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Schalter mit je einem gasgefüllten Hohlraum an den Enden eines flüssiges Metall enthaltenden Rohres
In elektrotechnischen Geräten oder Anlagen, besonders in solchen, der Hochfrequenz-Nachrichten - technik, ist es häufig erwünscht. Ein- und Ausschalter oder auch Umschalter in unmittelbarer Nähe der durch den Schaltvorgang zu beeinflussenden Teile bzw. Stromkreise anzuordnen, um eine Verlängerung der Leitungsführung und dadurch entstehende unerwünschte und unkontrollierbare Kopplungen innerhalb der Verdrahtung sowie zusätzliche Wirk- und Blindwiderstände in den geschalteten Leitungen zu vermei- den. Trotzdem sollen die Bedienungsgriffe, mit denen solche Schaltvorgänge ausgeübt werden, gut zu- gänglich, übersichtlich und möglichst ohne Ausnahme auf einer Frontplatte des Gerätes angeordnet sein.
Zur Lösung der sich aus diesen Forderungen ergebenden Aufgabe, an vom Bedienungsgriff entfernten Stellen Schaltvorgängc zu bewirken, werden bekanntlich ausser rein mechanisch arbeitenden Anordnungen besonders solche mit elektrisch angetriebenen Relais benutzt.
Eine besondere Form mechanischer Anordnungen zur Fernbedienung bilden hydraulisch betätigte An- lagen. Es ist eine solche Anlage für die Beeinflussung elektrischer Bauelemente bekannt, mit der auch Schaltvorgänge bewirkt werden können.
Wenn auch die Anpassungsfähigkeit eines derartigen hydraulischen Systems an die konstruktiven Erfordernisse einer Anlage der elektrischen Nachrichtentechnik besser sein mag als diejenige gewisser anderer mechanischer Systeme, so ergibt sich doch in den Rohrverbindungen von jedem mit einer Pumpe zusammenarbeitenden Bedienungsgriff zu jedem von diesem Griff aus zu beeinflussenden Bauelement ein immer noch sehr grosser Aufwand. Solche Einrichtungen können im allgemeinen auch nur in einer vorbestimmten Gebrauchslage verwendet werden. Wenn Quecksilber als Schaltmittel dient, sind die Geräte meist erschütterungsempfindlich. Schwierigkeiten ergeben sich vielfach auch durch Undichtheiten an den die Bedienungsgriffe mit den Bauelementen verbindenden Rohrleitungen.
Zur Ausübung von Schaltvorgängen sind auch auf dem Luftthermometerprinzip beruhende Relais bekannt, bei welchen sich eine den Schaltvorgang bewirkende flüssige Metallmasse in der rohrförmigen Verbindung zwischen zwei gasgefüllten Hohlräumen befindet. Da die in den Hohlräumen befindlichen Gasmassen verhältnismässig weiche Federpolster für die Bewegungen des Metalls bilden, sind solche Relais sehr erschütterungsempfindlich.
Aus dem gleichen Grunde ist das die Metallmasse, im allgemeinen Quecksilber, enthaltende Rohr meistens U-förmig gebogen, so dass sich unter dem Einfluss der Schwerkraft die Metallmasse in der Mitte des gebogenen Rohrteiles sammelt. Um diese Sammlung und das Zusammenfliessen der Quecksilbertropfen zu begünstigen, müssen die Rohrteile verhältnismässig weit sein. Ausserdem ist gewöhnlich zum selbsttätigen Ausgleich von Nullstellungsverlagerungen eine enge Nebenschlussverbindung zwischen den gasgefüllten Hohlräumen vorgesehen.
Solche Relais sind nur in der vorbestimmten Lage verwendbar, in welcher sich das Quecksilber an der gewünschten Stelle sammelt. Aus diesem Grunde und wegen ihrer Erschütterungsempfindlichkeit sind sie in ortsbeweglichen Geräten nicht verwendbar. Sie erfordern ausserdem noch den Aufwand zu grosser Heizleistungen für die Erwärmung des Gases und weisen zu hohe Verzögerungen beim Ein- und Ausschalten auf. Bei den mit einer Druckausgleichsverbindung versehenen Relais ist ferner keine Dauereinschaltung möglich.
