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Gekapseltes elektrisches Gerät Elektrische Geräte, wie Spulen, Transformatoren, Filternetzwerke und dergleichen, werden üblicherweise in Metallbecher zum Schutz gegen Beschädigungen eingeschlossen. Wird beim Betrieb solcher Geräte eine merkliche Wärmemenge erzeugt, so ist es üblich, den freien Raum im Becher mit einer Ver- gussmasse zu füllen, die eine bessere Wärmeleitung zur Becherwandung als der freie Luftraum ergibt.
Eine derartige Vergussmasse muss eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit besitzen und darf die Teile nicht angreifen. Meist ist erwünscht, dass sie ausserdem guten Isolationswiderstand in feuchter und trockener Atmosphäre aufweist. Ferner darf sie sich beim Erwärmen weder zersetzen noch infolge Wärmedehnung das eingebaute Gerät bzw. den Becher deformieren. Dabei soll die Masse aber giessbar sein, damit sie leicht in den Becher eingefüllt werden kann und enge Spalte an den eingebauten Teilen bzw. zwischen diesen und der Wandung sicher ausfüllt.
Es wurde nun gefunden, dass eine Masse aus kleinen Partikeln aus geschmolzener Tonerde für diesen Zweck besonders gut geeignet ist. Die Tonerdepartikel sind vorzugsweise mit einem gehärteten Silikonharz überzogen. In der Zeichnung ist ein mit einer solchen Masse ausgefülltes elektrisches Gerät in einem senkrechten Schnitt dargestellt.
Innerhalb eines Bechers, der aus den Seitenwänden 2, einer Bodenkappe 3 und einer Abdeckkappe 4 besteht, ist der Transformator 1 angeordnet. Der Transformator 1 wird von einer Winkellasche 5, die an der Bodenkappe 3 angebracht ist, getragen. Die drei Wicklungsenden 6 des Transformators sind mit den Drähten 7 verbunden, die über je ein Isolier- röhrchen 8 durch die Bodenkappe 3 nach aussen führen und die Anschlüsse 9 bilden. Die Röhrchen 8 sind an der Bodenkappe 3 angebracht und dienen als luftdichte Durchführungen für die Drähte 7. Ein viertes Wicklungsende (nicht gezeichnet) ist mit dem Becher selbst verbunden.
Der freie Raum zwischen den Becherwandungen und dem Transformator 1, ist mit einer Masse 10 aus Tonerdepartikel mit Silikonüberzug ausgefüllt. Das Einfüllen der Masse kann entweder bei abgenommener Abdeckkappe 4 erfolgen, oder durch ein Loch in derselben, das anschliessend abgedichtet wird.
Obwohl es durchaus möglich ist, den Becher vollständig mit der Masse 10 zu füllen, ist es bei der Fabrikation einfacher, den Becher nicht ganz bis zum Rand zu füllen und auf die Masse dann eine Schicht Kunstharz aufzubringen, die in der Zeichnung mit 11 bezeichnet ist. Der Becher kann dann durch Verlöten der Abdeckkappe 4 mit der Wandung oder durch Verlöten der Einfüllöffnung. in derselben fertiggestellt werden.
Bisher war die gebräuchlichste Vergussmasse für Geräte dieser Bauart eine Mischung aus Asphalt mit einem mineralischen Füllstoff, etwa Sand oder Glimmer. Dieses bei Normaltemperatur harte Material wurde bis zur Giessfähigkeit erhitzt und dann in den Becher mit dem eingebauten elektrischen Teil eingegossen. Bezüglich der Wärmeleitfähigkeit gleicht die vorliegende Füllmasse einer solchen Asphaltmischung. Dabei weist die neuartige Füllmasse einen sehr hohen und von der Feuchtigkeit oder Wärme nicht beeinflussbaren Isolationswert auf. Sie greift keine Teile an- und besitzt unbegrenzte Beständigkeit.
