DE2202881A1

DE2202881A1 - Quecksilberschalter

Info

Publication number: DE2202881A1
Application number: DE19722202881
Authority: DE
Inventors: Bitko Sheldon S
Original assignee: Fifth Dimension Inc
Current assignee: Fifth Dimension Inc
Priority date: 1970-08-24
Filing date: 1972-01-21
Publication date: 1972-11-09
Also published as: GB1378164A; DE7202348U; CA952563A; FR2133559B1; NL7117337A; SE383577B; FR2133559A1; BE777458A; US3646490A; DE2202881B2

Description

Da-IrJG. HANS H. PONTANI

Patentanwalt •752 Kk._L.::;₍ein bej AvMmöwj Wrechpfad 3 Tel. 0R027/325 2202881

18. Januar 1972 Z/Ii.

FIFTH DIMENSION, PRIiMCEl¹ON, New Jersey (USA)

"Quecksilbersehalter"

Die Erfindung betrifft einen Quecksilberschalter,

Gemäß der Erfindung ist dieser als lage-unempfindliches Relais innerhalb eines hermetisch abgedichteten Hohlraums ausgebildet, das als beueglicnen Kontakt eine einzige Innenspiralfeder aufweist; bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der der überwiegende Teil des Hohlrauminnern mit Quecksilber benetzbar und mit einer dünnen Quecksilberschicht bedeckt ist, reicht die Gesamtmenge des Quecksilbers nicht aus, um bei irgendeiner möglichen Stellung des Relais zusätzlich zur dünnen Quecksilberschicht eine freischwimmen-

üauerde/Lache im Relais zu bilden.

Jer Quecksilberschalter ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Sockel und ein Kopfstück, die längs ihres ümfangs miteinander, beispielsweise durch Verschweißen, dicht verbunden

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sind und zwischen sich einen abgedichteten hohlraum bilden, dessen Innenflächen, zumindest angenähert, parallel verlaufen, durch einen innerhalb des Kohlraums vorgesehenen freischwimmenden Anker, der mit Quecksilber benetzbar und coplanar mit den Hohlrauminnenflächen angeordnet ist, durch im Hohlraum in einer solchen Menge vorgesehenes Quecksilber, daß es lediglich ausreicht, um eine dünne Quecksilberschicht auf dem Anker zu bilden, jedoch nicht genügt, um eine Lache o« dgl. aus Quecksilber zu bilden, wobei der Anker vollständig schwimmend auf wenigstens einer Schicht des an den Hohlrauminnenflächen angeordneten Quecksilbers gelagert ist, und durch wenigstens eine ortsfeste Elektrode, die isoliert, den Sockel und/oder das Kopfstück durchsetzt und bis zu einer Stelle nahe dem Anker verläuft.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsformen anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in

Fig. 1 einen Schnitt durch einen monostabilen Schalter in geöffneter Stellung, der durch Anlegen eines Magnetfeldes, beispielsweise mittels eines Dauermagneten, geschlossen werden kann;

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rifj. 2 einen Schnitt ^urch eine ^e, enüber aera Schalter ^emUß ?i_o. 1 abjoudnuelter Aus führung form mit

zwei Statioiiciricorital.ten;
■Piii. 3 einen Schnitt aurch ein eleKtroruacnetiscnes Quecksilber-nelais, uas in itbiian^i^keit von der arreguno

uer Spule _e.eüffnet unu _c_;eac:ilossen werden kann; 'Fi₄J. Ί einen Schnitt durch ein uibtabiles, elektromagnetisches einzelkontakt-.lueCKSilbei'-iiulais ;

Fiij. j einen Schnitt durca ein bistabiles Quecksilber-Relais; Pit,, b einen spiralenförmi^en Anker in Draufsicht; Fit;· 7 einen Schnitt durch den erregten 'initer gemäß 7L₃. 6,

der einen Stationärkontakt berührt; Fi... ο einen Schnitt durcn ein Iielais mit einem in Keramik vorgesehenen Hohlraum, der mit einem mit Quecksilber

benetzbaren Gitter ausgekleidet iat; Fiij, 9 einen Schnitt durch ein Relais, dessen mit Quecksilber benetzbarer Hohlraum-Innenuände zur Vergrößerung der uirksanien Linearlän^e uer benetzbaren Oberfläche

mit einem nicht benetzbaren Gitter bedeckt sind; Fit;. 10 einen Schnitt durch ein Quecicsilber-rtelais mit einem

schwimmenden Anker; Fig. 11 den Anker ^emäß Fi^. 10 mit einer Kapillarnut in

Draufsicht; Pit,. 12 einen Schnitt nach Linie 3-3 in Fi,^. 11;

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BAD ORIGINAL

Fig. 13 einen Schnitt durch eine gegenüber dem Relais gemäß Pig. 10 abgewandelte Ausführungsform, bei der die Hohlraumwände Vorsprünge aufweisen;

Fig. 14 einen Schnitt durch eine gegenüber dem Relais

. gemäß Fig. 10 abgewandelte Ausführungsform, bei der die Hohlraumwände Nuten aufweisen;

Fig. 15 einen Schnitt durch einen Teil eines lamellenartig ausgebildeten Ankers in einer ersten Ausführungsform sowie

