DE2007676A1

DE2007676A1 - Vacuum switch

Info

Publication number: DE2007676A1
Application number: DE19702007676
Authority: DE
Inventors: Sidney J.; Bereze Albert; Elmira; Wayland Paul 0. Montour Falls; N.Y. Cherry (V.St.A.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-03-27
Filing date: 1970-02-16
Publication date: 1970-10-08
Also published as: CH504091A; AT292109B; US3657502A; JPS509221B1

Description

■ ' WESTINGROUSE 16.2.1970■ 'WESTINGROUSE February 16, 1970

Electric Corporation PittsburghElectric Corporation Pittsburgh

Mein Zeichen: VPA 70/8379 Sm/ünMy reference: VPA 70/8379 Sm / ün

Vacuum switch

(Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden USA-Patentanmeldung Serial-No. 811 006 vom 27.3.69 beansprucht)(For this registration, the priority of the corresponding USA patent application Serial-No. 811 006 of March 27, 1969 claimed)

Vakuumschalter nehmen im Vergleich zu Elektronenröhren, an denen wie an einem "Vakuumschaltergehäuse Metall-Isolierstoff-Verbindungen vorhanden sind, insofern eine Sonderstellung ein, als bei ihrer Betätigung hohe Stoßkräfte aufgenommen werden müssen, das Gehäuse aber dennoch dicht bleiben soll. Aus dieser Forderung ergibt sich das Problem., die Endplatten an den Stirnseiten des Isolierst off rohr es eines Vakuumsehalt ergehäuses so auszubilden, daß sie ihre Eigenschaften in bezug auf die Abdichtung beibehalten und gleichzeitig in der lage sind, die hohen Stoßkräfte beim Einschalten eines Vakuumschalters aufzunehmen. Diese Stoßkräfte können in bestimmten Betriebsfällen,. z.B. bei Motorschaltern, millionenfach auftreten.Vacuum switches take compared to electron tubes at which like on a "vacuum switch housing" metal-insulating material connections exist, insofar as a special position, as at their actuation high impact forces must be absorbed, but the housing should still remain tight. From this requirement results the problem., the end plates on the end faces of the Isolierst off the tube of a vacuum holding housing so that they retain their sealing properties and at the same time are able to withstand the high impact forces when they are switched on a vacuum switch. These shock forces can in certain operating cases. e.g. with motor switches, millions of times appear.

Bei bekannten Konstruktionen v/ird üblicherweise eine metallische Endplatte verwendet, die massiv und schwer ist und das eine Ende des Schaltergehäuses unnachgiebig abschließt. *In known constructions, a metallic one is usually used End plate used, which is massive and heavy and rigidly closes one end of the switch housing. *

Die Erfindung geht aus von einem Vakuumschalter mit einem evakuierbaren Gehäuse, zu dem ein Isolierstoffrohr und eine metallische Endplatte gehört, die die eine Stirnseite des Isolierstoffrohres abschließt und. ein feststehendes Schaltstück trägt.The invention is based on a vacuum switch with an evacuable one Housing, to which an insulating tube and a metal end plate belong, which is one end face of the insulating tube concludes and. carries a fixed contact piece.

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Zur Verbesserung der Dichtigkeit und zur Verringerung der Beanspruchungen ist erfindungsgemäß die Endplatte ein Hohlkörper. Sie ist damit flexibler als die bisher üblichen massiven Endplatten und gestattet es, den Sinsehaltstoß nachgebend und mit geringen Kräften aufzunehmen. Statischen Kräften, z.B. dem äußeren Luftdruck gegenüber, läßt sich auch mit einem Hohlkörper leicht die gewünschte Festigkeit erreichen.To improve tightness and to reduce stress according to the invention, the end plate is a hollow body. It is therefore more flexible than the massive end plates that have been customary up to now and makes it possible to take up the sinsehalt thrust yieldingly and with little force. Static forces, e.g. the external air pressure opposite, the desired strength can easily be achieved even with a hollow body.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Endplatte für einen Vakuumschalter, die das feststehende SchaIt-According to a preferred embodiment of the invention, the end plate for a vacuum switch, which the fixed switch

' stück trägt, aus zwei mit Abstand voneinander angeordneten fle- .'Piece carries, from two spaced fle-.

