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Dielektrische Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht sich auf Isolierflüssigkeiten,
die insbesondere für die Verwendung in elektrischen Apparaten geeignet sind, beispielsweise
Transformatoren, Schaltern, elektrischen Durchführungen, Kabeln, Sicherungen u.
dgl.
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Es ist bereits bekannt, Mineralöle, die Paraffin- oder Naphthalinkohlenwasserstoffe
oder eine Mischung derselben enthalten, als dielektrische Flüssigkeit zu verwenden.
Derartige Öle besitzen den Nachteil, daß sie Feuergefährlich sind und besonders
unter Einwirkung elektrischer Funken, wie sie beispielsweise bei Kurzschlüssen auftreten,
zur Bildung von Gasen neigen. Solche Gase haben unter Luftzutritt eine explosive
Verbrennung. Zudem sind diese bekannten dielektrischen Flüssigkeiten nicht beständig,
da sie sich leicht zersetzen, zur Bildung von Säuren neigen und schließlich Schlamm
absetzen, so daß sie öfters erneuert oder aufgefrischt werden müssen.
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Man hat bereits versucht, die obigen Nachteile durch Verwendung neuer
Stoffe auszuschalten. Bei der Bildung neuer dielektrischer Flüssigkeiten. müssen
jedoch auch ihre elektrischen Eigenschaften berücksichtigt werden wie z. B. die
Leistungsfaktoren und die elektrische Konstante. Der Leistungsfaktor kennzeichnet
den Betrag der Leistung, der in Wärme aufgebracht werden muß, wenn sich der elektrische
Apparat, beispielsweise der Transförmator, in dem die Flüssigkeit als Isoliermittel
dient, in Betrieb befindet. Die dielektrische Flüssigkeit soll auch die sich bildende
Wärme abführen und gleichermaßen
als Kühlmittel dienen. Vor allem
ist es jedoch erforderlich, daß der Ohmsche Widerstand verhältnismäßig hoch ist,
während der vorher erwähnte Leistungsfaktor in einem niedrigen für die Betriebsverhältnisse
zulässigen Bereiche liegt. ' .
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In dieser Hinsicht wurde bereits vorgeschlagen, anstatt der bisher
verwandten Mineralöle halogenierte, vor allem chlorierte Produkte zu benutzen. Es
wurde bereits chloriertes Toluol,. chloriertes Diphenyl und chloriertes Naphthalin
sowie gewöhnliches Trichlorbenzol verwendet. Wenn auch durch Anwendung dieser Stoffe
viele Nachteile beseitigt werden, die sich aus der Anwendung von gewöhnlichen Mineralölen
ergeben, so besitzen sie doch unter Voraussetzung gleicher Versuchsbedingungen einen
hohen Leistungsfaktor, der bei chloriertem Naphthalin sogar noch 1a % beträgt.
Der Leistungsfaktor der übrigen erwähnten Stoffe beträgt sogar ein Vielfaches dieses
Wertes. Außer den schlechten elektrischen Eigenschaften sind auch teilweise die
Herstellungskosten solcher Stoffe zu hoch.
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Gemäß der Erfindung besteht die dielektrische -Flüssigkeit aus chloriertem
Äthyl= benzol. -Sie kann aus@firicT@lorät@benzol Tetrachloräth-ylbenzol#öder PentchlYoräthylenzolöder
e_inemGemisch dieser Stöff`e"-bestehen e"`-bestehen bzw.=#aus einemisch vön Prak=
liönen, die durch Destillation von chloriertem Äthylbenzol gewonnen sind, das einen
Chlorgehalt von 3,5 bis 5,o Atomen pro Molekül Äthylbenzol aufweist. Die aus chloriertem
Äthylbenzol bestehende Flüssigkeit kann einen Chlorgehalt von q.,o bis 4,8 Atomen
pro Molekül Äthylbenzol enthalten. Der Erstarrungspunkt der Flüssigkeit kann erfindungsgemäß
durch Beimischung einer Isolierflüssigkeit erniedrigt werden, und diese Flüssigkeit
kann ein cyclisch im Kern chlorierter Wasserstoff sein. Es kann für diesen Zweck
Trichlorbenzoloder Tetrachlorisopropylbenzol Verwendung finden. Der Erstarrungspunkt
kann auch durch den Zusatz von chloriertem Äthylbenzol mit einem Siedepunkt zwischen
a6o und 27o° C erniedrigt werden.
