DE1765430A1 - Vakuumfunkenstrecken fuer hohe Stroeme - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Lothar Michaelis

Patentanwalt

6 Frankfuri/Main Postfach 3011.

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt

6 Frankfurt/Main

Taunusstr. 20 Postfach 3011

_ _rr 1765430 Dr. Erharf Ziegler

Patentanwalt

6 Frankfurt /Main 1

Postfach 301t

Belegexemplar

Darf nicht geändert werden

84O-RDCD-1313 iäiectrie Company, 1 River Road, Sch-aneetady, N.Y. ,USA

Vakuumfunkenstreeken für hohe Ströme

Die Erfindung bezieht sich auf Vakuumfunkenstrecken für hohe Ströme, in denen keine Anodenbrennflecken auftreten, und insbesondere auf solche Vakuumfunkenstrecken, bei denen das Auftreten von Anodenbrennflecken durch eine derartige Ausbildung und Anordnung vermieden wird, daß in dem Funkenstreckenspalt praktisch kein Magnetfeld besteht.

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Bei der Entwicklung von Takuumschaltem und steuerbaren Vaku uefunkenstrecken war der Strom, der von einen Schalter gegebener Geometrie geführt werden konnte, durch die Stromschwelle begrenzt, bei der ein zerstörender Anodenbreimfleck auftrat. Dia Bildung solcher Anodenbrennflecke führte zu Erosion und Schmelzen der Anode. Dadurch wurde die Oberfläche der Vorrichtung beeinträchtigt, sodaß die Zündspannung von ihren ursprünglichen '.'terc abwich und die Vorrichtung möglicherweise unbrauchbar wurda. Bei der Entwicklung bekannter Vakuumfunkenstrecken sind viele Möglichkeiten untersucht worden, um zu erreichen, daß Anodenbrennflecke und Kathodanbrennflecke gleichermaßen Ober die Oberfläche der Lichtbogenelektrode wandern, se daß die unerwünschte Erosion und das Schmelzen der Elektrode vermieden wird. Obwohl dieses Verfahren brauchbar 1st und tatsächlich die Lebensdauer von Vakuumfunkenstrecken verlängert , wird eiο mögliches Versagen nur hinausgeschoben, denn selbst ein wandernder Lichtbogenfleck oder Lichtbogenfußpunkt verursacht in gewissem Grade Schmelzen und Erosion der Lichtbogenelektroden. Um höchste Beständigkeit gegen Erosion und Schmelzen zu erreichen, ist es erwünscht, daß Anodenbrennflecke in Vakuumfunkenstrecken erst gar nicht gebildet werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung 1st in einer Vakuumfunkenstrecke zu erblicken, bei der Anodenbrennflecke. erst von hohen

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StromschwsIlen an gebildet werden können, und die zwei Hauptelektroden aufweist, von denen zumindest die eine eingestülpt ist, und bei der der durch die eingestülpte Elektrode fließende Strom quasi bifilar geführt wird, so daß das resultierende Magnetfeld durch die stromführende eingestülpte Elektrode aufgehoben wird. Erfindungsgemäß wird weiterhin die andere Hauptelektrode so ausgebildet daß sie im Funkenstreckenspalt ebenfalls kein Magnetfeld erzeugt. Zu diesem Zweck kann die zweite Hauptelektrode als Zylinder ausgebildet sein, der die erste Hauptelektrode umgibt, so daß nach dem Ampere'sehen Gesetz praktisch kein Magnetfeld in dem Punkenstreckenspalt zustandekommt.

Nachstehend soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erlfiutert werden.

Pig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine steuerbare Vakuumfunkendrecke nach der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch einen Vakuumfunkenstreckenschalter nach der Erfindung.

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen Teil des Elektrodenaufbaue einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig.

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Pig. 4 ist ein waagerechter Schnitt durch den Elektrodenaufbau nach Flg. 3;

Flg. 5 und 6 sind Querschnitte durch andere Ausführungsformen für die Elektroden nach Flg. 4;

Fig. 7 ist ein Längsschnitt durch eine erflndungegefftäße Vorrichtung, die der Vorrichtung nach Fig. 1 ähnelt, aber für höhere Ströme geeignet ist;

Fig. 8 zeigt perspektivisch eine abgewandelte Form der In Flg. 7 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 9 ist ein Querschnitt durch den Elektrodenaufbau der Vorrichtung nach Fig. 8;

Fig. 10 zeigt eine abgewandelte Form der Vorrichtung nach Fig. 7.

