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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit einem Kontaktpaar,
welches einen Festkontakt und einen bezüglich des Festkontakts beweglich
angeordneten Bewegkontakt umfasst.
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Eine
solche Vakuumschaltröhre
ist aus der Offenlegungsschrift
DE 2 202 924 bekannt.
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Aus
der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 94 17 344 U1 ist eine Störlichtbogen-Schutzvorrichtung
für Schaltanlagen
zur Verteilung elektrischer Energie bekannt. Diese Vorrichtung überführt im Störfall einen
Störlichtbogen
in einen satten metallischen Kurzschluss. Die Vorrichtung weist
zwei koaxial ineinandergesetzte Elektroden auf, zwischen denen ein
Spalt besteht. Zur Vermeidung unerwünschter Stromüberschläge befindet
sich der Spalt dauerhaft in einem Vakuum.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumschaltröhre anzugeben,
bei der nach dem Schließen
des Kontaktpaars ein zuverlässiger elektrischer
Kontakt zwischen dem Festkontakt und dem Bewegkontakt hergestellt
ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vakuumschaltröhre der oben genannten Art
erfindungsgemäße dadurch
gelöst,
dass der Festkontakt und der Bewegkontakt Verbindungsmittel aufweisen,
die sich beim Schließen
des Kontaktpaars unlösbar
miteinander verbinden. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass
nach dem Schließen
des Kontaktpaars, d. h. nach dem elektrischen Verbinden des Festkontakts mit
dem Bewegkontakt, sicher und dauerhaft eine elektrische Verbindung
zwischen dem Fest kontakt und dem Bewegkontakt hergestellt wird.
Unter einer unlösbaren
Verbindung wird im Rahmen dieser Beschreibung eine Verbindung verstanden,
welche nicht zerstörungsfrei
wieder gelöst
werden kann.
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Die
Vakuumschaltröhre
kann so ausgestaltet sein, dass die Verbindungsmittel an einem der
Kontakte einen Zapfen und an dem anderen der Kontakte eine Ausnehmung
aufweisen. Durch Zusammenwirken des Zapfens mit der Ausnehmung lässt sich
auf einfache Weise eine unlösbare
und dauerhafte Verbindung des Festkontakts mit dem Bewegkontakt realisieren.
Darüber
hinaus lassen sich ein solcher Zapfen und eine Ausnehmung fertigungstechnisch einfach
und damit kostengünstig
herstellen.
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Die
Vakuumschaltröhre
kann so ausgestaltet sein, dass beim Schließen des Kontaktpaars der Zapfen
nach dessen Eintreten in die Ausnehmung plastisch verformbar ist.
Durch die plastische Verformung des Zapfens wird auf eine besonders
einfache Weise sichergestellt, dass der Zapfen des einen Kontakts
mit dem anderen Kontakt dauerhaft und unlösbar verbunden wird.
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Die
Vakuumschaltröhre
kann auch so ausgestaltet sein, dass im geschlossenen Zustand des Kontaktpaars
der plastisch verformte Zapfen mit der Ausnehmung einen Formschluss
bildet. Mittels eines derartigen Formschlusses lässt sich die dauerhafte und
unlösbare
Verbindung des Kontaktpaares erzielen.
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Die
Vakuumschaltröhre
kann dabei so aufgebaut sein, dass das Volumen des Zapfens im verformten
Zustand mindestens dem Volumen der Ausnehmung entspricht. Dadurch
wird sichergestellt, dass der Zapfen in verformtem Zustand an der
gesamten Innenfläche
der Ausnehmung anliegt und dadurch an der gesamten Innenfläche der
Ausnehmung eine sichere elektrische Verbindung zwischen dem Festkontakt
und dem Bewegkontakt hergestellt wird.
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Die
Vakuumschaltröhre
kann auch so ausgestaltet sein, dass die Ausnehmung eine Hinterschneidung
aufweist. Dadurch wird eine besonders sichere und feste Verbindung
zwischen dem Festkontakt und dem Bewegkontakt erreicht, es besteht
nämlich
im geschlossenen Zustand des Kontaktpaares sowohl ein Formschluss
als auch ein Kraftschluss zwischen dem verformten Zapfen und dem
anderen Kontakt.
