DE102012214055A1

DE102012214055A1 - Verfahren zur Herstellung eines gesteuerten Hochspannungsisolators und eine dazugehörige medizintechnische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102012214055A1
Application number: DE201210214055
Authority: DE
Inventors: Jörg Freudenberger; Christian Hoffmann; Gia Khanh Pham; Steffen Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: DE102012214055B4

Abstract

Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Herstellung eines gesteuerten Hochspannungsisolators (5), beispielweise für einen Röntgenstrahler. In einem Verfahrensschritt a) (100) wird eine Keramikfolie um ein Formelement (2), beispielsweise einen Zylinder, in mindestens einer Lage (3) gewickelt (100). Anschließend wird in einem Verfahrensschritt b) die äußere Lage (3) der gewickelten Keramikfolie zumindest teilweise mit einem Metall beschichtet (120). Ein folgender Verfahrensschritt c) besteht aus einer mehrmaligen Wiederholung (130) der Verfahrensschritte a) und b). Dabei wird ein Rohling (1) gebildet. Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt d) die Entbinderung (160) des Rohlings (1) durch Wärmezufuhr. In einem letzten Verfahrensschritt e) wird der Rohling (1) durch Wärmezufuhr gesintert (170), wobei der gesteuerte Hochspannungsisolator (5) gebildet wird. Der durch dieses Verfahren herstellbare gesteuerte Hochspannungsisolator (5) weist eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit und Vakuumfestigkeit auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gesteuerten Hochspannungsisolators und eine dazugehörige medizintechnische Vorrichtung.
Ein elektrischer Hochspannungsisolator, auch als elektrische Durchführung bezeichnet, ist ein Isolator, der ein Kabel, das ein Hochspannungspotential führt, oder eine Durchleitung durch ein Gehäuse führt, das in der Regel geerdet ist.
Der elektrische Hochspannungsisolator besteht aus einem isolierenden Werkstoff, der den Potentialunterschied zwischen dem Kabel und dem geerdeten Gehäuse trennt, ohne dass elektrische Entladungen zwischen dem Kabel und dem geerdeten Gehäuse über den isolierenden Werkstoff oder über das gehäuseinnenseitige und/oder gehäuseaußenseitige Umgebungsmedium auftreten.
Derartige elektrische Entladungen durch den isolierenden Werkstoff können auftreten, wenn die Spannung zwischen der Hochspannungsleitung und dem geerdeten Gehäuse größer ist als eine durch die Durchschlagfestigkeit des isolierenden Werkstoffs bestimmte Durchschlagspannung.
Eine elektrische Durchführung der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der DE 31 49 677 A1 offenbart.
Für viele Anwendungen in der Hochspannungstechnik werden außer einer hohen Durchschlagfestigkeit noch weitere Anforderungen an den Isolierstoff gestellt. Beispielsweise werden für den Einsatz in Röntgenröhren oder anderen Hochvakuumbauteilen wie Mittelspannungsschaltern nur hochvakuumtaugliche Isolierstoffe verwendet, die im Vakuum nicht ausgasen und damit die Qualität des Vakuums nicht beeinträchtigen. Zudem wird von den Isolierstoffen eine thermische Stabilität bis 600°C gefordert, um der Beanspruchung durch Schweiß- und Ausheizprozesse bei der Montage unbeeinträchtigt zu widerstehen. Nur anorganische Isolierstoffe wie Keramiken oder Gläser werden diesen Anforderungen gerecht. Im Röntgenröhrenbau finden verstärkt keramische Isolierstoffe Verwendung. Diese technologisch anspruchsvollen Werkstoffe in Kombination mit den vergleichsweise großen Abmessungen und teilweise komplexen Strukturen zur Kriechwegverlängerung lassen elektrische Durchführungen jedoch voluminös und kostenintensiv werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Hochspannungsisolators und eine zugehörige medizintechnische Vorrichtung anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Bisher existierten keine Isolierstoffe oder Prozesse, in denen metallische Steuerbeläge eingebracht werden können, die hochvakuumtauglich sind und den auftretenden Temperaturen und elektrischen Beanspruchungen in der Röntgenröhre standhalten können. Aktuell werden ungesteuerte Durchführungen aus keramischen Isolierstoffen eingesetzt. Bei diesen werden komplexe Strukturen und Geometrien verwendet, um den Kriechweg an der Grenzfläche zu verlängern. Der Erfindung liegt die Idee der äußeren Besteuerung des elektrischen Feldes zugrunde. Dabei werden metallische Potentialsteuerungen in Durchführungsnähe angebracht, um lokale Feldstärkemaxima zu homogenisieren und den Feldverlauf der Durchführung zu optimieren.
Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Herstellung eines gesteuerten Hochspannungsisolators, beispielsweise für einen Röntgenstrahler. In einem Verfahrensschritt a) wird eine Keramikfolie um ein Formelement, beispielsweise einen Zylinder, in mindestens einer Lage gewickelt. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt b) die äußere Lage der gewickelten Keramikfolie zumindest teilweise mit einem Metall beschichtet. Die metallische Beschichtung kann dabei beispielsweise eine Dicke zwischen 100nm bis 1μm aufweisen. Ein folgender Verfahrensschritt c) besteht aus einer mehrmaligen Wiederholung der Verfahrensschritte a) und b). Dabei wird ein Rohling gebildet. Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt d) die Entbinderung des Rohlings durch Wärmezufuhr. In einem letzten Verfahrensschritt e) wird der Rohling durch Wärmezufuhr gesintert, wobei der gesteuerte Hochspannungsisolator gebildet wird. Der durch dieses Verfahren herstellbare gesteuerte Hochspannungsisolator weist eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit und Vakuumfestigkeit auf. Weiterhin lassen sich durch das Verfahren auf einfache Weise rotationssymmetrische Körper mit integrierter Metallisierung herstellen. Die Entbinderung und Sinterung kann über einfache, bekannte Programme in Luftatmosphäre durchgeführt werden. Der erhaltene keramische Sinterkörper ist form- und temperaturstabil bei ca. 750°C.
In vorteilhafter Weise ist die Anzahl der Wiederholungen des Verfahrensschrittes c) von einer vorgebbaren Durchschlagfestigkeit des Hochspannungsisolators abhängig. Die Durchschlagsfestigkeit des Hochspannungsisolators nimmt dabei mit der Anzahl der Widerholungen des Verfahrensschrittes c) zu.
In einer besonderen Ausführungsform kann nach Verfahrensschritt c) in einem weiteren Verfahrensschritt f) ein Laminieren des Rohlings derart erfolgen, dass die Struktur des Rohlings verdichtet wird. Das Laminieren wird unter Einsatz eines Binders durchgeführt, der beim Laminiervorgang derart plastisch verformt wird, so dass die einzelnen Lagen zu einem homogenen monolithischen Material verschmelzen.
Das Laminieren kann vorteilhafterweise mit einem Druck zwischen 50bar und 200bar, vorzugsweise 200bar, und bei einer Temperatur zwischen 20°C und 80°C, vorzugsweise 80°C durchgeführt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Formelement nach Abschluss des Verfahrensschrittes f) entfernt werden.
Des Weiteren kann das Entbindern bei einer Temperatur zwischen 150°C und 500°C durchgeführt werden. Der Sinterprozess kann bei einer Temperatur zwischen 800°C und 900°C ablaufen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Keramikfolie eine Grünfolie sein. Unter einer Grünfolie versteht der Fachmann eine ungesinterte keramische Folie, die Bindemittel und Weichmacher enthält und ein flexibles Substrat bildet. Grünfolien sind kommerziell erhältlich.
In einer weiteren Ausbildung kann nach Abschluss des Verfahrensschrittes a) das freiliegende Ende der äußeren Lage der Keramikfolie mit der darunter liegenden Lage verklebt werden. Dies kann beispielsweise mit einer Lösung aus Ethylcellulose und Wasser durchgeführt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Fläche der metallischen Beschichtungen von innen nach außen, d.h. von einem Innenradius zu einem Außenradius des Rohlings abnehmen. Alle Metallbeläge bilden in Reihe geschaltete Kapazitäten. Durch die axiale Abstufung der Metallbeläge untereinander wird eine vorteilhafte Spannungsaufteilung erzielt. Gerade die elektrischen Felder in den Randbereichen können bei geeigneter Aufteilung minimiert werden.
