DE2065917A1

DE2065917A1 - Elektrischer schalter mit kontakten in denen der strom bei kontaktoeffnung stets in gleicher richtung fliesst

Info

Publication number: DE2065917A1
Application number: DE2065917A
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Briggs and Stratton Corp
Current assignee: Briggs and Stratton Corp
Priority date: 1969-04-24
Filing date: 1970-04-06
Publication date: 1977-03-10
Also published as: DE2065917C3; FR2045513A5; DE2065917B2; DE2065918C3; DE2065918B2; DE2016308A1; DE2065919A1; DE2065920B2; AU6043573A; DE2065920A1; DE2065919B2; DE2065919C3; DE2065918A1; DE2065920C3; AU467146B2

Description

Elektrischer Schalter mit Kontakten, in denen der Strom "bei Kontaktöffnung stets in gleicher Richtung fließt.

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter mit zwei relativ zueinander bewegbaren Kontakten für Stromkreise, in denen der Strom bei Kontaktöffnung stets in gleicher Sichtung fließt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, elektrische Schalter der einleitend genannten Art bezüglich der Kontaktausbildung so zu verbessern, daß einerseits eine Verschweißung oder Verklebung der Kontaktflächen mit Sicherheit ausgeschaltet wird und daß andererseits die Kontakte eine bisher nie gekannte Lebensdauer erhalten, welche bisher vor allem dadurch verkürzt wurde, daß durch den stets in gleicher Richtung fließenden Strom das Metall des einen Kontaktes zum Gegenkontakt übertragen wurde ο

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Zur lösung der vorgenannten Aufgabe werden "bei einem elektrischen Schalter der einleitend genannten Art nachfolgende Merkmale kombiniert: a) die Kontakte sind in einem unter Hochvakuum stehenden Gehäuse angeordnet, b) ein erster Kontakt, welcher bei der Kontaktöffnung auf negativem Ptential liegt, besteht aus einem Metall, dessen Schmelz— und Verdampfungstemperaturen mindestens so hoch liegen, wie die von Wolfram, c) ein zweiter, bei der Kontaktöffnung auf positivem Potential liegender Kontakt besteht aus einem Metall, dessen Schmelz- und Verdampfungstemperaturen tiefer liegen als die des anderen Kontaktes ο

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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsfoimen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sindο In den Zeichnungen zeigen;

Figo 1 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Schutzrohrkontaktes in Offenstellung,

Figo 2 eine der Figo 1 ähnliche Darstellung des Eontaktes in Schließstellung,

Figo 3 eine zerlegte perspektivische Darstellung der Bauelemente des erfindungsgemäßen Kontaktes ohne äußere Umhüllung,

Figo 4- eine Draufsicht auf die Kontaktzunge mit Hilfskontakt,

Figo 5 eine geschnittene Seitenansicht einer Kontakt— zunge des erfindungsgemäßen Schutzrohrkontaktes in vergrößertem Maßstabe,

Figo 6 ein Diagmmm, welches die Abhängigkeit zwischen der Temperatur und der linearen Ausdehnung jedes der drei Metalle wiedergibt, die für die

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Kontaktzungen des erfindumgsgemäßen Schutzrolirkontaktes verwendet werden und

Pig. 7 ein Diagramm der an einem erfindungsgemäß ausgebildeten Schutzrohrkontakt angreifenden Kräfte»

Die Pig» 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Schutzrohrkontakt 5 mit zwei länglichen, federnd verbiegbaren, magnetisch permeablen Zungen 6 und 6' in einem länglichen Gehäuse oder Schutzrohr 7· Das Schutzrohr ist auf hohes Vacuum evakuierte An den zugeschmolzenen Enden des Gehäuses 7 ragen zwei längliche Stifte δ und 8¹ heraus, die die beiden Zungen 6 und 6' tragen und an ihren äußeren. Enden als Anschlüsse g, g' des Kontaktes ausgebildet sindo

Die Zungen 6 und 6¹ erstrecken sich von den Stiften 8 und 8' axial nach innen, wo sich ihre freien Enden in der längsmittelebene des Gehäuses überlappen und dort in Querrichtung um einen zuvor festgelegten Betrag voneinander entfernt sind, um einen Kontaktspalt 1o zu

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"bildeiio Unter dem Einfluß eines sich ii"ber die Zungen 6 und den Spalt 1o erstreckenden Magnetfeldes werden die Zungen so verbogen, daß sich, ihre Überlappenden Enden kontaktgebend berühren.

Die Stifte 8, 8' tragen am inneren Ende außerdem einen länglichen relativ steifen jtaschlagstab 11 bzw» 11'» Die Stäbe 11 und 11' befinden sich an der vom Spalt abgelegenen Seite der Zungen 6 und 6¹« Da die Zungen flache Metallstreifen sind, kann man deren Seiten sinnvoll auch als Vorder- und Rückseite bezeichnen«. Die Vorderseite zeigt zum Eontaktspalt 1o und die Rückseite stützt sich am Stab 11 abo

Normalerweise beaufschlagen die Zungen ihren Anschlagstab mit der innewohnenden Biegespannung, so daß sich entsprechend den Lehren der vorerwähnten deutschen Patentschrift 1 279 190 eine nach außen gerichtete Vorspannung am ,Anschlagstab ergibt₀ Die letzterwähnte deutsche Patentschrift legt ausführlich die Vorteile einer solchen Anordnung in Verbindung mit Schutzrohrkontakt en für hohe Schaltfrequenz darο

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Gemäß der vorliegenden Erfindung trägt die Zunge einen Hilfskontakt 12, der noimalerweise an der Rückseite der Zunge 6 mit nach, vorn gerichteter Biegespannung anliegt und einen Steg 13 aufweist, der über das freie Ende der Zunge- 6 hinausragt und von der Zunge 6¹ einen Abstand hat, der etwas kleiner ist als die Breite des Kontaktspaltes 1o zwischen den freien Enden der Schaltzungen 6 und 6Ό Der Hilfskontakt 12 dient verschiedenen Zwecken und hat unter anderem die .Aufgabe, ein Hängenbleiben des Schutzrohrkontaktes bei hohen Stromstößen zu verhindern

