DE2612129B2

DE2612129B2 - Vakuumleistungsschalter sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2612129B2
Application number: DE2612129A
Authority: DE
Inventors: Shinzo Tokio Sakuma
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1975-03-22
Filing date: 1976-03-22
Publication date: 1978-11-23
Also published as: US4077114A; DE2612129A1; DE2659871B2; SU1080765A3; SU938756A3; DE2659871A1; DE2612129C3; CA1044738A; GB1504666A

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumleistungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Ein derartiger Vakuumleistungsschalter ist aus der US-PS 35 90 184 bekannt.

Beim Zusammenbau des bekannten Vakuumleistungsschalters wird die Endplatte, an der der stationäre Elektrodenstab befestigt ist, mittels eines bei 1025°C und darüber schmelzenden Hartlotes an der Isolierumhüllung befestigt. Die andere Endplatte, welche den beweglichen Elektrodenstab umgibt, wird durch Schweißen oder durch Löten mit der Isolierumhüllung befestigt. Der Balg wird mit seinem einen Ende an dieser Endplatte durch Schweißen oder Löten befestigt und mit dem beweglichen Elektrodenstab durch Schweißen befestigt. Man kann dahsr davon ausgehen, daß zum Zusammenbau der Bauteile des bekannten Vakuumleistungsschalters mehrere Schritte notwendig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Vakuumleistungsschalter und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei denen sämtliche Bauteile des Vakuumleistungsschalters, d. h. die Endplatten, die Isolierumhüllung, die Elektroden und der Balg in einem einzigen Verfahrensschritt durch Verlöten miteinander verbunden werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nach Zusammenbau der zu verlötenden Bauteile des Vakuumleistungsschalters kann in vorteilhafter Weise das zwischen den Bauteilen befindliche Lötmaterial bei einem Druck von weniger als 0,13 m Pa bis 1,3 m Pa auf 950⁰C bis etwa 1000⁰C erhitzt werden, wobei alle Bauteile miteinander verbunden werden.

Bei der Erfindung erweist es sich als vorteilhaft, daß das Cu- oder Au-Lötmaterial in feinverteilter Form und ungleichmäßig in das Kristallgefüge der zu verbindenden Bauteile eindringt, wodurch eine für das Verlöten vorteilhafte Diffusionsschicht gebildet wird. Eine Ni-Plattierung auf den zu verbindenden Bauteilen ist daher to nicht notwendig. Selbst wenn eine mechanische Spannung auf das Material der zu verbindenden Bauteile ausgeübt wird, erscheinen keine Risse. Insofern gewinnt man einen Vakuumleistungsschalter mit verringertem Herstellungsaufwand, der eine hohe mechanib5 sehe Festigkeit und zuverlässige Vakuumabdichtung aufweist.

Es wurde die Rißbildung in verschiedenen Grundmaterialien, welche ohne vorherige Metallisierung oder

Metallplattierung mit Hilfe von Ag-Cu- und Au-Lötmaterial verlötet worden sind, untersucht Die Löttemperatur wurde dabei in Abhängigkeit vom Lötmaterial und dem Grundmaterial festgesetzt Das Material wurde einer mechanischen Spannung unterworfen. Die Ergeb-

Tabelle

nisse sind aus der folgenden Tabelle zu entnehmen, wobei die Markierung »O« unverändert, die Markierung » « das Auftreten von Rissen bzw. Sprüngen und die Markierung »Δ« das Auftreten von vernachlässigbaren Sprüngen bedeuten.

