MEHLTRETTER, Igor (Grasweg 42, Buckenhof, 91054, DE)
HARTNACK, Herbert (Mistelweg 12, Erlangen, 91056, DE)
MEHLTRETTER, Igor (Grasweg 42, Buckenhof, 91054, DE)
Patentansprüche
1. Isolator (1) mit erhöhter Isolationsfähigkeit d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Iso- lator (1) zumindest teilweise eine hydrophobe Oberfläche (6) aufweist .
2. Isolator (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Iso- lator (1) aus einem isolierenden, vorzugsweise nicht hydrophoben, Material mit einer hydrophoben Oberflächenbeschich- tung (8) besteht.
3. Isolator (1) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die hydrophobe Oberflächenbeschichtung (8) Polytetrafluorethylen (PTFE) enthält.
4. Isolator (1) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die hydrophobe Oberflächenbeschichtung (8) aus einem in einem Lösemittel lösbaren, hydrophoben Material besteht.
5. Isolator (1) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das hydrophobe Material ganz oder teilweise aus einem amorphen Fluoro- polymer besteht.
6. Isolator (1) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das amorphe Fluoropolymer eine amorphe Modifikation von Teflon ist.
7. Isolator (1) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das hydro- phobe Material ganz oder teilweise aus einer Polisiloxanver- bindung oder aus Alkylsilanen besteht.
8. Isolator (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die hydrophobe Oberflächenbeschichtung (45) eine Dicke im Bereich von Nanometern bis Mikrometern aufweist.
9. Verwendung des Isolators (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Lagerung eines elektrischen Bauteiles (2) in einem Gehäuse (3) , insbesondere einem Gehäuse, das mit feuchten Gasen bis hin zur Taupunktsgrenze gefüllt ist.
10. Verwendung des Isolators (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Befestigung eines ersten elektrisch leitfähigen Bauteiles (12) an einem zweiten Bauteil (13) .
11. Verwendung des Isolators (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Halterung eines ersten elektrisch leitfähigen Bauteiles (22) an einem zweiten Bauteil (23) .
12. Elektrische Einrichtung umfassend ein elektrisches Bau- teil (2) , ein Gehäuse (3) und zumindest einen Isolator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Halterung oder Befestigung des elektrischen Bauteiles (2) in bzw. an dem Gehäuse (3) .
13. Elektrische Einrichtung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Gehäuse (3) das elektrische Bauteil (2) gas- und wasserdicht umschließt.
14. Elektrische Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Gehäuse (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
15. Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Raum zwischen dem Gehäuse (3) und dem elektrischen Bauteil (2) mit einem feuchten Gas gefüllt ist.
16. Elektrische Einrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass beim Betrieb der elektrischen Einrichtung die Temperatur des feuchten Gases unter die Taupunkttemperatur des feuchten Gases fällt.
17. Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis
16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das feuchte Gas unter einem Druck steht, der größer ist als der Druck eines Gases innerhalb des elektrischen Bauteils (2) ist .
18. Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis
17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das e- lektrische Bauteil ein Brennstoffzellenmodul, ein Elektromotor, ein Schalter, ein Leistungssteiler oder ein Transforma- tor ist. |
Beschreibung
Isolator mit erhöhter Isolationsfähigkeit
Die Erfindung betrifft einen Isolator mit erhöhter Isolationsfähigkeit gemäß Patentanspruch 1.
Isolatoren werden üblicherweise zur Befestigung, Halterung oder Lagerung erster, ström- bzw. spannungsführender Bauteile an bzw. in zweiten Bauteilen wie z.B. Gehäusen, Gerüsten,
Trägern etc. verwendet, wenn ein Stromfluss zwischen dem ersten, ström- bzw. spannungsführenden Bauteil und dem zweiten Bauteil verhindert werden soll.