Der Schutzrohrkontakt soll nun ausführlicher beschrieben werdeno Das Gehäuse 7 ist vorzugsweise ein Glasrohr— abschnitt, dessen gegenüberliegende Enden um die Stifte 8 und 8' herum angeschmolzen sind, um die Stifte in einer im wesentlichen koaxialen Ausrichtung festzusetzen und das Gehäuse hermetisch abzudichten« An den inneren Enden der axial weit auseinander liegenden Stifte .8 sind die Anschlagstäbe 11 angeschweißte Genauso gut könnten aber auch die Stifte 8 fester Bestandteil

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der Anschlagstäbe sein₀ Die Ans cialagst ä"be erstrecken sich Ms zu den freien Enden der Schaltzungen_o Wie die deutsche Patentschrift 1 279 190 erläutert, können die Anschlagstäte entweder aus magnetischem oder nichtmag— netischem Material "bestehen, sie sollten aber in jedem

lalle erheblich steifer als die Schaltzungen sein«. ^

Gemäß der vorliegenden Erfindung "bestehen die Zungen 6 und 6· aus einem im wesentlichen flachen lußteil 15 ata eingespannten Ende, einem im wesentlichen flachen Kopfteil 16 am freien Ende und einem dazwischenliegenden Halsteil 17» welcher einen etwas geringeren Querschnitt hat als die luß~ und Kopfteileo Der Halsteil 17 grenzt als fester Bestandteil stumpfwinklig an Kopf- und !Fußteile Der lußteil 15 jeder Zunge überdeckt in der Nähe des φ

eingespannten Endes flachliegend den "benachbarten Anschlagstab und ist mit dem letzteren, beispielsweise durch Schweißung, verbundene Der Halsteil 17 ragt schräg nach vorn vom Anschlagstab fort in Richtung zum freien Zungenendee Der Kopfteil 16 ist normalerweise zum Anschlagstab hin geneigt, wobei die Zungenspitze den

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Anschlagstat mit ihrer in Offnungsrichtung wirkenden Biegespannung "beaufschlagte

Die größte Biegung sollen die erfindungsgemäßen Zungen am Halsteil 17 erhaltene Daher hat der Halsteil einen verminderten Querschnitte Vorzugsweise ist am Halsteil nur die Dicke vermindert, damit die Zunge eine relativ flache Federkennlinie erhält und die Biegekräfte in der Zunge relativ stetig heim Schließen der Kontakte ansteigeno Die Bedeutung dieser Maßnahme ergibt sich aus der Figo 7» in der die an einer Zunge des Schutzrohrkontaktes der Erfindung angreifenden Kräfte dargestellt sind, wenn die Zunge magnetisch in die kontakt— schließende Stellung gebracht wird» Wenn das den Kontakt betätigende Magnetfeld entsteht, erreicht die Feldstärke einen Wert, bei dem die Anziehung zwischen den Zungenspitzen so groß wird, daß deren Vorspannungen überwunden werden und die Zungenspitzen sich aufeinander zu bewegen_o Nach Erreichen dieses Wertes steigert sich die Äufeinanderbewegung der Zungen wesentlich schneller als der auslösende Magnetfluß, so daß der letztere als konstant angesehen

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werden kanne Unter dieser Annahme beruht die Änderung der magnetischen Anziehungskräfte (Figo 7 Kurve 26) ausschließlich auf der Annäherung der Zungenο Die Änderung der Anziehungskraft zwischen den Zungenspitzen ist etwa umgekehrt proportional der Änderung des Streuflußfeldes zwischen den Zungenspitzen, so daß die Kurve 26 im wesentlichen parabolisch verlauft_o Die Biegekräfte in jeder Zunge (Kurve 24) vergrößern sich linear zum Biegeweg der Zungenspitzen» Der Unterschied zwischen der Magnetkraft und der Biegekraft ist die jeweils verfügbare Kraft, die die Zungen in dem jeweiligen Moment beschleunigen kann. Handelt es sich um eine Zunge mit flacher Federkennlinie, wächst die Differenzkraft sehr schnell an, wenn sich die Zungen aufeinander zu bewegen, so daß die Annäherung der Zungen mit stetig wachsender Beschleunigung erfolgt,.

Dadurch, daß die Biegung der Zungen in wesentlichen auf den Halsteil 17 beschränkt ist und daß sich im wesentlichen nur der Kopfteil 16 bewegt, sprechen die Zungen auf ein Magnetfeld sehr schnell an_o Da die Masse des

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Kopfteiles verglichen mit der Masse der gesamten Zunge klein ist, wird der Kopfteil leicht durch die beim Kontaktschließen und Kontaktöffnen zur Einwirkung kommenden Magnet— und Biegekräfte beschleunigte Um bei einer Zunge von im wesentlichen gleichförmiger Dicke entsprechend den meisten bisherigen Schutzrohrkontakten eine vergleichbare geringe Trägheit zu erreichen, mußte die Zunge sehr kurz werden; würde dadurch aber so steif, daß ihre Federkennlinie die Magnetkraftkurve schneidet, so daß die Zunge dann nicht mehr durch ein magnetisches Betätigungsfeld in die kontaktgebende Stellung gebracht werden kann_o

Der Halsteil 17 einer jeden Zunge verläuft schräg zum Kopfteil 16, um den Koηtaktaufprall zu vermindern, wenn die Zungenspitzen einander beriihren_o Die Tendenz der Kopfteile zurückzuprallen, manifestiert sich als quer zu den llachseiten gerichtete Schwingung der Kopf teile <, Da der Halsteil schräg zum Kopfteil verläuft, hat eine solche Schwingung eine erhebliche Komponente in Längsrichtung des Halsteiles ο Auch ist der Kopfteil relativ kurzο Aus diesen Gründen wird die Frequenz einer solchen Zungenschwingung durch Kontaktabprall sehr hoch bei

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relativ kleinen Amplitudene Solche hochfrequenten Schwingungen verzehren die Energie sehr schnell, zumal wegen der kleinen Amplitude auch nur eine kleine Energie zu vernichten ist. Aus allen diesen G-rtinden ist der Aufprall bei einem erfindungsgemäßen Schutzrohrkontakt in der Praxis kein Problem, selbst bei den hohen Schließgeschwindigkeiten, die sich bei hohen Schaltfrequenzen ergeben«

