DE2431058A1 - Vakuum-lichtbogenvorrichtung - Google Patents

Description

Vakuum-Lichtbogenvorrichtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf verbesserte Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen. Insbesondere betrifft die Erfindung verbesserte Vorrichtungen, wie zum Beispiel Vakuum-Punkenstrecken, triggerbare Vakuum-Funkenstreeken, Vakuumschalter und ähnliche.

Bei Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen werden Lichtbogen durch die Trennung eines Elektrodenpaares oder durch die Einführung von kondensierbarem leitendem Medium, wie beispielsweise in ein Elektronen-Ionenplasma, in eine evakuierte Kammer gezogen, die im allgemeinen auf einen Druck von wenigstens lO^Torr evakuiert ist,

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wobei eine sehr hohe Spannung an die Lichtbogenelektroden angelegt ist. Idealerweise werden, wenn der Lichtbogen übergeschlagen ist, Teilchen aus der Lichtbogenkathode herausgeschlagen oder herausgebrannt, um ein Elektronen-Ionenplasma mit einer hohen Dichte zu liefern, um das leitende Medium zwischen den Lichtbogenelektroden zu bilden, die sehr hohe Ströme bis zu einigen hunderttausend Ampere für kurze Zeiten führen. In Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen hat das Elektrodenmaterial einen vorbestimmten Dampfdruck und entwickelt in Abhängigkeit vom Wert des Dampfdruckes eine gewisse Menge leitender Teilchen, um so einen Starkstrom-Lichtbogen während einer relativ kurzen Zeitperiode zu gestatten, wie beispielsweise einem Teil einer Halbwelle einer Wechselspannung bei einer Frequenz von 60 Hz. Sollte dieser Wert so klein sein, so daß eine zu knappe Menge leitender Teilchen entwickelt wird, kann die Erscheinung auftreten, die als "Zerhacken" bekannt ist. "Zerhacken· oder chopping " ist eine Erscheinung, die aufgrund einer Dampfknappheit auftritt und charakteristisch ist für Materialien mit einem zu hohen Siedepunkt oder einem zu niedrigen Dampfdruck der Lichtbogen-Elektrodenmaterialien. Falls ein Zerhacken (chopping) auftritt, wenn eine positive Halbwelle einer Wechselspannung sich Null nähert und der Strom zu fallen beginnt, wird der Strom plötzlich gelöscht, wodurch eine hohe transiente Spannung in das durch die Vorrichtung geschützte System reflektiert wird, wodurch möglicherweise eine Beschädigung hervorgerufen wird, was insbesondere für induktive Schaltkreise gilt.

Während die Zerhackungserscheinung auf einfache Weise dadurch vermieden werden kann, daß Materialien mit hohem Dampfdruck verrwendet werden, wie beispielsweise eines oder mehrere der Materialien, die in den US-Patentschriften 2 975 255 und 2 975 256 beschrieben sind, kann auch eine überreichliche Zufuhr von Leiterteilchen nachteilige Wirkungen haben. Wenn beispielsweise der Nullstrom, wie er vorstehend angedeutet wurde, erreicht ist, kann die Zufuhr vorhandener Leiterteilchen zu groß sein, so daß die

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Geschwindigkeit ihrer Kondensation und die Rückgewinnung der dielektrischen Festigkeit nicht mit einer ausreichenden Geschwindigkeit erfolgt, um eine Rückzündung des Lichtbogens zu verhindern, wenn die entgegengesetzte Halbwelle einer Wechselspannung zwischen den Lichtbogenelektroden angewendet wird, was insbesondere für hohe Spannungen gilt.

Zusätzlich neigen weiche Lichtbogen-Elektrodenmaterialien, die im allgemeinen einen hohen Dampfdruck aufweisen, dazu, leicht zu verschweißen, wenn sie in Schaltern oder Wiedereinschalten! miteinander verbunden werden, wodurch ihre Trennung beim nächsten Vorgang schwierig,wenn nicht sogar unmöglich gemacht wird.

Noch ein weiterer Nachteil von Materialien mit hohem Dampfdruck bei Vakuum-Lichtbogenelektroden besteht darin, daß diese Materialien die Neigung besitzen, mechanisch weich zu sein und leicht verformt oder schnell erodiert zu werden durch das Wegbrennen einer zu reichlichen Zufuhr von leitender Materie während der Li ch tb ο genb i 1 dung.

Wenn auf der anderen Seite des Spektrums das Elektrodenmaterial einen viel niedrigeren Dampfdruck besitzt, wie beispielsweise Molybdän, Wolfram und andere hochwarmfeste Metalle, die die Erosions- und Schweißprobleme vermeiden, die durch ein Material mit hohem Dampfdruck auftreten, kann eine Stromzerhackung erfolgen. Selbst wenn eine Stromzerhackung nicht auftritt oder keine ernsthaften Konsequenzen hat, wird eine Grenze für die Nützlichkeit unter gewissen Umständen gesetzt durch die Glühemissionäharakteristiken derartiger feuerfester bzw. hochwarmfester Materialien, Beispielsweise treten während einer Halbwelle des Wechselstromes, an dem eine gegebene Lichtbogenelektrode als eine Anode arbeitet, leicht Anodenflecken durch die Bündelung von Stromfußpunkteη auf, und Teile der Anodenelektrode werden außergewöhnlich heiß. Während der nächsten Halbwelle, wenn die Polarität der Lichtbogenelektroden umgekehrt wird, kann ein deratiger Hitzefleck auf einer aus hochwarmfestern Material bestehenden Lichtbogenkathode,

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beispielsweise Molybdän oder Wolfram, als ein exzellenter Glühelektronenemitter arbeiten, wodurch eine Glühemission von Elektroden aus der Lichtbogenkathode beim Anlegen der umgekehrten Vorspannung herbeigeführt wird, so daß eine Rückzündung des Lichtbogens bewirkt wird, die nicht toleriert werden kann.

Demzufolge ist die Auswahl der Lichtbogen-Elektrodenmaterialien für Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen ein Kompromiß zwischen entgegengesetzt gerichteten Erfordernissen und muß mit großer Sorgfalt durchgeführt werden.

Demzufolge besteht eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen zu schaffen, die verbesserte mechanische Festigkeit besitzen und die die Wiedergewinnung der Hochspannungsfestigkeit und die Unterbrechung höherer Ströme erleichtern, als bei bekannten Vorrichtungen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vakuum-Lichtbogenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch gelöst, daß die Vakuum-Lichtbogenvorrichtung eine hermetisch evakuierte Umhüllung aufweist, die auf einen Druck von 10 ^J Torr oder weniger evakuiert ist, und darin ein Paar primärer Lichtbogenelektroden enthält, die bei Zuständen ohne Lichtbogenbildung einer hohen Spannung standhalten und bei Zuständen mit Lichtbogenbildung einem Starkstromlichtbogen standhalten und denselben schnell unterbrechen, wenn der hindurchfließende Strom absinkt, wie beispielsweise beim Auftreten eines normalen Stromnulldurchganges eines Wechselstromes. Derartige Elektroden sind gemäß der Erfindung aus einem gasfreien, gehärteten, duktilen. Eisenmetall hergestellt, das alle Qualitäten der Freiheit von allen Gasen und gasbildenden Verunreinigungen, die mit einem derartig hohen Vakuum unvereinbar sind, große Härte, angemessene Duktilität aufweist . und das eine Charakteristik der hohen Wiederkehrspannungsfestigkeit besitzt und diese schnell erreicht.

