DE1020081B - Vakuumschalter mit eingebauter Sorptionspumpe - Google Patents

Description

In jüngster Zeit sind elektrische Schalter bekanntgeworden, deren Kontaktflächen innerhalb eines evakuierten Gehäuses angeordnet sind. Diese Schalter haben den Vorteil, daß zur Durchführung des Abschaltvorganges die beiden Elektroden nur um ein geringes Stück voneinander entfernt werden müssen. Der Grund für dieses Verhalten liegt in der extrem hohen Durchschlagsfestigkeit des Vakuums. Mit dem Umstand, daß beide Kontaktelektroden während des Schaltens nur geringe Wegstrecken zurückzulegen haben, ist der Vorzug einer großen Schaltgeschwindigkeit verbunden. Es ist auf diese Weise möglich, Rückzündungen des unterbrochenen elektrischen Stromes mit Sicherheit zu unterdrücken. Ein weiterer Vorteil des Schalters ist der verhältnismäßig geringe Abbrand der Kontaktflächen.

Ein einwandfreies Arbeiten des genannten Schalters ist jedoch nur dann gewährleistet, wenn der Druck der im Schaltergehäuse befindlichen Gase oder Dämpfe unterhalb eines Wertes von etwa 10~⁴ Torr liegt. Steigt nämlich der Druck über den genannten Betrag an, so können durch Stoßionisation so viele Ladungsträger gebildet werden, daß auch nach Trennung der Kontaktflächen der elektrische Strom nicht völlig unterbrochen wird. Hiermit ist eine dauernde Erwärmung der beiden Kontaktelektroden verknüpft, was wiederum zur Abgabe weiterer Gas- und Dampfmengen führt. Dieser Vorgang kann sich so weit steigern, daß auch nach dem Trennen der Kontaktflächen eine ausgesprochene Bogenentladung bestehenbleibt.

Mit der genannten Grenze für den Druck im Schaltergehäuse ist gleichzeitig — bei der bisherigen Ausführung des Schalters — die Anzahl der möglichen Schaltvorgänge und damit die Lebensdauer des Schalters begrenzt. Während jedes Schaltvorganges geben nämlich beide Kontaktflächen,, infolge des kleinen hierbei entstehenden Lichtbogens, eine gewisse Gasmenge ab. Dadurch wird ein allmählicher Anstieg des Druckes bis zur Erreichung bzw. Überschreitung der zulässigen Grenze bewirkt.

Die Erfindung beseitigt diese Schwierigkeit, und zwar in bekannter Weise durch Einbau einer ständig wirksamen Vakuumpumpe in das Schaltergehäuse, die die während der Schaltvorgänge laufend frei werdenden Gase bindet und auf diese Weise einen allmählichen Anstieg des Druckes verhindert.

Es ist mehrfach versucht worden, einen Vakuumschalter dadurch zu schaffen, daß man an ein Gefäß eine ständig arbeitende Pumpvorrichtung anschließt und innerhalb des Gefäßes den Schalter unterbringt. Diese Anordnung beansprucht verhältnismäßig viel Raum und bedarf einer ständigen Wartung. Die benutzte Pumpvorrichtung umfaßt eine mechanisch bewegte Pumpe und außerdem eine Quecksilberpumpe,

Vakuumschalter mit eingebauter
Sorptionspumpe

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. se. nat. Walter Hänlein, Erlangen,

und Dipl.-Phys. Karl-Georg Günther, Nürnberg,

sind als Erfinder genannt worden

bei der das Quecksilber beheizt wird und die Quecksilberdämpfe durch Kühlwasser kondensiert werden.

Es ist zwar anderweitig schon vorgeschlagen worden, Gasreste in Glühkathodenröhren in der Weise zu absorbieren, daß man zwischen der Glühkathode und einer kalten Elektrode eine Wechselspannung anlegt. Diese Anordnung ist bei einem Schalter nicht anwendbar, da bei einer Ionisierung der Schaltstrecke zwischen den Kontakten eine Rückzündung einträte und damit der Schalter, obgleich mechanisch geöffnet, weiter den Betriebsstrom führen würde. Außerdem ist eine Glühkathode verhältnismäßig störanfällig, da sie erschütterungsempfindlich ist und nur eine begrenzte Lebensdauer hat.

Demgegenüber ist bei dem neuen Schalter erfindungsgemäß eine Ionisationsgetterpumpe mit kalter Kathode benutzt, es sind ferner die Elektroden dieser Pumpe in den hohl ausgebildeten, durch Öffnungen mit dem Vakuum in Verbindung stehenden Kontaktträger des einen Schalterpols eingebaut. Infolgedessen ist die Pumpe einerseits nicht erschütterungsemfindlich, zum anderen gelangen praktisch keine Ionen in die Schaltstrecke.

Mit der vorerwähnten Anordnung ist der weitere Vorteil verknüpft, daß der Magnet zur Erzeugung des Magnetfeldes für den Betrieb der Ionisationsgetterpumpe hinreichend weit von der Schaltstrecke entfernt ist und so den Schaltvorgang nicht beeinflußt.

Beachtenswert ist auch der Umstand, daß eine

Getterpumpe mit Glühkathode sehr stark abhängig ist von der Art des in dem Vakuumgefäß enthaltenen Gases. Verwendet man hingegen eine Getterpumpe

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mit kalter Kathode, so ,.ist man freizügiger in der Wahl der Stoffe für die Kathode. Bei entsprechender Wahl der Stoffe — z. B. Titan, Graphit, Zirkon —. ist zwar auch noch eine gewisse Abhängigkeit von der Art des im Vakuumgefäß enthaltenen Gases festzustellen. Diese Abhängigkeit ist aber sehr viel geringer als bei einer Getterpumpe mit Glühkathode.

