CN103366955B - 一种玻璃电容器和封装装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃电容器和封装装置，玻璃电容器包括玻璃介质层，附着于玻璃介质层一面的第一金属电极层以及附着于玻璃介质层另一面且与第一金属电极层成中心对称的第二金属电极层；第一金属电极层为长方形的，第一金属电极层的一端作为电极2a的引出端2b，另外三端分别与相应的玻璃介质层边界之间形成留边3a、3b、3c；留边3a、3b、3c作为绝缘端；引出端2b与玻璃介质层齐平，引出端2b的厚度大于所述电极2a的厚度。本发明提供的玻璃电容器的储能密度远远高于聚丙烯的储能密度；采用无碱玻璃可以大大提高电容器的应用环境温度；采用无碱玻璃可以减弱由于表面不平整而引起的表面局部放电，使得玻璃电容器的工作稳定。

Description

一种玻璃电容器和封装装置

技术领域

本发明属于高电压电工电器领域，更具体地，涉及一种玻璃电容器和封装装置。

背景技术

电容器在电力电子、电力系统广泛用作储能、滤波和无功补偿器件。其电容量与储能介质的介电常数成正比，在储能介质厚度固定的条件下，电容器的工作电压和工作场强成正比。为了提高电容器存储能量的密度，降低其作为储能元件对使用空间的要求，需要进一步提高电容器的工作场强和介电常数。目前，高密度储能电容器的介质广泛采用双向拉伸聚丙烯材料，但是由于聚丙烯材料自身的特性(相对介电常数较低，击穿场强不高)，其储能密度不能够进一步提高。为了进一步提高电容器的储能密度，新材料的研制是一种很重要的措施。

目前，电容器的成型方法主要有两种：一是类似于金属化聚丙烯卷绕的方法；另一种是多层陶瓷电容器技术(Multi-layerceramiccapacitors，MLCC)。对于第一种方法，由于玻璃韧性不足，卷绕半径过大，并不适用于卷绕成型的方法；而对于第二种方法，其技术关键是微细粉末的获取，并采用流延工艺成膜，最后烧结成型。对于成品的玻璃来说，其微细粉末的获取将导致工艺的复杂性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明目的在于提供了一种储能密度高的玻璃电容器。

本发明提供的玻璃电容器包括玻璃介质层，附着于玻璃介质层一面的第一金属电极层以及附着于玻璃介质层另一面且与第一金属电极层成中心对称的第二金属电极层；第一金属电极层为长方形的，第一金属电极层的一端作为电极2a的引出端2b，另外三端分别与相应的玻璃介质层边界之间形成留边3a、3b、3c；留边3a、3b、3c作为绝缘端；引出端2b与玻璃介质层齐平，引出端2b的厚度大于电极2a的厚度。

更进一步地，玻璃介质层的材料为无碱玻璃。

更进一步地，无碱玻璃的粗糙度小于1nm。

更进一步地，引出端2b的宽度为3～5mm，所述引出端2b的厚度为40～100nm。

本发明提供的玻璃电容器中，由于无碱玻璃的击穿场强较高，相对于聚丙烯700V/μm的击穿场强，无碱玻璃的特征击穿场强为908V/μm；击穿场强提高了1.28倍；此时，玻璃电容器的储能密度远远高于聚丙烯的储能密度；另外作为无机物的无碱玻璃，其最高使用温度为600℃，相比于作为有机高聚物的聚丙烯，其应用的最高温度仅为105-115℃。采用无碱玻璃可以大大提高电容器的应用环境温度；同时由于无碱玻璃的粗糙度在1nm以下(均方根值)，可以减弱由于表面不平整而引起的表面局部放电，使得玻璃电容器的工作稳定。

本发明还提供了一种用于封装上述的玻璃电容器的封装装置，所述封装装置成盒体状，包括两个成中心轴对称的平台，两个分别位于平台上的螺孔，用于装配于所述螺孔中的螺杆，位于两个平台之间的凹槽以及盒体的外壁；平台用于固定玻璃电容器中的玻璃介质层；凹槽用于盛放灌封材料并使玻璃介质层被充分包围在灌封材料内；盒体的外壁的高度大于平台的高度。

