DE4315773A1 - Gasdicht gekapseltes Schaltteil - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bau­ elemente und befaßt sich mit der konstruktiven Ausgestal­ tung eines gasdicht gekapselten Schaltteiles, wie es für sogenannte Vakuumrelais mit oder ohne Inertgasfüllung ver­ wendet wird.

Für Vakuumrelais sind u. a. Schaltteile gebräuchlich, die aus zwei oder drei übereinander angeordneten hohlzylin­ drischen Keramikteilen, zwei Kontaktteilen, einer Kappe und einer Membran mit einem zentrisch eingesetzten Schalt­ stab bestehen. Diese Teile sind gasdicht miteinander ver­ lötet. Der in die Membran eingelötete Schaltstab kann - mit der Lötstelle als Drehpunkt - eine Kippbewegung aus­ führen und auf diese Weise mit den Kontaktelementen der Kontaktteile in Berührung gebracht werden. Die beiden Kontaktteile können dabei topfförmig gestaltet sein und sind - mit ihren Böden einander zugewandt - mit den Stirn­ flächen des einen Keramikzylinders verlötet. Das eigent­ liche Kontaktelement wird dabei von einem Drahtstück ge­ bildet, das in den mit einer kreisförmigen Ausnehmung ver­ sehenen Boden des jeweiligen topfförmigen Kontaktteiles eingelötet ist (US-PS 3 576 066).

Bei einem anderen bekannten Schaltteil sind die Kontakt­ teile eben ausgebildet und als Kontaktelemente dienen tief­ gezogene zylindrische Ansätze, die einander zugewandt sind. Diese zylindrischen Ansätze bilden einerseits ringförmige Kontaktbereiche und dienen andererseits als Abschirmung, um die Ablagerung von verdampftem Kontaktmaterial auf der Innenwand des Isolierteiles zu unterbinden. Dabei ist der zylindrische Ansatz des unteren Kontaktteiles exzentrisch zur Achse des Schaltteiles angeordnet, um einen geradlini­ gen Schaltstab verwenden zu können (GB-PS 1 139 203).

Bei den bekannten Schaltteilen wird deren Lebensdauer und Belastbarkeit durch die geometrische Form der Kontaktteile und damit durch das im Bereich der Kontaktteile sich aus­ bildende elektrische Feld, durch die Qualität der Abschir­ mung und durch die geometrische Form der eigentlichen Kon­ taktelemente begrenzt.

Ausgehend von einem gasdicht gekapselten Schaltteil mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, die Belastbarkeit und die Lebensdauer des Schaltteiles durch Optimierung der geometrischen Gestaltung der Kontaktteile zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorge­ sehen, daß jedes Kontaktteil einen Topf bildet, in dessen Boden das Kontaktelement angeordnet ist, daß weiterhin der Abstand der beiden einander zugekehrten Topfböden höchstens das 1,5fache des Schaltstabdurchmessers beträgt und daß das Kontaktelement des oberen Kontaktteiles ebenfalls ex­ zentrisch zur Achse der Hohlzylinder angeordnet ist, wobei die Exzentrizität des oberen Kontaktelementes radial entge­ gengesetzt zur Exzentrizität des unteren Kontaktelementes liegt.

Bei einer derartigen Ausgestaltung und Zuordnung der Kon­ taktteile sind die Kontaktbereiche, die kreisförmig oder elliptisch gestaltet sein können, relativ homogen in die äußere Formgebung der Kontaktteile integriert, so daß sich im Bereich der Kontaktelemente sowie zwischen den Kontaktteilen ein relativ ungestörtes elektrisches Feld ausbilden kann. Dadurch wird die Spannungsfestigkeit im Bereich der Kontaktteile verbessert. Die hierzu vorgesehe­ ne topfförmige Gestalt der Kontaktteile mit den unter ge­ ringem Abstand einander zugekehrten Topfböden gewährleistet weiterhin eine wirksame Abschirmung der Innenwand des ke­ ramischen Hohlzylinders gegen den Niederschlag von Metall­ dampf, wodurch die Spannungsfestigkeit des Schaltteiles unter dem Gesichtspunkt der Lebensdauer verbessert wird. Im übrigen wird mittels der exzentrischen Anordnung beider Kontaktelemente bzw. Kontaktbereiche ein extrem kurzer Hub des Schaltstabes erreicht, wobei die kreisförmige bzw. elliptische Form der Kontaktbereiche dazu beiträgt, daß sich fertigungstechnisch bedingte Toleranzen bei der Ein­ lötung des Schaltstabes in die Membran nicht oder kaum auf den Schalthub und damit auf die Schaltgeschwindigkeit auswirken.

