DE2759519C2 - Regenerable electrical capacitor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen regenerierfähigen elektrischen Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen hoher Energiedichte, welcher aus in einem Wickel aufgewickelten Lagen von mit leitenden Belägen versehenen Kunststoffolien besteht, bei dem metallfreie Randstreifen auf den Längsseiten der Folien angeordnet sind und bei dem im Wickel jeweils zwei einen Belag bildende Metallschichten aufeinanderliegen, von denen die eine erste Metallschicht aus Aluminim und die andere zweite Metallschicht aus einem anderen Metall bestehen.The invention relates to a regenerable electrical capacitor, in particular for AC applications of high energy density, which consists of layers of plastic films provided with conductive coatings wound in a coil, in which metal-free edge strips are arranged on the long sides of the films and in which two metal layers forming a coating lie on top of one another in the coil, of which one first metal layer consists of aluminum and the other second metal layer consists of a different metal.
Ein derartiger Kondensator ist aus der DE-OS 23 59 432 mit einer zweiten Metallschicht aus Chrom, Silber bzw. Titan bekannt.Such a capacitor is known from DE-OS 23 59 432 with a second metal layer made of chromium, silver or titanium.
Bei regenerierfähigen Wechselspannungskondensatoren hoher Energiedichte, welche aus Kunststoffolien mit Aluminiummetallisierung bestehen, darf die Belagdichte höchstens 50 nm betragen, damit die Regenerierfähigkeit gewährleistet ist. Bei derart niedrigen Schichtdicken wird das Aluminium bei hohen elektrischen Feldstärken (größer als 30 V=µm) und bei Anwesenheit von Feuchte und/oder Sauerstoff von den Kanten des Schichtrandes und der Poren in der Belagfläche ausgehend zu hochisolierendem Aluminiumoxid umgewandelt. Dieser Vorgang kann bis zum vollständigen Verlust der Kapazität fortschreiten. In the case of regenerable AC capacitors with high energy density, which consist of plastic films with aluminum metallization, the coating density must not exceed 50 nm in order to ensure regenerability. With such low layer thicknesses, the aluminum is converted to highly insulating aluminum oxide starting from the edges of the layer edge and the pores in the coating surface at high electrical field strengths (greater than 30 V=µm) and in the presence of moisture and/or oxygen. This process can progress to the point of complete loss of capacity.
Bei dem aus der DE-OS 23 59 432 bekannten Kondensator wird zwar der Abbau der Aluminiummetallisierung durch die zweite Metallschicht verhindert, jedoch besteht die Gefahr, daß die Dielektrikumsfolien zerstört werden, da bekanntlich Silber zu einer Zersetzung von Polypropylen beiträgt.In the capacitor known from DE-OS 23 59 432, the degradation of the aluminum metallization is prevented by the second metal layer, but there is a risk that the dielectric foils will be destroyed, since silver is known to contribute to the decomposition of polypropylene.
Aus der GB 7 68 366 ist ein elektrischer Kondensator bekannt, bei dem auf einem Dielektrium aus Polytetrafluorethylen eine erste Metallschicht aus Kupfer und darauf eine weitere Metallschicht aus Zink, Cadmium, Aluminium oder Magnesium aufgebracht sind. Auch bei diesem Kondensator besteht die Gefahr, daß durch die Kupferschicht eine katalytische Zersetzung des Dielektrikums einsetzen kann.GB 7 68 366 discloses an electrical capacitor in which a first metal layer of copper and a further metal layer of zinc, cadmium, aluminium or magnesium are applied to a dielectric of polytetrafluoroethylene. With this capacitor, too, there is a risk that the copper layer could cause catalytic decomposition of the dielectric.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen regenerierfähigen Kondensator der eingangs genannten Art anzugeben, der weitere geeignete Metalle für die zweite Metallschicht besitzt.The object of the invention is to provide a regenerable capacitor of the type mentioned at the outset, which has further suitable metals for the second metal layer.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zweite Metallschicht aus Nickel oder Kobalt oder Wolfram besteht.This object is achieved according to the invention in that the second metal layer consists of nickel or cobalt or tungsten.
