專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)。
背景技術(shù)：
開(kāi)關(guān)元件是脈沖功率系統(tǒng)的核心元件之一，也是主要的技術(shù)瓶頸，大功率開(kāi)關(guān)設(shè) 備要求能工作在高電壓、大電流下，并且要求速度快、可靠性高、壽命長(zhǎng)。真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)是一 種可以同時(shí)滿(mǎn)足上述要求的開(kāi)關(guān)形式，在高功率脈沖方面，如大功率激光器、大功率微波電 源、電磁發(fā)射技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)的主電極結(jié)構(gòu)一般是平板式，觸發(fā)極與一個(gè)主電極相連接。 給開(kāi)關(guān)施加觸發(fā)脈沖后，觸發(fā)放電產(chǎn)生的初始等離子體擴(kuò)散進(jìn)入主間隙，在陽(yáng)極和陰極所 加主電壓的作用下，建立起的金屬蒸氣電弧，使主間隙導(dǎo)通。當(dāng)導(dǎo)通電流增大，真空電弧的 能量增加，電極表面熱載也隨之增加，導(dǎo)致加大電極燒蝕，通流能力受到限制。另外，電弧熄 滅后，真空電弧產(chǎn)生的金屬蒸氣沉積在觸發(fā)極絕緣介質(zhì)表面，大大影響了觸發(fā)極的壽命。因此，亟待提供一種改進(jìn)的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)以克服上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其燃弧面 積大，導(dǎo)通電荷承載庫(kù)侖量高，開(kāi)關(guān)內(nèi)部電磁環(huán)境抑制電弧收縮，電極燒蝕輕，金屬蒸汽沉 積少，大電流下工作壽命長(zhǎng)，觸發(fā)電壓穩(wěn)定，通流能力強(qiáng)。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，包括 密閉殼體和設(shè)于所述密閉殼體內(nèi)壁的屏蔽罩，所述密閉殼體兩端分別設(shè)有上電極和下電 極，所述上電極和下電極均包括固定在所述密閉殼體上的電極底柱、固定在所述電極底柱 上的電極平臺(tái)和設(shè)于所述電極平臺(tái)上的多個(gè)柱狀電極，所述上電極的柱狀電極和下電極的 柱狀電極相向延伸且相互交錯(cuò)排列，每?jī)上噜彽闹鶢铍姌O之間的間隙寬度相等，且與柱狀 電極頂部到相對(duì)的電極平臺(tái)的間隙寬度相等；所述下電極的電極平臺(tái)上還設(shè)有凹口和觸發(fā) 極，所述觸發(fā)極包括軸截面呈T型的觸發(fā)針和觸發(fā)絕緣套環(huán)，所述觸發(fā)絕緣套環(huán)為凸臺(tái)結(jié) 構(gòu)且嵌設(shè)在所述凹口中，所述觸發(fā)針包括觸發(fā)針頭部和觸發(fā)針桿，所述觸發(fā)針桿一端與所 述觸發(fā)針頭部相連、另一端穿過(guò)所述觸發(fā)絕緣套環(huán)和所述電極平臺(tái)，所述觸發(fā)針頭部的下 表面與所述凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的頂端連接，所述觸發(fā)針頭部的上表面低于所述下電極的電極平臺(tái)的 上表面，所述觸發(fā)針頭部的邊角與所述下電極的電極平臺(tái)之間存在間隙。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)具有以下優(yōu)點(diǎn)一、采用多極柱幾何結(jié)構(gòu)，當(dāng)真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，柱狀電極間的放電電弧受軸向 開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，電弧被抑制收縮，減小了主電極，即上、下電極的燒蝕。由于 上、下電極上的柱狀電極交叉分布，使得電弧向外分布，也就是說(shuō)，該結(jié)構(gòu)可以使觸發(fā)極遠(yuǎn) 離放電電弧區(qū)域，不易受電弧燒蝕。另外，本發(fā)明的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)在大電流 條件下電弧可保持?jǐn)U散形態(tài)，具有很強(qiáng)的通流能力；并且由于采用多極柱幾何結(jié)構(gòu)增大了上、下電極的表面積，從而可以增加燃弧面積，提高通載的電荷量，單次電荷轉(zhuǎn)移量可達(dá)30 庫(kù)侖以上。