DE1813371A1 - Rizinusoelgetraenkte Gleichstromkondensatoren mit einem Polyolefinfilm - Google Patents

Description

Rizinusölgetränkte Gleichstromkondensatoren mit einem Polyolefinfilm

Die Erfindung bezieht sich auf rizinusölgetränkte Polyolefinfilm-Kondensatoren und insbesondere auf Gleichstromwickelkondensatoren, in denen dünne Filme verwendet werden, die aus Polypropylen aufgebaut und mit Rizinusöl getränkt sind.

Kondensatoren mit einer Rolle oder mit einem Wickel abwechselnder Schichten eines synthetischen Kunstharzfilmes und Elektrodenfolien sind gewöhnlich mit einem dielektrischen Flüssigkeitsimprägniermittel getränkt, um die Stabilität sowie die Lebensdauer zu erhöhen und für einen niedrigeren Leistungsfaktor zu sorgen. Zahlreiche synthetische Kunstharzfilme mit Polyolefinfilmen und insbesondere Propylen sind schwer zu imprägnieren, wenn das Material selbst imprägniert werden soll, da dieses

909829/1136

Material gewöhnlich als nichtporös betrachtet werden kann, da es keine wesentliche Anzahl Poren oder Zwischenräume aufweist j die die gegenüberliegenden Oberflächen miteinander verbinden. Gleichzeitig sind jedoch keine durch den PiIm hindurchführenden Porenöffnungen für eine Anwendung in Kondensatoren erwünscht j da sie eine Gefahrenquelle für Überschläge oder Kurzschlüsse der Elektroden darstellen. Darüberhinaus weist eine Anzahl bekannter Imprägniermittel nachteilige Wirkungen auf einige Kunstharzfilme auf oder sie sind auf andere Weise mit den Kunstharzfilmen für viele Kondensatoranwendungen nicht verträglich. Zu den bekannten Imprägniermitteln gehört auch Rizinusöl, das als Imprägniermäterial wünschenswerte Eigenschaften für Niederfrequenz- und Energiespeicher-Gleichstromkondensatoren besitzt.

Kurz gesagt, beinhaltet die vorliegende Erfindung einen elektrischen Kondensator;, in dem Rizinusöl das Dielektrikum aus einem Polyolefinfilm und insbesondere einem Polypropylenfilm bis zu einem Grade tränkt, der einer praktisch vollständigen Imprägnierung gleichkommt. Es ist gefunden worden, daß derartige Kondensatoren höhere Energiespeicherungseigenschaften und eine erhöhte Stabilität und lange Lebensdauer besitzen. Darüberhinaus hat sich herausgestellt, daß Rizinusöl mit den Polyolefinen, insbesondere mit Polypropylen, für gewöhnliche Kondensatoranwendungen verträglich 1st. Ebenso ist eine Verträglichkeit mit den erwähnten Filmen sowohl während der Imprägnierverfahren bei hoher Temperatur als auch bei hohen Betriebstemperaturen festgestellt worden.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und der Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Darstellung eines Wickelabschnitts für den

Kondensator. · ·

Fig. 2 ist eine Darstellung eines becherartigen Kondensators, in dem der Kondensatorabschnitt nach Fig. 1 enthalten 909829/1136

Pig. 3 zeigt einen größeren becherartigen Kondensator, der zahlreiche langgestreckte Kondensatorabschnitte enthält, die dem Abschnitt nach Pig. I ähnlich sind.

