ИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
INSULATING MATERIAL AND METHOD OF PRODUCING SAID MATERIAL

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к изоляционному материалу, устройству изолятора, способу изготовления изоляционного материала и к альвеоле для внедрения в изоляционный материал, более конкретно к изоляционному материалу и устройству изолятора, а также к способу их изготовления, которые позволяют создать улучшенные легкие изоляционный материал и устройство изолятора.
Предпосылки изобретения
В конкретных областях применения существует потребность в изоляционном материале, который имеет малый вес, в частности, если он подвергается воздействию высоких ускорений, например, в приборах для компьютерной томографии, где детали, находящиеся под высоким напряжением, вращаются с высокой частотой, что приводит к возникновению больших радиальных ускорений таких деталей. Поэтому существует потребность в легком материале с тем, чтобы уменьшить движущиеся массы и, тем самым, уменьшить силы, вызванные высоким радиальным ускорением. Из EP 1176856 известно, что для твердого материала высоковольтной изоляции, например, на основе эпоксидной смолы, который должен иметь малый вес, в качестве одной разновидности наполнителя используют полые микросферы. Для оптимальной высоковольтной конструкции необходимо сбалансировать конструкционные параметры этих полых микросфер. Для получения наименьшего веса для данного материала микросфер, например стекла, было бы полезно реализовать относительно большие полые микросферы с тонкой стенкой, чтобы при введении таких микросфер в эпоксидную смолу в качестве наполнителя вместе с отвердителем и другими ингредиентами, такими как связующие агенты и пр., получить наименьший общий вес.
Однако диаметр микросфер влияет на электрическую прочность диэлектрика таким образом, что чем выше диаметр, тем ниже электрическая прочность, по причине частичных разрядов (ЧР), которые возникают в газовых включениях внутри твердого материала из-за увеличенного электрического поля внутри газовых пространств в виде заполненных газом полых микросфер. Такие частичные разряды начинаются с определенного напряжения возникновения разряда (напряжения зажигания) и выше, которое зависит от давления газа в ускоряющем промежутке внутри полой микросферы для начала процесса ионизации, который приводит лавинному ударению электронов о внутреннюю поверхность микросферы. Этот процесс хорошо известен в теории как процесс частичного разряда. Начиная с определенной энергии за определенный промежуток времени и выше, этот процесс электрической эрозии, вызванный частичными разрядами, сначала разрушает стенку, например, из стекла, полой микросферы, в зависимости от толщины стенки, а затем - окружающую матрицу из эпоксидной смолы, что приводит к полному пробою материала изоляции. Эти эффекты также известны и для других твердых материалов изоляции, например для высоковольтных силовых кабелей с полимерным материалом изоляции.
2
2
2
Для предотвращения таких частичных разрядов диаметр, а за счет него и ускоряющий промежуток внутри полых микросфер необходимо уменьшить до такого размера, чтобы частичные разряды не могли возникнуть. Поскольку полые микросферы номинально заполнены газом, таким как, например, воздух, азот (N), диоксид углерода (CO) или диоксид серы (SO), что зависит от производственного процесса, для расчета напряжения зажигания частичного разряда справедлив так называемый закон Пашена. Напряжение зажигания для небольших ускоряющих промежутков и низких давлений обратно пропорционально давлению p газа, умноженному на расстояние d ускоряющего промежутка, где ускоряющий промежуток соответствует диаметру полых сфер.
Это значит, что для предотвращения частичного разряда либо диаметр, либо давление необходимо довести до нуля, чтобы получить наивысшее напряжение зажигания. Напряжение зажигания должно быть выше, чем номинальное напряжение, которое накладывается от всей конструкции, разделенной внутренними делителями напряжения на отдельные микросферы, что соответствует теории пробоя частичным разрядом.
Уменьшение диаметра означает, что отношение толщины стенки к заполненному газом объему ухудшается, и за счет этого вес всего гибридного материала повышается.
Сущность изобретения
Ввиду вышеизложенного, задачей изобретения можно рассматривать создание высоковольтного изолирующего материала, обладающего достаточными свойствами в отношении веса и электрической прочности.
Эта задача настоящего изобретения решается с помощью объектов по независимым пунктам формулы изобретения, в то время как предпочтительные варианты реализации включены в зависимые пункты формулы изобретения.
Согласно примерному варианту реализации изобретения предлагается альвеола, имеющая стенку, охватывающую полость, при этом стенка альвеолы содержит поры с размером, позволяющим молекуле газа проходить сквозь стенку альвеолы и препятствующим молекуле полимера проходить снаружи внутрь альвеолы.
2
2
2
Используя альвеолу с пористой структурой стенки, имеющей поры с диаметром, через который могут проходить молекулы газа, такого как воздух, N, CO, SO, и являющиеся достаточно малыми, чтобы полимерные цепочки типичного термореактивного материала, такого как, например, эпоксидная смола и компоненты ее отвердителя, не могли проходить сквозь них, такие альвеолы могут быть использованы в качестве наполнителя внутри материала изоляции. Эти альвеолы возможно откачивать с тем, чтобы находящийся внутри альвеол газ мог удаляться из полости альвеолы, и в то же время предотвращать проникновение молекул полимера, поддерживая в альвеоле разрежение.
