DE4431067A1 - Vakuumschaltkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine Vakuumschaltkammer der eingangs genannten Art be­ sitzt üblicherweise einen rohrförmigen Körper aus Iso­ lierkeramik, an dessen Stirnenden metallische Abschluß­ deckel befestigt sind. Die Befestigung erfolgt durch Auf­ löten, wobei zuvor die Stirnflächen des rohrförmigen Iso­ lierkörpers metallisiert sind. Im Inneren der Schaltkam­ mer sind ein festes und ein bewegliches Kontaktstück vor­ gesehen, die an je einem Stengel befestigt sind, die die Deckel vakuumdicht durchgreifen, wobei zwischen einem der Deckel und dem Stengel des beweglichen Kontaktstückes ein die Bewegung des Stengels zulassender metallischer Fal­ tenbalg angeordnet ist.

Eine derartige Vakuumschaltkammer besitzt ein verhältnis­ mäßig großes Bauvolumen. Die unterschiedlichen Ausdeh­ nungskoeffizienten von Metall und Keramik erzeugen Span­ nungen, die wegen des großen Bauvolumens nicht zu ver­ nachlässigen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumschaltkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Bauvolu­ men verringert und die Anzahl der für das Verschließen der Vakuumschaltkammer erforderlichen Teile verringert ist. Außerdem soll die elektrische Spannungsfestigkeit in Luft oder einem Isoliergas, z. B. SF₆, erhöht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß also umfaßt der Isolierkörper wenigstens ein topf- oder napfförmiges Teilelement, dessen Boden ra­ dial nach innen gezogen ist und dort jeweils eine kleine Öffnung aufweist, durch die die Haltestangen oder Stengel für das feststehende und das bewegliche Kontaktstück hin­ durchgeführt sind. Der Übergang vom Boden zum zylindri­ schen Abschnitt ist bogenförmig ausgebildet.

Die Bogenform ist dadurch bestimmt, daß der Bogen mög­ lichst parallel zu den gekrümmten elektrischen Feldlinien verläuft. Ausgehend von der Form der Elektroden und der Schirmgeometrie wird die Struktur des elektrischen Feldes nach bekannten Methoden, z. B. nach dem Liebmann-Verfah­ ren berechnet. Die so ermittelte Struktur ist maßgebend für die Form des Keramikkörpers, insbesondere also für die Bogenform. Diese Bogenform wird durch Rotationskörper der Kegelschnitte oder durch Kombination von Abschnitte von innen, angenähert, beispielsweise durch eine ellipti­ sche, parabolische oder eine Hyperbelform. Die Äquipoten­ tiallinien stehen dann senkrecht auf der Oberfläche der bogenförmigen Abschnitte. Auch wird dadurch der Durchmes­ ser, an dem die Lötverbindungen zwischen Stengel bzw. Faltenbalg und Keramik gebildet sind, erheblich redu­ ziert; dadurch wird auch der thermische Dehnungsunter­ schied entsprechend verringert. Aus dem größeren Abstand der metallischen Teile aufgrund der Böden wird die elek­ trische Spannungsfestigkeit erheblich vergrößert. Auch wird durch die Napf- oder Glockenform eine elektrische Feldüberhöhung, wie sie an den scharfen Kanten der be­ kannten zylindrischen Schaltkammergehäuse auftritt, ver­ mieden.

Zwar ist es bekannt, den Isolierkörper napfförmig auszu­ bilden, wobei der Isolierkörper an einem Ende nach innen gezogen ist und den fest angeordneten Stengel umfaßt, siehe DE-OS 37 18 531, SU 280 604, US-PS 48 80 947.

Nicht dargestellt ist bei allen diesen Druckschriften ein in einer Bogenform nach innen gezogener Boden; bei der Ausführung nach der DE-OS 37 18 531 ist der Boden kegel­ stumpfförmig praktisch ohne Übergang an dem zylindrischen Abschnitt angeschlossen; bei der Ausführung nach der US- PS 48 80 947 und der SU 280 604 sind die Übergänge zwi­ schen dem radial verlaufenden Boden und dem zylindrischen Abschnitt mehr oder weniger eckig dargestellt. Die Ober­ fläche des Isolierkörpers bei allen diesen Ausführungen ist aber nicht so gestaltet, daß sie möglichst parallel zu den gekrümmten elektrischen Feldlinien verläuft. Dem­ gemäß ist die Spannungsfestigkeit bei allen diesen Aus­ führungen gering.

