CH624239A5 - Regenerierfaehiger elektrischer kondensator und verfahren zu einer herstellung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen regenerierfähigen elektrischen Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen, welcher aus aufgewickelten Lagen von mit Metallbelägen versehenen Kunststoffolien besteht, wobei metallfreie Randstreifen auf den Längsseiten der Folien angeordnet sind, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Derartige Kondensatoren sind bekannt. Die bekannten Kondensatoren weisen bei hohen Feldstärken im allgemeinen mit wachsender Betriebsdauer abnehmende Kapazitätswerte auf. Der Grund dafür ist, dass die aufgedampften Metallbeläge bei Überschreiten einer unter anderen von der Folienart, der Foliendicke und dem Belagmetall abhängigen Wechselfeldstärke im Dauerbetrieb charakteristische Veränderungen aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei den niedrigen Belagdicken das Aluminium durch die hohen Kantenfeldstärken, die 10- bis lOOmal höhere Werte als die homogene Feldstärke im Inneren des Kondensators aufweisen, bei Anwesenheit von Feuchte und/oder Sauerstoff von den Kanten des Belagrades und der Poren in der Belagfläche ausgehend zu hochisolierendem Aluminiumoxid und/oder -hydroxid umgewandelt wird. Die Geschwindigkeit des Belagabbaues wächst deshalb mit steigendem Wasserdampf- und/oder Sauerstoffgehalt der Atmosphäre, mit welcher der Kondensator in Berührung kommt.
Zur Behebung dieser Schwierigkeiten ist es bekannt, die eingangs genannten Kondensatoren im Vakuum bei erhöhten Temperaturen zu trocknen und durch einen sorgfältigen Einbau, wie z. B. durch Einguss in Epoxidharz, gegen Wasserdampf- und/oder Sauerstoffzutritt zu schützen.
Aus der DT-OS 24 45 314 ist es bekannt, den in ein Gehäuse eingebauten Kondensator durch zumindest teilweise Füllung des Kondensatorbechers mit sauerstoff- und/oder wasser-dampfabsorbierenden Stoffen zu schützen.
Weiterhin ist es bekannt, das Kondensatorgehäuse mit einer geeigneten Isolierflüssigkeit zu füllen (siehe z. B. DT-OS 2539 781).
Weiterhin ist aus der DT-OS 23 59 431 ein Kondensator bekannt, bei welchem zum Abbau der hohen Kantenfeldstärke ein Randstreifen aus einem Metall, insbesondere Aluminium, 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.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen regenerierfähigen elektrischen Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen, anzugeben, welcher den vorstehend beschriebenen Kapazitätsabbau bei Betrieb in wasserdampf- und/oder sauerstoffhaltiger Atmosphäre nicht aufweist und der weiterhin gute Regenerier-Eigenschaften besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Metallbeläge aus einer Legierung von Aluminium mit einem oder mehreren Metallen bestehen und dass jedes dem Aluminium zulegierte Metall ein Oxid mit einem spezifischen Widerstand p < 10' Œ cm besitzt.
Als Legierungsmetalle finden vorzugsweise Kupfer und/ oder Zink, aber auch Mangan, Zinn, Silber, Chrom, Eisen und/ oder Blei Verwendung.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Kondensators bestehen darin, dass Kondensatoren mit derartigen Belägen ohne aufwendige Trocknungs- und/oder Einbaumassnahmen bei hohen Wechselfeldstärken betrieben werden können, ohne dass eine Kapazitätsabnahme eintritt.
Weitere Vorteile der Erfindung werden an Hand eines Ausführungsbeispieles aufgezeigt. In der dazugehörenden Zeichnung zeigt:
Fig. 1 den Prinzipaufbau eines Kondensators gemäss der Erfindung und
Fig. 2 eine vergrösserte Teilansicht von Fig. 1.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Kondensators gemäss der Erfindung dargestellt Die Kunststoffolien 1,2 haben regenerierfähige Metallbeläge 3,4 und weisen metallfreie Randstreifen 5,6 an ihren Längsseiten auf. Die Kontaktie-rung der Metallbeläge 3,4 erfolgt durch in der Figur nicht dargestellte Schoopschichten an den beiden Stirnseiten des Kondensatorwickels. Die Kunststoffolien 1,2 sind dabei, wie in der Figur dargestellt, etwas versetzt aufgewickelt, damit der elektrische und mechanische Kontakt zwischen den Schoopschichten und den Metallbelägen 3,4 verbessert wird. Die Grössen-verhältnisse sind in der Figur nicht massstabsgerecht, sondern - der besseren Übersichtlichkeit wegen - verzerrt dargestellt. Die regenerierfähigen Metallbeläge 3,4 können metallfreie Poren 7 enthalten.
