專利名稱：電開關(guān)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電開關(guān)設(shè)備，所述電開關(guān)設(shè)備具有一個由電絕緣材料構(gòu) 成的外殼和三條布置在所述外殼內(nèi)的電流路徑，所述三條電流路徑被分配給 一個三相系統(tǒng)的不同相。
背景技術(shù)：
一般情況下，每條電流路徑均由兩個在接觸區(qū)內(nèi)彼此分離的導體和/或觸 點支架構(gòu)成。該接觸區(qū)內(nèi)布置有觸橋，這兩個導體可借助該觸橋彼此電氣相 連。此類開關(guān)設(shè)備的外殼由電絕緣材料(多數(shù)情況下為塑料)構(gòu)成。在開關(guān) 設(shè)備的工作過程中或當開關(guān)設(shè)備發(fā)生故障(例如過載或短路)時，輸電和通 斷過程會在開關(guān)設(shè)備中產(chǎn)生須由構(gòu)成外殼的塑料經(jīng)受的熱量。使導體和/或電 流路徑受熱不均的另一原因在于，這些并排布置的導體中位于外側(cè)的導體對 位于中間的導體產(chǎn)生熱絕緣作用，即產(chǎn)生一種從中間開始的散熱效果。最后， 這些導體受熱不均的原因還包括所述三個導體負荷或功耗不均，所述負荷或 功耗不均是由三相系統(tǒng)中的電流分布不均勻，電流路徑的電阻(特別是接觸 電阻)彼此不同，進行單側(cè)通斷操作，或者短路情況下其中一個相和/或分配 給該相的導體負荷過重等因素造成的。因此，這種開關(guān)設(shè)備需要使用較貴的 塑料，即耐熱性良好的塑料。此外，上述各因素還會導致脫扣性能(即對過 載電流、斷相和/或不平衡負載的識別和切斷或消除)發(fā)生不利于安全性的變 化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種開篇所述類型的開關(guān)設(shè)備，這種開關(guān)設(shè) 備在電流路徑受熱不均方面有所改善。這個目的通過一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)設(shè)備而達成，在該開關(guān)設(shè) 備中，所述電流路徑通過至少一個熱橋彼此熱相連，所述熱橋至少部分由一 種材料構(gòu)成，所述材料的熱導率大于所述外殼的材料或空氣的熱導率，所述 熱橋通過對流方式與所述電流路徑和所述外殼進行熱交換，且有助于所述電 流路徑的溫度均衡化。本發(fā)明的出發(fā)點是利用存在于導體之間的溫度梯度來 實現(xiàn)導體冷卻。由一個因接觸電阻波動而受熱較多的導體將熱量散發(fā)到一個 受熱較少的導體上，從而使這部分熱量從受熱較多的導體分布在全部三個導 體上。通過這種方式可有效減小電流路徑和外殼材料發(fā)生局部過熱的可能 性，這樣就可對耐熱性較差但成本較低的塑性材料加以利用。通過為各導體 采取熱均衡措施，可避免產(chǎn)生尤其會影響開關(guān)設(shè)備的使用壽命的受熱不均現(xiàn) 象。另一優(yōu)點在于，在不考慮受熱不均的情況下，借此可為所有相和/或分配 給這些相的導體采用相同設(shè)計。構(gòu)成所述熱連接的元件在采用相應設(shè)計的情 況下還有助于開關(guān)設(shè)備外殼的加固。
根據(jù)第一實施方案，所述導體與所述熱橋之間實現(xiàn)熱連接的方式為，所 述熱橋與所述電流路徑(優(yōu)選與所述觸點支架、連接區(qū)或觸橋)直接接觸或 物理接觸。 一方面，上述區(qū)域不被任何絕緣物包裹，因而可與所述熱橋直接 接觸；另一方面，觸點支架在熱方面是特別關(guān)鍵的組件，尤其涉及到由接觸 電阻引起的受熱問題。在前兩種情況下，可將位置固定地布置在開關(guān)設(shè)備外 殼內(nèi)的熱橋直接連接在一個冷源上，以便進行散熱和/或冷卻。但在將熱橋分 配給觸橋的情況下，由于觸橋必須具有可動性而無法采取上述措施，此時， 該熱橋主要通過對流和熱輻射來發(fā)揮其冷卻作用。
所述熱橋可由電絕緣材料(例如陶瓷材料)構(gòu)成，也可由金屬構(gòu)成。作 為導熱性能良好的陶瓷材料，可優(yōu)先考慮使用A1203、 AlN和減SiC。在所 述熱橋由金屬(特別是導熱性能極好的Cu或Al)構(gòu)成的情況下，該熱橋通 過一個由電絕緣材料構(gòu)成的中間層與電流路徑相連。特別是當該中間層由無 機材料構(gòu)成時，該中間層可保持較薄的厚度，這樣就可以使電流路徑與熱橋之間的熱傳遞只受到很小程度的影響。如果為該中間層使用導熱性能良好的材料，例如云母、陶瓷材料、氧化物材料和導熱膠，就可使這一情況得到進一步的改善。另一優(yōu)選設(shè)計方案是通過下述方式將金屬熱橋與電流路徑電隔離，即借助兩個隔離層將該熱橋分成三個分部件，其中，每個分部件均通過一個金屬表面與電流路徑接觸或?qū)щ娤噙B。
