DE2039063B2

DE2039063B2 - Vakuumschalter

Info

Publication number: DE2039063B2
Application number: DE19702039063
Authority: DE
Inventors: Denzil Malcolm London Atkinson
Original assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Current assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Priority date: 1969-08-08
Filing date: 1970-08-06
Publication date: 1978-07-20
Also published as: FR2056728A5; DE2039063A1; GB1316102A

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter unter Verwendung einer Kupferlegierung als Kontaktmaterial und/oder als Material für einen gegebenenfalls vorhandenen, die Kontakte umgebenden Schirm.

Das bevorzugte Anwendungsgebiet sind Vakuumschalter zur Unterbrechung von Wechselströmen mit einer Stromstärke von etwa 10 bis 100 Ampere.

Derartige Schalter enthalten häufig einen Metallschirm, der die Kontakte umgibt, um das Innere der Gehäusewand gegen eine Ablagerung von Material abzuschirmen, das von den Kontakten verdampft wird, wenn sie getrennt werden.

Bislang werden die Kontakte und die gegebenenfalls vorgesehenen Schirme gewöhnlich aus Kupfer oder aus bestimmten Kupferlegierungsn hergestellt Um beispielsweise eine Elektrode mit einem bestimmten Elastizitätsgrad zu erhalten, der durch Kupfer aHein normalerweise nicht erzielbar ist, ist es bekannt, die Elektrode aus einer Legierung aus Kupfer und verschiedenen Metallen herzustellen. Derartige Elektroden und Schirme mußten bislang jedoch aus Feinkupfer oder in Vakuum gegossenem Kupfer oder

Kupferlegierungen hergestellt werden, wobei es als wesentlich angesehen wird, den Gasgehalt derjenigen Materialien zu verringern, die in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens liegen, der beim Trennen der Kontakte ausgebildet wird, und zwar soweit wie dies praktisch möglich ist, z.B. bis unter einen Gehalt von 1,5Gewichtsteilen Sauerstoff in 10 Millionen Gewichtsteilen.

Die Verwendung einer Kupferlegierung als Kontaktmaterial ist der schweizerischen Patentschrift 1 35 869 zu entnehmen. Die schweizerische Patentschrift 3 73 793 schlägt Kontaktstücke aus einer Legierung von Kupfer und einem Getterwerkstoff vor, z. B. Molybdän. Ein die Kontakte umgebender Schirm ist der schweizerischen Patentschrift 4 22 948 als bekannt zu entnehmen, in der ebenfalls eine Kupferlegierung als Kontaktwerkstoff genannt ist.

Die Verringerung des Gasgehalts der in der Nähe des Lichtbogens liegenden Materialien ist ein kostspieliges Verfahren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Vakuumschalter der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem das Material für die Kontakte und/oder einen gegebenenfalls verwendeten Schirm einen hinreichend geringen Restgasgehalt aufweist und eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzt, jedoch leichter herzustellen ist.

Nach der Erfindung werden die Kontakte und/oder der Schirm des Vakuumschalters zumindest teilweise aus Kupfer hergestellt, das 0,4 bis 1,0 Gewichtsprozent Chrom enthält

Es hat sich herausgestellt, daß Kupfer mit weniger als 1 % Chrom eine Ausscheidungshärtungslegierung bildet, die eine hohe Festigkeit mit einer hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit in sich vereinigt. Wenn es darüber hinaus nach bekannten Massenverarbeitungsverfahren beim Gießen, der Wärmebearbeitung, Abbeizung in Säure und Wärmebehandlung hergestellt wird, weist es einen Restgasgehalt auf, der hinreichend niedrig ist, um es zur Verwendung in einem Vakuum geeignet zu machen, ohne daß kostspielige Veredelungsbehandlungen erforderlich sind.

Es ist zwar bereits darauf hingewiesen worden, daß Kupfer-Chrom-Legierungen mit geringem Cr-Gehalt von technischem Interesse seien (Werkstoff-Handbuch »Nichteisenmetalle« 2. Auflage, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 1960, III Cu, Seite 8), doch werden die im vorliegenden Zusammenhang interessierenden Vorteile nicht angesprochen.

