ES2239437T3 - Metodo de fabricacion de un varistor de oxido de metal y varistor realizado de acuerdo con este metodo. - Google Patents
Metodo de fabricacion de un varistor de oxido de metal y varistor realizado de acuerdo con este metodo.Info
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Abstract
EL PROCEDIMIENTO SIRVE PARA LA FABRICACION DE UN VARISTOR, QUE TIENE UN CUERPO DE RESISTENCIA CILINDRICA (1) FORMADO POR UN MATERIAL DE OXIDO METALICO, ASI COMO DOS ELECTRODOS (2, 3) COLOCADOS CADA UNO SOBRE DOS SUPERFICIES FRONTALES, QUE SON PARALELAS ENTRE SI, DEL CUERPO DE RESISTENCIA CILINDRICO (1). EN UNA PRIMERA ETAPA DEL PROCEDIMIENTO SE COLOCA SOBRE AMBAS SUPERFICIES FRONTALES UNA CAPA DE MATERIAL DE ELECTRODOS HASTA QUE SE FORME UN BORDE EXTERNO (9). EN UNA SEGUNDA ETAPA DEL PROCEDIMIENTO SE RETIRA DE LOS ELECTRODOS UN ANILLO (4) QUE TIENE UNA ANCHURA DE APROXIMADAMENTE 10 A 500 MI M Y QUE SE HA LLEVADO HASTA LA SUPERFICIE FRONTAL DEL CUERPO DE RESISTENCIA (1) Y QUE ESTA LIMITADO POR EL BORDE EXTERNO (9), O SE BISELAN (5 '') EL CUERPO DE RESISTENCIA (1) Y ELECTRODOS EN EL BORDE EXTERNO. EL PROCEDIMIENTO HACE POSIBLE UNA FABRICACION SENCILLA Y ECONOMICA DE UN VARISTOR.
Description
Método de fabricación de un varistor de óxido de
metal y varistor realizado de acuerdo con este método.
En la invención se parte de un procedimiento para
la fabricación de un varistor conforme al preámbulo común de las
reivindicaciones 1 a 4. La invención también se refiere a un
varistor fabricado de acuerdo con este procedimiento.
Un varistor fabricado de acuerdo con el
procedimiento antes citado se emplea en instalaciones de media o
alta tensión para cometidos de medición, protección o control.
Presenta un cuerpo resistente de forma cilíndrica de material
cerámico sinterizado, dispuesto entre dos electrodos de orientación
paralela, o un polímero con una alta carga de un granulado cerámico
sinterizado con comportamiento de varistor. El material cerámico
sinterizado o el granulado cerámico sinterizado se compone por lo
general de un óxido de zinc dopado de modo controlado con metales
seleccionados tales como Bi, Sb, Co y Mn.
El varistor se emplea preferentemente en
descargadores de sobretensión, y ha de estar especificado de tal
modo que pueda soportar sin sufrir daños los impulsos de corriente
de alto contenido energético que se producen debido a los impactos
del rayo o a las maniobras de conmutación. Estos impulsos de
corriente se aplican a los electrodos del varistor en el curso del
proceso de fabricación para comprobar su resistencia a las altas
intensidades.
Los procedimientos de la clase citada
inicialmente para la fabricación de varistores se describen en las
patentes DE 34 05 834 C2 y EP 0 494 507 A1. Según éstas se fabrica,
respectivamente, un cuerpo de resistencia cerámico de forma
cilíndrica a base de óxido de zinc, y sobre las dos superficies
extremas planas y paralelas entre sí del cuerpo resistente se
aplican sendos electrodos.
En el procedimiento descrito en la patente DE 34
05 834 C2, se rectifican unos escalones periféricos en la zona del
borde de las dos superficies extremas del cuerpo de resistencia. A
continuación se recubren con un material aislante el cuerpo de
resistencia, la superficie periférica y los escalones. Después se
elimina por rectificado el material aislante aplicado sobre las
superficies extremas así como una parte del aplicado sobre los
escalones. Por último, se aplican los electrodos metálicos sobre las
superficies extremas, recubriendo parcialmente los escalones llenos
de material aislante, pero sin llegar totalmente hasta el borde de
la superficie extrema. Este procedimiento es muy complejo y además
propenso a fallos ya que al aplicar el material de los electrodos
pueden producirse salpicaduras metálicas en la zona del borde, que
pueden dar lugar a perforaciones dieléctricas en caso de exposición
a campos de alta intensidad. Además y debido al recubrimiento
incompleto de los electrodos, en el cuerpo de resistencia se
producen unas elevaciones locales excesivas de la densidad de
corriente, respectivamente del campo eléctrico, que reducen la
resistencia a la tensión del un varistor realizado de esta
manera.
