具有星形冷凝器的用于開關(guān)裝置的無(wú)源冷卻系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本文提供一種具有星形冷凝器的用于開關(guān)裝置的無(wú)源冷卻系統(tǒng)。一種用于冷凝蒸汽為液體以便冷卻開關(guān)裝置的冷凝器，開關(guān)裝置具有在外殼以內(nèi)的發(fā)熱部件和與發(fā)熱部件關(guān)聯(lián)的管道結(jié)構(gòu)。工作流體設(shè)置于管道結(jié)構(gòu)的端部?jī)?nèi)。冷凝器包括限定體并且具有第一和第二相對(duì)開端的空心管狀基部。多個(gè)散熱片從基部的外圍延伸。散熱片有間隔關(guān)系并且設(shè)置于基部的整個(gè)圓周周圍。第一端帽耦合到基部以便封閉第一開端。第二端帽耦合到基部以封閉第二開端。第二端帽具有被構(gòu)造和布置用于流動(dòng)地連通管道結(jié)構(gòu)與體的端口結(jié)構(gòu)。
【專利說(shuō)明】具有星形冷凝器的用于開關(guān)裝置的無(wú)源冷卻系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及開關(guān)裝置電路斷路器，并且更具體地涉及一種包括星形冷凝器的冷卻系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)裝置配置具有基于在周圍室溫之上的生熱的電流限制。一般希望限制開關(guān)裝置主匯流條上的最熱點(diǎn)的最高溫度為如標(biāo)準(zhǔn)IEEE37.20.2所規(guī)定的105°C (在40°C的假定的周圍溫度之上的65°C的上升)。由于熱生成，典型的中和高電壓金屬包層開關(guān)裝置布置具有約3000A的最大連續(xù)電流額定值。希望增加這一電流額定值至4000A及以上。
[0003]參照?qǐng)D1，在10處大體地指示的常規(guī)基于熱管的冷卻系統(tǒng)針對(duì)向在開關(guān)裝置外殼12以外的周圍環(huán)境散熱提供附加路徑。在于2012年4月12日提交的第13/444，888號(hào)共同未決的美國(guó)申請(qǐng)中公開這樣的系統(tǒng)。熱能夠通過(guò)利用熱驅(qū)動(dòng)的蒸發(fā)和冷凝過(guò)程從熱源很高效地被傳送，并且隨后向散熱器散熱。熱管是部分由工作流體填充的真空密封系統(tǒng)。在14處大體地指示的專用蒸發(fā)器節(jié)段(來(lái)自開關(guān)裝置的熱輸入)可以借助柔性和很緊湊的熱管或者管道結(jié)構(gòu)18連接到冷凝器16(熱輸出至環(huán)境)。這樣的系統(tǒng)能夠作為開關(guān)裝置外殼系統(tǒng)的集成部分來(lái)使用，而不違反對(duì)于自包含式隔間的要求。
[0004]開關(guān)裝置設(shè)備可以由一個(gè)公共熱管網(wǎng)絡(luò)冷卻，該公共熱管網(wǎng)絡(luò)具有用作散熱器的一個(gè)冷凝器或者具有若干熱管，以并行地且具有獨(dú)立矩形盒型冷凝器16地來(lái)操作該熱管。冷凝器16優(yōu)選地位于開關(guān)裝置殼12的背面處或者頂部上。
[0005]冷凝器費(fèi)用占系統(tǒng)總成本的約50%。并且常規(guī)冷凝器176由一個(gè)大型鋁矩形體構(gòu)建，該矩形體具有用于熱管中的每一個(gè)熱管的六個(gè)獨(dú)立室，這造成安裝繁瑣的重型構(gòu)造。
[0006]因此需要提供一種減少制造成本并且模塊式而且易于在有限空間中安裝的冷凝器結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是滿足以上提到的需要。根據(jù)本發(fā)明的原理，通過(guò)提供一種用于冷凝蒸汽為液體以便冷卻開關(guān)裝置的冷凝器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。開關(guān)裝置具有在外殼以內(nèi)的至少一個(gè)發(fā)熱部件和與發(fā)熱部件關(guān)聯(lián)的管道結(jié)構(gòu)。工作流體設(shè)置于與發(fā)熱部件關(guān)聯(lián)的管道結(jié)構(gòu)的端部?jī)?nèi)。冷凝器包括限定體的空心管狀基部并且具有第一和第二相對(duì)開端?；烤哂袌A周。多個(gè)散熱片從基部的外圍延伸。散熱片有間隔關(guān)系并且設(shè)置于基部的整個(gè)圓周周圍。第一端帽耦合到基部以便封閉第一開端。第二端帽耦合到基部以封閉第二開端。