DE69514969T2 - Process for the protection of porous components from high potential differences and components manufactured afterwards - Google Patents
Process for the protection of porous components from high potential differences and components manufactured afterwardsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz von porösen Komponenten, die hohen Potentialdifferenzen unterworfen werden, und auf Komponenten, die in dieser Art hergestellt werden.The present invention relates to a method for protecting porous components subjected to high potential differences and to components manufactured in this manner.
Zahlreiche elektronische Einrichtungen, die hohe Spannungen verwenden, verwenden Komponenten, die aus porösen Materialien wie etwa Keramiken hergestellt sind. Diese Materialien können folglich durch ihre Kapillarität Fluide mit geringer Viskosität absorbieren.Many electronic devices that use high voltages use components made of porous materials such as ceramics. These materials can therefore absorb low-viscosity fluids through their capillarity.
Die umfassende elektrische Isolierung der elektronischen Vorrichtung wird herkömmlicherweise durch ein dielektrisches Fluid wie beispielsweise ein mineralisches Öl sichergestellt; dieses Fluid ist in der Lage, in die Porenräume des Materials einzudringen. Wenn die Komponente einer zeitlich sehr kurz angelegten Potentialdifferenz unterworfen wird, kann sich das in den Hohlräumen des porösen Materials vorhandene dielektrische Fluid teilweise auflösen und leitende Kohlenstoffpartikel freisetzen. Die lokale Degradation kann sich dann ausbreiten und dazu führen, daß die Komponente in einen Kurzschlußzustand versetzt wird, was unmittelbar deren totale Zerstörung mit sich bringt. Eine andere Möglichkeit der Degradation zeigt sich, wenn das dielektrische Fluid unter der Einwirkung des elektrischen Felds für ein Freisetzen von Gasblasen anfällig ist (ein Phänomen, das als "Entgasen" bezeichnet wird). In diesem Fall kann eine sich in einem Mikrohohlraum entwickelnde Gasblase eine große Last auf die Wände des Hohlraums erzeugen und das Material spalten, was ebenfalls die Zerstörung der Komponente mit sich bringt.Total electrical insulation of the electronic device is conventionally ensured by a dielectric fluid such as a mineral oil; this fluid is able to penetrate into the pore spaces of the material. When the component is subjected to a very short-term potential difference, the dielectric fluid present in the cavities of the porous material can partially dissolve and release conductive carbon particles. The local degradation can then spread and cause the component to be put into a short-circuit state, which immediately leads to its total destruction. Another possibility of degradation occurs when the dielectric fluid is prone to the release of gas bubbles under the action of the electric field (a phenomenon called "degassing"). In this case, a gas bubble developing in a microcavity can generate a large load on the walls of the cavity and split the material, which also leads to the destruction of the component.
Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zum dauerhaften Schutz vor elektrischen Durchbrüchen mit minimalem Jouleschen Verlust zum Gegenstand, wobei die porösen Komponenten in einem nichtleitenden Fluid baden, wobei die Schutzprodukte mit dem nichtleitenden Fluid bei Temperaturen, die bis zu 150ºC gehen können, kompatibel sein müssen, wodurch, wenn diese Komponenten hohen Potentialdifferenzen und/oder wiederholten elektrischen Entladungen bei hoher Spannung unterworfen werden, deren Zerstörung vermieden wird, wobei das Verfahren leicht anzuwenden ist und einen langanhaltenden Schutz garantiert.The present invention relates to a method for permanent protection against electrical breakdowns with minimal Joule loss, wherein the porous components in a non-conductive fluid, whereby the protective products must be compatible with the non-conductive fluid at temperatures that can reach 150ºC, thus avoiding their destruction when these components are subjected to high potential differences and/or repeated electrical discharges at high voltage, the process being easy to apply and guaranteeing long-lasting protection.
Die vorliegende Erfindung hat außerdem einen porösen Teil enthaltende Komponenten zum Gegenstand, die, wenn sie hohen Potentialdifferenzen unterworfen werden, vor einer Zerstörung geschützt sind und deren Herstellungskosten durch diesen Schutz nicht übermäßig erhöht werden.The present invention also relates to components containing a porous part which, when subjected to high potential differences, are protected from destruction and whose manufacturing costs are not excessively increased by this protection.