2
2
2
Согласно примерному варианту реализации изобретения альвеола имеет поры с размером, позволяющим молекулам газа проходить изнутри наружу альвеолы, при этом молекулы газа выбраны из группы, состоящей из N, CO и SO.
2
2
Следует отметить, что указанные молекулы газов приведены только в целях характеризации диаметра пор в стенке альвеолы, в частности, поскольку вышеуказанные газы имеют место при производстве альвеол, таких как полые стеклянные сферы. Альвеолы также могут иметь поры, которые способны давать возможность пройти молекулам других газов, в частности, молекулам тех газов, которые имеют место при изготовлении пустотелых альвеол. Следует отметить, что альвеолы могут рассматриваться как структура открытопористой пены, имеющая множество субполостей, и что величина размера пор подбирается с учетом эффективного сечения соответствующих молекул газа. Процесс откачки можно рассматривать по аналогии с диффузией через мембрану. Поперечное сечение поры может зависеть от типа молекулы газа, а также от температуры. Т.е., хотя геометрический диаметр молекулы газа может, например, быть меньше чем 1 нм (нанометр) (диаметр молекулы N, например, составляет примерно 0,31 нм, а диаметр молекулы О составляет примерно 0,36 нм), эффективное сечение молекулы может быть намного большим. Поэтому геометрический размер пор должен быть подобран большим, чем геометрический диаметр соответствующей молекулы, с тем, чтобы поры позволяли пройти молекуле газа. Соответствующий подбор размера пор осуществляется специалистом с учетом фактических требований.
Согласно примерному варианту реализации изобретения поры имеют размер, препятствующий молекулам полимера проходить снаружи внутрь альвеолы, при этом молекулы полимера выбраны из группы материалов, включающей эпоксидную смолу и/или сложнополиэфирную смолу и соответствующий компонент отвердителя, силиконовый каучук, термореактивный материал, термопластичный материал, силиконовое масло и/или минеральное масло.
Следует отметить, что применительно к настоящему изобретению нерегулярные цепочки полимеров, подобные таковым у минеральных масел, также могут рассматриваться как молекулы полимера. Кроме того, следует также рассматривать очень короткие полимерные молекулы, подобные конструкции всего из нескольких мономерных звеньев.
Согласно примерному варианту реализации изобретения стенка альвеолы сформирована из материала, выбранного из группы материалов, которые содержат стекло, керамику, фенольную смолу и/или сополимер акрилонитрила.
Эти материалы обеспечивают хорошие свойства для разработки пористой структуры стенки альвеол и позволяют обеспечить возможность молекулам газа проходить сквозь поры.
Согласно примерному варианту реализации изобретения альвеолы по существу имеют форму в виде сфер или форму в виде эллипсоидов. Сферы и эллипсоиды обеспечивают хорошие свойства в отношении геометрии при приложении сильных полей. Далее, следует отметить, что полость внутри альвеол может быть с открытопористой структурой, имеющей множество субполостей. Однако можно также использовать альвеолы с любой другой внешней формой.
Согласно примерному варианту реализации изобретения альвеолы имеют диаметр от 5 мкм (микрометров) до 500 мкм, предпочтительно - от 10 мкм до 200 мкм, а более предпочтительно - от 80 мкм до 160 мкм.
С альвеолами, например, сферами или эллипсоидами, имеющими такие диаметры, возможно использовать такое разрежение, которое является подходящим для уменьшения электрического пробоя в полости альвеолы, и, одновременно, уменьшить общий вес изолятора с введенными в качестве наполнителя альвеолами. Стенка альвеолы может иметь толщину примерно от 0,5 мкм до 5 мкм, предпочтительно - от 1 мкм до 2 мкм.
Согласно примерному варианту реализации изобретения предлагается изоляционный материал, содержащий материал матрицы и множество альвеол, которые откачаны до давления более низкого, чем давление, соответствующее минимуму по закону Пашена.
Согласно примерному варианту реализации изобретения это давление равно или ниже, чем давление, которое соответствует давлению по закону Пашена, выражающему напряжение пробоя, которое вдвое превышает напряжение пробоя минимума по закону Пашена.
Фактически, специалист сможет подобрать подходящее разрежение применительно к желательному напряжению пробоя.
6
Закон Пашена описывает зависимость между напряжением пробоя и произведением давления и диаметра промежутка. Согласно закону Пашена, напряжение пробоя увеличивается, если произведение диаметра и давления очень мало или произведение диаметра и давления очень высоко. Между ними напряжение пробоя имеет минимум. Поэтому, при условии промежутка с постоянным диаметром, для увеличения напряжения пробоя давление должно быть очень низким или очень высоким. Для увеличения напряжения пробоя часто используют давление, превышающее давление, соответствующее минимуму по закону Пашена. Однако согласно настоящему изобретению альвеолы откачивают (т.е. создают в них разрежение) до достижения диапазона на кривой закона Пашена, который соответствует давлению более низкому, чем давление, соответствующее минимуму по закону Пашена. Таким образом, для заполнения альвеол нет необходимости использовать какие-либо конкретные газы, такие как гексафторид серы SF, приводящие к возникновению негативного парникового эффекта, более того, используя разрежение до подходящего давления, аналогичного результата можно добиться с откачанными альвеолами.
