SE507744C2 - Elektrisk isolator och sätt vid framställning av sådan isolator - Google Patents

Description

507 744 10 15 20 25 30 35 h) hos ytstrukturen att avsättningen av fukt på ytan kan motverkas på annat sätt än med ett halvledande glasyrskikt eller eventuellt i kombination med ett sådant skikt. Mer bestämt syfiar uppfinningen till att dels stimulera uppvärmning av porslinskroppen genom värme- instrålning vid belysning genom att porslinskroppen är belagd med ett kulört glasyrskikt, dels motverka IR-emission från isolatorn, särskilt under natten eller under tidiga morgon- timmar, då risken för kondensering av fukt eller frostskiktavsättning är som störst. Enligt en aspekt på uppfinningen åtstadkommes detta genom att keramikskiktet är belagt med en tunn transparent ñlm som huvudsakligen består av tennoxid. Förutom att minska IR- emissionen, som motverkar kondensering och underlättar torkning under kalla och mörka klimatförhållanden, kan ytskiktet av huvudsakligen tennoxid, i det följande benämnt tennoxidfilm, ge någon eller några av eller samtliga följande fördelar: - förbättrat nötningsmotstånd hos ytan, varigenom motverkas att denna blir skrovlig eller repig eller få andra ytdefekter, i vilka kan ansamlas föroreningar som kan bli konduktiva vid väta, - viss hydrofob karaktär hos ytan, - viss uppvärmning av ytan genom tennoxidens halvledande egenskaper, - jämnare fältstyrkefördelning över isolatorns yta på grund av tennoxidfrlmens halv- ledande egenskaper, varigenom lokala överslag och coronaeffekter kan motverkas, - reducering av de totala kostnaderna för tillverkningen av isolatorn, om denna görs mindre på grund av en effektivare isoleringsförmåga hos isolatorn, - möjlighet att deponera tennoxidskiktet på isolatorn i oxiderande atmosfär även i sådana fall då isolatorns porslinskropp är framställd av en porslinsmassa som på grund av sin sammansättning måste brännas i reducerande atmosfär.

Glasyrskiktet, respektive vart och ett av glasyrskikten om flera glasyrskikt är lagda på varandra, är 0,1-l mm tjockt, företrädesvis 0,2-0,5 mm tjockt medan tennoxidfilmen enligt uppfinningen är väsentligt tunnare, normalt högst en tiondel, företrädesvis högst en hundradel, och i vissa applikationer högst en tusendel så tjock som glasyrskiktet eller i absoluta mån 1o Åti11o,1 mm, företrädesvis ioo Å nu soo nm, lämpligen ioo-iooo Å tjockt. Den tunna tennoxiden är genomskinlig (transparent) till skillnad från den opaka, normalt kulörta och mer eller mindre mörka glasyren, varigenom denna vid belysning kan absorbera infallande ljus och medverka till att porslinskroppen värms upp och ackumulerar värme.

Tennoxid har som nämnts en viss elektrisk halvledande förmåga. Denna kan på i och för sig känt sätt förstärkas genom att tennoxiden, SnOz dopas med antimonoxid (antimon- pentoxid) SbzOs, så att tennoxidfilmen kommer att innehålla 5-40 vikts-%, företrädesvis 10 15 20 25 30 35 3 507 744 10-30 vikts-% antimonoxid. Eventuellt kan antimonoxiden helt eller delvis ersättas av 0.01-10 % fluorid av en typ som på i och för sig känt sätt kan förhöja tennoxids- konduktivitet. Enligt en aspekt på uppfinningen kan detta utnyttjas för att leda elektrisk ström genom tennoxidfilmen utanpå glasyrskiktet för att värma isolatoms yta och därmed motverka kondensering av fukt på ytan och/eller för att torka ytan. Tennoxid- filmens ytresistivitet bör i detta fall uppgå till mellan l och 1000 MQ per kvadrat (MQ/sq), företrädesvis 10-200 MQ/sq. Detta kan uppnås genom optimal tillsats av antimonoxid och/eller av en fluorid inom nämnda intervall samt genom att ge tennoxidfilmen en adekvat tjocklek. Eventuellt kan tennoxidfilmen för att uppnå nämnda ytresistivitet läggas på i flera skikt, så att ytresistiviteten blir den nämnda.

