DE19714654A1 - Vacuum switch with copper-based contact pieces - Google Patents

Vacuum switch with copper-based contact pieces

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Max-Jianchang Ren
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Abstract

In a vacuum switch chamber with contact pieces (20) consisting at least partially of a Cu/Cr, Cu/CrX or Cu/CrXY mixture (where X and Y are wear modifying additives), the novelty is that (a) the mixture (22) additionally contains 0.2-2 wt.% total of Ti, Zr, Ta and/or Nb or (b) an annular element of Ti, Zr, Ta and/or Nb is fixed to each contact piece. A preferred contact piece has a base section (21) of Cu, a circular contact face section of Cu/Cr, Cu/CrX or Cu/CrXY and an annular section of Ti, Zr, Ta and/or Nb which surrounds a central contact face-forming section and which tapers towards the outer periphery. The Ti, Zr, Ta and/or Nb may be used in hydride form.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltkammer nach dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1.The invention relates to a vacuum interrupter according to the preamble of claim ches 1.

Für Vakuumschaltkammern ist allgemein bekannt daß sie nur dann mit ausreichender Schaltleistung schalten können, wenn der Druck innerhalb der Kammer kleiner oder gleich 104 mbar beträgt. Dieser niedrige Druck, der über einige Jahrzehnte garantiert werden muß wird unter anderem erreicht durch sorgfältiges Reinigen der anfallenden Komponenten; zusätzlich werden die Komponenten wie Faltenbalg, Keramikkörper, Kontaktträger, Kontaktstücke und Schirme bei Temperaturen zwischen 600° bis 1.000°C im Hochvakuum entgast. Zur Aufrechterhalten des niedrigen Druckes in der Vakuumschaltkammer werden darüber hinaus auch Gettermaterialien eingesetzt, z. B. ZrAl, was in vielen geometrischen Formen wie in Form eines Bandes, einer Scheibe, einer Ringscheibe etc. verwendet wird.It is generally known for vacuum interrupters that they are only sufficient Switching capacity can switch if the pressure inside the chamber is less or is equal to 104 mbar. This low pressure that is guaranteed for several decades must be achieved among other things by carefully cleaning the accruing Components; components such as bellows, ceramic bodies, Contact carriers, contact pieces and shields at temperatures between 600 ° to Degassed 1,000 ° C in a high vacuum. To maintain the low pressure in the Vacuum interrupters are also used with getter materials, e.g. B. ZrAl, which in many geometrical forms such as in the form of a ribbon, a disc, a washer etc. is used.

Diese Körper müssen in der Vakuumschaltkammer auf einem Kammerbauteil im Inne­ ren befestigt werden, z. B. durch Punktschweißen. These bodies must be in the vacuum interrupter on a chamber component inside ren are attached, e.g. B. by spot welding.  

Diejenigen Flächen, die dem Lichtbogen ausgesetzt sind, müssen aus abbrandfestem Material hergestellt sein oder abbrandfestes Material aufweisen; zu diesem Zweck stellt man das Kontaktstück oder die Kontaktstücke wenigstens teilweise aus Cu/Cr her, in dem auf die verschiedensten Weisen Kupfer mit Chrom zusammen gesintert wird. Je nach Bedarf können die Gewichts- oder Mengenverhältnisse Kupfer/Chrom 70 zu 30, 80 zu 20, 60 zu 40 oder 50 zu 50 betragen, wobei Chrom und Kupfer in einem speziellen Mischgerät vermischt und danach gesintert werden.Those areas that are exposed to the arc must be made of erosion-resistant Be made of material or have erosion-resistant material; to this end one makes the contact piece or the contact pieces at least partially from Cu / Cr by sintering copper with chrome in a variety of ways becomes. Depending on the requirements, the weight or quantity ratios copper / chrome 70 30, 80 to 20, 60 to 40 or 50 to 50, with chrome and copper in one special mixing device and then sintered.

In vielen Fällen werden in Vakuumschaltkammern nicht nur Kontaktmaterialien auf der Basis von Cu und Cr verwendet, sondern es wird zur Beeinflussung des Abreißverhal­ tens, des Schaltverhaltens oder der Spannungsfestigkeit eine dritte oder eine vierte metallische Werkstoffkomponente zugeführt. Diese zusätzlichen metallischen Kompo­ nenten, die eingangs mit X bzw. XY bezeichnet sind, haben einen prozentualen Ge­ wichtsanteil von 5% bis 15%.In many cases, contact materials are not only used in vacuum interrupters Base of Cu and Cr used, but it is used to influence the tear-off behavior tens, the switching behavior or the dielectric strength a third or a fourth metallic material component supplied. This additional metallic compo Nents that are initially designated X or XY have a percentage Ge weight percentage from 5% to 15%.

Nun ist aus der physikalischen Chemie bekannt, daß Materialien wie Titan (Ti), Zirkon (Zr), Tantal (Ta) und Niob (Nb) sehr gute Gettereigenschaften haben können, so daß diese Materialien gut in der Lage sind, Nichtedelgase wie Wasserstoff, Stickstoffkoh­ lenmonoxid und Kohlendioxid sowie CH4 zu binden. Diese Gase sind auch Restgase, die in einer Vakuumschaltkammer nach einem Standardherstellungsverfahren anfallen können. Zwar hat auch das Chrom eine sehr gute Gettereigenschaft; nur CrH2-Verbin­ dungen sind nicht sehr stabil, und H2 ist eine der dominanten Restgaskomponenten.It is now known from physical chemistry that materials such as titanium (Ti), zirconium (Zr), tantalum (Ta) and niobium (Nb) can have very good getter properties, so that these materials are well able to emit non-noble gases such as hydrogen, Bind nitrogen carbon monoxide and carbon dioxide as well as CH 4 . These gases are also residual gases that can be generated in a vacuum interrupter using a standard manufacturing process. Chromium also has very good gettering properties; only CrH 2 compounds are not very stable, and H 2 is one of the dominant residual gas components.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumschaltkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, in der die Probleme mit Restgasen oder Restmaterialien im wesentlichen vermieden sind.The object of the invention is a vacuum interrupter of the type mentioned to create in which the problems with residual gases or residual materials essentially are avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Cu/Cr, Cu/CrX oder Cu/CrXY wenigstens der Kontaktstücke zusätzlich Ti, Zr, Ta und/oder Nb in einem Mengenanteil von 0,2 Gew.-% bis 2 Gew.-% beigemischt sind.This object is achieved in that the Cu / Cr, Cu / CrX or Cu / CrXY of at least the contact pieces additionally Ti, Zr, Ta and / or Nb in one Quantities of 0.2 wt .-% to 2 wt .-% are added.

In diesem Mengenanteil kann der Ti-, Zr-, Ta- und/oder Nb-Gehalt jeweils zwischen 10 Gew.-% bis 100 Gew.-% variieren. Beispielsweise kann Ti, Zr, Ta und Nb jeweils al­ lein beigemischt sein oder es können zwei dieser Komponenten, Ti, Zr, zu gleichen Teilen, Ti, Zr und Ta mit 50 Gew.-% Ti, 25 Gew.-% Zr und 25 Gew.-% Ta; Ti, Zr und Nb zu 50 Gew.-% Ti, 25 Gew.-% Zr und 25 Gew.-% Nb oder Ti, Zr, Ta und Nb zu 40 Gew.-% Ti, 20 Gew.-% Zr, 20 Gew.-% Ta und 20 Gew.-% Nb vorhanden sein.In this proportion, the Ti, Zr, Ta and / or Nb content can be between Vary from 10% by weight to 100% by weight. For example, Ti, Zr, Ta and Nb can each be al  be mixed in or two of these components, Ti, Zr, can be the same Parts, Ti, Zr and Ta with 50% by weight of Ti, 25% by weight of Zr and 25% by weight of Ta; Ti, Zr and Nb 50% by weight Ti, 25% by weight Zr and 25% by weight Nb or Ti, Zr, Ta and Nb 40% by weight Ti, 20 wt% Zr, 20 wt% Ta and 20 wt% Nb may be present.

Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, Streifen, Bänder usw. aus Ti, Zr, Ta oder Nb oder aus Legierungen dieser Materialien zu verwenden, z. B. aus TiZr, TiTa, TiNb, ZrTa oder ZrNb.In addition, there is also the possibility of strips, tapes, etc. made of Ti, Zr, Ta or Nb or to use alloys of these materials, e.g. B. from TiZr, TiTa, TiNb, ZrTa or ZrNb.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Verbesserungen der Erfindung erge­ ben sich aus den weiteren Unteransprüchen.Other advantageous embodiments and further improvements of the invention are derived from the further subclaims.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfin­ dung näher erläutert und beschrieben werden.Based on the drawing, in which some embodiments are shown, the Invention and further advantageous refinements and improvements of the inven tion are explained and described in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 bis 4 vier unterschiedlich ausgebildete Kontaktstücke für eine Vakuum­ schaltkammer, und Fig. 1 to 4 four differently designed contact pieces for a vacuum interrupter, and

Fig. 5 eine Vakuumschaltkammer mit eingebauten Abschirmungen. Fig. 5 is a vacuum interrupter with built-in shields.

Die Fig. 1 zeigt ein Kontaktstück 10, welches aus Cu/Cr hergestellt ist und an dessen Seitenkante ein Zylinderring 11 und an der Unterseite eine Ringscheibe 12 befestigt sind. Dabei kann entweder der Ring 11 oder die Scheibe 12 oder beide gemeinsam verwendet werden. Der Ring 11 und/oder die Scheibe 12 können aus reinem Ti, Zr, Ta oder Nb oder aus Legierungen, beispielsweise TiZr, TiTa, TiNb oder ZrNb hergestellt sein. Fig. 1 shows a contact piece 10 , which is made of Cu / Cr and on the side edge of a cylindrical ring 11 and a washer 12 are attached to the underside. Either the ring 11 or the disk 12 or both can be used together. The ring 11 and / or the disk 12 can be made of pure Ti, Zr, Ta or Nb or of alloys, for example TiZr, TiTa, TiNb or ZrNb.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 ist ein Kontaktstück 20 vorgesehen, welches einen Basisabschnitt 21 aus Cu mit der Dicke B und einen Kontaktflächenabschnitt 22 aus CuCr mit der Dicke A enthält, wobei die Dicke A zwischen 1 mm bis 4 mm betragen kann. Der Kontaktabschnitt 22 kann aus Cu/Cr bestehen, wobei Cu zwischen 20 Gew.-% und 80 Gew.-% und Cr zwischen 80 Gew.-% und 20 Gew.-% vorhanden sein kann. Es kann auch ein Material Cu/CrX oder Cu/CrXY vorgesehen sein, dem zusätz­ lich ca. 0,2 Gew.-% bis 2 Gew.-% Ti, Zr, Ta oder Nb oder Mischungen aus zwei oder drei dieser Materialien beigemischt sind. Die Buchstaben X, Y stehen für Zusätze zu CuCr, die das Abreißverhalten verbessern und an sich bekannt sind.In the embodiment according to FIG. 2, a contact piece 20 is provided, which contains a base section 21 made of Cu with the thickness B and a contact surface section 22 made of CuCr with the thickness A, the thickness A being between 1 mm and 4 mm. The contact section 22 can consist of Cu / Cr, wherein Cu can be between 20% by weight and 80% by weight and Cr between 80% by weight and 20% by weight. A material Cu / CrX or Cu / CrXY can also be provided, to which approximately 0.2% by weight to 2% by weight of Ti, Zr, Ta or Nb or mixtures of two or three of these materials are additionally mixed . The letters X, Y stand for additives to CuCr that improve the tear-off behavior and are known per se.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist das Kontaktstück 30 aus einer Cr/Cu-Sinterlegie­ rung hergestellt, der insgesamt 0,2 Gew.-% bis 2 Gew.