DE2659871A1

DE2659871A1 - Vakuumleistungsschalter und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2659871A1
Application number: DE19762659871
Authority: DE
Inventors: Shinzo Sakuma
Original assignee: Gemvac KK; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Gemvac KK; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1975-03-22
Filing date: 1976-03-22
Publication date: 1977-10-27
Also published as: SU1080765A3; DE2612129B2; DE2612129A1; SU938756A3; GB1504666A; DE2612129C3; DE2659871B2; US4077114A; CA1044738A

Description

Liedl, Nöih, Zeitlar

Patentanwälte Neue Tel.-Nr. 089/22 9441

0 0 0 München 22 S t e i η s d ο r f s t r a Π e 21 - 22 Telefon

B 8288

KABUSHIKI KAISHA MEIDENSHA No. 2-1-17, Ohsaki,Shinagawa-ku,Tokyo/JAPAN

und

KABUSHIKI KAISHA GEMVAC No. 2-1-17, Ohsaki,Shinagawa-ku,Tokyo/JAPAN

Vakuumleistungsschalter und Verfahren zu seiner Herstellung Ausscheidung aus P 26 12 129.9-34

Die Erfindung betrifft einen Vakuum leistungsschalter mit einer im wesentlichen zylindrischen Isolier umhüllung aus Keramik, scheibenförmigen oberen und unteren Endplatten, die zumindest teilweise aus einer Fe-Ni- oder Fe-Ni-Co-Legierung bestehen und im wesentlichen den

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gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie die Isolierumhüllung und welche an den axialen, mit einer Metallisierung versehenen Enden der zylindrischen Isolier umhüllung befestigt sind, einem stationären, sich durch eine der Endplatten in die Isolier umhüllung erstreckenden, mit einer Elektrode versehenen Elektrodenstab und einem durch die andere Endplatte sich erstreckenden, mit einer Elektrode versehenen beweglichen Elektrodenstab, der in Richtung auf die stationäre Elektrode und von dieser weg bewegbar ist und mit einem Balg, dessen eines Ende mit dem beweglichen Elektrodenstab und dessen anderes Ende mit der anderen Elektrodenplatte verbunden ist sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Vakuumleistungsschalters.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 58 020 ist ein derartiger Vakuumleistungsschalter bekannt. Dieser Vakuumleistungsschalter besitzt ein Gehäuse, das einen hohlzylindrischen Keramikkörper aufweist, der stirnseitig durch metallische Schaltkontakte tragende Endplatten verschlossen ist. Diese Endplatten sind unter Zwischenordnung von Flanschringen aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung mit dem hohlzylindrisch ausgebildeten Keramikkörper vakuumdicht verbunden. Die Flanschringe sind dabei an den Stirnflächen des Keramikkörpers mittels einer Keramik-Glas-Metallverbindung befestigt. Auf diese Weise soll eine Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten von Keramik, Glas und Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung erzielt werden.

Beim Zusammenbau des bekannten Vakuumleistungsschalters ist es notwendig, daß zunächst die Flanschringe beglast werden und in einem Ofen unter Formiergas an die Keramik angeschmolzen werden. Daran anschließend werden die Endplatten an die freistehenden Enden der Flanschringe angelötet oder angeschweißt, wobei die Endplatten vorher mit den Schaltkontakten, dem Balg und gegebenenfalls mit Sprühschutz schirmen in zusätzlichen Arbeitsschritten ausgestaltet werden. Für den Zusammenbau des Vakuumleistungsschalters sind daher eine Reihe von

Arbeitsschritten notwendig.

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Zum Verbinden der verschiedenen Bauteile eines Vakuumleistungsschalters sind verschiedene vakuumdichte Standardlöt materialien bekannt. In der folgenden Tabelle sind solche für einen Vakuumlöttemperaturbereich zwischen 600 C und etwa 1000 C angegeben. In der Tabelle
bedeutet die Markierung "0" geeignet und die Markierung ^lrx^tr ungeeignet. Mit m.p. sind der Schmelzpunkt und mit f.p. die Fließtemperatur des Vakuumlötmaterials bezeichnet.

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OO

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00 00

Tabelle 1

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O cn

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Nr.	VakuumlÖt- material (Gew. -%)	m.p. (⁰C)	f.p. (⁰O	zu verlötendes Material	Cu	Ni	Fe	Fe-Co- Legie- rung	Fe-Ni- Legie- rung	Fe-Cr- Legie- rung	Fe-Ni-Co- Legierung	Cu- Legie- rung	Ag- Legie- rung
1	61Ag-24Cu-15In	630	705	0	0	0	0	0	X	0	0	0
2	60Ag-27Cu-13In	605	710	0	0	0	0	0	X	0	0	0
3	72Ag-28Cu	780	780	0	0	0	0	0	X	0	0	0
4	20Ag-60Au-20Cu	835	845	0	0	0	0	0	X	0	0	0
5	80Au-20Cu	890	890	0	0	0	0	0	0	0	0	X
6	53Cu-38Mn-9Ni	880	910	0	0	0	0	0	0	0	0	X
7	82Au-18Ni	950	950	0	0	0	0	0	0	0	0	X
8	100Ag	960	960	0	0	0	0	0	0	0	0	X
9	85Ag-15Mn	960	970	0	0	0	0	0	0	0	0	X

ro CX) ■ir.

