DE7202348U - Quecksilberschalter - Google Patents

Description

FIFTH DIMENSION, PRINCETON, New Jersey (USA)

"Quecksilberschf '·. ter"

Die Erfindung betrifft einen Quecksilberschalter.

Gemäß der Erfindung ist dieser als lageunempfindliches Relais innerhalb eines hermetisch abgedichteten Hohlraums ausgebildet, das als beweglichen Kontakt eine einzige Innenspiralfeder aufweist; bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der der überwiegende Teil des Hohlrauminnern mit Quecksilber benetzbar und mit einer dünnen Quecksiloerschicht bedeckt ist, reicht die Gesamtmenge des Quecksilbers nicht aus, um bei irgendeiner möglichen Stellung des Relais zusätzlich zur dünnen Quecksilberschicht eine freischwimmende Dauerlache im Relais zu bilden.

Der Quecksilberschalter ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Sockel und ein Kopfstück, die längs ihres Umfangs miteinander, beispielsweise durch Verschweißen, dicht verbunden

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	und	zwischen	• · • •	• • ·« * « • · •	.: .". ···; ····	Hohlraum	bilden,	43	I
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sind		sich	einen	abgedichteten

dessen Innenfläche^ zumindest angenähert» parallel verlaufen, durch einen innerhalb des Hohlraums vorgesehenen freischwimmenden Anker, der mit Quecksilber benetzbar und coplanar mit den Hohlrauminnenflächen angeordnet ist, durch im Hohlraum in einer solchen Menge vorgesehenes Quecksilber, daß es lediglich ausreicht, um eine dünne Quecksilberschicht auf dem Anker zu bilden, jedoch nicht genügt, um eine Lache o. dgl. aus Quecksilber zu bilden, wobei der Anker vollständig schwimmend auf wenigstens einer Schicht des an den Hohlrauminnenflächen angeordneten Quecksilbers gelagert ist, und durch wenigstens eine ortsfeste Elektrode^ die isoliert, den Sockel und/oder das Kopfstück durchsetzt und bis zu einer Stelle nahe dem Anker verläuft.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in

Fig. 1 einen Schnitt durch einen monostabilen Schalter in geöffneter Stellung, der durch Anlegen eines Magnetfeldes, beispielsweise mittels eines Dauermagneten, geschlossen werden kann;

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Fig. 2 einen Schnitt durch eine gegenüber dem Schalter gemäß Fig. 1 abgewandelte Ausführungsform mit zwei Stationärkontakten:

Fig. 3 einen Schnitt durch ein elektromagnetisches Quecksilber-Relais, das in Abhängigkeit von der Erregung der Spule geöffnet und geschlossen werden kann;

Fig. 4 einen Schnitt durch ein bistabiles, elektromagnetisches Einzelkontakt-Quecksilber-Relais;

Fig. 5 einen Schnitt durch ein bistabiles Quecksilber-Relais; Fig. 6 einen spiralenförmigen Anker in Draufsicht;

Fig. 7 einen Schnitt durch den erregten Anker gemäß Fig. 6, der einen Stationärkontakt berührt;

Fig. 8 einen Schnitt durch ein Relais mit einem in Keramik vorgesehenen Hohlraum, der mit einem mit Quecksilber benetzbaren Gitter ausgekleidet ist;

Fig. 9 einen Schnitt durch ein Relais, dessen mit Quecksilber benetzbaren Hohlraum-Innenwände zur Vergrößerung der wirksamen Linearlänge der benetzbaren Oberfläche mit einem nicht benetzbaren Gitter bedeckt sind;

Fig. 10 einen Schnitt durch ein Quecksilber-Relais mit einem schwimmenden Anker;

Fig. 11 den Anker gemäß Fig. 10 mit einer Kapillarnut in Draufsicht;

Fig. 12 einen Schnitt nach Linie 3-3 in Fig. 11;

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	13	einen	•	·. .; .: ... ........
		gemäß		- 4 -
Fig.		Schnitt	durch eine gegenüber dem Relais
		Fig. 10	abgewandelte Ausführungsform, bei

der die Hohlraumwände Vorsprünge aufweisen; Fig. 14 einen Schnitt durch eine gegenüber dem Relais gemäß Fig. 10 abgewandelte Ausführungsform, bei

der die Hohlraumwände Nuten aufweisen; Fig. 15 einen Schnitt durch einen Teil eines lamellenartig ausgebildeten Ankers in einer ersten Ausführungsform sowie

Fig. 16 in einer zweiten Ausführungsforrn und Fig. 17 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch einen betätigten Anker und Stationärkontakt.