Oftmals muss hierbei aus Sicherheitsgründen ein definierter
Isolationswiderstand des Isolators gewährleistet werden. Beispielsweise muss bei einem in einem Gehäuse oder Behälter gelagerten elektrischen Gerät, z.B. bei einem in einem Druckbehälter gelagerten Brennstoffzellenmodul, ein hoher Isolati- onswiderstand zwischen dem Gehäuse oder Behälter und den elektrischen Anschlüssen des Gerätes sichergestellt werden. Die elektrisch leitenden Teile des Gerätes werden deshalb zur Befestigung, Halterung oder Lagerung über Isolatoren mit dem Gehäuse oder Behälter verbunden. Bei manchen Anlagen bzw. Ge- raten wird der Isolationswiderstand zwischen dem Gehäuse oder Behälter und den elektrischen Anschlüssen permanent überwacht und bei Unterschreitung eines Grenzwertes die Anlage bzw. das Gerät abgeschaltet.
Wenn sich Isolatoren in einer Umgebung mit einem Temperaturwechsel von heiss nach kalt befinden, kondensiert bei Abkühlung der Umgebung in der Umgebungsatmosphäre befindliche Feuchtigkeit aus und schlägt sich auf den Isolatoren nieder. Die niederschlagende Feuchtigkeit bildet auf den Isolatoren Wassertropfen, die sich zu einem die Oberfläche benetzenden
Wasserfilm verbinden. Hierdurch entstehen elektrisch leitende Wasserbrücken über den Isolationsstrecken, d.h. entlang der Oberflächen der Isolatoren zwischen den zu isolierenden Bau-
teilen, wodurch sich der Isolationswiderstand beispielsweise um einen Faktor von 10 oder mehr reduzieren kann.
Aus Sicherheitsgründen werden deshalb die Isolationsstrecken meist so lange ausgeführt, dass die Wasserstrecken keine erhebliche Reduktion des Isolationswiderstandes bewirken.
Weitere Maßnahmen zur Verhinderung zu geringer Isolationswiderstände bestehen darin, ein Auskondensieren von Feuchtig- keit durch Trocknen der Atmosphäre mit Hilfe einer Trocknungseinrichtung zu verhindern oder einen Betrieb des Gerätes im kalten Zustand nicht zu erlauben.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ei- nen Isolator anzugeben, der auch bei einem Einsatz unter wechselnden Umgebungstemperaturen einen hohen Isolationswiderstand gewährleistet, ohne dass die Isolationsstrecken vergrößert, zusätzliche Trocknungseinrichtungen vorgesehen oder Betriebseinschränkungen vorgenommen werden müssen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einem Isolator gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 1 bis 8. Vorteilhafte Verwendungen des Isolators sind Gegenstand der Ansprüche 9 bis 11. Eine elektrische Einrichtung mit einem derartigen Isolator ist Gegenstand der Patentansprüche 12 bis 18.
Die hydrophobe Oberfläche des Isolators bewirkt, dass die kondensierten Wassertropfen entweder von der Oberfläche des Isolators abtropfen oder, wenn sie nicht abtropfen, dann nur vereinzelt auf der Oberfläche ohne Verbindung zu anderen Wassertropfen verbleiben. Ein durchgehender Wasserfilm und somit eine Reduzierung des Isolationswiderstand kann somit sicher verhindert werden. Hierdurch kann ein hoher Isolationswider- stand auch bei einer Abkühlung des Gerätes und damit verbundener Kondensation der Feuchtigkeit beibehalten werden. Es können somit kurze Isolationsstrecken realisiert werden. Auf
eine Trocknung der Atmosphäre oder eine Sicherheitsabschaltung bei Abkühlung kann verzichtet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Isolator aus einem isolierenden, vorzugsweise nicht hydrophoben, Material mit einer hydrophoben Oberflächenbeschich- tung. Da nur die Oberflächenbeschaffenheit wesentlich für den gewünschten Effekt ist, muss nicht der gesamte Isolator aus einem hydrophoben Material bestehen, vielmehr kann für den Isolator ein z.B. hinsichtlich seiner mechanischen und isolierenden Eigenschaften optimales und hinsichtlich seiner hydrophoben Eigenschaften weniger optimales Material (z.B. Keramik, Kunststoff) gewählt werden, das an seiner Oberfläche mit einem hinsichtlich der hydrophoben Eigenschaften optima- len Material beschichtet ist.