二、場(chǎng)擊穿型觸發(fā)避免了沿面型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)帶來(lái)的金屬蒸汽沉積問(wèn)題，觸發(fā)電 壓穩(wěn)定，觸發(fā)極燒蝕明顯減小，觸發(fā)極使用壽命長(zhǎng)。三、觸發(fā)針采用T型結(jié)構(gòu)，避免了普通的針型結(jié)構(gòu)引起的觸發(fā)針尾部提前放電現(xiàn)象。四、觸發(fā)針頭部利用安裝在電極平臺(tái)中央的觸發(fā)絕緣套環(huán)使其固定，使觸發(fā)針頭 部不會(huì)因?yàn)槎啻畏烹妼?shí)驗(yàn)后左右移動(dòng)，穩(wěn)定觸發(fā)電壓。五、真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)還設(shè)有屏蔽罩，用以保護(hù)主電極間的絕緣，防止燃弧時(shí)金屬蒸氣 的沉積。優(yōu)選地，所述下電極的電極平臺(tái)的凹口側(cè)壁上設(shè)有鎢層，以加強(qiáng)下電極發(fā)射電子 的能力。較佳地，所述鎢層上端設(shè)有倒角。進(jìn)一步地，所述倒角為135°。該倒角結(jié)構(gòu)比一般 的直角觸發(fā)孔更有利于產(chǎn)生的初始等離子體向主間隙中擴(kuò)散，不會(huì)反向進(jìn)入觸發(fā)孔內(nèi)部。較佳地，所述的觸發(fā)針頭部的邊角與所述鎢層之間的間隙寬度為0. 1 0. 3mm。優(yōu)選地，所述觸發(fā)針頭部的上表面比所述下電極的電極平臺(tái)的上表面低0.2 0. 5mmο優(yōu)選地，相鄰的兩個(gè)柱狀電極之間的間隙為10 15mm，以保證主間隙的絕緣性 能，使真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)能在主電極兩端施加40kV的直流電壓時(shí)仍然保持良好的絕緣性能，又 盡量減小電極間距，延長(zhǎng)電極的使用壽命。優(yōu)選地，所述觸發(fā)絕緣套環(huán)為瓷環(huán)。進(jìn)一步地，所述瓷環(huán)的材料包括87% Al,9% Si,2% Mn,2% Cl。優(yōu)選地，所述觸發(fā)針由鉬制成，其熔點(diǎn)高，易于發(fā)射電子，同時(shí)具有比鎢更好的剛 性。通過(guò)以下的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明 的實(shí)施例。


圖1為本發(fā)明多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1所示多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)沿A-A線的剖視圖。圖3為圖1所示多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)的下電極和觸發(fā)極的放大結(jié)構(gòu)示意 圖。圖4為圖3所示觸發(fā)極的觸發(fā)針的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為圖3所示觸發(fā)極的絕緣觸發(fā)套環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中類(lèi)似的元件標(biāo)號(hào)代表類(lèi)似的元件。如 上所述，本發(fā)明提供了一種多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)燃弧面積大，導(dǎo)通電荷承載庫(kù)侖 量高，開(kāi)關(guān)內(nèi)部電磁環(huán)境抑制電弧收縮，電極燒蝕輕，金屬蒸汽沉積少，大電流下工作壽命長(zhǎng)，觸發(fā)電壓穩(wěn)定，通流能力強(qiáng)。下面將結(jié)合附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案。如圖1所示，本實(shí)施例的多 極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)包括密閉殼體和設(shè)于所述密閉殼體內(nèi)壁的屏蔽罩7，所述密閉 殼體兩端分別設(shè)有上電極1和下電極2。所述屏蔽罩7用于保護(hù)上電極1和下電極2間的 絕緣，防止燃弧時(shí)金屬蒸汽沉積在絕緣外殼11上。另外，屏蔽罩7還兼有改善內(nèi)電場(chǎng)分布 和冷凝弧后剩余等離子體的作用。具體地，所述密閉殼體由絕緣外殼11、及設(shè)置在絕緣外殼 兩端的上端法蘭12和下端法蘭13構(gòu)成，所述上電極1和下電極2分別通過(guò)所述上端法蘭 12和下端法蘭13固定在所述密閉殼體上，所述密閉殼體內(nèi)的壓力為10_4 10_5Pa。