KR101769684B1 - 고전압 전기 계통을 위한 직류 전압 스위치 - Google Patents

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헨드릭 크리스티안 쾨프
안드레아스 민케
카르스텐 하우프트
에른스트-디에터 빌케닝
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폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 고전압 전기 계통을 위한 직류 전압 스위치(1)에 관한 것으로, 하우징(2), 적어도 2개의 고정 콘택트(4) 및 하나의 가동 콘택트(6)를 포함하고, 이 경우 고정 콘택트(4)의 각각의 제 1 콘택트 영역(4a)은 하우징(2)으로부터 밖으로 안내되고, 고정 콘택트(4)의 각각의 제 2 콘택트 영역(4b)은 가동 콘택트(6)와 함께 하우징(2)의 스위칭 챔버(10) 내에 배치되고, 이 경우 하우징(2)은 밀봉하여 캡슐화되고, 스위칭 챔버(10)의 위에 냉각 챔버(11)가 배치되고, 상기 냉각 챔버는 분리벽(9)에 의해 상기 스위칭 챔버(9)와 분리되고, 이 경우 상기 분리벽(9)은 적어도 하나의 배출구(12)와 적어도 하나의 유입구(13)를 포함한다.

Description

고전압 전기 계통을 위한 직류 전압 스위치{DC VOLTAGE SWITCH FOR HIGH VOLT ELECTRICAL SYSTEM}
본 발명은 고전압 전기 계통을 위한 직류 전압 스위치에 관한 것이다.
예를 들어 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에서, 고전압 전기 계통의 다양한 부분들을 전기적으로 분리하기 위해 직류 전압 스위치를 필요로 한다.
직류는 교류와 달리 자연적 제로 전류 크로싱을 포함하지 않기 때문에, 이러한 전류의 단속은 특히 특수한 요구를 수반한다. 전류의 단속 및 발생하는 스위칭 아크의 소화는 일반적으로 아크 기둥의 길이의 연장에 의해 및/또는 길이 단위당 전력 소모의 증가에 의해 이루어진다. 그러나 밀봉하여 캡슐화된 스위칭 장치 또는 직류 전압 스위치의 스위치 오프 성능은 전류 세기 및 저항-유도 시간 상수와 관련해서 제한되고, 이 경우 제한 팩터는 특히 열용량이며, 그 이유는 전력이 아크에서 열적으로 흡수되어야 하기 때문이다.
저전압 영역에서 이러한 문제는 주로, 직류 전압 스위치를 밀봉하여 캡슐화하지 않음으로써 해결된다. 이로 인해 고온 가스가 방출될 수 있다. 이러한 해결 방법은 예를 들어 DE 35 41 514 C2호에 공개되어 있다.
DE 690 18 432 T2호에는 소화 가스를 위한 이중 냉각 장치가 설치된 절연체 하우징 내의 다극 저전압 파워 스위치가 공개되어 있고, 상기 스위치는 절연체 중간벽에 의해 다수의 내부 구역으로 분할된다. 상기 구역들은 각각 하나의 극에 할당되고, 각각 분리 가능한 콘택트(contact) 쌍, 상기 콘택트의 분리 시 드로잉된(drawn) 아크의 탈이온화를 위한 소화 플레이트 스택 및 제 1 가스 냉각 장치가 장착된 소화 가스용 배출구를 포함한다. 이 경우 배출구 전체는 개별 극들에 공통인 챔버 내로 통하고, 상기 챔버는 가스 배출구를 통해 주변 매체에 연결된다. 제 2 냉각 장치는 배출구와 가스 배출구 사이의 가스의 유동 경로에 삽입된다.
