專利名稱：高壓電源設備的電絕緣和冷卻材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓(HV)電源設備的絕緣和冷卻材料，尤其是X射線管的電源的絕緣和冷卻材料，并且涉及包括這些材料的高壓電源設備。
更詳細地說，本發(fā)明涉及用于高壓電源設備的新穎的絕緣和冷卻材料，所述材料具有提高的熱傳導率，以便改善工作期間在該設備中產(chǎn)生的熱的耗散。
眾所周知，X射線管包括向陽極發(fā)射電子束的直熱式陰極。在該電子束的轟擊作用下，陽極發(fā)射X射線。為了獲得高能量電子束，利用在陰極和陽極之間產(chǎn)生的強電場加速所述電子。為此，陽極被提升到相對于陰極的非常高的正電位。這種電位可能超過150千伏。高壓電源設備用以產(chǎn)生這種電位。
一般說來，高壓電源設備的有源部件被封閉和支撐在由電絕緣材料制成的第一帶肋殼體或外包層(surround)中，而包含所述有源部件的第一殼體本身被包含在由金屬制成的并且接地的第二殼體中。包含有源部件的第一殼體的內(nèi)部空間以及第一和第二殼體之間的空間用絕緣和冷卻液體、通常是油填充。
更具體地說，通過把第一殼體中高壓電源設備的有源部件，例如，高壓變壓器的各部件、倍壓整流器和所有導電元件安置在由高強度絕緣材料、例如電絕緣塑材料制成的這種第一殼體的不同艙室中而使它們在機械上固定就位并且在電氣上彼此絕緣。第一殼體中的自由空間也被充以諸如油的絕緣和冷卻液體。
第一殼體內(nèi)部以及第一殼體和接地的第二殼體之間的充油的連通的自由空間構(gòu)成通常所說的高壓空間。
X射線管工作所需要的功率為在零點幾秒內(nèi)可能高達25千瓦至100千瓦。即使高壓電源設備具有非常高的效率，由該設備所提供的功率也受到由有源部件中的電損耗引起的高壓空間中的溫升的限制。這些損耗可能相當于所述輸出功率的6％。通常的功率損耗為大約幾個千瓦。
為了避免由這些功率損耗引起的所述敏感元件的熱損壞，需要把所述高壓空間保持在比較低的溫度。
因此，本發(fā)明的一個實施例提供一種用于高壓電源設備的絕緣和冷卻材料，該材料具有提高的熱傳導率，同時保持所需要的電性能。
本發(fā)明的實施例還提供一種高壓電源設備，其中，各高壓有源部件周圍的充油的高壓空間包括由所公開的本發(fā)明的絕緣和冷卻材料制成的、用來絕緣和支撐所述有源部件的外包層。
在本發(fā)明的實施例中，生產(chǎn)用于高壓電源設備的絕緣和冷卻材料，后者包括至少一種熱塑聚合物和至少一種細粒的陶瓷填充物的混合物，使得所述材料具有至少0.9W/m.K.的熱傳導系數(shù)。
本發(fā)明還涉及高壓電源設備，它包括由本發(fā)明的絕緣和冷卻材料制成的、用于絕緣和支撐所述有源部件的外包層。
美國專利申請No.09/168,843(該專利申請被包括在本文中作為參考)中描述了一種本發(fā)明適用于其中的高壓電源設備。簡單地說，將包括各有源部件的所述高壓電源設備在組合式支架的各外殼中固定就位，所述各外殼的側(cè)壁由具有重疊的互補的斜面的、既提供電絕緣又提供熱傳導的元件構(gòu)成。


圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的高壓電源設備的示意的截面圖。
圖1示意地示出高壓電源設備1，它按照慣例包括浸沒在油中并且利用由固體絕緣材料制成的一個或多個外包層11支撐和絕緣的有源部件10。
這些有源部件10以及所述支撐和絕緣外包層11本身被封閉在例如由鋁制成的接地的帶肋殼體12中。
分別在有源部件10和絕緣外包層11之間以及絕緣外包層11和接地的殼體12之間的自由空間13、14彼此連通并且被填充以絕緣油。
外包層11的電絕緣和冷卻材料包括至少一種熱塑聚合物和至少一種細粒的陶瓷填充物的混合物，使得所述材料具有至少0.9W/m.K.的熱傳導系數(shù)。
絕緣外包層11可以是包括由充以絕緣油的間隔隔開的彼此重疊的單體外包層的多重外包層。
雖然在不存在任何外加電場的情況下通常用于高壓電源設備的絕緣油具有大約0.115W/m.K.的熱傳導系數(shù)，但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，例如，由施加存在于高壓電源設備或者任何其它裝置的高電場引起的油的流動，這些相同的油具有大得多的熱傳導系數(shù)，根據(jù)所述設備的幾何形狀，這些系數(shù)可能高出30至100倍。由此可見，對于熱耗散，外包層11的固態(tài)絕緣材料是關(guān)鍵因數(shù)。
任何有可能獲得所需要的至少0.9W/m.K.的熱傳導率并且不降低絕緣和冷卻材料的其它所需要的性能、例如介電強度和介電常數(shù)的熱塑聚合物都可以用于本發(fā)明的混合物。具體地說，介電強度應當大于50千伏/毫米，并且介電常數(shù)在2和4之間。
此外，所述絕緣材料應當是這樣的它允許例如利用模壓、注塑模壓或擠壓，或者任何其它傳統(tǒng)的工業(yè)方法，按照工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模進行容易的轉(zhuǎn)換(conversion)。
為了便于所述轉(zhuǎn)換，任何傳統(tǒng)的處理手段都可以被包括在所述材料中。
在用于配制本發(fā)明的混合物的聚合物中，可以提到聚丙烯，含氟聚合物，例如，聚四氟乙烯(PTFE)，聚三氟氯乙烯(PCTFE)，和聚偏氟乙烯(PVDF)，聚酰胺-酰亞胺(PAT)，聚醚酰亞胺(PET)，聚醚硫化物(PES)，聚苯基硫化物(PPS)以及它們的混合物。
最佳聚合物是聚丙烯，聚醚酰亞胺，聚四氟乙烯以及聚苯基硫化物和聚醚酰亞胺/聚苯基硫化物混合物。
在配制本發(fā)明的混合物中有用的細粒陶瓷填充物是使該混合物具有所需要的熱傳導率而又不降低絕緣和冷卻材料的其它性能、尤其是電絕緣性能的所有陶瓷材料。
最佳細粒陶瓷填充物是氧化鋁，氮化鋁，氮化硼，硫酸鋇和氧化鈹，以及它們的混合物。
尤其要推薦氮化硼，氮化鋁以及它們的混合物。
按照重量計，所述混合物中細粒陶瓷填充物的數(shù)量通常至少是該混合物的總重量的40％，一般在40％和80％(重量)之間，最好從40％到60％(重量)。
細粒陶瓷填充物一般具有1微米和100微米之間的粒度，最好具有10微米和60微米之間的粒度。
可以任選地用另一種材料層涂敷所述陶瓷填充物的粒子，所述材料不損害熱傳導和電絕緣性能，例如為所述粒子提供潤滑作用的硅層。
實施例用簡單的機械混合的方法制備了根據(jù)本發(fā)明的實施例的絕緣和冷卻材料，按照重量計，它包括30％的聚硫化苯基，30％的聚乙醚酰亞胺，25％的氮化鋁粉末和15％的氮化硼粉末。
將所述材料注塑模制，生產(chǎn)了直徑60毫米，厚度4毫米的盤形樣品，測定了以下性能熱傳導率(75℃)＞0.96W/m.K.
擊穿強度 ＞70.5千伏/毫米介電常數(shù) 3.4(1千赫，75℃)。
本專業(yè)的技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，在結(jié)構(gòu)和/或功能和/制造步驟方面，對所公開的實施例進行各種各樣的修改。
權(quán)利要求
1.一種用于高壓電源設備的材料，它包括至少一種熱塑聚合物和至少一種細粒陶瓷填充物的混合物，使得所述材料具有至少0.9W/m.K.的熱傳導系數(shù)。
2.權(quán)利要求1的材料，其特征在于按照重量計，所述混合物包括所述混合物總重量的至少40％的細粒陶瓷填充物。
3.權(quán)利要求2的材料，其特征在于按照重量計，所述細粒陶瓷填充物相當于所述混合物的40％到80％，最好相當于所述混合物的40％到60％。
4.權(quán)利要求1至3中的任一項的材料，其特征在于所述熱塑聚合物是從聚丙烯，聚四氟乙烯和聚醚酰亞胺中選擇的。
5.權(quán)利要求1至4中的任一項的材料，其特征在于所述細粒陶瓷填充物是從氧化鋁，氮化鋁，氮化硼和它們的混合物中選擇的。
6.權(quán)利要求5的材料，其特征在于所述細粒陶瓷填充物是從氮化鋁，氮化硼和它們的混合物中選擇的。
7.權(quán)利要求1至6中的任一項的材料，其特征在于所述細粒陶瓷填充物具有10微米和60微米之間的粒度。
8.權(quán)利要求1至7中的任一項的材料，其特征在于所述材料具有至少50千伏/毫米的介電強度。
9.權(quán)利要求8的材料，其特征在于所述材料具有大于50千伏/毫米的介電強度和在2和4之間的介電常數(shù)。
10.一種高壓電源設備，它包括借助外包層(surround)(11)支撐和電絕緣在所述設備中的高壓有源部件(10)，其中，所述外包層是由權(quán)利要求1至8中任一項的混合材料制成的。
11.權(quán)利要求10的電源設備，其特征在于所述外包層是由被絕緣油隔開的若干相互重疊的單體的外包層構(gòu)成的多重外包層。
全文摘要
用于高壓電源設備的絕緣和冷卻材料是包括至少一種熱塑聚合物和至少一種細粒陶瓷填充物的混合物,使得所述材料具有至少0.9W/m.K.的熱傳導系數(shù)。所述熱塑聚合物是聚丙烯,聚醚酰亞胺,聚硫化苯基以及聚醚酰亞胺/聚硫化苯基混合物。所述細粒陶瓷填充物可以是氧化鋁,氮化鋁,氮化硼,硫酸鋇和氧化鈹,以及它們的混合物。該高壓電源設備是為X射線管設計的。
文檔編號H05G1/02GK1256300SQ99120580
公開日2000年6月14日 申請日期1999年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月5日
發(fā)明者H·W·A·耶德利特希卡 申請人:Ge醫(yī)療系統(tǒng)有限公司