CH698131B1 - Vakuumkondensator mit einem Inox-Balg und mit aktiver Kühlung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vakuumkondensator mit einem Balg (9) und einer aktiven Kühlung (16), die aus einem Kühlkreislauf (15) und einem Kühlmittel (14) besteht. Das Kühlmittel (14) wird durch an der Kappe (12) befindliche Öffnungen (13, 13´) geführt, wodurch die in der Balgstruktur entstandene Wärme abgeführt wird. Verwendungen für derartige Vakuumkondensatoren finden sich in HF-Sendeanlagen, in «Antenna Tuning Units» und in Hochfrequenz-Anpassungsnetzwerken.

Description

  [0001]    Die Erfindung betrifft einen Vakuumkondensator mit einem Inox-Balg und mit aktiver Kühlung sowie dessen Verwendungen gemäss den Patentansprüchen 1 bzw. 16-23.

  

[0002]    Balgstrukturen werden in variablen Vakuumkondensatoren verwendet, wo sie als mechanischer Teil neben den elektrischen Eigenschaften eine Dichtheitsfunktion zu erfüllen haben. Sie müssen HF-leitend sein, d.h. eine gute Hochfrequenzleitfähigkeit aufweisen und einer mechanischen Dauerbelastung genügen, welche die Langzeiteigenschaften eines Vakuumkondensators bestimmt.

  

[0003]    Nach dem Patentdokument WO 01/67 472 ist ein Vakuumkondensator bekannt, bei dem der Balg eine gleichmässige elektrische Leitschicht aufweist, die zur Erhöhung der Wärmeabfuhr durch Strahlung mit einer zusätzlichen dunklen Schicht versehen ist. Nachteilig ist dabei, dass die Wärmeabfuhr bei hoher Belastung vielfach trotzdem ungenügend ist.

  

[0004]    Weiterhin ist zu beobachten, dass bei Betriebsbedingungen mit sehr hohen Strömen vielfach Spannungsüberschläge zwischen den Falten des Federbalges auftreten.

  

[0005]    Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vakuumkondensator anzugeben, der mit einer aktiven Kühlung die genannten Nachteile vermeidet und entsprechende Verwendungsmöglichkeiten aufzuzeigen.

  

[0006]    Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Vakuumkondensator mit einem Inox-Balg nach Patentanspruch 1 gelöst und durch Verwendungen desselben nach den Patentansprüchen 16-23.

  

[0007]    Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren beschrieben. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>Schematische Darstellung eines Vakuumkondensators mit einem Inox-Balg und mit aktiver Kühlung im Schnitt


  <tb>Fig. 2<sep>Schematische Darstellung eines Balges im Schnitt


  <tb>Fig. 3<sep>Schematische Darstellung eines Vakuumkondensators mit einem Inox-Balg und mit aktiver Kühlung und zusätzlicher Sekundärkühlung im Schnitt

  

[0008]    Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Vakuumkondensators mit einem Inox-Balg und mit aktiver Kühlung im Schnitt.

  

[0009]    Ein fixer Elektrodenblock 1 ist mechanisch und elektrisch mit einem unteren Teil 2 eines Gehäuses verbunden, das gleichzeitig einen äusseren elektrischen Anschluss des Vakuumkondensators darstellt. Über einen ringförmigen Isolator 3 ist der untere Teil 2 des Gehäuses mit dem oberen Teil 4 des Gehäuses dicht verbunden. Über eine Stange 5, die an ihrem unteren Ende mit einem variablen Elektrodenblock 6 befestigt ist, wird dieser von aussen her mehr oder weniger tief in den fixen Elektrodenblock 1 eingetaucht, wodurch sich die gewünschte Kapazität einstellen lässt. Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften befindet sich im inneren Raum 7 ein Vakuum, das vom Umgebungsdruck 8 durch einen Balg 9 resp. Federbalg getrennt ist.