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Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Pig. 1 ist eine schematische senkrechte Querschnittsansieht einer erfindungsgemäß aufgebauten Vorrichtung.

Fig. 2 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß . aufgebauten Vorrichtung.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung und zeigt die Wiederkehrcharakteristiken der Spannungsfestigkeit von verschiedenen Elektrodenmaterialien und zeigt deutlich die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen.

In Fig. 1 ist eine triggerbare Vakuum-Funkenstreckenvorrichtung insgesamt bei 10 dargestellt, die eine hermetisch abgedichtete evakuierbare Umhüllung 11 aufweist, die auf einen Druck von 1O"-⁵ Torr oder weniger evakuiert ist. Die Umhüllung 11 weist einen zylindrischen isolierenden Seitenwandteil 12 auf, der an seinen entsprechenden Enden zwei Endwandteile 13 und 14 trägt. Der obere Endwandteil 13 ist mit dem zylindrischen Seitenwandteil 12 durch einen üblichen Isolator-Metall-Dichtungsflansch 15 verbunden, der an der Endwand 13 angelötet, geschweißt oder auf andere Weise befestigt und in einer isolierenden Seitenwand 12 eingebettet ist. Ein ähnlicher Isolator-Metall-Dichtungsflansch 15 ist dazu verwendet, mit einer hermetischen Abdichtung den Bodenwandteil 14 mit dem zylindrischen Wandteil 12 zu verbinden. Zwei primäre Lichtbogenelektroden 17 und 18, die eine dazwischenliegende Funkenstrecke l6 bilden, sind auf entsprechende Weise in

^s *t" θ h f¹ t\ d f* η
mechanisch, fest/ und elektrisch leitenden- Relation in bezug auf die Endwandteile 13 und 14 angeordnet. Ein Lichtbogen-Elektrodenteil 17 wird durch einen Elektroden-Halterungsteil 19 von dem Endwandteil 13 getragen, und ein Elektrodenteil 18 wird von dem Bodenwandteil 14 durch eine Elektrodenhalterung 20 ge-

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tragen. Die Lichtbogen-Elektrodenhalterung 19 wird von einem zentralen Kern 21 aus beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gebildet, der an der Lichtbogenelektrode 17 anstößt und unter Ausbildung eines guten elektrischen Leiterpfades mit dieser verbunden ist. Die Lichtbogenelektrode 17 ist aus einem gasfreien, harten und duktilen Eisenmaterial hergestellt, wie es im folgenden nochr-näher beschrieben wird. Ein Halterungsmantelteil 22, der ebenfalls aus einem gasfreien harten, duktilen, Eisenmaterial hergestellt ist, kann den zentralen Kernteil 21 umgeben. In ähnlicher Weise umfaßt die Halterung 20 einen beispielsweise aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung bestehenden Kernteil 23 hoher elektrischer Leitfähigkeit, der von einem eisernen Mantelteil 24 umgeben sein kann. Der kupferne oder kupferhaltige Kernteil 23 ist in den eisernen Lichtbogen-Elektrodenteil 18 in einer guten mechanischen'und elektrisch leitenden Verbindung eingebettet, wie es vorstehend in bezug auf den Halterungskern 21 beschrieben wurde Zusätzlich ist eine hohle Bohrung 25 in dem Haltungsteil 23 ausgebildet, und eine Triggerelektrode 26, die eine Triggeranode 27 und eine Triggerstrecke 28 enthält, ist zentral innerhalb des primären Lichtbogen-Elektrodenteiles 18 angeordnet, um als ein Mittel zum Zünden bzw. Einleiten eines elektrischen Entladung zwischen den primären Elektrodenteilen 17 und 18 durch das Anlegen eines elektrischen Impulses über einen Triggeranodenleiter 28 zur Triggeranode 27 zu dienen, um einen Überschlag der Triggerstrecke 28 und die Einführung von Elektronen-Ionenplasma in die primäre Lichtbogenstrecke 16 zu bewirken. Die Triggerelektrode 26 ist hier ohne größere Einzelheiten gezeigt. Details einer geeigneten Triggereinrichtung können beispielsweise den US-PatentSchriften 3 O87 092, 3 465 192 und 3 465 205 entnommen werden.

Eine Abschirmvorrichtung 31 umgibt die Lichtbogenelektroden und schützt die Isolation der isolierenden Seitenwand 12. Die Ab-

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schirmvorrichtung 31 kann beispielsweise aus einem großen primären Schirmteil 32 in der Form,eines zylindrischen TeUeS₁ der von der oberen Endwand 13 herabhängt und sich etwa 2/3 bis 3/4 der Strecke zwischen den Endwänden 13 und 14 erstreckt 'und den Bereich um die Lichtbogenstrecke 12 herum einschließt, und aus einem zweiten zylindrischen Schirmteil 33 bestehen, der von der unteren Endwand 14 nach oben führt und kurz vor dem Schirmteil endet, wobei ein Spalt 35 durch eine Strecke gebildet wird, der groß ist im "Vergleich zur Lichtbogenstrecke 16. Ein Deflektorschirm 34 in der Form eines vorstehenden kegelstumpfförmigen Teils hängt von der unteren Lichtbogenelektroden-Halterungsvor-

richtung 20 herab und bildet einen Winkel in bezug auf die Normale der Achse der Lichtbogenelektroden-Halterungsteile und ist auf einen Punkt auf dem Schirmteil 32 oberhalb des Spaltes gerichtet, so daß leitende Materie, die aus der Lichtbogenstrecke 16 austritt, durch den Schirmteil 3^ auf den Schirmteil 32 abgelenkt wird, ohne daß ein geradliniger Durchlaß von der Funkenstrecke 12 zu dem Spalt 35 gebildet ist. Auf diese Weise wird leitende Materie, die aus einem Lichtbogen zwischen den primären Lichtbogenelektroden austritt, kurz vor dem Spalt 35 auf den Abschirmteil 32 gelenkt. Ein Abstand zwischen den Abschirmteilen

32 und 34 ist wie der Abstand zwischen den Abschirmteilen 32 und

33 groß im Vergleich zu der zwischen den Elektroden befindlichen Funkenstrecke 16. Die dargestellte Abschirmanordnung ist nur als ein Beispiel gezeigt, und selbstverständlich können auch andere Abschirmanordnungen bei Vorrichtungen gemäß der Erfindung verwendet werden.

