EP0660354B1

EP0660354B1 - Vakuumschaltkammer

Info

Publication number: EP0660354B1
Application number: EP94120029A
Authority: EP
Inventors: Dietmar Gentsch; Joseph H.F.G. Lipperts
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1994-12-17
Publication date: 1997-11-19
Anticipated expiration: 2014-12-17
Also published as: JPH07254330A; EP0660354A3; EP0660354A2; US5510592A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 (US-A- 4 880 947).
Eine Vakuumschaltkammer der eingangs genannten Art besitzt üblicherweise einen rohrförmigen Körper aus lierkeramik, an dessen Stirnenden metallische Abschlußdeckel befestigt sind. Die Befestigung erfolgt durch Auflöten, wobei zuvor die Stirnflächen des rohrförmigen Isolierkörpers metallisiert sind. Im Inneren der Schaltkammer sind ein festes und ein bewegliches Kontaktstück vorgesehen, die an je einem Stengel befestigt sind, die die Deckel vakuumdicht durchgreifen, wobei zwischen einem der Deckel und dem Stengel des beweglichen Kontaktstückes ein die Bewegung des Stengels zulassender metallischer Faltenbalg angeordnet ist.
Eine derartige Vakuumschaltkammer besitzt ein verhältnismäßig großes Bauvolumen. Die unterschiedlichen nungskoeffizienten von Metall und Keramik erzeugen nungen, die wegen des großen Bauvolumens nicht zu vernachlässigen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumschaltkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Bauvolumen verringert und die Anzahl der für das Verschließen der Vakuumschaltkammer erforderlichen Teile verringert ist. Außerdem soll die elektrische Spannungsfestigkeit in Luft oder einem Isoliergas, z. B. SF₆, erhöht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß also umfaßt der Isolierkörper wenigstens ein topf- oder napfförmiges Teilelement, dessen Boden radial nach innen gezogen ist und dort jeweils eine kleine Öffnung aufweist, durch die die Haltestangen oder Stengel für das feststehende und das bewegliche Kontaktstück hindurchgeführt sind. Der Übergang vom Boden zum zylindrischen Abschnitt ist bogenförmig ausgebildet.
Die Bogenform ist dadurch bestimmt, daß der Bogen möglichst parallel zu den gekrümmten elektrischen Feldlinien verläuft. Ausgehend von der Form der Elektroden und der Schirmgeometrie wird die Struktur des elektrischen Feldes nach bekannten Methoden, z. B. nach dem Liebmann-Verfahren berechnet. Die so ermittelte Struktur ist maßgebend für die Form des Keramikkörpers, insbesondere also für die Bogenform. Diese Bogenform wird durch Rotationskörper der Kegelschnitte oder durch Kombination von Abschnitte von innen, angenähert, beispielsweise durch eine elliptische, parabolische oder eine Hyperbelform. Die Äquipotentiallinien stehen dann senkrecht auf der Oberfläche der bogenförmigen Abschnitte. Auch wird dadurch der Durchmesser, an dem die Lötverbindungen zwischen Stengel bzw. Faltenbalg und Keramik gebildet sind, erheblich reduziert; dadurch wird auch der thermische Dehnungsunterschied entsprechend verringert. Aus dem größeren Abstand der metallischen Teile aufgrund der Böden wird die elektrische Spannungsfestigkeit erheblich vergrößert. Auch wird durch die Napf- oder Glockenform eine elektrische Feldüberhöhung, wie sie an den scharfen Kanten der bekannten zylindrischen Schaltkammergehäuse auftritt, vermieden.
Zwar ist es bekannt, den Isolierkörper napfförmig auszubilden, wobei der Isolierkörper an einem Ende nach innen gezogen ist und den fest angeordneten Stengel umfaßt, siehe DE-OS 37 18 531, SU 280 604, US-PS 4 880 947.
Nicht dargestellt ist bei allen diesen Druckschriften ein in einer Bogenform nach innen gezogener Boden; bei der Ausführung nach der DE-OS 37 18 531 ist der Boden kegelstumpfförmig praktisch ohne Übergang an dem zylindrischen Abschnitt angeschlossen; bei der Ausführung nach der US-PS 4 880 947 und der SU 280 604 sind die Übergänge zwischen dem radial verlaufenden Boden und dem zylindrischen Abschnitt mehr oder weniger eckig dargestellt. Die Oberfläche des Isolierkörpers bei allen diesen Ausführungen ist aber nicht so gestaltet, daß sie möglichst parallel zu den gekrümmten elektrischen Feldlinien verläuft. Demgemäß ist die Spannungsfestigkeit bei allen diesen Ausführungen gering.
Wenn das Schaltkammergehäuse aus zwei axial geteilten Gehäuseteilen zusammengesetzt ist, dann kann jedes Gehäuseteil napfförmig mit einem radial nach innen gezogenen Boden versehen sein. Zur Montage werden dann die beiden Gehäuseteile mit ihren freien Stirnflächen gegeneinandergerichtet fest verbunden, beispielsweise verlötet.
Eine ähnliche Ausgestaltung ist auch aus der SU 280 604 bekannt geworden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Faltenbalg mittels eines an der Außenfläche des Bodens angebrachten Befestigungsringes mit dem benachbarten Gehäuse verbunden sein.
Bei einer Alternative kann der Faltenbalg mit seiner seinem freien Ende benachbarten Seitenflanke an der Innenfläche des Bodens des benachbarten Gehäuseteiles vorzugsweise unter Zwischenfügung einer Lötfolie befestigt sein.
Der das feste Kontaktstück halternde Stengel kann gemäß einer Ausführung nach Anspruch 5 einen radial vorspringenden Randbord aufweisen, mit dem er gegen die Außenfläche des Bodens und des Gehäuseteils angeschlagen und daran mittels einer Lötfolie befestigt ist. Zusätzlich kann auf der dem festen Kontaktstück zuweisenden Seite des das feste Kontaktstück halternden Stengels ein Zentrierabschnitt vorgesehen sein, der an den Randbord schließt, wobei der Außendurchmesser des Zentrierabschnittes dem Innendurchmesser der Öffnung entspricht.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Faltenbalg eine die Öffnung am Gehäuseteil durchgreifende Verlängerung aufweisen, die so bemessen ist, daß sie aus der Öffnung herausragt. Zur Halterung ist ein Befestigungsring vorgesehen, der an der Bodenfläche auf der Außenseite des Gehäuseteils und an dem aus der Öffnung herausragenden Abschnitt der Verlängerung festgelötet und daran vakuumdicht befestigt ist.
Anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:

