ö'S'l'Züb'Z
Beschreibung:
Die Erfindung geht aus von einem Material mit lichtbogenlöschenden
Eigenschaften gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Material ist aus der
US-PS 4 011 426 und aus der DE-OS 26 47 822 bekannt. Das bekannte Material kennzeichnet sich im Gegensatz
zu anderen lichtbogenlöschenden Materialien wesentlich
dadurch, daß es neben lichtbogenlöschenden Bestandteilen auch Bestandteile besitzt, die ihm elektrische Leitfähigkeit
verleihen. Dadurch wird erreicht, daß der zu löschende Lichtbogen unmittelbar zwischen Elektroden,
die aus solchem Material mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften
bestehen oder damit bestückt oder beschichtet sind, brennen kann. Die vorzügliche Löschwirkung
dieser Materialien beruht darauf, daß die Lichtbogenlöschung hauptsächlich durch die in den Lichtbogenfußpunkten
ablaufenden Vorgänge erfolgt.
An ein solches Material werden einander widersprechende Anforderungen gestellt;
Einerseits soll es lichtbogenlöschend wirken, wozu es
elektronegative Gase freisetzende Bestandteile enthält wie z.B. Schwefel, Bariumsulfat, Eisenammonsulfat,
Kalziumfluorid, Polytetraflupräthylen , CF3SF5, Schwefel-
hexafluorid oder Selenhexafluorid, wobei letztere z.B.
an Molekularsiebe oder andere Adsorptionssubstanzen gebunden oder durch Lichtbogeneinwirkung auf Schwefel,
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Fluor usw. enthaltende chemische Verbindungen wie Polytetrafluoräthylen erzeugt werden können;
andererseits soll es elektrisch leitend sein, wozu es Pulver aus Silber oder Kupfer oder Nickel oder
Eisen oder aus deren Legierungen enthält, und soll einen möglichst geringen Abbrand (hohe Lichtbogenbeständigkeit)
aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Material der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern,
daß unter Beibehaltung einer hinreichenden elektrischen Leitfähigkeit der Anteil des elektrisch leitfähigen
Metalls verringert und der Anteil der die Lichtbogenlöschung begünstigenden Bestandteile erhöht werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Material mit den ■ im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Dadurch, daß
das elektrisch leitende Metall als Beschichtung eines der Lichtbogenlöschung dienenden Pulvers in das Material
eingelagert wird, wird die elektrische Leitfähigkeit des
Materials im Vergleich zu dem Fall, daß statt dessen 'gleich große und gleich viele massiv aus dem elektrisch
leitenden .Metall bestehende Körner in dem Material vorhanden sind, praktisch nicht gemindert, denn die
Zahl der Strompfade, die durch die Zahl der einander berührenden elektrisch leitenden Partikel bestimmt ist,
bleibt unverändert. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann daher bei gleichbleibender Leitfähigkeit der
Gewichtsanteil des elektrisch leitenden Metalls verringert
j (und dadurch z.B. teures Edelmetall eingespart werden)
j bzw. bei gleichbleibendem Gewichtsanteil des elektrisch
j leitenden Metalls die Leitfähigkeit des lichtbogen-
! löschenden Materials erhöht werden. Das eingesparte
! 5 elektrisch leitende Metall kann ersetzt werden durch eine
lichtbogenlöschende Substanz, wodurch die Wirkung
; und Lebensdauer einer aus dem erfindungsgemäßen Material
; gefertigten Elektrode unmittelbar erhöht werden. Günstig
auf den Abbrand und damit auf die Lebensdauer wirkt : 10 es sich auch aus, daß mit dem elektrisch leitenden
Metall ein oder mehrere der lichtbogenlöschenden Bestandteile
des Materials beschichtet werden, z.B.
Quarzsand, Glaspulver oder Kalziumfluoridpulver. Quarzsand
bzw. Glaspulver sind Beispiele für die höher als die elektronegative Gase freisetzende Substanzen schmelzenden
anorganischen Bestandteile des Materials; diese setzen unter Lichtbogeneinwirkung keine löschenden Gase
frei, bewirken aber eine gewisse Strombegrenzung im Lichtbogen und eine Kühlung des Lichtbogens. Andere
Beispiele für solche Substanzen sind Siliziumpulver, Aluminiumoxidpulver und Dolomitpulver.
