专利名称：密封的真空断路器及其制造方法
技术领域：
本发明的技术背景1.发明领域本发明涉及用于高压断路器的密封装置，特别是涉及在环氧树脂中浇铸该断路器的方法。
2.相关技术说明真空断路器是众所周知的用于高压输电线路断路的元件，参见美国专利4,839,481；4,871,888；4,982,059和5,387,772，在此引入上述专利的主题内容作为参考。断路器的触点密闭在一个陶瓷(如三氧化铝——Al2O3)作的真空圆筒或瓶子之中。
一种现有技术的开关真空瓶被铸造成在环氧树脂结构的上端部或者包括一个用来放置操作杆的内部空心结构的密封套中。该密封套的机械性能和绝缘性能，因采用在聚氨脂层中模压三氧化二铝瓶体的方法而增强。该聚氨脂包裹着的瓶体然后在环氧树脂密封套中浇铸而成。采用该现有技术存在一个问题，因为环氧树脂的热膨胀系数与三氧化二铝陶瓷壳体的热膨胀系数不同，以及聚氨脂存在着最高温度极限。
具体而言，环氧树脂一般在高温下固化，如在140℃。如
图1所示，当环氧树脂冷却时，其热膨胀系数显著变化。环氧树脂的这种热膨胀系数的变化导致该环氧树脂在冷却时处于严重拉伸和受应力作用之下，因为陶瓷壳体与聚氨脂覆盖层的热膨胀系数显著不同。其结果是，在环氧树脂或聚氨脂铸型中可能产生裂纹或潜在的易破点，从而损害了整个组件所需的绝缘性。
在本发明以前，为了克服陶瓷瓶体的潜在外在绝缘性能的减弱，在充满油或气体的罐中浸入断路器，以确保该断路器的充分绝缘。这就加大了重量并且很昂贵。
在现有技术中还存在着聚氨脂覆盖层费用太高的问题。
目的与技术方案本发明的一个目的是提供一种有效的将陶瓷真空瓶封闭包裹在环氧树脂密封套中而不会在环氧树脂铸型内部产生不必要的应力的方法。
另一个目的是发现一种经济且对环境安全的将陶制真空瓶在一个环氧树脂密封套中进行铸型的方法。
按照本发明，把断路器包裹在一个真空部件之中，在该真空部件周围设置一柔性材料层，并且在该真空部件和柔性材料层的外部形成一个刚性环氧树脂密封套。该真空部件可以用陶瓷制作，该柔性材料可以是硅橡胶，而该刚性密封套可以是环氧树脂的。该柔性材料也可以是一种可胀开的套管，以便于容纳该真空部件。
附图简述图1是一个表示硅树脂、环氧树脂和陶瓷的温度与热膨胀系数之间关系的曲线图；图2表示一插入真空导管中的硅树脂套管；图3表示该硅树脂套管在真空导管中靠真空而抵靠着开孔的状态；图4表示一插进硅树脂套管中的真空瓶，此时该套管靠紧真空导管中的开口；图5表示硅树脂套管在真空导管中将一真空瓶夹紧；以及图6表示在一个环氧树脂密封体套中浇铸好的真空导管和硅树脂套管。
优选实施例详述按照本发明，说明了一种封闭一高压断路器的新方法，例如一包裹在真空瓶中的断路器。具体而言，按照本发明，在把一个真空瓶铸入环氧树脂密封套之前，把一个扩张开的硅树脂套管套在此真空瓶外。虽然有多种将硅树脂扩张覆盖真空瓶的方法，优选实施例之一涉及了真空导管10的应用。参见图2～5。
真空导管10有一个最好基本为圆筒形的开口12，该开口应大到足以容纳一个真空瓶18。虽然开口12说明为基本上为圆筒形，但实际上最好在其外形上有某种凹面以使在开口12的中心部分20处的直径要比开口12的外端的直径窄些。下面说明该轻微凹度的作用。
在开口12周围有很多小孔14，用来在开口12中抽成真空。虽在图上没有表示出，这些小孔14与一个在开口12中建立真空的设备相连接。
把硅树脂管16的长度切为至少等于真空导管10的长度。在一个优选实施例中，该真空瓶长度约19.1厘米，直径约5.08厘米。该套管最好延伸超出该真空瓶长度约每端0.5厘米。该套管在松弛状态下壁厚约为0.33厘米。把套管16放入真空导管10的开口12中。图2表示套管16在真空导管10中处于松弛状态的位置。