Согласно примерному варианту реализации альвеолы, предназначенные для использования в изоляционном материале, являются альвеолами, имеющими стенку, охватывающую полость, при этом стенка альвеолы содержит поры с размером, позволяющим молекуле газа проходить изнутри наружу альвеолы и препятствующим молекуле полимера проходить снаружи внутрь альвеолы, как описано выше.
Таким образом, альвеолы могут быть смешаны с материалом матрицы и после этого могут быть откачаны, поскольку поры альвеол позволяют газу выходить и препятствуют большим молекулам полимера входить снаружи альвеол внутрь их. Материал матрицы должен иметь подходящую вязкость, позволяющую образовавшимся пузырькам газа выходить из смешиваемого материала.
Согласно примерному варианту реализации материал матрицы является материалом, выбранным из группы материалов, которые содержат эпоксидную смолу и/или сложнополиэфирную смолу и соответствующий компонент отвердителя, силиконовый каучук, термореактивный материал, термопластичный материал, силиконовое масло и/или минеральное масло.
6
Эти материалы обладают хорошими свойствами в отношении высокой напряженности электрического поля и поэтому могут использоваться в качестве материала матрицы, в которые в качестве материала-наполнителя внедрены альвеолы. Поскольку эти материалы являются по меньшей мере временно текучими, они могут позволять газу, имеющемуся в альвеолах, выходить под действием приложенного вакуума, чтобы получить откачанные альвеолы. Однако можно также использовать любой другой материал высоковольтной изоляции, в частности изолирующие газы, такие как SF.
-1
-2
Согласно примерному варианту реализации давление в альвеолах составляет между 5×10 мбар и 5×10 мбар.
При подходящем размере альвеол, такие давления обеспечивают достаточное разрежение для того, чтобы поддерживать напряжение пробоя высоким применительно к закону Пашена и кривой Пашена соответственно.
Согласно примерному варианту реализации это давление является более высоким, чем давление паров материала матрицы.
Таким образом, можно предотвратить испарение жидких компонентов растворителя материала матрицы, что привело бы к неправильному функционированию материала матрицы.
Согласно примерному варианту реализации изобретения это давление выше, чем давление, при котором компоненты материала матрицы диссоциируют друг с другом.
Таким образом, материал матрицы можно поддерживать в подходящем состоянии, не разрушая его структуру посредством диссоциации материала матрицы или его компонентов.
Согласно примерному варианту реализации изобретения это давление равно или ниже, чем давление, соответствующее давлению по закону Пашена, выражающему напряжение пробоя, которое соответствует напряжению пробоя материала матрицы.
Таким образом, прочность на пробой в изоляционном материале может поддерживаться постоянной, независимо от мест расположения материала матрицы или откачанных альвеол. В частности, при таком разрежении может быть обеспечена максимальная электрическая прочность изоляционного материала без риска частичных разрядов.
Согласно примерному варианту реализации изобретения материал изоляции является текучим. Таким образом, возможно дополнительно перемещать изоляционный материал при работе для того, чтобы проводить тепло, или для того, чтобы фильтровать материал изоляции при работе.
Согласно примерному варианту реализации изобретения материал изоляции является твердым.
Таким образом, можно избежать нитевидного пробоя из-за накопления загрязняющего материала. Следует отметить, что каучуковый материал также считается твердым материалом.
Согласно примерному варианту реализации изобретения объемное отношение между альвеолами и материалом изоляции составляет между 40% и 74%, в частности - между 60% и 68%.
Чем выше это объемное отношение, тем легче изоляционный материал. Наивысшая гексагональная плотность сфер одинакового размера составляет примерно 74%, однако при использовании альвеол разных размеров объемное отношение может также быть выше чем 74%.
Согласно примерному варианту реализации изобретения предлагается устройство изолятора, имеющего заранее заданную форму, представленную внешней формой, которая заполнена изоляционным материалом, содержащим материал матрицы и множество альвеол, которые откачаны до давления более низкого, чем давление, соответствующее минимуму по закону Пашена.
Таким образом, возможно создать устройство изолятора, имеющее конкретную форму и выполненное из изоляционного материала по изобретению, который был подробно описан выше.
Согласно примерному варианту реализации изобретения изоляционный материал является твердым, и внешняя форма является поверхностью твердого изоляционного материала.
Это значит, что устройство изолятора может изготавливаться как литое тело, полученное литьем под давлением, или тело, полученное механической обработкой резанием из сплошного материала.
Согласно примерному варианту реализации внешняя форма придана внешней оболочкой, образующей полость, заполненную изоляционным материалом, который является текучим или газообразным.
6
Таким образом, устройство изолятора, имеющее заранее заданную форму, может быть также снабжено текучим изолирующим материалом, например, для обеспечения движения текучей среды для переноса теплоты. Материал матрицы также может быть газообразным, например изолирующим газом, таким как SF, что обеспечивает легкое исполнение изоляции. Выбирая большое объемное отношение альвеол, независимо от того, является ли материал матрицы текучим или газообразным, можно избежать тепловой конвекции благодаря высокой плотности упаковки альвеол, препятствующих конвекционному перемещению текучей среды или газа.
Согласно примерному варианту реализации изобретения изоляционный материал выполнен с возможностью отверждения.
Таким образом, можно также применять изоляционные материалы, которые во время изготовления являются жидкими или текучими, но твердеют спустя заранее заданное время, образуя устройство твердого изолятора. Твердый или отвердевший изолятор может служить не только изолятором, но и механической опорой.