Ett karakteristiskt drag hos den sammansatta ytbeläggningen enligt uppfinningen är också att övergången mellan glasyrskiktet och tennoxidfilmen är distinkt, dvs att inga övergångsfaser eller blandningar av glasyr och på glasyrskiktets utsida deponerad tennoxid förekommeri ett gränsskikt mellan glasyrskiktet och tennoxidfilmen eller att sådan eventuell övergångsfas är extremt tunn. Typiskt är också att glasyrskiktets utsida, dvs den yta på vilken tennoxidskiktet är deponerat, har mycket hög ytjämnhet, vilket torde vara av väsentlig betydelse för att minska IR-emissionen. Däremot kan porslins- kroppens yta vara förhållandevis skrovlig, vilken skrovlighet utjämnas av det på porslins- kroppen liggande glasyrskiktet.

Det är i och för sig även möjligt att delvis eller huvudsakligen åstadkomma den avsedda resistiviteten hos isolatorns ytbeläggning, dvs hos den integrerade ytstruktur som består av åtminstone ett glasyrskikt och åtminstone ett tennoxidskikt utanpå glasyrskiktet, genom att på i och för sig känt sätt införliva tennoxid (SnOz), företrädesvis dopad med antimonoxid, Sb2O5, i en halt av 2-15 vikts-%, företrädesvis 4-10 vikts-%, i glasyr- skiktet. Den sammansatta ytbeläggningen bestående av glasyrskikt och tennoxidfilm bör i detta fall ha en resistivitet av 1-1000, företrädesvis 10-200 MQ/sq. Enligt en tänkbar utföringsform kan så mycket tennoxid, företrädesvis dopad med antomonoxid, införlivas i glasyrskiktet, t ex en total halt av 20-40 vikts-% SnOz + SbzOs i glasyrskiktet, att glasyrskiktet ensamt erhåller en resistivitet av 1-1000, företrädesvis 10-200 MQ/sq, medan tennoxidfilmen görs så tunn och/eller inte dopas med antimonoxid att tenn- oxidfilmens ledningsformåga blir försumbar i förhållande till det halvledande glasyrskiktets. I detta fall kan tennoxidfilmen fimgera som en termisk isolering genom att motverka emission av den värme som genereras av den elektriska strömmen i glasyrskiktet. Det halvledande glasyrskiktets effektivitet med avseende på att hålla 507 744 4 10 l5 20 25 30 35 isolatoms yta torr kan på detta sätt förstärkas. För att uppnå denna elïekt kan det vara tillräckligt att tennoxidfilmen ges en tjocklek av 10-1000 Å, företrädesvis 100-1000 Å.

Sättet att åstadkomma den sammansatta ytbeläggningen enligt uppfinningen känne- tecknas av att man på den av porslinsmassa formade kropp som skall bilda isolatorns porslinskropp lägger ett 0,1-2 mm tjockt, företrädesvis 0,2-1 mm tjockt skikt av en komposition som skall bilda glasyren, att detta skikt torkas, vareñer kroppen med nämnda skikt bränns vid en temperatur mellan 1150 och l450°C, företrädesvis vid en temperatur mellan 1200 och 1350°C i en brännugn så att man erhåller en porslinskropp med ett 0, l-l mm tjockt, företrädesvis 0,2-0,5 mm tjockt glasyrskikt och att man därefter, vid en temperatur understigande l000°C, företrädesvis vid en temperatur mellan 300 och 800°C, vilken temperatur understiger glasyrskiktets mjukningstemperatur, belägger glasyrskiktet med en film som huvudsakligen består av tennoxid. Tennoxid- filmen kan i och för sig läggas på glasyrskiktet i ett separat förfarande i en separat ugn, men lämpligen utförs tennoxidbeläggningen i brännugnen under nedkylningen av isolatorn från den höga bränntemperaturen. Detta är av flera skäl fördelaktigt. Dels innebär detta att förfarandet icke kräver någon separat ugn för att lägga på tennoxid- filmen på glasyrskiktet, dels behöver den glaserade porslinskroppen inte ånyo uppvärmas till en för tennoxidbeläggningen optimal temperatur, dels går nedkylningen av porslins- kroppen från brännteinperaturen så långsamt att den glaserade porslinskroppen har en temperatur inom det för tennoxidbeläggningen optimala intervallet under så lång tid att tennoxidbeläggningen utan problem kan utföras, dels kan man i brännugnen under tennoxidbeläggningsfasen ha en före tennoxidbeläggningsförfarandet lämplig, oxiderande atmosfär såväl då den föregående bränningen vid den höga bränntemperaturen utförts i reducerande som då den utförts i oxiderande atmosfär.

