高壓絕緣材料的製作方法

2023-05-11 02:22:31 2

專利名稱：高壓絕緣材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種固體和液體形式的高壓絕緣材料，尤其是用於高壓發生器的高壓絕緣材料，並還涉及包括這種絕緣材料的高壓發生器，例如用於無線電工藝和計算機X射線斷層分析術的高壓發生器。最後本發明還涉及具有包括這種絕緣材料的高壓發生器的X射線系統。
背景技術：
根據系統的類型，在例如以X射線系統為例的，尤其是高壓電壓發生器中的現代高壓設備上設置多種各種要求。
一方面，在所有的運行條件下，高壓發生器和它們的元件應當具有充分持久的高壓穩定性。這意味著必須找到配置並必須使用這樣的絕緣材料，其可以可靠地阻止由於在個別元件上的表面電荷導致的電壓擊穿以及還阻止通過絕緣材料的電壓擊穿。
這尤其適用於具有高電源密度的現代高壓發生器的情況中，因為通過使用日益增加的高操作頻率，功率元件(例如高壓變壓器、級聯等)日益變小，高壓發生器由此變得日益緊湊以及由此產生的場強日益變高。
另一方面，高壓發生器應當具有儘可能輕的重量，尤其是在比如以計算機X射線斷層分析術為例的旋轉系統的情況中。而且由於這些設備以很高的轉速運行，所以隨著它們一起旋轉的元件易受到迅速加速，因此它們的機械結構也應當很穩定並儘可能的小和緊湊。
為了保證在日益變小的空間中足夠高的電壓穩定性，高壓發生器中的絕緣材料當然是極其重要的。然而，這裡存在的一個問題是這樣一個事實，如上述的原因所需要的，具有特別輕的重量(也就是低密度)的絕緣材料僅具有相對低的介電強度。
另外一個需求是在高壓發生器中不需要使用絕緣紙，因為所述絕緣紙需要複雜的浸漬工藝。相反，期望單獨使用塑料工藝學實現絕緣，給出這樣的優點，絕緣材料同時還起到支撐相關元件的作用，並可以根據注入成型給出最適於高壓發生器的幾乎任何內部形狀。
由此可在高壓發生器區域中或者為了冷卻各個元件而將液體絕緣材料注入的溝道中形成合適的地方。然而如在EP1176856中公開的這種混合絕緣的情況中，它必須根據固體和液體絕緣材料的不同特性，尤其是根據導電率和其介電常數來保證在混合絕緣的任何點處都不會發生電壓擊穿。
最後，還應當考慮這樣的事實，通過DC電壓、AC電壓和單極脈動電壓的混合載荷的某些應用，高壓發生器可能受到影響，由於這些電壓，甚至還由於固體和液體絕緣材料中不同的電壓降，增加了對絕緣材料的需求，尤其是在混合絕緣的情況中。

發明內容
本發明的一般目的是提供一種高壓絕緣材料，可以以相對簡單的方式將該高壓絕緣材料最優化成高壓設備的一種或多種上述需求。
尤其是，將提供這樣的高壓絕緣材料，其可以可靠地阻止由於高壓設備(尤其是高壓發生器)的個別元件上表面電荷導致的電壓擊穿和通過絕緣材料的電壓擊穿。
而且，將提供這樣的高壓絕緣材料，其具有特別輕的重量而不必按照它的電壓穩定性考慮很多的限制。
還提供這樣的高壓絕緣材料，其尤其適用於高壓發生器中的混合絕緣，例如根據EP 1176856中公開的，並且和後者比較，相對於由於表面電荷導致的電壓擊穿具有改善的穩定性和/或相對於通過絕緣材料的電壓擊穿具有改善的穩定性。
最後，還提供包括絕緣材料的高壓發生器，該絕緣材料具有可靠的介電強度，該介電強度充分低於所有的實際操作條件，特別甚至是混合載荷，同時具有相對輕的重量和/或特別小和緊湊的結構。
