DE10342107B3

DE10342107B3 - Kondensatormodul

Info

Publication number: DE10342107B3
Application number: DE2003142107
Authority: DE
Inventors: Werner Erhardt
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-09-12

Abstract

Die Erfindung gibt einen elektrischen Kondensator an, der mehrere Kondensatorwickel umfaßt, die entlang einer Längsachse in einem Gehäuse übereinander angeordnet und elektrisch miteinander in Serie geschaltet sind. Dabei ist jeder Kondensatorwickel in einer separaten Zelle angeordnet. Die Anordnung ist besonders kompakt.

Description

Die Erfindung betrifft einen modular aufgebauten elektrischen Kondensator, der z. B. bei Automotive-Anwendungen parallel zur Batterie geschaltet und als zusätzliche Spannungsquelle bei Spitzenleistungsbelastungen beispielsweise beim Starten benutzt werden kann.

Zum Erzielen der vorgegebenen elektrischen Eigenschaften werden einzelne Kondensatorzellen durch eine Reihen- oder Parallelschaltung zu einem Modul verschaltet. Üblicherweise werden die einzelnen Kondensatoren durch elektrische Leitungen miteinander verbunden, wobei die Zuleitungen in der Regel einen hohen Widerstand haben, so daß der Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Kondensatorzellen groß ist. Die externe Verschaltung der einzelnen Kondensatorwickel zu einem Modul ist außerdem kostenintensiv, da einerseits jeder Kondensatorwickel von den anderen isoliert und andererseits die Gesamtheit der Kondensatorwickel eingehäust und elektrisch gegen das meist metallische Gehäuse isoliert werden muß.

Aus der Druckschrift DE 1 975 296 U ist ein Kondensator mit zwei elektrisch miteinander verbundenen Kondensatorwickeln beschrieben, die in einem rohrförmigen Gehäuse übereinander angeordnet sind. Die Kondensatorwickel sind voneinander durch eine Trennscheibe getrennt, die elektrisch isolierend ist und deren Durchmesser an dem Innendurchmesser des Gehäuses angepasst ist. Die elektrische Verbindung zwischen den Kondensatorwickeln erfolgt über die Kathodenfahnen bzw. über das Gehäuse.

Aus den Druckschriften DE 42 37 282 A1 und DE 299 14 624 U1 sind Kondensatormodule mit einem rohrförmigen Gehäuse und übereinander angeordneten Kondensatorwickeln bekannt. In der Druckschrift DE 42 37 282 A1 sind die Kondensatorwickel durch Distanzelemente voneinander im Abstand gehalten.

In der Druckschrift JP 2000 49 057 A ist ein Kondensatormodul mit einem becherförmigen Gehäuse beschrieben, in dem mehrere Kondensatoren übereinander angeordnet sind. Die Kondensatoren stellen jeweils einen gehäusten Kondensatorwickel dar.

Die Druckschrift FR 2 377 692 A1 betrifft einen Kondensator mit einem in einem Gehäuse angeordneten Kondensatorwickel, der von außen durch einen elektrisch isolierenden Deckel kontaktiert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen modular aufgebauten elektrischen Kondensator anzugeben, der günstig herzustellen ist.

Die Erfindung gibt ein Kondensatormodul mit einem Gehäuse in Form eines Rohres mit Boden, Deckel und einem gegebenen inneren Querschnitt an, das eine Längsachse und elektrische Anschlüsse an Boden und Deckel aufweist. Entlang der Längsachse des Gehäuses sind mehrere für sich ungehäuste Kondensatorwickel übereinander angeordnet und elektrisch miteinander in Reihe geschaltet. Quer zur Längsachse des Gehäuses ist zwischen jeweils zwei Kondensatorwickeln eine Trennscheibe angeordnet, deren Querschnitt an den inneren Querschnitt des Gehäuses angepaßt ist. Dadurch bilden sich hermetisch gegeneinander abgedichtete Zellen mit nur einem Kondensatorwickel pro Zelle aus.

Jeweils zwei Kondensatorwickel sind mittels der dazwischen angeordneten Trennscheibe oder durch die Trennscheibe hindurch elektrisch miteinander verbunden.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß beim Modulaufbau jede Kondensatorzelle isoliert ausgebildet ist und dabei nur ein Gehäuse für alle Kondensatorwickel gebraucht bzw. verwendet wird, während in den bisher bekannten Kondensatormodulen auch jeder Kondensatorwickel für sich eingehäust werden mußte.

