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Die
Erfindung betrifft einen Vakuumschalter und insbesondere einen Vakuumunterbrecher.
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Vakuumunterbrecher
werden allgemein für elektronische
Bauelemente verwendet, um eine Gleichstromzuführung im Falle eines Fehlers,
z. B. eines Kurzstroms in einer Stromleitung, zu unterbrechen. Ein
typischer Vakuumunterbrecher ist sehr allgemein in 1 gezeigt. Der Unterbrecher enthält einen
Isolator 10, der normalerweise aus Keramik oder Glas besteht
und zwei elektrisch leitende Kontakte 11, 12 enthält. Die
Kontakte 11, 12 werden mit Hilfe entsprechender
Röhrenfüße 13, 14,
aus der Unterbrechereinheit herausgenommen, wobei die Röhrenfüße in Endbereichen 15, 16 enden,
welche normalerweise als „Endbolzen" bezeichnet werden
und zum Anschluß anderer
elektrischer Bauteile dienen (nicht dargestellt). Die Endbolzen 15, 16 können Außen- oder
Innengewinde aufweisen, um Verbindungen zu bilden. Mit Hilfe der
Kontakte dient der Unterbrecher selektiv dazu, eine elektrische
Kontinuität zwischen
den weiteren elektrischen Bauteilen und der Gleichstromzuführung aufzubauen
oder zu unterbrechen.
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Der
Unterbrecher enthält
ebenfalls eine Balgeinheit 17 und einen Schirm 18.
Die Balgeinheit 17 erlaubt eine axiale Bewegung des Röhrenfußes 14, um,
wie oben beschrieben, einen elektrischen Kontakt zwischen den Kontakten 11 und 12 aufzubauen und
zu unterbrechen, wobei der Kontakt 11 und der Röhrenfuß 13 in
bezug auf den Isolator 10 fest liegen.
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Bei
dem Schirm 18 handelt es sich um ein elektrisch leitfähiges Bauteil,
das zwei Hauptzwecken dient: um zu verhindern, dass ein Lichtbogen, der
erzeugt wird, wenn die Kontakte gelöst werden, den Isolator beschädigt und
um die Ablagerung des Metalldampfes auf dem Isolator zu verhindern,
der von den Kontakten abgegeben wird, wenn der Lichtbogen vorliegt.
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Der
Lichtbogen, der erzeugt wird, wenn die Kontakte in Gegenwart eines
normalen oder hohen Fehlerstroms getrennt werden, erlaubt es, dass
der Strom, der vor der Unterbrechung geflossen ist, mit Hilfe des
Metalldampfmediums, das von den Kontaktflächen abgegeben wird, weiter
fließt.
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Normalerweise
würde der
Lichtbogen erlöschen,
wenn der Strom, der durch den Lichtbogen tritt, der durch den nächsten Nullpunkt
verläuft,
das Phänomen,
das als „Zerhacken
von Strom" bekannt ist,
bewirkt, dass der Lichtbogen mit Hilfe der Reduzierung von Energie
im Lichtbogen vor dem Punkt des Null-Durchlaufs erlischt („zerhackt
wird"). Wenn das
Zerhacken auftritt, kann bewirkt werden, dass eine hohe Spannung
zwischen den Kontakten erzeugt wird, welche an die Geräte weitergegeben
wird (z. B. eine Motorlast), die mit dem Unterbrecher verbunden
sind, und falls die Spannung hoch genug ist, können die Geräte beschädigt werden.
Es besteht daher der Wunsch, eine derartige Spannung auf einem Wert
zu halten, der so niedrig wie möglich
ist und was wiederum bedeutet, den Strom, der zerhackt wird, zu
minimieren.
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Der
Wert des zerhackten Stroms hängt
von den Eigenschaften des Kontaktmaterials ab, und es hat sich herausgestellt,
dass, obwohl ein Element, wie Kupfer oder Silber selbst einen hohen
zerhackten Strom begünstigt/erzeugt,
wenn ein derartiges Material mit hoher Leitfähigkeit mit einem Lichtbogen
resistenten Material, wie Wolfram, Wolframcarbid oder Chrom kombiniert
wird, der zerhackte Strom auf sehr niedrige Werte abfällt, wie
4A oder weniger.
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Die
Verwendung einer Kombination von Materialien für die Kontakte anstelle lediglich
des Materials mit hoher Leitfähigkeit
erhöht
die Kosten des Unterbrechers erheblich und bei dem Versuch, derartige Kosten
zu minimieren, ist es gängige
Praxis, nur einen Teil jedes Kontaktes einer Kombination von Materialien
herzustellen, wobei der andere Teil lediglich aus dem Element mit
hoher Leitfähigkeit
besteht. Der Teil aus kombiniertem Material ist der Teil, von dem der
Lichtbogen ausgeht, wobei der andere Teil jedes Kontaktes dazu dient,
Wärme von
dem dem Lichtbogen ausgesetzten Teil aufzunehmen und diesen Teil physikalisch
und elektrisch mit dem Kontaktbolzen zu ver binden. Es ist klar,
dass, da dieser restliche Teil keine Rolle bei der Lichtbogenbildung
spielt, es nicht erforderlich ist, einen Dampf zuzuführen, der
die oben erwähnte
Eigenschaft eines niedrigen Zerhackungsstroms hat und er deshalb
ausschließlich
aus preiswertem Material mit hoher Leitfähigkeit bestehen kann.
