DE1112161B - Kontaktanordnung, die in einem hermetisch abgeschlossenen Raum untergebracht ist - Google Patents

Description

Die Lebensdauer von Kontakten kann man bekanntlich dadurch heraufsetzen, daß man die Kontakte in einem evakuierten Gefäß unterbringt. Um die Kontaktstelle selbst besonders widerstandsfähig auszubilden, hat man diese bei einem bekannten Vakuumschalter aus chemischen Verbindungen von hochschmelzenden Metallen, nämlich Karbiden oder Nitriden, aufgebaut. Bei diesen chemischen Verbindungen handelt es sich um solche, in denen insbesondere Wolfram, Tantal, Niob, Molybdän oder Hafnium enthalten sind. Da diese chemischen Verbindungen bekanntlich eine außerordentlich große Härte aufweisen (das Wolframkarbid ist neben dem Diamanten eines der härtesten Materialien), sind sie sehr schwer zu verarbeiten, was insbesondere bei der Aufbringung auf die Kontaktfedern zu technischen Schwierigkeiten führt. Weiterhin ist es bekannt, bei Vakuumschaltern zur Schaltung hoher Ströme die Kontaktstelle aus temperaturbeständigem Metall aufzubauen, das in der Lage ist, der in diesem Fall hohen thermischen Beanspruchung der Kontaktstelle Widerstand zu leisten. Hierfür kommt z. B. Wolfram, Tantal oder Molybdän in Betracht.

Beim Schalten einer induktiven Last durch Vakuumschalter macht sich ein Nachteil bemerkbar, der darin besteht, daß die beim Abschalten auftretende Induktionsspannung sehr hohe Werte annehmen kann, da die Schaltstrecke eines offenen Vakuumschalters einen außerordentlich hohen Widerstand darstellt. Dies kann zu Entladungen an den induktiven Nutzlasten führen, die sich auf deren Isolation schädlich auswirken.

Dieser Effekt wird vermieden, wenn das die Schaltstrecke enthaltende Gefäß mit einem Schutz- oder Edelgas gefüllt ist. Hier kann sich beim Abschalten einer induktiven Last eine Glimmentladung ausbilden, welche automatisch die induzierten Spannungen auf die Zündspannung der Glimmentladung begrenzt und schädliche Entladungen von den Nutzlasten fernhält.

Die anschließend beschriebene Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung, deren Kontakte in einem mit einem Schutz-oder Edelgas gefüllten Raum untergebracht sind. Wie vorstehend dargelegt, können bei ihr die eingangs beschriebenen Nachteile der bekannten Vakuumschaltung nicht auftreten. Durch die Erfindung wird nun ein Weg eröffnet, wie sich die Lebensdauer der unter Schutzgas arbeitenden Kontakte wesentlich steigern läßt. Erzielt wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß der Bereich der Kontakte, über den sich im wesentlichen eine im Falle einer Kontaktbetätigung ausbildende Glimmentladung erstreckt, eine aus einem hochschmelzenden Metall Kontaktanordnung,

die in einem hermetisch, abgeschlossenen
Raum untergebracht ist

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. phil. Lothar Bordiert, Haar bei München,

Dipl.-Phys. Christian Huber, München-Solln,

und Dr. rer. nat. Karl-Ludwig Rau, München,

sind als Erfinder genannt worden

(z. B. Molybdän, Tantal, Wolfram) nach Art einer sogenannten Reinmetallkathode bestehende Oberfläche besitzt.

Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen: Ein offener Kontakt ist unter der Voraussetzung, daß er sich in einer Gasatmosphäre unter Unterdruck befindet, mit einer Gasentladungsröhre vergleichbar. Infolgedessen zündet während des Öffnungsvorganges zwischen seinen Elektroden eine Glimmentladung, wenn an diesen eine über der Zündspannung liegende Spannung entsteht. Dieser Fall ist insbesondere dann gegeben, wenn mit Hilfe solcher Kontakte eine induktive Last, z. B. ein Relais, geschaltet wird. In einem solchen Falle bewirkt die spontane Stromunterbreehung die Induktion einer Spannungsspitze, die unmittelbar am Kontakt auftritt und damit die Glimmentladung zündet.

Ihre Folge ist eine Zerstäubung des die Kathode bildenden Kontaktteiles, die sogenannte Kathodenzerstäubung. Diese äußert sich in einem Verschleiß des betreffenden Oberflächenstücks und einer Materialwanderung, die die Eigenschaften der Kontaktstelle äußerst ungünstig beeinflussen.