Verständlicherweise ergeben sich durch die Anordnung von Anschlag- oder Aufprallstäben, an denen die Zungen mit Vorspannung anliegen, kleine Prallerscheinungen und kleine Zontaktspalte 10 und es wird auch möglich für Schutzrohrkontakte mit hoher Schaltfrequenz, Zungen zu verwenden, die eine kleine Federkonstante habeno Ohne die Anschlagstäbe 11 und 11* würde jedes öffnen des Kontaktes zu einer lange andauernden niederfrequenten Schwingung hoher ,Amplitude der relativ leicht beweglichen Zungen führen, was nicht mehr verträglich wäre mit dem zeitlichen Verlauf von schnell aufeinanderfolgenden Kontaktschließungenο Die Ansehlagstäbe führen zu einem

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Zungenaufprall mit hochfrequenter Schwingung niedriger implitude, wie es auch in der erwähnten deutschen Patentschrift 1 279 190 beschrieben ist»

Da die Zungen Toeim Schließen des Kontaktes mit erheblicher Kraft aufeinandertreffen, sind die Vorderseiten ihrer Spitzen, d_oh_o ihre Kontaktflächen 18, mit einem Wolframüberzug versehene Die Härte dieser Wolframüber— ziige führt zu einer hohen mechanischen "Verschleißfestigkeit und verhindert, daß die Zungenspitzen aneinander haften "bleiben durch Kaltverschweißung oder mechanische Reibung. Wegen des geringen Stromflusses zwischen den Kontaktflächen 18 beim Schließen und Öffnen und wegen des nachfolgend noch zu erläuternden Hilfskontaktes neigen diese Kontaktflächen vor allem wegen der hohen Schmelztemperatur von Wolfram nicht zur "Verschweißungo Wegen der sauerstoffreien Umgebung der Wolframkontakteflächen 18 des erfindungsgemäßen Kontaktes kommt es auch zu keiner Oxydation, so daß der Kontaktwiderstand während der lebensdauer des Schutzrohrkontaktes klein bleibt und sich nicht erhöht, wie es bei in der luft arbeitenden Kontakten der Fall ist„

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Auf der Zunge 6' muß als Gegenstück zum Steg 13 des Hilfskontaktes 12 aus nachfolgend noch zu erläuternden Gründen auch eine Wolframkontaktfläche 23 vorgesehen sein» Diese Wolframkontaktfläche 23 kann eire Fortsetzung der wolfram beschichteten Kontaktfläche 18 an der Spitze der Zunge sein (Fig. 3 und 4)<>

Die Zungen 6 und 6¹ müssen in Offnungsrichtung eine bestimmte Vorspannung haben, durch die sie normalerweise am Anschlagstab gehalten werden₀ Die Schutzrohrkontakte mit den Zungen 6, 6¹, den Anschla&stäben 11, 11' und den Anschlußstiften ö, b¹' werden notwendigerweise zu bestimmten Zeitpunkten bei der Herstellung einer erheblicrien Erwärmung unterworfene Yfenn bei der letzten Stufe des Schutzrohrkontaktzusammenbaues die Enden des Schutzrohres an die Anschlußstifte 8 und 8' angeschmolzen werden, ist eine gewisse Erwärmung der Zungen nicht ve im eidbarο Eine Erhitzung der Zungen ist allerdings auch erwünscht, um diese zu entgasen und sicherzustellen, daß die Zungen keine Gase abgeben, die das Hochvacuum des Schutz— rohres beeinträchtigen könnten«,

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Palls man aber mono-metallisciie Zungen langer auf Normalglühtemperatur oder darüber erwärmt, geht die gegen den Anschlagstab gerichtete Vorspannung verlorene

Bimetaiiisehe Zungen können dagegen durch Erwärmung eine erwünschte Vorspannung erhalten«, Es wurden jetzt zwei Metalle gefunden, deren Eigenschaften sich in bemerkenswerter Weise ergänzen und sie so zusammenarbeiten, daß besonders vorteilhafte Bimetallzungen entstehen $ das eine Metall, das unter dem Warennamen "Iherlo", "Kovar" und "Rodar" gehandelt wird und nachfolgend generell als "legierung K" bezeichnet werden soll, besteht aus:

28,5 bis 29,5 f° Nickel )

16,5 bis 17,5 * Kobalt) _{Legierung K}

max. ο, 5 fo Mangan )

Rest Eisen )

Das andere Metall, das auch unter dem Warennamen "Niromet 42" gehandelt wird, besteht ausi

4o,5 bis 411 5 $ Nickel )

maxo ο,ο2 $ Kohlenstoff ) legierung N

maxo o,25 f° Silizium )

Rest Eisen )

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Diese "beiden legierungen, die nachfolgend und in Figo 6 mit legierung K und Legierung N "bezeichnet werden, haben eine hohe magnetische Induktion und eine geringe Remanenz, so daß sie besonders gut als Legierungskombination in einem Schutzrohrkontakt geeignet sindo Sie haben fiir diesen Zweck auch ausreichende Federeigenschafter.. Die besondere Brauchbarkeit dieses speziellen Legierungspaares für die Elemente eines bimetallischen Schutzrohrkontaktes basiert jedoch auf der thermischen Ausdehnung» Die Kurven der Figo 6 zeigen fiir die beiden genannten Legierungen und für Wolfram, die lineare Ausdehnung bei steigenden [Temperaturen ο

In einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis etwa 32o° C haben die zwei beschriebenen Legierungen nahezu gleiche lineare thermische Ausdehnungskoeffezienten, so daß eine aus diesen Metallen hergestellte Zunge ihre Vorspannung selbst bei den größten zu erwartenden Schwankungen der Umgebungstemperatur, in denen ein Schutzrohrkontakt arbeiten wird, nicht änderto Des weiteren ist innerhalb dieses Temperaturbereiches die Ausdehnung der Legierungen nahezu die gleiche wie die von Wolfram, so daß die Spitzen, von Bimetallzungen aus diesen Legierungen an

