Dielektrisches Material. Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auf ein dielektrisches Material, speziell für elektrische Kondensatoren, welches bei atmo sphärischer Temperatur flüssig ist.
Das neue dielektrische Material ist da durch gekennzeichnet, dass es aus einem flüs sigen, ein Diarylsulfon und mindestens eine halogenierte organische Verbindung, deren Schmelzpunkt unter demjenigen des Diaryl- sulfons liegt, enthaltenden Gemisch besteht.
Fig. 1 ist ein Aufriss eines Kondensators mit ausgebroechenem Teil.
Fig. 2 ist eine graphiscbe Darstellung, in welcher der Schmelzpunkt als Funktion der Sulfonkonzentration von Gemischen ans Sulfonen und chlorierten Diphenylen aufge tragen ist.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, in welcher die Dielektrizitätskonstante als Funk tion der Temperaturen eines Gemisches von Sulfon und ehloriertem Diphenyl (50:50) aufgetragen ist, und Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, in welcher der dielektrische Verlustfaktor als Funktion der Temperatur eines Gemisches von Sulfon und chloriertem Diphenyl (50 : 50) aufgetragen ist.
Chlorierte Kohlenwasserstoffe mit hohem Dipolmoment sind als Kondensatordielektrika bereits verwendet worden, und zwar wegen ihrer Feuerbeständigkeit und wegen des Vor teils ihrer Dielektrizitätskonstanten, die grö- Per sind, als diejenigen gewöhnlicher Isolier- dielektrika, wie z. B. raffiniertes Petroleumöl. Es ist ebenfalls bekannt, dass Sulfone wegen ihrer hohen Dielektrizitätskonstanten als Kon densatordielektrika verwendet werden. Die Sulfone mit hohen Dielektrizitätskonstanten sind jedoch im allgemeinen bei normalen Temperaturen, bei welchen die Kondensato ren in Betrieb sind, nicht flüssig, sondern fest.
Andere charakteristische Eigenschaften der Sulfone, beispielsweise ihr Bestreben bei Entzündung die Verbrennung zu unterhal ten, beeinträchtigen ihre praktische Verwend barkeit in Apparaten. Wenn gemäss der vorliegenden Erfindung halogenierte aromatische Verbindungen, ins besondere Arylverbindungen, mit Diarylsul- fonen vereinigt werden, so entstehen Gemi sche, die bei gewöhnlichen Raumtemperatu- ren flüssig sind und gleichzeitig eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen. Die Ge mische sind ferner feuerbeständig.
Bei der Herstellung dieser Gemische müs sen solche Sulfone und halogenierte Arylver- bindungen gemischt werden, die sich mitein ander vertragen und sich nicht trennen, wenn die Gemische in elektrischen Apparaten zur Anwendung gelangen. Es hat sieh gezeigt, dass chlorierte Diphenylverbindungen sich niit Diphenylsulfonen und alkylsubstituierten Diphenylsulfonen vertragen.
In der Reihen folge Diphenylsulfon, Phenyl-xylyl-sulfon, Tolyl-xylyl-sulfon steigt die Verträglichkeit mit 50 bis, 60 %o chloriertem Diphenyl. Wer den die Komponenten in praktisch gleichen Gewichtsmengen vermischt, so entstehen Flüssigkeiten, die zum Imprägnieren von Kondensatoren verwendet werden können. Die imprägnierten Kondensatoren arbeiten in äusserst befriedigender Weise. Es wird eine hohe Dielektrizitätskön stante erhalten. Das Sulfon kann in der Weise mit dem chlo rierten Diphenyl vermischt werden, dass das gepulverte Sulfon in das erhitzte, flüssige, chlorierte Diphenyl eingetragen und gerührt wird. Es entsteht ein flüssiges Gemisch.
Die Gemische sollten zwecks Herabsetzung des dielektrisehen Verlustfaktors auf ein Mini mum eine geringe Azidität aufweisen. Eine erfolgreiche Behandlung besteht darin, das flüssige Gemisch bei einer Temperatur von etwa 100 C der Einwirkung von Fullererde zu unterwerfen lund das Gemisch nach der Behandlung zu filtrieren. Die Azidität des Gemisches fällt dabei unter ein Äquivalent von 0,01 mg KOH pro Gramm. In Fig. 1 der Zeichnungen ist ein gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellter Kondensator dargestellt.