通過如權利要求1所述的高壓絕緣材料實現該目的，通過增加至少一種另外的材料改變絕緣材料的導電率和/或介電常數，使得當在高壓設備中使用該高壓絕緣材料時，在運行中產生的電壓降保持低於絕緣材料的擊穿電壓。
這種方案的一個優點是，例如通過至少增加絕緣材料的導電率，可以消散聚集在高壓設備的元件上的表面電荷，使得不再發生電壓擊穿。
在混合絕緣材料的情況中獲得這種方案的另一個優點，也就是說，那些不同的類型，例如尤其是固體和液體絕緣材料。由於這些通常具有不同的導電率和/或不同的介電常數，對應於在這些材料發生不同的DC或者AC電壓降，其中在至少一種絕緣材料的每一種情況中，可能超出了其介電強度。通過根據介電強度改變導電率和/或介電常數，可以實現電壓降的優化分布以及由此實現混合絕緣材料的整體更高的介電強度。
儘管US 2002/0094443 A1公開了一種以合成聚醯亞胺泡沫形式的固體絕緣材料，其是由包括玻璃、碳、金屬、陶瓷或者填充有氣體的聚合物的中空球形微粒的聚合母體構成的，在其中也提到的這種泡沫不適用於絕緣電元件並且具有很高的介電常數。鑑於此，不認為所述文獻與根據本發明的問題相關。
從屬權利要求包含本發明的有益改進。
權利要求2-8涉及固體絕緣材料。通過提出基本上的球形微粒，可以產生具有相同或者所需大小的空腔的泡沫狀絕緣材料並還在絕緣材料中產生這些空腔的高均勻的分布。
如權利要求3和4所述的絕緣材料具有這樣的優點，它們具有特別輕的重量。
如權利要求6所述的絕緣材料具有這樣的優點，可以以相對精確的和可再現的方式將它的導電率設置成所需的值。
權利要求9到12涉及液體絕緣材料，按照它們的導電率可以相對簡單地設置權利要求9和10所述的實施例，以及權利要求11和12所述的實施例允許相對簡單的設置它們的介電常數。
最後權利要求13和14涉及尤其包括混合絕緣的高壓發生器，也就是說，液體和固體絕緣材料的混合，這些高壓發生器尤其適用於無線電工藝中。
從本發明的優選實施例的下述描述中，顯現出本發明另外的細節、特徵和優點。
具體實施例方式
第一個實施例是以絕緣泡沫形式的固體高壓絕緣材料，由於它的輕的重量，所以它尤其適合用在上述旋轉X射線系統的高壓發生器中。
這種絕緣泡沫包括基礎物質，例如實質上具有大約3到4的介電常數εr的基礎聚合母體。
以球形微粒的形式，將尤其是中空球體的填充料作為另外的材料導入到該聚合母體中。和製造泡沫狀絕緣材料的公知方法相比，在這裡獲得這樣的優點，由球形微粒形成的空腔具有對應於微粒的大小的尺寸並由此可以很精確地設置並可以再現。
另外，如果選擇球形微粒的重量和特別是製造後者的材料，可以在絕緣材料中的空腔中獲得比使用最公知的相關方法更顯著地均勻分布，使得當它們被導入到還沒有固化的基礎襯底中時，在很大程度上它們既不沉澱也不漂浮，由此還可以獲得非常高和所需程度的填充。
而且，如果為了控制觸變性和/或粘滯性引入公知的潤溼和分散添加劑，可以進一步增加填充程度。
通過本身公知的方法製造填充料或者球形微粒，因此這裡不給出進一步的細節。
不像很多公知的絕緣泡沫那樣，即使使具有非常不同的壁厚的絕緣材料以起泡沫到殼體等中，最終的空腔也不變化。而且，這裡不發生在公知的絕緣泡沫中和在由於工藝導致大的壁厚的情況中將要被觀察到的碳化(由於溫升燃燒)。
