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Elektrischer Kondensator mit einem wenigstens an einem Ende offenen,
im wesentlichen zylinderförmigen Körper aus formfestem dielektrischem Material Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Kondensator mit einem wenigstens an einem
Ende offenen, im wesentlichen zylinderförmigen Körper aus formfestem dielektrischem
Material, bei dem wenigstens eine der Stromzuleitungen aus einem mit je einem Ein-
und Auslaß versehenen metallenen Behälter für ein Kühlmittel besteht und bei dem
sich zwischen einer parallel zur benachbarten Oberfläche des dielektrischen Körpers
verlaufenden Wand des Behälters und dieser Oberfläche ein spaltförmiger Raum befindet,
der wenigstens teilweise mit einem sowohl die Elektrizität als auch die Wärme gut
leitenden Material ausgefüllt ist.
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Es ist üblich, insbesondere bei Hochfrequenzgeneratoren für Hochfrequenzerhitzungszwecke,
Keramikkondensatoren zu verwenden und diese Kondensatoren zur Erhöhung ihrer Belastbarkeit
mit Hilfe eines Kühlmittels, gewöhnlich einer Kühlflüssigkeit, wie Wasser, zu kühlen.
Man kann dieses Kühlmittel mit der mit einem elektrisch leitenden Belag versehenen
Außenwand oder Innenwand oder beiden dieser gewöhnlich in Form eines Topfes oder
eines Zylinderrohres ausgebildeten Kondensatoren in direkte Berührung bringen. Es
ist auch bekannt, im dielektrischen Körper selbst einen oder mehrere miteinander
in Verbindung stehende Hohlräume vorzusehen und diese Räume vom Kühlmittel durchströmen
zu lassen. Diese bekannten Ausführungsformen haben den Nachteil, insbesondere wenn
als Kühlmittel Wasser verwendet wird, daß das Kühlmittel den leitenden Belag chemisch
angreifen und in den Keramikkörper eindringen kann, wodurch die Durchschlagsspannung
herabgesetzt werden kann. Bei Bruch des Keramikkörpers kann der Kreis des Kühlmittels
offen werden und auslaufen.
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Diese Nachteile werden bei einer anderen bekannten Ausbildung eines
gekühlten Keramikkondensators obiger Art vermieden, bei dem der Innenbelag des rohrförmigen
Kondensatorkörpers aus einem gleichzeitig als Stromzuleitungselement dienenden Metallrohr
besteht, durch welches das Kühlmittel fließen kann. Der rohrförmige Belag liegt
bei diesem bekannten Kondensator direkt an der Innenwand des Keramikrohres an oder
ist mit diesem mittels einer Lotschicht auf der Innenwand des Keramikrohres gut
elektrisch und wärmeleitend verbunden. Diese bekannte Ausführungsform hat den Nachteil,
daß bei Temperaturänderungen leicht mechanische Spannungen auftreten können und
daß entweder der Innendurchmesser des Keramikrohres und der Außendurchmesser des
Metallrohres durch Schleifen genau aufeinander abgestimmt sein müssen oder ein zwischen
diesen etwa vorhandener Raum vom Lötmaterial, das beim Erstarren schwindet, nur
unvollständig ausgefüllt wird (deutsche Patentschrift 903 489).
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Die Erfindung bezweckt, einen Kondensator der obenerwähnten Art zu
schaffen, bei dem die erwähnten, den bekannten Kondensatoren anhaftenden Nachteile
beseitigt werden und für dessen Herstellung keine hohen Anforderungen hinsichtlich
Toleranzen gestellt werden.
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Der elektrische Kondensator nach der Erfindung weist das Kennzeichen
auf, daß der spaltförmige Raum zwischen der aus einem nicht ferromagnetischen Metall
bestehenden Behälterwand und der benachbarten Oberfläche des dielektrischen Körpers
wenigstens einen Millimeter breit ist, daß das gut elektrisch und wärmeleitende
Material in Pulverform eingefüllt ist und daß die Oberfläche des dielektrischen
Körpers wenigstens an den Stellen, an denen sie mit dem pulverförmigen Material
in Verbindung steht, mit einem elektrisch leitenden Belag versehen ist.
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Bei einer günstigen Ausführungsform der Erfindung besteht das eingefüllte
Material aus einem Pulver aus nicht ferromagnetischem Metall, vorzugsweise
Silber.
