可变真空电容器的制造方法

文档序号:7254400阅读:235来源:国知局
可变真空电容器的制造方法
【专利摘要】描述了一种可变真空电容器,其中两对电极(7,8,17,18)串联组合在一起,以使得不需要移动部件以电连接至任何静态部件。两套或两组可移动的电极(7,17)机械地电连接在一起,以使得它们一起移动并且使得它们不需要电连接至设备的任何其他部件。该组合布置意味着可以以更小的直径构造设备,而不显著增加设备的整体长度。
【专利说明】可变真空电容器

【技术领域】
[0001]本发明涉及可变真空电容器领域,并且尤其(但不只)涉及电动可变真空电容器。

【背景技术】
[0002]真空电容器通常由真空密封外壳和在真空密封外壳内部的导电表面(电极)的电容生成装置构成。内部空间被抽真空至很低的压强(通常低于10_6豪巴),并且在设备的整个使用寿命期间(通常数年)被真空密封外壳保持低压。真空确保电极之间良好的电绝缘以及很低的设备介电损耗。
[0003]真空密封外壳通常由两个导电环(其也充当设备的电端子)制成,其以真空密封的方式被附接至绝缘片(通常为圆柱状陶瓷片)。真空电容器可以是固定的(即制造后不可以调整电容值),或者它可以被制成其中电容值可以被改变的可变真空电容器,这通常通过借助于伸缩接头(例如,波纹管(bellow))将一个电极相对于另一电极移动来实现。伸缩接头通常被也包括电动机和某些形式的控制机构的驱动系统驱动。电动机通常被构造为可变真空电容器的单独附件。然而,没有驱动并控制可变电极(并从而控制电容值)这样的装置,可变真空电容器不能工作。
[0004]可变真空电容器的大多数常见应用包括广播(在高功率传输的振荡电路中),以及在(所谓的阻抗匹配网络中的)半导体板、太阳能板和平板制造设备中的等离子体控制过程。可变真空电容器的电容值的调整,允许将电源的输出阻抗修改且匹配至上述应用的阻抗值。
[0005]电路的任何部分响应交流(AC)电流的幅度和相位。该响应(即它如何改变电流的幅度和/或相位)由阻抗描述,该阻抗是(以数学术语)由实部和虚部组成的复数。
[0006]高频电源被制造成具有标准化的阻抗值。标准阻抗为50 Ohms (欧姆)。
[0007]被称为电路的“负载”的高频应用(诸如等离子体过程),可以具有任意阻抗值(a+bj),其中a和b可以是任意实数并且j被定义为其平方值等于-1的数学数值。典型的半导体板、太阳能板或平板的制造需要一系列不同的等离子体过程,其转化为必须被连续并动态地匹配至电源的固定阻抗的变化负载阻抗。
[0008]因此在阻抗匹配网络中,可变真空电容器的功能是使下列关系式总是相等(对于被应用产生的所有负载):
[0009]Z电源一Z匹配网络(C,…)+Z负载,对于任思(时变)负载
[0010]50+0j = Z_;_ (C,...)+a+jb,对于时变负载的任意 a、b 值
[0011]其中Z表示高频电路部分(该部分被标记为下标)的复阻抗值。
[0012]匹配网络的阻抗Zesws (C,...)是可变真空电容器的电容值C的函数,并且也可以是匹配网络的其他元件的函数,例如电感,或电阻,或其他电容部件。
[0013]如果负载不总是适当地匹配,则来自电源的电功率不能被很好地传送到负载中。不期望的结果包括能量耗散或能量被反射回电源中,后者可能导致电源损坏。通过适当调整可变真空电容的值,匹配网络的阻抗可以被调节为实现从电源至负载的最优功率传送。
[0014]移动可移动电极(有时也被称为“可变电极”)的装置可以是设备的单独附件或者可以被集成在设备中。当其被集成时,可变真空电容器有时被确切地称为“电动可变真空电容器”。在任何情况下当比较可变真空电容器设备的尺寸或速度或其他特性时,应当总是考虑由“电动机+可变电容器设备”构成的整个系统,因为二者都在应用中被需要。
[0015]现有技术
[0016]已知的可变真空电容器通常具有必须提供三个功能的波纹管:它必须提供可靠的真空密封,它必须能够伸展和收缩以允许可移动电极移动,并且它还必须承载从终端到可移动电极的电高频电流。这将用于波纹管的材料的选择限制在很少的选项,因为它必须对于电特性和对于机械特性同时是最优化的。即使具有良好的材料选择,沿波纹管的电流长路径(高频电流被强制沿导体的表面流动,即称为“集肤效应”的现象)会导致在设备的十分关键的部分内部的相当大的电损耗,这因而对电容设备产生不期望的热量以及附加的寄生电阻。这样的升温和热循环将降低伸缩接头的占空比的总数,由此降低了可变真空电容器的工作寿命。
[0017]日本专利申请JP10284347A提出了一种利用两个波纹管来缓解上述缺陷的可变真空电容器。另一方面,专利文件US6473289(B1)提出了完全去除波纹管并且以在真空外壳内部的不同电极布局和其他部分代替它的功能。
[0018]来自本 申请人:的专利申请US2005052820A提出了使用在径向方向中彼此邻近地布置的两组串联连接的电极。该布置导致了相当大直径的设备,因为在垂直于可变电极移动的平面中需要很大的空间(以实现适当高的电容值)。这样的设计在下文中参照图2被更加详细地讨论。
[0019]在专利申请US3611075A中描述的可变真空电容器遭受同样的缺点,也就是说两个固定电极和两个可变电极在径向方向中被置于彼此邻近的位置。对于给定的设备直径,在不使用串联连接的电极组的那些现有设计中,能够达到的电容因而较小。在US2005052820A和US3611075中公开的这些设备的另一个缺陷是,由于内电极组的电极半径基本上与外电极组的半径是不同的,因此难以制造具有相等电容的外电极组和内电极组。例如,必须比照外电极的匝数和/或长度来适配内电极的匝数和/或长度
[0020]很多现有技术的可变真空电容器的另外一个缺陷是,电动机必须与可移动电极很好地绝缘,因为电动机被安装在设备的高电压端子之上或其附近。为了避免高电压从该端子到电动机的放电,并且为了避免在高电压端子和电压低得多的电动机之间的其他电干扰,有必要使用长绝缘部分,这显著增加了设备的整体尺寸。


【发明内容】

[0021]本发明的可变真空电容器旨在解决现有技术设备的上述和其他问题。本发明的特定目的是提供一种可变真空电容器,其具有:
[0022]增加的可用寿命,
[0023]相比利用具有相似尺寸和电容的现有技术设备所获得的电压和电流处理特性而言,改进的电压和电流处理特性,和/或
[0024]更小的直径和/或长度(例如具有能够嵌入具有小圆柱体直径的更小圆柱体空间的电容电极)。
[0025]特别地,本发明预见了一种可变真空电容器,其包括:
[0026]真空外壳,
[0027]第一可变电极组件,其包括一个或更多个第一静态电极和一个或更多个第一可移动电极,
[0028]第二可变电极组件,其包括一个或更多个第二静态电极和一个或更多个第二可移动电极,
[0029]第一电连接终端,其用于向一个或更多个第一静态电容器电极提供电连接,
[0030]第二电连接终端,其用于向一个或更多个第二静态电容器电极提供电连接,
[0031]移动装置,其用于沿真空电容器的轴线分别相对于第一和/或第二静态电极移动第一和/或第二可移动电极,
[0032]可变真空电容器的特征在于:
[0033]第一和第二电极组件沿轴线组合,使得第一可移动电极组件沿轴线以组合偏移距离从第二电极组件偏移,并且
[0034]可变真空电容器包括可移动电极关联装置,其用于提供位于沿轴线的第一位置处的一个或更多个第一可移动电极与位于沿轴线的第二位置处的一个或更多个第二可移动电极之间的运动学关联,使得一个或更多个第一可移动电极沿轴线的第一移动导致一个或更多个第二可移动电极沿轴线的第二移动。
[0035]通过将第一和第二电极组件布置在线性组合的配置中,设备的直径可以被显著减小。也可以避免对于至诸如可移动电极的任何移动部分的任何电连接的需要,这意味着波纹管不需要充当电导体并且可以由更加适合机械功能的材料制成。这进而可以显著延长设备的工作寿命。