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Die erfindungsgemäße dielektrische Flüssigkeit hat zunächst den Vorteil
der Beständigkeit und eines sehr geringen Leistungsfaktors, der unter Voraussetzung
normaler Versuchsbedingungen unter 3 °% und häufig sogar unter i0/0 liegt.
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Einzelne Eigenschaften des Dielektrikums richten sich nach dem besonderen
Verwendungszweck, so z. B. die Viscosität bei niedrigen Temperaturen, die Höhe des
Siedepunktes und die Niedrigkeit des Erstar rungspunktes. Dieser kennzeichnet die
Temperatur, bei welcher feste Kristalle sich aus der Flüssigkeit auszuscheiden beginnen.
Der Erstarrungspunkt kann über der niedrigsten Betriebstemperatur des elektrischen
Apparates liegen, wenn dieselbe unter Voraussetzung keiner oder geringer Betriebsunterbrechungen
höher als die Außentemperatur ist. Zumeist ist es erforderlich, daß ein vollständiges
Erstarren bei keiner Temperatur eintritt. Ferner ist die chemische Stabilität von
Bedeutung und das Verhalten der Flüssigkeit gegenüber Metallen, mit denen es in
Berührung kommt und die nicht angegriffen werden sollen. Allen diesen Erfordernissen
wird die dielektrische Flüssigkeit der Erfindung gerecht oder kann entsprechend
angepaßt werden. Zudem kann dieselbe leicht aus Stoffen hergestellt werden, die
im Handel in jeder gewünschten Menge erhältlich sind.
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Die erfindungsgemäße Flüssigkeit stellt man her, indem beispielsweise
Benzol, welches vorher äthyliert worden ist, chloriert. Vorzugsweise wird Äthylbenzol
chloriert, bis q.,o bis 4,8 Atome Chlor pro Molekül Äthylbenzol. Das auf diese Weise
hergestellte Produkt ist im wesentlichen eine Mischung von Tetrachloräthylbenzol
und Pentachloräthylbenzol und kann unmittelbar als dielektrische Flüssigkeit verwendet
werden.
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Es gibt drei isomere Tetrachloräthylbenzole und vier isomere Trichloräthylbenzole.
Die gemäß der Erfindung hergestellten Stoffe enthalten wahrscheinlich alle Isomere
derä Tetra- und Trichloräthylbenzole in ver-1 schiedenen Mengen, bestehen jedoch
hauptsächlich aus einer Mischung aller drei Isomere von Tetrachloräthylbenzole mit
Pentachloräthylbenzol, von dem es nur eine Form; gibt. Andere Produkte, wie beispielsweise!
Trichloräthylbenzol, sind nur in ganz kleinen i Mengen vorhanden.
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Der Siedepunkt dieser Mischung liegt ungefähr zwischen 26o und 3o5°
C. Beim Abkühlen schlagen gewöhnlich feste Kristalle nieder, und zwar ungefähr*
im Temperaturbereich von 5° bis ro° C. Sind q.,o Atome Chlor pro Molekül Äthylbenzol
vorhanden, so liegt der Erstarrungspunkt unterhalb -o° C, und sind q.;8 Atome Chlor
vorhanden, so liegt der Erstarrungspunkt bei ungefähr 35° C. Durch die Temperatur,
bei welcher bei längerem Abkühlen Kristalle sich niederschlagen, wird der Erstarrungspunkt
bestimmt.
