EP0277909A1 - Vakuumschaltröhre - Google Patents

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EP0277909A1
EP0277909A1 EP88730021A EP88730021A EP0277909A1 EP 0277909 A1 EP0277909 A1 EP 0277909A1 EP 88730021 A EP88730021 A EP 88730021A EP 88730021 A EP88730021 A EP 88730021A EP 0277909 A1 EP0277909 A1 EP 0277909A1
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EP
European Patent Office
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solder
soldering
vacuum
vacuum interrupter
soft
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP88730021A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Gessner
Ernst-Ludwig Dr. Dipl.-Phys. Hoene
Roman Dr. Dipl.-Phys. Renz
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66207—Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66207—Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
    • H01H2033/66215—Details relating to the soldering or brazing of vacuum switch housings
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    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66207—Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
    • H01H2033/66223—Details relating to the sealing of vacuum switch housings

Definitions

  • the present invention relates to a vacuum interrupter according to the preamble of claim 1.
  • a vacuum interrupter is known for example from DE-AS 26 59 871.
  • Various solders with melting points between 605 ° C and 960 ° C with their suitability for soldering different materials of vacuum interrupters are specified as soldering material.
  • a melting point between 605 ° C and 835 ° C is listed as the "low" melting point.
  • the object on which the present invention is based consists in an inexpensive embodiment of a vacuum interrupter which is particularly suitable for series production. This object is achieved in a vacuum interrupter according to the preamble by the characterizing features of claim 1.
  • soft solders with a melting point below 400 ° C. can also be used for vacuum interrupters without the switching capacity or the service life being unduly reduced.
  • Soft soldering can be used particularly advantageously in contactor tubes for medium or low voltage.
  • the invention enables a particularly economically producible construction of vacuum switching tubes without pumping elements. Due to the soft soldering, the temperature load on the housing is reduced, mechanical stresses that arise during cooling after soldering are kept low. This enables the use of materials that are not thermally matched, without causing sealing problems. This enables a significant cost reduction.
  • the soft solder should have a melting point of at most about 300 ° C.
  • a highly pure tin solder is particularly suitable, since it has a very low vapor pressure at 300 ° C or a soft solder made of Sn50PbCu, the vapor pressure of which is below 10 ⁇ 13bar at 300 ° C. With these solders a vaporization of insulating housing parts can be avoided and thus ensure a very high insulation of the finished tube.
  • the soft solder is also suitable for metal-ceramic connections.
  • the soldering surfaces on the ceramic are advantageously metallized.
  • the coefficient of thermal expansion of the metal parts need not be matched to that of the insulating material parts. Rather, the soft solder can be plastically deformed to such an extent that different coefficients of thermal expansion are compensated for.
  • copper parts are easily soldered to ceramic parts, both butt soldering and flat soldering to the end face of the ceramic being possible.
  • Vacuum interrupters soldered according to the invention are advantageously designed without a pump stem.
  • the pump stem which is very sensitive to mechanical stress, is replaced by an insensitive soft solder joint. This considerably simplifies the construction and handling of the vacuum interrupter and reduces the risk of damage when handling the tube.