利用真空导管10，套管的内径被扩张到原始内径的2.5倍。通过将一个软胆插入该套管，并且通过鼓风将软胆吹胀可以简化套管扩张。一旦该套管与开口12的表面接触，利用小孔14施加的吸力就会使套管16保持在扩张状态。随后可将软胆取出。图3表示套管16扩张到原始内径的2.5倍并靠通过小孔14施加的吸力保持贴在真空导管10的开口12的壁上的状态。
如图4所示，一个真空瓶18随后被插入扩开后的套管16中。然后断开小孔14提供的吸力，以使套管16从真空导管10的内壁上松开并紧裹在真空瓶18的周围。参见图5，真空导管10略呈凹形，其中心部分的直径最窄。这种结构的一个优点是，当把吸力从小孔14断掉时，套管16在真空瓶18的中心点与该瓶最靠近，并且将在该中心点首先与该瓶接触，继续以向外的方式与该真空瓶裹紧。其结果是，套管16与瓶18之间的空气将被挤出，而不会被封闭在套管16与真空瓶18之间。
在一个优选的实施例中，当套管16处于其将真空瓶18周围裹紧的位置时，套管16被扩张为其原始内径的大约两倍，此时其壁厚约为0.23厘米。由于硅树脂套管处在扩开状态，套管16对真空瓶18施加的压力将进一步作用，将空气从套管16与真空瓶18之间挤出。
在将真空瓶18插入扩张的套管16中之前，最好将一种硅烷基的胶粘剂涂在陶瓷瓶上(或涂在硅树脂套管16的内壁上)，使得套管16实际上粘在真空瓶18上。在一个实施例中，使用了SILQUESTA-1100硅烷(γ-丙氨基、三乙氧基硅烷(gamma-aminopropyl triethoxysilane))。该硅烷可以用异丙基醇来稀释。在安装过程中，硅树脂的伸长或扩张将扩展其分子链，这对分子的横向连接有利。
在该真空瓶18与其外部的硅树脂套管16固定之后从该真空导管10中取出，将其预热到大约160℃。预热好的真空瓶18和扩张状态的硅树脂套管16随后放置在一个凹模之中，并把一环氧树脂密封套22在该真空瓶18和套管16周围在大约160℃下铸型。在一个优选实施例中，该环氧树脂密封套22是从环脂的预先填充的热固性的两组分环氧树脂中铸型的。
在该套管套在涂有硅烷的瓶体上面以后，该瓶体和套管在将环氧树脂密封套型于其周围之前可以放置24小时。这个期间使硅烷能扩散到该套管中并便于将该套管固定于环氧树脂密封套上，而该密封套设置在该瓶体和套管的整个外面。
该环脂的环氧树脂被认为是室外应用级别的环氧树脂，因为其能抵抗紫外幅射，且耐久性好。虽然其他种类的环氧树脂，像双酚类，可能更加柔软，因此更适合铸型工艺，但双酚被认为不是室外应用级别的环氧树脂。
在温度范围是-40℃～大约+100℃时，该环氧树脂的热膨胀系数范围是25～50×10-6mm/mm/℃，而在温度范围为+100～大约+160℃时的热膨胀系数大约为100×10-6mm/mm/℃。
在铸型过程中，该环氧树脂密封套在大约160℃时成型。在本优选实施例中，环氧树脂以液态形式流动来成型并固定在硅树脂套管16上和填满凹形铸模的余隙。在该升高的温度下，该环氧树脂的热膨胀系数相对较高，为大约100×10-6mm/mm/℃。当该环氧树脂冷却到玻璃转变温度区间时，其热膨胀系数下降为大约25～50×10-6mm/mm/℃。
所以，因被扩张而处于拉伸状态以便与瓶体18的外围配合的该硅树脂套管16，在该环氧树脂密封套冷却收缩后，受到该环氧树脂的压缩。在本优选的实施例中，冷却后，环氧树脂壁厚1.0厘米，直径(外径)为10.0厘米，而硅树脂被压缩到0.15厘米的厚度。当压缩超过了一个预先确定的极限时，该硅树脂套管下表面可以自由的扩展进入凹面17之内，从而限制了硅树脂的压缩。
硅树脂套管16在其处于未扩张状态时，其硬度计(Durometer)读数在30～35范围内，而当其包在陶瓷瓶之上处于扩展状态时，其硬度计读数为55～57。
扩张的硅树脂具有的热膨胀系数在60～90×10-6mm/mm/℃的范围之内，而更为有利的是在70～80×10-6mm/mm/℃的范围内。这样的热膨胀系数在整个-40℃～+160℃的温度区间接近为常数。
