DE3200392A1

DE3200392A1 - Environment-sealed interrupter chamber for electrical contacts

Info

Publication number: DE3200392A1
Application number: DE19823200392
Authority: DE
Inventors: Yukihiro Kondo; Tetsuo Hirakata Osaka Mori; Hans 8024 Deisenhofen Sauer; Takashi Shijonawate Osaka Takada
Original assignee: Individual
Current assignee: SDS-RELAIS AG 8024 DEISENHOFEN DE
Priority date: 1981-03-31
Filing date: 1982-01-08
Publication date: 1982-10-14
Also published as: JPS57162644A; DE3200392C2; DE3273689D1

Abstract

The invention relates to an environment-sealed interrupter chamber containing electrical contacts and at least one porous getter. The gettering substance used is a substance which has the power to adsorb substances which form contaminating films on the contacts. The purpose of using getters in tightly sealed interrupter chambers for relays and switches is to keep molecules, such as organic compounds, which form contaminating films away from the contacts and to bind them for a long time and selectively to themselves. The invention takes this into account in that the chosen pore size of the getter in the interrupter chamber is predominantly larger than 3 nm and smaller than 100 nm and in that the mean value of the pore diameter is approximately in the 7-20 nm range.

Description

Von der Umgebung abgedichtete Schaltkammer für Switching chamber sealed from the environment for

elektrische Kontakte Die Erfindung betrifft eine von der Umgebung abgedichtete Schaltkammer, in der elektrische Kontakte und wenigstens ein poröser Getter untergebracht sind, wobei als Getterstoff eine Substanz verwendet ist, die bezüglich auf den Kontakten fremdschichtbildender Stoffe Adsorptionskräfte besitzt. electrical contacts The invention relates to one of the surroundings sealed switching chamber in which electrical contacts and at least one porous Getters are accommodated, a substance being used as the getter substance which Has adsorption forces with regard to substances that form foreign layers on the contacts.

Die Verwendung von Gettern in dicht abgeschlossenen Kontaktkammern soll den Zweck erfüllen, fremdschichtbildende Moleküle, wie organische Verbindungen, durch Adsorption langfristig von den Kontakten fernzuhalten und an sich zu binden. Trotz dieser Einsicht, daß also selektiv gegettert werden muß, konnte das gesteckte Ziel nicht erreicht werden, weil nicht erkannt wurde, daß eine generell hohe Getterwirkung für elektrische Schaltelemente sogar schädlich sein kann.The use of getters in tightly sealed contact chambers should serve the purpose of removing foreign layer-forming molecules, such as organic compounds, to keep them away from the contacts in the long term by means of adsorption and to bind them to themselves. In spite of this insight, that it is necessary to getter selectively, it was possible Objective cannot be achieved because it was not recognized that a generally high getter effect can even be harmful to electrical switching elements.

Dies ist z. B. der Fall, wenn herkömmliche, aus der Vakuumtechnik bekannte Getterstoffe eingesetzt werden. Die Poren solcher Getter haben nämlich im Mittel lediglich Durchmesser von 2 bis 4 nm und können daher überwiegend nur entsprechend kleine Moleküle, wie z. B. die von Schutzgasen der Kontaktkammer, adsorbieren. In der Zeitschrift "Siemens Components" 19 (1981), Heft 5, S. 158 findet sich-sogar ein Hinweis, daß bei fertigungsbedingter Variation der Porengröße in weiten Grenzen die innere Oberfläche eines Aktivkohlegetters bis zu 2000 m2/g betragen kann, was einen Rückschluß auf extrem kleine Poren, sogenannte Mikroporen, von weniger als 2 nm Durchmesser zuläßt. Verwendet man einen solchen Getter, so hat dies zur Folge, daß ein Unterdruck entstehen kann, der die Spannungsfestigkeit der Kontakte erheblich reduziert. Ist andererseits die Leckrate der Kontaktkarmer größer als 10 S cm3 bar/s, so kann es sein, daß der Getter durch von außen eindringende Gase gesättigt ist bevor der Schalter oder das Relais zum Einsatz kommt. Eine Getterung fremdschichtbildender Moleküle findet dabei nur in unbedeutendem Umfang statt.This is e.g. B. the case when conventional, from vacuum technology known getter substances are used. The pores of such getters have on average only a diameter of 2 to 4 nm and can therefore predominantly only correspondingly small molecules, such as. B. adsorb the protective gases of the contact chamber. In the journal "Siemens Components" 19 (1981), No. 5, p. 158, it can even be found an indication that with production-related variation of the pore size within wide limits the inner surface of an activated carbon cement can be up to 2000 m2 / g, what a conclusion about extremely small pores, so-called micropores, of less than 2 nm diameter allows. Using such a getter has the consequence that a negative pressure can arise, which considerably increases the dielectric strength of the contacts reduced. On the other hand, if the leakage rate of the contact poor is greater than 10 S cm3 bar / s, so it can be that the getter is saturated by gases penetrating from the outside before the switch or relay is used. A gettering of foreign layers Molecules only take place to an insignificant extent.

