EP0574058B1

EP0574058B1 - Relais

Info

Publication number: EP0574058B1
Application number: EP93201385A
Authority: EP
Inventors: Werner Dr. Johler; Werner Kälin
Original assignee: Alcatel STR AG
Current assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Priority date: 1992-06-11
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 1996-06-12
Anticipated expiration: 2013-05-14
Also published as: ATE139367T1; US5554963A; DE59302884D1; ES2090845T3; JPH0652769A; EP0574058A2; CA2098145A1; CH683727A5; EP0574058A3

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet gekapselter Schalter und betrifft gasgefüllte, gekapselte Relais, insbesondere ein kunststoffgekapseltes Relais für die Montage auf Druckschaltungsplatten.
Entwicklungen im Relaisbau zielen unter anderem darauf ab, die Effizienz zu erhöhen und damit entweder die Baugrösse zu verringern oder die elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Bekannt ist die markante Volumenreduktion für gekapselte Hoch- und Höchstspannungsanlagen, die praktisch nur durch Füllen der gekapselten Gehäuse mit einem elektronegativen Gas, z. B. SF₆, realisierbar sind. Dabei wird zur weiteren Erhöhung der Spannungsfestigkeit mit einem gegenüber dem Atmosphärendruck erhöhten Druck gearbeitet und allfällige Leckverluste werden durch Nachfüllen ergänzt. Die mit dem erhöhten Druck einhergehende Einschränkung der unteren Betriebstemperatur wegen der erhöhten Verdampfungstemperatur des Füllgases spielt dabei keine wesentliche Rolle, da solche Anlagen meist in Räumen mit genügend hoher Minimaltemperatur betrieben werden.
Bei allen aus dem Stande der Technik bekannten Anlagen, bei welchen zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit die gekapselten Gehäuse mit einem elektronegativen Gas gefüllt sind, werden entweder allfällige Leckverluste der Kapselungen ausgeglichen oder hermetisch verschlossene, praktisch leckfreie Metall-Glas-Kapselungen verwendet.
Ein Beispiel für ein Relais der ersten Art ist in der US-A-4168480 offenbart. Das Relaisgehäuse besteht aus einem dickwandigen, transparenten Kunststoff, der auch unter Fluoreinwirkung nicht trübt. Der Gehäuseboden trägt den Magnetkreis und ist mit dem Gehäuse dicht, aber lösbar verschraubt. Das Relais lässt sich für Unterhalt und Reparaturen öffnen und wieder verschliessen. Es ist mit SF₆ unter einem Druck von mehreren bar gefüllt und eignet sich für den Einsatz als Hochspannungsrelais bei hohen Temperaturen.
Diese Kategorie der Kapselung ist jedoch bei einem kunststoffgekapselten Relais, das kostengünstig herstellbar, ein kleines Volumen aufweisen und z.B. auf Druckschaltungsplatten eingebaut werden soll, nicht realisierbar; ebensowenig kommt ein Ausgleich von Leckverlusten in Frage. Für kostengünstige Relais für Druckschaltungsplatten kann lediglich ein dicht verschlossenes Kunststoffgehäuse vorgesehen werden.
Die JP-A-1267921 zeigt ein Relais für Druckschaltungsplatten mit einem Kunststoffgehäuse und erwähnt eine Füllung mit ionisiertem Hexafluorid mit einem Druck von 2 bar. Sie enthält allerdings keine Angaben über die Art der Dichtigkeit bzw. darüber, wie der hohe Druck über die Lebensdauer des Relais im Betrieb aufrecht erhalten werden soll.
Kunststoffgekapselte Relais für Druckschaltungsplatten sind bekannt, auch solche mit Gasfüllung, wobei zur Erhöhung der Kontakt zuverlässigkeit meist ein Inertgas verwendet wird, das über spezielle, nach der Füllung verschliessbare Oeffnungen eingebracht wird. Ein Beispiel dafür ist das waschdichte Relais gemäss der DE-A-3323922. Eine wesentliche Erhöhung der Spannungsfestigkeit ergibt sich daraus aber nicht. Ein weiteres Beispiel ist das in der EP-A-0026231 beschriebenen Verfahren zur Fertigung einer gasgefüllten elektrischen Schaltvorrichtung, worin das erforderliche Gas - unter Umständen ein korrosives Gas wie etwa Chlor - durch eine Belüftungsöffnung in den Behälter der Schaltvorrichtung einströmt und dabei die ursprünglich vorhandene Luft durch eine Entlüftungsöffnung weitgehend ausstösst und danach beide Oeffnungen verschweisst werden. Auf diese Weise kommt kein gegenüber Normaldruck wesentlich erhöhter Druck zu Stande.
