Beschreibung

Vakuumsehaltröhre

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit einem Kon ^¬ taktsystem, welches einen Festkontakt und einen bezüglich des Festkontakts beweglich angeordneten Bewegkontakt umfasst.

Eine solche Vakuumschaltröhre ist aus der Offenlegungsschrift DE 2 202 924 bekannt. Bei derartigen Vakuumschaltröhren wird beim Schalten der Bewegkontakt mittels einer Antriebsvorrichtung, beispielsweise eines Magnetantriebs oder eines Feder ^¬ speicherantriebs, angetrieben.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vakuumschalt ^¬ röhre anzugeben, für die keine Antriebsvorrichtung benötigt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Vakuumschaltröhre der oben ange- gebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Beweg ^¬ kontakt im geöffneten Zustand des Kontaktsystems arretierbar und so ausgestaltet ist, dass er auf ein Aufheben der Arre ^¬ tierung hin einen selbsttätigen Schaltvorgang ausführt. Der selbsttätige Schaltvorgang wird hierbei dadurch ausgeführt, dass der Luftdruck, welcher im geöffneten Zustand des Kontaktsystems auf den Bewegkontakt einwirkt, diesen Bewegkon ^¬ takt nach Aufheben der Arretierung zum Festkontakt hin bewegt und dadurch den Schaltvorgang ausführt. Dazu ist vorteilhaft ^¬ erweise keine zusätzliche Antriebsvorrichtung notwendig, son- dern der (stets vorhandene) Luftdruck führt (im Zusammenwirken mit dem im Inneren der Vakuumschaltröhre vorhandenen Unterdruck bzw. Vakuum) selbsttätig den Schaltvorgang aus. Es wird dabei ein schneller selbsttätiger Schaltvorgang ausführt. Unter einem schnellen Schaltvorgang wird im Bereich

der Vakuumschalttechnik ein Schaltvorgang im einstelligen Millisekundenbereich verstanden, also ein Schaltvorgang, der in weniger als 10 ms abgeschlossen ist.

Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls ge ^¬ löst durch eine Vakuumschaltröhre mit einem Kontaktsystem, welches einen Festkontakt und einen bezüglich des Festkontakts beweglich angeordneten Bewegkontakt umfasst, bei der der Bewegkontakt eine Masse m gemäß

aufweist, wobei

M eine im Bereich zwischen 20.000 kg und 90.000 kg frei wählbare Konstante,

D die Wanddicke eines am Bewegkontakt angeordneten Feder ^¬ balgs, d _a der Außendurchmesser des Federbalgs und di. der Innendurchmesser des Federbalgs ist. Mit einer derart ausgestalteten Vakuumschaltröhre wird vorteilhafterweise er ^¬ reicht, dass die Masse des Bewegkontaktes derart auf die Aus ^¬ gestaltung des Federbalgs abgestimmt ist, dass die Vakuum ^¬ schaltröhre innerhalb einer Zeitspanne zwischen 0,5 ms und <= 10 ms nach Aufheben der Arretierung schließt, dass also innerhalb von maximal 10 ms ein Schaltvorgang selbsttätig ausgeführt wird. Der Schließvorgang erfolgt dabei durch den Luftdruck, welcher auf den Bewegkontakt einwirkt und diesen Bewegkontakt nach Aufheben der Arretierung zum Festkontakt hin bewegt. Dazu ist vorteilhafterweise keine zusätzliche Antriebsvorrichtung not- wendig, sondern der Luftdruck führt im Zusammenwirken mit dem im Inneren der Vakuumschaltröhre vorhandenen Unterdruck bzw. Vakuum den Schaltvorgang aus.

Vorteilhafterweise kann die Vakuumschaltröhre so ausgestaltet sein, dass der Federbalg im geöffneten Zustand des Kontakt ^¬ systems eine in Richtung des Festkontakts wirkende Federkraft auf den Bewegkontakt aufbringt. Durch diese (von dem im ge- öffneten Zustand des Kontaktsystems gespannten Federbalg her ^¬ rührende) Federkraft wird vorteilhafterweise ein besonders schneller selbsttätiger Schaltvorgang der Vakuumschaltröhre ermöglicht .

