高壓電容器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高壓電容器的領(lǐng)域，并且特別是，但不限于，涉及用于高功率射頻應(yīng)用的固定電容器和可變電容器。
【背景技術(shù)】
[0002]常見的高壓電容器的應(yīng)用包括廣播(例如，在高功率發(fā)射器的振蕩電路中)或在半導(dǎo)體、太陽能和平面板制造裝備中(在所謂的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中)的等離子控制過程。在本說明書中的上下文中使用術(shù)語‘高電壓’來指代電容器應(yīng)用，在該電容器應(yīng)用中，在電容器電極的兩端施加的電壓超過1000伏特。事實上，可能要求一些高壓電容器具有超過1kV的擊穿電壓。這種電容器的典型的操作參數(shù)范圍可以是例如施加電壓在1kV和20kV之間，設(shè)備電流在30A和150A之間，工作頻率在5MHz和30MHz之間以及電容值在5pF和5000pF之間。
[0003]通常使用真空作為介質(zhì)來制造這種高壓電容器，這是為了達到所需的高擊穿電壓。真空電容器由于高耐擊穿性和其在操作中的熱穩(wěn)定性而被熟知。將真空腔抽空到極低的壓力(通常低于10 6毫巴)，并在該裝置的整個使用壽命中(其可能是許多年)通過真空密封外殼來保持極低的壓力。真空保證了在電極之間的良好的電絕緣和在裝置中極低的介質(zhì)損耗。
[0004]高壓電容器制造商已經(jīng)專注于獲得最佳的且最持久的真空，并且已經(jīng)在制造真空電容器方面獲得了很大成功，其在相對較小的器件封裝中提供了非常高的工作電壓(即使處于高工作電流和高頻率)。然而，這樣的電容器的制造是很復(fù)雜的，其需要高真空栗、高質(zhì)量材料以及高質(zhì)量的焊接或硬釬焊工藝，該高質(zhì)量的焊接或硬釬焊工藝用于通過真空密封方式將端帽接合至(通常是陶瓷的)電容器壁。具體接合方法也限制了對用于制造端帽的材料和/或電極材料的選擇，因為某些材料難以釬焊或焊接。
[0005]在英國專利GB748560中可以找到真空電容器的示例，該專利也公開了使用SFf^t為在30至40鎊每平方英寸(2.07至2.76巴)壓力下的氣體介質(zhì)。為了針對具有在2.76巴下的氣體介質(zhì)的高壓(例如1kV或以上)來使用這種電容器，將需要增大電極間距，并且因此裝置的總尺寸和總重量會增大。然而，已經(jīng)將SF6確定為溫室氣體，因此這種電容器的制造和處理勢必造成極高的額外的復(fù)雜度和成本，以避免將放到大氣中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的高壓電容器和方法旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)的裝置的這些和其它問題中的一些問題。本發(fā)明的特定目的是提供一種高壓電容器，相較于類似大小和電容的現(xiàn)有技術(shù)中的真空電容器，該高壓電容器具有相當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏魈幚硖匦?，但該高壓電容?
[0007]更簡單地進行制造和組裝，
[0008]需要較少的維護和監(jiān)視，
[0009]具有更長的可使用壽命，
[0010]在設(shè)備內(nèi)的壓力發(fā)生改變的情況下更不易于失效，和/或
[0011]允許使用更環(huán)保的氣體以作為高壓介質(zhì)。
[0012]特別是，本發(fā)明預(yù)設(shè)高壓電容器包括氣密外殼，所述氣密外殼包含氣體介質(zhì)和至少兩個電容器電極，其中在所述氣密外殼中的所述氣體介質(zhì)的壓力為至少6巴。本發(fā)明的更進一步目的是提供一種制造這種電容器的方法，所述方法包括:組裝步驟，用于組裝所述氣密外殼；以及加壓步驟，其使用所述氣體介質(zhì)來填充所述氣密外殼，以達到所述至少6巴的壓力。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一變型，氣密外殼包括絕緣體部件和兩個端帽。該絕緣體部件可以至少部分由聚合物材料制成。聚合物材料優(yōu)選為聚醚醚酮(PEEK)和/或使用增強纖維來增強的聚合物材料。這種材料在拉伸方面足夠強到承受升高的內(nèi)部壓力，使用合適的精確度易于對這種材料進行加工，和/或不會在電氣方面干擾電容器的工作。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的進一步變型，氣體介質(zhì)的壓力至少為10巴，或至少為15巴。如將在關(guān)于圖2所論述的，裝置內(nèi)部升高的壓力允許電容器在高電壓下使用。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一變型，所述氣密外殼包括基本上圓柱形腔室，其具有在25毫米和200毫米之間的軸向長度和/或在35毫米和150毫米之間的直徑。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一變型，電容器的擊穿電壓為至少10千伏和/或高壓電容器的電容在5皮法拉和5000皮法拉之間。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一變型，電極由鋁或由包含大部分鋁的合金制成。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一變型，使用涂覆有高導(dǎo)電材料的不良導(dǎo)電材料或非導(dǎo)電材料來形成電極。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一變型，電極形成為同心圓柱體或為交錯螺旋。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一變型，從單塊金屬中與電極中的至少一個鄰接地形成端帽中的至少一個。