热管和功率开关的制作方法
【专利摘要】一种热管和功率开关，其中热管用于沿一个输送方向从一个热源向一个冷源输送热能，包括一个蒸发器用于使热管内所含的一种工作流体汽化，一个冷凝器用于凝结汽化的工作流体，和一个流体输送段，所述流体输送段在形成一个电绝缘区段的情况下连接蒸发器和冷凝器。流体输送段包括至少两个电绝缘体用于形成电绝缘区段，所述电绝缘体沿输送方向依次布置并且彼此之间分别通过一个导电元件隔开。本实用新型还涉及一种功率开关，包括导电的内导体(10)和壳状包围该内导体的外导体(12)，其中，设置前述的热管用于把热量从内导体(10)中排出，其中，热管的蒸发器与内导体(10)保持热接触和电接触，热管的冷凝器则与外导体(12)保持热接触和电接触。
【专利说明】热管和功率开关
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种热管，用于沿一个输送方向从一个热源向一个冷源输送热能，尤其是用于冷却中压和高压技术中位于高压电位的载流电气构件，包括用于使热管内所含的一种工作流体蒸发的蒸发器，用于使汽化的工作流体液化的冷凝器，和一个流体输送段，所述流体输送段在形成一个电绝缘区段的情况下连接蒸发器和冷凝器。
【背景技术】
[0002]当中压和高压【技术领域】的电气部件，例如，功率开关或隔离开关运行时，由于需要克服电位差，一个导电体必须向周围环境排放大量的热能。这里所述的热管在导电体上面设置有一个蒸发器和例如，在一个接地的外壳上面设置有一个冷凝器，通过持续地使工作流体汽化和凝结可以实现导体的被动冷却。在这里，优选，通过在充分利用重力作用的情况下适当地布设热管或借助毛细作用引导凝结的工作流体重返蒸发器，从而产生工作流体闭环。在最简单的情况下，蒸发器和冷凝器可以被设计成为工作流体的接收容器。
[0003]这种形式的热管不仅必须以高的可靠性阻止在电绝缘区段内部发生不期望的放电，而且还必须能够抵抗相对高的机械负荷与热负荷。在实践中很难设计这种能够满足所有要求的绝缘区段。
实用新型内容
[0004]因此，本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种热管，所述热管既能够提供更好的放电防护而且还能够跨接较大的电位差并且还借此实现较小的结构尺寸。
[0005]所述技术问题通过一种热管解决，其用于沿一个输送方向从一个热源向一个冷源输送热能，尤其是用于冷却中压和高压技术中位于高压电位的载流电气构件，该热管包括用于使热管内所含的一种工作流体蒸发的蒸发器，用于使蒸发的工作流体冷凝液化的冷凝器，和流体输送段，所述流体输送段在形成电绝缘区段的情况下连接蒸发器和冷凝器，其中，流体输送段包括至少两个电绝缘体用于形成电绝缘区段，所述电绝缘体沿输送方向依次布置并且彼此之间分别通过一个导电元件隔开。
[0006]按照本实用新型，流体输送段包括至少两个电绝缘体用于形成电绝缘区段，所述电绝缘体沿输送方向依次布置并且彼此之间分别通过一个导电元件隔开。即，不是使用单个的绝缘体，而是使用由至少两个单独的绝缘体形成的装置。通过绝缘体与导体的沿输送方向的次序在蒸发器和冷凝器之间插入电容，所述电容能够有针对性地控制电场。具体而言，可以借此降低场强并进而改善热管对放电或部分放电的抵抗能力。
[0007]优选，导电元件是柔性的和/或弹性的。借此，可以补偿热膨胀和变形，并且即在绝缘体本身是刚性的时候。尤其是，导电元件可以由导电材料或具有导电的表面涂层的非导电材料或与电场相关的非线性导电材料制成。可以使用，例如，金属，金属氧化物或半导电材料以及非线性导电材料，例如，碳化娃，作为导电材料。此外，可以使用具有导电的表面涂层的非导电材料，例如，硅橡胶或其它具有通过烟灰或石墨混合而成的导电聚合涂层的聚合物。柔性的和/或弹性的导电元件满足双重功能，既有助于控制电场又有助于提高热管的机械负荷。