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Die
Vakuumschaltröhre
kann auch so ausgestaltet sein, dass der Festkontakt und der Bewegkontakt
im Bereich der Verbindungsmittel aus Kupfer bestehen. Dadurch wird
zum einen erreicht, dass eine derartige Vakuumschaltröhre besonders
kostengünstig
produziert werden kann. Kupfer ist nämlich erheblich billiger als
die für
die Kontaktstücke
von Vakuumschaltröhren üblicherweise
verwendeten hochfesten Kontaktmaterialien. Zum anderen lässt sich
mittels dieser aus Kupfer bestehenden Verbindungsmittel besonders
einfach eine dauerhafte und unlösbare Verbindung
zwischen dem Festkontakt und dem Bewegkontakt herstellen, weil das
Kupfer während
der Herstellung der Vakuumschaltröhre (insbesondere beim Verlöten der
Vakuumschaltröhre
unter hohen Temperaturen) weichgeglüht wird und daher beim Schließen des
Kontaktpaares leicht plastisch verformbar ist.
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Die
Vakuumschaltröhre
kann dabei so ausgestaltet sein, dass beim Schließen des
Kontaktpaars der Zapfen nach dessen Eintreten in die Ausnehmung
mit dieser kaltverschweißt.
Dadurch wird eine besonders sichere und dauerhafte Verbindung des
Festkontakts mit dem Bewegkontakt ermöglicht. Ein solches Kaltverschweißen lässt sich
vorteilhafterweise besonders günstig
bei aus Kupfer bestehenden Festkontakten und Bewegkontakten erreichen, weil
die Oberfläche
dieser Kupfer-Kontakte bei der Herstellung einer solchen Vakuumschaltröhre (insbesondere
beim Verlöten
der Vakuumschaltröhre
unter hohen Temperaturen) durch diese hohen Temperaturen gereinigt
werden, so dass bei der plastischen Verformung des Zapfens in der
Ausnehmung ein Kaltverschweißen
des Festkontakts mit dem Bewegkontakt erfolgt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dazu
ist in
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre, in
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2 ein
Kontaktpaar im offenen Zustand und in
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3 ein
Kontaktpaar im geschlossenen Zustand
dargestellt.
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In 1 ist
in einer teilweisen Schnittdarstellung eine Vakuumschaltröhre dargestellt,
welche ein aus einem Festkontakt 1 und einem Bewegkontakt 3 bestehendes
Kontaktpaar aufweist. Der Festkontakt 1 ist mittels einer
Metallkappe 5 an einer axialen Stirnfläche eines hohlzylinderförmigen Keramikgehäuses 7 der
Vakuumschaltröhre
befestigt. Die der Metallkappe 5 axial gegenüberliegende
Stirnfläche des
Keramikgehäuses 7 ist
mit einem Faltenbalg 9 aus dünnem Metallblech verbunden.
Das bewegliche Ende des Faltenbalgs 9 ist mittels eines
Metallrings 11 mit dem Bewegkontakt 3 verbunden,
so dass der Bewegkontakt 3 bezüglich des Festkontakts 1 axial beweglich
ist.
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Der
im Wesentlichen zylinderförmige
Bewegkontakt 3 weist an seiner Stirnfläche einen Zapfen 13 auf,
welcher ebenfalls im Wesentlichen zylinderförmig ist und eine Fase 15 aufweist.
In das auf den Zapfen 13 zuweisende Ende des Festkontakts 1 ist eine
Ausnehmung eingebracht, in die der Zapfen beim Schließen des
Kontaktpaares eintreten bzw. einfahren kann. Der Festkontakt 1 geht
außerhalb des
Gehäuses
der Vakuumschaltröhre
in einen der elektrischen Kontaktierung dienenden Anschlußbolzen 17 über; der
Bewegkontakt 3 geht außerhalb
des Gehäuses
der Vakuumschaltröhre
in einen ebenfalls der elektrischen Kontaktierung dienenden Anschlußbolzen 19 über.
