EP0123823A1 - Composite material with arc-extinguishing characteristics - Google Patents
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Abstract
Description
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 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.The invention is based on a material with arc extinguishing properties according to the preamble of claim 1. Such a material is known from US Pat. No. 4,011,426. In contrast to other arc-extinguishing materials, the known material is essentially characterized in that, in addition to arc-extinguishing components, it also has components which give it electrical conductivity. It is thereby achieved that the arc to be extinguished can burn directly between electrodes which are made of such material with arc-extinguishing properties or are equipped or coated with it. The excellent extinguishing effect of these materials is based on the fact that the arc is extinguished mainly by the processes taking place in the arc base points.
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, Polytetrafluoräthylen, CF3SF5, Schwefelhexafluorid oder Selenhexafluorid, wobei letztere z.B. an Molekularsiebe oder andere Adsorptionssubstanzen gebunden oder durch Lichtbogeneinwirkung auf Schwefel,
- On the one hand, it is said to have an arc-extinguishing effect, for which purpose it contains constituents which release electronegative gases, such as, for example, sulfur, barium sulfate, iron ammonium sulfate, calcium fluoride, polytetrafluoroethylene, CF 3 SF 5 , sulfur hexafluoride or selenium hexafluoride, the latter being bound, for example, to molecular sieves or other adsorbent substances or by adsorbing substances on the arc or by adsorbing substances or by adsorption substances
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.Chemical compounds containing fluorine, etc. such as polytetrafluoroethylene can be produced; on the other hand, it should be electrically conductive, for which purpose it contains powder of silver or copper or nickel or iron or of their alloys, and should have as little erosion as possible (high resistance to arcing).
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.The invention has for its object to improve a material of the type mentioned in such a way that the proportion of the electrically conductive metal can be reduced while maintaining sufficient electrical conductivity and the proportion of the components favoring the arc quenching can be increased.
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 (und dadurch z.B. teures Edelmetall eingespart werden) bzw. bei gleichbleibendem Gewichtsanteil des elektrisch leitenden Metalls die Leitfähigkeit des lichtbogenlöschenden Materials erhöht werden. Das eingesparte elektrisch leitende Metall kann ersetzt werden durch eine lichtbogenlöschende Substanz , wodurch die lichtbogenlöschende Wirkung und Lebensdauer einer aus dem erfindungsgemäßen Material gefertigten Elektrode unmittelbar erhöht werden. Günstig auf den Abbrand und damit auf die Lebensdauer wirkt 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.This object is achieved by a material with the features specified in claim 1. Due to the fact that the electrically conductive metal is embedded in the material as a coating of a powder which serves to extinguish the arc, the electrical conductivity of the material is compared to the case where instead the same size and the same number of grains consisting of the electrically conductive metal in the Material is present, practically not reduced, because the number of current paths, which is determined by the number of electrically conductive particles touching one another, remains unchanged. The measure according to the invention can therefore reduce the proportion by weight of the electrically conductive metal while maintaining the conductivity (and thus, for example, expensive precious metal can be saved) or the conductivity of the arc-quenching material can be increased while the weight proportion of the electrically conductive metal remains the same. The saved electrically conductive metal can be replaced by an arc-quenching substance, which directly increases the arc-quenching effect and service life of an electrode made from the material according to the invention. It also has a favorable effect on the erosion and thus on the service life if one or more of the arc-extinguishing components of the material are coated with the electrically conductive metal, for example quartz sand, glass powder or calcium fluoride powder. Quartz sand or glass powder are examples of the inorganic constituents of the material melting higher than the electronegative gas-releasing substances; these do not release quenching gases under the influence of an arc, but they do limit the current in the arc and cool the arc. Other examples of such substances are silicon powder, aluminum oxide powder and dolomite powder.
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 weiterverarbeitet, indem er aus diesen Zubereitungen durch Gießen und Aushärten lichtbogenlöschende Formkörper herstellt oder durch Aufstreichen auf Träger (z.B. auf metallische Löschbleche in Unterbrecherschaltern oder Sicherungen oder auf Gehäusewände von Löschkammern für Leistungsschalter) Bauteile mit lichtbogenlöschender Beschichtung herstellt.Plastics are primarily considered as binders for the materials according to the invention, especially curable one- and two-component resins (thermosets) such as epoxy resins, phenolic resins, urea resins, melamine resins and silicone resins. Resins as binders have the advantage that the materials according to the invention can be produced as spreadable, liquid to pasty preparations, which the user can further process as required, by producing arc-extinguishing moldings from these preparations by pouring and curing, or by spreading them on carriers (e.g. on metallic extinguishing plates in circuit breakers or fuses or on the housing walls of arcing chambers for Circuit breaker) manufactures components with an arc-extinguishing coating.
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.Thermoplastic materials are also suitable as binders insofar as they can absorb fillers. Examples include polyamides, polypropylene, polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate. These binders have the advantage that they enable the rational production of arc-quenching moldings by injection molding.
