DE102006043018A1

DE102006043018A1 - Verfahren zur verbesserten Herstellung von Vakuum-Schaltkammern

Info

Publication number: DE102006043018A1
Application number: DE200610043018
Authority: DE
Inventors: Klaus Bodenstein; Detlef Lange
Original assignee: Switchcraft Europe GmbH
Current assignee: Switchcraft Europe GmbH
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Für das neue Verfahren werden kleinformatige, evakuierbare Behälter verwendet, deren Innenraum die äußere Form der herzustellenden Vakuum-Kammern nur gering übersteigen. Diese Behälter sind mit Hochleistungs-Vakuumpumpen verbunden. Der Evakuierbehälter besteht aus zwei Halbschalen, die nach Einbringung der Komponenten der Vakuum-Schaltkammer geschlossen werden. Die untere Komponente besteht aus dem beweglichen Kontakt (9), dem unteren Deckel (8) und der Isolier-Keramik (5). Auf der Oberseite der Isolier-Keramik (5) ist ein Dichtring aufgebracht. Die obere Komponente besteht aus dem Festkontakt (3) der Vakuum-Schaltkammer und dem Deckel (4). Dieser wird nach unten durch eine stabile und glatte Metallfläche abgeschlossen. Im Stiel des Festkontaktes (3) befindet sich ein Gewinde. In dieses wird für den Zweck der Evakuierung ein Permanent-Magnet in Ringform (2) eingeschraubt. Die obere Komponente wird axial geführt. Oben liegt der Permanent-Magnet (2) am Kern einer Gleichstrom-Spule (1) an. Durch die Wahl der Polarität wird ein Magnetfeld erzeugt, das den Permanent-Magneten sicher in der oberen Position hält. Über einen Spalt kann die Luft aus der Kammer entweichen. Nach Erreichen des Hochvakuums wird die Polarität des Elektro-Magneten (1) umgekehrt, und die auf den Permanent-Magneten (2) einwirkende Kraft drückt die obere Komponente auf die untere Komponente, so dass diese absolut luftdicht verschlossen sind. Sobald des Innere des Evakuier-Behälters belüftet ...

