CN102959657A - 真空可变电容器 - Google Patents

Abstract

真空电容器（8）被描述，其具有至少两个在真空（3）中的电极（1、2），所述电极由铝或铝合金制造或者涂有铝或铝合金，并且真空电容器（8）的外壳包括绝缘（例如陶瓷）部件和两个或者更多导电部件（4、5）。

Description

真空可变电容器

技术领域

本发明涉及真空电容器领域。真空电容器在现有技术中众所周知，并且被用在需要高频和高功率的应用中。普通应用包括例如用在高功率无线电频率传输中的振荡电路和用在制造半导体太阳能板和平板显示器中的高频供电。

背景技术

电容器包括两个或者更多被介电介质隔开的导电表面，其通常称为电极。就真空电容器而言，介电介质是真空。真空电容器通常需要高真空（10^-6Torr或者更佳）。在气密壳体内保持真空，该壳体也包围电极。典型壳体可包括装配有通过接合技术紧固至陶瓷圆筒的金属套环的绝缘陶瓷圆筒，对于电容器的工作寿命，接合技术保证密闭密封使得在壳体内能够保持高真空。

真空电容器分成两个主要类别：具有固定电容的真空电容器，其中电极之间的几何关系保持不变；和可变电容器，其中电极的一个或者两个的形状、定向和/或间隔可以变化，从而改变设备的电容。例如，可以使用波纹管装置，或磁体和线圈，或允许电极其中之一相对于其它电极移动的任何其它装置。这种可变真空电容器的构造和它们在无线电频率应用中的操作，被本领域技术人员熟知。德国专利文献DE2752025和日本专利文献JP112773999描述了典型现有技术的可变真空电容器装置。

真空电容器的电极和外壳通常针对当高频电流流经它们时它们的低电损耗而被选择。这些损耗导致包括电极的导电部件变热，特别是在高功率应用中，从而造成高功率真空电容器通常必须装备有冷却系统。由于这个原因，现有技术真空电容器电极已由铜制造，铜具有低电阻率并由此具有更低损耗。

电极表面必制造成最小化电弧产生、或者任何其它不需要的电流流经隔开电极的介电介质的形式的可能性。电弧，也称为不受控制的放电或者介电击穿，发生在电极间任一点的电场密度超过特定击穿值的时候。该击穿值依赖于包括所施加的电压差、真空深度、电极之间的间隙距离（在它们相互最近的点处）以及电极表面的物理和电特性的参数的组合。

真空电容器的场强度是在没有这种不可控制的放电发生的情况下能够实现的最大容许电场。场强度根本上限制了对于给定的电极间隔的电容器的工作电压。实现设备中可能的最高场强度是具有优势的，因为增加场强度允许具有特定的几何结构的真空电容器用在高功率应用上。可替代地，对于给定的应用电压，高场强度的真空电容器的几何结构（尺寸）可以制成小于具有低场强度的电容器的几何结构（尺寸）。这方面最容易在电场强度E、电势差U和电极间隔d之间的静电关系E=U/d（这种关系是近似的，因为假设了边缘效应可忽略的平行的、平的电极）中看出。

电极材料的选择和电极的表面抛光对于在高的外施电压下减少击穿或者泄漏电流来说是非常重要的。在日本专利申请JP11273999中，铜被用作电极，电极涂有镍或者铬。这些涂层金属因为它们的硬度和它们的高熔点而被选择。

选择真空作为电介质被以下事实所证明：当AC（交流）、RF（射频）或者VHF（非常高的频率）的电流流经电容器时，没有电损耗，并且也因为发生高电压击穿时具有良好的恢复潜力。其它电介质已知在这种击穿中会造成惨重的和不可逆的损坏。

电极表面的状态在击穿发生的可能性上具有显著的作用。微突起形式的表面不规则或者表面上存在颗粒或者颗粒团聚体促进电压击穿的引发，因为突起或者团聚体提供电子最容易地通过场发射从金属表面射出的和/或能够发起被吸收的颗粒的电离和随后的加速的区域。两种作用都能导致以不可控的方式穿过电极介质（电介质）内部的电荷的“雪崩”。击穿现象的物理现象和特别是它们的发起，仍未被完全理解，因此设计高场强度的电极不跟随预先建立的制作法，而是牵涉到按经验的材料对比、实验表面处理以及高电压测试来判定最好的材料和表面性质。

正如上文提到，用于真空电容器的电极传统上由铜制成，因为该材料的优良的电导率（即低损耗），以及使用铜电极可以实现的可接受的高场强度。已经尝试通过使用具有比铜更硬并且具有更高熔点的金属来增加电容器最大场强度。例如在日本专利申请JP11273998中，提出用下列材料之一制造电极：不锈钢、镍、钼、铌、钽、钛、钨、蒙奈尔铜镍合金、铜镍合金以及镍黄铜。在日本专利申请JP11273999中，提出用从同样清单中选择的材料涂敷电极。这些材料因为它们的相对硬度和高熔点被选择，这跟随了公认的常识：具有更高熔点的较硬的电极材料减少不可控的放电的引发，并且因此允许更高场强度的使用（即较小的电极间的间隙和/或较大的外施电压）。

但是正如上文讨论，击穿通常源于两个主要事件：电子从电极表面的射出和电极表面的颗粒的电离。当电子或者离子从金属表面射出时，它们被强大的电场朝向另一电极迅速地加速，其中它们的撞击加热靶电极的表面并且导致进一步的离子或者电子的射出，然后这些进一步的离子或者电子朝向相对的电极被加速，等等。如果电极由具有更高熔点的较硬的材料制成，那么打击它表面的电子或者离子的撞击和加热作用将被降低：由于每一电子/离子的撞击而从表面射出的电子和离子将更少。由此，使用具有更高熔点的较硬的金属被设计来限制上文描述的撞击/射出循环的进展，并且降低雪崩击穿的可能性。

但是，上文提到的更硬的更高熔点的电极材料（不锈钢、镍、钼、铌、钽、钛、钨、蒙奈尔铜镍合金、铜镍合金以及镍黄铜）替代铜或者作为铜的涂层的使用也带来缺点。例如，这些较硬的材料都具有远高于铜的电阻率。钼和钨的电阻率约为53nΩ·m，同时钛和不锈钢的电阻率分别是420和740nΩ·m。相比之下，铜的电阻率约为17nΩ·m。较硬的更高熔点金属也具有显著更低的热导率，最高的是钨具有173W·m^-1·K^-1和钼具有138W·m^-1·K^-1，同时其它列出的金属热导率在不锈钢的16W·m^-1·K^-1到镍的90W·m^-1·K^-1范围之间。相比之下，铜具有大得多的约400W·m^-1·K^-1的热导率。

这些金属的较高的电阻率和较低的热导率不是非常好的适合于输送在高功率、高频应用中所涉及的高电流。与类似铜电极相比，由钨或者钼制成的电极将消耗超过三倍的热形式的电能，并且通过电极导出的该额外的热的效率将低于通过铜电极导出的大约2.5倍。增加的热产生和更低效的热传递的这种结合意味着大大增加了用于由钨或钼制成的（或涂有钨或钼）的电极的冷却需求。列出的其它金属具有比钨和钼显著更差的热/电阻性能。

发明内容

因此，本发明的目的是提供具有上文描述的增加的场强度但没有过热问题和相应的冷却需求的真空电容器。

为了解决现有技术中的上述和其它问题，本发明提出使用一个或者多个由铝制成的电极。因为它的相对柔软、它的低熔点以及与铝相关的实际困难，金属至今仍未被考虑为用于真空电容器电极的合适的电极材料。但是，现在已经确定铝的确具有电、热和表面特性的结合，其意味着和本领域技术人员的预期相反，使用铝电极比使用铜电极能实现更高的场强度，并且未引入热消耗或者增加的冷却需求的显著额外问题。

因此，本发明的目的是提供具有由真空电介质隔开的第一电极和第二电极的真空电容器，真空电容器的特征在于第一和第二电极中至少一个是由铝或铝合金制成的或者涂有铝或铝合金。

真空电容器可以是可变真空电容器，包括用于改变第一和第二电极中的至少一个的形状、定向和/或位置从而改变真空电容器的电容的电容改变装置。可替代地，真空电容器可以是固定电容真空电容器，其中第一和第二电极的形状、定向和/或位置是固定的。

根据本发明的一种变形，真空电容器包括用于包围真空电介质以及第一和第二电极的外壳，外壳至少部分地由铝制成。

外壳可以具有一个或者多个至少部分地由铝制成的电连接件、和至少部分地由陶瓷材料制成的绝缘部件。

本发明的另一目的是提供制造真空电容器的方法，真空电容器包括包围由真空电介质隔开的第一电极和第二电极的外壳，该方法包括由铝制造的第一和第二电极中的至少一个的步骤。

外壳可以包括至少一个至少部分地由铝制成的导电部件，和至少一个至少部分地由陶瓷材料制成的绝缘部件，该方法包括通过使用真空钎焊过程将导电部件接合至绝缘部件的步骤。根据本发明的方法的一个实施方式，真空钎焊过程是无焊剂钎焊过程。这种焊接过程能在不引入任何随后可能向真空室排气的材料的情况下实施。陶瓷材料可以有利地包括铝的氧化物。

