[0001] Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit einer gegen Innendruck beständigen
Umhüllung aus härtbarem Kunststoff. In dieser Weise gekapselte Vakuumschaltröhren
benötigt man, wenn Vakuumschalter in schlagwetter- oder explosionsgefährdeter Umgebung
eingesetzt werden sollen. An sich zeichnen sich Vakuumschaltröhren dadurch aus, daß
im ungestörten Betrieb keinerlei zündfähige Schaltgase abgegeben werden oder sonstige,
eine Gefährdung darstellende Erscheinungen auftreten. Die Sicherheitsanforderungen,
wie sie beispielsweise im Bergbau untertage oder in petrochemischen Anlagen bestehen,
erfordern es aber, daß derartige Erscheinungen auch im Störungsfall nicht auftreten,
z. B. bei einem Leck oder bei starker Überlastung. Daher muß beispielsweise verhindert
werden, daß bei einem Versagen eines Vakuumschalters an der Oberfläche der Schaltröhren
die Zündtemperatur explosiver Gase erreicht wird.
[0002] Zur Vermeidung solcher Gefahren ist beispielsweise in der EP-A-0 196 503 eine Kapselung
beschrieben, die aus Einlagen aus vorgeformten Elementen und einem die Vakuumschaltröhre
und die Einlagen umschließenden Wickelkörper aus kunstharzgetränkten Bändern und
Fäden besteht. Auf diese Weise gelingt es, auch Vakuumschaltröhren mit einer mehrfach
abgestuften Kontur dicht anliegend zu ummanteln.
[0003] Ferner ist es bekannt, Vakuumschaltröhren in ein Druckkapselungsgehäuse einzubauen,
das mit einem nicht fließbaren isolierenden Medium, z. B. einem Isolierschaum, ausgefüllt
ist (vgl. DE-U-84 03 264).
[0004] Die bekannten Umhüllungen für Vakuumschaltröhren haben jedoch die Eigenschaft, daß
sich bei einer zu fordernden Standzeit im Fehlerfall von mehreren hundert Millisekunden
recht große Abmessungen ergeben und solche Schaltröhren in vorhandenen Schaltgeräten
nur schwierig einzusetzen sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirksamkeit
der Kapselung oder Ummantelung bei einfacher Herstellbarkeit wesentlich zu steigern.
[0005] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Umhüllung der Vakuumschaltröhre
aus einem harten Polyurethan-Integralschaumstoff besteht. Eine Kapselung dieser Art
ist gleichermaßen mechanisch fest, wärmeisolierend und elektrisch hochwertig. Integralschaumstoffe
sind beispielsweise in der Druckschrift 'Baydur' der Firma Bayer AG, Bestell-Nr. PU53045,
Ausgabe 4.76 beschrieben. Sie zeichnen sich durch eine innere und eine äußere geschlossene
Randschicht aus, zwischen denen sich porös aufgeschäumter Werkstoff befindet.
[0006] Aufgrund des porösen Kerns weisen auch große Formteile ein relativ niedriges Gewicht
auf. Sie werden daher beispielsweise für Gehäuse technischer Geräte, Sanitärgegenstände,
Möbel, Fenster, Türen usw. eingesetzt.
[0007] Bei allen vorgenannten bekannten Anwendungen von Polyurethan-Integralschaumstoffen
liegt im wesentlichen nur eine verhältnismäßig niedrige mechanische Beanspruchung
vor. Dementsprechend hat die Randzone nur die Aufgabe, eine geschlossene Oberfläche
für den praktischen Gebrauch der Gegenstände zu bilden, die auf einfache Weise gereinigt
oder lackiert werden kann. Vielfach wird hierzu eine gewünschte Struktur, z. B. eine
Narbung oder Maserung zur Abbildung in der Randzone in die Oberfläche der Form eingearbeitet.
Demgegenüber sieht die Erfindung die Erzeugung einer ausgeprägten Randzone vor, in
welcher der verwendete Kunststoff in einer relativ dicken Schicht porenfrei ausgehärtet
ist. Diese Schicht ermöglicht einen hohen Berstdruck einer solchen Ummantelung. Gleichzeitig
wird aufgrund der geringen Wärmeleitung des Integralschaumstoffes an der Oberfläche
der Ummantelung die Zündtemperatur explosiver Gase selbst dann nicht erreicht, wenn
das Gehäuse der Vakuumschaltröhre örtlich durchschmelzen sollte. Ferner ist eine gute
elektrische Spannungsfestigkeit gewährleistet.
