DE2321438A1 - Kondensatoren und hierfuer geeignete dielektrische materialien - Google Patents
Kondensatoren und hierfuer geeignete dielektrische materialienInfo
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Description
DFL BERG DiPL.-lNG. STAPF
PATENTANWÄLTE 232143&
8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 860245
Anwaltsakte 23 759
Be/Sch
Be/Sch
Monsanto Company ist .Louis, Missouri /USA
"Kondensatoren und hierfür geeignete dielektrische
Materialien"
Die vorliegende Erfindung betrifft Kondensatoren aus gewickelten oder aufeinander gelegten, im Wechsel angebrechten
leitfähigen Schichten und dielektrischen Schichten, die in einem geschlossenen Behälter dicht eingebaut
sind, sowie eine flüssige dielektrische Zubereitung, die
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zum Tränken dieser Kondensatoren geeignet ist.
Die elektrischen Kondensatoren der üblichen Bauart enthalten in Abständen angeordnete leitende Metallfolien,
zwischen denen ein dielektrisches Flächenmaterial, das
Papier, polymerer Film oder eine Kombination von Papier
und polymerem Film sein kann, eingelagert ist. Das dielektrische
Flächenmaterial und die Zwischenräume zwischen dem
dielektrischen Elächenmaterial und zwischen dem dielektrischen
ELächenmaterial und den Leitern werden mit einer flüssigen dielektrischen Zubereitung getränkt bzw. imprägniert.
Diese Imprägnierung ist wesentlich, um die größte Durchschlagfestigkeit des dielektrischen Materials zu erhalten.
" ■
Die bevorzugte dielektrische Zubereitung zum Tränken der Kondensatoren war bisher polychloriertes Biphenyl, das eine
relativ hohe Dielektrizitätskonstante und gute Niedertem— peratureigenschaften aufweist. Es wurde nunmehr jedoch festgestellt,
daß bestimmte polychlorierte Biphenyle gegenüber dem natürlichen Abbau resistent sind und daß diese Materialien,
wenn sie in die Umwelt freigesetzt werden, in den Lebenszyklus eintreten und für die Umwelt potentiell schädlich
sind. Obgleich die Kondensatoren verschlossene Einheiten sind und das Austreten des Imprägnierungsmittels in
die Umgebung im wesentlichen verhindert werden kann, wäre es doch wünschenswert, eine andere Zubereitung zum Itnprägnie-
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ren von Kondensatoren zur Verfügung zu haben, die nicht die
potentiell schädlichen polychlorierten Biphenyls enthält.
Demgemäß ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine dielektrische flüssige Zubereitung zum Imprägnieren
von elektrischen Kondensatoren, die frei ist an polychlorierten Biphenylen, zur Verfugung zu stellen. Ein weiterer Gegenstand
dieser Erfindung sind Kondensatoren, die die dielektrische flüssige Zubereitung der Erfindung enthalten.
Die Zubereitungen der vorliegenden Erfindung.sind als Imprägnierungsmittel
für Kondensatoren geeignet, die wechselnd angeordnete Schichten aus einem Leiter aus Metallfolie und
einem Flächengebilde aus festem dielektrischem Material aufweisen und enthalten gemischte halogenierte aliphatischaromatische
Äther der nachfolgenden allgemeinen Eormel
0 - B.
worin R eine Alkylgruppe mit 1 bis etwa 10 Kohlenstoff *-
atomen, jedes X unabhängig voneinander ein Chlor-, Fluor-
oder Bromatom und η = 1 oder 2 ist. Zusätzlich kann das dielektrische Imprägnierungsmittel ein Gemisch solcher Verbindungen
enthalten und solche Gemische werden besonders bevorzugt, wo' die einzelnen Verbindungen hohe Schmelzpunkte
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und die Gemische merklich gesenkte ochmelzpunkte aufweisen.
