DE2134949A1

DE2134949A1 - Kondensator und Verfahren zum Herstellen von Kondensatoren

Info

Publication number: DE2134949A1
Application number: DE19712134949
Authority: DE
Inventors: James Marrin Indianapolis Ind. Booe (V.StA.). M
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1970-07-13
Filing date: 1971-07-13
Publication date: 1972-03-16
Also published as: FR2100512A5; AU2980471A; US3649892A; CA963545A; GB1350089A

Description

3029 East Washington Street, Indianapolis, State of Indiana, USA

Kondensator und Verfahren zum Herstellen von Kondensatoren

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kondensator mit metallischen, insbesondere folienförmigen Elektroden und einem Kunststoff-Dielektrikum sowie auf ein Verfahren zum Herstellen von Kondensatoren.

Spannungsfeste Kondensatoren herkömmlicher Art haben ein flüssiges Dielektrikum, beispielsweise öl auf Papier, oder ein beschichtetes Dielektrikum, z. B. Papier oder eine Folie, zwisehen Elektrodenfolien. Hinsichtlich der Verwendung von Flüssigkeiten bestehen bekanntlich Schwierigkeiten, doch, ist abgesehen davon ein erhöhter Elektrodenabstand im allgemeinen erforderlich, damit eine Mindest-Spannungsfestigkeit gegeben ist; gewisse Typen solcher Kondensatoren können bei Gleich-Strom-Daueranwendungen nicht eingesetzt werden.

Man hat auch bereits Kondensatoren vorgeschlagen bzw. ausgeführt, die zur Verwendung mit höheren Betriebsspannungen diskrete PolymerfoIienlagen aufweisen, wobei jedoch Nachteile

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•insofern auftreten, als zwischen den Elektroden entweder im Inneren oder an den Kanton oder an beiden Wogen- oder Sprühentladungen und dergleichen auftreten können. Schwierigkeiten gibt es auch hinsichtlich der Anbringung der Anschlüsse, der Eigeninönktivität, eines aufgrund der vorgegebenen Eigenschaften begrenzten Anwendungsbereiches usw.

Kondensatoren mit herkömmlichen Polymerfolien-Dielektrikum haben in gewisser Hinächt einen offenen Aufbau, nämlieh leere oder Luft-Zwischenräume zwischen der Isolierfolie und den Folienelektroden. Leere'Flächen bzw. Räume an den Enden der Wicklung können ebenfalls Luftpfade an den Elektrodenkanten bilden, so daß dort Wogen- oder Sprühentladungen und dergleichen auftreten können. Ungünstig ist auch, daß diese Kondensatoren wenig mechanische Festigkeit besitzen und daß die Festigkeit der Anschlußbefestigung an den Folienelektroden zu wünschen übrig läßt.

Es ist ein wichtiges Ziel der Erfindung, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik einen verbesserten Folienkondensator zu schaffen, der eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist und insbesondere allen mechanisch-klimatischen Anforderungen bei den verschiedensten Einsatzbedingungen genügt. " "

Bei einem Kondensator der eingangs,erwähnten Art ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß wenigstens eine diskrete Polymerfolienlage durch wenigstens ein Bindemittel wenigstens teilweise mit jeder Elektrode stoffschlüssig verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Kondensatorkonstruktion bedient sich daher gewisser Polymerfolien als Dielektrikum, und zwar in gegenüber der herkömmlichen Anordnung verbesserter Weise., so daß Folien hoher Spannungsfestigkeit benutzt und nahe an der durch die Werkstoffeigenschaften bestimmten Höchstfeldstärke

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betrieben werden können. Dies wird dadurch erreicht, daß man Bindemittel verwendet, insbesondere ausgewählte Polymere, um die Elektrodenfolien mit der Dielektrikumsfolie innerhalb und außerhalb der genanten Anordnung stoffschlüssig zu verbinden. Dieser Aufbau gewährleistet nicht nur eine sehr große mechanische Festigkeit, vor allen Dingen einen starren, robusten und kompakten Aufbau, sondern auch das praktisch vollständige Fehlen von Leer- oder Zwischenräumen zwischen den Elektroden und der Dielektrikumsfolie; namentlich an den äußeren Enden des Kondensators und an den freiliegenden bzw. vorstehenden Kanten der Dielektrikunsfolie füllt das Bindemittel sämtliche Leeren oder Zwischenräume. Die zurückgesetzten Kanten der Folienelektroden werden auf diese Art mit einer Isolierschicht bedeckt, die ein Mehrfaches der Bogen·- und Sprühentladungs-Spannungsfestigkeit an diesen Stellen sichert, als es bisher bei den Luftstrecken herkömmlicher Folienkondensatoren der Fall war. V/ichtig ist auch, daß die nicht zurückgesetzten Elektrodenkanten nach außen durchtreten und an derjenigen Fläche, z.B. -der Stirnfläche, der Kondensatoranordnung freiliegen, welche zur Anschlußbefestigung vorgesehen ist. Überraschend hat sich gezeigt, daß dank geeigneter Auswahl des Bindemittels und vor allem infolge günstiger Verarbeitung der zwischen den Elektroden und der Dielektrikumsfolie verbleibenden Bindemifcelreste keine merkliche Herabsetzung der Kapazität eintritt. Erfindungsgemäße Kondensatoren sind infolge dessen vorzüglich geeignet für Anwendungsfälle, in denen es einerseits auf geringe bzw. kompakte Abmessungen ankommt, andererseits jedoch auf besonders hohe Spannungsfestigkeit. Als Beispiele hierfür seien unter anderem genannt: Hochenergiespeicherung, Laser, Raketentechnik, Nachtsichtgeräte, Fernmeldeeinrichtungen, Fernsehschaltungen, Impulstechnik usw.

Weitere Menmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

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Fig. 1

bis 4 schematisierte stark vergrößerte Schnittansichten eines erfindungsgemäßen Kondensators in ver-"schiedeinen ^tadien der Herstellung und

Fig. 5

bis 7 Schrägansichten eines erfindungsgemäßen Kondensators in Form eines Wickels in verschiedenen Ferti gungsstufen.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung läßt im Abstand zueinander angeordnete Ketallfolien 10 und 11 erkennen. Diese sind in weiter unten erläuterter Weise mit wenigstens einer Polymerfolienlage 20 verbundene Infolge des Abstandes zwischen den Elektrodenfolien 10, 11 treten nahe deren Kanten Leer- oder Zwischenräume 12 auf. Wenigstens ein Bindemittel wird so aufgebracht, daß die Zwischenräume 12 im wesentlichen sämtlich gefüllt werden, wie im Folgenden noch dargelegt wird.

Aus Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die Anordnung im nächsten Arbeitsgang gepreßt wird, vorzugsweise bei erhöhter Temperatur. Dadurch vermindert sich die Schichtdicke des polymeren Bindemittels 14„ so daß überschüssiges Bind.emi.ttel 14 in die Zwischenräume 12 und als Außenschicht 13 an die äußeren Flächen der Anordnung gedruckt xvdrd»

Die Außenschichten 13 aus

verfestigtem Bindemittel werden gemäß Fig. 3 anschließend entfernt« Die Kanten 16 der Folien 10 einerseits und die Kanten der Folien 11 andererseits werden sodann gemäß Fig„ 4 elektrisch miteinander verbunden, indem Überzüge 30 und 31 bxis metallischem Merkstoff aufgebracht werden, beispielsweise durch Auf« sprühen elim Mckel-Aluminium-Gemisches. An diesen Überzügen JG₅ "31 können nunmehr Anschlüsse befestigt werden, mit denen der Xo&dentsator in eine elektrische Schaltungsanordnung ein-

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gesetzt wird. Bei gewissen Anwendungen kann es wünschenswert oder erforderlich sein, die Kondensatoren in an sich bekannter Weise zu umhüllen, vorzugsweise mit einem polymeren Schutzüberzug vor oder nach dem Anbringen der Anschlüsse.

Eine V/i ekel anordnung 50 aus Elektrodenfolieii und einer Dielektrikumsfolie ist in Pig. 5 dargestellt. Sie enthält im Inneren ein (nicht gezeigtes) Bindemittel, das nach weiter unten erläutertem Verfahren eingebracht wurde. Pig. 6 zeigt die gleiche Anordnung 50 nach dem Zusammenpressen, das vorzugsweise bei erhöhter Temperatur zum Aushärten und Verfestigen des Bindemittels stattfindet, wobei an den Stirnflächen 61 bzw. 62 überschüssiges Bindemittel entfernt wird. Schließlich ist in Fig. 7 die Anordnung 50 nach dem Aufbringen der oben erwähnten elektrischen Anschlußüberzüge 30 bzw. 31 dargestellt.

Im Rahmen,vorliegender Anmeldung bedeutet der Ausdruck "Folie bzw. Folienlage" ein flaches polymeres Material, das bezüglich Länge und Breite dünn ist und im allgemeinen eine Nenn-Schichtdicke von höchstens etwa 0,25 hh& hat. Derartige Folien werden erfindungsgemäß zusammen mit wenigstens einem polymeren Bindemittel benutzt, wodurch sie mit den Elektroden stoffschlüssig verbunden werden.

Die im Rahmen der Erfindung verwendbaren Folien können aus einer großen Vielzahl von polymeren Werkstoffen hergestellt sein, insbesondere aus den im folgenden aufgezählten Materialien. Eine zur Folienherstellung besonders geeignete Werkstoffgruppe wird von den Olefinpolymeren gebildet. Diese Bezeichnung umfaßt Polymere, die aus dem nachstehend genannten, eine Doppelbindung aufweisenden Grund-Monomer durch Polymerisation entstehen;

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G^G

"4-

wobei R^, bis R^ Wasserstoff oder eine große Anzahl verschiedener Radikaie sein können, v/ie sie unten angegeben sind.

Sind R^ , Rp und R₇ Wasserstoff, so kann R₁, aus einer der an sich bekannten Gruppen

GH

(Vinyl)

bestehen, nämlich Wasserstoff5Alkyl-, Aryl-, Alkaryl-, Aralkyl- sowie substituierte Alkyl-, Aryl-,. Alkaryl-, Aralkyl gruppen; Halogenide, Hydroxylgruppen, iithergmippeni " " Carboxylgruppen; Estergruppen, Cyanogruppen; heterozyklische Gruppen usw.

Wenn R^ und R₂ Wasserstoff sind, so können H~ und fi.

-COOCH,, -CN,

-CH₂C₆H₅ -O₆H₅CH₃₅ -Cl, -OH₅ -OGH₃, -COOH,

CHp - C I

\
(Vinyliden)

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₂ - CIL,

-JH

(Pyrrolidon)

Acryl-Gruppen

Im Falle der Vinyliden-Monomere sind manche der erwähnten R-Gruppen infolge räumlicher Behinderung oder aus elektronischen Gründen nicht so gut geeignet wie andere. Beispiele geeigneter Untergruppen innerhalb der Acrylfainilie sind für R,: -H-Acryl, -CH^-llethacryl, -CK-Cyanoacryl und -Cl-Chloroacryl. Auch andere an sich bekannte Werkstoffe können Verwendung finden. R, kann beispielsweise sein; -COOR¹; -CONR^f ₂, wobei -R' sein kann: -H; Alkyl-, Aryl-, Alkaryl-, Arakyl- oder substituierte Alkyl-, Alkaryl-, Aralkyl- und Arylgruppen.

In Betracht kommen auch:

Vinylen-Gruppen

Vinylenmonomere weichen hinsichtlich ihres Aufbaus vom Yinyliden darin ab, daß die beiden Substituenten nicht

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an ein und demselben Kohlenstoffatom, sondern an zwei benachbarten Kohlenstoffatomen sitzen. Ein Substituent Y kann derselbe oder ein anderer sein als ein Substituent Z. Für R-, wurden oben einige Beispiele geeigneter Gruppen genannt. Wie an sich bekannt ist,, lassen sich nicht alle Gruppen ohne weiteres polymerisieren Auch können die Y- und Z-

Gruppen einen Substituenten bilden, wie am Beispiel des Vinylencarbonats und des Acenaphthylens ersichtlich ist.

Poly(vinylencarbonat)-Gruppen
CH Poly(acenaphthylen)-Gruppen

Es ist anzumerken, daß auch eine große Vielzahl von Copolymeren der genannten Verbindungen Verwendung finden kann und daß EL, Rp, R-, und/oder R^ aromatische Gruppen sein können.

Eine zweite Art von für die Polymerfolien-Herstellung' geeigneten Werkstoffen besteht aus Kondensationspolymeren. Diese können nach an sich bekannten Verfahren erzeugt werden und umfassen unter anderem: Polyester, Polyamide, Polyesteramide, Polyurethane, Polycarbonate, Formaldehydkondensate mit Phenol, Resorcinol, Melamin, Harnstoff und dergleichen, Phenoxid-Harze, Polyphenylen, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid, PoIydiphenylenoxid, Polysulfone und dergleichen sowie Copolymere davon oder jeder der erwähnten Verbindungen mit jeder anderen.

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Mit gewissen Einschränkungen können Zellulosepolymere empfohlen werden. Sie haben hohe Dielektrizitätskonstanten, jedoch im allgemeinen hohe Verlustfaktoren sowie bedingte Temperatureignung, je nach den Substituenten. Innerhalb ihrer Begrenzungen brauchbare, handelsübliche Abkömmlinge sind unter anderem: Zelluloseester, z. B. -acetat und -butyrat; Zelluloseäther, z. B. Methyl- und Äthylzellulose\ Hydroxyäthylsowie Carboxymethylcellulose.

Ein anderer Typ von verwendbaren Kondensationspolymeren sind die Polycarbonate, insbesondere Diphenylolpropan-Ester. Es können sowohl gegossene als auch stranggezogene bzw. -gepreßte PolycarbonateIien Verwendung finden.

Weitere brauchbare Kondensationspolymere sind die Polyamide. Diese haben im charakteristischen Aufbau COHH zwischen Kohlenwasserstoffresten (CHp) . Zwei Haupttypen sind besonders geeignet, nämlich durch Kondensation von Diaminen mit Dicarboxylsäuren und durch Kondensation von Aminosäuren erzeugte Polyamide.

Noch ein anderes geeignetes Kondensationspolymer ist Polyurethan, das durch Reaktion von Diisocyanat mit zwei oder mehr Hydroxylgruppen erzeugt wird und einen Aufbau gemäß folgender Formel hat:

OH-R-OCONH-R · -MICOO-R-OCONH-R · -NiICOO.

Viele der neuerdings verwendeten Polymere, die entweder handelsüblich sind oder nach Bedarf erzeugt werden können, haben in den Ketten heterocyclische Verbindungen oder Vernetzungen. Die meisten dieser Werkstoffe haben ausgezeichnete elektrische Eigenschaften und sind auch bei sehr hohen Temperaturen einsetzbar. Ein geeignetes Polymer ist ein Poly-

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imid. Auch wenn andere heterocyclische Ringe als Imid in Polymere eingebaut werden, erzielt man eine sehr hohe Wärmebeständigkeit und gute elektrische Eigenschaften. Beispiele sind: PolyimidazοIe, Polythiazole, Polyoxazole, Polyoxadiazole, Polythiadiazole, Polytriazole, Polytetraazopyrene, Polyquinoxaline, Polyimidazopyrrolone und dergleichen, einschließlich Polymerketten mit zwei oder mehr der oben erwähnten Vernetzungen.

An dieser Stelle ist hervorzuheben, daß nicht sämtliche der erwähnten Polymere für alle-Verwendungen als Dielektrikumsfolien geeignet sind, doch ist jedes innerhalb seiner Begrenzungen brauchbar. Wünscht man beispielsweise eine hohe Dielektrizitätskonstante, so lassen sich viele der Acryl und Cyanoacrylpolymere verwenden, obwohl viele davon einen hohen Verlustfaktor bewirken, was die jeweilige Anwendung also zulassen muß_e Ist der Kondensator bei. Raumtemperatur oder darunter zu verwenden^ so eignen sich die erwähnten Werkstoffe alle, doch würde min beispielsweise Polyäthylen natürlich nicht für einen Kondensator benutzen, der bei 150 C Verwendung finden soll. Eine große Anzahl der oben genannten aromatischen Polymere liefern die niedrigsten Verlustfaktoren, nämlich (tan ο 1.10""·^), und einige gewährleisten eine hohe Wärmebeständigkeit, doch haben sie niedrige Dielektrizitätskonstanten. Man erkennt also , daß die Verwendung eines jeden Polymers der vorgesehenen Kondensator-Anwendung angepaßt sein muß.

Gewisse Polymerfolien-Werkstoffe haben sich erfindungsgemäß als geeignet erwiesen, um besonders spannungsfeste Kondensatoren in Stapel- oder Wickelanordnung herzustellen.