En el procedimiento descrito en la patente EP 0
494 507 A1 se aplican los electrodos, en cada caso, hasta el borde
de las superficies extremas del cuerpo de resistencia. Dado que en
un varistor de esta clase, cada uno de los dos electrodos se
extiende sobre la totalidad de la superficie extrema del cuerpo de
resistencia, se forma en su interior un campo eléctrico homogéneo
cuando pasa durante breve tiempo una intensidad muy grande. De esta
manera se consigue una densidad de corriente uniforme y por lo
tanto también un calentamiento uniforme del varistor. Puesto que el
cuerpo de resistencia no protegido presenta en la zona de los
bordes exteriores y de las superficies extremas aristas y puntas, y
dado que el material de los electrodos que llega hasta los bordes
exteriores puede llegar a la superficie envolvente del cuerpo de
resistencia, se coloca sobre la superficie envolvente del cuerpo de
resistencia un anillo de un polímero con una constante dieléctrica
elevada y de alta resistencia a la temperatura. Este anillo sirve
para reducir el campo eléctrico en la superficie envolvente evitando
de esta manera perforaciones indeseadas. También este procedimiento
de fabricación de varistores es muy costoso y complejo.
La patente US 4.157.527 describe un varistor de
forma cilíndrica consistente en un material de óxido de zinc
semiconductor, que resulta semiconductor por su dopaje. Sobre las
dos superficies extremas del cilindro va colocado en cada caso un
electrodo metálico de forma circular. Los electrodos metálicos
recubren las respectivas superficies extremas salvo un anillo
circular que llega hasta el borde de la superficie extrema.
La invención, tal como está definida en las
reivindicaciones, tiene como objetivo describir un procedimiento de
la clase citada inicialmente para la fabricación rápida y económica
de un varistor. Al mismo tiempo se desea que un varistor fabricado
de acuerdo con este procedimiento presente no sólo una excelente
capacidad de absorción de energía sino también que tenga una
disposición sencilla.
Los procedimientos conforme a la invención que se
describen en las reivindicaciones independientes 1 a 4, se
caracterizan por ser adecuados para la fabricación en serie y
porque con ellos se pueden fabricar varistores de forma rápida y
económica, con una gran capacidad de absorción de energía y alta
resistencia a las altas intensidades.
Los procedimientos conforme a la invención se
caracterizan por las siguientes fases del proceso:
Sobre cada una de las superficies extremas del
cuerpo de resistencia se aplica una capa de material de electrodos
que llega hasta el borde exterior de aquél, y de la capa se elimina
un anillo circular de unas 10 a unas 500 \mum de anchura, limitada
por el borde exterior y que sigue hasta la superficie extrema del
cuerpo de resistencia, o bien se achaflanan el cuerpo de
resistencia o, alternativamente, el cuerpo de resistencia y la capa
de material de electrodos.
Frente a los procedimientos para la fabricación
de varistores conforme al estado de la técnica, en los que se trata
de evitar los defectos de metalizado que se producen
inevitablemente al aplicar las capas de electrodo mediante procesos
muy complicados y costosos, éstos se eliminan posteriormente en los
procedimientos objeto de la invención.
La elevada capacidad de absorción de energía y la
elevada resistencia a las intensidades altas de los varistores
fabricados con los procedimientos objeto de la invención vienen
condicionadas por una parte porque se evitan en gran medida las
faltas de homogeneidad en el campo eléctrico y en la densidad de
corriente en el varistor al surgir un impulso de corriente de alto
contenido energético, gracias a los electrodos que llegan lo más
cerca posible del borde exterior de las superficies extremas,
realizado como arista. Estas faltas de homogeneidad pueden estar
provocadas por defectos de las aristas metalizadas o por
salpicaduras metálicas que rebasen la arista. Gracias a un estrecho
borde exento de electrodo o mediante achaflanamiento se perturba
ligeramente el estado homogéneo ideal con los electrodos que lleguen
hasta las aristas, pero en cambio se eliminan eficazmente las
grandes faltas de homogeneidad (defectos de la arista metalizada
que dan lugar al fallo).
