CN111696784B - 一种自愈式电容器元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自愈式电容器元件及其制作方法。该自愈式电容器元件呈扁平状结构，所述电容器元件包括：金属化薄膜，其层数为偶数层，各层所述金属化薄膜自内之外依次卷绕，并且，任意相邻两层所述金属化薄膜分别有两个反向设置的错边；所述电容器元件的两个端部均设有喷金层，用以引出所述金属化薄膜的电极。本发明电容器元件呈扁平状结构，能够有效减少电容器元件之间的空隙，从而提高整组电容器元件的储能密度，减小采用脉冲电容器作为储能模块的设备整体体积，降低舰艇、航天器、弹射器等装备电源模块的设计与制造难度。

Description

一种自愈式电容器元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及自愈式电容器技术领域，具体而言，涉及一种自愈式电容器元件及其制作方法。

背景技术

自愈式电容器根据应用工况可以分为交流电容器、直流电容器与脉冲电容器。其中脉冲电容器广泛应用于脉冲功率领域，最典型的应用场景是舰船、航天器、弹射器等大型装备电源模块中的储能元件，储能密度是其非常重要的一个参数，较高的储能密度能够有效缩减电源模块的体积。目前国内脉冲电容器在组装时不可避免会存在空隙，空隙越多，储能密度越低，导致电源模块体积庞大，为舰船等装备设计造成困难。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种自愈式电容器元件及其制作方法，旨在解决现有脉冲电容器的储能密度相对不高导致电源模块体积庞大的问题。

一方面，本发明提出了一种自愈式电容器元件，所述电容器元件呈扁平状结构，所述电容器元件包括：金属化薄膜，其层数为偶数层，各层所述金属化薄膜自内之外依次卷绕，并且，各所述金属化薄膜上均设有错边，且任意相邻两层所述金属化薄膜的两个错边反向设置；所述电容器元件的两个端部均设有喷金层，用以引出所述金属化薄膜的电极。

进一步地，上述自愈式电容器元件，所述金属化薄膜包括聚丙烯膜和设置在所述聚丙烯膜上的电极层，并且，所述聚丙烯膜上设有留边，用以形成两层相邻所述电极层之间的沿面绝缘。

进一步地，上述自愈式电容器元件，所述留边设置所述金属化薄膜的错边的相反侧。

进一步地，上述自愈式电容器元件，所述电极层为金属电极层，其通过蒸镀设置在所述聚丙烯膜的单面上。

进一步地，上述自愈式电容器元件，最外层所述金属化薄膜外还设有若干层依次卷绕的包封光膜，用以对所述金属化薄膜进行保护。

进一步地，上述自愈式电容器元件，所述包封光膜为聚丙烯薄膜。

进一步地，上述自愈式电容器元件，最内层所述金属化薄膜内还设有若干层依次卷绕的内层光膜。

另一方面，本发明还提出了一种自愈式电容器元件的制作方法，该制作方法包括如下步骤：根据电容器的额定电压、电容值和绝缘水平，计算金属化薄膜的相关参数；相关参数包括厚度、宽度、卷绕的圈数以及错边长度；根据计算的相关参数，在充气膨胀的支撑轴上进行金属化薄膜的错边卷绕，以形成卷绕层，依次对卷绕层的最外层进行收口、对支撑轴的排气收缩以使所述支撑轴自所述卷绕层内取出、对所述卷绕层进行压平，以形成呈扁平状结构的电容器元件；对压平的电容器元件施加直流电压值，以进行直流耐压测试；对通过直流耐压测试的电容器元件的两端进行喷金。

进一步地，上述自愈式电容器元件的制作方法，在在充气膨胀的支撑轴上进行金属化薄膜的错边卷绕的步骤如下：在所述充气膨胀的支撑轴卷绕若干圈内层光膜后，在最外层内层光膜上进行金属化薄膜的错边卷绕，并在最外层金属化薄膜上依次卷绕若干圈包封光膜。

