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Die Erfindung bezieht sich auf eine Strombegrenzungsvorrichtung mit
einem Strombegrenzungsleiter aus einem verdampfbaren Material, das bei Auftreten
eines überstromes in eine einen hohen Widerstand bildende Zustandsform überführbar
ist und nach Beendigung des Überstromes in den Zustand geringen Widerstandes zurückführbar
ist, welches in mindestens einem Kanal eines mit zwei Polstücken versehenen druckfesten
Gehäueses angeordnet ist.
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Eine solche Strombegrenzungsvorrichtung ist aus der USA: Patentschrift
3 117 203 bekannt. Diese bekannte Strombegrenzungsvorrichtung ist jedoch
sehr starr ausgebildet und mit dicken Wänden um den das verdampfbare Material enthaltenden
Kanal herum versehen, damit sie die hohen Drücke während des Betriebes aushält.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Strombegrenzungsvorrichtung zu schaffen, bei der diese starre und
schwere Konstruktion durch eine einfache und trotzdem den im Betrieb auftretenden
hohen Drücken standhaltende Konstruktion ersetzt wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Strombegrenzungsvorrichtung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß das Gehäuse aus einer Schichtung abwechselnd übereinandergestapelter
metallischer Leiterscheiben und Isolierscheiben besteht, durch die in axialer Richtung
der Kanal für das verdampfbare Material hindurchfährt, daß die beiden Polstücke
zur Halterung der Schichtung sich gegenüberstehend auf den beiden Enden der Schichtung
aufgesetzt sind und eine Vorrichtung vorhanden ist, welche die Schichtung druckfest
zusammenhält. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht diese Vorrichtung
zum druckfesten Zusammenhalten der Schichtung aus Druckbolzen, die durch koaxial
zu dem Kanal verlaufende zylindrische Öffnungen in den PolstUkken gesteckt sind.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Strombegrenzungsvorrichtung ist gegenüber
der bekannten Strombegrenzungsvorrichtung auf Grund ihres schichtförmigen Aufbaus
leichter und billiger herzustellen. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Strombegrenzungsvorrichtung
leichter
und damit universeller verwendbar, obwohl sie in gleichem Maße den im Betrieb auftretenden
hohen Drücken standhalten kann wie die bekannte Strombegrenzungsvorrichtung.
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Um den schichtartigen Aufbau der erfindungsgemäßen Strombegrenzungsvorrichtung
dicht zu gestalten, weisen in Weiterbildung der Erfindung sowohl die Leiterscheiben
als auch die Isolierscheiben der Schichtung in ihrer Mitte eine Scheibe mit einer
den Kanal bildenden Öffnung auf, wobei die letztgenannten Scheiben durch mindestens
eine Kreisringscheibe in ihrer Lage fixiert sind. Weiter ist die innere Scheibe
der Isolierscheibe zweckmäßig von zwei zusammendrückbaren und verformbaren Kreisringscheiben
konzentrisch umgeben, und um diese Kreisringscheiben ist ein nicht zusammendrückbarer
und nicht verformbarer Kreisring angeordnet, der mit der Kreisringscheibe in Eingriff
steht, die die innere Scheibe der Leiterscheibe umgibt. Die zusammendrückbaren und
verformbaren Kreisringscheiben in der zusammengesetzten Schichtung sind gegenüber
ihrer ursprünglichen Größe so weit zusammengedrückt, daß die hierdurch erzeugte,
radial nach innen gerichtete Druckkraft mindestens gleich der radial nach außen
gerichteten Druckkraft ist, die während des Betriebes der Strombegrenzungsvorrichtung
bei der Zustandsänderung des Strombegrenzungsmaterials in dem Kanal entsteht.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht die Kreisringscheibe
der Isolierscheibe aus isolierendem Speckstein. In der zusammengesetzten Schichtung
dichtet die aus Speckstein bestehende Kreisringscheibe alle möglicherweise bestehenden
Hohlräume zwischen den inneren Scheiben und den Kreisringscheiben ab.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die innere Scheibe
der Isolierscheibe aus sehr dichtem Aluminiumoxyd und die innere Scheibe der metallischen
Leiterscheibe aus Wolframkarbid. Weiter besteht die Kreisringscheibe, die innerhalb
der Leiterscheibe angeordnet ist, aus hochfestem Stahl und weist einen kreisringförmigen
Nutring auf, in den in jeweils gegenüberliegenden metallischen Leiterscheiben der
nicht verformbare Kreisring der Isolierscheibe eingesetzt ist. Vorteilhaft enthalten
die zusammendrückbaren Kreisringscheiben Chlorbutadien, und der nicht zusammendrückbare
Kreisring in dem Nutring besteht zweckmäßig aus Glasfaserstoff.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigt F i g.1 einen vertikalen Querschnitt durch eine Strombegrenzungsvorrichtung,
F i g. 2 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils von abwechselnd übereinandergeschichteten
Leiter-und Isolierscheiben, die das Strombegrenzungsmaterial umschließen und einen
Kanal für das Strombegrenzungsmaterial bilden, F i g. 3 eine perspektivische Ansicht
eines Teiles der Schichtung nach F i g. 2 längs der Schnittlinie 3-3 in F i g. 2,
F i g. 4 eine perspektivische Ansicht eines Teiles der Schichtung nach F i g. 2
längs der Schnittlinie 4-4. in Fig.2.