Por otra parte se trata también de una
consecuencia de una realización adecuada de la superficie del
varistor expuesta a elevadas cargas dieléctricas entre los dos
electrodos. En una primera forma de realización preferida del
varistor esta superficie puede comprender su superficie envolvente
cilíndrica y dos tramos anulares circulares de sus superficies
extremas situados a continuación y que tengan una anchura inferior a
500 \mum. En una segunda forma de realización preferida, la
superficie se dota de achaflanamientos que llegan directamente
hasta el borde de los electrodos y que pasan a la superficie
envolvente cilíndrica del varistor.
Unos ejemplos preferidos de realización de los
varistores fabricados con los procedimientos objeto de la
invención, así como las restantes ventajas que pueden obtenerse con
ellos, se describen a continuación con mayor detalle sirviéndose de
los dibujos. Las figuras muestran:
Fig. 1 una vista de una sección axial a través de
una parte de un varistor,
Fig. 2 una vista de una sección axial a través de
una parte de una primera forma de realización de un varistor
fabricado de acuerdo con uno de los procedimientos conforme a la
invención, en el curso de su fabricación,
Fig. 3 una vista de una sección axial a través de
una parte de una segunda forma de realización de un varistor
fabricado de acuerdo con un segundo procedimiento conforme a la
invención, en el curso de su fabricación,
Fig. 4 una vista de una sección axial a través de
una parte de una tercera forma de realización de un varistor
fabricado de acuerdo con un tercer procedimiento conforme a la
invención, en el curso de su fabricación,
Fig. 5 una vista de una sección axial a través de
una parte de una cuarta forma de realización de un varistor
fabricado de acuerdo con un cuarto procedimiento conforme a la
invención.
En todas las figuras, las referencias iguales
designan también piezas que cumplen el mismo efecto. La referencia
1 se refiere a un cuerpo de resistencia de un material cerámico que
presenta un comportamiento de varistor, que forma parte del estado
de la técnica, y que ha sido fabricado en la forma siguiente:
En un molino de bolas se mezclaron aprox. 97%
molar Zn, aprox. 0,5% molar Bi_{2}O_{3}, aprox. 1,0% molar
Sb_{2}O_{3}, aprox. 0,5% molar CO_{2}O_{3}, aprox. 0,5%
molar MnO_{2}, aprox. 0,5% molar Cr_{2}O_{3}, y otros
aditivos de óxido metálico, moliéndolos para obtener una mezcla de
polvo homogéneo con unos diámetros de partida entre aprox. 1 y
aprox. 5 \mum. La mezcla de polvo se diluyó en agua destilada. La
barbotina se transformó en un secador por rociado en un granulado
seco apto para escurrir. El tamaño medio de los granos obtenidos de
este modo fue de unas 100 \mum. A partir del granulado se
moldearon unos cuerpos prensados de forma cilíndrica, de los cuales
se sinterizaron a una temperatura de unos 1200ºC y durante unas 2
horas unos cuerpos de resistencia en forma de disco cilíndrico de
unos 38 mm de diámetro y unos 20 mm de longitud.
Sobre las caras extremas del cuerpo de
resistencia 1 están situados unos electrodos 2 y 3 de un material
de electrodos, tal como en particular aluminio. Para la preparación
de los electrodos 2 y 3 se aplica primeramente sobre cada una de las
superficies extremas una capa del material de electrodos que llega
hasta el borde exterior 9 de la % superficie extrema (Fig. 1). El
material de los electrodos se aplica ventajosamente mediante
proyección a la llama o aplicación por arco eléctrico. De este modo
se obtienen unas capas relativamente porosas que tienen típicamente
un espesor de unas 50-150 \mum. Se prepararon
veinte varistores realizados de este modo. De estos veinte se
conservaron ocho sin modificar y que, en los ensayos que se
describen a continuación, sirvieron para fines de comparación.