Fig. 1 zeigt als Beispiel einen Kondensatorabschnitt 10 mit einer Rolle oder einem Wickel abwechselnder Schichten von Elektrodenfolien 11 und 12 sowie Streifen 13 und 14 aus synthetischem Kunstharz. Es werden geeignete Anzapfungsfahnen ^ 15 und 16 verwendet, die für eine elektrische Verbindung mit den Elektrpdenfolien 11 und 12 sorgen. Die Fahnen 15 und l6 können an mehreren verschiedenen Stellen innerhalb der Rolle selbst angeordnet sein, und der Wickel kann eine abgeflachte Form besitzen. Obwohl der Kondensatorwickelabschnitt 10 in Fig. 1 ein dielektrisches Abstandsmaterial zeigt, das zwischen den gegenüberliegenden Elektrodenfolien nur einen Streifen aus synthetischem Kunstharz wie z.B. Polypropylen zeigt, kann das Abstandsmaterial auch eine oder mehrere Streifen aus Polypropylen umfassen. Darüberhinaus kann auch ein oder mehre» Streifen aus Polypropylen zusammen mit Streifen eines anderen Materials wie z.B. Papier verwendet werden. Hierbei wird die Verwendung von biaxial orientiertem Polypropylen bevorzugt. Weiterhin können ™ die Elektrodenfolien aus einem Material bestehen, das auf das Kunstharz oder das Papier als ein überzug, wie z.B. durch Metallisierung, aufgebracht worden ist.

Die Imprägnierung der in Fig. 1 gezeigten Kondensatorabschnitte wird gewöhnlich durchgeführt, wenn die Wickelabschnitte in einem geeigneten Kondensatorgehäuse angeordnet sind. Ein derartiges Gehäuse kann beispielsweise die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Form besitzen.

In Fig. 2 ist ein Kondensator dargestellt, der einen den Kon-' densatorwickel 10 umschließenden äußeren Becher oder äußeres Gehäuse 17 aufweist. Geeignete Polleiter 18 und 19 führen durch

909829/ 1 136

-H-

eine Wandungsoberfläche oder einen Deckel 20 des Bechers 17 hindurch, um für einen elektrischen Kontakt mit den Anzapfungsfahnen 15 und 16 zu sorgen. In dem Deckel 20 des Bechers 17 ist eine Öffnung 21 vorgesehen, so daß der Becher mit einem geeigneten dielektrischen Imprägniermittel, wie z.B. in diesem Falle Rizinusöl, gefüllt und danach dicht abgeschlossen werden kann.

Es gibt eine Anzahl verschiedener verwendbarer Verfahren, um einen Kondensatorabschnitt 10 in dem Becher 17 wirksam zu imprägnieren. Beispielsweise kann der Kondensator nach Fig. 2 zur Vakuumtrocknung in eine geeignete Kammer eingebracht werden, um die restliche Feuchtigkeit zu entfernen. Die Öffnung in dem Becher 17 erlaubt während des Trockenverfahrens einen Abzug der Feuchtigkeit, aus dem Innenraum des Behälters oder des Gehäuses. Die Trocknungstemperatur und der Arbeitsgang hängen gewöhnlich von den Materialarten ab, die in dem Kondensatorabschnitt verwendet werden. Nach der Trocknung wird durch die Öffnung 21 hindurch Rizinusöl in die Kondensatoranordnung gegeben, während sich der Kondensator weiterhin unter Vakuum in der abgeschlossenen Kammer befindet. Gewöhnlich wird genügend Imprägnierflüssigkeit eingefüllt, damit'zumindest das Kondensatorelement in dem Behälter eingetaucht ist. Der Druck wird dann auf Atmosphärendruck erhöht, und die Kondensatoranordnung wird dann für mehrere Stunden stehen gelassen oder sie kann sich vollsaugen, damit die Imprägnierflüssigkeit, durch und durch eindringt. Nach der Imprägnierung kann die Kondensatoreinheit abgeschlossen werden, indem geeignetes Lötzinn oder ein· anderes Dichtmaterial über die Öffnung 21 aufgetragen wird.