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Die Kunststoffolien 1,2 bestehen vorzugsweise aus Polypropylen und haben eine Stärke von z. B. 10 p.m; es können aber auch andere für regenerierfähige Kondensatoren geeignete Materialien, wie z. B. Polykarbonat, Polyäthylenterephthalat oder Celluloseacetat Verwendung finden. Die Metallbeläge 3,4 weisen eine Dicke zwischen 10 und 40 nm, vorzugsweise etwa 20 nm, auf. Sie bestehen aus einer aufgedampften Legierung von Aluminium mit einem oer mehreren Metallen, deren Oxide einen spezifischen Widerstand p < IO9 £1 cm besitzen. Als besonders vorteilhaft werden Legierungen von Aluminium mit Kupfer und/oder Zink verwendet. Es können aber auch Legierungen von Aluminium mit Mangan, Zinn, Silber, Chrom, Eisen und/oder Blei verwendet werden. Die genannten Legierungen enthalten 15 bis 80 Atom % Aluminium.
In Fig. 2 ist ein vergrösserter Teilausschnitt der Fig. 1 im Randbereich des Metallbelages 4 mit zugehörigem Ersatzschaltbild dargestellt. Dabei erstreckt sich von der Stelle x = 0 bis zur Stelle x = 1 die nichtmetallische, oxidierte Form 8 des Metallbelages 4. Ui ist dabei die Spannung zwischen den Belägen 3 und 4 an der Stelle x = 0 und Lh die Spannung zwischen dem oxidierten Teil 8 des Metallbelages 4 und dem Gegenbelag 3 an der Stelle x = 1. Vom Verhältnis dieser beiden Spannungen und von der Länge 1 der Oxidzone 8 hängt die Randfeldstärke und damit der Belagabbau massgeblich ab. Ist 1 sehr klein, z. B. kleiner als 1 (xm, und IU2/U1I ebenfalls sehr klein, dann bedeutet dies, dass die an den Metallbelägen 3,4 anliegende Spannung Ui in der Oxidzone 8 auf der sehr kleinen Strecke 1 <1 |i.m praktisch auf 0 abfällt. Überschreitet die Feldstärke an dieser Stelle ein gewisses Mass, kommt es zum Überschlag von der Stelle x = 0 zur Stelle x = 1. Dieser Überschlag kann in der gleichen Halbperiode der Wechselspannung mehrmals auftreten und sich in allen weiteren Halbperioden wiederholen. Der in diesen Mikrokoronaentladungen entstehende aktive Sauerstoff oxi-diert den Metallbelag 4 weiter, und es kommt zu dem beobachteten stetigen Zurückweichen der Belagskante an der Stelle x = 0. Nur wenn der Spannungsabfall von Ui nach U2 sich über eine grössere Strecke 1 erstreckt, die nicht mehr überschlagen wird, kann die Oxidzone 8 ihren Zweck, die Randfeldstärke auf ein unschädliches Mass zu reduzieren, erfüllen.
Hierin ist auch die Erklärung zu finden, dass das bisher als Belagmetall verwendete Aluminium, das ein hochisolierendes Oxid bildet, diese Forderung nicht erfüllt, da die an den Belägen anliegende Spannung auf ausserordentlich kurzen Strecken stark abfällt und damit den geschilderten Mechanismus in Gang setzt, der nicht mehr zum Stillstand kommt.
