WO2016005197A1 - Elektrisches bauteil mit einem elektrisch leitenden zentralen bauelement - Google Patents

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Stefan Kern
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    • H01H33/6606—Terminal arrangements
    • H01H2033/6613—Cooling arrangements directly associated with the terminal arrangements

Definitions

  • the invention relates to an electrical component with an electrically conductive central component according to the preamble of claim 1.
  • Electrical components that are traversed in their intended use of high currents such as interrupters, medium voltage switchgear or high voltage interrupters must be electrically isolated from their environment.
  • current-carrying components there are industry standards that set a permissible limit temperature. To be able to transmit as high a current as possible without reaching the limit temperatures, attempts are made on the one hand to reduce the heat generation by the lowest possible electrical resistances and on the other hand to deliver the resulting heat by convection and / or radiation to the environment.
  • the object of the invention is to provide an electrical component with an electrically conductive central component and a surrounding electrical insulation affordzu ⁇ , which allows over the prior art, a better heat dissipation of the votes of the central component heat energy.
  • the object is achieved in an electrical component having an electrically conductive central component and an at least partially contact-free surrounding electrical ⁇ cal insulation according to claim 1.
  • the component according to the invention with an electrically conductive central component of claim 1 has at least a partially the central component surrounding electrical Iso ⁇ -regulation, and it is characterized in that a Wär ⁇ merohr is provided surrounded at least at one end of the insulation is and partially protrudes from the insulation. In this case, protruding from the insulation part of the heat pipe protrudes closer to the central component than the insulation.
  • Under heat pipe heat exchanger is understood to mean that allows utilizing heat of vaporization of a medium, in particular ⁇ sondere a fluid, a high heat flux. This means that on a small cross-sectional area large heat ⁇ quantities can be transported.
  • the basic operating principle is the same for both designs, the difference lies in the transport of the working medium, ie the fluid, but nerell without additional mechanical aids, such as ei ⁇ ner circulating pump, manages.
  • the thermal resistance of a heat ⁇ pipe is much smaller than that of metals. The behavior of the heat pipes therefore comes close to the isothermal state change. There is an almost constant temperature over the length of the heat pipe.
  • thermosiphon does not destroy heat, but only serves to transfer heat.
  • the problem is not the heat dissipation but the heat transfer along the component. Therefore, the influence of a thermosyphone or heat pipe is considerable.
  • the heat pipe can basically have a metallic sheath but also an electrically insulating sheath, such as glass or ceramic.
  • thermosiphon or heat pipe This avoids contact resistance.
  • the pressure and the insert temperature play an important role here. Possible fluids would be for this example Novec 649 (at 105 ° C about 5bar), Novec774 (at 105 ° C about 2.5 bar) etc.
  • the advantage of the invention is that the heat, the central component, the electrically conductive is flowed through and in an operating state of electric currents, is led away faster from this central component. Further, the heat is also passed through the heat pipe deeper into the material of the insulation, since one end of the heat pipe is surrounded by the insulation, so that this end of the heat pipe protrudes into the insulation.
  • the path through which the heat pipe penetrates into the insulation is heat must be reduced to the outside of the insulation, less than if convection had reached an inside of the insulation and would have to be dissipated throughout the insulation via heat conduction processes.
  • the heat pipe is positively and / or integrally integrated in the insulation.
  • the form-fitting or material ⁇ fitting seat of the heat pipe in the insulation provides leis ⁇ tet a good heat transfer.
  • the heat pipe can be fixed by an interference fit in the insulation, but it is particularly advantageous cast directly in the production of the insulation in a so-called potting compound in the insulating component to be formed.
  • the electrical component is a switch tube, for example, a medium-voltage switch tube and the central component is a corresponding switching contact. Particularly in the case of medium-voltage switching tubes, particularly high amounts of heat occur in the switching contacts, which have to be dissipated out of the interrupter tube.
  • the insulation surrounds the central component preferably concentrically, wherein the one or more heat pipes of the insulation runs concentrically inward or run, the heat pipes preferably evenly around the zent ⁇ rale component radially outward into the insulation. This ensures uniform heat transfer into the insulation.
  • the one end of the heat pipe which is surrounded by the insulation, protrudes at least 30% into the wall thickness of the insulation, ie at least at least 30% of the wall thickness of the insulation is buried in this.
