WO2006128761A1 - Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische hochleistungsfunkenstrecke - Google Patents

Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische hochleistungsfunkenstrecke Download PDF

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WO2006128761A1
WO2006128761A1 PCT/EP2006/061731 EP2006061731W WO2006128761A1 WO 2006128761 A1 WO2006128761 A1 WO 2006128761A1 EP 2006061731 W EP2006061731 W EP 2006061731W WO 2006128761 A1 WO2006128761 A1 WO 2006128761A1
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WO
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cup
spark gap
electrode
disc
gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/061731
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English (en)
French (fr)
Inventor
Arnd Ehrhardt
Stephan Hierl
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Dehn + Söhne Gmbh + Co. Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel

Definitions

  • the invention relates to an encapsulated, pressure-resistant executed, non-hermetically sealed, rotationally symmetric high-performance spark gap with two spaced main electrodes, a metallic outer housing, at least one trigger electrode, a gas or plasma cooling space surrounded by the outer housing and preferably frontally arranged electrical connection contacts for the main electrodes according to the preamble of claim 1
  • surge arresters on the basis of spark gaps according to the prior art, these are designed to be encapsulated in applications in the low-voltage range in order to avoid the environment-threatening blowing out of hot or even ionized gases.
  • the arresters are provided with additional triggering devices.
  • a trigger device requires isolation of the additional, generally loaded with high voltage further electrode.
  • the additional expenditure of space and the additional insulation materials also lead to a further limitation of the performance of such realized arrester.
  • the main electrodes provided there are isolated from each other and introduced into the spark gap in relation to the housing. Due to the small arc length and the simple division of the arc, however, only a small follow current limitation can be achieved with this solution of the prior art.
  • the potential of the ignition electrode is likewise supplied via the pressure-resistant metallic sheath to the spark gap.
  • the local pressure-resistant jacket is made of one piece and it is used for the preparation of a simple forming process.
  • the waiver of an insulated implementation of the ignition potential leads in this variant, however, to an additional burden of insulation in the interior of the spark gap, since both electrodes must be isolated not only against each other, but also with respect to the entire housing.
  • the complex and voltage-resistant insulation in particular, the heat output from the spark gap This leads to an increased thermal load on the insulating parts, to long cooling times and to an enormous limitation of the space available for the spark gap. All of these disadvantages ultimately limit the performance of the spark gap.
  • a further developed, encapsulated, flameproof, non-hermetically sealed, rotationally symmetric high-performance spark gap with two spaced opposite main electrodes, a metallic outer casing, at least one trigger electrode, surrounded by the outer casing gas or plasma cooling space and preferably arranged on the front side indicate electrical connection contacts for the main electrodes, the spark gap compared to the known to ensure a nearly doubled surge current capability in a still simple, technologically manageable design and causes good and rapid cooling of hot gases.
  • the most important components of the proposed high-performance spark gap consist in an effective cooling of the hot gases in a meandering cooling channel with staggered vents, in a pressure-resistant embodiment of the active components within the spark gap and a pressure-resistant, encapsulated execution of the intermediate and Abkühlraums within the outer housing. Furthermore, according to the invention is an isolated, radial introduction of the trigger potential.
  • the cooling space of the high-performance spark gap consists of a coaxial arrangement of an inner and an outer metal cup, wherein one of the main electrodes is formed as a hollow cylindrical Ausblaselektrode and extends to a large extent in the inner cup of the coaxial arrangement.
  • a discharge ring laterally encompassing support ring is provided on the open side of the cup assembly.
  • the support ring is pressure-resistant, preferably non-positively and / or positively connected to the outer cup, for example, connected by a corresponding thread pairing.
  • the outer cup of the coaxial arrangement has lateral bores as gas outlet openings. Between the inner and the outer cup of the coaxial arrangement, at least one gas cooling channel is provided. Another gas cooling channel is located between the outer wall of the outer cup and the inner wall of the outer casing. This gas cooling channel has a slot-like, i. smaller dimensions than the first gas cooling channel.
  • the high-performance spark gap should allow a higher impulse load or a stronger current limit with the result that more energy is converted in the spark gap, whereby a larger amount of heated gas or plasma is formed.
  • This cool material has a large heat capacity, a good thermal conductivity and a high melting point.
  • spark gap presented also dominates the increased burnup, without any burnup particles completely closing the existing ventilation ducts.
  • the meandering cooling channel gradually changes from relatively large, diffuse cross sections to narrower cross sections. This causes the molten material can not completely add the cooling channel. In the course of the cooling channels or areas are deliberately created areas in which already solidified material can easily deposit for the vent.
  • vents which are staggered arranged in the cooling channel, initially have small cross-sections in order to avoid the escape of luminous gas and melt particles, and take only in the course of further extension of the cooling channel to cross-section, whereby the flow and the relaxation in the entire cooling channel can be used.
  • the blow-out electrode according to the invention has at its top side facing the counter-electrode an annular flange on which bears the complementary grading having support ring.
  • the underside of the blow-out electrode is closed, but has lateral gas outlet openings, wherein the underside additionally has an oriented in the electrode longitudinal direction of the guide extension, which engages in a complementary recess in the inner cup.
  • At least one gas cooling channel already mentioned is located between the inner bowl and the guide extension, which extends into a threaded opening of the inner bowl, which forms a connection contact.
  • Each cup of the coaxial arrangement has a circular nozzle, wherein the circular nozzle of the inner cup in the circular nozzle of the outer
  • Bechers is stored.
