DE19916322A1 - Elektrodenanordnung für elektrische Einrichtungen mit Flüssigmetall - Google Patents
Elektrodenanordnung für elektrische Einrichtungen mit FlüssigmetallInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für elektrische Einrichtungen mit Flüssigmetall. Es ist eine Elektrode (4) aus Festmetall zum Anschließen an einen äußeren Stromkreis vorgesehen, die im Inneren eines Isolierkörpers (2) mit ihrer Innenfläche (8) elektrisch leitend mit dem Flüssigmetall (3) in Verbindung steht. Die Innenfläche (8) ist über eine Zwischenschicht (16) aus Flüssigmetall innig mit einem Protektor (14) aus Festmaterial elektrisch verbunden. Das Festmaterial ist im Verhältnis zum Material der Elektrode (4) sowohl diffusionsbeständiger gegenüber dem Flüssigmetall (3) und der Zwischenschicht (16) als auch abbrandfester gegenüber Lichtbogeneinflüssen. Vorzugsweise ist auf der Innenfläche (8) eine elektrisch leitende Materialschicht (10) aufgebracht, die gegenüber der Zwischenschicht (16) eine hohe Diffusionsbeständigkeit aufweist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für elektrische Einrichtungen
mit Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere für
selbsterholende Strombegrenzungseinrichtungen.
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 druckfeste Isolierkörper
getrennt sind. Innerhalb der Isolierkörper sind durch isolierende Zwischen
wände mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinander liegende Ver
dichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüssigmetall ausgefüllte
Verbindungskanäle der Zwischenwände verbunden sind. Damit besteht im
Normalbetrieb über das Flüssigmetall eins durchgehende innere leitende Ver
bindung zwischen den Elektroden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der
hohen Stromdichte schlagartig das Flüssigmetall aus den Verbindungskanälen
verdrängt. Damit ist die elektrische Verbindung der Elektroden über das Flüs
sigmetall unterbrochen, was zur Begrenzung des Kurzschlußstromes führt.
Nach Abschaltung oder Beseitigung des Kurzschlusses füllen sich die Verbin
dungskanäle wieder mit Flüssigmetall, worauf die Strombegrenzungseinrich
tung erneut betriebsbereit ist. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird als
Medium über dem Flüssigkeitsspiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolie
rende Flüssigkeit erwähnt. In der Druckschrift SU 1 094 088 A ist als gut lei
tendes Material für die Elektroden Kupfer angegeben. Es ist nach Druckschrift
DE 26 52 506 A1 bekannt, bei beweglichen Kontakteinrichtungen Gallium-
Legierungen, insbesondere GaInSn-Legierungen zu verwenden. In dieser
Druckschrift wird auch beschrieben, daß äußere Anschlußelemente an innere
Kontaktelemente unter Einschluß eines Überzugs aus Flüssigmetall ange
klemmt sind.
Sowohl im Normalbetrieb durch Diffusion oder Korrosion als auch im Begren
zungsfall durch Lichtbogenerosion gelangt Elektrodenmaterial von den Innen
flächen der Elektroden in das Flüssigmetall, was in nachteiliger Weise in erster
Linie zu einer allmählichen Auflösung der Elektrodeninnenflächen bis hin zum
Lochfraß sowie in zweiter Linie zur Verunreinigung des Flüssigmetalls führt.
Dies führt zu einer geringeren Leitfähigkeit der Einrichtung insgesamt und zu
einem höheren Schmelzpunkt des Flüssigmetalls im besonderen. Daraus re
sultiert wiederum eine ungenügende Stabilität und Lebensdauer der elektri
schen Einrichtung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, der Diffusion, Korrosion und
Erosion der vom Flüssigmetall benetzten Innenflächen der Elektroden wirksam
zu begegnen.