In einem mehrere Zellen umfassenden Kondensatormodul müssen grundsätzlich folgende Aufgaben gelöst werden:

1) die Zellen müssen gegeneinander abgedichtet werden,
2) der Kondensatorwickel der jeweiligen Zelle muß kontaktiert werden,
3) der elektrische Anschluß an den Kondensatorwickel der nächstliegenden Zelle muß gewährleistet werden.

Die Trennscheiben übernehmen erfindungsgemäß die Aufgabe 1) und – bei Ausgestaltung aus einem dafür geeigneten Material – wahlweise die Aufgaben 2) und 3).

Die Trennscheibe ist vorzugsweise aus Metall ausgebildet und dient dabei zur elektrischen Verbindung der beiden benachbarten Kondensatorwickel. Die Trennscheibe ist dabei vorzugsweise mit beiden an sie grenzenden Kondensatorwickeln verschweißt, verlötet oder durch einen Druckkontakt kontaktiert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen 2 bis 9 näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen
1 einen beispielhaften Kondensatorwickel im schematischen Längsschnitt
2 ein erfindungsgemäßes Kondensatormodul mit einer becherförmig ausgebildeten Trennscheibe im schematischen Längsschnitt
3 und 4 jeweils ausschnittsweise schematisch die Verbindungsstelle einer Trennscheibe mit der Gehäusewand (a) vor und (b) nach dem Sicken
5 und 6 jeweils eine Variante eines erfindungsgemäßen Kondensatormoduls im schematischen Längsschnitt
7 ein erfindungsgemäßes Kondensatormodul mit einem im Kernrohr eines Kondensatorwickels eingebauten Widerstand im schematischen Längsschnitt
8 eine Trennscheibe mit einem Anschlußstift, die in einem Kondensatormodul gemäß 7 verwendet wird
9 ein Kernrohr eines Kondensatorwickels mit einem eingebauten Widerstand, das in einem Kondensatormodul gemäß 7 verwendet wird
1 zeigt einen beispielhaften, im erfindungsgemäßen Kondensatormodul einsetzbaren Kondensatorwickel KW1 im schematischen Längsschnitt entlang seiner Symmetrieachse (Längsachse). Der Kondensatorwickel KW1 weist ein Kernrohr WR und einen Wickel W auf. Der Wickel W ist vorzugsweise – zumindest teilweise – mit einem Elektrolyt durchtränkt.
Die Kondensatorwickel haben vorzugsweise einen runden Querschnitt. Sie können aber auch einen beliebigen anderen, z. B. rechteckigen Querschnitt haben oder flach ausgebildet sein.
Die einzelnen Kondensatorwickel müssen in einem Kondensatormodul zur Gewährleistung einer sicheren Funktionsweise voneinander hermetisch dicht isoliert sein, wobei sie jeweils eine Zelle bilden. Jede Zelle kann eine Spannung von z. B. bis 2,5 V liefern.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Kondensatormodul mit einem Gehäuse GH und externen Anschlüssen A1 und A2, die in dieser Variante der Erfindung entlang der Längsachse LA des Gehäuses GH angeordnet sind.
Das Gehäuse GH ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Metallrohr ausgebildet. Möglich ist aber auch, das Gehäuse als ein. Kunststoffrohr auszubilden.
Im Gehäuse GH sind voneinander isolierte Zellen Z1, Z2 mit jeweils einem Kondensatorwickel KW1, KW2 vorgesehen. Die Zellen Z1 und Z2 sind voneinander durch eine becherförmig ausgebildete Trennscheibe TS getrennt.
Die Trennscheibe in dieser Variante der Erfindung ist aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet, an den. unteren Kontaktwickel KW2 angeschweißt, angelötet oder angedrückt und dient einerseits zur elektrischen Verbindung der Kondensatorwickel KW1 und KW2 und andererseits zur Aufnahme des oberen Kondensatorwickels KW1. Zwischen der Trennscheibe TS und der Wand des Gehäuses GH ist ein Dichtungsring DR vorgesehen, wobei in der Trennscheibe eine Rinne zur Aufnahme des Dichtungsringes ausgebildet ist. Die Wand des Gehäuses GH ist zur besseren Fixierung der Trennscheibe von außen auf der Höhe des Dichtungsringes eingedrückt.
