Die Kontaktstelle eines Vakuumschalters umgebendes Abschirmelement

Die Erfindung betrifft ein die Kontaktstelle eines Vakuumschalters konzentrisch umge¬ bendes, zylindrisches Abschirmelement nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Vakuumschaltkammern umfassen in der Regel einen oder mehrere Hohlkörper aus Ke¬ ramik, die vakuumdicht abgeschlossen sind und in die von ihren Stirnseiten ausgehend Kontaktstengel hineingreifen, an deren inneren Enden Kontaktstücke angeordnet sind. Dabei ist die Verbindung zwischen dem beweglichen Kontaktstengel und dem Hohlkör¬ per aus Keramik über einen Faltenbalg bewirkt, der eine Bewegung des beweglichen Kontaktstengels mit dem beweglichen Kontaktstück bezogen auf das feste Kontakt¬ stück gestattet. Bei einer Kontakttrennung zündet insbesondere unter Kurzschlußbe¬ dingungen ein Lichtbogen, der unter anderem Metalldampf zwischen den Kontaktstük- ken erzeugt. Damit sich der Metalldampf nicht auf der Keramik niederschlägt und deren Isolationsfestigkeit verringert, werden zylindrische Schirme meist aus einem metalli¬ schen Werkstoff verwendet, die die Kontaktstücke umgeben und dieses Niederschla¬ gen des Metalldampfes auf der Keramik verhindern. Daher kondensiert der Metall¬ dampf vorwiegend auf den "kalten" Schirmen oder Abschirmelementen.

Beim Trennen der Kontaktstücke in einer Vakuumschaltkammer insbesondere unter Kurzschlußbedingungen bildet sich, wie oben dargestellt, der Lichtbogen, der ein hei¬ ßes Metalldampfplasma ist. Dieses Plasma enthält Atome, Moleküle, Ionen. Elektronen und Photonen, wobei im Plasma vor allem ionisierter Metalldampf vorliegt. Wenn sich dieser Metalldampf auf dem Abschirmelement niederschlägt, dann wird dessen Ober¬ fläche glatt spiegelnd und diese glatte und blanke Oberfläche reflektiert die Wär¬ mestrahlung des Bogens in diesen zurück und leistet so einen unerwünschten Beitrag zum Bogenerhalt. Mit anderen Worten: die Reflexion der Photonen an der blanken und glatten Metallschirmoberfläche vergrößert die Lebensdauer des Plasmas. Die Spie¬ geleigenschaft, die das jungfräuliche Schirmelement schon von der Produktion her hat, wird verstärkt durch den aufdampfenden Metallfilm. Dadurch werden die Photonen der Licht- und Wärmestrahlung an der blanken und glatten Metallschirmoberfläche in den Lichtbogen zurück reflektiert, so daß dadurch die Lebensdauer des Plasmas verlängert wird. Darüberhinaus besteht das Problem, daß im Kurzschlußfall die hohe Energie¬ dichte des Lichtbogens die Oberflächentemperatur des glatten Abschirmelementes so hoch treibt, daß dieses ebenfalls Metall verdampft.

ORIGINAL UNTERLAGEN

Aufgabe der Erfindung ist es, das Abschirmelement der eingangs genannten Art so z verändern, daß der Beitrag des Abschirmeiements zur Verlängerung der Lebensdaue des Lichtbogens verkleinert wird.

Diese Aufgabe wird erfinduπgsgemäß dadurch gelöst, daß die den Kontaktstücken zu gewandte Innenfläche des Abschirmelementes am Inπenumfang Vertiefungen und/od Erhöhungen aufweist, welche auftreffende Strahlung, Wärme- oder Lichtstrahlung in unterschiedliche Richtungen reflektiert.