  • the outer housing is formed positively fitting, for example by a
  • the pressure-resistant connection of the coaxial arrangement including the support ring and blow-out electrode is realized in accordance with the construction described above by force and / or positive locking, in particular by screwing.
  • a sleeve or disc made of a gas-emitting material e.g. POM arranged, wherein the support ring surrounds the sleeve or disc of this gas-emitting material at least partially outer peripheral side.
  • the gas-emitting material has the function of radial blowing of the arc. This is used to limit the secondary current by cooling and extending the arc.
  • the solution with recourse to the illustrated support ring ensures a mastery of the consequences of high pulse currents.
  • the support ring can be made electrically conductive or insulating. Decisive is the resulting internal stabilization of the components of the spark gap, by a more even distribution of the load on the one hand and on the other hand by an improvement in the mechanical properties as a whole.
  • the pressure which builds up in the relaxation area of the hot gases within the spark gap, acts directly on the area of the active gas-emitting components. This is done on the one hand directly by gases, which can penetrate via column of stack parts, and on the other hand indirectly on the mobility of the individual spark gap sections under or against each other. Such a movement is particularly critical if the gas delivery is not the same.
  • the example according screwing according to the invention of parts of the expansion chamber with the lower main electrode creates a pressure-resistant cooling space.
  • This solution causes a uniform distribution of the pressure or force effect on the active gas-emitting components and also avoids a direct gas flow between the cooling space and the active parts or the arc furnace and the cooling space.
  • a trigger insulating sleeve is arranged, which follows a trigger disc of conductive material.
  • This trigger disc made of conductive material is surrounded radially by a contacting ring or a contacting sleeve.
  • a cuff-shaped insulating body is located, which ensures electrical isolation of the trigger means to the outer casing of the spark gap and the main electrode.
  • the Kunststoff musclessring the trigger device can be exposed and electrically connected via a targeted radial drilling of the outer housing with penetration of the insulator located behind it.
  • the trigger disc of conductive material extends with its inner bore side up to the arc combustion chamber or into it, so that a reliable ignition of the spark gap is ensured.
  • the discharge electrode opposite main electrode is formed as a preferably full-volume disc with a guide extension.
  • the guide extension has a threaded bore for connection contact.
  • a pin part of particularly erosion-resistant material eg. B. tungsten copper located.
  • This pin part can z. B. be connected by soldering to the disc of the other main electrode.
  • the arrangement of insulating body with befindlichem main electrode in disk form with guide extension is chosen so that the passage opening of the insulating body is matched to the outer diameter of the pin member, so that a burnup takes place only in the region of the pin member.
  • Another cuff-shaped insulating body is placed on the guide extension of the main electrode as a disc with a guide extension, wherein the insulating body surrounds the disc of the main electrode in a preferred variant laterally.
  • a seal in particular a sealing ring is arranged.
  • the high-performance spark gap according to the invention in a rotationally symmetrical embodiment is based on the coaxial arrangement of the cup with exhaust electrode and screwed support ring constructed quasi stapeiförmig, wherein the first only flanged on one side hollow cylindrical outer housing receives the stack assembly.
  • Fig. 1 is a longitudinal sectional view of a high-performance spark gap according to the invention with inherently pressure-resistant cooling space and
  • Fig. 2 is an exploded view of the individual components with recognizable stapeiförmiger arrangement during assembly of the spark gap.
  • Fig. 1 In the spark gap of Fig. 1 is located within an outer housing 1, the arrangement of active and passive components.
  • an inner cup 14 is provided to form the pressure-resistant cooling space, which is surrounded by an outer cup 15 at a distance to obtain a gas cooling channel 17.
  • one of the main electrodes which is realized as a hollow cylindrical discharge electrode 3, extends into it.
  • a discharge ring 3 laterally encompassing support ring 12 is provided on the open side of the cup assembly.
  • the support ring 12 has an external thread (see Fig. 2), which corresponds to an internal thread in the outer cup 15.
  • the blow-out electrode 3 has an annular flange 13 on its upper side facing the counterelectrode 2, against which the support ring 12 having a complementary graduation rests.
  • the underside of the blow-out electrode 3 is closed, but has lateral gas outlet openings 19.
  • the underside of the blow-out electrode 3 further has a guide extension 20, which engages in a complementary recess 21 in the inner cup 14.
  • a gas cooling channel 22 which extends into a threaded opening 23 of the inner cup 14.
  • This threaded opening 23 forms an element of the terminal 24, e.g. a screw contact.
  • Each of the aforementioned cups 14, 15 of the coaxial arrangement has a circular nozzle 25; 26, wherein the circular nozzle 25 of the inner cup 14 is mounted in the diameter-matched circular nozzle piece 26 of the outer cup 15 and in the region of the circular nozzle 26 of the outer cup 15, the outer housing 1 rests positively.
  • the positive engagement is achieved here by a bead in a press-forming process.
  • a sleeve or disc 4 made of a gas-emitting material, for. B. POM arranged so that it adjusts the same in the case of ignition of the arc, a radial blowing.
  • the support ring 12 in this case surrounds the sleeve or disc 4 of gas-emitting material at least partially outer peripheral side and stabilizes them.
  • a Triggerisolationsonne 5 is arranged at the side facing away from the blowout electrode 3 side of the sleeve or disc 4 of gas-emitting material.
  • This trigger insulation sleeve 5, which has a stepped cross section, is followed by a trigger disk 6 made of conductive material.
  • the annular trigger disk 6 is surrounded radially by a contacting ring 7 consisting of a conductive material.
  • a cuff-shaped further insulator 8 is located, which ensures electrical isolation of the trigger means 6 and 7 to the outer housing 1 and towards the main electrode 2.
  • the blowing electrode 3 opposite, further main electrode 2 is formed in the form of a disc 27 with guide extension 28.
  • the guide extension 28 has a threaded bore 29 for connection contacting.
  • a likewise cuff-shaped insulating body 11 is placed on the guide extension 28 of the other main electrode 2, said insulating body 11, the disk 27 of the main electrode 2 according to the embodiment of FIG. 1 laterally surrounds.
  • a seal in particular in the form of a sealing ring is arranged.
  • the threaded hole 29 is realized as a blind hole, so that a gas tightness is only there.
  • the bore diameter is about 5 to 6 mm with a drill tip of 140 °. A risk to the stability and compressive strength of the entire spark gap does not occur hereby.
  • the above-described high-performance spark gap enables a doubling of the surge current carrying capacity from approximately 25 kA to 50 kA while at the same time maintaining high ignition safety and optimum gas cooling behavior.
  • the screwed arrangement of support ring 12, blow-out electrode 3, inner cup 14 and outer cup 15 shown in FIG. 2 has a high stability and a high heat capacity.
  • the cooling channels formed by means of intermediate spaces furthermore result in an intensive contacting of the hot gases with the preferably metallic parts of the screwed arrangement, with the consequence of the aforementioned optimized cooling and simultaneous expansion of the gases.

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  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische Hochleistu ngsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen Au ßengehäuse, mindestens einer Triggerelektrode, einem vom Außengehäuse umgebenen Gas- oder Plasma-Abkühlrau m sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Außenkontakten für die Hauptelektroden. Erfindungsgemäß besteht der Abkühlraum aus einer koaxialen Anordnung eines inneren und eines äußeren Bechers, wobei eine der Hauptelektroden als hohl-zylindrische Ausblaselektrode ausgebildet ist und in den inneren Becher hineinreicht. Weiterhin ist an der offenen Seite der Becheranordnung ein die Ausblaselektrode seitlich umgreifender Stützring vorgesehen. Der Stützring ist mit dem äußeren Becher druckfest, insbesondere kraft- und/oder formschlüssig verbunden. Der äußere Becher der koaxialen Anordnung weist seitliche Gasaustrittsöffnungen auf. Zwischen dem inneren und dem äußeren Becher ist mindestens ein Gaskühlkanal vorgesehen. Zwischen der Außenwandung des äußeren Bechers und der Innenwandung des Außengehäuses ist ein weiterer, spaltartiger Gaskühlkanal befindlich. Die Gaskühlkanäle selbst besitzen einen sich insgesamt als Mäander darstellenden Verlauf.

Description

M/DES-259-PC
Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen Außengehäuse, mindestens einer Triggerelektrode, einem vom Außengehäuse umgebenen Gas- oder Plasma-Abkühlraum sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlußkontakten für die Hauptelektroden gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Überspannungsableitern auf der Basis von Funkenstrecken gemäß dem Stand der Technik werden diese bei Anwendungen im Niederspannungsbereich gekapselt ausgeführt, um das die Umgebung gefährdende Ausblasen von heißen oder noch ionisierten Gasen zu vermeiden.
Bei zum älteren Stand der Technik gehörenden ausblasenden Ableitern wird der größte Teil des Energieumsatzes bis ca. 90% in Form von heißem Gas an die Umgebung abgegeben. Es ist offensichtlich, daß durch das Vermeiden des Ausblasens bei modernen Funkenstrecken sowohl die thermische als auch die dynamische Belastung ansteigt. Diese steigenden Belastungen erschweren bei gekapselten Ableitern die notwendige Beherrschung hoher Impuls- und Folgeströme bei möglichst geringer Baugröße.
Zur Realisierung niedriger Schutzpegel im Bereich weniger kV werden die Ableiter mit zusätzlichen Triggereinrichtungen versehen. Eine solche Triggereinrichtung erfordert eine Isolation der zusätzlichen, im allgemeinen mit Hochspannung belasteten weiteren Elektrode. Der Mehraufwand an Bauraum und die zusätzlichen Isolationsmaterialien führen ebenfalls zu einer weiteren Einschränkung der Leistungsfähigkeit derartig realisierter Ableiter.
Gemäß der DE 100 08 764 Al und der dort gezeigten gekapselten Funkenstrecke ist es bekannt, das Triggerpotential über die metallische Gehäuse- MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
ummantelung der Funkenstrecke zuzuführen. Die dort vorgesehenen Hauptelektroden werden isoliert gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse in die Funkenstrecke eingebracht. Aufgrund der geringen Lichtbogenlänge und der nur einfachen Aufteilung des Lichtbogens kann mit dieser Lösung des Standes der Technik jedoch nur eine geringe Folgestrombegrenzung erreicht werden.
Bei dem gekapselten Ableiter nach DE 100 18 012 Al wird das Potential der Zündelektrode ebenfalls über den druckfesten metallischen Mantel der Funkenstrecke zugeführt. Der dortige druckfeste Mantel ist aus einem Stück gefertigt und es wird zur Herstellung auf ein einfaches Umformverfahren zurückgegriffen. Der Verzicht auf eine isolierte Durchführung des Zündpotentials führt bei dieser Variante jedoch zu einem Mehraufwand an Isolation im Inneren der Funkenstrecke, da beide Elektroden nicht nur gegeneinander, sondern auch gegenüber dem gesamten Gehäuse isoliert sein müssen. Neben dem höheren Platzbedarf wird durch die aufwendige und spannungsfeste Isolation insbesondere auch die Wärmeabgabe aus der Funkenstrecke behindert. Dies führt zu einer erhöhten thermischen Belastung der Isolationsteile, zu langen Abkühlzeiten und zu einer enormen Einschränkung des für die Funkenstrecke zur Verfügung stehenden Raums. Alle diese Nachteile begrenzen letztendlich die Leistungsfähigkeit der Funkenstrecke.
