DE102016211159A1 - Condenser dielectric material, film winding capacitor and process for its production - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kondensatordielektrikumwerkstoff für einen elektrischen Kondensator (1), mit einem Keramikwerkstoff (12) und mit einem Matrixwerkstoff (13), in dem der Keramikwerkstoff (12) enthalten ist, wobei der Kondensatordielektrikumwerkstoff durch Aufschmelzen verflüssigbar ist, sodass er verflüssigt auf eine Kondensatorelektrode auftragbar ist. Die Erfindung betrifft auch einen Folienwickelkondensator mit einem solchen Kondensatordielektrikumwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Folienwickelkondensators (1).The invention relates to a capacitor dielectric material for an electrical capacitor (1), comprising a ceramic material (12) and a matrix material (13), in which the ceramic material (12) is contained, wherein the capacitor dielectric material is liquefied by melting, so that it liquifies to a Capacitor electrode can be applied. The invention also relates to a film winding capacitor comprising such a capacitor dielectric material and to a method for producing such a film winding capacitor (1).
Description
Die Erfindung betrifft einen Kondensatordielektrikumwerkstoff, einen Folienwickelkondensator mit einem solchen Kondensatordielektrikumwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung des Folienwickelkondensators.The invention relates to a capacitor dielectric material, a film winding capacitor with such a capacitor dielectric material and a method for producing the film winding capacitor.
Bekannt sind gewickelte Folienkondensatoren (= Folienwickelkondensatoren) auf Basis eines beschichteten Polymermaterials, wie beispielsweise PET oder PP. Metallisch beschichtete Polymerfolien werden hierbei seitlich überlappend gewickelt und anschließend mit elektrischen Kontaktierungen versehen. Danach kann der Wickel in ein Kondensatorgehäuse eingebracht werden. Das Polymermaterial dient hierbei als Kondensatordielektrikumwerkstoff, also als das Dielektrikum des Kondensators. Solche Kondensatoren sind sehr kostengünstig zu fertigen und werden beispielsweise für Zwischenkreiskondensatoren in Leistungselektronikmodulen, wie in Wechselrichtern, eingesetzt. Ihre Stromtragfähigkeit ist entsprechend der Dicke der Metallisierung mittelmäßig bis hoch. Die Temperaturbeständigkeit liegt bei PET- oder PP-Folien üblicherweise bei maximal 105°C. Höhere Temperaturen sind mit anderen Polymermaterialien erreichbar, allerdings steigen dann die Kosten sehr stark an und auch technische Kompromisse gehen damit einher.Are known wound film capacitors (= film winding capacitors) based on a coated polymer material, such as PET or PP. Metallically coated polymer films are hereby wound overlapping laterally and then provided with electrical contacts. Thereafter, the winding can be introduced into a capacitor housing. The polymer material serves as a capacitor dielectric material, ie as the dielectric of the capacitor. Such capacitors are very inexpensive to manufacture and are used, for example, for DC link capacitors in power electronics modules, such as in inverters. Their ampacity is mediocre to high according to the thickness of the metallization. The temperature resistance of PET or PP films is usually a maximum of 105 ° C. Higher temperatures can be achieved with other polymer materials, but then the costs increase very much and also technical compromises go along with it.
Um die Kapazitätsdichte und gleichzeitig die Temperaturbeständigkeit weiter steigern zu können, ist ein Wechsel des Dielektrikumwerkstoffs erforderlich. Keramik könnte hier einen guten Kompromiss bieten. Allerdings sind die heute bekannten Fertigungsverfahren für Kondensatoren mit keramischen Dielektrikumwerkstoffen teuer. Keramikkondensatoren werden flach und Schicht für Schicht gestapelt aufgebaut, wobei immer abwechselnd keramischer Isolatorwerkstoff und elektrischer Leiter aufgetragen werden. Je dünner dabei die Schichten sind, desto höher ist die erzielbare Kapazitätsdichte. Ein Keramikvielschicht-Kondensator besteht somit in der Regel aus vielen einzelnen Kondensatoren, die übereinander geschichtet und über Anschlussflächen gemeinsam in Parallelschaltung kontaktiert werden. Von den heute bekannten Fertigungsverfahren für Keramikkondensatoren ist die Vielschicht-Technik (MLCC) die interessanteste bezüglich der wichtigsten Vergleichsgröße: Kapazitätsdichte pro Volumen bei gegebener Spannung.In order to increase the capacity density and at the same time the temperature resistance, a change of the dielectric material is required. Ceramics could offer a good compromise here. However, the manufacturing methods known today for capacitors with ceramic dielectric materials are expensive. Ceramic capacitors are built flat and stacked layer by layer, with alternating ceramic insulator material and electrical conductors being applied alternately. The thinner the layers, the higher the achievable capacity density. A ceramic multilayer capacitor thus usually consists of many individual capacitors, which are stacked on top of each other and are contacted via connection surfaces together in parallel. Of the manufacturing methods for ceramic capacitors known today, multilayer technology (MLCC) is the most interesting in terms of the most important comparison variable: capacitance density per volume at a given voltage.