So wurde ebenfalls aus der Zeitschrift "Siemens Components" 19 (1981), Heft 5 bekannt, daß die relative Gewichtszunahme eines mit Styroldampf beladenen, durch eine spezielle Technologie hergestellten Aktivkohlegetter, dessen Porengrößen in weiten Grenzen variiert waren, bereits nach 2 1/2 Stunden ca. 50 % betrug und sich dabei eine Sättigung des Getters ergab. Da ferner angegeben wurde, daß dieser Getter ein Adsorptionsvermögen von oV = 2 cm3 hat und ein Kontaktraum von V1 = 0,12 cm3 zur Verfügung stand, so ergibt sich nach Einbringen eines solchen Getters ein fiktives Innenvolumen von V2 = V1 + oV = 2,12 cm3 Erfolgt unter solchen Gegebenheiten eine dichte Verkapselung der Kontaktkammer bei einem Druck von P1 = 1 bar = 105 N/m2, so sinkt bei thermischem Gleichgewicht der Druck in dem Kontaktraum etwa auf den Wert P2 = V1 . 0,12 V22,12 . 1 bar = 56,6 mbar was eine Minderung der Spannungsfestigkeit um mehr als 60 % zur Folge hat.The magazine "Siemens Components" 19 (1981), Issue 5 known that the relative weight gain of a styrene vapor laden, activated charcoal getter produced by a special technology, its pore sizes were varied within wide limits, was already approx. 50% after 2 1/2 hours and the getter was saturated. Since it was also stated that this Getter has an adsorption capacity of oV = 2 cm3 and a contact space of V1 = 0.12 cm3 was available, after the introduction of such a getter a fictitious internal volume of V2 = V1 + oV = 2.12 cm3 takes place under such circumstances a tight encapsulation of the contact chamber at a pressure of P1 = 1 bar = 105 N / m2, the pressure in the contact space drops approximately at thermal equilibrium the value P2 = V1. 0.12 V22.12. 1 bar = 56.6 mbar which reduces the dielectric strength by more than 60%.

Um sowohl eine Qualitätsminderung durch Druckabsenkung und eine zu frühe Sättigung des Getters zu vermeiden, wurde in der DE-PS 24 62 277 vorgeschlagen, einen relativ großporigen BaOFe-Magneten zu einem Getter zu aktivieren und eventuell noch einen Zusatzgetter zu verwenden. Dies erwies sich langfristig als recht brauchbar. Allein mit dem aktivierten Magneten wurde eine Reduzierung des Fremdschichtwiderstandes an den Kontakten um ca. 10 mOhm und damit eine etwa 100fach höhere Kontaktsicherheit erreicht; aber ein Rest von Fremdschichten in der Gröenordnung um durchschnittlich 10 mOhm blieb erhalten. Das Hinzufügen eines Zusatzgetters mit wesentlich kleineren Poren brachte weitere Erfolge.To both a quality reduction through pressure reduction and a too To avoid early saturation of the getter, it was proposed in DE-PS 24 62 277, to activate a relatively large-pored BaOFe magnet to a getter and possibly to use an additional getter. This turned out to be quite useful in the long run. With the activated magnet alone, the foreign layer resistance was reduced at the contacts by approx. 10 mOhm and thus an approx. 100 times higher contact reliability achieved; but a remainder of foreign layers in the order of magnitude on average 10 mOhm was retained. The addition of an additional getter with much smaller ones Pore brought further success.

