DE19859095A1

DE19859095A1 - Liquid metal-containing self-recovering current limiter has structured internal electrode faces for increased surface area wetted by liquid metal

Info

Publication number: DE19859095A1
Application number: DE1998159095
Authority: DE
Inventors: Michael Anheuser; Andreas Kraetzschmar; Frank Berger; Wolfgang Kremers
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2000-07-27

Abstract

A self-recovering current limiter includes structured internal electrode faces (6) for increased surface area wetted by liquid metal (7). A liquid metal-containing self-recovering current limiter comprises one or more compression spaces (4) which are partially filled with liquid metal and which are arranged between solid metal electrodes (1) connected to a circuit to be protected, the spaces being delimited by pressure-tight insulating bodies (5, 11). The electrodes (1) are structured for surface area enlargement at their inner faces (6) wetted by the liquid metal (7). Preferred Features: The liquid metal (7) consists of a gallium indium tin (GaInSn) alloy.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a self-recovering current limiting device Liquid metal according to the preamble of claim 1.

Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine Strombegrenzungseinrichtung be kannt, die zwei zum Inneren der Strombegrenzungseinrichtung eben ausge bildete Elektroden aus Festmetall enthält, die durch als druckfestes Isolierge häuse ausgebildete erste Isolierkörper getrennt sind. Innerhalb des Isolierge häuses sind durch isolierende Zwischenwände und dazwischen angeordnete zweite Isolierkörper, die als ringförmige Dichtscheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinander liegende Verdichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüssigmetall ausgefüllte, außermittig angeordnete Verbindungskanäle der Zwischenwände verbunden sind. Damit besteht im Normalbetrieb über das Flüssigmetall eine durchgehende innere leitende Verbindung zwischen den Elektroden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der hohen Stromdichte schlagartig das Flüssigmetall aus den Verbin dungskanälen verdrängt. Damit ist die elektrische Verbindung der Elektroden über das Flüssigmetall unterbrochen, was zur Begrenzung des Kurzschluß stromes führt. Nach Abschaltung oder Beseitigung des Kurzschlusses füllen sich die Verbindungskanäle wieder mit Flüssigmetall, worauf die Strombe grenzungseinrichtung erneut betriebsbereit ist. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird eine Strombegrenzungseinrichtung mit nur einem Verdichterraum beschrieben und als Medium über dem Flüssigkeitsspiegel Vakuum, Schutz gas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt. Zur Verbesserung der Begren zungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1 076 981 A die Verbindungs kanäle benachbarter Zwischenwände gegeneinander versetzt angeordnet. In der Druckschrift SU 1 094 088 A ist als gut leitendes Material für die Elektro den Kupfer angegeben. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontakteinrichtungen Gallium-Legierungen, insbesondere GalnSn-Legierun gen zu verwenden.From the publication SU 922 911 A is a current limiting device knows the two just out to the interior of the current limiting device formed electrodes made of solid metal, which by as a pressure-resistant Isolierge housing-formed first insulating body are separated. Inside the isolation area houses are arranged by insulating partitions and between them second insulating body, which are designed as annular sealing washers with Liquid metal partially filled, one after the other compressor rooms formed, the one above the other filled with liquid metal, off-center arranged connecting channels of the partition walls are connected. In order to there is a continuous inner through the liquid metal in normal operation conductive connection between the electrodes. In the event of a current limitation due to the high current density, the liquid metal from the connector suddenly channels replaced. This is the electrical connection of the electrodes interrupted via the liquid metal, which limits the short circuit current leads. Fill after switching off or eliminating the short circuit the connection channels again with liquid metal, whereupon the Strombe boundary device is operational again. In the publication DE 40 12 385 A1 becomes a current limiting device with only one compressor room described and as a medium above the liquid level vacuum, protection gas or an insulating liquid mentioned. To improve the limit According to publication SU 1 076 981 A, the connection properties are the connection properties channels of adjacent partitions offset from each other. In the publication SU 1 094 088 A is a highly conductive material for the electrical system indicated the copper. It is known from publication DE 26 52 506 A1, at Contact devices gallium alloys, especially GalnSn alloys gene to use.