Der dazu erforderliche Stapelprozess ist allerdings aufwändig, fehleranfällig und teuer. Fehlende Selbstheilungseigenschaften führen dazu, dass ein einziger Fehler, beispielsweise ein Kurzschluss, zum Ausfall des gesamten Kondensators führen kann. Deshalb werden auf diese Art nur relativ kleine Kondensatoren bis zu einigen hundert nF gefertigt. Die Fertigung von großen Kondensatoren bis in den 1 mF Bereich verbietet sich bisher normalerweise aus technischen und wirtschaftlichen Gründen.The batch process required for this, however, is time-consuming, error-prone and expensive. Missing self-healing properties mean that a single fault, such as a short circuit, can lead to failure of the entire capacitor. Therefore, only relatively small capacitors up to several hundred nF are manufactured in this way. The production of large capacitors down to the 1 mF range has hitherto generally been prohibited for technical and economic reasons.
Aus der
Nachteilig an diesem Herstellungsverfahren ist, dass ein extra Schritt zum Austreiben der organischen Komponenten aus der aufgetragenen Metalloxid-Alkoholat-Lösung erforderlich ist.A disadvantage of this production method is that an extra step for expelling the organic components from the applied metal oxide-alcoholate solution is required.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kondensatordielektrikumwerkstoff bereitzustellen, der eine einfache Herstellung eines Folienwickelkondensators ermöglicht, sowie einen einfacher hergestellten Folienwickelkondensator und ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines Folienwickelkondensators bereitzustellen.The object of the invention is to provide a capacitor dielectric material which allows a simple production of a film winding capacitor, as well as to provide a film winding capacitor produced in a simpler way and a simple method for producing a film winding capacitor.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Hautpansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen entnehmbar. Demnach werden vorgeschlagen: ein Kondensatordielektrikumwerkstoff, ein Folienwickelkondensator mit einem solchen Kondensatordielektrikumwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Folienwickelkondensators mit dem Kondensatordielektrikumwerkstoff.This task is solved by the features of the skin spokes. Preferred embodiments are the dependent claims. Accordingly, there are proposed: a capacitor dielectric material, a film winding capacitor with such a capacitor dielectric material and a method for producing such a film winding capacitor with the capacitor dielectric material.
Der vorgeschlagene Kondensatordielektrikumwerkstoff ist für einen elektrischen Kondensator ausgelegt. Er dient dort als Dielektrikum. Dazu wird er im Kondensator zwischen zwei Elektroden angeordnet. Der vorgeschlagene Kondensatordielektrikumwerkstoff verfügt über einen Keramikwerkstoff als Dielektrikum sowie einen Matrixwerkstoff, in dem der Keramikwerkstoff enthalten ist. Insbesondere ist der Keramikwerkstoff in dem Matrixwerkstoff dispergiert oder aufgelöst. Insbesondere besteht der Kondensatordielektrikumwerkstoff aus genau diesem einen Keramikwerkstoff sowie diesem einen Matrixwerkstoff. Es ist vorgesehen, dass der Kondensatordielektrikumwerkstoff durch Aufschmelzen verflüssigbar ist, sodass er verflüssigt auf eine Kondensatorelektrode auftragbar ist.The proposed capacitor dielectric material is designed for an electrical capacitor. He serves as a dielectric there. For this purpose it is arranged in the capacitor between two electrodes. The proposed capacitor dielectric material has a ceramic material as a dielectric as well as a matrix material in which the ceramic material is contained. In particular, the ceramic material is dispersed or dissolved in the matrix material. In particular, the capacitor dielectric material consists of precisely this one ceramic material and this one matrix material. It is envisaged that the capacitor dielectric material by melting is liquefiable, so that it is liquefied on a capacitor electrode can be applied.
Zur Beschichtung einer Kondensatorelektrode wird demnach der Aggregatzustand des Kondensatordielektrikumwerkstoffs zunächst auf flüssig geändert. Dazu wird der Kondensatordielektrikumwerkstoff aufgeheizt. Nach dem Auftragen auf die Elektrode wird der Werkstoff durch Abkühlen zurück in seinen festen Aggregatzustand überführt. Das Abkühlen kann selbständig oder mit Hilfe einer extra Kühlvorrichtung erfolgen, wie beispielsweise einem Kühlaggregat oder einem Kühlgebläse. Unmittelbar nach dem Verfestigen des Kondensatordielektrikumwerkstoff kann dann ein Kondensator durch Aufwickeln der beschichteten Elektrode gewickelt werden. Insbesondere ist eine Kondensatorelektrode aus Metallfolie mit dem so aufgeschmolzenen Kondensatordielektrikumwerkstoff beschichtbar.For coating a capacitor electrode, the state of aggregation of the capacitor dielectric material is therefore initially changed to liquid. For this purpose, the capacitor dielectric material is heated. After application to the electrode, the material is converted back to its solid state by cooling. The cooling can be done independently or with the aid of an extra cooling device, such as a cooling unit or a cooling fan. Immediately after solidifying the capacitor dielectric material, a capacitor may then be wound by winding the coated electrode. In particular, a capacitor electrode made of metal foil can be coated with the capacitor dielectric material thus melted.
