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Elektrischer Kondensator mit geschichteten Dielektri-
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kumslagen und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft
einen elektrischen Kondensator mit geschichteten Dielektrikumslagen aus Kunststoff
mit Belegungen, die als regenerierfähig dünne Schichten aus Metall, insbesondere
aus Al oder Zn, auf die Dielektrikumslagen aufmetallisiert sind, bei dem die Belegungen
alternierend an Seitenflächen des Schichtstapels enden und dort durch aufgespritzte
(aufgeschoopte), aus zusammengefügten, Zwischenräume bildenden Metallpartikeln bestehende
Metallauflagen elektrisch miteinander verbunden sind und diese Metallauflagen jeweils
entweder aus nur einer Schoop-Metallschicht bestehen oder aus einer aufgeschoopten
unteren Schicht aus höherschmelzendem Metall, insbesondere Al oder Zn, und einer
darauf aufgeschoopten oberen Schicht aus niedrigschmelzendem lötfähigem Metall,
insbesondere aus Zinn-Blei oder Zinn-Zink-Legierung, zusammengesetzt sind, bei dem
ferner an die Metallauflagen Stromzuführungsdrähte, an- bzw.
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eingelötet oder angeschweißt sind und der gegebenenfalls ganz oder
teilweise mit einer Umhüllung aus Isoliermaterial umgeben ist.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines
einen Schichtstapel enthaltenden Schichtkondensators der oben angegebenen Art, bestehend
aus den Verfahrensschritten a) Herstellen eines Ausgangskondensators auf einem Rad
mit großem Durchmesser, indem metallisierte Dielektrikumsbänder aus Kunststoff mit
Freirändern bis zur Dicke des herzustellenden Schichtstapels - einen Mutterkondensatorring
bildend - auf das Rad gewickelt werden, nach dem Aufwickeln von dielelektrisch nicht
wirksamen Trenn- bzw. Decklagen der nächste Mutterkondensator aufgewickelt wird
und dieser Vorgang bis zur gewünschten Zahl von Mutterkondensatorringen, die zusammen
den Ausgangskondensator bilden, wiederholt wird; b) Aufschoopen je einer Metallschicht
oder je zweier Metallschichten als Metallauflagen auf die Stirnflächen des Ausgangskondensators
auf dem Rad; c) Tempern des Ausgangskondensators auf dem Rad; d) gegebenenfalls
Entgraten des Ausgangskondensators auf dem Rad, danach Lösen desselben vom Rad und
Aufteilen in die einzelnen Mutterkondensatorringe; e) Aufteilen der Mutterkondensatorringe
in einzelne Kondensatoren, gegebenenfalls Bestempeln, dann Bedrahten, Aufschließen
(Regenerieren) und gegebenenfalls Aufreihen auf ein Gurtband;
f)
gegebenenfalls Umhüllen des Einzelkondensators durch Tauchen in Isoliermasse oder
durch Bechereinbau; g) Endmessung der Kondensatoren, gegebenenfalls Verpackung derselben.
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Es ist bekannt, die elektrische Verbindung der gegenpoligen Belegungen,
die sich zwischen den Dielektrikumslagen befinden und alternierend an Seitenflächen
eines Wickels oder eines Schichtstapels enden, auf diesen Seitenflächen durch aufgespritzte
Metallschichten zu kontaktieren.
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Dieses Metallspritzverfahren wird in diesem Zusammenhang auch Schoop-Verfahren
genannt und ist in seinen Grundzügen in der US-PS 1 128 058 (Erfinder M.U. Schoop)
beschrieben. Dabei wird flüssiges Metall durch einen Luftstrom, insbesondere Preßluftstrom,
zerstäubt und auf der zu metallisierenden Fläche niedergeschlagen.
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Das flüssige Metall kann dabei vor die Düse, aus der der Luftstrom
austritt, geführt werden, es ist aber auch möglich, einen Draht in eine sogenannte
Spritzpistole einzuführen, wie dies beispielsweise in der US-PS 3 256 472 gezeigt
und beschrieben ist. Diese Art der Ausführung des Schoop-Verfahrens hat sich in
der Technik der Herstellung der Kontaktmetallauflagen bei Kondensatoren praktisch
im umfangreichen Maße durchgesetzt.
