DE2625003A1

DE2625003A1 - Kondensator-elektrolyt

Info

Publication number: DE2625003A1
Application number: DE19762625003
Authority: DE
Inventors: Daniel John Anderson
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1975-06-09
Filing date: 1976-06-03
Publication date: 1976-12-23
Also published as: BR7603476A; CA1073194A; US4024442A; GB1480048A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Wkickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F.AAVeickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

XIIIPR ⁸ MÜNCHEN 86, DEN

' POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

P. R. Mallory & Co. Inc.,

3029 East Washington Street, Indianapolis, Indiana, V.St.A.

Kondensator-Elektrolyt

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrolyten für einen als Startkondensator eines Wechselstrommotors verwendbaren Elektrolytkondensator sowie einen, insbesondere als Aluminium-Elektrolytkondensator ausgebildeten Kondensator mit einem derartigen Elektrolyten.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren enthalten generell ein Paar von Elektrodenfolien aus Aluminium, ein dielektrisches Abstandsmaterial, einen abgedichteten Becher sowie einen flüssigen oder semi-flüssigen Elektrolyten. Wenigstens eine der Elektrodenfolien ist an ihrer Oberfläche mit einem dielektrischen Oxidfilm versehen, wobei die Folien zur Vergrößerung ihrer Gesamtfläche geätzt sein können. Typischerweise sind die Elektrodenfolien durch Schichten aus dielektrischem Abstandsmaterial, wie beispielsweise Papier, voneinander getrennt und zu einem Wickel aufgewickelt. Ein solcher Wickel wird mit dem Elektrolyten imprägniert und im Becher durch einen Verschluß abgedichtet.

Bei konventionellen Elektrolyten für Aluminium-Elektrolytkondensatoren handelt es sich generell um eine in einem

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Lösungsmittel gelöste ionisierbare Verbindung. Ein Beispiel für einen derartigen in großem Umfang verwendeten Elektrolyten ist eine Glykolborat-Verbindung. Weitere bekannte Elektrolyten dieser Art sind in der US-PS 3 719 602 beschrieben. Diese Elektrolyten enthalten ein Lösungsmittel, das ein GIykoläther, ein cyclischer organischer Alkohol oder eine N-mono- oder disubstituierte Amidverbindung sein kann, einen Ionenbildner, wie beispielsweise eine Säure, sowie eine neutralisierende Base.

Bestimmte Typen von Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden in großem Umfang als Startkondensatoren für Wechselstrommotoren verwendet. Bei diesen Anwendungsfällen ist der Kondensator oft relativ hohen Temperaturen bis zu 100° C und mehr ausgesetzt, welche sich aufgrund eines inneren Temperaturanstieges und von umfangreichen Arbeitszyklen, d.h. von einem öfteren Starten des Wechselstrommotors, das mit hohen Spannungen und Strömen verbunden ist, ergeben. Eine große Zahl von Ausfällen der Kondensatoren dieser Art sind durch die Unfähigkeit der meisten konventionellen Elektrolyten bedingt, Umgebungsbedingungen, speziell großen Temperaturen zu widerstehen. Beispielsweise haben Elektrolyte, welche Glykoläther als Lösungsmittel enthalten, für die meisten Startbedingungen von Wechselstrommotoren einen zu kleinen Siedepunkt. Bei Verwendung von Elektrolyten auf der Basis eines derartigen Lösungsmittels kann es zu schwerwiegenden Ausfällen des Kondensators kommen, wenn er relativ hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Darüber hinaus werden die gewickelten Folien der meisten Startkondensatoren für Wechselstrommotoren im Kondensatorbecher durch eine Einbettungssubstanz verankert, welche beispielsweise Teer, Pech oder ein anderes Harz sein kann. Der Elektrolyt darf dann mit solchen Einbettungssubstanzen nicht reagieren. Elektrolyte auf der Basis von Glykoläther als Lösungsmittel tendieren

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dazu, diese Einbettungssubstanzen zu lösen, so daß sich der Wickel relativ zum Kondensatorbecher bewegen kann. Weiterhin wird bei den meisten als Startkondensatoren für Wechselstrommotoren vorgesehene Kondensatoren ein Phenol-Material als Kondensatorbecher und als Teil der Becherabdichtung verwendet. Elektrolyte, welche Glykoläther enthalten, sind für derartige Kondensatoren ungeeignet, da die Glykoläther die Phenol-Materialien chemisch angreifen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektrolyten für Kondensatoren der in Rede stehenden Art mit guter Stabilität bei erhöhten Temperaturen anzugeben. Insbesondere soll ein derartiger Elektrolyt eine gute Stabilität bei zahlenmäßig großen Arbeitszyklen besitzen. Weiterhin soll der Elektrolyt auch nicht mit Einbettungssubstanzen und Bechermaterialien reagieren, welche bei konventionellen als Startkondensatoren für Wechselstrommotoren verwendete Kondensatoren zur Anwendung kommen.