Bei Vakuumfunkenstrecken ist die Stromschnelle, bei der die Bildung von Anodenbrennflecken einsetzt, eine Funktion der Elektrodengeometrie und des Elektrodenwerketoffee. Bei einem gegebenen Werkstoff ist die Bildung von Anodenbrennflecken daher nur eine Funktion der Elektrodengeometrie. Bei der plan-

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parallelen Geometrie, die häufig In Schaltern im allgemeinen und in Vakuumschaltern im besonderen angewendet wird, liegt die Schwelle verhältnismäßig niedrig, da an jedem Punkt, an dem die Stromdichte hoch wird, ein Brennfleck entsteht, und zwar entweder aufgrund von Unregelmäßigkelten der Oberfläche oder aufgrund der Fokussierung des Lichtbogens durch die Wechselwirkung elektrischer und magnetischer Felder, Eine Möglich- ■

keit, die Bildung von Anodenbrennflecken zu vermeiden, besteht ^ In der Verwendung von sehr großflächigen Elektroden, so daß die zwischen den Hauptelektroden fließenden Ströme über eine große Fläche verteilt sind, Dadurch wird bei niedrigen Strömen die Bildung von Anodenbrennflecken verhindert. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dafür zu sorgen, daß jeder gebildete Brennfleck und sein Lichtbogen durch die Wechselwirkung der elektrischen und magnetischen Felder rotleren. Dadurch wird das Verbrennen und die Erosion der Elektroden an einem gegegebenen Punkt

auf ein Mindestmaß herabgesetzt. M

Nach der Erfindung wird die Stromschwelle, von der ab die Bildung von Anodenbrennf lecken erfolgt., dadurch heraufgesetzt, daß der Spalt zwischen den Elektroden praktisch magnetfeldfrei gemacht wird, so daß sich darin vorhandene Ströme nicht fokussieren. Dadurch werden Anodenbrennflecke aufgrund hoher Stromdichten praktisch vermieden. In den meisten Vakuumfunkenstrecken, bei denen von außen kein Magnetfeld angelegt wird,

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um den Lichtbogen rotleren zu lassen, wirkt auf den Lichtbogen (außer dem Lichtbogen der planparallelen Elektrodenanordnung) eine Kraft ein, die rechtwinklig zu den» Stromweg zwischen den Elektroden und dem Magnetfeld ist, das durch den Stronweg durch die Hauptelektroden hervorgerufen wird. In Vakuumfunkenstrecken mit großflächigen Elektroden werden Anodenbrennflecke von zahlreichen Stromfäden zwischen den Elektroden verursacht, auf die die erwähnte Kraft einwirkt. Dadurch werden alle Stromfäden auf einen Punkt hin bewegt, der in dem Sinne ein Gleichgewichtspunkt 1st, daß die Kraft, die dort auf die StromfSden einwirkt, dort am kleinsten ist. An dem Funkt, an dem die Stromfäden fokussiert v/erden, ergibt sich eine hohe Stromdichte, und as entsteht ein Anodenbrennfleck. Nach der Erfindung wird das Fokussieren der Stromfäden zwischen den Hauptelektroden vermieden. Dadurch wird auch die Bildung von Anodenbrennflecken vermieden, sofern es sich nichtum außerordentlich hohe Ströme handelt.

Fig 1 zeigt eine steuerbare Vakuumfunkenstrecke 10 mit einem luftdicht verschlossenen Gehäuse 11, einer oberen Bndplatte 12 und einer unteren Endplatte 13, die durch eine praktisch zylindrische Isolierende Seltenwand 14 luftdicht miteinander verbunden sind. Die Seltenwand 14 1st mit den Endplatten 12 und 13 durch bekannte Metall-Glas-Verschmelzungen verbunden. In dem

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GehSuse 11 sind zwei Hauptelektroden 16 und 17 angeordnet; sie sind von den Endplatten 12 und 15 durch eine obere und eine untere Elektrodenhalterung 18 bzw. 19 beabstandet. Die Elektrode 17 hat die Form eines eingestülpten Bechers und weist einen äußeren zylindrischen Teil 21 mit einem Plansch auf, der den Inneren eingestülpten Becher 20 umgibt. Eine Zündvorrichtung 23 weist eine mit einer Rille versehene Hydridschicht auf, die beispielsweise auf einen keramischen Zylinder aufgebracht worden ist. Eine Seite der Hydridschicht ist mit der Elektrode 17 und die andere Seite 1st mit der Zündelektrode 25 verbunden. Die Zündvorrichtung 23 ist an einen Abschnitt des Endflansches 22 der Elektrode 17. angebaut. Die äußere zylindrische, becherförmige Hauptelektrode 16 umgi* den von der eingestülpten Hauptelektrode 17 eingenommenen Raum praktisch ν ollständig und bildet mit der Elektrode 17 einen hehlen, zylindrischen, ringförmigen Spalt 26. Eine weitere Zündvorrichtung 27 weist eine Zündelektrode 28 auf, die der der Zündvorrichtung 23 ähnlich ist. Die Zündvorrichtung 27 wird in eine Öffnung 29 eingesetzt, die auf der Seite der Hauptelektrode 16 vorgesehen ist. Eine Stromzuführung 30 zu der Zündvorrichtung 27 ist durch eine öffnung 31 in der oberen Endplatte 12 hindurcngeführt und durch eine luftdichte Abdichtung aus dem Gehäuse 11 herausgeführt. In ähnlicher Weise erfolgt die Stromzuführung zu der Zündelektrode 25 durch eine Öffnung 33 In der unteren Endplatte 13 und durch eine Durchführung 34 hindurch.