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In der genannten US-PS 3 256 472 sind auch elektrische Wickelkondensatoren
beschrieben, und zwar sowohl solche mit Metallfolien als Belegungen, als auch solche,
bei denen die Metallbelegungen auf die Dielektrikumslagen aufmetallisiert sind.
In beiden Fällen enden die Metallbelegungen alternierend an den Stirnflächen des
Wickels
und sind dort durch Metallauflagen elektrisch miteinander
verbunden, die aus zwei Schichten bestehen, nämlich einer unteren Schicht aus höherschmelzendem
Metall, nämlich Aluminium, und einer oberen Schicht aus lötfähigem Metall, nämlich
diversen Blei-Legierungen. An sich ist es auch möglich, nur einschichtige Metallauflagen
zu verwenden, insbesondere dann, wenn die Metallbelegungen aus Zink bestehen und
die Metallauflagen dann ebenfalls aus Zink gefertigt sind.
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Auf gleiche Weise werden auch sogenannten elektrische Schichtkondensatoren
mit Metallauflagen versehen.
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Elektrische Schichtkondensatoren sind beispielsweise in der Zeitschrift
"radio mentor", 1972, Heft 1, Seiten 022 und 033 beschrieben, und zwar sowohl hinsichtlich
ihrer Herstellung, als auch hinsichtlich ihrer Wirkungsweise.
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Eine genauere Beschreibung des Herstellungsverfahrens enthält die
DE-PS 1 764 541 ( entsprechend den US-PSen 3 670 378 und 3 728 765).
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Besondere Maßnahmen bei der Herstellung von Schichtkondensatoren sind
beispielsweise in der DE-PS 1 764 548 (entsprechend US-PS 3 614 561) bezüglich der
Aufteilung von Mutterkondensatoren in Einzelkondensatoren und in der DE-PS 30 17
507 (entsprechend US-PS 4 403 381) hinsichtlich der Verwendung besonderer Trennlagen
zwischen den einzelnen Mutterkondensatoren im Ausgangskondensator zum Zwecke des
Entgratens und der besseren Trennung des Ausgangskondensators in die einzelnen Mutterkondensatoren
beschrieben.
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An den Metallauflagen (Schoop-Metallschichten), die zur elektrischen
Verbindung der Belegungen dienen, werden zur Verbindung mit den Leiterbahnen Stromzuführungsele
mente, insbesondere Stromzuführungsdrähte,befestigt, indem diese mit den Metallauflagen
durch Lötung oder durch Schweißen verbunden werden. Bei der Lötung werden die Stromzuführungsdrähte
meist in die lötfähige Schicht aus niedrigschmelzendem Metall eingelötet, d.h. die
Stromzuführungsdrähte stehen direkt oder fast in Verbindung mit den Schoop-Metallauflagen
aus höherschmelzendem Metall.
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Die Verbindung der Stromzuführungselemente mit den Metallauflagen
muß nicht nur elektrisch einwandfrei sein, sondern es muß auch eine ausreichend
feste mechanische Verbindung bestehen. Die mechanische Festigkeit dieser Verbindung
spielt eine große Rolle bei Kondensatoren, die nicht in einem Gehäuse eingebaut
sind oder die nur mit einer dünnen Umhüllung umgeben sind, die durch Tauchen oder
durch Sinterauflagen hergestellt ist. Insbesondere beim automatischen Bestücken
von Leiterplatten wirken sich nämlich bereits geringe Anteile von Drahtabrissen
sehr ungünstig aus.
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Mit den derzeitig bekannten Schoop-Metallauflagen lassen sich aber
höhere Abreißkräfte, insbesondere bei sehr kleinen Kondensatoren, nur noch durch
Anwendung von Schoop-Metallauflagen mit größerer Dicke oder mit teuren Schoop-Metallen,
die ein höheren Zinnanteil in der oberen Schicht aufweisen, realisieren, also nur
unter erhöhtem Kosten- und Materialaufwand. 8ei sehr kleinen Flächen für die durch
Schoopen hergestellten Metallauflagen, z.B.