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In 2 ist
in einer Schnittdarstellung der Zapfen 13 des Bewegkontaktes 3 und
die Ausnehmung 21 des Festkontaktes 1 im geöffneten
Zustand des Kontaktpaares dargestellt. Dabei ist sowohl der Zapfen 13 als
auch die Ausnehmung 21 bezüglich der Rotationsachse der
Vakuumschaltröhre
rotationssymmetrisch ausgestaltet; die Ausnehmung ist kegelförmig gestaltet.
Der Durchmesser des zylindrischen Teils des Zapfens 13 ist
größer als
der kleinste Durchmesser der Ausnehmung, die im Ausführungsbeispiel
eine Hinterschneidung 22 aufweist. Im gezeigten Beispiel
weist die Ausnehmung einen schwalbenschwanzförmigen Querschnitt auf. Die Phase 15 ermöglicht ein
problemloses Eintreten des Zapfens 13 in die Ausnehmung 21.
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Beim
Schließen
des Kontaktpaares, d. h. beim axialen Zubewegen des Bewegkontakts 3 auf den
Festkontakt 1, fährt
der Zapfen 13 in die Ausnehmung 21 des Festkontaktes
ein. Eine Stirnfläche 23 des
Zapfens 13 erreicht einen Boden 25 der Ausnehmung 21.
Aufgrund der kinetischen Energie des Bewegkontaktes wird nach der
Berührung
zwischen Stirnfläche 23 und
Boden 25 der Zapfen weiter in die Ausnehmung eingeschoben
und dabei plastisch verformt. Dabei passt sich das Material des
Zapfens der Form der Ausnehmung 21 an und füllt diese
vollständig
aus.
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In 3 ist
der nach dem Schließen
des Kontaktpaares entstehende Formschluss zwischen dem deformierten,
verformten Zapfen 13 und der nun durch den verformten Zapfen 13 ausgefüllten Ausnehmung
dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Volumen des Zapfens 13 im
verformten Zustand dem Volumen der nunmehr gefüllten Ausnehmung 21 entspricht.
(In einem anderen Ausführungsbeispiel
könnte
das Volumen des Zap fens im verformten Zustand auch größer sein
als das Volumen der Ausnehmung; überschüssige Teile
des verformten Zapfens würden
dann an der Kontaktstelle zwischen Festkontakt 1 und Bewegkontakt 3 seitlich austreten.)
Durch die Hinterschneidung 22 der Ausnehmung wird erreicht,
dass im geschlossenen Zustand des Kontaktpaares sowohl ein Formschluss
als auch ein Kraftschluss zwischen dem deformierten Zapfen 13 des
Bewegkontakts und dem Festkontakt 1 auftritt. Dadurch wird
eine besonders sichere und zuverlässige elektrische Verbindung
zwischen dem Festkontakt 1 und dem Bewegkontakt 3 erreicht.
Im Ausführungsbeispiel
ist also die Geometrie von Zapfen und Ausnehmung so gewählt, dass
der plastisch verformte Zapfen mit der Ausnehmung einen unlösbaren Formschluss
bildet. Dadurch bleiben Festkontakt 1 und Bewegkontakt 3 dauerhaft
geschlossen.
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Im
Ausführungsbeispiel
bestehen sowohl der Festkontakt 1 als auch der Bewegkontakt 3 aus
Kupfer. Dies ist besonders deshalb vorteilhaft, weil die bei Vakuumschaltröhren üblicherweise
im Kontaktbereich eingesetzten teuren hochfesten Kontaktmaterialien
bei der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre nicht
benötigt
werden. Der Einsatz von Kupfer ist darüber hinaus bei der beschriebenen
Vakuumschaltröhre
deshalb vorteilhaft, weil beim Herstellungsprozess der Vakuumschaltröhre (insbesondere
bei dem üblichen
Verlöten
des Keramikgehäuses 7 mit
der Metallkappe 5 bzw. mit dem Faltenbalg 9 bei
hohen Temperaturen unter Vakuum, beispielsweise bei ca. 800°C) das Kupfer-Material
des Festkontakts 1 und des Bewegkontakts 3 weichgeglüht wird.
Daher ist insbesondere der Zapfen 13 des Bewegkontakts nach
dieser Wärmebehandlung
leicht plastisch verformbar, so dass beim Eintreten des Zapfens
in die Ausnehmung schon bei relativ geringen Kräften eine plastische Verformung
des Zapfens und daraufhin ein Formschluss und ein Kraftschluss zwischen
dem Bewegkontakt 3 und dem Festkontakt 1 auftritt.
