DE2652506A1 - Heavy current switchgear with several moving contacts - has at least one solid contact wetted on surface with liq. gallium or its alloy - Google Patents
Heavy current switchgear with several moving contacts - has at least one solid contact wetted on surface with liq. gallium or its alloyInfo
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Abstract
Description
Elektrische HochstromvorrichtungenHigh current electrical devices
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Hochstromvorrichtungen, bei denen ein flüssiges Metall entweder vorübergehend oder ständig beim Schalten oder Aufrechterhalten eines Stromwegs über elektrische Kontakte verwendet wird.The invention relates to high current electrical devices, involving a liquid metal either temporarily or constantly when switching or maintaining a current path through electrical contacts is used.
Somit betrifft die Erfindung nicht nur elektrische Schalter, sondern auch Vorrichtungen, die feststehende oder relativ bewegliche Kontakte enthalten, deren zusammenwirkende Flächen ständig in elektrischer Berührung gehalten werden.Thus, the invention relates not only to electrical switches, but to also devices that contain fixed or relatively movable contacts, whose interacting surfaces are constantly kept in electrical contact.
Die Erfindung bezweckt in erster LInie die Schaffung elektrischer Kontaktvorrichtungen der vorbeschriebenen Art, die einen herabgesetzten Kontaktwiderstand bieten.The primary purpose of the invention is to provide electrical Contact devices of the type described above, which have a reduced contact resistance Offer.
Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Kontaktvorrichtung mit wenigstens zwei elektrisch leitenden Kontakten, deren zusammenwirkende Kontaktflächen von wesentlicher Ausdehnung zwecks Durchgang eines otromes von hoher Stärke hn elektrische Berührung gebracht oder in dieser gehalten werden. Eine derartige Kontaktvorrichtung ist nach einem Grundgedanken der Erfindung dadurch gekennzeichnet daß wenigstens einer der elektrischen Kontakte ein Feststoff- bzw. fester Leiter mit ständig von einem überzug von flüssigem Gallium oder einer Legierung desselben benetzter Kontaktfläche ist.The invention relates to an electrical contact device with at least two electrically conductive contacts, their interacting contact surfaces of substantial expansion for the passage of an otromes of great strength hn electrical contact be brought or held in this. Such a contact device is after a basic idea of the invention characterized in that at least one of the electrical contacts a solid or solid conductor with a permanent coating of liquid gallium or an alloy of the same wetted contact surface.
Geeignete flüssige Legierungen sind solche, die flüssiges Gallium mit einem oder mehreren anderen Metallen enthalten, welche im wesentlichen inert in der angrenzenden Atmosphäre sind, wobei diese Legierung bei der umgebenden, das heißt angrenzenden Temperatur der Kontakteinrichtung flüssig ist oder einen ausreichend niedrigen Schmelzpunkt besitzt, um bei Stromdurchgang durch die Kontakteinrichtung flüssig zu werden. Als solche weiteren Metalle werden u.a. Indium, Zinn und Zink bevorzugt Die elektrischen Kontakte können beide Feststoffleiter sein, wobei in diesem Fall die zusammenwirkenden Kontaktflächen derselben vorzugsweise jede mit flüssigem Gallium oder einer flüssigen Legierung desselben ständig-benetzt sind.Suitable liquid alloys are those containing liquid gallium with one or more other metals which are essentially inert in the adjacent atmosphere, this alloy being in the surrounding atmosphere, the means the adjacent temperature of the contact device is liquid or sufficient has a low melting point when current passes through the contact device to become liquid. Other such metals include indium, tin and zinc preferred The electrical contacts can both be solid conductors, with in in this case, the interacting contact surfaces of the same preferably each with liquid gallium or a liquid alloy thereof are constantly-wetted.
Stattdessen kann einer der Kontakte von einem Pfuhl, das heißt einem kleinen Volumen des Galliums oder dessen Legierung gebildet werden.Instead, one of the contacts from a den, that is, a small volumes of gallium or its alloy are formed.
Die Kontaktvorrichtungen der Erfindung beheben eine Reihe von Nachteilen bekannter, mit Quecksilber benetzter Kontaktflächen, die wegen der giftigen Natur des Quecksilbers, seines verhältnismäßig hohen Dampfdruckes zusammen mit der Eigenschaft seines Oxyds, nicht leitfähig zu sein sowie gewisse Metalle wie Kupfer nicht zu benetzen, nur in geschlossenen Räumen benutzt werden können, die gegen die Außenluft abgedichtet sind, um Oxydation und Verdampfung des Quecksilbers zu verhindern.The contact devices of the invention overcome a number of disadvantages known contact surfaces wetted with mercury, which are due to their toxic nature of mercury, its relatively high vapor pressure along with the property its oxide to be non-conductive and certain metals like copper not to be wet, can only be used in closed rooms that are exposed to the outside air are sealed to prevent oxidation and evaporation of the mercury.
Demgegenüoer ist Gallium nicht giftig und hat einen vergleichsweise niedrigen Dampfdruck, zudem benetzt es metallisch viele Metalle unter Bildung einer Oberflächenlegierung; auch mischt sich Galliumoxyd leicht mit dem Metall unter Bildung eines leitenden Stoffs, der zum Beispiel an Kupferkontaktflächen haftet und die Oberfläche des flüssigen Metalls passiviert.On the other hand, gallium is not poisonous and has a comparative effect low vapor pressure, it also wets many metals with the formation of a Surface alloy; Gallium oxide also mixes easily with the metal to form a conductive material that adheres to copper contact surfaces, for example, and which Surface of the liquid metal passivated.
Aus diesen Gründen kann es bei Kontakteinrichtungen verwendet werden, die der Atmosphäre ausgesetzt sind, und es besitzt den weiteren Vorteil, daß es zum Benetzen von Kontaktflächen vorhandener Schalter und elektrischer Verbinder verwendet werden kann.For these reasons it can be used with contact devices, exposed to the atmosphere, and it has the further advantage that it for wetting the contact surfaces of existing switches and electrical connectors can be used.
Es ist bekannt, daß eine elektromechanische Kraft auf einen stromführenden Leiter ausgeübt wird, wenn ein magnetisches Feld senkrecht zur Richtung des Stroms auf den Leiter einwirkt.It is known that an electromechanical force acts on a live Conductor is exerted when a magnetic field is perpendicular to the direction of the current acts on the conductor.
Die Richtung dieser Kraft ist senkrecht zur Richtung sowohl des Stroms als auch des Magnetfelds gerichtet, und wenn der Leiter ein flüssiges Metall ist, übt diese Kraft eine Pumpwirkung auf das flüssige Metall in-der Kraftrichtung aus.The direction of this force is perpendicular to the direction of both the current as well as the magnetic field, and if the conductor is a liquid metal, this force exerts a pumping effect on the liquid metal in the direction of the force.
Im Fall von elektrischen Hochstromvorrichtungen derjenigen Art, bei der die elektrische Verbindung zwischen im Abstand angeordneten Kontaktflächen zweier Leiter bewirkt wird durch über brücken des Spalts zwischen ihnen mit flüssigem Metall, ist das magnetische Feld, das die den Strom zu bzw. von den Kontakten hin- und wegführenden Leiter erzeugen, beträchtlich und die dabei auf das flüssige Metall ausgeübte elektromechanische Kraft kann in einer solchen Richtung wirken, daß das flüssige Metall aus dem Spalt zwischen den Kontaktflächen ausgetrieben wird. Dies erfordert häufig eine ansehnliche hydrostatische Druckhöhe des Flüssigmetalls, um die elektromechanische Kraft auszugleichen und eine Kontaktbrücke aufrechtzuerhalten.In the case of high current electrical devices of the type at the electrical connection between two spaced-apart contact surfaces Conductor is effected by bridging the gap between them with liquid metal, is the magnetic field that carries the current to and from the contacts Conductors generate considerable and the electromechanical exerted on the liquid metal Force can act in such a direction that the liquid metal comes out of the gap is driven out between the contact surfaces. This often requires a sizeable hydrostatic head of the liquid metal to balance the electromechanical force and maintain a contact bridge.