  • the strength of the soft soldering is also sufficient to solder the entire housing of vacuum interrupters. This leads to considerable cost savings, especially with the relatively cheap contactor tubes.
  • a method is advantageous in which the soft soldering is carried out in a vacuum free of oxide and flux and in which the soldering temperature is below 400 ° C. and the melting temperature of the solder is no longer than 100 ° C is lower than the soldering temperature and at which there is a pressure of less than 10 ⁇ 6bar during the soldering process.
  • silver-plated solder for example silver-plated tin solder
  • silver-plated tin solder is advantageously used. It is also advantageous to free the soldering areas and the solder from oxides immediately before the soldering.
  • the method is advantageously further developed by placing the soft solder in the form of a corrugated ring on the prefabricated vacuum interrupter and placing a lid on this solder ring and by evacuating several vacuum interrupters in one operation and soldering them tightly in a vacuum.
  • the copper parts be silvered before soft soldering.
  • a permanent and secure connection with ceramic parts is achieved by metallizing the ceramic parts before soft soldering.
  • the switching tubes are heated at only about 200 ° C. to 250 ° C. and that soft soldering is produced in the same operation.
  • Figure 1 shows a vacuum interrupter 1 schematically.
  • the contact bolts 2 and / or 3 can be moved in the direction of the arrow during the switching process.
  • a metal cover 4 is on an opening 5 in Soldered housing.
  • the metal cover 4 is mechanically only slightly loaded, this embodiment is also suitable, inter alia, for mechanically stressed vacuum interrupters.
  • the cover 4 can be a simple solder plug in an opening.
  • the solder 6 is advantageously introduced in the form of a corrugated solder ring 7 (FIG. 3). This leaves a gap to the interior of the tube during the evacuation process, the tube can be evacuated properly.
  • solder ring 9 instead of the corrugated solder ring 7, which is advantageously formed from a foil, another solder ring can also be used, provided that it leaves a sufficient cross section between the inner space 8 of the switching tube and the surroundings.
  • a solder ring 9 according to FIG. 5 can be used, which represents a ring sector.
  • the solder ring is accommodated in a bore 10 of the contact pin 11, which are connected to the interior 8 of the tube by narrower bores 12 and 13. This embodiment is particularly advantageous in the case of small tube types in which there are insufficient areas outside the contact bolt 11 for the attachment of a cover.
  • a metal cap 15 is butt-soldered onto a ceramic part 14 of the housing.
  • the solder joint 16 is made by means of soft solder.
  • the solder connection 16 can be designed as a V soft soldering.
  • a flat soldering according to FIG. 8 can also be used, it again being possible to use V-shaped soft solder seams 19 which connect the flange 18 to the end face of the ceramic part 14.
  • the connection advantageously takes place via a metal layer 20 which has previously been applied to the end face 21 of the ceramic part.
  • the housing of the vacuum interrupter is advantageously already prefabricated.
  • the housing can be made by means of conventional braze joints.
  • the heating and the soldering can then be carried out simultaneously on a whole series of vacuum interrupters in the same vacuum, without the need for special facilities.
  • a pressure of less than 10 ⁇ 7bar is recommended for soft soldering at 300 ° C.
  • copper is particularly suitable, as a insulating material is a ceramic that contains at least 80% Al2O3. This ceramic is preferably metallized in the area of the soldering areas.
  • the copper is advantageously silver-plated in order to avoid disruptive oxides.
  • Glass or porcelain can also be used as insulating materials in designs according to the invention.