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der Kontaktfläche 18 mit einer Wolf ram Toes chichtung versehen werden können, ohne "befürchten zu müssen, daß die Wolfram— ■beschichtung bei Temperaturschwankungen die Zungenkopfteile verbiegt und die Vorspannung ändert«,

Wie aus Figo 6 erkennbar, verlaufen die Ausdehnungs-Temperaturkurven dieser zwei legierungen in dem. zuvor erwähnten Temperaturbereich im wesentlichen linear. Bei etwa 320° C knickt jedoch die Ausdehnungskurve von Legierung F entsprechend einer höheren Ausdehnung nach oben ab, um dann oberhalb von 370 C wieder linear zu werden bei einer größeren Steigung als in dem Anfangsbereich unter 320° C₀ Die entsprechende Kurve für Legierung K verläuft weiterhin im wesentlichen linear bis zu einem Bereich von 4oo C, um dann stetig steiler und oberhalb von 45o° C wieder linear und parallel zum oberen Kurventeil von Legierung N zu werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zur Herstellung von Bim etallzungen Elemente aus Legierung N und Legierung K miteinander verbunden und dann auf die gewünschte Dicke zu einem Band ausgewalzt, aus dem sich die Zungen ausstanzen lassen» Die einzelnen Zungen werden so befestigt,

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daß die Legierung N -Schicht zum inschlagstab zeigt und dort mit einer Vorspannung anliegt, die erheblich größer ist als die im fertigen Schutzrohrkontakt erwünschte Vorspannungο Die ZungenanOrdnung wird dann auf eine Temperatur, die erheblich über 45o C, vorzugsweise bei 76g C oder höher liegt, srv/änrto

Die maximale I]::-wäimungs"uem.peratur i^t iiioJv'" ]-;:;·1^χ^ΰΙι, solange die Zun^e nicht so wann wird, daß sie keine Verfoimungskräfte mehr aufnehmen kann₀ Die Zeit, die die Zunge auf maximaler Temperatur gehalten wird, ist ebenfalls nicht kritische Vorzugsweise erfolgt jedoch die Erwärmung im Hochvacuum bei so hoher Temperatur und für eine so lange Zeit, daß es zu einer ausreichenden Entgasung kommt_o

Wenn die Temperatur der Zunge von 32o C auf 43o C ansteigt, dehnt sieα die legierung Ή an der Zungenrückseite schneller aus als die Legierung K, so daß ein Teil der anfänglichen Vorspannung, mit der die Zunge gegen den Anschlagstab gedrückt wurde, beseitigt wirdo Bei weiterer Steigerung der Temperatur auf den Maximalwert wird die Zunge vollständig spannungsfrei und bleibt dann

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am Anschlägst al) liegen, ohne an diesem eine 'Vorspannkraft auszuübenο

Wenn die Zunge von der Maximaltemperatur auf etwa 43o C abgekühlt wird, entsteht in der Zunge keine Spannung, da die zwei Metalle, aus denen sie hergestellt ist, sich gleichschnell wieder zusammenziehen< > Bei 43o°C und darunter kann die Zunge erhebliche Spannungen ertragene Im dem Bereich von 43o G bis 32o 0 zieht sich die Legierung N schneller zusammen als die legierung K, so daß die Zunge durch Bimetallwirkung gegen den Anschlagstab mit einer Vorspannung gedruckt wird, die sich mit den relativen Dicken der zwei das Bimetall bildenden Legierungen genau bestimmen läßto Da sich die zwei Metalle bei Temperaturen von 32o C und darunter gleich stark ausdehnen und zusammenziehen, bleibt die Vorspannung bei allen Temperaturen zwischen 32o° 0 und Raumtemperatur konstante

Es wurde schon erwähnt, daß die Zungen anfänglich am Anschlagstab mit erheblich vergrößerter Vorspannung befestigt werden müssen, damit sich die Spitzen der Zungen nicht bei der bimetallischen Durchbiegung im Temperaturbereich

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von 32ο C "bis 43ο C vom Anschlagstab abheben₀ Wenn die Zungenspitze wegen zu kleiner anfänglicher Vorspannung sich vom Anschlagstab abheben könnte, wäre die im Endzustand vorhandene Vorspannung der Zunge Undefiniert, da sie zum Teil von dem unbekannten Abstand zwischen der Zungenspitze und dem Anschlagstab bei Temperaturen oberhalb von 43o° C abhängt« Sofern die anfängliche Vorspannung nur groß genug gewählt wird, ist sie nicht kritisch, da die im Endzustand vorhandene Vorspannung der Zunge lediglich eine Punktion der bimetallischen Durchbiegung isto Verständlicherweise können die erfindungsgemäßen bimetallischen Zungen nicht nur aus den definierten Legierungen H und K hergestellt werden» Auf alle MlIe muß aber eines der die Zunge bildenden Metalle magnetisch peimeabel sein<> Außerdem müssen die linearen thermischen Ausdehnungen der zwei Metalle bis zu einer bestimmten Temperatur einander ähnlich sein, wobei diese Temperatur in einem Bereich liegt, in dem beide Metalle Spannungen aufnehmen können» Außerdem müssen die thermischen Ausdehnungen der zwei Metalle in einem Bereich, der oberhalb der vorerwähnten Temperatur liegt, verschieden sein, wobei dann das Metall, das in diesem Bereich die größere lineare Ausdehnung hat, dem Anschlagstab benachbart anzuordnen ist.

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Beispielsweise entsteht eine noch recht gut brauchbare Zunge gemäß de.r vorliegenden Erfindung, wenn man einen Streifen aus Legierung U auf der einen Seite in gesamter Länge mit einem Wolframüberzug versieht, der die Zungenvorderseite bildet, da Wolfram die geringere lineare thermische Ausdehnung im hohen Temperaturbereich hat.

Während die Schaltgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Schutzrohrkontaktes in erheblichem Maße von der Vorspannung abhängt, mit der die Zungen 6 und 6¹ an den Anschlagstäben 11 und 11' anliegen, ist die VA-Belastbarkeit des Schutzrohrkontaktes in erster Linie vom Hilfskontakt 12 der Zunge 6 abhängig. Der Hilfskontakt 12 hat aber auch noch andere wichtige !Punktionen zu erfüllen.