Damit wird ein Abschirmelement aus Metall mit glatter Innenfläche durch ein lediglich an der Innenfläche profiliertes Abschirmelement ersetzt, wodurch Plasmaenergie disi- piert wird und damit die Lichtbogenbrennzeit verkürzt wird. Auch das Restplasma zwi¬ schen den Kontaktstücken im Nulldurchgang des Stromes wird in gleicher Weise be¬ einflußt mit der Folge einer schnellen Wiederverfestigung. Dem Metalldampf steht nämlich eine vergrößerte Oberfläche gegenüber, die die Kondensationswärme schnel ler abführt und somit lokal den Dampfdruck erniedrigt. Metalldampf wird also weniger reflektiert und die Keramik vor Bedampfung besser abgeschirmt. Darüberhinaus ver¬ größert sich bei gleicher Zylindermantelinnenfläche die nutzbare Oberfläche des profi lierten Abschirmelementes entsprechend der Form. Diese größere Oberfläche streut und absorbiert auch die Photonen aus dem Volumen zwischen den Kontakten. Insge¬ samt bestehen die Vorteile im wesentlichen im folgendem:

Das metallische profilierte Abschirmelemeπt entzieht dem Plasma aufgrund seiner grö ßeren Wärmeübertragungsfläche entsprechend dem sog. Formfaktor mehr Energie be im übrigen gleichen Abmessungen. Aufgrund der vergrößerten Oberfläche schlägt sic auch mehr Metalldampf nieder und darüberhinaus ist als weiterer Vorteil festzuhalten, daß der kondensierte Metalldampf das Streuverhalten bzw. Reflexionsverhalten im we sentlichen nur geringfügig oder überhaupt nicht beeinflußt. Bei einer geeigneten Ober flächengeometrie, d. h. bei einem geeigneten Profil, werden die aus dem Lichtbogen abgestrahlten Photonen im wesentlichen nicht mehr zum Lichtbogen hin reflektiert, so daß Strahlungsenergie aus dem Bereich zwischen den Kontakten entfernt wird. Dar¬ überhinaus kann auch gesagt werden, daß das metallische profilierte Abschirmelemeπ dem Plasma aufgrund der großen nutzbaren kalten Oberfläche Ladungsträger entzieht die in Schirmnähe rekombinieren und das Plasma schwächen.

Neben der Reduzierung der Plasmabogenzeit wird durch die erfindungsgemäße Aus¬ gestaltung der Innenfläche des Abschirmelementes auch die Bedampfung der Isolator¬ teile verringert.

Die Erhebungen und/oder Vertiefungen können auf unterschiedliche Weise erzielt wer¬ den.

Gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 2 sind die Erhebungen und/oder Vertiefungen durch Rillen gebildet, die in bevorzugter Weise am Umfang umlaufen. Dabei ist vorausgesetzt, daß das Abschirmelement so dick ausgebildet ist, daß die Rillen nur auf der Innenfläche angeordnet bzw. eingebracht werden können.

Die Form der Rillen kann unterschiedlich sein. In bevorzugter Weise können die Rillen einen dreieckigen Querschnitt aufweisen, wobei sie so dicht beieinanderliegen können, daß die Seitenflanken in einer Spitze enden. Die Rillen können auch einen viereckigen, vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, so daß die Erhebungen einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Da solche Erhebungen aber einen Be¬ reich aufweisen, der zylindrisch ist, sind trapezförmige Rillen ungunstiger als dreieck- förmige Rillen. Die Rillen können abgerundet sein, wobei auch die Bereiche zwischen den Rillen, also die Rillenspitzen abgerundet sein können.

Zur Herstellung können die Rillen schraubenförmig eingebracht sein, so daß dadurch die Fertigung erleichtert wird.

Das Abschirmelement besteht aus einem gut wärmeleitenden metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus OFE-Kupfer; es kann auch sintermetallurgisch hergestellt sein, z. B mit einer Sinterlegierung aus Kupfer und Chrom. Das gesinterte Material kann dabei porös gesintert sein, so daß die Porosität zusätzlich noch zur Verbesserung des Ver¬ haltens des Abschirmelementes beiträgt. Als Material kommen weiter in Frage Legie¬ rungen mit Kupfer, z. B. CuBe, CuCrV, CuCrTi, CuCrZr, CuCrMo, CuCrFe, CuCrCo, CuAI oder Werkstoffkombinationen von diesen Elementen.

