DE19809752A1 - Kondensator mit kaltfließgepreßten Elektroden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators, insbesondere Vakuumkondensators, mit kaltfließ­ gepreßten Elektroden gemäß Patentanspruch 1 und einen Konden­ sator gemäß Patentanspruch 7.

Kondensatoren, insbesondere Vakuumkondensatoren, für Hochspan­ nungsbereiche 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 aufwendiger Fertigungsmittel, um den hohen Anforde­ rungen bezüglich der Plattenabstände gerecht zu werden. Durch die Maßhaltigkeit der Plattenabstände wird letztlich die Spannungs­ festigkeit 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 problem­ los erfüllt.

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

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren für einen Kondensator, insbesondere Vakuumkondensator, gelöst, wobei jeder der beiden Elektrodenteile und dessen der Halterung für dieselben aus einem Stück besteht, 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-4B Erstes Ausführungsbeispiel einer Elektrode in Aufsicht und Schnitt,

Fig. 4C Erstes Ausführungsbeispiel eines Vakuumkondensa­ tors im Schnitt,

Fig. 5A Zweites Ausführungsbeispiel eines Vakuumkondensa­ tors im Umriß,

Fig. 5B-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 Vakuumkonden­ sators im Umriß. Eine erste Elektrode 1 und eine zweite Elektrode 1' weisen je einen ersten zylindrischen Teil 2, 2' auf, welche sich auf der einen Seite mit je einem zweiten zylindri­ schen Teil 3, 3' mit leicht reduziertem Durchmesser fortsetzt. Auf der anderen Seite der zylindrischen Teile 2, 2' weisen die Elektroden je ein Befestigungselement 4, 4', z. B. einen Befesti­ gungsbolzen auf. Die beiden Elektroden 1, 1' 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, an Hand welcher das Verfahren zur Herstellung der­ selben 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 Genauig­ keit, 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 nachge­ arbeitet, was beispielsweise durch Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Abdrehen usw. erfolgt. Die einheitliche Länge der konzentrischen Zylinder ist für die Kapazität des Vakuumkonden­ sators 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 wellblech-artige, die sich durch zwei steile Flanken auszeichnet. Wesentlich ist nun, daß die Flanken dieser "Well­ blechstruktur" einer ersten und zweiten Elektrode im zusammen­ gefügten Zustand derart ineinandergreifen, daß im ganzen Bereich des Ineinandergreifens im wesentlichen äquidistante Abstände re­ sultieren. Solange die Bedingung der im wesentlichen äquidistan­ ten Abständen erfüllt bleibt, kann eine beliebige Geometrie für erste und zweite Elektrode gewählt werden, wobei in fertigungs­ technischer Hinsicht sich nur eine geringe Auswahl von Geometrien vorteilhaft auszeichnen.

Materialen für Elektroden zeichnen sich durch eine besonders gute Verformbarkeit im kalten Zustand aus, mit andern Worten diese Materialen eignen sich für das sogenannte 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 aus­ gesetzt, wobei innert wenigen Sekunden ein Preßteil entsteht, das aus dem Werkzeug entnommen werden kann. Bei diesem Kalt­ fließpressen entstehen nun überraschenderweise ganz besonders vorteilhafte Oberflächen, die im allgemeinen gar nicht mehr überarbeitet werden müssen und so zu hervorragend guten Eigen­ schaften des Vakuumkondensators führen, wie beispielsweise den Gütefaktor.

Diese hohe Oberflächengüte ergibt sich dank dem Extrusionsver­ fahren und liefert durch die dabei entstandene Materialverdich­ tung an der Oberfläche einen erstaunlichen "Finish".

Mögliche weitergehende Vergütungen der Oberflächen der konzentri­ schen 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 kon­ zentrischen Zylinder, bzw. den Elektrodenteil, des Kondensators sowie dessen Halterung, bzw. Befestigungsteil, derselben dar­ stellt. Damit wird der schwierige und arbeitsintensive Arbeits­ gang zur Herstellung der Zylinder und der Verlötung zwischen den Zylindern und der Halterung überflüssig, was nicht nur kostspie­ lige Montageschritte überflüssig macht, sondern auch eine über­ raschend hohe Maßhaltigkeit garantiert.

Analog wird eine zweite Elektrode hergestellt, wobei erste und zweite Elektrode konstruktiv so ausgelegt werden, daß sie im zusammengebauten Zustand mit ineinandergefügten konzentrischen Zylindern die gleichmäßigen Abstände derselben aufweisen.

Die beiden Elektroden werden in einem weiteren Arbeitsgang mit dem Isolator vakuumdicht verbunden, wofür im allgemeinen Löt­ verfahren vorgesehen sind.

