DE2423923C2 - Vorrichtung zur Halterung einer Vielzahl von Kondensatorkörpern aus gesintertem Tantalpulver - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Halterung einer Vielzahl von Kondensatorkörpern während der einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung von Tantal-Festelektrolyt-Kondensatoren, die eine Trägerschiene aus Ventilmetall enthält, an der die Kondensatorkörper mit ihren Anodenzuführungen in der Weise befestigt sind, daß alle Anodenzuführungen in einer Ebene Heren und mit der Längsachse der Trägerschiene einen rechten Winkel bilden.

Bei den meisten Verfahren zur Herstellung solcher Kondensatoren wird üblicher weise eine Trägerschiene für die Tantal-Festelektrolykondt.isatoren verwendet Bei einem solchen Verfahren sind die Anodenzuführungen der Kondensatorkörper flach mit einem horizontalen Metallstab verschweißt, so daß eine Vielzahl von Kondensatorkörpern von der Trägerschiene aus nach unten hängt Typischerweise besteht die Trägerschiene aus rostfreiem Stahl.

Bei vielen Verfahren werden die Kondensatorkörper in eine Flüssigkeit eingetaucht. Ein solches Verfahren wird in der US-Patentschrift 29 36 514 beschrieben. Der Träger für die Körper wird üblicherweise so weit auf die Flüssigkeitsoberfläche abgesenkt, daß die Körper vollständig eingetaucht sind, wobei die Schiene von einer Befestigung gehalten wird, welche die Schiene relativ zu dem Flüssigkeitsbehälter festhält Dabei taucht die Schiene nicht in die Flüssigkeit ein. Ein Eintauchen (Ir Schiene während der Bildung der Oxidschicht ist besonders deshalb unerwünscht, weil dies zu starken Strömen zwischen dem Elektrolyten und dem großen Oberflächenbereich der Schiene führen würde, wodurch die Regelung des Stroms zu den Körpern erschwert wird. Daher müssen die Tantal-Zuführungsdrähte lang genug sein, damit ein vollständiges Eintauchen der Körper gewährleistet ist, ohne daß die Schiene eintaucht; damit hängt die Länge dieser Zuführungsdrähte davon ab, wie sorgfältig der Flüssigkeitspegel geregelt werden kann.

Tantaldraht ist recht teures Material und es sind daher beträchtliche Kosteneinsparungen möglich, wenn die Länge der Zuführungen aus Tantaldraht vermindert werden kann. In dem Ausmaß, in dem die Tantaldrähte verkürzt werden, wird die als Träger für die Kondensatorkörper dienende Trägerschiene leichter von dem Elektrolyten in den Bereich nahe den Schweißstellen der Drähte benetzt. Dies kann eine Folge der Kondensation von Elektrolytdampf, des Verspratzens, einer Dochtwirkung oder einer Kombination dieser Umstände sein. Wird die Trägerschiene aus Tantal oder einem anderen Ventilmetali hergestellt, dann bildet sich darauf ein nicht-poröser und selbst-abdichtender dielektrischer Oxidfilm, wobei die kieinen Leckströme, welche durch die Schiene fließen,'die Steuerung der Oxidbildung auf den Körpern nicht nachteilig beeinflussen. Wenn jedoch Schienen aus billigerem Material ver- wendet werden, z. B. rostfreiem Stahl, dann können die elektrochemischen Reaktionen auf der Schiene zu sehr starken Strömen führen, weiche die Steuerung des Verfahrens zur Bildung der Oxidschichten auf den Körpern ernsthaft beeinträchtigen. Bei diesen Reaktionen kann Sauerstoff gebildet werden, ferner leitfähige Verbindungen, daneben kann eine anodische Auflösung auftreten, deren Reaktionsprodukte den Elektrolyt verunreinigen und die Qualität der Kondensatoren herabsetzen können. Eine solche Haltevorrichtung für Kondensatorkör- per aus Chromstahl oder Nickel ist z. B. in der DE-OS 15 64 858 beschrieben.

