DE4029107A1

DE4029107A1 - Verfahren zum herstellen eines zno-hochleistungsvaristors mit einem radialen widerstandsprofil

Info

Publication number: DE4029107A1
Application number: DE19904029107
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Bruchhaus; Winfried Dr Holubarsch
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1990-09-13
Filing date: 1990-09-13
Publication date: 1992-03-19

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

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 Sb_bO₃ 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.