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Verfahren zur Verringerung des Kontaktwiderstandes von
Flüssigkeitskontakten
Der Stromübergang von Flüssigkeitskontakten, d. s. elektrische Kontakte mit Kontaktgliedern aus festen leitenden Stoffen und zwischengeschalteter leitender Kontaktflüssigkeit (z. B. Quecksilber), erfolgt teilweise auf Grund der Leitfähigkeit der auf den festen Kontaktgliedoberflächen stets vorhandenen Fremdschichten mit denen die Kontaktflüssigkeit, im Gegensatz zu den Kontaktgliedern gewöhnlicher Kontakte, die sich nur längs kleiner Herz'scher Flächen berühren, über makroskopische Bereiche in Berührung steht und teilweise deshalb, weil beim Anlegen der Kontaktspannung an die Kontaktglieder infolge der in den Fremdschichten auf den Kontaktgliedern entstehenden elektrischen Feldstärken elektrische Durchschläge (Frittungen)
mit nachfolgendem Eintritt von gut leitendem Material (Metall) in die Entladungskanäle und damit metallische Brücken durch die Fremdschichten hindurch entstehen. Daneben kann es bei Kontaktgliedern mit örtlich besonders dünnen Fremdschichtstellen zur Stromleitung auf Grund des Tunneleffektes über diese Stellen kommen. Bei länger in Betrieb befindlichen Flüssigkeitskontakten spielt dieser Vorgang meist jedoch nur eine geringe Rolle.
Fig. 1 zeigt einen Flüssigkeitsgleitkontakt für grössere Gleitgeschwindigkeiten entsprechend der
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188388dem erforderlich. Wie auch bei andern elektrischen Durchschlagsvorgängen ist dabei eine umso höhere Feldstärke in den Fremdschichten nötig, je kürzer sie zur Wirkung kommt. Das Auftreten von Frittung kommt bei Flüssigkeitskontakten im allgemeinen schon bei geringeren Frittspannungen zustande, weil dünne Fremdschichtstellen auf den Kontaktgliedern infolge des Feldzusammenbruches in der gut leitenden Kontaktflüssigkeit auch dann einander elektrisch gegenüberstehen, wenn dies örtlich nicht zutrifft (s. Fig. 1).
Bei hohen Glietgeschwindigkeiten (s. Fig. l) steht das bewegliche Kontaktglied mit dem ortsfesten Kontaktglied nur kurze Zeit hindurch über die Kontaktflüssigkeit in Verbindung (ähnlich wie die sich unmittelbar berührenden Kontaktglieder gewöhnlicher Kontakte bei hohen Gleitgeschwindigkeiten), u. zw. eine umso kürzere Zeit hindurch, je kürzer das ortsfeste Kontaktglied in Richtung des Umfanges des beweglichen Kontaktgliedes und je höher die Gleitgeschwindigkeit bemessen wird.
Zur Herstellung der Frittkanäle in den Fremdschichten des beweglichen Kontaktgliedes ist deshalb eine umso höhere Frittspannung nötig, je höher die Geschwindigkeit liegt, ja es kann vorkommen, dass es bei hohen Gleitgeschwindigkeiten überhaupt nicht mehr zu Fritterscheinungen bzw. zur Bildung von Frittbrücken kommt. Die Kontaktverluste in Flüssigkeitskontakten sind dann verhältnismässig gross, weil die Stromleitung nur mehr auf Grund der an sich schlechten Leitfähigkeit der Fremdschichten auf den Kon- taktgliedoberflächen zustande kommt.
Nach Eintreten der Frittung, d. h. nach Bildung der Frittbrücken, deren Querschnitt von der Stärke des über den Kontakt fliessenden Stromes abhängt, geht die Frittspan- lung, wie bei gewöhnlichen Kontakten, auf ungefähr den Wert der Schmelzspannung, d. h. etwa 0, 3-1 V zurück. Grundsätzlich ist daher bei Flüssigkeitskontakten etwa mit den gleichen Kontaktspannungen wie bei gewöhnlichen Kontakten und damit bei grossen Stromstärken mit nahezu gleich hohen elektrischen Verlusten zu rechnen.