Insbesondere ist der Matrixwerkstoff durch das Aufschmelzen verflüssigbar. Bei dem Matrixwerkstoff handelt es sich demnach insbesondere um thermoplastischen Werkstoff. Der im Matrixwerkstoff enthaltene Keramikwerkstoff kann im aufgeschmolzenen Zustand des Matrixwerkstoffes weiterhin fest sein. Mit anderen Worten liegt dann bevorzugt der Schmelzpunkt des Matrixwerkstoffes unterhalb des Schmelzpunktes des Keramikwerkstoffes, insbesondere deutlich darunter. Beispielsweise beträgt die Differenz zwischen den Schmelzpunkten von Keramikwerkstoff und Matrixwerkstoff über 500 Kelvin, insbesondere über 1000 Kelvin.In particular, the matrix material can be liquefied by the melting. The matrix material is accordingly in particular a thermoplastic material. The ceramic material contained in the matrix material may continue to be solid in the molten state of the matrix material. In other words, the melting point of the matrix material is then preferably below the melting point of the ceramic material, in particular clearly below it. For example, the difference between the melting points of the ceramic material and the matrix material is more than 500 Kelvin, in particular more than 1000 Kelvin.
Bevorzugt liegt der Schmelzpunkt des Matrixwerkstoffes über der maximalen Betriebstemperatur eines üblichen elektrischen Kondensators (150–200°C). Der Kondensatordielektrikumwerkstoff ist somit bevorzugt noch mindestens bis zu einer maximalen Kondensatorbetriebstemperatur oder bis zu einer Temperatur von 200°C fest. Der Schmelzpunkt des Keramikwerkstoffes kann entsprechend darüber liegen.Preferably, the melting point of the matrix material is above the maximum operating temperature of a conventional electrical capacitor (150-200 ° C). The capacitor dielectric material is thus preferably still at least up to a maximum capacitor operating temperature or up to a temperature of 200 ° C fixed. The melting point of the ceramic material can be correspondingly higher.
Bevorzugt ist der Matrixwerkstoff mindestens bis zu einer maximalen Kondensatorbetriebstemperatur oder bis zu einer Temperatur von 200°C nicht-ausdampfend. Also dampfen bis zu dieser Temperatur im Wesentlichen keine Bestandteile, wie beispielsweise Lösungsmittel oder Weichmacher etc., aus dem Matrixwerkstoff aus. Bis zu dieser Temperatur findet also keine Degradation oder Veränderung der stofflichen Zusammensetzung des Matrixwerkstoffs statt. Da der Matrixwerkstoff den Keramikwerkstoff enthält und der Keramikwerkstoff insbesondere thermisch beständiger ist als der Matrixwerkstoff, findet bis dorthin insbesondere auch keine Degradation des Kondensatordielektrikumwerkstoff an sich statt.The matrix material is preferably non-evaporating at least up to a maximum condenser operating temperature or up to a temperature of 200 ° C. Thus, up to this temperature substantially no components, such as solvents or plasticizers, etc. evaporate from the matrix material. Up to this temperature, therefore, no degradation or change in the material composition of the matrix material takes place. Since the matrix material contains the ceramic material and the ceramic material is in particular thermally more resistant than the matrix material, no degradation of the capacitor dielectric material up to this point takes place per se.
Zur Herstellung eines Kondensators mit dem Kondensatordielektrikumwerkstoff wird dieser Werkstoff somit bevorzugt zunächst über den Schmelzpunkt des Matrixwerkstoffes, jedoch noch unterhalb des Schmelzpunktes des Keramikwerkstoffes erwärmt. Beispielsweise auf eine Temperatur größer 200°C und kleiner 500°C. Somit tritt die Verflüssigung des Matrixwerkstoffes und damit des Kondensatordielektrikumwerkstoff auf. Der so durch Aufschmelzen verflüssigte Kondensatordielektrikumwerkstoff kann dann auf eine Kondensatorelektrode aufgetragen werden. Anschließend wird der Kondensatordielektrikumwerkstoff abgekühlt, beispielsweise auf eine Umgebungs- oder Zimmertemperatur (20–25°C), zumindest bis er erstarrt. Anschließend kann mit der so beschichteten Elektrode ein Wickelkondensator gewickelt werden.To produce a capacitor with the capacitor dielectric material, this material is thus preferably first heated above the melting point of the matrix material, but still below the melting point of the ceramic material. For example, to a temperature greater than 200 ° C and less than 500 ° C. Thus, the liquefaction of the matrix material and thus of the capacitor dielectric material occurs. The condensate dielectric material thus liquefied by melting can then be applied to a capacitor electrode. Subsequently, the capacitor dielectric material is cooled, for example to an ambient or room temperature (20-25 ° C), at least until it solidifies. Subsequently, a wound capacitor can be wound with the thus coated electrode.
