DE2312695C3

DE2312695C3 - Selbstheilender Wickelkondensator

Info

Publication number: DE2312695C3
Application number: DE19732312695
Authority: DE
Inventors: Jean Paul Saint-Brevin Leslavl Maillot (Frankreich)
Original assignee: International Standard Electric Corp, New York, N.Y. (V.St.A.)
Priority date: 1972-03-15
Filing date: 1973-03-14
Publication date: 1977-11-17

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstheilenden Wickelkondensator aus einer Kunststoffträgerfolie mit einer darauf angeordneten Schichtenfolge von zwei Metallschichten und einer dazwischen angeordneten Dielektrikumsschicht.

Es ist bekannt, daß sich die Kapazität pro Volumeneinheit eines Kondensators aus den charakteristischen Werten des Dielektrikums, der Belagfläche, dem Herstellungsverfahren und anderen elektrischen und mechanischen Größen ergibt

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

Es sind jedoch hierbei die dielektrischen Verluste und die Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums zu beachten, die eine Grenze setzen. Besonders die Durchschlagsfestigkeit hängt von der Dicke 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 ist als die eines Kondensators aus metallisierten Polypropylenfolien.

Jedoch ist eine hohe spezifische Kapazität nicht die einzige Forderung an einen Kondensator. Die Kondensatoren aus metallisierten Folien 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.

Die gebräuchlichsten Elektrolyt-Kondensatoren haben Anoden aus Aluminium und Tantal. Aber auch andere Materialien, wie Niob und Titan werden verwendet. Ihr Dielektrikum ist entweder Nioboxid (Nb₂O₅) oder Tianoxid (TiO₂). Verglichen mit Aluminium haben diese Materialien eine höhere Dielektrizitätskonstante und Durchschlagsfestigkeit. Durch Anwendung geeigneter Herstellungsmethoden zur Herstellung von Aluminium-Belägen mit verkleinerter Dicke und dünnerer dielektrischen Schichten wird die spezifische Kapazität nur wenig höher als die von gewöhnlichen Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren. Ein bekanntes chemisches Verfahren, um einen Aluminiumbelag mit einer Schicht des Oxides des Titans zu überziehen, ist in der US-PS 36 12 956 beschrieben.

Aus der GB-PS 10 30 820 ist bereits ein selbstheilender elektrischer Wickelkondensator bekannt, bei dem auf einer Tägerfolie aus Kunststoff zwei Metallschichten mit dazwischenliegender Dielektrikumsschicht besteht. Die Dielektrikumsschicht besteht hier aus einer oder mehreren Lackschichten. Daher kann keine sehr hohe Volumenkapazität erhalten werden. Außerdem ist zwischen der Trägerfolie und der einen Metallschicht eine Lackschicht angeordnet, so daß die Metallschicht in die Fehlstellen der Lackschicht hineinragende Spitzen bildet

Aus der DT-PS 9 65 259 ist ein Wickelkondensator mit einem keramischen Dielektrikum, wie Titandioxid, bekannt, der so hergestellt wird, daß Platten oder

der keramischen Masse mit Kunststoffolien zu Ticket aufgewickelt werden und nach dem en der Kunststoffolie die Masse gebrannt wird. ? hdem Brennen werden die Metalib?läge in den uMcel eingebracht Hierbei können keine sehr dünnen • ι wrikumsschichten und auch keine selbsiheilenden ?«ebwges«eUi werden.

der US-PS 31 49 398 ist ein Wickelkondensator

t^nt bei dessen Herstellung Siliciumschichien bei

h*" Temperatur auf Folien aus Tantal, Silicium,

Gemanium! Molybdän, Wolfram oder Platin erzeugt

den, die nachfolgend in Siliciumdioxid umgewandelt

*d α Wegen der hohen Temperaturen müssen Folien

* hochschmelzenden Metallen verwendet werden.

rfr erhaltene Kondensator ist nicht selbstheilend, und

Sciumdioxid hat keine sehr hohe Dielektrmtäiskon-

^St wich der DT-AS 12 05 192 wird auf einer Folie aus

Ventilmetall eine Oxidschicht euren mehrfache elekin-

he 'Formierung und dazwischen vorgenommene

Imine erzeugt- Schließlich wird eine leitende Schicht

aufgebracht Die dielektrische Schicht besteht aus dem

Oxid der Metallfolie, so daß keine höhere Volumenka-

azität erzielt wird als bei Elektrolytkondensatoren.

Der Kondensator ist nicht selbstheilend.

Aus der BE-PS 6 71 853 ist ein Kondensator bekannt, hri dem ein Belag aus Ventilmetall besteht, die Elektrische Schicht aus dem Oxid des Ventilmetalls „nd zwischen dem aus Kohle und Silberpaste besehenden zweiten Belag eine Mangandioxidschicht angeordnet ist Hier handelt es sich nicht um einen Wickelkondensator mit selbstheilenden Belägen.

Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wickelkondensator mit selbsthellenden Eigen-Thaften herzustellen, wobei er sowohl stabil als auch 3; Lerlässig 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 sehr hohe Dielektrizitätskonstante und eine sehr hohe dielektrische Festigkeit hat.

