CN110998768B

CN110998768B - 可变真空电容器及冷却方法

Info

Publication number: CN110998768B
Application number: CN201880037561.5A
Authority: CN
Inventors: 提埃里·奥滕霍芬; 沃尔特·比格勒; 提摩太·阿尔伯特·韦伯; 马克·缪德纳
Original assignee: Comet AG
Current assignee: Comet AG
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2018-04-13
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2038-04-13
Also published as: EP3610491B1; US11621125B2; US20200058441A1; EP3389063A1; JP2020517113A; KR20190139952A; JP7144439B2; WO2018189402A1; KR102456393B1; EP3610491A1; CN110998768A

Abstract

描述了一种可变真空电容器，其中主波纹管(21)内的油被泵(15)泵过波纹管并通过热交换器的油路(8)。水从入口(7)到出口(7')通过热交换器的冷却剂通道(6)。可伸缩的电容器驱动轴(14)是中空的并且用作导管，将油输送到(波纹管21)的底部，从而确保油通过波纹管然后通过热交换器的完整循环。泵驱动装置(9)可以是齿轮转子液压马达，其通过磁耦合部分(22)耦合到齿轮转子油泵(15)。通过波纹管泵送传热流体(油)可使电容器在更高得多的电流和/或更低的温度下工作，并显著地延长了设备的使用寿命。

Description

可变真空电容器及冷却方法

技术领域

本发明涉及适用于射频(RF)功率应用的可变真空电容器领域，例如，提供给等离子体发生器的RF功率的动态阻抗匹配。本发明尤其涉及用于冷却这种电容器的装置。

发明背景

可变真空电容器通常包括平行电极组，这些平行电极组一般通过使它们相对与彼此运动，而被设置成或多或少地重叠。一种常见的配置是固定其中一个电极，而使另一个做轴向移动。金属波纹管通常被用于提供到可移动电极的电流路径，同时允许可移动电极在所需的位移范围内移动。这种可变真空电容器可用于驱动等离子体室的电路中，例如用于工业处理中的电路，这些工业处理例如材料的表面处理或半导体制造过程中的等离子体蚀刻。要处理或蚀刻的面积越大，所需的功率就越大。需要一种可变真空电容器，该可变真空电容器可以以比目前可用的电容器大得多的功率工作和/或具有明显更长的工作寿命。

现有技术

已经开发出了这样的可变真空电容器，其能够处理大功率并在数以十万计的工作周期上可靠地进行操作，其中一个工作周期被定义为可移动电极从任何一个位置到任何一个其他位置再返回的运动。图1中示出了高功率可变真空电容器的一个示例，其类似于PCT申请WO2009033501A1中描述的可变电容器。图1的电容器具有布置在真空室4中的两组重叠电极2、3。该真空室由装置的外壁和波纹管21形成。在该示例中，电极重叠面积是通过旋转驱动轴的轴向固定部分12、13而被改变的，该轴向固定部分与该驱动轴的轴向可移动但旋转固定部分14螺纹接合。该轴通常由一个电动机(例如步进电动机)和一个机械驱动机构转动。波纹管21实现多种功能：它将电流输送到可动电极2；它提供了一个不可渗透的屏障来维持真空室中的真空；当轴14伸出时，它允许电极2向下移动；且当轴14缩回时，它提供了促使电极2向上移动的弹力。波纹管的内部充满了导热液体，例如油。由于波纹管的内部容积在可移动电极2上下移动时发生变化，因此提供了一个补偿空间10，当轴14缩回时该补偿空间可以容纳多余的油。当轴14再次伸出时，该油返回主波纹管21。补偿空间10的内部和外部均基本上处于大气压下，因此可以构造为简单的橡胶波纹管11。通过使水流过接近补偿腔空间10底部的管道6，提供了水冷，且使用热管5从波纹管21抽出热量，以将热量从主波纹管21中的油传递到水回路6的附近。通过冷却波纹管21内的油，可以扩大装置的工作功率。然而，对现代等离子工艺的需求显着增加，并且需要一种可变真空电容器，其能够以更大的功率工作而不损害其寿命。然而，虽然WO2009033501A1的电容器可以在例如450ARF电流下工作，但是需要一种电容器，该电容器可以在明显更高的电流或功率(例如650A RF电流)下工作而不会缩短设备的寿命。