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Wenn die Vakuumfunkenstrecke 10 in Betrieb ist., ist sie mit einem elektrischen Verbraucher je nach Pail in Reihe oder parallel geschaltet. Wenn die Vakuumfunkenstrecke 10 gezündet werden soll, wird von der Zündvorrichtung 23 oder 27 ein Plasmaimpuls in den Spalt 26 geschickt. Wenn die Vakuumfunkenstrecke 10 so angeordnet 1st, daß die Hauptelektrode 16 die Anode darstellt, injiziert die Zündvorrichtung 23 ein Plasma in die Zone der Lichtbogenbildung. Wenn die Hauptelektrode die Anode darstellt, wird die Zündvorrichtung 27 zum Zünden benutzt. Wenn das Zünden durch Injektion eines Plasmas aus Elektronen und Ionen in den Spalt zwischen den Elektroden elngebsttet ist, wird eine größere Anzahl kleiner Stromfäden zwis-chen den äußeren Teil 21 der Hauptelektrode 17 und der zylindrischen Hauptelektrode 16 gebildet. Die Entladung ist durch Pfeile A dargestellt. So entsteht ein Stromweg durch die Elektrodenhalterung 19 hindurch, aufwärts durch den inneren becherförmigen Teil 20, abwärts durch den äußeren zylindrischen Teil 21, quer durch den Funkenstreckenspalt durch den äußeren Teil der Hauptelektrode ±6 und durch die Elektrodenhalterung 18 hindurch.

Bei Vakuumfunkenstrecken der in Pig. I gezeigten Bauart,bei denen jedoch die innere Elektrode 17 nicht umgebogen und eingestülpt 1st, ergibt das azimutale Magnetfeld aufgrund der auf-

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wärfcs durch eine Elektrode und abwärts durch die andere Elektrode fließenden Ströme ein Magnetfeld B ♦ Dieses Magnetfeld würde in dem Funkenstreckenspalt vorhanden sein. D«r Strom an irgendeinem Punkt innerhalb des Funkenstreckenspaltes wird durch die Stromdichte dargestellt, die gleich J_R, der radialen Stromdichte ist. Bei derartigen Anordnungen beträgt die Kraft je Volumeneinheit des leitenden Mediums:

P a J_n χ B„

Diese Kraft ;.steht sowohl zu der Stromdichte als auch zu dem asimutalen Magnetfeld senkrecht. Bei einer Vorrichtung nach FlZ' 1» bei der Jedoch der eingestülpte Elektrodenabschnitt 20 nicht vorhanden ist, würde dadurch eine nach oben gerichtete Kraft gebildet, die dazu führen würde, daß die !deinen Lichtbögen aufwärts in Richtung auf die Punkte B getrieben würden, wo der Strom fokussiert würde und Anodenbrennflecke gebildet würden.

Nach der Erfindung ruft der Strom, der in dem äußeren Zylinder der Hauptelektrode 16 fließt, nach dem Ampere'sehen Gesetz kein resultierendes Magnetfeld Innerhalb dieses Zylinders hervor.

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Da de/ Lr. dem inneren Zylinder 20 der Hauptelektrode 17, aufwärts fließende Strom, praktisch gleich den In dta« äußeren Zylinder 21 der Hauptelektrode 17 abwärts fließende Strom ist, weist der Funkenstreckenspalt 26 praktisch kein resultierendes Magnetfeld aufgrund des in der Hauptelektrode 17 fließenden Stromes auf. Daher wirkt praktisch keine Kraft auf die kleinen Lichtbögen A in dem Funkensti^eckenspalt, und der Strom wird nicht fokussiert ₃ wenn nicht außerordentlich hohe Ströme erreicht v?erden. Dadurch wird die Bildung von Anodanbrennfleckan auf den Haupr.elektreden vermieden.

Es wurde eine er find ungs gemäße Vakuumfunkenstrectee gebaut, die praktisch der in Flg. 1 dargestellten Form entsprach, und Hauptelektroden 16 und 17 aus Kupfer aufwies.Das Gehäuse 10 war auf 10"° Torr evakuiert worden, die Außenelektrode 'i.6 besaß einen Durchmesser von ungefähr 15 cm und eine Länge von unge-

fähr 23 cm, und die Innenelektrode 17 besaß einen Außendürcnmesser von ungefähr 12 cm und eine Länge von ungefähr 20 cm. Die Breite des Funkenstreckenspaltes betrug ungefähr 1,6 cm. Mit diesem Schalter wurden wiederholt Ströme von 50.000 A geschaltet, ohne daß die Elektroden auch nur spurenweise schmolzen oder erodierten.