Im Betrieb wird eine hohe Spannung von beispielsweise 30 Kilovolt an die Lichtbogenelektroden-Halterungsvorrichtungen 19 und 20 angelegt, indem beispielsweise ein entsprechender Ansatz an der Schraubverbindung 36 und ein ähnliches Verbindungsstück (nicht gezeigt) am Ende des Lichtbogenelektroden-Halterungsteiles 20 angebracht wird. Eine derartig hohe Spannung kann über eine elektrische Vorrichtung, wie beispielsweise einen Transformator

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oder einem Kondensator, der gegen transiente Spannungen zu schützen ist, und die Vakuum-Funkenstrecke angelegt werden, und sie

werden,
kann dazu verwendet / derartige transiente Spannungen abzuführen, indem ein Impuls, beispielsweise mittels einer Spannung, die schematisch durch die Batterie und den Schalter 37 dargestellt ist, zwischen den Triggeranodenleiter 29 und den Basisteil 13 angelegt wird, der elektrisch mit der Lichtbogenelektrode 18 verbunden ist. Alternativ kann auch eine Probe der Spannung zwischen den primären Lichtbogenelektroden zwischen die Triggeranode und die Lichtbogenelektrode 18 angelegt werden. Wenn eine derartige Triggerspannung angelegt wird, bricht die Triggerstrecke 28 zusammen und ein Elektronen-Ionen-Impuls wird in die Lichtbogenstrecke 12 eingeführt, wodurch ein elektrischer Lichtbogen gezündet wird, der daraufhin zwischen den Lichtbogenelektroden 17 und 18 geführt wird, bis ein Stromnulldurchgang auftritt. Zu dieser Zeit wird der Lichtbogen gelöscht. Alternativ kann die Funkenstrecke selbst zusammenbrechen und dann ist keine Triggerelektrode erforderlich. Wie vorstehend bereits ausgeführt ist, wurden in der langen und mühevollen Entwicklung von Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen Elektroden aus Materialien entwickelt, die als Kompromisslösung zwischen an sich optimalen Dampfdrucken und Siedepunkten aufweisen, um Lichtbogenleiterteilchen für derartige Vorrichtungen zu liefern. Ein notwendiges Kriterium für ein derartiges Elektrodenmaterial besteht darin, daß es- im Vakuum bearbeitet werden kann,' um alle sorbierten Gase oder gasbildenden Bestandteile zu entfernen, die bei Ausbildung eines Starkstromlichtbogens die Evolution von gasförmigen Verunreinigungen bewirken können, die die Aufrechterhaltung eines stationären Gleichgewichtsdruckes in der Größenordnung von 10 ^Torr oder weniger permanent beeinflussen würden. Eine weitere Überlegung ist das Suchen nach einem Lichtbogenraaterial gewesen, das gute ZerhackungsCharakteristiken besitzt, nähmlich die Fähigkeit, den Strom zu halten, wenn sich eine Stromschwingung, in der ein Lichtbogen gezündet worden ist, gegen Null nähert, ohne daß der Strom von einem relativ hohen Wert abrupt auf Null abfällt, wodurch eine hohe transiente Spannung hervorgerufen wird. Aus

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diesen und anderen Gründen hat sich die Fachwelt bisher auf die Verwendung von Kupfer und Kupferlegierungen für Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen konzentriert.

Weiterhin ist es ein "ungeschriebenes Gesetz", daß die Verwendung von irgendwelchen ferromagnetischen Materialien in Lichtbogenelektroden in Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen zu unvorhersehbaren und nachteiligen magnetischen Wirkungen führen könnte und deshalb zu vermeiden ist. Darüber hinaus sind deratige Materialien im allgemeinen in Vorrichtungen vermieden worden, in denen ein wesentlicher stationärer Strom geleitet werden muß, da die elektrische Leitfähigkeit von Eisenmaterialien kleiner ist als von Kupfermaterialien. Aus diesen Gründen haben auf dem Gebiet von Lichtbogenmaterialien arbeitende Fachleute Eisenmaterialien im allgemeinen vermieden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wurden jedoch nun gefunden, daß das Problem der elektrischen Leitfähigkeit von Eisenmaterialien nicht so kritisch ist, wie es vorher angenommen wurde, vorausgesetzt daß das Eisenmaterial unter gewissen Umständen verwendet wird. Beispielsweise wurde für eine Vakuum-Lichtbogenvorrichtung, die keinen stationären Strom führt sondern nur einen Fehlerstrom während des Bestehens des Lichtbogens, wie die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung, in unerwarteter Weise gefunden, daß die elektrische Leitfähigkeit von gewissen eisenhaltigen Materialien, wie sie im folgenden noch näher beschrieben werden, vollständig adäquat sind, um die Stromleitung während der relativ kurzen Lichtbogenperioden zu übernehmen, in denen hohe Ströme fließen. Somit wurde gefunden, daß große Ströme in der Größenordnung von Kiloampere und Lichtbogenzeiten in der Größenordnung von einer Schwingung der Metzstromfrequenz keine Probleme darstellt, selbst wenn der höhere elektrische Widerstand von eisenhaltigen Materialien als von Kupfer oder ähnlichen Materialien berücksichtigt wird. Dies gilt insbesondere deshalb, weil die Technologie von derzeitigen Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen die früheren (beispielsweise 1950-19βΟ) Probleme überwunden hat, die sich auf ausreichende Licht-

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bogenteilchen, um einen Lichtbogen zu unterhalten, die Vermeidung unzuverlässiger Zerhackerströme und die Vermeidung der Bildung von zerstörerischen Lichtbogenfußpunkten bezogen, insbesondere von Anodenpunkten. Die gegenwärtigen Probleme beziehen sich weitgehend auf die Ausdehnung der Spannung, die sicher zwischen Lichtbogenteilen aufgedrückt werden kann, und auf die Erhöhung von Strömen, die unterbrochen und dadurch beendet werden können. Dies gilt insbesondere für Vakuum-Funkenstreckenvorrichtungen, in denen eine feste Funkenstrecke besteht und keine stationäre Leitung des Hauptstromes vorgesehen ist, sondern die nur für eine sehr kurze Zeit während einer Lichtbogenbildung unter Fehlerspannungsbedingungen Strom leiten.

Da die Zerhackungscharakteristik von Eisen und eisenhaltigen Materialien im allgemeinen mit der Vakkum-Lichtbogenbildung kompatibel ist und solange eisenhaltige Materialien nicht für eine stetige Stromleitung verwendet werden, besteht kein elektrischer Nachteil für deren richtige Anwendung in Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen. Andererseits bestehen jedoch entscheidende Vorteile. So ist beispielsweise die Entgasung von eisenhaltigen Materialien relativ einfach. Die erste Entgasung von Schüttmaterial kann durch Vakuumschmelzen durchgeführt werden, eine Teehinik relativ junger kommerzieller Anwendung, die bis vor kurzem für Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen oder die Fertigung eisener Elektroden für eine Verwendung in diesen nicht zur Verfügung stand. Dieses Vakuumschmelzen, insbesondere das Vakuumschmelzen für Gebrauchselektroden, wobei jeder Abschnitt eines Eisenstabes, aus dem die schließlich verwendete Elektrode hergestellt wird, an einem bestimmten Punkt der Lichtbqrgenfußpunkt eines Vakuumlichtbogens ist, und jeder Abschnitt des Ursprungsmaterials für die Lichtbogenelektrode an dem bestimmten Punkt unter Vakuumbedingungen geschmolzen wird, um alle Gas- und gasbildenden Bestandteile vor der Bildung der Elektrode zu entfernen, ist ein billiges Verfahren zur Herstellung von stark gasfreiem Metall für Vakuum-Lichtbogenelektroden. Wenn die Elektroden einmal aus

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einem derartigen Material hergestellt sind, ist das Problem der Oberflächenentgasung von absorbiertem gasförmigem Material relativ einfach. Eisenhaltige Materialien können, wie kupferhaltige Materialien, von adsorbierten Gasen auf einfache Weise dadurch entgast werden, daß sie in die Vakuum-Lichtbogenvorrichtung eingebracht und während des normalen Ausheizens der Temperatur und für die Aufheizzeit ausgesetzt werden, die zur Entgasung der anderen Materialien in der Vorrichtung erforderlich sind. Aufgrund ihrer Hochtemperaturcharakteristiken werden ihre AuS-heiztemperaturen dadurch nicht begrenzt.