Bei Verwendung von Silber wird bei etwaiger Oxydation der Pulverteilchen die elektrische
und Wärmeleitung zwischen der Oberfläche des dielektrischen Körpers und der benachbarten
Wand des Behälters nicht oder nur wenig beeinflußt. Man kann grundsätzlich aber
auch ein pulverförmiges Material verwenden, das infolge von Oxydation eine gewisse
Verschlechterung der elektrischen und Wärmeleitungseigenschaften aufweist, wenn
nur dafür gesorgt wird, daß das Material im spaltförmigen Raum beim Einbringen praktisch
oxydfrei ist und dies auch bleibt. Dies kann nach einer Weiterbildung der Erfindung
dadurch erreicht werden, daß der spaltförmige Raum=mittels eines Kunststoffes gegenüber
der Umgebung abgedichtet ist. Diese Abdichtung kann dazu. benutzt werden, im spaltförmigen
Raum mit dm feinverteilten Material eine nicht oxydierende Atmosphäre, z. B. von
Stickstoff, aufrechtzuerhälten.
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Für einen guten Füllfaktor des spaltförmigen Raumes mit dem feinverteilten
Material ist es günstig, wenn dieses Material aus einem Gemisch kornförmiger und
plättenförmiger Teilchen besteht.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der zwei
im Querschnitt dargestellte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt F i
g. 1 einen in einer Öffnung einer Wand befestigten rohrförmigen Kondensator mit
Innenkühlung und F i g. 2 einen sowohl innen als auch außen gekühlten Kondensator
mit einem topfförmigen dielektrischen Körper.
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Der in F i g. 1 dargestellte Kondensator besteht aus einem mit einem
leitenden Innenbelag 2 und einem leitenden Außenbelag 3 versehenen rohrförmigen
Körper 1 aus Keramikmaterial. Der Innenbelag 2 verläuft bis zu den beiden Endflächen
des Rohres 1, der Außenbelag 3 läßt an den beiden Enden ringförmige Teile
4 des Rohres 1 unbedeckt. Die Beläge 2 und 3 bestehen je aus einer
dünnen Metallschicht, vorzugsweise aus Silber, die z. B. durch Erhitzung einer stellenweise
auf die Wand des Rohres 1 aufgebrachten Silbersuspension erzielt ist.
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Mit dem Außenbelag 3 ist elektrisch und mechanisch, z. B. durch Löten,
ein Metallring 5 verbunden, der einen Flansch 6 besitzt. Mittels des Flansches 6
ist der Kondensator auf einer Metallplatte 7 montiert, wobei der Körper 1 durch
eine Öffnung 8 dieser Platte reicht. Der Kondensatorstrom kann über diese Platte
und den Ring 5 mit Flansch 6 dem Belag 3 zugeführt werden. Für die Zuführung des
Kondensatorstromes zum Belag 2 auf der Innenwand des Rohres 1 ist koaxial innerhalb
dieses Rohres ein aus Metall bestehender Behälter 9 angeordnet. Dieser Behälter
besteht aus einem rohrförmigen Teil 10 mit einem Durchmesser, der nicht mehr
als 1 bis 2 cm kleiner, vorzugsweise nur einige Millimeter kleiner ist als der Innendurchmesser
des Keramikrohres 1, und aus zwei Deckeln 11 bzw. 12, mit denen der
rohrförmige Teil 10 an seinem oberen bzw. unteren Ende verschlossen ist.