   Der Federbalg ist am einen Ende 10 mit dem oberen Teil 4 des Gehäuses und am anderen Ende 10 mit dem variablen Elektrodenblock 6 gasdicht verbunden. Der Federbalg sichert eine hohe vertikale Beweglichkeit der Stange 5 und des variablen Elektrodenblockes 6 und ist gleichzeitig so ausgelegt, dass er dem Druckunterschied zwischen dem inneren Raum 7 und dem Umgebungsdruck 8 standhält. Der Federbalg 9 besitzt dabei gleichzeitig auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit für HF-Ströme, durch die der variable Elektrodenblock 6 mit einem zweiten elektrischen Anschluss verbunden ist.
Der obere Teil 4 des Gehäuses weist zentrisch um die Stange 5 eine Bohrung 1 auf, die so dimensioniert ist, dass ein Kühlmittel praktisch widerstandsfrei durch die Bohrung zirkulieren kann.

   Auf dem oberen Teil 4 des Gehäuses befindet sich eine zylindrische Kappe 12, die zentrisch um die Stange 5 angeordnet ist und gegenüber dieser gleitend dichtet. In die zylindrischen Seitenwände der Kappe 12 sind mindestens zwei Öffnungen 13, 13 angebracht, die für die Zuführung bzw. die Abführung eines Kühlmittels 14 vorgesehen sind. Es sind auch mehrere Öffnungen 13, 13 sowohl für die Zuführung als auch für die Abführung des Kühlmittels denkbar. Ein Kühlkreislauf 15, von dem mit Pfeilen nur ein Teil dargestellt ist, bildet mit dem Kühlmittel 14 eine aktive Kühlung 16 des Vakuumkondensators. Das Kühlmittel übernimmt die im Balg 9 entstandene Wärme und führt sie über den Kühlkreislauf 15 bzw. über die als Auslass dienende Öffnung 13 ab.
Als Kühlmittel 14 kommen in der Regel alle thermisch leitenden Medien in Frage, seien diese gasförmig oder flüssig.

   Das Kühlmittel besteht aus Wasser, aus demineralisiertem Wasser, aus einem Öl oder einem Schmiermittel, aus Luft oder aus einem Gas. Auch Mehrphasensysteme mit thermisch leitenden vermischten Medien sind als gasförmige, flüssige oder zähflüssige Kühlmittel geeignet. Eine Mischung von Gasen, Luft, SF6 (Schwefelhexafluorid), FCKW (Fluorchlor-Kohlenwasserstoff) ist vorteilhaft. Vielfach ist bei der Wahl der Komponenten ein Kompromiss zu wählen zwischen der thermischen Leitfähigkeit und den Schmier- bzw. Gleiteigenschaften.

  

[0010]    Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Balges im Schnitt. Eine Balgstruktur 21 aus einem Trägermaterial 22 weist eine übliche Rippenstruktur auf mit äusseren und inneren Falten 23 und 23 und zylindrisch ausgebildeten Anschlussteilen 24 und 24. Auf der Balgstruktur befinden sich elektrisch leitende Schichten 25 und 26, die für die haftvermittelnden bzw. elektrischen Eigenschaften vorgesehen sind.
Als Trägermaterial eignen sich Rohre aus rostfreiem Stahl oder aus Ni-Legierungen mit mindestens 65% Nickel. Die Schicht 25 hat beispielweise neben der leitenden eine haftvermittelnde Eigenschaft für die Schicht 26. Die Schicht 25 besteht beispielsweise aus Nickel, Gold oder deren Legierungen bei einer typischen Dicke von 0,2-5 [micro]m.

   Die elektrische Leitschicht 26 besteht beispielsweise aus Kupfer, Silber, Gold, Palladium oder deren Legierungen, wobei deren Dicke 1-50 [micro]m vorzugsweise 25 [micro]m beträgt. Die Schicht 25 kann auch fehlen, sodass auf dem Trägermaterial lediglich die Schicht 26 aufliegt. Die Anzahl der elektrisch leitenden Schichten ist keineswegs auf zwei begrenzt. So kann z.B. eine weitere Schicht aufgebracht werden, die eine besondere Korrosionsfestigkeit aufweist, wie dies etwa bei einer dünnen Goldschicht von 0,2-0,9 [micro]m der Fall sein kann. Wesentliche Eigenschaft der Schicht 26 ist deren Schichtdicke, die gleichmässig, aber auch ungleichmässig sein kann.