  • Figure 1 shows a three-dimensional sectional view of a medium voltage switch tube with insulation and heat pipes ⁇ and
  • FIG. 2 shows a section through a switching tube according to FIG. 1 along the line II.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional sectional view of an electrical component 2 in the form of a switching tube is 14 give ge ⁇ .
  • the interrupter 14 has a central component 4 in the form of a switching contact 18 in the central region.
  • the switching contact 18 is surrounded by an electrical Isolie ⁇ tion.
  • 6 There are heat pipes 8 are provided, which extend from the electrical insulation 6 centrally to the switching contact 18 inwardly.
  • FIG 2 is a not to scale given along the dashed line II in Figure 1, it can be seen that a plurality of heat pipes 8 of the insulation 6 konzent ⁇ have inwardly towards the switching contact 18, wherein they do not touch this.
  • the heat pipes 8 are bezüg ⁇ Lich of switch contact 18, for reasons of electrical Si ⁇ reliability arranged without contact. However, they approach the switching contact 18 as far as this is justifiable with respect to the insu ⁇ border insulation.
  • the heat pipes 8 transmit the light emitted from the switching contact 18 heat, as be ⁇ wrote, faster than a normal metallic heat conduction ter and also faster than it would therefore by a pure heat ⁇ radiation or convection of the case toward the insulation 6.
  • the insulation 6 is a specially constructed out of electrical insulation and thermal stability plastic which before being poured Trains t ⁇ and also as a so-called potting compound can be designated, wherein the heat pipes 8 are already poured in the production of the insulation 6 in this.
  • the heat pipes 8 protrude a considerable amount into a wall thickness 16 of the insulation 6. There are two limiting factors, on the one hand the
  • the heat pipe 8 is formed from an electrically nonconductive casing material.
  • the fluid located in the heat pipe for this purpose are, for example ent ⁇ desalted water or fluids such as NOVEC 649, NOVEC FC 7000, and 72 applicable.
  • the fluid is located in a closed space of the heat pipe 8.
  • the fluid is always in thermodynamic equilibrium. Increasing the temperature Tem ⁇ , in this case disposed adjacent to the switch contact 18 at one projecting end 12 of the heat pipe 8, is, the fluid begins to boil on this hot side. The resulting vapor is transported to the colder side at En ⁇ de 10 of the thermal tube 8. There, the fluid condenses and releases the heat again.
  • the transport of the fluid can take place on the basis of capillary forces prevailing in the heat pipe 8.

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  • Thermal Insulation (AREA)
  • Thermally Actuated Switches (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil mit einem elektrisch leitenden zentralen Bauelement (4) und eine dieses zumindest teilweise und berührungsfrei umgebende elektrische Isolierung (6). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Wärmerohr (8) vorgesehen ist, das zumindest an einem Ende (10) von der Isolierung (6) umgeben ist und teilweise aus der Isolierung (6) herausragt, wobei der aus der Isolierung (6) herausragende Teil (12) des Wärmerohres (8) näher an das zentrale Bauelement (4) heran ragt als die Isolierung (6).

Description

Beschreibung
Elektrisches Bauteil mit einem elektrisch leitenden zentralen Bauelement
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem elektrisch leitenden zentralen Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Elektrische Bauelemente, die in ihrer bestimmungsmäßigen Verwendung von hohen Stromstärken durchlaufen werden, beispielsweise Schaltröhren, Mittelspannungsschaltanlagen oder Hochspannungsschaltröhren müssen gegenüber ihrer Umgebung elektrisch isoliert sein. Für derartige stromführende Bauteile gibt es Industrienormen, die eine zulässige Grenztemperatur festlegen. Um einen möglichst hohen Strom übertragen zu können, ohne die Grenztemperaturen zu erreichen, versucht man einerseits, die Wärmeentwicklung durch möglichst geringe elektrische Widerstände zu reduzieren und andererseits die anfallende Wärme durch Konvektion und/oder Strahlung an die Umgebung abzugeben. Beispielsweise wurden bei