-
Elektrische Schaltvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf elektrische
Schalter und Relais, insbesondere auf solche, bei denen eine leitende Flüssigkeit,
beispielsweise Quecksilber, als kontaktmachender Teil benutzt wird.
-
Die Erfindung bezweckt, die Wirksamkeit und Lebensdauer von Schaltern
mit einer Flüssigkeit als Kontaktmaterial zu erhöhen, die Ansprechgeschwin@digkeit
zu vergrößern, die Konstruktion zu vereinfachen und derartige Schalter in anderer
Hinsicht zu verbessern.
-
Es ist allgemein bekannt, daß Quecksilber bei seiner Verwendung als
kontaktmachendes Mittel bei elektrischen Einrichtungen, bestimmte Vorteile gegenüber
festem Kontaktmaterial besitzt. Beispielsweise bildet Quecksilber bei jeder der
aufeinanderfolgendenKontaktschließungen eine frische Oberfläche, .und es ist nicht
dem Abbrand und der Korrosion unterworfen, wodurch die Brauchbarkeit fester Kontaktmittel
allmählich, herabgesetzt wird. Mit Rücksicht auf diese Vorteile sind bereits zahlreiche
Ausführungen von Quecksilberschaltern entwickelt worden. Diese lassen sich im allgemeinen
in zwei Gruppen, unterteilen. Bei der einen wird der Behälter gekippt oder in anderer
Weise bewegt, um eine Lageänderung der in dem Behälter enthaltenen Quecksilbermenge
herbeizuführen und hierdurch die. gewünschten Verbindungen zu öffnen oder zu schließen.
Bei der anderen Gruppe wird ein Anker oder ein anderer beweglicher Teil in eine
Quecksilbermenge hereingezogen oder -gedrückt, wodurch die freie Oberfläche des
Quecksilbers in Berührung mit Elektroden gebracht wird, über die der Stromkreis
vervollständigt wird. Zur Auslösung eines derartigen Schalters kann eine Feder vorgesehen
sein, durch die der Anker aus dem
Quecksilber herausgezogen wird,
wenn die Erregerstromquelle abgeschaltet wird, oder die Auftriebskraft des OOuecksilbers
kann zur Zurückführung des Ankers benutzt werden. Bei diesen bekannten Schaltern
ist es jedoch erforderlich, entweder die gesamte Quecksilbermenge oder einen beträchtlichen
Teil derselben von einem Teil des Schalters zu einem anderen zu bewegen: daher ist
ihre Ansprechgeschwindigkeit verhältnismäßig klein, und der Wirkungsgrad- ist niedrig
im Vergleich zur anderen. Relais- und Schalterkonstruktion, insbesondere solchen
mit festen Kontakten.
-
Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile der früheren Schaltvorrichtungen;
überwunden, gleichzeitig aber alle Vorteile eines flüssigen Kontaktmittels beibehalten,
und zwar mittels eines Schalters; bei dem der bewegliche Schalterteil aus festem
Material, beispielsweise Eisen, besteht und bei dem die :ganze Antriebskraft für
die Bewegung des Schalterteiles zur Verfügung steht und bei dem ferner eine Speisung
derKontaktpunkte mit Quecksilber dauernd aufrechterhalten wird, ohne für diesem
Zweck irgendeinen Teil der Antriebsenergie des Schalters aufwenden zu müssen.
-
Im einzelnen besteht ein Merkmal der Erfin-Jung in einem Schalter
mit einem geschlossenen Behälter, der einen beweglichen magnetischen Anker enthält,
der einen beweglichen Schaltkontakt aus irgendeinem festen leitenden Material, zweckmäßig
einem solchen, an dein Quecksilber leicht anhaftet, trägt. Der Behälter enthält
ferner einen oder mehrere ortsfeste Kontakte aus ähnlichem festen Material, mit
denen der bewegliche Kontakt in oder außer Berührung gebracht wird, wenn der Anker
in dem magnetischen Feld, das von einer außerhalb des Behälters angeordneten Spule
erzeugt wird, bewegt wird. Ferner enthält der Behälter eine geringe Quecksilbermenge,
um auf den miteinander in Berührung kommenden. Oberflächen der beweglichen und festem:
Kontakte dauernd einen Film oder eine Schicht von Quecksilber aufrechtzuerhalten.
