DE4214362A1

DE4214362A1 - Gas discharge switch - comprising two main electrodes in switching chamber, cathode having opening for igniting discharge

Info

Publication number: DE4214362A1
Application number: DE19924214362
Authority: DE
Inventors: Felix Pohl; Klaus-Dieter Rohde
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-04-30
Filing date: 1992-04-30
Publication date: 1993-11-04

Abstract

Gas discharge switch comprises at least two main electrodes, arranged at a distance d from each other, for low pressure gas discharge and assembled in a switching chamber, and a cathode and anode form a discharge path for the low pressure gas discharge ignited by raising the electron density in the cathode rebound chamber. The cathode has an opening for igniting the discharge. The novelty is that the openings (4,5) each have separate inserts (21) made of a material of higher electrical resistance than that of the electrode material. USE - Switches high currents and voltages with high pulse repeating frequency.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungsschal ter, bei dem wenigstens zwei im Abstand d voneinander an geordnete Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentla dung vorhanden sind, die in einer Schaltkammer angeordnet sind und eine Kathode und eine Anode einer Entladungs strecke für die Niederdruck-Gasentladung bilden, die durch Erhöhen der Elektronendichte im Kathodenrückraum gezündet wird, wobei wenigstens die Kathode eine Öffnung für die Zündung der Entladung hat.The invention relates to a gas discharge scarf ter, at least two at a distance d from each other ordered main electrodes for a low pressure gas outlet are available, which are arranged in a control chamber are and a cathode and an anode of a discharge route for the low pressure gas discharge forming through Increase the electron density in the cathode rear space ignited is, at least the cathode an opening for the Ignition of the discharge.

Gasentladungsschalter sind vom Stand der Technik bekannt. Entsprechend dem Funktionsprinzip derartiger Gasentla dungsschalter, die in der Praxis als "Pseudofunkenschal ter" oder auch als sogenannte Hohlelektrodenschalter (HES) bezeichnet werden, enthält die Schaltkammer eine ionisier bare Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung der Niederdruck-Gasentladung mit steigendem Produkt p * d abnimmt. Es wird also auf dem linken Ast der Paschenkurve gearbeitet. Solche Gasentladungsschalter sind geeignet, hohe Ströme und hohe Spannungen mit hoher Puls wiederholungsfrequenz zu schalten.Gas discharge switches are known from the prior art. According to the principle of operation of such gas discharge in practice as a "pseudo spark scarf ter "or as a so-called hollow electrode switch (HES) are called, the switching chamber contains an ionized bare gas filling, the pressure p is selected so that the Ignition voltage of the low-pressure gas discharge with increasing Product p * d decreases. So it will be on the left branch of the Paschen curve worked. Such gas discharge switches are suitable for high currents and high voltages with high pulse switch repetition frequency.

Bei Gasentladungsschaltern eines bestimmten Typs enthält der Kathodenrückraum eine im wesentlichen hutförmige Steu erelektrode, deren Öffnung der Entladungsstrecke zugewandt und von der Kathode getrennt ist und die an eine Trigger spannungsquelle angeschlossen ist. Dabei können entweder sowohl die Kathode als auch die Anode jeweils fluchtende Öffnungen aufweisen, wobei die Öffnung in der Kathode ei nerseits zur Injektion von Ladungsträgern dient und beide Öffnungen andererseits die Entladungsstrecke beim Schalten definieren. Andererseits können aber auch Kathode und Ano de an ihren einander zugewandten Seiten jeweils Aussparun gen aufweisen, die mit ihrer jeweils tiefsten Stelle die Entladungsstrecke begrenzen, wobei in diesem Fall die Ka thode zumindest eine Öffnung für die Injektion der La dungsträger aus dem Bereich der Glimmentladung aufweist.Contains gas discharge switches of a certain type the cathode rear space has a substantially hat-shaped tax electrode, the opening of which faces the discharge gap and is separated from the cathode and connected to a trigger voltage source is connected. You can either both the cathode and the anode are aligned Have openings, the opening in the cathode ei is used for the injection of charge carriers and both Openings, on the other hand, the discharge gap when switching define. On the other hand, cathode and ano de cutouts on their mutually facing sides genes, which with their lowest point Limit the discharge distance, in which case the Ka at least one opening for the injection of La manure carrier from the field of glow discharge.

