WO2009080452A1

WO2009080452A1 - Vakuumschaltröhre

Info

Publication number: WO2009080452A1
Application number: PCT/EP2008/066683
Authority: WO
Inventors: Roman Renz; Holger Schumann; Andreas Stelzer
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2009-07-02
Also published as: DE102007063446B3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit einem Kontaktpaar (1, 3), welches einen Festkontakt (1) und einen bezüglich des Festkontakts beweglich angeordneten Bewegkontakt (3) umfasst. Bei dieser Vakuumschaltröhre weisen der Festkontakt (1) und der Bewegkontakt (3) Verbindungsmittel (13, 21) auf, die sich beim Schließen des Kontaktpaars unlösbar miteinander verbinden.

Description

Beschreibung

Vakuumsehaltröhre

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit einem Kon^¬ taktpaar, welches einen Festkontakt und einen bezüglich des Festkontakts beweglich angeordneten Bewegkontakt umfasst.

Eine solche Vakuumschaltröhre ist aus der Offenlegungsschrift DE 2 202 924 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumschalt^¬ röhre anzugeben, bei der nach dem Schließen des Kontaktpaars ein zuverlässiger elektrischer Kontakt zwischen dem Festkon- takt und dem Bewegkontakt hergestellt ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vakuumschaltröhre der oben ge^¬ nannten Art erfindungsgemäße dadurch gelöst, dass der Fest^¬ kontakt und der Bewegkontakt Verbindungsmittel aufweisen, die sich beim Schließen des Kontaktpaars unlösbar miteinander verbinden. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass nach dem Schließen des Kontaktpaars, d. h. nach dem elektrischen Verbinden des Festkontakts mit dem Bewegkontakt, sicher und dauerhaft eine elektrische Verbindung zwischen dem Fest- kontakt und dem Bewegkontakt hergestellt wird. Unter einer unlösbaren Verbindung wird im Rahmen dieser Beschreibung eine Verbindung verstanden, welche nicht zerstörungsfrei wieder gelöst werden kann.

Die Vakuumschaltröhre kann so ausgestaltet sein, dass die

Verbindungsmittel an einem der Kontakte einen Zapfen und an dem anderen der Kontakte eine Ausnehmung aufweisen. Durch Zusammenwirken des Zapfens mit der Ausnehmung lässt sich auf einfache Weise eine unlösbare und dauerhafte Verbindung des Festkontakts mit dem Bewegkontakt realisieren. Darüber hin^¬ aus lassen sich ein solcher Zapfen und eine Ausnehmung fertigungstechnisch einfach und damit kostengünstig herstellen.

Die Vakuumschaltröhre kann so ausgestaltet sein, dass beim Schließen des Kontaktpaars der Zapfen nach dessen Eintreten in die Ausnehmung plastisch verformbar ist. Durch die plastische Verformung des Zapfens wird auf eine besonders einfache Weise sichergestellt, dass der Zapfen des einen Kontakts mit dem anderen Kontakt dauerhaft und unlösbar verbunden wird.

Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass im geschlossenen Zustand des Kontaktpaars der plastisch verformte Zapfen mit der Ausnehmung einen Formschluss bildet. Mittels eines derartigen Formschlusses lässt sich die dauer^¬ hafte und unlösbare Verbindung des Kontaktpaares erzielen.

Die Vakuumschaltröhre kann dabei so aufgebaut sein, dass das Volumen des Zapfens im verformten Zustand mindestens dem Vo- lumen der Ausnehmung entspricht. Dadurch wird sicherge^¬ stellt, dass der Zapfen in verformtem Zustand an der gesamten Innenfläche der Ausnehmung anliegt und dadurch an der gesamten Innenfläche der Ausnehmung eine sichere elektrische Verbindung zwischen dem Festkontakt und dem Bewegkontakt hergestellt wird.

Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass die Ausnehmung eine Hinterschneidung aufweist. Dadurch wird eine besonders sichere und feste Verbindung zwischen dem Festkontakt und dem Bewegkontakt erreicht, es besteht näm^¬ lich im geschlossenen Zustand des Kontaktpaares sowohl ein Formschluss als auch ein Kraftschluss zwischen dem verform^¬ ten Zapfen und dem anderen Kontakt. Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass der Festkontakt und der Bewegkontakt im Bereich der Verbin^¬ dungsmittel aus Kupfer bestehen. Dadurch wird zum einen erreicht, dass eine derartige Vakuumschaltröhre besonders kos- tengünstig produziert werden kann. Kupfer ist nämlich erheb^¬ lich billiger als die für die Kontaktstücke von Vakuumschaltröhren üblicherweise verwendeten hochfesten Kontaktmaterialien. Zum anderen lässt sich mittels dieser aus Kupfer bestehenden Verbindungsmittel besonders einfach eine dauer- hafte und unlösbare Verbindung zwischen dem Festkontakt und dem Bewegkontakt herstellen, weil das Kupfer während der Herstellung der Vakuumschaltröhre (insbesondere beim Verlö^¬ ten der Vakuumschaltröhre unter hohen Temperaturen) weichgeglüht wird und daher beim Schließen des Kontaktpaares leicht plastisch verformbar ist.

