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Elektrolytkondensator mit guter Wärmeabfuhr Gegenstand der Erfindung
sind mehrpolige Elektrolytkondensatoren, die sich durch eine gute Wärmeal)fuhr auszeichnen
und insbesondere auch für Wechselstrombelastungen langer Betriebsdauer geeignet
sind.
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Die bisherigen Wechselstromelektrolytkondensatoren bestehen in der
Regel aus zwei formierten Metallfolien, beispielsweise Aluminiumfolien, die unter
Zwischenschaltung von saugfähigen Elektrolytträgern zu einem Wickel aufgerollt sind.
Da die beiden mit Stromanschlußelementen ausgerüsteten Metallelektroden parallel
verlaufend aufzuwickeln sind, ist die Wickelherstellung verhältnismäßig schwierig.
Zudem lassen sich beide Folien nie so genau aufrollen, daß sie sich genau gegenüberstehen;
Anfang und Ende der Elektroden werden nämlich stets mehr oder weniger gegeneinander
versetzt aufgerollt sein. Es ist festgestellt worden, daß bei derartig versetzten
Elektroden im Anfangs- und Endbereich völlig unbestimmte Verhältnisse hinsichtlich
Elektrolvtkonzentration, Ionenleitfähigkeit und Strom- und Feldverteilung vorherrschen.
Der Verlustwinkel ist daher nicht eindeutig vorherbestimmbar und im allgemeinen
dadurch verschlechtert. Weiterhin sind auch die Verhältnisse hinsichtlich Reststrom
und Kapazität nicht eindeutig, da die Endformierung des Wickels wechselseitig erfolgen
muß. Elektrolytkondensatoren, besiehend aus zwei formierten Anodenfolien A und
B
und einer gemeinsamen dritten Elektrodenfolie C, sind ebenfalls bekannt.
Zwischen je einer Anodenfolie und der gemeinsamen, metallischen Elektrodenfolie
ist eine Einzelkapazität wirksam, indem je eine formierte Folie und die gemeinsame
metallische Zusatzfolie einen polarisierten Kondensator darstellen. Die metallische
Zusatzfolie C überdeckt die gesamte Fläche der neben- oder hineinander angeordneten
formierten Anodenfolien A und B. Diese aus zwei formierten und einer
nichtformierten Folie bestehende Baueinheit kann entweder als Doppelkondensator
(polarisierte Kondensatoren für Gleichstrom) verwendet werden, indem neben den beiden
Anodenfolien auch die gemeinsame metallische Zusatzfolie eine oder zwei Stromanschlußfahnen
erhält, oder sie wird als Einfachkondensator mit nur zwei aktiven Belegungen. nämlich
den formierten Folien, und einer schwimrnend, d. h. ohne Anschlußfahne, im Wickelzug
angeordneten zusätzlichen metallischen Folie, die elektrisch als Äquipotentialfläche
wirksam wird, eingesetzt (nichtpolarisierter Kondensator für Gleich-und Wechselstrom).
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Ein nichtpolarisierter Kondensator der gerade genannten Art ist also
elektrisch gleichbedeutend der gleichfalls bekannten Zusammenschaltung zweier polarisierter
Einzelkondensatoren, deren beide Kathodenanschlüsse miteinander verbunden sind.
Es sei nur der Vollständigkeit halber erwähnt, daß es neben dieser Hintereinanderschaltung
zweier polarisierter Einzelkondensatoren in entgegengesetzter Richtung unter Bildung
eines nichtpolarisierten Kondensators auch lange bekannt ist, dieselben zwei polarisierten
Einzelkondensatoren additiv hintereinanderzuschalten, um die Spannungsbelastbarkeit
des Gesamtkondensators zu erhöhen.
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Bei den meisten Kondensatoren und deren Anwendung spielt die Frage
einer genügenden Wärmeabfuhr aus dem Kondensator bei dessen Betrieb eine bedeutende
Rolle. Ganz entscheidend aber wird die Wärmeabfuhr bei der Verwendung der dafür
hergestellten (Kondensatoren mit zwei mit einer dielektrischen Schicht versehenen
Belegungen) bzw. verwendbaren Kondensatoren (zwei mit ihren Kathodenanschlüssen
zusammengeschaltete polarisierte Kondensatoren). Dieses Problem ist bisher nicht
oder nur ganz unzureichend gelöst worden.