Die Öffnungen in der Kathode und/oder der Anode sind beim Betrieb der Gasentladungsschalter einer Erosion ausgesetzt. Im allgemeinen bestehen die Elektroden aus leitfähigem Ma terial,wobei bereits vorgeschlagen wird, Einsätze aus hoch schmelzendem bzw. hochsiedendem Material vorzusehen, um der Erosion entgegenzuwirken. Allerdings wird für das Elektro denmaterial eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit ver langt. Als Materialien kommen gemäß dem Stand der Technik beispielsweise Wolfram und/oder Molybdän in Frage.The openings in the cathode and / or the anode are at Operation of the gas discharge switch exposed to erosion. In general, the electrodes are made of conductive material material, whereby it is already proposed to use stakes from high melting or high-boiling material to provide the Counteract erosion. However, for the electrical the material has sufficient electrical conductivity reaches. As materials come according to the state of the art for example tungsten and / or molybdenum.

Beim Stand der Technik läßt sich der nachteilige Einfluß auf die Lebensdauer und das Schaltverhalten eines Gasent ladungsschalters durch Erosion der Entladungsstrecke, ins besondere in der Nähe der Injektionsöffnungen, noch nicht vollständig beseitigen. Es zeigt sich vielmehr, daß mit zunehmender Schaltzahl der Bohrlochrandbereich abgetragen wird. Durch diese Erosion wird der Bohrlochdurchmesser selbst vergrößert, wobei sich beispielsweise bei Schalt zahlen in der Größenordnung von 10⁷ bereits eine Vergrö ßerung von 50% ergeben kann. Dadurch wird die Spannungs festigkeit vermindert und der Durchgriff in den Kathoden rückraum erhöht.In the prior art, the disadvantageous influence on the service life and the switching behavior of a gas discharge switch by erosion of the discharge path, in particular in the vicinity of the injection openings, cannot yet be completely eliminated. Rather, it is shown that the area around the borehole is removed as the number of operations increases. This erosion increases the diameter of the borehole itself, with an increase of 50%, for example, in switching numbers of the order of 10 ⁷ . As a result, the voltage strength is reduced and the penetration in the cathode back space is increased.

Insgesamt ist durch obige Phänomene damit die Lebensdauer des Schalters begrenzt. Aufgabe der Erfindung ist es da her, einen Gasentladungsschalter zu schaffen, bei dem die Lebensdauer nicht durch Erosion im Bereich der Zündöffnun gen begrenzt wird.Overall, the lifespan is due to the above phenomena of the switch limited. The object of the invention is there forth to create a gas discharge switch in which the Lifetime not due to erosion in the area of the ignition opening gene is limited.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Gasentladungsschalter der eingangs genannten Art die Öffnungen jeweils von einem seperaten Einsatz eingefaßt sind, der aus einem Material mit höherem elektrischen Widerstand als dem des Elektrodenmaterials besteht. Vorzugsweise hat das Material einen deutlich höheren Widerstand als das Elektrodenmaterial und besteht insbe sondere aus nichtmetallischem Material.The object is achieved in that a gas discharge switch of the type mentioned Openings each bordered by a separate insert are made of a material with higher electrical Resistance than that of the electrode material. The material preferably has a significantly higher one Resistance than the electrode material and exists in particular special made of non-metallic material.

Im Rahmen der Erfindung hat sich als nichtmetallisches Material der Einsätze in den Öffnungen oxidische Keramik bewährt, wobei beispielsweise die Metalloxide Aluminiumoxid oder Zirkonoxid in Frage kommen. Derartige Einsätze können eine Wandstärke zwischen 0,5 und 10 mm haben. Es empfiehlt sich, als Einsätze für die Öffnungen, die in der Praxis als Durchbohrungen realisiert sind, Röhrchen oder Hülsen vor zusehen. Es kann aber auch in geeigneter Form eine Be schichtung durch thermisches Spritzen erfolgen.In the context of the invention has proven to be non-metallic Material of the inserts in the openings oxide ceramic proven, for example the metal oxides aluminum oxide or zirconium oxide. Such operations can have a wall thickness between 0.5 and 10 mm. It recommends themselves, as inserts for the openings, which in practice as Through holes are realized, tubes or sleeves in front watch. But it can also be a suitable form layering by thermal spraying.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Aus führungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen in sche matischer Darstellung Further details and advantages of the invention emerge from the following description of the figures example based on the drawing. It show in nice mathematical representation

Fig. 1 einen beispielhaft verwendeten Gasentladungsschal ter im Querschnitt, Fig. 1 shows a gas discharge scarf example used ter in cross-section,

Fig. 2 als Ausschnitt aus Fig. 1 einen geeigneten rohr förmigen Einsatz in den Öffnungen von Kathode und/oder Anode und Fig. 2 as a detail from Fig. 1, a suitable tubular insert in the openings of the cathode and / or anode and

Fig. 3 eine Beschichtung in einer Triggeröffnung einer ent sprechend ausgebildeten Kathode. Fig. 3 shows a coating in a trigger opening of a cathode designed accordingly.

