JP7144439B2 - 真空可変キャパシタおよび冷却方法 - Google Patents

Description

発明は、例えばプラズマ発生器に供給されるＲＦ電力の動的インピーダンス整合といった無線周波数（ＲＦ）電力用途に用いるのに適した真空可変キャパシタの分野に関する。発明は、詳細には、そうしたキャパシタを冷却するための構成に関する。

真空可変キャパシタは、通常互いに対して機械的に移動させることによって大なり小なり重なるようになされた平行電極のセットを一般に備える。一般的な構成では、電極の一方は固定され、他方は、軸方向に内外に移動される。金属ベローズは、通常、可動電極が所望の変位範囲を移動するのを可能にしつつ可動電極に電流路を提供するのに用いられる。この種の真空可変キャパシタは、例えば半導体製造工程における材料の表面処理またはプラズマエッチングなどの産業プロセスに用いられるもののようなプラズマ室を駆動させるための回路に用いられ得る。処理またはエッチングされる面積が大きい程、より大きな電力が必要とされる。有意により高い電力で、かつ／または、現在利用可能なものよりも有意に長い動作寿命で動作し得る真空可変キャパシタが必要とされる。

高電力に対応可能かつ何万または何十万のデューティサイクルにわたって確実に動作可能である真空可変キャパシタが開発されている。ここで、１デューティサイクルは、可動電極の任意の１つの位置から任意の他の位置までおよび戻りの移動として規定される。高電力真空可変キャパシタの例を図１に示す。これは、ＰＣＴ出願ＷＯ２００９０３３５０１Ａ１に記載された可変キャパシタと同様のものである。図１のキャパシタは、真空室４に配置された重なり合う電極２、３の２セットを有する。真空室は、デバイスの外壁によってかつベローズ２１によって形成される。電極が重なり合う面積は、この例では、駆動軸の、軸方向に可動だが回転方向に固定された部分１４と螺合する、駆動軸の軸方向固定部１２、１３を回転させることによって変えられる。軸は、通常、電気モータ（例えばステッピングモータ）および機械駆動機構によって回転される。ベローズ２１は、複数の機能を果たす。すなわち、電流を可動電極２に搬送し；不透過性バリアを提供して真空室の真空を維持し；軸１４が延長されたとき電極２の下方移動を可能にし；軸１４が後退されたとき電極２を上方移動するように付勢するスプリング力を提供する。ベローズ内部は、油などの伝熱液体で満たされる。可動電極２が上下に移動されるにしたがってベローズの内部容積は変化するので、軸１４が後退されたとき余剰の油を収容し得る補償容積１０が設けられる。この油は、軸１４が再度延長されたとき主ベローズ２１に戻る。補償容積１０は、内部外部ともに実質的に大気圧にあり、したがって単純なゴムベローズ１１として構成され得る。補償容積１０の基部近傍にパイプ６を通して水を通過させることによって水冷却が提供され、主ベローズ２１の油から水の回路６の近傍に熱を伝達する熱パイプ５を用いてベローズ２１から熱が奪われる。ベローズ２１内の油を冷却することによって、デバイスの動作電力を拡大することができる。しかしながら、近年のプラズマ加工の需要は著しく増大しており、長寿を犠牲にすることなく、はるかにより大きな電力で動作することができる真空可変キャパシタが必要とされる。ＷＯ２００９０３３５０１Ａ１のキャパシタは４５０ＡのＲＦ電流で動作し得るが、例えば、デバイス寿命の短縮というペナルティを被ることなく有意により高い電流または電力（例えば６５０ＡのＲＦ電流）で動作し得るキャパシタが必要である。

冷却剤をキャパシタの冷却回路を通して循環させるのにポンプを用いることが中国の実用新案ＣＮ２０５２３０８２１Ｕにおいて既知である。しかしながら、この文書に記載された冷却回路は、真空キャパシタに用いるのには適さない。真空キャパシタは、高真空（例えば１０^－７トールまたはそれ以上）で動作し、ＣＮ２０５２３０８２１Ｕには、どのようにその冷却回路をそうした環境で用いるのに適合させ得るかの示唆がない。さらに、ＣＮ２０５２３０８２１Ｕは、固定キャパシタ用の冷却回路を記載しており、冷却回路を真空可変キャパシタの可動ベローズを冷却するのに適合させる示唆がない。