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Nach den bisherigen Erkenntnissen kommt es mit dem Ziel der Herstellung
guter und weitgehend alterungsbeständiger Kondensatoren für Gleich- und Wechselstrom,
ganz besonders aber für Wechselstrom, darauf an, folgendes zu beachten, wobei der
Einfachheit halber ein Aluminium-Elektrolytkondensator betrachtet sei: Damit eine
geschlossene, störstellenfreie Al203-Schicht auf der Aluminiumfolie erzeugt werden
kann, welche Leckströme ausschließt bzw. weitgehend herabsetzt und damit einen guten
Verlustwinkel ermöglicht, muß für die Aluminiumfolien solches Material verwendet
werden, welches den größtmöglichen Reinheitsgrad besitzt und für die Formierung
dieser Aluminiumfolien ein Elektrolyt angewandt werden, der alle technisch möglichen
Voraussetzungen
an Reinheit erfüllt. Das gleiche gilt für den Betriebselektrolyten.
Ebenso ist größte Sorgfalt auf eine saubere Herstellung der Kondensatoren zu verwenden.
Verunreinigungen und Unsauberkeit sind die größten Feinde eines Elektrolytkondensators.
Es hat sich bei der Erzeugung der dielektrischen Schicht auf Aluminiumfolien, d.
h. beim Formieren, erfahrungsgemäß ergeben, daß die besten und stabilsten Oxvdschichten
dann entstehen, wenn das Formierbad höchstmögliche Temperatur aufweist und die Formierung
mit einer maximalen Stromdichte erfolgt, welche die Folie und die Formieranlage
gerade noch nicht gefährden. Die Formierspannungen liegen wenigstens 10 bis 20%
über der maximalen Betriebsspannung des fertigen Kondensators, wobei im Falle von
Wechselstrom unter maximaler Betriebsspannung der Scheitelwert zu verstehen ist.
Bei der Nachformierung der Folien im Zustand des mit dem Betriebselektrolyten imprägnierten
Kondensatorwickels sind die gleichen Punkte hinsichtlich Sauberkeit und Reinheit
zu beachten. Die Nachformierspannung wird ebenso bemessen wie die Spannung zur eigentlichen
Folienformierung. Die Temperaturen sind jedoch beim Nachformieren wesentlich niedriger;
die Stromdichte ist abhängig von den noch vorhandenen Leckstellen der Folien.
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Wie erwähnt, ist es also wesentlich, beim ersten Formieren der Folien
höchste Temperaturen und größte Stromdichte anzuwenden, so daß der Foriniervorgang
stoßartig, in möglichst kurzer Zeit vollzogen werden kann.
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Nach den bisherigen Feststellungen scheint der Formiervorgang beim
Umpolen innerhalb gewisser, sticht genau definierbarer Grenzen rückläufig zu sein,
Wenn dabei die gleichen Zustandsgrößen angewandt werden wie beim Formieren, z. B.
eine sehr hohe Temperatur. Während eine Rückbildung der Al" 03 Schicht bei Gleichstromkondensatoren
nicht aus den genannten Gründen zu befürchten ist, weil keine 1Jmpolung stattfindet,
ist der Wechselstromkondensator ja gerade dadurch charakterisiert, daß eine ständige
Umpolung und eine sehr große Wärmeentwicklung stattfindet. Die dabei entstehenden
Temperaturen liegen oder können, je nach der Belastung, der Frequenz und dem Aufbau
des Kondensators, im gleicheben Bereich liegen, der für die Formierung selbst maßgebend
ist.
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Die ersichtlich wesentliche Forderung einer genügenden Wärmeabfuhr
während des Betriebes voll Elektrolytkondensatoren ist bei den bekannten Ausführungen
für Wechselstrom nicht oder nur ganz unzureichend erfüllt, weil keine Mittel bekannt
bzw. vorgesehen werden, die im Wickelinneren entstehende Wärme schnell und auf kürzestem
Wege nach außen zu bringen.
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Aus diesem Grunde konnten die oben als bekannt beschriebenen Elektrolytkondensatoren
nur als nichtpolarisierte Kondensatoren für Gleichstrom oder in speziellen Fällen
in der Wechselstromtechnik bei intermittierender Belastung Anwendung finden, beispielsweise
als Motorkondensatoren, die nur kurszeitig an Wechselspannung liegen. Der generelle
Einsatz in der Wechselstromtechnik blieb ihnen jedoch ersagt.