Zu diesem Zweck wird die Kapillarwirkung ausgenutzt, indem einer der festen Kontakte
so angeordnet wird, daß ein Teil von ihm oder ein Ansatz dauernd. in das Quecksilber
eintaucht und als Docht wirkt, durch den etwas Quecksilber zu den miteinander in
Berührung kommenden Kontaktflächen gesogen wird, die :in verhältnismäßig großer
Entfernung oberhalb der Oberfläche des Quecksilbers angeordnet sind. Ein Teildes
so zu den. Oberflächen des einen Kontaktes geleiteten Quecksilbers wird zu der Fläche
des Gegenkontaktes dadurch übertragen, daß diese beiden Kontaktflächen. bei der
Kontaktschließung miteinander in Berührung kommen. Auf diese Weise werden die Vorteile
eines bei allen Stromkreisschließungen und -öffnungen erzielt, ohne daß ein Teil
der Antriebsenergie zur Bewegung der Oueaksilbermas:se verbraucht wird.
-
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden
ausführlichen Beschrebung an Hand der Zeichnungen hervor.
-
Fig. i und 2 stellen Längsschnitte eines die Merkmale der Erfindung
aufweisenden Schalters oder Relais in der -Ruhestellung dar; -Fig.3 zeigt dasselbe
Relais in der Arbeitsstellung ; Fig. 4 ist ein. Querschnitt längs der Linie 4-4
in Fig. 2; Fig. 5 ist eine vergrößerte schaubildliche Darstellung des Ankers und
des beweglichen Kontaktes; Fig.6 ist eine schaubildliche Darstellung des ganzen
Relais einschließlich der Betätigungseinrichtung; Fig. 7 bis i i zeigen Längsschnitte
durch eine andere Form des Relais, wobei 'Stromkreise sowohl in der Ruhe- als auch
in ,der .Arbeitsstellung geschlossen sind; Fig.7 und 8 sind zwei zueinander senkrechte
Längsschnitte des Relais in der,Ruhestellung; Fig. 9 zeigt das Relais in der Arbeitsstellung;
Fig. io ist eine vergrößerte schaubildliche Darstellung des Ankers und des beweglichen
Kontaktes; Fig. ii stellt einen Querschnitt längs der Linie i i- i i in Fig. 7 dar;
Fig. 12, bis 17 zeigen eine dritte Form des Relais; Fig, 12 und 13 sind zwei zueinander
senkrechte Längsschnitte des Relais in seiner Ruhestellung; Fig. 14 zeigt das Relais
in der Arbeitsstellung; Fig. 15 ist eine vergrößerte Draufsicht auf den Anker und
den beweglichen Kontakt; Fig. 16 ist eine schaubildliche Darstellung des Ankers
und des beweglichen Kontaktes; Fig. 17 ist eine schaubildliche Darstellung des gesamten
Relais einschließlich der Betätigungseinrichtung.
-
Die Erfindung ist nicht auf einen Schalter oder ein Relais bestimmter
Größe beschränkt, es sei aber erwähnt, daß dies Relais besonders gut brauchbar für
elektrische Anlagen ist, die mit verhältnismäßig schwachen Strömen zu tun haben,
beispielsweise mit solchen Strömen, wie sie im allgemeinen in Fernsprech- oder Telegraphenanlagen
benutzt werden. Zu diesem Zweck kann das Relais sehr kleine Abmessungen besitzen,
und es sei darauf hingewiesen, daß die Zeichnungen das Relais in bedeutend vergrößertem
Maßstab darstellen, um die Konstruktion deutlicher darstellen zu können.
-
Das in Fig. i bis 6 dargestellte Relais enthält einen Betätigungsteil,
der aus einem !Behälter in Form einer Glasröhre r und einem elektromagnetischen
Anker :2 besteht. Der Anker :2 besteht aus einem Streifen von verhältnismäßig dünnem
magnetischem Material, das zur Anpassung an die Innenwandung der Röhre i zylindrisch
geformt ist. Der Anker 2 ist durch Schweißen oder auf andere Weise mit dem unteren
Ende einer Elektrode 3 verbunden, die in das obere Ende der Glasröhre i eingeschmolzen
ist. Das andere Ende des Ankers :2 trägt den beweglichen Kontakt 4, der mit dem
Anker aus einem .Stück besteht und in irgendeiner geeigneten Weise so geformt ist,
daß er eine kontaktmachende Fläche 5 bildet, die mit dem festen Kontakt in Berührung
gebracht werden kann.
-
Das obere Ende des Ankers 2 ist mit einer Reihe von Querschlitzen
17 versehen, die einen federnden
Teil bilden, der eine Bewegung
des Ankers unter dem Einfluß des magnetischen Feldes ermöglicht und der auch die
Rückführung des Ankers in seine Ruhestellung bewirkt.