Zur Senkung der Erwärmung, für die in erster Linie die Bahnwiderstände der Elektroden und des Flüssigmetalls, die Übergangswiderstände zwischen Elektroden und Flüssigmetall sowie die im Begrenzungsfall auftretenden Lichtbögen verantwortlich sind, sind verschiedene Lösungen bekannt. Eine bekannte Strombegrenzungseinrichtung nach Druckschrift SU 1 094 088 A ist mit zwischen den Zwischenwänden angeordneten kupfernen und damit in nachteiliger Weise potentialbehafteten Trennwänden, die zwecks Kühlung des Flüssigmetalls nach außen geführt sind, ausgestattet. Nach Druckschrift DE 29 28 710 A1 weist eine Strombegrenzungseinrichtung im Bereich der Elek troden sowie an der Außenfläche Kühlkörper mit Kühlrippen auf. Bei einer Strombegrenzungseinrichtung nach Druckschrift US-PS 3 991 396 wird in aufwendiger Weise das Flüssigmetall umwälzend durch einen mit Kühlrippen versehenen rohrförmigen Kühlkörper gepumpt. Bei einer Strombegrenzungs einrichtung nach JP-AS 52 014 856 ist die äußere Mantelfläche des Gehäuses mit Kühlrippen versehen.To reduce warming, for which primarily the rail resistances of the Electrodes and the liquid metal, the contact resistance between Electrodes and liquid metal as well as those that occur in the case of limitation Arcs are responsible, various solutions are known. A known current limiting device according to document SU 1 094 088 A. with copper arranged between the partitions and thus in disadvantageous potential-partition walls, which are used to cool the Liquid metal are led out. According to DE 29 28 710 A1 has a current limiting device in the area of the elec and heat sinks with cooling fins on the outer surface. At a Current limiting device according to US-PS 3 991 396 is in complexly circulating the liquid metal through one with cooling fins provided tubular heat sink pumped. With a current limitation The device according to JP-AS 52 014 856 is the outer surface of the housing provided with cooling fins.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Senkung der Erwär mung ohne zusätzliche Bauteile zu erreichen.The invention is therefore based on the object of reducing the heating to achieve without additional components.

Ausgehend von einer Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.Starting from a current limiting device of the type mentioned According to the invention, the task is characterized by the characterizing features of the independent claim solved, while the dependent claims advantageous developments of the invention can be found.

Die vorgeschlagene Strukturierung der nach innen gewandten Elektro denoberflächen führt zu einer erheblichen Vergrößerung der vom Flüssigme tall benetzten Innenfläche der Elektroden. Damit sinkt der Übergangswider stand und damit die Verlustleistung zwischen dem Flüssigmetall und den Elektroden, womit insgesamt eine Absenkung der Erwärmung für die erfin dungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung erreicht wird. The proposed structuring of the inward facing electrical The surfaces lead to a considerable increase in the liquid tall wetted inner surface of the electrodes. This reduces the transition resistance stood and thus the power loss between the liquid metal and the Electrodes, thus reducing the heating for inventors current limiting device is achieved.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bestehen in einer gerippten, gerif felten oder waffelartigen Struktur der Innenflächen der Elektroden, wobei diese einfach herstellbaren Strukturen zusätzlich noch aufgerauht sein können.Advantageous developments of the invention consist in a ribbed, ribbed Felt or waffle-like structure of the inner surfaces of the electrodes, these structures that are easy to manufacture can also be roughened.

