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CN103119788B - 具有改进的电导率的电连接装置 - Google Patents

具有改进的电导率的电连接装置 Download PDF

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CN103119788B CN201180044806.5A CN201180044806A CN103119788B CN 103119788 B CN103119788 B CN 103119788B CN 201180044806 A CN201180044806 A CN 201180044806A CN 103119788 B CN103119788 B CN 103119788B
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Abstract

本发明涉及一种包括两个导体（12和14）的电连接装置，其中特别是这两个导体中的至少一个由铝制成，每个导体均具有接触表面，并且导电元件（10）插入到这些导体的接触表面之间。插入的导电部由包括开孔的金属泡沫的骨架构成，所述金属选自铁、钴、镍以及其合金构成的组，并且直接覆盖有铜、锡、铟或者其合金中的一个的至少一个涂层。

Description

具有改进的电导率的电连接装置
技术领域
本发明涉及一种电连接的电导率的改进，尤其涉及一种用于两个金属导体之间的电连接的装置。
背景技术
在所有使用金属电连接的领域中，尤其是在电力电工领域，使两种金属接触的电连接会随着时间而性能降低。这导致很大的电力损失。结果，效率损失成为主要的问题。这些连接的性能降低是不可逆的。在实践中，接触表面的性能降低会导致通过该表面的电流密度变化。结果通过焦耳效应会发生电力损失，同时温度上升，这加速了连接以及导体的性能降低，甚至可能导致它们融化。
对连接进行维护时需要拆开它们，从而重新形成接触区域的表面。用于这种重新形成表面的操作所采用的工具通常是转盘研磨机。这些降低了接触表面的总体平坦度，这导致接触的区域和接触点在表面区域中受限。由于接触区域减少，于是连接会受到集中于这些区域的电应力,并且其性能降低更加快速了。
法国专利No.2,847,391描述了一种接触装置，该接触装置包括由泡沫银（silver foam）制成的导电元件，其适于插入到电连接的两个导体的两个接触表面之间。该泡沫银被证明非常昂贵。
此外，主要出于成本的原因，目前在所有的连接中，由铜制成的导体被由铝制成的导体替代，铝的电导率与铜的电导率非常接近，但便宜很多。铝的主要缺点是会形成铝层，这使得连接中的连接性很弱。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种电连接装置，其可以改进该连接的电导率并且可以减缓接触表面的性能下降。
因此，本发明的第一方案的主题是电连接装置，其包括：两个导体，每个导体均具有接触表面；和导电元件，所述导电元件被插入到所述导体的接触表面之间。插入的导电元件由具有开孔（open cell）的金属泡沫的骨架构成，所述金属选自由铁、钴、镍及其合金构成的组，并且直接覆盖有铜、锡、铟或者其合金中的一个的至少一个涂层。
在实施例中，该涂层是铜的涂层，其自身涂覆有锡、铟或者其合金中的一个的涂层。
根据第二方案，本发明的目的是一种电连接装置，其包括：两个导体，每个导体均具有接触表面；和导电元件，所述导电元件被插入到所述导体的接触表面之间，插入的导电元件由具有开孔的金属泡沫的骨架构成，其中形成插入的导电元件（10）的骨架的金属泡沫被油脂浸渍。
根据第三方案，本发明的目的是一种电连接装置，其包括：两个导体，每个导体均具有接触表面；和导电元件，所述导电元件被插入到所述导体的接触表面之间，插入的导电元件由具有开孔的金属泡沫的骨架构成，其中形成插入的导电元件的骨架的金属泡沫形成接触表面的外围的密封部。
根据第四方案，本发明的目的是一种夹持系统，所述夹持系统包括适于将围绕插入的导体元件的两个导体连接到一起的夹持工具，所述插入的导电元件由具有开孔的金属泡沫的骨架构成，旨在减小连接的电阻，所述金属泡沫的金属选自由铁、钴、镍及其合金构成的组，并且直接覆盖有铜、锡、铟或者其合金中的一个的至少一个涂层。
根据第五方案，本发明的目的是一种电表，其包括根据本发明的第一到第三方案中的一个方案的电连接装置或者根据本发明的第四方案的主题的夹持系统。
根据第六方案，本发明的目的是一种弯折端子配件，所述弯折端子配件包括由旨在减小连接的电阻的具有开孔的金属泡沫的骨架构成的导电元件，所述金属泡沫的金属选自由铁、钴、镍及其合金构成的组，并且直接覆盖有铜、锡、铟或者其合金中的一个的至少一个涂层。
在实践中，弯折具有与其它连接相同的问题，也就是以上解释的问题。
根据第七方案，本发明的目的是一种用于使两个导体电连接的方法，每个导体均具有接触表面，所述方法包括将所述接触表面定位成彼此相对的步骤，其特征在于，所述方法包括在所述接触表面之间定位由具有开孔的金属泡沫的骨架构成的插入的导电元件，所述金属选自由铁、钴、镍及其合金构成的组并且直接覆盖有铜、锡、铟或者其合金中的一个的至少一个涂层。
附图说明
在阅读以下参照附图给出的描述时，本发明的其它目标、目的和特征将显得更加清晰，其中：
图1表示根据本发明的电连接装置的特定实施例的剖视图；
图2表示图1中示出的根据本发明的装置的插入的导电元件，其包括外围密封部；
图3A和图3B分别以平面图和侧视图表示在弯折之前，作为本发明的第六方案的主题的弯折端子的特定的实施例；以及
图4以侧视图表示在导体上弯折和紧固之后的图3A和图3B中示出的弯折端子。
具体实施方式
首先，参照图1和图2描述本发明的第一方案。根据本发明的电连接装置可以是图1中示出的装置。两个导体12和14被金属泡沫制成的插入的导电元件10分隔开，使得它们各自的表面与该泡沫进行接触。借助于穿过两个导体和插入的导电元件10的诸如夹持螺栓16等夹持工具，因夹持的接触而在导体12与14之间产生电连接。
在如图1和图2中示出的实施例中，至少一个导体由铝制成。然而，本发明并不限于这种情况并且可应用到例如由铜制成的所有导体。
插入的元件10的金属泡沫是具有由金属（该金属选自由铁、钴、镍及其合金构成的组中）的泡沫骨架构成的、具有开孔的泡沫，所述泡沫骨架直接覆盖有诸如锡、铟或者其合金之一的涂层等至少一个金属涂层。
泡沫骨架能够借助电解获得。在这种情况下，一片诸如聚氨酯泡沫等塑料材料的泡沫被制成导电并且用作电解池中的阴极，这能够用金属层覆盖泡沫的开孔的所有表面。
用于获得该片金属泡沫的第二种方法是借助真空沉积技术来沉积金属。
第三种方法由通过较小厚度的金属层的化学沉积来激活塑料材料的泡沫的第三步骤构成，接着是电解的第二步骤，在此期间，适当厚度的同一金属层通过电解而被沉积。
在金属层沉积之后，通过合适的方法（例如通过在炉中燃烧）去除聚氨酯。聚氨酯燃烧并且消失，从而仅剩下由金属单独地构成的骨架。
以这种方式获得的泡沫10的结构是多孔的并且其物理性能主要是高孔隙率和可变形性，这具有减小连接电阻的效果，以及约400g/m的低密度。应注意到，孔隙率表示空隙对整个体积的比值。优选地，该比值大于50%，更优选地，大于70%。可变形性表示处于压力下的泡沫的最小厚度相对于加压前的泡沫厚度的比值。该比值优选地小于50%，并且更优选地，小于10%。
在所示的实施例中，由于泡沫10是多孔结构，所以泡沫10主要由空隙构成。因此，泡沫10的表面包括数量达到每平方毫米30点的约1微米的大量接触点。泡沫10的厚度为约2mm。由于这些点，插入的元件10具有很多的触点、高导电性以及因而具有低电阻。选择铁、钴、镍或者其合金之一（它们是具有很大硬度的金属）能够获得硬点，这些硬点能够在这些导体的夹持的作用下穿入到导体的表面中。
本发明的一个特征在于金属泡沫骨架通过电解或者任何其它方法（喷射、在电解液中浸泡，等等）直接覆盖有另一金属的涂层，使得整个多孔表面都涂覆有该另一金属。与形成骨架的金属不同，涂层金属优选为可延展的，从而增大形成骨架的金属的每一点的接触表面积，以便穿入到导体表面的纹理中，并且提高导体的金属（例如铝或铜）与泡沫骨架之间的电化学兼容性，从而产生微焊接。因此，骨架的外部涂层金属优选为锡、铟或者其合金之一。
应注意到，第一涂层还能够覆盖有与第一涂层不同的金属的另一涂层，以此类推。例如，如果第一涂层是锡的，第二涂层可以是铟的，或者如果第一涂层是铜的，第二涂层可以是锡的。
根据本发明的优选实施例，插入的导电元件10由覆盖有锡涂层的镍泡沫骨架构成。
如图2中所示，插入的元件10优选地包括外围密封部20。该外围密封部20能够以不同的方式产生。它能够被浸渍在泡沫中或者通过在外围上沉积弹性体类型的密封产品而产生。还可以通过在该片泡沫10的边缘中对其自身折入至少一次或者通过翻转该片泡沫10的边缘来产生密封部20。在压力的作用下，该片泡沫的厚度被制成均匀的，这意味着，通过在插入的导电元件10的外围处生成密封部的作用，泡沫被折入的区域中的密度至少加倍。
外围密封部20通过在接触的外围处形成紧密的屏障而能够减少使性能降低的外部介质的进入。在实践中，特别是在电解槽的情况下，使性能降低的介质通常是诸如苏打或洗涤水或者通过水传输的任何其它污染产品等液体。
根据本发明的装置能够用于新的电连接。在这种情况下，其改善了电流经过接触表面的均匀性。在实践中，在电连接的情况下，位于靠近夹持工具或者夹持螺栓16的位置的接触较大。因此，由接触的导体12和14构成的电连接的电阻（因而电损失）在靠近夹持工具16处是最低的，并且随着与之距离的增大，电阻也增大更多。电流的这种非均匀的分布促成了电流较集中的区域，并因此使得性能更快速地降低。由泡沫构成的插入的导电元件10的添加增多了两个导体12与14之间的接触点，并因此允许电流在整个接触表面上均匀的分布。由于这种均匀的分布，所以不存在电流集中的区域，并因此不存在应力较大且容易更快速降低性能的区域。
根据本发明的装置还能够有利地用于性能降低或者电连接变形的接触。因此，在由铝制成的导体的情况下，空气中的氧气导致形成氧化铝层，这增大了连接的电阻。在现有技术中，为了避免氧化铝层的形成，一般通过采用爆炸焊接法（explosion welding method）将两个导体焊接在一起。然而，该技术非常昂贵且难以实施。在去除氧化铝之后或者在未去除氧化铝的情况下，使用由泡沫10制成的插入的元件是快速且便宜的。
在电解槽和炼钢炉的领域中，导体和电连接都会经受高密度的电流以及处于高温下。连接的磨损主要表现在电连接的接触表面变形。这会导致在每个电连接中产生高达数千瓦的重大的电损失以及经过接触表面的电流的变化。因此，要通过使用根据本发明的插入的导电元件10，不再需要对变形的接触表面进行再加工。
因此，即使当包含约1毫米的变形时，在已经降低性能且变形的接触表面的电连接中也可获得重大的改进。在实践中，泡沫10的可变形性使得其能够紧贴处于接触的导体12和14的表面的降低轮廓，因此增加了接触表面并且分散了夹持工具16所施加的压力。
此外，位于泡沫10的表面上的点还刺入在导体12和14的表面上永久地形成的氧化物（如氧化铝）层，这能够提高磨损的连接的电导率，并且在不用首先清洁它的情况下就可以进行。
根据变型实施例，形成插入的导电元件10的泡沫被完全填充泡沫的微孔的油脂浸渍（填充），这防止可能使表面氧化或者性能降低的污染物或介质的进入。应注意到，油脂可以导电，从而增加了泡沫的电导率。这种油脂以注册商标“Penetrox”而闻名。此外，这种油脂可包含抗氧化产品和增加其寿命的几微米的金属颗粒。这些颗粒可以是银、金或者是较好的电导体的任何其它金属颗粒。作为变型方案，形成插入的导电元件10的泡沫被一种组分浸渍或填充，该组分例如是基本的、适于减小导体12和14中的至少一者的表面上的高电阻率层（例如铝导体上的氧化铝）的形成的组分，和/或用于清洁导体12和14中的至少一者的表面的组分。
根据本发明的装置在其有效性随温度而增大时将更加有益。在实践中，通过使用根据本发明的具有由锡覆盖的镍泡沫10的装置，在5000A的密度的电流和80℃的温度的情况下，1dm2的连接的电势的降低是大约几mV。该特定特征是因为泡沫10的点在该温度的作用下被焊接到通过其而接触的导体12和14。
如上所述，根据本发明的装置用于提高两个导体的连接的电导率是特别有益的，其中这两个导体由铝制成，或者一个由铜制成，另一个由铝制成，或者两个都由铜制成。
最终，由于其引起的电损失有所减少，所以根据本发明的装置特别适合于大于1000A的高密度的电流。
应注意到，使用弹性可变形的泡沫还提供了减少松开夹持工具的冲击的益处，因为在这种情况下，泡沫膨胀并且以这些接触表面上的压力较低的代价持续地紧贴接触表面。
在实施例中，插入的导电元件10由具有高孔隙率和可变形性的开孔的金属（该金属选自铁、钴、镍及其合金构成的组中）的泡沫骨架构成，并且直接覆盖有铜或者其合金中的一种的至少一个涂层。
优选地，铜的涂层自身涂覆有锡、铟或者其合金中的一种的涂层。具体地，发明人已经确定涂覆有铜（铜自身涂覆有锡）的镍泡沫具有非常有益的电连接特性。
根据第二方案，本发明的目的是电连接装置，其包括两个导体（12和14），每个导体具有接触表面以及插入到所述导体的接触表面之间的导电元件10，该插入的导体元件10由具有开孔的金属的泡沫骨架构成，其中形成插入的导电元件10的骨架的金属泡沫被油脂浸渍。
如已经看到的，这些特征允许电连接有所改进。
优选地，该油脂是导电油脂。
优选地，插入的元件的泡沫具有高孔隙率和可变形性，由于导体的每一个上的泡沫的接触点所形成的接触质量，并且可能地，由于穿过它们允许的氧化铝，所以这具有减少连接的电阻的效果。
根据第三方案，本发明的目的是一种电连接装置，其包括两个导体（12和14），每个导体具有接触表面以及插入到所述导体的接触表面之间的导电元件10，该插入的导电元件10由具有开孔的金属的泡沫骨架构成，其中形成插入的导电元件10的骨架的金属泡沫形成接触表面的外围的密封部。
如已经看到的，这些特征允许电连接有所改进。
根据第四方案，本发明的目的是一种夹持系统，其包括夹持工具，如夹持螺栓16，该夹持工具旨在将两个导体与插入的导电元件10连接到一起。于是，电工只需要将导体12和14定位成围绕插入的导体元件，然后紧固夹持工具以获得本发明的有利的效果。
本发明的第二、第三或者第四方案的其它特征是如结合图1和图2所述的、本发明的第一方案的必要的、优选的或者有益的特征。
根据第五方案，本发明的目的是一种电表，其包括根据本发明的第一到第三方案中的一个的电连接装置或者根据本发明的第四方案的主题的夹持系统。该发明人已经确定在每两个国内的火灾中的一个就是源自于国内的电表。与电表结合的电连接装置中的本发明的实施方案因此是特别有益的。在实践中，不管该热循环如何，泡沫10的弹性变形确保保持电接触，这避免了或者至少延迟了因焦耳效应而产生的过热。因此，本发明同样地应用于高电流和低电流。
根据在图3A、图3B和图4中示出的第六方案，本发明的目的是一种弯折端子配件以及设有该配件的弯折端子，其包括由旨在减小连接的电阻的具有开孔的金属的泡沫骨架构成的导电元件10，选自由铁、钴、镍及其合金构成的组中的金属泡沫的金属直接覆盖有铜、锡、铟或者其合金中的一个的至少一个涂层。
如图3A和图3B中所示的，在一个实施例中，作为本发明的主题的弯折端子28在弯折之前由泡沫10的平板构成，该弯折端子28包括：
-区域30，需要被折入成挤压导电电缆40，以及
-接触区域32，旨在被夹持工具44按压到导体42上。
例如，导体42是车辆电池端子。
优选地，该片泡沫10的形式对应于该片泡沫所连结到的金属片34的形式。因此，该片泡沫10产生弯折端子配件，其一旦与金属片34结合就形成弯折端子。
如图4中所示，在将区域30挤压在电缆40上并对夹持工具定位之后，该端子确保电缆40与导体42之间的电接触。与弯折领域中已知的现有技术相比，该电接触具有非常低的电阻。结合图1和图2而解释的本发明的其它特征和优势同样构成作为本发明的第六方案的主题的弯折端子的特征和优势。

Claims (15)

1.一种电连接装置，包括：两个导体(12，14)，每个导体均具有接触表面；和导电元件(10)，所述导电元件被插入到所述两个导体的接触表面之间，插入的导电元件由具有开孔的金属泡沫的骨架构成，旨在减少连接的电阻；
所述装置的特征在于，所述插入的导电元件由这样的金属泡沫的骨架构成：所述金属选自由铁、钴、镍及其两者或三者的合金构成的组，并且直接覆盖有铜、锡、铟或者其两者或三者的合金中的一个的至少一个涂层。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述涂层是铜的涂层或者铜与锡和/或铟的合金中的一个的涂层，其自身涂覆有锡、铟或者锡与铟的合金中的一个的涂层。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述两个导体(12，14)中的至少一个由铝制成。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述插入的导电元件(10)包括镍泡沫的骨架。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述镍泡沫的骨架覆盖有锡的涂层。
6.根据权利要求1所述的装置，其中密度大于1000安培的电流在进行流通。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述插入的导电元件(10)包括位于它的外围的至少一个密封部(20)，从而形成对于使性能降低的外部介质而言很紧密的屏障。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述密封部(20)通过在所述插入的导电元件(10)的外围上沉积弹性体类型的密封产品而产生。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述密封部(20)通过对所述插入的导电元件(10)的边缘进行至少一次折入而产生。
10.根据权利要求1所述的装置，其中形成所述插入的导电元件(10)的骨架的金属泡沫被油脂浸渍。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述油脂是导电油脂。
12.根据权利要求1所述的装置，其中形成所述插入的导电元件(10)的骨架的金属泡沫被这样的组分浸渍，所述组分适于减小所述两个导体(12，14)中的至少一者的表面上的高电阻层的形成，和/或适于清洁所述两个导体中的至少一者的表面。
13.一种夹持系统，其特征在于，所述夹持系统包括适于将围绕插入的导电元件(10)的两个导体连接到一起的夹持工具(16)，所述插入的导电元件(10)由具有开孔的金属泡沫的骨架构成，旨在减小连接的电阻，所述金属泡沫的金属选自由铁、钴、镍及其两者或三者的合金构成的组，并且直接覆盖有铜、锡、铟或者其两者或三者的合金中的一个的至少一个涂层。
14.根据权利要求13所述的夹持系统，其中所述金属泡沫的骨架由直接覆盖有铜的涂层的镍制成。
15.根据权利要求13所述的夹持系统，其中所述金属泡沫的骨架由直接或间接地覆盖有锡的涂层的镍制成。
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