-
Der feste Kontakt 6, mit dem der bewegliche Kontakt 4 zusammenarbeitet,
erstreckt sich durch den Boden der Röhre i und ragt um ein beträchtliches Stück
über die Grundfläche des Röhreninnern hinaus, der innerhalb der Röhre befindliche
Teil 7 des Kontaktes 6 ist etwas abgeflacht, wie aus Fig.2 ersichtlich ist, um seine
Fläche zu vergrößern, und das obere Ende dieses abgeflachten Teiles stellt die kontaktmachende
Oberfläche 8 dar, mit der die kontaktmachende Oberfläche 5 des beweglichen Kontaktes
4 in und außer Berührung gebracht wird.
-
An dem Boden der Röhre i befindet sich eine kleine Ouecksilbermengeg,
die,den festen Kontakt 6 umgibt. Der Pegel des Quecksilbers ist jedoch im Vergleich
zu dem aus dem Quecksilber herausragenden Teil des Kontaktes 6 verhältnismäßig niedrig.
Die Oberfläche des Quecksilbers liegt also beträchtlich unterhalb des Endes des
beweglichen Kontaktes 4, so daß dieser nicht in das Quecksilber eintaucht und durch
dieses bei seiner Bewegung zu und von der Kontaktfläche des festen Kontaktes nicht
behindert wird. Der abgeflachte Teil 7 des festen Kontaktes, der aus dem Quecksilber
herausragt, dient als Docht, indem durch Kapillarwirkung etwas Quecksilber nach
oben gesogen und die ganze Oberfläche des Kontaktteiles 7 mit einem dünnen Film
der Flüssigkeit bedeckt wird. Diese Quecksilberschicht, die in Fig. i und 3 besonders
dargestellt ist, bedeckt dauernd die kontaktmachende Fläche 8 des festen Kontaktes.
Ferner wird durch das wiederholte Inberührungkommen des beweglichen Kontaktes mit
dem festen Kontakt etwas Quecksilber auf die Kontaktfläche 5 des beweglichen Kontaktes
übertragen, wo es sich ablagert und einen ähnlichen Flüssigkeitsfilm bildet. Auf
diese Weise sind beide Kontaktflächen 5 und 8 dauernd mit einer Quecksilberschicht
versehen.
-
Die magnetische Betätigungseinrichtung des Relais, die in Fig.6 dargestellt
ist, enthält eine Spule io, die auf einen in der Zeichnung nicht sichtbaren Kern
aufgewickelt ist. iAn dem Kern sind in geeigneter Weise magnetische Polteile i i
und 12 befestigt, deren andere Enden rechtwinklig abgebogen sind und die Polstücke
13 und 14 bilden. Diese Teile werden durch ein nichtmagnetisches Stück 15 in Stellung
gehalten, das sich über die Polstücke 13 und 14 erstreckt und als Halter für die
Röhre i dient. Wenn die Röhre i in den Halter hineingesteckt wird, legt sich der
Vorsprung 16 an der Röhre i gegen die Oberfläche des Teiles 15 und hält den Anker
2 in Linie mit dem durch die Polstücke 13 und 14 gebildeten Luftspalt.
-
Zum Einschalten des Relais wird ein Stromkreis für die Erregung der
Spule io geschlossen. Der von den Polstücken 13 und 14 erzeugte magnetische Flux
zieht den magnetischen Anker 2 aus der in Fig. i dargestellten Stellung in die in
Fig. 3 dargestellte Stellung. Wenn -der Anker 2 seine Arbeitsstellung annähernd
erreicht hat, kommt die mit Quecksilber bedeckte Fläche 5 mit der ebenfalls mit
Quecksilber bedeckten Fläche 8 in Berührung, wodurch -der Stromkreis geschlossen
wird. Unmittelbar darauf wird die Bewegung des beweglichen Kontaktes durch den festen
Kontakt 6 gehemmt, und der federnde Teil des Ankers 2 federt durch und bewirkt so
eine feste Berührung zwischen dem beweglichen und festen Kontakt. Wenn die Erregerspule
io aberregt wird, bringt der federnde Teil des Ankers 2 den Anker und den beweglichen
Kontakt in die Ruhestellung zurück.