Vorteilhaft ist es, wenn die Dicke der zweiten Metallschicht geringer als die Dicke der ersten Metallschicht aus Aluminium ist, wobei das Dickenverhältnis ungefähr 1 : 2 bis 1 : 5, vorzugsweise ungefähr 1 : 3 beträgt.It is advantageous if the thickness of the second metal layer is less than the thickness of the first metal layer made of aluminum, the thickness ratio being approximately 1:2 to 1:5, preferably approximately 1:3.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß in der aus der DE-OS 23 59 432 bekannten Weise die zweite Metallschicht breiter als die erste Metallschicht ist, so daß die zweite Metallschicht an der Seite des metallfreien Randstreifens über die erste Metallschicht hinausragt.A further embodiment provides that, in the manner known from DE-OS 23 59 432, the second metal layer is wider than the first metal layer, so that the second metal layer projects beyond the first metal layer on the side of the metal-free edge strip.
Die Kunststoffolien bestehen vorzugsweise aus Polypropylen, können aber auch aus einem anderen geeigneten Material, wie z. B. Polystyrol, Polyethylen, Polyethylenterephthalat oder Polyamid, bestehen.The plastic films are preferably made of polypropylene, but can also be made of another suitable material, such as polystyrene, polyethylene, polyethylene terephthalate or polyamide.
Weitere Vorteile des Kondensators nach der Erfindung werden anhand der Ausführungsbeispiele aufgezeigt.Further advantages of the capacitor according to the invention are demonstrated by means of the embodiments.
In der Zeichnunge zeigtIn the drawing shows
Fig. 1 den Prinzipaufbau eines Ausführungsbeispieles und Fig. 1 shows the basic structure of an embodiment and
Fig. 2 den Prinzipaufbau eines weiteren Ausführungsbeispieles. Fig. 2 shows the basic structure of another embodiment.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Kondensators aus Polypropylenfolien 1 dargestellt. Auf den Folien 1 ist zuerst eine dünne Metallschicht 2 aus Kobalt, Nickel oder Wolfram und auf dieser eine dickere Metallschicht 3 aus Aluminium aufgebracht. Die Metallschicht 2 ist höchstens 15 nm und die Aluminiumschicht 3 höchstens 30 nm dick, wobei das Dickenverhältnis ungefähr 1 : 2 bis ungefähr 1 : 5 (vorzugsweise ungefähr 1 : 3) beträgt. Die Metallschichten 2, 3 werden durch in der Figur nicht dargestellte Schoopschichten kontaktiert. An den nicht zu kontaktierenden Seiten befinden sich metallfreie Randstrteifen 4. Die Metallschicht 2 ist etwas breiter als die Aluminiumschicht 3, so daß die Schicht 2 im Bereich der metallfreien Randstreifen 4 etwas über die Aluminiumschicht 3 hinausragt. Die Breite der Metallschicht 2 beträgt dabei bis zu 1 mm mehr als die Breite der Aluminiumschicht 3. Fig. 1 shows the basic structure of a capacitor made of polypropylene films 1. A thin metal layer 2 made of cobalt, nickel or tungsten is first applied to the films 1 , and on top of this a thicker metal layer 3 made of aluminum. The metal layer 2 is at most 15 nm thick and the aluminum layer 3 at most 30 nm thick, with the thickness ratio being approximately 1:2 to approximately 1:5 (preferably approximately 1:3). The metal layers 2, 3 are contacted by Schoop layers not shown in the figure. On the sides that are not to be contacted there are metal-free edge strips 4. The metal layer 2 is slightly wider than the aluminum layer 3 , so that the layer 2 projects slightly beyond the aluminum layer 3 in the area of the metal-free edge strips 4. The width of the metal layer 2 is up to 1 mm more than the width of the aluminum layer 3 .
