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Die
Erfindung betrifft einen Leistungsschalter, insbesondere eine Vakuumschaltröhre,
umfassend zwei Kontaktelemente, die an ihren zueinander zeigenden
Enden jeweils mindestens ein Kontaktstück aufweisen, wobei
die Kontaktelemente relativ zueinander beweglich sind derart, dass
die jeweiligen Kontaktstücke miteinander in Berührung
bringbar sind.
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Leistungsschalter,
insbesondere Vakuumschaltröhren dieser Art sind unter anderem
aus der
DE 299 01
094 U1 hinreichend bekannt.
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Leistungsschalter,
insbesondere Vakuumschaltröhren sind konstruktiv derart
auszulegen, dass diese eine hohe Nennstromtragfähigkeit
aufweisen. Damit sich die Kontaktstücke eines Leistungsschalters
bei Nennstrombelastung im Dauerbetrieb nicht übermäßig
erhitzen, muss die entstehende Wärme von den Kontaktstücken
abgeführt werden. In einer Vakuumschaltröhre kann
die Wärme von den Kontaktstücken entweder durch
Wärmeleitung über die Kontaktelemente oder in
geringem Umfang durch Wärmestrahlung abgeführt
werden.
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Die
DE 299 01 094 U1 offenbart
hier bereits einen Einsatz von Kühlkörpern im
Bereich der Kontaktelemente. Dabei werden Kontaktelemente aus reinem
Kupfer mit einer axialen Bohrung versehen, in welche beispielsweise
ein Wärmerohr eingesetzt wird.
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Kontaktelemente
aus reinem Kupfer wurden bisher bevorzugt in Leistungsschaltern
eingesetzt, da Kupfer bei einer Temperatur von 20°C eine
hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 384 W/mK und
gute spezifische elektrische Leitfähigkeit von etwa 57 m/Ωmm2 aufweist.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, Leistungsschalter mit verbesserten
Kontaktelementen anzugeben, die sowohl eine hohe Wärmeableitung
wie auch Nennstromtragfähigkeit gewährleisten.
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Die
Aufgabe wird durch einen Leistungsschalter, umfassend zwei Kontaktelemente,
die an ihren zueinander zeigenden Enden jeweils mindestens ein Kontaktstück
aufweisen, wobei die Kontaktelemente relativ zueinander beweglich
sind derart, dass die jeweiligen Kontaktstücke miteinander
in Berührung bringbar sind, gelöst, indem mindestens
eines der Kontaktelemente zumindest teilweise aus einem Kohlenstofffasermaterial
gebildet ist, das bei einer Temperatur von 20°C zumindest
in einer Richtung eine Wärmeleitfähigkeit von
größer als 400 W/mK aufweist.
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Kohlenstofffasermaterialien,
die bei einer Temperatur von 20°C zumindest in einer Richtung eine
Wärmeleitfähigkeit von größer
als 400 W/mK, bis hin zu 1000 W/mK, aufweisen, sind beispielsweise über
die Fa. CyTec, USA, verfügbar. Die spezifische elektrische
Leitfähigkeit eines solchen Kohlenstofffasermaterials beträgt
in Faserlängsrichtung bei 20°C etwa 0,279 m/Ωmm2 und ist damit niedriger als die spezifische
elektrische Leitfähigkeit von Kupfer.
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Aufgrund
der hohen Wärmeleitfähigkeit des Kohlenstofffasermaterials
ist eine besonders effektive Ableitung der an den Kontaktstücken
des Leistungsschalters entstehenden Wärme möglich,
so dass die Leistung bzw. Nennstromtragfähigkeit der Vakuumschaltröhre
gesteigert werden kann. Zudem besitzt das Kohlenstofffasermaterial
den Vorteil, dass es unempfindlich gegenüber Erschütterungen
bei Schaltvorgängen ist und in jeder beliebigen Raumlage
problemlos betrieben werden kann.
