Beschreibung

Vakuumsehaltröhre

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit einem an einem festen Kontaktbolzen angeordneten ersten Kontaktstück und einen an einem axial beweglichen Kontaktbolzen angeordneten zweiten Kontaktstück und mit mindestens zwei hohlzy- linderförmigen Isolierteilen, welche Teile eines Gehäuses der Vakuumschaltröhre sind.

Solche Vakuumschaltröhren weisen üblicherweise einen Dampfschirm auf, welcher die Innenflächen der Isolierteile vor der Abscheidung von bei Schaltvorgängen entstehendem Metall- dampf schützt. Solche Dampfschirme können aus mehreren Einzelteilen bestehen. So ist aus der deutschen Offenlegungs- schrift DE 196 25 737 Al eine Vakuumschaltröhre mit einem Dampfschirm bekannt, der aus zwei im Wesentlichen zylindrischen, ineinander geschobenen Schirmteilen besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumschaltröhre anzugeben, mit der bei guter Abschirmung der Isolierteile vor Metalldampf große Ströme geschaltet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vakuumschaltröhre mit einem an einem festen Kontaktbolzen angeordneten ersten Kontaktstück, einem an einem axial beweglichen Kontaktbolzen angeordneten zweiten Kontaktstück, mindestens zwei hohlzylinderförmigen Isolierteilen, zwischen deren Stirnflächen ein Metallring zur Halterung eines Dampfschirms befestigt ist, wobei an dem Metallring ein rotationssymmetrisches Hohlteil des Dampfschirms befestigt ist, an einem offenen Ende des Hohlteils eine sich verjüngende Endhülse befestigt ist, und der Durchmesser der Kontaktstücke größer ist

als der kleinste Durchmesser der Endhülse. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass der Durchmesser der Kontaktstücke größer ist als der kleinste Durchmesser der Endhülse. Kontaktstücke mit einem großen Durchmesser weisen eine große Kontaktfläche auf; mit diesen Kontaktstücken können hohe Ströme sicher geschaltet werden. Die sich verjüngende Endhülse umschließt die Kontaktstücke, da ihr kleinster Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Kontaktstücke. Daher schirmt diese Endhülse in Verbindung mit dem Hohlteil die Kontaktstücke gut ab und verhindert sehr effizient ein Niederschlagen von bei Schaltvorgängen entstehendem Metalldampf auf der Innenfläche der hohlzylinderförmigen Isolierteile. Die Ausgestaltung des Dampfschirms mit einem Hohlteil und einer sich verjüngenden Endhülse ermöglicht darüber hinaus eine bequeme Montage der Vakuumschaltröhre, da zuerst die

Kontaktbolzen mit den Kontaktstücken montiert werden können und erst danach die sich verjüngende Endhülse an dem Hohlteil angeordnet werden kann.

Die Vakuumschaltröhre kann so ausgestaltet sein, dass das rotationssymmetrische Hohlteil an dem einen offenen Ende einen sich verjüngenden Abschnitt aufweist, und der sich verjüngende Abschnitt eine rotationssymmetrische, umlaufende Vertiefung aufweist, die die Endhülse aufnimmt.

Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass das rotationssymmetrische Hohlteil dem sich verjüngenden Abschnitt gegenüberliegend einen zweiten sich verjüngenden Abschnitt aufweist, und der zweite sich verjüngende Abschnitt eine zweite rotationssymmetrische umlaufende Vertiefung aufweist, die eine zweite Endhülse aufnimmt.

Mittels der rotationssymmetrischen Vertiefungen können die jeweiligen Endhülsen einfach, schnell und präzise montiert

werden: Die Endhülsen werden einfach in die entsprechenden Vertiefungen eingelegt und später beim Verschlusslöten der Vakuumschaltröhre mit dem Hohlteil verlötet.

Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass die zweite Endhülse sich verjüngt und der Durchmesser der Kontaktstücke größer ist als der kleinste Durchmesser der zweiten Endhülse. Mittels der zweiten Endhülse wird auch auf der zweiten Seite des Hohlteils eine effiziente Abschirmung der Kontaktstücke bei gleichzeitig einfacher Montierbarkeit der Vakuumschaltröhre erreicht.

Die Vakuumschaltröhre kann so ausgestaltet sein, dass die rotationssymmetrische Vertiefung bezüglich der Außenfläche des Hohlteils vertieft ist, und die zweite rotationssymmetrische Vertiefung bezüglich der Innenfläche des Hohlteils vertieft ist .