CJD OO

Aus der vorstehenden Tabelle ist zu ersehen, daß Lötmaterialien mit niedrigem Schmelzpunkt, beispielsweise die Lötmaterialien von Nr. 1 bis Nr. 4 für "Fe-Cr-Legierungen" in einem hohen Löttemperaturbereich nicht verwendet werden können. Ferner läßt sich aus der Tabelle entnehmen, daß Lötmaterialien mit hohem Schmelzpunkt, beispielsweise diejenigen, welche von Nr. 5 bis Nr. 9 in der Tabelle aufgeführt sind, bei Legierungen, welche Silber ("Ag-Legierungen") enthalten, in einem niedrigen Löttemperaturbereich nicht verwendet werden können. Ausdieser Tabelle ist ersichtlich, daß es nicht so ohne weiteres möglich ist, einen Vakuumleistungsschalter durch gleichzeitiges Verlöten eines jeden Bauteils herzustellen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Material des Balges aus einer Fe-Cr-Legierung besteht oder wenn - was häufig der Fall ist - die Elektroden aus einer Ag-Legierung bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Vakuumleistungsschalter und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei denen die einzelnen Bauteile in zwei Verfahrensschritten durch Verlöten miteinander verbunden werden können und dabei eine erhöhte Vakuumabdichtung an den Lötstellen des Gehäuses erhalten.

Diese Aufgabe wird beim Vakuumleistungsschalter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Verlöten der Endplatten mit der Isolierumhüllung, des aus einer Fe-Cr-Legierung bestehenden Balges mit der unteren Endplatte aus dem oberen Ende des aus Cu bestehenden beweglichen Elektrodenstabes und einer in der Öffnung der oberen Endplatte angeordneten Hilfsendplatte aus Cu mit der oberen Endplatte ein erstes Lötmaterial aus einer Ag-freien Cu- oder Au-Legierung, deren Vakuumlöttemperatur zwischen 950 C und 1000 C liegt, vorgesehen ist und daß ferner zum Verlöten der Elektroden welche aus einer Ag- oder Cu-Legierung mit einem Löttemperaturbereich zwischen 600°C und 900°C bestehen, mit den Elektrodenstäben und

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des stationären Elektrodenstabes aus Cu mit der Hilf sendplatte

ein zweites Lötmaterial, dessen Vakuumlöttemperatur zwischen 600°C

und 900⁰C liegt, vorgesehen ist.

Ferner wird diese Aufgabe beim eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach Zusammenbau der durch das erste Lötmaterial zu verlötenden Bauteile das zwischen den Bauteilen befindliche

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erste Lötmaterial bei einem Druck von weniger als 10 Torr bis 10 Torr auf eine Temperatur zwischen 950°C und etwa 1000°C erhitzt wird und daß anschließend an die durch das erste Lötmaterial verlöteten Bauteile die durch das zweite Lötmaterial zu verbindenden Bauteile unter Zwischenfügung des zweiten Lötmaterials angefügt werden und daß das zweite Lötmaterial bei einem Druck von weniger als 10" Torr bis 10" Torr auf eine Temperatur zwischen 600 C und etwa 900 C erhitzt wird.

Bei der Erfindung erweist es sich als vorteilhaft, daß das Cu- oder Au-Lötmaterial in feinverteilter Form und ungleichmäßig in das Kristallgefüge der zu verbindenden Bauteile eindringt, wodurch eine für das Verlöten vorteilhafte Diffusionsschicht gebildet wird. Eine Ni-Plattierung auf den zu verbindenden Bauteilen ist daher nicht notwendig. Selbst wenn eine mechanische Spannung auf das Material der zu verbindenden Bauteile ausgeübt wird, erscheinen keine Risse. Insofern gewinnt man einen Vakuumleistungsschalter mit verringertem Herstellungsaufwand, der eine hohe mechanische Festigkeit und zuverlässige Vakuumabdichtung aufweist.

Es wurde die Rißbildung in verschiedenen Grundmaterialien, welche ohne vorherige Metallisierung oder Metallplattierung mit Hilfe von Ag-Cu- und Au-Lötmaterial verlötet worden sind, untersucht. Die Löttemperatur wurde dabei in Abhängigkeit vom Lötmaterial und dem Grundmaterial festgesetzt. D ie auf das Material zur Einwirkung gebrachte mechanische Spannung lag zwischen 1 kg/mm und 12 kg/mm. Die Ergebnisse sind aus

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io

der folgenden Tabelle 2 zu entnehmen, wobei die Markierung "O" unverändert, die Markierung "x" das Auftreten von Rissen bzw. Sprüngen und die Markierung " λ " das Auftreten von vernachlässigbaren Sprüngen bedeuten.

tabelle 2

Grundmaterial Lötmaterial	Fe-Ni-Co- Legierung	Fe	Fe-Ni- Legierung	Fe-Cr- Legierung	Cu
Ag-Lötmaterial	X	X	X	Δ	O
C u-Lötmaterial	O	O	O	O	O
Au-Lötmaterial	O	O	O	O	O

Die Tabelle 2 zeigt, daß nur bei Verwendung von Ag-Lötmaterial Risse auftreten. In der folgenden Tabelle 3 wurde das Ag-Lötmaterial auf das mit einer Nickelplattierung versehene Grundmaterial aufgebracht. Die Markierungen in dieser Tabelle haben die gleichen Bedeutungen wie in der Tabelle 2.