Der Kondensator 10 besteht aus einem abgedichteten Metallge häuse 12, in welchem eine Mehrzahl getrenn ter, metallischer Elektroden 14, gewöhnlich in Form dünner Blätter aus Kupfer oder einem andern gut leitenden Metall angeord net sind, wobei die Blätter durch einige Lagen eines äusserst dünnen Papiers, wie z. B. Hartpapier einer Dicke von 0,01 mm, voneinander getrennt sind. Im allgemeinen werden mit drei vereinigten Blättern Hart papier dieser Dicke sehr gute Resultate er zielt, da die Wahrscheinlichkeit, dass die Un- vollkommenheiten im Papier zusammenfallen, sehr gering ist, wenn drei Blätter aufein andergelegt werden.
Die Metallblätter, welche die Elektroden bilden, werden mit dem einge schobenen Hartpapier dicht umwickelt, um die Bildung eines elektrischen Kontaktes zu verhindern. Die umwickelten Elektroden wer den in das Gehäuse 12 eingeführt und mit den Endkontaktbestandteilen 16 bzw. 18 ver bunden. Im allgemeinen wird das zusammen gesetzte Gebilde im Vakuum einer Hitzebe handlung unterworfen, um jegliche Spuren von Feuchtigkeit und andern flüchtigen Sub stanzen zu verjagen. Nach der Behandlung wird die dielektrische Flüssigkeit 20, die aus einem Gemisch von Diarylsulfon und chlo riertem Dipheny l besteht, eingetragen, wäh rend das Valkuum noch weiter besteht.
Das dielektrische Gemisch wird mit Leichtigkeit vom Hartpapier absorbiert, worauf die Ap paratur, nachdem das Kondensatorgehäuse abgedichtet worden ist, für den Gebrauch bereit ist.
Es hat sieh erwiesen, dass durch Verwen dung praktisch gleicher Gewichtsmengen der Bestandteile bei der Herstellung der Ge mische aus Diarylsulfonen und chloriertem Diphenyl äusserst befriedigende Resultate er zielt werden. Zur Herstellung der Gemische eignen sich als Sulfone das Phenyl-xyly l- sulfon und das Tolyl-xylyl-sullfon, die mit chloriertem Diphenyl, welches, bezogen auf die maximale Chlorierungg, zii 50 bis 60% chloriert ist, vorteilhafte Gemische ergeben. Es wurde beobachtet, dass sieh die Sulfone umso besser mit den halogenierten Ar y lverbin- dungen vertragen, je grösser die Zahl der vor handenen Sulfonisomere ist.
Die Erhöhung der Zahl der Seitenketten der Diphenylsul- fonderivate scheint die Verträgliechkeit eben falls zu steigern.
In Fig. 2 der beiliegenden Zeichnung wird der Schmelzpunkt in Zentigraden gegenüber der Konzentration in Gew.-Prozente Sulfon der beiden Sulfone im chlorierten Diphenyl aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass das Phenyl-xy lyl-sulfongemisch (Kurve a.) bei 7'C einen praktisch konstanten Schmelz punkt aufweist.
Das Toly-xyly 1-sulfongemiscli (Kurve b) zeigt eine leichte der Sehmelzpunkttemperatur gegen ein Maximiini von etwa 13 C, welches einer Sulfonkonzen- tration von 801/o entspricht. Für Bedingun gen, unter welchen die Temperaturen, denen der Kondensator -unterworfen wird, sich denn Schmelzpunkt nähern, sollte deshalb das Phenyl-xylyl-sulfongemisch bevorzugterweise diese Konzentration aufweisen.
Beide Ge mische sind jedoch im Bereich der Tempera turen, denen Apparate dieser Type normaler weise unterworfen werden, gult flüssig.
Bezüglich des Einflusses der Temperatur von Gemischen aus gleichen Gewichtsmengen chloriertem Diphenyl eines Chlorgehaltes von 54% und Tolyl-xylyl-sulfon auf die Dielek trizitätskonstante sei auf Fig. 3 verwiesen, in welcher die zu den einzelnen Kurven ge hörenden Zahlen die Arbeitsfrequenz des Kondensators bezeichnen. Auf der Abszisse ist die Temperatur t in Zentigraden eines Gemisches aus 54 %igem chloriertem Dipheny l und Tolyl-xylyl-sulfon (50 :50) und auf der Ordinate die Dielektrizitätskonstante E auf getragen. Es ist ersichtlich, dass bei Konden satoren mit einer Frequenz von 60 Perioden die Dielektrizitätskonstante bei einer wenig über 0 C liegenden Temperatur einen Wert von ungefähr 18 aufweist.
Bei höheren Fre quenzen wird die maximale Dielektrizitäts- konstante bei etwas höheren Temperaturen erreicht. Da der Apparat bei Temperaturen von über 0 C arbeiten soll, so kann man in der Regel mit einer maximalen Dielektrizi- tätskonstante rechnen. Ein besonderes Merk- mal des Gemisches besteht darin, dass dieses bei Temperaturen des Arbeitsbereiches eine praktisch gleichbleibende Dielektrizitätskon stante aufweist.
In Fig. 4 sind die Kurven der dielektri schen Verlustfaktoren (tgb) in % in Funk tion der Temperatur in Zentigraden für Ge nnische mit gleichen Gewichtsmengen und gleicher Zusammensetzung wie in Fig. 3 er geben, dargestellt.
Es ist ersichtlich, dass der Verlustfaktor für einen Strom mit 60 Perioden stark ab fällt, wenn die Temperatur grösser als 0 C ist. Je höher die Frequenz umso wärmer sollte der Kondensator sein, damit der Verlustfak tor auf dem Minimum bleibt. Es ist zu be rücksichtigen, dass bei normalem Betrieb in folge des hohen Verlustfaktors bei etwa 0 C Wärme erzeugt wird, durch welche die Ap paratur rasch erhitzt wird, wobei der Ver lustfaktor mit zunehmender Temperatur rasch fällt.
In der folgenden Tabelle ist sowohl der Verlustfaktor als die Dielektrizitätskonstante solcher Kondensatoren für Gemische von Tolyl-xylyl-sulfon und Phenyl-xylyl-sulfon mit chloriertem Diphenyl eines Chlorgehaltes yon 50 % angegeben.
EMI0003.0008
<I>Tabelle <SEP> I</I>
<tb> Elektrische <SEP> Eigenschaften <SEP> flüssiger <SEP> Gemische <SEP> bei <SEP> 60 <SEP> Perioden <SEP> und <SEP> 28' <SEP> C
<tb> Gemisch <SEP> Nr.
<SEP> Verlastfaktor <SEP> o% <SEP> Dielektrizitätskonstante
<tb> I <SEP> 0,19 <SEP> 15,6
<tb> 1I <SEP> 0,48 <SEP> 16,9 Gemisch I ist aus gleichen Teilen Tolyl- xylyl-sulfon und chloriertem Diphenyl mit einem Chlorgehalt von 50 % zusammengesetzt. Gemisch 1I ist aus gleichen Gew.-Teilen Phenyl-xylyl-sulfon und chloriertem Diphe- nyl mit <RTI
ID="0003.0024"> dem Chlorgehalt von 50 % zusam- mengesetzt. Diese Tabelle gibt die Eigen schaften der flüssigen Gemische in Abwesen- heit von Hartpapier oder eines andern absor bierenden Materials an.
In Tabelle II sind die charakteristischen elektrischen Eigenschaften der Gemische I und II wie auch des chlorierten Diphenyls mit dem Chlorgehalt von 50 %, die in Kon- densatoren mit Hartpapier verwendet werden, angegeben.
