DE60216175T2

DE60216175T2 - Verfahren zum Herstellen eines Varistors auf Basis eines Metalloxids

Info

Publication number: DE60216175T2
Application number: DE60216175T
Authority: DE
Inventors: Teddy Boije; Ragnar Österlund
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2022-03-21
Also published as: ES2275805T3; EP1244115A2; EP1244115B1; DE60216175D1; US20020133936A1; ATE346364T1; EP1244115A3; US6802116B2

Description

Technisches Umfeld
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Metalloxid-Varistors mit Elektroden, die mit den Endoberflächen verbunden sind, wobei ihre Energieabsorptionsfähigkeit durch ein derartiges Anordnen verbessert wurde, dass die Stromverdrängung bzw. der Skineffekt, der normalerweise in der Nähe der Elektrodenränder auftritt, besonders in Verbindung mit hohen Impulsströmen, vermieden wird durch die Erhöhung des spezifischen Widerstandes bzw. der Resistivität des Blocks in der Nähe der Hülloberfläche bzw. Mantelfläche bzw. einhüllenden Oberfläche. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Erhalten einer hochohmigen Zone in der Nähe der Hülloberfläche des Metalloxid-Varistors, wobei die schädlichen Effekte vermieden werden, die normalerweise in Verbindung mit dem zuvor genannten Stromverdrängung auftreten.
Hintergrund
Varistoren umfassen einen Körper aus Metall-Oxid-Pulver, vorzugsweise Zinkoxid, mit oder ohne stabilisierende Additive und mit Elektroden, die mit den Endoberflächen verbunden sind, die aufgrund ihres nichtlinearen, spannungsabhängigen spezifischen Widerstandes in Strombegrenzer-Anwendungen verwendet werden, wie zum Beispiel Überspannungsschutz bzw. Überspannungsgeräten. Es ist bekannt, dass bei hohen Impulsströmen eine erhöhte Stromdichte in der Nähe der Elektrodenränder erzielt wird. Um diese Stromverdrängung zu vermeiden, die zum lokalen Überhitzen des Varistors in der Nähe der Elektrodenränder und damit zur Beschädigung führen kann, ist bekannt, einen Metall-Oxid-Varistor mit einer hochohmigen Oberflächenzone bereitzustellen, die den Bereich in der Nähe der Elektrodenränder umfasst. Auf diese Weise wird die Stromverdrängung verhindert und der Strom wird hauptsächlich gleichförmig über die Elektrode/die Varistor-Kontakt-Oberfläche verteilt. Die Fähigkeit von hohen Impulsströmen ohne Beschädigung für eine Zeitdauer in der Größenordnung von 1 ms beansprucht zu werden wird als Energieabsorptionsfähigkeit bezeichnet.
Normalerweise, siehe zum Beispiel die deutsche Veröffentlichung DE-OS 2 365 232, wird die hochohmige Oberflächenzone erzielt durch Anbringen einer Pastenschicht aus einem geeigneten Material z.B. SiO₂, B₂O₃, Sb₂O₃, In₂O₃ oder Mischungen davon, auf einem Metall-Oxid-Varistor, vorzugsweise einem Zink-Oxid-Varistor. Danach wird der Varistor mit der angebrachten Schicht wiederum gesintert, damit wird eine hochohmige Schicht mit einer Dicke von einigen zehn μm erzielt. Die hochohmige Schicht wird teils durch Diffusion aus der angebrachten Schicht in den Metall-Oxid-Varistor erreicht, teils durch das sintern der angebrachten Schicht auf den Metall-Oxid-Varistor.
