DE2103040A1 - Verbesserungen bei Elektrolytkon densatoren - Google Patents

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PATENTANWÄLTE

Diplome. H. LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN

2 81 84 8 München 2, Rosental 7, 2. Aufg.

Tei.-Adr. Ulnpat Munch·· T.Won (Mil) 2ItIMf

Potttdmdc-Konto: MOndiwt 22045

d«n 22. Januar 1971

UnMrZaIdMD XIH/C

WICON KONDENSATORFABRIK A/S, DK 2000 Kopenhagen/Dänemark Verbesserungen bei Elektrolytkondensatoren

Die Erfindung betrifft Verbesserungen bei Elektrolytkondensatoren sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Elektrolytkondensatoren bestehen gewöhnlich aus einer streifenförmigen Metallfolie, meistens aus Aluminium, welche mit einem Abstandhalter, z.B. einem Streifen aus einem mit porösem Papier imprägniertem Elektrolyten, zu einer Spule gewickelt ist. Hierbei | dient die Metallfolie als Anode und ist an der Oberfläche mit einer dielektrischen, nach dem sogenannten Formierungs- oder Anodisierungsverfahren hergestellten dielektrischen Sperrschicht versehen, wobei der Elektrolyt als Kathode des Kondensators dient. Der Kondensator kann auch einen Aufnahmestreifen aus einer nichtformierten Metallfolie enthalten, welche mit dem Anodenstreifen und dem Abstandhalter zusammengewickelt ist und zum Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen dem Elektrolyten und einem der Außenanschlüsse des Kondensators dient. Bei bipolaren oder

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reversiblen elektrischen Kondensatoren verwendet man zwei Anodenstreifen zusammen mit einem üblichen, mit Elektrolyt gefüllten Abstandhalter. Bei manchen elektrolytischen Kondensatoren verwendet man ein festes halbleitendes Material anstelle des mit Elektrolyt gefüllten Abstandhalters.

Erfindungsgemäß wird die zu einer Spirale gewickelte Kondensatoreinheit zusätzlich mit Öl oder einem anderen elektrisch isolierenden Material imprägniert, welches die Bestandteile des Elektrolyts nicht zu lösen vermag. Es wurde gefunden, daß durch diese Imprägnierung verschiedene Vorteile erzielt werden, insbesondere eine Verringerung des Verlustfaktors bei höheren Spannungen und eine Zunahme der Leckstrom beständigkeit während der Lagerung. Falls man darüberhinaus die Kondensatoreinheit in einem Metallgehäuse unterbringt, kann diese Anordnung in einfacher Weise erfolgen, wobei die spulenförmig gewickelte Kondensatoreinheit und die Kondensatoranschlüsse im Innern von dem umgebenden Metallgehäuse isoliert sind, so daß eine äußere elektrische Isolierung überflüssig wird.

Das Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytkondensatoreinheit gemäß der Erfindung wird nun anhand des folgenden Beispiels beschrieben:

Eine Aluminiumfolie wird zuerst bis zu einer gewünschten Spannung formiert und dann in Streifen der gewünschten Breite geschnitten. Jeder Streifen wird dann mit einem Abstandhalterstreifen und einem Aufnahmestreifen zusammengewickelt und die zu einer Spirale gewickelte Kondensatoreinheit wird dann mit einem Elektrolyten, z.B. durch Vakuumimprägnieren oder Zentrifugalimprägnieren oder durch längeres

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Eintauchen in den Elektrolyten, imprägniert. Zum Nachformieren und zum Prüfen des eventuellen Leckstroms wird dann einige Stunden lang eine höhere Spannung als die beabsichtigte maximale Betriebsspannung an den Kondensator angelegt. Dann erfolgt erfindungsgemäß ein Imprägnieren mit öl, was wiederum durch Vakuumimprägnieren, Zentrifugalimprägnieren oder längeres Eintauchen erfolgen kann.