Für gewisse Anwendungen sind Polypyromellitimid-SOlien

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(Polyimid = PI) ur.d Polyäthylen-terephthalat (PEEi) besonders günstig. Polyethylenterephthalat hat keine so guten Hochtemperatureiger.schaften wie Polyimid, jedoch eine Spannungsfestigkeit, velche diejenige des Polyimids erreicht oder noch übertrifft. Außerdem ist es ein sehr viel billigeres Dielektrikum. Es ist jedoch in Betracht zu ziehen, daß bei höheren Temperaturen wie 150 bis 200° C die Spannungsfestigkeit niedriger liegt als bei Polyimid.

Um in weitem Temperaturbereich eine gleichmäßige Kapazitätscharakteristik zu erzielen, 'kann man erfindungsgemäß auch verschiedene Dielektrika kombinieren, beispielsweise PETH und PI oder andere, und zwar in Folien jeweils gleicher oder ungleicher ^icke, so daß man die gewünschten elektrischen Eigenschaften erhält. Ba die Spannungsfestigkeiten der beiden genannten Werkstoffe ungefähr gleich sind und sie etwa die selbe Dielektrizitätskonstante haben, läßt sich auf diese Art nicht nur ein gleichmäßigerer Kapazitätsverlauf bei Temperaturen bis zu etwa 125 bis 150° C erzielen, sondern auch ein Ausgleich derjenigen Eigenschaften, in denen diese Werkstoffe voneinander abweichen.

Statt PETH- und PI-Folien oder zusätzlich sind auch andere Foliendielektrika verwendbar, deren Spannungsfestigkeit:-allerdings niedriger ist. Die nachfolgend genannten Werkstoffe sind für gewisse Anwendungen besonders günstig, weil sie mittels geeigneter Bindemittel gut mit den Folienelektroden stoffschlüssig verbunden werden können: Polysulfone, Polycarbonate usw.

Für bestimmte Anwendungen werden Werkstoffe für Foliendielektrika bevorzugt, die mäßige bis hohe Spannungsfestigkeit haben und im übrigen gute elektrische Eigenschaften besitzen. Einige solche Materialien sind sehr billige Folienwerkstoffe,

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lassen sich jedoch, weniger gut mit den Folienelektroden durch entsprechende Bindemittel verbinden. Zu diesen Werkstoffen gehören:'Polystyrol, Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylfluorid, Polytetrafluoräthylen usw.

Hinsichtlich der Bindemittel, die zum stoffschlüssigen Verbinden der Dielektrikumsfolie mi.t den J'olienelektroden und zum Ausfüllen der Zwischenräume an den Kanten des Dielektrikums sowie zum Überdecken oder Einbetten der zurückgesetzten Elektrodenfolien-Kanten dienen, ist eine große Vielzahl von Werkstoffen geeignet. Die folgenden Bedingungen sind für die erfindungsgemäße Verwendung von Bindemitteln besonders wichtig. 1) Ausfüllen im wesentlichen aller Leer- oder Zwischenräume zwischen dem Foliendielektrikum und den Elektrodenfolien zum Unterbinden von Sprühentladungen bei höheren Spannungen, 2) Ausbildung eines mechanisch starren Aufbaus zur Steigerung der mechanisch-klimatischen Widerstandsfähigkeit und 3) Gewährleistung einer stabilen Anschlußbefestigung in einer Weise, welche die vorgesehene Nenn-Betriebsspannung nicht herabsetzt, jedoch einen induktivitätsarmen Kondensator schafft, selbst wenn dieser die Form einer Wicke lanor"dnung aus Folienelektroden und Dielektrikumsfolie hat, obgleich bei herkömmlichen konzentrisch gewickelten Kondensatoren recht beträchtliche Eigeninduktivitäten unvermeidbar sind.

Zu den einzelnen Werkstoffen, welche die erforderlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften aufweisen und zur stoffschlüssigen Verbindung von Metallfolien-Elektroden und vielen Dielektrikumsfolien geeignet sind, gehören die folgenden Materialien mit polymeren Bestandteilen:

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Epoxidharze,

Polysiloxan-Überzüge und -gießharze,

Vinylpolymere,

Polyurethanbindemittel,

Polyimide,

Polysulfone,

Polybenzimidazole,

Polyphenylensulfide,

verschiedene Zelluloseverbindungen, Epoxid-Nylon-Bindemittel,

Epoxid-Pheno!-Bindemittel,

Epoxid-Polyamide,

Gummi-Phenol-Verbindungen und Vinyl-Pheno!-Verbindungen.

Man erkennt, daß viele der vorstehend aufgeführten Folienwerkstoffe auch als Vernetzungsmittel benutzt werden können, indem man sie auf die zu verbindenden Elektrodenfolien bzw. das Foliendielektrikum aufbringt, solange sie noch im monomeren und halb-polymeren Zustand sind.

Bei Polysiloxenharzen wird das Verhältnis von R-Gruppen zu Si-Atomen (R/Si) zur sehr überschlägigen Beschreibung-des Ausmaßes der Verteilung von Polymer- und Hydroxylgehalt benutzt, die beide im allgemeinen höher sind, wenn das R/Si-Verhältnis abnimmt. Geeignete R/Si-Verhältnisse liegen im Bereich von 1 bis unter 3, vorzugsweise bei etwa 1,3 ^>is etwa 1,9. Die bevorzugten R-Gruppen enthalten Methyl und Phenyl, wobei das Phenyl-/Methyl-Verhältnis zwischen 0,1 und 0,9 liegt. Ein besonders brauchbares Harz hat ein R/Si-Verhältnis von etwa 1,4 und ein Phenyl-/Methyl-Verhältnis von etwa 0,3· Di© voll ausgehärteten Harze haben hervorra-

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-leelektrische und thermische Eigenschaften, und sie nind besonders wertvoll zur Verwendung als Bindemittel zwischen den Folienelektrode:! -and der Dielektrikurnsfolie.

