JP2015188119A - vacuum variable capacitor - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vacuum capacitor with increased field strength, but without overheating problems, and cooling requirements corresponding to the overheating problems.SOLUTION: A vacuum capacitor (8) includes at least two electrodes (1 and 2) in a vacuum (3), where the electrodes is manufactured from, aluminum or aluminum alloy or coated with the aluminum or the aluminum alloy, and a housing of the vacuum capacitor (8) comprises an insulating (for example, ceramic) part and two or more conducting parts (4 and 5).

Description

本発明は、真空コンデンサの分野に関する。真空コンデンサは、従来技術では、高周波と大電力の両方を必要とする用途に使用されることがよく知られている。一般的な用途として、例えば、大電力無線周波数送信用の発振回路、並びに半導体太陽電池パネル及びフラット・パネル・ディスプレイ製造用の高周波電力供給源が挙げられる。   The present invention relates to the field of vacuum capacitors. It is well known in the prior art that vacuum capacitors are used for applications that require both high frequency and high power. Common applications include, for example, oscillator circuits for high power radio frequency transmission, and high frequency power supplies for manufacturing semiconductor solar panels and flat panel displays.

コンデンサは、通常、電極という、誘電性媒質によって分離された二つ以上の導電表面を備える。真空コンデンサの場合、誘電性媒質は真空である。真空コンデンサは、典型的には、高真空（１０^−６トール以下）を必要とする。気密性筐体は、内側が真空に保持され、電極も封入されている。典型的な筐体は、コンデンサの寿命の間、筐体の内側が高真空が維持されうるように気密を保証する接合技術によってセラミック・シリンダに固定された金属カラー（Ｃｏｌｌａｒｓ）を装着した絶縁セラミック・シリンダを備える。 Capacitors typically comprise two or more conductive surfaces, separated by a dielectric medium, called electrodes. In the case of a vacuum capacitor, the dielectric medium is a vacuum. Vacuum capacitors typically require high vacuum (10 ^-6 torr or less). The inside of the airtight casing is kept in a vacuum, and the electrodes are also enclosed. A typical enclosure is an insulating ceramic fitted with a metal collar (Collars) fixed to a ceramic cylinder by a joining technique that ensures hermeticity so that a high vacuum can be maintained inside the enclosure for the life of the capacitor.・ A cylinder is provided.

真空コンデンサは、電極間の幾何学的関係が一定に保たれる固定静電容量のコンデンサと、電極の一方又は両方の形状、向き、及び／又は距離を変化させることによりデバイスの静電容量が変化しうる可変コンデンサという二つの主たるカテゴリに分類される。例えば、ベローズ構成が使用されうるか、又は磁石とコイル、若しくは他の構成により、一つの電極をその他の（複数）電極に対して動かしてもよい。そのような可変真空コンデンサの構造、及び無線周波数用途におけるそれらの動作については、当業者によく知られている。ドイツの公開特許公報第２７５２０２５号及び日本の公開特許公報第１１−２７３９９９号は、典型的な従来技術の可変真空コンデンサの構成を説明している。   A vacuum capacitor has a fixed capacitance that keeps the geometric relationship between the electrodes constant, and the capacitance of the device by changing the shape, orientation, and / or distance of one or both electrodes. It falls into two main categories: variable capacitors that can change. For example, a bellows configuration may be used, or one electrode may be moved relative to the other electrode (s) by a magnet and coil, or other configuration. The construction of such variable vacuum capacitors and their operation in radio frequency applications are well known to those skilled in the art. German Published Patent Publication No. 2752025 and Japanese Published Patent Publication No. 11-273999 describe the configuration of a typical prior art variable vacuum capacitor.

高周波電流が流れるときの電気損失の少ない真空コンデンサの電極及び筐体が選択されることが多い。こうした損失により、電極をはじめとする導電部が特に大電力用途では熱を持ち、その結果、大電力真空コンデンサは冷却システムを備えなければならないことが多い。このような理由から、これまで、従来技術の真空コンデンサの電極は、低抵抗したがって低損失の銅で製作されてきた。   In many cases, an electrode and a housing of a vacuum capacitor having a low electrical loss when a high-frequency current flows are selected. Due to these losses, the conductive parts, including the electrodes, have heat, especially in high power applications, and as a result, high power vacuum capacitors often have to be equipped with a cooling system. For this reason, so far, the electrodes of prior art vacuum capacitors have been made of low resistance and thus low loss copper.

電極の表面は、電極同士を分離する誘電性媒質を通して流れるアーク放電やその他の形態の望ましくない電流の可能性が最小になるように作らなければならない。制御されない放電又は絶縁破壊ともいうアーク放電は、電極間の任意の点における電界密度が特定の絶縁破壊値を超えたときに生じる。この絶縁破壊値は、印加される電圧差、真空の深さ、電極間の（互いに最も近い位置における）ギャップ距離、並びに電極の表面の物理的及び電気的特性を含むパラメータの組み合わせに依存する。   The surface of the electrode should be made to minimize the possibility of arcing and other forms of undesirable current flowing through the dielectric medium separating the electrodes. Arc discharge, also called uncontrolled discharge or breakdown, occurs when the electric field density at any point between the electrodes exceeds a certain breakdown value. This breakdown value depends on a combination of parameters including the applied voltage difference, the depth of the vacuum, the gap distance between the electrodes (at positions closest to each other), and the physical and electrical properties of the electrode surface.