Bei Versuchen im Rahmen der Erfindung wurde Mineralöl für die zusätzliche Imprägnierung verwendet; es ist aber nicht erforderlich, daß dieses Imprägniermittel eine große elektrische Isolierfähigkeit aufweist. Es ist dagegen wichtig, daß das Imprägniermittel mit dem Elektrolyt unverträglich ist und die Bestandteile des Elektrolyts oder die an Defektstellen gebildeten !Reaktionsprodukte, welche durch das Nachformieren wieder beseitigt werden, nicht zu lösen vermag.

Beispielsweise wurde gefunden, daß bipolare Wechselstromkondensatoren mit nicht geätzter Anode in an sich bekannter Weise für konstante Wechselstrombelastungen bis zu 130 Y nur dann hergestellt werden können, wenn man bis zu 600 Y formiertes Anodenmaterial verwendet.

Falls man die zusätzliche Ölimprägnierung gemäß der Erfindung anwendet, lassen sich gleiche Ergebnisse bei Anwendung eines unter oder nur bis zu 400 V formierten Anodenmaterials erzielen, wobei eine beträchtliche Materialeinsparung und eine beträchtliche Verminderung der mechanischen Abmessungen des Kondensators erzielt werden. Gleich-

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zeitig wird der Verlustfaktor, gemessen bei 130 V und 50 Perioden, um etwa 40# verringert.

Bei niedrigen Spannungen, z.B. von IV, wurde keine Verringerung des Verlustfaktors festgestellt. Hieraus läßt sich schließen, daß bei den bekannten Kondensatoren ein Verlust aufgrund des in Phase mit der Spannung hindurchgehenden Stromes auftritt, falls der Maximalwert des Stroms einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, bei welchem die Defektstellen offensichtlich zu leiten beginnen. Dieser Vorgang wird jedoch durch die erfindungsmäße zusätzliche Imprägnierung vermieden.

Obwohl gebildeter Wasserstoff bis zu einem gewissen Grad in dem isolierenden Imprägniermittel gelöst wird und durch ein Diaphragma durch Diffusion entweichen kann, ist es zweckmäßig, die Entwicklung von Wasserstoff in dem Kondensator zu vermeiden, da selbst geringe Wasserstoffmengen in einem mit Öl gefüllten Gefäß hohe Drucke bewirken können und dadurch der Kondensator undicht werden kann.

Die Bildung von Wasserstoff kann praktisch vollständig verhindert werden, wenn man ein Depolarisationsmittel zu dem Elektrolyt zugibt, mit welchem der Abstandhalter imprägniert wird. Unter einem Depolarisationsmittel ist dabei ein Zusatz zu verstehen, welcher mit dem an der Kathode gebildeten Wasserstoff reagiert. Geeignete Zusätze sind Nitroverbindungen. Gute Ergebnisse wurden beispielswi.se unter Verwendung von m-Nitr©benzoesäure als Depolarisationsmittel in dem Elektrolyt erzielt.

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Die größte Anzahl von Fehlstellen in der Sperrschicht treten entlang der Schnittkanten der Anodenfolie auf, welche sich an den Enden der zu einer Spirale gewicJsLten Kondensatoneinheit befinden. Es besteht daher die Gefahr, daß das Depolarisationsmittel des Elektrolyten lokal verbraucht wird, so daß nach einiger Zeit Wasserstoff, wenn auch in geringen Men-; gen, frei wird. Dies läßt sich verhindern, wenn man ein Depo-i larisationsmittel zu dem isolierenden Imprägniermittel hin- j zugibt. In diesem Fall ist dann immer ein Depolarisations-' · < mittel an den Endkanten der Kondensatoreinheit vorhanden, da ™ sich das gelöste Depolarisationsmittel durch Diffusion in dem Imprägniermittel verteilen kann.

Das zu dem nicht leitenden Imprägniermittel zuzugebende Depolarisationsmittel soll andersartig sein wie das zu dem Elektrolyt zugegebene Depolarisationsmittel. Es ist möglich, ; Ester zu verwenden, welche reaktionsfähige Doppelbindungen * enthalten, wie Maletnsäuredibutylester, oder eine Nitroverbirh dung, wie p-Nitrobenzoesäureäthylester. Diese Verbindungen sind, ebenso wie die als üepolarisationsmittel für den Elektrolyt vorgeschlagenen Nitroverbindungen, nicht giftig und | nicht explosiv.