Der aus Fig. 1 ersichtliche Sockel 10 für ein Kopfstück ist aus unmagnetischem Werkstoff hergestellt und an seiner Innenseite mit Quecksilber benetzbar. An den Sockel 10 ist ein unmagnetisches Kopfstück 11 angeschweißt, das an der Innenseite ebenfalls mit Quecksilber benetzbar ist. Das Kopfstück 11 und sein Sockel 10 sind mittels einer Umfangs-Widerstands-Schweißnaht 12 miteinander verschweißt. Durch das Kopfstück H verläuft isoliert ein Kontaktstift 14, der die Form einer Stange mit einem Kupfer-Nickelkern aufweist; der Kern kann auch aus anderen Metallen bestehen, sofern diese die Schaffung einer Quecksilber benetzbaren Ausnehmung zulassen. Die Außen-

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schicht des Kerns ist eine nicht benetzbare Abdeckung I5, die weiter als der Kern nach innen in die aus dem Kopfstück und dem Sockel 10 gebildete Umhüllung E verläuft* Der Zapfen 14 ist magnetisch und mittels einer nicht benetzbaren Glasdichtung 16 vom Kopfstück 11 isoliert. An der Innenseite des Kopfstücksockels 10 ist ein Spiralanker 17 angeschweißt, und zwar an seinem äußeren Endpunkt 18. Der Spiralanker 17 ist eine Spirale mit mehreren Windungen, die in Wirklichkeit als lange Blattzunge bzw. Feder dient, deren bewegliches Ende 20 sich im Mittelpunkt der Spirale befindet. Die Spirale hat eine Länge von etwa 76 mm (3'') und einen Durchmesser von etwa 9,5 mm (3/8**)·

Die Spirale 17 ist derart behandelt, daß sie mit Quecksilber benetzbar ist; der Zwischenraum zwischen der Spirale I7 und der Innenfläche des Kopfstücksockels 10 ist vollständig oder überwiegend mit Quecksilber gefüllt, wobei dieser Zwischenraum mit einer Schicht aus Quecksilber gefüllt werden kann. Wegen ihres geringen Abstandes voneinander (0,1905 ων;, d.h. 0,0075") ist der Raum zwischen den Windungen der Feder ebenfalls, genau wie die Innenfläche der Spirale, mit Quecksilber gefüllt.

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Di3 einzigen Oberflächen innerhalb der Umhüllung E, die nicht Ij mit Quecksilber benetzbar sind, sind die Fläche des Isolators und die Außenfläche des Kontaktstiftes 14. Der Kern des Kontaktstiftes 14 ist mit Quecksilber benetzbar, jedoch ist sein inneres Ende gegenüber dem inneren Ende des Kontaktstiftes etwas zurückversetzt, so daß der Kern mit dem Spiralanker 17 nie in körperliche Berührung kommt. Der Kern trägt jedoch . Quecksilber und kann daher in vollständigen elektrischen Kontakt mit dem Anker 17 kommen.

Der Spiralanker 17 kann mittels eines durch einen Dauermagnet M erzeugten Magnetfeldes mit dem inneren Ende des Kontaktstiftes in Berührung gebracht werden, wenn der Dauermagnet M dem Schalter angenähert wird. Der Spiralanker 17 kann aufgrund seiner Eigenelastizität in geöffneter Stellung gehalten werden, wobei dies jedoch vorzugsweise durch einen kreisförmigen, radial magnetisierten Haltemagneten 21 erfolgt, der an einer ■ axial am Kopfstücksockel 10 Defestigten Stange 22 angeordnet ist. Die Anwendung eines symmetrischen Magnetfeldes bewirkt eine gleichförmige Vorspannung auf alle Windungen der Spirale 17, wodurch sich die Feder vom Kontakt weg zu bewegen sucht. Bei einigen Ausführungsformen würde sich die Feder so weit bewegen, bis sie von der Innenwand des Sockels 10 angehalten werden würde. Falls dies zu einem Ankleben führt oder ein zu großes Ausmaß an Bewesung einschließt, kann ein nicht dargestellter unbenetzbarer Vorsprung als Anschlag vorgesehen werden.

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Der aus Fig. 2 ersichtliche Schalter ist ein zweiendiges Relais, d.h. ein Relais mit zwei stationären Kontaktstiften 30, 31 und einem einzigen spiralförmigen Anker 32. Die Umhüllung bzw. das Gehäuse E besteht aus einem unmagnetischen Kopfstück 33 und einem unmagnetischen Sockel 34, die bei 25 miteinander verschweißt sind und eins zylindrische Kapsel E bilden. Der Gesamtdurchmesser des Kopfstücks bei einer Ausführungsform beträgt 8,255 rom (0,325")* Alle anderen Abmessungen sind in der Zeichnung maßstabsgetreu dargestellt. Die Kontaktstifte 30, 31 bestehen aus einer Dichtungslegierung mit einem Kern aus einer Kupferlegierung, wobei der Kontaktstift 30 unmagnetisch und der Kontaktstift 31 magnetisch ist. Die Kontakte sind nur an ihren Kernen 36, 37 mit Quecksilber benetzbar, die bei 38, 39 etwas ausgespart sind und durch Glaswülste 40, 41 in den Hohlraum hineinragen. Das Ende der Ankerfeder 32 berührt normalerweise den Kontaktstift 30, da sie durch den Dauermagnet 21 entsprechend vorgespannt bzw. gehalten wird, was jedoch der Einfachheit halber in der Zeichnung nicht dargestellt ist; dagegen kann der Anker durch das Anlegen eines äußeren Premdmagnetfeldes, genau wie in Pig. 1, an das Ende des Kontaktstiftes 3I. gezogen werden. Das Quecksilber 42 bedeckt außer den Isolierungshülsen 4o, 41 und den Außenwänden der Kontaktstifte 30, 3I alle sonstigen Bereiche. Das Relais

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gemäß Pig. 2 ist daher monostabil, und zwar aufgrund der Anordnung des Ankers 32 in Bezug auf den Kontaktstift 30 und/oder aufgrund der Anwesenheit des Haltemagneten 21.

