DE2702103A1 - Niederspannungsvakuumschalter - Google Patents

Description

FLEUCnAUS A WEHSER PATENTANWÄLTE

8 MÖNCHEN 71, 18. Jan. 1977 MekhJorstrafle 42

WS81P-1562

Westinghouse Electric Corp. Westinghouse Building Gateway Center Pittsburgh, Pennsylvania 15222, USA

Niederspannungsvakuumschalter

Die Erfindung betrifft einen Niederspannungsvakuumschalter mit einander gegenüberliegenden Kontaktelementen, die durch eine axial einwirkende Kraft betätigbar sind. Vakuumschalter sind allgemein bekannt und haben ein isolierendes Gehäuse, in welchem Kontaktelemente vakuumdicht betätigbar sind. Dabei ist zumindest ein Kontaktelement als bezüglich des Schaltergehäuses flexibles Element ausgebildet, um eine Kontaktbetätigung zu ermöglichen.

Derartige Niederspannungsvakuumschalter werden in der elektrochemischen Industrie benötigt, z. B. bei der Chlorherstellung, und sind zwischen die hohe Ströme führenden Leiterschienen der Stromversorgung und den chemischen Bädern angeordnet. Die Leiterschienen verlaufen durch Behälter und Gefäße für die chemische Lösung, wobei es von Zeit zu Zeit notwendig werden kann, bestimmte Behälter ohne Unterbrechung des Gesamtprozesses zu umgehen. Fs/mü Mit

709829/0401

- % - · WS81P-1562

'i"

Mit Hilfe der Niederspannungevakuumschalter können Leiterschienen

an bestimmten Stellen abgeschaltet werden, so daß Wartungsarbeiten möglich sind.

Es ist wichtig, daß die Niederspannungsvakuumschalter leicht mit den massiven Leiterschienen verbindbar sind und eine genügend große Kontaktfläche aufweisen, um Ströme mit mehreren tausend Ampere schalten zu können. Bei der Regelanwendung derartiger Schalter in der elektrochemischen Industrie befinden sich die Schalter in einer Umgebung, die starken Korrosionen ausgesetzt ist. Die flexiblen Teile der Schalter müssen eine axiale Bewegung zulassen, um die Kontaktelemente in eine Schließposition und eine Öffnungsposition bringen zu können. Dabei sollen die flexiblen Elemente auch eine gewisse Flexibilität aufweisen, wenn die Betätigungskraft nicht genau in der Achse der Schalter verläuft, um auch in dieser Situation ein öffnen des Schalters zu ermöglichen und die Montage des Schalters zwischen den massiven Leiterschienen zu erleichtern.

Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß der äußere Durchmesserbereich von nachgiebigen Ringscheiben an einem isolierenden Ring auf gegenüberliegenden Stirnseiten vakuumdicht befestigt ist, wobei die Ebene der Ringscheiben senkrecht zur Achse des isolierenden Ringes verläuft, daß die Ringscheibe mit einer Vielzahl von umlaufenden welligen Vertiefungen versehen ist, daß in der inneren öffnung der Ringscheiben je eine Kontaktabstützung ausgerichtet auf die Achse des isolierenden Ringes verläuft und vakuumdicht mit der inneren Umfangsfläche der Ringscheibe verbunden ist, und daß an den sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Kontaktabstützungen planare Kontaktflächen ausgebildet sind, die durch eine relative axiale Verschiebung der Kontaktabstützungen in eine Schließ- oder Öffnungsposition verschiebbar sind.

Weitere

709829/0401

- Sf - WS81P-I562

Westinghouse. .

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Ein nach den Merkmalen der Erfindung aufgebauter Niederspannungsvakuumschalter besitzt an den zylindrischen Kontaktabstützungen angebrachte planare Kontaktflächen, wobei die zylindrischen Kontaktabstützungen in dünne nachgiebige Ringscheiben eingesetzt und mit diesen vakuumdicht verlötet sind. Dadurch wird eine axiale Verschiebung der Kontaktabstützungen bezüglich der Ringscheiben möglich. Die Ringscheiben ihrerseits sind mit einem isolierenden Ring an dessen metallisierten Stirnseiten verbunden, wobei sie in eine Ebene senkrecht zur Achse des isolierenden Ringes verlaufen. Um die Nachgiebigkeit zu verbessern, sind die Ringscheiben mit einer umlaufenden Wellung bzw. mit welligen Vertiefungen oder umlaufenden Stegen versehen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch ans der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der aus einer Figur bestehenden Zeichnung, welche einen teilweise geschnittenen Niederspannungsvakuumschalter zeigt.

