DE2702103C2

DE2702103C2 - Niederspannungsvakuumschalter

Info

Publication number: DE2702103C2
Application number: DE2702103A
Authority: DE
Inventors: Robert M. Horseheads N.Y. Hruda
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-01-19
Filing date: 1977-01-19
Publication date: 1986-11-13
Also published as: ZA767617B; JPS6222049Y2; CA1081742A; GB1573415A; JPS60188441U; JPS5288773A; DE2702103A1

Description

2. Vakuumschalter i.ach Ai .,pruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Ringscheiben aus einem dünnen Metallmaterial bes .-hen.

3. Vakuumschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die planaren Kontaktflächen aus einem nicht verschweißenden Kontaktmaterial bestehen und in Form dünner Scheiben (24) auf die Stirnflächen der Kontaktabstützungen (22) aufgelötet sind.

4. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche ! bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den gegenüberliegenden Stirnseiten des isolierenden Ringes (12) eine Metallisierung angebracht ist, welche mit dem äußeren Durchmesserbereich der Ringscheiben hartverlötet ist.

5. Vakuumschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die äußeren Enden der Kontaktabstützungen (22) scheibenförmige Montageelemente mit einer zentralen Bohrung aufgeschoben und mit den Kontaktabstützungen hartverlötet sind, wobei die Kontaktabstützung durch die Bohrung in der Montageplatte hindurchragt.

6. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß über die äußere Umfangsfläche der Montageplatten (26) und des isolierenden Ringes (12) eine elastomere isolierende Hülse (28) zum Schutz der Ringscheiben und des isolierenden Ringes(12)aufgepaßt ist.

7. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit derKontaktabstützung hartverlötete planare Kontaktscheibe (24) aus einem zusammengesintertenPulvermaterial besteht, wobei auf der einen Seite der Kontaktscheibe (24) ein dünnes Sperrschichtmaterial angeordnet ist.

8. Vakuumschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

— daß das zusammengesinterte Pulvermaterial aus einem Kupfer-Wismutgemisch besteht, und

— daß das Sperrschichtmaterial Nickel oder Kupfer ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Niederspannungsvakuumschalters nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die einzelnen Teile des Vakuumschalters zusammenmontiert werden und in das Innere des Schalters ein Titanmaterial eingeschlossen wird;

daß der noch nicht vakuumdicht verschlossene Schalter in ein geschlossenes System gebrach ι wird, in welches zum Reinigen des Systems und des Schalters ein Edelgas eingeleitet wird;
daß anschließend eine Reinigung des Systems mit Wasserstoffgas erfolgt, und der Schalter innerhalb der Wasserstoffatmosphäre erhitzt wird, wodurch das Titan anfänglich Wasserstoff bindet;

daß die Erhitzung über die Gettertemperatur des Titans hinaus weitergeführt wird, bis das Material in den zu verlötenden Bereichen fließt und die vakuumdichte Verlötung des Schalters erfolgt; und

daß anschließend die Temperatur des Schallers erniedrigt wird um ein Verfestigen der Lötstellen zu bewirken und durch die Getterwirkung des Titans Wasserstoffgas zu binden, so daß innerhalb des Schalters ein hohes Vakuum bei der Umgebungstemperatur entsteht.

Die Erfindung betrifft einen Niederspannungsvakuumschalter mit einander gegenüberliegenden Kontaktelementen, die durch eine axial einwirkende Kraft betätigbar sind. Vakuumschalter sind allgemein bekannt und haben ein isolierendes Gehäuse, in welchem Kontaktelemente vakuumdicht betätigbar sind. Dabei ist zumindest ein Kontaktelement als bezüglich des .Schallergehäuses flexibles Element ausgebildet, um eine Kontaktbetätigung zu ermöglichen.

Derartige Niederspannungsvakuumschalter werden in der elektrochemischen Industrie benötigt, z. B. bei der Chlorherstellung, und sind zwischen die hohen Ströme führenden Leiterschienen der Stromversorgung und den chemischen Bädern angeordnet. Die Leitcrschicncn verlaufen durch Behälter und Gefäße für die chemische Lösung, wobei es von Zeit zu Zeit notwendig werden kann, bestimmte Behälter ohne Unterbrechung des Gesamtprozesses zu umgehen. Mit Hilfe der Niederspannungsvakuumschalter können Leiterschienen an bestimmten Stellen abgeschaltet werden, so daß Wartungsarbeiten möglich sind.