Aus Pig. 3 ist die Ausbildung eines Forrn-A-Relais ersichtlich, d.h. eines Relais, das normalerweise offen 1st und durch das Erregen einer auf dem Kontaktstift 31 angeordneten Spule 4-8 geschlossen werden kann. Aus Pig. 4 ist ersichtlich, wie der Schalter gemäß Fig. 3 in ein Relais umgewandelt werden kann, das aufgrund des Haltemagneten 45 in die Schließstellung einrastet, jedoch aufgrund der zusätzlichen Anordnung von erregbaren Spulen 46, 48 normalerweise offen ist. Pig· 3t ^{dife im} Prinzip hauptsächlich der Fig. 1 entspricht, ist maßstabsgetreu gezeichnet, wobei der Durchmesser des Hohlraums 8,255 mm (0,325^!l) beträgt. Aus diesem Grund sind auch in Fig. 1 und 3 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Anordnung und Menge der erforderlichen Quecksilberschichten gegenüber Fig. 1 etwas unterschiedlich ist, wobei dies jedoch darauf berühr, daß die Zwischenräume zwischen Anker und Wand verschieden sind. Die zusätzliche Anordnung eines Haltemagneten mit radial-er Magnetisierung und einer Spule 46, die auf dem mit dem Kopf stück 48 verschweißten magnetischen Kontaktstift 47 angeordnet ist, hat zur Folge, daß sich der Anker 17, wenn die Form-A-Spule 48 erregt wird, zum Kontaktstift 14 bewegt, wo er durch den Dauermagnet 45 gehalten wird. Die Erregung der Spule 46

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löst die Verriegelung und öffnet den Schalter, der daraufhin geöffnet bleibt. Der magnetische Kontaktstift 47 ragt nicht in den Hohlraum, da er nicht als Kontakt benötigt wird.

Das aus Fig. 5 ersichtliche Form-C-Relais unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 2 dadurch, daß beide Kontaktstifte magnetisch sein müssen, wogegen die magnetische oder unmagnetische Ausbildung des Kontaktstiftes 36 gen-^iß Fig. 2 wahlweise erfolgen kann; weiterhin ist der Anker 17 in einer mittigen Lage eingestellt, so daß der Schalter normalerweise an beiden Kontakten offen ist. Es werden zwei Spulen 46, 48 sowie zwei Dauermagnete 45, 45a verwendet, die in gleicher Weise radial magnetisiert sind, um einen bistabilen Halte- bzwe Sperrschalter zu schaffen. Hierbei müssen die Magnete 45, 45a stark genug ausgebildet sein, um den Halte- bzw. Sperrvorgang durchführen zu können, wenn der Anker bewußt betätigt wird.

Wenn der Magnet 45 weggelassen wird, ergibt sich der Haltevorgang nur auf der Seite A. Bei Verwendung eines ausreichend starken Magneten 45 und einer einzigen Spule 46 erhält man einen monostabilen Schalter, während sich, wenn man zwei Spulen, dagegen keine Dauermagneten verwendet, eine außermittige Arbeitsweise des Typs K ohne Haltevorgang bzw. Sperrung ergibt.

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Aus Fig. 6 ist eine Spirale mit einer einzigen Windung ersichtlich, die durch Einätzen oder Einprägen eines spiralenförmigen scniitzes ^o in eine dünne Scheibe aus magnetischem Metall gebildet und plattiert oder derart behandelt ist, daß hiermit Quecksilber benetzbar ist; hierbei wird eine 0,1905 mm (0,0075") breite Ätzung mit einem 5,08 mm (0,02O¹¹) breiten Zwischensteg 5I verwendet. Die Spirale ist aus konzentrischen Kreisen, die durch gerade Linien verbunden sind, gebildet, weswegen sie in Wirklichkeit keine geometrische Spirale ist. Dies ist jedoch aus Gründen der erleichterten Herstellung vorgesehen. Mit gleicher Wirkung könnten mehrere Spiralen verwendet werden, wobei es jedoch beträchtlich vorteilhafter ist, lediglich eine Spirale zu verwenden, da dies die flexibelste und empfindlichste Konstruktion darstellt, die einer Feder von maximaler Länge entspricht. Der Grund hierfür ist darin zu suchen, daß eine einzige Feder außerordentlich lang sein kann, wogegen bei Mehrfachspiralen, d.h. bei Vielfachfedern, jede Feder relativ kurz und daher auch relativ steif ist. Die Gesamtanzahl der bei der Spirale verwendeten Windungen hängt von der gewünschten Empfindlichkeit ab und kann ebenso wie die Spiralendicke, Spiralenbreite, die Werkstoffhärte u. dgl. verändert werden.