Fig. 16 in einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 17 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch einen betätigten Anker und Stationärkontakt,

10 Der aus Fig. 1 ersichtliche Sockel/für ein Kopfstück ist aus unmagnetischem Werkstoff hergestellt, und an seiner Innenseite mit Quecksilber benetzbar. An den Sockel 10 ist ein unmagnetisches Kopfstück 11 angeschweißt, das an der Innenseite ebenfalls mit Quecksilber benetzbar ist. Das Kopfstück 11 und sein Sockel 10 sind mittels einer Umfangs-Widerstands-Schweißnaht 12 miteinander verschweißt. Durch das Kopfstück 11 verläuft isoliert ein Kontaktstift 14, der die Form einer Stange mit einem Kupfer-Nickelkern aufweist; der Kern kann auch aus anderen Metallen bestehen, sofern diese die Schaffung einer Quecksilber benetzbaren Ausnehmung zulassen. Die Außen-

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schicht des Kerns ist eine nicht benetzbare Abdeckung 15, die weiter als der Kern nach innen in die aus dem Kopfstück und dem Sockel 10 gebildete Umhüllung E verläuft. Der Zapfen I¹I ist magnetisch und mittels einer nicht benetzbaren Glasdichtung 16 vom Kopfstück 11 isoliert. An der Innenseite des Kopfstücksockels 10 ist ein Spiralanker 17 angeschweißt, und zwar an seinem äußeren Endpunkt 18. Der Spiralanker 17 ist eine Spirale mit mehreren Windungen, die in Wirklichkeit als lange Blattzunge bzw. Feder dient, deren bewegliches Ende 20 sich im Mittelpunkt der Spirale befindet. Die Spirale hat eine Länge von etwa 76 mm (3") und einen Durchmesser von etwa 9,5 mm (3/8").

Die Spirale 17 ist derart behandelt, daß sie mit Quecksilber benetzbar ist; der Zwischenraum zwischen der Spirale 17 und der Innenfläche des Kopfstücksockels 10 ist vollständig oder überwiegend mit Quecksilber gefüllt, wobei dieser Zwischenraum mit einer Schicht aus Quecksilber gefüllt werden kann. Wegen ihres geringen Abstandes voneinander (0,1905 mm, d.h. 0,0075") ist der Raum zwischen den Windungen der Feder ebenfalls, genau wie die Innenfläche der Spirale, mit Quecksilber gefüllt.

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Die einzigen Oberflächen innerhalb der Umhüllung ri, die nicht mit Quecksilber benetzbar sind, sind die Fläche des Isolators und die Außenfläche des Kontaktstiftes 14. Der Kern des Kontaktstiftes 14 ist mit Quecksilber benetzbar, jedoch ist sein inneres Ende gegenüber dem inneren Ende des Kontaktstil"tes Ik etwas zurückversetzt, so daß der Kern mit dem Spiralanker 17 nie in körperliche Berührung kommt. Der Kern trägt jedoch Quecksilber und kann daher in vollständigen elektrischen Kontakt mit dem Anker 17 kommen.

Der Spiralanker 17 kann mittels eines durch einen Dauermagnet H erzeugten Magnetfeldes mit dem inneren Ende des Kontaktstiftes I¹J in Berührung gebracht werden, wenn der Dauermagnet i-i dem Schalter angenähert wird. Der Spiralanker 17 kann aufgrund seiner Eigenelastizität in geöffneter Stellung gehalten werden, v/obei dies jedoch vorzugsweise durch einen kreisförmigen, radial magnetisierten Haltemagneten 21 erfolgt, der an einer axial am Kopfstücksockel 10 befestigten Stange 22 angeordnet ist. Die Anwendung eines symmetrischen Magnetfeldes bewirkt eine gleichförmige Vorspannung auf alle Windungen der Spirale 17, wodurch sich die Feder vom Kontakt weg zu bewegen sucht. Bei einigen Ausführungsformen würde sich die Feder so weit bewegen, bis sie von der Innenwand des Sockels 10 angehalten werden würde. Falls dies zu einem Ankleben führt oder ein zu großes Ausmaß an Bewegung einschließt, kann ein nicht dargestellter unbenetzbarer Vorsprung als Anschlag vorgesehen werden.

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Der aus Fig. 2 ersichtliche Schalter ist ein zweiendiges Relais, d.h. ein Relais mit zwei stationären Kontaktstiften 30, 31 und einem einzigen spiralförmigen Anker 32. Die Umhüllung bzw. das Gehäuse E besteht aus einem unmagnetischen Kopfstück 33 und einem unmagnetischen Sockel 34, die bei 25 miteinander verschweißt sind und eine zylindrische Kapsel ü bilden. Der Gesamtdurchmesser des Kopfstücks bei einer Ausführungsform beträgt 8,255 mm (0,325"). Alle anderen Abmessungen sind in der Zeichnung maßstabsgetreu dargestellt. Die Kontaktstifte 30, 31 bestehen aus einer Dichtungsiegierung mit einem Kern aus einer Kupferlegierung, wobei der Kontaktstift 30 unmagnetisch und der Kontaktstift 31 magnetisch ist. Die Kontakte sind nur an ihren Kernen 36, 37 mit Quecksilber benetzbar, die bei 38, 39 etwas ausgespart sind und durch Glaswülste 40, 41 in den Hohlraum hineinragen. Das Ende der Ankerfeder 32 berührt normalerweise den Kontaktstift 30, da sie durch den Dauermagnet 21 ent sprechend vorgespannt bzw. gehalten wird, was jedoch der Einfachheit halber in der Zeichnung nicht dargestellt ist; dagegen kann der Anker durch das Anlegen eines äußeren Fremdmagnetfeldes, genau wie in Fig. 1, an das Ende des Kontaktstiftes 31 gezogen werden. Das Quecksilber 42 bedeckt außer den Isolierungshülsen 40, 41 und den Außenwänden der Kontaktstifte 30, 31 alle sonstigen Bereiche. Das Relais

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gemäß Pig. 2 ist daher monostabil, und zwar aufgrund der Anordnung des Ankers 32 in Bezug auf den Kontaktstift 30 und/oder aufgrund der Anwesenheit des Haltemagneten 21.

Aus Fig. 3 ist die Ausbildung eines Form-A-Relais ersichtlich, d.h. eines Relais, das normalerweise offen ist und durch das Erregen einer auf dem Kontaktstift 31 angeordneten Spule 48 geschlossen werden kann. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, wie der Schalter gemäß Fig. 3 in ein Relais umgewandelt werden kann, das aufgrund des Haltemagneten 45 in die Schließstellung einrastet, jedoch aufgrund der zusätzlichen Anordnung von erregbaren Spulen 46, 48 normalerweise offen ist. Fig. 3^ die im Prinzip hauptsächlich der Fig. 1 entspricht, ist maßstabsgetreu gezeichnet, wobei der Durchmesser des Hohlraums 8,255 mm (0,325") beträgt. Aus diesem Grund sind auch in Fig. 1 und 3 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Anordnung und Menge der erforderlichen Quecksilberschichten gegenüber Fig. 1 etwas unterschiedlich ist, wobei dies jedoch darauf beruht, daß die Zwischenräume zwischen Anker und Wand verschieden sind. Die zusätzliche Anordnung eines Haltemagneten mit radialer Magnetisierung und einer Spule 46, die auf dem mit dem Kopfstück 48 verschweißten magnetischen Kontaktstift 47 angeordnet ist, hat zur Folge, daß sich der Anker 17, wenn die Form-A-Spule 48 erregt wird, zum Kontaktstift 14 bewegt, wo er durch den Dauermagnet 45 gehalten wird. Die Erregung der Spule 46

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löst die Verriegelung und öffnet den Schalter, der daraufhin geöffnet bleibt. Der magnetische Kontaktstift 47 ragt nicht in den Hohlraum, da er nicht als Kontakt benötigt wird.

Das aus Fig. 5 ersichtliche Form-C-Relais unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 2 dadurch, daß beide Kontaktstifte magnetisch sein müssen, wogegen die magnetische oder unmagnetische Ausbildung des Kontaktstiftes 36 gemäß Fig. 2 v/ahlweise erfolgen kann; weiterhin ist der Anker 17 in einer mittigen Lage eingestellt, so daß der Schalter normalerweise an beiden Kontakten offen ist. Es werden zwei Spulen 46, 48 sowie zwei Dauermagnete 45, 45a verwendet, die in gleicher Weise radial magnetisiert sind, um einen bistabilen Halte bzw. Sperrschalter zu schaffen. Hierbei müssen die Kagnete 45, 45a stark genug ausgebildet sein, um den Halte - bzw. Sperrvorgang durchführen zu können, wenn der Anker bewußt betätigt wird.

Wenn der Magnet 45 weggelassen wird, ergibt sich der HalteVorgang nur auf der Seite A. Bei Verwendung eines ausreichend starken Magneten 45 und einer einzigen Spule 46 erhält man einen monostabilen Schalter, während sich, wenn man zwei Spulen, dagegen keine Dauermagneten verwendet, eine außermittige Arbeitsweise des Typs K ohne HalteVorgang bzw. Sperrung ergibt,

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Aus Fig. 6 ist eine Spirale mit einer einzigen Windung ersichtlich, die durch Einätzen oder Einprägen eines spiralenförraigen Schlitzes 5Q in eine dünne Scheibe aus magnetischem Metall gebildet und plattiert oder derart behandelt ist, daß hiermit Quecksilber benetzbar ist; hierbei wird eine 0,1905 mm (0,0075") breite Ätzung mit einem 5,08 im (0,020")

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breiten Zwischensteg/verwendet. Die Spirale ist aus konzentrischen Kreisen, die durch gerade Linien verbunden sind, gebildet, weswegen sie in Wirklichkeit keine geometrische Spirale ist. Dies ist jedoch aus Gründen der erleichterten Herstellung vorgesehen. Mit gleicher Wirkung könnten mehrere Spiralen verwendet werden, wobei es jedoch beträchtlich vorteilhafter ist, lediglich eine Spirale zu verwenden, da dies die flexibelste und empfindlichste Konstruktion darstellt, die einer Feder von maximaler Länge entspricht. Der Grund hierfür ist darin zu suchen, daß eine einzige Feder außerordentlich lang sein kann, wogegen bei Mehrfachspiralen, d.h. bei Vielfachfedern, jede Feder relativ kurz und daher auch relativ steif ist. Die Gesamtanzahl der bei der Spirale verwendeten Windungen hängt von der gewünschten Empfindlichkeit ab und kann ebenso wie die Spiralendicke, Spiralenbreite, die Werkstoffhärte u. dgl. verändert werden.

