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Druckgasschalter
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Die Erfindung betrifft einen Druckgasschalter der im Oberbegriff des
Patentanspruches 1 genannten Art.
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Ein solcher Schalter ist beispielsweise aus der CH-PS 588.154 oder
aus dieser weitgehend entsprechenden DE-PS 2329 501 bekannt.
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Bei diesem bekannten Schalter ist das bewegliche, rohrförmige Kontaktstück
in einer rohrförmigen, am Pumpkolben auf dessen dem Pumpraum des Pumpzylinders abgekehrten
Seite angeformten Führungsnabe geführt. Diese Führungsnabe besitzt ebenfalls radial
durchgehende Oeffnungen, mit denen die Ausblasöffnungen erst im Zuge des Ausschalthubes
zur Fluchtung gelangen. Der Abstand der Ausblasöffnungen im beweglichen, rohrförmigen
Kontaktstück vom Boden des Pumpzylinders ist grösser als die Länge des Schalthubes.
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Daraus ergibt sich, dass die Ausblasbohrungen im beweglichen Kontaktstück
in Einschaltstellung auf alle Fälle und
auch an Anfang des Ausschalthubes
durch die Führungsnabe verschlossen bleiben.
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Erfolgt nun ein Ausschalthub, erfährt das im Pumpzylinder befindliche
Löschgas beim bekannten Schalter eine Vorkompression. Das im Inneren des beweglichen
Kontaktstückes befindliche Löschgas erfährt dagegen keine oder keine nennenswerte
Vorkompression solange der Schaltstift noch in das bewegliche Kontaktstück eingreift,
da die Verbindung zwischen dem Pumpraum und dem Inneren des beweglichen Kontaktstückes
unterbunden oder zumindest stark gedrosselt ist. Kurz bevor das bewegliche Kontaktstück
den Schaltstift verlässt, herrscht also ein Druckgefälle vom Pumpraum zum Inneren
des beweglichen Kontaktstückes hin. Sobald nun das bewegliche Kontaktstück den Kontaktstift
verlässt, zündet der Lichtbogen, der sofort eine erhebliche Drucksteigerung (und
Ionisierung) des Gases in der Blasdüse zur Folge hat. Solange nun die engste Stelle
der Blasdüse noch verschlossen ist, entsteht wegen des erwähnten Druckgefälles (und
auch wegen der erwähnten Drucksteigerung )ein kräftiger Gasstrom in das Innere des
beweglichen Kontaktstückes, bis die Drücke im Pumpzylinder und im beweglichen Kontaktstück
ausgeglichen sind. Damit geht aber auch ein Teil der Vorkompression verloren, die
erst dann voll zum Zuge kommen sollte, weiin die Blasdüse vom Kontaktstift freigegeben
wird.
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Darüber hinaus wird (zumindest solange, als die Blasdüse
noch
nicht freigegeben ist) ein Teil der durch den Lichtbogen hochgespannten und ionisierten
Gase zurück in die Blaskanäle und den vorderen Teil des Pumpraumes) gedrückt, so
dass nach der Freigabe der Blasdüse und damit der Abströmöglichkeit des Löschgases
zuerst noch während einer vergleichsweise längeren Zeitspanne erhitztes und ionisiertes
Gas durch die Blasdüse und durch das bewegliche Kontaktstück strömt, was einer raschen
Kühlung und Löschung des Lichtbogens abträglich ist.
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Bei diesem Stand der Technik ist ein Zweck der Erfindung darin zu
sehen, einen Druckgasschalter der genannten Art zu schaffen, bei dem auch im "kritischen"
Moment, nämlich dann, wenn das bewegliche Kontaktstück den Schaltstift verlassen
hat, die engste Stelle der Blasdüse jedoch noch vom Schaltstift verschlossen ist
und ionisierte Gase in den Pumpraum zurückgedrückt werden, diese in den hintern
Teil des Pumpraumes gedrängt werden und eine anschliessende Kühlung und Löschung
des Lichtbogens nicht behindern.
