DE10004706B4 - Schichtstapel für einen Elektrolyt-Kondensator - Google Patents

Abstract

Schichtstapel für einen Elektrolyt-Kondensator zur Aufnahme einer Flüssigkeit mit einer Saugschicht (1) mit hoher, zum Aufsaugen der Flüssigkeit vom Rand bis in die Mitte des Schichtstapels ausreichenden Saugfähigkeit und einer ersten saugfähigen Speicherschicht (2) mit niedriger, zum Aufsaugen der Flüssigkeit vom Rand bis in die Mitte des Schichtstapels nicht ausreichenden Saugfähigkeit, zwischen denen eine an der ersten Speicherschicht (2) anliegende Zwischenschicht (3) aus nicht saugfähigem Material angeordnet ist, bei dem auf der von der Zwischenschicht (3) abgewandten Seite der ersten Speicherschicht (2) eine nicht saugfähige Randschicht (7) anliegt und bei dem die Zwischenschicht (3) durchgehende Löcher (4) aufweist, deren Anzahl, Größe und Verteilung so gewählt ist, daß ein Teil der von der Saugschicht (1) aufgesaugten Flüssigkeit über die Löcher (4) zur ersten Speicherschicht (2) gelangt und diese durchgehend tränkt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Schichtstapel für einen Elektrolyt-Kondensator zur Aufnahme einer Flüssigkeit mit einer Saugschicht, einer Speicherschicht und einer Zwischenschicht.
• Aus der US-Patentschrift 5 661 629 ist ein Elektrolyt-Kondensator bekannt, der einen Schichtstapel bestehend aus einer Anodenfolie, einer Kathodenfolie und einer dazwischen angeordneten Papierschicht aufweist.
• Ferner sind Schichtstapel der eingangs genannten Art für Elektrolyt-Kondensatoren bekannt, wobei die Zwischenschicht als Anodenschicht ausgebildet ist, und wobei zu beiden Seiten der Zwischenschicht jeweils eine Saug- und eine Speicherschicht angeordnet sind. Die beiden äußersten Schichten des so definierten Schichtstapels sind jeweils durch eine Kathodenfolie abgedeckt. Die Saug- bzw. Speicherschicht sind typischerweise als Papierschichten ausgeführt, wobei die Saugschicht ein Papier mit geringer Dichte (< 0,6 g pro cm³) und die Speicherschicht ein Papier hoher Dichte (> 0,6 g pro cm³) ist. Die Papierschichten sind mit einem Elektrolyten getränkt. Sie dienen daher zum einen als Speichermedium für den Elektrolyten. Zum anderen haben die Papierschichten auch die Aufgabe, den Strom der im Elektrolyten vorhandenen beweglichen Ionen zu begrenzen, um somit eine hohe Spannungsfestigkeit des Elektrolyt-Kondensators zu erreichen. Die Elektrolyt-Kondensatoren werden typischerweise durch Aufwickeln des zuvor beschriebenen Schichtstapels auf einen Wickeldorn hergestellt, wodurch ein zylinderförmiger Körper entsteht. Insbesondere bei Elektrolyt-Kondensatoren hoher Kapazität (> 1 mF) entstehen so Zylinder mit einigen Zentimeter Länge. Der Elektrolyt wird nach dem Wickeln des Kondensators in den Kondensator eingebracht. Aufgrund des gewickelten Aufbaus kann der Elektrolyt nur von den Stirnseiten des gewickelten Kondensators zugeführt werden. Bei Elektrolyt-Kondensatoren, die eine bestimmte Länge überschreiten, wird deshalb die Saugschicht benötigt, um den Elektrolyten von den Stirnseiten ins Innere zu transportieren. Da die Saugschicht ein Papier mit geringer Dichte und entsprechend großen Kanälen ist, ist sie nicht zum Erreichen einer hohen Spannungsfestigkeit geeignet. Es wird daher zwischen Anodenfolie und Kathodenfolie zusätzlich die als Papier hoher Dichte ausgeführte Speicherschicht eingefügt. Das dichte Papier weist Kanäle mit geringerem Querschnitt auf und ist somit zum Erreichen einer hohen Spannungsfestigkeit sehr gut geeignet. Aufgrund seiner geringen Saugfähigkeit genügt es allerdings nicht als alleinige Zwischenschicht zwischen Kathodenfolie und Anodenfolie. Die bei dem bekannten Aufbau beschriebenen verschiedenen Schichten führen zu einem großen Volumenbedarf des Elektrolyt-Kondensators bezogen auf seine Kapazität. Insbesondere dort, wo Elektrolyt-Kondensatoren in miniaturisierten Schaltungen eingebaut werden sollen, ist dies ein erheblicher Nachteil.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Schichtstapel für einen Elektrolyt-Kondensator bereitzustellen, der durch Verzicht auf eine der beiden Saugschichten einen geringeren Volumenbedarf aufweist.
• Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch einen Schichtstapel nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
• Die Erfindung gibt einen Schichtstapel zur Aufnahme einer Flüssigkeit an, der eine Saugschicht, eine Speicherschicht, eine Zwischenschicht und eine Randschicht aufweist. Die Saugschicht hat eine hohe, zum Aufsaugen der Flüssigkeit vom Rand des Schichtstapels bis in seine Mitte ausreichende Saugfähigkeit. Die erste Speicherschicht hat eine niedrige, zum Aufsaugen der Flüssigkeit vom Rand des Schichtstapels bis in seine Mitte nicht ausreichende Saugfähigkeit. Zwischen der Speicherschicht und der Saugschicht ist eine an der Speicherschicht anliegende Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht besteht aus nicht saugfähigem Material und weist durchgehende Löcher auf. Diese Löcher verbinden die Oberseite der Zwischenschicht mit ihrer Unterseite und sind in ihrer Anzahl, Größe und Verteilung so gewählt, daß ein Teil der von der Saugschicht aufgesaugten Flüssigkeit, die am Rand des Schichtstapels appliziert wird, über die Löcher der Zwischenschichten zur ersten Speicherschicht gelangen kann und diese durchgehend durchtränkt. Auf der von der Zwischenschicht abgewandten Seite der ersten Speicherschicht ist eine nicht saugfähige Randschicht angeordnet. Somit wird die Speicherschicht ausschließlich über die Löcher in der Zwischenschicht mit Flüssigkeit getränkt.
• Der erfindungsgemäße Schichtstapel hat den Vorteil, daß durch Nutzung der in der Zwischenschicht befindlichen Löcher zum Tränken der auf der von der Saugschicht abgewandten Seite der Zwischenschicht angeordneten Speicherschicht auf eine zweite, auf der Seite der Speicherschicht angeordnete Saugschicht verzichtet werden kann. Dadurch wird der Volumenbedarf des Schichtstapels reduziert.
• Bei einem erfindungsgemäßen Schichtstapel ist besonders vorteilhafterweise auf der Seite der Saugschicht eine zweite Speicherschicht angeordnet. Dabei kann entweder die zweite Speicherschicht oder die Saugschicht an der Zwischenschicht anliegen, da in beiden Fällen eine gute Durchtränkung der ersten Speicherschicht erreicht wird. Die Randschicht wird als erste Kathodenschicht ausgebildet. An der der Randschicht gegenüberliegenden Seite des Schichtstapels wird eine zweite Kathodenschicht angeordnet. Verwendet man zudem als Flüssigkeit einen Elektrolyten, d.h. beispielsweise eine organische Flüssigkeit, in der sich den elektrischen Strom leitende Ionen befinden, so kann der erfindungsgemäße Schichtstapel als Elektrolyt-Kondensator verwendet werden. Ein so ausgebildeter Elektrolyt-Kondensator ist durch den Verzicht auf eine zweite Saugschicht besonders platzsparend.
• Als Saug- bzw. Speicherschicht kommen besonders vorteilhaft Papierschichten zum Einsatz. Diese Papierschichten sind gleichzeitig für die elektrische Isolation zwischen Anodenschicht und Kathodenschicht und für die Begrenzung des Ionenstroms geeignet. Der Ionenstrom wird um so stärker gebremst, je dicker die zwischen Kathodenschicht und Anodenschicht liegende Papierschicht ist. Als Saugschicht kommt ein Papier mit einer Dichte ρ₁ < 0,6 g pro cm³ zum Einsatz. Ein Papier mit einer so geringen Dichte weist eine Vielzahl von Kanälen auf, die durch Kapillarwirkung eine am Rand des Schichtstapels applizierte Flüssigkeit nach innen saugen können. Als Speicherschicht verwendet man vorzugsweise ein Papier mit einer Dichte ρ₂ > 0,6 g pro cm³. Papiere mit dieser hohen Dichte weisen nur kleine Kanäle auf, die besonders dafür geeignet sind, den Ionenstrom im Elektrolyten zu begrenzen und damit zu einer hohen Spannungsfestigkeit des Elektrolyt-Kondensators beizutragen.
• Des weiteren ist es besonders vorteilhaft, als Saugschicht ein Papier zu verwenden, in das eine Linien- oder Wellenstruktur eingeprägt ist. Ein mit einer Wellenstruktur versehenes Papier kann beispielsweise wie ein Wellblech aussehen. Durch die eingeprägten Linien bzw. Wellen wird die Saugfähigkeit des Papier erhöht, wobei die innere Struktur weitgehend erhalten bleibt. Es kann daher ein Papier mit einer großen Dichte ρ₂ > 0,6 g pro cm³ verwendet werden. Ein solches Papier hat dann den Vorteil, daß es einerseits als Saugschicht geeignet ist, und andererseits eine erhöhte Spannungsfestigkeit aufweist, wodurch die Dicke der Speicherschicht reduziert werden kann.