第二端帽具有端口結(jié)構(gòu)，端口結(jié)構(gòu)被構(gòu)造和布置用于流動(dòng)地連通管道結(jié)構(gòu)與體，從而在工作流體由發(fā)熱部件加熱成汽態(tài)時(shí)，管道結(jié)構(gòu)被構(gòu)造和布置用于向冷凝器傳送蒸汽，而散熱片通過(guò)自然對(duì)流向周圍空氣傳熱并且蒸汽在基部的體內(nèi)相變成液體。液體無(wú)源地返回到管道結(jié)構(gòu)的端部、由此冷卻至少一個(gè)發(fā)熱部件。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種方法冷卻開關(guān)裝置，開關(guān)裝置具有在開關(guān)裝置的外殼內(nèi)部的至少一個(gè)發(fā)熱部件。該方法提供裝配在外殼外部的冷凝器。冷凝器包括限定封閉體的空心管狀基部?；烤哂袌A周。多個(gè)散熱片從基部的外圍延伸。散熱片有間隔關(guān)系并且設(shè)置于基部的整個(gè)圓周周圍。體與管道結(jié)構(gòu)流動(dòng)地連通。管道結(jié)構(gòu)與發(fā)熱部件關(guān)聯(lián)。在與發(fā)熱部件關(guān)聯(lián)的管道結(jié)構(gòu)的端部?jī)?nèi)提供工作流體。熱從發(fā)熱部件向工作流體傳送以使工作流體蒸發(fā)，而蒸發(fā)的蒸汽經(jīng)由管道結(jié)構(gòu)被遞送至冷凝器。經(jīng)由散熱片通過(guò)自然對(duì)流向周圍空氣傳熱，而蒸汽在基部的體內(nèi)相變成液體。液體無(wú)源地返回到管道結(jié)構(gòu)的端部、由此冷卻至少一個(gè)發(fā)熱部件。
[0009]本發(fā)明的其它目的、特征和特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)的有關(guān)單元的操作方法和功能、部分的組合和制造經(jīng)濟(jì)性將在參照附圖考慮以下具體描述和所附權(quán)利要求時(shí)變得更清楚，所有附圖形成本說(shuō)明書的部分。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]將從結(jié)合附圖進(jìn)行的對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的以下具體描述中更好地理解本發(fā)明，在附圖中，相似標(biāo)號(hào)指示相似部分，在附圖中:
[0011]圖1是表示為裝配在開關(guān)裝置中的形式為熱管結(jié)構(gòu)和常規(guī)冷凝器的常規(guī)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的視圖。
[0012]圖2是用于圖1中所示類型的開關(guān)裝置蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的根據(jù)一個(gè)實(shí)施例提供的星形冷凝器的分解圖。
[0013]圖3a_3c示出配置圖2的星形冷凝器的各種方式。
[0014]圖4是用于耦合到圖2的冷凝器的管道結(jié)構(gòu)的部分的截面圖。
[0015]圖5a是圖2的冷凝器的底部端帽的端口結(jié)構(gòu)的端視圖。
[0016]圖5b是圖2的冷凝器的底部端帽的端口結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例的端視圖。
[0017]圖6是表示為裝配在開關(guān)裝置外殼上的并且與管道結(jié)構(gòu)連接的實(shí)施例的六個(gè)冷凝器的視圖。
[0018]圖7是具有板到板連接的根據(jù)另一實(shí)施例提供的星形冷凝器的分解圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]參照?qǐng)D2，示出用于開關(guān)裝置蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的根據(jù)一個(gè)實(shí)施例提供的在16’處大體地指示的冷凝器。冷凝器16’包括分別具有第一和第二相對(duì)開端22和24的空心管狀基部20。基部20具有圓周C和內(nèi)部體V(圖3a)。多個(gè)散熱片26以懸臂方式從基部20的外圍延伸。散熱片26有間隔關(guān)系并且設(shè)置于基部20的整個(gè)圓周C周圍。因此，在從端部查看時(shí)，冷凝器大體上為星形并且關(guān)于縱軸X對(duì)稱。冷凝器16’優(yōu)選地由擠制型材制成、比如由具有最小化壁厚度的鋁制成。