Das Aussehen des Spiralankers während seiner Bewegung ist am besten aus Fig. 7 ersichtlich, die in vergrößertem i-iaßstab

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dargestellt 1st. Die Feder ist verdreht, da ihre Außenkante bewegungsfest gehalten ist, während ihr Mittelpunkt bzw. ihr Zentrum in Berührung mit dem Ende des Kontaktstiftes kommt. Dieser weist einen mit einer Ausnehmung versehenen, mit Quecksilber benetzbaren Kern 15, jedoch eine nicht benetzbare Außenschicht 15a auf. Aus diesem Grund, d.h. aufgrund der Ausnehmung, schlägt der Anker am nicht benetzbaren Ende 15b des Kontaktstiftes IM an. Die Ausnehmung ist ausreichend flach gehalten, daß ein Quecksilbertropfen den Mittelpunkt des Ankers 17 berühren kann. Bei voller Betätigung berührt der Mittelpunkt 52 das Ende 15b des Kontaktstiftes Ik,

Wie schon erwähnt, ist die Fähigkeit, das Quecksilber zu halten, eine Funktion der Gesamtlänge des Halteelementes und nicht des Bereiches, d.h., daß die von der Gesamtoberflächenspannung ausgeübte Kraft mit der Länge anwächst. Diese Länge kann dadurch vergrößert werden, daß an den Innenflächen des Kopfstückes und des Sockels Spiralen, Gitter oder andere Vor richtungen befestigt werden, die die Oberfläche vergrößern und daher eine größere Kantenlänge schaffen.

Dies erfolgte bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9, bei der an die Seitenwände des Kopfstücks 11 und des Sockels 10 nicht benetzbare Spiralen oder Gitter angeschweißt sind. Dadurch ist die Wandober^r"U'ehe in viele kleine Bereiche auf-

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geteilt, wodurch jedoch bei Betrieb die Gesamtlänge der vom Quecksilber benetzbaren Oberfläche und damit auch die verfügbare Kraft vergrößert ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 bestehen das Kopfstück 80 und der Sockel 81 aus Keramik, und die Wände des Hohlraums sind mit einer benetzbaren Gitterschicht 82 versehen. Ansonsten können bei den Relais gemäß Fig. 8 und 9 die Arbeitsweise und die konstruktiven Merkmale der Relais gemäß Fig. 1-5 verwendet werden, d.h. die gemäß Fig. 8 oder 9 ausgebildeten Hohlräume bzw. Gehäuse können nach Wunsch bei den Systemen gemäß Fig. 1-5 verwendet werden.

Es besteht die Möglichkeit, daß die beschriebenen Relais oder Schalter im falschen Augenblick anziehen, und zwar aufgrund der von der Oberflächenspannung herrührenden Kräfte öden falls

zusätzlichen Dauermagnete verwendet werden, aufgrund von/Magnetkräften.

Dies kann in Abhängigkeit einer Erschütterung, der Lage,

Um einer Schwingung, Beschleunigung ο. dgl. erfolgen,/diese unvorhersehbare Möglichkeit zu vermeiden, können Dauermagnete verwendet werden, die auf die Ebene des Spiralankers ausgerichtet sind. In diesem Fall sucht sich der Anker, auf das durch die Dauermagnete erzeugte Magnetfeld auszurichten.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 8 und 9 sind Dauermagnete 85 verwendet, um die Anker 17 planar gespannt zu halten.

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Dieses Hilfsmittel kann auch bei den Relais gemäß Fig. 1-5 angewendet werden. Zu diesem Zweck können Stabmagneten verwendet werden, jedoch sind Ringmagneten, die die Hohlräume umgeben, vorteilhafter.

Da der Schalter außerordentlich empfindlich ist, kann er besser durch einen Dauermagnet als durch eine Spule gesteuert werden. Wenn der Dauermagnet auf einem beweglichen Glied angeordnet ist, kann die gesamte Kombination als Begrenzungsschalter angesehen werden, bei dem, wie aus Fig. 1 ersichtlich, keinerlei körperlicher Kontakt erforderlich ist.

In diesem Zusammenhang hat sich gezeigt, daß ein Dauermagnet zur Bewegung des Ankers in jeder Richtung verwendet werden kann, und zwar in Abhängigkeit von der Anordnung des Magneten in Bezug auf den Anker. Wenn das Magnetfeld zur Mittellinie oder Achse des Ankers symmetrisch ist, wird der Anker immer in Richtung des Magneten gezogen. Wenn jedoch das Magnetfeld asymmetrisch oder achsenversetzt angeordnet ist, kann der Anker abgestoßen oder angezogen werden. Der Grund hierfür liegt darin, daß der magnetisierte Anker, entlang eines Radius gesehen, ein lineares Feld aus Nord- und Südpol darstellt. Wenn sich dem Feld außerhalb seiner Achse ein Nordpol nähert, kann diesem Nordpol ein Südpol am nächsten liegen, wodurch der Anker angezogen wird, oder es kann diesem Nordpol ein Nordpol am nächsten liegen, wodurch der Anker abgestoßen wird.

