EP1789977B1 - Varistor mit einer isolierenden schicht aus einem grundglas mit füllstoff - Google Patents

Varistor mit einer isolierenden schicht aus einem grundglas mit füllstoff Download PDF

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EP1789977B1
EP1789977B1 EP05789564.1A EP05789564A EP1789977B1 EP 1789977 B1 EP1789977 B1 EP 1789977B1 EP 05789564 A EP05789564 A EP 05789564A EP 1789977 B1 EP1789977 B1 EP 1789977B1
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EP
European Patent Office
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varistor
insulating layer
ceramic
layer
base glass
Prior art date
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EP05789564.1A
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EP1789977A1 (de
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Thomas Jost
Andreas Schriener
Harald Reisinger
Gerd Klemen
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TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/18—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material comprising a plurality of layers stacked between terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/102—Varistor boundary, e.g. surface layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/105—Varistor cores
    • H01C7/108—Metal oxide
    • H01C7/112—ZnO type

Definitions

  • the invention relates to a varistor.
  • Zinc oxide (ZnO) energy resistors are non-linear voltage-dependent resistive bodies comprising zinc oxide-based ceramic sintered bodies as a resistive element.
  • the electrical resistance above a response voltage decreases sharply with increasing voltage. Because of this electrical behavior, varistors are used to protect electrical equipment from overvoltages and surges.
  • the varistor is connected in parallel to the protective electrical system and limited by its current-voltage characteristic, the maximum occurring at the electrical system voltage. For electrical contacting of the varistors electrodes are applied on both end faces of the cylindrical main body of the varistors.
  • Overvoltages and voltage spikes can be roughly subdivided into a lightning overvoltage (time range: microseconds), switching overvoltages (time range: milliseconds) and temporary overvoltages (time range: seconds).
  • overvoltages in the microsecond range can reach very high voltage peaks. These very fast and high voltage peaks not only load the zinc oxide ceramics of the varistor very heavily, but without any suitable countermeasures an electrical flashover occurs on the outside or surface of the varistor.
  • a zinc oxide varistor in which the lateral surface of the ceramic base body is provided with a layer of high resistance.
  • the crystallized glass composition for wetting the ceramic base body has lead oxide (PbO) as a main component and is enriched with the components ZnO, B 2 O 3 , SiO 2 , MoO 3 , WO 3 , TiO 2, and NiO to improve the crystallinity and the insulating properties Promote property of the layer.
  • PbO lead oxide
  • the addition of larger amounts of PbO to the insulating layer increases its thermal expansion coefficient, with the addition of larger amounts of ZnO permitting crystallization of the glass composition of the layer.
  • the publication DE 101 42 314 A1 discloses a nonlinear resistor body provided with an outer high resistance layer.
  • the high resistance layer contains a glass mixture.
  • arresters consisting of varistors are exposed to environmental influences such as moisture and chemical pollutants for long periods of time (lifetime ⁇ 30 years). There is a risk that these environmental influences lead to a reduction of the ZnO ceramic of the varistor and change the current-voltage characteristic.
  • the protective function against environmental influences takes over the wrapping.
  • a varistor which has a ceramic main body whose surface is at least partially provided with an insulating layer which is composed of a base glass and a filler, wherein the filler contains 3Al 2 O 3 2SiO 2 , characterized in that the insulating Layer additionally contains material-strengthening fibers.
  • the insulating layer is also harmless in terms of their environmental compatibility, since it does not have to contain lead.
  • the layer is free of lead.
  • the layer has a filler content of 5 to 40%. With this proportion of filler is achieved that the thermal expansion coefficient of the insulating layer is reduced in order to avoid cracking of the layer. In particular, it can be achieved with a filler proportion in this range that the thermal expansion coefficient of the layer is lower than that of the ceramic base body of the varistor.
  • a varistor which has a ceramic main body, wherein a layer is applied to at least a portion of the ceramic base body, which according to the invention contains material-strengthening fibers.
  • the layer at least partially hermetically seals the ceramic base body to the outside, so that the necessary for the ignition of the electrical component or the ceramic body oxygen can not penetrate to the hot ignition source of the varistor or the ceramic body. In the absence of this oxygen, the varistor can not come to ignition even with considerable overvoltage.
  • the layer comprises refractory or at least flame retardant materials. If, despite the high layer strength, for example, under extreme pressure or temperature conditions, the electrical component or the ceramic body are ignited, the flame retardant materials of the layer can slow the spread of firing.
  • the material-strengthening fibers are added to the mullite mixture. This results in an insulating layer with a high rollover and material strength.
