DE102005011405B3

DE102005011405B3 - Schaltgerät mit Wärmerohr

Info

Publication number: DE102005011405B3
Application number: DE102005011405A
Authority: DE
Inventors: Ralf-Peter Kurth; Clemens RÜTHNICK
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: WO2006092380A1; KR20070116062A; CN101133471A; CA2599886A1; JP2008532237A; RU2007136481A; US20090255794A1; EP1854116A1

Abstract

Um eine Vorrichtung (1) zum Unterbrechen eines von einer Hochspannung getriebenen elektrischen Wechselstromes mit Kontaktstücken (5, 6), die mit Leitern (4, 7, 9, 10) verbunden und in einem Kontaktgehäuse angeordnet sind, wobei die Leiter (4, 7, 9, 10) zumindest teilweise beweglich geführt sind und die Kontaktstücke (5, 6) mittels eines Antriebes und einer Antriebskinematik von einer Kontaktstellung in eine Trennstellung überführbar sind, bereitzustellen, mit der auch höhere Ströme beherrschbar sind, wird ein Wärmerohr (11, 12) mit einem fluiddichten Wärmerohrgehäuse (14), das einen Verdampfungsbereich (15), einen Kondensationsbereich (16) und eine Kapillarstruktur (20) aufweist, die sich zwischen dem Verdampfungsbereich (15) und dem Kondensationsbereich (16) erstreckt und mit diesen thermisch gekoppelt ist, wobei das Wärmerohrgehäuse (14) ein Wärmetransportmittel aufweist und der Verdampfungsbereich (15) wärmeleitend mit einem der Leiter (4, 7, 9, 10) oder einem der Kontaktstücke (5, 6) verbunden ist, vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterbrechen eines von einer Hochspannung getriebenen elektrischen Wechselstromes mit Kontaktstücken, die mit Leitern verbunden und in einem Kontaktgehäuse angeordnet sind, wobei die Leiter zumindest teilweise beweglich geführt sind und die Kontaktstücke mittels eines Antriebes und einer Antriebskinematik von einer Kontaktstellung in eine Trennstellung überführbar sind, wobei ein Wärmerohr mit einem fluiddichten Wärmerohrgehäuse, das einen Verdampfungsbereich, einen Kondensationsbereich und eine Kapillarstruktur aufweist, die sich zwischen dem Verdampfungsbereich und dem Kondensationsbereich erstreckt und mit diesen thermisch gekoppelt ist, wobei das Wärmerohrgehäuse ein Wärmetransportmittel aufweist und der Verdampfungsbereich Wärme leitend mit einem der Leiter oder einem der Kontaktstücke verbunden ist.

Aus der EP 0 606 265 B1 ist eine Vorrichtung zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes bekannt, wobei der Strom von einer Hochspannung getrieben wird. Dabei weist die Vorrichtung einen über Kontaktstücke führenden Leiterpfad auf. Die Kontaktstücke liegen einander in Längsrichtung gegenüber und sind durch Einleiten einer Schaltbewegung von einer Kontaktstellung, in der die Kontaktstücke einander kontaktieren, in eine Trennstellung überführbar, in der die Kontaktstücke voneinander getrennt sind. Dabei sind die Kontaktstücke in einer Vakuumschaltröhre angeordnet, in der ein Vakuum zum Löschen eines beim Trennen der Kontaktstücke gezogenen Lichtbogens herrscht. Eines der Kontaktstücke ist durch einen mit dem Vakuumgehäuse fest verbundenen Festkontaktleiter ortsfest gehalten. Dabei durchragt der Festkontaktleiter das Vakuumgehäuse und ist über weitere Leiter mit einem Eingangsanschluss elektrisch leitend verbunden. Das bewegliche Kontaktstück ist am Ende einer ebenfalls in dem Vakuumgehäuse angeordneten Schaltstange angebracht, die längs beweglich geführt ist. Zur elektrischen Verbindung sind zwischen einem Abgangsanschluss und der Schaltstange Kopplungsmittel in Gestalt eines biegelastischen Strombandes angeordnet. Ein die Leistungsfähigkeit vorbekannter Vorrichtungen begrenzender Faktor ist die insbesondere bei hohen Strömen auftretende Wärmeentwicklung an den Leitern des Strompfades. Eine solche Wärmeentwicklung ist insbesondere an den Kontaktflächen der Kontaktstücke, aber auch am Stromband zu beobachten, das im Vergleich mit den übrigen Leitern des Leiterpfades einen kleineren Leiterquerschnitt aufweist.

