專利名稱：電學(xué)高場/高壓單元及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電學(xué)高場/高壓單元，包括至少一個電學(xué)元件以及一種固體絕緣材料。這種單元可以是高壓單元，尤其是例如X射線系統(tǒng)或計算機斷層X光攝影設(shè)備這樣的高壓發(fā)生器，也可以是低壓單元，例如包括電學(xué)元件或?qū)w，它們彼此位置十分緊密，所以必須提供絕緣材料以避免這些元件之間的擊穿/跳火(flashover)。
本發(fā)明還涉及包括高場/高壓單元的X射線系統(tǒng)或計算機斷層X光攝影系統(tǒng)。
EP1 176 856公開了一種具有機殼的高壓發(fā)生器，機殼中提供多個電學(xué)元件和混合絕緣體。絕緣體包括硬泡沫，形成為包圍電學(xué)元件和相關(guān)連接的腔，并提供通道，通過該通道，引入液體或氣體絕緣材料優(yōu)選的是變壓器油，以增強各個元件的冷卻。
盡管這種發(fā)生器可以形成為具有小尺寸和輕重量以及高電氣絕緣強度和高輸出功率，但由于下面的事實存在缺點，這是因為在最終填充絕緣液體或氣體之前，必須形成絕緣材料的多個不同部分，并且它們需要與電學(xué)元件和相關(guān)連接裝配在一起，因此這種發(fā)生器的制造需要很多步驟并且是相當(dāng)昂貴的。
本發(fā)明的一個目的是提供一種上述高場/高壓單元的結(jié)構(gòu)，它更加簡單且可以更容易和快捷地實現(xiàn)。
具體而言，本發(fā)明的一個目的是提供一種高場/高壓單元，包括至少一個電學(xué)元件和固體絕緣材料，它具有較簡單的結(jié)構(gòu)并僅需裝配較少的部件。
根據(jù)本發(fā)明，通過一種高場/高壓單元獲得這些目的，該單元包括至少一個電學(xué)元件和固體絕緣材料，該固體絕緣材料形成為提供該高場/高壓單元的外殼或容器，且該材料具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括至少一個第一腔，用于容納該至少一個電學(xué)元件。
該解決方案的一個優(yōu)點在于，通過以該高場/高壓單元的外殼或容器形式提供固體絕緣材料，因此不再需要分離的鋼容器。
通過這樣，并且通過將該電學(xué)元件插入到合適的腔中，該高場/高壓單元的裝配顯然更加簡單和快捷，并且部分地因為不再需要分離的元件載體，可以很大程度地由機器執(zhí)行，且其成本也相應(yīng)降低。
根據(jù)本發(fā)明的高場/高壓單元的一個優(yōu)選實施例中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括至少一個第二腔，用于容納液體和/或氣體絕緣材料，其中以不透液體和/或不透氣體的機殼形式提供外殼或容器。例如，以引導(dǎo)液體或氣體絕緣材料的通道形式提供第二腔，導(dǎo)致在增加電壓強度、冷卻、重量減輕、小尺寸和高輸出功率方面具有顯著的優(yōu)勢。
根據(jù)本發(fā)明的高場/高壓單元的一個優(yōu)選實施例中，絕緣材料是硬泡沫，它包括直徑高達大約100μm的多個基本球形顆粒。該絕緣材料的優(yōu)點在于，一方面，可以根據(jù)某一區(qū)域中的材料的實際場負荷調(diào)整或改變電導(dǎo)率和/或材料的介電常數(shù)，使得在該高場/高壓單元操作過程中發(fā)生的電壓降保持比絕緣材料的跳火和/或擊穿電壓低。另一方面，可以提高絕緣材料的穩(wěn)定性和機械強度，使得例如在旋轉(zhuǎn)X射線系統(tǒng)或計算機斷層X光攝影系統(tǒng)中，該高場/高壓單元可以承受高的動態(tài)負荷。
根據(jù)本發(fā)明的高場/高壓單元的一個優(yōu)選實施例中，外殼或容器至少包括第一零件和第二零件，它們裝配在一起形成機殼。根據(jù)本發(fā)明的高場/高壓單元的另一優(yōu)選實施例中，該至少第一腔的尺寸經(jīng)過調(diào)整，用于壓配合或搭扣安裝該至少一個電學(xué)元件。這些實施例在簡單和快捷裝配方面是尤其具有優(yōu)勢。