本发明提供的自愈式电容器元件及其制作方法，通过金属化薄膜作为电极，实现当施加过高的电压时，聚丙烯膜电弱点被击穿，击穿点阻抗明显降低，流过的电流密度急剧增大，使金属化镀层产生高热，击穿点周围的金属导体迅速蒸发逸散，形成金属镀层空白区，击穿点自动恢复绝缘；通过喷金层引出所述金属化薄膜的电极，以便便于电极的焊接；该电容器元件呈扁平状结构，能够有效减少电容器元件之间的空隙，从而提高整组电容器元件的储能密度，减小采用脉冲电容器作为储能模块的设备整体体积，降低舰艇、航天器、弹射器等装备电源模块的设计与制造难度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的自愈式电容器元件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的自愈式电容器元件的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的自愈式电容器元件的截面图；

图4为现有技术中圆柱型电容器元件的截面图；

图5为本发明实施例提供的自愈式电容器元件制作方法的流程框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

电容器元件实施例：

参见图1和图2，其示出了本发明实施例提供的自愈式电容器元件的优选结构。如图所示，该电容器元件呈扁平状结构，其包括：金属化薄膜1、若干层依次卷绕的内层光膜2和若干层包封光膜3；其中，

金属化薄膜1层数为偶数层，各层金属化薄膜1自内之外依次卷绕，并且，任意两层金属化薄膜1之间均设有两个相反反向的错边11，即各金属化薄膜1上均设有错边11，且任意相邻两层金属化薄膜1的两个错边11反向设置。

具体实施时，电容器元件外形呈扁平状结构，即采用扁平化设计，满足舰船、航天器、弹射器等大型装备电源模块中工况的空间狭小等要求。本实施例中，电容器元件可包括至少两层且为偶数层的金属化薄膜1，其可依次卷绕在支撑轴（图中未示出），以便金属化薄膜1作为电极实现当施加过高的电压时，聚丙烯膜电弱点被击穿，击穿点阻抗明显降低，流过的电流密度急剧增大，使金属化镀层产生高热，击穿点周围的金属导体迅速蒸发逸散，形成金属镀层空白区，击穿点自动恢复绝缘。任意相邻两层金属化薄膜1分别有两个反向设置的错边11，如图2所示，任意相邻两层金属化薄膜1的错边11一个向左设置，一个向右设置，即任意相邻两层金属化薄膜1，一层向左错开，另外一层向右错开，使得两层金属化薄膜1各形成一个错边11，且两个错边11设置方向相反。

最内层金属化薄膜1内还设有若干层依次卷绕的内层光膜2。

具体地，最内层金属化薄膜1的内部还设有若干层内层光膜2，即内层光膜2的最内层可卷绕在支撑轴（图中未示出），以便在卷绕时进行支撑实现各层结构的卷绕，即内层光膜2可依次卷绕在支撑轴上，至少两层金属化薄膜1在最外层内层光膜2上自内之外依次卷绕，内层光膜2的设置与金属化薄膜1直接卷绕在支撑轴上相比，内层光膜2直接卷绕在支撑轴上即使内层光膜2出现不平和褶皱，其不影响电容器的绝缘性能，并且，可避免绕设在内层光膜2的金属化薄膜1出现不平和褶皱，而金属化薄膜1直接绕设在支撑轴，内部的若干层的金属化薄膜1卷绕时出现不平和褶皱，而金属化薄膜1作为电极出现不平和褶皱将导致其均匀性分布不均，导致电容器绝缘性能下降，致使电容器出现击穿现象，故内层光膜2的设置提高了电容器的工艺质量。其中，各层内层光膜2可以为金属化薄膜1中的介质薄膜的材料相同，例如金属化薄膜1的介质薄膜为聚丙烯膜时，内层光膜2亦为聚丙烯膜，以确保在温度变化时内层光膜2和介质薄膜的膨胀系数相同，进而避免内层光膜2和介质薄膜的变形不同导致出现空隙，进而避免该电容器元件的绝缘性能的下降，从而避免出现击穿现象。

