Verfahren und Vorrichtung zum Konditionieren von Kontaktstü cken für Elektroden einer Vakuumschaltröhre

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Konditionieren von Kontaktstücken für Elektroden einer Vakuumschaltröhre durch Erzeugen eines Lichtbogens zwischen den entlang einer Achse beabstandet angeordneten Kontaktstücken, wobei der Lichtbogen beim Konditionieren über ein veränderbares magne tisches Querfeld gezielt bewegt wird.

Die Erfindung geht weiterhin aus von einer Vorrichtung zum Konditionieren von Kontaktstücken für Elektroden einer Vaku- umschaltröhre durch Erzeugen eines Lichtbogens zwischen den entlang einer Achse beabstandet angeordneten Kontaktstücken, wobei die Vorrichtung eine Spulenanordnung mit mindestens ei ner Spule oder eine Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten zur Erzeugung eines veränderbaren magnetischen Querfeldes aufweist, mittels dessen der Lichtbo gen beim Konditionieren gezielt bewegbar ist.

Für die elektrische Spannungsfestigkeit einer Elektrodenan ordnung im Vakuum spielt neben der Qualität des Vakuums vor allem die Güte der Oberflächen von Kontaktstücken der Elekt roden eine entscheidende Rolle. Da technische Oberflächen in der Regel Fehlstellen oder Mikrospitzen aufweisen, müssen diese Oberflächen, nach der Montage der Vakuumschaltröhren, speziell behandelt werden, damit die gewünschte Spannungsfes tigkeit erreicht werden kann. In der Regel werden hierzu elektrische Spannungen an die Vakuumschaltröhren angelegt und bewusst Überschläge provoziert. Die Lichtbögen, die bei die sen Überschlägen entstehen, schmelzen oder verdampfen die Fehlstellen auf den Oberflächen wodurch die Spannungsfestig keit schrittweise erhöht wird.

Eine weitere Methode Elektrodenoberflächen zu konditionieren besteht darin, die zu konditionierende Oberfläche längere Zeit mit einem Lichtbogen zu behandeln (Stromkonditionie rung), dabei werden in der Regel kleine Spannungen verwendet, da hierbei kein Überschlag erzeugt werden muss, sondern der Stromfluss bei geschlossenen Kontakten beginnt und sich ein Lichtbogen erst nach der Öffnung der Kontakte etabliert. Die extern angelegte Spannung muss in diesem Fall nur den Span nungsbedarf des Lichtbogens decken.

Bislang wird bei der sogenannten Stromkonditionierung durch Auswahl geeigneter Parameter (Kontakthub, Stromstärke, Anzahl der Pulse, Pulsdauer, Polaritätswechsel) versucht eine gleichmäßige und vollständige Überschmelzung der Kontakt scheiben zu erreichen. Ziel ist es auf diese Weise nicht nur die die dielektrische Festigkeit der Kontaktstrecke zu erhö hen, sondern auch die störende Röntgenemission zu reduzieren, welche durch die Kontaktpaare erzeugt wird. Wird die Lichtbo genbewegung nicht aktiv gesteuert, so ist sie weitgehend zu fällig. Daher kann es zu einem großen Ladungsumsatz während der Stromkonditionierungsprozedur kommen, bis die Kontakt oberflächen ausreichendend flächig überschmolzen worden sind. Während ein Lichtbogen im Vakuum brennt wird Metalldampf er zeugt, welcher sich wiederum auf den Oberflächen des Vakuum schalters niederschlägt. Wenn sich dieser Metalldampf auf den Keramikisolatoren niederschlägt, kann es zu einer dielektri schen Abwertung der Vakuumschaltröhre kommen, die dem Sinn der Konditionierung entgegensteht oder gegebenenfalls die Le bensdauer der Vakuumschaltröhre herabsetzt.

Die Druckschrift DE 19714 655 C2 beschreibt ein Verfahren zum Konditionieren von Kontaktstücken von Elektroden einer Vakuumschaltröhre, bei dem der Lichtbogen mittels eines ro tierenden Querfeldes gezielt bewegt wird.