Wenn das Schaltkammergehäuse aus zwei axial geteilten Ge­ häuseteilen zusammengesetzt ist, dann kann jedes Gehäuse­ teil napfförmig mit einem radial nach innen gezogenen Bo­ den versehen sein. Zur Montage werden dann die beiden Ge­ häuseteile mit ihren freien Stirnflächen gegeneinanderge­ richtet fest verbunden, beispielsweise verlötet.

Eine ähnliche Ausgestaltung ist auch aus der SU 280 604 bekannt geworden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Faltenbalg mittels eines an der Außenfläche des Bodens angebrachten Befestigungsringes mit dem benachbarten Ge­ häuse verbunden sein.

Bei einer Alternative kann der Faltenbalg mit seiner sei­ nem freien Ende benachbarten Seitenflanke an der Innen­ fläche des Bodens des benachbarten Gehäuseteiles vorzugs­ weise unter Zwischenfügung einer Lötfolie befestigt sein.

Der das feste Kontaktstück halternde Stengel kann gemäß einer Ausführung nach Anspruch 5 einen radial vorsprin­ genden Randbord aufweisen, mit dem er gegen die Außenflä­ che des Bodens und des Gehäuseteils angeschlagen und daran mittels einer Lötfolie befestigt ist. Zusätzlich kann auf der dem festen Kontaktstück zuweisenden Seite des das feste Kontaktstück halternden Stengels ein Zen­ trierabschnitt vorgesehen sein, der an den Randbord an­ schließt, wobei der Außendurchmesser des Zentrierab­ schnittes dem Innendurchmesser der Öffnung entspricht.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Faltenbalg eine die Öffnung am Gehäuseteil durchgreifende Verlängerung aufweisen, die so bemessen ist, daß sie aus der Öffnung herausragt. Zur Halterung ist ein Befesti­ gungsring vorgesehen, der an der Bodenfläche auf der Au­ ßenseite des Gehäuseteils und an dem aus der Öffnung her­ ausragenden Abschnitt der Verlängerung festgelötet und daran vakuumdicht befestigt ist.

Anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung so­ wie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserun­ gen der Erfindung und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungs­ gemäßen Vakuumschaltkammer, in sche­ matischer Darstellung, und

Fig. 2 und 3 je eine Teilschnittansicht zweier weiterer Ausführungsformen der Erfin­ dung.

Eine Vakuumschaltkammer 10 besitzt ein Schaltkammerge­ häuse 11, welches aus zwei Gehäuseteilen 12 und 13 zusam­ mengesetzt ist. Die Gehäuseteile 12 und 13 sind an ihren aufeinander zugewandten Stirnflächen 14 und 15 unter Zwi­ schenfügung eines Ringsteges 16 miteinander verbunden, der die Innenfläche der Gehäuseteile 12 und 13 radial nach innen überragt. Zwischen dem Ringsteg 16 und den Stirnflächen 14 und 15 ist jeweils eine Lötfolie vorgese­ hen (nicht gezeigt) und die Stirnflächen 14 und 15 sind metallisiert. An der Innenkante des Ringsteges 16 ist ein Schirmzylinder 17 befestigt, dessen freie Enden 18 und 19 U-förmig nach innen abgebogen sind. Die Gehäuseteile 12 und 13 besitzen an den den Stirnflächen 14 und 15 entge­ gengesetzten Enden einen radial nach innen gezogenen Ge­ häuseboden 20 und 21, der jeweils eine Öffnung 22 und 23 umschließt, wobei an den jeweiligen Außenflächen der Ge­ häuseböden 20 und 21 ein die Öffnung 22 bzw. 23 umschlie­ ßender absatzförmiger, axialer Vorsprung 24 und 25 ange­ formt ist. Selbstverständlich kann der Schirm auf jede andere Weise in dem Schaltkammergehäuse 11 befestigt sein. Dies ist für die Erfindung von geringer Bedeutung.

Durch die Öffnung 22 greift ein Stengel 26 (auch Halte­ stange 26 genannt) hindurch, an dessen innerem Ende ein festes Kontaktstück 27 befestigt ist. Durch die Öffnung 23 greift ein weiterer Stengel 28 (auch Haltestange 28 genannt) hindurch, an dessen innerem Ende ein bewegliches Kontaktstück 29 befestigt ist.