Das wiederum hat den Nachteil erhöhter Herstellkosten und/oder eine Beschränkung auf gepolte Schalter bzw. Relais.This in turn has the disadvantage of increased manufacturing costs and / or a Restriction to polarized switches or relays.

Es wurden auch schon in der DE-PS 1 243 271, der DE-AS 2 646 680 und der DE-OS 29 31 596 Vorschläge unterbreitet, die Kontaktkammer bzw.There were already in DE-PS 1 243 271, DE-AS 2 646 680 and DE-OS 29 31 596 submits proposals, the contact chamber or

einen als Kontaktkammer ausgebildeten Spulenkörper ganz oder anteilig aus einem Getterstoff zu fertigen. Im einen Fall sollten damit von Entladungen im Kontaktraum herrührende Ionen gebunden werden und im anderen Fall eine noch höhere Getterwirkung als mit bekannten Getterstoffen wie Aktivkohle erzielt werden. Damit wird aber der vorerwähnte Nachteil einer Unterdruckbildung noch erhöht, zumal hierbei lediglich die Getterwirkung nicht aber das Adsorptionsvermögen gegenüber fremdschichtbildenden Molekülen beachtet wurde. Vielmehr müßte man sogar die getternde Oberfläche bzw. die Getterwirkung auf ein bestimmtes Maß begrenzen, damit kein wesentlicher Unterdruck entsteht. Anders wäre dies bei Vakuum- bzw. Hochvakuum-Kontaktkammern in denen Drücke unter 10 Torr herrschen.a bobbin designed as a contact chamber in whole or in part the end to manufacture a getter material. In one case, there should be discharges in the contact area resulting ions are bound and in the other case an even higher getter effect than can be achieved with known getter substances such as activated carbon. But that becomes the the aforementioned disadvantage of negative pressure formation is still increased, especially here only the getter effect but not the adsorption capacity for foreign layer forming Molecules was observed. Rather, one would even have to use the gettering surface or Limit the getter effect to a certain level so that there is no significant negative pressure arises. This would be different with vacuum or high vacuum contact chambers in which pressures prevail below 10 Torr.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für eine abgedichtete Schaltkammer einen Getter vorzusehen, der langzeitig und selektiv überwiegend Moleküle bindet, die zur Fremdschichtbildung an den Kontakten neigen und der problemlos bei Relais und Schaltern einsetzbar ist.The invention is now based on the object for a sealed Switching chamber to provide a getter, the long-term and selectively predominantly molecules binds, which tend to form a foreign layer on the contacts and which easily contribute Relays and switches can be used.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Poren des in der Schaltkammer befindlichen Getterstoffes überwiegend größer als 3 nm und kleiner als 100 nm sind und daß der Mittelwert der Porendurchmesser im Bereich von etwa 7 - 20 nm liegt.According to the invention this object is achieved in that the pores of the Getter material located in the switching chamber is predominantly larger than 3 nm and smaller than 100 nm and that the mean value of the pore diameter is in the range of about 7 - 20 nm.