ψ xiblen Metallmembranen oder Metallscheiben, so daß ein Hohlraum gebildet wird. Die Membrankonstruktion macht es möglich, daß der Vakuumschalter hohe Einschaltstöße beträchtlicher Zahl aufnimmt und doch seine Dichtigkeit beibehält, wie dies wesentlich ist. ψ flexible metal diaphragms or metal disks, so that a cavity is formed. The membrane construction makes it possible that the vacuum interrupter can withstand high switch-on surges of considerable numbers and yet maintain its tightness, as is essential.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind zwei ringförmige Scheiben oder Membranen mit Abstand voneinander durch zwei konzentrische Abstandsrohre gehalten, deren Außenrand durch Löten an kreisringförmigen Außenteilen befestigt ist. Diese sind ihrerseits an der Stirnseite des Isolierstoffgehäuses dicht befestigt. In another embodiment of the invention, two are annular Discs or membranes kept at a distance from one another by two concentric spacer tubes, the outer edge of which is through Soldering is attached to circular outer parts. These, in turn, are tightly attached to the end face of the insulating housing.

Bei der Erfindung ergibt die verbesserte, in Hohlbauweise ausgeführte Endplatte für einen Vakuumschalter, die stoßaufnehmend wirkt und nur eine geringe Masse besitzt, auch eine Verringerung der Verluste infolge von Hysterese- und Wirbelströmen.In the case of the invention, the improved hollow construction results End plate for a vacuum switch, which has a shock-absorbing effect and only has a small mass, also a reduction the losses due to hysteresis and eddy currents.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.Further details of the invention emerge from the following description in conjunction with the drawings.

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Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt durch einen Vakuumschalter nach der Erfindung. Die Schaltstücke sind in der Snschaltst ellung gezeichnet.Fig. 1 is a vertical section through a vacuum switch according to the Invention. The contact pieces are drawn in the switching position.

Fig. 2 ist eine Teilansicht einer anderen Endplattenkonstruktion, die an Stelle der in Fig. 1 verwend-et werden kann.Fig. 2 is a partial view of another endplate construction; which can be used in place of that shown in FIG.

Fig. 3 ist ein anderer Ausschnitt mit einer weiteren abgewandelten Konstruktion.Fig. 3 is another section with a further modified one Construction.

In Fig. 1 ist ein hoch evakuiertes Gehäuse 1 gezeichnet, das ein Rohr 2'aus geeignetem Isolierstoff, z.B. Keramik oder Glas, und zwei metallische Endplatt en 3 und 4' umfaßt, die die Stirnseiten des Rohres verschließen. Mit geeigneten dichten Verbindungen 5 zwischen den Endplatt en 3, 4 und dem Rohr 2 ist das Gehäuse 1 vakuumdicht gemacht. Der statische Normaldruck im Gehäuse 1 beträgt weniger als 10"^ Torr, so daß mit vernünftiger Sicherheit die mittlere freie Weglänge für Elektronen größer ist als die Länge möglicher Überschlagswege im Gehäuse 1.In Fig. 1, a highly evacuated housing 1 is drawn, which a pipe 2 'made of suitable insulating material, e.g. ceramic or glass, and two metallic end plates en 3 and 4 'comprising the end faces of the pipe. With suitable tight connections 5 between the end plates 3, 4 and the tube 2, the housing 1 is made vacuum-tight. The normal static pressure in the housing 1 is less than 10 "^ Torr, so that with reasonable certainty the mean free path for electrons is greater than the length of possible rollover paths in housing 1.

Das Gehäuse 1 enthält zwei relativ zueinander bewegliche scheibenförmige Schalt.stücke oder Elektroden 7 und 8, die in ausgezogenen Linien in der Ausschaltstellung gezeichnet sind. Beim Ausschalten der Schaltstücke 7, 8 entsteht eine Lichtbogenstrecke 9. Das obere Schaltstück 7 ist feststehend an einem leitfähigen Schaft 10 befestigt, der an seinem oberen Ende mit der oberen Endplatte 3 verbunden ist. Das untere Schaltstück 8 ist beweglich mit einer aus leitendem Material bestehenden Schalt stange 11 verbunden, die inThe housing 1 contains two disk-shaped ones which are movable relative to one another Switching pieces or electrodes 7 and 8, which are drawn in solid lines in the switched-off position. When switching off The contact pieces 7, 8 create an arc gap 9. The upper contact piece 7 is fixedly attached to a conductive shaft 10, which is connected at its upper end to the upper end plate 3 is. The lower contact piece 8 is movably connected to a switching rod made of conductive material 11, which in

