DE1112161B

DE1112161B - Contact arrangement which is housed in a hermetically sealed space

Info

Publication number: DE1112161B
Application number: DES64319A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Lothar Borchert; Dipl-Phys Christian Huber; Dr Rer Nat Karl-Ludwig Rau
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-08-06
Filing date: 1959-08-06
Publication date: 1961-08-03
Also published as: NL254443A; GB948931A; CH387739A; US3177328A

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.As is known, the life of contacts can be increased by removing the contacts housed in an evacuated vessel. In order to make the contact point itself particularly resistant, if you have this in a known vacuum switch made of chemical compounds of refractory metals, namely carbides or nitrides, built up. These chemical compounds are those in which in particular Tungsten, tantalum, niobium, molybdenum or hafnium are included. As these chemical compounds are known have an extraordinarily high hardness (tungsten carbide is one of the most common with diamonds of the hardest materials), they are very difficult to work with, especially when applied to the contact springs leads to technical difficulties. It is also known to use vacuum switches Switching high currents to build the contact point from temperature-resistant metal that is able is to provide resistance to the high thermal stress on the contact point in this case. For this comes z. B. tungsten, tantalum or molybdenum into consideration.

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.When switching an inductive load by vacuum switches, a disadvantage becomes noticeable, the consists in the fact that the induction voltage occurring when switching off can take on very high values, because the switching path of an open vacuum switch represents an extremely high resistance. This can lead to discharges on the inductive payloads, which are detrimental to their isolation impact.

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.This effect is avoided if the vessel containing the switching path with a protective or Noble gas is filled. A glow discharge can form here when an inductive load is switched off, which automatically limits the induced voltages to the ignition voltage of the glow discharge and Keeps harmful discharges away from the payloads.

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,The invention described below relates to a contact arrangement whose contacts in are housed in a space filled with a protective or inert gas. As stated above, can in her the disadvantages of the known vacuum circuit described above do not occur. Through the The invention now opens up a way of increasing the service life of the contacts operating under protective gas can be increased significantly. This is achieved according to the invention in that the area of the contacts, over which essentially a glow discharge extends in the event of a contact actuation, a contact arrangement made from a refractory metal,

die in einem hermetisch, abgeschlossenen
Raum untergebracht istwhich in a hermetically sealed
Space is housed

Anmelder:Applicant:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2Berlin and Munich,
Munich 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. phil. Lothar Bordiert, Haar bei München,Dr. phil. Lothar Bordiert, Haar near Munich,

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

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

sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors

(z. B. Molybdän, Tantal, Wolfram) nach Art einer sogenannten Reinmetallkathode bestehende Oberfläche besitzt.(e.g. molybdenum, tantalum, tungsten) in the manner of a so-called pure metal cathode surface owns.

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.The invention is based on the following findings: An open contact is provided that it is in a gas atmosphere under negative pressure, comparable to a gas discharge tube. Consequently ignites a glow discharge between its electrodes during the opening process, if a voltage above the ignition voltage arises across them. This case is particular then given when using such contacts an inductive load, z. B. a relay is switched. In one In such a case, the spontaneous current interruption causes the induction of a voltage spike, which occurs directly at the contact and thus ignites the glow discharge.

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.The result is sputtering of the contact part forming the cathode, the so-called cathode sputtering. This manifests itself in a wear and tear of the surface piece in question and a material migration, which have an extremely unfavorable effect on the properties of the contact point.

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-There are certain metals, namely those with a relatively high melting point, such as. B. molybdenum, Tungsten or tantalum, which have a very strong effect on the cathode sputtering that occurs during glow discharges oppose high resistance. Such metals are therefore already known as pure metal

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kathoden in Kaltkathodenröhren benutzt. Zur Ver- Zweckmäßig versieht man jeweils beide zu einemcathodes used in cold cathode tubes. For practical purposes, both are made into one

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 Turning as a contact material, these contact parts belonging to the Me-contact with the one talle, but so far relatively unsuitable, since the experience high-melting metal existing surface, tion with such contacts actuated in air. B. tungsten contacts, showed that this mate- 5 contact can be turned on regardless of the direction of the rialien, especially with a lower load to the switching current in the relevant circuit formation of high-resistance and even insulating and on the other hand, that layers tend. So you have so far protective tube and the outgoing from the respective anode so-called contacts mostly with a noble metal layer, z. B. from called fine migration is greatly reduced.
Gold, provided, which, however, has relatively little resistance. In contrast, the aforementioned highly further invention allow the hermetically sealed melting metals, such as. B. molybdenum, tantalum, in which the contact arrangement is under- or tungsten, as the surface material of the contact, is provided with a filling that protects the arrangements that are hermetically sealed against atmospheric pressure - or noble gas-filled space has under- low pressure that a glow is brought about that the harmful cathode sputtering charge with its cathode covering is practically eliminated via an exercise, the otherwise observation area extending considerably larger than the eighth inclination of such Metals is the contact surface belonging to the formation of the high contact point, so that ohmic layers are prevented by the protective or noble gas 20 from the cathode caused by the glow discharge. atomization predominantly on areas