因此，该环氧树脂的热膨胀系数，从在其开始铸型时的高于扩张状态下的硅树脂套管的热膨胀系数变化为，环氧树脂冷却后比硅树脂套管扩张时的热膨胀系数更低的数值。在环氧树脂处于低于其玻璃转变温度的状态下，扩张的套管16的热膨胀系数的值约为该环氧数脂的树膨胀系数的一半。
氧化铝陶瓷材料具有的热膨胀系数是在2～20×10-6mm/mm/℃的范围之内，而更好情况下，是在5～15×10-6mm/mm/℃的范围之内。这样的热膨胀系数在整个-40℃～+160℃的温度区间里接近为常数。
此外，由于不同元件的热膨胀系数的相互作用，还由于硅树脂的柔软特性起到了缓冲作用，使环氧树脂密封套22中的应力降低。这种应力降低的结果是，环氧树脂密封套22的绝缘性能和机械性能都得到极大的改善。这样在现有技术中因应用聚氨脂带来的费用高和使用困难都能得到避免。
用硅树脂套管与环氧树脂搭配的另一个优点是，该硅树脂套管和该环氧树脂密封套具有相似的绝缘数值，从而得到了均匀的绝缘密封。该硅树脂的绝缘值约为3，而该环氧树脂的绝缘值约为4。由于空气的绝缘值更低，所以应将所有的空气排除在成品密封套之外。
一个巨大的好处是，不再需要把真空瓶浸没在充满油或气体的罐中，从而克服了其他现有技术的大多数缺点。
在本优选实施例中，该断路器是一种轴向磁场断路器，例如在美国专利4,871,888中公开的类型，在此引入其内容作为参考。
尽管以上公布的优选实施例确定了专门的材料和膨胀数值，本发明并不受前述的具体装置的限制。套管16可以使用硅树脂以外的材料，只要能提供如硅树脂提供的所需性能，包括柔韧性和热膨胀性能。此外，对真空瓶的密封方法，可以用于其他行业和环境场所，而不限于高压断路器技术。因此，本发明不限于所附权利要求，而应认为还包括等同物。
权利要求
1.一种断路器，包括一个真空组合部件；包含在上述真空部件内的开关触点；包着真空部件的一扩张的柔性材料层；以及围在上述真空部件和扩张的柔性材料层周围的一刚性材料层。
2.如权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述柔性材料是扩张了的硅树脂。
3.如权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述柔性材料被扩张到其原始直径的两倍。
4.如权利要求2所述的断路器，其特征在于，所述刚性材料是一环氧树脂密封套。
5.如权利要求2所述的断路器，其特征在于，所述刚性材料是一环脂的环氧树脂密封套。
6.如权利要求4所述的断路器，其特征在于，所述真空部件包括一陶瓷瓶。
7.如权利要求6所述的断路器，其特征在于，所述硅树脂用一种硅烷基胶粘剂粘结在所述陶瓷瓶上。
8.如权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述柔性材料的热膨胀系数在60～90×10-6mm/mm/℃的范围间，而所述刚性材料的热膨胀系数在温度范围为-40℃～约+100℃时为25～50×10-6mm/mm/℃，而当温度范围在+100℃～+160℃之间时，其热膨胀系数约为100×10-6mm/mm/℃。
9.如权利要求8所述的断路器，其特征在于，所述刚性材料在约160℃成型，冷却时使所述柔性材料保持为受压缩状态。
10.如权利要求9所述的断路器，其特征在于，所述真空部件的直径大约是5.08厘米，扩张后的柔性材料的厚度约为0.23厘米，而刚性材料的厚度大约是1.0厘米。
11.如权利要求10所述的断路器，其特征在于，所述真空部件与刚性材料确定了一个开口，当柔性材料受到的压缩量达到某一个限定值时，可以通过所述开口流动。
12.如权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述柔性材料的热膨胀系数在60～90×10-6mm/mm/℃的范围内，而所述刚性材料的热膨胀系数在其先在柔性材料周围铸型时高于柔性材料的热膨胀系数，而在该刚性材料冷却之后，其热膨胀系数变至一低于柔性材料的热膨胀系数的数值。