Die Innenfläche kann auch so gestaltet sein, daß sie einer Feilenhieboberfläche ent¬ spricht. Dadurch sind Erhöhungen und/oder Vertiefungen vorhanden, welche das Licht bzw. die Photonen so reflektieren, daß die Photonen nicht mehr zum Lichtbogen zu¬ rückgelangen können.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, soll die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigt die einzige Figur eine Schnittansicht durch eine Vakuumschalt¬ kammer in schematischer Darstellung mit einem Abschirmelement mit Rille

Eine Vakuumschaltkammer, von der in Fig 1 lediglich Teile gezeigt sind, besitzt eine festen Kontaktstengel 10, an dessen innerem Ende ein festes Kontaktstuck 11 befesti ist Dem festen Kontaktstengel bzw dem festen Kontaktstuck 11 gegenüber befindet sich ein bewegbarer Kontaktstengel 12, an dessen innerem Ende ein bewegbares Kontaktstuck 13 befestigt ist Das bewegbare Kontaktstuck 13 und der bewegbare Kontaktstengel 12 können sich zur Durchfuhrung einer Schalthandlung gemäß Dop- pelpfeilπchtung S bewegen, wobei sich zwischen dem nicht gezeigten Keramikhohlkor per, welcher die in der Fig dargestellten Teile umgibt, und dem bewegbaren Kontakt¬ stengel ein Faltenbalg befindet (ebenfalls nicht dargestellt), der eine Abdichtung des Innenvolumens zum Keramikkorper bewirkt und die Bewegung des bewegbaren Kon¬ taktstengels 12 zulaßt

Die Kontaktstengel 10, 12 und die beiden Kontaktstucke 11 und 13 sind von einem zy linderformigen Abschirmelement 14 umgeben, welches in an sich bekannter, hier ebenfalls nicht naher dargestellter Weise im Inneren des Keramikhohlkorpers unver- schieblich festgelegt ist Mit 15 ist der Vakuumraum bezeichnet, in dem sich die in der Fig gezeigten Komponenten befinden

Bei einer Schalthandlung entsteht zwischen den beiden Kontaktstucken 11 und 13 ein Lichtbogen 16, der Wärmestrahlung 17 nach außen abstrahlt und von dem auch Me¬ talldampf 18 nach außen getrieben wird Natürlich werden Metalldampf und Wär¬ mestrahlung auch gemäß Pfeilπchtung 17 und 18 in andere Richtungen abgestrahlt bzw getrieben und zur Verdeutlichung ist auch ein Pfeil 19 eingezeichnet, der zeigt, daß vom Lichtbogen 16 aus auch quer durch den Raum Wärmeenergie abgestrahlt und Metalldampf getrieben wird

Die innere Oberflache des Abschirmelementes 14 ist mit Rillen 20 versehen, die eine Dreieckform haben, so daß die dazwischen befindlichen Erhebungen 21 ebenfalls dreieckformig sind, wobei ihre Spitze nach innen zu den Kontaktstengeln 10 und 12 und den Kontaktstucken 11 und 13 und zum Lichtbogen 16 hin gerichtet ist Dadurch wird die Oberflache der Innenflache vergrößert und durch die Flankenwinkel auch eine geeignete Reflexion z B von Wärmestrahlung 17| bewirkt, die - abhangig vom Flan- kenwiπkel der Spitzen 21 - die Wärmestrahlung 17| aus dem Bereich zwischen den Kontaktstucken 11 und 13 gestreut, wie durch den Pfeil 17|| angedeutet ist Durch die vergrößerte Oberflache nimmt auch die Kondensationsenergiedichte des Metalldamp-

fes ab, so daß insgesamt der Lichtbogen günstig beeinflußt wird. Die Kanten der Spit¬ zen 21 ebenso wie der Grund der Rillen 20 können leicht abgerundet sein.

Die Rillen 20 können durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt sein, wobei die Rillen auch schraubenförmig angeordnet sein können. Die Ausgestaltung nach der Fig. kann aus Sintermaterial hergestellt sein, beispielsweise aus CuCr und darüberhinaus auch noch porös sein, so daß die Reflexionsfähigkeit weiter verringert und die Absorb- tionsfähigkeit weiter verbessert wird.

Ebenfalls nicht dargestellt ist eine Feilenhiebstruktur, die einer Art Sägezahnstruktur entspricht.