Die Vakuumschaltröhre kann so realisiert sein, dass die End- hülse an der Außenfläche des Hohlteils anliegt und die zweite Endhülse an der Innenfläche des Hohlteils anliegt. Die beiden vorstehenden Ausführungsformen ermöglichen vorteilhafterweise eine besonders einfache Montage sowohl der ersten Endhülse als auch der zweiten Endhülse, da sowohl die erste Endhülse als auch die zweite Endhülse lediglich auf die (äußere bzw. innere) Oberfläche des Hohlteils in die entsprechende Vertiefung eingelegt zu werden braucht und durch die Schwerkraft in dieser Vertiefung gehalten werden, bis sie beim nachfolgenden Lötprozess mit dem Hohlteil verlötet wer- den. Insbesondere ist es nicht notwendig, die erste Endhülse und/oder die zweite Endhülse bis zum Verlöten zu befestigen oder zu sichern.

Die Vakuumschaltröhre kann so ausgestaltet sein, dass das Hohlteil und die Endhülsen aus Metallblech bestehen, wobei mindestens eine der Endhülsen eine geringere Blechdicke aufweist als das Hohlteil. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass die Endhülsen aufgrund ihrer geringeren Blechdicke einfacher bearbeitet werden können als das Hohlteil. Insbesondere können die Endhülsen leicht verformt werden, um sie in ihre gewünschte Form zu bringen. Zusätzlich ermöglicht das aus dickerem Blech bestehende Hohlteil eine gute Wärmeablei- tung von bei Schaltvorgängen entstehender Wärme; auch dadurch wird eine Vakuumschaltröhre erreicht, mit der hohe Ströme sicher geschaltet werden können.

Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass die vom Hohlteil wegweisende Seite der ersten und/oder zweiten Endhülse (z.B. durch Einrollen des Hülsenmaterials) abgerundet ist. Eine solche Abrundung der Seite der Endhülse lässt sich insbesondere aufgrund der geringeren Blechdicke der Endhülse fertigungstechnisch einfach und damit auch kos- tengünstig herstellen.

Die Ausgestaltung des Dampfschirms als Hohlteil mit einer oder zwei an den offenen Seiten des Hohlteils befestigten Endhülsen ist auch deshalb fertigungstechnisch vorteilhaft, weil die Einzelteile des Dampfschirms, d. h. das Hohlteil und die eine bzw. zwei Endhülsen für sich betrachtet, einfache geometrische Formen aufweisen und sich daher relativ einfach und kostengünstig herstellen lassen. Zusätzlich ist vorteilhaft, dass sich aufgrund dieser einfachen geometrischen For- men die Teile gut galvanisch bearbeiten lassen, da sie nur wenige bzw. nur kleine halbeingeschlossene Volumina (sog. schöpfende Geometrieelemente) aufweisen, welche bei galvanischen Prozessen aufgrund der daraus schlecht abfließenden Elektrolytflüssigkeiten Probleme verursachen können.

Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass der kleinste Durchmesser der ersten und/oder zweiten Endhülse zwischen 50% und 80% des Durchmessers der Kontaktstücke be- trägt. Bei der Wahl dieser Durchmesser lässt sich eine sehr gute Abschirmung der Isolierteile vor Metalldampf erreichen und es können aufgrund der bezüglich der Durchmesser der Endhülsen großen Durchmesser der Kontaktstücke hohe elektrische Ströme geschaltet werden.

Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass der feste Kontaktbolzen im Bereich des kleinsten Durchmessers der Endhülse eine Einschnürung aufweist und/oder der axial bewegliche Kontaktbolzen im Bereich des kleinsten Durchmes- sers der zweiten Endhülse eine Einschnürung aufweist. Dabei ist der feste Kontaktbolzen entsprechend der Kontur der ersten Endhülse eingeschnürt. Insbesondere ist der feste Kontaktbolzen entsprechend der Kontur der abgerundeten Seite der ersten Endhülse eingeschnürt. Der axial bewegliche Kontakt- bolzen ist entsprechend der Kontur der zweiten Endhülse eingeschnürt. Insbesondere ist der der axial bewegliche Kontaktbolzen entsprechend der Kontur der abgerundeten Seite der zweiten Endhülse eingeschnürt. Dabei ist vorteilhaft, dass durch die Einschnürung des Kontaktbolzens der Isolationsab- stand zwischen der Endhülse und dem Kontaktbolzen vergrößert wird, so dass die Spannungsfestigkeit der Vakuumschaltröhre vergrößert wird.

Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass mindestens eines der Isolierteile an der dem Metallring gegenüberliegenden Stirnfläche einen weiteren Dampfschirm trägt, der im Zusammenwirken mit dem an dem Metallring gehalterten Dampfschirm eine labyrinthartige Trennung bzw. Abschirmung des Isolierteils von den Kontaktstücken realisiert.

Durch das Zusammenwirken des weiteren Dampfschirms mit dem an den Metallring gehalterten Dampfschirm wird vorteilhafterweise eine besonders gute Abschirmung der Isolierteile vor Metalldampf erreicht, da der Metalldampf - um zu der Innen- fläche der Isolierteile zu gelangen - einen labyrinthartigen Weg zwischen den beiden Dampfschirmen zurücklegen müsste, was nur vergleichsweise wenigen Metalldampfteilchen gelingt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre beschrieben. Dazu ist in der

Figur in einer teilweisen Schnittdarstellung eine Vakuumschaltröhre dargestellt.

In der Figur ist in einer Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre 1 dargestellt. Dabei ist lediglich eine Hälfte der Vakuumschaltröhre 1 im Schnitt dargestellt, die andere Hälfte ist bezüglich einer Symmetrieachse bzw. Rotationsachse 3 symmetrisch ausgestaltet. Die Vakuumschaltröhre 1 weist einen festen, feststehenden Kontaktbolzen 5 auf, der ein erstes (festes, feststehendes) Kontaktstück 7 trägt. An einem axial beweglichen Kontaktbolzen 9 ist ein zweites (bewegliches) Kontaktstück 11 befestigt. Der axial bewegliche Kontaktbolzen 9 ist mittels eines Federbalgs 13 axial beweglich und vakuumdicht mit einer Metallkappe 15 verbunden. Diese Metallkappe 15 trägt ein Gleitlager 17, in dem der axial bewegliche Kontaktbolzen 9 geführt wird. Die mögliche axiale Bewegung des beweglichen Kontaktbolzens 9 ist mit einem Doppelpfeil 19 angedeutet.

Die Metallkappe 15 ist mit einem ersten Isolierteil 21 verbunden, welches die Form eines Hohlzylinders aufweist und aus Keramik besteht. Dieses erste Isolierteil 21 ist mit einem

gleichartigen zweiten Isolierteil 23 verbunden. Das zweite Isolierteil 23 ist mit einer weiteren Metallkappe 25 verbunden, welche das Gehäuse der Vakuumschaltröhre vervollständigt. Diese weitere Metallkappe 25 ist starr mit dem festen Kontaktbolzen 5 verbunden, beispielsweise ist der Kontaktbolzen 5 in die Metallkappe 25 eingelötet.

Zwischen zwei aufeinander zuweisenden Stirnflächen des ersten Isolierteils 21 und des zweiten Isolierteils 23 ist ein Me- tallring 27 eingelötet, der im Inneren der Vakuumschaltröhre ein rotationssymmetrisches Hohlteil 29 trägt; diese rotationssymmetrische Hohlteil 29 bildet einen Teil eines Dampfschirms (Mitten-Dampfschirm) der Vakuumschaltröhre 1. Dabei ist der Metallring 27 mit dem Hohlteil 29 verlötet. Das rota- tionssymmetrische Hohlteil 29 verjüngt sich an seinem einen offenen Ende, das rotationssymmetrische Hohlteil 29 weist an dem einen offenen Ende einen sich verjüngenden Abschnitt 31 auf (Verjüngung 31) . Dieser sich konisch verjüngende Abschnitt 31 des Hohlteils 29 weist an dessen offenem Ende eine rotationssymmetrische Vertiefung (Stufe bzw. Abstufung, Einschnürung, Einbuchtung) 33 auf. In die Vertiefung 33 ist eine erste Endhülse 35 eingelegt und mit der Vertiefung des Hohlteils 29 verlötet; die rotationssymmetrische Vertiefung 33 nimmt also die erste Endhülse 35 auf bzw. stellt ein Lager, eine Halterung oder einen Träger für die erste Endhülse 35 dar. Die erste Endhülse 35 verjüngt sich in Richtung ihres freien Endes konisch; die von dem Hohlteil 29 wegweisende Seite der ersten Endhülse 35 ist durch Einrollen des Hülsenmaterials abgerundet.