Landscapes

  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

Am Gehäuse einer Vakuumschaltröhre ist zumindest ein Teil 4, welches den Innenraum der Röhre von der Umgebung trennt, mittels eines Weichlotes 6, dessen Schmelzpunkt unter 400°C liegt, vakuumdicht verlötet. Die Erfindung eignet sich für pumpstengellose Vakuumschaltröhren, insbesondere Schützröhren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Vakuum­schaltröhre ist beispielsweise aus der DE-AS 26 59 871 bekannt. Dort sind als Lötmaterial verschiedene Lote mit Schmelzpunkten zwischen 605°C und 960°C mit ihrer Eignung zum Löten verschie­dener Materialien von Vakuumschaltröhren angegeben. Dabei ist als "niedriger" Schmelzpunkt ein Schmelzpunkt zwischen 605°C und 835°C aufgeführt.
  • Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, be­steht in einer kostengünstigen und für eine Serienfertigung be­sonders geeigneten Ausführungsform einer Vakuumschaltröhre. Diese Aufgabe wird bei einer Vakuumschaltröhre gemäß dem Ober­begriff durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Gemäß einer Erkenntnis, die unserer Erfindung zugrundeliegt, lassen sich Weichlote mit einem unter 400°C liegenden Schmelz­punkt auch für Vakuumschaltröhren einsetzen, ohne daß die Schaltleistung oder die Lebensdauer unzulässig herabgesetzt wird. Insbesondere in Schützröhren für Mittel- oder Nieder­spannung läßt sich eine Weichlötung vorteilhaft einsetzen. Die Erfindung ermöglicht einen besonders wirtschaftlich her­stellbaren Aufbau von pumpstengellosen Vakuumschaltröhren. Durch die Weichlötung wird die Temperaturbelastung des Gehäuses herabgesetzt, mechanische Spannungen, die beim Erkalten nach der Lötung entstehen, werden gering gehalten. Dadurch wird der Einsatz von thermisch nicht angepaßten Materialien ermöglicht, ohne daß Dichtheitsprobleme auftreten. So ist eine erhebliche Kostenreduzierung möglich.
  • Das Weichlot soll dabei einen Schmelzpunkt von höchstens etwa 300°C besitzen. Insbesondere eignet sich ein hochreines Zinnlot, da dieses einen sehr geringen Dampfdruck bei 300°C besitzt oder ein Weichlot aus Sn₅₀PbCu, dessen Dampfdruck bei 300°C unter 10⁻¹³bar liegt. Mit diesen Loten läßt sich eine Bedamp­fung von isolierenden Gehäuseteilen vermeiden und somit eine sehr hohe Isolation der fertigen Röhre gewährleisten.
  • Das Weichlot eignet sich auch für Metall-Keramik-Verbindungen. Dabei sind die Lötflächen auf der Keramik vorteilhaft metalli­siert.
  • Bei einer Weichlotverbindung braucht der thermische Längenaus­dehnungskoeffizient der Metallteile nicht an den der Isolier­stoffteile angepaßt zu sein. Vielmehr läßt sich das Weichlot soweit plastisch verformen, daß unterschiedliche Temperatur­ausdehnungskoeffizienten ausgeglichen werden. So können z.B. unschwierig Kupferteile mit Keramikteilen weichverlötet werden, wobei sowohl eine Stumpflötung als auch eine flächige Verlötung mit der Stirnseite der Keramik möglich ist. Erfindungsgemäß verlötete Vakuumschaltröhren werden vorteilhaft ohne Pumpsten­gel ausgeführt. Der gegen mechanische Beanspruchung sehr emp­findliche Pumpstengel wird dabei eine unempfindliche Weichlötstelle ersetzt. Dies vereinfacht den Aufbau der Vakuum­schaltröhre und ihre Handhabung ganz erheblich und reduziert die Gefahr von Beschädigungen bei der Handhabung der Röhre.
  • Die Festigkeit der Weichlötung reicht auch zum Verlöten des ge­samten Gehäuses von Vakuumschaltröhren aus. Dies führt insbeson­dere bei den relativ billigen Schützröhren zu einer erheblichen Kostenersparnis.
  • Zur Herstellung von erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhren ist ein Verfahren vorteilhaft, bei dem die Weichlötung oxid- und fluß­mittelfrei im Vakuum erfolgt und bei dem die Löttemperatur unter 400°C liegt und die Schmelztemperatur des Lotes um nicht mehr als 100°C kleiner ist als die Löttemperatur und bei dem beim Lötvorgang ein Druck von weniger als 10⁻⁶bar herrscht. Bei die­sem Verfahren wird eine einwandfreie Lötung erreicht und ein störendes Abdampfen von Lotmetall unterbunden.
  • Um störende Oxidschichten auf dem Lot zu vermeiden, wird vor­teilhaft versilbertes Lot, beispielsweise versilbertes Zinnlot verwendet. Außerdem ist es vorteilhaft, die Lötflächen und das Lot unmittelbar vor der Lötung von Oxiden zu befreien.
