用于具有增強(qiáng)母線接頭冷卻的開關(guān)的冷卻裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于開關(guān)的冷卻裝置，此開關(guān)具有與斷路器的端子連接的至少一個主觸頭，母線接頭連接到主觸頭。冷卻裝置包括與主觸頭相關(guān)的蒸發(fā)器。冷凝器定位在比蒸發(fā)器更高的高度處。熱管結(jié)構(gòu)使蒸發(fā)器與冷凝器流體地連接。熱傳送結(jié)構(gòu)與母線接頭聯(lián)接以使熱量從所述母線接頭移除。工作流體在蒸發(fā)器中以便被加熱到蒸汽狀態(tài)，熱管結(jié)構(gòu)將蒸汽傳送到冷凝器并且使冷凝的工作流體被動地返回到蒸發(fā)器以便冷卻至少一個主觸頭。
【專利說明】用于具有增強(qiáng)母線接頭冷卻的開關(guān)的冷卻裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及開關(guān)斷路器，并且更具體地說，涉及增強(qiáng)沿著電流路徑的其它熱點(diǎn)冷卻的冷卻裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)構(gòu)造具有根據(jù)超過周圍環(huán)境室溫的熱升高的電流限制。通常期望的是將開關(guān)主總線上的最熱點(diǎn)的最大溫度限制到105°C (升高超過40°C的假設(shè)的周圍環(huán)境溫度650C )，如通過標(biāo)準(zhǔn)IEEE37.20.2所指示的。由于產(chǎn)生熱量，通常的中間與高電壓金屬包覆開關(guān)裝置具有約3000A的最大連續(xù)電流額定值。理想的是將此電流額定值增加到約4000A。
[0003]由于這些開關(guān)必須是抗電弧故障的，因此使由開關(guān)隔室內(nèi)部的額定電流產(chǎn)生的熱損失消散是非常困難的。目前通過從電流路徑到封裝并且然后到周圍環(huán)境的輻射與對流消散熱損失。此熱傳遞過程是低效率的，并且因此開關(guān)產(chǎn)品通常地通過其額定電流而被熱限制。
[0004]因此，需要提供用于開關(guān)的冷卻裝置，其冷卻主要觸點(diǎn)并且還減小了沿著包括母線接頭的電流路徑的溫度增加。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)上述需要。根據(jù)本發(fā)明的原理，通過提供用于具有構(gòu)造并且布置為連接到斷路器的端子的至少一個主觸頭的開關(guān)的冷卻裝置實(shí)現(xiàn)了此目的，母線接頭連接到主觸頭。冷卻裝置包括構(gòu)造并且布置為與主觸頭相關(guān)的蒸發(fā)器。冷凝器定位在比蒸發(fā)器更高的高度處。熱管結(jié)構(gòu)使蒸發(fā)器與冷凝器流體地連接。熱傳送結(jié)構(gòu)與母線接頭聯(lián)接以使熱量從母線接頭移除。工作流體在蒸發(fā)器中以便加熱到蒸汽狀態(tài)，熱管結(jié)構(gòu)構(gòu)造并且布置為將蒸汽傳送到冷凝器并且使冷凝的工作流體被動地返回到蒸發(fā)器以便冷卻至少一個主觸頭。
[0006]根據(jù)實(shí)施方式的另一個方面，提供了用于開關(guān)的熱傳送結(jié)構(gòu)，該開關(guān)具有構(gòu)造并且布置為連接到斷路器端子的一個或多個主觸頭，并且母線接頭連接到主觸頭。每個母線接頭都包括平行布置的至少一對第一母線以限定其間的空間。熱傳送結(jié)構(gòu)包括:多個翅片、以及穿過所述翅片以接合翅片使得翅片處于間隔關(guān)系的多個散熱器。熱傳送結(jié)構(gòu)構(gòu)造并且布置為容納在第一母線對之間的空間中，使得散熱器沿著第一母線分配熱量，翅片通過自然對流將熱量傳送到周圍空氣。
[0007]根據(jù)實(shí)施方式的另一個方面，提供了冷卻開關(guān)的方法。此開關(guān)具有構(gòu)造并布置為與斷路器的端子連接的至少一個主觸頭，以及連接到主觸頭的母線接頭。此方法使蒸發(fā)器與主觸頭相關(guān)。冷凝器定位在比蒸發(fā)器更高的高度處。熱管結(jié)構(gòu)使蒸發(fā)器與冷凝器流體地連接，并且工作流體設(shè)置在蒸發(fā)器中。此方法將熱傳送結(jié)構(gòu)聯(lián)接到母線接頭。熱量從主觸頭傳送到工作流體以致使工作流體在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，蒸發(fā)的蒸汽經(jīng)由流體導(dǎo)管結(jié)構(gòu)傳送到冷凝器。熱量經(jīng)由熱傳送結(jié)構(gòu)從母線接頭移除。在冷凝器中冷凝的工作流體經(jīng)由流體導(dǎo)管結(jié)構(gòu)被動地返回到蒸發(fā)器。