更进一步地，所述封装装置的材料为聚甲醛。

更进一步地，所述灌封材料为聚氨酯。

本发明提供的封装装置采用加工性能优异的聚甲醛(POM)材料加工而成。聚甲醛材料能够保证较好的表面粗糙度，防止由于封装装置表面的不平整而是玻璃介质有所损坏。同时该封装装置底部留有凹槽，便于在玻璃电容器组装完毕后进行封装，封装材料采用具有一定韧性的聚氨酯材料，能够保证玻璃电容器内部绝缘的同时防止由于玻璃电容器的振动对玻璃介质层的损坏。聚氨酯灌封结构可避免电容器使用时间久后潮气进入内部。另外，聚氨酯具有一定的吸声功能，能降低电容器工作时自愈噪声。

附图说明

图1(A)为本发明实施例提供的玻璃电容器的截面示意图；

图1(B)为本发明实施例提供的玻璃电容器正面的俯视图；

图1(C)为本发明实施例提供的玻璃电容器反面的俯视图

图2为本发明实施例提供的玻璃电容器中玻璃介质表面不同位置的电流分布；

图3为本发明实施例提供的玻璃电容器中玻璃介质自愈过程示意图；

图4为本发明实施例提供的玻璃电容器中玻璃介质蒸镀电极时所用的蒸镀掩膜板结构示意图；

图5本发明实施例提供的玻璃电容器中玻璃介质蒸镀电极时所用的加厚掩膜板结构示意图；

图6本发明实施例提供的玻璃电容器盒体的结构示意图，(A)为平面图；(B)为剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本文中，玻璃电容器是指采用玻璃作为储能介质的电容器。针对现有的电容器的储能密度低，本发明实施例提供了一种储能密度高的玻璃电容器。

如图1(A)、图1(B)和图1(C)所示，玻璃电容器包括：玻璃介质层1，在玻璃介质层1的一面附着(蒸镀或溅射)有长方形的第一金属电极层2，该第一金属电极层2的一端作为电极引出端2b，另外三端分别与相应的玻璃介质层1边界之间形成留边3a、3b、3c；留边3a、3b、3c作为绝缘端，电极引出端2b与介质层1齐平，电极引出端2b的厚度大于电极2a的厚度；在玻璃介质层1的另一面附着有与第一金属电极层成中心对称的第二金属电极层。

在本发明实施例中，玻璃介质层1的材料采用无碱玻璃材料。无碱玻璃的储能密度由无碱玻璃材料本身的性质决定，储能密度公式为J表示无碱玻璃的储能密度；ε₀表示真空的介电常数；ε_r表示无碱玻璃的相对介电常数；E表示无碱玻璃的工作场强，E的范围小于等于1000V/μm。通过对无碱玻璃的储能特性进行研究发现，当工作场强为400V/μm时，其储能密度可达3.5MJ/m³，其储能密度接近现有技术中聚丙烯储能密度的2倍；无碱玻璃的特征击穿场强为908V/μm；当频率为100Hz-1MHz时，其相对介电常数为4.4-4.8；由此可推测无碱玻璃的理论储能密度将高于15.77MJ/m³，远远高于现有储能材料聚丙烯(最高击穿场强为700V/μm)的最高储能密度4.77MJ/m³。同时由于聚丙烯为有机高聚物，其应用的最高温度仅为105-115℃。但是，作为无机物的无碱玻璃，其最高使用温度为600℃，可以大大提高电容器的应用环境温度。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于无碱玻璃材料具有较高的储能密度以及玻璃电容器的封装装置能够较好的对无碱玻璃电容器进行封装成型，使得本发明能够提供比现有聚丙烯介质电容器储能密度高的玻璃电容器成型方案。

在本发明实例中，采用无碱玻璃作为玻璃介质层1的材料，无碱玻璃的粗糙度在1nm以下(均方根值)，可以减弱由于表面不平整而引起的表面局部放电，使得玻璃电容器的工作稳定。

为了实现对玻璃介质层1上的电极的连接，需要对玻璃介质层1上的电极引出端的电极进行适当加厚(100nm左右)，加厚区域的宽度可以根据电极的连接形式而有所改变，一般可取为3-5mm；采用留边的目的是为了保证电极的绝缘，与电极引出端2b相对的绝缘端的留边3b大于与电极引出端2b相邻的两个绝缘端的留边3a、3c；保证在电极连接时绝缘端能有效起到绝缘的作用。