由中国实用新型CN205230821U得知，使用泵使冷却剂循环通过电容器的冷却回路。然而，该文献中描述的冷却回路将不适合在真空电容器中使用。真空电容器在高真空(例如10^-7托或更高)下工作，并且CN205230821U没有提出如何使其冷却回路适合在这种环境中使用的建议。

此外，CN205230821U描述了一种用于固定电容器的冷却回路，并且没有提出使冷却回路用于冷却可变真空电容器的移动波纹管的建议。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的可变真空电容器的至少一些上述缺点。为此，在所附权利要求1中描述了根据本发明的可变真空电容器，在权利要求13中描述了根据本发明的方法。在从属权利要求中描述了本发明的其他变型。

通过将传热液体(例如油)通过波纹管泵送至热交换器，电容器可以在波纹管以更低的温度和/或更大的电流运行时工作，从而显着扩展了设备的最大功率和/或设备的使用寿命。通过在波纹管中泵送油进行冷却的另一个优点是，，波纹管的泵送冷却在比现有技术的温度范围更宽的温度范围内进行，而在现有技术的电容器中，使用热管进行的热传递在热管的设计所限定的一个较窄的温度范围内有效。本发明的主动(泵送)冷却还允许例如根据波纹管温度或波纹管电流来改变冷却速率(例如，通过改变传热流体的流速)，所述波纹管温度或波纹管电流在操作期间可能变化很大。现有技术电容器的冷却布置不能以这种方式进行控制。

以下将参考附图详细描述本发明，其中：

图1示出了如上所述的现有技术的可变真空电容器的示意图。

图2示出了根据本发明的第一实施例的可变真空电容器的一个例子的示意图。

图3示出了根据本发明的第二实施例的可变真空电容器的一个例子的示意图。

图4示出了根据本发明的第三实施例的可变真空电容器的一个例子的示意图。

图5和图6示出了可用于实现本发明的第三实施例的驱动-泵装置的示意剖视图。图6示出了通过图5的A-A线的垂直截面。图5示出了通过图6的轴线B-B的示意性平面截面。

应当注意，附图仅是为了帮助理解本发明的基本原理，而不应视为限制所寻求的保护范围。在不同的附图中使用相同的附图标记只是为了表示相似或等同的特征。但是，不应以为使用不同的附图标记表示它们代表的特征之间的任何特定区别。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的第一实施例的可变真空电容器的高度简化的示意截面图。如在图1所示的现有技术电容器中，诸如油的传热流体填充主波纹管21和膨胀波纹管11。诸如水的冷却剂从冷却剂入口7穿过冷却剂回路，通过一个或更多的冷却剂热交换通道6，到达冷却剂出口7'。提供了一个传热流体回路，用于使传热流体(例如油)循环通过热交换器的热交换通道8，从而把热量从油传递到水。

借助于泵15或类似的流体推进装置，使油循环通过传热流体回路。从泵15，油流过进料导管17，并穿过电容器驱动轴13、14的近端区域中的一个或多个开口，最好穿过与轴向可移动部分14啮合的轴的轴向静止部分13上的一个或多个开口。该轴包括从轴的近端区域延伸到远端区域的纵向流体导管16，其中油从该导管的一个或多个远端开口流出并进入波纹管21的内部。该轴的外表面和波纹管21的内表面之间的空间20被用作另一导管，该另一导管用于将油从轴的远端输送到波纹管21的顶部，从而使油在泵送的推进力的作用下沿着波纹管21的内表面循环流动。在波纹管21的顶部设置有一个或多个流体通道，以允许传热流体从波纹管21的内部空间20进入换热器的热交换通道8。油从热交换器流过回流管道18，回到泵15的入口。