真空コンデンサの電界の強さは、そのような制御されない放電が発生することなく達成可能な最大許容電界である。この電界の強さは、最終的には、所与の電極間距離に対するコンデンサの動作電圧を制限する。可能な限り高い電界の強さのデバイスを実現すると都合が良いが、それは、この電界の強さを大きくすると、特定の幾何学的形状を有する真空コンデンサを大電力用途に使用できるからである。また、所与の印加電圧について、この電界の強さが大きい真空コンデンサの幾何学的形状（寸法）をこの電界の強さが小さいコンデンサに比べて小さくすることができる。これは、電界強度Ｅ、電位差Ｕ、及び電極距離ｄの間の静電気的関係Ｅ＝Ｕ／ｄから簡単に分かる（この関係は、境界効果が無視できる平行で平坦な電極を仮定しているので、近似である）。   The field strength of the vacuum capacitor is the maximum allowable electric field that can be achieved without the occurrence of such uncontrolled discharges. This electric field strength ultimately limits the operating voltage of the capacitor for a given interelectrode distance. It is convenient to realize a device with the highest possible electric field strength, because increasing the electric field strength allows a vacuum capacitor with a specific geometry to be used for high power applications. Also, for a given applied voltage, the geometry (dimensions) of a vacuum capacitor with a large electric field strength can be made smaller than a capacitor with a small electric field strength. This can be easily seen from the electrostatic relationship E = U / d between the electric field strength E, the potential difference U, and the electrode distance d (since this relationship assumes parallel and flat electrodes with negligible boundary effects). Is an approximation).

電極材料及び電極の表面仕上げの選択は、高い印加電圧における絶縁破壊若しくは漏れ電流を低減するために非常に重要である。日本の公開特許公報第１１−２７３９９９号では、銅が電極に使用され、電極はニッケル若しくはクロムでコーティングされている。これらのコーティング金属は、硬く、融点が高いため選択されている。   The choice of electrode material and electrode surface finish is very important to reduce breakdown or leakage current at high applied voltages. In Japanese Published Patent Publication No. 11-273999, copper is used for the electrode, and the electrode is coated with nickel or chromium. These coating metals are selected because they are hard and have a high melting point.

誘電体として真空を選択するのは、ＡＣ、ＲＦ、又はＶＨＦ電流がコンデンサ内を流れるときに電気損失がないという事実、また高電圧破壊が生じた場合の回復能が良好であるという理由から正当化される。他の誘電体は、そのような絶縁破壊に際して壊滅的な回復できない損傷を被ることが知られている。   The choice of vacuum as the dielectric is justified because of the fact that there is no electrical loss when AC, RF, or VHF current flows through the capacitor, and because it has good recoverability in the event of high voltage breakdown. It becomes. Other dielectrics are known to suffer catastrophic irreparable damage upon such breakdown.

電極表面の状態は、絶縁破壊の発生の可能性に大きな影響がある。微小突起の形態の表面の凸凹、又は表面上の粒子若しくは粒子の塊の存在は、電圧破壊を開始させる促進要因であるが、それは、突起又は塊があると、電子が電界放出によって金属表面からより容易に放出され、及び／又は吸着粒子の電離、そしてその後の加速が開始されうる領域を形成するからである。両方の効果が、制御されない形で電極間の媒質（誘電体）を横断する電荷の「アバランシェ（雪崩）」をもたらしうる。絶縁破壊現象の物理的過程、及び特にその開始は、まだ十分には理解されておらず、したがって、電界の強さが大きい電極の設計は、事前に定められているやり方には従わず、最良の材料及び表面特性を決定するために経験的な材料比較、実験的な表面処理、及び高電圧検査を伴う。   The state of the electrode surface has a great influence on the possibility of dielectric breakdown. The presence of irregularities on the surface in the form of microprojections, or particles or masses of particles on the surface, is a facilitating factor that initiates voltage breakdown, but in the presence of projections or masses, electrons are removed from the metal surface by field emission. This is because it forms a region that can be more easily released and / or where ionization of adsorbed particles and subsequent acceleration can be initiated. Both effects can lead to an “avalanche” of charge that traverses the medium (dielectric) between the electrodes in an uncontrolled manner. The physical process of breakdown phenomenon, and in particular its onset, is not yet fully understood, so the design of an electrode with a high electric field strength does not follow a pre-determined way and is best With empirical material comparison, experimental surface treatment, and high voltage inspection to determine the material and surface properties of

上述したように、真空コンデンサの電極は、従来から、銅で作られているが、それは、この材料の優秀な導電性（つまり、低損失）と、銅電極を使用して得られる電界の強さが満足できる程度に大きいためである。銅よりも硬く高い融点を有する金属を使用することによってコンデンサの最大の電界の強さを増す試みがなされてきた。日本の公開特許公報第１１−２７３９９８号では、例えば、ステンレス、ニッケル、モリブデン、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、モネル、銅ニッケル合金、及びニッケル銀のうちの一つを電極にすることが提案された。日本の公開特許公報第１１−２７３９９９号では、同じリストから選ばれた材料で電極をコーティングすることが提案された。より高い融点を有しより硬い電極材料が、制御されない放電の発生を低減する、したがって、より大きい電界の強さ（つまり、より小さい電極間ギャップ及び／又はより高い印加電圧）を使用することが可能になるという一般的に認められている常識に従って、これらの材料は、比較的硬く融点が高いため選択された。   As mentioned above, the electrodes of vacuum capacitors are traditionally made of copper, which is due to the excellent conductivity (ie low loss) of this material and the strength of the electric field obtained using copper electrodes. Is large enough to satisfy. Attempts have been made to increase the maximum electric field strength of capacitors by using metals that are harder than copper and have a higher melting point. In Japanese Published Patent Publication No. 11-273998, for example, it is proposed to use one of stainless steel, nickel, molybdenum, niobium, tantalum, titanium, tungsten, monel, copper nickel alloy, and nickel silver as an electrode. It was. Japanese Published Patent Publication No. 11-273999 proposed coating an electrode with a material selected from the same list. A harder electrode material with a higher melting point reduces the occurrence of uncontrolled discharges, thus using a larger electric field strength (ie, a smaller interelectrode gap and / or a higher applied voltage). In accordance with the generally accepted common sense that it becomes possible, these materials were chosen because they are relatively hard and have a high melting point.

