高压设备的电气部件中的带热管的冷却装置及其制造方法

摘要

本发明涉及高压设备的电气部件中的带热管的冷却装置及其制造方法，具体而言，该冷却装置布置在高压设备的电气部件中且包括热管，热管通过工作介质的蒸发和随后的已蒸发工作介质的液化将在设备的运行中在电气部件中产生的损耗热量传递到冷却器上。热管具有以高压电势而被加载并暴露在损耗热量下的用于容纳工作介质的容器以及与容器相连且将高压电势与地电势分开的绝缘管。为了在简单的结构下实现冷却装置的高的效率和高的耐久性，容器包括至少两个以材料闭合的方式彼此连接的容器部分，其中，第一容器部分具有布置在容器的内部中的电气部件的第一表面截段且第二容器部分承载有用于绝缘管的空心的联结附件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的高压设备的电气部件中的冷却装置(Kühleinrichtung)并涉及一种用于该冷却装置的制造的方法。

背景技术

上述电气部件是高压设备的负荷有工作电流的零件，尤其是开关装置，如功率开关或断路开关，或者导电体，如引线(Ableitung)或汇流排。这样的部件的电流承受能力以热的方式受到限制。因此，为了典型地在10至50kA的范围中的标称电流(就如例如在构造成发电机开关的功率开关中被传输的那些)而使用主动式的冷却装置(例如，带有通风机的空气-空气热交换器)或被动式的也就是说以无外部辅助器件(如举例而言通风机或工作介质泵)的方式而工作的带有热管的冷却装置。热管具有填充有液态的工作介质(Arbeitsmittel)且与电气部件导热地相连的容器以及冷却面在该冷却面处热量被放出到位于地电位上的冷却器(Kühler)处。在设备的运行期间，工作介质通过吸收损耗热量在容器中蒸发。蒸汽通过自然的对流(Konvektion)从容器到达到冷却面处，在该冷却面处蒸汽在放出所吸收的热量的情形下液化(kondensieren)。其后，此处所形成的液态的工作介质再次流通(zirkuliert)回到容器中。

通过设备的工作电流而产生的损耗热量通常穿过封罩(Kapselung)而被引出到外界空气处。这意味着，在位于高压电势(Hochspannungspotential)上且充当蒸发器皿的热管的容器与位于地电势上的冷却器之间需要电气绝缘段(Isolierstrecke)，其必须与所要求的高压相配地被设计。因此，热管还具有绝缘管(Isolierrohr)，该绝缘管能够被以高压(该高压由容器与冷却器之间的电势差所确定)加负荷，且通过该绝缘管工作介质可从蒸发容器流向冷却面和反向地流动。此处，高压原则上理解为大于1kV的工作电压。然而，优选的电压范围通常在100kV以下且特别是涉及到带有传输高电流的部件(尤其如单相封装或多相封装的、带有典型地为10至50kV的额定电压的开关装置等)的发电机引线(Generatorableitung)。

在文件WO 2006/053452A1中描述了一种带有热管的高压设备的电气部件中的冷却装置。热管将例如开关等的发电机引线的电气部件的损耗热量导引到周围的外部空气处。热管以同轴布置的方式具有机械地被承载的绝缘管以及两个空心的金属附件(Metallarmaturen)，其与绝缘管的两个端部耐真空地(vakuumfest)相粘接。在该两个金属附件中的一个处，导热地固定有保持在电气部件的高压导体的电势上的蒸发容器。另一附件与保持在接地的封罩的电势上的冷却器导热地相连。绝缘管形成热管的绝缘段。

在高压设备的运行期间，热管将由于电流损耗而在发电机引线中产生的热量传递到冷却器上。此处，位于热管内部的工作介质(如尤其是丙酮或氢氟醚(Hydro-Fluor-))有助于该热传递。由于电流损耗而在设备中产生的损耗热量使工作介质在容器中蒸发。蒸汽从容器穿过绝缘管流通向冷却面，在该冷却面处蒸汽液化。在液化时在起冷源作用的冷却面处所形成的热量被冷却器吸收并被放出到外部空气处。通过绝缘管将在液化时所形成的液体再次朝向容器而引回。