Diese Aufgabe wird bei einem Elektrolyt der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch eine aus der Gruppe Benzoesäure, Toluylsäure und Mischungen davon gewählter Säure, wenigstens eine die Säure wenigstens teilweise neutralisierende organische Base und Äthylenglykol gelöst.

Speziell kann der Elektrolyt etwa 2 bis 30 Gew.-% Benzoesäure oder Toluylsäure, ein tertiäres aliphatisches Amin in Mengen, die wenigstens teilweise zur Neutralisierung der Säure ausreichen, sowie als Rest Äthylenglykol enthalten. Der pH-Wert des Elektrolyten beträgt vorzugsweise etwa 6,0 bis 7,5. Beispiele für tertiäre aliphatische Amine sind Triethylamin, Tributylamin, Tripropylamin, Triisopropylamin und Trimethylamin. Gemäß einer besonderen Ausführungs-

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-Ly-

form der Erfindung enthält der Elektrolyt etwa 9 Gew.-% Benzoesäure, etwa 6 Gew.-% Triäthylamin sowie Äthylenglykol als Rest.

Als Weiterbildung sieht die Erfindung Aluminium-Elektrolytkondensatoren vor, welche Elektrolyte der vorgenannten Zusammensetzungen enthalten.

Der erfindungsgemäße Elektrolyt enthält primär die oben genannten Komponenten, wobei er jedoch auch bestimmte andere Substanzen, wie beispielsweise geringe Mengen Wasser enthalten kann, ohne daß die Elektrolyt-Eigenschaften nachteilig beeinflußt werden. Derartige Substanzen können als Verunreinigungen in den Hauptkomponenten des Elektrolyten enthalten sein, d.h., die Erfindung schließt das Vorhandensein derartiger Substanzen im Elektrolyten nicht aus.

Wird der erfindungsgemäße Elektrolyt in einem Startkondensator für Wechselstrommotoren mit einem Phenol-Gehäuse und einer Einbettungssubstanz aus Teer verwendet, so werden diese Materialien - wenn überhaupt - durch den Elektrolyten nur geringfügig beeinflußt. Darüber hinaus kann der Elektrolyt Temperaturen bis zu etwa 150° C aushalten, ohne daß die Kondensatorfolien in nachteiliger Weise beeinflußt werden und ohne daß nachteilige Dampfdrücke erzeugt werden, welche zu einem Gasen des Kondensators führen. Kondensatoren mit einem erfindungsgemäßen Elektrolyten besitzen auch bei erhöhten Temperaturen eine gute Temperaturstabilität. Änderungen der Kapazitätswerte aufgrund von Temperaturänderungen liegen in zulässigen Grenzen. Der Elektrolyt kann auch häufige Arbeitszyklen aushalten, welche sich aufgrund von Startbedingungen eines Wechselstrommotors ergeben.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit erfindungsgemäßen

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Elektrolyten besitzen eine durch die folgenden Beispiele belegte gute Temperaturstabilität.

Beispiel I

Sechs Aluminium-Elektrolytkondensatoren, welche einen erfindungsgemäßen Elektrolyten enthalten, wurden auf Temperaturstabilität getestet. Die Kondensatoren enthalten eine isoliert gewickelte 185 V.-Folie und besitzen eine Nennkapazität von ungefähr 33/uF für 220 Volt Wechselspannung. Die Kondensatoren enthalten einen Elektrolyten mit etwa 9 Gew.-% Benzoesäure, etwa 6 Gew.-% Triäthylamin und Äthylenglykol als Rest.