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Dies wird auch dann deutlich, wenn der Anker anstelle des sich nähernden Nordpoles durch eine andere Vorrichtung magnetisiert wird, wobei sich auch empirisch bestimmen läßt, daß sich der gleiche Effekt bei einem magnetisch unpolarisierten Anker ergibt, d.h. die durch einen sich nähernden Einzelpol erzeugten Felder können ein Anziehen oder Abstoßen bewirken, je nach der Anordnung des Pols in Bezug auf den Anker.

Aus Fig. 10-17 ist ein verbessertes Federrelais ersichtlich, bei dem ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse verwendet ist; dieses besteht aus einem miteinander verschweißten Kopfstück und Sockel und enthält in seinem Hohlraum eine Spiralfeder als Anker. Dieser ist lamellen- bzw. schichtenförmig ausgebildet und besteht aus gut leitendem Metall; er ist weiterhin mit einer spiralförmigen Kapillarnut versehen bzw. weist eine aufgerauhte Oberfläche auf, wodurch gleichsam ein Docht für das Quecksilber geschaffen ist; weiterhin kann der Anker frei im Quecksilber schwimmen, d.h. er ist am Gehäuse nicht angeschweißt. Der Anker wird schließlich in einer Atmosphäre aus Wasserstoffgas betätigt, das unter einem Druck von etwa 14-17,5 kp/cm² (200-250 psi) steht, und es ist lediglich soviel Quecksilber vorgesehen, daß auf den mit Quecksilber benetzbaren Innenflächen des durch das Kopfstück und den Sockel gebildeten Hohlraums und auf dem Anker dünne Schichten gebildet werden bzw. auf dem Anker allein, sofern rlie Hohlkapsel

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» 15 τ

aus mit Quecksilber unbenetzbarem Werkstoff hergestellt ist. Der Anker befindet sich so dicht an den Hohlraumwänden, beispielsweise etwa 0,25^ mm, daß sich bei jeder Betätigung des Schalters zwischen diesem und den Wänden Kontakt ergibt; dies trägt auf diese V/eise zur Umverteilung bzw. Neuverteilung des Quecksilbers bei, so daß die Quecksilbermenge im Schalter mit Sicherheit um diejenige Menge verringert werden kann, die andernorts benötigt wird. Die Verwendung einer Minimalmenge an Quecksilber verringert die Möglichkeit, daß sich eine Quecksilberlache bildet und die Stromkreiskontakte kurz geschlossen werden oder das Quecksilber in solchem Ausmaß von den Kontakten entfernt wird, daß sich trockene Kontakte ergeben. Es wird auch ein verbesserter stationärer Kontakt verwendet, der aufgrund seiner Konstruktion nicht anklebt.

mit
In der Zeichnung ist/100 ein Kopfstücksockel bezeichnet, der aus Metall hergestellt und an seiner Innenseite mit Quecksilber benetzbar sein kann. Das Metall kann vorzugsweise unmagnetisch sein, jedoch ist magnetischer Werkstoff, insbesondere Kohlenstoffstahl, hinsichtlich der Herstellung von Glas-Metalldichtungen vorteilhaft. Letztere müssen nicht mit Quecksilber benetzbar sein. An den Sockel 100 ist ein Kopfstück 101 angeschweißt, das wahlweise aus dem gleichen Material wie der Sockel 100 bestehen kann. Das Kopfstück 101 ist mit dem Sockel 100 mittels einer Umfangs-Widerstands-

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Schweißnaht 102 verbunden. Der Sockel 100 und das Kopfstück 101 werden axial von Stationärkontakten 103, 10¹I durchsetzt, die die Form von Stangen mit einem Kupfer-Nickelkern aufweisen. Die den Kern umgebende Außenschicht ist eine nicht mit Quecksilber benetzbare Umhüllung 105, die das Kopfstück 101 und den Sockel 100 weiter nach innen hin durchsetzt, als dies beim Kern 106 der Fall ist. Die Kontaktstifte 103, 104 sind magnetisch und mittels Glasdichtungen 107, die von Quecksilber nicht benetzbar sind, vom Kopfstück 101 und vom Sockel 100 isoliert.

Innerhalb des durch den Sockel 100 und durch das Kopfstück gebildeten Gehäuses E ist ein Spiralanker 108 angeordnet. Wenn der Anker 108 durch den in einer der Spulen 202 oder 203 fließenden Strom erregt wird, bewegt sich das Ankerzentrum 109 (Fig. 17) auf einen Kontaktstift 103 bzw. 104 hin. Die Dauermagnete 205, 206 sind Haltevorrichtungen, die die Relais bei Bedarf dadurch bistabil machen, daß, nachdem der Anker sich nach einer Seite ausgebogen hat, der Magnetkreis längs der Seite des Relais, die die geschlossenen Kontakte aufweist, minimal ist und der Anker daher stabil hält. Darüberhinaus suchen die von der Oberflächenspannung herrührenden Kräfte, die geschlossenen Kontakte in der Schließstellung zu halten.