发明内容

如其在权利要求中所说明的那样，本发明的目的在于，创造一种在高压设备的部件中的冷却装置，其杰出之处在于简单的结构(Aufbau)以及高的效率和高的耐久性并且同时，说明了一种方法，以此可以低成本的方式制造该冷却装置。

在根据本发明的冷却装置中，在热管中所使用的蒸发容器包括至少两个以材料闭合的方式(stoffschlüssig)彼此连接的容器部分它们中，第一容器部分具有布置在容器的内部的电气部件的表面截段且第二容器部分承载有用于绝缘管的空心的(hohle)联结附件(Anschlussarmatur)。

因为表面截段此时位于容器中，所以热管的液态的工作介质直接地接触该表面。在设备的运行中在电气部件中所产生的损耗热量此时在容器内从电气部件的表面截段转移到工作介质上。此时，消去了在电气部件和容器之间的，相对较大的，依赖于不平度(Unebenheiten)、氧化物层或不一致的接触压力分布的热接触阻抗(Kontaktwiderstand)。因为现在起在容器内部面和工作介质之间剩下相对来说较小的热接触阻抗，所以热管的热阻显著地减小且相应地提高了其效率。通过热管的减小的热阻，现在，在有所增加的电流负荷下或者说在与之相联系的有所增加的损耗热量下，设备或者说电气部件的温度同样可被保持在极限温度(Grenztemperatur)之下。

在用于这样的冷却装置的制造的方法中，将预制容器的至少两个部分，在它们中，第一容器部分包括电气部件的表面截段，环状地围绕该表面截段的凹槽被成形到该两个容器部分的第一容器部分中，环状地封闭的边棱(Rand)被成形到第二容器部分中，可硬化的粘接剂(Klebstoff)被填入到凹槽中，通过将边棱引入(einbringen)到凹槽中而使该两个容器部分彼此接合(verfugen)，且此处，可硬化的粘接剂被挤压(pressen)到在接合时形成的接缝(Fuge)中，并且，使如此地被预制的容器经受热处理，在该热处理中，形成了含有硬化的粘接剂的粘接连接(Klebverbindung)。

本发明另外的特征和另外的有利的效果由下面所描述的实施例中得出。

附图说明

借助图纸对本发明的实施例作进一步说明。其中：

图1显示了以冷却装置来冷却的、实施成封装式的高压设备(在其中，移除了封罩的朝向上的部分)的示意性地示出的截段的平面图，

图2至8各显示了沿II-II所取的穿过被用作蒸发器的容器的截面的左视图，这些容器各为根据图1的冷却装置的放大地且仅示意性地示出的七个实施形式中的一个的部分，

图9显示了从左上方倾斜地引到穿过此时详细地示出的根据图8的容器的截面的视野，

图10以透视图的形式显示了根据图9的在其制造开始时的容器，且，

图11以透视图的形式显示了根据图9的在其制造的进一步的阶段中的容器。

参考标号列表

A             高压设备

B             容器

I             绝缘管

E             金属封罩

G，T          高压设备的电气部件

K             冷却器

L             导电体

W             热管

10            容器部分

11            表面截段

12，12′，12″凹处

13            凹槽

20        容器部分

20′，20″板

21        联结附件

22        接片

23        包边

24        联结附件

25        凹槽

30        粘接连接

31，32    接合面

33        硬化的粘接剂

40        装配辅助工具(Montagehilfe)

41，41′  压梁(Druckbalken)

42，42′  螺杆

43        紧螺母

b         壁凸出部23的宽度

d         边棱22的厚度

t         凹槽13的深度

具体实施方式

在所有图中，相同的参考标号涉及起相同作用的零件。在图1中示出的高压设备A的截段是多相的发电机引线的其中一相的一部分，且包括接地的金属封罩E、保持在封罩中的导电体L以及热管W。封罩E用于在设备的运行中出现的反向电流(Rückstrom)的传输，反之，导电体L用于在典型地为10至50kV的电压下在发电机中所产生的典型地为10至50kA的电流的传输。显然，导电体L的截段，如构造成发电机开关G或者说断路开关T的发电机引线的电气部件，各与两个热管W处于导热接触中。