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In F i g.1 ist eine Schichtung 1 dargestellt, die aus abwechselnd
aufeinandergelegten Leiterscheiben 2 aus Metall und Isolierscheiben 3 aufgebaut
ist. Diese Scheiben werden durch ein oberes Polstück 4 und ein unteres Polstück
5 von hoher Festigkeit und Schlagfestigkeit zusammengehalten. Sie werden durch Druck
in ihrer richtigen Stellung gehalten, der durch eine größere Anzahl Druckbolzen
6 erzeugt wird. Die Druckbolzen 6 führen durch eine Öffnung ohne Gewinde in dem
Polstück 4 und sind in Gewindebohrungen des Polstückes 5 verschraubt. Die Isolierung
zwischen den beiden Polstücken 4 und 5 wird durch eine Isolierscheibe 7 auf dem
Polstück 4 und durch Isolierhülsen 8 über den Druckbolzen 6 erreicht. Um den gesamten
Druck gleichmäßig von den Polstükken auf die Schichtung 1 zu übertragen, weist jedes
Polstück auf der Innenseite Mittelstücke 9 und 10
auf, die an den äußersten
Leiterscheiben 11 und 12 der Schichtung 1 anliegen. Axial durch die Schichtung 1
führt ein Kanal 13 für das Strombegrenzungsmaterial hindurch.
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Durch das Polstück 4 hindurch führt in Längsrichtung eine Bohrung
14 mit großem Durchmesser, die in eine Gegenbohrung 15 mit geringerem Durchmesser
sowie in eine Bohrung 16 mit noch kleinerem Durchmesser mündet. Die Bohrung 16 befindet
sich zwischen der Gegenbohrung 15 und einer Oberfläche 10. Entsprechend verläuft
durch die Längsachse des Polstückes 5 eine Bohrung 18 mit großem Durchmesser mit
einer Gegenbohrung 17 und eine Bohrung 19 mit kleinerem Durchmesser. Der Durchmesser
der Bohrungen 16 und 19 ist zweckmäßigerweise ein wenig größer als der größte Durchmesser
des durch die Schichtung hindurchführenden Kanals 13. Von der zylindrischen Innenfläche
der Bohrung 16 aus führen eine größere Anzahl Hohlräume 20 und
21 schräg in das Polstück 4 hinein, die zur Aufnahme eines Teils des Strombegrenzungsmaterials
bestimmt sind. Entsprechend führen von der Bohrung 19 des Polstükkes 5 ähnliche
zylindrische Hohlräume 22 und 23 schräg in das Polstück 5. An den Hohlraum 23 schließt
sich eine mit einem Gewinde versehene, versenkte Bohrung 24 mit größerem Durchmesser
an, in die eine Einfüllbohrung 25 mündet. Diese besitzt an der Stelle 26 ein Gewinde
und weist eine Stiftschraube 27 auf. Diese Bohrung führt von der Oberfläche des
Polstückes 5 in die versenkte Bohrung 24. Die Bohrungen 14 und
18 in den Polstücken 4
und 5 enthalten jeweils einen Kolben 28 und
29. Hinten auf die Kolben 28 und 29 sind zusammendrückbare Teile 30 und
31 aufgelegt. Diese Teile 30
und 31 bestehen aus gummiartigem Material
mit geschlossenen Poren. Durch diese Anordnung werden die Kolben federnd mit dem
Strombegrenzungsmaterial in Kontakt gehalten, in dem die Strombegrenzung stattfindet.