[0036]根据本发明的可变真空电容器的变型,可移动电极关联装置被布置成使得第二移动的量与第一移动的量相同。例如,可移动电极关联装置可以是在两组可移动电极之间提供直接机械关联的简单、刚性的结构,因此实现了简单且健壮的构造并且减少由于关联几何导致的杂散电容的可能性。
[0037]根据本发明的可变真空电容器的另一变型,可移动电极关联装置包括用于将一个或更多个第一可移动电极电连接到一个或更多个第二可移动电极的电连接装置。结合机械连接和电连接可移动电极这两个功能进一步减少了设备的复杂性。
[0038]根据本发明的可变真空电容器的另一变型,移动装置包括在真空外壳外部的电动机以及驱动传送装置,该驱动传输装置用于通过真空外壳的壁而将电动机的驱动力传送至真空外壳内部的一个或更多个第一可移动电极。由于设备的波纹管和外表面与电极绝缘,因此电动机可以被安装成与设备更靠近得多(例如在真空外壳的壁的外表面上),这可以显著减小设备的整体尺寸。
[0039]根据本发明的可变真空电容器的另一变型,可以包括电动机保护绝缘体以使电动机与一个或更多个第一可移动电极上的高电压电绝缘。
[0040]根据本发明的可变真空电容器的另一变型,电动机保护绝缘体被置于驱动传送装置与一个或更多个第一可移动电极之间。
[0041]根据本发明的可变真空电容器的另一变型,一个或多个第一可移动电极和一个或多个第一静态电极基本为圆柱状并与轴线同轴,使得一个或更多个第一可移动电极与一个或更多个第一静态电极至少部分交错,和/或第二可移动电极和一个或更多个第二静态电极基本为圆柱状并与轴线同轴,使得一个或更多个第二可移动电极与一个或更多个第二静态电极至少部分交错。
[0042]根据本发明的可变真空电容器的另一变型,一个或更多个第一可移动电极和一个或更多个第一静态电极被配置为螺旋电极,和/或其中,一个或更多个第二可移动电极和一个或更多个第二静态电极被配置为螺旋电极。
[0043]根据本发明的可变真空电容器的另一变型,可移动电极关联装置包括基本为圆柱状的元件,该元件被布置成围绕第一电极组件的外部并被布置成与一个或更多个第一可移动电极和一个或更多个第一静态电极同轴。
[0044]基本为圆柱状的元件可以至少部分由电极材料构成,并且被布置成足够靠近于一个或更多个第一静态电极中的外侧电极以至少部分上用作一个或更多个第一可移动电极之一。这一改进提供了简单、健壮的结构,其也有助于增加设备的最大可变电容。
[0045]根据本发明的可变真空电容器的另一变型,基本为圆柱状的元件包括开放区域,并且其中,一个或更多个静态电极支撑元件通过该开口从第一静态电极延伸到真空外壳的壳壁。
[0046]根据本发明的可变真空电容器的另一变型,其绝缘部件至少部分由陶瓷材料制成。
[0047]根据本发明的可变真空电容器的另一变型,可延伸的真空密封装置(例如波纹管)在第一电极组件与真空外壳的壁之间延伸,可延伸的真空密封装置利用这样的形状和这样的材料而被构造:至少当可变真空电容器工作在高电压和/或高频率时,其表现为电绝缘体。
[0048]根据本发明的可变真空电容器的另一变型,一个或更多个第一静态电极和一个或更多个第一可移动电极,分别与一个或更多个第二静态电极和一个或更多个第二可移动电极具有基本上相同的尺寸和空间构型。该变型具有两个主要优势:首先,由于只需要用于一个电极配置的工具,设备的制造可以显著简化,并且其次,使用相同或相似的第一和第二电极组件导致在这两个组件之间的均匀的电容分布,由此最小化移动电极上的电压,这意味着设备可以在更高的施加电压上工作。

【专利附图】

【附图说明】
[0049]现将参照附图详细描述本发明,其中:
[0050]图1示出了简单现有技术的具有单对电极的可变真空电容器的示意性剖视图;
