Vakuumschaltröhre

Abstract

 In eine Vakuumschaltröhre, in der im Bereich der Schalt­kontakte (1, 2) ein axiales Magnetfeld durch eine in axi­aler Richtung unterteilte Abschirmung (9) mit hoher elek­trischer Leitfähigkeit erzeugt wird, ist die Abschirmung (9) mit keinem der Schaltkontakte (1, 2) elektrisch lei­tend verbunden und potentialfrei angeordnet, wobei die Schaltkontakte (1, 2) einen größeren Durchmesser als die zugehörigen Anschlußbolzen (5) aufweisen.
Die Erfindung ist für Vakuumschaltröhren mit hoher Kurz­schlußausschaltleistung geeignet.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Eine derartige Vakuumschaltröhre ist aus der DE-OS 24 42 936 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, ein axiales Magnetfeld durch den Ionen­strom zu erzeugen, welcher von dem auf dem Potential einer der Elektroden liegenden Schirm aus dem Entladungsraum ab­gesaugt wird. Dieser Ionenstrom beträgt in praktisch reali­sierbaren Ausführungsbeispielen etwa 10% vom Gesamtstrom.

[0002] In einer derartigen Anordnung ist die Potentialverteilung unsymmetrisch, da der Schirm auf Elektrodenpotential liegt. Dies bedingt einen wesentlich größeren Abstand zwischen der Gegenelektrode und dem Schirm als die für Schaltröhren ohne axiales Magnetfeld übliche potentialfreie Anordnung der Ab­schirmung.

[0003] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Vakuumschaltröhre ein axiales Magnetfeld im Bereich der Schaltkontakte zu erzeugen, bei hoher Schaltleistung möglichst kleine Abmessungen zu erreichen und eine mög­lichst kleine Masse des bewegbaren Schaltkontaktes sowie die geringeren Innenwiderstände von Schaltröhren ohne Axialfeldkontakt zu gewährleisten.

[0004] Diese Aufgabe wird bei einer Vakuumschaltröhre nach dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent­anspruchs 1 gelöst.

[0005] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Schalt­kontakt, welcher einen größeren Durchmesser besitzt als der zugehörige Anschlußbolzen, in der ihn umgebenden Abschirmung Wirbelströme erzeugt, die bei entsprechender Formgebung ein axiales Magnetfeld hervorrufen, welches ausreicht, um den Lichtbogen zwischen den Kontaktstücken beim Schaltvorgang bis zu hohen Strömen diffus brennen zu lassen. Dabei ist für die Effektivität der Anordnung wesentlich, daß der ge­schlitzte Schirm potentialfrei angeordnet ist. Dadurch kann der Abstand zu den Schaltkontakten relativ klein ge­wählt werden und liegt vorzugsweise bei dem 1,5-Fachen des Kontaktabstandes. Dies gewährleistet einerseits eine star­ke Einwirkung des axialen Magnetfeldes auf den Ausschalt­lichtbogen und ermöglicht andererseits eine Bauform der Röhre, die sich nicht wesentlich von den bisher üblichen Bauformen ohne axiales Magnetfeld unterscheidet und ähn­lich diesen Schaltkontakte geringer Masse mit geringen Röhreninnenwiderständen und deshalb geringer Verlustlei­stung bei Nennstrombelastung im geschlossenen Zustand zu­läßt.

[0006] Eine derart vorteilhafte Ausführung einer Schaltröhre mit axialem Magnetfeld im Bereich der Schaltkontakte ist auch durch die zahlreichen aus der Literatur bekannten Ausfüh­rungen von Schaltkontakten, die Einrichtungen zur Erzeu­gung eines axialen Magnetfeldes enthalten, nicht zu errei­chen, da diese das volle benötigte Magnetfeld erzeugen müs­sen und daher einerseits schwerer sind als einfache Schalt­kontakte und andererseits durch die Einrichtungen zur Er­zeugung eines axialen Magnetfeldes zusätzlichen Platz be­nötigen. Dieser Platz kann je nach Konstruktion der Schalt­kontakte in axialer Richtung oder in radialer Richtung benötigt werden. In beiden Fällen ergibt sich eine be­trächtliche Vergrößerung und damit Verteuerung der Schalt­röhre, ein zusätzlicher Mehrbedarf an Antriebsenergie im Vakuumschalter und durch die zur Erzeugung des axialen Ma­gnetfeldes notwendigen, spulenartigen Strompfade ein uner­wünschter Anstieg des Kontakt- bzw. Röhreninnenwiderstandes, der die Verlustleistung bei Nennstrom im eingeschalteten Zustand erhöht.