Manchmal wird ein ständiger Wirbel- bzw. Rühreffekt hervorgerufen und ergeben sich zusätzliche Leistungsverluste.Sometimes a constant whirling or stirring effect is created and additional power losses result.
Dies ist nachteilig bei elektrischen Schaltvorrichtungen dieser Art, da es die Verdrängung einer beträchtlichen Menge von Flüssigmetall für das Kontaktschließen und -unterbrechen erfordert und ein allgemein unbeständiges Arbeiten zur Folge hat.This is disadvantageous in electrical switching devices of this type, as it displaces a significant amount of liquid metal for contact closure and interruption and generally results in inconsistent work.
Die Erfindung will diese Nachteile durch besondere Ausbildung eines Hochstromschalters beseitigen oder zumindest wesentlich herabsetzen.The invention seeks to address these disadvantages through a special design Eliminate high current switch or at least reduce it significantly.
Zu diesem Zweck ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein elektrischer HochstromsEhalter vorgesehen, der sich dadurch auszeichnet, daß eine elektrische Verbindung zwischen im Abstand angeordneten Kontaktflächen zweier Feststoffleiter, wenigstens beim Öffnen und Schließen des Schalters, durch Überbrücken des Spalts zwischen ihnen mit flüssigem Metall bewirkt wird und der Stromweg im Schalter koaxial und symmetrisch in Bezug auf den Spalt angeordnet ist, derart, daß keine wesentlich unsymmetrischen magnetischen Felder im Bereich des Spalts beim Stromdurchgang Iängs dieses Stromwegs erzeugt werden.For this purpose, a further embodiment of the invention is an electrical one HochstromsEhalter provided, which is characterized by the fact that an electrical Connection between spaced-apart contact surfaces of two solid conductors, at least when opening and closing the switch, by bridging the gap between them is effected with liquid metal and the current path in the switch is coaxial and is disposed symmetrically with respect to the gap such that none are essential asymmetrical magnetic fields in the area of the gap when the current passes longitudinally this current path can be generated.
Vorzugsweise sind diese Kontaktflächen ständig mit einem überzug von flüssigem Metall, zum Beispiel flüssigem Gallium oder einer flüssigen Legierung desselben, etwa mit Indium und/oder Zinn und/oder Zink benetzt.These contact surfaces are preferably continuously covered with liquid metal, for example liquid gallium or a liquid alloy the same, for example wetted with indium and / or tin and / or zinc.
Der von den beiden Leitern gebildete Stromweg kann einen senkrecht angeordneten äußeren Leiterteil aufweisen, der einen zentralen inneren Leiterteil konzentrisch in radialem Abstand umgibt, wobei der erwähnte Kontaktspalt vorzugsweise durch den radialen Raum zwischen den inneren und äußeren Leiterteilen gebildet wird.The current path formed by the two conductors can be perpendicular have arranged outer conductor part, which has a central inner conductor part surrounds concentrically at a radial distance, the aforementioned contact gap preferably is formed by the radial space between the inner and outer conductor parts.
Das flüssige Metall kann für den Gebrauch des Schalters in dem Kontaktspalt mechanisch eingeschlossen sein, um zu verhindern, daß es durch elektromechanische Kräfte ausgetrieben wird, die von durch den Schalter fließenden Strömen erzeugt werden Stattdessen kann der Kontaktspalt sich axial zwischen den Kontaktflächen erstrecken, so daß beim Betrieb des Schalters in dem Kontakt spalt befindliches flüssiges Metall darin durch eine symmetrische elektromechanische Kraft stabilisiert wird, die vom hindurchfließenden Strom erzeugt wird.The liquid metal can be used for the switch in the contact gap be mechanically enclosed to prevent it from being electromechanical Forces is driven out, which is generated by currents flowing through the switch Instead, the contact gap can be axially between the contact surfaces extend so that when the switch is in operation there is a gap in the contact liquid metal stabilized in it by a symmetrical electromechanical force generated by the current flowing through it.
In diesem Fall können Vorlauf- und Rücklaufabsohnitte des Stromwegs von den beiden Leitern gebildet werden, von denen der eine einen Wandungsteil aufweist, der den axialen Kontaktspalt konzentrisch umgibt und so angeordnet ist, daß beim Betrieb des Schalters ein Stromfluß durch diese Wandung in einer Richtung erfolgt, die seiner Durchgangsrichtung durch das flüssige Metall im Kontaktspalt im wesentlichen entgegengesetzt ist.In this case, the flow and return sections of the current path can be used are formed by the two conductors, one of which has a wall part, which surrounds the axial contact gap concentrically and is arranged so that when Operation of the switch, current flows through this wall in one direction, that of its direction of passage through the liquid metal in the contact gap essentially is opposite.
Vorzugsweise ist der Schalter mit Magnetfluß-Schirmgliedern versehen, die so angeordnet sind, daß sie im Betrieb den Kontaktspalt umgeben, um das darin befindliche stromführende flüssige Metall gegen magnetische Streuflüsse abzuschirmen.The switch is preferably provided with magnetic flux shielding elements, which are arranged so that they surround the contact gap in operation to the therein to shield any current-carrying liquid metal against magnetic leakage flux.
Die Magnetfluß-Abschirmung kann in die und aus der Arbeitsstellung bewegbar sein, in der sie den Kontaktspalt umgibt, wobei sie zweckmäßig mit Betätigungseinrichtungen für den Schalter gekoppelt ist, die das flüssige Metall in den Spalt hinein zu verdrängen vermögen, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Magnetfluß-Abschirmung in ihre und aus ihrer Arbeitsstellung bewegt wird, wenn die Betätigungseinrichtung den Schalter schließt bzw. öffnet.The magnetic flux shield can be in and out of the working position be movable, in which it surrounds the contact gap, it being useful with actuating devices for the switch is coupled, which displace the liquid metal into the gap able, the arrangement being made so that the magnetic flux shield in their and their working position is moved when the actuator the switch closes or opens.
Der Schalter kann zum Beispiel mittels eines Tauchkolbens betätigt werden, der in den Behälter eintauchbar ist, um das flüssige Metall in den Kontaktspalt hinein zu verdrängen.The switch can be operated, for example, by means of a plunger which can be immersed in the container in order to move the liquid metal into the contact gap to push into it.
Stattdessen kann der Schalter durch Bewegen eines Behälters zur Aufnahme eines Pfuhls bzw. kleinen Volumens von Flüssigmetall relativ zu den Leitern betätigt werden, um das flüssige Metall in den Kontaktspalt zu verdrängen. Der Behälter kann dann hermetisch um einen der Leiter herum mittels eines biegsamen Balgens abgedichtet werden, der eine Relativbewegung zwischen dem Behälter und den Leitern zuläßt.Instead, the switch can be activated by moving a container to receive it actuated a pool or small volume of liquid metal relative to the conductors to displace the liquid metal into the contact gap. The container can then hermetically sealed around one of the conductors by means of a flexible bellows which allows relative movement between the container and the conductors.
