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Hermetisch abgedichteter Elektrolytkondensator Die Erfindung betrifft
einen hermetisch abgedichteten Elektrolytkondensator, bei dem ein Kondensatorwickel
in einem einen Elektrolyten enthaltenden Gehäuse angeordnet ist, durch dessen Öffnung
eine Anschlußleitungnach außen geführt ist, die aus einem filmbildenden Metall mit
einem anodischen dielektrischen Oxydbelag besteht und in Glas eingebettet ist, dessen
Wärmeausdehnungskoeffizient im wesentlichen mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Anschlußleitung übereinstimmt und das von einem Metallring umgeben ist, der
mit dem Gehäuse verbunden ist.
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Es ist bereits eine Abdichtung für Elektrolytkondensatoren bekannt,
die aus einem einen Glaskörper umschließenden Ring besteht, der mit der zylindrischen
Wandung des den Kondensatorwickel enthaltenden Gefäßes verbunden werden kann, beispielsweise
durch Löten. Der Glaskörper umschließt die nach außen führende Anschlußleitung und
besitzt im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Anschlußleitung.
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Weiterhin ist bereits ein Elektrolytkondensator bekanntgeworden, -bei
dem das den Kondensatorwickel enthaltende Metallgehäuse mit Hilfe eines Deckels
abgedichtet ist. Zwischen dem Metallgehäuse und dem Deckel befindet sich eine ringförmige
Dichtung, ,die beispielsweise aus Metall besteht. Der Deckel besteht aus einem Ringflansch,
dessen Innenraum von einer Glasmasse ausgefüllt ist, durch welche die Zuleitungen
durchgeführt sind.
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Bisher ist es jedoch nicht gelungen, einen Elektrolytkondensator derart
abzudichten, daß auch bei Unterdruck und Auftreten starker Temperaturschwankungen
kein Elektrolyt austreten kann. Man benötigt jedoch insbesonders für die Ausrüstung
von Raumschiffen Elektrolytkondensatoren, aus denen selbst bei Unterdruck und starken
Temperaturschwankungen kein Elektrolyt austreten kann. Der Erfindung liegt daher
die Aufgabe zugrunde, einen Elektrolytkondensator der eingangs genannten Art derart
auszugestalten, daß eine einwandfreie hermetische Abdichtung erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird nun bei dem Elektrolytkondensator der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß der Metallring eine nach außen sich konisch verjüngende
Dichtungsfläche aufweist, an der das Glas anliegt, und der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Metallrings mindestens genauso groß ist wie der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Glases. Insbesondere wird die Anschlußleitung aus Tantal und der Ring aus Titan
hergestellt. Das Glas besteht vorzugsweise aus 350/0 Ba0, 250/, A1208, 35 bis 40-04
B203 und 0 bis 5 % Ce02. Der hermetisch abgedichtete Elektrolytkondensator
nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß mit steigender Temperatur die
Abdichtung des Gehäuses immer besser wird, da das Glas bei steigender Temperatur
stärker gegen die sich konisch nach außen verjüngende Dichtungsfläche des Ringes
gepreßt wird. Besitzt der Ring einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das
Glas, dann wird bei höherer Temperatur auf Grund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
vom Ring auf den Glaskörper ein Druck ausgeübt und auf diese Weise eine einwandfreie
Abdichtung gewährleistet.
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Die Erfindung wird nun näher an Hand von Zeichnungen erläutert, in
denen zeigt F i g. 1 teilweise im Schnitt eine Ausführungsform eines hermetisch
abgedichteten Elektrolytkondensators nach der Erfindung und F i g. 2 eine graphische
Darstellung der Wärmeausdehnung der zur Abdichtung verwendeten Werkstoffe in Abhängigkeit
von der Temperatur.
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F i g. 1 zeigt einen Elektrolytkondensator 1, der aus einem Metallgehäuse
2 sowie einem darin angeordneten Kondensatorwickel3 besteht, welcher in herkömmlicher
Weise .aus einem Paar gewickelter Elektrodenfolien aus filmbildendem Metall, z.
