CN101065812B - 高压发生器单元和包括其的系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种高场/高压单元及其制造方法，该单元包括至少一个电学元件(4)和一种第一和第二零件(10，11)形式的固体绝缘材料(20)，具体而言，第一和第二零件(10，11)形成硬泡沫的半个实体。每个零件(10，11)都具有内部结构，包括多个预形成的其中固定电学元件(4)的腔(3)。装配之后，零件(10，11)形成高场/高压单元的密封机壳，从而不需要额外的钢容器。例如使用插入技术，用于元件互连的导电路径(5，6)集成在绝缘材料(20)中。因为多种功能可以集成在固体绝缘材料(20)中，因此提供了装配和拆开象X射线管的高压发生器这样的油/气体填充的高场/高压单元的简单解决方案。

Description

高压发生器单元和包括其的系统
本发明涉及一种电学高场/高压单元，包括至少一个电学元件以及一种固体绝缘材料。这种单元可以是高压单元，尤其是例如X射线系统或计算机断层X光摄影设备这样的高压发生器，也可以是低压单元，例如包括电学元件或导体，它们彼此位置十分紧密，所以必须提供绝缘材料以避免这些元件之间的击穿/跳火(flashover)。
本发明还涉及包括高场/高压单元的X射线系统或计算机断层X光摄影系统。
EP1176856公开了一种具有机壳的高压发生器，机壳中提供多个电学元件和混合绝缘体。绝缘体包括硬泡沫，形成为包围电学元件和相关连接的腔，并提供通道，通过该通道，引入液体或气体绝缘材料优选的是变压器油，以增强各个元件的冷却。
尽管这种发生器可以形成为具有小尺寸和轻重量以及高电气绝缘强度和高输出功率，但由于下面的事实存在缺点，这是因为在最终填充绝缘液体或气体之前，必须形成绝缘材料的多个不同部分，并且它们需要与电学元件和相关连接装配在一起，因此这种发生器的制造需要很多步骤并且是相当昂贵的。
本发明的一个目的是提供一种上述高场/高压单元的结构，它更加简单且可以更容易和快捷地实现。
具体而言，本发明的一个目的是提供一种高场/高压单元，包括至少一个电学元件和固体绝缘材料，它具有较简单的结构并仅需装配较少的部件。
根据本发明，通过一种高场/高压单元获得这些目的，该单元包括至少一个电学元件和固体绝缘材料，该固体绝缘材料形成为提供该高场/高压单元的外壳或容器，且该材料具有内部结构，包括至少一个第一腔，用于容纳该至少一个电学元件。
该解决方案的一个优点在于，通过以该高场/高压单元的外壳或容器形式提供固体绝缘材料，因此不再需要分离的钢容器。
通过这样，并且通过将该电学元件插入到合适的腔中，该高场/高压单元的装配显然更加简单和快捷，并且部分地因为不再需要分离的元件载体，可以很大程度地由机器执行，且其成本也相应降低。
根据本发明的高场/高压单元的一个优选实施例中，内部结构包括至少一个第二腔，用于容纳液体和/或气体绝缘材料，其中以不透液体和/或不透气体的机壳形式提供外壳或容器。例如，以引导液体或气体绝缘材料的通道形式提供第二腔，导致在增加电压强度、冷却、重量减轻、小尺寸和高输出功率方面具有显著的优势。
根据本发明的高场/高压单元的一个优选实施例中，绝缘材料是硬泡沫，它包括直径高达大约100μm的多个基本球形颗粒。该绝缘材料的优点在于，一方面，可以根据某一区域中的材料的实际场负荷调整或改变电导率和/或材料的介电常数，使得在该高场/高压单元操作过程中发生的电压降保持比绝缘材料的跳火和/或击穿电压低。另一方面，可以提高绝缘材料的稳定性和机械强度，使得例如在旋转X射线系统或计算机断层X光摄影系统中，该高场/高压单元可以承受高的动态负荷。
根据本发明的高场/高压单元的一个优选实施例中，外壳或容器至少包括第一零件和第二零件，它们装配在一起形成机壳.根据本发明的高场/高压单元的另一优选实施例中，该至少第一腔的尺寸经过调整，用于压配合或搭扣安装该至少一个电学元件.这些实施例在简单和快捷装配方面是尤其具有优势.
