DE102009008497A1

DE102009008497A1 - Elektrolytischer Kondensator mit wärmereduzierender Struktur

Info

Publication number: DE102009008497A1
Application number: DE200910008497
Authority: DE
Inventors: Niels Christian Weihrauch
Original assignee: Danfoss Compressors GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2009-02-11
Publication date: 2010-08-19
Also published as: CN101877280B; CN101877280A; RU2412499C1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrolytischen Startkompensator mit einem Elektrolyten, einer zumindest teilweise unisolierten Leiterfolie aus einem elektrisch leitenden Material und mindestens zwei getrennten Kondensatorfolien. Die Kondensatorfolien sind der Leiterfolie gegenüber angeordnet. Um die Wärmeerzeugung zu reduzieren, weist der Kondensator einen Kreislauf auf, der eine elektrische Leitfähigkeit in eine Richtung von den Kondensatorfolien zur Leiterfolie vorsieht, und der eine elektrische Leitfähigkeit in die Gegenrichtung von der Leiterfolie zu den Kondensatorfolien reduziert oder verhindert.

Description

EINLEITUNG
Die Erfindung betrifft einen elektrolytischen Startkondensator mit einem Gehäuse, das einen Elektrolyten enthält, einer zumindest teilweise unisolierten Leiterfolie aus einem elektrisch leitenden Material, und mindestens zwei getrennten Kondensatorfolien, je mit einer ersten Schicht aus einem elektrisch leitenden Material und einer zweiten Schicht mit Eigenschaften, die die eines Halbleiters ähneln. Die Kondensatorfolien sind so angebracht, dass die zweiten Schichten der Leiterfolie gegenüberliegen.
Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrischen Wechselstromkreislauf mit einem Kondensator der oben genannten Art.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein elektrolytischer Kondensator hat typisch eine größere Kapazitanz per Einheitsvolumen als andere Kondensatortypen. Damit werden sie in elektrischen Kreisläufen mit verhältnismäßig hohem Strom und niedriger Frequenz wertvoll. Kondensatoren der oben genannten Art sind weit verbreitet, z. B. beim Starten von elektrischen Motoren oder zum Betrieb von elektrischen Motoren. Sie werden auch als Kopplungskondensatoren in Kreisläufen, wo Wechselstrom geleitet werden soll, jedoch Gleichstrom nicht, viel verwendet; der große Wert der Kapazitanz ermöglicht die Passage von sehr niedrigen Frequenzen.
Im Betrieb leitet der Elektrolyt einen Strom in wechselnden Richtungen zwischen den Kondensatorfolien mit der Frequenz der angeschlossenen Wechselstromversorgung. Dadurch wird der Kondensator erwärmt und im schlimmsten Fall zerstört. Die Erwärmung begrenzt die zulässige Belastung des Kondensators.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zum Schutz gegen übermäßiges Erwärmen und eine mögliche Zerstörung und damit auch zur Verbesserung von Kondensatoren, z. B. für den Start von Wechselstrommotoren, sieht die Erfindung in einem ersten Aspekt einen Kondensator der genannten Art vor, mit einem Kreislauf, der eine erste elektrische Leitfähigkeit in eine Richtung von der Leiterfolie zu den beiden ersten Schichten der Kondensatorfolie vorsieht, und eine zweite Leitfähigkeit, die niedriger ist als die erste Leitfähigkeit, in die Gegenrichtung von den beiden ersten Schichten zur Leiterfolie. Mit anderen Worten wird die elektrische Ladung von einer der ersten Schichten zur zweiten Schicht der gegenüberliegenden Kondensatorfolie zumindest teilweise durch den elektrischen Kreislauf umgeleitet, wobei weniger Wärme in den Elektrolyten und in eine der zweiten Schichten abgesetzt wird.
In dieser Verbindung bedeutet der Ausdruck, dass die ersten Schichten der Leiterfolie gegenüberliegen, dass die zweiten Schichten in Richtung der Leiterfolie orientiert sind.
Die erste Leitfähigkeit ist vorzugsweise größer als die des Elektrolyten, d. h. der Widerstand im Leitweg von der Leiterfolie zu den beiden Kondensatorfolien ist vorzugsweise niedriger durch den Kreislauf als durch den Elektrolyten. In dieser Weise wird nicht nur weniger Wärme im Elektrolyten abgesetzt, sondern kann auch ein niedrigerer Gesamtverlust erwartet werden.
Die Kondensatorfolien können leitende Aluminiumfolien aufweisen oder durch solche gebildet sein, die mit einer isolierenden Oxidschicht versehen sind, die dann die zweite Schicht eines Materials mit Halbleitereigenschaften ausmacht. Ein von Elektrolyten durchtränktes Papierabstandsstück kann zwischen den zweiten Schichten und der Leiterfolie angeordnet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung am Beispiel eines Kondensators mit einer Anzahl von zwei Kondensatorfolien und einer einzigen Leiterfolie beschrieben. In der Praxis kann jede beliebige Anzahl von Kondensatorfolien und Leiterfolien angewandt werden, solange die Kondensatorfolien mindestens zwei verschiedene elektrische Potentiale im Elektrolyten bilden, und die Leiterfolien ein im Wesentlichen identisches elektrisches Potential haben.