本発明は、従来技術の真空可変キャパシタの上記欠点の少なくとも一部を克服することを目的とする。このため、本発明による真空可変キャパシタを添付の請求項１に記載し、本発明による方法を請求項１３に記載する。発明のさらなる変形を従属請求項に記載する。

伝熱液体（例えば油）を、ベローズを通して熱交換器までポンピングすることによって、キャパシタは、ベローズをはるかにより低い温度でかつ／またははるかにより大きな電流を搬送する状態で動作することができ、それによって、デバイスの最大電力および／またはデバイスの寿命が著しく延長される。ベローズを通しての油のポンピングによる冷却のさらなる利点は、ベローズのポンプによる冷却が、従来技術のキャパシタで可能であった温度範囲よりも広い温度範囲にわたって作用することである。従来技術のキャパシタでは、熱パイプを用いる伝熱は、熱パイプの設計によって規定される、より狭い温度範囲にわたって有効であった。発明のアクティブな（ポンプによる）冷却はまた、例えば動作中に大きく変化し得るベローズの温度またはベローズの電流次第で、冷却率を変えることを可能とする（例えば、伝熱流体の流速を変えることによって）。従来技術のキャパシタの冷却構成は、このようには制御可能ではなかった。

本発明は、添付図面を参照して詳細に記載されることになる。

上述のような従来技術の真空可変キャパシタの概略図である。 発明の第１の実施形態による真空可変キャパシタの例の概略図である。 発明の第２の実施形態による真空可変キャパシタの例の概略図である。 発明の第３の実施形態による真空可変キャパシタの例の概略図である。 発明の第３の実施形態を実装するのに用いられ得る例示的な駆動部－ポンプ構成の概略断面図である。図５は、図６の軸Ｂ－Ｂの概略平面断面図である。 発明の第３の実施形態を実装するのに用いられ得る例示的な駆動部－ポンプ構成の概略断面図である。図６は、図５の軸Ａ－Ａの鉛直断面図である。

図は単に、本発明の基礎となる原則を理解する助けとして提供されるものであり、対象としている保護の範囲を限定するとして把握されるべきではないことに留意すべきである。同一の参照番号が異なる図で用いられる場合、これらは、同様のまたは同等の特徴を示すことが意図される。しかしながら、異なる参照番号の使用が、参照する特徴の間の特定の差異を示すことを意図すると推測されるべきでない。

図２は、発明の第１の実施形態による真空可変キャパシタの非常に単純化された概略断面図を示す。油などの伝熱流体が、図１に示す従来技術のキャパシタのように、主ベローズ２１および拡張ベローズ１１を満たす。水などの冷却剤が、冷却剤入口７から１つ以上の冷却剤熱交換チャネル６を通って冷却剤出口７’まで冷却剤回路を通過する。熱が油から水に伝達されるように、伝熱流体（例えば油）を熱交換器の熱交換チャネル８を通して循環させる伝熱流体回路が設けられる。

油は、ポンプ１５または同様の流体推進手段により、伝熱流体回路を通して循環される。ポンプ１５から、油は、供給導管１７を通って循環し、キャパシタ駆動軸１３、１４の近位領域における―好ましくは、軸方向可動部１４と係合する、軸の軸方向静止部１３における１つ以上の開口を通過する。軸は、軸の近位領域から遠位領域まで延在する長手方向流体導管１６を備え、そこでは、油は、導管からベローズ２１の内部容積内へと１つ以上の遠位開口を通って出ていく。軸の外面とベローズ２１の内面との間の空間２０は、油がベローズ２１の内面に沿って、ポンピングされる推進力の下で循環するように、油を軸の遠位端からベローズ２１の上部まで運搬するもう１つの導管として機能する。伝熱流体がベローズ２１の内部容積２０から熱交換器の熱交換チャネル８内へ通過することを可能にする１つ以上の流体路が、ベローズ２１の上部に設けられる。熱交換器から、油は、戻し導管１８を通って流れ、ポンプ１５の入口に戻る。