  • flame retardant materials are added to the mullite mixture, the refractoriness of the varistor or the insulating layer can be increased.
  • Load cases in the sense of a direct lightning strike are standardized as 4/10 ⁇ s tests in the IEC standard 60099-4 anchored.
  • the 4/10 ⁇ s test has a rise time up to the peak current of 4 ⁇ s, the decay time being a 50% peak value of 10 ⁇ s.
  • the load with two impulses with a peak current of 100 kA each is prescribed, without resulting in a flashover on the arrester or varistor.
  • Loads according to the 4/10 test are referred to hereinafter as impulse loads within this document.
  • FIG. 1 shows a varistor with a ceramic base body 1, the surface of which is provided with an insulating layer 2 and whose end faces with metallizations or electrodes 3.
  • the lateral surface of the main body 1 is provided with the insulating layer.
  • a composite glaze consisting of a base glass and a filler is proposed.
  • the base glass contains 30 to 50% ZnO, 30 to 40% B 2 O 3 , 0 to 10% CuO and 0 to 10% P 2 O 5 .
  • mullite As a filler of the mixture, mullite (3Al 2 O 3 2SiO 2 ) in the range of 5 to 40% is used.
  • the filler is added in powder form (grain size 0 to 200 microns) of the glass layer or the glaze.
  • the base glass or the glass frit melts, runs down and forms a glass-like coating of the varistor.
  • the temperature of glass penetration used is well below the melting point of the filler grains, which is why they do not melt and can be embedded intact in the base glass.
  • thermal shock resistance An important point for the pulse strength of coatings or insulating layers is the thermal shock resistance.
  • the temperature of the energy varistor may increase by up to 150 ° C within microseconds. If the thermal expansion coefficient of the sheath is greater than that of the ceramic, this stress increases the formation of cracks in the sheath and thus poor pulse strength. Low-slumping glasses consistently have too high a thermal expansion coefficient compared to a zinc oxide ceramic, so that the pulse strength remains unsatisfactory.
  • the admixture of filler with a very low coefficient of thermal expansion into the base glass leads to a lower coefficient of thermal expansion of the insulating layer.
  • the thermal expansion coefficient of the glaze is reduced.
  • the values T, ⁇ 1, ⁇ 2 respectively represent the temperature, the expansion coefficient of the varistor ceramic and the expansion coefficient of the insulating layer or composite glaze.
  • the varistor can be designed as a multilayer varistor with integrated internal electrodes, in which case the contact bodies are preferably arranged on the side surface of the main body. Each contact body is contacted with one end of an inner electrode of an inner electrode set, see also FIG. 5 ,
  • FIG. 2 is a graph of the failure rate of varistors with and without an insulating layer with mullite understanding with increasing current pulse load.
  • the vertical axis represents the cumulative failure rate of the varistors in percent, while the horizontal axis represents the pulse current applied to the varistors in amperes.
  • the dark bars show the behavior of varistors provided with a mullite-containing insulating layer. It can be clearly seen how the failure rates of such varistors begin to increase only at a relatively high value of 110 kA (kilo-ampere), especially when this pulse is applied in short time periods in succession. In contrast, the failure rate of varistors without an insulating layer having mullite already increases at 90 kA.
  • the weight fraction of mullite is the insulating layer of the the gray bars represented Varistors is 20%. Energy varistors with a height of 44 mm and a diameter of 43.5 mm were used.
  • a mullite-containing composite glaze therefore has a design optimized thermal expansion coefficient.
  • the glaze also has a very good mechanical strength, which also has a positive effect on the pulse strength.
  • the flexural strength at 20% by weight of mullite is 78 MPa.
  • the present composite glaze advantageously also protects the ceramic due to the glassy fusion reliably against environmental influences. It is also non-toxic and harmless in the sense of environmental compatibility, since it can be composed in particular lead-free. Also, the composite glaze does not have to contain bismuth, making it much cheaper than currently used alternatives.
  • the filler mullite used has a low coefficient of thermal expansion in the range of 40 * 10 -7 (K -1 ) and a high melting point at> 1800 ° C. The high melting point ensures that no or at least only a very small chemical and / or physical conversion of the filler takes place during the baking of the glaze.
  • FIG. 3 shows a varistor whose surface is at least partially provided with an insulating layer 2 containing fiber composites 4.
  • the fiber composites are preferably added to the previously described mullite mixture.
  • the layer preferably hermetically seals an interior region of the ceramic base body to the outside.
  • the envelope can withstand high loads, such as, for example, a thermally induced expansion of the ceramic base body, without it forming cracks or openings.