Weiterhin kann auch die Anzahl der Lagen ohne metallische Beschichtung bis zur nächsten Lage mit metallischer Beschichtung von innen nach außen variieren. Dadurch werden die Kapazitäten zwischen zwei metallischen Belägen direkt beeinflusst und aufgrund der Reihenschaltung aller Beläge auch die Gesamtkapazität der Anordnung, wodurch eine Anpassung bzw. Optimierung der Spannungsaufteilung des gesamten Multilayers möglich wird. Dies beeinflusst direkt die innere Feldstärke zwischen zwei Belägen und somit können kritische Feldstärken zwischen zwei Schichten vermieden werden. Durch die Kombination von axialer und radialer Geometrieanpassung der metallischen Beläge können gleichzeitig die Innen- und äußeren elektrischen Feldverteilungen optimiert werden.
In vorteilhafter Weise kann das für die metallische Beschichtung der Keramikfolie verwendete Metall Silber oder eine Silber-Palladium-Legierung umfassen. Beispielsweise kann eine Silber-Palladium-Legierung im Verhältnis 75/25 verwendet werden.
Weiterhin kann das Metall auf die Keramikfolie aufgesprüht oder aufgepinselt werden. Dadurch ist eine kostengünstige Durchführung der Metallisierung der Keramikfolie möglich. Beispielsweise kann eine Silber-Palladium-Legierung im Verhältnis 75/25 im Spray-Coating-Verfahren auf die Keramikfolie aufgebracht werden.
Das für die Bildung der formstabilen Wickelung der Keramikfolien verwendete Formelement kann zylinderförmig sein. Damit ist eine Wickelung der Lagen der Keramikfolie zu einer zylindrischen Form möglich.
Das Formelement kann vorzugsweise aus Aluminium oder Teflon bestehen. Diese Materialien sind hitzebeständig und erleichtern nach dem durchgeführten Laminieren des Rohlings die Abtrennung des Formelementes.
Weiterhin beansprucht die Erfindung eine medizinische Vorrichtung, die ein Gehäuse, ein im Gehäuse aufgenommenes elektrisches Gerät, eine von einer Außenseite des Gehäuses zugeführte Hochspannungsleitung zum Versorgen des elektrischen Geräts mit einem elektrischen Hochspannungspotential, sowie einen gesteuerten Hochspannungsisolator zum elektrischen Isolieren der Hochspannungsleitung gegenüber dem Gehäuse umfasst. Dabei ist der gesteuerte Hochspannungsisolator mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen
1: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines gesteuerten Hochspannungsisolators,
2: einen Querschnitt eines Rohlings vor Laminierung, und
3: einen Querschnitt eines gesteuerten Hochspannungsisolators.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines gesteuerten Hochspannungsisolators. Für die Herstellung eines gesteuerten Hochspannungsisolators verwendete die Anmelderin eine keramische Grünfolie (Produktbezeichnung LTCC-Tape, CT 702 mit einer Tapestärke von 130μm) der Firma Heraeus. Diese Grünfolien sind aus einem keramischen Schlicker über das Tape-Casting-Verfahren auf einer Trägerfolie derart gegossen, dass nach dem Trocknen eine biegsame Folie entsteht, die zur Formgebung entweder zu einer planaren Struktur gestapelt, oder zu einer zylindrischen Form gewickelt werden kann. In einem Verfahrensschritt 100 werden Folienstreifen der Breite 40–90mm um ein zylindrisches Formelement aus Aluminium oder Teflon in mehreren Lagen gewickelt. Das freiliegende Ende der äußeren Lage des Keramikfolienstreifens wird im Verfahrensschritt 110 mit einer Lösung aus Ethylcellulose und Wasser an der darunter liegenden Lage verklebt und anschließend getrocknet. Im Verfahrensschritt 120 wird die äußere Lage der gewickelten Keramikfolie teilweise mit einem Silber/Palladium-Legierung im Verhältnis 75/25 beschichtet. Die metallische Beschichtung kann beispielsweise eine Dicke zwischen 100nm bis 1μm aufweisen. Die Metallisierung wird entweder mittels Spray-Coating-Verfahren oder über Aufpinseln aufgebracht. Dabei werden die Bereiche, die nicht metallisiert werden dürfen, mit einer Schablone abgedeckt. Durch das Aufbringen der Metallschicht wird eine äußere Besteuerung eines erzeugten elektrischen Feldes erreicht. Die auf diese Weise in der Nähe des Hochspannungsisolators angebrachten metallischen Potentialsteuerungen führen zu einer Homogenisierung lokaler Feldstärkemaximas. Dadurch kann der Feldverlauf des Hochspannungsisolators optimiert werden.
