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Elektrischer Kondensator
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Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit mindestens einer Kunststoff-Folie
und zwei elektrisch leitenden, durch die Folie getrennten Belägen. Insbesondere
betrifft die Erfindung auch einen Kondensator hoher Energie und hoher Spannung mit
einer Energiedichte von mindestens 0,6 J/cm3, der mindestens eine Kunststoff-Folie
und zwei elektrisch leitende, durch die Folie getrennte Beläge aufweist, mit einer
Betriebsspannung von mindestens 600 V und einem Speichervermögen für elektrische
Energie von mindestens 10 J.
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Derartige Kondensatoren für hohe Gleichspannung, nämlich Entladekondensatoren
für Defibrillatoren sind im wesentlichen in zwei unterschiedlichen Ausführungen
bekannt. Bei der älteren Ausführung weist ein solcher Kondensator mit einer Kapazität
mit etwa 45 uF bei einer Spannung von 4200 V, wie er für übliche Defibrillatoren,
also Geräte zum Unterdriicken des Herzkammerflimmerns benötigt wird, als Dielektrikum
Polyäthylenterephthalatfolien und ein Volumen von etwa 2000 cm3 bis 3000 cm3 auf
und hat unter Berücksichtigung des Gehäuses und einer im allgemeinen vorhandenen
Füllung mit einem flüssigen Dielektrikum ein Gewicht von etwa 2,3 kg. Die Energiedichte
beträgt ungefähr 0,2 J/cm3.
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Diese bekannten Kondensatoren haben eine statistische Lebensdauer
von etwa 10 000 Entladungen, wobei jedoch ein Anteil von etwa 1 % der Kondensatoren
schon nach einer relativ kleinen Anzahl von Entladungen, beispielsweise 50 Entladungen,
nicht mehr verwendbar ist. Und zwar fallen diese Kondensatoren wegen der starken
elektrischen und mechanischen Beanspruchung des Dielektrikums infolge der starken
Ströme und hohen Spannungen durch einen Durchschlag zwischen den beiden Belägen
des Kondensators aus, und dieser Durchschlag führt zu einem Kurzschluß zwischen
den Belägen und sehr häufig auch zu einer Beschädigung des Gehäuses, weil nämlich
sehr hohe Druckspitzen im Gehäuse auftreten.
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Der Kondensator kann dabei sogar explodieren und mechanische Zerstörungen
in dem Gerät, in dem er eingebaut ist, verursachen. Eine derartige Explosion dürfte
bei Kondensatoren mit einer gespeicherten Energie von etwa 10 J kaum auftreten,
die Gefahr ist jedoch bei einer gespeicherten Energie ab etwa 20 J nicht vernachlässigbar
und steigt mit der Größe der gespeicherten Energie.
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Besonders bei tragbaren Defibrillatoren ist das relativ hohe Gewicht
und Volumen des Kondensators nachteilig, und es wurde bereits erfolgreich versucht,
den Kondensator zu verkleinern. Ein derartiger verkleinerter Kondensator für Defibrillatoren,
ist durch das Prospektblatt "K-FILM DEFIBRILLATOR CAPACITOR INFORMATION, TECH NOTE
Nr. 111" der Firma Capacitor Speciaiists Incorporated, Escondido, Californien, USA,
bekannt. Der bekannte Kondensator weist als Beläge Aluminiumfolien und als Dielektrikum
eine Folie aus einem Polyvinylidenfluorid auf, und diese Folie ist unter dem Markennamen
K-FILM bekannt. Der Vorteil dieses Materials liegt in seiner hohen Dielektrizitätskonstante
von 10,4 gegenüber einem Wert von 3,2 für Polyäthylenterephthalat.
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Ein derartiger Kondensator benötigt daher für eine Kapazität von etwa
45 uF bei einer Spannung von 4200 V, wie er für bestimmte Typen von Defibrillatoren
benötigt wird, die im Kondensator eine Ladung von etwa 400 J speichern können, ein
Volumen von etwa 700 cm3. Das Gewicht unter Berücksichtigung des Gehäuses und einer
Flüssigkeitsfüllung beträgt etwa 1 kg. Es besteht jedoch der Nachteil, daß das Dielektrikum
einen hohen dielektrischen Verlust von etwa 20 bis 30 aufweist. Dies führt dazu,
daß zur Erhaltung der Ladung des voll aufgeladenen Kondensators ständig beträchtliche
Energiemengen zugeführt werden müssen, und wenn dies nicht geschieht, entlädt sich
der Kondensator bereits innerhalb weniger Sekunden merklich. Ein vollständiges Aufladen
des Kondensators erfordert dabei zusätzlich, daß die Ladeeinrichtung einen gewissen
Mindeststrom liefern muß, damit der von der Ladeeinrichtung gelieferte Strom größer
ist als der durch die dielektrischen Verluste aufgezehrte Strom. Die Energiedichte
liegt zwischen etwa 0,6 J/cm3 und weniger als 1 J/cm3.
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Dieser Kondensator hat eine statistische Lebensdauer von etwa 5000
Entladungen, wobei jedoch auch hier wieder etwa bei 1 ffi der Kondensatoren Frühausfälle
auftreten. Auch bei diesem Kondensator besteht die Gefahr, daß er beim Auftreten
eines Durchschlags explodiert.
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Bei den beiden Arten bekannter Defibrillatorkondensatoren, deren Dielektrikum
(Polyäthylenterephthalat bzw. Polyvinylidenfluorid) eine Spannungsfestigkeit von
560 V/um bzw.
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350 V/um hat, ist die Dicke der Kunststoff-Folien so gewählt, daß
im Betrieb keinerlei Durchschläge auftreten können (mit Ausnahme der erwähnten Frühausfälle
und dann, wenn der Kondensator das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat und hierbei
möglicherweise ebenfalls im Anschluß an einen Durchschlag mechanisch völlig zerstört
wird). Ein Durchschlag hat nämlich die sofortige Zerstörung des Kondensators zur
Folge.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Kondensator der
eingangs genannten Art eine Konstruktion anzugeben, die prinzipiell die Anwendung
hoher Feldstärken (gemessen an der Durchschlagfestigkeit des Dielektrikums, die
auch als Grenzfeldstärke bezeichnet werden kann) erlaubt, wobei die Gefahr einer
Zerstörung des Kondensators infolge von Durchschlägen klein gehalten werden soll.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jedem Belag
mindestens eine Kunststoff-Folie zugeordnet ist, daß jeder Belag durch eine Metallisierung
mit einem Flächenwiderstand zwischen 2 und 30 Ohm gebildet ist, die auf einer Schicht
mit faseriger Struktur aufgebracht ist, die die
Regenerierfähigkeit
unterstützt, derart, daß der Kondensator als regenerierender (selbstheilender) Kondensator
ausgebildet ist, daß der Kondensator mit einem flüssigen Dielektrikum getränkt ist
und daß die Dicke der einzelnen Dielektrika und das flüssige Dielektrikum so gewählt
sind, daß das Verhältnis der Feldstärke zur Durchschlagfestigkeit für alle Dielektrika
im wesentlichen gleich ist. Bei der Auswahl des flüssigen Dielektrikums ist nicht
nur z.B. dessen chemische Formel von Bedeutung, sondern es sind auch die Imprägnierungsbedingungen
von Bedeutung, nämlich die Temperatur, der angewandte Druck (Höhe des Vakuums) und
auch die Dauer der Einwirkung dieser genannten Umgebungseinflüsse. Durch diese Imprägnierungsbedingungen
können die elektrischen Eigenschaften eines bestimmten flüssigen Dielektrikums noch
in gewissen Grenzen geändert werden, um dieses flüssige Dielektrikum gemäß der Lehre
der Erfindung optimal zu verwenden.
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Als Beispiel für derartige Imprägnierungsbedingungen mag dienen, daß
das hauptsächlich verwendete Siliconöl bei einem Druck von 10 2 Torr und einer Temperatur
von 100 "C gelagert wird, und daß auch beim Tränken eines Kondensators diese Bedingungen
beibehalten werden, und zwar während 24 Stunden.
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Als Kunststoff wird vorzugsweise Polyester, vorzugsweise Polyäthylenterephtalat,
verwendet. Es kann jedoch vorteilhaft sein, stattdessen Polypropylen oder ein Polycarbonat
zu verwenden.
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Als Kondensator wird nachfolgend immer ein Einzelelement verstanden,
nicht also eine Zusammenschaltung beispielsweise
mehrerer Kondensatorwickel
in Serie oder parallel. Eine derartige Zusammenschaltung wird nachfolgend als Batterie
bezeichnet. Die Erfindung soll nicht auf Wickelkondensatoren, die durch Aufwickeln
relativ langer schmaler Bahnen gebildet werden, beschränkt sein, wenn auch insbesondere
bei Anwendung relativ hoher Spannungen nach derzeitiger Auffassung der Wickelkondensator,
insbesondere wenn er einen kreiszylindrischen Querschnitt hat, die günstigste Konfiguration
ist, weil Störungen, wie sie im Randbereich von Folien oder Metallisierungen auftreten
können, dabei gering gehalten werden, und weil auch die mechanische Beanspruchung
der Dielektrika, die zu elektrischen Durchschlägen Anlaß geben könnte, weitgehend
gering gehalten wird und im wesentlichen überall gleich ist.
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Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß deswegen, weil die Durchschlagfestigkeit
der einzelnen Dielektrika im wesentlichen gleich stark ausgenutzt wird. eine relativ
hohe
Feldstärke, die aus der angelegten Spannung und der Gesamtdicke des Dielektrikums
sowie einer mittleren Dielektrizitätskonstanten errechnet wird, erzielt werden kann.
Es kann dadurch die Spannung gegenüber bekannten Kondensatoren gleicher Abmessungen
vergrößert werden, wodurch die speicherbare Energie steigt. Die Spannung kann insbesondere
auch deshalb vergrößert werden, weil wegen der Ausbildung des Kondensators als selbstheilender
Kondensator eine Zerstörung des Kondensators durch einen elektrischen Durchschlag
nicht zu befürchten ist. Dabei spielt auch der Flächenwiderstand der Metallisierung
eine Rolle. Von dem angegebenen Widerstandsbereich sind nach derzeitiger Auffassung
Widerstände von etwa 2 bis etwa 3 Ohm nur in seltenen Fällen empfehlenswert, und
es werden daher Flächenwiderstände oberhalb von
5 Ohm bevorzugt. Es wurde gefunden, wie die Ausführungsbeispiele
zeigen, daß bei Verwendung der erfindungsgemäßen Flächenwiderstände Durchschläge
selbst ausheilen, wobei nur relativ geringe Energien zur Ausheilung eines Durchschlags
benötigt werden, die je nach Größe des Kondensators im Normalfall einen Anteil von
0,1 % bis 1 % der gespeicherten Energie ausmachen. Dadurch wird auch eine beliebige
Parallelschaltung von Kondensatoren zu Batterien ermöglicht, weil es zum Erlöschen
des Durchschlags nicht erforderlich ist, daß die Kondensatorspannung abfällt.