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Dieser Zweck wird beim vorgeschlagenen Schalter gemäss der Erfindung
dadurch erreicht, dass der Abstand der Ausblasöffnungen vom Boden des Pumpzylinders
geringer als die Länge des Schalthubes ist, während die Dicke des Pumpkolbens an
der vom beweglichen Kontaktstück durchsetzten Stelle etwa gleich gross ist, wie
das in Längsrichtung des beweglichen Kontaktstückes gemessene Mass der Ausblasöffnungen.
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Damit steht das Innere des beweglichen Kontaktstückes über die Ausblasöffnungen
in Einschaltstellung auf alle Fälle aber auch zu Beginn des Ausschalthubes in Verbindung
mit
dem Pumpraum, so dass das Löschgas sowohl im Pumpraum als auch
im beweglichen Kontaktstück in gleichem Masse vorkomprimiert wird. Im genannten
"kritischen" Moment steht der vom Lichtbogen ausgehenden Druckwelle sowohl im Pumpraum
als auch im Inneren des beweglichen Kontaktstückes praktisch der selbe Druck entgegen.
Dies insbesondere dann, wenn der Abstand der Ausblasöffnungen vom Boden des Pumpzylinders
etwa dem bis zum Erreichen der minimalen Löschdistanz zwischen dem Kontaktstift
und dem beweglichen Kontaktstück zurückzulegenden Teil des Schalthubes entspricht.
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Durch zusätzliche Massnahmen kann das unerwünschte Zurückdrängen der
heissen Gase in den vorderen Teil des Pumpraumes weiter gemhemmt werden. Dazu können
im Einlass der Blasdüse Mittel angeordnet sein, die eine Gasströmung von der engsten
Stelle der Blasdüse zum Pumpzylinder hin hemmen.
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Das nicht vollständig vermeidbare Eindringen der erhitzten und ionisierten
Gase in den hinteren Teil des Pumpraumes ist von geringer Bedeutung, da bei der
Löschung und Kühlung des Lichtbogens das im vorderen Teil des Pumpraumes liegende
kalte Löschgas durch die Löschanordnung gepresst wird.
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Weitere Merkmale bevorzugter Ausführungsformen sind den abhängigen
Patentansprüchen 4 - 7 zu entnehmen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung
näher beschrieben, in deren einzigen Figur ein Axialschnitt durch wesentliche Bestandteile
eines Druckgasschalters dargestellt sind, links in Einschalt-
Stellung,
rechts in jener Stellung des Ausschalthubes, wo die Schaltstrecke etwa der minimalen
Löschdistanz cntspricht.
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Die dargestellten Bestandteile des Druckgasschalters 10 sind in einem
nicht gezeigten und mit einem Löschgas (beispielsweise SF6) unter Druck gefüllten
Gehäuse angeordnet.
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Die beweglichen Bestandteile, die mit einer von rechts oben nach links
unten verlaufenden Schraffur gekennzeichnet
sind, umfassen ein
langgestrecktes, rohrförmiges Kontaktstück 11, dessen freies Ende durch einen Kranz
federnder Kontaktfinger 12 gebildet ist. Das Kontaktstück 11 weist eine axiale Bohrung
13 auf, die sich bis zum oberen, kegelförmigen Ende eines eingepressten Stopfen
14 erstreckt.
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Die kegelige Endfläche 15 dieses Stopfens 14 dient, wie sich noch
zeigen wird, als Leitfläche für das durch das Kontaktstück 11 in axialer Richtung
strömende Gas, so dass dieses zu im Kontaktstück 11 im Abstand von den Kontaktfingern
12 ausgebildete Ausblasöffnungen 16 und durch diese hindurch geleitet wird. Das
untere Ende des Kontaktstückes 11 ist an einen Antrieb (nicht gezeigt) gekoppelt,
der dieses zusammen mit dem mitbeweglichen Bestandteil in axialer Richtung zur Ausführung
der Schalthübe verschiebt.