Dann, wenn zur Verbesserung bestimmter Parameter einer Funkenstrecke eine zusätzliche Abgabe von Hartgas erfolgt, entsteht ein hoher Energieumsatz, der neben der thermischen Belastung zu einer weiteren Erhöhung bzw. einer dynamischen Druckbelastung sowohl bei Impuls- als auch bei Folgeströmen führt.
In der DE 101 64 025 Al ist eine gekapselte triggerbare Funkenstrecke gezeigt, welche nach dem Radax-Flow-Prinzip arbeitet. Bei dieser Lösung des Standes der Technik wird das vorhandene quaderförmige Gehäuse der Funkenstrecke zur Kühlung der heißen Gase verwendet. Die Zuführung zur Triggerelektrode erfolgt durch die Isolationsteile der zweiten, gegenüber dem Gehäuse isolierten Hauptelektrode. Eine derartige Variante ist aufgrund der geometrischen Ausführungsform des Gehäuses sehr aufwendig und schränkt MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
den Platz des aktiven Lichtbogenbereichs gegenüber dem Bereich zur Abkühlung der Gase erheblich ein.
Die vorstehend kurz gewürdigten Lösungen des Standes der Technik umfassen blitzstromtragfähige Niederspannungs-Luftfunkenstrecken, welche aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus eine an sich hohe Druckfestigkeit besitzen.
In der EP 0 305 077 Al wird eine Funkenstrecke geringerer Leistungsfähigkeit vorgestellt, bei welcher eine Triggerelektrode durch den aus Isolationsmaterial bestehenden Außenmantel einer Funkenstrecke hindurchgeführt wird. Diese, nicht blitzstromtragfähige Funkenstrecke besitzt geringe Hauptelektroden- abstände und keine Mittel zur Erhöhung der Lichtbogenspannung. Der Leistungsumsatz und damit die einhergehende thermische und dynamische Belastung dieser Funkenstrecke des Standes der Technik ist unzureichend. Für den Einsatz in Niederspannungsnetzen ist eine derartige Funkenstrecke ungeeignet. Die dynamische Belastbarkeit des dortigen Gehäuses und der Durchführung der Triggerelektrode ist ebenfalls gering.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte, gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen Außengehäuse, mindestens einer Triggerelektrode, einem vom Außengehäuse umgebenen Gasoder Plasma-Abkühlraum sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlußkontakten für die Hauptelektroden anzugeben, wobei die Funkenstrecke im Vergleich zum Bekannten eine nahezu verdoppelte Stoßstromtragfähigkeit bei einer dennoch einfachen, technologisch beherrschbaren Konstruktion gewährleisten soll und die eine gute und schnelle Kühlung heißer Gase bewirkt.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Funkenstrecke gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen. MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
Die wesentlichsten Komponenten der vorgestellten Hochleistungsfunkenstrecke bestehen in einer effektiven Kühlung der heißen Gase in einem mäander- förmigen Abkühlkanal mit gestaffelt angebrachten Entlüftungsöffnungen, in einer druckfesten Ausführungsform der aktiven Komponenten innerhalb der Funkenstrecke sowie einer druckfesten, in sich gekapselten Ausführung des Zwischen- und Abkühlraums innerhalb des Außengehäuses. Weiterhin erfindungsgemäß ist eine isolierte, radiale Einführung des Triggerpotentials.
Der Abkühlraum der Hochleistungsfunkenstrecke gemäß der Erfindung besteht aus einer koaxialen Anordnung eines inneren und eines äußeren metallischen Bechers, wobei eine der Hauptelektroden als hohlzylindrische Ausblaselektrode ausgebildet ist und zu einem großen Teil in den inneren Becher der koaxialen Anordnung hineinreicht.
An der offenen Seite der Becheranordnung ist ein die Ausblaselektrode seitlich umgreifender Stützring vorgesehen. Der Stützring ist druckfest, bevorzugt kraft- und/oder formschlüssig mit dem äußeren Becher, beispielsweise durch eine entsprechende Gewindepaarung verbunden.
Der äußere Becher der koaxialen Anordnung besitzt seitliche Bohrungen als Gasaustrittsöffnungen. Zwischen dem inneren und dem äußeren Becher der koaxialen Anordnung ist mindestens ein Gaskühlkanal vorgesehen. Ein weiterer Gaskühlkanal ist zwischen der Außenwandung des äußeren Bechers und der Innenwandung des Außengehäuse befindlich. Dieser Gaskühlkanal weist spaltartige, d.h. kleinere Abmessungen als der erste Gaskühlkanal auf.
Gemäß der Aufgabenstellung der Erfindung soll die Hochleistungsfunkenstrecke eine höhere Impulsbelastung bzw. eine stärkere Strombegrenzung ermöglichen mit der Folge, daß mehr Energie in der Funkenstrecke umgesetzt wird, wodurch eine größere Menge erwärmtes Gas bzw. Plasma entsteht.