根據(jù)本發(fā)明的高場/高壓單元的一個優(yōu)選實施例中，該至少一個元件是有源和/或無源電學(xué)元件，例如變壓器、電容器、電壓驅(qū)動器、整流器、電阻器或?qū)w，或包括至少一個這種有源和/或無源電學(xué)元件的模型單元或集成或混合電路。
根據(jù)本發(fā)明的高場/高壓單元的一個優(yōu)選實施例中，在機殼中提供至少一個至少部分導(dǎo)電的互連，用于電學(xué)連接電學(xué)元件。根據(jù)本發(fā)明的高場/高壓單元的另一優(yōu)選實施例中，通過絕緣材料的內(nèi)表面和/或在其內(nèi)部的至少部分導(dǎo)電的材料提供互連。根據(jù)本發(fā)明的高場/高壓單元的另一優(yōu)選實施例中，通過插入到絕緣材料中的金屬棒或引線提供互連。根據(jù)本發(fā)明的高場/高壓單元的另一優(yōu)選實施例中，以固定在絕緣材料的內(nèi)表面或穿過該絕緣材料布置的至少一個柔性印刷電路板和/或柔性導(dǎo)電箔片的形式提供互連。這些實施例提供與電學(xué)元件的簡單電學(xué)互連。
根據(jù)本發(fā)明的高場/高壓單元的一個優(yōu)選實施例中，在至少一個第一腔中提供接觸區(qū)域，用于電學(xué)連接該至少一個電學(xué)元件。該實施例能夠?qū)崿F(xiàn)電學(xué)元件的非常簡單的電學(xué)接觸或鍵合。
根據(jù)本發(fā)明的X射線系統(tǒng)或計算機斷層X光攝影設(shè)備包括根據(jù)本發(fā)明的高場/高壓單元。
參考附圖，在下面本發(fā)明示例性優(yōu)選實施例的描述中公開了本發(fā)明的更多細節(jié)、特征和優(yōu)點，附圖中

圖1示出了這種實施例的簡化的剖面圖。
根據(jù)圖1的優(yōu)選實施例包括機殼形式的封閉且密封的外殼或容器，包括固態(tài)絕緣材料20的第一零件10和第二零件11，它們提供機殼的外表面和輪廓以及內(nèi)腔，用于包圍和固定電學(xué)元件以及提供引導(dǎo)液體和/或氣體絕緣材料的通道3。
一方面，取決于封閉的電學(xué)元件產(chǎn)生的DC和AC電場施加的負荷，必須選擇具有足夠介電強度的絕緣材料20以避免絕緣材料的擊穿或跳火。另一方面，必須對材料進行選擇，使得它具有所需的機械強度，當(dāng)然該強度取決于整個單元的應(yīng)用、尺寸和重量。
例如，優(yōu)選的絕緣材料20是硬泡沫，它包括另一材料或物質(zhì)形式的添加劑，用于調(diào)整絕緣材料的電導(dǎo)率和/或介電常數(shù)，使得在高場/高壓單元的操作過程中發(fā)生的電壓降保持在該硬泡沫的跳火和/或擊穿電壓以下。
通過硬泡沫中至少基本球形的顆粒尤其可以形成這種添加的材料，相對于整體絕緣材料20，在它們(顆粒)的尺寸和/或它們的材料和/或它們的蓋層和/或它們的填充和/或它們的百分率方面，可以分別進行選擇和/或調(diào)整尺寸，從而獲得絕緣材料20所需的電導(dǎo)率和/或介電常數(shù)。
球形顆粒優(yōu)選地是具有高達大約100μm直徑的空心球形，填充有氣體，尤其為了獲得該高場/高壓單元的高場強度和輕重量。
為此目的，球形顆粒優(yōu)選地由玻璃和/或陶瓷和/或酚醛樹脂和/或丙烯腈共聚物或其它絕緣材料形成。
球形顆?？梢跃哂猩w層，該蓋層包括電學(xué)導(dǎo)電的材料，使得硬泡沫的電導(dǎo)率可以以相對準(zhǔn)確和可再現(xiàn)的方式設(shè)置成所需的值。
為改善顆粒和硬泡沫之間的粘合性以及提高尤其應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)X射線系統(tǒng)或計算機斷層X光攝影系統(tǒng)的機殼的強度和穩(wěn)定性，使用相關(guān)粘合增進劑，顆?？梢苑謩e被硬泡沫覆蓋和/或與之混合。
此外或備選地，對于具有尤其高的動態(tài)負荷的應(yīng)用，通過玻璃纖維層的中間層和/或集成到絕緣材料20中的金屬或鋼鐵的插入可以增加機殼的強度和穩(wěn)定性。