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Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, erstreckt sich das Kontaktstück
11 durch einen mitbeweglichen und mit Durchlässen 17 versehenen Boden 18 eines Pumpzylinders
19 aus Metall, der auf einem auf einem Stützrohr 20 ortsfest abgestützten Pumpkolben
21 verschiebbar ist. Der Pumpzylinder 19 umschliesst somit zwischen seinem Boden
18 und dem Pumz kolben 21 einen Pumpraum 22. Der mit einem Ansaugventil 23 versehene
Pumpkolben 21 besitzt in seiner Mitte eine kurze Führungsnabe 24 mit einer Führungsbohrung
25, in der das Kontaktstück 11 dichtend jedoch verschiebbar geführt ist. Am unteren
Ende des Pumpzylinders 19 ist ein Kranz federnder Leitkontakte 26 montiert, die
an der äusseren Mantel fläche des ebenfalls leitenden Stützrohres 20 an-
greifen.
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Auf der dem Pumpraum 22 abgekehrten Seite ist auf dem Boden 18 mittels
eines Sprengringes 28 eine Blasdüse 27 aus einem Isolierstoff montiert, deren Düsenraum
in einen mantelförmigen, mit den Durchlässen 17 in Verbindung stehenden Einlassabschnitt
29, in eine daran anschliessende engste Stelle 30 und daraufhin in einen difusorartig
sich erweiternden Auslass 31 gegliedert ist. An der dem Pumpraum 22 abgekehrten
Seite ist ferner auf dem Boden 18 ein die Blasdüse 27 umgebender Kranz von Leistungs-
Kontaktfedern 32 montiert, die ihrerseits von einer elektrischen Haube 33 (zur Vergleichmässigung
des elektrischen Feldes) umgeben sind.
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Die Leistungs - Kontaktfedern 32, die bezüglich der Kontaktfinger
12 zurückversetzt angeordnet sind, greifen in Einschaltstellung (Zeichnung links)
an der äusseren Mantelfläche eines festen Kontaktrohres 34 an. Dieses Kontaktrohr
34 umgibt einen darin koaxial angeordneten, rohrförmigen, festen Kontaktstift 35,
dessen Aussendurchmesser im wesentlichen dem Innendurchmesser der engsten Stelle
30 in der Blasdüse 27 entspricht und in Einschaltstellung in den Kranz der Kontaktfinger
12 eingreift. Das freie Ende 36 des Kontaktstiftes 35 steht über das Ende des Kontaktrohres
34 vor, so dass im Zuge des Ausschalthubes zuerst die Kontaktfedern 32 ausser Eingriff
mit dem Kontaktrohr 34 und erst danach die Kontaktfinger 12 ausser
Eingriff
mit dem Kontaktstift 35 gelangen, der seinerseits am Anfang des Ausschalthubes die
Blasdüse 27 verschlossen hält.
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Die radial innere Wand des-mantelförmigen Einlassabschnittes 29 in
der Blasdüse 27 ist durch eine Hülse 37 gebildet, die ihrerseits den Kranz der Kontaktfinger
12 umgibt.
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Damit ist der Einlassabschnitt im wesentlichen durch glatte Wände
begrenzt, die die Ausbildung einer Gasströmung begünstigen. In diesem Einlassabschnitt
sind vorteilhaft Einbauten angeordnet, die eine Rückströmung, d.h. eine Strömung
von der engsten Stelle 30 zurück zu den Durchlässen 17 und damit in den Pumpraum
22 hemmen. Diese Einbauten können, wie in der Zeichnung links dargestellt, durch
geneigte Ventilzungen 38 gebildet sein, die mit ihren unteren Enden an der Hülse
37 befestigt sind und mit ihrem oberen Ende an der äusseren Innenwand des Einlassabschnittes
29 federnd und abhebbar anliegen.
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Die Einbauten können aber auch durch im Querschnitt keilförmige Ringe
39 (in der Zeichnung rechts) gebildet sein, die so an der äusseren Innenwand des
Einlassabschnittes 29 und/oder an der Aussenwand der Hülse 37 befestigt sind, dass
die Spitze ihres Querschnittes zu den Durchlässen 17 hin weist. Durch die Ventilzungen
38 (die eine Art Flatterventil bilden) und/oder durch die Ringe 39 wird auf alle
Fälle eine Gasströmung zu den Durchlässen 17 hin stärker gehemmt als eine Gasströmung
von den Durchlässen 17 zu der engsten Stelle 30 hin.