[0008]當(dāng)參照其全部形成此說明書的一部分的附圖考慮下面的詳細(xì)描述與所附權(quán)利要求時，本發(fā)明的其它目的、特征與特點(diǎn)、以及操作的方法以及結(jié)構(gòu)的相關(guān)元件的功能、部件的組合和制造經(jīng)濟(jì)性將變得顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]通過本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的下面的詳細(xì)描述，結(jié)合其中相同附圖標(biāo)記指示相同部件的附圖，將會更好地理解本發(fā)明。
[0010]圖1是示出安裝在開關(guān)中的以熱管結(jié)構(gòu)形式的蒸發(fā)性冷卻裝置的視圖。
[0011]圖2是聯(lián)接到母線接頭處的水平母線的豎直母線的視圖，根據(jù)實(shí)施方式的熱傳送結(jié)構(gòu)示出為插入到水平母線之間的空間中。
[0012]圖3是示出聯(lián)接到母線接頭的圖2的熱傳送結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。
[0013]圖4是作為母線接頭與熱管結(jié)構(gòu)之間的連接的熱傳送結(jié)構(gòu)的視圖。
[0014]圖5是作為母線接頭與熱管結(jié)構(gòu)之間的連接的熱傳送結(jié)構(gòu)的另一個實(shí)施方式。
[0015]圖6是作為母線接頭與熱管結(jié)構(gòu)之間的連接的熱傳送結(jié)構(gòu)的另一個實(shí)施方式。
[0016]圖7是作為將熱量從母線接頭傳送到主觸頭處的蒸發(fā)器的散熱器的熱傳送結(jié)構(gòu)的另一個實(shí)施方式的視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]參照圖1，大體上以10指示的以熱管系統(tǒng)的形式的冷卻裝置，示出為如在共同擁有的，共同未決的標(biāo)題為“具有蒸發(fā)性冷卻裝置的開關(guān)”的代理案號US 11033-31-553的美國專利申請中公開的，其內(nèi)容在此通過引用的方式包含在本說明書中。熱管系統(tǒng)10用于在不破壞用于開關(guān)14的自容納隔室的安全要求的情況下有效地冷卻主觸頭12。系統(tǒng)10包括與各主觸頭12相關(guān)的蒸發(fā)器15以及聯(lián)接在蒸發(fā)器15與冷凝器17之間的熱管結(jié)構(gòu)16。冷凝器17定位在比蒸發(fā)器15更高的高度處。主觸頭12的熱量致使蒸發(fā)器15中的工作流體蒸發(fā)并且蒸汽被引導(dǎo)到冷凝器17。由于與周圍空氣的熱交換，冷凝器17將蒸汽冷凝返回到液態(tài)并且液態(tài)工作流體經(jīng)由熱管結(jié)構(gòu)16返回到蒸發(fā)器15以完成冷卻循環(huán)。此蒸發(fā)性冷卻減小了在主要熱源處的熱量并且允許較高的額定電流。然而，由于增加的電流流動，沿著電流路徑與其它電部件的熱損失變得被熱限制，尤其是在大體上以18指示的連接到主觸頭12的母線接頭或纜線連接器處。
[0018]參照圖2，用于冷卻母線接頭18處的額外熱點(diǎn)的冷卻裝置的第一實(shí)施方式增加了到周圍空氣的熱傳送。由此，冷卻裝置是設(shè)置在平行布置的一對第一水平母線24之間的空間22中的大體上以20指示的熱傳送結(jié)構(gòu)。水平母線24聯(lián)接到第二、豎直母線26以限定母線接頭18。豎直母線26以傳統(tǒng)方式與主觸頭12電連接。因此，熱傳送結(jié)構(gòu)20與圖1的熱管系統(tǒng)一起使用以減少在母線接頭18處的熱量。
[0019]參照圖2和圖3，熱傳送結(jié)構(gòu)20包括多個穿過多個翅片30并且將多個翅片30接合在一起的多個散熱器28。翅片30是金屬的并且是隔開的關(guān)系。翅片30基本上相對于散熱器28橫向地布置。如圖3中所示，每個散熱器28是金屬線，熱管、或者具有與豎直母線26接合的端部32的其它熱傳送構(gòu)件。散熱器28減小了在母線接頭18處的溫度峰值，并且沿著母線24、26分配熱量。翅片30通過自然對流增加了到周圍空氣的熱傳送(箭頭H)。由此，實(shí)現(xiàn)了母線接頭18的被動冷卻。然而，如果通過例如風(fēng)扇迫使空氣循環(huán)，那么熱移除就可能成為主動的。
