專利名稱：一種真空開關腔二次模塑品的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過二次模塑(或二次成型，overmolding)提供真空開關腔(vacuum switch chamber)的電絕緣。
背景技術：
真空開關腔是目前用于高壓或中壓開關裝置和設備中的電流開斷組件(斷路組 件，breaking component)。 通常，用于高壓或中壓的真空開關腔的主體由陶瓷材料制成，主體的端部在長度 上通過金屬部分(由銅、不銹鋼等制成)延長。然后通過用外殼覆蓋真空開關腔而使其電 絕緣，該外殼模塑在腔上(即二次模塑)并且由絕緣固態合成材料制成，該材料通常由熱固 性或熱塑性或彈性類型的聚合材料構成。 最后，用于制備二次模塑的真空開關腔的材料具有非常不同的熱膨脹系數。在這 一點上，陶瓷材料的熱膨脹系數為約7.5X10—7t:，銅的熱膨脹系數為約17X10—6廣C，不 銹鋼的熱膨脹系數為約11X10—6廣C，而用于模塑外殼(molded skin)的材料的熱膨脹系 數對于熱固性、熱塑性或彈性類型的聚合物分別為約35X10—7t:、或100X10—6/t:、或在 100 X 10—7。C至300 X 10—7°c的范圍內。
因此，在使用中，當真空開關腔經受溫度變化(例如由于極端的環境溫度)，以及
經受熱效應或經受熱沖擊(由于功率驟增、功率傳輸等)時，諸如剝落或開裂的故障會出現 在材料中或材料之間的界面區域中。這種損傷主要是由于制備二次模塑的真空開關腔的不 同材料之間的差異膨脹，該差異膨脹引起各種材料不同的膨脹量并產生應力，該應力又可 引起損傷發生。 為了使這些故障最小化，已知可將彈性材料層(例如三元乙丙橡膠)插入到真空 開關腔與模塑外殼之間(參見文獻[l])。 另一種已知的解決方案包括在真空開關腔與模塑外殼之間放置一組雙層，即內紡 織層和外紡織層(參見文獻[2])。內紡織層與真空開關腔本身接觸，并具有高紡織材料密 度以及低熱膨脹系數。關于外紡織層，其與模塑外殼接觸；其具有低于內紡織層的紡織密度 (textile density) ( S卩，紗線之間的間距大于內紡織層)，并且其具有高于內紡織層的熱膨 脹系數。 該第二種解決方案是具有實用性的，這是因為它使得復合層內的熱膨脹系數能夠 逐漸變化，其結果在于使材料之間的熱膨脹系數的差異最小化。 然而，制造這樣的復合層所具有的缺點在于，其復雜并且成本高。在這一點上，由 于在內紡織層與外紡織層之間的紡織密度的逐級變化，內紡織層和外紡織層的放置與制造 是復雜的。 因此，本發明的發明人已設法設計一種降低真空開關腔材料的熱膨脹系數之間的 差異的二次模塑的方法，該方法不具有上面所討論的缺點。
發明內容
由此，本發明提供一種用于真空開關腔的二次模塑品(overmolding)，該二次模塑 品包括中間層和模塑外殼，兩者均為真空開關腔提供電絕緣，該中間層適于設置在真空開 關腔周圍、真空開關腔與模塑外殼之間。 該中間層由均質復合材料制成，其包括n個紡織層(其中n大于或等于i)、和浸漬 且覆蓋所述n個紡織層的第一絕緣聚合物；并且 所述模塑外殼由第二絕緣聚合物制成； 該二次模塑品的特征在于，該中間層具有恒定的熱膨脹系數，該熱膨脹系數的范