Die die Zubereitungen der Erfindung enthaltenden Kondensatoren können nach titandardverfahren hergestellt und imprägniert
werden. Das dielektrische Flächenmaterial, das zwischen den Metallfolienleitern eingelagert ist, kann Papier,
polymerer Film wie Polypropylen oder eine Kombination von Papier und Film sein. Solche mit den Zubereitungen der vorliegenden
Erfindung imprägnierten Kondensatoren haben einen niederen Verlustfaktor, eine hohe Dielektrizitätskonstante
und gute Gebrauchsdauer.
Die vorliegende Erfindung wird weiter durch die begleiten-.den
Zeichnungen erläutert, worin
Figur 1 in perspektivischer Ansicht einen teilweise aufgerollten, in Windungen gewickelten -Kondensator und
Figur 2 einen vollständig zusaramengestellten&ondensator
der in Figur 1 aufgezeigten Art und ein dielektrisches flüssiges Imprägnierungsmittel zeigt.
Die dielektrischen Flüssigkeiten der vorliegenden Erfindung
enthalten vorzugsweise einen größeren Anteil, d.h. wenigstens etwa 70 Gew.^, von einem oder mehreren gemischten
halogenierten aliphatisch-aromatischen Äthern der nachfolgenden allgemeinen Formel
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U)n
worin R eine Alk^lgruppe rait 1 bis etwa 10 und vorzugsweise
mit etwa J bis b kohlenstoffatomen, X unabhängig voneinander
ein ühlor-, Fluor— oder Bromatom und η = 1 oder 2 ist. Besonders bevorzugte Äther sind solche, worin E n-Propyl, Isopropyl,
η-Butyl oder Isobutyl ist.
l'ypische spezifisch bevorzugte gemischte Äther sind beispielsweise
n-iiutyl-o-chlorphenyläther, n-isutyl-o-bromphenyläther,
n-Butyl-o-fluorphenyläther, n-.öutyl-2.4—dichlorphenyläther,
n-Butyl-2.4-dibromphenylätner, n-jßutyl-2.4-difluorphenyläther
und deren Gemische, im besonderen die Gemiscne von n-jsutyl-o-chlorphenyläther und n-Butyl-2.4-dichlorpuenyläther
im Verhältnis von etwa 1:4- bis etwa 4:1.
Zusätzlich zu den gemischten Ätherverbindungen können die
dielektrischen Flüssigkeiten dieser Erfindung bis zu etwa 30 Gew.>ö Verdünnungs- oder Lösungsmittel enthalten. Die
Verwendung solcher Verdünnungsmittel ist besonders dann erwünscht, wenn der gemischte Äther einen Schmelzpunkt über
etwa O0G hat und das Niedertemperaturverhalten durch die
Verwendung eines Verdünnungsmittels verbessert werden kann.
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Brauchbare Verdünnungsmittel für die dielektrischen Zubereitungen der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise Kohlenwasserstoffe
und Kohlenwasserstoffather, einschließlich
Alkanen. mit. etwa 12 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkylbenzole
Alkylnaphthaiin, Alkylbiphenyl, Alky!polyphenyl, Alkylaryläther
und Alkyl-substituierte Derivate derselben, DiaryI-alkane
und Alkyl-substituierte Derivate derselben und Diaryläther
und Alky^substituierte Derivate derselben, worin
die Alkylgruppen und Alkane von 1 bis etwa 20 Kohlenstoffatom
e haben, wobei die Arylreste Benzol-, Naphthalin-, Bi-^
phenyl-oder -folyphenylgruppen sind und die Polyphenyle 3
bis etwa 5 Pheny!gruppen aufweisen.
Zu spezifischen Beispielen für solche organische Verdünnungsmittel
gehören beispielsweise Dodecan, Heptadecan, ^α_Λρ~
Alky!benzol, Cyclohexyläthylbenzol, 0ö_^2-Alkylnaphthalin,
G8-12~Alkylte*ralil1' IsoProPylDiPhenyl, Gyclohexylbiphenyl,
Gö_^p-Alkylpheayläther, Diphenylmethylpentan, Benzyläthylbenzol,
Diphenyläther und Jr'henoxybiphenyl.