Das Aussehen des Spiralankers während seiner Bewegung ist am besten aus Fig. 7 ersichtlich, die in vergrößertem Maßstab

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dargestellt ist. Die Feder ist verdreht, da ihre Außenkante bewegungsfest gehalten ist, während ihr Mittelpunkt bzw. ihr Zentrum in Berührung mi υ dem Ende des Kontaktstiftes kommt. Dieser v/eist einen mit einer Ausnehmung versehenen, mit Quecksilber benetzbaren Kern I5, jedoch eine nicht benetzbare Außenschicht 15a auf. Aus diesem Grund, d.h. aufgrund der Ausnehmung, schlägt der Anker am nicht benetzbaren Ende 15b des Kontaktstiftes 14 an. Die Ausnehmung ist ausreichend flach gehalten, daß ein Quecksilbertropfen den Mittelpunkt des Ankers 17 berühren kann. Bei voller Betätigung berührt der Mittelpunkt 52 das Ende 15b des Kontaktstiftes 14.

Wie schon erwähnt, ist die Fähigkeit, das Quecksilber zu halten, eine Funktion der Gesamtlänge des Halteelementes und nicht des Bereiches, d.h., daß die von der Gesamtoberflächenspannung ausgeübte Kraft mit der Länge anwächst. Diese Länge kann dadurch vergrößert werden, daß an den Innenflächen des Kopfstttckes und des Sockels Spiralen, Gitter oder andere Vorrichtungen befestigt werden, die die Oberfläche vergrößern und daher eine größere Kantenlänge schaffen.

Dies erfolgte bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9* bei der an die Seitenwände des Kopfstücks 11 und des Sockels 10 nicht benetzbare Spiralen oder Gitter angeschweißt sind. Dadurch ist die Wandoberfläche in viele kleine Bereiche auf-

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geteilt, wodurch jedoch bei Betrieb die Gesamtlänge der vom Quecksilber benetzbaren Oberfläche und damit auch die verfügbare Krsft vergrößert- ist;

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 bestehen das Kopfstück 8o und der Sockel 81 aus Keramik, und die Wände des Hohlraums sind mit einer benetzbaren Gitterschicht 82 versehen. Ansonsten können bei den Relais gemäß Fig. 8 und 9 die Arbeitsweise und die konstruktiven Merkmale der Relais gemäß Fig. 1-5 verwendet werden, d.h. die gemäß Fig. 8 oder 9 ausgebildeten Hohlräume bzw. Gehäuse können nach Wunsch bei den Systemen gemäß Fig. 1-5 verwendet werden.

Es besteht die Möglichkeit, auQ die beschriebenen Relais oder Schalter im falschen Augenblick anziehen, und zwar aufgrund der Von der Oberflächenspannung herrührenden Kräfte oder falls Dauermagnete verwendet werden, aufgrund von zusätzlichen Magnetkräften. Dies kann in Abhängigkeit einer Erschütterung, der Lage, einer Schwingung, Beschleunigung o. dgl. erfolgen. Um diese unvorhersehbare Möglichkeit zu vermeiden, können Dauermagnete verwendet werden, die auf die Ebene des Spiralankers ausgerichtet sind. In diesem Fall sucht sich der Anker, auf das durch die Dauermagnete erzeugte Magnetfeld auszurichten.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 8 und 9 sind Dauermagnete 85 verwendet, um die Anker 17 planar gespannt zu halten.

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Dieses Hilfsmittel kann auch bei den Relais gemä£ Fig. 1-5 angewendet werden. Zu diesem Zweck können Stabmagnete verwendet werden, jedoch sind Ringmagnete , die die Hohlräume umgeben, vorteilhafter.

Da der Schalter außerordentlich empfindlich 1st, kann er besser durch einen Dauermagnet als durch eine Spule gesteuert werden. Wenn der Dauermagnet auf einem beweglichen Glied angeordnet ist, kann die gesamte Kombination als Begrenzungsschalter angesehen werden, bei dem, wie aus Fig. 1 ersichtlich, keinerlei körperlicher Kontakt erforderlich ist.

\ In diesem Zusammenhang hat sich gezeigt, daß ein Dauermagnet

zur Bewegung des Ankers in jeder Richtung verwendet werden kann, und zwar in Abhängigkeit von der Anordnung des Magneten in Bezug auf den Anker. Wenn das Magnetfeld zur Mittellinie oder Achse des Ankers symmetrisch ist, wird der Anv:er immer in Richtung des Magneten gezogen. Wenn jedoch das Magnetfeld asymmetrisch oder aohsenversetzt angeordnet ist, kann der Anker abgestoßen oder angezogen werden. Der Gruna hierfür liegt darin, daß der magnetisierte Anker, entlang eines Radius gesehen, ein lineares Feld aus Nord- und Südpol darstellt. Wenn sich dem Feld außerhalb seiner Achse ein Nordpol nähert, kann diesem Nordpol ein Südpol am nächsten liegen, wodurch der Anker angezogen wird, oder es kann diesem Nordpol ein Nordpol am nächsten liegen, wodurch der Anker abgestoßen wird.