Tabelle 3

Lötbedingung	Dicke der Ni-Plattierung	Fe-Ni-Co- Legierung	Fe	Fe-Ni- Legierung	Fe-Cr- Legierung
Im Vakuum	3 μ	χ	χ	χ	O
In Wasserstoff	5 μ	χ	χ	χ .	O
8 μ	χ	X	χ	O
3 μ	O	O	O	O

Aus der vorstehenden Tabelle ergibt sich, daß bei Durchführung der Vakuumlötung die Bildung von Rissen im Grundmaterial, welches aus einer Fe-Ni-Co-Legierung oder einer Fe-Ni-Legierung besteht, sich

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nicht vermeiden läßt, selbst wenn auf dem Grundmaterial eine Ni-Plattierung vorhanden ist.

Zusammenfaßend ergibt sich im einzelnen folgende Analyse:

a) Ein Ag-Lötmaterial ist zum Verlöten von Endplatten aus einer Fe-Ni-Legierung oder einer Fe-Ni-Co-Legierung mit der zylindrischen Isolierumhüllung aus Keramik nicht geeignet. Jedoch eignet sich für das Verlöten dieser Teile ein Cu-Lötmaterial.

b) Ein Cu-Lötmaterial oder Au-Lötmaterial eignet sich zum Verlöten der unteren Endplatte mit dem Balg sowie zum Verlöten der unteren Endplatte mit dem Lichtbogenabschirmelement.

c) Ein Cu-Lötmaterial oder ein Au-Lötmaterial eignet sich zum Verlöten des Balges bzw. der Bälge, welche aus einer Fe-Cr-Legierung bestehen, mit dem beweglichen Elektrodenstab, der aus Cu besteht.

d) Für die Verlötung der Elektroden, welche aus einer Cu-Legierung bestehen, mit den aus Cu bestehenden Elektrodenstäben eignet sich entweder ein Cu-Lötmaterial oder ein Au-Lötmaterial oder ein Ag-Lötmaterial.

Bei der Erfindung können in vorteilhafter Weise die Bauteile des Vakuumleistungsschalters gleichzeitig verlötet werden, da die Lötmaterialien sich überlappende Löttemperaturbereiche aufweisen. Demzufolge ist hierfür ein Cu-Lötmaterial oder ein Au-Lötmaterial geeignet.

Die Vakuumlöttemperatur liegt im allgemeinen über dem Fließpunkt des Lötmaterials, da die von der Wärmequelle auf den zu erhitzenden Teil übertragene Wärmemenge nur durch Strahlung übertragen wird. Die

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Vakuumlöttemperatur liegt daher etwa 50°C über dem Fließpunkt des Lötmaterials. Die Erfindung zeigt einen Vakuumleistungsschalter, bei dem die Bauteile aus solchen Materialien bestehen, welche innerhalb eines bestimmten Vakuumlöttemperaturbereiches der verwendeten Lötmaterialien miteinander vakuumdicht verbunden werden können, so daß beim Verlöten der Bauteile lediglich zwei Verfahrensschritte notwendig sind. Außerdem kann ein Ni-Überzug auf den zu verbindenden Bauteilestellen entfallen.

In den beiliegenden Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Anhand dieser Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel;

Fig.2 in teilweise geschnittener Ansicht eine stationäre Elektrode,

welche von einem stationären Elektrodenstab getragen wird, und welche beim Ausführungsbeispiel in der Fig. 1 Verwendung finden kann;

Fig. 3 die vorläufige Anordnung der einzelnen Bauteile des Va

kuumleistungsschalters der Fig. 1 vor deren endgültiger Verlötung nach durchgeführter erster Verlötung und

Fig.4 Löttemperaturbereiche der Bauteile, aus denen der

Vakuumleistungsschalter gemäß der Erfindung hergestellt ist.

Die Fig.! zeigt einen Vakuumleistungsschalter mit einer Vakuumkolbeneinrichtung, welche aus einer zylindrischen Isolier umhüllung 10 und aus einem scheibenförmigen Endplattenpaar für eine obere und untere

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Endplatte 14 und 16 besteht. Die zylindrische Isolier umhüllung 10 ist luftdicht an ihren axialen Enden mit der oberen und der unteren Endplatte befestigt. Metallisierte Teile 12, welche aus einem derart dikken Metall bestehen, das dür die Durchführung einer luftdichten Vakuumverlötung geeignet ist, sind an den beiden axialen Enden der zylindrischen Isolier umhüllung angeformt. An der Peripherie bzw. am Umfang der scheibenförmig ausgebildeten oberen Endplatte 14 ist ein Befestigungsring 15 angeformt, der aus einem senkrecht zur übrigen Oberfläche der oberen Endplatte gebogenen Teil 15 a und einem weiteren horizontal abgebogenen Teil 15 b besteht. Ein Lötmaterial 50, welches eine Cu-Legierung oder eine Au-Legierung aufweist, jedoch keine Ag-Legierung besitzt, ist zwischen dem Befestigungsring 15 und dem metallisierten Teil 12 am oberen axialen Ende der zylindrischen Isolierumhüllung 10 angeordnet. Am Umfang der scheibenförmigen unteren Endplatte 16 ist ebenfalls ein Befestigungsring 17 vorgesehen. Dieser Befestigungsring besteht aus einem senkrecht zur übrigen Oberfläche der unteren Endplatte 16 abgebogenen Teil 17 a und aus einem horizontal abgebogenen Teil 17 b. Das Lötmaterial 50 ist zwischen dem Befestigungsring 17 und dem metallisierten Teil 12, welcher am unteren axialen Ende der zylindrischen Isolier umhüllung 10 angeformt ist, vorgesehen. Die obere Endplatte 14 der Vakuumkolbeneinrichtung ist mit einer mittleren Öffnung 19(Fig. 3)versehen. Mit Hilfe des Lötmaterials 50 ist die stationäre Elektrode am stationären Elektrodenstab befestigt.