Um auch eine zufrieden stellende Hochstromtauglichkeit (Impulsströme unter 4–20 μm) sicherzustellen, während gleichzeitig die Energieabsorptionsfähigkeit verbessert wird, ist es nötig, wie in „Increased Energiy Absorption in ZnO Arrester Elements Through Control of Electrode Edge Margin" (IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 15, No. 2, April 2000) beschrieben, dass die Elektrodenränder einen bestimmten Minimalabstand zur Hülloberfläche des Varistors haben. Dieser Abstand sollte mindestens 0,3–0,6 mm betragen, was bedeutet, dass die hochohmige Schicht, die zuvor beschrieben wurde, zu dünn ist, um den erwünschten Effekt zu erreichen.
Um eine hohe Energieabsorptionsfähigkeit zu erreichen, während gleichzeitig eine zufrieden stellende Hochstromtauglichkeit sichergestellt wird, ist es erwünscht, eine um einiges dickere hochohmige Zone, 2–6 mm zu erzielen, als durch Anbringen einer Pastenschicht auf einen gesinterten Varistorkörper und Diffusion während wiederholtem Sintern zu erreichen möglich ist. Gemäß eines alternativen Verfahrens (siehe schwedische Patenveröffentlichung 466 826) wird eine derart dicke hochohmige Oberflächenzone erreicht durch Umformen eines Metall-Oxid-Pulvers in einen zylindrischen Körper und dessen Hitzebehandlung bei 400–600 °C, um eine Porosität von 30–50% zu erreichen, so dass die Poren in der Nähe der Hülloberfläche offen sind. Die Hülloberfläche wird versehen mit einer metallischen Salzlösung durch Besprühen, Tauchlackieren oder einigen anderen äquivalenten Verfahren. Die metallische Salzlösung dringt durch die Poren bis zu einer Tiefe von 2–6 mm ein, woraufhin das Sintern des Varistorkörpers, der mit dem metallischen Salz versehen ist, bei 1100–1300 °C vervollständigt wird. Das alternative Verfahren schließt damit eine Aufteilung des Sinterns in zwei Schritte ein, die die Herstellungskosten erhöhen.
US-A-S 455 554 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Varistors mit einer isolierenden Ummantelung, wobei ein nicht-gebrannter Varistorkörper mit einem auf Zink-Oxid basierendem Keramikschlamm überzogen und danach gebrannt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung, wie sie mit dem Verfahren aus Anspruch 1 definiert ist, wird eine hochohmige Oberflächenzone von 2–6 mm und daher mit verbesserter Energieabsorptionsfähigkeit hergestellt durch Anbringen einer Pastenschicht auf ein hochohmiges Material auf einen gepressten, aber nicht gesinterten, zylindrischen Körper aus Metall-Oxid-Pulver, woraufhin das Sintern des ummantelten Körpers in einem Schritt vervollständigt wird. Daher vermeidet die Erfindung das Extra-Sintern, das gemäß des Standes der Technik notwendig ist.
Es wird ein zylindrischer Metall-Oxid-Varistor gebildet durch Pressen von Metall-Oxid-Pulver. Die Hülloberfläche des zylindrischen Körpers aus gepresstem Metall-Oxid-Pulver wird mit einer Paste oder einer Dispergierung aus einem hochohmigen Material in Form von SiO₂, LiO₂ oder Cr₂O₃ oder Salzen davon überzogen. Die Paste oder die Dispergierung kann auf der Hülloberfläche des gepressten zylindrischen Körpers durch Tauchlackieren, Besprühen oder durch Wälzen angebracht werden. Nach dem Ummanteln wird der ummantelte zylindrische Körper bei 1100–1300 °C für 2–10 Stunden gesintert. Während des Sinterns dringt das hochohmige Material durch Diffusion in die Oberflächenzone der Hülloberfläche ein. Die Eindringtiefe und die Menge des aufgenommenen hochohmigen Materials, das den spezifischen Widerstand in der Oberflächenschicht steuert, hängt ab von der Zusammensetzung der Paste, der Dicke der Paste, der Mikrostruktur des zylindrischen Körpers, der Sintertemperatur und der Sinterzeit.
Beispiele