B. Tantal, Niob oder anderen bekannten Kondensatorelektrodenmetallen
hergestellt
ist, die durch Papier oder einen anderen nichtleitenden Abstandshalter getrennt
sind. Der Wickel 3 ist von einer nichtleitenden Folie umgeben, um ihn gegen das
Gehäuse 2 zu isolieren. Der Wickel 3 ist mit einem im Gehäuse 2 befindlichen flüssigen
Elektrolyten 4 getränkt. Der Elektrolyt kann ein bekannter, in Kondensatoren verwendeter
Elektrolyt sein, z. B. eine wäßrige Ammoniumpentaboratglycollösung oder eine nichtwäßrige
organische flüssige Mischung, und kann in Form einer Flüssigkeit, eines Gels, einer
Paste oder in anderer Form vorliegen.
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Das Gehäuse 2 hat die Form eines Rohres, dessen gegenüberliegende
Enden offen sind. Die Öffnungen werden in der nachstehend beschriebenen Weise hermetisch
abgedichtet. Die Abdichtung besteht vorzugsweise aus einer Isolierscheibe 5, die
dem Ende des Kondensatorwickels 3 benachbart ist und aus einem chemisch widerstandsfähigen
Stoff besteht, z. B. Polytetrafluoräthylen. Eine becherförmige Kappe 6 aus einem
geeigneten elektrisch isolierenden Material, z. B. aus Glasgespinst, Polyesterharz
od. dgl. wird auf das Ende des Kondensatorwickels 3 und auf die Isolierscheibe 5
aufgesetzt. Durch die Abschlußkappe 6 erstreckt sich eine Anschlußleitung 7, die
aus dem Gehäuse 2 herausgeführt wird und aus Tantal oder einem gleichwertigen filmbildenden
Metall mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, z. B. Niob, besteht. Die Anschlußleitung
ist mit einem anodisch aufgebrachten nichtleitenden Oxydfilm versehen. Die Anschlußleitung
7 ist an eine Anschlußfahne 8 geschweißt, die ebenfalls aus Tantal oder einem gleichwertigen
Metall besteht und mit der die Anode des Kondensatorwickels 3 verbunden ist. Am
äußeren Ende ist die Anschlußleitung 7 an einen äußeren Leiter 9 angeschweißt, der
gewöhnlich aus einem lötbaren Metall, z. B. Nickel, Kupfer od, dgl. m., besteht.
Falls erwünscht, kann die Anschlußleitung 7 unmittelbar mit der Elektrode des Kondensators
verbunden sein, so daß sich die Fahne 8 erübrigt.
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Die Isolierscheibe 5 und die Abschlußkappe 6, die dazu dient, den
Draht 7 auszurichten, so daß er -nicht mit dem Metallgehäuse 2 in Berührung gelangt,
können auch fortgelassen werden. Ein ringförmiger Abstandskalter 10 aus einem
geeigneten elastomeren Material, z. B. BuiyIkautschuk, kann als ein stoßabfangender
Teil zwischen der äußeren Glas-Metall-Dichtung und der Abschlußkappe 6 angebracht
werden, ist aber nicht erforderlich.
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Es soll außerdem darauf hingewiesen werden, daß die beschriebene Glas-Metall-Dichtung
auch in anderen Kondensatoren als in dem dargestellten verwendet --werden kann.
Beispielsweise könnte das Gehäuse 2 becherförmig sein, und eine Anode von geeigneter
Form (z. B. bestehend aus einer aufgewickelten Folie oder aus gesinterten Körnern)
könnte an Stelle des Wickels 3 eingesetzt werden,; wobei das Gehäuse als Kathode
dient und eine entsprechend befestigte Anschlußleitung aufweist.