Um ein Ausleuchten bei gegebenen Volumenverhältnissen zu vermeiden, muß daher eine stärkere Kühlung und Entspannung des Gases realisiert werden. Dies erfolgt durch die vorstehend beschriebene koaxiale Anordnung, d.h. durch MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
längere Wege und intensivere Berührung bzw. intensiveres Inkontaktkommen der Gase mit kühlem Material. Diese kühle Material weist eine große Wärmekapazität, eine gute Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Schmelzpunkt auf.
Neben der stärkeren Abkühlung beherrscht die vorgestellte Funkenstrecke auch den erhöhten Abbrand, und zwar ohne daß Abbrandpartikel die vorhandenen Entlüftungskanäle vollständig verschließen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung geht der mäanderförmige Abkühlkanal allmählich von relativ großen, diffusen Querschnitten auf engere Querschnitte über. Dies bewirkt, daß das geschmolzene Material den Abkühlkanal nicht vollständig zusetzen kann. Im weiteren Verlauf des oder der Abkühlkanäle werden bewußt Bereiche geschaffen, in denen sich bereits erstarrtes Material problemlos für die Entlüftung ablagern kann.
Die Entlüftungsöffnungen, welche gestaffelt im Abkühlkanal angeordnet sind, weisen zunächst kleine Querschnitte auf, um den Austritt von leuchtendem Gas und Schmelzpartikeln zu vermeiden, und nehmen erst im Verlauf der weiteren Erstreckung des Abkühlkanals an Querschnitt zu, wodurch die Strömung und die Entspannung im gesamten Abkühlkanal genutzt werden kann. Durch diese Maßnahmen wird ein Zusetzen von einzelnen Entlüftungsöffnungen im Anfangsbereich des Abkühlkanals kompensiert.
Ausgestaltend besitzt die erfindungsgemäße Ausblaselektrode an ihrer zur Gegenelektrode weisenden Oberseite einen Ringflansch, an welchem der eine komplementäre Stufung aufweisende Stützring anliegt. Die Unterseite der Ausblaselektrode ist geschlossen, weist jedoch seitliche Gasaustrittsöffnungen auf, wobei die Unterseite ergänzend einen in Elektrodenlängsrichtung orientierten Führungsfortsatz besitzt, welcher in eine komplementäre Aussparung im inneren Becher eingreift.
Im Bereich der Unterseite der Ausblaselektrode ist zwischen dem inneren Becher und dem Führungsfortsatz mindestens ein bereits erwähnter Gaskühlkanal befindlich, welcher in eine Gewindeöffnung des inneren Bechers, die einen Anschlußkontakt bildet, hineinreicht. MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
Jeder Becher der koaxialen Anordnung besitzt einen Kreisringstutzen, wobei der Kreisringstutzen des inneren Bechers im Kreisringstutzen des äußeren
Bechers gelagert wird.
Im Bereich des Kreisringstutzens des äußeren Bechers ist das Außengehäuse formschlüssig anliegend ausgebildet, und zwar beispielsweise durch einen
Umbördelungsschritt.
Die druckfeste Verbindung der koaxialen Anordnung inklusive Stützring und Ausblaselektrode wird unter Beachtung der vorstehend erläuterten Konstruktion durch Kraft- und/oder Formschluß, insbesondere durch Verschraubung realisiert.
Zwischen den Hauptelektroden ist eine Hülse oder eine Scheibe aus einem gasabgebenden Material, z.B. POM angeordnet, wobei der Stützring die Hülse oder Scheibe aus diesem gasabgebenden Material mindestens teilweise außenumfangsseitig umgreift.
Das gasabgebende Material besitzt die Funktion der radialen Beblasung des Lichtbogens. Diese wird zur Begrenzung des Folgestroms durch Kühlung und Verlängerung des Lichtbogens genutzt. Die Lösung unter Rückgriff auf den erläuterten Stützring gewährleistet eine Beherrschung der Folgen hoher Impulsströme. Dabei kann der Stützring elektrisch leitend oder isolierend ausgeführt sein. Maßgeblich ist die sich ergebende innere Stabilisierung der Baugruppen der Funkenstrecke, und zwar durch eine gleichmäßigere Verteilung der Belastung einerseits und andererseits durch eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften insgesamt.
Bei Lösungen des Standes der Technik wirkt der Druck, welcher sich im Entspannungsbereich der heißen Gase innerhalb der Funkenstrecke aufbaut, unmittelbar auf den Bereich der aktiven gasabgebenden Bauteile zurück. Dies erfolgt einerseits direkt durch Gase, welche über Spalte von Stapelteilen dringen können, und andererseits indirekt über die Beweglichkeit der einzelnen Funkenstreckenteile unter- bzw. gegeneinander. Eine solche Bewegung ist insbesondere dann kritisch, wenn die Gasabgabe nicht gleich- MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
mäßig und allseitig in den Entspannungsbereich erfolgt, da dies zu einer ungleichmäßigen Druckbelastung und somit zu Kerbwirkungen und Beschädigungen einzelner Teile führen kann.
Durch die erfindungsgemäße beispielhafte Verschraubung von Teilen des Entspannungsraums mit der unteren Hauptelektrode wird ein in sich druckfester Abkühlraum geschaffen. Diese Lösung bewirkt eine gleichmäßige Verteilung der Druck- bzw. Kraftwirkung auf die aktiven gasabgebenden Komponenten und vermeidet auch eine direkte Gasströmung zwischen dem Abkühlraum und den aktiven Teilen bzw. dem Lichtbogenbrennraum und dem Abkühlraum.