De los doce varistores restantes, seis se
modificaron con la forma de realización según la Fig. 2. Para este
fin, se eliminó de la capa un anillo circular 4 con un espesor d,
limitado por el borde exterior 9 y que llega hasta la superficie
extrema del cuerpo de resistencia. Otros seis varistores se
modificaron de acuerdo con la forma de realización según la Fig. 3.
En esta forma de realización, se achaflanó el cuerpo de resistencia
1 y la capa de material de electrodos en el borde exterior. Resultó
así un chaflán cónico 5 de la superficie envolvente, que con la
superficie extrema forma un ángulo obtuso de preferentemente 100º a
120º, eventualmente hasta 150º. La eliminación del anillo circular 4
o el achaflanamiento se realizan convenientemente mediante corte con
un chorro de gas o líquido 6, cargado preferentemente con un polvo
abrasivo.
Para eliminar el anillo circular 4 según la Fig.
2, se dirige el chorro de gas o líquido 6 oblicuamente desde arriba
sobre el electrodo 2. De esta manera se puede eliminar de forma
sencilla un anillo circular de poco espesor d en la zona de la
superficie extrema. La eliminación del anillo circular se realiza
después de aplicar los electrodos. Un material de electrodos poroso
puede ser atacado de modo especialmente eficaz por el chorro de gas
o líquido, eliminándolo sin dejar agujeros o grietas, que son
indeseables desde el punto de vista dieléctrico. Para poder
mantener unas buenas características dieléctricas, el anillo
circular debe estar separado como máximo 500 \mum, preferentemente
como máximo 300 \mum del borde exterior de la superficie extrema
sobre la cual va el material de los electrodos. Con una distancia
reducida mínima de 10 \mum, preferentemente mínima de 20 \mum,
se tiene la seguridad de que las faltas de homogeneidad de los
electrodos o la eliminación del material de electrodos no pueden
reducir la resistencia dieléctrica del varistor.
Al achaflanar según la Fig. 3, se dirige el
chorro de gas o líquido 6 oblicuamente desde abajo contra el cuerpo
de la resistencia 1 y el electrodo 2. Se tiene entonces la
seguridad de que el material de electrodos achaflanado no puede
llegar al chaflán cónico 5 de la superficie envolvente,
perjudicando las características dieléctricas del varistor. En
lugar de utilizar un chorro de gas o líquido 6 el achaflanamiento se
puede efectuar también mediante rectificado.
En un dispositivo de ensayo se sometieron los
veinte varistores, en cada caso, a varios impulsos de corriente
sensiblemente rectangulares de una duración de 2 ms y una amplitud
de varios cientos de amperios. A continuación se comprobaron las
resistencias de prueba mediante inspección visual. Se comprobó
entonces que de los ocho varistores según la Fig. 1, la mitad
habían sufrido un defecto, mientras que los varistores realizados
de acuerdo con las Figs. 2 y 3 mantuvieron su plena capacidad de
funcionamiento.
La Fig. 4 muestra un varistor durante la
fabricación, donde se aplica una combinación de los procedimientos
según la Fig. 2 y la Fig. 3, al eliminar primeramente el anillo
circular 4 conforme a la Fig. 2, y procediendo a continuación a
realizar el chaflán cónico 5 según la Fig. 3.
Para el segundo lado del varistor se puede
utilizar o bien el mismo procedimiento que para el primer lado
(Fig. 2, Fig. 3 y Fig. 4) o bien uno de los otros dos
procedimientos (Fig. 5).