最外层金属化薄膜1外还设有若干层包封光膜3。

具体地，最外层金属化薄膜1的外部可依次绕设若干层包封光膜3，以便在最外层包封光膜3进行收口时，外部的包封光膜3会出现不平和褶皱，其不影响电容器的绝缘性能，而金属化薄膜1外不设置包封光膜3则最外层金属化薄膜1进行收口时，将导致最外圈金属化薄膜1出现不平和褶皱，而金属化薄膜1作为电极出现不平和褶皱将导致其均匀性分布不均，导致电容器绝缘性能下降，致使电容器出现击穿现象，故包封光膜3的设置提高了电容器的工艺质量；同时，包封光膜3卷绕在金属化薄膜1外部，可对金属化薄膜1进行保护。如图2所示，自中间位置至两侧各层对称设置，且上下对称设置的两个为同一层，即卷绕的一圈。本实施例中，支撑轴仅在卷绕的制作过程中使用，其后续需取出。其中，各层包封光膜3可以为金属化薄膜1中的介质薄膜的材料相同，例如金属化薄膜1的介质薄膜为聚丙烯膜时，包封光膜3亦为聚丙烯膜，以确保在温度变化时包封光膜3和介质薄膜的膨胀系数相同，进而避免包封光膜3和介质薄膜的变形不同导致出现空隙，进而避免该电容器元件的绝缘性能的下降，从而避免出现击穿现象。

电容器元件的两个端部（如图2所示的左右两端）均设有喷金层4，用以引出金属化薄膜1的电极。

具体地，喷金层4连接错边11以形成电容器元件的两极，即电容器元件两端通过喷金层4与错边11的金属化膜连接形成电容器的两极，以与外部连接，使得该电容器元件端面自内绕层至外绕层形成一个等电位的金属电极面，以为电极引出提供一个桥接平台。其中，喷金层厚度主要影响电容器的损耗角正切。过薄会严重影响电容器的导电性，损耗角大，电容器工作时发热，缩短寿命。过后成本较高，经济型差。其中，喷金层4可以为金属电极层，其常由金属锌或其合金构成，厚度1mm左右。

继续参见图2，金属化薄膜1包括聚丙烯膜12和电极层13；其中，电极层13设置在聚丙烯膜12上，并且，聚丙烯膜12上设有留边121，用以形成两层相邻电极层13之间的沿面绝缘。具体地，聚丙烯膜12做为介质薄膜，聚丙烯膜12上设有电极层13，即蒸镀了一层薄金属作为导电电极，即电极层通过蒸镀设置在聚丙烯膜12的单面上。为避免相邻两层金属化薄膜1的电极层13之间的接触，各层金属化薄膜1的电极层13均设置在同层金属化薄膜1的聚丙烯膜12同一面（如图2所示的外面，即内层光膜2上方的各层金属化薄膜1中，电极层13均设置在聚丙烯膜12的上表面上，内层光膜2下方的各层金属化薄膜1中，电极层13均设置在聚丙烯膜12的下表面上）；而电极层13在聚丙烯膜12的表面上并非全部覆盖，即聚丙烯膜12上在电极层13的一侧设有留边121，以便相邻两层电极层13之间的沿面绝缘。为确保相邻两层电极层13之间的沿面绝缘性，优选地，留边121设置金属化薄膜1的错边11的相反侧，即每层金属化薄膜1的错边11和留边121设置在相反的两侧（如图2所示的内层光膜2上方的金属化薄膜1的错边11向左设置，留边121向右设置），相邻两层金属化薄膜1的留边121相对错开且向两个方向设置。本实施例中，聚丙烯膜12为介质薄膜，当然亦可为其他介质薄膜，本实施例中对其不做任何限定。

下面对本发明实施例提供的自愈式电容器元件进行更为详细的说明。

该电容器元件的额定电压为317V，额定电容值为52.7µF，7µm薄膜样机；

如图4所示，按照常规的圆柱形结构设计，电容器元件的尺寸为：电容器元件的直径53mm，宽度75mm，芯棒直径9mm。因为整台电容器单元是由多个电容器元件叠装在一起组成的，所以单个圆柱形结构电容器元件占据的最小空间为截面如图4所示的虚线正方形结构。