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Es besteht daher immer noch ein Bedürfnis nach einem Schaltrelais, welches es ermöglicht, Schaltvorgänge an einer vom Bedienungsgriff entfernten Stelle auszuüben und welches von den erwähntenNachteilen der bekannten Relais frei ist. Ein solches Relais soll als Einzelbauteil geringes Gewicht besitzen, ohne Schwierigkeiten und mit geringem Kostenaufwand herstellbar sein und in jeder Gebrauchslage sowie unter Verhältnissen des Fahrzeugbetriebes, also bei verhältnismässig grossen Beschleunigungen, verwendet werden können. Besonders soll es mit geringer Heizleistung betätigt werden können und ohne störende Verzögerungen ansprechen und in seine Ruhelage zurückkehren.
Die Erfindung geht aus von einem Schalter, in welchem ein elektrisch leitender Teil aus bei der Betriebstemperatur flüssigem Metall, vorzugsweise Quecksilber, besteht, mit je einem gasgefüllten Hohlraum an den Enden eines das schaltende Metall enthaltenden Rohres und mit einer Einrichtung zur Änderung der Temperatur der Gasfüllung eines der Hohlräume. Erfindungsgemäss weist das Gas in den Hohlräumen und in den nicht von dem Metall ausgefüllten Teilen des als - vorzugsweise gerade - Kapillare ausgebildeten Rohres bereits bei Raumtemperatur einen erheblichen Überdruck auf.
Durch die erfindungsgemässe Anwendung der Kombination-hoher Druck des Gases und Ausbildung des Rohres als Kapillare - werden die erwähnten Nachteile der bekannten Gasdruck-Thermoschalter vermieden. Der nach der Erfindung ausgebildete Schalter ist in jeder Gebrauchslage verwendbar und rüttelsicher.
Er zeichnet sich durch Unveränderlichkeit der Ruhelage des flüssigen Metalls, durch geringe Ein-und Ausschaltverzögerungen, geringen Heizleistungsbedarf und leichte Herstellbarkeit besonders aus.
Die physikalischen Zusammenhänge werden verständlich, wenn man den Schalter als Wärmekraftmaschine betrachtet. Es ist dann allerdings zunächst überraschend, dass eine Erhöhung des Anfangsdruckes .des Gases eine Verringerung des Leistungsbedarfes zur Folge haben kann, weil ja die Kompressionsarbeit des Gasvolumens in dem nicht geheizten Hohlraum für eine bestimmte Verlagerung des Quecksilberfadens proportional mit dem Anfangsdruck anwächst.
Die Leistungsbilanz des Schalters wird jedoch wegen des im Verhältnis zum nutzbaren Leistungsanteil grossen Anteiles der nutzlos abgestrahlten, also nicht zur Aufheizung des Gases dienenden Wärmeenergie vorwiegend durch den letztgenannten Anteil bestimmt. Dieser abgestrahlte Anteil wächst bekanntlich mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur, er kann also wesentlich verringert werden, wenn es gelingt, mit niedrigeren Übertemperaturen auszukommen. Dies wird durch die Anwendung des erhöhten Gasdruckes erreicht.
Wenn man nämlich davon ausgeht, dass für die gewünschte Verlagerung des Quecksilberfadens eine bestimmte Druckdifferenz erforderlich ist, welche von dem absoluten Druck in den Hohlräumen unabhängig ist, und wenn man ferner berücksichtigt, dass der Druck eines eingeschlossenen Gasvolumens für eine Temperaturerhöhung um 1 C eine Steigerung um 1/297 des Anfangsdruckes erfährt, so erkennt man. dass die für die Fael1verlagerung erforderliche Übertemperatur des antreibenden Gasvolumens dem Anfangsdruck umgekehrt proportional ist..
Der erhöhte Anfangsdruck ist also ein vorzügliches Mittel, um den gesamten Leistungsbedarf durch die Herabsetzung des Verlustanteiles zu verringern. Das unter höherem Druck stehende Gas erlangt infolge seiner grösseren Dichte nicht nur eine höhere Wärmeaufnahmefähigkeit, weil sich der Absorptionskoeffizient für die Wärmestrahlung vergrössert, sondern es steigert auch seinen Druck in einem dem Anfangsdruck proportionalem Ausmass, so dass geringere Übertemperaturen ausreichen.
