Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kondensatoren Das vorliegende, Patent bezieht sieh auf ein Verfahren zur Herstellung von elektri sehen Kondensatoren, bei denen (,'las als Di- elektrikum verwendet wird, sowie auf einen elektrischen Kondensator, der nach dem er i'inclun-sgemässen Verfahren hergestellt ist.
Es ist bereits _ bekannt, als Dielektrikum für elektrische Kondensatoren Glas oder ähn liche Stoffe zu verwenden. Diese Stoffe haben vor allem dien Vorteil, dass sie vollkommen unempfindlich gegen Feuchtigkeit sind und verhältnismässig hohe und tiefe Temperaturen ohne Beeinträchtigung ihrer elektrischen Ei genschaften vertragen.
Man hat. zum Beisspiel Kondensatoren dieser Art hergestellt, indem man abwechselnd Metall- und Glasplättchen übereinanderschicbtete. Um eine grosse Kapa zität zu erhalten, hat man die Glasplättchen so dünn wie möglich gemacht, d. h. es wurden Glaspl'ättehen in der Stärke von ungefähr 1/1e mm verwendet.. Zusätzlich hat man die überstehenden Ränder der Glasplättchen noch miteinander verschmolzen und so Konden satoren von hoher Stabilität erhalten.
Die auf diese Weise hergestellten Stapelkondensatoren weisen jedoch nur eine verhältiiisniässig ge ringe Kapazität pro Volumeneinheit auf. Man hat deshalb v eislicht, Kondensatoren mit Glasdielektrikum nach Art der Wieke.lkonden- satoren unter Verwendung von dünnen Glas folien herzustellen, die sieh um einen Kern wickeln lassen.
Es ist zwar gelungen, Glas folien bis zii der geringen Stärke von einigen Mikron herzustellen; diese äusserst dünnen Folien sind jedoch immer noch so spröde, dass sie sich in kaltem Zustande nur um einen Wickeldorn von mindestens 40 mm Durch messer biegen lassen, ohne zu zerbrechen.
Man kann beim Wickeln dieser Glasfolien auch höhere Temperaturen anwenden, um die Folien zu erweichen. Diese Massnahme stösst jedoch auf Schwierigkeiten, da die Vorrichtung zum Erhitzen der Folien direkt. an die Wickel- maschine angebaut, sein und die Temperatur bei derart dünnen Folien ziemlich genau ein gehalten werden muss. Als Beweis für diese Schwierigkeiten ist die Tatsache anzusehen, dass derartige Kondensatoren bis heute nicht auf dem Markt erschienen sind.
Seit. längerer Zeit wird Glas in Form von dünnen Fäden zur Anfertigung von Glas gewebe und Glaswolle, vorzugsweise zur ther mischen Isolation hergestellt. Derartige Glas fäden, die sich in äusserster Feinheit herstellen lassen, und die derart. biegsam sind, dass sie sich schon um einen ganz dünnen Dorn wik- keln lassen, können erfindungsgemäss mit gro ssem Vorteil zur Herstellung von Konden satoren mit Crlasdie@lektrikum verwendet wer den.
Wenn man solche Glasfäden auf einen Isolierstoffkern aufwickelt und danach einer Wärmebehandlung unterwirft, bei der das Glas zum Eiweichen, insbesondere zum Flie ssen kommt, kann man auf diese Weise einen sehr dünnen Glasüberzug auf dem Isolierstofi- kern erzeugen. Wenn man vor dem Bewickeln eine dünne Metallschicht auf den Kern auf bringt, so kann man auf diese Weise die Metallschicht mit einer dünnen, gleichmässigen Glasschicht überziehen.
Bringt. man auf diese Schicht wiederum eine 1leta:llsehicht und eine Glasschicht auf, so erhält. man einen Konden sator, bei dem die beiden Metallbelegungen durch eine dünne Glasschicht getrennt sind, die das Dielektrikum bildet. Es muss beim Aufwickeln des Glasfadens dafür gesorgt. sein, dass die einzelnen Windungen des Fadens dicht nebeneinanderl:iegen, was durch einen Fadenführer leicht zu erreichen ist.
