专利名称：允许将金属构件直接钎焊到金属化陶瓷上以构造真空断续器外壳的密封边缘横截面轮廓的制作方法
技术领域：
本发明涉及真空断续器，更具体地涉及一种将真空腔室的金属端盖和外部中心护罩连接到真空断续器的陶瓷腔室体部的方法。
背景技术：
电路断路器保护电气系统免受电气故障，例如电流过载、短路和低电平电压状态。通常，电路断路器包括弹簧驱动操作机构，该机构响应非正常状况而打开真空断续器内电气触头，以中断流过电气系统中导体的电流。真空断续器包括设置在绝缘和密封的真空腔室内的可分离的主触头。该真空腔室通常包括用于电绝缘的一个或多个陶瓷部分以及一个或多个金属构件，以形成可在其中抽得真空的外壳。该金属构件容易形成，并提供陶瓷构件所缺乏的结构强度。该陶瓷壳体通常为柱状；然而，可以使用其它的横截面形状。金属构件通常包括两个端盖；并且在存在有多个陶瓷部分时，金属构件还包括设置在陶瓷部分之间的一个或多个外部中心护罩。主触头通过电极杆连接到由断路器保护的外部电路，所述电极杆通常为由高纯度铜制成的细长部件。触头和杆合起来定义为电极。通常，触头中的一个相对于真空腔室和外部电路固定。另一个触头相对于真空腔室可移动。可动触头由电路断路器操作机构驱动，并通过包括密封的金属波纹管的耦合部件将操作机构的运动传递进入真空断续器腔室。电极、端盖、波纹管、陶瓷壳体和外部中心护罩(如果有的话)连接在一起以形成可以在延长的时间段内将真空保持在合适水平的外壳。然而，由于在材料特别是在陶瓷和金属之间的热膨胀系数(CTE)的差异，在所有接头内达到这种密封性是很难实现的。即，由于金属和陶瓷构件之间的热膨胀率和收缩率的差异，构件之间的接头会承受应力。通常，例如钢的金属比陶瓷具有更高的热膨胀系数。因此，当从将这些构件连接在一起的钎焊温度开始冷却时，钢将比陶瓷以更快的速度和/或更大的程度收缩；这将在接头处的陶瓷中产生应力。为此，金属构件在直接与陶瓷相连处的横截面壁厚非常有限，在毫米的数量级。虽然如此，由于CTE不匹配而引起的应力仍然令人担心。一个进一步减小应力的方法是使用具有与陶瓷的CTE更匹配的CTE的金属，例如但不限于铜合金或镍-铁合金，来用于(制造)与陶瓷连接的端盖和外部中心护罩的金属构件。另一种减小应力的方法是使用更宽松的(forgiving)、更低屈服强度的金属，例如但不限于铜，来用于(制造)端盖和外部中心护罩。然而，因为这些端盖和外部中心护罩由于受到材料厚度的限制而缺乏足够的强度或者由于用于更大的真空腔室会变得太昂贵，所以它们在尺寸上受限。
通常，端盖的形状为杯状。即，端盖具有其横截面形状对应于腔室体部形状的基本上为平面的部件，以及与之相连的基本垂直的侧壁。对于具有直径约为4英寸及以上的真空腔室的真空电路断续器，端盖经常由两种单独的金属制成。即，被称为“端板”的端盖的平面部分由厚壁钢制成，而被称为“密封杯”的侧壁部分由屈服强度低或者热膨胀系数与陶瓷相匹配的薄壁材料制成。此外，将例如但不限于铜、铜合金或镍-铁合金的材料用于密封杯。因此，密封杯作为直接与陶瓷腔室体部相连接的密封边缘，而钢端板提供了足够的机械强度。这种方案的缺点在于密封杯必须与端板相连接，由此产生了具有泄漏可能性的附加接头，并增加了端盖的成本。类似的方案是使用覆层材料，该覆层材料例如是但不限于具有铜合金或镍合金的覆钢。为了避免热膨胀系数的明显不匹配，从端盖侧壁密封边缘部分除去钢，由此允许铜或镍合金连接在陶瓷腔室体部上。这种方法也很昂贵。
另外一种方法使用钢端盖和铜垫片。该铜垫片设置在端盖密封边缘和陶瓷腔室体部之间，由此允许端盖间接钎焊到陶瓷腔室体部上。可选择地，钢端盖可以具有厚度减小到约0.8mm和高度约为4到12mm并经过真空退火的侧壁密封边缘，因此可以直接钎焊于陶瓷腔室体部。这些方法也难于制造端盖，并增加了端盖制造的额外成本。