Einer der beiden Leiter kann aus zwei Teilen bestehen, einem feststehenden äußeren Wandungsteil und einem beweglichen Kontaktteil, die beide zusammen mittels des erwähnten Balgens abgedichtet sind, wobei der bewegliche Kontaktteil in den Behälter eintaucht und mit dem festen äußeren Wandungsteil durch das flüssige Metall im Behälter verbunden ist und wobei der Kontakt zwischen den beiden Leitern anfangs durch flüssiges Metall unter Anheben des Behälters und schließlich durch feste Berührung zwischen dem beweglichen Kontaktteil und dem feststehenden Kontakt hergestellt wird.One of the two conductors can consist of two parts, one fixed outer wall part and a movable contact part, both together by means of of the mentioned bellows are sealed, the movable contact part in the Immersed container and with the solid outer wall part through the liquid metal is connected in the container and where the contact between the two conductors is initially by liquid metal by lifting the container and finally by firm contact is established between the movable contact part and the fixed contact.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird bei einer automatischen elektrischen Ausschaltvorrichtung die elektrische Verbindung zwischen im Abstand angeordneten Kontaktflächen zweier elektrischer Leiter durch überbrücken des Spalts zwischen ihnen mit flüssigem Metall hergestellt, wobei der Stromweg durch die Vorrichtung so relativ zu einem zwischen den Kontaktflächen gebildeten Kontakt spalt angeordnet ist, daß elektromechanische Kräfte, die durch hindurchfließende Ströme, welche einen vorbestimmten Wert überschreiten, erzeugt werden, das flüssige Metall aus dem Spalt verdrängen und so den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Leitern unterbrechen.According to a further feature of the invention is in an automatic electrical disconnection device the electrical connection between in the distance arranged contact surfaces of two electrical conductors by bridging the gap made between them with liquid metal, the current path through the device so arranged relative to a gap formed between the contact surfaces contact is that electromechanical forces generated by currents flowing through it, which one Exceeding a predetermined value are generated, the liquid metal from the gap displace and thus interrupt the electrical contact between the two conductors.
Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben; in diesen zeigen schematisch Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Schalters nach der Erfindung; Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht eines elektrischen Verbinders nach der Erfindung; Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht eines zweiten Schalters nach der Erfindung; Fig. 4 eine geschnittene Seitenansicht eines dritten Schalters nach der Erfindung; Fig. 5 eine geschnittene Seitenansicht eines vierten Schalters nach der Erfindung; Fig. 6 eine geschnittene Seitenansicht einer automatischen Ausschaltvorrichtung nach der Erfindung.The invention is illustrated below with the aid of exemplary embodiments Described in more detail with reference to the drawings; these are shown schematically in FIG. 1 a perspective view of an electrical switch according to the invention; Fig. Figure 2 is a sectional side view of an electrical connector according to the invention; 3 is a sectional side view of a second switch according to the invention; 4 is a sectional side view of a third switch according to the invention; Fig. 5 is a sectional side view of a fourth switch according to the invention; 6 is a sectional side view of an automatic switch-off device according to the invention.
Gemäß Fig. 1 weist der Starkstromschalter zwei identische Kontakte 1 und 2 in Form von parallel im Abstand angeordneten Leiterstäben aus Kupfer mit sich gegenüberliegenden abgeschrägten Kontakt flächen 3 und 4 sowie eine halbzylindrische Kontaktbrücke 5 aus Kupfer auf, deren gebogene Fläche 6 so angeordnet ist, daß sie im Betrieb an den Flächen 3 und 4 anliegt, um eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 1 und 2 herzustellen.According to Fig. 1, the power switch has two identical contacts 1 and 2 in the form of parallel spaced conductor bars made of copper with opposing beveled contact surfaces 3 and 4 and a semi-cylindrical Contact bridge 5 made of copper, the curved surface 6 is arranged so that it in operation on the surfaces 3 and 4 in order to establish an electrical connection between to establish contacts 1 and 2.
Gemäß einem Hauptmerkmal der Erfindung werden die Flächen 3, 4 der Kontakte 1, 2 und die gekrümmte Fläche 6 der Kontaktbrücke 5 in den in Betracht kommenden Bereichen mit flüssigem Gallium oder einer geeigneten flüssigen Legierung desselben angefeuchtet bzw. benetzt, -zum Beispiel mit Gallium-Indium CGa In) mit einem Gehalt von 23% Indium und 7796 Gallium, das eine Schmelztemperatur von 15,70C besitzt.According to a main feature of the invention, the surfaces 3, 4 of the Contacts 1, 2 and the curved surface 6 of the contact bridge 5 into consideration coming areas with liquid gallium or a suitable liquid alloy the same moistened or wetted, for example with gallium-indium CGa In) with containing 23% indium and 7796 gallium, which has a melting temperature of 15.70C owns.
Das Benetzen der Kontaktflächen kann dadurch bewirkt werden, daß die betreffenden Flächenbereiche mit einer - zum Beispiel 50%igen - Lösung von Chlorwasserstoffsäure zur Entfernung des Oberflächenoxyds gewaschen werden, oder daß das flüssige Metall zum Beispiel mit einer Glasfaserbürste auf die Kontaktfläche aufgebürstet wird, während die Säure dort noch vorhanden ist, bis ein überschuß an flüssigem Metall abtropft. Die Säurelösung wird dann von der-Fläche entfernt und es bildet sich auf der Flüssigmetall-Oberfläche ein Oxydüberzug, der ihrer Passivierung dient.The wetting of the contact surfaces can be effected in that the relevant areas with a - for example 50% - solution of hydrochloric acid be washed to remove the surface oxide, or that the liquid metal for example, the contact surface is brushed with a fiberglass brush, while the acid is still there until an excess of liquid metal drips off. The acid solution is then removed from the surface and it builds up an oxide coating on the liquid metal surface, which serves to passivate it.
Untersuchungen, bei denen die Kontakt- bzw. Übergangswiderstände von drei Zellenschaltern der dargestellten Art, die parallel in einem Gleichstromkreis lagen, vor und nach dem Benetzen mit Gallium-Indium-Legierung ermittelt wurden, haben gezeigt, daß durch Benetzen mit Ga-In der Kontaktwiderstand dieser Art von Schalter um einen Zehnerfaktor herabgesetzt wird.Investigations in which the contact or transition resistances of three cell switches of the type shown, which are in parallel in a DC circuit were determined before and after wetting with gallium-indium alloy, have shown that by wetting with Ga-In, the contact resistance of this type of Switch is reduced by a factor of ten.