In der Zeichnung ist ein Niederspannungsvakuumschalter 10 dargestellt, der um einen isolierenden Ring 12 herum aufgebaut ist. Die einander gegenüberliegenden Stirnflächen des isolierenden Ringes 12 sind mit einem Metallüberzug versehen und mit dünnen nachgiebigen Ringscheiben 14 vakuumdicht verlötet. Diese Ringscheiben 14 sind aus einem etwa 0,3 mm starken Monelmetall, das aus einer Nickelkupferlegierung besteht, hergestellt, und haben eine Vielzahl von Wellungen 16, die ringförmig verlaufen. Diese Ringscheiben haben einen inneren Durchmesser von etwa 60,3 mm und einen äußeren Durch

messer

709829/0401

WS81P-1562 Westinghouse...

messer von etwa 95, 25 mm. Die Wellungen haben eine Tiefe von etwa 1,5 mm. Der äußere Umfang 18 dieser nachgiebigen Ringscheiben 14 ist mit der metallisierten Oberfläche des isolierenden Ringes 12 hart verlötet. Längs des inneren Umfanges 20 sind die Ringscheiben 14 mit der zylindrischen Außenfläche zylindrischer Kontaktabstützungen 22 verlötet, die durch die öffnung der Ringscheiben 14 verlaufen. Der zentrisch dazu angeordnete isolierende Ring 12 sowie die flexiblen Ringscheiben 14 und die Kontaktabstützurg en 22 bilden nach dem Verlöten einen hermetischen Abschluß für den Vakuumschalter. Zur Herstellung des Vakuumschalters wird der Schalter montiert, wobei das Lötmaterial in Form von Ringen zwischen die zu verlötenden Oberflächen gebracht wird. Anschließend wird der Schalter in einem Vakuumofen gekühlt. Dabei wird der Schalter evakuiert und die Temperatur über die Schmelztemperatur des Lötmittels angehoben, um nach dem Fließen des Lötmittels wieder abgekühlt zu werden, wodurch die vakuumdichte Verlötung entsteht.

Auf den inneren einander gegenüberliegenden Stirnflächen der Kontaktabstützungen 22 sind nicht schweißende Kontaktscheiben 24 angeordnet. Die Kontaktabstüt zungen bestehen üblicherweise aus Kupfer, wogegen die Kontaktscheiben 24 aus einem Kupfer-Wismutmaterial hergestellt sind, das im Betrieb nichtschweißend ist. Mit den Kontaktabstützungen 22 sind ferner planare Montageplatten 26 verbunden, welche mit einer zentrischen öffnung auf die zylindrischen Kontaktabstützungen aufgeschoben und mit diesen im Bereich des äußeren Endes der Kontaktabstützungen hartverlötet werden. Die Kontaktabstützung ragt geringfügig über die planare Montageplatte hinaus, wobei dieser Vorsprung etwa eine Größenordnung von 0, 5 mm haben kann. Die Montageplatten 26 sind ihrerseits in den Eckbereichen mit Gewindebohrungen versehen, in welche durch die Leiterschiene greifende Bolzen einschraubbar sind,

um die

709829/0401

- $ - WS81P-1562

um die Montageplatten mit den Leiterschienen zu verbinden. Die eigentliche elektrisch leitende Verbindung findet zwischen der äußeren Stirnfläche der Kontaktabstützung 22 und der Leiterschiene statt. Die Kontaktabstützung besteht vorzugsweise aus einem sauerstoffreien, hoch leitfähigen Kupfermaterial, welches verhältnismäßig weich ist und sich damit beim Verschrauben mit der Leiterschiene gut an diese anlegt, was für einen guten elektrischen Kontaktübergang von Vorteil ist.

Eine elastomere isolierende Hülse 28 ist auf die Außenwände der Montageplatten in dichter Anlage aufgezogen und schützt den isolierenden Keramikring 12 sowie die hartverlöteten Bereiche des Schalters und die nachgiebigen Ringscheiben vor den Einflüssen einer korrosiven, den Schalter umgebenden Atmosphäre.

Auf die Kontaktabstützungen wirkt eine längs der Achse des Schalters wirksame Betätigungskraft, um die Kontaktelemente zu betätigen, d. h. in die Schließ- bzw. Öffnungsposition zu bringen. Die gewellten Ringscheiben haben eine ausreichende Flexibilität, um diese axiale Verschiebung zuzulassen. Ferner ermöglichen die gewellten Ringscheiben auch ein leichtes Verkanten der Kontaktabstützungen, womit zwischen den Kontaktflächen sich ausgebildete Kontaktverschweißungen leicht gelöst werden können. Die Tatsache, daß die Ringscheiben in der Regel senkrecht zur Schalterachse verlaufen, hilft dazu, daß das Verkanten der Kontaktabstützungen wohl für ein Losreißen von Kontakt-Verschmelzungen möglich ist, jedoch innerhalb eines minimalen Toleranzbereiches bleibt. Bei bekannten Vakuumschaltern mit einer Faltenbalgabdichtung ist ein derartiges Verkanten um beträchtliche Winkelbereiche möglich, jedoch nicht erwünscht, denn ein sich daraus ergebender kleiner Kontaktbereich könnte zu einer Zerstörung der Kontaktflächen bei den

großen ver-

709829/0401

- $ - WS81P-1562

Westinghouse...

