DE1640234C3 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Vakuumschaltgerät mit einem evakuierten Gehäuse, dessen Innendruck 0,0133 Pa (IO-4 Torr) oder weniger beträgt, sowie mit zwei Hauptelektroden, die isoliert voneinander in dem Gehäuse angeordnet sind und zusammen eine Funkenstrecke bilden, wobei die beiden Hauptelektroden mindestens teilweise aus einer Legierung bestehen, deren Hauptbestandteil ein verhältnismäßig niedrig schmelzendes Metall mit einem hohen Dampfdruck ist, das als Lichtbogenelektrode geeignet ist, und daß dem Hauptlegierungsbestandteil eine geringe Menge eines Materials beigegeben ist, dessen Affinität zu Sauerstoff groß ist und das mit Sauerstoff zusammen ein hochstabiles Oxid bildet.The invention relates to a vacuum switching device with an evacuated housing, the internal pressure of which is 0.0133 Pa (IO- 4 Torr) or less, and with two main electrodes, which are arranged isolated from one another in the housing and together form a spark gap, the two Main electrodes consist at least partially of an alloy, the main component of which is a relatively low-melting metal with a high vapor pressure, which is suitable as an arc electrode, and that the main alloy component is added a small amount of a material whose affinity for oxygen is high and that together with oxygen forms a highly stable oxide.
Ein derartiges Vakuumschaltgerät ist aus der DT-AS 63 247 bekannt. Bei diesem bekannten Vakuumschaltgerät enthält mindestens eines der Kontaktstücke des Schalters ein als Getterwerkstoff bezeichnetes Material, für das für manche Fälle Molybdän vorgeschlagen ist, insbesondere dann, wenn Sauerstoff zu sorbieren ist. Dieser Getterwerkstoff wird gemäß der DT-AS 10 63 247 während des einzelnen Schaltvorganges durch den dabei entstehenden Lichtbogen verdampft und bildet damit ständig frische Getterschichten. Die Wirkung des Getterwerkstoffes nach der DT-AS 63 247 ist eine zweifache, indem ein Teil des durch den beim Schaltvorgang entstehenden Lichtbogen verdampften Getterwerkstoffes praktisch verzögerungsfrei noch in der Gasphase einen Teil der gleichzeitig entstehenden permanenten Gase bindet und soweit sich der aus dem Kontaktstück verdarcmfteSuch a vacuum switching device is known from DT-AS 63 247. In this known vacuum switchgear at least one of the contact pieces of the switch contains what is known as a getter material Material for which molybdenum is suggested in some cases, especially when oxygen is too sorb is. According to DT-AS 10 63 247, this getter material is used during the individual switching process evaporates due to the resulting arc and thus constantly forms fresh getter layers. The effect of the getter material according to DT-AS 63 247 is twofold, as part of the through the arc created during the switching process of the evaporated getter material practically without delay binds some of the permanent gases that are created at the same time in the gas phase and insofar as it evaporated from the contact piece
Getterwerkstoff nicht abgesättigt niederschlägt, bindet er zusätzlich zu der im Vakuumschaltgerät nach der DT-AS 1063247 eingebauten Ionisationsgetterpumpe die noch vorhandenen Permanentgase. Somit werden durch die erste Wirkung die Druckspitzen der entstehenden Permanentgase beseitig und durch die zweite Wirkung wird der anschließende allmähliche Druckabfall durch das Zusammenwirken der frisch gebildeten Getterschichten und der Ionisationsgetterpumpe beschleunigt Dies zeigt, daß der gemäß DT-AS 10 63 247 eingesetzte Getterwerkstoff auf die Bindung im Kontaktmaterial absorbierter Permanentgase erst nach der durch den Lichtbogen erfolgten Freisetzung der Permanentgase aus dem Kontakt gerichtet istIf the getter material does not precipitate in saturated form, it binds it is in addition to the ionization getter pump built into the vacuum switchgear according to DT-AS 1063247 the remaining permanent gases. Thus, the pressure peaks of the the permanent gases that arise are eliminated and the second effect makes the subsequent one gradual Pressure drop due to the interaction of the freshly formed getter layers and the ionization getter pump accelerated This shows that the getter material used in accordance with DT-AS 10 63 247 has an effect on the bond Permanent gases absorbed in the contact material only after they have been released by the arc the permanent gases are directed out of the contact
Letzteres gilt auch für die GB-PS 9 47 152, in der ein Hochvakuumschaltgerät mit einem Vakuumgefäß und einem Paar relativ zueinander trennbarer isolierter Kontakte beschrieben ist, die mit Anschlüssen außerhalb des Gefäßes verbunden sind und wobei in mindestens dem Ansetzbereich des Lichtbogens mindestens eines der Kontakte ein Metal! in dem Material des Kontaktes verteilt ist, das ausgewählt ist aus Zirkon, Titan und Thorium. Auch hier wirkt das sauerstoffbindende Metall Zirkon, Titan oder Thorium nach der Freisetzung der Permanentgase, um den Druck der Permanentgase im Vakuumgefäß nicht 0,0133 Pa (10-4 Torr) übersteigen zu lassen.The latter also applies to GB-PS 9 47 152, in which a high vacuum switching device with a vacuum vessel and a pair of relatively separable isolated contacts is described, which are connected to connections outside the vessel and at least one of the contacts in at least the attachment area of the arc a metal! is distributed in the material of the contact which is selected from zirconium, titanium and thorium. Here, too, the oxygen scavenger metal zirconium, titanium or thorium acts upon release of permanent gases, the pressure of the permanent gases in the vacuum vessel not 0.0133 Pa (10- 4 Torr) to exceed blank.
Die US-PS 31 40 373 beschreibt Vakuumschaltgeräte mit hohen statischen Durchbruchsspannungen und raschen Erholungszeiten. Zu diesem Zweck sollen die Kontakte einen möglichst hohen Berylliumgehalt aufweisen, wobei man aus Gründen, wie der mechanischen Festigkeit, Berylliumlegierungen mit 50 Gew.-°/o Kupfer oder Silber, vorzugsweise jedoch Berylliumlegierungen mit nicht mehr als 20 Gew.-% Kupfer oder Silber einsetztThe US-PS 31 40 373 describes vacuum switching devices with high static breakdown voltages and rapid recovery times. For this purpose, the contacts should have the highest possible beryllium content have, for reasons such as mechanical strength, beryllium alloys with 50% by weight Copper or silver, but preferably beryllium alloys with no more than 20% by weight of copper or Silver sets in
In dem Lehrbuch der Chemie von H ο 11 e m a η η und W i b e r g, 24. und 25. Auflage von 1947 ist auf Seite 368 allgemein die Verwendbarkeit von Beryllium als Desoxidationsmittel beim Kupferguß beschrieben, und zwar mit dem Hinweis, daß dadurch die Leitfähigkeit des Kupfers nicht herabgesetzt wird.In the textbook of chemistry by H ο 11 e m a η η and W i b e r g, 24th and 25th editions from 1947 is on page 368 generally described the utility of beryllium as a deoxidizer in copper casting, and with the indication that this does not reduce the conductivity of the copper.
In den US-PS 29 75 255, 29 75 256 und 30 16 436 ist jeweils ein Vakuumschaltgerät mit einem evakuierten Gehäuse, dessen Innendruck 0,0133 Pa (10~4 Torr) oder weniger beträgt, das zwei Hauptelektroden aufweist, die isoliert voneinander in dem Gehäude angeordnet sind und zusammen eine Funkenstrecke bilden, beschrieben.In the US-PS 29 75 255 29 75 256 30 16 436 is in each case a vacuum switching device comprising an evacuated housing, the internal pressure of 0.0133 Pa (10 -4 Torr) or less, which has two main electrodes isolated from each other in the housing are arranged and together form a spark gap, described.
Das Gehäuse dieser bekannten Vakuumschaltgeräte besteht aus einer zylindrischen Seitenwand, die zumindest teilweise aus Isoliermaterial hergestellt ist, während die beiden Enden der Seitenwand durch metallische Stirnwände verschlossen sind. Eine der beiden Hauptelektroden ist bewegbar. Zwischen den beiden Hauptelektroden und dem Isolator ist eine Abschirmung vorgesehen, um das Absetzen von Metallteilchen auf dem Isoliermaterial und somit dessen Kurzschließen zu vermeiden.The housing of this known vacuum switchgear consists of a cylindrical side wall which is at least partially made of insulating material, while the two ends of the side wall through metallic end walls are closed. One of the two main electrodes can be moved. Between Both main electrodes and the insulator are shielded to prevent the settling To avoid metal particles on the insulating material and thus short-circuiting it.
In der US-PS 30 87 092 ist ein elektrisches Entladungsgerät beschrieben, das ein Gehäuse aufweist, das aus einer isolierenden zylindrischen Seitenwand und die Enden dieser Seitenwand abschließenden Stirnwänden besteht In dem Gehäuse sind zwei Hauptelektroden im Abstand zueinander angeordnet. Zwischen den Hauptelektroden und der Seitenwand ist eine Abschirmung vorgesehen. Die Umschaltung des Gerätes vom nichtleitenden in den leitenden Zustand erfolgt mittels eines !mpuissignals.In US-PS 30 87 092 an electrical discharge device is described which has a housing which from an insulating cylindrical side wall and end walls closing off the ends of this side wall consists In the housing two main electrodes are arranged at a distance from one another. Between the main electrodes and a shield is provided on the side wall. Switching the device from The non-conductive to the conductive state is carried out by means of a pulse signal.