しかし、上述したように、絶縁破壊は、一般的に電極の表面からの電子の放出と電極の表面での粒子の電離という二つの主要な事象によって引き起こされる。電子又はイオンが、金属表面から放出されると、これらは、強電界によって他方の電極の方へ急加速され、そこで、それらの衝突がターゲット電極の表面を加熱し、さらなるイオン若しくは電子の放出を引き起こし、次いで、対向する電極の方へ加速され、というように続いてゆく。電極がより高い融点のより硬い材料から作られている場合、その表面に電子又はイオンが衝突する際の衝突及び加熱効果が低減され、それぞれの電子／イオンの衝突の結果、表面から放出される電子及びイオンは少なくなる。そのため、上述の衝突／放出サイクルの進行を阻止するように、より高い融点のより硬い材料を使用する設計がされ、アバランシェ降伏の発生の可能性が低減される。   However, as mentioned above, breakdown is generally caused by two main events: emission of electrons from the electrode surface and ionization of particles at the electrode surface. As electrons or ions are ejected from the metal surface, they are rapidly accelerated by the strong electric field towards the other electrode, where their collisions heat the surface of the target electrode and cause further ion or electron emission. And then accelerated towards the opposite electrode, and so on. If the electrode is made of a harder material with a higher melting point, the collision and heating effects when electrons or ions collide with the surface are reduced and are emitted from the surface as a result of each electron / ion collision. There are fewer electrons and ions. As such, it is designed to use a harder material with a higher melting point so as to prevent the progress of the collision / release cycle described above, reducing the likelihood of avalanche breakdown occurring.

しかし、上述したより硬くより高い融点を持つ電極材料（ステンレス、ニッケル、モリブデン、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、モネル、銅ニッケル合金、及びニッケル銀）を銅の代わりに、又は銅をコーティングするものとして使用しても、不都合が生じる。例えば、これらのより硬い金属はすべて、電気抵抗率が銅よりはるかに大きい。モリブデン及びタングステンの抵抗率は、約５３ｎΩ・ｍであり、チタン及びステンレスの抵抗率はそれぞれ４２０及び７４０ｎΩ・ｍである。一方、銅の抵抗率は、約１７ｎΩ・ｍである。より硬くより融点の高い金属は、著しく低い熱伝導率も有し、最高はタングステンで、１７３Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であり、モリブデンは１３８Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であるが、その他のリストアップされた金属は、ステンレスの１６Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１からニッケルの９０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１までの熱伝導率を有する。一方、銅は、約４００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１とかなり大きな熱伝導率を有する。 However, the above-mentioned harder and higher melting point electrode materials (stainless steel, nickel, molybdenum, niobium, tantalum, titanium, tungsten, monel, copper nickel alloy, and nickel silver) are used instead of copper or coated with copper. Inconvenience occurs even if it is used. For example, all these harder metals have a much higher electrical resistivity than copper. The resistivity of molybdenum and tungsten is about 53 nΩ · m, and the resistivity of titanium and stainless steel is 420 and 740 nΩ · m, respectively. On the other hand, the resistivity of copper is about 17 nΩ · m. Harder, higher melting metals also have significantly lower thermal conductivity, the highest being tungsten, 173 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ , while molybdenum is 138 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ , Other listed metals have a thermal conductivity from stainless steel 16 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ to nickel 90 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ . On the other hand, copper has a considerably large thermal conductivity of about 400 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ .

これらの金属のより高い抵抗とより低い熱伝導率は、大電力高周波用途にかかわる大電流を流すのには適さない。類似の銅電極と比べると、タングステン又はモリブデンから作られた電極は、熱の形態で電気エネルギーを３倍よりも多く放散し、この余分な熱は、銅電極を通るより約２．５倍低い効率で電極を通って伝導する。発熱の増大と熱伝導効率の低さとが合わさって、タングステン又はモリブデンから作られた（あるいはタングステン又はモリブデンでコーティングされた）電極を冷却する必要性が非常に高まる。リストにある他の金属は、タングステン及びモリブデンに比べて熱／抵抗に関する特性が著しく劣る。   The higher resistance and lower thermal conductivity of these metals are not suitable for flowing high currents for high power high frequency applications. Compared to similar copper electrodes, electrodes made from tungsten or molybdenum dissipate more than three times the electrical energy in the form of heat, and this extra heat is about 2.5 times lower than through the copper electrode. Conduct through the electrode with efficiency. The combination of increased heat generation and low heat transfer efficiency greatly increases the need to cool electrodes made of tungsten (or coated with tungsten or molybdenum). Other metals on the list have significantly inferior heat / resistance characteristics compared to tungsten and molybdenum.