[0007] Demgegenüber braucht nach der vorliegenden Erfindung der Schirm nur eine entsprechende Leitfähigkeit zu besitzen, so daß sich Wirbelströme, die ein axiales Magnetfeld er­zeugen, in geeigneter Größe ausbilden können. Hierzu reicht es bei Mittelspannungsröhren üblicher Bauart be­reits aus, wenn der Schirm aus Kupfer besteht und zumin­dest 2mm dick ist. Dabei braucht die Ausdehnung des Schir­mes in axialer Richtung nur zumindest das Zweifache des Kontaktabstandes in ausgeschaltetem Zustand zu betragen.

[0008] Sollte aus Gründen der Abschirmung eine größere Ausdehnung des Schirmes in axialer Richtung erwünscht sein, so kann der Schirm im Bereich des Entladungsraumes über eine Länge in axialer Richtung, die dem Zweifachen des Kontaktabstan­des entspricht, erfindungsgemäß aus relativ dickem, gut elektrisch leitfähigem Material bestehen und in den in axialer Richtung an diesem Bereich anschließenden Berei­chen aus dünnerem, ungeschlitztem Material geringerer Leit­fähigkeit ausgebaut sein, wobei in diesem Fall die zuletzt genannten Bereiche vorzugsweise aus einem Material mit ho­her Durchschlagsfestigkeit, z.B. in an sich bekannter Weise aus rostfreiem Stahl, bestehen.

[0009] Ein platzsparender Aufbau ist gegeben, indem die Abschir­mung die Form einer spiralförmig geschlitzten Zylinderwand besitzt. Die Zylinderwand kann auch vorteilhaft senkrecht zur Rotationsachse verlaufende Schlitze besitzen. Diese Schlitze können in axialer Richtung gegeneinander versetzt sein, wobei vorteilhaft jeweils zwei oder mehr die Zylin­derwand teilweise durchsetzende Schlitze durch axial ausge­richtete Schlitze miteinander verbunden sind. Dadurch ent­steht eine spiralenähnliche Schlitzstruktur, deren Steigung unschwierig an die lokalen Magnetfeldverhältnisse angepaßt werden kann. In vielen Fällen reicht eine relativ einfache und stabile Struktur aus, in der jeweils zwei Schlitze in derselben axialen Position und symmetrisch zur Rotations­achse der Zylinderwand liegen und in axialer Richtung nach­ einander mehrere derartige Schlitzpaare angeordnet und ge­genüber den zunächstliegenden Schlitzpaaren in Umfangsrich­tung versetzt sind. Bei dieser Ausführungsform behält der Zylinder ein erhebliches Maß an Festigkeit. Durch den Be­trag der gegenseitigen Versetzung der Schlitzpaare läßt sich die axiale Feldkomponente ortsabhängig beeinflussen.

[0010] Eine einfache Ausführungsform ist gegeben, indem der Schirm in axialer Richtung in einzelne Schirmringe unter­teilt ist. In dieser Ausführungsform läßt sich besonders einfach eine Unterteilung der elektrischen Leitfähigkeit in axialer Richtung erreichen. Insbesondere die in axialer Richtung außenliegenden Schirmringe können aus einem Mate­rial geringer Leitfähigkeit und hoher Überschlagfestigkeit hergestellt sein, z.B. aus rostfreiem Stahl.

[0011] Um eine sichere Abschirmung des Dampfes von den hinter den Schlitzen liegenden isolierenden Wandbereichen zu errei­chen, ist es vorteilhaft, wenn die Schlitze in radialer Richtung Begrenzungsflächen aufweisen, welche zur Rota­tionsachse des Zylinders geneigt sind und wenn die Begren­zungsflächen zumindest eines Schlitzes sich bei geöffnetem Zustand der Schaltkontakte in den Blickrichtungen der bei­den dem Entladungsspalt zugewandten äußeren Kanten der Schaltstücke überlappen. Dabei können vorteilhaft die Be­grenzungsflächen des Schlitzes bzw. der Schlitze abhängig von der Lage zu den Elektroden unterschiedlich geneigt sein.

[0012] Die Erfindung wird nun anhand von sieben Figuren näher er­läutert. Sie ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Beispiele beschränkt.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre sche­matisch.

Fig. 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäß aufgebauten Schirmes.

Fig. 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform eines er­findungsgemäßen Schirmes und seine Lage zu dem Schaltkontakten bei geöffnetem Zustand des Schalters.

[0013] Ein beweglicher Schaltkontakt 1 und ein fester Schaltkon­takt 2 liegen einander koaxial gegenüber. Sie besitzen schematisch dargestellte Kontaktstücke 3 und 4, die einen größeren Durchmesser auf weisen als der jeweils daran an­schließende Kontaktbolzen 5. Die Kontaktstücke 3 und 4 können in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein, sie können beispielsweise einfache Plattenkontaktstücke mit radialen oder parallel zum Durchmesser versetzten Schlit­zen sein. Ihre Kontaktflächen, in denen sich die Kontakt­stücke in geschlossenem Zustand berühren, brauchen nicht bis zum Rand des jeweiligen Kontaktstückes zu reichen, da der Lichtbogen schnell genug nach außen gedrängt wird.

