DE102020212619A1 - Fiber matrix semi-finished product for the manufacture of housing parts for circuit breakers - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Faser-Matrix-Halbzeug für die Herstellung von Gehäuseteilen von Schutzschaltern und Sicherungen vorgeschlagen. Dieses umfasst Verstärkungsfasern, eine harzbasierte Formmasse und ungeblähtes Perlit als Füllstoff.A fiber matrix semi-finished product for the production of housing parts for circuit breakers and fuses is proposed. This includes reinforcing fibers, a resin-based molding compound and unexpanded perlite as a filler.

Description

Bulk Molding Compound (BMC) ist ein Faser-Matrix-Halbzeug, welches vornehmlich in der Elektro- und Automobilindustrie zum Einsatz kommt. BMC-Halbzeuge basieren zumeist auf Kurz-Glasfasern und einem ungesättigten Polyester- oder Vinylesterharz. Zudem wird typischerweise ein Füllstoff bei der BMC-Herstellung verwendet. Gängige Füllstoffe sind ATH (Aluminiumtrihydroxid) und Calciumcarbonat. Schließlich werden häufig noch Zusatzstoffe zugefügt, z.B. Magnesiumoxid zur Erhöhung der Plastizität und Kaolin zur Verbesserung der Säurebeständigkeit.Bulk Molding Compound (BMC) is a fiber matrix semi-finished product that is primarily used in the electrical and automotive industries. BMC semi-finished products are mostly based on short glass fibers and an unsaturated polyester or vinyl ester resin. In addition, a filler is typically used in BMC manufacture. Common fillers are ATH (aluminum trihydroxide) and calcium carbonate. Finally, additives are often added, e.g. magnesium oxide to increase plasticity and kaolin to improve acid resistance.

Bei der Herstellung von Elektro-Komponenten wird das BCM-Gemisch meist nur leicht erwärmt in eine Gussform gepresst und dort mit höherer Wärme ausgehärtet. Anders als bei Thermoplasten kann es danach nicht wieder durch Erwärmung verflüssigt werden.In the manufacture of electronic components, the BCM mixture is usually only slightly heated and pressed into a mold and hardened there with higher heat. Unlike thermoplastics, it cannot be liquefied again afterwards by heating.

Je nach Einsatzgebiet bestehen andere Anforderungen an ein BMC-Halbzeug. Bei der Herstellung von Gehäuse- und Deckelteile von Elektrogeräten müssen entsprechend der beabsichtigten Anwendung verschiedene Anforderungen hinsichtlich mechanischer und elektrischer Eigenschaften sowie Brandschutz erfüllt werden.Depending on the area of application, there are different requirements for a BMC semi-finished product. When manufacturing housing and cover parts for electrical devices, various requirements with regard to mechanical and electrical properties as well as fire protection must be met depending on the intended application.

Dies spiegelt sich insbesondere auch bei der Auswahl und Dosierung des Füllstoffes wider. Wenn der Brandschutz eine substanzielle Rolle spielt, wird häufig ATH eingesetzt. Der Anteil von ATH am BMC Halbzeug beträgt dann z.B. 2/3 der Gesamtmasse bzw. ca. 50% des Volumenanteils. Das ATH wirkt dabei als Brandschutzmittel bei Flammeinwirkung auf das entsprechende Bauteil.This is reflected in particular in the selection and dosage of the filler. When fire protection plays a substantial role, ATH is often used. The proportion of ATH in the BMC semi-finished product is then e.g. 2/3 of the total mass or approx. 50% of the volume proportion. The ATH acts as a fire retardant when exposed to flames on the corresponding component.

Besondere Anforderung gibt es bei Schutzschaltern, z.B. Leistungsschutzschaltern im Niederspannungsbereich, die Kurzschlussströme abschalten können müssen, ohne dass der Schalter beschädigt würde. Besondere Belastungen bestehen dabei durch typischerweise beim Kurzschlussabschalten auftretende Lichtbögen, für deren Löschung dann der Leistungsschutzschalter ausgelegt ist.There are special requirements for circuit breakers, e.g. power circuit breakers in the low-voltage range, which must be able to switch off short-circuit currents without damaging the switch. Particular loads are caused by arcs that typically occur when switching off short-circuits, and the circuit breaker is then designed to extinguish them.

