CN111684561A - 配线用断路器的灭弧室底座 - Google Patents

配线用断路器的灭弧室底座 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种配线用断路器的灭弧室底座，更详细而言，涉及一种利用热塑性树脂制造的配线用断路器的灭弧室底座。本发明由于利用芳香族聚酰胺系的热塑性树脂来制造构成配线用断路器的灭弧室底座，因此具有能够提高生产率，实现部件的轻量化，减少部件的生产时间，能够环保以及再利用的效果。此外，具有增加部件寿命的效果。

Description

配线用断路器的灭弧室底座
技术领域
本发明涉及一种配线用断路器的灭弧室底座，更详细而言，涉及一种利用热塑性树脂制造的配线用断路器的灭弧室底座。
背景技术
通常，配线用断路器是，被用于保护交流600V以下、直流250V以下的室内低压电路的额定电流为2500A以下的由模制壳体(Mold Case)包围的断路器，在美国标准NEMA中称作塑壳断路器(Moled Case Circuit Breaker,MCCB)，这也是国际通用的名称。
就配线用断路器而言，在韩国国内，按照电力设备技术基准和内线规定等必须安装配线用断路器，是在绝缘物的容器内一体地组装开关机构、跳闸装置等，并且能够通过手动或电操作来开关通电状态的电路，从而在过负载和短路等状态下自动断开电路的机构。
当在电路发生异常时，配线用断路器通过快速断开线路来防止配线、连接器受损或发生火灾，并防止过负载以及短路电流这样的故障。
即，在流动额定电流以上的电流而温度达到危险的状态之前断开电路，在流动如短路这样的大的故障电流时，会瞬间断开电路。
在通过触头使电流正在流动的电路断开的情况下，会在触头之间产生电弧(作为绝缘体的大气因电压而被绝缘击穿并成为等离子体状态的导电体的现象)，电弧会与电流的大小成比例地增大。
由于电弧的中心温度达到8000～12000℃，并且具有爆发性的膨胀压力，因此会使触头熔融、消耗，使绝缘物劣化、破损。
此时，配线用断路器的壳体发挥着防止因在断开时发生的这种电弧而引起的损坏，并安全地消灭电弧，保护产品内部的其它部件的作用。
关于这种配线用断路器，配线用断路器的壳体，尤其适用于灭弧室底座(ArcExtinguish Chamber Base)的材料的特征在于，以不饱和聚酯(Unsaturated polyester)作为主要成分，混合低收缩剂，并在其中添加如氧化镁、氢氧化镁等的增稠剂(Thickener)。该材料作为固化材料，电稳定性、机械稳定性、热稳定性、尺寸稳定性、耐化学特性优异，从而通常适用于热塑性材料受限的电力设备产品中。
根据这种热固性材料的生产方法，使用片状模塑料(SMC,Sheet moldingcompound)、团状模塑料(BMC,Bulk molding compound)等。
图1是表示制造现有的配线用断路器时所使用的BMC的制造过程的示意图，图2是表示制造配线用断路器时所使用的SMC的制造过程的示意图。
如图1和图2所示，在制造现有的配线用断路器时所使用的BMC是由以下的热固性增强塑料机械成型材料制造而成，所述热固性增强塑料机械成型材料是在将不饱和聚酯树脂、低收缩剂、固化剂、填充剂、脱模剂等加入到捏合机(Kneader)并均匀混合的母材(Matrix)中，加入作为增强剂的玻璃纤维之后浸渍而成的块(Bulk)状。
另外，SMC是由以下的热固性增强塑料机械成型材料制造而成，所述热固性增强塑料机械成型材料是在将不饱和聚酯树脂、低收缩剂、固化剂、填充剂、脱模剂等加入到预混机(Premixer)并均匀混合的母材(Matrix)中，使玻璃纤维(1英寸)浸渍之后，以热化学方式进行老化而成的片(Sheet)状。
具体而言，配线用断路器使用以不饱和聚酯为主要原料的SMC、BMC材料，由于这些材料中已经包含固化剂，从而即使在室温条件下也会逐渐进行固化反应，因此不能长期使用，物理性质会随着保管时间而产生偏差。
另外，由于对温度/湿度敏感，从而物理性质变化大，因此不同季节的生产而产生很大的品质偏差，并且在BMC捏合(Kneading)工序中玻璃纤维(Glass Fiber)的均匀分散受限，从而在部件注塑时会按部件的部位而产生偏差。