Im Verfahrensschritt 130 werden die Verfahrensschritte 100 bis 120 wiederholt durchlaufen, wobei ein Rohling entsteht. Die Anzahl der Wiederholungen ist abhängig von der Durchschlagfestigkeit, die der Hochspannungsisolators aufweisen soll. Die Durchschlagfestigkeit des Hochspannungsisolators nimmt dabei mit der Anzahl der Widerholungen des Verfahrensschrittes c) zu. In den Versuchen der Anmelderin wurden die Verfahrensschritte 100 bis 120 zwischen 5 und 25-mal durchlaufen. Die Beschichtung der Lagen der Grünfolienstreifen wird dabei derart durchgeführt, dass die Fläche der metallischen Beschichtungen von innen nach außen abnimmt. Weiterhin kann die Anzahl der Lagen ohne metallische Beschichtung bis zur nächsten Lage mit metallischer Beschichtung variieren.
Anschließend wird der Rohling im Verfahrensschritt 140 in einer isostatischen Presse mit einem Druck zwischen 50 und 200bar, vorzugsweise 200bar, und bei einer Temperatur zwischen 20°C und 80°C, vorzugsweise 80°C laminiert. Bei diesen Temperatur- und Druckverhältnissen wird der Binder der Lagen der Folienstreifen plastisch verformbar, so dass die einzelnen Folienstreifen zu einem homogenen monolithischen Material verschmelzen und die Struktur des Rohlings verdichtet wird. Im folgenden Verfahrensschritt 150 wird das Formelement entfernt. Anschließend erfolgt im Verfahrensschritt 160 die Entbinderung des Rohlings durch Wärmezufuhr. Bei Temperaturen zwischen 150°C und 500°C wird an Luft-Atmosphäre der organische Binder im Rohling langsam ausgebrannt. Im Verfahrensschritt 170 wird der Rohling durch Wärmezufuhr bei einer Temperatur zwischen 800°C und 900°C gesintert, wobei ein homogener monolithischer Keramikkörper mit äquidistanten integrierten Metallisierungsschichten entsteht, der als gesteuerter Hochspannungsisolator verwendet werden kann. Der hergestellte Materialverbund aus Keramik und Metallbeschichtung ist hochvakuumtauglich und hält Temperaturen bis 750°C stand. Weitere Metallisierungen, die auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht werden müssen, können über einen Post-Firing-Prozess appliziert werden. Die Berücksichtigung einer äußeren und einer inneren Metallisierung aus den genannten Materialien ermöglicht einen späteren Lötprozess nach dem Sintern 170 der Keramik. Damit kann beispielsweise ein vakuumdichter Einbau der gesteuerten Durchführung in eine Röntgenröhre realisiert werden.
In 2 ist ein Querschnitt eines Rohlings vor Laminierung dargestellt. Ein Rohling 1 umfasst ein zylinderförmiges Formelement 2, um das eine Keramikfolie in mehreren Lagen 3 gewickelt ist. Auf einige Lagen 3 sind metallische Beschichtungen 4 aus Silber oder einer Silber-Palladium-Legierung mit einer Schichtstärke zwischen 100nm bis 1μm aufgebracht. Über die aufgebrachten Metallschichten 4 wird eine äußere Besteuerung eines erzeugten elektrischen Feldes erreicht. Die kapazitive Steuerung durch die Metallschichten 4 kann radial, axial oder als Kombination beider ausgeführt werden. Die Belagsenden einer aufgebrachten Metallschicht 4 werden durch die folgende, unbeschichtete Lage der Keramikfolie 3 vollständig umschlossen, um Feldüberhöhungen an den metallischen Kanten und die damit verbundenen Entladungsmechanismen wie Kriechströme, Teilentladungen und Überschläge zu verhindern. Die Beschichtung der Lagen 3 der Keramikfolie wird dabei derart durchgeführt, dass die Fläche der metallischen Beschichtungen 4 von innen nach außen abnimmt. Weiterhin kann die Anzahl der Lagen 3 ohne metallische Beschichtung 4 bis zur nächsten Lage 3 mit metallischer Beschichtung 4 variieren.
