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Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit einer Schaltkammer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Beim Schalten großer elektrischer Lasten mithilfe von Vakuumschaltröhren kommt es in Folge der Aufheizung der Kontaktflächen beim Öffnen der Kontakte zur Bildung von Metalldampf, der sich im gesamten Vakuumvolumen ausbreitet und sich schließlich an einer Oberfläche niederschlägt. Überschreitet die Belegung mit Kontaktmaterial auf den Innenoberflächen der Isolatoren ein gewisses Maß, so vermag die Schaltröhre die spezifizierte Spannungsfestigkeit nicht mehr zu gewährleisten, was zu einem Versagen der Röhre beispielsweise in Form eines Hochspannungsdurchschlages führen kann. Um die beschriebene Metallbedampfung zu unterdrücken, werden sogenannte Metalldampfschirme oder Abschirmbleche in derart in der Vakuumröhre angeordnet, dass sie aus Sicht der Metalldampfquellen vor, hinter und zwischen den Isolatoren angebracht sind. Sie schirmen gegenüber Metalldampfatomen, die direkt aus der Richtung der Hauptmetalldampfquelle oder mittelbar aus dieser Richtung kommen, ab. Eine völlige Abschaltung gegenüber gestreuten Metalldampfteilchen ist allerdings nicht möglich, weil ein Kompromiss zwischen Spannungsfestigkeit und räumliche Ausdehnung der Schaltröhre gefunden werden muss.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vakuumröhre mit einem Metalldampfschutz bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine gute Beschattung der elektrisch sensiblen Bauteile gewährleistet und dabei einen geringen Bauraum benötigt.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Vakuumschaltröhre mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Schaltröhre umfasst einen Schaltraum und ein darin angeordnetes Kontaktsystem. Das Kontaktsystem weist dabei einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt auf, wobei der erste Kontakt in der Regel beweglich gelagert ist und der zweite Kontakt ein Festkontakt ist. Diese beiden Kontakte sind entlang einer Schaltachse angeordnet, wobei beide Kontakte jeweils ein Schaltstück umfassen, wobei das Schaltstück jeweils eine Schaltfläche aufweist, die beiden Schaltflächen dienen in einem geschlossenen Zustand der Schaltröhre der Kontaktierung. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Kontakt mindesten ein Abschirmelement zum Abschirmen von primären Metalldampf aufweist und das Abschirmelement des Kontaktsystems in Bereiche des Schaltstücks bzw. der Schaltstücke in der Regel aber nicht ausschließlich radial umschließt. Ferner zeichnet sich die Schaltröhre dadurch aus, dass die Schaltfläche von dem Abschirmelement um mindestens 5 % (bevorzugt 10 %, 15 % bzw. 20 %) des Abstandes von der Schaltachse bis zu einem äußeren Rand der Schaltfläche überragt.
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Die beschriebene Maßnahme führt dazu, dass es zu einer quellnahen Abschirmung des beim Schalten durch den Lichtbogen induzierten und somit emittierten Metalldampfes kommt. Hierdurch wird der Raumwinkel, den der aus dem Kontaktbereich abströmende Dampf einnimmt, in Richtung senkrecht zur Kontaktebene also entlang der Schaltachse eingeschränkt. Dies hat wiederum eine verringerte, vom Metalldampf direkt erreichbare Fläche zur Folge, welche als schädlich sekundäre Metalldampfquelle wirkt. Durch diese räumliche Einschränkung vereinfacht sich die Auslegung einer Vakuumröhrengeometrie in Bezug auf die Minimierung der Bedampfung von Isolatoren. Grundsätzlich kann diese Wirkung dadurch erreicht werden, dass die tatsächliche Schaltfläche gegenüber der Gesamtausdehnung des Schaltstückes verringert ist.
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Eine hierzu geeignete Maßnahme ist das Einbringen einer Nut, die bevorzugt bezüglich der radialen Ausdehnung der Schaltfläche umlaufend verläuft. Dabei markiert diese Nut den äußeren Rand der Schaltfläche und verhindert ein weiteres Ausbreiten eines Lichtbogens in radiale Richtung. Bereiche der Schaltfläche bzw. des Schaltstückes, die jenseits der Nut liegen, fungieren somit als Abschirmelemente. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Breite der Nut bevorzugt mindestens 2 % (bevorzugt 4 %, 6 %, 8 %) des Abstandes von der Schaltachse bis zum Rand der Schaltfläche beträgt. Mit dieser Maßgabe ist die Nut ausreichend breit, um eine weitere Ausbreitung des Schaltlichtbogens nach außen zu unterbinden. Dabei bildet der Bereich des Schaltstückes, der bezüglich der Nut auf eine der Schaltachse abgewandten Seite liegt, zumindest ein Teil des Abschirmelementes.
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Bevorzugt ist das Abschirmelement radial oder im Idealfall auch konzentrisch zur Schaltachse um das Schaltstück herum angeordnet. Dabei sind in symmetrischer Bauart bevorzugt auch zwei Abschirmelemente jeweils ein Abschirmelement für jedes Schaltstück bzw. für jeden Kontakt vorgesehen.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist mindestens ein Abschirmelement bezüglich einer Schaltfläche entlang der Schaltachse von der Schaltfläche beabstandet angeordnet. Das Abschirmelement ist somit bezüglich der Schaltachse versetzt zum Schaltstück angeordnet, was dazu führt, dass eine verbesserte Abschirmung gegenüber Isolatormaterial, das die Vakuumschaltröhre begrenzt, gegeben ist. Derartige Abschirmelemente können bevorzugt auch schirmförmig ausgebildet sein. Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich lediglich um exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzumfangs darstellen. Merkmale mit derselben Bezeichnung und in unterschiedlicher Ausgestaltungsform werden dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Dabei zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch eine Vakuumschaltröhre mit einer umlaufenden Nut im Schaltstück,
- 2 eine Vakuumschaltröhre gemäß 1 mit alternativer Ausgestaltung des Abschirmelementes,
- 3 ebenfalls eine Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1 mit zusätzlichen Elementen,
- 4 eine Vakuumschaltröhre gemäß 3 mit alternativ geformten Abschirmelementen.
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In 1 ist eine Vakuumschaltröhre bzw. ein Ausschnitt aus einer Vakuumschaltröhre im Querschnitt gegeben, die dem Stand der Technik entspricht. Die Vakuumschaltröhre 2 weist ein Kontaktsystem 6 auf, das einen Festkontakt 8 und einen Bewegkontakt 10 umfasst, wobei diese beiden Kontakte 8 und 10 entlang einer Schaltachse 12 rotationssymmetrisch ausgerichtet sind. Daher ist in 1 und in den 2 und 3 nur eine Hälfte der Vakuumschaltröhre 2 rechts von der Schaltachse 12 dargestellt. Der linke, hier nicht dargestellte Teil verhält sich hierzu achsensymmetrisch.
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Beim Öffnen des Kontaktsystems 6 bildet sich zwischen den Schaltkontakten 8 und 10 bzw. zwischen deren Schaltflächen 16 ein Lichtbogen aus, durch den wiederum Atome bzw. Teilchen von der Oberfläche der Schaltflächen 16 herausgeschlagen werden, die sich dann als Metalldampf in der Schaltkammer 4, die an sich einen Vakuumbereich darstellen soll, aufhalten. Dieser primäre Metalldampf 18 schlägt sich nach Erlöschen des Lichtbogens, der hier nicht dargestellt ist, bevorzugt an den äußeren Oberflächen der Schaltkammer 4 nieder. Besonders betroffen davon sind ein metallisches Gehäuseteil 34, oder die inneren Oberflächen eines Isolatorbauteils 32. Daher werden gemeinhin gemäß des Standes der Technik sogenannte Abschirmbleche 30 angeordnet, die insbesondere den Niederschlag des Primärmetalldampfes 18 auf der Oberfläche des Isolators 34 verhindert. Diese Metallschirmbleche 30 schirmen gegenüber Metalldampfatomen 18 ab, die direkt aus der Richtung der Hauptmetalldampfquelle, also den Schaltflächen 16 stammt oder die mittelbar aus dieser Richtung kommen. Eine völlige Abschaltung gegenüber gestreuten Metalldampfteilchen ist allerdings nicht möglich, weil ein Kompromiss zwischen Spannungsfestigkeit und räumliche Ausdehnung der Schaltröhre gefunden werden muss.
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Es hat sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, wenn bereits das Schaltstück 14 in derart ausgestaltet ist, dass ein Abschirmelement 20 das Kontaktsystem im Bereich des Schaltstückes radial umschließt. Dabei ist das Abschirmelement 20 bevorzugt ein integraler Bestandteil des Schaltstückes 14, wodurch, wie in 1 dargestellt ist, die eigentliche Schaltfläche 16 durch eine umlaufende Nut 26 verkleinert wird. Die Nut 26 verhindert ein weiteres Ausbreiten eines Schaltlichtbogens, der hier nicht dargestellt ist, in radiale Richtung von der Schaltachse weg. Der Bereich des Schaltstücks 14, der außerhalb der Nut 26 liegt, wird nach dieser Diktion als Abschirmelement 20 bezeichnet. Die so definierten Abschirmelemente 20 unterscheiden sich auch von den bereits erwähnten Abschirmblechen 30, die an einem Gehäuse 28 der Vakuumschaltröhre 2 angeordnet sind, die auch gelegentlich als Metalldampfschirme bezeichnet werden. Derartige Abschirmbleche 30 bewirken zwar auch grundsätzlich ein Abschirmen von Metalldampf und sie sind aus Sicht der Metalldampfquelle, also der Schaltfläche bevorzugt vor, hinter und zwischen den Isolatoren 32, die einen Teil des Gehäuses 28 darstellen, angeordnet. Diese Abschirmbleche 30 schirmen gegenüber Metalldampfatomen ab, die direkt aus der Richtung der Hauptmetalldampfquelle oder mittelbar aus dieser Richtung kommen. Eine völlige Abschattung gegenüber gestreuten Metalldampfionen ist allerdings nicht möglich, weil ein Kompromiss zwischen Spannungsfestigkeit und räumliche Ausdehnung der Vakuumschaltröhre 2 gefunden werden muss.
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An dieser Stelle greifen nun die beschriebenen Abschirmelemente 20 ein, die direkt am Schaltstück angeordnet sind oder in dieses integriert sind. In der 1 ist, wie bereits beschrieben, das Abschirmelement 20 durch eine umlaufende Nut 26 im Schaltstück 14 von der Schaltfläche abgegrenzt. Dabei endet die Schaltfläche 16 mit einem Rand 24. Der Rand 24 ist von der Schaltachse radial mit einem Abstand 22 von dieser entfernt. Durch die Nut 26 wird die Ausbreitung eines hier nicht dargestellten Lichtbogens abgegrenzt. Die Bereiche des Schaltstückes 16, die außerhalb bzw. jenseits der Nut 26 liegen, die also nach dieser Definition das Schaltstück 20 bilden, schirmen somit Metalldampfionen, die durch den Schaltlichtbogen entstehen gegenüber den restlichen Außenbereichen des Schaltraumes 4 ab. Die Nut 26 benötigt zur Begrenzung des Schaltlichtbogens eine gewisse Breite. Es hat sich herausgestellt, dass eine Nut 26, die eine Breite aufweist, die mindestens 2 % (bevorzugt 4 %, 6 % oder besonders bevorzugt 8 %) des Abstandes 22 von der Schaltachse 12 bis zum Rand 24 der Schaltfläche 16 beträgt, ein Überspringen des Schaltlichtbogens auf das Abschirmelement 20 nachhaltig verhindert werden kann.
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In 2 ist eine Vakuumschaltröhre 2 dargestellt, die der in 1 im Wesentlichen gleich kommt, lediglich die Ausformung des Abschirmelementes 20 ist gegenüber dem Abschirmelement 20 nach 1 unterschiedlich gestaltet. Auch hier existiert eine Nut 26 umlaufend um die Schaltfläche 16, es existiert eine Begrenzung durch den Rand 24 der Schaltfläche 16, das Schaltelement 20 ist jedoch auf der außenliegenden Seite etwas zurückgezogen, sodass eine Abstufung in Richtung der Schaltachse gegenüber der Schaltfläche 16 vorliegt. Auf diese Art und Weise wird das Abschirmelement 20 in gewisser Weise schirmförmig ausgestaltet. Durch derartige Maßnahmen können eine Vielzahl von Geometrien verwirklicht werden, die ein effektives Abschirmen des Metalldampfes, insbesondere des primären Metalldampfes bewirken. Dabei ist es von Bedeutung, dass lichtbogenbegrenzende Mittel, wie die Nut 26 eingebracht sind, die die Ausbreitung des Lichtbogens auf einen inneren Bereich der Schaltfläche 16 begrenzen. Derartige Nuten 26 müssen nicht zwangsweise radial verlaufen, auch Spiralbögen oder andere geometrische Hindernisse für den Lichtbogen in der Schaltfläche bzw. im Schaltstück können dabei zweckmäßig sein.
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Der in den 3 und 4 dargestellte Spezialfall ist dabei so ausgestaltet, dass hier keine explizite Nut 26, wie in den 1 und 2 vorhanden ist, sondern dass die Schaltfläche 16 lediglich mit dem Rand 24 endet. Diese an sich herkömmliche Bauweise wird durch zusätzlich am äußeren Rand des Schaltstücks 14 angebrachte Abschirmelemente 20 realisiert. Dabei können diese Abschirmelemente 20 durch spanend eingebrachte Absätze in das Schaltstück 14 realisiert werden oder sie können als zusätzliches Bauteil auf das Schaltstück 14 aufgesetzt sein. In 3 sind die Abschirmelemente 20 radial und linear nach außen gerichtet, die Ausgestaltungsform gemäß 4 unterscheidet sich davon, dass die Abschirmelemente 20 radial und bogenförmig nach außen gerichtet sind und dabei schirmförmig ausgestaltet sind. Beide Ausgestaltungsformen gemäß 3 und 4 sind dazu geeignet, Primärmetalldampfpartikel von der direkten Ablagerung an der Außenwand des Schaltraums 4, insbesondere auf den Isolatoren 32 zu verhindern.