Diese Wirkung wird allerdings aufgehoben, wenn das die Metallmasse enthaltende Rohr einen zu gro- ssen Querschnitt hat. Die durch die Heizleistung aufzubringende Kompressionsarbeit im nicht geheizten Gasraum wächst nämlich proportional mit demRohrquerschnitt an. Wird sie so gross, dass ihr Zuwachs mit der'Erhöhung des Anfangsdruckes die Ersparnis bei dem Verlustanteil ausgleicht, ist die Grenze erreicht, bei welcher die Anwendung erhöhten Anfangsdruckes keinen Vorteil mehr bringt. Daher ist es zur Bewah - rung dieses Vorteiles erforderlich, bei dem Schalter nicht nur die Gasfüllung mit Überdruck, sondern ausserdem auch ein als Kapillare ausgebildetes Schaltrohr anzuwenden.
Durch Versuche wurde festgestellt, dass der Bereich der Bemessung, in welchem diese Vorteile eintreten, durch folgende Werte abgegrenzt ist :
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<tb>
<tb> Anfangsdruck <SEP> bei <SEP> 20 C......... <SEP> p <SEP> 5 <SEP> kg/cm <SEP>
<tb> Verhältnis <SEP> des <SEP> Kapillarquerschnittes
<tb> zum <SEP> Volumen <SEP> des <SEP> geheizten <SEP> Gasraumes.. <SEP> n <SEP> 0, <SEP> 7. <SEP> 10-3 <SEP> mm <SEP> /mm.
<tb>
Sowohl die Verwendung des erhöhten Gasdruckes, als auch die Ausbildung des das Quecksilber enthaltenden Rohres als Kapillare ergeben eine wesentliche Verbesserung der Rüttelsicherheit. Die höhere Federhärte des unter Druck stehenden Gaspolsters verhindert unzulässige, zu Fehlschaltungen führende Bewegungen der geringen Quecksilbermasse bei Erschütterungen mit grosser Sicherheit bis zu hohen Viel-
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fachen der Erdbeschleunigung. Da das geringe Federgewicht gegenüber den mit dem Druck erhöhten Rück- stellkräften vernachlässigbar ist, kann der Schalter in jeder Lage gebraucht und das Kapillarrohr vorzugs- weise gerade ausgebildet werden. Ausserdem wirkt die Enge des Rohres der Neigung des Quecksilbers zur
Auflösung in Tropfen mit der Gefahr des Gasdurchtrittes von einem Hohlraum zum andern entgegen.
Ein nach der Erfindung ausgebildeter Schalter weist daher eine praktisch unveränderliche Ruhelage des Queck- silberfadens auf. Da keineNebenschlussverbindung zwischen den Gasräumen existiert, ist der Schalter auch für Dauereinschaltung geeignet. In der Praxis haben sich Kapillarquerschnitte unter 1 mm2 bewährt.
Die Einrichtung zur Änderung der Temperatur der Gasfüllung eines der beiden Hohlräume kann ein im Inneren des Hohlraumes angeordneter Heizkörper, vorzugsweise ein elektrischer Heizwiderstand sein.
Zweckmässigerweise besitzt der erste, den Heizkörper enthaltende Hohlraum ein grösseres Volumen als der am andern Ende der Kapillare befindliche zweite Hohlraum.
Wird der erwähnte Heizkörper über Verbindungsleitungen und einen örtlich von ihm getrennten Schal- ter an eine Stromquelle angeschlossen, so dass er sich erwärmt, so erwärmt sich auch die Gasfullung in- nerhalb des Hohlraumes, und der Druck nimmt zu. Um eine hohe Ausnutzung der zugeführten elektrischen
Energie füi die Erwärmung des Gases zu erzielen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Ein- richtung nach der Erfindung der Heizkörper als draht- oder bandförmiger elektrischer Leiter ausgebildet und befindet sich innerhalb des genannten Hohlraumes in solcher Lage, dass er allseitig von dem Gas um- geben ist.
Ausserdem kann auf Teilen der Innenwand des Hohlraumes eine wenigstens im Gebiet der
Wärmestrahlung des Heizkörpers gut reflektierende Schicht, beispielsweise eine Goldschicht, angebracht sein.
Die Anwendung einer reflektierenden Schicht hat den Vorteil, dass die Wärme wirkung zum grössten
Teil auf das eingeschlossene Gasvolumen konzentriert wird, so dass der Wirkungsgrad der Einrichtung ver- grössert wird. Ausserdem wird es verhindert, dass sich die Teile des Isolierkörpers, welche ausserhalb der reflektierenden Schicht liegen, durch die Wärmestrahlung des Heizkörpers miterwärmen. Dadurch wird sowohl die Ansprechgeschwindigkeit der Einrichtung vergrössert als auch eine Wärmenachwirkung und eine
Trägheit des Zurückkehrens in die Ausgangslage verringert.