   Auf der Schicht 26 befindet sich eine weitere Schicht 27, die beispielsweise durch eine Schwarzverchromung oder ein Kupferoxid erzeugt wird, welche das thermische Emissionsverhalten der Oberfläche verbessert und die gesamte oder teilweise äussere Oberfläche der Balgstruktur als schwarzen Körper erscheinen lässt. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Wärmeabfuhr durch Strahlung wesentlich gefördert wird, was niedrigere Betriebstemperaturen des Balges zur Folge hat und sich auf die Strombelastbarkeit und auf die Lebensdauer sehr vorteilhaft auswirkt.
Durch eine Ausbildung der Schicht 27 mit rauer Oberfläche wird dieser günstige Effekt verstärkt, was beispielsweise durch Sandstrahlen, Bürsten oder durch chemische Prozesse erzielt werden kann. Die Schicht 27 bedeckt die Rippenstruktur oder Teile, davon aber nicht notwendigerweise die Bereiche der Anschlussteile 24, 24.

  

[0011]    Überraschenderweise eignet sich die Verwendung der beschriebenen Balgstruktur auch dazu, die Spannungsüberschläge zwischen den Falten des Federbalges wesentlich zu reduzieren und auf diese Weise eine höhere Lebensdauer des Vakuumkondensators zu gewährleisten.

  

[0012]    Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Vakuumkondensators mit einem Inox-Balg und mit aktiver Kühlung und zusätzlicher Sekundärkühlung im Schnitt. Der dargestellte Vakuumkondensator entspricht bis auf die neu ausgebildete Kappe 12 im Wesentlichen demjenigen von Fig. 1. Erkennbar sind die mindestens zwei Öffnungen 13, 13 in den zylindrischen Seitenwänden der Kappe 12 sowie die auf dem oberen Teil 4 des Gehäuses dicht aufliegend angebrachte Kappe 12. Innerhalb der Kappe 12 befindet sich eine Trennhülse 31, die zentrisch um die Stange 5 angeordnet ist. Die Trennhülse 31 verbindet einerseits dichtend mit einem unteren Ende 32 den oberen Teil 4 des Gehäuses. Andererseits verbindet sie ebenfalls dichtend mit einem oberen Ende 33 die Kappe 12 auf ihrer Innenseite 34. Die Trennhülse 31 kann aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein.

   Vorzugsweise wird die Trennhülse 31 als Gummibalg ausgebildet. Dadurch entsteht ein geschlossener innerer Kühlkreislauf 15, der durch die Volumen 35, 37 des Balges und der Trennhülse und dem Volumen der Bohrung 11 gebildet wird. Selbstverständlich wird dieses Volumen durch das Volumen der Stange 5 vermindert, im Kühlkreislauf 15 befindet sich ein erstes Kühlmittel 38, wie bereits in Fig. 1 beschrieben. Je nach Wahl des Kühlmittels 38 erfolgt die Kühlung über eine Konvektion oder über eine Zirkulation, was mit den Pfeilen 39, 39 angedeutet ist. Vorteilhaft ist die Möglichkeit, auch extrem teure Kühlmittel verwenden zu können, da das Volumen des inneren Kühlkreislaufes 15 im Allgemeinen klein ist gegenüber einem zweiten äusseren Kreislauf 15.

   Der äussere Kreislauf 15, von dem mit Pfeilen nur ein Teil dargestellt ist, wird durch das Innenvolumen 40 der Kappe 12 gebildet, das nun durch das Volumen der Trennhülse 31 abgegrenzt ist.
Die am Balg 9 entstandene Wärme wird durch das Kühlmittel 15 im inneren Kühlkreislauf übernommen und wird über die Trennhülse 31 auf das Kühlmittel 15 des äusseren Kühlkreislaufs übertragen. Die beiden Kühlmittel 15, 15 mit den dazugehörigen Kühlkreisläufen bilden eine aktive Kühlung des Vakuumkondensators.

  

[0013]    Die anschliessend beschriebenen Ausführungsbeispiele geben einen Einblick in die Vielfalt von Möglichkeiten in nicht abschliessender Weise.

  

[0014]    Erstes Ausführungsbeispiel: Der Aufbau des Vakuumkondensators entspricht im Wesentlichen der Fig. 1. Die Kapazität ist mit der Stange 5 von 40 bis 1300 pF verstellbar. Die Arbeitsspannung beträgt 30 kV. Der maximal erreichbare Strom bei einer Wechselstromfrequenz von 13.56 MHz beträgt 796 A. Der Inox-Balg 9 wird mit Wasser als Kühlmittel 15 gekühlt. Das Wasser wird durch die Zuführungen bzw. die Abführungen in der Kappe in den Vakuumkondensator geleitet. Die Durchflussmenge des Wassers beträgt 25 l/min bei einer maximalen Eingangstemperatur an der Öffnung 13 von 70[deg.]C. Die Ausgangstemperatur des Wassers beträgt an der Öffnung 13 ca. 72[deg.]C. Der Kühlkreislauf 15 bildet mit dem Wasser eine aktive Kühlung 16 des Vakuumkondensators. Der untere Teil 2 des Gehäuses wird mit einer Kühlleistung von 50 W gekühlt.

  

[0015]    Zweites Ausführungsbeispiel: Der Aufbau des Vakuumkondensators entspricht im Wesentlichen der Fig. 1. Die Kapazität ist mit der Stange 5 von 40 bis 1000 pF verstellbar. Die Arbeitsspannung beträgt 30 kV. Der maximal erreichbare Strom bei einer Wechselstromfrequenz von 13.56 MHz beträgt 221 A. Der Inox-Balg 9 wird mit Luft als Kühlmittel 15 gekühlt. Die Luft wird durch die Zuführungen bzw. die Abführungen in der Kappe in den Vakuumkondensator geleitet. Die Durchflussmenge der Luft beträgt 200 l/min. Der Kühlkreislauf 15 bildet mit dem Wasser eine aktive Kühlung 16 des Vakuumkondensators.

  

[0016]    Die erheblichen Vorteile des erfindungsgemässen Vakuumkondensators mit einem Inox-Balg und mit aktiver Kühlung sind die folgenden:
- Die thermische Belastung des Balges wird vermindert, was eine höhere Stromfestigkeit zur Folge hat.
- Die längere Lebensdauer.
- Die höhere mechanische Stabilität des Balges, insbesondere im Hinblick auf den Druck des verwendeten Kühlmittels.
- Verhinderung von Spannungsüberschlägen zwischen den Falten des Federbalges. Ein innerer und äusserer Kühlkreislauf erlauben die Verwendung eines normalen Industriewasseranschlusses.

  

[0017]    Verwendungen für derartige Vakuumkondensatoren finden sich in HF-Sendeanlagen, insbesondere in Kurzwellensendeanlagen in Frequenzbereichen von 1 MHz bis 200 MHz mit einer Leistung von 1 kW bis 1 MW.
In sog. "Antenna Tuning Units" gelangen solche Vakuumkondensatoren ebenfalls zum Einsatz, und zwar in den Bereichen von 1 MHz bis 5 MHz bei einer Leistung von 1 kW bis 10 kW und im Bereich von 60 MHz bis 200 MHz bei einer Leistung von 100 kW bis 1 MW.
In Hochfrequenz-Anpassungsnetzwerken werden sie verwendet im Bereich von 60 MHz bis 200 MHz bei einer Leistung von 1 kW bis 10 kW.
In Kurzwellensendeanlagen werden sie verwendet im Bereich von 3 MHz bis 30 MHz mit einer Leistung von 50 kW bis 500 kW sowie in Sendeanlagen im Bereich von 1 MHz bis 5 MHz und einer Leistung von 500 kW bis 1 MW.

Claims (23)

1. Vakuumkondensator, gekennzeichnet dadurch, dass er eine Balgstruktur (21) aufweist, die aus einem Trägermaterial (22) und mindestens einer Schicht (25, 26, 27) besteht, wobei die mindestens eine Schicht (25, 26) elektrisch leitend ausgebildet ist und dass er mit einer aktiven Kühlung (16) versehen ist.

2. Vakuumkondensator nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (25, 26) eine gleichmässige oder eine ungleichmässige Dicke aufweist.

3. Vakuumkondensator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Trägermaterial (22) aus rostfreiem Stahl oder einer Ni-Legierung besteht, wobei Letztere mindestens 65% Nickel aufweist.

4. Vakuumkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (25, 26) aus Kupfer, Silber, Gold, Palladium oder deren Legierungen besteht, wobei deren Dicke 1 bis 50 [micro]m, vorzugsweise 25 [micro]m beträgt, und dass die Abweichungen der Schichtdicke vom Mittelwert weniger als +/- 50%, vorzugsweise weniger als +/-10 %, betragen.

5. Vakuumkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass sich auf der mindestens einen elektrisch leitenden Schicht (25, 26) mindestens eine weitere Schicht (27) befindet, die der Unterstützung der Wärmeabstrahlung dient und die Balgstruktur (21) ganz oder teilweise bedeckt.

6. Vakuumkondensator nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass die mindestens eine weitere Schicht (27) aus einer Schwarzverchromung oder einer Kupferoxidschicht besteht und im Wesentlichen als schwarzer Körper ausgebildet ist, und dass die Dicke dieser Schicht 0,1 bis 10 [micro]m, vorzugsweise 2 [micro]m, beträgt.

7. Vakuumkondensator nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, dass die mindestens eine weitere Schicht (27) eine raue Oberfläche aufweist.

8. Vakuumkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Balgstruktur (21) für eine aktive Kühlung (16) durch mindestens einen Kühlkreislauf (15, 15, 15) vorgesehen ist.

9. Vakuumkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass die aktive Kühlung (16) aus mindestens einem Kühlkreislauf (15, 15, 15) und mindestens einem Kühlmittel (14) besteht.

10. Vakuumkondensator nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass das Kühlmittel (14) ein flüssiges Medium, vorzugsweise Wasser, demineralisiertes Wasser, Öl oder ein Schmiermittel, oder ein gasförmiges Medium, vorzugsweise Luft, ist.

11. Vakuumkondensator nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass das Kühlmittel (14) ein Mehrphasen-Kühlmittel mit thermisch leitenden vermischten Medien ist.

12. Vakuumkondensator nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass das Kühlmittel (14) aus einer Mischung von Gasen, vorzugsweise Luft, SF6 und FCKW, besteht.

13. Vakuumkondensator nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass das Kühlmittel (14) aus gasförmigen, flüssigen oder zähflüssigen Medien besteht.

14. Vakuumkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet dadurch, dass die aktive Kühlung aus einem geschlossenen inneren Kühlkreislauf (15) mit einem ersten Kühlmittel und einem zweiten äusseren Kühlkreislauf (15) mit einem zweiten Kühlmittel besteht, wobei die beiden Kühlkreisläufe (15, 15) durch eine in der Kappe (12) befindliche Trennhülse (31) getrennt sind, dass die Trennhülse (31) gegenüber der Innenseite (34) der Kappe und gegenüber dem oberen Teil (4) des Gehäuses dichtend angebracht ist.

15. Vakuumkondensator nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, dass die Trennhülse (31) aus Metall oder aus Kunststoff gefertigt vorliegt.

16. Verwendung des Vakuumkondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 15 für Sendeanlagen, Antennenanpasseinheiten und Hochfrequenz-Anpassungsnetzwerke.

17. Verwendung des Vakuumkondensators nach Anspruch 16, wobei er für Sendeanlagen im Bereich von 1 kW bis 1 MW verwendet wird.

18. Verwendung des Vakuumkondensators nach Anspruch 16, wobei er für Sendeanlagen im Bereich von 1 MHz bis 200 MHz verwendet wird.

19. Verwendung des Vakuumkondensators nach Anspruch 16, wobei er für Sendeanlagen im Bereich von 1 MHz bis 5 MHz und einer Leistung von 500 kW bis 1 MW verwendet wird.

20. Verwendung des Vakuumkondensators nach Anspruch 16, wobei er für Sendeanlagen im Bereich von 3 MHz bis 30 MHz mit einer Leistung von 50 kW bis 500 kW verwendet wird.

21. Verwendung des Vakuumkondensators nach Anspruch 16, wobei er für Antennenanpasseinheiten im Bereich von 1 MHz bis 5 MHz und einer Leistung von 1 kW bis 10 kW verwendet wird.

22. Verwendung des Vakuumkondensators nach Anspruch 16, wobei er für Antennenanpasseinheiten im Bereich von 60 MHz bis 200 MHz und einer Leistung von 100 kW bis 1 MW verwendet wird.

23. Verwendung des Vakuumkondensators nach Anspruch 16, wobei er für Hochfrequenz-Anpassungsnetzwerke im Bereich von 60 MHz bis 200 MHz mit einer Leistung von 1 kW bis 10 kW verwendet wird.