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Je nach Größe und Spannung eines Kondensators kann der Energieabfall,
der bei einem Durchschlag mit damit verbundener Selbstheilung auftritt, maximal
1 bis30 J betragen.
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Prozentual beträgt der Energieverlust vorzugsweise höchstens 10 ,
wiederum vorzugsweise nur etwa 1 %.
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Regenerierende Metallpapierkondensatoren sind seit vielen Jahrzehnten
bekannt. Sie werden jedoch nicht für Gleichspannungskondensatoren mit hoher Energie,
wie sie bei der Erfindung verwirklicht werden können, verwendet. Insbesondere sind
sie nicht in durch einen Durchschlag unzerstörbarer Form für solche Kapazitäten,
Spannungen und Energien bekannt, wie die Erfindung sie anzuwenden gestattet.
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Die Erfindung ermöglicht es, bei Verwendung von Papier und Polyester
sowie einem flüssigen Dielektrikum eine durchschnittliche Feldstärke zwischen 200
und 500 V/um anzuwenden, je nach der benötigten Lebensdauer und der benötigten Energiedichte.
Bei Ausführungsformen der Erfindung ist ein Bereich der in einem Kondensator speicherbaren
Energie von 10 J bis mindestens etwa 500 J vorgesehen, bei einer anderen
Ausführungsform
kann die in einem Einzelkondensator speicherbare Energie zwischen 500 und 1000 J
und mehr betragen.
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Nachfolgend soll als Endfeldstärke eine Feldstärke bezeichnet werden,
die beim Betrieb eines bestimmten Kondensators nicht überschritten werden soll,
beispielsweise aus Gründen der gewünschten Lebensdauer. Diese Endfeldstärke kann
die oben bereits behandelte Grenzfeldstärke, die der Durchschlagfestigkeit entspricht,
nicht erreichen.
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Nachfolgend werden Anwendungsgebiete der Erfindung in Abhängigkeit
von verschiedenen Feldstärkebereichen behandelt.
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Bei einem ersten Bereich beträgt die durchschnittliche Feldstärke
etwa 200 bis 300 V/um. Die erreichbare Energiedichte beträgt dabei etwa 0,6 bis
1,2 J/cm3. Bei einem derartigen Feldstärkebereich können Kondensatoren betrieben
werden, die dauernd geladen bleiben müssen, beispielsweise Glättungskondensatoren
in Gleichspannungsnetzgeräten, und Kondensatoren für allgemeine Energiespeicherung.
Außerdem können in diesem Feldstärkebereich Kondensatoren eingesetzt werden, die
Schalt- oder Entladefrequenzen zwischen etwa 0,1 bis 10 Hz haben, und die eine hohe
Lebensdauer haben sollen.
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Hierzu gehören bestimmte Anwendungen in Lasern, wobei die Kondensatoren
zum Betrieb der Blitzlampen zum Laser-Pumpen verwendet werden. Andere Anwendungen
sind Schaltkondensatoren, und Entladekondensatoren, die meistens mit gleichbleibender
Polarität betrieben werden. Ein drittes Anwendungsgebiet in dem genannten Feldstärkebereich
betrifft den Betrieb eines Kondensators bei Wechselspannung oder mit Schaltfrequenzen,
die höher als 10 Hz liegen.
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Ein zweiter Bereich der durchschnittlichen Feldstärke liegt zwischen
300 und 450 V/um der erfindungsgemäßen Kondensatoren. Die Energiedichte beträgt
dabei zwischen etwa 1,2 und 2,4 J/cm3. Dieser Feldstärkebereich kann beispielsweise
angewendet werden, wenn der Kondensator vor dem Entladen nur bis maximal 30 Sekunden
geladen bleibt, wie dies im allgemeinen bei Kondensatoren für externe Defibrillatoren
der Fall ist. In diesem Feldstärkebereich können auch Kondensatoren für Laser betrieben
werden, wenn niedrigere Anforderungen an Belastung und Lebensdauer als im oben genannten
Feldstärkebereich bestehen.
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In einem dritten Feldstärkebereich zwischen 450 V/um und etwa 500
V/um ist mit den erfindungsgemäßen Kondensatoren eine Energiedichte von 2,4 bis
etwa 3 J/cm3 erreichbar.
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Dieser Energiebereich ist insbesondere dann anwendbar, wenn ein Kondensator
sofort nach dem Aufladen entladen wird, und wenn außerdem eine geringe Anzahl von
Entladungen notwendig ist, insbesondere weniger als 1000 Entladungen. Ein derartiger
Anwendungsfall ergibt sich z.B. bei implantierten Defibrillatoren.
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Falls eine hohe Lebensdauer erwünscht wird, oder falls die räumliche
Größe eines Kondensators keine Rolle spielt, weil genügend Platz zur Verfügung ist,
so kann es zweckmäßig sein, aus einem der oben angegebenen Feldstärkebereiche in
einen anderen Feldstärkebereich mit kleinerer Feldstärke überzugehen, und sogar
eine Feldstärke von weniger als 200 V/um zu verwenden, z.B. bei Wechselspannung.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist eine Energiedichte
von mindestens 1 J/cm3 vorgesehen.
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Beim Vergleich der Erfindung mit dem oben an zweiter Stelle beschriebenen
bekannten Kondensator ergibt sich der Vorteil, daß bei vergleichbarer Betriebsspannung
und Kapazität der erfindungsgemäße Kondensator kein größeres Volumen aufweisen muß
als der Kondensator mit Polyvinylidenfluorid als Dielektrikum, wobei der erfindungsgemäße
Kondensator jedoch eine größere Anzahl von Entladungen ermöglicht und insbesondere
Frühausfälle verhindert sind. Dabei ist auch das Gewicht des erfindungsgemäßen Kondensators
geringer.
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Beim Vergleich eines erfindungsgemäßen Kondensators, der Polyäthylenterephtalat
verwendet, mit dem oben an erster Stelle genannten bekannten Kondensator, der das
gleiche Dielektrikum benutzt, ergibt sich überraschend, daß die Energiedichte und
die Lebensdauer dadurch gesteigert werden kann, daß das Dielektrikum, gleiche Betriebsspannung
vorausgesetzt, erheblich dünner gemacht wird als bei dem bekannten Kondensator,
so daß die Feldstärke im Polyester-Dielektrikum auf 300 V/um oder mehr ansteigt,
wogegen beim bekannten Kondensator lediglich eine Feldstärke von etwa 150 V/um vorgesehen
war. Bei einer derartigen Feldstärke wird bewußt in Kauf genommen, daß während des
normalen Betriebs des Kondensators Durchschläge auftreten. Je nach der Feldstärke
tritt ein derartiger Durchschlag beispielsweise durchschnittlich nur nach etwa 25;
100 oder 1000 Auflade- und Entladevorgängen auf, oder bei höherer Betriebsspannung
tritt sogar bei jedem Aufladevorgang mindestens ein Durchschlag auf. Da jedoch der
Kondensator als regenerierender Kondensator ausgebildet ist, schaden diese Durchschläge
dem Kondensator nicht, und es hat sich überraschend gezeigt, daß diese Durchschläge
nicht einmal die normale Funktion des
Geräts, in den der Kondensator
eingebaut ist, beeinträchtigen. Das heißt, daß sich durch einen derartigen Durchschlag
die Aufladezeit des Kondensators, die beispielsweise für die Aufladung auf 4000
V 10 sec betragen soll, nicht merklich vergrößert. Auch sinkt die Spannung infolge
eines derartigen Durchschlags nur geringfügig ab, beispielsweise von 4000 V auf
3990 V. Ein derartiger Spannungsverlust ist für die meisten Verwendungen bedeutungslos.
Der Verlust an elektrischer Energie beträgt bei einer Kapazität von 45 uF etwa 2
J (Joule) und ist für die Punktion ebenfalls vernachlässigbar.
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Die zuletzt genannte relativ geringe Energie von 2 J, die nur einen
kleinen Bruchteil der gespeicherten Energie beträgt, reicht bei diesem speziellen
Kondensator für die Selbstheilung der Durchschlagstelle aus.
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Ein Vorteil der Erfindung liegt auch darin, daß die hohe Energiedichte
und Feldstärke erreicht werden kann, ohne daß eine mosaikartig unterteilte Metallisierung
verwendet werden muß. Dadurch ist der Kondensator einfach herstellbar. Der Kondensator
könnte nach derzeitiger Auffassung jedoch auch unter Verwendung einer mosaikartigen
Unterteilung hergestellt werden, wobei jedoch, soweit zur Zeit bekannt, keine wesentlichen
Vorteile erreicht werden.
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Bei dem in den Ansprüchen beschriebenen erfindungsgemäßen Metallisierungsverfahren
wird das Metall dann unter einem verhältnismäßig kleinen Winkel auf das Papier aufgedampft,
wenn mit verhältnismäßig tiefen Poren gerechnet werden muß.
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Dadurch, daß die die Regenerierfähigkeit unterstützende Schicht eine
faserige Struktur hat, also nicht etwa durch einen Lack auf Cellulosebasis gebildet
wird, ergibt sich ein fester Zusammenhalt dieser Schicht nach allen Richtungen,
insbesondere auch dort, wo elektrische Durchschläge stattfinden, und hierdurch wird
gemeinsam mit einer ausreichend dünnen Metallisierung die Lebensdauer des Kondensators
und insbesondere die Tatsache, daß er durch elektrische Durchschläge nicht zerstörbar
ist, sichergestellt. Bei der faserigen Struktur könnte es sich um ein Gewebe handeln.
Nach der zeitiger Ansicht billiger und für die Erfindung völlig ausreichend ist
jedoch eine faservliesartige Struktur, wie sie beim Papier vorhanden ist. Als Fasern
sind künstlich hergestellte Fasern (sogenannte regenerierte Fasern), beispielsweise
aus Celluloseacetat, möglich. Es werden jedoch Faserstrukturen, die aus natürlichen
Pflanzenfasern gewonnen sind, bevorzugt. Dies insbesondere deswegen, weil künstliche
entsprechend dünne Faserstrukturen sehr schwer herzustellen wären. Ein hinreichend
fester mechanischer Zusammenhang der faservliesartigen Struktur erscheint wichtig.