圍在真空開關腔與模塑外殼的熱膨脹系數之間，并且該中間層是唯一的在二次模塑品中包 含至少一個紡織層的層。 本發明的二次模塑品的中間層是一種均質復合材料，該復合材料具有恒定的膨脹 系數并形成使真空開關腔電絕緣的中間層。在實踐中，中間層的熱膨脹系數在宏觀尺度上 是恒定的，而在微觀尺度上，由于在某些位置存在著纖維而其他位置并不存在，中間層的膨 脹系數發生變化，因而并不是恒定的，但是由于這種變化在各個紡織層中以相同的方式重 復，最終獲得的膨脹系數在宏觀尺度上卻是恒定的。 優選地，該模塑外殼以及中間層還用于保持真空開關腔的機械強度。因此，有利 地，該模塑外殼和中間層的絕緣聚合物還選自那些使真空開關腔能夠在機械上得到良好支 撐的組合物。 中間層的n個紡織層限定(或形成，define)纖維的三維網絡。如果在中間層中 僅存在一個紡織層，則該紡織層的纖維必須限定一種三維網絡。該紡織層可以例如是墊子 或氈墊形式的三維織物。 應該注意的是，該n個紡織層可以巻繞在開關腔周圍，或者它們可以覆蓋開關腔
的外部而設置，其中，它們為圓筒形套管(sleeves)或套筒(socks)形式。 有利地，該中間層的n個紡織層一層堆疊在另一層之上，每一層與下面的層之間
間隔恒定的距離。 有利地，中間層的ii個紡織層中的每一層均通過以非零角度使第一系列的平行纖 維與至少一種第二系列的平行纖維交織而形成。 優選地，中間層的n個紡織層中的每一層均通過以約90。的角度使第一系列的平
行纖維與至少一種的第二系列平行纖維交織而形成。n個紡織層例如可以是編織而成的。 有利地，在中間層的各紡織層中，在相同系列的纖維中的相鄰纖維之間的間距 (pitch)是恒定的。以這種方式，獲得規則的網眼(或網孔，mesh)。第一系列纖維的間距 可與第二系列纖維的間距相同。于是獲得具有方形網眼的紡織層。
有利地，中間層的n個紡織層具有相同的組成和相同的密度。該n個層由纖維制
成。這些纖維可以是天然纖維或合成纖維或礦物纖維。它們例如可以是植物纖維或化學纖 維。 在第一種變型中，中間層的n個紡織層由玻璃纖維制成。
在第二種變型中，中間層的n個紡織層由聚酯纖維制成。
在第三種變型中，中間層的n個紡織層由植物纖維制成。
有利地，該中間層的n個紡織層是等距的，并且以這樣的方式彼此縱向(即，在平
5行于n層的平面的方向)偏移，使得n層在平行于n個紡織層的平面的公共平面上的投影
(projection)產生其中平行纖維之間的間距是恒定的層。這樣以規則陣列布置該n個層，
使得能夠獲得一種三維網絡，其中，分配給第一絕緣聚合物用于將其滲透到n個紡織層網 眼中的間隔是規則的。n個紡織層事實上以這種方式彼此偏移，使得有助于第一絕緣聚合物 進行浸漬。因此該第一絕緣聚合物可以以規則且容易的方式滲透到n個紡織層中，這產生 一種均質且具有恒定熱膨脹系數的復合物。
有利地，該第一絕緣聚合物和第二絕緣聚合物是相同的絕緣聚合物。優選地，中間層具有范圍為0. 2毫米(mm)至20mm的厚度。 本發明還提供了一種具有如上文所提到的二次模塑品(overmolding)的真空開 關腔。 最后，本發明提供了一種使真空開關腔二次模塑(或二次成型)的方法，其中，采 用至少兩個紡織層。該方法包括以下步驟 a)在真空開關腔上形成中間層(在實踐中，該中間層包覆真空開關腔本身)；以及
b)在中間層上形成模塑外殼； 該中間層和模塑外殼用于使真空開關腔電絕緣；
該方法的特征在于步驟a)包括 _在真空開關腔上沉積!1個堆疊的紡織層，11為大于或等于2的整數，該11個紡織層
彼此間隔恒定的間距，并且以這樣的方式彼此偏移使得第k個紡織層在附屬于(attached
to)下方的第(k-1)個紡織層的矩形參考框架(frame of reference) (O，i，j)的方向i上