[0008]按照本实用新型的一个实施形式，导电元件具有一个场控制段，所述场控制段的形状适用于均匀化在电绝缘区段内出现的电场，换句话说，导体的位于两个绝缘体之间的一部分具有一个几何形状，所述几何形状对通过电场造成的负荷并进而对绝缘区段的放电特性产生有利的影响。通过场控制段可以避免电场强度局部明显提高。
[0009]按照一个具体的实施形式，场控制段呈圆环面形并且突出于绝缘体的外周面。借此可以阻止在导体与绝缘体之间的一个齐平的或边棱形式的过渡区域产生电位突变。
[0010]此外，导电元件可以具有空心型材形式的横截面。空心型材形式的横截面可以赋予导电元件特别的柔韧性。尤其是，空心型材形式的导体可以像板式弹簧一样作用。此外，空心型材形式的导体可以有利地影响热管内的电位分布。
[0011]按照本实用新型的另一个实施形式，导电元件具有内部的，环形的基础段，外部的，圆环面形的场控制段与其连接。尤其是，一个所述实施形式的导体可以插在两个空心型材形式的绝缘体之间，其中，圆环面形的场控制段以空心圆柱体的外周面为起始径向向外伸展和保证更均匀的电位分布。
[0012]不仅可以通过导电元件的形状而且作为备选或补充也可以通过一种设置在热管上面的绝缘材料实现场控制，其中，所述绝缘材料中含有影响绝缘特性的添加物并具有某种剩余导电能力。这些添加物可以是，例如，金属，金属氧化物或微型压敏电阻器。尤其是，可以使用碳化硅，氧化铁或氧化锌作为添加物。优选，所述绝缘材料设置在绝缘体与导电元件之间的过渡区上面，例如，施加在热管的外表面上面。
[0013]通过上述的添加物可以赋予相关绝缘材料导电性，但是，所述导电性只是从某一个电场强度开始出现。一旦电场的某一个极限值被超过，材料会失去绝缘性能并且显示导电能力。可以通过添加材料的种类和数量影响导电能力并借此使其适应相关要求。除了一个以成型为基础的导电元件的场控制段，也可以如上所述设置一种绝缘材料用于更精细地调节场控制。
[0014]也可以交替地依次布置多个绝缘体和多个导电元件。换句话说就是，绝缘区段可以沿输送方向被细分成多个由绝缘体和导体组成的分段。这种分段相当于把电容串联。借此可以逐级地降低热源与冷源之间的电位差，借此可以实现沿热管具有一个特别均匀的电位分布和一个很低的电场强度并进一步降低在绝缘区段内的放电危险。
[0015]蒸发器和/或冷凝器可以通过由导电材料制成的盆形的容器形成，其中，所述容器具有场控制段，所述场控制段的形状适用于均匀化在电绝缘区段内出现的电场。尤其是，蒸发器和冷凝器本身是通过导电元件形成，借此，在最简单的情况下整个热管是由一系列导电元件和绝缘体组成。借此可以实现一种特别简单的和低成本的结构。此外，有利的是，无论是绝缘体之间的导电元件还是蒸发器和冷凝器都有助于场控制和电位控制。
[0016]本实用新型也涉及电气部件，例如，由导电的内导体和像外壳一样包围内导体的外导体组成的功率开关或断路器，在其中设置上述热管用于把热量从内导体中排出，和其中热管的蒸发器与内导体保持热接触和电接触，冷凝器与外导体保持热接触和电接触。在电气部件运行过程中在内导体上面产生的热能可以通过热管有效地排放到开关外壳或其外侧。[0017]当热管的绝缘体具有比内导体与外导体之间的杂散电容更大的电容时，可以通过分段进行电容式控制。
[0018]通过所述热管，无需实施强制冷却，即纯被动冷却，即可冷却与传统的不带热管的装置相比具有明显较高的额定电流的电气部件和开关设备。
[0019]在说明书以及附图中亦对本实用新型的改进方案进行了说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]下面借助附图示范性地对本实用新型进行描述。
