WO2014135641A2 - Plattenstapel für kühlvorrichtung in installationsgeräten - Google Patents

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    • H01H9/52—Cooling of switch parts

Definitions

  • the invention relates to a stack of plates for a cooling device in an electrical installation device.
  • the plates i.a. Fixed on special side walls or enclosures and kept at a distance and also at the same time electrically insulated against each other.
  • the object of the invention to provide cooling plates in a device to installation devices for cooling of exhaust gases, which are designed uniformly and which can be stacked with a narrow defined distance.
  • the solution of the problem is formulated in the main claim. Further advantageous embodiments are specified in subclaims.
  • the essence of the invention is that the plate stack consists of identical plates made of a material of high thermal conductivity, wherein the plates are each provided with the plate spacing corresponding spacers, and wherein the plates are arranged in the stack so that their orientation changes sequentially.
  • the plate stack is arranged in a switching gas cooling device of an installation device.
  • spacer elements are provided on the plates, said plate and spacers are integrally formed.
  • a raised spacer element is created as a bulge by plastic deformation on one side and a depression on the opposite side.
  • the invention assumes that the deep stamping process is performed on only one side of the material, so that bulges only occur on one side of the materials. If the plates were stacked in identical orientation, the raised embossments of one plate would dip into the recesses of the next plate.
  • cooling plates made of good thermal conductivity ceramic can be used, in which, however, only spacers and on the
  • the description of the invention therefore relates primarily to metallic cooling plates.
  • Panels can be stacked on top of each other with uniformly close spacing.
  • the parallel cooling plates are arranged at a close distance in the tenth of a millimeter range. Compliance with this narrow distance is essential to the function crucial for cooling and pressure gradient. Therefore, in the arrangement and fixation of the cooling plates, a design is chosen that allows tight tolerances and is suitable for mass production. Furthermore, the parallel cooling plates should be constructed so that an adequate seal against currents is present, so that possible no
  • the plate stack assembly according to the invention is designed such that position and
  • the change in orientation in the disk stack can be done by
  • the plates usually have a rectangular format. In the case in which the plates are formed square, there is correspondingly another consideration of
  • the plate stack is part of a cooling device and requires for its function both a holding device (frame / housing), which holds the plates together, as well as an adequate seal against lateral, the plate stack passing flows.
  • the plates may preferably be formed such that a window formed in the cooling device is designed to be smooth on the inside as a frame for the stack of plates - ie without insertion grooves.
  • An inventively designed plate stack forms by itself a good cohesion and provides the necessary seal against a smooth inner wall of the window.
  • the plates can be made of steel, copper or highly thermally conductive ceramics.
  • the spacer elements are formed as a deep embossing.
  • the spacers are integral with the plate and formed in shape as a knob, as a cone, as a truncated cone, as a cylinder or as a web.
  • the spacers should be formed only on one surface of a plate.
  • the spacers may be formed in the surface of the plate and / or on the edge of the plate.
  • Fig. 1 A plates with 3 nubs at the edges, rotation in the plane;
  • Fig. 1B variant - plate with additional knob in the middle
  • Fig. IC variant - not round knob shape, rotation in the plane
  • Fig. 1D variant - folded out of the plane plates
  • Fig. IE laterally edge webs for sealing
  • Fig. 2 sectional view of a plate stack in a cooling device.
  • Figures 1 A to IE show different variants of the plate formation.
  • Figure 1A For a stack of plates in a cooling device, at least three spacers are required ( Figure 1A) to allow the plates to be clearly defined one above the other at a predetermined distance.
  • the distance of the plates one above the other is determined by the height of the spacer elements, which is achieved by the punching or embossing depth.
  • the spacers 30, 31 are preferably on the
  • Spacers are also provided at a greater distance to the side edges.
  • Fig. 1A shows panels with three nubs 30 at the edges, Fig. 1B showing a second variant having an additional nub in the middle.
  • a third variant is shown, in which the spacer elements 32 have a non-circular shape.
  • the shape of the spacer elements is not limited to round elements, but in principle may be arbitrary.
