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AIRCRAFT-MARTINE PRODUCTS INC., résidant à HARRISBURG, Pennsylvanie (E. U. A.) .
CONDENSATEUR ELECTRIQUE.
L'invention concerne des condensateurs électriques et leur pro- cédé de fabrication.
Jusqu'à présent, on a fabriqué des condensateurs électriques en assemblant des feuilles de métal servant d'électrodes pour le condensateur avec Interposition de feuilles découpées d'avance de matériaux diélectriques avec ou sans remplissage de matière d'imprégnation telle que de la cire ou de l'huile, etc.
Dans certains cas, on a suggéré d'utiliser des feuilles conformées d'avance de matières plastiques telles que du polystyrène seul ou laminé avec des feuilles de mica; dans d'autres cas, on a suggéré de re- vêtir du mica de gomme laque ou de polystyrène et d'utiliser des feuilles de ce produit composite diélectrique pour fabriquer des condensateurs; dans d'autres cas encore, on a moulé à la forme des matières plastiques telles que du polystyrène de manière que la masse de matière plastique pénètre en- tre les électrodes d'un condensateur et les entoure.
Bien que des structures telles que celles qui sont connues et utilisées dans la technique ancienne aient été convenables pour de nombreux usages, il y existe une demande persistante pour des condensateurs suscepti- bles de fonctionner à des températures élevées, c'est-à-dire dans le voisi- nage de 100 .,ou au-dessus, et dans de nombreux cas, à de hauts voltages et/ ou à de hautes- fréquences. Les condensateurs connus n'ont pas été reconnus adaptés à ces utilisations, en raison de la production d'ionisation, de la chaleur interne due au facteur de puissance élevé équivalent du diélectri- que ou à des variations de capacité dues à des changements physiques dans le condensateur dues au chauffage, - pour n'indiquer que quelques-uns des défauts les plus importants.
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La Demanderesse a trouvé, de façon surprenante, qu'on peut con- struire des condensateurs satisfaisants pour un service intense dans des conditions de température élevée, en utilisant du carbazol polyvinylique dans la couche de diélectrique entre les électrodes.
On connaît la préparation chimique du carbazol polyvinylique et de ses isomères depuis environ vingt ans. Il existe notamment une ré- sine de moulage fabriquée depuis de longues années en Allemagne, mais qui n'est pas particulièrement appropriée à être utilisée pour les buts de l'invention en raison de la présence de catalyseurs ou d'autres matières étrangères qui ne peuvent pas être chassées pendant la phase de chauffage.
Bien que le carbazol polyvinylique ait des propriétés désira- bles comme diélectrique de condensateur dans les condensateurs classiques, la Demanderesse a trouvé que, en combinaison avec des feuilles minces de matière isolante réfractaire, on peut obtenir un condensateur possédant des caractéristiques électriques extraordinaires.
Il existe aussi une matière convenant à la fabrication de feuilles réfractaires et connue sous la dénomination de "alsifilm", qui peut être produite suivant les techniques générales de Hausert, décrites par exemple dans le brevet délivré aux Etats-Unis sous le n 2.317.685, ou spécifiquement, en formant un gel de bentonite blanche purifiée de Califor- nie dont les dimensions de particules sont comprises entre 10 et 250 milli- microns. On forme ce gel en une couche de 0,51 mm. d'épaisseur qui se ré- trécit au séchage de manière à avoir une épaisseur pouvant diminuer jus- qu'à 0,01 mm. environ. On traite ensuite le film séché dans une solution de sel d'un cation polyvalent et d'un acide organique qui transforme les oxydes hydratés formant le gel inorganique en un composé hydrophobe.
Dans ce but, on peut utiliser une solution aqueuse de diacrylate d'éthylè- ne-diamine . Après ce traitement, on lave le film dans l'eau distillée jus- qu'à ce qu'il soit exempt de sels solubles puis on le sèche et on le soumet à la chaleur et à. la pression.
La description qui va suivre en regard des figures du dessin annexé, de quelques formes de réalisation de l'invention, choisies à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre la manière dont celle-ci est réalisée. Il est bien évident cependant que le technicien pourra en réaliser diverses variantes pour les adapter aux conditions particulières d'utilisation.
La figure 1 représente une vue, en coupe transversale, de deux électrodes revêtues prêtes à être assemblées pour en faire un condensateur
La figure 2 représente une coupe transversale d'un condensateur composé d'un diélectrique conformé d'avance revêtu de carbazol polyvinylique assemblé entre les électrodes avant moulage.