Nun besteht die größte Schwierigkeit für die praktische Anwendung von Vakuumschaltgeräten in der Wahl eines geeigneten Elektrodenmaterials. Wenn solche Vakuumschaltgeräte zum Schalten von induktiven Lasten in Wechselstromnetzen verwendet werden, erlischt der Lichtbogen in ihnen beim ersten Nulldurchgang des Stromes nach dem Zünden des .Bogens. Wenn nämlich der Strom nach dem Zünden des Lichtbogens das erste Mal durch Null hindurchgeht, wird auch dieNow there is the greatest difficulty for the practical application of vacuum switching devices in the choice of a suitable electrode material. If such vacuum switching devices for switching inductive Loads are used in AC networks, the arc in them is extinguished at the first zero crossing of the current after the ignition of the arc. If namely the current after the ignition of the arc the first time it goes through zero, the
ι ο Spannung zwischen den Elektroden kurzzeitig Null, so daß der Bogen erlöschen muß. Zu diesem Zeitpunkt wandern die verdampften Partikelchen aus dem Elektrodenmaterial, die die Ladungsträger des Vakuumbogens sind, sehr rasch zur nächstgelegenen kalten Stelle ab, werden dort neutralisiert und schlagen sich dort nieder. Der Druck innerhalb des Vakuumschaltgerätes fällt unmittelbar darauf wieder auf einen sehr niedrigen Wert ab und alle innerhalb des Schaltgerätes verfügbaren Ladungsträger verschwinden. Wenn nun die Spannung während der nächstfolgenden Halbwelle wieder anwäschst, ist die hohe Durchschlagsfestigkeit des Vakuums zwischen den Hauptelektroden wieder hergestellt, und eine erneute Zündung des Bogens Findet nicht statt, sofern im Netz keine Störung vorhanden ist oder die Spannung auf dem Netz die Sollspannung des Vakuumschaltgerätes nicht übersteigtι ο Voltage between the electrodes briefly zero, so that the arc must extinguish. At this time the vaporized particles migrate from the electrode material, which are the charge carriers of the vacuum arc are, very quickly to the nearest cold spot, are neutralized there and beat each other down there. Immediately afterwards the pressure inside the vacuum switchgear drops again to a very high level low value and all charge carriers available within the switching device disappear. If now the voltage washes up again during the next half-wave, is the high dielectric strength the vacuum is restored between the main electrodes, and the arc is re-ignited does not take place if there is no fault in the network or the voltage on the network is the nominal voltage of the Vacuum switching device does not exceed
Im Zusammenhang mit dem Strom-Nulldurchgang sind zwei Schwierigkeiten von besonderer Bedeutung. Die eine Schwierigkeit, die in den oben abgehandelten US-PS 29 75 256,29 75 255 und 30 16 436 näher erörtert worden ist, besteht in folgendem: Wenn sich der Strom seinem Nulldurchgang nähert, fällt seine Stärke von einem verhältnismäßig hohen Wert auf Null ab. Dadurch werden innerhalb des Netzes hohe Übergangsspannungen induziert, die in den Induktivitäten des Netzes, wie beispielsweise in Transformatoren, Generatoren und Motoren Durchschläge in der Isolaltion hervorrufen können. Diese Erscheinung wird einem zu niedrigen Dampfdruck innerhalb des Lichtbogens zugeschrieben. Diese Schwierigkeit wurde durch Elektrodenmaterialien mit einem höheren Dampfdruck überwunden, wie sie beispielsweise in den oben angegebenen drei US-PS beschrieben sind. Diese Materialien sind nicht hitzebeständig und weisen Siedepunkte auf, die nicht höher als der Siedepunkt von Zinn liegen. Diese Materialien werden häufig zusammen mit Elektrodenteilen verwendet, die hitzebeständig sind und entgast oder ausgeheitzt werden können, so daß sich die Vorteile beider Elektrodenmaterialien erreichen lassen. Das hitzebeständige Material erodiert oder korridiert nur noch wenig, während das nicht hitzebeständige Material, das einen hohen Dampfdruck aufweist, das zu schnelle Nullwerden des Stroms verlangsamt.In connection with the current zero crossing, two difficulties are of particular concern. The one difficulty that is discussed in the above-discussed US-PS 29 75 256, 29 75 255 and 30 16 436 in more detail is as follows: As the current approaches its zero crossing, its magnitude drops from a relatively high value down to zero. This creates high transition voltages within the network induced in the inductances of the network, such as in transformers, generators and motors can cause breakdowns in the insulation. This appearance becomes one attributed to low vapor pressure within the arc. This difficulty was posed by electrode materials overcome with a higher vapor pressure, as described, for example, in the three US patents cited above. This Materials are not heat-resistant and have boiling points no higher than the boiling point of Tin lie. These materials are often used in conjunction with electrode parts that are heat resistant and can be degassed or baked out, so that the advantages of both electrode materials are achieved leave. The heat-resistant material only slightly erodes or corrodes, while the non-heat-resistant material Material that has a high vapor pressure, the current zeroing too quickly slowed down.
Wenn man ein solches Elektrodenmaterial mit einem hohen Dampfdruck verwendet, tritt die zweite Schwierigkeit auf, und zwar sowohl bei mechanischen Vakuumschaltgeräten als auch bei gesteuerten Funkenstreckenschaltern. Diese Schwierigkeit besteht darin, über lange Zeiten hinweg im Vakuumschaltgerät ein sehr gutes Vakuum aufrechtzuerhalten. Beim Betrieb eines solchen mechanischen Vakuumunterbrechers oder eines Steuerbaren Funkenstreckenschalters schmilzt der Lichtbogen, der zwischen den Elektroden gezündetWhen using such an electrode material having a high vapor pressure, the second problem arises on, both with mechanical vacuum switchgear and with controlled spark gap switches. This difficulty consists in a long time in the vacuum switchgear very good vacuum to maintain. When operating such a mechanical vacuum interrupter or A controllable spark gap switch melts the arc that ignited between the electrodes
6s worden ist, das Elektrodenmaterial, so daß alles Gas, das in dem geschmolzenen Elektrodenmaterial enthalten ist aus dem Elektrodenmaterial entweicht und dann innerhalb des LiCnlbüßefis ionisiert wird Äiir'n wenn Hat6s has been, the electrode material, so that all gas that contained in the molten electrode material escapes from the electrode material and then Aiir'n is ionized within the LiCnlbüßefis if hat
Elektrodenmaterial Verunreinigungen, wie besispielsweise Kupferoxid enthält, die sich bei niedrigen Temperaturen zersetzen und gasförmige Zersetzungsprodukte bilden, können sich solche Verunreinigungen bei den Temperaturen zersetzen, die in dem geschmolzenen Elektrodenmaterial am Fußpunkt des Lichtbogens herrschen, so daß die gasförmigen Zersetzungsprodukte freigesetzt und im Lichtbogen ionisiert werden. Electrode material contains impurities such as copper oxide, for example, which decompose at low temperatures and form gaseous decomposition products, such impurities can decompose at the temperatures which prevail in the molten electrode material at the base of the arc, so that the gaseous decomposition products are released and ionized in the arc .
Wenn der Strom im Wechselstrombogen durch Null hindurchgeht, erlischt der Bogen auch dann, wenn ionisierbare Gase vorhanden sind. Wenn jedoch ionisierbare Gase vorhanden sind, bleibt die Funkenstrecke ionisiert, so daß der Lichtbogen wieder zünden kann, wenn die Spannung zwischen den Eelektroden während der nächsten Halbwelle wieder auf einen gewissen Wert angewachsen ist. Dann arbeitet das Vakuumschaltgerät jedoch nicht mehr in der vorgeschriebenen Weise.When the current in the alternating current arc passes through zero, the arc is extinguished even if ionizable gases are present. However, when ionizable gases are present, the spark gap remains ionized so that the arc can re-ignite when the voltage between the electrodes has increased again to a certain value during the next half-wave. Then that works Vacuum switchgear, however, no longer in the prescribed manner.
Diese Schwierigkeit tritt nicht nur dann auf, wenn die gesamte Elektrode aus einem niedrig schmelzenden Metall mit hohen Dampfdruck hergestellt ist. Manche Elektroden, wie sie beispielsweise in den US-PS 32 39 635 und 32 44 843 beschrieben sind, sind aus zwei Teilen zusammengesetzt, von denen der eine aus einem hitzebeständigen Material und der andere aus einem niedrigschmelzenden Material mit hohem Dampfdruck besteht. Bei diesen Elektroden werden beide Elektrodenteile von den Fußpunkten des Lichtbogens aufgeheizt. Mit dem Elektrodenteil aus dem niedrigschmelzenden Material sind dann die gleichen bereits erläuterten Schwierigkeiten verbunden. Es ist somit unumgänglich notwendig, dafür zu sorgen, daß der Lichtbogen an den Elektroden keine ionsierbaren Gase freisetzen kann, die dann in den Raum zwischen den Elektroden diffundieren. Dieses wurde bisher durch eine besonders sorgfältige Herstellung der Materialien durchgeführt, aus denen die Vakuumelektroden hergestellt wurden. Die hierzu gangewendeten Verfahren waren aber sehr kostspielig, zeitraubend und mühsam. Der geringste Aufwand, der nach dem bisherigen Stand der Technik zur Herstellung von Materialien aufgewendet werden mußte, die als Elektroden in Vakuumschaltgeräten geeignet waren, bestand beispielsweise in einer Reinigung durch ein sechsfaches Zonenschmelzen oder in der Anwendung äquivalenter Verfahren.This difficulty occurs not only when the entire electrode is made of a low melting point Metal is made with high vapor pressure. Some electrodes, such as those in US Pat 32 39 635 and 32 44 843 are described are composed of two parts, one of which consists of one heat-resistant material and the other made of a low-melting material with high vapor pressure consists. With these electrodes, both parts of the electrode are heated by the base points of the arc. With the electrode part made of the low-melting material, the same are then already explained difficulties associated. It is therefore essential to ensure that the Arc at the electrodes cannot release any ionizable gases, which then enter the space between the Diffuse electrodes. This has so far been achieved through a particularly careful production of the materials from which the vacuum electrodes were made. The procedures used for this purpose but were very costly, time consuming and tedious. The least amount of effort, according to the current status the technology for the production of materials had to be used as electrodes in vacuum switching devices were suitable consisted, for example, in a cleaning by a six-fold zone melting or in the application of equivalent procedures.
Bei einem solchen Zonenschmelzverfahren müssen bestimmte Bedingungen eingehalten werden, wie sie beispielsweise in der US-PS 32 34 351 beschrieben worden sind, um sicherzustellen, daß z. B. in einer Kupferstange große Kupferkristalle wachsen, so daß sich nur sehr wenige interkristalline Grenzflächen bilden können, an denen sich Gase und gasbildende Verunreingigungen konzentrieren können. Ausgangsmaterial für dieses eben beschriebene Zonenschmelz- verfahren ist ein Material hoher Reinheit, da? nach der amerikanischen ASTM-Norm B-170-47 einen Reinheitsgrad von 9936% besitzt und nominell keinen Sauerstoffgehalt aufweist Verwendet wird ein handeis übliches Kupfer, das aus etwa 99,995% Kupfer besteht und einen Sauerstoffgehalt zwischen 1 und 3 ppm aufweist In such a zone melting process, certain conditions must be met, as they have been described, for example, in US Pat. No. 3,234,351 to ensure that, for. B. grow large copper crystals in a copper rod, so that only very few intergranular interfaces can form on which gases and gas-forming impurities can concentrate . The starting material for this zone melting process just described is a material of high purity, since? according to the American ASTM standard B-170-47 has a degree of purity of 9936% and has no nominal oxygen content. A common copper is used, which consists of about 99.995% copper and has an oxygen content between 1 and 3 ppm
Mit dem mehrmaligen Zonenschmelzen kann man Material für Elektroden herstellen, die in Vakuumschaltgeräten der hier interessierenden Art zufriedenstellend arbeiten. Dieses mehrmalige Zonenschmelzen ist aber kostspielig und zeitraubend. Insbesondere ist der Zeitaufwand für das Personal sehr groß, und außerdem sind die benötigten Vorrichtungen über lange Zeitspannen belegt, so daß bei einer vorgegebenen Personal- und Produktionskapazität nur eine beschränkte Menge von Elektrodenmaterial hergestellt werden kann. Wenn man daher Vakuumschaltgeräte der hier interessierenden Art wirtschaftlicher herstellen will, ist es notwendig, zur Herstellung des Elektrodenmaterials andere Wege zu finden. With the repeated zone melting one can produce material for electrodes that work satisfactorily in vacuum switching devices of the type of interest here. However, this repeated zone melting is expensive and time-consuming. In particular, the expenditure of time for the personnel is very great and, moreover , the required devices are occupied over long periods of time, so that only a limited amount of electrode material can be produced with a given personnel and production capacity. If one therefore wants to produce vacuum switching devices of the type of interest here more economically, it is necessary to find other ways of producing the electrode material.
Die Hauptursache, die zu den bereits geschilderten Schwierigkeiten bei der Verwendung normal verarbeiteter Materialien als Elektroden für Vakuumschaltgeräte führt, ist das Gas Sauerstoff. Sauerstoff ist überall dort in großen Mengen vorhanden, wo die Materialien üblicherweise gereinigt und verarbeitet werden. Sauerstoff ist darüber hinaus sehr reaktionsfreudig und bildet mit üblichem Elektrodenmaterial, wie beispielsweise mit Kupfer, leicht Oxide. Man kann auch fast immer in den meisten Metallen, die zur Verwendung in Elektroden für Vakuumschaltgeräte hoch gereinigt worden sind, in gewissem Maße freien oder gebundenen Sauerstoff finden. Insbesondere sammelt sich Sauerstoff in vakuumgeschmolzenen und durch Zonenschmelzen gereinigten Bogenelektroden an den Korngrenzen und den interkristallinen Grenzflächen an.The main cause leading to the difficulties already outlined when using normally processed When materials are used as electrodes for vacuum switching devices, the gas is oxygen. Oxygen is everywhere present in large quantities where the materials are commonly cleaned and processed. oxygen is also very reactive and forms with common electrode material, such as with Copper, light oxides. One can also almost always work in most of the metals that are used in electrodes for Vacuum switching devices have been highly purified to some extent free or bound oxygen Find. In particular, oxygen accumulates in vacuum melted and by zone melting cleaned arc electrodes at the grain boundaries and the intergranular interfaces.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, auf eine gegenüber dem Stand der Technik einfachere und billigere Weise ein Vakuumschaltgerät der eingangs genannten Art mit Elektroden zu schaffen, deren Gehalt an absorbierten Gasen, insbesondere Sauerstoff, verringert ist.The present invention is based on the object, compared to the prior art a simpler and cheaper way to create a vacuum switchgear of the type mentioned above with electrodes, whose content of absorbed gases, in particular oxygen, is reduced.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Vakuumschaltgerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Bindung des Sauerstoffes aus dem Hauptlegierungsbestandteil als temperaturbeständiges Oxid dem Hauptlegierungsbestandteil das Material mit hoher Affinität zu Sauerstoff in einer Menge beigegeben ist, die zwischen 0,1 Gewichtsprozent und einer Maximalmenge liegt, die in Übereinstimmung mit dem Phasendiagramm der Legierung beim Verfestigen der flüssigen Legierung noch nicht auf intermetallische Verbindungen führt und daß von dem Material mit hoher Affinität zu Sauerstoff nach dem Binden des Sauerstoffes aus dem Hauptlegierungsbestandteil noch ein Überschuß vorhanden istAccording to the present invention, this object is achieved in a vacuum switchgear of the opening paragraph mentioned type solved in that to bind the oxygen from the main alloy constituent as temperature-resistant oxide the main alloy component, the material with a high affinity for oxygen is added in an amount that is between 0.1 percent by weight and a maximum amount that is in Still in accordance with the phase diagram of the alloy when the liquid alloy solidifies does not lead to intermetallic compounds and that from the material with high affinity for oxygen after the binding of the oxygen from the main alloy constituent is still in excess
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material mit hoher Affinität zu Sauerstoff Beryllium, das in der Legierung in einer Menge zwischen 0,1 und 11,5 Gewichtsprozent vorliegt Vorteilhafterweise ist der Hauptbestandteil der Legierung Kupfer.According to a preferred embodiment, the material with high affinity for oxygen is beryllium, the in the alloy in an amount between 0.1 and 11.5 Percent by weight is present. Advantageously, the main component of the alloy is copper.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Bindung des Sauerstoffs aus dem Hauptbestandteil der Legierung durch das Material mit hoher Affinität zu Sauerstoff vor dem Zusammenbau des Schaltgerätes in solchem Umfang erfolgt, daß im Legierungshauptbestandteil kein freier oder ungebundener Sauerstoff mehr vorhanden ist According to a particularly advantageous embodiment, the oxygen from the main constituent of the alloy is bound by the material with high affinity for oxygen before the switching device is assembled to such an extent that there is no longer any free or unbound oxygen in the main alloy constituent
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen des Vakuumschaltgerätes nach der vorliegenden Erfindung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine gewisse Menge eines verhältnismäßig niedrig schmelzenden Materials mit hohem Dampfdruck, das eine geringe Menge von Sauerstoff enthält und für Hauptelektroden geeignet ist, zusammen mit einer geringen Menge eines Materials mit einer hohen Affinität zu Sauerstoff, das ein hochtemperaturbeständiges Oxid bildet, in einen Tiegel eingegeben wird, wobei die Menge des Stoffes mit hoher Affinität zu Sauerstoff zwischen 0,1 Gewichtsprozent und einer Maximalmen-The invention also relates to a method for manufacturing the vacuum switching device according to the present invention, which is characterized in that a certain amount of a relatively low melting material with high vapor pressure, the Contains a small amount of oxygen and is suitable for main electrodes, along with a a small amount of a material with a high affinity for oxygen, which forms a high temperature resistant oxide, is placed in a crucible, wherein the amount of the substance with high affinity for oxygen between 0.1 percent by weight and a maximum
ge liegt, bei der sich in Übereinstimmung mit dem Phasendiagramm der Legierung beim ersten Verfestigen der flüssigen Schmelze noch keine intermetallische Verbindung bildet, daß dann der Tiegel unter einem Druck von 0,0133 Pa (10-4 Torr) oder weniger so hoch erhitzt wird, daß die Stoffe im Tiegel eine Schmelze bilden, wobei sich das Material mit hoher Affinität zu Sauerstoff mit dem Sauerstoff in den niedrig schmelzenden Material mit hohem Dampfdruck verbindet und ein stabiles Oxid bildet, das an die Oberfläche der Schmelze fließt und sich durch eine blasige oder wolkige Oberfläche der Schmelze bemerkbar macht, daß dann die Schmelze im Vakuum gerichtet abgekühlt und die Oberfläche des Barrens von der blasigen oder wolkigen Schicht befreit wird, und daß zum Schluß aus dem Barren die Elektroden für das Vakuumschaltgerät hergestellt werden.ge is in the still forms no intermetallic compound in accordance with the phase diagram of the alloy in the first solidification of the molten liquid, that then the crucible is heated under a pressure of 0.0133 Pa (10- 4 Torr) or less so high that the substances in the crucible form a melt, whereby the material with high affinity for oxygen combines with the oxygen in the low-melting material with high vapor pressure and forms a stable oxide that flows to the surface of the melt and dissolves through a blistered or cloudy Surface of the melt makes it noticeable that the melt is then cooled in a directional vacuum and the surface of the bar is freed from the blistered or cloudy layer, and that finally the electrodes for the vacuum switchgear are made from the bar.
Die Erfindung wird nach einer Ausführungsform auf ein Vakuumschaltgerät mit zwei Elektroden angewendet, die in einem festen Abstand voneinander angeordnet sind und eine Funkenstrecke bilden. Weiterhin weist dieses Vakuumschaltgerät noch eine getrennt angeschlossene Zündelektrode auf, die dicht neben der Funkenstrecke angeordnet ist und in den Spalt zwischen den beiden Elektroden ein Elektronen-Ionen-Plasma injizieren kann, um den Lichtbogen zu zünden. Nach einer anderen Ausführungsform wird die Erfindung auf ein Vakuumschaltgerät mit einer feststehenden und einer bewegbaren Elektrode angewendet, so daß sich ein Vakuumunterbrecher ergibt.According to one embodiment, the invention is applied to a vacuum switchgear with two electrodes, which are arranged at a fixed distance from one another and form a spark gap. Furthermore has this vacuum switchgear still has a separately connected ignition electrode, which is close to the Spark gap is arranged and an electron-ion plasma in the gap between the two electrodes inject to ignite the arc. In another embodiment, the invention is based on a vacuum switchgear with a fixed and a movable electrode applied so that a vacuum interrupter results.
Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.In the following the invention will be described in detail in conjunction with the drawings.
F i g. 1 ist ein Schnitt durch ein schematisch dargestelltes Vakuumschaltgerät einer Ausführungsform. F i g. 1 is a section through a schematically illustrated vacuum switching device of an embodiment.
F i g. 2 ist ein Schnitt durch ein schematisch dargestelltes Vakuumschaltgerät einer anderen Ausführungsform. F i g. 2 is a section through a schematically illustrated vacuum switching device of another embodiment.
F i g. 3 und 4 sind graphische Darstellungen und zeigen bestimmte Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vakuumschaltgeräte im Vergleich mit bestimmten Eigenschaften der bisher bekannten Vakuamschaltgeräte, wobei F i g. 3 zeigt, wie die Entionisierung verläuft, und in F i g. 4 die Durchbruchsfeldstärken für impulsmäßige Belastungen in Abhängigkeit vom Elektrodenabstand dargestellt sind.F i g. 3 and 4 are graphs showing certain characteristics of the present invention Vacuum switching devices in comparison with certain properties of the previously known vacuum switching devices, where F i g. 3 shows how the deionization takes place, and in FIG. 4 the breakdown field strengths for impulsive Loads are shown as a function of the electrode spacing.
Das Schaltergehäuse 10 der Fig. 1 weist eine Seitenwand 11 auf, die zylindrisch ausgebildet und zumindest teilweise aus einem Isoliermaterial hergestellt ist Die beiden Enden der Seitenwand 11 sind durch zwei metallische Stirnwände 12 und 13 verschlossen. Die Seitenwand 11 und die beiden Stirnwände 12 und 13 bilden zusammen das Schaltergehäuse, das absolut dicht ist. Hierzu sind die Stirnwände 12 und 13 mittels Dichtungen 14 mit der Seitenwand 11 verbunden. Man braucht die Seitenwand 11 nicht durchweg aus einem Isoliermaterial herzustellen. Man kann für die Seitenwand auch Metall verwenden. Dann muß nur für einen kleinen Teil der Seitenwand ein dielektrisches Isoliermaterial benutzt werden, das vakuumdicht ist und den hohen Spannungen widerstehen kann, die zwischen den verschiedenen Gehäuseteilen auftreten, die mit den Elektroden verbunden sind, um die Elektroden voneinander isolieren zu können. Solche Hochspannungsisolatoren können an verschiedenen Stellen angeordnet und eingesetzt werden. Man kann beispielswiese einen Teil der zylindrischen Seitenwand 11 als einen solchen Hochspannungsisolator ausbilden. Man kann diesen Hochspannungsisolator aber auch als Teil der Stirnwände 12 oder 13 verwenden. Unabhängig davon wo der Hochspannungsisolator angeordnet ist, muß zwischen der Bogenkammer bzw. zwischen den beiden Elektroden einerseits und dem Hochspannungsisolator andererseits eine Abschirmung vorgesehen werden, die noch durch zusätzliche Fangbleche ergänzt werden kann, um zu verhindern, daß der Hochspannungsisolator kurzgeschlossen wird und das ganze VakuumschaltgerätThe switch housing 10 of FIG. 1 has a side wall 11 which is cylindrical and is at least partially made of an insulating material. The two ends of the side wall 11 are closed by two metallic end walls 12 and 13 . The side wall 11 and the two end walls 12 and 13 together form the switch housing, which is absolutely tight. For this purpose , the end walls 12 and 13 are connected to the side wall 11 by means of seals 14. The side wall 11 does not have to be made entirely of an insulating material. You can also use metal for the side wall. A dielectric insulating material then only has to be used for a small part of the side wall, which is vacuum-tight and can withstand the high voltages which occur between the various housing parts which are connected to the electrodes in order to be able to isolate the electrodes from one another. Such high-voltage insulators can be arranged and used in different places. For example, part of the cylindrical side wall 11 can be designed as such a high-voltage insulator. However, this high-voltage insulator can also be used as part of the end walls 12 or 13. Regardless of where the high-voltage insulator is arranged, a shield must be provided between the arc chamber or between the two electrodes on the one hand and the high-voltage insulator on the other hand, which can be supplemented by additional catch plates to prevent the high-voltage insulator from being short-circuited and the entire vacuum switching device
ίο ausfällt.ίο fails.
Innerhalb des Gehäuses 10 sind zwei Hauptelektroden 15 und 16 angeordnet, die getrennt werden können und in ihrer geschlossenen Stellung dargestellt sind. Die Hauptelektrode 15 ist der feststehende Kontakt des Vakuumschaltgerätes. Sie ist mechanisch und elektrisch mit einer Kontaktsäule 17 verbunden, die mit ihrem oberen Ende mechanisch und elektrisch an der Stirnwand 12 befestigt ist.Inside the housing 10 are two main electrodes 15 and 16 which can be separated and which are shown in their closed position. The main electrode 15 is the fixed contact of the vacuum switching device. It is mechanically and electrically connected to a contact column 17, which is mechanically and electrically attached to the end wall 12 with its upper end.
Die Hauptelektrode 16 ist auf einer elektrisch leitenden Kontaktstange 18 montiert und bewegbar. Hierzu ist die Kontaktstange 18 mit einem Federbalg 20 oder einer äquivalenten flexiblen vakuumdichten Vorrichtung verbunden, so daß die Kontaktstange 18 und damit die Hauptelektrode 16 hin- und herbewegbar ist. Die Kontaktstange 18 ragt nach unten durch eine öffnung in der Stirnwand 13 hindurch. Unten an der Kontaktstange 18 kann eine Betätigungsvorrichtung angreifen, mit der man die Kontaktstange 18 nach oben und nach unten bewegen kann, so daß man die Hauptelektrode 16 zum Schließen des Schalters auf die Hauptelektrode 15 zuschieben und zum öffnen des Schalters die Hauptelektrode 16 von der Hauptelektrode 15 hinwegziehen kann. Der Stromkreis, der geschaltet oder geschützt werden soll, kann an der Klemme 21 an der oberen Stirnwand 12 und an der Klemme 22 unten an der Kontaktstange 18 angeschlossen werden. Der zu schützende oder zu schaltende Stromreis und das Vakuumschaltgerät können entweder hintereinander geschaltet oder parallel zueinander gelegt werden. Das hängt von der Schaltaufgabe ab, die mit dem Vakuumschaltgerät gelöst werden soll.The main electrode 16 is mounted on an electrically conductive contact rod 18 and is movable. For this purpose, the contact rod 18 is connected to a bellows 20 or an equivalent flexible vacuum-tight device, so that the contact rod 18 and thus the main electrode 16 can be moved to and fro. The contact rod 18 protrudes downward through an opening in the end wall 13 . At the bottom of the contact rod 18, an actuating device can engage with which the contact rod 18 can be moved up and down so that the main electrode 16 can be pushed towards the main electrode 15 to close the switch and the main electrode 16 from the main electrode to open the switch 15 can pull away. The circuit that is to be switched or protected can be connected to terminal 21 on the upper end wall 12 and to terminal 22 at the bottom of the contact rod 18. The circuit to be protected or switched and the vacuum switching device can either be connected in series or in parallel with one another. That depends on the switching task that is to be solved with the vacuum switchgear.
Wie bereits erwähnt, ist zwischen den beiden Hauptelektroden 15 und 16 einerseits und der Seitenwand 11 andererseits eine Abschirmung 23 angeordnet, die als Metallzylinder ausgebildet und an ihrem Rande mit einem Ring 24 versehen ist, der dazu dient, Bogenüberschläge vom Rand der Abschirmung zu verhindern. Die Aufgabe dieser Abschirmung besteht darin, Metallpartikelchen aufzufangen, die aus dem Lichtbogen stammen und zu vermeiden, daß diese sich auf dem Isolaltor absetzen können und den Isolator kurzschließen.As already mentioned, a shield 23 is arranged between the two main electrodes 15 and 16 on the one hand and the side wall 11 on the other hand, which is designed as a metal cylinder and is provided on its edge with a ring 24, which serves to prevent arcing from the edge of the shield. The task of this shield is to collect metal particles that come from the arc and to prevent them from being deposited on the isolator gate and short-circuiting the isolator.
Das Innere des Gehäuses 10 wird während des Zusammenbaus des Vakuumschaltgerätes durch einen Stutzen hindurch evakuiert, der jedoch nicht dargestellt ist Für die richtige Funktion des Vakuumschaltgerätes als Wechselstromunterbrecher ist es erforderlich, daß der Druck innerhalb des Gehäuses 10 auf einem Wert von höchstens 0,0133 Pa (ΙΟ-4 Torr) gehalten werden The interior of the housing 10 is evacuated during the assembly of the vacuum switching device through a connecting piece, which is not shown , however, for the correct functioning of the vacuum switching device as an AC circuit breaker, it is necessary that the pressure within the housing 10 is at a value of at most 0.0133 Pa (ΙΟ- 4 Torr)
muß. Noch günstiger ist es, wenn der Druck nicht mehr als 0,00133 Pa (ΙΟ-5 Torr) beträgt oder noch darunter liegt Dies ist notwendig, damit das Vakuumschaltgerät als Wechselstromunterbrecher arbeiten kann, da nur bei so niedrigen Drucken der Lichtbogen zwischen dengot to. It is even more favorable if the pressure is not more than 0.00133 Pa (ΙΟ- 5 Torr) or less beiden Hauptelektroden 15 und 16 beim ersten Nulldurchgang des Stromes wieder erlischt, da bei höheren Drucken zu viele ionisierbare Gase und Dämpfe innerhalb des Schaltergehäuses vorhandentwo main electrodes 15 and 16 in the first Zero crossing of the current goes out again, because too many ionizable gases and at higher pressures Vapors present inside the switch housing
sind, die ionisiert werden können. Diese Ionisierungen kann man nun weitestgehend verhindern, wenn man alle möglichen Durchschlagswege zwischen den Hauptelektroden 15 und 16 und ihren Halterungen klein gegenüber der mittleren freien Weglänge der Elektronen bei dem im Schaltergehäuse herrschenden Druck macht. Unter der mittleren freien Weglänge wird hier die Entfernung verstanden, die ein Elektron bei einem vorgegebenen Druck zurücklegen muß, um mit einem Gasmolekül zusammenzustoßen. Diese mittlere freie ι ο Elektronenweglänge kann nur dann größer als die in Frage kommenden Abmessungen des Vakuumschaltergerätes gemacht werden, wenn der Druck im Schaltergehäuse nicht mehr als 0,0133 Pa (10-4 Torr) beträgt, während diese Bedingung bei Drucken von weniger als ι _s 0,00133 Pa(IO-5 Torr) mit Sicherheit erfüllt ist.that can be ionized. These ionizations can now be largely prevented if all possible breakdown paths between the main electrodes 15 and 16 and their holders are made small compared to the mean free path of the electrons at the pressure prevailing in the switch housing. The mean free path is understood here as the distance that an electron has to cover at a given pressure in order to collide with a gas molecule. This mean free ι ο electron mean can of the vacuum switch unit be only larger than the candidate dimensions when the pressure in the switch housing is not more than 0.0133 Pa (10- 4 Torr), while that condition ι at pressures of less than _s 0.00133 Pa (IO- 5 Torr) is met with certainty.
Aus diesem Grund müssen die Elektrodenmaterialien so stark gereinigt werden, daß ihr Gasgehalt oder ihr Gehalt an gasabgebenden Verunreinigungen auf einem niedrigen Wert liegt, der die Aufrechterhaltung eines Vakuums von weniger als 0,0133 Pa (IO-4 Torr) innerhalb des Schaltergehäuses ermöglicht.For this reason, the electrode materials must be so highly purified that it is gas content, or its content of gas-releasing impurities at a low value (4 Torr IO-) capable of maintaining a vacuum of less than 0.0133 Pa within the switch housing.
Die Halterungen für die Hauptelektroden 17 und 18 sind der direkten Wirkung des Lichtbogens nicht ausgesetzt. Sie können daher aus einem handelsüblichen Kupfer hoher Reinheit hergestellt werden. Die Seitenwand 11 kann aus einem temperaturbeständigen Glas oder auch aus einer gasundurchlässigen vakuumdichten Keramik hergestellt werden. Als keramische Werkstoffe sind Keramiken auf Aluminiumoxid- oder Forsteritgrundlage geeignet. Die Stirnwände 12 und 13 werden zweckmäßigerweise aus rostfreiem Stahl oder aus Nickel hergestellt. Verwendet man dagegen für die Seitenwand 11 eine Forsteritkeramik, so ist es zweckmäßig, die Stirnwände 12 und 13 aus Titan herzustellen und die Seitenwand direkt mit den beiden Stirnwänden zu verlöten oder zu verschmelzen. Die Abschirmung 23 wird zweckmäßigerweise aus rostfreiem Stahl hergestellt und mehrere Stunden lang bei Temperaturen oberhalb 1000° C ausgeheizt, um alle absorbierten Gase auszutreiben.The supports for the main electrodes 17 and 18 are not subject to the direct effect of the arc exposed. They can therefore be made from a commercially available copper of high purity. The side wall 11 can be made of a temperature-resistant glass or a gas-impermeable vacuum-tight one Pottery are made. Ceramic materials are ceramics based on aluminum oxide or forsterite suitable. The end walls 12 and 13 are expediently made of stainless steel or Made of nickel. If, on the other hand, a forsterite ceramic is used for the side wall 11, it is expedient to make the end walls 12 and 13 from titanium and the side wall directly with the two To solder or fuse end walls. The shield 23 is expediently made of stainless Steel made and baked for several hours at temperatures above 1000 ° C to all expel absorbed gases.
In der F i g. 2 ist ein Vakuumschaltgerät nach der Erfindung mit einer feststehenden Funkenstrecke dargestellt. Das Gehäuse dieses Vakuumschaltgerätes weist eine Seitenwand 31 auf, die zylindrisch ausgebildet und aus einem Isoliermaterial hergestellt ist. Die Seitenwand 31 hat die gleiche Zusammensetzung und die gleichen Eigenschaften wie die Seitenwand 11 aus Fig. 1. Die Seitenwand 31 ist an ihren beiden Enden durch zwei metallische Stirnwände 32 und 33 abgeschlossen, die aus dem gleichen Material wie die Stirnwände 12 und 13 aus F i g. 1 bestehen können. Die Seitenwand bildet zusammen mit den Stirnwänden die Vakuumkammer des Schaltgerätes. Um die Vakuumkammer vakuumdicht abschließen zu können, sind zwischen die Seitenwand 31 und die beiden Stirnwände 32 und 33 Dichtungen 34 eingesetztIn FIG. 2 is a vacuum switching device according to the invention with a fixed spark gap shown. The housing of this vacuum switching device has a side wall 31 which is cylindrical and made of an insulating material. The side wall 31 has the same composition and the same properties as the side wall 11 of Fig. 1. The side wall 31 is at both ends completed by two metallic end walls 32 and 33, which are made of the same material as the End walls 12 and 13 from FIG. 1 can exist. The side wall forms together with the end walls Vacuum chamber of the switching device. In order to be able to close the vacuum chamber vacuum-tight, are Seals 34 are inserted between the side wall 31 and the two end walls 32 and 33
In dem Gehäuse 30 sind zwei Hauptelektroden 35 und 36 angeordnet, die einen gewissen Abstand voneinander haben und eine Lichtbogenstrecke 37 bilden. Die beiden Hauptelektroden 36 und 37 sitzen auf Elektrodenstangen 38 und 39, die ihrerseits elektrisch und mechanich mit den Stirnwänden 32 und 33 verbunden sind. Der Netzabschnitt oder der Kreis der von dem Vakuumschaltgerät geschützt oder geschaltet werden soll, wird parallel oder in Serie an den Klemmen 40 und 41 angeschlossen, die elektrisch und mechanisch mit den beiden Stirnwänden 32 und 33 verbunden sind. Wie bei dem Vakuumschaltgerät nach F i g. 1 ist auch beim Vakuumschaltgerät nach F i g. 2 zwischen den beiden Elektroden 35, 36 einerseits und der Seitenwand 31 andererseits ein metallischer Abschrimzylinder 43 angeordnet, der am unteren Rand in einem Ring 44 endet, der Überschläge vom oder zum Rand der Abschirmung unterbinden soll. Der Abschirmzylinder 43 dient dazu, zerstäubtes oder verdampftes Elektrodenmaterial abzufangen, so daß sich dieses Elektrodenmaterial nicht auf der Innenseite der isolierenden Seitenwand 31 absetzen und dieses kurzschließen kann. Der Raum innerhalb des Gehäuses 30 wird wie bei dem Schaltgerät nach F i g. 1 auf einem Druck von weniger als 0,0133 Pa(IO"4 Torr), vorzugsweise auf einem Druck von weniger als 0,00133 Pa (10 -5 Torr) gehalten.Two main electrodes 35 and 36 are arranged in the housing 30, which are spaced a certain distance from one another and form an arc gap 37. The two main electrodes 36 and 37 sit on electrode rods 38 and 39, which in turn are electrically and mechanically connected to the end walls 32 and 33. The network section or the circuit that is to be protected or switched by the vacuum switching device is connected in parallel or in series to terminals 40 and 41, which are electrically and mechanically connected to the two end walls 32 and 33. As with the vacuum switching device according to FIG. 1 is also the case with the vacuum switching device according to FIG. 2 between the two electrodes 35, 36 on the one hand and the side wall 31 on the other hand, a metallic shielding cylinder 43 is arranged, which ends at the lower edge in a ring 44 which is intended to prevent flashovers from or to the edge of the shield. The shielding cylinder 43 serves to intercept atomized or vaporized electrode material so that this electrode material cannot settle on the inside of the insulating side wall 31 and short-circuit it. The space within the housing 30 is as in the switching device according to FIG. 1 at a pressure of less than 0.0133 Pa (IO "4 Torr), preferably at a pressure of less than 0.00133 Pa (10-5 Torr).
Man kann die verbesserten Elektroden für Vakuumschaltgeräte herstellen, wenn man dem Elektrodenmaterial während der Verarbeitung eine geringe Menge eines Metalls zusetzt, das eine hohe Affinität gegenüber Sauerstoff besitzt und mit Sauerstoff ein hochstabiles Oxid bildet, das sich bei den in den Enden des Lichtbogens herrschenden Temperaturen nicht zersetzt. Es gibt zwar mehrere Materialien, wie beispielsweise die seltenen Erden der Lanthangruppe, die diesen Bedingungen genügen und daher für diesen Zweck geeignet erscheinen, doch sind diese wegen anderer Eigenschaften nicht bevorzugt. Es hat sich gezeigt, daß Beryllium das zum Binden von Sauerstoff außerordentlich geeignet ist, ebenso wie Berylliumoxid keine sonstigen1 Eigenschaften hat, die dessen Einsatz in Vakuumschaltgeräten der hier interessierenden Art ausschließen. Die Beigabe einer kleinen Menge Beryllium zu Kupfer führt daher zu Elektroden für Vakuumschaltgeräte, die allen anderen bisher bekannten Elektroden für Vakuumschaltgeräte überlegen sind. Es wurde nun gefunden, daß die Beigabe von kleinen Mengen Beryllium zu kommerziell erhältlichen Kupferqualitäten mit einer Reinheit von 99,96% oder besser und mit einem Sauerstoffgehalt von 1 bis 3 Atom-ppm zu Berylliumoxid führt, das durch weitere Verarbeitungsschritte praktisch völlig entfernt werden kann, die wesentlich einfacher und billiger als das bisher übliche mehrmalige Zonenschmelzen sind.The improved electrodes for vacuum switching devices can be produced by adding a small amount of a metal to the electrode material during processing that has a high affinity for oxygen and forms a highly stable oxide with oxygen that does not form at the temperatures prevailing at the ends of the arc decomposed. While there are several materials, such as the rare earth elements of the lanthanum group, that meet these conditions and therefore appear suitable for this purpose, these are not preferred because of other properties. It has been shown that beryllium, which is extremely suitable for binding oxygen, just like beryllium oxide, has no other 1 properties which exclude its use in vacuum switching devices of the type of interest here. The addition of a small amount of beryllium to copper therefore leads to electrodes for vacuum switching devices that are superior to all other previously known electrodes for vacuum switching devices. It has now been found that the addition of small amounts of beryllium to commercially available grades of copper with a purity of 99.96% or better and with an oxygen content of 1 to 3 atomic ppm leads to beryllium oxide which can be practically completely removed by further processing steps that are much simpler and cheaper than the previously common multiple zone melting.
Insbesondere wurde gefunden, daß die Beigabe einer geringen Menge eines Materials mit hoher Affinität zu Sauerstoff, das ein hochstabiles, hochtemperaturbeständiges Oxid bildet, insbesondere Beryllium, zum Hauptbestandteil der Elektroden eines Vakuumschaltgerätes, wie beispielsweise Kupfer, zu einem besonders guten Material führt, wenn man das Kupfer mit der Beigabe bei einem Druck von 0,00133 Pa (10~5 Torr) und bei einer Temperatur von 1080° C eine halbe Stunde lang mit gerichteter Kühlung reinigtIn particular, it has been found that adding a small amount of a material with a high affinity for oxygen, which forms a highly stable, high-temperature-resistant oxide, in particular beryllium, to the main component of the electrodes of a vacuum switchgear, such as copper, leads to a particularly good material if that Cleans copper with the addition at a pressure of 0.00133 Pa (10 ~ 5 Torr) and at a temperature of 1080 ° C for half an hour with directional cooling
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine bestimmte Menge des Elektrodenmaterials in die Form eines Stabes gebracht, und dieser Stab wird dann einem einfachen Zonennivellierverfahren unterworfen. Solche einfachen ZonenniveHierverfahren sind bekannt und sind auch häufig beschrieben worden. Hierzu sei auf die Seiten 5 und 133 ff des Buches »Zone-Refining« 1958, Verlag John Wiley & Sons, New York, von W. G. Pf an η verwiesen. Während der Zonennivellierung wird das Beryllium innig mit dem Kupfer gemischt, wenn die geschmolzene Zone durch den Kupferstab hindurch geführt wird. Welche Eigenschaften ein Metall oder eine Legierung beim Zonennivellieren aufgrund der bekannten Wirkungen dieses Verfahrens annimmt, ist demAccording to a preferred embodiment of the method according to the invention, a certain amount of the electrode material is brought into the shape of a rod, and this rod then becomes a simple Subject to zone leveling procedures. Such simple Zone-level procedures are known and have also been described frequently. Please refer to pages 5 and 133 ff of the book "Zone Refining" 1958, published by John Wiley & Sons, New York, by W. G. Pf an η referenced. During zone leveling, the beryllium is intimately mixed with the copper when the molten zone is passed through the copper rod. What properties a metal or a Alloy in zone leveling because of the known effects of this method is that
Durchschnittsfachmann bekannt. Daher soll Elektrodenmaterial, wie es erfindungsgemäß verwendet wird, als »zonennivelliertes« Material bezeichnet werden, wenn es einem Zonennivellierverfahren unterworfen worden ist. Ganz allgemein soll ein solches Material sowie ein vakuumgschmolzenes oder durch Zonenschmelzen gereinigtes Material als »vakuumgereinigtes« Material bezeichnet werden.Known to those of ordinary skill in the art. Therefore, electrode material as used according to the invention should be referred to as "zone leveled" material when subjected to a zone leveling procedure has been. In general, such a material as well as a vacuum-melted or zone-melted one should be used cleaned material can be referred to as "vacuum cleaned" material.
Aufgrund der Trennungseigenschaften von Beryllium in Kupfer verbleibt das Beryllium während der Zonennivellierung im Kupfer praktisch gleichförmig verteilt Der größte Teil des Oxides, das aus der Reaktion des Berylliums mit dem vorhandenen Sauerstoff stammt, der als Kupferoxid oder als freier Sauerstoff vorliegt, fließt an die Außenseiten der geschmolzenen Zone. Wenn der Stab erstarrt und abgekühlt ist, kann man diesen Oxidanteil auf der Oberfläche als eine blasige oder wolkige Verunreinigung beobachten. Das Berylliumoxid kann dann leicht von der Oberfläche des zonennivellierten Stabes weggeätzt werden. Hierzu ist ein saures Ätzbad aus etwa einem Teil Fluorwasserstoffsäure, drei Teilen Salpetersäure und 10 Teilen Essigsäure geeignet. Mit diesem Ätzbad wird für eine Minute oder weniger geätzt Dieser Ätzvorgang entfernt diejenigen Oberflächenverunreinigungen, die Berylliumoxid sind, während der Metallstab selbst sauber und oxidfrei zurückbleibt. Da der Sauerstoff in dem als Ausgangsmaterial verwendeten handelsüblichen Kupfer der obigen Reinheit nur in einer Menge von einigen ppm vorliegt, verbleibt der größte Teil des zugegebenen Berylliums in dem Kupferstab, und nur ein kleiner Teil von etwa 5% wird wieder entfernt, wenn die beiden Stabenden aus Gründen der Reinheit des Materials entfernt werden. Aufgrund der gleichförmigen Verteilung, die sich beim Zonennivellieren erreichen läßt, ist das Beryllium völlig gleichmäßig im Kupfer verteilt. Das Beryllium liegt im Kupfer als feste Lösung vor, und zwar in Abhängigkeit von der Temperatur des verfestigten Kupferstabes in der «-, der ß- oder der y-Phase bzw. in Mischungen zwischen diesen Phasen. Die Menge des zugefügten Berylliums wird jedoch so klein gehalten, daß sich beim Abkühlen bzw. beim ersten Verfestigen der Schmelze keine ό-Phase bilden kann, die eine intermetallische Verbindung der Formel CuBej ist. Im Beryllium-Kupfer-System tritt diese Verbindung an dem peritektischen Punkt auf, der bei etwa 11,5 Gewichtsprozent Beryllium liegt. Der ganze Kupferstab enthält noch eine sehr kleine Menge Berylliumoxid, das gleichförmig verteilt, jedoch nicht an die Oberfläche gelangt ist.Due to the separation properties of beryllium in copper, the beryllium remains practically uniformly distributed in the copper during zone leveling.The majority of the oxide, which comes from the reaction of the beryllium with the oxygen present, which is present as copper oxide or as free oxygen, flows to the outside of the molten zone. When the rod has solidified and cooled, this oxide portion can be observed on the surface as a blistered or cloudy impurity. The beryllium oxide can then easily be etched away from the surface of the zone leveled rod. An acidic etching bath consisting of about one part hydrofluoric acid, three parts nitric acid and 10 parts acetic acid is suitable for this. This etching bath is used to etch for a minute or less. This etching process removes those surface contaminants that are beryllium oxide, while the metal rod itself remains clean and oxide-free. Since the oxygen in the commercial copper of the above purity used as a starting material is only present in an amount of a few ppm, most of the added beryllium remains in the copper rod, and only a small part of about 5% is removed again when the two rod ends be removed for the sake of purity of the material. Because of the uniform distribution that can be achieved with zone leveling, the beryllium is completely evenly distributed in the copper. The beryllium is present in copper as a solid solution, depending on the temperature of the solidified copper rod in the, β or γ phase or in mixtures between these phases. However, the amount of beryllium added is kept so small that no ό phase, which is an intermetallic compound of the formula CuBej, can form when the melt cools or when it first solidifies. In the beryllium-copper system, this compound occurs at the peritectic point, which is around 11.5 percent by weight beryllium. The whole copper rod still contains a very small amount of beryllium oxide, which is evenly distributed but has not reached the surface.
Die bisher üblichen Reinigungsverfahren mittels einesThe usual cleaning methods using a
ίο mehrmaligen Zonenschmelzens erforderten mindestens sechs Durchgänge in der gleichen Richtung. Bei dem eben beschriebenen Zonennivellierverfahren braucht die geschmolzene Zone dagegen nur einmal in jeder Richtung durch den Stab hindurchgeführt zu werden.ίο multiple zone melting required at least six passes in the same direction. For the zone leveling procedure just described, on the other hand, the molten zone has to be passed through the rod only once in each direction.
ι s Daher werden nach der Erfindung etwa 2h der Kosten und des Arbeitsaufwandes eingespart, die bisher für die Herstellung von Elektrodenmaterial für Vakuumschaltgeräte erforderlich waren. Zusätzlich hat man gefunden, daß man als Ausgangsmaterial für Elektroden, die in Vakuumschaltgeräten nicht allzu hoher Leistung verwendet werden sollen, eine Kupferqualität mit einem verhältnismäßig großen Fremdstoffgehalt benutzen kann, wenn man vergleichsweise niedrige Berylliummengen hinzufügt, so daß die Herstellungskosten solcher Vakuumschaltgeräte nach der Erfindung gegenüber den bisher anfallenden Herstellungskosten drastisch gesenkt werden können.Therefore, according to the invention, about 2 hours of costs and labor are saved that were previously required for the production of electrode material for vacuum switching devices. In addition, it has been found that the starting material for electrodes that are not to be used in vacuum switching devices that are too high in performance can be a copper quality with a relatively large foreign matter content if comparatively low amounts of beryllium are added, so that the manufacturing costs of such vacuum switching devices according to the invention are compared the production costs incurred up to now can be drastically reduced.
Die Affinität eines Metalles gegenüber Sauerstoff wird üblicherweise durch die freie Energie bei der Bildung des entsprechenden Oxids gemessen, je negativer dieser Wert pro Atom Sauerstoff ist, desto größer ist die Affinität eines Metalles zu Sauerstoff. Die Stabilität des so gebildeten Oxides wird durch die Zersetzungstemperatur gemessen, sofern diese Zersetzungstemperatur bekannt ist Ist die Zersetzungstemperatur nicht bekannt, so sind der Schmelzpunkt und die Verdampfungstemperatur gute Kriterien. Allgemein gilt daß ein Oxid um so stabiler ist, je höher der Schmelzpunkt und die Verdampfungstemperatur liegen.The affinity of a metal for oxygen is usually determined by the free energy in the The formation of the corresponding oxide is measured, the more negative this value per atom of oxygen, the more the affinity of a metal for oxygen is greater. The stability of the oxide thus formed is through the Decomposition temperature measured, provided this decomposition temperature is known If the decomposition temperature is not known, the melting point and the Evaporation temperature good criteria. In general, the higher the oxide, the more stable it is Melting point and the evaporation temperature are.
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind nun diese Parameter für Oxide von Kupfer sowie für Oxide von Beryllium und Lanthan angegeben.In the following table 1 these parameters are now for oxides of copper and for oxides of Beryllium and Lanthanum indicated.
Aus der Tabelle 1 geht hervor, daß die Affinität von Beryllium und Lanthan gegenüber Sauerstoff am Schmelzpunkt des Kupfers etwa 10 mal größer als die Affinität von Kupfer gegenüber Sauerstoff bei der gleichen Temperatur ist Diese beiden Elemente vereinigen sich daher rasch mit jeglichem vorhandenen Sauerstoff und bilden mit dem Sauerstoff Oxide. Im Elektrodenmaterial zufriedenstellender Eigenschaften zu erhalten, sollte die freie Bildungsenergie des Metalloxids, dessen Metall zum Binden des Sauerstoffes verwendet wird, pro Atom Sauerstoff einen Wert haben, der noch stärker negativ als —418 kj ist Weiterhin sieht man, daß die Oxide des Beryllium und Lanthan sehr stabil sind und selbst unter den Zuständen nicht dissozilieren, die in einem Lichtbogen herrschen. Der Grund für die Überlegenheit von Beryllium liegt darin, daß der Dampfdruck von Beryllium dem Dampfdruck von Kupfer etwa gleicht, so daß das Beryllium den von Kupferatomen unterhaltenen Lichtbogen nicht beeinträchtigt Da das Atomgcvicht von Beryllium sehr niedrig ist, kondensieren sich die Berylliumatome nach dem Erlöschen des Bogens als erste aus der Dampfphase. Außerdem ist Beryllium im Vergleich zu den seltenen Erden leichter erhältlich und ist zudem auch billiger. Ein weiterer Grund für die Überlegenheit von Beryllium für den hier interessierenden Zweck besteht darin, daß Beryllium nur ein einziges Oxid der Formel BeO bildet das sehr stabil ist Mehrwertige Metalle können zwar auch stabile Oxide der Zusammensetzung M1Ox bilden,. wobei »yv größer als 1 ist Diese Oxide können jedoch in ein anueres weniger stabiles Oxid zerfallen, die sich auch ursprünglich bilden können, deren EigenschaftenFrom Table 1 it can be seen that the affinity of beryllium and lanthanum for oxygen at the melting point of copper is about 10 times greater than the affinity of copper for oxygen at the same temperature. These two elements therefore combine rapidly with any oxygen present and form with it the oxygen oxides. In order to obtain satisfactory properties in the electrode material, the free energy of formation of the metal oxide, the metal of which is used to bind the oxygen, should have a value per atom of oxygen which is even more negative than -418 kJ. Furthermore, it is seen that the oxides of beryllium and lanthanum are very stable and do not dissociate even under the conditions that exist in an arc. The reason for the superiority of beryllium is that the vapor pressure of beryllium is roughly equal to the vapor pressure of copper, so that the beryllium does not interfere with the arc sustained by copper atoms Arc as the first from the vapor phase. In addition, compared to rare earths, beryllium is easier to obtain and also cheaper. Another reason for the superiority of beryllium for the purpose of interest here is that beryllium only forms a single oxide of the formula BeO which is very stable. Polyvalent metals can indeed also form stable oxides of the composition M 1 O x . where »yv is greater than 1 These oxides can, however, disintegrate into a different, less stable oxide, which can also form originally, their properties
unbekannt oder unvorhersagbar sind.are unknown or unpredictable.
Stabile Oxide werden auch von anderen Metallen gebildet Diese sind jedoch für die Zwecke der Erfindung nur am Ri-nde oder gar nicht brauchbar. So sollte bespielsweise Magnesium oder ein anderes Metall mit einem niedrigeren Siedepunkt nicht verwendet werden, da der Dampfdruck von elementarem Magnesium oder eines anderen niedrig siedenden Metalls für Vakuumschaltgeräte zu hoch ist, und da ein Überschuß des aktiven Metalls zur Sauerstoffbindung notwendig ι ο ist, wenn aller Sauerstoff entfernt werden soll. Auch Thorium bildet ein stabiles Oxid. Ein Oberschuß von elementarem Thorium in Vakuumschaltgeräten sollte aber vermieden werden, da die Ablösearbeit für Thorium sehr niedrig ist Außerdem enthält das stabile Thoriumoxidmolekül zwei Atome Sauerstoff.Stable oxides are also formed by other metals, however these are for the purpose of Invention only at the edge or not at all useful. So For example, magnesium or any other metal with a lower boiling point should not be used because the vapor pressure of elemental magnesium or some other low-boiling metal for Vacuum switchgear is too high, and because an excess of the active metal is necessary for oxygen binding ι ο is when all oxygen is to be removed. Thorium also forms a stable oxide. An excess of elemental thorium in vacuum switching devices should be avoided, as the separation work for Thorium is very low In addition, the stable thorium oxide molecule contains two atoms of oxygen.
Die Menge, in der das sauerstoffbindende Metall dem Hauptbestandteil hinzugefügt werden muß, ist mindestens Vio Gewichtsprozent Die Menge kann in Abhängigkeit vom verwendeten Material schwanken. Die maximale Menge des beigefügten sauerstoffbindenden Metalls darf jedoch nicht zu einer solchen Konzentration führen, bei der nach dem Phasendiagramm der entstehenden Legierung während des Abkühlens eine intermetallische Verbindung entsteht, wenn sich die Schmelze gerade verfestigt Wenn beispielsweise Kupfer der Hauptbestandteil ist, darf Beryllium nur in Mengen zwischen 0,1 und 11,5 Gewichtsprozent beigegeben werden. Lanthan als ein Beispiel einer seltenen Erde aus der Lanthanreihe darf nur in Mengen zwischen 0,1 und 18 Gewichtsprozent beigegeben werden. Als praktisch brauchbare Regel soll die Menge des sauerstoffbindenden Metalls zwischen 0,1 Gewichtsprozent und einem Wert liegen, der nach der Bearbeitung der ganzen Elektrode zu einem Überschuß von nicht verbrauchtem, sauerstoffbindenden Metall in der Elektrode zwischen 0,1 und 10 Gewichtsprozent führtThe amount in which the oxygen scavenging metal must be added to the main component is at least Vio percent by weight The amount can vary depending on the material used. However, the maximum amount of the added oxygen-binding metal must not be such Concentration lead, according to the phase diagram of the resulting alloy during the When cooling down, an intermetallic compound is formed when the melt is just solidifying For example, copper is the main component, beryllium may only be used in amounts between 0.1 and 11.5 Weight percent are added. Lanthanum as an example of a rare earth from the lanthanum series is allowed can only be added in amounts between 0.1 and 18 percent by weight. As a practical rule, it is supposed to the amount of oxygen-binding metal between 0.1 percent by weight and a value according to machining the entire electrode to an excess of unused, oxygen-binding Metal in the electrode leads between 0.1 and 10 percent by weight
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Legierungsbestandteile im Vakuum mit gerichteter Kühlung geschmolzen, um eine gute Durchmischung der Hauptbestandteile mit dem sauerstoffbindenden Zusatz sicherzustellen. Das dabei verwendete Vakuum liegt beispielsweise bei 0,0133Pa (10-« Torr), besser noch bei 0,00133 Pa (10-5Torr). Die für diesen Verfahrensschritt benötigte Zeit ist kurz. Dieser Verfahrensschritl wird beim Schmelzpunkt des Hauptbestandteils der Legierung durchgeführt. Um eine gerichtete Kühlung zu bewerkstelligen, muß eine Kühlfalle vorhanden sein. Man kann aber auch einen modifizierten »Bridgeman«- Ofen verwenden. Man kann beispielsweise etwa 1360 g hochreines Kupfer der obigen Reinheit und etwa 27 g hochreines Beryllium einmal oder mehrere Male jeweils für etwa eine halbe Stunde auf eine Temperatur von etwa 11000C bringen und gerichtet kühlen. Anschließend wird in einem sauren Ätzbad aus einem Teil HF, drei Teilen HNG3 und zehn Teilen Essigsäure gewaschen, um das ganze Berylliumoxid von der Oberfläche zu entfernen. Dann wird mit destilliertem Wasser nachgewaschen. Man kann auch die Oxide mechanisch von der Oberfläche entfernen. Wenn auch hochreines Kupfer der obigen Reinheit als Ausgangsmaterial besonders geeignet ist, kann man auch als Ausgangsmaterial Elektrolyt-Kupfer verwenden, da man auch mit Elektrolyt-Kupfer in vielen Fällen, insbesondere bei Vakuumschaltgeräten für niedrigere Ströme gute Ergebnisse erzielt. Man kann die eben beschriebene Ausführungsform aber auch derart abwandeln, daß man die Legierungsbestandteile jeweils für sich zum Reinigen ein- oder mehrere Male einem Zonenschmelzverfahren unterwirftAccording to a preferred embodiment of the method according to the invention, the alloy constituents are melted in vacuo with directed cooling in order to ensure thorough mixing of the main constituents with the oxygen-binding additive. The vacuum used in this case is, for example 0,0133Pa (10 "Torr), more preferably at 0.00133 Pa (10- 5 Torr). The time required for this process step is short. This process step is carried out at the melting point of the main component of the alloy. A cold trap must be present in order to achieve directional cooling. But you can also use a modified "Bridgeman" oven. For example, about 1360 g of high-purity copper of the above purity and about 27 g of high-purity beryllium can be brought to a temperature of about 1100 ° C. once or several times for about half an hour and cooled in a directional manner. It is then washed in an acidic etching bath consisting of one part HF, three parts HNG3 and ten parts acetic acid in order to remove all of the beryllium oxide from the surface. Then it is washed with distilled water. The oxides can also be removed mechanically from the surface. Even if high-purity copper of the above purity is particularly suitable as the starting material, electrolytic copper can also be used as the starting material, since good results can also be achieved with electrolytic copper in many cases, especially with vacuum switching devices for lower currents. The embodiment just described can, however, also be modified in such a way that the alloy components are each subjected to a zone melting process one or more times for cleaning
Nach einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hochreines und nominell sauerstofffreies Kupfer in der Form eines Stabes mit einer Länge von etwa 30,5 cm und einem Durchmesser von etwa 2,5 cm, dessen Gewicht etwa 1600 g beträgt, zum Zonenschmelzen in einen Bornitridtiegel gelegt In dasjenige Tiegelende, an dem mit dem Zonenschmelzen begonnen wird, wird eine bestimmte Menge von hochreinem Beryllium gegeben. Das Beryllium kann hierbei als Granulat vorliegen.According to another embodiment of the method according to the invention, it becomes highly pure and nominal oxygen-free copper in the shape of a rod with a length of about 30.5 cm and a diameter of about 2.5 cm, the weight of which is about 1600 g, placed in a boron nitride crucible for zone melting In the end of the crucible where the zone melting occurs is started, a certain amount of high purity beryllium is given. The beryllium can present here as granules.
Seine Menge kann etwa 1 Gewichtsprozent betragen. Es ist günstig, wenn das Beryllium vorher durch Zonenschmelzen gereinigt worden ist Nun wird eine bewegbare Spule an einen Hf-Generator angeschlossen, der ein 500-KHz-Oszillator sein kann. Diese Spule hat mehrere Windungen und einen Durchmesser, der so groß ist, daß die Spule über den Tiegel mit dem Kupfer und dem Beryllium herüber geschoben werden kann. Die Länge der Spule ist so gewählt, daß von dem Kupferstab jeweils nur eine Länge von etwa 2,5 cm geschmolzen wurden kann. Diese Spule wird nun über den Anfang des Kupferstabes geschoben und erregt, so daß der Anfang des Kupferstabes zusammen mit dem dort vorhandenen Beryllium auf eine Temperatur von etwa HOO0C gebracht wird und schmilzt, so daß sich eine flüssige Zone von etwa 2,5 cm Länge bildet Nun läßt man diese flüssige Zone mit einer Geschwindigkeit von etwa 30,5 bis 33 cm pro Stunde durch den ganzen Kupferstab hindurch wandern. Während dieser Zeit hat das Beryllium aufgrund seiner Lösungseigenschaften in Kupfer die Gelegenheit, in der flüssigen Kupferphase zu verbleiben und den Sauerstoff in neu geschmolzenem Kupfer zu binden. Dabei bildet sich Berylliumoxid, das zur Außenfläche des Kupferstabes fließt. Nach dem Abkühlen kann das Oxid leicht in einem saueren Ätzbad entfernt werden. Ein hierfür geeignetes Ätzbad kann aus einem Teil HF, drei Teilen HNO3 und 10 Teilen Essigsäure bestehen. Auf diese Weise wird praktisch der gesamte Sauerstoff aus dem Kupferstab entfernt, während das Beryllium praktisch vollständig in dem Kupferstab verbleibt. Man läßt die flüssige Zone kontinuierlich durch den ganzen Kupferstab hindurchlaufen. Wenn die flüssige Zone am Ende des Kupferstabes angekommen ist, wird die Wanderungsrichtung der flüssigen Zone umgekehrt, und die flüssige Zone wandert wieder mit derselben Geschwindigkeit bis zum Anfang des Stabes zurück.Its amount can be about 1 percent by weight. It is beneficial if the beryllium has previously been cleaned by zone melting. Now a movable coil is connected to an RF generator, which can be a 500 KHz oscillator. This coil has several turns and a diameter that is so large that the coil can be pushed over the crucible with the copper and beryllium. The length of the coil is chosen so that only a length of about 2.5 cm can be melted from the copper rod. This coil is now pushed over the beginning of the copper rod and excited, so that the beginning of the copper rod together with the beryllium present there is brought to a temperature of about HOO 0 C and melts, so that a liquid zone of about 2.5 cm This liquid zone is now allowed to travel through the entire copper rod at a speed of about 30.5 to 33 cm per hour. During this time, due to its dissolving properties in copper, the beryllium has the opportunity to remain in the liquid copper phase and to bind the oxygen in newly melted copper. Beryllium oxide forms, which flows to the outer surface of the copper rod. After cooling, the oxide can easily be removed in an acidic etching bath. A suitable etching bath can consist of one part HF, three parts HNO 3 and 10 parts acetic acid. In this way, practically all of the oxygen is removed from the copper rod, while the beryllium remains practically completely in the copper rod. The liquid zone is allowed to run continuously through the entire copper rod. When the liquid zone has reached the end of the copper rod, the direction of migration of the liquid zone is reversed and the liquid zone travels back at the same speed to the beginning of the rod.
Durch dieses Zonennivellieren werden das Beryllium und etwa noch im Kupferstab verbleibende Berylliumoxidreste gleichförmig innerhalb des ganzen Kupferstabes verteilt. Da das im Kupferstab noch verbleibende Berylliumoxid völlig gleichförmig verteilt ist, und da es nur in einer außerordentlich geringen Konzentration vorliegt, macht es sich beim Betrieb des Vakuumschaltgerätes nicht mehr bemerkbar. Es sind auch noch im Beryllium weitere Bestandteile, wie Berylliumverbindungen und Berylliumlegierungen vorhanden. Ihre Konzentration ist aber ebenfalls sehr gering. Außerdem beeinträchtigen diese Berylliumverbindungen bzw. Legierungen die Wirkungsweise des Vakuumschaltgerätes nicht, sondern verbessern und unterstützen diese Wirkungsweise. Wie im Falle von Elektroden, die durch Schmelzen im Vakuum gereinigt worden sind, können auch zonennivellierte Elektroden, insbesondere solche,This leveling of the zones removes the beryllium and any remaining beryllium oxide residues in the copper rod evenly distributed throughout the entire copper rod. As the remaining in the copper rod Beryllium oxide is completely uniformly distributed, and because it is only in an extremely low concentration is present, it is no longer noticeable when the vacuum switchgear is in operation. There are also still in the Beryllium also contains other components such as beryllium compounds and beryllium alloys. your But concentration is also very low. In addition, these beryllium compounds or Alloys do not improve the effectiveness of the vacuum switchgear, but rather improve and support it Mode of action. As in the case of electrodes that have been cleaned by melting in a vacuum also zone-leveled electrodes, especially those
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die zum Schalten niedrigerer Ströme bestimmt sind, anstatt aus hochreinem Kupfer oder einem Äquivalent davon aus Elektrolytkiipfer hergestellt werden.designed to switch lower currents instead of high purity copper or equivalent of which are made from electrolytic copper.
Wenn der Kupferstaib abgekühlt ist, und wenn von den beiden Stabenden des zonennivellierten Kupferstabes jeweils eine Länge von etwa 1,27 cm entfernt worden ist, wird der Oxidüberzug von der Staboberfläche entfernt Hierzu kann man beispielsweise den Kupferstab eine Minute lang in einem Ätzbad waschen, das aus etwa einem Teil Fluorwasserstoffsäure, drei ι ο Teilen Salpetersäure und zehn Teilen Essigsäure besteht. Anschließend wird der Stab in destilliertem Wasser gespült und getrocknet Anschließend kann man aus dem Kupferstab im Vakuum die Elektroden gießen, wie sie in den Vakuuimschaltgeräten nach den Fig. 1 und 2 verwendet werden. Wenn die Elektroden gegossen worden sind, werden sie in die Vakuumschaltgeräte nach den Fig. 1 und 2 eingebaut, die dann betriebsfertig sind.When the copper rod has cooled, and when from the two ends of the zone-leveled copper rod are each about 1.27 cm away the oxide coating will be removed from the rod surface removed To do this, you can, for example, wash the copper rod for one minute in an etching bath, that from about one part hydrofluoric acid, three ι ο parts nitric acid and ten parts acetic acid consists. Then the rod is distilled in Rinsed with water and dried Then you can cast the electrodes from the copper rod in a vacuum, as used in the vacuum switching devices according to FIGS. When the electrodes have been cast, they are built into the vacuum switching devices according to FIGS. 1 and 2, which then are ready for use.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird von einer Beryllium-Kupfer-Legierung ausgegangen. Hierzu kann man beispielsweise eine handelsübliche Legierung verwenden, die 0,55 Gewichtsprozent Beryllium, Rest Kupfer mit Spuren von Kobalt enthält. Diese Legierung kann dann durch Zonennivellieren, ein- oder mehrmaliges Zonenschmelzen oder durch Vakuumschmelzen mit gerichteter Kühlung gereinigt werden. Anschließend wird das Berylliumoxid wieder entfernt, wie es bereits beschrieben wurde.According to another embodiment of the invention a beryllium-copper alloy is assumed. For example, you can use a commercially available Use an alloy that contains 0.55 percent by weight beryllium, the remainder copper with traces of cobalt. This alloy can then be prepared by zone leveling, single or multiple zone melting or by vacuum melting be cleaned with directed cooling. Subsequently, the beryllium oxide becomes again removed as described earlier.
Die Schaltgeräte nach den F i g. 1 und 2, die nach der Erfindung konstruiert sind, zeigen anfänglich im wesentlichen die gleichen oder noch bessere elektrische Eigenschaften wie die bisherigen Vakuumschaltgeräte mit Kupferelektroden, bei denen das Elektrodenmaterial vor der Herstellung der Elektroden durch ein sechsmaliges Zonenschmelzen zur Entfernung des Sauerstoffes gereinigt worden war. Darüber hinaus behalten die erfindungsgemäßen Schaltgeräte diese besonders günstigen anfänglichen elektrischen Eigenschaften über eine längere Betriebsdauer bei, da das Beryllium in den Elektroden in der Lage ist, eventuell noch auftretenden Sauerstoff zu binden und das hohe Vakuum aufrecht zu erhalten, das zum Betrieb von Vakuumschaltgeräten erforderlich ist.The switching devices according to FIGS. 1 and 2 following the Invention constructed initially show substantially the same or better electrical Properties like the previous vacuum switchgear with copper electrodes, in which the electrode material prior to making the electrodes by zone melting six times to remove the Oxygen had been purified. In addition, the switching devices according to the invention retain this particularly favorable initial electrical properties over a longer period of operation, since the Beryllium in the electrodes is able to bind any oxygen that may still occur and the high Maintain the vacuum required to operate vacuum switching devices.
Die Erfindung ist nicht auf Kupferelektroden beschränkt. Man kann vielmehr jeden Teil der Kupferelektroden durch Silber ersetzen. Zusätzlich werden in vielen Fällen in solchen Vakuumschaltgeräten Kupferelektroden mit weiteren Zusätzen verwendet, die eine zu abrupte Stromunterbrechung sowie ein Verschweißen der Elektroden solcher Vakuumschaltgeräte unterbinden sowie auch anderen ungünstigen Eigenschaften solcher Vakuumschaltgeräte entgegenwirken, die sonst häufig bei solchen Schaltgeräten zu finden sind.The invention is not limited to copper electrodes. Rather, you can see any part of the Replace copper electrodes with silver. In addition, in many cases such vacuum switching devices Copper electrodes are used with other additives that cause too abrupt power interruption as well Prevent welding of the electrodes of such vacuum switching devices as well as other unfavorable ones Properties of such vacuum switching devices counteract which otherwise often occur in such switching devices are found.
Die Erfindung beinhaltet auch, den Hauptbestandteil der Elektrodenlegierung für Vakuunischaltgeräte sowie die Leg:erungszusätze vor dem Herstellen der Elektrodenlegierung nach dem hier beschriebenen Verfahren im Vakuum sauerstofffrei zu machen. Man erzielt dabei die gleichen Vorteile, die man bei der Herstellung von Vakuumschaltgeräten erreichen kann, die Elektroden benutzen, die ausschließlich aus Kupfer hergestellt sind. Auch andere Zusätze zu den Elektrodenlegierungen für Vakuumschaltgeräte kann man auf gleiche Weise behandeln.The invention also includes the main component of the electrode alloy for vacuum switching devices as well the alloying additives before the production of the electrode alloy to make oxygen-free in a vacuum using the method described here. One achieves thereby the same advantages that can be achieved in the manufacture of vacuum switching devices, the electrodes use that are made exclusively of copper. Also other additives to the electrode alloys for Vacuum switching devices can be treated in the same way.
Die F i g. 3 ist eine graphische Darstellung und zeigt, wie die Entionisierung bei Vakuumschaltgeräten nach Fig.2 verläuft, wenn Lichtbogen mit einem Spitzenstrom von 250 Ampere erloschen sind. Man sieht, daß in dieser Hinsicht bestimmte Eigenschaften von Vakuumschaltgeräten mit erfindungsgemälkn Elektroden aus Kupfer-Beryllium den entsprechenden Eigenschaften von Vakuumschaltgeräten äquivaJent sind, die mit Elektroden ausgerüstet sind, die durch sechsmaliges Zonenschmelzen gereinigt wurden. In der F i g. 3 ist die Durchschlagsspannung für den Funkenstreckenschalter nach F i g. 2 in Abhängigkeit von der Zeit für verzögert angelegte Spannungsimpulse aufgetragen, die nach dem Erlöschen des Bogens an ein Vakuumschaltgerät angelegt wurden, dessen Kupferelektroden durch sechsmaliges Zonenschmelzen gereinigt worden waren. Diese Werte sind durch die kleinen Kreise dargestellt. Die durch kleine Quadrate dargestellten Werte gelten dagegen für ein Vakuumschaltgerät, dessen Elektroden aus Kupfer-Beryllium mit einem Berylliumgehalt von weniger als 1 % hergestellt wurden. Wie man der F i g. 3 entnimmt, konnten während der Laufzeit der Versuche praktisch keine Unterschiede zwischen diesen beiden Vakuumschaltgeräten festgestellt werden.The F i g. 3 is a graph showing how deionization in vacuum switchgear is carried out after Fig.2 runs when arcing with a peak current of 250 amps have gone out. You can see that in in this regard, certain properties of vacuum switching devices with electrodes according to the invention Copper beryllium equivaJent to the corresponding properties of vacuum switchgear, which with Electrodes are equipped that have been cleaned by zone melting six times. In FIG. 3 is the Breakdown voltage for the spark gap switch according to FIG. 2 depending on the time for delayed applied voltage pulses applied after the arc has gone out to a vacuum switchgear were applied, the copper electrodes of which had been cleaned by zone melting six times. These values are represented by the small circles. The values shown by small squares apply on the other hand for a vacuum switching device whose electrodes are made of copper-beryllium with a beryllium content of less than 1% was produced. How to get the F i g. 3 could be taken during the runtime of the experiments practically no differences can be found between these two vacuum switching devices.
In der Fig.4 ist die Durchschlagsfestigkeit von Vakuumschaltgeräten für impulsmiäßige Belastung als Funktion des Elektrodenabstandes dargestellt. Die Werte, die durch die kleinen Kreise dargestellt sind, gelten für ein Vakuumschaltgerät mit Elektroden, deren Kupfer durch sechsmaliges Zonenschmelzen gereinigt wurde. Die Werte dagegen, die durch kleine Quadrate dargestellt sind, gelten für ein Vakuumschaltgerät, dessen Elektroden erfindungsgemäß aus Kupfer-Beryllium, mit einem Berylliumanteil von weniger als 1 Gewichtsprozent Beryllium bestehen. Auch in der Durchschlagsfestigkeit für impulsmäßige Belastung besteht zwischen Vakuumschaltgeräten mit den erfindungsgemäßen Elektroden aus Kupfer-Beryllium und Vakuumschaltgeräten mit Elektroden, deren Kupfer durch sechsmaliges Zonenschmelzen gereinigt wurde, kein merklicher Unterschied.In Fig.4 the dielectric strength of vacuum switching devices for pulsed load is as Function of the electrode gap shown. The values represented by the small circles apply to a vacuum switchgear with electrodes whose copper is cleaned by zone melting six times would. The values, on the other hand, which are represented by small squares, apply to a vacuum switchgear, whose electrodes according to the invention are made of copper-beryllium, with a beryllium content of less than 1 percent by weight beryllium. Also in the dielectric strength for impulse loads consists between vacuum switching devices with the electrodes according to the invention made of copper beryllium and Vacuum switching devices with electrodes, the copper of which has been cleaned by zone melting six times, no noticeable difference.
Hierzu 2 Blatt ZeicliiuinccnFor this purpose 2 sheets of drawing paper
Claims (11)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US56214166 | 1966-07-01 | ||
| DEG0050505 | 1967-06-28 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1640234C3 true DE1640234C3 (en) | 1978-01-05 |
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