Lötmaterial

Grundmaterial

Fe-Ni-Co-Legierung

Fe-Ni-Legierung

Fe-Cr-Legierung

Cu

Ag-Lötmaterial	X	X	X	Δ	O
Cu-Lötmaterial	O	O	O	O	O
Au-Lötmaterial	O	O	O	O	O

Vorteilhaft ist noch, daß eine Nickelplattierung der zu verlötenden Stellen der Bauteile nicht notwendig ist und ein nachträgliches Evakuieren, wie rran es beim Wasserstofflöten braucht, überflüssig istin den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt Anhand dieser Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel,

Fig.2 in teilweise geschnittener Ansicht eine stationäre Elektrode, welche von einem stationären Elektrodenstab getragen wird, und welche beim Ausführungsbeispiel in der F i g. 1 Verwendung finden kann,

F i g. 3 die vorläufige Anordnung der einzelnen Bauteile des Vakuumleistungsschalters der F i g. 1 vor deren Verlötung und

Fig.4 Löttemperaturbereiche der Bauteile, aus denen der Vakuumleistungsschalter gemäß der Erfindung hergestellt ist

Die Fig. 1 zeigt einen Vakuumleistungsschalter mit einer zylindrischen Isolierumhüllung 10 und scheibenförmigen Endplatten 14 und 16. Die zylindrische Isolierumhüllung 10 ist luftdicht an ihren axialen Enden mit den Endplatten 14 und 16 befestigt. Metallisierte Teile 12, welche aus einem derart dicken Metall bestehen, das für die Durchführung einer vakuumdichten Verlötung geeignet ist, sind an den beiden axialen Enden der zylindrischen Isolierumhüllung angeformt. Am Umfang der oberen Endplatte 14 ist ein Befestigungsring 15 angeformt, der aus einem senkrecht zur übrigen Oberfläche der oberen Endplatte gebogenen Teil 15a und einem weiteren horizontal abgebogenen Teil 156 besteht Ein als Hartlot ausgebildetes Lötmaterial 50 aus einer silberfreien Cu oder Au enthaltenden Legierung ist zwischen dem Befestigungsring 15 und dem metallisierten Teil 12 am oberen axialen Ende der zylindrischen Isolierumüllung 10 angeordnet. Am Umfang der unteren Endplatte 16 ist ebenfalls ein Befestigungsring 17 vorgesehen. Dieser Befestigungsring besteht aus einem senkrecht zur übrigen Oberfläche der unteren Endplatte 16 abgebogenen Teil 17a und aus einem horizontal abgebogenen Teil 176, wodurch während des Betriebes auftretende mechanische Span- ι nungen ausgeglichen werden können. Das Lötmaterial 50 ist zwischen dem Befestigungsring 17 und dem metallisierten Teil 12, welcher am unteren axialen Ende der zylindrischen Isolierumhüllung 10 angeformt ist, vorgesehen. Die obere Endplatte 14 ist mit einer t mittleren öffnung 19 versehen, durch welche ein stationärer Elektrodenstab 70 sich in axialer Richtung erstreckt.

An seinem freien Ende weist der stationäre Elektrodenstab eine stationäre Elektrode 28 auf, weiche mit Hilfe des Lötmaterials 50 befestigt ist Der

2(i stationäre Elektrodenstab 20 besitzt einen außerhalb der Isolierumhüllung 10 liegenden Stabteil 21 und einen innerhalb der Isolierumhüllung 10 liegenden Stabteil 23, dessen Radius geringer ist als der Radius des Stabteils 21. Das Lötmaterial 50 ist um die mittlere öffnung 19

r> der oberen Endplatte 14 an einer umlaufenden Schulter 21a zwischen den Stabteilen 21 und 23; des stationären Elektrodenstabes angeordnet. Die Verbindung zwischen dem stationären Elektrodenstab 20 und der stationären Elektrode 28 ist in der F i g. 2 dargestellt.

