DE824811C

DE824811C - Quecksilberkontaktvorrichtung

Info

Publication number: DE824811C
Application number: DEP28907A
Authority: DE
Inventors: Charles Eugene Pollard Jun
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1947-09-19
Filing date: 1948-12-31
Publication date: 1951-12-13
Also published as: GB646117A; NL70005C; US2473693A; CH278395A; FR964631A; BE482168A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 13. DEZEMBER 1951

p 28907 VIII b I 21 c D

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Schließung oder Unterbrechung von Stromkreisen und insbesondere auf eine relaisarfcige Vorrichtung, deren Kontakte mit Quecksilber benetzt sind.

Die Erfindung hat zum Ziel, ein sehr empfindliches und rasch arbeitendes Relais mit von Quecksilber benetzten Kontakten zu schaffen.

Erfindungsgemäß besteht das den Relaisanker bildende Element aus einem kleinen dünnen Täfelchen aus magnetischem Material, das durch dias Quecksilber in Schwebe gehalten wird und keine mechanische Verbindung mit irgendeinem anderen Teil der Vorrichtung hat, mit Ausnahme seiner Funktion, Kontakt mit einer Elektrode herzustellen, wenn es erregt wird'.

Das Relais hat die Form einer geschlossenen Hülle, die am Boden ein Quecksilberbad enthält.

Von diesem Bad aus ist ein Quecksilberdocht in Form eines Paares paralleler, mit Quecksilber benetzter Drähte hochgeführt, die genügend nahe beieinanderliegen, so daß Quecksilber auf Grund der Kapillarwirkung bis zu dien oberen Enden der Drähte steigt. Diese Drähte endigen in zwei flachen parallelen Platten, die etwas kleiner als der Anker sind, der durch die Kraft der Quecksilberoberflächenspannung zwischen den Platten in Schwebe bleibt und in seiner Lage gehalten wird. Oberhalb oder an einer oder beiden Seiten der Ankerplatte ist bzw. sind Elektroden, angeordnet, mit denen der Anker in Kontakt kommt, wenn er durch magnetische Kraft veranlaßt wird, in seiner Oberflächenebene durch das Quecksilber zu gleiten. Dank dieser Mittel kann die Masse des Ankers außerordentlich klein sein, so daß seine Rückstellkraft von der Oberflächenspannung des tragenden Quecksilbers in Er-

gänzung des eigenen Gewichtseinflusses abhängig sein muß. Wegen der außerordentlich geringen Größe des beweglichen magnetischen Teils bildet sein Gewicht nur einen geringen Bruchteil der wirksamen Rückstellkraft. Da die Masse sehr klein ist, wird die Bewegung sehr rasch und die Empfindlichkeit groß sein. Wegen der Ausbildung des Ankers als dünne flache Platte, die sich in der Ebene ihrer eigenen Oberfläche bewegt, wird die Reibungsdämpfung des Quecksilbers klein sein, und da nur eine geringfügige Quecksilbermenge in Bewegung kommt, wird die Masse des verlagerten Quecksilbers nicht zur Masse des Ankers-hinzukommen.

Die vom Quecksilber ausgeübte Oberflächenspannungskraft hängt ab von dem Winkel, unter welchem der Quecksilbermeniskus mit der metallenen Oberfläche in Berührung steht; sie wirkt daher wie eine Feder, deren Spannungszunahme in einer nichtlinearen Beziehung zur Verschiebung steht.

ao Wenn also die Ankerplatte sich in ihrer normalen Lage befindet, wird die gleichwertige Federkraft Null sein, da sie an allen vier Kanten der Platte ausgeglichen ist. Sobald jedoch die Platte durch eine magnetische Kraft nach aufwärts bewegt wird, wird

»5 die äquivalente Federkraft in einer charakteristischen exponentialen Form zunehmen, so daß keine weitere Kraft ausgeübt wird, nachdem der Meniskus bis zu einem Punkt auseinandergezogen ist, wo seine obere Kante praktisch parallel zur Plartenebene verläuft. Aus diesem Grund wird das Relais weit empfindlicher als ein Relais, bei welchem der Anker unter dem Einfluß einer üblichen Feder mit der üblichen linearen Charakteristik steht.