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Die
veröffentlichte
Europäische
Patentanmeldung Nr.
EP
0 155 584 A1 offenbart einen Vakuumschalter mit zwei Hauptelektroden
und einem scheibenförmigen
Kontaktstück,
welches aus einer Kupfer-Chrom-Legierung besteht, welche auf mindestens
eine der beiden Hauptelektroden aufgebracht ist. Die Betriebsdaten
der Hauptelektroden werden verbessert, indem ein elektrischer Strom durch
die Hauptelektroden mehrmals unterbrochen wird, so dass eine Rekristallisation
einer Oberflächenschicht
des Kontaktstücks
erzielt wird, wobei eine Kupfer- und Chromschicht auf der gegenüberliegenden
Elektrode abgeschieden wird.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine alternative Form eines
Vakuumschalters bereitzustellen, der ansteigende Einsparungen bei
den Auslagen für
das Kontaktmaterial erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird ein
Vakuumschalter bereitgestellt, aufweisend:
einen ersten und
einen zweiten Kontakt, die beweglich in bezug aufeinander sind,
um einen elektrischen Schaltkreis aufzubauen und zu unterbrechen,
wobei der erste und der zweite Kontakt eine erste und eine zweite
einander gegenüberliegende
Kontaktflächen haben,
der
zweite Kontakt aus einem Grundmaterial mit hoher elektrischer Leitfähigkeit
besteht,
der erste Kontakt einen zweischichtigen Aufbau hat und
eine Bodenschicht aufweist, die aus demselben Grundmaterial wie
der zweite Kontakt besteht und eine oberste Schicht aufweist, die
die erste Kontaktfläche
bildet und aus einem Material besteht, das durch einen Lichtbogen
verdampfbar ist und ein Lichtbogen resistentes Material enthält, wobei
die erste und die zweite einander gegenüberliegenden Fläche ringförmig sind
und radial äußere Kanten
aufweisen, die äußere Kontaktkanten
bilden. Bei dem ersten Kontakt kann es sich je nach Bedarf um den beweglichen
oder den festen Kontakt handeln.
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Der
Vorteil dieses Aufbaus liegt darin, dass, da im Gegensatz zu den
beiden Kontakten der dem Stand der Technik entsprechenden Anordnungen
nur ein Kontakt eine teure Materialkombination enthält, beträchtliche
Einsparungen der Ausgaben für
das Material des Vakuumschalters gemacht werden können, ohne
signifikante Kompromisse im Hinblick auf die Leistung der Einrichtung
eingehen zu müssen. Dies
liegt daran, da bei der Verwendung im Verlauf der Erzeugung eines
Lichtbogens von den Kontakten, der zweite Kontakt eine eigene dünne Schicht
eines lichtbogenresistenten oder schweißfestes Materials, wie er sich
in dem ersten Material findet, erzeugt wird.
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Bei
dem Material mit hoher Leitfähigkeit
kann es sich zum Beispiel um Ag oder Cu oder eine Mischung aus beiden
handeln, wobei das lichtbogenresistente Material aus der Gruppe
ausgewählt
sein kann, die aus Cr und W und deren Carbiden oder Mischungen aus
diesen besteht, und das schweißfestes
Material da, wo es vorliegt, aus der Gruppe ausgewählt sein
kann, die aus Bi, Pb, Te und Sb oder deren Mischungen besteht.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 eine allgemeine Ansicht
eines typischen Vakuumschalters ist und
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2 eine vereinfachte Ansicht
der Kontakte des erfindungsgemäßen Vakuumschalter
im Schnitt ist.
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In
dem erfindungsgemäßen Vakuumschalter besteht
ein Kontakt 11 aus einem Stück und ein Kontakt 12 besteht
aus zwei Stücken 121, 122,
die mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens, z. B. durch Hartlöten aneinander
geschweißt
sind. Der Kontakt 11 und das Stück 121 bestehen aus
Kupfer, während
das Stück 122 eine
Legierung aus Cu, Cr und Bi ist, wobei Chrom als lichtbogenresistentes
Material und Wismuth als schweißfestes
Material wirken.