Es wurde gefunden, daß es von größter Wichtigkeit und zur Verwendbarkeit und den Vorteilen von eisernen Lichtbogen-Elektrodenmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung beiträgt, daß die Verwendung von harten und duktilen gasfreien Lichtbogen-Elektrodenmaterialien die Erzielung einer besonders guten Eigenschaft bei der Wiedererlangung der dielektrischen Festigkeit und eine hohe elektrische Durchbruchsfestigkeit so^-wie eine schnellere Wiedererlangung einer derartigen großen elektrischen Durchbruchsfestigkeit zur Folge hat als irgendein kupferhaltiges Material. Diese Charakteristik erleichert stark eine wesentliche Erhöhung der Nennspannung von erfindungsgemäßen Vorrichtungen im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen, die konventionelle Elektrodenmaterialien verwenden.

Auch wenn zahlreiche eisenhaltige Materialien bei der Herstellung von erfindungsgemäßen Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen brauchbar sind, so wurde doch gefunden, daß gewisse härtbare Stähle mit martensitartiger Kornstruktur und gewissen ausgeschiedenen Einschlüssen besonders nützlich sind. Viele dieser Stähle können bearbeitet werden, so lange sie sich noch in einem relativ weichen Zustand befinden, und können dann einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um eine Vergrößerung der Härte und Streckgrenze z\i bewirken. Diese Stähle sind dann in idealer Weise geeignet für Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung.

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Eine allgemeine Gruppe derartiger Stähle ist weit bekannt. Diese werden im allgemeinen als "alterungsgehärtete "oder "ausscheidungsgehärtete" Stähle bezeichnet. Im allgemeinen sind diese Stähle martensitische Stähle, die beim raschen Abschrecken eines austenitischen Stahles erhalten werden, um eine Dispersion von Verunreinigungen und eine kleine Korngröße zu erreichen. Die Härtung wird beeinflußt durch die Gegenwart von Verunreinigungen, die auch zur erforderlichen Duktilität beitragen. Die Aushärtung kann aus einer Wärmebehandlung resultieren, die. bei einer relativ niedrigen Temperatur durchgeführt wird (im Vergleich zur Temperatur des ursprünglichen Löschens), die beispielsweise zwischen 480 und 5²K)⁰C (900 und 1000⁰F) liegt. Einige derartige Stähle sind im Maraging (englische Zusammensetzung aus "martensite" und "aging")-Verfahren hergestellte Eisen-Nickel-Stähle (die im allgemeinen auch kleinere Mengen an Molybdän und Kobalt und gelegentlich Titan enthalten) mit 15 bis 30 Gew.-yS Nickel. Einige derartige Stähle sind in einem Artikel mit dem Titel "18 % Nickel Maraging Steel" von Decker, Eash und Goldjnan beschrieben, der in Transactions of the ASM_; Seiten 58 bis 76, 1962, veröffentlicht ist. Gewisse spezielle M.araging-Stähle, die sich für eine Verwendung bei der vorliegenden Erfindung als geeignet erwiesen haben, sind von der Vanadium Alloy Steel Company, Latrobe, Pennsylvania, erhältlich und sind in einer Broschüre von dieser Firma aus dem Jahre 1966 beschrieben, die den Titel "VASCOMAX 200-250-300-350" trägt. Diese Broschüre gibt viele spezielle Zusammensetzungen von geeigneten Stählen an.

Maraging-Stähle (s. auch Ulimanns Encyklopädie der technischen Chemie, 1965» Bd. 16, S. 205) werden häufig durch VakuumschmeIzverfahren hergestellt, und sind als kommerzielle Stähle relativ frei von gelösten Gasen. Entwicklungsversuche haben gezeigt, daß die Gasgehalte von diesen Stählen akzeptabel sind für eine Verwendung in Lichtbogenelektroden in Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen. So, wie sie kommerziell gehandelt werden, können Miaraging-Stähle typischerweise eine Härte von etwa 30 Rockwell C und eine Streck-

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grenze (yield strength) von etwa 7OOO kg/cm (100 000 psi) haben, was etwa das 6-fache derjenigen von Kupfer ist. In diesem Zustand sind die Stähle trotzdem auf einfache Weise bearbeitbar, und zwar viel besser als Kupfer. Nach einer Verarbeitung, Formung und anderer Vorbereitung für einen Einbau in die erfindungs gemäßen Vorrichtungen können die Maraging-Stähle durch eine Hochtemperatur-Alterungsbehandlung gehärtet werden, wobei die dabei angewendete Temperatur und Zeit in angemessener Weise variiert werden können, um das nützliche Ergebnis zu erreichen. So besitzt beispielsweise ein typischer Maraging-Stahl mit einer Härte von

ρ 30 Rockwell C und einer Streckgrenze von 7000 kg/cm nach einer Wärmebehandlung bei 520 C für etwa 3 Stunden eine Härte von 54

ρ Rockwell C und eine Streckgrenze von mehr als 17 500 kg/cm (250 000 psi) mit einer bemerkenswert hohen Duktilität von mehr als 10 % bei einem 5 cm-(2 Zoll) Standard-Querschnitt. Derartige Charakteristiken sind in hervorragender Weise geeignet für die Bildung von Elektrodeneinheiten in Vakuum-Lichtbοgeneinrichtungen, da die Ausheiz- und Härtezeit derartiger Vorrichtungen ausreichend bemessen werden kann, um eine zweckmäßige Härtung eines Maraging-Stahls herbeizuführen. Auf diese Weise wurden beispielsweise erfindungsgemäße Vakuum-Vorrichtungen hergestellt unter Verwendung eines bestimmten Maraging-Stahls, der als Vascomax 300 CVM bekannt ist, um Lichtbogenelektrodenteile zu bilden, die die vorstehend genannten mechanischen Eigenschaften aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel wurde ein Vascomax 300 CVTi Maraging-Stahl mit einer Härte von 30 Rockwell C mechanisch bearbeitet, um Lichtbogen-Elektrodenteile der erfindungsgemäßen Vakuum-Bogenelektrodenvorrientungen herzustellen. Diese wurden zusammengesetzt und die Vorrichtung wurde .für 24 Stunden bei 55O°C gebrannt. Nach einer derartigen Behandlung zeigte der Stahl eine Härte von etwa ¹Il Rockwell C und eine entsprechende

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Streckgrenze von 10,5 χ 10 ^J kg/cm (150 000 psi), das ist wenigstens 10 mal mehr als von konventionell im Vakuum verarbeitetem OFHC-Kupfer, das im allgemeinen in derartigen Vorrichtungen verwendet wird, und eine Duktilität von mehr als 10 % . Wie vor-

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stehend bereits ausgeführt wurde, sind die erfindungsgemäßen Stähle für kurzzeitige Lichtbogeneigenschaften im Hinblick auf das Führen von Lichtbogenströmen vergleichbar mit Kupfer. Entwicklungsversuche von Vascomax 300-Stahl, der in hier beschriebener Weise benutzt wurde, haben ohne nachteiligen Effekt eine

ρ Fähigkeit zum Führen einer Stromdichte von etwa 225 Ampere/cm über seine Oberfläche für einen halben Zyklus der Lichtbogenbildung gezeigt. Dies ist gleich oder besser als der gleiche Wert, der von Kupferelektroden geführt werden kann. .