热管W各具有封闭的、耐真空的容积，在其中布置有通常在重力作用下可流通的工作介质。因此，热管W中的每个相对水平线倾斜地布置。在热管W的下端部处存在有蒸发器的容器B，且在上端部处存在有冷却面，其以热传导的方式与冷却器K相连。容器B由金属制成且热耦合(ankoppeln)到导电体L处。冷却器K同样由金属制成。冷却器被固定在封罩E上，然而同样可被装配在封罩E旁。原则上，冷却器可以是单独地实施而成的物体，其被安装在封罩E之外并向外放出热量。冷却器同样可为热耦合在封罩E处的。通常，冷却器具有取出(entziehen)导电体L的热影响(Heizwirkung)的散热片(Kühlrippen)。如由图1可见，为了达到较大的蒸发器功率，热管W同样可具有两个(或必要时还可多于两个)容器。在热管W的内部，同样可布置有从容器B延伸向冷却面或者说延伸向冷却器K的毛细管(Kapillaren)。那么，通过毛细力将在冷却器K的作用下变为液体的工作介质从冷却面引回到容器B。设有毛细管的热管可以不依赖于其位置的方式，即，以向上地、向下地、水平地或倾斜地向上或向下地取向的方式被装入到设备A中。

为了桥接容器B或者说导电体L与冷却面或者说冷却器K或者说封罩E之间的电势差，此处设置有作为绝缘段起作用的绝缘管I。绝缘管在设备A的运行期间不仅暴露在(ausgesetzt)高的电气负荷下，而且还同时暴露在由在其内部作为液体和作为蒸汽而流通的工作介质所引起的热负荷和化学负荷下。

在运行期间，在导电体L中被传输且在发电机中被产生的标称电流将显著地加热设备A。因为设备的特别地有危险的零件(举例来说，承载导电体L的绝缘体)不允许超过典型地为105℃的极限温度，所以仅可传输一定的标称电流，其在无冷却的情形下仅可达(例如)13kA。在容器B中工作介质被蒸发，且在此从导电体L提取热量。利用合适的工作介质(例如丙酮或氢氟醚)，则即使在与未经冷却的设备相比显著增加的标称电流下也可将导电体L保持在极限温度之下。蒸发的工作介质在未绘出的冷却面处变成液体，在冷却面处，在此所释放的冷凝热量到达冷却器K中且被从该处放出到外部空气处。变成液体的工作介质由于重力通过倾斜地放置的热管W重新回流到容器B中。

如由图2至8可见，容器B具有两个以材料闭合的方式彼此连接的容器部分10，20。两个容器部分的第一容器部分10由负荷有电热的电气部件T的截段所形成，且具有布置在容器B的内部的表面截段11。第二容器部分20通过粘接连接30以工作介质不可透过的方式(arbeitsmitteldicht)与容器部分10相连且承载有绝缘管I的空心联结附件21。作为粘接连接30的替代，必要时同样可设置有其它的工作介质不可透过的材料闭合的连接，例如钎焊连接或焊接连接(-oderSchweissverbindung)。为了制造粘接连接，使用液态的粘接剂，举例来说基于环氧树脂的双组分粘合剂。

因为表面截段11位于容器B中，所以工作介质直接地接触该表面。在设备A的运行中在导电体L中所形成的热量此时在容器B内在表面11处从导电体L或者说从构造成分离器(Trenner)T的电气部件转移到工作介质上。因为此时消去了导电体L和容器B之间的，与不平度、氧化物层或不一致的接触压力分布有关的，通常相对较大的热接触阻抗，且因为在容器B的面(此处为表面截段11)和工作介质之间仅留有相对来说较小的热接触阻抗，所以热管W的热阻显著地减小且相应地提高了其效率。通过有所减小的热管W的热阻，此时在有所增加的电流负荷或者说与之相联系的有所增加的损耗热量下同样可将设备A或者说部件T的温度保持在极限温度之下。因为容器B是蒸发器的零件，所以热阻可通过如下方式额外地被减小，即，表面截段11覆有使工作介质的蒸发过程(Siedevorgang)变得容易的材料、举例来说多孔材料。

