EP1045419B1 - Elektrodenanordnung für elektrische Einrichtungen mit Flüssigmetall - Google Patents

Elektrodenanordnung für elektrische Einrichtungen mit Flüssigmetall

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EP1045419B1
EP1045419B1 EP00106491A EP00106491A EP1045419B1 EP 1045419 B1 EP1045419 B1 EP 1045419B1 EP 00106491 A EP00106491 A EP 00106491A EP 00106491 A EP00106491 A EP 00106491A EP 1045419 B1 EP1045419 B1 EP 1045419B1
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EP
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liquid metal
electrode arrangement
arrangement according
intermediate layer
electrode
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EP00106491A
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Matthias A. Fenner
Suzette Rolle
Peter Terhoeven
Frank Richarz
Andreas Krätzschmar
Thomas Weber
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Eaton Industries GmbH
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Moeller GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H29/00—Switches having at least one liquid contact
    • H01H29/02—Details
    • H01H29/04—Contacts; Containers for liquid contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H87/00—Protective devices in which a current flowing through a liquid or solid is interrupted by the evaporation of the liquid or by the melting and evaporation of the solid when the current becomes excessive, the circuit continuity being reestablished on cooling

Definitions

  • the invention relates to an electrode assembly for electrical devices with liquid metal according to the preamble of claim 1, in particular for self-recovering current-limiting devices.
  • a current limiting device which contains two electrodes of solid metal, which are formed flat to the interior of the current-limiting device, and which are separated by pressure-resistant insulating bodies. Within the insulating body partially filled, one behind the other compressor spaces are formed by insulating partitions with liquid metal, which are interconnected via filled with liquid metal connection channels of the intermediate walls. Thus, in normal operation, there is a continuous internal conductive connection between the electrodes via the liquid metal. In current limiting case, the liquid metal is suddenly displaced from the connecting channels due to the high current density. Thus, the electrical connection of the electrodes is interrupted via the liquid metal, which leads to the limitation of the short-circuit current.
  • the connecting channels fill again with liquid metal, whereupon the current limiting device is ready for operation again.
  • DE 40 12 385 A1 is mentioned as a medium above the liquid level vacuum, inert gas or an insulating liquid.
  • publication SU 1 094 088 A is given as a good conductive material for the electrodes copper. It is known from document DE 26 52 506 A1 to use gallium alloys, in particular GaInSn alloys, in movable contact devices. This document also describes that outer terminal elements are clamped to inner contact elements including a coating of liquid metal.
  • US Pat. No. 3,670,282 discloses a generic electrode arrangement for liquid metal electrical devices, wherein two cylindrical electrodes made of solid metal are provided for connection to an external circuit whose opposite lateral surfaces are held at a radial distance by a sleeve-shaped insulating body.
  • One of the electrodes is electrically connected with its inner surface via an intermediate layer of liquid metal with a protector of solid material and with the liquid metal, wherein the solid material in relation to the material of the electrode is both diffusion resistant to the liquid metal and the intermediate layer and erosion resistant to arcing influences. Due to the protector surrounded on all sides by the liquid metal, only a cylinder piston serving to compensate for the evaporation pressure is protected from the effects of arcing.
  • the invention is therefore an object of the invention to effectively counter the diffusion, corrosion and erosion of wetted by the liquid metal inner surfaces of the electrodes.
  • an electrode assembly is proposed, which ensures an excellent electrical connection between the electrode and protector through the intermediate layer, without the need for technologically complex bonding techniques for the different materials of the electrode on the one hand and the protector on the other hand.
  • Tungsten, molybdenum, vanadium, nickel, tantalum, titanium, rhenium, chromium or their alloys are advantageously used for the solid material of the protector.
  • the use of stainless steels, especially those with a high CrNi content, is advantageous.
  • An advantageous development of the invention is that on the inner surface of a material layer is applied, which protects the remaining electrode material (generally copper) to a high degree against diffusion and corrosion by the liquid metal of the intermediate layer.
  • the remaining electrode material generally copper
  • the material layer against the harmful effects of the liquid metal Tungsten, molybdenum, nickel, chromium or their alloys are advantageously proposed for this material layer.
  • the material layer can be applied by electroplating or plating, for example.
  • the protector is not subject to any special mechanical requirements. It can be suitably designed as a thin plate or as sufficiently thick film.
  • the intermediate space has a high level. This results in a favorable current distribution in front of the electrode, which can be used to reduce the remaining liquid metal and thus the construction volume of the current-limiting device.
  • GaInSn alloys as the liquid metal to be used are easy to handle by their physiological safety.
  • An alloy of 660 parts by weight of gallium, 205 parts by weight of indium and 135 parts by weight of tin is liquid under normal pressure of 10 ° C to 2000 ° C and has sufficient electrical conductivity.
  • the invention does not preclude the use of other low melting point liquid metals, such as rose or wood metal.
  • Fig. 1 is partially upwardly and broken away from the broken and to the right current limiting device, as it is known for example from the publication SU-922 911 invention.
  • the current-limiting device surrounded on all sides by an insulating body 2 and partly filled with liquid metal 3, only the left-hand side is shown and designated 1.
  • the electrode assembly 1 includes a copper electrode 4 which transitions into an outer lead 6.
  • the electrode 4 is coated on its inner surface 8 with a thin layer of material 10.
  • the material layer 10 in the example consists of galvanized tungsten and protects the electrode 4 from diffusion of the electrode material into liquid metal and corrosion of the inner surface 8 by the liquid metal.
  • a protector 14 is disposed while leaving a gap 12.
  • the protector 14 is made of a material having both a sufficient diffusion resistance to the liquid metal 3 and a sufficient arc resistance.
  • the protector 14 closes the gap 12 tightly against the liquid metal 3 and in the example consists of a stainless steel plate with high relative proportions of chromium and nickel.
  • the liquid intermediate layer 16 has a high level compared to the rest of the liquid metal 3, ie, the liquid level 18 of the intermediate layer 16 is substantially higher than the liquid level 19 of remaining liquid metal.
  • the electrode assembly 1 is largely free of adverse material erosions and changes, as they occur in known electrode arrangements of liquid metal-containing electrical devices through the liquid metal and arcing occurring.

