Elektrischer Kondensator und Verfahren zur Herstellung desselben. Es sind Kondensatoren bekannt, bei wel chen ein flüssiger Elektrolyt zur Bildung einer dünnen, dielektrischen Schicht verwen det wird. Solche Kondensatoren haben den Nachteil, dass sie im Betrieb fortwährend überwacht werden müssen, im Vergleich zu der ihnen innewohnenden Kapazität unver hältnismässig gross sind und nicht in beliebi ger Lage aufgestellt werden können. Auch ist ihre Verwendung zufolge ihres Feuchtig keitsgehaltes namentlich in Radioanlagen unerwünscht. Ferner ist die Lebensdauer solcher Kondensatoren infolge der verschie denen grossen Verluste, von welchen in erster Linie der beim Betrieb auftretende grosse Ableitungsverlust zu nennen ist, verhältnis mässig klein.
Die chemische Reaktion, bei welcher die dünne dielektrische Schicht selbst dann, wenn der Kondensator nicht, wirksam ist, grossenteils aufgelöst wird, sowie die primäre Batteriewirkung, welche die Elektroden angreift, wenn der Konden- sator nicht wirksam, aber in einen geschlos senen äussern Stromkreis eingeschaltet ist, sind ebenfalls unerwünscht. Kondensatoren mit flüssigen Elektrolyten sind auch des wegen anfechtbar, weil im Innern ein Krie chen der Lösung, Korrosionswirkung und dergleichen stattfindet.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist. bei dem Kondensator gemäss der Erfindung, dessen Beläge durch imprägnierte Zwischen lagen getrennt sind, ein Imprägniermittel benutzt, welches Wasser enthält und eine Dampftension besitzt, die angenähert gleich derjenigen der Luft bei normalen Tempera turen ist, und es ist an dem metallischen Be lag mindestens eines Poles eine dielektrische Schicht vorgesehen.
Dieser Kondensator ist also verhältnis mässig trocken, so dass er selbst für Radio anlagen vorzüglich geeignet ist.
Zu einem besseren Verständnis der Er findung wird nun auf beiliegende Zeichnung Bezug genommen, welche ein Ausführungs beispiel einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung ent hält, sowie zwei Ausführungsbeispiele eines fertigen Kondensators.
Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt, durch eine Einrichtung zur Herstellung eines Kon- densators; Fig. 2 stellt eine Art der Anordnung der Elemente eines Kondensators in verzerrtem Massstab dar; Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Anordnung der in Fig. 1 dargestellten elektrischen An schlüsse; Fig. 4 zeigt, in verzerrtem Massstab, die Anordnung der Elemente in einem Konden sator, welcher mit Hilfe der elektrischen An schlüsse gemäss Fig. 3 hergestellt wird;
Fig. 5 ist ein Schnitt durch die Endlage der verschiedenen Schichten zur Herstellung eines gewickelten Kondensators; Fig. 6 ist eine Ansicht eines fertigen, gewickelten Kondensators mit teilweise weggenommenem Gehäuse; und Fig. 7 stellt einen Kondensator dar, in welchen die Elemente in Paketform einge bracht sind, wobei die Elemente zur Ver deutlichung. ihrer Anordnung auseinander geschoben sind.
Bei den in den Fig. 1 und 3 veranschau lichten Herstellungsverfahren werden zwei verhältnismässig lange, schmale Metallfolien 1, 2 zu den Belägen verwendet, welche durch streifenförmige Zwischenlagen von porösem oder faserigem Material 3, 4, wie zum Bei spiel Bamwolltuch, Musselin, Papier, Seide, Leinwand und dergleichen getrennt sind. Das hierzu verwendete Ausgangsmaterial ist in Rollen erhältlich, welche in beliebiger Weise, wie dies linker Hand in den Figuren angedeutet ist, drehbar gelagert werden.
