Zusammengesetztes Material mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] 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,

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] Außer organischen Bindemitteln kommen auch anorganische Bindemittel in Betracht, z.B. Wasserglas (Kaliumsilikat und/oder Natriumsilikat) oder niedrig schmelzende Emails.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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).

[0013] Nachfolgend werden noch einige Ausführungsbeispiele angegeben:

Die in den Beispielen verwendeten pulverigen Substanzen weisen Korngrößen zwischen ca. 1 um und ca. 100 um_ivorzugsweise 5 um bis 30 um auf.

Beispiel 1

[0014] 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.

Beispiel 2

[0015] 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.

Beispiel 3

[0016] 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.

Beispiele 4. und 5

[0017] 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.

Beispiel 6

[0018] 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.

Ansprüche

1. Zusammengesetztes Material mit lichtbogenlöschenden
Eigenschaften, welches in ein Bindemittel eingelagert

- ein elektrisch leitendes Metall, insbesondere Silber,

- ein unter Lichtbogeneinwirkung elektronegative Gase freisetzendes Pulver,

- und ein anorganisches, höher als das elektronegative Gase freisetzende Pulver schmelzendes Pulver, insbesondere Siliziumoxid

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.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das anorganische Pulver, welches mit einem elektrisch leitenden Metall beschichtet ist, Quarzsand ist.

3. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das anorganische Pulver, welches mit elektrisch leitendem Metall beschichtet ist, ein Glaspulver, insbesondere ein kugeliges Glaspulver ist.

4. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das anorganische Pulver, welches mit elektrisch leitendem Metall beschichtet ist, Kalziumfluoridpulver ist.

5. Zusammengesetztes Material mit lichtbogenlöschenden
Eigenschaften, welches in ein Bindemittel eingelagert

- ein elektrisch leitendes Metall, insbesondere Silber,

- ein unter Lichtbogeneinwirkung elektronegative Gase freisetzendes Pulver,

- und ein anorganisches, höher als das elektronegative Gase freisetzende Pulver schmelzendes Pulver, insbesondere Siliziumdioxid

enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Metall anisotrop in dem Material verteilt ist.

6. Material nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß in ihm das elektrisch leitende Metall in Gestalt von Fasern vorliegt, welche eine Vorzugsrichtung der Orientierung aufweisen.

7. Material nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß in ihm das elektrisch leitende Metall in Gestalt eines überwiegend schuppenförmigen Pulvers vorliegt.

8. Material nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in ihm das elektrisch leitende Metall in Gestalt eines Gewebes vorliegt.