根據對製造的中空球體的材料的適當選擇，根據絕緣材料中的中空球體的尺寸和數量以及根據包含在中空球體中的氣體類型和所述氣體的壓力，可以以所需的方式適合於或者改變絕緣材料的介電常數。
特別地，球形微粒是優選具有例如高達100μm直徑的中空球體。
例如，中空球體可以由玻璃、(電容器)陶瓷或者酚醛樹脂、丙烯腈共聚物或其它任何絕緣材料，例如熱塑性或者硬質塑料(duroplastic)的材料製成。
中空球體可以包含氣體，例如六氟化硫(SF6)或者異戊烷或者如上所述的在增加的壓力下還可以導入的其它氣體。
因此，例如，隨著絕緣材料中的氣體的部分更大，可以進一步降低絕緣材料的介電常數。該部分隨著中空球體的直徑和數量的增加而增加。同時，根據這兩種措施，當然還可以降低絕緣材料的重量。
而且，通過適當地選擇中空球體的直徑以及還有所含的氣體的類型和壓力，還可以影響絕緣材料的介電強度。鑑於此，以本身公知的方式使得空球體中的氣體壓力以及直徑彼此適合，結果避免了中空球體中的部分放電。
通過使用增粘劑，可以改善中空球體對基礎襯底的粘著力，並由此可以進一步增加絕緣材料的高壓穩定性。在中空球體是由玻璃或者陶瓷製成的情況中，通過用大約0.1到0.3％的矽烷化可以增加對聚合母體的粘著力。如果中空球體是由塑料製成的，通過用碳酸鈣塗覆塑料球體，可以改善對聚合母體的粘著力。
根據所有的這些方法，由此可以製造硬泡沫狀的絕緣材料，可以以定義的可再現的方式將該絕緣材料的重量、介電常數和高壓穩定性設置在很寬的界限內。
特別與增加高操作頻率的使用有關和與減小功率元件(例如，高壓變壓器、級聯等)的尺寸有關以及與高壓發生器的日益增加的緊湊結構相關，提出的另一個問題是固體絕緣材料的表面上電荷聚集，其中電荷導致在那裡的電壓擊穿並可能導致絕緣設置的破壞以及由此導致的高壓發生器(接口問題)中的故障。
通過提供由具有導電塗層的非導電材料構成的球形微粒或者中空球體，可以實現這些電荷的消散，以及由此根據DC電壓場強進一步增加負載容量。已經發現，藉助於和用中空球體製造的絕緣材料的上述特性有關的方法，例如尤其是製造的空腔的均勻分布和大小，可以根據中空球體的密度和/或大小的選擇，以相對精確和可再現的方式設置絕緣泡沫的體導電率。
根據該方法，可以以相對簡單的方式將絕緣材料的電阻率降低到大約1010到大約1012Ωcm的優選範圍，因此，有效地消散或者至少降低了上述的表面電荷，使得不再發生電壓擊穿。
由此，還可以大大避免了為了降低電阻在將導電微粒(銀、石墨等)混合到絕緣材料中時經常引起的缺陷。這是因為這樣的情況，在電阻中的大量微粒(也就是它們的填充程度)和液滴之間存在很高的依賴性。這基本上基於這樣的事實一旦絕緣材料中的各個導電微粒開始接觸(並由此形成複雜的滲透路徑)，電阻就急劇降低，尤其是非常迅速地降低到低於上述優選範圍。這不用擔心被塗覆的和非常均勻分布的球形微粒。
由此，根據AC電壓負載，也就是通過設置介電常數，和根據DC電壓負載，也就是通過設置絕緣材料的電阻，用根據本發明的絕緣材料可以進行總體的目標場控制。
尤其在使用X射線系統的過程中，這具有優點，因為通過後者高壓發生器通常受到DC電壓、AC電壓和單極脈衝電壓的混合負載的影響，尤其是當它運行在材料負載容量的極限範圍中時。