Durch diese Maßnahmen erhält man eine Schaltkammer, deren Schutzgasatmosphäre insofern im wesentlichen erhalten bleibt als der aktivierte Getterstoff aufgrund seiner Porengröße überwiegend fremdschichtbildende Moleküle, wie z. B. organische Polymerisate, adsorbiert, während die das Schutzgas bildenden, wesentlich kleineren Moleküle lediglich in vernachlässigbarem Umfang adsorbiert werden. Der erfindungsgemäße Getter wirkt also selektiv, seine Sättigung kann daher aufgrund der geringen Konzentration störender und durch Getterung zu bindender Moleküle erst nach langer Zeit erfolgen. Der Getter ist somit langzeitig wirksam, wobei eine feststellbare, die Spannungsfestigkeit verringernde Druckabsenkung im Kontaktraum unterbleibt. Die für die zu adsorbierenden Moleküle benötigten Porengrößen sind durch eine darauf ausgerichtete Art der Herstellung des Getterstoffes realisierbar.These measures result in a switching chamber and its protective gas atmosphere insofar as the activated getter material is essentially retained its pore size predominantly foreign layer-forming molecules such. B. organic Polymers adsorbed, while those forming the protective gas are much smaller Molecules are only adsorbed to a negligible extent. The inventive So getter acts selectively, its saturation can therefore be due to the low concentration disruptive molecules to be bound by gettering take place only after a long time. The getter is thus effective for a long time, with a determinable one, the dielectric strength reducing pressure drop in the contact area does not occur. The for the to be adsorbed Molecules required pore sizes are due to a specific type of manufacture of the getter material realizable.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Schaltkammer Teil eines Relais oder Schalters ist und mit einem Schutzgas von derartigem Feuchtigkeitsgehalt gefüllt wird, daß sich durch Einwirkung des Getterstoffes eine relative Luftfeuchtigkeit von nicht weniger als 5 % und nicht mehr als 40 % einstellt. Hierbei sorgt der Getterstoff durch Adsorption von HkO-Molekülen, die bei einer hermetischen Abdichtung der Kontaktkammer von der Umgebung nachdiffundieren können, für eine gleichbleibende Feuchtigkeit des Schutzgases. Dies ermöglicht eine konstante Spannungsfestigkeit bezüglich der Kontakte.It is preferably provided that the switching chamber is part of a relay or Switch is and filled with a protective gas of such moisture content that there is a relative humidity due to the action of the getter material of not less than 5% and not more than 40%. The getter material takes care of this by adsorption of HkO molecules, which result in a hermetic seal of the contact chamber can diffuse from the environment, for constant moisture of the protective gas. This enables a constant dielectric strength with respect to the Contacts.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Getterstoff im wesentlichen aus mit organischem Bindemittel versetztem, unter dem Namen Tonerde bekanntem Aluminiumoxyd (Al203) besteht.One embodiment of the invention is that the getter material essentially made of mixed with organic binding agent, under the name of clay known aluminum oxide (Al203).

Der Getterstoff ist bevorzugt in einem Sinterverfahren hergestellt.The getter material is preferably produced in a sintering process.

Das für die Formgebung erforderliche Bindemittel verdampft dabei während des Sinterns. Durch Wahl des Bindemittels, des Druckes bei der Formgebung, der Sintertemperatur und der Sinterdauer ist dabei die angestrebte Porengröße erreichbar.The binding agent required for shaping evaporates during this of sintering. By choosing the binder, the pressure during shaping, the sintering temperature and the sintering time, the desired pore size can be achieved.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Getterstoff unter Einfügung einer als Diffusionsbarriere wirkenden Schicht aus Wasserglas (z. B. Na2SiO3, K2SiO3) an der Innenwand des die Kontakte umgebenden Raumes angeklebt. Durch diese Maßnahme wird vermieden, daß der Getterstoff durch den Klebstoff oder dessen Lösungsmittel verunreinigt wird.According to a further embodiment of the invention, the getter material is with the insertion of a layer of water glass acting as a diffusion barrier (e.g. B. Na2SiO3, K2SiO3) glued to the inner wall of the space surrounding the contacts. This measure prevents the getter material through the adhesive or whose solvent is contaminated.

Ferner ist vorgesehen, daß zwischen den Kontakten und dem Getterstoff ein Temperaturgefälle besteht, derart, daß der Getterstoff in der Regel kühler als die Kontakte ist. Hierdurch wird der Niederschlag schädlicher Substanzen auf dem Getterstoff begunstigt.It is also provided that between the contacts and the getter material there is a temperature gradient such that the getter material is usually cooler than the contacts is. This prevents harmful substances from precipitating on the Getter material favored.

Zur Erzielung dieser Wirkung kann vorgesehen sein, daß der von der Umgebung abgeschlossene Raum wenigstens einen Wandabschnitt besitzt, der durch die Innenseite einer metallischen Gehäusekappe gebildet ist und daß der Getterstoff an diesem metallischen Wandabschnitt fixiert ist.To achieve this effect it can be provided that the of the Environment closed space has at least one wall section through the Inside a metallic housing cap is formed and that the getter material is fixed to this metallic wall section.

In der Regel ist das Relais durch den an Spule und Kontakten stattfindenden Energieumsatz wärmer als die Umgebung, so daß Wärme über das Gehäuse abgegeben wird. Die hier stattfindende Abkühlung des Gehäuses erniedrigt gleichzeitig das Temperaturniveau des Getterstoffes, was dessen Getterwirkung begünstigt.As a rule, the relay is carried out by the coil and contacts Energy expenditure warmer than the environment, so that heat is given off through the housing. The cooling of the housing that takes place here simultaneously lowers the temperature level of the getter substance, which favors its getter effect.