Die Aluminiumschicht 3 gewährleistet bei hoher Regeneriersicherheit eine gute Leitfähigkeit, während die dünnere Metallschicht 2 ein Fortschreiten der Korrosion an den Kanten und Poren verhindert. Dies wird darauf zurückgeführt, daß im überhöhten elektrischen Feld an den Schichtkanten und Poren eine durch Teilentladung verursachte Oxidation der Metallschicht 2 stattfindet. Die Oxide von Co, Ni oder W besitzen nun eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit, um überhöhte Kantenfeldstärke auf ein ungefährliches Maß zu reduzieren. Dadurch wird die Korrosion des Belags zum Stillstand gebracht.The aluminum layer 3 ensures good conductivity with high regeneration reliability, while the thinner metal layer 2 prevents corrosion from progressing at the edges and pores. This is attributed to the fact that in the excessive electric field at the layer edges and pores, oxidation of the metal layer 2 caused by partial discharge takes place. The oxides of Co, Ni or W now have sufficient electrical conductivity to reduce excessive edge field strength to a safe level. This brings the corrosion of the coating to a halt.
Für die Wirkungsweise ist es dabei unerheblich, ob - wie in der Fig. 1 dargestellt - die Aluminiumschicht 3 auf der Metallschicht 2 angeordnet ist; es kann auch umgekehrt zuerst die Aluminiumschicht und dann die andere Metallschicht aufgebracht werden.For the mode of operation, it is irrelevant whether - as shown in Fig. 1 - the aluminum layer 3 is arranged on the metal layer 2 ; conversely, the aluminum layer can also be applied first and then the other metal layer.
In der Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines weiteren Kondensators dargestellt, wobei die Metallschicht 2 aus Co, Ni oder W und die Aluminiumschicht 3 auf unterschiedlichen Seiten der Polypropylenfolien 1 mit metallfreien Randstreifen 5 bzw. 6 angeordnet sind. Die Breite der metallfreien Randstreifen 5 und 6 ist dabei so bemessen, daß unter Berücksichtigung der Wickelversetzung x die Metallschicht 2 auf der Seite der metallfreien Randstreifen 5, 6 bis zu 1 mm über die Aluminiumschicht 3 übersteht. Auch diese Ausführungsform hat hinsichtlich der Spannungsfestigkeit die gleichen Vorteile wie der in der Fig. 1 dargestellte Aufbau. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß das Aufbringen der Metallschicht 2 und der Aluminiumschicht 3 auf getrennten Seiten der Folie 1 eine genaue Kontrolle der Schichtdicken ermöglicht. Vorteilhaft ist es weiterhin, daß Poren in einer Metallschicht mit höchster Wahrscheinlichkeit durch eine einwandfreie Schichtfläche der zweiten Folie abgedeckt werden, womit sich von vornherein keine unzulässig hohen Feldstärken durch Poren in den Metallschichten ergeben. Fig. 2 shows the basic structure of another capacitor, where the metal layer 2 made of Co, Ni or W and the aluminum layer 3 are arranged on different sides of the polypropylene film 1 with metal-free edge strips 5 and 6. The width of the metal-free edge strips 5 and 6 is dimensioned such that, taking into account the winding offset x, the metal layer 2 on the side of the metal-free edge strips 5, 6 protrudes up to 1 mm over the aluminum layer 3. This embodiment also has the same advantages in terms of dielectric strength as the structure shown in Fig. 1. An additional advantage is that applying the metal layer 2 and the aluminum layer 3 to separate sides of the film 1 enables precise control of the layer thicknesses. It is also advantageous that pores in a metal layer are very likely to be covered by a perfect layer surface of the second film, which means that from the outset no impermissibly high field strengths arise due to pores in the metal layers.
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1977
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