Bei der Herstellung wird zunächst im Bereich von 100° C homogenisiert (auch Lösungsglühen genannt), anschließend abgeschreckt und dann eine Ausscheidungshärtung zwischen 400 und 500° C vorgenommen. Das ausgeschiedene Chrom ergibt ein Material mit einer verhältnismäßig hohen elektrischen Leitfähigkeit, die angenähert gleich der von reinem Kupfer ist.

Man weiß, daß die Gasreinigungswirkung dieses Erzeugnisses auf der Fähigkeit des Chroms beruht, leicht das refraktäre Sesquioxid Cr₂O₃ zu bilden und das Kupfer vom gelösten Sauerstoff oder Kupferoxidul zu befreien, wenn es geschmolzen ist. Da Sesquioxid wesentlich leichter als Kupfer ist (das spezifische Gewicht von Sesquioxid verhält sich zum spezifischen Gewicht von flüssigem Kupfer wie 5,21 :7,93), fließt das Sesquioxid aus dem geschmolzenen Kupfer heraus, so daß es als Schlacke entfernt werden kann. Das Ergebnis ist eine weitgehend gasfreie Kupfer/Chrom-Legierung.

Die Kupfer/Chrom- Legierung, wenn sie als Kontaktmaterial verwendet wird, kann zur Oberflächenreini-

gung und zum Hartlöten in einem Vakuumofen auf Temperaturen von bis zu 950°C erhitzt werden und erlangt bei anschließendem Ausheizen des Vakuumtrennschalters im Bereich von 400°C bis 500°C wieder einen großen Teil ihrer Härte und Leitfähigkeit zurück.

Die Kupfer/Chrom-Legierung kann nicht nur zur Bildung derjenigen Teile der Kontakte verwendet werden, die die Berührungsflächen der Kontakte bilden oder in deren Nähe liegen, sondern auch zur Bildung der Leiter, die die Kontakte tragen und teilweise oder völlig außerhalb des evakuierten Gehäuses liegen. In einigen Fällen kann die den eigentlichen Kontakt bildende Spitze aus Molybdän oder einem anderen geeigneten hitzebeständigen und verschleißfesten Metall oder einer derartigen Legierung hergestellt sein.

Ein als Trennschalter ausgelegter Vakuumschalter wird im folgenden anhand einer Zeichnung beschrieben, die schematisch einen Axialschnitt durch den Schalter darstellt.

Der Schalter hat ein Gehäuse mit einem zylindrischen Körperteil 1 aus elektrisch isolierendem Material, z. B. Glas, und zwei Metallendplatten 2 und 3, die dicht mit dem Körperteil verbunden sind. Zwei Leiter 4 und 5 ragen von gegenüberliegenden Enden in das Gehäuse, so daß ihre inneren Enden, auf denen jeweils Kontakte 6, 7 angeordnet sind, einander gegenüberliegen. Der Leiter 4 ragt durch die Endplatte 2 hindurch und ist mit dieser gasdicht verbunden. Der Leiter 5 ragt frei durch eine Öffnung 8 in der Endplatte 3 hindurch und ist durch ein Wellrohr 9 mit dieser verbunden, das eine gasdichte Dichtung bewirkt, jedoch eine Längsbewegung des Leiters 5 zum öffnen und Schließen der Kontakte gestattet. Auf der Platte kann eine Hülse 10 in an sieh bekannter Weise als Führung für den Leiter vorgesehen sein.

Die Kontakte 6 und 7 können durch einen zylindrischen Schirm Il umgeben sein, der in irgendeiner passenden Art in dem Gehäuse befestigt ist.

Nac'n der Erfindung sind die einander gegenüberliegenden bzw. benachbarten Teile 16 und 17 der Kontakte, die von den eigentlichen Kontaktoberflächen 26, 27 entfernt angeordnet sind, aus Kupfer mit einem Chromgehalt von 0,4 bis 1% hergestellt.