Ein Relais mit hoher Durchschlagspannung ist in der EP-A-0434463 beschrieben. Es weist ein Kunststoffgehäuse und eine Isoliergasfüllung unter niedrigem Druck von um 1 bar auf. Die erhöhte Spannungsfestigkeit wird dabei in erster Linie durch eine Kontaktanordnung mit grossen Abständen zwischen den Metallteilen im Gehäuse erreicht.
Einerseits bedingen verschärfte Sicherheitsanforderungen an Relais eine höhere Spannungsfestigkeit, andererseits wird durch die höhere Packungsdichte der Druckschaltungen eine kleinere Bauform der Relais angestrebt. Ein erstrebenswertes Ziel zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit ist deshalb die Erhöhung der Spannungsfestigkeit bei gleichbleibenden Abmessungen oder die Beibehaltung der Spannungsfestigkeit trotz merklich kleinerer Abmessungen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstig herstellbares Relais anzugeben, das eine höhere Spannungsfestigkeit aufweist, als sie mit einem baugleichen Relais zu erreichen ist, dessen Innenraum mit trockener Luft oder einem inerten Gas gefüllt ist. Es sollen dabei Anwendungen vorgesehen werden, wie sie in den Kontakt-Anwendungskategorien 0, 1, 2 und 3 nach IEC-Norm 255-7 enthalten und hauptsächlich im Telekommunikationsbereich anzutreffen sind.
Die Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale gemäss Patentanspruch 1 gelöst.
Unter Atmosphärendruck oder leicht erhöhtem Druck (bis 1,5 bar) vermag das elektronegative Gas die Spannungsfestigkeit gegenüber Füllungen mit trockener Luft oder inertem Gas in ausreichendem Mass zu erhöhen. Für Füllungen unter Normaldruck genügen Kunststoffgehäuse und dichte Kunststoffkapselungen um die Leckverluste zu begrenzen. Die Abstimmung zwischen der Art der Kunststoffe und des Gases und deren Abdichtung verhindert einen unzulässigen Diffusionsverlust des elektronegativen Gases. Ueber die Lebensdauer des Relais bleibt damit eine spezifizierte Spannungsfestigkeit erhalten. Es lassen sich damit gegenüber bekannten Relais kleinere Relais mit gleich hoher Spannungsfestigkeit oder gleich grosse Relais mit höherer Spannungsfestigkeit herstellen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Relais können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Besonderheiten der Erfindung werden nachstehend etwas eingehender erläutert.
Die Vorteile elektronegativer Gase in Bezug auf die Spannungsfestigkeit von Kontakten treten bei gekapselten Hochspannungsanlagen markant zu Tage. Die dort verfügbare, aufwendige Technik lässt sich allerdings nicht ohne weiteres auf andere Anwendungen übertragen, wo vielfach andere Randbedingungen gegeben sind. Kleinrelais für den Einsatz auf Druckschaltungsplatten zum Beispiel, müssen in Grossserien kostengünstig herstellbar und für den Einsatz bei Temperaturen bis weit unter 0°C geeignet sein. Ein hermetisch verschlossenes Gehäuse ist unter diesem Gesichtspunkt prohibitiv teuer. Ferner führt ein hoher Druck, wie er bei SF₆-Anlagen üblich ist, zur unzulässigen Kondensation des Gases schon bei moderaten Temperaturen.
Hier setzt nun die Erfindung an, indem eine die Randbedingungen berücksichtigende Erhöhung der Spannungsfestigkeit mit adäquaten Mitteln angestrebt wird. Die Vorteile der elektronegativen Gase wird genützt, aber nicht im vollen Umfang, das heisst nicht durch Verwendung unter stark erhöhtem Druck, sondern unter Atmosphärendruck.
Dies bringt zwar nur eine teilweise Erhöhung der Spannungsfestigkeit, die aber der Anwendung entsprechend genügt, sofern das Gas seine Wirkung über die geforderte Lebensdauer des Relais entfalten kann. Weil mit Normaldruck gearbeitet wird, kann auf eine hermetisch dicht verschlossene Kapsel verzichtet werden. Ein Verschluss mit einem Gehäuse aus kostengünstigen Kunststoffen ohne Verbindung zur Aussenluft genügt. Selbstverständlich kann erfindungsgemäss auch mit leicht erhöhtem Druck der Gasfüllung bis 1,5 bar gearbeitet werden. Bestimmend für den zulässigen Druck ist dabei lediglich, dass keine besonderen Massnahmen für die Kapselung getroffen werden müssen, um den Partialdruck des elektronegativen Gases über die Lebensdauer des Relais aufrechterhalten zu können.