Man könnte annehmen, daß Aluminium ein gutes Material für diese Trägerschienen ist, um die genannten Probleme zu lösen. Unter allen Ventilmetallen ist AIu minium das billigste und am leichtesten zugängliche. Schienen aus Aluminium erweichen jedoch und verbiegen sich bei den hoi^n Temperaturen, welche zur Pyrolyse der Mangansalze angewandt werden. Ein solchen Verbiegen führt zu einem nicht einheitlichen Eintau chen der Kondensatorkörper bei den nachfolgenden Verfahrensstufen, wodurch z. B. der feste Elektrolyt den Anschlußdraht an Stellen erreichen kann, bis zu denen die Oxidbildung nicht vorgedrungen ist, was einen Kurzschluß zwischen Anode und Kathode verursacht

Abgesehen von den teuren Ventilmetallen, wie etwa Tantal, sind bislang keine geeigneten Materialien zur Herstellung einer Trägerschiene für Kondensatorkörper bekannt geworden, mit denen kurze Anodenzuführungen möglich sind

Aus der DE-OS 1639 432 ist eine Vorrichtung zur Halterung einer Vielzahl von Kcndensatorkörpern aus gesintertem Tantalpulver bekannt, die eine Trägerschiene aus Ventilmetall enthält, an der die Kondensatorkörper mit ihren Anodenzuführungen in der Weise befestigt sind, daß alle Anodenzuführungen in einer Ebene liegen und mit der Längsachse der Trägerschiene einen rechten Winkel bilden.

Nach der DE-OS 15 89 794 wird statt der Führungsschiene ein Leitdraht aus Tantal verwendet

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Haltevorrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, deren Trägerschiene sich unter dem Gewicht der an ihr befestigten Kondensatorkörper nur unwesentlich durchbiegt, wobei die Trägerschiene aus einem preis werten Material besteht

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Trägerschiene aus einer Legierung des Ventilmetalls Aluminium mit 1 bis 6 Gew.-% Magnesium besteht Die erfindungsgemäße Trägerschiene bildet einen selbstabdichtenden Oxidfilm, wodurch eine merkliche Verringerung der Kosten für die Herstellung von festen Tantal-Elektrolytkondensatoren möglich ist Eine solche Trägerschiene ermöglicht es nämlich, die teuren Drahtzuführungen sehr kurz zu halten, wodurch ein wichtiger wirtschaftlicher Vorteil bei der Herstellung von festen Tantalkondensatoren erreicht wird.

Die Abbildungen dienen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Es zeigen

F i g. 1 eine Vorrichtung zur Halterung von Tantal-Kondensatorkörpern entsprechend einer ersten bevorzugten Ausführungsform;

Fig.2 im Querschnitt den Ausschnitt 2—2 der Vorrichtung nach F i g. 1;

Fig.3 eine Vorrichtung zur Halterung von Tantal-Kondensatorkörpern entsprechend einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;

Fig.4 im Querschnitt den Ausschnitt 4—4 der Vorrichtung nach F i g. 3 und

F i g. 5 einen Schnitt durch eine Anordnung zur Herstellung von Tantal-Festelektrolytkondensatoren mit einer Vorrichtung zur Halterung der Kondensatorkörper, wobei die Kondensatorkörper die Anoden-EIektroden in einer elektrolytischen Zelle darstellen.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform ist in F i g. 1 dargestellt Die Trägerschiene 10 besteht aus einer Legierung, weiche aus ungefähr 1 bis 6% Magnesium, Spurenelementen und Rest Aluminium besteht Es ist eine Vielzahl von gesinterten Kondensatorkörpern aus Tantal 14 vorgesehen, von denen jedes eine Anodenzuführung 12 aus Tantal aufweist, jede Anodenzuführung 12 ist im wesentlichen im rechten Winkel zur Hf-.uptaehse der Trägerschiene 10 ausgerichtet, und alle diese Zuführungen 12 liegen im wesentlichen in der gleichen Ebene. Die Zuführung 12 von jedem Kondensatorkörper 14 ist nach dem Überlappungs-Schweißverfahren an die Trägerschiene 10 angeschweißt Auf diese Weise wird eine Anordnung erhalten, bei der die Kondensatorkörper 14, die Anodendrähte 12 aus Tantal, und die Trägerschiene 10 alle sowohl elektrisch wie mechanisch miteinander verbunden sind.