Ett flertal oorganiska eller organiska tennföreningar är härvid användbara som förföreningar (precurors) för att bilda tennoxidfilmen på glasyrskiktet. Dessa för- föreningar kan utgöras av gaser, vätskor, föreligga i lösningar eller ha formen av ett pulver. Gemensamt för lämpliga förföreningar är att de lätt dekomponeras och/eller reagerar vid den valda beläggningstemperaturen till att bilda tennoxid, och i före- kommande fall även antimonoxid eller annan önskvärd oxid eller íluorid, som avsätts på glasyrskiktet på porslinskroppen. Den optimala temperaturen beror på valet av förförening men ligger för de flesta tänkbara förföreningar inom temperaturintervallet 300-800°C, normalt inom intervallet 400-700°C. Bland mängden tänkbara förföreningar för att bilda tennoxid som skall deponeras på glasyrskiktet kan nämnas följande. 10 15 20 25 30 35 5 507 744 Pulverformiga fiírfóreningar Till denna grupp av tänkbara tennföreningar kan nämnas följande organiska tenn- föreningar: dibutyltennoxid, (CtHgfiSnO, dipropyltenndi-trifluoracetat, (C3H7)2Sn(CF3COO)2, och dibutyltenndi-bortrifluoracetat, (C4H9)2Sn(CF3COO)2, med en kornstorlek av 10-60um. Dessa föreningar kan injiceras i en oxiderande bärargas, t ex luft, som även kan innehålla fluorvätesyra för att, om så önskas, öka den avsatta tenn- oxidfilmens elektriska ledningsförmåga. En optimal temperatur på substratet, glasyr- skiktet, ligger för dessa föreningar i temperaturintervallet 400-700°C.

Vätskeformiga fórföreningar och/eller fórfóreningar i lösning Till denna grupp hör ett antal oorganiska föreningar, såsom tenntetraklorid, SnCli och tennsyra, H;SnO3. I detta sammanhang ska även nämnas antimontriklorid, SbClg, och antimonpentaklorid, SbCls som tänkbara förföreningar for dopning av tennoxiden med antimonoxid. Bland organiska tennföreningar finns en större mängd, såsom monobutyl- tenntrikloríd, C4H9SnCl3, butyltennmetoxid, C4H9Sn(OCH3)3, och butyltennbutoxid, C4H9Sn(OC4H9)3, lösta i lämpligt organiskt lösningsmedel, såsom metanol eller butanol och som sprayas in i ugnen eller injiceras i form av ånga med bärargas. Vidare kan nämnas dimetyltennklorid, monofenyltenntriklorid, monobutyltennklorid och reaktiva organometalliska salter i organiska lösningsmedel, t ex metylenklorid och trikloretylen.

Monofenyltenntriklorid och monobutyltennklorid injiceras företrädesvis i form av ånga.

Den optimala temperaturen för deponeringen av tennoxidfilmen ligger även för de nämnda föreningarna generellt inom temperaturintervallet 400-700°C, företrädesvis vid ca 550-600°C som mest optimalt intervall.

KORT FIGURBESKRIVNTNG I de bifogade ritningsfigurema visar Fig. 1 delvis schematiskt, en högspänningsisolator av porslin med typiskt utseende, vid vilken uppfinningen kan tillämpas, och Fig. 2 schematiskt en sektion genom ett ytparti i mycket stark förstoring.

I ritningsfigurerna betecknas en högspänningsisolator allmänt med siffran 1 i Fig. 1. I Fig. 2 har isolatoms porslinskropp betecknats 2, ett glasyrskikt betecknats 3 och en film som väsentligen eller huvudsakligen består av tennoxid SnO2, eventuellt dopad med anti- monoxid SbzOs, eller annan förening som kan befrämja filmens halvledaregenskaper, har betecknats 4. Porslinskroppen 2 har en förhållandevis skrovlig yta 5, vilken utslätats av glasyrskiktet 3 vars yta 6, som bildar underlag för tennoxidfilmen 4, har mycket hög 507 744 6 10 15 20 25 30 35 ytjämnhet, varigenom tennoxidfilmen 4 erhåller god reflektionsförmåga för IR-strålning från porslinskroppen 2 och från glasyrskiktet 3.