Der obere Kondensatorwickel KW1 weist unten ein Kontaktelement K1 auf, das elektrisch mit der Trennscheibe TS verbunden ist. Der Kondensatorwickel KW2 ist unten am Gehäuseboden befestigt und mit diesem z. B. durch Verschweißen elektrisch verbunden.
Zum Abschluß der endständigen Zelle Z1 ist oben eine Abschlußscheibe AS1 vorgesehen, die im Wesentlichen wie eine Trennscheibe ausgebildet und im Gehäuse fixiert ist. Die Abschlußscheibe ist an den Anschluß A1 kontaktiert und kann nach außen hin durch einen isolierenden Deckel DE geschützt sein.
Auf der zum Kondensatorwickel KW1 gewandten Seite weist die Abschlußscheibe AS1 eine zentrisch angeordnete Abstützung AB zur Zentrierung des Kondensatorwickels im Gehäuse auf.
Die Abschlußscheiben und die Trennscheiben können prinzipiell gleich ausgebildet sein. Die in dieser Schrift für die Abschlußscheiben gezeigten Ausführungen gelten grundsätzlich auch für die Trennscheiben und umgekehrt.
3 zeigt ausschnittsweise schematisch die Verbindungsstelle einer Trennscheibe mit der Gehäusewand (a) vor und (b) nach dem Eindrücken der Gehäusewand. Das Eindrücken der Wand erfolgt entlang des Umfangs des Gehäuses, wobei die Sicke SK1 gebildet wird, z. B. mittels einer Sickenrolle SR.
Die Trennscheibe weist an dem zur Gehäusewand gewandten Außenrand eine Rinne zur Aufnahme eines Dichtungsringes DR bzw. im Querschnitt eine Gabelung auf. Der Durchmesser der mit dem Dichtungsring versehenen Trennscheibe entspricht ungefähr dem Innendurchmesser des Gehäuses GH. Zur Abdichtung der Verbindungsstelle wird die Gehäusewand auf der Höhe der Trennscheibe von außen durch die Sickenrolle SR in den Dichtungsring eingedrückt. Der Dichtungsring dient zusätzlich auch zur Isolierung der elektrisch leitenden Trennscheibe vom metallischen Gehäuse.
In der 4 ist die Trennscheibe TS becherförmig ausgebildet, wobei entlang des Umfangs der Außenwand der Trennscheibe eine Wulst (eine Welle) zum Aufsetzen eines in Form einer Wellendichtung ausgebildeten Dichtungsringes vorgesehen ist. In diesem Fall sind zur Abdichtung der Verbindungsstelle in der Gehäusewand zwei Sicken SK1 und SK2 vorgesehen, die etwas oberhalb und etwas unterhalb der Verbindungsstelle eingedrückt werden.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Kondensatormodul mit der Abdichtung der Trennscheiben TS gemäß 3b). Die Abschlußscheibe AS1 ist wie eine Trennscheibe ausgestaltet und im Gehäuse GH eingepaßt. In der Abschlußscheibe AS1 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Hervorhebung ausgebildet, die als externer Anschluß A2 des Kondensatormoduls dient. Der Anschluß A2 ist dabei mittels eines scheibenförmig ausgebildeten Deckels DE vom elektrisch leitenden Gehäuse GH isoliert. Im Deckel DE ist eine Bohrung zur Freilegung des Anschlusses A2 vorgesehen.
In den Trennscheiben TS sind im mittleren Bereich Abstützungen AB ausgebildet, die in das Kernrohr der Kondensatorwickel KW1, KW2 hineingehen und zur Zentrierung derjenigen dienen.
Der endständige Kondensatorwickel KW1 ist an den als elektrischer Anschluß A1 dienenden Gehäuseboden angeschweißt. Die Kontaktelemente K1 sind jeweils an eine Seite des entsprechenden Kondensatorwickels angescheißt oder angelötet. Aber auch eine Druckverbindung zwischen dem Kondensatorwickel KW2 und dem Kontaktelement K1 ist möglich. In 5 ist angedeutet, daß die Kontaktelemente K1 eine zentrisch angeordnete Abstützung aufweisen, die in das Kernrohr des Wickels hineingeführt wird und so den Wickel im Gehäuse zentriert.
In einer in 6 vorgestellten Variante der Erfindung sind an beiden Enden des Gehäuses die Abschlußscheiben so ausgebildet, daß sie einen als externen Anschluß A1, A2 dienenden Bereich aufweisen und jeweils durch einen Deckel DE von außen geschützt sind.