κι Das freie Ende des Stabteils 23 ist mit einem Paar von Vorsprüngen 23a versehen. Diese Vorsprünge sind gegenüber der Oberfläche der stationären Elektrode 28 schräg angeordnet und ragen in eine ringförmige Nut 28a in dieser Oberfläche. Mit Hilfe des Lötmaterials 50

r. ist die stationäre Elektrode am stationären Elektrodenstab befestigt. Die Form der Vorsprünge 23a ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Es können auch mehrere Vorsprünge vorgesehen sein, oder es kann ein Vorsprung in Form eines kegelförmi-

4» gen Saumes vorgesehen sein. Durch den Vorsprung bzw. die Vorsprünge kann die Elektrode 28 am Elektrodenstab 20 schon vor dem Löten angeordnet werden. Die Endplatte 16 ist ebenfalls mit einer mittleren Öffnung 18 ausgestattet, durch die ein

4> beweglicher Elektrodenstab 24 ragt. Dieser erstreckt sich in axialer Richtung in das Schalterinnere. Der bewegliche Elektrodenstab 24 ist zum stationären Elektrodenstab 20 gleichachsig angeordnet und besitzt am freien Ende eine Elektrode 26. Der bewegliche

•w Elektrodenstab 24 besitzt einen im Inneren der Isolierumhüllung liegenden Stabtei! 25 mit einem Stabendteil 25a und einem verdickten Stabteil 256, dessen Radius größer als der Radius des Stabendteils 25a ist.

;■> Ferner weist der bewegliche Elektrodenstab einen außerhalb der Isolierumhüllung liegenden Stabteil 27 auf. Die Elektrode 26 ist am Stabendtei! 25a mit Hilfe eines Lötmaterials 50 befestigt. Der bewegliche Elektrodenstab 24 kann durch einen nicht näher

(i dargestellten Steuermechanismus in axialer Richtung auf den stationären Elektrodenstab 20 zu und von diesem weg bewegt werden, so daß zwischen den Elektroden 26 und 28 ein elektrischer Kontakt hergestellt und wieder unterbrochen werden kann. Die

j mittlere öffnung 18 in der Endplatte 16 ist mit Hilfe eines metallischen Balges 22 abgedichtet. Dazu ist ein unteres Ende 22b des Balges 22 in einer Ausnehmung 16a in der unteren EndDlatte 16 mit Hilfe des

Lötmaterials 50 und ein oberes Ende 22a des Balges 22 ist am verdickten Stabteil 25 des beweglichen Elektrodenstabes 24 mit Hilfe des Lötmaterials 50 befestigt. Ein Lichtbogenabschirmelement 30 ist an der Endplatte 16, durch die der bewegliche Elektrodenstab 24 hindurchgeführt ist, befestigt. Auf diese Weise können nachteilige Einflüsse durch das Lichtbogenplasma, das zwischen den Elektroden 26 und 28 beim Auseinanderbewegen der Elektrodenstäbe 20 und 24 entsteht, vermieden werden. Ein Ende 30a des Lichtbogenabschirmelementes 30 ist mit einem stufenförmigen Teil 166 in die Endplatte 16 mit Hilfe des Lötmaterials 50 verbunden.

Die Isolierumhüllung 10 besteht aus Keramik, deren Hauptkomponente AI2O3 ist und deren restliche Komponente ein Glasmaterial aus beispielsweise MnO, MgO, S1O2 ist. Der Löttemperaturbereich liegt zwischen 600⁰C und etwa 1000⁰C, wie das in der Fig.4 angegeben ist. Die metallisierten Teile 12, welche an den axialen Enden der Isolierumhüllung 10 vorgesehen sind, bestehen aus einer Metallegierung, welche dadurch gewonnen wird, daß man Mo oder Mn einem Metall, wie beispielsweise Ti, zufügt. Die Endplatten 14 und 16 bestehen aus einer Fe-Ni-Legierung oder einer Fe-Ni-Co-Legierung, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen der gleiche ist wie der der Isolierumhüllung 10 (insbesondere ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fe-Ni-Legierung bzw. der Fe-Ni-Co-Legierung 12,5 χ 10"⁶/°C und der der Keramik 8,6 χ 10-°/°C). Der Löttemperaturbereich liegt zwischen 600⁰C und etwa 1200⁰C, wie es in F i g. 4(a) angegeben ist. Der stationäre Elektrodenstab 20 und der bewegliche Elektrodenstab 24 bestehen aus Cu und besitzen eine Löttemperatur zwischen 600⁰C und etwa 1000⁰C, wie das in Fig.4(d) angegeben ist. Das Lichtbogenabschirmelement 30 kann aus einem der folgenden Materialien bestehen: Fe, Ni, Fe-Ni-Legierung, Fe-Cr-Legierung oder Keramik. Lediglich für ein Ausführungsbeispiel einer Fe-Ni-Legierung, deren Vakuumlöttemperatur zwischen 600°C und etwa 1200⁰C liegt, ist für das Lichtbogenabschirmelement 30 in der F i g. 4(g) dargestellt. Der Balg 22 besteht aus Fe-Cr-Legierung, deren Vakuumlöttemperatur zwischen 900⁰C und etwa 1200⁰C liegt, wie das in Fig.4(c) dargestellt ist. Die Elektroden 26 und 28 bestehen aus einer Cu-Legiemng, deren Vakuumlöttemperatur zwischen 600⁰C und etwa 1000⁰C liegt, wie das in Fig.4(e) dargestellt ist.

Für die Verwendung als Hartlot zum vakuumdichten Verbinden der Bauteile eignet sich eine silberfreie Cu- oder Au- Legierung. Beispiele derartiger Legierungen sind 80Au-20Cu, 53 Cu-38 Mn-9 Ni und 82 Au —18Ni. Es eignet sich somit als Lötmaterial in bevorzugter Weise eine Legierung, die Cu oder Au

sowie Mn und/oder Ni aufweist.

Unter Berücksichtigung des Löttemperaturbereiches ist es notwendig, daß sich die Löttemperaturbereiche der einzelnen Bauteile überlappen, wenn alle Bauteile des Vakuumleistungsschalters während eines einzigen Lötvorganges miteinander verlötet werden sollen. Der überlappende Bereich liegt bei Löttemperaturen im Bereich von 900⁰C bis 1000⁰C. In der Praxis ist es jedoch notwendig, daß man für das vakuumdichte Verlöten zum niedrigsten Wert (900⁰C) des vorstehenden Löttemperaturbereiches etwa 50⁰C hinzuaddiert, so daß sich in der Praxis ein Löttemperaturbereich zwischen 950⁰C und 1000°C ergibt. Dieser ist durch die schraffierte Fläche »f/« in der F i g. 4 dargestellt.

Die Herstellung des Vakuumleistungsschalters, insbesondere des dargestellten ersten Ausführungsbcispiclcs, soll nun in Verbindung der F i g. 1 bis 3 noch näher erläutert werden. In der Fig. 3 ist hierzu das Vakuumlötmaterial 50 nicht dargestellt.

