DE3709585A1 - Vakuumgehaeuse fuer schaltkreisunterbrecher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumgehäuse für Schaltkreisunterbrecher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In Vakuumgehäusen untergebrachte Schaltkreisunterbrecher sind an sich bekannt und dienen dem Zweck, beim Öffnen eines Schaltkreises den Lichtbogen in dem Vakuumgehäuse entstehen zu lassen. Wenn der Schaltkreis unterbrochen ist, wird in einem Vakuumgehäuse nur ein sehr geringer Abstand zwischen den Kontaktelementen benötigt, verglichen mit einem Schaltkreisunterbrecher, der im Freien oder in einem isolierenden Gas arbeitet. Daraus ergibt sich, daß die Öffnungsdistanz für einen Schaltkreisunterbrecher in einem Vakuum­ gehäuse verhältnisniäßig klein ist, womit sich auch entsprechend die Abmessun­ gen des Vakuumgehäuses klein halten lassen.

In der Regel besteht das Vakuumgehäuse eines derartigen Schaltkreisunter­ brechers aus einem zylindrischen Keramikteil oder einem anderen isolierenden Material, an dem metallische Endkappen angebracht sind, die aus einem Legie­ rungsmaterial, wie z.B. einer Nickel-, Eisen- und/oder Kobaltlegierung herge­ stellt sind. Eine feststehende Elektrode ragt in den Keramikzylinder und ist sowohl elektrisch als auch mechanisch mit der einen Endkappe verbunden. Eine verschiebbare Elektrode durchdringt die andere Endkappe derart, daß die Kontaktflächen an den Enden der Elektroden im geschlossenen Zustand des Unterbrechers aneinander anliegen. Zwischen dem metallischen Teil der verschiebbaren Elektrode und der metallischen Endkappe ist ein flexibles zylindrisches Wellrohr angeordnet, so daß das Gehäuse des Schaltkreisunter­ brechers im Inneren evakuiert werden kann. Das Wellrohr wird mit der Öff­ nungs- und Schließbewegung des Unterbrechers auseinandergezogen und zu­ sammengedrückt, so daß das Vakuum innerhalb des Unterbrechers sicher auf­ rechterhalten werden kann. Derartige Wellrohre sind in der Regel aus ver­ hältnismäßig dünnem rostfreien Stahl hergestellt und haben eine verhältnis­ mäßig lange Lebensdauer. ln der Regel verläuft das Wellrohr auf der Innen­ seite des Keramikzylinders, da wegen der erforderlichen Flexibilität ein verhältnismäßig dünnes Blechmaterial Verwendung findet. Da jedoch das Well­ rohr bei dieser Anordnung in der Nähe der Kontaktenden zu liegen kommt, ist es sowohl dem Lichtbogen als auch der durch den Lichtbogen erzeugten Ritze und den erzeugten Gasprodukten ausgesetzt, wenn der Lichtbogen beim Öffnen des Unterbrechers entsteht. Diese Einflüsse können Ursache dafür sein, daß das Wellrohr sehr schnell seine Eigenschaften verschlechtert und schließlich bricht, womit das Vakuum verlorengeht. Um diesen Schwierigkei­ ten entgegenzuwirken, wurden bisher feste metallische Abschirmungen um das Wellrohr herum und um den Lichtbogenbereich vorgesehen, um den uner­ wünschten Veränderungen am Wellrohr entgegenzuwirken. Eine solche Ausführung ist durch die US-PS 44 46 346 bekannt. Sowohl die Abschirmung als auch das Wellrohr selbst benötigt innerhalb der Vakuumkammer einen gewissen Raum, wobei beide Teile elektrisch leitend sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vakuumgehäuse für einen Schalt­ kreisunterbrecher zu schaffen, bei dem keine metallischen Abschirmungen in der Vakuumkammer benötigt werden und sich auch das Wellrohr nicht un­ mittelbar im Lichtbogenbereich befindet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Ein nach den Merkmalen der Erfindung aufgebauter Schaltkreisunterbrecher kann mit einem verhältnismäßig kleinen Vakuumgehäuse auskommen, bei wel­ chem das Wellrohr nicht mehr im Lichtbogenbereich, sondern außerhalb von diesem liegt, und somit innerhalb der den Lichtbogenbereich umgebenden Vakuum­ kammer keinen Platz benötigt. Der zwischen der Vakuumkammer um den Lichtbogenbereich und dem flexiblen Wellrohr angeordnete Abstandskörper besteht aus einem Keramikmaterial und schirmt das Wellrohr gegen vom Lichtbogen ausgehende Einflüsse ab. Ein besonderer Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, daß eine metallische Abschirmung für das Wellrohr nicht mehr als separate Abschirmung benötigt wird, da die Innenbohrung des iso­ lierenden Abstandskörpers die Schutzfunktion für das Wellrohr übernimmt.