Es ist möglich, diese Vergussmasse ohne Zersetzungserscheinungen sehr hohen Temperaturen auszusetzen, und sie wird bei sehr hohen Betriebstemperaturen weder flüssig noch dehnt sie sich merklich aus.
Die neue Füllmasse ist in verschiedener Hinsicht den bekannten Vergussmassen auf Asphaltbasis, die
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bei Normaltemperatur hart und durch Erwärmen giessbar gemacht werden müssen, überlegen. Vor allem ist die neue Füllmasse in kaltem Zustand einfüllbar, was die Füllung vereinfacht und weniger gefährlich macht. Dann dringt dieselbe besser in schmale Spalten innerhalb des Bechers ein, als die thermoplastischen Materialien, die dabei stets bestrebt sind, sich abzukühlen und sich an den kalten Teilen zu verfestigen während des Giessens. Aus diesem Grunde ist es bei Verwendung der neuen Füllmasse möglich, einen Becher mit geringerem freiem Raum rings um den eingebauten Teil zu verwenden, was sowohl Platzbedarf als auch Gewicht erspart.
Ferner ist diese Füllmasse nicht-temperatur- empfindlich wie die heiss vergossenen Materialien, so dass weniger strenge Einschränkungen bezüglich der Betriebsbedingungen für die mit denselben ausgerüsteten Apparate existieren. Ein weiterer Vorteil kann in der Tatsache erblickt werden, dass die eingebauten Teile leicht aus der Füllmasse herausnehmbar und kontrollierbar sind, was bei Vergussmassen auf Asphaltbasis nicht durchführbar ist.
Die gute Wärmeleitfähigkeit der neuen Füllmasse rührt von den Eigenschaften der geschmolzenen Tonerdepartikel selbst her. Bei Verwendung gut abgerundeter geschmolzener Tonerdepartikel lassen sich günstige Fliesseigenschaften erzielen. Derartige Partikel können kugelig oder nahezu kugelig sein; sie sollen aber zweckmässig frei von scharfen Ecken oder merklichen Unregelmässigkeiten sein. Bei Verwendung geschmolzener Tonerdepartikel mit scharfen Kanten und unregelmässiger Gestalt lassen sich zwar die andern Vorteile erzielen, aber das Einfüllen gestaltet sich etwas schwieriger. Tonerdepartikel dieser Art sind in verschiedener Dichte - je nach der Menge der darin vorhandenen Hohlräume oder Gasblasen - im Handel erhältlich.
Die noch zulässige Partikelgrösse der Tonerdeteilchen ist durch praktische Gesichtspunkte bestimmt. Für Geräte mittlerer Grösse ist gewöhnlich erwünscht, dass keine grösseren Partikel verwendet werden, als durch ein Sieb Nr.40 (USA Standard Siebskala) mit Öffnungen von 0,42 mm Durchmesser und 37,9 Maschen pro 25,4 mm durchgehen. Bei Verwendung grösserer Partikel können beim Ausgiessen von Teilen mit schmalen Spalten einige Schwierigkeiten auftreten. Vorzugsweise werden Partikel verwendet, die durch ein Sieb Nr. 45 (mit öff- nungen von 0,35 mm und 44,7 Maschen pro 25,4 mm) durchgehen.
Es ist natürlich leicht einzusehen, dass bei grösseren Teilen und grösseren Abständen auch mit grösseren Partikeln befriedigende Ergebnisse erzielt werden können. Eine geeignete geschmolzene Tonerde ist das handelsübliche Material mit unterschiedlicher Grösse der abgerundeten Partikel, das ein Sieb Nr. 45 vollständig passiert. Dieses Material besitzt eine spezifische Dichte von 1,19 bei dichter Packung in einem Behälter nach erfolgter Rüttelung. Bei Partikeln, die von einem Sieb Nr. 200 (mit Öffnungen von 0,074 mm und 200 Maschen pro 25,4 mm) nicht zurückgehalten werden, ergeben sich ungünstigere Giesseigenschaften infolge der dichten Packung und das Material ist weniger gut zu verarbeiten, da es von strömender Luft weggeblasen werden kann.