例示するように、伝熱流体は、冷却剤チャネルと伝熱流体チャネル８の温度差が最大化されるように、ベローズ２１から熱交換器に直接流れることが好ましい。しかしながら、ポンピングされる冷却構成は、流れ方向が反転されたとしてもなお有効であり得、かつ利点を有しさえし得る（以下の圧力降下の論述を参照）。

図３は、ベローズを通って循環されながら加熱される伝熱流体が、より広範囲の熱交換マトリクスを通ってポンピングされる、発明の第２の実施形態を示す。マトリクスの冷却剤（例えば水）チャネルは、正方形セクションチャネル６として例示され、伝熱流体チャネルは、円形セクションチャネル８として例示される。これらの形状は、２つの別々の熱交換回路の区別を助けるために単なる例示的な目的で選択されたものであり、すなわち、そうした差異は、通常、実際の実装に存在しない。図３に例示された広範囲の熱交換マトリクスは、図２に例示された単純な熱交換器構成よりも巨大であり、示すように、キャパシタの真空室の外面周りにジャケットとして有利に形成され得る。このことは、キャパシタの物理的な専有面積を増大させずに、はるかにより優れた冷却能力、したがってキャパシタのはるかにより高い動作電力を可能にする。このことは、隣接する回路要素の再構成を必要とせずに、既存のキャパシタの、本発明のキャパシタによる置換を可能とする。真空キャパシタは、通常、非常に高い電圧で用いられ、構成要素間の距離は重大なので、構成要素の再構成は重要なタスクである。

熱交換器は、チャネル８が形成される本体と接触する油の表面積を最大化し、一方で熱交換チャネル８の流れ抵抗による圧力降下を最小化するように構成される。大きな圧力降下は、ベローズの油の圧力を大気圧より高く上昇させ得、それによって、ベローズの材料（例えばステンレス鋼、青銅）の圧力差を１バールより大きく上昇させ得る。ベローズの動作寿命は、動作における圧力差に強く影響される。圧力差ゼロにおける１００万回の移動のデューティサイクルを有するベローズは、例えば３バールの圧力差における約２０，０００のデューティサイクルを有し得る。圧力差を少し低減させることにより、ベローズの動作寿命は大きく延長され得る。

熱交換器の抵抗による圧力降下は、好ましくは０．５バール未満であり、より好ましくは０．３バール未満であり、さらにより好ましくは、０．１５バール未満である。熱交換チャネル８の表面積は、好ましくは少なくとも１００ｃｍ^２であり、より好ましくは少なくとも５００ｃｍ^２であり、さらにより好ましくは少なくとも１０００ｃｍ^２である。

ベローズ２１で加熱された油がまずポンプ１５にそしてそこから熱交換器に通過した結果、ベローズにおける流体が熱交換器に比べて低い圧力側となるように、油の流れの方向を反転することによって、圧力降下の影響は有利に低減され得る。

図４は、図３のポンプまたは推進手段１５が電気インペラーポンプといった一般的な流体推進デバイスであり得るのに対して図４のポンプは冷却剤の流れを動力とする点以外は、第２の実施形態と同様である、発明の第３の実施形態を示す。液体駆動ポンプ構成をより全般的に検討すると、第１の流体／液体（例えば、例示的な真空キャパシタの場合は水）の流れによるエネルギーを用いて、第２の流体／液体（例示的な真空キャパシタの場合は伝熱油）をポンピングする。第１の液体の流れを第２の液体をポンピングするのに用いるそうした２液駆動部／ポンプ構成はまた、真空キャパシタの冷却以外の分野にも用途を有する。

駆動ユニット９は、７において冷却剤入口ラインで接続され（または７’において出口ラインで接続され得）、駆動部結合手段２２を介して機械式ポンプ１５を駆動する。この構成は、冷却剤ライン以外に冷却に他の供給接続部を必要としないという利点を有し、キャパシタ冷却の確実なかつあまり手のかからない動作を可能とする。非常に高い電圧が存在する回路環境において、油ポンプへの電力供給部といった、キャパシタへのさらなる電気接続を回避することは、一般に有利である。水を動力とする動作は、駆動部９を通る水の流れが駆動部に対して、そして間接的にポンプ１５に対して冷却を提供するというさらなる利点を有する。