偏移值1/n并在方向j上偏移值l/n， ii是范圍為2至n的整數；以及-沉積第一絕緣聚合物的層，從而浸漬且覆蓋所述n個紡織層；-該方法的特征還在于，在步驟b)中形成的模塑外殼由第二絕緣聚合物制成。 有利地，中間層的第一絕緣聚合物以及模塑外殼的第二絕緣聚合物彼此相同。
通過閱讀以下詳細描述可以更好地理解本發明，并且可以呈現其進一步的優點和
特征，這些描述通過非限定性實施例結合附圖而給出，其中 圖1是具有根據本發明的二次模塑品的真空開關腔的截面圖； 圖2是分別示出作為本發明的二次模塑的真空開關腔外部的徑向位置的函數的
線性熱膨脹系數(CTE)(以實線表示)、以及紡織含量(以虛線表示)的圖示； 圖3a示出了三個紡織層的布置的一個實例，所述三個紡織層以這樣的方式疊置，
使得在已加入絕緣聚合物后，它們形成本發明的均質復合中間層；以及 圖3b是圖3a的分解形式(exploded version)。
具體實施例方式
本發明的二次模塑的真空開關腔1示于圖1中。應該指出的是，構成圖1所示的 二次模塑的真空開關腔的元件并沒有按比例繪制。 真空開關腔6由封在密封外套(casing) 2內的兩個電連接3構成。 該外套2由通常為陶瓷材料的絕緣材料制成。關于電連接3，其由諸如銅的導電材料制成。 在本發明中，真空開關腔6是二次模塑的，并且由復合中間層4包圍，復合中間層4 由彼此堆疊且彼此之間規則隔開的紡織層例如玻璃纖維層構成，這些紡織層浸漬有第一絕 緣聚合物(其例如可以是絕緣樹脂、或更具體地為環氧樹脂)。 中間層4依次由模塑外殼5覆蓋，該外殼5通過二次模塑而形成并且由第二絕緣 聚合物(即電絕緣固態合成材料，諸如絕緣樹脂)構成。用于制備復合中間層的絕緣樹脂 優選為與用于制備模塑外殼5相同的絕緣樹脂。因此，可有利地在注入絕緣聚合物的單個 操作過程中，進行中間層4的浸漬以及模塑外殼5的形成。 于是浸漬有絕緣聚合物(例如絕緣樹脂)的紡織層在聚合物硬化后形成一種復合 物。 用于制備本發明的復合中間層的絕緣聚合物可以為任何適合的電絕緣固態合成 材料，所述電絕緣固態合成材料能夠浸漬紡織層并且能夠硬化以便形成絕緣中間層，該絕 緣中間層具有的熱膨脹系數值位于模塑外殼材料與真空開關腔材料的熱膨脹系數之間的 某處。優選地，這樣選擇紡織層的組成和第一絕緣聚合物的組成，使得所獲得的中間層具有 的熱膨脹系數值為真空開關腔與模塑外殼的材料的熱膨脹系數值之間的大約中間位置處 (參見圖2)。 用于制備中間層的第一絕緣聚合物4(例如絕緣樹脂)可與用于制備模塑外殼的 絕緣聚合物相同。 該紡織層是由礦物纖維、植物纖維、或合成纖維制成的織物片。它們例如可以由玻 璃纖維制成。 二維紡織層以常規方式通過編織纖維，即通過在公共平面(或共平面，common plane)上使第一系列的纖維(經紗)與相對于第一系列的纖維以非零角度設置的第二系列 的纖維(緯紗)交織而制成。該第一系列的纖維優選以相對于第二系列的纖維成直角而設置。 除了上面描述的第一和第二系列的纖維外，三維編織織物類型的三維紡織層還包 括至少一個第三系列的平行纖維，其與由第一和第二系列的纖維所限定的平面交織。
隨后描述本發明的二次模塑品的兩種變型的制造。 在這兩種變型中，真空開關腔由熱膨脹系數為約8X10—7t:的陶瓷材料(例如氧 化鋁陶瓷，A1203)制成，而模塑外殼由熱膨脹系數為約36X10—e廣C的絕緣聚合物(其例如 可以是諸如雙酚環氧樹脂或脂環族環氧樹脂的熱固性樹脂，下面將解釋)制成。
