DE2113200C3

DE2113200C3 - Schutzgaskontaktanordnung

Info

Publication number: DE2113200C3
Application number: DE19712113200
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Phys. Dr. 8021 Hohenschäftlarn Weiser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1971-03-18
Publication date: 1976-06-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung, deren Kontakte in einem hermetisch abgeschlossehen, mit einem inerten Schutzgas gefüllten Schutzrohr angeordnet sind. Bei bekannten Kontaktanordnungen dieser Art wird die Korrosion der Kontakte durch das Schutzgas, beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas, verhindert

Abgesehen von der Korrosion wird die Lebensdauer der Kontakte wesentlich durch die Materialübertragung beim Schalten beeinträchtigt Beim Schalten elektrischer Leistungen und hierbei besonders beim Öffnen eines Kontaktes zünden elektrische Lichtbogen, deren Brenndauer von der geschalteten Leistung abhängt und die Größenordnung von einigen Mikrosekunden erreichen kann. Diese Lichtbogen stehen oder bewegen sich auf der Kathoden- und Anodenoberfläche des Kontaktes, wobei diesen sogenannten Fußpunkten durch den Lichtbogen und die anliegende Spannung Energie zugeführt wird. Die hierbei auftretende hohe Leistungsdichte führt zur Verdampfung von Kontaktmaterial an den Fußpunkten; die verdampften Kontaktmengen schlagen sich auf kalten Teilen beider Kontakte oder an den Gehäuseoberflächen nieder. Die Kontaktoberflächen werden dadurch mit zunehmender Schaltzahl immer rauher und schließlich unbrauchbar.

Um der Gefahr des Haftenbleibens solcher unebener Kontakte zu begegnen, wird in der DT-AS 12 44 296 bereits vorgeschlagen, dem Schutzgas geringe Mengen von Sauerstoff beizugeben, um durch die Oxydation eine Eineünung der Kontaktoberflächen zu erreichen. Das verdampfte Material kann allerdings auf diese Weise nicht mehr zurückgewonnen werden. Besonders nachteilig wirkt sich dieser Verlust an Kontaktmaterial jedoch dann aus, wenn auf Grund bestimmter Herstellungsverfahren nur sehr dünne Kontaktschichten vorhanden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Schutzrohrkontakten den Verlust an Kontaktmaterial durch Verdampfen möglichst gering zu haken oder ganz zu verhindern. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß dem inerten Schutzgas zur Erzielung eines regenerativen Kreisprozesses ein geringer Zusatz eines solchen Halogengases beigemischt ist welches mit dem Kontaktmaterial eine bei hoher Temperatur dissoziierende chemische Verbindung bildet. Auf diese Weise geht das verdampfte Kontaktmaterial nicht an den Gehäusewänden verloren, vielmehr ist stets ein bestimmter Anteil dieses Kontaktwerkstoffes in Form einer gasförmigen Metall-Halogen-Verbindung im Schutzraum und somit auch an den Kontaktstellen vorhanden. Sobald nun die Kontakte durch das Schalten und die hierbei entstehenden Lichtbogen erhitzt werden, zersetzt sich das Halogenid auf den heißen Kontaktoberflächen. Das Metall bleibt auf den Kontaktflächen zurück und ersetzt den von dort verdampfenden Anteil, während das Halogengas für den Rückholprozeß des Kontaktwerkstoffes von den kälteren Stellen des Schutzrohrs wieder zur Verfügung steht. Man erhält auf diese Weise einen Kreisprozeß, wie er in ähnlicher Weise bei Halogen-Glühlampen zur Erzielung einer besseren Lichtausbeute verwendet wird.

Zweckmäßigerweise verwendet man als Kontaktwerkstoff ein hochschmelzendes Metall, so daß nur geringe Mengen jeweils verdampfen und durch den Kreisprozeß auch wieder vollständig ersetzt werden können. Besonders günstig ist die Verwendung von Wolfram als Kontaktwerkstoff, welches zusammen mit Fluor als Halogengas ein gutes Funktionieren des Kreisprozesses ermöglicht. Wolfram bildet mit Fluor Wolframhexafluorid (WFä), welches eine Verdampfungstemperatur um 17°C besitzt und deshalb bereits bei Zimmertemperatur in gasförmigem Zustand vor-

liegt. Da sich dieses Wolframhexafluorid nur an heißen Stellen zersetzt, führt der beschriebene Kreisprozeß gerade den Stellen, von denen Wolfram durch die Wirkung des Lichtbogens verdampft wurde, wiederum gezielt Wolfram zu. Das bei der Zersetzung von WFe auf den heißen Lichtbogen-Fußpunkten freiwerdende Fluor (F2) wandelt sich wiederum in WF6 um, indem es von kalten Gehäuseinnenflächen, besonders jedoch von Spitzen de;- Kontaktoberflächen, Wolfram abträgt; die Kontakte erfahren auf diese Weise eine Einebnung, was ihrer Wirkungsweise sehr förderlich ist.

Da das Kontaktmaterial, wie beschrieben, in kaltem Zustand durch das Halogengas angegriffen und abgetragen wird, ist es zweckmäßig, die Kontaktfedern nur an den kontaktgebenden Oberflächen mit einer entsprechenden Schicht des reagierenden Metalls, also beispielsweise mit Wolfram, zu überziehen. Die übrigen Oberflächen, die nicht an der Kontaktgabe beteiligt sind, werden zweckmäßigerweise durch einen Überzug, beispielsweise aus Nickel gegen den Angriff des Halogengases geschützt

Zweckmäßigerweise wählt man aber den Partialdruck des Halogengases derart daß sich ein Gleichgewicht zwischen dem verdampften und dem zurückgeführten Kontaktmetall einstellt Im Schutzraum ist dann nur ein bestimmter Anteil des Halogenids vorhanden, jedoch kein freies Halogen und auch kein durch Verdampfung abgelagertes Metall. Bei Verwendung von Wolfram und Fluor wurde errechnet, daß der Partialdruck des Wolframhexafluorids mindestens 10~² Torr betragen muß, um einen derartigen Gleichgewichtszustand im Schutzrohr zu gewährleisten. Durch die Wahl dieses Partialdruckes für das Halogenid und durch die Wahl des restlichen Schutzgasdruckes kann man erreichen, daß die freie Weglänge kürzer wird als der Kontaktabstand beim öffnenden Kontakt nach Abreißen der Schmelzbrücke. Bei einer derartig kleinen freien Weglänge wird das verdampfte Metall bereits im Gasraum in das entsprechende Halogenid umgewandelt und gelangt somit überhaupt nicht an die Gehäuseoberfläche. Ein entsprechend hoher Druck des Schutzgases läßt sich bei Schutzgaskontakten ohne weiteres erzielen, da man hierbei nicht auf einen Glasmantel angewiesen ist, sondern durchaus ein Metall als Gehäusematerial verwenden kann. Die notwendigen Druckglaseinschmelzungen können wesentlich höhere Innendrücke aushalten als ein Glaskolben. Auch hierbei ist es wiederum zweckmäßig, die Innenoberfläche des Schutzrohres durch eine Schutzschicht gegen den Angriff des Halogengases resistent zu machen.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, das Innengehäuse mit dem Kontaktmaterial beispielsweise mit Wolfram zu beschichten und damit ein Reservoir für die Kontakte zu schaffen.

Wegen der außerordentlichen Aggressivität der Halogengase, insbesondere des Fluors, ist es wichtig, ein Verfahren zu Finden, um das Halogen mit dem richtigen Partialdruck in das Schutzgasgehäuse einzubringen. Man wählt hierzu zweckmäßigerweise Verbindungen ohne Sauerstoff- und Wasserstoffgehalt, welche ungefährlich sind und sich relativ leicht dosieren lassen. Ein sehr zweckmäßiges Verfahren besteht darin, das Halogen in Form einer flüchtigen kristallinen Verbindung, die sich bei Erhitzung zu Halogengas und inerten Zerfallprodukten zersetzt, einzubringen. Fluor kann man beispielsweise mittels Sublimation von Edelgasfluoriden, beispielsweise XeF2,XeFi, XeFe, KrF4, welche bei etwa -40⁰C kristallin vorliegen, in das Schutzrohrgehäuse einbringen. Durch Heizen eines gekühlten Vorratsbehälters läßt sich dann der Partialdruck des Halogenids gut einstellen.