Wie aus der Fig. 3 zu entnehmen ist, wird der Vakuumleistungsschalter in folgenden Verfahrensschritten hergestellt. Es werden die Endplatten 14 und 16 an den axialen Enden der Isolierumhüllung 10 vorgesehen, wobei zur Befestigung dieser Endplatten das Lötmaterial 50 dient. Der Balg 22 wird am mittleren Teil der unteren Endplatte 16 angeordnet, wobei zur Befestigung das Lötmaterial 50 dient. Der bewegliche Elektrodenstab 24 ist mit dem oberen Ende des Balges 22 verbunden, wobei hierzu ebenfalls das Lötmaterial 50 dient und wird von dem Balg gestützt. Die Elektrode 26 ist am freien Ende des beweglichen Elektrodenstabes 24 befestigt, wozu ebenfalls das Lötmaterial 50 dient. Der stationäre Elektrodenstab 20 ist durch die öffnung 19 in der Endplatte 14 und durch das Lötmaterial 50 hindurchgesteckt. Das freie Ende des stationären Elektrodenstabes 20 trägt die stationäre Elektrode 28, wobei das Lötmaterial 50 zur Befestigung dient. Das Lichtbogenabschirmelement 30 ist an der Endplatte 16 mit Hilfe des Lötmaterials 50 befestigt. Es werden noch die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt: Das Lötmaterial 50, welches zwischen die zusammenzubauenden Bauteile eingebracht wird, wird auf eine Löttemperatur zwischen 950⁰C und 1000⁰C erhitzt, während auf einen Druck von niedriger als 0,13 bis 1,3 mPa evakuiert wird. Auf diese Weise werden Gase, welche bei der Erhitzung der Bauteile sich entwickeln, aus dem Vakuumleistungsschalter herausbefördert. Wenn das Lötmaterial, das zwischen den einzelnen Bauteilen sich befindet bzw. zum Verbinden der einzelnen Bauteile vorhanden ist, geschmolzen ist und wieder verfestigt ist, ergibt sich eine sichere und vakuumdichte Verbindung der Bauteile des Vakuumleistungsschalters.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vakuumleistungsschalter mit einer im wesentlichen zylindrischen Isolierumhüllung aus Keramik und scheibenförmigen Endplatten, die zumindest teilweise aus einer Fe-Ni- oder Fe-Ni-Co-Legierung bestehen und im wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie die Isolierumhüllung, und welche an den axialen, mit einer Metallisierung versehenen Enden der zylindrischen Isolierumhüllung durch Hartlötungen vakuumdicht befestigt sind, einem stationären, sich durch eine der Endplatten in die Isolierumhüllung erstrekkenden, aus Cu bestehenden Elektrodenstab, der mit einer Cu enthaltenden Elektrode durch eine Lötung verbunden ist, und einem durch die andere Endplatte sich erstreckenden, mit dem stationären Elektrodenstab gleichachsigen beweglichen, aus Cu bestehenden Elektrodenstab, der mit einer Cu enthaltenden Elektrode durch Lötung verbunden ist und der in Richtung auf die stationäre Elektrode und von dieser weg bewegbar ist und mit einem Balg aus einer Fe enthaltenden Legierung, dessen eines Ende mit dem beweglichen Elektrodenstab durch eine metallische Schmelzverbindung und dessen anderes Ende mit der anderen Endplatte durch Hartlötung vakuumdicht verbunden ist und mit einem bei annähernd 1000⁰C schmelzenden Hartlot aus einer Cu und Au enthaltenden silberfreien Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß alle Metallschmelzverbindungen als Hartlötverbindungen ausgeführt sind und als Hartlot eine Cu- oder eine Au-Legierung mit einem Löttemperaturbereich zwischen 950 und 1000° C verwendet ist und die stationäre und die bewegliche Elektrode (28, 26) aus Cu bestehen und das freie Ende des stationären Elektrodenstabes (20) mit einem oder mehreren, in eine in die stationäre Elektrode (28) eingeformte Nut (28a) ragenden Vorsprüngen (23a) versehen ist und der Balg (22) aus einer Fe-Cr-Legierung besteht

2. Vakuumleistungsschalter nach Anspruch 1, ίο dadurch gekennzeichnet, tlaß das Lötmaterial (50) aus einer Legierung besteht, welche Cu oder Au und eines oder mehrere der Metalle Mn und Ni enthält

3. Vakuumleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der sich um den beweglichen Elektrodenstab (24) erstreckenden Endplatte (16) ein Lichtbogenabschirmelement (30) angelötet ist

4. Vakuumleistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbogenabschirmelement (30) aus Fe oder Ni oder Fe-Ni-Legierung oder Fe-Cr-Legierung oder Keramik besteht.

5. Vakuumleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatten (14,

16) an ihrem Umfang mit Befestigungsringen (15,17) ausgestattet sind und das Lötmaterial (50) zwischen den Befestigungsringen (15, 17) und den axialen Enden der Isolierumhüllung (10) angeordnet ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Vakuumleistungsschalters nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß nach Zusammenbau der zu verlötenden Bauteile das zwischen den Bauteilen befindliche Hartlot bei einem Druck von weniger als 0,13 m Pa bis 13 m Pa auf 950⁰C bis j-> etwa 1000⁰C erhitzt und alle Bauteile miteinander verbunden werden.