Die F i g. 2 zeigt im Querschnitt den Ausschnitt 2—2 der Anordnung nach F i g. 1. Die Schweißstelle 11 ist im Bereich zwischen dem oberen Abschnitt der Drahtzuführung 12 und dem sich damit überlappenden Bodenabschnitt der Trägerschiene 10 angebracht. Es handelt sich dabei um eine sogenannte Überlappungs-Schweißung.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform ist in F i g. 3 dargestellt Tiese Ausführungsform ist ähnlich zu der Ausführungsform nach Fig. 1, weist jedoch Unterschiede bei der Verbindung der Drahtzuführungen 22 mit der Trägerschiene 20 auf. Die Tantalkörper 24 weisen jeweils eine Anodenzuführung 22 aus Tantal auf. Die Tantaldrähte sind stumpf an die untere Kante der Trägerschieite 20 angeschweißt

Die Fig.4 zeigt im Querschnitt den Ausschnitt 4—4 der Anordnung nach Fig.3. Die Schweißstelle 21 verbindet den Endabschnitt der Drahtzuführungen 22 mit der Trägerschiene 20.

In F i g. 5 ist eine dritte bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei welcher durch Elektrolyse eine Oxidschicht auf den Oberflächen und innerhalb der Zwischenräume der Tantalkondensatorkörper erzeugt wird. Die Trägerschiene 10, die Kondensatorkörper 14, die Tantal-Zuführungen 12, und die Zwischenräume dazwischen sind die gleichen, wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Die Trägerschiene weist an jedem Ende einen Vorsprung auf. Die Anordnung mit der Trägerschiene 10, den Zuführungen 12 und den Kondensatorkörpern 14 ruht mit diesen Vorsprüngen aufgehängt auf dem Rand eines Tanks 16, so daß die Kondensatorkörper nach unten hängen und vollständig in einen flüssigen Elektrolyten 15 eingetaucht sind. Der Tank 16 besteht aus rostfreiem Stahl. Zwischen die Trägerschiene 10 und den Tank 16 ist eine Stromquelle 18 eeschaltet. wobei ihr j'ositiver Anschluß 19 mit der Trägerschiene 10 und ihr negativer Anschluß 17 mit dem Tank 16 verbunden ist Die Stromquelle ist mithin so mit der elektrolytischen Zelle verbunden, daß die Kondensatorkörper 14 die Anoden-Elektroden darstellen und der Tank 16 als Kathoden-Elektrode wirkt Die Stromquelle 18 ist eine übliche Konstant-Spannungsquelle mit Strombegrenzung. Wenn die Anordnung zum ersten Mal an die Stromquelle angeschlossen ist, ist der Widerstand der Zelle sehr gering und es wird daher ein

ίο starker Strom fließen. Die Spannung der Stromquelle fällt jedoch ab, so daß der Strom in einem begrenzten Bereich gehalten wird, auf den er eingestellt worden ist, beispielsweise in der Größenordnung von einem Ampere für jeweils 20 Kondensatorkörper. In dem Ausmaß, in dem die Oxidschicht wächst, nimmt auch der Widerstand der Zelle zu, bis der Strom z. B. auf weniger als ein Ampere abnimmt, und die Stromquelle liefert während der restlichen Verfahrensstufe zur Oxidbildung eine konstante Spannung an die Zelle.

Der Elektrolytpegel wird so eingestellt, daß die Kondensatorkörper vollständig untergetaucht sind. Der Pegel kann so hoch liegen, daß auch em Teil der Trägerschiene eingetaucht ist, ohne daß nachteilige Wirkungen auf die Oxidbildung an den Kondensatorkörpern oder die Steuerung dieser Oxidbildung auftreter.. Als Elektrolyt eignet sich am besten eine Lösung, welche einen pH-Wert zwischen 5 und 7 aufweist Mit besonderem Erfolg wurde eine O,l°/oige wäßrige Lösung von Ammoniumhydrogenphosphat als Elektrolyt verwendet, um Versuchskondensatoren herzustellen.

Bei der ersten, zweiten und dritten bevorzugten Ausführungsform bildet sich auf der Legierung, aus der die Trägerschienen 10 und 20 bestehen, ein undurchlässiges dielektrisches Oxid von im wesentlichen der gleichen Qualität, die auch auf einer Tantalschiene erhalten wird. Die Festigkeit dieser Legierung ist viel größer als die Festigkeit von reinem Aluminium und es tritt auch bei Temperaturen von 450⁰C keinerlei Verbiegung der Trägerschiene auf. Dieses Material ist in großen Mengen leicht zugänglich, da es in weitem Umfang in der Automobilindustrie eingesetzt wird.