Die Abkühlung des aufgetragenen Kondensatordielektrikumwerkstoffs vor der Weiterverarbeitung, beispielsweise vor dem Wickeln zum Kondensator, braucht nicht vollständig auf Umgebungstemperatur erfolgen. So kann die Abkühlung bis zu einer gewissen Verarbeitungstemperatur, die über der Umgebungstemperatur oder die über der späteren Betriebstemperatur des damit hergestellten Kondensators liegt (also insbesondere größer 200°C), erfolgen. Bei dieser Verarbeitungstemperatur weist der Kondensatordielektrikumwerkstoff bzw. der Matrixwerkstoff zwar bereits eine gewisse Festigkeit auf, er ist jedoch nicht vollständig erstarrt. Er verfügt somit noch über eine erhöhte Flexibilität, durch welche er gut plastisch verformbar und dadurch einfach weiterverarbeitbar ist. Somit kann insbesondere ein Wickelprozess zur Herstellung eines Wickelkondensators mit dem Kondensatordielektrikumwerkstoff erleichtert werden.The cooling of the applied capacitor dielectric material before further processing, for example before winding to the capacitor, does not have to be completely carried out at ambient temperature. Thus, the cooling to a certain processing temperature, which is above the ambient temperature or above the subsequent operating temperature of the capacitor produced therewith (ie in particular greater than 200 ° C), take place. Although the capacitor dielectric material or the matrix material already has a certain strength at this processing temperature, it is not completely solidified. He thus still has an increased flexibility, by which he is well plastically deformable and thus easy weiterverarbeitbar. Thus, in particular, a winding process for producing a wound capacitor with the capacitor dielectric material can be facilitated.
Der vorgeschlagene Kondensatordielektrikumwerkstoff benötigt kein extra Ausbrennen oder anderweitiges Austreiben des Matrixwerkstoffes nach der Beschichtung auf eine Elektrode. Der Matrixwerkstoff bildet in dem fertigen Kondensator also zusammen mit dem Keramikwerkstoff ein Teil des Dielektrikums. Dabei können die dielektrischen Eigenschaften des Keramikwerkstoffs denjenigen des Matrixwerkstoffes weit überlegen sein. Beispielsweise kann die relative Permittivität des Matrixwerkstoffes deutlich geringer sein als diejenige des Keramikwerkstoffs.The proposed capacitor dielectric material does not require extra burn-out or otherwise expulsion of the matrix material after coating on an electrode. The matrix material thus forms a part of the dielectric in the finished capacitor together with the ceramic material. In this case, the dielectric properties of the ceramic material can be far superior to those of the matrix material. For example, the relative permittivity of the matrix material may be significantly lower than that of the ceramic material.
Die Elektrode, auf die der Kondensatordielektrikumwerkstoff aufgetragen wird, ist insbesondere eine Folie. Hierbei handelt es sich bevorzugt um eine (dünne) Metallfolie, wie Kupfer- oder Aluminiumfolie. Die Folie ist insbesondere als Blech ausgeführt, also als Vollmetallfolie. Die Folie selbst besteht dann insbesondere aus einer einzigen homogenen Metalllage.The electrode to which the capacitor dielectric material is applied is in particular a foil. This is preferably a (thin) metal foil, such as copper or aluminum foil. The film is designed in particular as a sheet, ie as a solid metal foil. The film itself then consists in particular of a single homogeneous metal layer.
Der Keramikwerkstoff liegt bevorzugt feinstverteilt, also als dispergiertes Pulver in dem Matrixwerkstoff vor. Alternativ kann der Keramikwerkstoff in dem Matrixwerkstoff aufgelöst vorliegen. In letzterem Fall bildet der Matrixwerkstoff also ein Lösungsmittel für den Keramikwerkstoff. Es hat sich herausgestellt, dass eine mittlere (also durchschnittliche) Korngröße des in den Matrixwerkstoff eingebrachten Keramikwerkstoffes maximal 100 nm betragen sollte. Besonders bevorzugt liegt demnach die mittlere Korngröße des Keramikwerkstoffes unter 100 nm. Hierzu ist der Keramikwerkstoff insbesondere feinst vermahlen. The ceramic material is preferably finely divided, that is, as a dispersed powder in the matrix material. Alternatively, the ceramic material may be dissolved in the matrix material. In the latter case, the matrix material thus forms a solvent for the ceramic material. It has been found that a mean (ie average) grain size of the ceramic material introduced into the matrix material should be at most 100 nm. Accordingly, the average particle size of the ceramic material is particularly preferably less than 100 nm. For this purpose, the ceramic material is in particular finely ground.