[0020]參照?qǐng)D3a_3c，可以用各種方式制造星形冷凝器16’，所有方式的共同點(diǎn)在于散熱片26由擠制型材制成。圖3a示出基部20和散熱片26的一體構(gòu)造。圖3b示出基部20和在27處大體地指示的分離散熱片節(jié)段。每個(gè)散熱片節(jié)段27包括弧形構(gòu)件25和耦合到弧形構(gòu)件的散熱片26。每個(gè)弧形構(gòu)件25耦合到基部20的外圍。圖3c示出在體V內(nèi)部的兩段結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有在其壁31處接合到第二節(jié)段29’的第一節(jié)段29。圖3a-3c示出簡(jiǎn)化示例，但是可以將外部散熱片26軸向地開槽以便增加表面積和/或可以將每個(gè)散熱片26附加地分岔。其它更復(fù)雜的熱傳遞增強(qiáng)包括表面的機(jī)械(例如噴沙)和化學(xué)處理。另外，通過(guò)表面涂層、涂刷或者陽(yáng)極氧化可以提高輻射熱傳遞。
[0021]回到圖2，在第一開端22中接收在28處大體地指示的頂部帽以封閉第一開端22。頂部端帽28包括用于接收干燥劑以在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)吸收擴(kuò)散的水的干燥劑容器30。頂部端帽28也優(yōu)選地包括檢修端口 32。
[0022]在第二開端24中接收在34處大體地指示的底部端帽以封閉第二開端24。底部端帽34包括端口結(jié)構(gòu)36，該端口結(jié)構(gòu)連接圖1 (和圖6中所示)的熱管或管道結(jié)構(gòu)18至基部20的體V。參照?qǐng)D1和4，管道結(jié)構(gòu)18包括內(nèi)部空腔38和在內(nèi)部空腔38中的液體返回管40。管道結(jié)構(gòu)的端部42與關(guān)聯(lián)于主觸點(diǎn)44的蒸發(fā)室有流動(dòng)連通。蒸發(fā)室可以視為管道結(jié)構(gòu)18的端部42的部分。液體工作流體47設(shè)置于蒸發(fā)室中。管道結(jié)構(gòu)18的另一端46耦合到底部帽34的端口結(jié)構(gòu)36。端帽28和34封閉體V。
[0023]圖5a示出具有至少兩個(gè)分離管的端口結(jié)構(gòu)36的端視圖，這些管限定用于蒸汽(G)的通道48和用于液體工作流體(L)的通道50。通道48與管道結(jié)構(gòu)18的內(nèi)部空腔38連通，并且通道50與管道結(jié)構(gòu)18的液體返回管40連通。備選地，如圖5b中所示，端口結(jié)構(gòu)36’可以由帶有至少兩個(gè)分離通道48’(用于氣體G)和50’(用于液體工作流體L)的擠制型材制成。
[0024]冷凝器16’能夠取代圖1的系統(tǒng)中的冷凝器16用于諸如與電路斷路器45關(guān)聯(lián)的主觸點(diǎn)44的發(fā)熱部件的蒸發(fā)冷卻。因此，熱管冷卻系統(tǒng)操作以通過(guò)經(jīng)由工作流體47的使用將熱從第一位置(例如，在與主匯流條15關(guān)聯(lián)、比如與母線17耦合或者與主觸點(diǎn)44耦合的發(fā)熱部件附近)傳遞至第二位置傳熱來(lái)冷卻第一位置。液體工作流體47駐留在與主觸點(diǎn)關(guān)聯(lián)的每個(gè)蒸發(fā)室的底部?jī)?nèi)，如于2012年4月12日提交的第13/444，888號(hào)共同未決美國(guó)申請(qǐng)中公開的那樣，該申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于本說(shuō)明書中。來(lái)自主觸點(diǎn)44的熱使液體工作流體47主要在蒸發(fā)室中蒸發(fā)。隨后，工作流體(主要在氣或者汽態(tài)G中)經(jīng)過(guò)管道結(jié)構(gòu)18的內(nèi)部空腔38、經(jīng)過(guò)底部帽34的端口結(jié)構(gòu)36的通道48向上移動(dòng)到冷凝器16’的體V，在該體V中蒸發(fā)的工作流體的大部分冷凝回至液態(tài)時(shí)釋放熱。冷凝的(例如液體L)工作流體然后從冷凝器16’、經(jīng)過(guò)液體返回管50向下移動(dòng)回到與主觸點(diǎn)44關(guān)聯(lián)的蒸發(fā)室以完成冷卻循環(huán)。