Zweckmässigerweise sind in die Enden des den Quecksilberfaden enthaltenden Kapillarrohres fadenför- mige Stopfen eingeführt, um das Auslaufen des Quecksilbers und sein Eindringen in die Hohlräume zu verhindern. An dem dem ersten, grösseren Hohlraum zugewendeten Ende kann der Stopfen durch einen Glasfaden gebildet sein. An dem dem zweiten, kleineren Hohlraum zugewendeten Ende kann ein Metalldraht, vorzugsweise aus Platin. als Stopfen und gleichzeitig als Kontaktanschluss dienen.
Eine besonders einfache und mit geringeren Kosten herzustellende Ausführungsform des Schalters nach der Erfindung ergibt sich, wenn der Körper aus Glas hergestellt wird. Er kann dann in der von der Herstellung von Thermometern bekannten Technik gefertigt werden. Die Einrichtung kann auch derartig ausgebildet sein, dass sie ohne besondere Haltevorrichtung in beliebiger Lage nur von ihren Anschlussdrähten gehalten und mit diesen wie ein Bauelement in eine Schaltungsverdrahtung eingelötet wird.
Als Fullgas wird, um Oxydationsvorgänge zu verhindern, entweder Stickstoff oder auch ein Edelgas verwendet.
Fig. l zeigt eine Ausführungsform des Schalters nach der Erfindung in stark vergrössertem Massstab.
Zur Illustration der tatsächlichen Grösse sei erwähnt, dass ein ausgeführter Schalter etwa 2 cm lang ist.
Der längliche, zylindrische Glaskörper 1 weist an seinem einen Ende den Hohlraum 2 auf, an dem sich in der Darstellung nach oben die Kapillare 3 anschliesst. Der Hohlraum enthält ein Füllgas, beispielsweise Stickstoff, das mit einem Überdruck in den Hohlraum eingebracht worden ist. Innerhalb des Hohl raumes befindet sich ein Heizkörper 4, der als U-förmig gebogener Widerstandsdraht ausgebildet ist. Die Enden dieses Drahtes sind an die Stromzuführungen 5 und 6 angeschlossen, welche in den Glaskörper in an sich bekannter Weise gasdicht eingeschmolzen sind.
Mit 7 ist die schon erwähnte, auf der inneren Oberfläche des Hohlraumes 2 angebrachte reflektierende Schicht bezeichnet. Sie kann beispielsweise durch Aufstreichen von Glanzgold und Einbrennen desselben als Spiegelschicht bei 600 C erzeugt werden. Innerhalb der Kapillare 3 befindet sich der Quecksilberfaden 8, der in solcher Lage dargestellt ist, dass er mit dem Kontaktanschluss 9 in Verbindung steht, jedoch die Verbindung zu dem oberen Kontaktanschluss 10 noch nicht, herstellt. Das obere Ende der Kapillare 3 geht in einen zweiten Hohlraum von geringerem Volumen über, der mit 12 bezeichnet ist. Das
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Hohlraum eingeschlossene Füllgasraum 2. Der Fülldruck bestimmt zugleich die Federhärte des durch diesen Hohlraum und das Füllgas gegebenen Federungselementes.
Die Federhärte bestimmt wiederum die Schüttelfestigkeit, d. h. dasjenige Mass an Beschleunigung, welches der Schalter in axialer Richtung vertragen kann, ohne dass der Queck-
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silberfaden sich durch seine Massenträgheit gegen die Federkraft des im Hohlraum 12 eingeschlossenen Füllgases so weit nach oben bewegt, dass er den Kontakt mit dem Anschlussdraht 10 herstellt.
Im normalen Betrieb wird diese Kontaktverbindung nur dadurch erzeugt, dass ein Heizstrom über den Heizkörper 4 geleitet wird. Das Füllgas innerhalb des Hohlraumes 2 wird dadurch erwärmt, ohne dass die i äusseren Wandungsteile des Isolierkörpers 1 an dieser Erwärmung in wesentlichem Masse teilnehmen, weil die reflektierende Schicht 7 den Durchgang der Strahlen nach. aussen verhindert. Der Druck des Füllgases imhohiraum 2 nimmt zu, so dass der Quecksilberfaden entgegen dem Druck des Gases innerhalb des kleineren Hohlraumes 12 nach oben bewegt wird und den Kontakt zwischen den Anschlüssen 9 und 10 schliesst.