Согласно примерному варианту реализации изобретения внешняя оболочка выполнена из вакуумно-плотного материала по отношению к внешней воздушной атмосфере.
Таким образом, возможно не допускать внешнюю воздушную атмосферу к материалу изоляции для того, чтобы поддерживать разрежение внутри альвеол, в частности, в случае, если материал матрицы не способен поддерживать разрежение в течение длительного периода времени в несколько лет или десятилетий. За счет этого можно исключить возможность проникновения внешнего воздуха в структуру материала изоляции.
Согласно примерному варианту реализации устройство изолятора приспособлено для использования во вращающейся системе гентри компьютерного томографа.
Для этого назначения устройство изолятора может быть, например, выполнено не имеющим движущихся частей, которые могли бы двигаться под действием центробежной силы во время работы вращающейся системы гентри компьютерного томографа. Ускорение, воздействующее на детали на вращающейся системе гентри, может составлять в интервале около 10 g (нормальное ускорение земного притяжения). Достаточно высокая плотность упаковки альвеол в текучем или газообразном материале матрицы исключает движение альвеол при воздействии центробежных сил или ускорений.
Согласно примерному варианту реализации изобретения предлагается компьютерный томограф со встроенным устройством изолятора по настоящему изобретению.
Согласно примерному варианту реализации изобретения предлагается способ изготовления изоляционного материала, содержащий смешивание материала матрицы и множества альвеол, которые откачивают до давления более низкого, чем давление, соответствующее минимуму по закону Пашена.
Таким образом, может быть предложен материал изоляции, имеющий хорошие свойства в отношении веса и электрической прочности.
Согласно примерному варианту реализации изобретения альвеолы представляют собой альвеолы, имеющие стенку, охватывающую полость, при этом стенка альвеолы содержит поры с размером, позволяющим молекуле газа проходить изнутри наружу альвеолы и препятствующим молекуле полимера проходить снаружи внутрь альвеолы.
Согласно примерному варианту реализации изобретения альвеолы откачивают перед смешиванием с материалом матрицы.
Это полезно, например, если материал матрицы имеет низкую вязкость и поэтому не позволяет проводить откачивание после того, как альвеолы внедрены в материал матрицы.
Согласно примерному варианту реализации изобретения альвеолы откачивают после смешивания с материалом матрицы.
Таким образом, материал матрицы может использоваться не только как материал матрицы, но и как уплотняющий материал для уплотнения пор альвеол после того, как альвеолы откачаны. Газ, находящийся внутри альвеол, может выходить и подниматься в материале матрицы, если вязкость этого материала матрицы позволяет движение пузырьков газа.
Согласно примерному варианту реализации изобретения первое количество альвеол смешивают с эпоксидной смолой, а второе количество альвеол смешивают с соответствующим компонентом отвердителя до того, как эпоксидная смола и отвердитель смешаны.
Таким образом, можно сэкономить время в ходе производственного процесса, в частности, время, используемое для отверждения и твердения эпоксидной смолы. Таким образом, во время фазы смешивания и отверждения эпоксидной смолы не обязательно выделять время, необходимое на подмешивание альвеол в эпоксидную смолу и компонент отвердителя соответственно.
Согласно примерному варианту реализации изобретения твердение эпоксидной смолы происходит при давлении, соответствующем внутреннему давлению в откачанных альвеолах.
Таким образом, даже если поры альвеол должны быть большими, например, такими, что полимерные цепочки смогут войти в полость альвеол, внешнее давление вакуума не дает материалу матрицы входить в отверстия пор во время процесса отверждения, а после отверждения эпоксидной смолы полимерные цепочки не будут гибкими, чтобы войти в полость альвеолы.
Согласно примерному варианту реализации изобретения давление является более высоким, чем давление, при котором компоненты материала матрицы диссоциируют друг с другом.
Таким образом, можно предотвратить диссоциацию и неправильное функционирование материала матрицы с тем, чтобы сохранить полную надежность в отношении диэлектрического действия материала матрицы.
Согласно примерному варианту реализации изобретения материал изоляции формуют литьем под давлением в атмосфере, имеющей давление, соответствующее внутреннему давлению в откачанных альвеолах.
Таким образом, возможно изготавливать устройство изоляции посредством процесса литья под давлением и сохранять полость альвеол свободной от молекул полимера до тех пор, пока смола не отвердеет при завершении процесса литья под давлением.
Следует отметить, что материал изоляции и устройство изоляции могут быть также применены в качестве теплоизолятора.
Следует отметить, что любые из вышеописанных признаков могут быть также скомбинированы без отклонения от настоящего изобретения.
Как можно видеть, суть настоящего изобретения заключается в создании высоковольтного изолирующего материала, который может быть оптимизирован по весу, электрической прочности диэлектрика и механической прочности относительно простым образом за счет использования высокого напряжения пробоя при очень низких давлениях в соответствии с законом Пашена.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными из описанных далее вариантов его реализации и будут пояснены со ссылкой на них.
Краткое описание чертежей
Примерные варианты реализации настоящего изобретения будут описаны далее со ссылками на приложенные чертежи.
Фиг.1 иллюстрирует кривую Пашена в соответствии с законом Пашена.