Ein derartiger fester Zusammenhang ist beispielsweise bei Papier vorhanden.
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Die genannten Stoffe halten die beim Durchschlag auftretende hohe
Temperatur aus, die auch in einem gewissen Umkreis um die Durchschlagstelle dort,
wo die Metallisierung verdampft, auftritt. Dagegen wäre die Polyesterfolie nicht
als Träger für die Metallisierung geeignet, da die Polyesterfolie beim Auftreten
eines Durchschlags geschädigt würde.
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Dadurch, daß der Kondensator selbstheilend ist, kann der Kondensator
infolge von Durchschlägen nicht beschädigt werden, und somit ist auch das Problem
der Frühausfälle gelöst. Der Kondensator hat eine Lebensdauer von weit mehr
als
10 000 Entladevorgängen, was für viele Verwendungen, z.B. für einen Defibrillator,
völlig ausreicht. Das Ende der Lebensdauer des Kondensators macht sich nicht durch
einen plötzlichen Ausfall des Kondensators bemerkbar, sondern dadurch, daß durch
die Entladevorgänge, bei denen ein relativ hoher Strom, der je nach Anwendungsfall
weniger als 100 A oder auch 1000 A oder mehr betragen kann, fließt, die Metallisierung
des Kondensators geschädigt wird, und daß bei jedem Durchschlag, bei dem ein kleiner
Anteil der Kondensatorfläche infolge des Regeneriereffekts zerstört wird, die wirksame
Kapazität des Kondensators langsam abnimmt.
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Es kann daher ein erfindungsgemäßer Kondensator notfalls weit über
seine vorgesehene Benutzungsdauer im Gerät bleiben, falls aus irgendwelchen Gründen
ein fabrikneuer Ersatzkondensator nicht rechtzeitig zur Verfügung steht.
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Die bei einem auftretenden Durchschlag am Ort des Durchschlags in
Wärme umgesetzte elektrische Energie ist so klein (gemäß dem obigen Beispiel 2 J),
daß hierdurch, selbst wenn das Kondensatorgehäuse vollständig mit flüssigem Dielektrikum
gefüllt ist, keine so starken Druckspitzen auftreten, daß das Gehäuse undicht werden
kann. Dies ist überraschend angesichts der Tatsache, daß der Kondensator eine sehr
hohe Energie von beispielsweise 400 J gespeichert haben kann und angesichts der
Tatsache, daß bereits bei herkömmlichen Kondensatoren mit einer gespeicherten Energie
ab 10 J ein Durchschlag des Kondensators zur Zerstörung des Gehäuses oder zum Kurzschluß
führen kann.
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Für den erfindungsgemäßen Kondensator erscheint es wichtig, daß die
beiden Beläge mit den ihnen zugeordneten Kunststoff-Folien eine gewisse Mindestbreite
haben. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Breite etwa 8 cm und die Länge über
40 m. Es besteht dann bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Flächenwiderstand der
Metallisierung für den Strom, der zu einer Durchschlagstelle strömt, ein relativ
hoher mittlerer Widerstand, weil dieser Strom die Metallisierung von nur einer Schicht
von den Randmetallisierungen her durchfließen muß. Dagegen fließen der normale Entladestrom
und der Ladestrom des Kondensators durch mit den Längskanten der Metallisierungen
in Verbindung stehende Kontakte, nämlich über auf die Stirnflächen des im wesentlichen
zylindrischen Kondensatorwickels aufgebrachte Metallschichten, ab bzw. zu, und dabei
sind alle Widerstände der einzelnen Metallisierungen parallel geschaltet. Somit
ist der Gesamtwiderstand gering.
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Wenn eine Mehrzahl von Kunststoff-Folien jedem Belag zugeordnet ist,
kann außerdem die Spannungsfestigkeit des Dielektrikums besser ausgenutzt werden,
weil zufällig vorhandene Fehlerstellen im Dielektrikum nicht in mehreren Folien
an genau übereinanderliegenden Stellen vorkommen werden. Dadurch wird die Anzahl
der Durchschläge relativ klein gehalten. Ein einzelner Durchschlag schadet dem Kondensator
zwar nicht, es würde jedoch die Kapazität des Kondensators möglicherweise auf Dauer
nachteilig beeinflußt, wenn aufgrund der Schadhaftigkeit einer Folie bei jedem Aufladevorgang
sehr viele Durchschläge auftreten würden.
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Der erwähnte Flächenwiderstand ist von der Art des Metalls und der
Dicke der Metallschicht abhängig; dieser Flächenwiderstand wird für ein quadratisches
Flächenelement angegeben, wobei der Wert des Flächenwiderstands von der tatsächlichen
Größe des quadratischen Flächenelements unabhängig ist.
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Die beim Kondensator verwendeten unterschiedlichen Dielektrika (z.
B. Polyester und getränktes Papier) haben eine unterschiedliche elektrische Durchschlagfestigkeit,
was gleichbedeutend ist mit einer unterschiedlichen Grenzfeldstärke. Als Grenzfeldstärke
soll hier eine Feldstärke verstanden werden, bei der mit Sicherheit an jeder beliebigen
Stelle des Dielektrikums ein Durchschlag erfolgt. Erfindungsgemäß ist der Kondensator
so konstruiert, daß diese unterschiedlichen Grenzfeldstärken im wesentlichen gleich
stark ausgenutzt werden, beispielsweise jeweils 80 ffi der Feldstärke an jedem Dielektrikum
anliegt, bei der dieses Dielektrikum durchschlägt.
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Deswegen, weil die hohe Gleichspannung am Kondensator nicht nur äußerst
kurzzeitig wirksam ist, sondern im allgemeinen mehrere Sekunden, spielt für die
sich einstellende Feldstärke in den verschiedenen Dielektrika offenbar der ohm'sche
Widerstand der Dielektrika eine Rolle. Dieser hier als Isolationswiderstand bezeichnete
Wert ist umso größer, je größer die Dicke des Dielektrikums ist, und umso kleiner,
je größer die Fläche des Dielektrikums ist. Hieraus ergibt sich, daß dann, wenn
ein Kondensator unter Verwendung lediglich eines einzigen Dielektrikums hergestellt
wird, das Produkt des Isolationswiderstands multipliziert mit der Kapazität des
Kondensators eine Materialkonstante ist, die
allerdings stark von
den jeweiligen Meßbedingungen, beispielsweise der Temperatur und der Spannung, und
ganz besonders von dem Imprägnierungsmittel (flüssigem Dielektrikum) sowie von den
Imprägnierungbedingungen (Temperatur, Druck), abhängt. Dann, wenn mit Hilfe dieses
Dielektrikums ein spezieller Kondensator hergestellt ist, so ergibt sich aus der
Fläche und der Dicke des Dielektrikums und somit aus der Kapazität, die sich ergeben
würde, wenn man beide Seiten des Dielektrikums mit leitenden Belägen versehen würde,
der Isolationswiderstand, der in Ohm oder MegOhm gemessen wird.
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Die oben genannte Materialkonstante wird hier als spezifischer Isolationswiderstand
bezeichnet. Die soeben genannten Imprägnierungsbedingungen haben insofern einen
Einfluß, als dann, wenn das flüssige Dielektrikum bei verhältnismäßig hoher Temperatur
und einem sehr geringen Druck, also einem guten Vakuum, zum Tränken verwendet wird,
der Luftgehalt des Dielektrikums sehr gering ist, so daß der Isolationswiderstand
des Dielektrikums sehr hoch ist. Es können daher durch die Imprägnierungsbedingungen
die elektrischen Eigenschaften des flüssigen Dielektrikums, beispielsweise des Silikonöls,
in gewissen Grenzen geändert werden.
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Bei relativ geringen Feldstärken, also dann, wenn der Isolationswiderstand
der Dielektrika für die Feldstärke keine Rolle spielt, stellt sich die Feldstärkeverteilung
und dadurch die Spannungsverteilung in Abhängigkeit von den Dielektrizitätskonstanten
der verschiedenen Dielektrika ein.
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Der Einfluß des Isolationswiderstands auf die Feldstärkeverteilung
im Kondensator wird deutlich, wenn man sich einen Kondensator, der beispielsweise
ein Dielektrikum aus einer
Folie Polyester und einer Papierschicht
aufweist, als die Serienschaltung von zwei Kondensatoren vorstellt, von denen der
eine ein Dielektrikum nur aus Polyester und der andere ein Dielektrikum nur aus
Papier aufweist, und jedem Kondensator ist ein Widerstand parallel geschaltet, der
dem Isolationswiderstand der speziellen Polyesterschicht bzw. der speziellen Papierschicht
(unter Berücksichtigung eines vorhandenen flüssigen Dielektrikums) entspricht. Diese
ebenfalls in Serie geschalteten Widerstände des Ersatzschaltbildes beeinflussen
die Spannungsverteilung an den Kondensatoren und somit die elektrische Feldstärke
in den unterschiedlichen Dielektrika.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Dielektrika und ihre Dicke
sowie das flüssige Dielektrikum und die Imprägnierungsbedingungen so zu wählen,
daß für die einzelnen Dielektrika das Verhältnis der jeweiligen Grenzfeldstärke
(wie oben definiert) zum Isolationswiderstand (wie oben definiert) im wesentlichen
gleich ist. In diesem Fall liegt auch die gewünschte gleichmäßige Ausnutzung der
Durchschlagfestigkeit der unterschiedlichen Dielektrika vor. Die aus der Literatur
bekannten Werte für den spezifischen Isolationswiderstand sind für sehr kleine Spannungen,
beispielsweise wenige Volt, gültig. Dann, wenn die auftretende Feldstärke sich der
Grenzfeldstärke nähert, wie dies bei den erfindungsgemäßen Kondensatoren der Fall
ist, hat dieser spezifische Isolationswiderstand einen Wert, der nur einen Bruchteil
des Wertes bei niedriger Spannung beträgt. Es ist nicht sicher, ob diese Verringerung
des spezifischen Isolationswiderstandes bei den verschiedenen Dielektrika im Kondensator
jeweils um den gleichen Faktor erfolgt. Bei dem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen
Kondensator wird
die Spannungsfestigkeit oder Grenzfeldstärke der
Dielektrika zu etwa 80 % ausgenutzt. Die Tatsache, daß nur selten Durchschläge auftreten,
deutet darauf hin, daß der spezifische Isolationswiderstand bei sehr hohen Feldstärken
für den vorliegenden Anwendungsfall hinreichend genau um den gleichen Faktor reduziert
wird. Die Verringerung des Isolationswiderstandes bei hohen Feldstärken tritt bereits
während des Aufladens des Kondensators auf. Wenn die Feldstärke in einem der Dielektrika
sich der Durchschlagfeldstärke nähert, verringert sich dessen Isolationswiderstand,
und hierdurch erhöht sich dann die Feldstärke am anderen Dielektrikum schneller.
Dies wird bei Betrachtung des oben genannten Ersatzschaltbildes klar. Folglich sorgt
während des Aufladevorganges die genannte Spannungsabhängigkeit der Isolationswiderstände
dafür, daß die Verhältnisse der tatsächlichen Feldstärke zur Grenzfeldstärke in
den verschiedenen Dielektrika jedenfalls nicht so stark voneinander verschieden
sind, daß der Erfindungszweck nicht erreicht würde. Je näher die Feldstärke an der
Grenzfeldstärke liegt, umso kleiner ist der Isolationswiderstand.
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Die Abnahme des Isolationswiderstands bei hohen Feldstärken wurde
mit folgender Meßanordnung ermittelt: Es wurde eine Kondensatorbatterie mit zwei
parallel geschalteten Kondensatoren mit einer metallisierten Papierschicht und zwei
Polyesterschichten mit einer Dicke von jeweils 6 m und Siliconöl als flüssigem Dielektrikum
mit einer Kapazität von jeweils 11 µF verwendet. An die Anschlußklemmen dieses
wurde ein Außenwiderstand von 1 Gigaohm (GOhm)
angeschlossen.
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wurde auf eine Spannung von 4280 V Gleichspannung aufgeladen und die
Abnahme der Spannung über die Zeit aufgezeichnet. Die Entladekurve zeigte nur geringe
Abweichungen von dem Fall, daß
ausschließlich über den Außenwiderstand entladen wird und somit keinerlei innere
Verluste hat. Daraus konnte zeschlossen werden, daß der Isolationswiderstand
größer als 100 GOhm ist.
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gleiche
wurde nun auf eine Spannung von 6000 V aufgeladen. Bereits nach 38 Minuten war die
Spannung auf 5000 V abgesunken. Wenn man diese Spannungsabnahme als das Ergebnis
eines konstanten Isolationswiderstands ansieht, so ergibt sich dieser zu etwa 1,55
GOhm. Die Abnahme der Spannung erfolgt jedoch unmittelbar nach Aufladung auf 6000
V sehr viel rascher als bei einer sich mit einem Isolationswiderstand von 1,55 GOhm
ergebenden Zeitkonstante. Der Isolationswiderstand ist somit bei einer Spannung
von 6000 V noch erheblich kleiner als 1,55 G0hm. Durch Auswertung der Steilheit
der Entladekurve in nächster Nähe des Zeitpunkts der Vollaufladung kann auf eine
Zeitkonstante kleiner als 1 Sekunde bei dieses speziellen
geschlossen werden. Diese Zeitkonstante wirkt bereits gegen Ende des Aufladevorgangs
und beeinflußt dadurch die Feldstärken. Der stark verminderte Isolationswiderstand
bzw. die stark verringerte Zeitkonstante unmittelbar am Beginn der Entladekurve
deuten auf die Abnahme von mindestens einem der beiden in Serie geschalteten Isolationswiderstände,
die den Dielektrika zugeordnet sind.
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Die starke Abnahme des Isolationwiderstands bei Annäherung an die
Grenzfeldstärke hat noch folgenden für die Lebensdauer des Kondensators günstigen
Effekt: Es wird angenommen,
daß beispielsweise der soeben geschilderte
Kondensator erstmals auf eine Spannung von 6000 V aufgeladen wird. Dabei müßte jeder
der gedachten Teilkondensatoren, der einerseits nur Papier und andererseits nur
Kunststoff als Dielektrikum enthält, die gleiche Ladung enthalten, wenn keine Selbstentladung
infolge der nicht-vernachlässigbaren Isolationswiderstände vorhanden wäre. Durch
die Selbstentladung, die im Normalfall nicht bei beiden Dielektrika gleich stark
ist, wird somit einer der gedachten Teilkondensatoren eine geringere Ladung enthalten
als der andere. Wird der ganze Kondensator nun nach außen entladen, so daß an seinen
Klemmen eine Spannung von 0 V gemessen wird, so sind dennoch die Teilkondensatoren
wegen ihrer vor dem Entladen unterschiedlichen Ladung nicht völlig entladen, sondern
der eine Teilkondensator, der keine Ladung verloren hatte, als -er aufgeladen war,
ist mit seiner ursprünglichen Polarität geladen und der andere Teilkondensator ist
demgegenüber gegenpolig aufgeladen. Die an diesen Teilkondensatoren noch wirksamen
Spannungen sind jedoch verhältnismäßig gering, so daß bei diesen Spannungen der
Isolationswiderstand der Dielektrika als unendlich hoch angesehen werden kann, Die
Teilkondensatoren werden daher ihre Ladung über einen langen Zeitraum, beispielsweise
mehrere Wochen oder Monate, beibehalten können.
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Wird der Kondensator nun wieder aufgeladen, so muß durch den Ladestrom
der gegenpolig aufgeladene Teilkondensator erst völlig entladen und anschließend
in umgekehrter Richtung wieder aufgeladen werden und kann daher dann, wenn dem Kondensator
eine bestimmte Ladung zugeführt wird, nur eine geringere Ladung aufnehmen als der
andere Teilkondensator.
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Dadurch wird die an dem ursprünglich gegenpolig aufgeladenen Teilkondensator
anliegende Spannung und Feldstärke geringer sein als beim erstmaligen Aufladen,
so daß die Feldstärke an
diesem Teilkondensator und seine Selbstentladung
geringer sein wird als beim erstmaligen Aufladen, und hierdurch wird die elektrische
Beanspruchung des Kondensators verringert und dadurch die Lebensdauer vergrößert.
Insbesondere kann durch den beschriebenen Effekt in vielen Pällen verhindert werden,
daß beim erneuten Aufladen Durchschläge und mit diesen verbundene Selbstheilungen
auftreten.
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Dieser theoretische Effekt, der meßtechnisch nicht erfaßbar ist, wurde
experimentell nachgewiesen, jedoch nicht mit einzelnen Dielektrika, die den Kondensator
bilden (weil man einzelne Dielektrika nicht auf die hier praktizierten Feldstärken
bringen kann), sondern mit zwei ganzen Kondensatoren (Kondensatorwickel) der bezeichneen
Art mit unterschiedlicher Kapazität. Zwei in Serie geschaltete Kondensatoren haben
sich so verhalten, wie die einzelnen verschiedenen Dielektrika eines einzelnen Kondensators
nach der oben angeführten Überlegung, selbstverständlich nur, wenn eine so hohe
Spannung angelegt wurde, daß einer der beiden Kondensatoren seine Grenzfeldstärke
erreichte und hohe Verluste bzw.
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Selbstheilungen aufwies. Nach Entladung und dauerndem Kurzschluß der
Serienschaltung wurde anschließend gemessen, daß beide Kondensatoren gegenpolig
geladen blieben, und zwar mit etwa 20 der beim Aufladen erreichten Spannung. Dieser
Effekt, der also einen realen Kondensator betrifft, ist von großem Vorteil, wenn
solche Kondensatoren als Batterie in Serie geschaltet werden, weil dann bekannntlich
mit ungleicher Spannungsverteilung aufgrund verschiedener Kapazitäten gerechnet
werden muß. Es kann auch eine momentane Spannungsungleichheit zwischen zwei in Serie
geschalteten Kondensatoren während des Aufladens auftreten. Solche Fehler durch
schlechte Spannungsverteilung sind bei Serienschaltung der
erfindungsgemäßen
Kondensatoren nicht schädlich, weil erstens beim Erreichen der Grenzfeldstärken
(oder der Grenzfeldstärke eines der Dielektrika) eines Kondensators dieser dank
der Selbstheilung nicht zerstört wird, und weil zweitens durch die nach dem Entladen
der Serienschaltung verbleibende gegenpolige Ladung dieser gegenpolig aufgeladene
Kondensator bei einem erneuten Aufladevorgang gegen überlastung geschützt ist.
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Insgesamt hat der erfindungsgemäße Kondensator (bei Verwendung von
Polyäthylenterephtalat) gegenüber dem eingangs geschilderten Kondensator mit dem
Dielektrikum Polyvinylidenfluorid den Vorteil eines nur geringen dielektrischen
Verlustes von etwa 0,1 bis 0,5%. Insbesondere beim Betrieb aus Akkumulatoren, wie
er für Defibrillatoren allgemein üblich ist, kann eine erhöhte Anzahl von Schocks
aus einer einzigen Akkumulatorladung gewonnen werden. Gegenüber den oben ebenfalls
genannten bekannten Kondensatoren, die Polyäthylenterephthalat als Dielektrikum
aufweisen, hat er den Vorteil einer erheblich größeren Energiedichte, d.h. eines
viel kleineren Volumens.
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Ein Vorteil der Erfindung liegt auch in ihrem im Vergleich zu den
bekannten Entladekondensatoren erheblich geringeren Gewicht. Die bekannten Kondensatoren
verwenden nämlich separate Metallfolien als Beläge, und diese Metallfolien haben
eine erheblich größere Dicke und somit ein erheblich größeres Gewicht als die Metallisierung.
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Bei Ausführungsformen der Erfindung ist der Belag die Metallisierung
eines Metallpapiers. Das Metallpapier ist, wie an
sich bekannt,
Lackpapier mit aufgedampftem Zink oder Aluminium und mit dem flüssigen Dielektrikum
getränkt, vorzugsweise mit einem Siliconöl. Siliconöl hat sich als besonders günstig
erwiesen, da es die Anzahl der beim normalen Betrieb auftretenden Durchschläge in
Grenzen hält. Dagegen haben Versuche beispielsweise mit Rizinusöl gezeigt, daß ein
derartiges Öl eine Vielzahl von Durchschlägen hervorruft.
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Obwohl die einzelnen Durchschläge für den Kondensator nicht schädlich
sind, besteht dennoch im allgemeinen das Bestreben, die Anzahl der Durchschläge
relativ gering zu halten.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform mit Metallpapier liegt darin, daß
das als Träger der Metallisierung dienende Papier, nämlich Lackpapier, recht hohe
Temperaturen verträgt, so daß beim Auftreten von Durchschlägen eine hohe Sicherheit
gegen Beschädigungen des Kondensators besteht. Durch die Verwendung des Metallpapiers
für die beiden Beläge ist der Kondensator mit hoher Sicherheit regenerierfähig,
er heilt also bei auftretenden Spannungsdurchschlägen dadurch aus, daß in der Umgebung
der Durchschlagstelle die Metallschicht des Metallpapiers verdampft. Durch die Verwendung
mindestens zweier, vorzugsweise genau zweier Kunststoff-Folien aus dem angegebenen
Dielektrikum, ist es möglich, die Durchschlagsicherheit gegenüber der Verwendung
einer einzigen Folie erheblich zu steigern, da die Wahrscheinlichkeit des Auftretens
von Fehlstellen in den Kunststoff-Folien an genau der gleichen Stelle sehr unwahrscheinlich
ist.
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Es lassen sich mit einem Bereich des Flächenwiderstandes von etwa
2 bis 15 Ohm Kondensatoren, die sich für externe Defibrillation eignen, mit einer
Speicherenergie von etwa 400 J
verwirklichen. Diese können als
Einzelwickel oder als Parallelschaltung von mehreren Wickeln realisiert werden.
Die Gesamtkapazität solcher Kondensatoren beträgt etwa 10 bis 50 uF und die angelegte
Gleichspannung beträgt etwa 4000 V bis 6000 V. In Einzelfällen wie bei interner
Defibrillation können jedoch auch Gleichspannungen bis herab zu 600 V verwendet
werden. Wenn mehrere Kondensatorwickel oder fertige (in einem Gehäuse eingeschlossene)
Kondensatoren zur Schaffung der genannten Speicherenergie von etwa 400 J oder für
noch größere Speicherenergien parallelgeschaltet werden, so kann dies ohne besondere
Maßnahmen zur Energietrennung geschehen, die Kondensatorwickel oder Kondensatoren
können daher durch dicke Drähte miteinander verbunden werden.
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Eine beliebige Parallelschaltung der erfindungsgemäßen Kondensatoren
zu Kondensatorbatterien ist deshalb möglich, weil die einzelnen Durchschläge im
Kondensator nicht dadurch erlöschen, daß die Kondensatorspannung ctarl, absinkt.
Hierfür müßte ein Großteil der gespeicherten elektrischen Energie in dem Durchschlag
umgesetzt werden. Es wäre dann nicht möglich, mehrere Kondensatoren parallel zu
schalten, weil sich dann die elektrische Energie aller parallel geschalteter Kondensatoren
durch einen elektrischen Durchschlag entladen würde, wodurch mindestens der durchgeschlagene
Kondensator mit Sicherheit zerstört würde.
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Es kann vorteilhaft sein, Flächenwiderstände von maximal bis zu 30
Ohm für die Metallisierungen zu verwenden. Dann ist es jedoch zweckmäßig, im Randbereich
der Metallisierungen, dort wo die Verbindung zu einer aufgespritzten Metallschicht
für die Verbindung mit den Anschlußdrähten vorhanden ist, die
Metallisierung
etwas dicker zu machen und ebenfalls mit einem Flächenwiderstand zwischen 1 und
15 Ohm.
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Die meisten Vorteile gegenüber dem Stand der Technik hat die Erfindung
vermutlich in einem Spannungsbereich von mehr als 1000 V und einem Energiebereich
von mehr als 10 J. Kondensatoren mit einem Energiebereich von etwa 200 J bis 500
J werden für externe Defibrillation von Erwachsenen benötigt.
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Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar für Kondensatoren mit einer
speicherbaren Energie zwischen 50 J und 200 J.
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Diese Kondensatoren werden benötigt für die externe Defibrillation
bei Kindern und für die Cardioversion, das ist die Behandlung von anderen Rhythmusstörungen
als Kammerflimmern (Kammerflimmern = ventrikuläre Fibrillation). Schließlich ist
die Erfindung auch für Kondensatoren mit einem Bereich zwischen 10 J und 50 J der
speicherbaren Energie geeignet, wie sie für interne Defibrillation, also für inplantierte
Defibrillatoren benötigt wird. Jeder dieser einzelnen Energiebereiche wird für sich
als erfindungswesentlich angesehen.
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Die Energiedichte, die mit einem Kondensator mit Metallpapier und
zwei Kunststoff-Folien, wie er oben beschrieben wurde, erreichbar ist, wobei das
Papier und die Folien jeweils 6 um dick sind, beträgt etwa 1,2 J/cm3. Beispielsweise
weist ein Kondensator, der zwei Wickel von je 11 uF enthält, die elektrisch parallelgeschaltet
sind, bei einer Spannung von 6 kV eine elektrische Energie von 400 J auf und findet
in einem Gehäuse von 350 cm3 Platz. Er hat ein Gewicht von etwa 510 g.
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Mit dem gleichen konstruktiven Aufbau, jedoch mit kleinerer Dicke
der verschiedenen Dielektrika, können bei gleicher Energiedichte Kondensatoren für
implantierbare Defibrillatoren mit folgenden Eigenschaften verwirklicht werden:
Die Speicherenergie beträgt zwischen 10 J und 50 J (vorzugsweise 20 J bis 50 J)
mit weitgehend beliebigen Kapazitäts-und Spannungswerten.
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Vorzugsweise sind beim erfindungsgemäßen Kondensator zwei Kunststoff-Folien
vorgesehen, und die Dicke des Papiers (Lackpapier) und jeder Kunststoff-Folie beträgt
etwa 6 um.
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Die Dicke der Metallisierung aus Zink beträgt dabei, um den angegegenen
Flächenwiderstand von etwa 2 bis 15 Ohm zu verwirklichen, etwa 0,01 bis 0,02 um.
Die Energiedichte, die sich mit einem derartigen Kondensator verwirklichen läßt,
liegt bei der Betriebsspannung (je nach Anwendungsgebiet) etwa im Bereich zwischen
0,5 J/cm3 und 1,2 J/cm3. Während bei dieser Ausführungsform der Erfindung somit
das Dielektrikum eine Gesamtdicke von etwa 18 um hat, was bei einer Spannung von
etwa 6000 V eine durchschnittliche Feldstärke über das Gesamtdielektrikum von 333
V/um ergibt, liegt die Belastung handelsüblicher Kondensatoren unter 150 V/um. Bei
der Erfindung kann also die Spannungsfestigkeit des Dielektrikums sehr viel stärker
ausgenutzt werden als beim Stand der Technik.
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Bei den bisher besprochenen Ausführungsformen, bei denen der Flächenwiderstand
etwa 2 bis 15 Ohm beträgt, ist vorzugsweise ein Bereich von etwa 5 bis 10 Ohm verwendet,
weil dieser Bereich für die meisten Ausführungsformen am günstigsten erscheint.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen mit einem Flächenwiderstand zwischen
etwa 2 und 15 Ohm ist durch
die Wahl dieses Flächenwiderstands
gewährleistet, daß die für die Selbstheilung der Metallisierung verbrauchte Energie
klein bleibt und keine zerstörerische Auswirkung hat. Bei diesen Ausführungsformen
ist die Belastbarkeit des Kondensators und/oder seiner Lebensdauer, in der Anzahl
von Lade-und Entladezyklen gemessen, begrenzt.
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Untersuchungen mit einem der in den Ausführungsbeispielen beschriebenen
Kondensatorwickel mit einer Kapazität von 11 AF bei einer Spannung von 6000 V, entsprechend
einer gespeicherten Energie von 200 J, haben ergeben, daß bei einem Entladestrom
von 1000 A bei 10.000 Entladungen kein Abbau der Metallisierung feststellbar war.
Im Augenblick ist nicht bekannt, wieviele Entladungen bei einem derartigen Kondensator
tatsächlich durchgeführt werden können, bis die Metallisierung sich zu einem merklichen
Betrag abgebaut hat, wodurch ein Verlust an Kapazität hervorgerufen wird.
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Zur Erfindung gehörig werden nicht nur einzelne Kondensatorwickel
mit oder ohne Gehäuse oder, wie im Ausführungsbeispiel beschrieben, die Parallelschaltung
einiger weniger Wickel zu einer in einem Gehäuse angeordneten Batterie angesehen,
sondern zur Erfindung gehören auch Kondensatorbatterien, die eine Vielzahl von in
Serie und/oder parallel geschalteten Kondensatoren entweder in einem gemeinsamen
Gehäuse oder eine solche Parallel- bzw. Serienschaltung von in Gehäuse eingeschlossenen
Einzelkondensatoren oder kleinen Kondensatorbatterien aufweisen.
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Die Erfindung betrifft nicht nur den Kondensator oder die Kondensatorbatterie
an sich, die sich für die Verwendung bei Hochspannungsgeräten eignet, sondern als
Erfindung wird auch eine Verwendung eines Kondensators oder eine Kondensatorbatterie
in einem Hochspannungsgerät bei einer Spannung angesehen, die über der beim Stand
der Technik angewandten Spannung liegt und die mindestens eine Feldstärke in Höhe
von 50 % der oben definierten
Feldstärke verursacht.
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Insbesondere dann, wenn der Kondensator mit räumlich kleinen Abmessungen
und für niedrigere Betriebsspannungen, als die bisher genannten maximalen Betriebsspannungen,
verwendet werden soll, kann es zweckmäßig sein, ein besonders dünnes Papier zu verwenden.
Dabei kann es zweckmäßig sein, das Kondensatorpapier mit einer Dicke von höchstens
5 Um und insbesondere mit einer Dicke zwischen 2,5 Um und 5 Um zu verwenden. Soweit
bekannt, ist ein derartig dünnes Kondensatorpapier zur Zeit im Handel nicht erhältlich.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein derartiges dünnes
Kondensatorpapier durch Pressen eines dünnen handelsüblichen Kondensatorpapiers
von beispielsweise 6 um Dicke hergestellt werden. Vorzugsweise erfolgt das Pressen
unter dem Einfluß von Wärme und Feuchtigkeit, wobei das Papier eine relative Feuchtigkeit
von 20 ffi bis 40 % aufweist und einer Temperatur von 60"C bis 1200C ausgesetzt
ist.
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Vorteilhaft erfolgt das Pressen durch Walzen, zwischen denen das als
Ausgangsmaterial verwendete Papier hindurchgeführt wird. Anstatt einer Anfeuchtung
durch Wasser, insbesondere Wasserdampf, oder zusätzlich, kann auch ein Befeuchten
mit einem Lack, der die Papierstruktur nach dem Pressen fixiert, oder ein chemisches
Mittel, insbesondere ein die Fasern erweichendes Mittel, verwendet werden.