Mittelspannungsschaltanlagen nach dem Stand der Technik mehreren Maßnahmen zur Temperaturreduzierung getroffen, hierzu zählen zum einen der Leitungsquerschnitt an sich, die Verschraubung, die Widerstände an den Schaltröhren und Trennschaltern sowie der Einbau von Kühlblechen. Ferner wurden Behälter oberflächenvergrößert sowie die Strömung im Behälter durch Simulation optimiert. Die Wärmestrahlungseigenschaften der stromführenden Bauelemente wurden beispielsweise durch Beschichtung ver- bessert. All diese Maßnahmen haben zu einer Verbesserung der Wärmeausbreitung in den elektrischen Bauteilen geführt, dennoch stehen die Isolatoren, die in der Regel aus gegossenen Kunststoffen mit gezielt angepassten thermischen und elektrischen Eigenschaften gebildet werden, unter hohen thermischen Belastungen. Dabei entsteht stets ein Zielkonflikt zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit bei der Herstellung und Konstruktion eines geeigneten Isolationsmaterials zur Isolierung der genannten Bauelemente. Dies liegt daran, dass in der Regel gute elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter sind und umgekehrt, gute Wärmeisolatoren in der Regel auch gute elektrische Isolatoren sind. Bei den zu konstruierenden Isolationsmaterialien soll jedoch neben einer guten elektrischen Isolierung auch eine möglichst gute Wärmeleitung vorliegen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein elektrisches Bauteil mit einem elektrisch leitenden zentralen Bauelement und eine dieses umgebende elektrische Isolierung bereitzu¬ stellen, das gegenüber dem Stand der Technik eine bessere Wärmeabführung der von dem zentralen Bauelement aus abgegebenen Wärmeenergie erlaubt.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem elektrischen Bauteil mit einem elektrisch leitenden zentralen Bauelement und einer diese zumindest teilweise berührungsfrei umgebende elektri¬ sche Isolierung nach dem Patentanspruch 1.
Das erfindungsgemäße Bauteil mit einem elektrisch leitenden zentralen Bauelement nach Anspruch 1 weist zumindest eine teilweise das zentrale Bauelement umgebende elektrische Iso¬ lierung auf, und es zeichnet sich dadurch aus, dass ein Wär¬ merohr vorgesehen ist, das zumindest an einem Ende von der Isolierung umgeben ist und teilweise aus der Isolierung herausragt. Dabei ragt der aus der Isolierung herausragende Teil des Wärmerohres näher an das zentrale Bauelement heran als die Isolierung.
Unter Wärmerohr wird dabei ein Wärmeübertrager verstanden, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums, insbe¬ sondere eines Fluides, eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. D.h., dass auf einer kleinen Querschnittfläche große Wärme¬ mengen transportiert werden können. Es wird zwischen zwei Bauformen von Wärmerohren unterschieden, der Heat Pipe und dem Zweiphasen-Thermosyphon . Das grundlegende Funktionsprinzip ist bei beiden Bauformen gleich, der Unterschied liegt im Transport des Arbeitsmediums, also des Fluides, der aber ge- nerell ohne zusätzliche mechanische Hilfsmittel, wie z.B. ei¬ ner Umwälzpumpe, auskommt. Der Wärmewiderstand eines Wärme¬ rohres ist deutlich kleiner als der von Metallen. Das Verhalten der Wärmerohre kommt daher der isothermen Zustandsände- rung nahe. Es herrscht eine beinahe konstante Temperatur über die Länge des Wärmerohres. Das heißt, man ist in der Lage ein bestimmter Wärmestorm mit deutlich kleinerer Temperaturgra- diente als im Fall eines Metalls zu übertragen. Zum Vergleich liegt die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer bei ca. 360W/mK und die effektive Wärmeleitfähigkeit eines Thermosyphons oder ei¬ nes Heat Pipes (Wärmerohres) bei ~10000W/mK. Wie oben schon beschrieben, vernichtet ein Thermosyphon keine Wärme, sondern dient nur zur Wärmeübertragung. In dem Fall der Vergussmasse ist das Problem nicht die Wärmeabfuhr sondern die Wärmeüber- tragung entlang des Bauteils. Deswegen ist der Einfluß eines Thermosyphons oder Wärmerohres beträchtlich. Bei gleicher Übertragungsleistung sind deswegen wesentlich leichtere Bauweisen als bei herkömmlichen Wärmeübertragern unter gleichen Einsatzbedingungen möglich. Das Wärmerohr kann grundsätzlich eine metallische Ummantelung aber auch eine elektrisch isolierende Ummantelung, wie z.B. Glas oder Keramik, aufweisen.