Es besteht ein Bedarf an einem für den Einsatz bei Schutzschaltern und den dort bestehenden Anforderungen optimierten Faser-Matrix-Halbzeug bzw. BMC-Material. Dabei wird ein Material benötigt, das hohen Temperaturen widersteht, einer Brandentstehung entgegenwirkt, die Lichtbogenlöschung unterstützt und gleichzeitig vergleichsweise kostengünstig ist.There is a need for a fiber matrix semi-finished product or BMC material that is optimized for use in circuit breakers and the requirements that exist there. This requires a material that withstands high temperatures, counteracts the outbreak of fire, supports arc extinguishing and is also comparatively inexpensive.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Faser-Matrix-Halbzeug (insb. BMC-Material) anzugeben, das besonders für den Einsatz bei Schutzschaltern geeignet ist.The object of the invention is to specify a fiber matrix semi-finished product (in particular BMC material) which is particularly suitable for use in circuit breakers.

Erfindungsgemäß wird ein Faser-Matrix-Halbzeug (insb. BMC-Material) vorgeschlagen, welches Verstärkungsfasern (z.B. der Länge 4,5 mm oder 6 mm), eine harzbasierte Formmasse (z.B. Polyesterhatz) und mindestens einen Füllstoff umfasst, wobei es sich bei dem Füllstoff um ungeblähtes Perlit handelt.According to the invention, a fiber-matrix semi-finished product (especially BMC material) is proposed which comprises reinforcing fibers (e.g. with a length of 4.5 mm or 6 mm), a resin-based molding compound (e.g. polyester hatz) and at least one filler, the Filler is unexpanded perlite.

Diese Zusammensetzung eines Faser-Matrix-Halbzeug erlaubt eine Optimierung und Anpassung von Anforderungen an Materialeigenschaften, wie sie insb. bei der Herstellung von Gehäuseteilen von Schutzschaltern und Sicherungen auftreten. Derartige Anforderungen sind z.B. den bei im Einsatz auftretenden Temperaturen zu widerstehen, einer Brandentstehung entgegenzuwirken, ggf. eine Lichtbogenlöschung zu unterstützen und gleichzeitig vergleichsweise kostengünstig bzgl. der Materialbeschaffung zu sein.This composition of a fibre-matrix semi-finished product enables the optimization and adaptation of material property requirements, such as those encountered in the manufacture of housing parts for circuit breakers and fuses. Such requirements are, for example, to withstand the temperatures that occur during use, to counteract the outbreak of fire, to support arc extinguishing if necessary and at the same time to be comparatively inexpensive in terms of material procurement.

Das erfindungsgemäße Faser-Matrix-Halbzeug kann weitere Bestandteile umfassen. Z.B. werden typischerweise BMC-Materialen Additive und Reaktivmittel zugegeben, z.B. z.B. Magnesiumoxid zur Erhöhung der Plastizität und Kaolin zur Verbesserung der Säurebeständigkeit. Üblich ist auch die Zugabe von Inhibitoren bzw. Katalysatoren, um Verarbeitung und Eigenschaften zu beeinflussen bzw. zu steuern, z.B. Verlauf der Aushärtung, Lagerungseigenschaften, Wasserfeingehalt etc.The fiber matrix semi-finished product according to the invention can comprise further components. For example, additives and reactive agents are typically added to BMC materials such as, for example, magnesium oxide to increase plasticity and kaolin to improve acid resistance. The addition of inhibitors or catalysts is also common in order to influence or control processing and properties, e.g. the course of curing, storage properties, water fineness, etc.

Bei dem ungeblähten Perlit handelt es sich vorzugsweise um feinkörniges Perlit mit einer Korngröße von kleiner 100 µm.The unexpanded perlite is preferably fine-grained perlite with a grain size of less than 100 μm.

Der Füllstoff des erfindungsgemäße Faser-Matrix-Halbzeug kann zu 100% ungeblähtes Perlit sein und 40-80% zum Gewicht des Faser-Matrix-Halbzeugs beitragen. Gem. einer Weiterbildung kann jedoch eine Füllstoffkombination zum Einsatz kommen. Diese Füllstoffkombination umfasst als Füllstoffe ungeblähtes Perlit und ATH. Diese können zusammen z.B. 40-80% des Halbzeug-Gewichtes ausmachen. Dabei ist gem. einer Ausgestaltung der Anteil vom ungeblähten Perlit höher als der vom ATH.The filler of the fiber matrix semi-finished product according to the invention can be 100% unexpanded perlite and contribute 40-80% to the weight of the fiber matrix semi-finished product. According to a development, however, a combination of fillers can be used. This filler combination includes unexpanded perlite and ATH as fillers. Together, these can account for e.g. 40-80% of the weight of the semi-finished product. According to one embodiment, the proportion of unexpanded perlite is higher than that of ATH.