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Da es infolge eines nicht zu vernachlässigenden Lagerspieles der Walzen
schwierig ist, eine äußerst geringe Spaltdicke zwischen zwei Walzen einzustellen,
wie sie für die Herstellung eines beispielsweise 4 um dicken Kondensatorpapiers
erforderlich wäre, ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens vorgesehen, daß mindestens zwei zylindrische Walzen vorhanden sind,
die dicht aneinander anliegend gegenläufig antreibbar sind, und eine der Walzen
weist eine umlaufende Vertiefung mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt auf,
deren Breite mindestens gleich der Breite und deren Tiefe geringer ist als die Dicke
des als Ausgangsmaterial verwendeten Papiers. Dadurch können die beiden Walzen in
ihrem Bereich außerhalb der genannten Vertiefung fest aneinander anliegen, und dennoch
ist im Bereich der Vertiefung die erforderliche Spaltdicke gewährleistet. Der Preßvorgang
oder Walzvorgang soll eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen, damit durch eine Art
von Fließvorgang sich die Form der das Papier bildenden Fasern aus natürlicher Cellulose
verändern kann.
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Durch Zerstörung der Membran natürlicher Cellulosefasern können dünnere,
die Fasern bildende Cellulose-Fibrillen gewonnen werden. Bei der üblichen Herstellung
des Papierbreies zur Fertigung von Papier enthält der Papierbrei bereits einen Anteil
von etwa 10 bis 20 % derartiger Cellulose-Fibrillen. Diese Fibrillen können aus
dem Papierbrei, der ggf. mit Wasser stärker verdünnt werden müßte, durch Einwirkung
natürlicher oder künstlicher Schwerkraft, also durch Absetzen oder Zentrifugieren,
gewonnen werden. Die massiveren Cellulosefasern setzen sich schneller ab als die
feineren Cellulosefibrillen. Wenn aus diesen Fibrillen, wie
gemäß
einer Ausführungsform vorgesehen, ein Kondensatorpapier hergestellt wird, so kann
dieses mit einer geringeren Dicke als das herkömmliche Kondensatorpapier erzeugt
werden, weil die Cellulosefibrillen erheblich dünner sind als die Fasern und daher
trotz ausreichender gegenseitiger mechanischer Vernetzung nach Art eines Faservlieses
nur eine äußerst dünne Schicht ergeben.
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Während die Fasern von Nadelbaumcellulose einen Durchmesser zwischen
3 um und 6 um und eine Länge von ungefähr 200 m haben, haben die entsprechenden
Fibrillen einen Durchmesser von etwa 0,2 bis 0,4 um und eine Länge von etwa 3 bis
4 um.
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Demgegenüber haben die hier nicht interessierenden sogenannten Mikrofibrillen
einen erheblich kleineren Durchmesser von etwa 0,06 bis 0,08 um.
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Die Cellulosefibrillen können auch dadurch in größeren Mengen gewonnen
werden, daß Cellulosefasern mit Ultraschall behandelt werden. Der Ultraschall hat
vorzugsweise eine Frequenz zwischen 400 kHz und 600 kHz.
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Die Membran der Cellulosefasern kann auch durch chemische Mittel zerstört
werden, um die Fibrillen zu gewinnen. Hierzu eignet sich Hypochlorit in wässeriger
Lösung, das Chlor abspaltet, durch das die Membran zerstört wird.
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Bei einem hiervon prinzipiell abweichenden Verfahren wird handelsübliches
Kondensatorpapier, das beispielsweise eine Dicke von 6 um aufweist, erfindungsgemäß
auf mindestens einer Oberfläche mit einem Lösungsmittel oder Plastifizierungsmittel
für Cellulose angefeuchtet und das Papier anschließend gepreßt. Das Lösungsmittel
wird dabei in einer
derartigen Menge verwendet, daß die faserige
Struktur des Kondensatorpapiers mindestens teilweise erhalten bleibt. Als Plastifizierungsmittel
ist Schwefelkohlenstoff (CS2) geeignet.
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Die vorstehend geschilderten Kondensatorpapiere, die eine erhebliche
geringere Dicke als die handelsüblichen Papiere aufweisen, haben den Vorteil geringerer
Hohlräume und einer größeren Dichte, wodurch auch die elektrische Durchschlagfestigkeit
dieser Papiere höher ist als bei üblichen Papieren. Durch Verwendung derartiger
erfindungsgemäßer Kondensatorpapiere wird somit der Kondensator einerseits kleiner,
weil das Papier weniger Volumen einnimmt, so daß die Volumenkapazität ansteigt,
und andererseits kann das Papier einer höheren Feldstärke ausgesetzt werden als
herkömmliche Papiere, so daß hierdurch die Kondensatorspannung im Vergleich zu herkömmlichen
Kondensatoren und somit die gespeicherte elektrische Energie nochmals vergrößert
werden kann.
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Bei herkömmlichen Metallpapieren weist die Metallisierung häufig in
Poren des Papiers trotz eines evtl. vorhandenen Lacküberzuges tief eindringende
Metallspitzen auf, die zu Überschlägen Anlaß geben. Bei der bekannten Herstellung
der Metallisierung von Metallpapieren wird Metall, beispielsweise Zink, im wesentlichen
rechtwinklig auf eine Papierbahn aufgedampft. Demgegenüber ist bei einem erfindungsgemäßen
Verfahren zum Metallisieren eines Kondensatorpapiers vorgesehen, daß das Metall
unter einem spitzen Winkel von weniger als 75°, vorzugsweise unter einem Winkel
im Bereich zwischen 10" und 45°, wobei ein Bereich zwischen 25° und 45" abermals
bevorzugt wird, aufgebracht wird. Dabei wird im Augenblick
bevorzugt,
daß der Weg der Metallpartikel eine Bewegungskomponente in Bewegungsrichtung der
Papierbahn hat. Es sind jedoch auch andere Orientierungen der Bahn der Metallpartikel
möglich. Der Vorteil der genannten Ausführungsformen liegt darin, daß die Metallpartikel
in etwa vorhandene tiefe Poren der Papierbahnen deswegen, weil sie schräg auf das
Papier auftreffen, nicht mehr oder weniger stark eindringen können, so daß die Anzahl
von Durchschlägen verringert und die Spannungsfestigkeit des Papiers erhöht wird.
Es werden im wesentlichen nur die erhabenen Stellen des Papiers mit Metall beschichtet.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des soeben beschriebenen Verfahrens
zum Metallisieren des Kondensatorpapiers zeichnet sich dadurch aus, daß die Bahn
der zum Beschichten des Papiers vorgesehenen Metallpartikel so gewählt ist, daß
diese unter einem spitzen Winkel auf die sich bewegende Papierbahn auftreffen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen für
Kondensatoren und für Kondensatorbatterien anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche
Einzelheiten zeigt, weiter erläutert. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung
verwirklicht sein.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch die beiden Mehrfachschichten
eines Einzelkondensators, die im aufgewickelten Zustand den Kondensator bilden,
Fig.
2 einen Längsschnitt durch eine Kondensatorbatterie mit zwei Einzelkondensatoren
in einem Metallgehäuse Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung eines anderen
Kondensators, Fig. 4 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Metallisieren
eines Papiers, Fig. 5 eine Vorrichtung zum Pressen des Kondensatorpapiers in schematischer
Seitenansicht, Fig. 6 einen Längsschnitt nach der Linie VI-VI in Fig. 5.
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In Fig. 1 sind zwei völlig gleich ausgebildete Mehrfachschichten 1
und 2 gezeigt. Jede Mehrfachschicht besteht aus einem mit einer Metallschicht 4
bzw. 4' aus Zink versehenen Papier 5 bzw. 5' und zwei Kunststoff-Folien 6 und 7
aus Polyäthylenterephthalat. Bei dem Papier 5, 5' mit der Metallschicht 4, 4' handelt
es sich um sogenanntes Metallpapier. Das Papier 5, 5' selbst ist Lackpapier. Die
Lackschicht besteht aus Celluloseacetat, es kann auch z.B.
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Celluloseacetobutyrat verwendet werden. Der Lack ermöglicht eine glatte
Oberfläche und ist in einer Dicke von etwa 0,5 um aufgetragen. Die Metallschicht
4 reicht nicht bis zum rechten seitlichen Rand des Papiers 5, jedoch bis zum linken
Rand, und die Metallschicht 4' reicht bis zum rechten Rand des Papiers 5', nicht
jedoch bis zum linken Rand. Die Abstände auf jeder Seite betragen 3 mm. Zusätzlich
sind die Mehrfachschichten mit ihrer zugehörigen Metallisierung noch etwas (etwa
1 mm) seitlich verschoben. Dies ist in der
Zeichnung nicht dargestellt.
Die Papiere 5, 5' und die Kunststoff-Folien 6 und 7 sind gleich breit. Auf die in
Fig.
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1 links und rechts liegenden Stirnflächen des durch Aufwikkeln der
Mehrfachschichten 1 und 2 gebildeten Kondensators 10 ist eine Metallschicht 11 bzw.
12 aus Zink aufgespritzt, die die Metallschichten 5 bzw. 5' kontaktieren und an
denen Anschlußdrähte angelötet werden können. Die Metallschicht 4, 4' hat einen
Flächenwiderstand von 7,5 Ohm und ist jeweils 15 nm (Nanometer) dick. Unterhalb
des Zinks befindet sich eine Silberschicht von 0,2 bis 0,5 nm Dicke.
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Das trockene Papier hat einen spezifischen Isolationswiderstand von
10.000 bis 15.000 Megohm x Mikrofarad (bei niedriger Feldstärke gemessen). Mit Siliconöl
getränkt hat das Papier einen spezifischen Isolationswiderstand von etwa 20.000
Megohm x Mikrofarad. Die Grenzfeldstärke beträgt etwa 200 V/um. Der spezifische
Isolationswiderstand des verwendeten Polyesters beträgt 50.000 Megohm x Mikrofarad.
(Alle Widerstände sind bei niedriger Feldstärke gemessen.) Die Papierschicht 5,
5' und die beiden Kunststoffschichten 6 und 7 sind jeweils 6 um dick. Die Kondensatorbatterie
nach Fig. 2 benötigt keine besonderen Maßnahmen zur Energietrennung, also keine
Widerstände oder Induktivitaten. Die in Fig. 1 sichtbare Breite der Papierschicht
und der Kunststoffschichten beträgt beim Ausführungsbeispiel 80 mm, die in Fig.