如图所示，传热流体优选地从波纹管21直接流到热交换器，从而使冷却剂通道和传热流体通道8之间的温差最大化。

然而，如果将流动方向反向，则泵送冷却的设置仍将是有效的，甚至可能是有利的(请参阅下面的压降讨论)。

图3示出了本发明的第二实施例，其中，在通过波纹管循环时被加热的传热流体被泵送通过更广泛的热交换阵列。阵列的冷却剂(例如水)通道被显示为方形截面通道6，传热流体通道被显示为圆形截面通道8。这些形状的选择纯粹是出于说明的目的，以帮助区分两个单独的热交换回路；在实际的实施中通常不会出现这种差异。如图3所示的广泛的热交换阵列比图2所示的简单热交换器布置更大，并且可以有利地形成为围绕电容器真空室的外表面的护套，如图所示。这能够提供更大的冷却能力，从而能够提供更高的电容器工作功率，但又不加大电容器的物理尺寸。这使得能够用本发明的电容器代替现有的电容器而无需重新布置相邻的电路元件。由于真空电容器通常用在组件间的距离至关重要的非常高的电压下，因此重新布置组件并非易事。

热交换器被布置成使与形成通道8的主体接触的油的表面积最大化同时使由于热交换通道8的流动阻力引起的压降最小化的方式。大的压降会升高波纹管中的油的压强高于大气压的压强，从而使波纹管材料(例如不锈钢，青铜)上的压差加大到1巴以上。波纹管的使用寿命会受到其所工作在的压差的剧烈影响。在零压差下具有一百万个运动工作周期的波纹管在例如三巴的压差下会具有约20,000个工作周期。压差的小幅减小可以大大延长波纹管的使用寿命。

由于热交换器阻力而引起的压降优选小于0.5巴，更优选小于0.3巴，还更优选小于0.15巴。热交换通道8的表面积优选为至少100cm²，并且更优选为至少500cm²，并且还更优选为至少1000cm²。

通过使油的流动方向反向，可以有利地减小压降的影响，从而使在波纹管21中被加热的油首先流到泵15，然后流到热交换器，从而在波纹管中的流体处于热交换器的低压侧。

图4示出了本发明的第三实施例，其与第二实施例的不同之处只在于，图3的泵或推进装置15可以是例如电动叶轮泵的通用流体推进装置，而图4的泵是由冷却液的流动提供动力的。

更一般地考虑液体驱动的泵装置，来自第一流体/液体(例如在示例的真空电容器的情况下为水)的流动的能量被用来泵送第二流体/液体(在示例的真空电容器的情况下为传热油)。其中第一液体的流被用于泵送第二液体的这种双液体驱动/泵装置，在真空电容器冷却以外的领域中也有应用。

驱动单元9被连接在冷却剂入口管线7处(或可以被连接在出口管线7'处)，并通过驱动耦合装置22驱动机械泵15。这种布置的优点是除了冷却液管线外冷却不需要其他的连接，且它使得电容器冷却能够可靠且低维护地进行。在存在非常高电压的电路环境中，避免与电容器的额外电连接(例如到油泵的电源线)通常是有利的。以水为动力的操作具有额外的优点，即通过驱动器9的水流为该驱动器提供了冷却并间接为泵15提供了冷却。

如图4所示，泵驱动装置9、驱动耦合装置22和/或泵15可以与电容器的驱动轴同轴地布置。尽管在驱动轴12和泵/驱动部件9、22、15之间没有功能上的相互作用，但是这种布置允许将泵/驱动部件定位成使得电容器的整体尺寸和形状整齐且紧凑的方式。