Aus der DE 197 17 235 A1 ist ein Wärmerohr bekannt, das ein im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildetes Wärmerohrgehäuse aufweist, das an seinem einen Ende einen Verdampfungsbereich und an seinem anderen Ende einen Kondensationsbereich aufweist. Innerhalb des Wärmerohrgehäuses erstreckt sich zwischen dem Verdampfungsbereich und dem Kondensationsbereich eine Kapillarstruktur. Weiterhin weist das Wärmerohr ein Wärmetransportmittel in Form eines Fluids auf, das von dem Wärmegehäuse gegenüber der Außenatmosphäre abgedichtet ist. Vor dem Abdichten des Wärmerohrgehäuses wurde die Gasphase des Wärmetransportmittels evakuiert, so dass der in dem Wärmerohrgehäuse herrschende Druck in etwa gleich dem Dampfdruck des Wärmetransportmittels bei der jeweils vorliegenden Temperatur ist. Mit anderen Worten ist die nahezu ausschließlich aus Wärmetransportmittel bestehende Gasphase mit der flüssigen Phase des Wärmetransportmittels im Gleichgewicht. Wird eine Seite des Wärmerohres einer höheren Temperatur ausge setzt als dessen andere Seite, kommt es in dem erwärmten Verdampfungsbereich zum Verdampfen von Flüssigkeit und zum Transport des Dampfes zum Kondensationsbereich hin, der im Vergleich zum Verdampfungsbereich kälter ist und eine Kondensation des Wärmetransportmittels bewirkt. Dabei wird Wärme an die Außenumgebung abgegeben. Wärmerohre werden bislang hauptsächlich im Bereich der Computertechnik eingesetzt.

Eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art ist beispielsweise aus der DE 199 02 498 C2 bekannt. Die dort offenbarte Vakuumschaltröhre als Vorrichtung zum Unterbrechen eines Wechselstromes umfasst Kontaktstücke, welche mit Leitern verbunden und in einem Kontaktgehäuse angeordnet sind. Die Leiter sind zumindest teilweise beweglich geführt und die Kontaktstücke sind mittels eines Antriebs und einer Antriebschematick von einer Kontaktstellung in eine Trennstellung überführbar. Dabei ist ein Wärmerohr mit einem fluiddichten Wärmerohrgehäuse, welches einen Verdampfungsbereich, einen Kondensationsbereich und eine Kapillarstruktur aufweist, die sich zwischen dem Verdampfungsbereich und dem Kondensationsbereich erstreckt und mit diesen thermisch gekoppelt ist, mit einem der Kontaktstücke verbunden, wobei das Wärmerohrgehäuse ein Wärmetransportmittel aufweist und der Verdampfungsbereich wärmeleitend mit dem Kontaktstück verbunden ist.

Aus der DE 39 41 388 A1 ist des Weiteren ein elektrischer Schalter bekannt, bei dem einem der Kontaktstücke des Schalters eine Siedekühlvorrichtung zugeordnet ist.