Zusätzlich zu den gemischten Äthern und den definierten Verdünnungsmitteln
kann die dielektrische flüssige Zubereitung der vorliegenden Erfindung geringe Mengen zahlreicher
weiterer Komponenten enthalten. Im besonderen ist es oftmals
erwünscht, eine Komponente einzuführen, die als Stabilisator in dem imprägnierten dielektrischen System wirkt.
Im allgemeinen besteht der Zweck des Stabilisators in dem
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oyster« darin, bestimmte ionisierbare Verunreinigungen oder
fremde Materialien, die vorhanden sein können oder sich in dem System bilden gönnen, zu neutralisieren. Zu solchen Verunreinigungen
können rückständige Katalysatoren oder Katalysatoraktivatoren gehören, die von den Harzbildungsreaktionen
zurückbleiben. Zu Verunreinigungen können ebenso die Abbauprodukte
gehören, die durch umweltbedingte oder spannungsinduzierte
chemische .Reaktionen in dem System verursacht werden. Diese unerwünschte Verunreinigungen und fremde Produkte
haben eine nachteilige Wirkung auf den Verlust oder Leistungsfaktor des imprägnierten dielektrischen Systems
und es wurde festgestellt, daß Stabilisierungsmittel in
hoher Weise wirksam sind, um einen geringen Verlustfaktor in imprägnierten dielektrischen Systemen beizubehalten.
Zu Beispielen für besonders bevorzugte Stabilisierungsmittel gehören Epoxide wie i-Epoxyäthyl-3.4—epoxycyclohexan,
3.4—Epoxycyclohexylmethyl-J.^-epoxycyclohexancarboxylat,
3.4-Epoxy-6"-methylcyclohexylmethyl-3.4--epoxy-6-methylcyclohexancarboxylat
und dergleichen. Diese stabilisatoren werden vorzugsweise in den dielektrischen flüssigen Zubereitungen
dieser Erfindung in Mengen im Bereich von 0,001 -bis etwa 8 Gew.# und insbesondere von etwa 0,1 bis 3*0 Gew.#
verwendet.
Die dielektrischen Flächengebilde, die zwischen den Leitern
in den Kondensatoren angeordnet und mit den dielektrischen
-8-
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Flüssigkeitszubereitungen dieser Erfindung imprägniert werden, können ein festes flexibles poröses Material sein,
wie beispielsweise hoch raffiniertes Gellulosepapier oder
ein im wesentlichen nicht poröses polymeres Filmmaterial wie ein Polyolefinfilm oder eine Kombination von Papier und
polymerem Film. Das Papiermaterial weist vorzugsweise zwei
oder mehr Bahnen von Kraft^-Kondensatorpapier auf, wobei die
einzelnen Bahnen oder Blätter Stärken von etwa 0,0076 bis 0,050 mm (0,3 bis 2,0 mils) und vorzugsweise von etwa 0,0152
bis 0,025 mm (0,6 bis 1,0 mils) haben, wobei die gesamte
kombinierte Stärke für die ausgelegte Spannung, des Kondensators geeignet ist. Ein solches Papier hat eine Durchschlagfestigkeit,
die im Verhältnis zu anderen Dielektrikas relativ gut ist und hat eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante.
Das polymere Material ist vorzugsweise ein biaxial orientierter Polypropylenfilm, obgleich andere Angehörigen
der Polyolefinfamilie, im besonderen Polyäthylen und 4-Methylpenten-1- eine gewisse Verwendung für Kondensatorzwecke gefunden haben. Zu weiteren brauchbaren polymeren
Materialien gehören Polyester, Polycarbonate, Polyvinylidenfluorid und Polysulfon. Obgleich sowohl das Papier als
auch der polymere Film allein verwendet werden können, werden
oftmals Kombinationen der beiden verwendet. Das Papier wird benachbart zu dem polymeren Film angebracht, wo es
als Docht wirkt, um das dielektrische flüssige Imprägnierungsmittel
in den Bereich zu bringen, der mit dem Kontaktbereich zwischen dem porösen Papier und dem im wesentlichen
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nicht porösen polymeren Material übereinstimmt.