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Es wurde deshalb vorgeschlagen (s. österr. Patentschrift Nr. 199261) die Fremdschichten auf den Kontaktgliedoberflächen durch mechanische Bearbeitung (Kratzen, Feilen, Fräsen) durch Ultraschall oder durch - über den Kontaktstrom überlagerte-kurze Stromstösse, d. h. durch starke künstliche Frittvorgänge und damit Bildung starker Frittbrücken zu vermindern. Dazu sind aber Einrichtungen nötig, die entweder verhältnismässig kompliziert und teuer sind (Ultraschallsender, zusätzliche starke Stromquellen) oder die sich besonders bei hohen Kontaktgleitgeschwindigkeiten nicht mehr erfolgreich anwenden lassen.
Erfindungsgemäss wird daher vorgeschlagen, eine stellenweise Freilegung der fremdschichtbehafteten Kontaktgliedoberflächen dadurch zu bewirken, dass eine vom Kontaktstrom unabhängige stromschwache elektrische Gasentladung über die Kontaktgliedoberflächen vor ihrer Bedeckung durch die Kontaktflüssigkeit geleitet wird und die Kontaktgliedoberflächen - wie aus zahlreichen Versuchen erkannt werden konnte-dadurch an den Fusspunkten der Entladungskanäle von Fremdschichten gereinigt werden.
Die Reinigungswirkung geht dabei auf die Zerstörung der Fremdschichten durch lokale Wärmewirkung (Zerfall der Oxyde an den Entladungsfusspunkten auf den Kontaktgliedoberflächen) teils vermutlich auch auf Grund der reduzierenden Wirkung von Wasserstoffionen, die teils aus der Gasentladung teils aus den an den Kontaktgliedoberflächen vorhandenen Wasserhäuten stammen, vor sich. Fig. 2 lässt den Grundgedanken der Erfindung an einem Beispiel erkennen. K2 sei das metallische mit Fremdschichten bedeckte bewegliche Kontaktglied eines Flüssigkeitsgleitkontaktes. F stellt einen kleinen Funkeninduktor, wie er für medizinische Zwecke oder zur Lecksuche in der Hochvakuumtechnik Verwendung findet, mit der primären und sekundären Wicklung WundW der Gleichstromquelle Gl und dem Wagner'sehen Hammer H dar.
Ein Pol der Sekundärwicklung des Induktors ist ebenso wie das bewegliche Kontaktglied
K2 z. B. über das Lager L geerdet (mit Masse verbunden). Die zwischen der Elektrode E und dem beweglichen Kontaktglied sich abspielende Gasentladung reinigt an ihren sich örtlich stets verändernden Fusspunkten die Oberfläche des beweglichen Kontaktgliedes. Man kann also unabhängig vom Kontaktstrombei entsprechend intensiver Anwendung des Verfahrens-über beliebig grosse Teile der Kontaktgliederoberflächen die Fremdschichten entfernen. Das erfindungsgemässe Reinigungsverfahren ist aber auch weitgehend unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit der Kontakte.
Denn die für die erfindungsgemäss vorgeschlagenen Gesentlasungen benützten Spannungen liegen sehr hoch (einige 1000 V) und es stehen deshalb zum Durchschlag der Fremdschichten - an denen allerdings nur ein Bruchteil der gesamten Gasentladungsspannung zur Wirkung gelangt-doch wesentlich höhere Spannungen zur Verfügung als bei normaler Frittung durch den Leitungsstrom. Die Einwirkungsdauer der Gasentladung auf die Kontaktgliedoberfläche zur Einleitung des Durchschlages bzw. der Zerstörung der Fremdschichten durch Wärmewirkung an den sich hinsichtlich ihrer räumlichen Lage rasch ändernden Fusspunkten der Gasentladung kann daher sehr kurz gehalten und die Kontaktgeschwindigkeit deshalb sehr hoch gewählt werden.