Andere gehärtete oder härtbare Stähle, aus denen eisenhaltige Lichtbogenelektroden für eine Verwendung in erfindungsgemäßen Vorrichtungen hergestellt sind, umfassen ausscheidungsgehärtete rostfreie Stähle, wie z.B. diejenigen, die auf den Seiten 81 und 83 des "1972 Materials Selector" beschrieben sind, der von "Materials Engineering Journal", Stamford, Connecticut, veröffentlicht wird. Derartige ausscheidungsgehärtete rostfreie Stähle, von denen keiner in bezug auf die hier erwünschten Eigenschaften hervorragend ist, enthalten üblicherweise wenig Kohlenstoff, viel Nickel und Chrom und kleinere Ausscheidungen anderer Elemente. Sie sind im allgemeinen hart, haben Streckgrenzen von mehr als 10,5 x 10 kg/cm (150 000 psi) und gewöhnlich von mehr als 14,1 χ 10^ kg/cm² (200 000 psi), sie sind leicht zu entgasen und haben eine Duktilität in der Größenordnung von 10 % Verlängerung bei einem Standardabschnitt von 5 cm (2 Zoll). Viele andere ausscheidungsgehärtete rostfreie, austenitische und martensitische Stähle können darin gefunden werden.

Ein spezieller ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl, der Eigenschaften besitzt, die/idealer Weise für eine Verwendung in erfindungsgemäßen Vorrichtungen geeignet sind, wird als "Carpenter Custom 5^4" bezeichnet und ist von der Carpenter Technology Corporation, Reading, Pennsylvania, U.S.A, erhältlich. Dieser Stahl enthält etwa 12 % Chrom, 8,5 % Nickel, 1,2 % Titan, 2,25 % Kupfer, weniger als 1 % von jeweils Kohlenstoff, Mangan

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und Columbium, der Rest ist Eisen. Seine Zugfestigkeit beträgt mehr als 15,8 χ ΙΟ³ kg/cm² (225 OOO psi), er ist leicht zu entgasen und hat eine große Duktilität, die sich durch eine 5 bis 10 %±ge Verlängerung in einem 5 cm (2 Zoll) lange Standard-Testabschnitt mit Standardquerschnitt darstellt.

Eine weitere Klasse hervorragend geeigneter gehärteter Eisenmaterialien oder Legierungen, die für eine Verwendung in erfindungsgemäßen Vorrichtungen gut geeignet sind, sind in sogenannten TRIP-Stähle (Transformation Induced Plasticity). Solche Stähle sind normalerweise austenitisch, aber ihre Zusammensetzung bringt sie in die Nähe der Phasenlinie, so daß eine Warmbearbeitung eine Transformation nach Martensit unter Beanspruchung, bei Arbeitstemperaturen führt. Eine Beschreibung der TRIP-Stähle ist in einem Artikel zu.finden, der im Vordruck Nr. -UCRL 18609 (Lawrence Radiation Laboratory), University of California, November I968, von W.W. Gerberich erscheint und den Titel "Metastable Austenitic Steels With Ultrahigh Strength and Toughness" hat. In diesem Zusammenhang wird auch auf TRANS. ASM 60, 252 (1967), "The Enhancement of Ductility in High Strength Steels" von Zackey und anderen verwiesen.

Im allgemeinen ist eine weitere Klasse eisenhaltiger Legierungsmaterialien, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, die der Kohlenstofflegierungsstähle. Diese Stähle unterscheiden sich von Maraging-Stählen und anderen härtbaren Stählen, die häufig durch Abschrecken von einer hohen Temperatur von mehr als 815⁰C (1500⁰F) weichgemacht und durch späteres Aussetzen auf Zwischentemperaturen in der Größenordnung von 480° bis 65O⁰C (900 bis 120O⁰P) gehärtet werden, die im angemessenen Rahmen den Brenntemperaturen der erfindungsgemäßen Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen gut entsprechen. Kohlenstofflegierungsstähle dagegen, die beispielsweise durch Vascojet

können. 1000 CPM kurz dargestellt werden/ die ein KohlenstoffIegierungs-

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stahl ist j der von der Vanadium Alloy Steel Co. Latrobe, Pennsylvania, U.S.A., erhältlich ist und etwa 0,40 % Kohlenstoff, 5,0 % Chrom, 3 % Molybdän,0,5 % Vanadium und den Rest Eisen enthält, werden durch Abschrecken von einer hohen Temperatur (982 bis 1038⁰C für Vascojet 1000)'gehärtet und später getempert, um die Härte leicht herabzusetzen und die Duktilität zu erhöhen, indem sie Zwischentemperaturen ausgesetzt werden, wie sie beim Ausheizen der erfindungsgemäßen Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen verwendet werden.

E]s sei jedoch bemerkt, daß Eisenmaterialien mit weitgehend unspezifizierten Charakteristiken auch schon vorher in Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen verwendet wurden. So ist in der US-Patentschrift 1 582 330, die 1919 angemeldet; 1926 herausgegeben wurde, die Verwendung von Nickelstahl unapezifizierter Härte, Duktilität und anderer Charakteristiken und der, wie dort angegeben ist, keine Gase emittiert, in einem überspannungsableiter beschrieben, wie beispielsweise als Punkenstreckenelektrode dafür. Diese Druckschrift legt keinerlei Bedeutung auf die Verwendung der besonders harten, duktilen höchst reinen und gS3freien Lichtbogen-Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung, denn der Stand der Technik im Jahre 1919 im Hinblick auf Vakuum war sehr unfertig und in keiner Weise bis zu dem Punkt fortgeschritten, der gegenwärtig'bei Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen wünschenswert ist. So ist beispielsweise ein Vakuum von 10 ^J Torr im Jahre 1919 für Vorrichtungen dieser Art nicht zu erhalten, In ähnlicher Weise besitzt der bekannte Nickelstahl eine unspezifizierte Härte und Duktilität und es kann nicht angenommen werden, wie es im folgenden noch näher beschrieben wird, daß er die hervorragenden Charakteristiken von Härte und Duktilität besaß, die mit der 'hervorragenden hohen dielektrischen Festigkeit und der großen Geschwindigkeit der Wiedererlangung der Durchbruchsfestigkeit von Vakuum-Lichtbogenelektroden gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden sind.

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Nicht alle Eisenmaterialien zeigen die gleichen Charakteristiken bei der Wiederkehr der Spannungsfestigkeit und der Geschwindigkeit der Wiederkehr der Spannungsfestigkeit, die gemäß, der vorliegenden Erfindung wesentlich sind, So ist in der US-Patentschrift 3 038 98O die verallgemeinerte Peststellung gemacht, daß "die Eigenschaft eines Metalls, die höchst vorherrschend zu sein scheint bei der Ermittlung der Spannung, bei der ein Überschlag zwischen Elektroden aus einem derartigen Metall auftritt, dessen Zugelastizitätsmodul ist, d. h. der Youngg's Modulus" ist. Oberflächlich mag es zwar scheinen, daß der Zugelastizitätsmodul mit der Härte und/oder Duktilität von Vorrichtungen gemäß der Erfindung in Zusammenhang steht, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Zugelastizitätsmodul ein Maß für die Zugfestigkeit des Materials innerhalb des elastischen Bereiches/und im allgemeinen dadurch erhalten wird, daß das Verhältnis von Beanspruchung zu Dehnung während der elastischen Deformation errechnet wird. Die Duktilität steht andererseits mit der plastischen Deformation in Zusammenhang, deren Charakteristiken vollständig anders sind. Der Zugelastizitätsmodul ist kein Maß für die Härte eines Materials. Darüber hinaus ist der Zugelastizitätsmodul im wesentlichen der gleiche für alle Eisen und Stähle, wogegen, was aus der im folgenden noch zu erläuternden Fig. 3 hervorgeht, die wiederkehrende Spannungsfestigkeit und die Geschwindigkeit, mit der die Spannungsfestigkeit wieder hergestellt wird, die kritisch sind für die Auswahl von Eisenmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung, wesentlich variieren unter Eisenmaterialien, die die Kriterien von Härte und Duktilität und Gasfreiheit erfüllen, wie es im folgenden noch beschrieben wird.

