DE4330178B4

DE4330178B4 - Gasgefüllter Überspannungsableiter mit Kupferelektroden

Info

Publication number: DE4330178B4
Application number: DE4330178A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Lange
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2013-09-01
Also published as: CA2131043A1; US5569972A; DE4330178A1

Abstract

Gasgefüllter Überspannungsableiter mit zwei napfartig ausgebildeten Kupferelektroden, die mit ihrem Rand jeweils stirnseitig auf einen rohrförmigen Keramikisolator aufgelötet sind, wobei der Rand eine Wanddicke von weniger als 0,6 mm aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rand (8) jeder Kupferelektrode (2,3) stirnseitig mit einem Kontaktring (9) aus einem schweißbaren Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 120 × 10^–7/°C versehen ist,
wobei der Kontaktring eine Höhe (h) aufweist, die größer als die Wanddicke (D) des Randes (8) der Kupferelektrode ist, und der Kontaktring (9) mit dem Rand (8) der Kupferelektrode verlötet ist,
und daß auf die Außenfläche des Kontaktringes (9,12) ein Kupferdraht (11) aufgeschweißt ist.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauelemente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung der Anschlüsse von solchen Überspannungsableitern anzuwenden, deren Elektroden napfartig ausgebildet sind, aus Kupfer bestehen und mit einem rohrförmigen Keramikisolator verlötet sind. Ein solcher, den Oberbegriff bildender Überspannungsableiter ist aus der Druckschrift US 4 266 260 A bekannt.

Gasgefüllte Überspannungsableiter mit napfartig ausgebildeten Kupferelektroden sind bekannt. Die Verwendung von Kupfer als Elektrodenmaterial bietet dabei die Vorteile kleiner Abmessungen und hoher Strombelastbarkeit. Dabei können die Elektroden in einem Fließpreßverfahren oder in einem Prägeverfahren hergestellt werden. Wegen der erheblichen Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Keramik haben die Elektroden im Bereich der Lötverbindungsstelle mit dem Keramikisolator eine Wandstärke von weniger als 0,6 mm. Wärmespannungen können sich daher über die plastische Verformbarkeit des Kupfers, ausgleichen.

Die Kontaktierung von Kupferelektroden erfolgt in axialer Richtung entweder formschlüssig über den für die Verlötung mit dem Keramikisolator vorgesehenen Rand oder stoffschlüssig über Anschlußdrähte, die an einen Stutzen im rückwärtigen Bodenbereich der eigentlichen Elektrodenflache angeschweißt sind ( US 4 266 260 A , US 4 433 354 A ). Derartig angeschweißte Anschlußdrähte können auch in radialer Richtung abgebogen werden ( US 4 866 563 A ). Die radiale Zuführung von Anschlußdrähten beansprucht in axialer Richtung einen gewissen Raum, der beim Einbau von Überspannungsableitern in elektronische Geräte nicht immer gegeben ist. In diesen Fällen kann eine axiale Kontaktierung nicht verwendet werden. Eine solche Kontaktierung der Elektroden kann auch dann nicht verwendet werden, wenn die Elektroden axial mit einer Zusatzeinrichtung wie einer Überlastschutzeinrichtung belegt sind. In diesen Fällen können die Elektroden mit radial angeschweißten Anschlußdrähten versehen sein, sofern der Elektrodenrand eine genügende Wandstärke aufweist, wie es bei Elektroden aus einer sonst hierfür üblichen Eisenlegierung üblich ist ( US 4 984 125 A ).

In der älteren, nachveröffentlichten Druckschrift DE 4318366 A1 ist bereits vorgeschlagen worden, mit dem Lötrand einer Kupferelektrode stirnseitig einen Anschluß stoffschlüssig zu verbinden, der in diesem Bereich die Form eines Ringes hat. Dabei sind der Ring und der radial abstehender Anschlußdraht einstückig ausgebildet. Der Ring dient zugleich zur Zentrierung eines zusätzlichen zylindrischen Bauteiles.

Aus der Druckschrift DE 26 18 991 B2 ist ein Überspannungsableiter bekannt, bei dem die Kontaktierung der Elektroden mit Hilfe von abgewinkelten Blechstreifen erfolgt, die an ihren Enden mit einer zylinderförmigen Rollung versehen sind und dabei in eine topfförmige Vertiefung der Elektroden eingreifen.

Aus der Druckschrift WO 85/02723 A1 ist ein Überspannungsableiter bekannt, bei dem die zylinderförmigen Elektroden mit einem Flansch versehen sind. Auf diesem Flansch sind Dichtringe aus Nickel/Eisen angeordnet.

Aus der Druckschrift DE 1 463 232 A ist ein Überspannungsableiter bekannt, dessen Kontaktierung mit Hilfe eines blattfederartigen Kontaktelements erfolgt, das Abbiegungen mit Durchbrechungen aufweist.

Ausgehend von einem Überspannungsableiter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine axial möglichst wenig ausladende und fertigungstechnisch leicht handhabbare Kontaktierung der Kupferelektrode zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Rand jeder Kupferelektrode stirnseitig mit einem Kontaktring aus einem schweißbaren Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 120 × 10^–7/°C ist, wobei der Kontaktring eine Höhe aufweist, die größer als die Wanddicke der Kupferelektrode ist, und der Kontaktring mit dem Rand der Kupferelektrode verlötet ist, und daß auf die äußere Mantelfläche des Kontaktringes ein Anschlußdraht aufgeschweißt ist.

Mit einer derartigen Ausgestaltung des Überspannungsableiters ist auf axial engstem Raum eine radiale Kontaktierung durch tangential oder durch radial stumpf angeschweißte Anschlußdrähte gegeben. Die Verwendung eines Kontaktringes mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 120 × 10^–7/°C führt dabei zu einer Reduzierung der Scherbeanspruchung der Lötverbindung zwischen der Kupferelektrode und dem Keramikteil, weil der Kontaktring hinsichtlich seines Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramik (75 × 10^–7/°C) und des Kupfers (etwa 170 × 10^–7/°C) liegt und somit Schrumpfspannungen der Kupferelektrode in deren Randbereich teilweise auffängt. Demzufolge sind für den Kontaktring vorzugsweise eisenhaltige Legierungen geeignet, es kommt aber auch die Verwendung von reinem Nickel in Betracht. – Die Reduzierung der Scherbeanspruchung im Bereich der Lötverbindung zwischen Kupferelektrode und Keramikisolator führt dabei zu einer höheren elektrischen und damit thermischen Belastungsmöglichkeit des Ableiters. – Die Verwendung eines speziellen Kontaktringes, an den erst im Verlauf des Fertigungsprozesses des Ableiters ein Anschlußdraht angeschweißt wird, bietet weiterhin fertigungstechnische Vorteile dadurch, daß der zunächst nur mit Kontaktringen versehene Überspannungsableiter Fertigungsvorgängen wie Trommelschleifen, Beizen, Versilbern oder Verzinnen, Bedrucken und Formieren unterzogen werden kann, ohne daß hierbei bereits vorhandene Drahtanschlüsse hinderlich wären. – Für die Verlötung des Kontaktringes mit dem Rand der Kupferelektrode wird zweckmäßig Silber verwendet, das auf den Kontaktring galvanisch mit einer Schichtdicke von etwa 5 μm aufgebracht ist. Diese Silberschicht bildet bei der Löttemperatur des Ableiters mit der Oberflächenschicht des Randes der Kupferelektrode eine Lötverbindung in der Nähe des eutektischen Punktes. Auf diese Weise ist gewährlei stet, daß die Verlötung des Kontaktringes und der Kupferelektrode gleichzeitig mit der Verlötung der Kupferelektrode und des Keramikisolators durch geführt werden kann.

Der gemäß der Erfindung verwendete Kontaktring kann aus einem Runddraht geformt sein. Man kann hierfür auch einen Profildraht verwenden, dessen Querschnitt von der Kreisform abweichend im Bereich der Auflagefläche auf der Kupferelektrode abgeflacht, an der äußeren Mantelfläche ebenfalls abgeflacht und an der inneren Mantelfläche kuppenartig zugespitzt ist. Hierbei stehen im Bereich der vorgesehenen stoffschlüssigen Verbindungen größere Verbindungsflächen zur Verfügung, während die kuppenartige Zuspitzung der Zentrierung eines zusätzlichen Bauteiles dienen kann. – Als besonders vorteilhaft hat es sich aber erwiesen, wenn der Kontaktring aus einem Stanzformteil mit etwa rechteckigem Querschnitt besteht. Durch Trommelschleifen können dabei an den Kanten des Ringes Fasen gebildet werden, die im Bereich der Anlagefläche an den Rand der Kupferelektrode eine radial nicht auftragende Lötnaht gewährleisten. – Ein gestanzter Kontaktring kann gegebenenfalls auch so ausgebildet sein, daß sein Querschnitt an der Innenfläche eine flache kegelförmige Zuspitzung aufweist.

Mit Rücksicht auf die an gasgefüllte Überspannungsableiter angeschweißten Anschlußdrähte mit einem Drahtdurchmesser von 1 mm beträgt die Höhe des Kontaktringes zweckmäßig etwa 0,8 bis 1 mm. Als Material für den Kontaktring haben sich insbesondere magnetische, rostfreie Stähle mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 120 × 10^–7 bewährt, beispielsweise ein Stahl der Bezeichnung X8Cr17 oder auch die Legierung N42 sowie der für Vakuumzwecke handelsübliche Werkstoff Vacon (ein Kobalt-Nickel-Stahl).

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1 bis 4 dargestellt. Dabei zeigt
1 einen Dreielektrodenableiter mit an den Endelektroden angeordneten Kontaktringen aus einem Profildraht und mit einem angeschweißten Anschlußdraht,
2 einen Kontaktring aus einem Runddraht mit angeschweißtem Anschlußdraht und die
3 und 4 gestanzte Kontaktringe mit angeschweißtem Anschlußdraht.
1 zeigt einen gasgefüllten Drei-Elektroden-Ableiter mit der Mittelelektrode 1, den beiden Endelektroden 2 und 3 und den rohrförmigen Keramikisolatoren 4 und 5. Jede der beiden Endelektroden 2 und 3 ist napfförmig gestaltet und weist einen dicken Boden 6, eine Wandung 7 und einen dünnen Rand 8 auf. Der Rand 8 hat eine Wandstärke von etwa 0,5 mm. Die beiden Endelektroden 2 und 3 sind mit ihrem Rand 8 mit dem Keramikisolator 4 bzw. 5 stirnseitig verlötet. – Die Elektroden 2 und 3 bestehen aus Kupfer und sind durch Fließpressen hergestellt.
Auf den Rand 8 jeder Elektrode 2 bzw. 3 ist ein Kontaktring 9 aufgelötet, der aus einer magnetischen, rostfreien Eisenlegierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 120 × 10^–7/°C besteht. Jeder Kontaktring 9 ist mit einer Silberschicht 10 versehen, die beim Lötvorgang schmilzt und mit der oberflächlichen Kupferschicht des Randes 8 eine Silber-Kupferlegierung eingeht. – Die Höhe h jedes Kontaktringes ist größer als die Wanddicke D des Randes 8 und liegt bei etwa 0,8 bis 1 mm.
An den Kontaktring 9 ist ein Anschlußdraht 11 tangential angeschweißt. Der Anschlußdraht 11 besteht in aller Regel aus Kupfer und ist verzinnt oder versilbert.
Die Kontaktringe 9 bestehen jeweils aus einem Profildraht, der zu einem Ring geformt ist. Das Profil dieses Profildrahtes ist dabei so gewählt, daß die Auflagefläche auf dem Rand 8 sowie die äußere Mantelfläche im wesentlichen eben ausgebildet sind, während die innere Mantelfläche kuppenartig zugespitzt ist.
Gemäß 2 wird der Kontaktring von einem Runddraht 12 gebildet.
Gemäß 3 besteht der Kontaktring 13 aus einem Stanzteil mit ebener Ausgestaltung der Auflagefläche, der Deckfläche und der äußeren Mantelfläche. Die innere Mantelfläche weist eine flache kegelförmige Zuspitzung 15 auf.
Gemäß 4 besteht der Kontaktring 14 aus einem Stanzteil mit rechteckigem Querschnitt, wobei an den Kanten durch Trommelschleifen Fasen 16 gebildet sind.

Claims

Gasgefüllter Überspannungsableiter mit zwei napfartig ausgebildeten Kupferelektroden, die mit ihrem Rand jeweils stirnseitig auf einen rohrförmigen Keramikisolator aufgelötet sind, wobei der Rand eine Wanddicke von weniger als 0,6 mm aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (8) jeder Kupferelektrode (2,3) stirnseitig mit einem Kontaktring (9) aus einem schweißbaren Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 120 × 10^–7/°C versehen ist, wobei der Kontaktring eine Höhe (h) aufweist, die größer als die Wanddicke (D) des Randes (8) der Kupferelektrode ist, und der Kontaktring (9) mit dem Rand (8) der Kupferelektrode verlötet ist, und daß auf die Außenfläche des Kontaktringes (9,12) ein Kupferdraht (11) aufgeschweißt ist.
Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (4) aus Nickel besteht.
Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (9) aus Eisen (Fe) oder einer Fe-Legierung besteht.
Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (12) aus einem Runddraht geformt ist.
Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (9) aus einem Profildraht geformt ist, dessen Querschnitt von der Kreisform abweichend im Bereich der Auflagefläche auf der Kupferelektrode abgeflacht, an der äußeren Mantelfläche ebenfalls abgeflacht und an der inneren Mantelfläche kuppenartig zugespitzt ist.
Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (14) aus einem Stanzformteil mit etwa rechteckigem Querschnitt besteht.
Überspannungsableiter nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kontaktringes (13) an der inneren Mantelfläche eine flache kegelförmige Zuspitzung (15) aufweist.
Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des Kontaktringes etwa 0,8 bis 1 mm beträgt.
Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (9) mit einer galvanisch aufgebrachten Silberschicht (10) mit einer Dicke von etwa 5 μm versehen ist.