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Demgegenüber schlägt die Erfindung einen Kondensator vor, der sowohl
für Gleichstrom- als auch für Wechselstrombelastungen langer Betriebsdauer geeignet
ist.
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Der erfindungsgemäße Kondensator, insbesondere elektrolytische Wickelkondensator
für Wechselstrom, aufgebaut aus mindestens zwei mit einer dielektrischen Schicht
überzogenen Elektroden. Beispielweise oxydierten Aluminiumelektroden, und mindestens
einer zusätzlichen metallischen Folie, welche die gesamte Fläche der neben- oder
hintereinander angeordneten, mit einer dielektrischen Schicht überzogenen Elektroden
überdeckt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Folie 6 aus einem gilt
wärmeleitfähigen Metall hergestellt ist, die als Äquipotentialfläche elektrisch
anschließbar oder eine Blindfolie ist, im Betriebszustand vorzugsweise als Blindfolie
verwendet wird, und so bemessen ist, daß sich aus dem rein elektrischen Kondensatorelement,
z. B. bei der Ausbildung des Elektrolytkondensators als Wickelkondensator aus dem
fertigen Wickel stirnseitig, vorsteht bzw. herausgeführt ist und mit dein metallischen
Kondensatorgehäuse in gutem Wärmekontakt steht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung und Ausgestaltung der Erfindung besteht
darin, daß die zusätzliche Folie aus einem nicht nennenswert formierten oder nicht
nennenswert formierbaren Metall hergestellt ist.
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Dies hat den folgenden Zweck: Legt man in Atllehnung an die bisherige
Auffassung an die Elektroden A und B eines als vorbekannt erörterten
Elektrolytkondensators eine Wechselspannung mit einem der Formierspannung entsprechenden
oder etwas darunterliegenden Scheitelwert, so wird sich bald ein merklicher Kapazitätsabfall
bei steigender Erwärmung einstellen, da zwischen den einzelnen formierten Folien
A und B einerseits und der als Äquipotentialfläche wirkenden zusätzlichen Metallfolie
C andererseits ein wechselseitiger Formierungsprozeß stattfindet. Als Äquipotentialfläche
ist die Zusatzfolie bei den bekannten Anwendungen auch all der Stromleitung von
der einen formierten Belegung zur anderen beteiligt. Dieser Strom formiert, auch
wenn er im steten Wechsel erfolgt, bis zu einem gewissen Grad die metallische Folie
C, die mehr und mehr als echte Belegung mit einer dielektrischen Schicht zu wirken
beginnt, jedoch invöllig unvorherseliharer und unkontrollierbarer Weise. Weil die
sich formierende Folie C aber keinen Stromanschluß nach außen hat (Blindfolie),
sondern eine Stromabnahme lediglich an den Folien A und B erfolgt, wird der
Kondensator bekannter Bauart nach langer Betriebsdauer schließlich unbrauchbar.
Um deshalb eine Formierung der Folie C zu verhindern, muß dafür gesorgt werden,
daß die Folie entweder nicht formierbar oder nicht nennenswert formiert bzw. daß
die Stromdichte auf der Oberfläche der Zusatzfolie bei Betrieb des Kondensators
so gering ist, daß diese nicht zur Formierung ausreicht oder nur zu einer nicht
nennenswerten Formierung beiträgt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend an Hand der Zeichnung
beispielsweise näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch die einzelnen
Wickelbahnen im abgerollten Zustand bei hintereinander- und nebeneinanderliegenden
Elektroden am Beispiel eines nichtpolarisierten Kondensators.
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Mit 1 und 2 sind die Kondensatorelektroden bezeichnet, die mit Stromanschlußelementen
3 und 4 bereits vor dem Wickelprozeß ausgerüstet werden. Sie bestellen in der Regel
aus oberflächenvergrößerten Aluminiumbändern mit aufoxydierten Schichten als Dielektrikum.