根據(jù)第二實施方案，所述電流路徑與所述熱橋之間的熱連接并非通過直接接觸(即物理接觸)實現(xiàn)，而是通過在電流路徑之間布置一個熱橋來實現(xiàn)，其中，該熱橋與位于該熱橋側(cè)面的電流路徑之間存在一個氣隙。通過這種方式可使電流路徑之間(主要是這些電流路徑的接觸區(qū)之間)實現(xiàn)比傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)備(此類開關(guān)設(shè)備的電流路徑之間僅存在空氣和可能的塑料外殼壁)更好的熱傳遞。其中，從電流路徑到熱橋的熱傳遞通過輻射和其間的空氣對流而實現(xiàn)。通過在外側(cè)電流路徑側(cè)面布置一個熱橋，可使以該外側(cè)電流路徑為起點的熱傳遞得到改善，其中，所述熱橋與所述外側(cè)電流路徑之間同樣存在一個氣隙。所述熱橋可穿透外殼壁或構(gòu)成該外殼壁，其中，所述熱橋可將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中或與其相連的其他冷源上。借助一個用于使各個單獨的熱橋彼此熱相連和機械相連的橫向連接件可改善各個熱橋之間的熱傳遞，其中，所述橫向連接件優(yōu)選由與所述熱橋相同的材料構(gòu)成，也就是說，例如可與所述熱橋成一個整體。
在熱橋材料方面，可使用上文所述的材料來制造所述熱橋。為能在采用金屬熱橋的情況下避免發(fā)生短路，須為這些熱橋配備一個由電絕緣材料構(gòu)成的涂層，該材料優(yōu)選也具有導熱能力。這種涂層對于上述橫向連接件而言也是有利的，其中，所述涂層至少涂覆在所述橫向連接件朝向外殼內(nèi)部的面上。為改善電流路徑與熱橋之間的熱傳遞，所述涂層應采用染成黑色的材料或黑色材料，例如塑料。


下面借助附圖對本發(fā)明進行詳細說明，其中圖1為一個開關(guān)設(shè)備的第一實施例的剖面圖2為沿圖i中n-n線截取的剖面圖3為一個幵關(guān)設(shè)備的第二實施例的剖面圖4為一個開關(guān)設(shè)備的局部剖面圖，其中， 一個熱橋和一個觸點支架通 過一個緊固件與一個外殼壁相連；
圖5為一個開關(guān)設(shè)備的第三實施例的剖面圖； 圖6為一個開關(guān)設(shè)備的第四實施例的剖面圖； 圖7為一個開關(guān)設(shè)備的第五實施例的剖面圖； 圖8為一個開關(guān)設(shè)備的第六實施例的剖面圖；以及 圖9為一個開關(guān)設(shè)備的第七實施例的剖面圖。
具體實施例方式
各附圖中僅以示意圖形式示出的開關(guān)設(shè)備1包括一個由電絕緣材料(特 別是塑性材料)構(gòu)成的外殼2。外殼2上存在多個連接件3，例如螺旋式連 接件，這些連接件上可連接進線或出線。這些連接件3之間布置有電流路徑 4a、 4b、 4c。每條電流路徑均包括兩個觸點支架5、 一個用于連接這兩個觸 點支架的觸橋6和連接件3和/或連接區(qū)3a。觸橋6與觸點支架5之間的電 接觸通過布置在觸橋6和/或觸點支架5上的接觸元件7、 8而實現(xiàn)。
開關(guān)設(shè)備1是一種三相開關(guān)設(shè)備。因此，存在三個鄰近布置的電流路徑 4a、 4b和4c。這些電流路徑的觸點支架5或連接區(qū)3a通過(例如)采用連 接片式設(shè)計的熱橋9彼此相連。如圖l和圖2所示的實施例中的熱橋9由不 導電但導熱性能良好的材料構(gòu)成，例如類似Al203等導熱系數(shù)為10W/mK-25W/mK (系數(shù)比常規(guī)外殼塑料的導熱系數(shù)大100倍)的陶瓷。其他合適的 陶瓷材料有例如A1N(20 W/mK - 30 W/mK)或SiC (20 W/mK - 120 W/mK)。 在觸點支架5和/或連接區(qū)3a之間或者一般而言在電流路徑4a、4b、4c之間， 借助一個附加熱橋9實現(xiàn)相對于僅將這些電流路徑固定在外殼上這一方案更大程度的熱交換。熱橋9優(yōu)選設(shè)計為具有較大剛度，從而有助于外殼2的加固。
如上文所述，各電流路徑在工作過程中可能發(fā)生受熱不均的現(xiàn)象。舉例