Um das Herauslaufen des Quecksilbers aus der Kapillare 3 auch bei stärkeren Stossbeanspruchungen zu verhindern, ist in die Kapillare von unten her der Glasfaden 11 eingeführt, der das untere Ende des Röhrchens für Quecksilber hinreichend dicht abschliesst, den Gasstrom von 2 aber in die Kapillare eindringen lässt. Der Glasfaden 11 ist an seinem unteren Ende mit dem grossen Glaskörper 1 verbunden. Am oberen Ende der Kapillare 3 dient der Kontaktdraht 10 gleichzeitig als Stopfen, um die obere Lage des Quecksilberspiegels zu begrenzen.
Bei einem praktisch ausgeführten Schalter der beschriebenen Art ergab sich, dass zur Aufheizung eine Leistung von 200 mW ausreicht. Die Einschaltverzögerung liegt dann wesentlich unterhalb einer Sekunde, und die Abschaltverzögerung unterhalb einer halben Sekunde. Die Schüttelprüfung ergab, dass Schalter dieser Art- in allen Lagen auch für Fahrzeugbetrieb geeignet sind. Der Temperaturbereich, in welchem keine Beeinträchtigung der Arbeitsweise eintritt, kann dabei ohne Schwierigkeiten von-30 bis +600C gehalten werden. Der maximale Übergangswiderstand eines praktisch ausgeführten Schalters war kleiner als 0, 5 n, während der Isolationswiderstand bei geöffneten Kontakten grösser als 10 Mss war. Ein besonderer Vorzug eines Schalters nach der Erfindung besteht in der geringen Kapazität zwischen den geöffneten Kontakten, die kleiner als 0, 2 pF gehalten werden kann.
Der praktisch ausgeführte Schalter, dessen Daten hier auszugsweise wiedergegeben sind, war für eine Schaltleistung von 50 mA bei 100 V bestimmt.
In Fig. 2 ist eine Anordnung mit einem entsprechend der Erfindung ausgebildeten Schalter dargestellt, bei welcher jedoch auf die Verwendung eines Goldspiegels 7 auf der Innenseite des Hohlraumes 2 verzichtet worden ist. Der Zweck des Goldspiegels 7 der Fig. l bestand darin, eine wesentliche Erwärmung der Wandungen des Hohlraumes 2 und dadurch hervorgerufene Schaltverzögerungen zu vermeiden. Der gleiche Zweck wird in der Anordnung nach Fig. 2 dadurch erreicht, dass der den Hohlraum 2 enthaltende Teil der Einrichtung von einem dicht anliegenden, gut wärmeleitenden Körper umgeben ist. Dieser Körper ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Schelle 22 ausgebildet und dient gleichzeitig dazu, den rohrförmigen Körper des Schalters zu halten.
Die grosse Wärmeableitung über den Körper der Schelle 22 verhindert, dass sich die Wandungen des Hohlraumes 2 wesentlich über die Umgebungstemperatur erwärmen. Durch die Anwendung der wärmeableitendenSchelle wird besonders die Verzögerung beim Ausschalten wesentlich verringert, weil der Speicherung von Wärme in derhohlraumwand entgegengewirkt wird. Die Schaltverzogerungen können durch diese Massnahme so klein gehalten werden, dass mit einer solchen Schalteinrichtung ohne Schwierigkeiten fünfzehn Schaltvorgänge pro Sekunde ausgeführt werden können.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Schalter, in welchem ein elektrisch leitender Teil aus bei der Betriebstemperatur flüssigem Me- tall, vorzugsweise Quecksilber, besteht, mit je einem gasgefüllten Hohlraum an den Enden eines das schaltende Metall enthaltenden Rohres und mit einer Einrichtung zur Änderung der Temperatur der Gasfüllung eines der Hohlräume, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in den Hohlräumen und in den nicht von dem Metall ausgefüllten Teilen des als - vorzugsweise gerade - Kapillare ausgebildeten Rohres (3) bereits bei Raumtemperatur einen erheblichen Überdruck aufweist.