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Die Erfindung betrifft einen Hochspannungswiderstand, insbesondere zur Verwendung eines Impulswiderstand, ein Hochspannungsgerät, ein Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungswiderstands sowie ein modulares System zur Herstellung eines Hochspannungswiderstands.
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Aus
DE 10 2010 063 406 A1 ist ein Hochspannungswiderstand und ein entsprechendes Herstellungsverfahren bekannt. Hierzu wird auf ein Trägermaterial eine Widerstandspaste aufgedruckt.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Hochspannungswiderstand, insbesondere zur Verwendung als Impulswiderstand, sowie ein Hochspannungsgerät mit einem solchen Hochspannungswiderstand, ein Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungswiderstands und ein modulares System zur Herstellung eines Hochspannungswiderstands zu schaffen.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Nach Ausführungsformen der Erfindung wird ein Hochspannungswiderstand durch mehrere Widerstandsmodule gebildet, die jeweils einen identischen Aufbau haben. Jedes der Widerstandsmodule wird durch ein Substrat gebildet, insbesondere ein Leiterplattenträgermaterial, insbesondere ein Leiterplattenträgermaterial mit Glasfasern, beispielsweise FR4.
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Das Substrat eines der Widerstandsmodule kann beispielsweise kreisförmig oder oval ausgebildet sein. Das Substrat kann aber auch eine eckige Form aufweisen.
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Auf dem Substrat ist eine Dickschicht bogenförmig gekrümmt, insbesondere kreissegmentförmig aufgebracht, wobei sich die Dickschicht zwischen Kontaktelementen des Widerstandsmoduls erstreckt. Über die Kontaktelemente von zueinander benachbarten Widerstandsmodulen werden die Widerstandsmodule in Reihe geschaltet, sodass sich der Gesamtwiderstand des Hochspannungswiderstands aus der Summe der Widerstände der einzelnen Widerstandsmodule ergibt. Durch die bogenförmig gekrümmte Dickschicht wird ein entweder links- oder rechtsgekrümmter Kurvenabschnitt beschrieben. Der Verlauf der Dickschicht auf einem Widerstandsmodul hat also keinen Wendepunkt, d. h. die bogenförmig gekrümmte Dickschicht ist wendepunktlos; insbesondere verläuft die Dickschicht also nicht mäanderförmig oder S-förmig. Dies ist besonders vorteilhaft für die Erreichung eines möglichst homogenen Stromfeldes in der Dickschicht und damit eine verbesserte Spannungsfestigkeit.
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Ausführungsformen der Erfindung sind besonders vorteilhaft, da die Modularität des Aufbaus des Hochspannungswiderstands es ermöglicht, Hochspannungswiderstände verschiedener Widerstandswerte flexibel herzustellen, indem die jeweils für die Erreichung eines gewünschten Widerstandswerts erforderliche Anzahl von Widerstandsmodulen zur Bildung des Hochspannungswiderstands verwendet wird. Ferner kann durch die dreidimensionale Geometrie des Hochspannungswiderstands die Spannungsfestigkeit erhöht werden.
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Ausführungsformen der Erfindung sind ferner besonders vorteilhaft, da sich aufgrund der Modularität des Aufbaus ein gewünschter Widerstandswert des Hochspannungswiderstands mit einer erhöhten Präzision erreichen lässt. Aufgrund der Verwendung der Dickschichttechnologie ergeben sich nämlich erhebliche Fertigungstoleranzen hinsichtlich der Widerstandswerte der einzelnen Widerstandsmodule. Diese Fertigungstoleranzen können dadurch ausgeglichen werden, dass vor der Fixierung der Widerstandsmodule des Hochspannungswiderstands zum Beispiel mit einem Epoxidharz, der resultierende Gesamtwiderstand des Hochspannungswiderstands gemessen wird, um dann bei einer Abweichung von dem vorgegebenen Sollwiderstandswert entsprechend der Abweichung ein oder mehrere der Widerstandsmodule zu entfernen oder hinzuzufügen, um den gewünschten Widerstandswert möglichst gut zu approximieren.
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Beispielsweise kann ein flüssiges, heisshärtendes Giessharzsystem verwendet werden, das nach dem Aushärten das die Widerstandsmodule verbindende Epoxidharz bildet. Beispielsweise kann das Araldit-Giessharzsystem, Datenblatt HUNTSMAN, Ausgabe Mai 2004 verwendet werden.
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Ausführungsformen der Erfindung sind ferner besonders vorteilhaft, da durch Ersatz von Widerstandselementen durch Abstandselemente, sog. Spacer, verschiedene Baugruppen mit unterschiedlichen Widerständen, aber gleichen Abmessungen realisiert werden können.