在第一種實施方式中，用于制備模塑外殼的絕緣樹脂是填充有60%硅粉的雙酚環 氧樹脂。如果需要，可以使硅粉硅烷化。 至于中間層，其是由浸漬有以上提及的雙酚環氧樹脂的四層玻璃纖維紡織材料構 成的復合物。 絕緣樹脂硬化后所獲得的中間層具有約1. 8mm的平均厚度。 這里所使用的玻璃纖維紡織材料層例如為關于分別以(T和90°角度定向的軸 的雙軸二維織物。所使用的玻璃纖維紡織材料可以例如為由供應商Chomarat制備并具有 每平方米520克重量(g/m2)的稱作"Tissu Roving 500T"[500T Roving fabric]的產品。
在第二種形式(version)中，用于制備模塑外殼的絕緣聚合物是填充有66%硅粉的脂環族環氧樹脂。如果需要，可以使硅粉硅烷化。 中間層為由浸漬有以上提及的脂環族環氧樹脂的三層玻璃纖維紡織材料構成的 復合物。 絕緣樹脂硬化后所獲得的中間層具有約1. 3mm的平均厚度。 這里所使用的玻璃纖維紡織材料例如為關于分別以-45°和+45°角度定向的軸 的雙軸二維織物。所使用的玻璃纖維紡織材料可以例如為具有560g/m2重量的E玻璃纖維， 例如由供應商A&PTechnology制備的SILASOX V29L250X。該玻璃纖維紡織材料例如可以以 套筒(sock)形式，S卩能夠圍繞真空開關腔緊密設置的圓筒形而存在。 可以通過將n個紡織層放置在真空開關腔上，然后通過將液體形式的絕緣聚合物 倒在或注入在H個層上而制備中間層。隨后進行絕緣聚合物的硬化。例如，如果所使用的 絕緣聚合物是熱固性樹脂，則施加熱。 該絕緣聚合物可以為熱固性、熱塑性、或彈性類型的聚合物。 應該注意，重要的是，用于制備復合中間層的紡織層以這樣的方式設置，使得絕緣 聚合物容易地且均勻地滲透到紡織層中，從而獲得具有均勻組成及均勻膨脹系數的中間層 (參見圖3a和圖3b)。 已知中間層中紡織密度越高，所得的組合物的膨脹系數越小，應適當地選擇該密 度(其作為期望獲得的中間層中膨脹系數的函數)，即，紡織層數和/或各紡織層的紡織密 度，其中各紡織層具有相同的密度。 復合層的熱膨脹系數優選調節為使得約等于1/2(01+02)，其中、和S分別為 真空開關腔和二次模塑樹脂的熱膨脹系數。 本發明的二次模塑品的中間層使得能夠限制真空開關腔與模塑外殼的材料的熱 膨脹系數之間的差異。因此，該中間層使得模塑外殼的材料(用于真空開關腔的介電絕緣) 與真空開關腔本身的材料之間的熱膨脹差異減小。
在以上描述的兩種實施方式中，獲得具有約22Xi0—7t:的熱膨脹系數的中間層。 從圖2的圖示中可推斷，以這種方式獲得的中間層2有效地(ineffect)具有在真 空開關腔2與模塑外殼5的材料的熱膨脹系數(其分別為8X10—7"和36X10—6/°C)中間 的熱膨脹系數值。 由于這一中間的熱膨脹系數，中間層承受發生在真空開關腔外套的陶瓷材料中的 膨脹，以及發生在模塑外殼中的膨脹，而沒有任何損傷(例如，在界面處的剝落或剝離、材 料的開裂等)的最少跡象。 此外，在相同的絕緣聚合物同樣用于制造中間層和模塑外殼的情況下，這使得可 以確保中間層不僅在真空開關腔的外套的材料上而且在模塑外殼本身上都具有良好的機 械強度和高粘附性。 這種良好的機械強度和高粘附性(由于使用共同的(或相同的，common)絕緣 聚合物)又略微提高了中間層抵抗介電損傷(dielectricdamage)的任何征兆的能力 (capacity)。 因此，真空開關腔的材料(陶瓷)和模塑外殼的材料，由于它們與中間層接觸，因 而由于熱力(thermal force)受到應力的劇烈程度要小得多，呈現出更加接近于它們自身 的熱行為(例如膨脹)。
