EP1162640A1 - Löschmedium zum Löschen von Lichtbögen - Google Patents

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EP1162640A1
EP1162640A1 EP20000810495 EP00810495A EP1162640A1 EP 1162640 A1 EP1162640 A1 EP 1162640A1 EP 20000810495 EP20000810495 EP 20000810495 EP 00810495 A EP00810495 A EP 00810495A EP 1162640 A1 EP1162640 A1 EP 1162640A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
extinguishing medium
mixture
fuses
range
medium according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20000810495
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Dipl.-Ing.(Tu) Kaltenborn
Jens Rocks
Pal Kristian Skryten
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to EP20000810495 priority Critical patent/EP1162640A1/de
Priority to US09/867,654 priority patent/US6645637B2/en
Priority to PL347881A priority patent/PL196151B1/pl
Priority to AU50127/01A priority patent/AU774864B2/en
Priority to NO20012784A priority patent/NO20012784L/no
Publication of EP1162640A1 publication Critical patent/EP1162640A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/04—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges
    • H01H85/05—Component parts thereof
    • H01H85/18—Casing fillings, e.g. powder
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/31504—Composite [nonstructural laminate]
    • Y10T428/31652—Of asbestos
    • Y10T428/31663—As siloxane, silicone or silane

Definitions

  • the Extinguishing medium according to the invention consists of a pasty to solid silicone matrix, which with selected mineral Filler is filled and has a much improved Extinguishing characteristics.
  • the extinguishing medium according to the invention confers in the applications mentioned, for example HV fuses, which contain an extinguishing medium according to the invention, a significantly improved switching characteristics.
  • Extinguishing media for extinguishing arcs in electrical devices for example in fuses, are known per se.
  • the function of the extinguishing media in electrical fuses is that the extinguishing medium withdraws enough energy from the arc or Arc cools so much that it is at zero current goes out.
  • Sand is generally used as the extinguishing medium.
  • the Switching characteristics of a sand contain fuse, therefore essentially by the composition of the sand and by its average grain size distribution and grain shape influenced. That is why from different manufacturers strongly differing extinguishing sands are used.
  • I n rated current, also referred to as Irated
  • large fault currents are relatively easy to handle by introducing weak points in the current path in a manner known per se. If a sufficiently high voltage is generated via the base voltage, these weak points lead to the extinguishing of the arcs in the zero current crossing.
  • a tin particle (M-Spot, Metcalf effect) is applied to the fuse wire in the middle of the fuse.
  • the tin diffuses into the silver.
  • the resulting intermetallic phase AgSn 2 has a significantly lower melting point than the base material (silver) and melts at the point where sufficient tin has diffused into the silver wire.
  • An arc forms at this point. This arc is now extinguished by the extinguishing medium, usually quartz sand, as a result of the energy withdrawal that occurs when the sand is melted.
  • the fault current In order to provide sufficient energy to melt the sand, the fault current must generally be at least three times higher than the nominal current of the fuse. With smaller currents, the arc cannot grow accordingly because the energy is not sufficient to melt the base points on the fuse element (wire) and the arc cannot extinguish because the energy is insufficient to melt the fuse sand to the necessary extent. The arc therefore continues to burn stably over a defined distance within the fuse. The locally limited thermal energy introduced leads to an excessive thermal gradient within the fuse in the area in which the arc burns, which can lead to the fuse exploding. In order to be able to interrupt currents that lie between the nominal current and the minimum breaking current of around 3I N , it is necessary to improve the cooling of so-called low-current arcs.
  • silicone polymers preferably in pasty to solid form, which contain known mineral compounds in suitable form and concentration as fillers, are excellent extinguishing media for extinguishing arcs in electrical fuses.
  • the extinguishing media according to the invention it is possible to interrupt or extinguish arcs which are generated by currents which are below the minimum switch-off current of approximately 3I N and currents which are significantly smaller than the nominal current without the disadvantages described above occurring .
  • arcs can be extinguished at 0.67 times the nominal current I N.
  • Very fine can also be used with the extinguishing medium according to the invention Particles of cooling active media in large quantities directly and permanently be positioned near the expected arc. Due to the large surface area of the fine particles, the Cooling performance significantly improved, with the oxidation of the Silicones hardly conductive through the arc and none strongly toxic decomposition products arise. With the use of the Extinguishing media for arc quenching can Dimensions of fuses, such as HV fuses, at same performance can be significantly reduced. In addition, the Distance between parallel fuse wires from currently at least about 16 mm when using the inventive Extinguishing medium can be reduced down to about 1 mm without there is a short circuit between spiral turns of the Safety wire comes during or after the switching process.
  • the present invention relates to an extinguishing medium in pasty to solid form for extinguishing arcs, consisting of a silicone polymer or a mixture of such silicone polymers, are characterized in that this silicone polymer or Mixture of silicone polymers as filler at least one mineral compound or a mixture of such compounds in powdery form, preferably with an average Grain size in the range from 500 nm to 500 ⁇ m, and in one Concentration of at least 10 percent by weight based on the Total weight of the extinguishing medium.
  • the present invention further relates to the use of the Extinguishing medium according to the invention for extinguishing arcs in Overcurrent protection elements, preferably in fuses, for example in fuses in the household, in High-voltage high-performance fuses (HV fuses) in Distribution network or substrate fuses, in electronics, the Microelectronics or in high voltage technology or in repetitive fuses, preferably in PTC elements.
  • Overcurrent protection elements preferably in fuses, for example in fuses in the household, in High-voltage high-performance fuses (HV fuses) in Distribution network or substrate fuses, in electronics, the Microelectronics or in high voltage technology or in repetitive fuses, preferably in PTC elements.
  • the present invention further relates to overcurrent protection elements, preferably fuses, substrate fuses in the Electronics, in microelectronics or in high voltage technology, repetitive fuses, preferably PTC elements, which contain an extinguishing medium according to the invention.
  • overcurrent protection elements preferably fuses, substrate fuses in the Electronics, in microelectronics or in high voltage technology, repetitive fuses, preferably PTC elements, which contain an extinguishing medium according to the invention.
  • the present invention also relates to a method of manufacture the electrical devices according to the invention, in particular Fuses as described below.
  • Suitable starting products for the production of the inventive Extinguishing media are flowable, preferably curable, cyclic, linear or branched organopolysiloxanes or a Mixture of such compounds. These are preferably liquid to pasty, so that the filler is relatively high Allows concentration to be incorporated.
  • the one from the starting polymer produced mass containing the filler as a rule a significantly higher viscosity than the starting polymer itself and can be used uncured if necessary.
  • curable polysiloxane or a curable polysiloxane mixture used at room temperature or at elevated temperature preferably by polyaddition but also by polycondensation hardens.
  • R 2 preferably has one of the meanings of R, where R preferably denotes methyl or phenyl, and both methyl and phenyl can be present in the molecule.
  • the ratio of methyl to phenyl is given by the flowability or processability and fillability of the compound or the compound mixture.
  • R is preferably methyl.
  • the compound of the formula (I) is generally a mixture of homologous compounds of the formula (I), which is known to the person skilled in the art.
  • the compound of the formula (I) is a cyclic organohydrogenpolysiloxane or organovinylpolysiloxane, this is composed of - [Si (R) (R) O] units and / or - [Si (R 1 ) (R 2 ) O] units, For example, only composed of - [SiH (R 2 ) O] units, which form a ring with preferably 4 to 12 such units.
  • the ring-shaped siloxanes however, the ring-shaped oligomeric polydimethylsiloxanes having 4 to 8 siloxy units are preferred.
  • a curable silicone resin molding composition is used as a curable mixture consisting of two components.
  • R 2 means hydrogen at least for some of the molecules present in the one component.
  • a complex compound or a mixture of such complex compounds from the group of the rhodium, nickel, palladium and / or platinum metals, such as Catalytically active compounds for addition reactions between SiH bonds and alkenyl radicals are described in detail in the literature and are known to the person skilled in the art.
  • Pt (0) complexes with alkenylsiloxanes as ligands or Rh catalysts are preferred in catalytic amounts of preferably 1 to 100 ppm of platinum, calculated on the amount of the compounds containing the reactive groups.