Bevorzugt ist der Matrixwerkstoff organisch. Er basiert somit insbesondere auf Kohlenstoffketten. Möglich ist jedoch auch, dass er auf Si-Ketten basiert. Bevorzugt handelt es sich bei dem Matrixwerkstoff um einen organischen Thermoplasten. Bevorzugt besteht der Matrixwerkstoff aus Polytetraflourethylen (= PTFE) und/oder syndiotaktischem Polystyrol (= SPS) oder beinhaltet diese(s). Somit kann der Matrixwerkstoff insbesondere aus einem dieser beiden Stoffe bestehen oder diesen beinhalten, oder er kann aus einer Mischung dieser beiden Stoffe bestehen oder diese beiden beinhalten. Diese Werkstoffe haben sich als besonders geeigneter Matrixwerkstoff herausgestellt.The matrix material is preferably organic. It is thus based in particular on carbon chains. However, it is also possible that he is based on Si chains. The matrix material is preferably an organic thermoplastic. Preferably, the matrix material of polytetrafluoroethylene (= PTFE) and / or syndiotactic polystyrene (= SPS) or includes these (s). Thus, the matrix material may in particular consist of or contain one of these two substances, or it may consist of or comprise a mixture of these two substances. These materials have proven to be a particularly suitable matrix material.
Der Keramikwerkstoff besteht besonders bevorzugt aus Blei-Zirkonat-Titanat (= PZT) oder beinhaltet dieses. Auch dieser Werkstoff hat sich als besonders geeignet hierfür herausgestellt. Bevorzugt wird ein Kondensatordielektrikumwerkstoff eingesetzt, bei dem der Matrixwerkstoff aus PTFE und/oder SPS besteht und der Keramikwerkstoff aus PZT.The ceramic material is particularly preferably made of lead zirconate titanate (= PZT) or includes this. Also, this material has been found to be particularly suitable for this. Preferably, a capacitor dielectric material is used in which the matrix material consists of PTFE and / or SPS and the ceramic material of PZT.
Der vorgeschlagene Folienwickelkondensator weist eine erste elektrisch leitfähige Folie als erste Kondensatorelektrode sowie eine zweite elektrisch leitfähige Folie als zweite Kondensatorelektrode auf. Die erste und/oder zweite Folie ist bzw. sind hierbei mit dem vorgeschlagenen Kondensatordielektrikumwerkstoff beschichtet und gemeinsam aufgewickelt. Dadurch, dass ein Austreiben des Matrixwerkstoffes aus dem Kondensatordielektrikumwerkstoff entfällt, kann ein solcher Kondensator einfach hergestellt werden.The proposed film winding capacitor has a first electrically conductive film as a first capacitor electrode and a second electrically conductive film as a second capacitor electrode. The first and / or second film is or are coated with the proposed capacitor dielectric material and wound together. By eliminating expulsion of the matrix material from the capacitor dielectric material, such a capacitor can be easily manufactured.
Bevorzugt sind zwischen einer Wickellage der ersten Folie und einer Wickellage der zweiten Folie genau eine oder genau zwei Schichten des Kondensatordielektrikumwerkstoffs angeordnet. Es kann dazu nur eine der beiden Folien mit dem Kondensatordielektrikumwerkstoff beidseitig beschichtet werden, bevor die beiden Folien zusammen aufgerollt werden. Alternativ können beide Folien nur einseitig mit dem Kondensatordielektrikumwerkstoff beschichtet werden. Dadurch bildet sich die genau eine Schicht vom Kondensatordielektrikumwerkstoff zwischen den Wickellagen aus.Preferably, exactly one or exactly two layers of the capacitor dielectric material are arranged between a winding layer of the first film and a winding layer of the second film. It can be coated on both sides only one of the two films with the capacitor dielectric material before the two films are rolled up together. Alternatively, both films can be coated on one side only with the capacitor dielectric material. As a result, exactly one layer of the capacitor dielectric material is formed between the winding layers.
Es können auch beide Folien beidseitig mit dem Kondensatordielektrikumwerkstoff beschichtet werden, bevor die beiden Folien zusammen aufgerollt werden. Dadurch bildet sich die genau zwei Schicht vom Kondensatordielektrikumwerkstoff zwischen den Wickellagen aus. Wenn zwei Schichten Kondensatordielektrikumwerkstoff vorgesehen sind, können die Dicken der einzelnen Schichten verringert sein, wodurch sich im Endeffekt dieselbe Dicke an Dielektrikum zwischen den Wickellagen ergeben kann, wie bei lediglich einer Schicht.It is also possible for both films to be coated on both sides with the capacitor dielectric material before the two films are rolled up together. As a result, exactly two layers of capacitor dielectric material are formed between the winding layers. If two layers of capacitor dielectric material are provided, the thicknesses of the individual layers may be reduced, which may ultimately result in the same thickness of dielectric between the winding layers as in a single layer.
