DE2312695A1

DE2312695A1 - Metalloxid-kondensator

Info

Publication number: DE2312695A1
Application number: DE2312695A
Authority: DE
Inventors: Jean Paul Maillot
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1972-03-15
Filing date: 1973-03-14
Publication date: 1973-09-27
Also published as: IT981327B; GB1420413A; FR2175590B1; DE2312695B2; FR2175590A1; US3869652A

Description

Patentanwalt
Dlpl.-Phys. Leo Thul
Stuttgart

J.P.Maillot - 8

International Standard Electric Corporation

Metalloxid-Kondensator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wickelkondensator mit selbstheilenden Belägen.

. Es ist allgemein bekannt, daß sich die Kapazität pro Volumeneinheit aus den charakteristischen Werten des Dielektrikums, der Elektrodenfläche, der Herstellungsmethoden und anderer elektrischer und mechanischer Grossen ergibt.

Hieraus ergibt sich, daß die Kapazität des Kondensators direkt proportional zu der dielektrischen Schicht, die zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist,und umgekehrt proportional zu der Dicke der dielektrischen Schicht ist. Daher ist es wünschenswert, eine möglichst dünne dielektrische Schicht mit einer möglichst großen Konstanten bei einem Kondensator zu verwenden, um so ein günstiges Verhältnis zwischen der Kapazität und dem Kondensatorvolumen zu erhalten.

Hö/b - 13.3.1973 . /

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Es sind jedoch hierbei die dielektrischen Verluste und die Durchschlagfestigkeit des Dielektrikums zu beachten, die eine Grenze setzen. Besonders die Durchschlagfestigkeit hängt von der Stärke des Dielektrikums und von den Fehlstellen innerhalb der dielektrischen Schicht ab, wie z.B. von Löchern, Einschlüssen und anderen Verunreinigungen.

Es ist bekannt, daß für eine gegebene Betriebsspannung die spezifische Kapazität eines Aluminium-Elektrolyt-Kondensators höher als die eines metallisierten PoIypropylen-Kondensators ist.

Jedoch ist eine hohe spezifische Kapazität nicht die einzige Forderung an einen Kondensator. Die metallisierten Folien-Kondensatoren sind in mancherlei Hinsicht besser als die Elektrolyt-Kondensatoren. Zum Beispiel sind sie stabiler, und zuverlässiger, haben geringere Verlustwinkel und Leck-Ströme, zudem können sie selbstheilend sein. Die letzte Eigenschaft ist die wichtigste.

Unter selbstheilend hat man die Eigenschaft zu verstehen, die es ermöglicht, daß nach einem örtlichen Durchschlag die elektrischen Eigenschaften des Kondensators unverändert sind und seine Werte nach dem Durchschlag nahezu die gleichen wie vor dem Durchschlag sind. Es sei angemerkt, daß die Kondensatoren mit metallisierten Dielektrikumsfolien fast kurzschlußsicher sind, weil bei einem Durchbruch des Dielektrikums sich die im Kondensator gespeicherte Energie über die Fehlstelle entlädt 'und hierbei die dünne Metallbeschichtung wegbrennt, so daß hierdurch der Durchschlag unterbrochen wird und sich der Kondensator schnell erholt.

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ch
Die gebräuchli/sten Elektrolyt-Kondensatoren sind solche mit Aluminium und Tantal. Aber auch andere Materialien, wie Niob und Titan, werden verwendet. Ihr Dielektrikum ist entweder Nioboxid (Nb OJ oder Titanoxid (TiO-) . Verglichen mit Aluminium haben diese Materialien höhere dielektrische Konstanten und Stärken für eine gegebene Spannung. Bei geeigneten Herstellungsmethoden, wie sie bei einer Aluminium-Elektrode mit verkleinerter Elektrodendicke und dünnerer dielektrischen Schicht angewendet werden, ist die spezifische Kapazität nur wenig höher als die von gewöhnlichen Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren. Ein bekanntes chemisches Verfahren, um eine Aluminiumelektrode 'mit einer Schicht des Oxides des Titans zu überziehen, ist in der US-PS 3 612 956 beschrieben.

Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wickelkondensator mit selbstheilenden Eigenschaften herzustellen, wobei er sowohl stabil als auch zuverlässig sein soll und eine spezifische Kapazität erreichen soll, die höher als die eines vergleichbaren Elektrolyt-Kondensators ist. Ferner soll eine Metalloxidschicht als Dielektrikum Anwendung finden, das eine höhere dielektrische Konstante und eine höhere dielektrische Stärke, wie z.B. Titanoxid, hat.

Bezugnehmend auf die Aufgabe wird gemäß der Erfindung ein Wickelkondensator vorgeschlagen, der gekennzeichnet ist durch einen Schichtaufbau, wie er im Anspruch 1 beschrieben ist.

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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist die, daß die erste Metallschicht eine im Vakuum auf Kunststoff aufgedampfte Aluminiumschicht ist, wobei der Kunststoff den Temperaturen standhalten soll, die während des Her-Stellungsverfahrens auftreten.

Die dielektrische Schicht wird durch chemisches Oberziehen der Metallschicht mit dem Metalloxid des Titans (TiO₉) oder des· Niobs (Nb₉O₁-) erhalten.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß, wenn Titandioxid (TiO₉) verwendet wird, die metallisierte Folie zuerst mit einer Mangandioxidschicht und dann mit einer Titandioxidschicht überzogen wird. Das Hinzufügen solch einer Schicht, die Sauerstoff enthält, ist nützlich, um Titandioxid in der exakten stöchiometrischen Form TiO₉ und nicht in der Form TiO zu erhalten, in der η kleiner als zwei ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben werden.

Figuren la bis Id zeigen den Aufbau der Schichtenfolge; Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Kondensator;

Figur 3 zeigt die Schichtenfolge mit einer Mangandioxidzwischenschicht .

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-S

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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kondensator mit einer spezifischen Kapazität zu erhalten, die größer als die eines Elektrolytkondensators bei gleicher Betriebsspannung ist. ES sei angemerkt, daß die Dicke e., die in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Stärke der Kunststoffolie ist, da die Dicke der Metallschicht vernachlässigbar ist, wie folgt gewählt werden soll?

•i S= is?- t*

wobei β ο die spezifische Kapazität des Vergleichselektrolytkondensators ist, Bo die spezifische Vakuumdielektrizitätskonstante, g das Verhältnis zwischen Nutzfläche und der tatsächlichen Fläche der Elektrode,£ die Materialdielektrizitätskonstante, <T die dielektrische Festigkeit' in Volt pro Längeneinheit und V die maximale Betriebsspannung ist.

In dem erfindungsgemäßen Kondensator ist g gleich 1. Weiterhin kann die Betriebsspannung in der Nähe der Durchbruchsspannung gewählt werden. Das Produkt fö' ist gleich:

12 000 V//um für Titandioxid (TiO₂)- und 14 000 ^V//^{um für} Nioboxid (Nb₂O₅).

Mit den Werten: V = 16 Volt und ^o = 850 ,uF/cm³, ergibt sich für

Titanoxid	⁶I	^ 8	,um
und für
Nioboxid	^el	^ 9	,um.

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In der gleichen Weise läßt sich für die Werte V - 400 Volt und Vo = 9,5 ,uF/cm

für Titandioxid	^el	^- 28,um
und für Nioboxid	^ei	.^ 3 2 .um
errechnen.

Die Dicke der Metalloxidschicht, die auf der Metallschicht als Dielektrikum angeordnet ist, beträgt für

16 Volt 0,03 _/um für TiO₂ und 0,04 ,um für Nb₃O₅ und für 400 Volt 0,7 5 ^m für TiO₃ und

1 ,um für Nb₂O₅.

Als Kunststoffträgerfolie können Folien aus Polyimiden, Polytetrafluoräthylen, PoIyhydantoin, Polysulfon und Poly-4-Methyl-Penten in einer Stärke von 6 .um verwendet werden, die alle den relativ hohen Temperaturen widerster hen. Wenn diese Temperaturen jedoch relativ niedrig sind, ist es günstiger und billiger Kunststoffträger aus PoIy-■terephtalatäthylenen, Polypropylenen und Polycarbonaten zu verwenden.