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Die dielektrische Konstante dieser Mischung derTetrachloräthylbenzolisomeren
und Pentachloräthylbenzol beträgt bei Raumtemperatur ungefähr 4,8. Diese Konstante
wird etwas kleiner, wenn die Temperatur steigt. Man fand, daß der Leistungsfaktor
einer solchen Mischung sehr gering ist und bei 8o° C und
nach einer
Prüfdauer von drei Tagen nicht 21/, übersteigt. Die dielektrische Stärke liegt gewöhnlich
im Bereich von 4o bis 45 Kilovolt, ist also größer als die dielektrische Stärke
der gewöhnlichen Transformatoröle. Solche Öle haben gewöhnlich dielektrische Stärken
im Bereich von 3o bis 35 Kilovolt.
| _ Tafel I ' |
| Temperatur, Temperatur, |
| Dichtigkeit bei welcher bei bei welcher die |
| Fraktion Siedebereich Kristalle bei |
| bei 30° C längerem Abkühlen |
| der Erwärmung |
| Kristalle erscheinen verschwinden |
| -26o bis 27o' C 1,4o bis 1,45 unter o ° C unter o ° C |
| (500 - 5Z8° F) |
| 2 270 - 285' C 1,45 - 1,50 unter o ° C =o ° C |
| (518 - 545.0 F) |
| 3 285 - 305 0 C 11,50 - 1,55 2o bis
25' C 3o bis 40' C |
| (545 - 5810 F) ' |
Durch geeignete Regulierung des vorhandenen Chlorgehaltes von 4,o bis 4,8 Atomen
pro Molekül Äthylbenzol können die relativen Mengen einer jeden Fraktion in ver-
| Tafel I1 |
| Anzahl der vorhandenen Chloratome pro Molekül Äthylbenzol |
| Fraktion |
| 4.04 4,11 4.32 4.45 4.6 |
| Vorfraktion ............. 9,90/0, 3,4% 2,4% nichts nichts |
| r. Siedepunkt |
| 26o bis 27o ° C....... 35,0% 25,i 0% 3,8 0/0 4,90 /o
1,7 % |
| 2. Siedepunkt |
| 27o bis 285' C ....... 35,6% 39,8% 34,2% 34,3%
9,4% |
| 3. Siedepunkt |
| 285 bis 305' C ....... I9,5 % 30,i % 57,9% 6o,80/0
' 88,90/, |
| Rückstand .............. nichts r,6 0/0 Z,7 % nichts
nichts |
| Gesamt ................ 1,00,00/0 100,00/0 100,00/0 100,0010
ioo,o 0/0 |
Jede einzelne dieser Fraktionen ist vollkommen als dielektrische Flüssigkeit geeignet,
und jede Fraktion-kann als Dielektrikum in einem besonderen elektrischen Apparat
benutzt werden, für den ihre Eigenschaften sie besonders geeignet machen. Vorzugsweise
werden die Fraktion 2 oder die Fraktion 3 oder Mischungen der Fraktion 2 und der
Fraktion 3 benutzt. Die Fraktion 2 besteht in der Hauptsache aus drei Isomeren Tetrachloräthylbenzol,
vermischt mit einem kleineren Betrag Pentachlozäthylbenzol, wäh-Die durch die Chlorierung
hergestellte Mischung mit einem Chlorgehalt von 4,o bis 4,8 Atomen Chlor pro Molekül
Äthylbenzol kann auch durch fraktionelle Destillation in verschiedene Fraktionen
gespalten werden. Im der nachfolgenden Tafel sind Fraktionen mit Siedepunkten innerhalb
ganz bestimmter Bereiche angegeben: hältnismäßig großen Grenzen geändert werden.
Die relativen Mengen einer jeden Fraktion sind in der nachfolgenden Tafel dargestellt
rend die Fraktion 3 in der Hauptsache aus Pentachloräthylbenzol besteht, vermischt
mit einer kleineren Menge Tetrachloräthylbenzol. Man kann auch eine Unterfraktion
von der Fraktion des' Siedebereiches 26o bis 27o° C machen. Diese besteht in der
Hauptsache aus einer Mischung von Tetrachloräthylbenzolen. In ähnlicher Weise kann
man eine Fraktion abtrennen, die einen Siedepunkt im Bereich von 298 bis 3o3° C
hat und praktisch aus reinem Pentachloräthylbenzol besteht. Pentachloräthylbenzol
in wesentlich
reiner Form kann von der Fraktion mit Siedepunkten
in dem Bereich von 285 bis 305° C abgetrennt werden, und zwar durch Abkühlen und
Ausfiltrieren der Kristallkörper. Reines Pentachloräthylbenzol ist nämlich bei gewöhnlichen
Temperaturen ein fester Körper.
