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PATENTANSPRÜCHE
1. Gekühlter Vakuumkondensator veränderbarer Kapazität, mit einem evakuierten Gehäuse, in dessen Deckel der Hohlschaft einer von aussen gegenüber einer am Gehäuseboden fest angeordneten ersten Elektrode verstellbaren zweiten Elektrode geführt ist, einem zwischen der zweiten Elektrode und dem Gehäusedeckel vakuumdicht angeordneten, den Hohlschaft unter Bildung eines Ringraumes umschliessenden Faltenbalgen, der die zweite Elektrode mit dem Gehäusedeckel elektrisch verbindet und den Ringraum vom Vakuum im Gehäuse abschliesst, und mit einem den Innenraum des Hohlschaftes und den Ringraum einschliessenden Kühlkreislauf zum Kühlen der beweglichen zweiten Elektrode und des Faltenbalgens, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (32) vorhanden sind,
um der axialen Kühlmittelströmung im Ringraum (19) eine drehende Bewegung um den Hohlschaft (14) zu überlagern und durch die dabei auftretenden Zentrifugalkräfte Kühlmittel in die Wellen (16a) des Faltenbalgens (16) zu führen.
2. Vakuumkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Hohlschaftes (14) am elektrodenseitigen Ende mit dem Ringraum (19) durch in diesen tan- gential einmündende und in Richtung zum Gehäusedeckel (3) hin ansteigende Strömungskanäle (32) verbunden ist.
3. Vakuumkondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlschaft (14) einen die Strömungskanäle (32) enthaltenden Flansch (14a) aufweist und jeder Strömungskanal zuerst radial vom Innenraum des Hohlschaftes (14) wegführt und dann auf einer Zylindermantelfläche in einem ansteigenden Bogen zur Austrittsöffnung (32c) im Ringraum (19) hinführt.
4. Vakuumkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer an der Innenseite des Gehäusedeckels (3) angeordneten Führungshülse (15) zur Lagerung des Hohlschaftes (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche der Führungshülse (15) längs Schraubenlinien verlaufende Nuten (35) enthält, die Führungskanäle für das auströmende Kühlmittel bilden, um dieses in kreisender Bewegung um die Führungshülse (15) zu halten.
5. Vakuumkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faltenbalgen ein spiralwelliger Metallschlauch mit in Richtung zum Gehäusedeckel (3) hin ansteigenden Wellen ist.
Die Erfindung betrifft einen gekühlten Vakuum kondensator veränderbarer Kapazität, mit einem evakuierten Gehäuse, in dessen Deckel der Hohlschaft einer von aussen gegenüber einer am Gehäuseboden fest angeordneten ersten Elektrode verstellbaren zweiten Elektrode geführt ist, einem zwischen der zweiten Elektrode und dem Gehäusedeckel vakuumdicht angeordneten, den Hohlschaft unter Bildung eines Ringraumes umschliessenden Faltenbalgen, der die zweite Elektrode mit dem Gehäusedeckel elektrisch verbindet und den Ringraum vom Vakuum im Gehäuse abschliesst, und mit einem den Innenraum des Hohlschaftes und den Ringraum einschliessenden Kühlkreislauf zum Kühlen der beweglichen zweiten Elektrode und des Faltenbalgens.
Bei herkömmlichen Vakuumkondensatoren dieser Bauart trägt der Gehäusedeckel einen in zwei übereinanderliegenden Kammern unterteilten Aufsatz, von denen jede einen Anschluss zum Zu- bzw. Abführen von Kühlmittel aufweist. Der Hohlschaft ist durch die Trennwand der beiden Kammern hindurchgeführt und mittels einer in der oberen Abschlusswand des Aufsatzes drehbar gelagerten Schraubenspindel auf- und abwärts bewegbar. In der unteren Endlage, in der der Kondensator seine maximale Kapazität hat, ist der Faltenbalgen gedehnt und seine Wellen sind entsprechend weit; in der oberen Endlage hat der Kondensator seine kleinste Kapazität; der Faltenbalgen ist zusammengedrückt und seine Wellen sind eng.
Für den Kühl kreislauf ist der Ringraum innerhalb des Faltenbalgens durch axiale Bohrungen im Gehäusedeckel mit der unteren Kammer im Aufsatz und am elektrodenseitigen Ende durch radiale Boh rungen im Hohlschaft mit dessen Innenraum verbunden, der seinerseits am anderen Ende durch radiale Bohrungen mit der oberen Kammer im Aufsatz in Verbindung steht. Der unteren
Kammer zugeführtes Kühlmittel strömt so zunächst abwärts durch den Ringraum, wobei der Faltenbalgen gekühlt wird, und dann durch den Hohlschaft aufwärts in die obere Kammer, aus der es durch deren Anschluss abgeführt wird. Die Strömungs richtung kann auch umgekehrt sein. Eine solche Kühlung funktioniert nur bei senkrecht stehenden Kondensatoren und dann häufig auch nur mit erheblichen Schwierigkeiten.