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Während des
Betriebs der Vorrichtung wird, wenn die Kontakte 11, 12 getrennt
werden, ein Lichtbogen zwischen den Kontaktflächen erzeugt, der in einem
Metalldampf gebildet wird, der von diesen Flächen abgegeben wird. Die Erfindung
beruht auf der Erkenntnis des Erfinders, dass ein Teil des Dampfes aus
dem Legierungskontaktteil 122 sich als dünne Schicht 112 auf
dem gegenüberliegenden
Nicht-Legierungskontakt 11 abscheidet, diese dünne Schicht anschließend die
Eigenschaften des Lichtbogens dominiert, so dass dieselben Eigenschaften
eines niedrigen zerhackten Stroms, wie sie in einer herkömmlichen
Einrichtung erhalten werden, vorliegen. Eine weitere überraschende
Erkenntnis beruht darauf, dass in der Praxis eine ausgesprochen
annehmbare Leistung in Bezug auf die Abnutzung in einer derartigen
Einrichtung erreicht werden kann, im Gegensatz zu einer Lichtbogenerosion
in einem reinen Kontakt 11 mit hoher Leitfähigkeit.
Dies liegt daran, dass obwohl die Abnutzungsgeschwindigkeit des
reinen Kupferkontaktes 11 größer als die des Legierungskontaktteils 122 ist,
insbesondere wenn zunächst
ein Lichtbogen erzeugt wird und während der Bedingungen eines
Kurzschlusses, die Lebensdauer eines Unterbrechers in der Praxis
die normalerweise erforderliche Lebensdauer erheblich übersteigt,
so dass die Betriebsdauer der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht kürzer ist,
als es normalerweise bei einem typischen herkömmlichen Unterbrecher zu erwarten
ist.
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Außerdem hat
sich herausgestellt, dass der Einbau eines schweißfesten
Materials (in diesem Beispiel Wismuth) in nur einem Kontakt trotzdem
akzeptable schweißresistente
Eigenschaften bereitstellt. Dies beruht auf der Tatsache, dass,
solange eine Kontaktfläche
infolge des Lichtbogens eine spröde
Metallhaut entwickelt, jegliches Auftreten des Verschweißens der
Kontakte einfach unterbrochen werden kann.
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Auch
wenn die Legierung des einen Kontaktes dahingehend beschrieben wurde,
dass sowohl ein lichtbogenresistentes Materials als auch ein schweißfestes
Materials zu einem Material mit hoher Leitfähigkeit zugegeben werden, können beide
in der Praxis weggelassen werden, abhängig von den erforderlichen
Lei stungskennzahlen. Gleichermaßen
können
weitere Materialien eingeschlossen werden, um besondere Kontakteigenschaften
zu erzielen. So können
zum Beispiel Sintereigenschaften durch den Einbau von beispielsweise
Co, Fe oder Ni verbessert werden.
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Obwohl
in dem obigen Beispiel für
den ersten Kontakt eine Legierungszusammensetzung angegeben wird,
ist es klar, dass abhängig
von den Eigenschaften des Materials, das zusammen mit dem Material
mit hoher Leitfähigkeit
verwendet wird, sich eine Legierung bilden kann oder auch nicht.
So wird in den Fällen,
in denen zum Beispiel WC und Ag verwendet werden, da WC in Ag nicht
löslich
ist, die resultierende Zusammensetzung keine Legierung, sondern
lediglich eine Kombination dieser Materialien sein.
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Es
ist möglich,
die Kontakte während
der Herstellung mit einem Lichtbogen vorzubehandeln, um sicherzustellen,
dass die dünne
Schicht aus Verbundmaterialien als Lötung bereits auf dem zweiten Kontakt
vorliegt vor der Verwendung an der Stelle, obwohl dies als unnötig betrachtet
werden kann im Hinblick auf die Tatsache, dass das Aufbringen der Schicht
in jedem Fall auf natürliche
Weise während jedes
Schaltvorgangs im Betrieb erfolgt.
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Die
Legierung oder die Kombination von Materialien kann durch das bekannte
Infiltrationsverfahren hergestellt sein, in dem Körner des
lichtbogenresistenten Materials, z. B. Chrom, auf eine Dichte von etwa
60% kompaktiert werden und anschließend bei einer Temperatur von
etwa 1500°C
gesintert werden, um so eine schwammähnliche Matrix oder ein „Skelett" bereitzustellen.
Das Material mit hoher Leitfähigkeit,
z. B. Kupfer wird gleichermaßen
kompaktiert und anschließend
gegen die gesinterte Matrix gesetzt und unter Druck geschmolzen,
so dass es in die Leerräume
der Matrix eindringt. Alternativ kann ein reines Sinterverfahren
verwendet werden, in dem sowohl das Material mit hoher Leitfähigkeit
als auch das lichtbogenresistente Material unter einem sehr viel höheren Druck
bis zu einer Dichte von vielleicht 99% zusammen kompaktiert werden
und anschließend gesintert
werden.