-% Ti, Zr, Ta und Nb oder Legie­ rungen davon beigemischt sind. Anstatt Cu/Cr könnte auch Cu/CrX oder Cu/CrXY ver­ wendet werden.In the embodiment of FIG. 3, the contact piece 30 is made of a Cr / Cu Sinterlegie tion, of a total of 0.2 wt .-% to 2 wt .-% of Ti, Zr, Ta and Nb or alloy coins approximations are admixed thereof. Instead of Cu / Cr, Cu / CrX or Cu / CrXY could also be used.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 könnte durch die Beimischung von Ti, Zr, Ta und/oder Nb das Problem eines erhöhten Widerstandes gegeben sein; in diesem Falle wäre eine Lösung wie in Fig. 2 oder auch in Fig. 4 dargestellt, die optimale Lösung. Die Fig. 4 zeigt einen Basisabschnitt 40 aus Cu sowie einen darauf aufgebrachten zentra­ len Abschnitt 41 aus Cu/Cr und einen ringförmig diesen umgebenden Abschnitt 42 aus Cu/Cr mit 0,2 Gew.-% bis 2 Gew.-% Ti, Zr, Ta und Nb oder Kombinationen dieser Mate­ rialien. Auf diese Weise ist im mittleren Bereich 41, wo sich das Kontaktstück gemäß Fig. 4 mit dem Gegenkontakt berühren, ein Abschnitt relativ hoher Leitfähigkeit vor­ handen, der durch den ringförmig darum herum angeordneten Abschnitt 42 nicht beein­ trächtigt wird. Aus Fig. 4 ist außerdem ersichtlich, daß der ringförmige Abschnitt 42 nach außen hin dünner wird, so daß die Höhe der Außenkante die Höhe des Basisab­ schnittes 40 ist.In the embodiment according to FIG. 3, the problem of increased resistance could be caused by the addition of Ti, Zr, Ta and / or Nb; in this case a solution as shown in FIG. 2 or also in FIG. 4 would be the optimal solution. FIG. 4 shows a base section 40 made of Cu and a central section 41 made of Cu / Cr and a ring-shaped section 42 made of Cu / Cr with 0.2 wt.% To 2 wt.% Ti, Zr , Ta and Nb or combinations of these materials. In this way, in the central region 41 , where the contact piece according to FIG. 4 touch with the mating contact, a section of relatively high conductivity is present which is not adversely affected by the section 42 arranged around it in an annular manner. From Fig. 4 it can also be seen that the annular portion 42 is thinner towards the outside, so that the height of the outer edge is the height of the Basisab section 40 .

Es ist noch zu vermerken, daß anstatt der reinen Werkstoffe Ti, Zr, Ta und Nb auch TiH2, ZrH2, TaH2 oder NbH2 verwendet werden können. Dies hat den Vorteil, daß diese Hydride der Metalle in Pulverform mit sehr viel weniger Sicherheitsmaßnahmen zu be­ handeln sind als die Pulver der reinen Metalle. Da beim sog. Trocken- und/oder Naß­ sinterverfahren immer einige Entgasungsstufen unter Hochvakuumbedingungen zwi­ schen 800°C bis 1.000°C stattfinden, zersetzen sich diese Hydride unter Hochvaku­ umbedindungen zwischen 350°C und 700°C und es findet dann eine Reaktion statt, die für Titan beispielhaft angegeben ist: TiH2 → Ti + H2. Das freigesetzte H2 wird abge­ pumpt und für den Sinterprozeß steht dann reines Ti-Pulver zur Verfügung.It should also be noted that instead of the pure materials Ti, Zr, Ta and Nb, TiH 2 , ZrH 2 , TaH 2 or NbH 2 can also be used. This has the advantage that these hydrides of the metals in powder form can be handled with much less safety measures than the powders of the pure metals. Since in the so-called dry and / or wet sintering process there are always some degassing stages under high vacuum conditions between 800 ° C to 1,000 ° C, these hydrides decompose under high vacuum conditions between 350 ° C and 700 ° C and then a reaction takes place, which is given as an example for titanium: TiH 2 → Ti + H 2 . The released H 2 is pumped off and pure Ti powder is then available for the sintering process.