Sur les figures, on a représenté un condensateur simple destiné à être utilisé avec de hauts voltages et à des températures élevées. Pour la fabrication de ce condensateur, on découpe les électrodes 10 et 12 à la forme appropriée, avec des conducteurs solidaires 14, 16 découpés dans des planches minces de métal ou des feuilles, par exemple du cuivre en planches Chacune des plaques 10 ou 12 est couverte d'un revêtement 18 de carbazol po- lyvinylique, qui humecte complètement la plaque et adhère à toute sa surface.
Ce revêtement 18 peut être appliqué sous forme de laque ou de vernis, par exemple dans un procédé très connu, on dissout le polymère con- nu dans le commerce sous la marque "K 30" qui se ramollit entre 150 et 2000 environ, dans trois fois son poids de toluène pour lui donner la consistance d'un vernis. ,On lui ajoute de 2 à 15 % d'un plastifiant approprié pour per - mettre un fluage plastique facile pendant la phase subséquente de moulage et pour diminuer la fragilité du carbazol polyvinylique.
Si le condensateur doit être utilisé sur du courant continu ou
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en général sur du courant alternatif à basse fréquence, on peut utiliser un des plastifiants connus effipaces avec le carbazol polyvinylique, tels que le phosphate de tricrésyle, le phosphate de triphényle, etc. Si cependant le condensateur, objet de l'invention, est destiné à la haute fréquence, il est avantageux d'utiliser des composés non polaires comme plastifiants.
Dans ce but, en a trouvé que les hydrocarbures élevés sont particulièremert appropriés, notamment le naphtalène d'amyle, le diphényle ou le triphényle
Un tel plastifiant est vendu sous la marque "HB 40".
Les feuilles de métal 10 et 12 sont complètement nettoyées avant revêtement pour leur assurer une humectation complète par la laque de carba- zol polyvinylique. Ainsi, par exemple, on lave tout d'abord les feuilles avec du benzène puis ensuite avec une solution d'acide chlorhydrique puis on les attaque ensuite par une solution d'acide azotique obtenue en dissol- vant une partie d'acide azotique concentré dans trois parties d'eau. L'at- taque continue jusqu'à ce qu'un rebord quelconque se produisant sur les arêtes de la feuille se soit dissous en laissant une arête émoussée micros- copique. En pratique, on s'aperçoit de ceci lorsque le brillant de surface est découpé de manière à avoir un bel aspect mat.
On retire ensuite la feuille de la solution d'attaque et on la lave complètement à l'eau distil- lée, on la sèche à la chaleur et on la revêt d'une pellicule mince de
0,005 mm. d'épaisseur ou moins, de la laque de carbazol polyvinylique.
Cette laque est déposée par brossage ou pulvérisation sur la surface des plaques de métal 10 et 12 de manière que les surfaces soient complètement humectées par la laque et les plaques sont ensuite supportées horizontalement en permettant à la laque de s'écouler pour former une pelli- cule horizontale et on les sèche complètement dans cette position. Si on le désire, on peut appliquer des revêtements supplémentaires de laques afin d'obtenir une couche plus épaisse de diélectrique.
La pellicule d'"alsifilm" est ensuite déposée avec un vernis obtenu en dissolvant dans du toluène environ 1/3 de son poids de carbazol polyvinylique du commerce, par exemple de la qualité désignée par le nom- bre "K-53" et suffisamment de plastifiant, par exemple de 2 à 15% pour as- surer un fluage facile aux températures et aux très hautes pressions de mou- lage utilisées. Ce vernis est appliqué en une couche uniforme et très mince pour produire à sec une pellicule de 0,0025 à 0,005 mm. d'épaisseur.
On élimine totalement le solvant pendant le séchage et, lorsqu'elles sont aies i séchées, on assemble plusieurs feuilles revêtues avec les plaques de métal revêtues dans un ordre et un rapport désirés, on les place dans un moule, on les chauffe à une température suffisamment élevée pour ramollir le revê- tement à un état plastique plutôt rigide susceptible de fluer plastiquement et facilement sous une pression élevée et on les soumet à une pression éle- vée de 35,1 Kg/cm2. On assemble les couches 20 de matière diélectrique con- formée d'avance en "alsifilm", revêtue chacune ou comportant chacune à sa surface, un carbazol vinylique, avec des électrodes revêtues telles que cel- les représentées sur la figure 1.
Avec la composition décrite ci-dessus et en correspondance avec le plastifiant particulier et les proportions choisis, la température de ce moulage doit avoir lieu entre 150 et 300 et, de préférence, entre 225 et 2500. Cette température doit être sensiblement uniforme quand le moulage a lieu.