根據(jù)圖1的零件10、11具有基本U型的剖面，且在它們的腿的末端都分別具有凸緣10a、11a，用于組合和連接兩個零件10，11以形成機殼。
然而，零件可以具有不同的形狀和形式，例如，一個零件是壺狀形式且另一個零件是蓋子形式。這些形式和形狀主要必須根據(jù)布置在機殼中的電學(xué)元件和互連的數(shù)量和尺寸選擇。
為了獲得不透液體或不透氣體的機殼，優(yōu)選地在凸緣10a、11a之間使用尤其是0-環(huán)10c形式的封條，并且通過螺絲釘10b和/或強力夾子或夾鉗11b或通過其它已知裝置將相對凸緣10a、11a壓在一起。
零件10、11具有封閉的外部環(huán)境，所以它們提供高場/高壓單元的外表面而不需要額外的容器。然而，尤其為了避免電壓跳火或表面放電，或出于其它高壓原因，優(yōu)選地，例如，通過引線或網(wǎng)格狀層形式的半導(dǎo)體蓋層或涂料或?qū)щ娋W(wǎng)格，使零件10、11(以及相應(yīng)地機殼)的外表面電阻減小，從而獲得屏蔽效果和接地電勢。
零件10、11具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括多個第一凹槽，在將第一和第二零件10、11裝配在一起之后，這些凹槽互補，從而形成第一腔，它具有一定尺寸并且可以調(diào)節(jié)，以容納和固定該高場/高壓單元的至少一個電學(xué)元件4。
如果必須對電學(xué)元件4進行單獨電學(xué)屏蔽，相關(guān)的第一凹槽可以具有金屬蓋層。
而且，還提供第二凹槽，在裝配第一和第二零件10、11之后，第二凹槽互補，從而形成尤其是通道3形式的第二腔，用于引導(dǎo)液體和/或氣體絕緣材料流經(jīng)機殼，并且尤其流向和經(jīng)過這些需要加強冷卻的電學(xué)元件4。如果通道填充了液體或氣體絕緣材料，尤其例如變壓器油，可以有效地實現(xiàn)這種冷卻。這種油通過對流流過通道，或如EP 1 176856A2所述，它可以通過通道泵浦，此處引用上述文獻作為參考。優(yōu)選地，油通過機殼外的熱交換器引入。
根據(jù)高場/高壓單元的待選應(yīng)用選擇電學(xué)元件4。這些元件4是有源和/或無源電學(xué)元件，例如，變壓器、電容器、電壓驅(qū)動器、整流器、電阻器等，或?qū)Ь€。
而且，很多這種有源和/或無源電學(xué)元件可以組合到模型單元或集成或混合電路中，這些模型單元和電路本身在本說明書中可以認為是電學(xué)元件4。
根據(jù)高場/高壓單元的電路版圖，這些元件4通過電學(xué)互連(導(dǎo)線)相互連接。
例如，可以通過至少部分導(dǎo)電的區(qū)域5提供這些互連，該區(qū)域可以以零件10、11的內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面上的涂層或?qū)有问綄崿F(xiàn)，和/或它們可以以穿過零件10、11的導(dǎo)電通道的形式實現(xiàn)。例如，通過將導(dǎo)電泡沫注模到絕緣泡沫中可以形成該導(dǎo)電通道。
而且，元件4的電學(xué)互連可以通過金屬棒或引線6提供，這些金屬棒或引線布置在零件10、11的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表面上，和/或它們在鑄模和固化之前插入到零件10、11的絕緣材料中。
最后，還可以采用箔片技術(shù)，例如，其中使用柔性印刷電路板或柔性銅箔或?qū)踊驇顥l，它們固定在零件10、11的內(nèi)表面上，和/或它們穿過零件10、11布置，并在鑄模和固化之前引入。
優(yōu)選地，電學(xué)元件4被分別壓配合或搭扣安裝在相關(guān)第一凹槽和腔內(nèi)。這樣做的優(yōu)勢在于，一方面，不需要額外的載體來固定元件4，另一方面，如果在凹槽和腔中按壓元件4的地方分別提供接觸區(qū)域7(優(yōu)選地是彈力的或彈性接觸)，元件4可以同時被電學(xué)接觸。兩個優(yōu)勢使得高場/高壓單元的裝配顯然更加簡單和快捷。而且，裝配可以很大程度上由機器執(zhí)行。