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一變型，通過螺紋接頭將端帽中的至少一個固定到絕緣體部件。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一變型，通過正安裝接頭、卡口安裝、粘合劑、焊接或硬釬焊或軟釬焊將端帽中的至少一個固定到絕緣體部件。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一變型，氣體為空氣、氮氣或其它惰性氣體或惰性氣體混合物中的一種。氮氣是優(yōu)選的，因為它是安全的，容易獲得并且提供了極好的、一致的擊穿特性。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的另一變型，數(shù)量(其以F表示)大于0.02，其中？ = ￥8父(^，其中￥為以立方毫米(_3)為單位的氣密外殼的內(nèi)部容積，其中C是以皮法拉(pF)為單位的電容器的電容，以及其中％是以千伏(kV)為單位的電容器的擊穿電壓。
【具體實施方式】
[0025]現(xiàn)在將參照附圖來對本發(fā)明進行詳細說明，在附圖中:
[0026]圖1a至圖1c分別示出了根據(jù)本發(fā)明的示例電容器的示意性正視圖、截面圖和平面圖。
[0027]圖2示出了帕邢曲線的示例，該帕邢曲線示出了擊穿電壓，其是氣體壓力和電極間隔的乘積的函數(shù)。
[0028]僅出于示意性目的而提供附圖，并且附圖不應(yīng)被解釋為限制權(quán)利要求書的專利保護的范圍。例如，圖1a至圖1c所示的示例電容器是固定電容器，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將明顯的是，也可以采用可變電容器來實現(xiàn)本發(fā)明。
[0029]當(dāng)相同的附圖標(biāo)記已經(jīng)被用于不同的附圖中時，它們意圖指代相似的或相應(yīng)的特征。然而，不同附圖標(biāo)記的使用不一定表示其所指的特征之間的差異。
[0030]圖1示出了圓柱形電容器的示例，該圓柱形電容器包括兩個端帽2、3，通過蓋接合元件5、6將兩個端帽2、3連接至絕緣室壁4 (在本申請中也稱為絕緣體部件)?？梢栽O(shè)置電連接器點7和8，例如使用螺紋孔9和10以緊密的電氣和機械接觸的方式將電連接器固定至相應(yīng)的端帽2和3。端帽可以由金屬例如鋁制成。端帽2和3、絕緣室壁4和接合元件5和6共同形成氣密外殼。在本不例電容器的氣密外殼內(nèi)布置有兩組相互交錯的電極11和12。每個電極例如可以形成為一個或多個同心圓柱體，或形成為螺旋。電極11、12通過適當(dāng)?shù)木o固裝置被固定到它們各自的端帽3、2，或者它們可以有利地各自與其相應(yīng)的端帽3、2鄰接地形成。
[0031]為了簡化制造過程，端帽組件2，12或3，11均可以在一個壓制、沖壓、鑄造或立體平版印刷操作中形成。例如單件鋁或合適的鋁合金可以進行沖壓或冷壓，以產(chǎn)生端帽和電極這兩者。電極間距可以例如在0.5毫米和2毫米之間。典型的電極間距會是I毫米。
[0032]在現(xiàn)有技術(shù)中的高壓電容器中，氣密外殼內(nèi)的氣體將被抽出，以提供盡可能高的真空。在本發(fā)明的電容器中，在另一方面，電容器中的氣體被保持處于至少為6巴的壓力，以及優(yōu)選地至少為10巴或15巴，將參照圖2對其原因進行說明。
[0033]在本申請書前文中已提到，在英國專利GB748560中，針對絕緣電容器壁所使用的熔融石英可能在壓力方面是強的，但其用于包含處于壓力下的氣體的材料時卻是糟糕的選擇，因為熔融石英不具有高的拉伸強度(50MPa)。類似地，金屬端帽和熔融石英之間的環(huán)氧膠粘接頭在壓力方面是強的，但是在張力方面要弱得多。由于這個原因，傳統(tǒng)的電容器主體如在GB748560中所描述的電容器主體不適于在高壓下的使用。
[0034]為了在氣密電容器中保持這種升高的壓力，壁4、端帽2、端帽3，以及接合元件5、接合元件6的尺寸及材料被選擇為在拉伸方面足夠強到承受指定的內(nèi)部壓力。盡管針對端帽2、3及接合元件5、6可以使用鋁或其它金屬，但是壁4必須是極好的絕緣體，即使在高頻操作下也是極好的絕緣體。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用于滿足壁4的絕緣性、孔隙率和強度要求的各種聚合物材料。例如，玻璃纖維增強聚合物(GFRP)或玄武巖增強聚合物(BFRP)可以是適用的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，除了高度無孔以外，聚醚醚酮(PEEK)還具有特別合適的剛性、拉伸強度(10MPa或在增強的情況下大于170MPa)以及絕緣屬性。此外，聚醚醚酮具有的附加優(yōu)點是，其機械性能具有很強的各向同性，這意味著其可以可靠地形成所需形狀，而無需大的安全余量(例如，額外厚度)，以解釋由于材料內(nèi)的任何各向異性的變化而造成的可能弱化的區(qū)域。它還具有低的熱膨脹系數(shù)，并且在通常在高壓射頻電容器的工作中所遇到的溫度之下保持其結(jié)構(gòu)特性。
[0035]聚醚醚酮的另一個優(yōu)點是它可以易于加工，而不會削弱材料的結(jié)構(gòu)。這使端帽2、3(或其接合元件5、6)與壁4之間的接合例如實現(xiàn)為螺紋連接。例如，對應(yīng)于在(例如鋁)端帽2、3或其接合元件3、6的外表面上的陽螺紋，可以在外殼壁4的內(nèi)表面上對陰螺紋進行加工，以使得可以通過將端帽用螺絲固定到圓柱形的外殼壁4中來對氣密外殼進行快速且容易的組裝。替選地，可以顛倒螺紋布置，其中陽螺紋在壁4的外表面上，而陰螺紋在端帽2、3的內(nèi)表面上。
[0036]因此，電容器可以包括少到三個獨立部