DE19916322A1 - Elektrodenanordnung für elektrische Einrichtungen mit Flüssigmetall - Google Patents

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.