[0014] Die Kontaktstücke 3 und 4 sind durch eine koaxiale Abschir­mung 6 vom isolierenden Teil 7 des Gehäuses getrennt. Die Abschirmung 6 setzt sich aus einem dünnwandigen äußeren Zylinder 8 und einem dickwandigen Zylinder 9 zusammen, wo­bei der Zylinder 9 in Teilzylinder 9a, 9b, 9c aufgeteilt ist. Der Zylinder 9 überdeckt die Kontaktstücke 3 und 4 in axialer Richtung auch in der geöffneten Stellung der Va­kuumschaltröhre.

[0015] Der durch die Schaltkontakte 1 und 2 fließende Strom er­zeugt in der Abschirmung 9 Wirbelströme, deren axiale Kom­ponente durch die Aufteilung in die Abschirmringe 9a bis 9c klein gehalten wird. Durch den großen Querschnitt der Abschirmringe 9a bis 9c und durch die Verwendung eines elektrisch gut leitfähigen Metalls für diese Ringe entste­hen Wirbelströme in Umfangsrichtung der Abschirmung, welche ein beträchtliches axiales Magnetfeld erzeugen. Durch einen derartigen Aufbau wird eine Erhöhung der Schaltleistung er­reicht. Dabei ist ein geringer Abstand zwischen den Kon­taktstüchen 3 und 4 und der Abschirmung 9 wesentlich, wo­ bei sich als Abstand das 1,5-Fache des Elektrodenabstandes in geöffnetem Zustand eignet. Dieser Abstand gewährleistet einerseits Sicherheit gegen Überschläge von den Kontakt­stücken 3 auf den Schirm 9 und andererseits eine ausreichen­de Einwirkung des axialen Feldes der Wirbelströme auf die Entladung zwischen den Kontaktstücken 3 und 4. Eine Wand­stärke der Abschirmung 9 von 2mm reicht bis zu einem Kon­taktdurchmesser von etwa 100mm aus.

[0016] Die Ausdehnung der Abschirmung 9 in axialer Richtung soll einerseits mindestens des Zweifache des Kontaktabstandes in geöffnetem Zustand betragen und andererseits auch in geöffnetem Zustand die Kontaktstücke 3 und 4 in axialer Richtung überdecken.

[0017] Außerhalb der Abschirmung 9 kann ein relativ dünnwandiger Abschirmzylinder 8 aus einem Material mit geringer elek­trischer Leitfähigkeit und vorzugsweise mit einer hohen Überschlagsfeldstärke zum Schutz des isolierenden Gehäuse­teils eingesetzt werden. Der dünnwandige Zylinder 8 bietet für die Abschirmringe 9a bis 9c die mechanische Befesti­gung, trägt aber seinerseits zur Wirbelstrombildung weder in axialer noch in Umfangrichtung nennenswert bei, da er nur eine geringe Leitfähigkeit besitzt.

[0018] Eine Abschirmung gemäß Fig. 2 in der Form eines spiralig aufgetrennten Zylinders ist relativ einfach herzustellen und gewährleistet auch ohne einen zusätzlichen Abschirm­zylinder 8 die notwendige mechanische Festigkeit. In einer derartigen Form bilden sich Wirbelströme über einem Teil des Umfangs, wobei der Wirbelstrom im achsnahen Bereich in einer und im achsfernen Bereich in der anderen Richtung fließt. Dies ist infolge der unterschiedlichen Abstände zur Achse möglich. Bei dieser Ausführungsform besteht ein besonders starker Einfluß der Wandstärke des geschlitzten Zylinders auf den Wirbelstrom und dessen Feldstärke in axialer Richtung. Ähnliches gilt für eine Abschirmung gemäß Fig. 3, in der die spiralige Auftrennung durch eine Auf­trennung des Zylinders in Stufen angenähert ist. Diese Ausführungsform ermöglicht eine einfache Programmierung von Automaten und eine einfache Variation des Stegbreiten in axialer Richtung.

[0019] Fig. 4 zeigt eine besonders stabile Ausführungsform, in welcher sich Wirbelströme in Umfangsrichtung ausbilden können, während in axialer Richtung die Ausbildung von Wirbelströmen behindert ist.

