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Verfahren zur Herstellung von elektrischen Wickelkondensatoren mit einem reinen Kunststoff.
Dielektrikum.
Die elektrischen, sogenannten Wickelkondensatoren werden dadurch hergestellt, dass zwei oder mehr möglichst dünne Metallbänder mit zwischengelegten und ebenfalls möglichst dünnen
Isolierstoffbändern zu einem Voll-oder Hohlzylinder aufgewickelt werden. An Stelle eines Metall- bandes können als Kondensatorbeläge auch mit Metallauflagen versehene Isolierstoffbänder dienen, bei denen der Isolierstoffträgerkörper zugleich auch als Dielektrikum benutzt werden kann. Die
Wickelkondensatoren können trotz kleinem Raumbedarf und sehr handlicher Form grosse Kapazitäts- werte aufweisen und werden deshalb auf vielen Gebieten der Elektrotechnik mit Vorteil verwendet.
Da die Anforderungen auf den verschiedenen Gebieten sehr verschiedenartig sind, wählt man die Isolierstoffbänder dementsprechend aus, um ganz bestimmte Werte der Fertigprodukte zu erhalten.
Besonderes Interesse wurde dem Isolierstoff ans Polymerisaten, welche aus die charakteristische Doppel- bindung der Vinylgruppe enthaltenden Stoffen hergestellt sind, als Dielektrikum entgegengebracht, da dessen Isolations-und Verlustwinkelwerte sehr klein sind. Der diesen Polymerisaten anhaftende
Nachteil der geringen Biegefestigkeit konnte dadurch überwunden werden, dass man die Polymerisate meist bei der Herstellung einem Reckungsverfahren unterzog, wobei die Moleküle ausgerichtet werden.
Solche z. B. gereckten Bänder sind ohne weiteres biegefähig und sind auch schon für Wickelkonden- satoren als dielektrische Zwischenlagen vorgeschlagen worden, da sie nicht rissig werden und nicht brechen.
Stellt man nun mit solchen gereckten Isolierstoffbändern Wickelkondensatoren her, so enthalten diese genau wie auch andere Wickelkondensatoren Lufteinschlüsse, die nicht zu vermeiden sind. Dies bedeutet jedoch bekanntlich einen erheblichen Nachteil, da die Kapazität eines solchen Kondensators nicht konstant ist und bei höheren Spannungen leicht Glimmentladungen eintreten können, die zur
Zerstörung des Kondensators führen. Das an sich bekannte Verfahren, diese Lufteinschlüsse durch zusätzliche dielektrische Stoffe beispielsweise innerhalb eines Imprägniervorganges zu ersetzen, hat aber neben dem komplizierten Arbeitsgang und dem erheblichen Aufwand den grossen Nachteil, dass sich ein zusammengesetztes Dielektrikum ergibt, wobei die Imprägniermittel schlechtere dielektrische
Eigenschaften als das reine Kunststoffdielektrikum haben.
Die Erfindung macht sich nun zur Fertigung von Wickelkondensatoren mit gereckten Poly- merisaten, welche aus die charakteristische Doppelbindung der Vinylgruppe enthaltenden Stoffen hergestellt sind, die Eigenschaft zunutze, dass diese gereckten Bänder durch eine Wärmebehandlung das Bestreben haben, sich wieder auf ihre ursprüngliche Länge zusammenzuziehen, und schlägt vor, die mit solchen gereckten Isolierstoffbändern hergestellten Wickelkondensatoren einer solchen Wärme- behandlung zu unterziehen, dass die gereckten Bänder sich aus ihrem gereckten in den ungereckten oder in einen teilweise gereckten Zustand zurückverwandeln. Infolge des durch die Zusammenziehung eintretenden inneren Wickeldruckes werden alle etwaigen beim Wickelvorgang eingeschlossenen Luft- blasen aus dem Wickelkörper herausgetrieben.