ドイツの公開特許公報第２７５２０２５号German Published Patent Publication No. 2752025 日本の公開特許公報第１１−２７３９９９号Japanese Published Patent Publication No. 11-273999 日本の公開特許公報第１１−２７３９９８号Japanese Published Patent Publication No. 11-273998

したがって、本発明の目的は、上述したように、電界の強さが大きいが、過熱の問題がなくその問題に対応する冷却の必要性もない真空コンデンサを提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a vacuum capacitor that has a high electric field strength as described above, but does not have a problem of overheating and does not require cooling corresponding to the problem.

従来技術における上記問題及びその他の問題を解決するために、本発明は、アルミニウムで作られた一つ以上の電極を使用することを提案する。アルミニウムの相対的な柔らかさ、アルミニウムの低い融点、及びアルミニウムを実際に取り扱う際の難しさのため、これまでこの金属は真空コンデンサ電極に適した電極材料とは考えられていなかった。しかし、現在、アルミニウムは、当業者の予想に反して、放熱若しくは冷却の必要性の増加という深刻な問題を伴わずに、銅電極に比べてアルミニウム電極で達成されうる電界の強さが大きいという電気的特性、熱的特性、及び表面特性を併せ持つことが判明している。   In order to solve the above and other problems in the prior art, the present invention proposes to use one or more electrodes made of aluminum. Due to the relative softness of aluminum, the low melting point of aluminum, and the difficulty in actually handling aluminum, this metal has not previously been considered an electrode material suitable for vacuum capacitor electrodes. However, at present, aluminum, contrary to expectations of those skilled in the art, has a greater electric field strength that can be achieved with an aluminum electrode than a copper electrode without the serious problem of increased need for heat dissipation or cooling. It has been found to have a combination of electrical, thermal and surface properties.

したがって、本発明の目的は、真空の誘電体によって分離された第１の電極と第２の電極とを有する真空コンデンサであって、第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方がアルミニウム若しくはアルミニウム合金から作られるか、又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金でコーティングされることを特徴とする、真空コンデンサを提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is a vacuum capacitor having a first electrode and a second electrode separated by a vacuum dielectric, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is aluminum. Or to provide a vacuum capacitor, characterized in that it is made of or coated with aluminum or aluminum alloy.

真空コンデンサは、真空コンデンサの静電容量を変化させるために第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方の形状、向き、及び／又は位置を変化させるための静電容量可変手段を備える、可変真空コンデンサでよい。真空コンデンサは、第１の電極及び第２の電極の形状、向き、及び／又は位置が固定される固定静電容量の真空コンデンサでもよい。   The vacuum capacitor includes capacitance varying means for changing the shape, orientation, and / or position of at least one of the first electrode and the second electrode in order to change the capacitance of the vacuum capacitor. A variable vacuum capacitor may be used. The vacuum capacitor may be a fixed capacitance vacuum capacitor in which the shape, orientation, and / or position of the first electrode and the second electrode are fixed.

本発明の変形例によれば、真空コンデンサは、真空の誘電体並びに第１の電極及び第２の電極を封入するための筐体を備え、筐体は少なくとも部分的にはアルミニウムから作られる。   According to a variant of the invention, the vacuum capacitor comprises a housing for enclosing the vacuum dielectric and the first and second electrodes, the housing being made at least partly from aluminum.

筐体は、少なくとも部分的にはアルミニウムから作られた一つ以上の電気コネクタと少なくとも部分的にはセラミック材料から作られた絶縁部とを備えてよい。   The housing may comprise one or more electrical connectors made at least partly from aluminum and an insulating part made at least partly from a ceramic material.

本発明のさらなる目的は、真空コンデンサは真空の誘電体によって分離された第１の電極及び第２の電極を封入する筐体を備える真空コンデンサを製造する方法であって、第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方をアルミニウムから製造する工程を含む真空コンデンサを製造する方法を提供することである。   A further object of the present invention is a method of manufacturing a vacuum capacitor comprising a housing enclosing a first electrode and a second electrode separated by a vacuum dielectric, the first capacitor and the first electrode It is providing the method of manufacturing a vacuum capacitor including the process of manufacturing at least one of two electrodes from aluminum.

筐体は、少なくとも部分的にはアルミニウムから作られた少なくとも一つの導電部と少なくとも部分的にはセラミック材料から作られた少なくとも一つの絶縁部とを備え、この方法は真空ろう付けプロセスを使用して導電部を絶縁部に接合する工程を含んでよい。本発明の一実施例によれば、真空ろう付けプロセスは、フラックスを使用しないろう付けプロセスである。このようなろう付けプロセスは、その後真空室内にガス放出するかもしれない材料を導入することなく実行できる。セラミック材料は、アルミニウムの酸化物を含むと有利である。   The housing comprises at least one conductive part made at least partly from aluminum and at least one insulating part made at least partly from a ceramic material, the method using a vacuum brazing process. A step of joining the conductive portion to the insulating portion. According to one embodiment of the present invention, the vacuum brazing process is a brazing process that does not use flux. Such a brazing process can then be performed without introducing any material that may outgas into the vacuum chamber. The ceramic material advantageously comprises an oxide of aluminum.

本発明の方法の別の変形例によれば、第１の電極及び／又は第２の電極の静電容量性表面を機械的に、化学的に、又は電気化学的に研磨する工程を含む。   According to another variation of the method of the present invention, the method includes mechanically, chemically, or electrochemically polishing the capacitive surface of the first electrode and / or the second electrode.