泵15可以有利地被实现为诸如齿轮转子的容积泵。齿轮转子是现有技术中已知的，并且例如用于车辆发动机的油泵中。在冷却可变真空电容器的应用中，齿轮转子能够提供均匀的油循环而没有明显的压力波动或冲击，该波动或冲击可能会给波纹管21施加压力从而缩短了电容器的使用寿命。该齿轮转子具有一个中心空隙，并具有便于同轴地安装在电容器的驱动轴周围的形状，如图4所示。

类似地，泵驱动装置9可以被实施为齿轮转子液压马达，并具有与上述泵类似的优点。

齿轮转子驱动装置9在操作上简单可靠，可以将水流转换成驱动泵15的旋转能。

齿轮转子驱动装置9通过耦合部分22可旋转地连接到齿轮泵15，耦合部分22可以是常规的机械驱动耦合部分，或者可以有利地包括磁旋转耦合部分。在这样的耦合中，第一环形轴承磁铁被齿轮转子驱动装置9所转动，从而促使第二环形轴承磁铁转动，进而使齿轮泵的转子转动。磁耦合减少或消除了旋转密封的使用，而旋转密封可能是泵和驱动器的使用寿命的制约因素。

在图5和6中示出了驱动泵组件的示例，其中驱动器9和泵15都被实施为齿轮转子。图6示出了通过图5的线AA的垂直截面。图5示出了通过图6的B-B线的示意平面剖视图。驱动器9被实施为包括位于壳体30中的外转子环31和内转子环32的第一齿轮转子。泵15被实施为也布置在壳体30中的、包括外转子环31′和内转子环32′的第二齿轮转子。耦合部分22被实施为配合的磁铁环33和33′。驱动转子腔室被密封壁36与泵转子腔室分开，该密封壁36被设置成防止来自驱动转子腔室的流体进入泵转子腔室，且反之亦然。可变真空电容器的驱动轴12延伸穿过壳体30中的内部空间。磁环33、33'被配置有相互吸引的磁铁34、34'，该磁铁34、34'被设置在密封壁36的另一侧并且形成磁耦合，从而旋转其中一个磁环将导致另一个旋转。在所示的示例中，磁环分别可旋转地固定到内转子32和32'，如销35、35'所示。可选地，磁环33、33'可以可旋转地固定到外齿轮转子环31、31'。

冷却剂通过入口7被引入齿轮转子9，并通过出口7'离开。该齿轮转子的侧密封由与转子环31、32的上表面配合的上壳体壁30的内表面提供，以及由在与磁铁环33的上表面配合的转子环31、32的下表面之间提供。可替代地，或另外地，可以在这些接口处使用单独的密封元件。

在此描述的用于泵送传热流体通过真空电容器的流体驱动泵技术可被用于其中第一流体或液体的流动能够为泵送第二流体或液体提供能量的任何应用中。驱动流体和被驱动流体可以相同或不同。例如，废水流或盐水流可被用于泵送不同的流体(例如清洁水)，或者车辆的各种泵(例如，发动机冷却液，液压系统，转向系统等)可由例如来自一个油泵的油流驱动的液体驱动泵进行驱动。单个的驱动器9可被用来驱动多个泵15，所述多个泵15可以泵送多种流体，具有例如不同的齿轮转子几何参数以用于以不同的流速和压力进行泵送。如图4至图6的示例中所示的，泵可以有利地构造成使得驱动流体和被驱动流体保持分离，并且彼此不接触。这两者可以处于不同的压强、温度，或具有不同的化学成分、浓度、流速或粘度。

上述的冷却装置可包括控制装置，用于例如根据一个传感器装置的输出来改变传热流体的流速。该传感器例如可以是温度传感器或电流传感器。在该可变真空电容器中，波纹管的冷却速率可以根据在波纹管中流动的电流或波纹管中的油的温度或某些其他参数而变化。被驱动液体的流速，可以通过改变驱动液体的流速，或者通过改变齿轮转子9、15之一的几何形状，或者通过以齿轮或其他可变形式的耦合部分22，来进行改变。

