DE69007279T2

DE69007279T2 - Luftdicht verschlossener elektrolytischer Aluminium-Kondensator.

Info

Publication number: DE69007279T2
Application number: DE69007279T
Authority: DE
Inventors: Clinton Eugene Hutchins; Eugene William Kuzia; Phyllis Mary Schmidt; Walter Warren Schroeder Jr
Original assignee: Sprague Electric Co
Current assignee: Sprague Electric Co
Priority date: 1990-03-26
Filing date: 1990-12-12
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2010-12-13
Also published as: JPH04223320A; CA2029261A1; CA2029261C; US4987519A; DE69007279D1; EP0448873A3; EP0448873A2; EP0448873B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft luftdicht abgeschlossene Aluminium- Elektrolytkondensatoren und insbesondere einen in eine Aluminiumhülse eingebetteten Kondensator, der an einem Ende durch eine Glas-Metall-Verschmeizung verschlossen werden kann.
Wenngleich es seit langem anerkannt ist, das die besten und zuverlässigsten luftdichten Endabdichtungen für Elektrolytkondensatorgehäuse Glas-Metall- Verschmelzungen sind sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren im wesentlichen immer in einer Aluminiumhülse eingeschlossen, die durch eine Endabdichtung aus Kunststoff und elastomeren Isolierwerkstoffen verschlossen wird.
Versuche nach dem bisherigen Stand der Technik, einen luftdicht abgeschlossenen Aluminium-Elektrolytkondensator herzustellen, waren bisher nicht erfolgreich, da kein Verschmelzungsglas entwickelt worden ist, weiches mit den Werkstoffen des Dichtungsrings, der Aluminiumkonsatorelemente und der Hülse kompatibel ist. Einige der Probleme bei Glas-Aluminium-Verschmelzungen werden von Sparrow et al in US 3,522,489 vom 4, August 1970 angeführt, worin Versuche zur Lösung dieser Probleme offenbart sind.
Ein weiterer Versuch nach dem bisherigen Stand der Technik wird von Markarian et al. in US 3,628,104 vom 14. Dezember 1971 aufgezeigt, worin zwei Glas-Metall-Verschmelzungen einen Abschnitt des Aluminium-Elektrolytkondensators schaffen, der sich elektrisch frei in einer Hülse aus dem gleichen Metall, welches auch für den Dichtungsring verwendet wird, befindet. Eine zylindrische Hülse aus rostfreiem Stahl wird an deren Enden durch Verschweißen mit den Außenringen der beiden Glas-Metall-Verschmelzungen aus rostfreiem Stahl verschlossen. Die Verwendung der beiden Verschmelzungen vermeidet das Problem des Anschlusses der Kathode des Kondensatorabschnittes an ein anderes Metall als Aluminium (rostfreier Stahl). Ein solches anderes Metall, das im Gehäuse an die Aluminiumkathode angeschlossen wird, um eine Verschmelzung zu eliminieren, würde, obwohl sie an rostfreien Stahl angeschweißt werden könnte, der galvanischen Korrosion unterliegen und letztendlich ausfallen. Außerdem kann die Hülse aus rostfreiem Stahl ohne weiteres an den äußeren Dichtungsring aus rostfreiem Stahl angeschweißt werden.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Aluminium- Elektrolytkondensators, der in einem tatsächlich luftdichten Gehäuse mit nur einer luftdichten Endabdichtung eingeschlossen ist. Ein weiteres Merkmal ist die Schaffung eines solchen Kondensators, der in einer Aluminiumhülse untergebracht ist, um die Kosten zu minimieren und die galvanische Bimetall-Korrosion im elektrischen Anschluß an die Kathode vollständig zu umgehen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein luftdicht abgeschlossener Aluminium-Elektrolytkondensator umfaßt einen Kondensatorabschnitt mit einer Aluminiumanode, die mit einem Elektrolyt in Kontakt ist. Der Kondensatorabsehnitt wird in einer Aluminiumhülse mit nur einem offenen Ende aufgenommen. Eine Glas-Metall-Verschmelzung mit einem Tantal- Außenring wird in die Öffnung der Hülse eingepaßt. Der Tantal-Außenring wird durch eine durchgehende Aluminium-Tantal-Laserschweißnaht an der Hülsenöffnung verschlossen.
Die Erzeugung von Aluminium-Tantal-Schweißnähten und insbesondere die Ausbildung von durchgehenden Al-Ta-Schweißnähten ist vor allem aufgrund der großen Unterschiede bei den Schmelztemperaturen dieser beiden Metalle schwierig. Aluminium schmilzt bei 660ºC und kocht bei 2500ºC, während die Schmelztemperatur von Tantal fast 3000ºC beträgt.
Es wurde herausgefunden, daß Aluminium-Tantal-Schweißnähte jedoch ohne weiteres ausgebildet werden können, indem ein Laser auf die Schnittstelle zwischen den aneinanderstoßenden Aluminium- und Tantalteilen gerichtet wird. Die besten Schweißnähte werden mit Laserenergie erreicht, die annähernd so groß ist wie jene, die für das Verschweißen zweier aufeinandertreffender Tantalteile optimal ist.
Festgestellt wurde auch, daß die besten Al-Ta-Schweißnähte erzielt werden, wenn der Tantal-Ring der Verschmelzung in einer zum Hülsenrand um einige Mikrometer (im Original: "einige mil"; 1 mil = 25,4 um - d.Ü.) vertiefter Position in die Aluminiumhülse eingesetzt wird. Der Aluminiumvorsprung um einige Mikrometer über den Außenkante des Tantal-Rings hinaus schmilzt beim Schweißen und fließt über einen Abschnitt der Tantaloberfläche neben der Außenkante des Rings. Der so entstandene große Schweißnahtbereich hat eine ringförmige Geometrie, einer Unterlegscheibe ähnlich, und ist nur einige Mikrometer dick. Diese dünne Schweißnaht verläuft zwischen dem verströmten Aluminium und den darunterliegenden Tantal-Ringflächen. Wenngleich beim Schweißen anfangs der Tantal- Ring bündig mit dem Rand der Aluminiumhülse ist, fließt später doch oft etwas Aluminium über den Tantal-Rand. Es wird allerdings bevorzugt, den Aluminiumhülsenrand in Vorbereitung auf das Laserschweißen im Interesse von weniger kritischen Zuständen und größerer Zuverlässigkeit so wie oben erwähnt, also über dem Tantal-Ring, zu positionieren.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein seitlicher Querschnitt eines erfindungsgemäßen luftdicht abgeschlossenen Aluminium-Elektrolytkondensators.
Figur 2 ist eine seitliche Schnittdarstellung eines Teilbereichs 51, der die Positionierung des Tantal-Dichtungsrings zum Rand der Aluminiumhülse kurz vor dem Schweißvorgang während der Herstellung des Kondensators aus Figur 1 verdeutlicht.
Figur 3 zeigt in vergrößerter seitlicher Schnittdarstellung einen Ausschnitt des Teilbereichs 51 mit einem Abschnitt der Schweißnaht zwischen dem Tantal- Ring der Endverschmelzung und der Aluminiumhülse.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In der Zeichnung, die eine bevorzugte Ausführung der Erfindung veranschaulicht, ist ein Aluminium-Elektrolytkondensator mit einem standardmäßig gewickelten Aluminiumkondensatorabschnitt 10 dargestellt. Abschnitt 10 besteht aus einem Paar eloxierter Aluminiumplatten mit dazwischenliegenden Schichten aus porösem Papier.