Die Vakuumschaltröhre kann so realisiert sein, dass der Fe ^¬ derbalg maximal drei Wellen aufweist. Eine Vakuumschaltröhre mit einem Bewegkontakt der oben angegebenen Masse und mit einem Federbalg, welcher nur ein, zwei oder drei Wellen (Balg-Windungen) aufweist, ermöglicht ein besonders schnelles selbsttätiges Schalten.

Ein derart ausgestalteter Bewegkontakt hat vorteilhafterweise eine derart geringe Masse, dass die durch den Luftdruck und/oder den Federbalg auf den Bewegkontakt ausgeübte Beschleunigungskraft die- sen so stark beschleunigt, dass das Kontaktsystem der Vakuumschaltröhre innerhalb der genannten Zeitspanne von 0,5 bis < = 10 ms einen selbsttätigen Schaltvorgang ausführt.

Weiterhin kann die Vakuumschaltröhre so ausgestaltet sein, dass der Bewegkontakt eine Krafteinleitungsfläche für eine außerhalb der Vakuumschaltröhre erzeugte mechanische Kraft aufweist. über diese Krafteinleitungsfläche kann vorteil ^¬ hafterweise zusätzlich eine weitere mechanische Kraft in den Bewegkontakt eingeleitet werden, um einen noch schnelleren Schaltvorgang zu ermöglichen.

Eine derartige mechanische Kraft kann beispielsweise von einer außerhalb der Vakuumschaltröhre angeordneten gespann-

ten Feder herrühren. Dadurch kann eine besonders schnell schaltende Vakuumschaltröhre realisiert werden.

Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass sie einen am Bewegkontakt angeordneten und im Wesentlichen kreisringförmigen (und im Wesentlichen ebenen) Balg aufweist. Ein derartiger Balg bietet eine besonders große An ^¬ griffsfläche für den außerhalb der Vakuumschaltröhre herr ^¬ schenden Luftdruck, so dass mittels eines derartigen Balgs besonders große Beschleunigungskräfte auf den Bewegkontakt aufgebracht werden können.

Der Balg kann dabei mindestens eine kreisförmige eingeprägte Welle aufweisen.

Diese kreisförmige Welle kann dabei benachbart zum äußeren Durchmesser des kreisringförmigen Balgs in diesen eingeprägt sein. Diese Welle ermöglicht eine besonders leichte Bewegung des Bewegkontakts, wodurch durch den äußeren Luftdruck große Beschleunigungen des Bewegkontakts in Richtung Festkontakt erreicht werden können.

Die Vakuumschaltröhre kann auch so ausgestaltet sein, dass der Festkontakt und der Bewegkontakt im Bereich ihrer Berüh- rungsstellen aus Kupfer bestehen. Da für derartige Vakuumschaltröhren kein spezielles hochfestes und teures Kontakt ^¬ material benötigt wird, lassen sich derartige Vakuumschalt ^¬ röhren sehr einfach und kostengünstig herstellen. Sie sind für wenige Schaltspiele bzw. für ein einmaliges Schalten gut geeignet und lassen sich darüber hinaus sehr kompakt und mit einer geringen zu bewegenden Masse des Bewegkontakts herstellen .

Die Vakuumschaltröhre kann auch so gestaltet sein, dass der Bewegkontakt ein aus einem weichmagnetischen Material beste ^¬ hendes Bauteil aufweist, welches zum Zusammenwirken mit einer einen Magneten aufweisenden Arretierungsvorrichtung dient, wobei die Arretierungsvorrichtung im geöffneten Zustand des Kontaktsystems den Bewegkontakt in seiner Stellung arretiert. Auf diese Art und Weise lässt sich der Bewegkon ^¬ takt im geöffneten Zustand des Kontaktssystems besonders einfach und sicher arretieren.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird diese im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu ist in

Figur 1 in einer teilweisen Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre, in

Figur 2 in einer Schnittdarstellung ein Ausschnitt aus einer solchen Vakuumschaltröhre und in

Figur 3 in einer Schnittdarstellung eine weitere Vakuumschaltröhre dargestellt.