In der dargestellten Ausführungsform gemäß Fig. 1 enthält ein Gasentladungsschalter 1 zwei Hauptelektroden, von de nen einer als Kathode 2 und die andere als Anode 3 ge schaltet ist und von denen wenigstens die Kathode mit min destens einer Öffnung 4 versehen ist, in gleicher Weise kann auch die Anode 3 mit wenigstens einer Öffnung 5 ver sehen sein. Durch die beiden Öffnungen 4 und 5 wird eine Entladungsstrecke 8 gezündet. Die Kathode 2 und die Anode 3, die im allgemeinen jeweils einen Rotationskörper bil den, sind in einem vorbestimmten Abstand a zueinander an geordnet, der beispielsweise etwa 2 bis 5 mm beträgt. Um die Bohrungen 4 und 5 ist wenigstens eine der einander zu gewandten Oberflächen der Kathode 2 und der Anode 3 mit einer in der Figur nicht näher bezeichneten Ausnehmung versehen, die den Abstand der Elektroden 2 und 3 an der Entladungsstrecke 8 erweitert. Dieser Abstand d kann vor zugsweise 2 bis 10 mm betragen.In the illustrated embodiment of FIG. 1 includes a gas discharge switch 1 has two main electrodes, NEN of de a ge as the cathode 2 and the other as the anode 3 switches, and of which the cathode is provided with at least least an opening 4 at least, can in the same way also see the anode 3 with at least one opening 5 ver. A discharge path 8 is ignited through the two openings 4 and 5 . The cathode 2 and the anode 3 , which generally each have a rotating body, are arranged at a predetermined distance a from one another, which is, for example, about 2 to 5 mm. Around the bores 4 and 5 , at least one of the mutually facing surfaces of the cathode 2 and the anode 3 is provided with a recess, not shown in the figure, which extends the distance between the electrodes 2 and 3 on the discharge gap 8 . This distance d can preferably be 2 to 10 mm.

Die Kathode 2 und die Anode 3 bestehen aus geeignetem elektrisch leitendem Material sind an der Entladungs strecke 8 im allgemeinen bereits mit Einsätzen 6 und 7 aus einem hochschmelzenden Metall, wie Wolfram und/oder Molybdän, versehen. Sie können auch in ihrer Gesamtheit aus diesem hochschmelzenden Metall bestehen. Der Durch messer der Öffnungen 4 und 5 wird höchstens so groß und insbesondere kleiner als der Abstand d der Elektroden 2 und 3 an der Entladungsstrecke 8 gewählt. Die Kathode 2 und die Anode 3 sind in einer Schaltkammer 14 angeordnet, deren hohlzylindrisches Gehäuse aus elektrisch isolieren dem Material wie Keramik besteht.The cathode 2 and the anode 3 are made of suitable electrically conductive material are on the discharge path 8 in general already with inserts 6 and 7 made of a high-melting metal, such as tungsten and / or molybdenum. They can also consist of this high-melting metal in its entirety. The diameter of the openings 4 and 5 is at most as large and in particular smaller than the distance d of the electrodes 2 and 3 on the discharge path 8 . The cathode 2 and the anode 3 are arranged in a switching chamber 14 , the hollow cylindrical housing of which consists of electrically insulating the material such as ceramic.

