DE4029107A1 - Verfahren zum herstellen eines zno-hochleistungsvaristors mit einem radialen widerstandsprofil - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines zno-hochleistungsvaristors mit einem radialen widerstandsprofilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines ZnO-Hochleistungsvaristors mit
einem radialen Widerstandsprofil.
Varistoren aus Zinkoxidkeramik, sogenannte ZnO-Varistoren,
werden zur Spannungsstabilisierung und zur Spannungsbegrenzung
eingesetzt. In der Energietechnik verwendete Varistoren werden
aufgrund der großen Energien, die beim Abbau der Überspannungen
zu absorbieren sind, als Energievaristor oder Hochleistungs
varistor bezeichnet. Hochleistungsvaristoren haben im Vergleich
zu Elektronikvaristoren für die Niederspannung relativ große
geometrische Abmessungen und werden in Form von 20 bis 30 mm
hohen Scheiben mit einem Durchmesser von 40 bis 100 mm her
gestellt. Diese Hochleistungsvaristoren werden an den Stirn
seiten kontaktiert.
Bei Betriebsspannung ist der ZnO-Hochleistungsvaristor hoch
ohmig, wobei nur ein geringer Leckstrom über den Varistor
fließt. Bei kurzzeitigen Überspannungen, wie sie z. B. durch
einen Blitzeinschlag verursacht werden können, wird der ZnO-
Hochleistungsvaristor aufgrund seines spannungsabhängigen
Widerstandes niederohmig. Durch seine im Nanosekundenbereich
liegende Ansprechzeit fließt der Strom über den Hochleistungs
varistor und begrenzt damit die Spannung am Verbraucher. Die
durch Blitzeinschlag eingekoppelte Energie wird in dem Hoch
leistungsvaristor in Wärme umgesetzt.
Ein Kriterium für die Beurteilung eines ZnO-Hochleistungs
varistors ist die Energiebelastbarkeit. Aussagen über die
Energiebelastbarkeit von ZnO-Hochleistungsvaristoren werden
durch eine Prüfung auf Langwellenbelastbarkeit erhalten. Dabei
wird ein ZnO-Hochleistungsvaristor als Prüfling verwendet. Der
Prüfling wird mit 2 ms. langen Stromimpulsen belastet. Die
Amplitude der Impulse wird dabei solange gesteigert, bis der
Prüfling zerstört wird.
Bei solchen zerstörten Hochleistungsvaristoren werden häufig
am Kontaktrand parallel zur Mantelfläche verlaufende, einge
schmolzene Kanäle beobachtet. Der Grund für dieses Ausfallbild
ist die Endlichkeit der elektrischen Kontaktflächen auf beiden
Stirnseiten des Varistors. Um elektrische Überschläge über die
Mantelfläche des Varistors zu verhindern, werden die elektri
schen Kontaktflächen kleiner als die Stirnflächen des Varistors
ausgeführt. Ein Rand von 1 bis 2 mm Breite der Stirnfläche des
Varistors bleibt von der elektrischen Kontaktfläche unbedeckt.
In der homogenen Keramik des Varistors stellt sich daher an
der Übergangsstelle vom Kontaktrand zur Varistorkeramik beim
Anlegen einer Spannung eine höhere Stromdichte ein als im
übrigen Bereich des Varistors. Diese höhere Stromdichte wird
dadurch bedingt, daß auch in der unkontaktierten Randzone des
Varistors ein Strom fließt, der sich nach Durchfließen dieser
Randzonen wieder punktförmig an dem elektrisch leitenden Kon
taktrand vereinigt. Dadurch kommt es am Kontaktrand zu dem
oben beschriebenen Ausfallbild.
Durch Einstellung einer homogenen Stromdichteverteilung über
den gesamten Querschnitt eines ZnO-Hochleistungsvaristors wird
dessen Langwellenbelastbarkeit gesteigert.
Aus der EP 00 37 577 A1 ist ein Varistor bekannt, bei dem zur
Einstellung einer homogenen Stromdichteverteilung in der Vari
storkeramik unter den elektrischen Kontakten eine gutleitende
Schicht aus der Gamma-Phase des Wismutoxid vorgesehen ist.
Dieser Varistor ist jedoch für hohe Spannungen ungeeignet.
Aus der US-PS 44 51 815 ist ein ZnO-Varistor bekannt, bei dem
die Stromdichte in den Flanken dadurch verringert wird, daß
in der Varistorkeramik umlaufende Aussparungen vorgesehen
sind. Die Aussparungen sind in denjenigen Randbereichen der
Varistorkeramik vorgesehen, die in der Projektion der von den
elektrischen Kontakten unbedeckten Stirnflächenbereichen lie
gen. Dieser Varistor ist in der Herstellung sehr aufwendig.
Aus der US-PS 38 72 582 und der US-PS 40 31 498 sind Hoch
leistungsvaristoren bekannt, die im Randbereich eine Wider
standserhöhung aufweisen. Dadurch wird der höhere Stromfluß am
Kontaktrand verringert. Ein höherer Widerstand wird in einer
ZnO-Varistorkeramik dadurch erreicht, daß die mittlere Größe
der einzelnen ZnO-Körner kleiner gemacht wird. In den bekann
ten Hochleistungsvaristoren wird diese Widerstandserhöhung im
Randbereich durch das Aufbringen einer kornwachstumshemmenden
Oxidpaste auf die Mantelfläche der Keramik erzielt. Die Oxid
paste, die im wesentlichen aus den Oxiden SiO2, Sb2O3 und
Bi2O3 besteht, wird dabei auf die Mantelfläche der vorgesin
terten Keramik aufgetragen. Bei der Sinterung einer so behan
delten Keramikscheibe dringen die Oxide aus der Paste in die
Keramik ein. Sie führen dort entsprechend der Zusammensetzung
der Paste zu einem langsameren Kornwachstum. Dieses bewirkt
einen Widerstandsanstieg in der Randzone. Aufgrund der gerin
gen Eindringtiefe von Sb2O3 und SiO2 ergibt sich jedoch nur
eine geringe Widerstandserhöhung der Varistorkeramik im Rand
bereich, so daß eingebrannte Kanäle am Rand der elektrischen
Kontakte nicht gänzlich zu vermeiden sind. Darüberhinaus sind
hinsichtlich der Dicke der aufgetragenen Oxidpaste nach oben
enge Grenzen gesetzt, da zu dick aufgetragene Oxidschichten
beim Sintern zu einer sehr ungleichmäßig belegten Mantelfläche
führen und unter Umständen zum Abblättern neigen. Dadurch wird
die Überschlagsfestigkeit der Varistoren negativ beeinflußt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein weiteres
Verfahren zur Herstellung von ZnO-Hochleistungsvaristoren mit
einem radialen Widerstandsprofil anzugeben, mit denen eine
weitere Steigerung der Langwellenbelastbarkeit erzielbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren
gemäß Anspruch 1.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß sich die Keramik
massen in ihrem Bi2O3- oder SiO2- oder Sb2O3-Gehalt unterschei
den. Ein geringerer Bi2O3-Gehalt bzw. ein höherer SiO2- oder
Sb2O3-Gehalt führt zu einem geringeren Kornwachstum.
Das erfindungsgemäße Herstellverfahren hat den Vorteil, daß
das radiale Widerstandsprofil beim Erzeugen des zylindrischen
Preßkörpers durch die Verteilung der zwei unterschiedlich
zusammengesetzten Keramikmassen festgelegt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Erzeugung
des zylindrischen Preßkörpers in eine zylinderförmige Preß
matrize ein Rohr zentrisch eingeführt und fixiert. Eine erste
Keramikrohmasse wird in das Rohr eingefüllt. Eine zweite
Keramikrohmasse, die im Vergleich zu der ersten Keramikrohmasse
zu einem geringeren Kornwachstum führt, wird zwischen das Rohr
und die Wand der Preßmatrize eingefüllt. Nach dem Füllvorgang
wird das Rohr senkrecht nach oben aus der Preßmatrize heraus
gezogen. Die erste und die zweite Keramikrohmasse werden zu
dem Preßkörper verpreßt. Durch Verwendung eines Rohres mit
einem Durchmesser, der von den Ausmaßen der später aufzubrin
genden Elektroden abhängt, wird bei der Erzeugung des Preß
körpers das radiale Widerstandsprofil des fertigen ZnO-Hoch
leistungsvaristors festgelegt. Damit ist ein auf die jeweilige
Elektrodengeometrie optimiertes radiales Widerstandsprofil
herstellbar.
Das erfindungsgemäße Herstellverfahren unterscheidet sich von
einem Herstellverfahren für einen Varistor mit homogener
Keramik nur durch den Einfüllschritt und die Verwendung zweier
chemisch unterschiedlich zusammengesetzter Keramikmassen. Es
ist daher mit einfachen Mitteln in den konventionellen Her
stellprozeß einzuführen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteran
sprüchen hervor.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels und der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen aus zwei unterschiedlich zusammengesetzten
Keramikmassen bestehenden Preßkörper.