Ein an derer wichtiger Punkt ist der, d:ass die Aus- dehnungskoeffizienten der zur Verwendung, kommenden Stoffe möglichst gut aufeinander abgestimmt sein müssen. Es ist.
anzustreben, da.ss die Ausdehnungskoeffizienten des Isolier- stoffkernes des Glases und der Metallschicht möglichst gleich gross sind, damit bei Tenrpe- ratux:seh ,anIi:
iingen Risse in der Glasschicht vermieden werden. Durch entsprechende Au- wahl des Kernmaterials, der Glasorte und des Belegungsmetalles isst diese Bedingung aber leicht. zu erfüllen. Die Metallbelegungen wer den so aufgebracht und mit Glasfaden be wickelt, dass sie abwechselnd links und rechts aus der Glasmasse hervorsehen und mit einer elektrischen Zuleitung verbunden werden kön nen.
Wenn mehr als zwei Metallbelegungen übereinander angebracht werden, so wird man zweckmässig jeweils die Belegungen auf einer Seite miteinander verbinden. Es ist aber auch möglich, mehrere Kondensatoreinheiten auf diese Weise übereinander anzuordnen.
Als Iso- lierstoffliern muss ein Stoff verwendet werden, deer die hohen Temperaturen, welche zur Er- weichiurg des Glases nötig sind, ohne Schaden erträgt. Zweckmässig verwendet. man hierzu einen Keramikstab oder ein Keramikröhrchen von einigen -Millimetern Durchmesser. Es ist.
aber auch möglich, einen andern Isolierstoff kern zu. verwenden, zum Beispiel einen solchen aus einem (-r-las höheren Sehmeizpunktes, aus Quarzglas oder dergleichen. Es ist. auch mög lich, einen Kern aus Aletall zu verwenden, der dann vor dem Aufbringen des ersten Belages in der beschriebenen Weise mit. einer dünnen Glasschicht überzogen wird.
Bei der Verwen dung von Metallen besteht. jedoch infolge ihres hohen Ausdehnungskoeffizienten leicht die Ge fahr, dass die Glasschicht reisst. Bei Versuchen wurde ein Keramikröhrchen von 3 biss -I mm Durchmesser iund :etwa 14 mm Länge ver wendet, auf welches ein Glasfaden von ettvd 5 /c Stärke aufgewickelt wurde. Die lleta.ll- sehieht, welche die Belegung bildet, kann auf verschiedene Weise aufmebraelrt werden.
So kann man zum Beispiel eine dünne Metallfolie verwenden, :die um den Kern gelegt wird und durch den darauf gewickelten Glasfaden fest gehalten wird. Es haben sieh zu :diesem Zwecke dünne Folien aus Kupfer oder Silber bewährt.
Es ist aber auch möglich, die Metallschicht auf andere Weise aufzubringen, nun Beispiel durch Aufspritzen, Aufstäuben oder Auf dampfen von Metall. Sehr dünne Aletalli.seiiieh- ten erhält man: auch nach dem sogenannten Ein brennverfahren, bei dem Lösungen von Metall falzen mit- bestimmten Zusätzen aufgestrichen werden, die beim Erhitzen durch Zersetzung eine dünne Metalhschieht ergeben.
Die Metall sehieht.kann aber auch auf chemischem Wege erzeugt werden, zum Beispiel durch Reduk tion von Metallsalzlösungen oder durch Zer setzung von -Metallverbindungen in der Gas phase, zum Beispiel von Metallkarbonilen. Die Höbe der Temperatur, bei welcher die Glas fäden zu einer einheitlichen Schicht v erschmel zen, hängt. naturgemäss von der verwendeten Glatssorte ab und bewegt. sich ungefähr zwi sehen 500 und. l000 C.
Man kann so vorgehen, dass man nach jeder Wickellage des Glas fadens eine Wärmebehandlung zum Ver schmelzen des Glasfadens einschaltet, oder aber man baut- den Kondensator aus Metall und Glasfa.denlagen vollkommen auf Lund bringt erst dann alle Schichten gleichzeitig zum Verschmelzen.
Das erste Verfahren hat den grossen Vorteil, dass Lufteinschlüsse ini Glas weitgehend vermieden werden können, während das zweite Verfahren einen geringe ren Zeitbedarf erfordert..
Zum schnelleren Herstellen einer Glas- i'adenlage kann man auch so vorgehen, dass gleichzeitig mehrere Fäden nebeneinander aufgewickelt werden, die zusammen eine Lage (glasfaden ergeben. Will man stärkere CTlas- sellichten erzielen, so wird man zweekmä.ssiger- weise nicht. einen stärkeren Glasfaden ver wenden, sondern den dünnen Faden in meh reren Lagen übereinander aufwickeln.
Die Dielektrizitätskonsta.nte des Glases liegt ungefähr bei 4-5 und kann durch be stimmte Zusätze zur G,lassehmelze noch wesent lich erhöht werden. Vorteilhaft werden als Zusätze verschiedene Oxyde, wie zum Beispiel Bleioxyd, Titandioxy.d, Ba.riumoxyd, Zink- oxvd, einzeln oder gemischt. verwendet.
Zur Verdeutlichung der Erfindungen sol len diese an Hand d;er Figuren beispielsweise beschrieben werden.
In Pi.1 ist dargestellt, wie die Metall- belegungen und der Glasfaden auf den Vsolier- "itoffkern aufgebracht werden. Fig. ? ;stellt einen Querschnitt durch den fertigen Konden- sator dar.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird auf den Isolierstoffkeral 4 zuerst eine Metallfolie auf gebracht, die aus Kupfer, Silber oder aus einer Schicht eines andern geeigneten Metallei bestehen kann. Diese Metallbelegung kann aber auch, wie dies bereits angedeutet wurde, auf andere Weise erzeugt werden. Auf die Meta1slbelegung 5 wird nun der Glasfaden 3, der von der Rolle 1 durch den Fadenführer läuft, in dicht. nebeneinand:erliegenden Win dungen .aufgewickelt.
Zweckmässig bleibt ein 'feil :der Metallbe egung zum Anschduss der Belegung unbewiekelt. Dieser unbewiekelte Teil ist in Fig.1 auf der rechten Seite 711 sehen. Die Bewieldung wird dann im Falke von Fig.1 nah links bis über das Ende der Metallbelegung 5 hinausgeführt, .so dass auE der linken Seite die Aiet.allbelegung 5 voll kommen vom Dielektrikum bedeckt ist.
Nun wird das Ganze einer Erhitzung v orzugsweise bis zum Fliesspunkt des Glases unterworfen, wobei sieh eine gleichmässige dünne Glas schicht durch Verschmelzen der Windungen des Glasfadens bildet.. Es ist in:
vielen Fällen zweckmässig, die Erhitzung nicht an der Atmosphäre vorzunehmen, sondern diese im Vakuum oder in einem inerten Gas auszufüh- ren. Um eine Oxydation der Aletalischichten zu verhindern oder eine bereits erfolgte Oxy dation rückgängig zu machen, hat sieh die An wendung einer reduzierenden Atmosphäre beim Erhitzen als zweckmässig erwiesen. So kann man zum Beispiel die Erhitzung in einem Wasserstoffstrom vornehmen.
Es ist jedoch darauf zu achten, da.ss manche Metalde in der Hitze grössere Mengen von Gasen absor bieren, die leicht. zur Bildung von Gasblaseil in der Glasmasse führen können.