Claims

1.可变真空电容器（1），包括：

波纹管（21），用于向电容器的可移动电极（2）提供电流，该波纹管围绕一定空间（20）的传热流体，以及

热交换器（6、8），其包括用于使冷却剂流过以冷却传热流体的热交换导管（6），

其特征在于：

用于驱动传热流体通过波纹管（21）的泵（15），

泵（15）被设置成在波纹管（21）和热交换器（6、8）之间驱动传热流体，

所述传热流体循环通过所述波纹管（21）和所述热交换器（6、8）的回路（8、16、20、17、18、19），

用于驱动所述泵（15）的泵驱动装置（9），其中，所述泵驱动装置（9）被布置成由流入或流出所述热交换器（6，8）的冷却剂流提供动力，所述冷却剂的流动提供了泵（15）泵送所述传热流体的能量。

2.根据权利要求1所述的电容器（1），包括用于扩展或缩回所述波纹管（21）的轴（13、14），所述轴（13、14）延伸穿过所述空间（20），其中轴（13、14）包括形成回路（8、16、20、17、18、19）的一部分的内部道管（16），且其中该内部管道（16）提供用于传热流体的、沿着空间（20）的一个近侧区域与空间（20）的一个远侧区域之间的第一方向的第一流体连通路径。

3.根据权利要求2所述的电容器（1），其中，在所述轴（14）的一个外表面与所述波纹管（21）的一个内表面之间的所述空间（20）的一个外部部分形成了第二流体连通路径，该第二流体连通路径是用于传热流体的、沿着在空间（20）的近端和远端区域之间的与第一方向相反的第二方向的。

4.根据权利要求3所述的电容器，其中，所述轴（13、14）带有在所述轴（13、14）的近端和/或远端区域处的开口，该开口用于所述内部管道（16）与所述外部部分（20）之间的流体连通。

5.根据权利要求2所述的电容器（1），其中，所述泵（15）和所述泵驱动装置（9）与所述轴（13、14）同轴地设置，使得所述轴（12）穿过所述泵（15）和泵驱动装置（9）而延伸。

6.根据权利要求5所述的电容器（1），其特征在于，所述泵驱动装置（9）和/或所述泵（15）包括齿轮转子。

7.根据权利要求6所述的电容器（1），其中，所述泵驱动装置（9）和所述泵（15）各自包括齿轮转子，且其中所述泵驱动装置（9）的转子通过磁耦合装置（34、34'）可旋转地耦合到所述泵（15）的转子。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的电容器（1），其中，所述热交换器包括一个传热体，所述传热体包括用于传热流体的一个或多个第一通道（8）和用于冷却剂的一个或多个第二通道（6）。

9.根据权利要求8所述的电容器（1），其中，所述传热体形成在所述电容器（1）的真空室（4）的外表面周围。

10.根据权利要求1-7中的任一项所述的电容器，其中，所述回路包括至所述电容器（1）的一个补偿空间（10）的流体连接。

11.根据权利要求8所述的电容器，其中，所述回路包括至所述电容器（1）的一个补偿空间（10）的流体连接。

12.根据权利要求9所述的电容器，其中，所述回路包括至所述电容器（1）的一个补偿空间（10）的流体连接。

13.一种冷却可变真空电容器（1）的波纹管（21）的方法，其特征在于：

把一种传热流体泵送通过波纹管（21），以及

在波纹管（21）和热交换器（6、8）之间泵送该传热流体，

使冷却剂流过所述热交换器（6、8）,

其中所述泵送包括用流向或来自所述热交换器（6、8）的冷却剂流驱动一个泵（15）和用所述冷却剂的流动提供泵（15）泵送所述传热流体的能量。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

使在波纹管(21)中被加热的传热流体首先流到泵（15），然后流到热交换器，从而在波纹管中的传热流体处于热交换器的低压侧。