'J-

großen verwendeten Stromdichten führen. Hohe, über kleine Bereiche der Kontaktfläche fließende Ströme bwire ein Verdampfen des Kontaktmaterials in diesem Bereich und damit eine Zerstörung der Kontaktflächen und ermöglichen ferner einen Kurzschluß über den isolierenden Ring infolge von sich niederschlagenden Metalldämpfen.

Durch die Verwendung von zwei nachgiebigen Ringscheiben auf beiden Seiten der Kontaktstrecke ergibt sich die doppelte Weglänge für eine bestimmte einwirende Betätigungskraft. Damit wird die erforderliche axial einwirkende Betätigungskraft und die Festigkeit in axialer Richtung verringert, jedoch in einer dazu senkrecht verlaufenden Richtung, dh. in der Richtung senkrecht zur Schalterachse eine vergrößerte Steifigkeit bewirkt. Diese Eigenschaft führt dazu, daß die Notwendigkeit für eine zwangsläufige Ausrichtung der Kontaktelemente entfallt.

Die Herstellung des Niederspannungsvakuumschalters erfolgt vorzugsweise mit einem Verfahren, das eine schmale querverlaufende Kammer im Inneren zwischen den Kontaktabstützungen mit einer darin befindlichen schmalen Titanrippe vorsieht. In der Kontaktscheibe, welche während des Hartverlötens mit der Kontaktabstutzung verbunden wird, ist eine kleine auf die Kontaktabstätzung ausgerichtete öffnung vorgesehen. Der montierte Schalter wird in einem Vakuumofen angeordnet und die in dem Vakuumofen befindliche Luft durch Stickstoff ersetzt. Dieser Stickstoff wird anschließend durch Wasserstoff ersetzt, welcher kontinuierlich durch das System geleitet wird und auch in den Schalter eindringt, da die noch nicht verlöteten Teile genügend Spiel haben, daß das Gas in das Innere des Schalters eindringen und aus diesem wieder entkommen kann. Anschließend wird der Vakuumofen aufgeheizt und mit ihm die Titanrippe, welche einen wesentlichen Teil des Wasserstoffs

absorbiert.

709829/0401

-Jf- WS81P-1562

Westinghouse...

absorbiert, wenn das Titan die Getteringtemperatur beim Erhitzen durchlauft. Danach, wenn die Temperatur weiter ansteigt, gibt das Titan Wasserstoff erneut frei, was eine erneute Spülung des Inneren des Schalters mit Wasserstoff bewirkt, so daß schließlich nur noch Wasserstoff zurückbleibt. Bei der erhöhten Temperatur beginnen die eingelegten Ringe aus dem Lötmaterial zu schmelzen und verbinden die Teile des Schalters miteinander, wobei beim Abkühlen des Schalters das Lötmaterial aushärtet und den Schalter vakuumdicht verschließt. Gleichzeitig wird der im Innern des Schalters befindliche Wasserstoff von dem Titan als Getter material aufgenommen, wodurch das niedere Vakuum im abgedichteten Schalter entsteht.

Eine bevorzugte Kontaktausbildung sieht die Verwendung von dünnen gesinterten Scheiben aus einem Kupferwismutmaterial vor, das als nicht schweißendes Kontaktmaterial betrachtet werden kann und auf die inneren Stirnflächen der Kontaktabs tut zung en aufgelötet wird. Dabei ergibt sich ein Problem, indem nämlich das Lötmaterial die Tendenz hat, in das dünne Kontaktmaterial zu infiltrieren und damit die nicht schweißenden Eigenschaften des Materials zu verschlechtern. Diese Nachteile können dadurch beseitigt werden, daß auf der einen Seite der Kupferwismut scheibe eine dünne Grenzschicht aufgebracht wird, die die Infiltration des Lötmaterials in den Kontakt verhindert. Diese

Grenzschicht kann eine dünne Nickel- oder Kupferschicht sein,

-2 die eine Dicke von in der Größenordnung 2, 5 χ 10 mm haben kann.

Diese Grenzschicht wird vorzugsweise im Vakuum oder elektrisch aufgebracht.