Abgesehen hiervon, bildet aber dieses feinkörnige Material eine durchaus befriedigende Füllmasse. Vorzugsweise wird aber ein Material verwendet, das keinen wesentlichen Gehalt an Partikeln aufweist, die durch ein Sieb Nr. 120 (mit Öffnungen von 0,123 mm und 120 Maschen pro 25,4 mm) passieren.
Die Beibehaltung des sehr hohen Isolationswiderstandes des Materials auch bei Anwesenheit von Feuchtigkeit, kann durch einen Überzug der Partikel mit einem Silikonharz gewährleistet werden. Dieser Kunstharzüberzug verhindert nicht nur jeden unerwünschten elektrischen Effekt seitens der Feuchtigkeit, er kann auch relativ hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sein, ohne dass seine physikalischen oder elektrischen Eigenschaften nachteilig beeinflusst werden.
Das Silikonharz wird auf die Tonerdepartikel am besten in Form einer verdünnten Lösung in einem leichtflüchtigen organischen Lösungsmittel aufgebracht. Eine geeignete Lösung besteht aus 1 bis 5 Volumteilen Silikonharz pro 100 Volumteilen Lösungsmittel. Ein typisches Lösungsmittel hierfür ist Xylol. Eine genügende Menge der Lösung wird mit dem Tonerdepulver vermischt, bis dasselbe vollständig benetzt ist, woraufhin das überschüssige Lösungsmittel abgegossen wird. Das derart mit Silikonharz präparierte Tonerdepulver wird dann in Luft oder Vakuum getrocknet, wobei gewährleistet sein muss, dass die Hauptmenge des Lösungsmittels beseitigt wird.
Das getrocknete, überzogene Tonerdepulver wird dann auf die Aushärtungstemperatur bis zur vollständigen Aushärtung des Kunstharzes erhitzt, beispielsweise während mindestens einer Stunde auf eine Temperatur von 195 bis 2l3 C.
Jedes Silikonharz, das bis auf einen nicht schmelzbaren Zustand aushärtbar ist, kann verwendet werden. Ein für den vorliegenden Zweck besonders geeignetes Silikonharz ist Silicone DC-996 (Markenprodukt).
Werden nicht überzogene Tonerdepartikel verwendet, so lassen sich alle oben erwähnten Vorteile erzielen, mit Ausnahme eines nunmehr möglichen nachteiligen Einflusses der Feuchtigkeit auf den Isolationswiderstand. Bei gekapselten Teilen, bei welchen das Absinken des Isolationswiderstandes ohne Bedeutung ist, oder bei denen keine Feuchtigkeit mit der Vergussmasse in Berührung kommen kann, ist die Verwendung nicht überzogenen Tonerdepulvers durchaus gerechtfertigt.
Als Kunstharz für die Deckschicht 11 kann jedes Giessharz verwendet werden. Besonders geeignet sind Epoxyharze, die durch Kondensation organischer Verbindungen mit mindestens zwei Epoxygruppen
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entstehen. Insbesondere sind die Epoxyharze aus Diglycidyläthem von Verbindungen mit zwei pheno- lischen Hydroxylgruppen empfehlenswert, vor allem aus Diglycidyläthern von Dihydroxy-diphenylmetha- nen, wie etwa 4,
4'-Dihydroxy-diphenyldimethylme- than. Die Epoxyharze werden gewöhnlich durch Beigabe eines Amins als Katalysator und Erhitzung auf Härtungstemperatur ausgehärtet. Die Eigenschaften des Kunstharzes können durch Beifügung einer gleichen Menge geeigneter feinkörniger Füllstoffe, etwa Kieselerde, vor dem Härten verbessert werden. Die Aushärtung kann durch Erhitzung des gefüllten Bechers auf eine Temperatur von 80 bis 94 C während drei Stunden vorgenommen werden.