Streifen von Aluminiumfolien 1, 2 und da zwischen liegende Streifen von Trennungs material 3, 4 werden miteinander nach ab wärts bewegt und durch die in dem Behälter 5 vorhandene Lösung 6 gezogen, aus dieser wiederum ausgeführt und entweder direkt auf einen Kern 9 gewunden, wie dargestellt, oder es werden Streifen von geeigneter Länge abgeschnitten um, wie dies in der Fig. 7 dargestellt ist, ein Paket daraus zu bilden. Die Führungsrollen 7, 7', 8, können in be liebiger Weise gelagert sein und dienen dazu, die Streifen zusammenzuhalten und sie in gleicher Flucht zu erhalten, während sie die schichtbildende Lösung 6 durchlaufen und auf den Kern 9 gelangen.
Die Lösung in dem Behälter 6 besteht aus einer der verschiedenen Kombinationen, welche später beschrieben werden, und sie enthält eine gewisse Menge freien Wassers, welches nach Bedarf erwärmt wird, um eine gleichmässige Verteilung der Chemikalien überall in den trennenden Materialien 3 und 4 zu erzielen. Es ist jedoch nicht durchaus notwendig, dass die Lösung erhitzt wird, und solange als die Chemikalien genügend gelöst sind, kann die Lösung während der Herstel lung des Kondensators kalt bleiben.
Gemäss Fig. 1 ist eine Gleichstromquelle mit dem metallischen Behälter 5 verbunden, sowie mit den Folien 1 und 2, wie dies er sichtlich ist. Dabei ist der Behälter 5 mit dem negativen Pol der Stromquelle verbun den, während die beiden Rollen des metal lischen Materials 1, 2 mit dem positiven Pol der Stromquelle verbunden sind. Auf diese Weise wird der Bildungsstrom durch die Folien und die chemische Lösung geleitet. und er kehrt durch den metallischen Be hälter zu dem negativen Pol der Stromquelle zurück, wodurch er auf beiden Seiten der metallischen Streifen eine Schicht bildet, wie dies in Fig. 2 durch 20 angedeutet ist.
Die so entstandene Schicht kann, wie be kannt, als dielektrisches Material in Kon densatoren verwendet werden. Während der Zeit, in welcher die verschiedenen Streifen durch die Lösung hindurchgehen, wird wie früher erwähnt, auf beiden Folien eine Schicht gebildet, und *es werden auch die Trennungsstreifen vollständig mit dem che mischen Stoff imprägniert. Die vereinigten Streifen werden sodann direkt über dem Be hälter aus diesem ausgeführt, damit über- schüssiges Imprägnierungsmaterial nicht ver loren geht, worauf die Streifen zwischen die losen Führungsrollen 8, 8 gelangen und von dort auf den Kern 9 gewunden werden.
Wenn eine genügende Anzahl von Win dungen, welche die verlangte Kapazität er gibt, auf den Kern aufgewunden sind, wer den die Streifen abgeschnitten, und der Kon densator vorzugsweise in Wachs eingetaucht, um mindestens den untern Teil desselben mit einem Überzug zu versehen, um eine Ab gabe oder ein Verlust der Imprägnierungs- substanz von der Rolle zu verhüten.
(Es ist selbstverständlich, dass der Überzug jedoch auch wegbelassen werden kann.) Obschon das Erhärten der Imprägnierungssubstanz sogleich beginnt, ist der gewickelte Konden sator nach dem Eintauchen in Wachs noch nicht notwendigerweise trocken, und das Er härten kann nach der endgültigen Form gebung der Beläge solange fortschreiten, bis dass die Imprägnierungssubstanz eine ver hältnismässig feste Masse bildet. Die zwi schen den Elektroden zurückgehaltene ,Sub stanz dient dazu, die auf den Elektroden ge bildete Schicht während der Lebensdauer des Kondensators aufrecht zu erhalten.
Obschon die Schichtbildung auf den Fo lien auch nach dem Wickeln des Konden- sators erfolgen kann, hat dies doch einen ge wissen Verlust von Imprägnierungsmaterial und Verbrauch desselben zur Folge. Dem gemäss ist es vorzuziehen, den Bildungsstrom auf die Folien während ihres Durchganges durch die chemische Lösung einwirken zu lassen. Der gewickelte Kondensator ist nun gebrauchsfertig, und zwar bei jeder Span nung bis zur Höhe der Spannung des Bil dungsstromes, ohne dass irgendwelche wei tere elektrolytische Wirkung stattfindet.
