DE1640211A1

DE1640211A1 - Vakuumunterbrecher

Info

Publication number: DE1640211A1
Application number: DE19671640211
Authority: DE
Inventors: Robert Crowell; Crouch Donald Wayne
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-03-28
Filing date: 1967-03-25
Publication date: 1970-06-04
Also published as: US3430015A; JPS451489B1; GB1103619A

Description

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General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y.,USA

Vakuumunt e rb re ehe r

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Vakuumunterbrecher, die gegeneinander bewegbare Kontakte aufweisen, und im besonderen auf Unterbrecher dieser Art, bei denen ein Verschweißen der Kontakte durch die Anwesenheit einer besonderen Komponente indem Metall für die Kontakte verhindert wird.

Die Kontakte von Vakuumunterbrechern müssen außerordentlich sauber sein. Insbesondere müssen die Kontaktoberflächen frei von Oxydschichten und frei von Schichten aus anderen störenden Fremdstoffen sein. Diese Sauberkeit ist erforderlich, um hohe Durchschlagsfestigkeiten zu erreichen, und um hohe Stromstärken schalten zu können. Wenn die Kontaktoberflächen jedoch sehr sauber sind, so besteht die Gefahr, daß die Kontakte miteinander verschweißen. Um die Bildung solcher Verschweißungen zwischen den Kontakten zu verhindern, ist bereits die Beigabe eines Metalls in geringer Menge zu dem Kontaktmetall vorgeschlagen worden, das das Verschweißen der Kontakte verhindert oder erschwert. Diese in geringen Mengen beigegebene Komponente löst sich im festen Zustand in dem Kontaktmetall nur schlecht. Die Wirkung dieser Komponente besteht darin, daß jede Schweißstelle zwischen den Kontakten sehr spröde wird, so daß zwischen den Kontakten

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nur verhältnismäßg geringe Trennkräfte zu wirken brauchen, um die Schweißstelle zu öffnen oder zu zerstören. Die Komponente, die das Verschweißen der Kontakte verhindern soll, hat außerdem eine niedrigere effektive Erstarrungstemperatur als der oder die Hauptbestandteile des IContaktmaterials. I.'enn beispielsweise die Kontakte aus Kupfer und/oder Silber hergestellt sind, kann man als Komponente, die das Verschweißen der Kontakte verhindert, Kismuth oder Blei verwenden.

Stellt man nun Vakuunmnterbrecher her, deren Kontakten eine Komponente beigegeben ist, die das Verschweißen der Kontakte verhindert, so besteht eine Schwierigkeit darin, die Vakuumhülle des Unterbrechers mit der erforderlichen mechanischen Festigkeit anzulöten oder anzuschweißen. Die Ursache hierfür ist noch nicht restlos geklärt. .lan vernutet jedoch,daß Spuren der Komponente aus der.: Kontaktmaterial, die das Verschweißen der Kontakte verhindert, bei der Herstellung der vakuumdichten Schweiß- oder Lötstellen zwischen der äußeren Vakuumhülle und den restlichen Unterbrecherbestandteilen in diese Schweiß- oder Lötstellen hinein gelangen und die Schweiß- oder Lötverbindungen beeinträchtigen. Es wurden selbst schon solche Schweiß- oder Lötstellen bzw. Schweißnähte beeinträchtigt, die ohne Berührung mit den Kontakten in einer verhältnismäßig großen Entfernung von den Kontakten angeordnet waren.

Ziel der Erfindung ist daher, dafür zu sorgen, daß die vakuumdichten Schweiß- oder Lötverbindungen eines Vakuumschalters durch die

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Anwesenheit einer Komponente des Kontaktmaterials, die das Verschweißen der Kontakte verhindert, nicht beeinträchtigt werden, während auf der anderen Seite ein Verschweißen der Kontakte unterbunden werden soll.

Dieses wird dadurch erreicht, daß die schweißverhindernde Komponente nur dem einei^Kontakt beigegeben wird. Der andere Kontakt ist, bevor der Schalter in Betrieb genommen worden ist, von dieser schweißverhindernden Komponente völlig frei. Der Vakuumunterbrecher weist vakuumdichte Löt- oder Schweißnähte auf, jedoch befindet sich keine dieser Nähte in der iSie desjenigen Unterbrecherkontaktes, der die schweißverhindernde Komponente enthält. Jede vakuumdichte Löt- oder SChweftiaht ist in der Nähe desjenigen Kontaktes angeordnet, der frei von der schweißverhindernden Komponente ist. Von dem Kontakt, def die schweißverhindernde Komponente enthält, liegen diese vakuumdichten schweiß- oder Lötnähte ziemlich weit entfernt.

Ein VAkuumunterbrecher nach der Erfindung weist eine hochevakuierte Hülle auf, in die zwei gegeneinander bewegbare Elektroden hineinragen. Diese Elektroden sind mit Kontakten versehen, die innerhalb der hochevakuierten Hülle angeordnet sind, so daß sie einander berühren können. Zwischen der einen Elektrode und der Vakuuinhülle des Unterbrechers ist eine vakuumdichte SChweiß- oder Lötnaht vorgesehen, die unmittelbar am Kontakt dieser Elektrode angeordnet ist,vom Kontakt der anderen Elektrode jedoch entfernt liegt. Die andere Elektrode ist mit deT Vakuumhülle des Unterbrechers

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ebenfalls durch eine vakuumdichte schweiß- oder Lötnaht verbunden, die von beiden Kontakten einen großen Abstand hat. Ein solcher Vakuumunterbrecher' ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt der zweiten Elektrode aus einer Legierung hergestellt ist, die eine schweißverhindernde Komponente enthält, die jede Schweißstelle brüchig macht, die sich zwischen den Kontakten bildet, wenn die Kontakte aneinander angreifen, und daß der Kontakt der ersten Elektrode aus einem Material hergestellt ist, das, bevor der Unterbrecher in Betrieb genommen worden ist, praktisch frei von dieser schweißverhindernden Komponente ist.

In der beiliegenden Figur ist ein Vakuumunterbrecher mit einer

-4 Vakmimhülle 11 dargestellt, die bis auf einen Druck von 10 torr

evakuiert ist. Die Vakuumhüelle 11 weist ein röhrenförmiges keramisches Gehäuse 12 auf. Die Stirnseiten des Gehäuses 12 sind durch zwei metallische Endverschlüsse 13,14 vakuumdicht verschlossen. Hierzu werdeniMetall-Keramik-Verbindungen 15 zwischeen den metallischen Endverschlüssen 13 und 14 und dem keramischen Gehäuse 12 hergestellt.

In die Vakuumhülle 11 ragen zwei gegeneinander bewegbare Elektroden 20 und 21 hinein, die durch dieEndverschlüsse 13 und 14 hindurchgeführt sind. Die obere Elektrode 20 ist die feststehende Elektrode des Unterbrechers. Sie ist mit dem oberen EndverschluiS 13 durch eine Vakuumdichte Schweiß- oder Lötnaht 23 verbunden, auf die noch näher eingegangen wird. Die untere Elektrode 21 ist die bewegbare

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Elektrode des Unterbrechers. Diese Elektrode geht frei durch eine Mittelöffnung 24 im unteren Endverschluß 14 hindurch.

Um die untere Elektrode derart abdichten zu können, daß sie auf und ab bewegbar ist, ohne daß das Vakuum innerhalb der Hülle 11 beeinträchtigt wird, ist ein flexibler Federbalg 25 aus Metall vorgesehen, der die Elektrode 21 umgibt. Der Federbalg 25 ist unten mittels einer Schweiß- oder Lötnaht 26 vakuumdicht mit dem Endverschluß 14 verbunden. Das obere Ende des Federbalgs 25 ist mit der bewegbaren Elektrode 21 durch eine Schweiß- oder Lötnaht 28 vakuumdicht verbunden.

Die obere Elektrode 20 ist aus eineir Kontaktstück 30 und einem Kontaktstab 32 zusammengesetzt, an dessen unterem Ende das Kontaktstück 30 sitzt. Das Kontaktstück 30 ist an dem Kontaktstab 32 mittels der Verbindung 34 befestigt. Diese Verbindung 34 wird so hergestellt, daß man das Koitaktstück 30 mit einem Ansatz 35 versieht, der in einen Sockel 36 im unteren Ende des Kontaktstabes 37 hineinpaßt. Die Wände dieses Sockels 36 sind etwas eingedrückt, so daß sich nach innen ragende Vorsprünge 37 ergbben, die fest in eine Ringnut im Ansatz 35 eingereifen.

Die untere Elektrode 21 ist genauso wie die obere Elektrode 20 aufgebaut. Sie weist ein Kontaktstück 40 und einen Kontaktatab auf, auf dessen oberem Ende das Kontaktstück 40 sitzt. Das Kontaktstück 40 und der Kontaktstab 42 sind auf die gleiche Weise miteinander befestigt, wie es bereits in Verbindung mit dem Kontaktstück 30 und dem Kontaktstab 32 beschrieben worden ist.

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Wenn der Unterbrecher geschlossen werden soll, wird die untere Elektrode 21 nach oben gedrückt, so daß das Kontaktstück 40 am Kontaktstück 30 der oberen Elektrode angreifen kann. Die Stellung des unteren Kontaktstückes 40 im geschlossenen Zustand des Unterbrechers ist durch die gestrichelte Linie 40a dargestellt. Greifen die beiden Kontaktstücke aneinander an, so fließt durch den Unterbrecher ein Strom, der seinen Weg über die Elektroden 20 und 21 durch die Kataktstücke 30 und 40 hindurch nimmt. Wenn der Unterbrecher nun unter Strom wieder geöffnet werden soll, wird die untere Elektrode 21 nach unten gezogen, um das untere Kontaktstück 40 vom oberen Kontaktstück.30 zu trennen. Dabei wird zwischen den beiden Kontaktstücken ein Lichtbogen hervorgerufen. Wenn man annimmt,daß es sich um einen Wechselstromunterbrecher handelt, bleibt der Lichtbogen etwa bis zum ersten Mulldurchgang des Stromes bestehen. Zu diesem Zeitpunkt erlischt der Bogen, und das Vakuum im Schalter stellt die ursprüngliche Durchschlagsfestigkeit wieder her, so daß der Lichtbogen nicht mehr erneut zünden kann.

Um die Metalldämfpfe zu kondensieren, die durch den Lichtbogen erzeugt worden sind, und um zu verhindern, daß die Kondensation der Metalldämpfe auf der inneren Oberfläche des Isolators 12 eifblgt, ist eine röhrenförmige Abschirmung 50 aus Metall vorgesehen. Die Abschirmung 50 ist in einem gewissen Abstand um die KOntaktstücke 30 und 40 herum angeordnet. Die Abschirmung 50 sitzt auf dem unteren Endverschluß 14 auf. Das obere Ende der Abschirmung 50 ist vor, einer becherförmigen Hilfsabschirmung 52 umgeben, an der sich zusätzlich Metalldämpfe kondensieren können, die durch den Lichtbogen frei-

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gesetzt worden sind und die auf den Isolator 12 zu laufen. Die üilfsabschirmung 52 weist in der Mitte eine öffnung auf, die die f-bere Elektrode 2D umgibt und mit der oberen Elektrode durch die vakuumdichte Schweißnaht 23 verbunden ist.

..ine zusätzliche Abschirmung ist mit 54 bezeichnet. Diese Abschirmung 54 ist als metallische Kreisscheibe ausgebildet und sorgt dafür, daß der Federbalg 25 nicht durch die heißen Produkte des Lichtbogens beschädigt werden kann. Diese zusätzliche Abschirmung ist ι mit der Elektrode 21 durch die SChweiß- oder Lötnaht 28 verbunden.

Es wurde bereits bemerkt, daß die Oberflächen der Kontaktstücke und 40 sehr sauber und insbesondere frei von dünnen Schichten aus Oxyden oder anderen störenden Fremdmaterialien sind. Wenn die KäEtaktstücke aufeinander zugeschoben werden, besteht der Oberfläihensauberkeit der Kontaktstücke wegen sowie der angewendeten hohen SCliließdrucke und des auch beim Schließen möglicherweise auftretenden Lichtbogens wegen die Gefahr, daß die KOntaktstücke an ihren Oberflächen miteinander verschweißen.

«>, nun zu verhindern, daß sich dabei eine mechanisch zu feste ii»hweißstelle bildet, ist bereits vorgeschlagen worden, dem Ma-

2rial der Kontaktstücke eine geringe Menge eines Metalls zuzui tzen, das sie Bildugn solcher Schweissstellen verhindert oder

ischwert. Diese schweißverhindernde Komponente löst sich im festen Zustand nur wenig im Hauptbestandteil des Kontaktmaterials :d bewirkt eine drastische Schwächung jeder Schweißstelle, die

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sich zwischen den Kontaktstücken gebildet hat, da diese zugesetzte Komponente die schweißstelle sehr brüchig und spröde macht. Wenn sich somit noch eine schweißstelle zwischen den Kontakten bildet, so kann diese Schweißstelle beim öffnen des Schalters durch geringe Trennkräfte leicht und sauber auseinander gebrochen werden. Beispiele für solche metallischen Zusätze zu einem Kontaktmaterial aus Kupfer und/oder Silber sind Blei und Wismuth. Als Material für die Kontaktstücke 30 und 40 kann man also beispielsweise die

„ folgenden Legierungen verwenden: Kupfer-Wismuth, Kupfer-Blei, Suberic

Wismuth und Silber-Blei. DAbei ist die nur in geringen Mengen zugesetzte, das Verschweißen der KOntaktstücke verhindernde Komponente jeweils an zweiter Stelle genannt.

Eine Schwierigkeit bei der Herstellung von Vakuumunterbrechern, deren Kontaktstücke aus den eben beschriebenen Legierungen gefertigt waren, bestand darin, zwischen der Vakuumhülle des Unterbrechrs und den anderen Bestandteilen des Unterbrechers mechanisch ausreichend feste und vakuumdichte schweiß- oder Lötnähte herzustellen. Die Ursachen hierfür sind noch nicht restlös geklärt. Man vermutet jedoch, daß bei der Herstellung dieser vakuumdichten SChweiß- oder Lötnähte Spuren der schweißverhindernden Komponente des Kontaktmaterials in diese NÄhte gelangen und die Schweiß- oder Lötnähte etwas porös machen.

Um diese SChweiß- oder Lötverbindungen 23 und 28 herzustellen, werden den zwischen oder neben die zu verbinden Teile Ringe aus Lötmaterial

gelegt. Dann wird der ganze Unterbrecher auf eine Temperatur erhitzt, die über dem Schmelzpunkt der Lötlegierung liegt. Eine typische Löt-

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legierung ist die eutektische Legierung z\\rischen Kupfer und Silber, die einen schmelzpunkt von 78O⁰C aufweist. Um somit mit diesem Lot eine Lötverbindung herzustellen, wird der ganze Unterbrecher auf eine Temperatur von etwas oberhalb 80O⁰C gebracht. Dadurch schmilzt die Lotlegierung und fließt in alle öffnungen und Zwischenräume an der Verbindungsstelle hinein. Daraufhin wird die Temperatur vermindert, so daß sich das geschmolzene Lot verfestigt und so daß die vakuumdichte Lötverbindung entsteht.

Vermutlich können nun während des Fertigungsschrittes, bei dem die Temperatur hoch ist, Spuren der Komponente des Kontaktmaterials , die das Verschweißen der Kontaktstücke verhindert, in das geschmolzene Lötmetall gelangen. Wenn auch solche Komponenten wie Blei oder Wismuth, die die Bildung von Schweißstellen zwischen Kupfer oder Silbern behindern, im festen Zustand nur eine geringe Löslichkeit in Kupfer, Silber oder der Lötlegierung aufweisen, ist ihre Löslichkeit in der flüssigen Phase recht hoch. Man nimmt daher an, daß etwas Wismuth oder Blei im geschmolzenen Lot gelöst wird. Wenn sich nun das Lot bei der Abkühlung verfestigt, scheidet sich das Wismuth oder das Blei aus der Lösugn aus und tritt in die Korngrenzen des Lotes ein. Dadurch kann das Wismuth oder das Blei aus Gründen, de noch nicht restlos geklärt sind, Poren in der Lötnaht hervorrufen. Diese Beeinträchtigung der Lötverbindung wurde selbst dann beobachtet, wenn die Lötverbindung an einer Stelle hergestellt wurde, die von den Kontaktstücken entfernt lag.

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Diese Schwierigkeiten, nämlich einmal mechanisch feste vakuumdichte Lötverbindungen herzustellen und zum anderen ein Verschweissen der Kontaktstücke zu verhüten, konnten durch mehrere zusammenwirkende Maßnahmen überwunden werden. Eine dieser Maßnahmen besteht darin, daß nur dem Kontaktstück; 30 die Komponente in geringen Mengen zugegeben wird, die das Verschweißen der Kontakte verhindert. DAs andere Kontaktstück 40 enthält 4iese Komponente zumindest so lange nicht, bis der Unterbrecher in Betrieb genommen worden ist. In einem Ausführungsbeispiel war das Kontaktstück 30 aus einer Kupfer-Wismuth-Legierung .hergestellt, während das Kontaktstück 40 nur aus Kupfer bestand. Es ist günstig, wenn der Kismuthgehalt der verwendeten Kupfer-Wismuthlegierung höchstens einige Gewichtsprozent bismuth beträgt. Eine zweite Maßnahme besteht darin, daß die Lötverbindungen 23 und 28 von denjenigen Kontaktstück 30 entfernt hergestellt werden, das das Wismuth enthält. Um einen Vakuumunterbrecher raumsparend aufzubauen, ist es notwendig, eine der beiden Kt nähte 23 oder 28 ganz in der Kähe eines der Kontaktstücke herzustellen. Dieses ist erfindungsgemäß ohne Beeinträchtigung dieser Lötnaht möglich, da diese Lötnaht 28 ganz dicht am wismuthfreien Kontaktstück 40 hergestellt werden kann. Die Lötnaht 28 hat dagegen von dem wismuthhaltigen Kontaktstück 40 einen ziemlich großen Abstand, und dieser Abstand ist die Ursache dafür, daß die Lötnaht 23 nicht durch das Uisnuth aus dem Kontaktstück beeinträchtigtwird. Bei einem VAkuumunterbrecher, bei dem zur Verhinderung des Verschweißens der hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Kontaktstücke 0,5 I V/ismuth vertiendet wurde, konnten bei "28" und "23" erstklassige vakuumdichte Lötverbindungen'hergestellt werden, wenn das Wismuth nur dem Material des Kontaktstückes 30 beigegeben war. 009823/0556

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Selbst wenn die Komponeite , die das Verschweißen der Kontaktstücke verhindert, nur dem Material eines der Kontaktstücke beigegeben wird, verhindert sie die Bildung einer staken Schweißstelle zwischen den beiden Kontaktstücken,wenn die KOntaktstücke geschaltet werden.

Wenn der Prozeßntsatz der Komponente, die das Verschweißen verhindert, hoch ist und wenn das Volumen der Vakuumhülle nur klein ist,bereitet die Herstellung zuverlässiger und guter vakuumdichter Lötverbindungen auch dann Schwierigkeiten, wenn diese Komponente nur dem einen Kontaktstück 30 zugegeben wird. So war es beispeislweise schwierig, bei einem Vakuumunterbrecher, wie er in der Figur abgebildet ist, der ein Volumen von etwa 80 cm aufwies und bei dem das Kontaktstück 40 nur aus Kupfer und das Kontaktstück 30 aus einer Kupfer-Wismuth-Leigierung hergestellt war, bei "28" und bei "23" gute Lötverbindungen herzustellen, wenn der Wismuthgehalt mehr als etwa 5 I betrug und als Lötmittel eine eutektische Kupfer-Silber-Legierung verwendet wurde. Bei Unterbrechern mit einem größeren Volumen konnten dagegen höhere Wismuthgehalte zugelassen werden.

Die Lötverbindungen 28 und 23 können auf jede übliche Art hergestellt werden. Die obere Lötverbindung 23 weist daher zwei Positionierungsringe 60 auf, die in einem gewissen Abstand voneinander die Elektrode 20 umgbben und von oben auf dem Endverschluß 13 und von unten an der HiIfsabschirmung 52 anliegen. Vor der Herstellung

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der Lötverbindung werden Ringe aus Lot zwischen oder neben den Einzelteilen dieser Verbindung angeordnet. Daraufhin wird der gesamte Unterbrecher nebst der Lötverbindung 23 erhitzt, bis das Lot schmilzt und alle Zwischenräume der Lötverbindung ausfüllt. Bei dem darauffolgenden Abkühlen verfestigt sich das Lot und verbindet sich mit den daneben liegenden Teilen, so daß zwischen diesen Einzelteilen eine vakuumdichte Verbindung ensteht. Die untere Lötstelle 28 wird im gleichen Fertigungsschritt auf die gleiche Weise hergestellt.

Während des Erhitzens, das zur Herstellung der Lötverbindungen durchgeführt wird, wird der ganze Unterbrecher gleichzeitig ausgeheizt, so daß alle störenden Substanzen von den Oberflächen der Unterbrecherbestandteile entfernt werden. Die Vakuumhülle 11 wird entweder während dieses Aufheizens oder unmittelbar darauf evakuiert ,

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Claims

Ansprüche

1. fVakuui^unterbrecher mit einem hochevakuierten Gehäuse, in das zwei gegeneinander bewegbare Elektroden hineinragen, die jeweils mit einem Kontaktstück versehen sind, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und in Berührung gebracht werden können, bei dem die eine Elektrode mit dem. Gehäuse durch eine vakuumdichte Schweiß- oder Lötnaht verbunden ist, die dicht neben dem Kontaktstück dieser Elektrode hergestellt ist, und bei dem die andere Elektrode mit dem Gehäuse durch eine vakuumdichte Schweiß- oder Lötverbindung verbunden ist, die vom Kontaktstück der ersten und vom Kontaktstück der zweiten Elektrode entfernt angeordnet ist, dadurch gekenn ze ichnet, daß das Kontaktstück (30) der zweiten Elektrode (40) aus einer Legierung mit einem geringfügigen Anteil einer Komponente hergestellt ist, die ein Verschweißen der Kontaktstücke verhindert und jede zwischen den Kontakten gebildete Schweißstelle brüchig macht, und daß das Kontaktstück* (407 der ersten Elektrode (21) aus einem Material hergestellt ist, das zu mindest so lange von dieser Komponente frei ist, bis der VAkuumunterbrecher in BEtrieb genommen worden ist.

2. Vakuumunterbrecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Hauptbestandteil der Legierung ein Metall ist, dem die Komponente die das Verschweißen der Kontakte verhindert, als geringfügiger Bestandteil beigegeben ist, daß diese Komponente ein Metall ist, das in der festen Phase im Haupt-

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bestandteil der Legierung unlöslich oder nur in Spuren löslich ist und eine niedrigere effektive ERstarrungstemperatur aufweist als der Hauptbestandteil der Legierung, und- daß diese Komponente mit weniger als etwa 5 Gewichtsprozent in der Legierung anwesend ist.

3. Vakuumunterbrecher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Kontaktstück (30) der zweiten Elektrode (20) aus einer Kupfer-F/ismuth-Legierung oder einer Kupfer-Blei-Legierung oder einer Silber-Wismuth-Legierung oder einer Silber-Blei-Legierung hergestellt ist und daßdas Kontaktstück (40) der ersten Elektrode aus Kupfer oder Silber hergestellt ist.

4. Vakuumunterbrecher nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Kontaktstück (30) der zweiten Elektrode (20) aus einer Kupfer-Wismuth-Legierung mit einem Wismuthgehalt von weniger als 5 Gewichtsprozent hergestellt ist, und daß das Kontaktstück (40) der ersten Elektrode (21) aus reinem Kupfer hergestellt ist.

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