DE2728238A1

DE2728238A1 - Gasbetaetigter schalter

Info

Publication number: DE2728238A1
Application number: DE19772728238
Authority: DE
Inventors: Richard Santiago Gomez; Jun Eugene James Scray
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-07-01
Filing date: 1977-06-23
Publication date: 1978-01-05
Also published as: FR2357050A1; SE427226B; CH620045A5; DE2728238C2; US4103135A; JPS534871A; GB1571567A; BE856331A; JPS5812692B2; IT1115497B; SE7707571L; FR2357050B1; NL7707133A; CA1093618A

Description

Böblingen, 22. Juni 1977 heb-pi

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanme!dung Aktenzeichen d. Anmelderin: BU 975 016

Vertreter:

Bezeichnung:

Patentanwalt Dipl.-Ing. H. E. Böhmer 7O3O Böblingen

Gasbetätigter Schalter

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Gasbetätigter Schalter

Die Erfindung betrifft einen gasbetätigten mechanischen Schalter zum Schließen und öffnen von elektrischen Stromkreisen. ,Der Schalter kann dabei für beliebig lange Zeit geschlossen gehalten und dann wieder geöffnet werden. Insbesondere betrifft die Erfindung einen gasbetätigten, mit einer leitenden Flüssigkeit versehenen Schalter zur Steuerung des in elektrischen Schaltungen fließenden Stroms.

Gasbetriebene Schalter unter Verwendung von leitenden Flüssigkeiten sind seit vielen Jahren bekannt. Dabei sind viele Ausführungsformen bekanntf meistens bestehen Schalter dieser Art jedoch aus einem Kapillarröhrchen, das an einer gasgefüllten Kugel oder an mehreren gasgefüllten Kugeln angeschlossen ist, deren Durchmesser im allgemeinen wesentlich größer ist als der Durchmesser des Kapillarröhrchen. Das in der gasgefüllten Kugel befindliche Gas wird erwärmt und übt dabei von einem Ende des Kapillarröhrchen aus einen Druck auf die leitende Flüssigkeit» im allgemeinen Quecksilber, in Richtung auf das andere Ende des Kapillarröhrchen aus.

Die US-Patentschrift 310 472 offenbart einen elektrischen Schalter mit einem verschlossenen Glasrohr mit zwei Kammern, die durch ein Kapillarröhrchen miteinander verbunden sind, das einen Quecksilbertropfen enthält, in dem zwei Drähte, die !aus Platin bestehen können, enden. Durch elektrischen Strom 'erzeugte Wärme dehnt das Gas in der Kammer aus und drückt das Quecksilbertröpfchen durch die Kapillare und steuert damit

^!das Arbeiten des Schalters. Die Wärme kann dabei durch eine außerhalb oder innerhalb der Kammer angeordnete elektrische j Schaltung erzeugt werden. Die US-Patenschrift 1 598 874 zeigt einen Schalter mit einem geschlossenen Glasgefäß und dicht eingeführten Elektroden, die durch eine kleine Menge aus hochreinem Quecksilber, das ebenfalls in dem Glasgefäß ent-

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halten ist, elektrisch miteinander in Kontakt kommen können.
Das Glasgefäß kann dabei mit einem inerten Gas, wie z.B.
Stickstoff, helium oder Wasserstoff, gefüllt sein. Die Elektroden können dabei aus Eisen, Nickel oder Wolfram bestehen.
Die US-Patentschrift 2 012 491 offenbart einen Schalter mit ; einem Paar wasserstoffgefüllter Kammern, die durch einen rohr-j förmigen Abschnitt miteinander verbunden sind, der Quecksilber j enthält. In jeder Kammer ist ein Heizelement vorgesehen. Der
Schalter wird dabei in der Weise als selbsthaltender Schalter
betrieben, daß in das Quecksilber ein erstes oder ein zweites i Kontaktelement eintauchen, je nachdem welches der beiden i Heizelemente zur Ausdehnung des darin befindlichen Gases \ erregt wird. '