  • the thermally induced expansion of the ceramic body can be triggered, for example, by applying an increased operating voltage, which can locally lead to melting of the varistor ceramic with explosive leakage of ceramic material and various reaction products and thus to the ignition of the varistor enclosure. As a result, this can lead to the ignition of entire devices or system parts in which the varistor is used.
  • the layer containing fibers it is avoided that the possibly harmful materials emitted by the ceramic base body escape to the outside, or that the oxygen necessary for the ignition penetrates into the interior region of the ceramic base body.
  • Varistorumhüllung 2 An increased strength of the Varistorumhüllung 2 is achieved with the addition of fibrous reinforcing materials of different lengths of organic and inorganic nature, as well as with the addition of organic and inorganic matrix elements or composites.
  • Aramid fiber is preferred as the fiber 4 of organic nature.
  • Fiber of inorganic nature is preferably glass fibers, carbon fibers or mineral wool. These have the advantage that they have a flame-retardant effect.
  • Suitable organic matrix elements or composite materials are silicone resins, phenolic resins or epoxy resins.
  • As inorganic Matrix elements are preferably used hydraulically setting ceramics and cements.
  • Glass fiber shreds 4 having a length of 0.2 mm in different mixing ratios are preferably mixed with a silicone resin paint formulation or phenolic resin paint formulation to form a dippable or sprayable mixture which can be applied to the ceramic base body.
  • the application of the envelope 2 can be carried out in multiple layers until the required coating thickness is achieved. In this case, 3 to 7, in particular 5 dives are preferred to achieve a cladding thickness of between 7 and 9 mm, as it has been found that this thickness gives a particularly good strength, but only a relatively short production time is required.
  • the casing 2 enriched with the additives is brought to the desired high strength.
  • a varistor 1 is shown, which is provided with contact bodies 3 at the front. It is preferred that the application of the envelope 2 takes place before the contact bodies are baked in, so that the layer applied on the front sides of the varistor is softened and subsequently pushed away or removed by the extremely high temperature during the baking of the contact body.
  • the contact bodies 3 each have an outwardly directed, free surface, which can be contacted with a further contact body.
  • FIG. 5 shows a multilayer varistor with a ceramic base body 1, in the interior of which internal electrodes 5 are arranged, which are each connected at one end to a contact body or metallization 3 applied to the top or side surface of the ceramic base body.
  • the multilayer varistor has a mullite-containing outer layer 2 according to the preceding embodiments, which can be enriched with material-strengthening fibers.
  • a multilayer varistor is provided, which can not be set on fire by means of a high-strength, preferably flame-retardant sheath 2, even with accidental or accidental overvoltages, or at least only with difficulty.
  • the metallizations 3 be free of cladding materials.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Varistor.
  • Zinkoxid (ZnO)-Energievaristoren sind nicht-lineare spannungsabhängige Widerstandskörper, welche keramische Sinterkörper auf der Basis von Zinkoxid als Widerstandselement umfassen. Bei Varistoren nimmt der elektrischer Widerstand oberhalb einer Ansprechspannung mit steigender Spannung stark ab. Aufgrund dieses elektrischen Verhaltens werden Varistoren zum Schutz von elektrischen Anlagen und Geräten gegenüber Überspannungen und Spannungsspitzen verwendet. Der Varistor wird dabei parallel zur schützenden elektrischen Anlage geschaltet und begrenzt durch seine Strom-Spannungskennlinie die maximal an der elektrischen Anlage auftretende Spannung. Zur elektrischen Kontaktierung der Varistoren werden auf beiden Stirnseiten der zylindrischen Hauptkörper der Varistoren Elektroden aufgebracht.
  • Überspannungen und Spannungsspitzen können auf einer Zeitachse grob in Blitzschlag-Überspannung (Zeitbereich: Mikrosekunden), Schaltüberspannungen (Zeitbereich: Millisekunden) und temporäre Überspannungen (Zeitbereich: Sekunden) unterteilt werden. Insbesondere können Überspannungen im Mikrosekundenbereich sehr hohe Spannungsspitzen erreichen. Diese sehr schnellen und hohen Spannungsspitzen belasten nicht nur die Zinkoxidkeramik des Varistors sehr stark, sondern es kommt ohne geeignete Gegenmaßnahmen zu einem elektrischen Überschlag an der Außenseite bzw. Oberfläche des Varistors.
