DE2703636B2 - Regenerierfähiger elektrischer Kondensator und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Regenerierfähiger elektrischer Kondensator und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen regenerierfähigen elektrischen Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen,
welcher aus aufgewickelten Lagen von mit Metalischichten der Beläge versehenen Kunststoffolien besteht, wobei metallfreie Randstreifen
auf den Längsseiten der Folien angeordnet sind, und bei dem die Metallschichten aus Aluminium und mindestens
einem weiteren Metall bestehen, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Es ist bekannt, daß Kondensatoren, welche eine regenerierfähige Aluminiumschicht als Belag auf einer
Kunststoffolie aufweisen, bei hohen Feldstärken im allgemeinen mit wachsender Betriebsdauer abnehmende
Kapazitätswerte haben. Der Grund dafür ist, daß die aufgedampften Metallschichten bei Überschreiten einer
unter anderen von der Folienart, der Foliendicke und dem Schichtmetall abhängigen Wechselfeldstärke im
Dauerbetrieb charakteristische Veränderungen aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei den
niedrigen Schichtdicken das Aluminium durch die hohe Kantenfeldstärken, die 10 bis 100 mal höhere Werte als
die homogene Feldstärke im Inneren des Kondensators aufweisen, bei Anwesenheit von Feuchte und/oder
Sauerstoff von den Kanten des Schichtrandes und der Poren in der Schichtfläche ausgehend zu hochisolierendem
Aluminiumoxid und/oder -Hydroxid umgewandelt wird Die Geschwindigkeit des Schichtabbaues wächst
deshalb mit steigendem Wasserdampf- und/oder Sauerstoffgehalt der Atmosphäre, mit welcher der Kondensator
in Berührung kommt
Zur Behebung dieser Schwierigkeiten müssen diese
Zur Behebung dieser Schwierigkeiten müssen diese
ίο Kondensatoren deshalb im Vakuum bei erhöhten
Temperaturen getrocknet werden und durch einen sorgfältigen Einbau, wie z. B. durch Einguß in Epoxidharz,
gegen Wasserdampf und/oder Sauerstoffzutritt geschützt werden.
Bei einem Kondensator der eingangs genannten Art
der aus der DE-CS 23 59 432 bekannt ist, wird der Zerstörung der Metallschichten dadurch entgegengewirkt,
daß zunächst auf die Folie eine aus wenigstens einem der Metall Chrom, Silber und Titan oder einer
Legierung von zumindest zwei derselben bestehende Schicht und anschließend eine Aluminiumschicht aufgebracht
ist Die Metallschichten der Beläge werden somit in mindestens zwei Arbeitsgängen aufgebracht, wobei
als weitere Schwierigkeit anzuführen ist, daß beispielsweise das auf die Folie aufgebrachte Silber bzw.
silberhaltige Legierungen bestimmte Kunststoffe bei erhöhter Temperatur zersetzen und damit die Zerstörung
des Kondensators einleiten können.
Aus der DE-OS 23 59 431 ist ein Kondensator bekannt, bei welchem zum Abbau der hohen Kantenfeldstärke ein Randstreifen aus einem Metall, insbesondere Aluminium, mit einer Dicke von kleiner als 25 nm aufgebracht ist, das anschließend durch einen elektrochemischen und/oder chemischen und/oder Temperaturprozeß bei Gegenwart von Sauerstoff und/oder Wasser in eine hochohmige Verbindung überführt wird. Für regenerierfähige Kondensatoren ist dieses Verfahren jedoch wenig geeignet, da die Gefahr besteht, daß bei der Behandlung der ganze Belag oxidiert wird.
Aus der DE-OS 23 59 431 ist ein Kondensator bekannt, bei welchem zum Abbau der hohen Kantenfeldstärke ein Randstreifen aus einem Metall, insbesondere Aluminium, mit einer Dicke von kleiner als 25 nm aufgebracht ist, das anschließend durch einen elektrochemischen und/oder chemischen und/oder Temperaturprozeß bei Gegenwart von Sauerstoff und/oder Wasser in eine hochohmige Verbindung überführt wird. Für regenerierfähige Kondensatoren ist dieses Verfahren jedoch wenig geeignet, da die Gefahr besteht, daß bei der Behandlung der ganze Belag oxidiert wird.
Aus der GB-PS 8 82 179 sind Kondensatoren mit Papierdidektrikum bekannt, welche Metallschichten
aus einer Aluminium-Zink-Legierung aufweisen. Durch diese Legierungen soll verhindert werden, daß sich
halbleitende Zinkoxidbrücken zwischen den Metallschichten durch im Papier befindliche Löcher bilden,
welche wegen des relativ hohen Schmelzpunktes des
werden können.
dünnen Schichten metallisierten Dielektrikumsbändern bestehen, bei denen die Metallschichten eine Schichtdikke
von weniger als 0,05 μπι aufweisen und aus einem
Metall mit einer größeren spezifischen Leitfähigkeit als Zink bestehen, wie beispielsweise Aluminium oder
Magnesium (AT-PS 182 462), bzw. bei denen die Metallschichten der Beläge dünner als 0,002 mm sind
und aus einem Metall bestehen, dessen Verdampfungspunkt in der Größenordnung von demjenigen von Zink
und Cadmium liegt, und beispielsweise aus einem Edelmetall bestehen (CH-PS 1 81 908), jedoch wird auch
bei diesen Kondensatoren der Kapazitätsabbau durch erhöhte Randfeldstärken nicht verhindert.
