具有熱虹吸熱管冷卻套管的抽出式開關設備的製作方法
2023-06-04 05:48:51 3
具有熱虹吸熱管冷卻套管的抽出式開關設備的製作方法
【專利摘要】提供了一種用於冷卻開關設備的冷卻裝置。開關設備具有由套管支撐並且被構建和布置為連接到斷路器的端子的一個或多個主觸頭。冷卻裝置包括與每個主觸頭相關聯的至少一個蒸發器、位於比至少一個蒸發器更高的高度處的冷凝器裝置、將至少一個蒸發室連接到冷凝器裝置的流體導管結構以及在至少一個蒸發器中以便於被加熱成蒸汽狀態的電絕緣工作的流體，其中流體導管結構被構建和布置為將蒸汽傳送到冷凝器裝置並且將冷凝的工作流體被動地返回到至少一個蒸發器。
【專利說明】具有熱虹吸熱管冷卻套管的抽出式開關設備
[0001]相關_請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年5月23日提交的美國臨時申請號61/488，919的較早提交日期的優先權權益，其全部內容通過引用合併於此。
【技術領域】
[0003]本發明針對具有冷卻裝置的中壓和高壓開關設備。具體地，針對具有整體蒸發器室的包括主觸頭的蒸發冷卻裝置。
【背景技術】
[0004]通常，以合理成本實現用於中壓和高壓開關設備的高連續電流額定值存在設計上的挑戰。連續電流額定值通過開關設備導體內的發熱來決定。開關設備導體中的高電流流動產生熱。在電流路徑中的例如主套管觸頭的特定點處，由於局部高電阻而導致產生過熱點。
[0005]通常期望將開關設備母線系統上的最熱的點的最高溫度限制為105°C (在40°C的假定環境溫度上65°C的升高)，如標準IEEE37.20.2所指示的。典型的中高壓金屬包層的開關設備布置由於生熱而具有大約3000A的最大連續電流額定值。期望提高該電流額定值。如可以實踐的，還可以期望在不考慮提高最大電流額定值的情況下使用冷卻來操縱不同的開關設備參數，諸如導體橫截面或開關設備尺寸。
[0006]能夠通過很多手段，例如通過增加電流承載母線的橫截面、通過增加開關設備隔間的尺寸等，來處理過熱點並且由此達到更高的連續電流額定值。一個常見的解決方案是使用安裝在每第三或第四開關設備框架中的具有風扇的強制空氣冷卻。前一種解決方案通常導致的不能接受的成本和/或開關設備外殼的尺寸。因為電弧故障的副作用必然包含在開關設備內，所以後一種解決方案在很多情況下並不實用，包括在耐電弧的開關設備的情況下也不實用。
[0007]因此，需要提供ー種用於開關設備的有效的被動冷卻布置。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在於滿足上述需要。根據本發明的實施例，通過提供用於開關設備的冷卻裝置來實現該目的。開關設備包括通過套管支撐並且被構建和布置為連接到電路斷路器的端子的ー個或多個主觸頭。冷卻裝置包括與每個主觸頭相關聯的至少ー個蒸發器、位於比至少ー個蒸發器更高的高度處的冷凝器裝置、將至少一個蒸發連接到冷凝器裝置的流體導管結構以及在至少ー個蒸發器中以便於加熱成蒸汽狀態的電絕緣工作流體，其中流體導管結構被構建和布置為將蒸汽傳送到冷凝器裝置並且將冷凝的工作流體被動地返回到至少ー個蒸發器。
[0009]根據本發明的另一方面，提供了ー種冷卻開關設備的方法。開關設備具有構建和布置成連接到電路斷路器的端子的主觸頭。該方法將蒸發器與每個主觸頭相關聯。冷凝器位於比每個蒸發器更高的高度處。流體導管結構將蒸發器與冷凝器流動地連接，並且工作流體被設置在每個蒸發器中。熱量從主觸頭傳送到工作流體，以使得工作流體在蒸發器中蒸發，蒸發的蒸汽經由流體導管結構被傳遞到冷凝器。在冷凝器中冷凝的工作流體經由流體導管結構被動地返回到蒸發器。
[0010]在參考形成本說明書的一部分的附圖考慮了下面詳細描述和所附權利要求之後，本發明的其他目的、特徵和特性以及結構的相關元件的操作方法和功能、部件和製造成本的組合將變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]在附圖中，結構實施例和以下提供的詳細描述一起描述了具有蒸汽冷卻裝置的中壓開關設備的示例性實施例。本領域的技術人員將認識到，組件可以被設計為多個組件，或者多個組件可以被設計為單個組件。
[0012]此外，在下面的附圖和描述中，分別用相同的附圖標記貫穿附圖和所撰寫的描述中指示類似的部件。附圖沒有按比例繪製，並且已經出於圖示的方便放大了特定部分的比例。
[0013]圖1是常見的熱管裝置的橫截面正視圖。
[0014]圖2是耐電弧中壓開關設備組件的橫截面正視圖。
[0015]圖3A是套管平面和主觸頭的等距視圖。
[0016]圖3B是主觸頭的透視圖。
