalteten Ausblaskanälen K eine zuverlässige Kühlung (als auch eine Druckwellendämpfung) ermöglicht werden kann, ist in den Ausblaskanal K ein Kühlmedium M mit großer Oberfläche eingebracht, sodass durch das Kühlmedium M strömendes Plasma gekühlt wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich ein Kühlmedium M gezeigt, welches ein offenes poröses Material aufweist, wobei die Porosität bevorzugt zwischen 0, 1 und <1 , insbesondere <0,7 gewählt ist. Die Porosität ist dabei definiert als das Verhältnis von Hohlraumvolumen zum Gesamtvolumen. Die Gesamtporosität eines Stoffes setzt sich zusammen aus der Summe der Hohlräume, die untereinander und mit der Umgebung in Verbindung stehen (offene Porosität, Nutzporosität) und den nicht miteinander verbundenen Hohlräumen (geschlossene oder auch Dead- End- Porosität).
Dabei ist anzumerken, dass mit zunehmender Porosität zwar die Durchlässigkeit und die verfügbare aktive Oberfläche ansteigen, aber in aller Regel die Festigkeit des Materials gleichzeitig abnimmt. Daher werden vorzugsweise Porositäten von 0,1 bis 0,7 verwendet. Es können aber auch Materialien mit einer Porosität zwischen 0,7 und nahezu 1 Verwendung finden, wenn z.B. die Festigkeit des Materials von untergeordneter Bedeutung ist, oder aber Phasenübergangseffekte genutzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kühlmedium M eine wabenartige Struktur zur Verfügung stellt, da hier die Porosität besonders hoch ist, d.h. die dabei zu erzielende Kühlung auch besonders hoch ist. Gleichzeitig wird durch die Wabenstruktur, welche sich im Ausblaskanal K als nebeneinanderliegende Röhren verstehen lässt, die Ableitrichtung im Wesentlichen unbehindert bereitstellt, sodass eine besonders gut geführte Strömung herbeigeführt werden kann. Dabei ist Wabenstruktur nicht limitierend im Sinne einer sechseckigen Wabe zu Verstehen sondern als Bündel nebeneinanderliegender mit im Wesentlichen ähnlichem Querschnitt versehener Röhren. D.h. der Röhrenquerschnitt kann auch rund oder vieleckig sein.
Soweit nachfolgend unterschiedliche Kühlmedien M beschrieben werden, können diese elektrisch leitend oder nichtleitend sein. Auf Grund der jeweiligen Ausgestaltung von Gehäusen G können sich jedoch für den Fachmann notwendige Limitierungen ergeben.
Als beispielhafte Kühlmedien M können Keramik, Polymer, Metall oder ähnliches verwendet werden. Unter den Keramikwerkstoffen sind (faserverstärkte) Keramiken auf Basis von z.B. C/C, C/SiC, SiC/SiC und AI2O3 AI2O3, aufgrund ihrer hohen Thermoschockbeständigkeit bevorzugt.
Dabei kann das Kühlmedium M auch ein körniges Material aufweisen. Beispielsweise kann das Kühlmedium M ausgewählt aus einer Gruppe aufweisend Sand, Kies, Metallkugel, Metallspäne, Keramikkugel, Polymerkugeln sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlmedium M auch faserverstärkte Keramiken aufweisen. Wiederum hierzu alternativ oder zusätzlich kann das Kühlmedium M auch ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe Polyoxymethylen (POM), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyamid 66 aufweisen, bzw. das Kühlmedium weist alternativ oder zusätzlich ein Metall ausgewählt aus der Gruppe Eisen, Kupfer oder eine Legierung mit Eisen oder Kupfer, z.B. WCu auf.
Insbesondere kann das das Kühlmedium M auch alternativ oder zusätzlich einen Faserwerkstoff, insbesondere Kevlar oder eine Aramidfaser, aufweisen.
Dabei ist allen Ausführungsformen gemein, dass die Oberfläche im Ableitkanal K durch die Einbringung eines Kühlmediums M vergrößert wird, wodurch eine bessere Kühlung des Plasmas zur Verfügung gestellt wird. Insofern kann das Kühlmedium M auch eine Zusammenstellung aus verschiedenen Materialien und/oder Materialformen aufweisen. Beispielsweise können Aramidfasern und eine körnige Keramik als Kühlmedium M in den Ableitkanal K eingebracht werden, wobei diese Kombination nur beispielhaft zu verstehen ist.
Insbesondere können dabei Materialien für das Kühlmedium M mit einer hohen Temperaturfestigkeit und einer hohen Thermoschockbeständigkeit zum Einsatz kommen. Dabei werden besonders vorteilhaft poröse Materialen verwendet.
Die von dem Kühlmedium M aufgenommene Energie wird dabei beispielsweise relativ zügig an die Umgebung abgegeben oder aber in einer Wärmekapazität gespeichert. Diese kann z.B. durch das Kühlmedium M und/oder das Gehäuse G bereitgestellt sein.
Neben einer direkten Kühlung durch Wärmeübertragung auf das Kühlmedium M, kann dem heißen Abgas auch Energie durch eine Phasenumwandlung entzogen werden. D.h. das Kühlmedium M kann z.B. in Teilen oder vollständig in eine andere Phase bei Wärmeeintrag übergehen und diese Energie bei der Rückumwandlung langsam wieder abgegeben.
Da das eingebrachte Kühlmedium M bevorzugt kein zusätzliches Volumen einnimmt, sinken die erforderlichen Bauräume. Zugleich kann das Kühlmedium M auch in einzelnen Ausführungsformen eine mechanisch stabilisierende Aufgabe für das Gehäuse G und / oder die Funkenstreckenanordnung als Ganzes übernehmen. Durch die Erfindung wird eine kompakte Bauform ermöglicht. Hierdurch kann zudem eine Einsparung an benötigtem Material erzielt werden. Insbesondere durch die Verwendung eines schüttfähigen Kühlmediums M ist die Einbringung in nahezu beliebige Ausformungen des Ausblaskanals K möglich. Zudem sind viele der aufgeführten Kühlmedien, wie z.B. Sande, kostengünstig erhältlich.
Bezugszeichenliste
Funkenstreckenanordnung
Funkenstreckenelektroden
Gehäuse
Ausblaskanal
Kühlmedium