[0008] Im Vergleich zu den eingangs erwähnten bekannten Ummantelungen läßt sich eine Integralschaumstoff-Kapselung
zeitsparend in einer Serienfertigung herstellen. Durch den Wegfall der Vorfertigung
von Einlageteilen sind auch die Kosten geringer.
[0009] Bei der Herstellung der Kapselung aus Integralschaumstoff kann durch eine geeignete
Temperaturverteilung erreicht werden, daß Randschichten mit einer mehr oder weniger
großen Dicke abgeschieden werden. Damit sind auch die Wärmedämmung sowie die mechanische
Festigkeit der Kapselung in einem gewünschten Sinn zu beeinflussen. Von dieser Möglichkeit
kann insbesondere im Sinne einer geringeren Wandstärke der Kapselung Gebrauch gemacht
werden, wenn dafür gesorgt wird, daß im Fehlerfall stärker wärmebeanspruchte Bereiche
der Vakuumschaltröhre mit einem zusätzlichen Metallmantel versehen sind und die Umhüllung
auf diesen Mantel aufgebracht ist. Beispielsweise kann eine mittlere, durch einen
Metallzylinder gebildete Schaltkammer einer Vakuumschaltröhre mit einer Manschette
aus Kupferblech versehen werden, wie dies in dem DE-U-85 08 473 beschrieben ist.
Auch die stirnseitigen Flansche einer Vakuumschaltröhre können im Fehlerfall erhöhten
Beanspruchungen ausgesetzt sein. Daher empfiehlt es sich, diese Stellen ebenfalls
durch Manschetten oder Kappen aus Metall zu verstärken.
[0010] Die aus Integralschaumstoff bestehende Umhüllung der Vakuumschaltröhre kann auch
als Zwischenschicht zwischen der Vakuumschaltröhre und einem äußeren Mantel aus Isolierstoff
ausgebildet sein. Dabei vermag die Umhüllung aus Integralschaumstoff einen Teil
der im Fehlerfall auftretenden mechanischen Beanspruchung aufzunehmen. Im Unterschied
zu der schon er wähnten bekannten Anordnung (DE-U-84 03 264), bei der ein Isolierschaum
zwischen einer Schaltröhre und einem Druckkapselungsgehäuse eingebracht ist, kann
der äußere Mantel eine relativ geringe Wandstärke aufweisen, da er im wesentlichen
nur die Funktion einer verlorenen Form für den Integralschaumstoff hat. Es empfiehlt
sich in diesem Zusammenhang, als äußeren Mantel einen Abschnitt eines Rohres aus faserverstärktem
Kunststoff zu verwenden.
[0011] Ein für die Zwecke der Erfindung geeignetes Herstellungsverfahren kann vorzugsweise
folgende Schritte umfassen:
a) die Vakuumschaltröhre wird in eine diesselbe mit einem Abstand umschließende Form
eingebracht,
b) in die Form wird eine Polyurethan-Harzmischung eingebracht, und
c) die Harzmischung wird unter Bildung eines Integralschaumstoffes mit ausgeprägten
Randzonen zum Aufschäumen und zur Aushärtung gebracht.
[0012] Als Form kann dabei sowohl eine aus Metall bestehende Dauerform als auch eine sogenannten
verlorene Form in Gestalt eines Isolierrohres verwendet werden. In Abhängigkeit von
den gewählten Temperaturen der Form und der zu umhüllenden Vakuumschaltröhre werden
dabei kompakte Schichten des Harzes in einer gewünschten Dicke abgeschieden.
[0013] Das gute Fließ- und Füllverhalten des Polyurethanschaumes gestattet es, nicht nur
einzelne Vakuumschaltröhren, sondern mehrere, insbesondere die zu einem mehrpoligen
Schaltgerät gehörenden Vakuumschaltröhren, in einer gemeinsamen Form mit dem Schaumstoff
zu ummanteln. Ein derartiger Röhrenblock ist vorteilhaft für die Montage der Schaltgeräte
und bietet einen besonders guten Schutz.
[0014] Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
[0015] Die Figur 1 zeigt im Längsschnitt eine Form für die Umhüllung einer Vakuumschaltröhre
mit einem Polyurethan-Integralschaumstoff.
[0016] In der Figur 2 ist ein Kopfstück der in der Figur 1 gezeigten Form in einer um 90°
gedrehten Stellung dargestellt.
[0017] Die Figur 3 zeigt eine Einzelheit der Umhüllung einer Vakuumschaltröhre.
[0018] In der Figur 4 sind Zusatzteile aus Metall in Verbindung mit einer Vakuumschaltröhre
gezeigt, die eine mittlere Schaltkammer aus Metall besitzt.