Im Folgenden wird eine Kondensatorfolie A genannt, die andere Kondensatorfolie B, und die Leiterfolie wird der Einfachheit halber C genannt. Im Betrieb können die Folien A und B mit einer Wechselstromquelle verbunden sein, wobei sie abwechselnd das höchste elektrische Potential haben.
Abhängig von der Richtung des Stromes aus der Wechselstromquelle wird die eine oder die beiden zweiten Schichten der Kondensatorfolien eine Anode.
Die Leiterfolie kann vorzugsweise einen größeren Oberflächenbereich als die Kondensatorfolien haben, z. B. im Bereich der Summe der Oberflächenbereiche der Kondensatorfolien. Insbesondere kann die Leiterfolie eine nicht isolierte und damit elektrisch leitende Oberfläche in Richtung der zweiten Schichten jeder der Kondensatorfolien haben, und diese Oberfläche kann ausreichend groß sein, um allen zweiten Schichten direkt benachbart zu werden, wenn die Kondensatorfolien in einer Reihe oder einer Matrix direkt neben den Leiterfolien angeordnet sind.
Die Kondensatorfolien und die Leiterfolie können flache Folien oder nicht-flache Folien sein, z. B. Buckelfolien oder Folien mit einer Struktur, die deren Oberflächenbereich erhöht.
Tantal kann z. B. als Alternative zu Aluminium angewandt werden, und generell kann jedes leitende Material für die erste Schicht der Kondensatorfolien angewandt werden. Entsprechend können die zweiten Schichten aus jedem Material mit Halbleitereigenschaften hergestellt werden, z. B. Aluminiumoxid usw.
Tantal ist mitunter teurer als Aluminium, es kann aber auch eine höhere Kapazitanz pro Einheitsvolumen vorsehen, und es kann deshalb insbesondere in platzkritischen Kreisläufen eine Alternative sein, z. B. in kleinen Verbrauchsgütern wie Handys etc.
Die Halbleitereigenschaften können von einem Halbleitermaterial wie z. B. oxidiertem Aluminium geliefert werden, oder von alternativen Materialen, die im Stand der Technik für diesen Zweck geeignet sind. In dieser Verbindung bedeutet Halbleitereigenschaften, dass ein Strom in Gegenrichtungen durch die zweite Schicht unterschiedlich geleitet wird. In einer Ausführung wird der Strom in eine Richtung fast vollständig blockiert, wobei Strom in die Gegenrichtung geleitet wird.
In einer Ausführung sind die Kondensatorfolien aus einer geätzten Folie eines Materials, das Aluminium aufweist, gemacht oder sie weisen ein derartiges Material auf.
Dass die zweiten Schichten der Leiterfolie gegenüberliegen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich die Oberflächen gegenüberliegen.
Die Schichten des Kondensators können gestapelt sein, z. B. in einem Stapel, der auch Schichten eines Papiermaterials aufweist, und der Stapel kann zur Bildung eines zylindrischen Körpers aufgerollt sein. Der Körper kann mit Anschlüssen versehen und in einem zylindrischen Gehäuse, z. B. aus Aluminium, angebracht werden.
Der elektrische Kreislauf kann entweder zum vollständigen Blockieren oder zumindest zur Begrenzung des elektrischen Stroms in Richtung von der Leiterfolie durch den Kreislauf zu den Kondensatorfolien vorgesehen sein. Insbesondere kann der Kreislauf mindestens eine Diode für jede Kondensatorfolie aufweisen. In einer Ausführung ist das Ausmaß der Leitung in Richtung von den Kondensatorelementen durch den Kreislauf zu der Leiterfolie einstellbar, oder die Leitfähigkeit in Richtung von den Kondensatorelementen durch den Kreislauf zur Leiterfolie kann automatisch eingestellt werden, z. B. aufgrund der gelieferten Energie aus einer Wechselstromquelle, auf die Kapazitanz des Kondensators usw.
Der elektrische Kreislauf, oder insbesondere jede Diode davon, kann im Gehäuse oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein.
Wie schon erwähnt, kann der Kondensator insbesondere zum Starten eines elektrischen Wechselstrommotors vorgesehen sein. Für diesen Zweck können die Kondensatorfolien zur Unterstützung einer Kapazität im Bereich von 20–400 Mikrofarad vorgesehen sein, vorzugsweise im Bereich von 80–300 Mikrofarad oder 120–200 Mikrofarad.
Die Folien sind vorzugsweise in zwei sich gegenüberliegenden Schichten angeordnet, wobei eine Schicht von der Leiterfolie ausgemacht wird und die andere Schicht aus Kondensatorfolien gebildet wird, die in einer Reihe oder einer Matrix angeordnet sind, so dass alle Oberflächen der zweiten Schicht einer nicht-isolierten und damit elektrisch leitenden Oberfläche der Leiterfolie gegenüberliegen.
In einem Aspekt sieht die Erfindung einen Kondensator der oben beschriebenen Art vor, der zwischen einem Verbraucher, z. B. einem elektrischen Motor, und einer Stromversorgung, die zur Lieferung eines Wechselstroms vorgesehen ist, angeschlossen ist, wobei die Kondensatorfolien abwechselnd die Polarität wechseln.
In einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Schutz eines elektrolytischen Startkondensators vor, der Folgendes aufweist:

– einen Elektrolyten,
– eine zumindest teilweise unisolierte Leiterfolie aus einem elektrisch leitenden Material, und
– mindestens zwei getrennte Kondensatorfolien, je mit einer ersten Schicht aus einem elektrisch leitenden Material und einer zweiten Schicht aus einem Material mit Halbleitereigenschaften,

Insbesondere kann die erste Leitfähigkeit im Vergleich zur zweiten Leitfähigkeit auf Null reduziert werden, so dass ein elektrischer Strom lediglich in eine Richtung von den ersten Schichten zur Leiterfolie geleitet werden kann. Insbesondere können die ersten und zweiten elektrischen Leitfähigkeiten von einem Leiter, wie z. B. einem gewöhnlichen Kabel oder Draht, und einer Diode versorgt werden, die derart geschaltet ist, dass sie eine Einbahn-Leitfähigkeit von jeder der ersten Schichten zur Leiterfolie vorsieht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird eine Ausführung der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
1 Perspektivansicht eines Gehäuses mit einem gewundenen Stapel von Folien,
2 einen ungewundenen Stapel von Folien.
NÄHERE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt in Perspektivansicht einen Kondensator 1 mit einem Gehäuse, das eine in einen Elektrolyten eingetauchte Rolle 3 zeigt. Die Rolle 3 ist mit Leitungen an Klemmen 4, 5 an einer äußeren Oberfläche des Gehäuses 2 angeschlossen. Das Gehäuse weist außerdem einen Kreislauf 6 auf, der unter Hinweis auf 2 näher beschrieben wird.
2 zeigt einen nicht gewundenen Stapel 7 von Folien. Der Stapel von Folien entspricht dem der Rolle 3 und weist eine zumindest teilweise unisolierte Leiterfolie 8 aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. Aluminium, auf, und mindestens zwei getrennte Kondensatorfolien 9, 10. Die Kondensatorfolien 9, 10 sind aus geätzten Folien aus einem Material, das Aluminium enthält, gefertigt, und beide weisen eine Schicht eines elektrisch leitenden Materials und eine Schicht eines Halbleitermaterials auf.
Die Kondensatorfolien 9, 10 sind in einer Reihe angeordnet, so dass beide eine Oberfläche haben, die einer Oberfläche der Leiterfolie 8 gegenüberliegt. Wenn der Stapel 7 zur Bildung einer Rolle 3 gewunden wird, wird die Rolle in dem Gehäuse 2 angeordnet, das den Elektrolyten enthält.
Der Kreislauf 11 ist zwischen der Leiterfolie 8 und einer der Kondensatorfolien 9 angeschlossen, und der Kreislauf 12 ist zwischen der Leiterfolie 8 und der anderen der Kondensatorfolien 10 angeschlossen. Wenn der Stapel 7 gewunden wird, und die Rolle 3 in dem Gehäuse 2 angeordnet wird, bilden die Kreisläufe 11 und 12 gemeinsam den früher erwähnten Kreislauf 6.
Jeder der Kreisläufe 11, 12 enthält eine Diodenstruktur, mit dem ein elektrischer Strom von der Schicht eines elektrisch leitenden Materials, auch ”die erste Schicht” von jeder Kondensatorfolie 9, 10 genannt, durch den Kreislauf 6 zur Leiterfolie 8 erlaubt wird, und mit dem ein elektrischer Strom in die Gegenrichtung von der Leiterfolie 8 durch den Kreislauf 6 zu den Kondensatorfolien 9, 10 verhindert wird.