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

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

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

Besonders vorteilhaft hat sich die hohe Erschütterungsfestigkeit der aus einem Stück gefertigen 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 Kontaktie­ rung 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' geschliffene Oberflächen aufweist.

Fig. 4A-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 Vakuum­ kondensators, 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 Vakuum­ kondensator im Schnitt. Erkennbar sind die beiden ersten zylin­ drischen Teile 2, 2', die einen Durchmesser von 46 mm aufweisen, und mit dem Isolator 5 an den Stellen 6, 6' vakuumdicht verbunden sind. Diese Verbindung erfolgt in bekannter Weise in einem Vakuum-Lötofen. Die Befestigungselemente 4, 4' sind als Befesti­ gungsbolzen mit den Gewinden 8, 8' ausgebildet und erlauben eine Schraubverbindung. Die konzentrischen Zylinder 11-15, bzw. 11'-14' sind senkrecht auf den zylindrischen Teilen 2, bzw. 2' angeordnet und wurden durch Kaltfließpressen in einem Arbeits­ gang hergestellt. Die Maßhaltigkeit der Abstände der konzen­ trischen Zylinder 11-15 und 11'-14' ist besser als 0,05 mm. Als Elektrodenmaterial gelangte sauerstoffarmes Kupfer zur Anwen­ dung.

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

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

Fig. 5B-5C zeigen die Elektrode eine zweiten Ausführungsbeispiels in Aufsicht und Schnitt.

Fig. 5B zeigt im Schnitt eine der beiden Elektroden des Vakuum­ kondensators. 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 zylindri­ schen Teil dar.

Fig. 6 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel Teile eines variab­ len 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' angeordnet, wobei letztere nun variabel mittels einer nur andeutungsweise dar­ gestellten Spindelvorrichtung verstellbar ist. Erkennbar sind die konzentrischen Zylinder 11, 12 und 13 der ersten Elektrode, sowie die konzentrischen Zylinder 11' und 12' 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 (16)

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') aus einem Elektrodenmaterial durch Kaltfließpressen verformt werden, daß die Elektroden (1, 1') mit mindestens einem Isolator (5) verbun­ den werden, und daß die Elektroden (1, 1') mit Mitteln zur Befestigung versehen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Elektroden (1, 1') durch das Kaltfließpressen bereits die geforderte Oberflächenqualität aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergütung der Elektroden (1, 1') durch Elektropolieren und vorzugsweise durch Versilbern erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden (1, 1') mit dem Isolator (5) vakuumdicht verbunden werden.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4 für Fixe und variable Kondensatoren.

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

7. Kondensator, insbesondere Vakuumkondensator, nach einem Verfahren der Ansprüche 1-6, umfassend zwei Elektroden, min­ destens einen Isolator und Mittel zur Befestigung, gekennzeichnet dadurch, daß eine erste Elektrode (1) und eine zweite Elektrode (1') über mindestens einen Isolator (5) zu einem dichten Gehäuse isolierend angeordnet sind, daß die Elektroden (1, 1') neben ihrer Elektrodenfunktion gleichzeitig als deren Halterung ausge­ bildet und aus einem Stück gefertigt sind, und daß Mittel zur Befestigung (4, 4') an den die Elektroden (1, 1') vorgesehen sind.

8. Kondensator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 1') in im wesentlichen äquidistanten Abständen zueinander angeordnet sind.

9. Kondensator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 1') aus ersten zylindrischen Teilen (2, 2') und aus mindestens einem konzentrisch angeordneten Zylinder (11, 11') bestehen, wobei letztere in im wesentlichen äquidistan­ ten Abständen zueinander angeordnet sind.

10. Kondensator nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die konzentrisch angeordneten Zylinder (11, 11') der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (1') gegen­ einander in im wesentlichen äquidistanten Abständen zueinander angeordnet sind.

11. Kondensator nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß erste Elektrode (1) und zweite Elektrode (1') aus gleichen oder aus verschiedenem Material bestehen.

12. Kondensator nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden (1, 1') vergütete Oberflächen auf­ weisen.

13. Kondensator nach einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden aus Materialen wie etwa Aluminium, Buntmetalle, Edelmetalle sowie deren Legierungen, vorzugsweise aus Kupfer, und ganz besonders vorzugsweise aus sauerstoffarmem Kupfer bestehen.

14. Kondensator nach einem der Ansprüche 7-13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden (1, 1') mit dem Isolator (5) vakuumdicht angeordnet sind.

15. Kondensator nach einem der Ansprüche 7-14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß erste Elektrode (1) und zweite Elektrode (1') für fixe und variable Kondensatoren vorgesehen sind.

16. Kondensator nach einem der Ansprüche 7-15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Mittel zur Befestigung (4, 4') Befestigungs­ elemente, bzw. Befestigungsbolzen vorgesehen sind.