DE1925203A1 - Schaltvorrichtung - Google Patents

Description

PIC. 3297.

Va / wjk.

Dipi.-i.g. p..j. kupfermanN ^ ^ 25203

. .- ntenwelt

Anmelder: fclV. fKilipV GloeÜampeniaWielceii
Akte No. pfflSh 3297

^AnmeWun9^vomi 1^. Mai 196Φ

Schaltvorrichtung«

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltvorrichtung mit aus flüssigem Ketall bestehenden Kontakten, wie einen Schalter, ein Heiais oder einen Schwinger»; in einer ge^en die Luft verschlossenen Umhüllung« .

Bai bekannten Schalt*orriohtungen wird als Kontaktmaterial Quecksilber angewandt, wenn an die schaltenden Kontakte in bezug auf Belastung,. Lebensdauer und Konstan'theit des Kontaktwiderstandes sehr strenge Anforderungen gestellt werden. Im allgemeinen.ist bei einem derartigen Schalter das Quecksilber in einem Glasrohr eingeschlossen. Der Kontakt wird durch Verschiebung eines Flüssigfceitstropfens oder durch sich betregende mit 'Quecksilber benetzte Kontakte hergestellt. Obgleich vom sehaltteohnisohen Standpunkt der letzte Ttyp weitaus vorsuaiehen ist, weisen dieee Queoksilberkontakte dennoch erhebliche liachieile auf. Duroh

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. Varlar.i;f:in;; von .ure;'-.silber nutiun .sich. Tie ilonLci'.rtt uüjüu ; t"i_- star'; ab." Dabei v/ird al3o ein .«,ueckGilbervorrat ben»ti/;t, der durch kapillaren An-3ti-ij -lie uberflächo de3 :."ont£.kt;vlicdc3 kontinuierlich br-T.^t-it. iJad" ^cIi kann der Kontakt nicht in jeder Laje verr.-eii.iet './erden, -in r.it cuec.:-" ailber benetzter i'ontakt ohrvi zusätzlichen -.atecksiloGrvvrrit ^.it eine kurze Lebens lauer in der Grcsaenordnun.j von 10. bia IC _k-)clr.iltvrj*in.';en Schliesalich i^t es erforderlich, iasa diese IContakte In. einer ¹WaAv;er-atoffatmosphäre mit oinera überdruck von 3 "bis 5 atm. an.-^br.-is'-it wer'·en.

Die Anwendung in Schaltrohren, /rhermonatern o„e.r in

elektrischen Geräten ist bekannt wobei, in Abhän_&"i_;^ceit vni der Temperatur oder von der Au3 lehnun_f~, die IZo η ta'.: t ^b e einer flüs.'ii^en ^ejie— rung mit einer der folgen lon beiden Zusannönaetwun^n in Oe*./.,. crUiIten wirdl . .

Ga '0,4 ■- Ga '5 ,!>

In 27,6 ■;'= In 22 ^

Sn 12,0 ρ^{l 3n} ■ . Q ;i ■

Zn 4 ,0

Statt Quecksilber wurden bereite früher nicht näher identifizierte in Taumelschaltern in einem gegen die Luft verschlossenen flaum angebrachte Galliuralegierunsen angewandt.

Galliumlegierungen nit In, Sn, und Zn imrden in Z.IIetall-■cundβ 4£, 464-467 (1955) beschrieben. Es gibt zwei binäre eutektische Zusamnensetzungen 75 Ga - 24 In und 92 Ga - 8 Sn, die bei 16,5 "bau. 20,0° 0 achmelaen, eine ternäre eutektische ZusatnEensetaunö-f 62 Ga 25 In ·<· 13 3n, die bei 5° G schmilzt und eine quaternär© eutaktische 61 Ga - 25 In - 13 on -'1 2n, die bei 3° C schmilst.