EXEMPEL 1 På en kropp bildad av porslinsmassa av den typ som används för porslinsisolatorer och som utan problem kan brännas i oxiderande atmosfär och med den i Fig. l visade formen, lades ett skikt av en slamma innehållande en blandning med följande sammansättning i vikts-%: 71.3 S102, 13.7 A1203, 9.4 CaO, 1.7 MgO, 3.2 KzO, 0.7 NazO.

Skiktet torkades, varefter kroppen infördes i en brännugn och brändes på konventionellt sätt i oxiderande atmosfär vid en temperatur mellan 1230 och 1270°C i fyra timmar, varvid porslinsmassekroppen sintrade och bildade porslin 2, Fig. 2. Vid bränn- temperaturen smalt den påförda ytbeläggningen och bildade vid den däreñer följande avkylningen av porslinskroppen i brännugnen ett ca 0.3-0.4 mm tjockt, opakt, mörk- färgat glasyrskikt 3, Fig. 2. Hela avkylningsprocessen, dvs från bränntemperatur till rumstemperatur, tog ca 20 timmar. Då glasyrskiktet 3, Fig. 2, hade en temperatur av ca 580°C avsattes en tunn tennoxidfilm 4, Fig. 2, på det stabiliserade, hårda glasyrskiktet 3.

Som förförening för tennoxiden användes flytande monobutyltenntriklorid som förångades i en ström av luft som bärargas, som var uppvärmd till ca 160°C.

Gasströmmen injicerades i brännugnen genom munstycken riktade mot isolatorns yta.

Härvid bildades genom reaktioner, som inte närmare har analyserats, tennoxid, SnOZ, som avsattes som en ca 500-700 Å tunn, transparent ñlm på det mörka glasyrskiktet.

EXEMPEL 2 Förbehandlingen av isolatorkroppen, applicerandet av glasyrskiktet och bränningen av porslinskroppen var densamma som i Exempel 1. Tenntetraklorid, SnCl3 användes emellertid som förförening för tennoxiden och antimonpentaklorid, SbCls, användes som förförening för antimonoxid, Sb2O5 avsedd att ingå som dopningsämne för tennoxiden i tennoxidfilmen. Nämnda tenn- och antimonföreningar injicerades i ugnen tillsammans med H20; mot isolatorn, då dess yta hade svalnat till en temperatur av ca 590°C. Genom reaktion med vatten bildades SnOz och SbzOfi som avsattes som en tunn, genomskinlig film på keramikskiktet.

EXEIVHJEL 3 Detta försök utfördes på samma sätt som enligt Exempel 1 med den skillnaden att keramikskiktet 3 även bringades att innehålla 25% antimondopad tennoxid, mer bestämt ca 20 % SnOz och ca 5% av huvudsakligen antimonpentoxid Sb2O5. 7 507 744 EXEMPEL 4 Detta försök utfördes på samma sätt som enligt Exempel 1 med den skillnaden att brän- ningen av porslinskroppen med glasyrskiktet utfördes vid reducerande atmosfär Då den reducerande bränningen avslutats och kroppen svalnats så att glasyrskiktet 3, Fig. 2, hade en temperatur av ca 580°C, avsattes den tunna tennoxidfilmen såsom förut i oxiderande atmosfär i brännugnen.

Claims (13)

507 744 8 10 15 20 25 30 35 PATENTKRAV

1. l. Elektrisk isolator av porslin (2), i synnerhet en elektrisk högspänningsisolator, med åtminstone ett opakt, 0.1-l mm tjockt glasyrskikt (3), k ä n n et e c k n a d av att en film (4), som huvudsakligen består av tennoxid, Sn02, är deponerad på nämnda åtminstone ett opakt glasyrskikt, och att den på glasyrskiktet deponerade, av huvud- sakligen tennoxid bestående filmen, har en tjocklek som är väsentligt mindre än glasyrskiktets.

2. Porslinsisolator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att tennoxidfilmens (4) tjocklek är högst 1/ 10, företrädesvis högst 1/ 100, lämpligen högst 1/1000 av glasyrskiktets (3),

3. Porslinsisolator enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att det opaka glasyr- skiktet (3) har en tjocklek av 0.1-1 mm, företrädesvis 0.2-0.5 mm, och att tennoxidfilmen (4) har en tjocklek av 1 nm till 0.1 mm, företrädesvis 10-500 nm, lämpligen 10-100 nm.