Es wurde ein Metall-Oxid-Pulver vollständig gemischt, das hauptsächlich besteht aus Zink-Oxid (ZnO) mit normalen Additiven im Bereich von 0,1 bis 5 Mol% Wismutoxid (Bi₂O₃), Antimonoxid (Sb₂O₃), Chromoxid (Cr₂O₃), Manganoxid (MnO), Kobaltoxid (Co₂O₃) und Nickeloxid (NiO). Durch Sprühtrocknen wurde das gesamte überschüssige Wasser entfernt. Das sprühgetrocknete Pulver wurde in zylindrische Körper in einer herkömmlichen Hydraulikpresse geformt.
Feinkörniges Siliziumdioxid (SiO₂) in einer Dispergierung wurde mit Wasser verdünnt in eine geeignete Konsistenz gebracht. Die erhaltene Mischung wurde auf der Seite des gebildeten Körpers durch Sprühlackieren angebracht, woraufhin der Varistorkörper durch Sintern bei 1150 °C fertig gestellt wurde. Während des Sinterns diffundierte das angebrachte Siliziumdioxid in eine Tiefe von bis zu 5 mm. Nach dem Sintern wurden die beiden Endoberflächen in bekannter Art und Weise metallbeschichtet und die Elektroden wurden angebracht.
100 Metall-Oxid-Varistoren mit einem Durchmesser von 96 mm und einer Höhe von 31 mm, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, wurden durch wiederholte Energiestöße mit einer Zeitdauer von 4 ms und der Energie von 13 kJ/kV beansprucht. Alle Metall-Oxid-Varistoren haben dem Test standgehalten. Auf gleiche Art und Weise wurden auch 100 Metall-Oxid-Varistoren mit demselben Durchmesser und derselben Höhe getestet, auf die die Erfindung nicht angewendet wurde. Von diesen Varistoren haben 10% dem Test nicht standgehalten.
100 Metall-Oxid-Varistoren mit einem Durchmesser von 62 mm und einer Höhe von 32 mm, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, wurden durch wiederholte Energiestöße mit einer Zeitdauer von 4 ms und der Energie von 5,6 kJ/kV beansprucht. Alle 100 Varistoren haben dem Test standgehalten. Auf gleiche Art und Weise wurden auch 100 Metall-Oxid-Varistoren mit demselben Durchmesser und derselben Höhe getestet, auf die die Erfindung nicht angewendet wurde. Von diesen Varistoren haben 8% dem Test nicht standgehalten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Metalloxid-Varistors mit verbesserter Energieabsorptionsfähigkeit, wobei Elektroden angeordnet sind, mit den Endoberflächen des Metalloxid-Varistors in Verbindung zu stehen, wobei die Endoberflächen des Varistors mit Metal beschichtet sind und die einhüllende Oberfläche mit einem hochohmigen Material versehen ist, um eine Zone mit erhöhter Resistivität nahe der einhüllenden Oberfläche zu bilden, wobei der Verfahren die Schritte umfasst: – Bilden eines Metalloxid-Pulvers in einem gepressten, aber nicht gesinterten zylindrischen Varistorkörper, – Beschichten der einhüllenden Oberfläche des gepressten, aber nicht gesinterten Varistorkörpers mit einer Paste oder einer Dispersion eines hochohmigen Materials der Form SiO₂, LiO₂ oder Cr₂O₃ oder Salzen davon durch Sprühen, Tauchlackieren oder Wälzen, und – Sintern des beschichteten Varistorkörpers, wobei während des Sinterns das hochohmige Material in die Oberflächenzone der einhüllenden Oberfläche des Varistorkörpers bis zu einer Tiefe von 2–6 mm diffundiert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einhüllende Oberfläche des gebildeten, gepressten, aber nicht gesinterten Varistorkörpers mit einer wässrigen Dispersion von SiO₂, LiO₂ oder Cr₂O₃ beschichtet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete Varistorkörper bei 1100–1300 °C für 2–10 h gesintert wird.