In vielen Anwendungen werden solche Vakuumkondensatoren von starken Strömen durchflossen, wobei sich der Falten balgen zufolge der erforderlichen geingen Materialstärke sehr stark erwärmt, so dass viel Wärme abgeführt werden muss, um Schäden zu vermeiden. Eine bessere Kühlwirkung lässt sich an sich durch eine grössere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erreichen. Bei dem durch den Faltenbalgen begrenzten Ringraum strömt das Kühlmittel aber schon bei mässig hoher Geschwindigkeit in der Hauptsache nur in dem den Hohlschaft umgebenden zylindrischen Kanal, während es sich in den Wellen des Faltenbalgens staut, wobei der Austausch des in den Wellen enthaltenen Kühlmittels im wesentlichen von deren Weite und Tiefe und von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt.
Besonders ungünstig sind die Verhältnisse, wenn der Kondensator auf minimale Kapazität eingestellt ist und die dann dicht aneinanderliegenden Wellen des Faltenbalgens sehr eng sind. Wird als Kühlmittel eine Flüssigkeit, z.B. Wasser verwendet, so bilden sich häufig Gasblasen aus, die in den Wellen des Faltenbalgens wegen des dort gestauten Kühlmittels stationär sind und durch die die Kühlung an den betreffenden Stellen zusätzlich stark beeinträchtigt wird. Bei grösseren Stromstärken kann der Faltenbalgen daher leicht örtlich so heiss werden, dass er durchschmilzt, oder durch die thermische Überbelastung das Material so stark geschädigt wird, dass es der mechanischen Beanspruchung nicht mehr standhält und irgendwann reisst. Durch so entstandene Löcher oder Risse kann dann Kühlmittel in den Vakuumraum einströmen, was u.U. zur Zerstörung des Kondensators führen kann.
Im allgemeinen ist daher bei einem herkömmlichen Vakuumkondensator die Kühlwirkung bei einer bestimmten verhältnismässig niedrigen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels optimal und eine Erhöhung derselben über diesen Wert hinaus erbringt keineswegs eine Verbesserung sondern u.U. eine rapide Verschlechterung in der Kühlung des Faltenbalgens. Diesem entsprechend ist für die Strombelastbarkeit des Kondensators ein Grenzwert vorgegeben, der aus Gründen der Betriebssicherheit auch nicht von Stromstössen überschritten werden sollte.
All dies zusammen mit der nur vertikalen Anordnung macht die Verwendung solcher Vakuumkondensatoren umständlich und einen zuverlässigen Betrieb derselben schwierig.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, einen Vakuumkondensator der vorstehend genannten Art zu schaffen, bei dem die Kühlung des Faltenbalgens besser und vor allem auch unempfindlicher für Schwankungen in der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels ist und der auch in beliebiger Lage verwendet werden kann.
Die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe besteht in dem im Anspruch 1 gekennzeichneten gekühlten Vakuumkondensator.
Es hat sich überraschen gezeigt, dass auch bei dem herkömmlichen Aufbau des Vakuumkondensators allein durch die drehende Bewegung des Kühlmittels um den Hohlschaft und die
dabei auftretenden Zentrifugalkräfte ein Stauen des Kühlmittels in den Wellen des Faltenbalgens verhindert wird und z.B. bei Wasser als Kühlmittel alle entstehenden Gasblasen aus den Wellen des Faltenbalgens hinausgedrückt werden und allenfalls z.T.
an dem Hohlschaft haften bleiben, wo sie jedoch unschädlich sind. Um mehr Wärme von dem Faltenbalgen abzuführen kann der Kühlmitteldurchsatz durch den Ringraum erhöht werden, wobei die Kühlung intakt bleibt, sofern nur das Kühlmittel dabei in eine ausreichend schnelle Umdrehung um den Hohlschaft versetzt wird. Zur Erzeugung einer solchen Drehbewegung können beliebige bekannte Mittel verwendet werden, vorzugsweise solche einfachen Aufbaus. Auch beim Einsatz sehr einfacher Mittel zur Erzeugung der Drehbewegung kann bei stets zuverlässiger Kühlung der Kühlmitteldurchsatz in einem sehr weiten Bereich variiert werden, so dass bei sonst identischer Ausführung der Vakuumkondensator nach der Erfindung zufolge der besseren Kühlung mit wesentlich höheren Stromstärken belastbar ist als der herkömmliche Vakuumkondensator.
Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit kann bei dem Vakuumkondensator nach der Erfindung entweder der Kühlmitteldurchsatz so hoch eingestellt werden, dass die Kühlung für den Normalbetrieb sozusagen überdimensioniert ist und allenfalls vorkommende Stromspitzen den Faltenbalgen nicht unzulässig hoch erwärmen können, oder es kann der Kühlmitteldurchsatz auf einfache Weise in Abhängigkeit z.B. von der Stromstärke, der Austrittstemperatur des Kühlmittels oder der Temperatur des Faltenbalgens geregelt werden, ohne dass ein Eingriff in den elektrischen Kreis erforderlich ist. Wegen der drehenden Bewegung des Kühlmittels ist die Kühlung des Faltenbalgens lagenunabhängig, so dass der Vakuumkondensator nach der Erfindung in jeder beliebigen Lage verwendet werden kann.
Vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird, auf welcher zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Vakuumkondensators nach der Erfindung,
Fig. 2 in vergrösserter Darstellung einen Längsschnitt durch den Faltenbalgen und den Hohlschaft des Vakuumkondensators der Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 2 und
Fig. 4 eine Abwicklung der Mantelfläche des Hohlschaftflansches aus Fig. 2.
Der in Fig. 1 gezeigte Vakuumkondensator ist mit Ausnahme der Kühlung des Faltenbalgens von üblicher Bauart, das zylindrische Gehäuse 1 des Vakuumkondensators weist einen Boden 2 und einen Deckel 3, beide aus Metall, auf, die durch ein Isolierrohrstück 4 aus Keramik elektrisch voneinander getrennt und mit diesem vakuumdicht verbunden sind. Auf der Innenseite trägt der Gehäuseboden 2 einen Satz senkrecht stehender Kupferplatten 6, die mit dem Gehäuseboden 2 gut leitend verbunden sind und zusammen mit diesem die feste Elektrode 5 des Vakuumkondensators bilden. Auf der Aussenseite ist der Gehäuseboden 2 mit einem Montagering 7 ausgestattet, der durch eine Platte 8 mit Anschlüssen 9 und 10 für die Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels, z.B. Wasser, abgedeckt ist, um die feste Elektrode 5 über den Gehäuseboden 2 zu kühlen.
Die der festen Elektrode 5 entsprechend ausgebildete bewegliche Elektrode 11 weist eine mit einem zweiten Satz Kupferplatten 13 bestückte Trägerplatte 12 auf, die am unteren Ende eines Hohlschaftes 14 befestigt ist. Der Hohlschaft 14 ist in einer Führungshülse 15 des Gehäusedeckels 3 verschiebbar angeordnet. Beim Verschieben liegen die Kupferplatten 13 der beweglichen Elektrode 11 stets zwischen den Kupferplatten 6 der ersten Elektrode 5, wobei die Kapazität des Kondensators in der unteren Endstellung der beweglichen Elektrode 5 ihren Maximalwert und in der oberen Endstellung ihren Minimalwert hat. Den Hohlschaft 14 umschliesst ein Faltenbalgen 16 aus Metall, der durch herkömmliche elektrisch leitende Endverbindungen 17 bzw. 18 an seinem unteren Ende mit der Trägerplatte 12 der beweglichen Elektrode 11 und an seinem oberen Ende mit dem Gehäusedeckel 3 vakuumdicht verbunden ist.
Wegen des verhältnismässig grossen Hubs der beweglichen Elektrode 11 zwischen ihren beiden Endstellungen und der beschränkten Dehnbarkeit eines solchen Faltenbalgens 16 muss dieser eine entsprechende Länge aufweisen, so dass gewöhnlich die Führungshülse 15 im Gehäuseinneren angeordnet und ebenfalls vom Faltenbalgen 16 umschlossen ist. Der Faltenbalgen 16 verbindet die bewegliche Elektrode 11 elektrisch mit dem Gehäusedeckel 3 und trennt im Gehäuseinneren einen den Hohlschaft 14 und die Führungshülse 15 enthaltenden Innenraum 19 vakuumdicht vom evakuierten Aussenraum 20, wobei das Hochvakuum als Dielektrikum zwischen den beiden Elektroden 5 und 11 des Kondensators dient.
Der Gehäusedeckel 3 trägt einen mit dem Gehäuse 1 koaxialen Aufsatz 21, der durch eine radiale Trennwand 22 in eine untere Kammmer 23 und eine obere Kammer 24 unterteilt ist.
Seitliche Leitungsanschlüsse 25 und 26 dienen zum Zuführen von Kühlmittel, z.B. Wasser, in die obere Kammer 24 und zum Abführen des Kühlmittels aus der unteren Kammer 23. Im Kopfteil 21a des Aufsatzes 21 ist eine mit dem Hohlschaft 14 der beweglichen Elektrode 11 koaxiale Schraubenspindel 29 drehbar gelagert. Ein am oberen Ende des Hohlschaftes 14 befestigtes rohrförmiges Zwischenstück 27 ist in der Trennwand 22 des Aufsatzes 21 axial verschiebbar angeordnet und enthält an seinem oberen Ende das Muttergewinde 28 für die Schraubenspindel 29, wobei der Innendurchmesser des Zwischenstükkes 27 grösser ist als der Durchmesser des Muttergewindes 28.