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Dies wird auch dann deutlich, wenn der Anker anstelle des sich nähernden Nordpoles durch eine andere Vorrichtung magnetisiert wird, wobei sich auch empirisch bestimmen läßt, daß sich der gleiche Effekt bei einem magnetisch unpolarisierten Anker ergibt, d.h. die durch einen sich nähernden Einzelpol erzeugten Felder können ein Anziehen oder Abstoßen bewirken, je nach der Anordnung des Pols in Bezug auf den Anker»

Aus Fig. 10-17 ist ein verbessertes Federrelais ersichtlich, bei dem ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse verwendet ist; dieses besteht aus einem miteinander verschweißten Kopfstück und Sockel und enthält in seinem Hohlraum eine Spiralfeder als Anker. Dieser ist lamellen- bzw. schichtenförmig ausgebildet und besteht aus gut leitendem Metall; er ist weiterhin mit einer spiralförmigen Kapillarnut versehen bzw. weist eine aufgerauhte Oberfläche auf, wodurch gleichsam ein Docht für das Quecksilber geschaffen ist; weiterhin kann der Anker frei im Quecksilber schwimmen, d.h. er ist am Gehäuse nicht angeschweißt. Der Anker wird schließlich in einer Atmosphäre aus Wasserstoff gas betätigt, das unter einem Druck von ei,wa 14-17,5 kp/cm² (200-250 psi) steht, und es ist lediglich soviel Quecksilber vorgesehen, daß auf den mit Quecksilber benetzbaren Innenflächen des durch das Kopfstück und den Sockel gebildeten Hohlraums und auf dem Anker dünne Schichten gebildet werden bzw. auf dem Anker allein, sofern die Hohlkapsel

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aus mit Quecksilber unbenetzbarem Werkstoff hergestellt ist. Der Anker befindet sich so dicht an den Hohlraumwänden, beispielsweise etwa 0,25^ mm, daß sich bei jeder Betätigung des Schalters zwischen diesem und den Wänden Kontakt ergibt; dies trägt auf diese Weise zur Umverteilung bzw. Neuverteilung des Quecksilbers bei, so daß die Quecksilbermenge irr. Schalter mit Sicherheit um diejenige Menge verringert werden kann, die andernorts benötigt wird. Die Verwendung einer Minimalmenge an Quecksilber verringert die Möglichkeit, daß sich eine Quecksilberlache bildet und die Stromkreiskontakte kurz geschlossen werden oder das Quecksilber in solchem Ausmaß von den Kontakten entfernt wird, daß sich trockene Kontakte ergeben. Es wird auch ein verbesserter stationärer Kontakt verwendet, der aufgrund seiner Konstruktion nicht anklebt.

In der Zeichnung ist mit 100 ein Kopfstücksockel bezeichnet, der aus Metall hergestellt und an seiner Innenseite mit Quecksilber benetzbar sein kann. Das Metall kann vorzugsweise unmagnetisch sein, jedoch ist magnetisch-er Werkstoff, insbesondere Kohlenstoffstahl., hinsichtlich der Herstellung von Glas-Metalldichtungen vorteilhaft. Letztere müssen nicht mit Quecksilber benetzbar sein. An den Sockel 100 ist ein Kopfstück 101 angeschweißt, das wahlweise aus dem gleichen Material wie der Sockel 100 bestehen kann. Das Kopfstück 101 ist mit dem Sockel 100 mittels einer Umfangs-Widerstands-

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Schweißnaht 102 verbunden, Der Sockel 100 und das Kopfstück 101 werden axial von Stationärkontakten 105j 1O4 durchsetzt, die die Form von Stangen mit einem Kupfer-Nickelkern aufweisen. Die den Kern umgebende Außenschicht ist eine nicht mit Quecksilber benetzbare Umhüllung 105, die das Kopfstück 101 und den Sockel 100 weiter nach innen hin durchsetzt, als dies beim Kern lo6 der Fall ist. Die Kontaktstifte 103, 104 sind magnetisch und mittels Glasdichtungen 107* die von Quecksilber nicht benetzbar sind, vom Kopfstück 101 und vom Sockel 100 isoliert.

Innerhalb des durch den Sockel 100 und durch das Kopfstück lOl gebildeten GehäusesE ist ein Spiralanker lob¹ angeordnet. Wenn der Anker lo8 durch den in einer der Spulen 202 oder 203 fließenden Strom erregt wird, bewegt sich das Ankerzentrum 109 (Pig. 17) auf einen Kontaktstift 103 bzw. 1O4 hin. Die Dauermagnete 205, 206 sind Haltevorrichtungen, die die Relais bei Bedarf dadurch bistabil machen, daß, nachdem der Anker sich nach einer Seite ausgebogen hat, der Magnetkreis längs der Seite des Relais, die die geschlossenen Kontakte aufweist, minimal ist und der Anker daher stabil hält. Darüberhinaus suchen die von der Oberflächenspannung herrührenden Kräfte, die geschlossenen Kontakte in der Schließstellung zu halten.

