DE1072285B

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Publication number: DE1072285B
Application number: DENDAT1072285D
Authority: DE
Publication date: 1959-12-31

Description

1. UNDESREPU B UK 1>EUTSC H LAN D

DEUTSCHES /M*f*®i< PATENTAMT

kl. 21 c 2/03

INTERNAT. KL. H 01

AUSLEGESCHRIFT 1072 285

W 16622 VIIId/21 c

ANMELDETAG: 5. MAI 1955

DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 31. DEZEMBER 1959

Die Erfindung befaßt sich mit der Einbettung von elektrischen Geräten und deren Einkapselung in ein abgedichtetes Gehäuse und empfiehlt für diese Zwecke eine Einbettungsmasse, die den besonderen Einbettungsverhältnissen gerecht wird.

Elektrische Geräte, wie Spulen, Transformatoren, Netzwerke od. dgl., werden gewohnlich in metallene Gehäuse eingekapselt, um sie vor schädlichen Umgebungseinflüssen zu schützen. Wenn merkliche Wärmemengen von diesen Geräten erzeugt werden, so ist es üblich, den freien Raum im Gehäuse mit einem Füllstoff oder Einbettungsmaterial auszufüllen, das eine bessere Wärmeableitung zur Außenseite des Gehäuses gewährleistet als der freie Luftraum.

Es ist notwendig, daß eine solche Füll- oder Einbettungsmassc eine angemessene Wärmeleitfähigkeit besitzt und daß sie verhältnismäßig indifferent ist. In den meisten Fällen ist es wünschenswert, daß sie in feuchter ebenso wie in trockener Atmosphäre einen guten Isolationswiderstand besitzt. Sie darf sich beim Erhitzen nicht verschlechtern und darf am Gerät oder am Gehäuse keinen Schaden infolge Wärmedehnung anrichten. Sie muß auch gießfähig sein, so daß sie leicht in das Gehäuse eingefüllt werden kann und die engen Zwischenräume im Gerät oder zwischen Gehäuse und Gerät ausfüllt.

Diese Eigenschaft besitzt eine anorganische, pulverförmige Einbettungsmasse mit großer Wärmeleitfähigkeit für elektrische in ein abgedichtetes Gehäuse eingekapselte Geräte, die gemäß der Erfindung aus im wesentlichen sphärisch geformten Einzclteilchen aus geschmolzener Tonerde (Al₂O₃) besteht, die mit einem Siliconharz überzogen sind.

Für die Einbettung der in einem Gefäß untergebrachten Spulen von Stromwandlern und anderen auf Induktionswirkung beruhenden Apparaten ist gemäß der deutschen Patentschrift 432 810 bereits vorgeschlagen worden, den Hohlraum des Gefäßes mit einem pulverförmiger! oder feinkörnigen Stoff, z. B. Porzellan- oder Glasmehl, geschlemmtem Ton, Kaolin oder feinem Quarzsand, auszufüllen. Die Verwendung solchen Materials hat sich wegen der nur geringen erzielbaren Wärmeableitung nicht als zweckmäßig erwiesen. In dem deutschen Patent 916 073 wurde deshalb empfohlen, Kristalle aus Salzen oder Mineralien der Gruppe Calciumfluorid, Natriumchlorid, Natriumfluorid, Kaliumchlorid, Kaliumfluorid als Einbettungsmaterial zu verwenden. Der praktische Erfolg einer solchen Einbettung wurde von dem Umstand erwartet, daß kristalline Stoffe der genannten Art außer hoher Wärmeleitfähigkeit und guten elektrischen Eigenschaften die Eigentümlichkeit besitzt, daß die Kristalle einfache geometrische Formen mit großen Flächen, vorwiegend Würfelform, haben.