Auch der Gehäusedeckel 3 weist an seiner Aussenseite einen Montagering 30 auf.
Der Kühlmittelkreislauf führt von der oberen Kammer 24 durch radiale Bohrungen 31 in das rohrförmige Zwischenstück 27, dann abwärts durch das Zwischenstück 27 und den Hohlschaft 14, von da durch Kanäle 32 in den Ringraum 19 innerhalb des Faltenbalgens 16, in dem Ringraum 19 nach oben und durch axiale Bohrungen 33 des Gehäusedeckels 3 in die untere Kammer 23.
Erfindungsgemäss sind im Kühlkreislauf Mittel vorhanden, durch die das Kühlmittel im Ringraum 19 in eine drehende Bewegung um den Hohlschaft 14 versetzt wird und so in einer schraubenförmigen Bahn zum Gehäusedeckel 3 hin geführt wird, wie es in Fig. 1 durch Pfeile 34 angedeutet ist. Diese Drehbewegung kann auf beliebige Weise erzeugt werden, wesentlich ist dabei nur, dass die dabei auftretenden Zentrifugalbeschleunigungen ausreichen, um das Kühlmittel in die Wellen des Faltenbalgens 16 hineinzuführen. Bevorzugt werden zweckmässig im Aufbau einfache Mittel, so dass auch herkömmliche Vakuumkondensatoren ohne grossen Aufwand nachträglich mit ihnen ausgerüstet werden können.
Bei kleineren Vakuumkondensatoren ist z.B. schon eine aus Federband ein- oder mehrgängig gewickelte Schraubenfeder ausreichend, die mit der Innenkante auf dem aus der Führungshülse 15 herausragenden Ende des Hohlschaftes gleitend angeordnet ist, so dass sie beim Aufwärtshub der beweglichen Elektrode 11 zusammengedrückt wird, in jeder Stellung aber schraubenartig gewundene Kanäle des am unteren Ende des Ringraumes 19 aus dem Hohlschaft 14 zugeführten Kühlmittels bildet.
Im Aufbau einfachere und im Betrieb wirkungsvollere Mittel zum Versetzen des Kühlmittels in eine drehende Bewegung sind bei der auf der Zeichnung dargestellten Ausführung eines Vakuumkondensators nach der Erfindung vorgesehen. Einzelheiten dieser Mittel sind in den Fig. 2 bis 4 besser ersichtlich.
Bei einer dargestellten bevorzugten Ausführung ist der Innenraum des Hohlschaftes 14 am elektrodenseitigen Ende mit dem Ringraum 19 durch in diesen tangential einmündende und in Richtung zum Gehäusedeckel 3 hin ansteigende Strömungskanäle 32 verbunden. Das aus den Strömungskanälen 32 austretende Kühlmittel versetzt das im Ringraum vorhandene Kühlmittel in drehende Bewegung um den Hohlschaft und die Führungshülse 15. Bei der dargestellten Ausführung weist der Hohlschaft 14 am elektrodenseitigen Ende einen Aussenflansch 14a mit zylindrischer Mantelfläche 14b auf, durch den z.B. vier radiale Bohrungen 32a hindurchgeführt sind (Fig. 3). Auf der Mantelfläche 14b weist der Flansch 14a ansteigende Nuten 32b auf, von denen jede von einer Bohrung 32a abgeht und in der Schulterfläche 14c des Flansches 14a ausläuft.
Die Endverbindung 17 des Faltenbalgens 16 weist eine zylindrische Innenfläche 17a auf, durch die bei eingesetztem Flansch 14a die radialen Bohrungen 32a und die Nuten 32b seitlich zu den Strömungskanälen 32 geschlossen sind. Fig. 4 zeigt eine Abwicklung der Flansch-Mantelfläche 14b, aus der der Verlauf der Nuten 32b ersichtlich ist. Die Dimensionierung der Strömungskanäle 32 ist von den jeweiligen Strömungsanforderungen abhängig und durch die Art des Kühlmittels, Gas oder Flüssigkeit, bestimmt.
Die auf der Zeichnung dargestellten weiten Kanäle sind für ein flüssiges Kühlmittel, wie z.B. Wasser, zweckmässig.