Der Hilfskontakt sollte ausreichend federnd sein und ein geringes Gewicht haben, um die Masse der ihn tragenden Zunge 6 nicht wesentlich zu vergrößern. Diese Erfordernisse erfüllt besonders gut ein Molybdändraht, der auch noch andere, nachfolgend· beschriebene, sehr wichtige Vorteile mit sich bringt.

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Der aus Molybdändraht "bestehende Hilfskontakt 12 wird zu einem langgestreckten U verformt, dessen Außenschenkel 19 nach innen wieder zurückgebogen sind, so daß Bogen 2o und koplanare Kalteschenkel 21 entstehen, v/elche von den Enden des Drahtes gebildet werden ο Diese Halteschenkel 21 liegen flach, auf der Vorderseite des Kopfteiles 16 der Zunge 6, wo sie angeschweißt oder in sonstiger Weise "befestigt sindo Wegen der Abkröpfungen 22 in den Außenschenkeln 19 des Hilfskontaktes liegen die Halteschenkel 21 und die Bogen 2o etwas vor der Ebene der übrigen Teile der Schenkel 19c Die Schenkelteile zwischen den Abkröpfungen 22 und denn Joohteil 27 des Hilfskontaktes bilden einen Federarm, der die Rückseite des Kopfteiles 16 der Zunge überdecken und normalerweise dort mit Vorspannung anliegen<> Am Jochteil 27 ist der Abstand zwischen den Außenschenkeln 19 des Hilfskontaktes φ erheblich kleiner als die Breite der Zunge« Zum Halsteil hin divergieren die Schenkel 19 jedoch erheblich und ragen dann seitlich über die Zunge hinaus ο

Der Jochteil 27 des Hilfskontaktes liegt rechtwinklig umgebogen außen vor der Spitze der Zunge 6 und trägt den Kontaktsteg 13o Der Jochteil 27 überragtauch noch die

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Vorderseite der Zunge, so daß in der normalen Öffnungsstellung des Schatzrolirkontaktes der Abstand zwischen dem Steg 13 und der Zunge 6» geringer ist als der Abstand zwischen den eigentlichen Zungenο

Wenn die Zungen sich unter dem Einfluß eines Magnetfeldes aufeinander zu bewegen, beaufschlagt der Kontaktsteg 13 des Hilfskontaktes die Kontaktfläche 23 der Zunge 6^f, bevor die Kontaktflächen 18 der eigentlichen Zungen miteinander in Berührung kommen₀ Wegen der nach vorn gerichteten Vorspannung des Hilfskontaktes 12 gegen die Zunge 6 wird die beim Schließen des Kontaktes zu überwindende Kraft größer, wenn der Hilfskontakt 12 die Zunge 6^l berührte Wenn der Hilfskontakt 12 die Zunge 6¹ berührt, wirkt er also der an den Zungen angreifenden magnetischen Anziehung federnd entgegen entsprechend der Biegungskraft der Zunge 6 und der Biegungskraft"des Hilf skontaktes 12<> Figo 7 zeigt die Biegekräfte der Zunge in der Kurve 24 und die zusätzlichen Biegekräfte des Hilfskontaktes in der Kurve 25o Es ist ersichtlich, daß die abgetreppte Kurve 24, 25 der kombinierten Biegekräfte besser der die in kontaktschließender Eichtung wirkenden Magnetkräfte wiedergebenden Kurve 26 folgte

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Wenn sich die Zungen einander unter dem. Einfluß eines Magnetfeldes nähern, kommt es gleich bei Beginn ihrer Bewegung zu einer starken Beschleunigung. Daher haben die Zungen ein erhebliches Moment, wenn der Hilfskontakt die Zunge 6^f "beaufschlagte Auch ist die Magnetkraft an den Zungen zu diesem Zeitpunkt sehr groß gegenüber den der Magnetkraft entgegenwirkenden Biegungskräfteno Da der Hilfskontakt eine nach vorn gerichtete Vorspannung hat, unterdrücken die Trägheits- und Magnetkräfte zusammen nahezu vollständig den Aufpralleffekt zwischen dem Hilfskontakt und der Zunge 6*„ Die geringen Schwingungen, die unmittelbar nach dem Aufprall des Hilfskontaktes auf die Zunge 6' auftreten, haben eine sehr hohe Frequenz und eine kleine Amplitude wegen der schnell wachsenden Anpreßkraft zwischen Hilfskontakt und Zunge, so daß diese Schwingungen sehr schnell abklingen_e

Nachdem der Hilfskontakt 12 die Zunge 6· berührt, bewegen sich die Zopfteile der zwei Zungen sehr schnell aufeinander zu, wobei die sich dieser konvergierenden Bewegung entgegenstellende Gesamtfederkraft nicht so schnell wächst wie die die Zungen zueinander ziehende Magnetkraft (1Ig₀J)₀ Aus all diesen Gründen neigen die Kopfteile der Zungen nur sehr wenig zu Abpralleffekten bei der Kontaktgabe₀ Aber

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auch wenn die Kopfteile zurückprallen wurden, "bliebe der Schutzrohrkontakt geschlossen, da der Hilfskontakt gegen die Zunge 6' mit einer Kraft drückt, die im wesent·*· liehen gleich der Vorspannung ist, mit der er normalerweise die Zunge 6 beaufschlagt₀

Die stärkste Biegung am Hilfskontakt erfolgt in dem Bogenteil 2o nahe neben dem Halsteil 17 der Zungeο Daher neigen der Kontaktsteg 13 des Hilfskontaktes und der Kopfteil 16 der Zunge 6 zu Schwingungen um einen gemeinsamen Schwingungsmittelpunktο so daß der Steg 13, nachdem er einmal die zugehörige Kontaktfläche 23 beaufschlagt hat, praktisch nicht auf dieser !Fläche schleifen kann, selbst wenn der Kopfteil der Zunge 6 weiterhin schwingte

