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Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit mindestens einem im Wesentlichen zylindrischen, elektrisch isolierenden Gehäuseteil, welches vakuumdicht mit einem Metallteil verbunden ist, wobei das Metallteil mit einem Feldsteuerelement versehen ist.
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Eine derartige Vakuumschaltröhre ist aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 297 17 489 U1 bekannt. Bei dieser Vakuumschaltröhre ist das Feldsteuerelement auf die Mantelfläche des elektrisch isolierenden Gehäuseteils aufgesetzt und steht in radialer Richtung über die Mantelfläche vor. Dadurch kann es zwischen dem Feldsteuerelement und anderen elektrisch leitfähigen Teilen der Vakuumschaltröhre (beispielsweise anderen Feldsteuerelementen) leicht zu Entladungen bzw. Überschlägen auf der Außenfläche der Vakuumschaltröhre kommen, wodurch die sogenannte äußere Spannungsfestigkeit der Vakuumschaltröhre begrenzt ist.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2007 022 875 A1 ist eine Vakuumschaltröhre mit einem im Wesentlichen zylindrischen, elektrisch isolierenden Gehäuseteil, welches vakuumdicht mit einem Metallteil verbunden ist, bekannt. Dabei ist das Metallteil mit einem Feldsteuerelement verbunden, welches im Inneren einer Gehäuseummantelung angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumschaltröhre anzugeben, die eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vakuumschaltröhre nach dem Patentanspruch 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vakuumschaltröhre sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird bei einer Vakuumschaltröhre der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Feldsteuerelement derart in einer Ausnehmung des Gehäuseteils angeordnet ist, dass das Feldsteuerelement bezüglich der äußeren Mantelfläche des Gehäuseteils vertieft angeordnet ist oder bündig mit der äußeren Mantelfläche abschließt.
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Bei dieser Vakuumschaltröhre befindet sich das Feldsteuerelement in der Ausnehmung des Gehäuseteils und steht nicht radial über die Mantelfläche des Gehäuseteils vor. Dadurch ist zum einen vorteilhafterweise kein aus der Mantelfläche hervorstehendes bzw. herausragendes Teil des Feldsteuerelements vorhanden, an dem unerwünschte hohe elektrische Feldstärken entstehen können. Dadurch wird das Entstehen von Entladungen oder Überschlägen auf der äußeren Oberfläche der Vakuumschaltröhre wirkungsvoll vermindert. Dadurch wird die Spannungsfestigkeit der Vakuumschaltröhre, insbesondere die äußere Spannungsfestigkeit, beträchtlich erhöht. Zusätzlich wird auch die sogenannte Querisolation zwischen der Vakuumschaltröhre und zu dieser benachbart angeordneten elektrisch leitfähigen Bauteilen (wobei es sich auch um weitere Vakuumschaltröhren handeln kann) verbessert, weil das Feldsteuerelement nicht in Richtung dieser benachbart angeordneten Bauteile über die Mantelfläche des Gehäuseteils hinaus hervorsteht. Dadurch wird an der Stelle des Feldsteuerelements eine Verringerung des Isolierabstandes vermieden.
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Die Vakuumschaltröhre kann so ausgestaltet sein, dass das Feldsteuerelement im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist und dass der größte Radius des Feldsteuerelements kleiner oder gleich dem größten Radius der die Ausnehmung begrenzenden Flächen des Gehäuseteils ist.
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Weiterhin kann die Vakuumschaltröhre so ausgestaltet sein, dass das Gehäuseteil mittels einer Lötverbindung mit dem Metallteil verbunden ist.
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Bei der Vakuumschaltröhre kann das Gehäuseteil aus Keramik bestehen.
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Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass das Feldsteuerelement aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus Kupfer oder Edelstahl, besteht.
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Die Vakuumschaltröhre kann so realisiert sein, dass das Feldsteuerelement durch Umbiegen eines Abschnittes des Metallteils gebildet ist oder das Feldsteuerelement mittels Löten oder Schweißen mit dem Metallteil verbunden ist.
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Die Vakuumschaltröhre kann auch so realisiert sein, dass das Feldsteuerelement als ein aus einem Metallblech geformter Ring ausgestaltet ist, wobei die Ränder des Metallblechs unter Ausbildung mindestens einer Rundung umgebogen sind. Diese Rundung vermindert zusätzlich die Ausbildung von Feldstärkeüberhöhungen.