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Die Länge des Schalthubes entspricht etwa dem lichten Abstand zwischen
dem Kolben 21 und dem Boden 18 in Einschaltstellung des Schalters (Zeichnung links)
und ist mit dem Masspfeil 40 angedeutet. Der (konstantbleibende) Abstand der Ausblasöffnungen
16 vom Boden 18 ist kleiner als die Länge des Schalthubes 40 und ist mit dem Masspfeil
41 angegeben. Das in Längsrichtung des Kontaktstückes 11 gemessene Mass der Ausblasöffnungen
16 ist mit dem Masspfeil 42 angegeben und entspricht etwa der Länge der Führungsbohrung
25 (Masspfeil 43) im Kolben 21.
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Durch diese Massnahmen wird erreicht, dass in Einschaltstellung und
zu Beginn des Ausschalthubes der Pumpraum 22 über die Ausblasöffnungen 16 stets
in Strömungsverbindung mit dem Innenraum 44 des Kontaktstückes 11 bleibt. Während
des Ausschalthubes herrscht also so lange derselbe Druck im Pumpraum 22 und im Innenraum
44, als die Ausblasöffnungen 16 noch nicht durch die Führungsbohrung 25 hindurchgetreten
sind. Dieser Druckausgleich erfolgt zunächst in der Vorkompressions- Phase, nämlich
so lange als der Kontaktstift 35 noch mit den Kontaktfingern 12 in Eingriff steht
(bis dahin entsteht kein Lichtbogen), aber auch unmittelbar danach, nämlich so lange
als der Kontaktstift 35 noch die engste Stelle 30 verschlossen hält. Dann hat der
Lichtbogen 45 bereits gezündet,und der von diesem ausgehende Druckstoss kann sich
dank der Ventilzungen 38 bzw.
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der Ringe 39 nur gehemmt in Richtung auf die Durchlässe 17 ausbreiten,
jedoch ungehemmt in Richtung zu den Aus-
blasöffnungen 16 hin,
von wo er sich zunächst in der Nähe des Kolbens 21, also an der von den Durchlässen
17 entferntesten Stelle in den Pumpraum 22 fortpflanzt und damit für eine (erwünschte)
Druckerhöhung im Pumpraum 22 sorgt.
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Sobald aber der Ausschalthub einen etwa der minimalen Löschdistanz
entsprechenden Weg (Masspfeil 40'oder 48)zurückgelegt hat (in der Zeichnung rechts
bzw.links dargestellt),sind die Ausblasöffnungen 16 durch die Führungsbohrung 25
hindurchgetreten,und somit ist der Innenraum 44 mit einem vom Stützrohr 20 umgebenen
Ausblasraum 46 verbunden, in dem keine Druckerhöhung stattgefunden hat. Schon zuvor
ist aber der Lichtbogen 45 auch durch die vom Kontaktstift 35 vor Erreichen der
minimalen Löschdistanz freigegebene Blasdüse 27 hindurch beblasen worden, wobei
die erhitzten Löschgase, soweit sie die engste Stelle 30 passiert haben, teils durch
den Schaltstift 35 hindurch und teils in einen vom Kontaktrohr 34 umschlossenen
Ausblasraum 47 abströmen.
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Beim beschriebenen Druckgasschalter ist somit Gewähr dafür geboten,
dass kein Verlust an vorkomprimiertem Löschgas eintritt, wenn die Kontaktfinger
12 den Schaltstift 35 verlassen, und ausserdem dafür, dass gerade in der Anfangsphase
des Ausschalthubes möglichst wenig erhitzte und ionisierte Gase durch die Durchlässe
17 direkt in den Pumpraum 22 zurückverdrängt werden, so dass im Bereich
der
Durchlässe 17 stets "unverseuchtes" Löschgas zur Beblasung des Bogens 45 zur Verfügung
steht.