[0051]图2示出了现有技术的具有以电串联且机械并联布置的两组电极的可变真空电容器的示意性剖视图;
[0052]图3示出了根据本发明的具有以电串联和机械串联布置的两组电极的可变真空电容器的实例的示意性剖视图。
[0053]附图仅出于说明的目的而被提供,并且不应被看成是限制要求保护的专利保护的范围。在相同的附图标记被用于不同的附图的情况下,它们旨在指代相似或相应的特征。然而,对不同附图标记的使用不一定指示它们指代的特征是不同的。

【具体实施方式】
[0054]图1示出了如在现有技术中已知的简单可变真空电容器的配置。这样的真空电容器通常由两个导电高电压端子24和9构成,这两个端子以真空密封的方式附接至绝缘圆柱状真空外壳壁26。增加电极7和8的重叠区域和/或减少它们的间隔,增加设备的电容值。电极7和8分别被导电地附接至端子24和9。为了改变可变真空电容器设备的电容,将一个电极7相对于另一电极移动。这通常借助于伸缩接头装置(波纹管5)和驱动系统16、12来实现,驱动系统的运动由诸如步进电动机的电动机I控制。
[0055]如上所述,波纹管5具有三个功能:在向可移动电极7传送移动时,它们必须也承载从端子24到可移动电极7的电高频电流,同时也从处于大气压力下的驱动系统中分离真空。这将用于波纹管5的材料的选择限制在很少的选项,因为它必须对于电特性和机械特性同时是最优化的。即使具有良好的材料选择,沿波纹管5的电流的长路径(高频电流被强制沿导体表面流动,即称作“集肤效应”的现象)会导致在设备的十分关键的部分内部的相当大的电损耗,由此对电容设备产生不期望的热量以及附加的寄生电阻。这种升高的温度和热循环将减少伸缩接头5工作的周期总数,由此减少可变真空电容器的工作寿命。
[0056]图2示出了在现有技术(例如US2005052820 Al)中已知的串联电极布置的示意图。
[0057]两个同轴电极组7、8和17、18在与支撑所有可移动电极7、17的共用支撑元件22相同的平面内被布置成一个在另一个外部。为了增加电容,电极表面的高度和数量必须增力口,这意味着增大设备的尺寸。可选地,电极之间的间距可以减小,这导致较低的设备最大工作电压。
[0058]可变真空电容器的连接被置于端面13和14处,该端面分别内部连接到静态和可移动电极18和17。波纹管5至少部分由绝缘材料制成,以使得电流不能在可移动电极22、17和上端子14之间流动。
[0059]图3示出了根据本发明的可变真空电容器的实例。所需的电容借助于两个电极组件17、18、21、23和7、8、11、13而被生成。每个电极组件包括一个或更多个可移动7、17电极和一个或更多个固定8、18电极。每组电极可以例如被构造为一个或更多个同轴的圆柱体或具有一个或更多个转弯的螺旋体。
[0060]一组静态电极18被显示为由支撑元件23支撑,被固定至真空外壳的壁4。另一组静态电极8被显示为由真空电容器的端盖13和端部端子9支撑。
[0061]一组可移动电极17被显示为由电极支撑件21支撑,该电极支撑件又由绝缘体2支撑并使波纹管5和电动机驱动12、16绝缘。电极支撑件21通过由虚线表示的连接装置10而被机械并电连接到较低可移动电极7的电极支撑件11。在简单的情况下,连接装置可以是诸如铜圆柱体的简单、刚性的元件。在这样的情况下,圆柱体壁设有开口以便允许圆柱体10平行于设备的纵向轴线A上下移动,而不会干扰电极支撑件23,电极支撑件23具有用于固定至真空外壳的壁4的一个或更多个臂或其他支撑结构。
[0062]两个电极组件的串联连接意味着流向和源自端子的电流必须遵循不包括诸如波纹管的任何移动部分的路径。此外,设备的两个高电压端子可以被置于或朝向设备的一端,而不是位于可变真空电容器的相对端,例如在位于侧向圆柱体外周的沿设备长度的中点的区域中。
[0063]将端子4置于真空外壳长度上的间点也意味着从端子到静态电极18的电流路径很短并且是直接的,这进而最小化不期望的EMC发射和热损耗。