Bevorzugt enthält die Oberflächenbeschichtung Polytetrafluor- ethylen (PTFE) als hydrophobes Material. Dieses Material zeichnet sich durch gute Haftbarkeit auf typischen Isolator- materialien wie Keramiken oder Kunststoffen und gleichzeitig guten Isolationswiderstand aus. Polytetrafluorethylen kann zudem in Form einer Suspension einfach auf den Isolatorkern aufgestrichen werden und erzeugt nach dem Trocknen eine dünne Oberflächenschicht .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die hydrophobe Oberflächenbeschichtung aus einem in einem Lösemittel lösbaren hydrophobierenden Material. Ein derartiges Material kann in gelöstem Zustand, z.B. durch Auf- streichen, sehr einfach auf den Isolatorkern aufgebracht werden und ermöglicht die Herstellung besonders dünner Oberflä- chenbeschichtungen .
Bevorzugt besteht das lösbare, hydrophobe Material ganz oder teilweise aus einem amorphen Fluoropolymer . Alternativ eignen sich auch Polisiloxanverbindungen oder Alkylsilane. Diese Materialien weisen gleichzeitig einen guten Isolationswider-
stand und eine gute Haftbarkeit auf verschiedensten Isolator- materialen auf. Gegebenenfalls ist vor der Beschichtung nur eine entsprechende Oberflächenbehandlung durchzuführen. Unter den amorphen Fluoropolymeren eignen sich insbesondere amorphe Modifikationen von Teflon. Diese Materialien können in geeigneten Lösungsmitteln bezogen und vor Gebrauch auf eine optimale Konzentration verdünnt werden. Die Lösung kann dann durch ein übliches Aufbringverfahren wie Sprühen, Wischen, Pinseln, Tauchen, Drucken auf das isolierende, nicht hydrophobe Material aufgebracht, das Lösungsmittel verdampft und das verbleibende hydrophobe Material ggf. durch einen Temperaturschritt bei erhöhter Temperatur auf der Korrosionsschutzschicht immobilisiert werden. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels bleibt ein sehr dünner Teflonfilm auf der Oberfläche des Isolators zurück.
Der erfindungsgemäße Isolator eignet sich grundsätzlich sehr gut zur (isolierten) Lagerung oder Befestigung eines elektrischen Bauteiles in bzw. an einem Gehäuse. Beispiele hierfür sind gekapselte Elektromotoren, Leistungsschalter, Leistungssteiler oder Trocken-Transformatoren. Insbesondere eignet er sich jedoch für die Lagerung elektrischer Bauteile in einem Gehäuse, das mit feuchten Gasen bis hin zur Taupunktsgrenze gefüllt ist. Dies ist zum Beispiel der Fall bei einem Brenn- stoffzellenmodul, das in einem Druckbehälter gelagert wird.
Weiterhin eignet sich der erfindungsgemäße Isolator zur (isolierten) Befestigung oder Halterung eines ersten elektrisch leitfähigen Bauteiles an einem zweiten Bauteil
Eine erfindungsgemäße elektrische Einrichtung umfasst ein e- lektrisches Bauteil, ein Gehäuse und zumindest einen Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Halterung oder Befestigung des elektrischen Bauteiles in bzw. an dem Gehäuse.
Bei dem elektrischen Bauteil handelt es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellenmodul, einen Elektromotor, einen Schalter, einen Leistungssteiler oder einen Transformator.
Bevorzugt umschließt das Gehäuse das elektrische Bauteil gas- und wasserdicht, so dass zum einen kein Wasser oder Gas aus der Umgebung der elektrischen Einrichtung in das Gehäuse eindringen bzw. aus dem Gehäuse an die Umgebung abgegeben werden kann .
Die Isolationseigenschaften des Isolators können besonders vorteilhaft dann genutzt werden, wenn das Gehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material wie z.B. einem Metall besteht. Das Gehäuse kann dann neben einem Schutz des Bauteils vor äußeren Einflüssen, wie z.B. Wasser, auch gleich zur EMV- Abschirmung des elektrischen Bauteils genutzt werden.
Der mit der hydrophoben Oberfläche des Isolators erzielbare hohe Isolationswiderstand kann dann besonders vorteilhaft ge- nutzt werden, wenn der Raum zwischen dem Gehäuse und dem e- lektrischen Bauteil mit einem feuchten Gas gefüllt ist. In diesem Fall können vergleichsweise kurze Isolationsstrecken zwischen dem Gehäuse und dem elektrischem Bauteil realisiert und somit die elektrische Einrichtung klein und kompakt gehalten werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn beim Betrieb der elektrischen Einrichtung die Temperatur des feuchten Gases unter die Taupunkttemperatur des Gases fällt, was zu einer Auskondensation von Wasser an der Oberfläche des I- solators führen würde.
Bevorzugt handelt es sich bei dem feuchten Gas um ein Inertgas oder Schutzgas, beispielsweise Stickstoff.
Wenn das feuchte Gas unter einem Druck steht, der größer ist als der Druck eines Gases innerhalb des elektrischen Bauteils ist, kann bei einem Leck des elektrischen Bauteils kein Gas aus dem elektrischen Bauteil austreten.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 einen Schnitt durch ein Brennstoffzellenmodul mit erfindungsgemäßen Isolatoren,
FIG 2 einen der Isolatoren von FIG 1 in vergrößerter Darstellung, FIG 3 die Verwendung eines erfindungsgemäßen Isolators zur gegenseitigen Abstützung zweier stromführender Leiter und
FIG 4 die Verwendung erfindungsgemäßer Isolatoren zur Befestigung von elektrischen Freileitungen.
FIG 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch eine elektrische Einrichtung bestehend aus einem Brennstoffzellenmodul 2, welches mittels Isolatoren 1 in einem Druckbehälter 3 gelagert ist. Der Druckbehälter 3 umschließt das Brennstoffzellenmodul 2 gas- und wasserdicht und dient zum
Schutz des Brennstoffzellenmoduls 2 vor mechanischen Beschädigungen und/oder von Umwelteinflüssen und zur Verhinderung des Austretens von Betriebsgasen aus dem Brennstoffzellenmodul an die umgebende Atmosphäre. Ein Stromanschluss 4 ist ü- ber einen Durchführungskondensator 5 aus dem Druckbehälter 3 geführt. Aus Sicherheitsgründen muss ein hoher Isolationswiderstand (üblicherweise 10 Mω) zwischen dem Druckbehälter 3 und dem elektrischen Anschluss 5 vorliegen. Dieser Isolationswiderstand wird beim Betrieb des Brennstoffzellenmoduls in einer Brennstoffzellenanlage mit Hilfe einer Messspannungs-
quelle U permanent überwacht und bei Unterschreitung eines Grenzwertes die Brennstoffzellenanlage abgeschaltet.
Beim Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 2 wird aus Wasser- Stoff und Sauerstoff elektrische Energie, Wärme und reines Wasser erzeugt. Im Betrieb ist deshalb das Brennstoffzellen- modul 2 und die umgebende Atmosphäre im Druckbehälter 3 warm und feucht. Nach Abschaltung des Brennstoffzellenmoduls 2 kühlt das Brennstoffzellenmodul und damit auch die umgebende Atmosphäre im Druckbehälter 3 auf eine Temperatur bis unter die Taupunkttemperatur ab, die in der Atmosphäre befindliche Feuchtigkeit kondensiert aus und schlägt sich auf den Oberflächen der Isolatoren 1 nieder. Die niederschlagende Feuchtigkeit bildet auf diesen Oberflächen Wassertropfen, die sich zu einem die Oberfläche benetzenden Wasserfilm verbinden, der den Isolationswiderstand der Isolatoren 1 auf 1 Mω oder weniger senken würde.
Um dies zu verhindern weist jeder der Isolatoren 1, wie in FIG 2 im Detail dargestellt, an den Berührungsstellen mit der Druckbehälteratmosphäre eine hydrophobe Oberfläche 6 auf.
Der Isolator 1 weist hierzu einen Kern 7 aus einem isolierenden, vorzugsweise nicht hydrophoben Material, z.B. aus einem Kunststoff oder Keramikmaterial, auf, der eine hydrophobe O- berflächenbeschichtung 8 aufweist. Der Kern 7 ist hierbei hinsichtlich der für die elektrische Einrichtung gewünschten isolierenden und mechanischen Eigenschaften (z.B. Stoß- und Rüttelfestigkeit) optimiert.
Die hydrophobe Oberflächenbeschichtung 8 besteht vorzugsweise ganz oder teilweise aus einem in einem Lösemittel lösbaren, hydrophoben Material. Bevorzugt besteht dieses Material aus einem amorphen Fluoropolymer, insbesondere einer amorphen Mo-
difikation von Teflon (beispielsweise einem amorphen Copoly- mer aus 65 - 99 Mol % Perfluoro-2, 2-Dimethyl-l, 3-Dioxol mit einer Komplementärmenge von Tetrafluorethylen, von DuPont Fluoroproducts unter dem Produktnamen Teflon®AF erhältlich) .
Alternativ besteht die Oberflächenbeschichtung 8 aus einer Polysiloxanverbindung oder aus Alkylsilanen, insbesondere Al- kyl-Aryl-Silanen oder Halogen-Alkyl-Aryl-Silanen.
Die Oberflächenbeschichtung 8 bewirkt, dass die kondensierten Wassertropfen sich nicht zu einem durchgehenden Wasserfilm verbinden, sondern abtropfen oder vereinzelt ohne Verbindung bleiben. Es kann somit auch bei Abkühlung des Brennstoffzel- lenmoduls 2 und Kondensation der Feuchtigkeit der Atmosphäre in dem Druckbehälter 3 der gewünschte hohe Isolationswiderstand zwischen dem Druckbehälter 3 und den elektrischen Anschlüssen 5 beibehalten werden. Eine Trocknung der Atmosphäre in dem Druckbehälter 3 oder eine Sicherheitsabschaltung des Brennstoffzellenmoduls 2 bei Abkühlung ist somit nicht erfor- derlich.
Für die Wirksamkeit der hydrophoben Oberflächenbeschichtung kann eine Dicke der Oberflächenbeschichtung im Bereich von Nanometern bis Mikrometern ausreichend sein. Beispielsweise können mit PTFE-Suspension geeignete Schichtdicken im Mikrometerbereich und mit amorphem Teflon sogar geeignete Schichtdicken im Nanometerbereich erreicht werden. Die Dicke muss nur so gewählt sein, dass sie ausreichend wasserabstoßend ist und im zu schützenden Bereich ohne Unterbrechungen aufge- bracht wird. Die Wirksamkeit der Beschichtung kann dann einfach durch Benetzung mit reinem Wasser visuell überprüft werden.
Die Erfindung wurde beispielhaft für ein Brennstoffzellenmo- dul beschrieben, die geschilderten Verhältnisse gelten jedoch gleichermaßen für eine Vielzahl elektrischer Einrichtungen mit einem elektrischen Bauteil, das von einem Gehäuse um- schlössen ist und mittels Isolatoren in dem Gehäuse gelagert oder an dem Gehäuse befestigt ist. Hierzu zählen insbesondere gekapselte Elektromotoren, Leistungsschalter, Leistungssteiler oder Trocken-Transformatoren.
FIG 3 zeigt die Verwendung erfindungsgemäßer Isolatoren 11 mit hydrophoben Oberflächen 16 zur Befestigung und gegenseitigen Abstützung zweier elektrischen Leiter 12, 13. Die beiden Leiter 12, 13 und die Isolatoren 11 werden hierbei mittels einer Schraubverbindung 14, 15 aufeinander gepresst.
FIG 4 zeigt eine Halterung von elektrischen Freileitungen 22 mittels Isolatoren 21 mit hydrophoben Oberflächen 26 an einem Querträger 23 eines Dachständers 24.