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1,5 x 3 mm kann selbst mit diesem Mitteln die Abreiß-
kraft
nicht weiter erhöht werden. Es bricht bei mechanischer Belastung hier mit dem Stromzuführungsdraht
die gesamte äußere Schoop-Metallschicht von der inneren ab.
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Darüberhinaus wird bei den bisher bekannten Schoop-Metallauflagen
auf solchen Kondensatoren, die durch Tauchen Umsintern oder Vergießen im Becher
eine Umhüllung mit einem aushärtenden Harz, z.B. Epoxidharz, erhalten, relativ häufig
ein Herstellungsfehler dahingehend beobachtet, daß sich in der Umhüllmasse Blasen
oder Durchgangslöcher bilden, die durch Luft hervorgerufen werden, die aus dem Kondensator
austritt. Dieser Effekt wird insbesondere beim üblichen Aushärten unter erhöhter
Temperatur beobachtet. Die Ursache für den Luft austritt sind Hohlräume im Inneren
des Kondensators und insbesondere im Inneren der Metallauflagen, die bekanntermaßen
sehr porös sind, denn die aufgespritzen Metallpartikel bilden Zwischenräume.
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Die Umhüllung elektrischer Kondensatoren mit Isolationsschichten sind
hinreichend bekannt.
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So ist in der DE-AS 1 072 663 eine Mehrschichtisolation auf Gießharzbasis
für elektrische Bauteile beschrieben, die aus einer dünnen Epöxidharzschicht besteht,
die sich infolge der mit einem bei der Vergußtemperatur niedrigviskosen Epoxidharz
vorgenommenen Imprägnierung auf den elektrischen Bauteilen gebildet hat, und aus
einer darauf aufgebrachten Gießharzumhüllung aus gefülltem Epoxidgießharz besteht,
wobei auf diese Gießharzumhüllung eine kriechstromfeste dünne Schicht auf Gießharzbasis
aufgebracht ist.
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Diese Mehrschichtisolation erhöht die mechanische Festigkeit der Isolierumhüllung,
trägt aber zur Erhohung der mechanischen Festigkeit der Metallauflagen und der Verbindung
der Metallauflagen mit den Stromzuführungselementen nicht bei.
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In der DE-OS 25 00 789 ist ein elektrisches Bauelement beschrieben,
das eine kompressible und elektrisch isolierende Zwischenschicht zwischen einer
Fläche des elektrischen Bauelementes und einer Schutzschicht enthält, wobei diese
Zwischenschicht ein Bindemittel und einen im Bindemittel dispergierten Füllfeststoff
enthält. Diese Zwischenschicht wird durch Tauchen, Sprühen oder Spritzen aufgetragen
und ausgehärtet, damit das Bindemittel hart wird. Die äußere Schicht wird dann auf
die Außenfläche der Zwischenschicht aufgebracht und ausgehärtet. Dieses Aufbringen
geschieht durch Tauchen, Gießen, Sprühen oder Spritzen. Die Aushärtung erfolgt durch
Anwendung erhöhter Temperatur. Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Schutzumhüllung
ist aufwendig und dient im übrigen nur dazu, die mechanische Festigkeit der Umhüllung
selbst zu erhöhen.
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In der DE-AS 25 34 232 sind in Epoxidharz eingebettete oder damit
umhüllte regenerierfähige Kondensatoren mit Kunststoffolien als Dielektrikum und
auf diesen aufgebrachten Metallschichten als Belägen beschrieben, bei denen jeweils
zwischen der Oberfläche des Kondensatorkörpers und dem diesen umgebenden Gießharz
eine Zwischenschicht vorgesehen ist, die aus ausgehärteten Polyurethanlacken besteht.
Die Herstellung solcher Kondensatoren besteht darin, daß jeweils die Lackschicht
aus Polyurethan durch Tauchen unter Vakuum aufgebracht
wird, und
daß anschließend das Umgeben des Kondensatorwickels mit Epoxidharz unter Vakuum
vorgenommen wird.
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Diese Art der Umhüllung und ihre Herstellung dienen dazu, die Isolationswiderstände
bei metallisierten Kunststoffolien-Kondensatoren zu verbessern, denn es wird davon
ausgegangen, daß durch das Eindringen von Gießharz durch das Schoopmetall hindurch
in die Stirnseiten oder bei Fehlen einer besonderen Schutzhülle in die Endlagen
des Wickels schlechte Isolationswiderstände hervorgerufen werden. Es wird somit
ein ausgehärteter Polyurethanlack vorgeschlagen, der das Eindringen des aushärtbaren
Epoxidgießharzes vermeiden soll.
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In der DE-PS 28 37 259 ist ein Verfahren zum allseitigen oder teilweisen
Umhüllen von stirnkontaktierten elektrischen Flachwickel- oder Schichtkondensatoren
mit einer im Wirbelsinterverfahren aufgebrachten Kunststoffschicht beschrieben,
bei dem die Kondensatoren in einen Behälter mit dem aufgewirbelten Kunststoffpulver
eingebracht und dort mittels einer Hf-Induktionserhitzungsvorrichtung erwärmt werden,
wobei die Kondensatoren in bestimmter Weise durch das elektrische Feld geführt werden
und das Niveau des Pulverbades periodisch angehoben und abgesenkt wird. Dieses Verfahren
führt zu Kondensatoren, die als äußerste Schicht eine Kunststoffumhüllung, insbesondere
Epoxidharzumhüllung, aufweisen, die durch Sintern aufgebracht ist und entweder den
gesamten Kondensator umgibt (vollumsintert) oder nur in Bereichen der Metallauflagen
und in der näheren Umgebung davon vorhanden ist (teilumsintert).
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Neben den oben ins einzelne gehend beschriebenen Schichtkondensatoren
bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf Schichtkondensatoren, die in der
DE-OS 33 42 329 (amtliches Aktenzeichen P 33 42 329.6; unser Zeichen VPA 83 P 1902
DE vom 23.11.1983) beschrieben sind. Ein solcher Kondensator besteht aus einem verfestigten
Stapel von mit je einer Metallschicht als Belegung versehenen, aneinander geschichteten
Dielektrikumslagen und weist an einer Schmalseite einen Einschnitt auf, durch den
die einzelnen Dielektrikumslagen Vorsprünge erhalten, auf denen abwechselnd von
Lage zu Lage die Belegungen durch Isolierstreifen unterbrochen sind, wobei diese
gegenpoligen Belegungen von den Metallauflagen, die sich auf den von den Vorsprüngen
gebildeten Flächen befinden, alternierend miteinander verbunden sind. Die Metallauflagen
werden nach dem Schoop-Verfahren aufgebracht.
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An diese Metallauflagen sind Stromzuführungsdrähte angelötet, die
parallel zur Längsrichtung des Kondensators verlaufen, so daß die mechanische Festigkeit
besonders gut sein muß.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische
Kondensatoren der eingangs angegebenen Art und Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben,
die ohne erhöhten Kosten- und Materialbedarf erhöhte mechanische Festigkeit sowohl
der Metallauflagen als auch der Befestigung der Stromzuführungselemente gewährleisten
und bei denen aus den Zwischenräumen der Metallauflagen bei der späteren Umhüllung
Luft nicht mehr austreten kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist der elektrische Kondensator der eingangs
angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen
den Metallpartikeln der gesamten oder eines Teils der Metallauflagen mit ausgehärtetem
Kunststoff, insbesondere Epoxidharz, ausgefüllt sind.
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Das Verfahren zum Herstellen des einen Schichtstapel enthaltenden
Schichtkondensators der eingangs ángegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenräume zwischen den Metallpartikeln nach dem Verfahrensschrittes
d) gefüllt werden, indem die Metallauflagen der einzelnen ganzen oder geteilten
Mutterkondensatorringe mit dünnflüssigem Monomerem oder einer dünnflüssigen Lösung
des aushärtbaren Kunststoffes, insbesondere des Epoxidharzes, durch Tauchen, Aufsprühen
oder Auftragen mit einem Auftragewerkzeug ein oder mehrmals getränkt werden und
daß danach die Aushärtung des Kunststoffes erfolgt.