Die sich aus der Summe aller an den Fusspunkten der Gasentladungen entstehenden kleinen fremdschichtfreien Stellen zusammensetzende gesamte fremdschichtfreie Fläche auf den Kontaktgliedoberflächen lässt sich daher unabhängig vom Leitungsstrom (Kontaktstrom) und weitgehend unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit gross wählen und der elektrische Kontaktverlust auch bei starken Kontaktströmen daher niedrig halten.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend lässt sich auch eine Reinigung des ortsfesten Kontaktgliedes
Kl erreichen, wie Fig. 3 erkennen lässt. Hier ist ein metallischer Ring R innerhalb des rotierenden Kontaktgliedes K2 isoliert angebracht (Isolierung I z. B. aus Kunstharz) der mittels des gleichfalls isolierten Metalldrahtes D in Verbindung steht. Das Ende des Metalldrahtes ragt bis knapp unter die Oberfläche des feststehenden Kontaktgliedes K, wenn er sich darunter vorbei bewegt. Das eine Ende der Sekundärwick- lung (Hochspannungswicklung) des Transformators T ist mit dem feststehenden Kontaktglied verbunden, das andere wird über den Verbindungsdraht V bis in unmittelbare Nähe des Metallringe :. eführt.
Beim Betrieb des Transformators finden dann zwischen dem Metallring R und dem Ende des Verbindungsdrahtes V
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feststehenden Kontaktgliedes Klmderseits elektrische Entladungen und damit eine Reinigung der Kontaktgliedoberfläche K immer dann statt, wenn sich das Drahtende D unter dem Kontaktglied Kl befindet. Der Vorgang erfolgt natürlich ehe lie Kontaktflüssigkeit in den Kontaktspalt zwischen dem festen und beweglichen Kontaktglied eingeführt
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Ein anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens ist-in Fig. 4 zur Darstellung gebracht. Die iochspannungsentladung erfolgt hier von einem im festen Kontaktglied K isoliert angebrachten Draht D lus zwischen dem Ende dieses Drahtes D und dem beweglichen Kontaktglied K und-in Reihe dazu - vom beweglichen Kontaktglied K2 aus zurück zur Oberfläcb jes ortsfesten Kontaktgliedes K. Beide Kontakt- liedoberflächen werden dadurch stellenweise von Fremdschichten gereinigt.
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Die notwendige Leistung für den Betrieb des Induktors oder Transformators ist im Vergleich zum Aufwand für einen Ultraschallsender oder für eine rein mechanische Reinigung sehr gering und liegt bei etwa 50 - 100 Watt. Dazu tritt der Vorteil, dass der Induktor oder Transformator einfach in intermittierender Weise und gerade immer so lange betrieben werden kann, dass der Kontaktwiderstand, der sich durch das Wiederbedecken der gereinigten Fremdschichtstellen durch Fremdschichten im Laufe der Zeit wieder erhöht, rechtzeitig durch Bildung neuer gereinigter Stellen stets wieder entsprechend gesenkt werden kann.
Statt einer von einem Funkeninduktor oder Transformator aus gespeisten Entladung kann natürlich auch die Entladung von einem Kondensator oder von einer Hochspannungsgleichstromquelle aus gespeist werden.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur stellenweisen Reinigung der Oberflächen von Kontaktgliedern aus festen Stoffen wie sie in Flüssigkeitskontakten, d. h. elektrischen Kontakten bestehend aus Kontaktgliedern aus festen Stoffen und zwischengeschalteter Kontaktflüssigkeit Verwendung finden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktglieder unmittelbar vor ihrer Bedeckung durch die Kontaktflüssigkeit einer elektrischen Gasentladung ausgesetzt werden, wobei ihre Oberflächen als Elektroden wirken und an den Fusspunkten der Entladungskanäle von Fremdschichten gereinigt werden.