Das Kühlmittel tritt aus den Strömungskanälen 32, die als Injektoren wirken, mit hoher Geschwindigkeit tangential zum Umfang des Hohlschaftes 14 aus. In der unteren Endlage der beweglichen Elektrode tritt das Kühlmittel zuerst in den unteren Abschnitt 19a des Ringraumes 19 ein, der sich längs des aus der Führungshülse 15 herausragenden Endes des Hohlschaftes 14 erstreckt und einen verhältnismässig grossen Querschnitt hat, aufgrund dessen die axiale Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in diesem Abschnitt 19a entsprechend niedrig ist, so dass dort das in drehende Bewegung versetzte Kühlmittel auch mit einem kleinen Steigungswinkel rotiert und in die einzelnen Wellen 16a des Faltenbalgens 16 eindringt.
Der sich längs der Führungshülse 15 erstreckende obere Abschnitt 19b des Ringraumes 19 hat einen kleineren Querschnitt als der untere Abschnitt 19a, so dass in ihm die axiale Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels stets grösser als im unteren Abschnitt 19a ist, und dementsprechend wird dort auch der Steigungswinkel des rotierenden Kühlmittels grösser. Ist die Querschnittsfläche des oberen Abschnittes 19b beachtlich kleiner als die des unteren Abschnittes 19a und beträgt etwa nur ein Viertel desselben, so kann es vorkommen, dass die Wellen des Faltenbalgens im oberen Abschnitt 19b nur mangelhaft mit bewegtem Kühlmittel versorgt werden und die Kühlung des Faltenbalgens nicht mehr ausreicht.
In solchen Fällen wird eine Führungshülse 15 verwendet, die an ihrer Mantelfläche längs Schraubenlinien entsprechend kleiner Steigung verlaufende Nuten 35 aufweist, durch die das rotierende Kühlmittel auf eine weniger steil ansteigende Bahn und entsprechend grössere Drehgeschwindigkeit gezwungen wird. Damit ist auch für diesen Abschnitt eine stets ausreichende Kühlung gewährleistet. In der oberen Endlage der beweglichen Elektrode tritt das aus den Strömungskanälen 32 ausströmende Kühlmittel gleich in den oberen, den kleineren Querschnitt aufweisenden Abschnitt l9b des Ringkanals 19 ein, so dass bei einer hohen Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmittels diesen Führungsnuten 35 u.U. nur eine geringe Bedeutung zukommt, doch wird durch sie auch in dieser Endlage die Kühlung im allgemeinen wirkungsvoll unterstützt.
Bei nur geringem Unterschied in den Querschnittsflächen des unteren und oberen Ringraum-Abschnittes 19a, 19b kann ohne Einbusse an Kühlwirkung die Führungshülse 15 eine glatte Mantelfläche aufweisen, insbesondere dann, wenn bei einem nur kleinen Hub der beweglichen Elektrode der Faltenbalgen ziemlich kurz gewählt werden kann. Da der Faltenbalgen gewöhnlich ziemlich lang ist, werden jedoch im allgemeinen an der Führungshülse 15 solche Führungskanäle 35 vorgesehen.
Da bei Vakuumkondensatoren der beschriebenen Art der Faltenbalgen im Betrieb stark mechanisch beansprucht wird und zudem eine lange Lebensdauer haben soll, werden im allgemeinen Faltenbalgen eingesetzt, bei denen die Wellen in zur Längsachse senkrechten Ebenen liegen. Die erfindungsgemässe Kühlung des Faltenbalgens durch in drehende Bewegung versetztes Kühlmittel wird bei einem spiralwelligen Faltenbalgen optimal. Solche spiralwellige Faltenbalgen sind im Handel erhältlich, doch sind sie in mechanischer Hinsicht für Vakuumkondensatoren nur in Ausnahmefällen befriedigend.
Sind für einen gegebenen Vakuumkondensator die beiden Arten Faltenbalgen in der erhältlichen Ausführung gleichwertig, so wird zweckmässig der spiralwellige Faltenbalgen gewählt, da dieser zusätzliche Vorteile in der Kühlmittelführung oder im Aufbau, wie Verwendung einer glatten Führungshülse anstelle einer solchen mit Führungsnuten, erbringen kann.
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PATENT CLAIMS
1.Cooled vacuum capacitor of variable capacity, with an evacuated housing, in the cover of which the hollow shaft is guided a second electrode which is adjustable from the outside relative to a first electrode fixedly arranged on the housing base, a vacuum-tightly arranged between the second electrode and the housing cover, forming the hollow shaft Bellows enclosing the annular space, which electrically connects the second electrode to the housing cover and seals off the annular space from the vacuum in the housing, and with a cooling circuit for cooling the movable second electrode and the bellows, which includes the interior of the hollow shaft and the annular space, characterized in that means ( 32) are present
in order to superimpose a rotating movement around the hollow shaft (14) on the axial coolant flow in the annular space (19) and to guide coolant into the shafts (16a) of the bellows (16) due to the centrifugal forces that occur.
2. Vacuum capacitor according to claim 1, characterized in that the interior of the hollow shaft (14) is connected at the electrode-side end to the annular space (19) by flowing into this tangentially and in the direction of the housing cover (3) rising flow channels (32) .
3. Vacuum condenser according to claim 2, characterized in that the hollow shaft (14) has a flange (14a) containing the flow channels (32) and each flow channel first leads radially away from the interior of the hollow shaft (14) and then on a cylindrical surface in a rising arc leads to the outlet opening (32c) in the annular space (19).
4. Vacuum capacitor according to one of claims 1 to 3, with a on the inside of the housing cover (3) arranged guide sleeve (15) for mounting the hollow shaft (14), characterized in that the lateral surface of the guide sleeve (15) along helical grooves ( 35), which form guide channels for the escaping coolant in order to hold it in a circular motion around the guide sleeve (15).
5. Vacuum condenser according to one of claims 1 to 4, characterized in that the bellows is a spiral corrugated metal tube with waves rising in the direction of the housing cover (3).
The invention relates to a cooled vacuum capacitor of variable capacity, with an evacuated housing, in the cover of which the hollow shaft is guided from the outside relative to a first electrode fixedly arranged on the housing bottom, a second electrode which is arranged between the second electrode and the housing cover in a vacuum-tight manner, the hollow shaft with the formation of an annular space enclosing bellows, which electrically connects the second electrode to the housing cover and seals the annular space from the vacuum in the housing, and with a cooling circuit including the interior of the hollow shaft and the annular space for cooling the movable second electrode and the bellows.
In conventional vacuum capacitors of this type, the housing cover carries an attachment which is divided into two superimposed chambers, each of which has a connection for supplying and removing coolant. The hollow shaft is passed through the partition of the two chambers and can be moved up and down by means of a screw spindle rotatably mounted in the upper end wall of the attachment. In the lower end position, in which the condenser has its maximum capacity, the bellows is stretched and its waves are correspondingly wide; the capacitor has its smallest capacitance in the upper end position; the bellows is compressed and its waves are narrow.
For the cooling circuit, the annular space inside the bellows is connected by axial holes in the housing cover to the lower chamber in the attachment and at the electrode end by radial holes in the hollow shaft with its interior, which in turn is connected to the upper chamber in the attachment by radial holes communicates. The lower one
Chamber coolant thus flows first downwards through the annular space, whereby the bellows is cooled, and then through the hollow shaft upwards into the upper chamber, from which it is discharged through its connection. The flow direction can also be reversed. Such cooling only works with vertical condensers and then often only with considerable difficulties.
In many applications, such currents are flowed through by strong currents, the bellows heating up very much due to the required low material thickness, so that a lot of heat must be dissipated in order to avoid damage. A better cooling effect can be achieved by increasing the flow rate of the coolant. In the annular space delimited by the bellows, the coolant already flows at a moderately high speed, mainly only in the cylindrical channel surrounding the hollow shaft, while it builds up in the waves of the bellows, the exchange of the coolant contained in the shafts essentially from whose width and depth and depends on the flow velocity.
The conditions are particularly unfavorable if the condenser is set to minimum capacitance and the then close-lying shafts of the bellows are very narrow. If a liquid, e.g. If water is used, gas bubbles often form which are stationary in the bellows' waves because of the coolant stowed there and which additionally severely impair the cooling at the relevant points. At higher currents, the bellows can easily become hot locally so that it melts, or the material is damaged by the thermal overload to such an extent that it no longer withstands the mechanical stress and tears at some point. Holes or cracks created in this way can then flow coolant into the vacuum space, which may can destroy the capacitor.
In general, therefore, in a conventional vacuum condenser, the cooling effect is optimal at a certain, relatively low flow rate of the coolant, and an increase above this value in no way brings about an improvement, but may a rapid deterioration in the bellows cooling. Corresponding to this, a limit value is specified for the current carrying capacity of the capacitor, which should not be exceeded by current surges for reasons of operational safety.
All of this, along with the only vertical arrangement, makes the use of such vacuum capacitors cumbersome and difficult to operate reliably.
It was therefore an object of the invention to provide a vacuum condenser of the type mentioned above in which the cooling of the bellows is better and above all less sensitive to fluctuations in the flow rate of the coolant and which can also be used in any position.
The inventive solution to the problem consists in the cooled vacuum condenser characterized in claim 1.