應當提出的是，根據絕緣材料的電要求，球形微粒還可能具有隻接近於理想球形的形狀。
本發明的第二個實施例是液體高壓絕緣材料。這優選使用在那些高壓發生器中(尤其是具有大功率密度的)，它們不使用絕緣紙，而是相反只使用(例如，熱塑性或者環氧或者其它絕緣樹脂的)塑料工藝和液體絕緣材料一起構成。這具有這樣的優點，不再需要和絕緣紙相關的複雜滲透過程。
而且，以大功率注入模製部分的形式，由熱塑性塑料製造的(固體)絕緣材料同時還可以起到支撐的作用，使得可能和這些部分的適當金絲成形結合，可以進一步增加高電壓發生器的緊湊性並且進一步減小其尺寸。
然而，由於大的場強，這裡還存在這樣的危險，將相對大量地對某些表面，尤其是固體絕緣材料的那些表面充電，並由此進一步加劇了上述接口問題。這可以發展到這樣的程度，甚至在還遠遠低於所擔心的絕緣材料本身擊穿的場強的場強時，仍發生電壓擊穿。
為了解決該接口問題，根據上述第一個實施例，通過導入用導電材料塗覆的中空球體，固體絕緣材料可以再次被給出降低的電阻率，使得電荷至少可以基本消散。
作為替換或者除了這之外，使用根據本發明的第二個實施例的液體絕緣材料，其同樣具有以目標方式降低的電阻率，可以獲得這樣的狀況，通過液體絕緣材料至少基本上消散了固體絕緣材料上的表面電荷。
鑑於此，根據本發明，將第一種物質添加到液體絕緣材料，所述第一種物質儘可能的基本上或者完全溶解或者稍微地降低溶液的電阻率。由於物質溶解的事實，獲得這樣的優點，不能形成導致電阻中的突然降低的上述滲透路徑，並由此還可以以目標的和可再現的方式設置液體絕緣材料的所需電阻率。
例如，可以將常規變壓器油或者酯類液體選為液體絕緣材料的基礎物質。為了減小電阻率，例如可以添加芳香烴和/或乙醇(例如酒精)，特別優選添加的量為使得仍然保持所需的和必需的介電強度並且液體中的損失仍是能容許的。
由於對液體絕緣材料的電阻率的這種設置和根據上述描述的固體絕緣材料的可能性，根據DC電壓負載中固體和液體絕緣材料之間的目標場控制或者場分布，使得兩種絕緣材料(混合絕緣材料)中的電壓降不大於每種情況中絕緣材料的介電強度。
例如液體絕緣材料的電阻率可以降低到大約1010到大約1013Ωcm的範圍，作為特定設置和配置的函數。
作為替換或者除了這之外，為了以目標方式實現相對於絕緣材料的AC電壓負載的場控制，還可以以所需的方式相對於基礎物質的介電常數依次設置或者改變液體絕緣材料的介電常數。為了增加全部絕緣材料的介電常數，可以將第二種物質，例如具有介電常數εr大約為8的蓖麻油添加到變壓器中作為基礎物質(εr＝2.1)。
尤其有利的是，可以彼此結合地使用根據本發明的固體和液體絕緣材料。
這將被看作是，例如當高壓發生器具有混合絕緣時，在該混合絕緣中存在將液體絕緣材料饋送到其中的固體絕緣材料溝道，例如是為了能夠比具有固體絕緣材料更好地從特別高熱量負載的區域中消散熱量。在EP 1176856中公開了具有這種混合絕緣的高壓發生器，應當參考該文獻作為本發明公開的一部分。
在混合絕緣的情況中，根據上面已經描述的內容，可以有利地使固體和液體絕緣材料的電阻率和介電常數彼此適合，使得一方面可靠地消散表面電荷，以及另一方面，以最優的方式，在兩種絕緣材料上通過DC和AC電壓場分布負載，使得各自的電壓降不超過各自的介電強度。