Deshalb isst es zweckmässig, die Erhitzungstemperatur nicht zu hoch zu wählen und die Erhitzung nicht zu lange auszudehnen. Dies ist auch deshalb von Wichtigkeit, weil bei längerem und: starkem Erhitzen sieh vorhandene ober- fläehliche Oxvdschichten im Glas lösen und die dielektrischen Eigenschaften beeinträch tigen können.
Nun wird die zweite AIetasllbelegung auf gebracht, und zwar so, dass ihr linkes: Ende die soeben hergestellte Glassschicllt überragt, während das rechte Ende nicht. -ganz bis zum Ende des Glasüberzuges reicht.
Alsdann wird abermals Glasfaden über die Belegring ge wickelt, und in diesem Falle wird ein Teil der zweiten Belegning am linken Ende un.- bewiekelt gelassen, während der Glasfaden über das rechte Ende der zweiten Belegung hinausgewickelt wird, jedoch nicht so weit, da.ss die erste Belegung ganz bedeckt wird. Auf diese Weise können abwechselnd mehrere Lagen Glasfaden und Metall aufgebracht wer den.
Dabei ragen die geradzahligen Belegun gen auf der einen und die ungeradzahligen Belegungen auf der andern Seite aus der Glasschicht heraus und können miteinander verbunden werden. Es ist zweckmässig, nach jedem Aufbringen einer Schicht Glasfaden diese zu verschmelzen.
Ein Querschnitt durch einen fertigen Kon- densator isst in Fig.2 dargestellt.. Auf dem Isal.ierstoffkern 4 befinden sich die einzelnen Belegungen 5, welche abwechselnd links und rechts miteinander verbunden sind.
Die auf jeder Seite herausragenden BelegLzngsenden sind beispielsweise durch ein Metallband 6 zusammengehalten, an dem die Anschluss- drähte 7 befestigt sind,. Zwischen den ein zelnen Belegungen 5 befindet. sich das Dielek- trikum aus Glas, welches auf die beschriebene Weise erhalten wurde.
Am Schluss wird der ganze Kondensator zweckmässig mit Glasfaden überzogen und dieser durch eine Wärme behandlung verschmolzen, so dass der ganze Kondensator mit einer schützenden Glashülle 3 überzogen ist.
Es soll noch betont werden, dass die in den Figuren dargestellten Masse und Grössenver hältnisse keinesfalls der Wirklichkeit entspre chen, sondern zur besseren Darstellung ver ändert- wurden. Auch ist es nicht unbedingt notwendig, dass der Kondensator in der eben beschriebenen Weise hergestellt wird.
Wesent lich ist nur, dass die Glasschicht durch Auf- wickeLn eines Glasfadens und d'a.rauffolgendies Verschmelzen desselben hergestellt wurde.
Die auf diese Weise erhaltenen Konden satoren sind nicht nur unempfindlich gegen Feuchtigkeit, sondern auch weitgehend tem- peraturmempfindlich bis zu einigen hundert Grad; was mit dien bisherigen Kondensatoren nicht. zu erreichen war. Gegenüber den be kannten Ausführungen von Kondensatoren mit Glasdielekt-rikum haben sie den grossen Vorteil, dass auf einfache Weise sehr kleine Kondensatoren hergestellt werden können.
Process for the production of electrical capacitors The present patent relates to a process for the production of electrical capacitors, in which (, 'las is used as a dielectric, as well as to an electrical capacitor, which after it i'inclun-sgemässen Process is established.
It is already known to use glass or similar substances as a dielectric for electrical capacitors. These substances have the main advantage that they are completely insensitive to moisture and can withstand relatively high and low temperatures without impairing their electrical properties.
One has. For example, capacitors of this type are made by alternately stacking metal and glass plates. In order to obtain a large capacity, the glass plates have been made as thin as possible, i. H. glass plates with a thickness of about 1 / 1e mm were used. In addition, the protruding edges of the glass plates were fused to one another and so capacitors of high stability were obtained.