Die Kontaktoberflächen 26 und 27 sind vorzugsweise mit einer Schicht aus Molybdän oder einem anderen geeigneten, hitzebeständigen und verschleißfesten Material versehen, daß auf der Kupfer/Chrom-Legierung aufgebracht ist.

Der Schirm 11 und die Leiter 4 und 5 sind ebenfalls aus Kupfer mit einem Chromgehalt von 0,4 bis 1% hergestellt.

Die zur Bildung der Teile 16,17 der Kontakte und des Schirms 11 verwendete Kupfer/Chrom-Legierung wird vorzugsweise nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellt, bei dem katodisches oder hochleitendes Barrenkupfer mit einer 8 bis 12%igen Chrom-Grundlegierung (Chrom-Master-Alloy) nach einer geeigneten Desoxidation legiert und dann gegossen, gewalzt, gezogen und zwischendurch angelassen oder geglüht wird.

Die Legierung hat nicht nur einen extrem niedrigen Gasgehalt, z. B. weniger als 1 V₂ Gewichtsteile Sauerstoff in 10 000 000 Gewichtsteilen, sondern weist auch eine erhebliche Festigkeit und hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. Im Anschluß an ihre Herstellung werden die Kontakte und der Schirm im Vakuum auf eine Temperatur von bis zu 950°C erhitzt, um die Halterungsbauteile zu reinigen und hartzulöten, und nachdem die Bauteile in dem Gehäuse befestigt sind, wird dieses ausgeheizt, beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 400 bis 500⁰C, bevor es evakuiert und abgedichtet wird. Diese Kupfer/Chrom-Legierung der Kontakte und des Schirms hat eine elektrische Leitfähigkeit, die höher als 75% der International Annealed Copper Standard liegt.

In einigen Fällen brauchen nur die Kontakte aus der Kupfer/Chrom-Legierung hergestellt zu sein, während der Schirm aus irgendeinem anderen geeigneten bekannten Material hergestellt sein kann. Stattdessen kann auch nur der Schirm 11 daraus hergestellt sein, während für die Kontakte ein anderes geeignetes Kontaktmaterial verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vakuumschalter unter Verwendung einer Kupferlegierung als Kontaktmaterial und/oder als Material für einen gegebenenfalls vorhandenen, die Kontakte umgebenden Schirm, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (6, 7) und/ oder der Schirm (11) des Schalters zumindest teilweise aus einer Kupfer/Chrom-Legierung hergestellt sind, die 0,4 bis 1,0 Gewichtsprozente Chrom aufweist.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (6, 7) und/oder der Schirm (11) zur Reinigung und zum Hartlöten der Halterungsbauteile auf eine Temperatur von bis zu 950° C im Vakuum erhitzt worden sind.

3. Vakuumschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltergehäuse und Teile der Bauteile des Schalters, einschließlich der Kontakte (6, 7) und des Schirms (11), vor dem Evakuieren und Abdichten des Gehäuses bei einer Temperatur ausgeheizt wurden, die zwischen 400° C und 500° C liegt.

4. Vakuumschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktoberflächen (26,27) der Kontakte (6, 7) mit einer Schicht aus Molybdän oder einem anderen hitzebeständigen und verschleißfesten Metall oder einer derartigen Legierung versehen sind.

5. Vakuumschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (4, 5), die die Kontakte (6, 7) aufweisen, aus einer Kupfer/Chrom-Legierung hergestellt sind, die 0,4 bis 1,0 Gewichtsprozent Chrom enthält.

6. Vakuumschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer/Chrom-Legierung durch Legieren katodischen oder hochleitenden Kupfers mit einer 8 bis 12%igen Chrom-Grundlegierung nach einer geeigneten Desoxidation und durch anschließendes Gießen, Walzen, Ziehen und zwischenzeitliches Glühen hergestellt worden ist.