CH673725A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochfrequenztechnik. Sie betrifft speziell einen einstellbaren Vakuumkondensator, insbesondere für hohe Leistungen, umfassend

— ein zylindrisches Gehäuse aus einem Isoliermantel, einem an den Isoliermantel oben anschliessenden oberen Metallmantel, einem an den Isoliermantel unten abschliessenden unteren

Metallmantel, einem den oberen Metallmantel abschliessenden Deckel, und einem den unteren Metallmantel abschliessenden Boden;

— in dem Gehäuse zwei ineinandergreifende Elektrodensy-5 steme, von denen das untere Elektrodensystem auf dem Boden fixiert ist, und das obere Elektrodensystem mittels einer durch eine Öffnung im Deckel laufende Betätigungsstange in Richtung der Gehäuseachse verschiebbar angeordnet ist;

— wenigstens einen Balg (2), welcher die Betätigungsstange io (1) konzentrisch umgibt, den Deckel mit dem oberen Elektrodensystem verbindet und als Stromzuführung für das obere Elektrodensystem dient; und

— einen elektrisch leitenden Mantel, welcher den Balg konzentrisch umgibt und auf seiner Innenfläche die hochfrequenten

15 Betriebsströme über den Deckel zum Balg leitet.

Stand der Technik

Einstellbare Vakuumkondensatoren der eingangs genannten Art, wie sie beispielsweise aus der US-PS 32 70 259 oder der 20 CH-PS 656 740 bekannt sind, werden seit langem in Hochfrequenzanwendungen hoher Leistung (z.B. Rundfunksender etc.) als Abstimmelemente eingesetzt.

Bei diesen bekannten Vakuumkondensatoren sind in einem evakuierten Gehäuse zwei verschachtelt ineinandergreifende 25 Elektrodensysteme in Form konzentrisch angeordneter Metallzylinder untergebracht. Das untere der Elektrodensysteme ist auf dem Gehäuseboden fest montiert. Das obere Elektrodensystem ist in vertikaler Richtung verschiebbar am unteren Ende einer Betätigungsstange befestigt, die durch eine Öffnung im 30 Gehäusedeckel nach aussen führt.

Die Öffnung im Gehäusedeckel ist durch einen Balg abgedichtet, der die Betätigungsstange konzentrisch umgibt und sowohl mit dem Gehäusedeckel als auch mit dem oberen Elektrodensystem vakuumdicht verbunden ist.

35 Zur elektrischen Isolierung der beiden Elektrodensysteme besteht das Gehäuse in seinem Mittelteil aus einem Isoliermantel. Dieser Isoliermantel ist üblicherweise aus Glas oder einer Keramik gefertigt.

In den einfachsten Ausführungsformen der bekannten Va-40 kuumkondensatoren (siehe die CH-PS 656 740) dient der Abdichtungsbalg gleichzeitig als Stromzuführung für das obere Elektrodensystem.

Diese einfachen Ausführungsformen bergen jedoch das folgende Problem (siehe z.B. DE-AS 17 64 318):

45 Einerseits sollte der Durchmesser des Balges möglichst gering sein, um die vom Atmosphärendruck herrührende Kraft auf das obere Elektrodensystem und damit auf den Verstellmechanismus möglichst gering zu halten.

Andererseits sollte der Durchmesser des Balges möglichst so gross sein, weil mit dem Balgdurchmesser der Leitungsquerschnitt zunimmt, so dass höhere Betriebsströme toleriert werden können.

Um diesem Dilemma zu entgehen, wird bei der aus der CH-PS 656 740 bekannten Lösung der Balgdurchmesser zwar sehr 55 klein gehalten, der Balg dafür aber forciert gekühlt.

■ Eine andere Lösungsmöglichkeit (DE-PS 22 59 351) sieht neben einem Abdichtungsbalg kleinen Durchmessers einen stromführenden zweiten Balg grossen Durchmessers vor, der, vollständig im Vakuum liegend, den Abdichtungsbalg konzen-60 trisch umgibt. Da dieser zweite Balg jedoch allseitig vom Vakuum umgeben ist, entfällt die für hohe Leistungen erforderliche Möglichkeit der forcierten Kühlung, so dass mit dieser Konstruktion die obere Leistungsgrenze schnell erreicht ist.

Ein anderes, mit dem Durchmesser des stromführenden Bal-65 ges in Zusammenhang stehendes Problem hat bislang keinerlei Beachtung gefunden, nämlich das Problem der Eigeninduktivität des Vakuumkondensators.

Die Eigeninduktivität führt zu einer von der Betriebsfre

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quenz abhängigen Erhöhung der Spannung zwischen den Elektrodensystemen (Kondensatorplatten). Grosse Eigeninduktivitäten beeinträchtigen daher die Betriebssicherheit der Vakuumkondensatoren erheblich, so dass eine Verringerung der Eigeninduktivität wünschenswert ist.

Wie in Fig. 1 der DE-AS 17 64 318 dargestellt ist, fliesst im Betriebsfall der hochfrequente Betriebsstrom bei einem Vakuumkondensator der bekannten Art von der oberen Anschlussfläche her über Aussen- und Innenseite eines elektrisch leitenden Mantels, Unterseite des Deckels und Aussenseite des stromführenden Balges zum oberen Elektrodensystem.

Es hat sich gezeigt, dass diese besondere Art des Stromweges massgeblich die dem Vakuumkondensator zukommende Eigeninduktivität mitbestimmt, so dass eine Verringerung der Eigeninduktivität vor allem durch Massnahmen im Balg-Bereich erzielt werden kann.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen einstellbaren Vakuumkondensator zu schaffen, der eine deutlich verringerte Eigeninduktivität und damit ein verbessertes Betriebsverhalten aufweist.

Die Aufgabe wird bei einem Vakuumkondensator der eingangs genannten Art durch die Merkmale aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Kern der Erfindung besteht darin, das Durchmesserverhältnis der koaxialen Anordnung aus stromführendem Balg und elektrisch leitendem Mantel möglichst nahe bei 1 zu wählen,

weil dieses Durchmesserverhältnis logarithmisch in die Eigeninduktivität im Balg-Bereich eingeht.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verhältnis von Innendurchmesser des elektrisch leitenden Mantels zu Aussendurchmesser des Balges vorzugsweise kleiner gleich 1,2.

Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung soll nun nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 die vereinfachte Schnittdarstellung eines einstellbaren Vakuumkondensators nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine entsprechende Darstellung für einen Vakuumkondensator gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine entsprechende Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 4 eine entsprechende Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Der prinzipielle Aufbau eines einstellbaren Vakuumkondensators nach dem Stand der Technik ist in Fig. 1 in einer vereinfachten Schnittzeichnung dargestellt. Die linke Hälfte der Figur zeigt dabei die Konfiguration des Kondensators bei minimaler Kapazität, die rechte Hälfte entsprechend die Konfiguration bei maximaler Kapazität. Eine analoge Aufteilung gilt auch für die übrigen Figuren 2 bis 4.

Der Vakuumkondensator aus Fig. 1 umfasst ein vakuumdichtes Gehäuse, welches sich zusammensetzt aus einem zylindrischen Isoliermantel 5 aus Glas oder Keramik, einem an den Isoliermantel 5 oben anschliessenden oberen Metallmantel 4, der oben durch einen Deckel 3 abgeschlossen ist, und einem an den Isoliermantel 5 unten anschliessenden unteren Metallmantel 6, der unten durch einen Boden 9 abgeschlossen ist. Der obere und untere Metallmantel 4. bzw. 6: ist gleichfalls zylindrisch und hat üblicherweise etwa den gleichen Durchmesser wie der Isoliermantel 5.

Im Inneren des Gehäuses sind ein oberes Elektrodensystem 7 und ein unteres Elektrodensystem 8 angeordnet, die zusam-5 men die einstellbare Kapazität bilden. Die beiden Elektrodensysteme haben meist die Form ringförmiger, konzentrischer Plattensätze, die ineinandergreifen.

Das untere Elektrodensystem 8 ist fest auf dem Boden 9 montiert. Das obere Elektrodensystem 7 ist in Richtung der Gelo häuseachse verschiebbar. Eine Verschiebung und damit eine Veränderung der Kapazität wird durch eine Betätigungsstange 1 bewirkt, die über einen nicht eingezeichneten Spindelmechanismus bewegt wird.