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F5.}v. 2 seipvt einen Länpsschnitt durch «Inen erfindungsgemäßen Valcu;;.mfunkenεkr*ckerteehalte?. Der Yakuümfun&enstreekenschalter kO visi.st sin iivakuisrbares Gehäuse 4i auf, das aus den Wandungen dar äußeren Elektrode 42 und der Inneren Elektrode "" gebildet wird. Die Innenelektrode 43 weist ein<n in der Mitte angeordneten eingestülpten Zylinder 44 ßowie einen konzentrisch darum herum angeorön-sten Eylinder 45 auf. Die Zylinder ^iJ und **5 sind am o'oaren Ende durch einen Kreisring '46 miteinander verbunden. Die Avftenelektrode '42 weißt ein flaches Endstück sowxe eine hohle, zylindrische Seitenwand 48 auf« Die Innenelektrode ¹O und die Außenelektrode 42 sind&trch eine ringförmige Glas-Metall-Verschmelaung 49 so miteinander verbunden, daß das evakuierbare Gehäuse 4i luftdicht verschlossen ist. Der elektrische Anschluß an die Elektrode 43 erfolgt über den Gewindebolzen 50, und der elektrische Anschluß an die Elektrode 42 entsprechend über einen Gewindebolzen 51« Eine elektrische Entladung zwischen der Innenelektrode 43 und der Außenelektrode 42 erfolgt über die Starterelektrode 52, die mit der Außenelektrode 42 in deren zylind rischer Seitenwand 48 elektrisch verbunden 1st. Die Hin- und Herbewegung zum Herstellen des Kontaktes zwischen den beiden Elektroden wird über einen Pederbalg 53 ermöglicht. Das Kontaktstück 54 der Starterelektrode 52 ist gekrümmt oder anderweitig so ausgebildet, daß es mit der äußeren zylindrischen Wand 45 der Elektrode 43 übereinstimmt.

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Es kann aber auch eine Anzahl kleiner Kontaktfinger vorgesehen werden, die verschiedene Abschnitte der Oberfläche der zylindrischen Wand 45 kontaktieren. Wenn eine andere Ausführungsform verwendet wird, bei der ein lacher Teil der Oberfläche 45 kontaktiert wird, kann bei 54 eine flache Scheibenelektrode verwendet werden. Wenn eine Spannung zwischen den Hauptelektroden 42 und 43 angelegt wird, wird die elektrische Entladung zwischen den Elektroden durch ein Abziehen der Kontaktelektrode von der Hauptelektrode ausgelöst. Hierzu wird die Starterelektrode nach außen gezogen, wie es durch den Pfeil 55 angedeutet ist. Die dazu benötigte Vorrichtung ist Jedoch nicht dargestellt. Wenn die elektrische Entladung durch öffnen der Starterelektrode $2 eingeleitet wird, wird zwischen der Starterelektrode, die üblicherweise aus einem warmfesten beständigen Material wie beispielsweise Wolfram, Molybdän oder dergleichen besteht, und der Seitenwand 45 der Innenelektrode ein Lichtbogen gezogen. Der Lichtbogen greift rasch auf die nahegelegenen Teile der Seite 48 der Hauptelektrode 42 über, und wegen dies hohen Dampfdrucks des als Elektrode verwendeten Werkstoffes (beispielsweise Kupfer, Kupfer-Berylliumlegierungen, Kupfer-Wismuthlegierungen und andere bekannte, für diesen Zweck geeignete Stoffe) wandert der Lichtbogen sehr schnell zu den Teilen der Elektrode 42, die als Quelle von Ladungsträgern für die Schaffung von zusätzlichem Plasma dienen können.

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Nachdem sich der Lichtbogen zwischen den vielen Punkten der Oberflächen der Hauptelektroden 42 und 43 ausgebreitet hat, wird der Ringraum 56 zwischen dem Teil 45 der Innenelektrode 43 und dem Teil 48 der Außenelektrode 42 der Funkenstreckenspalt« Wie bei der Vorrichtung nach Pig. I besteht aufgrund der zylindrischen Ausbildung der Elektrode 42 und der eingestülpten Form der Elektrode in dem Funkenstreckenspalt 56 praktisch kein Magnetfeld, und es wird praktisch keine Kraft auf die Ladungsträger ausgeübt, die sich von einer Elektrode zur anderen bewegen. Daher kann sich eine diffuse Leitung herausbilden, aber keine Einschnürung mit der damit verbundenen Bildung von Anodenbrennflecken.

Fig. 3 zeigt perspektivisch im Längsschnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei man von der kreisförmigen Symmetrie abgewichen 1st. Ein evakuierbares Gehäuse 60 weist eine Außenelektrode 61, eine Innenelektrode 62 und dazwischen einen Funkenstreckenspalt 68 auf, sowie eine Glas-Metallverschmelzung 63 zwischen den Elektroden. Eine Zündelektrode 64 1st in der Seltenwand 65 der Außenelektrode 61 vorgesehen. Eine weitere Zündelektrode 69 ist in dem Flansch 67 der Innenelektrode 62 angeordnet. Wenn die Elektrode 62 als Kathode benutzt werden soll, kann die Zündelektrode 69 verwendet

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werden. Wenn dagegen die Außenelektrode 6l als Kathode benutzt werden soll, kann die Zündelektrode 64 verwendet werden. Wenn Wechselspannung angelegt werden soll, kann beiden Zündelektroden 64 und 69 gleichzeitig ein Zündlmpula übermittelt werden, so daß ein Durchschlag zwischen den Elektroden 6l und 62 hervorgerufen wird.