接觸區(qū)域7本身可以通過上述電學(xué)互連5，6而互連，其中可以使用與元件4所描述的相同的互連技術(shù)。
根據(jù)圖1的高場/高壓單元包括輸入端子21，用于施加將要處理或轉(zhuǎn)換的輸入信號或輸入電壓；以及輸出端子22，用于連接輸出插頭22a，從而分別將處理和轉(zhuǎn)換的信號饋送到其它單元。根據(jù)圖1，輸入和輸出端子21、22通過金屬棒6互連，該金屬棒穿過機殼的外壁延伸到接觸區(qū)域7，在接觸區(qū)域7具有相關(guān)電學(xué)元件4。
該高場/高壓單元的制造基本包括以下步驟首先，根據(jù)已知的注模技術(shù)或壓力凝膠化技術(shù)或壓力注入過程，模制出外殼或容器(即機殼)的第一和第二零件10、11，通過這些技術(shù)和過程該至少基本球形的顆粒注入了固定劑，優(yōu)選的是液體樹脂，優(yōu)選的是在真空下。優(yōu)選地，顆粒具有不同的直徑并且在樹脂注入到顆粒之間的空隙之前被壓縮，使得它們不能沉淀。
通過這些注模技術(shù)之一，提供所述第一和第二凹槽，并且如上所述，在固化零件10、11之前，插入或注入至少部分導(dǎo)電的區(qū)域5和/或金屬棒或?qū)Ь€6形式的電學(xué)互連。
然后，電學(xué)元件4被安裝到凹槽內(nèi)，優(yōu)選地通過壓配合到凹槽，使得它們同時壓住相關(guān)接觸區(qū)域7并與之電學(xué)接觸。
根據(jù)圖1，通過下一個步驟，零件10、11都被裝配在一起，并且如上所述，通過螺絲釘10b和/或夾子11b，相對凸緣10a、11a被固定在一起。
最后，液體或氣體絕緣材料填充到機殼。尤其在流體絕緣材料的情況，在機殼的底部提供第一開口23a，且在其頂端提供第二開口23b，這些開口可以通過合適的插塞或其它設(shè)備封閉。流體絕緣材料通過第一開口23a泵浦到機殼，而第二開口23b打開使得封閉在機殼中的空氣可以泄漏出來。為了改善脫氣，該步驟優(yōu)選地在真空情況下執(zhí)行。然后兩個開口都關(guān)閉。
為了拆開該高場/高壓單元，首先通過第一開口23a排出油，然后釋放螺絲釘10b和/或夾子11b?，F(xiàn)在電學(xué)元件4可以從零件10、11中取出，相應(yīng)地進行分類和放置。零件10、11可以清洗以去除任何殘余的油并且放置起來。
一般而言，因為上述優(yōu)點，根據(jù)本發(fā)明的單元的優(yōu)選應(yīng)用是各種高壓電源和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，例如象X射線和計算機斷層X光攝影系統(tǒng)、開關(guān)裝置等。
不過，根據(jù)本發(fā)明的單元還可以用于這樣的應(yīng)用，其中必須避免相互之間以小間距排列的電學(xué)元件之間的跳火。這些應(yīng)用尤其包括用在汽車工業(yè)和航空工業(yè)(包括太空工業(yè))中的各種電學(xué)高場單元。尤其對于這些應(yīng)用(以及旋轉(zhuǎn)X射線和計算機斷層X光攝影系統(tǒng))，根據(jù)本發(fā)明的單元具有低重量和高電絕緣相結(jié)合的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種高場/高壓單元，包括至少一個電學(xué)元件(4)和一種固體絕緣材料(20)，該固體絕緣材料形成為提供該高場/高壓單元的外殼或容器，且具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括用于容納該至少一個電學(xué)元件(4)的至少一個第一腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的高場/高壓單元，其中內