DE10008484C2

DE10008484C2 - Kühlbare Hochfrequenz-Luftspule

Info

Publication number: DE10008484C2
Application number: DE2000108484
Authority: DE
Inventors: Roland Dahl; Manfred Weiler
Original assignee: CCR GmbH Beschichtungstechnologie
Current assignee: CCR GmbH Beschichtungstechnologie
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: DE10008484A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verlustarme Hochstrom-Hochfrequenz(RF)- Luftspule, d. h. eine kernfreie Spule, die als induktive Komponente in Hochfrequenz- Impedanz-Anpaßnetzwerken Verwendung findet.

Herkömmliche, für hohe Ströme geeignete Hochfrequenz(RF)-Luftspulen, die z. B. als Übertrager in Impedanz-Anpaßnetzwerken dienen, werden oft aus einem metallischen Band oder einem Metallstreifen hergestellt. Bei Hochfrequenz verteilt sich aufgrund des sogenannten Skin-Effektes der Stromfluß nicht mehr über den gesamten Leiterquerschnitt, sondern nur noch auf einen, nur wenige Mikrometer dicken Bereich an der Oberfläche. Um die dadurch auftretenden Leistungsverluste zu verringern, wird eine durch die Verwendung breiter Bänder möglichst große Leiterbahn-Oberfläche der Spulen angestrebt. Deshalb sind diese Spulen sehr groß.

Problematisch bei diesen Spulen ist weiterhin, daß eine Kühlung nur indirekt, z. B. durch ein Gebläse und damit ineffizient erfolgen kann. Bei sehr hohen Leistungs werten kann eine erhebliche Erwärmung aufgrund des ohmschen Widerstandes nur unzureichend verhindert werden. Infolge der Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstandes führt diese Erwärmung somit wiederum zu einer weiteren Erhöhung des ohmschen Widerstandes und zu einem erhöhten Leistungsverlust.

Um die ohmschen Leistungsverluste zu vermindern, benutzt man als Leiter materialien Werkstoffe mit sehr hoher Leitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer oder Kupferlegierungen. Ist die Oberfläche des Leiters dem Einfluß von Sauerstoff oder Stickstoff, z. B. aus der Atmosphäre, ausgesetzt, so können sich an der Leiter oberfläche die entsprechenden Oxide oder Nitride ausbilden, die im allgemeinen sehr schlecht leitfähig sind. Weil die hochfrequenten Ströme nur in einem wenige Mikrometer dicken Bereich an der Leiteroberfläche fließen, ergeben sich durch diese Oxid- oder Nitrid-Schichten weitere ohmsche Verluste. Derartige Spulen sind somit mit erheblichen Leistungsverlusten behaftet.

Kühlbare Hochfrequenz-Luftspulen, die als Rohr ausgebildet sein können, durch das ein Kühlmittel, z. B. Wasser, strömen kann, sind aus der DE 36 32 340 C2 bekannt.

Aus der DE 29 29 209 C2 ist ferner eine Spulenanordnung bekannt, bei der zur Gewährleistung guter elektrischer Leitfähigkeit ein mit Lackisolierung versehener, gegebenenfalls mit Silber beschichteter Kupferdraht verwendet wird.

Für elektrische Kontaktelemente ist es schließlich aus der DE 42 43 570 C1 bekannt, eine Schichtfolge aus einem unedlem Metall, einer Zwischenschicht aus Nickel und einer äußeren Oberfläche aus Gold vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verlustarme Hochfrequenz(RF)- Luftspule, die dauerhaft eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, vorzugs weise für den Einsatz im Hochstrombereich (ca. 10-500 A), mit kompakter räumlicher Anordnung bereitzustellen.

Die Lösung der Aufgabe durch die Erfindung besteht darin, eine kühlbare Hochfrequenz-Luftspule in Form eines Rohres aus einem unedlen Metall mit geringem elektrischem Widerstand bereitzustellen, die mindestens an ihrer äußeren Oberfläche mit einer Schicht aus Gold oder einem Platinmetall, z. B. Platin, versehen ist, wobei zwischen dieser Schicht und dem unedlen Metall eine Diffusionssperre als geschlossene Schicht aufgebracht ist.

Damit wird vermieden, daß sich aufgrund des Einflusses von Reaktivgasen wenig leitfähige Schichten an der Oberfläche der Hochfrequenz(RF)-Luftspule ausbilden.

Das unedle Metall des Rohres besteht vorteilhafterweise aus Kupfer, Eisen, Zink, Aluminium oder deren Legierungen wie z. B. Messing. Das Rohr kann einen beliebigen Querschnitt haben. Dieser ist nicht auf eine Kreisform festgelegt, sondern kann auch quadratisch oder rechteckförmig ausfallen.