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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Organic Insulating Materials (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für elektrische Einrichtungen mit Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere für selbsterholende Strombegrenzungseinrichtungen.
  • Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine Strombegrenzungseinrichtung bekannt, die zwei zum Inneren der Strombegrenzungseinrichtung eben ausgebildete Elektroden aus Festmetall enthält, die durch druckfeste Isolierkörper getrennt sind. Innerhalb der Isolierkörper sind durch isolierende Zwischenwände mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinander liegende Verdichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüssigmetall ausgefüllte Verbindungskanäle der Zwischenwände verbunden sind. Damit besteht im Normalbetrieb über das Flüssigmetall eine durchgehende innere leitende Verbindung zwischen den Elektroden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der hohen Stromdichte schlagartig das Flüssigmetall aus den Verbindungskanälen verdrängt. Damit ist die elektrische Verbindung der Elektroden über das Flüssigmetall unterbrochen, was zur Begrenzung des Kurzschlußstromes führt. Nach Abschaltung oder Beseitigung des Kurzschlusses füllen sich die Verbindungskanäle wieder mit Flüssigmetall, worauf die Strombegrenzungseinrichtung emeut betriebsbereit ist. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird als Medium über dem Flüssigkeitsspiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt. In der Druckschrift SU 1 094 088 A ist als gut leitendes Material für die Elektroden Kupfer angegeben. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei beweglichen Kontakteinrichtungen Gallium-Legierungen, insbesondere GaInSn-Legierungen zu verwenden. In dieser Druckschrift wird auch beschrieben, daß äußere Anschlußelemente an innere Kontaktelemente unter Einschluß eines Überzugs aus Flüssigmetall angeklemmt sind.
  • Sowohl im Normalbetrieb durch Diffusion oder Korrosion als auch im Begrenzungsfall durch Lichtbogenerosion gelangt Elektrodenmaterial von den Innenflächen der Elektroden in das Flüssigmetall, was in nachteiliger Weise in erster Linie zu einer allmählichen Auflösung der Elektrodeninnenflächen bis hin zum Lochfraß sowie in zweiter Linie zur Verunreinigung des Flüssigmetalls führt. Dies führt zu einer geringeren Leitfähigkeit der Einrichtung insgesamt und zu einem höheren Schmelzpunkt des Flüssigmetalls im besonderen. Daraus resultiert wiederum eine ungenügende Stabilität und Lebensdauer der elektrischen Einrichtung.
  • US 3 670 282 offenbart eine gattungsgemäße Elektrodenanordnung für elektrische Einrichtungen mit Flüssigmetall, wobei zwei zylinderförmige Elektroden aus Festmetall zum Anschließen an einen äußeren Stromkreis vorgesehen sind, deren gegenüberliegende Mantelflächen durch einen hülsenförmigen Isolierkörper in einem radialen Abstand gehalten werden. Eine der Elektroden ist mit ihrer Innenfläche elektrisch leitend über eine Zwischenschicht aus Flüssigmetall innig mit einem Protektor aus Festmaterial und mit dem Flüssigmetall verbunden, wobei das Festmaterial im Verhältnis zum Material der Elektrode sowohl diffusionsbeständiger gegenüber dem Flüssigmetall und der Zwischenschicht als auch abbrandfester gegenüber Lichtbogeneinflüssen ist. Durch den allseitig vom Flüssigmetall umgebenen Protektor wird lediglich ein zum Ausgleich des Verdampfungsdruckes dienender Zylinderkolben vor Lichtbogeneinflüssen geschützt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, der Diffusion, Korrosion und Erosion der vom Flüssigmetall benetzten Innenflächen der Elektroden wirksam zu begegnen.
  • Ausgehend von einer Elektrodenanordnung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
  • Durch die gegenüber dem übrigen Flüssigmetall dicht abgeschlossene Zwischenschicht aus Flüssigmetall und dem vorgelagerten Protektor wird die Innenfläche der Elektrode weitgehend vor den erodierenden Einflüssen im übrigen Flüssigmetall entstehender Lichtbögen und in einem gewissen Maße auch vor Diffusion und Korrosion gegenüber dem Flüssigmetall geschützt. Damit wird eine Elektrodenanordnung vorgeschlagen, die durch die Zwischenschicht eine ausgezeichnete elektrische Verbindung zwischen Elektrode und Protektor gewährleistet, ohne daß es technologisch aufwendiger Verbindungstechniken für die unterschiedlichen Materialien der Elektrode einerseits und des Protektors anderseits bedarf.