図４に示すように、ポンプ駆動手段９、駆動部結合手段２２、および／またはポンプ１５は、キャパシタの駆動軸と同軸上に配置され得る。駆動軸１２とポンプ／駆動部構成要素９、２２、１５の間に機能的な相互作用はないが、この配置は、後者が、キャパシタの全体的なサイズおよび形状を整わせかつコンパクトにするように位置決めされることを可能にする。

ポンプ１５は、ジェロータなどの容積式ポンプとして有利に実装され得る。ジェロータは、従来技術において既知であり、例えば、車両エンジンの油ポンプに用いられる。真空可変キャパシタの冷却への適用において、ジェロータは、ベローズ２１に圧力を加えそれによってキャパシタの動作寿命を短縮し得る著しい圧力変動または衝撃なしに、均一な油の循環を可能にする。中央空孔を有するジェロータはまた、図４に示すようにキャパシタの駆動軸周りで同軸上に取り付けるのに便利な形状である。

同様に、ポンプ駆動手段９は、ポンプに対して上述されたものと同様の利点を有するジェロータ油圧モータとして実装され得る。ジェロータ駆動部９は、動作において簡潔かつ確実なので、ポンプ１５に動力を供給するために、水の貫流を回転エネルギーに変換し得る。

ジェロータ駆動部９は、従来の機械式駆動部結合部であり得るまたは磁気回転結合部を有利に備え得る結合部２２によって、ジェロータポンプ１５に回転接続される。そうした結合部では、第１のリングベアリング磁石が、ジェロータ駆動部９によって回転され、それによって、第２のリングベアリング磁石を付勢して回転させ、ポンプジェロータのロータを回転させる。磁気結合部により、ポンプおよび駆動部の動作寿命の制限因子となり得る回転シールの使用が低減または排除される。

駆動部９およびポンプ１５の両方がジェロータとして実装されている駆動部－ポンプアセンブリの例が図５および６に例示される。図６は、図５の軸Ａ－Ａの鉛直断面図を示す。図５は、図６の軸Ｂ－Ｂの概略的な平面断面図を示す。駆動部９は、ハウジング３０に配置された外部回転リング３１および内部回転リング３２を備える第１のジェロータとして実装される。ポンプ１５は、やはりハウジング３０に配置された外部回転リング３１’および内部回転リング３２’を備える第２のジェロータとして実装される。結合部２２は、協働する磁石リング３３および３３’として実装される。駆動部回転室は、駆動部回転室からの流体がポンプ回転室に入り込むことおよびその逆を防ぐように構成されている密封壁部３６によって、ポンプ回転室から分離される。真空可変キャパシタの駆動軸１２は、ハウジング３０の内部空孔を通って延在する。磁石リング３３、３３’は、密封壁部３６の対向側部に配置されかつ磁石リングの一方を回転させると他方が回転するように磁気的に結合された相互に引き合う磁石３４、３４’を備える。例示された例では、磁石リングは、それぞれ、ピン３５、３５’で示されるように、内部ロータ３２および３２’に回転固定される。代替として、磁石リング３３、３３’は、外部ジェロータリング３１、３１’に回転固定され得る。

冷却剤は、入口７を介してジェロータ９内に導入され、出口７’を介して出ていく。ジェロータのサイドシールは、回転リング３１、３２の上面と係合する上部ハウジング壁部３０の内面によってかつ磁石―リング３３の上面と係合する回転リング３１、３２の下面の間に設けられる。代替としてまたは追加して、別々の密封要素をこれらの接触面に用いることができる。

真空キャパシタを通して伝熱流体をポンピングするための、ここで記載されている流体駆動ポンプ技術は、第１の流体または液体の流れが第２の流体または液体をポンピングするためのエネルギーを提供するのに利用可能である任意の用途で用いられ得る。駆動流体および被駆動流体は、同一または異なるものであり得る。例えば、排水流または塩水流が、異なる流体（例えば清浄水）をポンピングするのに用いられ得、または、車両の様々なポンプ（例えば、エンジン冷却剤、油圧、ステアリングなど）が、例えば油ポンプからの油の流れによって駆動される液体動作ポンプによって駆動され得る。単一の駆動部９が、例えば異なる流速および圧力でポンピングを行う異なるジェロータ形状を有する、複数の流体をポンピングするように構成され得る複数のポンプ１５を駆動するのに用いられ得る。ポンプは、駆動流体および被駆動流体が分離されたままで互いと接触しないように、図４～６の例のように有利に構成され得る。２つは、異なる圧力、温度であり得、または、異なる化学組成、濃度、流速もしくは粘度を有し得る。