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Die Vakuumschaltröhre kann auch so realisiert sein, dass die Ausnehmung mindestens teilweise mit einem festen Isolierstoff, insbesondere mit einem Silikon, gefüllt ist bzw. dass die Ausnehmung mindestens teilweise mit diesem festen Isolierstoff verschlossen ist. Dabei kann der Isolierstoff das in der Ausnehmung angeordnete Feldsteuerelement mindestens teilweise umschließen. Dadurch wird vorteilhafterweise eine hohe Spannungsfestigkeit bei sehr guten Isolationseigenschaften erreicht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu ist in
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Vakuumschaltröhre in Schnittdarstellung, in
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2 ein Ausschnitt aus der Vakuumschaltröhre in Schnittdarstellung, in
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3 ein weiterer Ausschnitt aus der Vakuumschaltröhre in Schnittdarstellung und in
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4 ein Ausschnitt aus einer weiteren Vakuumschaltröhre in Schnittdarstellung dargestellt.
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1 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Vakuumschaltröhre 1. Diese Vakuumschaltröhre 1 weist ein im Wesentlichen zylindrisches, elektrisch isolierendes erstes Gehäuseteil 3 aus Keramik auf. Das erste Gehäuseteil 3 hat eine im Wesentlichen hohlzylindrische Gestalt und weist an einem stirnseitigen Ende eine erste Ausnehmung 5 und an dem anderen stirnseitigen Ende eine zweite Ausnehmung 7 auf. Eine Stirnfläche des ersten Gehäuseteils 3 ist vakuumdicht mit einem ersten Metallteil 9 verbunden, z. B. vakuumdicht verlötet. Das erste Metallteil 9 weist einen flanschartigen Metallring auf, welcher im Inneren der Vakuumschaltröhre einen ersten Dampfschirm 11 und an seinem radial außen liegenden Ende ein erstes Feldsteuerelement 13 trägt. Das erste Metallteil 9 ist mit einer ersten Metallkappe 15 vakuumdicht verbunden. Ein Festkontakt 17 durchdringt die erste Metallkappe 15 und ist fest in diese eingefügt, beispielsweise eingelötet.
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Die andere Stirnfläche des ersten Gehäuseteils 3 ist vakuumdicht mit einem zweiten Metallteil 19 verbunden. Dieses zweite Metallteil 19 weist ebenfalls die Form eines Flanschringes auf, der im Inneren der Vakuumschaltröhre einen zweiten Dampfschirm 21 und an seinem radial außen liegenden Ende ein zweites Feldsteuerelement 23 trägt. Das zweite Metallteil 19 ist ebenfalls vakuumdicht mit einer Stirnfläche eines im Wesentlichen zylindrischen, elektrisch isolierenden zweiten Gehäuseteils 25 verbunden, welches im Ausführungsbeispiel gleichartig zu dem ersten Gehäuseteil 3 ausgestaltet ist. Das zweite Gehäuseteil 25 weist an einem stirnseitigen Ende eine dritte Ausnehmung 26 und an dem anderen stirnseitigen Ende eine vierte Ausnehmung 28 auf.
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Die zweite Stirnfläche des zweiten Gehäuseteils 25 ist vakuumdicht mit einem dritten Metallteil 27 verbunden, welches – ähnlich dem ersten Metallteil 9 – einen dritten Dampfschirm 29 und ein drittes Feldsteuerelement 31 trägt. Das dritte Metallteil 27 ist vakuumdicht mit einer zweiten Metallkappe 33 verbunden, welche vakuumdicht mit einem Ende eines Faltenbalgs 35 verbunden ist. Das andere Ende des Faltenbalges 35 ist mit einem Bewegkontakt 37 verbunden. Der Faltenbalg 35 ermöglicht eine axiale Bewegung des Bewegkontaktes 37; diese Bewegung ist mittels eines Doppelpfeils 39 angedeutet.
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Bei dem ersten Feldsteuerelement 13, dem zweiten Feldsteuerelement 23 und dem dritten Feldsteuerelement 31 handelt es sich um elektrisch leitfähige Elemente zur Beeinflussung der elektrischen Feldstärke. Im Ausführungsbeispiel bestehen die Feldsteuerelemente aus Kupferblech.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Vakuumschaltröhre 1 in Schnittdarstellung. Vergrößert ist die Stelle dargestellt, an der die Stirnfläche des ersten Gehäuseteils 3 mit dem zweiten Metallteil 19 verbunden ist, wobei das zweite Metallteil 19 ebenfalls mit der Stirnfläche des zweiten Gehäuseteils 25 verbunden ist. Diese vakuumdichten Verbindungen können beispielsweise Lötverbindungen sein. Das zweite Metallteil 19 trägt auf seiner dem Festkontakt 17 und dem Bewegkontakt 37 der Vakuumschaltröhre 1 zugewandten Seite den zweiten Dampfschirm 21 und auf seiner dem Bewegkontakt 17 und dem Festkontakt 37 der Vakuumschaltröhre abgewandten Seite das zweite Feldsteuerelement 23.