5 stellt den saugfähigen Träger für den Betriebselektrolyten dar. Mit 6 ist eine
metallische Folie bezeichnet, die aus einem Metall guter Wärmeleitung besteht und
zusammen mit den übrigen Lagen
in an sich bekannter Weise zum Kondensatorwickel
aufgerollt wird. Derartige Wickel lassen sich ohne die eingangs erörterten Schwierigkeiten
herstellen. Die Folie 6 ist insbesondere im Hinblick auf die Wickelformierung mit
einem nicht eingezeichneten Anschlußelement ausgerüstet; sie ist aus thermischen
Gründen so breit ausgelegt, daß sie den Wickel mindestens an einer Stirnseite beträchtlich
überragt. Zwischen Wickel und Metallgehäuse läßt sich somit beim Zusammenbau, gegebenenfalls
unter Zuhilfenahme eines Kontaktierungsmittels, ein sehr guter @Z'ärmekontakt herstellen.
Bei einem solchen Elektrolytkondensator wird daher die Wärme auch aus dem Wickelinneren
hinreichend gut abgeführt, da diese Abfuhr aus dem Wickelinneren nicht mehr radial
durch den Wickel, sondern in axialer Richtung in den Lagen der Folie 6 erfolgt.
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Zwischen den vorbekannten und den an Hand der Zeichnung erläuterten
Kondensatoren gernäß der Erfindung besteht trotz der äußerlich gleichen Elektrodenanordnung
ein grundsätzlicher Unterschied: Die besonders günstige Ausbildung der dritten Metallfolie
aus thermischen Gründen, wie es die vorliegende Erfindung vorschreibt, ist weder
erkannt noch ausgeführt worden.
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Der erfindungsgemäße Kondensator wird einem solchen Formierungsprozeß
unterworfen, daß sich auf den Elektroden 1 und 2 je eine dielektrische Schicht 7
und 8 (Fig. 3) ausbildet, die je für sich allein mit dem vollen Betriebspotential
belastet werden kann. An die Anschlüsse 9 und 10 kann entweder eine Gleichspannung
2 P oder eine Wechselspannung mit dem der Gleichspannung entsprechenden Scheitelwert
angelegt werden. Zwischen jeder der beiden Elektroden 1 oder 2 einerseits und der
Folie 6 andererseits darf ebenfalls eine Gleichspannung 2P, dagegen überhaupt keine
Wechselspannung herrschen. Diese elektrischen Verhältnisse machen eine besondere
Endformierung erforderlich, die erfindungsgemäß vorgenommen wird, derart, daß an
den während der Formierung kurzgeschlossenen, als Anode geschalteten Elektroden
1 und 2 und der Folie 6 eine Gleichspannung, entsprechend der Betriebsspannung bzw.
etwas größer. als Formierspannung angelegt wird. Auf diese Weise ist ein eindeutiger
und gleichzeitiger Formierungsprozeß an beiden Elektroden 1 und 2 bis zur Ausformierung
gewährleistet. Ein derartig formierter Kondensator stellt einen echten Wechselstromelektrolytkondensator
dar, der bis zum Scheitelwert belastbar ist. Nach vollzogener Endformierung gemäß
der Erfindung ist die schwebend oder nicht schwebend angeordnete Folie 6 mit keinerlei
Oxvdschicht überzogen. Damit die Kapazität auch bei Wechselstrombetrieb stabil bleibt,
die Folie 6 während des Betriebes also keine nennenswerte Formierung erfährt, ist
diese erfindungsgemäß aus einem solchen Metall, beispielsweise Zink, verzinnter
Al-oder Kupferfolie od. dgl. gefertigt, das mit dem Betriebselektrolyten nicht nennenswert
reagiert. Gegebenenfalls enthält diese nur solche nicht formierbare Partikeln einverleibt.
In der Regel bestehen die aufoxydierten Elektroden 1 und 2 aus aufgerauhten Aluminiumfolien;
aus Korrosionsgründen besteht dieserhalb auch die Elektrode 6 aus einer aufgerauhten
Aluminiumfolie, deren Oberfläche so weit vergrößert ist, daß die reduzierte Stromdichte
zur nennenswerten Formierung nicht ausreicht.
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Es sei erwähnt, daß es bereits bekannt ist, bei polarisierten Elektrolytkondensatoren,
die wiederholt über niederohinige Kreise entladen werden, die Kathode aus einem
im Betriebselektrolyten schwer o#;vdierbaren oder oberflächenvergrößerten Material
zu fertigen. Diese als Erhöhung der sogenannten Schaltfestigkeit bekannte Maßnahme
hat mit vorliegender Erfindung nichts zu tun, da kein Wechselstromelektrolytlcondensator
vorliegt.