3ei der Schaltvorrichtung i^näss der Erfindung werden diese bekannten Legierungen ala' Kontaktniateriäl a

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. . Die SchaltVorrichtunr nach der- Erfimlun,; ist Iadurcli

gekennzeichnet, dass eine derart ^erinj^e Menge an .flüssigen Koiitakt-■ material, dessen Zusararaenee-taunf: in Le{p.erun ,^bestandteilen in Gevr.,.' zwischen den folgenden Grenzen lie^tl

G&. 46.-57

' In .- 15 - 40 '

Sn 0-25 ·

Zn -' O - 2

völlig auf und in der unmittelbaren llahe iier Kontaktoberfläche in einen Raum oder auf einer Oberflaohe befindlich ist, dass es in diesem Raun oder auf "dieser Oberfläche durch Adhäsion festgehalten wird, während das das Konta];ttr.aterial berührende Ilaterial derart {gewählt ist, dass es bei ier Betriebstemperatur nicht avf störende Weise mit diesen Material reagiert.

Bei einer bevorzugten Ausführungaform einer Sohaltvorriohtunj, bei der tauf bekannte /.'eise mindestens ein Paar an Stromleitern befestigter Kontaktglieder und ein Antriebsmechanismus sum Zusamiaenfügen der "Kontaktglieder vorgesehen sind, v.-eist nach der Erfindung eines der Kontaktglieder eine.n die flüssige lietallegierung enthaltenden Hohlraum mit kapillaren Abmessungen auf und ist das andere bzw. sind lie anderen mit einem Stift versehen, der aus einem l-aierial besteht, das

■ r '

bei der Betriebstemperatur nicht auf störende Wei3e mit der Metalllegierung reagiert." - .

In der Praxis hat der Hohlraum einen Durchmesser von höchstens 1 mm, während der Stift einen Querschnitt von höchstens 0,3 mm aufweist. . .

Die Schaltvorrichtung nach der Erfindung weist im Ver-

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gleich au den üblichen -iueclisilberschaltern den Vorteil auf, daes ihre l-iirkung von ihrer Lage unabhängig is.t und^daso sie auaaerden gegen itösae beständig ist. Die nulä*3Gige Spannungszunähme pro Zeiteiniieit ist croaa (etwa 4^00 V/₍isek;| bei den bekannten Quecksilberschalter!! ist diese Qrösse höchstens etwa 5 V/_ti3ek. Dadurch kann eine zeitweilige Uberlas-. tung viel besser au3gehalten weruen.

Überdies hat diese Vorrichtung eine lange Lebensdauer, oic ist sehr niederohmisch, v.*ie die bereits ^bekannten iiuecksilber3chal- Λ ter$ sie klebt und prellt nicht und die benötigten Kontaktkräfte sind -

erheblich niedrij^er alB bei festen Kontakten, Auch wird, vermieden, dass beim 3chlies.3en die Kontaktglieder elektrisch festgeschtfeisst vrerden« Dadurch wird eine gute Beatandi$:eit gegen die ^rosgen beim 3chliesi5en in einem kapazitiven Kreis auftretenden Gtromstösse erzielt. Sine 5tromsunahrae von 100 A/Vsek. und ein Spitsenstrom von 100 A bei« Schlieseen ergeben sogar durchaus keine Abnutzung dee IContakte3. Schliesalich können die ifö ITtalimen der Erfindung benutzten Legierungen in stark unterkühl tem Zustand, z.B. 10⁰C unter der Temperatur des obenerwähnten terna'ren Eutektikums, angevrandt werden.

Es ist wesentlich, dass das Kontaktmaterial sich in

einen gegen die Luft verschlossenen 3aum befindet, weil ea leicht aowohl Oxyde als auch ITitride bildet. Es kann im Vakuum oder in einem Schutzgas, wie Helium, Argon oder Wasserstoff mit einem Druck von etwa

•1 atm angewandt werden. Vorzugsweise wird ein'Vakuum von mindestens

1C mm ^ecksilbereäule oder wegen der erzielten hohen Durchbruoh3pannung Wasserstoff verwendet. Bei Verwendung dieser Legierungen ist.die

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Abnutzung des Kontaktes um 10 bis 10 geringer als bei Verwendung von Quecksilber. Die im 2ahmen der ,Erfindung angewandten Zusammensetzungen

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! sohmelzen alle unter 50 C, was bedeutet, das^-aie im allgemeinen bei der- Betriebstemperatur eines Gerätes geschmolzen 3ind. Erforderlichenfalls lccinn. in das betreffende'Gerät ein Heizelement für den Kontakt, das .erwünsjcntenfalls mit.einem. Thermostaten versehen sein kann, eingebaut werden. . ·· ■