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Der
Leistungsschalter ist besonders bevorzugt eine Vakuumschaltröhre,
umfassend ein Gehäuse mit einem Vakuumschaltraum sowie
zwei durch das Gehäuse in den Vakuumschaltraum geführte Kontaktelemente,
die an ihrem im Vakuumschaltraum angeordneten Ende jeweils mindestens
ein Kontaktstück aufweisen, wobei die Kontaktelemente relativ
zueinander beweglich sind derart, dass die jeweiligen Kontaktstücke
miteinander in Berührung bringbar sind, und wobei mindestens
eines der Kontaktelemente zumindest teilweise aus einem Kohlenstofffasermaterial
gebildet ist, das bei einer Temperatur von 20°C zumindest
in einer Richtung eine Wärmeleitfähigkeit von
größer als 400 W/mK aufweist.
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Der
Leistungsschalter kann aber beispielsweise auch ein Freiluftschalter,
ein luftisolierte Schalter, ein Strömungsschalter, ein
Blaskolbenschalteer, ein Druckgasschalter, ein andersartig gekapselter Schalter
usw. sein.
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Die
Kontaktelemente des Leistungsschalters sind relativ zueinander beweglich
derart, dass die jeweiligen Kontaktstücke miteinander in
Berührung bringbar sind. Dazu kann eines der Kontaktelemente beweglich
und eines der Kontaktelemente starr, bei einer Vakuumschaltröhre
beispielsweise am Gehäuse der Vakuumschaltröhre,
befestigt sein. Ebenso können aber beide Kontaktelemente
beweglich sein. Um ein bewegliches Kontaktelement beispielsweise durch
das Gehäuse in den Vakuumschaltraum zu führen,
wird unter anderem eine Federbalgdichtung oder dergleichen verwendet.
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Die
Kontaktstücke eines Leistungsschalters sind bevorzugt aus
reinem Kupfer gebildet und weisen häufig an den Flächen,
an denen die an den unterschiedlichen Kontaktelementen befestigten
Kontaktstücke einander berühren, eine spezielle
Beschich tung auf, die die Lebensdauer des Leistungsschalters wesentlich
bestimmt.
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Es
hat sich insbesondere für eine Vakuumschaltröhre
bewährt, wenn die Richtung, in der das Kohlenstofffasermaterial
bei einer Temperatur von 20°C eine Wärmeleitfähigkeit
von größer als 400 W/mK aufweist, sich parallel
zu einer Achse erstreckt, die durch das im Vakuumschaltraum angeordnete
Ende und ein außerhalb des Vakuumschaltraums angeordnetes
Ende des Kontaktelements verläuft. Dadurch wird die Wärme
zuverlässig von dem am Kontaktelement angeordneten mindestens einen
Kontaktstück weg und aus dem Vakuumschaltraum hinaus gerichtet
abgeleitet.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn beide Kontaktelemente eines Leistungsschalters
zumindest teilweise aus dem Kohlenstofffasermaterial gebildet sind.
So wird eine möglichst gleichmäßige Wärmeableitung
von den Kontaktstücken über beide Kontaktelemente
erreicht.
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Besonders
bewährt hat sich der Einsatz eines Kohlenstofffasermaterials,
das bei einer Temperatur von 20°C in zumindest der einen
Richtung eine Wärmeleitfähigkeit von größer
als 700 W/mK aufweist. Eine derart hohe Wärmeleitfähigkeit
verhindert zuverlässig eine Überhitzung im Bereich
der Kontaktstücke.
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Bevorzugt
umfasst mindestens eines der Kontaktelemente weiterhin ein Metall,
mit welchem das Kohlenstofffasermaterial zumindest teilweise ummantelt
ist. Der Begriff „Metall” umfasst dabei sowohl
reine Metalle wie auch Metall-Legierungen. Diese Ummantelung ermöglicht
eine besonders gasdichte Abdichtung zwischen dem Kontaktelement und
dem Vakuumschaltraum einer Vakuumschaltröhre. Für
Leistungsschalter allgemein kann dadurch zudem die spezifische elektrische
Leitfähigkeit des Kontaktelements verbessert und die gegenüber
Kupfer verringerte spezifische elektrische Leitfähigkeit des
Kohlenstofffasermaterials zumindest teilweise ausgeglichen werden.
