DE1950562B2 - Elektrischer Kondensator - Google Patents

Description

Die Messung der Glätte von Kondensatorpapier mit dem Verfahren nach B e k k ist in dem Buch »Der Papierkondensator« von H. Gönningen, 2. Aufl. Schlitz/Hessen, S. 129 und 130 beschrieben.

Wenn nun ein Papier bezüglich seiner Eignung als Kondensatorpapier für Metallpapierkondensator¹^ untersucht werden soll, so wird man sich eines der bekannten Verfahren bedienen, um festzustellen, ob das Papier für diesen Zweck, insbesondere auf der mit Metall zu bedampfenden Seite, genügend glatt ist. Dabei ging man immer von der Annahme aus, daß durch die Vertiefungen in der Papieroberfläche Spitzen des Metallbelages gebüdet werden, die in das Papierdielektrikum hineinragen und an dieser Stelle die dielektrischen Eigenschaften durch die Spitzenwirkung verschlechtern.

Durch eingehende Untersuchungen hat sich aber nun überraschenderweise herausgestellt, daß die Zusammenhänge zwischen der Glätte des Papiers und den elektrischen Eigenschaften eines Metallpapierkondensators nicht so einfach sind, wie bisher angenommen. So wurde beispielsweise durch Messungen der Rauhigkeitstiefe von Papieroberflächen die überraschende Feststellung gemacht, daß ein Kondensatorpapier durch Aufbringen einer Lackschicht nicht wesentlich glatter wird als ohne Lackschicht. So wurde an einem bestimmten Papier eine Rauhtiefe von 2,8 μτα und ein arithmetischer Mittelrauhwert von 0,45 μπι gemessen. Nach dem Aufbringen einer Lackschicht wurde die Rauhtiefe mit 2,4 μπι und der arithmetische Mittelrauhwert mit 0,45 μπι gemessen. Es wurde also die Rauhtiefe nur geringfügig vermindert, während sich der arithmetische Mittelrauhwert überhaupt nicht verändert hat. Die Rauhtiefe und der Rauhwert konnten also nicht die Ursache für die Verbesserungen der elektrischen Eigenschaften eines Metallpapierkondensators durch Aufbringen einer Lackschicht auf die zu metallisierende Papierseite sein. Wie sich aus den obengenannten Werten für die Rauhtiefe und dem Mittelrauhwert ergibt, haben sich die durch die Metallisierung erzeugten Metallspitzen nicht wesentlich vermindert.

Eine weitere überraschende Feststellung bestand darin, daß die relativen Werte für die Glätte, die nach den verschiedenen Methoden erhalten wurden, nicht übereinstimmten. Bisher war man der Meinung, daß es nicht auf das Verfahren der Glättemessung ankommt, sondern daß die bei den einzelnen Verfahren erhaltenen relativen Werte einander entsprechen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß verschiedene untersuchte Papiere auf der glatten Seite zwar die gleichen Werte bei der Glättemessung nach Lange ergaben, jedoch die Werte der Glätte, gemessen nach B e k k sehr voneinander abwichen. So ergab beispielsweise die Glätte bei einem bestimmten Papier einen Glanzwert nach Lange von 42 und eine Glätte nach B e k k von 532. Ein anderes Papier hatte eine Glätte nach der Glanzmessung von 43 und bei der Messung nach B e k k von 856. Schließlich wurde ein Papier gemessen, dessen Glätte nach Lange den Wert 47 und nach Bekk den Wert 1120 hatte. Es wurden offenbar nicht einander entsprechende Parameter bei den Messungen festgestellt.

Es wurden nun weiter mit verschiedenen Papieren, deren Glätte nach Lange und nach Bekk gemesen worden war, Metallpapierkondensatoren hergestellt, wobei in bekannter Weise die glattere Papierseite metallisiert worden war. Es stellte sich nun zur großen Überraschung heraus, daß es, um elektrische Kondensatoren mit guten Werten zu erhalten, nicht auf die Glätte des Papiers schlechthin ankam, sondern daß nur die Kondensatoren sehr gute elektrische Eigenschaften zeigten, deren Papiere, nach Bekk gemessen, eine hohe Glätte zeigten, während die Glättemessung nach der Glanzmethode bei gleichen Werten zu ganz unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften führte. Dieses Ergebnis mußte um so mehr

ίο überraschen, als es schon seit hngem bekannt war, daß die Glätte eines Kondensatorpapiers für die elektrischen Eigenschaften des damit hergestellten Kondensators eine Rolle spielt.