■ ; Zusammensetzungen mit einem Schmelzpunkt von 10 C, die somit bei Zimmertemperatur unter allen Umständen brauchbar aind^ liefen zwischen,den folgenden Grenzen!
_'.-'■-■- · Oa' ■' . 55 - 6$ - . '
. . ·". In. 17 - 2? " ·

Die in jeder Hinsicht optimalen .Zusammensetzungen'(gleichfalls in Gew.-,;) sind folgende« '

,Oa - 59-63 Oa 59 - 63

In · 23-28 . In 23 - 28

■■ "' Sn 1i_f*3-1'S,1 ■'■:■■ Sn 11,3-16,1

deren Sohmelzpunkte in der. unmittölbATen iia*he der obenerwähnten ^htektikä zwischen etwa-3 und ^ C iiegenV ,' ·

Das Metall, aus dem d)|E|r4«ö^^ Hohlraum enthaltende Kontaktglied u£d 'der das andere IContjaktglied bildende Stift bestehen und das .mit-dei,flüssigen Ketallleglerung nioht auf st6*3Pende Weise reagiert, ist vorzugsweise wegon des niedrigen apetifisohen Widerstandes Kolybdän oder Wolfram öder sonst z.B. Jfiakel, Süsen, tantal, lliisb oder Rhenium. Diese Metalle lassen si oh alle leicht hei hohex/ar Temperatur mit der Metallegierung benlitzen.

Die fur diese 3ohlü»twriiahtüng benotigtsn'Ifontaktkräfte

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brauchen mir gering, zu sein. .... ...

Die Erfindung wird nachstehend für ein Ati bcispie.1 an Hand der "beiliegenden Zeichnung näher erläutert, iis. zeiger.* Fi.;. 1 einen liontakt in einer luftdicht verschlossenen Umhüllung,, und . _: "-..".

-■;. Fig. 2 in ver^röase-rtem -i-äsa-tab und ic: -etail die Ilontaktgliedcr. . -,.-·.-. *

Bei der Vorrichtung nach Fi^. 1 befinden sich, an ien

^ Enden eines federnden Stromleiters 3 und eines starren Stromleiters 5 die Kontaktglieder J bzw. 8 in Wasserstoff■ von C,5 attn in einer luftdicht verschlossenen Glasumhüllun^ 1. Der aus marxistischen i-Ä-torial.. beotehendo federnde Stromleiter 3 iat an dem ein^-eschmolsenen Purchführun^-sleiter 2 festjeschweisst. Am anderen 2nde der UrJiülluns iat ein ähnlicher Lurchführxingsleiter 4 eintjeachmolzen, mit Ίem innerhalb der Umhüllung der gleichfalls avi3 Elastischem Material bestehende itromleiter 5 verbunden ist. 2ings um die Umhüllung .ist.-zur Herstellung der Kontakte eine Spule 6 angeordnet. In 5¹Ig". 2 sind die. beiden an den Enden

^ d'er Stromleiter aus magnetischem I-iaterial angebrachten Kontaktglieder 7 und 8 dargestellt. Sie bestehen beide aus I-lolybdäh. Im zylindrischen Hohlraum 9 mit eineir, Durchmesser von 1 mm befindet aich eine i-ienge von 5 mg einer flüssigen Metallegierung der Zusammensetzung (in Gew.,.-)» 59,6 Ga - 26 In - 14,4 Sn.

Beim Erregen der Spule 6 werden die federnden" Stromleiter 3 und 5 durch die magnetischen ICraftiinien aufeinander zu- be-. wegt, wodurch der Molybdänstift 7 mit einem !Durchmesser von 0,2 mm in die flüssige Ileiallegierung im Hohlraum 9Γ getaucht wird, wa3 IConta'stgabe zur Folge hat. Diese Schaltvorrichtung wird zum T-Iesseix des Abnut-