It has been shown to be surprising that even with the conventional construction of the vacuum condenser, the rotating movement of the coolant around the hollow shaft and the
centrifugal forces occurring thereby prevent the coolant from jamming in the bellows shafts and e.g. with water as the coolant, all gas bubbles are pushed out of the bellows waves and, if necessary, partially
adhere to the hollow shaft where they are harmless. In order to dissipate more heat from the bellows, the coolant throughput through the annular space can be increased, the cooling remaining intact, provided that only the coolant is rotated sufficiently quickly around the hollow shaft. Any known means can be used to produce such a rotary movement, preferably such a simple construction. Even with the use of very simple means for generating the rotary movement, the coolant throughput can be varied within a very wide range with always reliable cooling, so that with an otherwise identical design, the vacuum condenser according to the invention can be loaded with much higher currents than the conventional vacuum condenser due to the better cooling .
To ensure operational safety, either the coolant throughput can be set so high in the vacuum condenser according to the invention that the cooling for normal operation is oversized, so to speak, and any current peaks that occur cannot inadmissibly heat the bellows, or the coolant throughput can easily be dependent e.g. are regulated by the current intensity, the outlet temperature of the coolant or the temperature of the bellows without any intervention in the electrical circuit being necessary. Because of the rotating movement of the coolant, the cooling of the bellows is independent of the position, so that the vacuum condenser according to the invention can be used in any position.
Advantageous developments of the subject matter of the invention are specified in the dependent claims.
The invention is explained in more detail below with the aid of a preferred exemplary embodiment, reference being made to the accompanying drawing, in which:
1 shows a longitudinal section of a vacuum capacitor according to the invention,
2 is an enlarged view of a longitudinal section through the bellows and the hollow shaft of the vacuum capacitor of FIG. 1,
Fig. 3 is a cross section along the line A-A in Fig. 2 and
4 shows a development of the lateral surface of the hollow shaft flange from FIG. 2.
The vacuum condenser shown in Fig. 1 is of the usual type with the exception of the cooling of the bellows, the cylindrical housing 1 of the vacuum condenser has a base 2 and a cover 3, both made of metal, which are electrically separated from one another by an insulating tube piece 4 made of ceramic and are connected to it in a vacuum-tight manner. On the inside, the housing base 2 carries a set of vertically standing copper plates 6, which are connected to the housing base 2 in a highly conductive manner and together form the fixed electrode 5 of the vacuum capacitor. On the outside, the housing base 2 is equipped with a mounting ring 7, which is connected by a plate 8 with connections 9 and 10 for the supply and discharge of a coolant, e.g. Water is covered in order to cool the fixed electrode 5 over the housing base 2.
The movable electrode 11 designed in accordance with the fixed electrode 5 has a carrier plate 12 which is equipped with a second set of copper plates 13 and which is fastened to the lower end of a hollow shaft 14. The hollow shaft 14 is slidably arranged in a guide sleeve 15 of the housing cover 3. When moving, the copper plates 13 of the movable electrode 11 always lie between the copper plates 6 of the first electrode 5, the capacitance of the capacitor having its maximum value in the lower end position of the movable electrode 5 and its minimum value in the upper end position. A metal bellows 16 surrounds the hollow shaft 14 and is connected in a vacuum-tight manner at its lower end to the carrier plate 12 of the movable electrode 11 at its lower end by conventional electrically conductive end connections 17 and 18, and to the housing cover 3 at its upper end.
Because of the relatively large stroke of the movable electrode 11 between its two end positions and the limited extensibility of such a bellows 16, the bellows 16 must have a corresponding length, so that the guide sleeve 15 is usually arranged inside the housing and is also enclosed by the bellows 16. The bellows 16 electrically connects the movable electrode 11 to the housing cover 3 and separates an interior 19 containing the hollow shaft 14 and the guide sleeve 15 in a vacuum-tight manner from the evacuated outer space 20, the high vacuum serving as a dielectric between the two electrodes 5 and 11 of the capacitor.
The housing cover 3 carries an attachment 21 which is coaxial with the housing 1 and which is divided by a radial partition wall 22 into a lower chamber 23 and an upper chamber 24.
Lateral line connections 25 and 26 serve to supply coolant, e.g. Water, into the upper chamber 24 and for removing the coolant from the lower chamber 23. In the head part 21a of the attachment 21, a screw spindle 29 coaxial with the hollow shaft 14 of the movable electrode 11 is rotatably mounted. A tubular intermediate piece 27 fastened to the upper end of the hollow shaft 14 is axially displaceably arranged in the partition 22 of the attachment 21 and contains at its upper end the nut thread 28 for the screw spindle 29, the inside diameter of the intermediate piece 27 being larger than the diameter of the nut thread 28 .
The housing cover 3 also has a mounting ring 30 on its outside.
The coolant circuit leads from the upper chamber 24 through radial bores 31 into the tubular intermediate piece 27, then down through the intermediate piece 27 and the hollow shaft 14, from there through channels 32 into the annular space 19 within the bellows 16, in the annular space 19 upwards and through axial bores 33 of the housing cover 3 into the lower chamber 23.