Ausgehärtete Systeme erhält man auch durch Reaktion von Epoxidharzen, deren Komponenten meistens eine Anzahl aktiver Wasserstoffgruppen enthalten, z. B. Amine, Carboxyle, Carbino-Ie, Phenole, Mercaptane und dergleichen. Diese werden in die k vernetzte Harzstruktur chemisch eingebunden. "Von den gebräuchlicheren Härtern sind folgende zu erwähnen:

1) Amine, und zwar sowohl aliphatische als auch aromatische; z. B. die aliphatische Reihe von Ethylendiamin bis Tetraäthylenpentamin; oder aromatische Amine wie Methaphenylendiamin und flethylendianilin.

2) Anhydride, beispielsweise Stahlsäure-, Maleinsäure-, Methyl-3-,--_6-e ndo-methylen-tetrahydrophthalsäure-anhydride'; Pyromellit-, Cyclopentan- und Benzophenondianhydride; Dodecenylsuccin—anhydrid, Polyazeleinpolyanhydrid und dergleichen.

3) Biegsam machende Härter, beispielsweise Polyamide (Versamide), Polysulfide (Thiokole), Dimer- und '£rimer-Säuren, die beiden vorstehend zuletzt erwähnten Anhydride und dergleichen.

Nicht nur die für den Kondensator geforderten Eigenschaften bedingen das zu verwendende Bindemittel oder legen es fest, sondern auch der mechanische Aufbau des Kondensators beeinflußt die Materialauswahl. Z. B. sind gewisse Arten von Bindemitteln für einen kleinen Folien-Stapelkondensator besonders günstig, während für einen Wicke!kondensator gewisse andere Bindemittel

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benötigt v/erden. Auch die Abmessungen des Kondensators bilden einen Faktor hinsichtlich der Materialauswahl.

Zu berücknichtjgen ist, daß die verschiedenen Bindemittel vor den Einführen in den Kondensator unterschiedliche mechanische b/;w. physikalische Eigenschafton haben, weshalb für ihre Anwendung unterschiedliche Verfahren erforderlich sind. Im folgenden werden die einseinen Bauweisen und ihre Beziehung zu diesen Verfahren erläutert, die zum Erzielen der gewünschten Ergebnisse durch diese Bindemittel bei der Kondensatorfertigung eingesetzt werden. ■

1. Feststoff-Auflösen in einem Lösungsmittel. Zu dieser Kategorie zählen sowohl thermoplastische als auch warmhärtende Bindemittel. Allgemein kann man Lösungen der Stoffe etweder auf die Elektrodenfolien oder auf das Foliendielektrikum oder auf beide aufbringen, worauf das Lösungsmittel eingedampft wird, bis auf dem Element eine Beschichtung genügender Dicke zurückbleibt, welche nach dem Zusammenbau zu einem Stapel- oder Wickelkondensator als Bindemittel dient. Die ganze Anordnung wird schließlich der Einwirkung von mechanischem Druck und Wärme ausgesetzt. Sowohl bei thermoplastischen als auch bei warmhärtenden Stoffen muß das Beseitigen von Lösungsmittel ziemlich vollständig erfolgen, damit verhindert wird, daß während der Einwirkung von Wärme und Druck durch Lösungsmittel-Verflüchtigung im Kondensator Leeroder Zwischenräume entstehen. Im Falle v/armhärtender Harze und Stoffe vollzieht sich die Lösungsmittel-Beseitigung bei genügend niedrigen Temperaturen, damit das Material nicht in den ausgehärteten bzw. unschmelzbaren Zustand übergeht.

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2. Aufschmelzbares Band. In der Anwendung besonders günstig sind gewisse aufschmelzbare (fusible) Folien, die zum Verbinden von Metall mit Metall oder von Metall mit anderen Stoffen' eigens hergestellt werden. Solche Folien oder Bänder beruhen auf warmhärtenden Materialien, sind also nach dem Aushärten unschmelzbar und infolgedessen bei mäßig hohen Gebrauchstemperaturen geeignet. Von Vorteil ist das Fehlen von Lösungsmitteln, und gewisse Fo-. lien bzw. Bänder geben auch beim -Aushärten keine gasförmigen Stoffe ab. Solche Bänder,können bei Wickelkondensatoren benutzt werden, indem zwischen jeder Elektrodenfolie und dem Foliendialektikum ein solches Band eingewickelt wird, worauf der Wickel zwischen Preßplatten zusammengedrückt und die Bindefolie schmelzflüssig wird, so daß sie das Foliendielektdkum und die Elektrodenfolien miteinander verbindet und überschüssiges Bindemittel herausgequetscht wird. Noch günstiger ist allerdings die Verwendung bei Stapel- oder Schichtkondensatoren kleiner Abmessungen, wobei die Bindefolie bzw. das Band auf die richtige Größe zugeschnitten und jeweils ein solcher Zuschnitt in den Schichtenaufbau zwischen jeder

^ Elektrodenfolie und dem Foliendielektrikum eingelegt wird. Das Zusammendrücken zwischen den Heiz-Ereßplatten bringt die Bindefolie zum Schmelzen, so daß das -. ♦ Foliendielektrikum und die Elektrodenfolien miteinander verbunden werden und überschüssiges Material herausgedrückt wird, das zwischen die Kanten der Folien hineinfließt und sie außen überdeckt.