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Es
ist von Vorteil, wenn das Metall ein Rohr bildet, welches mit dem
Kohlenstofffasermaterial zumindest teilweise gefüllt ist.
Das Rohr kann mit einem Kontaktstück und/oder einer elektrischen
Anschlussleitung und/oder dem Gehäuse einer Vakuumschaltröhre
und dergleichen verlötet oder verschweißt werden.
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Zur
Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem Kontaktelement
und dem mindestens einen Kontaktstück sowie dem Kontaktelement
und einer elektrischen Leitung ist ein Verlöten des Kohlenstofffasermaterials
mit dem mindestens einen Kontaktstück bzw. einer elektrischen
Anschlussleitung möglich. Das Kohlenstofffasermaterial
wird zuvor bevorzugt graphitisiert.
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Als
Metall, mit welchem das Kohlenstofffasermaterial zumindest teilweise
ummantelt ist, kommt beispielsweise das derzeit relativ teure reine Kupfer
in Betracht. Insbesondere können auch Metalle, die bei
einer Temperatur von 20°C eine Wärmeleitfähigkeit
von deutlich kleiner als etwa 400 W/mK aufweisen, problemlos verwendet
werden. Lediglich die spezifische elektrische Leitfähigkeit
für das Kontaktelement muss insgesamt ausreichend hoch
sein, um die geforderte Nennstromtragfähigkeit zu erreichen.
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Als
kostengünstiger Ersatz für reines Kupfer haben
sich Metalle wie Aluminium, Aluminiumlegierungen, Stahl oder Kupferlegierungen
als geeignet erwiesen. Die geringere Wärmeleitfähigkeit,
die diese Metalle gegenüber reinem Kupfer aufweisen, wird durch
die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kohlenstofffasermaterials
ohne weiteres ausgeglichen.
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Um
die Wärmeabführung von den Kontaktstücken
eines Leistungsschalters durch Wärmeleitung über
die Kontaktelemente noch einmal zu steigern, hat es sich bewährt,
wenn zumindest eines der Kontaktelemente rohrförmig ausgebildet
ist und einen Kühlkörper, insbesondere in Form
eines Wärmerohres, umschließt. Der Kühlkörper
wird dabei bevorzugt teilweise in das Kohlenstofffasermaterial eingebettet.
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Die 1 bis 3 zeigen
beispielhaft mögliche Ausgestaltungen erfindungsgemäßer
Leistungsschalter in Form von Vakuumschaltröhren. So zeigt
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1 einen
Längsschnitt durch einen Leistungsschalter in Form einer
Vakuumschaltröhre mit Kontaktelementen aus Kohlenstofffasermaterial;
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2 einen
Längsschnitt durch einen Leistungsschalter in Form einer
Vakuumschaltröhre mit Kontaktelementen aus Metall und Kohlenstofffasermaterial;
und
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3 einen
Längsschnitt durch einen Leistungsschalter in Form einer
Vakuumschaltröhre mit Kontaktelementen aus Metall, Kohlenstofffasermaterial
und einem Kühlkörper.
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1 zeigt
einen Leistungsschalter in Form einer Vakuumschaltröhre 1 im
Längsschnitt umfassend ein Gehäuse 9 mit
einem Vakuumschaltraum 9a sowie zwei durch das Gehäuse 9 in
den Vakuumschaltraum 9a geführte Kontaktelemente 2a, 2b,
die an ihrem im Vakuumschaltraum 9a angeordneten Ende jeweils
ein Kontaktstück 8a, 8b aufweisen. Im Gehäuse 9 befindet
sich eine dielektrische Schirmung 5. Die Kontaktelemente 2a, 2b sind
relativ zueinander beweglich, so dass die Kontaktstücke 8a, 8b miteinander
in Berührung bringbar sind. Während ein Kontaktstück 2a starr
am Gehäuse 9 fixiert ist, ist das andere Kontaktstück 2b mittels
einer Federbalgdichtung 7 mit dem Gehäuse 9 verbunden.
