CH224292A - Elektrischer Kondensator und Verfahren zu dessen Herstellung. - Google Patents

Description

  Elektrischer Kondensator und     Verfahren    zu dessen Herstellung.    Es ist bekannt, als     Dielektrikum    auch für  statische Kondensatoren Umsetzungsprodukte  des oder der     Belegungsmetalle    zu verwenden.  Von den vielen Vorschlägen, die in     dieser@Be-          ziehung    gemacht worden sind, hat sich keiner  als für die     Praxis    geeignet erwiesen, da diese  Kondensatoren sehr häufig Kurzschlüsse auf  wiesen.

   Zurückzuführen ist dies darauf, dass  die     .dielektrische    Schicht mechanisch sehr  empfindlich ist und deswegen bei der An  bringung der Gegenbelegung sehr leicht     be-          i;#chädigt    wird. Man hat deshalb     schon        vor-          ge-chlagen,    die     Geigenbelegung    auf die     di-          elektrische    Schicht in fein verteiltem Zu  stande aufzubringen, um einer Verletzung der       dielektrischen    Schicht vorzubeugen.

   Aber  auch .dieser Vorschlag führte zu keinem  brauchbaren Ergebnis, vielmehr zeigten sieh  nach wie vor Durchschläge, die zu einem       Kurzschluss    des Kondensators führten.  



  Die Erfindung betrifft einen elektrischen  Kondensator mit einem     Dielektrikum,    das    mindestens ein auf einer Metallelektrode auf  gewachsenes     Umsetzungsprodukt    dieses     Me-          tall-es    aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass  die Gegenbelegung     einschlussfrei    haftend auf  das     Dielektrikum    in einer solchen .Stärke  aufgebracht ist, dass an defekten Stellen des       Dielektrikums    die Gegenbelegung strom  sperrend wird.

   Es ist zwar bekannt, einen  Kondensator     durchsehlagssicher    zu gestalten  durch Ausbildung mindestens einer Belegung  als sehr dünne Schicht, jedoch handelt es  sich in diesen bekannten -Fällen immer um  Kondensatoren mit einem selbständigen     Di-          elektrikum,    welches nur vereinzelte Fehler  stellen aufweist, an welchen die Gegen  belegung zerstört oder nicht leitend wird,

    und nicht um einen Kondensator mit einem  auf     einem        Bel        bgungsmetall    aufgewachsenen  Umsetzungsprodukt als     Dielektrikum.    Der  Bau eines solchen     Kondensators    wäre ohne  die an defekten     Stellen    stromsperrende     Ge-          genbelebaun:g    gar nicht oder nur     zufällig         möglich. da die     dielektrische    Schicht derart  viele Fehlerstellen enthält, dass stets ein  Kurzschluss entstehen würde.  



       Darüber    hinaus betrifft die Erfindung  ein Verfahren zur Herstellung eines solchen  Kondensators. Gemäss diesem Verfahren       wird    eine die eine     Kondensatorbelegung    bil  dende Metallplatte zunächst einer derartigen  Behandlung unterworfen, dass auf mindestens  einer ihrer Seite eine aus einem Umsetzungs  produkt der Metallplatte     bestehende        dielek-          tri::che        Sperrschicht    aufwächst,     worauf    eine  Schicht als Gegenbelegung aufgebracht wird.  



  Als besonders geeignet zeigen sich Um  setzungsprodukte, die auf einem Metall durch       anodische    Oxydation hergestellt sind, so  genannte     Sperrschichten,    die dem elektrischen  Strom in der einen Richtung einen andern  Widerstand entgegensetzen als in der Gegen  richtung.  



       Dabei    ist es     zwcekmässig,    von einer sol  chen     Sperrschicht    auszugehen     bezw.    solche  Umsetzungsprodukte zu bilden, die eine hohe       Dielektrizitätskonstante    und geringe     dielek-          trisehe    Verluste besitzen. Bei den der vor  liegenden Erfindung zu Grunde liegenden  Versuchen wurde als Sperrschicht Alumi  nium     und    als     dielektrisehe    Schicht ein darauf  gebildetes Aluminiumoxyd verwendet.

   Dieses       Umsetzungsprodukt    kann in     bekannter        Weise     chemisch oder auch elektrolytisch hergestellt  sein.  



  Als besonders vorteilhaft zeigte sich die  Anwendung der     anodischen    Oxydation, wo  bei die Metalle als Anode     geschaltet    inner  halb eines Elektrolyten an eine     Spannung    ge  legt werden, so wie es bei der Herstellung der       dielektrischen    Schichten von     cluktrolytischen     Kondensatoren oder auch bei     der    Herstellung       korrosionsfester        Überzüge    üblich ist.  