[0064]通过这样的方式,可变真空电容器具有电动机组件I能够被安装于其上的端部14,该端部的至少一部分基本上免受出现于传统可变真空电容器任一端的高电压的影响。
[0065]图3示出了被绝缘真空外壳部件6从高电压端子4分离的电动机安装端子14。由于波纹管不承载电流,因此它们也不需要是导电的,并且因此电动机安装端子14也与电极7绝缘。可选地,如果仍然使用导电波纹管5,则位于波纹管5任一端的绝缘部件2将使电动机端子14以及电动机I与电极7绝缘。由于该绝缘部件处于真空中,因此它不需要与在现有技术中用于真空外部的电动机绝缘部件19 一样大(见图1和图2)。
[0066]由能够将电动机直接安装在真空电容器外壳上所提供的优点是使得本发明的机动可变真空电容器更加小型化和/或释放了在真空内部被电极填满的空间。这进而导致更高的可达到电容值和更高的可达到最大工作电压。
[0067]在图2中,示出了电极对是串联、同轴地安装的,每对电极中的每个电极沿对应移动轴线A的单轴线而被安装成一个电极在另一个电极之上(不存在“内”或“外”电极,如图2所示的设备中那样),这导致了与不使用串联几何的现有技术设备(例如图1中的设备)相似的小直径(与移动轴线垂直),并且导致了如使用串联几何的现有技术设备(例如图2中的设备)的更小的直径。
[0068]与此同时,在两个高电压端子4和9之间的串联几何的电压性能提升,这是因为总电压在不同串联电极对之间分压。例如,在图3所示的示例性实施例中,导电表面4和7之间的电压与导电表面7和9之间的电压差是跨可变真空电容器端子4和9所施加的电压差的一半。作为串联安装电极的结果的这一电压分压是有利的,因为它允许更小的电极间隔而不存在真空中电压击穿的风险;并且由于可达到更小的电极间隔,电容值能够显著增加。
[0069]在图3所示的示例中,两个可移动电极7和17都被显示为由导电片(10)连接,该导电片优选地由良好的电导体制成并且优选地被构造为具有与固定电极最外侧表面相似但更大的直径的刚性管状部件,这因而产生了附加的电容贡献。
[0070]应注意,在图3中仅描绘了两对电极,但应理解本发明也涵盖多对电极的使用。
【权利要求】
1.一种可变真空电容器,其包括: 真空外壳, 第一可变电极组件(17,18,21),其包括一个或更多个第一静态电极(18)和一个或更多个第一可移动电极(17), 第二可变电极组件(7,8,11),其包括一个或更多个第二静态电极(8)和一个或更多个第二可移动电极(7), 第一电连接端子,其用于向所述一个或更多个第一静态电容器电极提供电连接(4), 第二电连接端子,其用于向所述一个或多个第二静态电容器电极提供电连接(9), 移动装置(1),其用于沿所述真空电容器的轴线(A)、分别相对于所述第一静态电极(18)和/或所述第二静态电极(8)移动所述第一可移动电极(17)和/或所述第二可移动电极(7), 所述可变真空电容器的特征在于: 所述第一电极组件(17,18,21)和所述第二电极组件(7,8,11)沿所述轴线(A)组合,以使得所述第一可移动电极组件(17,18,21)沿所述轴线(A)以组合偏移距离从所述第二电极组件(7,8,11)偏移,并且 所述可变真空电容器包括可移动电极关联装置(10),该可移动电极关联装置用于提供位于沿所述轴线(A)的第一位置处的所述一个或更多个第一可移动电极(17)与位于沿所述轴线(A)的第二位置处的所述一个或更多个第二可移动电极(7)之间的运动学关联,以使得所述一个或更多个第一可移动电极(17)沿所述轴线(A)的第一移动导致所述一个或更多个第二可移动电极(7)沿所述轴线(A)的第二移动。
2.根据权利要求1所述的可变真空电容器,其中,所述可移动电极关联装置(10)被布置成使得所述第二移动的量与所述第一移动的量相同。