Eine Weiterbildung der Variante mit einer Füllstoffkombination sieht vor, dass der Anteil an ATH nach Maßgabe eines für mit dem Faser-Matrix-Halbzeug gebildeten Elements (Gehäuseteil, Deckel, Zubehörteil ...) erforderlichen Brandschutzvermögens bestimmt bzw. festgelegt ist. Dies ist insbesondere im Gebiet der Stromschutzvorrichtungen wie Leistungsschutzschalter und Sicherungen wichtig. Je nach Bemessungsstrom und Normanforderungen (insb. US-Brandschutznormen) kann sich dort das erforderliche Brandschutzvermögen unterscheiden. Entsprechend wird man unterschiedliche Füllstoffanteile von Perlit und ATH bevorzugen (z.B. Erhöhung des ATH-Anteils und Verringerung des Perlit-Anteils bei höheren Anforderungen an das Brandschutzvermögen) .A further development of the variant with a filler combination provides that the proportion of ATH is determined or specified in accordance with the fire protection capacity required for the element (housing part, cover, accessory part...) formed with the fiber matrix semi-finished product. This is particularly important in the field of power protection devices such as circuit breakers and fuses. Depending on the rated current and standard requirements (especially US fire protection standards), this can change there required fire protection capacity. Correspondingly, different proportions of fillers of perlite and ATH are preferred (eg increasing the proportion of ATH and reducing the proportion of perlite in the case of higher fire protection requirements).

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Stromschutzvorrichtung (z.B. Schutzschalter oder Sicherung). Erfindungsgemäß ist dann ein Element der Vorrichtung (z.B. Gehäuseteil, Deckelteil oder Zubehörteil) mit einem erfindungsgemäßen Halbzeug gebildet. Bei der Stromschutzvorrichtung kann es sich um einen Schalter handeln, der für Kurzschlussschalten und die Löschung eines bei Kurzschlussschaltens auftretenden Lichtbogens ausgebildet ist (typischerweise Leistungsschutzschalter) .The subject of the invention is also a current protection device (e.g. circuit breaker or fuse). According to the invention, an element of the device (e.g. housing part, cover part or accessory part) is then formed with a semi-finished product according to the invention. The current protection device can be a switch that is designed for short-circuit switching and the quenching of an arc that occurs during short-circuit switching (typically circuit breakers).

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Elementes eines Schutzschalters mit einem erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Halbzeug, das als Füllstoffe Perlit und ATH umfasst. Gemäß dem Verfahren wird ein für das Element erforderlichen Brandschutzvermögen bestimmt. Die Anteile von ungeblähten Perlit und ATH werden dann nach Maßgabe des bestimmten Brandschutzvermögens festgelegt, und die Bildung des Elements erfolgt dann mittels eines Faser-Matrix-Halbzeugs mit den Füllstoffen ungeblähtes Perlit und ATH in den festgelegten Anteilen. Dabei soll nicht ausgeschlossen sein, dass das Faser-Matrix-Halbzeugs noch andere Füllstoffkomponenten umfasst, welche ggf. ebenfalls nach Maßgabe des erforderlichen Brandschutzvermögens festgelegt werden.The invention also relates to a method for producing an element of a circuit breaker with a fiber matrix semi-finished product according to the invention, which comprises perlite and ATH as fillers. According to the method, a fire retardancy required for the element is determined. The proportions of unexpanded perlite and ATH are then determined according to the determined fire protection capacity, and the element is then formed using a fiber matrix semi-finished product with the fillers unexpanded perlite and ATH in the determined proportions. It should not be ruled out that the fiber matrix semi-finished product also includes other filler components, which may also be determined according to the required fire protection capacity.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird eine Anzahl von verschiedenen Füllstoffkombinationen mit ungeblähten Perlit und ATH festgelegt und die Festlegung von Anteilen von ungeblähten Perlit und ATH wird durch Auswahl einer der Füllstoffkombinationen nach Maßgabe des bestimmten Brandschutzvermögens durchgeführt. Der Gedanke hinter dieser Weiterbildung ist, dass man nicht für jedes Element eine eigene Füllstoffkombination haben möchte. Stattdessen kann eine beschränkte Anzahl von Füllstoffkombinationen vorgesehen sein, und ein zu bildendes Element wird dann der für sie optimalen Kombination zugeordnet (z.B. ökonomischste Lösung, die die für das Element bestehenden Brandschutzanforderungen und ggf. andere Anforderungen erfüllt), die dann für die Bildung verwendet wird. Für die Bestimmung der Füllstoffkombinationen kann für das relevante technische Gebiet ein Clustering aller in Frage kommenden Elemente bzw. Produkt anhand relevanter Kriterien (Lichtbogenlöschung erforderlich, Nennstrom, etc.) vorgenommen und pro Cluster eine optimiert Füllstoffkombinationen (Kostenoptimierung unter Randbedingung der Erfüllung bestehender Erfordernisse wie Brandschutz und ggf. anderer Materialeigenschaften) festgelegt werden. Ebenfalls wäre möglich, von einer Anzahl von festen Füllstoffverhältnissen zwischen Perlit und ATH auszugehen (z.B. 50/50, 60/40, 70/30, 80/20, 90/10, 100/0) und dann ein Füllstoffverhältnis gem. der Anforderungen an das zu bildende Element auszuwählen.According to a development of the method, a number of different filler combinations with unexpanded perlite and ATH are specified and the determination of proportions of unexpanded perlite and ATH is carried out by selecting one of the filler combinations in accordance with the determined fire protection capacity. The thought behind this development is that one does not want to have a separate filler combination for each element. Instead, a limited number of filler combinations can be provided, and an element to be formed is then assigned to the optimal combination for it (e.g. most economical solution that meets the fire safety requirements for the element and other requirements, if applicable), which is then used for formation . To determine the filler combinations, all possible elements or products can be clustered for the relevant technical area based on relevant criteria (arc quenching required, nominal current, etc.) and an optimized filler combination per cluster (cost optimization under the marginal condition of meeting existing requirements such as fire protection and, if necessary, other material properties). It would also be possible to assume a number of fixed filler ratios between perlite and ATH (e.g. 50/50, 60/40, 70/30, 80/20, 90/10, 100/0) and then a filler ratio according to the requirements select the element to be formed.