Die Wichtigkeit der Duktilität in Lichtbogenelektroden von erfindungsgemäßen Vakuum-Lichtbögenvorrichtungen kann nicht stark genug betont werden. Die enormen Schock- bzv/. Stoßbeanspruchungen, die durch die elektromagnetischen Kräfte aufgrund der Kiloampere führenden Lichtbögen hervorgerufen werden, können auch starke

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Lichtbogenelektrodenstrukturen deformleren. Wenn die Strukturen lediglich hart gemacht werden, können sie spröde sein und wenn sie beansprucht werden, können sie Risse bilden oder brechen. Die Vorteile der Erfindung werden nur erreicht, wenn das verwendete harte eisenhaltige Material genügend duktil ist, wie es hier festgelegt ist, um den Stoßkräften zu widerstehen und diese zu absorbieren, ohne deformiert oder zersprengt zu werden.

Für den Fachmann wird deutlich, daß mit der Eröffnung von Möglichkeiten für harte, duktile eisenhaltige Legierungen, wie z. B. ausscheidungsgehärtete Maraging-Stähle, TRIP-Stähle und Kohlenstoffstähle, deren kristalline Korngröße und andere metallurgische Eigenschaften bei Vergütungstemperaturen geändert werden können, die angemessenen Temperaturen für das Ausheizen von erfindungsgemäßen Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen entsprechen, daß somit die vorliegende Erfindung mit zahlreichen derartigen Stählen durchgeführt werden kann, von denen viele für die erhöhte Festigkeit, Härte und Duktilität sorgen, die wünschenswert sind und in Einklang stehen mit der Erzielung stabilerer Vakuum-Lichtbogenstrukturen, um ein größeres Strom führungsvermögen und eine größere dielektrische Festigkeit zu erreichen. Demzufolge liegt es durchaus im Rahmen des Durchschnittsfachmanns auf dem Gebiet der Metallurgie, die Lehren der vorliegenden Erfindung auf die Verwendung bei einer unbegrenzten Zahl von Eisenlegierungen anzuwenden, umvverbesserte Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen zu schaffen.

So wie die Begriffe "Härte", "hart" und ähnliche hier und in den Ansprüchen verwendet werden, sollen sie eine Zugfestigkeit von

■ζ ρ

mehr als 7 x 10 kg/cm (100 000 psi) und vorzugsweise mehr als

10,5 x 10³ kg/cm² (150 000 psi) bedeuten. Weiterhin sollen die Begriffe "große Duktilität","duktil" und ähnliche, wie sie hier verwendet werden, eine Duktilität bedeuten, die eine prozentuale Verlängerung einer üblichen 5 cm (2 Zoll) langen Probe mit

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Standardquerschnitt von wenigstens 5 % und vorzugsweise 10 % zeigt. Alle Prozentangaben der Zusammensetzungen sind in Gew.-# ausgedrückt.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäß aufgebauten Vakuumschalter. In dieser Figur sind gleiche Elemente wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszahlen versehen. In Figur 2 enthält wie in Figur 1 eine Umhüllung 11 eines Vakuumschalters 50 obere und untere Endplatten 13 bzw. Ik, die durch einen zylindrischen isolierenden Endwandteil 12 getrennt sind. Zwei Lichtbogen-Elektrodenteile 17 und 18, die dazwischen eine Funeknstrecke 16 bilden, sind auf entsprechende Weise von den Endwandteilen 13 und 14 durch Elektrodenhalterungen 19 bzw. 20 getragen. Diese Halterungen 19 und 20 sind beide aus einem kupfernen Innenkern 21 bzw. 23 gebildet, die von einem eisernen Verkleidungsteil 22 bzw. 2h umgeben sein können. Die kupfernen Kernteile 21 und 23 sind elektrisch und mechanisch mit einer einen kleinen Widerstand aufweisenden Verbindung an den Elektroden 17 bzw. 18 befestigt. Ein beispielsweise aus einer Rupfer-Wismuth- oder Kupfer-Beryllium-Legierung bestehender Lichtbogenknopf 30 ist in die Lichtbogenelektrode 18 eingesetzt, vorwiegend um ein Verschweißen zwischen den ausgleichen Materialien bestehenden Lichtbogenelektroden 17 und 18 zu verhindern. Der in der Lichtbogenelektrode 18 vorhandene "Knopf" mit geringem Dampfdruck verschlechtert nicht die dielektrische Wiederkehrfestigkeit oder die Durchbruchsfestigkeit, die durch die eisernen Elektroden in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen erhalten werden. In Anbetracht der bekannten elektromagnetischen Tendenz eines Lichtbogens zwischen zwei Elektroden, sich seitlich auszubreiten und die Ränder oder Ecken davon zu suchen, wird der Lichtbogen wegen der kleinen Größe des Knopfes 30 und seiner zentralen Lage schnell von dem zentralen Knopf weg bewegt, so daß dessen Vorhandensein praktisch keinen Einfluß hat auf die Wiedererlangung der Spannungsfestigkeit und die Geschwindigkeit der Wiedererlangung bei den erfindungsgeniäß auf-

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gebauten Vorrichtungen.

Der Elektrodenhalterungsteil 20 ist hin- und herbewegbar, um von einer ersten Position, in der er mit der feststehenden Elektrode 17 in Kontakt ist, in eine offene Position gebracht zu werden in der er von der Elektrode 17 durch die Funkenstrecke l6 getrennt ist. Die Hin- und Herbewegung des Halterungsteiles 20 wird durch einen Faltenbalg 40 erreicht, der an seinem Ende durch einen Flansch 4l mit dem Außenteil der unteren Endwand 14 und an seinem anderen Ende durch einen Flansch 42 befestigt ist, der an der Oberfläche des hin- und herbewegbaren Halterungsteiles 20 angebracht ist. Der Faltenbalg 40 bildet eine hermetische Dichtung mit dem Endwandteil 14 und der Halterung 20, um auf diese Weise Mittel zum Trennen der Lichtbogenelektroden 17 und 18 zu schaffen, während gleichzeitig das notwendige große Vakuum in der Schalterumhüllung 11 aufrechterhalten bleibt. Ein auf gleichem Potential liegendes, Starkstrom führendes Band aus einem flexiblen geflochtenen Leiter, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, sorgt für eine gute elektrische Verbindung zwischen der hin- und herbewegbaren Halterung 20 und der Endwand 14. Das Band ist auf geeignete Weise an diesen Teilen angebracht.