Die Betätigungsstange 1 führt durch eine Öffnung im Dek-i5 kel 3 zu dem aussenliegenden Spindelmechanismus. Um trotz dieser Öffnung im Deckel 3 Vakuumdichtigkeit zu erreichen, ist ein in Längsrichtung dehnbarer Balg 2 vorgesehen, der die Betätigungsstange 1 konzentrisch umgibt und oben mit dem Deckel 3 und unten mit dem oberen Elektrodensystem 7 ab-20 schliesst.

In der einfachen Ausführung gemäss Fig. 1 dient der Balg 2 nicht nur als Abdichtungselement, sondern auch als Stromzuführung für das obere Elektrodensystem 7. Der hochfrequente Betriebsstrom fliesst vom einen Anschlussbereich auf der Aus-25 senseite des Deckels 3 in Richtung der in Fig. 1 links eingezeichneten Pfeile über die Aussenseite des oberen Metallmantels 4, die Innenseite des oberen Metallmantels 4, die Innenseite des Deckels 3 und die Aussenseite des Balges 2 zum oberen Elektrodensystem 7.

30 Der obere Metallmantel 4 stellt einen elektrisch leitenden Mantel dar, welcher den stromführenden Balg 2 konzentrisch umgibt und zusammen mit ihm eine Koaxialleitung bildet. In gleicher Weise können auch die anderen Abschnitte des Vakuumkondensators als Koaxialleitungsstücke aufgefasst werden. 35 Um die Eigeninduktivität des dargestellten Vakuumkondensators abzuschätzen, kann in erster Näherung der Induktivitätsbelag mit bekannten Formeln aus der Theorie der Koaxialleitungen berechnet werden:

40 (1) Z = 60 • In (D/d) [Ohm];

(2) L = 2 In (D/d) = Z/30 [nH/cm],

mit dem Wellen widerstand Z, dem Induktivitätsbelag L, dem Innenleiterdurchmesser d und dem Aussenleiterdurchmesser D. 45 Im Falle des Koaxialleitungsstücks aus dem Balg 2 und dem als elektrisch leitenden Mantel wirkenden oberen Metallmantel 4, entspricht, wie in Fig. 1 eingezeichnet, der Aussendurchmesser des Balges 2 dem Innenleiterdurchmesser d, und der Innendurchmesser des elektrisch leitenden Mantels (oberen Metall-50 mantels 4) dem Aussenleiterdurchmesser D.

Für einen beispielhaften Vakuumkondensator der in Fig. 1 gezeigten Art mit den angenommenen Werten d = 75 mm, D = 187 mm, Länge des oberen Metallmantels 4 = 107 mm und vergleichbaren Dimensionen im unteren Bereich des Kondensa-55 tors lässt sich mit den Formeln (1) und (2) eine gesamte Eigeninduktivität von etwa 42 nH errechnen. Hierbei wird angenommen, dass sich der Vakuumkondensator in der Stellung maximaler Kapazität (rechte Seite der Fig. 1) befindet und im Bereich des Isoliermantels 5 der zu einer Koaxialleitung fehlende 60 Aussenleiter direkt auf die Aussenfläche des Isohermantels 5 angeordnet ist.

Von diesen 42 nH entfallen allein 19,5 nH auf den Balgbereich vom Deckel 3 bis zum Isoliermantel 5, und 12 nH auf den Balgbereich innerhalb des Isoliermantels 5.

65 Aus solchen überschlägigen Berechnungen lässt sich ohne weiteres ersehen, dass weit mehr als die Hälfte der gesamten Eigeninduktivität des dargestellten Vakuumkondensators allein durch den Balgbereich beigesteuert wird. Eine wirksame Verrin

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gerung der Eigeninduktivität kann daher nur durch konstruktive Änderungen im Balgbereich erzielt werden.

Da gemäss den Formeln (1) und (2) der Induktivitätsbelag logarithmisch vom Durchmesserverhältnis D/d des Koaxiallei-tungsstücks, d.h. im Falle des Vakuumkondensators, vom Verhältnis Aussendurchmesser des stromführenden Balges 2 zu Innendurchmesser des elektrisch leitenden Mantels (oberen Metallmantels 4) abhängt, führt eine Verkleinerung des Durchmesserverhältnisses zu einer entsprechenden Verringerung der Eigeninduktivität.