Zweckmäßig ist einBauteil, das gleichzeitig das Gehäuse eines Thermosyphon oder Heat Pipes ist. Dadurch werden Kontaktwi- derstände vermieden. Hierbei spielen der Druck und die einsätztemperatur eine wichtige Rolle. Mögliche Fluide wären hierfür z.B. Novec 649 (bei 105°C ca. 5bar) , Novec774 (bei 105°C ca. 2,5bar) etc. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Wärme, die das zentrale Bauelement, das elektrisch leitend ist und in einem Betriebszustand von elektrischen Strömen durchflössen wird, schneller von diesem zentralen Bauelement weggeführt wird. Ferner wird die Wärme durch das Wärmerohr auch tiefer in das Material der Isolierung hineingeführt, da ein Ende des Wärmerohres von der Isolierung umgeben ist, so dass dieses Ende des Wärmerohres in die Isolierung hineinragt. Somit ist der Weg, den die durch das Wärmerohr in die Isolierung über- tragene Wärme zurücklegen muss, bis sie an der Außenseite der Isolierung angelangt ist, geringer als wenn sie an einer Innenseite der Isolierung durch Konvektion angelangt und durch die gesamte Isolierung hindurch über Wärmeleitungsprozesse abgeführt werden müsste. Die thermische Spannung, der die
Isolierung ausgesetzt wird, wird durch die beschriebenen Maßnahmen verringert, was die Herstellungskosten für die Isolie¬ rung ebenfalls reduziert. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Wärmerohr formschlüssig und/oder stoffschlüssig in der Isolierung integriert. Der formschlüssige bzw. der stoff¬ schlüssige Sitz des Wärmerohres in der Isolierung gewährleis¬ tet einen guten Wärmeübergang. Dabei kann das Wärmerohr durch eine Presspassung in der Isolierung befestigt sein, besonders vorteilhaft wird es jedoch direkt bei der Herstellung der Isolierung in eine sogenannte Vergussmasse in das zu bildende Isolierungsbauteil eingegossen. In einer vorteilhaften Ausgestaltungform der Erfindung ist das elektrische Bauelement eine Schaltröhre, beispielsweise eine Mittelspannungsschaltröhre und das zentrale Bauelement ein dazu gehöriger Schaltkontakt. Insbesondere bei Mittel- spannungsschaltröhren treten besonders hohe Wärmemengen bei den Schaltkontakten auf, die nach außen aus der Schaltröhre heraus abgeführt werden müssen.
Dabei umgibt die Isolierung das zentrale Bauelement bevorzugt konzentrisch, wobei auch das eine oder mehrere Wärmerohre von der Isolierung konzentrisch nach innen verläuft bzw. verlaufen, wobei die Wärmerohre bevorzugt gleichmäßig um das zent¬ rale Bauelement herum radial nach außen in die Isolierung verlaufen. Hierdurch wird eine gleichmäßige Wärmeübertragung in die Isolierung hinein gewährleistet.
Dabei ist es ebenfalls zweckmäßig, dass das eine Ende des Wärmerohres, das von der Isolierung umgeben ist, mindestens 30 % in die Wandstärke der Isolierung hineinragt, also zumin- dest zu 30 % der Wandstärke der Isolierung in dieser versenkt ist .
Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung sowie weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um exemplarische Ausgestaltungsformen, deren Merkmalskombination keiner Einschränkung des Schutzbereichs darstellen. Dabei zeigen:
Figur 1 eine dreidimensionale Schnittdarstellung einer Mit- telspannungsschaltröhre mit Isolierung und Wärme¬ rohren und
Figur 2 einen Schnitt durch eine Schaltröhre gemäß Figur 1 entlang der Linie II.
In Figur 1 ist eine dreidimensionale Schnittdarstellung eines elektrischen Bauelementes 2 in Form einer Schaltröhre 14 ge¬ geben. Die Schaltröhre 14 weist im zentralen Bereich ein zentrales Bauelement 4 in Form eines Schaltkontaktes 18 auf. Der Schaltkontakt 18 ist dabei von einer elektrischen Isolie¬ rung 6 umgeben. Es sind Wärmerohre 8 vorgesehen, die von der elektrischen Isolierung 6 zentral zum Schaltkontakt 18 nach innen hin verlaufen.