A des températures supérieures à 155 , la polymérisation est re- lativement rapide et est accompagnée de formation de bulles et de changements de dimensions. On laisse la polymérisation continuer jusqu'à ce que le car- bazol vinylique soit sensiblement sec, c'est-à-dire sensiblement solide et non collant, à la température de polymérisation; ceci peut être plus ou moins long, par exemple durer quelques heures, suivant la température de traitement et suivant le ou les catalyseurs de polymérisation et les quan- tités utilisées, si l'on en utilise avec le carbazol polyvinylique. Comme catalyseur approprié, on utilise soit une petite proportion de carbazol po-
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lyvinylique dissoute dans le monomère, soit un hydroperoxyde de butyle ter- tiaire utilisé dans-la proportion d'une goutte du catalyseur pour vingt grammes du monomère.
La présence de catalyseurs est généralement indésirable et pro- duit une augmentation des pertes dans le condensateur terminé. En consé- quence, on préfère utiliser du carbazol polyvinylique comme catalyseur et en particulier, pour éviter l'addition d'un composé quelconque polaire non volatil.
Les feuilles saturées et polymérisées comme on l'a décrit ci- dessus peuvent être ensuite assemblées dans un ordre quelconque avec les plaques de métal revêtu, telles que celles décrites en correspondance avec la figure 1, et ces feuilles sont placées dans des moules avec une étroite marge adjacente aux arêtes des feuilles dans laquelle la matière plastique en excédent peut être écrasée pendant l'opération de moulage.
La masse entière est chauffée complètement à une température à laquelle le carbazol polyvinylique s'écoule doucement mais continuellement avec une résistance substantielle au fluage, par exemple au fluage plastiqueo Quand cette température a été atteinte dans toute la masse, on peut appli- quer au moule une pression suffisante pour rendre la masse compacte et chas- ser vers l'extérieur par écrasement hors des couches de papier et vers les bords une partie de la matière plastique en excédent, d'où il résulte la for- mation d'une masse solide, bien compacte et unitaire.
La pression pendant cette opération doit varier entre 7,0 et 70,3 kg/cm2 et être égale, de pré- férence, à 35,1 kg/cm2, comme il est décrit dans la demande de brevet dépo- sée aux Etats-Unis le 4 Mai 1944.
Un des avantages importants du carbazol polyvinylique est l'ef- ficacité avec laquelle il humecte les surfaces de l'électrode et y adhère en assurant ainsi qu'il ne se produit pas d'effets de surface qui pourraient avoir pour résultat des variations de capacité ou d'autres défauts dans le fonctionnement du condensateur. Il est évident que le carbazol polyvinyli- que réagit dans une certaine mesure avec le cuivre à la surface lorsque les plaques de cuivre sont utilisées comme électrodes Si, dans quelques cas ce- ci ne peut être admis, on peut revêtir le cuivre d'un amalgame mince de mer- cure ou bien on peut former à la surface du cuivre une pellicule d'or ou d' un autre métal résistant à la corrosion ou d'un alliage mince.
Dans la plu- part des cas, cependant, ceci ne paraît pas nécessaire et une réaction sem- blable qui se forme paraît assurer l'adhérence. Avec de l'argent, de l'é- tain, de l'aluminium, aucune réaction n'est apparente.
Les théories connues concernant le condensateur,objet de l'in- vention, ne paraissent pas complètement suffisantes pour expliquer les ca- ractéristiques perfectionnées. Il est possible qu'une certaine quantité de polymérisation entre les faces se produise aux points de liaison du car- bazol polyvinylique et de l'"alsifilm" due à la réaction entre le carbazol polyvinylique et les molécules de survace, ou bien il est possible que les surfaces du carbazol polyvinylique et du film réfractaire soient complètement miscibles à la polymérisation plus élevée qui est atteinte seulement pendant le chauffage des condensateurs.
Les condensateurs obtenus selon l'invention travaillent constam- ment à des températures aussi élevées que 125 ,à des voltages compris entre 6.000 et 25.000 volts et à des fréquences élevées de l'ordre de kilocycles ou de mégacycles. Les condensateurs sont caractérisés par la stabilité, une absorption d'énergie relativement basse due au facteur de puissance de la matière diélectrique, une capacité relativement élevée et l'absence d'ioni- sation sous les fortes contraintes.
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AIRCRAFT-MARTINE PRODUCTS INC., Residing in HARRISBURG, Pennsylvania (E. U. A.).
ELECTRIC CAPACITOR.
The invention relates to electric capacitors and a method of making them.
Until now, electric capacitors have been manufactured by assembling metal sheets serving as electrodes for the capacitor with the interposition of pre-cut sheets of dielectric materials with or without filling of impregnating material such as wax or oil, etc.
