DE3887725T2

DE3887725T2 - Vakuum-Entladevorrichtung.

Info

Publication number: DE3887725T2
Application number: DE3887725T
Authority: DE
Inventors: Shin-Ichi C O Mitsubishi Aoki; Kiyoshi C O Mitsubis Matsuyama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-09-29
Filing date: 1988-09-27
Publication date: 1994-09-01
Anticipated expiration: 2008-09-28
Also published as: EP0309978A3; US4896008A; EP0309978A2; EP0309978B1; DE3887725D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuum-Entladungsvorrichtung, beispielsweise einen Vakuumbrecher, einen Vakuumschalter, ein Vakuum-Triggertron, einen Vakuumschützschalter, eine Vakuumsicherung oder einen Vakuumblitzableiter, und insbesondere eine Vakuum-Entladungsvorrichtung mit Isolationsmantel, der ein metallisches Zwischen-Abschirmrohr gegen zwei Elektroden isoliert und an dessen einander gegenüberliegenden Enden, die metallbeschichtet sind, jeweils dieselbe Spannung anliegt wie an den Elektroden.

Stand der Technik

Die FR-A-1 319 640, die der US-A-3 048 682 entspricht, offenbart eine Abschirmungsbefestigungsanordnung für einen Vakuumunterbrecher, bei der am Außenumfang einer Abschirmung Metallzungen angebracht sind, die sich radial nach außen erstrecken. Für die Befestigung der Abschirmung am Isolationsmantel sind in der Innenwand des Isolationsmantels Aussparungen mit konkavem Querschnitt vorgesehen, in welche die Zungen fluchtend eingreifen.
Ein weiterer herkömmlicher Vakuumschalter, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, ist in der JP-A-59-27050 offenbart. In Fig. 1 wird mit 1 ein keramischer Isolationsmantel bezeichnet, und zwar ein Bauelement für ein Vakuumgefäß, das einen Hochspannungspfad isoliert, während die feststehende Elektrode 6a und die bewegliche Elektrode 6b offen sind. Die feststehende Elektrode 6a und die bewegliche Elektrode 6b weisen Elektrodenstifte 5a bzw. 5b auf. Auf der Innenfläche des Isolationsmantels 1 ist eine ringförmige Erhebung 2 ausgebildet, um das dazwischenliegende metallische Zwischen-Abschirmrohr 3 und das Befestigungselement 4 zu halten, so daß das Zwischen-Abschirmrohr 3 gegen die Elektroden 6a und 6b isoliert ist, und zwar sowohl, wenn die Elektroden 6a und 6b offen sind, als auch, wenn sie geschlossen sind. Auf die einander entgegengesetzten Enden des Isolationsmantels 1 werden mit einem Metallisierungsverfahren die Metall schichten 7a und 7b aufgebracht, an denen durch Hartlöten die Abdichtglieder 8a bzw. 8b befestigt werden, um den Isolationsmantel 1 vakuumdicht abzudichten. Die jeweiligen Potentiale der Abdichtglieder 8a und 8b entsprechen den Potentialen der Elektroden 6a bzw. 6b. Im Mittelbereich des Abdichtglieds 8b ist ein Metallbalg 9 angebracht. Die Hauptaufgaben des Isolationsmantels 1 sind es, (1) als Bauelement des Vakuummantels 1 zu dienen, (2) die Elektroden 6a und 6b elektrisch zu isolieren, wobei sie voneinander getrennt sind, und (3) das metallische Zwischen-Abschirmrohr 3 ständig gegen die Elektroden 6a und 6b zu isolieren. Der Isolationsmantel 1 muß (a) den extremen Httzeschocks standhalten, denen er während des Herstellungsverfahrens, beispielsweise beim Hartlöten und beim Evakuieren, und beim Abschalten von Kurzschlußströmen ausgesetzt ist, (b) einen Kriechüberschlag den Penetrationsdurchbruch bei einem Konditionierungsvorgang, der während oder nach dem Evakuieren durchgeführt wird, verhindern, (c) seine Durchschlagsfestigkeit auf einem vorgegebenen Nennwert halten, auch wenn sich bei häufigeren Stromunterbrechungen Material von den Elektroden an seiner Innenwand ablagert, (d) die erforderliche Durchschlagsfestigkeit auch dann beibehalten, wenn seine Außenfläche im Laufe des Gebrauchs durch Salz und Staub verschmutzt ist, und (e) den mechanischen Stößen und Schwingungen beim Schließen und Öffnen der Elektroden 6a und 6b standhalten.
In den letzten Jahren gab es eine zunehmende Nachfrage nach kleineren Vakuumschaltern. Dabei ist es ein erhebliches Problem, einen Isolationsmantel zu entwerfen, der möglichst klein und optimal gestaltet ist, ohne daß die erforderliche Funktion und Leistung darunter leiden, wenn der Innendurchmesser und der Durchmesser der Elektroden vorgegeben sind.
Andererseits wird der herkömmliche keramische Isolationsmantel 1 im allgemeinen nach folgendem Verfahren hergestellt: Aluminiumoxidpulver wird mit einer Gummipresse zu einem zylindrischen Preßkörper geformt, der in einem anschließenden Bearbeitungsschritt eine vorgegebene Form und Größe erhält und dann bei etwa 1650 ºC an Luft gesintert wird. Auf die einander entgegengesetzten Enden des gesinterten zylindrischen Preßkörpers wird eine Mo und Mn als Hauptkomponenten enthaltende Paste aufgetragen, die getrocknet und anschließend bei einer Temperatur zwischen 1400 und 1500 ºC gebrannt wird, wobei die Metall schichten 7a und 7b entstehen. Anschließend werden die auf den einander entgegengesetzten Enden des gesinterten zylindrischen Preßkörpers gebildeten Metall schichten 7a und 7b vernickelt, und der Isolationsmantel 1 ist fertig.
Die Abdichtglieder 8a und 8b werden durch Hartlöten bei ca. 800 ºC an den Metall schichten 7a und 7b des Isolationsmantels 1 befestigt. Der Vakuumschalter wird aus den vorgenannten Teilen, einschließlich des Isolationsmantels 1, zusammengesetzt und dann auf über 500 ºC erhitzt, um den Isolationsmantel zu evakuieren, und der Vakuumschalter wird unter Vakuum abgedichtet. In einem Konditionierungsschritt, der während oder nach der Evakuierung durchgeführt wird, wird an die Elektroden eine Hochspannung angelegt, um durch wiederholten Vakuumdurchschlag die Durchschlagsfestigkeit zu verbessern. Die zum Vakuumdurchschlag an die Elektroden angelegte Hochspannung ist wesentlich höher als beispielsweise 10 kV Wechselstrom bzw. 70 kV Wechselspannung für Vakuumschalter, deren Durchschlagsfestigkeit einen Nennwert von 3,3 kV bzw. 3,6 kV hat.
Während des Konditionierungsschrittes kommt es häufig zu Penetrationsdurchbrüchen im Isolationsmantel 1 des herkömmlichen Vakuumschalters, wodurch sich die Verfahrensausbeute reduziert. Penetrationsdurchbrüche treten in den Bereichen auf, wo das elektrische Feld konzentriert ist, insbesondere in den Bereichen in der Nähe der Metallschichten 7a und 7b und in der Nähe der ringförmigen Erhebung 2.
