DE3023572A1

DE3023572A1 - Verfahren zum herstellen eines metalloxidvaristors

Info

Publication number: DE3023572A1
Application number: DE19803023572
Authority: DE
Inventors: John Niedzialkowski; Theodore O Sokoly
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1979-06-25
Filing date: 1980-06-24
Publication date: 1981-01-15
Also published as: JPS5610901A; US4296002A

Description

B e s c h_r e i b u_n g

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen nichtlinearen spannungsvariablen Widerstand, der im Wege des Pressens und Sinterns von Metalloxidgemischen hergestellt wird, und sie betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungs-Metalloxid-Varistors.

i'ietalloxidvaristoren, die ans einea keramischen Material Gestehen, das bei einer hohen Temperatur gesintert worden ist und in erster Linie ein elektrisch leitendes Metalloxid vie ZnO, TiO₀, SnO₀ oder SrO₀ sowie kleine Mengen anderer gewählter Metalloxide oder Metallfluoride enthält, sind bereits bekannt. Beispielsweise sind in der US-PS 3 953 373 verschiedene Zusammensetzungen von Metalloxidvaristoren beschrieben, bei denen als leitfähiger Hauptbestandteil Zinkoxid verwendet wird. In der US-PS 3 953 375 sind verschiedene Zusammensetzungen von Metalloxidvaristoren beschrieben, bei denen Titanoxid den wesentlichen leitfähigen Bestandteil bildet, während in der US-PS 3 899 451 verschiedene Zusammensetzungen von Metalloxidvaristoren beschrieben sind, bei denen als hauptsächlicher leitfähiger Bestandteil aus<gewählte Gemische aus ZnO mit TiO₀, SnO₀ oder ZrO₀ verwendet werden. Zu den Zusatzstoffen, die bei diesen Metalloxid- -/aristoren verwendet werden können, gehören die Oxide oder Fluoride von Wismut, Kobalt, Mangan, Barium, Bor, Beryllium, Magnesium, Calzium, Strontium, Titan, Antimon, Germanium, Chrom,, Nickel, Lithium, Indium, Cer, Aluminium, Zinn, Molybdän, Vanadium, Tantal und Eisen.

Alle diese Metalloxidvaristoren werden mit Hilfe ähnlicher Verfahren hergestellt. Genau abgewogene Mengen der Metalloxide und der Zusatzstoffe, die in einem vorbestimmten Ver-

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hältnis zueinander stehen, werden pulverisiert und miteinander gemischt, wozu gewöhnlich eine Kugelmühle benutzt wird. Das Gemisch kann zunächst bei einer relativ niedrigen Temperatur im Bereich von 400 bis 1000⁰C kalziniert und dann erneut in einer Kugelmühle pulverisiert werden. Das so erhaltene Pulver wird mit einem Bindemittel, z.B. Wasser, Polyvinylalkohol oder dergl. gemischt und dann unter Aufbringen eines Drucks von etwa 50 bis 1000 bar zu einer Scheibe oder einem Klotz geformt, der sehr glatte, ebene und parallele obere und untere Flächen aufweist. Diese Klötze werden dann bei einer hohen Temperatur im Bereich von 1000 bis 1450⁰C etwa 1 bis 20 Stunden lang gesintert und hierauf im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt. Die gesinterten Blöcke werden an der Ober- und Unterseite mit Ohmschen Elektroden versehen, die mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens aufgebracht werden, z.B. unter Verwendung von Silberfarbe, durch Aufdampfen im Vakuum oder durch Flammspritzen von Metallen wie Aluminium, Zink, Zinn oder dergleichen. Um eine gleichmäßige Dicke des Blocks zu gewährleisten, können die oberen und unteren Flächen vor dem Anbringen der Elektroden geläppt werden.

Gewöhnlich werfen·die noch nicht gebrannten Varistorblöcke dadurch geformt, daß ein einachsiges Kaltpressen des gewählten Gemisches aus Metalloxidpulvern und Zusatzstoffen durchgeführt wird, um eine Scheibe oder einen Block herzustellen. Bei diesem Preßverfahren ergibt sich für die Dicke des zu erzeugenden Blocks eine erhebliche Beschränkung, denn die Dicke kann im allgemeinen den Durchmesser des Blocks nicht überschreiten. Da sich die Nennspannung eines Metalloxidvaristors unmittelbar nach seiner Dicke richtet, und zwar ohne Rücksicht auf die Zusammensetzung, wenn man solche Varistorblöcke bei mit hohen Spannungen arbeitenden Vorrichtungen verwendet, z.B. bei Blitzschutzvorrichtungen für Überland- oder Verteilungsleitungen, ist es bis jetzt allgemein üblich, mehrere solche Varistorblöcke mit Hilfe der beiden

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voneinander abgewandten metallisierten Kontakte jedes Varistorblocks oder Varistorelemerits in Reihe zu schalten. Beispielsweise sind bei der Blitzschutzvorrichtung nach der US-PS 3 959 543 mehrere zu einem stehend angeordneten Stapel vereinigte Metalloxidwiderstände dadurch elektrisch in Reihe geschaltet, daß die vorher auf beide Flachseiten jeder Metalloxidvaristorscheibe aufgebrachten Schichten aus einer Silberpaste miteinander verschmolzen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Hochspanmmgs-Metalloxidvaristors anzugeben, der sich aus zu einem Stapel vereinigten Varistorblöcken zusammensetzt, bei dem nur zwei metallisierte Kontakte an beiden Enden benötigt werden, wobei das Erzeugnis im Vergleich zu bekannten Hochspannungs-Metalloxidvaristoranordnungen mit mehreren in Reihe geschalteten Varistorblökken oder -elementen ebenso gute oder sogar noch bessere elektrische Eigenschaften aufweist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß vor dem normalen Brennzyklus mehrere aus dem erwähnten Pulver gepreßte Scheiben zu einem Stapel vereinigt werden. Wenn di^se Blöcke oder Scheiben während des Brennens bzw. Sinterns einen stehend angeordneten Stapel bilden, erhält man eine äußerst feste mechanische und elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Blöcken. Werden die Blöcke nicht senkrecht übereinander angeordnet, um die Schwerkraft zu veranlassen, zwischen den Blöcken eine Kraft zur Wirkung zu bringen, kann man über die an den Enden des Stapels angeordneten Blöcke eine Einspannkraft auf den Stapel aufbringen. Somit benötigt man nur zwei metallisierte Kontakte, d.h. je einen solchen Kontakt an jedem Ende der verschmolzenen Varistoranordnung, um den Varistor in einen Hochspannungskreis einzuschalten oder ihn als Ventilelement einer Blitzschutzvorrichtung oder einer ähnlichen Überspannungsschutzvorrichtung zu verwenden.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in einer Schrägansicht und teilweise im Längsschnitt eine Metalloxidvaristoranordnung bekannter Art, bei der die einzelnen Varistorelemente mit Hilfe von an jedem Element vorhandenen metallisierten Kontakten hintereinandergeschaltet sind; und

Fig. 2 in einer Schrägansicht und teilweise im Längsschnitt einen unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Hochspannungs-Metalloxidvaristor.

In Fig. 1 sind mehrere Metalloxidvarxstorelemente oder -blökke 10 zu erkennen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, um eine Hochspannungsvaristorbaugruppe 12 zu bilden, die zur Verwendung als Ventilelement bei einer Blitzschutzvorrichtung oder dergl. geeignet ist. Jedes der Varistorelemente 10 wird nach dem Stand der Technik in der Weise hergestellt, daß man einen einachsigen Preßvorgang bei einem gewählten Gemisch aus Metalloxidpulvern und kleinen Mengen eines pulverisierten Metalloxids oder von Fluorid-Zusatzstoffen durchführt, um eine Scheibe von zylindrischer Form zu erzeugen, woraufhin die Scheibe gebrannt und geschliffen oder geläppt wird, um der Ober- und Unterseite der Scheibe die gewünschte Ebenheit und Parallelität zu geben, woraufhin an der Ober- und Unterseite ohmsche Elektroden 14 angebracht werden. Um die Varistorelemente 10 leitend miteinander zu verbinden, so daß eine Reihenschaltung entsteht, werden die Elemente 10 senkrecht übereinander angeordnet, so daß mit Ausnahme der unteren Elektrode 14 jedes Varistorelement 10 in elektrischer Berührung mit der oberen Elektrode des darunter angeordneten Varistorelements steht. Die einander benachbarten Elektroden können miteinander verschmolzen werden, um die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Varistorelementen zu verbessern, wie es in der schon genannten US-PS 3 959 543 beschrieben ist.

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Zu der in Fig. 2 dargestellten Hochspannungs-Varistorbaugruppe 16 gehören eine einzige relativ dicke Scheibe 18 aus keramischem Material und zwei Elektroden 14, die auf der Oberseite bzw. der Unterseite der Scheibe 18 angeordnet sind. Um die Scheibe 18 aufzubauen, werden mehrere ungebrannte Scheiben 10 aus gepreßtem pulverisiertem Material, die in der beschriebenen bekannten Weise hergestellt worden sind, zu einem stehenden Stapel vereinigt, der dann den normalen Hochtemperatur-Brennzyklus durchläuft, welcher für die jeweilige Zusammensetzung der Metalloxide und Zusatzstoffe bei den Scheiben 10 in Frage kommt.