根据本发明的方法的进一步变形，该方法包括以机械、化学或者电化学方式抛光第一和/或第二电极的电容表面的步骤。

特别地，第一和/或第二电极的每个电容表面被抛光成小于2微米的平均表面粗糙度级别和5微米的最大表面粗糙度级别。这过程尽可能地除去任何可能作为击穿引发区的突起。

根据本发明的另一改良，第一和/或第二电极具有被圆角处理成具有40微米的最小圆角半径的边缘。从电极几何结构除去尖角进一步降低击穿的可能性。

根据本发明的另一变形，真空电容器被制成使得：以毫米计的第一和第二电极之间的最近距离小于以千伏计的要施加在第一和第二电极间的最大电压的0.02倍。根据进一步改良，制成第一和/或第二电极、和/或外壳的导电部件的铝是至少99%的纯铝。它也可以被制备成不包含在25℃下排气率大于10^-9torr L s^-1cm^-2的物质。

具体实施方式

本发明将参照附图1被描述，附图1示出了典型可变真空电容器装置。该图示出了这样的装置，在该装置中，在真空（3）中一套静止圆筒电极（2）与一套活动圆筒电极（1）间隔插置。波纹管（7）允许活动电极的相对运动同时保持外壳（4、5、6）中的真空（3）的完整性。外壳可以包括以真空紧密方式结合或者以其它手段固定至端部元件（4、5）的陶瓷外壳壁（6），端部元件（4、5）可以由导电材料制成。

如上文描述，如果电子或者离子从电极表面射出，那么选择更大硬度和/或熔点的电极表面材料可以具有限制或者减缓雪崩击穿的发展的作用。另一方面，使用铝电极，通过不同过程减小雪崩情况的引发，即通过减小来自电极表面的电子的场发射的引发。

铝具有约28nΩ.m的电阻率（大约为铜的1.6倍）和237W·m^-1·K^-1的热导率（大约为铜热导率的三分之二）。因此，这些金属特性与铜的金属特性相当，特别是当对比前文提到的更硬、熔点更高的材料。但是，使用铝的主要优点是来自金属表面的带电电子的减小的场发射。在实验中，其中其它参数严格保持相同，判定出铝电极能实现的场强度大约为铜电极能实现的场强度的两倍。在初始测试中使用的铝是高纯的，但是使用具有其它物质的铝合金可以获得类似的增加。

其中，术语“铝”被用在该描述中和随附的权利要求中，应当理解，该术语也包括具有很大量的铝含量的铝合金。表述“由铝制成”意在包括包含大量铝的合金的使用，以及在其它材料上的铝涂层的使用。

包括铜部件和陶瓷绝缘体部件之间的真空焊接在内的各种可变真空可兼容连接工艺已在现有技术中实现，并且已经在改进以铜部件制成的真空电容器的寿命和操作环境上被证实是成功的。当选择合适材料用于电容器的导电部件时，实际制造考虑因素也起到重要作用。铜能够以相对直接的方式焊接至陶瓷绝缘体，并且铜和常用陶瓷绝缘体的相对热膨胀系数足够类似而在焊接时不会引起问题。另一方面，铝的热膨胀系数与这种绝缘体的热膨胀系数更不同，这意味着焊接工艺更困难，并且必须使用不同的焊接工艺。除了缺少对铝的有利的场发射特性的理解之外，这是为何铝至今不被选用作为真空电容器中的电极材料的重要原因。

相对于铜，使用铝的其它优势包括但是不限于：轻质、原材料的可利用性、它相对低的成本、它的机械性能以及它的合金可能性。与铝一起加工的难度至今已经使人们相信使用这种金属是没有优势的。但是，正如上文已描述，现在已经判定使用铝电极能实现的高场强度实际上证明了这种材料的使用是正确的。

定义“标准化电极”以便在是否铜或者铝将可允许较高的场强度电极上作出清楚的论述。这种实验是不明显的，因为场强度是非常复杂的现象，举几个例子来说，其不仅依赖材料类型，而且依赖电极形状和尺寸、表面粗糙度、表面的污染、金属的材料粒度以及真空中残余气体的类型和数量。在实际术语中，所谓的条件化程序有意地实施在真空电容器电极上，以通过在前文提到的参数上作用来试图改进场强度。为了判定对仅一个参数的依赖性，有必要“冻结”或者至少控制其它参数，从而使用用于实验的“标准化电极”。

在一个实验中，“标准化”电极被制造成具有除了材料本身（使用OFE铜和高纯铝）之外的公称上相同特性的所谓罗柯夫斯基电极（Rogovski profile electrodes）。使用罗柯夫斯基特性以实现沿着电极表面的均匀的场。然后高压特征在特制的真空室中被测量来重现真空电容器中电极环境，但是有利的是排除潜在的破坏性影响，例如由于陶瓷的存在而引起的那些影响，或者由于与电容器设备的更复杂的制造相关的钎焊/铜焊工艺而引起的那些影响。使用用于实验的工业上制造的设备将会导致结果的散布，所述结果难以专门地分配给一个特定的正被分析的参数（即金属的选择）。实验也被实施来比较更实际成形的同心的圆筒电极例如真空电容器中通常使用的那些，并且当用铝电极代替铜时，证实了在场强度上实质性地增加了大约2倍。