Vakuumschalter werden in Hochspannungsschaltungen länger als zwanzig Jahre eingesetzt. Während einer derart langen Nutzungsdauer verschmutzt die Außenseite des Isolationsmantels 1, da die Umgebungsluft Staub und Salz enthält, und auf den Innenflächen bilden sich wegen der häufigen Stromunterbrechungen Ablagerungen von Elektrodenmaterial. Deshalb nimmt die ursprüngliche Durchschlagsfestigkeit des Isolationsmantels 1 mit der Zeit ab und kann schließlich den Nennwert der Durchschlagsfestigkeit unterschreiten. Folglich kommt es im Isolationsmantel 1 zu Penetrationsdurchbrüchen in der Nähe der Metallschichten 7a und 7b oder in der Nähe der ringförmigen Erhebung 2 des Isolationsgefäßes 1, und zwar wegen der Verminderung der Durchschlagsfestigkeit durch Beschädigungen, die hervorgerufen werden durch bei Taifunen angewehtes Salz oder durch Feuchtigkeit, die durch Schnee entsteht oder durch auf die Schaltung wirkende anomale Spannungsstöße infolge von Blitzen oder beim Öffnen und Schließen des Stromkreises. Durch Penetrationsdurchbruch wird der Vakuumschalter unbrauchbar.
Während des Konditionierens im Vakuum wird die Durchschlagsspannung an den Elektroden 6a und 6b allmählich erhöht, während es zwischen den Elektroden 6a und 6b und dem dazwischenliegenden Abschirmrohr 3 zum Vakuumdurchschlag kommt. Schließlich kommt es außen zwischen den Abdichtgliedern 8a und 8b auf dem Isolationsmantel 1 zu Kriechüberschlägen. In einigen Fällen führt der äußere Überschlag zu Penetrationsdurchbruch an der Wand des Isolationsmantels 1 in dessen Endbereichen 1a und 1b oder in einem Bereich in der Nähe der ringförmigen Erhebung 2. Wenn Penetrationsdurchbruch im Isolationsmantel während des Konditionierungsvorgangs auftritt, wird der Vakuumschalter beschädigt, und da eine Reparatur unmöglich ist, verringert sich die Ausbeute des Herstellungsverfahrens.
Eine Verbesserung der Ausbeute des Konditionierungsverfahrens für den Vakuumschalter mit Zwischen-Abschirmrohr 3 kann somit erreicht werden durch ein Verfahren (1) zur Herabsetzung der Stärke des auf das Zwischen-Abschirmrohr 3 einwirkenden elektrischen Feldes oder durch ein Verfahren (2) zur Verhinderung des Vakuumdurchschlags am Zwischen-Abschirmrohr 3.
Die japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichungen Nr. 58-43152 und 58-43153 offenbaren Vakuumschalter, wie sie in den Fig. 2(a) und 2(b) dargestellt sind, bei denen die vorgenannten Verfahren (1) und (2) zur Anwendung kommen. Der Vakuumschalter nach Fig. 2(a) besitzt zwei zweite Zwischen-Abschirmrohre 10a und 10b zwischen einem ersten Zwischen-Abschirmrohr 3 und zwei Elektroden 6a und 6b. Der Vakuumschalter nach Fig. 2(b) weist ein erstes Zwischen- Abschirmrohr 3, zwei zweite Zwischen-Abschirmrohre 10a und 10b und zwei dritte Zwischen-Abschirmrohre 11a und 11b auf. Durch das Übereinanderstapeln der Zwischen-Abschirmrohre 3, 10a und 10b, bzw. der Zwischen-Abschirmrohre 3, 10a, 10b, 11a und 11b wird das Isolationsrohr 1 des Vakuumschalters länger, und die Herstellung des Vakuumschalters wird komplizierter, wodurch die Handhabung des Vakuumschalters weniger einfach wird, mehr Montageschritte erforderlich sind, ein Isolationsmantel mit größerer Innenfläche zum Halten der Zwischen-Abschirmrohre 3, 10a und 10b bzw. der Zwischen-Abschirmrohre 3, 10a, 10b, 11a und 11b erforderlich ist und komplizierte Heiz- und Evakuierungsverfahren erforderlich werden. Außerdem ist für diese Vakuumschalter ein kompliziertes Konditionierungsverfahren erforderlich, weil an alle Zwischen- Abschirmrohre 3, 10a und 10b bzw. analle Zwischen-Abschirmrohre 3, 10a, 10b, 11a und 11b zur Konditionierung eine Spannung angelegt werden muß. Wenn also ein solches Verfahren zur Verhinderung eines Vakuumdurchschlags angewendet wird, ist es unmöglich, die Herstellungskosten für den Vakuumschalter zu senken.
Vor kurzem wurden Elektrodenmaterialien mit sehr hoher Durchschlagsfestigkeit entwickelt, wodurch eine weitere Verkleinerung des Vakuumschalters möglich wurde. Durch diese Elektrodenmaterialien sind die Probleme beim Konditionieren der Elektroden 6a und 6b bereits gelöst, und der Vakuumdurchschlag zwischen dem Zwischen-Abschirmrohr 3 und den Elektroden 6a und 6b ist zum Hauptproblem geworden.
Daher besteht der lebhafte Wunsch nach der Entwicklung eines Isolationsrohres, das so gebaut ist, daß Penetrationsdurchbruch der Wand des Isolationsrohrs auch dann ausgeschlossen ist, wenn es beim Konditionieren zum Vakuumdurchschlag zwischen dem Zwischen-Abschirmrohr 3 und den Elektroden 6a und 6b kommt.
Die vorstehenden Ausführungen zum herkömmlichen Vakuumschalter können in der Feststellung zusammengefaßt werden, daß der keramische Isolationsmantel 1 des herkömmlichen Vakuumschalters, d. h. einer Vakuum-Entladungsvorrichtung, zu Penetrationsdurchbruch in seiner Wandung neigt. Bei der Herstellung des herkömmlichen keramischen Isolationsmantels durch Formpressen von Aluminiumoxidpulver mit einer Gummipresse, also in einem Trockenformverfahren, wird auf die ringförmige Erhebung 2, die eine große Wandstärke hat, kein Druck ausgeübt, so daß sich in der ringförmigen Erhebung 2 Nadelstichporen bilden können, weil Aluminiumoxidpulver wegen der hohen Reibung zwischen den Aluminiumoxidteilchen eine geringe Fluidität hat. Deshalb kommt es an den Nadelstichporen bei der plötzlichen Potentialänderung am Zwischen-Abschirmrohr 3 und am Halteglied 4 durch den Vakuumdurchschlag beim Konditionieren zu einer abnormen Konzentrierung der elektrischen Feldstärke, wodurch Penetrationsdurchbrüche am Isolationsmantel 1 verursacht werden.
Da es inhärent an den Verbindungsstellen zwischen den Abdichtgliedern 8a und 8b und dem Isolationsmantel 1 zur Konzentrierung der elektrischen Feldstärke kommt und sich deshalb das Potential zwischen der Außenseite und der Innenseite des Isolationsmantels 1 mit einem hohen Gradienten verändert, kann mit den in Fig. 2(b) dargestellten Zwischen-Abschirmrohren 3, 10a, 10b, 11a und 11b keine befriedigende Abschwächung der elektrischen Feldstärke auf der Außenseite des Isolationsmantels 1 erreicht werden. Um Penetrationsdurchbrüche auszuschalten, müssen an der Außenseite der einander entgegengesetzten Enden 1a und 1b des Isolationsmantels 1 vor der Konditionierung des Vakuumschalters Ringe (nicht abgebildet) zum Abschwächen des elektrischen Feldes angebracht werden, was jedoch zusätzlichen Aufwand bedeutet.
Außerdem haben beim herkömmlichen Vakuumschalter die Abdichtglieder 8a und 8b und der Isolationsmantel 1 im wesentlichen denselben Außendurchmesser, so daß es zu einer Teilentladung über die Abdichtglieder 8a und 8b entlang der Außenfläche des Isolationsmantels 1 kommen kann. Sobald also eine nadelförmige Teilentladung über das Abdichtglied 8a oder das Abdichtglied 8b stattfindet, sind die Abdichtglieder 8a und 8b augenblicklich entlang einer Geraden auf der Außenseite des Isolationsmantels kurzgeschlossen, wodurch es außen zu einem Überschlag kommt.