根据本发明的高场/高压单元的一个优选实施例中，该至少一个元件是有源和/或无源电学元件，例如变压器、电容器、电压驱动器、整流器、电阻器或导体，或包括至少一个这种有源和/或无源电学元件的模型单元或集成或混合电路。
根据本发明的高场/高压单元的一个优选实施例中，在机壳中提供至少一个至少部分导电的互连，用于电学连接电学元件。根据本发明的高场/高压单元的另一优选实施例中，通过绝缘材料的内表面和/或在其内部的至少部分导电的材料提供互连。根据本发明的高场/高压单元的另一优选实施例中，通过插入到绝缘材料中的金属棒或引线提供互连。根据本发明的高场/高压单元的另一优选实施例中，以固定在绝缘材料的内表面或穿过该绝缘材料布置的至少一个柔性印刷电路板和/或柔性导电箔片的形式提供互连。这些实施例提供与电学元件的简单电学互连。
根据本发明的高场/高压单元的一个优选实施例中，在至少一个第一腔中提供接触区域，用于电学连接该至少一个电学元件。该实施例能够实现电学元件的非常简单的电学接触或键合。
根据本发明的X射线系统或计算机断层X光摄影设备包括根据本发明的高场/高压单元。
参考附图，在下面本发明示例性优选实施例的描述中公开了本发明的更多细节、特征和优点，附图中：
图1示出了这种实施例的简化的剖面图。
根据图1的优选实施例包括机壳形式的封闭且密封的外壳或容器，包括固态绝缘材料20的第一零件10和第二零件11，它们提供机壳的外表面和轮廓以及内腔，用于包围和固定电学元件以及提供引导液体和/或气体绝缘材料的通道3。
一方面，取决于封闭的电学元件产生的DC和AC电场施加的负荷，必须选择具有足够介电强度的绝缘材料20以避免绝缘材料的击穿或跳火。另一方面，必须对材料进行选择，使得它具有所需的机械强度，当然该强度取决于整个单元的应用、尺寸和重量。
例如，优选的绝缘材料20是硬泡沫，它包括另一材料或物质形式的添加剂，用于调整绝缘材料的电导率和/或介电常数，使得在高场/高压单元的操作过程中发生的电压降保持在该硬泡沫的跳火和/或击穿电压以下。
通过硬泡沫中至少基本球形的颗粒尤其可以形成这种添加的材料，相对于整体绝缘材料20，在它们(颗粒)的尺寸和/或它们的材料和/或它们的盖层和/或它们的填充和/或它们的百分率方面，可以分别进行选择和/或调整尺寸，从而获得绝缘材料20所需的电导率和/或介电常数。
球形颗粒优选地是具有高达大约100μm直径的空心球形，填充有气体，尤其为了获得该高场/高压单元的高场强度和轻重量。
为此目的，球形颗粒优选地由玻璃和/或陶瓷和/或酚醛树脂和/或丙烯腈共聚物或其它绝缘材料形成。
球形颗粒可以具有盖层，该盖层包括电学导电的材料，使得硬泡沫的电导率可以以相对准确和可再现的方式设置成所需的值。
为改善颗粒和硬泡沫之间的粘合性以及提高尤其应用于旋转X射线系统或计算机断层X光摄影系统的机壳的强度和稳定性，使用相关粘合增进剂，颗粒可以分别被硬泡沫覆盖和/或与之混合。
此外或备选地，对于具有尤其高的动态负荷的应用，通过玻璃纤维层的中间层和/或集成到绝缘材料20中的金属或钢铁的插入可以增加机壳的强度和稳定性。
根据图1的零件10、11具有基本U型的剖面，且在它们的腿的末端都分别具有凸缘10a、11a，用于组合和连接两个零件10，11以形成机壳。
然而，零件可以具有不同的形状和形式，例如，一个零件是壶状形式且另一个零件是盖子形式。这些形式和形状主要必须根据布置在机壳中的电学元件和互连的数量和尺寸选择。
为了获得不透液体或不透气体的机壳，优选地在凸缘10a、11a之间使用尤其是O-环10c形式的封条，并且通过螺丝钉10b和/或强力夹子或夹钳11b或通过其它已知装置将相对凸缘10a、11a压在一起。
零件10、11具有封闭的外部环境，所以它们提供高场/高压单元的外表面而不需要额外的容器。然而，尤其为了避免电压跳火或表面放电，或出于其它高压原因，优选地，例如，通过引线或网格状层形式的半导体盖层或涂料或导电网格，使零件10、11(以及相应地机壳)的外表面电阻减小，从而获得屏蔽效果和接地电势。
零件10、11具有内部结构，包括多个第一凹槽，在将第一和第二零件10、11装配在一起之后，这些凹槽互补，从而形成第一腔，它具有一定尺寸并且可以调节，以容纳和固定该高场/高压单元的至少一个电学元件4。
如果必须对电学元件4进行单独电学屏蔽，相关的第一凹槽可以具有金属盖层。
而且，还提供第二凹槽，在装配第一和第二零件10、11之后，第二凹槽互补，从而形成尤其是通道3形式的第二腔，用于引导液体和/或气体绝缘材料流经机壳，并且尤其流向和经过这些需要加强冷却的电学元件4。如果通道填充了液体或气体绝缘材料，尤其例如变压器油，可以有效地实现这种冷却。这种油通过对流流过通道，或如EP 1176856A2所述，它可以通过通道泵浦，此处引用上述文献作为参考。优选地，油通过机壳外的热交换器引入。
根据高场/高压单元的待选应用选择电学元件4。这些元件4是有源和/或无源电学元件，例如，变压器、电容器、电压驱动器、整流器、电阻器等，或导线。
而且，很多这种有源和/或无源电学元件可以组合到模型单元或集成或混合电路中，这些模型单元和电路本身在本说明书中可以认为是电学元件4。
根据高场/高压单元的电路版图，这些元件4通过电学互连(导线)相互连接。
例如，可以通过至少部分导电的区域5提供这些互连，该区域可以以零件10、11的内部结构表面上的涂层或层形式实现，和/或它们可以以穿过零件10、11的导电通道的形式实现。例如，通过将导电泡沫注模到绝缘泡沫中可以形成该导电通道。
而且，元件4的电学互连可以通过金属棒或引线6提供，这些金属棒或引线布置在零件10、11的内部结构的表面上，和/或它们在铸模和固化之前插入到零件10、11的绝缘材料中。
最后，还可以采用箔片技术，例如，其中使用柔性印刷电路板或柔性铜箔或层或带状条，它们固定在零件10、11的内表面上，和/或它们穿过零件10、11布置，并在铸模和固化之前引入.
优选地，电学元件4被分别压配合或搭扣安装在相关第一凹槽和腔内。这样做的优势在于，一方面，不需要额外的载体来固定元件4，另一方面，如果在凹槽和腔中按压元件4的地方分别提供接触区域7(优选地是弹力的或弹性接触)，元件4可以同时被电学接触。两个优势使得高场/高压单元的装配显然更加简单和快捷。而且，装配可以很大程度上由机器执行。
接触区域7本身可以通过上述电学互连5，6而互连，其中可以使用与元件4所描述的相同的互连技术。
根据图1的高场/高压单元包括输入端子21，用于施加将要处理或转换的输入信号或输入电压；以及输出端子22，用于连接输出插头22a，从而分别将处理和转换的信号馈送到其它单元。根据图1，输入和输出端子21、22通过金属棒6互连，该金属棒穿过机壳的外壁延伸到接触区域7，在接触区域7具有相关电学元件4。
该高场/高压单元的制造基本包括以下步骤：
首先，根据已知的注模技术或压力凝胶化技术或压力注入过程，模制出外壳或容器(即机壳)的第一和第二零件10、11，通过这些技术和过程该至少基本球形的颗粒注入了固定剂，优选的是液体树脂，优选的是在真空下。优选地，颗粒具有不同的直径并且在树脂注入到颗粒之间的空隙之前被压缩，使得它们不能沉淀。
通过这些注模技术之一，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导电的区域5和/或金属棒或导线6形式的电学互连。
然后，电学元件4被安装到凹槽内，优选地通过压配合到凹槽，使得它们同时压住相关接触区域7并与之电学接触。
根据图1，通过下一个步骤，零件10、11都被装配在一起，并且如上所述，通过螺丝钉10b和/或夹子11b，相对凸缘10a、11a被固定在一起。
最后，液体或气体绝缘材料填充到机壳。尤其在流体绝缘材料的情况，在机壳的底部提供第一开口23a，且在其顶端提供第二开口23b，这些开口可以通过合适的插塞或其它设备封闭。流体绝缘材料通过第一开口23a泵浦到机壳，而第二开口23b打开使得封闭在机壳中的空气可以泄漏出来。为了改善脱气，该步骤优选地在真空情况下执行。然后两个开口都关闭。
为了拆开该高场/高压单元，首先通过第一开口23a排出油，然后释放螺丝钉10b和/或夹子11b。现在电学元件4可以从零件10、11中取出，相应地进行分类和放置。零件10、11可以清洗以去除任何残余的油并且放置起来。
一般而言，因为上述优点，根据本发明的单元的优选应用是各种高压电源和转换系统，例如象X射线和计算机断层X光摄影系统、开关装置等。
不过，根据本发明的单元还可以用于这样的应用，其中必须避免相互之间以小间距排列的电学元件之间的跳火。这些应用尤其包括用在汽车工业和航空工业(包括太空工业)中的各种电学高场单元。尤其对于这些应用(以及旋转X射线和计算机断层X光摄影系统)，根据本发明的单元具有低重量和高电绝缘相结合的优点。

Claims (10)

1.一种用于X射线系统或计算机断层X光摄影设备的高压发生器单元，包括至少一个电学元件(4)和一种固体绝缘材料(20)，该固体绝缘材料形成为提供该单元的外壳或容器，且该材料具有内部结构，所述内部结构包括用于容纳该至少一个电学元件(4)的至少一个第一腔，其中外壳或容器至少包括第一零件(10)和第二零件(11)，它们装配在一起形成机壳，其中该至少一个第一腔的尺寸设置成用于压配合或搭扣安装该至少一个电学元件(4)，且其中在所述至少一个第一腔内部提供接触区域(7)，用于电学接触该至少一个电学元件(4)。
2.根据权利要求1的单元，其中内部结构包括至少一个第二腔，用于容纳液体和/或气体绝缘材料，且其中以不透液体和/或不透气体的机壳形式提供外壳或容器。
3.根据权利要求1的单元，其中绝缘材料(20)是硬泡沫，它包括多个直径高达100μm的球形颗粒。
4.根据权利要求1的单元，其中该至少一个电学元件(4)是有源和/或无源电学元件。
5.根据权利要求4的单元，其中该至少一个电学元件(4)是变压器、电容器、电压分配器、整流器、电阻器或导体；或者包括变压器、电容器、电压分配器、整流器、电阻器或导体的模型单元或集成或混合电路。
6.根据权利要求1的单元，其中在机壳内至少提供一个至少部分导电的互连(5；6)，用于电学连接该电学元件(4)。
7.根据权利要求6的单元，其中通过该绝缘材料(20)的内表面上和/或内部的至少部分导电的材料提供互连(5、6)。
8.根据权利要求6的单元，其中通过插入到绝缘材料(20)中的金属棒或引线(6)提供互连。
9.根据权利要求6的单元，其中以固定在绝缘材料的内表面和/或穿过该绝缘材料布置的至少一种柔性印刷电路板和/或柔性导电箔片的形式提供互连。
10.一种X射线系统或计算机断层X光摄影系统，包括根据前面权利要求至少之一的单元。
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