       Es    zeigte sich weiter, dass es im Interesse  einer brauchbaren     Spannun=;sfestigkeit        des          Kandensators    zweckmässig ist, die     Stärke    der  Sperrschicht vergleichsweise stärker als  üblich, d. h. stärker als bei Elektrolytkonden  satoren, zu wählen und sie in der Stärke der  korrosionsfesten Überzüge, beispielsweise 5  bis 10     y    stark auszubilden. Unter Umständen    kann es vorteilhaft sein, die     Sperrschicht        aus          verschiedenartigen    und nach verschiedenen  Verfahren, beispielsweise in verschiedenen  Elektrolyten hergestellten Schichten zusam  menzusetzen.  



  Man kann eine Sperrschicht,     heispiehs-          weise    von Aluminium, in mehreren verschie  denen Elektrolyten erzeugen, wobei natur  gemäss jede Schicht aus einer     chemischen     Verbindung des     Belagmetalles    besteht. Man  kann z. B.     eineSchicht    in der Art eines     kor-          rosionsfesten    Überzuges fertigen, die be  kanntlich verhältnismässig porös ist, und in  diese einen bei der Herstellung von Elektro  lytkondensatoren bekannten Stoff einlagern,  um die     Porosität    der     ernten    Schicht zu ver  kleinern.

   Es empfiehlt sich dann weiter, die       dielekt.rische        Schicht    zur     Verbesserung    ihrer  Werte einer zusätzlichen Behandlung zu un  terwerfen. So     kann    man in die     dielektrische     Schicht zur     Gefügeverbesserung    und zur  Porenverringerung     zusätzliche        Stoffe    orga  nischer oder anorganischer     Natur    nach irgend  einem der     bekannten        Verfahren    einlagern.

         Beispielsweise    kann man     Titandioxyd    als     di-          elektrisch        hochwertigen        Stoff        kataphoretiseh     in die     dielektris.che    Schicht     einlagern.    Man ,  kann auch chemische     Ausfällungs-    und Ab  scheidungsverfahren in Anwendung     bringen,     wobei jedoch unter Umständen eine     weitere     Nachbehandlung erforderlich ist, um die für  den     Einlagerungsprozess    notwendigen,

       jedoch     für den     Kondensator    unerwünschten Stoffe  wieder zu     entfernen.    Eine     Poreneinfiillung     mit einem     anorganischen    Stoffe durch che  mische     Ausfällungsverfahren    kann beispiels  weise unter Verwendung von Lösungen     von      Zinksalzen erfolgen. Aus diesen     Lösungen     scheidet sich     Zinkhydroxyd    ab, das die Poren  der     dielektrischen    Schicht ausfüllt.

   Bei der  späteren nachfolgenden Trocknung wird  dieses     Zinkhydroxyd    in     Zinkoxyd        über-    .  geführt. Als organische     Füllstoffe    können  auch Lacke,     beispielsweise        Polystyrollaeke,          Verwendung    finden, die in Form eines     Im-          prägniervorganges    z. B. in die Schicht. ein  belagert werden können.

   Irgendwelcher     Über-          ,schuss,    der     naturgemäss    zur Vermeidung eines           zu.ammengesetzten        Dielektrikums    entfernt       ;@crden    russ, kann beispielsweise durch     Ab-          sehleudern    entfernt werden.  



  Bekanntlich     enthalten    insbesondere     elek-          trolytisch    hergestellte     Sperrschichten    Wasser,  welches sehr schlechte     dielektrische    Eigen  schaften zur Folge hat. Es ist darum unter  Umständen erforderlich, dieses in den Poren  und Kapillaren der     dielektrischen    Schicht       r--ingelagerte        bezw.    chemisch gebundene  Wasser vor der Aufbringung des Gegen  belages und unter Umständen auch vor ,der  Einlagerung von Füllstoffen zu entfernen.  Dies kann in     einfachster    Weise durch eine       Ausheizung,    unter Umständen im Vakuum,  erfolgen.

   Die hierfür     notwendigen        Tempera-          iuren    liegen in der Grössenordnung von       wenigen   <B>100'</B> und variieren je nach dem ver  wendeten     Dielektrikum.    Statt dessen können       :such    wasserentziehende Mittel, wie     ein-          oder    mehrwertiger Alkohol oder dergleichen,  in Anwendung kommen, wobei ebenfalls  unter Umständen     eine    Entfernung des  wasserentziehenden Mittels bei der Nach  ;     behandlung    erforderlich sein kann.  