• Zudem ist ein Schichtstapel besonders vorteilhaft, bei dem die Saugschicht und die zweite Speicherschicht die Lagen eines zweilagigen Papiers sind. Ein solches zweilagiges Papier kann insbesondere dann vorteilhaft verwendet werden, wenn der Schichtstapel auf einen Wickeldorn aufgewickelt wird. Das zweilagige Papier hat den Vorteil, daß es nicht so schnell reißt. Ein aus einem auf einem Wickeldorn aufgewickelten Schichtstapel hergestellter Elektrolyt-Kondensator ist besonders leicht und schnell zu realisieren. Zudem kann seine Kapazität sehr leicht durch die Anzahl der Wicklungen eingestellt werden. Die Verwendung eines zweilagigen Papiers in Bandform zum Aufwickeln auf einen Wickeldorn ist besonders vorteilhaft, weil dann nur ein Band für die Papierschicht zwischen Anodenfolie und Kathodenfolie zugeführt werden muß.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazu gehörigen Figuren näher erläutert.
• 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtstapel für einen Elektrolyt-Kondensator im schematischen Querschnitt.
• 2 zeigt eine erfindungsgemäße Saugschicht mit eingeprägter Wellenstruktur.
• 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtstapel mit einer als Anode ausgebildeten Zwischenschicht 3. Die Anode ist etwa 100 μm dick und besteht aus auf beiden Seiten mit etwa 0,2 bis 1 μm Dicke oxydiertem Aluminium. Insbesondere für die Verwendung von Hochspannungs-Elektrolyt-Kondensatoren werden in die Zwischenschicht 3 Löcher 4 geätzt, die die beiden Seiten der Zwischenschicht 3 miteinander verbinden. Das Ätzen der Löcher 4 geschieht beispielsweise durch elektrolytisches Ätzen in HCl. Die dadurch entstehenden Löcher 4 haben einen Durchmesser D zwischen 1 und 3 μm, und sind daher für den Transport einer Flüssigkeit von der Oberseite der Zwischenschicht 3 zur Unterseite der Zwischenschicht 3 geeignet. Auf der Unterseite des Schichtstapels ist eine Randschicht 7 angeordnet, die als erste Kathodenschicht ausgebildet ist. Sie ist ebenso wie die am oberen Rand des Schichtstapels angeordnete zweite Kathodenschicht 8 als 20 bis 30 μm dicke Aluminiumfolie ausgebildet, die mit einer dünnen Aluminiumoxidschicht bedeckt ist.
• An der Randschicht 7 bzw. an der zweiten Kathodenschicht 8 ist jeweils eine Speicherschicht 2, 5 angeordnet. Diese Speicherschicht besteht aus Papier mit einer Dichte von etwa 0,8 g pro cm³. Ein solches Papier kann beispielsweise aus Zellstoff gefertigt werden. Es ist aufgrund seiner Dichte dafür geeignet, dem Elektrolyt-Kondensator eine hohe Spannungsfestigkeit zu verleihen. Die beiden Speicherschichten 2, 5 müssen mit einem Elektrolyten getränkt sein. Da eine Applikation des Elektrolyten nur am Rand des Schichtstapels möglich ist, muß der Elektrolyt durch eine geeignete weitere Schicht ins Innere des Schichtstapels transportiert werden. Daher ist zwischen der zweiten Speicherschicht 5 und der Zwischenschicht 3 eine Saugschicht 1 angeordnet, die, wie durch die Pfeile angedeutet, den Elektrolyten vom Rand des Schichtstapels in sein Inneres transportiert und dabei die zweite Speicherschicht 5 mit Elektrolyt tränkt. Durch das Ausnutzen der Löcher 4 in der Zwischenschicht 3 kann mit Hilfe der Saugschicht 1 auch die erste Speicherschicht 2 mit Elektrolyt durchtränkt werden, ohne daß an der Unterseite der Zwischenschicht 3 eine weitere Saugschicht angeordnet wäre. Die Saugschicht besteht beispielsweise aus einem Papier mit einer Dichte von 0,4 g pro cm³ und hat eine Dicke von 55 μm. Sie kann beispielsweise aus Hanfpapier gefertigt werden. Die Faserabstände in einem Hanfpapier sind so groß, daß sich das Papier zum Aufsaugen von Flüssigkeiten hervorragend eignet. Da die Saugschicht 1 auch einen Beitrag zur Spannungsfestigkeit des Kondensators liefert, kann die zweite Speicherschicht 5 mit 40 μm etwas dünner gewählt werden, als die erste Speicherschicht 2 mit 65 μm. Durch den Verzicht auf eine unterhalb der Zwischenschicht 3 angeordneten zweiten Saugschicht kann mit dem erfindungsgemäßen Schichtstapel ein Elektrolyt-Kondensator hoher Kapazität und geringem Platzbedarf realisiert werden.