Die Kondensatorvorrichtungen, die die vorliegende Erfindung
verwenden, können den allgemeinen Aufbau und die Anordnung aufweisen, wie sie in der Figur 1 aufgezeigt ist.
Diese Zeichnung zeigt einen in Windungen gewickelten Kondensator 10, der getrennte Elektroden oder Armaturen 11 und
12 und dazwischen liegende dielektrische Abstandhalter 13 und 14 aufweist. Die Endanschlußstellen 15 und 16 haben
vergrößerte Oberflächen (nicht aufgezeigt), die mit den Elektroden 11 und 12 in Kontakt stehen. Die Elektroden 11
und 12 weisen ein oder mehrere verschiedene Materialien auf, wie beispielsweise Folie aus Aluminium, Kupfer oder
rostfreiem ötahl,oder einen Verbundstoff aus metallisiertem Papier oder Folie, bei dem Aluminium, Zink oder ein
anderes verdampfbares Metall auf einer oder beiden Oberflächen des Substrats dampfabgelagert ist. Die dielektrischen
Abstandhalter 13 und 14- enthalten im allgemeinen Papier
und/oder polymeren Film, wie vorausgehend beschrieben. In dem hier erläuterten Falle bilden der dielektrische
Abstandhalter 13 und die Metallelektroden 11 und 12 zusammen ein Kondensatorelement. Die dielektrischen Abstandmaterialien
und die Hohlräume in diesen und zwischen den Abstandhaltern und den Elektroden werden mit einer dielektrischen
flüssigen Zubereitung imprägniert.
Die Figur 2 zeigt eine fertig zusammengesetzte Kondensator-
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einheit 1b, in der ein in Windungen gewickelter Kondensator der in Figur 1 gezeigten Art in einen Behälter eingelassen ist. Die zusammengesetzte Einheit enthält einen Behälter
19, eine hermetisch verschlossene Abdeckung 20, die
ein kleines Fülloch21 für die dielektrische !Flüssigkeit
und die Klemmen 22 und 23 aufweist, die durch, die Abdeckung
20 hindurchlaufen und gegenüber dieser isoliert sind. Innerhalb des-Behälters 19 sind-Üie Anschlußklemmen 22 und 23 mit
den Endanschlußstellen 15 und 16, wie in Figur 1 gezeigt,
verbunden. Obgleich nicht erläutert, weist die in "Figur 2 aufgezeigte Einheit 18 weiterhin die dielektrische flüssige
Zubereitung auf, die den verbleibenden .rlatz in dem Behälter
19 einnimmt, der nicht durch den Kondensator beansprucht
wird und die ebenso die dielektrischen Abstandhalter 13 und
14 imprägniert.
Die Imprägnierung des Kondensators wird unter Verwendung
herkömmlicher Verfahren erreicht.·Beispielsweise werden nach
einem allgemein angewendeten Imprägnierungsverfahren die in den fertigen Einheiten eingeschlossenen Kondensatoren, wie
der Kondensator 18 von Figur '2, unter Vakuum zur Entfernung rückständiger Feuchtigkeit getrocknet. Die Trocknungstemperatur
wird von der Länge der Trocknungszeit abhängen, liegt jedoch im allgemeinen im Bereich von et*ja 60 bis 1500C.
Bei zu niederen Temperaturen dauert die Trocknung übermäßig lange, wahrend zu hohe Temperaturen den Abbau des Papiers
oder das üchrumpfen des polymeren Films, die als dielektri-
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_π_ 232Η38
sehe Abstandteile verwendet werden, verursachen kann. Das
Loch 21 ermöglicht der Feuchtigkeit, aus dem Inneren des -öehälters 19 während dem Trocknungsverfahren auszutreten.