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Im stirnseitigen Endbereich des ersten Gehäuseteils 3 ist die zweite Ausnehmung 7 dargestellt, im stirnseitigen Endbereich des zweiten Gehäuseteils 25 ist die dritte Ausnehmung 26 dargestellt. Das zweite Feldsteuerelement 23 ist so in der zweiten Ausnehmung 7 des ersten Gehäuseteils 3 angeordnet, dass das zweite Feldsteuerelement 23 bezüglich der äußeren Mantelfläche des ersten Gehäuseteils 3 vertieft angeordnet ist. Dabei ist der größte Radius des im Wesentlichen rotationssymmetrischen zweiten Feldsteuerelements 23 kleiner als der größte Radius der die Ausnehmung 7 begrenzenden Flächen des ersten Gehäuseteils 3. Der größte Radius der die Ausnehmung 7 begrenzenden Flächen des ersten Gehäuseteils 3 entspricht im Ausführungsbeispiel dem größten Radius des ersten Gehäuseteils 3. Mit anderen Worten ist das zweite Feldsteuerelement 23 vertieft oder versenkt in der zweiten Ausnehmung 7 angeordnet. Das zweite Feldsteuerelement 23 steht damit nicht in radialer Richtung über die Mantelfläche des ersten Gehäuseteils 3 hervor.
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In gleicher Weise ist das zweite Feldsteuerelement 23 so in der dritten Ausnehmung 26 des zweiten Gehäuseteils 25 angeordnet, dass das zweite Feldsteuerelement 23 bezüglich der äußeren Mantelfläche des zweiten Gehäuseteils 25 vertieft angeordnet ist. Dabei ist der größte Radius des im Wesentlichen rotationssymmetrischen zweiten Feldsteuerelements 23 kleiner als der größte Radius der die dritte Ausnehmung 26 begrenzenden Flächen des zweiten Gehäuseteils 25.
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Die zweite Ausnehmung 7 des ersten Gehäuseteils 3 und die dritte Ausnehmung 26 des zweiten Gehäuseteils 25 können optional mit einem festen Isolierstoff gefüllt bzw. verschlossen sein, beispielsweise mit einem Silikon. Dies ist in 2 mit Hilfe einer Punktierung 201 angedeutet.
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Allgemein können eine, mehrere oder alle Ausnehmungen der Gehäuseteile (also im Ausführungsbeispiel die erste Ausnehmung 5, die zweite Ausnehmung 7, die dritte Ausnehmung 26 und/oder die vierte Ausnehmung 28) optional mindestens teilweise mit einem festen Isolierstoff gefüllt bzw. verschlossen sein, beispielsweise mit einem Silikon. Dadurch wird vorteilhafterweise eine hohe Spannungsfestigkeit bei sehr guten Isolationseigenschaften erreicht. Dabei kann der Isolierstoff das in der Ausnehmung angeordnete Feldsteuerelement mindestens teilweise umschließen. Der Raum um das Feldsteuerelement herum kann also mindestens teilweise mit dem Isolierstoff gefüllt sein.
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Weiterhin ist in 2 gut zu erkennen, dass das zweite Feldsteuerelement 23 als ein aus einem Metallblech geformter Ring ausgestaltet ist. Die Ränder des Metallblech-Rings sind dabei unter Ausbildung von Rundungen 203 und 205 in Richtung der Rotationsachse der Vakuumschaltröhre umgebogen. Diese Rundungen vermindern zusätzlich – in als solches bekannter Weise – die Ausbildung von Feldstärkeüberhöhungen. Im Ausführungsbeispiel ist das zweite Feldsteuerelement 23 mittels einer Schweißverbindung 207 mit dem zweiten Metallteil 19 verbunden. Alternativ kann das zweite Feldsteuerelement 23 auch mit dem zweiten Metallteil 19 verlötet sein.
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3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung einen weiteren Ausschnitt aus der Vakuumschaltröhre der 1. Das der ersten Metallkappe 15 zugewandte stirnseitige Ende des ersten Gehäuseteils 3 ist vakuumdicht mit einem flanschringartigen Abschnitt des ersten Metallteils 9 verlötet ist. An der dem Festkontakt 17 abgewandten Seite des flanschringförmigen Abschnitts ist das erste Metallteil 9 unter Ausbildung des ersten Feldsteuerelements 13 umgebogen. Mit anderen Worten ist das erste Feldsteuerelement 13 durch Umbiegen eines Abschnittes des ersten Metallteils 9 gebildet. Auf der dem Festkontakt 17 zugewandten Seite ist das erste Metallteil 9 unter Ausbildung des ersten Dampfschirms 11 umgebogen.