Фиг.2 иллюстрирует альвеолу с молекулами двух разных размеров.
Фиг.3 иллюстрирует структуру материала изоляции с внедренными в материал матрицы альвеолами.
Фиг.4 иллюстрирует геометрию альвеолы в материале матрицы и соответствующие емкости.
Фиг.5 иллюстрирует устройство изоляции, имеющее внешнюю форму.
Фиг.6 иллюстрирует устройство изолятора, имеющее внешнюю оболочку в качестве внешней формы.
Фиг.7 иллюстрирует прибор для компьютерной томографии.
Фиг.8 иллюстрирует способ согласно примерному варианту реализации изобретения.
Фиг.9 иллюстрирует способ согласно другому примерному варианту реализации изобретения.
Фиг.10 иллюстрирует способ согласно еще одному примерному варианту реализации изобретения.
Подробное описание примерных вариантов реализации
На фиг.1 показана кривая Пашена в соответствии с законом Пашена. Закон Пашена иллюстрирует зависимость между напряжением пробоя (Ub) и произведением давления p и расстояния d. Согласно закону Пашена, напряжение пробоя Ub может быть выражено следующим образом:
,
где Ub - напряжение пробоя, р - давление внутри геометрии, d - расстояние между двумя электродами, которое можно считать диаметром, например, альвеолы, γ (гамма) - третий коэффициент Таунсенда, представляющий собой постоянную материала, типичные значения которого находятся в диапазоне от γ=0,01 до γ=0,1; с1 и с2 - постоянные материалов, характеризующие материал газа и электродов. Согласно закону Пашена, показанному на Фиг.1, напряжение пробоя зависит от газа, при этом для воздуха минимум находится на примерно 0,4 Па×м. Для больших pd, Ub увеличивается почти линейно, поскольку длина свободного пробега уменьшается при более высоких давлениях, приводя к повышенному напряжению пробоя.
Для меньших pd, почти не возникает лавинного эффекта, поскольку длина свободного пробега больше, чем расстояние d. При минимуме кривой Пашена длина свободного пробега и расстояние d почти равны.
Выбирая давления внутри альвеол находящимся с левой стороны от минимума на кривой Пашена, т.е. обеспечивая откачанные альвеолы, можно повысить напряжение пробоя внутри альвеол и исключить частичные разряды, которые возникают, начиная с определенного напряжения зажигания и выше, которое зависит от давления газа и размера ускоряющего промежутка. Уменьшая давление внутри альвеолы, можно уменьшить процесс ионизации и лавинный эффект, так что можно избежать ударения лавины электронов о внутреннюю поверхность альвеолы.
2
2
2
На фиг.2 показана альвеола 10, имеющая стенку 11, охватывающую полость 12, при этом стенка альвеолы содержит поры 13. На фиг.2 показана только одна пора, однако альвеола может также содержать множество пор. Пора 13 имеет размер, позволяющий молекуле 4 газа выходить изнутри наружу альвеолы 10 и препятствующий молекуле 5 полимера проходить снаружи внутрь альвеолы 10. Следует отметить, что обычно молекулы не имеют сферической структуры, и элементы, обозначенные позициями 4 и 5 на фиг.2, показаны как сферы только в целях иллюстрации, чтобы показать, что меньшие молекулы 4 могут проходить пору 13, а более крупные молекулы, подобные обозначенным позицией 5, не могут попасть в полость 12 альвеолы 10. Молекулы газа могут быть выбраны из группы, состоящей из N, COи SO. Эти газы присутствуют в процессе производства альвеол, в частности, полых стеклянных сфер. С другой стороны, молекулы 5 полимера выбраны из группы материалов, включающей эпоксидную смолу и/или сложнополиэфирную смолу и соответствующий компонент отвердителя, силиконовую смолу, термореактивный материал, термопластичный материал, силиконовое масло и/или минеральное масло.
Следует отметить, что молекулы газа могут быть также молекулами газа, являющимися более крупными, чем вышеупомянутые, а молекулы полимера могут также быть молекулами, являющимися более мелкими, чем молекулы вышеуказанных материалов.
Размер пор будет определяться в зависимости от требований с учетом присутствующих молекул газа и присутствующих молекул полимера, предназначенных для использования в качестве материала матрицы.
Альвеола может быть сформирована из материала, выбранного из группы, включающей стекло, керамику, фенольную смолу и сополимер акрилонитрила. Следует отметить, что альвеола может быть по существу сферической или эллипсоидальной формы, однако возможна и любая другая внешняя форма, при условии, что размер полы имеет величину, определенную выше. Следует также отметить, что полость альвеолы может иметь дополнительные субполости. Например, полость альвеолы может быть открытопористой пеной, в которой отверстия между субполостями должны иметь размер, по меньшей мере равный размеру пор, определенному выше, чтобы позволять молекулам конкретного газа выйти из каждой из этих субполостей с тем, чтобы повысить напряжение пробоя по закону Пашена. Кроме того, субполости могут иметь форму сферы или эллипсоида, но их форма этим не ограничена. В случае, если субполости имеют диаметр, являющийся достаточно малым относительно длины свободного пробега, давление в субполостях может быть более высоким, чтобы попасть под действие закона Пашена. Т.е., при достаточно малых диаметрах, субполости не требуют откачки, чтобы отвечать условию Пашена.