Aus den Dokumenten JP-A-56 063 888, JP-A-61 188 481, JP-A-60 120 780 und JP-A-63 252 981 sind Imprägnierungsverfahren für poröse Komponenten bekannt, jedoch legen diese keinerlei Lösungen nahe für Komponenten, die hohen Spannungen unterworfen sind und in einem Bad eines dielektrischen Fluids baden.From the documents JP-A-56 063 888, JP-A-61 188 481, JP-A-60 120 780 and JP-A-63 252 981, impregnation processes for porous components are known, but these do not suggest any solutions for components that are subjected to high voltages and bathe in a bath of a dielectric fluid.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schutz von porösen Komponenten, die hohen Potentialdifferenzen unterworfen werden und dazu bestimmt sind, in einem dielektrischen Fluid zu baden, wobei diese Komponenten zunächst entgast und dann in einem heißen Bad aus polymerisierbarem Harz, das nach dem Eindringen in die Porenräume dieser Komponenten polymerisiert wird, imprägniert werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnierung unter Druck mit einem Fluidharz erfolgt, das mit dem dielektrischen Fluid kompatibel ist, wobei das polymerisierte Harz bei der Verwendungstemperatur eine dielektrische Festigkeit von wenigstens 5 kV/mm besitzt.The process according to the invention for protecting porous components subjected to high potential differences and intended to be bathed in a dielectric fluid, said components being first degassed and then impregnated in a hot bath of polymerizable resin which is polymerized after penetrating the pore spaces of said components, is characterized in that the impregnation is carried out under pressure with a fluid resin compatible with the dielectric fluid, the polymerized resin having a dielectric strength of at least 5 kV/mm at the temperature of use.
Die erfindungsgemäß geschützten porösen Komponenten, die dazu bestimmt sind, hohen Potentialdifferenzen unterworfen zu werden, und in einem dielektrischen Fluid baden, sind dadurch gekennzeichnet, daß ihre Porenräume vollständig mit polymeri siertem Harz gefüllt sind, das mit dem dielektrischen Fluid nicht reagiert und bei der Verwendungstemperatur eine dielektrische Festigkeit von wenigstens 5 kV/mm besitzt.The porous components protected according to the invention, which are intended to be subjected to high potential differences and bathed in a dielectric fluid, are characterized in that their pore spaces are completely filled with polymeric filled with a resin which does not react with the dielectric fluid and has a dielectric strength of at least 5 kV/mm at the temperature of use.
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich beim Lesen der genauen Beschreibung einer Ausführungsform, die als ein nicht beschränkendes Beispiel gegeben und durch die beigefügte Zeichnung erläutert wird, worin:The present invention will be better understood by reading the detailed description of an embodiment given as a non-limiting example and illustrated by the attached drawing, in which:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Hochspannungsvorrichtung mit einem Widerstand aus einem porösen Substrat ist, der vor Durchbrüchen geschützt werden soll, undFig. 1 is a simplified block diagram of a high voltage device with a resistor made of a porous substrate to be protected against breakdown, and
Fig. 2 eine vereinfachte Schnittansicht einer Komponente aus einem porösen Substrat ist, die gemäß einem Verfahren im Stand der Technik geschützt wurde.Fig. 2 is a simplified sectional view of a porous substrate component protected according to a prior art method.