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Erfindungsgemäß wird der Kondensator 1 durch eine Glas-Metall-Dichtung
11 abgeschlossen, die eine hermetische und feste Abdichtung bildet, welche mit dem
Elektrolyten 4 verträglich ist und dessen Austritt aus dem Gehäuse 2 selbst. unter
strengsten Betriebsbedingungen, d. h. großen Temperatur- und Druckunterschieden"
verhindert. Die Dichtung 11 besteht aus Glas 12, das von einem Metallring
13 umgeben ist. Der Rand 13a des Metallrings 13 paßt genau in das Gehäuse 2. Er
weist eine sich nach außen konisch verjüngende Dichtungsfläche 13b auf, an der das
Glas 12 anliegt, das eine Öffnung in Achsenrichtung zur Aufnahme der Anschlußleitung
7 besitzt. Das Glas 12 ist mit dem Ring 13 und der Anschlußleitung 7 verschmolzen.
Die Abdichtungsfläche 13b verjüngt sich vorzugsweise nach außen, so daß das abdichtende
Glas 12 gehalten wird, auch wenn im Gehäuse 2 ein Druck entsteht, durch den die
Dichtheit der Abdichtung sogar noch verstärkt wird, weil der Druck die einzelnen
Teile noch stärker gegeneinander preßt. Der Ring 13 mit dem abdichtenden Glas 12
und der darin eingebetteten Anschlußleitung 7 wird. mit seinem Rand 13a an die benachbarte
Wand des Gehäuses 2 angeschweißt oder angelötet oder auf andere Weise mit dieser
verbunden, so daß eine feste und flüssigkeitsdichte Verbindung geschaffen wird.
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Das Glas 12, der Ring 13 und die Anschlußleiiung
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besitzen die nachstehend beschriebenen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Man
hat festgestellt, daß das verwendete Glas in geschmolzener Form bei Berührung mit
dem anodisch behandelten Tantaldraht eine enge Bindung mit diesem eingeht, wenn
es in Anwesenheit eines Tantaloxydfilms auf dem Draht erstarrt und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt, der von dem von Tantal nicht sehr verschieden ist. Auf diese Weise werden
die Schwierigkeiten, die früher bei Glas-Metall-Dichtungen auftraten, vermieden.
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Das Glas 12 weist vorzugsweise die Zusammensetzung (in Gewichtsprozent)
auf: etwa 350f, Ba0, etwa 250/, A120" etwa 35 bis 400/, B'103 und etwa 0 bis 501,
Ce02. Der Ce01-Anteil wird vorteilhafterweise in dem angegebenen Mengenverhältnis
zugesetzt, dämit das Einschmelzen zu einer homogenen Glasmasse erleichtert wird.
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Das Glas 12 ist besonders widerstandsfähig gegen den chemischen Angriff
von wäßrigen und nicht wäßrigen Elektrolyten.
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Die nachstehenden Ausführungsbeispiele von Glä-
sern haben sich
praktisch bewährt: Beispiel I Ba0 ............................ 35 °% A1203
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250/0 B'103 ............................
40°/0 Beispiel Il Ba0 ........... .............. 350/0 A1103 ......................
-- 250/0. B103 ............... ,.......... ... 3.50/0 Ce0a ............................
5.0/0.
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Die Eigenschaften der oben angegebenen Gläser sind
| 1 Beispiel I 1 Beispiel 1I |
| Dichte, g/cm3 . . . . . . . . . . . . . . . 2;94 3,09 |
| Wärmeausdehnungskoeffizient |
| cm/cm/°C (0 bis 300°C) .... 60 - 10-' 61,7.10-7 |
| Erweichungspunkt, °C . . . . . . . 676 683 |
Die oben angegebenen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glases kommen dem des Tantals
sehr nahe der etwa 66 - 1,0-' cm/cm/`C beträgt.
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Der Ring 13 besteht aus einem Metall mit einem Wärmeausdehnungskoeffzienten,
der etwa. gleich oder größer als der des Glases 12 ist. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung wird Titan verwendet, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von
annähernd 85 - 10-7 cm/cm/°C besitzt. Die Möglichkeit oder Fähigkeit zur Filmbildung
dieses Metalls lassen dessen Verwendung insofern besonders vorteilhaft erscheinen,
als dadurch dem Metall eine gewisse Korrosionsbeständigkeit verliehen wird. Andere
Metalle oder Legierungen, z. B. eine Legierung aus 460/, Nickel und im übrigen aus
Eisen bestehend, nichtrostender Stähle oder andere-Metalle mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 75 bis 110. 10-7 cm/cm/°C können, falls gewünscht, ebenfalls verwendet
werden.
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Das Gehäuse 2 und der Ring 13 besitzen vorzugsweise vergleichbare
Wärmeausdehnungskoeffizienten, lassen sich verschweißen oder zusammenlöten, bestehen
aus einem filmbildenden Material, sind verträglich mit den üblicherweise in elektrolytischen
Kondensatoren verwendeten Elektrolyten, weisen geringes Gewicht auf und sind korrosionsbeständig.
Diese Forderungen werden von Titan restlos erfüllt, und daher empfiehlt sich die
Verwendung von Titan für das Gehäuse und den Ring 13. Es können aber auch Metalle
für das Gehäuse 2 verwendet werden, die nicht bereits im Zusammenhang mit dem Ring
13 erwähnt wurden, z. B. versilbertes Kupfer, 46 bis 51°/oiges Nickeleisen und Nickelsilber.
Obwohl andere als die erwähnten Metalle (oder Metalle, die gleichwertig sind) für
die genannten Teile verwendet werden können, ist allgemein empfehlenswert, daß das
gleiche Metall für den Ring 13 und das Gehäuse 2 verwendet wird. damit eine Korrosion
durch eine galvanische Wirkung zwischen den verschiedenen Metallen verhindert wird.
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F i g. 2 zeigt eine graphische Darstellungder Wärmeausdehnung von
Tantal, des Glases und vom Titanring in Abhängigkeit von der Temperatur. Kurve A
gilt für das Glas, Kurve B für Tantal und Kurve C für Titan. Das Glas und Tantal
weisen innerhalb eines weiten Temperaturbereiches ähnliche Wärmeausdehnungseigenschaften
auf. Die Wärmeausdehnung von Titan ist etwas größer, aber gewöhnlich proportional
der Zunahme der Wärmeausdehnung der beiden anderen Bestandteile der Abdichtung.
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Bei der Abdichtung von Kondensatoren wird so verfahren, daß der Ring
13 mit seiner sich verjüngenden Fläche 13b, welche nach oben gerichtet ist, auf
eine aus Kohlenstoff bestehende Unterlage mit einer Mittelöffnung für die Tantalanschlußleitung
7, die mit einem anodischen Oxydfilm überzogen ist, gelegt wird. Das Glas wird in
Form von gepreßtem Glaspulver auf die Oberfläche 13b des Ringes 13 aufgebracht.
Das Ganze wird in einem Vakuumofen erwärmt und zunächst bei einem Druck von weniger
als 10-4 mm Quecksilbersäule auf eine Temperatur von 650°C gebracht. Diese Temperatur
wird etwa 15 Minuten lang beibehalten, und nachfolgend wird das Vakuum durch Einführung
von trockenem Argon unterbrochen. Die Temperatur wird dann auf 875'C erhöht und
etwa 10 Minuten lang auf diesem Wert gehalten, wobei ein Überdruck von 0,21 bis
0,35 atm angewendet wurde. Hierauf wurden die Teile abgekühlt. Die anodisch mit
einem Überzug versehene Anodenfahne und die aus der dicht gebundenen Glas-Metall-Dichtung
hervorragende Anschlußleitung 7 werden miteinander verschweißt. Die Kathode wird
in ähnlicher Weise mit einer Anschlußleitung verbunden, die durch eine andere Glas-Metall-Dichtung
hindurchgeführt ist. Die aus einem Kondensatorwickel und den Glas-Metall-Dichtungen
bestehende Einheit wird in ein röhrenförmiges, mit einem Einfülloch versehenes Titangehäuse
gegeben. Dann werden die Titanringe mit den Gehäuseenden durch Lichtbogenschweißen
abgedichtet, und der Elektrolyt wird durch das Einfülloch in das Gehäuse eingeführt,
und nachfolgend wird dieses Loch abgedichtet, indem ein Titanstopfen angeschweißt
wird.