Wie obig erläutert ist die Folie bevorzugt eine Metallfolie wie ein (dünnes) Metallblech. Insbesondere ist die Folie aus Aluminium oder Kupfer (Legierungen hiervon bzw. mit einem dieser Metalle als Hauptbestandteil sind mitumfasst), also eine Aluminium- oder Kupferfolie. Alternativ kann es sich um eine metallbeschichtete, beispielsweise bedampfte, Folie handeln. Die Folie dient als Elektrode des Kondensators. Dementsprechend sollte ihr elektrischer Widerstand gering sein, was bei Aluminium- oder Kupferfolie der Fall ist.As explained above, the film is preferably a metal foil such as a (thin) metal sheet. In particular, the film of aluminum or copper (alloys thereof or with one of these metals as the main component are included), so an aluminum or copper foil. Alternatively, it may be a metal-coated, for example steamed, foil. The foil serves as the electrode of the capacitor. Accordingly, their electrical resistance should be low, which is the case with aluminum or copper foil.
Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren dient zur Herstellung des vorgeschlagenen Folienwickelkondensators bzw. eines Folienkondensators mit dem vorgeschlagenen Kondensatordielektrikumwerkstoff.The proposed manufacturing method is used to produce the proposed film winding capacitor or a film capacitor with the proposed capacitor dielectric material.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens wird in einem ersten Schritt der Kondensatordielektrikumwerkstoff durch Aufschmelzen verflüssigt. Insbesondere wird der Matrixwerkstoff durch Aufschmelzen verflüssigt. Der Keramikwerkstoff kann dann weiterhin fest, jedoch im Matrixwerkstoff feinstverteilt sein.As part of the proposed method, the capacitor dielectric material is liquefied by melting in a first step. In particular, the matrix material is liquefied by melting. The ceramic material can then continue to be solid, but finely distributed in the matrix material.
In einem an den ersten Schritt anschließenden zweiten Schritt wird die erste und/oder zweite Folie mit dem so verflüssigten Kondensatordielektrikumwerkstoff beschichtet. Je nachdem, ob eine oder zwei Lagen von Kondensatordielektrikumwerkstoff zwischen den späteren Wickellagen des Kondensators vorgesehen sind, wird nur eine oder es werden beide Folien (je einseitig oder beidseitig) beschichtet. Bevorzugt erfolgt die Beschichtung dergestalt, dass der Kondensatordielektrikumwerkstoff durch ein Sprühverfahren oder ein Tauchverfahren auf die jeweilige Folie aufgebracht wird. Gegebenenfalls erfolgen auch mehrere solcher Beschichtungsvorgänge, bis die gewünschte Schichtdicke an Kondensatordielektrikumwerkstoff erreicht ist.In a second step following the first step, the first and / or second film is coated with the thus condensed capacitor dielectric material. Depending on whether one or two layers of capacitor dielectric material are provided between the later winding layers of the capacitor, only one or both films (one-sided or two-sided) are coated. The coating preferably takes place in such a way that the capacitor dielectric material is applied to the respective film by a spraying method or a dipping method. Optionally, several such coating operations take place until the desired layer thickness of capacitor dielectric material is reached.
In einem daran anschließenden dritten Schritt wird der aufbeschichtete Kondensatordielektrikumwerkstoff abgekühlt, sodass er sich verfestigt. Wie erläutert, braucht er hierbei nicht vollständig erstarrt zu sein. Bevorzugt weist er weiterhin eine Verarbeitungstemperatur auf, welche eine gewisse (erhöhte) Flexibilität zur weiteren Verarbeitung, insbesondere dem folgenden Aufwickeln, gestattet.In a subsequent third step, the coated capacitor dielectric material is cooled so that it solidifies. As explained, he does not need to be completely frozen in this case. Preferably, it further has a processing temperature which is a certain (increased) Flexibility for further processing, in particular the subsequent winding allowed.
In einem daran anschließenden vierten Schritt wird der Folienkondensator durch gemeinsames Aufwickeln der Folien gewickelt. Hierbei werden also die beiden Folien zusammen mit dem aufbeschichteten Kondensatordielektrikumwerkstoff gewickelt. Dadurch ergibt sich ein Aufbau des Kondensators, bei dem sich im Querschnitt eine Wickellage der ersten Folie durch eine Wickellage der zweiten Folie mit dem dazwischen liegenden Dielektrikumwerkstoff ablösen.In a subsequent fourth step, the film capacitor is wound by winding the films together. In this case, therefore, the two films are wound together with the coated capacitor dielectric material. This results in a structure of the capacitor, in which a winding layer of the first film in cross-section peel off through a winding layer of the second film with the interposed dielectric material.
In dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren ist ein Ausbacken oder anderweitiges Austreiben des Matrixwerkstoffs oder Inhaltsstoffen davon nicht erforderlich. Ein solcher Schritt ist daher insbesondere bewusst nicht vorgesehen. Das vorgeschlagene Verfahren ist somit energieeffizient und kostengünstig durchführbar.Baking or otherwise expelling the matrix material or ingredients thereof is not required in the proposed manufacturing process. Such a step is therefore deliberately not intended. The proposed method is thus energy efficient and inexpensive feasible.