Schließlich ist aus der GB-PS 7 68 366 ein Kondensator bekannt, welcher auf einem Dielektrikum aus
Polytetrafluoräthylen Metallschichten aus Kupfer und darüber angeordnet Schichten aus Zink, Cadmium,
Aluminium oder Magnesium besitzt. Derartige Metallschichten aus Kupfer weisen jedoch, genau wie
Silberschichten, unangenehme katalytische Eigenschaften
auf, welche bei erhöhten Temperaturen zur Zerstörung bestimmter Kunststoffolien führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen regenerierfähigen
elektrischen Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen, anzugeben, dessen
Metallschichten in einfacher Weise herzustellen sind und das Kondensatordielektrikum nicht beeinträchtigen,
und die den vorstehend beschriebenen Kapazitätsabbau bei Betrieb in wasserdampf- und/oder sauerstoff-
haltiger Atmosphäre nicht aufweisen und sich femer durch gute Kegenerier-Eigenschaften auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Metallschichten aus einer Legierung von
Aluminium mit Kupfer und/oder Zink bestehen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den I 'nteranspirüchen angegeben.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kondensators bestehen darin, daß Kondensatoren mit derartigen
Metallschichten der Beläge ohne aufwendige Trocknungs- und/oder Einbaumaßnahmen bei hochen Wechselfeldstärken
betrieben werden können, ohne daß eine Kapazitätsabnahme eintritt, daß die Metallschichten
keinen zerstörenden Einfluß auf die Dielektrikumsfolien ausüben und ein einfacher Weise herzustellen sind.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert In der dazugehörenden Zeichnung zeigt
In F i g. 11 ist der prinzipielle Aufbau eines Wickelkondensators
dargestellt Die Kunststoffolien 1, 2 haben regenerierfähige Metallschichten 3, 4 und weisen
metallfreie Randstreifen 5, 6 an ihren Längsseiten auf. Die Kontaktierung der Metallschichten 3, 4 erfolgt
durch in der Figur nicht dargestellte Schoopschichten an
den beiden Stirnseiten des Kondensatorwickels. Die Kunststoffolien 1, 2 sind dabei, wie in der Figur
dargestellt, etwas versetzt aufgewickelt, damit der elektrische: und mechanische Kontakt zwischen den
Schoopschichten und den Metallschichten 3, 4 verbessert
wird. Die Größenverhältnisse sind in der Figur nicht maßstabgerecht, sondern — der besseren Übersichtlichkeit
wegen — verzerrt dargestellt Die regenerierfähigen Metallschichten 3, 4 können metallfreie Poren 7
enthalten.
Die Kunststoffolien 1, 2 bestehen vorzugsweise aus Polypropylen und haben eine Stärke von z. B. 10 μΐη; es
können aber auch andere für regenerierfähige Kondensatoren geeignete Materialien, wie z. B. Polykarbonat,
Polyethylenterephthalat oder Celluloseacetat Verwendung finden. Die Metallschichten 3,4 weisen eine Dicke
zwischen 10 nm und 40 nm, vorzugsweise etwa 20 nm,
auf. Sie bestehen aus einer aufgedampften Legierung von Aluminium mit Kupfer und/oder Zink. Die
genannten Legierungen enthalten 15 bis 80 Atom-% Aluminium.
In Fig..2 ist ein vergrößerter Teilausschnitt der
F i g. 1 im Randbereich der Metallschicht 4 mit zugehörigem Ersatzschaltbild dargestellt Dabei erstreckt
sich von der Stelle χ = 0 bis zur Stelle χ - /die nichtmetallische oxidierte Form 8 der Metallschicht 4.