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zungsgrades Dauerversuchen mit' verhältniarcäosig schweren Belastungen unterworfen, und zwar mit einer Belastung von 50Q ^ bei einer Spannung von 50 V in einen Kreis mit einer Induktans von C,6 mil und einer Kapazität von 150 pF, und mit einer Belastung von 5OO mA bei einer spannung von 50 V in einem Kreis mit einer Induktanz von 0,6 mH und einer Kapa- ' zität von 1150 pF. Die Spannungzunalime betrug in beiden Fällen 4000 bsw.. 400 V/iisek. Die Abnutzung vmrde durch. Bestimmung des Gewichtsverlustes des Flüssi$ceitBkontak*es nach 10 Schaltvorsänken gemessen. Diese Gewichtsabnahme betrug 4,5 bsw, 0,07 mg. Bei einer I3elastung von 200 mA bei einer Spannung von 5C V in einem Kreis mit einer Induktanz von 0,1 mH und .einer Kapazität von I50 pF betrug die Lebensdauer mindestens 225 x 10 Schaltvorgänge. Bei einem Schalter dergleichen Bauart, der der gleichen Belastung untervrorfen wird, abter in dem als Schaltflüsaigkeit Quecksilber angewandt wird, ist die Lebensdauer gut 200 LIaIe kurzer.

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Claims (1)

1. 'i 'T ^! Τ* τ« TT " tr f>

   t, ι Schal tvcr-r-ich tuns ^m'i^ aw·- einer Le_£ri"emrü,; vo,?i; Galliumι

   iviiuF. un.d gegebenenfalls JiHr und/oder Zink bentehendec: i>pntal:%i.a.ter-i:s

   λιΓϊ vcrschlcssenen Rrvuir.,, dciduroh ^ek

   den

   al in einer, gegen <*i

   class eine derart ^erin^ 'Kenje an fl-wboigenj I-C

   starKlteilen in

   io in Loj Gr-en^en. lic-jtt

   Ga

   . In 3n

   4: · 97

   15 - 40 " ■ . " -

   O-25'
   2n G - 2

   T?Q:lli_;j auf oder in der ungiittelbaren Uäha der Xont^ktoTaerfXaolie in Gine,m Saud oder auf einer Gberflache befindlich ist, dass es in diesem oder auf dieser Oberfläche durch Adhäsion-festgehalten wi£·'?■* ^hr dag das Xontalctiaaterial berührende Material derart gewühlt ist, daf.s «3 bei der Betriebstemperatur mit diesem Material nicht auf- stprend« "!»eise rea'2iert_t

   2m 5chaltT?orrichtuns nach Anspruch

   net| dasiq die 2lusair.r.en3etzun3 in

   55 τ 69

   folgenden Grenzen liegt»

   Ga '

   In 17 * 29 · ■"- ·. -. .■ ^: :

   Sn B *■ 16 ' ■'■;"" " "■'"'■

   3n Schalt vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gjgkenn-r

   zeichnet, dass die 2usar.u:ensetsuns |n Legierungsbgstsndteilen zwischen -ien folgenden Grenaen

   BAD

   '. r · '_';.- Ga 59-63 ■

   - . ■■';· In 23 -28.

   ■ ■ Sn. ; 11,3- 16,1. .'-■■■

   4. .' " i^chaltvorriejituns nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet., daoa die-. Zusammensetzung in Legierungsbeqtandteilen zwischen den folgenden Grenzen liegt· .

   • ". ■ · In·' ^Λ ■ 23 - 28 ■
   • - · ■"' . · -Sn .. 11,^-16,1' (j

   .Zti 0,7 - 2.

   5·. .'.. ' Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auf "bekannte Weise mit mindestens einem Eaar an Stroaleitern befestigter Kontaktglieder und einem Antriebsmechanismus zum Zusammenfügen der Kontaktglieder versehen "ist, wobei eines der Kontaktglieder einen die flüssige Metallegierung* enthaltenden Hohlraum mi't kapillaren Abmessungen aufweist und das ander« bzw* die anderen mit einem Stift versehen ist bssv. sind, der aus einem Material besteht, das bei der Betriebstemperatur mit der I titanlegierung nicht auf störende Weiae ,reagiert.

   6. . ' Sehaltvorricatung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, das bei der Betriebstemperatur mit der Metallegierung nicht auf störende Weise reagiert, Molybdän oder Wolfram ist, ..■-■"-

   7. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte sich in einem Vakuum von mindestens 10 mm Quecksilbersäule oder in einer Kaaserstoffatmosphäre befinden·

   9°98S0/1294 ■■■ _BAD