[0025]參照?qǐng)D6，冷凝器16’與關(guān)聯(lián)的管道結(jié)構(gòu)18流動(dòng)地耦合以針對(duì)諸如母線17和主觸點(diǎn)44的開關(guān)裝置外殼12內(nèi)的各種位置提供冷卻。如圖所示，六個(gè)分離的冷凝器16’被提供并且以相鄰的方式裝配至外殼12的頂部52。如以上所言，在操作中，蒸汽從關(guān)聯(lián)的管道結(jié)構(gòu)18進(jìn)入體V并且都沿著基部20的內(nèi)表面冷凝。通過(guò)相變(蒸汽到液體)釋放熱、經(jīng)過(guò)鋁散熱片26傳導(dǎo)熱并且主要通過(guò)在散熱片26的外表面處的自然空氣對(duì)流向周圍放熱。在每個(gè)冷凝器16’的底部收集并且僅通過(guò)重力在通道50和返回管40中排盡冷凝物。
[0026]如以上所言，蒸汽都沿著管狀基部20的內(nèi)表面冷凝。通過(guò)增加這一內(nèi)表面積來(lái)減少熱冷凝阻力?？梢酝ㄟ^(guò)在基部20的內(nèi)側(cè)表面處具有軸向波紋狀或者甚至略微帶翅的結(jié)構(gòu)來(lái)增加這一表面積。
[0027]如果管狀基部20的直徑等于散熱片26的長(zhǎng)度則滿足空間的最優(yōu)利用(max[AreaConv/VoIumecondenser])。換而言之,帶翅的構(gòu)造的總外部直徑近似為每個(gè)散熱片26的長(zhǎng)度的三倍，從而造成充氣室后面的空間(見圖6)的最佳利用。[0028]冷凝器16’的總外表面積，例如它的自然對(duì)流阻力，取決于每個(gè)系統(tǒng)的總熱通量。例如去除350瓦特?zé)嵝枰s3.9平方米的表面(例如僅通過(guò)溫度為40°C (最壞情況)的周圍空氣的自然對(duì)流并且在給定70°C以上的冷凝器壁溫度時(shí)去除熱(350W))。如以上提到的那樣，管直徑等于散熱片長(zhǎng)度，這產(chǎn)生估計(jì)等式:
[0029]
【權(quán)利要求】
1.一種用于冷凝蒸汽為液體以便冷卻開關(guān)裝置的冷凝器，所述開關(guān)裝置具有在外殼以內(nèi)的至少一個(gè)發(fā)熱部件和與所述發(fā)熱部件關(guān)聯(lián)的管道結(jié)構(gòu)，工作流體設(shè)置于與所述發(fā)熱部件關(guān)聯(lián)的所述管道結(jié)構(gòu)的端部?jī)?nèi)，所述冷凝器包括: 空心管狀基部，限定體并且具有第一和第二相對(duì)開端，所述基部具有圓周， 多個(gè)散熱片，從所述基部的外圍延伸，所述散熱片有間隔關(guān)系并且設(shè)置于所述基部的整個(gè)所述圓周周圍， 第一端帽，耦合到所述基部以便封閉所述第一開端，以及 第二端帽，耦合到所述基部以封閉所述第二開端，所述第二端帽具有端口結(jié)構(gòu)，所述端口結(jié)構(gòu)被構(gòu)造和布置用于流動(dòng)地連通所述管道結(jié)構(gòu)與所述體，從而在所述工作流體由所述發(fā)熱部件加熱成汽態(tài)時(shí)，所述管道結(jié)構(gòu)被構(gòu)造和布置用于向所述冷凝器傳送所述蒸汽，所述散熱片通過(guò)自然對(duì)流向周圍空氣傳熱并且所述蒸汽在所述基部的所述體內(nèi)相變成液體，所述液體無(wú)源地返回到所述管道結(jié)構(gòu)的所述端部，由此冷卻所述至少一個(gè)發(fā)熱部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中所述散熱片以懸臂方式從所述基部延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中所述散熱片和所述基部為一體擠壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中在多個(gè)分離散熱片節(jié)段中提供所述散熱片，每個(gè)散熱片節(jié)段包括弧形構(gòu)件和耦合到所述弧形構(gòu)件的散熱片，每個(gè)弧形構(gòu)件耦合到所述基部的所述外圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中所述冷凝器提供為兩段構(gòu)造，所述兩段構(gòu)造具有在其所述體內(nèi)部的壁處接合到第二節(jié)段的第一節(jié)段。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中所述冷凝器關(guān)于其縱軸對(duì)稱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中所述第一端帽包括被構(gòu)造和布置用于在其中接收干燥劑的容器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中所述端口結(jié)構(gòu)在其中包括第一和第二通道，所述第一通道被構(gòu)造和布置用于接收所述蒸汽，并且所述第二通道被構(gòu)造和布置用于接收所述液體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的冷凝器，與所述管道結(jié)構(gòu)組合，所述管道結(jié)構(gòu)包括與所述第一通道流動(dòng)連通的內(nèi)部空腔，以及在所述內(nèi)部空腔中并且與所述第二通道流動(dòng)連通的液體返回管。