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Alle die erwähnten Mischungen sind im wesentlichen nicht entzündbar.
Dies gilt für alle Mischungen, die durch Chlorierung von Äthylbenzol hergestellt
werden, bis 3,5 bis 5,o Atome Chlor pro Molekül Äthylbenzol vorhanden sind. Ein
besonderes Produkt mit q.,o bis 4,8 Atomen Chlor pro Molekül Äthylbenzol und mit
einem Siedepunkt im Bereich von 26o bis 3o5° C ist gleichfalls im wesentlichen nicht
entzündbar, sogar bei verhältnismäßig hohen Temperaturen. Dies ist auch bei allen
drei obenerwähnten Fraktionen oder einer der angegebenen Mischungen im wesentlichen
der Fall.
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Es wurde der Flammpunkt für die Fraktion mit dem Siedebereich
270 bis 285° C, Fraktion 2 der Tafel I, festgestellt, der bei
| Tafel III |
| Überschlagspannung (0,25q. cm Luftspalt) .....................
q.o bis 45 Kilovolt |
| Dielektrische Konstante bei 25' C ...........................
4,8 |
| Leistungsfaktor bei 25 ° C ...................................
o,z o% |
| Leistungsfaktor bei 8o' C ...................................
unter 3 0/ . |
| 0 |
Es wurde gefunden, daß die Fraktion mit einem Siedepunkt innerhalb des Bereiches
von 26o bis a70°
C, Fraktion r der Tafel I, sehr brauchbar ist, um den Erstarrungspunkt
oder die Viscosität der Mischungen einschließlich der .einen oder der beiden übrigen
Fraktionen zu erniedrigen. Durch Vermischung verschiedener Mengen dieser Fraktion
mit anderen Fraktionen erhält man Produkte mit Vicositäten und Erstarrungspunkten,
die in irgendeinem gewünschten Bereich liegen.
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Wie oben beschrieben, kann die erfindungsgemäße dielektrische Flüssigkeit
auch durch Chlorierung von Äthylbenzol bis auf einen Gehalt von 3,5 bis 4,0 Chloratomen
für jedes Molekül Äthylbenzol entstanden sein. Diese Flüssigkeit hat Siedepunkte
im Bereich von a35 bis 285° C und besteht aus den Tetrachloräthylbenzolisomeren
zusammen mit größeren oder kleineren Mengen anderer Stoffe, beispielsweise Trichloräthylbenzol.
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Wenn aber 3,5 Chloratome vorhanden sind, besteht das Produkt aus den
verschiedenen Trichloräthylbenzolisomeren, wobei das Verhältnis zueinander abnimmt,
wenn der Chlorgehalt zunimmt. Während dieses 158° C liegt. Diese Fraktion hat keinen
Entzündungspunkt bis zu 25o° C.
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Die Fraktion 3 der Tafel I, Fraktion mit einem .Siedepunkt im Bereich
von 285 bis 3o5° C hat einen Flammpunkt bei über 20o° C und keinen Entzündungspunkt
in Anlagen mit einer Temperatur oberhalb 275° C. Die Mischungen der Fraktionen 2
und 3 haben einen Flammpunkt zwischen 1581) C und über aoo° C und keinen Entzündungspunkt
bis zu ihren Siedepunkten. Wenn die durch Trennung hergestellten gasförmigen Produkte
dem Zerstörungseinfluß eines elektrischen Lichtbogens ausgesetzt werden, und zwar
unter Vermischung von Luft, sind sie in allen Fällen überhaupt nicht explosiv. Die
Dichtigkeiten aller Fraktionen einschließlich aller der besonderen Fraktionen und
Mischungen, wie sie oben beschrieben wurden, fallen in den Dichtungsbereich von
r,q.o bis 1,55. Diese Werte sind bei 30°C festgestellt worden.