Diese Aufgabe wird bei einem Kondensator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß auf der Kunststoffträgerfoüe eine aufgedampfte Metallschicht, auf dieser eme durch Umsetzung in der Gasphase : erzeugte Metalloxidschicht und darauf eine weitere Metallschicht angeordnet ist

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist die daß die erste Metallschicht eine im Vakuum auf Kunststoff aufgedampfte Aluminiumschicht ist, wöbe, der Kunststoff den Temperaturen standhalten soll, die während des Herstellungsverfahrens auf treten

Die dielektrische Schicht wird durch chemisches Überziehen der Metallschicht mit de,n Metalloxid des Titans (TiO₂) oder des Niobs (Nb₂O₅) erhalten.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen daß insbesondere wenn T.tandioxid (TiO₂) verwendet wird, die metallisierte Folie zuerst mit einer Mangandioxidschicht und dann mit einer Titandiox.dschicht überSgen wird. Das Hinzufügen solch einer Schicht die Sauerstoff enthält, ist nützlich, um T.tand.ox.d in der exakten stöchiometrischen Form TiO₂ und nicht in der Form TiO_n zu erhalten, in der η kleiner als zwei ist.

Ein Ausfflhrungsbeispiel der Erfindung soll anhand der FigurennaherWlautert werden. Fi ilabis Id zeigen den Aufbau der Schichtenfolge;

F i g 2 zeigt einen Schnitt durch einen Kondensator; Fig 3 zeigt die Schichtenfolge mit einer Mangandioxidzwischenschicht

Es soll ein Kondensator mit einer spezifischen Kapazität erhalten werden, die größer ist als die eines Elektrolytkondensator bei gleicher Betriebsspannung. ^; 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 gewähl? werden soll:

. OK

^ei - ι ■ '" ■

wobei v_L, die spezifische Kapazität des Vergleichselektrciytkondensaiors ist εο die spezifische Vakuumdielek-

, triziiätskonstante, gdas Verhältnis zwischen Nutzfläche und der tatsächlichen Räche des Belags, ε me Materialdielektrizitätskonstante, ο die dielektrische Festigkeit in Volt pro Längeneinheit und V die maximale Betriebsspannung ist

-c. Bei dem erfindungsgemäßen Kondensator ist £S^le'^ctl 1. Weiterhin kann die Betriebsspannung in der Nahe der Durchbruchsspannung gewählt werden. Das Produkt εο ist gleich:

12 COO V/μπι für Titandioxid (TiO₂) und ^:? 14 000 V/μπι für Nioboxid (NbTO₅).

Mit den Werten: V = 16 Volt und y₀ = 850 μΡ/crn³, ergibt sich für

Titanoxid e, <8μΐη
und für

Nioboxid e₍ < 9 um.

In der gleichen Weise läßt sich für die Werte γ = 400 Volt und yo = 93 μΡ/crn³ für

Titandioxid d < 28 μπι
und für

Nioboxid e, < 32 μπι

errechnen. . , ,

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

16 Volt 0,03 μπι fürT1O2 und

0,04 μιη für Nb₂O₅ und für 400 Volt 0,75 μιη fürTiO₂ und 1 μΐη für Nb₂O₅.

'° Als Kunststoffträgerfolie können Folien aus Polyimiden. Polytetrafluorethylen, Polyhydantom. Polyfon und Poly-4-Methyl-Penten in einer Starke von 6 um verwendet werden, die alle den relativ hohen Tempera-„ mrTn widerstehen. Wenn diese Temperaturen jedoch '■" relativ niedrig sind, ist es günstiger und b.lhger. kun"tstoffträger aus Polvterephthalatäthylenen, PoIypropylenen und Potykarbonaten zu verwenden.

Mit einer Isolationsdicke e, von 6μτη und einer eo enSpreSend gewählten Dicke d« Meta..ox,ddiele tnkums von 1 μπι (TiO₂) ader 0,75 μπι (Nb₂Os), einer Sebssⁿpaniung^lvon '«Ο Volt, hat der Kondensator gemäß der Erfindung eine spezifische Kapazität die viermal höher als die eines Aluminiumelektrolytkonden-

-τ*./-» ..„^»,.o.r.H«»t wird, und die tuntmai

⁶^ nX^enn¹ Utä "verendet wird. Unter den greicnenBedSngeiiber bei einer Betn^pjnnung 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 μπι haben eine typische Durchbruchsspannung von 100 Volt für Polytetrafluoräthylen bis 75OVoIt für Polypropylen. Da Polypropylen auch als Folie mit Ί μηι Stärke hergestellt werden kann, beträgt der obengenannte Gewinn für Polypropylenträger

5,5 für TiO₂ und 7 für Nb₂O₅ bei 400 Volt und
1,8 für TiO₂ und 2 für Nb₂O₅ bei 16 Volt.

