專利名稱：包括熱管的變壓器的制作方法
包括熱管的變壓器本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求I的前序部分所述的變壓器和根據(jù)權(quán)利要求14所述的制備變壓器的方法。本領(lǐng)域中眾所周知，變壓器將處于某一電壓下的電轉(zhuǎn)化為處于值更高或更低的另一電壓下的電。該電壓轉(zhuǎn)化使用初級(jí)線圈和次級(jí)線圈通過(guò)稱為互感的效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，各線圈繞在鐵磁性芯上且包括多匝電導(dǎo)體。初級(jí)線圈與電壓源連接，次級(jí)線圈與負(fù)載連接。在初級(jí)線圈中的電流在磁芯中產(chǎn)生磁場(chǎng),所述磁場(chǎng)在次級(jí)線圈中引起電壓。在過(guò)去的幾年中，常規(guī)變壓器的性能不斷改進(jìn)。該性能改進(jìn)伴隨著在變壓器及其部件的冷卻方面的持續(xù)研發(fā)。有效冷卻的問(wèn)題在繞組通常澆鑄在諸如環(huán)氧樹(shù)脂的介電樹(shù)脂中的干式變壓器中特別有意義。 在這方面，美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)US 2006/0200971號(hào)公開(kāi)了ー種包括線圈、多個(gè)集成冷卻導(dǎo)管和封裝線圈的樹(shù)脂的干式樹(shù)脂封裝的變壓器。此外，德國(guó)公開(kāi)DE 102 33 947號(hào)公開(kāi)了ー種包括發(fā)電機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換器，所述發(fā)電機(jī)包括密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。如在根據(jù)US2006/0200971的變壓器中，冷卻因此通過(guò)空氣的自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)。供選地，美國(guó)專利4，009, 417號(hào)公開(kāi)了ー種使用熱管冷卻的配電變壓器。由此，該變壓器提供有以熱管形式的外罩，該熱管具有從外罩延伸到變壓器的介電流體的蒸發(fā)器部分。熱管冷卻在美國(guó)專利5，656，984號(hào)中進(jìn)ー步提到，該專利公開(kāi)了具有用可壓縮的閉孔發(fā)泡體覆蓋的芯的實(shí)心絕緣變壓器，所述變壓器包括放置在內(nèi)部線圈與芯之間以在溫度積聚之前提取熱的熱管。并且，本發(fā)明的申請(qǐng)人的未公開(kāi)的歐洲專利申請(qǐng)09161988號(hào)公開(kāi)了ー種包括用于散發(fā)熱能的熱管的變壓器線圈，所述熱管包括形成沿繞組的圓周方向延伸的層狀蒸發(fā)器段的蒸發(fā)器。為了實(shí)現(xiàn)變壓器中的最佳熱傳輸，該熱管由此優(yōu)選為環(huán)形的。根據(jù)在圖中給出的實(shí)施方案，熱管配置在初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間。雖然熱管的使用使得與純粹空氣對(duì)流相比更有效地除去在導(dǎo)體中由歐姆損失產(chǎn)生的熱，但是使用熱管的已知變壓器的制備比較復(fù)雜。另外，如果不采取適當(dāng)技術(shù)措施，這類變壓器常會(huì)在電有源部分(electrical active part)的電絕緣方面產(chǎn)生問(wèn)題。例如,在低周圍溫度下，熱管內(nèi)部的壓カ較低，意味著介電性能通常也較低。考慮到該低介電性能，在熱管內(nèi)部的電場(chǎng)常常太高而不允許變壓器在低周圍溫度下安全操作。本發(fā)明的問(wèn)題因此在于提供一種變壓器，其允許有效冷卻且同時(shí)允許其電有源部分在廣泛溫度范圍且特別是也在低周圍溫度下有效電絕緣。該問(wèn)題通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求I的變壓器解決。