  • the two terminal silyloxy groups of the compound containing the radical -A-CH CH 2 , independently of one another, preferably mean dimethylvinylsiloxy, n then preferably denoting zero.
  • the individual starting components preferably have a viscosity in the range from about 10 cSt to 10,000 cSt, preferably in the range from 100 cSt to 10,000 cSt and preferably in the range from 500 cSt to 3,000 cSt, measured according to DIN 53 019 at 20 ° C.
  • the two components, the catalyst and the filler are mixed in any order, whereupon the resulting free-flowing mixture is used, for example by bringing it into the desired shape, or by applying it to the safety wire or entering it in the fuse , and the mixture cures.
  • the hydrogen silane compound and the vinyl silane compound are used to produce the curable silicone resin molding composition at least in equimolar amounts.
  • Systems can also be used in the same way where the catalyst has already been introduced into the resin and / or hardener component prior to mixing.
  • condensation-crosslinking silicone resin systems can also be used be used.
  • Condensation curing silicone resin systems are known per se. They network in particular on the ground the existing [ ⁇ Si-OH] groups, which are in the crosslinking process Form [ ⁇ Si-O-Si ⁇ ] bonds.
  • condensation crosslinking systems Disadvantage that when crosslinking or hardening, fission products form, especially water, causing corrosion or failure the fuse according to the invention can lead.
  • Geopolymers such as trolites and / or zeolites based on aluminum silicates or other alkaline earths, glasses, mica, such as micro mica and / or ceramic particles.
  • Alumina containing hydrated water can be used as filler.
  • Compounds which contain magnesium ions (Mg +2 ) are preferred. Particularly preferred are compounds (natural and synthetic sands etc.) which contain silicon, aluminum and / or magnesium ions, such as MgCO 3 , Mg (OH) 2 .4MgCO 3 .4H 2 O; Mg (OH) 2 ; MgO; MgCl 2 .5Mg (OH) 2 .7H 2 O.
  • a filler is also preferred as two or multiphase mixture consisting of silicon dioxide, aluminum oxide, Aluminum trihydrate, magnesium hydroxide and / or titanium dioxide, where the extinguishing medium about 40-80% by weight, based on the Total weight of the extinguishing medium.
  • Preferred as filler Boric acid is also used, which is used during processing a few minutes (preferably at most 15 minutes) at 80 ° C was dried.
  • the average grain size or particle size of the filling material is preferably in the range of 500 nm to 500 ⁇ m, preferably in the range from 10 ⁇ m to 250 ⁇ m.
  • Grain sizes are preferably in diameters Range from 20 ⁇ m to 150 ⁇ m, preferably in the range from 30 ⁇ m to 130 ⁇ m.
  • coarser average grain sizes they are Diameter preferably in the range from 500 nm to 50 ⁇ m, preferably in the range from 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the average Grain size distribution or particle size distribution is not critical and is preferably in common areas such as these are known for fillers when they are processed into polymers.
  • the proportion of the filler in the silicone resin is preferably in the Range from 5% by weight to 95% by weight, preferably in the range from 40 % By weight to 85% by weight, and in particular in the range from 60% to 80% by weight, calculated on the total weight of filler and polymer.
  • Fill levels at the physical are preferred realizable upper limit at which the fluidity or the processing of the uncured mixture is straight what is usually given with a degree of filling of about 80 % By weight is given.
  • the extinguishing medium according to the invention is so made this this very little and practically none Includes air pockets.
  • the arc is cooled significantly more if the extinguishing medium has a finer average grain size, since with smaller particles to be melted a larger particle surface for the Withdrawal of energy from the arc is available and the particles are melted faster.
  • a comparatively fine-grained sand usually consists of rounded particles, which - in comparison with coarse sand - results in a different trip characteristic and in particular poorer extinguishing behavior.
  • it is not only the available particle surface or the average grain size that is important, but also the grain shape.
  • Coarse sand for example, has a quick response and a good extinguishing capacity for small overcurrents in the range from 3I N ⁇ I K ⁇ 8I N (where I K means a variable in the range from 3I N to 8I N ), but has a poor extinguishing capacity for high currents in the range of I K > 8I N.
  • Fine sand has a slow response and has the advantage of good quenching power for high currents in the range of I K > 8I N , but has poor quenching power for low overcurrents in the range of 3I N ⁇ I K ⁇ 8I N.
  • fine sand also has the problem of separating and solidifying the fine particles, which over the course of the operating life of a fuse of around 25 years can lead to the formation of a larger air-filled cavity in the fuse, which due to the poor thermal conductivity of the air There is a risk of an explosion when switching.
  • the excellent extinguishing capacity of the extinguishing medium according to the invention which is preferably evenly filled with a fine-grained filler, can be explained by the fact that the arc is cooled by the large surface area of the filler on the one hand, and the easily oxidizable silicone resin on the other hand. This synergistic effect of the combination according to the invention was not to be expected.
  • the present invention also relates to a method of manufacture the electrical devices according to the invention, in particular fuses, which is characterized in that a liquid to pasty silicone compound or a mixture such silicone compounds with a suitable filler or a mixture of such fillers in the desired concentration evenly mixed in any order, the obtained Mixes into a desired shape and / or on the Applies safety wire of the device and / or inside of the device and then the mixture, if necessary beforehand and / or after introduction into the Interior of the fuse, hardens or allows to harden.
  • the liquid to pasty Filled silicone mass according to the invention into solid molded parts process or harden, e.g. Tubes, elliptical tubes or rod-shaped elements with a trapezoidal cross-section, which on the securing element with or without a carrier on the Carrier of the securing element can be pushed on.
  • the silicone compound filled according to the invention can also directly applied to the fuse wire or to the fuse element and then hardened, the silicone mass for example by diving, brushing, trickling or watering can be applied.
  • a vulcanization individual parts are also conceivable, e.g. a vulcanization of separate sections of the securing element, the carrier of the Securing element, the securing body (on the inside) or the security element itself.
  • the extinguishing medium according to the invention is used according to the invention for the Extinguishing any arcs in electrical devices, Devices and systems used, preferably in overcurrent protection elements, like fuses in general, for example Fuses in households, high-voltage high-performance fuses (HV fuses) in the distribution network or substrate fuses.
  • overcurrent protection elements like fuses in general, for example Fuses in households, high-voltage high-performance fuses (HV fuses) in the distribution network or substrate fuses.
  • HV fuses high-voltage high-performance fuses
  • Such fuses are the ABB (CEF) 12 kV-6A (backup) fuse or ABB (CEF) 24 kV-63A fuse; the EFEN 6 / 12kV-6.3A (all purpose) fuse; the FERRAZ 12kV-6.3A- (all purpose) security; the SIBA 6 / 12kV-16A (all purpose) fuse; each with ceramic extinguishing medium; the Bussmann High Voltage-12kV-80A (full range) H.R.C. Fuse whose Fuse elements sit on a glass support with one Glazing of the surface and ceramic extinguishing medium. Information about the dimensions, components and functional parameters, or electrical properties, such fuses are the respective catalogs published by the manufacturers remove.
  • HV fuse links with temperature limiter code HH1-03 / 97, from SIBAbutbau GmbH, Borker Strasse 22, D-44534 Lünen, Germany, or the catalog Bussmann, High Voltage Products, identifier HVP-98, Bussmann Division, Cooper (UK) Ltd, Burton-on-the-Wolds, Leicestershire, LE12 5TH UK (additional information at http://www.bussmann.com), or the catalog HV fuses, HV fuse carriers, Issue 03/98, EFEN Elektrotechnische Fabrik GmbH, P.O.Box 1254, D-65332 Eltville, Germany. See also CD-ROM, Interactive Catalog Ferraz 1999.
  • the extinguishing medium according to the invention not only in fuses, but in the entire area of low voltage technology, the Electronics and microelectronics up to high voltage technology for Arc extinguishing applicable. Also arise in electronics Arcs that must be extinguished.
  • overcurrent protection elements extinguishing media on the substrates, that is in particular ceramic or glass, on which the securing elements are upset, tied up.
  • the surfaces cleaned (ultrasound, degreasing e.g. with isopropanol or Ethanol) and with a primer, for example DOW CORNING 1200 OS Primer, brushed, dipped or sprayed.