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Zwei Gruppen von röhrenförmigen Elektrolytkondensatoren mit einem
wäßrigen Elektrolyten aus Äthylenglykol und Wasser wurden zum Vergleich geprüft-
Beide Gruppen besaßen den gleichen Aufbau, unterschieden sich lediglich dadurch,
daß die eine Gruppe erfindungsgemäß hermetisch abgedichtet war, während die andere
mit einer bekannten, besonders vorteilhaften Dichtung aus einem Elastomeren und
Polytetrafluoräthylen-Scheiben abgedichtet war. 85'C und ein Gleichstrom von 50
V wurden bei der Prüfung angewendet. Nach 7000 Stunden stellte man einen Gewichtsverlust
von etwa 1 mg bei den Elektrolytkondensatoren nach der Erfindung fest, während die
bekannten Kondensatoren einen Gewichtsverlust von mehr als 30 mg erlitten. Bei anderen
Prüfungen, die an Kondensatoren mit den beiden verschiedenen Abdichtungen bei höheren
Temperaturen vorgenommen wurden, wurde ein noch größerer Unterschied im Gewichtsverlust
festgestellt. Bei Prüfungen bei 145°C und mit einem Gleichstrom von 40 V betrug
der durchschnittliche Gewichtsverlust nach 3000 Stunden bei den Kondensatoren nach
der Erfindung nur 5 mg, während die Vergleichskondensatoren einen durchschnittlichen
Gewichtsverlust von 488 mg aufwiesen.
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Bei einer anderen Prüfungsreihe, bei der ebenfalls Kondensatoren nach
der Erfindung und ähnliche Vergleichskondensatoren wie in den vorstehenden Prüfungen
verwendet wurden, wurden sämtliche Prüflinge bei 125°C in einem Vakuum von 1 . 10-4
mm Quecksilbersäule und einem Gleichstrom von 30 V geprüft. Nach 500 Stunden stellte
man bei den erfindungsgemäßen Kondensatoren einen durchschnittlichen Gewichtsverlust
von 1 mg fest, während die Vergleichskondensatoren einen durchschnittlichen Verlust
von 38 mg aufwiesen. Diese Prüfung ist eine beschleunigte Prüfung, da der Druckunterschied
um eine Atmosphäre erhöht ist. Der- Gewichtsverlust (die Durchlässigkeitsgeschwindigkeit)
ist bei den Vergleichskondensatoren um annähernd das 1,5- bis 2fache höher, während
bei den Kondensatoren nach der Erfindung kein nennenswerter Unterschied festzustellen
ist, da sie eine geringe Durchlässigkeitsgeschwindigkeit besitzen.
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Weitere Prüfungen wurden an den hermetisch abgeschlossenen röhrenförmigen
Kondensatoren nach der Erfindung vorgenommen, die eine Tantalfolie als Wickel und
einen besonderen Elektrolyten enthielten. Bei diesen Prüfungen stellte man fest,
daß diese Kondensatoren mehr als 5000 Stunden lang bei außerordentlich hohen Temperaturen
von annähernd 200°C betriebsfähig waren.
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Die Erfindung liefert also Kondensatoren mit einem hermetischen Abschluß,
welcher den Elektrolyten zurückhält und praktisch ein Entweichen des Elektrolyten
über große Zeiträume und unter strengen Betriebsbedingungen ausschaltet. Mit Hilfe
des besonderen, zur Dichtung verwendeten Glases wird eine enge und dauerhafte Abdichtung
auf einem mit einem Film überzogenen Anschlußdraht hergestellt, die bisher
in
den bekannten Kondensatoren nicht befriedigend War. Es wird ein Entweichen des Elektrolyten
entlang des Anschlußdrahtes weitgehend unmöglich gemacht. Die hermetische Dichtung
der Erfindung bewirkt außerdem, daß die äußere Umgebung nicht dadurch verunreinigt
wird, daß etwa Gase. entweichen, besonders im Vakuum. Der Kondensator nach der Erfindung
ist daher besonders geeignet für Raumfahrtzwecke.