对玻璃电容器的电极引出端的电极进行加厚主要有两个原因：(1)为了实现玻璃介质层1上的电极的引出。由于为了玻璃电容器能够较好的进行自愈(在击穿点周围由于电流的作用，将击穿点周围的电极蒸发，进而使玻璃电容器恢复绝缘)，作为电极的金属层一般较薄(1nm以下)，但是较薄的电极不易于实现玻璃介质层1上的电极的连接，为了实现电极的连接需要对玻璃介质上电极引出端上的电极进行适当加厚(100nm左右)。(2)由于玻璃电容器在实际运行时，玻璃电极上的电流分布几乎是从电极引出端到其对面的留边呈线性下降的趋势分布的，如图2所示。由此可以看出电流在电极引出端的部分最大，为了增大端部电极的通流能力，需要对电极引出端的金属层进行加厚，防止电流过大而引起电极连接处发热而使电极连接出现故障。

无碱玻璃介质的自愈过程，如图3所示。由于介质中，难免会有杂质等电弱点，当在电极上施加一定电压时，电流将在电弱点处集中，当电流增大到一定时，就会引起无碱玻璃介质的击穿，从而引起电弱点处产生自愈电弧，此时电弱点处的电流密度较大，会使电弱点附近的电极蒸发，从而恢复电弱点处的绝缘。

综上所述，无碱玻璃作为电容器的储能材料，相比于现阶段应用比较广泛的聚丙烯材料而言，其主要有如下优点：

(1)无碱玻璃的击穿场强较高，相对于聚丙烯700V/μm的击穿场强，无碱玻璃的特征击穿场强为908V/μm；击穿场强提高了1.28倍；此时，无碱玻璃材料的储能密度远远高于聚丙烯的储能密度；

(2)作为无机物的无碱玻璃，其最高使用温度为600℃，相比于作为有机高聚物的聚丙烯，其应用的最高温度仅为105-115℃。无碱玻璃可以大大提高电容器的应用环境温度；

(3)采用无碱玻璃作为玻璃介质层1的材料，无碱玻璃的粗糙度在1nm以下(均方根值)，可以减弱由于表面不平整而引起的表面局部放电，使得玻璃电容器的工作稳定。

本发明实施例提供的玻璃电容器的制备方法如下：

(1)首先将无碱玻璃清洗干净，并在玻璃介质层1的一面附上蒸镀掩膜板4，放置蒸镀掩膜板4时，将其与玻璃介质层1的三个留边3a、3b、3c完全重合。其中，蒸镀掩膜板4的结构如图4所示。

上述所用的掩膜板4，是在正方形的掩膜的一端剪去一个长方形的区域，剪去长方形后，掩膜的两边呈对称的形式留下两个完全相同的长方形掩膜条，蒸镀电极时，两个掩膜条分别与玻璃介质层1上的留边3a和3c完全重合。掩膜板4是为了给玻璃介质层1蒸镀电极，蒸镀电极时将掩膜板4与玻璃介质层1配合使用，能够较好的在玻璃介质层1上形成三个留边3a、3b、3c。

(2)将附着有蒸镀掩膜板4的玻璃放入蒸镀室内蒸镀一定的时间，时间的长度由电极的厚度决定(厚度越大时间越长)。然后将玻璃取出，去除蒸镀掩膜板4，并在玻璃同一面上附上加厚掩膜板5，将加厚掩膜板5的空白处与玻璃的电极引出端2b重合。其中加厚掩膜板5的结构如图5所示。

上述所用的研磨板5，是在正方形的掩膜的一端剪去一个长方形的区域，剪去长方形后，掩膜的两边呈对称的形式留下两个完全相同的长方形掩膜条。在对电极的加厚边加厚电极时，两个掩膜条分别与玻璃介质层1上的留边3a和3c重合，剪去长方形的区域与玻璃介质层1上的2b完全重合。掩膜板5是为了给玻璃介质层1的加厚边进行电极加厚，对加厚边进行电极加厚时，蒸镀电极时将研磨板4与玻璃介质层1配合使用，能够较好的在玻璃介质层1上形成加厚边2b。