7 zeigt eine vorteilhafte Variante der Erfindung, bei der beim jeweiligen Kondensatorwickel in der Wand des Kernrohres WR ein Widerstand R eingebaut ist, der parallel zum jeweiligen Kondensator geschaltet ist. Der Widerstand R ist vorzugsweise kleiner als der eigene Widerstand R' des Kondensatorwickels, so daß der Widerstand der entsprechenden Kondensatorzelle im Wesentlichen durch den Widerstand R bestimmt ist. Der Wert des eingebauten Widerstands R kann genauer eingestellt werden als der eigene Widerstand des Kondensatorwickels und dient daher insbesondere zum Ausgleich der bei einer Reihenschaltung der Kondensatorwickel unerwünschten Ladungsschwankungen, indem die relativen Schwankungen im Zellenwiderstand verringert werden.
Der Widerstand R ist vorzugsweise hermetisch gegen den in der Zelle befindliche Elektrolyten abgedichtet. Die Abdichtung kann z. B. durch eine Verkapselung aus Glas oder Harz realisiert sein.
Die jeweils einen hier nicht dargestellten Kondensator umfassenden Kondensatorzellen sind voneinander durch die im Gehäuse eingepaßte Trennscheibe TS hermetisch dicht isoliert. Die Trennscheibe ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet. In der Mantelfläche der Trennscheibe sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei umlaufende ringförmige Rinnen zur Aufnahme jeweils eines Abdichtungsringes vorgesehen. In der Trennscheibe TS ist zentrisch ein Metallstift MS angeordnet, der an der Stoßstelle mit der Bohrung der Trennscheibe abgedichtet ist und bezogen auf die Trennscheibe TS beidseitig übersteht.
Die endständigen Zellen des Kondensatormoduls sind nach außen hin durch die Abschlußscheiben AS1 bzw. AS2 isoliert, welche wie die Trennscheiben ausgebildet sind.
Der Metallstift MS gewährleistet die elektrische Verbindung zwischen zwei voneinander isolerten Zellen. Der Metallstift MS1 der endständigen Zelle kann als externer Anschluß A1 des Bauelements dienen.
8 zeigt die Komponenten, die im erfindungsgemäßen Kondensatormodul gemäß 7 zur Abdichtung der Zellen voneinander und zur elektrischen Verbindung der Zellen miteinander verwendet werden. Die Trennscheibe TS weist eine Bohrung BO, durch die der Metallstift MS hindurch geführt wird. Auf den durch die Bohrung BO hindurch geführten Teil des Stiftes wird das Kontaktelement K1 aufgesetzt, dessen innerer Durchmesser auf den Durchmesser des Metallstiftes MS angepaßt ist.
Das Kontaktelement K1 ist zylinderförmig ausgebildet, wobei auf den zylinderförmigen Körper des Kontaktelementes das Kernrohr WR eines Kondensatorwickels aufgesetzt wird. Zur Kontaktierung des Kondensatorwickels ist am Außenrand des Kontaktelements entlang seines Umfangs ein scheibenförmiger Wulst ausgebildet. Der Kondensatorwickel wird stirnseitig mit diesem Wulst verschweißt.
Der Metallstift MS weist einen Wulst SC zur Fixierung des Metallstiftes beim Überdrücken des Kontaktelementes K1. Durch die Preßpassung des Kontaktelementes und des Metallstiftes entsteht eine sehr gute elektrische Verbindung.
Die eben beschriebene Anordnung der Trennscheibe TS bzw. der Abschlußscheibe AS1, des Metallstiftes MS, MS1 und des Kontaktelementes K1 kann nicht nur zur Isolierung der Zellen gegeneinander, sondern auch als Abschlußelement zum Kontaktieren eines externen Anschlusses A1, A2 des Kondensatormoduls verwendet werden.
9 zeigt das Kernrohr WR des Kondensatorwickels mit dem eingebauten Widerstand R im schematischen Längsschnitt (links) und Querschnitt (rechts).
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Das Gehäuse, die darin eingepaßten Trennscheiben und die Kondensatorwickel können einen beliebigen Querschnitt haben. Es können beliebige Dichtungselemente zur Abdichtung der Kondensatorzellen eingesetzt werden.