  Auf die so vorbereitete     dielektrische     Schicht wird dann die Gegenbelegung aufge  bracht. Dies erfolgt am zweckmässigsten  durch     Kathodenzerstäubung    oder noch besser  durch     Metallverdampfung,    weil dabei die       dielektrische    Schicht bei der Aufbringung  des Belages in atomarer Form sich im Va  kuum befindet und dadurch erzielt wird,     da.ss     die Gegenbelegung tatsächlich fest und ein  schlussfrei am     Dielektrikum    haftet.

   Auch  kann jede Oberflächenkontur der     dielektri-          schen    Schicht von der Gegenbelegung getreu       nachgebildet    werden, so dass auch höchste  Kapazitätsausbeute gewährleistet ist. Es ist  unter Umständen notwendig, für     bestimmte          dielektristhe    Schichten auch bestimmte Me  talle, z. B. Silber, als Gegenbelegung zu  wählen, weil sich herausgestellt hat, dass da  durch auf im Augenblick noch nicht geklärte  Weise die Durchschlagsspannung des Kon  densators wesentlich beeinflusst werden kann.  Insbesondere hat sich die Verwendung einer       Silbergegenbelegung    auf Aluminiumoxyd    eine höhere Durchschlagsspannung ergeben.

    Ebenso     richtet    sich die Stärke der aufzubrin  genden     Metallbelegung    nach der Stärke und  Art der     dielektrischen    Schicht.  



  Bei den     Untersuchungen    zeigte sich, dass  bei Überschreiten der Durchschlagsspannung  Durchschläge auftraten, die     unter    Umständen  zu einem     bestehen    bleibenden Kurzschluss  führten. Es wurde festgestellt, dass diese  Durchschläge immer     unterhalb    der Strom  zuführung auftraten. Nach Abheben der  Stromzuführung war der     Kurzschluss    auf  gehoben und der     Kondensator    wieder betriebs  bereit.

   Dies veranlasst     deswegen    zu der Re  gel, die 'Stromzuführungen zweckmässig an  solchen Stellen eines Belages anzubringen,  denen kein Gegenbelag gegenübersteht     bezw.     bei welchen das     Dielektrikum    wesentlich ver  stärkt ist.  



  Da, wie bereits erwähnt; die     dielektri-          schen    Schichten meist porös sind     und    ver  mutlich auch hygroskopisch, kann ein Kon  densator, selbst     wenn    er durch     Ausheizen     oder dergleichen völlig wasserfrei gestaltet  ist, seine Werte unter dem Einfluss der Luft  feuchtigkeit wiederum wesentlich verschlech  tern und es ist     darum    zweckmässig, ihn der       Einwirkung    irgendwelcher Feuchtigkeit zu  entziehen und ihn feuchtigkeitsdicht, vor  zugsweisesogar vakuumdicht,     einzubauen.     



  Zwei beispielsweise     Ausführungsformen     des     erfindungsgemässen        Kondensators    werden  an Hand der beiliegenden Zeichnung erläu  tert.  



       Fig.    1 zeigt den     Querschnitt    des ersten       Ausführungsbeispiels.     



       Fig.    2 zeigt ebenfalls im     Querschnitt    das  zweite     Ausführungsbeispiel,    wovon       Fig.    3 eine Draufsicht darstellt.  



  In     Fig.    1 bezeichnet a das Grundmetall,  z. B. Aluminium, auf welchem das als     Di-          elektrikum    wirksame, aus Aluminiumoxyd  bestehende Umsetzungsprodukt b aufgewach  sen ist. Auf diese     dielektrische    Schicht b ist  der Belag c in Form     einer    dünnen Metall  schicht, z. B. einer Silberschicht, vorgesehen,  die an sich auch durch     andere    leitende      Schichten, beispielsweise Kohlenschichten,  ersetzt sein kann.  



  In     Fig.    2 ist eine     Kondensatorplatte    dar  gestellt, wie sie beispielsweise für Stapel  kondensatoren in Betracht kommen kann.  Eine solche     Kondensatorplatte    stellt ein fer  tiges     Kondensatorelement    dar. Die Mutter  belegung d ist vollständig von     einer        dielek-          trischen    Schicht     e,    die auf den     Belag    d auf  gewachsen ist, umgeben.

   Die Dicke dieser  Schicht     beträgt    5     bis    10     ,cc.    Auf der     dielek-          trischen    Schicht e ist die     Gegenbelegung    f  angebracht, welche bei g mit der     äussern     Stromzuführung in Verbindung steht     und          beispielsweise    eine Dicke von 0,5     ,u    hat.