Im Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser dl Kontaktstücke 7 und 11 größer als der kleinste Durchmesser d2 der ersten Endhülse 35. Dadurch wird erreicht, dass bei einer guten Abschirmung der Isolierteile 21 und 23 die Kontaktstücke 7 und

11 den Innenraum der Vakuumschaltröhre 1 besser ausnutzen als bei einer Vakuumschaltröhre, bei der der Durchmesser dl der Kontaktstücke 7 und 11 kleiner ist als der kleinste Durchmesser d2 der ersten Endhülse 35. Daher weisen die Kontaktstücke 7 und 11 eine große vom Strom durchflossene Kontaktfläche auf, so dass mittels der Vakuumschaltröhre vergleichsweise große Ströme geschaltet werden können.

Das rotationssymmetrische Hohlteil 29 ist auch an seiner zweiten offenen Seite verjüngt, es weist an seinem zweiten offenen Ende einen zweiten sich verjüngenden Abschnitt 37 auf (Verjüngung 37) . An diesem zweiten sich konisch verjüngenden Abschnitt 37 ist eine zweite rotationssymmetrische Vertiefung (Stufe, Abstufung) 39 angeordnet, die eine zweite Endhülse 41 aufnimmt. Die bezüglich der inneren Mantelfläche des sich konisch verjüngenden Abschnitts 37 als umlaufende Vertiefung 39 ausgebildete Abstufung stellt bezüglich der äußeren Mantelfläche des sich konisch verjüngenden Abschnitts 37 eine umlaufende Ausbuchtung dar. Die zweite rotationssymmetrische Vertiefung 39 lagert, haltert bzw. trägt die zweite Endhülse 41.

Die zweite Endhülse 41 verjüngt sich zu ihrem freien Ende hin; der Durchmesser dl der Kontaktstücke 7 und 11 ist größer als der kleinste Durchmesser d2 der zweiten Endhülse 41. Dabei ist die rotationssymmetrische Vertiefung 33 bezüglich der Außenfläche des Hohlteils 29 vertieft, während die zweite rotationssymmetrische Vertiefung 39 bezüglich der Innenfläche des Hohlteils 29 vertieft ist. Dadurch liegt die in die erste Vertiefung 33 eingelegte erste Endhülse 35 an der Außenfläche des Hohlteils 29 an, während die in die zweite Vertiefung 39 eingelegte zweite Endhülse 41 an der Innenfläche des Hohlteils 29 anliegt.

Die zweite Endhülse 41 ist an ihrer vom Hohlteil 29 wegweisenden Seite durch Einrollen des Hülsenmaterials abgerundet.

Das Hohlteil 29, die erste Endhülse 35 und die zweite End- hülse 41 bestehen aus Metallblech, beispielsweise aus Kupferblech oder aus Edelstahlblech. Mindestens eine der Endhülsen 35 und 41 weist eine geringere Blechdicke auf als das Hohlteil 29. Dadurch lässt sich die Endhülse bzw. die Endhülsen einfach und kostengünstig herstellen, insbesondere die end- seitigen Abrundungen der Endhülsen lassen sich durch Einrollen des vergleichsweise dünnen Hülsenmaterials einfach herstellen .

Im Ausführungsbeispiel entspricht der kleinste Durchmesser der ersten Endhülse 35 dem kleinsten Durchmesser der zweiten Endhülse 41. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die erste Endhülse 35 und die zweite Endhülse 41 auch unterschiedlich große kleinste Durchmesser haben. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die kleinsten Durchmesser d2 der End- hülsen zwischen 50 % und 80 % des Durchmessers dl der Kontaktstücke 7 und 11 betragen. Im Ausführungsbeispiel beträgt dieser kleinste Durchmesser d2 der Endhülsen 80 % des Durchmessers dl der Kontaktstücke 7 und 11. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei einem kleinsten Durchmesser der Endhülsen d2 , welcher zwischen 50 und 80 % des Durchmessers dl der Kontaktstücke beträgt, sich eine Vakuumschaltröhre realisieren lässt, bei der die (die Kontaktstücke weit umgreifenden) Endhülsen eine besonders wirksame Abschirmung der Isolierteile vom Metalldampf gewährleisten. Zusätzlich kann aufgrund der Kontaktstücke, deren Durchmesser größer ist als der kleinste Durchmesser der Endhülsen, aufgrund der vergleichsweise großen Kontaktstückfläche ein großer elektrischer Strom geschaltet werden.