In Fig. 1 wird das vereinfachte Schema eines Beispiels für eine Hochspannungsschaltung mit einer porösen Komponente gezeigt. Die Schaltung nach Fig. 1 enthält: einen Generator 1 mit einem Hochspannungsausgang 2, der in bezug auf die Masse eine Hochspannung HT von beispielsweise 40 kV erzeugt. Der Generator 1 weist außerdem zwei Ausgänge 3, 4 (wobei der Ausgang 4 mit der Masse verbunden ist) auf, zwischen denen eine Niederspannung BT auftritt, die den Faden einer Elektronenröhre 5 (beispielsweise einer Ausgangsverstärkerröhre eines Funksenders) versorgt, deren Katode mit Masse verbunden ist, während deren Anode über einen Widerstand 6, der in organischem oder mineralischen Öl badet, mit dem Ausgang 2 verbunden ist. Dieser Widerstand 6 besitzt einen kleinen Wert (beispielsweise einige Dutzend Ohm) und ist nicht induktiv. Er muß die Entladungsenergie der kapazitiven Elemente des Generators 1 (die zwischen 50 und 100 J betragen kann) aufnehmen können. Wenn in der Röhre 5 Lichtbögen erzeugt werden, wird die Hochspannung an die Klemmen des Widerstands 6 weitergeleitet, worauf der durch ihn fließende Momentanstrom 1000 A erreichen kann.In Fig. 1, a simplified diagram of an example of a high-voltage circuit with a porous component is shown. The circuit of Fig. 1 comprises: a generator 1 with a high-voltage output 2 which generates a high voltage HT of, for example, 40 kV with respect to ground. The generator 1 also has two outputs 3, 4 (the output 4 being connected to ground) between which a low voltage BT occurs which supplies the filament of an electron tube 5 (for example an output amplifier tube of a radio transmitter) whose cathode is connected to ground, while its anode is connected to the output 2 via a resistor 6 bathed in organic or mineral oil. This resistor 6 has a small value (for example a few tens of ohms) and is not inductive. It must be able to absorb the discharge energy of the capacitive elements of the generator 1 (which can be between 50 and 100 J). When arcs are generated in the tube 5, the high voltage is transmitted to the terminals of the resistor 6, whereupon the instantaneous current flowing through it can reach 1000 A.
Das zur Realisierung des Widerstands 6 gewöhnlich verwendete Material ist eine schwach leitende Keramik, die aus mineralischen Elementen hergestellt ist, die fein zermahlen, bei hoher Temperatur vermischt und geschmolzen wurden, so daß diese einen leicht porösen Festkörper bilden, der einen ausgezeichneten Widerstand gegen elektrische und thermische Spannungen aufweist.The material usually used to make the resistor 6 is a weakly conductive ceramic made from mineral elements that have been finely ground, mixed at high temperature and melted to form a slightly porous solid that has excellent resistance to electrical and thermal stresses.
Nach den bekannten Verfahren besteht der Schutz gegen das Eindringen von dielektrischen Fluiden in die porösen Komponenten bewirkte herkömmliche aus einem auf die Oberfläche aufgebrachten Schutzbelag.According to the known methods, the protection against the penetration of dielectric fluids into the porous components consists of a protective coating applied to the surface.
Dieser Belag kann eine Farbschicht, eine Lackschicht oder ein Harzüberzug sein. Das Belagmaterial muß einen undurchlässigen Film ohne jegliche Unterbrechung bilden und ohne Degradation unter den Betriebsbedingungen des Materials (Druck, Temperatur, Erschütterungen, usw.) einen längeren Aufenthalt in dem dielektrischen Fluid und eventuelle mechanische Einwirkungen (Kratzer) aushalten. Dieser Belag muß auf den verschiedenen Trägern, also dem porösen Material, das den Körper der Komponente bildet, den elektrischen Verbindungen, den Befestigungen usw., perfekt haften.This coating can be a layer of paint, varnish or resin. The coating material must form an impermeable film without any interruption and be able to withstand prolonged immersion in the dielectric fluid and any mechanical aggression (scratches) without degrading under the operating conditions of the material (pressure, temperature, shocks, etc.). This coating must adhere perfectly to the various supports, i.e. the porous material that forms the body of the component, the electrical connections, the fixings, etc.
Ferner muß der Belag eine hohe Resistivität der Oberfläche besitzen, damit diese nicht Ort großer Verlustströme ist.Furthermore, the coating must have a high surface resistivity so that it is not the site of large leakage currents.
Diese gesamten Anforderungen bewirken, daß das ideale Material schwer zu finden ist, während die Erfahrung zeigt, daß dieser Belag ein kritischer Punkt ist, der das Verhalten der Komponente unter Spannung bestimmt.All these requirements make it difficult to find the ideal material, while experience shows that this coating is a critical point that determines the behavior of the component under stress.