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Der Anker 108 ist eine aus mehreren Windungen gebildete Spirale, die als lange Feder wirkt und ihr bewegliches Kontaktende 109 im Mittelpunkt der Spirale hat. Die Spirale kann eine Länge von etwa 50,8 mm (2") und einen Durchmesser von etwa 0,5 mm (3/8") aufweisen. Vorteilhafterweise werden 3-5 Windungen verwendet, wobei jedoch eine größere oder geringere Windungsanzahl zur Anwendung gelangen kann; weiterhin ist zwischen den Windungen ein Abstand von etwa 0,1905 mm (0,0075") vorgesehen.

Der Spiralanker 108 ist ähnlich einer Triebfeder einer Uhr hochelastisch und mit Quecksilber benetzbar. Die Innenflächen des durch das Gehäuse E gebildeten Hohlraums und sämtliche Flächen des Ankers 108 sind bei einer Ausfuhrungsform von einer dünnen Quecksilberschicht bedeckt, wobei soviel Quecksilber vorgesehen ist, daß sich die Schicht, dagegen aber nicht eine Quecksilberlache bilden kann. Dadurch ist gewährleistet, daß das Relais lage-unempfindlich ist, da die Quecksilberschichten den benetzbaren Oberflächen mit großen

flächen
Ober/ßpannungskräften anhaften.

Der Anker schwimmt in Quecksilber, insbesondere innerhalb Hohlkehlen bei 208, die an den Kanten des Hohlraums in Fig. 10 und 13 oder durch die Anziehungskraft an einen Ringraum in Fig. 14 gebildet sind. Dadurch sind sämtliche Schweißprobleme beseitigt, wobei sich der Anker darüberhinaus zusätzlich bewegen kann, nämlich sowohl als Kolben als auch als Feder.

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Dadurch ergibt sich ein besserer Kontakt zwischen dem Anker

-en 103, 108 und den stationären Kontakt/IC^. Weiterhin kann der Anker an weit von seinem Zentrum entfernten Stellen die Innenwände des durch das Gehäuse E gebildeten Kohlraums berühren oder sich diesen sehr weit annähern (hierbei sei in diesem Zusammenhang auf die zuvor erwähnte Quecksilber-Zwischenschicht verwiesen), was zur Umverteilung bzw. Neuverteilung des Quecksilbers zwischen den V/änden und dem Anker beiträgt, wenn dieser sich öffnet und schließt.

Die einzigen Oberflächen innerhalb des Gehäuses E bzw. innerhalb des Hohlraums, die bei einer Ausführungsform nicht mit Quecksilber benetzbar sein müssen, sind die Oberflächen der Isolatoren 107 und die Außenflächen 105 und Ränder der Kontaktstifte 103, 104. Die Kerne 106 der Kontaktstifte 103, 10¹J sind mit Quecksilber benetzbar, und ihre Enden sind etwas zurückversetzt, so daß sie vom Anker niemals direkt berührt werden können. Der Kern trägt eine Quecksilberschicht und kann,daher mit dem Anker in elektrischen Kontakt, jedoch nicht in mechanischen Kontakt kommen.

Der Anker in der Ausführungsform gemäß Pig. Il besteht aus Windungen 300, die spiralenförmig nach innen zum Mittelpunkt verlaufen. Der Anker kann etwa 0,076 mm (3 mils) dick sein.

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Bei einer Ausführungsform verläuft längs der Windungen des Ankers zur Vergrößerung der Oberflächenspannung eine Kapillarnut 302, da das Quecksilber leichter in einem Kanal fließt. Die Kapillarnut kann jedoch auch durch ein anderes Hilfsmittel ersetzt bzw. zusätzlich zu diesem vorgesehen werden. Die Oberflächen des Ankers können mit Quecksilber benetzbarem Material plattiert sein, d.h. Nickel auf Kupfer oder Kupfer auf Nickel; die Plattierung kann auch rauh gehalten werden, wie dies beispielsweise bei 303 in Fig. 6 ersichtlich ist, was die Oberflächenspannung vergrößert und den Quecksilberfluß erleichtert. In gleicher Weise können die Innenflächen des Köpfstückes und des Sockels mit Kapillarnuten oder Vorsprüngen versehen bzw. aufgerauht sein, wodurch die Oberflächenspannung vergrößert und der Quecksilberfluß erleichtert wird, da das Aufrauhen der Oberfläche viele Kanäle schafft; dies ist beispielsweise bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 10 und 13 der Fall, bei denen das Gehäuse bzw. der Hohlraum unmagnetisch und mit Quecksilber benetzbar ist. Wenn das Gehäuse aus magnetischem Material besteht und nicht benetzbar ist, wie dies beispielsweise in Pig. I¹I der Fall ist, sind die vorgenannten Hilfsmittel nicht erforderlich; hierbei ist jedoch ein Ring 306 aus ilickel oder einem anderen schweißbaren Material entweder an den Sockel oder an das Kopfstück bzw. an diese beiden Teile angeschweißt, um über das Quecksilber einen guten

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Kontakt zwischen dem Kopfstück und dem Anker zu schaffen. Der Ring 306 kann aufgerauht sein oder eine anderweitig vergrößerte Oberfläche aufweisen.