KW1, KW2: Kondensatorwickel
WR: Kernrohr
W: Wickel
DR: Dichtungsring
BO: Bohrung
SC: Wulst
K1: Kontaktelement
TS: Trennscheibe
A1, A2: elektrische Anschlüsse
GH: Gehäuse
LA: Längsachse
Z1, Z2: Zelle
AB: Abstützung
SR: Sickenrolle
R: Widerstand
MS, MS1: Metallstift
SK1, SK2: Sicken
DE: Deckel

Claims

Kondensatormodul – mit einem Gehäuse (GH) in Form eines Rohres mit Boden und Deckel, gegebenem inneren Querschnitt, einer Längsachse (LA) und elektrischen Anschlüssen (A1, A2) an Boden und Deckel, – mit mehreren für sich ungehäusten Kondensatorwickeln (KW1, KW2), die entlang der Längsachse im Gehäuse (GH) übereinander angeordnet und elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind, – wobei zwischen jeweils zwei Kondensatorwickeln (KW1, KW2) quer zur Längsachse (LA) eine Trennscheibe (TS) angeordnet ist, deren Querschnitt an den inneren Querschnitt des Gehäuses (GH) angepaßt ist, so daß sich Zellen (Z1, Z2) ausbilden, die hermetisch gegeneinander abgedichtet sind, – wobei jede Zelle (Z1, Z2) nur einen Kondensatorwickel (KW1, KW2) umfaßt, – wobei jeweils zwei Kondensatorwickel (KW1, KW2) mittels der dazwischen angeordneten Trennscheibe (TS) oder durch die Trennscheibe (TS) hindurch elektrisch miteinander verbunden sind.
Kondensatormodul nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse (GH) ein Metallrohr ist.
Kondensatormodul nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse (GH) ein Kunststoffrohr ist.
Kondensatormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Trennscheibe (TS) aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist, wobei die Trennscheibe (TS) im mittleren Bereich eine Öffnung aufweist, durch die ein Metallstift (MS) durchgeht, wobei auf zumindest einer Seite des Metallstifts (MS) ein Kontaktelement (K1) angepreßt ist, das elektrisch mit dem angrenzenden Kondensatorwickel (KW1, KW2) verbunden ist.
Kondensatormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Trennscheibe (TS) aus Metall ausgebildet ist und so eine elektrische Verbindung der beiden benachbarten Kondensatorwickel (KW1, KW2) ausbildet.
Kondensatormodul nach Anspruch 5, bei dem die Trennscheibe (TS) mit beiden an sie grenzenden Kondensatorwickeln (KW1, KW2) verschweißt, verlötet oder durch einen Druckkontakt kontaktiert ist.
Kondensatormodul nach Anspruch 5, bei dem die Trennscheibe (TS) auf einen ersten von übereinander angeordneten Kondensatorwickeln (KW1) aufgeschweißt, angelötet oder an diesem Kondensatorwickel durch einen Druckkontakt ankontaktiert ist, bei dem ein Kontaktelement (K1) vorgesehen ist, das einerseits auf die Trennscheibe (TS) und andererseits auf den zweiten der übereinander angeordneten Kondensatorwickel (KW2) aufgeschweißt, angelötet oder durch einen Druckkontakt kontaktiert ist.
Kondensatormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die endständigen Kondensatorwickel an die elektrischen Anschlüsse (A1, A2) angeschweißt sind.
Kondensatormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Zellen (Z1, Z2) zumindest teilweise mit einem Elektrolyt gefüllt sind.
Kondensatormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem in den Trennscheiben (TS) im mittleren Bereich Abstützungen (AB) ausgebildet sind, die in das Kernrohr der Kondensatorwickel hineingehen.
Kondensatormodul nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Trennscheiben (TS) becherförmig ausgebildet sind.
Kondensatormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem zwischen der Innenseite des Gehäuses (GH) und der Trennscheibe (TS) ein Spalt vorgesehen ist, bei dem zwischen der Trennscheibe (TS) und der Innenseite des Gehäuses (GH) eine Kunststoff-Dichtung (DR) vorgesehen ist, welche den Spalt zwischen der Trennscheibe und dem Gehäuse hermetisch dicht abschließt.
Kondensatormodul nach Anspruch 12, bei dem die Dichtung (DR) aus Gummi und in Form eines Dichtungsrings oder einer Gummilippe ausgebildet ist.
Kondensatormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem in der Außenwand des Gehäuses (GH) Sicken auf der Höhe der Trennscheiben (TS) ausgebildet sind.
Kondensatormodul nach Anspruch 12 bis 14, bei dem die Trennscheiben (TS) im Querschnitt entlang der Längsachse (LA) jeweils zumindest eine zum Gehäuse hin gewandte Gabelung aufweisen, bei dem die Dichtung (DR) die Gabelung ausfüllt, bei dem die Sicke in die Gabelung hinein geht und die Dichtung (DR) in die Gabelung hinein drückt.
Kondensatormodul nach Anspruch 12 bis 14, bei dem die Trennscheiben (TS) im Querschnitt entlang der Längsachse (LA) jeweils zumindest einen zum Gehäuse hin überstehenden Wulst aufweisen, bei dem die Dichtung (DR) ringförmig ausgebildet ist und mantelartig am Wulst anliegt, bei dem in der Außenwand des Gehäuses (GH) zwei Sicken (SK1, SK2) ausgebildet sind, welche die Dichtung (DR) an den Wulst andrücken.
Kondensatormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem im Kernrohr zumindest eines Kondensatorwickels (KW1, KW2) ein integrierter Widerstand (R) angeordnet ist, der elektrisch mit diesem Kondensatorwickel verbunden ist.