尝试使用具有“梯级式变薄”的侧壁密封边缘的未经过退火的不锈钢端盖。即该不锈钢端盖具有包括壁厚通过单个梯级减少至约0.030英寸的侧壁密封边缘，该侧壁密封边缘在壁厚为0.030英寸处钎焊到陶瓷上。为了使由于CTE不匹配而导致的接头应力最小，密封边缘的壁厚减小部分的最小高度在从接头到陶瓷垂直测量时必须是至少4mm。这种方案的缺点在于单梯级式的厚度减少显著地减小了特别是在压缩载荷下密封杯的机械强度。考虑到强度，密封边缘的该厚度减小的部分的壁厚通常不能小于0.020英寸。
类似于所述思路在端盖上的应用，在真空断续器腔室体部的外部中心护罩上尝试了同样的思路。即，外部中心护罩由或者结合在一起或者包覆在一起的两种材料制成，第一种材料提供强度，而第二种材料提供连接到陶瓷的密封边缘。最常见的应用方法是用高纯度铜、铜合金或镍合金制成外部中心护罩，其或者具有均匀壁厚，或者具有单个梯级，该梯级被切制以减小密封边缘在直接钎焊到真空断续器腔室体部的陶瓷部分附近的壁厚。这些外部中心护罩要么昂贵要么缺少必要的强度。
因此，需要在密封边缘中不包括单梯级式壁厚减小的用于真空电路断路器的真空腔室的端盖或者外部中心护罩。
还需要可由可以直接钎焊到腔室体部的陶瓷部分的普通不锈钢或者其它低成本的铁基钢或合金制成的用于真空断续器腔室体部的端盖或外部中心护罩。
还需要可以直接钎焊到腔室体部的陶瓷部分并且在密封边缘中没有单梯级式壁厚减小的用于真空电路断路器的真空腔室的端盖或外部中心护罩，从而不会损害腔室体部的机械强度。
还需要与现有设备相兼容的用于真空电路断路器的真空腔室的端盖或者外部中心护罩。
发明内容
本发明满足了这些及其它需求，本发明提供了用于真空腔室的例如为端盖或外部中心护罩的金属构件，其具有密封边缘部分，所述密封边缘部分的横截面壁厚从金属构件体部的厚度逐渐减小到更窄的密封表面，在所述密封表面处该金属构件构造为与陶瓷构件相接合。在这种构型中，钢端盖或外部中心护罩可以直接钎焊到陶瓷腔室体部，而无需使用垫片或由铜、铜合金或镍合金制成的部分。可使用多个横截面轮廓，例如但不限于线性轮廓、非线性轮廓或多个不连续梯级式的轮廓，来得到逐渐增加的壁厚。可以通过改变密封边缘部分的外表面直径和内表面直径中的一个或两个来影响厚度改变。
从下文结合附图对优选实施例的描述中可以充分理解本发明，其中图1是电路断路器的侧视图；图2是具有外部中心护罩的真空断续器腔室的剖视图；图3是端盖的剖视图；图4是端盖的可选实施例的剖视图；图5是端盖的可选实施例的剖视图；图6是端盖的可选实施例的剖视图；图6A是图6中所示的实施例的详细视图；图7是端盖的可选实施例的剖视图；图8是端盖的可选实施例的剖视图；图9是外部中心护罩的剖视图；图10是外部中心护罩的可选实施例的剖视图；图11是外部中心护罩的可选实施例的剖视图。
具体实施例方式
如文中所用，例如但不限于“等边梯形”这类的描述密封边缘的形状或轮廓的词和短语指的是如图所示的从横截面看去时的形状或轮廓。可以理解的是，在优选实施例中密封边缘实际上是圆环或其它闭合的外围形状。
如文中所用，短语“密封边缘”指的是连接到真空断续器腔室体部的陶瓷部分的金属端盖或外部中心护罩的边缘。虽然密封边缘的某些形状和轮廓在图中仅示出为与端盖或外部中心护罩相关联，但可以理解的是端盖或外部中心护罩可以使用任何特定的密封边缘的形状或轮廓。
如文中所用，短语“……厚度的逐渐减小”指的是在一定长度上厚度的变化，该变化线性地发生在两个或更多个梯级中和/或发生在曲线上。