Es gibt nun bestimmte Metalle, nämlich solche mit relativ hohem Schmelzpunkt, wie z. B. Molybdän, Wolfram oder Tantal, welche der bei Glimmentladungen auftretenden Kathodenzerstäubung einen sehr hohen Widerstand entgegensetzen. Man hat daher derartige Metalle bereits als sogenannte Reinmetall-

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kathoden in Kaltkathodenröhren benutzt. Zur Ver- Zweckmäßig versieht man jeweils beide zu einem

Wendung als Kontaktmaterial erschienen diese Me- Kontakt gehörende Kontaktteile mit der aus einem talle bisher jedoch relativ ungeeignet, da die Erfah- hochschmelzenden Metall bestehenden Oberfläche, rung mit derartigen in Luft betätigten Kontakten, Hierdurch erreicht man einerseits, daß ein solcher z. B. Wolfram-Kontakten, zeigten, daß diese Mate- 5 Kontakt ohne Rücksicht auf die Richtung des zu rialien insbesondere bei schwächerer Belastung zur schaltenden Stromes in den betreffenden Stromkreis Bildung von hochohmigen und sogar isolierenden eingeschaltet werden kann und andererseits, daß Schichten neigen. Man hat daher bisher Schutzrohr- auch die von der jeweiligen Anode ausgehende sogekontakte meist mit einer Edelmetallschicht, z. B. aus nannte Feinwanderung stark verringert wird.
Gold, versehen, das jedoch relativ wenig Widerstands- io Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen lassen fest gegenüber der erwähnten Kathodenzerstäubung sich in ihrer Wirkung unterstützen, wenn man gemäß ist. Demgegenüber ermöglichen die erwähnten hoch- weiterer Erfindung den hermetisch abgeschlossenen schmelzenden Metalle, wie z. B. Molybdän, Tantal Raum, in welchem die Kontaktanordnung unterge- oder Wolfram, als Oberflächenmaterial von Kontakt- bracht ist, mit einer Füllung versieht, die einen anordnungen, die in einem hermetisch abgeschlosse- 15 gegenüber dem atmosphärischen Druck so weit ernen, mit Schutz- oder Edelgas gefüllten Raum unter- niedrigten Druck besitzt, daß sich eine Glimmentgebracht sind, daß die schädliche Kathodenzerstäu- ladung mit ihrer Kathodenbedeckung über eine bung praktisch beseitigt wird, wobei die sonst beob- Fläche erstreckt, die wesentlich größer als die zur achtete Neigung derartiger Metalle zur Bildung hoch- Kontaktstelle gehörende Kontaktfläche ist, so daß ohmiger Schichten durch das Schutz- oder Edelgas 20 die durch die Glimmentladung bewirkte Kathodenverhindert ist. zerstäubung zum überwiegenden Teil auf Bereiche

Durch die vorstehend beschriebenen erfindungs- verlagert ist, die an der eigentlichen Kontaktgabe gemäßen Maßnahmen erzielt man eine große Lebens- nicht beteiligt sind.

dauer der Kontakte, da die unerwünschte Verände- Hierbei wird von der Erkenntnis ausgegangen,

rung der Kontakte infolge Glimmentladung weitgehend 25 daß die Kathodenbedeckung einer Glimmentladung beseitigt wird. Dies hat wiederum eine Verbesserung in ihrer Ausdehnung abhängig vom Druck im Entder zeitlichen Konstanz der elektrischen und magne- ladungsgefäß ist. Dieser an sich bekannte Effekt wird tischen Kennwerte zur Folge. Gemäß einer zweck- nun bei den vorstehend beschriebenen Kontaktmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird das anordnungen in einer ganz bestimmten Weise angehochschmelzende Metall in Form einer Folie auf den 30 wendet, nämlich so, daß die Kathodenbedeckung Kontakten aufplattiert. durch Druckerniedrigung auf Bereiche verlagert wird.

Eine derartige Anordnung ist in der Fig. 1 darge- die an der eigentlichen Kontaktgabe nicht beteiligt stellt. Sie zeigt einen Schutzrohrkontakt mit einem sind. Hierdurch wird erreicht, daß einerseits durch Schutzrohr 1, welches die beiden Kontaktfedern 2 Vergrößerung der Kathodenbedeckung die spezi- und 3 enthält. Das Schutzrohr 1 besteht aus Glas und 35 fische Strombelastung während des Schaltvorganges ist an seinen Enden unter Einfassung der Kontakt- verringert und damit die Kathodenzerstäubung überfedern 2 und 3 zugeschmolzen. Die Kontaktfedern 2 haupt geschwächt wird und andererseits die durch und 3 sind im Bereich der Kontaktstelle mit einer die Kathodenzerstäubung bedingte Kontaktzerstöaufplattierten Folie 4 versehen, die aus einem hoch- rung vom Bereich der eigentlichen Kontaktstelle weg schmelzenden Metall, z.B. Molybdän, besteht. Wie 40 verlagert wird. Dieser letztere Effekt ist darum von ersichtlich, ist die Folie 4 um die aus flachen Blech- besonderer Bedeutung, weil hierdurch weitgehend streifen bestehenden Kontaktfedern 2 und 3 so weit die Ablagerung von Zerstäubungsprodukten an der herumgezogen, daß eine relativ große Fläche ent- eigentlichen Kontaktstelle und damit die Materialsteht, die bei einer Glimmentladung der hierbei sich wanderung weitgehend vermieden wird,
ergebenden Kathodenzerstäubung einen entsprechend 45 Durch die vorstehend beschriebene Maßnahme der hohen Widerstand entgegensetzen kann. Selbstver- Einstellung eines ganz bestimmten Druckes in dem ständlich ist es auch möglich, die Plattierung 4 über hermetisch abgeschlossenen Raum wird also die den gesamten Bereich der Kontakte 2 und 3 zu Wirkung der Verwendung eines hochschmelzenden ziehen, mit welchem diese in den Innenraum des Metalls als Oberfläche der Kontakte noch unter-Schutzrohres 1 hineinragen, wenn mit entsprechend 50 stützt,
großen Kathodenbedeckungen zu rechnen ist. Den Druck in dem hermetisch abgeschlossenen