  • Für das Festmaterial des Protektors sind vorteilhaft Wolfram, Molybdän, Vanadium, Nickel, Tantal, Titan, Rhenium, Chrom oder deren Legierungen zu verwenden. Auch die Verwendung von Edelstählen, insbesondere solchen mit hohem CrNi-Gehalt, ist vorteilhaft.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß auf der Innenfläche eine Materialschicht aufgebracht ist, welche das übrige Elektrodenmaterial (im allgemeinen Kupfer) im hohen Maße vor Diffusion und Korrosion durch das Flüssigmetall der Zwischenschicht schützt. Damit ist eine langzeitlich stabile Elektrodenanordnung entstanden, die einerseits durch den Protektor gegen die schädlichen Einflüsse von Lichtbögen und anderseits durch die Materialschicht gegen die schädlichen Einflüsse des Flüssigmetalls ausreichend geschützt ist. Für diese Materialschicht werden vorteilhaft Wolfram, Molybdän, Nickel, Chrom oder deren Legierungen vorgeschlagen. Die Materialschicht kann beispielsweise durch Galvanisieren oder Plattieren aufgebracht werden.
  • An den Protektor werden keine besonderen mechanischen Anforderungen gestellt. Er kann zweckmäßig als dünne Platte oder als ausreichend dicke Folie ausgebildet sein.
  • Vorteilhaft weist der Zwischenraum einen hohen Füllstand auf. Dadurch ergibt sich eine günstige Stromverteilung vor der Elektrode, was zu einer Reduzierung des übrigen Flüssigmetalls und damit des Bauvolumens der Strombegrenzungseinrichtung genutzt werden kann.
  • GaInSn-Legierungen als zu verwendendes Flüssigmetall sind einfach zu handhaben durch ihre physiologische Unbedenklichkeit. Eine Legierung aus 660 Gewichtsanteilen Gallium, 205 Gewichtsanteilen Indium und 135 Gewichtsanteilen Zinn ist bei Normaldruck von 10°C bis 2000°C flüssig und besitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit. Der Erfindung steht es jedoch nicht entgegen, auch andere Flüssigmetalle mit niedrigem Schmelzpunkt, wie beispielsweise das Rose- oder das Wood-Metall, zu verwenden.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert, wobei in der einzigen Figur 1 eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung in geöffneter perspektivischer Darstellung gezeigt ist.
  • In Fig. 1 ist teilweise eine nach oben und vom aufgebrochene sowie nach rechts weggebrochene Strombegrenzungseinrichtung, wie sie beispielsweise aus der Druckschrift SU-Erfindungsschrift 922 911 bekannt ist, dargestellt. Von den beiden Elektrodenanordnungen der allseitig von einem Isolierkörper 2 umgebenen und zum Teil mit Flüssigmetall 3 gefüllte Strombegrenzungseinrichtung ist nur die linksseitige dargestellt und mit 1 bezeichnet.
  • Die Elektrodenanordnung 1 enthält eine kupfeme Elektrode 4, die in einen äußeren Anschlußleiter 6 übergeht. Die Elektrode 4 ist an ihrer Innenfläche 8 mit einer dünnen Materialschicht 10 beschichtet. Die Materialschicht 10 besteht im Beispiel aus aufgalvanisiertem Wolfram und schützt die Elektrode 4 vor Diffusion des Elektrodenmaterials in Flüssigmetall und Korrosion der Innenfläche 8 durch das Flüssigmetall. Vor der Innenfläche 8 ist unter Belassung eines Zwischenraumes 12 ein Protektor 14 angeordnet. Der Protektor 14 besteht aus einem Material, das sowohl eine ausreichende Diffusionsbeständigkeit gegenüber dem Flüssigmetall 3 als auch eine ausreichende Lichtbogenfestigkeit aufweist. Der Protektor 14 schließt den Zwischenraum 12 dicht gegenüber dem Flüssigmetall 3 ab und besteht im Beispiel aus einem Edelstahlplättchen mit hohen relativ Anteilen von Chrom und Nickel. In dem Zwischenraum 12 befindet sich eine Zwischenschicht 16 aus Flüssigmetall gleicher Zusammensetzung (dies ist jedoch nicht zwingend) wie das übrige Flüssigmetall 3, beispielsweise eine GaInSn-Legierung. Damit besteht eine innige elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Flüssigmetall 3 und der Innenfläche 8 der Elektrode 4. Die flüssige Zwischenschicht 16 weist einen hohen Füllstand gegenüber dem übrigen Flüssigmetall 3 auf, d.h., der Flüssigkeitsspiegel 18 der Zwischenschicht 16 ist wesentlich höher als der Flüssigkeitsspiegel 19 des übrigen Flüssigmetalls. Dadurch wird sowohl im Nennbetrieb als auch bei Kurzschluß eine günstige Stromverteilung innerhalb der Zwischenschicht 16 gewährleistet, so daß es nur zu einer geringen Stromerwärmung sowie zu einer geringen Wahrscheinlichkeit zur Ausbildung von Lichtbögen in der Zwischenschicht 16 kommen kann.
  • Damit ist die Elektrodenanordnung 1 weitgehend frei von nachteiligen Materialabtragungen und -veränderungen, wie sie bei bekannten Elektrodenanordnungen von Flüssigmetall enthaltenden elektrischen Einrichtungen durch das Flüssigmetall und auftretende Lichtbögen auftreten.