Die elektrische Durchschlagfestigkeit der Füllmasse kann, falls erwünscht, durch Ausfüllung der Luftzwischenräume zwischen den Partikeln mit einem Gas hoher dielektrischer Festigkeit, etwa Schwefelhexafluorid, verbessert werden, wobei Atmosphärendruck oder Überdruck anwendbar ist.
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Encapsulated Electrical Equipment Electrical equipment such as coils, transformers, filter networks and the like are usually enclosed in metal cans to protect against damage. If a noticeable amount of heat is generated during the operation of such devices, it is customary to fill the free space in the cup with a potting compound which results in better heat conduction to the cup wall than the free air space.
Such a potting compound must have sufficient thermal conductivity and must not attack the parts. It is usually desirable that it also has good insulation resistance in a moist and dry atmosphere. Furthermore, it must neither decompose when heated nor deform the built-in device or the cup due to thermal expansion. In this case, however, the mass should be pourable so that it can be easily poured into the cup and safely fills narrow gaps on the built-in parts or between them and the wall.
It has now been found that a mass of small particles of molten alumina is particularly well suited for this purpose. The alumina particles are preferably coated with a hardened silicone resin. In the drawing, an electrical device filled with such a mass is shown in a vertical section.
The transformer 1 is arranged within a cup, which consists of the side walls 2, a bottom cap 3 and a cover cap 4. The transformer 1 is supported by an angle bracket 5 which is attached to the bottom cap 3. The three winding ends 6 of the transformer are connected to the wires 7, which each lead to the outside via an insulating tube 8 through the bottom cap 3 and form the connections 9. The tubes 8 are attached to the bottom cap 3 and serve as airtight bushings for the wires 7. A fourth end of the winding (not shown) is connected to the cup itself.
The free space between the cup walls and the transformer 1 is filled with a mass 10 of alumina particles with a silicone coating. The mass can be filled either with the cover cap 4 removed, or through a hole in the same, which is then sealed.
Although it is entirely possible to fill the cup completely with the mass 10, it is easier during manufacture not to fill the cup completely to the brim and then to apply a layer of synthetic resin to the mass, which is denoted by 11 in the drawing . The cup can then by soldering the cover cap 4 to the wall or by soldering the filling opening. to be completed in the same.
So far, the most common casting compound for devices of this type has been a mixture of asphalt with a mineral filler, such as sand or mica. This material, which is hard at normal temperature, was heated until it was pourable and then poured into the cup with the built-in electrical part. In terms of thermal conductivity, the present filling compound is similar to such an asphalt mixture. The new filling compound has a very high insulation value that cannot be influenced by moisture or heat. It does not attack any parts and has unlimited resistance.
It is possible to expose this casting compound to very high temperatures without any signs of decomposition, and at very high operating temperatures it neither becomes liquid nor does it expand noticeably.
The new filling compound is in various respects the known asphalt-based casting compounds, the
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must be made hard at normal temperature and castable by heating, consider. Above all, the new filling compound can be filled in when it is cold, which simplifies filling and makes it less dangerous. Then the same penetrates better into narrow gaps within the cup than the thermoplastic materials, which always try to cool down and solidify on the cold parts during casting. For this reason, when using the new filling compound, it is possible to use a cup with less free space around the built-in part, which saves both space and weight.
Furthermore, this filling compound is not temperature-sensitive like the hot-cast materials, so that there are less strict restrictions with regard to the operating conditions for the apparatus equipped with the same. Another advantage can be seen in the fact that the built-in parts can easily be removed from the filling compound and checked, which is not possible with asphalt-based casting compounds.