優選地，Il紡織層和中間層堆疊在一起，以便形成絕緣聚合物能夠均勻且容易地滲 透到其中的三維網絡。為此，三維網絡具有被充分隔開的緯線以使得絕緣聚合物的填充物 (例如，絕緣樹脂的硅石填充物)能夠通過，因此使得在絕緣聚合物中具有盡可能均質的一 定比例的填料。 圖3a和圖3b中示出了這樣的堆疊的一個實施例。在這個實施例中，三個相同的 紡織層(即具有相同的網眼以及相同組成和相同直徑的纖維的層)以這樣的方式彼此堆疊 (見圖3b)，使得形成具有均一網眼圖案的三維網絡。在這個實施例中，如果假定這些層中 的一層(例如，底層，其被稱作第一層10)為矩形參考框架(frameofreference) (0， i，』)， 則由于該框架的尺寸是基于所述層的網眼大小，因此直接位于該第一層IO上方的層(稱作 第二層20)具有其參考框架(0' ，1_，1_)，其相對于第一層在方向丄上偏移1/3并且在 方向i上偏移l/3 ;并且位于第二層上方的層(稱作第三層30)具有其參考框架(0〃 ，i^， ，其相對于第一層在方向i上偏移2/3并且在方向j上偏移2/3，第三層相對于第二層 在方向i上偏移l/3并且在方向j上偏移1/3。以這種方式，獲得一種均勻的三維網絡(參 見圖3a)。 本發明的二次模塑品具有許多優點。由于中間層的存在，其限制了發生在真空開 關腔的材料與模塑外殼的材料之間的差異膨脹。 此外，本發明的二次模塑品僅包括一種由紡織層構成的單一均質復合層(中間 層)。因此本發明提供了一種解決方案，其不僅比現有技術中已知的解決方案更簡單且更容 易付諸實踐，而且成本也更低。 根據本發明的優選實施方式，當使用共同的(或相同的，common)絕緣聚合物用于
制備中間層以及模塑外殼時，甚至能夠更加有利于本發明的真空開關腔的二次模塑。 最后，本發明的二次模塑品在結構上比現有技術中、尤其是文獻[2]中提出的二
次模塑品更加簡單，因此更加可靠。在這一點上，這里跨單一均質復合層(其具有恒定膨脹
系數)發生由真空開關腔的材料向模塑層的材料的過渡。 參考文獻 [l]EP 0 866 481 [2]日本專利P2000-294087A
權利要求
一種用于真空開關腔的二次模塑品，所述二次模塑品包括中間層(4)和模塑外殼(5)，二者均為所述真空開關腔提供電絕緣，所述中間層(4)適于設置在所述真空開關腔(6)周圍、所述真空開關腔(6)和所述模塑外殼(5)之間；所述中間層由均質復合材料制成，其包括n個紡織層(10；20；30)、以及浸漬且覆蓋所述n個紡織層的第一絕緣聚合物，其中n大于或等于1；并且所述模塑外殼由第二絕緣聚合物制成；所述二次模塑品的特征在于，所述中間層(4)具有范圍在所述真空開關腔的熱膨脹系數與所述模塑外殼(5)的熱膨脹系數之間的恒定的熱膨脹系數；并且所述中間層是所述二次模塑品中唯一的包括至少一個紡織層的層。
2. 根據權利要求l所述的用于真空開關腔的二次模塑品，其特征在于，所述中間層(4) 的所述a個紡織層(10 ;20 ;30) —層堆疊在另一層之上，每一層與下一層間隔恒定的距離。
3. 根據權利要求1或權利要求2所述的用于真空開關腔的二次模塑品，其特征在于，所 述中間層(4)的所述n個紡織層中的每一層是通過以非零角度使第一系列的平行纖維與至 少一種第二系列的平行纖維交織而形成的。
