ES2224268T3 - Interruptor encapsulado de vacio y metodo de realizacion del mismo. - Google Patents
Interruptor encapsulado de vacio y metodo de realizacion del mismo.Info
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Abstract
UN INTERRUPTOR DE VACIO COMPRENDE UN CONJUNTO DE VACIO (18), CONTACTOS DE CONMUTACION QUE ESTAN ENCERRADOS DENTRO DEL CONJUNTO DE VACIO (18), UNA CAPA (16) DE MATERIAL FLEXIBLE SITUADA ALREDEDOR DEL CONJUNTO DE VACIO (18) Y UNA CAPA DE ENCAPSULACION DURA QUE RODEA EL CONJUNTO DE VACIO (18) Y LA CAPA (16). EL CONJUNTO DE VACIO (18) PUEDE REALIZARSE EN CERAMICA, PUDIENDO SER EL MATERIAL FLEXIBLE (16) DE SILICONA Y LA ENCAPSULACION DURA PUEDE SER DE MATERIAL EPOXIDICO. EL MATERIAL FLEXIBLE (16) PUEDE SER TAMBIEN UNA VAINA QUE ES EXPANDIDA DE MODO QUE RECIBA EL CONJUNTO DE VACIO (18).
Description
Interruptor encapsulado de vacío y método de
realización del mismo.
La presente invención está relacionada con una
encapsulación para un interruptor de alta tensión y, más
preferiblemente, con un método para moldear el interruptor en
epoxia.
Los interruptores de vacío son bien conocidos en
la técnica para interrumpir líneas de alta tensión. Véanse las
patentes de Estados Unidos núms. 4.839.481; 4.871.888; 4.982.059 y
5.387.772. Los contactos de los interruptores están encerrados
herméticamente en el vacío dentro de un cilindro o botella de
cerámica (tal como Al_{2}O_{3}).
Una botella de vacío para un interruptor de la
técnica anterior está moldeada dentro del extremo superior de una
estructura o encapsulación de epoxia que incluye una cavidad interna
para la varilla de empuje. Las propiedades mecánicas y dieléctricas
de la encapsulación fueron mejoradas moldeando la botella de
Al_{2}O_{3} en una capa de poliuretano. La botella alojada en el
poliuretano era moldeada después en una encapsulación de epoxia. En
la técnica anterior existe un problema debido a la diferencia entre
el coeficiente de expansión térmica de la epoxia, el coeficiente de
expansión térmica del alojamiento cerámico de Al_{2}O_{3} y el
límite térmico superior del poliuretano.
En particular, la epoxia se cura típicamente a
temperaturas altas, tales como 140ºC. Como es evidente en la figura
1, cuando se enfría la epoxia, el coeficiente de expansión térmica
de la epoxia cambia drásticamente. Los cambios en el coeficiente de
expansión térmica de la epoxia hacen que la epoxia se someta a una
tensión y un esfuerzo significativos cuando se enfría, debido a que
el alojamiento cerámico y el revestimiento de poliuretano tienen
coeficientes de expansión térmica muy diferentes. Como resultado,
pueden crearse grietas o puntos potencialmente débiles en el moldeo
de epoxia o poliuretano, comprometiendo así las cualidades
dieléctricas necesarias de todo el módulo.
Antes de la presente invención, para superar la
potencial debilidad dieléctrica externa de la botella cerámica, el
interruptor se sumergía en un depósito de aceite o gas para asegurar
que el interruptor estaba aislado adecuadamente. Esto era pesado y
costoso.
Un problema adicional con la técnica anterior es
el alto coste del revestimiento de poliuretano.
El documento
US-A-5597992 divulga un intercambio
de corriente que incluye un alojamiento dispuesto en un interruptor
de un circuito de alta tensión.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona por tanto un interruptor que comprende:
un conjunto de vacío;
contactos de conmutación encerrados dentro del
conjunto de vacío;
una capa de material rígido que rodea el conjunto
de vacío y
una capa de material adaptable al estiramiento
alrededor del conjunto de vacío y dentro de la capa de material
rígido.