An der von der Ausblaselektrode abgewandten Seite der Hülse oder Scheibe aus gasabgebendem Material ist eine Triggerisolationshülse angeordnet, welcher eine Triggerscheibe aus leitfähigem Material folgt. Diese Triggerscheibe aus leitfähigem Material ist radial von einem Kontaktierungsring bzw. einer Kontaktierungshülse umgeben.
Oberhalb der Triggerscheibe mit Kontaktierungsring ist ein stulpförmiger Isolierkörper befindlich, welcher eine elektrische Isolation der Triggermittel zum Außengehäuse der Funkenstrecke sowie zur Hauptelektrode sicherstellt.
Der Kontaktierungsring der Triggereinrichtung kann über ein gezieltes radiales Anbohren des Außengehäuses mit Durchdringung des dahinter befindlichen Isolierkörpers freigelegt und elektrisch angeschlossen werden. Die Triggerscheibe aus leitfähigem Material reicht mit ihrer Innenbohrungsseite bis an den Lichtbogenbrennraum heran bzw. in diesen hinein, so daß ein sicheres Zündverhalten der Funkenstrecke gewährleistet ist.
Die der Ausblaselektrode gegenüberliegende weitere Hauptelektrode ist als bevorzugt vollvolumige Scheibe mit einem Führungsfortsatz ausgebildet. Der Führungsfortsatz weist eine Gewindebohrung zur Anschlußkontaktierung auf. MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
Im Scheibenmittelpunkt der weiteren Hauptelektrode ist ein Zapfenteil aus besonders abbrandfestem Material, z. B. Wolframkupfer befindlich. Dieses Zapfenteil kann z. B. durch Löten mit der Scheibe der weiteren Hauptelektrode verbunden sein. Die Anordnung aus Isolierkörper mit darüber befindlicher Hauptelektrode in Scheibenform mit Führungsfortsatz ist so gewählt, daß die Durchgangsöffnung des Isolierkörpers abgestimmt ist auf den Außendurchmesser des Zapfenteils, so daß ein Abbrand nur im Bereich des Zapfenteils stattfindet.
Ein weiterer stulpförmiger Isolierkörper ist auf den Führungsfortsatz der Hauptelektrode als Scheibe mit Führungsfortsatz aufgesetzt, wobei der Isolierkörper die Scheibe der Hauptelektrode in einer bevorzugten Variante auch seitlich umgibt.
Zwischen der Scheiben-Hauptelektrode und dem Isolierkörper ist eine Dichtung, insbesondere ein Dichtring angeordnet.
Die erfindungsgemäße Hochleistungsfunkenstrecke in rotationssymmetrischer Ausführungsform ist ausgehend von der koaxialen Anordnung der Becher mit Ausblaselektrode und verschraubtem Stützring quasi stapeiförmig aufgebaut, wobei das zunächst nur einseitig umgebördelte hohlzylindrische Außengehäuse die Stapelanordnung aufnimmt. Durch das Umbördeln an der noch offenen Seite erfolgt ein Verpressen und mechanisches Inkontaktbringen der einzelnen vormontierten Komponenten der Stapelanordnung der Funkenstrecke mit einer sich insgesamt ergebenden sehr hohen mechanischen Stabilität und damit einhergehenden Belastbarkeit.
Die isolierte Einführung der Zuführung zur Triggerelektrode schafft größeren Bauraum für den Bereich zur Abkühlung der heißen Gase. Auch verbessert sich die Situation gegenüber Verunreinigungen beim Abbrand, wodurch die Zündsicherheit selbst bei leichter Beschädigung oder bei Verschmutzungen von notwendigen Isolationsteilen erhalten bleibt. Es sei an dieser Stelle jedoch angemerkt, daß auf die radiale Zuführung der Triggerspannung auch verzichtet werden kann und hier der Einsatz bzw. die Verwendung einer unmittelbaren, sogenannten Manteltriggerung erhalten bleibt. MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Hochleistungsfunkenstrecke mit in sich druckfestem Abkühlraum und
Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der einzelnen Komponenten mit erkennbarer stapeiförmiger Anordnung beim Zusammenbau der Funkenstrecke.
Bei der Funkenstrecke nach Fig. 1 befindet sich innerhalb eines Außengehäuses 1 die Anordnung aktiver und passiver Komponenten.
Zunächst ist zur Bildung des druckfesten Abkühlraums ein innerer Becher 14 vorgesehen, welcher von einem äußeren Becher 15 unter Abstand zum Erhalt eines Gaskühlkanals 17 umgeben ist.
In das Innere des Raums des Bechers 14 reicht eine der Hauptelektroden hinein, die als hohlzylindrische Ausblaselektrode 3 realisiert ist.
An der offenen Seite der Becheranordnung ist ein die Ausblaselektrode 3 seitlich umgreifender Stützring 12 vorgesehen. Der Stützring 12 weist ein Außengewinde (siehe Fig. 2) auf, welches mit einem Innengewinde im äußeren Becher 15 korrespondiert.
Im äußeren Becher 15 sind seitliche Gasaustrittsöffnungen 16 vorhanden, wobei zwischen dem inneren und dem äußeren Becher 14, 15 mindestens der vorerwähnte Gaskühlkanal 17 ausgebildet ist, sowie zwischen der Außenwandung des äußern Bechers 15 und der Innenwandung des Außengehäuses 1 ein weiterer, allerdings spaltartiger Gaskühlkanal 18 befindlich ist. MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
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Die Ausblaselektrode 3 besitzt an ihrer zur Gegenelektrode 2 weisenden Oberseite einen Ringflansch 13, an welchem der eine komplementäre Stufung aufweisende Stützring 12 anliegt.