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Ausführungsformen der Erfindung sind ferner besonders vorteilhaft, da das Stromfeld in der Dickschicht aufgrund der bogenförmig gekrümmten, beispielsweise kreissegmentförmigen Ausbildung der Dickschicht näherungsweise homogen ist, wodurch die Spannungsfestigkeit verbessert wird.
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Hier werden durch die Radien der Dickschicht scharfe oder gar spitze Kanten vermieden werden, an denen sich das elektrische Feld zu strak konzentrieren würde und es zu einem Spannungsdurchschlag kommen könnte.
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Ausführungsformen der Erfindung sind ferner besonders vorteilhaft, da die Kühlleistung durch die Oberflächengestaltung und die Abstands-Kontaktplatten der Baugruppe deutlich erhöht werden kann.
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Ausführungsformen der Erfindung sind ferner besonders vorteilhaft, da durch die dreidimensionale Geometrie des Widerstands die Spannungsfestigkeit deutlich erhöht werden kann). Ausführungsformen der Erfindung sind ferner besonders vorteilhaft, da die grolle wirksame Weglänge der Polymerbedruckung einen Betrieb mit hohen Spannungen, Strömen und thermischer Verlustleistung ermöglicht.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung tragen die Substrate der Widerstandsmodule Kühlelemente beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium. Die Kühlelemente können als Beschichtung des Substrats ausgebildet sein, die von der jeweiligen Dickschicht und den Kontaktelementen elektrisch isoliert ist. Alternativ oder zusätzlich können sich die Kühlelemente in axialer Richtung durch das Substrat erstrecken. Die Kühlelemente können aus dem Hochspannungswiderstand z. B. zungenförmig herausragen und mit einem externen Kühlkörper verbunden sein.
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Alternativ oder zusätzlich können metallische Kühlelemente als Zwischenlage zwischen zwei benachbarten Widerstandsmodulen angeordnet sein. Die Kühlelemente haben dann gegen die Kühlelemente isolierte Vias, um die elektrischen Kontakte zwischen den Widerstandsmodulen herzustellen.
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Hierzu können Durchgangslöcher durch ein Kühlelement gebohrt worden. Das Bohren der Durchgangslöcher kann durch einen Laser oder mechanisch erfolgen.
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Vor der Metallisierung der Durchgangslöcher wird zur Aufbringung einer Isolationsschicht wie folgt vorgegangen: Die Durchgangslöcher werden mit einem elektrisch isolierenden Material ausgefüllt. Bei dem Material kann es sich zum Beispiel um ein Harz handeln.
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Anschließend werden weitere Durchgangslöcher durch das isolierende Material hindurchgebohrt. Dabei wird ein kleinerer Bohrerdurchmesser verwendet als für die zuerst gebohrten Durchgangslöcher, sodass auf der Innenwandung der zuerst gebohrten Durchgangslöcher ein Isolationsschicht des isolierenden Materials verbleibt.
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Anschließend wird eine Metallisierung durchgeführt, wie zum Beispiel in einem Kupferbad, sodass eine Schicht eines leitfähigen Materials, wie zum Beispiel Kupfer, auf der Isolationsschicht abgeschieden wird. Hierdurch werden die Durchgangslöcher metallisiert, sodass man die vias erhält.
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Im Weiteren werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Widerstandsmoduls in einer Draufsicht,
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2 eine Explosionsansicht eines von mehreren der Widerstandsmodule gemäß 1 gebildeten Stapels,
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3 eine Ausführungsform eines modularen Systems zur Herstellung eines Hochspannungswiderstands,
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4 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstands mit Abstandselementen,
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5 eine perspektivische Ansicht des oberen Endmoduls des Hochspannungswiderstands gemäß 4,
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6 eine weitere Ausführungsform eines modularen Systems zur Herstellung eines Hochspannungswiderstands,
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7 eine Spannvorrichtung zur Fixierung des von den Widerstandsmodulen gebildeten Stapels,
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8 eine Detailansicht der 7,
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9 die Einbringung der Spannvorrichtung gemäß 7 und 8 in einen Ofen für die Durchtränkung des Stapels mit einem Epoxidharz,
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10 ein Blockdiagramm eines Hochspannungsgeräts.
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Einander entsprechende oder identische Elemente der nachfolgenden Ausführungsformen werden jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt ein einzelnes Widerstandsmodul 100. Das Widerstandsmodul 100 hat ein Substrat 102, welches durch ein Trägermaterial gebildet werden kann, wie es auch in der Leiterplattenfertigung von gedruckten Leiterplatten, sogenannten Printed Circuit Boards, verwendet wird. Beispielsweise handelt es sich bei dem Substrat um FR4.