Als Bindemittel für die erfindungsgemäßen Materialien
kommen in erster Linie Kunststoffe in Betracht, vor allem härtbare Ein- und Zweikomponentenharze (Duroplaste)
wie Epoxidharze, Phenolharze, Harnstoffharze, Melaminharze,und Silikonharze. Harze als Bindemittel
haben den Vorteil, daß die erfindungsgemäßen Materialien
als streichfähige, flüssige bis pastöse Zubereitungen
hergestellt werden können, welche der Anwender nach Bedarf weiteryerarbeitet, indem er aus diesen Zubereitungen
durch Gießen und Aushärten lichtbogenlöschende Formkörper herstellt oder durch Aufstreichen
auf Träger (z.B. auf metallische Löschbleche in Unter-, brecherschaltern oder Sicherungen oder auf Gehäusewände
von Löschkammern für Leistungsschalter) Bauteile mit lichtbogenlöschender Beschichtung herstellt.
Als Bindemittel eignen sich auch thermoplastische Kunststoffe, soweit sie Füllstoffe aufnehmen können.
Beispiele dafür sind Polyamide, Polypropylen, Polyäthylenterephthalat und Polybutylenterephthalat.Diese Bindemittel
haben den Vorteil, daß sie die rationelle Herstellung von lichtbogenlöschenden Formkörpern durch Spritzgießen ermöglichen.
Es ist anzustreben, den Gehalt der kohlenstoffhaltigen
organischen Bindemittel so niedrig wie möglich zu halten, um unter Lichtbogeneinwirkung möglichst wenig kohlenstoff-,
reiche Zersetzungsprodukte und Ruß zu erhalten. Außerdem sollten möglichst solche Bindemittel gewählt werden,
welche eine besonders hohe Lichtbogenfestigkeit aufweisen.
Außer organischen Bindemitteln kommen auch anorganische Bindemittel in Betracht, z.B. Wasserglas oder niedrig
schmelzende Emails. . :
Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs 5. Hinsichtlich
der chemischen Natur der Bestandteile dieses Materials gilt das zum ersten Lösungsvorschlag gesagte in
entsprechender Weise. Das Material gemäß Anspruch 5 unterscheidet sich vom Material gemäß Anspruch 1
darin, daß seine elektrische Leitfähigkeit infolge der
anisotropen Verteilung der metallsichen Bestandteile ebenfalls anisotrop ist. Durch anisotrope Verteilung des
elektrisch leitenden Metalls ist es möglich, die Strompfade in einem aus dem Material hergestellten Formteil
(Elektrode) gezielt so zu führen, daß die Strompfade von einer Stromanschlußstelle des Formteils bevorzugt
zu jenem Oberflächenbereich des Formteils führen und
dort vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche des Formteils orientiert sind - auf welchem die Lichtbogenfußpunkte
liegen oder - besser gesagt - wandern sollen. Strompfade zu anderen Oberflächenbereichen des Formteils
sind überflüssig oder gar unerwünscht. Sie lassen sich durch eine gezielte anisotrope Verteilung des elektrisch
leitenden Metalls verringern oder vermeiden und das führt wie auch im Falle der Lösung gemäß Anspruch 1
zu einer Einsparung an elektrisch leitendem Metall zugunsten des Anteils der lichtbogenlöschenden Bestandteile
des Materials. Besonders günstig erreicht man eine gezielt anisotrope Leitfähigkeit, wenn man das elektrisch
leitende Metall in Gestalt von Fasern in das Material einbettet (Anspruch 6). Die dazu benötigten Techniken
sind dem Fachmann aus dem Fachgebiet der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen bekannt.
Eine andere Möglichkeit der Einsparung an elektrisch leitendem Metall durch dessen aniotrope Verteilung
besteht darin, das .elektrisch leitende Metall in Gestalt
eines überwiegend schuppenförmigen Pulvers vor- . zusehen (Anspruch 7). Diese Möglichkeit ist vor allem
dann von Bedeutung, wenn als Bindemittel ein härtbares Kunstharz verwendet wird. Trägt man das noch
nicht ausgehärtete, noch flüssige oder pastöse Material als Beschichtung auf einen Träger auf oder füllt man es
zur Bildung von Formkörpern in eine Form ein, dann bildet sich eine bevorzugte Orientierung der schuppenförmigen
Metallpulverteilchen aus dergestalt, daß die Schuppen
bevorzugt parallel zueinander liegen. Dadurch wird die Überlappung benachbarter Schuppen und mit ihr uie Ausbildung
von Strompfaden in eben dieser Vorzugsrichtung begünstigt.