Eine zusätzliche Hilf sendplatte 32 weist eine mittlere Bohrung auf und ist in der mittleren Öffnung 19 der oberen Endplatte 14 mit Hilfe des ersten Lötmaterials 50 befestigt. Ein stationärer Elektrodenstab 20 ist in der Hilfsendplatte 32 eingesteckt und mit Hilfe eines zweiten Lötmaterials 100 befestigt. Die stationäre Elektrode 128 befindet sich am unteren Ende des stationären Elektrodenstabes 20 und ist an diesem mit Hilfe des zweiten Lötmaterials 100 befestigt. Wie aus der Fig.2 zu entnehmen ist, ist in die obere Oberfläche der stationären Elektrode

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eine ringförmige IMut 128 a eingeformt, in welche Vorsprünge 23 a des stationären Elektrodenstabes 20 ragen. Die Form der Vorsprünge 23 a ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Es können auch mehrere Vorsprünge vorgesehen sein oder der Vorsprung kann auch die Form eines kegelförmigen Saumes aufweisen. Mit Hilfe des zweiten Lötmaterials 100 ist die stationäre Elektrode 128 am stationären Elektrodenstab 20 befestigt. Die bewegliche Elektrode 126 ist am ersten Säulenteil 25 a des beweglichen Elektrodenstabes 24 mit Hilfe des zweiten Lötmaterials 100 befestigt. Der stationäre Elektrodenstab 20 besitzt einen oberen säulenförmigen Teil 21 und einen unteren säulenförmigen Teil 23, dessen Radius geringer ist als der Radius des oberen säulenförmigen Teils 21. Das Lötmaterial 50 ist um die mittlere Öffnung 19 der oberen Endplatte 14, einer umlaufenden Schulter 21 a am oberen säulenförmigen Teil 21 und dem oberen Ende des unteren säulenförmigen Teils 23 des stationären Elektrodenstabes angeordnet. Die untere Endplatte 16 der Vakuumkolbeneinrichtung ist ebenfalls mit einer mittleren Öffnung 18 ausgestattet. Durch diese Öffnung ragt ein beweglicher Elektro denstab 24. Dieser erstreckt sich in axialer Richtung in die Vakuumkolbeneinrichtung. Der bewegliche Elektrodenstab 24 ist mit dem stationären Elektrodenstab 20 ausgerichtet. Am vorderen Ende des beweglichen Elektrodenstabes ist eine bewegliche Elektrode 126 befestigt. Der bewegliche Elektrodenstab 24 besitzt einen oberen säulenförmigen Teil 25, der aus einem ersten Säulenteil 25 a und einem zweiten Säulenteil 25 b, dessen Radius größer als der Radius des ersten Säulenteils 25 a ist, besteht. Ferner weist der bewegliche Elektrodenstab einen unteren säulenförmigen Teil 27 auf. Die bewegliche Elektrode 26 ist am ersten Säulenteil 25 a des oberen säulenförmigen Teils 25 mit Hilfe eines zweiten Vakuumlötmaterials 100 befestigt. Der bewegliche Elektrodenstab 24 ist elektrisch mit einer nach außen geführten elektrischen Leitung verbunden. Mechanisch ist der bewegliche Elektrodenstab mit einer Betätigungseinrichtung eines Steuermechanismus verbunden. Dieser befindet

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sich normalerweise unter der Unterbrechereinrichtung und ist im einzelnen nicht dargestellt. Der bewegliche Elektrodenstab kann durch den Steuermechanismus in axialer Richtung auf den stationären Elektrodenstab 20 zu und von diesem weg bewegt werden, so daß zwischen der beweglichen Elektrode 26 und der stationären Elektrode 28 auf dem beweglichen Elektrodenstab 24 und dem stationären Elektrodenstab 20 ein elektrischer Kontakt hergestellt werden kann und dieser elektrische Kontakt wieder unterbrochen werden kann. Die mittlere Öffnung 18 in der unteren Endplatte 16 der Vakuumkolbeneinrichtung ist mit Hilfe eines metallischen Balges 22 abgedichtet. Dieser Balg ist zwischen der unteren Endplatte 16 und dem beweglichen Elektrodenstab 24 vorgesehen. Ein unteres Ende 22 b des Balges 22 ist in einer Ausnehmung 16 a, welche in die untere Endplatte 16 eingeformt ist, mit Hilfe des Vakuumlötmaterials 50 befestigt. Ein oberes Ende 22 a des Balges 22 ist am obersten Teil des unteren säulenförmigen Teils 27 des beweglichen Elektrodenstabes 24 mit Hilfe des Vakuumlötmaterials 50 befestigt. Ein becherförmiges Lichtbogenabschirmelement 30 ist an der unteren Endplatte 16 befestigt. Auf diese Weise sollen nachteilige Einflüsse aufgrund des Lichtbogenplasmas, welches zwischen der beweglichen Elektrode 26 und der stationären Elektrode 28 beim Auseinanderbewegen des stationären Elektrodenstabes 20 und des beweglichen Elektrodenstabes 24 entsteht, vermieden werden. Ein unteres Ende 30 a des Lichtbogenabschirmelementes 30 ist mit einem abgebogenen Teil 16 b, welcher in die untere Endplatte 16 eingeformt ist, mit Hilfe des Vakuumlötmaterials verbunden.