   Um  einen Durchschlag an der Auflagestelle der  Stromzuführung g, der nicht gefahrlos ist,  zu     vermeiden,    ist die     dielektrische    Schicht     e     unterhalb der     Auflagestelle    von g     verstärkt.     Die     Stromzuführung    zu d ist aus der     Fig.    3  ersichtlich, in welcher die     KondenSatorplatte     der     Fig.    2 in der Aufsicht dargestellt ist,  angegeben und mit h bezeichnet.

   An dieser  Stelle fehlt die Gegenbelegung f.     Bei        geeig-          neter        Ausbildung    der Aufbauteile des     Kon-          densators    lassen sich auch Wickelkondensa  toren     herstellen.    Ein solcher Kondensator  kann     Betriebstemperaturen    von 150-200  C       aushalten.        Dies    ist sehr wichtig,     insbesondere     weil andere Geräte, die für solche Tempera  turen hätten gebaut werden können, z. B.

    Elektromotoren mit eingebauten Entstörungs  kondensatoren, mit Rücksicht auf die mit  denselben zusammengebauten Kondensatoren  für niedrigere Temperaturen gebaut, d. h.  überdimensioniert werden mussten. Der Ver  lustwinkel eines solchen     Kondensators    ist  von der     Grössenordnung    desjenigen von Kon  densatoren mit     hochwertigem    Glimmer als       Dielektrikum.  

Claims (1)

1. PATE\TAN SPRMIE I. Elektrischer Kondensator mit einem Dielektrikum, das mindestens ein auf einer Metallelektrode aufgewachsenes Umsetzungs produkt dieses Metalles aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenbelegung ein schlussfrei haftend auf das Dielektrikum in einer solchen Stärke aufgebracht ist, dass an defekten Stellen des Dielektrikums die Ge- genbelegung stromsperrend wird.

   II. Verfahren zur Herstellung des Kon densators nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass eine die eine Kondensa- torenbelegung bildende Metallplatte zunächst einer derartigen Behandlung unterworfen , wird, dass auf mindestens einer ihrer Seiten eine aus einem Umsetzungsprodukt der Me- tallplatte bestehende dielektrische Sperr schicht aufwächst,

   worauf eine Schicht als Gegenbelegung aufgebracht wird. UNTERANSPRVCHE 1. Kondensator nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die das Dielek- trikum tragende Metallelektrode aus Alumi nium besteht, wobei das Dielektrikum min destens teilweise durch eine Aluminiumoxyd- Schicht gebildet ist. 2.

   Kondensator nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Dielektrikumsschicht 5 bis 10 y beträgt. 3. Kondensator nach Patentanspruch Ih dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektri- kum aus mehreren verschiedenartigen Schich ten zusammengesetzt ist, 4. Kondensator nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem als Stromzuführung dienenden Teil des einen Belages die dielektrische Schicht verstärkt ist. 5.

   Kondensator nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stelle der Stromzuführung kein Gegenbelag vor handen ist. 6. Verfahren nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrisehe Sperrschicht auf chemischem Wege gewon nen wird. 7. Verfahren nach Patentanspruch Il, dadurch gekennzeichnet, rlass die dielektrische Sperrschicht auf elektrolytisebem Wege ge wonnen wird. B.

   Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Ent ziehung von Wasser der mit einer dielektri- sehen Schicht versehene Metallbelag einer thermischen Behandlung unterworfen wird. 9. Verfahren nach Unteranspruch 8, da durch gekennzeichnet, dass die thermische Be handlung im Vakuum erfolgt. 10.

   Verfahren nach Unteranspruch 8, da durch gekennzeichnet, dass .die thermische Be handlung bei einer Temperatur der Grössen ordnung von einigen 100 C erfolgt. 11. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht mittels eines das enthaltene Wasser entziehenden Stoffes behandelt wird. 12. Verfahren nach Unteranspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als wasser entziehender Stoff Alkohol verwendet wird. 13.

   Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass in die dielek- trische Schicht zur Verschliessung -der Poren ein Füllstoff eingebracht wird. 14. Verfahren nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff ein organischer Stoff verwendet wird. 15. Verfahren nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff ein anorganischer Stoff verwendet wird. 16.

   Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch .gekennzeichnet, dass die Gegenbele gung durch gathodenzerstäubung hergestellt wird. 17. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch .gekennzeichnet, dass die Gegenbele gung durch Metallverdampfung hergestellt wird.