[0017]圖3C是圖3B的主觸頭的橫截面透視圖。
[0018]圖3D是主觸頭和附連的「環」蒸發器的透視圖。
[0019]圖3E是主觸頭和附連的「帽」蒸發器的透視圖。
[0020]圖4A是示出蒸發器室和端子流分離管的一部分的主觸頭和支撐套管的一個實施例的橫截面正視圖。
[0021]圖4B是示出蒸發器室和端子流分離管的一部分的主觸頭和支撐套管的第二實施例的橫截面正視圖。
[0022]圖4C是示出蒸發器室和蒸發管以及端子流分離管的一部分的主觸頭和支撐套管的第三實施例的橫截面正視圖。
[0023]圖5是圖1的套管板和主觸頭的透視圖和接近流體導管組件的一部分的分解視圖。
[0024]圖6A是上層和下層套管板組件和關聯流體導管和冷凝器裝置的透視圖。
[0025]圖6B是示出嵌套上層流分離軟管的一部分的圖6A的虛線A中示出的流體導管的該部分的放大橫截面視圖。
[0026]圖6C是示出兩個嵌套分流器和關聯的流分離軟管的圖6A的虛線B中示出的流體導管的該部分的放大橫截面視圖。
[0027]圖6D是具有部分透明外壁的分流器的放大透視圖。
[0028]圖7是具有蒸汽冷卻裝置的中壓開關設備組件的橫截面正視圖。
[0029]圖8是示出均衡管道配置的一個實施例的套管板和主觸頭的透視圖。
[0030]圖9A-9D是圖示本文描述的蒸發冷卻系統的四個非限制性實施例的示意圖。[0031]圖10是固定到用於可移除地耦合主觸頭的套管板的安裝結構的橫截面視圖。
[0032]圖1lA是具有六個獨立室的冷凝器的視圖。
[0033]圖1lB是圖1lA的冷凝器的橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0034]開關設備中增加的持續電流導致了在傳導元件中的生熱的增加。具體地，在開關設備中的溫度増加的關鍵點是包括在下文簡稱為主套管接ロ的在主套管和主觸頭(如下所述)之間的接ロ的區域。
[0035]蒸發冷卻系統通常可以包括熱管。熱管操作為通過經由使用工作流體來將熱從所述第一位置傳輸到第二個位置來冷卻第一位置。參考圖1，圖示了熱管100的常見布置。熱管100包括在其相対的端處將蒸發器120連接到冷凝器130的流體導管結構110。工作流體140駐留在熱管100中。在操作中，蒸發器120處於與要被冷卻的第一位置的熱接觸。來自第一位置的熱使得工作流體140主要在蒸發器120處蒸發。此後，工作流體140(以氣態)向上行進至冷凝器130，在冷凝器處熱被釋放作為蒸發的工作流體冷凝回至液體狀態的重要部分(但是一些冷凝和蒸發也可以在流體導管結構中發生)。冷凝的(即，液態)工作流體然後向下行進到蒸發器120以完成一個循環。
[0036]熱管100有利具有熱虹吸的形式，熱虹吸是表示主要通過重力作用而從冷凝器到蒸發器傳輸冷凝工作流體的術語。這樣，通常在熱虹吸中，冷凝器被布置在比蒸發器更高的高度(在重力場中)，並且應當沿著在冷凝器和蒸發器之間的熱管而存在下降。
[0037]如前所述，期望實現用於中高壓開關設備的高連續電流額定值。參考圖2，示出了中壓開關設備200的一個非限制性示例。如本文所用，術語「中壓開關設備」和「高壓開關設備」可以互換地使用，並且指開關設備額定在IkV或超過IkV操作。通常，開關設備200包括用於容納開關設備組件的外殼，如金屬包層外殼210。外殼210可以包含ー個或多個獨立隔間，諸如電路斷路器隔間220、主母線隔間230和電纜隔間240。開關設備200包含一個或多個斷路器250。在所示出的實施例中，斷路器250是三極抽出式斷路器。斷路器250被連接到由主套管板260a、b支撐並且被連接到電流承載匯流條270的主觸頭(如下所述)。
[0038]參考圖3A,主觸頭300被示出為固定地位於套管板260中。通常,套管板260包括玻璃纖維增強聚酯、陶瓷或環氧樹脂材料，並且被配置為支持觸頭的重量以及優選地輔助硬體，諸如電流互感器(未示出)。在所示的實施例中，套管板260是板布置，該板布置被配置成貼附到開關設備200的隔間壁上，並且保持三個主觸頭(每個極ー個主觸頭)。然而，如可以理解的，這裡可以利用其他套管配置，包括單個套管組件(每個主觸頭ー個套管組件)。在操作中，在圖2中示出的類型的開關設備實施例中，兩個套管板260被堆疊並且粘附到開關設備200的隔間壁，在斷路器250附近提供6個主觸頭(每極兩個)，用幹與之附連。
[0039]參考圖3B和圖3C，主觸頭300是用於與斷路器接合的任何靜止觸頭，並且可以由任何適當的導體來製成，並且可以具有任何適當的配置。在一個非限制性實施例中，主觸頭300由鍍銀銅製成，並且具有第一端310和第二端320，該第一端310被配置為經由螺栓孔311連接到主匯流條(未示出)，第二端320被設計為接受圓形鬱金香式連接器。除非另相反說明，如本文所使用的，術語「端」表示並且包括在端點附近的區域或部分。