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案在從屬權(quán)利要求中給出。根據(jù)權(quán)利要求1，本發(fā)明的變壓器包括指定與電壓源連接的初級(jí)線圈和指定與負(fù)載連接的次級(jí)線圏。在這些線圈中的至少ー個(gè)包括第一導(dǎo)體層和布置在所述第一導(dǎo)體層之上的第二導(dǎo)體層。第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層二者都包括在線圈的軸向配置的一個(gè)或多個(gè)盤(pán)形繞組，所述ー個(gè)或多個(gè)盤(pán)形繞組包括繞成多個(gè)同心匝的導(dǎo)體。包括第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層的線圈還包括至少ー個(gè)用于從線圈散發(fā)熱能的熱管，所述熱管包括至少ー個(gè)熱管蒸發(fā)器。在本發(fā)明中，此外，所述至少一個(gè)熱管蒸發(fā)器安置在其被包括的線圈的第一導(dǎo)體層與第二導(dǎo)體層之間。因此，一方面，如果熱管蒸發(fā)器被包括在初級(jí)線圈中，則其安置在初級(jí)線圈的第一導(dǎo)體層與第二導(dǎo)體層之間。另ー方面，如果熱管蒸發(fā)器被包括在次級(jí)線圈中，則其安置在次級(jí)線圈的第一導(dǎo)體層與第二導(dǎo)體層之間。隨著電壓降低且因此在線圈的第一導(dǎo)體層與第二導(dǎo)體層之間的介電應(yīng)カ比較低， 在各層之間的介質(zhì)的比較低的介電性能適用于提供足夠的絕緣。因此，雖然熱管內(nèi)部的壓力會(huì)比較低，但由熱管的工作介質(zhì)和圍繞熱管的材料實(shí)現(xiàn)的絕緣性能足以允許變壓器安全操作。由于熱管蒸發(fā)器的特殊位置，本發(fā)明因此組合了由熱管進(jìn)行冷卻的優(yōu)勢(shì)(S卩，更有效得多地除去導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱)與在具有高絕緣性能的材料中澆注電有源部分的優(yōu)勢(shì)(即，小間隙或空隙或絕緣距離足夠)。因此，本發(fā)明允許使用具有較小截面積的導(dǎo)體(通過(guò)保持電流固定)或使更大電流流過(guò)導(dǎo)體。因此，根據(jù)本發(fā)明可獲得具有較高功率密度的變壓器，這對(duì)于其中可用空間有限的應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤其有意義。優(yōu)選在第一導(dǎo)體層中的盤(pán)形繞組的數(shù)目與在第二導(dǎo)體層中的盤(pán)形繞組的數(shù)目相同。具體地講，第一導(dǎo)體層的盤(pán)形繞組通常分別同軸布置在第二導(dǎo)體層的盤(pán)形繞組內(nèi)，以形成多個(gè)同軸盤(pán)形繞組對(duì)。結(jié)合本發(fā)明使用的術(shù)語(yǔ)“熱管”將作廣義解釋且涵蓋其中可實(shí)現(xiàn)熱管的熱循環(huán)的任何密閉系統(tǒng)。除了與待冷卻的裝置接觸的熱管蒸發(fā)器以外，熱管通常還包括使流體在其中冷凝的熱管冷凝器和連接熱管蒸發(fā)器與熱管冷凝器且在其中蒸氣和液體分別向上和向下行進(jìn)的連接管路。通常，熱管包括限定熱管內(nèi)部的密封管道或管，例如在W003/107364中所描述類型的管，該專利的公開(kāi)內(nèi)容在此通過(guò)引用結(jié)合到本文中。一般來(lái)講，在用工作介質(zhì)填充之前將熱管抽空，選擇工作介質(zhì)以與操作溫度匹配。在操作期間，在變壓器的線圈內(nèi)產(chǎn)生的熱能由熱管蒸發(fā)器中的工作介質(zhì)吸收，由此工作介質(zhì)蒸發(fā)。工作介質(zhì)蒸氣遷移到熱管冷凝器，在其中工作介質(zhì)蒸氣由于存在的較低溫度而冷凝。