Im Betrieb wird der Vakuumschalter 20 in einen Stromkreis mit einem zu schützenden Schaltungselement gebracht, beispielsweise einem Transformator oder einem Motor. Normalerweise wird er in einen Stromleitungspfad gebracht mittels eines Verbindungsstückes 44 auf der Elektrodenhalterung 19 und einer ähnlichen Verbindung (nicht gezeigt) auf der Halterung 20 oder alternativ auf einer auf dem unteren Endwandteil 14 befestigten Vorrichtung. Die stationäre Leitung von elektrischem Strom erfolgt im wesentlichen über die Kupferkerne 21 und 23 der Halterungsteile 19 und 20, wobei eine minimale Leitungspfadlänge über Eisenmaterial der Lichtbogenelektroden 17 und 18 erfolgt. Somit werden die gewünschten elektrischen Leitungscharakteristiken von Kupfer oder Kupfermaterialien zusammen mit der vorteilhaften Wiedererlangung

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der dielektrischen Spannungs festigkeit der eisernen Elektrodenmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt. Beim Auftreten eines Spannungs- oder Stromfehlers, der die Trennung der Liehfcbogenelektroden zum Schutz des zugehörigen Stromkreises oder der Schaltungselemente erfordert, betätigt ein den Fehler anzeigendes Signal einen üblichen Schalterbetätigungsmechanismus (nicht gezeigt), damit die Elektrodenhalterung 20 nach unten bewegt wird, wodurch die Elektrode 18 aus ihrem Kontakt mit der feststehenden Elektrode 17 gelöst und die Zündung eines Starkstrom-Lichtbogens dazwischen eingeleitet wird. Anschließend sind die Stromleitung über den Starkstrom-Lichtbogen und dessen Löschung im wesentlichen die gleichen wie bei der Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten triggerbaren Vakuum-Lichtbogenvorrichtung. Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 kann zur Bildung eines triggerbaren Schalters abgewandelt werden,· indem eine Triggerelektrode bei einer primären Lichtbogenelektrode hinzugefügt wird, wie es in Fig. i geschehen ist. Eine derartige Vorrichtung befindet sich normalerweise in einer offenen Position und wird getriggert, um einen Lichtbogen zu zünden.

Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, besteht ein noch weiterer unerwarteter Vorteil von erfindungsgemäßen Vorrichtungen in einer hervorragenden dielektrischen Wiedererlangung der Spannungsfestigkeit von eisernen Lichtbogenelektroden aus den duktilen, härtbaren Stäben, die bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet werden. Fig. 3 zeigt eine typische grafische Darstellung der Wiedererlangung der Festigkeit in Volt, aufgetragen als eine Funktion der Zeit nach dem überschlagen gasfreier Lichtbogenelektroden einer spezifischen Konfiguration nach einem Stromimpuls von 250 Ampere, die bei Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen und somit auch den erfindungsgemäßen verwendet werden, die aus unterschiedlichen Elektrodenmaterialien hergestellt und unter identischen Versuchsbedingungen getestet werden. In jedem Fall beginnt die Spannung in Kilovolt zwischen den Elektroden von einem Nullwert und steigt bis zu einem Durchschlagswert an, wobei der Mittelwert im allgemeinen als die "Wieder-

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kehrfestigkeit" bezeichnet wird. Somit sind zwei wichtige Charakteristiken vorhanden. Erstens die Geschwindigkeit der Wiederkehr in Kilovolt pro Mikrosekunden und die Wiederkehrfestigkeit in Kilovolt (kV). In Fig. 3 stellt die Kurve A die Wiederkehrdichtheit für Kupferelektroden dar. Die Kurve B stellt die Wiederkehrfestigkeit für BeryHiumelektroden dar. Die Kurve C zeigt die Wiederkehrfestigkeit für Elektroden, die aus zwei unterschiedlichen Stählen hergestellt sind, die für die gehärteten duktilen Stähle gemäß der vorliegenden Erfindung typisch sind. Beide haben im wesentlichen die gleiche Wiederkehrcharakteristiken der Spannungsfestigkeit. Diese Stähle sind VASCOMAX 200 und VASCOJET 1000. Kurve D stellt die Wiederkehrfestigkeit von rostfreiem Stahl Typ 304 dar, einen leicht verfügbaren, üblicherweise verwendeten rostfreien Stahl, der häufig als Mantelmaterialien und andere Instrumentalien in Schaltern und ähnlichen Vorrichtungen gefunden wird.

Wie bereits ausgeführt wurde, sind nicht alle Eisenmaterialien für Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet. So zeigt die Kurve D, die die Wiedererlangung der elektrischen Festigkeit eines rostfreien Stahls des Typs 304 (eine Bezeichnung des American Iron and Steel Institute für einen Stahl, der im wesentlichen 18/20 % Chrom und 8/12 % Nickel enthält) darstellt, eine Wiederkehrgeschwindigkeit von etwa 8 bis 10 kV pro Mikrosekunde im Vergleich zu der Wiederkehrgeschwindigkeit von etwa 15 kV pro Mikrosekunde der Kurve C und erreicht einen Sättigungswert bei etwa 70 kV. Kupfer zeigt andererseits sowohl eine langsamere Wiederkehr der Festigkeit als diejenige der Stähle gemäß der vorliegenden Erfindung und erreicht eine Sättigung bei einem sehr niedrigen Spannungswert, nämlich bei 37 kV. In der deutsehen Patentanmeldung P 23 08 913.6 wurde zwar angegeben, daß Kupfer elektroden im wesentlichen die gleiche Wiederkehrgeschwindigkeit wie harte, duktile Stähle aufweisen, später haben jedoch genauere Versuchsergebnisse den hier be-

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schriebenen zusätzlichen Vorteil ergeben, daß die harten, duktilen Stahlelektroden einen besseren Wert ergeben. Beryllium, das zwar eine sehr schnelle Wiedererlangung der Festigkeit zeigt, ist gegenüber erfindungsgemäßen Stählen schlechter, da es bei etwa 60 kV einen Sättigungswert erreicht.

Somit wird aus einer Betrachtung der Kurven gemäß Fig. 3 deutlich, daß die Elektroden, die aus harten, duktilen, gasfreien Stählen gemäß der Erfindung hergestellt sind, zu Vorrichtungen gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen führen, die wesentlich besser als diejenigen sind, in denen Kupfer verwendet ist, da die Geschwindigkeit der Wiederkehr der Spannungsfestigkeit größer ist und der Sättigungswert der Spannung, der standgehalten wird, nahezu dreimal so groß ist. Ein üblicher rostfreier Stahl der vorstehenden Spezifikation zeigt sowohl eine kleinere Wiederkehrgeschwindigkeit der Spannungsfestigkeit als auch einer. Sättigungswert, der etwa 60 % desjenigen von Stahl-Eisen-Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Es wird deshalb deutlich, daß in der Verwendung von gehärteten, duktilen, gasfreien Eisenmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung ein großer Nutzen gefunden werden kann bei der Fertigung von Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen.