Mit Schaltern, die ebene Kupferkontaktflächen besitzen, wurden Untersuchungen angestellt und Messungen des Spannungsabfalls an den Kontaktpunkten A, B an einer Seite jedes Schaltsegments von der Breite Z = 25 mm vorgenommen. Hierbei ergab sich, daß keine bedeutende wanderung im Kontaktwiderstand der benetzten Kontaktflächen eintrat, selbst nach einer beträchtlichen Anzahl von Schaltvorgängen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß selbst obwohl eine gewisse Menge Galliumoxyd bei jedem Schaltvorgang wegen der Bewegung des flüssigen Metalls gebildet wird, dieses Oxyd sich leicht mit dem flüssigen Metall mischt, um nach einer beträchtlichen Anzahl von Schaltvorgängen eine elektrisch leitende Paste zu bilden, die an den Kontaktflächen haftet.Investigations have been carried out with switches that have flat copper contact surfaces turned on and measurements of the voltage drop at the contact points A, B on a Side of each switching segment made with the width Z = 25 mm. This resulted in that no significant migration in the contact resistance of the wetted contact surfaces occurred even after a significant number of switching operations. This is upon it attributed to that self though a certain amount of gallium oxide is formed during every switching process due to the movement of the liquid metal, this oxide mixes easily with the liquid metal, after a considerable amount of time Number of switching operations to form an electrically conductive paste that is attached to the Contact surfaces adheres.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in ihrer Anwendung auf elektrische Kontaktvorrichtungen, die relativ bewegliche Kontaktflächen haben. Bei dieser Anwendung sind Kupferkontaktplatten 1C, 11 getrennt an relativ beweglichen Organen angebracht, wobei die beiden Platten durch eine elektrisch leitende Kupferwalze 12 elektrisch verbunden werden, die ein Hohlrohr sein kann, jedoch hier als massiver Zylinder dargestellt ist. Erfindungsgemäß wird der Kontaktwiderstand zwischen den Gliedern 10, 11, 12 dadurch herabgesetzt, daß die betreffenden Flächenbereiche mit Gallium-Indium-Legierung von zum Beispiel 77% Gallium- und 23% Indium-Gehalt benetzt werden.Fig. 2 shows a second embodiment of the invention in use to electrical contact devices that have relatively movable contact surfaces. In this application, copper contact plates 1C, 11 are separated on relatively movable ones Organs attached, the two plates by an electrically conductive copper roller 12 are electrically connected, which can be a hollow tube, but here as a massive one Cylinder is shown. According to the invention, the contact resistance between the Limbs 10, 11, 12 reduced by the fact that the surface areas concerned with Gallium-indium alloy with 77% gallium and 23% indium content, for example, wetted will.
Fig. 3 zeigt eine weitere Schalterausführung nach der Erfindung, die im Abstand angeordnete Kontakte in Form von Leiterstäben 31, 32 aus Kupfer, von denen jeder mit einer rechteckigen Nut 34 bzw. 35 versehen ist, sowie eine U-förmige Kontaktbrücke 36 aufweist, deren beide Schenkel so angeordnet sind, daß sie in die betreffende Nut 34 bzw. 35 der Kontakte 31, 32 eindringen, um eine elektrische Verbindung zwischen diesen herzustellen.Fig. 3 shows a further switch embodiment according to the invention, the spaced contacts in the form of conductor bars 31, 32 made of copper, from each of which is provided with a rectangular groove 34 and 35, as well as a U-shaped Has contact bridge 36, the two legs of which are arranged so that they are in the relevant groove 34 and 35 of the contacts 31, 32 penetrate to establish an electrical connection to establish between these.
Jede Nut 34, 35 enthält eine kleine Schicht 37 von flüssigem Metall, zum Beispiel Gallium-Indium, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß beim Abwärtsbewegen der Kontaktbrücke in die Nuten 34, 35 eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 31, 32 hergestellt wird, indem das flüssige Metall in die Räume zwischen den Schenkeln der Kontaktbrücke 36 und den Innenwänden der Nuten 34, 35 hochgedrückt wird, unter Vergrößerung der wirksamen Kontaktfläche, wobei die entsprechenden Flächen der Schenkel und Nutenwände ständig mit Flüssigmetall benetzt sind, um den konstanten Widerstand herabzusetzen, wie dies dem Grundgedanken der Erfindung entspricht.Each groove 34, 35 contains a small layer 37 of liquid metal, for example gallium-indium, the arrangement being such that when moving downwards the contact bridge in the grooves 34, 35 an electrical connection between the contacts 31, 32 is produced by placing the liquid metal in the spaces between the legs the contact bridge 36 and the inner walls of the grooves 34, 35 is pushed up, below Enlargement of the effective contact area, with the corresponding areas the Legs and groove walls are constantly wetted with liquid metal in order to maintain the constant Reduce resistance, as corresponds to the basic idea of the invention.
Um den oberen Rand jeder Nut 34, 35 herum ist eine Gleitdichtung aus ''Viton'l oder Silikon-Gummi 38 vorgesehen, um überschüssiges Flüssigmetall von den Schenkeln der Kontaktbrücke beim Unterbrechen zu entfernen, und unmittelbar unterhalb der Dichtungen 38 kann eine Aussparung 39 um jede Nut herum ausgebildet sein, um ein überbrücken des Spalts zwischen den Wänden der Nuten und der Kontaktbrücke durch flüssiges Metall unmöglich zu machen, wenn der Schalter sich in der gezeigten offenen Stellung befindet.A sliding seal is made around the upper edge of each groove 34,35 '' Viton'l or silicone rubber 38 provided to remove excess liquid metal to remove the legs of the contact bridge when breaking, and immediately below the seals 38, a recess 39 may be formed around each groove to be able to bridge the gap between the walls of the grooves and the contact bridge impossible to make by liquid metal if the switch is in the shown open position.
Die Erfindung umfaßt außerdem elektrische Hochstromschalter, bei denen die elektrische Verbindung zwischen zwei im Abstand angeordneten Kontakten wenigstens zum Teil durch die Verdrängung von flüssigem Metall, zum Beispiel flüssigem Gallium, Gallium-Indium-Legierung oder Quecksilber in den Spalt zwischen ihnen hergestellt wird.The invention also includes high current electrical switches, in which the electrical connection between two spaced contacts at least partly by displacing liquid metal, e.g. liquid gallium, Gallium-indium alloy or mercury is made in the gap between them will.
Wie oben erläutert, können die magnetischen Felder, die bei diesen Schaltern durch die hindurchfließenden hohen Ströme erzeugt werden, Bewegungen im Flüssigmetall hervorrufen, die zu instabiler Arbeitsweise und Stromverlusten führen. Um die schädlichen Wirkungen dieser Ströme hintanzuhalten, dienen zwei weitere Schalterarten nach der Erfindung, die nachstehend anhand von Fig. 4 und 5 beschrieben sind.As explained above, the magnetic fields generated by these Switches are generated by the high currents flowing through them, movements in the Generate liquid metal, which lead to unstable operation and power losses. Two other types of switches are used to prevent the harmful effects of these currents according to the invention, which are described below with reference to FIGS.
Der in Fig. 4 dargestellte Schalter weist obere und untere massive Leiter 101, 102, beispielsweise aus Kupfer auf, von denen der obere Leiter ein Kreisscheibenteil 103 mit abwärts ragendem gleichachsigem zylindrischem Kontaktteil 104 darstellt, während die untere Leiter 102 einen äußeren Hohlzylinderteil 106 mit geschlossenem Boden aufweist, von dem ein konzentrischer Vollzylinderteil 107 emporragt, der mit dem Hohlzylinderteil 106 einen ringförmigen Behälter 108 zur Aufnahme einer Füllung von flüssigem Metall, zum Beispiel Gallium-Indium, bildet.The switch shown in Fig. 4 has upper and lower massive Conductors 101, 102, for example made of copper, of which the upper conductor is a part of a circular disk 103 represents with downwardly projecting equiaxed cylindrical contact part 104, while the lower ladder 102 has an outer hollow cylinder part 106 with a closed bottom has, from which a concentric full cylinder part 107 protrudes with the Hollow cylinder part 106 has an annular container 108 for receiving a filling of liquid metal, for example gallium indium.
Die beiden Leiter sind durch einen ringförmigen Isolierkragen 110 in senkrechtem Abstand gehalten und durch eine Anzahl im Kreise versetzter Spannbolzen 111 fest verbunden, die isolierte Bohrungen im Scheibenteil 103 durchdringen und in Sacklöcher 113 in einem Ringflansch 114 geschraubt sind, der sich vom oberen Rand des Hohlzylinderteils 106 des unteren Leiters 102 nach außen erstreckt. Der Kontaktteil 104 des oberen Leiters 101 ragt abwärts in den hohlzylindrischen Teil 106, ist jedoch vom vollzylindrischen Kontaktteil 107 um einen Spalt 115 entfernt.The two conductors are through an annular insulating collar 110 held at a vertical distance and by a number of clamping bolts offset in a circle 111 firmly connected, penetrate the insulated bores in the disk part 103 and are screwed into blind holes 113 in an annular flange 114, which extends from the upper Edge of the hollow cylinder part 106 of the lower conductor 102 extends outward. Of the Contact part 104 of the upper conductor 101 protrudes downwards into the hollow cylindrical part 106, but is removed from the fully cylindrical contact part 107 by a gap 115.
Ein der Betätigung dienender ringförmiger Tauchkolben 117 aus Isoliermaterial ist axial in einem Ringraum beweglich, der die oberen und unteren Kontaktteile 104 und 107 umgibt, wobei er in die Füllung 109 an flüssigem Gallium-Indium eingetaucht oder aus dieser herausgezogen wird. Der Tauchkolben wird an vier senkrechten Stellstäben 118 gehalten (von denen nur zwei gezeigt sind), die in mit Lagermaterial ausgekleideten Bohrungen 119 des Scheibenteils 103 gleiten und mit einem pneumatischen Antriebszylinder 120 mittels einer gemeinsamen Tragscheibe 121 gekoppelt sind.An actuating annular plunger 117 made of insulating material is axially movable in an annulus that defines the upper and lower contact parts 104 and 107, being immersed in the filling 109 of liquid gallium-indium or is pulled out of it. The plunger is attached to four vertical rods 118 (only two of which are shown) in lined with stock material Bores 119 of the disc part 103 slide and with a pneumatic drive cylinder 120 are coupled by means of a common support disk 121.
Biegsame Dichtungsbälge 122 aus korrosionsfestem Material wie Nitril oder Silikon-Gummi, rostfreiem Stahl oder Titan sind um jede Stellstange 118 herum vorgesehen, um das Innere des Schalters gegenüber seiner Umgebung abzudichten und ein inertes Schutzgas in dem Schalter einzuschließen, falls eine Zerstörung des flüssigen Metalls verhindert werden soll.Flexible sealing bellows 122 made from a corrosion-resistant material such as nitrile or silicone rubber, stainless steel, or titanium are around each actuator rod 118 provided to seal the interior of the switch from its surroundings and to enclose an inert protective gas in the switch in the event of destruction of the liquid metal should be prevented.
Der Schalter ist in seinem offenen Zustand gezeigt, in dem der Tauchkolben 117 über dem Spiegel des flüssigen Metalls gehalten wird, das die obere Kontaktfläche des unteren Kontaktteils 107 soeben bedeckt. Für die Kontaktgabe wird durch den pneumatischen Zylinder 120 der Tauchkolben 117 nach unten in den Behälter gestoßen, wie in der Zeichnung punktiert angegeben, den er im wesentlichen ausfüllt und dabei das flüssige Metall auf den Spiegel anhebt, der strich-punktiert angedeutet ist, wodurch der Spalt 115 leitend überbrückt wird.The switch is shown in its open state, as is the plunger 117 is held above the level of the liquid metal that is the top contact surface of the lower contact part 107 just covered. The pneumatic cylinder 120 of plunger 117 pushed down into the container, as indicated in dotted lines in the drawing, which he essentially fills in and thereby lifts the liquid metal onto the mirror, which is indicated by dash-dotted lines, whereby the gap 115 is bridged conductively.
Den Stromverlauf durch den Schalter hindurch zeigen die Pfeile an. Der Strom tritt in den Schalter radial einwärts durch den Scheibenteil 103 des oberen Leiters 101 ein, fließt axial abwärts durch die Kontaktteile 104, 107 über den vom Gallium-Indium überbrückten Spalt 115 und strömt längs des äußeren zylindrischen Teils 106 des unteren Leiters 102, um aus dem Schalter radial auswärts durch den Ringflansch 114 auszutreten. Somit wirkt die flüssige Metallfüllung als Kathode des Schalters. Dies ist von gewisser Bedeutung, da die Bogenenergie bei einem Unterbrechungsvorgang zu einem großen Teil in der Kathode verbraucht wird, die daher vorzugsweise von dem flüssigen statt dem festen Kontakt gebildet wird.The arrows show the current flow through the switch. The current enters the switch radially inward through the disc portion 103 of the upper one Conductor 101, flows axially downward through the contact parts 104, 107 over the from Gallium-indium bridged gap 115 and flows along the outer cylindrical Portion 106 of lower conductor 102 to exit the switch radially outward through the Exit ring flange 114. The liquid metal filling thus acts as a cathode of the switch. This is of some importance as the arc energy in an interruption process to a large extent is consumed in the cathode, which is therefore preferably of the liquid instead of the solid contact is formed.
Weil der Schalter völlig symmetrisch in Bezug auf die Achse ist, übt das magnetische Feld, das durch den Stromdurchgang durch den Schalter hervorgerufen wird, eine elektromechanische Kraft auf das flüssige Metall in dem Spalt aus. Diese Kraft wird erzeugt beim Stromfluß durch den zentralen zylindrischen Teil und wirkt radial einwärts auf das flüssige Metall in dem Spalt, ohne Rücksicht auf die Stromrichtung, wobei es das flüssige Metall zu stabilisieren und darin festzuhalten sucht. Dies ist allgemein als npinch-Effektn bekannt, gemäß welchem ein stromführender Leiter eine radiale Striktion erfährt. Dies ist bei der vorliegenden Erfindung besonders bedeutsam, weil hier Ströme in der Größenordnung von Zehntausenden von Amper in Betracht gezogen werden.Because the switch is completely symmetrical with respect to the axis, practice the magnetic field created by the passage of current through the switch will apply an electromechanical force to the liquid metal in the gap. These Force is generated when current flows through the central cylindrical part and acts radially inward on the liquid metal in the gap, regardless of the direction of flow, trying to stabilize and hold the liquid metal in it. this is commonly known as the npinch effect, according to which a live conductor experiences a radial restriction. This is special with the present invention significant because here Streams on the order of tens of thousands to be considered by Amper.
Weil der äußere Zylinderteil 106 hohl ist und symmetrisch den Spalt 115 umgibt, ist das Magnetfeld im Innern des zylindrischen Teils 106 beim Stromdurchgang im wesentlichen Null und es werden keine elektromechanischen Kräfte auf das Flüssigmetall in dem Spalt ausgeübt.Because the outer cylinder part 106 is hollow and symmetrically the gap 115 surrounds, the magnetic field is inside the cylindrical part 106 when the current passes essentially zero and there are no electromechanical forces on the liquid metal exercised in the gap.