4. Porslinsisolator enligt något av kraven l-3, k ä n n e t e c k n a d av att glasyrskiktet (3) eller glasyrskikten består av elektrisk isolerande material.

5. Porslinsisolator enligt något av kraven l-3, k ä n n et e c k n a d av att åtminstone ett glasyrskikt (3), som är belagt med nämnda tennoxidfilm (4), består av ett elektriskt halvledande material.

6. Porslinsisolator enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a d av att den depone- rade filmen (4) av huvudsakligen tennoxid har en elektrisk resistivitet av 1-1000 MQ/kvadrat, företrädesvis 10-200 MQ/kvadrat.

7. Porslinsisolator enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att den deponerade filmen (4) av huvudsakligen tennoxid i kombination med det halvledande glasyrskiktet (3) har en elektrisk resistivitet av l-1000 MQ/kvadrat, företrädesvis 10-200 MQ/kvadrat,

8. Porslinsisolator enligt något av kraven 1-7, k ä n n e t e c k n a d av att den depone- rade filmen (4) av huvudsakligen tennoxid innehåller en verksam mängd av åtminstone någon substans som ökar tennoxidfilmens elektriska konduktivitet, företrädesvis åtminstone någon förening tillhörande den grupp av föreningar som inkluderar anti- monoxid och fluorider, varvid, om tennoxidfilmen innehåller antimonoxid som dopnings- ämne, antimonoxid förekommer i en halt av 5-40 vikts-%, företrädesvis 10-30 vikts-%, och, om tennoxidfilmen innehåller någon fluorid, nämnda fluorid förekommer i en halt av 10 15 20 25 30 9 507 744 001-10 vikts-%, företrädesvis i en mängd av 01-5 %, och att den totala halten av antimonoxid och fluorid tillsammans uppgår till max 40 vikts-%, företrädesvis till max 30 vikts-%.

9. Sätt vid framställning av en elektrisk isolator av porslin (2) med ytbeläggning på porslinskroppen, innefattande åtminstone ett glasyrskikt (3), k ä n n e t e c k n a t av att man på den av porslinsmassa formade kropp som skall bilda isolatoms porslinskropp (2) lägger ett 0.1-1 mm tjockt skikt av en komposition som skall bilda glasyren (3), att detta skikt torkas varefter kroppen med nämnda skikt bränns vid en temperatur mellan 1 150 och l450°C, företrädesvis vid en temperatur mellan 1200 och 1350°C, i en brännugn så att man erhåller en porslinskropp med ett 0.1-1 mm tjockt glasyrskikt (3) och att man därefter, vid en temperatur understigande lO00°C, vilken temperatur även understiger glasyrens mjukningstemperatur, belägger glasyrskiktet med en film (4) som består huvud- sakligen av tennoxid.

10. Sätt enligt krav 9, k ä n n e t e c k n at av att tennoxidfilmen (4) avsätts på glasyr- skiktet (3) i den brännugn där porslinskroppen bränts vid nämnda bränntemperatur under den svalningsprocess, då den brända kroppen bringas att svalna från bränntemperatur till rumstemperatur.

11. Sätt enligt krav 10, k ä n n e t e c k n at av att tennoxiden avsätts på porslins- kroppens glasyrskikt (3) genom att en tennförening injiceras i brännugnen med hjälp av en bärare i brännugnen, varvid nämnda tennförening genom reaktion med gas i ugnen och/eller med bäraren och/eller med annat ämne som injiceras tillsammans med tenn- föreningen bildas nämnda tennoxid som avsätts på glasyrskiktet.

12. Sätt enligt något av kraven 9-11, k ä n n et e c k n at av att tennföreningen injiceras i ugnen då glasyrskiktet har en temperatur av 300-800°C, företrädesvis 400-700°C.

13. Sätt enligt något av kraven 9-12, k ä n n e t e c k n a t av att tennföreningen injiceras i en oxiderande atmosfär i brännugnen, då glasyrskiktets temperatur har sjunkit till en temperatur av 300-800°C, företrädesvis 400-700°C, efter avslutad bränning vid oxiderande eller reducerande atmosfär vid en temperatur mellan 1 150 och 1450 °C, företrädesvis vid en temperatur mellan 1200 och 1350°C.