Bei kleinen Schaltspannungen bis etwa 3 kV und bei Schalt­ strömen bis etwa 1 A können die Kontaktelemente unmittelbar vom Rand der Ausnehmung im Topfboden gebildet werden. Bei höheren Schaltspannungen und -strömen sollten Einsätze aus speziellem Kontaktmaterial verwendet werden, beispiels­ weise in Form eines eingelöteten Drahtringes oder einer Buchse in Form eines Hohlzylinders. Bei Schaltströmen über etwa 1 A kann die Abschirmung des keramischen Hohlzylinders dadurch verbessert werden, daß der eigentliche Kontaktbe­ reich in den jeweiligen Topf hinein verlagert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß das jeweilige Kontaktelement aus einer in den Topf hineinragenden, durch Umformung des Topfbodens gebildeten Wulst besteht. Man kann aber auch einen Topf mit einem eingesetztem Boden ver­ wenden, wobei der Boden eine in den Topf hineinragende ringförmige Kontaktlasche trägt.

Zum Schalten bei höheren Spannungen von etwa 15 bis 25 kV müssen relativ lange keramische Hohlzylinder verwendet werden. Bei Verwendung topfförmiger Kontaktteile lassen sich diese nicht mit der dann notwendigen Topftiefe her­ stellen und demzufolge die Topfböden nicht mit geringem Abstand zueinander anordnen. In diesen Fällen wird die Abschirmung des Kontaktbereiches dadurch gewährleistet, daß auf die Wandung jedes Topfes ein den Topfboden über­ ragendes Rohrstück aufgesetzt ist, wobei der gegenseitige Abstand der beiden Rohrstücke höchstens das 1,5fache des Schaltstabdurchmessers beträgt und die beiden Topfböden einander zugekehrt sind. Eine solche Ausgestaltung bietet die Möglichkeit, die freien Enden der beiden Rohrstücke so auszugestalten, daß sie sich unter Wahrung eines radialen Abstandes gegenseitig überlappen. - Im übrigen können bei einer derartigen Ausgestaltung der Kontaktteile alle zuvor erwähnten Ausgestaltungen der Kontaktelemente verwendet werden.

Ausführungsbeispiele des neuen Schaltteiles sind in den Fig. 1 bis 9 dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Schaltteil mit kreisförmiger Ausnehmung im Boden der topfförmigen Kontaktteile,

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung gemäß der Schnittführung A-A in Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltteil mit Kontaktelementen aus einem Drahtring,

Fig. 4 ein Schaltteil mit Kontaktelementen aus hohlzylindrischen Buchsen, die

Fig. 5 und 6 Schaltteile, bei denen der Topfboden der Kontaktteile zu wulstartigen Kontaktelemen­ ten umgeformt ist,

Fig. 7 ein Schaltteil, dessen Kontaktteile mit einem eingesetzten Topfboden versehen sind und die

Fig. 8 und 9 ein Schaltteil mit spezieller Ausgestaltung der Abschirmung.

Fig. 1 zeigt ein gasdicht gekapseltes Schaltteil, das aus drei übereinander angeordneten keramischen Hohlzylindern 1, 2 und 3, einem oberen Kontaktteil 4, einem unteren Kontakt­ teil 5, einer den oberen Hohlzylinder 1 abschließenden Kappe 6 und einer den darunter mittig angeordneten Hohlzy­ linder 2 abschließenden Membran 8 mit einem mittig einge­ löteten Schaltstab 9 besteht. Das obere Kontaktteil 4 ist mit einer Kontaktfahne 41, das untere Kontaktteil 5 mit einer Kontaktfahne 51 versehen und der Membrane 8 ist eine Kontaktfahne 81 zugeordnet. Kontaktteile und keramische Hohlzylinder sind vakuumdicht miteinander verlötet.

