HU214932B

HU214932B - Ellenállásanyag és eljárás abból ellenállás előállítására

Info

Publication number: HU214932B
Application number: HU9501749A
Authority: HU
Inventors: Helmut Kischkel
Original assignee: Aeg Niederspannungstechnik Gmbh & Co. Kg.
Priority date: 1992-12-16
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1998-07-28
Also published as: EP0674802B1; HU9501749D0; DE59305470D1; PL309352A1; DE4242368A1; WO1994014172A1; CZ155795A3; EP0674802A1; HUT71391A; ATE148956T1

Abstract

A találmány tárgya ellenállásanyag és eljárás abból ellenálláselőállítására. Az ellenállásanyag ellenállási viselkedése úgyváltőzik, hőgy önműködően szabályőzza működését az átfőlyó vill mősáramtól függően. Egy előre meghatárőzőtt, megnövekedett áramátfőlyásesetén az ellenállásanyag fajlagős villamős ellenállása űgrásszerűenmegnő. Az ellenállásanyag legalább két anyag (L, PZ) álta alkőtőttkeverékből áll. Az egyik anyagnak (PZ) piezőelektrőmős tűlajdőnságai,a másik anyagnak (L) villamősan vezető tűlajdőnságai vannak. A kétanyag (L, PZ) részecskéi vagy szemcséi a keverékben gymás mellett úgyvannak előszlatva, hőgy a villamősan vezető részecskék a keveréktömörítése űtán egymással érintkeznek, és így a keveréken átfőlyó áramegyedül a vezetőrészecskék (L) láncán tűd átf lyni. A vezetőrészecskék(L) egészen vagy részben körülveszik a piezőelektrőmősan hatásősrészecskéket (PZ). A találmány szerinti eljárás sőrán az ellenálláselőállításáhőz felhasznált ellenállásanyagban az egyenletesen elkevertanyagrészecskéket (L, PZ) az ellenállásanyag tömörségét biztősítószilárdsá ú testhez kötik, és a testhez két elektródőt csatlakőztatnaka villamősáram-csatlakőztatás céljából. ŕ

Description

A leírás terjedelme 6 oldal (ezen belül 1 lap ábra)

HU 214 932 Β

A találmány tárgya ellenállásanyag és eljárás abból ellenállás előállítására. Az ellenállásanyag ellenállási viselkedése az átfolyó villamos áramtól függően változik. Az ellenállásanyag legalább két anyag által alkotott keverékből áll. Az egyiknek piezoelektromos tulajdonságai, a másiknak villamosán vezető tulajdonságai vannak.

Önmagukat szabályozó villamos ellenállások ismertek például a PATENT ABSTRACTS OF JAPAN 14. kötetének 1990. december 14-i 564. számából (E-l 013) és a JP,A,02 244 602 számú japán szabadalmi bejelentésből, amelyek a pozitívhőmérsékleti-együtthatós ellenállási viselkedés elvén alapulnak. Az ismert ellenállásoknál vezetőanyagok, például titán- vagy wolframkarbid fémoxiddal, például báriumtitanát-porral vannak összeolvasztva. A fémoxidba ágyazott vezetőrészecskék így egymás közt nem átvezető kapcsolatban vannak, úgyhogy a keverék minden anyaga hozzájárul a villamos vezetőképességhez.

Az ilyen típusú ellenállások ellenállásértéke egy meghatározott üzemi áram túllépésekor ugrásszerűen megnövekszik, ezért alkalmasak áramhatárolónak, illetve árammegszakítónak. Az ellenállás ugrásszerű megnövekedésének funkcióját ez idáig az irodalomban a hő által az ellenállásanyagra kifejtett hatás eredményeként írták le.

Találmányunk célja olyan ellenállásanyagok kifejlesztése, amelyek az átfolyó villamos áramtól függően önszabályozó módon hatásosak, és előre meghatározott megnövekedett áramátfolyáskor fajlagos villamos ellenállásuk ugrásszerűen megnövekszik. Találmányunk célja továbbá ellenállások, különösen önműködő áramhatárolónak vagy árammegszakítónak alkalmas ellenállások előállítása a találmány szerinti ellenállásanyagból.