Es ist wichtig, daß die Niederspannungsvakinimschiilter leicht mit den massiven Leiterschienen verbindbar sind und eine genügend große Kontaklflächc aufweisen, um Ströme mit mehreren tausend Ampere schalten zu können. Bei der Regelanwendung derartiger Schalter in der elektrochemischen Industrie befinden sich die Schalter in einer Umgebung, die starken Korrosionen ausgesetzt ist. Die flexiblen Teile der Schalter müssen

cine axiale Bewegung zulassen, um die Kontaktelemen-Ic in eine .Schließposition und eine Öffnungsposition bringen zu können. Dabei sollen die flexiblen Elemente auch eine gewisse Flexibilität aufweisen, wenn die Betätigungskraft nicht genau in der Achse der Schalter verläuft, um auch in dieser Situation ein Öffnen des Schalters /u ermöglichen und dl·: Montage des Schalters zwischen den massiven Leiterschienen zu erleichtern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der äußere Durchmesserbereich von nachgiebigen Ringscheiben an einem isolierenden Ring auf gegenüberliegenden Stirnseiten vakuumdicht befestigt ist, wobei die Ebene der Ringscheiben senkrecht zur Achse des isolierenden Ringes verläuft daß die Ringscheibe mit einer Vielzahl von umlaufenden welligen Vertiefungen versehen ist, daß in der inneren Öffnung der Ringscheiben je eine Kontaktabstützung ausgerichtet auf die Achse des isolierenden Ringes verläuft und vakuumdicht mit der inneren Umfangsfläche der Ringscheibe verbunden ist. und daß an den sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Kontaktabstützungen pianare Kontaktflächen ausgebildet sind, die durch eine relative axiale Verschiebung der KontaktabstützungUi in eine Schließ- oder Öffnungsposition verschiebbar s>nd.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

fiin nach den Merkmalen der Erfindung aufgebauter Niederspannungsvakuumschalter besitzt an den zylindrischen Kontaktabstützungen angebrachte planare Kontaktflächen, wobei die zylindrischen Kontaktabstützungen in dünne nachgiebige Ringscheiben eingesetzt und mit diesen vakuumdicht verlötet sind. Dadurch wird eine axiale Verschiebung der Kontaktabstützungen bezüglich der Ringscheiben möglich. Die Ringscheiben ihrerseits sind mit einem isolierenden Ring an dessen meiuiliMLTtcn Siimseiien verbunden, wobei Me in eine Ebene senkrecht zur Achse des isolierenden Ringes verlaufen. Um die Nachgiebigkeit zu verbessern, sind die Ringscheiben mit einer umlaufenden Wellung bzw. mit welligen Vertiefungen oder umlaufenden Stegen versehen.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der aus einer Figur bestehenden Zeichnung, welche einen teilweise geschnittenen Niederspannungsvakuumschalter zeigt.

In der Zeichnung ist ein Niederspannungsvakuumsehalier 10 dargestellt, der um einen isolierenden Ring 12 herum aufgebaut ist. D>e einander gegenüberliegenden Stirnflächen des isolierenden Ringes 12 sind mit einem Metallüberzug versphen und mit dünnen nachgiebigen Ringscheiben 14 vakuumdicht verlötet. Diese Ringscheiben 14 sind aus einem etwa 0,3 mm starken Monclmetall. das aus einer Nickelkupferlegierung besteht, hergestellt, und haben eine Vielzahl von Wellungen 16, die ringförmig verlaufen. Diese Ringscheiben haben einen inneren Durchmesser von 603 mm und einen äußeren Durchmesser von etwa 95,25 mm. Die Wellungen haben eine Tiefe von etwa 1.5 mm. Der äußere Umfang 18 dieser nachgiebigen Ringscheiben 14 ist mit der metallisierten Oberfläche des isolierenden Ringes 12 hart verlötet. Längs des inneren Umfanges 20 sind die Ringscheiben 14 mit der zylindrischen Außenfläche zylindrischer Kontaktabstützungen 22 verlötet, die durch die Öffnung der Ringscheiben 14 verlaufen. Der zentrisch dazu angeordnete "polierende Ring 12 sowie die flexiblen Ringscheiben 14 und die Kontaktabstützungen 22 bilden nach dem Verlöten einen hermetischen Abschluß für den Vakuumschalter. Zur Herstellung des Vakuumschalters wird der Schalter montiert, wobei dis Lötmaterial in Form von Ringen zwischen die zu verlötenden Oberflächen gebracht wird. Anschließend wird der Schalter in einem Vakuumofen gekühlt. Dabei wird der Schalter evakuiert und die Temperatur über die Schmelztemperatur des Lötmittels angehoben, um nach dem Fließen des Lötmittels wieder abgekühlt zu werden, wodurch die vakuumdichte Verlötung entsteht.