-
Jede Stromkreisschließung wird also durch Inberührungkommen zweier
Flüssigkeitsflächen bewirkt, ohne daß es hierfür erforderlich ist, auch nur einen
kleinen Teil -der Antriebskraft -des Relais zur Bewegung des Quecksilbers aufwenden
zu müssen. In der Arbeitsstellung des Relais halten die Flüssigkeitsflächen einen
guten elektrischen Kontakt aufrecht, und sie verhindern eine kurzzeitige Unterbrechung,
falls die festen Kontaktteile Schwingungen unterworfen werden. Auch jede Stromkreisöffnung
wird durch Außerberührungkommen einer mit Quecksilber beschichteten Fläche mit einer
anderen bewirkt. Ein Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß die festen Kontaktteile
4 und 6 gegen Zerstörung durch Funkenbildung geschützt werden, indem jede Stromkreisschließun-und
Unterbrechung durch den Quecksilberfilm bewirkt wird.
-
Das in Fig. 7 bis II dargestellte Relais stimmt mit dem oben beschriebenen
insofern überein, als es ebenfalls die Dochtwirkung zur Aufrechterhaltung einer
Quecksilberschicht auf den kontaktmachenden Oberflächen benutzt. Die zugeschmolzene
Glasröhre 18 ist mit einem Anker ig versehen, der an der Elektrode 2o durch Schweißen
oder auf andere Weise befestigt ist. Wie bei dem vorher beschriebenen Relais ist
der Anker ig an seinem oberen Ende mit Querschlitzen 21 versehen, die einen federnden
Teil bilden. Das untere Ende des Ankers dagegen ist als schmaler, mit ihm aus einem
Stück bestehender Kontaktstreifen 23 ausgebildet, der gefaltet und in der aus Fig.
i i ersichtlichen Weise so geformt ist, daß er einen nach unten ragenden .Dochtteil
und einen Kontaktteil mit zwei kontaktmachenden Flächen 24 und 25 bildet. Diese
kontaktmachenden Flächen arbeiten mit den festen Kontakten 26 und 27 zusammen, die
beide im oberen Ende der Röhre 18 eingeschmolzen sind. In der Ruhestellung des Ankers
ig steht die Fläche 24 des beweglichen Kontaktes mit dem festen Kontakt 26 in Berührung,
wodurch ein für gewöhnlich geschlossener Stromkreis über das Relais hergestellt
ist. In der Arbeitsstellung des Ankers kommt die Fläche 25 des beweglichen Kontaktes
mit dem festen Kontakt 27 in Berührung, wodurch ein anderer Stromkreis über das
Relais geschlossen wird.
-
Der nach unten ragende Teil des beweglichen Kontaktes 23 taucht dauernd
in das Quecksilber 28 ein und dient als Docht, durch den das Quecksilber durch Kapillarwirkung
zu den kontaktmachenden Flächen 24 und 25 gesogen wird. Das Quecksilber
breitet
sich selbst als Film über die ganzen Flächen 2q. und 25 aus, und es wird von dort
auf die kontaktmachenden Flächen an den unteren Enden der festen Kontakte 26 und
27 -dadurch übertragen, daß diese Flächen zeitweise mit den Flächen 24 und 25 in
Berührung kommen.
-
Die magnetische Betätigungseinrichtung für das Relais in Fig. 7 bis
io kann die gleiche sein wie die in Fig. 6 dargestellte. Wenn die Spule io aberregt
ist, nimmt der Anker i9 seine Ruhestellung ein, und es ist dann ein Stromkreis über
das Relais geschlossen, der von der Elektrode29 über das Quecksilber 28, den beweglichen
Kontakt 23 und den festen Kontakt 26 verläuft. Wenn die Erregerspule io erregt wird,
wird der (Anker ig aus seiner Ruhestellung (Fig. 7) in seine Arbeitsstellung (Fig.
9) gebracht, und -der Stromkreis über das Relais wird nun von dem festen Kontakt
26 auf den festen Kontakt 27 umgeschaltet.
-
Das in den Fig. 12 bis 17 dargestellte Relais enthält einen Behälter
3o, der durch Zusammenschweißen von zwei Teilen aus irgendeinem geeigneten, nichtmagnetischen
Metall hergestellt ist; falls erwünscht, kann für den oberen Teil auch ein anderes
Material, beispielsweise nichtrostender Stahl, benutzt werden. Der Oberteil ist
durch eine Masse 31 'aus nichtleitendem Material, beispielsweise Glas, abgeschlossen.
Der Anker 32 ist mit Lagerzapfen 33 und 34 (Fig. 15 und 16) versehen, die in Ausbuchtungen
35 und 36 an der Verbindungsstelle der beiden Hälften des Behälters 30 eingreifen.