Fig. 1: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltkammer, in matischer Darstellung, und
Fig. 2 und 3: je eine Teilschnittansicht zweier weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

Eine Vakuumschaltkammer 10 besitzt ein Schaltkammergehäuse 11, welches aus zwei Gehäuseteilen 12 und 13 zusammengesetzt ist. Die Gehäuseteile 12 und 13 sind an ihren aufeinander zugewandten Stirnflächen 14 und 15 unter Zwischenfügung eines Ringsteges 16 miteinander verbunden, der die Innenfläche der Gehäuseteile 12 und 13 radial nach innen überragt. Zwischen dem Ringsteg 16 und den Stirnflächen 14 und 15 ist jeweils eine Lötfolie vorgesehen (nicht gezeigt) und die Stirnflächen 14 und 15 sind metallisiert. An der Innenkante des Ringsteges 16 ist ein Schirmzylinder 17 befestigt, dessen freie Enden 18 und 19 U-förmig nach innen abgebogen sind. Die Gehäuseteile 12 und 13 besitzen an den den Stirnflächen 14 und 15 entgegengesetzten Enden einen radial nach innen gezogenen Gehäuseboden 20 und 21, der jeweils eine Öffnung 22 und 23 umschließt, wobei an den jeweiligen Außenflächen der Gehäuseböden 20 und 21 ein die Öffnung 22 bzw. 23 umschließender absatzförmiger, axialer Vorsprung 24 und 25 angeformt ist. Selbstverständlich kann der Schirm auf jede andere Weise in dem Schaltkammergehäuse 11 befestigt sein. Dies ist für die Erfindung von geringer Bedeutung.
Durch die Öffnung 22 greift ein Stengel 26 (auch Haltestange 26 genannt) hindurch, an dessen innerem Ende ein festes Kontaktstück 27 befestigt ist. Durch die Öffnung 23 greift ein weiterer Stengel 28 (auch Haltestange 28 genannt) hindurch, an dessen innerem Ende ein bewegliches Kontaktstück 29 befestigt ist.
Der Stengel 26 besitzt einen radial vorspringenden Randbord 30, dessen Außendurchmesser größer als der Innendurchmesser der Öffnung 23 ist. Mit diesem Randbord 30 ist der Stengel 26 von außen gegen den Vorsprung 25 gelegt und daran mittels einer Lötfolie 31 befestigt. Die freie, äußere Fläche des Vorsprunges 25 ist dabei metallisiert. An den Randbord 30 schließt sich nach innen eine Zentrierleiste 32 an, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Öffnung 22 entspricht. Durch das Festlöten des Randbordes 30 ist die Öffnung 22 vakuumdicht abgeschlossen. Auch wird dadurch eine gute mechanisch belastbare Befestigung des Stengels 26 am Gehäuseteil 12 sichergestellt. Auf der Innenseite ist ein ringförmiger Formkörper 52 aus Metall vorgesehen, der am Stengel 26 befestigt ist und die Keramik-Metallanbindung des Stengels 26 am Gehäuseteil 11 verstärkt. Die Befestigung erfolgt mittels eines zwischen dem Stengel 26 und dem Formkörper 52 vorgesehenen, nicht gezeigten Lötringes, wobei der nach Erstarren des Lotes und Abkühlung der Abstand zwischen dem Randbord 30 und dem Formkörper 52 verringert, so daß eine Art Aufschrumpfeffekt entsteht, durch den der Bodenbereich um die Öffnung 22 herum zwischen Formkörper 52 und Randbord 30 festgepreßt wird.