3.根据权利要求1或2所述的可变真空电容器,其中,所述可移动电极关联装置(10)包括用于将所述一个或更多个第一可移动电极(17)电连接到所述一个或更多个第二可移动电极(7)的电连接装置。
4.根据前述权利要求之一所述的可变真空电容器,其中,所述移动装置(I)包括在所述真空外壳外部的电动机,以及驱动传送装置(12,16),所述驱动传送装置用于通过所述真空外壳的壁(14)而将所述电动机(I)的驱动力传送至所述真空外壳内部的所述一个或更多个第一可移动电极(17)。
5.根据权利要求4所述的可变真空电容器,包括用于使所述电动机(I)与所述一个或更多个第一可移动电极(17)上的高电压电绝缘的电动机保护绝缘体(2)。
6.根据权利要求5所述的可变真空电容器,其中,所述电动机保护绝缘体(2)被布置在所述驱动传送装置(12,16)与所述一个或更多个第一可移动电极(10)之间。
7.根据前述权利要求之一所述的可变真空电容器,其中, 所述一个或更多个第一可移动电极(17)和所述一个或更多个第一静态电极(18)基本上是圆柱状的并与所述轴线(A)同轴,以使得所述一个或更多个第一可移动电极(17)与所述一个或更多个第一静态电极(18)至少部分交错,和/或 所述第二可移动电极(7)和所述一个或更多个第二静态电极(8)基本上是圆柱状的并且与所述轴线同轴,以使得所述一个或更多个第二可移动电极(7)与所述一个或更多个第二静态电极(8)至少部分交错。
8.根据前述权利要求之一所述的可变真空电容器,其中,所述一个或更多个第一可移动电极(17)和所述一个或更多个第一静态电极(18)被配置为螺旋电极,和/或,其中,所述一个或更多个第二可移动电极(7)和所述一个或更多个第二静态电极(8)被配置为螺旋电极。
9.根据权利要求7或8所述的可变真空电容器,其中,所述可移动电极关联装置(10)包括基本上为圆柱状的元件,所述基本上为圆柱状的元件被布置成围绕所述第一电极组件的外部并且被布置成与所述一个或更多个第一可移动电极(17)和所述一个或更多个第一静态电极(18)同轴。
10.根据权利要求9所述的可变真空电容器,其中,所述基本上为圆柱状的元件(10)至少部分地由电极材料构成,并且被布置成足够靠近于所述一个或更多个第一静态电极(18)中的外侧电极以至少部分地用作所述一个或更多个第一可移动电极(18)之一。
11.根据权利要求9或10所述的可变真空电容器,其中,所述基本上为圆柱状的元件(10)包括开放区域,并且其中,一个或更多个静态电极支撑元件通过所述开口从所述第一静态电极(18)延伸到所述真空外壳的所述壁(4)。
12.根据前述权利要求之一所述的可变真空电容器,包括至少部分上由陶瓷材料制成的绝缘部件(6)。
13.根据前述权利要求之一所述的可变真空电容器,包括可延伸真空密封装置(5),所述可延伸真空密封装置在所述第一电极组件(10)与所述真空外壳的所述壁(14)之间延伸,所述可延伸真空密封装置(5)以如下形状和如下材料构成:至少当所述可变真空电容器工作在高电压和/或高频率时,其表现为电绝缘体。
14.根据前述权利要求之一所述的可变真空电容器,其中,所述一个或更多个第一静态电极(18)和所述一个或更多个第一可移动电极(17),分别与所述一个或更多个第二静态电极(8)和所述一个或更多个第二可移动电极(7)具有基本上相同的尺寸和空间构型。
【文档编号】H01G5/14GK104081484SQ201280068892
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2012年2月3日 优先权日:2012年2月3日
【发明者】迈克·阿布雷希特, 罗格·坦纳, 马克·约阿希姆·米尔德纳, 菲利普·贾吉, 沃尔特·比格勒 申请人:康姆艾德公司
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