冷凝的工作介質(zhì)流回?zé)峁苷舭l(fā)器，在其中再次蒸發(fā)等。因此，由于熱能被熱管蒸發(fā)器中的工作介質(zhì)吸收而實(shí)現(xiàn)線圈的冷卻。根據(jù)又ー優(yōu)選的實(shí)施方案，所述至少一個(gè)熱管蒸發(fā)器沿線圈的軸向延伸。因此，可以獲得變壓器的簡(jiǎn)便易行的設(shè)計(jì)。一般來(lái)講，熱管冷凝器(即在此釋放吸收的熱能的熱管部分)配置在線圈外部。熱管冷凝器的冷卻可例如通過(guò)空氣的自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)。供選地，諸如風(fēng)扇的冷卻裝置可效カ于冷卻段。優(yōu)選安置熱管冷凝器使得在變壓器操作期間其在熱管蒸發(fā)器上方。因此，冷凝的工作介質(zhì)由于重力流回?zé)峁苷舭l(fā)器，允許非常簡(jiǎn)單的熱管構(gòu)造。在本發(fā)明的其他實(shí)施方案中，其中安置熱管冷凝器使其在操作期間并未在熱管蒸發(fā)器上方，熱管的內(nèi)部可包括能夠?qū)淠墓ぷ鹘橘|(zhì)施加毛細(xì)管壓力的芯。該熱管蒸發(fā)器基本可具有允許其實(shí)現(xiàn)其功能的任何形式。具體地講，熱管蒸發(fā)器可具有圓形或矩形截面。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由一對(duì)空間隔開(kāi)的彎曲側(cè)壁連接在一起的具有至少大致橢圓形截面、空間隔開(kāi)的通常平坦的前壁和后壁的熱管蒸發(fā)器特別適合。根據(jù)本發(fā)明的又一優(yōu)選的實(shí)施方案，間隔層布置在第一導(dǎo)體層與第二導(dǎo)體層之間，所述間隔層包括配置的至少一個(gè)間隔物以在第一導(dǎo)體層與第二導(dǎo)體層之間形成至少一個(gè)通道，且所述至少一個(gè)熱管蒸發(fā)器由所述至少一個(gè)通道形成或布置在所述至少一個(gè)通道內(nèi)。如果熱管蒸發(fā)器通過(guò)使熱管蒸發(fā)器導(dǎo)管滑動(dòng)到相應(yīng)通道中而布置在所述至少一個(gè)通道內(nèi)，則間隔物優(yōu)選具有大致對(duì)應(yīng)熱管的截面的截面(但尺寸稍大一點(diǎn))。進(jìn)一步優(yōu)選所述至少一個(gè)熱管蒸發(fā)器以如下方式配置與包括熱管蒸發(fā)器的線圈的外壁相比，更加接近于其內(nèi)壁配置。
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如上所述，此外優(yōu)選所述熱管蒸發(fā)器由通道本身形成，其在頂部和底部封閉。因此，不需要諸如熱管蒸發(fā)器導(dǎo)管的額外裝置。根據(jù)又一優(yōu)選的實(shí)施方案，所述變壓器包括多個(gè)熱管蒸發(fā)器，所述熱管蒸發(fā)器的內(nèi)部彼此相互連接。在這方面，可優(yōu)選各熱管蒸發(fā)器的底端引入容器以便收集熱管工作介質(zhì)。如此收集的液體工作介質(zhì)可重新引入或再循環(huán)到該多個(gè)熱管蒸發(fā)器中?；蛘呋蛄硗?，進(jìn)一步優(yōu)選各熱管蒸發(fā)器的上端引入接合的熱管冷凝器，特別是經(jīng)連接管路。因此，收集冷凝的工作介質(zhì)且可將其均勻分配到熱管蒸發(fā)器。根據(jù)又一優(yōu)選的實(shí)施方案，所述熱管蒸發(fā)器由電絕緣材料制成。優(yōu)選，所述材料同時(shí)具有足夠的導(dǎo)熱率以允許從線圈有效傳熱到熱管蒸發(fā)器內(nèi)部。具體地講，熱管蒸發(fā)器的材料可為玻璃加強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂。關(guān)于熱管的工作介質(zhì)，優(yōu)選使用滿足以下需求中的至少一個(gè)的材料具體地講，優(yōu)選所述工作介質(zhì)具有良好的熱性質(zhì)，特別是高蒸發(fā)潛熱和高熱容量以及低粘度。因?yàn)闉榱税踩僮?