Um Penetrationsdurchbrüche am Isolationsmantel bei der Fertigung und im praktischen Einsatz des Vakuumschalters zu vermeiden, sind verschiedene Maßnahmen ergriffen worden, beispielsweise ist ein Isolationsmantel mit großer Kriechstrecke verwendet worden, um den Abstand zwischen den Abdichtgliedern 8a und 8b bzw. den Metallschichten 7a und 7b zu vergrößern; oder es ist ein Isolationsmantel mit großem Durchmesser verwendet worden, um den Abstand zwischen der Innenseite des Isolationsmantels und den Elektroden 6a und 6b und zwischen der Innenseite des Isolationsmantels und dem Zwischen- Abschimrohr 3 zu vergrößern; oder es ist ein isolierendes Öl oder SF&sub2;-Gas als Umgebungsmedium während des Konditionierungsvorgangs verwendet worden, um die externe Überschlagspannung zu erhöhen; oder die Abdichtglieder 8a und 8b sind mit Ringen zur Abschwächung des elektrischen Feldes abgedeckt worden, um einen externen Überschlag beim Konditionieren zu vermeiden.
Bei genauer Untersuchung der Gründe für Penetrationsdurchbrüche ist jedoch festgestellt worden, daß die Überschlagsspannung sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite erhöht werden muß.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen homogenen Isolationsmantel mit großer Wandstärke und ein Halteteil für das Zwischen-Abschirmrohr, welches frei ist von Nadelstichporen, zur Verfügung zu stellen und eine Teilentladung über die Abdichtglieder während des Konditionierens zu unterdrücken.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, im Falle einer Teilentladung über die Abdichtglieder beim Konditionieren den externen Überschlag abzufangen, indem ein Keramikrohr mit einheitlicher Wandstärke und nichtlinearer Außenfläche als Isolationsmantel verwendet wird.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vakuum-Entladungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die mit einem Isolationsmantel versehen ist, dessen Innenfläche eine Kriechstrecke aufweist, die größer ist als der Abstand zwischen den Abdichtgliedern oder der Abstand zwischen den beiden Metall schichten, um Leckströme entlang der Außen- und der Innenfläche des Isolationsmantels zu vermeiden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vakuum-Entladungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, deren Isolationsmantel für Elektroden mit einem bestimmten Durchmesser einen bestimmten Innendurchmesser, eine minimale Größe und ein minimales Gewicht hat und den während der Herstellung auftretenden Hitzeschocks, Spannungs- und Konditionierungsbedingungen standhält und außerdem den mechanischen Stößen beim Öffnen und Schließen des Stromkreises sowie Ablagerungen von Elektrodenmaterial auf seiner Innenseite und Salzablagerungen auf seiner Außenseite standhält und außerdem mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
Um die genannten Aufgaben zu lösen, besitzt die erfindungsgemäße Vakuum- Entladungsvorrichtung einen Isolationsmantel, der ein hohler, im allgemeinen zylindrischer Keramikkörper mit nach innen und nach außen gewellter Wandung ist und mit Metallschichten an seinen gegenüberliegenden Enden versehen ist; ein Zwischen-Abschirmrohr aus Metall innerhalb des Isolationsmantels; ein Paar Elektroden, die im Zwischen-Abschirmrohr aus Metall einander gegenüber angeordnet sind; und Abdichtglieder, die durch Hartlöten mit den Metallschichten an den entgegengesetzten Enden des Isolationsmantels verbunden sind und auf demselben Potential liegen wie die Elektroden, wobei die äußere Kriechstrecke und die innere Kriechstrecke des Isolationsmantels größer sind als der Abstand zwischen den Abdichtgliedern oder zwischen den Metallschichten, und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischen-Abschirmrohr aus Metall im Isolationsmantel von einem Innenrücken der gewellten Wand des Isolationsmantels gehalten wird und daß der Innendurchmesser des das Zwischen-Abschirmrohr haltenden Innenrückens gleich groß ist wie oder kleiner ist als der Innendurchmesser der einander entgegengesetzten Enden des Isolationsmantels.
Der keramische Isolationsmantel der erfindungsgemäßen Vakuum-Entladungsvorrichtung wird in einem Aufschlämmformverfahren rohrförmig ausgebildet und hat eine Kriechstrecke, die größer ist als der Abstand zwischen den beiden vorgenannten Metallschichten.
Da der für die vorliegende Erfindung verwendete Isolationsmantel in einem Aufschlämmformverfahren geformt wird, fließt das Formmaterial, beispielsweise eine Aluminiumoxidaufschlämmung, beim Formen zufriedenstellend, so daß der Isolationsmantel homogen und frei von Mängeln ist, wie beispielsweise Nadelstichporen.
Da der für die vorliegende Erfindung verwendete Isolationsmantel aus keramischem Material in einem Aufschlämmformverfahren zu einem rohrförmigen Körper mit gewellter Wand geformt wird, dessen Kriechstrecke, wie oben erwähnt, größer ist als der Abstand zwischen den Abdichtgliedern oder der Abstand zwischen zwei Metallschichten, hat der Isolationsmantel eine innere Kriechstrecke und eine äußere Kriechstrecke, die größer sind als der Abstand zwischen den Abdichtgliedern oder der Abstand zwischen zwei Metallschichten. Demgemäß wird eine Teilentladung über die Abdichtglieder entlang der Außenfläche des Isolationsmantels vermieden, und selbst wenn es zu einer Teilentladung kommen sollte, ist der Entladungsweg nach außen entlang der Schräge der Kämme der gewellten Wand gerichtet, so daß die Teilentladung den Fuß der Wellung, die ein Zwischen-Abschirmrohr hält, nicht erreicht. Damit wird der Oberflächenleckstrom über die Abdichtglieder reduziert, und die Überschlagspannung zwischen Innen- und Außenwand ist erhöht, so daß eine Teilentladung vermieden wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer herkömmlichen Vakuum-Entladungsvorrichtung.
Fig. 2(a) und 2(b) sind Längsschnitte weiterer herkömmlicher Vakuum-Entladungsvorrichtungen.
Fig. 3 ist ein Längsschnitt einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist ein ausschnittsweise vergrößerter Längsschnitt, der die Rücken und die Furchen des Isolationsmantels der Vakuum-Entladungsvorrichtung von Fig. 3 zeigt.
Fig. 5 ist ein Längsschnitt einer Modifikation der Ausführungsform der Vakuum-Entladungsvorrichtung von Fig. 3.
Fig. 6(a) bis 8(e) sind Draufsichten und perspektivische Darstellungen verschiedener erfindungsgemäßer Isolationsmäntel.
Fig. 7 ist ein Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuum-Entladungsvorrichtung.
Fig. 8 ist eine Modifikation der Vakuum-Entladungsvorrichtung von Fig. 7.
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Kriechstreckenverhältnis und der Konstanten, die die Wellenform des Isolationsmantels bestimmen.
Fig. 10 ist eine Vorderansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuum-Entladungsvorrichtung.
Fig. 11 ist ein Längsschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuum- Entladungsvorrichtung.
Fig. 12 ist ein ausschnittsweiser vergrößerter Längsschnitt der Vakuumentladungsvorrichtung von Fig. 11, die einen wichtigen Abschnitt der Vakuumentladungsvorrichtung zeigt.