Hiebei ziehen sich die freien Ränder der überstehenden
Isolierstoffbahnen infolge der fehlenden Metallzwischenlage weiter als der eigentliche Wickel zusammen, so dass an den Stirnseiten Einschnürungen entstehen, die einen geringeren Durchmesser aufweisen
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als das Mittelstück des Kondensatorkörpers. Bei fortgesetzter Wärmebehandlung bzw. bei plötzlich ansteigender Wärmeeinwirkung kann ein Zusammenschweissen der frei aufeinanderliegenden Rand- teile der Dielektrikumbänder erzielt werden, so dass der Kondensatorwiekel gegen den Wiedereintritt von Luft völlig abgeschlossen ist.
In der bereits erwähnten. Abwandlung setzt man die Kondensatoren vorteilhafterweise nur so weit einer Erwärmung aus, dass im Endzustand die Folien noch eine bestimmte Spannung aufweisen, also nicht ganz entreekt"sind. Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Erwärmung in Stufen vor- zunehmen, wobei gleichzeitig eine Möglichkeit besteht, bei einem bestimmten Reckungszustand einen
Abgleich der Kapazität vorzunehmen, so dass sehr geringe Fertigungstoleranzen eingehalten werden können.
Die Temperaturen für den Entreckungsvorgang der Isolierbänder liegen in der Hauptsache zwischen 80 und 1000 C. Je nach der Temperaturhöhe und/oder der Zeit der Erwärmung lassen sich bestimmte Reekungszustände einstellen. In diesem- Zustand wird ; dann der Kondensator gemessen und durch Verkleinern der Belegung auf einen Wert gebracht, der dem gewollten Endwert oder einem um einen bestimmten, versuchsmässig ermittelten, davon verschiedenen Betrag entspricht. Hierauf kann dann eine zweite Erwärmung des Kondensators vorgenommen werden, die nun das Verschweissen der Ränder zur Folge haben soll, ohne den eingestellten Kapazitätswert merklich oder nur um den bestimmten Betrag zu ändern.
Erreicht wird dies durch eine kurzzeitige höhere Wärmebehandlung, die zweckmässigerweise über 1000 C liegt. Hiebei schweissen die überstehenden Ränder der Isolierfolie zusammen, ohne dass eine nennenswerte Übertragung der Wärme in das Innere des Kondensators erfolgt. Unterstützt wird dies durch die geringe Wärmeleitfähigkeit dieser synthetischen Materialien.
Aus dem vorstehenden ergibt sich, dass es zweckmässig ist, den Anfangskapazitätswert der
Kondensatoren so zu bemessen, dass er am Ende der ersten Wärmebehandlung grösser ist als der gewünschte Endwert, da der Abgleich nur in Form einer Verkleinerung erfolgen kann. Der abge- glichene Zwischenwert zwischen den beiden Wärmestufen muss dann eine solche Grösse aufweisen, dass die nachfolgende Änderung durch die zweite Wärmebehandlung ihn auf seinen Endwert führt, wobei selbstverständlich die Art der zweiten Behandlung von ausschlaggebender Bedeutung für die
Grösse des Zwischenwertes ist. Erfolgt sie nämlich so schnell und bei einer solchen Temperatur, dass nur die Ränder aussen zusammenschweissen, ohne dass die gereckten Bänder im Innern des Kondensators sich weiter zusammenziehen, so wird der Kapazitätswert der gleiche bleiben.
Tritt infolge längerer zeitlicher Wärmeeinwirkung eine geringe Änderung auf, so kann dieser Änderungswert dem Zwischen- wert zugeschlagen werden, und es werden, gleichmässige Fabrikation vorausgesetzt, alle Endwerte gleiche Grösse besitzen.
Um die Kondensatoren gemäss der Erfindung vollständig in sich abzukapseln, empfiehlt es sich, am Anfang und Ende eines Wickels mindestens eine Leerwindung der Isolierfolie ohne Zwischen- lage von Belagmetall vorzusehen, so dass allseitig ein Zusammenschweissen des Materials eintreten kann und damit eine vollständig luftsiehere Kapselung des Kondensators erzielt wird. Die Anschlüsse der
Belege können diesem Zweck entsprechend in verschiedener Weise, z. B. als in Zickzack liegende Drähte oder Fahnen angepasst sein.
An Hand der Zeichnung sei die Ausführung der Erfindung an zwei Beispielen noch näher erläutert.
Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen Wiekelkondensator gemäss der Erfindung. Zwei aus gereckten
Isolierstoffbändern, z. B. Polystyrol bestehende Filme mit den Abmessungen 50 x 0'1 mm und zwei
Aluminiumfolienbänder mit den Abmessungen 30 x 0'06 mm sind auf einem als Wickelkern dienenden Metallzylinder 1, der ein Stift oder ein Rohr sein kann, zu einem Wickel 2 aufgewickelt worden, ohne dass ein Brechen oder Einreissen der biegsamen Filme eintreten konnte. Der Wickel ist dann ungefähr vier Stunden in einer Wärmekammer auf etwa 1200 C erwärmt worden.
Hiebei trat eine Rüekwandlung des Polystyrols ein, wobei die Polystyrolbänder sich fest zusammenzogen, hiebei die Lufteinschlüsse herauspressten, und schliesslich schweissen seine das dünne Aluminiumband überragenden Ränder fest zusammen.
Bei der Auswahl der Abmessungen der Isolierbänder muss berücksichtigt werden, dass die
Bänder sich bei der Wärmebehandlung nicht nur in der Längsrichtung, sondern auch in der Breitenrichtung zusammenziehen, u. zw. wie Fig. 1 auch erkennen lässt, in den äusseren Wiekellagen stärker als in den inneren Wickellagen, in denen die Reibung der Randlagen grösser ist. Die Isolierbänder müssen infolgedessen in ihrer Breite einen bestimmten Mindestübersehuss über die Breite der Metallfolie aufweisen. Es können auch Bänder verwendet werden, die nach den äusseren Lagen zu an Breite zunehmen. Im Interesse der Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit lassen sich zwischen zwei Metallbelegungen an Stelle eines einzelnen auch mehrere Isolierbänder anordnen.
An den mit einem Belag leitend verbundenen Metallzylinder ist. als eine Zuleitung ein isolierter Draht,'1 angelötet. Die andere Zuleitung besteht ebenfalls aus einem isolierten Draht 4, dessen blankes Ende breitgedrüekt als Anschlussfahne im Wickel fest eingepresst ist. Der Kondensatorkörper ist als Ganzes in ein Rohr J aus Isolierstoff eingesetzt, das ein-oder beidseitig verschlossen sein und z. B. aus Glas oder Polystyrol bestehen kann. Ein Musterkondensator dieser Ausführung wies bei etwa 13 mm Aussendurchmesser
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des Wickels eine Kapazität von 4000 p. F und einen Isolationswiderstand von mehr als 107 Megohm auf, d. h. mehr als 40.000 Megohm für 1 p. F.
Der Kondensator lässt sich auch in der Form ausführen, dass beide Beleganschlüsse aus an den blanken Enden flachgedrüekten, isolierten Drähten bestehen, wobei auf den Wickelkern eine oder mehrere Windungen von Isolierfolie als Isolierung gegen den Kern aufgebracht werden. Der Kern selbst kann, zumal wenn er mit einer konzentrischen Bohrung versehen ist, für apparatemässigen
Aufbau als Tragorgan dienen. Auch kann er aus Isoliermaterial, z. B. keramischen Stoffen oder Glas, bestehen.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Wickelkondensators gemäss der Erfindung, die sich von der Ausführungsform nach F, ig. 1 dadurch unterscheidet, dass der Wickelkern nicht aus einem Metallzylinder, sondern aus einem beispielsweise 5 mm starken Stift aus einem gereckten
Polymerisat besteht. Dieser Stift 6 ist mit zwei sieh diametral gegenüberliegenden Nuten versehen, in die die Anschlussdrähte 7 und 8 eingelegt sind, auf die an ihren blanken Enden die Enden der Metall- beläge des Kondensators in mehreren Windungen aufgewickelt sind. Die Anwendung der Nuten ist an sich auch bei Wickelkerne aus andern Isolierstoffen vorteilhaft, jedoch ergibt die Verwendung eines Wickelkerns aus einem gereckten Polymerisat noch einen besonderen Vorteil.