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einer für eine hin- und hergehende Bewegung geeigneten Weise befestigt ist. Die Schalt stange 11 erstreckt sich durch eine Öffnung '12 in der unteren Endplatte 4, und ein flexibler Metallbalg 14 sorgt für eine .Abdichtung zur Schaltstange 11 hin, die die genannte hin- und hergehende .Aus- und Einschalt bewegung der Schaltstange 11 ohne Beeinträchtigung des Vakuums im Gehäuse T gestattet, l&e Fig. 1 zeigt, ist der Faltenbalg 14 mit seinen gegenüberliegenden Enden 14a, 14b an der Schaltstange 11 einerseits und der Endkappe 4 andererseits dicht befestigt.mounted in a manner suitable for reciprocating movement. The switching rod 11 extends through an opening '12 in the lower end plate 4, and a flexible metal bellows 14 provides a .Abdichtung to the switching rod 11, the said reciprocating of the vacuum in the housing T, l & e Fig. 1 shows, the bellows 14 is tightly attached with its opposite ends 14a, 14b to the switching rod 11 on the one hand and the end cap 4 on the other hand.

Am unteren Ende der Schaltstange 11 ist ein nicht dargestellter Antrieb befestigt, dei* das bewegliche Schaltstück 8 nach oben in Berührung mit dem feststehenden Schaltstück 7 bringen kann, so daß der Schalter einschaltet. Die Einschaltstellung des Schaltstückes 8 ist mit strichpunktierten Linien bei 15 angedeutet. Der Antrieb ist ferner in der lage, das Schaltstück 8 in die Ausschaltstellung zu bewegen, damit der Schalter geöffnet wird. Beim Ausschalten entsteht zwischen den Schaltstücken 7 und 8 eine Trennstrecke, die in der Endlage beispielsweise 12,7 mm ausmacht.At the lower end of the switching rod 11, a drive, not shown, is attached, dei * the movable switching piece 8 upwards can bring into contact with the stationary contact piece 7, so that the switch turns on. The switched-on position of the switching piece 8 is indicated by dash-dotted lines at 15. Of the The drive is also able to move the contact piece 8 into the off position so that the switch is opened. When switching off a separating distance is created between the contact pieces 7 and 8, which is 12.7 mm in the end position, for example.

Der beim Ausschalten an der Trennstrecke 9 entstehende Lichtbogen zwischen den Schalt stücken 7 und 8 verdampft einen Teil des Schaltstückmaterials. Der Dampf kann sich aus dem Bereich der Trennstrecke 9 in .Richtung auf das Isolierstoffrohr 2 in Bewegung setzen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind deshalb die inneren Isolierstoffflächen 2a des Rohres 2 gegen die Kondensation von lichtbogenbedingten Metalldampfen durch' eine rohrförmige Metall-, abschirmung 16 geschützt, die bei Iba in geeigneter Weise am ifohr 2 befestigt ist und vorzugsweise sowohl gegenüber der Endkappe 3 als auch der findkappe 4 isoliert ist. Die Abschirmung 18 fängt Metalldämpfe auf, bevor diese die Innenwand 2a des tfohres 2 er-The arc formed between the switching pieces 7 and 8 when switching off at the isolating gap 9 evaporates part of the contact piece material. The steam can move from the area of the separating distance 9 in the direction of the insulating tube 2. In the illustrated embodiment, the inner insulating surfaces 2a of the tube 2 are therefore protected against the condensation of metal vapors caused by arcing by a tubular metal shield 16, which at Iba is fastened in a suitable manner to the ifohr 2 and preferably opposite both the end cap 3 and the find cap 4 is insulated. The shield 18 catches metal vapors before they reach the inner wall 2a of the tube 2

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reichen. Außerdem ist zur Verringerung der Möglichkeit, daß der Metalldampf die Abschirmung 18 umgeht, an der Stirnseite der Abschirmung 18 ein Endschirm 20 vorgesehen,are sufficient. Also, to reduce the possibility of the metal vapor bypassing the shield 18, is on the face of the shield 18 an end screen 20 is provided,