Als Triggereinrichtung für die Entladungsstrecke 8 ist eine Hohlelektrode 10 vorhanden, die in der Schaltkammer 14 derart angeordnet ist, daß ihre Öffnung der Entladungs strecke 8 zugewandt ist. Die Hohlelektrode 10 besteht aus einem elektrisch leitenden Material und ist hutförmig aus gebildet, vorzugsweise nach Art eines Topfes, dessen Tiefe T größer als die Länge des kathodischen Dunkelraums einer Glimmentladung ist. Die seitliche, flanschartige Erweite rung des Bodens 11 in Form eines Profilringes ist mit Aus gleichsöffnungen für den Zutritt eines Arbeitsgases ver sehen.As a trigger device for the discharge path 8 , a hollow electrode 10 is provided, which is arranged in the switching chamber 14 such that its opening is the discharge path 8 facing. The hollow electrode 10 consists of an electrically conductive material and is formed hat-shaped, preferably in the manner of a pot, the depth T of which is greater than the length of the cathodic dark space of a glow discharge. The lateral, flange-like expansion of the bottom 11 in the form of a profile ring is seen with equalization openings for the access of a working gas.

Die Gasfüllung besteht aus einem ionisierbaren Gas, vor zugsweise Wasserstoff oder Deuterium, oder einer Mischung dieser Gase. Auch geeignet sind bekanntlich Stickstoff oder Edelgase, wie beispielsweise Argon oder Helium. Für das Arbeitsgas enthält die Schaltkammer im allgemeinen einen Gasspeicher 24, der schematisch angedeutet ist und mit einer in der Fig. 1 angedeuteten Heizeinrichtung versehen ist, deren elektrische Anschlüsse mit 25 und 26 bezeichnet sind.The gas filling consists of an ionizable gas, preferably hydrogen or deuterium, or a mixture of these gases. As is well known, nitrogen or noble gases, such as argon or helium, are also suitable. For the working gas, the switching chamber generally contains a gas reservoir 24 , which is indicated schematically and is provided with a heating device, indicated in FIG. 1, the electrical connections of which are designated 25 and 26 .

In einer alternativen Ausgestaltung der Fig. 1 kann sich die Entladungsstrecke 8 in einem zentralen Entladungsbe reich einer Entladungskammer zwischen Kathode 2 und Anode 3 mit jeweiligen Einsätzen 6 und 7 befinden. Dabei hat die Entladungskammer im Entladungsbereich ihre maximale innere Höhe, die so die Länge der Entladungsstrecke bestimmt und die in radialer Richtung nach außen abnimmt. Bei einer solchen Ausführungsform sind lediglich in der Ka thode Öffnungen vorhanden, die sich außerhalb des Entladungs bereiches befinden.In an alternative embodiment of FIG. 1, the discharge path 8 can be located in a central discharge area of a discharge chamber between cathode 2 and anode 3 with respective inserts 6 and 7 . The discharge chamber has its maximum inner height in the discharge region, which thus determines the length of the discharge path and which decreases outward in the radial direction. In such an embodiment, openings are only in the Ka method, which are located outside the discharge area.

In Fig. 2 wird als Ausschnitt des Entladungsbereiches aus Fig. 1 gezeigt, daß die Kathode 2 und die Anode 3 mit ihrem Kathodeneinsatz 6 und ihrem Anodeneinsatz 7 derart modifiziert werden können, daß die Bohrungen 5 und 6 durch weitere Einsätze 21 und 31 eingefaßt sind. Die Einsätze 21 und 31 können in geeigneter Form an die Geometrie der Elektroden angepaßt werden. Beispielsweise können sie durch Röhrchen von einigen Millimetern Wandstärke, insb. 1 mm, gebildet sein. Es kann vorteilhaft sein, im Entla dungsbereich die Wandstärke des Einsatzes zu vergrößern.In Fig. 2 as a section of the discharge area from Fig. 1 it is shown that the cathode 2 and the anode 3 with their cathode insert 6 and their anode insert 7 can be modified such that the bores 5 and 6 are bordered by further inserts 21 and 31 . The inserts 21 and 31 can be adapted in a suitable form to the geometry of the electrodes. For example, they can be formed by tubes with a wall thickness of a few millimeters, in particular 1 mm. It may be advantageous to increase the wall thickness of the insert in the discharge area.

Letztere Einsätze 21 und 31 bestehen aus einem Material mit höherem elektrischen Widerstand als dem des Elektroden materials, welches speziell Wolfram und/oder Molybdän ist. Insbesondere ist ein Isolationsmaterial wie oxidische Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Zirkon oxid (ZrO₂), geeignet. Gegebenenfalls kommen für den glei chen Anwendungszweck auch nichtoxidische Keramiken in Fra ge.The latter inserts 21 and 31 consist of a material with a higher electrical resistance than that of the electrode material, which is specifically tungsten and / or molybdenum. In particular, an insulation material such as oxide ceramic, for example aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) or zirconium oxide (ZrO ₂ ), is suitable. If necessary, non-oxidic ceramics can also be used for the same purpose.

