DE2040623A1

DE2040623A1 - Hoechstgeschwindigkeitsleistungsschalter

Info

Publication number: DE2040623A1
Application number: DE19702040623
Authority: DE
Inventors: Joseph Pontico; Joseph Refouvelet
Original assignee: ETAT FRACAIS; MINI ARMEE
Current assignee: ETAT FRACAIS; MINI ARMEE
Priority date: 1969-08-27
Filing date: 1970-08-17
Publication date: 1971-03-04
Also published as: NL7011742A; FR2057552A5; GB1299946A; US3736545A; BE752279A

Description

Dipl.-lng. G. Schliebs 61 Darmstadt Ludwig-Büchner-Straße 14

Patentanwalt Telefon (06151) 62928

Postscheckkonto: Frankfurt a. M. 111157 Bankverbindung: Deutsche Bank AG., Darmstadt An das Telegramme: inventron

Deutsche Patentamt

8 München 2
Zweibrückenstr. 12

Ihr Schreiben Mein Zeichen B 129 ^T°9 12,8.1970

Patentanmeldung

Anmelder: ETAT FRAIiCAIS, vertreten durch Ministre des Armees, Paris (Frankreich)

Höchstgeschwindigkeitsleistungsschalter

Die Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen Höehstgeschwindigkeitsleistungsschalter, dessen Funktionsweise auf dem Effekt beruht, dass gewisse Werkstoffe unter der Wirkung sehr hoher Drucke einen starken Abfall ihres elek-.trischen Widerstandes aufweisen«

Die gegenwärtigen Leistungsschalter für sehr hohe Ströme_$

sog. Ignistrons und deren Abarten, ferner pneumatische, f

ö!pneumatische und Sprengschalter sind relativ langsam xmä weisen Schaltzeiten auf, die weit über 100 MikroSekunden liegen· Demgegenüber zielt die Erfindung auf einen Bit Höchstgeschwindigkeit schaltenden leistungsschalter ab, der Ströme in der Grössenordnung von 10 A mit Schaltzeiten ven weniger als 200 ffanoeekunden (2.10""' s) sohalten kann·

Hierzu werden zwei physikalische Effekt® herangasegens

- einereelt· ändert die Aufbringung etto henex* Druolc· in der Grröeeenördnung ven 100 kBar (1Ö*at) oder «elir

4Αβι4 ft/4 ein

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Kristallaufbau von Isolierwerkstoffen und Halbleitern und damit zahlreiche Eigenschaften dieser Stoffe, u.a. die elektrische Leitfähigkeit, die unter dem Hochdruck um 6 bis 7 Grössenordnungen oder mehr abfallen kann; zum anderen ermöglicht es der Eineatz von durch Sprengstoffe erzeugten Schockwellen, Drucke in der Grössenordnung von 100 bis 500 kBar in extrem kurzen Zeiten unterhalb von 100 ns zu erreichen.

Die Erfindung beruht auf der kombinierten Ausnutzung dieser beiden physikalischen Vorgänge· Demgemäss sieht die Erfindung einen Höchstgeschwindigkeitsleistungsschalter zum Schalten von Strömen bis über 10 A in Zeiten unter 1/us vor, der eine zwischen zwei Elektroden angeordnete Isoliertablette aus unter hohem Druck elektrisch leitend werdendem Werkstoff besitzt sowie einen auf die Isoliertablette wirkenden Sprengsatz mit Sprengladung und Zünder. Die Sprengladung kann unmittelbar oder mittelbar über ein Metallteil auf die Isoliertablette einwirken. In letzterem Fall kann das Metallteil eine der beiden Elektroden sein. Insbesondere kann die Tablette als dünne Schicht auf diese Elektrode aufgebracht sein.

Mit dem Schalter lassen sich Leistungsschaltungen atit einer bisher nicht erreichten Geschwindigkeit durchführen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden mit der Isoliertablette zu einer mit druckunempfindlicher IsolierpreesmaBse ummantelten, austauschbaren Kontaktzelle zusammengefasst. Diese Kontaktaelle liegt, in das Schaltergehäuse eingesetzt, mit ihrer Isoliertablett· auf einem festen Amboss in der Gehäusegrundplatte auf und wird Ton einem Tragring gehalten, auf den sin Kapeelgehäu·· für eins austauschbare Sprengkaps·! aufgeschraubt ist, deren

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Sprengsatz direkt über der Isoliertablette angeordnet ist.