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
1 \+ Cuerpo de resistencia\cr 2,3 \+ Electrodos\cr 4 \+ Anillo
circular\cr 5,5' \+ Achaflanamiento cónico de la superficie\cr \+
envolvente\cr 6 \+ Chorro de gas o líquido\cr 8 \+ Superficie
envolvente\cr 9 \+ Borde exterior\cr d \+ Espesor del anillo
circular\cr}
Claims (13)
1. Procedimiento para la fabricación de un
varistor que se pueda exponer en un campo eléctrico de una magnitud
predeterminada a la carga de por lo menos un impulso de corriente de
alto contenido energético, de amplitud, forma y duración definidas,
y que presenta un cuerpo de resistencia (1) de forma cilíndrica de
un material a base de óxido metálico, así como dos electrodos (2,
3) dispuestos respectivamente sobre una de dos superficies extremas
orientadas paralelas entre sí del cuerpo de resistencia de forma
cilíndrica (1), donde se fabrica en primer lugar el cuerpo de
resistencia y a continuación éste se dota de los electrodos (2, 3),
caracterizado porque sobre las dos superficies extremas se
aplica respectivamente una capa (2, 3) de material de electrodos
que llega hasta el borde exterior (9) realizado como arista, y
porque a continuación se elimina de la capa (2, 3) con material de
electrodos un anillo circular (4) de una anchura de 10 a 500
\mum, limitado por el borde exterior (9) y que llega hasta la
cara extrema del cuerpo de resistencia (1).
2. Procedimiento para la fabricación de un
varistor que se pueda exponer en un campo eléctrico de una magnitud
predeterminada a la carga de por lo menos un impulso de corriente de
alto contenido energético, de amplitud, forma y duración definidas,
y que presenta un cuerpo de resistencia (1) de forma cilíndrica de
un material a base de óxido metálico, así como dos electrodos (2,
3) dispuestos respectivamente sobre una de dos superficies extremas
orientadas paralelas entre sí del cuerpo de resistencia de forma
cilíndrica (1), donde se fabrican en primer lugar el cuerpo de
resistencia y a continuación éste se dota de los electrodos (2, 3),
caracterizado porque sobre las dos superficies extremas se
aplica respectivamente una capa (2, 3) de material de electrodos
que llega hasta el borde exterior (9) realizado como arista, y
porque a continuación se achaflana por el borde exterior (9) el
cuerpo de resistencia (1) así como cada una de las dos capas (2, 3)
de material de electrodos.
3. Procedimiento para la fabricación de un
varistor que se pueda exponer en un campo eléctrico de una magnitud
predeterminada a la carga de por lo menos un impulso de corriente de
alto contenido energético, de amplitud, forma y duración definidas,
y que presenta un cuerpo de resistencia (1) de forma cilíndrica de
un material a base de óxido metálico, así como dos electrodos (2,
3) dispuestos respectivamente sobre una de dos superficies extremas
orientadas paralelas entre sí del cuerpo de resistencia de forma
cilíndrica (1), donde se fabrican en primer lugar el cuerpo de
resistencia y a continuación éste se dota de los electrodos (2, 3),
caracterizado porque sobre las dos superficies extremas se
aplica respectivamente una capa (2, 3) de material de electrodos
que llega hasta el borde exterior (9) realizado como arista, y
porque a continuación se elimina de la capa (2, 3) con material de
electrodos un anillo circular (4) con una anchura de 10 a 500
\mum, limitado por el borde exterior (9) y que llega hasta la
superficie extrema del cuerpo de resistencia (1).
4. Procedimiento para la fabricación de un
varistor que se pueda exponer en un campo eléctrico de una magnitud
predeterminada a la carga de por lo menos un impulso de corriente de
alto contenido energético, de amplitud, forma y duración definidas,
y que presenta un cuerpo de resistencia (1) de forma cilíndrica de
un material a base de óxido metálico, así como dos electrodos (2,
3) dispuestos respectivamente sobre una de dos superficies extremas
orientadas paralelas entre sí del cuerpo de resistencia de forma
cilíndrica (1), donde se fabrican en primer lugar el cuerpo de
resistencia y a continuación éste se dota de los electrodos (2, 3),
caracterizado porque sobre las dos superficies extremas se
aplica respectivamente una capa (2, 3) de material de electrodos
que llega hasta el borde exterior (9) realizado como arista, y
porque a continuación se eliminan de una primera (2) de las dos
capas (2, 3) con material de electrodos un anillo circular (4) con
una anchura de 10 a 500 \mum, limitado por el borde exterior (9)
y que llega hasta la superficie extrema del cuerpo de resistencia
(1), y se achaflana el cuerpo de resistencia (1) y la segunda (3)
de las dos capas (2, 3) de material de electrodos por el borde
exterior (9).