In Figur 1 ist in einer teilweisen Schnittdarstellung eine Vakuumschaltröhre 1 dargestellt. Diese weist einen aus einem nicht leitenden Material (beispielsweise aus Keramik) beste ^¬ henden Isolierzylinder 3 auf, der einen wesentlichen Teil des Gehäuses der Vakuumschaltröhre 1 bildet. Eine stirnsei ^¬ tige Endfläche des Isolierzylinders 3 ist mittels eines Me- talldeckels 5 verschlossen, der in vakuumdichter Weise von einem Festkontakt 7 durchgriffen wird. Der Festkontakt 7 weist außerhalb des Gehäuses der Vakuumschaltröhre 1 einen Anschlussbolzen 9 auf, der der Stromzuführung dient. An der anderen Stirnseite des Isolierzylinders 3 ist ein Metallring

11 angeordnet, der mit einem Federbalg 13 vakuumdicht ver ^¬ bunden ist. Derartige Federbälge werden auch als Faltenbälge bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel besteht der Federbalg 13 aus dünnem elastischem Edelstahlblech und weist drei Wellen (Falten) auf. Das freie Ende des Federbalgs ist mit einem Bewegkontakt 17 verbunden, der im Ausführungsbeispiel ein Kontaktstück 19, einen Metallring 21 und einen Anschlussbolzen 23 umfasst. Der Anschlussbolzen 23 dient der Stromzuführung; mittels des Metallringes 21 ist der Faltenbalg 13 va- kuumdicht mit dem Anschlussbolzen 23 verbunden. Aufgrund der axialen Beweglichkeit des Federbalgs 13 lässt sich der Be ^¬ wegkontakt 17 relativ zu dem Festkontakt 7 entlang der Rota ^¬ tionsachse 18 axial bewegen. Der Festkontakt 7 und der Be ^¬ wegkontakt 17 bilden zusammen das Kontaktsystem der Vakuum- schaltröhre.

In der Figur 1 ist gut zu erkennen, dass der Bewegkontakt 17 im Vergleich zu dem Festkontakt 7 eine relativ geringe Größe aufweist und daher auch eine vergleichsweise geringe Masse aufweist. Die Masse des Bewegkontakts entspricht der folgen ^¬ den Formel :

Dabei ist m die Masse des Bewegkontakts, worunter die ge ^¬ samte zu bewegende Masse verstanden wird, im Ausführungsbei ^¬ spiel also die Summe der Massen des Kontaktstücks 19, des Metallrings 21 und des Anschlussbolzens 23. M ist eine frei wählbare Konstante, welche im Bereich zwischen zwanzigtau- send kg und neunzigtausend kg liegt. Je kleiner diese Kon ^¬ stante gewählt wird, desto geringer ist die Masse des Beweg ^¬ kontakts und desto schneller kann der Bewegkontakt einen Schaltvorgang selbsttätig ausführen. D ist die Wanddicke des am Bewegkontakt angebrachten Faltenbalgs 13, d _a ist der

äußere Durchmesser des Faltenbalgs und Cl ₁ ist der innere Durchmesser des Faltenbalgs. Die Differenz zwischen Außendurchmesser d _a und Innendurchmesser Cl ₁ wird auch als WeI- lungstiefe bezeichnet. Die Konstante M wird also mit der dritten Potenz des Verhältnisses zwischen Balg-Wanddicke D und Wellungstiefe ((I _a -Ci ₁ ) multipliziert. Diese Größen sind in der Figur 2 nochmals figürlich dargestellt.