10.根據(jù)權(quán)利要求11所述的冷凝器，與所述開關(guān)裝置進(jìn)一步組合，并且其中提供多個(gè)分離的冷凝器，每個(gè)冷凝器與關(guān)聯(lián)的管道結(jié)構(gòu)連接，并且以與所述開關(guān)裝置的所述外殼的頂部相鄰的方式裝配每個(gè)冷凝器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的冷凝器，其中每個(gè)散熱片的長(zhǎng)度近似為0.11米。
12.—種冷卻開關(guān)裝置的方法，所述開關(guān)裝置具有在所述開關(guān)裝置的外殼以內(nèi)的至少一個(gè)發(fā)熱部件，所述方法包括以下步驟: 提供裝配在所述外殼外部的冷凝器，所述冷凝器包括: 空心管狀基部，限定封閉體，所述基部具有圓周，以及 多個(gè)散熱片，從所述基部的外圍延伸，所述散熱片有間隔關(guān)系并且設(shè)置于所述基部的整個(gè)圓周周圍， 流動(dòng)地連通所述體與管道結(jié)構(gòu)，所述管道結(jié)構(gòu)與所述發(fā)熱部件關(guān)聯(lián)，工作流體設(shè)置于與所述發(fā)熱部件關(guān)聯(lián)的所述管道結(jié)構(gòu)的端部?jī)?nèi)； 允許從所述發(fā)熱部件向所述工作流體傳熱以使所述工作流體蒸發(fā)而所述蒸發(fā)的蒸汽經(jīng)由所述管道結(jié)構(gòu)遞送至所述冷凝器， 經(jīng)由所述散熱片通過(guò)自然對(duì)流向周圍空氣傳熱，所述蒸汽在所述基部的所述體內(nèi)相變成液體，并且 使所述液體無(wú)源地返回到所述管道結(jié)構(gòu)的所述端部，由此冷卻所述至少一個(gè)發(fā)熱部件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中提供所述冷凝器使得所述散熱片以懸臂方式從所述基部延伸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中提供所述冷凝器使得所述散熱片和所述基部為一體擠壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中提供所述冷凝器為關(guān)于其縱軸對(duì)稱。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中第一端帽耦合到所述基部的一端并且限定容器，所述方法在所述容器中進(jìn)一步提供干燥劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中第二端帽耦合到所述基部的第二端，所述第二端帽包括與所述體流動(dòng)連通的端口結(jié)構(gòu)，所述流動(dòng)地連通所述體與所述管道結(jié)構(gòu)的步驟包括將所述管道結(jié)構(gòu)耦合到所述端口結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述端口結(jié)構(gòu)在其中包括第一和第二通道，所述第一通道被構(gòu)造和布置用于接收所述蒸汽并且所述第二通道被構(gòu)造和布置用于接收所述液體，并且其中所述管道結(jié)構(gòu)包括與所述第一通道流動(dòng)連通的內(nèi)部空腔以及在所述內(nèi)部空腔中并且與所述第二通道流動(dòng)連通的液體返回管。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括: 提供多個(gè)分離的冷凝器，每個(gè)冷凝器與關(guān)聯(lián)的管道結(jié)構(gòu)連接，并且 以與所述開關(guān)裝置的所述外殼的頂部相鄰的方式裝配每個(gè)冷凝器。
【文檔編號(hào)】H02B1/56GK103683041SQ201310406983
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月6日
【發(fā)明者】H·M·卡蘭迪卡, P·考夫曼 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)有限公司