Durch dieses magnetische Querfeld kann die Position/Bewegung des Lichtbogens an der Oberfläche des zu konditionierenden Kontaktstücks gezielt gesteuert werden. Auf diese Weise kann dafür gesorgt werden, dass der Schwerpunkt des Lichtbogens einen gewählten Oberflächenbereich auf einer bestimmten Bahn überfährt. Die Bahn kann dabei jedoch nur mit einer gewissen Präzision gesteuert werden, was die Qualität der Konditionie rung beschränkt. Diese Limitierung macht sich insbesondere bei stromstarken Lichtbögen bemerkbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konditionieren von derartigen Kontakt stücken anzugeben, die die angegebenen Schwierigkeiten über winden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unab hängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Konditionieren von Kontaktstücken für Elektroden einer Vakuumschaltröhre durch Erzeugen eines Lichtbogens zwischen den entlang einer Achse beabstandet angeordneten Kontaktstücken, bei dem der Lichtbo gen beim Konditionieren über ein veränderbares magnetisches Querfeld gezielt bewegt wird, ist vorgesehen, dass der Licht bogen beim Konditionieren über ein einstellbares magnetisches Längsfeld gezielt diffuser gemacht wird.

Durch das veränderbare magnetische Querfeld wird die Positi on/Bewegung des Lichtbogens an der Oberfläche des zu konditi onierenden Kontaktstücks gezielt gesteuert. Auf diese Weise kann dafür gesorgt werden, dass der Lichtbogen einen gewähl ten Oberflächenbereich auf einer bestimmten Bahn überfährt. Die Kontaktfläche des Lichtbogens mit der zu konditionieren den Oberfläche des Kontaktstücks kann dabei größer sein als die Ausdehnung der Bahn.

Bei einem diffuseren, also breiteren, Lichtbogen ist auch die Kontaktfläche des Lichtbogens mit der Oberfläche des Kontakt stücks größer. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Oberfläche des entsprechenden Kontaktstücks möglichst voll ständig vom Lichtbogen abgedeckt/überfahren wird, wobei das Überschmelzen gleichzeitig recht gleichmäßig ist. Der Lichtbogen kann insbesondere so diffus eingestellt wer den, dass sich eine nahezu komplette Bedeckung - und somit Überschmelzung - der Kontaktoberflächen während des Konditio niervorgangs einstellt.

Die Angabe Längsfeld bzw. Querfeld bezieht sich jeweils auf die (gedachte) Achse, auf der die Kontaktstücke angeordnet sind. Diese fällt für viele Vakuumschaltröhren mit deren Längsachse zusammen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtbogen ein stromstarker Lichtbogen mit einer Stromstärke I im Bereich von 2 kA < I < 100 kA. Ein solcher stromstarker Lichtbogen weist bevorzugt eine Stromstärke I von einigen einzelnen kA bis zu einigen zehn kA auf (kA: Kiloampere). Solche stromstarken Lichtbögen haben in der Regel eine klei nere Kontaktfläche mit dem zu konditionierenden Kontaktstück. Diese Kontaktfläche kann nun mittels des Längsfeldes vergrö ßert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung ist das veränderbare magnetische Querfeld ein rotieren des magnetisches Querfeld. Ein solches rotierendes magneti sches Querfeld ist aus der eingangs erwähnten Patentschrift DE 19714 655 C2 durchaus bekannt.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er findung wird das magnetische Querfeld und/oder das magneti sche Längsfeld mittels einer Spulenanordnung mit mindestens einer Spule generiert. Die mindestens eine Spule kann eine Luftspule und/oder eine Spule mit Kern sein.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das rotierende magne tisches Querfeld ein zweiphasiges oder dreiphasiges magneti sches Drehfeld ist. Zur Erzeugung derartiger Drehfelder wer den zwei bzw. drei Spulenanordnungen benötigt. Bei einem zweiphasigen magnetischen Drehfeld sind z.B. zwei Spulenan- Ordnungen so angeordnet, dass die Mittelachsen der beiden Spulenanordnungen unter einem Winkel von 90° zueinander ver laufen. Dabei können die Ströme, die in beiden Spulenanord nungen fließen, 90° zueinander phasenverschoben sein, wodurch das zweiphasige magnetische Drehfeld entsteht.

Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das magnetische Querfeld und/oder das magnetische Längsfeld mittels einer Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten generiert wird.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Stromfluss bei geschlossenen Kontaktstücken einsetzt und sich der Lichtbogen erst nach dem Öffnen der Kontaktstücke etabliert. Dies ist typisch für die eingangs beschriebene sogenannte Stromkondi tionierung .

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er findung ist zumindest eines der Kontaktstücke als Kontakt scheibe ausgebildet. Die Verwendung von Kontaktscheiben bei den Elektroden von Vakuumschaltröhren hat sich bewährt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konditionieren von Kontaktstücken für Elektroden einer Vakuumschaltröhre durch Erzeugen eines Lichtbogens zwischen den entlang einer Achse beabstandet angeordneten Kontaktstücken, bei dem die Vorrich tung eine Spulenanordnung mit mindestens einer Spule oder ei ne Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanent magneten zur Erzeugung eines veränderbaren magnetischen Quer feldes aufweist, mittels dessen der Lichtbogen beim Konditio nieren gezielt bewegbar ist, ist vorgesehen, dass die Vor richtung weiterhin eine Spulenanordnung mit mindestens einer Spule oder eine Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten zur Erzeugung eines veränderbaren magneti schen Längsfeldes aufweist, mittels dessen der Lichtbogen beim Konditionieren gezielt diffuser gemacht werden kann. Durch das veränderbare magnetische Querfeld kann mittels der Vorrichtung die Position/Bewegung des Lichtbogens an der Oberfläche des zu konditionierenden Kontaktstücks gezielt ge steuert werden. Auf diese Weise kann dafür gesorgt werden, dass der Lichtbogen einen gewählten Oberflächenbereich auf einer bestimmten Bahn überfährt. Bei einem diffuseren, also breiteren, Lichtbogen kann ein Überlappungsbereich der Bahn eingestellt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Oberfläche des entsprechenden Kontaktstücks möglichst vollständig vom Lichtbogen überfahren wird, wobei das Über schmelzen gleichzeitig recht gleichmäßig ist.

Die Vorrichtung ist insbesondere eine Vorrichtung zur Durch führung des vorstehend genannten Verfahrens. Die im Zusammen hang mit den Ausführungsformen des Verfahrens genannte Merk male sollen entsprechend auch für die Vorrichtung gelten.

Schließlich ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Vorteil vorgesehen, dass diese weiterhin eine Gleichstrom quelle zum Erzeugen des Lichtbogens umfasst. Der resultieren de Lichtbogen ist bevorzugt ein stromstarker Lichtbogen mit einer Stromstärke I im Bereich von 2 kA < I < 100 kA. Gerade für solche stromstarken Lichtbögen ist es wichtig, bei einem überlappenden Randbereich eine geringere Diffusität des Lichtbogens zu haben. Die Gleichstromquelle ist für eine ent sprechende Stromstärke (2 kA < I < 100 kA) ausgelegt.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung von einem Ausführungs beispiel, das im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläu tert wird. Dabei zeigt die

Fig. eine Vorrichtung zum Konditionieren von Kontaktstü cken für Elektroden einer Vakuumschaltröhre gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer sche matischen Darstellung. Die Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vor richtung 10 zum Konditionieren von Kontaktstücken 12, 14

(kurz: Konditionier-Vorrichtung) für Elektroden 16, 18 von

Vakuumschaltröhren 20. Im hier gezeigten Beispiel können die Kontaktstücke 12, 14 mittels der Konditionier-Vorrichtung 10 in komplett montierten Vakuumschaltröhren 20 konditioniert werden. Die hier nur schematisch dargestellten Kontaktstücke 12, 14 sind insbesondere als Kontaktscheiben ausgebildet. Al ternativ wäre es auch denkbar, dass das einzelne zu konditio nierende Kontaktstück 12 in einer entsprechenden Vakuumkammer der Vorrichtung 10 montiert wird.

Die hier gezeigte Vakuumschaltröhre 20 besitzt im Wesentli chen ein Zylindergehäuse 22 aus isolierendem Material, wel ches sich bezüglich einer Längsachse 22 erstreckt und an den beiden entsprechenden Enden über je einen metallischen Deckel 26, 28 verschlossen ist. An dem einen metallischen Deckel 26 ist eine der Elektroden 16 ortsfest angebracht. Diese Elekt rode 16 ist die ortsfeste Elektrode mit dem ortsfesten Kon taktstück 12.