所述絕 緣外殼11的材料可以是電真空陶瓷，所述上電極1和下電極2可以采用無(wú)氧銅。所述上端 法蘭12和下端法蘭13上分別設(shè)有吸氣環(huán)8、8’，用來(lái)吸收電弧燃弧過(guò)程中產(chǎn)生的氣體，維持 密閉殼體內(nèi)的真空度。在本實(shí)施例中，結(jié)合圖2，所述下電極2包括電極底柱2D、電極平臺(tái)2E和設(shè)于所述 電極平臺(tái)2E上的三個(gè)柱狀電極2A、2B、2C。所述電極底柱2D為圓柱形，固定在所述下端法 蘭13上。所述電極平臺(tái)2E為倒圓臺(tái)形，固定在所述電極底柱2D上。三個(gè)柱狀電極2A、2B、 2C豎立在所述電極平臺(tái)2E上，且周向等弧距分布，其橫截面是近似梯形。所述上電極1同 樣也包括電極底柱1D、電極平臺(tái)IE和設(shè)于所述電極平臺(tái)IE上的三個(gè)柱狀電極1A、1B、1C， 其結(jié)構(gòu)與下電極2相同。裝配時(shí)，所述上電極1的三個(gè)柱狀電極1A、1B、1C和所述下電極2 的三個(gè)柱狀電極2A、2B、2C相向延伸且相互交錯(cuò)排列。每?jī)上噜彽闹鶢铍姌O之間的間隙寬 度相等，且與柱狀電極頂部到相對(duì)的電極平臺(tái)的間隙寬度相等，相鄰柱狀電極之間的間隙 和柱狀電極頂部到相對(duì)電極平臺(tái)之間的間隙構(gòu)成主放電間隙6。所述主放電間隙6的距離 優(yōu)選為10 15mm，這樣可以延長(zhǎng)電極的使用壽命。如圖3所示，所述下電極2的電極平臺(tái)2E上還設(shè)有觸發(fā)極，所述觸發(fā)極包括觸發(fā) 針3和觸發(fā)絕緣套環(huán)4。如圖4所示，所述觸發(fā)針3的軸截面呈T型，所述觸發(fā)針3包括觸 發(fā)針頭部31和觸發(fā)針桿32，所述觸發(fā)針桿32 —端與所述觸發(fā)針頭部31相連、另一端為引 出端。所述觸發(fā)針3優(yōu)選采用鉬制成，其剛性較好、具有高熔點(diǎn)、且易于電子發(fā)射。如圖5 所示，所述觸發(fā)絕緣套環(huán)4為凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，其中開(kāi)設(shè)有供所述觸發(fā)針桿32穿過(guò)的圓孔41。所 述觸發(fā)絕緣套環(huán)4最好為高絕緣性能的瓷環(huán)，其成分優(yōu)選包括87% Al、9% Si、% 2Mn,2% Cl。再次參見(jiàn)圖3，所述電極平臺(tái)2E中部開(kāi)有空腔10，所述空腔10上端為一凹口，所 述觸發(fā)絕緣套環(huán)4嵌設(shè)在該凹口中，所述觸發(fā)針桿32穿過(guò)所述觸發(fā)絕緣套環(huán)4的圓孔41 和所述電極平臺(tái)2E的空腔10，所述圓孔41的孔壁與觸發(fā)針桿32緊密配合在一起。觸發(fā)針 3的引出端通過(guò)金屬套管14固定，金屬套管14固定在陶瓷絕緣管9上，陶瓷套管9與下電 極2的電極底柱2D穩(wěn)固連接。所述觸發(fā)針頭部31的下表面與所述凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的頂端連接， 所述觸發(fā)針頭部31的上表面低于所述下電極2的電極平臺(tái)2E的上表面，所述觸發(fā)針頭部 31的邊角31a與所述下電極2的電極平臺(tái)2E之間存在間隙。所述觸發(fā)針頭部的上表面最 好比所述下電極的電極平臺(tái)的上表面低0. 2 0. 5mm，也就是說(shuō)，所述觸發(fā)針頭部的上表面 與所述下電極的電極平臺(tái)的上表面之間的垂直距離最好為0. 2 0. 5mm。下電極2的電極 平臺(tái)2E中部的空腔10的上端由“T”型觸發(fā)針3、觸發(fā)絕緣套環(huán)4密閉，下端由陶瓷套管9 和金屬套管14密封，形成密封空間，使下電極2和“T”型觸發(fā)針3之間更好的絕緣。
作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本實(shí)施例的電極平臺(tái)2E的凹口側(cè)壁上設(shè)有鎢層5，用 以加強(qiáng)電子發(fā)射。所述鎢層5也可以是氧化鈷層。進(jìn)一步地，所述鎢層5上端，即靠近觸發(fā) 針3的部分設(shè)有倒角5a，所述倒角fe優(yōu)選為135°，所述觸發(fā)針頭部31的邊角31a與所述 鎢層5上端之間的間隙寬度優(yōu)選為0. 1 0. 3mm。需要說(shuō)明的是，所述觸發(fā)絕緣套環(huán)4不僅限于前述瓷環(huán)，也可以采用氧化鋁陶瓷， 只要可以耐高溫、高絕緣性能、容易加工、易于和觸發(fā)針桿封結(jié)的材料均可采用；所述觸發(fā) 針3也可以由鎢、銅鉻合金等耐高溫、抗燒蝕、熱膨脹系數(shù)小的金屬或合金制成。