Die Fig. 5 zeigt eine Vakuumkammer 50 mit einem zylinderförmigen Isoliergehäuse 51, das an den freien Stirnenden mittels Deckel 52 und 53 verschlossen ist, wobei am Deckel 53 ein Faltenbalg anschließt, der im Inneren des Isoliergehäuses 51 mit dem nicht gezeigten beweglichen Kontaktträger verbunden ist. Innerhalb des Isoliergehäu­ ses 51 befindet sich ein Mittelschirm 54, der in gleicher Weise wie die Kontaktstücke aus Cu/Cr, Cu/CrX oder Cu/CrXY mit 0,2 Gew.-% bis 2 Gew.-% Ti, Zr, Ta und Nb oder Kombinationen dieser Metalle hergestellt ist. FIG. 5 shows a vacuum chamber 50 with a cylindrical insulating housing 51 which is closed at the free ends by means of covers 52 and 53, wherein the lid 53 is followed by a bellows which is connected in the interior of the insulating housing 51 with the not shown movable contact carrier. Within the Isoliergehäu ses 51 is a center shield 54 , which in the same way as the contact pieces made of Cu / Cr, Cu / CrX or Cu / CrXY with 0.2 wt .-% to 2 wt .-% Ti, Zr, Ta and Nb or combinations of these metals is made.

Claims (12)