Dies geschieht unabhängig von dem Aggregatzustand, d. h. unabhängig davon, ob das
Strombegrenzungsmaterial flüssig oder dampfförmig ist. Das in dem Kanal
13 enthaltene Material kann sich ausdehnen, wenn der Druck in dem Kanal
13 in--folge des Übergangs des Strombegrenzungsmaterials von dem flüssigen
in den dampfförmigen Zustand ansteigt. Durch diese Ausdehnungsmöglichkeit wird verhindert,
daß sich in dem Kanal ein Druck ausbildet, der während des Betriebes zu ernsthaften
Bruchgefahren führen könnte.
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Bisher ist die Schichtung, die das Strombegrenzungsmaterial der Strombegrenzungsvorrichtung
nach F i g. 1 umgibt, als ein Paket abwechselnd übereinandergelegter Isolier- und
Metallscheiben beschrieben worden. Tatsächlich ist der Aufbau der Schichtung nicht
ganz so einfach, obwohl das Grundprinzip
darin besteht, daß eine
größere Anzahl Metallscheiben und eine größere Anzahl dazwischengeschalteter Isolierscheiben
aufgeschichtet werden. Dadurch werden zwei jeweils aufeinanderfolgende Metallscheiben
gegenseitig isoliert, so daß der einzige elektrisch leitende Weg zwischen den Polstücken
4 und 5 über das leitende Metall in dem Kanal führt. Die Metallscheiben halten dem
Ausdehnungsdruck stand, der bei dem Phasenwechsel des Strombegrenzungsmaterials
in dem Kanal entsteht. Infolge der hohen Drücke besteht die Gefahr, daß das dampfförmige
Metall zwischen den zusammengehörigen Teilen der Schichtung entweicht. Deshalb sind
die abwechselnd aufeinanderfolgenden Metall- und Isolierscheiben besonders ausgebildet,
um eine möglichst gute Abdichtung bei allen in dem Kanal auftretenden Drücken zu
erzielen.
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F i g. 2 zeigt einen vergrößert dargestellten Querschnitt mit zwei
Leiterscheiben und drei Isolierscheiben. Die Leiterscheibe weist eine äußere Kreisringscheibe
40 aus hochfestem Stahl auf. In der Mitte besitzt sie eine Öffnung, in die eine
geschlitzte Scheibe 41 aus Wolframkarbid eingeführt wird. In der Mitte der Isolierscheibe
3 befindet sich eine Scheibe 42 aus sehr dichtem Aluminiumoxyd. Um die Scheibe 42
ist eine Kreisringscheibe 43 aus Speckstein angeordnet. Um die Kreisringscheibe
43 ist eine Kreisringscheibe 44 aus einem geschmeidigen, isolierenden und verformbaren
Material, zweckmäßigerweise aus Chlorbutadien, angeordnet. Die Kreisringscheiben
40 aus Stahl weisen oben und unten einen Nutring 45 bzw. 46 auf. Sie sind
konzentrisch und gleichförmig auf den beiden Oberflächen der Kreisringscheibe 40
angeordnet. Der durch die zusammenpassenden Nutringe 45 und 46 gebildete Zwischenraum
wird mit einem Kreisring 47 aus einem Glasfaserstoff gefüllt. Außen um den Kreisring
47 aus Glasfaserstoff herum wird eine Kreisringscheibe 48 angeordnet, die auch aus
Chlorbutadien besteht.
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In F i g. 3 ist die obere Fläche der Isolierscheibe der Schichtung
nach F i g. 2 dargestellt. Es ist aus der perspektivischen Ansicht der F i g. 3
ersichtlich, daß die Kreisringscheibe 43 aus Speckstein und die Kreisringscheiben
44 und 48 praktisch eine ebene Fläche bilden, während die innere Scheibe 42 aus
Aluminiumoxyd und der Kreisring 47 aus Glasfaserstoff aus dieser Ebene herausragen.