Además, de acuerdo con la presente invención, se
proporciona un método para encapsular un interruptor de vacío, que
comprende los pasos de:
estirar un manguito de material elástico;
insertar el interruptor de vacío dentro del
manguito expandido;
envolver el manguito extendido sobre el
interruptor; y
encapsular el interruptor y el manguito dentro de
un material rígido.
La figura 1 es un diagrama que muestra la
relación de los coeficientes de expansión térmica en función de la
temperatura para la silicona, epoxia y cerámica;
La figura 2 ilustra un manguito de silicona
insertado en una en un colector de vacío;
La figura 3 ilustra el manguito de silicona
sostenido contra las aberturas del colector de vacío por medio del
vacío;
La figura 4 ilustra una botella de vacío
insertada en el manguito de silicona que se sostiene contra las
aberturas del colector de vacío;
La figura 5 ilustra el manguito de silicona
fijado sobre la botella de vacío dentro del colector de vacío.
De acuerdo con la presente invención, se muestra
un nuevo método de encapsulación de un interruptor de alta tensión,
encerrado por ejemplo en una botella de vacío. En particular, de
acuerdo con la presente invención, se coloca un manguito de silicona
estirado sobre la botella de vacío antes de moldear la botella de
vacío en una encapsulación de epoxia. Aunque hay varias maneras en
las que puede estirarse el manguito de silicona sobre la botella,
uno de los modos de realización preferidos implica el uso de un
colector 10 de vacío. Véanse las figuras 2-5.
El colector 10 de vacío tiene una abertura 12
preferiblemente de forma sustancialmente cilíndrica que es lo
suficientemente grande para acomodar una botella 18 de vacío. Aunque
la abertura 12 está descrita como sustancialmente cilíndrica,
realmente es preferible que tenga una forma algo cóncava de manera
que la posición central 20 de la abertura 12 tenga un diámetro más
estrecho que el diámetro de los extremos exteriores de la abertura
12. El significado de la ligera concavidad será explicado más
adelante.
Una pluralidad de aberturas 14 rodea la abertura
12 con el fin de hacer un vacío dentro de la abertura 12. Aunque no
está ilustrado en las figuras, las aberturas 14 están conectadas a
un dispositivo para crear el vacío dentro de la abertura 12.
Se corta una cierta longitud de tubería de
silicona 16 de manera que sea al menos tan larga como la longitud
del colector 10 de vacío. En un modo de realización preferido, la
botella de vacío es de alrededor de 19,1 cm de larga y 5,08 cm de
diámetro. El manguito se extiende, preferiblemente, más allá de la
longitud de la botella en aproximadamente 5,0 cm en ambos extremos
de la botella. El manguito tiene un espesor de la pared de 0,33 cm
en condición de reposo. El manguito 16 se coloca dentro de la
abertura 12 del colector 10 de vacío. La figura 2 ilustra el
manguito 16 en una condición de reposo dentro del colector 10 de
vacío.
Utilizando el colector 10 de vacío, el manguito
se expande aproximadamente dos veces y media su diámetro interno
original. La expansión del manguito puede ser facilitada insertando
un globo dentro del manguito e inflando el globo mediante el soplado
en su interior. Una vez que el manguito hace contacto con la
superficie de la abertura 12, la succión aplicada a través de las
aberturas 14 mantendrá el manguito 16 en su estado expandido.
Entonces puede retirarse el globo. La figura 3 ilustra el manguito
16 expandido en dos veces y media su diámetro interior (ID) original
y sostenido contra la pared de la abertura 12 del colector 10 de
vacío por medio de una succión aplicada a través de las aberturas
14.
Como se puede ver en la figura 4, se inserta
después una botella 18 de vacío dentro del manguito expandido 16.