[0021]图1示出安装在开关板内的按照本实用新型的第一实施形式的热管的剖面图；和
[0022]图2示出按照本实用新型的第二实施形式的热管的局部的剖面图。
【具体实施方式】
[0023]一个在图1中只是部分地显示的功率开关或断路器具有导电的内导体10和壳状包围内导体10的外导体12。在功率开关或断路器运行过程中内导体10位于高压电位，是热源，而外导体12位于对地电位，是冷源。
[0024]设置一个热管14用于被动冷却功率开关或断路器，所述热管能够在功率开关运行过程中沿输送方向T把热能从内导体10传输到外导体12。为此目的，热管14包括一个两相工作流体15，所述工作流体在蒸发器处汽化和在冷凝器处凝结。具体而言，热管14是由一个蒸发器16和一个冷凝器18以及一个在蒸发器16和冷凝器18之间伸展的流体输送段20组成。蒸发器16与内导体10保持热接触和电接触，冷凝器18与外导体12保持热接触和电接触。在所示实施示例中，输送方向T沿热管14的管纵轴延伸。
[0025]工作流体15具有液相和气相并且电绝缘。尤其可以考虑使用一种氟酮(Fluoroketon)作为工作流体15。由于重力作用，工作流体15的液相位于热管14的下端，并且确定地说位于一个由蒸发器16形成的由导电材料制成的盆形的容器内。在功率开关运行过程中，工作流体15的液相通过从内导体10流出的热能在蒸发器16内汽化。蒸汽进入位于热管14上端的冷凝器18，所述冷凝器同样是通过一个由导电材料制成的盆形的容器形成。蒸汽在冷凝器18内凝结，其中，产生的液相在重力的作用下沿与输送方向T相反的方向回流到蒸发器16内。通过持续地汽化和凝结工作流体15，热能沿输送方向T被从内导体10中排出并传输至外导体12。
[0026]因为在内导体10与外导体12之间存在一个相当大的电位差，流体输送段20形成一个电绝缘区段22。该绝缘区段22是以三个由陶瓷材料制成的并且基本上是刚性的空心圆柱体形式的绝缘体24构成。三个绝缘体24是通过两个基本上呈环形的导电元件26隔开。绝缘体24和导电元件26是沿输送方向T交替地依次布置。
[0027]优选，导电元件26是由铜制成并且具有柔性。它们具有一个空心型材形式的横截面，柔性借此得以进一步提高。如图1所示，其中的每一个导电元件26都具有一个环形的基层段28，所述基础段位于对应的绝缘体24之间并且与它们保持接触。径向向外，有一个圆环面形的场控制段30与环形的基层段28连接，其中，所述场控制段突出于空心圆柱体形式的绝缘体24的外周面32。圆环面形的场控制段30用于影响绝缘区段22内的电场分布。尤其是，通过圆环面形的场控制段30可以减少电场或位于绝缘体24和导电元件26之间的过渡区上面的电位局部升高。在蒸发器16和冷凝器18上面也分别设置有圆环面形的场控制段34。通过场控制段30，34的几何形状尤其可以避免，例如，由于场增强在三相点产生的放电。
[0028]在图2所示的实施形式中，绝缘区段22同样以三个空心圆柱体形式的绝缘体24为基础，绝缘体通过两个基本上呈环形的导电元件26隔开。但是，在这里设置有场控制体40用于有源场控制。场控制体40是由一种电绝缘材料制成，通过添加适当的添加物所述绝缘材料被赋予一种与电场相关的导电能力。如图2所示，基本上是环形的场控制体40安置在绝缘体24和导电元件26之间的过渡点上面，位于热管14的外侧。