，系統(tǒng)中的壓力需要保持在特定范圍內(nèi)，所以工作介質(zhì)的沸點(diǎn)優(yōu)選在變壓器的約正常操作溫度范圍內(nèi)。因此，避免熱管中的顯著壓力不足或壓力過(guò)大。另外，工作介質(zhì)的凝固點(diǎn)優(yōu)選低于周圍溫度，即變壓器周圍的溫度。還在變壓器的停工時(shí)間期間防止工作介質(zhì)凍結(jié)。并且，工作介質(zhì)優(yōu)選為環(huán)境友好的且滿足安全要求，諸如不燃性和低毒性，以符合對(duì)這些介質(zhì)的比較嚴(yán)格的要求。為了防止熱管中的放電，進(jìn)一步高度優(yōu)選工作介質(zhì)為介電絕緣的。因此，所述熱管優(yōu)選包括作為工作介質(zhì)的介電流體。然而，電絕緣工作介質(zhì)的適用性由于其比較低的環(huán)境友好性而受限制。具體地講，其全球變暖潛力(GWP)有時(shí)極高。在這方面，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)特別優(yōu)選氟化烴(優(yōu)選氟醚和/或氟酮)。具體地講，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有4-12個(gè)碳原子、優(yōu)選6個(gè)碳原子的氟酮非常適合本發(fā)明。最優(yōu)選所述氟酮為十二氟-2-甲基戊-3-酮。
在具有6個(gè)碳原子的最優(yōu)選的氟酮之中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)十二氟-2-甲基戊-3-酮由于其高絕緣性質(zhì)及其極低的GWP而特別優(yōu)選。先前僅考慮了十二氣_2_甲基戍_3_麗(也稱為1，1，1,2,2,4,5,5,5-九氟-4-(三氟甲基)-3-戊酮、全氟-2-甲基-3-戊酮或CF3CF2C (0) CF (CF3) 2)可用于完全不同的應(yīng)用，即，加工熔融活性金屬(如在WO 2004/090177中所提到)、用于清潔蒸氣反應(yīng)器(如在WO 02/086191中所提到)和用在滅火體系中或以液態(tài)用于冷卻電子系統(tǒng)或在小型發(fā)電站中用于Rankine過(guò)程(如在EP-A-1764487中所提到)。十二氟-2-甲基戊-3-酮為透明無(wú)色且?guī)缀鯚o(wú)味的。其結(jié)構(gòu)式如下給出
權(quán)利要求
1.變壓器(10)，其包括指定與電壓源連接的初級(jí)線圈和指定與負(fù)載連接的次級(jí)線圈，所述線圈中的至少ー個(gè)包括 第一導(dǎo)體層(32)，其包括在所述線圈的軸向配置的ー個(gè)或多個(gè)盤(pán)形繞組(36)，所述ー個(gè)或多個(gè)盤(pán)形繞組(36)包括繞成多個(gè)同心匝的導(dǎo)體(46)； 布置在所述第一導(dǎo)體層(32)之上的第二導(dǎo)體層(34)，所述第二導(dǎo)體層(34)包括在所述線圈的軸向配置的ー個(gè)或多個(gè)盤(pán)形繞組(36)，所述ー個(gè)或多個(gè)盤(pán)形繞組(36)包括繞成多個(gè)同心阻的導(dǎo)體(46);和 用于散發(fā)來(lái)自所述線圈的熱能的至少ー個(gè)熱管，所述熱管包括至少ー個(gè)熱管蒸發(fā)器(40)，其中 所述至少一個(gè)熱管蒸發(fā)器(40)安置在其被包括的線圈的所述第一導(dǎo)體層(32)與所述第二導(dǎo)體層(34)之間。
2.權(quán)利要求I的變壓器(10)，其中所述至少一個(gè)熱管蒸發(fā)器(40)在所述線圈的軸向延伸。
3.前述權(quán)利要求中任ー項(xiàng)的變壓器(10)，其中間隔層(120)布置在所述第一導(dǎo)體層(32)與所述第二導(dǎo)體層(34)之間，所述間隔層(120)包括經(jīng)配置以在所述第一導(dǎo)體層(32)與所述第二導(dǎo)體層(34)之間形成至少ー個(gè)通道的至少ー個(gè)間隔物(112)，且所述至少一個(gè)熱管蒸發(fā)器(40)由所述至少一個(gè)通道形成或布置在所述至少一個(gè)通道內(nèi)部。