并且，产品的保质期通常为六个月，非常短，当使用上述材料生产配线用断路器时，由于利用固化时间较长的热固性不饱和聚酯来成型，因此在封装之后需要很长的固化时间，并产生作为以带状凸出的部分、即毛刺(Burr)导致的后处理工序，从而会增加生产工序和作业工序数，导致部件单位成本变高。
另外，由于作为配线用断路器的主要材料使用不可循环再利用的热固性不饱和聚酯树脂，因此存在不能实现资源再利用、环保的问题。
作为部件生产方法有如下的两种方法。
图3是用于生产现有的配线用断路器的部件的注塑成型的结构图，图4是用于生产现有的配线用断路器的部件的压缩成型的结构图。
如图3和图4所示，通过注塑成型制造的SMC、BMC材料的最大优点为增加强度的玻璃纤维的长度较长(3～12mm)，从而具有机械强度非常优异的特性，然而在使用生产率高的注塑成型时，玻璃纤维经由料斗20向喷嘴30注入时会不规则地破断。通过这种工序生产的部件的强度会下降至压缩成型方式的1/5水准，因此难以表现出原材料的优异的特性。
另一方面，由于压缩成型需要作业者准确地计量并放入模具40来成型，因此工序时间变长，产量变低，而且产品的品质会因计量量/计量大小/计量位置/作业者等的不同而发生变化。
如上所述，由于现有的配线用断路器使用热固性树脂，因此需要很长的固化时间，并因毛刺(Burr)而产生后处理工序，从而会使生产工序和作业工序数增加，导致存在使部件单位成本变高的问题。
另外，由于作为配线用断路器的主要材料使用不可循环再利用的热固性不饱和聚酯树脂，因此存在难以资源再利用、不环保的问题。
发明内容
发明所要解决的问题
本发明为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种利用热塑性树脂制造的配线用断路器。
解决问题的技术方案
本发明的一实施例的用于配线用断路器的灭弧室底座，其特征在于，所述灭弧室底座由热塑性树脂形成，所述热塑性树脂为具有下述化学式的芳香族聚酰胺(Aromaticpolyamide；poly phthal amide)系树脂。
Figure BDA0002620201500000041
在此，其特征在于，在所述热塑性树脂中包含PA66(Polyamide resin)材料。
另外，其特征在于，所述芳香族聚酰胺系树脂的芳香族二羧酸(Aromaticdicarboxylic acid)为30摩尔％以上且小于100摩尔％。
另外，其特征在于，所述芳香族聚酰胺树脂包含C4至C15的脂肪族二胺或脂环族二胺(diamine)。
另外，其特征在于，在所述灭弧室底座中包含金属材料。
另外，其特征在于，所述灭弧室底座还包含无机填料、热稳定剂、抗氧化剂、光稳定剂、阻燃剂以及调色剂。
另外，所述灭弧室底座的材料的组成范围是，由30～75重量％的所述芳香族聚酰胺树脂、20～65重量％的所述无机填料以及1～50重量％的剩余材料构成。
并且，在所述灭弧室底座中还包含由陶瓷、玻璃以及纤维中的任意一种形成的球颗粒。
发明效果
由于本发明的一实施例的用于配线用断路器的灭弧室底座是利用芳香族聚酰胺系(聚邻苯二甲酰胺系)的热塑性树脂制造而成，因此能够提高生产率，实现部件的轻量化，减少部件的生产时间，增加环保性，能够再利用。
另外，由于将PA66材料聚合于聚邻苯二甲酰胺系的热塑性树脂而成型，因此材料的物理性质(机械特性)得到提高。
另外，通过使聚邻苯二甲酰胺系的热塑性树脂由脂肪族碳的数量为4至15构成，聚邻苯二甲酰胺系的热塑性树脂由苯环为30至100摩尔％构成，配线用断路器的物理性质(机械特性)得到显著改善。
尤其，通过如上所述的组分制造的热塑性树脂，增加部件寿命，并减少时间经过导致的物理特性的下降率。
附图说明
图1是表示制造现有的配线用断路器时所使用的BMC的制造过程的示意图。
图2是表示制造现有的配线用断路器时所使用的SMC的制造过程的示意图。
图3是表示制造现有的配线用断路器时所使用的注塑成型装置的剖视图。
图4是表示制造现有的配线用断路器时所使用的压缩成型装置的剖视图。
图5是表示本发明的一实施例的配线用断路器的剖视图。
图6是表示适用于本发明的一实施例的配线用断路器中的灭弧室底座的立体图。