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括至少一個第二腔，用于容納液體和/或氣體絕緣材料，且其中以不透液體和/或不透氣體的機殼形式提供外殼或容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的高場/高壓單元，其中絕緣材料(20)是硬泡沫，它包括多個直徑高達大約100μm的基本球形顆粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的高場/高壓單元，其中外殼或容器至少包括第一零件(10)和第二零件(11)，它們裝配在一起形成機殼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的高場/高壓單元，其中該至少一個第一腔的尺寸經(jīng)過調(diào)整以用于壓配合或搭扣安裝該至少一個電學(xué)元件(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的高場/高壓單元，其中該至少一個元件(4)是有源和/或無源元件，例如變壓器、電容器、電壓驅(qū)動器、整流器、電阻器或?qū)w，或包括至少一個這種有源和/或無源電學(xué)元件的模型單元或集成或混合電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的高場/高壓單元，其中在機殼內(nèi)至少提供一個至少部分導(dǎo)電的互連(5；6)，用于電學(xué)連接該電學(xué)元件(4)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的高場/高壓單元，其中通過該絕緣材料(20)的內(nèi)表面上和/或內(nèi)部的至少部分導(dǎo)電的材料(5；6)提供互連。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的高場/高壓單元，其中通過插入到絕緣材料(20)中的金屬棒或引線(6)提供互連。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的高場/高壓單元，其中以固定在絕緣材料的內(nèi)表面和/或穿過該絕緣材料布置的至少一種柔性導(dǎo)電箔片和/或柔性印刷電路板的形式提供互連。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的高場/高壓單元，其中在至少一個第一腔內(nèi)部提供接觸區(qū)域(7)，用于電學(xué)接觸該至少一個電學(xué)元件(4)。
12.一種X射線系統(tǒng)或計算機斷層X光攝影系統(tǒng)，包括根據(jù)前面權(quán)利要求至少之一的高場/高壓單元。
全文摘要
公開了一種高場/高壓單元及其制造方法，該單元包括至少一個電學(xué)元件(4)和一種第一和第二零件(10，11)形式的固體絕緣材料(20)，具體而言，第一和第二零件(10，11)形成硬泡沫的半個實體。每個零件(10，11)都具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括多個預(yù)形成的其中固定電學(xué)元件(4)的腔(3)。裝配之后，零件(10，11)形成高場/高壓單元的密封機殼，從而不需要額外的鋼容器。例如使用插入技術(shù)，用于元件互連的導(dǎo)電路徑(5，6)集成在絕緣材料(20)中。因為多種功能可以集成在固體絕緣材料(20)中，因此提供了裝配和拆開象X射線管的高壓發(fā)生器這樣的油/氣體填充的高場/高壓單元的簡單解決方案。
文檔編號H01F27/02GK101065812SQ200580038690
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月11日
發(fā)明者H·尼格勒, A·薩克塞 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司