In Fig. 2 ist ein so behandelter Widerstand 7 schematisch in einem Schnitt gezeigt. Dieser Widerstand 7 enthält einen Körper 8 aus poröser Keramik und zwei Anschlußelektroden 9, 10 mit ihren Verbindungsdrähten 11, 12. Die obenbeschriebene Behandlung führte zur Bildung einer äußeren Schutzschicht 13 auf dem Widerstand 7 außer auf den Drähten 11, 12, die selbstverständlich ausgespart wurden. Wenn beispielsweise in einem Punkt 14 der Schicht 13 ein Spalt, eine Riefe oder ein feines Loch in dieser Schicht auftritt, gelingt es dem nichtleitenden Öl, in das dieser Widerstand getaucht ist, diese Schicht zu passieren, und dringt in die Porenräume des Widerstands ein, was eine Zerstörung in der obenbeschriebenen Weise mit sich bringen kann.In Fig. 2, a resistor 7 treated in this way is shown schematically in a section. This resistor 7 contains a body 8 made of porous ceramic and two connecting electrodes 9, 10 with their connecting wires 11, 12. The above-described Treatment resulted in the formation of an external protective layer 13 on the resistor 7, except on the wires 11, 12, which were of course left out. If, for example, a gap, a groove or a pinhole occurs in a point 14 of the layer 13, the non-conductive oil in which this resistor is immersed manages to pass through this layer and penetrates into the pore spaces of the resistor, which can bring about destruction in the manner described above.
Eine weitere Lösung besteht in der Verwendung eines hocheffizienten dielektrischen Fluids, das eine höhere dielektrische Festigkeit aufweist und unter der Einwirkung von elektrischen Entladungen kein Gas freisetzt. Diese Lösung schließt viele gebräuchliche und somit preiswerte Fluide aus und zwingt zur Verwendung synthetischer Zusammensetzungen (Silikonöle, Perfluorfluide usw.), die sehr viel teurer sind und im allgemeinen eine höhere Dichte als die herkömmlichen mineralischen Öle besitzen, wodurch sich ihre Verwendung auf Einrichtungen der Luftfahrt beschränkt.Another solution consists in using a high-efficiency dielectric fluid, which has a higher dielectric strength and does not release gas under the action of electrical discharges. This solution excludes many common and therefore inexpensive fluids and requires the use of synthetic compounds (silicone oils, perfluorofluids, etc.), which are much more expensive and generally have a higher density than traditional mineral oils, thus limiting their use to aeronautical equipment.
Gemäß der Erfindung besteht das vorgeschlagene Verfahren, um jede Möglichkeit eines Eindringens des dielektrischen Fluids zu verhindern, in einer umfassenden Imprägnierung des porösen Materials mittels eines stark dünnflüssigen Harzes, das zu einem zweiten Zeitpunkt polymerisiert wird, um einen dielektrischen Festkörper zu erhalten. Dieser dielektrische Festkörper belegt dann alle Hohlräume und Porenräume des Materials, was ein Eindringen des dielektrischen Fluids unmöglich macht.According to the invention, the method proposed to prevent any possibility of penetration of the dielectric fluid consists in a comprehensive impregnation of the porous material by means of a highly fluid resin which is polymerized at a second time to obtain a dielectric solid. This dielectric solid then occupies all the cavities and pore spaces of the material, making penetration of the dielectric fluid impossible.
Um ein perfektes Eindringen des Imprägnierungsharzes zu garantieren, müssen die für diese Vorgehensweise üblichen technischen Vorschriften eingehalten werden, wobei vorzugsweise in folgender Weise vorgegangen wird:To ensure perfect penetration of the impregnating resin, the usual technical regulations for this procedure must be observed, preferably proceeding as follows:
- Es wird ein stark dünnflüssiges Harz mit geringer Oberflächenspannung wie beispielsweise ein Epoxidharz-haltiges Imprägnierungssystem gewählt, jedoch ist auch ein anderer Typ von Harzen anwendbar. Das Harz muß in dielektrischer Hinsicht sehr effizient und mit dem verwendeten dielektrischen Fluid kompatibel sein (keine Dissolution, keine Degradation des Harzes oder des Fluids).- A very thin resin with low surface tension such as an epoxy resin is used. Impregnation system is chosen, but another type of resin can also be used. The resin must be very efficient in dielectric terms and compatible with the dielectric fluid used (no dissolution, no degradation of the resin or the fluid).