Eine weitere Möglichkeit, eine Anisotropie der Verteilung des elektrisch leitenden Metalls zu erreichen,
besteht .darin, dieses in.Gestalt eines Gewebes in das
Material einzubetten, welches den Durchtritt der freigesetzten lichtbogenlöschenden Gase erlaubt und die
mechanische Festigkeit des Materials erhöht (Anspruch 8).
Nachfolgend werden noch einige Ausführungsbeispiele angegeben:
- ίο -
Die in de Beispielen verwendeten pulverigen Substanzen weisen Korngrößen zwischen ca. 1 pm und ca. 100 pm vorzugsweise
5 pm bis 30 pm auf.
Beispiel 1
- ■%
Das Material mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften enthält 30 Gew.-% fein gemahlenen Quarzsand, 20 Gew.-%
Silber, 25 Gew.-% Polytetrafluoräthylenpulver, 5 Gew-%
Schwefelpulven und 20 Gew.-% eines Zweikomponenten-Epoxidharzes.
Der Quarzsand wird mit dem Silber nach einem chemischen Beschichtungsverfahren (also stromlos) beschichtet.
Der beschichtete Quarzsand, das PTFE-Pulver und das Schwefelpulver werden in die noch flüssige
Epoxidharzzubereitung eingerührt, die Mischung in Formen gegossen und bei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Die
so entstandenen Formkörper eignen sich als lichtbogenlöschende Elektroden in Schaltgeräten und Sicherungen.
Beispiel 2
Das Material mit der im Beispiel 1 genannten Zusammensetzung wird dadurch hergestellt, daß die Füllstoffe in
eine noch keine härtende Komponente beinhaltende Epoxidharzgrundlage eingerührt werden. Die entstehende streichfähige
Paste und der Härter werden getrennt abgefüllt dem Anwender geliefert und erst von diesem vor Gebrauch
gemischt. Das Material eignet sich zum Beschichten von Löschkammerbauteilen und von Lichtbogenhörnern in
Überspannungsschutzvorrichtungen, Blitzschutzvorrichtungen
oder in Bahnstrom-Phasentrennern, welche man zur Lichtbogenlöschung
zwischen benachbarten Fahrdrahtenden für elektrische Schienenfahrzeuge verwendet.
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Beispiel 3 . ]
Das Material besteht aus 25 Gew.-% Nickelfasern von 1
ca. 10 \im Durchmesser, 20 6ew.-% Kalziumf luoridpulver, :l
20 Gew.-% Bariumsulfatpulver, 10 Gew.-% Dolomitpulver |
und 10 Gew.-% fein gemahlenem Quarzsand sowie 15 Gew.-% j
eines härtbaren Melaminharzes. zunächst werden in die |
noch flüssige Harzgrundlage die pulverigen Füllstoffe j
eingerührt und anschließend die gebündelten Nickel- j
fasern in eine langgestreckte Form eingelegt und mit ] der die pulverigen Füllstoffe enthaltenden Harzmischung
übergössen. Nach dem Aushärten des Harzes werden die Formkörper beschnitten. Sie eignen sich als lichtbogenlöschende
Elektroden in Schaltgeräten.
Beispiele 4 und 5
Die Beispiele 1 und 2 werden dahingehend abgewandelt, daß mit dem Silber nicht der Quarzsand beschichtet
wird, sondern stattdessen der Quarzsand und das Silber getrennt in das Material eingebracht werden, und zwar
das Silber als Pulver von überwiegend plättchenförmiger |
Struktur, welches aus dendritischem Silberpulver durch |
Mahlen in einer Kugelmühle gewonnen wurde. !
Beispiel 6
\
Das Material enthält 30 Gew.-% Polytetrafluoräthylenpulver, |
20 Gew.-% fein gemahlenen Querzsand, 20 Gew.-% Kupfer, :
5 Gew.-% Schwefelpulver und 25 Gew.-% Polyäthylenterephthalat
als Bindemittel. Der Quarzsand wird stromlos mit dem |
Kupfer beschichtet und anschließend trocken zusammen. |
mit dem PTFE-Pulver und dem Schwefelpulver mit einem \
feinkörnigen Polyäthylenterephthalatgranulat gemischt und auf einer Spritzgießmaschine zu Formkörpern verarbeitet.
Die Formkörper eignen sich als lichtbogenlöschende Bauteile, insbesondere Elektroden und Löschplatten
oder Löschringe in Schaltgeräten und Sicherungen
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