Es ist selbstverständlich, dass wenn dies ge wünscht wird, auch zwei verschiedene Lö sungen angewendet werden können, von denen die eine als schichtbildende Lösung, und die andere als Imprägnierungslösung dienen kann. Die Schichten können auch ver mittelst eines Wechselstromes gebildet wer den. Es ist klar, dass die Schichten auch in mannigfach anderer Weise hergestellt wer den können, als wie beschrieben, zum Bei spiel durch Erwärmen der Folien in einer oxydierenden Atmosphäre und nachherigem Imprägnieren des Kondensatorkörpers.
Wie die Fig. 2 zeigt, werden die Schich ten 20 auf beiden Seiten der Folien 1, 2 ge bildet. Darin ist die Dicke der gebildeten Schichten sehr stark übertrieben, damit die selben deutlicher sichtbar sind. Diese Schich ten haben unipolare Eigenschaften, so dass sie nach der einen Richtung Strom durchlassen, während sie den Stromfluss nach der entgegengesetzten Richtung wirksam ver hindern. Infolgedessen .kann eine solche Schicht als dielektrisches Element eines Kondensators verwendet werden. Wenn ein Kondensator in einen Wechselstromkreis ein geschaltet werden soll, werden vorzugsweise beide Elektroden oder Folien mit solchen unipolaren Schichten überzogen.
Wenn da gegen der Kondensator nur in einem Gleich stromkreis verwendet werden soll, genügt es, dass nur die eine der beiden Folien, wie diel in Fig. 4 dargestellt ist, überzogen wird, wobei dann der Kondensator mit richtiger Polarität in den Stromkreis eingeschaltet werden muss. Bei dem abgeänderten Ausfüh rungsbeispiel gemäss den Fig. 3 und 4 ist. es nicht notwendig, den Behälter 5, durch welchen die Streifen gezogen werden, aus Metall herzustellen, indem eine Gleichstrom quelle, wie in Fig. 3 dargestellt ist, direkt mit den Folien 1, 2 verbunden ist.
Bei Ver wendung von Gleichstrom wird der Film bezw. die Schicht nur auf derjenigen Folie gebildet, welche als positive Elektrode des Bildungsstromes dient. Dementsprechend wird auf die Folie 1 in Fig. 3 auf beiden Seiten derselben eine Schicht abgelagert, während auf der Folie 2, wie die Fig. 4 zeigt, keine Schicht abgelagert wird. Die zwischenliegenden porösen Trennungsstrei fen 3, 4 werden mit einem chemischen Stoff imprägniert, welcher gebundenes Wasser enthält, und genügend Leitungsfähigkeit be sitzt, um dem elektrischen Strom den Durch gang durch ihn auf leichte Weise zu ermög- liehen.
Es ist eine bekannte Tatsache, dass wenn ein Salz einer halbfesten Substa.az, welche Wasser enthält, dessen Dampfdichte grösser ist, als diejenige der Luft, mit wel cher sie in Berührung steht, sie das lent haltene Wasser vollständig abgibt oder zu einer Substanz wird, welche weniger Wasser und eine geringere Dampfdichte als die sie umgebende Luft enthält.
Andererseits ab sorbiert eine Substanz, welche eine bedeu tend geringere Dampfdichte als die sie um gebende Luft aufweist, im allgemeinen Feuchtigkeit aus der Luft, und ist bestrebt eine Lösung zu bilden, wobei dieser Prozess solange fortschreitet, bis dass die Verdün nung der Lösung die Dampfdichte auf unge fähr diejenige der Umgebungsluft. bringt.
Daraus ist ohne weiteres ersichtlich, dass eine Substanz, welche irgend einer dieser beiden Wirkungen unterworfen ist, zur Verwen dung in einem Kondensator der beschrie benen Art nicht geeignet ist, weil sie ent weder schliesslich austrocknen würde, das heisst ihren Wassergehalt verlieren, und ein nichtleitendes Medium bilden würde, oder sie wäre bestrebt, sich in eine flüssige Lö sung zu verwandeln, wodurch die ange strebte Wirkung einen verhältnismässig trok- kenen Kondensator herzustellen, vereitelt würde. Während es schwierig ist, eine Ein zelsubstanz zu finden, deren zugehörige Dampfdichte diese Forderungen genau be friedigt,
ist es verhältnismässig leicht, aus zwei oder mehr Substanzen eine Mischung herzustellen, deren wirksame Dampfdichte gleichwertig ist mit der mittleren Dampf dichte der sie umgebenden Luft. Wenn Kon densatoren Zuständen unterworfen werden, welche eine Temperaturerhöhung oder eine Austreibung eines Teils der vorhandenen Feuchtigkeit oder des Wassers, welches sie enthalten, bewirken könnten, ist es geboten, den chemischen Stoff so zu bemessen, dass er allmählich weitere Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt, als Ersatz für diejenige, welche bei diesen Zuständen ausgetrieben worden ist.
