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Elektrischer, durch Wärmeausdehnung mechanisch parallel, elektrisch
in Reihe geschalteter Drähte oder Bänder gesteuerter Schalter Es gibt bereits Schalter,
die durch die infolge der Stromwärme auftretende thermische Längenänderung von Metallteilen
betätigt werden. Die benötigten Steuerstromstärken sind hierbei jedoch groß und
die Schalter selbst sehr träge. Es-ist daher bereits vorgeschlagen worden, die temperaturempfindlichen
Organe in Form von Drähten anzuordnen, die mechanisch parallel, elektrisch dagegen
in Reihe geschaltet sind. Es ist jedoch bisher nicht ge-Iüngen, mit solchen Schaltern
bei verhältnismäßig kleinen Steuerströmen auch nur einigermaßen nennenswerte Leistungen
zu schalten, es sei denn, daß eine aufgespeicherte Energie benutzt wurde, die durch
die Längenänderung lediglich ausgelöst wurde und die selbst die Schaltung bewirkte.
Es war daher auch nicht möglich, solche Schalter als Schütze auszuführen.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, Schalter
mit mechanisch parallel, elektrisch in Reihe geschalteten Drähten in evakuierte,
vakuumdicht abgeschlossene Gefäße einzuschließen.
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An sich sind Schalter, deren Kontakte sich im Vakuum befinden, bereits
bekannt. Jedoch wurden derartige Schalter bisher entweder durch indirekt beheizte
Metallteile oder durch einzelne direkt beheizte Drähte betätigt. Dies Schalter haben
den Nachteil, daß sie erst nach verhältnismäßig langer Zeit ansprechen und einen
hohen Steuerstrom benötigen.
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Erst die Kombination von Drähten, die mechanisch parallel und elektrisch
in Reihe geschaltet sind bei gleichzeitiger Verwendung von Vakuum, gibt die Möglichkeit,
bei sehr kleinen Steuerströmen verhältnismäßig hohe Leistungen betriebssicher abzuschalten.
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Die Verhältnisse seien in folgendem kurz erläutert Erstens genügen
zur Abschaltung im Vakuum Schaltwege von der Größenordnung eines tausendstel Millimeters.
Zweitens braucht der Kontaktdruck nur einen kleinen Bruchteil des in der Atmosphäre
erforderlichen Druckes zu betragen, da eine Oxydation der Kontakte durch ihre Eigentemperatur,
selbst wenn diese bis nahe an den Erweichungspunkt getrieben wird, nicht auftreten
kann. Hieraus ergibt es sich, daß nur sehr kleine Energien zur Abschaltung erforderlich
sind. Bei der Auswahl des Ausdehnungsdrahtes braucht man sich nur nach dessen mechanischen
und elektrischen Eigenschaften zu richten, da eine Verzunderung selbst bei den höchsten
Temperaturen nicht eintreten kann. Bei Verwendung von Vakuum genügt infolge der
besseren Wärmeisolation ein Bruchteil der Stromstärke, die
erforderlich
ist, um den Draht in --der Atmosphäre auf die gleiche Temperatur zu erhitzen.
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Infolge der verhältnismäßig raschen Kontaktbewegung, die wegen der
kleinen Durchmesser der dünnen Ausdehnungsdrähte auch im Vakuum auftritt, wird außerdem
die sonst bei Vakuumschaltern gefürchtete sog. Glühpunktbildung zwischen den Kontakten,
d. h. die Erhitzung molekularer Metallteile auf die Schmelztemperatur, so weit vermindert,
daß die Lebensdauer der Kontakte selbst bei Spannungen von mehr als tausend Volt
und sogar bei Gleichstrom, praktisch -unbegrenzt ist.
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Hieraus geht hervor, daß die Kombination gemäß der vorliegenden Erfindung
es ermöglicht, bei sehr kleinen Steuerstromstärken, die außerdem noch induktionsfrei
sind, sehr hohe Leistungen ab- und zuzuschalten, wobei die Ansprechzeiten eines
derartigen Schalters nur einige Sekunden betragen. Beispielsweise ist es möglich,
mit einem Steuerstrom von etwa 2o mA Stromstärken von etwa =o Ampere und mit einem
solchen von etwa 5o mA Ströme von etwa 5o Ampere bei den gebräuchlichen Netzspannungen
vollkommen betriebssicher zu schalten.
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Die Verwendung von Drähten bis herab zu den kleinstmöglich hersteIlbaren
Durchmessern ist dadurch ermöglicht, daß sie jedem Angriff durch die Atmosphäre
vollkommen entzogen sind und daß sie zur Schaltung nur sehr kleine Energien aufzubringen
haben. Bei Verwendung derartig kleiner Durchmesser läßt sich ferner, was ein weiterer
Vorteil ist, der Widerstand leicht so bemessen, daß man derartige Drahtwicklungen
direkt oder unter Vorschaltung eines nur kleinen Widerstandes an die Netzspannung
legen kann.
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Die Erfindung macht sich ferner eine -bis dahin kaum gekannte Eigenschaft
dünner Drähte zunutze, die darin besteht, daß solche dünnen Drähte mechanisch spezifisch
höher belastet werden können als stärkere Drähte.
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Die Erfindung sei an Hand der beiliegenden Abbildungen in einigen
Beispielen näher erläutert.
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Abb. = zeigt einen thermisch gesteuerten Schalter in Vorder- und Seitenansicht.
Die Stromschiene i trägt den festen Kontakt z. An dem, oberen Ende der Stromschiene
3 ist eine Feder 4 befestigt, deren Federkraft den auf ihr befestigten beweglichen
Kontakt 5 nach oben drückt. Der Ausdehnungsdraht 6 ist über zwei Rollen 7 und 8
aus Isoliermaterial gewickelt. Die Enden des Ausdehnungsdrahtes sind mit g und =o
bezeichnet. Die Rolle 7 ist mittels des Bügels =i an der Stromschiene x befestigt.
Die Rolle 8 ist mittels des Bügels i2 an der Kontaktfeder 4 aufgehängt. Die Ausdehnungswicklung
6 ist so vorgespannt, daß sie in kaltem Zustand die Kontakte 2 und 5 geschlossen
hält; wird sie an Spannung gelegt, so dehnen sich die einzelnen Windungen infolge
ihres kleinen Querschnittes fast momentan aus, die Kontaktfeder ¢ entspannt sich,
und die Kontakte :2 und 5 öffnen sich. brach Unterbrechung des Steuerstromes kühlen
sich die Windungen ebenso momentan ab, ziehen sich wieder zusammen und schließen
die Kontakte. Als Zugkraft kommt an der Feder 4 die Summe der einzelnen Zugkräfte
der einzelnen Drähte der Wicklung zur Wirkung, die demnach trotz Verwendung sehr
dünner Drähte genügend groß ist, um ein betriebssicheres Schalten zu gewährleisten.
Der Widerstand der gesamten Wicklung ist dabei so hoch, daß diese, gegebenenfalls
unter Vorschaltung eines kleinen Widerstandes, unmittelbar an die vorhandene Netzspannung
gelegt werden kann. Die Teile sind in bekannter Weise in ein Gefäß vakuumdicht eingeschmolzen,
das - danach evakuiert wird.
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Abb.2 stellt eine andere Ausführungsform dar, bei der die Wicklung
13 in langen Zickzackwindungen mittels der beiden Wicklungsträger 14 und
15 konzentrisch um die Kontakte 16 und 17 herumgeführt ist. Die Kontakte werden
durch die Schraubenfeder 18 auseinandergezogen. Diese Anordnung hat den Vorteil,
daß sie sich der Form eines rohrförmigen Vakuumgefäßes, in das diese Schalter gewöhnlich
eingeschlossen werden, sehr gut anpaßt.
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Eine weitere Ausführungsform zeigt Abb.3. Hier ist die Ausdehnungswicklung
x9 mittels zweier Isolierrollen 2o und 21 über einen Streifen 22, und zwar in seiner
Längsrichtung, gewickelt. Die einzelnen Windungen werden unter Zwischenschaltung
zweier Isolierstücke 23 und 24 durch die Kontaktfedern 25 und 26 gespannt gehalten.
Im stromlosen Zustand der Wicklung sind die Kontakte 27 und 28 geschlossen. Wird
die Wicklung an Spannung gelegt, so dehnen sich die einzelnen Drähte aus, und die
Kontakte öffnen sich. Die Anordnung hat den Vorteil, daß die Wärmeausdehnung der
einzelnen Drähte in beliebiger Vergrößerung auf die Kontakte übertragen werden kann.
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Da die einzelnen Windungen einander gegenseitig beheizen, werden sich
die inneren Windungen stärker ausdehnen als die nach außen liegenden; die außenliegenden
können dadurch mechanisch höher beansprucht werden. Es ist daher zweckmäßig, die
äußeren Windungen entsprechend enger zu wickeln, um so eine gleichmäßige Erwärmung
und Ausdehnung der einzelnen Windungen zu erzielen.
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Der gleiche Zweck, die gleichmäßige mechanische Beanspruchung der
einzelnen Windungen, wird dadurch erreicht, daß die die Wicklung tragenden Isolierrollen
auf ihrer
Oberfläche beispielsweise glasiert sind, um ein Gleiten
der einzelnen Drähte zu ermöglichen.
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Um eine ungleichmäßige Belastung der einzelnen Windungen zu vermeiden,
wird man zweckmäßig wenigstens eine der Isolierrollen nur punktförmig aufhängen,
wie dies in Abb. i gezeigt ist. Die - Madenschraube 29 dient hier als punktförmige
Stütze und ermöglicht gleichzeitig die Einjustierung der Wicklung.
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Man wird zweckmäßig den Ausdehnungsdraht aus vakuumgeschmolzenem Material
herstellen, um die Verschlechterung des Vakuums im Schalter durch Austritt der in
Metallteilen okkludierten Gase zu verhindern.
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Um den dünnen Ausdehnungsdraht von den Einwirkungen der bei Vakuumschaltern
sonst häufig auftretenden Entladungserscheinungen bei Öffnen der Kontakte zu schützen,
wird man zweckmäßig die Wicklung gegen benachbarte spannungführende Teile abschirmen.
Eine beispielsweise Anordnung eines solchen Schirmes, der aus Isoliermaterial bestehen,
aber auch leitend sein kann, zeigt die Abb. i bei 30. In der Anordnung nach Abb.
2 wirkt als solcher Schirm gleichzeitig das zum Aufbau dienende Distanzrohr 31.
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Zum Aufbau des Schalters, insbesondere für die Stromschienen, wird
zweckmäßig ein Material mit geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten verwendet.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die angeführten Ausführungen
beschränkt; diese stellen vielmehr nur einige Ausführungsbeispiele dar.