Dadurch ist es möglich, den Schaltkreisunterbrecher im Vergleich zu seiner elektrischen Leistung wesentlich kleiner auszuführen als bisher möglich war.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Vakuumgehäuses für einen Schaltkreisunterbrecher;

Fig. 2 das Vakuumgehäuse gemäß Fig. 1 in einer um 90° gedrehten Stellung;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 2;

Fig. 4 eine teilweise längsgeschnittene Ansicht eines Vakuumgehäuses für einen Schaltkreisunterbrecher als weitere Ausführungsform der Erfindung.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist ein Schaltkreisunterbrecher in einer Miniaturaus­ führung dargestellt, wie er für Trennschalter, Motorschalter oder dergleichen Verwendung finden kann. Der Unterbrecher besteht aus einem feststehenden Kontaktelement 12 und einem verschiebbaren Kontaktelement 14. Das fest­ stehende Kontaktelement 12 ist einstückig an einem Anschluß 16 ausgebildet, der ein Loch 18 zum elektrischen und mechanischen Befestigen des Vakuum­ gehäuses an einem nicht dargestellten Leiter oder einem leitenden Schaltele­ ment hat. Auch das verschiebbare Kontaktelement 14 ist elektrisch leitend und an seinem äußeren Ende mit einer Gewindebohrung 20 versehen, in welcher ein flexibler Leiter oder ein anderer nicht dargestellter Leiter eingesetzt werden kann. Das feststehende Kontaktelement 12 kann zylindrisch rund aus­ geführt sein und einen Ansatz 22 tragen, der an seinem vorderen Ende eine Kontaktfläche 24 hat. Das Kontaktelement 12 ist so ausgebildet, daß die Kontaktfläche im Inneren eines topfförmigen Teiles 26 liegt, der den Bereich umschließt, in welchem beim Öffnen des Schalters der Lichtbogen steht und der als Vakuumkammer 30 bezeichnet wird. Das verschiebbare Kontaktelement 14 ist ebenfalls in seiner Gesamtheit elektrisch leitend und mit einem zylindrischen langgestreckten Schaft 32 versehen, der an seinem vorderen Ende ebenfalls eine Kontaktfläche 36 trägt, die komplementär zur Kontaktfläche 24 ausge­ bildet ist. Im Schaftbereich des verschiebbaren Kontaktelementes 14 ist ein zylindrischer nicht-leitender Keramikkörper 38 ausgebildet, der eine Innen­ bohrung 40 hat, durch welche der Schaft 32 verläuft. Der zylindrische Körper wird auch als Abstandskörper 38 bezeichnet und trägt auf seiner Außenseite einen umlaufenden Einschnitt 42. Die durch den umlaufenden Einschnitt 42 gebildeten Stufen vergrößern die Kriechstrecke auf der Außenfläche des keramischen Abstandskörpers 38 und reduzieren damit die Gefahr eines äußeren Spannungsdurchbruches zwischen den Kontaktelementen 12 und 14. Der keramische Abstandskörper 38 ist axial auf den topfförmigen Teil 26 des Kontaktelementes 12 ausgerichtet und entlang einer Lötfläche 44 mit diesem verlötet. Diese beiden Teile bilden den Hauptteil des Vakuumgehäu­ ses 10. Ein flexibles zylindrisches Wellrohr 46 aus Metall ist mit dem kerami­ schen Abstandskörper 38 entlang einer Lötfläche 48 auf der einen Seite und auf der anderen Seite mit einem umlaufenden Rand am verschiebbaren Kon­ taktelement 14 verbunden. Dieses Wellrohr hat in bekannter Weise umlaufende Wellenberge 52 und umlaufende Wellentäler 54, wodurch es sehr flexibel wird und sowohl zusammengedrückt als auch auseinandergezogen werden kann. Damit können die Kontaktelemente 12 und 14 durch Einleiten einer entsprechenden Kraft an den beiden äußeren Enden geschlossen und geöffnet werden. Das gesamte Volumen innerhalb der Begrenzung, welches durch das verschiebbare Kontaktelement 14 das Wellrohr 46, die Innenbohrung 40 des Abstandskörpers 38 und das feststehende Kontaktelement 12 begrenzt wird, kann evakuiert werden und stellt das Innere des Vakuumgehäuses 10 dar. Wenn das Kontaktele­ ment 14 in Richtung A gemäß Fig. 1 durch eine entsprechende