EMI0004.0001
Tabelle <SEP> II
<tb> Elektrische <SEP> Eigenschaften <SEP> von <SEP> Kondensatoren <SEP> mit <SEP> imprägniertem <SEP> Hartpapier
<tb> bei <SEP> 60 <SEP> Perioden
<tb> Imprägniermittel <SEP> Verlustfaktor <SEP> % <SEP> Kapazität <SEP> in <SEP> Mikrofarad
<tb> 28 C <SEP> 80 C <SEP> 28 <SEP> C <SEP> 80 <SEP> C
<tb> Gemisch <SEP> I <SEP> 0,39 <SEP> 2,16 <SEP> 0,357 <SEP> 0,355
<tb> Gemisch <SEP> II <SEP> 0,46 <SEP> 2,68 <SEP> 0,350 <SEP> 0,348
<tb> Chloriertes <SEP> Diphenyl
<tb> mit <SEP> Chlorgehalt <SEP> von <SEP> 50 <SEP> % <SEP> 0,30 <SEP> 0,60 <SEP> 0,250 <SEP> 0,240 Die zur Erzielung der in Tabelle II an gegebenen Resultate verwendeten Kondensa toren wiesen mit nicht imprägniertem Hart- papier und nach gründlichem Trocknen eine Kapazität von 0,
09 Mikrofarad auf.
Der Einfluss der Temperatur auf die Ka pazität ist in Tabelle III wiedergegeben.
EMI0004.0004
Tabelle <SEP> III
<tb> Anfangsdaten <SEP> für <SEP> die <SEP> Beziehung <SEP> Verlustfaktor-Temperatur
<tb> Temperatur <SEP> Verlustfaktor <SEP> Kapazität
<tb> in <SEP> Zentigraden <SEP> % <SEP> Mikrofarad
<tb> 25 <SEP> 0,30 <SEP> 0,357
<tb> 35 <SEP> 0,47 <SEP> 0,356
<tb> 50 <SEP> 0,92 <SEP> 0,354
<tb> 80 <SEP> 2,16 <SEP> 0,355 Es ist ersichtlich, dass die Kapazität über einen weiten Temperaturbereich praktisch konstant bleibt, obwohl der Verlustfaktor mit der Temperatur steigt, wie zu erwarten ist.
Im Fall von Kondensatoren mit niederer Spannung ist die Erhöhung des Verlustfak tors nicht kritisch, während die Erhöhung der Kapazität über diejenige des gewöhn liehen Imprägniermittels aus chloriertem Di- pheny l etwa 40 % beträgt. Diese 40 o%oige Zunahme der Kapazität für eine gegebene Grösse der Apparatur stellt einen sehr wich tigen Vorteil dar.
Während die Gemische aus Sulfonen und halogenierten Diphenylen gute Resultate geben, können letztere teilweise oder ganz durch andere halogenierte aromatische Ver bindungen ersetzt werden. Eine besonders günstige Kombination wird durch Zusatz eines den Schmelzpunkt erniedrigenden Mit tels zu den chlorierten Diphenylen erhalten. Trichlorbenzol, Tetrachlorbenzol, Tetr achlor- äthylbenzol und Pentachloräthy lbenzol sind Beispiele von dem Schmelzpunkt erniedrigen den Substanzen, die sich für diesen Zweck eignen.
Da die Dielektrizitätskonstante beim Schmelzpunkt scharf fällt, bewirkt die Zu gabe von den Schmelzpunkt erniedrigenden Mittel eine Erhöhung des Arbeitstemperatur bereiches von Kondensatoren, die mit den hier beschriebenen Gemischen imprägniert sind.
Man kann in den Sulfongemischen die ganze Menge des halogenierten Diplienvl durch eine halogenierte aromatisehe Verbin dung von niedrigerem Schmelzpunkt ersetzen, um ein Gemisch herzustellen, welches sich für den Gebrauch bei Temperaturen unter<B>O' C</B> eignet. Rin Gemisch von: 50 Teilen Xylyl-tolyl-sulfon, 25 Teilen Pentaehloräthylbenzol und 25 Teilen Tetraehloräthy lbenzol, beispielsweise, weist einen Schmelzpunkt von -25 C auf.
Diese den Schmelzpunkt erniedrigenden Zusätze können mit gutem Resultat in kleine ren als den oben angegebenen Mengen zuge setzt werden. So weist beispielsweise ein aus 37,5 Teilen Xylyl-tolyl-sulfon, 37,5 Teilen Phenyl-xy lyl-sulfon, 12,5 Teilen Pentachloräthylbenzol und 12,5 Teilen Tetrachloräthylbenzol zusammengesetztes Gemisch einen Schmelz punkt von 0 C auf, besitzt jedoch wegen der grösseren Sulfonmenge, verglichen mit dem Gemisch des vorangehenden Beispiels, eine höhere Dielektrizitätskonstante.