  • Das Verfahren wird vorteilhaft weitergebildet, indem das Weich­lot in Form eines gewellten Ringes auf die vorgefertigte Vakuum­schaltröhre aufgelegt und auf diesen Lotring ein Deckel aufge­legt wird und indem mehrere Vakuumschaltröhren in einem Arbeits­gang evakuiert und im Vakuum dicht verlötet werden. Für hohe An­forderungen empfiehlt es sich, daß die Kupferteile vor dem Weich­löten versilbert werden. Eine dauerhafte und sichere Verbindung mit Keramikteilen wird erreicht, indem die Keramikteile vor dem Weichlöten metallisiert werden.
  • Bei erfindungsgemäßen Röhren reicht es aus, daß die Schaltröhren bei nur etwa 200°C bis 250°C ausgeheizt werden und daß im selben Arbeitsgang die Weichlötung hergestellt wird.
  • Die Erfindung wird nun anhand von acht Figuren näher erläutert. Sie ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Beispiele be­schränkt.
    • Die Figuren 1 bis 5 zeigen Ausführungsformen mit einem Metall­deckel, der auf eine Gehäuseöffnung aufgelötet ist.
    • Die Figuren 6 bis 8 zeigen Beispiele für Lötverbindungen zwi­schen Metallteilen und Isolierstoffteilen des Gehäuses.
  • Die Figur 1 zeigt eine Vakuumschaltröhre 1 schematisch. Die Kon­taktbolzen 2 und/oder 3 können beim Schaltvorgang in Pfeilrich­tung bewegt werden. Ein Metalldeckel 4 ist auf eine Öffnung 5 im Gehäuse aufgelötet. Der Metalldeckel 4 ist mechanisch nur wenig belastet, diese Ausführungsform eignet sich unter anderem auch für mechanisch stark beanspruchte Vakuumschaltröhren. Der Dek­kel 4 kann dabei ein einfacher Lötpfropfen in einer Öffnung sein. Für größer Schaltröhren weist er vorteilhaft die Gestal­tung der Figur 2 auf. Dabei ist das Lot 6 vorteilhaft in Form eines gewellten Lotringes 7 eingebracht (Fig. 3). Dadurch bleibt beim Evakuierungsvorgang ein Spalt zum Innenraum der Röhre er­halten, die Röhre kann einwandfrei evakuiert werden. Anstelle des gewellten, vorteilhaft aus einer Folie gebildeten Lotringes 7 kann auch ein anderer Lotring verwendet werden, sofern er einen ausreichenden Querschnitt zwischen dem Innenraum 8 der Schaltröhre und der Umgebung freiläßt. Zum Beispiel kann ein Lotring 9 gemäß Figur 5 eingesetzt werden, welcher einen Ring­sektor darstellt. Gemäß Figur 4 ist der Lotring in einer Boh­rung 10 des Kontaktbolzens 11 untergebracht, die durch schma­lere Bohrungen 12 und 13 mit dem Innenraum 8 der Röhre in Ver­bindung stehen. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei kleinen Röhrentypen vorteilhaft, bei denen außerhalb des Kon­taktbolzens 11 keine ausreichenden Flächen für die Anbringung eines Deckels vorhanden sind.
  • Gemäß Figur 6 ist auf ein Keramikteil 14 des Gehäuses eine Me­tallkappe 15 stumpf aufgelötet. Die Lötverbindung 16 ist mit­tels Weichlot hergestellt. Ebenso die Lötverbindung 17 zum festen Kontaktbolzen 11.
  • Die Lötverbindung 16 kann gemäß Figur 7 als V-Weichlötung aus­geführt sein. Anstelle der Stumpflötung gemäß Figur 6 kann auch eine Flachlötung gemäß Figur 8 eingesetzt werden, wobei wieder V-förmige Weichlotnähte 19 eingesetzt werden können, die den Flansch 18 mit der Stirnfläche des Keramikteiles 14 verbindet. Die Verbindung erfolgt vorteilhaft über eine Metallschicht 20, die vorher auf die Stirnfläche 21 des Keramikteiles aufgebracht ist.
  • Für die Ausführungsformen die Figuren 1 bis 5 ist vorteilhaft das Gehäuse der Vakuumschaltröhre bereits vorgefertigt. Dabei kann das Gehäuse mittels üblicher Hartlotverbindungen herge­stellt sein. Das Ausheizen und das Löten kann dann an einer ganzen Serie von Vakuumschaltröhren gleichzeitig im selben Vakuum erfolgen, ohne daß hierfür besondere Einrichtungen nötig wären. Bei dieser Ausführungsform empfiehlt sich ein Druck von weniger als 10⁻⁷bar für eine Weichlötung bei 300°C.
  • Als Material für die Metallteile eignet sich insbesonder Kupfer, als Isolierstoff eine Keramik, die zumindest 80% Al₂O₃ enthält. Diese Keramik wird vorzugsweise im Bereich der Lötflächen metal­lisiert. Vorteilhaft wird das Kupfer versilbert, um störende Oxide zu vermeiden.
  • Auch Glas oder Porzellan können als Isolierstoffe in erfindungs­gemäßen Aufbauformen eingesetzt werden.

