EP1059650B1

EP1059650B1 - Vakuumkammer

Info

Publication number: EP1059650B1
Application number: EP00111230A
Authority: EP
Inventors: Markus Dr.-Ing. Heimbach; Dietmar Dipl.-Ing. Gentsch
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2004-04-21
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: EP1059650A2; EP1059650A3; US6308857B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumkammer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Vakuumkammern sind üblicherweise in einer Schaltanlage eingesetzt, deren Gas, Luft oder Isoliergas, normalerweise unter Atmosphärendruck steht. Demgemäß sind der Isolierzylinder, die Deckel und der Faltenbalg festigkeitsmäßig auf Atmosphärendruck ausgelegt.

Aus der US 5 222 651 ist eine solche Vakuumkammer bekannt, deren Deckel unter Zwischenfügung eines Stützrings am Isolierzylinder festgelötet sind.

Nun sind Fälle denkbar, in denen eine Vakuumkammer in einer Schaltanlage eingebaut ist, deren Druck deutlich erhöht ist, beispielsweise bis zu ca. 25 bar, was zur Folge hat, daß sowohl der Isolierzylinder, die Deckel sowie die Befestigungsstellen der Deckel am Isolierzylinder und der Faltenbalg so ausgelegt sein müssen, daß sie diesem Druck standhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, die für diesen hohen Druck von ca. 25 bar ausgelegt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1.

Bei der Auslegung der Vakuumkammer sind einige spezielle Stellen von Bedeutung.

Zunächst ist der Deckel druckfest auszugestalten und darüber hinaus sind spannungskompensierende Ausführungen der Deckel-/Keramikverbindung vorzusehen. Bei der Konstruktion der Deckel ist lediglich der Dimensionierung Rechnung zu tragen; an dem Übergang zwischen dem Deckel zur Keramik sind Maßnahmen zu treffen, wie sie im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dargestellt sind. Darüber hinaus ist wegen des erhöhten Druckes auch dem Abdichtelement zwischen dem Deckel und dem beweglichen Kontaktstengel besondere Bedeutung beizumessen.

In zweckmäßiger Weise ist das Abdichtelement ein wenigstens einlagiger Faltenbalg. Bei mehrlagigem Faltenbalg ist dafür zu sorgen, daß in den Zwischenraum zwischen den einzelnen Faltenbalglagen kein Gas aus der Schaltanlage eindringen kann, was dadurch erreicht wird, daß die Fugen zwischen den Faltenbalglagen gas- bzw. vakuumdicht verschweißt sind.

Das Abdichtelement kann darüber hinaus auch mehrere kegelstumpfförmige, tellerfederpaketartig zueinander angeordnete Ringe umfassen, die an den sich berührenden Enden miteinander vakuum- oder gasdicht verschlossen, insbesondere verschweißt sind. Die Ringe können dabei ein- oder mehrlagig ausgebildet sein.

Es besteht weiterhin auch die Möglichkeit, das Abdichtelement als Membrandeckel auszubilden, der wenigstens eine Membranlage aufweist, dessen Innen- und Außenränder bei mehrlagiger Ausführung vakuum- oder gasdicht miteinander und mit dem Deckel und dem beweglichen Kontaktstengel verschweißt sind.

Weiterhin ist gemäß Anspruch 6 auch dafür zu sorgen, daß die Länge des Abschnittes des Randes, der die dünnere Wandstärke aufweist, so bemessen ist, daß er axiale (Knick- oder Beul-)Kräfte und radiale Kräfte aufnimmt.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung kann der Stützring einen L-förmigen Querschnitt aufweisen, dessen radialer Steg zwischen dem Rand und der Stirnfläche des Isolierzylinders und dessen axialer Steg parallel zu und neben dem Rand verläuft, wo bei in den Spalt zwischen dem axialen Steg und der Innenfläche des Randes Lot eingefüllt ist.

Am Stützring kann gleichzeitig auch ein Schirm angebracht sein, der das Abdichtelement abschirmt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Stützring aus Kupfer.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der Deckel aus Stahl bestehen; es besteht aber auch die Möglichkeit, daß ein Deckel vorgesehen ist, der teilweise aus Keramik gebildet ist, an dem ein napfförmiges Deckelteil aus Stahl angeschlossen ist.

Die Form dieses keramischen Deckelabschnittes geht aus den Merkmalen des Anspruches 16 hervor. Er kann dabei getrennt von dem Isolierzylinder an diesem befestigt sein oder er kann auch am Isolierzylinder angeformt sein.