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Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß die Kreisringscheibe 40 eine ebene
Oberfläche darstellt und daß die innere Scheibe 41 aus Wolframkarbid unterhalb dieser
Ebene angeordnet ist. Ebenso ist auch der Nutring 45 in die Oberfläche der Kreisringscheibe
40 eingelassen. Um die Isolier- und die Leiterscheibe nach F i g. 3 und 4 zu einer
Schichtung zusammenzufügen, werden deren Oberflüchen zusammengefügt. Dabei schließt
die innere Scheibe 42 aus Aluminiumoxyd bündig mit der Vertiefung in der Kreisringscheibe
40 ab und liegt auf der inneren Scheibe 41 aus Wolframkarbid auf. Dabei liegen die
Schlitze der Scheiben 41 und 42 genau übereinander, so daß da- i durch ein durchgehender
Kanal gebildet wird, der das Strombegrenzungsmaterial aufnimmt. In gleicher Weise
paßt der Kreisring 47 aus Glasfaserstoff bündig in den Nutring 45 in der Kreisringscheibe
40 in F i g. 4 hinein. Wie aus dem Querschnitt nach F i g. 4 t ersichtlich ist,
werden die Umfangsflächen der Seheibe 41 aus Wolframkarbid und der Scheibe 42 aus
Aluminiumoxyd bei deren Berührung direkt von starren Wandteilen der Kreisringscheibe
40 begrenzt. Dadurch wird eine möglicherweise auftretende Verbindung zwischen. dem
Kanal und der äußeren Umgebeng, durch die Druck entweichen könnte, lang und gewunden.
Weiterhin wird für eine sichere Abdichtung bei hohen Drücken in dem Kanal 13 folgendermaßen
vorgegangen: Wenn die Schichtung 1 nach F i g. 1 zusammengesetzt worden ist und
die Druckbolzen 6 fest angezogen sind, wird die Schichtung 1 zusammengepreßt. Dadurch
wird die Entfernung zwischen gegenüberliegenden Kreisringscheiben 40 von etwa 0,76
mm auf etwa 0,5 mm, d. 1i. um ein Drittel vermindert. Diese Dickenverminderung bewirkt,
daß die Kreisringscheibe 44 aus Chlorbutadien und die Kreisringscheibe 43 aus Speckstein
stark zusammengedrückt werden. Dies geschieht deshalb, weil die Kreisringscheibe
47 aus Glasfaserstoff die Ausdehnung der Kreisringscheibe 44 aus Chlorbutadien
nach außen unmöglich macht, und die innere Scheibe 42 aus Aluminiumoxyd verhindert,
daß sich die Kreisringscheibe 43 aus Speckstein nach innen ausdehnt. An dieser Stelle
sei erwähnt, daß eine besondere Eigenschaft, die den Speckstein für eine Verwendung
in diesem Aufbau der Schichtung wertvoll und wichtig macht, darin liegt, daß der
Speckstein unter starkem Druck fließt. Wenn also die Specksteinscheibe um ein Drittel
zusammengedrückt wird, so wird dadurch ein Fließen bewirkt, und dadurch wiederum
wird irgendein gebliebener Hohlraum auf dem Umfang der Kreisringscheibe 42 aus Aluminiumoxyd
mit Speckstein gefüllt. Somit wird irgendein innen befindlicher Hohlraum ausgefüllt.
Der sehr starke Druck auf die Specksteinscheibe bewirkt, daß der Speckstein von
dieser Scheibe aus um die Aluminiumoxydscheibe herumfließt.
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Das Fließen des Specksteines zur Abdichtung der Scheibenränder benötigt
nur eine relativ geringe Menge des vorhandenen Specksteines und beseitigt nicht
den Druck, unter dem die Kreisringscheibe 43 steht. Die Kreisringscheiben 43 und
44 stehen unter einem starken Druck, der dem auf die Scheiben 41 und 42 ausgeübten
Druck entgegenwirkt, wenn das Strombegrenzungsmaterial in dem Kanal 13 von der Flüssigkeits-
in die Dampfphase übergeht. Bei Verwendung des hier beschriebenen Aufbaues ist es
möglich, die Schichtung der abwechselnd aufeinanderfolgenden Isolier- und Leiterscheiben
der Schichtung 1 vollständig abzudichten. Weiterhin wird der Stroinbegrenzungsvorrichtung
dadurch, daß die Kreisringscheibeii 43 und 44 unter hohem Druck stehen, eine holte
Stoßfestigkeit gegeben. Nachdem die Kolben 28 und 29 und die zusammenpreßbaren Teile
30 und 31 in die Bohrungen 41. und 18 des Systems eingesetzt
worden sind, das das flüssige Strombegrenzungsmaterial aufnehmen soll, werden die
