DE2853134C2

DE2853134C2 - Keramikvaristor

Info

Publication number: DE2853134C2
Application number: DE2853134A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hirakata Osaka Oda
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1977-12-09
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1983-07-28
Also published as: JPS5480547A; JPS573203B2; NL7811949A; DE2853134A1; US4211994A

Description

Die Erfindung betrifft einen Varistor mit einem Säulenaufbau mit übereinandergeschichteten Platten aus keramischem Varistormaterial, zwischen denen jeweils zwei Lagen aus Metall angeordnet sind, und mit an beiden Enden des Säulenaufbaus angeordneten Elektroden.

Varistoren, d. h. spannungsabhängige Widerstände mit einer nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinie, können eine an einem elektrischen Gerät auftretende Überspannung unterbinden. In letzter Zeit sind Keramikvaristoren, d.h. Varistoren aus keramischem Varistormaterial, die hauptsächlich aus Zinkoxid beste- so hen, entwickelt worden, und wegen ihrer ausgezeichneten Wirksamkeit auf verschiedenen Gebieten angewendet worden.

Ein Varistor der eingangs angegebenen Gattung ist aus der DE-OS 26 51 274 bekannt. Diese betrifft ein ss Verfahren zum Herstellen von Varistoren. Die durch das Verfahren geschaffenen Varistorkörper, die ggfs. mit Metallelektroden versehen sein können, werden bspw. zur Herstellung von Blitzableitern verwendet Bei dem bekannten Varistor bzw. der Varistoranordnung kann jedoch das Energieaufnahmevermögen nicht erhöht werden, ohne daß sich die Kennlinie verändert, wenn sie übereinandergestapelt werden.

Aus der DE-AS 18 02 452 ist es bekannt, einen aus einem gesinterten Körper, an den an den Hauptflächen Elektroden angeschlossen sind, an die wiederum Zuführungsdrähte angeschlossen sind, bestehenden Varistor auf der Basis von Zinkoxid herzustellen.

Aus der DE-PS 6 63 386 ist es bekannt, mehrere Scheiben aus porösem Isoliermaterial mittels leitender Kittschichten, die die Scheiben zusammenhalten, zu verbinden und den so gebildeten Körper durch Endscheiben mit verhältnismäßig niedrigem Widerstand und einer leitenden Platte abzuschließen.

Aus der DE-AS 1054 588 ist es bekannt, eine Trockengleichrichteeinheit aus übereinacdergestapelten Gleichrichterscheiben mit Selen als Halbleiter herzustellen' und sie durch Lotträger, die ebene metallische und mit Lot überzogene Zwischenscheiben sein können, jeweils zu verbinden. Diese Einheiten weisen jedoch kein keramisches, gesintertes Material auf. Die Lotträger müssen verhältnismäßig stabil sein und verbrauchen dadurch eine größere Menge MetalL

Die US 28 57 294 zeigt Metalloxidschichten, wobei angegeben ist, daß ZnO-Schichten einen hohen Widerstand aufweisen.

Aus der DE-AS 11 06 423 ist es bekannt, neben Kühlrippen weitere rippenförmige Teile vorzusehen, die mit einem wärmespeichernden Material gefüllt sind. Das Material ist jedoch kein sinterfähiges Material. Außerdem führt diese Anordnung zu einem Aufbau mit erheblichem räumlichen Aufwand.

Aus der DE-PS 9 53 450 ist es bekannt, einen Heizkörper durch die Aufeinanderschichtung von Metallplatten und Oxidschichten und nachfolgendes Erhitzen durch Stromdurchgang zu verbinden. Bei diesem Vorgang sollen jedoch die Metallschichten dabei praktisch verschwinden, d. h. der Körper soll praktisch metallfrei oder nur nach außen metallisch begrenzt sein.

Aus der DE-PS 6 23 235 ist es bekannt, einen Widerstandskörper durch Metallscheiben quer zu unterteilen. Dies dient dem Zweck, den Stromdurchgang durch den Körper gleichmäßig zu verteilen.

Ausgehend von dem eingangs zitierten Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, einen Keramikvaristor der angegebenen Gattung derart weiterzubilden, daß er bei einfache!· Herstellung und ohne übermäßige Verwendung teurer Materialien ein höheres Energieaufnahmevermögen, insbesondere bei Stoßbetrieb, hat, ohne daß seine Kennlinie nennenswert verändert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Weiterbildung gemäß dem Kennzeichen des neuen Anspruchs 1 gelöst

Der erfindungsgemäße Keramikvaristor hat also bei kompaktem Aufbau ein besonders gutes Energieaufnahmevermögen. Dabei werden nur geringe Mengen teurer Metalle benötigt und das Energieaufnahmevermögen kann gesteigert werden, ohne daß sich die Kennlinie nennenswert verändert.

Bevorzugte Weiterbildungen werden in den Unteransprachen beansprucht

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine vertikale Schnittansicht durch einen herkömmlichen Keramikvaristor;

F i g. 2 dessen Mikrostruktur; und

Fig.3 eine vertikale Schnittansicht durch einen Keramikvaristor gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 und 2 weist ein herkömmlicher Keramikvaristor einen gesinterten Körper 1 und ein Paar Elektroden 2 auf, die an dessen gegenüberliegenden Flächen angebracht sind. Der gesinterte Körper 1 besteht hauptsächlich aus Zinkoxid und weist eine in F i g. 2 dargestellte Mikrostruktur auf. Zinkoxid-Partikel

G sind mit Grenzschichten B, die aus Zusätzen bzw. Zusatzstoffen bestehen, verbunden. Der spezifische elektrische Widerstand der Zinkoxid-Partikel G liegt zwischen 0,01 bis 0,1 Qm, während der der Grenzschicht B höher als 10^m ist. Wenn infolgedessen eine Überspannung zwischen den Elektroden 2 angelegt wird, werden beinahe alle Ladungen an den Grenzschichten B aufgebracht und in Wärme umgewandelt, wodurch ein Gerät oder eine Schaltung, die mit dem Varistor verbunden ist, vor einem Durchschlag oder ι ο Durchbruch geschützt werden kann. Der wichtigste Faktor, welcher die Energiespeicherungsfähigkeit des Varistors festlegt, ist das Wärmeaufnahmevermögen bzw. die Wärmekapazität der Zinkoxid-Partikel G. Im allgemeinen gilt, je größer die Größe der Zinkoxid-Partikel G ist, um so höher ist die Energiespeicherungsfähigkeit Da jedoch Keramikverfahren bei der Herstellung VOi? Keramikvaristoren angewendet werden und aufgrund der Wirkungen der Zusatzstoffe sowie anderer Faktoren ist das Wachsen der Zinkoxid-Partikel begrenzt Um die Größe der Zinkoxid-Partikel zu erhöhen, sind spezielle Verfahren erforderlich.

Als nächstes wird daher eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Kleine Mengen von Wismutoxid, Kobaltoxid, Manganoxid, Antimonoxid und Chromoxid werden dem Zinkoxid hinzugefügt und sie werden gut gemischt Danach werden entsprechende Mengen von Polyvinyl-Butylal, Dibutylphthalat und ein organisches Lösungsmittel der Pulvermischung zugeführt, um eine Aufschlämmung zu schaffen. Die Aufschlämmung wird durch eine Düsenöffnung in eine dünne Lage extrudiert, welche getrocknet wird. Das Zinkoxidpulver wird auch zu einer dünnen Lage bzw. Tafel in einer Weise geformt, die im wesentlichen dem vorbeschriebenen Verfahrensschritt js entspricht Eine Pt-Pd-Legierung wird mittels Siebdruck auf die Hauptflächen der dünnen Zinkoxidplatte gedruckt. Danach werden, wie in F i g. 3 dargestellt ist, die Zinkoxidplatten 13 mit den Pt-Pd-Legierungsschichten und die dünnen Platten 11, die aus Zinkoxid und den vorbeschriebenen Zusatzstoffen bestehen, abwechselnd oder schichtweise übereinandergelegt. Die auf diese Weise gebildete Schichtung wird einer Pressung unterzogen, um die dünnen Lagen 11 und 13 fest zu verbinden. Diese Schichtung wird dann in geforderten Formen (beispielsweise in Scheibenform) ausgestanzt, und die erhaltenen Formen werden bei hohen Temperaturen gesintert. Die auf diese Weise erhaltenen Formen werden dann einei Plasma-Sprühbeschichtung oder einer Sprühbeschichtung durch Flammschmelzen >» ausgesetzt, um Aluminiumelektroden 12 auf den gegenüberliegenden Hauptflächen der gesinterten Schichtung zu schaffen.

In Fig.3 ist eine vertikale Schnittansicht durch eine Ausführungsform des auf diese Weise erhaltenen Elements dargestellt Hierbei sind in Fig.3 dargestellv das Keramikmaterial It eines Polykristallvaristors, wobei der gesinterte Körper selbst eine nichtlineare Spannungskennlinie aufweist, der gesinterte Zinkoxidkörper 13 und die Schicht 14 der Pt-Pd-Legierung. Um die Stehenergie dieses Elements zu bewerten, wurde es 2 ms lang einem Rechteckwellenform-Stromstoß ausgesetzt Die Stehenergie war etwa 2£mal so hoch wie die eines vergleichbaren einschichtigen Keramik varistorelements, wie es in F i g. 1 dargestellt ist Bei den Versuchen wurde die Dicke des gesinterten Körpers 1 aus Zinkoxid gleich der Summe der Dicke der Keramikschichten 11 gemacht

Die Wirkungen hängen von der Dicke der einzelnen Keramikschichten 11 des Polykristallvaristors und der Dicke der Zinkoxidschicht 13 ab. Wenn die Dicke der einzelnen Zinkoxidschichten It des Polykristallvaristors zu sehr erhöht wird, werden diese Wirkungen geringer. Die Pt-Pd-Legierung ist zwischen, den Schichten angeordnet, um die Übertragung der Zusatzstoffe von den Keramikschichten ti des Polykristallvaristors an die Zinkoxidschicht 13 auf ein Minimum herabzusetzen.

Selbst wenn Zinnoxid anstelle von Zinkoxid als Keram&material mit einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit verwendet wird, wurden dieselben Wirkungen erhalten. Wenn jedoch andere Oxide, wie beispielsweise Nickeloxid, Eisenoxid usw. und Sulfide verwendet wurden, wurde nicht die erwünschte Varistorcharakteristik erhalten. Den Erwartungen entsprechende Wirkungen wurden erhalten, wenn Platin oder Palladium als Metall verwendet wurde, das zwischen der Keramikschichten angeordnet ist. Wenn jedoch andere Metalle, wie Wolfram, Molybdän, Gold usw. verwendet wurden, kam es zu einer Korrosion der Metalle und es fehlte die Bindung.

Wenn eine Überspannung an das auf diese Weise geschaffene Element angelegt wird, wird sie Wi den Grenzschichten B, welche die Zinkoxid-Partikel G umgeben, thermisch umgewandelt, wodurch ein Energieverbrauch bewirkt wird. Die Joulesche Wärme wird durch die Keramikschichten 11 wirksam verteilt und ausgebrettet, welche eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit haben, wodurch die Stehenergie verbessert werden kann. Das Element ist bei einem energieverbrauchenden Gerät und bei entsprechenden Maschinen anwendbar und kann auch kleiner hergestellt werden, wenn es bei üblichen elektronischen Einrichtungen angewendet wird. Infolgedessen ist ein sehr gut verwendbares, eine Überspannung aufnehmendes Element geschaffen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. yaristor mit einem Säulenaufbau mit übereinandeirgeschichteten Platten aus keramischem Varistormaterial, zwischen denen jeweils zwei Lagen aus Metall angeordnet sind, und mit an beiden Enden des Säulenaufbaus angeordneten Elektroden, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

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a) zwischen den jeweils zwei Lagen aus Metall (14) ist jeweils eine Platte aus keramischem Material (13) mit einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit angeordnet;

b) der gesamte Säulenaufbau ist vor dem Anbringen der Elektroden (2) zusammengesintert worden.

Z Varistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Varistormaterial (11) hauptsächlich aus Zinkoxid mit einigen Zusätzen besteht

3. Varistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material (13) mit einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit Zinkoxid ist

4. Varistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material (13) mit einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit' Zinnoxid ist

5. Varistor .nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall (14) aus Platin, Palladium oder eine/ Legierung daraus besteht

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