Einbettungsmassen für elektrische Geräte

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 15. Juni 1954

Herbert Samuel Feder, Fanwood, N. J. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Gegenüber diesen bekannten Vorschlägen zeichnet sich die Erfindung zunächst dadurch aus, daß ge schmolzene Tonerde eine wesentliche höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als alle anderen bisher in Betracht gezogenen Stoffe. Diese hohe Wärmeleitfähigkeit wird durch die dichte Struktur gesteigert. Außerdem gewährleistet die sphärische Form der Teilchen einen sehr hohen Füllungsgrad, der sich praktisch von selbst einstellt und daher immer erreicht wird. Im Gegensatz zu Teilchen mit kubischen oder unregelmäßig gestalteten Oberflächen ist bei sphärischen Teilchen eine künstliche Verdichtung durch Rütteln nur in unwesentlichem Ausmaß erreichbar. Die optimalen Verhältnisse bestehen somit auch ohne besondere Aufmerksamkeit bei der Fertigung. Schließlich bietet die Umhüllung der Teilchen mit einem Siliconharz die Gewähr, daß die Isolationseigenschaften der Teilchen durch Feuchtigkeit nicht beeinträchtigt werden. Auf die Wärmeleitfähigkeit hat der Überzug keinen nachteiligen Einfluß. Die Stärke des Überzuges ist hierfür zu gering.

Die Vermeidung eines nachteiligen Einflusses des aus Siliconharz bestehenden Überzuges auf die Wärmeleitfähigkeit ist durch Messungen bestätigt worden. Die Dicke des erforderlichen Siliconharzüberzuges als Feuchtigkeitsschutz ist so gering, daß sich eine nachteilige Wirkung auf den Wärmeübergang überhaupt nicht feststellen ließ. Bei einem A^ersuch mit einem in unbedecktes geschmolzenes Aluminiumoxyd eingebetteten Transformator ist der maximale Temperaturanstieg unter gegebenen Bedingungen mit 121° C gemessen worden. Ein gleicher Transformator, der in

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das Material, jedoch mit Siliconharzüberzug, eingc- Tonerdepartikeln verwendet werden, die unregelmäßig bettet war, zeigte unter gleichen Versuchsbedingungen sind und scharfe Kanten haben, bleiben zwar die einen maximalen Temperaturanstieg von 122° C. Die meisten Vorteile erhalten, doch wird das Gießen cr-Diffcrcnz bezüglich des maximalen Tempcraturanstie schwert, und der hohe Füllungsgrad ist nicht mehr gcs der beiden Materialien liegt innerhalb des Ver- 5 gewährleistet. Die Grenzen für die Größe der Tonsuchsfchlcrbcrcichs, so daß die Ergebnisse der Mcs- erdeteilchen werden von praktischen Erwägungen besungen praktisch keinen Unterschied ergeben. stimmt. Für Geräte mäßigen Umfangcs ist es gewöhn-

In ihrer weiteren Ausbildung empfiehlt die Erfin- lieh wünschenswert, daß die Teilchen nicht größer sind

dung, den freien Raum zwischen den Teilchen der als die Teilchen, die ein Sieb passieren, das eine lichte

JLinbcttungsmassc mit Schwefelhexafluorid zu füllen, io Maschenweite von 0,42 mm und 225 Maschen/cm² bc-

uni dadurch die dielektrische Durchschlagfestigkeit sitzt. Wenn größere Teilchen verwendet werden, kön-

der Massen zu erhöhen. · ncn sich Schwierigkeiten beim Füllen ergeben, wenn

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung noch enge Zwischenräume vorhanden sind. Vorzugsweise

näher erläutert werden. werden Teilchen verwendet, die nicht größer sind als

Nach der Zeichnung ist ein Transformator 1 in 15 die, welche ein Sieb passieren, das eine lichte Mascheneinem Metallgehäuse untergebracht, welches aus einem weite von 0,35 mm und 324 Maschen/cm² besitzt. Seitenwandtcil 2. einer unteren Kappe 3 und einer Offenbar können jedoch bei größeren Apparaturen und oberen Kappe 4 besteht. Der Transformator wird von größeren Spielräumen befriedigende Resultate mit einem Winkel 5 gehalten, der an der unteren Kappe 3 größeren Teilchen erhalten werden, befestigt ist. Drei Transformatorzuführungen 6 sind 20 Die für die Zwecke der Erfindung geeignete gc-ιπ it entsprechenden Anschlußzuführungcn 7 vcrbun- schmolzene Tonerde ist ein handclsmäßig verfügbares den, die durch Isolicrmanschetlen 8 aus dem Gehäuse Material von unterschiedlicher Teilchengröße; die herausgeführt sind, wo sie die Anschlüsse 9 bilden. Teilchen sind rundlich und passieren alle ein Sieb Die Matischcttcu 8 sind in der Kappe 3 befestigt und mit lichter Maschenweitc von 0,35 mm und 324 Madienen als Abdichtungsmittel. Ein vierter, geerdeter 25 schcn/cm². Dieses Material hat ein spezifisches Gewicht Transforniatoranschluß ist nicht gezeigt. von 1,19, wenn es in ein Gehäuse gepackt und gc-