ίο Auf den inneren einander gegenüberliegenden Stirnflächen der Kontaktabstützungen 22 sind nicht schweißende Kontaktscheiben 24 angeordnet Die Kontaktabstützungen bestehen üblicherweise aus Kupfer, wogegen die Kontaktscheiben 24 aus einem Kupfer-Wismutmaterial hergestellt sind, daß im Betrieb nicht schweißend ist. Mit den Kontaktabstützungen 22 sind ferner planare Montageplatten 26 verbunden, welche mit einer zentrischen Öffnung auf die zylindrischen Kontaktabstützungen aufgeschoben und mit diesen im Bereich des äußeren Endes der Kontaktabstüt^igen hartverlötet werden. Die Kontaktabstützung ragt geringfügig über die planare Montageplatte hinaus, wobei dieser Vorsprung etwa einer Größenordnung von 0.5 mm haben kann. Die Montageplatten 26 sind ihrerseits in den Eckbereichrn mit Gewindebohrungen versehen, in welche durch die Leiterschiene greifende Bolzen einschraubbar sind, um die Montageplatten mit den Leiterschienen zu verbinden. Die eigentliche elektrisch leitende Verbindung findet zwischen der äußeren Stirnfläche der Kontakt?.bstützung 22 und der Leiterschiene statt. Die Kontaktabstützung besteht vorzugsweise aus einem sauerstofffreien, hoch leitfähigen Kupfermaterial, welches verhältnismäßig weich ist und sich damit beim Ver-Echrauben mit der Leiterschiene gut an diese anlegt, was für einen guten elektrischen Kontaktübergang von Vorteil ist.

Eine elastomere isolierende Hülse 28 ist auf die Außenwände der Montageplatten in dichter Anlage aufgezogen und schützt den isolierenden Keramikring 12 sowie die hartverlöteten Bereiche des Schalters und die naengiebigen Ringscheiben vor den Einflüssen einer korrosiven,den Schalter umgebenden Atmosphäre.

Auf die Kontaktabstützungen wirkt eine längs der Achse des Schalters wirksame BetätiguP3skraft, um die Kontaktelemente zu betätigen, d. h. in die Schließ- bzw. Öffnungsposition zu bringen. Die gewellten Ringscheiben haben eine ausreichende Flexibilität um diese axiale Verschiebung zuzulassen. Ferner ermöglichen die gewellten Ringscheiben auch ein leichtes Verkanten der Kontaktabstützunge.i. womit zwischen den Kontaktflächen sich ausgebildete Kontaktverschweißungen leicln gelöst werden können. Die Tatsache, daß die Ringscheiben in der Regel senkrecht zur Schalterachse verlaufen, hilft dazu, daß das Verkanten der Kontaktahstützungen wohl für ein Losreißen von Kontaktverschmelzungen möglich ist. jedoch innerhalb eines minimalen Toleranzbereiches bleibt. Bei dem in der US-PS 39 50 628 beschriebenen Vakuumschalter mit einer Faltenbalgabdichtung ist ein derartiges Verkanten um beträchtliche Winkelbereiche möglich, jedoch nicht erwünscht, denn ein sich daraus ergebender kleiner Ko'itaKtbereich könnte zu einer Zerstörung der Kontaktflächen bei den großen verwendeten Stromdichten führen. Hohe, über kleine Bereiche der K^itaktfläche fließende Ströme bewirken ein Verdampfen des Kontaktmaterials in diesem Bereich und damit eine Zerstörung der Kontaktflächen und ermöglichen ferner einen Kurzschluß über den isolierenden Ring infolge von sich niederschlagenden Me-

talldämpfen.

Durch die Verwendung von zwei nachgiebigen Ringscheiben auf beiden Seiten der Kontaktstrecke ergibt sich die doppelte Weglänge für eine bestimmte einwirkende Betätigungskraft. Damit wird die erforderliche axial einwirkende Betätigungskraft und die Festigkeit in axialer Richtung verringert, jedoch in einer dazu senkrecht verlaufenden Richtung, d. h. in der Richtung senkrecht zur Schalterachse eine vergrößerte Steifigkeit bewirkt. Diese Eigenschaft führt dazu, daß die Notwendigkeit für eine zwangsläufige Ausrichtung der Kontaktelemente entfällt.