An Hand der Zeichnung soll noch einmal kurz der grundsätzliche Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben werden.

Der Schutzraum 1 wird von einem metallischen Gehäuse 2 umschlossen und ist mit einem Schutzgas, beispielsweise Argon, gefüllt. Diesem Schutzgas, das einen Druck bis zu 20 at erhalten kann, ist Fluor mit einem Partialdruck von mindestens 10 ~² Torr beigegeben. Die Kontaktfedern 3 sind durch die Gehäusewand in den Gasraum 1 eingeführt; durch Druckglaseinschmelzungen 4 sind sie gegen das metallische Gehäuse isoliert. Sowohl die Gehäuseinnenfläche 2a als auch die nicht an der Kontaktgabe beteiligten Oberflächen 3a der Kontaktfedern 3 sind durch einen Nickelüberzug gegen den Angriff des Fluors geschützt Die kontaktgebenden Oberflächen 3b der Kontaktfedern dagegen bestehen aus einer Wolframschicht die beispielsweise durch Kathodenzerstäubung aufgebracht wird. Diese Kontaktschichten können sehr dünn gehalten werden, da durch den erfindungsgemäßen Regenerationsprozeß kein Material verloren geht. In diesem Fall wird auch der Widerstandswert des Wolframs sehr gering. Beim Schalten der Kontaktfedern 3 verdampft infolge sich bildender Lichtbogen von den Kontaktflächen 36 ein bestimmter Anteil des Wolframs, der sich infolge des hohen Gasdrucks jedoch sofort mit dem im Gasraum vorhandenen Fluor zu Wolframhexafluorid verbindet. Andererseits wird bereits vorhandenes WF6 an den heißen Kontaktflächen zersetzt und lagert wiederum metallisches Wolfram ab. Durch entsprechende Dosierung des Fluors im Gasraum erreicht man einen Gleichgewichtszustand derart, daß das Fluor nur in Form von WF6 im Gasraum vorhanden ist. Der Anteil des verdampfenden Wolframs wird jeweils durch einen gleichgroßen Anteil aus der Dissoziation von WF6 auf den Kontaktoberflächen ersetzt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Kontaktanordnung, deren Kontaktfedern in einem hermetisch abgeschlossenen, mit einem inerten Schutzgas gefüllten Schutzrohr angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem inerten Schutzgas zur Erzielung eines regenerativen Kreisprozesses ein geringer Zusatz eines solchen Halogengases beigemischt ist welches mit dem Kontaktmaterial eine bei hoher Temperatur dissoziierende chemische Verbindung bildet

Z Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß als Kontaktmaterial ein hochschmelzendes Metall, vorzugsweise Wolfrain, und als Halogengas Fluor verwendet ist

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Kontaktfedern nur an der kontaktgebenden Oberfläche mit einer Schicht des mit dem Halogengas reagierenden Metails überzogen sind

4. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die nicht an der Kontaktgabe beteiligten Oberflächen der Kontaktfedern durch einen Überzug, vorzugsweise aus Nickel, gegen den Angriff des Halogengases geschützt sind

5. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck des Halogenids mindestens 10~² Torr beträgt

6. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere freie Weglänge für die Moleküle des Halogenids durch Wahl des Gasdruckes im Schutzrohr kleiner als der Abstand zwischen den geöffneten Kontaktfedern ist

7. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr größtenteils aus Metall besteht

8. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Innere Oberfläche des Schutzrohres durch eine Schutzschicht gegen den Angriff des Halogengases resistent ist

9. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse ganz oder teilweise mit dem Kontaktmaterial beschichtet ist

10. Verfahren zur Herstellung einer Kontaktan-Ordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen in einer flüchtigen kristallinen Verbindung, die sich bei Erhitzung zu Halogengas und inerten Zerfallprodukten zersetzt, eingegeben wird.

I1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß eine kristalline Verbindung zwischen Fluor und einem Edelgas in das Schutzrohr eingegeben wird.

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