權(quán)利要求
1.一種多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，包括密閉殼體和設(shè)于所述密閉殼體內(nèi)壁的屏蔽 罩，所述密閉殼體兩端分別設(shè)有上電極和下電極，其特征在于所述上電極和下電極均包括固定在所述密閉殼體上的電極底柱、固定在所述電極底柱 上的電極平臺(tái)和設(shè)于所述電極平臺(tái)上的多個(gè)柱狀電極，所述上電極的柱狀電極和下電極的 柱狀電極相向延伸且相互交錯(cuò)排列，每?jī)上噜彽闹鶢铍姌O之間的間隙寬度相等，且與柱狀 電極頂部到相對(duì)的電極平臺(tái)的間隙寬度相等；所述下電極的電極平臺(tái)上還設(shè)有凹口和觸發(fā)極，所述觸發(fā)極包括軸截面呈T型的觸發(fā) 針和觸發(fā)絕緣套環(huán)，所述觸發(fā)絕緣套環(huán)為凸臺(tái)結(jié)構(gòu)且嵌設(shè)在所述凹口中，所述觸發(fā)針包括 觸發(fā)針頭部和觸發(fā)針桿，所述觸發(fā)針桿一端與所述觸發(fā)針頭部相連、另一端穿過(guò)所述觸發(fā) 絕緣套環(huán)和所述電極平臺(tái)，所述觸發(fā)針頭部的下表面與所述凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的頂端連接，所述觸 發(fā)針頭部的上表面低于所述下電極的電極平臺(tái)的上表面，所述觸發(fā)針頭部的邊角與所述下 電極的電極平臺(tái)之間存在間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于所述下電極的 電極平臺(tái)的凹口側(cè)壁上設(shè)有鎢層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于所述鎢層上端 設(shè)有倒角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于所述倒角為 135°。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于所述的觸發(fā)針 頭部的邊角與所述鎢層之間的間隙寬度為0. 1 0. 3mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于所述觸發(fā)針頭 部的上表面比所述下電極的電極平臺(tái)的上表面低0. 2 0. 5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于相鄰 的兩個(gè)柱狀電極之間的間隙為10 15mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于所述觸發(fā)絕 緣套環(huán)為瓷環(huán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于所述瓷環(huán)的材 料包括 87% Al,9% Si,2% Mn,2% Cl。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于所述 觸發(fā)針由鉬制成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其上電極和下電極均包括電極底柱、電極平臺(tái)和多個(gè)柱狀電極，上、下電極的柱狀電極相向延伸且相互交錯(cuò)排列，每?jī)上噜彽闹鶢铍姌O之間的間隙寬度相等，且與柱狀電極頂部到相對(duì)的電極平臺(tái)的間隙寬度相等；所述下電極的電極平臺(tái)上設(shè)有凹口和觸發(fā)極，觸發(fā)極包括軸截面呈T型的觸發(fā)針和觸發(fā)絕緣套環(huán)，觸發(fā)絕緣套環(huán)為凸臺(tái)結(jié)構(gòu)且嵌設(shè)在凹口中，觸發(fā)針包括觸發(fā)針頭部和觸發(fā)針桿，觸發(fā)針桿一端與觸發(fā)針頭部相連、另一端穿過(guò)觸發(fā)絕緣套環(huán)和電極平臺(tái)，觸發(fā)針頭部的上表面低于下電極的電極平臺(tái)的上表面、邊角與下電極的電極平臺(tái)之間存在間隙。該多極柱場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)在大電流下工作壽命長(zhǎng)且通流能力強(qiáng)。
文檔編號(hào)H03K17/54GK102130670SQ20111006250
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者何正浩, 吳昊, 趙歡, 郭潤(rùn)凱, 陳希, 馬軍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)