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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft elektrische Isolatoren bzw. Isoliermaterialien
in allgemeiner Form.
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Stand der Technik
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Bei
elektrischen Isolatoren bzw. Isoliermaterialien besteht häufig das
Problem einer Verschmutzung, welche die Isolation beeinträchtigt.
Es lagern sich häufig
Staub- und Schmutzpartikel an den Oberflächen von Isoliermaterialien
an. Insbesondere im Umfeld elektrischer Maschinen, welche Schleifringe oder
Kommutatoren einsetzen, entsteht durch die Kontaktbürsten ein
besonders gut leitfähiger
feiner Staub.
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So
müssen
bei einer Konstruktion von elektrischen oder elektronischen Geräten die
in den entsprechenden Sicherheitsvorschriften vorgegebenen Isolationsabstände zwischen
einzelnen Leitern eingehalten werden. Tatsächlich werden aber wesentlich
größere Isolationsabstände, insbesondere Kriechstrecken
vorgesehen, um auch noch bei einer vorgegebenen Verschmutzung die
Isolation aufrechtzuerhalten.
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Um
zumindest das Eindringen von Stäuben durch
Spalte in geschlossene Gehäuse
zu erschweren, wird in der
DE
100 11 999 A vorgeschlagen, eine Staubfalle bzw. Staubbarriere
einzusetzen. Diese weist auf der Oberfläche eine speziell gestaltete
Mikrostruktur auf, auf welcher der Staub besonders gut haftet. Damit
kann eine Wande rung des Staubes innerhalb eines Gehäuses wirkungsvoll
unterbunden werden. Für
den direkten Einsatz in elektrischen Isolationen ist eine solche
Staubbarriere nicht geeignet, da der Staub sich dann besonders an
der Isolation ablagert und damit zu einer noch schnelleren Beeinträchtigung
der Isolation führt.
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In
der
DE 101 18 351 A ,
deren Inhalt auch als Inhalt dieses Dokuments zu betrachten sei,
werden sogenannte selbstreinigende Oberflächen offenbart, wobei der Selbstreinigungseffekt ähnlich dem
bekannten Lotus-Effekt darauf basiert, dass Wassertropfen von der
Oberfläche
abperlen und den auf der Oberfläche.
liegenden Schmutz mitnehmen. Eine solche Selbstreinigung funktioniert
nur bei Oberflächen,
welche regelmäßig mit
Wasser in Kontakt kommen. Dies ist beispielsweise bei Oberflächen der
Fall, welche der Witterung ausgesetzt sind und so regelmäßig mit
Regenwasser in Kontakt kommen. Ebenso wäre eine Selbstreinigung möglich bei
Oberflächen, die
mit Wasser abgewaschen werden können.
Damit der beschriebene Selbstreinigungseffekt funktioniert, genügt es nicht,
dass die Oberflächen
mit einem feuchten Tuch abgewischt werden. Vielmehr müssen sich
Tropfen auf der Oberfläche
ausbilden können. Eine
mechanische Reinigung, wie beispielsweise mit einem feuchten Tuch
kann zur Beschädigung
der Oberfläche
sowie zu einem Einpressen der Schmutzpartikeln in die Oberfläche führen, so
dass diese dann durch den Selbstreinigungseffekt nicht mehr gereinigt
werden kann. Gerade in elektrischen bzw. elektronischen Geräten und
Anlagen, scheidet eine Reinigung unter fließendem Wasser von vorneherein aus.
Auch eine nur feuchte Reinigung, welche ohnehin nicht zu dem Selbstreinigungseffekt
führen
würde,
kann in vielen Fällen
aufgrund korrosionsempfindlicher Oberflächen nicht durchgeführt werden.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische Isolatoren oder
Isoliermaterialien derart weiterzubilden, dass die Zuverlässigkeit
der Isolation erhöht
und die Wartungsintervalle verlängert
werden können.
Weiterhin sollen Isolatoren oder Isoliermaterialien mit kleinerem
Platzbedarf und zu niedrigeren Herstellungskosten realisiert werden
können.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe ist in den unabhängigen
Patentansprüchen
angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein
erfindungsgemäßer Isolator
oder ein erfindungsgemäßes Isoliermaterial 1 ist
zur Isolation wenigstens eines elektrischen Leiters 2 vorgesehen. Dabei
weist dessen Oberfläche
zumindest teilweise eine Beschichtung bzw. eine Oberflächenstruktur
auf welche eine Doppelstruktur mit einer groben Struktur (Mikrostruktur)
zwischen 1 μm
und 100 μm,
bevorzugt zwischen 10 μm
und 50 μm,
und einer darüberliegenden
Feinstruktur auf (Nanostruktur) von 10 nm bis 5 μm, bevorzugt von 20 nm bis 1 μm aufweist.