The good thermal conductivity of the new filling compound is due to the properties of the molten alumina particles themselves. When using well-rounded molten alumina particles, favorable flow properties can be achieved. Such particles can be spherical or nearly spherical; however, they should expediently be free of sharp corners or noticeable irregularities. When using molten alumina particles with sharp edges and irregular shapes, the other advantages can be achieved, but the filling is somewhat more difficult. Alumina particles of this type are commercially available in various densities - depending on the amount of cavities or gas bubbles present therein.
The still permissible particle size of the alumina particles is determined by practical considerations. For medium-sized devices, it is usually desirable that no larger particles be used than will pass through a No. 40 (USA Standard Sieve Scale) sieve with openings 0.42 mm in diameter and 37.9 meshes per 25.4 mm. When using larger particles, some difficulties can arise when pouring parts with narrow gaps. It is preferable to use particles which pass through a No. 45 sieve (with openings of 0.35 mm and 44.7 meshes per 25.4 mm).
It is of course easy to see that with larger parts and larger distances, satisfactory results can also be achieved with larger particles. A suitable molten clay is the commercially available material with different sizes of rounded particles that passes through a No. 45 sieve completely. This material has a specific density of 1.19 when packed tightly in a container after it has been vibrated. In the case of particles that are not retained by a No. 200 sieve (with openings of 0.074 mm and 200 meshes per 25.4 mm), the casting properties are less favorable due to the dense packing and the material is less easy to process because it is more flowing Air can be blown away.
Apart from this, however, this fine-grained material forms an entirely satisfactory filling compound. Preferably, however, a material is used which does not have a substantial content of particles which pass through a No. 120 sieve (with openings of 0.123 mm and 120 meshes per 25.4 mm).
The maintenance of the very high insulation resistance of the material even in the presence of moisture can be ensured by coating the particles with a silicone resin. This synthetic resin coating not only prevents any undesirable electrical effect on the part of moisture, it can also be exposed to relatively high operating temperatures without its physical or electrical properties being adversely affected.
The silicone resin is best applied to the alumina particles in the form of a dilute solution in a highly volatile organic solvent. A suitable solution consists of 1 to 5 parts by volume of silicone resin per 100 parts by volume of solvent. A typical solvent for this is xylene. A sufficient amount of the solution is mixed with the alumina powder until it is completely wetted, after which the excess solvent is poured off. The alumina powder prepared with silicone resin in this way is then dried in air or vacuum, whereby it must be ensured that the majority of the solvent is removed.
The dried, coated alumina powder is then heated to the hardening temperature until the synthetic resin has hardened completely, for example to a temperature of 195 to 23 ° C. for at least one hour.
Any silicone resin that can be hardened to a non-meltable state can be used. A silicone resin particularly suitable for the present purpose is Silicone DC-996 (branded product).
If uncoated alumina particles are used, then all of the advantages mentioned above can be achieved, with the exception of the now possible disadvantageous influence of moisture on the insulation resistance. In the case of encapsulated parts in which the drop in insulation resistance is irrelevant, or in which no moisture can come into contact with the potting compound, the use of uncoated alumina powder is entirely justified.
Any casting resin can be used as the synthetic resin for the cover layer 11. Particularly suitable are epoxy resins which are formed by condensation of organic compounds with at least two epoxy groups
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arise. In particular, the epoxy resins made from diglycidyl ether of compounds with two phenolic hydroxyl groups are recommended, especially from diglycidyl ethers of dihydroxydiphenyl methanes, such as 4,
4'-dihydroxydiphenyldimethylmethane. The epoxy resins are usually cured by adding an amine as a catalyst and heating to the curing temperature. The properties of the synthetic resin can be improved by adding an equal amount of suitable fine-grain fillers, such as silica, before curing. Curing can be carried out by heating the filled beaker to a temperature of 80 to 94 ° C. for three hours.
The dielectric strength of the filling compound can, if desired, be improved by filling the air gaps between the particles with a gas of high dielectric strength, for example sulfur hexafluoride, atmospheric pressure or excess pressure being applicable.