Eine andere Möglichkeit, die Kontaktfedern mit Raum kann man gegenüber Atmosphärendruck so einer Oberfläche aus hochschmelzendem Metall zu weit absenken, daß sich gerade eine Kathodenversehen, besteht darin, dieses Metall in Form eines bedeckung ergibt, welche die Kontakte so weit überentsprechend geformten Niets an den Kontaktfedern 55 zieht, wie deren Oberfläche aus dem hochschmelzenanzubringen. den Metall besteht. In diesem Falle würde sich also

Eine derartige Konstruktion ist in den Fig. 2 und 3 eine Kathodenbedeckung ergeben, welche der in der dargestellt, in denen eine Kontaktfeder in Draufsicht Fig. 1 dargestellten Plattierung 4 entspricht. Es ist und in Seitensicht wiedergegeben ist, welche mit aber auch möglich, durch entsprechende Druckeinem derartigen Niet versehen ist. Wie ersichtlich, 60 einstellung eine über die Oberfläche aus hochbesitzt der Niet 5 einen tellerartigen Teil, welcher in schmelzendem Metall hinausreichende Kathoden-Richtung auf die Gegenkontaktfeder anzubringen ist. bedeckung zu erzielen. In diesem Falle ergibt sich Mit einem Hals 6 duchsetzt der Niet die Kontakt- eine noch geringere Stromdichte, wobei allerdings feder 7, die mit einer entsprechenden Bohrung ver- in Kauf genommen werden muß, daß an den Besehen ist. Auf der dem Teller abgewandten Seite der 65 reichen, deren Oberfläche nicht aus dem hochschmel-Kontaktfeder 7 ist der Niet umgestülpt. Diese Aus- zenden Metall besteht, eine gewisse Kathodenzerführungsform genügt für die Fälle, in denen die Kon- stäubung verbleibt. Dies ist jedoch unwesentlich, da takte eine geringe Strombelastung auszuhalten haben. die resultierende Kathodenzerstäubung infolge der

geringen spezifischen Gesamtstrombelastung nicht mehr maßgebend in Gewicht fällt. Im allgemeinen wird man einen Kompromiß zwischen der Ausdehnung der Oberfläche aus hochschmelzendem Metall und der Einstellung des Druckes eingehen, wobei die von der betreffenden Kontaktanordnung zu schaltende Energie zu berücksichtigen ist. Bei diesem Kompromiß sind für die betreffende Stromstärke die günstigsten Verhältnisse zu wählen.

An sich sind Kontaktanordnungen in einem unter Unterdruck stehenden Schutz- oder Edelgas bekannt.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kontaktanordnung, die in einem hermetisch abgeschlossenen Raum untergebracht ist, der mit einem Schutz-· oder Edelgas gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Kontakte, über den sich im wesentlichen eine im Falle einer Kontaktbetätigung ausbildende Glimmentladung erstreckt, eine aus einem hochschmelzenden Metall (z.B. Molybdän, Tantal, Wolfram) nach Art einer sogenannten Reinmetallkathode bestehende Oberfläche besitzt.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochschmelzende Metall in Form einer Folie auf den Kontakten aufplattiert ist.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochschmelzende Metall in Form eines Niets auf den Kontakten aufgebracht ist.

4. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Füllung mit einem gegenüber dem atmosphärischen Druck so weit erniedrigten Druck, daß sich eine Glimmentladung mit ihrer Kathodenbedeckung über eine Fläche erstreckt, die wesentlich größer als die zur Kontaktstelle gehörende Kontaktfläche ist, so daß die durch die Glimmentladung bewirkte Kathodenzerstäubung zum überwiegenden Teil auf Bereiche verlagert ist, die an der eigentlichen Kontaktgabe nicht beteiligt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 705 358, 966 816, 407725.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen