DE1639533B1 - Elektrischer Kondensator grosser Raumkapazitaet mit Selbstausheileigenschaften - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kondensator mit dem großen Verhältnis von Kapazität zu Volumen wie bei Elektrolyt-Kondensatoren und mit Selbstausheilfähigkeit bei Durchschlägen im Betrieb wie bei MP-Kondensatoren, der bei geringsten Verlusten sowohl für Gleichspannung als auch für Wechselspannung verwendbar ist.
• Die eine Elektrode besteht aus einem formstarren porösen Sinterkörper aus sogenanntem Ventilmetall (Aluminium, Tantal, Niob od. dgl.) oder auch aus einem geeigneten Nichtventilmetall. Die auf der äußeren und inneren Oberfläche (also in den Poren) dieses Metallgerüstes befindliche dielektrisch beanspruchbare Oxydschicht kann, ebenso wie bei Elektrolyt-Kondensatoren allgemein üblich, durch anodische Oxydation (Formierung) hergestellt werden. Der Gegenbelag besteht aus einer auf das Dielektrikum aufgebrachten, einschlußfrei haftenden Schicht, die so dünn ist (z. B. 0,1 #tm), daß sie an etwaigen Schwachstellen oder Störungen im Dielektrikum bei einem Durchschlag (Kurzschluß) in der Umgebung der Schwachstelle verbrennt, verdampft und den Kurzschlußstrom wieder unterbricht. Der Gegenbelag kann sowohl aus reinem Metall als auch (wie beim Elektrolyt-Kondensator mit sogenannten festen Elektrolyten) aus einem geeigneten Metalloxyd (Halbleiter) mit Sauerstoffüberschuß bestehen. Wenn bei Vorhandensein eines solchen Gegenbelags außerdem das Dielektrikum elektrolytisch aus dem Trägermetall erzeugt worden war, wiederholt sich bei etwa vorhandenen Schwachstellen oder Durchschlag wegen des Sauerstoffüberschusses dieser Vorgang im kleinen, und auf der Oberfläche der Trägerelektrode tritt Nachformierung ein; so daß an diesen Stellen das Dielektrikum neu gebildet wird. In diesem Fall fließt im Betriebszustand des Kondensators ein merklicher Reststrom. Bei einem vollendeten Kurzschluß schmilzt bzw. verdampft jedoch auch der dünne Gegenbeleg an der Kurzschlußstelle, heilt also den Kondensator auch gleichzeitig nach dem MP-Kondensatorprinzip.
• Wesentlich für die Verwendbarkeit eines solchen Kondensators ist jedoch die Kontaktierung der Beläge, ohne daß gerade dadurch die Eigenschaft der Selbstausheilung verlorengeht. Die Stromzuführung zu dem mit der dielektrischen Schicht bedeckten Belag erfolgt wie bei dem bekannten Elektrolyt-Kondensator mit Sinterkörper durch mindestens einen miteingesinterten Draht. Bei dem bekannten Elektrolyt-Kondensator wird der Gegenbelag durch den Elektrolyt bzw. die Halbleiterschicht gebildet, die zur Kontaktierung zunächst mit einer Graphitschicht überzogen wird, auf welche z. B. durch Tauchen in Leitsilber oder durch Umspritzen mit gut leitendem Metall die eigentliche Kontaktschicht-aufgebracht ist.
• Der erfindungsgemäß kontaktierte Kondensator besitzt einen Gegenbelag aus Metall bzw. leitendem Metalloxyd. Würde man auch auf diesen Belag die Kontaktschicht durch Tauchen oder Spritzen unmittelbar aufbringen, so müßte an dieser Stelle die Ausheilfähigkeit verlorengehen, weil diese Kontaktschicht mindestens 0,1 mm bis 0,2 mm dick ist und deshalb nicht mehr verdampfen kann. Erfindungsgemäß,wird zur Vermeidung dieses Nachteils deshalb vorge§elilagen, den-porösen :m9tallischen Sinterkörper einschließlich seines Dielektriküms und des Gegenbelages mit einer formstarren porösen Isolierstoffschicht zu umgeben, deren innere und äußere Oberflächen mit sehr dünnen, elektrisch leitenden Schichten bedeckt sind, und die alleinige elektrische Verbindung des Gegenbelages mit einer dickeren äußeren Kontaktschicht durch sehr dünne elektrisch leitende oder halbleitende Schichten auf den inneren und äußeren Oberflächen der porösen Isolierstoffschicht zu bilden. Diese poröse, etwa 0,1 mm dicke Isolierschicht aus einem Gemisch oder einer Paste oder flüssigen Suspension von Keramikpulver (A1203, Be0, Zr02, Mg0, Th02, Silikaten, Glaspulver oder Quarzpulver) mit Korngrößen, die vorzugsweise denen des metallischen Sinterkörperpulvers entsprechen, wird auf diesen Sinterkörper durch Tauchen, Pinseln, Spritzen, Pressen usw. aufgetragen, gegebenenfalls auch bereits vor dem Sintern des Sinterkörpers. Ebenso kann sie aber auch gemeinsam mit dem Grundmetall des Sinterkörpers verpreßt werden. In diesem Fall läßt sich eine gemeinsame Vakuumsinterung durchführen, wobei jedoch die Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Werkstoffe zu berücksichtigen sind. Voraussetzung für alle diese Herstellungsverfahren ist natürlich, daß sowohl der metallische Träger als auch die Isolierstoffschicht ihre Porosität beibehalten. Dieser kombinierte Sinterkörper wird nun durchweg mit der dielektrischen Schicht versehen, die zweckmäßig elektrolytisch, also mittels an sich bekannter Formierverfahren hergestellt wird und sich dadurch nur auf dem Anodenmetall (z. B. auf Tantal als Tantalpentoxyd) bildet. Wenn dagegen die Trägerelektrode aus einem Metall besteht, dessen Oberfläche nicht durch Formierung in eine dielektrisch beanspruchbare Schicht umgewandelt werden kann (wie z. B. Eisen, Kupfer, Silber usw.), muß das Dielektrikum von außen her in die Poren bzw. Innenwandungen der Poren des metallischen Sinterkörpers eingebracht werden. Die Herstellung einer solchen dielektrischen "Schicht erfolgt hierbei durch Gasplattieren von geeigneten Metalloxyden, Siliziumnitrid oder auch Bornitrid. Hier kann die poröse Isolierstoffschicht natürlich erst nach der Herstellung des Dielektrikums aufgebracht werden.
• Danach erst wird der aus Metall oder bestimmten Metalloxyden bestehende dünne, ausbrennfähige Gegenbelag aufgebracht. Ein Aufdampfen im Hochvakuum wie für solche dünnen Schichten im allgemeinen üblich, ist hier nicht möglich, weil die Dampfstrahlen nur geradlinig auf den Sinterkörper auftreffen und deshalb nicht in die Poren eindringen können. Aus diesem Grunde eignen sich die an sich bekannten Verfahren zum Niederschlagen von leitenden Metall- oder Metalloxydschichten aus der Gasphase oder aus der Flüssigkeitsphase. So läßt sich das Verfahren der Gasplattierung mittels Metallcarbonylen anwenden, wobei die Metallcarbonylgase in die Poren eindringen und dort bei etwa 200 bis 300°C einen gut haftenden Metallfilm hinterlassen, wobei Kohlenmonoxyd entweicht. Bei aus leitenden Metalloxyden bestehendem Belag kann der Metall-Keramik-Sinterkörper mit flüssigen Lösungen von hydrolysierbaren Metallverbindungen getränkt werden, aus denen dann der Belag durch Zersetzung gebildet wird. Aber auch gasförmige Metallverbindungen lassen sich unter Verwendung eines inerten Trägergases zur Bildung des aus Metalloxyden bestehenden Gegenbelags heranziehen. Natürlich bilden diese dünnen leitenden Schichten nur an den Stellen der unmittelbaren Berührung mit dem Dielektrikum den eigentlichen Gegenbelag, während sie in den Poren der porösen Isolierstoffschicht als dünne Sicherungen zwischen dem Gegenbelag und der äußeren Kontaktschicht wirksam sind, die bei Kurzschluß wegschmelzen und den Kurzschluß unterbrechen.