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Das Substrat ist bei der hier betrachteten Ausführungsform kreisförmig ausgebildet. Auf das Substrat 102 ist eine Dickschicht 104 aufgebracht, insbesondere aufgedruckt. Beispielsweise kann es sich bei der Dickschicht 104 um ein leitfähiges Polymer, beispielsweise einer Dicke von mindestens 25 μm handeln.
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Die Dickschicht 104 verläuft kreissegmentförmig entlang der äußeren Berandung des Substrats 102 und erstreckt sich zwischen den Kontaktelementen 106 und 108, die ebenfalls auf dem Substrat 102 angeordnet sind. Zur Realisierung der Kontaktelemente 106 und 108 kann jeweils eine metallische Schicht, beispielsweise aus einer Nickel-Gold-Legierung auf das Substrat 102 aufgebracht werden. Diese metallischen Schichten bilden Kontaktflächen, die zumindest teilweise von der Dickschicht 104 überdeckt werden, um so einen relativ großflächigen Kontakt herzustellen. Das Kontaktelement 106 hat zusätzlich ein durch das Substrat 102 hindurch verlaufendes Via 110, das vorzugsweise aus Kupfer besteht. Die Kontaktfläche des Kontaktelements 108 trägt dagegen einen Kontaktpad, das heißt einen sogenannten „Contact Pad”, wie er in der Ausführungsform gemäß 3 dargestellt ist, vergleiche dort das Bezugszeichen 112.
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Die Kontaktflächen können durch einen üblichen Leiterplattenfertigungsprozess koplanar auf das Substrat 102 aufgebracht werden.
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In der hier betrachteten Ausführungsform hat das Substrat 102 in seinem Mittelpunkt ein Durchgangsloch 114, das als Montagehilfe für die koaxiale Stapelung von mehreren der Widerstandsmodule dient.
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Die 2 zeigt in einer Explosionsansicht einen Stapel von mehreren der Widerstandsmodule 100, die rotatorisch so zueinander angeordnet sind, dass die Dickschichten 104 der verschiedenen Widerstandsmodule 100 über die Kontaktelemente 106 und 108 in Serie geschaltet sind, und die so den Hochspannungswiderstands 101 bilden.
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Die 3 zeigt ein modulares System zur Herstellung eines Hochspannungswiderstands 101.
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Das modulare System beinhaltet zwei Anschlusselemente, von denen ein Anschlusselement 116 in der 3 gezeigt ist. Durch die Anschlusselemente 116 wird der von den Widerstandsmodulen gebildete Stapel nach oben und unten abgeschlossen.
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Das Anschlusselement 116 hat ein Kontaktelement 118 zur Kontaktierung des Kontaktelements 106 oder 108 des nächstliegenden der Widerstandsmodule 100. Durch das Anschlusselement 116 wird ferner ein Anschlusskontakt 120 gebildet, um den Hochspannungswiderstand anzuschließen.
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Der Anschlusskontakt 120 kann eine zentrale Öffnung 122 aufweisen, um zum Beispiel einen Steckkontakt zu bilden. Die Öffnung 122 kann auch ein Innengewinde tragen, um den Hochspannungswiderstand mechanisch zu befestigen und elektrisch zu kontaktieren.
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Das modulare System beinhaltet ferner ein oder mehrere Abstandselemente 124. Die Abstandselemente 124 bestehen aus einem Substrat 126, wobei es sich bei dem Substrat 126 um das gleiche Trägermaterial wie bei dem Substrat 102 handeln kann. Das Substrat 126 hat Ausnehmungen 128, die beispielsweise ausgefräst werden können. Ferner hat das Abstandselement 124 ein Via 129, um die Kontaktelemente 106 und 108 benachbarter Widerstandsmodule 100 zu kontaktieren.
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Das modulare Set beinhaltet ferner mehrere der Widerstandsmodule 100, von denen in der 3 exemplarisch eines gezeigt ist. Die Dickschicht 104 erstreckt sich dabei zwischen den Kontaktelementen 106 und 108, und zwar in einem Kreissegment mit dem Mittelpunktswinkel α von ca. 270°, wenn man davon ausgeht, dass sich die Dickschicht zumindest teilweise über die von dem Kontaktelement 106 gebildete Kontaktfläche hinweg erstreckt. Ebenso kann sich die Dickschicht 104 zumindest teilweise über das Kontaktelement 108 erstrecken. Der Mittelpunktswinkel der kreissegmentförmigen Dickschicht kann zwischen 180° und 330°, insbesondere zwischen 250 und 290°, insbesondere 270° betragen.
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Die Kontaktelemente 106 und 108 haben jeweils halbkreisförmige Endbereiche. In dem Mittelpunkt des halbkreisförmigen Endbereichs des Kontaktelements 106 endet das Via 110 und in den Mittelpunkt des halbkreisförmigen Endbereichs des Kontaktelements 108 der Kontaktpad 112. Aufgrund dieser Anordnung wird in der Dickschicht 104 ein näherungsweise homogenes Stromfeld erzeugt, sodass sogenannte „Hotspots” vermieden werden. Durch die Beabstandung der Kontaktelemente 106 und 108, zum Beispiel um einen Winkel von ca. 90°, wird ferner ein elektrischer Durchschlag zwischen den Kontaktelementen 106 und 108 vermieden.
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Bei der hier betrachteten Ausführungsform hat das Substrat 102 des Widerstandsmoduls 100 in seinem Randbereich Ausnehmungen 130, die äquidistant entlang des Umfangs angeordnet sind. Bei der hier betrachteten Ausführungsform handelt es sich um 18 Ausnehmungen 130, die jeweils in einem Winkel β von 20° aufeinanderfolgen. Durch diese Ausnehmungen wird die Oberfläche des resultierenden Hochspannungswiderstands zusätzlich zu dem durch die Ausnehmungen 128 gebildeten Hohlraum weiter vergrößert, um die Kühlung des Hochspannungswiderstands zu erleichtern.
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Bei der hier betrachteten Ausführungsform sind die Widerstandsmodule 100 kreisförmig, sodass sich durch die Stapelung des Widerstandsmoduls 100 und gegebenenfalls von einem oder mehrerer der Abstandselemente 124 ein kreiszylinderförmiger Körper ergibt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat dieser Körper mindestens eine achsparallele Abflachung 132, in der hier betrachteten Ausführungsform vier achsparallele Abflachungen 132, die jeweils im rechten Winkel aufeinanderfolgen.
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Diese Abflachungen 132 erstreckt sich über die gesamte Außenseite des durch die Stapelung gebildeten Körpers und schließt auch das Abstandselement 124 und die Widerstandsmodule 100 mit ein. Die 4 zeigt einen entsprechenden Hochspannungswiderstand der durch die Stapelung von fünf Widerstandsmodulen 100 auf dem unteren Anschlusselement 116, gefolgt von einem Abstandselement 124, einem Widerstandsmodul 100, einem Abstandselement 124, einem Widerstandsmodul 100, einem Abstandselement 124, einem Widerstandsmodul 100, einem Abstandselement 124, fünf weiteren Widerstandsmodulen 100 und dem oberen Anschlusselement 116 gebildet wird.
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Die aufeinanderfolgenden Widerstandsmodule sind dabei so rotatorisch gegeneinander versetzt, dass über die Kontaktelemente 106 und 108 ein elektrischer Kontakt zu den jeweils benachbarten Widerstandsmodulen 100 bzw. dem jeweils benachbarten Abstandselement 124 oder dem jeweils benachbarten Anschlusselement 116 hergestellt werden. Aufgrund dieser durch die Kontaktelemente 106, 108 vorgegebenen Ausrichtung der Widerstandsmodule sind die Ausnehmungen aufeinanderfolgender Widerstandsmodule 100 zueinander versetzt angeordnet, um so die Oberfläche des Hochspannungswiderstands zu maximieren. Die Abflachungen 132 dienen dabei zur Kontrolle und/oder als Montagehilfe für die korrekte rotatorische Anordnung der Widerstandsmodule 100, der Abstandselemente 124 und der Anschlusselemente 116 zueinander.
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Zur Herstellung einer baulichen Einheit können die Widerstandsmodule 100, die Abstandselemente 124 und die Anschlusselemente 116 durch ein Epoxidharz miteinander verbunden werden.
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Die 5 zeigt eine Ausführungsform eines resultierenden Hochspannungswiderstands. Das Innengewinde 134 in dem Anschlusskontakt 120 kann zum Einschrauben eines elektrischen Kontaktelements dienen, über welches der Hochspannungswiderstand sowohl ankontaktiert als auch mechanisch befestigt wird.
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Die 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Systems. Zur Herstellung der Elemente dieses modularen Systems wird auf einen üblichen Leiterplattenherstellungsprozess zurückgegriffen. Im letzten Schritt vor dem Herauslösen der Elemente aus dem Gesamtnutzen wird die äußere Formgebung gefräst.