Mit einer Isolationsdicke e., von 6 ,um und einer entsprechend gewählten Dicke des Metalloxiddxelektrikums von 1 ,um (Ti0„) oder 0,75 .um (Nb OJ, einer Betriebsspannung von 400 Volt, hat der Kondensator gemäß der Erfindung eine spezifische Kapazität, die vier mal höher als die eines Aluminiumelektrolytkondensators ist, wenn TiO₂ verwendet

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wird und die fünf mal höher ist, wenn Nb₀O_n verwendet wird. Unter den gleichen Bedingungen aber bei einer Betriebsspannung von 16 Volt ist der Gewinn mit 1,2 bzw. 1,3 geringer.

Hier sei angemerkt, daß der Kunststoffolienträger der Betriebsspannung standhalten muß, sofern er im elektrischen Feld angeordnet ist. Alle oben aufgeführten Materialien mit einer Dicke von 6 ,um haben eine typische Durchbruchsspannung von 100 Volt für Polytetrafluoräthylen bis 7 50 Volt für Polypropylen. Da Polypropylen auch als Folie mit U.um Stärke hergestellt werden kann, beträgt der oben genannte Gewinn für Polypropylenträger .

5,5 für TiO₂ und 7 für Nb₃O₅ bei 400 Volt und 1,8 für TiO₂ und 2 für Nb₃O₅ bei 16 Volt.

Die einzelnen Stufen des Herstellungsprozesses können leichter unter Zuhilfenahme von Figur la erklärt werden, wo im Querschnitt eine Kunststoffträgerfolie 1 mit einer Dicke von einigen ,um gezeigt ist. Im zweiten Herstellungsschritt (vgl. Figur Ib) wird derselbe Kunststoffträger mit einer ersten Schicht aus Aluminium 2 in bekannter Weise im Vakuum bedampft. Im nächsten Schritt, gezeigt in Figur Ic, wird eine Schicht aus Metalloxid 3, wie z.B. Titandioxid (TiO₀) oder Nioboxid (Nb₀O.) auf die Schicht 2 mittels eines chemischen Verfahrens aufgebracht.

5 Der letzte Schritt ist in Figur Id gezeigt, wo eine zweite Aluminiumschicht H auf die dielektrische Schicht 3 mittels eines bekannten Aufdampfverfahrens unter Vakuum aufgebracht ist.

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Bei Figur ld ist noch angemerkt, daß die Schicht 2 mit einer Kante des Kunststoffträgers 1 abschließt und die andere Kante des Kunststoffträgers nicht ganz erreicht. Entsprechend schließt die Schicht 4 mit der von der Schicht 2 nicht bedeckten Kante des Kunststoffträgers 1 ab und reicht nicht ganz bis zu der anderen'Kante.

Das Verfahren, mit dem die Metalloxidschicht 3 aufgetragen wird, soll im folgenden näher beschrieben werden. Im Fall von Titandioxid wird ein geeigneter Prozess der pyrolytischen Abscheidung mittels Dampf benutzt. Das Titandioxid wird in einer Niedertemperaturreaktion unter Zugabe von Sauerstoff an Ort und Stelle mit einem Reagenz, wie z.B. Titanhalogenat TiCl^,erzeugt. Hierbei geht man folgendermaßen vor: Zwei aus je einer Düse austretende Gasströme werden gemischt, wobei der eine Strom Sauerstoff und der andere Strom Titantetrachlorat enthält. Die Düsenöffnung ist dicht über der Kunststoffolie, die mit der Schicht 2 überzogen ist, angeordnet und wird fortlaufend von einer Seite zu der anderender Kunststofffolie bewegt, während die Folie selbst senkrecht hierzu bewegt wird. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Titandioxidschicht auf die Folie aufgebracht. Das Aufbringungsverfahren kann durch die Konzentration und den Fluß des reagierenden Gasstromes kontrolliert werden.

5 Während dieser Schritte muß die Folie Temperaturen von etwa 200°C widerstehen. Dies bedeutet, daß solche Kunststoffträgerfolien verwendet werden sollen, die diesen Temperaturen widerstehen. Geeignete Folien sind z.B. aus Polyhydantoin, Polytetrafluoräthylen, Polymiden oder PoIysulfonen.

