KR101811406B1 - 가변 진공 커패시터 - Google Patents
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Abstract
이동하는 부분들이 임의의 고정 부분들과 전기적 연결을 요구하지 않도록 두 쌍의 전극들이 서로 뭉치는 가변 진공 커패시터가 기술된다. 이동가능한 전극들의 두개의 세트, 또는 뭉침(gang)들은 함께 이동하고, 장치의 다른 부분들로 전기적 연결을 필요로 하지 않도록 기계적 및 전기적으로 서로 연결된다. 상기 뭉친 배열은, 상기 장치의 전체 길이의 상당한 증가 없이, 상기 장치가 작은 용적으로 구축될 수 있다는 것을 의미한다.
Description
본 발명은 가변 진공 커패시터에 관한 것으로서, 특히, 그러나 이에 한정된 것은 아닌, 동력화된(motorized) 가변 진공 커패시터에 관한 것이다.
진공 커패시터는 바람직하게는 진공 밀봉재(vacuum-tight enclosure)와 상기 진공 밀봉재 내의 전도성 표면(전극)의 커패시턴스 생성 어렌지먼트로 이루어진다. 내부 용적(volume)은 매우 낮은 압력(바람직하게는 10-6 mbar이하)으로 압력을 받고(pumped down), 상기 진공 밀봉재에 의하여 상기 장치의 전체 수명에 걸쳐 (바람직하게는 수년) 낮게 유지된다. 상기 진공은 전극들이 전기적으로 좋게 절연되도록 하고, 상기 장치의 유전성 손실(dielectric losse)을 대단히 적게 한다.
상기 진공 밀봉재는 바람직하게는 진공-밀봉 수단내에서 절연 피스(piece) (종종 원통형 세라믹 피스)에 부착된 두개의 전도성 이음고리(collars)로 만들어진다(그것은 또한 장치의 전기 터미널로서 제공된다). 진공 커패시터는 고정되거나(fixed)(예를 들어, 제조 이후 커패시턴스의 조정을 할 수 없는), 또는 바람직하게는 익스팬션 조인트(expansion joint)(예를 들어, 풀무(bellows))를 사용하여 하나의 전극이 다른것들과 관련하여 이동함으로써 커패시턴스 값이 가변될 수 있는 가변 진공 커패시터로 만들어질 수 있다. 익스팬션 조인트는 바람직하게는 모터와 몇몇 제어 메커니즘 형태를 포함하는 드라이브 시스템에 의하여 구동(driven)된다. 상기 모터는 종종 상기 가변 진공 커패시터에 개별적으로 추가되어 제조된다. 그러나, 가변 진공 커패시터는 가변 전극(및 커패시턴스 값)을 구동하고 제어하는 방법을 제외하면 그 기능을 발휘할 수 없다
가변 진공 커패시터들은 일반적으로 반도체, 태양 및 플랫 패널 제조 설비 내에서의 플라즈마 제어 공정(소위 임피던스 매칭 네트워크라 하는) 뿐만 아니라, 브로드캐스팅(broadcasting)을 포함하여 적용(고 전력 전송 오실레이션 회로 내에서)된다. 상기 가변 진공 커패시터의 커패시턴스값의 조정은 어플리케이션의 임피던스 값으로 전원(Power supply) 출력 임피던스를 수정(modifying) 및 매칭(matching) 가능하게 한다.
전기 회로의 임의의 부분은 선택적으로(alternative) (AC) 전류의 진폭(amplitude) 및 위상(phase)에 응답한다. 상기 응답 (예를 들어, 그것이 상기 전류의 진폭 및/또는 위상을 어떻게 변화시키는지)은 실제 부분과 비실제(imaginary) 부분으로 만들어진 (수학적인 문장의) 복잡한 숫자인 임피던스에 의하여 기술된다.
고 주파수 전원은 표준화된 임피던스 값을 갖도록 제조된다. 상기 표준화된 임피던스는 50옴(Ohm) 이다.
회로의 “로드”로 일컬어지는 고 주파수 어플리케이션들(플라즈마 프로세스들(plasma processes)과 같은)은 임의의 임피던스 값(a+bj)을 가질수 있다. 여기에서 상기 a 및 b는 어떠한 실제의 숫자(real numbers)들이 될 수 있으며, 상기 j는 그 제곱이 -1과 같은 수학적인 숫자로서 정의된다. 바람직한 반도체, 태양, 또는 플랫 패널의 제조는 연속적으로 그리고 동적으로 상기 전원의 고정된 임피던스와 매치하는(matched) 가변 로드 임피던스로 해석되는(translates) 다양한 플라즈마 공정의 연속(succession)을 필요로 한다
임피던스 매칭 네트워크에서, 가변 진공 커패시터의 기능은 매 순간 이하의 순서(상기 어플리케이션에 의하여 생성된 모든 로드들을 위한)를 따른다.
Zpower supply = Zmatching network(C, …) + Zload, 임의의 (시간-가변) 로드의 경우
50+0j = Zmatching network(C, …) + a+jb, 시간-가변 로드의 임의의 a, b 값들의 경우
여기에서 Z는 고-주파수 회로 부분(part)의 복잡한 임피던스 값을 나타낸다. (상기 부분은 인덱스로 도시된다.)
상기 매칭 네트워크의 임피던스(Zmatching network(C, …))는 가변 진공 커패시터의 커패시턴스값(C)의 함수(function)이고, 또한, 유도(inductive), 또는, 저항, 또는 다른 전기용량성(capacitive) 요소들과 같은, 상기 매칭 네트워크의 다른 요소들의 함수가 될 수 있다.