mechanische Beaufschlagung verschoben wird, kommt die Kontaktfläche 36 bei einem gleichzeitigen Zusammendrücken des Wellrohres 46 auf der Kontaktfläche 24 des feststehenden Kontaktelementes zu liegen. Damit ist der Schaltkreis geschlossen, der einerseits an den Anschluß 16 und andererseits an das Kon­ taktelement 14 über die Gewindebohrung 20 angeschlossen ist. Wenn dagegen das Kontaktelement 14 in Richtung des Pfeiles B verschoben wird, hebt sich die Kontaktfläche 36 von der Kontaktfläche 24 ab und öffnet den angeschlosse­ nen Schaltkreis. Bei diesem Öffnen entsteht üblicherweise innerhalb der Vakuumkammer 30 ein Lichtbogen. Die Auswirkung dieses Lichtbogens in Form der erzeugten Hitze und des erzeugten Lichtes sowie erzeugter Nebenprodukte auf das Wellrohr 46 wird im wesentlichen durch die enge Innenbohrung 40 des Abstandskörpers 38 und den durch diese Innenbohrung verlaufenden Schaft 32 unterdrückt, wodurch die bisher notwendige Abschirmung des Wellrohres durch einen innenliegenden Schirm vermieden werden kann. Die Einwirkung wird insbesondere dadurch reduziert, daß der Durchmesser des Schaftes und des Abstandskörpers entsprechend aneinander angepaßt werden.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welche ein Vakuumgehäuse 10′ verwendet, das mit einem entsprechend der Ausführungs­ form gemäß den Fig. 1 bis 3 ausgebildeten feststehenden Kontakt 12 versehen ist und ein gleichartiges Wellrohr 46 aufweist. Jedoch ist bei dieser Ausführungs­ form das Wellrohr 46 direkt mit dem oberen Rand des feststehenden Kontakt­ elementes 12 über die Lötfläche 47 auf der einen Seite und auf der anderen Seite über die Lötfläche 49 mit dem Abstandskörper 38 verlötet. Dieser kerami­ sche Abstandskörper 38 ist seinerseits starr an dem verschiebbaren Kontaktele­ ment 14′ befestigt und zwar über eine vakuumdichte Verbindungsfläche 56. Durch diese Art der Befestigung bewegt sich der keramische Abstandskörper 38 zusammen mit dem verschiebbaren Kontaktelement 14′, wenn der Schalt­ kreisunterbrecher im Vakuumgehäuse 10′ geöffnet bzw. geschlossen wird. Auf dem langgestreckten Schaft 32′ des verschiebbaren Kontaktelementes 14′ ist ferner ein Abschirmkörper 58 befestigt, der ebenfalls mit dem verschiebbaren Kontaktelement 14′ verschiebbar ist und mit der Innenwand des topfförmigen Teiles 26 in der Art zusammenwirkt, daß ein Durchgangsquerschnitt 60 zwischen dem Abschirmkörper 58 und der Innenwand des topfförmigen Teiles entsteht, der so weit reduziert ist, daß beim Öffnen des Unterbrechers das Wellrohr 46 gegen die Einwirkungen durch den entstehenden Lichtbogen und zwar insbeson­ dere gegen die Licht- und Hitzeeinwirkungen sowie gegen durch den Lichtbogen ausgelöste Beiprodukte geschützt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird die vakuumdichte Verbindung zwischen dem aus rostfreiem Stahl hergestellten Wellrohr 46 und dem verschiebbaren Kontaktelement 14 durch ein Verlöten in herkömmlicher Weise erreicht. Da das Material des verschiebbaren Kontaktelementes 14 Anteile von Nickel, Eisen und/oder Kobalt enthält, ist der thermische Ausdehnungskoeffizient dieses Materiales mit dem des für das Wellrohr 46 verwendeten rostfreien Stahles vergleichbar. Infolgedessen ergibt sich nach dem Verlöten, während welchem ein Lot mit einem Silicium-Kupfer-Eutekticum verwendet wird, dessen Temperatur auf den Schmelzpunkt von etwa 780°C gebracht wird, eine Durchmesserverringerung sowohl des Wellrohres 46 als auch der Wand des topfförmigen Teiles des Kontaktelementes 14 beim Abkühlen auf Raum­ temperatur, die im wesentlichen gleich ist, so daß keine mechanischen Spannungen aufgrund einer ungleichen Durchmesserveränderung eingeleitet werden. Dies gilt sogar, wenn das Wellrohr 46 verhältnismäßig starr und dickwandig ist.

