DE2258692A1 - PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF CAPACITOR ELEMENTS WITH PARTICULARLY HIGH ENERGY CONTENT - Google Patents
PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF CAPACITOR ELEMENTS WITH PARTICULARLY HIGH ENERGY CONTENTInfo
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Verfahren für die Herstellung von Kondensatorenelementen besonders hohen EnergieinhaltesProcess for the manufacture of capacitor elements particularly high energy content
Mit der Herstellung von elektrolytischen Kondensatoren befaßt sich eine gewaltige Menge von Patentschriften. Diese Kondensatoren finden dort eine Anwendung, wo eine vornehmlich große spezifische Kapazität erwünscht ist· Das verwendete Dielektrikum ist ein. Oxyd eines Metalls wie Al, Ta, Ti, usw# die vorzügliche Isoliereigenschaften besiezen. Die gegenwärtigen elektrolytisches. Kondensatoren verdanken ihre hohe spezifische Kapazität diesen Dielektrika. 'A vast number of patents deal with the manufacture of electrolytic capacitors. These Capacitors are used where one is primarily large specific capacity is desired · that used Dielectric is a. Oxide of a metal like Al, Ta, Ti, etc # which have excellent insulating properties. The current electrolytic. Owe capacitors their high specific capacity makes these dielectrics. '
Den weiteren Weg der Entwicklung sehen die Fachleute darin, daß die Oberfläche der positiven Elektrode durch verschiedene Verfahren vergrößert wird (z.B. durch Schwamm!gmachen ·The experts see the further way of development in the fact that the surface of the positive electrode by various Procedure is enlarged (e.g. by using a sponge!
309823/0821309823/0821
einer Aluminiumfolie). Ihrer einheitlichen Meinung nach hängt die spezifische Kapazität geometrisch bloß von der spezifischen Oberfläche ab.an aluminum foil). In their consensus the specific capacity depends geometrically only on the specific surface.
Außer der spezifischen Oberfläche ziehen sie aber keine anderen geometrischen Faktoren in Betracht, obwohl diese, wie weiter unten gezeigt werden soll, eine ziemlich große Bolle spielen.Apart from the specific surface, however, they do not draw any other geometrical factors are taken into account, although, as will be shown below, this is quite a play big balls.
Die Bedeutung der geometrischen Paktoren und die Vorteile einer regelmäßigen Orientierung wurden bisher nicht erkannt. The importance of the geometric factors and the advantages regular orientation have not yet been recognized.
Als eine Besonderheit kann das Deutsche Patent Hr. 1 464 angesehen werden, das zwar keinen elektrolytischen Kondensator betrifft, jedoch kommt hier die regelmäßige Orientierung bereits zum Vorschein. Natürlich hat die Beschreibung von dünnen elementaren Fäden, deren Orientierung, bzw. ihrer Anwendung in elektrolytischen Kondensatoren in sich noch keine BedeutungAs a special feature, the German patent Hr. 1 464, which does not have an electrolytic capacitor concerns, but here the regular orientation is already evident. Of course the description did of thin elementary threads, their orientation or their application in electrolytic capacitors no meaning yet
Die regelmäßige geometrische Form, in diesem tfall der Zylinder, bzw. deren Halbmesser (r,.) muß in einer speziellen Weise mit der angewendeten Formierspannung (U) und der zugelassenen Spannungsfestigkeit (E_) des Dielektrikums abgestimmt werden.The regular geometric shape, in this case the Cylinders or their radius (r,.) Must be matched in a special way with the applied forming voltage (U) and the permitted dielectric strength (E_) of the dielectric be matched.
Vom Standpunkt der spezifischen Kapazität oder des spezifischen Energieinhaltes ist die gegenseitige Lage der drei Faktoren wichtig, nicht aber die spezifische Oberfläche. From the standpoint of specific capacity or specific energy content, the mutual position is the three factors are important, but not the specific surface.
Wie aus dem mathematischen Beweis und aus der graphischen Darstellung später zu ersehen sein wird, erhöht die Vergrößerung der spezifischen Oberfläche über eine gewisseAs will be seen later from the mathematical proof and from the graphical representation, the magnification increases the specific surface area over a certain amount
309823/0821309823/0821
Grenze hinaus nicht mehr die spezifische Kapazität,' sondern erniedrigt diese schnell.Beyond the limit, the specific capacity is no longer, but rather lowers it quickly.
Durch die Erfindung v/ird durch die Berücksichtigung dieser Paktoren ein fadenförmiger elektrolytiseher Kondensator angegeben, bei dem die Faktoren gemeinsam sicherstellen, daß der.spezifische Energieinhalt ein Vielfaches des gegenwärtigen Wertes ausmacht. By taking these factors into account, the invention provides a thread-like electrolytic capacitor in which the factors together ensure that the specific energy content is a multiple of the current value.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kondensatorelementen hohen spezifischen Energieinhaltes für Elektrolytkondensatoren, bei dem unter Anwendung einer Formierspannung U an der Oberfläche von Metallfaden eine Oxydschicht von einer Durchschlagfestigkeit E ausgebildet wird das dadurch gekennzeichnet ist, daß die zur Oxydierung verwendeten Metallfaden ein ungeätztes Kreisprofil mit einem Halbmesser zwischen 0,5 U/E und 60 U/E aufweisen.The invention relates to a method for producing Capacitor elements with a high specific energy content for electrolytic capacitors, in which using a forming voltage U on the surface of the metal thread an oxide layer with a dielectric strength E is formed which is characterized in that the metal thread used for oxidation has an unetched circular profile with a radius between 0.5 U / E and 60 U / E.
m *-m * -
Vorzugsweise beträgt der Halbmesser der verwendeten Metallfäden 2"U/Em·The radius of the metal threads used is preferably 2 "U / E m ·
Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren näher anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:The method according to the invention is described in more detail below will be explained with reference to the accompanying drawings. Show it:
3 0 9823/08213 0 9823/0821
Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung der Verhältnisse eines Zylinderkondensators,1 shows an illustration to explain the relationships of a cylinder capacitor,
Fig. 2 eine bespielsweise Ausführungsform eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Kondensators schematisch im Querschnitt,Fig. 2 shows an exemplary embodiment of an according to of the invention designed capacitor schematically in cross section,
Fig. 3 eine grafische Darstellung, in der der spezifische Energieinhalt in Abhängigkeit von dem inneren Radius r,, aufgetragen ist, undFig. 3 is a graph showing the specific Energy content is plotted as a function of the inner radius r ,, and
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den in Fig. 2 gezeigten Kondensator.FIG. 4 shows a longitudinal section through the capacitor shown in FIG. 2.
Die Kapazität der koaxilen Zylinder wird aufgrund der Formel:The capacity of the coaxial cylinders is determined by the formula:
cf .c f .
Inberechnet, woCalculated where
r1 r 1
r,-, = Halbmesser des äußeren Zylinders Ty. = Halbmesser des inneren Zylinders £ = die Lange der Zylinder £ = die relative Dielektrizitätskonstante C = die Dielektrizitätskonstante des Vakuumsr, -, = radius of the outer cylinder Ty. = Radius of the inner cylinder £ = the length of the cylinder £ = the relative dielectric constant C = the dielectric constant of the vacuum
bedeutet (Fig. 1).means (Fig. 1).
Die spezifische Kapazität wird durchThe specific capacity is determined by
C
Q = -^j— gegeben, woC.
Q = - ^ j- given where
'f'f
V = T0 It t das Volumen des Zylinders ist.V = T 0 It t is the volume of the cylinder.
309823/0821309823/0821
xu νΛ τΖ H£ ^ νΛ -2 xu ν Λ τ Ζ H £ ^ ν Λ -2
Die !Feldstärke beträgt im Fall von koaxialen ZylindernThe field strength in the case of coaxial cylinders is
T1 T 1
hieraus folgtit follows from this
r2 Ur 2 U
r1 r 1
Q ^Q ^
Als eine Konstante kann iierattsgesogen werdenIt can be taken as a constant
wodureli si eil ergibtwodureli si hurry
f υ a f υ a
Diese Gleieaung Mögt von dem Wert des ¥@F&ältnisses r^g ab. Hiernach, wird der ixtremwerJ* der !"unktion, xmä seine !»age bestimmt» ■This equation may depend on the value of the ¥ @ F & age r ^ g. According to this, the extreme value of the! "Unction, xmä his!" Age is determined »■
Γ/Γ /
C m k —C m k -
T2 T 2
1Em1 E m
Somit wirdThus becomes
0Λ . k0 Λ . k
2 U . -2 2 U. -2
e2 U . e 2 U.