Die Vakuumschaltröhre kann dabei so ausgestaltet sein, dass beim Schließen des Kontaktpaars der Zapfen nach dessen Eintreten in die Ausnehmung mit dieser kaltverschweißt. Dadurch wird eine besonders sichere und dauerhafte Verbindung des Festkontakts mit dem Bewegkontakt ermöglicht. Ein solches Kaltverschweißen lässt sich vorteilhafterweise besonders günstig bei aus Kupfer bestehenden Festkontakten und Bewegkontakten erreichen, weil die Oberfläche dieser Kupfer-Kon- takte bei der Herstellung einer solchen Vakuumschaltröhre

(insbesondere beim Verlöten der Vakuumschaltröhre unter ho^¬ hen Temperaturen) durch diese hohen Temperaturen gereinigt werden, so dass bei der plastischen Verformung des Zapfens in der Ausnehmung ein Kaltverschweißen des Festkontakts mit dem Bewegkontakt erfolgt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei^¬ spiels näher erläutert. Dazu ist in Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre, in

Figur 2 ein Kontaktpaar im offenen Zustand und in

Figur 3 ein Kontaktpaar im geschlossenen Zustand

dargestellt .

In Figur 1 ist in einer teilweisen Schnittdarstellung eine

Vakuumschaltröhre dargestellt, welche ein aus einem Festkon^¬ takt 1 und einem Bewegkontakt 3 bestehendes Kontaktpaar auf^¬ weist. Der Festkontakt 1 ist mittels einer Metallkappe 5 an einer axialen Stirnfläche eines hohlzylinderförmigen Kera- mikgehäuses 7 der Vakuumschaltröhre befestigt. Die der Me^¬ tallkappe 5 axial gegenüberliegende Stirnfläche des Keramik^¬ gehäuses 7 ist mit einem Faltenbalg 9 aus dünnem Metallblech verbunden. Das bewegliche Ende des Faltenbalgs 9 ist mittels eines Metallrings 11 mit dem Bewegkontakt 3 verbunden, so dass der Bewegkontakt 3 bezüglich des Festkontakts 1 axial beweglich ist.

Der im Wesentlichen zylinderförmige Bewegkontakt 3 weist an seiner Stirnfläche einen Zapfen 13 auf, welcher ebenfalls im Wesentlichen zylinderförmig ist und eine Fase 15 aufweist. In das auf den Zapfen 13 zuweisende Ende des Festkontakts 1 ist eine Ausnehmung eingebracht, in die der Zapfen beim Schließen des Kontaktpaares eintreten bzw. einfahren kann. Der Festkontakt 1 geht außerhalb des Gehäuses der Vakuum- schaltröhre in einen der elektrischen Kontaktierung dienenden Anschlußbolzen 17 über; der Bewegkontakt 3 geht außerhalb des Gehäuses der Vakuumschaltröhre in einen ebenfalls der elektrischen Kontaktierung dienenden Anschlußbolzen 19 über . In Figur 2 ist in einer Schnittdarstellung der Zapfen 13 des Bewegkontaktes 3 und die Ausnehmung 21 des Festkontaktes 1 im geöffneten Zustand des Kontaktpaares dargestellt. Dabei ist sowohl der Zapfen 13 als auch die Ausnehmung 21 bezüglich der Rotationsachse der Vakuumschaltröhre rotationssym^¬ metrisch ausgestaltet; die Ausnehmung ist kegelförmig gestaltet. Der Durchmesser des zylindrischen Teils des Zapfens 13 ist größer als der kleinste Durchmesser der Ausneh- mung, die im Ausführungsbeispiel eine Hinterschneidung 22 aufweist. Im gezeigten Beispiel weist die Ausnehmung einen schwalbenschwanzförmigen Querschnitt auf. Die Phase 15 ermöglicht ein problemloses Eintreten des Zapfens 13 in die Ausnehmung 21.

Beim Schließen des Kontaktpaares, d. h. beim axialen Zubewe^¬ gen des Bewegkontakts 3 auf den Festkontakt 1, fährt der Zap^¬ fen 13 in die Ausnehmung 21 des Festkontaktes ein. Eine Stirnfläche 23 des Zapfens 13 erreicht einen Boden 25 der Ausnehmung 21. Aufgrund der kinetischen Energie des Bewegkontaktes wird nach der Berührung zwischen Stirnfläche 23 und Boden 25 der Zapfen weiter in die Ausnehmung eingeschoben und dabei plastisch verformt. Dabei passt sich das Material des Zapfens der Form der Ausnehmung 21 an und füllt diese voll- ständig aus.

In Figur 3 ist der nach dem Schließen des Kontaktpaares entstehende Formschluss zwischen dem deformierten, verformten Zapfen 13 und der nun durch den verformten Zapfen 13 ausgefüllten Ausnehmung dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Volumen des Zapfens 13 im verformten Zustand dem Vo^¬ lumen der nunmehr gefüllten Ausnehmung 21 entspricht. (In einem anderen Ausführungsbeispiel könnte das Volumen des Zap- fens im verformten Zustand auch größer sein als das Volumen der Ausnehmung; überschüssige Teile des verformten Zapfens würden dann an der Kontaktstelle zwischen Festkontakt 1 und Bewegkontakt 3 seitlich austreten.) Durch die Hinterschnei- düng 22 der Ausnehmung wird erreicht, dass im geschlossenen Zustand des Kontaktpaares sowohl ein Formschluss als auch ein Kraftschluss zwischen dem deformierten Zapfen 13 des Bewegkontakts und dem Festkontakt 1 auftritt. Dadurch wird eine besonders sichere und zuverlässige elektrische Verbindung zwischen dem Festkontakt 1 und dem Bewegkontakt 3 erreicht. Im Ausführungsbeispiel ist also die Geometrie von Zapfen und Ausnehmung so gewählt, dass der plastisch verformte Zapfen mit der Ausnehmung einen unlösbaren Formschluss bildet. Dadurch bleiben Festkontakt 1 und Bewegkontakt 3 dauerhaft ge- schlössen.

Im Ausführungsbeispiel bestehen sowohl der Festkontakt 1 als auch der Bewegkontakt 3 aus Kupfer. Dies ist besonders des^¬ halb vorteilhaft, weil die bei Vakuumschaltröhren üblicher- weise im Kontaktbereich eingesetzten teuren hochfesten Kontaktmaterialien bei der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre nicht benötigt werden. Der Einsatz von Kupfer ist darüber hinaus bei der beschriebenen Vakuumschaltröhre deshalb vor^¬ teilhaft, weil beim Herstellungsprozess der Vakuumschalt- röhre (insbesondere bei dem üblichen Verlöten des Keramikge^¬ häuses 7 mit der Metallkappe 5 bzw. mit dem Faltenbalg 9 bei hohen Temperaturen unter Vakuum, beispielsweise bei ca. 800° C) das Kupfer-Material des Festkontakts 1 und des Bewegkon^¬ takts 3 weichgeglüht wird. Daher ist insbesondere der Zapfen 13 des Bewegkontakts nach dieser Wärmebehandlung leicht plastisch verformbar, so dass beim Eintreten des Zapfens in die Ausnehmung schon bei relativ geringen Kräften eine plastische Verformung des Zapfens und daraufhin ein Formschluss und ein Kraftschluss zwischen dem Bewegkontakt 3 und dem Festkontakt 1 auftritt. Außerdem werden bei dieser bei der Herstellung der Vakuumschaltröhre auftretenden Wärmebehand^¬ lung Oberflächenverunreinigungen des Kupfers des Festkontakts 1 und des Bewegkontakts 3 beseitigt, so dass bei der plastischen Verformung des Zapfens ein Kaltverschweißen des Festkontakts 1 mit dem Bewegkontakt 3 erfolgt.

Die Ausnehmung 21 kann auch anders ausgestaltet sein als im Ausführungsbeispiel dargestellt. Vorteilhaft ist, wenn die Ausnehmung eine Hinterschneidung oder einen sich ändernden

Durchmesser aufweist, so dass bei der Verformung des Zapfens ein Form- und/oder Kraftschluss zwischen dem Festkontakt und dem Bewegkontakt hergestellt wird. Die Ausnehmung kann je^¬ doch auch die Form einer Bohrung mit konstantem Durchmesser aufweisen; durch die plastische Verformung des Zapfens in dieser Bohrung wird auch in diesem Fall eine zuverlässige unlösbare elektrische Verbindung zwischen dem Bewegkontakt 3 und dem Festkontakt 1 hergestellt.