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Das erste Feldsteuerelement 13 ist dabei bezüglich der äußeren Mantelfläche des ersten Gehäuseteils 3 vertieft in der ersten Ausnehmung 5 des im Wesentlichen hohlzylindrischen ersten Gehäuseteils 3 angeordnet. Der größte Radius des im Wesentlichen rotationssymmetrischen ersten Feldsteuerelements 13 ist dabei kleiner als der größte Radius der die Ausnehmung 5 begrenzenden Flächen des ersten Gehäuseteils 3. Mit anderen Worten ist im Ausführungsbeispiel der größte Radius des im Wesentlichen rotationssymmetrischen ersten Feldsteuerelements 13 kleiner als der größte Radius des ersten Gehäuseteils 3.
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4 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Detail einer weiteren Vakuumschaltröhre, welches dem in 2 dargestellten Detail ähnelt. Im Unterschied zu der Darstellung der 2 ist bei dem Ausführungsbeispiel der 4 das zweite Metallteil 401 mit einem zweiten Feldsteuerelement 403 versehen, wobei das zweite Feldsteuerelement 403 bündig mit der äußeren Mantelfläche des ersten Gehäuseteils 3 und des zweiten Gehäuseteils 25 abschließt. Unter bündigem Abschluss wird hier verstanden, dass der größte Radius des Feldsteuerelementes 403 in der Ebene der Mantelfläche des Gehäuseteils 3 liegt. Auch bei dieser Ausgestaltungsform steht kein Abschnitt des zweiten Feldsteuerelements 403 über die Mantelfläche des ersten Gehäuseteils 3 oder des zweiten Gehäuseteils 25 radial vor, so dass auch hier die Ausbildung von Gleitentladungen oder Überschlägen auf der Mantelfläche der Gehäuseteile 3 und 25 reduziert wird.
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Der größte Radius des im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten zweiten Feldsteuerelementes 403 ist gleich dem größten Radius der die zweite Ausnehmung 7 begrenzenden Flächen des ersten Gehäuseteils 3. Dieser Radius entspricht im Ausführungsbeispiel dem Radius des ersten Gehäuseteils 3. Ebenso ist der größte Radius des zweiten Feldsteuerelements 403 gleich dem größten Radius der die dritte Ausnehmung 26 begrenzenden Flächen des zweiten Gehäuseteils 25.
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Als weiterer Unterschied zu der in 2 dargestellten Ausführungsform sind bei der Ausführungsform der 4 die zweite Ausnehmung 7 und die dritte Ausnehmung 26 nicht mit einem festen Isolierstoff gefüllt, sondern die Ausnehmungen 7 und 26 sind ungefüllt und damit beispielsweise mit Luft versehen.
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Es wurde eine Vakuumschaltröhre beschrieben, bei der ein Feldsteuerelement in einer Ausnehmung des elektrisch isolierenden Gehäuseteils angeordnet ist. Dadurch steht dieses Feldsteuerelement nicht über die äußere Mantelfläche der Vakuumschaltröhre in radialer Richtung hervor, so dass die Ausbildung von Gleitentladungen bzw. Überschlägen entlang der Mantelfläche der Vakuumschaltröhre vermindert wird. Mangels hervorstehender Teile des Feldsteuerelements treten keine unerwünschten hohen Feldstärken auf, welche zu einer unerwünschten Entladung oder einem unerwünschten Spannungsüberschlag führen könnten. Dadurch wird die sogenannte Längsisolation (d. h. die Isolation entlang der Längsausdehnung der Vakuumschaltröhre) verbessert. Da keine elektrisch leitfähigen Teile des Feldsteuerelements über die Mantelfläche der Vakuumschaltröhre in radialer Richtung hervorstehen, wird weiterhin auch die sogenannte Querisolation erhöht (das ist die Isolation zwischen der Vakuumschaltröhre und zur Vakuumschaltröhre benachbarten elektrisch leitenden Gegenständen, beispielsweise in mehrphasigen Schaltgeräten die Isolation zwischen der Vakuumschaltröhre und einer benachbart angeordneten Vakuumschaltröhre). Insgesamt betrachtet wird die äußere Spannungsfestigkeit der Vakuumschaltröhre erheblich erhöht.