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Die elektrischen Eigenschaften aller Fraktionen können annähernd wie
folgt bestimmt werden: Produkt allein wegen seiner weniger guten elektrischen Eigenschaften
für die dielektrische Benutzung nicht besonders geeignet ist, kann es trotzdem in
Vermischung mit anderen Stoffen verwendet werden. So liegt seine Hauptverwendung
in der Benutzung als Verdünnungsmittel, um den Erstarrungspunkt und die Viscosität
der verschiedenen dielektrischen Mischungen zu erniedrigen. Wie man ein Verdünnungsmittel
hinzuzufügen hat, um eine ganz bestimmte Viscosität und Erstarrungspunkt zu erhalten,
wird noch nachfolgend auseinandergesetzt. Die Mischung jedoch; die durch Chlorierung
hergestellt wird, bis 3,5 bis 4,0 Chloratome pro Molekül Äthylbenzol vorhanden sind,
kann auch allein unter besonderen Umständen und -in elektrischen Anlagen Verwendung
finden, wo eine hohe dielektrische Stärke und ein niedriger Leistungsfaktor nicht
so wesentlich sind.
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Die _Dichtigkeit der Chloräthylbenzolmischungen mit einem Chlorgehalt
in den erwähnten Verhgltnissen liegt im allgemeinen in dem Bereich von 435 bis r,q.o
bei 30° C. Der Flammpunkt liegt- gewöhnlich oberhalb 1401 C.
Wenn
mehr als 4,5 Atome Chlor pro Molekül Äthylbenzol vorhanden sind, so ist das aus
der Chlorierung entstehende Produkt im wesentlichen ein fester Körper. Wie vorhergehend
erwähnt, befaßt sich die Erfindung auch mit der Verwendung von chlorierten Produkten
bis zu 5,o Chloratomen pro Molekül Äthylbenzol in dielektrischen Mischungen. Wenn
5,o Chloratome vorhanden sind, so ist dieses Produkt ein Pentachloräthylbenzol,
und dieses Produkt ist das am meisten stabile Chlorprodukt, welches man erhalten
kann. Ein weiteres Hinzufügen von Chlor verursacht eine Substitution in der Äthylseitenkette.
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Reines Pentachloräthylbenzal ist ein fester Körper mit einem Schmelzpunkt
bei 58° C und einem Siedepunkt bei ungefähr 3o5° C. Es wurde dieses Produkt in Vermischung
mit geeigneten Verdünnungsmitteln verwendet. Hierdurch wird der Erstarrungspunkt
der daraus entstehenden dielektrischen Flüssigkeit erniedrigt. - Man kann es auch
allein verwenden, wenn die Eigenschaft des festen Körpers in Kondensatoren und für
die Isolierung verschiedener .anderer elektrischer Apparate nicht schädlich ist.
Seine elektrischen Eigenschaften sind im wesentlichen identisch mit denen, wie sie
für die verschiedenen Fraktionen oder Mischungen davon in der Tafel III angegeben
sind.
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Wenn erwünscht, kann der Erstarrungspunkt einer der dielektrischen
Flüssigkeiten, die, wie erläutert, hergestellt sind, durch das Hinzufügen eines
geeigneten und an sich bekannten -Verdünnungsmittels erniedrigt werden, welches
bereits für ähnliche Zwecke in bereits bekannten dielektrischeh Flüssigkeiten Verwendung
findet. Es kann hierfür beispielsweise ein anderer cyclischer chlorierter Kohlenwasserstoff,
z. B. Trichlorbenzol und Tetrachlorisopropylbenzol, benutzt werden. Von besonderem
Wert zum Herunterdrücken des Erstarrungspunktes sind cyclische chlorierte Kohlenwasserstoffe
mit niedrigem Schmelzpunkt. Das Hinzufügen eines solchen Lösungsmittels ist häufig
erwünscht, um die Viscosität zu vermindern,, ohne daß dabei die elektrischen Eigenschaften
in einem solchen Maße beeinflußt werden, daß die Flüssigkeit für die dielektrische
Verwendung nicht geeignet ist. Es ist auch möglich, die Flammpunkte der neuen dielektrischen
Zusammensetzungen zu vermindern, indem geeignete Verdünnungsmittel hinzugefügt werden.
Häufig werden solche Verdünnungsmittel hinzugefügt, um die Kosten des endgültigen
dielektrischen Mittels zu ermäßigen.
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Es ist ersichtlich, daß die verschiedenen erwähnten Zusammensetzungen
in ihren Anteilen geändert werden können.