Ein in Bandform erhältliches Material ist eine Kombination von Elastomer- und Phenolharz. Dabei läßt sich eine Zug-Seher-Festigkeit von 175 kp/cm mit einer Härtungszeit von nur 2 bis 3 min bei einer Temperatur von 200 bis 225 ° C · erzielen. Für so hohe Aushärtegeschwindigkeiten ist es er-

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— ι / —

forderlich, daß das Material verhältnismäßig dünne Schichten und kleine V/i ekel "bildet, damit die Wärme den Aufbau rasch durchdringen kann. Bei Elastomer-Phenol-Harzen ist darauf zu achten, daß beim Aushärten flüchtige Nebenprodukte abgegeben werden können, welche unter Umständen kleine Leer- oder Zwischenräume hinterlassen, wodurch die Anwendbarkeit dieser Stoffe eingeschränkt wird.

Eine weitere Art von Bindemitteln sind Elastomer-Harze. Diese sind Elastoner-Phenol-Harzen darin überlegen, daß Zug-

Seher-Festigkeiten von bis zu etwa 350 kp/cm erzielbar' and und daß während des Aushärtens keine flüchtigen Nebenprodukte auftreten. Weitere Vorteile sind höhere Gebrauchstemperaturen, beispielsweise etwa 125 0» und niedrigere Drücke zum

Erzeugen der Verbindung, beispielsweise 3,5 "bis 14 kp/cm . Die Aushärtungsdauer ist allerdings etwas langer, sie beträgt bei 175 C etwa 60 min, doch lassen sich bei höheren Temperaturen Aushärtungen auch binnen 30 s erzielen. Die längere Aushärtungszeit dieses Materials ermöglicht seine Verwendung in größeren Anordnungen, als dies bei Elastomer-Phenol-Harzen möglich ist, was auf die überlegenen Fließeigenschaften zurückzuführen ist, denn das Material verbleibt länger bei niedriger Viskosität, so daß überschüssiges Material zwischen dem EoIiendielektrikum und den Elektrodenfolien ■ gut herausgedrückt werden kann.

3. Lösungsmittelfreie flüssige Bindemittel. Zu dieser Kategorie gehören gewisse Stoffe, die als Bindemittel besonders brauchbar sind. Von den vorstehend genannten Stoffen unterscheiden sie sich hauptsächlich darin, daß sie flüssig sind, jedoch im wesentlichen kein flüchtiges Lösungsmittel enthalten. In die Kondensatoranordnung werden sie in flüssigem Zustand eingebracht, ohne daß sie mit einem Lösungsmittel verdünnt wurden. Diese Materialart geht durch Verwendung von Härtemitteln

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in den festen Zustand über, und zwar mit oder "ohne Wärmeeinwirkung. Von Vorteil ist, daß sie keine merklichen Mengen, gasförmiger nebenprodukte während des Aushärtens freisetzen. Obgleich nun diese Materialien generell keine Lösungsmittel enthalten, haben sie eine hinreichend kleine Viskosität und infolgedessen ein genügend gutes Fließverhalten, so daß nur ein mäßiger mechanischer Druck erforderlich ist, um überschüssiges Material zwischen den Kondensator-Bestandteilen selbst bei verhältnismäßig großen W Stücken von Stapel- oder Wi ekel anordnungen herauszudrücken. ι Die Verwendung dieser Werkstoffe bei der Kondensatorfertigung erfordert etwas andere Verfahren als bei den zuvor genannten Materialien, hauptsächlich weil es sich um Flüssigkeiten handelt.

Beim Anfertigen von Stapelkondensatoren geht man aus von Zuschnitten der Folienelektrode!! und des Foliendielektrikums, die beide oder e nzeln mit der Flüssigkeit überzogen werden, be±spielswe_oe durch Tauchen, Aufwalzen, Aufstreichen mittels einer Rakel und dergleichen. Die einzelnen Bestaodteile werden dann in der richtigen räumlichen Zuord-ΐ nung aufeinandergelegt und zwischen beheizten Preßplatten oder in einer anderen geeigneten Vorrichtung mechanisch gepreßt, um überschüssiges Bindemittel herauszudrücken, worauf durch Wärmeeinwirkung das verbleibende Material aushärtet und die Bestandteile miteinander verbindet.

Bei der Herstellung von Wickelkondensator^: besteht die bevorzugte Methode darin, ein sogenanntes Naßwickeln durchzuführen, wie es ähnlich auch bei gewissen Elekcrolytkondensatoren allgemein verwendet wird. Hierbei werden das Foliendielektrikuni und/oder die Elektrodenfolien währand des Wickeins durch einen kleinen Behälter mit flüssigem Har:. hindurchgezogen. Wenn sie daraus austreten, werden die Bee oidteile sv;i-

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sehen Rakeln, Abstreichern, elastischen Walzen und dergleichen hindurchgeführt, um die richtige I'iaterialmenge auf den Bestandteilen (den Folien) zurückzulassen. In einem ähnlichen Vorgang kann man dar. Folxendielektrikum und/oder die Elektrodenfolien über Übex'tragerwalzen laufen lassen, die an ihrer Außenfläche eire flüssige Harzschicht aufweisen, wobei Bindemittel in ausreichender Kenge auf die Folie (n) übertragen wird. In jedem Falle wird durch diese oder andere Verfahren dafür gesorgt, daß die Wickelanordnung zwischen ihren Bestandteilen genügend viel flüssiges Bindemittel enthält, dessen Überschuß durch Pressen zwischen beheizten Druckplatten' aus dem Kaum zwischen den Folien herausgequetscht wird, wobei das_ Material die Zwischenräume zwischen benachbarten Kanten des Foliendielektrikums ausfüllt und die Kanten der zurückgesetzten Folienelektroden überdeckt. Im gleichen Arbeitsgang wandelt sich die Flüssigkeit in einen Festkörper um, der mit den Kondensatorbestandteilen fest verbunden ist und im wesentlichen alle Leer- bzw. Zwischenräume innerhalb der Anordnung ausfüllt.