Die Kondensatoren werden hinsichtlich des Kapazitätswertes (C) und des Verlustfaktors (DF) bei einer angelegten Wechselspannung von etwa 220 Volt und bei verschiedenen Temperaturen gemessen, wobei die Änderung des Kapazitätswertes und des Verlustfaktors aus der Differenz der Anfangsablesung und der Endablesung bestimmt wird. Der Testversuch wird so durchgeführt, daß die Kondensatoren für etwa 4 Stunden auf jedem Temperaturwert gehalten werden, um die Innentemperatur zu stabilisieren, wonach die Werte C und DF gemessen werden. Dabei ergeben sich die Ergebnisse nach folgender Tabelle:

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ο ρ in VO +

OP O O

OP
O O CM I O

Einheit

in ο cm cm ο Ονο O CM VD θ" v-

to ro in vo ro vo ο ν- ν- ο cm

cn co O^ co"

ν- C-

cn ro co" co" ν- in

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to VO C-	CM C- O	,4,75	0- in	VO CM	CM VD
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CO co ö co"

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cm ro ro ro

cm ro ro ro

ca ο P W fa

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Wie die obige Tabelle zeigt, liegt die Änderung im Kapazitätswert C generell unter 2 % und die Änderung des Verlustfaktors DF unter 7 %, wobei die Hälfte der letztgenannten Werte unter 3 % liegt. Für Kondensatoren dieser generellen Werte sollen für den ins Auge gefaßten Anwendungsfall die Änderung des Kapazitätswertes C kleiner als 10 % und die Änderung des Verlustfaktors DF kleiner als 20 % sein. Wie die Tabelle zeigt, erfüllen Kondensatoren mit einem erfindungsgemäßen Elektrolyten diese Forderungen bei weitem.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit erfindungsgemäßen Elektrolyten besitzen auch eine gute Stabilität, wie die in dem folgenden Beispiel angegebenen Lebensdauerdaten zeigen.

Beispiel II

Eine Gruppe von fünf Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird hinsichtlich der Änderung des Kapazitätswertes über eine Periode von etwa 30 Tagen bei einer konstanten Temperatur von etwa 57° C und einer Dauerwechselspannung von etwa 55 Volt getestet. Die Kondensatoren enthalten eine 235 V.-Einzelfolie und besitzen Phenol-Becher. Sie besitzen für eine normale Wechselspannung von 220 Volt einen Kapazitätswert von etwa 33/uF. Die Kondensatoren enthalten einen Elektrolyten mit etwa 9 Gew.-% Benzoesäure, etwa 6 Gew.-% Triäthylamin und Äthylglykol als Rest.

Die Kondensatoren werden hinsichtlich des Kapazitätswertes bei einer Wechselspannung von etwa 55 Volt in gleichmäßigen Intervallen während 30 Tagen gemessen, wobei die Kapazitätsänderung aus der Differenz zwischen der Anfangskapazitätsablesung und der Endkapazitätsablesung bestimmt wird.

Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle angegeben:

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2625Q03

Kon den sator	Kapazität (/uF) zu verschiedenen Zeiten (Std.)	39,5 40,6 39,0 38,2 38,5	167	336	503	688	762	aus o, Std. ^Δ °
A B C D E	0	39,5 38,5 39,2 38,1 37,8	38,8 38,5 38,6 38,0 37,4	39,5 39,0 38,5 38,5 38,1	39,4 39,0 38,2 37,7 37,4	39,4 39,0 38,4 37,9 37,7	0,25 3,95 1,54 0,78 2,07
36,9 36,4 36,9 35,6 36,2

Wie die vorstehende Tabelle zeigt, liegt die Änderung in der Kapazität C von der Anfangsablesung bis zur Endablesung unter 4 %. Für Kondensatoren dieses Kapazitätswertes soll die Änderung in der Kapazität über eine Periode von 30 Tagen für den ins Auge gefaßten Anwendungsfall im Bereich von +_ 10 % liegen. Aus der Tabelle ist zu ersehen, daß Kondensatoren mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyten sicher in diesem Bereich liegen.

Beispiel III

Eine Gruppe von sechs Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird im Hinblick darauf getestet, ob diese Kondensatoren Bedingungen aushalten können, welche denen von Startkondensatoren für Wechselstrommotoren entsprechen. Die Kondensatoren enthalten eine 185 V isoliert gewickelte Folie und besitzen bei etwa 220 Volt Wechselspannung einen Kapazitätswert von etwa 33 /uF. Die Kondensatoren enthalten einen Elektrolyten mit etwa 9 Gew.-% Benzoesäure, etwa 6 Gew.-% Triäthylamin und Äthylenglykol als Rest.

Im Versuch werden die Kondensatoren auf einer Temperatur von etwa 25° C gehalten und etwa alle 30 Sekunden mit einer Spannung von etwa 220 Volt für eine Dauer von etwa 1 Sekunde belastet. Diese Art der Spannungsbelastung soll die Bedingungen si-

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mulieren, welche bei Verwendung eines solchen Kondensators als Startkondensator für Wechselstrommotoren auftreten. Das Anlegen der Spannung kann als "Start" bezeichnet werden. Die Kapazität (C) und der Verlustfaktor (DF) werden in verschiedenen Zeitpunkten bis zu 150 000 "Starts" bei einer Wechselspannung von etwa 220 Volt gemessen.