Fig. 2 zeigt eine mit einem Rohr versehene Preßmatrize beim
Einfüllen der Keramikrohmassen.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt parallel zur Längsachse durch einen
zylinderförmigen Preßkörper. Der Preßkörper ist aus einem
Kern 1 und einem Mantel 2 zusammengesetzt. Der Kern 1 besteht
aus einer ersten Keramikmasse und der Mantel 2 aus einer
zweiten Keramikmasse. Die erste Keramikmasse weist einen
Bi2O3-Gehalt von z. B. 1,0 Molprozent und die zweite Keramik
masse einen Bi2O3-Gehalt von 0,5 Molprozent auf. Durch den ge
ringeren Bi2O3-Gehalt im Mantel 2 ist beim Sintern das Korn
wachstum im Mantel 2 geringer als im Kern 1. Dadurch ist in
der gesinterten Varistorkeramik die mittlere Größe der einzel
nen ZnO-Körner im Mantel 2 kleiner als im Kern 1. Dadurch
weist der Mantel 2 im fertiggesinterten Varistor einen höheren
Widerstand auf als der Kern 1.
Zur Herstellung eines aus zwei chemisch unterschiedlich zu
sammengesetzten Keramikmassen bestehenden Preßkörpers ist z. B.
die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung geeignet. Es ist
eine Preßmatrize 3 vorgesehen. Die Preßmatrize 3 setzt sich
zusammen aus einer rohrförmigen Wand 31, einem Abstandsring 32
und einem Unterstempel 33. In die Preßmatrize 3 ist ein Rohr
4 aus z. B. Messing eingeführt. Das Rohr 4 ist zentrisch in
der Preßmatrize 3 angeordnet und durch Schrauben 5 aus z. B.
Kunststoff fixiert. Der Innendurchmesser des Rohrs 4 beträgt
z. B. 60 mm. Der Innendurchmesser der Wand 31 beträgt z. B.
83 mm. Das Rohr 4 stellt eine Unterteilung des Füllraums der
Pressmatrize 3 sicher. Eine erste Keramikrohmasse wird in das
Rohr 4 eingefüllt. Eine zweite Keramikrohmasse, die zu ge
ringerem Kornwachstum führt, wird zwischen das Rohr 4 und die
Wand 31 der Preßmatrize 3 eingefüllt. Bei dem Füllen ist
darauf zu achten, daß die Füllhöhe, angedeutet durch das Be
zugszeichen 6, in dem Rohr 4 und zwischen dem Rohr 4 und der
Wand 31 gleich hoch ist. Nach dem Füllvorgang wird das Rohr 4
vorsichtig senkrecht nach oben aus der Preßmatrize 3 heraus
gezogen. Die Oberfläche wird glattgestrichen. Nach Einführen
eines Oberstempels werden die erste Keramikrohmasse und die
zweite Keramikrohmasse zu dem Preßkörper verpreßt.
Um eine homogene Dichte im Preßkörper zu erzielen, ist es
vorteilhaft, nach der Pressung mit dem Oberstempel eine
Pressung mit dem Unterstempel 33 vorzunehmen. Dazu wird der
Abstandsring 32 zwischen Wand 31 und Unterstempel 33 entfernt.
Der Preßkörper, der erfindungsgemäß aus mindestens zwei
Keramikrohmassen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung
besteht, wird zur Fertigstellung des Varistors in bekannter
Weise weiter prozessiert. Nach dem Ausbrennen der organischen
Bestandteile (Entkohlung) werden die Preßlinge gesintert.
Um die Überschlagsfestigkeit des Varistors über die Mantel
fläche im Belastungsfall zu steigern, wird nach dem Sintern
eine hochohmige Mantelbeschichtung aufgebracht. Diese bewirkt
gleichzeitig einen mechanischen Schutz des Varistors. Die
Deckflächen der zylinderförmigen Varistoren werden naß abge
schliffen, um planparallele Flächen zu schaffen. Die abge
schliffenen Deckflächen des Varistors werden z. B. mit Alu
minium so kontaktiert, daß sich ein Freirand von z. B. 1 mm
ergibt. Um die Langzeitstabilität des Varistors zu verbessern,
wird er zuletzt einer Temperaturbehandlung unterzogen.
Claims (10)
1. Verfahren zum Herstellen eines ZnO-Hochleistungsvaristors
mit einem radialen Widerstandsprofil mit folgenden Schritten:
- a) es wird ein zylindrischer Preßkörper (1, 2) aus mindestens zwei chemisch unterschiedlich zusammengesetzten Keramik massen erzeugt, die sich in ihrem Kornwachstum beim Sintern unterscheiden,
- b) die unterschiedlichen Keramikmassen werden in dem Preßkörper so verteilt, daß das Kornwachstum beim Preßkörper in radialer Richtung abnimmt,
- c) nach dem Sintern des Preßkörpers (1, 2) werden auf dessen Deckflächen Elektroden aufgebracht.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Keramikmassen in ihrem Bi2O3-Gehalt unterscheiden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Keramikmassen in ihrem SiO2-Gehalt unterscheiden.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Keramikmassen in ihrem Sb2O3-Gehalt unterscheiden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Preßkörper (1, 2) ein zentrisch angeordneter Kern
(1) und ein den Kern (1) umgebender Mantel (2) so erzeugt
werden, daß das Kornwachstum im Mantel (2) geringer als im
Kern (1) ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
gekennzeichnet durch
folgende Schritte:
- a) in eine zylinderförmige Preßmatrize (3) wird zentrisch ein Rohr (4) eingeführt und fixiert,
- b) eine erste Keramikrohmasse wird in das Rohr eingefüllt,
- c) eine zweite Keramikrohmasse, die im Vergleich zu der ersten Keramikrohmasse zu einem geringeren Kornwachstum führt, wird zwischen das Rohr (4) und die Wand (31) der Preß matrize (3) eingefüllt,
- d) nach dem Füllvorgang wird das Rohr (4) senkrecht nach oben aus der Preßmatrize (3) herausgezogen,
- e) die erste und die zweite Keramikrohmasse werden zu dem Preßkörper (1, 2) verpreßt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Keramikrohmasse und die zweite Keramikrohmasse
jeweils Bi2O3 enthalten und daß das Verhältnis Bi2O3-Gehalt
der ersten Keramikrohmasse zu Bi2O3-Gehalt der zweiten Kera
mikrohmasse zwischen 1 : 0,5 und 1 : 0,75 liegt.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Keramikrohmasse und die zweite Keramikrohmasse
jeweils SiO2 enthalten und daß das Verhältnis SiO2-Gehalt der
ersten Keramikrohmasse zu SiO2-Gehalt der zweiten Keramikroh
masse zwischen 0,5 : 1 und 0,9 : 1 liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Keramikrohmasse und die zweite Keramikrohmasse
jeweils SbbO3 enthalten und daß das Verhältnis Sb2O3-Gehalt
der ersten Keramikrohmasse zu Sb2O3-Gehalt der zweiten Kera
mikrohmasse zwischen 0,5 : 1 und 0,9 : 1 liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Radius des Rohres (4) mindestens 70% des Radius der
Preßmatrize (3) beträgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904029107 DE4029107A1 (de) | 1990-09-13 | 1990-09-13 | Verfahren zum herstellen eines zno-hochleistungsvaristors mit einem radialen widerstandsprofil |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904029107 DE4029107A1 (de) | 1990-09-13 | 1990-09-13 | Verfahren zum herstellen eines zno-hochleistungsvaristors mit einem radialen widerstandsprofil |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4029107A1 true DE4029107A1 (de) | 1992-03-19 |
Family
ID=6414208
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904029107 Withdrawn DE4029107A1 (de) | 1990-09-13 | 1990-09-13 | Verfahren zum herstellen eines zno-hochleistungsvaristors mit einem radialen widerstandsprofil |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4029107A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0605800A1 (de) * | 1992-12-21 | 1994-07-13 | Isabellenhütte Heusler GmbH KG | Verfahren zum Herstellen von Widerständen aus Verbundmaterial und insbesondere nach diesem Verfahren hergestellte Widerstände |
EP1150306A3 (de) * | 2000-04-25 | 2003-04-02 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Strom/Spannung nichtlinearer Widerstand und Sinterkörper dafür |
US10964462B2 (en) | 2016-01-25 | 2021-03-30 | Isabellenhütte Heusler Gmbh & Co. Kg | Production method for a resistor, resistor and corresponding production installation |
-
1990
- 1990-09-13 DE DE19904029107 patent/DE4029107A1/de not_active Withdrawn
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US10964462B2 (en) | 2016-01-25 | 2021-03-30 | Isabellenhütte Heusler Gmbh & Co. Kg | Production method for a resistor, resistor and corresponding production installation |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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