In Figur 2 ist in einer Schnittdarstellung ein Ausschnitt der Vakuumschaltröhre aus Figur 1 schematisch dargestellt. Der mit den Metallringen 11 und 21 verbundene Faltenbalg 13 besteht aus einem dünnen elastischen Edelstahlblech, das die Wanddicke D aufweist. Diese Wanddicke kann beispielsweise 0,2 mm betragen. Der Außendurchmesser des Federbalgs, d. h. der größte Durchmesser der einzelnen Wellen (Falten) des Federbalgs ist durch die Größe d _a angegeben; der Innendurchmes ^¬ ser des Federbalgs, d. h. der kleinste Durchmesser der Wel ^¬ len des Federbalgs ist durch die Größe Ci ₁ angegeben. Die Masse m des Bewegkontakts wird im Ausführungsbeispiel der Figur 2 durch die Summe der Massen des Kontaktstücks 19, des Metallrings 21 und des Anschlussbolzens 23 gebildet. Diese Teile, die die Masse des Bewegkontakts bestimmen, sind im Ausführungsbeispiel der Figur 2 schraffiert dargestellt. Der Federbalg 13 weist drei Wellen auf, deren sinuskurvenähnli- che Gestalt gut in der Figur 2 zu erkennen ist.

In Figur 1 ist im unteren Teil mit gestrichelten Linien schematisch eine Arretierungsvorrichtung 25 dargestellt, welche den Bewegkontakt im geöffneten Zustand des Kontakt- Systems arretiert, d. h. den Bewegkontakt in der geöffneten Stellung festhält (In Fig. 1 ist der geöffnete Zustand des Kontaktsystems dargestellt: der Bewegkontakt ist elektrisch vom Festkontakt getrennt) . Im Ausführungsbeispiel besteht die Arretierungsvorrichtung 25 aus zwei Stiften, welche in

nicht weiter dargestellte Ausnehmungen des Anschlussbolzens 23 eingreifen und diesen Anschlussbolzen entgegen der Kraft des auf den gesamten Bewegkontakt 17 wirkenden äußeren Luftdrucks in der dargestellten Stellung festhalten. Sobald die Stifte 25 in Pfeilrichtung aus den Ausnehmungen des Anschlussbolzens 23 herausgezogen werden, wird die Arretierung des Bewegkontakts 17 aufgehoben und der Bewegkontakt wird durch die Kraft des auf den Bewegkontakt 17 wirkenden äuße ^¬ ren Luftdrucks axial in Richtung des Festkontakts beschleu- nigt, woraufhin sich der Bewegkontakt 17 innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne, die im einstelligen Millisekundenbe ^¬ reich liegt, auf den Festkontakt 7 zubewegt und auf diesen aufschlägt. Damit wird ein Schaltvorgang ausgeführt, der im dargestellten Ausführungsbeispiel nur ca. 1 ms dauert.

Im in Fig. 1 dargestellten geöffneten Zustand des Kontaktsystems ist der Federbalg 13 gespannt (auseinander gezogen) , so dass zusätzlich die in Richtung des Festkontakts wirkende Federkraft des Federbalgs 13 auf den Bewegkontakt 17 ein- wirkt. Diese Federkraft addiert sich zu der Kraft des äuße ^¬ ren Luftdrucks und bewirkt eine besonders starke Beschleuni ^¬ gung des Bewegkontakts auf den Festkontakt 7 zu.

Weiterhin weist der Bewegkontakt 17 eine Krafteinleitungs- fläche 29 für eine außerhalb der Vakuumschaltröhre erzeugte mechanische Kraft auf. Im Ausführungsbeispiel ist diese Krafteinleitungsfläche eine Stirnfläche des Anschlussbolzens 23. Auf diese Krafteinleitungsfläche 29 wirkt eine außerhalb der Vakuumschaltröhre angeordnete gespannte (hier: zusammen- gedrückte) Feder 31 ein, welche in der Figur 1 lediglich schematisch dargestellt ist. Die Federkraft dieser gespann ^¬ ten Feder 31 addiert sich zu der Federkraft des Federbalgs 13 und zu der Kraft des Luftdrucks und bewirkt die starke Beschleunigung des Bewegkontakts 17 beim Schaltvorgang.