  • the elements can also be placed directly on the plate edge, as shown by way of example in FIGS. 1C and 1D.
  • Figures 1A and 1C show an asymmetrical arrangement of the spacer elements, so that when the plates are rotated by 180 ° about a vertical axis (perpendicular to the plate plane) the spacer elements of two plates lying over one another do not come to lie above each other.
  • Fig. 1D another type of arrangement is shown.
  • the desired result is achieved by folding through 180 ° of the plates about an axis lying in the plate surface.
  • the stamping or embossing technique can also be used for the production of lateral seals
  • sealing elements 32 are used for the flow-through plate stack.
  • the impressions or punches introduced at the edge must mesh with each other for sealing purposes and must therefore be arranged symmetrically.
  • All cooling plates 15 have the same thickness 16. Preferably between 500 to 1000 ⁇ or for special applications in a narrower range of 700 to 900 ⁇ on average 800 ⁇
  • FIG. 2 is a sectional view with the cooling device 10 cut perpendicularly in the middle (with reference numeral 12 as the cutting plane).
  • reference numeral 12 As the cutting plane.
  • the cooling device 10 cut perpendicularly in the middle (with reference numeral 12 as the cutting plane).
  • the outlet for the switching gases In the front of the drawing is the outlet for the switching gases; the rear area of the cooling device is directed to the switching chamber of the installation device.
  • the cooling plates 15 are transverse to the flow direction 20 and form the cold plate stack.
  • Twenty-two slots 17 are formed between the cooling plates.
  • the space between the cooling plates are slots 17. These have a slot width 18, which is determined by the height of the spacers.
  • the slot width 19 corresponds to the width of the window in the cooling device.
  • the height of the spacers can each be graded according to expected gas mass flow: 100 to 500 ⁇ , or 250 to 400 ⁇ , or even narrower 200 to 300 ⁇ .
  • the total cross section of the passage openings is essentially determined by and dependent on the switching power or nominal current of the
  • the overall cross-section of the passage openings of the design illustrated in Fig. 2 has an order of magnitude of 300 mm 2 , if as slot width (18) 0.2 mm, as a width (19) 20 mm and the number of plates is based on 22.
  • the switching gas cooling device with the plate stack according to the invention can be applied to all electromechanical switching devices which produce a significant blow-out.

Landscapes

  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plattenstapel in einer Kühlvorrichtung (10) für in elektrischen Installationsgeräten auftretende heiße Gase, vorzugsweise in Niederspannungs-Leistungsschaltern. Es wird vorgeschlagen, dass im Strömungsweg (20) der heißen Schaltgase in ein Fenster (13) der Plattenstapel angeordnet ist, der aus identischen Platten (15) aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, wobei die Platten (15) jeweils mit dem Plattenabstand entsprechenden Abstandselementen (30) versehen sind, und wobei die Platten im Stapel derart angeordnet sind, dass ihre Orientierung aufeinanderfolgend wechselt.

Description

PLATTENSTAPEL FÜR KÜHLVORRICHTUNG IN INSTALLATIONSGERÄTEN Die Erfindung betrifft einen Plattenstapel für eine Kühlvorrichtung in einem elektrischen Installationsgerät.
In der Elektrotechnik sind parallele Plattenanordnungen mit definiertem Abstand
typischerweise als Löschblechpakete bekannt. Hierbei werden die Platten (Löschbleche) i.a. über spezielle Seitenwände oder Einfassungen fixiert und auf Abstand gehalten und auch dabei gleichzeitig gegeneinander elektrisch isoliert.
Es ist eine Kühlvorrichtung in Niederspannungsleistungsschaltern bekannt, bei der ein engmaschiges metallisches Netz oder Gitter eingesetzt wird (EP 0817223 Bl).