Wie gefunden wurde, unterscheidet sich ein Vakuumschalter der beschriebenen Art von Elektronenröhren mit Isolierstoff-Metall-Verbindungen dadurch, daß auf Grund der mechanischen Bewegung der Schaltstücke hohe Stoßkräfte aufgenommen werden müssen, ohne daß das Vakuum beeinträchtigt werden darf.. Bei Versuchen und analytischen Untersuchungen hat sich bestätigt, daß mindestens die eine Endplatte des Schaltergehäuses als Feder ausgebildet werden soll, .deren "Federkonstante" und deren zulässige Auslenkung gesteuert und optimiert werden können, um die Stoßenergie in maximaler Vieise abzubauen. Sine Möglichkeit zur "Veränderung der Federkonstante der Endplatte besteht darin, nur mit einer einzelnen einschichtigen, membranartig federnden Endplatte zu arbeiten. Hierbei ist es jedoch schwierig, eine ausreichende Steifigkeit zu erhalten. Deshalb ergibt sich bei vielen Konstruktionen mit den notwendigen massiven Versteifungen eine Anordnung, deren Nachgiebigkeit nicht optimal ist.As has been found, a vacuum switch of the type described differs from electron tubes with insulating material-metal connections in that, due to the mechanical movement of the contact pieces, high impact forces must be absorbed without the vacuum being adversely affected confirms that at least one end plate of the switch housing should be designed as a spring, whose "spring constant" and its permissible deflection can be controlled and optimized in order to reduce the impact energy to the greatest possible extent. Sine possibility of "changing the spring constant of the end plate is layered with only a single working membrane-like elastic end plate. However, this is difficult to obtain sufficient rigidity. Therefore arises in many constructions with the necessary massive reinforcements an arrangement whose compliance is not optimal.

Die Erfindung gestattet es dagegen, die Federkonstante der Endplatte 3 zu verbessern, ohne daß die erwünschte Formsteifigkeit zurückgeht. Die Auslenkung der Endplatte 3 erreicht dabei sehr hohe .Werte. Der Aufbau, mit dem dies ermöglicht wird, ist in Fig. dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einer als Hohlkörper ausgebildeten Endplatte 3 aus membranartigen Teilen.The invention, however, allows the spring constant of the end plate 3 to improve without the desired stiffness going back. The deflection of the end plate 3 reaches very high values. The structure with which this is made possible is shown in Fig. shown. It consists essentially of an end plate 3 designed as a hollow body and made of membrane-like parts.

Die hohle Endplatte 3 umfaßt" eine innere Scheibe 22 aus Metall, z.B. rostfreiem Stahl, deren Außenrand bei 5 mit der Stirnseite des fiohres 2 dicht verbunden ist. Die Scheibe 22 besitzt eineThe hollow end plate 3 comprises "an inner disc 22 made of metal, e.g. des fiohres 2 is tightly connected. The disc 22 has a

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zentrale Bohrung 22a. Gegen deren Sand stößt die Schulter 10a des feststehenden Schalt stückschaft es 10. Sin ringförmiger Membrandeckel 23, der ebenfalls aus Metall, z.3. rostfreiem Stahl, wie Kovar, (vgl. die amerikanischen Patentschriften 1 942 260, 1 942 261, 2 057 452 und 2 279 168) oder einer Nickel-Eisen-Legierung besteht, ist z.B. durch Löten bei 23a an der oberen Stirnfläche der inneren Scheibe 22 befestigt. Ferner ist ein Kragen 23b des Deckels 23 durch Löten mit dem Schaftteil 10b des Schaltstückschaft es 10 verbunden. central hole 22a. Against the sand pushes the shoulder 10a of the fixed switching piece shaft it 10. Sin annular membrane cover 23, which is also made of metal, z.3. stainless steel, such as Kovar, (cf. American patents 1 942 260, 1 942 261, 2 057 452 and 2 279 168) or a nickel-iron alloy is made, for example, by soldering at 23a on the upper face of the inner disc 22 attached. Furthermore, a collar 23b of the cover 23 is connected to the shaft part 10b of the contact piece shaft 10 by soldering.

Der äußere Meiabrandeckel 23 ist in radialer Richtung verhältnisfe mäßig steif, in axialer Sichtung dagegen nachgiebig, wie durch den Pfeil "Y" angedeutet ist. Deshalb kann Stoßenergie aufgefangen und verteilt γ/erden, ohne daß große Kräfte an den Sndplatten entstehen, die nach einer Anzahl von Einschaltungen zu einer Zerstörung oder Ermüdung führen.The outer Meiabrand cover 23 is relative in the radial direction moderately stiff, on the other hand yielding when viewed axially, as indicated by the arrow "Y". Therefore, impact energy can be absorbed and distributes γ / earth without creating large forces on the end plates, which lead to destruction or fatigue after a number of starts.

Auf Grund der als Hohlkörper ausgeführten Endplatte 3 ist weniger Masse als bei bekannten Schaltern vorhanden. Deshalb ist es auch leichter, die Endplatten zu entgasen.Because the end plate 3 is designed as a hollow body, there is less mass than with known switches. That's why it is easier to degas the end plates.