如图3所示，如按本发明实施例提供的自愈式电容器元件，在额定电压与额定电容值不变的条件下，设计宽度75mm与圆柱形相同，再保证元件横截面积相同，则电容值基本一致，则可以计算得到元件截面尺寸与占空情况如图3所示，其截面为腰型结构，即中间为厚度20mm长度91.4mm的长方形，且两侧连接有对称设置的直径为20mm的半圆结构。该自愈式电容器元件截面积与上述圆形电容器元件相同，均为2141.5mm²。但圆形电容器元件在组成电容器组时，单个元件占据的空间截面积是53mm×53mm=2809mm²，扁平形电容器单个元件占据的空间截面积是111.4mm×20mm=2228mm²。圆形电容器元件与扁形电容器元件的有效占空比分别为：2141.5÷2809=76.2%、2141.5÷2228=96.1%。由此可见，相同电容值的两种电容器元件，扁平形电容器元件的有效占空比相对于圆形电容器元件提高了约20%，从而可以有效提高整台电容器单元的有效占空比和储能密度。

综上，本实施例提供的自愈式电容器元件，通过金属化薄膜1作为电极，实现当施加过高的电压时，聚丙烯膜电弱点被击穿，击穿点阻抗明显降低，流过的电流密度急剧增大，使金属化镀层产生高热，击穿点周围的金属导体迅速蒸发逸散，形成金属镀层空白区，击穿点自动恢复绝缘；通过喷金层4引出金属化薄膜1的电极，以便便于电极的焊接；该电容器元件呈扁平状结构，能够有效减少电容器元件之间的空隙，从而提高整组电容器元件的储能密度，减小采用脉冲电容器作为储能模块的设备整体体积，降低舰艇、航天器、弹射器等装备电源模块的设计与制造难度。

制作方法实施例：

参见图5，其为本发明实施例提供的自愈式电容器元件制作方法的流程框图。如图所示，该制作方法包括如下步骤：

第一步S1，根据电容器的额定电压、电容值和绝缘水平，计算金属化薄膜的相关参数；相关参数包括厚度、宽度、卷绕的圈数以及错边长度。

具体地，首先；根据电容器的额定电压和电容值，设计计算出扁平形电容器元件的金属化薄膜1的相关参数，相关参数包括金属化薄膜1的厚度、宽度、卷绕的圈数；其中，相关参数还可以包括金属化薄膜1的聚丙烯膜12的厚度和宽度以及需要卷绕的圈数。然后，根据绝缘水平设计出金属化薄膜1的错边11的长度a和绝缘间隙的长度即留边121的宽度b。

第二步S2，根据计算的相关参数，在充气膨胀的支撑轴上进行金属化薄膜的错边卷绕，以形成卷绕层，依次对卷绕层的最外层进行收口、对支撑轴的排气收缩以使支撑轴自卷绕层内取出、对卷绕层进行压平，以形成呈扁平状结构的电容器元件。

具体地，首先，根据第一步S1计算的相关参数，选用2卷有留边的金属化膜，安装在卷绕设备上；然后，根据第一步S1计算的相关参数选取合理的卷绕速度和张力，在一种可以充气膨胀的支撑轴上进行卷绕，充气使得支撑轴处于膨胀状态；最后，通过烧结等方法对最外层进行收口，排气使支撑轴收缩，将卷绕完成的电容器元件自收缩的支撑轴上取出，采用卷绕设备配套的压力装置将元件压平。其中，在本实施例中，在在充气膨胀的支撑轴上进行金属化薄膜的错边卷绕的步骤即卷绕步骤如下：在充气膨胀的轴卷绕若干圈内层光膜2后，在最外圈内层光膜2上进行金属化薄膜1的错边卷绕，并在最外层金属化薄膜1上依次卷绕若干圈包封光膜3，例如在卷绕设备上安装2卷有留边的金属化膜和1卷光膜，并在卷绕时，首先卷绕10层左右光膜作为内层光膜2，再开始卷双层错边金属化薄膜1，卷绕达到设计圈数时，再卷绕10层左右光膜作为包封光膜3，以整体作为卷绕层，后续对该卷绕层的最外层进行收口、支撑轴的排气收缩和卷绕层整体进行压平。