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Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, wie der erfindungsgemäße Elektrolytkondensator
an ein Wechselstromnetz anzuschließen ist. Demnach liegen die beiden Anoden 1 und
2 direkt an der Wechselspannung. Wie ersichtlich, sind die beiden Elektroden 1 und
2 mit den dielektrischen Schichten 7 bzw. 8 überzogen, während die schwebend angeordnete
dritte Folie 6 nicht formiert ist. Beide Oxydschichten 7 und 8 tragen also zur betriebsmäßig
vorgeschriebenen Spannungsfestigkeit des Kondensators, jedoch abwechselnd je nach
augenblicklicher Polarität, bei. Die vorstehend beschriebenen Elektrolytkondensatoren
in der zweipoligen Ausführung sind besonders für Wechselstr ombelastungen, und zwar
auch für solche von längerer Betriebsdauer, geeignet. In diesem Fall ist die Folie
6 im eingebauten Zustand schwebend angeordnet und mit dem Kondensatorgehäuse leitend
verbunden. Gegebenenfalls Kann die Folie 6 aber auch mit einer Stromanschlußarmatur
ausgerüstet sein. Zumindest ist eine solche für die oben beschriebene Wickelformierung
erforderlich. Die bisher so kritische Frage der Wärmeabfuhr wird durch die Anordnung
und geeignete Bemessung der dritten Folie 6 befriedigend gelöst. Die Wickelformierung
ist nunmehr eindeutig insbesondere können die Elektroden bis zur geforderten Spannungsfestigkeit
ausformiert werden. Ein Kapazitätsverlust während des Betriebes tritt nunmehr nicht
mehr ein.
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Unter Zugrundelegung der vorstehenden überlegungen ist es in sinnvoller
Erweiterung der Erfindung erstmals möglich, einen für Drehstrombetrieb geeigneten
Elektrolytkondensator zu fertigen. Auf die Vorteile und Anwendungsgebiete eines
solchen Elektrolytkondensators braucht nicht besonders eingegangen zu werden. Bei
der Wickelformierung sind die drei Elektroden 11, 12, 13 kurzzuschließen und im
übrigen genauso zu formieren wie oben erläutert. Diese drei Elektroden bilden eine
kapazitive Sternschaltung, dessen Sternpunkt von der gemeinsamen Folie 6 gebildet
wird, die mit herausgeführten Stromanschlußarmaturen ausgerüstet und/oder am Gehäusepotential
liegen kann.
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Die Stromanschlüsse können entweder auf beiden Stirnseiten oder nur
auf einer Stirnseite angeordnet sein. Der Wickeleinbau erfolgt in einem ein-oder
zweiteiligen metallischen Gehäuse, derart, daß zwischen überstehender Elektrode
6 und dem metallischen Gehäuse ein guter Wärmekontakt besteht. Gegebenenfalls ist
die Zuhilfenahme eines metallischen Kontaktierungsmittels zwischen den Stirnpartien
des Wickels und dem Gehäuse zweckmäßig. Es lassen sich auch nach Anordnung entsprechender
Einschnitte in die Stirnpartien der Folie 6 Teile dieser abwinkeln, derart, daß
diese nach dem Einbau in inniger Berührung mit der metallischen Wandung des Gehäuses
stehen.
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Es ist gegebenenfalls zweckmäßig, die Folie 6 über die sonstigen Wickellagen
hinaus zu wickeln und aus einer oder mehreren Decklagen gewissermaßen ein rohrförmiges
Gehäuse für den aktiven Kondensatorkörper zu bilden. Durch sinnvolle, an sich bekannte
Metallisierungsverfahren können dann gegebenenfalls die Stirnflächen nach erfolgter
Imprägnierung und Wickelformierung Luft- und feuchtigkeitsdicht ver-
>chlossen
werden. Selbstverständlich ist auf eine einwandfrei isolierte Durchführung der Stromanschlüsse
zu achten. Es entsteht auf diese Weise ein selbsttragender, gehäuseloser Elektrolytkondensator,
der außen noch mit einer Isolierschicht, beispielsweise mit einem Schrumpfschlauch,
umgeben sein kann.