参考图1，其示出了安装有真空断续器组件20的电路断路器10。电路断路器10优选包括前面板12以及电路断路器壳体13，所述前面板具有用于手动操作电路断路器10和将触头状态改变到打开或闭合状态的控制器。电路断路器10具有上部接线端14和下部接线端15，且可具有图1中不可见的可以连接到线路输入(未示出)和负载(未示出)的其它接线端。电路断路器10具有连接到前面板12的低压部分16以及包括真空断续器组件20的高压部分18。真空断续器组件20包括内装有一对可分离触头22、24的真空腔室30。
真空腔室30是包括至少一个金属构件31和至少一个由例如但不限于陶瓷的材料制成的电绝缘中空体32的组件。金属构件31可以是端盖34、36，也可以是外部中心护罩35。每个金属构件31具有至少一个如下所述的密封边缘54。金属构件密封边缘54构造成与绝缘中空体32相连接。通常，中空体32的端部由一对端盖34、36封闭。如图2所示，真空腔室30可以包括多个电绝缘中空体32A、32B。该多个电绝缘中空体32A、32B通过至少一个外部中心护罩35相互连接。如下详细所述，外部中心护罩35是在其相对端部具有两个密封边缘54的细长的中空体。类似于具有单个中空体32的实施例，具有多个电绝缘中空体32A、32B的真空腔室30也由一对端盖34、36封闭。一个端盖34、36连接到每个中空体32A、32B的一侧，该侧与中空体32A、32B的连接到外部中心护罩35的一侧相对。真空腔室30也可以配置成具有三个或更多的中空体32(未示出)。在这个实施例中，不是真空腔室30的外端的中空体32的各端连接到外部中心护罩35，或者可选择地通过夹在中间的金属环相互连接，所述金属环用作紧固内部中心护罩(未示出)的凸缘。两个中空体32A、32B的位于真空腔室30外端的端部连接到端盖34、36。所述至少一个中空体32和至少一个外部中心护罩35具有优选为关于真空腔室30的纵向轴线对称的横截面形状，而且该横截面形状更加优选为圆形。即真空腔室30的优选形状是中空柱体。
用于将金属构件31连接到绝缘中空体32的密封边缘54可以用于端盖34、36，也可以用于外部中心护罩35。因此，可以理解的是尽管下列描述提出了和端盖34、36相关的多个密封边缘54的构型，但是同样的密封边缘54的构型可以用于外部中心护罩35。用在端盖34、36上的密封边缘54与用在外部中心护罩35上的密封边缘54相比较，它们之间的显著区别在于用在端盖34、36上的密封边缘54大体上垂直于端盖34、36的体部50而延伸，而用在外部中心护罩35上的密封边缘54大体上平行于外部中心护罩35的体部50而延伸。
如图3-8所示，金属构件31即每个端盖34、36或外部中心护罩35包括体部50、过渡部分52和密封边缘54。金属构件体部50构造为连接到中空体32。如上所述，真空腔室30的构件优选为圆形，因而，金属构件体部50和密封边缘54的形状将用和圆形相关的术语来描述，例如“内部直径”和“外部直径”。可以理解的是，如果真空腔室30的形状不是圆形，那么短语“内部直径”等同于“内侧”，“外部直径”等同于“外侧”。密封边缘54具有由密封边缘54的内部直径所限定的内部表面56和由密封边缘54的外部直径所限定的外部表面58。密封边缘54的末端是通常为平面的并沿基本垂直于密封边缘54的纵向轴线的平面延伸的密封表面80。密封表面80构造为直接连接到中空体32。对于端盖34、36，体部是大体上为平面状的板51。对于外部中心护罩35，体部50B是细长的中空的管53。对于端盖34、36，过渡部分52通常相对于板51弯曲90度。对于外部中心护罩35，过渡部分52是管53的延续部分并基本上可以忽略。端盖34、36和外部中心护罩35优选由一种单一类型的金属制成。更优选的是端盖34、36和外部中心护罩35由一种选自不锈钢和低成本铁基钢或合金的金属制成。另外，端盖34、36优选不包含铜或镍。