Im Folgenden wird die Erfindung im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung eines geöffneten Schaltgerätes mit Mitteln zur Lichtbogenlöschung in perspektivischer Ansicht;
  • 2: eine schematische Schnittdarstellung des Schaltgerätes aus 1 in einer Draufsicht;
  • 3: ein Beispiel für eine herkömmliche Zusammensetzung einer BMC-Formmasse für Elektroanwendungen;
  • 4: ein Beispiel einer erfindungsgemäß den Füllstoff Perlit enthaltenden Zusammensetzung einer BMC-Formmasse für Elektroanwendungen; und
  • 5: eine Vergleichstabelle für verschiedene Füllstoffe.
The invention is explained in more detail below within the scope of an exemplary embodiment with reference to figures. Show it:
  • 1 : a schematic representation of an open switching device with means for arc extinguishing in a perspective view;
  • 2 : a schematic sectional view of the switching device 1 in a plan view;
  • 3 : an example of a conventional composition of a BMC molding compound for electrical applications;
  • 4 : an example of a composition of a BMC molding compound for electrical applications containing the perlite filler according to the invention; and
  • 5 : a comparative table for different fillers.

Materialien für Elektroanwendungen sind vielfältigen Belastungen ausgesetzt. Besondere Anforderungen bzgl. Flammschutzwirkung und Hitzebeständigkeit bestehen für Gehäusematerialien von Schaltern (z.B. diverse Typen von Leistungsschaltern), bei denen das Schalten mit der Bildung eines Lichtbogens einhergeht. Das Beispiel eines derartigen Schalters aus dem Niederspannungsbereich ist in 1 gezeigt. Das Beispiel stammt aus der EP 3428942 A1 . Die Erfindung ist nicht auf diesen Schaltertyp beschränkt, sondern kann insbesondere auch in Schaltern der Mittel- und Hochspannung zum Einsatz kommen.Materials for electrical applications are exposed to a variety of stresses. There are special requirements with regard to flame retardancy and heat resistance for the housing materials of switches (e.g. various types of circuit breakers) where switching is accompanied by the formation of an arc. The example of such a switch from the low-voltage range is in 1 shown. The example is from the EP 3428942 A1 . The invention is not limited to this type of switch, but can also be used in particular in switches for medium and high voltage.

Das Schaltgerät in 1 ist in perspektivischer Darstellung schematisch dargestellt. 2 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung des in 1 dargestellten Schaltgerätes 1 in einer Draufsicht. Das Schaltgerät 1 weist ein Isolierstoffgehäuse 2 auf, dessen vorderes Gehäuseteil weggelassen wurde, um einen Einblick in das Schaltgerät 1 zu ermöglichen und somit dessen inneren Aufbau zu verdeutlichen. Das in den Figuren der Zeichnung dargestellte Schaltgerät 1 ist als einpoliges Reiheneinbaugerät mit einer Gehäusebreite von einer Teilungseinheit (TE), was einer Breite von ca. 18 mm entspricht, dargestellt. Das Isolierstoffgehäuse 2 ist dabei in Halbschalen-Bauweise ausgeführt.The switching device in 1 is shown schematically in a perspective view. 2 shows a schematic sectional view of the in 1 switching device 1 shown in a plan view. The switching device 1 has an insulating material housing 2, the front housing part of which has been omitted in order to allow an insight into the switching device 1 and thus to clarify its internal structure. The switching device 1 shown in the figures of the drawing is shown as a single-pole modular installation device with a housing width of one pitch unit (TE), which corresponds to a width of approximately 18 mm. The insulating material housing 2 is designed in a half-shell design.