Der Aluminiumplatten-Papier-Stapel ist um einen Aluminiumdorn 12 gewickelt, der sich über ein Ende des Abschnitts 10 nach außen erstreckt. Beim Wickeln wird eine der Aluminiumplatten, die als Anode dient, am Aluminiumdorn 12 befestigt. Ein Aluminiumstreifen oder Kathodenstreifen 14, dessen eines Ende an die andere Aluminiumplatte angeschweißt wird, geht vom anderen Ende des gewickelten Abschnittes 10 aus. Der Abschnitt 10 wird mit einem Standardelektrolyt auf der Basis von Dimethylforniamid imprägniert. Das andere, hintere Ende des Aluminiumstreifens 14 wird innen an den Boden der zylindrischen Aluminiumhülse 20 angeschweißt. Ein lötbarer Zinn-Kupfer-Kathodenleitungsdraht 16 weist ein Ende auf, welches außen an den Boden der Hülse 20 angeschweißt ist. Somit wird im Hülseninnern eine gänzlich aus Aluminium bestehende elektrische Verbindung zwischen der Aluminium-Kathodenplatte des gewickelten Kondensatorabschnittes 10 und der Hülse 20 geschaffen.
Der Kondensatorabschniu 10 wird in der tiefgezogenen Aluminiumhülse 20 aufgenommen. Die Unterseite des Abschnittes 10 wird gehalten, und seine Bewegung zur Hülse 20 wird durch ein enganliegendes Auflageelement 22 aus Fluorkunststoff verhindert. Die Oberseite des Abschnitts 10 wird zur Hülse 20 durch ein Element 24 aus Fluorkunststoff festgehalten, das einen oberen Bereich des Aluminiumdorns 12 enganliegend umgibt. Das ringförmige Kunststoffelement 24 wird von einem Gummi-O-Ring 26 eingefaßt.
Zur Vorbereitung des Einsetzens des Kondensatorabschnittes 10 in die Hülse 20 wird der Kathodenstreifen 14 durch eine Öffnung in der Mitte des Kunststoffelements 22 gezogen, und das hintere Ende des Kathodenstreifens 14 wird an den Boden der Hülse 20 angeschweißt. Dieser Streifen 14 muß länger sein, als in Figur 1 angegeben, und mehr Verfaltungen enthalten, so daß seine Anbringung an die Hülse 20 vor dem Einsetzen des Abschnitts 10 in die Hülse 20 erfolgen kann, Der Kondensatorabschnitt 10 wird in die Hülse eingeschoben, wodurch der lange Streifen 14 gefaltet und der Kondensatorabschnitt 10 auf das Kunststoff-Auflageelement 22 und den Boden der Hülse 20 aufgesetzt wird.
Ein eloxierter Tantal-Anodensteigdraht 31 weist ein Ende aut, das durch Perkussionsschweißen mit dem Aluminiumdorn 12 verbunden wurde. Das hintere Ende des Steigdrahtes 31 erstreckt sich axial von dem Kondensatorabschnitt 10 nach außen. Die Hülse 20 wird anschließend schnell gedreht, so daß sich eine nach innen gerichtete ringförmige Wulst 28 bildet, welche das ringförnmige Kunststoffelement 24 und den Gummi-O-Ring 26 verformt und gegen die Hülse 20 abdichtet. Dieses innere Abdichtungssystem verhindert fast jegliches Kriechen oder Diffundieren des Elektrolyts aus Abschnitt 10 entlang der Wände der Hülse 20 und entlang der Innenfläche der Glas-Metall-Endverschmelzung 30.
Eine Glas-Metall-Endverschmelzung 30 umfaßt koaxial angeordnete Teile; nämlich eine Tantal-Röhre 32, ein ringförmiges Glaselement 36, welches die Röhre 32 umgibt und mit ihr verbunden ist, sowie einen Tantal-Außenring 34, welcher mit dem Glaselement 36 verbunden ist.
Es folgt die Anbringung der Glas-Metall-Verschmelzung 30 auf der Hülse 20. Ein kleiner Ring 37 aus Butylkautschuk oder dergleichen wird um den Steigdraht 31 angebracht. Die Verschmelzung 30 wird zum offenen Ende der Hülse 20 geführt, so daß der Anoden-Steigdraht 31 in die Röhre 32 eingefädelt und eingeschoben wird. Die Glas-Metall-Verschmelzung 30 wird anschließend in die Öffnung der Hülse 20 hineingeschoben, so daß der elastomere Ring 37 gegen den Dorn 12 gedrückt wird. Die gesamte Konstruktion ist im wesentlichen symmetrisch um die Kondensatorachse 42 angeordnet.
Bei dem Teilausschnitt aus Figur 2 richtet ein Impulslaser mit axialer Ausrichtung 41 zur Achse 42 der Hülse 20 den Laserstrahl auf die Schnittstelle zwischen dem Aluminiumhülsenrand 39 und dem Tantal-Ring 34. Der Strahl wird dabei an der Schnittstelle entlangbewegt, während der Laser wiederholt Impulse erfährt, um eine durchgehende Schweißnaht 40 an der Aluminium-Tantal-Verbindungsstelle auszubilden, wie in Figur 3 vergrößert dargestellt. Diese Schweißnaht 40 kann ausgeführt werden, indem der Laserstrahl fest ausgerichtet und gehalten und die Hülse gedreht wird oder umgekehrt. Es wird bevorzugt, während des Schweißens eine inerte Atmosphäre um die Schweißnaht aufrechtzuerhalten, um eine Oxidation des Aluminiums und des Tantals im Schweißnahtbereich zu verhindern, beispielsweise durch Flutung mit Argon oder einem anderen inerten Gas.
Der eingesetzte Laser ist ein Infrarot-Impuls-Glaslaser, Modell 14 von Coherent General, Sturbridge, Massachusetts. Der Tantal-Abdichtring 34 hat einen Außenumfang von 27 mm. Die Hülse und die Verschmelzungsvorrichtung werden beim Schweißen gedreht, mit 1/24 Umdrehungen pro Sekunde. Bei einer Impulsgebung mit einer Geschwindigkeit von einem Impuls pro Sekunde erzeugt das Schweißgerät ein 26-Impuls-Bündel zur Ausbildung der ringförmigen Schweißnaht in einem Kondensatorgehäuse. Die 26 Impulse ermöglichen eine Überlappung von zwei Schweißnaht-Impulsen bei einer Drehung der Hülse über 360ºC hinaus.
Der Steigdraht 31 wird anschließend in etwa bündig mit dem Ende der Röhre 32 abgeschnitten, und eine Schweißnaht 44 verbindet und verschmilzt beide miteinander. Ein Ende eines lötbaren Anoden-Leitungsdrahtes 46 wird dann mit der Schweißnaht 44 verbunden, um einen elektrischen Anschluß an die Anode des Kondensatorabschnitts zu schaffen.
Wenngleich gute Aluminium-Tantal-Schweißnähte erreicht werden, indem zuerst die Verschmelzung 30 aufgesetzt wird, so daß der Aluminiumrand 39 und der Tantal-Ring 34 zueinander bündig sind, führt die Vorbereitung des Schweißvorgangs, wobei der Aluminiumrand 39 axial über den Tanial-Rand 38 hinausgeht, während des Schweißens zum Schmelzen des Aluminiumrandes 39, zum Fließen des überschüssigen Aluminiums über den heißen Tantal-Rand 38 hinaus und zur Ausbildung eines größeren Schweißnaht-Übergangsbereichs, als es die Konstruktion mit dem bündigen Sitz ermöglicht. Eine metallurgische Untersuchung dieses Al/Ta-Übergangs hat überraschenderweise eine tatsächliche Al-Ta-Schweißnaht 40 mit gleichmäßiger Dicke (in der Größenordnung von 10 Mikrometern) neben dem Tantal-Rand 38, zwischen dem verströmten Aluminium und dem darunterliegenden Bereich des Tantal-Rings 34, wie in Figur 3 dargestellt, ergeben. Es wird davon ausgegangen, daß ein wichtiger Faktor, der zu dieser Tantal-Aluminium-Schweißnaht führt, das viel größere Reflexionsvermögen des Aluminiums im Vergleich zu dem von Tantal ist. So würde bei einer bestimmten Infrarot-Strahlungsmenge das Tantal mehr Energie absorbieren als Aluminium. Das geschmolzene Aluminium liegt eng an der benachbarten ungeschmolzenen Tantaloberfläche an, und die dazwischen ausgebildete dünne Ta-Al-Schweißnaht entsteht wahrscheinlich durch Diffusion von Aluminium im festen Zustand in die Tantaloberfläche hinein. Da das Tantal (im sichtbaren Spektrum) viel dunkler als das Aluminium aussieht, besteht die Auffassung, daß auch Laser, die eine Strahlung anderer Wellenlängen erzeugen, zur Ausbildung dieser ausgedehnten Al-Ta-Verschmelzungs-Schweißnaht eingesetzt werden könnten, obwohl Infrarot-Laser mit vergleichbarer erzeugter Strahlungsenergie ein Vielfaches der Hitze erzeugen und bevorzugt werden.
Es gibt keinen Grund daran zu zweifeln, daß ein Schweißgerät für das kontinuierliche Strahlungsschweißen im Prinzip genauso gut funktionieren würde. Das Impulsschweißen wird jedoch aufgrund der einfachen Einstellung der Wärmezuführungsgeschwindigkeit und der Fähigkeit zum unverzüglichen Beginnen und Aufhören bevorzugt.