Claims (9)

  1. Elektrodenanordnung für elektrische Einrichtungen mit Flüssigmetall, wobei eine Elektrode (4) aus Festmetall zum Anschließen an einen äußeren Stromkreis vorgesehen ist, die mit ihrer Innenfläche (8) elektrisch leitend über eine Zwischenschicht (16) aus Flüssigmetall innig mit einem Protektor (14) aus Festmaterial und mit dem Flüssigmetall (3) in Verbindung steht, wobei das Festmaterial im Verhältnis zum Material der Elektrode (4) sowohl diffusionsbeständiger gegenüber dem Flüssigmetall (3) und der Zwischenschicht (16) als auch abbrandfester gegenüber Lichtbogeneinflüssen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung im Inneren eines Isolierkörpers (2) angeordnet ist und daß sich die Zwischenschicht (16) in einem gegenüber dem übrigen Flüssigmetall (3) dicht abgeschlossenen Zwischenraum (12) befindet.
  2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festmaterial aus Wolfram, Molybdän, Vanadium, Nickel, Tantal, Titan, Rhenium, Chrom oder deren Legierungen besteht.
  3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festmaterial aus hochlegiertem Edelstahl besteht.
  4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Festmaterial aus Edelstahl mit hohem CrNi-Gehalt besteht.
  5. Elektrodenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenfläche (8) eine elektrisch leitende Materialschicht (10) aufgebracht ist, die gegenüber der Zwischenschicht (16) eine hohe Diffusionsbeständigkeit aufweist.
  6. Elektrodenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht (16) aus Wolfram, Molybdän, Nickel, Chrom oder deren Legierungen besteht.
  7. Elektrodenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Protektor (14) platten- oder folienförmig ausgebildet ist.
  8. Elektrodenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (16) gegenüber dem übrigen Flüssigmetall (3) einen hohen Füllstand aufweist.
  9. Elektrodenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (3) und die Zwischenschicht (16) aus einer GaInSn-Legierung bestehen.
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