연구 계획서 "에너지 시스템 및 전기 구동식 차량 내의 높은 직류 전압의 스위칭을 위한 스위칭 장치"(VDE 토론회: U > 300 VDC에서 직류 전압 콘택트 거동 및 스위칭, Dr. Matthias Kroeker 외., Tyco Electronics, 2010년 9월 7일)에 고전압 전기 계통을 위한 일반적인 직류 전압 스위치가 공개되어 있고, 상기 스위치는 하우징, 적어도 2개의 고정 콘택트 및 하나의 가동 콘택트를 포함하고, 이 경우 고정 콘택트의 각각의 제 1 콘택트 영역은 하우징으로부터 밖으로 안내되고, 고정 콘택트의 각각의 제 2 콘택트 영역은 가동 콘택트와 함께 하우징의 스위칭 챔버 내에 배치되고, 이 경우 하우징은 밀봉하여 캡슐화된다. 발생하는 부분 아크의 소화는, 상기 아크의 전력 소모가 구동 전력을 넘어 증가함으로써 달성된다. 이를 위해 발생된 아크 전압은 구동 소스 전압보다 증가하고, 시스템 전류가 0 A로 강제될 때까지 그리고 전기 회로의 인덕턴스에 저장된 에너지가 사용될 때까지 유지된다.
본 발명의 과제는 개선된 스위치 오프 거동을 갖는 고전압 전기 계통을 위한 직류 전압 스위치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항의 특징을 포함하는 직류 전압 스위치에 의해 해결된다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예들은 종속 청구항에 제시된다.
고전압 전기 계통을 위한 직류 전압 스위치는 하우징, 적어도 2개의 고정 콘택트 및 하나의 가동 콘택트를 포함하고, 이 경우 고정 콘택트의 각각의 제 1 콘택트 영역은 하우징으로부터 밖으로 안내된다. 고정 콘택트의 각각의 제 2 콘택트 영역은 가동 콘택트와 함께 하우징의 스위칭 챔버 내에 배치된다. 하우징은 이 경우 밀봉하여 캡슐화된다. 스위칭 챔버의 위에 냉각 챔버가 배치되고, 상기 냉각 챔버는 분리벽에 의해 스위칭 챔버와 분리되고, 분리벽은 적어도 하나의 배출구와 유입구를 포함한다. 이로 인해 스위칭 거동에 긍정적으로 영향으로 미치는 3개의 결과가 제공된다. 한편으로는 추가 냉각 챔버에 의해 직류 전압 스위치의 열 용량이 증가한다. 추가로 스위칭 챔버로부터 열 에너지 방출이 증가하고, 배출구와 유입구의 적절한 선택에 의해 스위칭 챔버 내에서 자동으로 야기되는 가스 유동이 형성될 수 있고, 상기 유동은 아크를 하우징 벽을 향해 가압한다. 이는 직류 전압 스위치의 개선된 스위칭 거동을 구현한다. 고전압 전기 계통은 이 경우 예를 들어 300 V보다 큰 직류 전압을 갖는다.
실시예에서 냉각 챔버 내에 적어도 하나의 히트 싱트가 배치되고, 상기 히트 싱크는 고정 콘택트들 중 적어도 하나의 고정 콘택트에 열적으로 결합된다. 이로 인해 고온 가스에서 더 많은 열이 제거되고, 고정 콘택트를 통해 하우징 밖으로 방출된다. 또한 히트 싱크는 2개의 고정 콘택트에 연결될 수 있거나, 히트 싱크는 하우징에만 연결되고, 상기 하우징을 통해 열이 방출된다. 또한 2개의 조치들은 조합될 수 있다. 바람직하게 다수의 히트 싱크, 예를 들어 4개의 히트 싱크가 제공되고, 이 경우 예를 들어 2개의 하프셸 형상의 히트 싱크가 각각 하나의 고정 콘택트에 할당된다.