Aus der US 4,005,297 ist weiterhin eine Vakuumröhre bekannt, bei der ein Wärmerohr im Bereich der Kontaktstücke der Vakuumröhre angeordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der auch höhere Ströme beherrschbar sind und die über eine einfache Konstruktion verfügt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch dass die Leiter eine Sammelschiene aufweisen, die sich mittels einer Durchführung durch eine im Betrieb der Vorrichtung auf Erdpotenzial liegende Wandung eines Schaltergehäuses erstreckt, wobei die Sammelschiene auf ihrer vom Schaltgehäuse abgewandten Seite eine Ausnehmung aufweist, in der das Wärmerohr zum Teil angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird die Wärme mit einem Wärmerohr an den Stellen abgeführt, die durch eine besonders hohe Wärmeentwicklung gekennzeichnet sind, wobei das Wärmerohr außerhalb eines Modulraumes einer Schaltanlage oder aber sogar ganz außerhalb der Schaltanlage angeordnet ist, die beispielsweise ein auf Erdpotenzial liegendes Schaltergehäuse umfasst. Dabei wirkt das Wärmerohr als schneller Wärmeleiter, mit dem die Wärme schnell von den kritischen Stellen wegtransportiert und über den Kondensationsbereich an eine beliebige Außenumgebung, wie beispielsweise atmosphärische Luft abgegeben wird. Der Wärmetransport basiert auf der Verdampfung des Wärmetransportmittels im Verdampfungsbereich, wobei aufgrund der erforderlichen Verdampfungsenthalpie dem Leiter, der den Verdunstungsbereich des Wärmerohres kontaktiert, Wärme entzogen wird. Das Wärmetransportmittel ist in der Gasphase bestrebt, zu dem Kondensationsbereich zu gelangen, der im Vergleich zum Verdampfungsbereich eine tiefere Temperatur aufweist. Aufgrund der gesättigten Dampfphase kommt es an dem Kondensationsbereich zu einer Kondensation des Wärmetransportmittels und somit zu einer Abgabe von Verdampfungsenthalpie in Form von Wärme. Das kondensierte Wärmetransportmittel tritt anschließend aufgrund der Kapillarwirkung des sich zwischen Verdunstungsbereich und Verdampfungsbereich erstreckenden Kapillarstruktur seinen Rückweg zum Verdampfungsbereich an. Auf diese Weise wird ein Kreislauf erzeugt, der einen effektiven Wärmetransport durch Verdampfen und Kondensieren von Wärmetransportmittel ermöglicht. Es hat sich erwiesen, dass die für die Computerindustrie ausgelegten Wärmerohre unerwarteter Weise auch im Bereich der Hochspannung und insbesondere im Bereich der Mittelspannung, also bei Spannungen von 1 kV bis 52 kV wertvolle Dienste zur Kühlung sich erwärmender Bauteile liefern können. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung möglich, auf eine nahezu beliebige Ausgestaltung des Wärmerohres zurückzugreifen.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Leiter eine Ausnehmung auf, in die hinein sich das Wärmerohr teilweise erstreckt. Das Wärmerohr ist daher mit seinem Verdampfungsbereich in der Ausnehmung angeordnet. Die Ausnehmung ist zweckmäßigerweise in der Nähe solcher Bereiche angeordnet, an denen es zu einer besonders hohen Wärmebelastung kommt. Dies sind, wie bereits ausgeführt wurde, Bereiche mit einer Leiterquerschnittsverengung gegenüber den übrigen Leitern.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterentwicklung kontaktiert der Kondensationsbereich einen Kühlkörper. Durch die Anordnung eines Kühlkörpers an dem die Wärme abgebenden Bereich des Wärmerohres erhöht sich die Kühlleistung des Wärmerohres beträchtlich. Auf diese Weise wird ein weiteres Absenken der Betriebstemperatur des Strompfades der Vorrichtung ermög licht, der aus den Leitern und den Kontaktstücken gebildet ist.