Mit einem solchen Material ergibt sich ein geeigneter Triggereinsatz. Die eigentliche Entladung erfolgt im Elek trodenbereich außerhalb der Triggereinsätze und breitet sich in diesem Bereich aus. Eine Erosion im Randbereich der Öffnungen entsteht nicht. Durch die Triggereinsätze ergeben sich Verbesserungen im Schaltverhalten und wird insgesamt eine Verlängerung der Lebensdauer des Schalters erreicht.With such a material, a suitable one is obtained Trigger insert. The actual discharge takes place in the Elek tread area outside the trigger inserts and spreads yourself in this area. An erosion in the edge area of the openings does not arise. Through the trigger inserts there are improvements in switching behavior and will overall an extension of the life of the switch reached.

In der bereits erwähnten Alternative zum Gasentladungs schalter gemäß Fig. 1 verläuft die Entladung zwischen den V-förmig ausgesparten Elektroden. In Fig. 3 ist die Kathode 32 und 33 mit entsprechenden Aussparungen 34 und 35 dargestellt, welche eine Entladungskammer 38 begren zen. In der Kathode 32 sind symmetrisch zur Kathodenausspa rung im Randbereich der Entladung beispielsweise zwei iden tische Durchbohrungen 40 zur Injektion der Ladungsträger vorhanden. Die Durchbohrungen 40 als Triggeröffnungen sind entsprechend Fig. 2 jeweils mit Einsätzen 41 aus Isolations material versehen.In the already mentioned alternative to the gas discharge switch according to FIG. 1, the discharge runs between the V-shaped recessed electrodes. In Fig. 3, the cathode 32 and 33 is shown with corresponding recesses 34 and 35 , which limit a discharge chamber 38 . In the cathode 32 symmetrical to the Kathodenausspa tion in the edge region of the discharge, for example, two identical holes 40 are available for injection of the charge carriers. The through holes 40 as trigger openings are each provided with inserts 41 made of insulating material according to FIG. 2.

Beispielsweise bei Fig. 3 können die Einsätze 41 aus Iso lationsmaterial durch eine Beschichtung hergestellt wer den, was mittels thermischer Spritzen von Keramikpulver möglich ist.For example, in Fig. 3, the inserts 41 made of insulation material by a coating who who what is possible by thermal spraying of ceramic powder.

Claims

1. Gas discharge switch, in which there are at least two main electrodes arranged from one another for a low-pressure gas discharge, which are arranged in a switching chamber and form a cathode and an anode of a discharge path for the low-pressure gas discharge, which are produced by increasing the electron density is ignited in the cathode rear space, at least the Ka method has an opening for igniting the discharge, characterized in that the openings ( 4 , 5 , 40 ) are each surrounded by a separate insert ( 21 , 31 , 41 ) which consists of a Material with a higher electrical resistance than that of the electrode material.

2. Gas discharge switch according to claim 1, characterized in that the insert ( 21 , 31 , 41 ) made of material with a significantly higher electrical resistance than that of the electrode material.

3. Gas discharge switch according to claim 2, characterized in that the insert ( 21 , 31 , 41 ) consists of non-metallic material.

4. Gas discharge switch according to claim 3, characterized in that the insert ( 21 , 31 , 41 ) consists of oxidic ceramic.

5. Gas discharge switch according to claim 4, characterized in that the oxide ceramic is a metal oxide material, for example aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) or zirconium oxide (ZrO ₂ ).

6. Gas discharge switch according to claim 3, characterized in that the set ( 21 , 31 , 41 ) consists of non-oxide ceramic.

7. Gas discharge switch according to claim 1, characterized in that the inserts ( 21 , 31 ) have a wall thickness between 0.5 and 10 mm.

8. Gas discharge switch according to claim 7, characterized in that the inserts ( 21 , 31 , 41 ) are adapted in a suitable form to the geometry of the electrodes.

9. Gas discharge switch according to claim 7, characterized in that the inserts ( 21 , 31 , 41 ) are soldered tubes with a wall thickness of approximately 1 mm.

10. Gas discharge switch according to claim 1, characterized characterized in that the inserts by Be layering formed by thermal spraying are.