Cesa entonces la succión desde las aberturas 14 de manera que hacen
que el manguito 16 se libere de la pared interior del colector 10 de
vacío y se envuelva alrededor de la botella 18 de vacío. Véase la
figura 5. El colector 10 de vacío es algo cóncavo, y tiene su
diámetro más estrecho en el centro. Una ventaja de esa construcción
es que cuando cesa la succión en las aberturas 14, el manguito 16
está más próximo a la botella 18 en el punto central de la botella,
y entrará en contacto con la botella inicialmente en el punto
central y continuará envolviendo a la botella según un patrón
externo. Como resultado, el aire entre el manguito 16 y la botella
18 será empujado hacia fuera y no quedará atrapado entre el manguito
16 y la botella 18.
En un modo de realización preferido, cuando el
manguito 16 está en posición envolvente alrededor de la botella 18
de vacío, el manguito 16 se expande hasta alrededor del doble del
diámetro interior original y tiene ahora un espesor de pared de
aproximadamente 0,23 cm. A la vista del estado expandido del
manguito de silicona, la presión del manguito 16 contra la botella
18 actúa además de manera que expulsa el aire que hay entre el
manguito 16 y la botella 18.
Antes de insertar la botella 18 de vacío en el
manguito expandido 16, la botella cerámica (o el interior del
manguito 16 de silicona) se recubre preferiblemente con un adhesivo
basado en silano para permitir que el manguito se una realmente a la
botella 18 de vacío. En un modo de realización se utiliza el silano
SILQUEST A-1100
(gamma-aminopropiltrietoxysilano). El silano puede
diluirse con alcohol de isopropilo. El estrechamiento o
ensanchamiento del manguito de silicona durante la instalación
expande la cadena molecular que facilita la reticulación de las
moléculas.
Una vez que la botella 18 de vacío, con el
manguito 16 de silicona fijado sobre ella, es retirada del colector
10 de vacío, es precalentada hasta alrededor de 160ºC. La botella 18
de vacío precalentada y el manguito 16 de silicona expandido son
colocadas después en la cavidad de un molde y se moldea una
encapsulación de epoxia alrededor de la botella 18 de vacío y del
manguito 16 a unos 160ºC. En un modo de realización preferido, la
encapsulación de epoxia se moldea a partir de una resina de epoxia
de dos componentes de curación en caliente
pre-rellenada con
ciclo-alifático.
Una vez que el manguito está colocado sobre la
botella recubierta de silano, se dejan en reposo la botella y el
manguito alrededor de 24 horas antes de que la encapsulación de
epoxia quede moldeada alrededor de la botella y el manguito. Este
periodo permite al silano difundirse a través del manguito y
facilita la unión del manguito a la encapsulación de epoxia que se
sitúa por encima de la configuración de la botella y el
manguito.
Se considera que la epoxia
ciclo-alifática es una epoxia para intemperie por su
duración y capacidad de soportar la radiación ultravioleta. Aunque
hay otros tipos de epoxia, tales como el bisfenol, que pueden ser
más adecuados, y por tanto más adaptables al proceso de moldeo, se
considera que el bisfenol no es una epoxia para intemperie.
El material de epoxia tiene un coeficiente de
expansión térmica dentro de la gama de 25 a 50 x 10^{-6}
mm/mm/grados C en la gama de temperaturas de -40ºC hasta alrededor
de +100ºC, y un coeficiente de expansión térmica de alrededor de 100
x 10^{-6} mm/mm/grados C dentro de la gama de temperaturas de
+100ºC hasta alrededor de +160ºC.
Durante el proceso de moldeo, la encapsulación de
epoxia se forma a una temperatura de alrededor de los 160ºC. En el
modo de realización preferido, la epoxia fluye en forma líquida para
formar una unión con el manguito 16 de silicona y rellenar el resto
de la cavidad de moldeo. A esta elevada temperatura, la epoxia tiene
un coeficiente de expansión térmica relativamente alto de alrededor
de 100 x 10^{-6} mm/mm/grados C. A medida que la epoxia se enfría
a través de la gama de transición del vidrio, el coeficiente de
expansión térmica cae hasta alrededor de 25 a 50 x 10^{-6}
mm/mm/grados C.