Die festgestellten erheblichen Unterschiede bei den beiden Glättemessungen beruhen wahrscheinlich daraut, daß mit beiden Verfahren verschiedene Dinge gemessen werden. Bei der Glättemessung nach Lange, die auch als Glanzmessung bezeichnet wird, wird die Oberflächenreflexion des Lichtes durch die Papieroberfläche festgestellt. Hier spielen offenbar nur die Oberflächeneigenschaften des Papiers eine Rolle. Bei der Glättemessung nach Bekk wird jedoch Luft an der Berührungsfläche zwischen der Papieroberfläche und einer polierten Glasplatte hindurchgesaugt, wobei wohl auch die Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche des Papiers eine Rolle spielen. Bei dieser Messung ist es jedoch auch möglich, daß die Luft nicht nur an der Oberfläche des Papiers entlang in den Unterdruckraum strömt, sondem es ist auch möglich, daß die Porosität des Papiers selbst in der Oberflächenschicht eine Rolle dabei spielt. Dies wäre eine Erklärung dafür, daß die Werte, die durch die beiden Messungen erhalten werden, einander nicht entsprechen. Es wurde nun aber festgestellt, daß es auf die Werte ankommt, die bei der Oberflächenglättemessung nach Bekk gemessen werden, d. h. daß für vorteilhafte elektrische Eigenschaften die Glättemessung nach Bekk maßgebend ist. Es könnte hierbei sein, daß die Oberflächenporosität des Papiers bei der Bedampfung mit einer Metallschicht eine große Rolle spielt, wodurch sich die Verbesserung der elektrischen Eigenschaften bei guten Glättewerten nach Bekk erklären ließ. Ein Hinweis hierauf ist die Tatsache, daß die Struktur der aufgedampften Metallschicht eine andere ist, wenn die Glätte nach Bekk einen hohen Wert hat, als wenn sie einen niedrigen Wert hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, elektrische Kondensatoren aus metallisierten Papierbändern zu schaffen, bei denen der zeitliche Verlauf des Verlustfaktors wesentlich verbessert ist, so daß es möglich ist, das Dielektrikum mit einer höheren Spannung als bisher zu belasten, ohne daß der Verlustfaktor im Laufe der Zeit ansteigt. Dies ist besonders deshalb wesentlich, weil durch das Ansteigen des Verlustfaktors mit der Zeit die Temperatur im Kondensatorwickel erhöht wird, was wiederum zu einem weiteren Anstieg der Verluste führt. Dadurch wird einerseits die Spannungsbelastbarkeit und andererseits die Lebensdauer des Kondensators begrenzt. Dies bedeutet, daß unter Beachtung der Regel gemäß der Erfindung, Kondensatoren bei gleicher Papierstärke hergestellt werden können, die sich für eine höhere Betriebsspannung eignen bzw. daß bei gleicher Betriebsspannung die Dicke des Papiers wesentlich vermindert werden kann, wodurch sich kleinere und leichtere Kondensatoren ergeben. Es ist sogar möglich geworden, sogenannte zweilagige Kondensatoren, bei denen zwi-

sehen den metallisierten Papierbändern noch un- für die Messung nach B e k k und d die Papierdicke

metallisierte Papierbänder vorhanden sind, durch gemessen in μχη.

einlagige Kondensatoren zu ersetzen, was bei gleicher Ganz allgemein kann aber gesagt werden, daß zur Gesamtstärke des Papierdielektrikums eine wesent- Verbesserung der bekannten Kondensatoren der nach liehe Ersparnis in der Herstellung und im Preis be- 5 B e k k gemessene Wert bei den obengenannten Meßdeutet, bedingungen mindestens 12 000 see betragen muß.

Weiter soll durch die Erfindung das Ausbrennver- Für ein Kondensatorpapier von einer Stärke von 8 um

halten der Metallisierungsschicht verbessert werden, ergibt sich aus der im vorhergehenden angegebenen

ohne die Gleichspannungsfesiigkeit des Kondensators Formel ein Wert von mindestens 57 000 see, für ein

zu beeinträchtigen. io Papier von etwa 10 μΐη von etwa 40 000 see und für

Diese Aufgabe wird bei einem Kondensator der ein Papier von etwa 12 μΐη von 29 900 see. Im Vereingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die gleich hierzu haben die bisher verwendeten Konden-Glätte des Pspiers auf der metallisierten Seite nach satorpapiere einen Bekk-Wert von etwa 10 000 see B ekk gemessen mindestens 12 000 see bei einem bei einem 8-|jjn-Papier, von etwa 5000 see bei einem Auflagedruck von 1 kg pro cm^s, einer Druckdifferenz. 15 12-um-Papier und von etwa 3000 see bei einem von 0,5 atü und einer Auflagefläche von 10 cm² bei 17-um-Papier. Für andere Papierstärken ergeben sich einem Lochdurchmesser von 1 cm² beträgt und daß entsprechende Werte.