다른 실시예에서 고정 콘택트와 하우징 내벽 사이에 적어도 하나의 배출구가 배치된다. 바람직하게 이 경우 직류 전압 스위치는 하나 이상의 배출구를 갖는다. 예를 들어 직류 전압 스위치는 4개의 배출구를 갖고, 이 경우 각각 2개의 배출구가 하나의 고정 콘택트에 할당된다. 하우징 내벽의 영역에 대한 적용에 의해 배출구는 가장 고온의 가스가 발생하는 영역에 위치한다. 또한 배출구는 원추형으로 형성될 수 있고, 이 경우 스위칭 챔버 측의 직경은 팽창 챔버 측의 직경보다 크다. 예를 들어 배출구는 라발 노즐(Laval nozzle)의 형태를 가질 수 있다. 라발 노즐은 먼저 수렴하고 후속해서 서로 멀어지는 횡단면을 갖는 유동 부재이고, 이 경우 하나의 부분에서 다른 부분으로 이행은 점진적으로 이루어진다. 횡단면은 모든 위치에서 원추형이다. 또한 정렬된 가스 흐름을 지원하기 위해, 배출구 내에 밸브가 배치될 수도 있다.
다른 실시예에서 고정 콘택트들 사이에 적어도 하나의 유입구가 배치된다. 이로 인해 냉각된 가스가 아크 내로 유동하고, 이는 하우징 벽을 향한 유동의 팽창을 지원한다. 따라서 하나 이상의, 예를 들어 4개의 유입구가 제공될 수도 있다. 또한 유입구들은 원추형으로 또는 라발 노즐의 형태로 형성될 수 있고, 밸브를 포함할 수 있다. 원추형으로 형성 시, 바람직하게 팽창 챔버 측의 직경은 스위칭 챔버 측의 직경보다 크다.
다른 실시예에서 하우징 내에 가스로서 수소 또는 질소가 존재한다. 수소는 아크에서 높은 에너지 흡수의 장점을 제공하지만, 콘택트 재료의 선택을 제한하고, 밀봉과 관련해서 더 많은 요구를 제시한다. 질소는 취급이 더 간단하고, 재료 선택 시, 예를 들어 콘택트를 위해 은 대신 구리 선택 시 더 높은 자유도를 가능하게 한다.
다른 실시예에서 하우징은 세라믹, 예를 들어 알루미늄 질화물로 이루어진다. 또한 하우징은 부분적으로만 세라믹으로 이루어질 수도 있고, 바람직하게 하우징은 균일한 재료로 이루어진다. 플라스틱에 비해 세라믹의 장점은, 세라믹이 내화성이라는 것, 즉 아크에 의해 연소되지 않는 것이다. 다른 장점은 일반적인 경우에 플라스틱보다 열전도성이 양호하다는 것이다. 기본적으로 하우징은 플라스틱으로 이루어질 수도 있다.
다른 실시예에서 히트 싱크 또는 히트 싱크들은 구리로 이루어지고, 이 경우 바람직하게 고정 콘택트들도 구리로 이루어진다. 히트 싱크와 콘택트는 이 경우 열전도 페이스트에 의해 양호하게 열 접촉할 수 있다.
대안으로서 히트 싱크 또는 히트 싱크들은 열전도성 세라믹으로 형성되고, 상기 세라믹은 그러나 전기 비전도성이다.
히트 싱크 또는 히트 싱크들은 전술한 바와 같이, 하우징에 열적으로 결합될 수 있고, 이 경우 상기 히트 싱크는 하우징에만 연결될 수 있거나, 추가로 고정 콘택트에 연결될 수도 있고, 이는 열 방출을 높인다.
다른 실시예에서 고정 콘택트의 제 1 콘택트 영역들 사이의 하우징에 절연 플레이트가 배치되므로, 플래시 아크(flash-arc)가 저지될 수 있다.
기본적으로 하우징 외벽에 영구자석을 배치하는 것도 가능하고, 상기 영구자석들은 지원 자계를 형성한다.
본 발명은 하기에서 바람직한 실시예를 참고로 설명된다.
도 1은 직류 전압 스위치를 도시한 사시도.
도 2는 단면 라인이 2개의 고정 콘택트를 통해 연장되는, 직류 전압 스위치를 도시한 횡단면도.
도 3은 단면이 고정 콘택트 앞에서 연장되는 단면도.
도 4는 직류 전압 스위치를 비스듬하게 도시한 사시도.
도 5는 직류 전압 스위치의 전면을 도시한 사시도.