The stacked capacitors produced in this way, however, only have a relatively low capacitance per unit volume. It is therefore clear that capacitors with a glass dielectric can be manufactured in the manner of Wieke.lkondensatoren using thin glass foils that can be wrapped around a core.
It has been possible to produce glass foils up to a thickness of a few microns; however, these extremely thin foils are still so brittle that they can only be bent around a mandrel with a diameter of at least 40 mm without breaking when cold.
You can also use higher temperatures when winding these glass films in order to soften the films. However, this measure encounters difficulties, since the device for heating the foils directly. attached to the winding machine, and the temperature must be kept fairly precisely with such thin foils. Proof of these difficulties is the fact that such capacitors have not yet appeared on the market.
Since. For a long time, glass is made in the form of thin threads for the production of glass fabric and glass wool, preferably for thermal insulation. Such glass threads that can be produced in the utmost fineness, and that. are flexible so that they can be wound around a very thin mandrel can, according to the invention, be used with great advantage for the production of capacitors with Crlasdie @electrics.
If such glass threads are wound onto an insulating core and then subjected to a heat treatment in which the glass softens, in particular it flows, a very thin glass coating can be produced on the insulating core in this way. If you put a thin metal layer on the core before winding, you can cover the metal layer with a thin, even layer of glass in this way.
Brings. if a layer of metal and a layer of glass are again applied to this layer, then this is obtained. a capacitor in which the two metal coverings are separated by a thin layer of glass that forms the dielectric. It has to be taken care of when winding the glass thread. that the individual turns of the thread are close to each other, which can be easily reached with a thread guide.
Another important point is that the expansion coefficients of the substances used must be coordinated with one another as well as possible. It is.
The aim should be that the expansion coefficients of the insulating material core of the glass and the metal layer are as equal as possible, so that with Tenrpe- ratux: seh, anIi:
Small cracks in the glass layer can be avoided. With the appropriate selection of the core material, the glass locations and the covering metal, however, this condition is easy to eat. to meet. The metal coverings are applied and wrapped with glass thread in such a way that they alternately protrude from the left and right of the glass mass and can be connected to an electrical lead.
If more than two metal assignments are attached one above the other, the assignments on one side will be connected to one another. But it is also possible to arrange several capacitor units one above the other in this way.
The insulating material used must be a material that can withstand the high temperatures that are necessary to soften the glass without damage. Used appropriately. a ceramic rod or a ceramic tube a few millimeters in diameter. It is.
but also possible to use a different insulating material core. use, for example one made of a (-r-las higher visual point, made of quartz glass or the like. It is also possible to use a core made of aletall, which is then, before the application of the first coating, in the manner described with thin layer of glass is coated.
When using metals. However, due to their high coefficient of expansion, there is a slight risk that the glass layer will tear. In tests, a ceramic tube with a diameter of 3 to 1 mm and a length of about 14 mm was used, onto which a glass thread of ettvd 5 / c thickness was wound. The lleta.ll-see which forms the coating can be displayed in various ways.
For example, a thin metal foil can be used: which is placed around the core and held in place by the glass thread wound on it. See: thin foils made of copper or silver have proven effective for this purpose.
But it is also possible to apply the metal layer in another way, now for example by spraying on, dusting or vaporising metal. Very thin metal sheets are obtained: also by the so-called burning-in process, in which solutions of metal folds are coated with certain additives which, when heated, result in a thin metal sheet by decomposition.
The metal can also be produced chemically, for example by reducing metal salt solutions or by decomposing metal compounds in the gas phase, for example metal carboniles. The level of temperature at which the glass filaments merge into a uniform layer depends. naturally from the type of smooth used. see about between 500 and. 1000 C.
One can proceed in such a way that after each winding layer of the glass thread a heat treatment is switched on to fuse the glass thread, or one builds the capacitor made of metal and glass fiber layers completely on Lund only then brings all layers to fuse at the same time.