密封边缘54具有沿远离密封表面80的方向增加的横截面壁厚。即密封边缘54的厚度在金属构件31与中空体32相连接处最小。体部50的横截面壁厚在大约0.240到0.060英寸之间，更加优选为大约0.120英寸。在密封表面80处的横截面壁厚影响由中空体32和金属构件31之间的CTE不匹配所引起的接头应力，并且该壁厚通常优选较小。在密封表面80处的横截面壁厚也取决于对真空腔室30的机械强度的要求。在密封表面80处的横截面壁厚在大约0.05和0.01英寸之间，更加优选为大约0.02英寸，而不显著损害真空腔室30的机械强度。本发明最宽的实施例是密封边缘54的横截面壁厚在体部50或过渡部分52和密封表面80之间沿着密封边缘54逐渐减小，因此密封表面80是密封边缘54的最薄部分。
在一实施例中，如图3所示，密封边缘54具有为等边梯形的横截面轮廓。即，密封边缘54的横截面厚度向密封表面80的逐渐减小以大体上为直线的方式发生在内部表面56的直径和外部表面58的直径上。为获得这种形状，当从密封表面80附近的点到端盖体部50A或过渡部分52附近的点进行测量时，内部表面56的直径稳定地即线性地变小。相反，当从密封表面80附近的点到端盖体部50A或过渡部分52附近的点进行测量时，外部表面58的直径稳定地变大。
在另一实施例中，如图4所示，密封边缘54的横截面厚度向密封表面80的逐渐减小只发生在外部表面58的直径上。在该实施例中，当从密封表面80附近的点到端盖体部50A或过渡部分52附近的点进行测量时，外部表面58的直径稳定地即线性地变大。相反，内部表面56的直径大体上与密封表面80的内部边缘保持齐平。
在另一实施例中，如图5所示，密封边缘54的横截面厚度向密封表面80的逐渐减小只发生在内部表面56的直径上。即，当从密封表面80附近的点到端盖体部50A或过渡部分52附近的点进行测量时，内部表面56的直径稳定地即线性地变小。相反，外部表面58的直径大体上与密封表面80的外部边缘保持齐平。
在又一实施例中，如图6所示，密封边缘54的横截面厚度向密封表面80的逐渐减小只发生在内部表面56的直径上，且发生在至少两个不连续的梯级70、72中。即，内部表面56包括至少两个具有基本垂直于内部表面56的表面71、73的梯级70、72。相反，外部表面58的直径大体上与密封表面80的外部边缘保持齐平。
在另一实施例中，如图7所示，密封边缘54的横截面厚度向密封表面80的逐渐减小以光滑和非线性的形式只发生在内部表面56的直径上，即内部表面56的直径非梯级式地和曲线式地减小。即内部表面56是曲线型的。外部表面58的直径大体上与密封表面80的外部边缘保持齐平。
在又一实施例中，如图8所示，密封边缘54的横截面厚度向密封表面80的逐渐减小以光滑和非线性的形式只发生在外部表面58的直径上，即外部表面58的直径非梯级式地和曲线式地增加。即外部表面58是曲线型的。内部表面56的直径大体上与密封表面80的内部边缘保持齐平。
如上所述并在图3-8中示出的作为端盖34、36的一部分的每一种密封边缘54也可以使用在外部中心护罩35中。例如，如图9所示，外部中心护罩体部50B包括密封边缘54，该密封边缘具有基本类似于上文所述并在图3中所示的端盖34的实施例的等边梯形横截面轮廓。即，密封边缘54的横截面厚度向密封表面80的逐渐减小以大体上为直线的方式发生在内部表面56的直径和外部表面58的直径上。为获得这种形状，当从密封表面80附近的点到端盖体部50A或过渡部分52附近的点进行测量时，内部表面56的直径稳定地即线性地变小。相反，当从密封表面80附近的点到端盖体部50A或过渡部分52附近的点进行测量时，外部表面58的直径稳定地变大。