만일, 상기 로드가 매 순간 적절히 매치되지 않는다면, 전원으로부터의 전기는 상기 로드로 원만히 전송되지 않는다. 원치않은 결과는 에너지 손실 또는 상기 전원을 파괴시킬 수 있는 에너지 반사를 포함한다. 가변 진공 퍼캐시터의 값을 적절하게 조절함으로써, 매칭(matching) 네트워크의 임피던스는 전원으로부터 로드로 최적의 전력을 전송하기 위하여 조절될(tuned) 수 있다.
이동 가능한 전극(때때로 “가변 전극”으로 일컬어짐)을 이동한다는 것의 의미는 상기 장치와 분리되어 추가된다는 것이거나(separate addition), 또는 상기 장치로 통합된 것일 수 있다. 통합되는 경우, 상기 가변 진공 커패시터는 때때로 “동력화된 가변 진공 커패시터”로서 명확하게 참조된다. 가변 진공 커패시터 장치의 크기 또는 속도 또는 다른 특성을 비교하는 경우, 전체 시스템이 “모터 + 가변 커패시터 장치”로 만들어졌고, 어플리케이션에서 이것들이 요구되는지 항상 고려되어야 한다.
공지된 가변 진공 커패시터들은 일반적으로 벨로우를 가지며, 상기 벨로우는 이하의 세가지 기능을 제공해야 한다. 그것은 신뢰할 수 있는 진공 실(seal)을 제공해야 한다. 그것은 이동가능한 전극들의 이동을 허용하도록 연장하고 수축할 수 있어야 한다. 그리고 그것은 전기적으로 고 주파수 전류를 터미널로부터 이동가능한 전극으로 이동시킬 수 있어야(carry) 한다. 이것들은 상기 벨로우를 위한 물질의 선택을 예를 들어, 전기적 특성 및 기계적 특성을 위하여 동시에 최적화되어야 한다는 것과 같이, 대단히 적은 옵션들로 제한한다. 물질의 선택이 좋다 하더라도, 상기 벨로우를 따라 흐르는 전류의 긴 경로는 상기 장치의 대단히 중요한 부분 내의 상당한 전기적 손실을 가져올 수 있고, 따라서, 요구되지 않은 열과 추가적인 기생(parasitic) 전기 저항성을 전기용량성 장치로 생성한다. 이러한 상승한 온도 및 열 사이클링(cycling)은 익스팬션 조인트(expansion joint)의 총 듀티 사이클 수를 감소시킬 것이고, 따라서, 상기 가변 진공 커패시터의 가동 수명을 감소시킨다.
일본 특허 출원 JP10284347A는 전술한(aforementioned) 단점을 완화시키기 위하여 두개의 벨로우를 사용하는 가변 진공 커패시터를 제안한다. 반면, 특허 문서 US6473289 (B1)는 벨로우를 완전히 제거하고(eliminate), 그 기능을 다른 부분들과 진공 밀봉재 내의 전극들의 다른 레이아웃(layout)과 함께 대신하는 것을 제안한다.
특허 출원 US2005052820A은 방사상 방향 내에서 서로 인접하게 배열된 전극들의 두 직렬 세트의 사용을 제안한다. 이 배열은 가변 전극들의 이동과 수직인 평면 내에서 큰 공간이 요구되기 때문에, 결과적으로 상당히 큰 지름의 장치를 야기한다(합리적인 고 커패시턴스 값을 달성하도록). 이 설계는 도 2을 참조로 이하에 더 상세하게 기술된다.
특허 출원 US3611075 A에 기술된 두개의 고정된 전극들과 두개의 가변 전극들이 방사상 방향으로 서로 바로 옆에 위치된 가변 진공 커패시터는 동일한 단점을 가지고 있다. 주어진 장치의 지름을 위하여, 달성될 수 있는 커패시턴스는 따라서, 직렬 연결된 전극 세트들을 사용하지 않는 종래의 설계들 내에서는 열등하다(inferior). US2005052820A 및 US3611075에 기술된 장치의 다른 단점은 전극들의 내부 세트의 전극 반경(radii)이 실질적으로 전극들의 외부 세트의 반경과 다르기 때문에, 외부 및 내부 전극 세트들을 동일한 커패시턴스를 갖도록 제조하기 어렵다는데 있다. 예를 들어, 내부 전극의 회전 수 및/또는 길이는 외부 전극들의 그것과 비교하여 적용되어야 한다.
많은 공지의 가변 진공 커패시터들의 또 다른 단점은 모터가 장치의 고 전압 터미널 상에 또는 그 근처에 고정되기 때문에 상기 모터가 이동가능한 전극들로부터 반드시 잘 절연되어야 한다는데 있다. 상기 모터 상의 터미널로부터 고 전압 방전을 회피하기 위하여, 그리고 상기 모터의 고 전압 터미널과 매우 낮은 전압 사이의 전기적 간섭을 회피하기 위하여, 긴 절연 부을 사용해야 할 필요가 있으며, 이것은 장치의 전체적인 크기를 크게한다.
본 발명에 따른 가변 진공 커패시터는 상술한 공지의 장치들의 문제점을 다루는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 특징적인 목적은,
가변 진공 커패시터에 있어서,
증가된 서비스 가능한 수명,
동일한 크기 및 커패시턴스를 갖는 종래의 장치들과 비교하여 향상된 전압 및 전류를 다루는 특성, 및/또는
작은 지름 및/또는 길이(예를 들어, 작은 원통형 지름을 갖고 더 작은 원통형 용적(volume)내에 맞을(fit) 수 있는 전기용량성 전극들을 갖는)를 갖는 가변 진공 커패시터를 제공하는데 있다.