Die erste Ableitung der Funktion -^- iot - '-Iy ι ? U 2The first derivative of the function - ^ - iot - '-Iy ι? U 2
2 U2 U
• 1^ • 1 ^
_2_ Γ1 Ει>_2_ Γ 1 Ε ι>
2U2U
Im Fall des Extremwertes der Punktion ist CL.1 * 0; wenn k / 0 ist, was nur dann mcJglich ist» wennIn the case of the extreme value of the puncture, CL. 1 * 0; if k / 0, which is only possible if
309323/0821309323/0821
2 π2 π
C? ΓιΕ C? ΓιΕ
" O . Dies führt zu: " O. This leads to:
2 π ι2 π ι
2 -U ^n 2 U 2 -U ^ n 2 U
2 U2 U
hieraus folgt:from this follows:
Das bedeutet, daß die spezifische Kapazität ihren Höchstwert bei diesem Wert von r,. erreicht. This means that the specific capacity reaches its maximum value at this value of r i. achieved.
Die Ausführungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist - die folgende: 'The method according to the invention is carried out in - the following: '
Auf die Oberfläche des Fadens aus dem Grundmetall 001 wird elektrolytisch,das Dielektrikum 002 aufgetragen, welches. aus dem Oxyd des Grundmetalls besteht. In dem Kondensator werden die einzelnen, parallelgeschalteten Kondensatorenelemente 003 durch den Elektrolyten umgeben.The dielectric 002, which. consists of the oxide of the base metal. The individual capacitor elements connected in parallel are located in the capacitor 003 surrounded by the electrolyte.
Die konstruktive Ausbildung wird anhand der Figuren 2 und verdeutlicht.The constructive training is based on Figures 2 and made clear.
3Q982 3/0823Q982 3/082
Nach Wunsch wird die Spannung des Kondensators angegeben, deren Wert bei elektrolytischen Aluminiumkondensatoren 450 V beträgt.If desired, the voltage of the capacitor is specified, whose value for electrolytic aluminum capacitors is 450 V.
Gegenwärtig betrage die Formierspannung U « 36O V.At present the forming voltage is U «36O V.
Die zulässige Durchschlagsspannung des Dielektrikums wird mitThe permissible breakdown voltage of the dielectric becomes with
. Em - 10 000 kV/cm
angenommen.. E m - 10,000 kV / cm
accepted.
Dieser Wert hängt von der Reinheit und von der angewendeten Technologie der Herstellung des Grundstoffes ab.This value depends on the purity and the technology used to manufacture the raw material.
- 10- 10
Aufgrund der obigen Ausführungen können die optimalen Abmessungen des elektrolytischen Faden-Kondensators, sowie der Wert der höchsten erreichbaren spezifischen Kapazität bestimmt werden.Due to the above, the optimal dimensions of the electrolytic filament capacitor, as well as the value of the highest achievable specific capacity can be determined.
2 U 2.0,362 U 2.0.36
07210"^ cm07210 "^ cm
10 00010,000
Die kleinste Dicke der auf dem Halbmesser (r,,) des inneren Zylinders sich bildenden Isolierschicht muß theoretischThe smallest thickness of the on the radius (r ,,) of the inner The insulating layer that forms cylinder must theoretically
sein, alsobe so
309823/0821309823/0821
0,360.36
0,72.KfIlO4 T2 = O,72,io"4.l,66 » l,195ao"4 Der spezifische Energieinhalt "beträgt0.72.KfIlO 4 T 2 = 0.72, io " 4 .l, 66» l, 195ao " 4 The specific energy content" is
cf « —:&5l ♦ ri . = a*c c f «-: & 5l ♦ r i. = a * c
Γ2 Γ 2
3622,5.1O-4 _. 16,2 Wsec/cm5 36 2 2.5.1O- 4 _. 16.2 Wsec / cm 5
Hieraus werden 20 % als unproduktiver Rauminhalt abgezogen, der durch das, den Faden umgebenden Elektrolyt ausgefüllt wird.From this 20 % are deducted as unproductive volume, which is filled by the electrolyte surrounding the thread.
16,216.2
- 5.24 ■
12,96 .- 5.24 ■
12.96.
Der tatsächliche spezifische Energieinhalt beträgt also *—' 13 ¥sec/cm·^.The actual specific energy content is therefore * - '13 ¥ sec / cm · ^.