Die Mikrostruktur wird vorzugsweise durch auf der Oberfläche fixierte
Partikel gebildet, welche eine Größe von kleiner 50 μm aufweisen.
Bevorzugt ist deren Größe kleiner
35 μm und
ganz besonders bevorzugt kleiner 20 μm. Die Partikel weisen vorzugsweise
eine zerklüftete
Struktur mit Erhebungen und/oder Vertiefungen in Nanometer(nm)-
Bereich auf. Diese weisen vorzugsweise eine Höhe von 20 nm bis 500 nm, und besonders
bevorzugt eine höhere
und 50 nm bis 200 nm auf. Der Abstand von Erhöhungen bzw. Vertiefungen, welche
beispielsweise über
Hohlräume,
Poren, Riefen, Spitzen und/oder Zacken gebildet werden, beträgt vorzugsweise
weniger als 500 nm, besonders bevorzugt weniger als 200 nm. Die
beschichteten Oberflächen
weisen die strukturbildenden Partikel auf der Oberfläche vorzugsweise
in Abständen
von 0 bis 10 Partikeldurchmessern, insbesondere in Abständen von
0 bis 3 und ganz besonders bevorzugt von ein bis zwei Partikeldurchmessern
auf.
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Derartige
Beschichtungen bzw. Oberflächenstrukturen
wurden ursprünglich
als so genannte selbstreinigende Oberflächen konzipiert, auf welchen Wassertropfen
abperlen und angelagerten Schmutz mitnehmen. Bei Versuchen konnte
allerdings der überraschende
Effekt festgestellt werden, dass derartige Oberflächen bereits
eine Anlagerung feinster Staubpartikel oder Schmutzpartikel, wie
diese beispielsweise durch Bürstenabrieb
bei Schleifkontaktbürsten
entstehen, größtenteils
verhindern. Alle diese Partikel werden nachfolgend vereinfachend
unter dem Begriff Staub bzw. Staubpartikel zusammengefasst. Durch
den beobachteten Effekt ist eine "Wäsche" der Oberfläche durch
Wassertropfen, welche von dieser abperlen, ähnlich wie bei dem Lotus-Effekt nicht
nötig.
Dieser vorbeugende Effekt wird durch Luft- bzw. Gasströmungen weiter
verbessert. Gerade bei Systemen, wie Schleifkontaktvorrichtungen,
bei denen sich die Komponenten im Betrieb gegeneinander bewegen,
wird eine solche Luftströmung
bereits durch die Bewegung hervorgerufen. Durch eine stärkere Luftströmung, wie
sie beispielsweise durch eine Zwangsbelüftung entstehen kann, wird
der Effekt weiter erhöht.
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Mit
dieser Erfindung kann nun die Anlagerung von Staub und anderen Verschmutzungen
vermieden oder zumindest reduziert werden. Somit ist auch die Beeinträchtigung
der Isolation durch Staub wesentlich geringer. Dadurch können die
Wartungsintervalle der Vorrichtung verlängert werden.
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf die Ausbildung einer Oberfläche. Eine
erfindungsgemäße Oberfläche kann
vorzugsweise durch eine Beschichtung, oder aber auch durch eine
anderweitige Gestaltung der Oberflächenstruktur, wie beispielsweise
durch ätzen
erreicht werden. Nachfolgend wird aus Gründen der Übersichtlichkeit meist auf
den Begriff Beschichtung alleine Bezug genommen, welche auch andere
Ausbildungen der Oberflächenstruktur mit
einschließen
soll.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Beschichtung bzw. Oberflächenstruktur
mit antistatischen Eigenschaften ausgebildet oder einem dünnen Film
mit antistatischen Eigenschaften überzogen. So wird Staub häufig durch
statische Aufladung der Oberfläche
verstärkt
angezogen. Durch eine antistatische Ausbildung der Oberfläche, beispielsweise
derart, dass die Oberfläche eine
zumindest geringfügige
Leitfähigkeit
aufweist, kann nun dieser zusätzliche
Anziehungseffekt reduziert werden.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Beschichtung bzw. Oberflächenstruktur 4 um
wenigstens einen elektrische Leiter 2 vorzugsweise in einer
in sich geschlossenen Fläche aufgebracht.