Альвеолы могут иметь диаметр от 5 мкм до 500 мкм, предпочтительно - от 10 мкм до 200 мкм, а более предпочтительно - от 80 мкм до 160 мкм. Следует отметить, что больший диаметр требует меньшего давления разрежения для того, чтобы поддерживать напряжение пробоя высоким с учетом закона Пашена, поскольку произведение давления р и расстояния d следует поддерживать постоянным для того, чтобы поддерживать требуемое напряжение пробоя. Таким образом, увеличенный диаметр или расстояние d требует повышенного давления р для компенсации увеличенной длины свободного пробега внутри полости альвеолы. Однако, чем больше диаметр, тем лучше отношение между толщиной стенки и диаметром, и, следовательно, относительным удельным весом альвеолы, что приводит к сниженному общему весу конструкции изоляции. Следует отметить, что оптимальный диаметр альвеол будет подбираться по требованию с учетом вышеописанной зависимости по закону Пашена.
На Фиг.3 показан примерный вариант реализации структуры материала изоляции, имеющего множество альвеол 10, внедренных в материал 20 матрицы, при этом альвеолы откачаны до давления более низкого, чем давление, которое соответствует минимуму по закону Пашена. Следует отметить, что альвеолы могут быть разного размера и, кроме того, могут иметь конкретный порядок, который, однако, не является обязательным. В одном материале изоляции могут использоваться альвеолы разных размеров.
Альвеолы могут быть альвеолами, указанными выше, т.е. альвеолами, имеющими стенку, охватывающую полость, при этом стенка содержит поры с вышеописанным размером. Однако можно также внедрять альвеолы, которые уже откачаны.
r
r
На Фиг.4 показана альвеола 10 внутри материала 20 матрицы. Кроме того, на Фиг.4 показана эквивалентная цепь конденсаторов, представляющих емкость первой части 21 материала матрицы, второй части 22 материала матрицы, отхватывающей альвеолу 10, и третьей части 23 материала матрицы. В целом, материал матрицы имеет более высокую диэлектрическую постоянную, чем альвеола, которая заполнена газом, так что для конденсаторов С1 и С3 эквивалентной цепи материала матрицы следует учитывать более высокое значение ε (эпсилон), чем для эквивалентного конденсатора С2, диэлектрическая постоянная ε которого должна быть около 1 (единицы) из-за разряжения (вакуума) внутри альвеолы. Из-за непрерывности плотности электрического смещения напряженность электрического поля в конденсаторе С2 альвеолы выше, чем у эквивалентных конденсаторов С1 и С3 материала матрицы. Поэтому разрежение внутри альвеолы имеет более высокую напряженность электрического поля. Следовательно, согласно примерному варианту реализации изобретения, разрежение внутри альвеолы может быть такой величины, что альвеола 10 оказывает сопротивление напряженности электрического поля, которое соответствует ограничивающей напряженности поля материала матрицы. Следовательно, альвеолу или альвеолы необходимо откачивать, чтобы во время работы поддерживать высокое механическое напряжение от воздействия электрического напряжения.
-1
-2
Материал 20 матрицы может быть материалом, выбранным из группы материалов, которые содержат эпоксидную смолу и/или сложнополиэфирную смолу и соответствующий компонент отвердителя, термореактивный материал, силиконовый каучук, термопластичный материал, силиконовое масло и/или минеральное масло. Следует отметить, что эти материалы также можно смешивать, при условии, что материалы совместимы и их смесь не приводит к неправильному функционированию полимерного материала и материала матрицы соответственно. Давление в альвеоле 10 может составлять, например, между 5×10 мбар и 5×10 мбар. Далее или альтернативно, давление может быть выше, чем давление паров материала матрицы, поскольку давление ниже давления паров материала матрицы приведет к ухудшению и неправильному функционированию материала матрицы, например, из-за диссоциации ее конкретных компонентов.
Далее или альтернативно, давление может быть равно или ниже, чем давление, соответствующее давлению по закону Пашена, выражающему напряжение пробое, которое соответствует напряжению пробоя материала матрицы, как более подробно описано выше со ссылкой на Фиг.4.
Изоляционный материал, т.е. смесь материала матрицы и альвеол, может быть текучим или газообразным, например, для обеспечения изолирующего наполнения полости. Изоляционный материал также может быть твердым. Твердый изоляционный материал может быть образован, например, эпоксидной смолой и/или сложнополиэфирной смолой и соответствующим компонентом отвердителя, силиконовым каучуком или термореактивным материалом или термопластичным материалом. Следует отметить, что силиконовый каучук можно также получить, смешивая жидкий силикон со сшивающим агентом. Твердый изоляционный материал может быть поддающимся механической обработке материалом для изготовления устройств изоляции конкретной формы. Далее, изоляционный материал также можно подвергать литью под давлением для получения устройства твердой изоляции, при этом такой изоляционный материал выполнен с возможностью отверждения после литья материала под давлением.
Объемное отношение между альвеолами и изоляционным материалом может составлять, например, между 40% и 74% или, в частности, между 60% и 68%.
Хотя наивысшая гексагональная плотность составляет примерно 0,74 = 74%, можно добиться и более высокого объемного отношения между альвеолами и изоляционным материалом, поскольку можно предусмотреть альвеолы разных размеров для того, чтобы также заполнить пространства между альвеолами, уложенными в гексагональной упаковке наивысшей плотности. Кроме того, более высокого объемного отношения можно добиться и с другими материалами-наполнителями.