Claims

1. Luftdicht abgeschlossener Aluminium-Elektrolytkondensator, der einen Kondensatorabschnitt (10) mit einer Aluminiumanode und einem flüssigen Elektrolyt umfaßt, eine Aluminiumhülse (20), die ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende aufweist, wobei die Hülse den Kondensatorabschnitt und das Elektrolyt enthält, eine Glas-Metall-Verschmelzung (30) mit einem Tantal-Außenring (34), wobei die Verschmelzung enganliegend in das offene Ende eingepaßt ist und es verschließt, wobei der Tantal-Ring mittels einer durchgehenden ringf örmigen Laserschweißnaht (40) vollständig mit der Aluminiumhülse (20) verschweißt ist.

2. Kondensator nach Anspruch 1, wobei der Rand (39) der Aluminiumhülse (20) beim Schweißen geschmolzen worden ist und über einen angrenzenden Umfangsabschnitt (38) des Tantal-Rings (34) geflossen ist, der eng daran anliegt.

3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schweißnaht (40) aus einer dünnen intermetallischen Al-Ta- Schicht am Übergang zwischen dem geschmolzenen Aluminiumhülsenrand (39) und einem Umfangsabschnitt (38) des Tantal-Rings (34) besteht.

4. Kondensator nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Abschnitt eine Aluminiumkathode (14) enthält, die mit dem Elektrolyt in Kontakt ist, und wobei die Kathode (14) entfernt von dem offenen Ende leitend mit dem Inneren der Hülse (20) verbunden ist.

5. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anode ein Tantal-Anoden-Steigdrahtelement (31) enthält, das sich van der Anode erstreckte und die Glas-Metall- Verschmelzung (30) darüber hinaus ein Glaselement (36) aufweist, das sich innerhalb des Tantal-Außenrings (34) befindet und mit ihm verbunden ist, sowie eine Tantal- Röhre (32), die in dem Glaselement eingebettet ist, wobei das Tantal-Steigdrahtelement (31) durch die Röhre (32) verläuft und am vorderen Ende derselben mit selbiger verschmolzen ist.

6. Verfahren zum luftdichten Abschließen eines Aluminium- Elektrolytkondensators, das die Herstellung eines Kondensatorabschnitts mit einer Aluminiumanode in Kontakt mit einem flüssigen Elektrolyt umfaßt, das Anbringen des Abschnitts und des Elektrolyts in einer Aluminiumhülse mit einem offenen Ende, das Ausfüllen des offenen Endes mit einer Glas-Metall-Verschmelzung mit einem Tantal-Außenring in Kontakt mit der Aluminiumhülse, sowie das Dichtschweißen des Rings an die Hülse mittels einer durchgehenden ringförmigen Laserschweißnaht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Ausfüllens darüber hinaus das Einstellen der Tiefe des Tantal- Rings in der Hülse einschließt, so daß sich der Rand der Aluminiumhülse vor dem Abdichten über den Tantal-Außenring erstreckt.