[0029]通过把绝缘区段22分成多个通过导电元件26隔开的绝缘体24，借此形成的分段在电气角度上看相当于把多个随着电位沿绝缘区段22逐级下降而产生的电容依次连接起来。因为避免出现强的电位梯度对于热管的绝缘效果是起决定性作用的，因此，配置有热管的开关板比没有使用热管的开关板能传导更高的电流。通过把绝缘区段分段和使用适当的场控制元件，热管可以应用于具有高于迄今为止的额定值的电压系统中，例如，最大至IOkV的发电机-功率开关，或是能更大幅度地降低具有现有额定电压的系统的结构尺寸。此外，在运行过程中，通过柔性的元件可以补偿内导体10，外导体12和/或热管14的不可避免地出现的机械移动，而无需在热管内集成单独的波纹管或类似结构。总的来说，本实用新型可以提供一种绝缘可靠的，柔性的并且制造起来特别简单的热管，能够改善对中压和高压【技术领域】中的功率开关的冷却。由于按照本实用新型的热管在相同的结构尺寸时能够跨接更大的电位差，因此，在现有的应用中，在电位差不变的情况下能够实现较小的结构尺寸。
[0030]附图标记清单
[0031]10内导体
[0032]12外导体
[0033]14 热管
[0034]15工作流体
[0035]16蒸发器
[0036]18冷凝器
[0037]20流体输送段
[0038]22绝缘区段
[0039]24绝缘体
[0040]26导电元件
[0041]28基础段
[0042]30场控制段
[0043]32外周面
[0044]34场控制段
[0045]40场控制体
[0046]T 输送方向
【权利要求】
1.一种热管(14)，用于沿一个输送方向(T)从一个热源(10)向一个冷源(12)输送热能，尤其用于冷却位于高压电位的载流电气构件，所述热管包括用于使热管(14)内所含的一种工作流体(15)蒸发的蒸发器(16)，用于使蒸发的工作流体(15)冷凝液化的冷凝器(18)，和流体输送段(20)，所述流体输送段在形成电绝缘区段(22)的情况下连接蒸发器(16)和冷凝器(18)，其特征在于，所述流体输送段(20)包括至少两个电绝缘体(24)用于形成电绝缘区段(22)，所述电绝缘体沿输送方向(T)依次布置并且彼此之间分别通过一个导电兀件(26)隔开。
2.根据权利要求1所述的热管，其特征在于，所述导电元件(26)是柔性的和/或弹性的。
3.根据权利要求1或2所述的热管，其特征在于，所述导电元件(26)具有场控制段(30)，所述场控制段的形状造型适用于均匀化在电绝缘区段(22)内出现的电场。
4.根据权利要求3所述的热管，其特征在于，所述场控制段(30)呈圆环面形并且突出于绝缘体(24)的外周面(32)。
5.根据前述权利要求1所述的热管，其特征在于，所述导电元件(26)具有空心型材形式的横截面。
6.根据前述权利要求1所述的热管，其特征在于，所述导电元件(26)具有内部的、环形的基础段(28)，外部的、圆环面形的场控制段(30)与其连接。
7.根据前述权利要求1所述的热管，其特征在于，在热管(14)上面设置绝缘材料(40)用于场控制。
8.根据前述权利要求1所述的热管，其特征在于，多个绝缘体(24)和多个导电元件(26)是交替地依次布置。
9.根据前述权利要求1所述的热管，其特征在于，所述蒸发器(16)和/或冷凝器(18)通过由导电材料制成的盆形的容器形成，其中，所述容器具有场控制段(34)，所述场控制段的形状适用于均匀化在电绝缘区段(22)内出现的电场。
10.一种功率开关，包括导电的内导体(10)和壳状包围该内导体的外导体(12)，其特征在于，设置根据前述权利要求中至少一项所述的热管(14)用于把热量从内导体(10)中排出，其中，热管(14)的蒸发器(16)与内导体(10)保持热接触和电接触，热管(14)的冷凝器(18)则与外导体(12)保持热接触和电接触。
11.根据权利要求10所述的功率开关，其特征在于，热管(14)的绝缘体(24)具有比内导体(10)与外导体(12)之间的杂散电容更大的电容。
【文档编号】H01H9/52GK203721538SQ201320544313
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2012年6月20日
【发明者】R·萨默, A·贝德拉诺斯基 申请人:施耐德电器工业公司