На Фиг.5 показано устройство изолятора, имеющее заранее заданную форму, представленную внешней формой, заполненной изоляционным материалом, как это указано выше. Примерный вариант реализации по Фиг.5 демонстрирует, что изоляционный материал является твердым, и внешней формой является поверхность твердого изоляционного материала. Для поддержания разрежения в альвеолах, в частности, альвеолах, имеющих такие поры, как указано выше, материал матрицы может быть вакуумно-плотным материалом матрицы для того, чтобы надежно покрывать альвеолы. Это может быть достигнуто путем лакировки тела изоляционного материала. Однако можно также предусмотреть материал матрицы, который не является вакуумно-плотным, но в этом случае внешняя оболочка может быть сделана вакуумно-плотной оболочкой.
На Фиг.6 показано устройство изолятора, внешняя форма которого задана внешней оболочкой, образующей полость, которая заполнена изоляционным материалом. Этот изоляционный материал может содержать текучий или газообразный материал матрицы, или же может быть вакуумом, так что внешняя оболочка обеспечивает нужную форму всего изолятора, однако наполненный изоляционный материал также может быть твердым, например, если соответствующий материал матрицы изоляционного материала не является вакуумно-плотным.
Фактически внешняя оболочка 33 может служить не только для придания внешней формы 31 изолятора, но и служить в качестве формы, в которую может быть залит текучий изоляционный материал для того, чтобы стать отвержденным, подобно, например, эпоксидной смоле и/или сложнополиэфирной смоле и соответствующему компоненту отвердителя, или силикону, подлежащему сшиванию. Таким образом, полость 32 устройства 30 изолятора также используется в качестве литейной формы. Следует отметить, что внешняя оболочка 33 может также использоваться в качестве формы для получаемого литьем под давлением устройства изолятора.
Внешняя оболочка может быть выполнена из вакуумно-плотного материала, который является непроницаемым по отношению к внешней воздушной атмосфере, т.е. по отношению к молекулам, имеющимся в воздушной атмосфере. Внешняя оболочка устройства изолятора также может быть выполнена из изолирующего материала в случае, если такая внешняя изоляция необходима. Фактически, внешняя оболочка также может быть выполнена из проводящего материала для того, чтобы обеспечить, например, надежное соединение с потенциалом Земли и обеспечить заранее заданное распределение поля внутри полости устройства изолятора.
Устройство 30 изолятора также может быть приспособлено для использования во вращающейся системе гентри 40 компьютерного томографа 50. Для этого назначения устройство изолятора должно быть устойчиво по отношению к высоким ускорениям из-за радиальных центробежных сил, возникающих во время работы вращающейся системы гентри компьютерного томографа.
На Фиг. 8, 9 и 10 показаны примерные варианты реализации настоящего изобретения.
Способ изготовления изоляционного материала может содержать смешивание S1 материала 20 матрицы и множества альвеол 10, которые откачаны до давления более низкого, чем давление, соответствующее минимуму по закону Пашена или, в частности, до давления, соответствующего давлению, представляющему напряжение пробоя, вдвое превышающее напряжение пробоя в минимуме Пашена. На Фиг.8 показан вариант реализации способа, согласно которому альвеолы откачивают S2 до смешивания с материалом матрицы. Эти альвеолы могут быть альвеолами, имеющими стенку, охватывающую полость, при этом стенка альвеолы содержит поры с размером, позволяющим молекуле газа выходить изнутри наружу альвеолы и препятствующим молекуле полимера проходить снаружи внутрь альвеолы. Фактически, альвеолы можно также откачивать после смешивания с материалом матрицы, прилагая вакуум к смеси материала матрицы и альвеол, как показано на Фиг.9. Приложенный вакуум заставляет газ, находящийся в альвеолах, проходить сквозь поры, так что вышедший газ поднимается внутри материала матрицы в виде газовых пузырьков.
При откачке альвеол перед смешиванием с материалом матрицы, они могут подвергаться откачке и удерживаться под вакуумом во время процесса смешивания. Таким образом, и материал матрицы, и откачанные альвеолы удерживаются в условиях вакуума до смешивания альвеол с материалом матрицы, что позволяет избежать в последующем газовых пузырьков и газовых включений в материале матрицы, образовавшихся в результате выхода газа из альвеол во время процесса откачивания уже смешанных альвеол и материала матрицы. Другими словами, альвеолы могут, например, быть помещены в первом резервуаре, подвергающемся откачке, а материал матрицы содержится в условиях вакуума во втором резервуаре, и после откачки альвеолы они могут подаваться, например, по трубопроводу из первого резервуара во второй резервуар, при этом вся система из первого резервуара, второго резервуара и соединяющего трубопровода должна быть вакуумно-герметичной. В общем, альвеолы можно держать отдельно от материала матрицы до того, они пройдут откачку, чтобы после этого смешать альвеолы и материал матрицы.