而言，其原因可能在于(例如)電流路徑4b的觸點7、 8之間的接觸電阻大 于電流路徑4a、 4c的相應觸點之間的接觸電阻。較大的接觸電阻會引起較 大程度的發(fā)熱，從而使電流路徑4b的觸點較大程度地受熱。通過由熱橋9 建立的熱連接可以產(chǎn)生冷卻效果，使得電流路徑4b的熱量被散發(fā)到電流路 徑4a和4c上，從而使這部分熱量分布在所有電流路徑上，且自然也分布于 與這些電流路徑相連的元件(如上述連接件3，因而也包括連接電纜在內(nèi)) 上。
在圖3至圖5所示的開關(guān)設(shè)備中，熱橋9a由一種通常熱導率比非金屬 材料高很多的金屬構(gòu)成，例如Al或Cu。圖3所示的開關(guān)設(shè)備具有一個采用 一體式設(shè)計的熱橋9a。由于出于可以理解的原因無法將熱橋9a直接連接在 電流路徑4a、 4b、 4c的觸點支架5或連接區(qū)3a上，因而須在該熱橋與這些 觸點支架或接觸區(qū)之間布置一個導熱絕緣層10。該導熱絕緣層在這些電流路 徑和/或觸點支架5與熱橋9a之間建立起熱連接和機械連接，下文將會對此 進行示范性說明。其中，絕緣層10包括了云母、薄陶瓷片、氧化層(如A1203)、 帶有電絕緣特性的導熱膠、傳統(tǒng)塑料(例如外殼材料)或類似材料。由金屬 構(gòu)成的熱橋具有機械穩(wěn)定和防斷的性能，因而除了使各電流路徑達到預期的 受熱均勻外，還可有效加固外殼。
如圖4所示，金屬熱橋9、 9a、 9b與觸點支架5之間的熱連接和機械連 接(必要時在金屬觸橋與觸點支架之間布置一個導熱絕緣層10)可借助一個 機械連接元件18 (例如螺栓或鉚釘(例如空心鉚釘))而實現(xiàn)。借此將觸點 支架與熱橋彼此夾緊，從而在所述部件之間實現(xiàn)特別有效的熱耦合。通過這 種緊固方式可避免熱橋9、 9a、 9b、絕緣層10和電流路徑4a、 4b、 4c之間 發(fā)生橫向運動。此外，還可提高電流路徑4a、 4b、 4c的橫向剛度。如果同時還將上述部件與一個外殼壁lla夾緊，除了可進一步改善該橫向剛度外， 還可在熱橋9、 9a、 9b與起冷卻元件作用的外殼2之間實現(xiàn)有效的熱耦合。 作為替代方案，也可利用膠粘劑或?qū)岣?可起到提高熱導率的效果)通過 粘接方式來實現(xiàn)上述部件之間的連接。
在圖5所示的實施例中，金屬熱橋9b與觸點支架5直接相連(即二者
間未布置絕緣層)。實現(xiàn)電流路徑之間電隔離的方式是借助兩個絕緣層10a 將熱橋％分成三個分部件12，其中，每個分部件12均與一條電流路徑4a、 4b、 4c相連。
絕緣層10a可采用與圖3和圖4所示的實施例相同的材料，其中可以少 用一個絕緣層，借此首先可降低制造成本，其次可改善從電流路徑4a、 4b、 4c到熱橋以及從熱橋到冷源的熱傳遞。也可用外殼壁11構(gòu)成絕緣層10a， 其中，可以如圖4所示的方式使熱橋9b的分部件12與一個外殼壁11相連。
圖6和圖7所示的實施例與圖3和圖5所示的實施例基本相同，但此處 的觸點支架5借助一個在垂直于電流路徑4a、 4b、 4c的方向上發(fā)生作用的 形狀配合與熱橋9a、 9b相連。其實現(xiàn)方式為，觸點支架5至少部分嵌于熱 橋9a、 9b中的一個與這些觸點支架的截面形狀互補的凹槽13內(nèi)。在熱橋9a 釆用一體式設(shè)計的情況下(圖6)，須在觸點支架與該凹槽之間布置一個絕緣 層10b。通過這種緊固方式可避免熱橋9a、 9b和觸點支架5之間發(fā)生相對橫 向運動。
原則上借助上述類型的熱橋也可實現(xiàn)觸橋6之間的熱傳遞。然而熱橋與 冷源之間無法建立機械連接，因為這種機械連接會阻礙觸橋6的斷開。為改 善觸橋6的散熱效果，圖8和圖9所示的實施例在每兩個相鄰電流路徑4a-4b 及4b-4c之間均布置一個熱橋9c，這一措施在設(shè)置或不設(shè)置與觸橋6機械相 連的熱橋的情況下均可實施，其中，熱橋9c所采用的尺寸使其可伸入接觸 區(qū)14內(nèi)和/或可自側(cè)面將接觸區(qū)14遮住。在位于熱橋9c側(cè)面的各電流路徑 4a、 4b、 4c與熱橋9c之間分別存在一個氣隙15。通過接觸元件7與觸點支架5相連的觸橋6利用對流和輻射將其比熱散發(fā)到相鄰熱橋9c上，從而實 現(xiàn)電流路徑4a、 4b、 4c之間的熱傳遞。除熱橋9c外，外側(cè)電流路徑4a、 4c 的外側(cè)分別存在另一個熱橋9d，該熱橋同樣是在接觸區(qū)14的側(cè)面延伸。熱 橋9d合理地與外殼外壁或周圍環(huán)境發(fā)生接觸，借此可實現(xiàn)相應的熱交換。 熱橋9c、 9d可由上文所述的材料構(gòu)成，即例如陶瓷或金屬。如果這些熱橋 是金屬熱橋，則為其采用一個電絕緣涂層16是合理的。為提高熱傳遞過程 中的輻射分量，使用黑色材料或染成黑色的材料來實現(xiàn)涂層16(例如塑性材 料，并使用該材料注塑制成熱橋9c、 9d)，這一方案同樣也適用于非金屬熱 橋。這種排放系數(shù)約為E = 0.95至0.99的材料具有特別好的排放和吸收能力 (尤其是輻射散熱和吸熱能力)。此外還選用一種其熱性能不受開關(guān)電弧影響 的材料。涂層16還具有以簡單方式將熱橋9c、 9d固定在開關(guān)設(shè)備內(nèi)的作用。