In dieser Ausführungsform besitzt der Leistungsschalter einen einfachen Aufbau bei hoher Betriebssicherheit und der Möglichkeit, nach jeder Sprengschaltung Teile wie die Kontaktzelle und das Kapselgehäuse leicht· und schnell auszutauschen, wobei in das Kapselgehäuse eine neue Sprengkapsel ausserhalb des Schalters und unter den erforderlichen Sicherheitsbedingungen eingesetzt werden kann.

Gemäss einer Abwandlungsform der Erfindung kann der Spreng- | satz über einem frei beweglichen Hammer oder einer Prallplatte angeordnet sein, der bzw. die sich in Ruhestellung über der Isoliertablette der Kontaktzelle befindet. Hierdurch lässt sich der Druck, der auf die Isoliertablette aufgebracht werden kann, noch wesentlich erhöhen«

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung. In dieser zeigen:

Pig. 1 schematisch zwei unterschiedliche prinzipielle ^³¹ Möglichkeiten der Anordnung von Isoliertablette

und Elektroden; "

Pig. 3 im Schnitt eine bevorzugte Ausführungsform des Schalters und

Pig. 4 in zwei zueinander senkrechten Schnitten A-A bzw. ^³¹ ⁵ B-B eine mögliche Ausführungsform einer Kontaktzelle für den Schalter in Pig. 3.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht, wie schon eingangs erwähnt, darin, eine durch die Detonation eines Spreng-

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stoffes erzeugte Schockwelle in einen anfänglich isolierenden Werkstoff einzuführen, der dadurch unter einen Druck in der Grössenordnung einiger 100 kBar gerät, was einen beträchtlichen Abfall des elektrischen Widerstandes zur Folge hat. Hierzu wird eine der Druckwelle auszusetzende Isoliertablette 13 (Fig. 1, 2) aus dem unter Druck elektrisch leitend werdendem Isolierwerkstoff zwischen zwei Elektroden 12 angeordnet, wobei es zwei unterschiedliche Möglichkeiten gibt. Bei der Anordnung in Fig. 1 verläuft die elektrische Leitung in Richtung der Schockwelle, die Tablette ist zwischen den sich überlappenden Enden der Elektroden 12 angeordnet. Bei der Anordnung in Fig. 2 verläuft die elektrische Leitung senkrecht zur Richtung der Schockwellen, die Elektroden stossen stumpf auf eine zwischen ihnen liegende Isoliertablette.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Der Schalter besteht aus drei Hauptteilen: einem Gehäuse 16, einer die beiden Elektroden 12 und die Isoliertablette 13 umfassenden Kontaktzelle 17 und einer Sprengkapsel 18.

Das Gehäuse 16 besteht aus einem Sockel 1 mit einem eingesetzten festen Amboss 2 und aus einem Tragring 3» welcher die Kontaktzelle 17 hält und die Sprengkapsel 18 aufnimmt.

Die Kontaktzelle 17 ist gemäss dem in Fig. 1 dargestellten Prinzip aufgebaut. Sie ist mit einer Isolierpressmasse H umhüllt, die praktisch druckunempfindlich ist. Der Aufbau ist im einzelnen in Fig. 4 und 5 dargestellt. Die Kontaktzelle lässt sich leicht zwischen Sockel und Tragring einschieben und kann so nach jeder Sprengschaltung ausgetauscht werden.

Die Sprengkapsel 9 steckt in einem auf den Tragring 3

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aufgeschraubten Kapselgehäuse 4 und enthält einen Sprengsatz, der aus einem Zünder 10 und einer Sprengladung 11 besteht. Ferner trägt die Kapsel einen Zentrierring 7 und einen Schutzring 8. Ein auf das Kapselgehäuse geschraubter Deckel 5 trägt einen Koaxial-Zündstecker 15» der mit dem Zünder 10 elektrisch verbunden ist und mit einer leitung gekuppelt wird, die zu einer Zündvorrichtung führt. Ein Dichtungsring 6 zwischen Deckel und Kapselgehäuse dichtet die Sprengkapsel nach aussen ab. Das Kapselgehäuse kann nach jeder Sprengzündung leicht ausgetauscht und unter . den vorgeschriebenen Sicherheitsbedingungen wieder geladen | werden.

Der erfindungsgemässe Leistungsschalter kann zahlreiche Abwandlungsformen aufweisen. So kann die im Beispiel in Mg. 5 direkt erfolgende Schockwellenübertragung auch indirekt erfolgen, z.B. über einen Hammer oder über eine Prallplatte, die vom Explosionsstoss beschleunigt wird. In diesem Falle lassen sich sehr viel höhere Drucke bis in die Grössenordnung von MBar (10 Bar) erzielen.