Vorteilhafterweise ist das Kontaktstück in einem geerdeten elektrisch leitenden Schaltergehäuse angeordnet. Das Schaltergehäuse umgibt beispielsweise drei Kontaktanordnungen, die jeweils einer Phase eines Wechselstromnetzes angeordnet sind. Dabei besteht jede Kontaktanordnung aus zwei einander zugeordneten Kontaktstücken. Diese Kontaktstücke liegen beispielsweise einander in einer Längsrichtung gegenüber, wobei eines der Kontaktstücke fest mit dem Schaltergehäuse verbunden ist, während das andere längs beweglich in diesem geführt ist.

Abweichend hiervon ist das Kontaktgehäuse in einem elektrisch nicht leitenden Isolierstoffgehäuse angeordnet. Ein solches Isolierstoffgehäuse ist beispielsweise umseitig geschlossen und hohlzylindrisch oder rohrförmig ausgebildet, wobei Befestigungsmittel zum Halten des Kontaktgehäuses in dem Isolierstoffgehäuse vorgesehen sind. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, das Kontaktgehäuse in einem Isolierstoffgehäuse in einem Kunststoff einzugießen, so dass ein Luftspalt zwischen dem Kontaktgehäuse und dem Isolierstoffgehäuse vermieden ist.

Zweckmäßigerweise weist das Wärmetransportmittel eine flüssige Phase und eine Dampfphase auf, wobei der Druck innerhalb des Wärmerohrgehäuses gleich dem Dampfdruck der flüssigen Phase ist. Mit anderen Worten besteht die gesamte Gasphase innerhalb des Wärmegehäuses nahezu ausschließlich aus Teilchen des Wärmetransportmittels, so dass es sich bei der Dampfphase um eine so genannte gesättigte Dampfphase handelt, die mit der Flüssigkeit in einem Gleichgewicht steht. Durch Erwärmen des Verdampfungsbereichs wird das Gleichgewicht gestört und der bereits beschriebene Wärmetransport setzt unverzüglich ein.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer schematischen Darstellung. Die gezeigte Vorrichtung 1 umfasst eine als solche bekannte Vakuumschaltröhre 2 mit einem Vakuumgehäuse 3 und einem ortfesten über einen Festkontaktbolzen 4 fest mit dem Vakuumgehäuse 3 verbundenen Festkontakt 5, dem in einer Längsrichtung ein Bewegkontakt 6 gegenüber liegt. Der Bewegkontakt 6 ist an einer längs beweglich geführten Schaltstange 7 angebracht, so dass durch eine Hubbewegung der Schaltstange 6 in der durch die Pfeile angezeigten Richtung der Bewegkontakt von einer Kontaktstellung, in der er an dem Festkontakt 5 anliegt, in eine Trennstellung überführbar ist, in der er mit Abstand zu dem Festkontakt 5 angeordnet ist. Die Schaltstange 7 ist über einen Metallfaltenbalg 8 längsbeweglich mit dem Vakuumgehäuse 3 verbunden.
In dem Vakuumgehäuse 3 ist ein Vakuum angelegt, in dem ein beim Trennen der Kontaktstücke 5 und 6 gezogener Lichtbogen gelöscht wird. Die Schaltstange 7 ist über ein Stromband 9 mit einem Abgangsanschluss 10 verbunden, der ortsfest in einem figürlich nicht dargestellten Isolierstoffgehäuse angeordnet ist. Das Isolierstoffgehäuse umgibt jeweils eine Vakuumröhre, so dass mit drei Vorrichtungen 1 ein einpolig gekapselter Schalter mit drei Schalterpolen bereitgestellt ist. Dabei ist jeder Pol einer Phase eines dreiphasigen Wechselstromnetzes zugeordnet.
In der Kontaktstellung des Festkontaktes 5 mit dem Bewegkontakt 6 kommt es trotz der durch eine Kontaktfeder bereitgestellten hohen Andruckkraft zu punktförmigen Stromübergängen zwischen den beiden Kontaktstücken mit einer effektiven Stromquerschnittsverengung im Gefolge. Mit anderen Worten entsteht beim Stromübergang zwischen den Kontaktstücken 5 und 6 eine hohe Wärmeentwicklung, die im Vakuum aufgrund fehlender Konvektionswirkung nur in Form von Wärmeleitung über den Festkontaktbolzen 4 und die Schaltstange 7 sowie in Form von Wärmestrahlung nach außen abgegeben werden kann.
Eine weitere Querschnittsverengung erfährt der Strom am Stromband 9. Auch hier tritt eine erhöhte Wärmeentwicklung auf, durch welche die Strombelastbarkeit der Vakuumschaltröhre 2 und damit der Vorrichtung 1 begrenzt ist.