13.如权利要求12所述的断路器，其特征在于，所述柔性材料是扩张了的硅树脂，而所述刚性材料是环氧树脂。
14.如权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述柔性材料的硬度计(Durometer)读数为55～57。
15.一种断路器，包括一个其内包括一个轴向磁场断路器的真空部件；和一个包在上述真空部件外的室外应用级别的环氧树脂层。
16.如权利要求15所述的断路器，其特征在于，它还包括一个置于上述真空部件和上述环氧树脂层之间的柔性材料层。
17.如权利要求16所述的断路器，其特征在于，所述柔性材料层是扩张了的硅树脂。
18.如权利要求15所述的断路器，其特征在于，上述环氧树脂是环脂的环氧树脂。
19.如权利要求15所述的断路器，其特征在于，所述柔性材料的硬度计读数为55～57。
20.一种密封断路器的方法，包括以下步骤把一个柔性材料的套管扩张；在扩张了的套管中插入断路器；使扩张了的套管包裹在断路器外面；以及将断路器和套管密封在刚性材料之中。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述柔性材料为硅树脂。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述套管被扩张到至少是其原始直径的两倍。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述刚性材料是环氧树脂。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述套管用一种硅烷基的胶粘剂粘结在所述断路器上。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述硅烷基胶粘剂扩散通过了柔性材料，并将所述柔性材料粘到所述刚性材料上。
26.一种密封断路器的方法，包括以下步骤在所述断路器上施加一种柔性材料层；将断路器与柔性材料层加热；以及将断路器与柔性材料层密封在一刚性材料中。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述施加步骤包括将一个柔性材料的套管扩张；在扩张的套管中插入所述断路器；把扩张了的套管包裹在所述断路器上。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述刚性材料在约160℃下成型，冷却时使柔性材料保持在受压缩的状态。
29.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述断路器的直径大约是5厘米，柔性材料的厚度约为0.23厘米，而刚性材料的厚度约为1.0厘米。
30.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述刚性材料的热膨胀系数在温度区间为-40℃到约+100℃时为25～50×10-6mm/mm/℃，而当温度为+100℃～约+160℃区间时，其热膨胀系数约为100×10-6mm/mm/℃。
全文摘要
一种断路器,包括:一个真空组装部件(18),在真空部件(18)内密封着开关触点,一柔性材料层(16),环绕着该真空部件(18),及一个刚性的密封层,包围该真空部件(18)和层(16)。该真空部件(18)可以用陶瓷制作,而柔性材料(16)可以采用硅树脂,刚性密封层可以用环氧树脂。该柔性材料层(16)也可以是一种胀开的套管,以便于容纳真空部件(18)。
文档编号B29C63/18GK1230287SQ97197930
公开日1999年9月29日 申请日期1997年9月10日 优先权日1996年9月13日
发明者欧内斯特·弗雷德·贝斯特尔 申请人:库珀工业公司