Die bekannte Technik der Verwendung von Inertgas dient vor allem dazu, eine nicht kontaminierte Startatmosphäre zu gewährleisten. Inertgas, wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon, diffundiert dann aber ähnlich schnell wie Wasserdampf oder Sauerstoff durch den Kunstsstoff. Fur die zum Ausgleich in den Gehäuseinnenraum diffundierende Aussenluft wirkt der Kunststoff als Mikrofilter, so dass keine Kontamination erfolgt.
Anders liegen die Verhältnisse bei der erfindungsgemässen Erhöhung der Spannungsfestigkeit durch das elektronegative Gas. Elektronegative Gase weisen je nach Art bis fünffach höhere relative elektrische Durchschlagfestigkeit als Luft auf. Schon ein Gas mit einer relativen elektrischen Durchschlagsfestigkeit von 2,5 ergibt eine genügende Erhöhung der Spannungsfestigkeit im Sinn der Erfindung. Das elektronegative Gas muss in genügender Konzentration im Gehäuseinnenraum erhalten bleiben. Zu diesem Zweck werden Kunststoffe ausgewählt, deren Struktur die Moleküle des elektronegativen Gases fast völlig zurückhält. In der Regel sind die Moleküle der elektronegativen Gase grösser als jene der Luft und der Inertgase, was die Palette an geeigneten Kunststoffen erweitert. Die Zusammensetzung der Gasfüllung ändert sich nach der Herstellung des Relais zwar noch, bedingt durch die Diffusionseigenschaften aller Gase in Bezug auf die verwendeten Kunstsstoffe, die Konzentration an elektronegativem Gas bleibt jedoch genügend hoch um eine entsprechend spezifizierte Spannungsfestigkeit zu gewährleisten.
Die Verwendung einer Gasfüllung unter Normaldruck reduziert nicht nur die Forderungen bezüglich des Verschlusses, sie vergrössert auch die Auswahlmöglichkeit für die Gehäusematerialien. Bekanntlich ergeben sich mit dem Alter gasgefüllter Relais Veränderungen in der Füllung nicht nur infolge Lecks sondern auch infolge von Diffusionsverlusten durch das Gehäuse hindurch. Die relativ teuren und schwierig zu handhabenden Metallgehäuse sind hervorragend geeignet, diesem Mangel zu begegenen. Wesentlich kostengünstiger sind Kunststoffkapseln. Ohne geeignete Paarung von Kunststoff und elektronegativem Gas diffundiert letzteres aber zu rasch weg, so dass die Spannungsfestigkeit während der Lebensdauer unter den spezifizierten Wert absinkt. Die für die Kapselung verwendeten Kunststoffe müssen daher gegenüber dem Füllgas bezüglich Diffusion optimiert sein.
Ein bewährtes, gut untersuchtes und daher bevorzugtes elektronegatives Gas ist Schwefelhexafluorid, SF₆. Es lässt sich in Form von technisch reinem SF₆ als alleiniges Füllgas verwenden. Eine Mischung von Gasen kann Verbesserungen z. B. bezüglich Temperaturverhalten bringen. Bevorzugt ist eines der Gase einer solchen Mischung wiederum SF₆.
Die vorgesehenen Massnahmen in Kombination erlauben es also, ein Relais mit verbesserten Eigenschaften bezüglich Spannungsfestigkeit auf ähnliche Weise wie bis anhin kostengünstig herzustellen. Damit kann entweder eine gegenüber einer Füllung des Relaisinnenraumes mit trockener Luft oder einem inerten Gas erhöhte Spannungsfestigkeit eingehalten werden, ohne dass die Relaisabmessungen deswegen verändert werden müssen, oder bei unveränderter Spannungsfestigkeit können kleinere Relaisabmessungen realisiert werden.

Claims

Relais in einem irreversibel verschlossenen Kunststoffgehäuse mit einer Gasfüllung unter einem Druck von weniger als 1,5 bar, wobei die Gasfüllung vorwiegend aus mindestens einem elektronegatives Gas besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapselung als ein darauf abgestimmtes Mikrofilter ein Wegdiffundieren des elektronegativen Gases während der geforderten Lebensdauer des Relais weitgehend verhindert, so dass dessen Partialdruck und damit eine erhöhte Spannungsfestigkeit in ausreichendem Masse aufrechterhalten bleibt.
Relais nach Anspruch 1, mit einer Gasfüllung aus technisch reinem SF₆.
Relais nach Anspruch 1, mit einer Gafüllung, die eine Mischung aus mindestens zwei Gasen ist.
Relais nach Anspruch 3, wobei eines der mindestens zwei Gase SF₆ ist.