Die US-Patentschrift 2 666 105 offenbart einen Schalter mit , einem Kapillarröhrchen, das sich zwischen zwei gasgefüllten
Kammern befindet. Innerhalb des Röhrchens befindet sich ein
Quecksilbertropfen und ein Paar durch das Quecksilber in Kontakt zu bringender Drähte. Die in der einen oder anderen der ! beiden Kammern erzeugte Wärme öffnet und schließt den Schalter.; In einer Ausführungsform dieses Schalters werden langgestreckte, zylindrische Glaskolben an dem Kapillarröhrchen angebracht
und stehen miteinander über ein Paar kugelförmiger vergrößerte!; öffnungen in Verbindung, die dazu dienen, das Metall vor dem i Quecksilber zu schützen. Die US-Patentschrift 3 102 179 be- _{ schreibt einen Schalter mit einem Kapillarröhrchen und einem
Quecksilbertropfen, bei welchem ein Paar von Stopfen an entgegengesetzten Enden des Kapillarröhrchen angebracht sind,
welche verhindern sollen, daß das Quecksilber aus dem Röhrchen herausfließt, während gleichzeitig das Gas nach den
Quecksilber hindurchströmen kann. Ein aus Draht und Glasfaser
hergestellter Stopfen wird dabei vorgeschlagen. Die US-Patent-j schrift 3 176 101 zeigt einen Schalter mit einem Kapillar- j röhrchen, das zwischen zwei gasgefüllten kolbenähnlichen

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¹ Kammern liegt. In dem Glasröhrchen befindet sich ein Queck-,silbertropfen und ein Paar Drähte, die durch das Quecksilber I in elektrisch leitende Verbindung miteinander gebracht werden i können. Für jede der Kammern ist eine elektrische Heizvorrichtung vorgesehen, durch deren Erwärmung das in der Kammer befindliche Gas sich ausdehnt und den Quecksilbertropfen bewegt. Ale Heizvorrichtungen sind ein Heizdraht und eine Heizspule vorgesehen.

Die US-Patentschrift 3 632 941 beschreibt einen Schalter mit i einem innerhalb eines Hohlraumes von im wesentlichen gleich-Iförmigen Querschnitt verschiebbaren Quecksilbertropfen für eine wahlweise Kontaktierung der Enden eines Drahtpaares durch abwechselndes Anlegen eines Fluidumdruckes von entgegengesetzten Seiten des Quecksilbertröpfchens aus einer ersten oder einer zweiten unter Druck stehenden Quelle. Dabei sind Mittel vorgesehen, die die hohe Oberflächenspannung des Quecksilbers zwischen der Kammer, in der sich das Quecksilber bewegt, und den unter Druck stehenden Quellen vorgesehen, die verhindern, daß das Quecksilber in die unter Druck stehenden Quellen gelangt.

Die bisher im Stande der Technik bekannten mit leitender Flüssigkeit oder einem Fluidum arbeitenden Schalter sind für die ; beabsichtigten Zwecke zufriedenstellend, sind Im allgemeinen jedoch relativ teuer, umfangreich, langsam und empfindlich ι gegen Erschütterung, Temperaturänderungen, und außerdem sind sie lageempfindlich. i

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen neuartigen gasbetriebenen Schalter mit Selbsthalteeigenschaften zu schaffen. Insbesondere soll sich dieser Schalter bei sehr geringen Kosten als bistabiler Schalter in Miniaturausführung herstel-

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len lassen und dabei wesentlich höhere Arbeitsgeschwindigkeiten aufweisen als bisher bekannte gasbetriebene Schalter. Dabei soll gleichzeitig erreicht werden, daß dieser neue Schalter auch stoßunempfindlich wird. ;

Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch | Schaffung eines gasbetriebenen Schalters gelöst, der aus einem einzigen Kapilarröhrchen besteht, das an seinen Enden verschlossen ist. Innerhalb dieses Kapillarröhrchens ist ein nicht oxidierendes Gas eingeschlossen, das durch eine leitende Flüssigkeit, wie z.B. ein Quecksilbertröpfchen in eine erste und eine zweite Kammer getrennt ist. Ein Drahtpaar oder ein Paar elektrischer Kontakte sind so angeordnet, daß sie dann, wenn sich das Quecksilbertröpfchen in einer ersten Position befindet, beide von diesem benetzt werden können, während nur einer oder der andere Draht oder Kontakt von dem Quecksilber benetzt wird, wenn sich dieses in einer zweiten Position befindet. In unmittelbarer Berührung mit dem Kapillarröhrchen sind zwei Heizvorrichtungen zum Aufheizen des Gases in der ersten bzw. zweiten Kammer angeordnet und werden erregt und zwingen damit das Quecksilbertröpfchen entweder in die erste oder in die zweite Position. Um zu verhindern, daß das Quecksilbertrupfchen bei Anlegen von starken auf das Tröpfchen vom einen oder anderen Ende des Röhrchens aus einwirkenden Kräften in mehrere Einzeltröpfchen zerfällt, ist eine Strömungssperre für das Quecksilber, wie z.B. ein ringförmige Verengung, vorgesehen, die zwar das Durchfließen von Quecksilber jedoch nicht das Durchströmen von Gas verhindert, innerhalb der beiden Kammern angeordnet.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen Im einzelnen zu entnehmen.

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In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 schematisch im vergrößerten Maßstab eine Ausführungsform eines gasbetätigten Schalters gemäß der Erfindung,

Fig. 2 in stärkerer Vergrößerung den in Fig. 1 dargestellten Schalter, wobei Teile weggebrochen sind,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht mit zum Teil weggebrochenen Teilen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäß aufgebauten Schalters ,

Fig. 4 eine Kurve zur Darstellung der Zunahme der

Hysterese bei abnehmendem Durchmesser der Bohrung des Kapillarröhrchen,

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Zunahme der

zwischen einem Quecksilberfilm und einem Draht oder Leiter wikenden Kraft entsprechend der Zunahme des Außendurchmessers des Drahtes oder Leiters,

Fig. 6 die Schaltfunktion des in Fig. 3 dargestellten

Schalters beim Beginn des Schließens des Schalters,

Fig. 7 die Schaltfunktion gemäß Fig. 6 bei geschlossenem Schalter,

Fig. 8 die Schaltfunktion des geschlossenen Schalters

beim Beginn des uffnens,

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Flg. 9 die Schaltfunktion wie In Flg. 8 beim Offnen

des Schalters,

Flg. 10 eine Schaltungskarte, auf der eine Anzahl von Schaltern gemäß der Erfindung untergebracht |

sind, j

Flg. 11 ein Schaltdiagramm für die selektive Er- \

regung der in Fig. 10 gezeigten Anordnung von j Schaltern, !

Fig. 12 eine Wahrheitstabelle für die in Fig. 11 ge- j

zeigte Schaltung für eine wahlweise Erregung j der Anordnung von Schaltern gemäß Fig. 10 und i

Fig. 13 eine weitere Ausführungsform eines erfindungs- !

gemäß aufgebauten Schalters unter Verwendung ! einer erstarrenden Flüssigkeit mit einer ; dritten Heizvorrichtung. j

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung i

In Fig. 1 und in Fig. 2, die eine vergrößerte Darstellung von
Fig. 1 ist, ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß
aufgebauten Schalters dargestellt, der aus einem aus einem
Stück bestehenden, vorzugsweise aus Glas hergestellten Kapillar} röhrchen 10, einem ersten bzw. zweiten elektrischen Leiter
12 bzw. 14 innerhalb des Röhrchens 10 und einem Tropfen einer
leitenden Flüssigkeit, vorzugsweise aus reinem Quecksilber 16, und einem nichtoxidierenden Gas 18 besteht. Das Kapillarröhrchen 10 ist an seinen Enden 20 und 22 durch Zusammendrücken um j die Leiter 12 bzw. 14 dicht verschlossen. Das Quecksilbertröpfchen 16 teilt das dichtverschlossene Röhrchen 10 In eine erste Kammer 24 und eine zweite Kammer 26 von praktisch gleichgroßem Volumen. Enden 28 und 30 der Leiter 12 bzw. 14 liegen lnner-

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halb dee dichtverschlossenen Röhrchens 10 und enden mit einem gewissen Abstand voneinander an oder in der Nähe des Quecksilbertröpfchens 16. Die Größe des Quecksilbertröpfchens 16 ist dabei so gewählt, daß es mit jedem der Enden 28 und 30 der Leiter 12 bzw. 14 gleichzeitig in Kontakt kommen kann. Eine erste Ströaungssperre 32 umgibt den ersten elektrischen Leiter j 12 in der Nachbarschaft seines Endes 28, und eine zweite Strömungssperre 34 umgibt den zweiten elektrischen Leiter 14 in ; der Nähe Beines Endes 30. Die Strömungssperren 32 und 34 bestehen vorzugsweise aus Glas oder einem durch das Quecksilber-i tröpfchen 16 nicht benetzbaren Material, sind mit den LeI-jtern 12 und 14 verbunden und weisen einen derartigen Durch- ; !messer auf, daß der Abstand zwischen den Strömungssperren 32 j und 34 und der inneren Oberfläche des Röhrchens 10 kleiner i j ist als 0,25 am, vorzugsweise aber 0,05 mm beträgt. Die Leiter 112 und 14, insbesondere aber deren Enden 28 bzw. 30 bestehen 'aus einem Material, wie z.B. Nickel, das durch das Quecksilbertröpfchen 16 benetzbar ist. Das Gas 18 kann dabei Stickstoff, Wasserstoff oder Freon sein. Zur Darstellung einer hermetischen Abdichtung an den Enden 20 und 22 des Röhrchens 10 sind , die Leiter 12 und 14 in der Nachbarschaft der Enden 20 und ; 22 des Glasröhrchens örtlich oxidiert und die Enden der Glas- ' röhrchen werden bei der Herstellung örtlich erhitzt, so daß sie sich zusammensinkend dicht an die oxidierten Oberflächen der Leiter 12 und 14 anschmiegen. Heizvorrichtungen, wie z.B. die Heizwicklungen 36 und 38, die aus Nichrom oder Kupfer j bestehen, sind in unmittelbarer Berührung mit der äußeren Oberfläche des Röhrchens 10 angebracht und umgeben die erste j

Kammer 24 bzw. die zweite Kammer 26. j

Ein gemäß Fig. 1 und 2 hergestellter Schalter hat außerordentlich kleine Abmessungen. Ein mit Erfolg betriebener Schalter j dieser Art hat einen Außendurchmesser von 0,33 mm, einen Innenf durchmesser von 0,18 mm und eine Länge von 16,3 mm. Die Länge

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der Abdichtung an jedem Ende des Röhrchens 10 beträgt etwa 0,4 rom, und die Dicke der Leiter 12 und 14 beträgt etwa 0,1 mm·

Die Größe des Quecksllbertröpfchens betagt etwa 0,2 χ 0,4 mm. _;

Im Betrieb des Schalters wird Strom aus einer angeschlossenen Stromquelle durch die Heizwicklung 38 geschickt, so daß der Schalter In seine offene oder ausgeschaltete Stellung geht. Wie klar aus Flg. 2 zu erkennen 1st, 1st das Quecksilbertröpfchen 16 dann, wenn der Schalter geöffnet 1st, In Kontakt mit dem Ende 28 des Leiters 12, jedoch nicht in Kontakt mit dem Ende 30 des Leiters 14, so daß durch den Schalter dann kein Strom fließen kann, wenn über den Leitern 12 und 14 eine Spannungsdifferenz angelegt wird. Zum Schließen des Schalters wird Strom aus einer Stromquelle durch die Heizwicklung 36 geschickt. Wenn der Schalter geschlossen ist, dann ist das Quecksilbertröpfchen 16 gleichzeitig in Kontakt mit den Leiter·' enden 28 und 30.

Es sei darauf verwiesen, daß das Röhrchen 10 als Kapillarröhrchen vom Ende 20 bis zum Ende 22 einen gleichförmigen Durchmesser aufweist und damit nicht nur einfach herzustellen ist, sondern auch eine große Aufheizfläche für das in den Kammern 24 und 26 befindliche Gas besitzt, sich aber ebenso rasch abkühlt, wenn der durch die Heizwicklungen 36 bzw. 38 fließende Strom abgeschaltet ist. Sollen gasbetriebene Schal-'ter mit hoher Geschwindigkeit umgeschaltet werden, dann fordert das ein rasches thermisches Ansprechen des in den Kammern 24 und 26 befindlichen Gases. Diese Anordnung gemäß der Erfindung ergibt eine bemerkenswerte Druckdifferenz zwischen den freien Enden des Quecksilbertröpfchens, wodurch die Schaltgeschwindigkeit wesentlich verbessert wird. Es sei ferner darauf verwiesen, daß dadurch, daß für die gesamte Länge des j Schalters ein Kapillarröhrchen gleichen Durchmessers verwendet wird, die Wände des Röhrchens 10 sehr dünn gemacht werden können, beispielsweise 0.1 mn oder weniger, ohne daß dazu

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kostspielige Herstellungsverfahren erforderlich sind. Das dünnwandige Röhrchen 1O überträgt die Wärme von der Heizwicklung 36 bzw. 38 sehr schnell auf die entsprechende Kammer, bringt das Gas zur Ausdehnung und treibt damit das Quecksil- !bertröpfchen 16 in Richtung auf die andere Kammer. Da die !andere Kammer ebenfalls sehr dünn und langgestreckt ist, verbleibt ihre Temperatur und die Temperatur des darin befindiliehen Gases praktisch dann auf Umgebungstemperatur, wenn die Heizvorrichtung nicht in Betrieb ist.

■Da dieser Schalter für eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit, d.h.

:eine Ansprechzeit von weniger als 25 Millisekunden ausgelegt ist, kann eine kurzzeitige Erwärmung, d.h. ein Wärmeimpuls !von weniger als 10 Millisekunden Dauer, benutzt werden, wenn während dieser Zeit die notwendige Energie in Milliwattsekunden geliefert wird. Um die Unversehrtheit des Quecksilbertröpfchens 16 als eines einzigen Tröpfchens aufrecht zu erhalten, sind die Strömungssperren 32 und 34 in der Nachbarschaft des für eine hin- und hergehende Bewegung des Queck- ;silbertröpfchens zur Verfügung stehenden Weges in der Nähe der Enden 28 und 30 der Leiter 12 und 14 angeordnet. Die Strömungssperren 32 und 34 und die Leiter 12 und 14 an diesen Strömungesperren sollten nicht benetzende Oberflächen aufweisen. Die kolbenartige Verschiebung des Quecksilbers und/oder kleinere Quecksilbertröpfchen, die durch mechanische Erschütterung erzeugt werden könnten, sind daher auf ein Volumen begrenzt, daß innerhalb der Strömungssperren liegt. Kleine Tröpfchen können daher nicht existieren, da deren räumliche Einschränkung die Wahrscheinlichkeit vergrößert, daß die kleinen Quecksilberkügelchen miteinander in Berührung kennen. Wenn aber Quecksilberkügelchen miteinander in Berührung können, so findet sofort eine Absorption der kleinen Kügelchen durch das größere Tröpfchen statt.

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Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer ähnlich wie Fig. 2 vergrößerten Darstellung, wobei gleiche Teile des Schalters mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der in Fig. 3 dargestellte Schalter unterscheidet sich von dem Schalter gemäß Fig. 2 darin, daß die Heizvorrichtung für die Kammern 24 und 36 aus Widerstandsschichten 36' bzw. 38' bestehen. Stromanschlüsse 40 und 42 sind dabei für die Widerstandsschicht 36' und Stromanschlüsse 44 und 46 für die Widerstandsschicht 38' vorgesehen. Diese Schichten 36 und 38 können dabei aus Kohlenstoff und Glas bestehen, das durch Aufstreichen, Aufsprühen oder Aufdampfen auf das Glasröhrchen 10 aufgebracht ist. Der in Fig. 3 dargestellte Schalter unterscheidet sich außerdem von dem Schalter gemäß Fig. 2 dadurch, daß die Strömungssperren als Flansche 32' und 34' Bestandteil der Leiter 12 bzw. 14 sind. Diese Flansche 32' und 34* sind so angeordnet, daß der Abstand zwischen den Flanschen 32' und 34' und der inneren Oberfläche des Röhrchens 10 kleiner ist als 0,25 mm, so daß das Quecksilbertröpfchen 16 nicht hindurchtreten kann, während das inerte Gas 18 passieren kann. Da die Lei ter 12 und 14 aus einem benetzbaren Material, wie z.B. Nickel bestehen, ist ein überzug aus einem durch Quecksilber nicht benetzbaren Material, wie z.B. eine Schicht aus Chrom 48 oder 50, über jeder der Strömungssperren oder Flansche 32' bzw. 34' vorgesehen. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist das Ende 28 des Leiters 12 von Chrom frei, genau wie die senkrechte Oberfläche des Endes 30 des Leiters 14. Der Schalter gemäß Fig. 3 arbeitet in gleicher Weise, wie der in Fig. 2 gezeigte Schalter.