Die zur Imprägnierung vorgesehene dielektrische Flüssigkeit
wird der Kondensatoreihheit durch das Loch 21 zugeführt, vorzugsweise so lange sich die getrocknete Einheit
noch unter Vakuum in einer geeigneten Vakuumvorrichtung befindet. Das Kondensatorlement in dem Behälter muß von
der Imprägnierungsflüssigkeit abgedeckt sein und es wird gewöhnlich ausreichend Imprägnierungsflüssigkeit eingefüllt,
um den gesamten Behälter auszufüllen und die Luft aus diesem zu verdrängen. Dann wird der Druck der Vakuumvorrichtung
auf atmosphärischen Druck erhöht und man läßt dann die Kondensatoreinheit einige Stunden stehen und das flüssige
Imprägnierungsmittel gründlich eindringen. Nach Imprägnieren der Kondensatoreinheit kann diese durch Aufbringen einer
geeigneten Menge Verschlußmasse auf das Loch 21 oder in irgendeiner anderen Weise verschlossen werden. Die Kondensatoreinheit
oder der fertig zusammengesetzte Kondensatorblock kann danach einer erhöhten Temperatur unterworfen werden,
um den Druck in der Kondensatoreinheit zu erhöhen und das Imprägnierungsverfahren zu unterstützen. Wärme und Druck
können die Iraprägnierbarkeit durch Änderung der relativen Benetzbarkeit, Viskosität und Löslichkeit der Materialien
erhöhen. Zusätzlich kann das Ausdehnen und Zusammenziehen der einzelnen Komponenten des Systems durch Wärme und Druck
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2321433
als treibende Kraft dienen, die Wanderung der Flüssigkeit in die Zwischenräume des dielektrischen Abstandsmaterials
zu verbessern.
Es wurden verschiedene Kondensatoren der in den Figuren 1 und 2 erläuterten Art aus Aluminiumfolie und Papierabstandhaltern
hergestellt und nach der vorausgehenden Beschreibung mit einer dielektrischen Zubereitung imprägniert, die
ein 50/50 Gemisch von n-Butyl-o-chlorphenyläther und n-±sutyl-2.4-dichlorphenyläther
aufweist-,■ wobei die Zubereitung weiterhin 0,3$ 3.4-JEp oxy cyclohexylraet hyl-3.4-epoxycyclohexancarboxylat
enthält. Eine Gruppe von acht dieser Kondensatoren, hier als "Versuchskondensatoren" bezeichnet, wurden
Leistungs- und Haltbarkeitsuntersuchungen unterworfen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden mit jenen einer ähnlichen
Gruppe gleicher Kondensatoren verglichen, die in ähnlicher Weise mit einem polychlorierten Biphenyl elektrischer
Qualität imprägniert wurden, wobei das Biphenyl etwa 42$ Chlor enthielt. Diese Kondensatoren werden als "Kontrollkondensatoren"
bezeichnet. Die Versuchsangaben sind in der Tabelle I angegeben.
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| Ge- Temp. 0C | 22° | Tabelle | I | 70° | 70° | 70° | 70° | 80° | 90° | 100° | VjJ | |
| brauche- „ | I | |||||||||||
| unter- rnms~" | 600 | Papier-isolierte Kondensatoren + | 900 | 930 | 960 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | |||
| suchungs- <* | ΓΟ | |||||||||||
| bedin- Zeit, | 0 | 70° | 168 | 168 | 120 | 168 | 168 | 168 | 168 | |||
| gungen Std. | ro | |||||||||||
| Testkon | 0,00372 | 870 | 0,00341 | 0,00338 | 0,00341 | 0,00339 | 0,00354 | 0,00363 | 0,00410 | __* | ||
| densa | * | GO | ||||||||||
| CJ | tor en | 2,190 | 744 | 2,095 | 2.095 | 2,094 | 2,091 | 2,081 | 2,064 | 2,053 | OO | |
| co OO |
- 8 Ein | |||||||||||
| -Ρ» | heit en- | 0 | 0,00340 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| α» | ||||||||||||
| •ν» | 2,094 | |||||||||||
| O | Kontroll- | 0,00345 | 0,00317 | 0,00316 | 0,00305 | 0,00307 | 0,00315 | 0,00343 | 0,00404 | |||
| CO | konden | 0 | ||||||||||
| α> | sat or en | 1,970 | 1,888 | 1,888 | 1,886 | 1,884 | 1,879 | 1,863 | 1,854 | |||
| cn | - 8 Ein- | |||||||||||
| heiten- | 0 | 0,00315 | 0 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 2 | |||
| 1,889 | ||||||||||||
| 0 | ||||||||||||
+ 2 lagen aus 0,0167 mm (0,66 mil.) Kraft-Papier
Claims (10)
1.) Als Kondensatorimprägnierungsmittel brauchbare Zubereitung
gekennzeichnet durch den Gehalt gemischter halogenierter aliphatisch-aromatischer Äther
der nachfolgenden allgemeinen Eormel
0 - R
worin R eine Alkylgruppe mit 1 bis etwa 10 Kohlenstoffatomen, jedes X unabhängig voneinander ein Chlor-, Fluor-
oder Bromatom und η = 1 oder 2 ist.