• Ein ähnlich erscheinender Anschluß für den dünnen aufgedampften Gegenbelag eines elektrischen Kondensators mit auf eine mit dielektrischen Schichten bedeckte Trägerfolie aus sogenanntem Ventil-Metall ist aus der britischen Patentschrift 877 594 bekanntgeworden. Dieser Kondensator ist aus zwei miteinander aufgewickelten mehrschichtigen Folien aufgebaut, die je aus einer mit mehreren Isolierstoffschichten, die mit einer dünnen Metallschicht bedeckt sind, bedeckten Metallfolie bestehen. Zur Kontaktierung der beiden dicht aufeinanderliegenden dünnen Metallschichten des Kondensators soll die eine Metallschicht mit der zur gleichen-Kondensatorfolie gehörenden metallischen Trägerfolie mit ihren Längsrändern auf ihrer ganzen Länge miteinander verbunden sein. Da diese Längsverbindung nicht ganz zuverlässig ist, weil sie bei erhöhter Strombelastung leicht durchschmelzen und infolge Funkenbildung verdampfen kann, sollen vorsorglich möglichst viele weitere elektrische Verbindungen vorgesehen werden. Zu diesem Zweck soll(en) die zwischen der dünnen Metallschicht und der Metallfolie befindliche(n) Isolierstoffschicht(en) möglichst porös sein, d. h. viele kleine Durchgangslöcher besitzen, damit beim Aufdampfen der dünnen Metallschicht Metalldampfteilchen durch diese Löcher (Poren) bis zu der metallischen Trägerfolie dringen können. Dort soll also ausdrücklich eine mögliche Unterbrechung des Kontaktes unter elektrischer Belastung verhindert werden, wie auch eine Selbstausheilung des Kondensators nach der britischen Patentschrift nicht beabsichtigt ist. Im Gegensatz dazu soll durch die Erfindung die gewollte Unterbrechung im Kurzschlußfall, d. h. die Selbstausheilung des Kondensators, unbedingt und zuverlässig gewährleistet sein.
• Nach der Zeichnung, die lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellt, ist- die Sinterelektrode 1 aus Aluminium, Tantal, Niob od. dgl. durch einen miteingepreßten und miteingesinterten Anschlußdraht 2 kontaktiert. Die nicht besonders markierte dielektrische Schicht befindet sich nur in den Poren bzw. auf der Oberfläche der metallischen Sinterelektrode, während diese selbst von einer porösen Hülle 3 aus elektrisch nichtleitenden Werkstoffen, wie Keramik, Metalloxyden usw., umgeben bzw. bedeckt ist. Es genügt aber auch schon, wenn diese poröse Isolier-Stoffschicht die Trägerelektrode nur an den Stellen bedeckt, wo durch spätere Aufbringung der Kontaktschicht der Gegenbelag ohne die poröse Zwischenschicht verstärkt werden würde. Sowohl die Innenwandungen der Poren des Metallsinterkörpers 1 (mit der dielektrischen Schicht) und der porösen Umhüllung 3 als auch deren äußere Oberflächen sind mit einer dünnen Schicht 4 aus Metall oder leitendem Metalloxyd mit Sauerstoffüberschuß bedeckt. Diese Schicht kann je nach dem Verwendungszweck des Kondensators auch aus mehreren Einzelschichten bestehen, wie z. B. Mangandioxyd und/oder Graphit und/oder Metall usw. Der Anschluß dieser Schicht 4, die an den Berührungsstellen mit dem Dielektrikum als Gegenbelag wirksam ist, erfolgt über die entsprechend dickere, mit einem Anschlußdraht versehene Kontaktschicht 5. Die Kontaktierung kann natürlich auch unmittelbar durch oder über das Kondensatorgehäuse erfolgen.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Elektrischer Kondensator großer Raumkapazität mit Selbstausheileigenschaften, bestehend aus einem formstarren porösen Körper, aus zusammengepreßten und -gesinterten Metallpulverteilchen, einer darauf befindlichen dielektrischen Schicht und einer als Gegenbelag dienenden elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht, die an allen Stellen so dünn ist, daß sie bei einem Kurzschluß zwischen den Kondensatorbelägen an der Kurzschlußstelle wegdampft, d a -durch gekennzeichnet, daß der metallische Sinterkörper einschließlich seines Dielektrikums und des Gegenbelages mit einer formstarren, porösen Isolierstoffschicht umgeben ist, deren innere und äußere Oberflächen mit sehr dünnen, elektrisch leitenden Schichten bedeckt sind, und daß die alleinige elektrische Verbindung des Gegenbelages mit einer dickeren äußeren Kontaktschicht durch sehr dünne elektrisch leitende oder halbleitende Schichten gebildet ist, welche die inneren und äußeren Oberflächen der porösen Isolierstoffschicht bedecken.
2. 2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Isolierstoffschicht etwa die gleiche Porösität wie die metallische Sinterkörper-Elektrode besitzt
3. 3. Elektrischer Kondensator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Isolierstoffschicht aus Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd, Zirkonoxyd, Magnesiumoxyd, Thoriumoxyd, Silikat oder Quarzpulver besteht.