Die Formen des Isolierzylinders sind so auszubilden und zu bemessen, daß sie eine ausreichende Festigkeit aufweisen. Zu diesem Zweck kann in an sich bekannter Weise der Keramikzylinder an seinen beiden Enden jeweils einen nach innen gezogenen Bogen aufweisen; es besteht auch die Möglichkeit, den Keramikkörper insgesamt etwas bauchig auszubilden und weitere an sich bekannte Formen vorzusehen.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1: eine Schnittansicht durch eine erhöhtem Druck ausgesetzte Vakuumkammer,
Fig. 2 und 3: unterschiedliche Ausgestaltungen der Verbindung zwischen Deckel und Keramikzylinder,
Fig. 4 bis 6: unterschiedliche Ausgestaltungen von Abdichtelementen, und
Fig. 7: eine weitere Ausführungsform eines Deckels.

Die Vakuumkammer, die in Fig. 1 nur teilweise im Querschnitt dargestellt ist, besitzt einen Isolierzylinder 10, der aus zwei Keramikzylindern 11 und 12 zusammengesetzt ist, die einen Träger 13 zwischen sich nehmen, an dem ein im Inneren der Vakuumkammer befindlicher Schirm 14 angebracht ist. Allerdings ist die Erfindung nicht auf solche Bauformen beschränkt.

Sie besitzt weiterhin einen beweglichen Kontaktstengel 15, an dem ein nicht näher dargestelltes bewegliches Kontaktstück befestigt ist. An den freien Enden der Keramikzylinder 11 und 12 schließen Deckel an, von denen nur der Deckel 16 zum Verschließen des Keramikzylinders 11 gezeichnet ist. Der Deckel 16 ist napfförmig ausgebildet und besitzt einen Deckelboden 17, an den sich ein zylindrischer Wandabschnitt 18 anschließt, an dessen freiem Ende ein Abschnitt 19 mit im Vergleich zum übrigen Deckel verringerter Wandstärke angeordnet ist. Die Länge dieses Abschnittes 19 mit geringerer Wandstärke beträgt I. Der Grund für diese Verringerung der Wandstärke liegt darin, daß der Deckel 16 gemäß der in der Zeichnung dargestellten Ausführung aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht, die oberhalb einer bestimmten Temperatur einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der sich erheblich von dem der Keramik unterscheidet. Die Wandstärke muß einerseits so bemessen sein, daß eine axiale Kraft nicht zum Knicken oder Ausbeulen des Abschnittes 19 führt, andererseits muß aber gewährleistet sein, daß eine ausreichende Elastizität zwischen dem Deckel 16 und der Isolierkeramik 11 erreicht wird, damit ein Bruch der Keramik aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen von Keramik und dem Deckelmaterial beim Lötvorgang, der oberhalb jener besagten Temperatur durchgeführt wird, verhindert ist.

In zweckmäßiger Weise ordnet man dem Abschnitt 19 einen Stützring 20 zu, der einen radialen Abschnitt 21 aufweist, der zwischen dem Abschnitt 19 und der Stirnseite des Keramikzylinders 11 angeordnet ist. An diesen Steg 21 schließt sich ein zum Deckelboden 17 hin axial verlaufender Steg 22 an, wobei zwischen der Innenfläche des Wandabschnittes 18 und dem Steg 22 ein umlaufender Spalt 23 gebildet ist, der während des Lötvorganges mit Lot 24 ausgefüllt wird, so daß sich nach Abkühlung dort zwischen dem Wandabschnitt 18, auch Rand 18 genannt, und dem Steg 22 eine Abstützung ergibt. Die axiale Länge des Steges 22 ist geringer als die axiale Länge des Abschnittes 19 mit verringerter Wandstärke, wodurch einerseits eine optimale Stützwirkung und andererseits eine günstige Ausbiegbarkeit erzielt ist, um eine Verformung des Deckels 16 durch zu hohe Außenbelastung und einen Bruch der Keramik bei der Abkühlung zu verhindern.

An den Steg 22 schließt sich einerseits ein nach innen gerichteter radialer Abschnitt 25 und ein axialer Abschnitt 26 an, der vom Deckelboden 17 wegweist, wodurch ein Abschirmelement gebildet ist. Das freie Ende des radialen Abschnittes 26 ist nach außen L- bzw. U-förmig ausgebogen und bewirkt dadurch eine Steuerung des elektrischen Feldes.

Der Deckel 16 besitzt einen Durchbruch 30, an dem das eine Ende 31 eines aus zwei Lagen 32 und 33 zusammengesetzten Faltenbalges 34 anschließt; der Faltenbalg 34 wird einerseits vakuumdicht am Deckel 16 angeschlossen und andererseits werden die beiden Lagen 32, 33 an ihren Enden vakuumdicht miteinander verschweißt, so daß auch verhindert wird, daß innerhalb des Schaltanlagengehäuses befindliches Gas zwischen die Lagen eindringen kann. Das innere Ende des Faltenbalges 34 ist in nicht näher dargestellter Weise mit dem Kontaktstengel 15 vakuumdicht verbunden.

Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausgestaltung des Deckels 40. An dem Keramikzylinder 11 ist eine Stützplatte 41 angelötet, die radial verläuft und gegen diese Stützplatte 41 ist das freie Ende des Randabschnittes 42 des Deckels 40 angelötet, wobei der Stützring durch hohlkehlartig gestaltetes Lot 43,44 ausgebildet ist, die zu einer Verstärkung im Bereich des Anschlusses an der Stützplatte 41 beitragen. Der Rand 40 besitzt einen Abschnitt 45 mit verringerter Wandstärke, der dem Abschnitt 19 des Deckels 16 entspricht; die axiale Länge dieses Abschnittes 45 ist auch hier mit I bezeichnet. An der Scheibe 41 oder Platte 41 können Einbauten innerhalb der Vakuumkammer befestigt werden.
Weiterhin kann der freie Rand des Deckels unter Zwischenfügung einer zu dem Stützring zusätzlichen radial verlaufenden Ringplatte aus Kupfer befestigt sein.

Die Anordnung gemäß den Fig. 1 und Fig. 2 ist bevorzugt für einen Druck ausgelegt, der gegenüber dem Atmosphärendruck erhöht ist.

In gleicher Weise ist auch bei der Ausführung nach Fig. 3 eine erhöhte Druckbelastung möglich, was - in gleicher Ausführung wie bei der Ausgestaltung nach Fig. 2 - durch das kehlartig hochgezogene Lot bewirkt wird, welches auch hier die Bezugsziffern 43 und 44 aufweist, um darzustellen, daß bei der Anordnung nach Fig. 3 die gleiche Wirkung erzielt wird wie bei der Anordnung nach Fig. 2. Bei der Ausführung nach Fig. 3 fehlt die Platte 41.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen des Abdichtelementes zwischen Deckel und beweglichem Kontaktstengel. Die Fig. 4 zeigt eine Faltenbalganordnung 50, die aus drei Faltenbalglagen 51, 52 und 53 zusammengesetzt ist, die an dem Ende 54, mit dem sie am Deckel befestigt sind ebenso wie an dem Ende 55, mit dem sie am beweglichen Kontaktstengel anschließen, mittels einer Schweißnaht 56 und 57 vakuumdicht verschlossen sind, so daß verhindert ist, daß Gas ins Innere zwischen die Lagen 51 bis 53 hineingelangt. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, die Enden 54 und 55 zu verlöten und dann die Faltenbalganordnung in einem Verfahrensschritt mit dem Deckel und mit dem beweglichen Kontaktstengel zu verlöten.

Der Balg gemäß Fig. 5 ist eine Art Faltenbalg, der aus mehreren Ringteilen 60, 61 .62 und 63 zusammengesetzt ist, die tellerfederpaketartig einander zugeordnet sind, wobei die einzelnen Abschnitte 60 bis 63 kegelstumpfförmig sind und jeweils mit den äußeren Kanten und den inneren Kanten bei 60a, 60b, 61a, 62a wechselweise miteinander vakuumdicht verbunden sind. Bei der Ausführung nach Fig. 5 sind die Ringanordnungen 60 bis 63 dreilagig und besitzen je eine Lage 64, 65 und 66 bzw. 67, 68 und 69....

Die Ausführung gemäß Fig. 6 zeigt ein membranartiges Abdichtelement 70, das radial wellenförmig ausgebildet und ausgerichtet ist und auch hier aus drei Lagen 71, 72 und 73 zusammengesetzt ist, die an ihrem äußeren Rand bei 74 und am Innenrand bei 75 vakuumdicht miteinander verbunden sind.

In den Fig. 4 bis 6 sind jeweils drei Lagen dargestellt; es besteht natürlich auch die Möglichkeit, bei allen Ausführungen nur zwei Lagen zu verwenden oder mehr als drei.

Die Vakuumkammer gemäß Fig. 7 besitzt unter anderem einen Isolierzylinder 80 aus Keramik, an dessen freiem Ende ein kegelstumpfartiger Deckelabschnitt 81 anschließt, an dessem inneren Ende der Deckelabschnitt 81 einen radial verlaufenden Abschnitt 82 besitzt, auf dessen Außenseite ein napfförmiger Deckel 83 anschließt. Der Dekkelabschnitt 81 kann dabei mit dem Isolierzylinder 80 einstückig ausgebildet sein.

Claims

Vakuumkammer mit wenigstens einem Isolierzylinder (11) aus Keramik, dessen Stimenden mittels je eines Deckels (16, 40) verschlossen sind, mit einem an einem beweglichen Kontaktstengel (15) angebrachten beweglichen Kontaktstück und mit einem an einem feststehenden Kontaktstengel angebrachten feststehenden Kontaktstück, die jeweils die Deckel (16, 40) durchgreifen, und mit einem zwischen dem einen Deckel (16, 40) und dem beweglichen Kontaktstengel (15) befestigten, eine Bewegung des Kontaktstengels (15) zulassenden vakuumdichten Abdichtelement (34, 50, 60, 70), wobei die Deckel (16, 40) am jeweiligen Stirnende des benachbarten Isolierzylinders (11) unter Zwischenfügung wenigstens eines Stützringes (20) festgelötet sind
und das Abdichtelement (34, 50, 60, 70) am Deckel (16) und am Kontaktstengel (15) befestigt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckel (16, 40) napfförmig ausgebildet sind und einen gegenüber dem übrigen Bereich dünneren freien Rand (19, 45) aufweisen,
und dass das Abdichtelement (34, 50, 60, 70) zwei oder mehr Lagen besitzt,
die wenigstens an ihren freien Enden vakuumdicht miteinander und mit dem Deckel (16, 40) beziehungsweise Kontaktstengel (15) verbunden, insbesondere verschweißt sind.
Vakuumkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdichtelement ein mindestens zweilagiger Faltenbalg (50) ist.
Vakuumkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdichtelement eine mindestens zweilagige Membran (70) ist.
Vakuumkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdichtelement aus wenigstens zwei tellerfederartig einander zugeordneten kegelstumpfförmigen Membranen (64, 65, 66; 67, 68, 69; ) zusammengesetzt ist, die jeweils zwei- und mehrlagig sind und an den Stellen, an denen sich die einzelnen Membranen berühren, miteinander vakuumdicht verschweißt sind.
Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring einen Abschnitt (20) aufweist, der in geringem Abstand parallel zur Innenfläche des Randes verläuft, so daß zwischen beiden ein zylindrischer Spalt (23) gebildet ist, der mit Lot ausgefüllt ist.
Vakuumkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (I) des Abschnittes (19) des Randes, der die dünnere Wandstärke aufweist, so bemessen ist, daß er axiale Knick- oder Beulkräfte und radiale Kräfte aufnimmt, jedoch eine ausreichende Elastizität zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmedehnungen von Deckel (16, 40) und Keramik (11) aufweist.
Vakuumkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring einen L-förmigen Querschnitt aufweist, dessen radialer Steg (21) zwischen dem freien Rand des Deckels (16) und der Stirnfläche des Isolierzylinders (11) und dessen axialer Steg (22) parallel zu und neben der Innenfläche des Randabschnittes (19) verläuft.
Vakuumkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Stützring (20) ein Schirm (26) angebracht ist, der parallel zum Abdichtelement (34) verläuft.
Vakuumkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring und der Schirm einstückig sind.
Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring durch hohlkehlartig gestaltetes Lot (43, 44) zwischen der Innen- und/oder Außenfläche des Randes des Deckels (40) und der Stirnkante des Isolierzylinders angeordnet und ausgebildet ist, wobei das Lot einen zur Aufnahme von Druckkräfte ausreichenden Bereich der Außen- bzw. Innenfläche des Wandabschnittes (19) überdeckt.
Vakuumkammer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Rand des Deckels über den Stützring unmittelbar auf die Stirnkante des Isolierzylinders (11) aufgelötet ist.
Vakuumkammer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Rand des Deckels unter Zwischenfügung einer zu dem Stützring zusätzlichen radial verlaufenden Ringplatte aus Kupfer befestigt ist.
Vakuumkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ring platte ins Innere der Vakuumkammer ragt und zur Halterung weiterer Komponenten, beispielsweise eines Schirms, dient.
Vakuumkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel aus Stahl besteht.
Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring aus Kupfer besteht.
Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Deckel vorgesehen ist, der teilweise aus Keramik gebildet ist, an dem ein napfförmiger Deckelteil aus Stahl angeschlossen ist.
Vakuumkammer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Deckelabschnitt kegelstumpf- oder bogenförmig ausgebildet ist, an dessen Rand mit geringerem Durchmesser ein radialer Abschnitt anschließt, an dem der Deckelabschnitt aus Metall befestigt ist.
Vakuumkammer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Deckelabschnitt am Isolierzylinder angeformt ist.