  • Aus US 5,294,909 ist ein Zinkoxid-Varistor bekannt, bei dem die Mantelfläche des keramischen Grundkörpers mit einer Schicht hohen Widerstands versehen ist. Die kristallisierte Glaszusammensetzung für die Benetzung des keramischen Grundkörpers weist als Hauptkomponente Bleioxid (PbO) auf und ist mit den Komponenten ZnO, B2O3, SiO2, MoO3, WO3, TiO2 und NiO angereichert, um die Kristallinität und die isolierende Eigenschaft der Schicht zu fördern. Die Zugabe größerer Mengen von PbO zur isolierenden Schicht erhöht ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei die Zugabe größere Mengen von ZnO die Kristallisation der Glaszusammensetzung der Schicht ermöglicht. Dagegen führt die Zugabe größerer Mengen von B2O3 zu einer Verminderung der Kristallisation der Schicht, insbesondere wenn der Gewichtsanteil der Schicht von B2O3 über 15% hinaus geht. Ferner führt die Erhöhung der SiO2-Menge zur Verminderung der Kristallisation, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient gleichzeitig erhöht wird.
  • Die Druckschrift DE 101 42 314 A1 offenbart einen nichtlinearen Widerstandskörper, der mit einer äußeren Hochwiderstandsschicht versehen ist. Die Hochwiderstandsschicht enthält ein Glasgemisch.
  • Ableiter bestehend aus Varistoren sind in der Anwendung Umwelteinflüssen wie Feuchte und chemischen Schadstoffen über lange Zeiträume (Lebensdauer ≥ 30 Jahre) ausgesetzt. Es besteht die Gefahr, dass diese Umwelteinflüsse zu einer Reduktion der ZnO-Keramik des Varistors führen und die Strom-Spannungskennlinie verändern. Die Schutzfunktion vor Umwelteinflüssen übernimmt dabei die Umhüllung.
  • Es liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Mittel zur Erhöhung der Überschlagsfestigkeit eines Varistors anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, Mittel anzugeben, mit denen die Keramik eines Varistors vor Umwelteinflüssen geschützt werden kann.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
  • Erfindungsgemäß wird ein Varistor vorgeschlagen, welcher einen keramischen Grundkörper aufweist, dessen Oberfläche wenigstens teilweise mit einer isolierenden Schicht versehen ist, welche aus einem Grundglas und einem Füllstoff zusammengesetzt ist, wobei der Füllstoff 3Al2O3 2SiO2 enthält, dadurch gekennzeichnet, das die isolierende Schicht zusätzlich materialstärkende Fasern enthält.
  • Mit der genannten Zusammensetzung ist eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit gegeben, welche für eine gute Überschlagsfestigkeit des Varistors mitverantwortlich ist.
  • Die isolierende Schicht ist zudem bezüglich ihrer Umweltverträglichkeit unbedenklich, da sie kein Blei enthalten muss. Vorteilhafterweise ist die Schicht frei von Blei.
  • Es wird bevorzugt, dass die Schicht einen Füllstoffanteil von 5 bis 40 % aufweist. Mit diesem Füllstoffanteil wird erreicht, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der isolierenden Schicht reduziert wird, um eine Rissbildung der Schicht zu vermeiden. Insbesondere kann mit einem Füllstoffanteil in diesem Bereich erreicht werden, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Schicht niedriger ist als der des keramischen Grundkörpers des Varistors.
  • Es ist günstig, wenn Zinkoxid einen Gewichtsanteil von 30 bis 50 % des Grundglases ausmacht.
  • Es wird ein Varistor angegeben, der einen keramischen Grundkörper aufweist, wobei zumindest auf einen Teilbereich des keramischen Grundkörpers eine Schicht aufgebracht ist, welche erfindungsgemäß materialstärkende Fasern enthält.
  • Mit den materialstärkenden Fasern wird der Schicht eine hohe Festigkeit gegeben, sodass die Schicht bei erhöhten mechanischen oder thermischen Belastungen nicht aufreißt oder aufplatzt.
  • Vorzugsweise dichtet die Schicht den keramischen Grundkörper zumindest teilweise hermetisch nach außen ab, sodass der zur Entflammung des elektrischen Bauelements bzw. des keramischen Grundkörpers nötige Sauerstoff nicht zur heißen Zündquelle des Varistors bzw. des keramischen Grundkörpers vordringen kann. Mangels dieses Sauerstoffs kann der Varistor auch bei erheblicher Überspannung nicht zur Zündung kommen.
  • Es ist ein weiterer Vorteil der hochfesten Schicht, dass der Austritt von schädlichen Materialien des keramischen Grundkörpers nach außen vermieden wird. Das Vergiftungspotenzial wird damit für einen Nutzer abgesenkt.