Um die Wärmeabfuhr aus der Vorrichtung 1 zu verbessern, sind Wärmerohre 11 und 12 vorgesehen. Das Wärmerohr 11 ist in ei ner weit in den Festkontaktbolzen hinein reichenden Ausnehmung 13 angeordnet und weist ein fluiddichtes Wärmerohrgehäuse 14 auf, das über einen dem Festkontakt 5 zugewandten Verdunstungsbereich 15 und einen von diesem abgewandten Kondensationsbereich 16 verfügt. Entsprechendes gilt für das Wärmerohr 12, das mit seinem Verdunstungsbereich 15 in einer Ausnehmung 17 des Abgangsanschlussstückes 10 in der Nähe des Strombandes 9 angeordnet ist.
Der Kondensationsbereich 16 jedes Wärmerohres 11 oder 12 ist mit einem Kühlkörper 18 ausgerüstet, der zur Vergrößerung seiner Wärmeaustauschfläche mit Kühlrippen versehen ist und beispielsweise aus einem Wärme leitenden Metall besteht. Das fluiddichte Wärmerohrgehäuse 14 besteht beispielsweise aus einem gasdichten Kupferrohr, an dessen Innenseite sich eine Kapillarstruktur 19 zwischen dem Verdunstungsbereich 15 und dem Kondensationsbereich 16 erstreckt. Dabei umgibt die Kapillarstruktur 19 einen lichten Hohlraum 20. Das Wärmerohrgehäuse 14 des jeweiligen Wärmerohres 11 beziehungsweise 12 ist mit einem figürlich nicht dargestellten Wärmetransportmittel befüllt, das eine flüssige Phase beziehungsweise eine Dampfphase aufweist, wobei der Innendruck des Wärmerohres im Wesentlichen dem Dampfdruck des Wärmetransportmittels entspricht. Mit anderen Worten weist die Dampfphase innerhalb des Wärmerohrgehäuses im Wesentlichen keine Fremdgase auf. Bei einheitlicher Temperatur des Wärmerohres befinden sich die Phasen des Wärmetransportmittels im Gleichgewicht miteinander.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 steigt die Temperatur des Verdunstungsbereiches 15 über die Temperatur des Kondensationsbereiches 16 an. Es kommt zum Verdampfen des Wärmetransportmittels, das als Gas durch den leichten Hohlraum 20 zum Kon densationsbereich 16, also dem kühleren Bereich, transportiert wird. Aufgrund der tieferen Temperatur kommt es dort zur Kondensation des dampfförmigen Wärmetransportmittels, wobei die entstehende Flüssigkeit über Kapillarkräfte der Kapillarstruktur 19 zurück zum Verdunstungsbereich transportiert wird. Die bei der Verdampfung verbrauchte Wärmeenthalpie wird auf diese Weise wirkungsvoll an den Außenbereich des Kondensatorbereiches 16 abgegeben. Durch den Kühlkörper 18 erhöht sich die Temperaturdifferenz zwischen dem Verdunstungsbereich 15 und dem Kondensationsbereich 16 und somit die Wärmeableitung des Wärmerohres 11 beziehungsweise 12.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer schematischen Darstellung. In diesem Ausführungsbeispiel ist die in 1 gezeigte Vakuumschaltröhre mit zwei weiteren Vakuumschaltröhren in einem auf Erdpotenzial liegenden Schaltergehäuse 21 angeordnet, wobei die in 2 ebenfalls nicht dargestellten Festkontaktbolzen jeweils mit einer Sammelschiene 22 verbunden ist. In der Ansicht der 2 ist nur eine dieser Sammelschienen 22 erkennbar.
Die Sammelschiene 22 ist in einem weiteren Schaltgehäuse 23 angeordnet, das ebenfalls auf Erdpotenzial liegt. Zum isolierten Herausführen aus dem Schaltergehäuse 23 dient eine Durchführung 24. Durchführungen sind als solche bekannt, so dass an dieser Stelle auf deren Aufbau nicht genauer eingegangen zu werden braucht. Es sei lediglich darauf hingewiesen, dass die Durchführung 24 einen nicht leitenden Isolierkörper aus Gießharz aufweist und über den Isolierkörper an dem Schaltergehäuse 23 befestigt ist. Die Sammelschiene 22 weist eine Ausnehmung 25 auf, in die sich ein Wärmerohr 11 teilweise erstreckt, wobei der Kondensationsbereich 16 sowie der Kühlkörper 18 des Wärmerohres 11 außerhalb des Schalter gehäuses 23 angeordnet sind. Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird Wärme über die Wärme leitende Sammelschiene 22 zum Verdunstungsbereich 15 des Wärmerohres 11 transportiert und von diesem beschleunigt über den Kühlkörper 18 an die Außenatmosphäre abgegeben.