Es ist anzustreben, den Gehalt der kohlenstoffhaltigen organischen Bindemittel so niedrig wie möglich zu halten, um unter Lichtbogeneinwirkung möglichst wenig kohlenstoffreiche Zersetzungsprodukte und Ruß zu erhalten. Außerdem sollten möglichst solche Bindemittel gewählt werden, welche eine besonders hohe Lichtbogenfestigkeit aufweisen.The aim should be to keep the content of the carbon-containing organic binders as low as possible in order to obtain as little carbon-rich decomposition products and soot as possible under the influence of an arc. In addition, those binders should be chosen that have a particularly high resistance to arcing.
Außer organischen Bindemitteln kommen auch anorganische Bindemittel in Betracht, z.B. Wasserglas (Kaliumsilikat und/oder Natriumsilikat) oder niedrig schmelzende Emails.In addition to organic binders, inorganic binders can also be used, e.g. Water glass (potassium silicate and / or sodium silicate) or low melting enamel.
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 metallischen 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.Another solution to the problem is the subject of independent claim 5. With regard to the chemical nature of the constituents of this material, what has been said about the first proposed solution applies in a corresponding manner. The material according to claim 5 differs from the material according to claim 1 in that its electrical conductivity is also anisotropic due to the anisotropic distribution of the metallic components. Anisotropic distribution of the electrically conductive metal makes it possible to guide the current paths in a shaped part (electrode) made of the material in such a way that the current paths from a current connection point of the shaped part preferably lead to that surface area of the shaped part - and there preferably perpendicular to the surface of the molded part are oriented - on which the arc base points lie or - better said - should migrate. Current paths to other surface areas of the molded part are superfluous or even undesirable. They can be reduced or avoided by a targeted anisotropic distribution of the electrically conductive metal and, as in the case of the solution according to claim 1, this leads to a saving in electrically conductive metal in favor of the proportion of the arc-extinguishing components of the material. A specifically anisotropic conductivity can be achieved particularly favorably if the electrically conductive metal is embedded in the material in the form of fibers (claim 6). The techniques required for this are known to the person skilled in the art from the production of fiber composite materials.
Eine andere Möglichkeit der Einsparung an elektrisch leitendem Metall durch dessen anisotrope Verteilung besteht darin, das elektrisch leitende Metall in Gestalt eines überwiegend schuppenförmigen Pulvers vorzusehen (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 die Ausbildung von Strompfaden in eben dieser Vorzugsrichtung begünstigt.Another possibility of saving on electrically conductive metal due to its anisotropic distribution is to provide the electrically conductive metal in the form of a predominantly flaky powder (claim 7). This possibility is particularly important if a hardenable synthetic resin is used as the binder. If the not yet hardened, still liquid or pasty material is applied as a coating to a support or if it is filled into a mold to form shaped bodies, then a preferred orientation of the flaky metal powder particles is formed such that the scales are preferably parallel to one another . This favors the overlap of neighboring scales and with it the formation of current paths in this preferred direction.
Eine weiteremöglichkeit, 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).Another possibility of achieving anisotropy in the distribution of the electrically conductive metal is to embed it in the form of a fabric in the material, which allows the arc-quenching gases to pass through and increases the mechanical strength of the material (claim 8).
Nachfolgend werden noch einige Ausführungsbeispiele angegeben:
- Die in den Beispielen verwendeten pulverigen Substanzen weisen Korngrößen zwischen ca. 1 um und ca. 100 umivorzugsweise 5 um bis 30 um auf.
- The powdery substances used in the examples have particle sizes between approximately 1 μm and approximately 100 μm, preferably 5 μm to 30 μm.
Das Material mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften enthält 30 Gew.-% fein gemahlenen Quarzsand, 20 Gew-% Silber, 25 Gew.-% Polytetrafluoräthylenpulver, 5 Gew.-% Schwefelpulver 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.The material with arc extinguishing properties contains 30% by weight of finely ground quartz sand, 20% by weight of silver, 25% by weight of polytetrafluoroethylene powder, 5% by weight of sulfur powder and 20% by weight of a two-component epoxy resin. The quartz sand is coated with the silver using a chemical coating process (i.e. without electricity). The coated silica sand, the PTFE - powder and the sulfur powder are stirred into the still liquid epoxy resin formulation, the mixture is poured into molds and cured at elevated temperature. The shaped bodies thus produced are suitable as arc-quenching electrodes in switching devices and fuses.
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.The material with the composition mentioned in Example 1 is produced by stirring the fillers into an epoxy resin base which does not yet contain any curing component. The spreadable paste and hardener are filled separately and delivered to the user and only mixed by the user before use. The material is suitable for coating quenching chamber components and arcing horns in overvoltage protection devices, lightning protection devices or in traction current phase isolators, which are used to extinguish arcs between adjacent contact wire ends for electric rail vehicles.