Fig. 13 ist ein Längsschnitt einer Abwandlung der Vakuum-Entladungsvorrichtung von Fig. 11.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In Fig. 3, die eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuum- Entladungsvorrichtung zeigt, bezeichnet 1 einen Isolationsmantel aus Aluminiumoxidkeramik mit gewellter Wand, der durch Sintern an Luft bei etwa 1650 ºC eines mit einem Aufschlämmformverfahren hergestellten getrockneten Aluminiumoxidformstücks geformt worden ist. Der Isolationsmantel 1 hat eine weitgehend einheitliche Wandstärke. Der Innendurchmesser eines Innenrückens 1c des Isolationsmantels, der das Zwischen-Abschirmrohr 3 hält, ist gleich wie oder kleiner als der Innendurchmesser der entgegengesetzten Enden 1a und 1b des Isolationsmantels 1, so daß das Zwischen-Abschirmrohr 3 sowohl durch das Ende 1a als auch durch das Ende 1b in den Isolationsmantel 1 eingeführt werden kann. Der Innendurchmesser der übrigen Innenrücken des Isolationsmantels 1 ist jeweils derselbe wie der Innendurchmesser an den entgegengesetzten Enden 1a und 1b. Der Außendurchmesser der Außenrücken 1d ist größer als der Außendurchmesser der entgegengesetzen Enden 1a und 1b. An der Oberfläche der einander entgegengesetzten Enden 1a und 1b werden mit einem Mo-Mn-Metallisierungsverfahren die Metall schichten 7a bzw. 7b ausgebildet. An den entgegengesetzten Enden 1a und 1b des Isolationsmantels 1 werden die Abdichtglieder aus Metall 8a bzw. 8b befestigt. Das Zwischen-Abschirmrohr 3 wird mit dem Halteglied 4 mechanisch auf dem Innenrücken 1c gehalten. In einem von dem Zwischen-Abschirmrohr 3 begrenzten Raum ist eine feststehende Elektrode 6a gegenüber einer beweglichen Elektrode 6b angeordnet.
In den Fig. 3 und 4 bezeichnet 1e die Furchentiefe an der Außenseite des Isolationsmantels 1, L den Abstand zwischen den Abdichtgliedern 8a und 8b, und zwar den Abstand zwischen den Metall schichten 7a und 7b, l die äußere oder die innere Kriechstrecke des Isolationsmantels 1 und t die Wandstärke des Isolationsmantels 1. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Wandstärke durchschnittlich 4,5 mm, die Tiefe 1e liegt zwischen 11 und 18 mm, und das Kriechstreckenverhältnis α, d. h. das Verhältnis der Kriechstrecke l zum Abstand L, ist 1,3.
Die Abdichtglieder 8a und 8b stehen in abdichtendem Kontakt zu den Metallschichten 7a bzw. 7b. Das Potential der Abdichtglieder 8a und 8b entspricht dem Potential der Elektroden 6a bzw. 6b. Am oberen Ende des Balgs 9 ist eine Schutzkappe 12 angebracht.
Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die Schrägen der Außenrücken 1d des Isolationsmantels 1 in einem Neigungswinkel 8 gegen die Achse des Isolationsmantels geneigt (60º bei dieser Ausführungsform).
Es wurden zwanzig Vakuumschalter mit einer Nennspannung von 7,2 kV hergestellt, die jeweils einen Isolationsmantel 1 aufwiesen, und die Vakuumschalter wurden einem Konditionierungsvorgang unterworfen, bei dem nach der Evakuierung an die Vakuumschalter eine Wechselspannung von 50 kV angelegt wurde. Während des Konditionierens kam es zu Vakuumdurchschlag zwischen dem Zwischen-Abschirmrohr 3 und den Elektroden 6a und 6b, während es in den Isolationsmänteln 1 nicht zum Penetrationsdurchbruch kam. Durch Versuche wurde festgestellt, daß der Leckstrom an der Oberfläche des Isolationsmantels 1 im Vergleich zum herkömmlichen Isolationsmantel sehr gering ist. Es wurde außerdem festgestellt, daß die äußere Überschlagspannung über die Abdichtglieder 8a und 8b des Isolationsmantels 1 bei dieser Ausführungsform das 1,18- bis 1,2-fache des Wertes beim herkömmlichen Isolationsmantel ausmacht.
Es wurden Isolationsmäntel geprüft, die in einem Aufschlämmformverfahren unter Verwendung von Formmaterialien hergestellt worden waren, die als Hauptbestandteile andere Materialien als Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), beispielsweise MgO, MnO, TiO&sub2; und ZrO&sub2;, enthielten. Bei diesen Prüf-Isolationsmänteln war die Adhäsion der mit einem Mo-Mn-Metallisierungsverfahren aufgebrachten Metallschichten ungenügend, und die Prüf-Isolationsmäntel haben sich als ungeeignet für die Vakuum-Entladungsvorrichtung erwiesen.
Bei der erfindungsgemäßen Vakuum-Entladungsvorrichtung kommt es im Falle eines Vakuumdurchschlags zwischen dem Zwischen-Abschirmrohr 3 und den Elektroden 6a und 6b im Bereich des Halteteils des Zwischen-Abschirmrohrs 3 oder im Bereich der Abdichtglieder 8a und 8b des Isolationsmantels 1 zu Penetrationsdurchbruch, und die externe Überschlagspannung über die Abdichtglieder 8a und 8b ist vergleichsweise hoch. Diese vorteilhaften Merkmale der erfindungsgemäßen Vakuumentladungsvorrichtung werden auf folgende Ursachen zurückgeführt:
Zum einen wird der Isolationsmantel 1 aus Aluminiumoxid mit einem Aufschlämmformverfahren statt im Gummipreßformverfahren hergestellt, so daß die Aluminiumoxidteilchen während des Formvorgangs gegeneinander frei beweglich sind, so daß der Isolationsmantel 1 auf einfache Weise in homogener Struktur und mit gleichmäßiger Wandstärke hergestellt werden kann. Durch vergleichende Prüfung der Bereiche 1a, 1b, 1c und 1d des Isolationsmantels 1 in Bezug auf Materialeigenschaften wie Dichte, Biegebruchfestigkeit und Nadelstichporendichte wurde festgestellt, daß der in einem Aufschlämmformverfahren mit Hochtemperatursintern hergestellte Isolationsmantel 1 hervorragend gleichmäßige Materialeigenschaften hat.
Beim Isolationsmantel 1 der Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Fig. 3 hat die externe Überschlagspannung den 1,18- bis 1,2-fachen Wert des herkömmlichen Isolationsmantels, und die Kriechstrecke l ist 1,3 Mal so lang wie beim herkömmlichen Isolationsmantel. Demgemäß ergibt sich für die Beziehung zwischen der externen Überschlagspannung V und der Kriechstrecke l der Ausdruck V α l²/³. Diese Beziehung ist ähnlich der Beziehung für den Isolator, und der Back-electrode-effect kann vernachlässigt werden. Da die externe Überschlagspannung des erfindungsgemäßen Isolationsmantels 1 größer ist als diejenige des herkömmlichen Isolationsmantels, wird angenommen, daß es bei der erfindungsgemäßen Vakuum-Entladungsvorrichtung beim Konditionieren nicht zu einer externen Tellentladung kam und damit der Oberflächenfehlerstrom in den abgedichteten gegenüberliegenden Enden 1a und 1b verhindert wurde und die Potentialverteilung über den Isolationsmantel 1 einheitlich war. Da der Außendurchmesser der Außenrücken 1d größer ist als die Außendurchmesser der entgegengesetzten Enden 1a und 1b, verhindert die Abschirmwirkung der Außenrücken 1d eine Teilentladung über die abgedichteten entgegengesetzten Enden 1a und 1b entlang der Außenfläche des Isolationsmantels 1.