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Der Anker lo8 ist eine aus mehreren Windungen gebiluete Spirale, die als lange Feder wirkt und ihr bewegliches Kontaktende 109 im Mittelpunkt der Spirale hat. Die Spirale kann eine Länge von etwa 50,8 mm (2^t!) und einen Durchmesser von etwa 0,5 mm (3/8") aufweisen. Vorteilhafterweise werden 3-5 Windungen verwendet, wobei jedoch eine größere oder geringere Windungsanzahl zur Anwendung gelangen kann; weiterhin ist zwischen den Windungen ein Abstand von etwa 0,1905 mm (0,0075") vorgesehen.

Der Spiralanker lo8 ist ähnlich einer Triebfeder einer Uhr hochelastisch und mit Quecksilber benetzbar. Die Innenflächen des durch das Gehäuse E gebildeten Hohlraums und sämtliche Flächen des Ankers lo8 sind bei eina? Ausführungsform von einer dünnen Quecksilberschicht bedeckt, wobei soviel Quecksilber vorgesehen ist, daß sich die Schicht, dagegen aber nicht eine Quecksilberlache bilden kann. Dadurch ist gewährleistet, daß das Relais lageunempfindlich ist, da die Quecksilberschichten den benetzbaren Oberflächen mit großen Oberflächenspannungskräften anhaften.

Der Anker schwimmt in Quecksilber, insbesondere innerhalb Hohlkehlen bei 208, die an den Kanten des Hohlraums in Fig. 10 und 13 oder durch die Anziehungskraft an einen Ringraum in Fig. I^ gebildet sind. Dadurch sind sämtliche Schweißprobleme beseitigt, wobei sich der Anker darüberhinaus zusätzlich bewegen kann, nämlich sowohl als Kolben als auch als Feder.

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Dadurch ergibt sich ein besserer Kontakt zwischen dem Anker f 108 und den stationären Kontakten 103, 1O4. Weiterhin kann j der Anker an weit von seinem Zentrum entfernten Steilen die Innenwände des durch das Gehäuse E gebildeten Hohlraums berühren oder sich diesen sehr weit annähern (hierbei sei in diesem Zusammenhang auf die zuvor erwähnte Quecksilber-Zwischenschicht verwiesen), was zur Umverteilung bzw. Neuverteilung des Quecksilbers zwischen den Wänden und dem Anker beiträgt, wenn dieser sich öffnet und schließt.

Die einzigen Oberflächen innerhalb des Gehäuses E bzw. innerhalb des Hohlraums, die bei einer Ausführungsform nicht mit Quecksilber benetzbar ssin müssen, sind die Oberflächen der Isolatoren 107 und die Außenflächen 105 und Ränder der Kontaktstifte 103, 104. Die Kerne I06 der Kontaktstifte 103, 1O4 sind mit Quecksilber benetzbar, und ihre Enden sind etwas zurückversetzt, so daß sie vom Anker niemals direkt berührt werden können. Der Kern trägt eine Quecksilberschicht und kann daher mit dem Anker in elektrischen Kontakt, jedoch nicht in mechanischen Kontakt kommen.

Der Anker in der Ausführungsform gemä-ß Fig. 11 besteht aus Windungen 300, die spiralenförmig nach innen zum Mittelpunkt 30I verlaufen. Der Anker kann etwa 0,076 mm (3 mils) dick sein.

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Bei einer Ausführungsform verläuft längs der Windungen des Ankers zur Vergrößerung der Oberflächenspannung eine Kapillarnut 3ö2j da dass Quecksilber leichter in sinon Kanal fliest. Die Kapillarnut kann jedoch auch durch ein anderes Hilfsmittel ersetzt bzw. zusätzlich zu diesem vorgesehen werden. Die Oberflächen des Ankers können mit Quecksilber benetzbarem Material plattiert sein, d.h. Nickel auf Kupfer oder Kupfer auf Nickel; die Plattierung kann auch rauh gehalten werden, wie dies beispielsweise bei 303 in Pig. 6 ersichtlich ist, was die Oberflächenspannung vergrößert und den Quecksilberfluß erleichtert. In gleicher Weise können die Innenflächen des Kopfstückes und des Sockels mit Kapillamuten oder Yorsprürigen versehen bzw. aufgerauht sein, wodurch die oberflächenspannung vergrößert und der Quecksilberfluß erleichtert wird, da das Aufrauhen der Oberfläche viele Kanäle schafft; dies ist beispielsweise bei den AusfUhrungsformen gemäß Fig. 10 und 13 der Fall, bei denen das Gehäuse bzw. der Hohlraum unmagnetisch und mit Quecksilber benetzbar ist. Wenn das Gehäuse aus magnetischem Material besteht und nicht benetzbar ist, wie dies beispielsweise in Fig. 14 der Fall ist, sind die vorgenannten Hilfsmittel nicht erforderlich; hierbei ist jedoch ein Ring 306 aus Nickel oder einem anderen schweißbaren Material entweder an den Sockel oder an das Kopfstück bzw. an diese beiden Teile angeschweißt, um über das Quecksilber einen guten

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	zwischen	- 20 -	dem	I I	;\ . ... ..... ■ . . · t · · . · · "
	306 kann	dem Kopfstück und	oder		. · * * '
Kontakt		aufgerauht sein	Anker
Der Ring		eine	zu schaffen.
		anderweitig

vergrößerte Oberfläche aurweisen.