Der Anker selbst kann schichten- bzw. lamellenförmig aufgebildet sein. Er muß magnetisch und seine Oberfläche mit Quecksilber benetzbar sein. Er kann einen magnetischen Kern 307 und nicht magnetische, mit Quecksilber benetzbare Oberflächen aufweisen, die, wie aus Fig. 15 ersichtlich, auf den Kern plattiert oder hierauf geschichtet sind; der Anker kann jedoch auch einen unmagnetischen Kern 309 sowie magnetische Schichten ¹IOO aufweisen, die den Kern 309 umgeben, wobei die magnetischen Schichten 400 ihrerseits mit einer rauhen Oberfläche aus schweißbarem Material, d.h. Nickel, Kupfer o. dgl., dünn plattiert sind. In jedem Fall muß wenigstens eine der Schichten, aus denen der Anker hergestellt ist, einen erheblich geringeren Widerstand als Quecksilber aufweisen, um einen Nebenschluß bzw. einen Parallelweg vom Gehäuse zum Stationärkontakt durch das Quecksilber hindurch zu schaffen. Der Stationärkontakt muß einen ausgesparten,,mit Quecksilber benetzbaren Bereich

und einen diesen umgebenden,darüber hinausragenden Bereich aufweisen,an den der Anker anschlägt. Hierdurch wird ein Ankleben vermieden. Die Außenschichten des Ankers können elektrochemisch ausgeschieden bzw. ausgefällt sein, und ebenso können die Kapillarnuten und Schlitze elektrochemisch geätzt sein.

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Claims

Patentansprüche

Ij Quecksilberschalter, gekennzeichnet durch einen Sockel "^ (10) und ein Kopfstück (11), die längs ihres Umfangs miteinander, beispielsweise mittels einer Schweißnaht (12) dicht verbunden sind und zwischen sich einen abgedichteten Hohlraum bilden, dessen Innenflächen, zumindest angenähert, parallel verlaufen,

durch einen innerhalb des Hohlraums vorgesehenen, freischwimmenden Anker (17), der mit Quecksilber benetzbar und coplanar mit den Hohlrauminnenflächen angeordnet ist,

durch im Hohlraum in einer solchen Menge vorgesehenes Quecksilber, daß es lediglich ausreicht, um eine dünne Quecksilberschicht auf dem Anker zu bilden, jedoch nicht genügt, um eine Lache o, dgl. aus Quecksilber zu bilden, wobei der Anker vollständig schwimmend auf wenigstens einer Schicht des an den Hohlrauminnenflächen angeordneten Quecksilbers gelagert ist und durch wenigstens eine ortsfeste Elektrode (14), die isoliert den Sockel und/oder das Kopfstück durchsetzt und bis zu einer Stelle nahe dem Anker verläuft.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (17) eine Scheibe ist, die lediglich in der Nähe

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ihres Umfangs schwimmend gelagert ist, und daß der Hohlraum zylindrisch ausgebildet ist und einen größeren Innendurchmesser als der Anker aufweist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß $er Hohlraum mit Gas unter einem Druck von wenigstens etwa 7 kp/cm² (100 lbs/sq. inch) gefüllt ist.

4. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3»

dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (17) eine Spiralfeder mit mehreren Windungen (50) ist.

5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß . die Wandungen (50] der Spiralfeder (17) einen solchen Abstand voneinander aufweisen, daß sie zwischen sich eine Quecksilberschicht zu halten vermögen.

6. Schalter nach Anspruch 4, μηά. 5, dadurch gekennzeichnet, daß die !^ndungen (50) der Spiralfeder (17) auf wenigstens einer ihrer- Oberflächen eine spiralenförmige, mit Quecksilber benetzbare Kapillarnut aufweisen.

7. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (10) und/oder das Kopfstück (11) aus magnetischem, mit Quecksilber nicht

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benetzbarem Werkstoff bestehen.

6. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Innenwände des Sockels (10) und des Kopfstücks (11) mit Quecksilber benetzbare Vorsprünge aufweist, die bei Betätigung des Ankers (17) durch diesen bewegbar sind.

9. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche l-ö, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Innenwände des Sockels (10) und des Kopfstücks (11) mit Quecksilber benetzbare Schlitze aufweisen.

10. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (108) eine Oberflächenschicht Oo8 bzw. ¹IOO) aus Metall auf v/eist, die längs des Ankers einen wesentlich geringeren Widerstand als die Quecksilberschicht auf der Ankeroberfläche besitzt.

11. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, dadurch geKennzeichnet, daß der Anker (108) mehrschichtig ausgebildet ist.

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12. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stationärkontakt (14) magnetischen Werkstoff aufweist, der den Kontakt von außen nach innen durchsetzt.

13. Schalter nach Anspruch 3_f dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck 1*1-17,5 kp/cm² (200-250 lbs/sq.inch) beträgt.

I¹K Schalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Wasserstoff ist.