在图2至7中示出的容器B中，粘接连接30各具有成形到容器部分10中的、环状地围绕表面截段11的接合面31和成形到容器部分20中的、搭接接合面31的接合面32，以及布置在两个接合面之间且充满硬化的粘接剂33的粘接接缝。为清楚起见，接合面31和32仅在图2至4中标出且硬化的粘接剂33仅在图2中标出。

这样的容器可特别容易地被制造。接合面31例如通过平整化举例来说通过磨削和抛光而被成形到由电气部件T所形成的容器部分10的表面中。该接合面如此地来布置，即，其环状地围绕表面截段11。接合面32以相应的方式被成形到容器部分20中。然后，两个容器部分10，20被彼此接合。在两个接合面31和32之间的接合中所形成的缝隙以可硬化的粘接剂而被填充，其在于有所增加的温度下的硬透之后通过硬透的粘接剂33而形成两个容器部分10，20的材料闭合的且工作介质不可透过的连接30。

显然，两个接合面31，32可在容器内(图2)或在容器外(图3)搭接。如果两个接合面与图4相应地在容器B内且在容器B外搭接，则粘接连接30具有与在根据图2和3的实施形式中的情形下相比更长的在粘接剂中的扩散路径(Diffusionsweg)。

在由图5至7可见的容器B的实施形式中，包括表面截段11的凹处12同样被成形到电气部件T中。因此，表面截段11与在根据图2至4的实施形式中相比更大。带有这样的容器的冷却装置相应地具有特别小的热阻。

在根据图5的实施形式中，容器部分20具有两个平的(ebene)彼此成角度地布置的面，其使得容器B的相对简单的制造成为可能。

区别于根据图5的实施形式，在根据图6的实施形式中容器部分20构造成向外拱起的(gewoelbte)半壳。容器B的这样的实施形式具有相对较大的用于容纳工作介质的容积。

在根据图7的实施形式中，两个凹处12′，12″被成形到容器部分10中，两个凹处12′，12″各容纳电气部件T的表面的两个截段11′，11″中的一个。容器部分20包括两个板20′，20″，在形成彼此连通的两个部分容积的情形下，两个凹处12′，12″中的各一个朝外地被板所限定。因为在该容器B中粘接连接30仅具有平的接合面，所以这样的容器可特别容易地被制造。

在根据图8和9的容器的实施形式中，粘接连接具有呈凹槽连接(Nutverbindung)的形式的两个容器部分的接头(Verfugung)。环状地包围表面截段11的凹槽连接的凹槽13被成形到容器部分10中(图10)。容器部分20具有插入到凹槽13中的接片22。布置在凹槽13的底部以及联结到凹槽底部的两个凹槽侧面(Nutflanken)与接片22之间的接缝以硬化的粘接剂33而被填满。通过凹槽连接与粘接连接的组合，一方面实现了容器的高的机械强度且另一方面实现了在硬化的粘接剂33中的较长的扩散路径。如由图9可见，扩散路径此时通过两倍的凹槽13的深度t和接片22的厚度d来确定。扩散路径的额外的延长通过如下方式来实现，即，容器部分20包括至少一个被集成到粘接连接30中的、布置在凹槽13之外的包边(Umrandung)23。包边23构造成环形的且借助于硬透的粘接剂33与容器部分10的表面刚性地相连。扩散路径此时增加了由图8可见的包边23的宽度b。由图8还可见，包边23可布置在容器B内或容器B外。如果设置有两个包边，其中，一个(以虚线方式示出)布置在容器B中且另一个布置在容器之外，则将实现特别长的扩散路径且相应地实现容器B的在长的时间段上的耐真空性能。