Der Anker selbst kann schichten- bzw. lamellenförmig aufgebildet sein. Er muß magnetisch und seine Oberfläche mit Quecksilber benetzbar sein. Er kann einen magnetischen Kern 307 und nicht magnetische, mit Quecksilber benetzbare Oberflächen 308 aufweisen, die, wie aus Pig. I5 ersichtlich, auf den Kern 307 plattiert oder hierauf geschichtet sind; der Anker kann jedoch auch einen unmagnetischen Kern 309 sowie magnetische Schichten 400 aufweisen, die den Kern 309 umgeben, wobei die magnetischen Schichten 400 ihrerseits mit einer· rauhen Oberfläche aus schweißbarem Material, d^. Nickel, Kupfer o. dgl., dünn plattiert sind. In jedem Fall muß wenigstens eine der Schichten, aus denen der Anker hergestellt ist, einen erheblich geringeren Widerstand als Quecksilber aufweisen, um einen Nebenschluß bzw. einen Parallelweg vom Gehäuse zum Stationärkontakt Ic4 durch das Quecksilber hindurch zu schaffen. Der Stationärkontakt muß einen ausgesparten, mit Quecksilber benetzbaren Bereich

405 und einen diesen umgebenden, darüber hinausragenden Bereich

406 aufweisen, an den der Anker anschlägt. Hierdurch wird ein Ankleben vermieden. Die Außenschichten des Ankers können elektrochemisch ausgeschieden bzw. ausgefällt sein, und ebenso können die Kapillarnuten und Schlitze elektrochemisch geätzt sein.

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Claims (1)

1. Schützansprüche

   1. Quecksilberschalter, gekennzeichnet durch einen Sockel (10) land ein Kopfstück (11), die längs ihres Urafangs miteinander, beispielsweise mittels einer Schweißnaht (12) dicht verbunden sind und zwischen sich einen abgedichteten Hohlraum bilden, dessen Innenflächen, zumindest angenähert, parallel verlauren,

   durch einen innerhalb des Hohlraums vorgesehenen^ freischwimmenden Anker (17), der mit Quecksilber benetzbar und coplanar mit den Hohlrauminnenflächen angeordnet ist,

   durch im Hohlraum in einer solchen Menge vorgesehenes Quecksilber, daß es lediglich ausreicht, um eir.a dünne Quecksilherschicht auf dem Anker zu MJden, jedoch nicht genügt, or- eine Lache o. dgl. aus Quecksilber zu bilden, wobei der Anker vollständig schwimmend auf wenigstens einer Schicht des an den HohlrauminnenfläG.'nen angeordneten Quecksilbers gelagert ist und durch wenigstens eine ortsfeste Elektrode (14), die isoliert den Sockel und/oder das Kopfstück durchsetzt und bis zu einer Stelle nahe dem Anker verläuft.

   2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (17) eine Scheibe ist, die lediglich in der Nähe

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   ihres Umfangs schwimmend gelagert ist, und daß er Hohlraum zylindrisch ausgebildet ist und einen größeren Innendurchmesser als der Anker aufweist.

   3* Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum mit Gas unter ei...jm Druck von wenigstens etwa 7 kp/cm^ (lOO lbs/sq. inch) gefüllt ist.

   4. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daL der Anker (17) eine Spiralfeder mit mehreren Windungen (50) ist.

   5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (50) der Spiralfeder (17) einen solchen Abstand voneinander aufweisen, daß sie zwischen sich eine Quecksilberschicht zu halten vermögen.

   6. Schalter nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (50) der Spiralfeder (17) auf wenigstens einer ihrer Oberflächen eine spiralenförmige, mit Quecksilber benetzbare Kapillarnut aufweisen.

   7. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-t, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel iflo) und/oder das Kopfstück (11) aus magnetischem, mit Quecksilber nicht

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   benetzbarem Werkstoff bestehen.

   8* Schalter nach einem oiier mehreren der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Innenwände des Sockels (1O) und des Kopfstücks (11) mit Quecksilber benetzbare Vorsprünge aufweist, die bei Betätigung des Ankers (17) durch diesen bewegbar sind.

   9· Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Innenwände des Sockels (lo) und des Kopfstücks (11) mit Quecksilber benetzbare Schlitze aufweisen.

   10. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (lo8) eine Oberflächenschicht (308 bzw. 400) aus Metall aufweist,, die längs des Ankers einen wesentlich geringeren Widerstand als die Quecksilberschicht auf der Ankeroberfläche besitzt.

   11. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10 dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (I08) mehrschichtig ausgebildet ist.

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   12. Schalter natch einem oder mehreren der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stationärkontakt (14) magnetischen Werkstoff aufweist, der den Kontakt von außen nach innen durchsetzt.

   . Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
   beträgt

   daß der Gasdruck 14-17,5 kp/cra² (200-250 lbs/sq. inch)

   14. Schalter nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Wasserstoff ist.

   15. Anker für ein Quecksilber-Relais nach Anspruch 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Materialschicht vor= gesehen ist, die sich längs des Stroraflusses im Anker (1O8) erstreckt, und daß der Anker eine Quecksilberschicht aufweist, die pro Längeneinheit längs des Stromflusses einen größeren Widerstand als die Materialschicht besitzt.