Ausgehend von einer Elektrodenanordnung der eingangs genannten Art wird
die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des un
abhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteil
hafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
Durch die Zwischenschicht aus Flüssigmetall und dem vorgelagerten Protektor
wird die Innenfläche der Elektrode weitgehend vor den erodierenden Einflüs
sen im übrigen Flüssigmetall entstehender Lichtbögen und in einem gewissen
Maße auch vor Diffusion und Korrosion gegenüber dem Flüssigmetall ge
schützt. Damit wird eine Elektrodenanordnung vorgeschlagen, die durch die
Zwischenschicht eine ausgezeichnete elektrische Verbindung zwischen Elek
trode und Protektor gewährleistet, ohne daß es technologisch aufwendiger
Verbindungstechniken für die unterschiedlichen Materialien der Elektrode
einerseits und des Protektors anderseits bedarf.
Für das Festmaterial des Protektors sind vorteilhaft Wolfram, Molybdän,
Vanadium, Nickel, Tantal, Titan, Rhenium, Chrom oder deren Legierungen zu
verwenden. Auch die Verwendung von Edelstählen, insbesondere solchen mit
hohem CrNi-Gehalt, ist vorteilhaft.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß auf der
Innenfläche eine Materialschicht aufgebracht ist, welche das übrige Elektro
denmaterial (im allgemeinen Kupfer) im hohen Maße vor Diffusion und Korro
sion durch das Flüssigmetall der Zwischenschicht schützt. Damit ist eine lang
zeitlich stabile Elektrodenanordnung entstanden, die einerseits durch den
Protektor gegen die schädlichen Einflüsse von Lichtbögen und anderseits
durch die Materialschicht gegen die schädlichen Einflüsse des Flüssigmetalls
ausreichend geschützt ist. Für diese Materialschicht werden vorteilhaft Wolf
ram, Molybdän, Nickel, Chrom oder deren Legierungen vorgeschlagen. Die
Materialschicht kann beispielsweise durch Galvanisieren oder Plattieren auf
gebracht werden.
An den Protektor werden keine besonderen mechanischen Anforderungen
gestellt. Er kann zweckmäßig als dünne Platte oder als ausreichend dicke
Folie ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist der von der Innenfläche der Elektrode und dem Protektor gebil
dete Zwischenraum gegenüber dem übrigen Flüssigmetall dicht abgeschlos
sen; insbesondere weist er einen hohen Füllstand auf. Dadurch ergibt sich
eine günstige Stromverteilung vor der Elektrode, was zu einer Reduzierung
des übrigen Flüssigmetalls und damit des Bauvolumens der Strombegren
zungseinrichtung genutzt werden kann.
GaInSn-Legierungen als zu verwendendes Flüssigmetall sind einfach zu
handhaben durch ihre physiologische Unbedenklichkeit. Eine Legierung aus
660 Gewichtsanteilen Gallium, 205 Gewichtsanteilen Indium und 135 Ge
wichtsanteilen Zinn ist bei Normaldruck von 10°C bis 2000°C flüssig und be
sitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit. Der Erfindung steht es jedoch
nicht entgegen, auch andere Flüssigmetalle mit niedrigem Schmelzpunkt, wie
beispielsweise das Rose- oder das Wood-Metall, zu verwenden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in dem nachfolgend beschriebe
nen Ausführungsbeispiel erläutert, wobei in der einzigen Fig. 1 eine erfin
dungsgemäße Elektrodenanordnung in geöffneter perspektivischer Darstel
lung gezeigt ist.
In Fig. 1 ist teilweise eine nach oben und vorn aufgebrochene sowie nach
rechts weggebrochene Strombegrenzungseinrichtung, wie sie beispielsweise
aus der Druckschrift SU-Erfindungsschrift 922 911 bekannt ist, dargestellt.
Von den beiden Elektrodenanordnungen der allseitig von einem Isolierkörper 2
umgebenen und zum Teil mit Flüssigmetall 3 gefüllte Strombegrenzungsein
richtung ist nur die linksseitige dargestellt und mit 1 bezeichnet.