特に、第１の電極及び／又は第２の電極のそれぞれの静電容量性表面は、２ミクロン未満の高さの平均表面粗さ及び５ミクロンの高さの最大表面粗さに合わせて研磨される。このプロセスでは、絶縁破壊開始領域として働くおそれのある突起を可能な限り取り除く。   In particular, the respective capacitive surfaces of the first electrode and / or the second electrode are polished to an average surface roughness of less than 2 microns and a maximum surface roughness of 5 microns. The In this process, as many protrusions as possible that can serve as a breakdown initiation region are removed.

本発明のさらなる改良によれば、第１の電極及び／又は第２の電極は、最小丸め半径４０ミクロンに丸められたエッジを有する。電極の幾何学的形状から鋭いコーナーを取り除くことで、絶縁破壊の可能性がさらに減じられる。   According to a further improvement of the invention, the first electrode and / or the second electrode have edges rounded to a minimum rounding radius of 40 microns. By removing sharp corners from the electrode geometry, the potential for dielectric breakdown is further reduced.

本発明の別の変形例によれば、真空コンデンサは、第１の電極と第２の電極との間のミリメートル単位の最も近い距離が第１の電極と第２の電極の間に印加されるキロボルト単位の最大電圧の０．０２倍未満となるように作られる。さらなる改良によれば、第１の電極及び／又は第２の電極及び／又は筐体の導電部を作るアルミニウムは、少なくとも９９％の純度のアルミニウムである。これは、２５℃で１０^−９トール・リットル秒^−１ｃｍ^−２より高いガス放出速度を有する物質を含まないように調製してもよい。 According to another variant of the invention, the vacuum capacitor is such that the nearest distance in millimeters between the first electrode and the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode. It is made to be less than 0.02 times the maximum voltage in kilovolts. According to a further improvement, the aluminum that makes up the conductive part of the first electrode and / or the second electrode and / or the housing is aluminum of at least 99% purity. It may be prepared to be free of substances having an outgassing rate higher than 10 ⁻⁹ Torr liters ⁻¹ cm ⁻² at 25 ° C.

本発明にかかる可変真空コンデンサの内部構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of the variable vacuum capacitor | condenser concerning this invention.

典型的な可変真空コンデンサの構成を示す添付した図１を参照して、本発明を説明する。この図は、一組の静止円筒電極（２）と一組の移動円筒電極（１）とが真空（３）中に交互配置される構成を示している。ベローズ（７）によって、筐体（４、５、６）内の真空（３）の完全性を維持しながら移動電極の相対的移動が可能である。筐体は、導電性材料から作ることができる、端部要素（４、５）に真空気密状態を保つように接着されるか、その他の方法で固定されたセラミック筐体壁（６）から構成してよい。   The present invention will be described with reference to the accompanying FIG. 1, which shows a typical variable vacuum capacitor configuration. This figure shows a configuration in which a set of stationary cylindrical electrodes (2) and a set of moving cylindrical electrodes (1) are alternately arranged in a vacuum (3). The bellows (7) allows relative movement of the moving electrode while maintaining the integrity of the vacuum (3) in the housing (4, 5, 6). The housing consists of a ceramic housing wall (6) that can be made of a conductive material, adhered to the end elements (4, 5) so as to remain vacuum-tight or otherwise fixed. You can do it.

上述したように、より大きな硬さ及び／又は融点を持つ電極表面材料を選択することで、電子又はイオンが電極の表面から放出された場合のアバランシェ降伏の拡大を抑制又は遅くする効果を生じることができる。一方、アルミニウム電極を使用すると、異なるプロセスによって、つまり、電極表面からの電子の電界放出の発生率を下げることによって、アバランシェ状態の開始が減少する。   As described above, selecting an electrode surface material having a greater hardness and / or melting point has the effect of suppressing or slowing the expansion of avalanche breakdown when electrons or ions are emitted from the electrode surface. Can do. On the other hand, the use of an aluminum electrode reduces the onset of avalanche states by a different process, i.e. by reducing the incidence of field emission of electrons from the electrode surface.

アルミニウムは、約２８ｎΩ・ｍの電気抵抗率（銅より約１．６倍大きい）及び２３７Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１の熱伝導率（銅の約２／３）を有する。したがって、この金属のこれらの特性は、特に、前述したより硬くより高い融点の材料と比較したときに、銅の特性に匹敵する。しかし、アルミニウムを使用する主な利点は、金属表面からの荷電した電子の電界放出の低減である。他のパラメータを厳格に等しく保った実験では、アルミニウム電極で得られる電界の強さは、銅電極で得られる電界の強さの約２倍であることが判明した。初期試験で使用したアルミニウムは、高純度のものであったが、他の物質とのアルミニウム合金を使用しても同様の増加が得られる。 Aluminum has an electrical resistivity of about 28 nΩ · m (about 1.6 times greater than copper) and a thermal conductivity of 237 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ (about 2/3 of copper). Therefore, these properties of this metal are comparable to those of copper, especially when compared to the harder, higher melting point materials described above. However, the main advantage of using aluminum is a reduction in the field emission of charged electrons from the metal surface. In experiments where other parameters were kept strictly equal, it was found that the electric field strength obtained with the aluminum electrode was approximately twice that obtained with the copper electrode. The aluminum used in the initial test was of high purity, but a similar increase can be obtained using aluminum alloys with other materials.

「アルミニウム」という用語が、この説明及び添付の請求項において使用される場合、この用語は、アルミニウムの含有量がほとんどを占めるアルミニウム合金も含むと理解すべきである。「アルミニウムから作られる」という表現は、アルミニウムが一番多い合金の使用だけでなく、アルミニウムでコーティングした他の材料の使用も含むことを意図している。   Where the term “aluminum” is used in this description and the appended claims, it is to be understood that this term also includes aluminum alloys that account for the majority of the aluminum content. The expression “made from aluminum” is intended to include not only the use of alloys with the highest aluminum content, but also the use of other materials coated with aluminum.