2. Zubereitung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet , daß sie etwa 0,001 bis 8 Gew.%
Epoxidstabilisator enthält.
3· Zubereitung gemäß Anspruch 1 dadurch gekerinzeichne
t\ daß sie etwa 1 bis 50 Gew. %. Verdünnungsmittel
enthält, nämlich Alkane mit etwa 12 bis Kohlenstoffatomen, Alkylbenzol, Alkyla^iphthalin, Alkylbiphenyl,
Alkylpolyphenyl, Alkaryläther und Alkyl-substituierte
Derivate derselben, Diarylalkane und Alkyl-substituierte
Derivate derselben und/oder Diaryläther und Älkyl-substituierte
Derivate derselben, worin die Alkylgruppen und
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Alkane 1 bis etwa 20 Kohlenstoffatome aufweisen, die Arylreste
Benzol-, Naphthalin-, Biphenyl- oder Polyphenylgruppen
sind und die ±-O,lyphenyle 3 bis etwa 5 Phenylgruppen beinhalten.
4-. Zubereitung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet
, daß die gemischten Äther n-Butylo-chlorphenyläther,
n-Butyl-2.4-dichlorphenyläther und deren
Gemische enthalten.
5. Zubereitung gemäß Anspruch 4- dadurch gekennzeichnet
, daß die gemischten Äther ein Gemisch von n-Butyl-o-chlorphenyläther und n-Butyl-2.4-dichlorphenyläther
im Verhältnis von etwa 1:4 bis etwa 4:1 enthalten.
6. Zubereitung gemäß Anspruch 5" dadurch ge-
kennzeichnet , daß sie etwa 0,001 bis
8 Gew.^ iSpoxidstabilisator enthält.
7· Zubereitung gemäß Anspruch 5 dadurch "gekennzeichnet
, daß sie etwa 0,1 bis $ Gew.^ 3.4—Epoxycyclohexylmethy1-3.4-epoxycyclohexancarboxylat
enthält.
ö. Elektrischer Kondensator mit wenigstens zwei Elektroden
-16-
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und einem festen isolierenden dielektrischen Flächenmaterial,
das zwischen den Elektroden angeordnet ist, wobei die Zwischenräume
zwischen dem dielektrischen Flächenmaterial und den Elektroden durch eine dielektrische/ flüssige Zubereitung
gemäß Anspruch. 1 imprägniert sind.
9. Elektrischer Kondensator mit wenigstens zwei Elektroden und einem festen isolierenden dielektrischen Flächenmaterial,
das zwischen den Elektroden angeordnet ist, wobei die Zwischenräume
zwischen dem dielektrischen Flächenmaterial und den Elektroden durch eine dielektrische flüssige Zubereitung
gemäß Anspruch 5 imprägniert sind.
10. Elektrischer Kondensator mit wenigstens .zwei Elektroden
und einem festen isolierenden dielektrischen Flächenmaterial. das zwischen den Elektroden angeordnet ist, wobei die Zwischenräume
zwischen dem dielektrischen Flächenmaterial und den Elektroden durch eine dielektrische flüssige Zubereitung
gemäß Anspruch 7 imprägniert sind.
309846/0885
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