Die Federbalgdichtung 7 ermöglicht bei einem Schaltvorgang
eine Bewegung des Kontaktelements 2b in Richtung des Kontaktelements 2a bzw.
von diesem weg (siehe Doppelpfeil). Im Bereich der Kontaktflächen
der Kontaktstücke 8a, 8b, die beispielsweise aus
Kupfer gebildet sind, befinden sich optional Beschichtungen 8c, 8d,
welche die Lebensdauer der Vakuumschaltröhre 1 erhöhen.
Die Beschichtungen 8c, 8d sollen insbesondere
die Verschleißfestigkeit der Kontaktstücke 8a, 8b erhöhen
und den Stromübergang zwischen den Kontaktstücken 8a, 8b verbessern.
Die Kontaktelemente 2a, 2b sind hier jeweils aus
einem Kohlenstofffasermaterial 3a, 3b gebildet,
das bei einer Temperatur von 20°C lediglich in Richtung
der Längsachse der Kontaktelemente 2a, 2b eine
Wärmeleitfähigkeit von größer
als 400 W/mK aufweist. Die Kontaktelemente 2a, 2b sind
an ihren Enden graphitisiert. An den Enden der Kontaktelemente 2a, 2b,
die sich im Vakuumschaltraum 9a befinden, sind diese mit
je einem der Kontaktstücke 8a, 8b verlötet.
Die sich außerhalb des Vakuumschaltraums 9a befindenden
Enden der Kontaktelemente 2a, 2b können
mit elektrischen Leitungen verbunden werden, beispielsweise durch
Löten. Die hohe Wärmeleitfähigkeit der
Kontaktelemente 2a, 2b in Richtung der Längsachse
der Kontaktelemente ermöglicht eine schnelle und gerichtete
Abführung der an den Kontaktstücken 8a, 8b entstehenden
Wärme aus dem Gehäuse 9.
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2 zeigt
einen Leistungsschalter in Form einer Vakuumschaltröhre 10 im
Längsschnitt, die sich von der in 1 dargestellten
lediglich durch den Aufbau ihrer Kontaktelemente 2c, 2d unterscheidet. Gleiche
Bezugszeichen in den 1 und 2 bezeichnen
gleiche Bauteile. Die Kontaktelemente 2c, 2d sind
hier jeweils aus einem mit Metall 4a, 4b ummantelten
Kohlenstofffasermaterial 3c, 3d gebildet, das
bei einer Temperatur von 20°C zumindest in Richtung der
Längsachse der Kontaktelemente 2a, 2b eine
Wärmeleitfähigkeit von größer
als 400 W/mK aufweist. Die Kontaktelemente 2c, 2d sind
im Bereich des Kohlenstofffasermaterials 3c, 3d an
ihren Enden graphitisiert. An den Enden der Kontaktelemente 2a, 2b,
die sich im Vakuumschaltraum 9a befinden, sind diese mit
je einem der Kontaktstücke 8a, 8b verlötet, die
beispielsweise aus Kupfer gebildet sind. Die sich außerhalb
des Vakuumschaltraums 9a befindenden Enden der Kontaktelemente 2a, 2b können
mit elektrischen Leitungen verbunden werden, beispielsweise ebenfalls
durch Löten. Das Metall 4a, 4b ist hier
in Form eines Rohres ausgebildet, dessen Rohröffnung das
Kohlenstofffasermaterial 3c, 3d ausfüllt.
Das Metall 4a, 4b ist in diesem Fall aus Aluminium
oder Stahl gebildet, kann aber auch aus Kupfer, einer Kupferlegierung.