der Widerstand der Metallisierungsschicht etwa Damit kann auch die Dicke der Metallisierungs-

4 Ω/cm² beträgt. schicht wesentlich herabgesetzt werden. Es ist zwar

Auf diese Weise ist es möglich, selbstheilende Kon- ao bekannt, daß der Selbstheileffekt bei Metallpapierdensatoren mit verbesserter Spannungbelastbarkeit kondensatoren um so besser ist, je dünner die Metallurg verbessertem Ausbrennverhalten herzustellen. schicht ist; jedoch kommt es nicht allein auf die insbesondere einlagige Kondensatoren für Span- Dicke der Metallschicht, sondern auch auf deren nungsbereiche zu bauen, für die bisher zweilagige S;ruktur an. Dann ist die untere Grenze für die Dicke Kondensatoren erforderlich waren. 25 dei Metallschicht dort gegeben, wo die Verluste des

Die in der vorliegenden Beschreibung angegebenen Kondensators zu stark ansteigen. Diese sind zum Werte für die Messung nach Bekk beziehen sich auf Teil auf den Widerstand der dünnen Metallschicht Papierproben, die von einer Glasplatte mit einer Flä- zurückzuführen. Insbesondere wird durch die M :tallche von 10 cm² abgedeckt sind und diese Glasplatte schicht die Gleichspannungsfestigkeit des Kc adeneine Bohrung von 1 cm² Fläche besitzt. Die Papier- 30 salors beeinflußt, d. h. wenn der Quadratwiderstand probe ist auf die Glasplatte mit einem Gummistempel der Metallisierungsschicht durch dünnere Metallimit einem Druck von 1 kg pro cm² aufgedrückt. Der sierung zu stark erhöht wird, sinkt die Gleich-Unterdruck in dem Vorratsbehälter, welcher mit dem Spannungsfestigkeit des Kondensators auf einen Wert Loch in der Glasplatte in Verbindung steht, beträgt ab, durch den der Kondensator unbrauchbar wird, eine halbe Atmosphäre. Die Meßwerte geben die Zeit 35 Man kann also die Metallisierungsschicht nicht bein Sekunden an, während der 10 cm³ Luft in den Vor- liebig dünn machen. In der Praxis hat sich ergeben, ratsbehälter eindringen. daß bei einer bestimmten Art von Metallpapierkon-

Bei Kondensatoren gemäß der Erfindung ist der densatoren mit aufgedampfter Zinkschicht ein Wider-Quadratwiderstand der Metallisierung auf dem stand der Zinkschicht von etwa 2 Ohm pro cm² be-Papierband wesentlich erhöht, was bedeutet, daß 40 sonders günstig war. Dieser Wert stellten den günstieine dünnere Metallisierungsschicht verwendbar ist. geren Kompromiß zwischen einer ausreichenden Dies war bisher deswegen nicht möglich, weil die Gleichspannungsfestigkeit einerseits und guten Aus-Gleichspannungsfestigkeit des Kondensators dadurch brenneigenschaften andererseits dar. E? hat sich nun wesentlich beeinträchtigt wurde. Nunmehr ist bei gezeigt, daß durch Verwendung von Kondensatorgleicher Gleichspannungsfestigkeit wie bei den bis- 45 papieren mit einem hohen Wert nach B e k k der herigen Kondensatoren die Metallisierungsschicht Widerstand der Metallisierungsschicht wesentlich erwesentlich dünner, d. h. der Quadrarwiderstand der höht werden kann, ohne daß sich die Gleichspan-Metallisierungsschicht ist etwa verdoppelt, was zu nungsfestigkeit des Kondensators vermindert. So einem verbesserten Ausbrennverhalten bei selbst- wurde gefunden, daß bei den Kondensatoren gemäß heilenden Kondensatoren führt. 50 der Erfindung, die sich von den oben beschriebenen

Aus der französischen Patentschrift 1 063 542 sind Kondensatoren nur durch den höheren Bekk-Wert

an sich elektrische Kondensatoren mit metallisierten unterschieden, die Metallisierungsschicht mit einem