[0019] Die Figur 5 zeigt eine Vakuumschaltröhre mit im wesentlichen zylindrischer Gehäuseform
mit einer Umhüllung aus Integralschaumstoff und einem äußeren Mantelrohr.
[0020] In der Figur 6 ist ein drei Vakuumschaltröhren enthaltender Block aus Integralschaumstoff
schematisch in perspektivischer Darstellung gezeigt.
[0021] Die in der Figur 1 gezeigte Form 1 ist dreiteilig ausgebildet und besteht dementsprechend
aus einem Sockelteil 2, einem Mantel 3 und einem Kopfstück 4. Der im wesentlichen
zylindrische Mantel 3 trägt nahe seiner unteren Öffnung und seiner oberen Öffnung
auf gegenüberliegenden Seiten je einen Bolzen 5, um den Sockelteil 2 und das Kopfstück
4 bajonettartig mit dem Mantel 3 verbinden zu können. Das Kopfstück 4 ist hierzu in
der Figur 2 in einer gegenüber der Figur 1 um 90° gedrehten Stellung im Schnitt dargestellt.
Am Umfang des Kopfstückes 4 sind zwei abgewinkelte Nuten 6 angebracht, von denen die
eine, an sich nicht sichtbare Nut strichpunktiert dargestellt ist. Ferner sind am
Umfang des Kopfstückes 4 Gewindelöcher 10 vorgesehen, die zum Einschrauben in der
Figur 1 gezeigter Handgriffe 11 vorgesehen sind. Aus der Figur 1 ist noch zu ent
nehmen, daß in jeder der Stirnflächen des Mantels 3 eine Nut 12 eingearbeitet ist,
in die ein Dichtungsring 13 eingelegt ist.
[0022] Zur Aufbringung einer Umhüllung aus Polyurethan-Schaumstoff wird die hierfür vorgesehene
Vakuumschaltröhre in die geöffnete Form 1 eingebracht. Die Form 1 ist hierbei insbesondere
für Vakuumschaltröhren mit einer im wesentlichen durchgehenden zylindrischen Umfangsfläche
geeignet, wie sie etwa der Figur 5 oder der DE-A-35 07 949 zu entnehmen ist. Die gezeigte
Form 1 ist dafür vorgesehen, daß bei abgenommenen Kopfstück 4 zunächst die zu behandelnde
Schaltröhre und danach eine passend bemessene Menge der Polyurethan-Harzmischung
eingebracht wird. Dann wird das Kopfstück 4 aufgesetzt und mittels der Stifte 5 und
der Bajonettnuten 6 verriegelt. Das Aufschäumen erfolgt gegenüber diesen Handhabungen
verzögert. Nach dem Aushärten der Harzmischung wird die Form 1 durch Abnahme des Kopfstückes
4 und des Sockelteiles 2 geöffnet, worauf sich die mit der Umhüllung versehene Vakuumschaltröhre
aus dem Mantel 3 herausnehmen läßt.
[0023] Während sich die beschriebene Form 1 und die Arbeitsschritte insbesondere für geringe
Stückzahlen zu umhüllender Vakuumschaltröhren eignen, können durch einfache Abwandlungen
die Voraussetzungen für eine Serienfertigung geschaffen werden. Insbesondere können
hierfür eine Öffnung sowie ein Anschlußstutzen für eine Rohrleitung an einer geeigneten
Stelle der Form 1 vorgesehen sein, so daß die Harzmischung aus einer Aufbereitungsanlage
unter Druck zugeführt werden kann. Ferner kann die beschriebene Form 1 auch in der
Weise gestaltet sein, daß sich Vakuumschaltröhren mit einer Gehäusebauform etwa gemäß
der Figur 4 oder der DE-A-33 25 468 umhüllen lassen. Merkmal dieser Röhrenbauform
ist eine mittlere aus Metall bestehende Schaltkammer, an die sich beidseitig keramische
Isolierkörper mit einem geringeren Durchmesser anschließen. Zur Aufnahme solcher Schaltröhren
kann der Mantel der Form in zwei abgestuft ausgebildete Teilstücke unterteilt sein.
[0024] Die Figur 3 zeigt als Einzelheit einen Ausschnitt aus der Wandung 14 einer mit Integralschaum
umhüllten Vakuumschaltröhre, um die Beschaffenheit der Umhüllung 15 zu verdeutlichen.
Wie man erkennt, wird das Polyurethanharz an der Oberfläche der Wandung 14 und an
der Wandung der Form in Gestalt porenfreier Schichten 16 abgeschieden, während sich
dazwischen mit allmählichem Übergang ein poröser Bereich 17 befindet. Die Umhüllung
weist daher sowohl eine gute mechanische Festigkeit als auch eine gute Wärmeisolation
auf.