Der Kondensatorbeeher kann mit einem Sicherheitsven- « til versehen werden, welches bei hohem Druck infolge ther- < mischer oder elektrischer Überlastung in Tätigkeit tritt; _: es ist jedoch nicht nötig, Maßnahmen zur Begünstigung der Wasserstoffdiffusion zu ergreigen, da selbst bei einem vollständig verschlossenen Kondensatorbecher keine Explosionsgefahr besteht, weil kein Luftraum vorhanden ist, in welchem Energie durch Kompression gespeichert werden kann. Falls

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etwas öl aus dem Becher herausgepreßt werden sollte, ist dies verhältnismäßig harmlos für die Umgebung des Kondensators.

Falls beide Pole des Kondensators gegenüber dem Metallbecher isoliert sein sollen, kann die imprägnierte, spiralförmig gewickelte Kondensatoreinheit mit einem Kunststoffbehälter, z.B. aus Polyäthylen oder Polyvinylalkohol, ummantelt werden. Durch einen solchen Behälter wird das Ausbreiten des Elektrolyts und die Bildung einer leitenden Brücke zwischen dem negativen Pol und dem Kondensatorbecher vermieden.

In der beigefügten Zeichnung ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß hergestellten Katalysators wiedergegeben.

In der Zeichnung bedeutet 1 ein Kondensatorelement in Form einer spiralförmig gewicMten Einheit des oben genannten Typs, bestehend aus einem formierten Aluminiumstreifen, einem Abstandhalterstreifen und einem weiteren Aluminiumstreifen, welcher bei bipolaren Kondensatoren ebenfalls formiert ist. 2 und 3 sind welche aus den beiden Streifen herausragen und mit Nieten 4 und 5 verbinden

sind, welche durch einen isolierenden Deckel 6 des als Kondensatorgehäuse dienenden Aluminiumbechers 7 hindurchgehen. 8 ist ein zweiteiliger, um die spiralförmig gewickelte satoreinheit herum angeordneter Kunststoffbehälter, welcher sich also zwischen der Kondensatoreinheit und dem Aluminiumbecher 7 befindet. Der gesamte freie Raum innerhalb des Aluminiumbechers ist mit Öl gefüllt, mit welchem die

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gewickelte Kondensatoreinheit imprägniert ist. Diese Füllung mit öl kann erfolgen, indem man die Ölimprägnierungsstufe ausführt, nachdem die gewickelte Kondensatoreinheit in den Becher eingesetzt, jedoch bevor die Wand des Bechers entlang der Kante des Deckels abgedichtet wurde.

Der Abstandhalter der spiralförmig gewickelten Kondensatoreinheit 1 wird in an sich bekannter Weise mit einem Elektrolyt imprägniert. Beispielsweise kann ein zur Verwendung für bipolare Wechselstromkondensatoren mit Elektroden j| aus einer glatten Aluminiumfolie bei einer Spannung von 150 V m.r.s. und einer Periode von 50 Hz brauchbare Elektrolyt wie folgt hergestellt werden:

50 kg Borsäure und 40 Liter Äthylenglykol werden vermischt und bis auf 135⁰C erhitzt. Dann werden 40 Liter Glycerin, spezifische Dichte 1,26, 8 kg m-Nitrobenzoesäure und 6 Liter 25#-iges wässriges Ammoniak unter fortwährendem Hühren zugegeben. Die Mischung wird zum Sieden erhitzt. Ein Beispiel für 6in isolierendes imprägniertes Material ist Transformatorenöl mit einem Zusatz von 5 Gew.# p-Nitro- w benzoesäureäthylester.