Alle diese Maßnahmen der Erfindung sind unabhängig von der Konfiguration der verschiebbaren Kontaktelemente 14 bzw. 14′, die im Rahmen der beab­ sichtigten Wirkung konstruktive Abänderungen erfahren können.

Claims (6)

1. Vakuumgehäuse für Schaltkreisunterbrecher mit einem ersten und einem gegenüber diesem verschiebbaren sowie mit einem Schaft versehenen zweiten Kontaktelement, einem hohlen, elektrisch isolierenden Abstands­ körper, welcher am ersten Kontaktelement vakuumdicht befestigt ist und einen Teil des Vakuumgehäuses bildet, in welchem bei der Schaltkreis­ unterbrechung ein elektrischer Lichtbogen entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandskörper (38) eine durchmesserverengende, vom Schaft (32) durchsetzte Innenbohrung (40) hat, daß ein flexibles Wellrohr (46) axial mit dem Abstandskörper (38) auf der einen Seite und mit einem der Kontaktelemente (14) auf der anderen Seite vakuumdicht verlötet ist und einen Teil des Vakuumgehäuses bildet, und daß der Lichtbogen beim Öffnen des Unterbrechers in einem Bereich des Vakuumgehäuses entsteht, der durch die Durchmesserverengung des Abstandskörpers (38) gegen das Wellrohr (46) abgeschirmt ist.

2. Vakuumgehäuse für Schaltkreisunterbrecher mit einem feststehenden ersten und einem gegenüber diesem verschiebbaren sowie mit einem Schaft ver­ sehenen zweiten Kontaktelement, einem hohlen, elektrisch isolierenden Abstandskörper, der mit einem der Kontaktelemente vakuumdicht verbun­ den ist und einen Teil des Vakuumgehäuses bildet, in welchem bei der Schaltkreisunterbrechung ein elektriscner Lichtbogen entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der den Schaft (32′) des zweiten Kontaktelementes (14′) umgebende Abstandskörper (38) auf der dem ersten Kontaktelement gegenüberliegen­ den Seite mit einem flexiblen Wellrohr (46) vakuumdicht verbunden ist, daß der Schaft (32′) an seinem der Kontaktfläche (36) benachbarten Ende einen Abschirmkörper (58) trägt, der in dem topfförmigen Teil (26) des ersten Kontaktelementes eingreift und den Durchgangs-Querschnitt zwischen dem Abschirmkörper (58) und der Innenfläche des topfförmigen Teiles (26) so weit verengt, daß der Lichtbogen beim Öffnen des Unter­ brechers durch die Durchmesserverengung gegen das Wellrohr (46) abge­ schirmt ist.

3. Vakuumgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandskörper (38) und der Abschirmkörper (58) aus einem kerami­ schen Material hergestellt ist.

4. Vakuumgehäuse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial Aluminiumoxid enthält.

5. Vakuumgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr aus einem leitenden Metall hergestellt ist.

6. Vakuumgehäuse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.