Damit umschließt
die Beschichtung den bzw. die elektrischen Leiter. Dieser bzw. diese
sitzen ähnlich
einer Insel innerhalb der durch die Beschichtung abgeschlossenen
Fläche.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere beschichtete
Flächen
vorgesehen. Weiterhin sind zwischen diesen Flächen weitere Flächen ohne
Beschichtung vorgesehen bzw. weist die Beschichtung Unterbrechungen
durch Flächen ohne
Beschichtung auf. Diese Flächen
ohne Beschichtung sind vorzugsweise derart angeordnet, dass sie
keine Verbindungswege zwischen leitenden Teilen unterschiedlicher
Potenziale darstellen. Auf den beschichteten Flächen kann sich kein Staub festsetzen.
Vielmehr wird dieser auf den beschichteten Flächen solange wandern, bis er
auf eine unbeschichtete Fläche
trifft, auf der er sich absetzen kann. Die unbeschichteten Bereiche
am Rand der beschichteten Flächen
dienen somit als Sammelflächen für den Staub.
Damit kann der Staub in vordefinierten Bereichen gehalten werden,
in denen er die Isolation nicht beeinträchtigt. Zudem können die
Sammelflächen
derart angebracht werden, dass sie für eine Reinigung leicht zugänglich sind.
Werden beispielsweise schwer zugängliche
Bereiche mit der Beschichtung versehen, so müssen diese zur Wartung nicht
mehr gereinigt werden. Diese Flächen
können auch
als Sammelbehälter
mit hohem Fassungsvolumen ausgebildet werden. Es kann der Staub
in den leicht zugänglichen
Flächen
ohne Beschichtung beispielsweise mittels eines Staubsaugers entfernt
werden.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Unterbrechungen
der beschichteten Flächen
zumindest eine mikrokristallin strukturierte Mikrostruktur aufweisen,
deren Oberflächenstruktur
Erhebungen und Vertiefungen in Bereich von 5 μm bis 100 μm mit einem Abstand zueinander
in Bereich von 5 μm
bis 200 μm
aufweist.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Verbesserung der Isolation eines elektrischen Isolator ist oder
elektrischen Isoliermaterials umfasst die Beschichtung isolierender
Oberflächen
mit einer Beschichtung, welche eine Doppelstruktur mit einer groben
Struktur zwischen 1 μm
und 100 μm
und eine darüberliegenden
Feinstruktur von 10 nm bis 5 μm aufweist.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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2.
zeigt beispielhaft eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung
im Schnitt. Ein elektrischer Isolator 1, vorzugsweise aus
Isoliermaterial, wie beispielsweise eine elektrische Leiterplatte,
trägt einen
ersten Leiter 2 sowie einen zweiten Leiter 3.
Die beiden Leiter sind hier beispielsweise als Leiterbahnen zur
Aufnahme elektronischer Bauteile ausgebildet. Eine erfindungsgemäße Beschichtung 4 ist
um die Leiter angeordnet und verhindert somit eine Ablagerung von Staub
und anderen Schmutzpartikeln in der Umgebung der elektrischen Leiter.
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In
dieser Figur ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Beispiel
einer elektrische Leiterplatte dargestellt. Selbstverständlich ist
der erfindungsgemäße Gegenstand
auch in Kombination mit beliebigen anderen Isolatoren einsetzbar.
Diese Isolatoren können
flächig,
als Stab, Rohr oder in anderer Form ausgebildet sein. Diese können wahlweise
starr oder auch flexibel, wie Kabelisolationen sein. Ebenso können dies
Isolatoren oder Stützer
sein, wie sie in der Hochspannungstechnik, insbesondere der Freileitungstechnik
eingesetzt werden.
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2.
zeigt beispielhaft eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hier
ist jeweils um den ersten Leiter 2 eine erste Beschichtung 4a sowie
um den zweiten Leiter 3 eine zweite Beschichtung 4b angeordnet.
Die Beschichtungen sind durch die Fläche 5 unterbrochen.
Diese Fläche
ist hier beispielhaft mit einer Beschichtung umfassend eine Mikrostruktur
ausgestattet, an welcher sich Staub und andere Schmutzpartikel bevorzugt
anlagern. Somit kann der Staub gezielt in einer vorgegebenen Fläche gelagert
werden, ohne dass dieser die Isolationseigenschaften beeinträchtigt. Ebenso
kann eine solche Fläche
zur Staub Anlagerung auch ohne Unterbrechung der Beschichtung 4, beispielsweise
seitlich oder am Rand der Beschichtung angeordnet werden. Grundsätzlich können beliebige
derartige Flächen
zur Anlagerung innerhalb oder zwischen verschiedenen Flächen mit
einer erfindungsgemäßen Beschichtung
nach Anspruch 1 kombiniert werden.
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- 1
- Elektrischer
Isolator
- 2
- Erster
Leiter
- 3
- Zweiter
Leiter
- 4
- Beschichtung
- 5
- Unterbrechung
der Beschichtung