Auch andere Erfindungen setzen sich mit der Kühlung der Ausblasung auseinander;
beispielsweise in US 7488915 B2 oder in DE 102010034264 B3. Bei diesen Lösungen wird jedoch die Strömung mehrfach umgelenkt. Nachteile dieser Anordnungen sind, dass ein Druckaufbau durch die Strömungsumlenkung entlang der Kühlvorrichtung entsteht, welcher nachteilig auf das Schalt verhalten zurückwirkt. Will man diese Rückwirkung vermeiden, muss eine Querschnittsvergrößerung vorgenommen werden. Durch die komplexe
Strömungsführung (u.a. viele Umlenkungen) und den filigranen Aufbau kann es bei den engmaschigen Kühlgeflechten (EP 0817223 AI) zu Verstopfungen der Strömungskanäle durch Partikel in der Ausblasung und zu Schädigungen des Geflechts kommen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung Kühlplatten in einer Vorrichtung an Installationsgeräten zum Kühlen von Ausblasgasen anzugeben, die einheitlich gestaltet sind und die mit engem definierten Abstand gestapelt werden können. Die Lösung der Aufgabe wird im Hauptanspruch formuliert. Weitergehende vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Plattenstapel aus identischen Platten aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, wobei die Platten jeweils mit dem Plattenabstand entsprechenden Abstandselementen versehen sind, und wobei die Platten im Stapel derart angeordnet sind, dass ihre Orientierung aufeinanderfolgend wechselt. Der Plattenstapel ist in einer Schaltgas-Kühlvorrichtung eines Installationsgeräts angeordnet.
Zum Aufbau der Plattenanordnung sind an den Platten Abstandselemente vorhanden, wobei Platte und Abstandselemente einstückig ausgebildet sind.
Es sollen metallische Platten eingesetzt werden, an denen Abstandselemente durch Tiefprägen erzeugt worden sind.
Beim Tiefprägeprozess an dünnen Werkstoffen entsteht durch plastische Verformung auf einer Seite als Aufwölbung ein erhabenes Abstandselement und auf der gegenüberliegenden Seite eine Vertiefung. Die Erfindung geht davon aus, dass der Tiefprägeprozess nur auf einer Seite des Werkstoffs vorgenommen wird, so dass Aufwölbungen nur auf einer Seite der Werkstoffe auftreten. Würden die Platten in identischer Orientierung gestapelt, so tauchen die erhabenen Prägungen einer Platte in die Vertiefungen der nächsten Platte ein.
Als erfindungsgemäße Alternative können Kühlplatten aus gut wärmeleitfähiger Keramik eingesetzt werden, bei denen allerdings nur Abstandselemente und auf der
gegenüberliegenden Seite keine Vertiefungen ausgebildet sind.
Die Beschreibung de Erfindung bezieht sich daher vor allem auf metallische Kühlplatten.
Mit der Erfindung können folgende Vorteile erreicht werden
• Platten sind mit einheitlichem engen Plattenabstand übereinander stapelbar.
• Einhaltung eines eng definierten Plattenabstands.
• Minimaler Druckaufbau in der Schaltkammer, bei optimaler Abstimmung von
Plattendicke und Plattenabstand.
• Serientauglicher Lösungsansatz zur Umsetzung.
Die parallel liegenden Kühlplatten sind in einem engen Abstand im Zehntel Millimeter Bereich angeordnet. Die Einhaltung dieses engen Abstands ist für die Funktion, insbesondere für Kühlung und Druckgefälle entscheidend. Daher ist bei Anordnung und Fixierung der Kühlplatten eine Konstruktion gewählt, die enge Toleranzen erlaubt und serientauglich ist. Des Weiteren sollen die parallel liegenden Kühlplatten so aufgebaut sein, dass eine ausreichende Abdichtung gegen Strömungen vorhanden ist, so dass möglich keine
Ausblasgase an der Kühlvorrichtung vorbei ungekühlt das Schaltgerät verlassen.