Ein zusätzlicher Vorteil der Ölfüllung beruht auf ! einer Verhinderung der Korrosion der Verbindungen zwischen j

den Kondensatorelektroden und den Kondensatoranschluss en. '. Jnschlu&fahner» , ,

«•«MAizs diesem Grund können die - mit den du: den Deckel hindurchragenden Nieten durch Punktschweißen verbunden werden, ohne daß irgendeine Korrosionsgefahr besteht· Diese Gefahr besteht dagegen bei den bekannten iÜektrolytkonf densatoren, da sich Spuren von Fremduetallen aus den Elektroden auf den Aluminiumteilen niederschlagen, wodurch

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eine galvanische Wirkung unter dem gleichzeitigen Einfluß von atmosphärischer Luft und dem Elektrolyten eintritt.

Das öl schützt ferner die bekannten empfindlichen Zonen des Kondensators, in welchen die nasenförmigen Verbindungen aus der Kondensatireinheit herausragen. Normalerweise besteht in diesen Zonen eine erhöhte Gefahr einer Lichtbogenbildung zwischen dem Aluminium und dem Elektrolyt, falls die Sperrschicht auf der flexiblen Nase mechanisch beschädigt wird. Diese Gefahr besteht jedoch nicht bei dem erfindungsgemäß mit öl gefüllten Kondensator, Das Öl kann stark viskos sein und beispielsweise in Form von Erdölgelee oder Mineralwaehs vorliegen. In diesem Fall werden die Näsenverbindungen sogar noch sicherer gegen Benetzung durch den Elektrolyt und dadurch gegen Korrosion geschützt. Bei der Herstellung von kleinen, in Massen produzierten Kondensatoren ist es

Rnschlußfahnenvarbincltmgen sogar möglich, die direkt an die Endan-

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Schlüsse zu legen, welche beispielsweise aus Messing oder Kupfer bestehen können.

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Claims (16)

- 9 Patentansprüche ι

1. J Kondensator, bestehend aus einer spiralförmig gewickelten Einheit aus wenigstens einem Streifen einer Metallfolie und einem porösen Streifen eines mit einem Elektrolyten imprägnierten Abstandhalter, wobei die Einheit zusätzlich mit einem isolierenden Material imprägniert ist, welches die Bestandteile des Elektrolyten nicht löst.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt ein Depolarisationsmittel enthält.

3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Imprägniermaterial ein andersartiges Depolarisationsmittel wie der Elektrolyt enthält.

4. Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Depolarisationsmi.ttel in dem isolierenden Imprägniermaterial aus Nitrobenzoesäureäthylester besteht.

5. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoreinheit von einem Plastikbehälter umgeben ist.

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6. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Imprägniermaterial aus Mineralöl besteht.

7. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Imprägniermaterial aus Eydölgelee besteht.

8. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Imprägniermaterial aus Mineralwachs besteht.

9. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoreinheit in einem Metallbecher angeordnet ist, welcher vollständig mit isolierendem Imprägniermaterial gefüllt ist.

10. Verfahren zum Herstellen eines Elektrolytkondensators, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens einen Streifen eines vorformierten Metalls und einen porösen Abstandhalterstreifen zu einer spiralförmigen Kondensatoreinheit wickelt, die Einheit mit einem Elektrolyt imprägniert, eine höhere Spannung als die beabsichtigte Maximalspannung zwischen dem Metallstreifen und dem Elektrolyt zum Nachformieren des Metallstreifens anlegt, und den Verbund mit einem isolierenden Imprägniermaterial, welches die Bestandteile des Elektrolyts nicht zu lösen vermag, imprägniert.

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11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt ein Depolarisationsmittel enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Imprägniermaterial ein andersartiges Depolarisationsmittel wie der Elektrolyt enthält. :

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem isolierenden Imprägniermaterial vorhandene Depolarisationsmittel aus p-Nitrobenzoesäureäthylester besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn- ; zeichnet, daß das isolierende Iraprägniermaterial aus Mineralöl besteht.

15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn-(t, daß da
ölgelee besteht.

zeichnet, daß das isolierende Imprägniermaterial aus Erd- '

16. Verfahren nach Anspruch 10, daducch gekennzeichnet, daß das isolierende Imprägniermaterial aus Mineralwachs besteht.

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