Die Anordnung nach Fig. 3 kann auch als Vakuumschalter benutzt werden. Dazu müssen die Zündelektroden 64 und 69 entfernt werden, und es muß bei 64 eine Starterelektrode eingebaut werden, die der Starterelektrodenanordnung 52 aus Fig. 2 gleicht. Außerdem kann die Sc altvorrichtung nach Fig. 3 auch in einem Gehäuse nach Flg. 1 angeordnet werden.

Flg. 4 zeigt als Draufsicht die Elektrodenanordnung der Schaltvorsichtung nach Flg. 3. In Flg. 4 haben die Außenelektrode 61 und die Innenelektrode 62 eine lfingllche, halbzylindrische, teilweise parallele Form, und die Ecken sind abgerundet und die Wittelabschnitte planparallel. Der Punkenstreckenspalt 68 zwischen der Außen und der Innenelektrode 1st in dem Abschnitt am kleinsten, wo die Elektroden eben sind, so daß dort die Entladung zwischen den beiden Elektroden konzentriert wird. Wenn die Vorrichtung nach Fig. 3 und 4 als Vakuumschalter verwendet werden soll, ist es zweckmäßig, bei

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71 eine hin- und her'oewegbare Starterelektrode anzuordnen* um aen Durchschlag zwischen den Elektroden ßl und 62 auszulösen. Da die Elektrode in diesem Bereich eben 1st, kann genauso wie in der Schaltvorrichtung nach Fig. 2 ein flacher Zündkontakt verwendet werden. Wenn der Schalter als steuerbare VakuuBifunkenstrecke verwendet werden soll, können die Zündvorrichtungen bei 70, 71 und auch bei 72, 73 angeordnet werden.

Fig. 5 und 6 zeigen Schnitte durch erfindungsgemäße Schalter anderer Ausführungsformen, die Abwandlungen der Ausführungsform nach Pig. 4 sind. In der Ausführungsform nach Fig. 5 1st der Elektrodenquerschnitt rechteckig und in der Ausführungsform nach Fig. 5 elliptisch. In beiden Figuren wird ein Funkenetreckenspalt 68 von einer Außenelektrode 6l und einer Innenelektrode 62 begrenzt; der Funkenstreckenspalt ist zwischen den ebenen Elektrodenabschnitten verhältnismäßig schmal im Vergleich zu den Endzonen. Daher sind die elektrischen Entladungen aufgrund dee Satzes von der Erhaltung der Energie bei der Anordnung nach Fig. 5 auf das Gebiet zwischen der Außenelektrode 6l und der Innenelektrode 62 beschränkt, wo die Elektroden eben sind, weil ■ dort der Lichtbogen am kürzesten ist, und bei der Anordnung nach Fig. 7 auf die annähernd parallelen Bereiche der Elektroden. Beide Anordnungen erfüllen die Bedingung',.»daß der

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Lichtbogen nicht In die Enden hereinwandert, wo. er gebändelt werden und Brennflecke hervorrufen könnte, und daß der Abstand zwischen den Hauptelektroden in diesem Bereich sehr groß 1st, damit nach dem Satz von der Erhaltung der Energie jegliche elektrische Entladung zwischen den Elektroden in diesem Bereich verbindert wird.

In den Ausführungsbeispielen der Erfindung nach Flg. 1 bis 6 war die äußere Hauptelektrode ein Zylinder, und der Strom floß in Längsrichtung; daher ergab sich im Inneren kein resultierendes Magnetfeld/ Ferner war die Innenelektrode eingestülpt, so daß praktisch keine Kraft auf Ladungsträger in dem Funkenstrecken· spalt ausgeübt wurde. Der Grund hierfür ist , daß sich die Magnetfelder praktisch gegenseitig aufhoben, die durch die Streue hervorgerufen wurden, die im Außenteil der Hauptelektrode und Im konzentrisch dazu angeordneten Innenteil der Hauptelektrode flössen. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es möglich, die maxlmalemöglichen Nennströme steuerbarer Vakuuafunkenstreckenschalter oder von Vakuumschaltern etwa zu verdoppeln, ohne das Volumen oder die Abmessungen der Schalter insgesamt zu vergrößern. Nach diesem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Elektroden doppelt eingestülpt, d.h. nicht nor die Innenelektrode, sondern auch die Außenelektrode wird '

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eingestülpt. Dadurch wird die Fläche des Funkenstreckenspalt8 verdoppelt, so daß auch die Nennströme verdoppelt werden.