[0020]由于散熱器28與翅片30是金屬的并且與母線24、26接觸，因此它們位于與母線24、26相同的電壓電勢。如果熱傳送結(jié)構(gòu)20基本上不被母線24、26圍繞，那么將在翅片30的尖端形成高電場。利用熱傳送結(jié)構(gòu)20的幾何形狀，周圍的母線24、26提供了屏蔽效果以減小電場。
[0021]參照圖4-圖6，示出了用于冷卻母線接頭18的熱傳送結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施方式。第二實(shí)施方式包括將母校接頭18消散的熱量引導(dǎo)到用于冷卻主觸頭12的熱管系統(tǒng)10(圖1)。此第二實(shí)施方式可以制造為具有圓角邊緣，和/或覆蓋以絕緣塑料層(例如，環(huán)氧樹脂)。此外，可以通過將短的熱管嵌入此結(jié)構(gòu)的內(nèi)部來改進(jìn)其熱傳導(dǎo)性。
[0022]參照圖4，以金屬連接結(jié)構(gòu)36的形式的熱傳送結(jié)構(gòu)聯(lián)接在母線接頭18 (或者其平坦的母線24、26)與圓形熱管結(jié)構(gòu)16之間。熱管結(jié)構(gòu)16的端部38與同主觸頭12相關(guān)的蒸發(fā)器15聯(lián)通。熱管結(jié)構(gòu)16的端部40與冷凝器17 (圖1)聯(lián)通。由此，在母線接頭18處的熱點(diǎn)用作用于熱管結(jié)構(gòu)16的輔助蒸發(fā)器。此方法提供了最低熱阻。然而，在母線接頭18與熱管結(jié)構(gòu)16之間沒有電絕緣。由此，熱管結(jié)構(gòu)16的電絕緣部分42布置在連接結(jié)構(gòu)36與冷凝器17之間。直到母線接頭18，熱管結(jié)構(gòu)16可以緊密地沿著母線布線，并且由于均具有相同的電壓電勢甚至直接接觸。甚至可以通過聯(lián)合母線與熱管管路以進(jìn)一步簡化此系統(tǒng)。
[0023]如這里使用的，“熱管結(jié)構(gòu)”16大體上意味著蒸發(fā)器15與冷凝器17之間的單個導(dǎo)管組件(例如，軟管、管子、管道等)或者承載處于冷凝狀態(tài)或蒸發(fā)狀態(tài)的工作流體的真空緊密密封地連接的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。例如，并且如圖6中所示，熱管結(jié)構(gòu)16可以包括其中具有分離的液體返回管21的主管19使得蒸汽可以經(jīng)由主管通道通過冷凝器并且液體可以經(jīng)由液體返回管返回到蒸發(fā)器15。
[0024]參照圖5，示出了以連接結(jié)構(gòu)36’的形式的熱傳送結(jié)構(gòu)的另一個實(shí)施方式。母線接頭18 (或其母線24或26)與熱管結(jié)構(gòu)16之間的連接結(jié)構(gòu)36’由具有良熱導(dǎo)性的電絕緣材料制成。在此情形中，熱管結(jié)構(gòu)16的絕緣部分42’可以剛好定位在主觸頭(圖1)后面，并且此熱管結(jié)構(gòu)16在此點(diǎn)上方可以位于地電勢?？梢酝ㄟ^提供如在圖6的電絕緣連接結(jié)構(gòu)36”中示出的金屬芯37提高電絕緣連接結(jié)構(gòu)36’的熱傳導(dǎo)性。諸如鋁或銅的材料的金屬芯37可以通過螺釘39聯(lián)接到母線24或26。環(huán)氧樹脂層41基本上圍繞金屬芯37以確保周圍部件的介電安全。環(huán)氧樹脂夾具43可以通過使用螺釘39將熱管結(jié)構(gòu)16夾緊到環(huán)氧樹脂層41。金屬芯37可以是單個、固體構(gòu)件或者可以包括多個小的熱管或散熱器。再次，在圖5和圖6的實(shí)施方式中母線接頭加熱用作輔助蒸發(fā)器。
[0025]參照圖7，示出了用于冷卻母線接頭18的熱傳送結(jié)構(gòu)的另一個實(shí)施方式。通過布置在平行的豎直母線26對與平行水平母線24對之間的以散熱器429 (例如，一個或幾個平行的熱管)的形式的熱傳送結(jié)構(gòu)引導(dǎo)來自母線接頭18的熱負(fù)荷，向下到主觸頭12，到蒸發(fā)器15并且到工作流體44。然后來自主觸頭12和母線接頭18的熱量經(jīng)由熱管結(jié)構(gòu)16中的工作流體以被動的方式傳送到冷凝器17。散熱器優(yōu)選地是從母線24、26汲取熱量的金屬或其它熱傳導(dǎo)性構(gòu)件。
[0026]在圖1的實(shí)施方式中，僅在主觸頭26處的熱點(diǎn)通過熱管16冷卻。沿著電流路徑在其它點(diǎn)處(如例如母線接頭18處)消散的熱量僅可以通過輻射、對流、或者沿著母線24、26的傳導(dǎo)而引開。由于主觸頭的冷卻允許較高的額定電流，因此這不再充分，并且如已經(jīng)提及的，出現(xiàn)其它熱點(diǎn)。圖4-圖7的實(shí)施方式經(jīng)由用于冷卻主觸頭26的熱管結(jié)構(gòu)16將熱量從母線接頭18移除，而圖2的實(shí)施方式提供了通過對流的母線接頭18的冷卻，以允許開關(guān)14的增加的額定電流。