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Unter dem Begriff "dünnflüssiges Monomeres oder dünnflüssige Lösung
des aushärtbaren Kunststoffes ist im Sinne der Erfindung eine Viskosität des Kunststoffes
zu verstehen, die derart gering ist, daß der dünnflüssige Kunststoff in die Zwischenräume
der Metallauflagen gewissermaßen wie Wasser in einen Schwamm eindringen kann.
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Die für die jeweiligen Bedingungen erforderliche Viskosität läßt sich
anhand einiger einfacher Vorversuche leicht ermitteln.
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Bevorzugter aushärtbarer Kunststoff ist Epoxidharz, für den als Lösungsmittel
Azeton verwendet wird.
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Für die Füllung der Zwischenräume empfiehlt sich die Anwendung von
Unterdruck oder von Überdruck oder Unterdruck und nachfolgend Überdruck. Diese Vorgehensweise
ist dann vorteilhaft, wenn die erforderliche geringe Viskosität des dünnflüssigen
Kunststoffes nicht erreicht werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 erläutert,
und zwar anhand eines Kondensators mit einem Schichtstapel 21.
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In Figur 1 sind mit 1 und 2 die geschichteten Dielektrikumslagen bezeichnet,
auf denen Belegungen 3 und 4 aufgebracht sind. Diese Belegungen sind regenerierfähig
dünn und bestehen aus Aluminium oder Zink.
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Die Belegungen 3 bilden zur Seitenfläche 5 hin einen Freirand 18 und
reichen bis zur Seitenfläche 6.
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Die Belegungen 4 bilden zur Seitenfläche 6 hin einen Freirand 19 und
reichen bis zur Seitenfläche 5.
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Auf den Seitenflächen 5 bzw. 6 sind die Belegungen 4 bzw. 3 elektrisch
miteinander durch die Metallauflagen 7 und 8 verbunden. Diese Metallauflagen 7 und
8 können aus nur einer Schicht bestehen, beispielsweisen wenn die Belegungen 3 und
4 aus Zink bestehen, dann bestehen die Metallauflagen 7 und 8 ebenfalls aus Zink.
Die Metallauflagen sind nach dem Schoop-Verfahren hergestellt.
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Von Vorteil ist es, wenn die Metallauflagen 7 und 8 je aus einer aufgeschoopten
unteren Schicht 9 aus höherschmelzendem Metall, z.B. Aluminium oder Zink, und aus
je einer darauf aufgeschoopten oberen Schicht 10 aus niedrigschmelzendem lötfähigen
Metall bestehen.
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Die Stromzuführungsdrähte 11 und 12 sind im vorliegenden Fall in der
Weise dargestellt, daß sie in die Metallauflagen 7 bzw. 8 eingelötet sind, d.h.
sie sind zu einem Teil ihres Querschnittes in diese Metallauflagen eingebettet.
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Zwischen den Metallschichten 9 und 10 ist ein Übergangsbereich 20
eingezeichnet. Bestehen nämlich die Belegungen aus Aluminium, so ist es vorteilhaft,
wenn die untere Schicht 9 ebenfalls aus Aluminium besteht. Aluminium ist jedoch
nicht lötfähig, so daß darauf eine weitere Schicht 10 aus lötfähigem Metall angebracht
werden muß.
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Bei mechanischer Beanspruchung der Stromzuführungsdrähte 11 und 12
treten unter anderem auch in diesen Übergangsbereichen 20 feine Risse auf, die später
zu Fehlern am Kondensator führen.
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Der Schichtstapel 21 enthält oben und unten als Abschluß dielektrisch
nicht wirksame Decklagen 16 und 17.