  • Außerdem wird mittels der Schicht eine thermische Isolation des elektrischen Bauelements gegenüber der Umgebung gewährleistet, sodass ein Verbrennen eines Nutzers bei Berührung mit dem Varistor erschwert und damit das Gefahrenpotetial reduziert wird.
  • Es wird bevorzugt, dass die Schicht feuerfeste oder zumindest flammenhemmende Materialien aufweist. Sollte trotz der hohen Schichtfestigkeit, beispielsweise unter extremen Druck- oder Temperaturbedingungen, das elektrische Bauelement oder der keramische Grundkörper gezündet werden, können die flammenhemmenden Materialien der Schicht eine Ausbreitung des Brennens verlangsamen.
  • Ein Schutz vor einer Beflammung von außen wird mit einer solchen feuerfesten Schicht ebenfalls erreicht. Die Gefahr der Entflammung des gesamten elektrischen Bauelements, oder der Ausbreitung des Brennens auf eine Anordnung von mehreren elektrischen Bauelementen, kann mit dieser Maßnahme vorteilhafterweise reduziert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden die materialstärkenden Fasern der Mullitmischung zugesetzt. Somit entsteht eine Isolierschicht mit einer hohen Überschlags- und Materialfestigkeit. Wenn der Mullitmischung zusätzlich flammenhemmende Materialien zugesetzt werden, kann außerdem die Feuerfestigkeit des Varistors bzw. der isolierenden Schicht erhöht werden.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1
    einen Varistor, welcher stirnseitig mit Metallisierungen und an seiner Mantelfläche mit einer isolierenden Schicht versehen ist,
    Figur 2
    eine Grafik zur Darstellung der Ausfallquote von Varistoren mit und ohne einer 3Al2O3 2SiO2 aufweisenden isolierenden Schicht bei unterschiedlichen Strombelastungen,
    Figur 3
    einen Varistor mit einer faseraufweisenden Außenschicht,
    Figur 4
    einen Varistor nach Figur 3 mit stirnseitig aufgebrachten Kontaktkörpern,
    Figur 5
    ein elektrisches Bauelement mit mehreren Innenelektroden und einer faseraufweisenden Außenschicht.
  • Belastungsfälle im Sinne eines direkten Blitzschlags sind standardisiert als 4/10 µs-Tests im IEC-Standard 60099-4 verankert. Der 4/10 µs-Test weist eine Anstiegszeit bis zum Scheitelstrom von 4 µs auf, wobei die Abklingzeit einen 50%-Wert des Scheitelwerts 10 µs beträgt. Für Ableiter der 10kA und 20kA-Klasse ist dabei die Belastung mit zwei Impulsen mit einem Scheitelstrom von jeweils 100 kA vorgeschrieben, ohne dass es zu einem Überschlag am Ableiter bzw. Varistor kommt. Belastungen entsprechend dem 4/10-Test werden im Weiteren innerhalb dieser Schrift als Impulsbelastungen bezeichnet.
  • Figur 1 zeigt einen Varistor mit einem keramischen Grundkörper 1, dessen Oberfläche mit einer isolierenden Schicht 2 und dessen Stirnseiten mit Metallisierungen bzw. Elektroden 3 versehen ist. Insbesondere wird die Mantelfläche des Grundkörpers 1 mit der isolierenden Schicht versehen. Für die isolierende Schicht wird eine Komposit-Glasur, bestehend aus einem Grundglas und einem Füllstoff, vorgeschlagen. Das Grundglas enthält 30 bis 50 % ZnO, 30 bis 40 % B2O3, 0 bis 10 % CuO und 0 bis 10 % P2O5. Als Füllstoff des Gemisches wird Mullit (3Al2O3 2SiO2) im Bereich von 5 bis 40 % eingesetzt. Der Füllstoff ist in Pulverform (Körnung 0 bis 200 µm) der Glasschicht bzw. der Glasur beigemengt.
  • Während des Glaseinbrands schmilzt das Grundglas bzw. die Glasfritte, verrinnt und bildet eine glasartige Umhüllung des Varistors. Für die enthaltenen Füllstoffkörner ist die verwendete Temperatur des Glaseinbrands weit unterhalb des Schmelzpunkts der Füllstoffkörner, weshalb diese nicht schmelzen und unverändert in das Grundglas eingebettet werden können.
  • Als vorteilhaft für die Komposit-Glasur bzw. der isolierenden Schicht hat sich ein Füllstoffgehalt zwischen 5 bis 40 % herausgestellt.
  • Das Auftragen der isolierenden Schicht kann beispielsweise mit den folgenden Schritten ausgeführt werden:
    1. 1) Mischen der Grundglas-Glasfritte mit dem Füllstoff Mullit, Wasser und einem Binder.