[0027]此實(shí)施方式的冷卻系統(tǒng)可以僅對開關(guān)14進(jìn)行小的改變而結(jié)合。通過圖2的實(shí)施方式，多個熱傳送結(jié)構(gòu)20具有相同的構(gòu)造以便是成本高效的。通過圖4-圖7的實(shí)施方式，母線24、26的下部可以與熱管結(jié)構(gòu)16接觸并且由此被高效地冷卻。這允許減小母線尺寸并且節(jié)約材料成本。甚至可以通過聯(lián)合母線與熱管結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化此冷卻系統(tǒng)。此冷卻方法還可以應(yīng)用到任何其它額外熱點(diǎn)。
[0028]為了描述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與功能原理的目的已經(jīng)示出且描述了上述優(yōu)選實(shí)施方式，并且描述了利用優(yōu)選實(shí)施方式的方法并且在不偏離此原理的情況下可以進(jìn)行改變。因此，本發(fā)明包括包含在下面權(quán)利要求的精神內(nèi)的全部修改。
【權(quán)利要求】
1.一種用于開關(guān)的冷卻裝置，所述開關(guān)具有構(gòu)造并布置為與斷路器的端子連接的至少一個主觸頭，母線接頭連接到所述主觸頭，所述冷卻裝置包括: 蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器被構(gòu)造并且布置為與所述主觸頭相關(guān)， 冷凝器，所述冷凝器定位在比所述蒸發(fā)器更高的高度處， 熱管結(jié)構(gòu)，所述熱管結(jié)構(gòu)流體地連接所述蒸發(fā)器與所述冷凝器， 熱傳送結(jié)構(gòu)，所述熱傳送結(jié)構(gòu)與所述母線接頭聯(lián)接以使熱量從所述母線接頭移除，以及 在所述蒸發(fā)器中的工作流體，以便被加熱到蒸汽狀態(tài)，所述熱管結(jié)構(gòu)被構(gòu)造并且布置為將所述蒸汽傳送到所述冷凝器并且使冷凝的工作流體被動地返回到所述蒸發(fā)器以便冷卻所述至少一個主觸頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其中熱傳送結(jié)構(gòu)包括: 多個翅片，以及 多個散熱器，所述多個散熱器穿過所述翅片以接合所述翅片使得所述翅片處于間隔關(guān)系， 其中所述熱傳送結(jié)構(gòu)被構(gòu)造并且布置為容納在所述母線接頭的一對第一母線之間的空間中，使得所述散熱器沿著所述第一母線分配熱量，所述翅片通過自然對流將熱量傳送到周圍空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其中所述翅片是金屬的并且相對于所述散熱器基本上橫向地布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，與所述母線接頭組合，所述第一母線對聯(lián)接到第二母線，所述第二母線被構(gòu)造并且布置為與主觸頭連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的組合，其中每個散熱器的端部都與第二母線聯(lián)接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的組合，其中每個散熱器是金屬線或熱管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其中所述熱傳送結(jié)構(gòu)包括將所述母線接頭聯(lián)接到所述熱管結(jié)構(gòu)的一部分的金屬連接結(jié)構(gòu)使得來自所述主觸頭與所述母線接頭的熱量通過所述熱管結(jié)構(gòu)傳送到所述冷凝器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其中所述熱傳送結(jié)構(gòu)包括將所述母線接頭聯(lián)接到所述熱管結(jié)構(gòu)的一部分的電絕緣與熱傳導(dǎo)性連接結(jié)構(gòu)，使得來自所述主觸頭與所述母線接頭的熱量通過所述熱管結(jié)構(gòu)傳送到所述冷凝器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的冷卻裝置，其中所述熱傳導(dǎo)性連接結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性部分包括金屬芯。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其中所述熱傳送結(jié)構(gòu)包括從所述母線接頭延伸到所述主觸頭的至少一個熱傳導(dǎo)性散熱器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的冷卻裝置，其中所述至少一個散熱器設(shè)置在所述母線接頭的母線對之間。
12.一種用于開關(guān)的熱傳送結(jié)構(gòu)，所述開關(guān)具有構(gòu)造并且布置為連接到斷路器的端子的一個或多個主觸頭，并且母線接頭連接到所述主觸頭，每個母線接頭都包括平行布置的至少一對第一母線以在其間限定空間，所述熱傳送結(jié)構(gòu)包括: 多個翅片，以及 多個散熱器，所述多個散熱器穿過所述翅片以接合所述翅片使得所述翅片處于間隔的關(guān)系， 其中所述熱傳送結(jié)構(gòu)被構(gòu)造并且布置為容納在所述第一母線對之間的空間中，使得所述散熱器沿著所述第一母線分配熱量，所述翅片通過自然對流將熱量傳送到周圍空氣。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，其中所述翅片是金屬的并且相對于所述散熱器基本上橫向地布置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，與所述母線接頭組合，所述第一母線對聯(lián)接到第二母線，所述第二母線被構(gòu)造并且布置為與主觸頭連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的組合，其中每個散熱器的端部都與第二母線聯(lián)接。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的組合，其中每個散熱器是金屬線或熱管。
17.—種冷卻開關(guān)的方法，所述開關(guān)具有被構(gòu)造并且布置為與斷路器的端子連接的至少一個主觸頭，母線接頭連接到所述主觸頭，所述方法包括以下步驟: 使蒸發(fā)器與所述主觸頭相關(guān)， 提供定位在比所述蒸發(fā)器更高高度處的冷凝器， 提供使所述蒸發(fā)器與所述冷凝器流體地連接的熱管結(jié)構(gòu)，并且在所述蒸發(fā)器中提供工作流體， 將熱傳送結(jié)構(gòu)聯(lián)接到所述母線接頭， 將熱量從所述主觸頭傳送到所述工作流體以致使所述工作流體在所述蒸發(fā)器中蒸發(fā)，所述蒸發(fā)的蒸汽經(jīng)由所述流體導(dǎo)管結(jié)構(gòu)傳送到所述冷凝器， 經(jīng)由所述熱傳送結(jié)構(gòu)將熱量從所述母線接頭移除，以及 使在所述冷凝器中冷凝的所述工作流體經(jīng)由所述流體導(dǎo)管結(jié)構(gòu)被動地返回到所述蒸發(fā)器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述熱傳送結(jié)構(gòu)包括:多個翅片、以及穿過所述翅片以接合所述翅片使得所述翅片處于間隔關(guān)系的多個散熱器，所述聯(lián)接的步驟在所述母線接頭的一對母線之間的空間中提供所述熱傳送結(jié)構(gòu)，并且所述移除熱量的步驟包括利用所述散熱器沿著所述母線分配熱量，所述翅片通過自然對流將熱量傳送到周圍空氣。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述聯(lián)接所述熱傳送結(jié)構(gòu)的步驟提供將所述母線接頭連接到所述熱管結(jié)構(gòu)的一部分的熱傳導(dǎo)性連接結(jié)構(gòu)，并且所述移除熱量的步驟包括經(jīng)由所述連接結(jié)構(gòu)將熱量傳送到所述熱管結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述聯(lián)接所述熱傳送結(jié)構(gòu)的步驟提供從所述母線接頭延伸到所述主觸頭的熱傳導(dǎo)性散熱器，并且所述移除熱量的步驟包括將熱量傳送到所述主觸頭并且由此傳送到所述蒸發(fā)器。
【文檔編號】H01H9/52GK104170043SQ201380012342
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月22日
【發(fā)明者】P·考夫曼, F·莫里托爾 申請人:Abb技術(shù)有限公司