Bolzen 36 und 37 der Polstücke an -ezogen, damit sie fest an den Schultern 38 und
39 anliegen. Dieses kann mit oder ohne Dichtungsringe geschehen. Dadurch wird die
Kammer dicht von der Umgebung abgeschlossen, ohne daß irgendein Druck auf die zusammenpreßbaren
Teile 30 und 31 ausgeübt wird. Dann werden die einzelnen Bestandteile, nämlich die
Leiter- und Isolierscheiben der Schichtung, passend zusammengefügt, und die Schichtung
wird zwischen die Polstücke 4 und 5 gesetzt. Daraufhin werden die Druckbolzen 6
eingeführt und angezogen, um in den verformbaren Isolierscheiben den gewünschten
Druck zu erzeugen. Das innere Vclumen, das von dem
Strombegrenzungsmaterial
eingenommen wird, wird auf bis etwa 10-4 Torr evakuiert. Danach wird dieser Raum
einschließlich des Kanals 13, den Bohrungen 16 und 19 und den Gegenbohrungen 15
und 17 zusammen mit den schräg verlaufenden Hohlräumen 20, 21, 22 und 23 mit einer
leitenden Flüssigkeit gefüllt. Hierfür kommt beispielsweise Quecksilber in Frage,
obwohl auch andere Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt wie beispielsweise Gallium,
Indium, Alkalimetalle oder eine Legierung oder Mischung einer geringen Menge Alkalimetall,
wie Natrium mit Quecksilber, verwendet werden kann. Die leitende Flüssigkeit wird
durch die Einfüllbohrung 25 eingefüllt, wobei eine Stellschraube 35 in der Bohrung
24 zurückgedreht ist, damit zwischen der Einfüllbohrung 25 und der Bohrung 24 ein
freier Durchgang besteht. Nachdem das gesamte vorstehend beschriebene Volumen mit
metallischem Leiter bei einem Druck von mehreren Atmosphären gefüllt worden ist,
wird die Stellschraube 35 tiefer in die Bohrung 24 eingedreht, um so die Einfüllbohrung
25 abzuschließen und sicherzustellen, daß der metallische Leiter unter einem bestimmten
Druck verbleibt, der beispielsweise 1 bis 5 Atmosphären betragen kann. Dadurch wird
jede Möglichkeit ausgeschlossen, daß irgendein Teil des Flüssigkeitsraumes nicht
gefüllt wird.
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Aus den F i g. 3 und 4 ist ersichtlich, daß der Querschnitt des Kanals
13 aus zwei sich im rechten Winkel kreuzenden Schlitzen besteht, die an ihren Enden
in kreisförmige Öffnungen übergehen. Der Kanal ist auf seiner ganzen Länge von einem
zum anderen Ende gleich breit und gleichförmig ausgebildet.
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Die Wirkungsweise der Strombegrenzungsvorrichtung ist folgende: Solange
während des normalen Betriebes kein Überstrom auftritt, fließt der normal auftretende
Strom durch den Kanal, der mit flüssigem Metall gefüllt ist. Der Energieverlust,
der auf Grund des sehr geringen Widerstandes von einigen Milliohm besteht, wird
über die Wände bei nur geringer Erwärmung abgeleitet. Wenn ein Überstrom auftritt,
beginnt sich in der im Kanal befindlichen Flüssigkeit ein sehr hoher Stromstoß auszubilden,
der mehrere hundert bis mehrere tausend Ampere betragen kann. Dadurch wird die Flüssigkeit
plötzlich aufgeheizt. Wenn die Temperatur des flüssigen Metalls den Punkt erreicht,
an dem der Dampfdruck des Metalls gleich dem Einfülldruck des flüssigen Metalls
ist, beginnen sich in der Säule Dampfblasen zu bilden. Dieses würde beispielsweise
bei einem Druck von 5 Atmosphären und, in diesem Beispiel, bei einer Temperatur
von 750° K auftreten. Dadurch wird die Leitfähigkeit verschlechtert. Das führt zu
einer Beschleunigung der Temperaturerhöhung, bis der gesamte Querschnitt des Kanals
mit verdampftem Metall gefüllt ist. Zu diesem Zeitpunkt bildet sich ein Lichtbogen
über dem dampfhaltigen Teil des Kanals aus. Dieses bewirkt eine sehr schnelle Druckerhöhung,
wodurch das restliche flüssige Metall von dem Kanal in die Hohlräume 15 und 17 getrieben
wird und die Kolben 28 und 29 nach außen gedrückt werden. Dadurch werden auch die
Teile 30 und 31 zusammengedrückt.