    2. 2) Aufbringen der resultierenden Paste mittels Sprühtechnik oder Pasten-Drucktechnik.
    3. 3) Einbrennen der Glaspaste bei 600 bis 680 °C, wobei hiermit zugleich ein Temperierungsschritt für die Varistorkeramik erreicht und die Langzeitstabilität der Keramik verbessert wird.
  • Um die Strom-Spannungskennlinie von Varistoren nicht oder nur geringfügig zu beeinflussen, darf beim Fertigungsschritt der Umhüllung der ZnO-Keramik die Temperatur nicht zu hoch sein. Es sollten daher nur Gläser mit niedrigen Schmelzpunkten verwendet werden. Gläser mit niedrigem Schmelzpunkt und gutem Isolationsvermögen für Energievaristoren sind aber in der Vergangenheit nur durch bleihaltige Gläser oder Wismut basierende Gläser verwirklicht wurde, wobei bleihaltige Gläser Umweltschutzanforderungen nicht erfüllen können und Wismut basierende Gläser aufgrund der hohen Wismut-Rohstoffkosten teuer sind. Organische Lacke dagegen stellen eine kostengünstige Möglichkeit der Umhüllung dar, sind jedoch in Bezug auf die erwünschte Langzeitstabilität von Energievaristoren mit Schwachstellen behaftet.
  • Ein wichtiger Punkt für die Impulsfestigkeit von Umhüllungen bzw. isolierenden Schichten ist die Temperaturschockbeständigkeit. Bei einer Impulsbelastung kann die Temperatur des Energievaristors innerhalb von Mikrosekunden um bis zu 150 °C steigen. Ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Umhüllung größer als jener der Keramik, kommt es durch diese Belastung verstärkt zu einer Rissebildung in der Umhüllung und damit zu einer schlechten Impulsfestigkeit. Niedrig schmalzende Gläser weisen durchgehend einen zu hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegenüber einer Zinkoxid-Keramik auf, sodass damit die Impulsfestigkeit unbefriedigend bleibt.
  • Die Zumischung von Füllstoff mit sehr niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ins Grundglas führt dagegen zu einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der isolierenden Schicht. Durch die Zugabe des Füllstoffs Mullit wird also der thermische Ausdehnungskoeffizient der Glasur verkleinert. Durch Optimierung des Ausdehnungskoeffizienten der Komposit-Glasur kann dieser auf etwa den Wert der Ausdehnungskoeffizienten der Zinkoxid-Keramik des Varistors angepasst werden.
  • Die folgende Tabelle zeigt den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Varistorkeramik und einer Komposit-Glasur für verschiedene Temperaturen.
    T α1 α2
    (°C) 10-7 (K-1) 10-7 (K-1)
    150 59,7 56,0
    200 64,3 57,7
    250 67,0 60,1
    300 68,2 61,2
    350 69,6 62,4
    400 70,8 63,6
    450 71,9 64,9
    500 72,4 66,4
    550 71,5 87,5
  • Die Werte T, α1, α2 stellen jeweils die Temperatur, den Ausdehnungskoeffizienten der Varistorkeramik und den Ausdehnungskoeffizienten der isolierenden Schicht bzw. Komposit-Glasur dar.
  • Der Varistor kann als Vielschichtvaristor mit integrierten Innenelektroden ausgebildet sein, wobei in diesem Falle die Kontaktkörper vorzugsweise an der Seitenfläche des Grundkörpers angeordnet sind. Jeder Kontaktkörper wird dabei mit einem Ende einer Innenelektrode eines Innenelektrodensatzes kontaktiert, siehe hierzu auch Figur 5.
  • Figur 2 ist eine grafische Darstellung der Ausfallquote von Varistoren mit und ohne einer mit Mullit verstehenden isolierenden Schicht bei steigender Strom-Impulsbelastung. Die vertikale Achse stellt die kummulierte Ausfallrate der Varistoren in Prozent dar, die horizontale Achse dagegen den auf die Varistoren angelegten Impuls-Strom in Ampere. Die dunklen Balken zeigen das Verhalten von Varistoren, welche mit einer Mullit aufweisenden isolierenden Schicht versehen sind. Dabei ist deutlich erkennbar, wie die Ausfallquoten solcher Varistoren erst bei einem relativ hohen Wert von 110 kA (Kiloampère) beginnen zu steigen, insbesondere wenn in kurzen Zeitspannen hintereinander dieser Impuls angewandt wird. Dagegen steigt die Ausfallquote von Varistoren ohne einer Mullit aufweisenden isolierenden Schicht schon bei 90 kA an. Der Gewichtsanteil von Mullit der isolierenden Schicht der durch die grauen Balken dargestellten Varistoren beträgt 20 %. Es wurden Energievaristoren mit einer Höhe von 44 mm und einem Durchmesser von 43,5 mm verwendet.