Die beiden Kontaktteile 4 und 5 werden im wesentlichen von einem Topf 41 bzw. 51 mit zylindrischer Wandung gebildet, wobei in dem Topfboden 42 bzw. 52 eine kreisförmige Öff­ nung 43 bzw. 53 vorgesehen ist. Wie sich u. a. auch aus der Schnittdarstellung in Fig. 2 ergibt, sind diese Öffnungen 43 und 53 exzentrisch zur Achse des Schaltteiles angeord­ net, und zwar in Richtung der Schaltbewegung des Schalt­ stabes 9 entgegengesetzt zueinander. Die Dimensionierung der Kontaktanordnung ist dabei so gewählt, daß der Durch­ messer D der kreisförmigen Öffnungen 43 und 53 etwa das Eineinhalb- bis Zweifache des Durchmessers d des Schalt­ stabes 9 beträgt, der bei etwa 1 bis 2 mm liegt. Die Exzen­ trizität e der kreisförmigen Öffnungen beträgt etwa die Hälfte bis ein Drittel des Durchmessers d des Schaltstabes 8. Der Abstand a der beiden einander zugekehrten Topfböden 42 und 52 beträgt etwa die Hälfte des Schaltstabdurch­ messers d.

Gemäß Fig. 3 sind in den oberen keramischen Hohlzylindern 10 eines Schaltteiles das obere Kontaktteil 11 und das un­ tere Kontaktteil 12 eingelötet, die beide ebenfalls topf­ förmig gestaltet sind. Bei dieser Ausführungsform wird der eigentliche Kontaktbereich der beiden Kontaktteile jeweils von einem Drahtring 13 bzw. 14 gebildet, der in eine kreis­ förmige Öffnung des Topfbodens eingelötet ist. Jeder Draht­ ring besteht aus einem speziellen Kontaktmaterial, bei­ spielsweise aus einem Molybdän- oder Wolfram-Werkstoff.

Gemäß Fig. 4 kann als eigentliches Kontaktelement auch eine Buchse 15 bzw. 16 in Form eines flachen Hohlzylinders verwendet werden.

Gemäß Fig. 5 werden die eigentlichen Kontaktelemente von Wülsten 17 bzw. 18 gebildet, die durch Umbördelung des Topfbodens entstanden sind. Die Umbördelung ist dabei so vorgenommen, daß der Rand 19 bzw. 20 in Achsrichtung ge­ richtet ist. Dadurch erhält man eine vergrößerte Kontakt­ fläche. - Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 sind die gebildeten Wülste 21 bzw. 22 so geformt, daß der Rand 23 bzw. 24 radial gerichtet ist. - Anstelle der Umbördelung können auch Kontakteinsätze verwendet werden, deren Kontakt­ bereich im Inneren des jeweiligen Topfes liegt.

Fig. 7 zeigt ein Schaltteil, bei dem die Kontaktteile 25 und 30 ebenfalls topfförmig gestaltet sind, bei denen aber der Topfboden 27 als vorgefertigtes Teil in die holzylin­ drische Wandung 26 eingesetzt ist. Hierbei ist der Topfbo­ den 27 mit einer kreisförmigen Öffnung 28 versehen, zu­ gleich ist aus dem Topfboden eine das Kontaktelement bil­ dende Lasche 29 herausgeformt. Diese Lasche ragt in das Innere des Topfes hinein und hat die Form eines Sektors einer hohlzylindrischen Wandung. Dieser Sektor ist exzen­ trisch zur Achse des Kontakteiles angeordnet.

Gemäß den Fig. 8 und 9 können bei größerer Länge des Keramikisolators 31 auch topfförmige Kontaktteile verwen­ det werden, bei denen der Abstand der einander zugekehrten Topfböden größer als das 1,5fache des Schaltstabdurch­ messers ist. Um dennoch eine wirksame Abschirmung zu er­ zielen, ist auf die jeweilige Topfwand ein Rohrstück 32 bzw. 33 aufgesetzt, das den jeweiligen Topfboden überragt. Der axiale oder - wie in der dargestellten Ausführung - der radiale Abstand der freien Enden der beiden Rohrstücke ist dabei kleiner als das 1,5fache des Schaltstabdurch­ messers gewählt. - Als Kontaktelement sind Laschen 34 und 35 vorgesehen, die wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 in das Innere des jeweiligen Topfes hineinragen. Anstelle der Laschen 34 und 35 können auch Kontaktelemente gemäß den Fig. 1 bis 6 verwendet werden.