Fig. 4 zeigt eine Kurve, die die zur Bewegung des Quecksilbertröpfchens 16 innerhalb des Röhrchens erforderliche Kraft bei abnehmendem Innendurchmesser des Kapillarröhrchens 10 zeigt. Aus einer Betrachtung dieser Kurve erkennt man, daß die erforderliche Kraft rasch nichtlinear mit abnehmendem Innendurchmesser des Röhrchens zunimmt. Damit nimmt aber die Hysterese oder die durch das Quecksilbertröpfchen 16 innerhalb

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des Kapillarröhrchene 10 verursachte Verzögerungswirkung mit einer Abnahme des Innendurchmessers des Röhrchens rasch zu.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Darstellung, wie sich die Kraft zwischen einem Quecksilberfilm und dem Außendurchmesser eines Drahte· oder Leiters ändert, an dem das Quecksilber haftet. Man sieht« daß die Haftkraft linear mit dem Außendurchmesser des Drahtes oder Leiters zunimmt.

Es sei bemerkt, daß der erfindungsgemäß aufgebaute Schalter eine sehr starke Selbsthaltewirkung aufweist, da das Kapillarröhrchen einen «ehr kleinen Innendurchmesser, der Leiter 14 dagegen einen relativ großen Außendurchmesser an seinem Ende 30 aufweist, wodurch eine zusätzliche Kraft erzeugt wird, die dann wirksam wird, wenn der Schalter geschlossen ist.

Fign. 6 und 7 zeigen die Schaltwirkung des in Fig. 3 dargestellten Schalters beim Schließen des Schalters. Zum Einleiten dieses Schließvorganges wird die Heizvorrichtung 36 von Strom durchflossen, wodurch sich das Gas in der ersten Kammer 24 durch Erwärmung ausdehnt. Die durch das sich ausdehnende Gas erzeugte Kraft wirkt als Kraft über den zwischen der Strömungssperre 32 und der inneren Oberfläche des Röhrchens 0 auf das Quecksilbertröpfchen ein und bewegt das Quecksilbertröpfchen 16 nach Art eines Kolbens gegen das Ende 30 des Leiters 14, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist. In Fig. 7 ist der Schalter in geschlossener Stellung dargestellt, wobei das Quecksilbertröpfchen 16 in inniger Berührung mit dem Ende 30 des Leiters 14 ist, während das Quecksilbertröpfchen 16 gleichf zeitig in Kontakt mit dem Ende 28 des Leiters 12 ist. Sobald der Schalter geschlossen ist, wird die Heizvorrichtung 36 abgeschaltet und wegen der langen, dünnen Kammer 24 kühlt sich das Gas 18 in der Kammer 24 rasch ab, so daß der auf das freie Ende des Quecksilbertröpfchens in der Kammer 24 ausgeübte Druck abfällt. Wegen dieses raschen Druckabfalls in der

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Kammer 24, kann der Schalter schnell dadurch geöffnet werden, daß man die Heizvorrichtung 38* erregt, die durch Erwärmung das in der zweiten Kammer 26 befindliche Gas zur Ausdehnung bringt. Die durch das sich ausdehende Gas erzeugte Kraft ist dabei über den zwischen dem Flansch 34* und der inneren Oberfläche des Röhrchens 10 gebildeten Spalt auf das Quecksilbertröpfchen 16 gerichtet und bewegt dieses Quecksilbertröpfchen 16 in Richtung auf das Ende 28 des Leiters 12. Die Aberregung der Heizvorrichtung vor dem tatsächlichen Schließens des Schalters ist dann zulässig, wenn eine ausreichend große Energie abgegeben worden ist, die ein Schließen des Schalters sicherstellt. In Fig. 8 ist der Schaltvorgang zu dem Zeitpunkt dargestellt, wenn der Schalter sich zu öffnen beginnt, und in Fig. 9 ist der Schalter in seiner geöffneten Stellung gezeigt. Es sei bemerkt, daß eine kleine Menge Quecksilber 52 am Ende 30 des Leiters 14 haftet, während die Masse des Quecksilbertröpfchens 16 in die geöffnete Position des Schalters zurückkehrt. Es wurde festgestellt, daß nur eine kleine feststehende Menge des Quecksilbers am Ende 30 des Leiters 14 unter Bildung eines dünnen Filmes haften bleibt, und daß dieser Film für den Hauptkörper des Quecksilbertröpfchens 16 eine sehr erwünschte Netzwirkung aufweist.