Somit ist klar herausgestellt, daß die hervorragenden Vorteile, die bei Elektroden aus harten, duktilen, gasfreien Eisenmaterialien, wie sie vorstehend beschrieben wurden, gefunden werden, nicht charakteristisch sind für Elektroden aus Eisenmaterialien per se, insbesondere legierte Stähle, wie Nickelstähle, wobei beispielsweise auf die schlechtere Leistungsfähigkeit von Elektroden aus rostfreiem Stahl des Typs 304 verwiesen wird, der etwa 18 % Chrom, 8 % Nickel und den Rest Eisen enthält. Alle Elektroden, deren Charakteristiken in Fig. 3 grafisch dargestellt sind, waren in ähnlicher Weise gasfrei, so daß zwar die Vorrichtungen gemäß der Erfindung Elektroden enthalten müssen, die dem vorste hend beschriebenen Kriterium der Gasfreiheit genügen, daß aber die weniger als normale Leistungsfähigkeit der Elektroden aus rostfreiem Stahl des Typs 304, die ebenfalls in Fig. ^3 darge-

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stellt ist, nicht der besseren oder schlechteren ßasfreiheit zuzuschreiben ist. VieL^mehr stehen, wie vorstehend ausgeführt
wurde, die hervorragenden Vorteile der Elektroden gemäß der Erfindung und der Vorrichtungen, die diese Elektroden verwenden,
mit der einzigartigen Kombination von Härte und Duktilität in Beziehung, die bei härtbaren Stählen gefunden werden, wie beispielsweise Maraging-Stähle (maraging ist eine englische Zusammensetzung aus "martensite" und "aging", s. auch Ullmanns
Encyklopädie der technischen Chemie, 1965, Band l6, Seite 205), TRIP-Stähle (transformation induced plasticity), Kohlenstofflegierungsstähle und ausscheidungsgehärtete Stähle. In ähnlicher Weise haben alle Stähle, die in Elektroden gemäß der Erfindung
verwendet werden, einen signifikanten Anteil von Verunreinigungen, die es deren Kornstruktur ermöglichen, für die geeignete
Härtung unter den bestimmten charakteristischen und manipulierenden Verfahren empfänglich zu sein, durchjdie die Härtung der besonderen Stähle erfolgt, die in Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Im allgemeinen sind auch neben den bisher beschriebenen Stählen andere im Vakuum vergütete Stähle, die Nickel, Chrom und häufig Titan und andere ähnliche Umwandlungsmetalle enthalten, genügend hart und duktil und können auf einfache Weise ausreichend gasfrei gemacht werden, um die höchst erstrebenswerten Härtungscharakteristiken zu besitzen, die Vorrichtungen mit derartigen Eisenelektroden gemäß der vorliegenden Erfindung optimieren.

Erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtungen sind wiederholt eingesetzt worden, im Leerlauf einer Spannung von 100 000 V standzuhalten. Erfindungsgemäße Sehaltvorrichtungen führten im geschlossenen Zustand routinemäßig Spitzenströme von 33 000 A. Dieser
Strom wurde erfolgreich unterbrochen, indem ein Lichtbogen gezogen wurde, der einen Spannungsabfall von etwa 50 V aufwies un-d der beim ersten auftretenden Nulldurchgang gelöscht wurde, ohne daß bemerkbare nachteilige Auswirkungen auf die Lichtbogenelektroden entstanden. Ein derartiger Lichtbogen wurde gelöscht und die angelegte Spannung führte zu keiner Rückzündung bei der
nächsten Spannungshalbwelle.

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Claims (14)

1. Ansprüche

   l.J Vakuum- Lichtbogen vorrichtung zum Führen von Starkströmen in einem Betriebszustand und zum Standhalten von hohen Spannungen in einem anderen Betriebszustand, gekenn*zeichnet durch

   a) ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse, das auf einen Druck von 10 ** Torr oder weniger evakuiert ist,

   b) ein Paar Liehtbogen-Elektrodenvorrichtungen, die in dem Gehäusejangeordnet sind und dazwischen eine Funkenstrecke bilden und zum Führen eines Starkstrom-Lichtbogens geeignet sind, der durch leitende Materie aus den Elektroden unterhalten wird,

   c) wobei die Elektrodenvorrichtungen aus Eisenmaterial hergestellt sind, das eine Rockwell C-Härte von wenigstens 30,

   ■τ ο eine Streckgrenze von wenigstens 7 x 10 kg/cm (100 000 psi) und eine Duktilität, die einer Dehnung von wenigstens 5 % bei einer standardisierten 5 cm (2 Zoll) langen Probe mit üblichem Querschnitt beim Duktilitätstest entspricht, aufweist und im wesentlichen frei ist von absorbierten Gasen und gasbildenden Verunreinigungen, so daß Lichtbogen-

   2
   Stromdichten von etwa 200 A/cm für eine Halbwelle einer Wechselspannung ohne Emission einer wesentlichen Menge von gasförmigem Material standgehalten wird, die für die Aufrechterhaltung eines kleinen Druckes nach einer Lichtbogenbildung nachteilig wäre,

   d) Abschirmmittel, die die Lihtbogen-Elektrodenteile umgeben und die Lichtbogenteilchen auf den -Innenraum begrenzen und

   e) Mittel zum Verbinden den Lichtbogen-Elektrodenvorrichtungen mit einer elektrischen Last.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jede der eisernen Elektrodenvorrichtungen, aus einem Vakuum-geschmolzenen Stahl hergestellt ist.

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3. 3. "Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die eisernen Elektrodenvorrichtungen aus gehärtetem Stahl hergestellt sind, der eine Rockwell C-Härte von mehr als 40, eine Streckgrenze von mehr

   ■χ 2

   als etwa 10,5 χ 10^ kg/cm und eine Duktilität aufweist, die einer Elongation von wenigstens etwa 10 % einer 5 cm langen Versuchsprobe mit Standard-Querschnitt entspricht.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die eisernen Elektrodenvorrichtungen aus alterungsgehärtetem Stahl hergestellt sind, dessen Härte und Streckgrenze während des Ausheizens im Vakuum zunimmt.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Eisenmaterial ausscheidungsgehärtet ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausheiztemperaturen etwa zwischen 480 und 65Ο ⁰C liegen und für 5 bis 24 Stunden angewendet sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Eisenmaterial ein Stahl mit durch Transformation hervorgerufener Verformbarkeit (transformation induced plasticity) ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Eisenmaterial ein temperaturgehärteter Maraging-Stahl ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß- das Eisenmaterial ein temperaturgehärteter Kohlenstofflegierungsstahl mit 0,2 bis 0,6 Gew.-? Kohlenstoff ist.

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10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ferner eine Einrichtung zur Herstellung eines Lichtbogens zwischen den Lichtbogen-Elektrodenvorrichtungen durch Bildung eines Elektronen-Ionen-Plasmas vorgesehen ist.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine triggerbare Vakuum-Funkenvorrichtung ist und die Einrichtung zur Zufuhr eines Elektronen-Ionen-Plasmas eine Triggerelektrodenvorrichtung ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß sie ein Vakuumschalter ist und die Lichtbogen-Elektroden jeweils auf einem elektrisch sehr leitfähigen Halterungsteil getragen sind, der an der eisernen Lichtbogen-Elektrode unter Bildung eines Kontaktes mit kleinem ohmschem Widerstand befestigt ist.
13. 13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrodenhalterungsteile von einem Mantel bzw. einer Abschirmung aus hartem_; duktilem Eisenmaterial umgeben sind.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet , daß die eisernen Vorrichtungen aus einem mit Wärme behandelbaren Stahl hergestellt sind, dessen Duktilität während des Ausheizens im Vakuum zunimmt, das bei der Herstellung von Vakuum-Lichtbogenvorrichtungen bei Temperaturen von etwa 500 bis 6 00 ⁰C angewendet wird.

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