在圖9所示的實施例中，熱橋9c、 9d優(yōu)選借助一個橫向連接件17相連 成一體，借此可進一步優(yōu)化所述電流路徑之間的熱交換。這個由熱橋9c、 9d 和橫向連接件17構(gòu)成的組件可構(gòu)成一個外殼下部或嵌在該外殼下部內(nèi)。
圖8和圖9所示的兩個實施例同樣可使電流路徑4a、 4b、 4c之間的熱 交換得到改善，且在存在不同接觸電阻和由此而產(chǎn)生的受熱不均的情況下， 可使觸橋6得到有效冷卻。
權(quán)利要求
1.一種電開關(guān)設(shè)備，所述電開關(guān)設(shè)備包括一個由電絕緣材料構(gòu)成的外殼(2)和三條布置在所述外殼內(nèi)的電流路徑(4a，4b，4c)，所述三條電流路徑被分配給一個三相系統(tǒng)的不同相，所述電流路徑各具有一個包括一個觸橋(6)的接觸區(qū)(14)，其中，所述電流路徑(4a，4b，4c)通過至少一個熱橋(9，9a，9b，9c)彼此熱相連，所述熱橋至少部分由一種材料構(gòu)成，所述材料的熱導率大于空氣或所述外殼(2)的材料的熱導率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)設(shè)備，其中，所述熱橋(9， 9a， 9b)與所述電流路徑(4a， 4b， 4c)直接接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述電流路徑(4a， 4b， 4c)包括多個觸點支架(5)，其中，所述熱橋 (9， 9a， 9b)使所述觸點支架彼此熱相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述電流路徑(4a， 4b， 4c)包括多個連接區(qū)(3a)，其中，所述熱橋(9， 9a， 9b)使所述連接區(qū)彼此熱相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2、 3或4所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述熱橋(9， 9a， 9b)使所述觸橋(6)彼此熱相連。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項權(quán)利要求所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述熱橋(9， 9a， 9b)由一種電絕緣材料構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述熱橋(9， 9a， 9b)由一種陶瓷材料構(gòu)成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述陶瓷材料選自A1203、 A1N和SiC這一組群。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2至8中任一項權(quán)利要求所述的開關(guān)設(shè)備，其包括 --個由金屬構(gòu)成的熱橋(9a)，且所述熱橋通過一個由電絕緣材料構(gòu)成的絕 緣層(10)與所述電流路徑(4a， 4b， 4c)相連。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2至8中任一項權(quán)利要求所述的開關(guān)設(shè)備，其包括 一個由金屬構(gòu)成的熱橋(9b)，且所述熱橋被兩個由電絕緣材料構(gòu)成的絕緣 層(10a)分成三個分部件(12)，其中，每個分部件(12)均與一條電流路 徑(4a， 4b， 4c)相連。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2至10中任一項權(quán)利要求所述的幵關(guān)設(shè)備，其中， 所述熱橋(9a， 9b)和所述電流路徑(4a， 4b， 4c)通過一個沿垂直于所述電流路徑(4a， 4b， 4c)方向發(fā)生作用的形狀配合彼此相連。