Die erfindungsgemäße Plattenstapelanordnung ist derart ausgebildet, dass Lage und
Dimension toleranzunempfindlich gestaltet sind. Vorteilhaft ist, dass eine gegenseitige Isolierung der Platten nicht benötigt wird. Damit die durch Tiefprägen hergestellten Abstandselemente auch tatsächlich als
Abstandselemente dienen können, muss die Anordnung der Abstandselemente aufeinander folgender Platten unterschiedlich ausgeführt sein. Dies könnte im Prinzip durch mindestens zwei verschiedene Plattenausführungen mit unterschiedlicher Anordnung der
Abstandselemente erreicht werden. Erfindungsgemäß wird jedoch nur eine identische Ausführung verwendet, wobei die Platten im Stapel derart angeordnet sind, dass ihre Orientierung aufeinanderfolgend wechselt.
Der Wechsel in der Orientierung im Plattenstapel kann dadurch erfolgen, dass
aufeinanderfolgende Platten jeweils in einer zur Plattenfläche parallelen Ebene um 180° zueinander gedreht bzw. um eine Kante der Platten um 180° geklappt angeordnet sind. Dies wird durch eine asymmetrische Anordnung der Abstandselemente auf den Platten ermöglicht (Drehunsymmetrie bezüglich 180°).
Die Platten haben in der Regel ein rechteckiges Format. Im Falle, in dem die Platten quadratisch ausgebildet sind, ergibt sich entsprechend eine andere Betrachtung der
Drehunsymmetrie, bzw der Anordnung der Abstandselemente.
Der Plattenstapel ist Teil einer Kühlvorrichtung und erfordert für seine Funktion sowohl eine Haltevorrichtung (Rahmen/Gehäuse), die die Platten zusammenhält, als auch eine ausreichende Abdichtung gegen seitliche, am Plattenstapel vorbeiführende Strömungen. Die Platten können vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass ein in der Kühlvorrichtung ausgebildetes Fenster als Rahmen für den Plattenstapel innenseitig glatt ausgebildet ist - also ohne Einführrnuten. Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Plattenstapel bildet von sich aus einen guten Zusammenhalt und liefert die nötige Abdichtung gegen eine glatte Innenwand des Fensters.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch folgende Merkmale charakterisiert, wobei die Merkmale einzeln oder gemeinsam - soweit zutreffend - ausgebildet sein können.
Die Platten können aus Stahl, Kupfer oder aus hoch wärmeleitfähiger Keramik bestehen.
In Platten aus metallischem Werkstoff sind die Abstandselemente (und Dichtelemente) als Tiefprägung ausgebildet.
Die Abstandselemente sind einstückig mit der Platte und in ihrer Form als Noppe, als Kegel, als Kegelstumpf, als Zylinder oder als Steg ausgebildet.
Die Abstandselemente sollen nur auf einer Fläche einer Platte ausgebildet sein.
Die Abstandselemente können in der Fläche der Platte und/oder am Rand der Platte ausgebildet sein.
Unsymmetrische Anordnung der Abstandselemente auf der Plattenfläche bezüglich
Drehsymmetrie von 180° um eine auf der Plattenfläche stehenden Drehachse.
Unsymmetrische Anordnung der Abstandselemente auf der Plattenflächen bezüglich
Drehsymmetrie von 180° um eine parallel zu einer Kante der Platte stehende Drehachse. Am Rand einer Platte können einstückig mit der Platte Dichtelemente ausgebildet sein. Die Höhe der Dichtelemente sollte größer ausgebildet sein als die Größe des Plattenabstands.
Dimensionen der Platten in Dicke, Breite und Länge (und Anzahl) sind abhängig von der gewünschten Kühlleistung und damit abhängig von der Geräteklasse des Installationsgeräts ausgebildet.
Die Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Figuren dargestellt, welche im Einzelnen zeigen. Fig. 1 A: Platten mit 3 Noppen an den Rändern, Drehung in der Ebene;
Fig. 1B: Variante - Platte mit zusätzlicher Noppe in der Mitte;
Fig. IC: Variante - nicht runde Noppenform, Drehung in der Ebene;
Fig. 1D: Variante - aus der Ebene geklappte Platten,
Fig. IE: seitlich Randstege zur Abdichtung und
Fig. 2: Schnittbild eines Plattenstapels in einer Kühlvorrichtung.