In some cases, it has been suggested to use pre-formed sheets of plastics such as polystyrene alone or laminated with mica sheets; in other cases, it has been suggested to coat mica with shellac or polystyrene and to use sheets of this dielectric composite product to make capacitors; in still other cases, plastics such as polystyrene have been molded into shape so that the mass of plastic material penetrates between and surrounds the electrodes of a capacitor.
Although structures such as those known and used in the ancient art have been suitable for many uses, there is a persistent demand for capacitors capable of operating at high temperatures, i.e. in the vicinity of 100., or above, and in many cases, at high voltages and / or at high frequencies. Known capacitors have not been found suitable for these uses, due to the production of ionization, internal heat due to the equivalent high power factor of the dielectric or to variations in capacitance due to physical changes in the dielectric. the capacitor due to heating, - to indicate only a few of the more important faults.
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We have surprisingly found that capacitors satisfactory for heavy duty under high temperature conditions can be constructed by using polyvinyl carbazol in the dielectric layer between the electrodes.
The chemical preparation of polyvinyl carbazol and its isomers has been known for about twenty years. In particular, there exists a molding resin which has been produced for many years in Germany, but which is not particularly suitable for use for the purposes of the invention due to the presence of catalysts or other foreign matter which is not suitable. cannot be driven out during the heating phase.
Although polyvinyl carbazol has desirable properties as a capacitor dielectric in conventional capacitors, we have found that, in combination with thin sheets of refractory insulating material, a capacitor with extraordinary electrical characteristics can be obtained.
There is also a material suitable for making refractory sheets known as "alsifilm", which can be produced according to general Hausert techniques, described for example in U.S. Patent No. 2,317,685. , or specifically, by forming a gel of purified white California bentonite having particle sizes between 10 and 250 milli-microns. This gel is formed into a 0.51 mm layer. of thickness which shrinks on drying so as to have a thickness which may decrease to 0.01 mm. about. The dried film is then treated in a salt solution of a polyvalent cation and an organic acid which converts the hydrated oxides forming the inorganic gel into a hydrophobic compound.
For this purpose, an aqueous solution of ethylene diamine diacrylate can be used. After this treatment, the film is washed in distilled water until it is free from soluble salts, then it is dried and subjected to heat and heat. pressure.
The description which will follow, with regard to the figures of the appended drawing, of a few embodiments of the invention, chosen by way of nonlimiting examples, will make it easier to understand the manner in which it is carried out. It is obvious, however, that the technician can produce various variants thereof to adapt them to the particular conditions of use.
Figure 1 shows a cross sectional view of two coated electrodes ready to be assembled into a capacitor
Figure 2 shows a cross section of a capacitor composed of a preformed dielectric coated with polyvinyl carbazol assembled between the electrodes before molding.
In the figures, there is shown a simple capacitor intended to be used with high voltages and at high temperatures. For the manufacture of this capacitor, the electrodes 10 and 12 are cut to the appropriate shape, with integral conductors 14, 16 cut from thin metal boards or sheets, for example copper planks Each of the plates 10 or 12 is covered with a coating 18 of polyvinyl carbazol, which completely wets the plate and adheres to its entire surface.
This coating 18 can be applied in the form of a lacquer or varnish, for example in a very known process, the polymer known commercially under the trademark "K 30" is dissolved, which softens between 150 and 2000 approximately, in three times its weight of toluene to give it the consistency of a varnish. From 2 to 15% of a suitable plasticizer is added to it to allow easy plastic flow during the subsequent molding phase and to reduce the brittleness of the polyvinyl carbazol.
If the capacitor is to be used on direct current or
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in general on low frequency alternating current one can use one of the known plasticizers effective with polyvinyl carbazol, such as tricresyl phosphate, triphenyl phosphate, etc. If, however, the capacitor, object of the invention, is intended for high frequency, it is advantageous to use nonpolar compounds as plasticizers.
For this purpose, it has been found that high hydrocarbons are particularly suitable, especially amyl naphthalene, diphenyl or triphenyl.
Such a plasticizer is sold under the trademark "HB 40".
The metal sheets 10 and 12 are completely cleaned before coating to assure them complete wetting with the polyvinyl carbazol lacquer. Thus, for example, the leaves are first washed with benzene and then with a hydrochloric acid solution and then they are attacked with a nitrogen acid solution obtained by dissolving a part of concentrated nitrogen acid in three parts of water. The attack continues until any ledge occurring on the edges of the sheet has dissolved, leaving a blunt microscopic edge. In practice, this is noticed when the surface gloss is cut so as to have a beautiful matt appearance.