Im folgenden soll das Material für jeden Bauteil des Vakuum leistungsschalter angegeben werden. Die Isolier umhüllung 10 besteht aus Keramik, deren Hauptkomponente ALO« ist und deren restliche Komponente ein Glasmaterial aus beispielsweise MnO, MgO, SiO₁, ist. Der

Löttemperaturbereich liegt zwischen 600⁰C und etwa 1000 C, wie das 8288 709843/0572

in der Fig.4 (b) angegeben ist. Die metallisierten Teile 12, welche an den axialen Enden der Isolier umhüllung 10 vorgesehen sind, bestehen aus einer Metallegierung, welche dadurch gewonnen wird, daß man Mo oder Mn einem Metall, wie beispielsweise Ti, zufügt. Die obere und die untere Endplatte 14 und 16 bestehen aus einer Fe-Ni-Legierung oder einer Fe-Ni-Co-Legierung, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen der gleiche ist wie der der Isolierumhüllung 10 (insbesondere ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fe-Ni-Legierung bzw. der Fe-Ni-Co-Legierung 12,5 χ 10" /⁰C und der der Keramik 8,6 χ 10" /°C). Der Löttemperaturbereich liegt zwischen 600⁰C und etwa 1200°C, wie es in Fig.4 (a) angegeben ist. Der stationäre Elektrodenstab 20 und der bewegliche Elektrodenstab bestehen aus Cu und besitzen eine Löttemperatur zwischen 600 C und etwa 1000⁰C, wie das in Fig.4 (d) angegeben ist. Das Lichtbogenabs chirmeleme nt 30 kann aus einem der folgenden Materialien bestehen: Fe, Ni, Fe-Ni-Legierung, Fe-Cr-Legierung, Cu oder Keramik. Lediglich für ein Ausführungsbeispiel einer Fe-Ni-Legierung, deren Vakuumlöttemperatur zwischen 600°C und etwa 1200°C liegt, ist für das Lichtbogenabschirmelement 30 in der Fig.4 (g) dargestellt. Der Balg 22 besteht aus Fe-Cr-Legierung, deren Vakuumlöttemperatur zwischen 900⁰C und etwa 1200°C liegt, wie das in Fig.4 (c) dargestellt ist. Die stationäre Elektrode 128 und die bewegliche Elektrode 126 bestehen aus einer Ag-Legierung oder Cu-Legierung, deren Vakuumlöttemperatur zwischen 600°C und etwa 900°C liegt, wie das in Fig. 4 (e) dargestellt ist. Die Hilfsendplatte 32 besteht aus Cu, welches bei Verwendung eines Ag-Lötmaterials keine Risse bildet und einen breiten Löttemperaturbereich aufweist, wie das aus der Fig.4 (h) ersichtlich ist. Die bewegliche Elektrode 128 und die stationäre Elektrode 126 bestehen aus einer Ag-Legierung, deren Löttemperaturbereich zwischen 600 C und etwa 900⁰C liegt, wie das aus der Fig.4 (f) zu ersehen ist. Die Elektroden können jedoch auch aus einer Cu-Legierung bestehen, deren Löttemperaturbereich von 600⁰C bis etwa 900°C reicht.

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Da die Elektroden 126 und 128 aus einer Ag-Legierung oder einer Cu-Legierung bestehen, deren Löttemperaturbereich zwischen 600 C und etwa 900 C liegt, ist es nicht möglich, zur gleichen Zeit alle Bauteile des Vaküumleistungsschalters zu verlöten. Demzufolge wird beim Verlöten ein erster Schritt durchgeführt, bei dem die Bauteile miteinander verlötet werden, welche durch das erste Lötmaterial 50 miteinander verbunden werden sollen. Hiervon ausgenommen sind der stationäre Elektrode ns tab 20, die stationäre Elektrode 128 und die bewegliche Elektrode 126. In einem zweiten Verfahrensschritt werden die übrigen Bauteile mit Hilfe des zweiten Lötmaterials 100 verlötet, d.h. die Hilfsendplatte 32 und der stationäre Elektrodenstab 20, der stationäre Elektrodenstab 20 und die stationäre Elektrode 128 sowie die bewegliche Elektrode 126 und der bewegliche Elektrodenstab 24 werden miteinander verlötet.