Die Figuren 1 A bis IE zeigen verschiedene Varianten der Plattenausbildung. Für einen Plattenstapel in einer Kühlvorrichtung sind mindesten drei Abstandselemente erforderlich (Fig. 1A), damit die Platten eindeutig definiert mit vorgegebenem Abstand übereinander zu liegen kommen. Der Abstand der Platten übereinander (Schlitzweite 18 im Fenster 13 der Kühlvorrichtung) wird durch die Höhe der Abstandselemente bestimmt, was durch die Stanzoder Prägetiefe erzielt wird. Die Abstandselemente 30, 31 sind vorzugsweise an den
Seitenrändern oder in deren Nähe angeordnet, damit die Schaltgasströmung 20 möglichst wenig beeinflusst wird. Wird die Einhaltung des Plattenabstands durch eine größere
Ausdehnung der Platten aufgrund von Durchbiegungen schwierig, können weitere
Abstandselemente auch in größerem Abstand zu den Seitenrändern vorgesehen werden.
Die Fig. 1A zeigt Platten mit drei Noppen 30 an den Rändern, wobei die Fig. 1B eine zweite Variante darstellt, welche einen zusätzlichen Noppen in der Mitte aufweist.
In der Fig. IC ist eine dritte Variante dargestellt, in der die Abstandselemente 32 eine nichtrunde Form haben. Das heißt, dass die Form der Abstandselemente nicht auf runde Elemente beschränkt ist, sondern im Prinzip beliebig sein kann. Zudem können die Elemente auch direkt an den Plattenrand gelegt sein, wie beispielhaft in Fig. IC und 1D dargestellt. Die
Figuren 1A und IC zeigen eine unsymmetrische Anordnung der Abstandselemente, so dass bei Drehung der Platten um 180° um eine Hochachse (senkrecht auf Plattenebene) die Abstandselemente zweier über einander liegender Platten nicht über einander zu liegen kommen.
In Fig. 1D ist eine andere Art der Anordnung gezeigt. Hier wird durch Klappen um 180° der Platten um eine in der Plattenfläche liegende Achse das gewünschte Ergebnis erreicht. Die Stanz- oder Prägetechnik kann auch zur Herstellung seitlicher Abdichtungen
(Dichtelemente 32) für den durchströmten Plattenstapel verwendet werden. Dazu wird vorgeschlagen, seitlich an den Platten weitere Prägungen oder Stanzungen vorzunehmen, wie in der Fig. IE beispielhaft dargestellt. Im Gegensatz zu den Abstandselementen müssen die am Rand eingebrachten Prägungen oder Stanzungen zur Abdichtung ineinander greifen und sind daher symmetrisch anzuordnen. Des Weiteren ist für die Dichtwirkung hilfreich, wenn die seitlich angeordneten Prägungen tiefer ausfallen als die Höhe 18 der Abstandselemente.
Alle Kühlplatten 15 haben dieselbe Dicke 16. Vorzugsweise zwischen 500 bis 1000 μιη oder für besondere Anwendungsfälle auch in einem schmaleren Bereich von 700 bis 900 μιη im Mittel 800 μιη
Figur 2 ist eine Schnittdarstellung, wobei die Kühlvorrichtung 10 senkrecht in der Mitte geschnitten ist (mit Bezugszeichen 12 als Schnittebene). Vorn in der Zeichnung befindet sich die Austrittsöffnung für die Schaltgase; der hintere Bereich der Kühlvorrichtung ist zur Schaltkammer des Installationsgeräts gerichtet.
Die Kühlplatten 15 liegen quer zur Strömungsrichtung 20 und bilden den Kühlplattenstapel. In der zeichnerisch dargestellten Ausführung nach Fig. 2 befinden sich dreiundzwanzig Kühlplatten, die zusammen mit dem Rahmen 14 nach Masse, Volumen und Material die Wärmekapazität der Kühlvorrichtung bilden. Zwischen den Kühlplatten sind zweiundzwanzig Schlitze 17 ausgebildet.
