CH621207A5

CH621207A5 - Regenerable electric capacitor

Info

Publication number: CH621207A5
Application number: CH1431977A
Authority: CH
Inventors: Josef Dr Kotschy; Walter Dr Voelkl
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1977-01-03
Filing date: 1977-11-23
Publication date: 1981-01-15
Also published as: BR7800007A; GB1542796A; SE7800032L; JPS6115720U; IT1089182B; JPS5385365A; FR2376505B3; DE2700013A1; FR2376505A1; DE2700013C2

Description

Die Erfindung betrifft einen regenerierfähigen elektrischen Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen hoher Energiedichte, welcher aus aufgewickelten Lagen von mit Metallbelägen versehenen Kunststoffolien besteht, wobei metallfreie Randstreifen auf den Längsseiten der Folien angeordnet sind. The invention relates to a regenerable electrical capacitor, in particular for AC voltage applications with high energy density, which consists of wound layers of plastic films provided with metal coverings, metal-free edge strips being arranged on the long sides of the films.

Bei regenerierfähigen Wechselspannungskondensatoren hoher Energiedichte, welche aus Kunstsoffolien mit Aluminiummetallisierung bestehen, darf die Belagsdicke höchstens 50 nm betragen, damit die Regenierfähigkeit gewährleistet ist. Bei derart niedrigen Belagsdicken wird das Aluminium bei hohen elektrischen Feldstärken (grösser als 30 V~/n-m) und bei Anwesenheit von Feuchte und/oder Sauerstoff von den Kanten des Belagsrandes und der Poren in der Belagfläche ausgehend zu hochisolierendem Aluminiumoxid umgewandelt. Dieser Vorgang kann bis zum vollständigen Verlust der Kapazität fortschreiten. In the case of regenerative AC capacitors with a high energy density, which consist of synthetic foils with aluminum metallization, the coating thickness must not exceed 50 nm, so that the ability to regenerate is guaranteed. With such low covering thicknesses, the aluminum is converted to highly insulating aluminum oxide at high electrical field strengths (greater than 30 V ~ / n-m) and in the presence of moisture and / or oxygen from the edges of the covering edge and the pores in the covering surface. This process can continue until the capacity is completely lost.

Bei Zinkbelägen hört zwar die Korrosion im elektrischen Feld auf, wenn sich eine Oxidschicht an den Kanten gebildet hat, deren Breite von der angelegten Feldstärke abhängt (etwa 0,1 bis 1 mm), jedoch muss der Zinkbelag zur Erzielung einer ausreichenden Belagsleitfähigkeit wegen der geringen spezfi- In the case of zinc coatings, corrosion in the electrical field stops when an oxide layer has formed on the edges, the width of which depends on the field strength applied (approximately 0.1 to 1 mm), but the zinc coating must be used to achieve sufficient coating conductivity due to the low spec

schen Leitfähigkeit etwa die doppelte Dicke des Aluminiumbelags aufweisen. Dies hat zur Folge, dass die Regenerierfähigkeit des Zinkbelags beeinträchtigt ist. cal conductivity about twice the thickness of the aluminum covering. As a result, the regenerability of the zinc coating is impaired.

Aus der DT-OS 23 59 431 ist ein Kondensator bekannt, bei welchem zum Abbau der hohen Kantenfeldstärke ein Randstreifen aus einem Metall, insbesondere Alumimium, mit einer Dicke von kleiner als 25 nm aufgebracht ist, das anschliessend durch einen elektrochemischen und/oder chemischen und/oder Temperaturprozess bei Gegenwart von Sauerstoff und/oder Wasser in eine hochohmige Verbindung überführt wird. Für regenerierfähige Kondensatoren ist dieses Verfahren wenig geeignet, da die Gefahr besteht, dass bei der Behandlung der ganze Belag oxidiert wird. From DT-OS 23 59 431 a capacitor is known, in which an edge strip made of a metal, in particular aluminum, with a thickness of less than 25 nm is applied to reduce the high edge field strength, which is then replaced by an electrochemical and / or chemical and / or temperature process in the presence of oxygen and / or water is converted into a high-resistance compound. This method is not very suitable for regenerable capacitors, since there is a risk that the entire coating will be oxidized during the treatment.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen regenerierfähigen Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen hoher Energiedichte, anzugeben, bei welchem die vorstehend aufgezeigten Schwierigkeiten umgangen werden, der in einfacher Weise herzustellen ist, und der sich durch eine lange Lebensdauer auszeichnet. The object of the invention is to provide a regenerable capacitor, in particular for AC applications with high energy density, in which the difficulties outlined above are avoided, which is simple to manufacture and which is distinguished by a long service life.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs angegebenen Kondensator erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass er einen ersten Metallbelag aus Aluminium und einen zweiten Metallbelag aus Kupfer oder Nickel oder Kobalt oder Titan oder Wolfram oder Zink besitzt. This object is achieved according to the invention in the capacitor specified at the outset by having a first metal coating made of aluminum and a second metal coating made of copper or nickel or cobalt or titanium or tungsten or zinc.

Vorzugsweise besteht der zweite Metallbelag aus Zink. The second metal coating is preferably made of zinc.

Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist die Dické des zweiten Belages geringer als die Dicke des Aluminiumbelages, wobei das Dickenverhältnis ungefähr 1:2 bis 1:5, vorzugsweise ungefähr 1:3, beträgt. According to a development of the invention, the thickness of the second covering is less than the thickness of the aluminum covering, the thickness ratio being approximately 1: 2 to 1: 5, preferably approximately 1: 3.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der zweite Belag breiter als der Aluminiumbelag ist, so dass der zweite Belag an der nicht kontaktierten Belagkante etwas übersteht. Another embodiment provides that the second covering is wider than the aluminum covering, so that the second covering protrudes somewhat at the non-contacted edge of the covering.

Die Kunststoffolien bestehen vorzugsweise aus Polypropylen, können aber auch aus einem anderen geeigneten Material wie z. B. Polystyrol, Polyäthylen, Polyäthylenterephthalat oder Polyamid bestehen. The plastic films are preferably made of polypropylene, but can also be made of another suitable material such as. B. polystyrene, polyethylene, polyethylene terephthalate or polyamide.

Der erfindungsgemässe Kondensator zeichnet sich dadurch aus, dass bei Belägen aus unterschiedlichen Metallen die Vorteile beider Komponenten vorhanden sind, ohne dass ihre nachteiligen Eigenschaften zur Wirkung gelangen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass beim erfindungsgemässen Kondensator die Dicke des Aluminiumbelages ausreichende Belagleitfähigkeit und einwandfreies Regenerierverhalten gewährleistet, wogegen der dünne zweite Belag zur Leitfähigkeit nur unwesentlich beiträgt und das Regenerierverhalten noch nicht beeinträchtigt, aber durch eine oxydierte Kante die hohe elektrische Kantenfeldstärke verringert. The capacitor according to the invention is distinguished in that the coatings of different metals have the advantages of both components without their disadvantageous properties having an effect. This is due to the fact that in the capacitor according to the invention the thickness of the aluminum covering ensures sufficient covering conductivity and perfect regeneration behavior, whereas the thin second covering only makes an insignificant contribution to the conductivity and does not yet impair the regeneration behavior, but reduces the high electrical edge field strength through an oxidized edge.

Weitere Vorteile werden an Hand der Ausführungsbeispiele aufgezeigt. Further advantages are shown on the basis of the exemplary embodiments.

In der dazugehörenden Zeichnung zeigt: In the accompanying drawing:

Fig. 1 den Prinzipaufbau eines Ausführungsbeispieles, 1 shows the basic structure of an embodiment,

Fig. 2 den Prinzipaufbau eines weiteren Ausführungsbeispieles und Fig. 2 shows the basic structure of a further embodiment and

Fig. 3 die Kapazitätsänderung bei erhöhter Temperatur des erfindungsgemässen Kondensators im Vergleich zu einem Kondensator mit Aluminiumbelag. Fig. 3 shows the change in capacitance at elevated temperature of the capacitor according to the invention compared to a capacitor with an aluminum coating.

Ausführungsbeispiel 1 Embodiment 1

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Kondensators aus Polypropylenfolien 1 dargestellt. Auf den Folien 1 ist zuerst ein dünner Zinkbelag 2 und auf diesem ein dickerer Aluminiumbelag 3 aufgebracht. Der Zinkbelag 2 ist höchstens 15 nm und der Aluminiumbelag 3 höchstens 30 nm dick, wobei das Dickenverhältnis ungefähr 1:2 bis ungefähr 1:5 (vorzugsweise ungefähr 1:3) beträgt. Die Metallbeläge 2,3 werden durch in der Figur nicht dargestellte Schoopschichten kontaktiert. An den nicht zu kontaktierenden Seiten befinden sich metallfreie Randstreifen 4. Der Zinkbelag 2 ist etwas breiter als der Aluminiumbe2 1 shows the basic structure of a capacitor made of polypropylene films 1. A thin zinc coating 2 is first applied to the foils 1, and a thicker aluminum coating 3 is applied thereon. The zinc coating 2 is at most 15 nm and the aluminum coating 3 is at most 30 nm thick, the thickness ratio being approximately 1: 2 to approximately 1: 5 (preferably approximately 1: 3). The metal coatings 2, 3 are contacted by Schoop layers, not shown in the figure. There are metal-free edge strips 4 on the sides that are not to be contacted. The zinc coating 2 is somewhat wider than the aluminum coating 2

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

lag 3, so dass der Zinkbelag 2 im Bereich der metallfreien Randstreifen 4 etwas über den Aluminiumbelag 3 hinausragt. Die Breite des Zinkbelages 2 beträgt dabei bis zu 1 mm mehr als die Breite des Aluminiumbelages 3. lay 3, so that the zinc coating 2 in the area of the metal-free edge strips 4 protrudes slightly above the aluminum coating 3. The width of the zinc coating 2 is up to 1 mm more than the width of the aluminum coating 3.

Die Aluminiumschicht 3 gewährleistet bei hoher Regeneriersicherheit eine gute Leitfähigkeit, während die dünnere Zinkschicht 2 ein Fortschreiten der Korrosion an den Kanten und Poren verhindert. Dies wird darauf zurückgeführt, dass im überhöhten elektrischen Feld an den Belagkanten und Poren eine durch Teilentladung verursachte Oxidation des Zinkbelags 2 stattfindet. Das Zinkoxid besitzt nun im Gegensatz zum Aluminium eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit, um die überhöhte Kantenfeldstärke auf ein ungefährliches Mass zu reduzieren. Dadurch wird die Korrosion des Belags zum Stillstand gebracht. The aluminum layer 3 ensures good conductivity with high regeneration security, while the thinner zinc layer 2 prevents the corrosion on the edges and pores from progressing. This is attributed to the fact that in the excessive electrical field at the coating edges and pores an oxidation of the zinc coating 2 caused by partial discharge takes place. In contrast to aluminum, zinc oxide now has sufficient electrical conductivity to reduce the excessive edge field strength to a harmless level. This will stop the surface corrosion.

An Stelle von Zink können auch Kupfer, Nickel, Kobalt, Titan oder Wolfram verwendet werden, da deren Oxide ebenfalls halbleitende Eigenschaften besitzen und somit die überhöhte Kantenfeldstärke in gleicher Weise reduzieren. Instead of zinc, copper, nickel, cobalt, titanium or tungsten can also be used, since their oxides also have semiconducting properties and thus reduce the excessive edge field strength in the same way.

Für die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Kondensators ist es dabei unerheblich, ob - wie in Fig. 1 dargestellt - der Aluminiumbelag 3 auf dem Zinkbelag 2 angeordnet ist; es kann auch umgekehrt zuerst der Aluminiumbelag und dann der Zinkbelag aufgebracht werden. For the mode of operation of the capacitor according to the invention, it is irrelevant whether - as shown in FIG. 1 - the aluminum coating 3 is arranged on the zinc coating 2; Conversely, the aluminum coating can be applied first and then the zinc coating.

Ausführungsbeispiel 2: Example 2:

In der Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines weiteren Aus- 2 shows the basic structure of a further embodiment.

3 62Ì 207 3 62Ì 207

führungsbeispieles dargestellt, wobei der Zinkbelag 2 und der Aluminiumbelag 3 auf unterschiedlichen Seiten der Polypropylenfolien 1 mit metallfreien Randstreifen 5 bzw. 6 angeordnet sind. Die Breite der metallfreien Randstreifen 5 und 6 ist dabei 5 so bemessen, dass unter Berücksichtigung der Wickelversetzung x der Zinkbelag 2 auf der Seite der metallfreien Randstreifen 5,6 bis zu 1 mm über den Aluminiumbelag 3 übersteht. Auch diese Ausführungsform hat hinsichtlich der Spannungsfestigkeit die gleichen Vorteile wie der in Fig. 1 dargestellte Aufbau, io Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass das Aufbringen des Zinkbelags 3 auf getrennten Seiten der Folie 1 eine genaue Kontrolle der Belagsstärken ermöglicht. Vorteilhaft ist es weiterhin, dass Poren in einem Belag mit höchster Wahrscheinlichkeit durch eine einwandfreie Belagsfläche der zweiten Folie 15 abgedeckt werden, womit sich von vornherein keine unzulässig hohen Feldstärken durch Poren in den Belägen ergeben. illustrated exemplary embodiment, wherein the zinc coating 2 and the aluminum coating 3 are arranged on different sides of the polypropylene films 1 with metal-free edge strips 5 and 6 respectively. The width of the metal-free edge strips 5 and 6 is dimensioned 5 such that, taking into account the winding displacement x, the zinc coating 2 on the side of the metal-free edge strips 5,6 projects up to 1 mm above the aluminum coating 3. With regard to the dielectric strength, this embodiment also has the same advantages as the structure shown in FIG. 1, an additional advantage is that the application of the zinc coating 3 on separate sides of the film 1 enables precise control of the coating thicknesses. It is also advantageous that pores in a covering are most likely to be covered by a perfect covering surface of the second film 15, so that from the outset there are no impermissibly high field strengths through pores in the coverings.

In Fig. 3 ist die Kapazitätsabnahme À c/c in Abhängigkeit von der Betriebsdauer t bei Wechselspannungsbetrieb und 20 einer Umgebungstemperatur von 70 °C dargestellt. Während beim erfindungsgemässen Kondensator (Kurve 1), welcher aus unimprägnierten Polypropylenfolien mit Zink-Aluminium-Belag aufgebaut war, nur eine Kapazitätsabnahme von weniger als 1 % nach tausend Stunden Betriebsdauer zu verzeichnen 25 war, hatten Vergleichskondensatoren aus Polypropylenfolien mit einem Aluminiumbelag gleicher Gesamtdicke (Kurve 2) eine Kapazitätsabnahme von mehr als 10%. 3 shows the decrease in capacitance À c / c as a function of the operating time t in AC operation and an ambient temperature of 70 ° C. While the capacitor according to the invention (curve 1), which was constructed from impregnated polypropylene foils with a zinc-aluminum coating, showed only a decrease in capacitance of less than 1% after a thousand hours of operation 25, comparative capacitors made of polypropylene foils with an aluminum coating of the same overall thickness (curve 2) a decrease in capacity of more than 10%.

G G

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

621207 PATENT CLAIMS

1. Renewable electrical capacitor, in particular for AC applications with high energy density, which consists of wound bearings of plastic films provided with metal coatings, metal-free edge strips being arranged on the long sides of the films, characterized in that it has a first metal coating (3) made of aluminum and a second Has metal coating (2) made of copper or nickel or cobalt or titanium or tungsten or zinc

2. Capacitor according to claim 1, characterized in that the second metal coating (2) consists of zinc.

3. Capacitor according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness of the second covering (2) is less than the thickness of the aluminum covering (3).

4. A capacitor according to claim 3, characterized in that the thickness ratio of the second coating (2) to the aluminum coating (3) is approximately 1: 2 to 1: 5.

5. A capacitor according to claim 4, characterized in that the thickness ratio of the second coating (2) to the aluminum coating (3) is approximately 1: 3.

6. Capacitor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second covering (2) is wider than the aluminum covering (3) and protrudes beyond the aluminum covering on the non-contacted edge of the covering.

7. Capacitor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second covering (2) and the aluminum * covering (3) are arranged on one side of the film (1).

8. A capacitor according to claim 7, characterized in that the second coating (2) is arranged on the film surface.

9. Capacitor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second covering (2) and the aluminum covering (3) are arranged on different sides of the film (1).

10. A capacitor according to claim 9, characterized in that the foils (1) are entangled in such a way that the second coverings (2) and aluminum coverings (3) lie against one another.

11. Capacitor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the plastic films (1) consist of polypropylene.