Description

1. Bisherige Technologie.
Vakuum-Kammern für den Einsatz in Leistungsschaltern bedürfen eines hohen Vakuumgrades in der Kammer. Neben dem Einsatz von Gettern und der Konditionierung von Vakuum-Kammern ist auch das Herstellverfahren selbst wichtig.
Beim heutzutage gängigen One-shot-brazing-Verfahren werden die Kammerrohlinge in Vakuum-Öfen eingebracht, in denen sie mehrere Stunden verbleiben. Wenn der gewünschte Vakuumgrad erreicht ist, wird durch Regelung der Temperatur das Lot zwischen den zu lötenden Elementen zusammen mit Distanzhaltern, die das Eindringen des Vakuums in die Kammern ermöglichten, zum Schmelzen gebracht und die Kammer so nach außen abgedichtet. Im Anschluss kann das äußere Vakuum abgebaut und die fertigen Kammern können entnommen werden.
Dieses Verfahren erfordert hohe Investitionen und bedingt sehr lange Standzeiten der Kammern in den Vakuum-Öfen. Dies wiederum trägt stark zu den Kosten von Vakuum-Schaltkammern bei.
Daneben bedingt das Verfahren den Einsatz von Materialien, die den elektromechanischen Ansprüchen an Leiter in Schaltkammern erfüllen, die aber außerdem auch die hohen Temperaturen ertragen können, die zum Aufschmelzen des Lots notwendig sind. Dies schränkt die Auswahl an Materialien äußerst stark ein.
1.1 Neue Technologie.
Ziel des neuen Verfahrens ist es, die Zeitdauer für die Herstellung stark zu verringern, Investitionskosten zu senken, vorhandene Beschränkungen aufzuheben und insgesamt die Kosten für solche Produkte zu senken.
Daneben ermöglicht das neue Verfahren den Einsatz von anderen Materialien und andere Formgebungen der Kontakte, die vorher nicht möglich waren.
1.1.1 Das neue Verfahren.
Für das neue Verfahren werden kleinformatige, evakuierbare Behälter verwendet, deren innere Dimensionen die äußeren Dimensionen der herzustellenden Vakuum-Kammern nur geringfügig übersteigen. Diese Behälter sind über geeignete Schläuche oder Rohre mit Hochleistungs-Vakuumpumpen verbunden, die binnen weniger Minuten innerhalb des Behälters den gewünschten Vakuumgrad herstellen können; eine Beheizung dieser Behälter ist nicht notwendig.
Die Behälter bestehen aus zwei Halbschalen, die nach Einbringung der Komponenten der Vakuum-Schaltkammer geschlossen werden.
Siehe 1 (Beschreibung, Kammer geöffnet)
Die Einbringung der Komponenten erfolgt in einer der beiden Halbschalen, anschließend wird der Behälter durch die zweite Halbschale geschlossen; zwischen den Halbschalen sind entsprechende Dichtungen (6) angebracht, und eine Kombination von negativen und positiven Passungen sorgt für Passgenauigkeit.
Das Herstellverfahren erfordert die Vorbereitung der zu evakuierenden Schaltkammern. Dabei werden zwei Komponentengruppen vorher und außerhalb zusammengestellt, und ihre einzelnen Komponenten werden miteinander durch geeignete Schweiß- oder Lötverfahren verbunden (in hochreinen Umgebungen, um Verunreinigungen zu verhindern).
Die untere Komponente besteht aus dem beweglichen Kontakt (9), dem Faltenbalg (1.1 (10)), dem unteren Deckel (8), der Isolier-Keramik (5), dem Getter (hier nicht gezeigt) und dem Schirm (hier nicht gezeigt), nebst Führungselementen.