Das Isolierstoffgehäuse 2 weist prinzipiell eine Frontseite 3, eine der Frontseite 3 gegenüberliegend angeordnete Befestigungsseite 4 sowie die Frontseite 3 und die Befestigungsseite 4 verbindenden Schmalseiten 5 und Breitseiten 6 (siehe 2) auf. Im mittleren Bereich der Frontseite 3 ist ein Betätigungselement (nicht dargestellt) zur manuellen Betätigung des Schaltgerätes 1 angeordnet. Darüber hinaus existieren noch zwei äußere Frontseiten-Teilbereiche 3-1, welche im Vergleich zum mittleren Bereich der Frontseite 3 etwas zurückgenommen sind, wodurch zu den Schmalseiten 5 hin jeweils eine Stufe gebildet ist. An der Befestigungsseite 4 sind Befestigungsmittel, beispielsweise Rastmittel (nicht dargestellt), montierbar, um das Schaltgerät an einem Träger, beispielsweise einer Trag- oder Hutschiene (nicht dargestellt) zu befestigen.The insulating material housing 2 has in principle a front side 3, one of the front side 3 oppositely arranged fastening side 4 and the Front side 3 and the fastening side 4 connecting narrow sides 5 and wide sides 6 (see 2 ) on. An actuating element (not shown) for manual actuation of the switching device 1 is arranged in the middle area of the front side 3 . In addition, there are two outer partial front-side areas 3-1, which are set back somewhat in comparison to the middle area of the front side 3, as a result of which a step is formed in each case towards the narrow sides 5. Fastening means, for example latching means (not shown), can be mounted on the fastening side 4 in order to fasten the switching device to a carrier, for example a mounting or top-hat rail (not shown).

Im Bereich der Schmalseiten 5 weist das Isolierstoffgehäuse 2 jeweils einen Klemmenaufnahmeraum 7 auf, der zur Aufnahme jeweils einer elektrischen Anschlussklemme (nicht dargestellt) ausgebildet ist. Zur Kontaktierung mit externen elektrischen Anschlussleitern (nicht dargestellt) ist in jeder der Schmalseiten 5 des Isolierstoffgehäuses 2 jeweils eine Anschlussöffnung 8 ausgebildet, in die der jeweilige Anschlussleiter eingeführt und mit der jeweiligen Anschlussklemme elektrisch leitend verbunden werden kann. Da die Anschlussklemmen in der Regel als Schraubklemmen ausgeführt sind, ist zu deren Betätigung, d.h. zum Öffnen und Schließen der Anschlussklemmen, im Bereich der beiden äußeren Frontseiten 3-1 jeweils eine Öffnung 9 zum Durchgriff für einen Schraubendreher ausgebildet.In the area of the narrow sides 5, the insulating material housing 2 has a terminal receiving space 7, which is designed to receive an electrical connection terminal (not shown). For contacting with external electrical connection conductors (not shown), a connection opening 8 is formed in each of the narrow sides 5 of the insulating housing 2, into which the respective connection conductor can be inserted and electrically conductively connected to the respective connection terminal. Since the connection terminals are usually designed as screw terminals, there is an opening 9 in the area of the two outer front sides 3-1 for a screwdriver to reach through to actuate them, i.e. to open and close the connection terminals.

Das in 1 dargestellten Isolierstoffgehäuse 2 weist ferner eine Lichtbogenlöschkammer 20 sowie eine unmittelbar benachbart angeordnete Lichtbogen-Entstehungskammer 30 auf. Oberhalb der Lichtbogen-Entstehungskammer 30 befindet sich ein Kontaktbereich 10, in dem ein Schaltkontakt (nicht dargestellt), bestehend aus einem Festkontakt sowie einem über eine Schaltmechanik betätigbaren, relativ zum Festkontakt beweglichen Bewegkontakt in dem Isolierstoffgehäuse 2 montierbar ist. Während die Schaltmechanik im Kopfbereich des Isolierstoffgehäuses 2 montiert wird, befindet sich der eigentliche Schaltkontakt im montierten Zustand unmittelbar oberhalb der Lichtbogen-Entstehungskammer 30. Wird der Schaltkontakt unter Spannung, d.h. in stromdurchflossenem Zustand, geöffnet, so entsteht zwischen dem Festkontakt und dem sich davon wegbewegenden Bewegkontakt ein Lichtbogen. Mit dem Begriff „Lichtbogen-Entstehungskammer“ ist demnach der freie Raum zwischen dem Schaltkontakt und der Lichtbogenlöschkammer 20 bezeichnet, an dessen einem Ende der Lichtbogen entsteht und den der Lichtbogen anschließend durchlaufen muss, um vom Schaltkontakt in die Lichtbogenlöschkammer 20 zu gelangen.This in 1 illustrated insulating material housing 2 also has an arc extinguishing chamber 20 and an arc generation chamber 30 arranged immediately adjacent. Above the arc formation chamber 30 is a contact area 10 in which a switching contact (not shown) consisting of a fixed contact and a moving contact that can be actuated by a switching mechanism and is movable relative to the fixed contact can be mounted in the insulating housing 2 . While the switching mechanism is mounted in the head area of the insulating material housing 2, the actual switching contact is located directly above the arc formation chamber 30 in the mounted state moving contact an arc. The term "arc formation chamber" therefore refers to the free space between the switching contact and the arc quenching chamber 20, at one end of which the arc is formed and through which the arc must then pass in order to get from the switching contact into the arc quenching chamber 20.

Der Lichtbogen selbst ist ein sogenanntes thermisches Plasma. Dieses weist im Kern Temperaturen von 1.000 bis 30.000 K und an der Oberfläche 4.000 bis 5.000 K auf. Die hohe thermische Energie-Einbringung in die umgebenden Materialien kann innerhalb kürzester Zeit zu Schäden führen. Deshalb werden Schaltlichtbögen sehr schnell zum Verlöschen gebracht.The arc itself is a so-called thermal plasma. Temperatures range from 1,000 to 30,000 K in the core and 4,000 to 5,000 K on the surface. The high thermal energy input into the surrounding materials can lead to damage within a very short time. Switching arcs are therefore extinguished very quickly.

Für das Isolierstoffgehäuse 2 bedeutet das, dass man für es Materialien (insb. im Bereich der Lichtbogen-Entstehungskammer und der Lichtbogenlöschkammer) benötigt, die hohen Temperaturen widerstehen, einer Brandentstehung entgegenwirken, die Lichtbogenlöschung unterstützen und gleichzeitig vergleichsweise kostengünstig sind.For the insulating material housing 2, this means that materials are required (especially in the area of the arc formation chamber and the arc extinguishing chamber) that withstand high temperatures, counteract the outbreak of fire, support arc extinguishing and are also comparatively inexpensive.

Eine Option für das Gehäusematerial sind BMC-Formmassen. In 3 ist ein Beispiel für die Zusammensetzung einer herkömmliche BMC-Formmasse gezeigt. Im Folgenden betreffen Prozentangaben das Gewicht, sind also Gewichtprozentangaben. Die Zusammensetzung einer BMC-Formmasse nach Anteilen lässt sich beispielsweise durch eine thermogravimetrische Analyse (TGA) oder durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) bestimmen.One option for the case material is BMC molding compounds. In 3 an example of the composition of a conventional BMC molding compound is shown. In the following, percentages relate to the weight, ie are percentages by weight. The composition of a BMC molding compound according to parts can be determined, for example, by thermogravimetric analysis (TGA) or by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX).

Die in 3 dargestellte Zusammensetzung einer BMC-Formmasse besteht aus 65% ATH oder Caliumcarbonat (Füllstoff), 15% UP-Harz (ungesättigtes Polyesterharz), 14% Glasfasern und 6% Additive und Reaktivmittel (Prozentangaben gemäß der Gewichtsanteile).In the 3 The composition of a BMC molding compound shown consists of 65% ATH or potassium carbonate (filler), 15% UP resin (unsaturated polyester resin), 14% glass fibers and 6% additives and reactive agents (percentages by weight).

Demgegenüber ist in 4 die Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen BMC-Formmasse gezeigt. Sie besteht aus 32% Perlit (Füllstoff), 28% ATH (Füllstoff), 18% UP-Harz, 15% Glasfasern und 7% Additive und Reaktivmittel (Prozentangaben gemäß der Gewichtsanteile, wie sie z.B. mittels TGA oder EDX erhaltbar wären).In contrast, in 4 the composition of a BMC molding composition according to the invention is shown. It consists of 32% perlite (filler), 28% ATH (filler), 18% UP resin, 15% glass fibers and 7% additives and reactive agents (percentages by weight, such as would be obtainable using TGA or EDX, for example).

Perlit ist ein Naturglas, welches zur Gruppe vulkanischer Ryolite oder Quarzporphyrgläser gehört. Rohperlit (ungeblähtes Perlit) enthält durchschnittlich 0,5 bis 6 % Wasser, das unter Einwirkung von Temperaturen größer 700° C durch die Verdampfung des Wassers im Gestein expandiert und sich bis zum Zwanzigfachen seines ursprünglichen Volumens aufbläht (geblähtes Perlit). In dieser Anmeldung bezieht sich der Begriff „Perlit“ auf ungeblähtes Perlit, außer explizit anders angegeben. Weitere Eigenschaften von Perlit sind z.B. in der WO 2012019578 A2 näher beschrieben.Perlite is a natural glass that belongs to the group of volcanic ryolites or quartz porphyry glasses. Raw perlite (unexpanded perlite) contains an average of 0.5 to 6% water, which expands under the influence of temperatures above 700° C due to the evaporation of the water in the rock and expands up to twenty times its original volume (expanded perlite). In this application, the term "perlite" refers to unexpanded perlite unless explicitly stated otherwise. Other properties of perlite are, for example, in the WO 2012019578 A2 described in more detail.

Gehäusematerialien von Schaltern, in denen Lichtbögen entstehen, sollen - wie oben erwähnt - eine Reihe von Anforderungen erfüllen, nämlich hohen Temperaturen widerstehen, einer Brandentstehung entgegenwirken, die Lichtbogenlöschung unterstützen und gleichzeitig vergleichsweise kostengünstig sein. Es ist eine zentrale Erkenntnis der dieser Anmeldung zugrunde liegenden Erfindung, dass die erfindungsgemäße BMC-Formmasse mit Perlitanteil diese Kriterien in bestmöglicher Weise erfüllen kann. Insbesondere ist auf Grund des gebundenen Wassers in Perlit, das erst bei hohen Temperaturen freigegeben wird, eine zumindest im Vergleich zum Einsatz von Calciumcarbonat, welches oftmals als kostengünstiger Füllstoff in BMC-Formmassen für Elektroanwendungen verwendet wird, verbesserte Flammschutzwirkung zu erwarten.Housing materials of switches in which arcs occur should - as mentioned above - meet a number of requirements, namely withstand high temperatures, counteract the outbreak of fire, support arc extinguishing and at the same time be comparatively cost-effective be cheap. It is a key finding of the invention on which this application is based that the BMC molding compound according to the invention with a perlite fraction can meet these criteria in the best possible way. In particular, due to the bound water in perlite, which is only released at high temperatures, an improved flame retardant effect can be expected, at least in comparison to the use of calcium carbonate, which is often used as a cost-effective filler in BMC molding compounds for electrical applications.

In 5 zeigt eine Tabelle mit einem Kostenvergleich zwischen verschiedenen Füllstoffen. Konkret sind die Dichte in g/cm3, der Gewichtspreis in €/kg und der Volumenpreis in €/dm3 der verschiedenen Füllstoffe gegenübergestellt. Dabei handelt es sich um repräsentative Preise zum Zeitpunkt der Erfindungsentstehung. Es versteht sich von selbst, dass die konkreten Preise abhängig vom Anbieter bzw. den konkreten Umständen eines Angebots abweichen können. Aber der Trend bzw. die preisliche Relation zwischen den einzelnen Füllstoffen sollte davon unberührt sein. Es zeigt sich, dass Perlit mit Ausnahme des von seinen Eigenschaften unterlegenen Calciumcarbonat auch die wirtschaftlichste Lösung darstellt. D.h., ein Füllstoff mit Perlit stellt sich insb. in Schalteranwendungen, die eine Lichtbogenlöschung beinhalten, überraschend in Gesamtabwägung der Kriterien als die optimale Lösung dar.In 5 shows a table with a cost comparison between different fillers. Specifically, the density in g/cm 3 , the weight price in €/kg and the volume price in €/dm 3 of the various fillers are compared. These are representative prices at the time the invention was created. It goes without saying that the specific prices may vary depending on the provider or the specific circumstances of an offer. But the trend or the price relation between the individual fillers should be unaffected by this. It turns out that perlite, with the exception of calcium carbonate, which has inferior properties, is also the most economical solution. This means that a filler with perlite surprisingly turns out to be the optimal solution, especially in switch applications that involve arc quenching.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 3428942 A1 [0018]EP 3428942 A1 [0018]
  • WO 2012019578 A2 [0028]WO 2012019578 A2