Die einzelnen Stufen des Herstellungsprozesses können leichter unter Zuhilfenahme von F i g. la erklärt werden, wo im Querschnitt eine Kunststoffträgerfolie 1 mit einer Dicke von einigen μίτι gezeigt ist. Im zweiten Herstellungsschritt (vgl. Fig. Ib) wird derselbe Kunststoffträger mit einer ersten Schicht 2 aus Aluminium in bekannter Weise im Vakuum bedampft. Im nächsten Schritt, gezeigt in Fig. Ic, wird eine Schicht 3 aus Metalloxid, wie z. B. Titandioxid (TiO₂) oder Nioboxid (Nb₂O₅) auf die Schicht 2 mittels eines chemischen Verfahrens aufgebracht. Der letzte Schritt ist in F i g. Id gezeigt, wo eine zweite Aluminiumschicht 4 auf die dielektrische Schicht 3 mittels eines bekannten Aufdampfverfahrens unter Vakuum aufgebracht ist.

Zu Fig. Id sei noch vermerkt, 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. Titanhalogenid TiCl₄, erzeugt. Hierbei geht man folgendermaßen vor: Zwei aus je einer Düse austretende Gasströme werden gemischt, wobei der eine Strom Sauerstoff und der andere Strom Titantetrachlorid enthält. Die Düsenöffnung ist dicht über der Kunststoffolie, die mit der Schicht 2 überzogen ist, angeordnet und wird fortlaufend von einer Seite zu der anderen der Kunststoffolie 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.

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, Polyimiden oder Polysulfonen.

Die Schicht 3 kann neben TiO₂ oder Nb₂Os auch aus anderen Metalloxiden bestehen, die mittels geeigneter Verfahren auf Kunststoffträgerfolien oder andere Folien aufgebracht werden können.

Die folgende Tabelle enthält einige Beispiele solcher

ίο Materialien:

Metalloxid	Auftragungsverfahren
dielektrikum
TiO2	Pyrolyse von Titantetrachlorid
Nb2Ü5	Pyrolyse von Niobpentachlorid
AI2O3	Pyrolyse von anorganischen Alu
	miniumsalzen
20 Ζ1Ό2	Pyrolyse von Zirkoniumchlorid
Ta2Ü5	Pyrolyse von Tantalchlorid
HfO₂	Aufstäuben in Sauerstoffatmosphäre

Anschließend werden die Folien mit dem Schichtaufbau zu einem Wickel aufgerollt

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

Im nächsten Verfahrensschritt werden die Stirnflächen des Wickelkondensators 5, 6 mit einer Spritzme-

tallschicht überzogen. Die Spritzmetallschicht S stellt in bekannter Weise einen Kurzschluß zwischen den Schichten 2 aus Metall, die einen Belag bilden, her iind die Spritzmetallschicht 6 einen Kurzschluß zwischen den Schichten 4 aus Metall, die den Gegenbelag bilden.

Zwei Anschlußleitungen werden mit je einer Spritzmetallschicht verbunden.

Anschließend werden die Fehlstellen des Kondensators in bekannter Weise ausgebrannt und der Kondensator umhüllt 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 besteht. Solch einen Aufbau zeigt Fig.3, wo dieselben Bezeichnungen wie in F i g. 1 verwendet sind. Die Mangandioxidschicht ist mit 7 bezeichnet Die Mangandioxidschicht wird entweder durch Pyrolyse von Mangannitrat oder durch kathodische Reduktion von Permangana; erzeugt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

A/ί Patentansprüche:

1. Selbstheilender Wickelkondensator aus einer Kunststoffträgerfolie mit einer darauf angeordneten Schichtenfolge von zwei Metallschichten ; einer dazwischenliegenden Dielektrikumsschi, .u, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Kunststoffträgerfolie (1) eine aufgedampfte Metallschicht (2), auf dieser eine durch Umsetzung in der Gasphase erzeugte Metalloxidschicht (3) und darauf eine weitere Metallschicht (4) angeordnet ist.

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.

1 Wickelkondensator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidschicht (3) aus Titandioxid (TiO₂) besteht.

4. Wickelkondensator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidschicht (3) aus Niobpentoxid (Nb₂Os) besteht.

5. Wickelkondensator nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid-Dielektrikum (3) in seiner Dicke nach der Formel ■- bemessen ist, worin Vdie maximale Betriebsspan-

nung und σ die Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums in Volt pro Längeneinheit bedeutet.

6. Wickelkondensator nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffträgerfolie (1) aus einer Verbindung der Gruppe der Polyimide, Polytetrafluoräthylene, Polyhydantoin, Polysulfone, Poly-4-Methyl-Pentene, Polytherephthalat-Äthylene oder Polycarbonate besteht.

7. Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (2,4) aus Aluminium bestehen.

8. Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Metallschicht (2, 4) und der Metalloxidschicht eine Mangandioxidschicht (7) angeordnet ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Wickelkondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidschicht (3) durch Pyrolyse eines Metallhalogenids in der Gasphase bei Anwesenheit von Sauerstoff hergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Metallhalogenid und Sauerstoff in Form von Gasstrahlen angewendet werden, die auf die mit Metall (2) bedampfte Kunststoff trägerfolie (1) gerichtet werden.