Bei der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass der Balg 2 mit seinem Aussendurchmesser und der elektrisch leitende Mantel mit seinem Innendurchmesser aneinander angepasst sind.

Vorzugsweise wird das genannte Durchmesserverhältnis kleiner gleich 1,5, insbesondere kleiner gleich 1,2 gewählt. Ein solch günstiges Durchmesserverhältnis wird beispielsweise erreicht, wenn bei dem oben vorausgesetzten D = 187 mm der Balg 2 auf einen Aussendurchmesser von d = 167 mm erweitert wird, d.h. wenn der Abstand zwischen Balg 2 und dem elektrisch leitenden Mantel nur etwa 10 mm beträgt.

Eine solche Erweiterung des Balgdurchmessers reduziert dann den Eigeninduktivitätsanteil im Balgbereich zwischen dem Deckel 3 und dem Isoliermantel 5 von den og. 19,5 nH auf nur noch 2,4 nH.

Die Durchmesser-Anpassung von Balg und elektrisch leitendem Mantel kann nun auf verschiedene Weise realisiert werden (Fig. 2 bis 4).

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Gehäuse des Vakuumkondensators in seiner ursprünglichen Form belassen; insbesondere ist der Durchmesser des oberen Metallmantels 4 etwa gleich dem Durchmesser des Isoliermantels 5. Die Anpassung erfolgt hier dadurch, dass der Aussendurchmesser des Balges 2 dem Innendurchmesser des oberen Metallmantels 4 (der hier den elektrisch leitenden Mantel darstellt) angeglichen wird.

Diese Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass sich die Aussengeometrie des Vakuumkondensators und damit seine Einbaubedingungen nicht ändern. Darüber hinaus bewirkt die Vergrösserung des Balgdurchmessers eine Reduktion der Eigeninduktivität nicht nur im Bereich des oberen Metallmantels 4, sondern auch im Bereich des Isoliermantels 5. Andererseits schafft der stark vergrösserte Balgdurchmesser die eingangs bereits erwähnten Bedienungsprobleme, weil wegen der grossen Querschnittsfläche die Atmosphäre mit grosser Kraft auf das obere Elektrodensystem 7 drückt.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird von einem Balg 2 mit dem bekannten kleinen Durchmesser ausgegangen. Hier wird die Anpassung dadurch erreicht, dass in das

Gehäuse im Bereich des oberen Metallmantels 4 zusätzlich ein innerer Metallmantel 10 eingesetzt wird, der nunmehr anstelle des oberen Metallmantels 4 als elektrisch leitender Mantel wirkt und mit seinem Innendurchmesser in der Nähe des Balg-Durchmessers liegt. In dieser Konfiguration ergibt sich ein veränderter Verlauf des hochfrequenten Betriebsstroms, der in der linken Hälfte der Fig. 3 mittels Pfeilen angedeutet ist.

Diese Ausgestaltung der Erfindung hat ebenfalls den Vorteil, dass die Aussengeometrie des Vakuumkondensators nicht geändert zu werden braucht. Darüber hinaus wird das mit ver-grössertem Balgdurchmesser auftretende Bedienungsproblem umgangen.

Bei dem in Fig. 4 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel schliesslich wird wiederum, wie in Fig. 3, von einem Balg 2 mit kleinem Durchmesser ausgegangen. Die Anpassung des Innendurchmessers des elektrisch leitenden Mantels wird hier jedoch nicht durch den Einsatz eines inneren Metallmantels erreicht, sondern direkt durch eine entsprechende Ausgestaltung des oberen Metallmantels 4, der, ausgehend vom grossen Durchmesser des Isoliermantels 5, in einen Bereich übergeht, der den Balg 2 eng umschliesst.

In diesem Fall hegt der Vorteil in einer besonders einfachen Art des Aufbaus, während die Aussengeometrie des Vakuumkondensators geändert werden muss.

Die Ausführungsbeispiele gemäss Fig. 3 und 4 bringen, anders als das Ausführungsbeispiel der Fig. 2, zwar eine Reduktion der Eigeninduktivität im Bereich des oberen Metallmantels 4, nicht jedoch im Bereich des Isoliermantels 5, da dort das ursprüngliche Durchmesserverhältnis erhalten bleibt.