Zusätzlich zu dem beschriebenen Verfahren können andere Techniken, die im allgemeinen Wärme und/oder Druck verwenden, bei der Durchführung dieser Erfindung angewendet werden. Beispielsweise können zur Unterstützung des Imprägnierverfahrens zahlreiche Methoden benutzt werden, zu denen Druck- und/oder Temperaturzyklen gehören. Wärme und Temperatur können die Imprägnierfähigkeit steigern, indem die relative Benetzbarkeit, Vis-

90982 9/1136

kosität und Löslichkeit der Materialien verändert wird. Darüberhinaus kann die Expansion und Kontraktion der einzelnen Komponenten des Systems, die aus der Wärme und dem Druck resultieren können, als Antriebskraft wirksam werden, um die Wanderung der Flüssigkeit in das feste Dielektrikum zu beeinflussen.

Diese Erfindung umfaßt die oben beschriebenen Verfahren, insbesondere bezüglich der Vakuumtrocknung und des Füllens des Gehäuses und des Kondensatorabschnittes mit Rizinusöl. Danach wird die Temperatur erhöht und die Anordnung kann für mehrere Stunden ziehen. Bei kleineren Kondensatorwickeln haben Tempe- % raturen über 90⁰C bereits bei 12 bis 14 Stunden eine praktisch vollständige Imprägnierung bewirkt. Es ist jedoch vorzuziehen, in dem Imprägnierverfahren höhere Temperaturen nahe 100⁰C oder darüber zu verwenden, damit eine im wesentlichen vollständige Imprägnierung sichergestellt ist. Obwohl sich gewöhnlich derartige Temperaturen über einen gewissen Zeitraum bei anderen Materialkombinationen als nachteilig herausgestellt haben, zeigt die Kombination aus Rizinusöl und Polypropylen keine nachteiligen Wirkungen.

Eine Imprägnierung der Kondensatoren mit dochtartigen Blättern wie z.B. Papier zwischen den Schichten aus Polypropylen hat j

sich nicht als besonders schwierig herausgestellt. Wird kein Papier verwendet, wenn also beispielsweise nur ein Polypropylenstreifen oder mehrere Streifen zwischen den Elektrodenfolien angeordnet werden, ist die Imprägnierung sehr viel schwieriger. Rizinusöl tränkt beispielsweise Polypropylen recht langsam. Es wird keine nennenswerte Imprägnierung der Polypropylenstreifen sichtbar, wenn sie Rizinusöl bei Raumtemperaturen über längere Zeiträume oder sogar bei Temperaturen unter 75° bei längeren Zeiten ausgesetzt werden. Bei Temperaturen von 75°C hat sich herausgestellt, daß eine Zeit von 24 Std. erforderlich ist, um einige übliche Kondensatorwickel praktisch vollständig zu imprägnieren. Es ist demgemäß wünschenswert ₃ für den Imprägnierungsprozeß Temperaturen über 100⁰C für mindestens 12 bis 14 Std. zu verwenden, wenn das Verfahren auf kleine öleichstromkondensa""

909829/1136

torwickel für Elektronikzwecke angewendet wird, die nur Streifen von weniger als etwa 0,025 mm (1 mil) Polypropylen zwischen den Elektrodenfolien enthalten.

Mit praktisch vollständiger Imprägnierung soll gemeint sein, daß das verwendete Imprägnierungsverfahren zur Folge hat, daß sich der dünne Streifen aus Polyolefln-Kunstharz mit seiner maximalen oder nahezu maximalen Menge an Imprägniermittel'vollsaugt. Dieses Vollsaugen geschieht mit Hilfe des Rizinusöles, das praktisch alle vorhandenen Räume in dem Material und ebenso in einigen Fällen das Material selbst ausfüllt, das das Imprägniermittel innerhalb seines Gefüges absorbiert. Praktisch vollständige Imprägnierung beinhaltet normalerweise auch das Tränken irgendeines Zwischenraumes zwischen einem Kunstharzfilm und einer gegenüberliegenden Elektrode.