Einer Aluminiumlegierung usw. gebildet sein. Die hohe Wärmeleitfähigkeit
der Kontaktelemente 2a, 2b zumindest in Richtung
der Längsachse der Kontaktelemente ermöglicht
eine schnelle Abführung der an den Kontaktstücken 8a, 8b entstehenden Wärme
aus dem Gehäuse 9. Das Metall 4a, 4b dient aufgrund
seiner guten elektrischen Leitfähigkeit neben dem Kohlenstofffasermaterial 3c, 3d als
zusätzlicher elektrischer Leiter, über welchen
ein Teil des Nennstroms geführt wird.
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3 zeigt
einen Leistungsschalter in Form einer Vakuumschaltröhre
100 im
Längsschnitt, die sich von den in den
1 und
2 dargestellten
lediglich durch den Aufbau ihrer Kontaktelemente
2e,
2f unterscheidet.
Gleiche Bezugszeichen in den
1 bis
3 bezeichnen
gleiche Bauteile. Die Kontaktelemente
2e,
2f sind
hier jeweils aus einem mit Metall
4c,
4d ummantelten
Kohlenstofffasermaterial
3e,
3f gebildet, das
bei einer Temperatur von 20°C zumindest in Richtung der
Längsachse der Kontaktelemente
2e,
2f eine
Wärmeleitfähigkeit von größer
als 400 W/mK aufweist. Die Kontaktelemente
2e,
2d sind
jeweils rohrförmig ausgebildet, wobei sich in der Röhröffnung
jeweils ein Kühlkörper
6a,
6b befindet.
Die Kühlkörper
6a,
6b sind hier
beispielsweise als Wärmerohre ausgeführt, deren
Funktionsweise z. B. aus der
DE 299 01 094 U1 hinreichend bekannt ist. Die
Kontaktelemente
2e,
2f sind im Bereich des Kohlenstofffasermaterials
3e,
3f an
ihren Enden graphitisiert. An den Enden der Kontaktelemente
2e,
2f,
die sich im Vakuumschaltraum
9a befinden, sind diese mit
je einem der Kontaktstücke
8a,
8b verlötet,
die beispielsweise aus Kupfer gebildet sind. Die sich außerhalb
des Vakuumschaltraums
9a befindenden Enden der Kontaktelemente
2e,
2f können
mit elektrischen Leitungen verbunden werden. Das Metall
4c,
4d ist
in Form eines Rohres ausgebildet, dessen Rohröffnung das
ebenfalls rohrförmige Kohlenstofffasermaterial
3e,
3f teilweise
ausfüllt. Das Metall
4c,
4d ist in diesem
Fall aus Aluminium oder Stahl gebildet, kann aber auch aus Kupfer,
einer Kupferlegierung, einer Aluminiumlegierung usw. gebildet sein.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Kontaktelemente
2e,
2f zumindest
in Richtung der Längsachse der Kontaktelemente
2e,
2f ermöglicht
im Zusammenspiel mit den Kühlkörpern
6a,
6b eine
besonders schnelle und gerichtete Abführung der an den
Kontaktstücken
8a,
8b entstehenden Wärme
aus dem Gehäuse
9. Das Metall
4c,
4d dient
aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit neben
dem Kohlenstofffasermaterial
3e,
3f als zusätzlicher
elektrischer Leiter, über welchen ein Teil des Nennstroms
geführt wird.
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Einem
Fachmann sind selbstverständlich diverse alternative Bauweisen
von Leistungsschaltern oder Vakuumschaltröhren bekannt,
die in den 1 bis 3 nicht
dargestellt sind. Eine Übertragung des Erfindungsgedankens
auf Leistungsschalter wie beispielsweise Freiluftschalter, luftisolierte
Schalter, Strömungsschalter, Blaskolbenschalteer, Druckgasschalter,
andere Arten gekapselter Schalter usw. ist einem Fachmann somit
ohne weiteres möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 29901094
U1 [0002, 0004, 0029]