Claims (15)

1. Vakuumschaltröhre, in der das Gehäuse aus elektrisch nicht leitenden Teilen und aus Metallteilen zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Vakuumschaltröhre, welches den Innenraum der Röhre von der Umgebung trennt, mittels eines Weichlotes, dessen Schmelzpunkt unter 400°C liegt, vakuumdicht verlötet ist.
2. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Weichlot einen Schmelzpunkt von höchstens etwa 300°C besitzt.
3. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Weichlot ein hochreines Zinn­lot ist.
4. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 2, da­durch gekennzeichnet, daß das Weichlot ein Sn₅₀PbCu-Lot ist, dessen Dampfdruck bei 300°C kleiner ist als 10⁻¹³bar.
5. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse be­reits in an sich bekannter Weise vorgefertigt ist, daß eine Gehäuseöffnung vorgesehen ist, die durch einen Deckel verschlos­sen ist und daß dieser Deckel mittels Weichlot aufgelötet ist.
6. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß sie Metall-Kera­mik-Verbindungen enthält, die mittels Weichlot hergestellt sind.
7. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­durch gekennzeichnet, daß die Temperatur­koeffizienten des Metallteils und des mit ihm verlöteten Iso­lierstoffteils nicht aneinander angepaßt sind.
8. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­durch gekennzeichnet, daß sie keinen Pump­stengel enthält.
9. Verfahren zur Herstellung einer Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­net, daß die Weichlötung oxid- und flußmittelfrei im Vakuum erfolgt, daß die Löttemperatur unter 400°C liegt, daß die Schmelztemperatur des Lotes um nicht mehr als 100°C kleiner ist als die Löttemperatur und daß beim Lötvorgang ein Druck von we­niger als 10⁻⁶bar herrscht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­zeichnet, daß versilbertes Lot verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötflächen und das Lot unmittelbar vor der Lötung von Oxiden befreit werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Weichlot in Form eines gewellten Ringes auf die vorgefertigte Vakuumschaltröhre und darauf der Deckel aufgelegt wird und daß mehre Vakuumschalt­röhren in einem Arbeitsgang evakuiert und im Vakuum dicht ver­lötet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Kupferteile vor dem Weichlö­ten versilbert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikteil vor dem Weich­löten metallisiert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltröhre bei nur etwa 200°C bis 250°C ausgeheizt wird und daß im selben Arbeitsgang die Weichlötung hergestellt wird.
EP88730021A 1987-02-04 1988-01-29 Vakuumschaltröhre Withdrawn EP0277909A1 (de)

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