(3)将附有加厚掩膜板5的无碱玻璃放入蒸镀室内蒸镀一定的时间，时间的长度由电极的厚度决定(电极的厚度越大时间越长)，所述电极为第一金属电极。

重复上述步骤并在玻璃介质层1的另一面附着第二金属电极层；第二金属电极层与第一金属电极层呈中心对称。

在本发明实施例中，金属层的宽度可以根据电极的连接形式而有所改变，金属层的宽度大于等于3-5mm；方便电极的引出，保证能够正常工作。金属层的厚度范围为40-100nm。由于附着金属是在真空下进行的，首先将镀膜的环境气压降低到大约10^-2Pa左右(主要作用有两个方面，一是增大金属蒸汽分子的自愈行程，使金属蒸汽分子更容易撞击在样品表面；二是减少镀膜环境中氧气的含量，防止金属电极被氧化而不导电)；蒸发过程中需要的温度，因不同金属有一定的差别，温度的控制主要是为了有利于金属电极的蒸发；蒸镀的时间主要是反映在蒸镀金属电极的厚度上，为了有效利用玻璃电容器的自愈性能，要求蒸镀在电极上的金属层厚度在nm级。

制备方法的优点：首先在玻璃电容器的制备过程中采用真空环境，能够有效的防止金属层在蒸镀过程发生氧化反应；该制作过程能够灵活的运用掩膜板4和掩膜板5来加工玻璃电容器上的电极形状；在蒸镀过程中，可以根据蒸镀的时间与金属厚度之间的关系来实现一定厚度金属层的蒸镀。

在本发明实施例中，无碱玻璃作为一种新型的高储能密度材料，拥有比较广阔的应用前景。但是由于无碱玻璃是一种无机脆性材料，其封装技术是制约其能够成为高储能脉冲电容器介质的关键因素之一。针对上述玻璃电容器成型受到无碱玻璃脆性制约的缺陷，本发明实施例还提供了一种用于封装上述玻璃电容器的封装装置。

本发明实施例提供的玻璃电容器的封装装置的结构图如图6所示。封装装置为盒体状，包括：两个成中心轴对称的平台8，两个分别位于平台上的螺孔6，用于装配于所述螺孔6中的螺杆，位于两个平台之间的凹槽9以及盒体的外壁7；平台8用于固定玻璃介质；凹槽9是用于盛放聚氨酯灌封材料的，使玻璃电容器中的玻璃介质层的充分包围在灌封材料内部；盒体的外壁7高于平台8。

封装装置的优点：该封装装置采用加工性能优异的聚甲醛(POM)材料加工而成。聚甲醛材料能够保证较好的表面粗糙度，防止由于封装装置表面的不平整而是玻璃介质有所损坏。同时该封装装置底部留有凹槽，便于在玻璃电容器组装完毕后进行封装，封装材料采用具有一定韧性的聚氨酯材料，能够保证玻璃电容器内部绝缘的同时防止由于玻璃电容器的振动对玻璃介质层的损坏。聚氨酯灌封结构可避免电容器使用时间久后潮气进入内部。另外，聚氨酯具有一定的吸声功能，能降低电容器工作时自愈噪声。

本发明实施例提供的玻璃电容器的封装方法具体包括下述步骤：

(1)将蒸镀有金属电极的玻璃通过双面导电胶带(其是含有铜和镍等金属的高导电双面导电胶带，其中金属镍具有一定的防氧化抗腐蚀的能力，其电阻率为ρ(mΩ/mm)。)的连接使其固定在平台8上，双面导电胶带粘合在玻璃的电极连接处，用于电极的引出；并保证玻璃电容器内部的清洁；

(2)将液态聚氨酯注入玻璃电容器内，并使玻璃介质层浸入聚氨酯中，再将玻璃电容器放在真空室内并进行真空抽气处理；防止有气泡，保证玻璃电容器内部绝缘；其中，真空抽气处理的时间大约10分钟，气压约为10^-1Pa，以保证聚氨酯材料的内部无明显的气泡；