Bei der Durch- wärmung des Kondensatorkörpers verkürzt sich nämlich auch der Kernstift und vergrössert dabei seinen Durchmesser. Hiedurch wird auf den Wickel auch von innen her ein erheblicher Druck aus- geübt, der einerseits die Zuführungen fest mit den Belegen in den Nuten verpresst und anderseits die
Beseitigung der Hohlräume mit Lufteinschlüssen begünstigt.
Weiterhin ist bei dem Kondensator nach Fig. 2 die Erwärmung nicht bis zur vollständigen
Entreckung der Folien durchgeführt worden, so dass der Kondensatorkörper immer unter mechanischer
Spannung steht. Hiedurch können ohne besondere Schäden kurzzeitige thermische Überlastungen vertragen werden, durch die die Folien nur das Bestreben haben, sich noch weiter zusammenzuziehen, da sie. sich noch in einem gereckten Zustand befinden. Infolgedessen werden besonders die lose ein- gelegten Anschlussfahnen fest eingeschlossen bleiben und guten Kontakt gewährleisten.
Das Entfernen der Lufteinschlüsse lässt sich dadurch noch erheblich begünstigen, dass die Wärme- behandlung unter Vakuum vorgenommen wird. Dabei kann das Vakuum entweder nur während der Rückwandlung der gereckten Isolierstoffbänder oder nur während des Zusammenschweissens der über- stehenden Ränder oder während beider Vorgänge vorgenommen werden. Die Behandlungstemperatur kann zum Zweck eines beschleunigten Zusammenschweissens der Ränder gegebenenfalls erhöht werden.
Um ein sicheres Zusammenschweissen der Ränder zu gewährleisten, empfiehlt es sich, die aufzuwickelnden
Isolierbänder sehr sauber zu halten und gegebenenfalls einer Vorreinigung zu unterziehen.
Für die erfindungsgemässe Herstellung dieser Kondensatoren können alle Polymerisate ver- wendet werden, die reckbar sind. Hauptsächlich kommen die Vinylverbindungen, wie Polystyrol,
Polyvinylchlorid oder Polymerylsäureester bzw. Mischpolymerisate aus denselben in Frage.
Es sei erwähnt, dass es bereits bekanntgeworden ist, Wickelkondensatoren mit Styrol oder
Polymerisationsprodukte des Styrols enthaltenden Dielektrikum in der Weise herzustellen, dass man einen Papierwickelkondensator mit den gelösten oder durch Wärmeeinwirkung flüssiggehaltenen
Polymerisaten imprägniert. Hiebei besteht das Dielektrikum also aus einem Gemisch von Papier und Kunststoffen, das keineswegs die elektrischen Werte aufweisen kann wie der erfindungsgemässe
Kondensator, dessen Dielektrikum ausschliesslich aus Polymerisaten der Vinylgruppe besteht.
Die bei den bekannten Kondensatoren in Anwendung gebrachte Wärmebehandlung hat auch nichts mit dem erfindungsgemässen Verfahren zu tun, da das bekannte Verfahren die Wärme zur
Polymerisation des Styrols bzw. zum Austreiben der Lösungsmittel und somit zur Bildung des als Dielektrikum wirksamen Stoffes benutzt, während bei dem Verfahren gemäss der Erfindung die Wärme zur Verbesserung der elektrischen Werte des Kondensators dient, ohne dabei auf die Herstellung und die Wirkung des Dielektrikums an sich einen Einfluss auszuüben.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Wiekelkondensatoren mit einem reinen Kunststoff-Dielektrikum aus gereckten Polymerisaten, welche aus die charakteristische Doppelbindung der Vinylgruppe enthaltenden Stoffen hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolierstoffband oder mehrere Isolierstoffbänder aus den gereckten Polymerisaten mitsamt den aus Metallfolien oder auch aus Metallisierungen der Isolierbänder bestehenden Kondensatorbelägen zunächst in der üblichen Weise zu einem Wickel aufgewickelt und dann einer solchen Wärmebehandlung unterzogen werden, dass die gereckten Bänder sich aus ihrem gereckten in den ungereckten Zustand zurückverwandeln.
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