- Die zu imprägnierende Komponente wird sorgfältig entfettet, indem sie, vorzugsweise unter Ultraschall, in ein Bad aus einem Lösungsmittel des Typs Trichlorethan oder dergleichen getaucht wird.- The component to be impregnated is carefully degreased by immersing it, preferably under ultrasound, in a bath of a solvent of the trichloroethane type or similar.
- Die Komponente wird ofengetrocknet, um das Lösungsmittel und die Feuchtigkeit unter Vakuum (beispielsweise bei ungefähr 10 mbar oder darunter) zu entfernen. Dieses Ofentrocknen geschieht für eine Zeitdauer von ungefähr 8 h bis 4d bei einer Temperatur, die ungefähr zwischen 90ºC und 120ºC liegt.- The component is oven dried to remove the solvent and moisture under vacuum (for example at approximately 10 mbar or less). This oven drying is carried out for a period of approximately 8 h to 4 d at a temperature approximately between 90ºC and 120ºC.
- Die auszusparenden Teile der Komponente (für einen Widerstand beispielsweise die Verbindungsdrähte wie etwa die oben angeführten Drähte 11 und 12) werden mit einem abziehbaren Lackauftrag geschützt.- The parts of the component to be left out (for a resistor, for example, the connecting wires such as wires 11 and 12 mentioned above) are protected with a peelable coating of varnish.
- Das Imprägnierungsharz wird bis auf die Temperatur vorerhitzt, bei der es die gewünschte Viskosität annimmt (um in die Poren der Komponente eindringen zu können). Diese Temperatur beträgt beispielsweise ungefähr 60ºC. Dieses Vorerhitzen geschieht unter Vakuum (bei ungefähr 10 mbar oder darunter) und ermöglicht das Beseitigen der im Harz eingeschlossenen Luft. Das Harz besitzt bei Wärme vorzugsweise eine Viskosität, die kleiner oder ungefähr gleich 0,5 Pa·s ist, und eine dielektrische Festigkeit bei Kälte von wenigstens 5 kV/mm.- The impregnating resin is preheated to the temperature at which it acquires the desired viscosity (in order to be able to penetrate into the pores of the component). This temperature is, for example, approximately 60ºC. This preheating is carried out under vacuum (at approximately 10 mbar or less) and enables the air trapped in the resin to be eliminated. The resin preferably has a hot viscosity of less than or approximately equal to 0.5 Pa·s and a cold dielectric strength of at least 5 kV/mm.
- Die zu imprägnierende Komponente wird in das somit vorerhitzte Harzbad getaucht, wobei die Temperatur auf dem am Ende der Vorerhitzung erreichten Wert (im genannten Bei spiel 60ºC) gehalten wird und das Gesamte unter Vakuum (bei ungefähr 10 mbar oder darunter) entgast, bis die in den Porenräumen der Komponente eingeschlossene Luft vollständig entfernt ist. Dieser Schritt kann beispielsweise ungefähr zwischen 10 bis 30 min dauern. Im allgemeinen dauert er so lang, bis ein Aufsteigen von Luftblasen an die Oberfläche des Harzbades zu erkennen ist.- The component to be impregnated is immersed in the resin bath thus preheated, keeping the temperature at the value reached at the end of the preheating (in the above-mentioned case (for example 60ºC) and degassing the whole under vacuum (at about 10 mbar or less) until the air trapped in the pore spaces of the component is completely removed. This step can take between about 10 and 30 minutes. In general, it takes until air bubbles can be seen rising to the surface of the resin bath.
- Die Imprägnierung wird abgeschlossen, indem das Harzbad, in das die Komponente getaucht ist, mit einem hohen Druck (beispielsweise von ungefähr 20 bar) beaufschlagt wird. Die Temperatur des Bades kann danach auf eine Temperatur gebracht werden, die etwas über der liegt, die es während der Entgasung der Komponente besaß, also beispielsweise auf 80ºC bis 90ºC für eine Entgasungstemperatur von ungefähr 60ºC. Dieser Schritt kann beispielsweise ungefähr 2 bis 4 h dauern. Er ist insbesondere zur Behandlung von Komponenten mit geringer Porigkeit (beispielsweise mit Porigkeiten eines Durchmessers von weniger als 50 um) erforderlich.- Impregnation is completed by subjecting the resin bath in which the component is immersed to a high pressure (for example, approximately 20 bar). The temperature of the bath can then be brought to a temperature slightly higher than that at which it was during the degassing of the component, for example, to 80ºC to 90ºC for a degassing temperature of approximately 60ºC. This step can last, for example, approximately 2 to 4 hours. It is particularly necessary for treating components with low porosity (for example, with pores of less than 50 µm in diameter).