Согласно еще одному варианту реализации первое количество альвеол смешивают в условиях вакуума на этапе S1a с эпоксидной смолой, а второе количество альвеол смешивают в условиях вакуума на этапе S1b с соответствующим компонентом отвердителя до того, как эпоксидная смола и соответствующий компонент отвердителя будут смешаны на этапе S4. Твердение эпоксидной смолы может происходить при давлении, соответствующем внутреннему давлению в откачанных альвеолах. Таким образом можно избежать нарушения состояния разрежения в альвеолах и закрыть поры альвеол отвердевшей эпоксидной смолой, получив герметичную альвеолу. Далее, давление, при котором эпоксидная смола твердеет, является более высоким, чем давление, при котором диссоциируют друг с другом компоненты материала матрицы, т.е. эпоксидная смола и/или компонент отвердителя. Вместо эпоксидной смолы можно также использовать сложнополиэфирную смолу и соответствующий отвердитель. То же относится к силикону и соответствующему сшивающему агенту для получения силиконового каучука.
После процесса откачивания и смешивания смесь на этапе S3 может быть обработана, например, литьем или литьем под давлением. Процесс литья под давлением может осуществляться, например, в атмосфере с давлением, соответствующим внутреннему давлению в откачанных альвеолах. Это значит, что вся смесь и весь процесс литья под давлением, включая литейную форму, в которую заливается под давлением изоляционный материал, должны поддерживаться вакуумно-плотными для того, чтобы оставаться в пределах соответствующих диапазонов кривой Пашена для сохранения достаточных свойств в отношении напряжения пробоя в газовых пространствах изоляционного материала.
2
2
2
Используя пористые альвеолы, например, в виде полых микросфер, являющихся пористыми с диаметром, через который могут проходить молекулы газов, таких как воздух, N, CO, SO, но достаточно малый, чтобы полимерные цепочки типичного термореактивного материала, напр., эпоксидной смолы и компонентов ее отвердителя, не могли проходить насквозь, можно получить улучшенный изоляционный материал. Поддерживая альвеолы, например, в виде микросфер, под вакуумом перед перемешиванием под вакуумом в смеси эпоксидная смола/отвердитель, поры альвеол можно закрыть для сохранения разрежения внутри альвеол. Вводя эту смесь в литейную форму под вакуумом, такая система приводит к твердому изолированному готовому конечному продукту с получением твердого изоляционного материала, который наполнен заполненными вакуумом пустотелыми альвеолами в форме, например, полых микросфер. Результатом является твердый материал высоковольтной изоляции, который наполнен альвеолами, при этом сами альвеолы заполнены вакуумом и, соответственно, под вакуумом. Исходя из закона Пашена, можно добиться высокой и наивысшей электрической прочности диэлектрика внутри сфер или альвеол. Твердая стенка альвеол может быть выполнена, например, из стекла или керамики, или смолистой матрицы, например, эпоксидной смолы или другого термореактивного или термопластичного материала, так что, например, стенка альвеол и материал матрицы могут быть из одного и того же материала.
Далее, можно использовать обычные наполнители, такие как диоксид кремния или другие наполнители, с преимуществом очень низкого веса и соответствующей механической прочности материала.
6
2
В качестве еще одной альтернативы, в стенке можно предусмотреть поры, имеющие размер, позволяющий проходить молекулам SF (гексафторида серы), например, извне внутрь альвеол. Давление может составлять в диапазоне между 1 бар и 10 бар, предпочтительно - от 3 бар до 6 бар. Далее, альвеолы могут смешиваться и/или перемешиваться с материалом матрицы при увеличенном относительно указанного давлении. При использовании эпоксидной смолы или сложнополиэфирной смолы и соответствующего компонента отвердителя твердение также может осуществляться при упомянутом давлении. Фактически, также можно использовать молекулы газа любого другого типа (напр., N), если это не приведет к тому, что давление и диаметр по отношению к используемым молекулам газа будут выше, чем произведение давления и диаметра для минимума на кривой Пашена.
Следует отметить, что и откачивание альвеол, и заполнение альвеол соответствующим изолирующим газом может вести к повышенному напряжению пробоя, при том условии, что произведение давления и диаметра выше или ниже, чем произведение давления и диаметра, соответствующее минимуму на кривой Пашена. Другими словами, оба вышеуказанных варианта альвеол приводят к улучшенному изолирующему материалу.
Далее, следует отметить, что материалы, используемые для альвеол и материалов матрицы, а также состояния агрегатов и плотность упаковки могут быть одинаковыми, как и для вариантов реализации, относящихся к откачанным альвеолам. Этапы способа изготовления изоляционного материала и устройства изолятора с внедренными накачанными альвеолами могут быть аналогичными этапам изготовления изоляционного материала и устройства изолятора с внедренными откачанными альвеолами, при этом вместо низкого давления используется высокое давление.
Далее, следует отметить, что варианты реализации устройства изолятора также применимы для использования накачанных альвеол, при этом вакуумонепроницаемая оболочка может быть заменена на не проницаемую для избыточного давления оболочку.
Изобретение может применяться, например, в рентгеновском аппарате, подобном компьютерному томографу, а также для других применений, требующих особо легкого изолирующего материала с хорошими диэлектрическими свойствами, таких как, например, в воздушном судне. Изобретение также может использоваться в качестве теплоизолятора.
Следует отметить, что термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, а единственное число не исключает наличия множества. Кроме того, элементы, описанные в связи с разными вариантами реализации, можно объединять.
Следует отметить, что ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем формулы изобретения.