In bevorzugter Weise wird die Grenzschicht dadurch aufgebracht, daß

ein Gemisch aus Kupfer und Wismutpuder auf eine dünne Kupferfolie

-2 -2

aufgebracht wird, welche etwa 2,5 χ 10 mm bis 25 χ 10 mm dick

sein kann. Dieses mit der Folie verpreßte Puder kann dann in herkömmlicher^

709829/0401

- * - WS81P4562

, . Westinghouse...

kömmlicher Weise gesintert und anschließend beim Verlöten des Schalters mit der Kontaktabstützung verlötet werden. Diese dünne Kupferfolie als Grenzschicht verhindert das Eindringen von Lötmaterial in die Kupferwismutkontaktscheibe.

Patentansprüche

709829/0401

Leerseite

Claims (9)

FLEUCi-JAUS AWEHSER PATENTANWÄLTE 8 MÖNCHEN 71. den 18. 1. 1977 Melchiorstraße 42 WS81P-1562 Westinghouse Electric Corp. Westinghouse Building Gateway Center Pittsburgh, Pennsylvania 15222 USA Patentansprüche

1. J Niederspannungsvakuumschalter mit einander gegenüberliegenden

Kontaktelementen, die durch eine axial einwirkende Kraft betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesserbereich von nachgiebigen Ringscheiben (14) an einem isolierenden Ring (12) auf gegenüberliegenden Stirnseiten vakuumdicht befestigt ist, wobei die Ebene der Ringscheiben (14) senkrecht zur Achse des isolierenden Ringes verläuft, daß die Ringscheibe mit einer Vielzahl von umlaufenden welligen Vertiefungen versehen ist, daß in der inneren Öffnung der Ringscheiben je eine Kontaktabstützung (22) ausgerichtet auf die Achse des isolierenden Ringes verläuft und vakuumdicht mit der inneren Umfangsfläche der Ringscheibe verbunden ist, und daß an den sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Kontaktabstützungen planare Kontaktflächen ausgebildet sind, die durch eine relative axiale Verschiebung der Kontaktabstützungen in eine Schließ- oder Öffnungsposition verschiebbar sind.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen, nachgiebigen und mit einer Wellung versehenen

709829/0401

ORIGINAL INSPECTED

- 2 - WS81P-1562

Ringscheiben aus einem dünnen Metallmaterial bestehen.

3. Vakuumschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die planaren Kontaktflächen aus einem nicht schweißenden Kontaktmaterial bestehen und in Form dünner Scheiben auf die Stirnflächen der Kontaktabstützungen aufgelötet sind.

4. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den gegenüberliegenden Stirnseiten des isolierenden Ringes eine Metallisierung angebracht ist, welche mit dem äußeren Durchmesserbereich der Ringscheiben hartverlötet ist.

5. Vakuumschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die äußeren Enden der Kontaktabstützungen scheibenförmige Montageelemente mit einer zentralen Bohrung aufgeschoben und mit den Kontaktabstützungen hartverlötet sind, wobei die Kontaktabstützung durch die Bohrung in der Montageplatte hindurchragt.

6. Vakuumschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß über die äußere Umfangsfläche der Montageplatten (26) und des isolierenden Ringes (12) eine elastomere isolierende Hülse zum Schutz der Ringscheiben und des isolierenden Ringes aufgepaßt ist.

7. Vakuumschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Kontaktabstützung hartverlötete planare Kontaktscheibe (24) aus einem zusammengesinterten Pulvermaterial besteht, wobei auf der einen Seite der Kontaktscheibe ein dünnes Sperrschichtmaterial angeordnet ist.

709829/0401

27Π2103

- 3 - WS81P-1562

Westinghouse.

8. Vakuumschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesinterte Pulvermaterial aus einem Kupfer-Wismutgemisch besteht, und daß das Sperrschichtmaterial Nickel oder Kupfer ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Niederspannungs vakuumschalters nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile des Vakuumschalters zusammenmontiert werden und in das Innere des Schalters ein Titanmaterial eingeschlossen wird, daß der noch nicht vakuumdicht verschlossene Schalter in ein geschlossenes System gebracht wird, in welches zum Reinigen des Systems und des Schalters ein Edelgas eingeleitet wird, daß anschließend eine Reinigung des Systems mit Wasserstoffgas erfolgt, und der Schalter innerhalb der Wasserstoffatmosphäre erhitzt wird, wodurch das Titan anfänglich Wasserstoff bindet, daß die Erhitzung über die Gettertemperatur des Titan hinaus weitergeführt wird, bis das Material in den zu verlötenden Bereichen fließt und die vakuumdichte Verlötung des Schalters erfolgt, und daß anschließend die Temperatur des Schalters erniedrigt wird, um ein Verfestigen der Lötstellen zu bewirken und durch die Getterwirkung des Titan Wasser stoff gas zu binden, so daß innerhalb des Schalters ein hohes Vakuum bei der Umgebungstemperatur entsteht.

709829/0401