Selbst wenn es zu einer Teilentladung über die Abdichtglieder 8a und 8b kommt, kommt es am Isolationsmantel 1 nach Fig. 3 kaum zu Penetrationsdurchbruch, weil die Teilentladung geradlinig vom Abdichtglied 8a zum Abdichtglied 8b oder umgekehrt erfolgt und die Funkenentladung nie vom Rücken 1d bis zum Fuß der Furche reicht. Die Funkenentladung erreicht also nicht den Innenrücken 1c, der das Zwischen-Abschirmrohr 3 trägt. Damit wird Penetrationsdurchbruch in dem das Zwischen-Abschirmrohr 3 tragenden Bereich des Isolationsmantels 1 verhindert.
Durch den versuchsweisen Einsatz des erfindungsgemäßen Vakuumschalters in seiner ersten Ausführungsform wurde herausgefunden, daß die innere Kriechstrecke des Isolationsmantels das 1,3-fache derjenigen des Isolationsmantels des herkömmlichen Vakuumschalters beträgt, wodurch sich die Lebensdauer des Vakuumschalters beträchtlich erhöht. Erst nach dreimal der Anzahl von Öffnungs- und Schließvorgängen des herkömmlichen Vakuumschalters kommt es zu internen Kriechentladungen infolge der Ablagerung von Elektrodenmaterial an der Innenseite des Isolationsmantels.
Die Innendurchmesser aller Innenrücken des Isolationsmantels 1 kann kleiner sein als die Innendurchmesser der entgegengesetzten Enden 1a und 1b des Isolationsmantels 1.
Obwohl der Isolationsmantel 1 der ersten Ausführungsform des Vakuumschalters mehrere Rücken und Furchen und einen Innenrücken 1c hat, der das Zwischen- Abschirmrohr 3 hält, kann für eine erfindungsgemäße Vakuum-Entladungsvorrichtung auch ein Isolationsmantel mit nur einem Rücken verwendet werden.
Eine Abwandlung der Vakuum-Entladungsvorrichtung von Fig. 3 ist in Fig. 5 gezeigt.
Bei der in Fig. 5 gezeigten ersten Abwandlung ist ein Isolationsmantel 1 mit nur einem Innenrücken 1c zum Halten des Zwischen-Abschirmrohrs 3 gegeben, vergleichbar dem herkömmlichen Isolationsmantel nach Fig. 1. Durch das Aufschlämmformverfahren jedoch ist der erfindungsgemäße Isolationsmantel 1 von homogener Struktur und hat eine einheitliche Wandstärke. Obwohl Kriechstrecke und externe Überschlagspannung im wesentlichen dieselben sind wie beim herkömmlichen Isolationsmantel, ist die erste Abwandlung des Isolationsmantels dem herkömmlichen Isolationsmantel in Bezug auf Penetrationsdurchbruch eindeutig überlegen.
Obwohl die für die erste Ausführungsform verwendeten Isolationsmäntel 1 und die vorgenannten Abwandlungen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt haben, ist der Isolationsmantel nicht darauf beschränkt und kann vielmehr einen beliebigen Querschnitt haben, zum Beispiel einen elliptischen, einen achteckigen, einen sechseckigen oder einen rechteckigen Querschnitt. Isolationsmäntel mit elliptischem oder rechteckigem Querschnitt sind vor allem für Vakuumschalter von Drehstrom-Vakuumbrechern vorzuziehen, weil solche Isolationsmäntel eine effektive Raumnutzung erlauben.
Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand eines Vakuumschalters beschrieben worden ist, ist sie gleichermaßen auf Vakuum-Entladungsvorrichtungen anwendbar, die ein im mittleren Teil oder an einem Ende gehaltenes Metallabschirmrohr aufweisen, beispielsweise Vakuum-Überspannungsableiter, Vakuumtriggertrone und Vakuumsicherungen.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, wird bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung der keramische Isolationsmantel für eine Vakuum-Entladungsvorrichtung in einem Aufschlämmformverfahren geformt, und seine Kriechstrecke ist größer als der Abstand zwischen den an den entgegengesetzten Enden angebrachten Abdichtgliedern, wodurch sich die Ausbeute beim Konditionieren der Vakuum-Entladungsvorrichtungen erhöht und die Vakuum- Entladungsvorrichtungen in kompakter Bauweise und zu geringeren Herstellungskosten hergestellt werden können.
Nachstehend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben. Für diese Vakuum-Entladungsvorrichtung wird ein gewellter Isolationsmantel 1 verwendet, dessen Schrägen in einem Neigungswinkel R von 90º gegen die Achse des Isolationsmantels 1 geneigt sind. Die Abdichtglieder 8a und 8b sind jeweils an den einander gegenüberliegenden Enden des Isolationsmantels 1 angebracht. Das Kriechstreckenverhältnis α, d. h. das Verhältnis der Kriechstrecke l zum Abstand L zwischen den Abdichtgliedern 8a und 8b des Isolationsmantels 1, beträgt 1,4. Dieser Isolationsmantel 1 wirkt in verstärktem Maße einem Oberflächenleckstrom, der Teilentladung über die Abdichtglieder 8a und 8b entlang der Außenfläche des Isolationsmantels 1 und dem Penetrationsdurchbruch im Isolationsmantel 1 entgegen.
Fig. 8 zeigt eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuum-Entladungsvorrichtung. Diese Abwandlung ist ein Vakuumschalter mit einer Nennspannung von 84 kV, der mehrere Zwischen-Abschirmrohre besitzt, und zwar ein erstes Zwischen-Abschirmrohr 3 und ein Paar zweite Zwischen- Abschirmrohre 21a und 21b. Wie aus Fig. 8 zu ersehen, sind die zweiten Zwischen-Abschirmrohre 21a und 21b koaxial angeordnet, so daß sie jeweils die Elektroden 6a bzw. 6b umgeben. Der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Enden der zweiten Zwischen-Abschirmrohre 21a und 21b ist kleiner als der Abstand zwischen den Elektroden 6a und 6b. Die zweiten Zwischen- Abschirmrohre 21 und 21b werden jeweils von einem Innenrücken 1c des gewellten Isolationsmantels 1 gehalten. Die zweiten Zwischen-Abschirmrohre 21a und 21b werden beispielsweise aus einer Legierung mit Gedächtniseffekt hergestellt und nach dem Einsetzen in den Isolationsmantel 1 gemäß Fig. 8 vor Ort zur Fixierung erwärmt.
Bei den Vakuum-Entladungsvorrichtungen nach den Fig. 3, 4, 7 und 8 werden die Zwischen-Abschirmrohre 3, 21a, 21b, 22a und 22b von den Innenrücken 1c oder in den Furchen zwischen benachbarten Innenrücken 1c gehalten. Daher benötigen die Isolationsmäntel 1 keine zusätzliche Fläche zum Halten der Zwischen- Abschirmrohre, was die Evakuierung vereinfacht.
Da die Elektroden 6a und 6b und die Zwischen-Abschirmrohre 21a, 21b, 22a und 22b durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 6a und 6b gleichzeitig konditioniert werden, wird der Konditionierungsvorgang vereinfacht.
Auch wenn die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Teil eines Vakuumschalters beschrieben wurde, kann die zweite Ausführungsform mit gleicher Wirkung auch in eine Hochspannungs-Vakuum-Entladungsvorrichtung, beispielsweise eine Vakuumsicherung, einen Vakuumblitzableiter oder ein Vakuumtriggertron, eingebaut werden.
Auch wenn die keramischen Isolationsmäntel der vorgenannten Ausführungsformen und ihrer Abwandlungen aus keramischem Aluminiumoxidmaterial hergestellt wurden, können die keramischen Isolationsmäntel aus jedem anderen geeigneten keramischen Material hergestellt werden, solange sie mit den Abdichtgliedern 8a und 8b abgedichtet werden können. Außerdem ist die vorliegende Erfindung auch für Vakuum-Entladungsvorrichtungen anwendbar, die statt der feststehenden Elektrode 6a und der beweglichen Elektrode 6b zwei feststehende Elektroden haben.