Der Stengel 26 besitzt einen radial vorspringenden Rand­ bord 30, dessen Außendurchmesser größer als der Innen­ durchmesser der Öffnung 23 ist. Mit diesem Randbord 30 ist der Stengel 26 von außen gegen den Vorsprung 25 ge­ legt und daran mittels einer Lötfolie 31 befestigt. Die freie, äußere Fläche des Vorsprunges 25 ist dabei metal­ lisiert. An den Randbord 30 schließt sich nach innen eine Zentrierleiste 32 an, deren Außendurchmesser dem Innen­ durchmesser der Öffnung 22 entspricht. Durch das Festlö­ ten des Randbordes 30 ist die Öffnung 22 vakuumdicht ab­ geschlossen. Auch wird dadurch eine gute mechanisch be­ lastbare Befestigung des Stengels 26 am Gehäuseteil 12 sichergestellt. Auf der Innenseite ist ein ringförmiger Formkörper 52 aus Metall vorgesehen, der am Stengel 26 befestigt ist und die Keramik-Metallanbindung des Sten­ gels 26 am Gehäuseteil 11 verstärkt. Die Befestigung er­ folgt mittels eines zwischen dem Stengel 26 und dem Form­ körper 52 vorgesehenen, nicht gezeigten Lötringes, wobei der nach Erstarren des Lotes und Abkühlung der Abstand zwischen dem Randbord 30 und dem Formkörper 52 verrin­ gert, so daß eine Art Aufschrumpfeffekt entsteht, durch den der Bodenbereich um die Öffnung 22 herum zwischen Formkörper 52 und Randbord 30 festgepreßt wird.

An der ebenfalls metallisierten freien, äußeren Stirnflä­ che des Vorsprunges 24 ist ein im Querschnitt etwa L-för­ miger Befestigungsring 33 unter Zwischenfügung einer Löt­ folie 34 befestigt, wobei der Befestigungsring 33 einen zylinderförmigen Abschnitt 35 und einen radial verlaufen­ der Kragen 36 aufweist; der zylinderförmige Abschnitt 35 durchgreift die Öffnung 23 und der radiale Kragen 36 ist unter Zwischenfügung der Lötfolie 34 am Vorsprung 24 be­ festigt. In den zylinderförmigen Abschnitt 25 greift ein zylindrischer Kragen 37 eines Faltenbalges 38 ein, dessen innerhalb der Vakuumschaltkammer 10 befindliches, eben­ falls einen zylinderförmigen Kragen 39 aufweisendes Ende an einer Verdickung 40 des Stengels 28 befestigt ist. Die Verbindung zwischen dem Kragen 37 und dem zylinderförmi­ gen Abschnitt 35 des Befestigungsringes 33 erfolgt durch Schweißverbindung; die Befestigung des zylinderförmigen Kragens 39 des Faltenbalges an der Verdickung 40 erfolgt ebenfalls durch Verschweißung. Selbstverständlich kann auch hier eine Lötung möglich sein. Durch die Lötverbin­ dung zwischen dem radialen Kragen 36 und dem Vorsprung 24, dem zylindrischen Kragen 37 und dem zylinderförmigen Abschnitt 35 sowie des zylinderförmigen Kragens 39 und der Verdickung 40 ist auch hier eine vakuumdichte Verbin­ dung und Abdichtung erzeugt. Die Böden 20 und 21 sind an der Zylinderwand 41 und 42 der Gehäuseteile 12 und 13 über einen bogenförmigen Abschnitt 43 und 44 verbunden.

Man erkennt, daß gegenüber einer herkömmlichen Vakuum­ schaltkammer aufgrund der bogenförmigen Abschnitte 43 und 44 eine große Überschlaglänge zwischen dem Kragen 36 und dem Steg 16 bzw. dem Bord 30 und dem Steg 16 erzeugt ist. Dadurch kann das Bauvolumen verringert werden. Aufgrund des nach innen gezogenen Bodens 20 und 21 können die bei rein zylindrischen Schaltkammergehäusen vorzusehenden Ab­ schlußdeckel entfallen und zumindest an der Befestigungs­ stelle des Randbordes 30 an dem Boden 27 kann eine Lötfo­ lie entfallen. Aufgrund der kleineren Durchmesser der Durchführung der Metallteile, also der Stengel 26 und 28 sind die mechanischen Eigenspannung in der Keramik-Me­ tallverbindung reduziert und da weniger Teile vorgesehen sind, die Montage- und Lagerkosten insgesamt reduziert.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist an der an die Öffnung 23 anschließenden Innenfläche 50 eine Seitenflanke 51 des Faltenbalges 38 befestigt, wobei der zylinderförmige Kra­ gen 37 als Zentrierung ins Innere der Öffnung 23 ein­ greift. Zu diesem Zweck wird dieser Innenflächenbereich 50 metallisiert und mit der Seitenflanke 51 des Falten­ balges 38 mittels einer nicht näher dargestellten Lötfo­ lie verbunden. Die Befestigung des Faltenbalges 28 ist so wie in Fig. 1 dargestellt.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 wird zusätzlich noch der Befestigungsring 33 der Ausführung nach Fig. 1 einge­ spart. Bei der Befestigung des Faltenbalges 38 in der Öffnung 23 ist anstatt einer kurzen Verlängerung eine solche axiale Verlängerung 53 vorgesehen, die die Öffnung 23 durchgreift und auf der Außenseite der Öffnung des Ge­ häuseteils 13 herausragt. Auf die Außenseite des Vor­ sprunges 24 wird ein Ring 54 aufgelegt, wobei zwischen dem Ring 54 und dem Vorsprung 24 eine Lötfolie vorgesehen ist. Die Innenfläche des Ringes 54 umgreift die Verlänge­ rung 53 außerhalb der Öffnung 23, ebenfalls unter Zwi­ schenfügung von nicht näher dargestelltem Lötmittel. Wenn die Vakuumschaltkammer fertig gelötet ist, dann ist der Ring 54, der aus Metall besteht, an dem Gehäuseteil 13 und an der Verlängerung 53 befestigt. Daß die Außenfläche des Vorsprunges 24 zuvor metallisiert worden ist, ist selbstverständlich.

Claims (7)

1. Vakuumschaltkammer mit einem annähernd zylindri­ schen Schaltkammergehäuse aus Isolierstoff, vorzugsweise aus Keramik, in den an einem axialen Ende ein ein fest­ stehendes Kontaktstück tragender und am anderen axialen Ende ein bewegliches Kontaktstück tragender Stengel hin­ eingreifen und mit einem am Schaltkammergehäuse ange­ brachten Faltenbalg, der einenends am Schaltkammergehäuse und anderenends am Stengel für das bewegliche Kontakt­ stück, diesen umschließend, befestigt ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens ein Ende des Schaltkammerge­ häuses einen radial nach innen gezogenen Boden (20, 21) aufweist, der jeweils eine Öffnung (23, 22) umschließt, durch die der jeweilige Stengel (26, 28) nach innen hin­ durchgreift, und daß der radial nach innen gezogene Boden (20, 21) bogenförmig an den zylindrischen Abschnitt an­ schließt.

2. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, bei dem das Schaltkammergehäuse aus zwei axial geteilten Gehäusetei­ len zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß je­ des Gehäuseteil (12, 13) napfförmig einen radial nach in­ nen gezogenen Boden (20, 21) aufweist und daß die beiden Gehäuseteile (12, 13) mit ihren freien Stirnflächen (14, 15) gegeneinandergerichtet fest verbunden sind.

3. Schaltkammergehäuse nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faltenbalg (38) mittels eines an der Außenfläche des Bodens (21) ange­ brachten Befestigungsringes mit dem benachbarten Gehäuse­ teil (13) vakuumdicht verbunden ist.

4. Vakuumschaltkammer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faltenbalg (38) mit seiner seinem freien Ende benachbarten Seitenflanke (51) an der Innenfläche des Bodens (21) des benachbarten Ge­ häuseteils vorzugsweise unter Zwischenfügung einer Lötfo­ lie befestigt ist.

5. Schaltkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der das feste Kontaktstück (27) halternde Stengel (26) einen radial vorspringenden Randbord (30) aufweist, mit dem er gegen die Außenfläche des Bodens (20) des Gehäuseteils (12) angeschlagen und daran mittels einer Lötfolie (31) befestigt ist.

6. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der dem festen Kontaktstück (27) zuweisenden Seite des das feste Kontaktstück (27) hal­ ternden Stengels (26) ein Zentrierabschnitt (32) an den Randbord (30) anschließt, dessen Außendurchmesser dem In­ nendurchmesser der Öffnung (22) entspricht.

7. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Faltenbalg (38) eine die Öffnung (23) am Gehäuseteil (13) durchgreifende Verlängerung (53) aufweist, die aus der Öffnung (24) herausragt, und daß ein Befestigungsring (54) vorgesehen ist, der an der Bo­ denfläche auf der Außenseite des Gehäuseteils (13) und an dem aus der Öffnung herausragenden Abschnitt der Verlän­ gerung (53) festgelötet und daran vakuumdicht befestigt ist.