The first method has the great advantage that air inclusions in the glass can be largely avoided, while the second method requires less time.
In order to produce a layer of glass threads more quickly, one can also proceed in such a way that several threads are wound up next to one another at the same time, which together result in a layer of glass thread. If one wants to achieve stronger glass threads, one will not, in two cases, become one Use thicker glass thread, instead wind the thin thread in several layers on top of each other.
The dielectric constant of the glass is around 4-5 and can be significantly increased by adding certain additives to the glass clay. Various oxides, such as, for example, lead oxide, titanium dioxide, aluminum oxide, zinc oxide, individually or mixed, are advantageously used as additives. used.
To clarify the inventions, these are to be described using the figures, for example.
Fig. 1 shows how the metal coverings and the glass thread are applied to the insulating core. Fig. 1 shows a cross section through the finished capacitor.
As shown in Fig. 1, a metal foil is first placed on the Isolierstoffkeral 4, which can consist of copper, silver or a layer of another suitable metal. However, as has already been indicated, this metal coating can also be produced in other ways. The glass thread 3, which runs from the roll 1 through the thread guide, is now dense onto the metal covering 5. side by side: succumbing turns .wound.
One thing remains expedient: the metal attachment to the connection of the assignment without wrapping. This unwound part can be seen in FIG. 1 on the right-hand side 711. The covering is then carried out in the falcon of FIG. 1 close to the left as far as the end of the metal coating 5, so that on the left-hand side the all-metal coating 5 is completely covered by the dielectric.
Now the whole thing is subjected to heating, preferably up to the pour point of the glass, whereby a uniform thin glass layer is formed by melting the turns of the glass thread. It is in:
In many cases it is advisable not to carry out the heating in the atmosphere, but to carry it out in a vacuum or in an inert gas. To prevent oxidation of the aletal layers or to reverse an oxidation that has already occurred, a reducing atmosphere must be used proven to be useful when heated. For example, the heating can be carried out in a hydrogen stream.
Care must be taken, however, that some metals absorb large quantities of gases in the heat, which easily. can lead to the formation of gas bubbles in the glass mass.
It is therefore advisable not to choose the heating temperature too high and not to extend the heating for too long. This is also important because with prolonged and strong heating, the surface oxide layers present in the glass can loosen and impair the dielectric properties.
Now the second metal cover is applied in such a way that its left end protrudes over the glass layer that has just been produced, while the right end does not. -All the way to the end of the glass coating.
Then the glass thread is again wound over the document ring, and in this case part of the second document is left un.- wedged at the left end, while the glass thread is wound out over the right end of the second cover, but not so far that the second layer the first assignment is completely covered. In this way, several layers of glass thread and metal can be applied alternately.
The even-numbered assignments protrude from the glass layer on one side and the odd-numbered assignments on the other side and can be connected to one another. It is advisable to fuse a layer of glass thread each time it is applied.
A cross-section through a finished capacitor is shown in FIG. 2. The individual coatings 5, which are alternately connected to one another on the left and right, are located on the insulating material core 4.
The ends of the covering protruding on each side are held together, for example, by a metal band 6 to which the connecting wires 7 are attached. Between the individual assignments 5 is located. the dielectric made of glass, which was obtained in the manner described.
At the end, the entire capacitor is expediently covered with glass thread and this is fused by a heat treatment, so that the entire capacitor is covered with a protective glass envelope 3.
It should also be emphasized that the dimensions and proportions shown in the figures in no way correspond to reality, but have been changed for better representation. It is also not absolutely necessary for the capacitor to be manufactured in the manner just described.
It is only essential that the glass layer was produced by winding up a glass thread and then fusing it.
The capacitors obtained in this way are not only insensitive to moisture, but also largely temperature-sensitive up to a few hundred degrees; what with the previous capacitors. could be achieved. Compared to the known designs of capacitors with glass dielectric, they have the great advantage that very small capacitors can be manufactured in a simple manner.