Derartige Elektroden lassen sich mit Vorteil in Strombegrenzungseinrichtun gen einsetzen, bei denen mehrere hintereinander liegende Verdichterräume angeordnet sind, die durch den bzw. die druckfesten Isolierkörper und durch diesen bzw. diese gehaltene isolierende Zwischenwände mit Verbindungska nälen gebildet werden. GalnSn-Legierungen als zu verwendendes Flüssig metall sind einfach zu handhaben durch ihre physiologische Unbedenklichkeit. Eine Legierung aus 660 Gewichtsanteilen Gallium, 205 Gewichtsanteilen Indium und 135 Gewichtsanteilen Zinn ist bei Normaldruck von 10°C bis 2000°C flüssig und besitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit.Such electrodes can be advantageously used in current limiting devices use conditions where several compressor rooms are located one behind the other are arranged, through the pressure-resistant insulating body and through this or these held insulating partitions with connecting box channels are formed. GalnSn alloys as the liquid to be used metal is easy to handle due to its physiological harmlessness. An alloy of 660 parts by weight gallium, 205 parts by weight Indium and 135 parts by weight of tin is at normal pressure from 10 ° C to 2000 ° C liquid and has sufficient electrical conductivity.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nach folgend erläuterten Ausführungsbeispiel, wobei eine Strombegrenzungsein richtung teilweise im Längsschnitt in der einzigen Fig. 1 dargestellt ist.Further details and advantages of the invention result from the exemplary embodiment explained below, wherein a current limiting device is partially shown in longitudinal section in the single Fig. 1.

Die Strombegrenzungseinrichtung 10 enthält zu beiden Seiten je eine Elek trode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die bezüglich der Längsachse 3 der Strombegrenzungseinrichtung 10 bis auf ihre Innenfläche 6 rotationssym metrisch ausgebildet ist und in einen äußeren Anschlußleiter 2 übergeht. Zwi schen den Elektroden 1 befinden sich mehrere Verdichterräume 4, die durch eine entsprechende Anzahl von ringförmigen Dichtscheiben 11 sowie von iso lierenden Zwischenwänden 12 gebildet werden. Durch ein Formgehäuse 5 werden die Elektroden 1, die Dichtscheiben 11 und die Zwischenwände 12 gehalten, wobei bekannte Mittel zum Abdichten der Verdichterräume 4 und zum kraftschlüssigen Verbinden der im Formgehäuse 5 gelagerten Elemente 1, 11 und 12 vorgesehen, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dar gestellt sind. Die Mittel zum Abdichten können beispielsweise Dichtringe zwi schen den Dichtscheiben 11 und den Zwischenwänden 12 bzw. Elektroden 1 sein. Die Mittel zum kraftschlüssigen Verbinden sind beispielsweise übergrei fende Spannmittel. Die beiden äußeren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch eine der Elektroden 1 sowie durch eine Zwischenwand 12 be grenzt. Die inneren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwi schenwände 12 begrenzt. Das im allgemeinen mehrteilige Formgehäuse 5 und die Dichtscheiben 11 sind druckfeste erste bzw. zweite Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einem Flüssigmetall 7, beispielsweise einer GalnSn-Legierung, ausgefüllt. Oberhalb des Flüssigmetalls 7 befindet sich beispielsweise Vakuum. Die Zwischenwände 12 sind unterhalb des Flüs sigkeitsspiegels 9 mit Verbindungskanälen 8 versehen. Die Verbindungska näle 8 sind ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so daß zwischen den Elektro den 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Verbin dungskanäle 8 benachbarter Zwischenwände 12 können vorteilhaft jeweils um einen bestimmten Winkelbetrag versetzt sein, um im Strombegrenzungsfall einen durchgehenden Lichtbogen zu verhindern.The current limiting device 10 contains on both sides an electrode 1 made of solid metal, preferably copper, which is rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis 3 of the current limiting device 10 except for its inner surface 6 and merges into an outer connecting conductor 2 . Between the electrodes 1 there are several compressor spaces 4 , which are formed by a corresponding number of annular sealing disks 11 and insulating partition walls 12 . The electrodes 1 , the sealing disks 11 and the intermediate walls 12 are held by a molded housing 5 , whereby known means for sealing the compression spaces 4 and for non-positively connecting the elements 1 , 11 and 12 mounted in the molded housing 5 are provided, but not for reasons of clarity are posed. The means for sealing can be, for example, sealing rings between the sealing disks 11 and the intermediate walls 12 or electrodes 1 . The means for non-positive connection are, for example, cross-tensioning means. The two outer compressor chambers 4 are laterally delimited by one of the electrodes 1 and by an intermediate wall 12 . The inner compression spaces 4 are laterally bounded by two intermediate walls 12 . The generally multi-part molded housing 5 and the sealing washers 11 are pressure-resistant first and second insulating bodies. All the compressor rooms 4 are partially filled with a liquid metal 7 , for example a GalnSn alloy. For example, there is a vacuum above the liquid metal 7 . The partitions 12 are provided below the liquid liquid mirror 9 with connecting channels 8 . The Verbindungska channels 8 are also filled with liquid metal 7 , so that there is a continuous electrically conductive connection between the electrical 1 . The connec tion channels 8 of adjacent partitions 12 can advantageously be offset by a certain angular amount in order to prevent a continuous arc in the current limiting case.

Unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 9 sind die vom Flüssigmetall 7 benetzten Innenflächen 6 der Elektroden 1 mit Rippen 13 versehen. Durch diese Rip penstruktur werden die Innenflächen 6 erheblich vergrößert, was zu einer we sentlichen Senkung des Übergangswiderstandes Elektrode-Flüssigmetall ge genüber dem Stand der Technik mit unstrukturierten Elektrodeninnenflächen führt. Dadurch wird das Erwärmungsverhalten der Strombegrenzungseinrich tung dahingehend verbessert, daß aus der verringerten Verlustleistung eine verminderte Erwärmung resultiert. Eine weitere Vergrößerung der benetzten Oberfläche ergibt sich durch zusätzlich aufgerauhte Innenflächen 6, was bei spielsweise durch Sandstrahlen erfolgen kann.Below the liquid level 9 , the inner surfaces 6 of the electrodes 1 wetted by the liquid metal 7 are provided with ribs 13 . By this rip pen structure the inner surfaces 6 are considerably enlarged, which leads to a significant reduction in the contact resistance electrode-liquid metal compared to the prior art with unstructured electrode inner surfaces. As a result, the heating behavior of the current limiting device is improved in such a way that reduced heating results from the reduced power loss. A further increase in the wetted surface results from additionally roughened inner surfaces 6 , which can be done for example by sandblasting.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfüh rungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So läßt sich beispielsweise durch um fänglich an der Mantelfläche des Isoliergehäuses verlaufende Kühlrippen und/oder durch eine schwarze und/oder eine aufgerauhte äußere Oberfläche des Isoliergehäuses die Erwärmung und damit die Verlustleistung der Strom begrenzungseinrichtung zusätzlich merklich senken.The present invention is not based on the embodiment described above tion forms limited, but also includes all within the meaning of the invention equivalent embodiments. For example, by Cooling fins running on the outer surface of the insulating housing and / or by a black and / or a roughened outer surface the insulation and thus the heat dissipation of the electricity additionally lower the limiting device noticeably.

Claims

1. Self-recovering current limiting device with liquid metal, containing electrodes ( 1 ) made of solid metal for connection to a circuit to be protected and at least one partially filled with liquid metal ( 7 ), arranged between the electrodes ( 1 ) and arranged by pressure-resistant insulating bodies ( 5 , 11 ) Limited compressor space ( 4 ), characterized in that the electrodes ( 1 ) are structured on their inner surfaces ( 6 ) which can be wetted by the liquid metal ( 7 ) to enlarge the surface.

2. Current limiting device according to claim 1, characterized in that the inner surfaces ( 6 ) of the electrodes ( 1 ) are ribbed.

3. Current limiting device according to claim 1, characterized characterized in that the inner surfaces of the electrodes are corrugated.

4. Current limiting device according to claim 1, characterized characterized in that the inner surfaces of the electrodes waffle-like structure are.

5. Current limiting device according to one of the preceding claims, characterized in that the inner surfaces ( 6 ) of the electrodes ( 1 ) are roughened.

6. Current limiting device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of consecutive Ver compressor rooms ( 4 ) are arranged, which by the or the pressure-resistant Iso lierkörper ( 5 , 11 ) and by this or these insulating inter mediate walls ( 12 ) are formed with connecting channels ( 8 ).

7. Current limiting device according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid metal ( 7 ) is a GalnSn alloy.