3 zeigt einen Querschnitt eines gesteuerten Hochspannungsisolators. Ein gesteuerter Hochspannungsisolator 5 besteht aus einem homogenen monolithischen Keramikkörper 6 mit äquidistanten integrierten Metallisierungsschichten 4 aus Silber oder einer Silber-Palladium-Legierung. Der hergestellte Materialverbund aus Keramik und Metallbeschichtung ist hochvakuumtauglich und hält Temperaturen bis 750°C stand.
Bezugszeichenliste

1: Rohling
2: Formelement
3: Lagen einer Keramikfolie
4: metallische Beschichtung
5: gesteuerte Hochspannungsisolator
6: Keramikkörper
100: Wickeln Keramikfolie um ein Formelement
110: Fixieren Keramikfolie
120: Beschichten Keramikfolie mit Metall
130: Wiederholen der Schritte 100 und 110 zur Bildung eines Rohlings
140: Laminieren Rohling
150: Entfernung Formelement aus Rohling
160: Entbinderung Rohling
170: Sinterung Rohling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3149677 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines gesteuerten Hochspannungsisolators (5), gekennzeichnet durch: a) Wickeln (100) einer Keramikfolie um ein Formelement (2) in mindestens einer Lage (3), b) Beschichten (120) der äußeren Lage (3) der gewickelten Keramikfolie zumindest teilweise mit einem Metall, c) mehrmaliges Wiederholen (130) der Schritte a) und b) derart, wobei ein Rohling (1) gebildet wird, d) Entbindern (160) des Rohlings (1) durch Wärmezufuhr, e) Sintern (170) des Rohlings (1) durch Wärmezufuhr, wobei der gesteuerte Hochspannungsisolator (5) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Wiederholungen des Verfahrensschrittes c) von einer vorgebbaren Durchschlagfestigkeit des Hochspannungsisolators (5) abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Verfahrensschritt c) f) ein Laminieren (140) des Rohlings (1) derart erfolgt, dass die Struktur des Rohlings (1) verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminieren (140) mit einem Druck zwischen 50bar und 200bar und bei einer Temperatur zwischen 20°C und 80°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement (2) nach Abschluss des Verfahrensschrittes f) entfernt wird.
Verfahren nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Entbindern (160) bei einer Temperatur zwischen 150°C und 500°C und das Sintern (170) bei einer Temperatur zwischen 800°C und 900°C durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikfolie eine Grünfolie ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Verfahrensschrittes a) das freiliegendes Ende der äußeren Lage (3) der Keramikfolie mit der darunter liegenden Lage (3) verklebt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der metallischen Beschichtungen (4) von innen nach außen abnimmt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Lagen (3) ohne metallische Beschichtung (4) bis zur nächsten Lage (3) mit metallischer Beschichtung (4) von innen nach außen variiert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Silber oder eine Silber-Palladium-Legierung umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall aufgesprüht oder aufgepinselt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement (2) zylinderförmig ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement (2) aus Aluminium oder Teflon besteht.
Medizinische Vorrichtung umfassend – ein Gehäuse, – ein im Gehäuse aufgenommenes elektrisches Gerät, – eine von einer Außenseite des Gehäuses zugeführte Hochspannungsleitung zum Versorgen des elektrischen Geräts mit einem elektrischen Hochspannungspotential und – ein gesteuerter Hochspannungsisolator (5) zum elektrischen Isolieren der Hochspannungsleitung gegenüber dem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass der gesteuerte Hochspannungsisolator (5) mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt ist.