Claims (12)

Faser-Matrix-Halbzeug für die Herstellung von Gehäuseteilen von Schutzschaltern und Sicherungen, umfassend - Verstärkungsfasern, - eine harzbasierte Formmasse, und - mindestens einen Füllstoff dadurch gekennzeichnet, dass - der Füllstoff ungeblähtes Perlit ist.Fiber matrix semi-finished product for the production of housing parts for circuit breakers and fuses, comprising - reinforcing fibers, - a resin-based molding compound, and - at least one filler , characterized in that - the filler is unexpanded perlite. Faser-Matrix-Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Faser-Matrix-Halbzeug um ein BMC-Material handelt.fiber matrix semi-finished product claim 1 , characterized in that the fiber matrix semi-finished product is a BMC material. Faser-Matrix-Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ungeblähte Perlit eine Korngröße von unterhalb 100 µm aufweist.Fiber matrix semi-finished product according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the unexpanded perlite has a particle size of less than 100 µm. Faser-Matrix-Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - als Füllstoff ausschließlich ungeblähtes Perlit verwendet wird, und - der Gewichtsanteil des Füllstoffes 40-80% beträgt.Fiber-matrix semi-finished product according to one of the preceding claims, characterized in that - exclusively unexpanded perlite is used as filler, and - the proportion by weight of the filler is 40-80%. Faser-Matrix-Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass es mit den Füllstoffen ungeblähtes Perlit und ATH gebildet ist.Fiber matrix semi-finished product according to one of Claims 1 until 2 , characterized in that it is formed with the fillers unexpanded perlite and ATH. Faser-Matrix-Halbzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil der Füllstoffe 40-80% beträgt.fiber matrix semi-finished product claim 5 , characterized in that the proportion by weight of the fillers is 40-80%. Faser-Matrix-Halbzeug nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil vom ungeblähten Perlit höher als der vom ATH ist.Fiber matrix semi-finished product according to one of Claims 5 or 6 , characterized in that the proportion by weight of unexpanded perlite is higher than that of ATH. Faser-Matrix-Halbzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an ATH nach Maßgabe eines für mit dem Faser-Matrix-Halbzeug gebildeten Elements erforderlichen Brandschutzvermögens festgelegt ist.Fiber matrix semi-finished product according to one of Claims 5 until 7 , characterized in that the proportion of ATH is set in accordance with a fire protection capacity required for the element formed with the fiber matrix semi-finished product. Stromschutzvorrichtung, insb. Schutzschalter, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element der Stromschutzvorrichtung mit einem Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gebildet sind.Current protection device, esp. Circuit breaker, characterized in that an element of the current protection device with a semi-finished product according to one of Claims 1 until 7 are formed. Stromschutzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschutzvorrichtung für Kurzschlussschalten und die Löschung eines bei Kurzschlussschaltens auftretenden Lichtbogens ausgebildet ist.current protection device claim 9 , characterized in that the current protection device is designed for short-circuit switching and the quenching of an arc occurring during short-circuit switching. Verfahren zur Herstellung eines Elementes einer Stromschutzvorrichtung, insb. Schutzschalter, mit einem Faser-Matrix-Halbzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 8, umfassend die Schritte - Bestimmung eines für das Element erforderlichen Brandschutzvermögens, - Festlegung von Anteilen von ungeblähten Perlit und ATH nach Maßgabe des bestimmten Brandschutzvermögens, und - Bildung des Elements mittels eines Faser-Matrix-Halbzeugs mit den Füllstoffen ungeblähtes Perlit und ATH in den festgelegten Anteilen.Method for producing an element of a current protection device, esp. Circuit breaker, with a fiber matrix semi-finished product according to one of Claims 5 until 8th , comprising the steps of - determining a fire protection capacity required for the element, - determining the proportions of unexpanded perlite and ATH in accordance with the determined fire protection capacity, and - forming the element using a fiber matrix semi-finished product with the fillers unexpanded perlite and ATH in the specified shares. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Anzahl von verschiedenen Füllstoffkombinationen mit ungeblähten Perlit und ATH festgelegt werden, und - die Festlegung von Anteilen von ungeblähten Perlit und ATH durch Auswahl einer der Füllstoffkombinationen nach Maßgabe des bestimmten Brandschutzvermögens durchgeführt wird.procedure after claim 11 , characterized in that - a number of different filler combinations with unexpanded perlite and ATH are specified, and - the proportions of unexpanded perlite and ATH are determined by selecting one of the filler combinations in accordance with the determined fire protection capacity.
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