根據對於兩種絕緣材料的DC和AC電壓負載的目標場控制，可以進一步改善混合絕緣材料的介電強度，並可以使相關設備的殼體設計甚至更小。尤其是，通過可靠地消散表面電荷，所有的用途可以由絕緣材料的介電強度構成，以及由此可以相應地增加所有系統中的場強。
權利要求
1.一種高壓絕緣材料，通過添加至少一種另外的材料，改變該高壓絕緣材料的導電率和/或介電常數，使得當在高壓設備中使用該高壓絕緣材料時，在運行中產生的電壓降保持低於該絕緣材料的電壓擊穿和/或擊穿電壓。
2.如權利要求1所述的固體形式的高壓絕緣材料，其中另外的材料由至少基本球形的微粒構成，其中根據相對於所有的絕緣材料，選擇和計算它們的尺寸和/或它們的材料和/或它們的塗層和/或它們的填充料和/或它們的百分比，使得獲得絕緣材料的所需導電率和/或介電常數。
3.如權利要求2的高壓絕緣材料，其中球形微粒是具有直徑高達100μm的中空球體。
4.如權利要求2的高壓絕緣材料，其中球形微粒被填充氣體。
5.如權利要求2的高壓絕緣材料，其中球形微粒由玻璃和/或陶瓷和/或酚醛樹脂和/或丙烯腈共聚物或者其它絕緣材料構成。
6.如權利要求2的高壓絕緣材料，其中球形微粒具有由導電材料形成的塗層。
7.如權利要求2的高壓絕緣材料，其中球形微粒具有由提高微粒和基礎物質之間的粘著力的材料(增粘劑)形成的塗層。
8.如權利要求2的高壓絕緣材料，其中球形微粒嵌入在基礎物質中，其中存在添加的增粘劑用於提高微粒和基礎物質之間的粘著力。
9.如權利要求1所述的液體形式的高壓絕緣材料，其中用於改變導電率的另外的材料是由溶解在液體基礎物質中的第一種物質構成。
10.如權利要求9所述的高壓絕緣材料，其中該基礎物質是絕緣液體，例如變壓器油和/或酯液體，和第一種物質是芳香烴的和/或乙醇。
11.如權利要求1所述的液體形式的高壓絕緣材料，其中用於改變介電常數的另外的材料是由添加到液體基礎物質中的第二種物質構成。
12.如權利要求11所述的高壓絕緣材料，其中基礎物質是絕緣液體，例如變壓器油和/或酯液體，和第二種物質是蓖麻油。
13.一種高壓發生器，包括如權利要求1到8中的至少一個所述的固體形式的絕緣材料和/或權利要求9到12中的至少一個所述的液體形式的絕緣材料。
14.如權利要求13所述的高壓發生器，其中選擇至少一種絕緣材料的導電率和介電常數，使得可以獲得至少基本上適合於絕緣材料的介電強度的具有DC電壓和/或AC電壓場強的負載。
15.一種具有如權利要求13或者14所述的高壓發生器的X射線系統。
全文摘要
提供了一種特別用於高壓發生器，例如無線電工藝和計算機X射線斷層分析術的固體和液體形式的高壓絕緣材料。該固體絕緣材料的特徵在於，尤其是它們具有高介電強度，同時具有相對低的重量。而且，可以相對簡單地設置絕緣材料的導電率，使得表面電荷可靠地消散，避免了電壓擊穿。最後用更多的實施例，尤其是在混合絕緣材料的情況中，可以以目標方式適合或改變絕緣材料的介電常數和/或導電率，使得在絕緣材料上的各自的電壓降不超過其各自的介電強度。
文檔編號H05G1/04GK1809897SQ200480016934
公開日2006年7月26日 申請日期2004年6月4日 優先權日2003年6月18日
發明者H·內格勒 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司