Fig. 7 zeigt einen Schalter, der nach diesem Merkmal der Erfindung aufgebaut ist. Ein steuerbarer Vakuumfunkens trecken ** schalter 80 weist eine innere, eingestülpte Hauptelektrode 81 auf, die wiederum ein flaches Endstück 82, einen Innenzylinder 83, einen Außenzylinder 84 und einen Kreisring 85 aufweist, der die Zylinder 83 und 84 am oberen Ende verbindet. Ein ringförmiger Flansch 86 erstreckt sich vom unteren Ende des Zylinders 84 aus nach außen. Eine weitere äußere Hauptelektrode 87 weist einen Außenzylinder 88 auf, von dessen Ende ein Flansch 89 nach außen abgeht, sowie einen Mittelzylinder 90 und einen umlaufenden flachen Abschnitt 91-, der die Oberkanten der Zylinder 88 und 90 miteinander verbindet. Die Elektrode 87 wird durch einen dritten Zylinder 92 vervollständigt, der ganz innen angeordnet und mit einer flachen Scheibe 93 verschlossen ist. Die Elektrode 87 wird über den Bolzen 94 und die Elektrode 8l über den Bolzen 95 elektrisch angeschlossen. Der Flansch 86 der Innenelektrode 81 1st mit dem Flansch 89 der Außenelektrode 87 durch e ine umlaufende Olasverschmelzung 96 vakuumdicht verbunden, so daß das Gehäuse auf beispielsweise 10**^ Torr evakuiert werden kann, und der Schalter als Vakuumschalter verwendet werden kann. Der Schalter 80 ist so aufgebaut, daß sich ein

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erster äußerer Funkenstreekenspalt 97 zwischen dem Außenzylinder 38 der äußeren Hauptelektrode 87 und dem Zylinder 81 der Inneren Hauptelektrode 81 ergibt. Ein zweiter Funkenetreckenspalt 98 besteht zwischen äew Zylinder 83 der inneren Hauptelektrode 8l und dem Zylinder 90 der äußeren Hauptelektrode 9*. Wie bei dem Schalter nach Fig. 1 fließt der Strom folgendermaßen durch die einzelnen Abschnitte der Hauptelektroden hindurch. In dem äußeren Zylinder 88 der äußeren eingestülpten Hauptelektrode 87 fließt der Strom beispielsweise aufwärts. Dann fließt der Strom in dem Zylinder 90 der äußeren Hauptelektrode 87 abwärts. In dem Zylinder 92 der gleichen Elektrode fließt er dann aufwärts. Nun fließt der Strom in der Innenelektrode 8l wie folgt: in dem Zylinder 83 aufwärts und in dem Zylinder 84 abwärts.

Wie bei dem Schalter nach Fig. 1 ruft der Strom» der In dem äußeren Teil 88 aufwärts fließt, nach dem Ampere'sehen Gesetz kein resultierendes Magnetfeld innerhalb des äußeren Teils 88 hervor. In ähnlicher Welse heben sich der In dem Zylinder 84 abwärts fließende Strom und der In dem Zylinder 83 aufwärts fliessende Strom praktisch auf, so daß das In dem äußeren Funkenstreckenspalt 97 resultierende Magnetfeld praktisch gleich Null ist. Aus dem gleichen Qrund ist das resultierende Magnetfeld in dem inneren Funkenstreckenspalt 98 praktisch gleich Null

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Es sei jedoch bemerkt, daß.sich die Magnetkräfte nicht genau in dem gleichen Maße aufheben und daß eine geringe Restkraft bestehen bleibt, die in dem Spalt 97 nach oben und in dem Spalt 98 nach unten gerichtetjlst. Die Leitfäden fokussieren sich in diesen Zonen jedoch nicht, da die Felder sehr schwach sind im Vergleich zu den S - i*oraleitwegen und da die Abstände zwischen der Innenelektrode 81 und der Außenelektrode 87 im oberen Bereich der Spalte wesentlich größer als die Abstände zwischen diesen bei- ™ den Elektroden im unteren Bereich sind. Daher wird aufgrund des Gesetzes von der Erhaltung der Energie sichergestellt, daß die Stromfäden nicht von irgendeiner Restkraft Y^ χ Wq vorwärts getrieben werden und an den oberen Enden der Funkenstreckenspalte fokussiert werden.

Wie bei dem Schalter nach Flg. 1 wird der- Stromf luß zwischen den Rauptelektroden 8l· und 87 des steuerbaren Vakuumfunkenstreckenschalter.8 3D dadurch eingeleitet, daß der Zündanord- μ nung 100 in dem Flansch 86 der Hauptelektrode 8l und der Zündanordnung 101 in der Seitenwand 88 der Hauptelektrode 87 ein elektrischer Zündimpuls zugeführt wird. Dadurch wird der Funkenetreckenechalter aus eine« nichtleitenden in den leitenden Zustand überführt. Diese Zündanordnungen sind praktisch die gleichen wie die in Fig. 1 und werden unter gleichen Bedingungen ausgelöst. Da der In Flg. 8 gezeigte Schalter doppelt einge-

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stülpte Elektroden und zwei koaxiale Funkenstreckenspalte aufweist, können, falls erwünscht, bei 102 und 105 zusätzliche Zündvorrichtungen vorgesehen werden. Diese Zündvorrichtungen währen von der gleichen Bauart wie die Zündvorrichtungen 101 und 102 und wären mit ihnen abwechselnd gepulst oder wenn mit Wechselspannung gearbeitet würde gleichseitig.