Bei der Erläuterung der Erfindung ist stets von einem stromführenden Balg ausgegangen worden, der auch zugleich Abdichtungselement gewesen ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen einfachen Fall beschränkt, sondern kann auch in solchen Fällen eingesetzt werden, wenn Abdichtungsbalg und stromführender Balg voneinander verschieden sind (siehe z.B. DE-PS 22 59 351) oder mehrere Bälge beide Funktionen übernehmen (siehe z.B. US-PS 3 270 259).

Weiterhin muss darauf hingewiesen werden, dass vor allem für Vakuumkondensatoren mit Zwangskühlung des stromführenden Balges bei denen aus Gründen der leichten Bedienbar-keit die Balgdurchmesser kleingehalten werden müssen, die Ausführungsformen gemäss den Fig. 3 und 4 von besonderem Interesse sind, weil hierbei auf Seiten des Balges keinerlei Veränderungen vorgenommen werden müssen.

Insgesamt steht mit der Erfindung ein einstellbarer Vakuumkondensator zur Verfügung, der durch eine deutlich reduzierte Eigeninduktivität eine verbesserte Betriebssicherheit aufweist und aus den bekannten Vakuumkondensatoren durch vergleichsweise einfache Modifikationen hervorgeht.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (6)

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1. Einstellbarer Vakuumkondensator, insbesondere für hohe Leistungen, umfassend

<a) ein zylindrisches Gehäuse aus einem Isoliermantel (5), einem an den Isoliermantel (5) oben anschliessenden oberen Metallmantel (4), einem an den Isoliermantel (5) unten anschliessenden unteren Metallmantel (6), einem den oberen Metallmantel (4) abschliessenden Deckel (3), und einem den unteren Metallmantel (6) abschliessenden Boden (9);

(b) in dem Gehäuse zwei ineinandergreifende Elektrodensysteme (7, 8), von denen das untere Elektrodensystem (8) auf dem Boden (9) fixiert ist, und das obere Elektrodensystem (7) mittels einer durch eine Öffnung im Deckel (3) laufende Betätigungsstange (1) in Richtung der Gehäuseachse verschiebbar angeordnet ist;

(c) wenigstens einen Balg (2), welcher die Betätigungsstange (1) konzentrisch umgibt, den Deckel (3) mit dem oberen Elektrodensystem (7) verbinden und als Stromzuführung für das obere Elektrodensystem (7) dient; und

(d) einen elektrisch leitenden Mantel, welcher den Balg (2) konzentrisch umgibt und auf seiner Innenfläche die hochfrequenten Betriebsströme über den Deckel (3) zum Balg (2) leitet; dadurch gekennzeichnet, dass

(e) der Balg (2) mit seinem Aussendurchmesser (d) und der elektrisch leitende Mantel mit seinem Innendurchmesser (D) zur Verringerung der Eigeninduktivität des Vakuumkondensators derart aneinander angepasst sind, dass das Verhältnis von Innendurchmesser (D) des elektrisch leitenden Mantels zu Aussendurchmesser (d) des Balges (2) kleiner gleich 1,5 ist.

2. Vakuumkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Innendurchmesser (D) des elektrisch leitenden Mantels zu Aussendurchmesser (d) des Balges (2) kleiner gleich 1,2 ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vakuumkondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

(a) der obere Metallmantel (4) den elektrisch leitenden Mantel bildet; und

(b) der obere Metallmantel (4) einen Durchmesser aufweist, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Isoliermantels (5) ist (Fig. 2).

4. Vakuumkondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

(a) der obere Metallmantel (4) einen Durchmesser aufweist, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Isoliermantels (5) ist;

(b) innerhalb des oberen Metallmantels (4) ein innerer Metallmantel (10) angeordnet ist, welcher den Balg (2) konzentrisch umgibt; und

(c) der innere Metallmantel (10) den elektrisch leitenden Mantel bildet (Fig. 3).

5. Vakuumkondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

(a) der obere Metallmantel (4) den elektrisch leitenden Mantel bildet (Fig. 4).

6. Vakuumkondensator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Balg (2) zwangsgekühlt ist.