Durch die vorstehend beschriebenen erfindungs- verlagert ist, die an der eigentlichen Kontaktgabe gemäßen Maßnahmen erzielt man eine große Lebens- nicht beteiligt sind.Due to the above-described invention, which is shifted to the actual contact proper measures one achieves a great life- are not involved.

dauer der Kontakte, da die unerwünschte Verände- Hierbei wird von der Erkenntnis ausgegangen,duration of the contacts, as the undesired changes - this is based on the knowledge

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.tion of the contacts as a result of a glow discharge to a large extent that the cathode coverage of a glow discharge is eliminated. This in turn has an improvement in its expansion depending on the pressure in the trap temporal constancy of the electrical and magnetic charge vessel is. This effect is known per se table characteristics result. According to an expedient embodiment of the invention in the contact-wise manner described above, the arrangement is high-melting in a very specific manner Metal in the form of a foil on the 30 turns, namely so that the cathode cover Contacts plated. is shifted to areas by lowering the pressure.

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 abgeschlossenenSuch an arrangement is shown in FIG. 1, which does not take part in the actual contact-making. It shows a protective tube contact with a are. This ensures that on the one hand the protective tube 1, which contains the two contact springs 2 enlargement of the cathode coverage, the specific and 3. The protective tube 1 is made of glass and the current load during the switching process is reduced at its ends, enclosing the contact and thus the cathode sputtering 2 and 3 are melted shut. The contact springs 2 are mainly weakened and, on the other hand, those through and 3 are provided in the area of the contact point with a contact destruction-plated foil 4 which is made of a metal, e.g. molybdenum, which melts away from the area of the actual contact point. How 40 is shifted. This latter effect can be seen from the fact that the foil 4 around the contact springs 2 and 3, which are made of flat sheet metal, is of particular importance because this means that the deposition of atomized products is drawn around so far that a relatively large area is the actual contact point and so that the material stands, which is largely avoided in the event of a glow discharge which migrates here,
The resultant cathode sputtering can counteract a high resistance corresponding to the measure described above. Self-adjustment of a very specific pressure in which of course it is also possible to use the plating 4 over a hermetically sealed space that will pull the entire area of the contacts 2 and 3 to the effect of using a high-melting point, with which this into the interior of the metal as The surface of the contacts still protrude under the protective tube 1, if it is supported by 50,
large cathode coverages can be expected. The pressure in the hermetically sealed

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 alsoAnother possibility, the contact springs with space can be compared to atmospheric pressure lower a surface made of refractory metal too far for a cathode to be missed, consists in giving this metal in the form of a covering, which the contacts so far overcorrespondingly Shaped rivet on the contact springs 55 pulls, as their surface from the high melting point. the metal is made of. In this case it would be

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 derSuch a construction is shown in FIGS. 2 and 3 with a cathode covering which is similar to that shown in FIG in which a contact spring corresponds to the plating 4 shown in plan view in FIG. It is and is shown in a side view, which can also be done by pressing a such rivet is provided. As can be seen, 60 setting a raised above the surface the rivet 5 has a plate-like part, the cathode direction reaching out into the melting metal is to be attached to the mating contact spring. to achieve coverage. In this case it results With a neck 6, the rivet penetrates the contact with an even lower current density, although this is the case spring 7, which must be accepted with a corresponding hole that on the sight is. On the side of the 65 facing away from the plate, its surface does not consist of the high-melting contact spring 7 the rivet is turned inside out. There is a certain form of cathodic erosion made of this graining metal suffices for those cases in which the dust remains. However, this is immaterial since clocks have to withstand a low current load. the resulting sputtering due to the

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.low specific total current load is no longer relevant. In general One becomes a compromise between the extent of the surface of the refractory Metal and the setting of the pressure are received, with those of the contact arrangement in question energy to be switched must be taken into account. With this compromise are for the relevant current strength to choose the most favorable conditions.

An sich sind Kontaktanordnungen in einem unter Unterdruck stehenden Schutz- oder Edelgas bekannt.Contact arrangements in a protective or noble gas under negative pressure are known per se.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Contact arrangement which is housed in a hermetically sealed space which is filled with a protective gas · or noble gas, characterized in that the area of the contacts over which a glow discharge essentially extends in the case of a contact actuation, one of a high-melting metal (e.g. molybdenum, tantalum, tungsten) has a surface that is present in the manner of a so-called pure metal cathode.

2. Contact arrangement according to claim 1, characterized in that the high-melting point Metal is plated in the form of a foil on the contacts.

3. Contact arrangement according to claim 1, characterized in that the high-melting point Metal in the form of a rivet is applied to the contacts.

4. Contact arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized by a filling with a pressure so low compared to atmospheric pressure that a Glow discharge with its cathode covering extends over an area which is considerably larger than the contact area belonging to the contact point, so that by the glow discharge caused cathode sputtering is for the most part shifted to areas that are at the actual contact is not involved.

Considered publications:
German patent specifications No. 705 358, 966 816, 407725.

1 sheet of drawings