Wenn der erfindungsgemäße Schutzrohrkontakt vollständig geschlossen ist, erzeugen die Kontakte der zwei Zungen, dohe die Wolframkontaktflächen 18 einen zweiten Strompfad, der zusammen mit den Kontaktflächen 13 und 23 des Hilfskontaktes und der Zunge 6^f dem erfindungsgemäßen Schutzrohrkontakt einen relativ kleinen Gesamtwiderstand gibt, so daß der Schutzrohrkontakt sowohl für Niederspannungsbetrieb als auch für Hochleistungsschaltungen geeignet istο

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Obzwar der Hilfskontakt 12 sehr wichtig für die Verhinderung von Abpralleffekten und für die Erzeugung eines geringen G-esamtwiderstandes am geschlossenen Schutzrohrkontakt ist, hat er vielleicht noch wichtigere Aufgaben bei der Schalteröffnung zu erfüllen»

Wie erwähnt, haben die Zungen des erfindungsgemäßen m

Schutzrohrkontaktes eine sehr flache und relativ schwache ]?ederkernlinie_f so daß sie sofort und schnell auf ein schnell entstehendes Magnetfeld ansprechen_o Schutzrohr« kontakte in Stromkreisen mit großer Leistung neigen beim Öffnen zum Kleben« Dies ist, auch wenn die Kontakte einen hohen Schmelzpunkt haben und im Hochvacuum arbeiten, ein schwer zu lösendes Problem, da Zungen mit geringer Steifigkeit allein keine ausreichende Kontakttrennkraft ausüben können, um einen Stromkreis mit großer Leistung zu unterbrechenο Bei dem erfindungsgemäßen Schutzrohrkontakt wird ein Kleben durch den Hilfskontakt 12 verhindert

Beim Abbau eines betätigenden Magnetfeldes führt die Trennung der Zungenspitzen des Schutzrohrkontaktes zu einer Vergrößerung des G-esamtwiderstandes, so daß an den Kontaktflächen 18 eine gewisse Potentialdifferenz auftritto Der Schutzrohrkontakt bleibt jedoch nocn v/irksam geschlossen,

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weil der Hilfskontakt 12 an der Zunge 6¹ anliegt» Aus diesem G-runde ist die elektrostatische Anziehung zwischen den Kontaktflächen 18 vernacnlässigbar klein und kann nicht die schnelle Kontakttrennung stören_o

Wenn die Zunge 6 sich zum Anschlagstab 11 zurlickbewegt, erreicht sie eine hohe Geschwindigkeit, da sie durch eigene Biegungskraft und Vorspannung des Hilfskontaktes beschleunigt wird, Wenn die Zunge 6 wieder die Schenkel des Hilfskontaktes 12 "berührt, hat sie ein sehr großes Moment, so daß sie im. wahrsten Sinne des Wortes den Hilfskontakt 12 von der Zunge 6' fortschlägt und der Klebe-Tendenz der Kontaktflächen 13 und 23 entgegenwirkte Durch diese abrupte kräftige Kontakttrennung "bei der Schalteröffmung kann der erfindungsgemäße Schutzrohrkontakt Spannungen in der Größenordnung von 3ooo Y bei o,5 A selbst bei Spannungsspitzen bis zu etwa 15οθόο V unterbrechenο

Der normalerweise zu unterbrechende Strom, bestimmt die zu erwartende Lebensdauer des Schutzrohrkontaktes * Es hat sich erwiesen, daß der erfindungsgemäße Schutzrohrkontakt eine erheblich längere Lebensdauer hat als

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■bisherige Schutzrohrkontakte, selbst wenn Ströme in der Größenordnung von 5 A zu unterbrechen sind«. Bei o,5 A Gleichstrom war ein erfindungsgemäßer Schutzrohrkontakt noch brauchbar nach mehr als 2oo Millionen Betätigungenο Bei geringeren Strömen erhöht sich die Lebensdauer etwa linear umgekehrt zur Größe des Stromes ₀

Die große Lebensdauer bedingen vor allem die speziellen Metalle der Kontaktflächen 13 und 23 ο Wie vorerwähnt, ist der Kontaktsteg 13 ein fester Bestandteil des Hilfskontaktes, der aus einem einteiligen Stück Molybdändraht besteht und mit der Wolframkontaktfläche 23 der Zunge 6¹ zusammenarbeitete

Wenn beide Kontaktflächen 13 und 23 aus Wolfram bestehen und im Hochvacuum arbeiten, öffnen sie funkenfrei und ohne Lichtbogenbildung, doch wird beim Kontaktöffnen φ

eine gewisse Menge Wolfram vom positiven Kontakt zum negativen Kontakt übertragene Dieser Materialtransport zum negativen Kontakt ist das sogenannte Niederspannungsphänomen bei der lichtbogenfreien und funkenfreien Trennung von stromführenden Schalterkontakten₀ Der Grund hierfür ist recht gut bekannt© Wenn sich zwei Kontakte lichtbogenfrei trennen, steigt zunächst der

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Übergangswiderstand sehr schnell an, während der Kontaktdruck kleiner wirdo Wenn der Kontaktdruck zu Null wird, "berühren sich die Kontakte an einer unendlich kleinen Fläche, über die der gesamte Strom des Kreises fließen mußο Die dann im Kontaktmaterial gespeicherte Energie erwärmt in diesem sehr eng begrenzten Raum das Kontaktmetall über den Schmelzpunkt hinaus, so hoch dieser Schmelzpunkt auch liegen mago Die auf diese Weise geschmolzenen Metallpartikel werden für einen kurzen Augenblick durch Oberflächenspannung in ihrer lage gehalten und überbrücken dann die sich trennenden Kontakte_o Wenn die Kontakte dann aber weiter auseinander gehen, bricht die Oberflächenspannung zusammen und die Metallpartikel fallen zu den Kontakten zurück» Da der positive Kontakt heißer wird als der negative, sammelt sich der größte Teil des geschmolzenen Metalls am negativen Kontakt an» Wenn auch die Metallmenge, die bei jedem Öffnungsvorgang in dieser Weise übertragen wird, relativ klein ist, ändert sie sich doch mehr oder weniger unmittelbar proportional zur Größe des geschalteten Stromes ο