According to the invention, means are present in the cooling circuit by means of which the coolant in the annular space 19 is set in a rotating movement around the hollow shaft 14 and is thus guided in a helical path to the housing cover 3, as indicated by arrows 34 in FIG. 1. This rotary movement can be generated in any way, it is only important that the centrifugal accelerations occurring are sufficient to guide the coolant into the waves of the bellows 16. Simple means are expediently preferred in construction, so that even conventional vacuum capacitors can be retrofitted with them without great effort.
With smaller vacuum capacitors e.g. a single or multi-start coil spring is sufficient, which is slidably arranged with the inner edge on the end of the hollow shaft protruding from the guide sleeve 15, so that it is compressed during the upward stroke of the movable electrode 11, but in each position, but helically wound channels of the at the lower end of the annular space 19 forms coolant supplied from the hollow shaft 14.
Much simpler in construction and more effective in operation, means for setting the coolant into a rotating movement are provided in the embodiment of a vacuum condenser according to the invention shown in the drawing. Details of these means can be seen more clearly in FIGS. 2 to 4.
In a preferred embodiment shown, the interior of the hollow shaft 14 is connected at the electrode-side end to the annular space 19 by flow channels 32 opening tangentially into it and rising in the direction of the housing cover 3. The coolant emerging from the flow channels 32 sets the coolant present in the annular space in a rotating movement around the hollow shaft and the guide sleeve 15. In the embodiment shown, the hollow shaft 14 has an outer flange 14a with a cylindrical lateral surface 14b at the end on the electrode side, through which e.g. four radial bores 32a are passed through (FIG. 3). On the outer surface 14b, the flange 14a has rising grooves 32b, each of which starts from a bore 32a and ends in the shoulder surface 14c of the flange 14a.
The end connection 17 of the bellows 16 has a cylindrical inner surface 17a through which the radial bores 32a and the grooves 32b are closed laterally to the flow channels 32 when the flange 14a is inserted. 4 shows a development of the flange outer surface 14b, from which the course of the grooves 32b can be seen. The dimensioning of the flow channels 32 depends on the respective flow requirements and is determined by the type of coolant, gas or liquid.
The wide channels shown in the drawing are for a liquid coolant, e.g. Water, convenient.
The coolant emerges from the flow channels 32, which act as injectors, at high speed tangentially to the circumference of the hollow shaft 14. In the lower end position of the movable electrode, the coolant first enters the lower section 19a of the annular space 19, which extends along the end of the hollow shaft 14 protruding from the guide sleeve 15 and has a relatively large cross section, due to which the axial flow rate of the coolant in this section 19a is correspondingly low, so that the coolant set in rotation also rotates there with a small pitch angle and penetrates into the individual shafts 16a of the bellows 16.
The upper section 19b of the annular space 19, which extends along the guide sleeve 15, has a smaller cross section than the lower section 19a, so that the axial flow rate of the coolant is always greater in it than in the lower section 19a, and accordingly the pitch angle of the rotating one also becomes there Coolant larger. If the cross-sectional area of the upper section 19b is considerably smaller than that of the lower section 19a and is only about a quarter of the same, it can happen that the waves of the bellows in the upper section 19b are only insufficiently supplied with moving coolant and the cooling of the bellows is not more is enough.
In such cases, a guide sleeve 15 is used, which has grooves 35 on its lateral surface along helical lines with a correspondingly small pitch, by means of which the rotating coolant is forced onto a less steeply increasing path and a correspondingly higher rotational speed. Sufficient cooling is thus always guaranteed for this section. In the upper end position of the movable electrode, the coolant flowing out of the flow channels 32 immediately enters the upper section 19b of the ring channel 19, which has the smaller cross-section, so that when the coolant exits at a high speed, these guide grooves 35 may under certain circumstances. is of little importance, but it also effectively supports cooling in this end position in general.
With only a slight difference in the cross-sectional areas of the lower and upper annular space sections 19a, 19b, the guide sleeve 15 can have a smooth outer surface without loss of cooling effect, in particular if the bellows can be chosen to be quite short with only a small stroke of the movable electrode. Since the bellows is usually quite long, such guide channels 35 are generally provided on the guide sleeve 15.
Since bellows in vacuum condensers of the type described are subjected to high mechanical stress during operation and are also said to have a long service life, bellows are generally used in which the shafts lie in planes perpendicular to the longitudinal axis. The cooling of the bellows according to the invention by means of coolant which is set in rotating motion is optimal in the case of a spiral-wave bellows. Such spiral corrugated bellows are commercially available, but they are only satisfactory from a mechanical point of view for vacuum capacitors in exceptional cases.
If the two types of bellows in the available version are equivalent for a given vacuum condenser, the spiral corrugated bellows is expediently chosen, since this can provide additional advantages in the coolant guide or in the construction, such as using a smooth guide sleeve instead of one with guide grooves.