- Zum Schluß wird die Komponente aus dem Bad genommen, werden Tropfen und überflüssiges Material entfernt und wird das Harz bei Wärme gemäß den Spezifikationen des Lieferanten (beispielsweise bei 90ºC für ungefähr 4 h) polymerisiert.- Finally, the component is removed from the bath, drops and excess material are removed and the resin is polymerized at heat according to the supplier's specifications (for example at 90ºC for approximately 4 hours).
Selbstverständlich können mehrere Komponenten gleichzeitig im selben Bad imprägniert werden, sofern mehrere darin untergebracht werden können. Die obenerwähnte Komponente ist ein Widerstand, jedoch können selbstverständlich andere Komponenten, die ein poröses Substrat oder einen porösen Teil enthalten, wie beispielsweise Kondensatoren oder Spulen behandelt werden. Der Träger kann beispielsweise aus Keramik oder aus Ferrit sein.Of course, several components can be impregnated simultaneously in the same bath, provided that several can be accommodated in it. The above-mentioned component is a resistor, but of course other components containing a porous substrate or part, such as capacitors or coils, can be treated. The carrier can be made of ceramic or ferrite, for example.
Das obenbeschriebene Verfahren wurde mit dem Epoxidharz "Scotchcast 280" der Firma 3M auf Widerständen aus Kohlenstoff-haltiger Keramik getestet. Selbstverständlich können zahlreiche andere Harze zweckmäßig sein. Die Bedingungen, die sie erfüllen müssen, sind, daß sie mit den herkömmlichen Lösungsmitteln und mit dem Öl des Bades, in das die Komponenten getaucht werden, bei normaler Anwendung nicht reagieren, daß sie eine Viskosität bei Wärme besitzen, die kleiner oder gleich 0,5 Pa·s ist, und daß sie bei der Verwendungstemperatur eine dielektrische Festigkeit von wenigstens 5 kV/mm besitzen.The process described above was tested on carbon-ceramic resistors using the epoxy resin "Scotchcast 280" from 3M. Of course, many other resins can be suitable. The conditions they must meet are that they do not react with conventional solvents and with the oil of the bath in which the components are immersed during normal use, that they have a thermal viscosity of less than or equal to 0.5 Pa·s and that they have a dielectric strength of at least 5 kV/mm at the temperature of use.
Das Spannungsverhalten dieser in ein Bad aus mineralischem oder organischem Öl getauchten Widerstände ist ausgezeichnet und wird bei der maximal anlegbaren Spannung nach einer Anzahl von Anwendungen (kapazitiver Entladungen), die über 1000 liegt, beibehalten, während dieselben, jedoch nicht imprägnierten Widerstände, die unter denselben Bedingungen eingesetzt werden, sehr schnell zerstört werden (ungefähr nach 10 Entladungen).The voltage behaviour of these resistors immersed in a mineral or organic oil bath is excellent and is maintained at the maximum voltage that can be applied after a number of applications (capacitive discharges) exceeding 1000, whereas the same but non-impregnated resistors used under the same conditions are destroyed very quickly (approximately after 10 discharges).
Folglich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren bei gleicher Spannung, die Lebensdauer von Komponenten wie etwa Widerständen mit einem porösen Substrat wesentlich zu verlängern oder bei gleicher Lebensdauer die an diese Komponenten angelegte Spannung zu erhöhen und/oder ein gewöhnliches Bad anstelle eines sehr teuren hochwertigen Öls zu verwenden.Consequently, the process according to the invention makes it possible, in comparison with conventional processes, to significantly extend the life of components such as resistors with a porous substrate at the same voltage or, at the same life, to increase the voltage applied to these components and/or to use an ordinary bath instead of a very expensive high-quality oil.
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