4. 根據權利要求3所述的用于真空開關腔的二次模塑品，其特征在于，所述中間層(4) 的所述H個紡織層中的每一層是通過以約90°的角度使第一系列的平行纖維與至少一種 第二系列的平行纖維交織而形成的。
5. 根據權利要求1至4中任一項所述的用于真空開關腔的二次模塑品，其特征在于，在 所述中間層(4)的各紡織層中，相同系列的纖維中鄰近的纖維之間的間距是恒定的。
6. 根據權利要求1至5中任一項所述的用于真空開關腔的二次模塑品，其特征在于，所 述中間層(4)的所述n個紡織層具有相同的組成和相同的密度。
7. 根據權利要求1至6中任一項所述的用于真空開關腔的二次模塑品，其特征在于，所 述中間層(4)的所述n個紡織層由玻璃纖維制成。
8. 根據權利要求1至6中任一項所述的用于真空開關腔的二次模塑品，其特征在于，所 述中間層(4)的所述n個紡織層由聚酯纖維制成。
9. 根據權利要求1至6中任一項所述的用于真空開關腔的二次模塑品，其特征在于，所述中間層(4)的所述n個紡織層由植物纖維制成。
10. 根據權利要求1至9中任一項所述的用于真空開關腔的二次模塑品，其特征在于，所述中間層(4)的所述n個紡織層是等距的并且以這樣的方式彼此縱向偏移，使得所述n 個層在平行于所述n個紡織層的平面的公共平面上的投影產生其中所述平行纖維之間的 間距是恒定的層。
11. 根據權利要求i所述的用于真空開關腔的二次模塑品，其特征在于，所述第一絕緣 聚合物以及所述第二絕緣聚合物是相同的絕緣聚合物。
12. 根據權利要求l至ll中任一項所述的用于真空開關腔的二次模塑品，其特征在于， 所述中間層(4)具有范圍在0. 2mm至20mm的厚度。
13. —種具有根據權利要求1至12中任一項所述的二次模塑品的真空開關腔。
14. 一種二次模塑真空開關腔的方法，包括以下步驟a) 在所述真空開關腔上形成中間層(4);以及b) 在所述中間層(4)上形成模塑外殼(5);所述中間層(4)以及所述模塑外殼(5)用于使所述真空開關腔電絕緣； 所述方法的特征在于，步驟a)包括在所述真空開關腔上沉積n個堆疊的紡織層，n為大于或等于2的整數，所述n個紡織 層彼此間隔恒定的間距，并且以這樣的方式彼此偏移使得第k個紡織層在附屬于下方的第(k-l)個紡織層的矩形參考框架(O，i，j)的方向i上偏移值1/n并在方向j上偏移值l/n，ii為范圍在2至ii的整數；以及沉積第一絕緣聚合物的層，使得浸漬并覆蓋所述H個紡織層；所述方法的特征還在于，在步驟b)中形成的模塑外殼由第二絕緣聚合物制成。
15.根據權利要求14所述的二次模塑真空開關腔的方法，其中，所述中間層的所述第一絕緣聚合物和所述模塑外殼的所述第二絕緣聚合物彼此相同。
全文摘要
本發明提供一種用于真空開關腔(6)的二次模塑品，該二次模塑品包括兩者均為真空開關腔提供電絕緣的中間層(4)以及模塑外殼(5)，中間層適于設置在真空開關腔周圍、真空開關腔與模塑外殼之間；中間層由均質復合材料制成，其包括n個紡織層、以及第一絕緣聚合物，該第一絕緣聚合物浸漬且覆蓋所述n個紡織層，其中n大于或等于1；并且所述模塑外殼由第二絕緣聚合物制成；該二次模塑品的特征在于，中間層具有范圍在真空開關腔的熱膨脹系數與模塑外殼的熱膨脹系數之間的恒定的熱膨脹系數，并且中間層是二次模塑品中唯一的包括至少一個紡織層的層。
文檔編號H01H33/66GK101740259SQ20091013643
公開日2010年6月16日 申請日期2009年5月8日 優先權日2008年11月24日
發明者讓-弗朗索瓦·托爾托里奇, 邁赫達德·哈桑扎德 申請人:阿海琺T&D有限公司