Wenn der erfindungsgemäße Schalter in einem Gleichstromkreis liegt oder in einem anderen Stromkreis, in dem der

Strom bei Schalteröffnung stets in gleicher Eichtang fließt, sollte der Schutzrohrkontakt so angeschlossen werden, daß bei der Schalteröffnung sein .Anschluß 9 positiv und sein Anschluß 9' negativ ist, d_oh_o die Molybdänkontaktfläche 13 positiv und die WoIframkoηtaktfläche 23 negativ ist_o Wenn diese Kontakte öffnen, wird zunächst Molybdän von der Kontaktfläche 13 aufgrund des üblichen Niederspannungsphänomens zur Wolframkontaktfläche 23 übertragene Wenn die Kontakte dann weiter auseinandergehen, erreicht die aus geschmolzenem Molybdän bestehende Sxücke zwischen den zwei Kontakten den Zusammenbruchpunkt und es entsteht an den Kontakten eine Spannungsdifferenz ο Durch diese Spannungsdifferenz gibt das geschmolzene Molybdän auf den negativen Kontakt einen Elektronenüberschuß ab, der diese Stelle örtlich intensiver erhitzt, so daß in dem Raum zwischen den Kontakten ionisiertes Molybdän emittiert wirde

Zwischen den Kontakten entsteht zwar kein vollständiger Plasmabogen, doch offenbar auf dem Teil der Kontaktfläche 23, auf den das Molybdän übertragen wurde, eine Art Kathodenfleckο Von diesem Kathodenfleck werden die meisten Molybdänionen emittiert, die dann zur Anode, d_oh_o

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zum Kontakt 13» von dem sie herkamen und von dem sie als geschmolzenes Molybdän übertragen wurden, wandern₀ Wegen des die Kontakte umgebenden Hoohvacuums kommt es zu keiner Oxydation, so daß das verdampfte Molybdän wieder auf dem Molybdänkontakt 13 abgelagert wird und dort leicht anhaftete

Auf diese Weise wird die lichtbogenfreie Übertragung von geschmolzenem Molybdän von der Kontaktfläche 13 zur Kontaktfläche 23, die in der Änfangsphase der Kontakttrennung auftritt, in großem Maße wieder aufgehoben oder kompensiert durch den Molybdänrucktransport bei der Ionisierung in der unmittelbar anschließenden Phase der Kontakttrennungo

Das Wolfram nimmt an der beschriebenen Übertragung nicht teil, weil dessen Schmelz- und Verdampfungstemperaturen erheblich höher liegen als die vom Molybdän und weil in der allerersten Phase der Kontakttrennung die lichtbogenfreie 15b8rtragung gerade zum Wolframkontakt hin erfolgt, so daß das geschmolzene Molybdän auf dem Wolfram abgelagert wirdo Bei den Hennleistungen des erfindungsgemäßen Schutzrohrkontaktes bestimmen die Eigenschaften des Molybdäns die

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Temperatur des Kathodenfleckes, ddu es ist keinesfalls genug Energie vorhanden, um eine Ionisierung des Y/olframs zu bewirken, nachdem das Molybdän einmal von dort abgedampft ist ο

Die vorstehende Erläuterung der großen Lebensdauer des erfindungsgemäßen Schutzrohrkontaktes fiir Gleichstromkreise mag unvollständig und in manchen Punkten auch ungenau sein, sicher sind aber auf alle Fälle die Ergebnisse, die mit dieser erfindungsgernäßen Schutzrohr— kontaktanordnung erzielt werden_o Außerdem decken sich die Erfahrungen mit den bekannten Kontaktphänomenen und den zugehörigen allgemein anerkannten Theorien₀

Die vorstehende Erläuterung wird offensichtlich auch bestätigt, wenn man einen erfindungsgemäßen Schutzrohrkontakt falsch in einen Gleichstromkreis einschaltet, dohc ihn so einschaltet, daß der Anschluß 9 negativ und der Anschluß 9' positiv wirdo Unter diesen Bedingungen wird der negative Molybdänkontakt 13 viel kälter als der positive Kontakt, so daß sich auf dem Molybdänkontakt Wolfram ablagert und der Schutzrohrkontakt eine wesentlich kürzere Lebensdauer erhält als bei ordnungsgemäßem Anschlußο Der Schutzrohrkontakt versagt, sobald der Wolframkontakt soweit durchlöchert oder erodiert ist, daß das Unterlagematerial freiliegt und die Kontakte durch Yerschweißung oder mechanische Reibung bonden biet hen«, Ein !Rücktransport

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des Wolframs kann unter diesen Umständen nicht erfolgen wegen der besonders hohen Verdampfungstemperatur von Wolfram, die im Leistungsbereich des Schutzrohrkontaktes das Entstehen eines wirkungsvollen Kathodenfleckes verhindert.

!Die Eichtigkeit vorstehender Erläuterungen "bestätigt auch die Tatsache, daß der erfindungsgemäße Schutzrohrkontakt bei Niederspannungsbetrieb in schwach induktiven Kreisen — und zwar selbst dann, wenn er ordnungsgemäß angeschlossen ist - eine wesentlich kürzere Lebensdauer hat als in Kreisen größerer Leistungen im Nennbereich des Schutz— rohrkontakteso Wenn man einen erfindungsgemäßen Schutzrohrkontakt beispielsweise in einem induktionsfreien Kreis mit einem Abschaltstrom von 2 A und einer Spannung von 1,5 V verwendet, bemerkt man, daß das Molybdän stetig von der positiven Kontaktfläche 13 zur negativen Wolframkontaktfläche 23 übertragen wird, ohne daß es dabei zu einem Rücktransport kommt» Es sei noch erwähnt, daß Schutzrohrkontakte in solchen Stromkreisen, beispielsweise Heizkreisen, keine besonderen Vorteile bieten, daß aber selbst unter diesen vergleichsweise schlechten Bedingungen die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Schutzrohrkontaktes noch ein Mehrfaches von dem beträgt, was man mit bisher bekannten

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Schutzrohrkontakten erreichen kann<>