Als erstes Vakuumlötmaterial eignet sich eine Cu-Legierung oder eine Au-Legierung, welche kein Ag enthält. Beispiele derartiger Legierungen sind 80Au-20Cu, 53Cu-38Mn-9Ni und 82Au-18Ni. Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß sich ein Lötmaterial in bevorzugter Weise eignet, das sich als eine Cu, Au, Mn und/oder Ni aufweisende Legierung darstellt. Die Löttemperatur liegt zwischen 950 C und 1000 C. Dieser Löttemperaturbereich ist durch die Fläche "H" in der Fig.4 dargestellt. Das zweite Lötmaterial 100 ist eine Ag-Legierung oder eine Cu-Legierung, deren Löttemperaturbereich von 600 C bis 900 C reicht. Dieser Bereich ist durch die Fläche "L" in der Fig.4 dargestellt.

Die Herstellung des Ausführungsbeispiels des Vakuumleistungsschalters soll in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 erläutert werden. In der Fig. 3 ist das zweite Lötmaterial 100 nicht dargestellt. Der Vakuumleistungsschalter enthält eine erste und eine zweite Gruppe von einander zugeordneten Bauteilen. Es werden hierzu die Endplatten 14 und 16 an den

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axialen Enden der Isolier umhüllung 10 durch das erste Lötmaterial befestigt.Der Balg 22 ist am mittleren Teil der unteren Endplatte 16 mit Hilfe des ersten Lötmaterials 50 befestigt. Auch das Lichtbogenabschirmelement 30 ist am mittleren Teil der unteren Endplatte durch das erste Lötmaterial befestigt. Der bewegliche Elektrodenstab 24 ist am oberen Ende des Balges 22 mit Hilfe des ersten Lötmaterials befestigt, wodurch der bewegliche Elektrodenstab gestützt wird. Die Hilfsendplatte 32 befindet sich in der zentralen Öffnung 19 in der oberen Endplatte 14 und ist in dieser durch das erste Lötmaterial 50 festgelegt. Wenn alle Bauteile des Vakuumleistungsschalters vorsorglich zueinander ausgerichtet und angeordnet sind, ergibt sich ein Abstand zwischen dem stationären Elektrodenstab 20 und der Hilfsendplatte 32, welche den stationären Elektrodenstab 20 umgibt, so daß das zweite Lötmaterial 100 eingefügt werden kann.

Es werden noch die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt: Erhitzen des ersten Lötmaterials 50, welches zwischen der ersten Gruppe der zueinander ausgerichteten und entsprechend angeordneten Bauteile vorgesehen ist auf eine Löttemperatur zwischen 950 C und etwa 1000 C, wobei auf einen Druck evakuiert wird, welcher geringer

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als 10 bis 10 Torr ist. Auf diese Weise werden Gase, welche bei der Erhitzung entstehen, aus dem Vakuumleistungsschalter entfernt.

Der Balg 22, welcher aus einer Fe-Cr-Legierung besteht, wird im ersten Schritt des Lötvorganges verlötet, weil der Löttemperaturbereich des Balges 22 den Löttemperaturbereich der Elektroden 126 und 128, welche aus einer Ag-Legierung oder Cu-Legierung bestehen, nicht überlappt. Deren Löttemperaturbereich liegt nämlich zwischen 600 C und 900 C. Demzufolge ist es nicht möglich, gleichzeitig den Balg 22 und die Elektroden 126 und 128 zu verlöten, wie das auch aus der Fig. 4 zu entnehmen ist. Die Endplatten 14 und 16, welche aus einer Fe-Ni-Legie-

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rung oder einer Fe-Ni-C o-Legierung bestehen, werden im ersten Schritt des Lötvorganges verlötet, weil für sie ein Lötmaterial verwendet werden muß, das einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist. Würde man das beim zweiten Schritt des Lötvorganges verwendete Lötmaterial verwenden, so würden aufgrund aes Ag-Gehaltes in diesem zweiten Lötmaterial Risse in den Endplatten 14 und 16 auftreten. Die Hilfsendplatte 32 wird in der mittleren Öffnung 19 der oberen Endplatte 14 beim ersten Schritt des Lötvorganges verlötet. Wenn man den stationären Elektrodenstab 20 direkt in die obere Endplatte 14 während des ersten Schrittes des Lötvorganges einsetzen und befestigen würde, wäre es nicht möglich, beim zweiten Schritt des Lötvorganges die Elektrode in die Isolierumhüllung 10 einzubringen. Ferner ließen sich Risse zwischen der oberen Endplatte 14 und dem stationären Elektrodenstab 20 beim zweiten Lötvorgang bei Verwendung des zweiten Lötmittels nicht vermeiden.

Die folgenden Verfahrensschritte werden noch durchgeführt: Einfügen der Elektroden 126 und 128, welche aus einer Ag-Legierung oder einer Cu-Legierung bestehen, und deren Löttemperaturbereich sich zwischen 600°C und 900°C befindet. Die Elektroden werden durch die Hilf s endplatte 32 in die Isolier umhüllung 10 eingebracht. Die bewegliche Elektrode 126 wird unter Zwischenlegung des zweiten Lötmaterials 100, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als der Schmelzpunkt des ersten Lötmaterials 50, auf den beweglichen Elektrodenstab 24 aufgebracht. Der Löttemperaturbereich des zweiten Lötmaterials liegt zwischen 600⁰C und 900°C. Der stationäre Elektrodenstab 20 wird über das zweite Lötmaterial 100 mit der Hilf sendplatte 32 verbunden. An seinem unteren Ende befindet sich die stationäre Elektrode 128, welche über das zweite Lötmaterial 100 mit dem stationären Elektrodenstab 20 verbunden wird.

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Die folgenden Verfahrensschritte werden noch zusätzlich durchgeführt: Erhitzen des zweiten Lötmaterials 100, das zwischen die zweite Gruppe der zu einander ausgerichteten und entsprechend angeordneten Bauteile vorhanden ist. Die Löttemperatur wird zwischen 600°C und 900°C gewählt, wobei auf einen Druck evakuiert wird, welcher geringer als

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10 bis 10 Torr ist. Auf diese Weise werden Gase, die bei der Erhitzung der Bauelemente entstehen, aus dem Vakuumleistungsschalter entfernt.

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß die folgenden Vorteile noch erzielt werden können:

a) Da es möglich ist, ein Lötmaterial auszuwählen, das für jedes Bauteil des Vakuumleistungsschalters zum Verlöten geeignet ist und man als Vakuumlötma.terial 50 ein Material verwendet, welches eine Cu-Legierung oder eine Au-Legierung, jedoch keine Ag-Legierung, enthält, werden Sprünge an den Endplatten 14 und 16 verhindert, wodurch die Vakuumabdichtung einen hohen Sicherheitsgrad aufweist.

b) Da das Vakuumlötmaterial 50 kein Ag enthält, besitzt der Vakuum-Ie istungsschalter eine hohe mechanische Festigkeit gegen mechanische Spannungen, welche auf die einzelnen Bauteile des Vakuumleistungsschalters einwirken.

c) Da eine Nickelplattierung des zu verlötenden Materials unnötig ist, kann die Zeit, während der der Lötvorgang durchgeführt wird, wesentlich verringert werden, wodurch der Herstellungsaufwand sich vermindert.

d) Da jeder Bauteil des Vakuumleistungsschalters zunächst unter Zwischenfügung des Lötmaterials zwischen jedem Bauteil zueinander

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ausgerichtet angeordnet wird, kann die Zeit für den Vakuumlötvorgang wesentlich verringert werden, wobei man jedoch einen Vakuumleistungsschalter in einfacher Weise erhält, dessen Vakuumabdichtung eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

E ine nachträgliche Evakuierung, welche beim Wasserstoffverlöten notwendig ist, ist überflüssig und kann eingespart werden. Darüber hinaus treten die anderen Nachteile, welche bei der Wasserstoffverlötung sich ergeben, nicht auf.

e) Da der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Isolierumhüllung 10 im wesentlichen der gleiche ist wie der der Endplatten 14 und 16, ergibt sich eine luftdichte Vakuumlötung bei der in der Isolier umhüllung 10 keine Brüche oder Risse durch Querkräfte bzw. Scherungskräfte auftreten. Diese könnten nämlich dann entstehen, w enn bei Materialien von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nach der Verlötung die Kühlung durchgeführt wird, während welcher sich die Materialien zusammenziehen.

f) Da die Befestigungsringe 15 und 17, welche am Umfang der Endplatten 14 und 16 angeformt sind, abgebogene Teile aufweisen, können mechanische Spannungen, welche im mittleren Teil der Endplatten aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungen zwischen flachen Endplattenteilen (die übrigen Endplattenteile, welche nicht zu den Befestigungsringen gehören) und außerordentlichen Endplattenteilen (Befestigungsringe) infolge Wärmeeinwirkung auftreten, in einfacher Weise ausgeglichen werden. Auch hierdurch wird die Sicherheit der Abdichtung erhöht.

g) Da am unteren Ende des stationären Elektrodenstabes 20 Vorsprünge 23 a angeformt sind und in die stationäre Elektrode 128 eine ring-

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förmige Nut 128 a eingeformt ist, kann die stationäre Elektrode 128 vor dem Verlöten vorsorglich am stationären Elektrodenstab angeordnet werden, ohne daß sie nach unten fällt.

h) Da der Balg, welcher aus einer Fe-Cr-Legierung besteht, deren Löttemperatur zwischen 900 C und 1200 C liegt, und die Endplatten 14 und 16, welche aus einer Fe-Ni-Legierung oder einer Fe-Ni-Co-Legierung bestehen, im ersten Schritt des Lötvorganges mit Hilfe des ersten Lötmaterials verlötet werden, werden Risse in diesen Bauteilen vermieden, welche ansonsten unter dem Einfluß eines Ag enthaltenden Lötmaterials in Erscheinung treten würden. Während des zweiten Schrittes des Lötvorganges werden die Elektroden 126 und 128, welche aus einer Ag-Legierung oder einer Cu-Legierung bestehen, mit Hilfe des zweiten Lötmaterials verlötet. Der Löttemperaturbereich dieser Legierungen liegt zwischen 600 C und 900 C. Auf diese Weise erscheinen keine Risse in den Endplatten 14 und 16 und man erhält eine luftdichte Vakuumverlötung mit hoher Zuverlässigkeit.

i) Dadurch, daß man zwei Arten von Lötmaterial während eines ersten und zweiten Schrittes beim Verlöten verwendet, erhält man eine Abdichtung mit hoher Zuverlässigkeit für den Vakuumleistungsschalter, wobei man diesen Vakuumleistungsschalter in einfacher Weise zusammenbauen kann, selbst dann,wenn elektrische Elektroden aus einer Ag-Legierung oder einer Cu-Legierung, deren Löttemperaturbereich

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sich zwischen 600 C und 900 C befindet, verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

iy Vakuumleistungsschaltev mit einer im wesentlichen zylindrischen Isolierumhüllung aus Keramik, scheibenförmigen oberen und unteren Endplatten, die zumindest teilweise aus einer Fe-Ni- oder Fe-Ni-Co-Legierung bestehen und im wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie die Isolierumhüllung und welche an den axialen, mit einer Metallisierung versehenen Enden der zylindrischen Isolier umhüllung befestigt sind, einem stationären, sich durch eine der Endplatten in die Isolierumhüllung erstreckenden, mit einer Elektrode versehenen Elektrodenstab und einem durch die andere Endplatte sich erstreckenden, mit einer Elektrode versehenen beweglichen Elektrodenstab, der in Richtung auf die stationäre Elektrode und von dieser weg bewegbar ist und mit einem Balg, dessen eines Ende mit dem beweglichen Elektrodenstab und dessen anderes Ende mit der anderen Endplatte verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verlöten der Endplatten (14, 16) mit der Isolier umhüllung (10),des aus einer Fe-Cr-Legierung bestehenden Balges (22) mit der unteren Endplatte (16) und dem oberen Ende des aus Cu bestehenden beweglichen Elektrodenstabes (24) und einer in der Öffnung der oberen Endplatte angeordneten Hilf sendplatte (32) aus Cu mit der oberen Endplatte ein erstes Lötmaterial aus einer Ag-freien Cu- oder Au-Legierung, deren Vakuumlöttemperatur zwischen 95O⁰C und 1OOO°C liegt, vorgesehen ist und daß ferner zum Verlöten der Elektroden (126, 128), welche aus einer Ag- oder Cu-Legierung mit einem Löttemperaturbereich zwischen 600 C und 900⁰C bestehen* mit den Elektrodenstäben (20, 24) und des stationären Elektrodenstabes (20) aus Cu mit der Hilfsendplatte (32) ein zweites Lötmaterial, dessen V
liegt, vorgesehen ist.

Lötmaterial, dessen Vakuumlöttemperatur zwischen 600 C und 900 C

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2. Vakuumleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Lötmaterial (50) aus einer Legierung besteht, welches eines oder mehrere der Metalle Cu, Au, Mn, Ni enthält.
3. Vakuumleistungsschaltei nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lötmaterial (100) eine Ag-Legierung oder eine Cu-Legierung ist.
4. Vakuumleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der unteren Endplatte (16) ein Lichtbogenabschirmelement (30), welches Fe oder Ni oder Fe-Ni-Legierung oder Fe-Cr-Legierung oder Keramik enthällt, mit HiKe des ersten Lötmaterials (50) angelötet ist.
5. Vakuumleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Endplatten (14, 16) an ihrem Umfang mit Befestigungsringen (15, 17) ausgestattet sind und das Lötmaterial (50) zwischen den Befestigungsringen (15, 17) und den axialen Enden der Isolier umhüllung (10) angeordnet ist.
6. Vakuumleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des stationären Elektrodenstabes (20) mit einem oder mehreren in die stationäre Elektrode (128) eingeformte Nut (128 a) ragenden Vorsprüngen (23 a) ausgestattet ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Vakuum le is tungsschalters nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Zusammenbau der durch das erste Lötmaterial zu verlötenden Bauteile das zwischen den Bauteilen befindliche erste Lötmaterial bei einem Druck von weniger als 10 Torr bis 10 Torr auf eine Temperatur zwischen 950 C und etwa 1000°C erhitzt wird und daß anschließend an

die durch das erste Lötmaterial verlöteten Bauteile die durch das zweite Lötmaterial zu verbindenden Bauteile unter Zwischenfügung des zweiten Lötmaterials angefügt werden und daß das zweite Lötmaterial bei einem Druck von weniger als 10" Torr bis 10~ Torr auf eine Temperatur zwischen 600 C und etwa 900 C erhitzt wird.

8, Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Erhitzen des ersten Lötmaterials unter Zwischenfügung des ersten Lötmaterials die beiden Endplatten an die Isolierumhüllung angefügt werden, daß der Balg mit seinem unteren Ende in einem mittleren Bereich der unteren Endplatte die Öffnung in der unteren Endplatte umfassend angeordnet wird und der bewegliche Elektrodenstab am oberen Ende des Balges abgestützt wird, daß die Hilf sendplatte in die Öffnung der oberen Endplatte eingefügt wird und daß vor dem Erhitzen des zweiten Lötmaterials die stationäre und die bewegliche Elektrode durch die Hilfsendplatte in die Isolier umhüllung eingebracht und an den Enden des stationären und beweglichen Elektrodenstabes unter Zwischenlegung des zweiten Lötmaterials angeordnet werden.

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