  • Eine Mullit aufweisende Komposit-Glasur weist daher einen per Design optimierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Die Glasur weist auch eine sehr gute mechanische Festigkeit auf, welche sich ebenfalls positiv auf die Impulsfestigkeit auswirkt. So beträgt die Biegezugfestigkeit bei 20 % Gewichtsanteil von Mullit 78 MPa.
  • Die vorliegende Komposit-Glasur schützt vorteilhafterweise auch die Keramik aufgrund des glasigen Verschmelzens zuverlässig vor Umwelteinflüssen. Sie ist auch ungiftig und unbedenklich im Sinne der Umweltverträglichkeit, da sie insbesondere auch bleifrei zusammengesetzt sein kann. Ebenfalls muss die Komposit-Glasur kein Wismut enthalten, sodass sie wesentlich kostengünstiger als derzeit verwendete Alternativen ist. Der verwendete Füllstoff Mullit weist einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 40 * 10-7(K-1) und einen hohen Schmelzpunkt bei > 1800 °C auf. Durch den hohen Schmelzpunkt ist sichergestellt, dass während des Einbrennens der Glasur keine oder zumindest nur eine äußerst geringe chemische und/oder physikalische Umwandlung des Füllstoffs erfolgt.
  • Figur 3 zeigt einen Varistor, dessen Oberfläche zumindest teilweise mit einer isolierenden Schicht 2 versehen ist, welche Faserverbundwerkstoffe 4 enthält. Die Faserverbundwerkstoffe werden vorzugsweise der vorhergehend beschriebenen Mullitmischung beigement. Die Schicht dichtet einen Innenbereich des keramischen Grundkörpers vorzugsweise hermetisch nach außen ab.
  • Mittels der Faserverbundwerkstoffe wird eine wesentliche Erhöhung der Festigkeit der isolierenden Umhüllung 2 des Varistors erreicht. Dadurch kann die Umhüllung hohen Belastungen standhalten, wie beispielsweise eine thermisch induzierte Ausdehnung des keramischen Grundkörpers, ohne dass sie Risse oder Öffnungen bildet. Die thermisch induzierte Ausdehnung des keramischen Körpers kann beispielsweise durch Anlegen einer erhöhten Betriebsspannung ausgelöst werden, die lokal zu einem Schmelzen der Varistorkeramik mit explosionsartigem Austritt von Keramikmaterial und diversen Reaktionsprodukten und damit zur Zündung der Varistorumhüllung führen kann. In Folge kann dies zur Entflammung ganzer Geräte bzw. Anlagenteile führen, in denen der Varistor eingesetzt wird. Mittels der Fasern enthaltenden Schicht wird vermieden, dass die vom keramischen Grundkörper abgegebenen, gegebenenfalls schädlichen Materialien nach außen entweichen, oder dass der zum Entflammen nötige Sauerstoff in den Innenbereich des keramischen Grundkörpers dringt.
  • Eine erhöhte Festigkeit der Varistorumhüllung 2 wird mit dem Zusatz von faserförmigen Verstärkungsmaterialien unterschiedlicher Länge organischer sowie anorganischer Natur, sowie mit dem Zusatz von organischen sowie anorganischen Matrixelementen bzw. Verbundstoffen erreicht.
  • Als Faser 4 organischer Natur werden Aramidfaser bevorzugt. Als Faser anorganischer Natur kommen vorzugsweise Glasfasern, Kohlefasern oder Mineralwolle zum Einsatz. Diese haben den Vorteil, dass sie flammenhemmend wirken.
  • Geeignete organische Matrixelemente bzw. Verbundstoffe sind Silikonharze, Phenolharze oder Epoxyharze. Als anorganische Matrixelemente werden vorzugsweise hydraulisch abbindende Keramiken und Zemente verwendet.
  • Es werden vorzugsweise Glasfaserschnitze 4 mit einer Länge von 0,2 mm in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen mit einer Silikonharz-Lackrezeptur oder Phenolharz-Lackrezeptur vermischt, sodass eine tauchfähige oder spritzfähige Mischung entsteht, welche auf den keramischen Grundkörper aufgebracht werden kann. Die Auftragung der Umhüllung 2 kann mehrschichtig erfolgen, bis die geforderte Umhüllungsdicke erreicht wird. Dabei werden 3 bis 7, insbesondere 5 Tauchgänge bevorzugt um eine Umhüllungsdicke von zwischen 7 und 9 mm zu erreichen, da sich herausgestellt hat, dass diese Dicke eine besonders gute Festigkeit ergibt, wobei aber nur eine verhältnismäßig kurze Herstellungszeit erforderlich ist.