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Das gesamte Bauelement ist mit einer Umhüllung 13 aus Isoliermaterial
umgeben. Diese Umhüllung 13 ist hier stellvertretend für die verschiedenen Arten
von Umhüllungen gezeigt, die bei elektrischen Kondensatoren möglich und bekannt
sind.
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Fig. 2 stellt den Ausschnitt II aus Fig. 1 dar und soll schematisch
deutlich machen, daß zwischen den Metallpartikeln 15 Zwischenräume 14 vorhanden
sind, die die Porosität der Metallauflagen 7 und 8 bewirken. Im rechten Teil von
Fig. 2 sind die Metallpartikel 15 kleiner und mit geringerem Abstand als im linken
Teil dargestellt, weil es sich um ein Metall mit höherem Schmelzpunkt (Al) handelt,
das beim Schoopen in feinerer Verteilung anfällt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Zwischenräume 14 zwischen
dem Metallpartikeln 15 mit Kunststoff gefüllt, und zwar entweder vollständig oder
nur teilweise. Ferner können sämtliche Zwischenräume 14 der Metallauflagen im günstigsten
Fall vollständig gefüllt sein, es ist aber auch möglich, die Zwischenräume 14 nur
in dem Teil der Metallauflagen 7 und 8 zu füllen, der mechanisch besonders beansprucht
wird, nämlich der Übergangsbereich 20 bei zweischichtiger Metallauflage und insbesondere
der Bereich, der den Stromzuführungsdrähten benachbart ist.
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Versuche haben ergeben, daß die Drahtabzugskräfte (Kraft senkrecht
zur Achse der Stromzuführungsdrähte nach außen, Angriffspunkt der Kraft unmittelbar
unterhalb der Stelle, an der die Stromzuführungsdrähte aus dem Bereich der Metallauflagen
heraustreten) bei den gemäß der Erfindung ausgebildeten und behandelten Kondensatoren
gegenüber unbehandelten Kondensatoren sowohl bei unumhüllten, als auch bei teilumsinterten
Kondensatoren um den Faktor 2 bis 3 größer sind. Als dünnflüssiger Kunststoff wurde
dabei eine Lösung von Epoxidharz in Azeton im Verhältnis 1 zu 1 beim Aufsprühen
oder Tauchen, bzw. 1 zu 5 beim Aufpinseln eingesetzt.
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In der Beschreibung sind folgende Literaturstellen diskutiert: 1.
US-PS 1 128 058 2. US-PS 3 256 472 3. Zeitschrift "radio mentor", 1972, Heft 1,
Seiten 022 und 023; 4. DE-PS 1 764 541, entsprechend US-PSen 3 670 378 und 3 728
765;
5. DE-PS 1 764 548, entsprechend US-PS 3 614 561; 6. DE-PS
30 17 507, entsprechend US-PS 4 403 381; 7. DE-AS 1 072 663; 8. DE-OS 25 00 789;
9. DE-AS 25 34 232; 10. DE-PS 28 37 259; 11. DE-OS 33 42 329 Verwendete Bezugszeichen
1 Dielektrikumslage 2 Dielektrikumslage 3 Metallbelegung auf der Dielektrikumslage
1 4 Metallbelegung auf der Dielektrikumslage 2 5 Seitenfläche 6 Seitenfläche 7 Metallauflage
auf der Seitenfläche 5 8 Metallauflage auf der Seiten fläche 6 9 untere Schicht
aus Schoopmetall 10 obere Schicht aus Schoopmetall 11 Stromzuführungsdraht, in die
Metallauflage 7 eingelötet 12 Stromzuführungsdraht, in die Metallauflage 8 eingelötet
13 Umhüllung aus Isolierstoff 14 Zwischenräume 15 Metallpartikel 16 Decklage als
oberer Abschluß des Schichtstapels 21 17 Decklage als unterer Abschluß des Schichtstapels
21 18 Freirand zwischen Metallbelegung 3 und Seitenfläche 5 19 Freirand zwischen
Metallbelegung 4 und Seitenfläche 6 20 Übergangsbereich zwischen unterer Schicht
9 und oberer Schicht 10 21 Schichtstapel 3 Patentansprüche 2 Figuren
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