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)設(shè)備，其中，每兩條相鄰電流路徑(4a， 4b和/或4b， 4c)之間均布置有一個熱橋(9c)， 其中，所述熱橋與位于所述熱橋側(cè)面的電流路徑(4a， 4b禾B/或4b， 4c)之 間存在一個氣隙(15)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)設(shè)備，其中，位于外側(cè)的電流路徑(4a， 4c)的側(cè)面各布置有一個熱橋(9d)，其中， 所述熱橋與相應的電流路徑(4a， 4c)之間存在一個氣隙(15a)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的開關(guān)設(shè)備，其中，所述熱橋(9c)通過一個沿垂直于所述電流路徑(4a， 4b， 4c)方向延 伸的橫向連接件(17)彼此熱相連和機械相連。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項權(quán)利要求所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述熱橋(9c， 9d)由一種陶瓷材料構(gòu)成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述陶瓷材料選自A1203、 A1N和SiC這一組群。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12至16中任一項權(quán)利要求所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述熱橋由金屬構(gòu)成。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12至17中任一項權(quán)利要求所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述橫向連接件(17)由與所述熱橋(9c， 9d)相同的材料構(gòu)成。
19. 根據(jù)權(quán)利要求12至18中任一項權(quán)利要求所述的開關(guān)設(shè)備，其中，所述熱橋(9c， 9d)配有一個由電絕緣導熱材料構(gòu)成的涂層(16)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14至19中任一項權(quán)利要求所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述橫向連接件(17)指向所述開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部的面配有一個由電絕緣導熱材料構(gòu)成的涂層(16)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 所述涂層(16)染成黑色或由黑色材料構(gòu)成。
22. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的開關(guān)設(shè)備，其中， 一個熱橋(9， 9a， 9b)通過一個機械連接元件(18)與一條電流路徑(4a， 4b， 4c)直接或間接相連。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的開關(guān)設(shè)備，其中，-一個熱橋(9， 9a， 9b)和一條電流路徑(4a， 4b， 4c)通過所述連接 元件(18)固定在一個外殼壁(lla)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電開關(guān)設(shè)備，所述電開關(guān)設(shè)備包括一個由電絕緣材料構(gòu)成的外殼(2)，所述外殼內(nèi)布置有三個被分配給一個三相系統(tǒng)的不同相的電流路徑(4a，4b，4c)。所述電流路徑各具有一個包括一個觸橋(6)的接觸區(qū)(14)，其中，所述電流路徑通過至少一個熱橋(9，9a，9b，9c)彼此熱相連，所述熱橋至少部分由一種材料構(gòu)成，所述材料的熱導率大于所述外殼的材料或空氣的熱導率。
文檔編號H01H1/00GK101641756SQ200780052169
公開日2010年2月3日 申請日期2007年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月28日
發(fā)明者安德烈亞斯·克拉奇馬赫, 馬丁·海姆勒 申請人:西門子公司