Im Deckel 11 ist ein Auslaß 13 und im Deckel 12 ein Einlaß 14 für ein durch
den Behälter 9 fließendes Kühlmittel, z. B. Wasser, angebracht. Der Behälter 9,
der aus einem nicht ferromagnetischen Metall, wie Kupfer oder Messing, besteht,
ist mit dem Innenbelag 2 mittels eines den Zylinderraum 15 zwischen dem Rohr 10
und dem Belag 2 ausfüllenden feinverteilten Materials 16 in elektrischem und wärmeleitendem
Kontakt. Dieses Material, das sowohl gut wärmeleitend als auch gut elektrisch leitend
sein muß, besteht vorzugsweise aus einem Pulver eines nicht ferromagnetischen Metalls
bzw. einer nicht ferromagnetischen Metallegierung. Beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist der Raum 15 mit Silberpulver ausgefüllt, dessen Teilchen Abmessungen von etwa
10 Mikron haben. Es ist günstig, den Raum 15 mit einem Metallpulver zu füllen, das
aus einem Gemisch kornförmiger und plattenförmiger Teilchen besteht, z. B. in einem
Verhältnis von etwa 1:1. Statt Silberpulver kann auch ohne weiteres versilbertes
Kupferpulver verwendet werden, obwohl die elektrische Leitung und Wärmeleitung dieses
Pulvers etwas ungünstiger sind als die von Silberpulver. Es ist für den elektrischen
und wärmeleitenden Kontakt zwischen dem rohrförmigen Teil 10 des Behälters 9 und
dem Innenbelag 2 günstig, wenn das pulverförmige Material 16 im spaltförmigen Raum
15 eine verhältnismäßig große Füllungsdichte hat. Dies kann dadurch erreicht werden,
daß beim Füllen des Raumes 15 mit dem leitenden pulverförmigen Material der Kondensator
vibriert wird. Es hat sich ergeben, daß auf diese Weise ein Füllfaktor von annähernd
50 bis 60 % erreichbar ist. Der spaltförmige Raum 15 mit dem pulverförmigen Material
16 ist an seinem oberen bzw. unteren Ende durch eine Kunststoffmasse 17 bzw.
18 verschlossen. Diese Kunststoffmassen bedecken dabei den Rand des Deckels 11 bzw.
12, die Stirnflächen des Rohres 1 und die sich an diesen anschließenden, nicht vom
Belag 3 bedeckten ringförmigen Teile 4 der Außenfläche des Rohres
1. Die Kunststoffmassen können aus einem gehärteten Epoxydharz bestehen.
Im Zusammenhang mit möglichen dielektrischen Verlusten in diesen Kunststoffmassen
bei hoher Frequenz ist es oft günstiger, eine elastomere organische Silikonverbindung,
z. B. ein Dimethylsiloxanpolymer, zu verwenden.
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Die Verwendung der Kunststoffabdichtungen 17 und 18 macht es möglich,
im Raum 15 mit dem Material 16 ein nicht oxydierendes Gas, wie z. B. Stickstoff,
zu verwenden, wodurch es andererseits möglich wird, als Materia116 ein Metallpulver
zu verwenden, dessen elektrische und wärmeleitende Eigenschaften durch Oxydation
der Oberfläche der Pulverteilchen ungünstig beeinflußt werden könnten. Die Verwendung
eines solchen nicht oxydierenden Gases gestattet z. B. unbedenklich die Verwendung
von Kupfer- oder Messingpulver als Füllmaterial zwischen dem Rohr 10 und
dem Belag 2.
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Es ist bemerkenswert, daß, wenn der Raum 15 oxydierendes Gas enthalten
kann, nicht nur die Verwendung von Silberpulver vorzuziehen ist, sondern es auch
günstig ist, die Außenwand des rohrförmigen Teils 10 des Behälters
9 zu versilbern. Dies ist an sich ohnehin günstig, um die elektrischen Verluste
klein zu halten.
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Der Kondensator nach Fig.2 besteht aus einem topfförmigen und mit
einem Wulstrand 23 versehenen dielektrischen Körper 21, der aus Keramikmaterial
mit einer verhältnismäßig hohen Dielektrizitätskonstanten hergestellt ist. Bei diesem
topfförmigen Körper, der im Gegensatz zu der üblicheren Topfform mit halbkugelförmigem
Boden einen flachen Boden besitzt, ist die Innenwand mit einem nahezu bis zum oberen
Rand verlaufenden leitenden Belag 22 und die Außenfläche nahezu bis zum ausgestülpten
Rand
23 mit einem leitenden Belag 24 versehen. Die Beläge 22 und 24 bestehen vorzugsweise
je aus einer dünnen aufgebrannten Silberschicht.