作为另一实施例，如图10所示，外部中心护罩体部50B包括密封边缘54，其中壁厚沿远离密封表面80方向的逐渐增加只发生在外部表面58的直径上。在该基本类似于上文所述并在图4中示出的端盖34的实施例中，当从密封表面80附近的点到端盖体部50A或过渡部分52附近的点进行测量时，外部表面58的直径稳定地即线性地变大。相反，内部表面56的直径大体上与密封表面80的内部边缘保持齐平。
作为又一实施例，如图11所示，外部中心护罩体部50B包括密封边缘54，其中沿远离密封表面80方向的壁厚的逐渐增加只发生在内部表面56的直径上。在该基本类似于上文所述并在图5中示出的端盖34的实施例中，当从密封表面80附近的点到端盖体部50A或过渡部分52附近的点进行测量时，内部表面56的直径稳定地即线性地变小。相反，外部表面58的直径大体上与密封表面80的外部边缘保持齐平。
虽然已详细描述了本发明的特定实施例，但本领域的技术人员可以认识到，通过本公开内容的全部教导可以对那些细节作出各种修改和替换。因此，所公开的特定布置只是示例性的而不是对本发明范围的限制，本发明的范围由附加权利要求和其任意及所有等同物给出。
权利要求
1.一种用于电路断路器(10)的真空腔室(30)的金属构件(31)，所述真空腔室(30)具有至少一个电绝缘中空体(32)，所述金属构件(31)包括构造成与所述中空体(32)相连接的体部(50)；从所述体部(50)延伸的密封边缘(54)，所述密封边缘(54)包括具有密封表面(80)的末端；以及所述密封边缘(54)具有在体部(50)和密封表面(80)之间逐渐减小的横截面厚度，从而所述密封表面(80)是密封边缘(54)的最薄部分。
2.如权利要求1所述的金属构件(31)，其特征在于所述密封边缘(54)通常是具有由密封边缘(54)的外部直径所限定的外部表面(58)和由密封边缘(54)的内部直径所限定的内部表面(56)的圆形；并且所述的在体部(50)和密封表面(80)之间的密封边缘(54)的横截面厚度的逐渐减小是这样产生的，即，当从所述密封表面(80)附近的点到所述体部(50)附近的点进行测量时，所述内部直径变小，且所述外部直径大体上与所述密封表面(80)的外部表面(58)保持齐平。
3.如权利要求2所述的金属构件(31)，其特征在于，所述内部直径线性地变小。
4.如权利要求2所述的金属构件(31)，其特征在于，所述内部表面(56)是曲线型的。
5.如权利要求2所述的金属构件(31)，其特征在于，所述内部表面(56)包括至少两个具有基本垂直于所述内部表面(56)的表面(73)的梯级(70、72)。
6.如权利要求2所述的金属构件(31)，其特征在于，所述体部(50)是端盖(34、36)。
7.如权利要求2所述的金属构件(31)，其特征在于，所述体部(50)是外部中心护罩(35)。
8.如权利要求1所述的金属构件(31)，其特征在于所述密封边缘(54)通常是具有由密封边缘(54)的外部直径所限定的外部表面(58)和由密封边缘(54)的内部直径所限定的内部表面(56)的圆形；并且所述的在体部(50)和密封表面(80)之间的密封边缘(54)的横截面厚度的逐渐减小是这样产生的，即，当从所述密封表面(80)附近的点到所述体部(50)附近的点进行测量时，所述外部直径变大，且所述内部直径大体上与所述密封表面(80)的内部表面(56)保持齐平。
9.如权利要求8所述的金属构件(31)，其特征在于，所述外部直径线性变大。
10.如权利要求8所述的金属构件(31)，其特征在于，所述外部表面(56)是曲线型的。
11.如权利要求8所述的金属构件(31)，其特征在于，所述体部(50)是端盖(34、36)。
12.如权利要求8所述的金属构件(31)，其特征在于，所述体部(50)是外部中心护罩(35)。