Claims

Vorrichtung (1) zum Unterbrechen eines von einer Hochspannung getriebenen elektrischen Wechselstromes mit Kontaktstücken (5, 6), die mit Leitern (4, 7, 9, 10) verbunden und in einem Kontaktgehäuse angeordnet sind, wobei die Leiter (4, 7, 9, 10) zumindest teilweise beweglich geführt sind und die Kontaktstücke (5, 6) mittels eines Antriebes und einer Antriebskinematik von einer Kontaktstellung in eine Trennstellung überführbar sind, mit einem Wärmerohr (11, 12) mit einem fluiddichten Wärmerohrgehäuse (14), das einen Verdampfungsbereich (15), einen Kondensationsbereich (16) und eine Kapillarstruktur (20) aufweist, die sich zwischen dem Verdampfungsbereich (15) und dem Kondensationsbereich (16) erstreckt und mit diesen thermisch gekoppelt ist, wobei das Wärmerohrgehäuse (14) ein Wärmetransportmittel aufweist und der Verdampfungsbereich (15) Wärme leitend mit einem der Leiter (4, 7, 9, 10) oder einem der Kontaktstücke (5, 6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter eine Sammelschiene (22) aufweisen, die sich mittels einer Durchführung (24) durch eine im Betrieb der Vorrichtung (1) auf Erdpotenzial liegende Wandung (21, 23) erstreckt eines Schaltergehäuses (21, 23), wobei die Sammelschiene (22) auf ihrer vom Kontaktgehäuse (3) abgewandten Seite eine Ausnehmung (25) aufweist, in der das Wärmerohr (11) zum Teil angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Leiter (4, 7, 9, 10) eine Ausnehmung (13) aufweist, in die hinein sich das Wärmerohr (11, 12) teilweise erstreckt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsbereich (16) einen Kühlkörper (18) kontaktiert.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktgehäuse (3) in dem geerdeten elektrisch leitenden Schaltergehäuse (23) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktgehäuse (3) in einem elektrisch nicht leitenden Isolierstoffgehäuse angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmittel eine flüssige Phase und eine Dampfphase aufweist, wobei der Druck innerhalb des Wärmerohrgehäuses (14) gleich dem Dampfdruck der flüssigen Phase ist.