Auf der Oberseite der Isolier-Keramik (5) ist auf der Innenseite ein Ring aus flexiblem Material angebracht, das flach und gasdicht ist und das das Vakuum nicht verunreinigt (z. B. durch Lösungsmittel oder gasöse Bestandteile). Dieser Ring ist geringfügig höher als ein Kragen aus Metall an der Außenseite der Oberseite der Keramik, so dass beim späteren Schließen von unterer und oberer Komponente ein Dichtungseffekt erzielt wird. Der Kragen wird vorher mit der Keramik gasdicht verschweißt oder verlötet.
Die untere Komponente wird durch geeignete Elemente an der Innenseite des Evakuier-Behälters (7) festgehalten. Eine weitere Vorrichtung hält den unten liegenden Stiel des flexiblen Kontaktes (9) fest in der Stellung, die dem späteren geöffneten Zustand der Vakuum-Schaltkammer entspricht.
Die obere Komponente besteht aus dem Festkontakt (3) der Vakuum-Schaltkammer, dem Deckel (4) und Führungselementen. Der Deckel (4) wird nach unten durch eine stabile und glatte Metallfläche abgeschlossen (z. B. einen Stahlring). Im Stiel des Festkontaktes (3) befindet sich ein Gewinde. In dieses wird für den Zweck der Evakuierung ein Permanent-Magnet in Ringform (2) fest eingeschraubt. Die obere Komponente wird in axialer Richtung durch eine Vorrichtung aus zwei halben Ringen am seitlichen Ausweichen gehindert. Oben liegt der Permanent-Magnet (2) am Kern einer Gleichstrom-Spule (1) an, die mit einer Stromquelle verbunden ist. Durch die Wahl der richtigen Polarität wird ein Magnetfeld erzeugt, das den Permanent-Magneten sicher in der oberen Position hält.
Zwischen oberer und unterer Komponente klafft mm ein kleiner Spalt, durch den die vorhandene Luft aus der Kammer entweichen kann.
Die Evakuier-Vorrichtung kann nun geschlossen werden, und die in ihr vorhandene Luft wird solange abgepumpt, bis der gewünschte Vakuum-Grad erreicht ist.
Siehe 2 (Beschreibung, Kammer geschlossen)
Nach Erreichen des Hochvakuums wird die Polarität des Elektro-Magneten (1.1) umgekehrt, und die auf den Permanent-Magneten (2.1) einwirkende Kraft drückt die obere Komponente durch die vorhandenen Führungselementen auf die untere Komponente, so dass diese luftdicht abgeschlossen ist. Innerhalb der beiden Komponenten befindet sich nun ein Vakuum.
Sobald das Innere des Evakuier-Behälters wieder belüftet wird, wirkt der entstehende Luftdruck über den Faltenbalg und den oberen Deckel (4.1) zunehmend auf die nach wie vor durch Magnetkraft geschlossen gehaltene Vakuum-Schaltkammer und presst die beiden Komponenten zusammen. Gleichzeitig wird der Ring aus luftdichtem und flexiblem Material (z. B. Gummi oder Silikon) auf die Dicke des Kragens zusammen gepresst. Bei Erreichen des atmosphärischen Druckes im Evakuier-Behälter wirkt eine so große Kraft auf den Dichtungsring, dass die Vakuum-Schaltkammer nun vorsichtig behandelt werden kann, ohne zu belüften.
Der Behälter kann nun geöffnet werden. Dabei wird der Elektro-Magnet weiter in abstoßender Polarität gehalten, damit der Aufprall des beweglichen Kontaktes auf den Festkontakt nicht zu einer Beeinträchtigung des Dichtungsringes führt.
Die Vakuum-Kanuher kann nun entnommen werden. Sie wird zwischen Kragen und oberem Deckel mit einem geeigneten Schweiß- oder Lötverfahren endgültig versiegelt und kann nun das innere Vakuum über die gesamte Lebensdauer sicher halten.
Das Verfahren benötigt nur wenige Minuten zur Herstellung einer Vakuum-Schaltkammer. Aufgrund der geringen Temperaturen während des Prozesses können nun auch andere Materialien und Formgebungen für die Kontakte Verwendung finden, z. B. Tulpenkontakte, Ringkontakte, Flachkontakte oder sonstige Systeme.