U) ist dabei die Spannung zwischen den Schichten 3 und
4 an der Stelle χ = 0 und Lh die Spannung zwischen
dem oxidierten Teil 8 der Metallschicht 4 und der Gegenschicht 3 an der Stelle χ = I. Vom Verhältnis
dieser beiden Spannungen und von der Länge / der Oxidzone 8 hängt die Randfeldstärke und damit der
Schichtabbau maßgeblich ab. Ist J sehr klein, z. B. kleiner
als 1 μΐη, und UxIU2 ebenfalls sehr klein, dann bedeutet
dies, daß die an den Metallschichten 3, 4 anliegende Spannung U\ in der Oxidzoce S auf der sehr kleinen
Strecke 1 < 1 μΐη praktisch auf O abfällt Oberschreitet
die Feldstärke an dieser Stelle ein gewisses Maß, kommt es zum Überschlag von der Stelle χ = 0 zur Stelle χ = L
Dieser Überschlag kann in der gleichen Halbperiode der Wechselspannung mehrmals auftreten und sich in
allen weiteren Halbperioden wiederholen. Der in diesen Mikrokoronaentladungen entstehende aktive Sauerstoff
oxidiert die Metallschicht 4 weiter, und es kommt zu dem beobachteten stetigen Zurückweichen der
Schichtkante an der Stelle χ = 0. Nur wenn der Spannungsabfall von U\ nach Ui sich über eine größere
Strecke / erstreckt, die nicht mehr überschlagen wird,
kann die Oxidzone 8 ihren Zweck, die Randfeldstärke auf ein undschädliches Maß zu reduzieren, erfüllen.
Hierin ist auch die Erklärung zu finden, daß das bisher
als Schichtmetall verwendete Aluminium, das ein hochisolierendes Oxid bildet diese Forderung nicht
erfüllt da die an den Schichten anliegende Spannung auf außerordentlich kurzen Strecken stark abfällt und damit
den geschilderten Mechanismus in Gang setzt der nicht mehr zum Stillstand kommt
Schichtmetalle, welche Oxide mit niedrigerem spezifischen Widerstand gegenüber dem Aluminium besitzen,
wie z. B. das ebenfalls verwendete Zink, lösen das Problem deshalb nicht weil bei ihnen relativ breite
Oxidzonen erforderlich wären, um eine Senkung der Randfeldstärke zu erreichen. Durch den Bildungsmechanismus
sind aber der Länge der Oxidzonen Grenzen gesetzt Eine weitere Schwierigkeit bei Schichtmetallen
mit Oxiden niedrigen spezifischen Widerstandes besteht in dem weiter oben angeführten ungenügenden
Selbstheilvermögen derartiger Schichten bei elektrischen Durchschlägen durchs Dielektrikum. In dieser
Hinsicht verhält sich Aluminium von allen Metallen am günstigsten. Auch bezüglich chemischer Korrosion ist
Aluminium den Metallen mit Oxiden niedrigen spezifischen Widerstandes überlegen.
Die Metallschichten der Beläge eines Kondensators gemäß der Erfindung weisen die Vorteile reiner
Aluminiumaufdampfschichten wie z. B. gutes Selbstheilvermögen und gute chemische Korrosionsbeständigkeit
auf, ohne dem vorstehend beschriebenen Schichtabbau bei hohen Wechselfeldstärken zu unterliegen.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kondensators werden die Metallschichten im Durchlaufverfahren
auf die Kunststoffolien aufgedampft wobei das Legierungsmetall dem Verdampfer in Form von
Drähten zugeführt wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines Drahtes mit
einem Kern aus einem Legierungsbestandteil, vorzugsweise Aluminium, auf den der zweite Legierungsbestandteil
galvanisch aufgebracht ist Das Dickenverhältnis zwischen Kern und Mantel wird dabei durch das
gewünschte Mischungsverhältnis bestimmt
Die zwei Metalle können gleichzeitig aus zwei verschiedenen Verdampfern aufgedampft werden, wobei
das Mischungsverhältnis durch die Abdampf raten der beiden Verdampfer eingestellt wird. Weiterhin läßt
sich eine Legierungsbedampfung dadurch erreichen, daß mit einem einzigen Verdampfer gearbeitet wird,
dem zwei verschiedene Drähte zugeführt werden.
Claims (8)
1. Regenerierfähiger elektrischer Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen,
welcher aus aufgewickelten Lagen von mit Metallschichten der Beläge versehenen Kunststoffolien
besteht, wobei metallfreie Randstreifen auf den Längsseiten der Folien angeordnet sind, und bei dem
die Metallschichten aus Aluminium und mindestens einem weiteren Metall bestehen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallschichten (3, 4) aus einer Legierung von Aluminium mit Kupfer
und/oder Zinke bestehen.
2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (3, 4) 15 bis 80 Atom-% Aluminium enthalten.
3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der
Metalischichten (3,4) 10 nm bis 40 nm beträgt
4. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Metallschichten
(3,4) etwa 20 nm beträgt
5. Elektrischer Kondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kunststoffolien (1, 2) aus Polypropylen, Polykarbonat, Polyäthylenterephthalat
oder Celluloseacetat bestehen.
6. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolien (1,
2) aus Polypropylen bestehen.
7. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kondensaturs nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (3,4) im Durchlaufverfahren auf die
Kunststoffolien (1, 2) aufgedampft werden, und daß das Legierungsmetall dem Verdampfer in Form von
Drähten zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Drahtes mit einem
Kern aus einem Legierungsbestandteil, vorzugsweise Aluminium, auf dem der zweite Legierungsbestandteil
galvanisch aufgebracht ist.
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