Consecuentemente, el manguito 16 de silicona, que
está en tensión al ser expandido para adaptarse alrededor de la
botella 18, queda bajo la compresión de la epoxia una vez que la
encapsulación de epoxia encoge al enfriarse. En el modo de
realización preferido, al enfriarse, la pared de epoxia es de 1,0
cm. de espesor, 10,0 cm. de diámetro (diámetro exterior), y la
silicona se comprime hasta un espesor de 0,15 cm. La compresión de
la silicona está limitada porque la superficie inferior del manguito
16 de silicona es libre de expandirse en la cavidad 17 cuando la
compresión excede de un umbral predeterminado.
El manguito 16 de silicona tiene una lectura en
el durómetro en la gama de 30-35 cuando está en
estado no expandido y su lectura en el durómetro está en la gama de
55-57 cuando está en su estado expandido sobre la
botella cerámica.
La silicona expandida tiene un coeficiente de
expansión térmica dentro de la gama de 60 a 90 x 10^{-6}
mm/mm/grados C y, más preferiblemente, dentro de la gama de 70 a 80
x 10^{-6} mm/mm/grados C. Este coeficiente de expansión térmica es
relativamente constante en la gama de temperatura de -40ºC hasta
160ºC.
Así, el coeficiente de expansión térmica de la
epoxia cambia desde un valor más alto que el del manguito de
silicona expandido cuando se moldea la epoxia por primera vez, hasta
un nivel que está por debajo del valor del manguito de silicona
expandido cuando se enfría la epoxia. En el estado en el que la
epoxia está por debajo de la temperatura de transición vítrea, el
coeficiente de expansión térmica del manguito expandido 16 está en
un valor de alrededor de la mitad del coeficiente de la epoxia.
El material cerámico de alúmina tiene un
coeficiente de expansión térmica dentro de la gama de 2 a 20 x
10^{-6} mm/mm/grados C y, mas preferiblemente, dentro de la gama
de 5 a 15 x 10^{-6} mm/mm/grados C. Este coeficiente de expansión
térmica es relativamente constante en toda la gama de temperaturas
de -40ºC a 160ºC.
Además, a la vista de la interacción entre los
coeficientes de expansión térmica de los diversos componentes, y
también a la vista del efecto amortiguador creado por la naturaleza
adaptable de la silicona, el esfuerzo en la encapsulación de epoxia
se reduce. Como resultado de este esfuerzo reducido, las propiedades
dieléctricas y mecánicas de la encapsulación de epoxia mejoran
considerablemente. Puede evitarse así el uso costoso y difícil del
poliuretano en la técnica anterior.
Otra ventaja de utilizar el manguito de silicona
con la epoxia es que el manguito de silicona y la encapsulación de
epoxia tienen valores dieléctricos similares, creando una
encapsulación dieléctrica homogénea. La silicona tiene un valor
dieléctrico de alrededor de 3, y la epoxia tiene un valor
dieléctrico de alrededor de 4. Debido a que el aire tiene un valor
dieléctrico inferior, todo el aire debe ser mantenido fuera de la
encapsulación acabada.
Un beneficio significativo es que ya no es
necesario mantener la botella de vacío sumergida dentro de un
depósito de aceite o de gas, superando así varias desventajas de
otras técnicas anteriores.
En el modo de realización preferido, el
interruptor es un interruptor de campo magnético axial, tal como el
tipo divulgado en la patente de Estados Unidos núm. 4.871.888.
Aunque el modo de realización preferido divulgado
anteriormente define materiales y niveles de expansión específicos,
la presente invención no está específicamente limitada a los
detalles establecidos anteriormente. Pueden utilizarse materiales
distintos a la silicona para el manguito 16, siempre que tales
materiales proporcionen las propiedades necesarias, incluyendo
flexibilidad y expansión térmica. Además, el método de encapsulación
de la botella de vacío puede tener aplicación en otras industrias y
entornos, además de la técnica de interruptores de alta tensión.