上述の冷却構成は、例えばセンサ手段の出力次第で、伝熱流体の流速を変える制御手段を備え得る。センサは、例えば温度センサまたは電流センサであり得る。真空可変キャパシタにおいて、ベローズの冷却速度は、ベローズを流れる流れ、またはベローズの油の温度、または何らかの他のパラメータにしたがって変わり得る。被駆動液体の流速は、駆動液体の流速を変えることによって、または、ジェロータ９、１５のうちの１つの形状を変えることによって、または歯車付きもしくはその他の可変結合部２２を用いることによって変えられ得る。

Claims (12)

1. 真空可変キャパシタであって、
   電流を前記真空可変キャパシタの可動電極に供給するベローズであって、前記ベローズによって囲まれた空間が伝熱流体によって満たされた前記ベローズと、
   前記伝熱流体を冷却するように冷却剤が流れる熱交換導管を備える熱交換器と、
   前記伝熱流体を、前記ベローズを通して推進させるように構成されているポンプと、
   前記ポンプを駆動するためのポンプ駆動手段と、を備える、前記真空可変キャパシタであり、
   前記ポンプが、前記伝熱流体を前記ベローズと前記熱交換器との間に推進させるように構成されており、
   前記ポンプ駆動手段は、前記熱交換器へのまたは前記熱交換器からの前記冷却剤の流れを用いて動力とするように構成されていることを特徴とする、真空可変キャパシタ。
2. 前記伝熱流体を前記ベローズおよび前記熱交換器を通って循環させる回路を備える、請求項１に記載の真空可変キャパシタ。
3. 前記ベローズを延長または後退させるための第１軸を備え、前記第１軸は、前記空間を通って延在し、前記第１軸は、前記回路の一部を形成する内部導管を備え、前記内部導管は、前記空間の近位領域と前記空間の遠位領域との間に第１の方向において前記伝熱流体の第１の流体連絡路を提供する、請求項２に記載の真空可変キャパシタ。
4. 前記第１軸の外面と前記ベローズの内面との間の前記空間によって、前記空間の近位領域と遠位領域との間に、前記第１の方向と対向する第２の方向において前記伝熱流体の第２の流体連絡路を形成する、請求項３に記載の真空可変キャパシタ。
5. 前記第１軸は、前記内部導管と前記第２の流体連絡路との間の流体連絡用に、前記第１軸の近位および／または遠位領域に開口が設けられている、請求項４に記載の真空可変キャパシタ。
6. 前記ポンプおよび前記ポンプ駆動手段は、第２軸が前記ポンプおよび前記ポンプ駆動手段を通って延在するように、前記第１軸と同軸上に配置されている、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の真空可変キャパシタ。
7. 前記ポンプ駆動手段および／または前記ポンプがジェロータを備える、請求項６に記載の真空可変キャパシタ。
8. 前記ポンプ駆動手段および前記ポンプが各々ジェロータを備え、前記ポンプ駆動手段のロータは、磁気結合手段によって前記ポンプのロータに回転結合されている、請求項７に記載の真空可変キャパシタ。
9. 前記回路が、ゴムベローズによって囲まれた補償容積への接続部を備える、請求項２乃至８のいずれか一項に記載の真空可変キャパシタ。
10. 前記熱交換器が、前記伝熱流体用の１つ以上の第１のチャネルおよび前記冷却剤用の１つ以上の第２のチャネルを備える伝熱本体を備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の真空可変キャパシタ。
11. 前記伝熱本体が、前記真空可変キャパシタの真空室の外面の周りに形成されている、請求項１０に記載の真空可変キャパシタ。
12. 真空可変キャパシタのベローズを冷却する方法であって、
    伝熱流体を前記ベローズを通してポンピングすることと、
    前記伝熱流体を前記ベローズと熱交換器との間にポンピングすることと、
    冷却剤を前記熱交換器を通して通過させることと、を備え、
    前記ポンピングすることは、前記熱交換器へのまたは前記熱交換器からの前記冷却剤の流れを用いてポンプを駆動することを備えることを特徴とする、方法。

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