1. Vakuumschaltkammer mit einem festen und einem beweglichen Kontaktstück und einem die Kontaktstelle umgebenden Schirm, von denen wenigstens die Kontakt­ stücke wenigstens teilweise aus Cu/Cr, Cu/CrX oder Cu/CrXY bestehen, wobei X und Y jeweils zusätzliche, das Abreißverfahren beeinflussende Materialien sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Cu/Cr-, Cu/CrX- oder Cu/CrXY-Mischung wenigstens der Kon­ taktstücke zusätzlich Ti, Zr, Ta und/oder Nb in einem Mengenanteil von 0,2 Gew.-% bis 2 Gew.-% beigemischt sind.1. Vacuum interrupter with a fixed and a movable contact piece and a shield surrounding the contact point, of which at least the contact pieces at least partially consist of Cu / Cr, Cu / CrX or Cu / CrXY, where X and Y each have additional materials that influence the tearing process are characterized in that the Cu / Cr, Cu / CrX or Cu / CrXY mixture of at least the contact pieces additionally Ti, Zr, Ta and / or Nb in a proportion of 0.2 wt .-% to 2 % By weight are added. 2. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ti, Zr, Ta und/oder Nb in einem Anteil je zwischen 20 Gew.-% bis 100 Gew.-% an dem Men­ genanteil 0,2 bis 2,0 Gew.-% beigemischt sind.2. Vacuum interrupter according to claim 1, characterized in that Ti, Zr, Ta and / or Nb in a proportion of between 20% and 100% by weight of the amount 0.2 to 2.0% by weight are added. 3. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß leglich Ti, Zr, Ta oder Nb beigemischt ist.3. Vacuum interrupter according to claim 2, characterized in that legally Ti, Zr, Ta or Nb is added. 4. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ti und Zr zu je 50 Gew.-% beigemischt sind.4. Vacuum interrupter according to claim 2, characterized in that Ti and Zr are mixed at 50 wt .-%. 5. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ti, Zr und Ta in einem Anteil mit 50 Gew.-% Ti und 25 Gew.-% Zr und Ta an dem Mengenan­ teil 0,2 bis 2,0 Gew.-% beigemischt sind.5. Vacuum interrupter according to claim 2, characterized in that Ti, Zr and Ta in a proportion of 50% by weight of Ti and 25% by weight of Zr and Ta in the amount part 0.2 to 2.0 wt .-% are added. 6. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ti, Zr, Nb in einem Anteil zu 50 Gew.-% Ti und je 25 Gew.-% Zr und Nb an dem Mengenanteil 0,2 bis 2,0 Gew.-% beigemischt sind. 6. Vacuum interrupter according to claim 2, characterized in that Ti, Zr, Nb in a proportion of 50% by weight of Ti and 25% by weight of Zr and Nb each in the proportion 0.2 to 2.0 wt .-% are added.   7. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ti, Zr, Nb, Ta in einem Anteil zu 40 Gew.-% Ti und je 20 Gew.-% Zr, Nb, Ta an dem Mengenan­ teil 0,2 bis 2,0 Gew.-% beigemischt sind.7. Vacuum interrupter according to claim 2, characterized in that Ti, Zr, Nb, Ta in a proportion of 40% by weight of Ti and 20% by weight of Zr, Nb, Ta each in the amount part 0.2 to 2.0 wt .-% are added. 8. Vakuumschaltkammer mit einem festen und einem beweglichen Kontaktstück und einem die Kontaktstelle umgebenden Schirm, von denen wenigstens die Kontakt­ stücke wenigstens teilweise aus Cu/Cr, Cu/CrX oder Cu/CrXY bestehen, wobei X und Y jeweils zusätzliche, das Abreißverfahren beeinflussende Materialien sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Kontaktstück ein Ringelement aus Ti, Zr, Nb und/oder Ta oder Mischungen davon befestigt ist.8. Vacuum interrupter with a fixed and a movable contact piece and a screen surrounding the contact point, of which at least the contact pieces at least partially consist of Cu / Cr, Cu / CrX or Cu / CrXY, where X and Y each additional, influencing the tear-off process, ge indicates that a ring element made of Ti, Zr, Nb and / or Ta or Mixtures of which are attached. 9. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element als zylindrischer Ring am Außenumfang des Kontaktstückes befestigt ist.9. Vacuum interrupter according to claim 8, characterized in that the Element is attached as a cylindrical ring on the outer circumference of the contact piece. 10. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element an der der Kontaktfläche entgegengesetzten Seite des Kontaktstückes als Ringscheibe befestigt ist.10. Vacuum interrupter according to claim 8, characterized in that the Element on the opposite side of the contact surface of the contact piece as Washer is attached. 11. Vakuumschaltkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kontaktstück einen Basisabschnitt aus Cu, einen kreisförmigen Kontaktflächenabschnitt aus Cu/Cr, Cu/CrX oder Cu/CrXY aufweist und daß ein ring­ förmiger Abschnitt aus Ti, Zr, Ta und/oder Nb oder Mischungen davon den zentralen Abschnitt umgibt, wobei der zentrale Abschnitt die Kontaktfläche bildet und der ring­ förmige Abschnitt zum Außenumfang hin abgeschrägt ist.11. Vacuum interrupter according to one of the preceding claims, characterized ge indicates that the contact piece has a base portion made of Cu, a circular one Contact surface section made of Cu / Cr, Cu / CrX or Cu / CrXY and that a ring shaped section of Ti, Zr, Ta and / or Nb or mixtures thereof the central Section surrounds, the central portion forms the contact surface and the ring shaped section is chamfered towards the outer circumference. 12. Vakuumschaltkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Ti, Zr, Ta und/oder Nb in Form ihrer Hydride Verwendung finden.12. Vacuum interrupter according to one of the preceding claims, characterized ge indicates that Ti, Zr, Ta and / or Nb are used in the form of their hydrides.
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