Das Zeit-Temperaturverfahren der beschriebenen Imprägnierung liefert hervorragende Ergebnisse für die praktische Durchführung dieser Erfindung bei der Herstellung von Kondensatoren. Die Aufsaugperiode bei erhöhter Temperatur kann in Beziehung zu einem Beuteltest (bagtest) gesetzt werden, in dem ein Rizinusöl enthaltender Polypropylenbeutel in eine erhitzte Kammer eingebracht wird. Die Imprägnierungszeit für diese idealen Bedingungen wird als die Zeit gemessen, die das Rizinusöl bei einer gegebenen Temperatur benötigt, um durch den Beutel zu dringen oder zu diffundieren und auf seiner äußeren Oberfläche zu erscheinen.

Es können eine Anzahl anderer Verfahren und ebenso Hilfsstufen verwendet we.rden. Hierzu gehören Zusätze sowie Druck- und Temperaturzyklen. In jedem Falle kann die praktisch vollständige Imprägnierung durch andere Parameter gemessen werden, wie z.B. die Koronaanfangsspannungen. Die Messung dieser Spannungen bei verschiedenen Imprägnierungsgraden zeigt, daß sie sich ausgleichen oder in der Nähe der maximalen Koronaanfangsspannung nur in sehr geringem Maße schwanken, wenn eine praktisch voll- ■ ständige Imprägnierung vorliegt.

909829/1136

Es ist weiterhin in dieser Erfindung gefunden worden, daß Rizinusöl sowohl mit Polyolefinen für eine lange Betriebszeit als auch mit der in dem Imprägnierungsverfahren verwendeten hohen Temperatur verträglich ist. Es hat sich auch herausgestellt, daß die Olefine bei der Imprägnierung nur in sehr geringem Maße und nur kurz aufquellen und plastisch werden. Wichtiger ist jedoch, daß die Kombination aus Polypropylen und Rizinusöl einen Gleichstromkondensator mit einer längeren Lebensdauer bei höherer Betriebstemperatur liefert.

Als ein Beispiel für die durch diese Erfindung erzielbaren Vorteile wurden Gleichstromkondensatoren gemäß der Darstellung und der Beschreibung zu Fig. 1 mit einem nur biaxial orientiertem Polypropylenfilm von weniger als 0,025 mm (1 mil) Dicke zwischen den Elektrodenfolien hergestellt. Entsprechende Einheiten wurden auf ähnliche Weise mit einem chlorierten Kohlenwasserstoff und mit Rizinusöl getränkt. In einer Anordnung zur Prüfung der Lebensdauer zeigten die Ergebnisse für die mit chloriertem Kohlenwasserstoff behandelten Einheiten ein Versagen nach durchschnittlich 15 Std. Im Vergleich dazu trat bei den mit Rizinusöl getränkten Einheiten ein Versagen erst nach durchschnittlich 710 Std. auf. Diese Kondensatorprüfungen wurden bei einer Gleichspannung von 7B8 Volt und einer Temperatur von etwa B5°C durchgeführt. Diese genannten Ergebnisse zeigen auf, daß Rizinusöl und Polypropylen für Gleichstromkondensatoren tatsächlich bei höheren Temperaturen wirksam sind als die andere Kombination, wo der Leistungsfaktor und eine Anzahl anderer herausragender Vorteile der anderen Kombination nicht erforderlich sind.

Das in dieser Erfindung verwendete Rizinusöl besaß einen Leistungsfaktor von etwa 0,2£ bei Frequenzen in der Größenordnung von etwa dO Hz. Der Leistungsfaktor geht auf etwa 0,05$ zurück, wenn sich die Frequenz auf etwa 1.,0OO Hz erhöht. Bei einem'weiteren Ansteigen der Frequenz erhöht sich der Leistungsfaktor., bis er bei Frequenzen von etwa 100 bis 1.000 kHz den relativ hohen Wert von etwa 2 bis 5% erreicht. Demgemäß ist