Außerdem
werden bei dieser bei der Herstellung der Vakuumschaltröhre auftretenden
Wärmebehandlung Oberflächenverunreinigungen
des Kupfers des Festkontakts 1 und des Bewegkontakts 3 beseitigt,
so dass bei der plastischen Verformung des Zapfens ein Kaltverschweißen des
Festkontakts 1 mit dem Bewegkontakt 3 erfolgt.
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Die
Ausnehmung 21 kann auch anders ausgestaltet sein als im
Ausführungsbeispiel
dargestellt. Vorteilhaft ist, wenn die Ausnehmung eine Hinterschneidung
oder einen sich ändernden
Durchmesser aufweist, so dass bei der Verformung des Zapfens ein
Form- und/oder Kraftschluss zwischen dem Festkontakt und dem Bewegkontakt
hergestellt wird. Die Ausnehmung kann jedoch auch die Form einer
Bohrung mit konstantem Durchmesser aufweisen; durch die plastische
Verformung des Zapfens in dieser Bohrung wird auch in diesem Fall
eine zuverlässige
unlösbare
elektrische Verbindung zwischen dem Bewegkontakt 3 und
dem Festkontakt 1 hergestellt.
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Das
Schließen
des Kontaktpaares kann beispielsweise erfolgen durch den äußeren Luftdruck, der
auf den Metallring 11 der Vakuumschaltröhre einwirkt. Im geöffneten
Zustand ist dann der Bewegkontakt 3 der Vakuumschaltröhre arretiert,
so dass der Luftdruck diesen nicht gegen den Festkontakt 1 drücken kann.
Sobald die Vakuumschaltröhre
geschlossen werden soll, wird die Arretierung gelöst und der Luftdruck
(und ggf. eine zusätzlich
auf den Bewegkontakt 3 einwirkende weitere mechanische
Kraft eines Antriebs) drückt
den Bewegkontakt 3 gegen den Festkontakt 1, woraufhin
der Zapfen in der Ausnehmung versenkt wird.
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Die
beschriebene einmalig und dauerhaft schließende Vakuumschaltröhre kann
insbesondere mit Vorteil eingesetzt werden zum elektrischen Überbrücken eines
Schaltungsteils einer elektrischen Schaltung, wenn dieser bei Auftreten
eines Fehlers vor Überspannung
oder Überstrom
geschützt
werden soll. Durch die beim Schließen des Kontaktpaares auftretende
unlösbare
elektrische Verbindung des Bewegkontakts 3 mit dem Festkontakt 1 wird
ein dauerhafter Schutz des Schaltungsteils sichergestellt. Wenn
die Überbrückung aufgehoben
werden soll, ist die Vakuumschaltröhre durch eine neue, sich im
geöffneten
Zustand befindende Vakuumschaltröhre
zu ersetzen. Besonders vorteilhaft ist bei der beschriebenen Vakuumschaltröhre die
aufgrund des Vakuums hohe dielektrische Festigkeit im geöffneten
Zustand. Dadurch kann die im geöffneten
Zustand vorliegende Schaltstrecke zwischen dem Festkontakt 1 und
dem Bewegkontakt 3 kurz dimensioniert werden, wodurch eine
kompakt aufgebaute Vakuumschaltröhre
mit relativ geringen Außenabmessungen
realisiert werden kann. Dies ist ein erheblicher Vorteil gegenüber einem
ebenfalls denkbaren Überbrücken des
betreffenden Schaltungsteils mittels luftisolierten Schaltern. Durch
die unlösbare
dauerhafte Verbindung der Verbindungsmittel des Festkontakts 1 und des
Bewegkontakts 3 wird weiterhin sichergestellt, dass nach
dem Einschalten bzw. Schließen
der Vakuumschaltröhre
der elektrische Kontakt zwischen Festkontakt und Bewegkontakt zuverlässig hergestellt
ist und auch beim eventuellen Auftreten von hohen, über die
Vakuumschaltröhre
fließenden
Kurzschlussströmen
nicht beeinträchtigt
wird.