(3)将真空抽气处理后的玻璃电容器放入恒温的烘箱中固化得到成型的玻璃电容器；其中烘箱的温度为80℃左右，时间为24小时。

本发明实施例提供的封装方法解决玻璃电容器在成型过程中的玻璃介质上的电极形式、电极引出，以及连接可靠性等问题。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的玻璃电容器和封装方法，现结合具体实例详述如下：给出具体参数

本文所用的玻璃介质层1是厚度为30μm，尺寸为30mm×30mm的无碱玻璃膜。首先，将玻璃介质层1利用酒精清洗干净，并自然风干；然后将玻璃介质层1在一个平板上，将掩膜板4按照上述位置关系放在玻璃介质层1上，并将其放入蒸镀室，将蒸镀室加热到200℃左右，抽真空到10^-2pa左右；最后，开始对玻璃介质层1进行蒸镀；对电极引出端进行加厚时，可以将掩膜板5按照上述为位置关系与玻璃介质层1进行配合放置。

最终得到蒸镀有金属电极的无碱玻璃介质，其各部分的尺寸如下：电极2a的厚度为数个nm级别；电极引出端电极的厚度为120nm左右，宽度为4mm，长度为24mm；留边3a和3c的宽度均为3mm，留边3b的宽度为5mm；由于玻璃介质层1上的上下电极关于中心对称；玻璃介质层1蒸镀电极后，其电容量大约为0.74nF，若要得到电容量更大的电容器，可以通过若干个蒸镀有电极的玻璃介质层1进行并联实现。

关于封装装置，封装装置呈长方形的盒体结构，其内部有两个用于固定玻璃介质的平台8，这两个平台在玻璃电容器的封装装置内部关于中心轴对称，其宽度为12mm；盒体的外壁7高出固定玻璃介质的平台8大约5mm，这是为了使后续的灌封材料能够完全包围玻璃介质材料；在两个平台的中心位置分别分布一个直径为4mm的螺孔，该螺孔可以配合螺钉用来固定电极。在两个平台之间形成了一个深度为5mm，宽度为22mm，长度为100mm的凹槽9，该凹槽9主要是用于玻璃电容器的封装，使玻璃电容器在封装时，整个玻璃介质都能够封装在封装材料(聚氨酯)之中，用以保证绝缘。同时为了保证玻璃电容器电极的有效引出，该装置在灌封前，在两个平台上的螺孔6上装配上高度为22mm的螺杆，此时，螺杆的高度会高于装置的外壁，以有利于电极的引出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于封装玻璃电容器的封装装置，所述玻璃电容器包括：玻璃介质层(1)，附着于所述玻璃介质层(1)一面的第一金属电极层(2)以及附着于所述玻璃介质层(1)另一面且与所述第一金属电极层(2)成中心对称的第二金属电极层；所述第一金属电极层(2)为长方形的，所述第一金属电极层(2)的一端作为电极2a的引出端2b，另外三端分别与相应的玻璃介质层边界之间形成留边3a、3b、3c；留边3a、3b、3c作为绝缘端；所述引出端2b与玻璃介质层(1)齐平，所述引出端2b的厚度大于所述电极2a的厚度；其特征在于，所述封装装置成盒体状，包括两个成中心轴对称的平台，两个分别位于平台上的螺孔，用于装配于所述螺孔中的螺杆，位于两个平台之间的凹槽以及盒体的外壁；所述平台用于固定玻璃电容器中的玻璃介质层；所述凹槽用于盛放灌封材料并使所述玻璃介质层被充分包围在灌封材料内；所述盒体的外壁的高度大于所述平台的高度。

2.如权利要求1所述的封装装置，其特征在于，所述封装装置的材料为聚甲醛。

3.如权利要求1或2所述的封装装置，其特征在于，所述灌封材料为聚氨酯。

4.如权利要求1所述的玻璃电容器，其特征在于，所述玻璃介质层(1)的材料为无碱玻璃。

5.如权利要求4所述的玻璃电容器，其特征在于，所述无碱玻璃的粗糙度小于1nm。

6.如权利要求1所述的玻璃电容器，其特征在于，所述引出端2b的宽度为3～5mm，所述引出端2b的厚度为40～100nm。