[0020] Fig. 5 zeigt eine vollständige Auftrennung der Abschirmung 9 in Abschirmringe 9a bis 9d ähnlich der Ausführung von Fig. 1. Sofern ein dünnwandiger Abschirmzylinder 8, wie in Fig. 1 dargestellt, nicht erwünscht ist, empfiehlt es sich, die in den Figuren 6 und 7 dargestellte Ausführungsform zu wählen, bei der die einzelnen Ringe 10 bis 14 durch Bänder 15 aus elektrisch schlecht leitendem Material verbunden sind, wobei diese Bänder 15 durch Punktschweißen an Schweiß­stellen 16 an den Ringen 10 bis 14 befestigt sind.

[0021] Um ein Bedampfen der in Fig. 6 nicht dargestellten isolie­renden Teile des Gehäuses zu vermneiden, sind die Ringe 10 bis 14 mit schrägen Stirnflächen 17 versehen, wobei die Neigung der Stirnflächen unterschiedlich ist. Die Neigung der Stirnflächen 17 ändert in der Mitte zwischen den Kon­taktstücken 3 und 4, bezogen auf den geöffneten Zustand ihre Richtung zur Rotationsachse der Schaltkontakte 1, 2. Dadurch bedingt entstehen unterschiedliche Querschnittsfor­men für die Ringe 10 bis 14, wobei der mittlere Ring 12 einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.

[0022] Zur Halterung der Ringe 10 bis 14 reichen drei Bänder 15 aus, die vorzugsweise in einem Winkel von 120° gegeneinan­der versetzt angeordnet sind.

Bezugszeichenliste

[0023] 

Nr. Begriff

1 Beweglicher Schaltkontakt

2 Fester Schaltkontakt

3, 4 Kontaktstück

5 Kontaktbolzen

6 Abschirmung

7 Isolierender Teil

8 Dünnwandiger Zylinder

9 Dickwandiger Zylinder

9a, 9b, 9c Teilzylinder

10 - 14 Ring

15 Band

16 Schweißstelle

17 Stirnfläche

Ansprüche

1. Vakuumschaltröhre mit zwei koaxialen Schaltkontakten, welche je einen Kontaktbolzen und ein Kontaktstück aufwei­sen, wobei das Kontaktstück beim Schaltvorgang stromdurch­flossene Teile aufweist, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Kontaktbolzens, und mit zumindest einem elektrisch isolierenden Gehäuseteil, welcher durch zumindest eine in axialer Richtung durch Schlitze unter­brochene Abschirmung vor dem Niederschlag des beim Schalt­vorgang entstehenden Metalldampfes geschützt ist und wobei die Abschirmung aus elektrisch leitendem Material besteht und als Einrichtung zur Erzeugung eines axialen Magnetfel­des ausgebildet ist, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Abschirmung mit keinem der Schaltkontakte elektrisch leitend verbunden ist, gegenüber diesen auf schwimmendem Potential liegt, von beiden Schalt­kontakten einen zur Verhinderung von Überschlägen ausrei­chenden Isolationsabstand aufweist, daß die Abschirmung aus einem elektrisch gut leitendem Material besteht, daß die Kontaktstücke radiale oder parallel zum Durchmesser versetzte Schlitze besitzen und daß die Abschirmung die Kontaktstücke auch in geöffnetem Zustand des Schalters in axialer Richtung zumindest überlappt.

2. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Schirmes vom Rand der Kontaktstücke etwa das 1,5-Fache des Kontakt­abstandes im ausgeschalteten Zustand (des Schalthubes) beträgt.

3. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm aus Kupfer besteht und zumindest 2mm dick ist.

4. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des Schirmes in axialer Richtung zumindest das 2-Fache des Schalthubes beträgt.

5. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm einen spiralförmig geschlitzen Hohlzylinder dar­stellt.

6. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm einen Hohlzylinder mit senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Schlitzen darstellt.

7. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung ge­geneinander versetzte Schlitze angebracht sind, daß jeweils zwei oder mehr Schlitze die Zylinderwand nur teilweise durchsetzen und daß diese Schlitze durch axial ausgerich­tete Schlitze an ihren Endpunkten miteinander verbunden sind.

8. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Schlitze in derselben axialen Position und symmetrisch zur Rota­tionsachse der Zylinderwand und daß in axialer Richtung mehrere derartige Schlitzpaare angeordnet und gegenüber den zunächstliegenden Paaren in Umfangsrichtung versetzt sind.

9. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm in axialer Richtung in einzelne Schirmringe unterteilt ist.

10. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze in radialer Richtung Begrenzungsflächen auf­weisen, welche zur Rotationsachse des Zylinders geneigt sind und daß die Begrenzungsflächen zumindest eines Schlitzes sich bei geöffnetem Zustand der Vakuumschalt­röhre in den Blickrichtungen beider dem Entladungsspalt benachbarter Außenkanten der Schaltstücke überlappen.

11. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen des Schlitzes bzw. der Schlitze abhängig von der Lage zur Mittelebene des Entladungsspaltes unterschiedlich geneigt sind.

Zeichnung