Weil die Katerialien dieser Kategorie keine Lösungsmittel enthalten und praktisch auch keine flüchtigen Bestandteile, eignen sie sich zum Vakuum-Imprägnieren von trockenen Wickeln. Das ist auch deswegen möglich, weil diese Werks'töffe eine verhältnismäßig niedrige Viskosität haben. Die Zähigkeit einzelner Stoffe reicht bis zu 25QOO cP und darüber, während bei den Stoffen niedriger Viskosität Werte von etwa 5000 bis 65OO cP vorliegen. Zwar ist das Vakuum-Imprägnieren von Wickelkondensatoren prinzipiell etwas weniger vollständig als das Naßwickeln, doch bietet es einige Vorteile, vor allem den eines schnelleren Wickeins der trockenen Folien. Nach dem Vakuum-Imprägnieren läßt man Flüssigkeit aus den Wickeln ablaufen bzw. abtropfen, worauf letztere zwischen beheizten Druckplatten wie oben beschrieben gepreßt werden.

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Au G führungsfoeispiel I

An. ?ier Wiekelkonde-ixsataren mit einer Uennkapeezitat von etwa .20 nP und Abmessungen von etwa 25 mm Länge « 8,5 mm Durchmesser· wurden Spsiinung-sprufurigen.vorgeno.Tamen. Die Wicke-lkondensatoron enthielten zwei Lagen von 12, um dicker· Polyimid-Folie zwischen 6/um dicken Aluminium-FoIienelektroden. Die eine Kante jeder·-Folie' ragte am einen Ende W des Wickels vor» x^ährend die andere Kante etwa 3,2 bis 4,8 mm von den Kanten des Polydielektrikums am anderen Ende zurückstand, so daß an beiden Enden zwischen den Folienkanten ausreichende Abstände vorhanden waren. Folgende Durchbruch-Spannungen wurden gemessen:

1. 3500 V 3- 3700 V

2. 5000 V . 4. 3500 V.

Bei allen Kondensatoren trat der Durchbruch an den Folienkanten auf.

Mt Ausnahme des Folien-Überstehens wurden acht den vorstehend genannten Exemplaren gleichartige Kondensatoren hergestellt und zugeschnitten. Sie wurden anschließend in einem Eppxidharz niedriger Viskosität (4000 bis 6000 cP) während 1,75 h bei Rauntemperatur vaicuumimprägniert. Das Harz bestand aus 300 g MglycJdyläther von Bisphenol A, 264 g Anhydrid-Härtemitteln und 6.g Amin-Aktivator. Nach dem Imprägnieren wurde das Harz während 2,75 h bei 150° C ausgehärtet, worauf das überschüssige, gehärtete Harz an beiden Enden entfernt wurde, um jeweils die eine Kante der Folienelektroden freizulegen, an welchen elektrische An-

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Schlüsse angebracht wurden- Es wurden folgende Durchbruch-Spannungen gemessen:

1. eooo ¥ 5. 5000 y

2. 6500 ¥ 6. 6000 V

3. 8000 V 7. 8000 Y

4. 9000 V 8. 8000 V

Diese Werte lagen erheblich über denen der nicht-imprägnierten Kondensatoren und im Bereich derjenigen Werte, die das EoIiendielektrikum als Durchbruch-Spannung aufweist. Es gab kein Anzeichen eines Durchbruchs oder Überschlages an den Folienkanten. Ein:ge dieser Kondensatoren wurden aufgeschnitten; sie waren -auch im Inneren starr, waren also vom Harz vollständig durchdrungen.

Ausführungsbexspiel II

Drei Wickelkondensatoren, von gleichem Aufbau wie im Beispiel I, wurden zuerst auf Kapazität und Verlustfaktor (-ten<f ) hin gemessen, dann mit ein und demselben Epoxidharz 45 min lang vakuumimprägniert, schließlich entnommen und einzeln zwischen beheizten Druckplatten während etwa 1,5 h mit 250 kp zusammengepreßt, wobei'die Temperatur zum Aushärten des Harzes auf etwa 175° C gesteigert wurde. Nach der Entnahme aus der Presse wurde überschüssiges, gehärtetes Harz an beiden Enden entfernt, um die Kanten der Folienelektroden für den elektrischen Meßkontakt freizulegen. Ein Ziel dieser Prüfung bestand darin, den Einfluß der Verarbeitung auf die Kapazität und die Spannungsfestigkeit festzustellen.

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Anfangsmessungen Kapazität C (nF) Verliistfaktor tan S

1 21,00 1,57

2 20,8? 1,65 3- 21,22 1,57

Messungen nach dem Druckhärten
C (nF) Δ G {%) taxiS (1O~⁵) Durchbruchspannung (V)

7500 7000 5000

Die Ergebnisse zeigen eine beträchtliche Verbesserung der Spannungsfestigkeit gegenüber den nicht-imprägnierten Kondensatoren gemäß Ausführungsbeispiel I. Außerdem tritt eine tatsächliche Kapazitätserhöhung auf.

Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich, sein.

1	22,	34-	+ 6	,4-	1	,55
2	22,	22	+ 6		1	,58
3	22,	21	+ 4	,7	1	,65

-Patentansprüche -

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Claims

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P a t e η t a n e ρ r ii c h e

./Kondensat oz' ni i; metallischen, insbesondere folienförmigen Elektroden und einem Kunststoff-Dielektrikum, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine diskrete Po.1 ymerfolienlage (20) durch wenigstens ein Bindemittel (14) wenigstens teilweise mit jeder Elektrode (10, 11) stoffschlüssig verbunden ist.