Der Festkontakt 7 und der Bewegkontakt 17 bestehen im Aus ^¬ führungsbeispiel im Bereich ihrer Berührungsstellen aus Kupfer, d. h. die üblicherweise bei Vakuumschaltröhren im Be- reich der Berührungsstellen verwendeten hochfesten teuren Kontaktwerkstoffe sind bei der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre nicht notwendig. Dadurch kann eine derartige Va ^¬ kuumschaltröhre besonders kostengünstig hergestellt werden, einen kompakten Aufbau aufweisen und insbesondere der Beweg- kontakt mit einer sehr geringen Masse realisiert werden.

Zwar können beim Schalten von hohen Strömen die Berührungsstellen von Festkontakt und Bewegkontakt beschädigt werden, dies ist jedoch bei einer vorgesehenen geringen Schaltspielzahl der Vakuumschaltröhre oder bei einer lediglich für ein- maliges Schließen vorgesehenen Vakuumschaltröhre nicht nachteilig. Bei einmalig schließenden Vakuumschaltröhren ist es sogar vorteilhaft, wenn Festkontakt und Bewegkontakt beim Schließen miteinander verschweißen, da dann ein dauerhafter und sicherer elektrischer Kontakt zwischen ihnen hergestellt wird.

Die Arretierungsvorrichtung kann bei der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre selbstverständlich auch anders ausgeführt werden. Beispielsweise kann der Bewegkontakt 17 zusätzlich ein weichmagnetisches Bauteil (z. B. aus Eisen) aufweisen, welches von einem außerhalb der Vakuumschaltröhre angeordne ^¬ ten Magneten (z.B. einem Permanentmagneten) einer Arretierungsvorrichtung festgehalten wird, wodurch der Bewegkontakt in seiner offenen Stellung arretiert ist. Diese Arretierung kann aufgehoben werden durch einen Elektromagneten, der ein magnetisches Feld erzeugt, welches entgegengesetzt gerichtet ist zu dem magnetischen Feld des Permanentmagneten, wodurch das weichmagnetische Bauteil freigegeben wird.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vaku ^¬ umschaltröhre 50 zum schnellen selbsttätigen Schalten dargestellt. Diese Vakuumschaltröhre weist einen (z.B. aus Kera ^¬ mik bestehenden) Isolierzylinder 53 auf, dessen eine Stirn- seite von einer Metallplatte 55 verschlossen ist. Diese Me ^¬ tallplatte 55 bildet einen Teil eines Festkontaktes 57. Der Festkontakt 57 umfasst außerdem einen Anschlussbolzen 59 zur Stromzuführung. Die Metallplatte 55 bildet gewissermaßen einen Boden des Isolierzylinders 53. Die zweite Stirnfläche des Isolierzylinders 53 ist vakuumdicht mit einem kreisring ^¬ förmigen Flansch 61 verbunden. Die zentrale kreisförmige öffnung dieses Flansches 61 ist mit einer dünnen Metallmembran 63 verschlossen, die von einem Bewegkontakt 65 vakuumdicht durchgriffen wird. Die Membran 63 bildet einen kreis- ringförmigen Balg (Membranbalg) und weist eine ebenfalls kreisringförmige bzw. kreisförmige eingeprägte Welle 67 auf. Dabei ist diese Welle 67 benachbart zum äußeren Durchmesser des kreisringförmigen Balgs 63 in diesen eingeprägt. Die Membran 63 mit der Welle 67 ermöglicht eine Bewegung des Be- wegkontakts 65 in axialer Richtung (Rotationsachse 70) auf den Festkontakt 57 zu. Der Bewegkontakt 65 umfasst ein Kon ^¬ taktstück 72, welches mit einem Anschlussbolzen 74 verbunden ist. Weiterhin weist der Bewegkontakt 65 ein aus einem weichmagnetischen Material (z. B. Eisen) bestehendes Bauteil 76 auf, welches im Ausführungsbeispiel ein weichmagnetischer Ring ist. Dieser z. B. aus Eisen bestehende Ring 76 kann unmittelbar kraftschlüssig mit dem Kontaktstück 72 verbunden sein, beispielsweise mittels einer Hartverlötung.