Es kann leicht nachgewiesen werden, dass die chemischen Schichten auf den Elektroden von den meisten Säuren und Alkalien ange griffen werden, so da.ss, um die nötige chemi sche Einwirkung zur Wiederherstellung der Schicht, entweder während der Betätigung des Kondensators oder ausserhalb derselben, auf ein Mindestmass zu beschränken, der chemische Stoff, soviel wie möglich neutral sein sollte.
Dadurch wird auch die primäre Batteriewirkung auf ein Mindestmass be schränkt, welche bei Kondensatoren dieser Art infolge des Umstandes, dass sie an einen äussern Stromkreis angeschlossen sind, zum Beispiel an eine Transformatorwicklung in einer Leitungsanlage für Wechselstrom mit angeschlossenem Filter, oft eintritt.
Es ist auch erwünscht, jedoch nicht not wendig, dass die Substanz klebriger Art. ist, um eine Trennung der übereinanderliegenden Elemente zu verhindern.
Es hat sich auch herausgestellt, dass es wünschbar ist, ein anorganisches alkalisches Salz zu verwenden, welches mit einer organi schen Säure neutralisiert ist.
Die Kapazität pro Flächeneinheit hängt auch von der Konzentration der positiven und nebativen Ionen in der Substanz ab. Die Wahl der Zusammenstellung der Chemi kalien wird daher vorteilhaft so getroffen, dass eine Fülle von freien Ionen entsteht. Wenn jedoch diese Kondensatoren bei höhe ren Spannungen verwendet werden, so be wirken ,die hochionisierten Chemikalien eine Vermehrung der Verluste, worauf Bedacht genommen werden muss.
Die Zusammenstellung der Chemikalien ist vorteilhaft so gewählt, dass der Ab leitungsverlust des Kondensators auf ein Minimum beschränkt wird.
Es können viele befriedigende Kombina tionen von Chemikalien benutzt werden, wo bei die Kombination vorzugsweise so getrof fen wird, dass ein annähernder Ausgleich zwischen Alkalien und Säuren entsteht. Der artige Kombinationen können Natriumborat, Natriumkarbonat, Kaliumhydroxyd, Natrium hydroxyd, Ammoniumborat, Apfelsäure, Zi tronensäure, Essigsäure, Oxalsäure,?atrium- Phosphat, und verschiedene andere Chemi kalien in Verbindung mit Wasser aufweisen.
Eine vorzugsweise Kombination enthält Na triumkarbonat, Natriumborat und - Apfel- säirre. Diese Chemikalien sin4 so verteilt, dass die resultierende Substanz annähernd neutral ist und bei zunehmendem Gehalt von Natriumborat oder Natriumkarbonat wird die Substanz härter bezw. weicher.
Es ist selbstverständlich, dass viele andere chemische Kombinationen verwendet werden können, solange wie sie in Lösung mit den verwendeten Metallen schichtbildend sind.
Dabei ist. es gleichgültig, oib :das mit den Chemikalien kombinierte Wasser in Form voll Kristallwasser vorhanden ist, oder ob es von einer zähen Schicht durch Oberflä chenspannung oder sonstwie zurückgehalten wird, solange nur die entstehende Impräg- nierungssubstanz das verlangte Resultat er gibt.
Wenn. die verwendete Chemikalien derart sind, dass die resultierende Substanz auskristallisieren kann, so enthält der Kon densator eine grosse Zahl von Kristallen, vor ausgesetzt, dass die Lösung nicht allzulange erhitzt wurde, oder dass sie zuviel ihres Wassergehaltes abgegeben hat. Wird die Flüssigkeit über einen gewissen Punkt hin aus erhitzt, so kann die resultierende Sub stanz das Aussehen eines glatten, glasartigen Überzuges annehmen, welcher aussen ver hältnismässig hart, aber innen verhältnis mässig weich und klebrig ist.