1 nicht sichtbare Länge beträgt 48 m. Im aufgewickelten Zustand, wobei die Schichten
dicht aneinander anliegen und der fertige Kondensator mit einem flüssigen Dielektrikum,
nämlich mit Siliconöl gefüllt ist, hat der Kondensatorwickel eine Kapazität von
11 P. Durch ein außen um den Kondensatorwickel gewickeltes und fest angezogenes
selbstklebendes Polyesterband von etwa 70 um Dicke wird verhindert, daß sich der
Wickel von selbst löst. Hierdurch
wird sichergestellt, daß auch
im äußeren Bereich des Kondensatorwickels die Mehrfachschichten fest aneinander
anliegen und sich nicht voneinander abheben können. Dadurch wird der Energiebedarf
für die einzelne Selbstheilung gering gehalten. Beim Wickeln des Kondensators werden
die Folien mit einer Kraft von 20 bis 25 N (Newton) gespannt.
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Die Dielektrizitätskonstante des Polyäthylenterephthalats beträgt
3,2, die Dielektrizitätskonstante des mit dem flüssigen Dielektrikum getränkten
Papiers beträgt 4,8. Insgesamt ergibt sich für das auf diese Weise gebildete Mischelektrikum
eine mittlere Dielektrizitätskonstante von 4,2.
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Die Mehrfachschichten 1 und 2 werden zur Bildung des fertigen Einzelkondensators
oder Kondensatorwickels 10 auf einen Wickeldorn 15 aus Kunststoff aufgewickelt.
In den Ausführungsbeispielen ist dieser Wickeldorn 15 durch ein Kunststoffrohr gebildet
und somit hohl. Der Einzelkondensator 10 kann allein in ein Gehäuse eingebaut werden.
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BeiWmS Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind jedoch in einem Gehäuse
60, das durch einen gezogenen Metallbecher 21 aus Aluminium gebildet ist, zwei Einzelkondensatoren
10 unter Zwischenlage einer Isolationsschicht 22 eingebaut. Die einander zugewandten
Metallschichten 11 und 12 der beiden Einzelkondensatoren 10 im mittleren Bereich
des Gehäuses 60 sind durch einen Verbindungsdraht 24 mittels Lötpunkten 25 miteinander
verbunden, und eine Leitung 26 ist mit der Leitung 24 verbunden und durch den Wickeldorn
15 des in Fig. 2 rechten Einzelkondensators 10 hindurch nach rechts geführt und
durch eine isoliert montierte Anschlußbuchse in einem Metalldeckel 28, der das Gehäuse
60 verschließt,
herausgeführt. Die Metallschicht 11 des linken
Einzelkondensators 10 ist über eine durch beide Wickeldorne 15 verlaufende Verbindungsleitung
32 mit der Metallschicht 12 des rechten Einzelkondensators 10 verbunden und durch
den Dekkel 28 hindurch nach außen zu einem Anschluß 34 geführt. Die beiden Kondensatoren
bilden eine Batterie.
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Die Kondensatorbatterie wird in den Metallbecher 21 eingebaut und
das Gehäuse mit dem flüssigen Dielektrikum 36 gefüllt, wobei das Auffüllen in an
sich bekannter Weise im Vakuum erfolgt, um Lufteinschlüsse zu verhindern. Anschließend
wird der Deckel 28 dicht aufgebracht. Die Verbindungsleitungen im Inneren des Gehäuses
sind ausreichend lang bemessen, um den die Anschlüsse 26 und 34 tragenden Deckel
vor dem Verschließen kontaktieren zu können. Die Kondensatorbatterie ist nun gebrauchsfertig
und kann an eine Gleichspannung beliebiger Polarität angeschlossen werden. Die Verbindungsleitungen
im Gehäuse haben einen vernachlässigbaren Widerstand.
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Die Anordnung nach Fig. 2 hat Gehäuseabmessungen von 50 mm Durchmesser
und 180 mm Länge und ein Gewicht von 510 g. Die Batterie hat eine Kapazität von
22 uF. Die Energiedichte bezogen auf das Gewicht beträgt bei einer Betriebsspannung
von 6.000 V 0,77 J/g und liegt deutlich höher als bei herkömmlichen Kondensatoren
mit Polyester-Dielektrikum. Bei einer Betriebsspannung von 5.700 V treten nur selten
(im Durchschnitt nach je 1000 Aufladungen) Durchschläge auf, bei einer Betriebsspannung
von 7.000 V tritt bei jedem Aufladevorgang mindestens ein Durchschlag auf. Als Siliconöl
ist Methylpolysiloxan 47V100 von Rhone-Poulenc, Frankreich verwendet.
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Der Kondensator hat bei einer Betriebsspannung von 6.000 V eine durchschnittliche
Feldstärke von 333 V/um. Im Papier herrscht eine Feldstärke von 150 V/um und im
Polyester herrscht eine Feldstärke von 400 V/um. Diese Werte wurden meßtechnisch
ermittelt.
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Eine Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Batterie verwendet anstatt
der zwei Kunststoffschichten mit je 6 um Dicke zwei Kunststoffschichten des gleichen
Polyesters mit je 4 Um Dicke. Bei einer Betriebsspannung von 4.400 V herrscht dann
im Papier eine Feldstärke von 150 V/um und im Kunststoff eine Feldstärke von 450
V/um. Es ist hier die Grenzfeldstärke beider Dielektrika zu 80 % ausgenutzt. Dieser
Batterie mit zwei Kondensatoren hat eine Kapazität von 40 Mikrofarad und speichert
bei der genannten Spannung eine Energie von etwa 400 J.
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Man kann damit rechnen, daß das Volumen der Batterie einschließlich
des Gehäuses etwa 10 bis 15 % größer ist als das Volumen der Kondensatorwickel.
Im Beispiel der Fig. 1 hat der beschriebene Kondensator mit den Kunststoff-Folien
von je 6 um Dicke eine Energiedichte von etwa 1,2 J/cm3 bei der Betriebsspannung
von 6.000 V. Der modifizierte Kondensator mit einer Dicke der Kunststoff-Folien
von 4 um hat eine Energiedichte von etwa 1,1 J/cm3 bei der genannten Betriebsspannung
von 4.400 V.
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Der in Fig. 3 gezeigte, für industrielle Anwendung bestimmte Kondensator
verwendet herkömmliches Kondensatorpapier mit 6 um Dicke und 100 mm Breite. Es ist
ein 5 mm breiter, nicht
metallisierter Rand vorgesehen. Der Kondensator
weist drei Folien 86, 87, 88 aus dem oben genannten Polyester mit einer Dicke von
je 8 um auf. Die Mehrfachschichten sind hier mit den Bezugszeichen 81 und 82 versehen.
Der Kondensator ist auf einen Dorn von 11 mm Durchmesser aufgewickelt. Sein Außendurchmesser
beträgt 98 mm. Es ergibt sich eine Kapazität von 23 W Bei einer Betriebsspannung
von 9,5 kV ergibt sich eine gespeicherte Energie von 1038 J. Die Energiedichte beträgt
etwa 1,9 J/cm3. Die Länge der Mehrfachschichten (im abgewickelten Zustand) beträgt
122 m. Es können durch dicke Drähte, also ohne Maßnahmen zur Energietrennung, derartige
Kondensatoren zu Batterien zusammengeschaltet werden. Beispielsweise ergibt eine
Parallelschaltung von vier solchen Kondensatoren eine Kapazität von 92 WF, die Betriebsspannung
beträgt dabei nach wie vor 9,5 kV. Bei einer Serienschaltung ergibt sich ein Kapazität
von 5,75 WF mit einer Betriebsspannung von 38 kV. Auch dieser Kondensator ist wieder
mit dem genannten Siliconöl getränkt.
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Ein Ausführungsbeispiel eines nicht in der Zeichnung gezeigten Kondensators
mit äußerst dünnem Papier wird nun beschrieben: Der Kondensator weist im fertigen
Zustand keinen Wickeldorn auf. Er weist für jeden Belag ein Metallpapier mit 4 um
Dicke und eine Kunststoff-Folie aus Polyäthylenterephthalat, ebenfalls mit 4 um
Dicke auf. Das Aufwickeln des Kondensatorwickels erfolgte mit Hilfe eines Wickeldorns
von 3 mm Dicke. Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn der Wickeldorn, auf den die
Mehrfachschichten fest aufgewickelt sind, im Kondensator verbleibt, im Betrieb Durchschläge
nahe dem Zentrum sehr häufig auftreten. Dies vermutlich deshalb, weil durch elektrostatische
Kräfte das Dielektrikum nahe dem Wickeldorn mechanisch stark beansprucht wird. Daher
wurde
bei diesem Kondensator der Wickeldorn nach dem Wickeln entfernt,
so daß der innere Teil des Wickels mechanisch entlastet ist. Es kann bei Bedarf
nachträglich durchaus ein dornartiger Teil aus Isolierstoff, insbesondere in Rohrform,
in den inneren Hohlraum eingesetzt werden, wenn dieser Teil nicht stark gegen die
inneren Windungen drückt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein derartiger dornartiger
Teil nicht erforderlich ist und daß der Wickel dennoch seine Form beibehält. Die
Breite der Folien beträgt im Beispiel 80 mm.
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Die Kapazität beträgt 13 uF. Bei einer Betriebsspannung von 2500 V
läßt sich eine elektrische Energie von 40 J speichern. Die Metallisierung des Kondensators
ist in der gleichen Stärke vorgesehen wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 (Flächenwiderstand
etwa 7,5 Ohm). Der Außendurchmesser des Wickels beträgt 20 mm. Sein Volumen beträgt
25 cm3. Die Energiedichte beträgt bei der angegebenen Spannung 1,6 J/cm3.
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Weitere Ausführungsformen von Kondensatoren können eine Breite der
Mehrfachschichten (bei Wickelkonensatoren demzufolge eine Länge des Zylinders) zwischen
etwa 20 mm und 100 mm aufweisen. Der Außendurchmesser kann vorzugsweise zwischen
15 mm und 100 mm betragen. Sofern ein Wickeldorn im fertigen Kondensator verbleiben
soll, kann dieser zweckmäßig einen Durchmesser zwischen 9 mm und 11 mm haben. Sofern
der Dorn nach dem Wickeln entfernt werden soll, hat er zweckmäßigerweise einen Durchmesser
zwischen 2 und 5 mm.