Insbesondere erfolgt das Auftragen des Kondensatordielektrikumwerkstoffs auf die Folie(n) durch Aufsprühen mit zumindest einer Düse. Dabei kann die Verflüssigung des Dielektrikumwerkstoffes insbesondere dadurch erfolgen, dass die Düse beheizt ist. Der Kondensatordielektrikumwerkstoffs wird dann in fester Form der Düse zugeführt, darin erhitzt und dadurch verflüssigt. Durch eine Düsenöffnung wird der verflüssigte Werkstoff dann in Richtung der Folie(n) ausgestoßen und diese damit beschichtet. Alternativ dazu kann der Kondensatordielektrikumwerkstoff auch bereits durch Aufschmelzen verflüssigt der Düse zugeführt werden. Dann dient diese lediglich zum Versprühen des Werkstoffes und nicht zusätzlich zur Verflüssigung.In particular, the application of the capacitor dielectric material to the film (s) takes place by spraying with at least one nozzle. In this case, the liquefaction of the dielectric material can be effected in particular in that the nozzle is heated. The capacitor dielectric material is then fed in solid form to the nozzle, heated therein and thereby liquefied. Through a nozzle opening of the liquefied material is then ejected in the direction of the film (s) and this coated. As an alternative to this, the capacitor dielectric material can also be liquefied and fed to the nozzle by melting. Then this serves only for spraying the material and not in addition to liquefaction.
Besonders bevorzugt ist die Schichtdicke des auf die erste und/oder zweite Folie aufgetragenen Kondensatordielektrikumwerkstoff ausreichend gering, dass der beim Beschichten stattfindende Wärmeabfluss vom Kondensatordielektrikumwerkstoff auf diese Folie zur Verfestigung des Kondensatordielektrikumwerkstoff führt. Vorteil hiervon ist, dass der Kondensator unmittelbar nach dem Beschichten gewickelt werden kann. Hierzu weist die Folie kurz vor dem Beschichtungsschritt eine geringere Temperatur auf, als der Kondensatordielektrikumwerkstoff beim Beschichten bzw. Auftragen auf die Folie.Particularly preferably, the layer thickness of the capacitor dielectric material applied to the first and / or second film is sufficiently low that the heat discharge from the capacitor dielectric material during coating on this film leads to the solidification of the capacitor dielectric material. The advantage of this is that the capacitor can be wound immediately after coating. For this purpose, the film has a lower temperature shortly before the coating step than the capacitor dielectric material during coating or application to the film.
Die Folie kann dazu extra heruntergekühlt werden. Normalerweise reicht es jedoch aus, wenn die Folie Raumtemperatur aufweist. Durch die üblicherweise gute thermische Leitfähigkeit der Folie, insbesondere wenn sie als Metallfolie ausgeführt ist, wird entsprechend schnell Wärme von dem Kondensatordielektrikumwerkstoff abgeführt. Somit kommt es zur raschen Abführung der Wärme und Verfestigung des Dielektrikumwerkstoffes auf der Folie.The film can be cooled down extra. Normally, however, it is sufficient if the film has room temperature. Due to the usually good thermal conductivity of the film, in particular if it is designed as a metal foil, heat is dissipated correspondingly quickly from the capacitor dielectric material. Thus, there is a rapid dissipation of heat and solidification of the dielectric material on the film.
Die dazu erforderliche Temperaturdifferenz zwischen der Folie und dem Kondensatordielektrikumwerkstoff kann einfach anhand der Erstarrungstemperatur bzw. dem Schmelzpunkt sowie der Wärmekapazität des Kondensatordielektrikumwerkstoffes einerseits und der Wärmekapazität der zu beschichtenden Folie andererseits bestimmt werden.The required temperature difference between the film and the capacitor dielectric material can easily be determined on the one hand based on the solidification temperature or the melting point and the heat capacity of the capacitor dielectric material on the one hand and the heat capacity of the film to be coated.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens wird bevorzugt eine (erste) Schicht des Kondensatordielektrikumwerkstoffes (= Dielektrikumschicht) zwischen zwei Folien als Elektroden gebracht, bevor diese zum Wickelkondensator aufgewickelt werden. Die beiden Folien weisen je eine erste Kontaktseite und eine zweite Kontaktseite auf. Die beiden Folien werden mit ihrer ersten Kontaktseite zusammengeführt und optional miteinander verpresst. Die (erste) Dielektrikumschicht wird dann zwischen die ersten Kontaktseiten der Folien eingebracht, wenn die Folien zusammengeführt werden, insbesondere eingesprüht. Die (erste) Dielektrikumschicht wird also auf die Folien aufgebracht, während diese mit ihren ersten Kontaktseiten zusammengeführt werden. Die Dielektrikumschicht ist insbesondere homogen ausgeführt, d. h. sie weist selbst keine Schichtung auf.In the proposed method, a (first) layer of the capacitor dielectric material (= dielectric layer) is preferably brought between two films as electrodes before they are wound up into the wound capacitor. The two films each have a first contact side and a second contact side. The two films are combined with their first contact side and optionally pressed together. The (first) dielectric layer is then introduced between the first contact sides of the films when the films are brought together, in particular sprayed. The (first) dielectric layer is thus applied to the films while these are combined with their first contact sides. The dielectric layer is particularly homogeneous, d. H. she does not show any layering herself.