2. Kondensator nach Anspruch 1, -dadurch g e k e η η -' zeichnet, daß die Elektroden (10, 11) aus ein und demselben Metall bzw. ein und derselben Metallegierung bestehen.

3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10, 11) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.

4. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß die Folienlage (20) aus einem polymeren Werkstoff besteht, der aus der Gruppe der Olefinpolymere, der Kondensationspolymere und der heterocyclische Bindungen enthaltenden Polymere ausgex^ählt ist.

5. Kondensator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Folienlage 20aus einem Olefinpolymer aus der Gruppe der Vinyl-, Vinyliden-, Acryl-, Vinylen-, Benzol- sowie Benzolderivat-Polymere und/oder deren Co-Polymeren besteht.

6. Kondensator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzei chne t., daß die Folienlage (20) aus einem Kondensationspolymer aus der Gruppe der Ester, Polycarbonate, Polyamide, Polyurethane, heterocycle.-

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sche Bindungen enthaltenden Polymeren und/oder Kombinationen dieser Verbindungen besteht.

7. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Bindemittel (14-) zugleich zur Versteifung des Kondensators dient.

8» Kondensator nach, wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7_?

dadurch gekennze.ich.net , daß das Bindemit- ψ ι tel (14-) zugleich eine stabile Anschluß-Befestigung bildet und hohe Spannungsfestigkeit gewährleistet.

9. Kondensator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zei chnet , daß das Bindemittel (14·) ein polymeres Klebemittel ist.

10. Kondensator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Bindemittel (14-) im' wesentlichen alle Zwischen- oder Leerräume wenigstens an den Kanten (15, 16) zwischen der Folienlage (20) und den Elektroden (10, 11) ausfüllt.

11. Kondensator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß ein polymeres Bindemittel aus der Gruppe der getrockneten Peststoffe, die mit einem Lösungsmittel zusammen, aufbringbar sind , der aufschmelzbaren Bänder bzw. Folien und der lösungsmittelfreien flüssigen Bindemittel ausgewählt ist.

12. Kondensator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in Form einer Lösung aufbringbaren trockenen Feststoffe des Bindemittels aus thermoplastischen und warmhärtenden Stoffen ausgewählt sind.

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13· Kondensator wenigstens nach Anspruch. 7, dadurch gekenn ζ eich net , daß die Folienlage (20) aus Polyimid besteht.

14. Kondensator wenigstens nach Anspruch 6, dadurch g e ~ kennzeichnet, daß die Folienlage ,(20) aus Polyathylenterephthalat "besteht.

15· Kondensator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß mehr als eine Polymerfolienlage zwischen den Elektroden des Kondensators angeordnet ist.

16. Kondensator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine Folienlage des Kondensators aus Polyimid besteht.

17. Kondensator nach Anspruch 15 oder 16, dadurch g e kennzeichnet , daß wenigstens eine der Folienlagen aus Polyathylenterephthalat besteht.

18. Kondensator wenigstens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Polymerfolienlage (20) aus einem Material aus der Gruppe der Polysulfone., Polybenzimidazole und Polycarbonate besteht.

19. Kondensator wenigstens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Polymerfolienlage aus einem Material aus Polystyrol, Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylfluorid und/oder Polytetrafluoroäthylen besteht.

20. Verfahren zum Herstellen eines Kondensators, insbesondere nach" wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß man wenigstens eine

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diskrete Polymerfolienlage zwischen zwei leitfällige Elektroden bringt, daß man wenigstens einen Teil der lOlienlage mit vrenigstens einem Teil der Elektroden verbindet und daß man Anschlüsse an den Elektroden anbringt.

21. Verfahren nach. Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß der Verbindungsvorgang zumindest teilweise unter Druckeinwirkung vonstatten geht.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch g e - · kennzeichnet , daß der Verbindungsvorgang zumindest teilweise unter Wärmeeinwirkung vonstatten geht.

2J. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet , daß überschüssiges Bindemittel ν er dem Anbringen von Anschlüssen an den Elektroden enfernt wird.

24. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichne t, daß an den Elektroden vor oder während dem Anbringen von Anschlüssen eine Schicht eines Mckel-Aluminium enthaltenden Materials angebracht wird.

25. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet , daß der Verbindungsvorgang unter kombinierter Einwirkung von Wärme und Druck stattfindet.

26. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 25» dadurch gekennzeichnet , daß die beiden leitenden Elektrodeniblien sind und daß die Polymerfolienlage sowie die Elektrodenfolien konzentrisch gewickelt werden. 209812/08 9 9

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2?· Kondensator wenigstem; nach Anspruch 15» dadurch g e kennzeichnet, daß die Dielektrikumsfoldenlagon oinon vonigstens etwas größeren Isolationsv.'idorstand haben al." das Bindemittel.

28. Kondensator wenigstens noch Anspruch-1 oder 14-, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden ala Folien ausgebildet sind und zusammen mit der Polymerfolienlage eine Stapelanordnung bilden.

29· "Verfahren zum Herstellen eines Stapelkondensators vrenigstens nach Anspruch 28, unter Zusammenhalten des Foiiendielektrikums rowie der Elektrodenfolien ohne äußere II-ilteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß das FolendielektrikuTn und die Elektrodenfolien miteinander stoffschlüssig verbunden werden.

JO. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 2? oder 29, dadurch gekennz eichnet, daß zur Erhöhung der Kapazität gleichwertiger Kondensatoren wenigstens eine diskrete Polymerfolienlage zwischen zwei als Folien ausgebildete leitfähige Elektroden gebracht wird, daß wenigstens ein Teil der Folienlage mit wenigstens einem Teil

der Elektrodenfolien stoff schlüssig verbunden v/ird und daß während des Verbindungsvorganges Druck und/oder Wärme angewandt wird.

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