Das Schließen des Kontaktpaares kann beispielsweise erfolgen durch den äußeren Luftdruck, der auf den Metallring 11 der Vakuumschaltröhre einwirkt. Im geöffneten Zustand ist dann der Bewegkontakt 3 der Vakuumschaltröhre arretiert, so dass der Luftdruck diesen nicht gegen den Festkontakt 1 drücken kann. Sobald die Vakuumschaltröhre geschlossen werden soll, wird die Arretierung gelöst und der Luftdruck (und ggf. eine zusätzlich auf den Bewegkontakt 3 einwirkende weitere mecha^¬ nische Kraft eines Antriebs) drückt den Bewegkontakt 3 gegen den Festkontakt 1, woraufhin der Zapfen in der Ausnehmung versenkt wird.

Die beschriebene einmalig und dauerhaft schließende Vakuum^¬ schaltröhre kann insbesondere mit Vorteil eingesetzt werden zum elektrischen Überbrücken eines Schaltungsteils einer elektrischen Schaltung, wenn dieser bei Auftreten eines Fehlers vor Überspannung oder Überstrom geschützt werden soll. Durch die beim Schließen des Kontaktpaares auftretende unlös^¬ bare elektrische Verbindung des Bewegkontakts 3 mit dem Fest- kontakt 1 wird ein dauerhafter Schutz des Schaltungsteils si^¬ chergestellt. Wenn die Überbrückung aufgehoben werden soll, ist die Vakuumschaltröhre durch eine neue, sich im geöffneten Zustand befindende Vakuumschaltröhre zu ersetzen. Besonders vorteilhaft ist bei der beschriebenen Vakuumschaltröhre die aufgrund des Vakuums hohe dielektrische Festigkeit im geöff^¬ neten Zustand. Dadurch kann die im geöffneten Zustand vorliegende Schaltstrecke zwischen dem Festkontakt 1 und dem Beweg^¬ kontakt 3 kurz dimensioniert werden, wodurch eine kompakt aufgebaute Vakuumschaltröhre mit relativ geringen Außenabmes- sungen realisiert werden kann. Dies ist ein erheblicher Vorteil gegenüber einem ebenfalls denkbaren Überbrücken des betreffenden Schaltungsteils mittels luftisolierten Schal^¬ tern. Durch die unlösbare dauerhafte Verbindung der Verbindungsmittel des Festkontakts 1 und des Bewegkontakts 3 wird weiterhin sichergestellt, dass nach dem Einschalten bzw.

Schließen der Vakuumschaltröhre der elektrische Kontakt zwi^¬ schen Festkontakt und Bewegkontakt zuverlässig hergestellt ist und auch beim eventuellen Auftreten von hohen, über die Vakuumschaltröhre fließenden Kurzschlussströmen nicht beein- trächtigt wird.

Claims

Patentansprüche

1. Vakuumschaltröhre mit einem Kontaktpaar (1, 3), welches einen Festkontakt (1) und einen bezüglich des Festkontakts beweglich angeordneten Bewegkontakt (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkontakt (1) und der Bewegkontakt (3) Verbindungsmit^¬ tel (13, 21) aufweisen, die sich beim Schließen des Kontaktpaars unlösbar miteinander verbinden.

2. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel an einem der Kontakte (3) einen Zapfen (13) und an dem anderen der Kontakte (1) eine Ausnehmung (21) umfassen.

3. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schließen des Kontaktpaars (1, 3) der Zapfen (13) nach Eintreten in die Ausnehmung (21) plastisch verformbar ist.

4. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im geschlossenen Zustand des Kontaktpaars (1, 3) der plas- tisch verformte Zapfen (13) mit der Ausnehmung (21) einen Formschluss bildet.

5. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Zapfens (13) im verformten Zustand mindes^¬ tens dem Volumen der Ausnehmung (21) entspricht.

6. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (21) eine Hinterschneidung (22) aufweist.

7. Vakuumschaltröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkontakt (1) und der Bewegkontakt (3) im Bereich der Verbindungsmittel (13, 21) aus Kupfer bestehen.

8. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schließen des Kontaktpaars (1, 3) der Zapfen (13) nach Eintreten in die Ausnehmung (21) mit dieser kaltverschweißt.