Claims (20)
1. Un interruptor que comprende:
un conjunto (18) de vacío,
contactos de conmutación encerrados dentro del
conjunto (18) de vacío;
una capa de material rígido que rodea el conjunto
de vacío y caracterizado por
una capa (16) de material estirado adaptable
alrededor del conjunto (18) de vacío y dentro de la capa de material
rígido.
2. El interruptor de la reivindicación 1, en el
que el material adaptable (16) es silicona estirada.
3. El interruptor de la reivindicación 1, en el
que el material adaptable (16) se estira hasta el doble de su
diámetro original.
4. El interruptor de la reivindicación 2, en el
que el material rígido es una encapsulación de epoxia.
5. El interruptor de la reivindicación 2, en el
que el material rígido es una encapsulación de epoxia
ciclo-alifática.
6. El interruptor de la reivindicación 4, en el
que el conjunto (18) de vacío incluye una botella cerámica.
7. El interruptor de la reivindicación 6, en el
que la silicona está unida a la botella (18) de cerámica con un
adhesivo basado en silano.
8. El interruptor de la reivindicación 1, en el
que un coeficiente de expansión térmica del material adaptable (16)
está dentro de la gama de 60-90 x 10^{-6}
mm/mm/grados C y el material rígido tiene un coeficiente de
expansión térmica dentro de la gama de 25 a 50 x 10^{-6}
mm/mm/grados C en la gama de temperaturas de -40ºC hasta alrededor
de +100ºC y un coeficiente de expansión térmica de alrededor de 100
x 10^{-6} mm/mm/grados C dentro de la gama de temperaturas de
+100ºC hasta alrededor de +160ºC.
9. El interruptor de la reivindicación 8, en el
que el material rígido está formado a una temperatura del alrededor
de 160ºC y al enfriarse mantiene al material adaptable (16) en una
condición de compresión.
10. El interruptor de la reivindicación 9, en el
que el conjunto (18) de vacío tiene alrededor de 5,08 cm de
diámetro, el material adaptable estirado (16) tiene alrededor de
0,23 cm de espesor y el material rígido tiene un espesor de
alrededor de 1,0 cm.
11. El interruptor de la reivindicación 10, en el
que el conjunto (18) de vacío y el material rígido (22) definen una
abertura a través de la cual puede fluir el material adaptable (16)
cuando el material adaptable (16) alcanza un nivel umbral de
compresión.
12. El interruptor de la reivindicación 1, en el
que el coeficiente de expansión térmica del material adaptable (16)
está dentro de la gama de 60-90 x 10^{-6}
mm/mm/grados C y el coeficiente de expansión térmica del material
rígido está a un nivel más alto que el coeficiente de expansión
térmica del material adaptable (16) cuando se moldea primero el
material rígido alrededor del material adaptable (16) y el
coeficiente de expansión térmica del material rígido cambia a un
nivel más bajo que el coeficiente de expansión térmica del material
adaptable (16) una vez que el material rígido se ha enfriado.
13. El interruptor de la reivindicación 12, en el
que el material adaptable (16) es silicona expandida y el material
rígido es epoxia.
14. El interruptor de la reivindicación 1, en el
que el material adaptable (16) tiene una lectura en el durómetro en
la gama de 55 a 57.
15. Un método de encapsulación de un interruptor
de vacío, que comprende los pasos de:
estirar un manguito (16) de material
adaptable;
insertar el interruptor de vacío dentro del
manguito estirado (16);
envolver el manguito estirado (16) sobre el
interruptor; y
encapsular el interruptor y el manguito (16)
dentro de un material rígido.
16. El método de la reivindicación 15, en el que
el material adaptable (16) es silicona.
17. El método de la reivindicación 15, en el que
el manguito (16) se estira al menos hasta el doble de su diámetro
original.
18. El método de la reivindicación 16, en el que
el material rígido es epoxia.
19. El método de la reivindicación 16, en el que
el manguito (16) está unido al interruptor con un adhesivo basado en
silano.
20. El método de la reivindicación 19, en el que
el adhesivo basado en silano se difunde a través del material
adaptable (16) y une el material adaptable (16) con el material
rígido.
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