[0040]在本發明的一個非限制性實施例中，蒸發器120包括一個或多個蒸發器室330，該一個或多個蒸發器室330與主觸頭300形成整體。蒸發器室330通常是具有第一端331和封閉的第二端332的縱向腔或腔室，該第一端331包括適用於在與流體導管組件流體連接的孔。在一個非限制性實施例中，第一端331是有螺紋的，並且第二端332是終端孔。如本文所使用的，「流體導管結構」通常表示單個導管組件(例如，軟管、管道、管路等)或密封連接的導管組件的網絡，其承載在蒸發器室330和冷凝器裝置(如下所述)之間處於冷凝狀態或蒸發狀態的工作流體(如下所述)，並且其中以嵌套的關係包含流分離管道或管道網絡(如下所述)。
[0041]在所示出的非限制性實施例中，蒸發器室330具有圓形橫截面，該圓形橫截面定中心在主觸頭300的縱軸上，並且基本上沿著主觸頭300的整個長度延伸。然而，可以理解的是，廣泛的蒸發器室配置可以根據包含在其中的(例如)主觸頭和套管等的配置和構成來實現對主觸頭和套管接ロ定的充分冷卻。例如，在一個實施例中，蒸發器室330是縱向室，具有在第一部分上的第一圓形橫截面以及在第二端332附近的第二部分上的第二圓形橫截面，其中第二橫截面具有比第一橫截面大的半徑，從而形成在第二端332附近的擴大的室部分。
[0042]在本發明的另ー非限制性實施例中，蒸發器包括ー個或多個外部蒸發器隔間，該ー個或多個外部蒸發器隔間被熱和機械地連接到主觸頭，以下稱為「附連的蒸發器」。通常，如果具有對主觸頭的充分熱和機械連接；如果具有與主觸頭的熱接觸的充分的橫截面面積；並且如果具有用於接納可以在具體實施例中利用的工作流體和任何流分離以及均衡管道組件的充分的內部體積，則附連的蒸發器適用於在本文中使用。圖3D示出了適用於在本發明中使用的附連的蒸發器340的一個非限制性示例。如示，附連的蒸發器340是圍繞主觸頭300的中空的環形圓筒，並且與之機械附連並與其熱接觸。附連的蒸發器340有孔341，該孔341適用於與諸如延長管的流體導管組件流體連接，如以下更詳細描述的。在一個實施例中，附連的蒸發器340由銅或鋁製成。
[0043]在圖3E中，示出了適用於在本發明中使用的附連的蒸發器的另ー非限制性的示例。附連的蒸發器350是機械地固定到主觸頭330的第一端310使得工作流體接觸第一端310的中空圓柱形帽。蒸發器350具有孔351，該孔351適用於與諸如延長管的流體導管組件流體連接，如以下更詳細描述的。在一個或多個實施例中，ー個或多個主匯流條(未示出)經由可密封通過器件(例如，套管)(未示出)通過蒸發器350的圓柱形側壁，使得匯流條可以連接到主匯流條300的第一端310。在一個實施例中，附連的蒸發器340由銅或鋁製成。
[0044]參考圖4A、圖4B和圖4C，對於本發明的三個示例性和非限制性實施例示出固定位於套管260中的主觸頭300的橫截面。如示，延長管400在蒸發室330的第一端331處密封地連接到主觸頭300。延長管400是流體導管結構110的一部分，用於通過連接的匯流條(未示出)延長蒸發室330。通常，延長管400可以以適當地確保充分的機械附連和氣密密封的任何方式被密封地連接到主觸頭300。在一個實施例中，延長管400經由螺紋密封連接並且用金屬0型環來密封地連接。如可以理解的，延長管400可以是任何適當的形狀，並且由任何適當的材料製成以實現其功能。在適當時使用金屬組件特別有利(但不是限制性的)，因為金屬組件通常抗隨時間的氣態工作流體的擴散，並且通常具有低的熱阻。在ー個非限制性實施例中，延長管400是銅或鋁的圓柱形管道。
[0045]示出了端子流分離軟管410的一部分。通常，端子流分離軟管410是駐留在ー個或多個流體導管組件中並且用於運載冷凝的(液態)工作流體(如虛線所示)到蒸發器室330的第二端332的軟管或管。該布置有助於最小化下述情況:如箭頭描繪的，劇烈向上行進到冷凝器裝置的蒸發(氣態)的工作流體中斷從冷凝器裝置朝著過熱點向下行進的冷凝的(液態)工作流體的流動，該狀況被稱為「蒸汽枕形成」或逆流限制。而且，端子流分離軟管410有助幹與冷凝的工作流體熱絕緣，使得與缺少端子流分離軟管的其他等同實施例相比，增加量的冷凝工作流體被傳遞到期望的區域或過熱點。
[0046]在所示的實施例中，端子流分離軟管410駐留在延長管400內，並且第一端411部分地延長到蒸發室330中。第一端411延長到蒸發室330中的程度可以根據期望的冷卻性能以及討論中的具體開關設備設計的性能特性而從0%到100%地進行變化。在一個實施例中，第一端411從總距離的50%到99%延長到蒸發室330中。在另ー個實施例中，第一端411從總具體的75%到95%延長到蒸發室330中。
[0047]端子流分離軟管410的相對端(未示出)向上連接到一起形成流分離軟管網絡的流體導管結構110的一個或多個額外流分離組件，如在下面更詳細地描述，其優選地處於嵌套布置中。嵌套布置有助於通過如上所述的減少蒸汽枕形成並且與冷凝工作流體熱絕緣來確保冷凝的液體被效地傳遞到目標過熱點(例如，主套管接ロ)。此外，流體導管網絡內的流分離網絡的嵌套布置減少真空密閉連接的數目，由此易於裝配和減少系統的成本。
[0048]在圖4A中所示的實施例中，蒸發室330在第二端332處封閉。在圖4B和圖4C中所示的實施例中，蒸發室330是通過栓塞420在第二端332處密封封閉的通孔。
[0049]在圖4C中所示的一個非限制性實施例中，將蒸發管430插入到蒸發室330中。蒸發管430具有最接近蒸發室330的第一端331的第一端431以及接近蒸發室330的第二端332的第二端432。第二端432是封閉的。在一個非限制性實施例中，蒸發管430被配置為與蒸發室330的內部形狀匹配，使得在兩個結果之間緊密配合，從而降低了熱阻。在ー個實施例中，蒸發管430可密封地附連到延長管400，從而允許在安裝到蒸發室330中之前完全密封可以填充工作流體的流體導管、可以有助於製造和裝配開關設備200的條件。通常，蒸發管430是金屬的。在一個非限制性實施例中，蒸發管430是銅管或鋁管。
[0050]圖5是本發明的一個非限制性實施例的在套管板260和觸頭300附近的流體導管結構Iio的一部分的分解視圖。流體導管結構110的每個延長管400具有如上所述密封地貼附到主觸頭300的第一端401，以及最接近過渡管結構510的最近分支511並且與之密封地固定的第二端402。通常，過渡管結構510是用於收集蒸發器的蒸發液體並且容納流分離軟管或其他組件以及在特定實施例中的均衡管道(如下所述)的流體導管結構的組件。
[0051]可以通過確保充分的機械和密封性質的任何適當的器件來實現在第二端402和分支511之間的密封結點。在一個實施例中，結點通過螺紋套環500以及ー個或多個0形環墊圈501來實現。如可以理解的，這裡考慮其他適當的配置。在一個實施例中，過渡管結構510不具有任何分支，並且延長管400直接密封地附連到過渡管結構510。
[0052]在一個實施例中，主觸頭300和延長管400處於相同的電勢，而冷凝器裝置(如下所述)處於相對低或地電勢。為了橋接該電勢差，流體導管的至少ー個部分應當由電絕緣材料組成。充分的絕緣材料的非限制性示例是陶瓷和玻璃材料，包括玻璃纖維增強環氧樹脂、其他塑料和橡膠材料，包括任何鋳造加工管道等。
[0053]在圖5中所示的實施例中，過渡管結構510是絕緣組件，並且由硼矽玻璃組成。如可以理解的，其他設計可以用於過渡管結構510，但是仍然可以由本文所包含。在一個非限制性實施例中，過渡管結構510具有絕緣部分和傳導部分，其中，傳導部分位於主觸頭和絕緣部之間。在另ー非限制性的實施例中，過渡管結構510被配置為包括加長爬電距離的屏蔽部分。以下詳細說明與圖9相關的其他示例性配置。
[0054]在圖5中示出的非限制性實施例中，過渡管結構510基本上被水平定向，並且包括具有帶有封閉的第一端512和開放的第二端513的主要部分的單個分支管。如可以理解的，具體定向取決於諸如主觸頭300的布置的因素，其在示例性配置中被水平布置在開關設備200的每個套管板260中。參考圖2，一個過渡管結構位於母線隔間230和電纜隔間240的每ー個中，並且與每個套管板260相關聯。在一個非限制性實施例中，過渡管結構510具有在3mm和50mm之間的內徑；在另一實施例中，具有在5mm和30mm之間的內徑。
[0055]繼續參考圖5，第二端513通過連接器組件520被附連到冷凝器管530。通常，流體導管結構110的冷凝器管530可以是將過渡管結構510連接到冷凝器裝置(如下所述)同時在操作條件下提供充分蒸汽密封和機械特性的任何導管(軟管、管道、管等)。具體地，冷凝器管530以及其他流體導管結構組件必須能夠在暴露於氣態和液態的工作流體時在具體操作條件下在工作流體的升高的溫度特性處保持機械和化學完整性。典型的升高的溫度值的範圍從90到150° F。
[0056]連接器組件520包括套環片522，該套環片522纏繞過渡管結構510的第二端513，並且通過螺釘523將第二端513牢固地貼附到板521。可以使用ー個或多個墊圏。板521進而被密封並且牢固地貼附在冷凝器管530。如可以理解的，在本文中可以利用並且包含用於將過渡管結構510牢固地連接到冷凝器管530的其他適當的器件。
[0057]圖6A圖示了本發明的一個非限制性實施例。主套管板260a、b被示出為支撐連接到延長管400和過渡管結構510的主觸頭300,所有如上所述。過渡管結構510被示出為通過連接器組件520連接到冷凝器管530，如上所述。通常，冷凝器管530在過渡管結構510和冷凝器裝置610之間延長。可以以允許充分的蒸汽流動到冷凝器裝置610並且容納嵌套在其中的如下面更詳細描述的流分離軟管網絡的任何適當的方式來定尺寸和配置冷凝器管530。適當的冷凝器管的非限制性實施例是金屬管，包括但不限於不鏽鋼和鋁波紋管、橡膠管(例如丁基橡膠)、注塑I (例如，環氧樹脂)等。在一個實施例中，冷凝器管530是大約I英寸直徑的不鏽鋼波紋管。
[0058]在圖6A中所示的實施例中，冷凝器管530具有上部600和密封地附連到冷凝器裝置610的第一端601 ;冷凝器管530具有分支端子部602a、b以及密封地連接到饋送套管板260a、b的過渡管結構510a、B的第二端603a、b。在由分支器件提供充分的密封和機械性能的範圍內，這裡就可以利用用於分支冷凝器管530的任何適當器件。如可以理解的，冷凝器管530的具體分支配置部分地取決於需要被饋送工作流體的主觸頭的套管板設計和數目。
[0059]參考圖6A-6D，描述適用於在本發明中使用的流體導管結構的流分離軟管網絡的一個實施例。通常，流分離軟管網絡是嵌套軟管、管、結點等的嵌套布置，該軟管、管、結點等用作使冷凝的(液態)工作流體從冷凝器裝置610向過熱點(例如，主套管接ロ)行迸，如箭頭L所述，並且由此有助於防止在蒸發器中的枕的形成，並且提供可以用於降低熱管裝置中的效率的熱屏蔽。此外，與沒有分離的系統相比，流分離使得減少流體導管網絡管的直徑(從而減少成本和所需要的空間)，因為在上升蒸發液態流和冷凝返回流之間的交互被最小化(例如，表面剪切力)，通常可能導致「逆流流動限制」的情況超過系統開始過熱的特定熱額定值。如上所述，在一個或多個非限制性實施例中，在主導體和冷凝裝置之間存在電勢差。在這樣的實施例中，流動分離軟管網絡(全部或部分地)由電絕緣材料組成。
[0060]在圖6B和圖6C中分別圖示了在圖6A中標記為「A」和「B」的冷凝器管530部分的放大截面圖。如示，上層流分離軟管620駐留在冷凝器管530內，並且具有第一端(未示出)，該第一端連接到冷凝器裝置610並且適用於接收來自冷凝器裝置610的冷凝的(液態)工作流體。上層流分離軟管620的第二端621是Y分支的並且連接到分流器630的上層固定裝置631。分流器630的下層固定裝置632連接到端子流分離軟管410a、b。如上所述，端子流分離軟管410延伸通過流體導管結構的其餘部分，在本示例實施例中是冷凝器管530的其餘部分、過渡管結構510和延長管400。在一個或多個非限制性實施例中，端子流分離軟管410由電絕緣聚合物組成，諸如例如含氟聚合物、聚醚醚酮或者天然或合成橡膠等。在一個非限制性示例中，端子流分離軟管410具有在I和IOmm之間的內徑；在其他實施例中，具有在2和6mm之間的內徑。
[0061]冷凝器管530可以具有大得容納包括分流器的流體分離組件的恆定半徑。然而，如可以理解的，在一個或多個非限制性實施例中，冷凝器管530可以具有不同的半徑、尺寸、形狀或構造的部分或部，以適應不同尺寸的流體分離組件，如分流器組件。
[0062]圖6D示出了適用於在本發明中使用的分流器630的一個非限制性實施例的放大透視圖。通常，分流器是用於以使得以基本上相等的方式來在下遊導管之間劃分材料的方式來接收來自一個或多個導管(例如，軟管、管等)的材料流動並且提供從分流器下遊的大量流出導管的任何部件。關於分流器630，上層固定裝置631貼附上層流分離軟管620的第二端621，並且下層固定裝置632貼附端子流分離軟管410的上端。通常圓柱形側壁635包括內部腔，該內部腔允許從上層流分離軟管620接收到的冷凝工作流體的大致相等的分布。在一個非限制性實施例中，側壁635中的一個或多個開ロ 636允許工作流體的流入，該工作流體在流體導管結構110內冷凝，如由箭頭E所示。
[0063]如可以理解的，根據期望的下遊流體流的數目、空間限制等，其他分流器設計可以適用於本文中的使用。而且，在一個替代實施例中，使用分流器來實現上層流分離軟管620的y分支。