Es hat sich gezeigt, daß es nicht erforderlich ist, auf einen stehend angeordneten Stapel 18 einen Druck aufzubringen, um eine feste Berührung zwischen einander benachbarten Scheiben 10 aus gepreßtem pulverförmiger» Material während des Brennvorgangs zu gewährleisten, da das Gewicht der Elemente 10 bereits einen ausreichenden Berührungsdruck gewährleistet. Jedoch ist es auch möglich, auf die Elemente 10 einen Druck dadurch aufzubringen, daß man auf den Stapel über die an seinen Enden angeordneten Elemente eine Einspannkraft wirken läßt; dies gilt insbesondere für Fälle, in denen die Baugruppe 18 während des Brennvorgangs keine senkrechte Lage einnimmt. Die ungebrannten Scheiben 10 aus gepreßtem pulverförmigem Material können mit Hilfe bekannter einachsiger Kaltpreßverfahren hergestellt werden, wobei die obere und die untere Stirnfläche des Stapels hinreichend eben und parallel zueinander sind, damit eine innige Berührung zwischen benachbarten Scheiben 10 innerhalb der Baugruppe bzw. des Stapels 18 gewährleistet ist, die ausschließlich auf die Wirkung der Schwerkraft zurückzuführen ist. Jedoch könnte man den Stirnflächen des Stapels auch eine beliebige andere Form geben, vorausgesetzt daß sich diese Formen gegenseitig ergänzen, damit man die Scheiben zu einem Stapel vereinigen kann, innerhalb dessen die oberen und unteren Stirnflächen der Elemente 10 in inniger Berührung stehen.

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Außerdem kann man die noch nicht gebrannten Scheiben 10 aus dem gepreßten Pulvermaterial durch Aufbringen von Reibung aneinander ansprengen, während sie gestapelt werden, um eine hinreichend innige Berührung zwischen den Elementen sicherzustellen.

Während des Brennvorgangs werden mindestens einige der Zusatzstoffe durch einen Schmelzvorgang in ein glasähnliches Material verwandelt, das teilweise in Berührung mit den Teilchen der elektrisch leitenden Metalloxid-Hauptbestandteile steht. Im Verlauf der Sinterung führt das Kornwachstum der elektrisch leitenden Hauptbestandteile zu einer Verkleinerung der Oberfläche der Hauptbestandteile, so daß das glasähnliche Material schließlich die Teilchen der elektrisch leitenden Hauptbestandteile umgibt. Während dieses Kornwachstums verbinden sich mindestens einige der Teilchen der Hauptbestandteile einer Seheibe 10, die ähnliche Teilchen einer benachbarten Scheibe 10 berühren, miteinander. Auch das zwischen benachbarten Körnern vorhandene glasähnliche Material bewirkt, daß die leitfähigen Metalloxidteilchen einer Scheibe 10 mit von ihnen durch einen kleinen Abstand getrennten leitfähigen Metalloxidteilchen einer benachbarten Scheibe 10 verbunden werden, so daß nach deii Abschluß des Brennvorgangs eine sehr starke mechanische Bindung zwischen den benachbarten Scheiben vorhanden ist. Die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Teilen der gesinterten Scheibe 18, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus den Scheiben 10 entsteht, welche aus pulverförmigem Material hergestellt sind, ist ebenso gut wie bei den Varistorelementen der bekannten Varistorbaugruppe 12 nach Fig. 1 oder sogar noch besser; dies macht sich in einer höheren Haltbarkeit des Varistors 18, d.h. seiner Fähigkeit, starken Stromstößen standzuhalten, bemerkbar.

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Claims

Paten t_a η s_p r_ü_c h e

^\
1.)Verfahren zum Herstellen eines Metalloxidvaristors,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Pulvergemisch hergestellt wird, das sich aus mindestens einem elektrisch leitenden Metalloxidpulver und einem kleinen Prozentsatz mindestens eines vorbestimmten pulverisierten Zusatzstoffs zusammensetzt, welch letzterer aus der Gruppe gewählt wird, welche verschiedene Metalloxide und Metallfluoride umfaßt, daß aus dem Pulvorgemisch durch einen PreßVorgang mehrere Blöcke geformt werden, die zueinander passende obere und untere Stirnflächen haben, daß die Blöcke zu einem Stapel vereinigt werden und daß der die Blöcke enthaltende Stapel gesintert wird, so daß die zueinander passenden oberen und unteren Stirnflächen einander innerhalb des Stapels benachbarter Blöcke miteinander verbunden werden, um einen Varistor zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einander benachbarte Blöcke während des Sintervorgangs durch das elektrisch leitende Metalloxid in einander benachbarten Blöcken miteinander verbunden werden, wobei

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ORIGINAL INSPECTED

diese Verbindung während des Kornwachstums entsteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einander benachbarte Blöcke dadurch miteinander verbunden werden, daß sich ein zwischen den Körnern vorhandenes glasähnliches Material zwischen benachbarten Blöcken erstreckt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke während des Sintervorgangs einen stehend angeordneten Stapel bilden, so daß das Gewicht der Blöcke einen Druck zwischen den zueinander passenden oberen und unteren Stirnflächen benachbarter Blöcke hervorruft.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Block während des Sintervorgangs eine Einspannkraft aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander passenden oberen und unteren Stirnflächen der Blöcke eben sind und parallel zueinander verlaufen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die obere und die untere Stirnfläche des Varistors metallische Kontakte aufgebracht werden.

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