CH691717A5

CH691717A5 - Kondensator mit kaltfliessgepressten Elektroden.

Info

Publication number: CH691717A5
Application number: CH00544/97A
Authority: CH
Inventors: J Andrea Von Planta; Bernhard Hug
Original assignee: Comet Technik Ag
Priority date: 1997-03-08
Filing date: 1997-03-08
Publication date: 2001-09-14
Also published as: US6170138B1; DE19809752A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators, insbesondere Vakuumkondensators, mit kaltfliessgepressten Elektroden gemäss Patentanspruch 1 und einen Kondensator gemäss Patentanspruch 7.

Kondensatoren, insbesondere Vakuumkondensatoren, für Hochspannungsbereiche sind bekannt und finden z.B. Anwendung in der HF-Technik. Die Kondensatorplatten werden im Allgemeinen auf je einem Trägerteil angebracht, was beispielsweise durch Löten erfolgen kann. Die beiden Trägerteile mit den Kondensatorplatten sind mittels einem Isolator verbunden, was durch den gleichen oder einen weiteren Lötvorgang bewerkstelligt wird. Dazu bedarf es ziemlich aufwändiger Fertigungsmittel, um den hohen Anforderungen bezüglich der Plattenabstände gerecht zu werden. Durch die Masshaltigkeit der Plattenabstände wird letztlich die Spannungsfestigkeit begründet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators, insbesondere Vakuumkondensators, vorzuschlagen, welcher einfacher zu fertigen ist und der die Anforderungen an die Masshaltigkeit der Plattenabstände problemlos erfüllt.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Kondensatoren vorzuschlagen, die nach dem erwähnten Verfahren gefertigt sind.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Verfahren für einen Kondensator, insbesondere Vakuumkondensator, gelöst, wobei jeder der beiden Elektrodenteile und die Halterungen für dieselben aus einem Stück bestehen, gemäss dem Wortlaut nach Patentanspruch 1 und einem nach diesem Verfahren gefertigten Kondensator gemäss dem Wortlaut nach Patentanspruch 7.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung eines Vakuumkondensators im Umriss;
Fig. 2 schematische Darstellung einer ersten Elektrode;
Fig. 3 schematische Darstellung eines Isolators im Schnitt;
Fig. 4A bis 4B erstes Ausführungsbeispiel einer Elektrode in Aufsicht und Schnitt;
Fig. 4C erstes Ausführungsbeispiel eines Vakuumkondensators im Schnitt;
Fig. 5A zweites Ausführungsbeispiel eines Vakuumkondensators im Umriss;
Fig. 5B bis 5C zweites Ausführungsbeispiel einer Elektrode in Aufsicht und Schnitt;
Fig. 6 drittes Ausführungsbeispiel eines variablen Vakuumkondensators im Schnitt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Vakuumkondensators im Umriss. Eine erste Elektrode 1 und eine zweite Elektrode 1 min weisen je einen ersten zylindrischen Teil 2, 2 min auf, welche sich auf der einen Seite mit je einem zweiten zylindrischen Teil 3, 3 min mit leicht reduziertem Durchmesser fortsetzt. Auf der anderen Seite der zylindrischen Teile 2, 2 min weisen die Elektroden je ein Befestigungselement 4, 4 min , z.B. einen Befestigungsbolzen auf. Die beiden Elektroden 1, 1 min sind mittels einem Isolator 5 zu einem vakuumdichten Gehäuse isoliert verbunden.

Der Isolator 5 kann aber auch aus mehreren Teilsegmenten aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, was zum Ausgleich von Spannungen für das Temperaturverhalten von Interesse sein kann.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Elektrode im Schnitt, anhand welcher das Verfahren zur Herstellung derselben erläutert werden soll. Der erste zylindrische Teil 2 wird auf der einen Seite mit einem zweiten zylindrischen Teil 3 mit dem leicht reduzierten Durchmesser fortgesetzt, welcher an einer Stelle 6 begrenzt ist. Diese Begrenzung dient der Auflage eines nichtdargestellten Isolators, der auf der Kante der Stelle 6, bzw. der Begrenzung, mit dem Isolator in einem Lötvorgang fest und vakuumdicht verbunden wird. Auf der anderen Seite des zylindrischen Teils 2 ist eine Vertiefung 7 erkennbar, die der Aufnahme des nichtdargestellten Befestigungselementes dient. Die Vertiefung 7 ist im Zentrum des zylindrischen Teils 2 angeordnet. Auf der der Vertiefung 7 gegenüber befindlichen Seite sind die "Platten", bzw.

Elektrodenteile, des Kondensators angeordnet, die als konzentrische Zylinder 11-15 ausgebildet sind. Die Abstände zwischen den einzelnen konzentrischen Zylindern 11-15 sind im Wesentlichen äquidistant, und dies mit einer sehr hohen Genauigkeit, bzw. Masshaltigkeit, um die vorgegebene Spannungsfestigkeit des Kondensators, bzw. Vakuumkondensators, zu garantieren. Wesentlich ist, dass diese Masshaltigkeit über die gesamte Tiefe des konzentrischen Zylinders gewährleistet bleibt. Die oberen Enden der konzentrischen Zylinder werden im Allgemeinen nachgearbeitet, was beispielsweise durch Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Abdrehen usw. erfolgt. Die einheitliche Länge der konzentrischen Zylinder ist für die Kapazität des Vakuumkondensators von Bedeutung, um die Kapazitätswerte in engen Grenzen zu halten.

Selbstverständlich kommen an Stelle von konzentrischen Zylindern auch andere Geometrien für die Elektrodenfunktion in Frage, so z.B. eine wellblechartige, die sich durch zwei steile Flanken auszeichnet. Wesentlich ist nun, dass die Flanken dieser "Wellblechstruktur" einer ersten und zweiten Elektrode im zusammengefügten Zustand derart ineinander greifen, dass im ganzen Bereich des Ineinandergreifens im Wesentlichen äquidistante Abstände resultieren. Solange die Bedingung der im Wesentlichen äquidistanten Abständen erfüllt bleibt, kann eine beliebige Geometrie für erste und zweite Elektrode gewählt werden, wobei in fertigungstechnischer Hinsicht sich nur eine geringe Auswahl von Geometrien vorteilhaft auszeichnen.

Materialien für Elektroden zeichnen sich durch eine besonders gute Verformbarkeit im kalten Zustand aus, mit andern Worten, diese Materialien eignen sich für das so genannte Kaltfliesspressen.

Als Material für derartige Elektroden kommen Materialien in Frage wie etwa Aluminium, Buntmetalle, Edelmetalle sowie deren Legie rungen, vorzugsweise Kupfer, und ganz besonders vorzugsweise sauerstoffarmes Kupfer.

Ein zylindrisches Werkstück aus einem der eben beschriebenen Elektrodenmaterialien wird in einem speziell dimensionierten Werkzeug beim Kaltfliesspressen Drücken von ca. 5000 bar ausgesetzt, wobei innert wenigen Sekunden ein Pressteil entsteht, das aus dem Werkzeug entnommen werden kann. Bei diesem Kaltfliesspressen entstehen nun überraschenderweise ganz besonders vorteilhafte Oberflächen, die im Allgemeinen gar nicht mehr überarbeitet werden müssen und so zu hervorragend guten Eigenschaften des Vakuumkondensators führen, wie beispielsweise den Gütefaktor.

Diese hohe Oberflächengüte ergibt sich dank dem Extrusionsverfahren und liefert durch die dabei entstandene Materialverdichtung an der Oberfläche einen erstaunlichen "Finish".

Mögliche weitergehende Vergütungen der Oberflächen der konzentrischen Zylinder werden z.B. durch Elektropolieren bewerkstelligt. Zu den besonders vorteilhaften Vergütungen zählt das Versilbern.

Nach diesem Verformungsprozess steht nun eine erste Elektrode zur Verfügung, die gleichzeitig aus einem Stück gefertigt die konzentrischen Zylinder, bzw. den Elektrodenteil, des Kondensators sowie dessen Halterung, bzw. Befestigungsteil, derselben darstellt. Damit wird der schwierige und arbeitsintensive Arbeitsgang zur Herstellung der Zylinder und der Verlötung zwischen den Zylindern und der Halterung überflüssig, was nicht nur kostspielige Montageschritte überflüssig macht, sondern auch eine überraschend hohe Masshaltigkeit garantiert.

Analog wird eine zweite Elektrode hergestellt, wobei erste und zweite Elektrode konstruktiv so ausgelegt werden, dass sie im zusammengebauten Zustand mit ineinander gefügten konzentrischen Zylindern die gleichmässigen Abstände derselben aufweisen.

Die beiden Elektroden werden in einem weiteren Arbeitsgang mit dem Isolator vakuumdicht verbunden, wofür im Allgemeinen Lötverfahren vorgesehen sind.

Je nach Lötverfahren sind die Stirnseiten der Isolatoren mit einer Mo-Mg-Ni-Schicht versehen oder aber mit einer Oberflächenstruktur, die sich für den Aktivlötprozess eignet.

Als Material für derartige Isolatoren kommen Materialien in Frage wie etwa hochfrequenztaugliche, lötbare Glassorten sowie hochfrequenztaugliche, technische Keramik.

Dies kann in einem Vakuum-Lötofen in einem Arbeitsgang erfolgen, wobei nach diesem Vorgang der Vakuumkondensator verlötet, verschlossen und vakuumdicht vorliegt.

Besonders vorteilhaft hat sich die hohe Erschütterungsfestigkeit der aus einem Stück gefertigten Elektroden erwiesen. Dies wird durch den Umstand begründet, dass die erfindungsgemässe Elektrode eine Doppelfunktion ausübt, nämlich bildet sie die eine "Platte", oder eben Elektrode, des Kondensators und gleichzeitig die Halterung für diese Elektrode, wobei das Problem der Kontaktierung in dieser Bauweise entfällt,

Das Verfahren erlaubt eine kompakte Bauweise, indem auf kleinem Raum hohe Kapazitätswerte erzielt werden.

Vakuumkondensatoren dieser Bauart zeichnen sich durch einen hohen Gütefaktor, durch einen kleinen Temperaturkoeffizienten und durch eine sehr hohe Stromführungskapazität aus.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Isolators im Schnitt. Dieser besteht z.B. aus einer technischen Keramik und ist hier als Zylinder 9 ausgebildet, der auf den Seiten 8, 8 min geschliffene Oberflächen aufweist.

Fig. 4A bis 4B zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer Elektrode in Aufsicht und Schnitt für einen Vakuumkondensator von 200 pF mit einer Spannungsfestigkeit von 15 kV.

Fig. 4A zeigt im Schnitt eine der beiden Elektroden des Vakuumkondensators, die bereits in Fig. 2 im Rahmen der Erläuterungen des Verfahrens beschrieben worden ist.

Fig. 4B zeigt die entsprechende Aufsicht mit den konzentrischen Zylindern 11-15. Die Begrenzung 17 stellt den ersten zylindri schen Teil dar.

Fig. 4C zeigt als erstes Ausführungsbeispiel den gleichen Vakuumkondensator im Schnitt. Erkennbar sind die beiden ersten zylindrischen Teile 2, 2 min , die einen Durchmesser von 46 mm aufweisen und mit dem Isolator 5 an den Stellen 6, 6 min vakuumdicht verbunden sind. Diese Verbindung erfolgt in bekannter Weise in einem Vakuum-Lötofen. Die Befestigungselemente 4, 4 min sind als Befestigungsbolzen mit den Gewinden 8, 8 min ausgebildet und erlauben eine Schraubverbindung. Die konzentrischen Zylinder 11-15 bzw. 11 min -14 min sind senkrecht auf den zylindrischen Teilen 2 bzw. 2 min angeordnet und wurden durch Kaltfliesspressen in einem Arbeitsgang hergestellt. Die Masshaltigkeit der Abstände der konzentrischen Zylinder 11-15 und 11 min -14 min ist besser als 0,05 mm. Als Elektrodenmaterial gelangte sauerstoffarmes Kupfer zur Anwendung.

Fig. 5A zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Vakuumkondensators im Umriss für einen Vakuumkondensator von 50 pF mit einer Spannungsfestigkeit von 5 kV.

Erkennbar sind die ersten zylindrischen Teile 2, 2 min , die einen Durchmesser von 35 mm aufweisen, und mit dem Isolator 5 an den Stellen 6, 6 min vakuumdicht in einem Vakuum-Lötofen verschlossen wurden.

Fig. 5B bis 5C zeigen die Elektrode des zweiten Ausführungsbeispiels in Aufsicht und Schnitt.

Fig. 5B zeigt im Schnitt eine der beiden Elektroden des Vakuumkondensators. Sie entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 2. Unterschiedlich ist die geringere Anzahl der konzentrischen Zylinder 11, 12, 13 und 14 sowie die geringere Höhe derselben. Als Elektrodenmaterial wurde hier Aluminium gewählt, während der Isolator aus einer hochfrequenztauglichen, lötbaren Glassorte besteht.

Fig. 5C zeigt die entsprechende Aufsicht mit den konzentrischen Zylindern 11-14. Die Begrenzung 17 stellt den ersten zylindrischen Teil dar.

Fig. 6 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel Teile eines variablen Vakuumkondensators im Schnitt. In einem Gehäuseteil 20 mit anschliessendem Isolator 5, der nur angedeutet ist, sind eine erste Elektrode mit erstem zylindrischem Teil 2 und eine zweite Elektrode mit erstem zylindrischem Teil 2 min angeordnet, wobei Letztere nun variabel mittels einer nur andeutungsweise dargestellten Spindelvorrichtung verstellbar ist. Erkennbar sind die konzentrischen Zylinder 11, 12 und 13 der ersten Elektrode sowie die konzentrischen Zylinder 11 min und 12 min der zweiten Elektrode. Beide Elektroden sind aus Kupfer gefertigt, wobei die zweite Elektrode beispielsweise auch aus einer Aluminiumlegierung bestehen kann, womit nicht zwingenderweise beide Elektroden aus dem gleichen Material gefertigt zu sein brauchen.

Erfindungswesentlich ist, dass sich die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe auszeichnet durch eine kostengünstige und einfache Konfektionierung, durch einen hohen Gütefaktor, einen kleinen Temperaturkoeffizienten, eine hohe Stromführungskapazität und eine kompakte Bauweise unter gleichzeitiger Verminderung der Anzahl benötigter Einzelteile.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators, insbesondere Vakuumkondensators, umfassend zwei Elektroden, mindestens einen Isolator und Mittel zur Befestigung, gekennzeichnet dadurch, dass eine erste Elektrode (1) und eine zweite Elektrode (1 min ) aus einem Elektrodenmaterial durch Kaltfliesspressen verformt werden, dass die Elektroden (1, 1 min ) mit dem mindestens einen Isolator (5) verbunden werden, und dass die Elektroden (1, 1 min ) mit Mitteln zur Befestigung (4, 4 min ) versehen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Elektroden (1, 1 min ) durch das Kaltfliesspressen bereits eine geforderte Oberflächenqualität aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vergütung der Elektroden (1, 1 min ) durch Elektropolieren und vorzugsweise durch Versilbern erfolgt.

4.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 1 min ) mit dem Isolator (5) vakuumdicht verbunden werden.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung von fixen und variablen Kondensatoren.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in der HF-Technik.

7.

Kondensator, insbesondere Vakuumkondensator, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Elektrode (1) und die zweite Elektrode (1 min ) über den mindestens einen Isolator (5) zu einem dichten Gehäuse isolierend angeordnet sind, dass die Elektroden (1, 1 min ) neben ihrer Elektrodenfunktion gleichzeitig als Halterung der Elektroden ausgebildet und aus einem Stück gefertigt sind, und dass Mittel zur Befestigung (4, 4 min ) an den Elektroden (1, 1 min ) vorgesehen sind.

8. Kondensator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 1 min ) in im Wesentlichen äquidistanten Abständen zueinander angeordnet sind.

9.

Kondensator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 1 min ) aus ersten zylindrischen Teilen (2, 2 min ) und aus mindestens einem konzentrisch angeordneten Zylinder (11, 11 min ) bestehen, wobei Letztere in im Wesentlichen äquidistanten Abständen zueinander angeordnet sind.

10. Kondensator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrisch angeordneten Zylinder (11, 11 min ) der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (1 min ) gegeneinander in im Wesentlichen äquidistanten Abständen zueinander angeordnet sind.

11. Kondensator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (1) und die zweite Elektrode (1 min ) aus gleichem oder aus verschiedenem Material bestehen.

12.

Kondensator nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 1 min ) vergütete Oberflächen aufweisen.

13. Kondensator nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus Materialien wie Aluminium, Buntmetalle, Edelmetalle sowie deren Legierungen, vorzugweise aus Kupfer, und ganz besonders vorzugweise aus sauerstoffarmem Kupfer bestehen.

14. Kondensator nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 1 min ) mit dem Isolator (5) vakuumdicht angeordnet sind.

15. Kondensator nach einem der Ansprüche 7 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass erste Elektrode (1) und zweite Elektrode (1 min ) für fixe und variable Kondensatoren vorgesehen sind.

16.

Kondensator nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Befestigung (4, 4 min ) Befestigungselemente bzw. Befestigungsbolzen vorgesehen sind.