In Fig. 10 ist eine gedruckte Schaltungskarte gezeigt, auf der I eine Anzahl von Schaltern gemäß Fig. 1,2 und 3 angebracht sind. Obgleich 32 Schalter oder 16 Schaltpaare angedeutet sind !können auch mehr oder weniger Schalter auf jeder Schaltungsikarte vorgesehen sein. Wegen der sehr geringen Abmessungen lassen sich die Schalter durch Rückfließen von Lot oder durch Anlöten der Drähte an der Karte anbringen, so daß hunderte von Schaltern leicht auf einer einzigen Schaltungskarte untergebracht werden können. Die Karte besteht aus einem Substrat 52 und den Eingangs/Ausgangsanschlüssen 54, an denen die Schal· ter angeschlossen sind. Eine integrierte Halbleiterschaltung

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56, die einen oder mehrere Transistoren enthalten kann, ist auf dem Substrat 52 angeordnet und steuert das Arbeiten der Schalter. Eine Steuerschaltung gemäß Fig. 11 kann zur Steuerung der Schalter 58, 60, 62 und 64 in Fig. 10 benutzt werden. j Natürlich lassen sich wesentlich mehr Schalter in der Kartenianordnung gemäß Fig. 10 steuern, wenn man die Steuerschaltung j gemäß Fig. 11 entsprechend größer auslegt. Eine Wahrheitsitabeile, die in Verbindung mit der in Fig. 11 gezeigten Steuerschaltung eingesetzt werden kann, zeigt Fig. 12. Man sieht aus den Fign. 10, 11 und 12, daß dann, wenn ein durch eine !1 dargestellter Impuls oder ein durch eine 0 dargestelltes Erdpotential gemäß Tabelle in Fig. 12 in geeigneter Weise an den X, X¹, X", Y und Y' Klemmen der Fig. 11 angelegt werden, jeder der Schalter 58, 60, 62 und 64 je nach Wunsch geschlossen oder geöffnet werden können. In Fig. 11 stellen die Wicklungen S und R die Heizwicklungen, wie z.B. 36* bzw. 38* für die Schalter 58, 60, 62 und 64 dar. Die Transistoren 66, 68, 70 und 72 können in Form einer integrierten Schaltung auf einem Halbleiterplättchen 56 angebracht sein. Die einzelnen Schalter oder die paarweise vorgesehenen Schalter auf der Schaltungskarte gemäß Fig. 10 können zur Steuerung beliebiger ;elektrischer Schaltungen, wie z.B. bei Fernsprechvermittlungen benutzt werden.

In Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß aufgebauten Schalters gezeigt. In dem in Fig. 13 dargestellten Schalter sind in der vergrößerten Darstellung die Enden des Kapillarröhrchens 10 weggelassen, und das Tropf- | chen der leitenden Flüssigkeit ist vorzugsweise ein Tropf- \ chen au· Lötmaese oder Indium 16*. Der Schalter arbeitet da- ^; bei im wesentlichen in der gleichen Weise wie die zuvor beschriebenen, erfindungsgemäß aufgebauten Schalter, mit der Aus·» nähme, daß eine dritte Heizvorrichtung vorgesehen ist, die dazu dient, das Tröpfchen 16* in seinem flüssigen Zustand j l !

!zu halten. Durch Verwendung eines Tröpfchens aus Lötmittel :

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oder Indium erhält man eine weitere Verbesserung der Stoßempfindlichkeit des erfindungsgemäß aufgebauten Schalters. Dieser Schalter kann mit Halbauswahl oder Teilauswahl betrieben : werden, so daß die Anforderungen für die Ansteuerung des : Schalters herabgesetzt werden, wenn der Schalter in Bereichen j mit umfangreicher X-, Y-Auswahl eingesetzt wird, wie z.B. bei großen Vermittlungsanlagen.

Die Betätigung des Schalters erfordert das selektive Anlegen von Energie an die Heizvorrichtungen 36', 74 und 68' in Fig. 13. Man sieht, daß dann, wenn die Heizvorrichtung 74 nicht erregt ist, ein Umschalten des Schalters nicht möglich ist. Man erhält auch keine Umschaltung des Schalters, wenn die Heizvorrichtungen 36', 74 und 38* gleichzeitig erregt sind. Zum Schließen des Schalters werden nur die Heizvorrichtungen 36' und 74 erregt, und zum öffnen des Schalters werden nur die Heizvorrichtungen 74 und 38* erregt. Es sei bemerkt, daß dieser Flüssig-Fest-Schalter gemäß Fig. 13 in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt werden kann, wo sehr hohe Stoßbelastungen auftreten. ,