Die folgende Tabelle gibt die dabei gemessenen Ergebnisse an.

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	O	P	I O	O	O	ro	ro	ro	ro
		<	ß-P	ro	CM	τ	CM	T-	τ
	*~	Γ Ν	to ta	CM	ω	ω	ro		ω
			υ ta	ο τ—		τ-	ro	CM	τ-
					τ-	τ-	ro	τ-	τ-
		P		τ~	Ο τ-	Ο τ-	O	Ο T-	Ο
	O O		CM
	τ-		ro	IA	IA	O	<f	IA
			CM	CM	CM	CM	CM	CM
			O	ro	ro	ro	ro	ro
			_^_	VO	τ-	ro	τ-	τ-
		P	CM	CTv	Ο	CTv	Ο	Ο
	IA		CM
	C^-		ro	IA	IA	O	IA	IA
			τ-	CM	CM	CM	CM	CM
		O	Ο	ro	ro	ro	ro	ro
			*~	τ-	τ-	ro	CM	V-
	O IA	fa P	IA	Ο	Ο	CTi	O	O
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			ro	IA	IA	O	to	IA
		C)	O	CM	CM	CM	CM	CM
			ο	ro	ro	ro	ro	ro
	IA		IA	CTv	CTv	C--	O	CTv
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		C)	O	ro	ro	CM	CM	ro
			CTv	ro	ro	ro	ro	ro
	f—\			σ»	<r	V-	IA	<f
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			CM
			ro	T-	τ-	IA	co	T-
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	O	fa P	ω	CTv	<f	τ—	CTv	CTv
			CM	00	CT.	CTv	CTv	(Tv
		C)	ro	τ-	T-	IA	ω	v-
	(Q		er»	ro	ro	CM	CM	ro
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	T~	C)	ro		T-	T-	V-	v-
				ro	ro	ro	ro	ro
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Wie die vorstehende Tabelle zeigt, ist die Änderung der Kapazität aller untersuchten·Kondensatoren nach etwa 150 000 Starts kleiner als etwa 3 % und die Änderung des Verlustfaktors kleiner als etwa 25 %, wobei beide Werte in zulässigen Grenzen für die Startbedingungen bei Wechselstrommotoren liegen. Die Änderung des Verlustfaktors DF ist kleiner als bei Kondensatoren mit konventionellen Elektrolyten.

Der erfindungsgemäße Elektrolyt für als Startkondensatoren in Wechselstrommotoren verwendbaren Kondensatoren besitzt also eine hohe Temperaturstabilität," eine lange Lebensdauer und reagiert nicht mit anderen Kondensatorkomponenten.

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Claims

Patentanspruch e

,' 1.Elektrolyt für einen als Startkondensator eines Wechsel- ^ strommotors verwendbaren Elektrolytkondensator, gekennzeichnet durch eine aus der Gruppe Benzoesäure, Toluylsäure und Mischungen davon gewählter Säure, wenigstens eine, die Säure wenigstens teilweise neutralisierende organische Base und Äthylenglykol.
2. Elektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Base ein tertiäres Amin ist.
3. Elektrolyt nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Base aus der Gruppe Trimethylamin, Triäthylamin, Tripropylamin, Triisopropylamin und Tributylamin gewählt ist.
4. Elektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 3» gekennzeichnet durch etwa 2 bis 30 Gew.-% Säure, etwa 2 bis 30 Gew.-% organische Base und Äthylenglykol als Rest.
5. Elektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure Benzoesäure und die Base Triäthylamin ist.
6. Elektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen pH-Wert von etwa 6,0 bis 7*5.
7. Elektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 6_t gekennzeichnet durch etwa 9 Gew.-96 Benzoesäure, etwa 6 Gew.-% Triäthylamin und Äthylenglykol als Rest.
8. Aluminium-Elektrolytkondensator zur Verwendung als Startkondensator in einem Wechselstrommotor mit wenigstens zwei

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Aluminium-Elektroden, einem dielektrischen Oxidfilm auf wenigstens einer Elektrode und einem Kondensatorbecher, gekennzeichnet durch einen mit den Elektroden in Kontakt stehenden Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Kondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatorbecher aus Phenol-Material hergestellt ist und ein Teer enthaltendes Einbettungsmaterial enthält, das die Elektroden in ihrer Lage hält.

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