Der freie Raum zwischen dem Gehäuse und dem rüttelt wird, damit sich das Material setzt. Transformator wird mit einer Masse 10 aus sphäri- Wenn die Teilchengröße merklich unter der bleibt,

sehen siliconüberzogeiieu Toncrdcteilchcn gefüllt. Da- die von einem Sieb mit einer lichten Maschenweite

zu wird entweder die obere Kappe4 vom Gehäuse ent- 30 von 0,07 mm und 6400 Maschen/cm² zurückgehalten

fernt oder eine öffnung in der Kappe 4 vorgesehen, wird, so wird das Gießverhalten durch Packeffekte

die später verschlossen wird. beeinträchtigt und das Arbeiten mit dem Material

Obgleich das Gehäuse bis zum Rand mit Einbcl- weniger angenehm, weil es durch einen Luftstrom

lungsmassc 10 gefüllt werden kann, so läßt sich der weggetragen werden kann. Indessen bildet, von diesen

I-Tcrstcllungsgang doch dadurch vereinfachen, daß man 35 Umständen abgesehen, das feine Material eine befric-

clie Füllung nicht bis zum Rand vornimmt und den digende Einbettungsmasse. Vorzugsweise enthält das

restlichen Hohlraum mit einer Schicht 11 aus Gieß- Material keinen wesentlichen Anteil an Teilchen, die

harz ausfüllt. ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,12 mm

Die Wärmeleitfähigkeit der Einbettungsmasse ent- und 2304 Maschen/cm² passieren können, spricht derjenigen der bisher sehr umfangreich ver- 40 Die Einhaltung des sehr hohen Isoltionswiderstandes-

wendeten Vergußmasse aus Asphalt mit einem mine- der Masse auch in feuchter Umgebung wird durch den

rauschen Füllstoff, wie Sand oder Glimmer. Die Überzug aus Siliconharz erreicht. Dieser Harzübcr-

iVIasse hat außerdem einen sehr hohen Isolations- zug \'crhindert alle durch Feuchtigkeit bedingten un

widerstand, der durch Feuchtigkeit oder hohe Tempe- erwünschten Beeinträchtigungen in elektrischer Hin-

ratur nicht merklich beeinflußt wird. Sie ist indiffe- 45 sieht. Er kann auch verhältnismäßig hohen Arbeits-

rcnt und hat unbegrenzte Lebensdauer. Sie kann sehr tcmpcraturen ausgesetzt werden, ohne daß sich die

hohen Temperaturen ohne Beeinträchtigung ausgesetzt physikalischen oder elektrischen Eigenschaften ver-

werdcn und wird weder bei hohen Arbeitstempera- schlechtem.

türen flüssig, noch dehnt sie sich merklich aus. Dar- Das Siliconharz wird auf die Tonerdeteilchen in über hinaus ist die Masse in kaltem Zustand gießbar, 50 Form einer verdünnten Lösung in einem flüchtigen so daß das Füllen vereinfacht und weniger zufalls- organischen Lösungsmittel aufgebracht. Eine brauchabhängig wird. Dank der Kugelform der Teilchen bare "Lösung besteht aus 1 bis 5 Teilen Siliconharz dringt die Masse leicht und schnell in enge Spalten auf 100 Volumteile Lösungsmittel. Xylol ist ein typiiuncrhalb des Gehäuses ein. Aus diesem Grund ist es sches Lösungsmittel, das verwendet werden kann, möglich, ein Gehäuse zu verwenden, das weniger 55 Eine ausreichende Lösungsmenge wird mit dem Ton-Spielraum um das Gerät läßt, und demzufolge sowohl erdcpulver gemischt, um völlige Benetzung zu eraii Raum wie an Gewicht zu sparen. Da die Masse reichen, wobei überschüssige Lösung abgegossen wird, nicht hilzccmpfindlich ist, können Arbeitsbedingungen, Die siliconbehandelte Tonerde wird dann an der Luft unter denen die eingebetteten Geräte benutzt werden, oder im Vakuum getrocknet, um die Hauptmenge des eine wesentliche Ausweitung erfahren. Ein weiterer 60 Lösungsmittels zu entfernen. Die getrocknete, übcr-Vorteil ergibt sich daraus, daß das Gerät leicht zur zogene Tonerde wird dann auf Härtungstemperatur Kontrolle ausgcbcttct werden kann. erhitzt und bis zur ausreichenden Härtung gehalten.

Die gute Wärmeleitfähigkeit der Einbettungsmassc Die Erhitzung sollte wenigstens 1 Stunde dauern und

beruht auf der Natur der geschmolzenen Tonerde bei einer Temperatur von 196 bis 213° C durchgeführt selbst und die gute Gießeigenschaft auf der rundlichen 65 werden.

Form der geschmolzenen Tonerdeteilchen. Die Teil- Jedes Siliconharz ist verwendbar, das bis zur Un-

chcti brauchen natürlich keine genaue sphärische Form schmelzbarkeit gehärtet werden kann. Die Silicone

zu haben, doch ist es notwendig, daß sie wenigstens sind Polyorganosiloxane, in denen Alkyl-, Aryl- oder

abgerundet und frei von scharfen Kanten oder merk- Aralkylradikale die häufigsten Substituenten an den liehen Unregelmäßigkeiten sind. Wenn geschmolzene 70 Siliciumatomen sind und in denen diese Substituenten

in Mengen größer als 1, aber kleiner als 2 je Siliciumatom vertreten sind. Unter den häufigeren Siliconen befinden sich Äthylsilicon und Methylphenylsilicon.

Das Harz, aus dem die Schicht 11 besteht, kann jedes Gießharz sein. Besonders geeignet sind die Epoxyharze. Diese Harze bilden sich bei der Kondensation organischer Verbindungen die wenigstens zwei Epoxygruppcn enthalten. Besonders geeignet sind die Exoxyharze, welche Diglycidyläther von Diphenolen darstellen, und insbesondere Diglycidyläther von Dihydroxydiphenylmethan, wie das 4'-Dihydroxydiphenylmethan. Die Epoxyharze werden gewöhnlich gehärtet, indem man sie mit einem Amin als Katalysator mischt und auf die Härtetemperatur erhitzt. Die Eigenschaften des Harzes werden verbessert, indem man eine im wesentlichen gleiche Menge eines feinverteilten Füllstoffs, wie Quarzmehl, dem Harz vor der Härtung zumischt. Die Härtung wird durchgeführt, indem man das komplette Teil 3 Stunden auf 79,5 bis 90,5° C erhitzt.

Die dielektrische Durchschlagfestigkeit der Masse aus Einbettungsmaterial kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung durch Verdrängung der Luft zwischen den Teilchen durch ein Gas hoher Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise Schwefelhexafluorid, unter atmosphärischem oder erhöhtem Druck verbessert werden.

Claims

Patentansprüche.· 5

1. Anorganische, pulverförmige Einbettungsmasse mit großer Wärmeleitfähigkeit für elektrische in ein abgedichtetes Gehäuse eingekapselte, Geräte, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus im

ίο wesentlichen sphärisch geformten Einzelteilchen aus geschmolzener Tonerde (Al₂O₃) besteht, die mit einem Siliconharz überzogen sind.

2. Einbettungsmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum zwischen den Teilchen der Einbettungsmasse mit Schwefelhexafluorid gefüllt ist.'

3. Einbettungsmasse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße zwischen etwa 0,42 und etwa 0,07 mm liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 432 810, 816 107,
073;
USA.-Patentschrift Nr. 2 221 671.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen