CN105190804B

CN105190804B - 高压电容器

Info

Publication number: CN105190804B
Application number: CN201380074778.0A
Authority: CN
Inventors: 罗格·坦纳; 沃尔特·比格勒; 马克·约阿希姆·米尔德纳; 迈克·阿布雷希特
Original assignee: Comet AG
Current assignee: Comet AG
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2017-09-01
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: CN105190804A; KR101759920B1; JP6220047B2; KR20150133248A; US9691548B2; US20160005540A1; WO2014146697A1; JP2016517175A

Abstract

所描述的高压电容器(1)包括气密外壳(2，3，4)，其含有交错的电极(11，12)。所述高压电容器的介质是在至少6巴的压力下的加压气体，并且优选为10巴或15巴。为了承受这个内部压力水平，所述电容器的绝缘体部件(4)可以由高强度的聚合物材料形成。

Description

高压电容器

技术领域

本发明涉及高压电容器的领域，并且特别是，但不限于，涉及用于高功率射频应用的固定电容器和可变电容器。

背景技术

常见的高压电容器的应用包括广播(例如，在高功率发射器的振荡电路中)或在半导体、太阳能和平面板制造装备中(在所谓的阻抗匹配网络中)的等离子控制过程。在本说明书中的上下文中使用术语‘高电压’来指代电容器应用，在该电容器应用中，在电容器电极的两端施加的电压超过1000伏特。事实上，可能要求一些高压电容器具有超过10kV的击穿电压。这种电容器的典型的操作参数范围可以是例如施加电压在10kV和20kV之间，设备电流在30A和150A之间，工作频率在5MHz和30MHz之间以及电容值在5pF和5000pF之间。

通常使用真空作为介质来制造这种高压电容器，这是为了达到所需的高击穿电压。真空电容器由于高耐击穿性和其在操作中的热稳定性而被熟知。将真空腔抽空到极低的压力(通常低于10^-6毫巴)，并在该装置的整个使用寿命中(其可能是许多年)通过真空密封外壳来保持极低的压力。真空保证了在电极之间的良好的电绝缘和在装置中极低的介质损耗。

高压电容器制造商已经专注于获得最佳的且最持久的真空，并且已经在制造真空电容器方面获得了很大成功，其在相对较小的器件封装中提供了非常高的工作电压(即使处于高工作电流和高频率)。然而，这样的电容器的制造是很复杂的，其需要高真空泵、高质量材料以及高质量的焊接或硬钎焊工艺，该高质量的焊接或硬钎焊工艺用于通过真空密封方式将端帽接合至(通常是陶瓷的)电容器壁。具体接合方法也限制了对用于制造端帽的材料和/或电极材料的选择，因为某些材料难以钎焊或焊接。

在英国专利GB748560中可以找到真空电容器的示例，该专利也公开了使用SF₆作为在30至40磅每平方英寸(2.07至2.76巴)压力下的气体介质。为了针对具有在2.76巴下的气体介质的高压(例如10kV或以上)来使用这种电容器，将需要增大电极间距，并且因此装置的总尺寸和总重量会增大。然而，已经将SF₆确定为温室气体，因此这种电容器的制造和处理势必造成极高的额外的复杂度和成本，以避免将SF₆排放到大气中。

发明内容

本发明的高压电容器和方法旨在至少解决现有技术的装置的这些和其它问题中的一些问题。本发明的特定目的是提供一种高压电容器，相较于类似大小和电容的现有技术中的真空电容器，该高压电容器具有相当的电压和电流处理特性，但该高压电容器：

更简单地进行制造和组装，

需要较少的维护和监视，

具有更长的可使用寿命，

在设备内的压力发生改变的情况下更不易于失效，和/或

允许使用更环保的气体以作为高压介质。

特别是，本发明预设高压电容器包括气密外壳，所述气密外壳包含气体介质和至少两个电容器电极，其中在所述气密外壳中的所述气体介质的压力为至少6巴。本发明的更进一步目的是提供一种制造这种电容器的方法，所述方法包括：组装步骤，用于组装所述气密外壳；以及加压步骤，其使用所述气体介质来填充所述气密外壳，以达到所述至少6巴的压力。

根据本发明的另一变型，气密外壳包括绝缘体部件和两个端帽。该绝缘体部件可以至少部分由聚合物材料制成。聚合物材料优选为聚醚醚酮(PEEK)和/或使用增强纤维来增强的聚合物材料。这种材料在拉伸方面足够强到承受升高的内部压力，使用合适的精确度易于对这种材料进行加工，和/或不会在电气方面干扰电容器的工作。

根据本发明的进一步变型，气体介质的压力至少为10巴，或至少为15巴。如将在关于图2所论述的，装置内部升高的压力允许电容器在高电压下使用。

根据本发明的另一变型，所述气密外壳包括基本上圆柱形腔室，其具有在25毫米和200毫米之间的轴向长度和/或在35毫米和150毫米之间的直径。

根据本发明的另一变型，电容器的击穿电压为至少10千伏和/或高压电容器的电容在5皮法拉和5000皮法拉之间。

根据本发明的另一变型，电极由铝或由包含大部分铝的合金制成。

根据本发明的另一变型，使用涂覆有高导电材料的不良导电材料或非导电材料来形成电极。

根据本发明的另一变型，电极形成为同心圆柱体或为交错螺旋。

根据本发明的另一变型，从单块金属中与电极中的至少一个邻接地形成端帽中的至少一个。

根据本发明的另一变型，通过螺纹接头将端帽中的至少一个固定到绝缘体部件。

根据本发明的另一变型，通过正安装接头、卡口安装、粘合剂、焊接或硬钎焊或软钎焊将端帽中的至少一个固定到绝缘体部件。

根据本发明的另一变型，气体为空气、氮气或其它惰性气体或惰性气体混合物中的一种。氮气是优选的，因为它是安全的，容易获得并且提供了极好的、一致的击穿特性。

根据本发明的另一变型，数量(其以F表示)大于0.02，其中F＝V_B×C/V，其中V为以立方毫米(mm³)为单位的气密外壳的内部容积，其中C是以皮法拉(pF)为单位的电容器的电容，以及其中V_B是以千伏(kV)为单位的电容器的击穿电压。

附图说明

现在将参照附图来对本发明进行详细说明，在附图中：

图1a至图1c分别示出了根据本发明的示例电容器的示意性正视图、截面图和平面图。

图2示出了帕邢曲线的示例，该帕邢曲线示出了击穿电压，其是气体压力和电极间隔的乘积的函数。

具体实施方式

仅出于示意性目的而提供附图，并且附图不应被解释为限制权利要求书的专利保护的范围。例如，图1a至图1c所示的示例电容器是固定电容器，但是对于本领域技术人员来说将明显的是，也可以采用可变电容器来实现本发明。

当相同的附图标记已经被用于不同的附图中时，它们意图指代相似的或相应的特征。然而，不同附图标记的使用不一定表示其所指的特征之间的差异。

图1示出了圆柱形电容器的示例，该圆柱形电容器包括两个端帽2、3，通过盖接合元件5、6将两个端帽2、3连接至绝缘室壁4(在本申请中也称为绝缘体部件)。可以设置电连接器点7和8，例如使用螺纹孔9和10以紧密的电气和机械接触的方式将电连接器固定至相应的端帽2和3。端帽可以由金属例如铝制成。端帽2和3、绝缘室壁4和接合元件5和6共同形成气密外壳。在本示例电容器的气密外壳内布置有两组相互交错的电极11和12。每个电极例如可以形成为一个或多个同心圆柱体，或形成为螺旋。电极11、12通过适当的紧固装置被固定到它们各自的端帽3、2，或者它们可以有利地各自与其相应的端帽3、2邻接地形成。

为了简化制造过程，端帽组件2，12或3，11均可以在一个压制、冲压、铸造或立体平版印刷操作中形成。例如单件铝或合适的铝合金可以进行冲压或冷压，以产生端帽和电极这两者。电极间距可以例如在0.5毫米和2毫米之间。典型的电极间距会是1毫米。

在现有技术中的高压电容器中，气密外壳内的气体将被抽出，以提供尽可能高的真空。在本发明的电容器中，在另一方面，电容器中的气体被保持处于至少为6巴的压力，以及优选地至少为10巴或15巴，将参照图2对其原因进行说明。

在本申请书前文中已提到，在英国专利GB748560中，针对绝缘电容器壁所使用的熔融石英可能在压力方面是强的，但其用于包含处于压力下的气体的材料时却是糟糕的选择，因为熔融石英不具有高的拉伸强度(50MPa)。类似地，金属端帽和熔融石英之间的环氧胶粘接头在压力方面是强的，但是在张力方面要弱得多。由于这个原因，传统的电容器主体如在GB748560中所描述的电容器主体不适于在高压下的使用。

为了在气密电容器中保持这种升高的压力，壁4、端帽2、端帽3，以及接合元件5、接合元件6的尺寸及材料被选择为在拉伸方面足够强到承受指定的内部压力。尽管针对端帽2、3及接合元件5、6可以使用铝或其它金属，但是壁4必须是极好的绝缘体，即使在高频操作下也是极好的绝缘体。已经发现用于满足壁4的绝缘性、孔隙率和强度要求的各种聚合物材料。例如，玻璃纤维增强聚合物(GFRP)或玄武岩增强聚合物(BFRP)可以是适用的。已经发现的是，除了高度无孔以外，聚醚醚酮(PEEK)还具有特别合适的刚性、拉伸强度(100MPa或在增强的情况下大于170MPa)以及绝缘属性。此外，聚醚醚酮具有的附加优点是，其机械性能具有很强的各向同性，这意味着其可以可靠地形成所需形状，而无需大的安全余量(例如，额外厚度)，以解释由于材料内的任何各向异性的变化而造成的可能弱化的区域。它还具有低的热膨胀系数，并且在通常在高压射频电容器的工作中所遇到的温度之下保持其结构特性。

聚醚醚酮的另一个优点是它可以易于加工，而不会削弱材料的结构。这使端帽2、3(或其接合元件5、6)与壁4之间的接合例如实现为螺纹连接。例如，对应于在(例如铝)端帽2、3或其接合元件3、6的外表面上的阳螺纹，可以在外壳壁4的内表面上对阴螺纹进行加工，以使得可以通过将端帽用螺丝固定到圆柱形的外壳壁4中来对气密外壳进行快速且容易的组装。替选地，可以颠倒螺纹布置，其中阳螺纹在壁4的外表面上，而阴螺纹在端帽2、3的内表面上。

因此，电容器可以包括少到三个独立部分(主体部件4以及带有一体形成的电极的两个端帽)，由此大大简化了制造和组装工艺。以这种方式，可以在足够的精度的情况下加工出螺纹接头，以在保证气密接合的同时，还准确地将电极定位在其相对于彼此所需要的交错的位置。

在组装期间可以通过垫圈或者通过将(例如硬化)的密封剂施加于螺纹来提供合适的密封。可以在合适的惰性气体或气体混合物的高压环境下对电容器进行组装，或组装过程可以包括例如通过阀来用气体填充所密封的外壳的步骤。

气体可以是任何适合的惰性气体，其允许电容器1的高电压操作，而不发生击穿放电。例如，可以使用干燥的空气，或稀有气体中的一种，或氮气或这样的气体的混合物。已经表明氮气能提供令人满意的结果。在高压电容器内的气压优选地为高于6巴，尽管发现10巴或15巴的压力有利地引起甚至更高的击穿电压。

可以参照图2来说明选择压力为6巴(或10巴或15巴或更多)的原因，图2示出了气体或气体混合物的帕邢曲线的示意性示例，该帕邢曲线可以适于在本发明的电容器中作为介质使用。曲线20示出针对具有在气体介质中具有处于压力P下并被分隔开电极间隙D的电极的装置的击穿电压V_B(垂直轴)与压力P和电极间隙D的乘积(将PxD的乘积绘制在水平轴上)之间的关系。如从该曲线的形状中可以看出，存在针对击穿电压是最小值(例如几百伏特)的PxD的值。在所示的示例曲线中，如果电极间隙为1毫米，则最小的击穿电压发生在PxD的值约为0.01巴处，其中该示例曲线仅仅是示意性的，并且不意图表示任何特定真实气体的击穿行为的准确值。低于这个压力时，例如在阴影区域21中，击穿电压随着压力的减小而急剧地增加。可以通过在这些低压下大大增加的气体分子的平均自由程(MFP)来解释这个现象。高压真空电容器正是在这个低于10^-2巴毫米的区域21中工作的。因此，阴影区域21表示帕邢曲线的以下区域：在该区域中，真空电容器可以在指定电压23(例如20千伏等)以上工作。为了在这些电压下工作，PxD的值必须低于大约3×10^-2巴毫米。

但是，如从图2中可以看出，存在帕邢曲线的另一个区域22，其允许在指定电压23以上工作。如从示例帕邢曲线20中可以看出，为了这样的操作，要求PxD值大于10巴毫米。对于典型的1毫米的电极分隔，这意味着将需要10巴的气体介质压力。替选地，可以将压力减小到例如5巴，而电极间距加倍。然而，使电极间隔加倍会使电容大约减半，并且同时使电极所需的体积多于两倍。为了补偿减半的电容，可以使电极的面积加倍。然而，这同样会增加电极所需的体积积。因此可以看出，对于给定的电容值，可以通过增加介质气体的压力来显著地减小电容器的体积。

实际上，对于给定的电容，在10巴下的电容的体积可以小于具有相同电容值但在5巴下的气体介质的电容器的四分之一的体积。值得注意的是，这些关系在数字上不精确，但是它们用于说明为什么包含在较高的压力下的气体介质的电容器可以远远小于具有在较低的压力下的气体介质的电容器。

作为第一实施示例，图1所示的高压气体电容器可以被构造成具有50毫米的内径、52毫米的高度(例如沿着在端帽2和3的内表面之间的中心轴线A-A的轴向长度)。如果电极被配置成提供例如200pF的固定电容，则电容可以在施加的高达15千伏的电压下工作。

可以根据关系式F＝U x C/V来计算系数F，其中U是以千伏(kV)为单位的工作电压，C是以皮法拉为单位的电容，而V是以立方毫米为单位的电容器的内部体积(其使用体积量，因为该体积量与电极的面积与电极间隙的乘积是大致成比例的)。

更大的工作电压要求或更大的电容或更小的电容器体积都将提供更高的F值。对于上述具有50毫米内直径的配置，F值约为0.03。

在第二实施示例中，图1的高压气体电容器可以被构造成具有60毫米的内直径、52毫米的高度以及200pF的固定电容。这种电容器可以在施加的电压高达18千伏下工作，并且具有约为0.025的F值。

在第三实施示例中，图1的高压气体电容器可以被构造成具有70毫米的内直径、52毫米的高度以及200pF的固定电容。这种电容器可以在施加电压高达20千伏下工作，并且具有约为0.02的F值。

由于本发明的高压电容器不使用真空介质，所以可以使用聚合物或其它材料，其例如由于其除气属性而不与真空相容。例如，在压力高于6巴下的气体介质的使用允许使用更广泛的各种材料和技术来制造高电压电容器。例如这在电极的设计中是非常有用的。在高频率下，传导仅发生在电极材料的外围的20或30微米，因此现在可以由聚合物或其它非导电材料或不良导电材料制造电极，其涂覆有高导电材料如铜、金或银。相比于机械加工或压制的金属，可以更容易和廉价地制造塑料电极。它们可以使用例如立体平版印刷术来制成。有利地可以将电极上的金属涂层制成足够厚(优选为30微米或以上)到提供在高频率下与真空电容器的固态金属电极同样好的导电性。

Claims

1.一种高压电容器(1)，包括：气密外壳(2，3，4)，所述气密外壳(2，3，4)包含气体介质(13)和至少两个电容器电极(11，12)，所述电容器(1)的特征在于，所述气密外壳(2，3，4)包括全部由聚合物材料制成的绝缘体部件(4)和两个端帽(2，3)，其中，所述聚合物材料是PEEK，并且/或者其中通过增强纤维来增强所述聚合物材料，其中，在所述气密外壳(2，3，4)中的所述气体介质(13)的压力为至少6巴。

2.一种用于制造根据权利要求1所述的高压电容器(1)的方法，所述方法包括：组装步骤，用于对气密外壳(2，3，4)进行组装，所述气密外壳(2，3，4)包括全部由聚合物材料制成的绝缘体部件(4)和两个端帽(2，3)，所述方法的特征在于：加压步骤，其使用所述气体介质(13)来填充所述气密外壳(2，3，4)，以达到所述至少6巴的压力。

3.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，所述压力为至少10巴或至少15巴。

4.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，所述气密外壳(2，3，4)包括基本上圆柱形腔室，所述圆柱形腔室具有在25毫米和200毫米之间的轴向长度和/或在35毫米和150毫米之间的直径。

5.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，所述高压电容器(1)的击穿电压为至少10千伏，并且/或者所述电容器(1)的电容在5皮法拉和5000皮法拉之间。

6.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，所述电极(11，12)由铝或由包含大部分铝的合金制成。

7.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，所述电极(11，12)由涂覆有高导电材料的非导电材料或不良导电材料制成。

8.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，所述电极(11，12)被形成为同心圆柱体或交错螺旋。

9.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，通过压制、冲压、铸造或通过立体平版印刷来形成所述电极(11，12)。

10.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，所述端帽(2，3)中的至少一个从单块金属与所述电极(11，12)中的至少一个邻接地形成。

11.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，通过螺纹接头将所述端帽(2，3)中的至少一个固定到所述绝缘体部件(4)。

12.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，通过正安装接头、卡口安装、粘合剂、焊接或硬钎焊或软钎焊将所述端帽(2，3)中的至少一个固定到所述绝缘体部件(4)。

13.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，所述气体包括空气、氮气和/或一种或多种惰性气体。

14.根据权利要求1所述的高压电容器(1)，其中，以F表示的数量大于0.02，其中F＝V_B×C/V，其中V为以mm³为单位的所述气密外壳的内部容积，其中C是以pF为单位的所述高压电容器(1)的电容，以及其中V_B是以kV为单位的所述高压电容器(1)的击穿电压。