   16. Anker für einen Quecksilberschalter nach Anspruch I5, gekennzeichnet durch eine aus mehreren Windungen gebildete Spiralfeder (I08) aus mit Quecksilber benetzbarem magnetischen Werkstoff und durch eine längs der Windungen (300) der Spiralfeder verlaufende, mit Quecksilber benetzbare Kapillarnut (302).

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   17. Quecksilberschalter nach Anspruch I5 oder 16, gekennzeichnet durch ein kapselartiges Gehäuse (E), das im wesentlichen aus einem Sockel und aus einem hiermit in Umfangsrichtung verschweißten Kopfstück besteht, durch einen im Gehäuse angeordneten Blattfederanker und durch innerhalb des Gehäuses angeordnetes Wasserstoffgas, das unter einem Druck von 14 kp/cm (200 lb/sq. in.) steht.

   18. Schalter nach Anspruch I7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker eine Scheibe und das Gehäuse bzw. der davon umschlossene Hohlraum zylindrisch ist.

   19. Spiralanker für ein Quecksilber-Relais nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer plattierten Oberfläche, die zur Vergrößerung der Anziehungskraft für Quecksilber aufgerauht ist.

   20. Schalter nach Anspruch l8 oder I9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe einen etwas geringeren Durchmesser als der Hohlraum aufweist und längs des Umfangs im Hohlrauminnern eine Hohlkehle (208) aus Quecksilber angeordnet ist, in welcher der Umfang der Ankerscheibe frei schwimmt.

   21. Quecksilber-Relais, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit Quecksilber benetzbaren Spiralanker, der als Feder bzw.

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   Blattfeder bebät.Lgbar ist, durch einen Hohlraum bzw. ein Gehäuse für den Anker, das einen an ihrem Umfang miteinander verschweißten Sockel sowie ein Kopfstück aufweist und aus mit Quecksilber nicht benetzbarem Werkstoff besteht, wobei die Oberfläche des Ankers und die Innenflächen des Sockels und des Kopfstücks wenigstens angenähert parallel verlaufen und einen derart geringen Abstand voneinander aufweisen, daß eine auf dem Anker vorgesehene Quecksilberschicht wenigstens bei Betätigung des Ankers die Innenflächen des Sockels und des Kopfstücks berührt, und durch mit Quecksilber benetzbare Kontakte (103* 1O4), die am Sockel und/oder Kopfstücke nahe dem Anker befestigt sind.

   22. Relais nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel und das Kopfstück aus magnetischem Werkstoff bestehen.

   23. Relais nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker zwischen dem Sockel und dem Kopfstück in der Quecksilberschicht schwimmt.

   24. Relais nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker zur Vergrößerung der Anziehungskraft für das Quecksilber eine aufgerauhte Oberfläche aufweist.

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   25· Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine konkave Schale aus widerstandsschweißbarem Metall, durch einen hierin angeordneten magnetischen Anker, der mit der Schale elektrisch verbunden ist, durch einen stationären Kontakt, durch einen isoliert durch die Schale von außen nach innen sich erstreckenden Isolator, den seinerseits der stationäre Kontakt durchsetzt, durch einen Verschluß aus widerstandsschweißbarem Metall, der längs des Umfangs der Schale an diese angeschweißt ist und mit dieser einen hermetisch abgedichteten Hohlraum bildet.

   26. Schalter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker eine Spiralfeder ist, deren Außendurchmesser im wesentlichen dem Innendurchmesser des Hohlraums entspricht und die an ihrem Umfang am Hohlraum befestigt ist.

   27. Schalter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker an seinem Umfang am Hohlraum befestigt ist.

   28. Schalter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum mit Hochdruckgas gefüllt ist.

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   29. Schalter nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Wasserstoff ist.

   30. Schalter nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas unter einem Druck von 17,5 kp/cm (250 psi) steht.

   31. Schalter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Anker und die Innenflächen des Hohlraums mit Quecksilber benetzbare Bereiche aufweisen und der Isolator mit Quecksilber nicht benetzbar ist und da.C innerhalb des Hohlraums eine derartige Quecksilbermenge vorgesehen ist, daß sie ausreicht, um eine dünne Quecksilberschicht auf den mit Quecksilber benetzbaren Flächen aufrechtzuerhalten, jedoch nicht ausreicht, um eine Quecksilberlache zu bilden, wodurch der Schalter lageunempfindlich ist.

   32. Schalter nach Anspruch 3I, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum mit Gas b
   (250 psi) gefüllt ist.

   ο der Hohlraum mit Gas bei einem Druck von etwa 17*5 kp/cm

   33. Schalter nach Anspruch }i, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker ein Diaphragma ist.

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   Schalter nach Anspruch Jl, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker an seinem Umfang im Hohlrauminnern befestigt ist.

   Schalter nach Anspruch ^l, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker eine Feder ist, die wenigstens mit ihrem
   einen Ende im Hohlraum befestigt ist.

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