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Die Schicht 3 kann neben TiO₉ oder Nb₉O₁, auch aus anderen Metalloxiden bestehen, die mittels geeigneter Verfahren auf Kunststoffträgerfolien oder andere Folien aufgebracht werden können.

Die folgende Tabelle enthält einige Beispiele solcher Materialien:

Metalloxiddielektrikum Auftragungsverfahren

TiO₉ Pyrolyse von Titantetrachlo-

rat

Nb₉O₅ Pyrolyse von Niobpentachlorat

Al₉O, Pyrolyse von anorganischen

Aluminiumsalzen

ZrO₉ Pyrolyse von Zirkoniumchlorat

Ta₉O₅ Pyrolyse von Tantalchlorat

Aufstäube] mosphäre.

HfO₉ Aufstäuben in Sauerstoffat-

Anschließend werden die Folien mit dem Schichtaufbau zu einem Wickel aufgerollt.

Figur 2 zeigt schematisch einen Teilschnitt längs der Achse I - II des Wickels. Hierbei ist nur ein Teil des Wickelquerschnittes in der Figur 2 näher ausgezeichnet worden. Der Aufbau enthält sechs übereinander angeordnete Schichtkombinationen, die durch entsprechende Nummern 4 - 1, H - 2, 4-3, 4 - H, 4 - 5 und 4-6 gekennzeichnet sind.

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Im nächsten Verfahrensschritt werden die Stirnflächen des Wickelkondensators 5, 6 mit einer Spritzmetallschicht überzogen. Die Spritzmetallschicht 5 stellt in bekannter Weise einen Kurzschluß zwischen den Folien 2, die eine Elektrode darstellen, her und die Spritzmetallschicht 6 einen Kurzschluß zwischen den Folien ¹I, die die Gegenelektrode bilden. Zwei Anschlußleitungen werden mit je einer Spritzmetallschicht verbunden.

Anschließend werden die Fehlstellen des Kondensators in bekannter Weise ausgebrannt und der Kondensator verpackt.

Für gewisse Anwendungsfälle kann es sinnvoll sein, eine Sauerstoff enthaltende Schicht, wie z.B. Mangandioxid, zwischen die zuerst aufgebrachte Metallschicht 2 und dem Metalloxiddielektrikum 3 anzuordnen, falls die Metalloxidschicht aus Titandioxid ist. Solch einen Aufbau zeigt Figur 3, wo die_selben,Bezeichnungen wie in Figur 1 verwendet werden. Die Mangandioxidschicht ist mit 7 bezeichnet. Die Mangandioxidschicht wird entweder durch Pyrolyse von Mängannitrat oder durch kathodische Reduktion von Permanganat erzeugt.

7 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

P ate nt ansp rü ehe

Wickelkondensator mit selbstheilenden Belägen, gekennzeichnet durch einen Schichtaufbau, bestehend aus einer Kunststoffträgerfolie (1), einer aufgedampften Metallschicht (2), einer Metalloxidschicht (3) als Dielektrikum und einer weiteren aufgebrachten Metallschicht (4).
2.) Wickelkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidschicht (3) aus einem der Oxide der Stoffe Titan, Niob, Zirkon , Tantal, Aluminium oder Hafnium besteht.
3.) Wickelkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (2, 4) aus Aluminium ist.
4.) Wickelkondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffträgerfolie (1) aus der Gruppe der Polyimide, Polytetrafluoräthylene, Polyhydantoin, Polysulfone, Poly-4-Methyl-Pentene, Polytherephtalat-Äthylene oder Polycarbonate ist.
5.) Wickelkondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen, einer Metallschicht (2, 4) und der Metalloxidschicht (3) eine zusätzliche dielektrische Schicht (7) aus Manganoxid ist.

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6.) Wickelkondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid-Dielektrikum (3) in seiner Dicke nach der Formel — bemessen ist, wp V die maximale Betriebsspannung und er Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums in Volt pro Längeneinheit ist.
7.) Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der auf die Kunststoffträgerfolie (1) aufgedampften Metallschicht (2) mittels zweier Gasstrahle, wobei einer Sauerstoff und einer Titanhalogene enthält, das Metalloxid-Dielektrikum (3) erzeugt wird.

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