Die Unterseite der Ausblaselektrode 3 ist geschlossen, weist jedoch seitliche Gasaustrittsöffnungen 19 auf.
Die Unterseite der Ausblaselektrode 3 besitzt weiterhin einen Führungsfortsatz 20, welcher in eine komplementäre Aussparung 21 im inneren Becher 14 eingreift.
Im Bereich der Unterseite der Ausblaselektrode 3, zwischen dem inneren Becher und dem Führungsfortsatz 20, ist mindestens wiederum ein Gaskühlkanal 22 befindlich, welcher in eine Gewindeöffnung 23 des inneren Bechers 14 hineinreicht. Diese Gewindeöffnung 23 bildet ein Element des Anschlußkontakts 24, z.B. eines Schraubkontakts.
Jeder der vorerwähnten Becher 14, 15 der koaxialen Anordnung besitzt einen Kreisringstutzen 25; 26, wobei der Kreisringstutzen 25 des inneren Bechers 14 im durchmesserangepaßten Kreisringstutzen 26 des äußeren Bechers 15 gelagert ist und im Bereich des Kreisringstutzens 26 des äußeren Bechers 15 das Außengehäuse 1 formschlüssig anliegt. Der Formschluß wird hier durch eine Umbördelung in einem Preß-Umformvorgang erreicht.
Aus der Längsschnittdarstellung nach Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Querschnitt der Gaskühlkanäle von innen nach außen abnimmt mit der Folge, daß Ablagerungen im Anfangsbereich der Kanalanordnung bezogen auf das Strömungsund Kühlverhalten unschädlich sind. Dadurch, daß mehrere Druckausgleichsverbindungen zur atmosphärischen Umgebung bestehen, ist auch ein eventuelles Verstopfen einer der diesbezüglichen Öffnungen unproblematisch. Eine solche Öffnung zur Umgebungsatmosphäre hin kann im Bereich der Umbördelung ausgebildet sein oder über die Kanäle 22 am Führungsfortsatz 2 vorbeigehend über die Gewindeöffnung 23 mit Gewindepaarung einer dort eingebrachten Schraube realisiert werden. MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
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Zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 ist eine Hülse oder Scheibe 4 aus einem gasabgebenden Material, z. B. POM angeordnet, so daß sich im Fall des Zündens des Lichtbogens eine radiale Beblasung desselben einstellt.
Der Stützring 12 umgreift hierbei die Hülse oder Scheibe 4 aus gasabgebendem Material mindestens teilweise außenumfangsseitig und stabilisiert diese.
An der von der Ausblaselektrode 3 abgewandten Seite der Hülse oder Scheibe 4 aus gasabgebendem Material ist eine Triggerisolationsscheibe 5 angeordnet. Dieser einen gestuften Querschnitt aufweisende Triggerisolationshülse 5 folgt eine Triggerscheibe 6 aus leitfähigem Material. Die kreisringförmige Triggerscheibe 6 ist radial von einem Kontaktierungsring 7, bestehend aus einem leitfähigen Material, umgeben.
Oberhalb der Triggerscheibe 6 mit Kontaktierungsring 7 ist ein stulpförmiger weiterer Isolierkörper 8 befindlich, welcher eine elektrische Isolation der Triggermittel 6 und 7 zum Außengehäuse 1 sowie hin zur Hauptelektrode 2 gewährleistet.
Die der Ausblaselektrode 3 gegenüberliegende, weitere Hauptelektrode 2 ist in Form einer Scheibe 27 mit Führungsfortsatz 28 ausgebildet.
Der Führungsfortsatz 28 weist eine Gewindebohrung 29 zur Anschlußkon- taktierung auf.
Im Mittelpunkt der Scheibe 27 ist ein Zapfenteil 9 aus besonders abbrand- festem Material, z.B. Wolframkupfer befindlich.
Ein ebenfalls stulpförmiger Isolierkörper 11 ist auf den Führungsfortsatz 28 der weiteren Hauptelektrode 2 aufgesetzt, wobei dieser Isolierkörper 11 die Scheibe 27 der Hauptelektrode 2 gemäß Ausführungsform nach Fig. 1 seitlich umgibt.
Zwischen der Scheiben-Hauptelektrode 2 und dem Isolierkörper 11 ist eine Dichtung, insbesondere in Form eines Dichtrings angeordnet. Im Gegensatz MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
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zur durchgehenden Gewindeöffnung 23 des inneren Bechers 14 ist die Gewindebohrung 29 als Sacklochbohrung realisiert, so daß eine Gasdichtheit nur dort gegeben ist.
Zur elektrischen Kontaktierung der Triggerscheibe 6 besteht die Möglichkeit, ein gezieltes radiales Anbohren des Außengehäuses 1 vorzunehmen, und zwar mit Durchdringung des dahinter befindlichen Isolierkörpers 8 und einem teilweisen Freilegen des Kontaktierungsrings 7.
Bei einer beispielhaften Länge der Funkenstrecke, gemessen von den Umbördelungsaußenkanten des Gehäuses 1 von etwa 40 mm beträgt der Bohrungsdurchmesser etwa 5 bis 6 mm bei einer Bohrerspitze von 140°. Eine Gefährdung der Stabilität und Druckfestigkeit der gesamten Funkenstrecke tritt hierdurch nicht ein.
Die vorbeschriebene Hochleistungsfunkenstrecke ermöglicht eine Verdoppelung der Stoßstromtragfähigkeit von etwa 25 kA auf 50 kA bei gleichzeitigem Erhalt einer hohen Zündsicherheit und einem optimalen Gaskühlverhalten.