909829/1136

Rizinusöl gewöhnlich für Kondensatoren niedriger Frequenz und besonders für Gleichstromkondensatoren empfehlenswert. Rizinusöl kann allein verwendet werden oder es können stabilisierende Zusätze zugegeben werden, oder es kann selbst als eine Mischung mit anderen bekannten Kondensator-Tränkölen verwendet werden. Bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung wurden zahlreiche Dielektrikumskombinationen eines Polypropylenstreifens oder mehrer Streifen mit oder ohne dochtartigem Streifen durch das genannte Verfahren praktisch vollständig mit Rizinusöl getränkt und verschiedenen Prüfungen für elektrische Kondensatoren unterworfen. Die Ergebnisse zeigen die Verträglichkeit des Rizinusöles mit Polypropylen und dessen praktisch vollständige Durchtränkungj insbesondere zur Bildung einer insgesamt aus Filmen bestehenden Gleichstromkondensators für zu hohe Temperaturen.

Es ist bekannt, andere Pflanzenöle wie z.B. Baumwollsamenöl, als Tränkmittel zu verwenden. Mit unterschiedlichen Abstufungen der Verträglichkeit der Imprägnierung und der Ergebnisse zeigen andere pflanzliche öle einige wünschenswerte elektrische Eigenschaften für Kondensatoren mit Polyοlefinfilmen. Zu diesen gehört Safranöl, Seasamöl, Olivenöl, Kokosnußöl, Rapssamenöl, Palmenöl, SoyaÖl, Erdnußöl,■Tetrahydrofuryloleat'und andere.

Ein Kondensatorabschnitt, wie er z.B. als Abschnitt 10 in Fig. gezeigt ist, kann als einziger Kondensatorabschnitt in einem Becher, wie es in Fig. 2 dargestellt ist , oder in einer Ausführungsform in mehreren Kondensatorabschnitten verwendet werden, Als -Beispiel hierfür ist in Fig. 3 ein Kondensator 22 dargestellt, der eine Reihe von Kondensatorabschnitten 10' enthält, die langgestreckte Abschnitte 10 aus Fig. 1 sind.

9 0 9 8 2 9/113 6

Claims (6)

1. ■■■ " rwgiißi!. !Γ! ^!:'

   PATENTANSPRÜCHE:

   [I)) Elektrischer Kondensator, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Elektroden als dielektrisches Abstandsmaterial ein Polyolefinfilm angeordnet ist, und das Polyolefin im wesentlichen vollständig mit einer dielektrischen Imprägnierungsflüssigkeit getränkt ist, die Rizinusöl als einen dielektrischen Hauptbestandteil enthält.
2. 2) Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Polyolefin Polypropylen umfaßt.
3. 3) Kondensator nach Anspruch 2, d. adurch gekennzeichnet , daß der Polypropylenfilm biaxial orientiertes Polypropylen ist.
4. 4) Kondensator nach den Ansprüchen 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet , daß das dielektrische Abstandsmaterial einen Streifen aus porösem dielektrischen Material und einen Streifen aus Polypropylen enthält.
5. 5) Verfahren zum Zusammenbau eines Kondensators mit einem Wickel f abwechselnder Streifen aus Elektrodenmaterialien und nicht porösem Polypropylen und mit den Fertigungsstufen Herstellung des Kondensatorwickels, Einbau des Kondensatorwickels in ein Gehäuse, Evakuierung des Gehäuses, Einfüllen eines dielektrischen flüssigen Tränkmittels in das Gehäuse und Abdichtung des Gehäuses, dadurch gekennzeichnet,

   daß die dielektrische Flüssigkeit Rizinusöl ist, und die Temperatur des Wickels auf über 90⁰C erhöht,zur Erzielung einer praktisch vollständigen Imprägnierung einen genügend langen Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten und dann vor der Abdichtung des Gehäuses verringert wird.

   909829/1136
6. 6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn

   zeichnet , daß mindestens ein Streifen von weniger als etwa 0,025 mm Polypropylen als Dielektrikum verwendet wird, und die Temperatur 12 Std. lang auf mehr als 100⁰C gehalten wird.

   909829/1136