Der feste Kontaktbolzen 5 weist im Bereich des kleinsten Durchmessers der ersten Endhülse 35 eine Einschnürung 42 auf. Dabei ist der feste Kontaktbolzen 5 entsprechend der Kontur der ersten Endhülse 35 eingeschnürt. Insbesondere ist der feste Kontaktbolzen 5 entsprechend der Kontur der abgerundeten Seite der ersten Endhülse 35 eingeschnürt. Alternativ oder zusätzlich weist der axial bewegliche Kontaktbolzen 9 im Bereich des kleinsten Durchmessers der zweiten Endhülse 41 eine Einschnürung 44 auf. Dabei ist der axial bewegliche Kon- taktbolzen 9 entsprechend der Kontur der zweiten Endhülse 41 eingeschnürt. Insbesondere ist der der axial bewegliche Kontaktbolzen 9 entsprechend der Kontur der abgerundeten Seite der zweiten Endhülse 41 eingeschnürt.

Zwischen dem ersten Isolierteil 21 und der Metallkappe 15 ist ein weiterer Metallring 43 eingelötet, welcher einen weiteren Dampfschirm 45 trägt. Ebenso ist zwischen dem zweiten Isolierteil 23 und der weiteren Metallkappe 25 ein weiterer Metallring 47 eingelötet, welcher einen weiteren Dampfschirm 49 trägt. Der weitere Dampfschirm 49 bildet im Zusammenwirken mit dem an dem mittleren Metallring 27 gehalterten (aus Hohlteil 29, erster Endhülse 35 und zweiter Endhülse 41 bestehendem) Dampfschirm eine labyrinthartige Trennung der Kontaktstücke 7 und 11 von der Innenfläche des zweiten Isolier- teils 23. Bei Schaltvorgängen entstehender Metalldampf müsste nämlich - um die innere Mantelfläche des zweiten Isolierteils 23 zu erreichen - einen labyrinthartigen Weg um die erste Endhülse 35 des Dampfschirms herum und an dem weiteren Dampfschirm 49 vorbei zur inneren Mantelfläche des zweiten Iso- lierteils 23 zurücklegen, um sich (unerwünschterweise) auf diesem zweiten Isolierteil 23 niederschlagen zu können. Dies gelingt jedoch nur wenigen Metalldampfteilchen, so dass eine sehr gute Abschirmung des zweiten Isolierteils 23 vor Metalldampfniederschlag erreicht wird. Eine gleichartige labyrinth-

artige Trennung des ersten Isolierteils 21 von den Kontaktstücken 7 und 11 findet im entgegen gesetzten (unteren) Teil der Vakuumschaltröhre 1 durch das Zusammenwirken des weiteren Dampfschirms 45 mit dem Hohlteil 20 und der zweiten Endhülse 41 statt.

Beschrieben wurde eine Vakuumschaltröhre mit einem Dampfschirm, der ein rotationssymmetrisches Hohlteil und mindestens eine an einem offenen Ende des Hohlteils befestigte End- hülse aufweist. Dabei ist der kleinste Durchmesser der sich verjüngenden Endhülse kleiner als der Durchmesser der Kontaktstücke, so dass die Endhülse die Kontaktstücke weit umgreift bzw. umschließt. Dadurch wird eine optimale Abschirmung bzw. Trennung der Isolierteile der Vakuumschaltröhre von den Kontaktstücken erreicht. Weiterhin bildet der aus Endhülse und Hohlteil zusammengesetzte Dampfschirm im Zusammenwirken mit einem weiteren Dampfschirm der Vakuumschaltröhre eine labyrinthartige Trennung des Isolierteils von den Kontaktstücken. Die Kontaktstücke können aufgrund ihres Durch- messers, der größer als der kleinste Durchmesser der Endhülse ist, vergleichsweise große elektrische Ströme übertragen. Die Einzelteile des Mittel-Dampfschirms (Hohlteil, Endhülse) lassen sich aufgrund ihrer einfachen geometrischen Gestaltung einfach und kostengünstig herstellen, wozu beiträgt, dass die Endhülse aus dünnerem Metallblech gefertigt ist als das Hohlteil.