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la eliminación
del anillo circular (4) o el achaflanamiento se realizan mediante
corte con un chorro de gas o líquido (6), eventualmente cargado con
un polvo abrasivo.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el achaflanado
se realiza mediante rectificado.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el material de
los electrodos se aplica por proyección.
8. Varistor, fabricado por el procedimiento según
la reivindicación 1, que en un campo eléctrico de una magnitud
predeterminada se puede cargar con por lo menos un impulso de
corriente de alto contenido energético, de amplitud, forma y
duración definidas, y que presenta un cuerpo de resistencia (1) de
forma cilíndrica de un material a base de óxido metálico, así como
dos electrodos (2, 3) dispuestos respectivamente en una de dos
superficies extremas primera y segunda alineadas paralelas entre sí,
del cuerpo de resistencia cilíndrico (1), caracterizado
porque el electrodo (2) de la primera y el electrodo (3) de la
segunda superficie extrema llegan hasta por lo menos 500 \mum y
hasta como máximo 10 \mum hasta el borde exterior (9), realizado
como arista, de estas superficies extremas.
9. Varistor, fabricado por el procedimiento según
la reivindicación 2, que en un campo eléctrico de una magnitud
predeterminada se puede cargar con por lo menos un impulso de
corriente de alto contenido energético, de amplitud, forma y
duración definidas, y que presenta un cuerpo de resistencia (1) de
forma cilíndrica de un material a base de óxido metálico, así como
dos electrodos (2, 3) dispuestos respectivamente en una de dos
superficies extremas primera y segunda alineadas paralelas entre sí,
del cuerpo de resistencia cilíndrico (1), caracterizado
porque el cuerpo de resistencia (1) presenta un chaflán cónico (5,
5'), que va desde el electrodo (2) de la primera superficie extrema
y otro que va desde el electrodo (3) de la segunda superficie
extrema hasta su superficie envolvente (8).
10. Varistor, fabricado por el procedimiento
según la reivindicación 2, que en un campo eléctrico de una
magnitud predeterminada se puede cargar con por lo menos un impulso
de corriente de alto contenido energético, de amplitud, forma y
duración definidas, y que presenta un cuerpo de resistencia (1) de
forma cilíndrica de un material a base de óxido metálico, así como
dos electrodos (2, 3) dispuestos respectivamente en una de dos
superficies extremas primera y segunda alineadas paralelas entre sí,
del cuerpo de resistencia cilíndrico (1), caracterizado
porque el electrodo (2) de la primera superficie extrema y el
electrodo (3) de la segunda superficie extrema llegan hasta por lo
menos 500 \mum y hasta como máximo 10 \mum hasta el borde
exterior (9), realizado como arista, de estas superficies extremas,
y porque el cuerpo de resistencia (1) presenta un achaflanamiento
cónico (5, 5') que va desde cada una de estas superficies extremas
hasta su superficie envolvente (8).
11. Varistor, fabricado por el procedimiento
según la reivindicación 2, que en un campo eléctrico de una
magnitud predeterminada se puede cargar con por lo menos un impulso
de corriente de alto contenido energético, de amplitud, forma y
duración definidas, y que presenta un cuerpo de resistencia (1) de
forma cilíndrica de un material a base de óxido metálico, así como
dos electrodos (2, 3) dispuestos respectivamente en una de dos
superficies extremas primera y segunda alineadas paralelas entre sí,
del cuerpo de resistencia cilíndrico (1), caracterizado
porque el electrodo (2) de la primera superficie extrema llega hasta
por lo menos 500 \mum y como máximo hasta 10 \mum del borde
exterior (9), realizado como arista, de esta superficie extrema, y
porque el cuerpo de resistencia (1) presenta un chaflán cónico (5,
5') que va desde el electrodo (3) de la segunda superficie extrema
hasta su superficie envolvente (8).
12. Varistor según una de las reivindicaciones 9
a 11, caracterizado porque el chaflán cónico (5, 5') forma
un ángulo obtuso con la correspondiente superficie extrema.
13. Varistor según la reivindicación 12,
caracterizado porque el ángulo es de 100º a 150º,
preferentemente de 100º a 120º.
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