专利名称：特别用于高压发生器的电绝缘材料的制作方法
技术领域：
本发明以通用的方式涉及电绝缘材料的领域，特别是电介质类型的电绝缘材料。本发明的目的可特别应用于高压发生器的电绝缘材料，例如用于医学成像学领域。
背景技术：
已经开发了许多种电绝缘材料，特别可确保对高压发生器的绝缘，该高压发生器例如供给医学成像中使用的X射线管。目前所使用的材料中，特别使用基于聚合物的电介质材料，典型地使用与云母结 合的聚丙烯。这些类型的绝缘体可以耐受非常强的电场。例如，它们可以承受80kV/cm左右的电压。然而，高于某一电压值时(被称为“开始”电压)，就会开始通过材料局部放电并且聚合物会无法复原地退化，其绝缘性质也无法复原地退化。事实上由于电流会渗透到材料中，聚合物的某些分子会经受该聚合物分子的重新排列，这会逐渐降低其绝缘能力，直到其击穿。然而，需要越来越高的功率来提高这种设备的图像获取频率，这意味着需要增加通过高压发生器输送的电压，同时需要最小化所述发生器的重量，因为它们一般需要安装在扫描仪上。另外，高压发生器需要越来越小的尺寸，以增加高压发生器安装在其上的成像设备的图像获取速度。这意味着需要增加通过该发生器输送的电压，同时需要最小化所述发生器的重量，因为它们需要安装在扫描仪上。因此，需要开发新型的电绝缘材料，其能够耐受更强的电场，而不使这些电绝缘材料安装在其上的发生器过载。
发明内容
建议一种用于高压发生器的电绝缘材料，所述材料为一种基于聚合物类型的电介质材料。该材料填充有纳米颗粒并且其阈值电压(在该阈值电压处开始局部放电(被称为“开始”电压))高于相同但没有填充材料的阈值电压。它在局部放电开始后的使用寿命也会增加。另外建议一种高压发生器，其包括由这种材料制成的绝缘体。
参照附图阅读下文以非限制性示例方式给出的详细描述，本发明的其它特性，目的和优点将会变得更清晰，并且其中图I示意性表示了本发明所建议的材料。
图2示出了可能的测试组装件，以确定给定材料的“开始”电压或使用寿命。图3示意性表示了高压发生器的截面图，该发生器的绝缘由本发明建议的材料来确保。
具体实施例方式参照图1，表示了电绝缘材料10，其可用于例如高压发生器中。所述材料为基于聚合物的电介质11，例如基于聚丙烯或者可替换为基于聚乙烯，但也可以考虑其它树脂。另外，该材料填充有导电纳米颗粒12。导电纳米颗粒12可为碳纳米管，其是非常良好的电导体，如果合适，也可通过其它纳米颗粒完成，例如钛的纳米氧化物或者硼亚硝酸盐纳米颗粒。对于高压发生器的电绝缘应用来说，所填充聚合物的介电常数应选择为尽可能接近所使用的绝缘油的介电常数(介电常数在2. 2和3之间，优选为2. 3和2. 8之间)。 添加到材料中的纳米颗粒具有良好热特性，其还允许该材料成为比单独基于聚合物的材料更好的热导体。例如，绝缘材料10包括少于I % (重量)的碳纳米管，所述材料10的热导率大于或者等于O. 6ff .m-1 而单独的基于聚合物的绝缘材料具有的热导率为
O.2W · πΓ1 · IT1左右。硼亚硝酸盐纳米颗粒的添加能使得材料的热导率进一步增加。如上所述，当没有填充的、基于聚合物的材料遭受超过阈值电压(被称为“开始”电压，高于此电压材料中产生局部放电，这导致其无法复原的击穿)的电场时，它经历老化。这种现象与电场约束下聚合物11的分子重新排列相联系。然而，当材料10遭受强大的电场时，材料10的导电纳米颗粒12能够使局部放电电流在所述材料10中传播，这可以降低对基于聚合物的分子11的约束。随后填充有纳米颗粒12的材料10会产生许多令人关注的特性。首先，纳米颗粒会“旁路”电绝缘性，并且事实上绝缘材料10绝缘性低于基于聚合物但没有填充的材料。例如，对于在全部绝缘材料中的比例低于1% (重量)的纳米颗粒来说，填充的材料10的绝缘电阻比没有填充的聚合物的绝缘电阻低两个数量级。然而，填充的材料10的绝缘电阻可保持足够，以确保高压绝缘，以使得绝缘材料10仍能够用于高电压的绝缘，例如用在高压发生器中。另一方面，纳米颗粒实现的所述“旁路”(特别是基于碳的纳米颗粒)使得第一次局部放电发生的电压对于填充有纳米颗粒12的材料10来说可能比对于相同但没有填充的、基于聚合物的材料更高。纳米颗粒12容许的放电电流在聚合物11的电阻对强电场产生的影响中增大。事实上，在下面参考图2描述的测试范围内，对于填充有碳纳米颗粒的材料(1% (重量)或者更低的比例)来说，检测第一次放电的“开始”电压为30kV左右或更大，而对于相同但没有填充的材料来说所述的“开始”电压为27kV左右。另外，已填充的材料具有的介电刚度比相同但没有填充的材料的介电刚度高出30 %。另外，还观察了相同的材料，其中对于纳米颗粒填充的材料从第一次放电开始到被击穿前的使用寿命大幅增加。用于确定放电开始的“开始”电压的测试，以及用于确定一旦达到“开始”电压的使用寿命的测试，例如可以使用BAUR公司的“BAURPriif-und Messtechnik GmbH”的油绝缘测试仪来实施。
图2示出了该组装件。待测试的材料样本EM放置在面向测试仪的两个金属电极E之间。样本EM是直径为2mm并且边为数厘米的方形板。电极E为直径12mm的球状电极，其端部两臂B插入到填充有绝缘油的玻璃容器C中。两个电极E和材料样本EM因此浸泡在绝缘油中，并且通过两个臂B进行高压(实际上50Hz)供电。其中一个臂上安装有电流互感器T (灵敏度100mV/A)，其将输入信号回馈至示波器0，该示波器装配有阈值检测装置。该用于确定“开始”电压的测试包括以O. 5Kv/s的梯度增加施加到电极的电压。“开始”电压是如下电压在其上可第一次检测到高于示波器O给出的强度阈值的电流(第一次有效放电)。在第一个试验变型中，可能允许电极E端子处的电压以相同的O. 5kV/s的梯度上 升，以便确定电压-被称为“结束”电压-在该处会发生击穿。在另一个试验变型中，电源电压设置在“开始”电压处并且确定样本在第一次放电开始和确定的击穿之间的寿命周期。图3示出了高压发生器1，其中使用了上述的绝缘材料10。发生器I包括设置在油浴中的一个或多个变压器，整个组装件封闭在由绝缘材料制成的一个或多个外壳中，其形式可例如为绝缘套。外壳的绝缘材料为上文描述过的类型，例如为基于聚丙烯或聚乙烯，或基于甚至其它树脂的绝缘材料，其填充有低于I % (重量)的碳纳米管并且该材料具有的第一次放电出现的“开始”电压大于相同但没有填充的材料。这种材料可能增加图像获取频率并可最小化发生器的重量并同时保持有效的绝缘。另外应注意的是，通过这种绝缘材料10会使得发生器I的冷却更加有效，该材料可以进一步延伸它的使用寿命。由该绝缘材料10确保的更为有效的冷却和所述绝缘可能减小发生器I中的绝缘容积，并且因此可减小发生器I的质量。对于医学类型的应用来说，例如使用安装在扫描仪上的^(射线管的高压发生器，那么减小发生器的质量的事实可能加速扫描仪的转动速率并且因此减少检查病人的时间。显然地，上述的绝缘材料10和高压发生器I并不必然地限制在医学应用中。部件列表图 I10电绝缘材料11基于聚合物的电介质12导电纳米颗粒S 2B 电极E的臂C填充有绝缘油的玻璃容器E金属电极EM待测试的材料样本O示波器
T 电流互感器 BI 3I高压发生器10电绝缘材料
权利要求
1.用于高压发生器(I)的电绝缘材料(10)，所述材料为基于聚合物类型的电介质材料(11)，其中所述材料填充有纳米颗粒(12)，在所述材料中开始局部放电的电压大于相同但没有填充的材料中开始局部放电的电压。
2.根据权利要求I的材料，其中，所述纳米颗粒(12)是导电的。
3.根据权利要求I的材料，其中，所述纳米颗粒(12)包括碳纳米管。
4.根据权利要求3的材料，其中，所述纳米颗粒(12)此外包括钛的纳米氧化物或者硼亚硝酸盐纳米颗粒。
5.根据权利要求I的材料，其中，所述聚合物(11)基于聚丙烯或聚乙烯。
6.根据权利要求I的材料，其中，所述纳米颗粒(12)的量不超过所述材料(10)的1%(重量)。
7.根据权利要求I的材料，其中，所述介电常数在2.2和3之间。
8.根据权利要求7的材料，其中，所述介电常数在2.3和2. 8之间。
9.根据权利要求I的材料，其具有的热导率大于O.6W · πΓ1 · K—1。
10.包括电绝缘材料的高压发生器(I)，其中，所述绝缘材料为填充有纳米颗粒的(12)的、基于聚合物类型的电介质材料(11 )，在所述材料中开始局部放电的电压大于相同但没有填充的材料中开始局部放电的电压。
全文摘要
本发明名称为“特别用于高压发生器的电绝缘材料”。电绝缘材料(10)，特别用于高压发生器(1)，所述材料为填充有例如低于1％(重量)的碳纳米管的纳米颗粒(12)的、基于聚合物类型的电介质材料(11)，在所述材料中开始局部放电的电压大于相同但没有填充的材料中开始局部放电的电压。本发明还涉及一种包括这种电绝缘材料的高压发生器。
文档编号C08K7/00GK102831961SQ20121026410
公开日2012年12月19日 申请日期2012年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者H·耶利特施卡 申请人:通用电气公司