Zur Kontaktunterbrechung wird der Tauchzylinder 117 durch die Wirkung des pneumatischen Zylinders 120 angehoben und demzufolge fällt der Spiegel des flüssigen Metalls unter der Wirkung der Schwerkraft zurück in den Behälter 118. Daraus folgt, daß der Spalt zwischen dem flüssigen Metall und der festen Kontaktfläche ausreichend sein muß, um den Bogen zu unterbrechen und anschließend die angelegte Spannung zurückzuhalten. Die letztere kann größenordnungsmäßig 5 Volt betragen, während der Bogenspannungsabfall im Spalt von der Größenordnung von 1 Volt je Millimeter sein kann.To break the contact, the plunger cylinder 117 is activated by the action of the pneumatic cylinder 120 is raised and consequently the level of the liquid falls Metal back into container 118 under the action of gravity. that the gap between the liquid metal and the solid contact surface is sufficient must be to interrupt the arc and then hold back the applied voltage. The latter can be on the order of 5 volts, while the arc voltage drop in the gap can be on the order of 1 volt per millimeter.
Die Innenflächen der Kupferleiter 101, 102 können mit Molybdän, Wolfram oder Eisen überzogen sein, um sie gegen Bogen- und Erosionswirkungen zu schützen, wobei die untere Fläche des oberen Kontaktteils 104 einen wesentlich dickeren überzug erhält, da diese Fläche beim Schließen und Offnen des Kontakts am meisten vom Bogen erfaßt wird.The inner surfaces of the copper conductors 101, 102 can be made of molybdenum, tungsten or iron-coated to protect them against arc and erosion effects, the lower surface of the upper contact portion 104 having a substantially thicker coating as this area receives most of the arc when the contact is closed and opened is detected.
Um das stromführende flüssige Metall im Bereich des Spalts gegen die Wirkungen der magnetischen Streuflüsse abzuschirmen, die unerwünschte Instabilität hervorrufen können, kann der Schalter mit einem magnetischen Schirm 116 aus ferromagnetischem Material versehen sein, der die Region des Spalts umgibt.To the current-carrying liquid metal in the area of the gap against the Shield the effects of leakage magnetic fluxes, the unwanted instability can cause the switch with a magnetic screen 116 made of ferromagnetic Be provided with material surrounding the region of the gap.
Speziell bei dem dargestellten Schalter ist dieser Schirm im Körper des Tauchkolbens 117 isoliert bzw. eingebettet, so daß bei geschlossenem Schalter der Schirm sich in einer Wirkstellung um den Spalt 115 herum befindet und bei geöffnetem Schalter der Schirm eine unwirksame Stellung einnimmt, in der er den Spalt nicht mehr umgibt, so daß etwaige magnetische Streuflüsse das Ausblasen des Bogens unterstützen können.Especially in the case of the switch shown, this screen is in the body of the plunger 117 isolated or embedded, so that when the switch is closed the screen is in an operative position is located around the gap 115 and when the switch is open, the screen assumes an inoperative position in which it no longer surrounds the gap, so that any magnetic leakage fluxes blow out of the bow can support.
Die Verwendung von flüssigem Gallium oder einer Legierung desselben mit einem oder mehreren weiterer Metallen, wie Indium, Zinn oder Zink, ist vorteilhafter als Quecksilber, das stattdessen als überbrückende Flüssigkeit verwendet werden kann, wegen ihres verhältnismäßig niedrigen Dampfdruckes, ihrer geringen GiftigKeit und der Fähigkeit von Gallium und seinen Legierungen, zu leiten und an Metallflächen zu haften, selbst bei Verunreinigung durch wesentliche Mengen von Oxyd. Auch sind die Kontaktflächen der Kontaktteile 106 und 107 ständig mit dem flüssigen Metall benetzt, und zu diesem Zweck bieten flüssiges Gallium und seine flüssigen Legierungen Vorteile gegenüber dem Quecksilber, wie oben beschrieben.The use of liquid gallium or an alloy of the same with one or more other metals, such as indium, tin or zinc, is more advantageous as mercury, which can instead be used as a bridging liquid can, due to their relatively low vapor pressure, their low toxicity and the ability of gallium and its alloys to conduct and attach to metal surfaces to adhere even when contaminated with substantial amounts of oxide. Also are the contact surfaces of the contact parts 106 and 107 constantly with the liquid metal wetted, and to this end offer liquid gallium and its liquid alloys Advantages over mercury, as described above.
Der Schalter ist außerdem zweckmäßig mit Einrichtungen versehen (nicht dargestellt), um verbrauchtes flüssiges Metall abziehen und austauschen zu können und um das Innere des Schalters ausspülen zu können, ohne den Schalter freizulegen.The switch is also appropriately equipped with devices (not shown) in order to remove and exchange used liquid metal and to be able to flush the inside of the switch without exposing the switch.
Diese können eine verschließbare Einlaßöffnung aufweisen, durch die eine Spülflüssigkeit ins Innere des Schalters eingebracht werden kann, und durch die frisches Flüssigmetall eingefüllt werden kann, sowie einen Abzugstopfen zum Abführen von verbrauchtem Flüssigmetall aus dem Schalter und als Auslaß für Spülflüssigkeit.These can have a closable inlet opening through which a rinsing liquid can be introduced into the interior of the switch, and through the fresh liquid metal can be filled in, as well as a drain plug for Discharge of used liquid metal from the switch and as an outlet for rinsing liquid.
Fig. 5 zeigt eine vierte Schalterausführung gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall ist jedoch ein massiver Kontakt beweglich, um ihn mit dem anderen in Eingriff zu bringen, so daß der Stromweg zu einem wesentlichen Teil durch feste Körper verläuft, während er zugleich noch durch einen flüssigen Stoff geleitet wird.Fig. 5 shows a fourth switch embodiment according to the present one Invention. In this case, however, a massive contact is movable to it with to bring the other into engagement, so that the current path to a substantial part through solid bodies runs while at the same time still through one liquid substance is passed.
Der Schalter umfaßt einen inneren massiven Kupferkontakt 125 von rundem Querschnitt, der dadurch festgehalten wird, daß er gegen eine Stromzuführungsplatte 128 gespannt ist. Ein zweites Kontaktgebilde weist eine feste Wand 132 auf, die zum inneren Kontakt 125 konzentrisch und an diesem durch einen ringförmigen Isolator 127 befestigt ist. Ein Absatz 139 der Wand 132 stößt gegen eine zweite feste Stromzuführungsplatte 131. Das zweite Kontaktgebilde schließt ferner einen beweglichen Kontakt 138 aus Kupfer ein, dessen Oberseite der Unterseite des inneren Kontakts 125 angepaßt ist. Dieser Kontaktkörper ist links und rechts von der Mittellinie in seiner äußersten offenen bzw. geschlossenen Stellung wiedergegeben. Er ist auf einer Platte 140 aus rostfreiem Stahl angebracht, an der ein biegsamer Balgen 136 aus rostfreiem Stahl, Titan oder anderem korrosionsfestem Material angeschweißt oder angelötet ist. Dieser Balgen ist seinerseits mit seinem oberen Ende an dem unteren Ende des Wandungskörpers 132 angeschweißt, so daß der Spalt zwischen dem inneren und äußeren Kontakt hermetisch abgedichtet ist.The switch includes an inner solid copper contact 125 of round Cross-section which is held by the fact that it is against a power supply plate 128 is curious. A second contact formation has a solid wall 132 which concentric to the inner contact 125 and on this by an annular insulator 127 is attached. A shoulder 139 of the wall 132 abuts a second fixed power supply plate 131. The second contact formation also excludes a movable contact 138 Copper, the top of which is adapted to the bottom of the inner contact 125. This contact body is to the left and right of the center line in its outermost reproduced open and closed position. He is made on a plate 140 stainless steel attached to which a flexible bellows 136 made of stainless steel, Titanium or other corrosion-resistant material is welded or soldered on. This Bellows is in turn with its upper end at the lower end of the wall body 132 welded so that the gap between the inner and outer contact is hermetically sealed is sealed.