Wenn die Vorrichtung nach Pig. 7 als Vakuumschalter verwendet werden sol}, kann man die Zündvorrichtungen. 101 und 102 und geigeberienfalls 103 durch hin- und herbewegbjire Zündelektroden der in Flg.; 2 gezeigten Arteersetzen. FIg* 2 zeigt die Vorrichtung nach Fig. l zur Verwendung als Vakuumschalter. Wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 würden die Zündelektroden zunächst in Kontakt mit der Innenelektrode 81 gebracht, und durch das Zurückziehen der Zündelektroden würde ein Plasmaimpuls in den Funkenstreckenspalt eingeführt. Dadurch wurde ein einleitender Lichtbogen gezogen., und von der von dem Lichtbogen erfaßten Hauptelektrode würde Material verdampft und ionisiert. So würde eich die elektrische Entladung durch die Funkenstreckenspalte 97 und .98 ausbreiten, und es würde zwischen den Hauptelektroden 81 und 87 ein sehr hoher Strom fliegen, ohne daß sich irgendwo auf diesen Elektroden die Stromdichte erhöht. Da zwischen den Hauptelektroden 8l und 87 praktisch keine Kraft auf die einzelnen Stromfäden einwirkt, wird der Strom zwischen allen gegenüberliegenden

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parallelen Teilen der Hauptelektroden 81 und 87 geleitet, ohne daß die Stromfäden durch igendeine Kraft fokussiert würden. Diese Kraft wäre wiederum auf die Wechselwirkung des azimutalen Magnetfeldes und des radialen Stromes zurückzuführen. Es 1st praktisch kein azimutales Feld vorhanden, da die Magnetkräfte aufgrund der eingestülpten Bauart der Hauptelektroden 81 und 87 aufgehoben sind.

Nach der Erfindung kann die Vorrichtung 80 nach Fig. 7 auch abweichend von der kreisförmigen Symmetrie mit flachen Elektrodenplatten gebaut werden, wie es auch mit den Vorrichtungen nach Fig. 1 und 2 möglich ist, was in den Fig. 3 und 4 darges stellt 1st. Eine derartig abgewandelte Vorrichtung ist in Fig. 8 dargestellt.

Fig. 8 zeigt perspektivisch und im Längsschnitt eine steuerbare Vakuumfunkenstrecke 110 mit einer Inneren eingestülpten -Hauptelektrode 8l und einer äußeren eingestülpten Hauptelektrode 87* mit Seitenteilen 83, 84, 88 und 90 und Funkenstreckenspalten 97 und 98. Wie bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung sind die Hauptelektrodenteile 83, 84, 88 und 90 planparallel zueinander angeordnet, außer an den Enden, wo sie gekrümmt ausgebildet sind, so daß die Funkenstrecken dort viel breiter als in dem planparallelen Bereich sind. Dadurch wird die elektrische Ent-

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lac-mg zwischen nebeneinanderliegenden Abschnitten, der Hauptelektrode nach dem Satz von der Erhaltung der Luergle auf den planparallelen Bereich beschränkt; und die Stromfäden werden nicht in den Endzonen der Funkenstrecken fokussiert» so daß dort keine Anoden- oder Kathodenbrennflecken entstehen können.

Flg. 9 1st eine Draufsicht auf die abgewandelte Vorrichtung nach Flg. 8, die dort perspektivisch dargestellt 1st. Aus Flg. 9 1st ohne weiteres ersichtlich, daß die Endabschnitte der Funkenstreckenspalte 97 und 98 viel breiter als die planparallen Abschnitte der Funkenstreckenspalte sind. Dadurch wird das Fokussieren von Stromfäden verhindert. Fig. 10 zeigt eine abgewandelte Form der Vorrichtung nach Flg. 7, bei der die eingestülpten Elektroden nlhht verschlossen sind.

Die vorstehende Beeehreibungzelgt, daß der Erfindung der allgemeine Gedanke zugrundeliegt, Anodenbrennflecke in Vakuumfunkenstrecken beispielsweise steuerbaren Vakuurafunkenstrecken und Vakuumschaltern praktisch auszuschauten. Dieser Gedanke steht im Gegensatz zu der üblichen Maßnahne, daß man, wenn hohe Ströme mit derartigen Vorrichtungen geschaltet werden ' sollen, sioh mit der Tatsache abfindet, daß sich derartige Brennflecke bilden, urid daß .man verschieden« Verfahren anwendet, um den Lichtbogen wandern zu lausen, davit dl« Erosion und Zerstörung der Elektroden auf ein Mindestmaß herab- j gesetzt wird.