Beispielsweise wird bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für die Vakuum-Entladungsvorrichtung ein gewellter Isolationsmantel aus keramischem Material verwendet, der eine gleichmäßige Wandstärke aufweist, dessen Kriechstrecke größer ist als der Abstand zwischen den Abdichtgliedern und der mit mehreren Zwischen-Abschirmrohren versehen ist, die von den Innenrücken oder in einer Furche zwischen benachbarten Innenrücken des Isolationsmantels gehalten werden. Diese Konfiguration der Vakuum-Entladungsvorrichtung erhöht die Ausbeute des Konditionierungsvorgangs und ermöglicht eine Reduzierung der Herstellungskosten der Vakuum-Entladungsvorrichtung.
Übrigens sind bei der ersten Ausführungsform die Wandstärke t (Fig. 4) und der Krümmungsradius r am Grund einer Furche zwischen benachbarten Rücken des Isolationsmantels im wesentlichen gleich. Ist t > r, erfüllt der Isolationsmantel nicht die vorgenannten Leistungsanforderungen, d. h. Beständigkeit gegen Hitzeschocks, mechanische Stöße und Schwingungen beim Öffnen und Schließen der Elektroden. Der Isolationsmantel muß also die Beziehung t ≤ r erfüllen.
Der Neigungswinkel R der Wellenschrägen zur Achse des Isolationsmantels sollte im Bereich von 45º ≤ R ≤ 90º liegen. Ist der Neigungswinkel R < 45º, ist es unmöglich, einen Isolationsmantel mit ausreichender Kriechstrecke α zu formen (α = l&sub1;/L oder l&sub2;/L, wobei l&sub1; die äußere Kriechstrecke des Isolationsmantels, l&sub2; die innere Kriechstrecke des Isolationsmantels und L der Abstand zwischen den Metallschichten 7a und 7b ist), und bei einem solchen Isolationsmantel ist der Back-electrode-effect nicht zu vernachlässigen. Ist R > 90º, ist es schwierig, den Isolationsmantel in einem Aufschlämmformverfahren herzustellen.
Die Tiefe e der Furchen des gewellten Isolationsmantels sollte das 1,5-fache des Krümmungsradius am Grund einer jeden Furche betragen oder größer sein. Bei e < 1,5 r kann der Back-electrode-effect unabhängig vom Neigungswinkel R nicht vernachlässigt werden.
Damit der Isolationsmantel mit weitgehend gleichmäßiger Wandstärke hergestellt werden kann, müssen die äußere Kriechstrecke l&sub1; und die innere Kriechstrecke l&sub2; in etwa gleich sein. Soll die externe Überschlagspannung um mindestens 10% erhöht werden, muß der Isolationsmantel die Bedingung l&sub1; l&sub2; ≥ 1,2 L erfüllen.
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Änderung des Kriechstreckenverhältnisses α mit dem Verhältnis e/r für den Neigungswinkel R, wobei für alle Außenfurchen des Isolationsmantels eine konstante Tiefe e angenommen wird; e/r sollte 1,5 oder mehr, und α sollte 1,2 oder mehr betragen.
Die Wand des erfindungsgemäßen gewellten Isolationsmantels muß nicht unbedingt einzelne parallele Rücken und Furchen aufweisen, die parallel zu den Metall schichten 7a und 7b verlaufen, sondern kann auch, wie in Fig. 10 dargestellt, einen einzigen spiralförmigen Rücken und eine einzige spiralförmige Furche aufweisen.
Nachfolgend wird eine Vakuum-Entladungsvorrichtung in einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Fig. 11 ist ein Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vakuum- Entladungsvorrichtung, und Fig. 12 ist ein ausschnittsweiser vergrößerter Längsschnitt eines wesentlichen Teils der Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Fig. 11. In den Fig. 11 und 12 hat der Isolationsmantel 1 aus gewellter Aluminiumoxidkeramik einen oberen ringförmigen Abschnitt 11b, einen unteren ringförmigen Abschnitt 11c, wellenförmige Außenrücken 11d2 in der Außenfläche der Wand des Isolationsmantels 1 zwischen dem oberen ringförmigen Abschnitt 11b und dem unteren ringförmigen Abschnitt 11c und wellenförmige Innenrücken 11e zwischen den benachbarten Außenrücken 11d2, jeweils mit gleicher Wandstärke. Die Wandstärke der Innenrücken 11e muß nicht dieselbe sein wie die Wandstärke der Außenrücken 11d2. Bezugszeichen 11e1 ist einer der Innenrücken 11e, und zwar der Abschirmrohr-Halterücken, der das Zwischen-Abschirmrohr 3 hält. Der Halterücken 11e1 hat eine größere Höhe als die übrigen Innenrücken 11e. Bezugszeichen 11f bezeichnet den Scheitel der Außenrücken 11d2, und 11g bezeichnet die Tiefe der Außenfurchen zwischen benachbarten Außenrücken 11d2. Mit r1 ist der Krümmungsradius am Grund der Außenfurche angegeben, r2 ist der Krümmungsradius am Scheitel des Innenrückens 11e, r3 der Krümmungsradius des Scheitels 11f des Außenrückens 11d2, r4 der Krümmungsradius am Grund der Innenfurche, t ist die Wandstärke der wellenförmigen Innenrücken 11e und entspricht im wesentlichen dem Krümmungsradius r1 am Grund der Außenfurche. Mit R ist der Neigungswinkel zwischen der Schräge eines jeden Außenrückens 11d2 und einer Achse bezeichnet, die parallel zur Achse des Isolationsmantels 1 ist. Das Zwischen-Abschirmrohr 3 hat einen nach außen gewölbten Abschnitt 3a und ein Halteelement 4, das an der äußeren Umfangsfläche des oberen Abschnitts des Zwischen-Abschirmrohrs 3, der einen kleineren Durchmesser hat, angebracht ist. Das Halteelement 4 ist aus Metall und hat einen nach außen gewölbten Abschnitt. Der Abschirmrohr-Halterücken 11e1 greift zwischen dem Rücken des nach außen gewölbten Abschnitts 3a und dem Halteelement 4 ein, wodurch das Zwischen-Abschirmrohr 3 am Isolationsmantel 1 gehalten wird.
Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Isolationsmantels 1 beschrieben.
Zur Herstellung des Isolationsmantels 1 wird mit einem Aufschlämmformverfahren aus Aluminiumoxidaufschlämmung ein Formstück hergestellt und anschließend an Luft bei etwa 1650 ºC gebrannt. Der Isolationsmantel 1 hat beispielsweise eine Wandstärke von 4,7 mm im oberen ringförmigen Abschnitt 11b und im unteren ringförmigen Abschnitt 11c, etwa 8 mm beim Krümmungsradius r1 am Grund der Furche zwischen den benachbarten Außenrücken 11d2, etwa 3 mm beim Krümmungsradius r3 am Scheitel 11f des Außenrückens 11d2, einen Wert zwischen 12 und 18 mm bei der Tiefe 11g der Außenfurche, einen Wert zwischen 3 und 5 mm bei der Tiefe der Innenfurche und einen Neigungswinkel R von 60º.
Der Abstand L zwischen den zwei Metall schichten 7a und 7b, die jeweils auf die einander entgegengesetzten Enden des Isolationsmantels 1 aufgebracht werden, beträgt 96 mm, die äußere Kriechstrecke l&sub1; des Isolationsmantels 1 beträgt 150 mm, und die innere Kriechestrecke l&sub2; des Isolationsmantels 1 beträgt 105 mm. Das Kriechstreckenverhältnis α&sub1; beträgt somit l&sub1;/L = 1,56 und l&sub2;/L 1,105.