[0064]參考圖7，描述冷凝器裝置的非限制性實施例。如示，冷凝器裝置610位於相對於蒸發室330的較高的位置，使得冷凝的工作流體在重力的影響下被動地流向蒸發器。具體地，在所示的實施例中，冷凝器裝置機械地固定到開關設備外殼210的一個側壁的上象限。可以理解的是，其他布置可以適用於在這裡使用，諸如將冷凝器裝置610貼附到開關設備外殼210的頂板。
[0065]通常，任何適當的冷凝器器件適合於用作這裡的冷凝器裝置，只要其被配置成接受來自本發明的流體導管的蒸發工作流體，能夠允許工作流體的冷凝，並且被配置成將冷凝的工作流體供應到嵌套流分離網絡(例如，經由對上層流分離軟管620的連接)。而且，冷凝器裝置應當被構造成提供如下的內表面面積和外表面面積，該內表面面積大得足以產生連續相位改變流的用於冷凝，該外表面面積大得足以產生通過自然氣流(在被動冷凝器的情況下)或者通過強制氣流(在輔助系統的情況下)的充分熱移除。在一個或多個非限制性實施例中，外表面被塗覆以提高輻射熱排放，並且內表面被塗覆或者機械地或化學地處理為提高冷凝效率。
[0066]適當的冷凝器裝置的非限制性示例包括被動或強制空氣冷卻散熱器式或翅片式換熱器。在一個非限制性實施例中，冷凝器裝置610是通過ー個或多個風扇用強制空氣冷卻的翅片式換熱器。在另ー個非限制性示例中，冷凝器裝置610的外表面被塗覆為提高輻射熱釋放，並且內表面被處理為提高冷凝效率。在操作中，冷凝器裝置通常被保持為在158° F (70°C)或低於158° F的溫度，以適當地影響迅速冷凝。
[0067]在操作中，工作流體通過蒸發冷卻系統再循環，並且過熱點以下述方式進行冷卻。首先，端子流分離軟管410將大量冷凝的(液態)工作流體運載到工作流體被蒸發的蒸發器(例如，蒸發器室330)。在蒸發過程中，從電流導體(例如，主觸頭300)汲取熱量，從而與缺乏冷卻系統的控制相比，允許較高的電流額定值。此後，蒸發的(蒸汽)工作流體向上行進通過流體導管結構到達冷凝器裝置——由圖4A-C中的小箭頭和由圖6B和6C中的箭頭G表示。此後，在蒸發的工作流體的一部分可能在流體導管本身中冷凝的同時，大部分在冷凝器裝置中冷凝。工作流體的冷凝伴隨著冷凝熱的排放。由於重力作用，在冷凝器裝置中冷凝的工作流體通過嵌套流分離軟管網絡而被動地回到蒸發器，該嵌套流分離軟管網絡在端子流分離軟管410中終止，完成了再循環迴路。
[0068]在圖5和圖6中示出的實施例中，來自冷凝器的冷凝的工作流體的流在嵌套的流分離網絡中被分流，首先被分成兩個並且此後被分成三個流——每個套管板260的每個蒸發器(例如，蒸發器室330)對應ー個流。分流器應當優選地掛在備用液面(當沸騰沒有發生時在熱管中的液面)上方但是在蒸汽流內的流體導管結構110中(例如，其冷凝管530)。
[0069]如果期望冷卻系統形成電隔離間隙，則需要提供電絕緣工作流體。適當的エ作流體的非限制性實施例是製冷劑，如氫氟碳化物(例如R134a、R245fa)、氟化酮(例如，N0VEC-649?,商業上從3M提供)、以及氫氟醚(例如，HFE-7100?,商業上從3M提供)。
[0070]在一個或多個非限制性實施例中，在本發明的冷卻系統中提供均衡網絡。通常，均衡網絡表示以這樣的方式連接以提供使液體經由毛細作用或以其他方式在每個主觸頭蒸發器(例如，蒸發器室330)之間流動的ー個或多個導管、軟管或管。參考圖8，套管板260a被示出為支撐主觸頭300a_c。示例性均衡網絡包括:具有分別部分地延伸到主觸頭300a和300c的蒸發室的第一端和第二端的第一軟管801 ;具有分別部分地延伸到主觸頭300a和300b的蒸發室的第一端和第二端的第二軟管802 ；以及具有分別部分地延伸到主觸頭300b和300c的蒸發室的第一端和第二端的第三軟管803。均衡軟管位於在現有的流體導管組件內——即，延長管400 (未示出)和傳送管510 (未示出)內。認為提供了一種通過減少跨套管板的主觸頭中的冷卻差異來增加性能的均衡網絡。
[0071]參考圖9，圖示了替代流體導管結構布置的非限制性示例。圖9A圖示了上述布置，其中，流體導管結構的特徵在於，例如，延長管400從每個主觸頭300中的每個蒸發器延伸；其中，過渡管結構包括水平過渡管510,水平過渡管510連接到姆個套管板(未示出)的姆個延長管400並且將每個蒸發器連結到限定冷凝器管結構的單個冷凝器管530，其連接到冷凝器610。在圖9B中圖示的替代實施例中，過渡管結構包括三個垂直過渡管901，三個垂直過渡管901代替兩個水平過渡管510，並且將每個蒸發器連結到限定冷凝器管結構的單個冷凝器管910的分支端，其連接到冷凝器610。在圖9C中圖示的實施例中，過渡管結構包括6個獨立的過渡管902，該6個獨立的過渡管902在其第一端處分離地連接到延長管400，並且在其第二端處連接到分離的冷凝器管920，其中的每ー個冷凝器管920限定冷凝器管結構並且連接到冷凝器610。在圖9D圖示的實施例中，過渡管結構包括串行連結的過渡管903，並且用於每個套管板的單個冷凝器管930a、b由此連接到冷凝器610。如可以理解的，流體導管和/或嵌套的流分離管的其他配置可以適用於在這裡使用。在圖9B至圖9D中，管901、902和903是由例如環氧樹脂、陶瓷、玻璃、橡膠或聚合物製成的電絕緣管部分。