Die Seitenwand des Kontaktkörpers 138 verjüngt sich zum oberen Ende hin, um sich der Neigung der entsprechenden Aufnahmebohrung im unteren Ende des Wandungskörpers 132 anzuschmiegen.The side wall of the contact body 138 tapers towards the upper end towards the inclination of the corresponding mounting hole in the lower end of the Wall body 132 to fit snugly.
Die Abmessungen sind so gewählt, daß der Kontaktkörper 138 zugleich gegen den inneren Kontakt 125 und den Wandungskörper 132 stößt. Die Neigung ist so flach, daß sie die Toleranzforderung für die doppelte Anlage erleichtert.The dimensions are chosen so that the contact body 138 at the same time abuts the inner contact 125 and the wall body 132. The slope is so flat that it facilitates the tolerance requirement for the double system.
Wie im linken Teil der Fig. 5 ersichtlich, bildet der Zwischenraum zwischen dem Balgen 136 und dem beweglichen Kontaktkörper 138 einen Behälter, der mit einem flüssigen Metall 133, wie Gallium, Gallium-Indium oder Quecksilber gefüllt ist. Die vorerwähnten Stoffe werden aus den oben angegebenen Gründen bevorzugt.As can be seen in the left part of FIG. 5, the space forms between the bellows 136 and the movable contact body 138, a container which filled with a liquid metal 133 such as gallium, gallium-indium or mercury is. The aforementioned Substances are used for the reasons given above preferred.
Aus dem rechten Teil der Abbildung geht hervor, daß in der Schließstellung des Schalters der Stromweg zum Teil über die Berührungsstelle der Feststoffkontakte 125 und 138 verläuft, während ein paralleler Zweig das flüssige Metall 133 durchfließt.From the right part of the figure it can be seen that in the closed position of the switch, the current path is partly via the contact point of the solid contacts 125 and 138 runs while a parallel branch flows through the liquid metal 133.
Selbst bei der direkten Anlage der Kontakte 125 und 138 besteht dazwischen noch ein Film des flüssigen Metalls, um einen niedrigen übergangswiderstand zu gewährleisten.Even with the direct contact of the contacts 125 and 138 there is in between another film of the liquid metal to ensure a low contact resistance.
Eine gute Verbindung zwischen dem Wandungskörper 132 und der Stromzuführungsplatte 131 und ebenso zwischen dem inneren Kontaktkörper 125 und der Strozzuführungsplatte 128 wird durch Überziehen der entsprechenden Oberflächen mit dem flüssigen Metall gesichert.A good connection between the wall body 132 and the power supply plate 131 and also between the inner contact body 125 and the power supply plate 128 is made by coating the respective surfaces with the liquid metal secured.
Ein halbkreisförmiger Kanal 141 im Wandungskörper 132 umgibt diesen und läßt Kühlwasser zwischen den Leitungen 142 und 143 durchtreten.A semicircular channel 141 in the wall body 132 surrounds it and allows cooling water to pass between lines 142 and 143.
Da das Innere des Schalters hermetisch abgedichtet ist, kann es mit einem inerten Gas gefüllt oder evakuiert werden, um das Flüssigmetall vor der Außenatmosphäre zu schützen.Since the inside of the switch is hermetically sealed, it can with an inert gas filled or evacuated to keep the liquid metal from the outside atmosphere to protect.
Die Betätigung des Schalters kann durch einen pneumatischen Zylinder erfolgen, der zum Beispiel auf die Platte 140 einwirkt, um den Kontaktkörper 138 und den Flüssigmetall-Behälter aufwärts zu treiben. Wenn der Balgen zusammengedrückt wird, so spült-das flüssige Metall über die Oberseite des Kontaktkörpers 138, um zu erreichen, daß die Anfangs- und Endberührung mit dem festen Kontakt 125 über eine Flüssigmetallbrücke erfolgt.The actuation of the switch can be done by a pneumatic cylinder take place, which acts, for example, on the plate 140 to the contact body 138 and to propel the liquid metal container upwards. When the bellows are compressed the liquid metal washes over the top of the contact body 138 to to achieve that the initial and final contact with the fixed contact 125 over a liquid metal bridge takes place.
Der Festkörperkontakt bei dieser Ausführung ergibt einen viel höheren Grad an Stabilität, als er im Fall der Fig. 4 beispielsweise erhältlich ist, wo ein Teil des Stromwegs gänzlich flüssiges Metall ist.The solid contact with this design gives a much higher one Degree of stability than is available in the case of Fig. 4, for example, where part of the current path is entirely liquid metal.
Bei einer Abwandlung der Ausführung der Fig. 5 kann der innere Kontakt 125 einen aufrechten zylindrischen Fortsatz besitzen, um den die längs eines Durchmessers geteilte Platte 128 geklemmt ist. In diesem Fall kann der Kontakt 125 leichter mit Kühlkanälen versehen werden, die durch seine obere Fläche verlaufen.In a modification of the embodiment of FIG. 5, the inner contact 125 have an upright cylindrical extension around which the length of a diameter split plate 128 is clamped. In this case, the contact 125 can more easily with Cooling channels are provided which run through its upper surface.
Wiederum ist der Stromweg im Schalter, wie die Pfeile angeben, völlig symmetrisch und koaxial in Bezug auf den radialen Kontaktspalt 134. Somit ergibt sich, daß, obwohl der Stromdurchgang durch den geschlossenen Schalter eine elektromechanische Kraft auf das stromführende flüssige Metall im Spalt erzeugt, die abwärts wirkend das Metall daraus zu vertreiben sucht, diese Kraft völlig symmetrisch in Bezug auf den Spalt ist. Weil aber das flüssige Metall in dem Spalt mechanisch eingeschlossen ist durch den abgedichteten Behälter, wird daher diese Kraft nicht eine unerwünschte Unbeständigkeit des flüssigen Metalls in dem Spalt 134 erzeugen.Again, as the arrows indicate, the current path in the switch is complete symmetrical and coaxial with respect to the radial contact gap 134. Thus results that although the passage of current through the closed switch is electromechanical Force generated on the current-carrying liquid metal in the gap, acting downwards to expel the metal from it seeks to be completely symmetrical with respect to this force the gap is. But because the liquid metal is mechanically enclosed in the gap is through the sealed container, therefore this force does not become an undesirable one Create liquid metal instability in gap 134.
Wie mit Bezug auf die Schalterausführung in Fig. 4 beschrieben, kann eine Magnetflußabschirmung aus ferromagnetischem Stoff vorgesehen sein, um das stromführende flüssige Metall in dem Spalt 134 gegen die Einwirkung von magnetischen Streuflüssen abzuschirmen, die außerhalb des Schalters erzeugt werden.As described with reference to the switch design in FIG. 4, a magnetic flux shield made of ferromagnetic material can be provided around the current-carrying liquid metal in the gap 134 against the action of magnetic leakage flux shield generated outside the switch.