[0025] Wie bereits erwähnt, ist es zur Vergrößerung der Standzeit der Umhüllung im Fehlerfall
vorteilhaft, besonders gefährdete Bereich des Gehäuses einer Vakuumschaltröhre durch
zusätzliche Metallteile zu verstärken. Die Figur 4 zeigt hierzu am Beispiel einer
Schaltröhre 20 die Anordnung von Metallkappen bzw. Manschetten. Insbesondere sind
die an den Enden der Schaltröhre 20 befindlichen abschließenden Metallteile 21 und
22 durch je eine Kappe 23 bzw. 24 geschützt, während die mittlere Schaltkammer 25
durch zwei symmetrische Kappen 26 geschützt ist, die sich zu einer Manschette ergänzen.
Es können auch kleinere Teilstücke zur Form einer Manschette zusammengesetzt sein.
Diese Teile werden an der Schaltröhre 20 zweckmäßig vor dem Einbringen in die Form
mit Hilfe eines geeigneten Bindemittels, beispielsweise eines Epoxidharzklebers,
befestigt.
[0026] Anstelle einer aus Metall bestehenden Dauerform kann auch ein Abschnitt eines Isolierrohres
als verlorene Form verwendet werden. Es genügt beispielsweise ein relativ dünnwandiges
faserverstärktes Kunststoffrohr, da dieses Rohr nicht die Eigenschaften einer vollständigen
Druckkapselung zu besitzen braucht. Die Figur 5 zeigt in vereinfachter Darstellung
eine Vakuumschaltröhre 30 mit einer Umhüllung dieser Art. Zur Herstellung werden die
Vakuumschaltröhre 30, die gleichfalls in der beschriebenen Weise an den Enden mit
Metallteilen 31 und 32 versehen sein kann, und ein Rohrabschnitt 33 zentrisch zueinander
positioniert. Je ein oberer und ein unterer isolierender Abschlußdeckel 34 begrenzt
den zur Aufnahme des Integralschaumes dienenden Raum. Dann wird die vorzugsweise einer
Aufbereitungsanlage entnommene Harzmischung in diesen Zwischenraum zwischen dem Rohrabschnitt
33 und der Vakuumschaltröhre 30 eingebracht und als Umhüllung 35 ausgehärtet. Es
entsteht dabei eine harte Schicht aus Integralschaum, die somit ebenso wie bei der
Verwendung der Form 1 in Figur 1 ausgeprägte Randzonen aufweist. Eine anschließende
Entformung entfällt jedoch.
[0027] Bei hohen Anforderungen an den Schutz der Vakuumschaltröhren und zur einfacheren
Montage können die zu einem mehrpoligen Schaltgerät gehörenden Vakuumschaltröhren
gemeinsam mit Integralschaumstoff umhüllt werden. Ein solcher Röhrenblock 40 mit Schaltröhren
41 ist schematisch in der Figur 6 gezeigt. In dem Röhrenblock sind Gewindebuchsen
42 verankert, um auf einfache Weise die Verbindung mit einer Antriebsbaugruppe herstellen
zu können.
1. Vakuumschaltröhre (30) mit einer gegen Innendruck beständigen Umhüllung aus härtbarem
Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (35) aus einem harten Polyurethan-Integralschaumstoff besteht.
2. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Fehlerfall stärker wärmebeanspruchte Bereiche (21, 22; 25) mit einem zusätzlichen
Metallkörper (23, 24, 26; 31, 32) versehen sind und die Umhüllung (35) auf diese
Metallkörper aufgebracht ist.
3. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (35) als Zwischenschicht zwischen der Vakuumschaltröhre (30) und
einem äußeren Mantel (33) aus Isolierstoff ausgebildet ist.
4. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als äußerer Mantel ein Abschnitt (33) eines Rohres aus faserverstärktem Isolierstoff
dient.
5. Verfahren zur Herstellung einer Umhüllung einer Vakuumschaltröhre nach Anspruch
1,
dadurch gekennzeichnet, daß
a) die Vakuumschaltröhre in eine diesselbe mit einem Abstand umschließende Form (1)
eingebracht wird,
b) in die Form (1) eine Polyurethan-Harzmischung eingebracht wird, und
c) die Harzmischung unter Bildung eines harten Integralschaumstoffes mit ausgeprägten
Randzonen (16) zum Aufschäumen und zur Aushärtung gebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem mehrpoligen Schaltgerät gehörenden Vakuumschaltröhren (41) in einer
gemeinsamen Form mit einem Polyurethan-Integralschaumstoff gemeinsam ummantelt werden
und einen Block (40) bilden.