Die Elektrodenanordnung 1 enthält eine kupferne Elektrode 4, die in einen
äußeren Anschlußleiter 6 übergeht. Die Elektrode 4 ist an ihrer Innenfläche 8
mit einer dünnen Materialschicht 10 beschichtet. Die Materialschicht 10 be
steht im Beispiel aus aufgalvanisiertem Wolfram und schützt die Elektrode 4
vor Diffusion des Elektrodenmaterials in Flüssigmetall und Korrosion der
Innenfläche 8 durch das Flüssigmetall. Vor der Innenfläche 8 ist unter Belas
sung eines Zwischenraumes 12 ein Protektor 14 angeordnet. Der Protektor 14
besteht aus einem Material, das sowohl eine ausreichende Diffusionsbestän
digkeit gegenüber dem Flüssigmetall 3 als auch eine ausreichende Lichtbo
genfestigkeit aufweist. Der Protektor 14 schließt den Zwischenraum 12 dicht
gegenüber dem Flüssigmetall 3 ab und besteht im Beispiel aus einem Edel
stahlplättchen mit hohen relativ Anteilen von Chrom und Nickel. In dem Zwi
schenraum 12 befindet sich eine Zwischenschicht 16 aus Flüssigmetall glei
cher Zusammensetzung (dies ist jedoch nicht zwingend) wie das übrige Flüs
sigmetall 3, beispielsweise eine GaInSn-Legierung. Damit besteht eine innige
elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Flüssigmetall 3 und der Innen
fläche 8 der Elektrode 4. Die flüssige Zwischenschicht 16 weist einen hohen
Füllstand gegenüber dem übrigen Flüssigmetall 3 auf, d. h., der Flüssigkeits
spiegel 18 der Zwischenschicht 16 ist wesentlich höher als der Flüssigkeits
spiegel 19 des übrigen Flüssigmetalls. Dadurch wird sowohl im Nennbetrieb
als auch bei Kurzschluß eine günstige Stromverteilung innerhalb der Zwi
schenschicht 16 gewährleistet, so daß es nur zu einer geringen Stromerwär
mung sowie zu einer geringen Wahrscheinlichkeit zur Ausbildung von Lichtbö
gen in der Zwischenschicht 16 kommen kann.
Damit ist die Elektrodenanordnung 1 weitgehend frei von nachteiligen Mate
rialabtragungen und -veränderungen, wie sie bei bekannten Elektrodenanord
nungen von Flüssigmetall enthaltenden elektrischen Einrichtungen durch das
Flüssigmetall und auftretende Lichtbögen auftreten.
Claims (10)
1. Elektrodenanordnung für elektrische Einrichtungen mit Flüssigmetall, wo
bei eine Elektrode (4) aus Festmetall zum Anschließen an einen äußeren
Stromkreis vorgesehen ist, die im Inneren eines Isolierkörpers (2) mit ihrer
Innenfläche (8) elektrisch leitend mit dem Flüssigmetall (3) in Verbindung
steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (8) über eine Zwi
schenschicht (16) aus Flüssigmetall innig mit einem Protektor (14) aus
Festmaterial elektrisch verbunden ist, wobei das Festmaterial im Verhält
nis zum Material der Elektrode (4) sowohl diffusionsbeständiger gegen
über dem Flüssigmetall (3) und der Zwischenschicht (16) als auch ab
brandfester gegenüber Lichtbogeneinflüssen ist.
2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Festmaterial aus Wolfram, Molybdän, Vanadium, Nickel, Tantal, Titan,
Rhenium, Chrom oder deren Legierungen besteht.
3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Festmaterial aus hochlegiertem Edelstahl besteht.
4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Festmaterial aus Edelstahl mit hohem CrNi-Gehalt besteht.
5. Elektrodenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß auf der Innenfläche (8) eine elektrisch leitende
Materialschicht (10) aufgebracht ist, die gegenüber der Zwischenschicht
(16) eine hohe Diffusionsbeständigkeit aufweist.
6. Elektrodenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Materialschicht (16) aus Wolfram, Molybdän, Nickel, Chrom oder deren
Legierungen besteht.
7. Elektrodenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Protektor (14) platten- oder folienförmig ausge
bildet ist.
8. Elektrodenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die Zwischenschicht (16) in einem gegenüber
dem übrigen Flüssigmetall (3) dicht abgeschlossenen Zwischenraum (12)
befindet.
9. Elektrodenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zwischenschicht (16) gegenüber dem übrigen Flüssigmetall (3) einen
hohen Füllstand aufweist.
10. Elektrodenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (3) und die Zwischenschicht (16)
aus einer GaInSn-Legierung bestehen.
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