由于较高的场强度（即电击穿发生的阈电压）和其它与使用铝相关的改进，而获得更好的性能。因而，较高的应用电压能被用在新真空电容器，或者可替代地，较小的电极间的间隙可被使用，从而导致整体尺寸较小的真空电容器。显然地，优势是：能使用具有同样性能的较小的真空电容器。

尽管对于电极来说较高的场强度特别地令人满意，前文列出的铝化合物的其它优势对于电极和其它导电部件来说也具有优势。

确实，使用铝化合物正面地影响固定和可变真空电容器的特性，由于下列铝的性能：高场强度，例如由于低电子场发射、它的低密度、它的非磁性性能、它的容易的机加工和表面处理/抛光、它的相对低的成本和高可利用性、它的高真空兼容性、它的低电损耗（即使不像铜那么低）以及它高热导率（即使不像铜那么高）。此外，铝提供范围广泛的合金可能性，这允许金属的各种不同性能（熔点、刚性、焊接能力、硬度等），以被完美地调节至特定的真空电容器应用。

尽管本发明已在可变电容器（8）的背景下被描述，这仅是阐述的目的，并且发明可以同等地被应用在其它设备上例如固定真空电容器。

Claims (15)

1.一种真空电容器（8），所述真空电容器（8）具有由真空电介质（3）隔开的第一电极（1）和第二电极（2），所述真空电容器（8）的特征在于，所述第一电极（1）和所述第二电极（2）中的至少一个由铝制成。

2.根据权利要求1所述的真空电容器（8），包括用于改变所述第一电极（1）和所述第二电极（2）中的至少一个的形状、定向和/或位置从而改变所述真空电容器（8）的电容的电容改变装置。

3.根据权利要求1所述的真空电容器（8），其中，所述第一电极（1）和所述第二电极（2）的形状、定向和/或位置是固定的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的真空电容器（8），包括用于包围所述真空电介质（3）以及所述第一电极（1）和所述第二电极（2）的外壳（4、5、6），所述外壳（4、5、6）至少部分地由铝制成。

5.根据权利要求4所述的真空电容器（8），其中，所述外壳（4、5、6）设置有一个或者多个至少部分地由铝制成的电连接件（4、5）、以及至少部分地由陶瓷材料制成的绝缘部件（6）。

6.一种制造真空电容器（8）的方法，所述真空电容器（8）包括包围由真空电介质（3）隔开的第一电极（1）和第二电极（2）的外壳（4、5、6），所述方法包括由铝制造所述第一电极（1）和所述第二电极（2）中的至少一个的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，所述外壳（4、5、6）包括至少部分地由铝制成的至少一个导电部件（4、5）、以及至少部分地由陶瓷材料制成的至少一个绝缘部件（6），所述方法包括使用真空钎焊过程将所述导电部件（4、5）接合至所述绝缘部件（6）的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述真空钎焊过程是无焊剂钎焊过程。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，所述方法包括以机械、化学或者电化学方式抛光所述第一电极（1）和/或所述第二电极（2）的电容表面的步骤。

10.根据权利要求5所述的真空电容器（8）、或者根据权利要求7或8中任一项所述的方法，其中，所述陶瓷材料包括铝的氧化物。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的真空电容器（8）、或者根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，所述第一电极（1）和/或所述第二电极（2）的每个电容表面被抛光成小于2微米的平均表面粗糙度级别和5微米的最大表面粗糙度级别。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的真空电容器（8）、或者根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，所述第一电极（1）和/或所述第二电极（2）具有被圆角处理成40微米的最小圆角半径的边缘。

13.根据权利要求1至8中任一项所述的真空电容器（8）、或者根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，以毫米计的所述第一电极（1）与所述第二电极（2）之间的最近距离小于以千伏计的要施加在所述第一电极（1）与所述第二电极（2）间的最大电压的0.02倍。

14.根据权利要求1至5中任一项所述的真空电容器（8）、或者根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，制成所述第一电极（1）和/或所述第二电极（2）、和/或所述外壳的所述导电部件（4、5）的所述铝是至少99%的纯铝。

15.根据权利要求1至5中任一项所述的真空电容器（8）、或者根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，制成所述第一电极（1）和/或所述第二电极（2）、和/或所述外壳的所述导电部件（4、5）的所述铝不包含在25℃下排气率大于10^-9torr litre sec^-1cm^-2的物质。

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