도 1에 직류 전압 스위치(1)가 조립된 상태로 도시되고, 상기 스위치는 하우징(2)을 포함하고, 상기 하우징으로부터 2개의 고정 콘택트(4)의 2개의 제 1 콘택트 영역(4a)이 돌출한다. 하우징(2)은 3개의 부분, 즉 하부(2a), 중간부(2b), 및 상부(2c)를 포함한다. 제 1 콘택트 영역들(4a) 사이에 파선으로 도시된 절연 플레이트(3)가 배치된다. 하부(2a), 중간부(2b) 및 상부(2c)는 예를 들어 나사 결합될 수 있고, 이는 보어(5)에 의해 도시된다. 하우징부들의 연결은 하우징(2)이 밀봉하여 캡슐화되도록 형성된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 직류 전압 스위치(1)는 2개의 고정 콘택트(4) 외에도 가동 콘택트(6)를 포함하고, 상기 가동 콘택트는 고정 콘택트(4) 아래에 배치된다. 가동 콘택트(6)는 도시되지 않은 스프링에 의해 고정 콘택트(4)의 방향으로 이동될 수 있으므로, 가동 콘택트(6)는 고정 콘택트(4)의 제 2 콘택트 영역(4b)에 접촉한다. 또한 가동 콘택트(6)의 이동은 가이드 부재(7, 8)를 통해 하부(2a) 및 상부(2c)에서 안내된다. 제 2 콘택트 영역(4b)의 위에 분리벽(9)이 배치된다. 또한 분리벽(9)의 아래에 스위칭 챔버(10)가 형성되고, 분리벽(9)의 위에 냉각 챔버(11)가 형성된다. 스위칭 챔버(10)와 냉각 챔버(11)는 배출구(12)와 유입구(13)를 통해 서로 연결된다. 이 경우 파선으로 도시된 배출구(12)는 고정 콘택트(4)와 하우징 내벽(2d) 사이에 위치하고, 원추형으로 형성된다. 또한 배출구(12)는 원뿔대 형으로 형성되고, 실린더형 개구로 이행하고, 스위칭 챔버(10) 측의 직경이 더 크다. 유입구(13)는 고정 콘택트(4)들 사이에 위치하고, 정확한 위치는 특히 도 4에 잘 도시된다. 유입구(13)도 원추형으로 형성되고, 냉각 챔버(11)의 측에서 더 큰 직경을 갖는다. 대안으로서 배출구(12) 및/또는 유입구(13)는 라발 노즐의 형태를 가질 수 있다. 또한 냉각 챔버(11) 내에 히트 싱크(14)가 배치되고, 상기 히트 싱크는 고정 콘택트(4)에 예를 들어 열전도 페이스트에 의해 열적으로 결합된다. 히트 싱크(14)는 하프 셸 형태로 형성되고, 이 경우 약간 비대칭이다. 스위칭 챔버(10)와 팽창 챔버(11) 내에 가스, 예를 들어 수소와 질소가 존재한다.
가동 콘택트(6)와 고정 콘택트(4)의 제 2 콘택트 영역(4b) 사이에 위치한 콘택트가 개방되면, 아크가 형성된다. 이러한 아크는 유도 부하 내에 저장된 에너지를 흡수해야 한다. 가스의 이온화로 인해 자계를 형성하는 전류 흐름이 발생한다. 이러한 자계는 하우징 내벽(2d)을 향하고, 이는 도 2에 파선으로 도시된다. 가열되고 이온화된 가스 분자들은 즉 하우징 내벽(2d)을 향해 이동하고, 거기에서 과압이 형성되고, 상기 과압은 배출구(12)를 통한 배출에 의해 감소한다. 또한 스위칭 챔버(10) 내의 가이드 부재(8)는 좌측 하우징 내벽 및 우측 하우징 내벽(2a)으로 유동을 분리하므로, 상기 유동들은 서로 간섭하는 영향을 미치지 않는다.