Claims (12)

1. Gasdicht gekapseltes Schaltteil, bestehend aus wenig­ stens zwei übereinander angeordneten keramischen Hohlzylin­ dern, zwei an die Stirnflächen des oberen Hohlzylinders angelöteten Kontaktteilen, einer den oberen Hohlzylinder abschließenden Kappe und einer den unteren Hohlzylinder abschließenden Membran, in die mittig ein Schaltstab einge­ lötet ist, wobei

• - jedes Kontaktteil ein ringförmiges Kontaktelement auf­ weist,
• - das Kontaktelement des unteren Kontaktteiles in Richtung der Schaltbewegung des Schaltstabes exzentrisch zur Achse der Hohlzylinder angeordnet ist und
• - der Schalthub des Schaltstabes kleiner als der Durch­ messer des Schaltstabes ist,
  dadurch gekennzeichnet,

daß jedes Kontaktteil (4, 5) einen Topf (41, 51) bildet, in dessen Boden (42, 52) das Kontaktelement angeordnet ist,
daß der Abstand der beiden einander zugekehrten Topfböden (42, 52) höchstens das 1,5fache des Schaltstabdurchmessers (d) beträgt
und daß das Kontaktelement des oberen Kontaktteiles (4) ebenfalls exzentrisch (e) zur Achse der Hohlzylinder (1) angeordnet ist, wobei die Exzentrizität (e) des oberen Kontaktelementes (43) radial entgegengesetzt zur Exzentri­ zität (e) des unteren Kontaktelementes (53) liegt.

2. Schaltteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Kontaktelement vom Rand einer Öffnung (43, 53) im Boden des Topfes gebildet ist.

3. Schaltteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Kontaktelement aus einem Ring (13, 14) besteht, der in eine Öffnung im Boden des Topfes einge­ setzt ist.

4. Schaltteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring aus einem Draht (13, 14) geformt ist.

5. Schaltteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring als flacher Hohlzylinder (16, 16) ausgebildet ist.

6. Schaltteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Kontaktelement aus einer in den Topf hineinragenden, durch Umformung des Topfbodens gebildeten Wulst (17, 18; 21, 22) besteht.

7. Schaltteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Topf jedes Kontaktteiles (25, 30) mit einem einge­ setzten Boden (27) versehen ist, der eine in den Topf hin­ einragende ringförmige Kontaktlasche (29) trägt.

8. Gasdicht gekapseltes Schaltteil, bestehend aus wenig­ stens zwei übereinander angeordneten keramischen Hohlzylin­ dern, zwei an die Stirnflächen des oberen Hohlzylinders angelöteten Kontaktteilen, einer den oberen Hohlzylinder abschließenden Kappe und einer den unteren Hohlzylinder abschließenden Membran, in die mittig ein Schaltstab einge­ lötet ist, wobei

• - jedes Kontaktteil ein ringförmiges Kontaktelement auf­ weist,
• - das Kontaktelement des unteren Kontaktteiles in Richtung der Schaltbewegung des Schaltstabes exzentrisch zur Achse der Hohlzylinder angeordnet ist und
• - der Schalthub des Schaltstabes kleiner als der Durch­ messer des Schaltstabes ist, dadurch gekennzeichnet,

daß jedes Kontaktteil einen Topf bildet, in dessen Boden das Kontaktelement (34, 35) angeordnet ist,
daß das Kontaktelement (34) des oberen Kontaktteiles eben­ falls exzentrisch zur Achse der Hohlzylinder angeordnet ist, wobei die Exzentrizität des oberen Kontaktelementes (34) radial entgegengesetzt zur Exzentrizität des unteren Kontaktelementes (35) liegt,
und daß auf die Wandung jedes Topfes ein den Topfboden überragendes Rohrstück (32, 33) aufgesetzt ist, wobei der gegenseitige Abstand der beiden Rohrstücke (32, 33) höchstens das 1,5fache des Schaltstabdurchmessers (d) beträgt und die beiden Topfböden einander zugekehrt sind.

9. Schaltteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die freien Enden der beiden Rohrstücke (32, 33) überlappen.

10. Schaltteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Kontaktelement gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7 ausgebildet ist.