An dem unteren Deckel 28 ist ein Ende eines Faltenbalges 30 befestigt, dessen anderes Ende mit der als bewegbare Elektro de ausgebildeten Elektrode 18 verbunden ist, die das bewegba re Kontaktstück 14 trägt. Innerhalb des Gehäuses 22 befindet sich eine etwa zylinderförmige Abschirmung 32.

An die beiden Elektroden 16, 18 ist eine Stromquelle 34 elektrisch angeschlossen, mit der Gleichstrom beider Polari täten erzeugt werden kann (Gleichstromquelle).

Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine als Spulenpaar aus gestaltete Spulenanordnung. Beidseitig zu dem Gehäuse 22 be finden sich Spulen 36, 38 dieses Spulenpaares, die parallel zueinander verlaufen bzw. deren Achsen miteinander fluchten, wodurch ein Querfeld 40 erzeugt werden kann, welches gemäß Pfeilrichtung von der linken Spule 36 zur rechten Spule 38 verläuft.

Wenn zwischen den geöffneten Kontaktstücken 12, 14 mit geeig neter Stromstärke I ein diffuser Lichtbogen 42 entsteht, dann werden durch den diffuse Lichtbogen 42 auf der Oberfläche des entsprechenden Kontaktstücks 12 bzw. der Kontaktstücke 12, 14 befindliche Schmutzpartikel jeder Art aufgeschmolzen, ver dampft und nach außen auf die Abschirmung 32, die Getterwir kung besitzt, bewegt, sodass sie dort niederschlagen. Darüber hinaus werden auch Teile der Kontaktstückoberfläche der bei den Kontaktstücke 12, 14 aufgeschmolzen und verdampft, durch welchen Metalldampf die reinen Kupferteile beispielsweise der Elektroden 16, 18 mit dem Kontaktmaterial beschichtet werden. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist das Kontaktmate rial Cu/Cr, welches als Sinterstruktur vorhanden ist.

Zur Konditionierung werden die Elektroden 16, 18 der Vakuum schaltröhre 20 mit einem Gleichstrom zunächst mit der einen und danach mit der anderen Polarität beaufschlagt, sodass der Stromfluss im Lichtbogen 42 in der einen und in der anderen Richtung - nacheinander - verläuft.

Aufgrund des Querfeldes 40 werden die einzelnen Lichtbogenab schnitte des diffusen Lichtbogens 42 über die Oberfläche des entsprechenden Kontaktstücks 15 bewegt, wodurch ein systema tisches Entfernen der Schmutzpartikel über die gesamte Ober fläche ermöglicht wird.

Die Spulen 36, 38 können der Vakuumschaltröhre 20 auch so zu geordnet sein, dass die Mittelachsen der beiden Spulen 36, 38 unter einem Winkel von 90° zueinander verlaufen. Dabei können die Ströme, die in beiden Spulen fließen, 90° zueinander pha senverschoben sein, wodurch das „zweiphasige" magnetische Drehfeld entsteht. Eine derartige Anordnung der Spulen 36, 38 ist aus der eingangs erwähnten DE 19714 655 C2 bekannt. In entsprechender Weise kann auch ein dreiphasiges Drehfeld er- zeugt werden. In diesem Fall sind die Spulen 36, 38 - abwei chend von der Darstellung der Fig. (orts-)fest angeordnet.

Im Beispiel der Fig. sind die Spulen 36, 38 des Spulenpaares an einer um die Achse 24 drehbar gelagerten Basis 44 über entsprechende Arme 46, 48 um die Vakuumschaltröhre 20 rotier bar angeordnet. Die Basis 44 ist dabei auf einer Drehstütze 50 fest aufgebaut, die ihrerseits über ein Drehlager 52 dreh bar gelagert ist und über einen Antriebsmotor 54 angetrieben wird.

Mittels einer derartigen mechanischen Drehanordnung mit den Komponenten Basis 44, Arme 46, 48, Drehstütze 50, Drehlager 52 und Antriebsmotor 54 kann ein entsprechend rotierendes Querfeld 40 nicht nur mittels einer Spulenanordnung mit Spu len 36, 38 sondern auch mittels einer (hier nicht gezeigten) Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagne ten erzeugt werden. Ein entsprechender Aufbau ist ebenfalls aus der eingangs erwähnten DE 19714 655 C2 bekannt.