第三步S3，对压平的电容器元件施加直流电压值，以进行直流耐压测试并对。

具体地，对压平的元件施加一定的直流电压值，一方面筛查电弱点和卷绕工艺，另一方面通过直流电场力使得电容器元件结构更加紧致；本实施例中，施加的直流电压值可以为电容器的额定电压。

第四步S4，对通过直流耐压测试的电容器元件的两端进行喷金。

具体地，将通过直流耐压测试的电容器元件放入喷金设备，对电容器元件两个端部分别进行喷金，喷金结束后即完成电容器元件制作。

本实施例中，自愈式电容器元件的制作方法和自愈式电容器元件原理相同，相关之处可以相互参考，比如对两卷金属化薄膜1进行卷绕时，两卷金属化薄膜1同时进行卷绕，且两卷留边相反设置。

综上，本实施例提供的自愈式电容器元件方法，通过金属化薄膜1的卷绕作为电极，实现当施加过高的电压时，聚丙烯膜电弱点被击穿，击穿点阻抗明显降低，流过的电流密度急剧增大，使金属化镀层产生高热，击穿点周围的金属导体迅速蒸发逸散，形成金属镀层空白区，击穿点自动恢复绝缘；通过喷金层4引出金属化薄膜1的电极，以便便于电极的焊接；通过将卷绕层进行压平使得该电容器元件呈扁平状结构，能够有效减少电容器元件之间的空隙，从而提高整组电容器元件的储能密度，减小采用脉冲电容器作为储能模块的设备整体体积，降低舰艇、航天器、弹射器等装备电源模块的设计与制造难度。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自愈式电容器元件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据电容器的额定电压、电容值和绝缘水平，计算金属化薄膜的相关参数；其中，金属化薄膜为偶数层；

根据计算的相关参数，在充气膨胀的支撑轴上进行金属化薄膜自内之外依次进行的错边卷绕，任意相邻两层所述金属化薄膜的两个错边反向设置，以形成卷绕层，依次对卷绕层的最外层进行收口、对支撑轴的排气收缩以使所述支撑轴自所述卷绕层内取出、对所述卷绕层进行压平，以形成呈扁平状结构的电容器元件，并且，自中间位置至两侧各层金属化薄膜之间对称设置，上下对称设置的两个通过卷绕一圈形成的一层结构；其中，在充气膨胀的支撑轴上进行金属化薄膜的错边卷绕的步骤如下：在所述充气膨胀的支撑轴卷绕若干圈内层光膜后，在最外层内层光膜上进行金属化薄膜的错边卷绕，并在最外层金属化薄膜上依次卷绕若干圈包封光膜；

对压平的电容器元件施加直流电压值，以进行直流耐压测试；

对通过直流耐压测试的电容器元件的两端进行喷金；

所述电容器元件包括：金属化薄膜，其层数为偶数层，各层所述金属化薄膜自内之外依次卷绕，自中间位置至两侧各层之间对称设置，上下对称设置的两个通过卷绕一圈形成的一层结构，并且，各所述金属化薄膜上均设有错边，且任意相邻两层所述金属化薄膜的两个错边反向设置；

所述电容器元件的两个端部均设有喷金层，用以引出所述金属化薄膜的电极；

最内层所述金属化薄膜内还设有若干层依次卷绕的内层光膜；

最外层所述金属化薄膜外还设有若干层依次卷绕的包封光膜，用以对所述金属化薄膜进行保护；

所述金属化薄膜包括聚丙烯膜和设置在所述聚丙烯膜上的电极层，并且，所述聚丙烯膜上设有留边，用以形成两层相邻所述电极层之间的沿面绝缘；所述留边设置所述金属化薄膜的错边的相反侧。

2.根据权利要求1所述的自愈式电容器元件的制作方法，其特征在于，

所述电极层为金属电极层，其通过蒸镀设置在所述聚丙烯膜的单面上。

3.根据权利要求1所述的自愈式电容器元件的制作方法，其特征在于，所述包封光膜为聚丙烯薄膜。

4.根据权利要求1所述的自愈式电容器元件的制作方法，其特征在于，所述内层光膜为聚丙烯薄膜。

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