냉각 챔버(11) 내에서 고온 가스는 히트 싱크(14)를 스쳐 지나가고, 상기 히트 싱크에 열을 방출하므로, 그러한 경우에 유입구(13)를 통해 역류할 수 있는데, 그 이유는 거기에서 압력이 더 낮기 때문이다. 가스의 역류는 이 경우 스위칭 챔버(10) 내의 가스를 자계에 추가하여 하우징 내벽(2d)을 향해 가압한다. 히트 싱크(14)에 의해 흡수된 열은 고정 콘택트(4)를 통해 하우징(2)으로부터 방출된다. 이로써 아크에서 에너지가 제거되고, 상기 아크는 소화된다.
도 4 및 도 5에 중간부(2b)와 상부(2c)를 포함하지 않는 직류 전압 스위치(1)가 도시되고, 이 경우 추가로 2개의 히트 싱크(14)가 제거되었으므로, 전방 배출구(12)와 전방 유입구(13)가 보이고, 후방 배출구(12)와 후방 유입구(13)는 후방 히트 싱크(14)에 의해 가려져 있다. 또한 가이드 부재(8)를 위한 슬롯(15)을 볼 수 있다. 이 경우 배출구(12)와 유입구(13)는 고정 콘택트(4)에 대해 약간 전방으로 오프셋된다(또는 보이지 않는 배출구와 유입구의 경우에 후방으로 오프셋됨). 도 4 및 도 5의 히트 싱크(14)의 형상은 도 2 및 도 3의 히트 싱크(14)와 다른 것에 주의해야 한다.
1 직류 전압 스위치
2 하우징
3 절연 플레이트
4 고정 콘택트
4a 제 1 콘택트 영역
4b 제 2 콘택트 영역
6 가동 콘택트
7 가이드 부재
8 가이드 부재
9 분리벽
10 스위칭 챔버
11 냉각 챔버
12 배출구
13 유입구
14 히트 싱크

Claims (9)

  1. 고전압 전기 계통을 위한 직류 전압 스위치(1)로서, 하우징(2), 적어도 2개의 고정 콘택트(4) 및 하나의 가동 콘택트(6)를 포함하고, 상기 고정 콘택트(4)의 각각의 제 1 콘택트 영역(4a)은 상기 하우징(2)으로부터 밖으로 안내되고, 상기 고정 콘택트(4)의 각각의 제 2 콘택트 영역(4b)은 가동 콘택트(6)와 함께 상기 하우징(2)의 스위칭 챔버(10) 내에 배치되고, 상기 하우징(2)은 밀봉하여 캡슐화되는 직류 전압 스위치에 있어서,
    상기 스위칭 챔버(10)의 위에 냉각 챔버(11)가 배치되고, 상기 냉각 챔버는 분리벽(9)에 의해 상기 스위칭 챔버(10)와 분리되고, 상기 분리벽(9)은 적어도 하나의 배출구(12)와 적어도 하나의 유입구(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전압 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 챔버(11) 내에 적어도 하나의 히트 싱크(14)가 배치되고, 상기 히트 싱크는 상기 고정 콘택트(4)들 중 적어도 하나의 고정 콘택트, 상기 하우징(2) 또는 양자 모두에 열적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 직류 전압 스위치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하나의 고정 콘택트(4)와 상기 하우징의 내벽(2d) 사이에 적어도 하나의 배출구(12)가 배치되는 것을 특징으로 하는 직류 전압 스위치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 고정 콘택트(4)들 사이에 적어도 하나의 유입구(13)가 배치되는 것을 특징으로 하는 직류 전압 스위치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하우징(2) 내에 수소 또는 질소가 존재하는 것을 특징으로 하는 직류 전압 스위치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하우징(2)은 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직류 전압 스위치.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 히트 싱크(14)는 구리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직류 전압 스위치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 히트 싱크(14)는 열전도성 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직류 전압 스위치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고정 콘택트(4)의 제 1 콘택트 영역(4a)들 사이에서 상기 하우징(2)에 절연 플레이트(3)가 배치되는 것을 특징으로 하는 직류 전압 스위치.
KR1020150160409A 2014-11-18 2015-11-16 고전압 전기 계통을 위한 직류 전압 스위치 KR101769684B1 (ko)

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