13.如权利要求1所述的金属构件(31)，其特征在于所述密封边缘(54)通常是具有由密封边缘(54)的外部直径所限定的外部表面(58)和由密封边缘(54)的内部直径所限定的内部表面(56)的圆形；并且所述的在体部(50)和密封表面(80)之间的密封边缘(54)的横截面厚度的逐渐减小是这样产生的，即，当从所述密封表面(80)附近的点到所述体部(50)附近的点进行测量时，所述外部直径变大，且当从所述密封表面(80)附近的点到所述体部(50)附近的点进行测量时，所述内部直径变小。
14.如权利要求13所述的金属构件(31)，其特征在于，所述外部直径线性变大且所述内部直径线性变小。
15.如权利要求13所述的金属构件(31)，其特征在于，所述体部(50)是端盖(34、36)。
16.如权利要求13所述的金属构件(31)，其特征在于，所述体部(50)是外部中心护罩(35)。
17.一种电路断路器(10)，包括低压部分(16)；与所述低压部分(16)相连接并具有真空腔室(30)的高压部分(18)；所述真空腔室(30)具有至少一个电绝缘中空体(32)，和金属构件(31)；所述金属构件(31)具有带有密封边缘(54)的体部(50)；所述金属构件体部(50)构造成与所述中空体(32)相连接；所述密封边缘(54)从所述中空体(32)延伸，所述密封边缘(54)包括具有密封表面(80)的末端；以及所述密封边缘(54)具有在体部(50)和密封表面(80)之间逐渐减小的横截面厚度，从而所述密封表面(80)是密封边缘(54)的最薄部分。
18.如权利要求17所述的金属构件(31)，其特征在于所述密封边缘(54)通常是具有由密封边缘(54)的外部直径所限定的外部表面(58)和由密封边缘(54)的内部直径所限定的内部表面(56)的圆形；并且所述的在体部(50)和密封表面(80)之间的密封边缘(54)的横截面厚度的逐渐减小是这样产生的，即，当从所述密封表面(80)附近的点到所述体部(50)附近的点进行测量时，所述内部直径变小，且所述外部直径大体上与所述密封表面(80)的外部表面(58)保持齐平。
19.如权利要求17所述的金属构件(31)，其特征在于所述密封边缘(54)通常是具有由密封边缘(54)的外部直径所限定的外部表面(58)和由密封边缘(54)的内部直径所限定的内部表面(56)的圆形；并且所述的在体部(50)和密封表面(80)之间的密封边缘(54)的横截面厚度的逐渐减小是这样产生的，即，当从所述密封表面(80)附近的点到所述体部(50)附近的点进行测量时，所述外部直径变大，且所述内部直径大体上与所述密封表面(80)的内部表面(56)保持齐平。
20.如权利要求17所述的金属构件(31)，其特征在于所述密封边缘(54)通常是具有由密封边缘(54)的外部直径所限定的外部表面(58)和由密封边缘(54)的内部直径所限定的内部表面(56)的圆形；并且所述的在体部(50)和密封表面(80)之间的密封边缘(54)的横截面厚度的逐渐减小是这样产生的，即，当从所述密封表面(80)附近的点到所述体部(50)附近的点进行测量时，所述外部直径变大，且当从所述密封表面(80)附近的点到所述体部(50)附近的点进行测量时，所述内部直径变小。
全文摘要
本发明涉及允许将金属构件直接钎焊到金属化陶瓷上以构造真空断续器外壳的密封边缘横截面轮廓。一种用于真空腔室(30)的金属构件(31)，例如端盖(34，36)或外部中心护罩(35)，其具有密封边缘部分(54)，该密封边缘部分的横截面壁厚从金属构件体部(50)的厚度逐渐减小到更窄的密封表面(80)，在所述密封表面处该金属构件(31)构造成与陶瓷构件相接合。
文档编号H01H33/662GK1897198SQ200610125708
公开日2007年1月17日 申请日期2006年7月7日 优先权日2005年7月8日
发明者W·李 申请人:伊顿公司