銅部品とセラミック絶縁体部品との間の真空ろう付けを含む、さまざまな真空に親和性のある接合プロセスは、従来技術において実施されており、銅部品を用いて作られた真空コンデンサの寿命及び動作環境の改善に成功したことが実証されている。コンデンサの導電部に適した材料を選択する場合、実際の製造上の考察も重要な役割を担う。銅は、比較的直接的な方法でセラミック絶縁体にろう付けすることができ、銅及び通常使用されるセラミック絶縁体の相対熱膨脹係数は、ろう付けの際に問題を引き起こさないほどに類似している。一方、アルミニウムの熱膨脹係数は、そのような絶縁体の熱膨脹係数との違いが大きく、ろう付けプロセスがより難しく、異なるろう付けプロセスを使用しなければならないことを意味する。このことと、アルミニウムの有利な電界放出特性が評価されなかったことが、アルミニウムがこれまで真空コンデンサの電極材料として選択されてこなかった重要な理由である。   Various vacuum compatible bonding processes, including vacuum brazing between copper parts and ceramic insulator parts, have been carried out in the prior art, and the lifetime of vacuum capacitors made using copper parts and Proven success in improving the operating environment. Actual manufacturing considerations also play an important role when selecting a suitable material for the conductive part of the capacitor. Copper can be brazed to ceramic insulators in a relatively direct manner, and the relative thermal expansion coefficients of copper and commonly used ceramic insulators are so similar that they do not cause problems during brazing. Yes. On the other hand, the coefficient of thermal expansion of aluminum is significantly different from that of such insulators, meaning that the brazing process is more difficult and a different brazing process must be used. This and the fact that the advantageous field emission properties of aluminum have not been evaluated is an important reason why aluminum has not been selected as an electrode material for vacuum capacitors.

銅よりもアルミニウムを使用する他の利点として、軽量、原料の入手容易性、相対的低コスト、機械加工性、及び合金化可能性が挙げられるが、それに限られない。アルミニウムの取り扱いの難しさから、これまで、この金属を使用する利点はないと信じられていた。しかし、上述したように、アルミニウム電極を使用して得られる大きな電界の強さによって、現在は、実際、この材料の使用が正当化されると判断されている。   Other advantages of using aluminum over copper include, but are not limited to, light weight, raw material availability, relative low cost, machinability, and alloyability. Until now, it was believed that there were no advantages to using this metal due to the difficulty in handling aluminum. However, as mentioned above, the large electric field strength obtained using aluminum electrodes is currently judged to actually justify the use of this material.

「標準化された電極」は、銅とアルミニウムのどちらが電界の強さのより大きな電極を可能にするかどうかに関して明らかにするために定義された。電界の強さは非常に複雑な現象で、材料の種類以外に、電極の形状及びサイズ、表面粗さ、表面の汚染、金属の材料粒径、並びに真空中の残留ガスの種類及び量にも依存するため、このような実験は明らかなものではない。実際には、いわゆる条件付けの手順を真空コンデンサの電極について意図的に前述のパラメータに従って行うことによって電界の強さを改善することを試みる。一つのパラメータのみへの依存を決定するために、他のパラメータを「凍結する」、又は少なくとも制御することは必須であり、したがって、実験には「標準化された電極」を使用する。   A “standardized electrode” was defined to clarify whether copper or aluminum would allow for an electrode with greater field strength. The strength of the electric field is a very complex phenomenon. In addition to the type of material, it also affects the shape and size of the electrode, surface roughness, surface contamination, metal particle size, and the type and amount of residual gas in the vacuum. Such experiments are not obvious because they depend. In practice, an attempt is made to improve the strength of the electric field by intentionally carrying out a so-called conditioning procedure on the electrodes of the vacuum capacitor according to the parameters mentioned above. In order to determine the dependence on only one parameter, it is essential to “freeze”, or at least control, the other parameters, and therefore use “standardized electrodes” for the experiments.

実験において、「標準化された」電極は、材料自体以外名目上同一の特性を持ついわゆる（ＯＦＥ銅及び高純度アルミニウムが使用された）ロゴスキー（Ｒｏｇｏｖｓｋｉ）プロファイル電極として加工された。ロゴスキープロファイルは、電極表面にそって均一な電界を発生するために使用された。また、真空コンデンサ内の電極の環境を再現するために特別に製作した真空室内で高電圧特性を測定したが、セラミックの存在から、又はコンデンサデバイスのより複雑な製造に関連するろう付けプロセスから生じるような潜在的に乱す作用を除くという利点がある。実験のため工業的に製造されたデバイスを使用すると、結果にバラツキが出て、分析している特定の一つのパラメータ（つまり、金属の選択）のみの帰することが難しくなるであろう。真空コンデンサ内で通常使用されるもの等のより現実的な形状の同心円筒電極を比較する実験も実施し、銅電極をアルミニウム電極で置き換えたときに電界の強さの実質的増加が、約２倍であることを確認した。   In the experiment, a “standardized” electrode was fabricated as a so-called Rogovski profile electrode (using OFE copper and high-purity aluminum) with nominally identical properties other than the material itself. The Rogowski profile was used to generate a uniform electric field along the electrode surface. Also, high voltage characteristics were measured in a vacuum chamber specially fabricated to replicate the environment of the electrodes in the vacuum capacitor, resulting from the presence of ceramics or from the brazing process associated with more complex manufacturing of capacitor devices There is an advantage of eliminating such potentially disturbing effects. Using industrially manufactured devices for experimentation will result in variability, making it difficult to attribute only one particular parameter being analyzed (ie, the choice of metal). Experiments were also performed comparing more realistic shapes of concentric cylindrical electrodes such as those typically used in vacuum capacitors, and the substantial increase in electric field strength when the copper electrode was replaced with an aluminum electrode was about 2 It was confirmed that it was double.