Der Zwischenraum zwischen den Kühlplatten sind Schlitze 17. Diese haben eine Schlitzweite 18, die durch die Höhe der Abstandselemente bestimmt ist. Die Schlitzbreite 19 entspricht der Breite des Fensters in der Kühlvorrichtung. Die Höhe der Abstandselemente kann jeweils nach zu erwartenden Gasmassestrom abgestuft betragen: 100 bis 500 μιη, oder 250 bis 400 μιη, oder noch enger 200 bis 300 μιη. Der Gesamtquerschnitt der Durchtrittsöffhungen ist im Wesentlichen bestimmt durch und abhängig von Schaltleistung bzw. Nennstrom des
Installationsgeräts. Der Gesamtquerschnitt der Durchtrittsöffnungen der zeichnerisch in Fig. 2 dargestellten Ausführung hat eine Größenordnung von 300 mm2, wenn als Schlitzweite (18) 0,2 mm, als Breite (19) 20 mm und die Anzahl der Platten mit 22 zugrunde gelegt wird. Prinzipiell kann die Schaltgas-Kühlvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Plattenstapel auf alle elektromechanischen Schaltgeräte, die eine nennenswerte Ausblasung erzeugen, angewendet werden. Vorteilhaft bei Leistungsschaltern, Leitungsschutzschaltern und
Motorschutzschaltern im Niederspannungsbereich.
Bezugszeichen
12 Schnittebene
13 Fenster
14 Rahmen
15 Kühlplatte
16 Plattendicke
17 Schlitz
18 Schlitzweite, Höhe Abstandselement
19 Plattenbreite, Schlitzbreite
20 Schaltgasstrom
30 Abstandselement (zylindrisch)
31 Abstandselement (Steg)
32 Dichtelement

Claims

Patentansprüche
1. Plattenstapel, welcher in einer Schaltgas-Kühlvorrichtung eines elektrischen Schaltgeräts angeordnet ist, umfassend identische Platten (15) aus einem Material hoher
Wärmeleitfähigkeit, welche mit einheitlichem Plattenabstand (18) gestapelt sind,
wobei die Platten jeweils mit dem Plattenabstand (18) entsprechenden Abstandselementen (30, 31) versehen sind, und
wobei die Platten (15) im Stapel derart angeordnet sind, dass ihre Orientierung
aufeinanderfolgend wechselt.
2. Plattenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (15) aus Stahl, Kupfer oder hoch wärmeleitfähiger Keramik bestehen.
3. Plattenstapel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Platten (15) aus metallischem Werkstoff die Abstandselemente (30) als Tiefprägung ausgebildet sind.
4. Plattenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (30) einstückig mit der Platte (15) und in ihrer Form als Noppe, als Kegel, als Kegelstumpf, als Zylinder (30) oder als Steg (31) ausgebildet sind.
5. Plattenstapel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (30) nur auf einer Fläche einer Platte (15) ausgebildet sind.
6. Plattenstapel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (30) in der Fläche der Platte und/oder am Rand der Platte (15) ausgebildet sind.
7. Plattenstapel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung der Abstandselemente (30) auf einer der Plattenflächen abweichend von einer Drehsymmetrie von 180 ° um eine auf der Plattenfläche stehenden Drehachse ausgebildet ist.
8. Plattenstapel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung der Abstandselemente (30) auf einer der Plattenflächen abweichend von einer Drehsymmetrie von 180 ° um eine parallel zu einer Kante der Platte (15) stehende Drehachse ausgebildet ist.
9. Plattenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Rand einer Platte (15) einstückig mit der Platte Dichtelemente (32) ausgebildet sind.
10. Plattenstapel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelemente (32) als Tiefprägung ausgebildet sind.
11. Plattenstapel nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Dichtelemente (32) größer ausgebildet ist als die Größe des Plattenabstands (18).
12. Plattenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Dimensionen und Anzahl der Platten einem Fenster (13) in der Schaltgas-Kühlvorrichtung angepasst ist.
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