An der ebenfalls metallisierten freien, äußeren Stirnfläche des Vorsprunges 24 ist ein im Querschnitt etwa L-förmiger Befestigungsring 33 unter Zwischenfügung einer Lötfolie 34 befestigt, wobei der Befestigungsring 33 einen zylinderförmigen Abschnitt 35 und einen radial verlaufender Kragen 36 aufweist; der zylinderförmige Abschnitt 35 durchgreift die Öffnung 23 und der radiale Kragen 36 ist unter Zwischenfügung der Lötfolie 34 am Vorsprung 24 befestigt. In den zylinderförmigen Abschnitt 25 greift ein zylindrischer Kragen 37 eines Faltenbalges 38 ein, dessen innerhalb der Vakuumschaltkammer 10 befindliches, ebenfalls einen zylinderförmigen Kragen 39 aufweisendes Ende an einer Verdickung 40 des Stengels 28 befestigt ist. Die Verbindung zwischen dem Kragen 37 und dem zylinderförmigen Abschnitt 35 des Befestigungsringes 33 erfolgt durch Schweißverbindung; die Befestigung des zylinderförmigen Kragens 39 des Faltenbalges an der Verdickung 40 erfolgt ebenfalls durch Verschweißung. Selbstverständlich kann auch hier eine Lötung möglich sein. Durch die Lötverbindung zwischen dem radialen Kragen 36 und dem Vorsprung 24, dem zylindrischen Kragen 37 und dem zylinderförmigen Abschnitt 35 sowie des zylinderförmigen Kragens 39 und der Verdickung 40 ist auch hier eine vakuumdichte Verbindung und Abdichtung erzeugt. Die Böden 20 und 21 sind an der Zylinderwand 41 und 42 der Gehäuseteile 12 und 13 über einen bogenförmigen Abschnitt 43 und 44 verbunden.
Man erkennt, daß gegenüber einer herkömmlichen Vakuumschaltkammer aufgrund der bogenförmigen Abschnitte 43 und 44 eine große Überschlaglänge zwischen dem Kragen 36 und dem Steg 16 bzw. dem Bord 30 und dem Steg 16 erzeugt ist. Dadurch kann das Bauvolumen verringert werden. Aufgrund des nach innen gezogenen Bodens 20 und 21 können die bei rein zylindrischen Schaltkammergehäusen vorzusehenden Abschlußdeckel entfallen und zumindest an der Befestigungsstelle des Randbordes 30 an dem Boden 27 kann eine Lötfolie entfallen. Aufgrund der kleineren Durchmesser der Durchführung der Metallteile, also der Stengel 26 und 28 sind die mechanischen Eigenspannung in der Keramik-Metallverbindung reduziert und da weniger Teile vorgesehen sind, die Montage- und Lagerkosten insgesamt reduziert.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist an der an die Öffnung 23 anschließenden Innenfläche 50 eine Seitenflanke 51 des Faltenbalges 38 befestigt, wobei der zylinderförmige Kragen 37 als Zentrierung ins Innere der Öffnung 23 eingreift. Zu diesem Zweck wird dieser Innenflächenbereich 50 metallisiert und mit der Seitenflanke 51 des Faltenbalges 38 mittels einer nicht näher dargestellten Lötfolie verbunden. Die Befestigung des Faltenbalges 28 ist so wie in Fig. 1 dargestellt.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 wird zusätzlich noch der Befestigungsring 33 der Ausführung nach Fig. 1 eingespart. Bei der Befestigung des Faltenbalges 38 in der Öffnung 23 ist anstatt einer kurzen Verlängerung eine solche axiale Verlängerung 53 vorgesehen, die die Öffnung 23 durchgreift und auf der Außenseite der Öffnung des Gehäuseteils 13 herausragt. Auf die Außenseite des Vorsprunges 24 wird ein Ring 54 aufgelegt, wobei zwischen dem Ring 54 und dem Vorsprung 24 eine Lötfolie vorgesehen ist. Die Innenfläche des Ringes 54 umgreift die Verlängerung 53 außerhalb der Öffnung 23, ebenfalls unter Zwischenfügung von nicht näher dargestelltem Lötmittel. Wenn die Vakuumschaltkammer fertig gelötet ist, dann ist der Ring 54, der aus Metall besteht, an dem Gehäuseteil 13 und an der Verlängerung 53 befestigt. Daß die Außenfläche des Vorsprunges 24 zuvor metallisiert worden ist, ist selbstverständlich.