Ein solcher Zustand ist für diesen Kondensator beson ders vorteilhaft, da die Substanz alle nor nialen Bestrebungen. .den Wassergehalt im Betrieb abzugeben, verhindert. Selbst bei Temperaturen, welche etwas höher als die normalen sind, wird das Wasser hartnäckig zurückgehalten, so dass eine lange Lebens dauer des Kondensators bewirkt wird.
Aus Fig. 5 ist beispielsweise ersichtlich, wie die Elemente 1 bis 4 auf den Dorn 9, beim Wickeln des Kondensators, anfänglich aufgelegt werden. Die Zwischenlagen 3 und 4 werden vor den leitenden Folien 1 und 2 vorgeschoben, um diese voneinander .zu tren nen, und es wird dieselbe Vorsichtsmassnahme beim Beendigen des Wicklungsvorganges ge troffen.
Die Fig. 6 zeigt einen gewickelten Kon densator 10, welcher in ein geeignetes Ma terial 12, wie Sand, Kies, pulverisierten Kork und dergleichen eingebettet ist, um den Kondensator in der Mitte des äussern Gehäu ses 11 zu erhalten. Der Behälter und das Umhüllungsmaterial sind in der Figur teil weise entfernt, um den fertigen Kondensator sichtbar zu machen. Ein Teil der äussern Windung des Streifens 1 ist abgeschnitten und nach oben gekehrt, wie bei 13 gezeigt ist, wodurch eine Klemme 14 für den Kon densator entsteht. Die Folie 2 ist auf ähn liche Weise nach oben gebogen, um die Ge genklemme 15 der Wicklung zu bilden.
Geeignete Bindestücke 16, welche aus elastischen Bändern bestehen können, sind verwendet, um ein Loswerden bezw. ein Aus einanderwickeln der Schichten des Konden- sators zu verhindern. Es ist ersichtlich, dass bei diesem Kondensator die Trennungsstrei fen 3 und 4 breiter sind, als die leitenden Streifen. Es könnten aber auch die Elektro den oder Folien gegenüber den Trennungs streifen vorstehen, so dass an jedem Ende des Kondensators ein vorstehender Teil derselben gebildet wird, der zum Anschluss einer Klemme dient.
Isolierte Klemmleiter 19 sind durch den Deckel 18 durchgeführt und in geeigneter Weise mit den Klemmenstücken 14, 15 des Kondensatorkörpers verbunden. Bei den Durchtrittsstellen der Leiter können am Deckel Isolierplatten 17 vorgesehen wer den.
Fig. 7 zeigt schematisch einen Paketkon densator und es ist selbstverständlich, dass entweder der eine oder beide Elektrodensätze 1, 2 mit Schic'ntmaterial 20 überzogen sein kann, je nachdem der Kondensator für Gleichstrom oder für Wechselstromanlagen verwendet wird.
Bei dem beschriebenen Kondensator muss mindestens eine der beiden Metallfolien der sogenannten schichtbildenden Klasse ange hören, wie zum Beispiel das Aluminium und Magnesium, welche eine Ventilwirkung haben.
Der beschriebene Kondensator bietet kurz gefasst die folgenden Vorteile: Sein Volumen pro Kapazitätseinheit ist verhältnismässig ge ring und seine Lebensdauer gross, indem die in ihm wirksamen Chemikalien konserviert werden, so dass ,Verluste derselben auf ein Minimum beschränkt werden. Ebenso wer den Verluste an Chemikalien bei Unwirk samkeit des Kondensators, die durch Bat teriewirkung desselben entstehen können, wenn er in einen geschlossenen Stromkreis eingeschaltet ist, auf ein Minimum reduziert.
Auch wird eine chemische Wirkung zwi schen den Chemikalien und dem. Dielektri- kum, sowie auch eine solche zwischen den Chemikalien und den metallischen Elektroden des Kondensators nahezu ganz vermieden. Der, Ableitungsverlust dieses Kondensators ist nur gering.