Werden Edelmetalle, z. B. Gold oder Platin, auf unedle Metalle, z. B. Kupfer oder Messing, aufgebracht, so besteht die Gefahr, daß das Edelmetall in das Trägermaterial oder das Trägermaterial in das Edelmetall hineindiffundiert. Das hat zur Folge, daß die Leitfähigkeit an der Oberfläche aus den für das unedle Metall genannten Gründen abnimmt. Der Diffusionsvorgang kann mittels einer Diffusionssperre, z. B. einer hauchdünnen Schicht aus Nickel, die vor dem Aufbringen der chemisch-inerten Metallschicht auf das unedle Metall aufgetragen wird, verhindert werden. Somit ist die Langzeitstabilität der äußeren Metallschicht sichergestellt. Beide Schichten können plasmachemisch oder galvanisch und vorzugsweise als geschlossene Schicht einer Dicke von 10 nm bis 10 µm, vorzugsweise 1 µm, aufgebracht sein.

Zur Kühlung wird die Hochfrequenz-Luftspule von einem flüssigen Medium, vorzugsweise mit Wasser, durchspült.

Die Spule kann schrauben- oder spiralförmig gewickelt sowie im letzteren Fall gleichzeitig sphärisch gewölbt sein. Der Durchmesser der Spulen liegt vorzugsweise zwischen 10 und 100 mm.

Durch die vorgenannten Maßnahmen oder Merkmale werden die elektrischen Leistungsverluste der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Luftspule minimiert und eine kompakte räumliche Anordnung der Luftspule ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Luftspule eignet sich besonders gut als Bauteil in einem Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk wie es in der gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereichten Patentanmeldung "Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk" mit der Nummer DE 100 08 485 A1 der Firma CCR GmbH Beschichtungstechnologie beschrieben ist. Es kann auch in einer Hochfrequenz-Plasma- oder -Ionenquelle eingesetzt werden wie sie in der gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereichten Patentanmeldung "Hochfrequenz-Plasmaquelle" mit der Nummer DE 100 08 482 A1 der Firma CCR GmbH Beschichtungstechnologie beschrieben ist.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Zeichnungen verdeutlicht:

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Hochfrequenz(RF)-Luftspule,

Fig. 2 zeigt eine schraubenförmig gewickelte Hochfrequenz(RF)-Luftspule,

Fig. 3 zeigt eine spiralförmig gewickelte Hochfrequenz(RF)-Luftspule,

Fig. 4 zeigt eine spiralförmig gewickelte und sphärisch gewölbte Hochfrequenz (RF)-Luftspule.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Kupferrohr (3) mit rundem Querschnitt, aus dem die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Luftspule geformt werden kann. Das Metall rohr ist mit einer geschlossenen als Diffusionssperre dienenden Nickelschicht (2) versehen. Auf diese Schicht ist eine Schicht (1) aus Gold aufgebracht. Durch den Kühlkanal (4) kann die Luftspule im Betrieb von einem flüssigen Medium, vorzugs weise mit Wasser, durchströmt werden.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen mögliche Bauformen von Hochfrequenz-Luftspulen gemäß der Erfindung. Diese bestehen vorzugsweise aus einem schraubenförmig (Fig. 2) oder spiralförmig (Fig. 3) gewickelten Metallrohr. Die spiralförmig gewickelte Spule kann zusätzlich auch sphärisch gewölbt sein (Fig. 4).

Bezugszeichenliste

1

chemisch-inerte Metallschicht

2

Diffusionssperre

3

Metallrohr

4

Kühlkanal

Claims

1. Kühlbare Hochfrequenz-Luftspule in Form eines Rohres aus einem unedlen Metall mit geringem elektrischem Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens an ihrer äußeren Oberfläche mit einer Schicht aus Gold oder einem Platinmetall versehen ist und daß zwischen dieser Schicht und dem unedlen Metall eine Diffusionssperre als geschlossene Schicht aufgebracht ist.

2. Hochfrequenz-Luftspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie an ihrer gesamten Oberfläche mit einer Schicht aus Gold oder einem Platinmetall versehen ist und daß zwischen dieser Schicht und dem unedlen Metall eine Diffusionssperre als geschlossene Schicht aufgebracht ist.

3. Hochfrequenz-Luftspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Platinmetall Platin ist.

4. Hochfrequenz-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schicht aus Gold oder dem Platinmetall plasmachemisch oder galvanisch aufgebracht worden ist.

5. Hochfrequenz-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schicht aus Gold oder dem Platinmetall eine Dicke von 10 nm bis 10 µm, vorzugsweise 1 µm, hat.

6. Hochfrequenz-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das unedle Metall des Rohres aus Kupfer, Eisen, Zink, Aluminium oder deren Legierungen besteht.

7. Hochfrequenz-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Diffusionssperre aus Nickel besteht.

8. Hochfrequenz-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Diffusionssperre eine Dicke von 10 nm bis 10 µm, vorzugs weise 1 µm, hat.

9. Hochfrequenz-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß sie mit einem flüssigen Medium, vorzugsweise mit Wasser, gekühlt werden kann.

10. Hochfrequenz-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß sie schraubenförmig gewickelt ist.

11. Hochfrequenz-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß sie spiralförmig gewickelt ist.

12. Hochfrequenz-Luftspule nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie sphärisch gewölbt ist.

13. Hochfrequenz-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Durchmesser der Spulen zwischen 10 und 100 mm liegt.

14. Verwendung einer Hochfrequenz-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Hochfrequenz-Impedanz-Anpaßnetzwerk.

15. Verwendung einer Hochfrequenz-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Hochfrequenz-Plasma- oder -Ionenquelle.