Andererseits und aus dem gleichen Grunde sind die beiden die Quecksilberdbchtfäden nach oben abschließenden Platten aus sehr dünnem Material mit scharfen Kanten hergestellt und etwas größer gehalten als die Stützplatte. Aufgabe dieser Platte besteht darin, den Quecksilbermeniskus an einer Aysbreitung über eine horizontal benetzte Oberfläche zu verhindern bis zu einem Punkt, wo seine kapillare Anziehungskraft auf solche Fläche Null wird. Hierdurch wird die vom Quecksilber ausgeübte Spannung auf beiden Seiten der Platte auf dem gleichen Wert gehalten, so daß die Ankerplatte fest zwischen den Platten gehalten· wird, und zwar im gleichen Abstand' von beiden.^

Ein Kennzeichen der Erfindung kann daher in der Kombination von drei sehr dünnen, magnetisehen und mit Quecksilber benetzbaren Platten gesehen werden, deren Zwischenräume eine Quecksilberfüllung aufweisen, wodurch das zwischen den Platten stehende Quecksilber am Ausfließen gehindert wird.

Als ein anderes Kennzeichen der Erfindung kann gelten, daß ein Mittel verfügbar gemacht ist, um einen Anker in seiner Lage zu halten und auf denselben eine Rückzug- oder Rückstellkraft mit nichtlinearer Charakteristik auszuüben, wobei eine Be- hinderung der Ankerbewegung entfällt, sobald die Rückstellkraft nach einer anfänglichen geringen Bewegung des Ankers überwunden ist.
In der Zeichnung zeigt

Fig. ι und Fig. 2 stark vergrößerte Teilansichten der Kontaktanordnung, wobei Fig. 1 den Anker in seiner normalen Ruhestellung und Fig. 2 in seiner Ansprechstellung erkennen lassen,

Fig. 3 ein Kurvenbild, welches die Tatsache veranschaulicht, daß die auf den Anker wirkende Rückstellkraft nichtlinear ist,

Fig. 4 und Fig. 5 Schnittbilder von der Kontaktanordnung, und zwar Fig. 4 Vorderansicht und Fig. 5 Seitenansicht der Ankeranordnung,

Fig. 6 ein der Fig. 4 ähnliches Schnittbild einer Kontaktanordnung, wobei der Anker zwei Kontaktpolen gegenüberliegt,

Fig. 7 und Fig. 8 eine ähnliche Anordnung eines neutralen, polarisierten Relais, dessen Anker sich nach Wunsch nach beiden Seiten bewegen läßt, um mit dem einen oder dem anderen Pol in Berührung zu kommen, normalerweise aber in der neutralen Lage steht,

Fig. 9 eine vergrößerte Teilansicht, die erkennen läßt, wie ein Relais, dessen Anker normalerweise an einem rückwärtigen Kontaktpol anliegt, wie ein übliches Überstromrelais arbeiten kann, um dabei an. einem vorderen Kontaktpol zur Anlage zu kommen,

Fig. 10 eine andere Ausführungsform, bei welcher der Anker abweichend von den anderen Ausführungen mit quadratischer Ankerform rechteckig ist, und zwar zu noch näher zu erläuternden Zwecken,

Fig. 11 die perspektivische Darstellung einer abgeschlossenen, in einem Solenoid untergebrachten Kontaktvorrichtung.