• 2 zeigt eine Saugschicht 1, in die eine Wellenstruktur 6 eingeprägt ist. Durch die eingeprägten Wellen hat die Saugschicht (1) eine erhöhte Saugfähigkeit, da die Wellen eine Art von Kanälen bilden, in denen Flüssigkeit transportiert werden kann. Aufgrund der erhöhten Saugfähigkeit können so ausgebildete Saugschichten 1 auch aus dichterem Papier mit einer Dichte zwischen 0,55 und 0,70 g pro cm³ gefertigt werden. Eine solche Saugschicht 1 hat dann eine höhere Spannungsfestigkeit, was dazu führt, daß die in 1 gezeigte zweite Speicherschicht 5 dünner ausgeführt werden kann, wobei der entsprechende Platz eingespart wird.
• Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beispielhaft gezeigten Ausführungsformen, sondern wird in ihrer allgemeinsten Form durch Anspruch 1 definiert.

Claims (10)

1. Schichtstapel für einen Elektrolyt-Kondensator zur Aufnahme einer Flüssigkeit mit einer Saugschicht (1) mit hoher, zum Aufsaugen der Flüssigkeit vom Rand bis in die Mitte des Schichtstapels ausreichenden Saugfähigkeit und einer ersten saugfähigen Speicherschicht (2) mit niedriger, zum Aufsaugen der Flüssigkeit vom Rand bis in die Mitte des Schichtstapels nicht ausreichenden Saugfähigkeit, zwischen denen eine an der ersten Speicherschicht (2) anliegende Zwischenschicht (3) aus nicht saugfähigem Material angeordnet ist, bei dem auf der von der Zwischenschicht (3) abgewandten Seite der ersten Speicherschicht (2) eine nicht saugfähige Randschicht (7) anliegt und bei dem die Zwischenschicht (3) durchgehende Löcher (4) aufweist, deren Anzahl, Größe und Verteilung so gewählt ist, daß ein Teil der von der Saugschicht (1) aufgesaugten Flüssigkeit über die Löcher (4) zur ersten Speicherschicht (2) gelangt und diese durchgehend tränkt.
2. Schichtstapel nach Anspruch 1, der eine an der Saugschicht (1) anliegende zweite saugfähige Speicherschicht (5) aufweist.
3. Schichtstapel nach Anspruch 2, bei dem die zweite Speicherschicht (5) an der Zwischenschicht (3) anliegt.
4. Schichtstapel nach Anspruch 2, bei dem die Saugschicht (1) an der Zwischenschicht (3) anliegt.
5. Schichtstapel nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die Saugschicht (1) ein Papier mit einer Dichte ρ₁ < 0,6 g/cm³ und die erste bzw. zweite Speicherschicht (5) ein Papier mit einer Dichte ρ₂ > 0,6 g/cm³ ist.
6. Schichtstapel nach Anspruch 1 bis 5, bei dem die Saugschicht (1) ein Papier ist, in das zur Erhöhung der Saugfähigkeit eine Linien- oder Wellenstruktur (6) eingeprägt ist.
7. Schichtstapel nach Anspruch 5 bis 6, bei dem die Saugschicht (1) und die zweite Speicherschicht (5) die Lagen eines zweilagigen Papiers sind.
8. Schichtstapel nach Anspruch 1 bis 7, der auf einen Wickeldorn aufgewickelt ist.
9. Schichtstapel nach Anspruch 1 bis 8, bei dem die Randschicht (7) eine erste Kathodenschicht ist, bei dem auf der von der Zwischenschicht (3) abgewandten Seite der Saug- bzw. zweiten Speicherschicht (1, 5) eine zweite Kathodenschicht (8) anliegt, bei dem die Zwischenschicht (3) als Anode ausgebildet ist und bei dem die Flüssigkeit ein Elektrolyt ist.
10. Schichtstapel nach Anspruch 9, bei dem die Zwischenschicht (3) eine mit einer etwa 0,5 μm dicken Aluminiumoxidschicht bedeckte Aluminiumfolie ist und bei dem die Löcher (4) elektrolytisch in die Aluminiumfolie geätzte Kanäle mit einem Durchmesser (D) zwischen 1 μm und 3 μm sind.