Mit der ersten bevorzugten Ausführungsform wurde eine Reihe von Versuchsanordnungen hergestellt. Die Trägerschiene 10 bestand aus einer Legierung, die im wesentlichen aus Aluminium mit etwa 2,5 Gew.-% Magnesium und Spurenelementen bestand. Die Trägerschiene 10 war 254 mm lang, 12,7 mm breit und 0,81 mm dick. Die Tantalkondensatorkörper mit den Zuführungsdrähten aus Tantal (Durchmesser 035 bis 0,55 mm) waren gleichmäßig angeordnet und nach dem Überlappungsschweiß-Verfahren an einer Seite der Trägerschiene angeschweißt. Die Schweißungen erfolgten mit einem üblichen Schweißgerät, wobei ein elektrische! Anschluß mit der Trägerschiene verbunden war und der andere Anschluß über eine bewegliche Schweißelektrode erfolgte. Die Länge der Überlappung der Tantalzuführung mit der Trägerschiene betrug ungefähr 3 mm. Die Länge der Tantalzuführungen zwischen den Kondensatorkörpern und der unteren Kante der Trägerschiene betrug ungefähr 6 mm. Die Länge der Überlappung des Drahtes mit der Trägerschiene sollte nicht langer sein als notwendig, um zu einer guten Schweißverbindung zu kommen. Hierzu 'eichen etwa 3 mm aus.

Die Versuchsanordnungen wurden anschließend verwendet, um vollständige Tantalfestelektrolytkondensatoren herzustellen. Gleichzeitig wurden Trägerschienen aus rostfreiem Stahl verwendet, um nach dem gleichen

Verfahren vollständige Tantalfestelektrolytkondensatoren herzustellen, so daß ein Vergleich vorlag. Zu den zum Vergleich herangezogenen Stahl-Trägerschienen gehörten Kondensatorkörper mit 19 mm langen Tantal-Zuführungsdrähten, wobei der Abstand zwischen Trägerschiene und Kondensatorkörpern ungefähr 15,9 mm betrug. Obwohl mit den neuen Trägerschienen sonach erheblich kleinere Mengen an Tantal für die Zuführungen verwendet wurden als bei den Stahl-Trägerschienen, wurden hinsichtlich der Qualität der damit hergestellten Kondensatoren keine merklichen Unterschiede festgestellt.

Die neuen Trägerschienen besitzen eine weit größere Festigkeit, insbesondere nach der Behandlung bei den hohen Temperaturen, wie sie bei der Herstellung von Kondensatoren auftreten, als solche aus reinem Aluminium. Ihre Herstellungskosten sind ungefähr die gleichen oder geringer als die Kosten für solche aus rostfreiem Stahl und viel geringer als die Kosten für Trägerschienen aus reinem Tantal.

Neben der Kostenersparnis, welche durch die Verwendung der Trägerschienen aus der preiswerten Aluminiumlegierung erreicht wird, ist eine weitere Kosteneinsparung dadurch möglich, daß die Tantal-Zufüh-

rungsdrähte kurz gehalten werden können. Es wurde gezeigt, daß im Vergleich zu einer Anordnung, bei der Trägerschienen aus Nichtventilmetall, etwa aus rostfreiem Stahl, verwendet werden, bei Anwendung der neuen Trägerschienen wenigstens 6 mm Tantaldraht pro Zuführungsdraht eingespart werden können.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Halterung einer Vielzahl von Kondensatorkörpern aus gesintertem Tantalpulver während der einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung von Tantal-Festelektrolytkondensatoren, die eine Trägerschiene aus Ventilmetall enthält, an der die Kondensatorkörper mit ihren Anodenzuführungen in der Weise befestigt sind, daß alle Anodenzuführungen in einer Ebene liegen und mit der Längsachse der Trägerschiene einen rechten Winkel bilden, dadurch gekennzeichnet, daßdie Trägerschiene (10) aus einer Legierung des Ventilmetalls Aluminium mit I bis 6 Gew.-% Magnesium besteht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Aluminium und 2,5 Gew.-% Magnesium besteht