Ezt a feladatot a találmány értelmében úgy oldjuk meg, hogy az ellenállásanyagot alkotó két anyag részecskéinek részecskenagysága megegyezik. A két anyagot lényegében (a bemérési hibahatáron belül) 1:1 tömegarányban keverjük össze, tetszés szerint egy tömörítő kötőanyag jelenlétében. A részecskék ezután egymás mellett úgy vannak eloszlatva, hogy a villamosán vezető részecskék a keverék tömörítése után egymással érintkeznek. így a keveréken átfolyó áram egyedül a vezetőrészecskék láncán tud átfolyni. A vezetőrészecskék egészen vagy részben körülveszik a piezoelektromosán hatásos részecskéket. Ezáltal a keverék fajlagos vezetőképessége az előállításához részben felhasznált vezetőanyag fajlagos vezetőképességének körülbelül 0,8-szorosa. Az átfolyó áramtól függően, de a hőmérséklettől függetlenül a keverék ugrásszerűen szigetelővé válik.

A feladatot az ellenállás tekintetében úgy oldjuk meg, hogy az előállításához felhasznált ellenállásanyagban az egyenletesen elkevert anyagrészecskék az ellenállásanyag tömörségét biztosító szilárdságú testhez vannak kötve. A test két elektróddal rendelkezik a villamosáram-csatlakoztatás céljából.

A találmány szerinti ellenállásanyag az ismertetett célból egy eddig nem ismert anyagkeveréket használ, és ezzel egy teljesen újszerű elven alapul. Az egy piezoelektromosán hatásos anyagból és egy villamosán vezető anyagból álló keveréknél egy villamos ellenállásanyagról van szó, amelynek tulajdonképpeni funkciójának betöltése előtti fajlagos vezetőképessége az előállításához részben felhasznált vezetőanyag fajlagos vezetőképességének körülbelül 0,8-szorosa. A vezetőanyag részhányadának az ellenállásanyag anyagkeverékében való csökkentésével annak kezdeti fajlagos vezetőképessége tetszés szerint csökkenthető. Ha az ellenállásanyagon áram folyik át, akkor meghatározott áramküszöbnél jelentkezik az áramhatároló tulajdonság, és a vezetőképesség abba a tartományba kerül, ami már a szigetelőkre jellemző. Az áramhatárolási reakcióidő az ellenállástest kiviteli alakjától és nagyságától, és különösen az ellenállásanyag által részben tartalmazott piezoelektromos anyag kristályszemcséinek nagyságától függően jóval 250 mikroszekundum alatt van, és átlép az egy nanoszekundum alatti tartományba is. A találmány szerinti ellenállásanyagból készült ellenállásnál olyan áramhatároló építőelemről van szó, amelynek működése független a pozitívhőmérsékleti-együtthatós viselkedéstől. Az ellenállásanyag az előállításához részben felhasznált piezoelektromos anyag Curie-pontjához közeli hőmérsékletig melegítéskor is a találmány szerint működik.

Találmányunkat annak példaképpeni kiviteli alakjai kapcsán ismertetjük részletesebben, ábránk segítségével, ahol az 1. ábra vázlatosan mutatja az ellenállástestet felépítő részecskék egy elrendezését, amelynél nem lényeges, hogy a működési elv ismertetése a térbeli helyett síkbeli elrendezésen történik.

Az ellenállásanyag két L és PZ anyagból áll. Az egyik PZ anyag, amelynek piezoelektromos tulajdonságai vannak, lehet például báriumtitanát (IV) por. A másik L anyag vezető, például rézpor. Ezt a két, por alakban nagyjából azonos részecskeméretű anyagot lényegében (a bemérési hibahatáron belül) 1:1 tömegarányban keveijük össze, és ezután ellenállástestté alakítjuk, például tömörítéssel. Az ilyen ellenállástestben a két kiindulási anyag részecskéi úgy helyezkednek el egymás mellett, hogy a villamosán vezető részecskék érintkeznek egymással, és részben vagy teljesen körülveszik a piezoelektromosán hatásos részecskéket is.

Az L villamosán vezető részecskék körülvesznek egy PZ piezoelektromos részecskét. Ha az ellenállástesten I áram folyik át, akkor az L villamosán vezető részecskék mentén DU feszültségesés jön létre egy hatásos minimális úthosszon, amely megfelel a szomszédos PZ piezoelektromos részecske adott szakaszra eső kiterjedésének. Ez a feszültségesés reciprok piezoelektromos hatást kelt az ábrázolt PZ piezoelektromos részecskében, miáltal egy mechanikusan keltett piezoelektromos hatás lép fel, és eközben nagy térerősségű villamos polarizációs mező alakul ki. Ennek a mezőnek a hatására a PZ piezoelektromos részecske környezetében a szomszédos L villamosán vezető részecskékben elektronok lépnek a vezetőatomok belső héjairól azok vegyértékpályáira, miáltal a vezetési elv feltöltődik, úgyhogy az eredmény egy szigetelő.

HU 214 932 Β

A találmány szerinti ellenállás tehát egy összességében újszerű mechanizmus szerint működik, amelyet elektromechanikus mezőmechanizmusnak (EMF) nevezünk. Az ellenállás egy meghatározott áramátfolyásnál ugrásszerűen szigetelővé válik, és emiatt különösen jó áramhatároló tulajdonságokkal rendelkezik.

Azután, hogy a nagy ellenállásúvá vált ellenállásanyagon lévő feszültség visszaáll arra az értékre, amely az áramhatároló funkció működésbe lépése előtti üzemben felel meg az ellenállásanyagon bekövetkező feszültségesésnek, a jó vezetőképességnek megfelelő kiindulási állapot másodpercektől percekig teijedő időtartam után áll újra vissza. Ezalatt a relaxációs idő alatt az ellenállásanyagban végbemegy a polarizációs töltések kiegyenlítődése a piezoelektromos krisztalitok belsejében.

Piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyagok, például a báriumtitanát (IV), általában a Perovszkit-szerkezetű ferroelektrikumok, kvarc, turmalin, általában a kristályok vagy az anyagokban lévő rendezett molekulaszerkezetű részek, amelyek nem rendelkeznek szimmetria-középponttal, illetve kristályrácsuknak poláris tengelyei vannak, részben kristályos szerkezetű üvegek, valamint oxidkerámiák, amelyek kristályszerkezetét az előállításkor szándékosan torzítják. Villamosán vezető részecskékkel rendelkező anyagok például a fémek, az eleve vezető polimerek, mint a polipirrol, elszenesített polimerek, mint a korom és a homológ szénaggregátumok. A két anyagot egymással egyenletesen összekeveijük, és nyomás alatt egy testté tömörítjük, vagy egy testté ömlesztjük, vagy azzá szinterezzük. A tömörséget egy pótlólag alkalmazott kötőanyag is létrehozhatja vagy fokozhatja, úgyhogy olyan ellenállás keletkezik, ami két elektróddal van ellátva. Az elektródokat körülveheti a test, vagy az elektródok részben körülveszik a testet, vagy állandóan ehhez a testhez vannak szorítva. Az elektródokat lehet továbbá vezető ragasztóanyaggal az ellenállástesthez rögzíteni, vagy ömlesztés útján azzal összekötni. A por alakú keverék összenyomásával is lehet ezen a keveréken át felületszerű elektródokat vezetően összekötni. Két elektródot is lehet a fenti konfiguráció szerint kapacitív módon, azaz egy szigetelő rétegen át csatlakoztatni, úgyhogy az ellenálláson csak váltakozó áram tud folyni.

Az ellenállás kívánt funkciója a feszültség/áram jelleggörbét és a veszteségi teljesítményt illetően a piezoelektromos anyag és a villamosán vezető anyag keverési arányával, valamint az anyagok mindenkori krisztallit-, illetve részecskenagyságával állítható be. A keverék nyomás hatására bekövetkező keményedése esetében a fenti funkciót rendszerint a vezetőanyag összefolyását okozó keményítési nyomással is be kell állítani.

Jelen találmány lehetővé teszi a villamos iparban előállított feltételezhetően valamennyi áramfogyasztóhoz szükséges, önműködő áramhatároló, illetve árammegszakító gyártását. Az ismertetett újszerű működési elv alkalmazása a legnagyobb frekvenciákig hasznos lehetne az aktív alkatrészek gyártásánál is.

Feltehetőleg 20 °C feletti magas hőmérsékletű szupravezető gyártása is sikerülne az ismertetett újszerű elv (elektromechanikus mezőmechanizmus), vagyis áramvezető mentén mikroszkopikus távolságokban egymást követő polarizációs mezők létrehozásának elve szerint.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Ellenállásanyag, amely ellenállási viselkedését a villamosáram-átfolyástól függően változtatja, és amely legalább két anyag által alkotott keverékből áll, amelyek közül az egyik anyagnak (PZ) piezoelektromos tulajdonságai, a másik anyagnak (L) villamosán vezető tulajdonságai vannak, azzal jellemezve, hogy a két anyag (L, PZ) részecskéinek, illetve szemcséinek méretaránya 0,8-1,2 között van; a két anyag (L, PZ) lényegében 1:1 tömegarányban van összekeverve, adott esetben egy tömörítő kötőanyag jelenlétében; a két anyag (L, PZ) részecskéi ezután egymás mellett úgy vannak eloszlatva, hogy a villamosán vezetőrészecskék (L) a keverék tömörítése után egymással érintkeznek, és így a keveréken átfolyó áram egyedül a vezetőrészecskék (L) láncán tud átfolyni; és a vezetőrészecskék egészen vagy részben körülveszik a piezoelektromosán hatásos részecskéket (PZ), miáltal a keverék fajlagos vezetőképessége az előállításához részben felhasznált vezetőanyag (L) fajlagos vezetőképességének 0,7-0,9-szeresének felel meg, és az átfolyó áramtól függően, de a hőmérséklettől függetlenül, a keverék ugrásszerűen szigetelővé válik.
2. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) egy titanát.
3. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) egy cirkonát.
4. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) egy niobát.
5. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) egy sztannát.
6. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) egy Perovszkit-szerkezetű krisztallinanyag.
7. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) M₂ ⁿMⁿⁱRuO₆ típusú vegyület, ahol Mⁿ a periódusos rendszer 2. főcsoportjának eleme és M¹¹¹ a periódusos rendszer 3. főcsoportjának eleme.
8. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) polikrisztallin, amelyben a kristályoknak vagy a mikroszkopikusan távrendezett sávoknak nincs szimmetria-középpontja.
9. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal

HU 214 932 Β rendelkező anyag (PZ) egy természetes vagy szintetikus ásvány.
10. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) egy oxidkerámia.
11. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) egy oxidkerámia, amelynek piezoelektromos tulajdonságait a gyártáskor alakítják.
12. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) egy foszfát.
13. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) egy só, amelynek kristályai nem rendelkeznek szimmetria-középponttal.
14. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) krisztallin, és a krisztallin kristályrácsainak poláris tengelyei vannak.
15. Az 1. igénypont szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag (PZ) egy részben kristályos szerkezetű üveg, amelynek krisztallintartalma legalább 10%.
16. Az 1-15 igénypontok szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a villamosán vezető tulajdonságokkal rendelkező anyag (L) egy fém.
17. Az 1-15. igénypontok bármelyike szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a villamosán vezető tulajdonságokkal rendelkező anyag (L) egy fémötvözet.
18. Az 1-15. igénypontok bármelyike szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a villamosán vezető tulajdonságokkal rendelkező anyag (L) egy n-adalékolt fémkomplex vegyület.
19. Az 1-15. igénypontok bármelyike szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a villamosán vezető tulajdonságokkal rendelkező anyag (L) egy fémorganikus vegyület.
20. Az 1-15. igénypontok bármelyike szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a villamosán vezető tulajdonságokkal rendelkező anyag (L) egy n-adalékolt félvezető.
21. Az 1-15. igénypontok bármelyike szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a villamosán vezető tulajdonságokkal rendelkező anyag (L) egy eleve vezető polimer.
22. Az 1-15. igénypontok bármelyike szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a villamosán vezető tulajdonságokkal rendelkező anyag (L) egy elszenesített polimer.
23. Az 1-15. igénypontok bármelyike szerinti ellenállásanyag, azzal jellemezve, hogy a villamosán vezető tulajdonságokkal rendelkező anyag (L) korom vagy grafit, vagy homológ molekuláris szénaggregátum vagy villamosán vezető szén.
24. Eljárás az 1-23. igénypont szerinti ellenállásanyagot tartalmazó ellenállás előállítására, amelynek ellenállásértéke az áramátfolyástól függően ugrásszerűen változik, azzal jellemezve, hogy az előállításához felhasznált ellenállásanyagban az egyenletesen elkevert anyagrészecskéket (L, PZ) az ellenállásanyag tömörségét biztosító szilárdságú testhez kötjük, és a testhez két elektródot csatlakoztatunk a villamosáram-csatlakoztatás céljából.
25. A 24. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az ellenállásanyag részecskéit (L, PZ) nyomás alatt egy testté tömörítjük.
26. A 24. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az ellenállásanyag részecskéit (L, PZ) egy testté ömlesztjük.
27. A 24. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az ellenállásanyag részecskéit (L, PZ) egy testté szinterezzük.
28. A 24. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az ellenállásanyag részecskéit (L, PZ) kötőanyag alkalmazásával tömörítjük, vagy a tömörséget fokozzuk.
29. A 24. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az ellenállásanyag részecskéit (L, PZ) folyamatosan szorítjuk össze két felületszerű elektród között, amelyek egymást rugalmasan nyomják.
30. A 24. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az ellenállásanyag részecskéit (L, PZ) kötőanyag alkalmazásával nyomás alatt egy testté tömörítjük.