Claims

Vakuumschaltkammer (10) mit einem annähernd zylindrischen Schaltkammergehäuse (11) aus Isolierstoff, vorzugsweise aus Keramik, in den an einem axialen Ende ein ein feststehendes Kontaktstück (27) tragender und am anderen axialen Ende ein bewegliches Kontaktstück (29) tragender Stengel (26,28) hineingreifen und mit einem am Schaltkammergehäuse (11) angebrachten Faltenbalg (38), der einenends am Schaltkammergehäuse (11) und anderenends am Stengel (28) für das bewegliche Kontaktstück (29), diesen umschließend, befestigt ist, wobei wenigstens ein Ende des Schaltkammergehäuses einen radial nach innen gezogenen Boden (20, 21) aufweist, der jeweils eine Öffnung (23, 22) umschließt, durch die der jeweilige Stengel (26, 28) nach innen hindurchgreift, dadurch gekennzeichnet, daß der radial nach innen gezogene Boden (20, 21) derart bogenförmig an den zylindrischen Abschnitt anschließt daß der Bogen annähernd parallel zu den gekrümmten Feldlinien verläuft.
Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, bei dem das Schaltkammergehäuse aus zwei axial geteilten Gehäuseteilen zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gehäuseteil (12, 13) napfförmig einen radial nach innen gezogenen Boden (20, 21) aufweist und daß die beiden Gehäuseteile (12, 13) mit ihren freien Stirnflächen (14, 15) gegeneinandergerichtet fest verbunden sind.
Vakuumschaltkammer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faltenbalg (38) mittels eines an der Außenfläche des Bodens (21) angebrachten Befestigungsringes mit dem benachbarten Gehäuseteil (13) vakuumdicht verbunden ist.
Vakuumschaltkammer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faltenbalg (38) mit seiner seinem freien Ende benachbarten Seitenflanke (51) an der Innenfläche des Bodens (21) des benachbarten Gehäuseteils vorzugsweise unter Zwischenfügung einer Lötfolie befestigt ist.
Vakuumschaltkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der das feste Kontaktstück (27) halternde Stengel (26) einen radial vorspringenden Randbord (30) aufweist, mit dem er gegen die Außenfläche des Bodens (20) des Gehäuseteils (12) angeschlagen und daran mittels einer Lötfolie (31) befestigt ist.
Vakuumschaltkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem festen Kontaktstück (27) zuweisenden Seite des das feste Kontaktstück (27) halternden Stengels (26) ein Zentrierabschnitt (32) an den Randbord (30) anschließt, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Öffnung (22) entspricht.
Vakuumschaltkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Faltenbalg (38) eine die Öffnung (23) am Gehäuseteil (13) durchgreifende Verlängerung (53) aufweist, die aus der Öffnung (24) herausragt, und daß ein Befestigungsring (54) vorgesehen ist, der an der Bodenfläche auf der Außenseite des Gehäuseteils (13) und an dem aus der Öffnung herausragenden Abschnitt der Verlängerung (53) festgelötet und daran vakuumdicht befestigt ist.