Bei anderen r^ Werten ergibt die Funktion immer kleinere Energie^ bzw. Kapazitätswerte (Fig. 3, Kurve 2).With other r ^ values the function always results in smaller ones Energy ^ or capacity values (Fig. 3, curve 2).
Den gegenwärtigen höchsten spezifischen Energieinhalt, den die Kurve (5) anzeigt, erreicht die Funktion in der Fig. 3 beiThe current highest specific energy content the curve (5) indicates, the function in FIG. 3 is achieved at
40 U40 U
309823/082 1309823/082 1
Die Qualität des Dielektrikums ist unverändert (Fig. 3, Kurve 1).The quality of the dielectric is unchanged (FIG. 3, curve 1).
Also Em * 10 000 kV/cm
6r = -10So E m * 10,000 kV / cm
6 r = -10
Die Formierspannung des Kondensators soll auf U =100 V ermäßigt werden.The forming voltage of the capacitor should be reduced to U = 100 V.
Auch in diesem Fall kann der Wert der höchsten spezifischen Kapazität in der gleichen Weise bestimmt werden, der ansteigt, doch bleibt der spzifische Energieinhalt unverändert. Außerdem ist auch zu beobachten,.daß die Verminderung der Spannung die Kurve spitz werden läßt, wodurch sich die Kurve steil ändert. Bei der Verminderung des Halbmessers unterhalb des Wertes r,. « 2U/E wird, obwohl dann die spezifische Oberfläche anwächst, die spezifische Kapazität, bzw. der Energieinhalt steil vermindert. Ober eine gewisse Grenze erhöht sich wegen der Inhomogenität des Feldes der Beststrom, und es kann der volle Durchschlag erfolgen.In this case too, the value of the highest specific capacity can be determined in the same way which increases, but the specific energy content remains unchanged. It can also be observed that the reduction in tension makes the curve sharp, whereby the curve changes steeply. When the radius is reduced below the value r ,. «2U / E will, though then the specific surface increases, the specific capacity or the energy content decreases steeply. Due to the inhomogeneity of the field, the best current increases above a certain limit, and full breakdown can occur take place.
Die Durchschlagsfestigkeit wurde erhöhtThe dielectric strength has been increased
Em m 12 500 kV/cmE m m 12 500 kV / cm
U = 360 VU = 360 V
30982 3/082130982 3/0821
Die Änderung vollzieht sich nach Fig. 3» Kurve (4).The change takes place according to Fig. 3 »curve (4).
Em » 12 500 kV/cmE m »12,500 kV / cm
U = 100 V ·U = 100 V
Die niedrigere Spannung ergibt eine steile Kurve, Fig. 3 (Kurve 3).The lower voltage gives a steep curve, Fig. 3 (Curve 3).
Die aufgezählten Beispiele beweisen,daß die. Größe der spezifischen Oberfläche kein bestimmender Faktor ist.The examples listed prove that the. Size of specific surface area is not a determining factor.
Z.B. ein Kondensator mit U = 100 Y Spannung erreicht bei r,, = 5 /im nicht einmal den Höchstwert des gegenwärtigen Energiewertes (ungefähr 1,5 Wsec/em), während mit denselben Isoliermaterialkönstanten, bei gleichen Abmessungen ein 3- his 5-facher Energieinhalt zu erreichen ist., Hierzu -muß bloß die Spannung erhöht werden. ;E.g. a capacitor with U = 100 Y voltage reaches at r ,, = 5 / im not even the maximum of the current one Energy value (approximately 1.5 Wsec / em) while using the same Isolation material constants, a 3 to 5-fold energy content can be achieved with the same dimensions., For this -Just increase the tension. ;
Das Verfahren ist für die Speicherung großer Energiemengen„ in einem kleinen Raum geeignet, bzw. ist für die · Herstellung von Apparaten dieser Art geeignet. Mit Dielektrika, die eine höhere Dielektrizitätskonstante besitzen, wird auch die Höhe des spezifischen Energieinhaltes der Bleiakkumulatoren erreichbar. The procedure is for the storage of large amounts of energy " in a small space, or is suitable for the production of apparatus of this type. With dielectrics, which have a higher dielectric constant, the level of the specific energy content of the lead-acid batteries can also be achieved.
0J9 8 2,3 / 08 2.10J9 8 2.3 / 08 2.1
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