Die Herstellung des Niederspannungsvakuumschalters erfolgt vorzugsweise mit einem Verfahren, das eine schmale querverlaufende Kammer im Inneren zwischen den Kontaktabstützungen mit einer darin befindlichen schmalen Titanrippe vorsieht. In der Kontaktscheibe, welche während des Hartverlötens mit der Kontaktabstützung verbunden wird, ist eine kleine auf die Kontaktabstützung ausgerichtete öffnung vorgesehen. Der montierte Schalter wird in einem Vakuumofen angeordnet und die in dem Vakuumofen befindliche Luft durch Stickstoff ersetzt. Dieser Stickstoff wird anschließend durch Wasserstoff ersetzt, welcher kontinuierlich durch das System geleitet wird und auch in den Schalter eindringt, da die noch nicht verlöteten Teile genügend Spiel haben, daß das Gas in das Innere des Schalters eindringen und aus diesem wieder entkommen kann. Anschließend wird der Vakuumofen aufgeheizt und mit ihm die Titanrippe, welche einen wesentlichen Teil des Wasser-Stoffs absorbiert, wenn das Titan die Getterringtemperatur beim Erhitzen durchläuft. Danach, wenn die Temperatur weiter ansteigt, gibt das Titan Wasserstoff erneut frei, was eine erneute Spülung des Inneren des Schalters mit Wasserstoff bewirkt, so daß schließlich nur noch Wasserstoff zurückbleibt. Bei der erhöhten Temperatur beginnen die eingelegten Ringe aus dem Lötma'.erial zu schmelzen und verbinden die Teile des Schalters miteinander, wobei beim Abkühlen des Schalters das Lötmaterial aushärtet und den Schalter vakuumdicht verschließt. Gleichzeitig wird der im Inneren des Schalters befindliche Wasserstoff von dem Titan als Gettermaterial aufgenommen, wodurch das niedere Vakuum im abgedichteten Schalter entsteht.

Eine bevorzugte Kontaktausbildung sieht die Verwendung von dünnen gesinterten Scheiben aus einem Kupferwismutmatenal vor. das als nicht schweißendes Kontaktmaterial betrachtet werden kann und auf die inneren Stirnflächen der Kontaktabstützungen aufgelötet wird. Dabei erg-bt sich ein Problem, indem nämlich das Lötmaterial die Tendenz hat. in das dünne Kontaktmaterial zu infiltrieren und damit die nicht schweißenden Eigenschaften des Materials zu verschlechtern. Diese Nachteile können dadurch beseitigt werden, daß auf der einen Seite der Kupferwismutscheibe eine dünne Grenzschicht aufgebracht wird, die die Infiltration des Lötmaterials in den Kontakt verhindert. Diese Grenzschicht kann eine dünne Nickel- oder Kupferschicht sein, die eine Dicke von in der Größenordnung 2,5 ■ 10--²ITIm haben kann. Diese Grenzschicht wird vorzugsweise im Vakuum oder elektrisch aufgebracht

In bevorzugter Weise wird die Grenzschicht dadurch aufgebracht, daß ein Gemisch aus Kupfer und Wismutpuder auf eine dünne Kupferfolie aufgebracht wird, weiche etwa 2. 5 ■ 10-²mm bis 25 ■ 10~²mm dick sein kann. Dieser mit der Folie verpreßte Puder kann dann in herkömmlicher Weise gesintert und anschließend beim Verlöten des Schalters mit der Kontaktabstützung verlötet werden. Diese dünne Kupfcrfolic als Grenzschicht verhindert das Eindringen von Lötmaterial in die Kupferwismutkontaktscheibe.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Niederspannungsvakuumschalter mit einander gegenüberliegenden Kontaktelementen, die durch eine axial einwirkende Kraft betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet.

daß der äußere Durchmesserbereich von nachgiebigen Ringscheiben (14) an einem isolieren- io — den Ring (12) auf gegenüberliegenden Stirnseiten vakuumdicht befestigt ist,
wobei die Ebene der Ringscheiben (14) senkrecht zur Achse des isolierenden Ringes ver- — läuft; daß die Ringscheibe (14) mit einer Vielzahl von umlaufenden welligen Vertiefungen (16) versehen ist; — daß in Her inneren Öffnung der Ringscheiben je eine Ksntaktabstützung (22) ausgerichtet auf die Achse des isolierenden Ringes verläuft und vakuumdicht mit der inneren Umfangsfläche der Ringscheibe verbunden ist; und — daß an den sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Kontaktabstützungen (22) planare Kontaktflächen (248) ausgebildet sind, die durch eine relative axiale Verschiebung der Kontaktabstützungen in eine Schließ- oder Öffnungspo- — sition verschiebbar sind.

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