Obgleich die Erfindung mit Heizwicklungen oder Heizschichten [ für die Ausdehnung des Gases 18 dargestellt wurde, so ist | doch ohne weiteres einleuchtend, daß andere Heizvorrichtungen, j wie z.B. mit Strahlungsenergie aus einem Laserstrahl für manche Anwendungsgebiete des Schalters gemäß der Erfindung erwünscht sein können. Außerdem sei klargestellt, daß die Heizvorrichtung auch in der Wandung des Glasröhrchens selbst untergebracht werden kann oder aus einem Widerstandsglas gebildet sein kann. Ferner kann die Heizvorrichtung auch inner-I halb des Kapillar röhrchens über die Länge der Kammern 24 und 26 angebracht sein.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Gasbetriebener Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines an beiden Enden dicht verschlossenen Kapillarröhrchen, in das von jedem Ende her ein elektrischer Leiter (12, 14) dicht eingeführt und mit einer Kontaktspitze (28, 30) versehen ist, daß ferner in dem Kapillarröhrchen (10) ein Kügelchen (16) aus einer elektrisch leitenden Flüssigkeit eingeschlossen ist, und damit eine erste und eine zweite Kammer (24, 26) bildet, in denen jeweils ein nicht oxidierendes Gas (18) eingeschlossen ist, und daß schließlich eine Heizvorrichtung (36, 38) zum selektiven Aufheizen des Gases in der einen oder der anderen Kammer vorgesehen ist.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (36, 38) zwischen den Enden (20, 22) des Kapillarröhrchen angeordnet ist.
3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß Kapillarröhrchen ein aus elektrisch nichtleitendem Material bestehendes einstückiges Röhrchen ist.
4. Schalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten bzw. in der zweiten Kammer in der Nachbarschaft des Kügelchens eine Strömungssperre (32, 34; 32', 34') angeordnet ist, die das Kügelchen aus elektrisch leitender Flüssigkeit innerhalb eines vorbestimmten Volumens begrenzt hält.
5. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung aus einem ersten (36) und einem zweiten (38) Heizelement besteht, das in Berührung mit der ersten bzw. zweiten Kammer angebracht ist.

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6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Heizelement (74) vorgesehen 1st und der selektiven Erwärmung des Kügelchens (16*) aus einer leitenden Flüssigkeit dient.
7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einer leitenden Flüssigkeit bestehende Kügelchen bei Umgebungstemperatur erstarrt.
8. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung aus einer mit dem Kapillarröhrchen in Kontakt befindlichen Widerstandsschicht (36*, 38·, 74) besteht.
9. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (36, 38) wahlweise miteinander abwechselnd erregbar sind, so daß einmal das aus einer leitenden Flüssigkeit bestehende Kügelchen in Kontaktberührung mit nur einem (12) oder gleichzeitig mit beiden elektrischen Leitern (12, 14) zur Darstellung des offenen bzw. geschlossenen Zustands des Schalters einstellbar ist.
10. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungssperren aus einem das Ende jedes Leiters (12, 14) umgebenden, durch die elektrisch leitende Flüssigkeit nicht benetzbaren Flansch (32, 34; 32', | 34') bestehen.
11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ' die leitende Flüssigkeit Quecksilber ist und daß die ' Strömungssperren aus Glas bestehen.

709881/0930

BU 975 016
12. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (32, 34; 32', 34') Bestandteil der Leiter (12, 14) sind und mit einem durch die elektrisch leitende Flüssigkeit nicht benetzbaren Überzug (48, 50) versehen sind.
13. Schalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (12, 14) aus Nickel bestehen, daß der nicht benetzende überzug (48, 50) aus Chrom besteht und daß ale leitende Flüssigkeit Quecksilber dient.
14. Schalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leiter (12) mit seiner Kontaktspitze (28) in ständigem Kontakt mit dem aus Quecksilber bestehenden Kügelchen ist, und daß die Querschnitssflache der Kontaktepitze (30) des zweiten Leiters (14) beträchtlich größer ist, als die Querschnittsfläche der Kontaktspitze (28) des ersten Leiters.
15. Schalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströraungssperren (32, 34; 32 *, 34') einen Abstand von der Innenwand des Kapillarröhrchen aufweisen.
16. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Flüssigkeit ein Kügelchen aus Lötmetall oder aus Indium ist.

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BU 975 OI6