[0072]參考圖3A，通常，主觸頭300被固定在具有套管板260的鋳造布置中。結果，熱管100的缺陷(例如，缺少充分的密封性)的可能的校正需要開關設備產品的充分分解，其中洩漏作為安裝/服務過程中的一部分進行測試。因此，優選地是在組裝成開關設備產品之前，與開關設備產品的製造分離地構建用於測試的熱管100。在這方面並且參考圖10中，通過插入模製等將安裝結構1010牢固地固定到套管板260。在本實施例中，安裝結構1010是具有圓錐形或錐形內表面1020的金屬環。關聯的主觸頭300』具有圓錐形或錐形外表面1030，其摩擦地並且可移除地與內表面1020接合以相對於套管板260固定主觸頭300』。因此，熱管組件(包括具有蒸發器120的主觸頭300』、流體導管結構110和冷凝器裝置130)保持最佳接近熱損失的開關設備電流路徑的整體部分，但有利的是可移除的。現在可以與熱管組件分離地製造開關設備。因此，熱管組件可以是完整的，並且在被組裝到開關設備中之前在專用測試設施中進行組裝和測試。此外，為了在組裝到開關設備中之後服務熱管組件，熱管組件可以易於從開關設備移除。
[0073]如上所述，圖9C示出了流體耦合到公共冷凝器裝置610的多個冷凝器管920。然而，參考圖11A、圖11B，冷凝器裝置610』可以具有與每個冷凝器管920相關聯的獨立並且密封的室1110 (圖9C)，使得獨立地操作六個熱虹吸。冷凝器管920 (圖11A、圖1lB中未示出)連接到每個室1110的底部1120。室1110被設置在兩個翅片之間，圍繞其外圍焊接有侵蝕板1130。替代地，每個冷凝器管920可以耦合到単獨的冷凝器裝置，但是這樣的布置將增加成本。
[0074]在本實施例中，主觸頭300』可以由鋁製成，因為為了溫度降低而需要增強的熱傳導由於熱管100的提供而不再被需要。
[0075]關於本說明書或權利要求書中使用術語「包括」，當「包括」用作權利要求中的過渡詞時，意在以術語「包含」被解釋的類似的方式是包含性的。此外，關於採用術語「或」(例如，A或B)，意在指「A或B或二者」。當 申請人:意在指示「只有A或B而非二者」吋，那麼將採用術語「只有A或B而非二者」。因此，這裡的術語「或」的是包含性的，而不是專用的。參見 Bryan A.Garner, A Dictionary of Modern Legal Usage624 (2d.Ed.1995)。而且，關於本說明書或權利要求書中使用的術語「在…中」或「到…中」，意在另外指示「在…上」或「到…上」。此外，關於在說明書或權利要求書中使用的術語「連接」，意在不僅指「直接連接到」，而且還指「間接連接到」，諸如通過另ー組件或多個組件連接。
[0076]儘管本申請說明了各種實施例，並且儘管在已經描述了這些實施例的ー些細節，但是 申請人:的意圖並不是將所附權利要求的範圍限制或以任何方式限制為這樣的細節。其他優點和修改對於本領域技術人員將是顯而易見的。因此，本發明在其更廣泛的方面並不限於所示出和描述的特定細節、代表性實施例和說明性示例。因此，在不脫離 申請人:的總的發明構思的精神或範圍的情況下，可以脫離這些細節。
【權利要求】
1.ー種用於開關設備的冷卻裝置，所述開關設備具有ー個或多個主觸頭，所述ー個或多個主觸頭由套管板支撐並且被構建和布置為連接到斷路器的端子，所述冷卻裝置包括: 至少ー個蒸發器，所述至少一個蒸發器被構建和布置為與每個主觸頭相關聯； 冷凝器裝置，所述冷凝器裝置位於比所述至少一個蒸發器更高的高度處； 流體導管結構，所述流體導管結構將所述至少一個蒸發器與所述冷凝器裝置連接；以及 電絕緣工作流體，所述電絕緣工作流體在所述至少一個蒸發器中以便於被加熱成蒸汽狀態，其中所述流體導管結構被構建和布置為將所述蒸汽傳送到所述冷凝器裝置，並且將冷凝的工作流體被動地返回到所述至少一個蒸發器。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述流體導管結構的至少一部分是電絕緣的。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中所述工作流體是從由氫氟碳化物、氟化酮和氫氟醚製冷劑以及其任意混合物組成的組中選擇的。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個蒸發器被構建和布置為機械地外部連接到所述ー個或多個主觸頭。