图7是表示设置于本发明的一实施例的配线用断路器的灭弧室底座的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施例的配线用断路器进行详细说明。
图5示出了本发明的一实施例的配线用断路器，图6示出了适用于本发明的一实施例的配线用断路器中的灭弧室底座。
如图5和图6所示，本发明的配线用断路器100，设置于线路(电路)的一部分，并在发生过电流或故障电流时启动来开关线路。在配线用断路器100设置有跳闸装置，当发生线路的过负载和短路等异常时，通过使开关机构部启动来自动断开线路，由此保护负载和线路。
此时，所述配线用断路器100包括：壳体110；固定台130，在所述壳体110的一侧固定于电源端子120；可动台150，设置为能够通过轴140来旋转；灭弧室160，设置于触点部130、150周边；开关机构部200，设置为下部连接件(未图示)通过与把手170连接的上部连接件(未图示)连动的同时，使所述轴140转动；跳闸机构部300，根据在线路中产生的过电流和短路电流，启动所述开关机构部200，从而断开电流；以及负载端子400，与所述跳闸机构部300连接。
在具有如上所述的结构的配线用断路器100中，在线路上发生的过负载属于过电流范围的情况下，在设置于跳闸壳体301的内部的加热器307产生热，导致利用铆钉固定的双金属片306开始弯曲
随着双金属片306弯曲的进行，会使设置于上部的调整螺丝308和跳闸杆309的间隔变窄，最终调整螺丝308会推动跳闸杆309，由此跳闸杆309会逆时针方向转动。
此时，会解除被跳闸杆309限制的弹射件(未图示)的同时，启动开关机构部200，从而断路器100断路。
图6示出了适用于本发明的一实施例的配线用断路器100中的灭弧室底座500。灭弧室底座500由注塑成型物或压缩成型物形成。在灭弧室底座500设置有固定台130、可动台150、轴140、灭弧室160等，在上部设置有开关机构部200。
如上所述构成的本发明的配线用断路器100的灭弧室底座500由热塑性树脂形成。在此，热塑性树脂可以是具有下述化学式的芳香族聚酰胺(Aromatic polyamide；聚邻苯二甲酰胺：poly phthal amide)系树脂。
Figure BDA0002620201500000061
芳香族聚酰胺树脂包含上述化学式的重复单元。在此，4<m<15，50<n<1000，并且分别为整数。
这种芳香族聚酰胺系树脂包含苯环(benzene ring)，所述芳香族聚酰胺系树脂优选由30摩尔％以上且小于100摩尔％的芳香族二羧酸(Aromatic dicarboxylic acid)构成。
以往，通常在电力设备产品中广为使用的材料为聚酰胺(PA；Polyamide)材料，由于其电绝缘性、机械强度、耐热性、耐磨性、阻燃性、成型性优异，因此作为电力设备产品的绝缘材料广为使用，在聚酰胺(Polyamide)中，PA66、PA6材料被广为使用。
另外，聚酰胺(Polyamide)主要用于低压电力设备断路器、开关产品系的壳体，但是由于耐热特性(熔点)差，因此难以替代固化性材料(PA6的熔点：220度，PA66的熔点：260度)
因此，在本发明中，在形成壳体110时使用芳香族聚酰胺、即聚邻苯二甲酰胺(PPA；Polyphthal amide)。芳香族聚酰胺(Polyphthal amide)的材料虽然具有与聚酰胺(PA)类似的分子结构，但是与一般的PA不同地具有芳香族(Aromatic)(苯环)结构，因此刚性和机械强度高，具有在高温条件下保持较高的刚性的特性(Tm：290℃～325℃，Tg：90℃～140℃)，具备高耐热性、低的水分吸收率、尺寸稳定性、低歪曲性，耐化学性、对外部环境的较高的物理性质保持率。
适用于本发明中的材料的芳香族(Aromatic)比率为30～100摩尔％，酰胺(Amide)基两侧的脂肪族(Aliphatic)碳链为4～15的范围。
另外，在与不是聚合而成的高分子的其他材料的混合合金的情况下，以摩尔％计，在总体中芳香族(Aromatic)比率可以是30～100摩尔％范围。
下述表是在制造灭弧室底座500时，利用SMC的材料和使用本发明的PPA(Polyphthal amide)的材料对照表。