Fig. 2 zeigt eine andere mögliche Ausführungsform des Srfindungs-. gedankens. Hierbei sind zwei in axialer Sichtung mit Abstand von- W einander angeordnete Scheiben 25 und 26 vorhanden, die aus einem geeigneten Metall, z.B. rostfreiem Stahl, bestehen. Die Scheiben oder Membranen 25, 26 sind in axialer dichtung durch zwei in radialer Richtung konzentrisch angeordnete Abstandsstücke 28 und 29 distanziert, die durch Löten an den beiden Membranen 25 und 26 und dem Schaltstückschaft 10b oowio einem äußeren Metallrohr 31 befestigt sind. Das Metallrohr 31 ist z.B. durch Löten nicht nur mit den Membranen 25, 26 und dem Abstandsstück 29 verbunden,Fig. 2 shows another possible embodiment of the Srfindungs-. thought. Here, two in the axial sighting distance of- W stacked disks 25 and 26 present, the stainless made of a suitable metal, for example steel. The disks or membranes 25, 26 are axially sealed by two spacers 28 and 29 which are concentrically arranged in the radial direction and which are fastened to an outer metal tube 31 by soldering to the two membranes 25 and 26 and the switching piece shaft 10b. The metal tube 31 is not only connected to the membranes 25, 26 and the spacer 29, for example by soldering,

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sondern es dichtet zugleich bei 5 das obere Ende des Rohres 2 ab. Mithin ist eine zusammengesetzte hohle Endplatte 3' vorhanden.but at the same time it seals the upper end of the tube 2 at 5. Thus there is a composite hollow end plate 3 '.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die äußere Membran 23' ähnlich wie bei der Konstruktion in Fig. 1 ausgebildet ist. An Stelle einer Lötverbindung ist jedoch der Innenrand 23'a an dem Schaltstückschaft 10b mit einem stumpfen Stoß festgelegt. Im Raum "S" im Inneren der hohlen Endplatte 3'' ist ein elastomeres Material "S",. beispielsweise Gummi, Polyurethan oder ähnliches eingefüllt, das Stöße dämpft und Prellerscheinungen verringert.Fig. 3 shows a further embodiment in which the outer Membrane 23 'is designed similarly to the construction in FIG. 1 is. Instead of a soldered connection, however, the inner edge 23'a is fixed on the switching piece shaft 10b with a butt joint. In the space "S" inside the hollow end plate 3 ″ is an elastomeric one Material "S" ,. For example, filled with rubber, polyurethane or the like, which absorbs shocks and reduces bouncing phenomena.

Ein weiterer "Vorteil der Sriindung bei einem Vakuumschalter be- <|Another "advantage of the connection with a vacuum switch is <|

steht darin, daß Verluste infolge von Hysterese- und Wirbelströmen durch die geringen Massen und die kleinen Querschnitte verringert v/er den.it says that losses due to hysteresis and eddy currents reduced by the small masses and the small cross-sections.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird ersichtlich, daß eine verbesserte Endplattenkonstruktion geschaffen wurde, die mit ihrer Hohlbauweise für Vakuumschalter zu einer Verringerung der Massen führt, gleichzeitig aber die Qualität der Abdichtung beibehält und außerdem noch Stoßkräfte beim Einschalten abbaut.From the above description it can be seen that an improved End plate construction was created with their Hollow construction for vacuum switches leads to a reduction in mass, but at the same time maintains the quality of the seal and also reduces impact forces when switching on.

3 Figuren3 figures

7 Ansprüche .7 claims.

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Claims

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_ Claims

Vi.Jakuumschalter with an evacuable housing to which a Insulating off pipe and a metallic end plate that belongs to the one end face of the insulating tube closes off and carries a fixed contact piece, characterized in that the end plate (3) is a hollow body.

2. Vacuum switch according to claim 1, characterized in that the cavity (S) of the end plate (3 ' ¹ ) contains an elastomeric material (E).

3. Vacuum switch according to claim 1 or 2, characterized in that that the end plate (3) is composed of two spaced apart metal disks (22, 23).

4. Vacuum switch according to claim 3, characterized in that the the insulating tube (2) facing metal disc (22) mil the switching piece (7, 10) is rigidly connected, while the other metal disc (23) is only in contact with the contact or its carrier.

5. Vacuum switch according to claim 3 or 4 »characterized in that the metal disc (22) facing the insulating tube (2) has a bulged edge which encloses the other metal disc 3 (23),

6. Vacuum switch according to claim j, 4 or 5, characterized in that zv / ischen the metal disks (25, 26) spacers (28, 29) are arranged (Fig. 2).

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7. Vacuum switch according to claim 6, characterized in that a spacer (28) is firmly connected to the switching piece (7) or its carrier (10).

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