より優れた性能は、より高い電界の強さ（つまり、電気絶縁破壊が発生する閾値電圧）及びアルミニウムの使用に関連する他の改善点のおかげで得られる。その結果、新しい真空コンデンサでより高い印加電圧を使用することができるか、より小さな電極間ギャップを使用する結果として、真空コンデンサ全体を小型にすることができる。明らかに、同じ性能でより小型の真空コンデンサを使用することができることは有利である。   Better performance is obtained thanks to the higher electric field strength (ie the threshold voltage at which electrical breakdown occurs) and other improvements associated with the use of aluminum. As a result, higher applied voltages can be used with new vacuum capacitors, or the overall vacuum capacitor can be made smaller as a result of using a smaller inter-electrode gap. Obviously, it is advantageous to be able to use smaller vacuum capacitors with the same performance.

より高い電界の強さは、電極にとって特に望ましいことであるが、前にリストアップしたアルミニウム化合物の他の利点も、電極及び他の導電部にとって有利である。   Although higher electric field strengths are particularly desirable for electrodes, other advantages of the aluminum compounds listed above are also advantageous for electrodes and other conductive parts.

実際、アルミニウム化合物を積極的に使用すると、アルミニウムの次の特性のため固定及び可変真空コンデンサの特性にプラスの影響を与える。例えば電子の電界放出が低いことによる高い電界の強さ、低い密度、非磁性の特性、機械加工及び表面処理／研磨の容易性、相対的低コストでの入手の容易性、高真空との適合性、低い電気損失（銅ほど低くはないが）、並びに高い熱伝導率（銅ほど高くはないが）。さらに、アルミニウムは、この金属のさまざまな特性（融点、剛性、ろう付け能力、硬さ等）を特定の真空コンデンサ用途に合わせて細かく調整可能な広範囲の合金化ができる。   In fact, the positive use of aluminum compounds has a positive impact on the characteristics of fixed and variable vacuum capacitors due to the following characteristics of aluminum. For example, high field strength due to low field emission of electrons, low density, non-magnetic properties, ease of machining and surface treatment / polishing, availability at relatively low cost, compatibility with high vacuum Performance, low electrical loss (not as low as copper), and high thermal conductivity (not as high as copper). In addition, aluminum can be alloyed in a wide range where the various properties of this metal (melting point, stiffness, brazing ability, hardness, etc.) can be finely tuned for specific vacuum capacitor applications.

本発明は、可変コンデンサ（８）について説明されているが、これは、例示のみを目的としており、本発明は、固定真空コンデンサ等の他のデバイスにも等しく適用することができる。   Although the present invention has been described with respect to a variable capacitor (8), this is for illustrative purposes only and the present invention is equally applicable to other devices such as fixed vacuum capacitors.

Claims (15)