-(Ein an der Oberfläche des Ankers 32 befestigter Kontaktstreifen bildet eine mit
dem festen Kontakt 38 in der einen Stellung des Ankers in Berührung kommende, kontaktmachende
Fläche 37 und eine mit dem festen Kontakt 40 in der anderen Stellung des Relais
in Berührung kommende zweite Kontaktfläche 39. Der Kontaktstreifen weist einen nach
unten ragenden Teil 41 auf, der in das Quecksilber 42 eintaucht und als Docht zum'
Ansaugen des Quecksilbers zu den Kontaktflächen 37 ,und 38 wirkt. Das Quecksilber
42 befindet sich in einer kleinen kugelförmigen Höhlung im Boden des Halters 3o.
Die verschiedenen Teile des Ankers 32 sind so bemessen, daß der Anker für gewöhnlich
in der in Fig. 12 dargestellten Stellung in Berührung mit dem festen Kontakt 40
steht.
-
Der nach unten ragende Arm 52 ruht auf der Oberfläche des Quecksilbers
und wirkt,der Neigung des Quecksilbers entgegen, den eingetauchten Docht 41 herunterzuziehen
und die (Stellung des ,Ankers zu ändern. Der feste Kontakt 3-8 ist als Röhre dargestellt
und kann zum Entlüften des Behälters 30 benutzt werden. Der Kontakt 38 kann aber
auch ebenso wie der Kontakt 4o als fester Teil ausgebildet sein, und die Röhre kann
auf andere Weise entlüftet werden.
-
Eine geeignete magnetische Betätigungseinrichtung für :das in Fig.
ia bis 16 dargestellte Relais zeigt Fig. 17. Sie besteht aus einer Erregerspule
43, die auf einen Kern gewickelt ist, an den die magnetischen Teile 44 und 45 befestigt
sind; der nichtmagnetische Teil 46 dient .dazu, die verschiedenen Teile in Stellung
zu halten. Als Halter für den Behälter 30 dient eine nichtmagnetische Platte
47. Wenn das Relais in die magnetische Betätigungseinrichtung eingebaut ist, ruht
der Flansch 48 des Behälters 3o auf der Halteplatte 47, wodurch die Stellung des
Ankers 32 in bezug auf die Polstücke 49 und 50 festgelegt wird.
-
In der Ruhestellung des Ankers verläuft ein Stromkreis von -dem Behälter
30 über das Quecksilber42, den Dochtteil41 des Ankers zu dem festen Kontakt
40. Wenn die Spule 43 -erregt wird, wird durch den von den Polstücken 49 und 5o
erzeugten Flux der Anker um seine Lagerstelle in die in Fig. 14 .dargestellte Stellung
bewegt. Der Stromkreis über das Relais verläuft dann vom -dem Behälter
30 über das Quecksilber 42 und den Anker 32 zu dem festen Kontakt 38.
-
Bei allen beschriebenen Relaiskonstruktionen wird die Kapillarwirkung
ausgenutzt, um eine Schicht oder einen Film von Quecksilber auf den kontaktmachenden
Flächen der festen und beweglichen Kontakte aufrechtzuerhalten. Die Kapillarwirkung
kann dadurch verbessert werden, daß der Dochtteil aus bestimmten Stoffen, beispielsweise
Platin, Nickel und Kupfer, hergestellt wird oder mit diesen Stoffen beschichtet
wird und indem ein träges Gas in den Behälter eingeführt wird, um eine Korrosion
der Kontaktflächen zu verhindern. ;Auf diese Weise ist es also möglich, die Vorteile
flüssiger Kontakte zu erzielen, ohne irgendeinen Teil der Antriebskraft des Relais
hierfür aufwenden zu rriüssen. Dieses Merkmal ist besonders wichtig, weil es sich
um kleine Betätigungsströme handelt, wie sie beispielsweise in Fernsprech- und Telegraphenanlagen
in Betracht kommen.
-
Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf diedargestellten
Ausführungsformenbeschränkt ist. Die Röhren können beispielsweise in verschiedenen
Formen und Größen hergestellt werden; der ;Anker kann in seinen Abmessungen und
in seiner Form anders ausgeführt sein, ebenso die Form und Anordnung der festen
und beweglichen Kontakte. Auch die magnetische Betätigungseinrichtung kann zahlreiche
Abweichungen aufweisen. Ferner kann die Röhre oder der Behälter mit einem geeigneten
Gas gefüllt sein, um die Lebensdauer der Kontakte zu erhöhen und die Arbeitsweise
des Relais zu verbessern.