Die große Lebensdauer des erfindungsgemäßen Schutzrohr— kontaktes ist offenbar bedingt durcb den Abstand bzw· die Temperaturdifferenz zwischen Schmelz- und Verdampfungstemperatur der zwei die Kontaktflächen 13 und 23 bildenden Metalle und durch das Hochvacuum, in dem die Kontakte arbeiten ο In einem nach dem erfin dungs gemäß en G-rundgedanken arbeitenden Schutzrohrkontakt können auch Kontakte aus anderen Metallen verwendet werden, vorausgesetzt, daß das Material des negativen Kontaktes innerhalb der Nennleistungen des Schutzrohrkontaktes keinen wirksamen Kathodenfleck ermöglicht, während das Material des positiven Kontaktes im Hochvacuum für einen solchen Kathodenfleck sorgte Wolfram und Molybdän sind jedoch bevorzugte Metalle, da sie beide bei sehr hohen Temperaturen schmelzen und eine Kontaktverschweißung verhindern und da beide

hart genug sind, um einem mechanischen Verschleiß entgegenzuwirken, der ein Hängenbleiben durch Reibung hervorrufen

könnte.

Wenn auch das aus Wolfram und Molybdän bestehende Kontakt— paar des erfindungsgern äßen Schutzrohrkontaktes zweifellos

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einen größeren Widerstand hat als Eontaktpaare aus weicheren Metallen, kompensieren die anderen zuvor angesprochenen Pakten diese Eigenschaft, so daß auch der erfindungsgemäße Schutzrohrkontakt einen relativ geringen Bffektivwiderstand erhält₀

Verständlicherweise hat auch der erfindungsgemäße Schutzrohrkontakt keine ewige Lebensdauer, denn eine gewisse Molybdänmenge, die bei jeder Schalteröffnung verdampft wird, schlägt sich auch an der Y/and des Schutzrohres 7 nieder, und es wird auch nicht das gesamte zur Wolframkontaktfläche 23 übertragene Molybdän wieder vom Ililfskontakt aufgenommene Verständlicherv\iQ.ee kann Molybdän, das an Stellen niedergeschlagen wurde, an dem sich niemals zuvor Molybdän befand, nicht an der Kathodenfleckverdampfung teilnehmen und damit auch nicht zum Molybdänkontakt zurückwandernο Somit wird nach einigen hundert Millionen Schaltvorgängen in einem Hochleistungsgleichstromkreis schließlich der Molybdänhilfakontakt versagen, da das entsprechende Kontaktmaterial verbraucht isto Die lebensdauer eines Schutzrohrkontaktes kann man dadurch verlängern, daß

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man einen sehr großflächigen Hilfskontakt vorzieht, um die Wahrscheinlichkeit für einen Rücktransport des auf dem Wolframkontakt 23 abgelagerten Molybdäns zu vergrößernο Zu diesem Zweck ist der Steg des Hilfskontaktes vorzugsweise abgeflacht, wie es die Figo 5 zeigte

Abgesehen davon, daß der Molybdändraht in vorerwähnter Weise für eine lange Lebensdauer sorgt, stellt er auch ein gutes Kontaktmaterial dar, das duktil genug ist, um in die gewünschte Poim gebracht zu werden und auch genug Federeigenschaften hat, um die gewünschte Vorspannung zu erzeugeno Ein weiterer Vorteil des Molybdän*- drahtes liegt darin, daß dieser auch bei Temperaturen von 76o° C und mehr Biegebeanspruchungen aufnehmen kann« Daraus folgt, daß der Hilfskontakt 12 an der Schaltzunge angeschweißt werden kann, bevor man die Schaltzunge zur Entgasung erwärait und sie mit entsprechender Vorspannung am Axischlagstab 11 befestigte Verständlicherweise soll der Hilfskontakt an der Zunge 6 mit einer Vorspannung befestigt werden, die wesentlich größer ist als die, die man in dem fertigen Schutzrohrkontakt haben möchte, da ein gewisser Anteil der Vorspannung verloren geht, wenn man zur Entgasung

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-JoSchutzrohrkontakt entsprechend erwärmt₀ Wenn jedoch die Hilfskontakte stets mit einer anfänglichen Vorspannung zusammengebaut werden, die der Streckgrenze des Materials entspricht und die Zungenanordnung stets auf eine "bestimmte maximale Entgasungsteimperatur von "beispielsweise 82o C gebracht wird, steht die Vorspannung des Hilfskontaktes gegenüber der Zunge 6 bei dem fertigen Schutzrohrkontakt stets in unmittelbarer Beziehung zu der Temperatur, auf die der Schutzrohrkontakt erwäimt wurde ο

Die vorstehende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen zeigen, daß die Erfindung einen magnetisch betätigten Zungenschalter beinhaltet, der sehr schnell und genau in Abhängigkeit von schnell wechselnden magnetischen Betätigungsfeldern schließt und öffnet, der bei sehr hohen Schaltgeschwindigkeiten Stromkreise mit relativ großen VA-Werten schaltet und selbst bei G-leichstrombetrieb große Lebensdauer hato

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Claims

Anlage I 2065917 Ausscheidung aus Patentanmeldung P 20 16 308.0-34 Briggs & Stratton Corp. Anwaltsakte: 2554 Patentansprüche

1.1 Elektrischer Schalter mit zwei relativ zueinander ^

"bewegbaren Kontakten für Stromkreise, in denen der Strom "bei Kontaktüffnung stets in gleicher Richtung fließt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die Kontakte sind in einem unter Hochvakuum stehenden Gehäuse (7) angeordnet,

"b) ein erster Kontakt, welcher "bei der Kontaktöffnung auf negativem Potential liegt, besteht aus einem Metall, dessen Schmelz- und Yer- ™

dampfungstemperaturen mindestens so hoch liegen wie die von Wolfram.

c) Ein zweiter, bei der KontaktÖffnung auf positivem Potential liegender Kontakt besteht aus einem Metall, dessen Schmelz- und Verdampfungstemperaturen tiefer liegen als die des anderen Kortaktes.

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2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kontakt aus Molybdän besteht.

3. Schalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kontakt aus Wolfram besteht.

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