Ein Ausführungsbeispiel ist in-der Zeichnung dargestellt; es zeigt

Fig. 1 den Schalter mit eingebauter Pumpe im Längsschnitt,
-■ Figv-2 einen-Schnitt .nach der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 1.

Das vakuumdichte Schaltergehäuse 1 kann ζ. Β. ein Glaskolben od. dgl. sein oder, wie in der Zeichnung dargestellt, aus einem Metallblech gedrückt sein. Die in das Gehäuse ragende Elektrode 2 ist über einen Flansch 2 α und eine rinnenf örmige Membran 3, die vorzugsweise aus Metall besteht, vakuumdicht a.n einen Metallzylinder 4 angeschlossen. Dieser ist durch einen Isolierstoffring 5, der vorzugsweise aus Glas besteht, am Gehäuse 1 befestigt und zugleich diesem gegenüber isoliert. Die Membran 3 gestattet es, die Elektrode 2 zum Gehäuse 1 in der Längsrichtung zu bewegen. Diese für den Schaltvorgang notwendige Bewegung kann beispielsweise durch einen Elektromagneten auf die Elektrode 2 übertragen werden. Zur Aufnahme eines solchen an der Elektrode 2 angreifenden Elektromagneten oder eines anderen Schalterantriebes ist der Metallzylinder 4 vorgesehen.

Der Elektrode 2 steht die Elektrode 6 gegenüber, sie- ist am Schaltergehäuse 1 starr befestigt» ζ. B. an das Gehäuse angelötet oder angeschweißt. Beide Elektroden 2 und 6, die vorzugsweise aus Kupfer bestehen, tragen an ihren Enden die aus einer besonders geeigneten Legierung hergestellten Kontaktplatten 7 a und Ib.

Die- Elektrode 6 ist mit einer zentralen Bohrung 8 versehen, die nach außen hin durch den Bolzen 9 vakuumdicht verschlossen und über die Öffnungen 10 mit dem vom Schaltergehäuse umschlossenen Raum in Verbindung steht. Die Bohrung 8 enthält die Vakuumpumpe zum Absaugen der während der Schaltvorgänge entstehenden Gase.

Die Pumpe beruht auf dem an sich bekannten Ionisations- und Sorptionseffekt. Zwischen der als Ring von Rechteckform ausgeführten Anode 11 und der aus einem sorptionsfähigen Material bestehenden Kathode.12, die hier zylindrisch ausgeführt ist und infolge ihrer leitenden Verbindung mit der Elektrode 6 das Potential Null haben mag, wird durch Anlegen einer hohen Gleichspannung an den Anschlußkontakt 13 und den Elektrodenkörper 6 eine elektrische Entladung aufrechterhalten. Mit Hilfe eines vom Permanentmagneten 14 erzeugten Magnetfeldes kann die Entladung auch bei verhältnismäßig niedrigen Drücken, beispielsweise bei 10~⁵ Torr, noch aufrechterhalten werden. Hierzu ist der außen durch das Weicheisenjoch 15 geschlossene Magnet 14 so orientiert, daß die Richtung des magnetischen Feldes zur Ebene des Anodenringes 11 senkrecht steht. Durch diese Maßnahme wird bewirkt, daß jedes von der Kathode 12 ausgehende Elektron vor Erreichen der Anode 11 eine Vielzahl von Schwingungen durchführt, also einen langen Weg durchlaufen muß.

Auf diesem langen Wege kennen die Elektronen auch bei geringer Gasdichte durch Stoß ioni sation noch so viele Ladungsträger bilden, daß die elektrische Entladung nicht erlischt. Die ionisierten Gasmoleküle treffen nun ihrerseits mit großer Geschwindigkeit auf die sorptionsfähige Kathode 12 auf, werden dort gebunden und somit aus dem Schaltergehäuse entfernt. Als Kathodenmaterial kann z. B. Titan oder Tantal oder ein anderer sorptionsfähiger Stoff benutzt werden. Die Brennspannung der elektrischen Entladung beträgt im allgemeinen mehrere tausend Volt. Der Magnet wird vorzugsweise so dimensioniert, daß im Entladungsraum eine Feldstärke von 600 bis 1000 G besteht.

Mit Hilfe der Abschirmbleche 16 wird verhindert, daß die beim Abschalten etwa entstehenden Metalldämpfe auf den Isolierstoffring 5 kondensieren und damit eine elektrisch leitende Metallbrücke bilden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Schalter, dessen Kontaktflächen von einem evakuierten Gehäuse umschlossen sind, dessen Vakuum durch eine ständig arbeitende Pumpvorrichtung aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpvorrichtung aus einer Ionisationsgetterpumpe mit kalter Kathode (12) besteht und daß die Elektroden (11, 12) dieser Pumpe in den hohl ausgebildeten, durch Öffnungen (10) mit dem Vakuum in Verbindung stehenden Kontaktträger (6, 9) des einen Schalterpols eingebaut sind.

2. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktträger (6,9) des einen Schalterpols mit seinem die Elektroden (11,12) der Ionisationsgetterpumpe umschließenden Teil außerhalb des evakuierten Gehäuses (1) liegt und dementsprechend auch die Magnetanordnung (14, 15) zur Erzeugung des Magnetfeldes für den Betrieb der genannten Pumpe außerhalb des evakuierten Gehäuses (1) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 540 990, 542 963.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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