15. Anker für ein Quecksilber-Relais nach Anspruch 1-1¹I, dadurch gekennzeichnet, daß eine iiaterialschlcht vorgesehen ist, die sich längs des Stromflusses im Anker (10Ö) erstreckt, und daß der Anker eine Quecksilberschicht aufweist, die pro Längeneinheit längs des Stromflusses einen größeren Widerstand als die iiaterialschicht besitzt.

16. Anker für einen Quecksilberschalter nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine aus mehreren Windungen gebildete Spiralfeder (108) aus mit Quecksilber benetzbarem magnetischen Werkstoff und durch eine längs der Windungen (300) der Spiralfeder verlaufende, mit Quecksilber benetzbare Kapillarnut (302).

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17. Quecksilberschalter nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch ein kapselartiges Gehäuse (E), das im wesentlichen aus einem Sockel und aus einem hiermit in Urafangsrichtung versch-v/eißten Kopfstück besteht, durch einen im Gehäuse angeordneten Blattfederanker und durch innerhalb des Gehäuses angeordnetes Wasserstoffgas, das unter einem Druck von I¹* kp/cm (200 lb/sq. in.) steht.

18, Schalter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker eine Scheibe und das Gehäuse bzw. der davon umschlossene Hohlraum zylindrisch ist.

19t Spiralanker für ein Quecksilber-Relais nach einemoder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer plattierten Oberfläche, die zur Vergrößerung der Anziehungskraft für Quecksilber aufgerauht ist.

20, Schalter nach Anspruch 13 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe einen etwas geringeren Durchmesser als der Hohlraum aufweist und längs des Umfangs im Hohlrauminnern eine Hohlkehle (203) aus Quecksilber angeordnet ist, in welcher der Umfang der Ankerscheibe frei schwimmt.

21. Quecksilber-Relais, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprücne, gekennzeichnet durch einen mit Quecksilber benetzbaren Spiralanker, der als Feder bzw. blattfeder 209846/0648

betätigbar ist, durch einen Hohlraum bzw. ein Gehäuse für den Anker, das einen an ihrem Umfang miteinander verschweißten Sockel sowie ein Kopfstück aufweist und aus mit Quecksilber nicht benetzbarem Werkstoff besteht, wobei die Oberfläche des Ankers und die Innenflächen des Sockels und des Kopfstücks wenigstens angenähert parallel verlaufen und einen derart geringen Abstand voneinander aufweisen, daß eine auf dem Anker vorgesehene Quecksilberschicht wenigstens bei Betätigung des Ankers die Innenflächen des Sockels und des Kopfstücks berührt, und durch mit Quecksilber benetzbare Kontakte (103, 104), die am Sockel und/oder Kopfstück nahe dem Anker befestigt sind.

22. Relais nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel und das Kopfstück aus magnetischem Werkstoff bestehen.

23. Relais nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker zwischen dem Sockel und dem Kopfstück in der Quecksilberschicht schwimmt.

24. Relais nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker zur Vergrößerung der Anziehungskraft für das Quecksilber eine aufgerauhte Oberfläche aufweist.

- 7 ORIGINAL INSPECTED

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25. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergenenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine konkave Schale aus widerstandsschwäßbarem Iietall, durch einen hierin angeordneten magnetischen Anker, der mit der Schale elektrisch verbunden ist, durch einen stationären Kontakt, durch einen isoliert durch die Schale von außen nach innen sich erstreckenden Isolator, den seinerseits der stationäre Kontakt durchsetzt, durch einen Verschluß aus widerstandsschweißbarem Metall, der längs des Umfangs der Schale an diese angeschweißt ist und mit dieser einen hermetisch abgedichteten Hohlraum bildet.

26. Schalter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker eine Spiralfeder ist, deren Außendurchmesser im wesentlichen dem Innendurchmesser des Hohlraums ent spricht und die an ihrem Umfang am Hohlraum befestigt ist.

27. Schalter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker an seinem Umfang am Hohlraum befestigt ist.

23. Schalter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum mit Hochdruckgas gefüllt ist.

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It

29. Schalter nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Wasserstoff ist.

30. Schalter nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß

ρ das Gas unter einem Druck von 17,5 kp/cm (250 psi) steht

31. Schalter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Anker und die Innenflächen des Hohlraums mit Quecksilber benetzbare Bereiche aufweisen und der Isolator mit Quecksilber nicht benetzbar ist und daß innerhalb des Hohlraums eine derartige Quecksilbermenge vorgesehen ist, daß sie ausreicht, um eine dünne Quecksilberschicht auf den mit Quecksilber benetzbaren Flächen aufrechtzuerhalten, jedoch nicht ausreicht, um eine Quecksilberlache zu bilden, wodurch der Schalter lage unempfindlich ist.

32. Schalter nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß

2 der Hohlraum mit Gas bei einem Druck von etwa 17,5 kp/cm (250 psi) gefüllt ist.

33. Schalter nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker ein Diaphragma ist.

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34. Schalter nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß. der Anker an seinem Umfang im Hohlrauminnern befestigt ist.

35. Schalter nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker eine Feder ist, die wenigstens mit ihrem
einen Ende im Hohlraum befestigt ist.

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