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Er findungs gemäß wird die Bildung von Ano d enb rennflecken beim Schalten höherer Ströme als bisher üblich dadurch vermieden,

daß die azimutalen Magnetfelder praktisch beseitigt werden, die auf Stromfäden wirken können, und zwar durch Verwendung eingestülpter Elektroden, so daß die äußeren Magnetfelder praktisch aufgehoben werden. Da also P= B₀ χ J_R , wird P auf ein Mindestmaß herabgesetzt, dadurch daß B_Q auf ein Mindest- g maß herabgesetzt wird. Erfindungsgemäß können eine oder beide

Elektroden derartig eingestülpt ausgebildet sein; das Ergebnis

ist praktisch das gleiche. Die Anordnung mit zwei eingestülpten

Elektroden wird jedoch wegen des höheren Stromes bevorzugt.

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Claims (1)

178 §"43

1. Vakuumfunkenstrecke für hohe Ströme, bei der keine Anoden* brennflecke gebildet werden, mit einem auf 10"^ Torr oder we~ nlger evakuierten Gehäuse, zwei darin, einander dicht gegenüber angeordneten Hauptelektroden für den Lichtbogen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektroden so angeordnet und so ausgebildet sind, daß das Magnetfeld zwischen den Hauptelektroden für eine derartige Wechselwirkung mit den Lichtbogenstrflmen zwischen den Hauptelektroden nicht ausreichend ist, durch die die Lichtbogenströme fokussiert und Anodenbrennflecke hoher Stromdichte erzeugt sind, daß Vorrichtungen zum Zünden des Lichtbogens zwischen den Hauptelektroden und zum Anschluß der Hauptelektroden an einen Verbraucher vorgesehen sind.

2. Vakuumfunkenstrecke naoh Anspruch 1, dadurch

g e k ennzeichnet , daß die Vakuumfunkenstrecke eine.steuerbare Vakuumfunkenstrecke 1st und daß die Vorrichtung zum Zünden des Lichtbogens mindestens eine Zündelektrode ist, durch die ein Plasma aus Elektronen und Ionen in die Funkenstrecke injizierbar ist.

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3· Vakuuinf unkens trecke nach Anspruch 1,- die als Vakuumfunkenstreckenschalter ausgebildet ist_v dadurch gek Vn nzeichnet , daß die Vorrichtung zum Zünden des Lichtbogens zwischen den Hauptelektroden eine Starterelektrcde ist, dia mit der einen Hauptelektrode in Verbindung steht und an die andere Hauptelektrode anlegbar und davon zurückziehbar 1st.

4. Vakuumfunkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch g eke nnzeichnet , daß wenigstens eine Hauptelektrode eingestülpt ausgebildet ist, so daß durch den Strom in dieser Elektrode praktisch kein resultierendes Magnetfeld in dem Funkenstreckenspalt erzeugt ist.

5· Vakuumfunkenstrecke nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet , daß eine Hauptelektrode ein ein gestülpter Zylinder ist, so daß von dem Strom in diesem ZyAnder

praktisch

außerhalb des Zylinders kein resultierendes azimutales Magnetfeld erzeugt ist.

6. Vakuumfunkenstrecke nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet , daß die andere Hauptelektrode ein hohler Zylinder ist, der die eingestülpte zylindrische Hauptelektrode umgibt, so daß der durch die andere Hauptelektrode

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fließende Strom kein Magnetfeld in dem Spalt «wischen den Elektroden erzeugt.

7· Vakuumfunkenetrecke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Teil der eingestülpten zylindrischen Hauptelektrode eine ebene Oberfläche aufweist und daß eine Starterelektrode mit der anderen Hauptelektrode elektrisch in Verbindung steht und eine ebene Oberfläche aufweist, so daß sie an die ebene Oberfläche der einen Haupte lektrode angelegt und davon zurückgezogen werden kann.

8. Vakuumfunkenstrecke nach Anspruch 4, dadurch gekennzelch net, daß beide Haupt elektroden eingestülpt ausgebildet sind, sodaß in der Funkenstrecke kein resultierendes Magnetfeld erzeugt 1st.

9. Vakuumfunkenstrecke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Strom in benachbarten Abschnitten der eingestülpten Elektrode in entgegengesetzten Richtungen fließt, so daß das von diesem Strom verursachte Magnetfeld außerhalb der benachbarten Abschnitte praktisch gleich Null ist.

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10. Vakuumfunkenstrecke nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Strom bei beiden eingestülpten Hauptelektroden in benachbarten Abschnitten der gleichen Elektrode in entgegengesetzte Richtungen fließt, so daß das von diesem Strom'hervorgerufene äußere Magnetfeld außerhalb der benachbarten Abschnitte praktisch gleich Null ist.

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