Das Material besteht aus 25 Gew.-% Nickelfasern von ca. 10 um Durchmesser, 20 Gew.-% Kalziumfluoridpulver, 20 Gew.-% Bariumsulfatpulver, 10 Gew.-% Dolomitpulver und 10 Gew.-% fein gemahlenem Quarzsand sowie 15 Gew.-% eines härtbaren Melaminharzes. Zunächst werden in die noch flüssige Harzgrundlage die pulverigen Füllstoffe eingerührt und anschließend die gebündelten Nickelfasern in eine langgestreckte Form eingelegt und mit der die pulverigen Füllstoffe enthaltenden Harzmischung übergossen. Nach dem Aushärten des Harzes werden die Formkörper beschnitten. Sie eignen sich als lichtbogenlöschende Elektroden in Schaltgeräten.The material consists of 25% by weight of nickel fibers with a diameter of approx. 10 µm, 20% by weight of calcium fluoride powder, 20% by weight of barium sulfate powder, 10% by weight of dolomite powder and 10% by weight of finely ground quartz sand and 15% by weight. -% of a curable melamine resin. First, the powdery fillers are stirred into the still liquid resin base and then the bundled nickel fibers are placed in an elongated form and poured with the resin mixture containing the powdery fillers. After the resin has hardened, the moldings are trimmed. They are suitable as arc extinguishing electrodes in switching devices.
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.Examples 1 and 2 are modified in such a way that the silver is not coated on the quartz sand, but instead the quartz sand and the silver are introduced separately into the material, namely the silver as a powder of predominantly platelet-shaped structure, which is obtained from dendritic silver powder by grinding was obtained in a ball mill.
Das Material enthält 30 Gew.-% Polytetrafluoräthylenpulver,20 Gew.-% fein gemahlenen Quarzsand, 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.The material contains 30% by weight of polytetrafluoroethylene powder, 20% by weight of finely ground quartz sand, 20% by weight of copper, 5% by weight of sulfur powder and 25% by weight of polyethylene terephthalate as a binder. The quartz sand is electrolessly coated with the copper and then dry together with the PTFE powder and the sulfur powder mixed with a fine-grained polyethylene terephthalate granulate and processed to shaped bodies on an injection molding machine. The moldings are suitable as arc-quenching components, in particular electrodes and quenching plates or quenching rings in switching devices and fuses.
Claims (8)
Eigenschaften, welches in ein Bindemittel eingelagert
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel von wenigstens einem Teil des unter Lichtbogeneinwirkung elektronegative Gase freisetzenden Pulvers und/oder von wenigstens einem Teil des anorganischen, höher als das elektronegative Gase freisetzende Pulver schmelzenden Pulvers zumindest mit einem Teil des elektrisch leitenden Metalls beschichtet sind.1. Compound material with arc extinguishing
Properties, which are stored in a binder
contains, characterized in that the particles of at least a part of the powder which releases electronegative gases under the action of an arc and / or of at least a part of the inorganic powder which melts higher than the electronegative gas powder are coated at least with a part of the electrically conductive metal.
daß das anorganische Pulver, welches mit einem elektrisch leitenden Metall beschichtet ist, Quarzsand ist.2. Material according to claim 1, characterized in
that the inorganic powder, which is coated with an electrically conductive metal, is quartz sand.
daß das anorganische Pulver, welches mit elektrisch leitendem Metall beschichtet ist, ein Glaspulver, insbesondere ein kugeliges Glaspulver ist.3. Material according to claim 1, characterized in
that the inorganic powder, which is coated with electrically conductive metal, is a glass powder, in particular a spherical glass powder.
daß das anorganische Pulver, welches mit elektrisch leitendem Metall beschichtet ist, Kalziumfluoridpulver ist.4. Material according to claim 1, characterized in
that the inorganic powder, which is coated with electrically conductive metal, is calcium fluoride powder.
Eigenschaften, welches in ein Bindemittel eingelagert
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Metall anisotrop in dem Material verteilt ist.5. Compound material with arc extinguishing
Properties, which are stored in a binder
contains, characterized in that the electrically conductive metal is anisotropically distributed in the material.
daß in ihm das elektrisch leitende Metall in Gestalt von Fasern vorliegt, welche eine Vorzugsrichtung der Orientierung aufweisen.6. Material according to claim 5, characterized in
that the electrically conductive metal is present in it in the form of fibers which have a preferred direction of orientation.
daß in ihm das elektrisch leitende Metall in Gestalt eines überwiegend schuppenförmigen Pulvers vorliegt.7. Material according to claim 5, characterized in that
that the electrically conductive metal is present in the form of a predominantly flaky powder.
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Inventor name: MAYER, URSULA, DR. DIPL. PHYS. Inventor name: KLINK, NORBERT, DIPL. ING. Inventor name: MEYER, CARL-LUDWIG, DIPL. PHYS. Inventor name: MICHAL, ROLAND, DR. DIPL.-ING. Inventor name: SAEGER, KARL E., DR. DIPL. PHYS. Inventor name: KEHRER, HANS-PETER, DR. DIPL. ING. Inventor name: GENGENBACH, BRUNO, ING.GRAD. |