Papierbändern bekannt, bei denen der Flächenwider- Widerstand von 4 Ohm pro cm² am günstigsten ist.

stand der Metallisierungsschicht zwischen 1,5 und Dadurch werden die selbstheilenden Eigenschaften

10 Ohm beträgt. 55 des Kondensators wesentlich verbessert, so daß es

Es wurde weiterhin erkannt, daß ein Zusammen- gegebenenfalls möglich ist, einen bisher zweilagig

hang zwischen der nach Beck gemessenen Glätte ausgeführten Kondensatortyp als einlagigen Kon-

des Papiers und der Dicke des Papiers besteht. Je densator aufzubauen.

dünner das Kondensatorpapier ist, desto größer muß Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kondender Wert der Glättemessung nach B e k k sein. Die 60 satoren gemäß der Erfindung mit einem polymeren hierzu gefundene Beziehung wird durch folgende Isobutyl getränkt sind, was als Tränkmittel für Kon-Formel ausgedrückt: densatoren aus der deutschen Patentschrift 933 402

bekannt ist.

1,6 · 10^e Durch die Erfindung ergibt sich bei gleicher Belast-

' ~ —~^_t — · 65 barkeit eine Verkleinerung der Kondensatorwickel

bzw. eine Erhöhung der Spannungsbelastbarkeit bei gleicher Wickelgröße. Außerdem wurde es durch die

In dieser Formel bedeutet t die Zeit in Sekunden Erfindung erstmals möglich, einlagige Kondensatoren

Il

für Betriebsbedingungen zu bauen, für die bisher aus- Lackierung der Papieroberfläche vermieden werden,

schließlich zweilagige Kondensatoren hergestellt wer- was nicht nur einen größeren Fertigungsaufwand be-

den mußten. Durch die Verwendung einer einzigen deutet, sondern auch die Gefahr mit sich bringt, daß

Papierlage ergibt sich eine erhebliche Einsparung an durch die Lacksubstanz das Tränkmittel ungünstig

Papierpreis und Fertigungsaufwand. Dabei kann eine S beeinflußt wird.

Claims (2)

1 950 5ö2 weiter bekannt, zur Herstellung elektrischer Kondensatoren durch Kalandrieren verdichtetes Papier zu verwenden, das auf derjenigen Seite, auf welcher die metallischen Beläge angeordnet sind, glatter ist als

1. Elektrischer Kondensator aus auf der glatte- 5 auf der anderen Seite. Die Unebenheiten auf der glatren Seite metallisierten Papierbänder, dadurch ten Seite sollen dabei kleiner als 5 um, vorzugsweise gekennzeichnet, daß die Glätte des Papiers kleiner als 1 um sein. Solche Kondensatoren sollen auf der metallisierten Seite nach B e k k gemessen einen wesentlich niedrigeren Verlustfaktor haben als mindestens 12 000 see bei einem Auflagedruck Kondensatoren, die mit dem bis dahin bekannten von 1 kg pro cm'², einer Druckdifferenz von io Kondensatorpapier hergestellt wurden.

0,5 atü und einer Auflagefläche von 10 cm² bei Nach der deutschen Patentschrift 969 551 soll

einem Lochdurchmesser von 10 cm² beträgt und Kondensatorpapier hoher Pressung in der Weise herdaß der Widerstand der Metallisierungsschicht gestellt werden, daß das Kondensatorpapier mit einem etwa 4 o/cm² beträgt. Hilfsband durch den Kalander gedreht wird. Dieser

2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, 15 Vorschlag geht von der Erkenntnis aus, daß ein hochdadurch gekennzeichnet, daß die nach B e k k ge- gepreßtes Papier bei Wechselspannungskondensamessene Glätte mindestens dem Wert t in Sekun- toren verhältnismäßig hohe Verluste hat, während ein den nach der Formel nur maschinenglattes Papier zwar geringere Verluste

hat, aber geringere Kapazität und geringere Durch-

1,6 - 10° ²° schlagfestigkeit. Man hat versucht, diese Nachteile

^/= J₁₆ dadurch zu vermeiden, daß man ein Papier sehr hoher

" " Pressung verwendete, das aber auf einer Seite rauh

ist, so daß die Feuchtigkeit nach Herstellung des

entspricht, worin d die Papierdicke gemessen in Kondensatorwickels besser aus dem Wickel entfernt Sim bedeutet. 25 werden kann als bei einem sehr glatten Papier.