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Das Papier hat bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung eine Dicke
zwischen 2,5 um und 12 um. Die Polyesterschicht
ist zwischen 2,Sum
und 40 um dick. Ab 5 Um Dicke der Polyesterschicht wird dise zweckmäßigerweise als
Mehrfachschicht, wie oben beschrieben, ausgebildet.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Kondensators ist ein
aus Fibrillen hergestelltes metallisiertes Papier mit 2,5 um Dicke und eine aus
dem oben bereits mehrfach genannten Polyester hergestellte Folie von 2,5 um Dicke
vorgesehen. Die Breite der Papierbahn beträgt 40 mm. Der Außendurchmesser des fertigen
Kondensatos beträgt 20 mm. Der Dorn von 3 mm Dicke wurde nach dem Aufwickeln entfernt.
Der Kondensator hat eine Kapazität von 15 uF und ein Volumen von ungefähr 12 cm3.
Bei einer Betriebsspannung von 2 250 V beträgt die gespeicherte Energie 38 J und
die Energiedichte ungefähr 3 J/cm3. Die durchschnittliche Feldstärke beträgt 450
V/um. Dabei herrscht im Papier eine Feldstärke von 380 V/um und im Polyester eine
Feldstärke von 530 V/um. Der Kondensator ist, wie auch alle anderen hier besprochenen
Ausführungsbeispiele, mit Siliconöl getränkt. Bei diesem Beispiel wird eine Feldstärke
im Polyester in Höhe von 95% der Grenzfeldstärke, bei der ein Durchschlag mit Sicherheit
erfolgt, erreicht. Dies ist deshalb möglich, weil der Kondensator nicht lange auf
seiner höchsten Spannung gehalten wird, sondern sofort, nachdem er während des Aufladevorgangs
eine vorbestimmte Spannung erreicht hat, wieder entladen wird. Eine derartige Anwendung
ergibt sich beispielsweise bei internen Defibrillatoren.
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Fig. 4 zeigt in einer nicht maßstäblichen Darstellung eine Vakuumkammer
100, in der eine Vorratsrolle 102, auf der Kondensatorpapier aufgewickelt ist, und
eine Aufwickelrolle 104
für das Kondensatorpapier 106 gelagert
sind. Das Kondensatorpapier 106 wird über Umlenkrollen 108 geleitet und im oberen
Teil der Vakuumkammer 100 durch eine Blende 110, 112 abgeschattet. Ein Pumpstutzen
101 führt zu einer Vakuumpumpe. In der Vakuumkammer 100 ist ein Tiegel 116 angeordnet,
in dem Zink 118 zum Verdampfen erhitzt wird. Durch an negativer Spannung liegende
Elektroden 120 und 122, die die Vorratsrolle 102 und die Aufwickelrolle 104 abschatten,
wird verhindert, daß Metalldampf sich auf diesen Rollen niederschlagen kann. Der
Weg, den der Metalldampf bei Fehlen der Elektroden 120 und 122 zu den Rollen 102
und 104 beschreiben könnte, ist mit punktierten Linien dargestellt.
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Eine weitere Elektrode 124, die an positiver Spannung liegt, ist hinter
dem Papier 106 im Bereich einer in der Blende 110, 112 vorgesehenen Aussparung 126
vorgesehen. Die Ausparung 126 ist gegenüber dem Tiegel 116 seitlich versetzt, so
daß der Metalldampf aus dem Tiegel 116, der durch die Aussparung 116 auf das Papier
106 gelangt, auf dieses unter einem Winkel von etwa 45" auftrifft. Der Winkel kann
bei Bedarf auch anders gewählt werden.
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Der Abstand zwischen dem Tiegel 116, der aus Tantal besteht, und dem
Papier 106 im Bereich der Auftreffstelle des Metalldampfes hinter der Aussparung
126 beträgt im Beispiel 30 cm.
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Der Abstand kann je nach Anwendungsfall etwa 15 bis 30 cm betragen.
Die Temperatur des Metalls beträgt 400 bis 800" C.
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Die Lineargeschwindigkeit des Papiers beträgt 2 bis 4 m/min.
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Die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung Uo, auf der der Tiegel
116 liegt, und der demgegenüber positiven Spannung U der Elektrode 124 beträgt 400
bis 800 V. Die Elektroden 120 und 122 liegen auf einer gegenüber dem Tiegel 116
negativen Spannung von etwa -100 bis -200 V. In der Vakuumkammer 100
herrscht
ein Druck von etwa 10-2 bis 10-5 Torr. Die Dicke des auf dem Papier niedergeschlagenen
Metallbelags hängt von der Temperatur des Metalls, dem Winkel, unter dem es auf
das Papier auftrifft, der Vorschubgeschwindigkeit des Papiers, den Spannungen, dem
Druck in der Kammer 100 und dem Abstand zwischen dem Tiegel und dem Papier ab.
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Fig. 5 und 6 zeigen schematisch eine Anordnung von drei Metallwalzen
200, 202, 204, deren Mantellinien aneinander anliegen und deren Achsen in einer
Ebene liegen. Die mittlere Metallwalze 200 wird angetrieben und überträgt die Drehbewegung
durch Reibung auf die anderen Walzen. Die mittlere Walze 200 weist eine umlaufende
Vertiefung 206 von 85 mm Breite und 4 um Tiefe auf. Eine Papierbahn 208 aus handelsüblichem
Kondensatorpapier mit 6 um Dicke wird von einer Vorratsrolle 210 zunächst unter
einer Dampfdüse 212, die zum Anfeuchten dient, hindurchgeführt und zwischen der
oberen Walze 202 und der mittleren Walze 200 und anschließend zwischen der mittleren
Walze 200 und der unteren Walze 204 hindurchgeführt. Dabei verläuft die Papierbahn
ausschließlich im Bereich der Vertiefung 206. Das gepresste Papier wird auf einer
Aufwickelrolle 214 aufgewickelt. Im Bereich der mittleren Walze 200 ist eine weitere
Düse 216 vorgesehen, der je nach auszuführendem Verfahren entweder Wasserdampf oder
ein Lack oder eine sonstige Substanz zugeführt wird, damit diese auf das Papier
aufgebracht wird. Durch die Düse 212 wird das Papier auf eine relative Feuchtigkeit
zwischen 25 und 35% gebracht. Die Walzen 200 bis 204 werden über elektrisch beheizte
Infrarotstrahler 220 auf eine Temperatur zwischen 80C C und 110° C aufgeheizt. Der
Durchmesser der Walzen 200 bis 204 ist jeweils gleich und beträgt
f0
cm. Die mittlere Walze 200 ist in einem Maschinengeell 222 um eine ortsfeste Achse
drehbar gelagert, wogegen die obere Walze 202 und die untere Walze 204 in Höhenrichtung
verschiebbar sind und durch hydraulische Kolben-Zylinder-Einheiten 224 gegen die
Walze gedrückt werden. Die Kolben-Zylinder-Einheiten 224 werden durch eine Hydraulikpumpe
226 gespeist. Regelorgane 228 gestatten es, den Druck einzustellen und dadurch die
Kraft zu bestimmen, mit denen die Walzen gegeneinander gepreßt werden. Im Ausführungsbeispiel
beträgt dieser Druck etwa 1000 bis 1500 daN/cm2. Die Transportgeschwindigkeit des
Papiers beträgt 8 bis 10 m/min.
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Das die Preßanordnung verlassende Papier hat eine Dicke von 4 bis
4,2 m.
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Das Papier, das auf diese Weise erzeugt wird, hat eine Dichte von
etwa 1,4 bis 1,5 g/cma. Die gleiche Dichte gilt für Papier, das unter ausschließlicher
Verwendung von Fibrillen hergestellt ist. Die Spannungsfestigkeit des Papiers beträgt
bis zu 400 V/um (wenn mit Siliconöl getränkt).
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Die Kondensatoren und Kondensatorbatterien gemäß der Erfindung sind
für Defibrillatoren sowohl für externe Defibrillation als auch für implantierbare
Defibrillatoren geeignet.
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Für letztere eignen sich besonders die räumlich kleineren Kondensatoren.
Außerdem sind die Kondensatoren und Kondensatorbatterien geeignet für andere Hochspannungsgeräte
mit impulsartiger Betriebsweise, insbesondere Blitzlichtgeräte und auch Laser. Schließlich
eignen sich die Kondensatoren,
die das oben beschriebene neue relativ
dünne Kondensatorpapier hoher Dichte, insbesondere wenn es mit der beschriebenen
neuartigen Metallbeschichtung versehen ist, hohe Durchschlagspannung aufweisen,
auch für Hochspannungsgeräte, bei denen die Kondensatoren nicht nur impulsweise
oder kurzzeitig, sondern dauernd an hoher Spannung liegen, insbesondere auch an
einer Wechselspannung.
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Was das flüssige Dielektrikum anbelangt, so haben die bisherigen Versuche
einen deutlichen Vorteil für Siliconöl gegenüber einer bei Versuchen verwendeten
Variante von Rizinusöl gezeigt. Da es aber viele Varianten von Rizinusöl gibt, die
zusätzlich aufgrund unterschiedlicher Behandlungen verschiedene elektrische Eigenschaften
erhalten, so ist es denkbar, eine Sorte zu finden, die bei entsprechender Behandlung
den Bedingungen der Erfindung genügt.
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Auch ein entsprechend ausgesuchtes und behandeltes Mineralöl kann
den Zweck der Erfindung erfüllen. Unter Behandlung wird hier, wie oben schon ausgeführt,
der Einfluß von Temperatur und eines verminderten Drucks, sowie die Dauer dieser
Behandlung auf das flüssige Dielektrikum verstanden.
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Als Metall für das Metallpapier kommt insbesondere auch Aluminium
in Frage.
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Anstatt des bei den bisherigen Ausführungsbeispielen beschriebenen
Polyesters kann auch Polypropylen verwendet werden. Dies eignet sich besonders für
Wechselspannung, beispielsweise mit einer Prequenz von 50 Hz, da es bei
Wechselspannung
nur geringe Verluste aufweist. Die Spanzmrlgsfestigkeit beträgt etwa 600 V/m. Die
Dielektrizitätskonstante ist kleiner als bei Polyester und beträgt 2,2.
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Bei relativ hoher Temperatur (etwa 85° C bis 125° C) erweist es ich
als vorteilhaft, Polycarbonat als Material für die Kunststoff-Folie zu verwenden,
weil dieses bei diesen Tempera-turen seine elektrischen Eigenschaften nicht wesentlich
ändert. Bei niedrigen Temperaturen sind jedoch die elektrischen Eigenschaften von
Polyester und Polypropylen günstiger. Die Durchschlagfestigkeit von Polycarbonat
beträgt nur 200 V/m, und daher ist die erreichbare Energiedichte entsprechend kleiner.