[表1]
SMC PPA
密度(density)(g/cm<sup>3</sup>) 1.73 1.65
抗拉强度(tensile strength)(MPa) 39.54 196.11
拉伸模量(tensile modulus)(MPa) 9862 20017
伸长率(elongation)(％) 0.48 1.72
弯曲强度(flexural strength)(MPa) 72.94 305.39
弯曲模量(flexural modulus)(MPa) 9520 17829
冲击强度(impact strength)(KJ/m<sup>2</sup>) 11.02 8.64
如上述的表所示，本发明的配线用断路器100，由于灭弧室底座500由聚邻苯二甲酰胺系的热塑性树脂形成，因此与利用SMC制造的现有的配线用断路器100相比，抗拉强度、拉伸模量等机械特性得到提高。
灭弧室底座500的材料包含芳香族聚酰胺树脂(A)、无机填料(B)、热稳定剂(C)、抗氧化剂(D)、光稳定剂(E)、阻燃剂(F)、调色剂(G)等。
在此，无机填料(B)是碳纤维(carbon fiber)、玻璃纤维(glass fiber)、硼纤维、炭黑、粘土(clay)、高岭土(kaolin)、滑石(talc)、云母(mika)、碳酸钙、氢氧化铝等，并且为了提高与热塑性树脂的界面粘合力可以涂布偶联剂(coupling agent)使用。
材料的组成范围优选由30～75重量％的芳香族聚酰胺树脂、20～65重量％的无机填料(玻璃纤维)以及1～50重量％的剩余材料构成。
通过使用试验片(test piece)对灭弧室底座500的材料进行试验的结果示与下述的表2、表3。在下述的实施例和比较实施例中，仅改变芳香族聚酰胺树脂(A)的容量，无机填料(B)、热稳定剂(C)、抗氧化剂(D)、光稳定剂(E)、阻燃剂(F)、调色剂(G)的种类和重量比率均相同。在此，除了芳香族聚酰胺树脂A之外的总重量比率为55％。
另外，芳香族聚酰胺树脂(A)未单独使用主链上包含芳香族环的芳香族聚酰胺树脂，而是考虑成型工序中的流动性、注塑性等聚合PA66材料而使用。
*在本试验中“芳香族聚酰胺树脂”的区分
(A1)聚酰胺树脂(Polyamide resin)(PA6T)：使用了通过对苯二甲酸(Terephthalic acid)和己二胺(Hexamethylenediamine)的缩聚制造的在主链上包含芳香族环的芳香族聚酰胺树脂、即PA6T。
(A2)聚酰胺树脂(Polyamide resin)(PA4T)：使用了通过对苯二甲酸(Terephthalic acid)和丁二胺(Tetramethylenediamine)的缩聚制造的在主链上包含芳香族环的芳香族聚酰胺树脂、即PA4T。
(A3)聚酰胺树脂(Polyamide resin)(PA66)：使用了通过己二酸(Adipic acid)和己二胺(Hexamethylenediamine)的缩聚制造的PA66。
在下述的表2中，B+C+D+E+F+G的比率(混合比)表示相对于总100％的重量％的比率，A是除了B+C+D+E+F+G之外的状态下，以100％重量基准表示的芳香族聚酰胺树脂(基体树脂)之间的比率。
根据下述的表2的含量添加各个组成成分，制造出双轴熔融挤压的颗粒(Pellet)形态，并在100℃的温度条件下对如上所述得到的颗粒进行6小时以上的干燥之后，利用注塑机制造出物理性质评价用试验片(ISO标准试片)。
[表2]
Figure BDA0002620201500000091
[表3]
Figure BDA0002620201500000092
初始物理性质是在制作物理性质评价用试验片之后，在25℃、相对湿度：50％的条件下进行48小时预处理之后测定的物理性质，试验后物理性质测定结果是在180℃条件下放置648小时之后测定的结果。
在此，部件寿命是按照UL746-b(RTI试验)标准，利用Gear aging over而在160℃、180℃、200℃条件下分别放置2400小时、648小时、480小时进行加速试验之后，进行了与上述预处理方法同样的预处理，然后基于测定到的物理性质的结果，利用阿伦尼乌斯方程(Arrhenius equation)计算出抗拉强度物理性质在作为配线用断路器灭弧室底座(MCCBAEC BASE)的实际使用温度条件的100℃条件下下降到40Mpa的时间(年)的值。抗拉强度40Mpa的基准是在使用产品时对部件所要求的抗拉强度的最小物理性质。
如上所述，所述灭弧室底座500可以适用聚邻苯二甲酰胺系的热塑性树脂，在所述热塑性树脂中可以聚合PA66等材料而进行成型。
在所述表中的物理性质中，就初始物理性质而言，如果玻璃纤维(Glass fiber)或增强剂等的含量增加时，聚合物(Polymer)之间的支撑力变高，从而机械强度得到提高。
在PA66、PA6、PPA或无机填料的含量相同的情况下，试片的机械性质表现为类似。
聚邻苯二甲酰胺系热塑性树脂的特征在于，在高温使用环境下随时间的经过的物理性质下降率低，因此能够替代固化性材料。即，就灭弧室底座500而言，在长期使用条件下，保持PPA物理性质的特性比初始物理性质更重要。如表所示，具体而言，与比较实施例相比，本发明的实施例的部件寿命表现为更优异。另外，抗拉强度、冲击强度、绝缘强度等机械特性也表现出与比较实施例相同或更高的水准。并且，从试验后的物理性质来看，也表现出对比初始物理性质的下降率低于比较实施例。
如上所述，本发明利用聚邻苯二甲酰胺系的热塑性树脂制造出构成配线用断路器100的灭弧室底座500，因此能够提高生产率，实现部件的轻量化，减少部件的生产时间，能够环保以及再利用。
另外，由于将PA66材料聚合于聚邻苯二甲酰胺系的热塑性树脂并成型，因此材料的物理性质(机械特性)得到提高。
另外，通过使聚邻苯二甲酰胺系的热塑性树脂中脂肪族碳数量由4至15构成，使聚邻苯二甲酰胺系的热塑性树脂的苯环由30至100摩尔％构成，从而显著地改善配线用断路器的物理性质(机械特性)。
尤其，通过制造成如上所述的构成的热塑性树脂，增加部件寿命，并减少随时间经过导致的物理特性的下降率。
图7中示出了另一实施例的灭弧室底座500。在该实施例中，在形成灭弧室底座500的树脂中包含球颗粒510。这种球颗粒501可以由陶瓷、玻璃、纤维等形成。球颗粒501可以在注入到塑料注塑成型工序之前混合。由此，耐压性，耐冲击性，耐热性等机械特性得到进一步提高。

Claims (8)

1.一种配线用断路器的灭弧室底座，所述灭弧室底座适用于在内部设置有各个构成部件的所述配线用断路器，所述配线用断路器设置于电路的一部分，从而对所述电路进行断开或通电，所述灭弧室底座的特征在于，
所述灭弧室底座由热塑性树脂形成，
所述热塑性树脂为具有下述化学式的芳香族聚酰胺(Aromatic polyamide；polyphthal amide)系树脂，
Figure FDA0002620201490000011
2.根据权利要求1所述的配线用断路器的灭弧室底座，其特征在于，
在所述热塑性树脂中包含PA66(Polyamide resin)材料。
3.根据权利要求1或2所述的配线用断路器的灭弧室底座，其特征在于，
所述芳香族聚酰胺系树脂的芳香族二羧酸(Aromatic dicarboxylic acid)为30摩尔％以上且小于100摩尔％。
4.根据权利要求1或2所述的配线用断路器的灭弧室底座，其特征在于，
所述芳香族聚酰胺树脂包含C4至C15的脂肪族或脂环族二胺(diamine)。
5.根据权利要求1所述的配线用断路器的灭弧室底座，其特征在于，
在所述灭弧室底座中包含金属材料。
6.根据权利要求1所述的配线用断路器的灭弧室底座，其特征在于，
所述灭弧室底座还包含无机填料、热稳定剂、抗氧化剂、光稳定剂、阻燃剂以及调色剂。
7.根据权利要求1所述的配线用断路器的灭弧室底座，其特征在于，
所述灭弧室底座的材料的组成范围是，由30～75重量％的所述芳香族聚酰胺树脂、20～65重量％的所述无机填料以及1～50重量％的剩余材料构成。
8.根据权利要求1所述的配线用断路器的灭弧室底座，其特征在于，
在所述灭弧室底座中包含由陶瓷、玻璃以及纤维中的任意一种形成的球颗粒。
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