Es wurden zwanzig Vakuumschaltröhren mit einer Nennspannung von 12 kV, die jeweils mit einem nach vorstehenden Verfahren geformten Isolationsmantel 1 versehen waren, hergestellt und evakuiert, und anschließend wurde zur Konditionierung an die Vakuumschaltröhren eine Wechselspannung von 60 kV angelegt. Bei den Isolationsmänteln 1 trat kein Penetrationsdurchbruch auf. Die äußere Überschlagspannung über die Metall schichten 7a und 7b der Isolationsmäntel 1 war um mindestens das 1,35-fache größer als beim herkömmlichen Isolationsmantel. Die äußere Überschlagspannung bei einem Isolationsmantel 1 mit Salzablagerungen war bei einem Salznebelversuch 1,4 Mal höher als beim herkömmlichen Isolationsmantel mit der Länge L von 95 mm.
Die Bildung von Ablagerungen des Materials, aus dem die Elektroden 6a und 6b der Vakuumschaltröhre bestehen, an der Innenwand des Isolationsmantels 1 nimmt mit der Anzahl der Stromabschaltungen zwischen den Elektroden 6a und 6b allmählich zu. Es wurde jedoch festgestellt, daß die Spannungsstoßbeständigkeit der Vakuumschaltröhren sich kaum verschlechterten, und daß die Lebensdauer der Vakuumschaltröhren bis zum ersten inneren Überschlag doppelt so lang war wie bei herkömmlichen Vakuumschaltröhren.
Außerdem haben die Innenrücken 11e und 11e1 der gewellten Wand des Isolationsmantels eine einheitliche Dicke 6, die Tiefe 11g der Außenfurchen ist groß, das Material, aus dem der obere ringförmige Abschnitt 11b, der untere ringförmige Abschnitt 11c, die Innenrücken 11e, der Scheitel 11f und die flachen Abschnitte der Außenrücken 11d2 gebildet sind, ist homogen; der Isolationsmantel 1 hat eine einheitliche Dichte und eine einheitliche Biegebruchfestigkeit und verglichen mit dem mit dem herkömmlichen Gummipreßverfahren geformten keramischen Mantel eine sehr geringe Anzahl von Nadelstichporen, und außerdem ist die Qualität einheitlich und die äußere Überschlagspannung hoch.
Der erfindungsgemäße Isolationsmantel 1 hat die vorgenannten Eigenschaften. Beim herkömmlichen Isolationsmantel 1 kommt es zum Abfall der äußeren Überschlagspannung, d. h. zum Back-electrode-effect, wenn das Zwischen-Abschirmrohr 3 mit dem evakuierten Isolationsmantel 1 versehen wird.
Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jedoch gilt für die Beziehung zwischen der äußeren Überschlagspannung V und der äußeren Kriechstrecke l&sub1; der Ausdruck V α l&sub1;2/3, und diese Beziehung ist ähnlich der für den Isolator geltenden Beziehung, weshalb der Back-electrode-effect vernachlässigt werden kann. Wenn es also zu einem äußeren Überschlag über die Metallschichten 7a und 7b kommen sollte, verläuft der Entladungsweg von der oberen Metallschicht 7a über die Außenscheitel 11f zur unteren Metallschicht 7b (Fig. 11) und führt nicht durch den Grund der Außenfurche, die dem Innenrücken 11e1 entspricht, der das Zwischen-Abschirmrohr 3 hält. Daher kommt es selten zu Penetrationsdurchbruch des Isolationsmantels 1 im Bereich des Innenrückens 11e1, der das Zwischen-Abschirmrohr 3 hält.
Außerdem war bei der Vakuumschaltröhre mit dem herkömmlichen Isolationsmantel 1, die weder außen noch innen eine gewellte Wand hat, der Abfall der Spannungsstoßbeständigkeit größer als der Abfall der Spannungsstoßbeständigkeit, wenn sich an der Innenseite des Isolationsmantels 1 Elektrodenmaterial abgelagert hatte.
Obwohl die Ablagerung von Elektrodenmaterial an der Innenseite des erfindungsgemäßen Isolationsmantels 1 bei häufiger Stromabschaltung unvermeidlich ist, nimmt die Spannungsstoßbeständigkeit des erfindungsgemäßen Isolationsmantels 1 kaum ab.
Obwohl der Isolationsmantel 1 bei dieser Ausführungsform am Scheitel 11f des Außenrückens 11d2 einen Krümmungsradius r3 von 3 mm hat, die Tiefe 11g der Furche zwischen den Außenrücken 11d2 zwischen 12 und 18 mm beträgt und der Neigungswinkel R 60º beträgt, muß die Form der Außenrücken 11d2 nicht dieselbe sein wie bei dem vorstehend beschriebenen Isolationsmantel 1, sondern es kann jede Form gewählt werden, die für die Ausbildung einer kompakten, leichten Vakuum-Entladungsvorrichtung geeignet ist und die Leistungsanforderungen an einen Isolationsmantel erfüllen, die unter Bezugnahme auf den Stand der Technik unter (a) bis (e) aufgeführt sind.
Obwohl bei dieser Ausführungsform die Wandstärke t des Innenrückens 11e in etwa gleich dem Krümmungsradius r1 der Außenfurche zwischen benachbarten Außenrücken 11d2 ist, genügt der Isolationsmantel den Leistungsanforderungen (a) und (e) nicht, und er neigt zur Rißbildung durch Temperaturschocks oder mechanische Stöße, wenn t > r1. Der Isolationsmantel muß also die Ungleichung t ≤ r1 erfüllen.
Außerdem sollte 45º ≤ R ≤ 90º sein (Fig. 12). Ist R < 45º, ist das Kriechstreckenverhältnis α nicht ausreichend groß (= l&sub1;/L oder l&sub2;/L, wobei l&sub1; die äußere Kriechstrecke, l&sub2; die innere Kriechstrecke und L der Abstand zwischen der oberen Metallschicht 7a und der unteren Metallschicht 7b ist), weshalb der Back-electrode-effect nicht vernachlässigt werden kann. Ist R > 90º, ist es schwierig, den Isolationsmantel in einem Aufschlämmformverfahren zu formen, und der Isolationsmantel erfüllt die Bedingungen (a) und (e) nicht.
Die Tiefe 11g der Außenfurche zwischen benachbarten Außenrücken 11d2 sollte das 1,5-fache des Krümmungsradius r1 derselben Furche betragen oder größer sein. Ist 11g < 1,5 · r1, kann der Back-electrode-effect nicht vernachlässigt werden, auch wenn der Neigungswinkel R einen geeigneten Wert hat.
Die Wandstärke t der Innenrücken 11e muß über die gesamte Länge weitgehend gleich sein, die innere Kriechstrecke l&sub2; muß dem 1,2-fachen des Abstands L zwischen den Metall schichten 7a und 7b entsprechen, damit eine ausreichende mechanische Stoßfestigkeit gegeben ist, und die äußere Kriechstrecke l&sub1; muß der Ungleichung l&sub1; ≥ 1,2 L genügen, damit die äußere Überschlagspannung um mindestens 10% verbessert werden kann.
Fig. 13 ist ein Längsschnitt einer Vakuumschaltröhre in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist die axiale Länge des Zwischen-Abschirmrohrs 3 kleiner als bei dem Zwischen-Abschirmrohr 3 nach Fig. 11. Ein Innenrücken 11e greift in den Raum zwischen einer Außenrippe 3a im Mittelteil des Zwischen-Abschirmrohrs 3 und einem Halte- element 4 ein, das am Zwischen-Abschirmrohr 3 angebracht ist, um das Zwischen-Abschirmrohr 3 am Isolationsmantel 1 zu halten. Zwei trichterförmige Zwischen-Abschirmrohre 31 und 32 aus Metall sind so angeordnet, daß sie jeweils mit ihrem engen Teil innerhalb des Zwischen-Abschirmrohrs 3 liegen. Die Innenrücken 11e greifen jeweils in die weiten Teile der Zwischen-Abschirmrohre 31 und 32 ein, wodurch die Zwischen-Abschirmrohre 31 und 32 im Isolationsmantel 1 gehalten werden. Die zweite Ausführungsform der Vakuumschalterröhre besitzt also die drei Zwischen-Abschirmrohre 3, 31 und 32.