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Im Körper 21 ist ein derart der Form des Körpers angepaßter Kühlbehälter
25 angeordnet, daß zwischen diesem Behälter und dem Belag 22 ein verhältnismäßig
enger spaltförmiger Raum 26 mit einer Breite von etwa 1 mm, wenn möglich nicht mehr
als 1 cm, vorhanden ist. Der aus nicht ferromagnetischem Metall, z. B. Messing,
bestehende Behälter 25 ist an der Oberseite durch einen plattenförmigen Teil 27
verschlossen, in dem ein metallenes Einlaßrohr 28 und ein metallenes Auslaßrohr
29 befestigt, z. B. eingelötet, sind. Das Einlaßrohr 28 hat innerhalb des Behälters
25 einen nahezu bis zu dessen Boden verlaufenden Teil 30. Der spaltförmige Raum
26 ist mit einem gut elektrisch leitenden und auch gut wärmeleitenden Metallpulver,
vorzugsweise Silberpulver, gefüllt. Der Spalt 26 ist an der Oberseite mittels einer
Kunststoffmasse 32 verschlossen, welche auch die Oberseite des Kühlbehälters 25
bedeckt. Die Stromzuführung zum Belag 22 erfolgt durch die Zu- und Ablaßrohre 28
und 29, den Behälter 25 und das im spaltförmigen Raum 26 befindliehe Metallpulver.
Die Rohre 28 und 29 können dazu mit einer Metallklemme 33 versehen sein.
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Der Kondensator nach F i g. 2 wird nicht nur innen, sondern auch außen
gekühlt. Dazu ist der Keramikkörper 21 von einem Kühlbehälter 35 umgeben, der aus
zwei konzentrischen metallenen Buchsen 36 und 37 aus nicht ferromagnetischem Metall,
z. B. Messing, besteht, wobei der Raum zwischen den Buchsen an der Oberseite durch
einen mit dem Rand der Buchsen verbundenen Ring 38 aus gleichem Metall verschlossen
ist. Die äußere Buchse 36 ist mit einem Einlaß 39 und einem Auslaß 40 für ein Kühlmittel,
z. B. Wasser, versehen.
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Zwischen der inneren Buchse 37 und der Außenwand des Keramikkörpers
21 mit dem Belag 24 befindet sich ein spaltförmiger Raum 41, der ebenso
wie der spaltförmige Raum 26 mit einem gut elektrisch und wärmeleitenden Metallpulver,
vorzugsweise Silberpulver, gefüllt ist. Der Abstand zwischen der Buchse 37 und dem
Belag 24 beträgt nahe überall etwa 1 mm und ist vorzugsweise nicht größer als 1
cm. Das obere Ende des spaltförmigen Raumes 41 ist mittels einer ringförmigen Kunststoffmasse
42 verschlossen, welche die Oberseite des Kühlbehälters 35 mit dem Wulstrand 23
des Keramikkörpers 21 verbindet. Die Kunststoffmassen 32 und 42 können wie im Falle
des ersten Ausführungsbeispiels aus einem gehärteten Epoxydharz oder aus einem Dimethylsiloxanpolymer
oder einer anderen geeigneten polymeren organischen Silikonverbindung bestehen.
Zur Vermeidung eines elektrischen Überschlags kann es günstig sein, die Kunststoffmassen
32 und 42 ineinander übergehen zu lassen, so daß die Außenfläche des Wulstrandes
23 völlig mit einer Kunststoffschicht bedeckt ist.
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Der Boden der äußeren Buchse 36 des Kühlbehälters 35 steht in elektrischem
und mechanischem Kontakt mit einer Metallplatte 43. Die Stromzuführung zum Belag
41 kann sodann über diese Platte 43, den Kühlbehälter 35 und das im spaltförmigen
Raum 41 befindliche Metallpulver erfolgen.
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Das Metallpulver im spaltförmigen Raum 26 und ebenso das Metallpulver
im Raum 41 können eine verhältnismäßig große Fülldichte haben, wenn beim Füllen
dieser Räume der Kondensator vibriert wird. Ebenso wie oben im Zusammenhang mit
dem Kondensator nach F i g. 1 erwähnt, ist beim Kondensator nach F i g. 2 in den
spaltförmigen Räumen 26 und 41 ein Metallpulver verwendbar, das, wenn es der Luft
ausgesetzt ist, infolge von Oxydation an elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit
einbüßen würde. In diesem Falle können die von den Kunststoffmassen 32 und 42 verschlossenen
spaltförmigen Räume eine inerte Gasatmosphäre, z. B. Stickstoff, enthalten. In einem
solchen Falle ist z. B. Messing- oder Kupferpulver als Füllung für die spaltförmigen
Räume verwendbar. Analog dem ersten Ausführungsbeispiel können die den spaltförmigen
Räumen 26 und 41 zugewandten Behälterwände 25 bzw. 37 versilbert sein.