In der eingangs erwähnten Patentschrift DE 19714 655 C2 wird weiterhin erwähnt, dass mit einer Stromstärke des von der Gleichstromquelle 34 erzeugten Gleichstroms von ca. 0,1 kA bis 2 kA, einer Einwirkdauer, bei dem der Lichtbogen 24 bren nen soll, von zwischen 0,5 Sekunden bis 200 Sekunden und ei nem Abstand der beiden Kontaktstücke 12, 14 zwischen 1 mm und 3 mm gute Konditionierungsergebnisse erzielt werden können.

Möchte man nun einen stromstarken Lichtbogen 42 mit deutlich mehr als 2kA verwenden, z.B. mit 2,5 kA < I < 100 kA so muss man die Diffusität dieses stromstarken Lichtbogens 42 zur Konditionierung erhöhen.

Dazu weist die Vorrichtung 10 eine weitere Spulenanordnung auf, die hier im Beispiel ebenfalls als Spulenpaar ausgebil det ist. Die Spulenanordnung/das Spulenpaar weist zwei Spulen 56, 58 zur Erzeugung eines veränderbaren magnetischen Längs feldes 60 auf, mittels dessen der Lichtbogen 42 beim Konditi- onieren gezielt diffuser gemacht, also aufgeweitet, werden kann. Die Achsen der Spulen 56,58 dieser weiteren Spulenano rdnung fluchten miteinander und mit der Achse 24 der Vakuum schaltröhre 20.

Die Diffusität des stromstarken Lichtbogens 42 wird zur Kon ditionierung über die Stärke des generierten Längsfeldes 60 eingestellt.

Neben den dargestellten und bereits genannten Komponenten weist die Vorrichtung 10 weiterhin (nicht dargestellte) Stromquellen für die Spulen 36, 38; 56, 58 und eine (eben falls nicht dargestellte) Kontrolleinrichtung zum koordinier ten Durchführen der Konditionierung auf. Eine solche Kontrol leinrichtung wird auch als Steuergerät bezeichnet. Diese Kon trolleinrichtung steuert die diversen Stromquellen, darunter auch die Gleichstromquelle 34, an.

Im Folgenden sollen entscheidende Aspekte der Erfindung noch einmal mit anderen Worten wiedergegeben werden:

Um in verhältnismäßig kurzer Zeit eine gleichmäßige Konditio nierung zu erreichen, wird die Lichtbogenbewegung erfindungs gemäß gezielt durch externe Magnetfelder 40 gesteuert. Beson ders geeignet sind hier radial zur gewünschten Laufrichtung des Lichtbogens gerichtete magnetische Drehfelder (zweiphasig oder dreiphasig). Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren, da die umgesetzte Ladung (Stromstärke I x Zeit) während der Konditionierung deutlich reduziert wird und in der Folge auch die Bedampfung von Keramikisolatoren erheblich reduziert wird.

Weiterhin ist die Erhöhung der Diffusität eines stromstarken Lichtbogens 42 (einige einzelne kA bis einige zehn kA) zur Konditionierung der Kontaktstücke 12, 14 durch ein zusätzli ches axiales Magnetfeld 60 vorgesehen. Eine höhere Diffusität des Lichtbogens 42 hat zur Folge, dass sich eine nahezu kom- plette Bedeckung (und somit Überschmelzung) der Kontaktober flächen während des Konditioniervorgangs einstellt.

Die Konditionierung ist insbesondere eine sogenannte Strom- konditionierung.

Bezugszeichenliste:

10 Konditionier-Vorrichtung 12 Kontaktstück 14 Kontaktstück 16 Elektrode (fest)

18 Elektrode (bewegbar)

20 Vakuumschaltröhre 22 Gehäuse 24 Achse 26 Deckel 28 Deckel 30 Faltenbalg 32 Abschirmung 34 Gleichstromquelle 36 Radialspule 38 Radialspule 40 Querfeld 42 Lichtbogen 44 Basis 46 Arm

48 Arm

50 Drehstütze 52 Drehlager 54 Antriebsmotor 56 Axialspule 58 Axialspule 60 Längsfeld