Belagmetalle, welche Oxide mit niedrigerem spezifischen
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Widerstand gegenüber dem Aluminium besitzen, wie z. B. das ebenfalls verwendete Zink, lösen das Problem deshalb nicht, weil bei ihnen relativ breite Oxidzonen erforderlich wären, um eine Senkung der Randfeldstärke zu erreichen. Durch den Bildungsmechanismus sind aber der Länge der Oxidzonen Grenzen gesetzt. Eine weitere Schwierigkeit bei Belagmetallen mit Oxiden niedrigen spezifischen Widerstandes besteht in dem weiter oben angeführten ungenügenden Selbstheilvermögen derartiger Schichten bei elektrischen Durchschlägen durchs Dielektrikum. In dieser Hinsicht verhält sich Aluminium von allen Metallen am günstigsten. Auch bezüglich chemischer Korrosion ist Aluminium den Metallen mit Oxiden niedrigen spezifischen Widerstandes überlegen.
Die Metallbeläge eines Kondensators gemäss der Erfindung, welche aus einer Legierung von Aluminium mit einem oder mehreren Metallen bestehen, deren Oxide einen spezifischen Widerstand p < 10' Q cm besitzen, weisen die Vorteile reiner Aluminiumaufdampfschichten wie z. B. gutes Selbstheilvermögen und gute chemische Korrosionsbeständigkeit auf, ohne dem vorstehend beschriebenen Belagabbau bei hohen Wechselfeldstärken zu unterliegen.
Zur Herstellung des erfindungsgemässen Kondensators werden die Metallbeläge im Durchlaufverfahren auf die Kunststoffolien aufgedampft, wobei das Legierungsmetall dem Verdampfer in Form von Drähten zugeführt wird.
Eine besonders vorteilhate Ausgestaltung ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines Drahtes mit einem Kern aus einem Legierungsbestandteil, auf den der zweite Legierungsbestandteil galvanisch aufgebracht ist. Das Dickenverhältnis zwischen Kern und Mantel wird dabei durch das gewünschte Mischungsverhältnis bestimmt.
Die zwei Metalle können gleichzeitig aus zwei verschiedenen Verdampfern aufgedampft werden, wobei das Mischungsverhältnis durch die Abdampfraten der beiden Verdamper eingestellt wird. Weiterhin lässt sich eine Legierungsbedampfung dadurch erreichen, dass mit einem einzigen Verdampfer gearbeitet wird, dem zwei verschiedene Drähte zugeführt werden.
Die Erfindung ist nicht auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, insbesondere können auch andere Legierungsmetalle für das Aluminium verwendet werden, insofern sie den gestellten Forderungen entsprechen. Weiterhin ist die Erfindung anwendbar auf Kondensatoren, welche aus aufgewickelten Kunststoffolien mit beidseitig aufgebrachten Metallbelägen bestehen, da auch bei diesen Kondensatoren durch die erhöhte Kantenfeldstärke ein Belagabbau von den Freirändern ausgehend stattfinden kann.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Regenerierfähiger elektrischer Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen, welcher aus aufgewickelten Lagen von mit Metallbelägen versehenen Kunststofffolien besteht, wobei metallfreie Randstreifen auf den Längsseiten der Folien angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeläge (3,4) aus einer Legierung von Aluminium mit einem oder mehreren Metallen bestehen und dass jedes dem zulegierte Metall ein Oxid mit einem spezifischen Widerstand p < IO9 Q cm besitzt.
2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeläge (3,4) aus einer Legierung von Aluminium mit einem oder mehreren der Metalle Kupfer, Zink, Mangan, Zinn, Silber, Chrom, Eisen oder Blei bestehen.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeläge (3,4) aus einer Legierung von Aluminium mit Kupfer und/oder Zink bestehen.
4. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeläge (3,4) 15 bis 80 Atom % Aluminium enthalten.
5. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Metallbeläge (3,4) 10 nm bis 40 nm beträgt.
6. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Metallbeläge (3,4) etwa 20 nm beträgt.
7. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffolien (1,2) aus Polypropylen, Polykarbonat, Polyäthylenterephthalat oder Celluloseacetat bestehen.
8. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffolien (1,2) aus Polypropylen bestehen.
9. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeläge (3,4) im Durchlaufverfahren auf die Kunststoffolien (1,2) aufgedampft werden und dass das Legierungsmetall dem Verdampfen in Form von Drähten zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Drahtes mit einem Kern aus einem Legierungsbestandteil, auf dem der zweite Legierungsbestandteil galvanisch aufgebracht ist.
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