Diese Abschirmung kann ständig feststehend in einer Arbeitsstellung um den Spalt 134 herum angeordnet oder aber unabhängig oder in Verbindung mit der Bewegung des Behälters 135 in die und aus der Arbeitsstellung bewegbar sein. Im letzteren Fall kann die Abschirmung am Behälter 135 befestigt und mit diesem bewegbar sein oder mit dem Behälter durch mechanische Organe derart gekoppelt sein, daß ihre-Bewegung verstärkt wird, wenn der Hub des Behälters nicht ausreicht.This shield can be permanently fixed in a working position arranged around the gap 134 or else independently or in conjunction with the Movement of the container 135 into and out of the working position. in the the latter case the shield can be attached to the container 135 and be movable with this or so coupled to the container by mechanical members be that their movement is increased when the stroke of the container is insufficient.
Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 können die entsprechenden Innenflächen der Leiter 125, 126 mit Wolfram, Molybdän oder Eisen bekleidet sein, um sie gegen die Wirkungen von Bogenbildung oder Erosion zu schützen, und außerdem ständig mit einem Überzug von flüssigem Metall, beispielsweise von flüssigem Gallium-Indium, auf eine oben beschriebene Weise benetzt sein, um den Kontaktwiderstand herabzusetzen und die Standdauer des Kontakts zu erhöhen.As in the embodiment of FIG. 4, the corresponding Inner surfaces of the conductors 125, 126 be clad with tungsten, molybdenum or iron, to protect them against the effects of arcing or erosion, and furthermore always with a coating of liquid metal, for example liquid gallium indium, be wetted in a manner described above to reduce the contact resistance and to increase the duration of the contact.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann der Balgen durch eine Gleitdichtung zwischen einem das flüssige Metall enthaltenden Behälter und der Außenfläche der Wandung 132 ersetzt sein. Um die oben erwähnte Magnetflußabschirmung einzubeziehen, kann der Behälter alsdann aus einem ferromagnetischem Material bestehen oder einen Körper aus ferromagnetischem Material tragen, der den Bereich des Spalts umgibt, wenn der Schalter geschlossen ist, dagegen beim Öffnen des Schalters aus dieser Stellung herausbewegt wird. Jedoch wird die Verwendung eines Balgens, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, bevorzugt, da Gleitdichtungen bei längerer Gebrauchsdauer der Abnutzung und Gasdiffusion unterliegen.In a modified embodiment, the bellows can by a Sliding seal between a container containing the liquid metal and the outer surface the wall 132 must be replaced. To include the magnetic flux shielding mentioned above, the container can then consist of a ferromagnetic material or a Carry bodies made of ferromagnetic material that surrounds the area of the gap, when the switch is closed, on the other hand when the switch is opened from this Position is moved out. However, the use of a bellows as described in Fig. 5 is shown, preferred because sliding seals for a longer period of use subject to wear and gas diffusion.
Bei einer Abwandlung dieser Ausführung mit bewegtem Behälter kann das Schließen des Kontaktspalts gänzlich auf einer über brückung durch flüssiges Metall beruhen, das heißt, das Kontaktglied 138 bleibt kurz vor der Berührung mit dem feststehenden Kontakt 125 stehen. Die Stabilität bzw. Beständigkeit des Arbeitens beruht dann lediglich auf der symmetrischen Konzentrizität der Konstruktion.In a modification of this version with a moving container the closing of the contact gap entirely on a bridging by liquid Metal based, that is, the contact member 138 remains shortly before contact with the fixed contact 125 are. The stability or consistency of work is then based only on the symmetrical concentricity of the construction.
Die Erfindung umfaßt ferner automatische elektrische Ausschaltvorrichtungen, bei denen flüssiges Metall den Spalt überbrückt und dadurch elektrischen Kontakt zwischen zwei im Abstand angeordneten stromführenden Leitern herstellt und der Stromweg durch die Vorrichtung so angelegt ist, daß die elektromechanischen Kräfte, die durch einen Strom über einer vorbestimmten Stärke erzeugt werden, das flüssige Metall aus dem Spalt verdrängen und so den Kontakt zwischen den Leitern unterbrechen.The invention also includes automatic electrical switch-off devices, where liquid metal bridges the gap and thus electrical contact between two spaced apart current-carrying conductors and the current path is applied by the device so that the electromechanical forces caused by a current above a predetermined level can be generated, the liquid metal out of the gap and thus interrupt the contact between the conductors.
Bei einer derartigen Anordnung kann die Größe des Spalts so bemessen sein, daß unter normalen Bedingungen das flüssige Metall in dem Spalt durch Oberflächenspannung zurückgehalten wird, jedoch bei überlastung die auf das flüssige Metall einwirkenden elektromechanischen Kräfte größer als die Oberflächenspannungskräfte sind, so daß das flüssige Metall aus dem Spalt ausgeblasen und der Kontakt so unterbrochen wird.With such an arrangement, the size of the gap can be so dimensioned be that under normal conditions the liquid metal in the gap is due to surface tension is retained, but in the event of an overload, the one acting on the liquid metal electromechanical forces are greater than the surface tension forces, so that the liquid metal is blown out of the gap and the contact is broken.
In Fig. 6 ist eine Ausführungsform einer automatischen elektrischen Ausschaltvorrichtung dargestellt. Ein erster Kontaktkörper 145 weist einen Behälter 146 mit Flüssigmetall 147 auf.In Fig. 6 is an embodiment of an automatic electrical Shut-off device shown. A first contact body 145 has a container 146 with liquid metal 147.
Feststehend in Bezug auf diesen Behälter und in Kontakt mit dem flüssigen Metall, das wiederum Quecksilber, Gallium oder Gallium-Indium-Legierung mit größerem Vorteil sein kann, ist ein zweiter Kontaktkörper 148 angeordnet. Der normale Stromweg ist durch die Pfeile angedeutet.Fixed with respect to this container and in contact with the liquid Metal, which in turn is mercury, gallium or gallium-indium alloy with larger May be advantageous, a second contact body 148 is arranged. The normal current path is indicated by the arrows.
Doch wird durch die fehlende Konzentrizität der Anordnung eine seitliche Kraft auf das flüssige Metall nach rechts in der Zeichnung hervorgerufen. Die Wand des Behälters auf dieser Seite ist verhältnismäßig niedrig und bildet ein Wehr 149, das den Behälter 146 von einer überlaufwanne trennt. Bei ausreichender Strom stärke wird das flüssige Metall über das Wehr getrieben und so der Kontakt zwischen den beiden Kontaktkörpern 145 und 148 unterbrochen. Die zur Betätigung der Vorrichtung notwendige Stromstärke kann durch Regelung der Eintauchtiefe des Kontaktkörpers 148 in das flüssige Metall eingestellt werden. Der Spalt zwischen den Kontakten, der beim Austreiben des flüssigen Metalls entsteht, muß natürlich ausreichend groß sein, um einen etwa entstehenden Bogen zu unterdrücken und die angelegte Spannung abzuhalten, wie bereits oben erwähnt ist.However, due to the lack of concentricity of the arrangement, it becomes a lateral one Force exerted on the liquid metal to the right in the drawing. The wall the container on this side is relatively low and forms a weir 149, which separates the container 146 from an overflow pan. With sufficient current the liquid metal is driven over the weir and so the contact between the two contact bodies 145 and 148 interrupted. The operation of the device necessary current strength can be determined by regulating the immersion depth of Contact body 148 can be set in the liquid metal. The gap between the contacts that arise when the liquid metal is expelled must of course be sufficiently large to suppress any arc that may arise and the to keep applied voltage, as already mentioned above.
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