Claims

1. Vakuum-Entladungsvorrichtung, aufweisend:

einen Isolationsmantel (1), der ein hohles, im wesentlichen zylindrisches Keramikteil mit einer außen und innen gewellten Wand darstellt, und jeweils an den einander entgegengesetzten Enden (1a, b) mit metallischen Schichten (7a, b) versehen ist;

ein innerhalb des Isolationsmantels (1) vorgesehenes metallisches Zwischen-Abschirmrohr (3);

ein Paar Elektroden (6a, b), die entgegengesetzt zueinander innerhalb des metallischen Zwischen-Abschirmrohrs (3) angeordnet sind; und Abdichtglieder (8a, b), die jeweils an die in den einander entgegengesetzten Enden (1a, b) des Isolationsmantels (1) gebildeten metallischen Schichten (7a, b) hart angelötet sind und auf dem gleichen Potential wie die Elektroden (6a, b) liegen;

wobei die äußere Kriechstrecke (l1) und die innere Kriechstrecke (l; l2) des Isolationsmantels (1) größer sind als die Entfernung (L) zwischen den Abdichtgliedern (8a, b) oder zwischen den metallischen Schichten (7a, b);

dadurch gekennzeichnet, daß

das metallische Zwischen-Abschirmrohr (3) von einem Innenrücken (1c, 11e) der gewellten Wand des Isolationsmantels (1) innerhalb des Isolationsmantels gehalten ist; und

der Innendurchmesser des das Zwischen-Abschirmrohr (3) haltenden Innenrückens (1c, 11e) kleiner ist als der Innendurchmesser der einander entgegengesetzten Enden (1a, b) des Isolationsmantels (1).

2. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wandstärke des Isolationsmantels (1) im wesentlichen einheitlich ist.

3. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Isolationsmantel aus einem Aluminiumoxid als Hauptkomponente enthaltenden Material mit einem Aufschlämmformverfahren hergestellt ist.

4. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Isolationsmantel (1) einen kreisförmigen, elliptischen, vieleckigen, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.

5. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Außendurchmesser des Isolationsmantels (1) größer ist als derjenige der Abdichtglieder (8a, b).

6. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Außendurchmesser der Außenrücken (1d; 11d2) der gewellten Wand des Isolationsmantels (1) größer ist als der Außendurchmesser der einander entgegengesetzten Enden (1a, b) des Isolationsmantels (1).

7. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend mehrere Zwischen-Abschirmrohre (3).

8. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Krümmungsradius (r&sub1;) des Bodens jeder Furche in der gewellten Wand des Isolationsmantels (1) größer ist als die maximale Wandstärke (t) der gewellten Wand.

9. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Inklination (R) der Neigung jedes Rückens der gewellten Wand des Isolationsmantels (1) zur Achse des Isolationsmantels (1) im Bereich von 45 bis 90 º liegt.

10. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Tiefe (e) zwischen dem Gipfelpunkt und dem Boden jeder Furche in der gewellten Wand des Isolationsmantels (1) das 1,5-fache oder mehr des Krümmungsradius (r) des Bodens der Furche beträgt.

11. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die äußere Kriechstrecke (l1) etwa gleich der inneren Kriechstrecke (l2) ist und die äußere Kriechstrecke (l1) und die innere Kriechstrecke (l2) das 1,2-fache oder mehr der Entfernung (L) zwischen den metallischen Schichten (7a, b) betragen.

12. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Innen- und die Außenrücken der gewellten Wand des Isolationsmantels (1) spiralenförmig ausgebildet sind.

13. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend wellenartige Innenrücken und Außenrücken (11e, 11d2), wobei der Krümmungsradius (r&sub2;) des Gipfelpunkts des wellenartigen Innenrückens (11e) größer ist als derjenige (r&sub3;) des Gipfelpunkts (11f) des wellenartigen Außenrückens (11d2) des Isolationsmantels (1).

14. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend wellenartige Innenrücken und Außenrücken (11e, 11d2), wobei die Dicke des Gipfelpunkts des wellenartigen Außenrückens (11d2) größer ist als diejenige des wellenartigen Innenrückens (11e).

15. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend wellenartige Innenrücken (1c, 11e), wobei der minimale äußere Krümmungsradius (r; r&sub2;) des wellenartigen Innenrückens (11c; 11e) größer ist als die maximale Dicke des wellenartigen Innenrückens (1c; 11e).

16. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend wellenartige Außenrücken (11d2), wobei der minimale äußere Krümmungsradius des Gipfelpunkts (11f) des wellenartigen Außenrückens (11d2) kleiner ist als die maximale Dicke des Gipfelpunkts (11f) des wellenartigen Außenrückens (11d2).

17. Vakuum-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Beziehung zwischen der inneren Kriechstrecke (l&sub1;), der äußeren Kriechstrecke (l&sub2;) und der Entfernung (L) zwischen den metallischen Schichten l&sub2; ≤ 1,2 L bzw. l&sub1; ≥ 1,2 L beträgt.