In Figur 2 ist ein nicht maßstabgetreuer Schnitt entlang der gestrichelten Linie II in Figur 1 gegeben, wobei zu erkennen ist, dass mehrere Wärmerohre 8 von der Isolierung 6 konzent¬ risch nach innen in Richtung des Schaltkontaktes 18 weisen, wobei sie diesen nicht berühren. Die Wärmerohre 8 sind bezüg¬ lich des Schaltkontaktes 18 aus Gründen der elektrischen Si¬ cherheit berührungsfrei angeordnet. Sie nähern sich aber dem Schaltkontakt 18 soweit wie dies bezüglich der zu gewährleis¬ tenden Isolation vertretbar ist. Die Wärmerohre 8 übertragen die vom Schaltkontakt 18 ausgestrahlte Wärme, wie bereits be¬ schrieben, schneller als ein normaler metallischer Wärmelei- ter und somit auch schneller als dies durch eine reine Wärme¬ strahlung bzw. Konvektion der Fall wäre, hin zur Isolierung 6. Die Isolierung 6 ist ein speziell auf elektrische Isolierung und Wärmestabilität hin konstruierter Kunststoff, der bevor¬ zugt gegossen wird und auch als eine sogenannte Vergussmasse bezeichnet werden kann, wobei die Wärmerohre 8 bereits bei der Herstellung der Isolierung 6 in diese eingegossen werden. Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich, Bohrungen in die Isolierung einzubringen und anschließend insbesondere in Form einer Presspassung die Wärmerohre 8 in die Isolierung 6 zu integrieren. Die Wärmerohre 8 ragen dabei ein erhebliches Stück in eine Wandstärke 16 der Isolierung 6 hinein. Dabei gibt es zwei limitierende Faktoren, einerseits sollen die
Wärmerohre 8 soweit wie möglich in die Wand der Isolierung 6 hineinragen, damit die Wärme, die durch die Wärmerohre 8 übertragen wird, möglichst weit nach außen bezüglich der Schaltröhre geführt wird und nur noch einen geringen Weg durch die konventionlle Wärmeleitung zurücklegen muss. Ande¬ rerseits muss berücksichtigt werden, dass an den Stellen, an denen die Wärmerohre 8 in die Isolierung hineinragen, die elektrischen Isolierungseigenschaften der Isolierung 6 reduziert sind. Dabei ist anzustreben, dass die Wärmerohre 8 mit ihrem in der Isolierung 6 versenkten Ende, mindestens 30 % der Wandstärke der Isolierung in diese hineinragen.
Um die elektrische Isolierung auch im Bereich des Wärmerohres 8 zu erhöhen, ist es zweckmäßig, dass das Wärmerohr 8 aus ei- nem elektrisch nicht leitfähigen Hüllmaterial gebildet ist. Ferner kann auch das Fluid, das sich im Wärmerohr befindet, elektrisch isolierend sein, hierzu sind beispielsweise ent¬ salztes Wasser oder Fluide wie NOVEC 649, NOVEC 7000 sowie FC 72 anwendbar. Dabei befindet sich das Fluid in einem abge- schlossenen Raum des Wärmerohres 8. Das Fluid befindet sich stets im thermodynamischen Gleichgewicht. Erhöht man die Tem¬ peratur, in diesem Fall an einem herausragenden Ende 12 des Wärmerohres 8, das benachbart zum Schaltkontakt 18 angeordnet ist, beginnt das Fluid auf dieser heißen Seite an zu sieden. Der dabei entstandene Dampf wird zu der kälteren Seite am En¬ de 10 des Thermorohres 8 transportiert. Dort kondensiert das Fluid und gibt die Wärme wieder frei. Der Transport des Flui- des kann aufgrund von im Wärmerohr 8 vorherrschenden Kapillarkräften erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischen Bauteil mit einem elektrisch leitenden zentralen Bauelement (4) und eine dieses zumindest teilweise be- rührungsfrei umgebende elektrische Isolierung (6), dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmerohr (8) vorgesehen ist, das zumindest an einem Ende (10) von der Isolierung (6) umgeben ist und teilweise aus der Isolierung (6) herausragt, wobei ein aus der Isolierung (6) herausragende Teil (12) des Wärme- rohres (8) näher an das zentrale Bauelement (4) heran ragt als die Isolierung (6) .
2. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (8) formschlüssig und/oder stoffschlüssig in der Isolierung (6) integriert ist.
3. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (8) in die Isolierung (6) einge¬ gossen ist
4. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauele¬ ment eine Schaltröhre (14) ist.
5. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (6) das zentrale Bauelement (4) konzentrisch umgibt.
6. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Wärmerohr (8) von der Isolierung (6) konzentrisch nach innen verläuft.
7. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Ende (10) des Wärmerohrs (8) mindestens 30 % einer Wandstärke (16) der Iso¬ lierung (6) in dieser versenkt ist.
8. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmerohre gleichmäßig um das zentrale Bauelement (4) verteilt sind 9. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Bauelement (4) ein Schaltkontakt (18) der Schaltröhre (14) ist.
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