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Die 7 zeigt eine Spannvorrichtung 136 mit zwei Stempeln 138 (siehe 8) zwischen denen der vormontierte Hochspannungswiderstand 101 gehalten wird. Wie in der 7 gezeigt, liegen die Abflachungen 132 auf dem Boden der Spannvorrichtung 136 bzw. an den Seitenwänden 138 der Spannvorrichtung an.
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Der vormontierte Hochspannungswiderstand 101 kann elektrisch vermessen werden, um den sich ergebenden Widerstandswert zu bestimmen. Falls ein vorgegebener Widerstandswert nicht mit der ausreichenden Genauigkeit erreicht wird, kann der vormontierte Hochspannungswiderstand 101 aus der Spannvorrichtung 126 entnommen werden, um ein Widerstandsmodul 100 zu entfernen oder hinzuzufügen, je nachdem, ob der Widerstandswert verringert oder erhöht werden soll.
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Nachdem der Widerstandswert des Hochspannungswiderstands 101 durch Entfernen oder Hinzufügen von Widerstandsmodulen 100 hinreichend genau erreicht worden ist, wird der vormontierte Hochspannungswiderstand 101 zu einer baulichen Einheit zusammengefügt, indem der Hochspannungswiderstand 101 in einem Ofen 140 mit einem flüssigen Epoxidharz durchtränkt wird, welches so viskos ist, dass es in die zwischen den Widerstandsmodulen 100 bestehenden Spalte, die sich aufgrund der Dickschichten 101 und/oder der Kontaktpads 112 ergeben, eindringt. Nach Entfernung der Spannvorrichtung 136 mit dem von dem Epoxidharz durchtränkten Hochspannungswiderstand 101 aus dem Ofen 140 härtet das Epoxidharz aus, und der Hochspannungswiderstand 101 kann dann aus der Spannvorrichtung 136 entfernt werden.
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Beispielsweise wird der Stapel in einem Ofen (140) horizontal liegend ausgerichtet und rotierend in eine Wanne mit dem Epoxidharz eingetaucht, so dass die Segmente durch Kapillarkräfte seitlich benetzt werden.
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Die 10 zeigt eine Hochspannungsvorrichtung 142 mit einem Hochspannungsbauelement 144, das für seinen Betrieb eine Hochspannung U benötigt. Beispielsweise kann es sich bei dem Hochspannungsbauelement um eine Röntgenröhre eines Computertomographen handeln oder um eine Hochspannungssicherung, einen Hochspannungstransformator, FI-Schutzschalter, Defibrillator, plasmatechnisches Bauelement, Hochspannungsschalter, Hochspannungsspule. Insbesondere kann der Hochspannungswiderstand 101 als Anti-Surge-Widerstand für FI-Schutzschalter, Impulswiderstand, Bremswiderstand, Vorladewiderstand oder Strombegrenzungswiderstand verwendet werden.
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Die Hochspannung U liegt an dem Hochspannungsbauelement 144 über den Hochspannungswiderstand 101 an. Hierdurch wird eine Zerstörung des Hochspannungsbauelements 144, die sonst bei einem bestimmten Betriebszustand auftreten könnte, beispielsweise bei der Zündung der Röntgenröhre, vermieden.
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Der Hochspannungswiderstand 101 kann sich zu dessen Kühlung in einem Behälter 146 befinden, der mit einem Fluid, wie zum Beispiel einem Gas oder einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel Schwefelhexafluorid oder einem Mineralöl gefüllt ist. Das Fluid kann in dem Behälter 146 alleine aufgrund der Wärmekonvektion strömen oder es kann von einer Pumpe 148 durch den Behälter 146 hindurchgepumpt werden, um den Hochspannungswiderstand 101 anzuströmen und so eine höhere Kühlleistung zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Widerstandsmodul
- 101
- Hochspannungswiderstand
- 102
- Substrat
- 104
- Dickschicht
- 106
- Kontaktelement
- 108
- Kontaktelement
- 110
- Via
- 112
- Kontaktpad
- 114
- Durchgangsloch
- 116
- Anschlusselement
- 118
- Kontaktelement
- 120
- Anschlusskontakt
- 122
- Öffnung
- 124
- Abstandselement
- 126
- Substrat
- 128
- Ausnehmung
- 129
- via
- 130
- Ausnehmung
- 132
- Abflachung
- 134
- Innengewinde
- 136
- Spannvorrichtung
- 138
- Seitenwände
- 140
- Ofen
- 142
- Hochspannungsvorrichtung
- 144
- Hochspannungsbauelement
- 146
- Behälter
- 148
- Pumpe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010063406 A1 [0002]