  • a primer for example DOW CORNING 1200 OS Primer
  • Example 2 is repeated with the proviso that the quartz powder is replaced by aluminum oxide Al 2 O 3 .0-30 .mu.m from Hermann C. Starck Berlin GmbH & Co. KG, the aluminum oxide drying at 600 ° C. for 120 minutes before use becomes. The degree of filling is 60% by weight. A minimum breaking current (I min ) of 0.67 I N was measured for a 24kV / 40 A CEF fuse made with this extinguishing medium.
  • I min A minimum breaking current
  • Example 2 is repeated with the proviso that the quartz powder is replaced by boric acid for industrial use, powdered, from Siegfried CMS AG, the boric acid being dried at 80 ° C. for 15 minutes before use and then in a ball mill with agate balls of one Diameter of 10 mm was crushed. The degree of filling is 60% by weight. A minimum breaking current (I min ) of 0.67 I N was measured for a 24kV / 40 A CEF fuse made with this extinguishing medium.
  • I min A minimum breaking current
  • I min minimum cut-off current
  • Example 2 is repeated with the proviso that the quartz powder is replaced by aluminum oxide E 600, 0-1 ⁇ m from Saint Gobain Industrial Ceramics (USA), the aluminum oxide being dried at 600 ° C. for 120 minutes before use. The degree of filling is 40% by weight. A minimum cut-off current (I min ) of 0.67 I N was measured for a 24kV / 40 A CEF fuse made with this extinguishing medium.
  • I min minimum cut-off current

Landscapes

  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Fuses (AREA)

Abstract

Löschemedium in pastöser bis fester Form zum Löschen von Lichtbögen, bestehend aus einem Silikonpolymer oder einem Gemisch solcher Silikonpolymere, wobei das Silikonpolymer bzw. das Gemisch der Silikonpolymere als Füllstoff mindestens eine mineralische Verbindung oder ein Gemisch solcher Verbindungen in pulveriger Form, enthält; Verwendung des Löschmedium zum Löschen von Lichtbögen in Überstrom-Schutz-Elementen, in der Elektronik und Mikroelektronik; in der Hochspannungstechnik; oder in repetitiven Sicherungen, sowie elektrische Vorrichtungen, Geräte und Anlagen, welche ein erfindungsgemässes ein Löschmedium enthalten.

Description

Geltungsbereich
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Löschmedium zum Löschen von Lichtbögen in elektrischen Geräten, bevorzugt in Überstrom-SchutzElementen, wie Sicherungen im allgemeinen, beispielsweise Schmelzsicherungen im Haushalt, Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen (HH-Sicherungen) im Verteilnetz oder Substrat-Sicherungen, anwendbar von der Microelektronik bis zur Hochspannungtechnik oder in repetitiven Sicherungen wie zum Beispiel in PTC-Elementen (PTC = positive temperature coefficient). Das erfindungsgemässe Löschmedium besteht aus einer pastösen bis festen Silikonmatrix, welche mit ausgewählten mineralischen Füllstoffen gefüllt ist und weist eine wesentlich verbesserte Löschcharakteristik auf. Das erfindungsgemässe Löschmedium verleiht bei den genannten Anwendungen, beispielsweise HH-Sicherungen, welche ein erfindungsgemässes Löschmedium enthalten, eine wesentlich verbesserte Schaltcharakteristik.
Technisches Gebiet
Löschmedien zum Löschen von Lichtbögen in elektrischen Geräten, beispielsweise in Sicherungen, sind an sich bekannt. Die Funktion der Löschmedien in elektrischen Sicherungen besteht darin, dass das Löschmedium dem Lichtbogen genügend Energie entzieht bzw. den Lichtbogen so stark kühlt, dass er beim Stromnulldurchgang erlischt. Im Allgemeinen wird als Löschmedium Sand eingesetzt. Die Schaltcharakteristik einer Sand enthalten Sicherung, wird deshalb wesentlich durch die Zusammensetzung des Löschsandes sowie durch dessen durchschnittliche Korngrössenverteilung und Kornform beeinflusst. Deshalb werden von unterschiedlichen Herstellern stark differierende Löschsande verwendet.
Stand der Technik
Aus US-Patent 4,444,671 oder US-Patent 5,406,245, ist bekannt, zur Kühlung von Lichtbögen in elektrischen Sicherungen organische Verbindungen einzusetzen und diese gegebenenfalls als Beschichtung auf den Sicherungsdraht aufzutragen. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, flüssige Polymere wie Polyurethane, Polyacrylate, Melanin-Formaldehyd-Harze, sowie Gemische solcher polymerer Verbindungen, oder Hexamethylentetramin, zu verwenden. Dabei wird das Polymer in Berührung mit dem heissen Lichtbogen zersetzt, was die Bogenlöschung bewirkt. Die Verwendung der genannten Verbindungen hat aber in der Regel den Nachteil, dass Alterungsphänomene auftreten. Zudem erzeugen diese Verbindungen bei der Zersetzung im Lichtbogen oft elektrisch leitfähige Zersetzungsprodukte deren Umweltverträglichkeit zudem oft fraglich ist. Im weiteren wird die dielektrische Festigkeit der Sicherung nach dem Ausschaltenten des Stromes verschlechtert, so dass mit einem thermischen Wiederzünden des Lichtbogens gerechnet werden muss.
Darstellung der Erfindung
Für eine HH-Sicherung sind zwei Arbeitsbereiche zu berücksichtigen, nämlich diejenige bei kleinen Überströmen bis 10 In (In = Nennstrom, wird auch als Inenn bezeichnet) und jener bei grossen Fehlerströmen. Grosse Fehlerströme sind relativ einfach zu handhaben, indem man in an sich bekannter Weise Schwachstellen im Strompfad einbringt. Wird über die Fusspunktspannung eine ausreichend hohe Spannung erzeugt, so führen diese Schwachstellen zur Löschung der Lichtbögen im Stromnulldurchgang.
Für geringe Überströme ergibt sich in herkömmlichen Sicherungen ein völlig anderes Schaltverhalten. In der Mitte der Sicherung wird auf dem Sicherungsdraht ein Zinnpartikel (M-Spot, Metcalf-Effekt) aufgebracht. Bei Erwärmung der Sicherung durch einen Überstrom diffundiert das Zinn in das Silber. Die entstehende intermetallische Phase AgSn2 weist einen deutlich geringeren Schmelzpunkt auf als das Basismaterial (Silber) und schmilzt an der Stelle, wo genügend Zinn in den Silberdraht diffundiert ist. An dieser Stelle bildet sich ein Lichtbogen aus. Die Löschung dieses Lichtbogens erfolgt nun durch das Löschmedium, in der Regel Quarzsand, als Folge des Energieentzugs, der beim Aufschmelzen des Sandes entsteht. Um ausreichend Energie zum Schmelzen des Sandes bereitzustellen, muss im allgemeinen der Fehlerstrom mindestens dreimal höher sein als der Nennstrom der Sicherung. Bei kleineren Strömen kann der Lichtbogen einerseits nicht entsprechend wachsen, da die Energie nicht ausreicht, um die Fusspunkte auf dem Sicherungselement (Draht) aufzuschmelzen und andererseits kann der Lichtbogen auch nicht verlöschen, weil die Energie nicht ausreicht den Sicherungssand im notwendigen Umfang aufzuschmelzen. Deshalb brennt der Lichtbogen stabil über eine definierte Strecke innerhalb der Sicherung weiter. Die dabei lokal begrenzt eingebrachte Wärmeenergie führt zu einem überhöhten thermischen Gradienten innerhalb der Sicherung im Bereich in dem der Lichtbogen brennt, was zur Explosion der Sicherung führen kann. Um dennoch Ströme unterbrechen zu können, die zwischen dem Nennstrom und dem minimalen Ausschaltstrom von etwa 3IN liegen, ist es nötig, die Kühlung sogenannter stromschwacher Lichtbögen zu verbessern.
Es wurde nun gefunden, dass Silikonpolymere, vorzugsweise in pastöser bis fester Form, welche an sich bekannte mineralische Verbindungen in geeigneter Form und Konzentration als Füllstoffe enthalten, ausgezeichnete Löschmedien zur Löschung von Lichtbögen in elektrischen Sicherungen darstellen. Mit den erfindungsgemässen Löschmedien ist es möglich, Lichtbögen zu unterbrechen bzw. zu löschen, welche durch Ströme erzeugt werden, welche unter dem minimalen Ausschaltstrom von etwa 3IN liegen und Strömen, die deutlich kleiner sind als der Nennstrom, ohne dass die oben beschriebenen Nachteile auftreten. So lassen sich beispielsweise mit dem erfindungsgemässen Löschmedium Lichtbögen bei 0,67-fachen Nennstrom IN löschen.
Mit dem erfindungsgemässen Löschmedium können auch sehr feine Partikel kühlaktiver Medien in grosser Menge direkt und dauerhaft in der Nähe des zu erwartenden Lichtbogens positioniert werden. Aufgrund der grossen Oberfläche der feinen Partikel wird die Kühlleistung deutlich verbessert, wobei bei der Oxidation des Silicons durch den Lichtbogen kaum leitfähige und keine stark toxischen Zersetzungsprodukte entstehen. Mit dem Einsatz des erfindungsgemässen Löschmediums zur Lichtbogenlöschung können die Dimensionen von Sicherungen, wie z.B. HH-Sicherungen, bei derselben Leistung deutlich verringert werden. Zudem kann der Abstand zwischen parallelen Sicherungsdrähten von derzeit mindestens etwa 16 mm, bei Verwendung des erfindungsgemässen Löschmediums bis zu etwa 1 mm stark verringert werden, ohne dass es zu einem Kurzschluss zwischen spiralförmigen Windungen des Sicherungsdrahtes während oder nach dem Schaltvorgang kommt. Damit ergibt sich die Möglichkeit, mit einer spiralförmigen Wicklung der Sicherungsdrähte einen deutlich längeren Draht im Innern der Sicherung bei gleichen standardisierten Aussenmassen unterzubringen. Die Länge des Drahtes, die nach dem Auslösen der Sicherung mit der elektrischen Isolierstrecke identisch ist, bestimmt die maximale Spannung, für welche die Sicherung, eingesetzt werden kann. Bei Verwendung des erfindungsgemässen Löschmediums gelingt es, die derzeit als obere Grenze geltende Spannung von 36 kV zu erhöhen und Sicherungen für bis zu 110 kV und höher bei einer kompakten Bauweise zu realisieren. Aus der erfindungsgemäss verbesserten Kühlung und Bogenlöschung resultiert auch eine Reduktion der Kosten bei der Herstellung von HH-Sicherungen, da z.B. der bisher verwendete Sicherungskörper für deutlich kleinere Drücke ausgelegt werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Löschmedium in pastöser bis fester Form zum Löschen von Lichtbögen, bestehend aus einem Silikonpolymer oder einem Gemisch solcher Silikonpolymere, dadurch gekennzeichnet sind, dass dieses Silikonpolymer bzw. das Gemisch der Silikonpolymere als Füllstoff mindestens eine mineralische Verbindung oder ein Gemisch solcher Verbindungen in pulveriger Form, vorzugsweise mit einer durchschnittlichen Korngrösse im Bereich von 500 nm bis 500 µm, und in einer Konzentration von mindestens 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Löschmediums, enthält.
Die vorliegende Erfindung betrifft im weiteren die Verwendung des erfindungsgemässen Löschmediums zum Löschen von Lichtbögen in Überstrom-Schutz-Elementen, vorzugsweise in Sicherungen, beispielsweise in Schmelzsicherungen im Haushalt, in Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen (HH-Sicherungen) im Verteilnetz oder Substrat-Sicherungen, in der Elektronik, der Mikroelektronik oder in der Hochspannungstechnik oder in repetitiven Sicherungen, vorzugsweise in PTC-Elementen.
Die vorliegende Erfindung betrifft im weiteren Überstrom-Schutz-Elemente, vorzugsweise Sicherungen, Substrat-Sicherungen in der Elektronik, in der Mikroelektronik oder in der Hochspannungstechnik, repetitive Sicherungen, vorzugsweise PTC-Elemente, welche ein erfindungsgemässes Löschmedium enthalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen elektrischen Vorrichtungen, insbesondere Sicherungen, wie dies im weiteren beschrieben ist.
Geeignete Ausgangsprodukte für die Herstellung des erfindungsgemässen Löschmediums sind fliessfähige, vorzugsweise härtbare, cyclische, lineare oder verzweigte Organopolysiloxane oder ein Gemisch solcher Verbindungen. Vorzugsweise sind diese flüssig bis pastös, so dass sich der Füllstoff in verhältnismässig hoher Konzentration einarbeiten lässt. Die aus dem Ausgangspolymer hergestellte, den Füllstoff enthaltende Masse, hat in der Regel eine bedeutend höhere Viskosität als das Ausgangspolymer selbst und kann gegebenenfalls ungehärtet verwendet werden. Vorzugsweise aber wird zur Herstellung des erfindungsgemässen Löschmediums ein härtbares Polysiloxan bzw. ein härtbares Polysiloxan Gemisch verwendet, welches bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur bevorzugt durch Polyaddition aber auch durch Polykondensation aushärtet.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Organopolysiloxan um eine Verbindung, bzw. ein Verbindungsgemisch, der allgemeinen Formel (I):
Figure 00060001
worin
R
unabhängig voneinander einen Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, (C1-C4)-Alkylaryl oder Aryl; vorzugsweise einen Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder Phenyl; vorzugsweise Methyl;
R1
unabhängig voneinander eine der Bedeutungen von R oder R2, wobei gegebenenfalls zwei an verschiedene Si-Atome gebundene endständige Substituenten R1 zusammen genommen für ein Sauerstoffatom stehen (= cyclische Verbindung);
R2
eine der Bedeutungen von R, oder Wasserstoff, oder einen Rest -(A)r-CH=CH2;
A
einen Rest -CsH2s- , vorzugsweise-(CH2)s- , worin
s
eine ganze Zahl von 1 bis 6, vorzugsweise 1;
r
Null oder eins;
m
durchschnittlich von Null bis 5000, vorzugsweise von 20 bis 5000, vorzugsweise 50 bis 1500;
n
durchschnittlich von Null bis 100, vorzugsweise 2 bis 100, vorzugsweise 2 bis 20;
bedeuten, wobei die Summe von [m+n] für nicht-cyclische Verbindungen vorzugsweise mindestens 20, und vorzugsweise mindestens 50 beträgt und die Gruppen -[Si(R)(R)O]- und -[Si(R1)(R2)O]- in beliebiger Reihenfolge im Molekül angeordnet sind. Die Summe von [m+n] für nicht-cyclische Verbindungen liegt vorzugsweise durchschnittlich im Bereich von 20 bis 5000, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 1500.
Vorzugsweise hat R2 eine der Bedeutungen von R, wobei R vorzugsweise Methyl oder Phenyl bedeutet, und im Molekül sowohl Methyl als auch Phenyl anwesend sein können. Das Verhältnis von Methyl zu Phenyl ist durch die Fliessfähigkeit bzw. Verarbeitbarkeit und Befüllbarkeit der Verbindung bzw. des Verbindungsgemisches gegeben. Vorzugsweise bedeutet R Methyl. Die Verbindung der Formel (I) stellt in der Regel ein Gemisch von homologen Verbindungen der Formel (I) dar, was dem Fachmann bekannt ist.
Ist die Verbindung der Formel (I) ein cyclisches Organohydrogenpolysiloxan oder Organovinylpolysiloxan, so ist dieses aus -[Si(R) (R)O]-Einheiten und/oder -[Si(R1) (R2)O]-Einheiten, z.B. nur aus -[SiH(R2)O]-Einheiten, zusammengesetzt, welche einen Ring mit vorzugsweise 4 bis 12 solcher Einheiten bilden. Von den ringförmigen Siloxanen sind jedoch die ringförmigen oligomeren Polydimethylsiloxane mit 4 bis 8 Siloxy-Einheiten bevorzugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine härtbare Silikonharz-Formmasse als härtbares Gemisch bestehend aus zwei Komponenten verwendet. In der einen Komponente bedeutet R2 Wasserstoff zumindest für einen Teil der in der einen Komponente anwesenden Moleküle. In der andern Komponente bedeutet R2 -A-CH=CH2 zumindest für einen Teil der in der andern Komponente anwesenden Moleküle. Um die additionsvernetzende Reaktion zu ermöglichen, setzt man der einen und/oder der andern Komponente oder dem Gemisch beider Komponenten eine Komplexverbindung oder ein Gemisch solcher Komplexverbindungen aus der Gruppe der Rhodium-, Nickel-, Palladium- und/oder Platinmetalle zu, wie solche als katalytisch wirksame Verbindungen für Additionsreaktionen zwischen SiH-Bindungen und Alkenylresten ausführlich in der Literatur beschrieben und dem Fachmann bekannt sind. Bevorzugt sind Pt (0)-Komplexe mit Alkenylsiloxanen als Liganden oder Rh-Katalysatoren in katalytischen Mengen von vorzugsweise 1 bis 100 ppm Platin, berechnet auf die Menge der die reaktiven Gruppen enthaltenden Verbindungen. Für dieses Zweikomponentensystem bedeuten die beiden endständigen Silyloxygruppen der den Rest -A-CH=CH2 enthaltenden Verbindung, unabhängig voneinander vorzugsweise Dimethylvinylsiloxy, wobei dann n vorzugsweise Null bedeutet. Die einzelnen Ausgangskomponenten haben eine Viskosität vorzugsweise im Bereich von etwa 10 cSt bis 10'000 cSt, vorzugsweise im Bereich von 100 cSt bis 10'000 cSt und vorzugsweise im Bereich von 500 cSt bis 3'000 cSt, gemessen gemäss DIN 53 019 bei 20°C.
Für die Herstellung des erfindungsgemässen Löschmediums mischt man die beiden Komponenten, den Katalysator und den Füllstoff in beliebiger Reihenfolge, worauf man die erhaltene noch fliessfähige Mischung verwendet, z.B. indem man diese in die gewünschte Form bringt, oder auf den Sicherungsdraht aufbringt oder in die Sicherung einträgt, und die Mischung aushärten lässt. Dabei verwendet man die Hydrogensilanverbindung und die Vinylsilanverbindung zur Herstellung der härtbaren Silikonharz-Formmasse mindestens in äquimolaren Mengen. Vorzugsweise verwendet man jedoch die Si-H-Gruppen enthaltende Verbindung im molaren Überschuss von 20 bis 50 %, bezogen auf die den Rest -A-CH=CH2 enthaltende Verbindung. In derselben Weise kann man Systeme verwenden, wo der Katalysator in die Harz- und/oder Härterkomponente vorgängig zur Mischung bereits eingebracht worden ist.
Je nach der Herstellung können die Verbindungen der Formel (I) bis zu 10 Molprozente, berechnet auf die anwesenden Si-Atome sowohl Alkoxy- als auch OH-Gruppen enthalten. Solche Verbindungen liegen innerhalb der vorliegenden Erfindung.
Erfindungsgemäss können auch kondensationsvernetzende Silikonharz-Systeme verwendet werden. Kondensationsvernetzende Silikonharz-Systeme sind an sich bekannt. Sie vernetzen insbesondere auf Grund der vorhandenen [≡Si-OH]-Gruppen, welche im Vernetzungsprozess [≡Si-O-Si≡]-Bindungen bilden. Im Vergleich zu additionsvernetzenden Systemen haben kondensationsvernetzende Systeme allerdings den Nachteil, dass sich bei der Vernetzung bzw. Härtung, Spaltprodukte bilden, insbesondere Wasser, was zu Korrosion oder zum Versagen der erfindungsgemässen Sicherung führen kann.
Zahlreiche Silikonverbindungen sowie härtbare Silikonharz-Formmassen sind für elektrotechnische Verwendung bekannt und kommerziell erhältlich, beispielsweise unter den Handelsnamen Basilon® (Bayer AG), Textolite® (General Electric Co.) oder Wacker Silicone (Wacker Chemie GmbH, DE). Diese Silkone können erfindungsgemäss verwendet werden. Bevorzugt sind vernetzende Silikonkautschuke bzw. Ausgangszusammensetzungen von Silikon-harzen, welche bei der Härtung vernetzte Silkonkautschuke ergeben.
Dabei kann bei einer erfindungsgemässen Sicherung das in der Regel verwendete, die Sicherung nach aussen abschliessende Keramikrohr, durch ein beliebig anderes geeignetes Material, beispielsweise ein geeignetes Silkonmaterial, ersetzt wird. Werden solche Sicherungen unter Freiluftbedingungen eingesetzt, so ist es von Vorteil, dass im ausgehärteten Silicone neben härtbaren linearen und/oder verzweigten Organopolysiloxanen, auch cyclische Verbindungen der Formel (I) anwesend sind, insbesondere solche, welche im Ring 3 bis 10, vorzugsweise 4 bis 6 und insbesondere vier Siloxy-Einheiten enthalten, wie dies weiter oben für die Verbindungen der Formel (I) beschrieben ist.
Für die Herstellung des erfindungsgemässen Löschmedium können praktisch alle an sich bekannten Sicherungssande und in der Elektroindustrie bekannten mineralischen Füllstoffe, verwendet werden. So kommen beispielsweise die folgenden Materialien als Füllstoffe in Frage: natürliche gereinigte Sande (gereinigte Gesteinsmehle), Siliziumoxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Titanoxid (TiO2), Silikate, wie Natrium/Kalium-Silikate, Silizium-Aluminiumsilikate, mineralische Karbonate, wie z.B. Calzium-Magnesiumkarbonat [z.B. CaMg(CO3)2], oder die verschiedenen Calzium-Silizium-Magnesiumkarbonate sowie weitere physikalische und chemische Gemische dieser Verbindungen. Geopolymere, wie z.B. Trolite und/oder Zeolithe auf Basis von Aluminiumsilikaten oder anderen alkalischen Erden, Gläser, Glimmer, wie Mikroglimmer und/oder Keramik-Partikel. Weiter können auch Borsäure, Metallhydroxide, wie Aluminiumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid und/oder Hydratwasser enthaltende mineralische Stoffe, wie z.B.
Hydratwasser enthaltendes Aluminiumoxid (Al2O3.xH2O) als Füllmittel eingesetzt werden. Bevorzugt sind Verbindungen, welche Magnesium-Ionen (Mg+2) enthalten. Insbesondere bevorzugt sind Verbindungen (natürliche und synthetische Sande etc.), welche Silizium-, Aluminium- und/oder Magnesium-Ionen enthalten, wie beispielsweise MgCO3, Mg(OH)2.4MgCO3.4H2O; Mg(OH)2; MgO; MgCl2.5Mg(OH)2.7H2O.
Bevorzugt ist beispielsweise die Verwendung von Aluminiumoxid, welches vor der Verwendung bei erhöhter Temperatur, z.B. bei 600°C getrocknet wurde. Bevorzugt ist auch ein Füllstoff als zwei- oder mehrphasiges Gemisch, bestehend aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumtrihydrat, Magnesiumhydroxid und/oder Titandioxid, wobei das Löschmedium etwa 40-80 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Löschmediums, enthält. Bevorzugt als Füllstoff wird auch Borsäure verwendet, welche vor der Verarbeitung während einiger Minuten (vorzugsweise höchstens 15 Minuten) bei 80°C getrocknet wurde.
Die durchschnittliche Korngrösse bzw. Partikelgrösse des Füllmaterials ist vorzugsweise im Bereich von 500 nm bis 500 µm, vorzugsweise im Bereich von 10 µm bis 250 µm. Für gröbere durchschnittliche Korngrössen liegen die Durchmesser vorzugsweise im Bereich von 20µm bis 150 µm, vorzugsweise im Bereich von 30 µm bis 130 µm. Für feinere durchschnittliche Korngrössen liegen die Durchmesser vorzugsweise im Bereich von 500 nm bis 50 µm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 µm bis 10 µm. Die durchschnittliche Korngrössenverteilung bzw. Partikelgrössenverteilung ist nicht kritisch und liegt vorzugsweise in üblichen Bereichen, wie solche für Füllstoffe bei deren Verarbeitung in Polymere bekannt sind. Dabei ist auch die Oberflächenmodifikation, wie z.B. eine Silanisierung der Füllstoffe, möglich.
Der Anteil des Füllstoffes im Silikonharz liegt vorzugsweise im Bereich von 5 Gew.-% bis 95 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 40 Gew.-% bis 85 Gew.-%, und insbesondere im Bereich von 60 Gew.-% bis 80 Gew.-%, berechnet auf das Gesamtgewicht von Füllstoff und Polymer. Bevorzugt sind Füllgrade an der physikalisch realisierbaren Obergrenze, bei der die Fliessfähigkeit beziehungsweise die Verarbeitung des nicht ausgehärteten Gemisches gerade noch gegeben ist, was in der Regel bei einem Füllgrad von etwa 80 Gew.-% gegeben ist. Das erfindungsgemässe Löschmedium wird so hergestellt, dass dieses nur sehr wenig und praktisch keine Lufteinschlüsse enthält.
Wird ausschliesslich Sicherungssand bzw. körniger mineralischer Füllstoff (ohne Silikonharz) in einer HH-Sicherung als Löschmedium verwendet, so ergibt sich eine deutlich stärkere Kühlung des Bogens, wenn das Löschmedium eine feinere durchschnittliche Korngrösse aufweist, da bei kleineren aufzuschmelzenden Partikeln eine grössere Partikeloberfläche für den Entzug der Energie aus dem Lichtbogen zur Verfügung steht und somit die Partikel schneller aufgeschmolzen werden. Ein vergleichsweise feinkörniger Sand besteht aber in der Regel aus abgerundeten Partikeln, was - im Vergleich mit grobem Sand - eine andere Tripcharakteristik und insbesondere ein schlechteres Löschverhalten ergibt Für die Löschcharakteristik ist nämlich nicht nur die zur Verfügung stehende Partikeloberfläche bzw. die durchschnittliche Korngrösse von Bedeutung, sondern u.a. auch die Kornform. Setzt man einen groben Sand als Kühlmedium ein, so schaltet die Sicherung bei gleichem Strom schneller. Die schlechtere Wärmeleitfähigkeit der Luft, die bei groben Sanden in einem grösseren Volumen vorliegt, verursacht, dass die ausgeprägten Ecken und Spitzen des groben Sandes im Lichtbogen schneller aufgeschmolzen werden und somit anfänglich - im Vergleich mit sehr feinem Sand - eine schnellere und bessere Kühlung ergeben. Aufgrund des hohen Luftanteils und dessen schlechter Wärmeleitfähigkeit, kann sich dieser Vorteil in einen wesentlichen Nachteil verändern, wenn die gesamte Schaltkennlinie der Sicherung betrachtet wird. So weist grober Sand zwar ein schnelles Ansprechen und ein gutes Löschvermögen für geringe Überströme im Bereich von 3IN<IK<8IN (worin IK eine Variable im Bereich von 3IN bis 8IN bedeutet) auf, hat jedoch ein schlechtes Löschvermögen für hohe Ströme im Bereich von IK>8IN.
Feiner Sand weist ein langsames Ansprechen auf und hat den Vorteil eines guten Löschvermögens für hohe Ströme im Bereich von IK>8IN , hat jedoch ein schlechtes Löschvermögen für geringe Überströme im Bereich von 3IN<IK<8IN. Zudem tritt bei feinem Sand das Problem des Separierens und der Verfestigung der feinen Partikel auf, was im Laufe der Betriebsdauer einer Sicherung von etwa 25 Jahren dazu führen kann, dass ein grösserer luftgefüllter Hohlraum in der Sicherung entsteht, welcher aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Luft die Gefahr einer Explosion beim Schalten in sich birgt.
Das erfindungsgemässe Löschmedium zeichnet sich überraschenderweise durch ein sehr gutes Löschvermögen für sämtliche Ströme im Bereich von 0.5IN<IK<IMAX (IMAX = maximaler Ausschaltstrom) aus, was wiederum eine grosse Freiheit beim Design der Trip-Charakteristik erlaubt. Das ausgezeichnete Löschvermögen des erfindungsgemässen Löschmediums, welches vorzugsweise mit einem feinkörnigen Füllstoff gleichmässig gefüllt ist, kann dadurch erklärt werden, dass die Kühlung des Bogens durch die zur Verfügung stehende grosse Oberfläche des Füllstoffes einerseits, und das leicht zu oxidierende Silikonharz andererseits, gegeben sind. Diese synergistische Wirkung der erfindungsgemässen Kombination war nicht zu erwarten.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen elektrischen Vorrichtungen, insbesondere Sicherungen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine flüssige bis pastöse Silikonverbindung oder ein Gemisch solcher Silikonverbindungen mit einem geeigneten Füllstoff oder einem Gemisch solcher Füllstoffe in der gewünschten Konzentration in beliebiger Reihenfolge gleichmässig vermischt, die erhaltene Mischung in eine gewünschte Form bringt und/oder auf den Sicherungsdraht der Vorrichtung aufbringt und/oder in das Innere der Vorrichtung einbringt, und die Mischung anschliessend, gegebenenfalls vorgängig und/oder nach dem Einbringen in das Innere der Sicherung, aushärtet oder aushärten lässt.
In diesem Sinne ist es möglich, die flüssige bis pastöse erfindungsgemäss befüllte Silikonmasse zu festen Formteilen zu verarbeiten bzw. auszuhärten, wie z.B. Rohre, elliptische Röhren oder stangenförmige Elemente mit trapezförmigen Querschnitt, welche auf das Sicherungselement mit oder ohne Träger auf den Träger des Sicherungselementes aufgeschoben werden können. Im weiteren kann die erfindungsgemäss befüllte Silikonmasse direkt auf den Sicherungsdraht oder auf das Sicherungselement aufgebracht und anschliessend gehärtet werden, wobei die Silikonmasse beispielsweise durch Tauchen, Streichen, Träufeln oder Giessen aufgebracht werden kann. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich bei der Fixierung mit einem Schrumpfschlauch, wobei sowohl das erfindungsgemässe gefüllte Silikonharz als auch ein gegebenenfalls zusätzlicher Kalt- oder Warmschrumpfschlauch mit kalt- oder warmschrumpfenden Eigenschaften versehen sind. Eine Vulkanisation einzelner Teile ist ebenfalls denkbar, wie z.B. eine Vulkanisation von separaten Abschnitten des Sicherungselementes, des Trägers des Sicherungselementes, des Sicherungskörpers (an der Innenseite) oder des Sicherungslementes an sich.
Das erfindungsgemässe Löschmedium wird erfindungsgemäss für die Löschung allfälliger Lichtbögen in elektrischen Vorrichtungen, Geräten und Anlagen eingesetzt, bevorzugt in Überstrom-Schutz-Elementen, wie Sicherungen im allgemeinen, beispielsweise Schmelzsicherungen in Haushalten, Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen (HH-Sicherungen) im Verteilnetz oder Substrat-Sicherungen. Das erfindungsgemässe Löschmedium ist anwendbar allen Bereichen von der Mikroelektronik bis zur Hochspannungstechnik sowie auch in repetitiven Sicherungen, wie zum Beispiel in PTC-Elementen. Beispiele solcher Sicherungen sind die ABB (CEF) 12 kV-6A-(backup)-Sicherung oder ABB (CEF) 24 kV-63A-Sicherung; die EFEN 6/12kV-6.3A-(all purpose/Allzweck)-Sicherung; die FERRAZ 12kV-6.3A-(all purpose)-Sicherung; die SIBA 6/12kV-16A-(all purpose)-Sicherung; mit jeweils keramischem Löschmedium; die Bussmann High Voltage-12kV-80A (full range) H.R.C. Sicherung, deren Sicherungselemente auf einem Glasträger sitzen, mit einer Verglasung der Oberfläche sowie keramischen Löschmedium. Angaben über die Dimensionen, Bauteile und Funktionsparameter, bzw. elektrischen Eigenschaften, solcher Sicherungen sind den jeweiligen von den Hersteller-Firmen publizierten Katalogen zu entnehmen. Beispiele solcher Kataloge sind: HH-Sicherungseinsätze mit Temperatur-Begrenzer, Kennung HH1-03/97, der SIBA Sicherungsbau GmbH, Borker Strasse 22, D-44534 Lünen, Deutschland, oder der Katalog Bussmann, High Voltage Products, Kennung HVP-98, Bussmann Division, Cooper (UK) Ltd, Burton-on-the-Wolds, Leicestershire, LE12 5TH UK (ergänzende Infos unter http://www.bussmann.com), oder der Katalog HH-Sicherungen, HH-Sicherungsträger, Ausgabe 03/98, EFEN Elektrotechnische Fabrik GmbH, Postfach 1254, D-65332 Eltville, Deutschland. Siehe auch CD-ROM, Interactive Catalog Ferraz 1999. Wie bereits erwähnt, ist aber das erfindungsgemässe Löschmedium nicht nur in Sicherungen, sondern im gesamten Bereich der Niederspannungstechnik, der Elektronik und Mikroelektronik bis zur Hochspannungtechnik zum Löschen von Lichtbögen anwendbar. Auch in der Elektronik entstehen Lichtbögen, welche gelöscht werden müssen.
Bei der Herstellung von Überstrom-Schutzelementen können die erfindungsgemässen Löschmedien an die Substrate, das heisst insbesondere Keramik oder Glas, auf welche die Sicherungselemente aufgebracht sind, angebunden werden. Dazu werden die Oberflächen gereinigt (Ultraschall, Entfettung z.B. mit Isopropanol oder Ethanol) und mit einem Primer, beispielsweise DOW CORNING 1200 OS Primer, bestrichen, getaucht oder besprüht. Man lässt den Primer trocknen und verarbeitet anschliessend die Vergussmasse, bzw. das Löschmedium, vorzugsweise innerhalb von 24 Stunden. Damit werden auch minimal Luftspalte zwischen Silikone bzw. Löschmedium, und Wickelkörper verhindert.
Die weiteren Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiel 1
  • a) 100 Gramm des additionsvernetzenden Siliconharzes Powersil® 600 der Firma Wacker Chemie AG, Deutschland, enthaltend einen Platinkatalysator wird bei Raumtemperatur im Verhältnis 9:1 (9 Teile der Komponente A und 1 Teil der Komponente B) angesetzt. Dabei werden in die Harzkomponente A, welche den Vernetzer enthält, mit einem Stabrührer bei 700 Umdrehungen pro Minute, 400 Gramm Quarzmehl der Mahlung W10 (Korngrössenverteilung im Bereich von bis zu 130µm, 86% kleiner 40µm) der Firma Quarzwerke Frechen GmbH, Frechen, Deutschland, eingebracht und zu einem homogenen Gemisch verarbeitet, so dass das fertige Gemisch 80 Gew.-% Quarzmehl, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung, enthält. Nach Zugabe dieser den Katalysator enthaltenden Komponente, wird das Gemisch während zehn Minuten bei 700 Umdrehungen pro Minute bis zur vollständigen Homogenität der Mischung gerührt und anschliessend in einem Vakuum-Gefäss bei 100 Pa während 10 Minuten zur Entfernung der Lufteinschlüsse evakuiert. Das fliessfähige Gemisch kann nun als Löschmedium verwendet werden.
  • b) Das unter Abschnitt a) erhaltene Gemisch wird nun auf das Sicherungselement, welches auf einen sternförmigen Träger aufgewickelt wurde, durch Giessen aufgebracht. Dabei bildet sich eine 1 bis 3 mm dicke Silikonschicht aus, die bei Raumtemperatur aushärtet (4 h), oder bei welcher der Aushärteprozess durch eine Erwärmung im Ofen (80-120°C) beziehungsweise mit einem Heissluftstrahl beschleunigt wird (0.5 h). Bei einer mit diesem Löschmedium hergestellten Sicherung vom Typ 24kV/63 A CEF wurde ein minimaler Ausschaltstrom Imin) von 2.4 IN (Iprüf = 150 A) gemessen. Der minimale Ausschaltstrom einer Sicherung vom Typ 24kV/63 A CEF, welche zum Vergleich herkömmlichen Quarzsand für Sicherungen als Löschmedium enthält, beträgt Imin = 3.2 IN.
    • Beispiel 2
  • a) Beispiel 1 wird wiederholt, jedoch unter Verwendung des additionsvernetzenden Silicone-Systems bzw. der Vergussmasse Q3-6305 A/B der Dow Corning Company, USA. Dieses ZweikomponentenSystem hat im Vergleich zu dem im Beispiel 1 eingesetzten Wacker-System eine geringere Viskosität. Die Komponenten A und B werden im Verhältniss 10:1 gemischt. Auch hier werden 90 Gramm der Komponente A zuerst mit dem Füllstoff zum Beispiel Quarzmehl W12EST der Firma Quarzwerke Frechen, in einem Gefäss mit einem Stabrührer bei 700 Umdrehungen pro Minute gut verrührt und weitere 10 Minuten bis zu vollständigen Homogenität gerührt. Diese Komponente ist dann lagerfähig. Vor dem Verguss werden 10 Gramm der Komponente B hinzu gegeben und das gesamte Gemisch weitere 10 Minuten bei 700 Umdrehungen pro Minute verrührt. Anschliessend wird die fertige Vergussmasse bei 100 Pa evakuiert, bis alle Lufteinschlüsse entfernt sind.
  • b) Das unter a) erhaltene Gemisch wird wie folgt weiter verarbeitet. Der Wickelstab mit den Sicherungselementen wird in eine Giessform mit zylindrischer Kavität plaziert. Diese mit einem wachsartigen Trennmittel (QZ XY, Ciba SC Ltd, CH) behandelte Giessform wird in einem Rezipienten bei 100 Pa mit dem Gemisch aufgefüllt, so dass keine luftgefüllten Hohlräume entstehen. Der Rezipient wird nach dem Entzug der Blasen aus dem Verguss geöffnet. Der Giesskörper wird analog zu Beispiel 1 bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur vernetzt.
  • c) Beispiel 2, Absatz b) wird dahin modifiziert, dass das in Absatz a) hergestellte Löschmedium mittels Spritzguss injiziert wird.
    • Bei einer mit diesem Löschmedium hergestellten Sicherung [gemäss Absatz b) und Absatz c)] vom Typ 24kV/40 A CEF wurde ein minimaler Ausschaltstrom (Imin) von 1.0 IN (Iprüf = 40,8 A) gemessen. Der minimale Ausschaltstrom einer Sicherung vom Typ 24kV/40 A CEF, welche zum Vergleich üblichen Quarzsand für Sicherungen als Löschmedium enthält, beträgt Imin = 3.2 IN.
    Beispiel 3
    Beispiel 2 wird wiederholt mit der Massgabe, dass das Quarzmehl ersetzt wird durch Aluminiumoxid Al2O3, 0-30µm der Firma Hermann C. Starck Berlin GmbH & Co. KG, wobei das Aluminiumoxid vor der Verwendung bei 600°C während 120 Minuten getrocknet wird. Der Befüllungsgrad beträgt 60 Gew.-%. Bei einer mit diesem Löschmedium hergestellten Sicherung vom Typ 24kV/40 A CEF wurde ein minimaler Ausschaltstrom (Imin) von 0.67 IN gemessen.
    Beispiel 4
    Beispiel 2 wird wiederholt mit der Massgabe, dass das Quarzmehl ersetzt wird durch Borsäure für die Industrieverwendung, gepulvert, der Firma Siegfried CMS AG, wobei die Borsäure vor der Verwendung bei 80°C während 15 Minuten getrocknet und anschliessend in einer Kugelmühle mit Achatkugeln von einem Durchmesser von 10 mm zerkleinert wurde. Der Befüllungsgrad beträgt 60 Gew.-%. Bei einer mit diesem Löschmedium hergestellten Sicherung vom Typ 24kV/40 A CEF wurde ein minimaler Ausschaltstrom (Imin) von 0.67 IN gemessen.
    Beispiel 5
    Beispiel 2 wird wiederholt mit der Massgabe, dass das Quarzmehl ersetzt wird durch eine Mischung von Aluminiumtrihydrat SB 434 der Firma Solem Division, J. M. Huber Corp. USA (Gewichtsverhältnis von Al(OH)3 : Mg(OH)2 = 1 : 1), wobei die Mischung vor der Verwendung bei 80°C während 15 Minuten getrocknet wurde. Der Befüllungsgrad beträgt 65 Gew.-%. Bei einer mit diesem Löschmedium hergestellten Sicherung vom Typ 24kV/68 A CEF wurde ein minimaler Ausschaltstrom (Imin) von 1,7 IN gemessen.
    Beispiel 6
    Beispiel 2 wird wiederholt mit der Massgabe, dass das Quarzmehl ersetzt wird durch Aluminiumoxid E 600, 0-1 µm der Firma Saint Gobain Industrial Ceramics (USA), wobei das Aluminiumoxid vor der Verwendung bei 600°C während 120 Minuten getrocknet wurde. Der Befüllungsgrad beträgt 40 Gew.-%. Bei einer mit diesem Löschmedium hergestellten Sicherung vom Typ 24kV/40 A CEF wurde ein minimaler Ausschaltstrom (Imin) von 0,67 IN gemessen.

    Claims (17)

    1. Löschmedium in pastöser bis fester Form zum Löschen von Lichtbögen, bestehend aus einem Silikonpolymer oder einem Gemisch solcher Silikonpolymere, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Silikonpolymer bzw. das Gemisch der Silikonpolymere als Füllstoff mindestens eine mineralische Verbindung oder ein Gemisch solcher Verbindungen in pulveriger Form, enthält.
    2. Löschmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff eine durchschnittliche Korngrösse im Bereich von 500 nm bis 500 µm aufweist.
    3. Löschmedium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses den Füllstoff in einer Konzentration von mindestens 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Löschmediums, enthält.
    4. Löschmedium nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Löschmediums ein härtbares Polysiloxan bzw. ein härtbares Polysiloxangemisch verwendet wird, welches bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur durch Polyaddition oder Polykondensation aushärtet.
    5. Löschmedium nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Organopolysiloxan um eine Verbindung, bzw. ein Verbindungsgemisch, der allgemeinen Formel (I):
      Figure 00180001
      darstellt, worin
      R
      unabhängig voneinander einen Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, (C1-C4)-Alkylaryl oder Aryl; vorzugsweise einen Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder Phenyl; vorzugsweise Methyl;
      R1
      unabhängig voneinander eine der Bedeutungen von R oder R2, wobei gegebenenfalls zwei an verschiedene Si-Atome gebundene endständige Substituenten R1 zusammen genommen für ein Sauerstoffatom stehen (= cyclische Verbindung);
      R2
      eine der Bedeutungen von R, oder Wasserstoff, oder einen Rest -(A)r-CH=CH2;
      A
      einen Rest -CsH2s- , vorzugsweise-(CH2)s-, worin
      s
      eine ganze Zahl von 1 bis 6, vorzugsweise 1;
      r
      Null oder eins;
      m
      durchschnittlich von Null bis 5000, vorzugsweise von 20 bis 5000, vorzugsweise 50 bis 1500;
      n
      durchschnittlich von Null bis 100, vorzugsweise 2 bis 100, vorzugsweise 2 bis 20;
      bedeuten, wobei die Summe von [m+n] für nicht-cyclische Verbindungen vorzugsweise mindestens 20, und vorzugsweise mindestens 50 beträgt und die Gruppen -[Si(R)(R)O]- und -[Si(R1)(R2)O]- in beliebiger Reihenfolge im Molekül angeordnet sind.
    6. Löschmedium nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Siloxan der Formel (I) eine nicht-cyclische Verbindung darstellt, worin die Summe von [m+n] durchschnittlich im Bereich von 20 bis 5000, und vorzugsweise im Bereich von 50 bis 1500, liegt.
    7. Löschmedium nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Formel (I) ein cyclisches Organohydrogenpolysiloxan oder Organovinylpolysiloxan darstellt, welches aus aus - [Si (R) (R)O]-Einheiten und/oder -[Si(R1) (R2)O]-Einheiten, vorzugsweise aus -[SiH(R2)O]-Einheiten, zusammengesetzt ist, und welches einen Ring mit vorzugsweise 4 bis 12 solcher Einheiten bildet, vorzugsweise mit 4 bis 8 Siloxy-Einheiten.
    8. Löschmedium nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschmedium als härtbares Gemisch bestehend aus zwei Komponenten vorliegt, worin in der einen Komponente zumindest für einen Teil der in der einen Komponente anwesenden Moleküle R2 Wasserstoff bedeutet und in der andern Komponente zumindest für einen Teil der in der andern Komponente anwesenden Moleküle R2 -A-CH=CH2 bedeutet.
    9. Löschmedium nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses für die Ermöglichung der additionsvernetzenden Reaktion eine Komplexverbindung oder ein Gemisch solcher Komplexverbindungen aus der Gruppe der Rhodium-, Nickel-, Palladium- und/oder Platinmetalle enthält.
    10. Löschmedium nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein kondensationsvernetzendes Silikonharz-System enthält.
    11. Löschmedium nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die mineralische Verbindung oder das Gemisch solcher Verbindungen aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: natürliche gereinigte Sande; Siliziumoxid; Aluminiumoxid; Titanoxid; Silikate, vorzugsweise Natrium/Kalium-Silikate, Silizium-Aluminiumsilikate; mineralische Karbonate, vorzugsweise Calzium-Magnesiumkarbonat oder Calzium-Silizium-Magnesiumkarbonate; Geopolymere, vorzugsweise Trolite und/oder Zeolithe auf Basis von Aluminiumsilikaten oder anderen alkalischen Erden, Gläser, Glimmer, Keramik-Partikel; Borsäure, Metallhydroxide, vorzugsweise Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid; Hydratwasser enthaltende mineralische Stoffe, vorzugsweise Hydratwasser enthaltendes Aluminiumoxid; MgCO3; Mg(OH)2.4MgCO3.4H2O; Mg(OH)2; MgO; MgCl2.5Mg(OH)2.7H2O.
    12. Löschmedium nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die mineralische Verbindung oder das Gemisch solcher Verbindungen eine durchschnittliche Partikelgrösse im Bereich von 500 nm bis 500 µm, vorzugsweise im Bereich von 10 µm bis 250 µm aufweist und speziell im Bereich von 20µm bis 150 µm, vorzugsweise im Bereich von 30 µm bis 130 µm oder im Bereich von 500 nm bis 50 µm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 µm bis 10 µm.
    13. Löschmedium nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Füllstoffes im Silikonharz im Bereich von 5 Gew.-% bis 95 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 40 Gew.-% bis 85 Gew.-%, und insbesondere im Bereich von 60 Gew.-% bis 80 Gew.-%, berechnet auf das Gesamtgewicht von Füllstoff und Polymer, liegt.
    14. Verwendung des Löschmediums zum Löschen von Lichtbögen in Überstrom-Schutz-Elementen, vorzugsweise in Sicherungen, vorzugsweise in Schmelzsicherungen im Haushalt, in Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen im Verteilnetz oder Substrat-Sicherungen; in der Elektronik, der Mikroelektronik; in der Hochspannungstechnik; oder in repetitiven Sicherungen, vorzugsweise in PTC-Elementen.
    15. Elektrische Vorrichtung, Geräte und Anlagen, vorzugsweise Überstrom-Schutz-Elemente, vorzugswesie Sicherungen im allgemeinen, Schmelzsicherungen in Haushalten, Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen (HH-Sicherungen) im Verteilnetz oder Substrat-Sicherungen; Geräte auf dem Gebiet der Elektronik, der Mikroelektronik, der Hochspannungtechnik; repetitive Sicherungen, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Löschmedium nach einem der Ansprüche 1-13 enthalten.
    16. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, insbesondere von Sicherungen, nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass man eine flüssige bis pastöse Silikonverbindung oder ein Gemisch solcher Silikonverbindungen mit einem geeigneten Füllstoff oder einem Gemisch solcher Füllstoffe in der gewünschten Konzentration in beliebiger Reihenfolge gleichmässig vermischt, die erhaltene Mischung in eine gewünschte Form bringt und/oder auf den Sicherungsdraht der Vorrichtung aufbringt und/oder in das Innere der Vorrichtung einbringt, und die Mischung anschliessend, gegebenenfalls vorgängig und/oder nach dem Einbringen in das Innere der Vorrichtung, aushärtet oder aushärten lässt.
    17. Eine Sicherung bei der das Sicherungselement durch die Silikonmasse im Gehäuse ausgerichtet und platziert wird.
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