Die wie in Fig. 2 dargestellte verschraubte Anordnung aus Stützring 12, Ausblaselektrode 3, innerem Becher 14 und äußerem Becher 15 besitzt eine hohe Stabilität sowie eine hohe Wärmekapazität. Durch die mittels Zwischenräumen gebildeten Kühlkanäle ergibt sich weiterhin ein intensives Inkontakt- kommen der Heißgase mit den bevorzugt metallischen Teilen der verschraubten Anordnung mit der Folge der vorerwähnten optimierten Kühlung und gleichzeitigen Entspannung der Gase.

Claims

MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC13Patentansprüche
1. Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen Außengehäuse, mindestens einer Triggerelektrode, einem vom Außengehäuse umgebenen Gasoder Plasma-Abkühlraum sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlußkontakten für die Hauptelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß
- der Abkühlraum aus einer koaxialen Anordnung eines inneren (14) und eines äußeren (15) Bechers besteht, wobei eine der Hauptelektroden als hohlzylindrische Ausblaselektrode (3) ausgebildet ist und in den inneren Becher (14) hineinreicht, weiterhin an der offenen Seite der Becheranordnung ein die Ausblaselektrode (3) seitlich umgreifender Stützring (12) vorgesehen ist und der Stützring (12) mit dem äußeren Becher (15) druckfest verbunden ist,
- der äußere Becher (15) seitliche Gasaustrittsöffnungen (16) besitzt und zwischen innerem und äußerem Becher (14; 15) mindestens ein Gaskühlkanal (17) vorgesehen ist sowie zwischen der Außenwandung des äußeren Bechers (15) und der Innenwandung des Außengehäuses (1) ein weiterer, spaltartiger Gaskühlkanal (18) befindlich ist.
2. Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausblaselektrode (3) an ihrer zur Gegenelektrode (2) weisenden Oberseite einen Ringflansch (13) besitzt, an welchem der eine komplementäre Stufung aufweisende Stützring (12) anliegt, die Unterseite der Ausblaselektrode (3) geschlossen ist, jedoch seitliche Gasaustrittsöffnungen (19) umfaßt, wobei die Unterseite einen Führungsfortsatz (20) besitzt, welcher in eine komplementäre Aussparung (21) im inneren Becher (14) eingreift.
3. Funkenstrecke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Unterseite der Ausblaselektrode (3), zwischen dem inneren Becher (14) und dem Führungsfortsatz (20) mindestens ein Gaskühlkanal (22) MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
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befindlich ist, welcher in eine Gewindeöffnung (23) des inneren Bechers (14), die einen Anschlußkontakt (24) bildet, hineinreicht.
4. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Becher (14; 15) der koaxialen Anordnung einen Kreisringstutzen (25; 26) besitzt, wobei der Kreisringstutzen (25) des inneren Bechers (14) im Kreisringstutzen (26) des äußeren Bechers (15) gelagert ist und im Bereich des Kreisringstutzens (26) des äußeren Bechers (15) das Außengehäuse (1) formschlüssig anliegt.
5. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die druckfeste Verbindung der koaxialen Anordnung (14; 15) inklusive Stützring (12) und Ausblaselektrode (3) durch Kraft- und/oder Formschluß, insbesondere durch Verschraubung realisiert ist.
6. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hauptelektroden (2; 3) eine Hülse oder Scheibe (4) aus einem gasabgebenden Material angeordnet ist, wobei der Stützring (12) die Hülse oder Scheibe (4) mindestens teilweise außenumfangsseitig umgreift.
7. Funkenstrecke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der von der Ausblaselektrode (3) abgewandten Seite der Hülse oder Scheibe (4) aus gasabgebendem Material eine Triggerisolationshülse (5) angeordnet ist, welcher eine Triggerscheibe (6) aus leitfähigem Material folgt und die Triggerscheibe (6) radial von einem Kontaktierungsring umgeben ist.
8. Funkenstrecke nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Triggerscheibe (6) mit Kontaktierungsring (7) ein stulpförmiger Isolierkörper (8) befindlich ist, welcher eine elektrische Isolation der MEISSNER, BOLTE & PARTNER M/DES-259-PC
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Triggermittel (6; 7) zum Außengehäuse (1) sowie zur Hauptelektrode (2) sicherstellt.
9. Funkenstrecke nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die der Ausblaselektrode (3) gegenüberliegende weitere Hauptelektrode (2) als Scheibe (27) mit Führungsfortsatz (28) ausgebildet ist, der Führungsfortsatz (28) eine Gewindebohrung (29) zur Anschlußkontaktierung aufweist und im Scheibenmittelpunkt ein Zapfenteil (9) aus besonders abbrandfestem Material befindlich ist.
10. Funkenstrecke nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer stulpförmiger Isolierkörper (11) vorgesehen und dieser auf den Führungsfortsatz (28) der weiteren Hauptelektrode (2) aufgesetzt ist, wobei der Isolierkörper (11) die Scheibe (27) der Hauptelektrode (2) auch seitlich umgibt.
11. Funkenstrecke nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Scheiben-Hauptelektrode (2) und dem Isolierkörper (11) eine Dichtung (10), insbesondere ein Dichtring angeordnet ist.
12. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktierungsring (7) der Triggereinrichtung über ein gezieltes radiales Anbohren des Außengehäuses (1) mit Durchdringung des dahinter befindlichen Isolierkörpers (8) freilegbar ist.
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