Claims

Gekennzeichnet ist das neue Verfahren zur verbesserten Herstellung von Vakuum-Schaltkammern durch die Verwendung kleinformatiger, evakuierbarer Behälter, deren innere Dimensionen die äußeren Dimensionen der herzustellenden Vakuum-Kammern nur geringfügig übersteigen. Diese Behälter sind über geeignete Schläuche oder Rohre mit Hochleistungs-Vakuumpumpen verbunden, die binnen weniger Minuten innerhalb des Behälters den gewünschten Vakuumgrad herstellen können; eine Beheizung dieser Behälter ist nicht notwendig. Die Behälter bestehen aus zwei Halbschalen, die nach Einbringung der Komponenten der Vakuum-Schaltkammer geschlossen werden. Am oberen Ende einer dieser Halbschalen ist ein Elektromagnet mit Eisenkern von außen angebracht, dessen Magnetfeld durch Änderung der Polarisierung gedreht werden kann. Das Magnetfeld dieses Elektromagneten ermöglicht die Abstoßung oder das Anziehen eines Permanentmagneten innerhalb der Kammer. Es kann also eine mechanische Bewegung in der geschlossenen und evakuierten Kammer ausgelöst werden. Die Einbringung der Komponenten erfolgt in einer der beiden Halbschalen, anschließend wird der Behälter durch die zweite Halbschale geschlossen; zwischen den Halbschalen sind entsprechende Dichtungen angebracht, und eine Kombination von negativen und positiven Passungen sorgt für Passgenauigkeit.
Das Herstellverfahren ermöglicht die Vorbereitung der zu evakuierenden Schaltkammern ohne den Einsatz eines Vakuumofens. Dabei werden zwei Komponentengruppen vorher und außerhalb zusammengestellt, und ihre einzelnen Komponenten werden miteinander durch geeignete Schweiß- oder Lötverfahren verbunden (in hochreinen Umgebungen, um Verunreinigungen zu verhindern). Die untere Komponente besteht aus dem beweglichen Kontakt, dem Faltenbalg, dem unteren Deckel, der Isolier-Keramik, dem Getter und dem Schirm, nebst Führungselementen. Auf der Oberseite der Isolier-Keramik ist auf der Innenseite ein Ring aus flexiblem Material angebracht, das flach und gasdicht ist und das das Vakuum nicht verunreinigt (z. B. durch Lösungsmittel oder gasförmige Bestandteile). Dieser Ring ist geringfügig höher als ein Kragen aus Metall an der Außenseite der Oberseite der Keramik, so dass beim späteren Schließen von unterer und oberer Komponente ein Dichtungseffekt erzielt wird. Der Kragen wird vorher mit der Keramik gasdicht verschweißt oder verlötet. Die untere Komponente wird durch geeignete Elemente an der Innenseite des Evakuier-Behälters festgehalten. Eine weitere Vorrichtung hält den unten liegenden Stiel des flexiblen Kontaktes fest in der Stellung, die dem späteren geöffneten Zustand der Vakuum-Schaltkammer entspricht. Die obere Komponente besteht aus dem Festkontakt der Vakuum-Schaltkammer, dem Deckel und Führungselementen. Der Deckel wird nach unten durch eine stabile und glatte Metallfläche abgeschlossen (z. B. einen Stahlring). Im Stiel des Festkontaktes befindet sich ein Gewinde. In dieses wird für den Zweck der Evakuierung ein Permanent-Magnet in Ringform fest eingeschraubt. Die obere Komponente wird in axialer Richtung durch eine Vorrichtung aus zwei halben Ringen am seitlichen Ausweichen gehindert. Oben liegt der Permanent-Magnet am Kern einer Gleichstrom-Spule an, die mit einer Stromquelle verbunden ist. Durch die Wahl der richtigen Polarität wird ein Magnetfeld erzeugt, das den Permanent-Magneten sicher in der oberen Position hält. Zwischen oberer und unterer Komponente klafft nun ein kleiner Spalt, durch den die vorhandene Luft aus der Kammer entweichen kann. Die Evakuier-Vorrichtung kann nun geschlossen werden, und die in ihr vorhandene Luft wird solange abgepumpt, bis der gewünschte Vakuum-Grad erreicht ist. Nach Erreichen des Hochvakuums wird die Polarität des Elektro-Magneten umgekehrt, und die auf den Permanent-Magneten einwirkende Kraft drückt die obere Komponente durch die vorhandenen Führungselemente auf die untere Komponente, so dass diese luftdicht abgeschlossen ist. Innerhalb der beiden Komponenten befindet sich nun ein Vakuum. Sobald das Innere des Evakuier-Behälters wieder belüftet wird, wirkt der entstehende Luftdruck über den Faltenbalg und den oberen Deckel zunehmend auf die nach wie vor durch Magnetkraft geschlossen gehaltene Vakuum-Schaltkammer und presst die beiden Komponenten zusammen. Gleichzeitig wird der Ring aus luftdichtem und flexiblem Material (z. B. Gummi oder Silikon) auf die Dicke des Kragens zusammen gepresst. Bei Erreichen des atmosphärischen Druckes im Evakuier-Behälter wirkt eine so große Kraft auf den Dichtungsring, dass die Vakuum-Schaltkammer nun vorsichtig behandelt werden kann, ohne zu belüften. Der Behälter kann nun geöffnet werden. Dabei wird der Elektro-Magnet weiter in abstoßender Polarität gehalten, damit der Aufprall des beweglichen Kontaktes auf den Festkontakt nicht zu einer Beeinträchtigung des Dichtungsringes führt. Die Vakuum-Kammer kann nun entnommen werden. Sie wird zwischen Kragen und oberem Deckel mit einem geeigneten Schweiß- oder Lötverfahren endgültig versiegelt und kann nun das innere Vakuum über die gesamte Lebensdauer sicher halten.