Im - in der Figur 3 dargestellten - geöffneten Zustand des Kontaktsystems befindet sich der Ring 76 im Zentrum einer Spule 78, welche einen Elektromagneten darstellt. Diese Spule 78 bildet eine Arretierungsvorrichtung: Bei strom- durchflossener Spule wird der Ring 76 durch das Magnetfeld

der Spule 78 in seiner Stellung festgehalten, d.h. arretiert. Dadurch wird das aus Bewegkontakt und Festkontakt be ^¬ stehende Kontaktsystem in seinem geöffneten Zustand arretiert und der Bewegkontakt wird entgegen der Kraft des von außen auf die Membran 63 und den Bewegkontakt 65 einwirken ^¬ den Luftdrucks in der in Figur 3 dargestellten Stellung, welche dem geöffneten Zustand des Kontaktsystems entspricht, festgehalten .

Sobald der die Spule 78 durchfließende Strom abgeschaltet wird, wird die Arretierung des Bewegkontaktes 65 aufgehoben. Dann wird durch die Kraft des Luftdrucks der Bewegkontakt entlang der Rotationsachse 70 auf den Festkontakt 57 zube ^¬ wegt. Da der Bewegkontakt 65 eine geringe Masse aufweist, wird dieser sehr schnell zum Festkontakt 57 hin beschleu ^¬ nigt, wodurch das Kontaktsystem innerhalb weniger Millisekunden, im Ausführungsbeispiel innerhalb ca. 1 ms schließt.

Bei dieser Vakuumschaltröhre ist insbesondere die flache Bauform sowie der im Inneren des Schaltröhrengehäuses kom ^¬ pakt ausgestaltete Bewegkontakt 65 vorteilhaft. Die kurze Erstreckung des Kontaktstücks 72 entlang der Rotationsachse 70 ermöglicht es insbesondere, die Masse des Bewegkontaktes gering zu halten. Damit wird eine starke Beschleunigung des Bewegkontaktes 65 ermöglicht.

Die beschriebenen Vakuumschaltröhren können insbesondere mit Vorteil eingesetzt werden zum elektrischen überbrücken eines Schaltungsteils einer elektrischen Schaltung (mittels eines sogenannten Bypasses) , wenn dieser bei Auftreten eines Fehlers vor überspannung oder überstrom geschützt werden soll. Vorteilhaft ist bei dieser Vakuum-Kurzschließer-Schaltröhre die aufgrund des Vakuums hohe dielektrische Festigkeit. Da ^¬ durch kann die Vakuumschaltröhre kompakt ausgestaltet sein,

die Schaltstrecke sehr kurz gehalten werden und die Abmes ^¬ sungen der Vakuumschaltröhre minimiert werden. Dies ermög ^¬ licht ein schnelles Schalten der Kontakte.

Es wurde eine Vakuumschaltröhre beschrieben, bei der das aus Bewegkontakt und Festkontakt bestehende Kontaktsystem im ge ^¬ öffneten Zustand arretierbar ist und bei der der Bewegkontakt eine sehr geringe Masse aufweist. Sobald die Arretie ^¬ rung aufgehoben wird, beschleunigt die von außen auf den Be- wegkontakt wirkende Kraft des Luftdrucks den Bewegkontakt zum Festkontakt hin, wodurch das Kontaktsystem selbsttätig innerhalb einer im einstelligen Millisekundenbereich liegenden Zeitspanne geschlossen wird. Unterstützend können zu ^¬ sätzlich eine Federkraft eines Federbalges und/oder eine ex- terne mechanische Kraft auf den Bewegkontakt einwirken, um diesen noch schneller zum Festkontakt hin zu bewegen. Der Festkontakt sowie der Bewegkontakt kann im Bereich deren Be ^¬ rührungsstellen jeweils aus Kupfer bestehen. Dadurch ist diese Vakuumschaltröhre kostengünstig herstellbar.