본 발명은,
가변 진공 커패시터에 있어서,
진공 밀봉재;
하나 이상의 제1 고정 전극(18) 및 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)을 포함하는 제1 가변 전극 어셈블리(17, 18, 21);
하나 이상의 제2 고정 전극(8) 및 하나 이상의 제2 모바일 전극(7)을 포함하는 제2 가변 전극 어셈블리(7, 8, 11);
하나 이상의 제1 고정 커패시터 전극(4)으로 전기적 연결을 제공하는 제1 전기 연결 터미널;
하나 이상의 제2 고정 커패시터 전극(9)와 전기적 연결을 제공하는 제2 전기 연결 터미널; 및
상기 제1(17) 및/또는 제2(7) 모바일 전극들을 상기 제1(18) 및/또는 제2(8) 고정 전극들과 각각 관련하여, 상기 진공 커패시터의 축(A)을 따라 변위시키는 변위 수단(1);
을 포함하고,
상기 가변 진공 커패시터는 상기 제1(17, 18, 21) 및 제2(7, 8, 11) 전극 어셈블리들은 상기 제2 전극 어셈블리로(7, 8, 11)부터 떨어진 갱(gang) 상쇄(offset)에 의하여 상기 제1 이동 전극 어셈블리(17, 18, 21)가 축(A)을 따라 상쇄(offset)되도록 축(A)을 따라 뭉치는(ganged) 것을 특징으로 하고,
상기 가변 진공 커패시터는 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)의 축(A)을 따르는 제1 변위가 상기 하나 이상의 제2 모바일 전극(7)의 축(A)을 따르는 제2 변위를 야기(result in)하도록, 상기 축(A)을 따르는(along) 제1 위치에서 하나 이상의 상기 제1 모바일 전극(17)과 상기 축(A)을 따르는 제2 위치에서 하나 이상의 상기 제2모바일 전극(7) 사이의 운동학적(kinematic) 연결을 제공하기 위한 모바일 전극 연결부재 수단(10)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모바일 전극 연결부재 수단(10)은 상기 제2 변위의 규모가 상기 제1 변위의 규모와 일치하도록 배열되는(arranged) 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모바일 전극 연결부재 수단(10)은 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)을 상기 하나 이상의 제2 모바일 전극(7)로 전기적으로 연결시키기 위한 전기적 연결 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 변위 수단(1)은 상기 진공 밀봉재의 외부의 모터, 및 상기 모터(1)의 드라이브 힘(force)을 상기 진공 밀봉재의 벽(14)을 통하여 상기 진공 밀봉재의 내부의 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)으로 전달하기 위한 드라이브 전송 수단(12, 16)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17) 상의 고 전압으로부터 상기 모터(1)를 전기적으로 절연하기 위한 모터 보호 절연부재(2)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모터 보포 절연부재(2)는 상기 드라이브 전송 수단(12, 16)과 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(10) 사이에 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17) 및 상기 하나 이상의 제1 고정 전극(18)은 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)이 최소한 부분적으로 상기 하나 이상의 제1 고정 전극(18)로 끼워지도록(interleaved) 실질적으로 축(A)을 갖는 원통형(cylindrical) 및 동축형(coaxial)으로 이루어지고, 및/또는
상기 제2 모바일 전극(7) 및 상기 하나 이상의 제2 고정 전극(8)은
상기 하나 이상의 제2 모바일 전극(7)이 최소한 부분적으로 상기 하나 이상의 제2 고정 전극(8)로 끼워지도록(interleaved) 실질적으로 축을 갖는 원통형(cylindrical) 및 동축형(coaxial)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17) 및 상기 하나 이상의 제1 고정 전극(18)은 나선형(spiral) 전극들로서 구성되고, 및/또는 상기 하나 이상의 제2 모바일 전극(7) 및 상기 하나 이상의 제2 고정 전극(8)은 나선형 전극들로서 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모바일 전극 연결부재 수단(10)은 상기 제1 전극 어셈블리의 외부 주변에 배열되고, 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)및 하나 이상의 제1 고정(18) 전극들과 함께 동축으로 배열되는 실질적으로 원통형인 요소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실질적으로 원통형인 요소(10)는 최소한 부분적으로 전극 물질로 구성되고, 최소한 부분적으로 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(18) 중 하나로서 기능을 하도록 상기 하나 이상의 제1 고정전극(18) 중 하나의 외부와 실질적으로 인접하게 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실질적으로 원통형인 요소(10)는 개방된 영역(open regions)을 포함하고, 하나 이상의 고정 전극 지지 요소는 상기 제1 고정 전극(18)로부터 상기 개구부(openings)를 통하여 상기 진공 밀봉재의 벽(4)을 따라 연장하는 것을 특징으로 한다.
또한, 최소한 부분적으로 세라믹 물질로 이루어진 절연 부(6)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 전극 어셈블리(10)와 상기 진공 밀봉재의 벽(14) 사이로 연장하는 연장가능한 진공 밀봉 수단(5)을 더 포함하고, 상기 연장가능한 진공 밀봉 수단(5)은 최소한 가변 진공 커패시터가 고 전압 및/또는 고 주파수에서 작동하는 경우, 전기 절연체로서 작용할 수 있는 형태 및 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하나 이상의 제1 고정 전극(18) 및 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)은 하나 이상의 제2 고정 전극(8) 및 상기 하나 이상의 제2 모바일 전극(7)과 각각 실질적으로 동일한 용적(dimensions) 및 공간적(spatial) 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 전극의 단일 쌍을 갖는 단순한 종래의 가변 진공 커패시터를 개략적 및 부분적으로 나타낸다.
도 2는 전기적으로 직렬이고, 기계적으로 병렬로 배열된 두개의 전극 세트를 갖는 종래의 가변 진공 커패시터를 개략적 및 부분적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 전기적으로 그리고 기계적으로 직렬로 배열된 두개의 전극 세트를 갖는 가변 진공 커패시터를 개략적 그리고 부분적으로 나타낸다.
상기 도면들은 발명을 나타내기 위한 목적으로만 제공되었으며, 청구된 발명의 보호 범위를 제한하지는 않는다는 것은 이해되어야 한다.
다른 도면들에서 동일한 참조부호가 사용되었다면, 그것들은 비슷한 또는 대응하는 특징적 요소로서 참조되는 것으로 의도된(intended) 것이다.
도 2는 전기적으로 직렬이고, 기계적으로 병렬로 배열된 두개의 전극 세트를 갖는 종래의 가변 진공 커패시터를 개략적 및 부분적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 전기적으로 그리고 기계적으로 직렬로 배열된 두개의 전극 세트를 갖는 가변 진공 커패시터를 개략적 그리고 부분적으로 나타낸다.
상기 도면들은 발명을 나타내기 위한 목적으로만 제공되었으며, 청구된 발명의 보호 범위를 제한하지는 않는다는 것은 이해되어야 한다.
다른 도면들에서 동일한 참조부호가 사용되었다면, 그것들은 비슷한 또는 대응하는 특징적 요소로서 참조되는 것으로 의도된(intended) 것이다.
본 발명에 따르는 가변 진공 커패시터는
진공 밀봉재,
하나 이상의 제1 고정 전극 및 하나 이상의 제1 이동 전극을 포함하는 제1 가변 전극,
하나 이상의 제1 고정 전극 및 하나 이상의 제2 이동 전극을 포함하는 제2 가변 전극,
하나 이상의 제1 고정 커패시터 전극들로 전기적 연결을 제공하기 위한 제1 전기 연결 터미널,
하나 이상의 제2 고정 커패시터 전극들로 전기적 연결을 제공하기 위한 제2 전기 연결 터미널,
진공 커패시터의 축을 따라 상기 제1 및/또는 제2 고정 전극들과 관련하여 상기 제1 및/제2 이동 전극들을 각각 변위시키는 변위(displacement)수단,
을 포함하고,
상기 가변 진공 커패시터는,
상기 제1 이동 전극 어셈블리가 상기 제2 전극 어셈블리로부터 떨어진 갱 상쇄(offset)에 의하여 축을 따라 상쇄(offset)되도록 상기 제1 및 제2 전극 어셈블리는 상기 축을 따라 뭉치는(ganged) 것을 특징으로 하고,
상기 가변 진공 커패시터는 상기 축을 따르는 하나 이상의 제1 모바일 전극들의 제1 변위가 상기 축을 따르는 하나 이상의 제2 모바일 전극들의 제2 변위를 야기하도록(result in) 상기 축을 따르는 제1위치에서 하나 이상의 제1모바일 전극들과 상기 축을 따르는 제2위치에서 하나 이상의 제2모바일 전극들 사이의 운동학적(kinematic) 연결을 제공하기 위한 모바일 전극 연결부재(linkage)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 전극 어셈블리들을 선형 뭉침(ganged) 구조로 배열하는 것에 의하여, 장치의 지름은 상당히 감소될 수 있다. 또한, 모바일 전극들과 같은 이동하는 부분들과의 어떠한 전기적 연결의 필요성을 회피할 수 있다. 이것은 상기 벨로우가 전기 컨덕터로서 작동하도록 요구되지 않는다는 것이며, 기계적인 기능들에 더 적합한 물질들로 만들어질 수 있다는 것을 의미한다. 결국, 이것은 상기 장치의 작동 수명을 상당히 연장시킬 수 있다.
본 발명의 가변 진공 커패시터의 일 실시예에 따르면, 모바일 전극 연결부재 수단은 상기 제2 변위의 규모가 상기 제1 변위의 규모와 동일하도록 배열된다. 상기 모바일 전극 연결부재 수단은 예를 들어, 모바일 전극들의 두개의 세트들 간의 직접적인 기계적 연결을 제공하는 단순한 리지드(rigid) 구조로 이루어질 수 있으며, 따라서, 단순하고 튼튼한 건축을 가능하게 하고, 연결부재의 기하학적 구조에 의한 부유용량(stray capacitance)의 가능성을 감소시킨다.
본 발명의 가변 진공 커패시터의 다른 실시예에 따르면, 상기 모바일 전극 연결부재 수단은 하나 이상의 제1 모바일 전극들을 하나 이상의 제2 모바일 전극들과 전기적으로 연결시키는 전기적 연결 수단을 포함한다. 모바일 전극들을 기계적 및 전기적으로 연결하는 두개의 기능을 조합하는 것은 장치의 복잡성을 더욱 감소시킨다.
본 발명의 가변 진공 커패시터의 다른 실시예에 따르면, 상기 변위수단은 상기 진공 밀봉재의 외부에 모터와, 상기 모터의 드라이브 힘(drive force)을 상기 진공 밀봉재의 벽(wall)을 통하여 상기 진공 밀봉재 내부의 하나 이상의 제1 모바일 전극들에게 전달하기 위한 드라이브 전달 수단을 포함한다. 상기 벨로우 및 상기 장치의 외부 표면이 상기 전극들로부터 절연되었기 때문에, 상기 모터는 상기 장치에 더욱 가깝게(예를 들어, 상기 진공 밀봉재의 벽의 외부 표면 상에)고정될 수 있고, 이것은 장치의 전체적인 크기를 현저하게 감소시킬 수 있다.
본 발명의 가변 진공 커패시터의 다른 실시예에 따르면, 모터 보호 절연재(motor protection insulation)가 하나 이상의 제1 모바일 전극들 상의 고 전압에 대응하여 상기 모터를 전기적으로 절연하기 위하여 포함될 수 있다.
본 발명의 가변 진공 커패시터의 다른 실시예에 따르면, 상기 모터 보호 절연재는 상기 드라이브 전송 수단 및 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극들 사이에 배치된다.
본 발명의 가변 진공 커패시터의 다른 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극들 및 상기 하나 이상의 제1 고정 전극들은 상기 하나 이상의 제1모바일 전극들이 최소한 부분적으로 상기 하나 이상의 제1 고정 전극들에 끼워지도록(interleaved) 실질적으로 원통형 및 축을 갖는 동축(coaxial)형으로 이루어지고, 및/또는
상기 제2 모바일 전극들 및 상기 하나 이상의 제2 고정 전극들은 상기 하나 이상의 제2모바일 전극들이 최소한 부분적으로 상기 하나 이상의 제2 고정 전극들에 끼워지도록(interleaved) 실질적으로 원통형 및 축을 갖는 동축형으로 이루어진다.
본 발명의 가변 진공 커패시터의 다른 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극들 및 상기 하나 이상의 제1 고정 전극들은 나선형(spiral) 전극들로서 구성되고, 및/또는 여기에서 상기 하나 이상의 제2 모바일 전극들 및 상기 하나 이상의 제2 고정 전극들은 나선형 전극들로서 구성된다.
본 발명의 가변 진공 커패시터의 다른 실시예에 따르면, 상기 모바일 전극 연결부재 수단은 상기 제1 전극 어셈블리의 외부 주변부에 배치된 그리고 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극들 및 상기 하나 이상의 제1 고정 전극들과 함께 동축형으로 배치된 실질적으로 원통형인 요소를 포함한다.
상기 실질적으로 원통형인 요소는 최소한 부분적으로 전극 물질로 구축되고(constructed), 최소한 부분적으로 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극들 중 하나로서 기능을 수행하도록 상기 하나 이상의 제1 고정 전극들 중 하나의 외부에 실질적으로 인접하게 배치된다. 이러한 개선(refinement)은 상기 장치의 최대 가변 커패시턴스의 증가에 기여하는 단순하고, 견고한 구조를 제공한다.
본 발명의 가변 진공 커패시터의 다른 실시예에 따르면, 상기 실질적으로 원통형의 요소는 개방된 영역을 포함한다. 그리고, 여기에서 하나 이상의 고정 전극 지지(support) 요소는 상기 제1 고정 전극들로부터 개구부를 통하여 상기 진공 밀봉재의 벽으로 연장한다.
본 발명의 가변 진공 커패시터의 다른 실시예에 따르면, 그것의 절연 부는 최소한 부분적으로 세라믹 물질로 이루어진다.
본 발명의 가변 진공 커패시터의 다른 실시예에 따르면, 연장가능한 진공 밀봉 수단(예를 들어, 벨로우)은 상기 제1 전극 어셈블리와 상기 진공 밀봉재의 벽 사이로 연장하고, 상기 연장가능한 진공 밀봉 수단은
최소한 상기 가변 진공 커패시터가 고 전압 및/또는 고 전류에서 작동될 때, 전기 절연재로서 작용하도록 하는 형상 및 물질로 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 제1 고정 및 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극들은 상기 하나 이상의 제2 고정 및 상기 하나 이상의 제2 모바일 전극들과 각각 실질적으로 동일한 용적(dimensions) 및 나선형 구조를 갖는다. 이러한 변경(variant)은 이하의 두가지 중요한 장점을 갖는다. 첫번째로, 장치의 제조에 있어서, 단지 하나의 전극 구조를 위한 도구(tooling)만을 요구하기 때문에 제조가 단순화될 수 있다. 두번째로, 동일한 또는 비슷한 제1 및 제2 전극 어셈블리들을 사용하는 것은 상기 두개의 어셈블리들 사이의 커패시턴스의 고른(even) 분포를 야기하고, 따라서, 상기 모바일 전극들의 전압을 최소화 하며, 이것은 상기 장치를 고 전압이 적용된 상태로 작동하는 것을 가능하게 한다는 의미이다.
본 발명은 이하의 도면을 참조로 하여 더욱 상세하게 기술된다.
도 1은 전극의 단일 쌍을 갖는 단순한 종래의 가변 진공 커패시터를 개략적 및 부분적으로 나타낸다.
도 2는 전기적으로 직렬이고, 기계적으로 병렬로 배열된 두개의 전극 세트를 갖는 종래의 가변 진공 커패시터를 개략적 및 부분적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 전기적으로 그리고 기계적으로 직렬로 배열된 두개의 전극 세트를 갖는 가변 진공 커패시터를 개략적 그리고 부분적으로 나타낸다.
상기 도면들은 발명을 나타내기 위한 목적으로만 제공되었으며, 청구된 발명의 보호 범위를 제한하지는 않는다는 것은 이해되어야 한다.
다른 도면들에서 동일한 참조부호가 사용되었다면, 그것들은 비슷한 또는 대응하는 특징적 요소로서 참조되는 것으로 의도된(intended) 것이다.
도 1은 공지된 단순한 가변 진공 커패시터의 구조를 나타낸다. 상기 진공 커패시터는 바람직하게는 진공 밀봉 수단 내의 절연 원통형 진공 밀봉재 벽(26)에 부착되는 두개의 전도성 고 전압 터미널(24, 9)로 구성된다. 전극들(7, 8)의 겹친 영역을 증가하는 것, 및/또는 그들의 분리를 감소시키는 것은 장치의 커패시턴스 값을 증가시킨다. 전극들(7, 8)은 상기 터미널(24, 9)에 각각 전도성으로(conductively) 부착된다. 상기 가변 진공 커패시터 장치의 커패시턴스를 변경하기 위하여 , 하나의 전극(7))은 다른 전극과 관련하여 이동한다. 이것은 바람직하게는 움직임이 스테퍼 모터(stepper motor)와 같은 전기 모터(1)에 의하여 제어되는 익스팬션 조인트(벨로우, 5) 및 드라이브 시스템(16, 12)를 사용함으로써 달성된다.
상술한 바와 같이, 상기 벨로우(5)는 이하의 세가지 기능을 가진다:
이동가능한 전극(7)으로 움직임을 전달하는 동안, 또한, 상기 드라이브 시스템으로부터 대기압에서 진공을 분리시키는 동안, 그것들은 상기 터미널(24)로부터 상기 이동가능한 전극(7)으로 전기적 고 주파수 전류를 이동시켜야 한다.
이것은 벨로우(5)의 물질 선택을, 전기적 특성들 및 기계적 특성들을 동시에 최적화 해야하는 것과 같은, 매우 적은 옵션들로 제한한다. 물질 선택이 좋다 하더라도, 상기 벨로우(5)를 따르는 전류의 긴 경로(고 주파수 전류는 “스킨 이펙트(skin effect)”로 알려진 현상에 의하여 컨덕터의 표면을 따라 흐르도록 힘을 받는다)는 상기 장치의 매우 중요한 부분에서 상당한 전기적 손실을 야기할 수 있고, 따라서, 전기 용량성 장치에 요구되지 않은 열 및 추가적인 기생(parasitic) 전기 저항을 생성할 수 있다. 이와같이 상승한 온도 및 열 사이클링은 익스팬션 조인트(5)의 사이클 횟수를 감소시킬 수 있고, 따라서, 가변 진공 커패시터의 작동 수명을 감소시킨다.
도 2는 공지의 직렬 전극 배열(예를 들어, US2005052820 A1)을 나타내는 개략도이다.
모든 모바일 전극들(7, 17)을 지지하는 공통의 지지 요소(22)와 함께 하나는 다른 하나의 외부에 동일 평면 내에서 두개의 중심이 같은(concentric) 전극 세트(7, 8 및 17, 18)가 배열된다. 커패시턴스를 증가시키기 위하여, 전극 표면의 높이 및 갯수는 증가되어야 하고, 이것은 장치의 용적을 증가시켜야 한다는 것을 의미한다. 반면, 전극들 사이의 공간은 감소될 수 있으며, 이것은 상기 장치의 최대 가동 전압을 낮춘다.
고정 및 모바일 전극들(18, 17)을 내부적으로 연결하는 가변 진공 커패시터의 연결은 말단표면(end surfaces)(13, 14)에서 이루어진다. 상기 모바일 전극들(22, 17)과 상부 터미널(14) 사이로 전류가 흐르지 못하도록 하기 위하여 벨로우(5)는 최소한 부분적으로 절연 물질로 이루어진다.
도 3은 본 발명에 따르는 가변 진공 커패시터의 일 실시예를 나타낸다. 요구된 커패시턴스는 두개의 전극 어셈블리(17, 18, 21, 23 및 7, 8, 11, 13)를 사용하여 생성된다. 각 전극 어셈블리는 하나 이상의 이동가능한 전극(7, 17) 및 고정된 전극(8, 18)을 포함한다. 전극들의 각 세트는, 예를 들어, 동심원(concentric)의 실린더 또는 하나 이상의 회전(turn)을 갖는 나선 형태로 구축될 수 있다.
고정 전극(18)의 한 세트는 진공 밀봉재의 벽(4)으로 고정된 지지 요소(23)에 의하여 지지되는 것으로 도시된다. 고정 전극(8)의 다른 세트는 상기 진공 커패시터의 말단 캡(13) 및 말단 터미널(9)에 의하여 지지되는 것으로 도시된다.
전극들(17)의 한 모바일 세트는 절연재(2) 및 절연 벨로우(5) 및 모터 드라이브(12, 16)에 의하여 지지되는 전극 지지부재(21)에 의하여 지지되는 것으로 도시된다. 전극 지지부재(21)는 대시 선으로 도시된 연결 수단(10)에 의하여 하부 모바일 전극(7)의 전극 지지부재(11)로 기계적으로 및 전기적으로 연결된다. 단순한 경우에서, 상기 연결 수단은 단순하고 견고한 요소, 예를 들어, 구리 실린더(cylinder of copper)로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 실린더(10)를 상기 진공 밀봉재의 벽(4)를 고정시키기 위한 하나 이상의 암(arm) 또는 다른 지지 구조를 갖는 전극 지지부재(23)의 간섭 없이 상기 장치의 세로 축(A)과 평행하게 상승 및 하강 이동시키도록 상기 실린더의 벽은 개구부와 함께 제공된다.
두개의 전극 어셈블리의 직렬 연결은 상기 터미널로 그리고 상기 터미널로부터 흐르는 전류는 벨로우와 같은 어떠한 움직이는 부분을 포함하지 않는 경로를 따라 흐르도록 돕는다는 것을 의미한다. 게다가, 상기 가변 진공 커패시터의 대향하는 말단부에서 존재하는것 대신에, 상기 장치의 두개의 고 전압 터미널은 상기 장치의 말단부 상에서 또는 상기 장치의 말단부를 향하여 위치될 수 있다. 상기 장치의 말단부는 예를 들어, 세로의 원통형 주변부(periphery) 상에서 상기 장치의 길이를 따라 중간지점(mid-point)에서의 영역을 말한다.
상기 진공 밀봉재의 길이 상의 중간 지점(mid-way point)에 상기 터미널(4)가 위치하는 것(siting)은 상기 터미널로부터 고정 전극들(18)로의 전류 경로가 짧고 직접적(direct)이라는 것을 의미하고, 이것은 결국 요구되지 않은 EMC 배출(emission) 및 열 소실(dissipation)을 최소화한다는 것을 의미한다.
이런 방법으로, 상기 가변 진공 커패시터는 상기 모터 어셈블리(1)가 고정될 수 있는 말단부(14)를 가지며, 종래의 가변 진공 커패시터의 말단부에서 나타나는 고 전압의 영향으로부터 기본적으로 벗어나게 하는(free) 최소한의 부분을 가진다.
도 3은 절연 진공 밀봉재 부분(6)에 의하여 고 전압 터미널로부터 분리된 모터 마운팅 터미널(14)를 나타낸다. 상기 벨로우가 전류를 운반하지 않기 때문에, 그것은 또한 전기적으로 전도성을 가질 필요가 없으며, 따라서, 상기 모터 마운팅 터미널(14)은 또한 상기 전극들(7)로부터 절연된다. 반면, 만일 전도성 벨로우(5)를 여전히 사용한다면, 상기 벨로우(5)의 말단부 상의 절연 부(2)는 상기 전극들(7)로부터 상기 모터 터미널(14) 및 모터(1)을 절연시킬 수 있다. 이 절연 부가 진공이기 때문에, 종래의 진공(도 1 및 2 참조)의 외부에서 사용되는 모터 절연 부(19)만큼 클 필요는 없다.
상기 진공 커패시터 밀봉재 상에 상기 모터를 직접 고정시킬 수 있는 장점은 본 발명에 따른 동력화된 가변 진공 커패시터가 진공 내의 전극으로 채워질 공간이 더욱 작게(compact) 및/또는 더욱 자유롭게(free)한다. 이것은 결국 더 높은 커패시턴스와 더 높은 최대 가동 전압을 달성하게 하는 결과를 가져온다.
도 2에서, 전극 쌍(pairs)은 직렬로, 공통의 축을 가지고(co-axially), 각 쌍의 각 전극이 이동 축(A)과 대응하는(corresponding to) 단일 축을 따라 하나가 다른 하나의 상부에 위치하도록 고정되는 것으로 도시되고(도 2의 장치에 도시된 “내부” 또는 “외부” 전극이 존재하지 않는다.), 이것은 종래의 장치와 비슷하게 직렬 구조를 사용하지 않는(도 1과 같은) 작은 용적(이동 축과 수직인)을 야기하고, 그리고 직렬 구조를 사용하는 종래의 장치들과 같은 작은 용적(도 2와 같은)을 야기한다.
동시에, 직렬 구조의 전압 능력(capability)은 총 전압이 직렬 전극들의 다른 쌍들 사이에서 분할(split)되기 때문에, 두개의 고 전압 터미널(4, 9)들 사이에서 증가된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 실시예에서, 전도성 표면(4, 17)들 사이의 전압과 전도성 표면(7, 9) 사이의 전압은 상기 가변 진공 커패시터의 터미널들(4, 9)를 가로질러 적용되는 전압차의 절반(half)이다. 전극을 직렬(in series)로 고정하는 결과인 이러한 전압 분할은, 진공 내에서 전압 실패의 위험 없이 더 작은 전극 분리를 허용하고, 그리고, 더 작은 전극 분리의 달성으로 인하여 커패시턴스 값을 상당히 증가시키는 장점을 제공한다.
도 3에 도시된 실시예에서, 이동가능한 전극들(7, 17)은 바람직하게는 좋은 전기적 컨덕터로 제조되고, 상기 고정된 전극의 외부 표면과 유사하지만 더 큰 용적을 가진 견고한 튜브 형상(rigid tube-shaped)부 로서 구성되는 전도성 부품(piece)(10)에 의하여 연결되고, 따라서, 추가적인 전기용량성(capacitative) 분포(contribution)를 생성한다.
도 3에는 단지 두개의 전극들의 쌍이 도시되었으나, 이것은 단지 본 발명의 일 실시예에 지나지 않으며, 더 많은 다중 쌍들이 사용될 수 있다는 것은 이해되어야 한다.
Claims (14)
- 가변 진공 커패시터에 있어서,
진공 밀봉재;
하나 이상의 제1 고정 전극(18) 및 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)을 포함하는 제1 가변 전극 어셈블리(17, 18, 21);
하나 이상의 제2 고정 전극(8) 및 하나 이상의 제2 모바일 전극(7)을 포함하는 제2 가변 전극 어셈블리(7, 8, 11);
하나 이상의 제1 고정 커패시터 전극(4)으로 전기적 연결을 제공하는 제1 전기 연결 터미널;
하나 이상의 제2 고정 커패시터 전극(9)와 전기적 연결을 제공하는 제2 전기 연결 터미널; 및
상기 제1 모바일 전극(17) 및 상기 제2 모바일 전극(7) 중 적어도 하나를 상기 제1 고정 전극(18) 및 상기 제2 고정 전극(8) 중 적어도 하나와 각각 관련하여, 상기 진공 커패시터의 축(A)을 따라 변위시키는 변위 수단(1);
을 포함하고,
상기 가변 진공 커패시터는 상기 제1(17, 18, 21) 및 제2(7, 8, 11) 가변 전극 어셈블리들은 상기 제2 가변 전극 어셈블리로(7, 8, 11)부터 떨어진 갱(gang) 상쇄(offset)에 의하여 상기 제1 가변 전극 어셈블리(17, 18, 21)가 축(A)을 따라 상쇄(offset)되도록 축(A)을 따라 뭉치는(ganged) 것을 특징으로 하고,
상기 가변 진공 커패시터는 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)의 축(A)을 따르는 제1 변위가 상기 하나 이상의 제2 모바일 전극(7)의 축(A)을 따르는 제2 변위를 야기(result in)하도록, 상기 축(A)을 따르는(along) 제1 위치에서 하나 이상의 상기 제1 모바일 전극(17)과 상기 축(A)을 따르는 제2 위치에서 하나 이상의 상기 제2모바일 전극(7) 사이의 운동학적(kinematic) 연결을 제공하기 위한 모바일 전극 연결부재 수단(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 1항에 있어서,
상기 모바일 전극 연결부재 수단(10)은 상기 제2 변위의 규모가 상기 제1 변위의 규모와 일치하도록 배열되는(arranged) 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 모바일 전극 연결부재 수단(10)은 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)을 상기 하나 이상의 제2 모바일 전극(7)로 전기적으로 연결시키기 위한 전기적 연결 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 변위 수단(1)은 상기 진공 밀봉재의 외부의 모터, 및 상기 모터의 드라이브 힘(force)을 상기 진공 밀봉재의 벽(14)을 통하여 상기 진공 밀봉재의 내부의 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)으로 전달하기 위한 드라이브 전송 수단(12, 16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 4항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17) 상의 고 전압으로부터 상기 모터를 전기적으로 절연하기 위한 모터 보호 절연부재(2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 5항에 있어서,
상기 모터 보호 절연부재(2)는 상기 드라이브 전송 수단(12, 16)과 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(10) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17) 및 상기 하나 이상의 제1 고정 전극(18)은 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)이 최소한 부분적으로 상기 하나 이상의 제1 고정 전극(18)로 끼워지도록(interleaved) 축(A)을 갖는 원통형(cylindrical) 및 동축형(coaxial)으로 이루어지고,
상기 제2 모바일 전극(7) 및 상기 하나 이상의 제2 고정 전극(8)은
상기 하나 이상의 제2 모바일 전극(7)이 최소한 부분적으로 상기 하나 이상의 제2 고정 전극(8)로 끼워지도록(interleaved) 축을 갖는 원통형(cylindrical) 및 동축형(coaxial)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17) 및 상기 하나 이상의 제1 고정 전극(18)은 나선형(spiral) 전극들로서 구성되고,
상기 하나 이상의 제2 모바일 전극(7) 및 상기 하나 이상의 제2 고정 전극(8)은 나선형 전극들로서 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제7항에 있어서,
상기 모바일 전극 연결부재 수단(10)은
상기 제1 가변 전극 어셈블리의 외부 주변에 배열되고, 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)및 하나 이상의 제1 고정 전극(18)들과 함께 동축으로 배열되는 원통형인 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 9항에 있어서,
상기 원통형인 요소는 최소한 부분적으로 전극 물질로 구성되고,
최소한 부분적으로 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(18) 중 하나로서 기능을 하도록 상기 하나 이상의 제1 고정전극(18) 중 하나의 외부와 인접하게 배열되는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 9항에 있어서,
상기 원통형인 요소는 개방된 영역(open regions)을 포함하고,
하나 이상의 고정 전극 지지 요소는 상기 제1 고정 전극(18)로부터 상기 개방된 영역을 통하여 상기 진공 밀봉재의 벽(4)을 따라 연장하는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
최소한 부분적으로 세라믹 물질로 이루어진 절연 부(6)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 제1 가변 전극 어셈블리와 상기 진공 밀봉재의 벽(14) 사이로 연장하는 연장가능한 진공 밀봉 수단(5)을 더 포함하고,
상기 연장가능한 진공 밀봉 수단(5)은 최소한 가변 진공 커패시터가 고 전압 및 고 주파수에서 작동하는 경우, 전기 절연체로서 작용할 수 있는 형태 및 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 고정 전극(18) 및 상기 하나 이상의 제1 모바일 전극(17)은 하나 이상의 제2 고정 전극(8) 및 상기 하나 이상의 제2 모바일 전극(7)과 각각 동일한 용적(dimensions) 및 공간적(spatial) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 가변 진공 커패시터.
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