Es wurden nun Untersuchungen durchgeführt mit dem Ziel, die Zusammenhänge zwischen der Glätte

des Papiers und den elektrischen Eigenschaften eines

daraus hergestellten Metallpapier-Kondensators wei-

30 ter aulzuklären. Hierzu muß vorausgeschickt werden,

daß zur Feststellung de.- Glätte eines Papiers ver-

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen schiedene Verfahren bekannt sind. Eines der meist Kondensator mit Papier als Dielektrikum und mit verwendeten Verfahren zur Messung der Glätte eines Belägen, die durch Aufdampfen von Metall auf die Papiers ist die Reflexionsmessung nach Dr. Papierbänder aufgebracht wurden. Solche Konden- 35 Lange, bei der die Reflexion des Lichtes an der satoren werden allgemein als Metallpapierkonden- betreffenden Papieroberfläche als Maß für die Glätte satoren bezeichnet. Die aufmetallisierte Schicht kann des Papiers gemessen wird. Dieses Verfahren ist verdabei so dünn sein, daß der Kondensator selbst- hältnismäßig einfach, da mittels einer Lichtquelle heilende Eigenschaften hat, d. h. daß bei einem und einer Fotozelle eine berührungslose Messung Durchschlag der Belag um die Durchbruchstelle weg- 40 möglich ist, die sich auch zur kontinuierlichen Überdampft, so daß der Kondensator auch nach einem wachung einer laufenden Papierbahn gut eignet,
oder mehreren Durchschlägen funktionsfähig bleibt. Ein anderes Verfahren zur Messung der Glätte von

Es ist bereits bekannt, daß bei solchen Metall- Papieren, das seit langem bekannt ist, ist die Papierpapierkondensatoren die Glätte des bedampften prüfung nach Dr. B e k k. Dieses Verfahren ist beiPapiers eine große Rolle spielt. Wenn die Metall- 45 spielsweise in der Zeitschrift »Der Papierfabrikant« beläge z. B. durch ein Vakuumverfahren aufgebracht von 1935, H. 16 auf S. 137 bis 143, beschrieben. Ein worden sind, ist es außerordentlich wichtig, daß die weiterer Aufsatz von Dr. B e k k über die Glätte-Unterlage für die Metallbelegung besonders glatt ist messung an Papier ist in der Zeitschrift »Der gra-(deutsche Patentschrift 878 412). In dieser Patent- phische Betrieb«, Bd. 7,1932 auf S. 2 bis 10,beschrieschrift ist weiter ausgeführt, daß sich vermutlich beim so ben. Dieses Verfahren zur Glättemessung nach B e k k Metallisieren des Papierbandes spitzenartige Vor- beruht darauf, daß eine Papierprobe mit einem defispriinge des Metallbelages bilden, die in das Dielek- nierten Druck gegen eine glatte Glasplatte gedrückt trikum hineinragen und daß an diesen Stellen das wird, die eine öffnung von definierter Abmessung Dielektrikum überlastet wird. Um die mit Metall zu aufweist. Die öffnung in der Glasplatte steht mit bedampfende Oberfläche des Papiers glatter zu 55 einem Vorratsgefäß in Verbindung, in dem ein defimachen, hat man diese Oberfläche mit einem Lack- nierter Unterdruck erzeugt wird. Als Maß für die überzug versehen. Dieser Lacküberzug füllt die Poren Glätte des Papiers wird nun die Zeit in Sekunden und Vertiefungen der Oberfläche aus, so daß auf angegeben, die dazu benötigt wird, damit 10 cm³ Luft diese Weise eine glattere Oberfläche zustande kommt, zwischen der ringförmigen polierten Fläche und der als sie das unlackierte Papier hat. 60 Papieroberfläche in das Vorratsgefäß eindringen.

In der genannten Patentschrift wird weiter fest- Diese Art der Glättemessung wurde in der Hauptgestellt, daß die Glätte des Papiers noch verbessert sache zur drucktechnischen Papierprüfung verwendet, werden kann, indem man das Papier in feuchtem Zu- Das Verfahren der Glättemessung nach B e k k kann stand auf eine glättende Unterlage aufpreßt und auf nur an einzelnen Papierproben ausgeführt werden dieser Unterlage trocknen läßt. Die so erhaltene glatte 65 und benötigt je nach der Glätte des Papiers eine Papieroberfläche wird dann durch Metallisieren mit mehr oder weniger lange Zeit. Deshalb eignet sich einem Metallbelag versehen. dieses Verfahren nicht zur laufenden Glättemessung

Aus der deutschen Patentschrift 974 836 ist es an bewegten Papierbahnen.