  • Nach einem mit einer Temperaturerhöhung gekennzeichneten Härtungsverfahren, beispielsweise durch das Passieren des Varistors durch einen Ofen, wird die mit den Zusätzen angereicherte Umhüllung 2 auf die gewünschte hohe Festigkeit gebracht.
  • In Figur 4 ist ein Varistor 1 gezeigt, welcher stirnseitig mit Kontaktkörpern 3 versehen ist. Es wird bevorzugt, dass die Auftragung der Umhüllung 2 vor dem Einbrennen der Kontaktkörper erfolgt, sodass durch die extrem hohe Temperatur während des Einbrennens der Kontaktkörper die auf den Stirnseiten des Varistors aufgebrachte Schicht erweicht und anschießend weggedrückt bzw. abgeführt wird. Damit weisen die Kontaktkörper 3 jeweils eine nach außen gerichtete, freie Fläche auf, welche mit einem weiteren Kontaktkörper kontaktierbar ist. Es ist jedoch auch möglich, die Kontaktkörper 3 auf die Stirnseiten des keramischen Grundkörpers 1 aufzubringen und anschließend den Varistor in eine Umhüllungsmasse bzw. -flüssigkeit einzutauchen, wobei anschließend, beispielsweise nach dem Härtungsverfahren, die Umhüllung mittels eines Ätzverfahrens von den Stellen abgeschieden wird, wo keine Umhüllung erwünscht ist, insbesondere oberhalb der Kontaktkörper.
  • Figur 5 zeigt einen Vielschichtvaristor mit einem keramischen Grundkörper 1, in dessen Innerem Innenelektroden 5 angeordnet sind, welche jeweils mit einem Ende mit einem auf die Ober- bzw. Seitenfläche des keramischen Grundkörpers aufgebrachten Kontaktkörper bzw. Metallisierung 3 verbunden sind. Der Vielschichtvaristor weist eine Mullit enthaltende Außenschicht 2 gemäß der vorhergehenden Ausführungsbeispiele auf, welche mit materialstärkenden Fasern angereichtert sein kann. Somit wird ein Vielschichtvaristor bereitgestellt, welcher mittels einer hochfesten, vorzugsweise flammenhemmenden Umhüllung 2 auch bei zufälligen oder versehentlichen Überspannungen nicht oder zumindest nur schwer in Brand gesetzt werden kann. Wie zu Figur 4 beschrieben wird bevorzugt, dass die Metallisierungen 3 frei von Umhüllungsmaterialien sind.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    keramische Grundkörper eines Varistors
    2
    isolierende Schicht
    3
    Metallisierung
    4
    Faser
    5
    Innenelektroden

Claims (12)

  1. Varistor, aufweisend
    einen keramischen Grundkörper (1), dessen Oberfläche wenigstens teilweise mit einer isolierenden Schicht (2) versehen ist, welche aus einem Grundglas und einem Füllstoff zusammengesetzt ist, wobei der Füllstoff 3Al2O3 2SiO2 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht (2) zusätzlich materialstärkende Fasern (4) enthält.
  2. Varistor nach Anspruch 1, bei dem die isolierende Schicht (2) einen Füllstoffgewichtsanteil von 5 bis 40% aufweist.
  3. Varistor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Grundglas einen ZnO-Gewichtsanteil von 30 bis 50% aufweist.
  4. Varistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Grundglas einen B2O3-Gewichtsanteil von 30 bis 40% aufweist.
  5. Varistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Grundglas einen CuO-Gewichtsanteil von bis zu 10% aufweist.
  6. Varistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Grundglas einen P2O5-Gewichtsanteil von bis zu 10% aufweist.
  7. Varistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stirnseiten des keramischen Grundkörpers (1) mit Metallisierungen (3) versehen sind.
  8. Varistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die materialstärkende Fasern (4) organisch und/oder anorganisch sind.
  9. Varistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die isolierende Schicht (2) einen organischen Verbundstoff (4) enthält.
  10. Varistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die isolierende Schicht (2) einen anorganischen Verbundstoff (4) enthält.
  11. Varistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die isolierende Schicht (2) durch Temperaturerhöhung verfestigt ist.
  12. Varistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Varistor ein Vielschichtvaristor ist.
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