在根据图8和9的容器B的制造中，凹槽13被成形到容器部分10中且接片22被成形到容器部分20中。该成形典型地通过切削加工来实现。如从图10可知，凹槽13环状地包围电气部件T的表面截段11。液态的粘接剂被填入到凹槽13中且按照半壳的形式向外拱起地构造而成的容器部分20的接片22被引入到凹槽13中。接合力的施加使得将接片22挤入(eindringen)到凹槽13中成为可能且同时使得粘接剂中的压力的建立成为可能。因此，通过接合力将两个容器部分10，20彼此接合，且同时粘接剂通过挤入到凹槽13中的接片22而被排挤且被挤压到在接合时形成的粘接接缝中。该粘接接缝在必要时(也就是在使用包边23时)延伸到联结到凹槽13处的环形的缝隙中，该缝隙布置在容器部分10的或者说电气部件T的表面和包边23之间。

一旦接片22或必要时所设置的包边23抵靠到电气部件T处，则接合和排挤过程结束且粘接接缝则完全地被填充以粘接剂。在使粘接剂的硬透加速的、典型地在60至180℃下的热处理之后，可实现这样的容器B，即，其杰出之处在于良好的机械特性。在制造技术方面优选的是这样的粘接剂，即，其在所说明的温度区间的上部部分中被硬化，因为在硬化时可同时煅烧(einbrennen)出为粘接位置30或者说容器B或者说部件T的保护而所需要的涂层。

为了使两个容器部分10，20的接合和粘接变得容易，在容器的制造中使用在电气部件T处或者说在容器部分10处固定的装配辅助工具40。由图11可见的装配辅助工具具有四个刚性地固定在容器部分10处且相对于容器部分10的表面垂直地取向的螺杆42以及两个压梁41。压梁41的端部各包括一孔，螺杆42中的相应的一个被引导通过孔。在将接片22引入到凹槽13中后，两个压梁41和各两个螺杆42接合在一起且以螺母43拧紧。在拧紧中形成接合力。压梁41用于，使容器部分20在接合时精确地被引导且在此同时以经限定的且在由图8和9可见的接片22上均匀地分布的接合力而被加载(beaufschlagt)。装配辅助工具40在热处理后被移除。

如由图8、9和11可见，容器部分20承载有空心的联结附件21。其在热管的制造中以工作介质不可透过的方式并且以材料闭合的方式、尤其通过粘接、与绝缘管I相连。联结附件21显然可见地被成形到容器部分20中。如在图8中以虚线所表示的，联结附件21同样可以可拆的方式(例如通过耐真空的拧紧)与容器部分20相连。在绝缘管I损坏的情形下，则可在打开螺纹连接后容易地替换绝缘管I。

如在图11中示意性地表示的，装配辅助工具40必要时同样具有在两个螺杆42′中被引导的压梁41′，其作用到绝缘管I的第二联结附件24上。在热管W的制造中，液态的粘接剂被引入到由图8可见的联结附件21的凹槽25中和被引入到联结附件24的相应地构造成的凹槽中，并且，绝缘管I以其下端部被引导到凹槽25中且以其上端部被引导到联结附件24的相应的凹槽中。其后，压梁41′和两个螺杆42′被接合到一起且以未示出的螺母而被拧紧。在拧紧时形成接合力，其使得在粘接剂中的压力的同时的建立的情形下将管端部挤入到两个附件的凹槽中成为可能。因此，绝缘管I和两个联结附件21，24被彼此接合且粘接剂被挤压到在接合时在绝缘材料管I和附件21，24之间形成的接缝中。压梁41′与压梁41相应地用于，使绝缘管I和联结附件24在接合时精确地被引导且绝缘管I由此以经限定的且在其整个周缘上均匀地分布的接合力而被加载。

一旦绝缘管I的端部抵靠到联结附件21，24处，则接合和排挤过程结束且接缝则完全地被填充有粘接剂。通过随后的之前在容器B的制造中已描述的热处理，可实现这样的热管W，即，其杰出之处在于典型地为20[N/mm²]的高的机械拉伸剪切强度和良好的带有小于10^-9[mbarl/s]的泄漏率的真空密封性。