真空誘電体（３）によって分離された第１の電極（１）及び第２の電極（２）を有する
真空コンデンサ（８）であって、前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）のうち
の少なくとも一方はアルミニウムから作られ、前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）のうちの少なくとも一方は、アルミニウムから作られ、またはアルミニウム合金でコーティングされた、前記真空コンデンサ。 A vacuum capacitor (8) having a first electrode (1) and a second electrode (2) separated by a vacuum dielectric (3), wherein the first electrode (1) and the second electrode At least one of (2) is made of aluminum, and at least one of the first electrode (1) and the second electrode (2) is made of aluminum or coated with an aluminum alloy The vacuum capacitor. 前記真空コンデンサ（８）の静電容量を変化させるために前記第１の電極（１）及び前
記第２の電極（２）のうちの少なくとも一方の形状、向き、及び／又は位置を変化させる
ための静電容量可変手段を備える請求項１に記載の真空コンデンサ（８）。 To change the shape, orientation, and / or position of at least one of the first electrode (1) and the second electrode (2) in order to change the capacitance of the vacuum capacitor (8). The vacuum capacitor (8) according to claim 1, further comprising a variable capacitance unit. 前記静電容量可変手段は、前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）のうちの少なくとも一方の形状、向き、及びまたは位置を変化させるための磁石及びコイルを有する、請求項２に記載の真空コンデンサ（８）。 The capacitance changing means includes a magnet and a coil for changing the shape, orientation, and / or position of at least one of the first electrode (1) and the second electrode (2). Item 9. The vacuum capacitor (8) according to item 2. 前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）の形状、向き、及び／又は位置は、固
定されている請求項２に記載の真空コンデンサ（８）。 The vacuum capacitor (8) according to claim 2, wherein the shape, orientation and / or position of the first electrode (1) and the second electrode (2) are fixed. 前記真空の誘電体（３）並びに前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）を封入
するための筐体（４、５、６）を備え、前記筐体（４、５、６）は少なくとも部分的には
アルミニウムから作られる請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の真空コンデンサ（８）。 A housing (4, 5, 6) for enclosing the vacuum dielectric (3) and the first electrode (1) and the second electrode (2) is provided, and the housing (4, 5) is provided. 6. A vacuum capacitor (8) according to any one of the preceding claims, wherein 6) is made at least partly from aluminum. 前記筐体（４、５、６）は、少なくとも部分的にはアルミニウムから作られた一つ以上
の電気コネクタ（４、５）と少なくとも部分的にはセラミック材料から作られた絶縁部（
６）とを備える請求項４に記載の真空コンデンサ（８）。 The housing (4,5,6) includes one or more electrical connectors (4,5) made at least partly from aluminum and an insulation (at least partly made from ceramic material).
The vacuum capacitor (8) according to claim 4, comprising 6). 真空の誘電体（３）によって分離された第１の電極（１）及び第２の電極（２）を封入
する筐体（４、５、６）を備える真空コンデンサ（８）を製造する方法であって、前記方
法は、前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）のうちの少なくとも一方をアルミ
ニウムから製造する第１の工程と、前記第１の電極（１）及び／又は前記第２の電極（２
）のそれぞれの静電容量性表面を、５ミクロンの高さの最大表面粗さ及び２ミクロン未満
の高さの平均表面粗さに合わせて研磨する第２の工程とを含む方法。 In a method of manufacturing a vacuum capacitor (8) comprising a casing (4, 5, 6) enclosing a first electrode (1) and a second electrode (2) separated by a vacuum dielectric (3) The method includes a first step of manufacturing at least one of the first electrode (1) and the second electrode (2) from aluminum, the first electrode (1) and / or Or the second electrode (2
And polishing each capacitive surface to a maximum surface roughness of 5 microns and an average surface roughness of less than 2 microns. 前記筐体（４、５、６）は少なくとも部分的にはアルミニウムから作られた少なくとも
一つの導電部（４、５）と少なくとも部分的にはセラミック材料から作られた少なくとも
一つの絶縁部（６）とを備え、真空ろう付けプロセスを使用して前記導電部（４、５）を
前記絶縁部（６）に接合する工程を含む請求項７に記載の方法。 The housing (4, 5, 6) comprises at least one conductive part (4, 5) made at least partly from aluminum and at least one insulating part (6 made at least partly from a ceramic material). And bonding the conductive part (4, 5) to the insulating part (6) using a vacuum brazing process. 前記真空ろう付けプロセスは、フラックスを使用しないろう付けプロセスである請求項
８に記載の方法。 The method of claim 8, wherein the vacuum brazing process is a brazing process that does not use flux. 前記第２の工程は、前記第１の電極（１）及び／又は前記第２の電極（２）の静電容量
性表面を機械的に、化学的に、又は電気化学的に研磨する工程を含む請求項７から請求項９までのいずれか一項に記載の方法。 The second step includes a step of mechanically, chemically, or electrochemically polishing the capacitive surface of the first electrode (1) and / or the second electrode (2). 10. A method according to any one of claims 7 to 9 comprising. 前記セラミック材料は、アルミニウムの酸化物を含む請求項６に記載の真空コンデンサ
（８）、又は請求項８または請求項９のいずれか一項に記載の方法。 10. The vacuum capacitor (8) according to claim 6, or the method according to any one of claims 8 or 9, wherein the ceramic material comprises an oxide of aluminum. 前記第１の電極（１）及び／又は前記第２の電極（２）のそれぞれの静電容量性表面は、５ミクロンの高さの最大表面粗さ及び２ミクロン未満の高さの平均表面粗さを有するように研磨される、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の真空コンデンサ（８）、または請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の方法。   Each capacitive surface of the first electrode (1) and / or the second electrode (2) has a maximum surface roughness of 5 microns high and an average surface roughness of less than 2 microns. The vacuum capacitor (8) according to any one of claims 1 to 6, or the method according to any one of claims 7 to 10, wherein the vacuum capacitor (8) is polished to have a thickness. 前記第１の電極（１）及び／又は前記第２の電極（２）は、最小丸め半径４０ミクロン
に丸められたエッジを有する請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の真空コンデンサ（８）、又は請求項７から請求項１０までのいずれか一項に記載の方法。 The vacuum according to any one of claims 1 to 6, wherein the first electrode (1) and / or the second electrode (2) has an edge rounded to a minimum rounding radius of 40 microns. 11. A capacitor (8) or a method according to any one of claims 7 to 10. 前記第１の電極（１）と前記第２の電極（２）との間のミリメートル単位の最も近い距
離は、前記第１の電極（１）と前記第２の電極（２）の間に印加されるキロボルト単位の
最大電圧の０．０２倍未満である請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の真空コンデンサ（８）、又は請求項７から請求項１０までのいずれか一項に記載の方法。 The nearest distance in millimeters between the first electrode (1) and the second electrode (2) is applied between the first electrode (1) and the second electrode (2). The vacuum capacitor (8) according to any one of claims 1 to 8, or any one of claims 7 to 10, wherein the vacuum voltage is less than 0.02 times the maximum voltage in kilovolts. The method according to item. 前記第１の電極（１）及び／又は前記第２の電極（２）及び／又は前記筐体の前記導電
部（４、５）を作る前記アルミニウムは、２５℃で１０−９トール・リットル秒−１ｃｍ
−２より高いガス放出速度を有する物質を含まない請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の真空コンデンサ（８）、又は請求項７から請求項１０までのいずれか一項に記載の方法。 The aluminum making the first electrode (1) and / or the second electrode (2) and / or the conductive part (4, 5) of the housing is 10-9 torr / sec at 25 ° C. -1cm
A vacuum capacitor (8) according to any one of claims 1 to 6 or any one of claims 7 to 10 which does not contain a substance having a gas release rate higher than -2. The method described.