Die Folien sind insbesondere gleich breit. Sie werden insbesondere mit einem Versatz zusammengeführt, damit die Stirnseiten des daraus gebildeten Kondensatorwickels jeweils mit einer der Folien elektrisch kontaktiert werden können. Durch den Versatz steht nämlich die erste Folie an einer der Stirnseiten hervor und die zweite Folie steht an der gegenüberliegenden anderen Stirnseite hervor. Diese Stirnseiten sind dann einfach und unabhängig voneinander elektrisch kontaktierbar.The films are in particular the same width. In particular, they are brought together with an offset so that the end faces of the capacitor winding formed therefrom can each be electrically contacted with one of the foils. Because of the offset, namely, the first film protrudes from one of the front sides and the second film protrudes from the opposite other end side. These end faces are then easily and independently electrically contacted.
Vorzugsweise werden die Folien mit der dazwischen angeordneten ersten Dielektrikumschicht zu einem Kondensatorwickel aufgewickelt. Dabei wird eine zweite Dielektrikumschicht aus dem vorgeschlagenen Kondensatordielektrikumwerkstoff als Dielektrikum zwischen die sich beim Aufwickeln aneinander anlegenden zweiten Kontaktseiten der Folien eingebracht. Das Einbringen der zweiten Dielektrikumschicht zwischen die zweiten Kontaktseiten erfolgt dann also beim Wickeln des Kondensatorwickels. Der Kondensatorwickel bildet nach der Kontaktierung der Folien bzw. Elektroden einen Folienwickelkondensator.Preferably, the films are wound with the interposed first dielectric layer to form a capacitor winding. In this case, a second dielectric layer made of the proposed capacitor dielectric material is introduced as a dielectric between the second contact sides of the films which abut one another during winding. The introduction of the second dielectric layer between the second contact sides then takes place during winding of the capacitor winding. The capacitor winding forms after contacting the films or electrodes a film winding capacitor.
Im Folgenden wird die Erfindung von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Die Figuren zeigen jeweils in schematischer Darstellung:In the following, the invention is explained in more detail by figures, from which further preferred embodiments and features of the invention can be removed. The figures show in schematic representation:
In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Elemente (Bauteile etc.) mit gleichen Bezugszeichen versehen. In den
Der Kondensator
Die Folien
Die Folien
Die Folien
Die Dielektrikumschichten
Der Kondensatordielektrikumwerkstoff für die Dielektrikumschichten
Dazu werden die beiden Folien
Im Detail erfolgt das Einbringen bzw. Bilden der ersten Keramikschicht
Das Aufsprühen des Kondensatordielektrikumwerkstoffs erfolgt durch zumindest eine Düse
Die Düse
Die Verfestigung des Kondensatordielektrikumwerkstoffs erfolgt ausreichend schnell, dass Folien
Nach dem Zusammenführen der Folien
Die zweite Dielektrikumschicht
Gemäß
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kondensatordielektrikumwerkstoff nach dem Auftragen auf die Folien
Analog zum Verfahren nach
Gemäß des in
Gemäß des in
Es wird angemerkt, dass alternativ zur Ausführungsform nach
Die Schichtdicke der Dielektrikumschichten ist bei der Tauchbeschichtung einfach durch die Viskosität des in den Tachbädern
Die Folien
Wie zu
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Folienwickelkondensator, KondensatorwickelFilm winding capacitor, capacitor winding
- 22
- Abschlussgraduation
- 33
- Elektrischer AnschlussElectrical connection
- 44
- Foliefoil
- 4a, 4b4a, 4b
- KontaktseiteContact
- 4c4c
- Rolle, TransportrolleRoll, transport role
- 55
- Foliefoil
- 5a, 5b5a, 5b
- KontaktseiteContact
- 5c5c
- Rolle, TransportrolleRoll, transport role
- 66
- Keramikschichtceramic layer
- 77
- Keramikschichtceramic layer
- 88th
- Düsejet
- 9, 9a9, 9a
- Stützrollesupporting role
- 1010
- Tauchbaddip
- 1111
- Tauchbaddip
- 1212
- Körner aus KeramikwerkstoffGrains of ceramic material
- 1313
- MatrixwerkstoffMatrix material
- A, BA, B
- BereichArea
- LL
- Längsachselongitudinal axis
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 5140498 A [0005] US 5140498 A [0005]
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-
2016
- 2016-06-22 DE DE102016211159.0A patent/DE102016211159A1/en not_active Withdrawn
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Title |
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BRUN, N. [et al.]: Study of the thermal behavior of syndiotactic and atactic polystyrene by Raman spectroscopy. In: JEEP Conference Proceedings, 2011, 00004. DOI: 10.1051/jeep/201100004 [abgerufen am 29.03.2017] * |
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