The foil is then removed from the etching solution and washed completely with distilled water, heat dried and coated with a thin film of.
0.005 mm. thick or less, polyvinyl carbazol lacquer.
This lacquer is deposited by brushing or spraying on the surface of the metal plates 10 and 12 so that the surfaces are completely wetted by the lacquer and the plates are then supported horizontally allowing the lacquer to flow to form a film. horizontal and dry them completely in this position. If desired, additional lacquer coatings can be applied to obtain a thicker layer of dielectric.
The film of "alsifilm" is then deposited with a varnish obtained by dissolving in toluene approximately 1/3 of its weight of commercial polyvinyl carbazol, for example of the quality designated by the number "K-53" and sufficiently plasticizer, for example 2 to 15% to ensure easy flow at the temperatures and very high molding pressures used. This varnish is applied in an even and very thin layer to produce a dry film of 0.0025 to 0.005 mm. thick.
The solvent is completely removed during drying and, when dried, several coated sheets are assembled with the coated metal plates in a desired order and ratio, placed in a mold, heated to a temperature. sufficiently high to soften the coating to a rather rigid plastic state capable of plastically and readily creeping under high pressure and subjected to a high pressure of 35.1 kg / cm 2. The layers 20 of preformed "alsifilm" dielectric material, each coated or each having on its surface, a vinyl carbazol, are assembled with coated electrodes such as those shown in Figure 1.
With the composition described above and in correspondence with the particular plasticizer and the proportions chosen, the temperature of this molding should take place between 150 and 300 and, preferably, between 225 and 2500. This temperature should be substantially uniform when molding takes place.
At temperatures above 155, polymerization is relatively rapid and is accompanied by bubble formation and dimensional changes. Polymerization is allowed to continue until the vinyl carbazol is substantially dry, i.e., substantially solid and non-tacky, at the polymerization temperature; this can be more or less long, for example last a few hours, depending on the treatment temperature and depending on the polymerization catalyst (s) and the amounts used, if used with the polyvinyl carbazol. As a suitable catalyst, either a small proportion of the carbazol is used.
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lyvinyl dissolved in the monomer, or a tertiary butyl hydroperoxide used in the proportion of one drop of the catalyst to twenty grams of the monomer.
The presence of catalysts is generally undesirable and results in increased losses in the finished capacitor. Therefore, it is preferred to use polyvinyl carbazol as a catalyst and in particular to avoid the addition of any polar non-volatile compound.
The saturated and polymerized sheets as described above can then be assembled in any order with the coated metal plates, such as those described in correspondence to Figure 1, and these sheets are placed in molds with a narrow margin adjacent to the edges of the sheets in which excess plastic material can be crushed during the molding operation.
The entire mass is heated completely to a temperature at which the polyvinyl carbazol flows smoothly but continuously with substantial resistance to creep, for example plastic creep. When this temperature has been reached throughout the mass, the mold can be applied sufficient pressure to compact the mass and squeeze outwardly out of the paper layers and outwardly some of the excess plastic material, resulting in the formation of a solid mass , very compact and unitary.
The pressure during this operation should vary between 7.0 and 70.3 kg / cm2 and be equal, preferably, to 35.1 kg / cm2, as described in the patent application filed in the United States. United on May 4, 1944.
One of the important advantages of polyvinyl carbazol is the efficiency with which it wets and adheres to the surfaces of the electrode thus ensuring that no surface effects occur which could result in capacitance variations. or other faults in the operation of the capacitor. It is evident that the polyvinyl carbazol reacts to some extent with the copper at the surface when the copper plates are used as electrodes. If, in some cases this cannot be accepted, the copper can be coated with a A thin amalgam of mercury or a film of gold or other corrosion resistant metal or a thin alloy can be formed on the surface of the copper.
In most cases, however, this does not appear necessary and a similar reaction which forms appears to ensure adhesion. With silver, tin, aluminum, no reaction is apparent.
The known theories concerning the capacitor, object of the invention, do not appear to be completely sufficient to explain the improved characteristics. It is possible that a certain amount of polymerization between the faces will occur at the bonding points of the polyvinyl carbazol and the "alsifilm" due to the reaction between the polyvinyl carbazol and the surviving molecules, or it is possible that the surfaces of the polyvinyl carbazol and the refractory film are completely miscible with the higher polymerization which is achieved only during heating of the capacitors.
The capacitors obtained according to the invention work constantly at temperatures as high as 125, at voltages between 6,000 and 25,000 volts and at high frequencies of the order of kilocycles or megacycles. Capacitors are characterized by stability, relatively low energy absorption due to the power factor of the dielectric material, relatively high capacitance and absence of ionization under high stresses.
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