Die·Kontaktvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Glashülle 1, in welcher ein Paar aus magnetischem Material bestehender Drähte 2 und 3 am Boden eingeschmolzen und durch ein Quecksilberbad 4 nach oben hindurchgeführt sind. Die Drähte 2 und 3 liegen genügend eng beieinander, um einen Kapillarweg für das Quecksilber zu bilden, welches auf diesem Weg bis zur Ankeranordnung emporsteigt. Letztere besteht aus einem Paar Platten 5 und 6, die oben an den Drähten 2 und 3 befestigt, z. B. angelötet sind. Auf den Platten 5, 6 ist je eine der dünnen Platten 7 und 8 aus magnetischem Material befestigt. Alle diese Teile sind mit Quecksilber leicht benetzbar, und daher wird der ¹¹Q Spalt zwischen den Platten 7 und 8 mit Quecksilber gefüllt. In der Mitte zwischen den Platten 7 und 8 wird eine sehr kleine und dünne Platte 9 gehalten, und zwar durch die Oberflächenspannung des Quecksilbers, d'ie durch seinen Meniskus an den Kanten der verschiedenen Platten zur Entstehung kommt. Auf diese W'eise hält die Oberflächenspannung die Ankerplatte 9 fest in der aus Fig. 1 und 4 ersichtlichen Stellung.

In geringem Ahstand oberhalb der oberen Kante der Platte 9 befindet sich ein Rohr 10, an welchem ein rechtwinklig zur Ebene der Ankerplatte 9 verlaufender Kontaktpol 11 befestigt ist. Wenn das Solenoid, in welchem die in Fig. 4 und 5 dargestellte Einheit eingebaut ist, erregt wird, dann wird sich der Anker 9 nach oben bewegen und mit

dem Kontaktpol 11 in Berührung kommen, wie es Fig. 2 veranschaulicht. Dieser Kontaktpol 11 wird ebenfalls mit Quecksilber benetzt, so daß ein Kontakt im wesentlichen, wie in Fig. 2 gezeigt, zustände kommt.

Es sei bemerkt, daß der Ankerteil 9 sehr kleine Ausmaße hat; es handelt sich um ein quadratisches Plättchen aus magnetischem Material in der Größe von etwa 3,2 X 3,2 mm mit einer Dicke von etwa 0,075 mm und einem Gewicht von weniger als 5 mg. Wegen dieses geringen Gewichtes wird die Rückstellkraft des Ankers praktisch von der Oberflächenspannung des Quecksilbers bestritten, während das Eigengewicht nur einen kleinen Bruchteil dieser Rückstellkraft ausmacht.

Es sei außerdem darauf hingewiesen, daß die Rückstellkraft von dem Winkel abhängt, unter welchem der Meniskus des Quecksilbers die Oberfläche des Ankerteils 9 trifft. Das ist in Fig. 3 veranschaulicht. Wenn sich der Anker bewegt, stellt sich der Meniskus mehr nahezu parallel zur Ankeroberfläche ein, so daß die Rückstellkraft R baldi ihr Maximum erreicht, oberhalb welchem sie nicht wächst, und zwar ungeachtet der Größe der Ankerbewegung D. Das steht in scharfem Gegensatz zur Verwendung einer Rückstellfeder, deren Rückstellkraft normalerweise direkt proportional der Federl >ewegung ist.

Die dünnen Platten 7 und 8 sind vorgesehen, um die Oberflächenspannung des Quecksilbers festzulegen, damit der Ankerteil zuverlässig in ihrer Mitte gehalten wird.

Dank dieser Bauweise ist die Ankerbewegung außerordentlich schnell, und das Relais ist sehr empfindlich.

In Fig. 6 ist eine ähnliche Anordnung gezeigt, deren Abweichung darin besteht, daß zwei Kontaktpole 12 und 13 vorgesehen sind, die an die im Glaskolben ι eingeschmolzenen Drähte 14 und¹ 15 angeschlossen sind.