5.根據權利要求1所述的裝置，與所述ー個或多個主觸頭以及所述套管板組合，每個主觸頭可移除地耦合到所述套管板。
6.根據權利要求5所述的組合，其中安裝結構被固定到所述套管板，並且以可移除的方式接合關聯主觸頭的一 部分。
7.根據權利要求6所述的組合，其中所述安裝結構包括具有大體上圓錐形的內表面的金屬環，並且所述關聯的主觸頭具有可移除地與所述內表面接合的大體上圓錐形的外表面。
8.根據權利要求1所述的裝置，與多個主觸頭組合，其中每個蒸發器包括在關聯的主觸頭中形成的蒸發室。
9.根據權利要求8所述的組合，其中每個蒸發室具有接近所述斷路器的封閉的第一端以及與封閉端相對的開放端，所述流體導管結構耦合到所述開放端。
10.根據權利要求8所述的組合，其中所述流體導管結構包括: 延長管，所述延長管具有耦合到關聯的主觸頭並且與其蒸發室聯通的第一端， 冷凝器管結構，所述冷凝器管結構連接到所述冷凝器，以及 過渡管結構，所述過渡管結構將所述延長管連接到所述冷凝器管結構。
11.根據權利要求10所述的組合，其中所述過渡管結構包括電絕緣材料。
12.根據權利要求11所述的組合，其中所述絕緣材料是硼矽玻璃或環氧樹脂。
13.根據權利要求10所述的組合，其中所述冷凝器管結構包括具有耦合到所述冷凝器裝置的第一端的單個冷凝器管，並且所述過渡管結構包括連接到關聯的延長管以及連接到所述單個冷凝器管的第二端的過渡管。
14.根據權利要求13所述的組合，其中所述單個冷凝器管的所述第二端是與每個過渡管耦合的分支端。
15.根據權利要求10所述的組合，其中所述冷凝器管結構包括多個冷凝器管，每ー個都具有耦合到所述冷凝器裝置的第一端，並且其中所述過渡管結構包括多個過渡管，每個過渡管耦合到關聯的延長管並且耦合到關聯的冷凝器管的第二端。
16.根據權利要求15所述的組合，其中所述過渡管結構包括電絕緣材料。
17.根據權利要求15所述的組合，其中所述冷凝器裝置包括布置在兩個翅片板之間的多個獨立並且密封的室，每個冷凝器管的所述第一端與關聯的密封室流體聯通。
18.根據權利要求8所述的組合，進ー步包括在所述流導管結構內嵌套的流分離軟管網絡，所述流分離軟管網絡被構建和布置為將所述冷凝的工作流體返回到所述蒸發室。
19.根據權利要求18所述的組合，其中流分離軟管網絡包括軟管，所述軟管具有在每個蒸發器室內延伸所述蒸發室的整個內部橫向距離的50%和99%之間的距離的端。
20.根據權利要求18所述的組合，其中所述流分離軟管網絡包括由從含氟聚合物、聚醚醚酮、天然橡膠、合成橡膠及其任何組合組成的組中選擇的電絕緣聚合物所組成的軟管。
21.根據權利要求18所述的組合，其中所述流分離軟管網絡包括分流器，所述分流器具有第一端和第二端，所述第一端具有用於從所述冷凝器裝置接收所述冷凝的工作流體的單個輸入，所述第二端具有用於將所述冷凝的工作流體返回到所述蒸發室的多個輸出。
22.根據權利要求21所述的組合，其中所述分流器包括用於允許在所述流體導管結構內部冷凝的工作流體的流入的至少ー個開ロ。
23.根據權利要求8所述的組合，其中所述蒸發室中的至少ー些彼此流體聯通。
24.根據權利要求1所述的裝置，其中所述冷凝器裝置是被動空氣冷卻的翅片式換熱器。
25.—種冷卻開關設備的·方法，所述開關設備具有被構建和布置為連接到斷路器的端子的主觸頭，所述方法包括下述步驟: 使蒸發器與每個主觸頭相關聯， 提供位於比每個蒸發器更高的高度處的冷凝器、將所述蒸發器與所述冷凝器流體連接的流體導管結構、以及在所述蒸發器中的工作流體， 從所述主觸頭向所述工作流體傳送熱，以使得所述工作流體在所述蒸發器中進行蒸發，而所蒸發的蒸汽經由所述流體導管結構被遞送到所述冷凝器，以及 經由所述流體導管結構將在所述冷凝器中冷凝的所述工作流體被動地返回到所述蒸發器。
26.根據權利要求25所述的方法，其中所述關聯步驟包括將每個蒸發器限定為每個主觸頭內的蒸發室。
27.根據權利要求25所述的方法，其中所述工作流體被提供為電絕緣工作流體，並且所述流體導管結構包括為電絕緣的至少一部分。
【文檔編號】H02B11/12GK103597678SQ201280024913
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年5月2日 優先權日:2011年5月23日
【發明者】P·考夫曼, T·比勒, H·M·卡蘭迪卡, R·帕瓦爾, J·厄爾, G·舒勒 申請人:Abb技術有限公司