Claims

Elektrolytischer Startkondensator (1) mit einem Gehäuse (2), das Folgendes aufweist: – einen Elektrolyten, – eine zumindest teilweise unisolierte Leiterfolie (8) aus einem elektrisch leitenden Material, und – mindestens zwei getrennte Kondensatorfolien (9, 10), je mit einer ersten Schicht aus einem elektrisch leitenden Material und einer zweiten Schicht mit Halbleitereigenschaften, wobei die Kondensatorfolien (9, 10) mit den zweiten Schichten gegenüber der Leiterfolie (8) angeordnet sind, der Kondensator einen Kreislauf (11, 12) aufweist, der eine erste elektrische Leitfä higkeit in eine Richtung von der Leiterfolie zu jeder der ersten Schichten der Kondensatorfolien, und eine zweite Leitfähigkeit, die höher ist als die erste Leitfähigkeit in die Gegenrichtung von jeder der ersten Schichten zur Leiterfolie.
Kondensator nach Anspruch 1, in dem der Kreislauf (11, 12) mindestens eine Diode für jede Kondensatorfolie aufweist.
Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, in dem die Dioden außerhalb des Gehäuses (2) angeordnet sind.
Kondensator nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Kondensatorfolien (9, 10) zur Unterstützung einer Kapazität im Bereich 20–400 Mikrofarad vorgesehen sind.
Kondensator nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Leiterfolie (8) in einem elektrischen Potential im Elektrolyten schwimmt.
Kondensator nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Folien (8, 9, 10) in zwei sich gegenüberliegenden Schichten angeordnet sind, wobei eine Schicht von der Leiterfolie (8) gebildet wird, und die andere Schicht von den Kondensatorfolien (9, 10) gebildet wird, die in einer Reihe oder in einer Matrix angeordnet sind, so dass alle eine Oberfläche haben, die einer Oberfläche der Leiterfolie (8) gegenüberliegt.
Kondensator nach Anspruch 6, in dem die elektrische Leitfähigkeit in die Richtung von den ersten Schichten zur Leiterfolie (8) einstellbar ist.
Kondensator nach Anspruch 7, in dem die elektrische Leitung in die Richtung von der Leiterfolie (8) zu den ersten Schichten im Wesentlichen verhindert wird.
Kondensator nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, der mit einer Stromversorgung verbunden ist, die zur Lieferung eines Wechselstroms vorgesehen ist, wobei die Polarität der Kondensatorfolien (9, 10) wechselt.
Elektrischer Kreislauf mit einer Stromversorgung und einem elektrolytischen Kondensator nach jedem der Ansprüche 1–9.
Kreislauf nach Anspruch 10, in dem die Stromversorgung zur Lieferung eines Wechselstroms vorgesehen ist.
Kreislauf nach Anspruch 10 oder 11, der zusätzlich einen elektrischen Wechselstrommotor aufweist.
Verfahren zum Schutz eines elektrolytischen Startkondensators, der Folgendes aufweist: – einen Elektrolyten, – eine zumindest teilweise unisolierte Leiterfolie aus einem elektrisch leitenden Material, und – mindestens zwei getrennte Kondensatorfolien, je mit einer ersten Schicht aus einem elektrisch leitenden Material und einer zweiten Schicht aus einem Material mit Halbleitereigenschaften, wobei das Verfahren die Anbringung der Kondensatorfolien mit den zweiten Schichten gegenüber der Leiterfolie vorsieht, um die Leitung eines elektrischen Stromes von einer der ersten Schichten zur Leiterfolie durch den Elektrolyten zu ermöglichen, und eine erste elektrische Leitfähigkeit in eine Richtung von der Leiterfolie zu jeder der ersten Schichten der Kondensatorfolie vorsieht, und eine zweite elektrische Leitfähigkeit, die viel höher ist als die erste elektrische Leitfähigkeit in die Gegenrichtung von jeder der ersten Schichten zur Leiterfolie.
Verfahren nach Anspruch 13, in dem die erste Leitfähigkeit Null ist, so dass ein elektrischer Strom nur von den ersten Schichten zur Leiterfolie geleitet werden kann, und nicht in die Gegenrichtung von der Leiterfolie zu den ersten Schichten.