Claims

Patentansprüche
1 . Funkenstreckenanordnung mit verbesserter Kühlung (1 ), aufweisend zumindest zwei Funkenstreckenelektroden (Ei , E2) innerhalb eines Gehäuses (G), wobei das Gehäuse (G) über zumindest einen Ausblaskanal (K) verfügt, über den Plasma bei Zünden der Funkenstrecke aus dem Gehäuse (G) austreten kann, wobei in dem Ausblaskanal (K) ein Kühlmedium (M) mit großer Oberfläche eingebracht ist, sodass durch das Kühlmedium (M) strömendes Plasma gekühlt wird.
2. Funkenstreckenanaordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (M) ein offenes poröses Material aufweist, wobei die Porosität bevorzugt zwischen 0,1 und <1 , insbesondere <0,7 gewählt ist.
3. Funkenstreckenanaordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kühlmedium (M) eine wabenartige Struktur zur Verfügung stellt.
4. Funkenstreckenanaordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (M) ausgewählt ist aus einer Gruppe aufweisend Keramik, Polymer, Metall.
5. Funkenstreckenanaordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (M) ein körniges Material aufweist.
6. Funkenstreckenanaordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (M) ausgewählt ist aus einer Gruppe aufweisend Sand, Kies, Metallkugel, Metallspäne, Keramikkugel, Polymerkugeln.
7. Funkenstreckenanaordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (M) faserverstärkte Keramiken aufweist.
8. Funkenstreckenanaordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (M) ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe Polyoxymethylen, Polymethylmethacrylat, Polytetrafluorethylen, Polyamid 66 aufweist. Funkenstreckenanaordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (M) ein Metall ausgewählt aus der Gruppe Eisen, Kupfer, oder eine Legierung mit Eisen oder Kupfer aufweist.
Funkenstreckenanaordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (M) einen Faserwerkstoff, insbesondere Kevlar oder eine Aramidfaser, aufweist.
EP15722198.7A 2014-05-15 2015-05-13 Funkenstreckenanordnung mit verbesserter kühlung Withdrawn EP3143670A1 (de)

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DE102014209261.2A DE102014209261A1 (de) 2014-05-15 2014-05-15 Funkenstreckenanordnung mit verbesserter Kühlung
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EP3143670A1 true EP3143670A1 (de) 2017-03-22

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