In Fig. 7 und 8 ist eine Kontaktvorrichtung gezeigt, bei welcher der Ankerteil 9 veranlaßt werden kann, sich entweder nach links zum Kontaktpol 16 oder nach rechts zum Kontaktpol 17 zu bewegen. *5 Die Kontaktpole 16 und 17 sind je an einem der Drähte 18 und 19 befestigt, die oben durch die Glashülle 20 hindurchgeführt und an der Durchführungsstelle eingeschmolzen sind.

Es ist nicht erforderlich, daß die beiden Drähte 2 und 3 im Boden der Hülle 1 durchgeführt und eingeschmolzen sind. Einer von ihnen kann innerhalb der Einschmelzstelle endigen; nach einer anderen Ausführungsmöglichkeit braucht keiner der Drähte für einen elektrischen Anschluß eingerichtet zu sein, und zwar in dem Fall, wo der Stromkreis zwischen Drähten 14, 15 durch den Anker 9 geschlossen werden soll.

Fig. 9 zeigt die Teilansicht einer Ausführungsform, bei welcher der Anker 9 normalerweise an dem Kontaktpol 21 anliegt, aber von letzterem zum Kontaktpol 22 bewegt werden kann, um auf diese Weise wie eine übliche Überstromanordnung zu arbeiten.

Fig. 10 stellt eine vergrößerte Teilansicht dar, bei welcher die Platte 23, die Platte 24 und der Anker rechteckig-längliche Form haben, um dadiurch zu verhindern, daß der Anker sich während seiner Bewegung schief einstellt.

In Fig. 11 ist eine zugeschmolzene Kontaktvorrichtung 26 der erläuterten Art in ein Solenoid 29 eingebaut, so daß bei Erregung des Solenoids ein Stromkreis zwischen den Elektroden 27 und 28 geschlossen wird.

Claims

Patentansprüche:

ι. Quecksilberkontaktvorrichtung, insbesondere für Relaiszwecke, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer ein Quecksilberbad enthaltenden Hülle ein Quecksilberdocht angeordnet ist und an seinem freien; Endle ein Paar in geringem Abstand voneinander liegende Platten trägt, und daß zwischen den Dochtplatten eine dünne magnetische Ankerplatte von im wesentlichen gleicher Gestalt, aber mit größerer Fläche liegt, welche durch die Oberflächenspannung des zwischen den Dochtplatten befindlichen Quecksilbers in Schwebe gehalten wird und mit einer oder mehreren in der Hülle angeordneten Elektroden zusammenwirkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Quecksilberbad einen Kontakt der Vorrichtung bildet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. jede feste Elektrode von einem eigenen in die Hülle eingeschmolzenen Träger aus magnetischem Material gehalten, wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker mit Bezug auf die feste Elektrode oder die festen Elektroden so angeordnet ist, daß er normalerweise mit der oder dien festen Elektroden nicht in Berührung steht.
5. Vorrichtung nach "einem der Ansprüche 1

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker ^1O5 mit Bezug auf die feste Elektrode oder die festen Elektroden so angeordnet ist, daß er normalerweise mit der oder einer festen Elektrode in Berührung steht.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Elektrode bzw. die festen Elektroden in der Oberflächenebene der Ankerplatte liegen.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der "5 von dem am Boden der Hülle befindlichen Bad ausgehende Quecksilber docht nach oben weist, wobei das Plattenpaar das obere Ende des Dochtes bildet, und daß die feste Elektrode bzw. die festen Elektroden oberhalb der Ankerplatte iao liegen und eine im wesentlichen lineare, senkrecht zur Ankerebene verlaufende Kontaktfläche aufweisen.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die 1*5 im wesentlichen quadratische Ankerplatte eine

Fläche von. etwa io mm², eine Stärke von etwa 0,075 ^min ^un& ^e'ⁿ Gewicht von weniger als 5 mg hat.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Ver einigung mit einer Spule, welche bei Erregung ein magnetisches Feld erzeugt und dadurch die Ankerplatte unter Vergrößerung der Quecksilberoberflächenspannung in die gewünschte Kontaktstellung überführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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