4.前述權(quán)利要求中任ー項(xiàng)的變壓器(10)，其中所述變壓器(10)包括多個(gè)熱管蒸發(fā)器(40)，所述熱管蒸發(fā)器(40)的內(nèi)部彼此相互連接。
5.權(quán)利要求4的變壓器(10)，其中各熱管蒸發(fā)器(40)的底端引入容器以便收集熱管工作介質(zhì)。
6.權(quán)利要求4-5中任ー項(xiàng)的變壓器(10)，其中各熱管蒸發(fā)器(40)的上端引入接合的熱管冷凝器，特別是經(jīng)連接管路。
7.前述權(quán)利要求中任ー項(xiàng)的變壓器(10)，其中所述至少一個(gè)熱管蒸發(fā)器(40)由電絕緣材料、特別是玻璃加強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂制成。
8.前述權(quán)利要求中任ー項(xiàng)的變壓器(10)，其中包括所述第一導(dǎo)體層(32)和所述第二導(dǎo)體層(34)的線圈為高壓線圈(30)。
9.前述權(quán)利要求中任ー項(xiàng)的變壓器(10)，其中所述變壓器(10)為干式變壓器。
10.前述權(quán)利要求中任ー項(xiàng)的變壓器(10)，其中所述熱管包括作為工作介質(zhì)的介電流體。
11.權(quán)利要求10的變壓器(10)，其中所述介電流體為氟化烴，優(yōu)選為氟醚和/或氟酮。
12.權(quán)利要求11的變壓器(10)，其中所述氟酮具有4-12個(gè)碳原子，優(yōu)選6個(gè)碳原子。
13.權(quán)利要求12的變壓器(10)，其中所述氟酮為十二氟-2-甲基戊-3-酮。
14.制備權(quán)利要求3-13中任ー項(xiàng)的變壓器(10)的方法，其包括 a)形成第一導(dǎo)體層(32)； b)在所述第一導(dǎo)體層(32)之上形成間隔層(120);和 c)在所述間隔層(120)之上形成第二導(dǎo)體層(34)，其中形成所述間隔層(120)以使得當(dāng)形成所述第二導(dǎo)體層(34)時(shí)，在所述第一導(dǎo)體層(32)與所述第二導(dǎo)體層(34)之間形成至少ー個(gè)軸向延伸的通道，所述至少一個(gè)通道形成熱管蒸發(fā)器(40)或包括熱管蒸發(fā)器(40)。
15.權(quán)利要求14的方法，其包括在步驟c)之后的以下額外步驟 d)使至少ー個(gè)熱管蒸發(fā)器導(dǎo)管滑動(dòng)到所述至少ー個(gè)通道中以布置在所述第一導(dǎo)體層(32)與所述第二導(dǎo)體層(34)之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及變壓器，其包括指定與電壓源連接的初級(jí)線圈和指定與負(fù)載連接的次級(jí)線圈。所述線圈中的至少一個(gè)包括第一導(dǎo)體層，所述第一導(dǎo)體層包括在所述線圈的軸向配置的一個(gè)或多個(gè)盤(pán)形繞組，所述一個(gè)或多個(gè)盤(pán)形繞組包括繞成多個(gè)同心匝的導(dǎo)體；布置在所述第一導(dǎo)體層之上的第二導(dǎo)體層，所述第二導(dǎo)體層包括在所述線圈的軸向配置的一個(gè)或多個(gè)盤(pán)形繞組，所述一個(gè)或多個(gè)盤(pán)形繞組包括繞成多個(gè)同心匝的導(dǎo)體；和用于散發(fā)來(lái)自所述線圈的熱能的至少一個(gè)熱管，所述熱管包括至少一個(gè)熱管蒸發(fā)器。所述變壓器包括至少一個(gè)熱管蒸發(fā)器，所述熱管蒸發(fā)器安置在其被包括的線圈的所述第一導(dǎo)體層與所述第二導(dǎo)體層之間。
文檔編號(hào)H01F27/08GK102696081SQ200980162471
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者D·查圖尼, J·斯馬吉克, L·唐策爾, L·考夫曼, P·考夫曼, R·穆里略 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司