Im Rahmen einer rationellen Fertigung ist der Getterstoff plattenförmig ausgebildet und mit orthogonal zueinander verlaufenden rinnenartigen Vertiefungen versehen, derart, daß diese Vertiefungen Sollbruchstellen zur Schaffung der für den jeweiligen abgeschlossenen Raum benötigten Getterpille darstellen. Die so erhaltenen Getterpillen werden in die jeweilige Kontaktkammer eingebracht und dort fixiert.In the context of efficient production, the getter material is plate-shaped formed and with groove-like depressions running orthogonally to one another provided in such a way that these depressions predetermined breaking points to create the for represent the respective closed space required getter pill. The so obtained Getter pills are introduced into the respective contact chamber and fixed there.

Ferner ist die räumliche Größe des Getterstoffes unter Berücksichtigung seiner Getterwirkung und des Volumens der Schaltkammer so gewählt, daß eine nennenswerte Druckabsenkung in der Schaltkammer ausgeschlossen ist.Furthermore, the spatial size of the getter material is taken into account its getter effect and the volume of the switching chamber chosen so that a significant Pressure drop in the switching chamber is excluded.

Damit kann neben der Getterwirkung auch konstante Spannungsfestigkeit langfristig gewährleistet -werden.In addition to the getter effect, this also enables constant dielectric strength long-term guaranteed.

Damit der Getterstoff seine Wirkung entfalten kann, ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Getterstoff bei einer Temperatur von mindestens 1000 C und einem Unterdruck von ca.10 -8 bar aktivierbar ist. Hierdurch werden in den Poren gebundene Gase als auch kristallin gebundenes H2O freigesetzt.So that the getter material can develop its effect, after a Another embodiment of the invention provides that the getter material at a temperature of at least 1000 C and a negative pressure of about 10 -8 bar can be activated. Through this Gases bound in the pores as well as H2O bound in crystalline form are released.

Claims

Claims from the environment sealed switching chamber, in the electrical contacts and at least one porous getter are housed, wherein a substance is used as the getter substance which is related to the contacts foreign layer-forming substances has adsorptive powers, characterized in that that the pores of the getter material located in the switching chamber are predominantly larger are than 3 nm and smaller than 100 nm and that the mean value is the pore diameter is in the range of about 7-20 nm.

2. Sealed from the environment switching chamber according to claim 1, characterized characterized in that the switching chamber with a protective gas of such moisture content is filled that a relative humidity is created by the action of the getter material of not less than 5% and not more than 40%.

3. Sealed from the environment switching chamber according to claim 1 or 2, characterized in that the getter material consists essentially of organic Aluminum oxide tAl, 03) with added binding agent, known under the name of alumina consists.

4. Sealed from the environment switching chamber according to claim 1 to 3, characterized in that the getter material with the insertion of a diffusion barrier effective layer of water glass (e.g.

Na2 SiO3, Kz SiO3) on the inner wall of the one surrounding the contacts Space is glued on.

5. Sealed from the environment switching chamber according to claim 1 to 4, characterized in that there is a temperature gradient between the contacts and the getter material exists in such a way that the getter material is usually cooler than the contacts.

6. Switching chamber sealed from the environment according to one of the preceding Claims, characterized in that the space closed off from the environment has at least one wall section through the inside of a metallic Housing cap is formed and that the getter material on this metallic wall section is fixed.

7. Switching chamber sealed from the environment according to one of the preceding Claims, characterized in that the getter material is plate-shaped and is provided with groove-like depressions running orthogonally to one another, such that these recesses predetermined breaking points to create the for the respective represent the enclosed space required getter pill.

8. Switching chamber sealed from the environment according to one of the preceding Claims, characterized in that the spatial size of the getter material below Taking into account its getter effect and the volume of the switching chamber so chosen is that a significant pressure drop in the switching chamber is excluded.

9. Switching chamber sealed from the environment according to one of the preceding Claims, characterized in that the getter material at a temperature of at least 1000 C and a negative pressure of approx.

10 bar can be activated.