Für die Isoliertablette 13 können zahlreiche Werkstoffe eingesetzt werden. Als ein Beispiel können mineralische *

Halbleiter (etwa auf der Basis von S, Se, Si, Te, GaP, GaS usw.) genannt werden, die als einfache oder zusammengesetzte Elemente und chemisch rein oder dotiert eingesetzt werden können. Weiterhin können organische Halbleiter eingesetzt werden oder Halbleiter Bit pn-Übergangen. Im letzteren Fall kann es eich üb einfache Dioden, Zenerdioden odtr Tunneldioden handeln· Ferner können echte Iselieretpffe sub Eineatz kessen eder dünne Schichten aus Metallen, HaIbBetallen, Metalloxyden oder organischen PelyBeren.

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Alle Werkstoffe für die Isoliertablette können die Form orientierter Einkristalle haben oder polykristallin sein oder ferner aus verdichtetem Pulver bestehen oder als dünne Schichten auf eine der Elektroden aufgebracht sein.

Der Aufbau des Leistungsschalters kann vom Beispiel in Pig. 3 abweichen je nach den Anforderungen an Zuverlässigkeit, Schockwellenwiderstand, Herstellbarkeit und Schaltverhalten.

Im folgenden seien einige Daten eines Prototyps des Höchstgeschwindigkeitsleistungeschaltere angeführt. Die Schaltzeit liegt, wie schon erwähnt, unter 200 ns. Die Einschaltdauer geht von einigen/us bis zu einigen 10/us. Der Widerstand des geöffneten Schalters kann zwischen einigen Ohm und mehreren MOhm liegen. Der Restwiderstand des geschlossenen Schalters liegt unter 10 Ohm und kann bis auf min-

—5
destens 10 0hm hinuntergehen. Der zulässige Strom beträgt bis zu 10 A oder mehr, und die Schaltleistung kann mehrere MJ (ca. 0,3 kWh) betragen.

Der erfindungegemässe Schalter ist so in allen Gebieten der Höchstrom- und Hochenergie-Impulstechnik einsetzbar. Seine Eigenschaften eröffnen ihm zahlreiche Möglichkeiten für spezielle Anwendungefälle der Höchstgeschwindigkeitsschaltung, für die es bisher nichts Gleichwertiges gab·

Im Rahmen der Erfindung liegen zahlreiche Abwandlungsmöglichkeiten namentlich bezüglich der Abmessungen sowie der eingesetzten Werkstoffe und ihrer Herstellung und Bearbeitung·

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Claims

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1.iHöchstgeschwindigkeitsleistungsschalter zum Schalten von «—^ Strömen in der Grössenordnung von 10 A in Zeiten unter 1/us, gekennzeichnet durch eine zwischen zwei Elektroden

(12) angeordnete Isoliertablette (13) aus unter hohem Druck elektrisch leitend werdendem Werkstoff sowie durch einen auf die Isoliertablette wirkenden Sprengsatz (9) mit Sprengladung (11) und Zünder (10).

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprengladung unmittelbar auf die Isoliertablette einwirkt.

3. Schalter nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprengladung über ein Metallteil auf die Isoliertablette einwirkt.

4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil eine der beiden Elektroden ist.

5* Schalter nach Anspruch 1 und 4» dadurch gekennzeichnet, dass die Isoliertablette als dünne Schicht auf eine Elektrode aufgebracht ist.

6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (12) mit der Isoliertablette

(13) zu einer austauschbaren Kontaktzelle (1.7) zusammengefasst sind, die mit einer gegen Druck unempfindlichen Isolierpressmasse (H) ummantelt ist.

7. Schalter nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Schaltergehäuse (16) eingesetzte Kontaktzelle (17) mit ihrer Isoliertablette (13) auf einem

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festen Amboss (2) in der Gehäusegrundplatte (1) aufliegt und von einem Tragring (3) gehalten ist, auf den ein Kapselgehäuse (4) für eine austauschbare Sprengkapsel (18) aufgeschraubt ist, deren Sprengsatz (9) direkt über der Isoliertablette angeordnet ist.

8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprengsatz (9) über einem frei beweglichen Hammer oder einer Prallplatte angeordnet ist, der bzw. die sich in Ruhestellung über der Isoliertablette (13) der Kontaktzelle (17) befindet.

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