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Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit von thermoplastischen
Kunststoff-Folien elektrischer Bauelemente Die für die Herstellung von z. B. Kondensatoren
mit Kunststoffdielektrikum oder für die Herstellung von Kabeln verwendeten Kunststoff-Folien
weisen bekanntlich auch bei sorgfältigster Herstellung oft Lufteinschlüsse in Form
von kleinen Luftbläschen, sogenannten Schlieren, auf. Durch diese Lufteinschlüsse
wird die Durchschlagsfestigkeit dieser Bauelemente erheblich herabgesetzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Spannungsfestigkeit
solcher Folien, insbesondere der Schaltelemente, zu erhöhen, die mit bei Betriebstemperatur
festen Kunststoffschichten als Isoliermaterial oder Dielektrikum versehen sind.
Sie erreicht dieses Ziel, indem sie vorschlägt, die Kunststoff-Folie selbst, z.
B. bei ihrer Herstellung oder vor ihrem Gebrauch, bzw. das Schaltelement in einem
Druckgefäß durch Einpressen eines neutralen, d. h. den Kunststoff nicht zerstörenden
Mittels, wie z. B. eines Gases, einem hohen Druck auszusetzen und den Kunststoff
dann so stark zu erhitzen, daß er teigig wird, worauf das unter Druck stehende Gefäß
abgekühlt wird. Das Verfahren und seine Wirkungsweise sei im folgenden am Beispiel
eines Kunststoffkondensators näher erläutert.
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Die unter Verwendung von Kunststoff-Folien, z. B. entreckbaren Polystyrolfolien,
hergestellten Kondensatorwickel werden in ein heizbares Druckgefäß eingebracht und
dieses verschlossen. Darauf wird in das Druckgefäß ein neutrales Gas eingepreßt,
so daß im Druckgefäß ein hoher Überdruck entsteht. Unter neutralem Gas ist hier
ein Gas zu verstehen, das auch bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen,
bei denen die Kunststoffe teigig oder sehr zähflüssig werden, mit keinem der zur
Herstellung der Kondensatoren
verwendeten Materialien reagiert,
z. B. Verbindungen eingeht od. ähnl. Außer den Edelgasen kann z. B. Stickstoff als
neutrales Füllgas für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Dieses Gas
hat sich bei der praktischen Durchführung des Verfahrens als sehr geeignet erwiesen.
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Der angewandte Druck richtet sich teils nach der Art der verwendeten
Kunststoffe, teils nach der Art der Lufteinschlüsse. Im allgemeinen dürfte ein Druck
von etwa 8 bis 1z atü ausreichend sein, jedoch kann unter Umständen auch die Anwendung
eines höheren Druckes erforderlich werden.
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Die in der Kunststoff-Folie befindlichen Lufteinschlüsse werden durch
das erfindungsgemäße Verfahren zwar nicht beseitigt, sondern es werden die die elektrische
Durchschlagsfestigkeit herabsetzenden Eigenschaften dieser Lufteinschlüsse weitgehend
herabgesetzt. Wird nämlich das Druckgefäß so weit erhitzt, daß das Kunstsfoffdielektrikum
teigig oder sehr zähflüssig wird, dann werden die Lufteinschlüsse durch den hohen
im Druckgefäß herrschenden Druck zusammengepreßt. Der Durchmesser der Luftbläschen
wird verkleinert, während die in den Bläschen enthaltene Luft stark komprimiert
wird', so daß der Innendruck etwa dem im Druckgefäß herrschenden Druck entspricht.
Die Temperatur muß dabei so gewählt werden, daß das Kunststoffdielektrikum seine
Form behält, nicht fließt usw., aber doch so teigig ist, daß sich der Druck des
Druckzylinders auf die Lufteinschlüsse voll auswirken kann. Durch die Verkleinerung
des Volumens der Luftbläschen fließt etwas Kunststoff in Richtung der Gasbläschen
nach, so daß an der Folienoberfläche eine kleine Einsenkung auftritt, die aber so
klein ist, daß die Eigenschaften der Folie nicht beeinträchtigt werden.
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Wird nun unter Beibehaltung des Innendruckes des Druckzylinders dieser
abgekühlt, so verfestigt sich die Kunststoff-Folie. Der dabei durch den Temperaturrückgang
bedingte Druckabfall kann praktisch vernachlässigt oder ausgeglichen werden. Durch
die Abkühlung unter Druck behalten die Lufteinschlüsse ihren im teigigen Zustand
der Folie erhaltenen verkleinerten Durchmesser sowie den hohen Innendruck bei. Nach
genügendem Erkalten des Druckzylinders wird die Druckluft abgeblasen, und die Kondensatoren
werden entnommen.
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Derartig erfindungsgemäß unter Druck wärmebehandelte Kunststoffe weisen
eine erheblich größere Spannungsfestigkeit auf. Dies beruht darauf, daß die eingelagerten
Luftbläschen jetzt einen hohen Innendruck aufweisen. Stark komprimierte Luft hat
aber bekanntlich eine höhere Spannungsfestigkeit als Luft unter Normaldruck. Auch
gemäß dem für Luft bei gegebenem Druck gültigen Gesetz von P a s c h e n , nach
dem die Funkenspannung eines Kondensators mit Luftdielektrikum von dem Produkt aus
Elektrodenabstand a und Druck p abhängig ist, ist die Spannungsfestigkeit der zusammengepreßten
unter starkem Innendruck stehenden Lufteinschlüsse stark erhöht. Der Einfachheit
halber sei angenommen, daß der betrachtete Lufteinschluß die Form eines quadratischen
Würfels habe und daß zwei sich gegenüberliegende Würfelflächen senkrecht zu der
Richtung der elektrischen Feldlinien liegen. Man kann dann in erster Näherung den
Lufteinschluß als Dielektrikuin eines Kondensators auffassen, der einen Teil eines
Mehrschichtenkondensators darstellt. Bezeichnet man die Würfelkante vor der Wärmebehandlung
mit a, so gilt bei konstanter Temperatur: Druck p - Volumen h = const. oder 1) -
a.; = const. Nach der erfindungsgemäßen Behandlung gilt dann p' - a3' = const.,
wobei p' den bei (lern erfindungsgemäßen Verfahren angewendeten Druck und ä die
dadurch verkleinerte Würfelkante des Lufteinschlusses bedeuten. Daraus folgt mit
p' = x - p sofort
oder
Da nach dem Paschenschen Gesetz die Funkenspannung nur von dem Produkt
p - a
abhängig ist, ist sofort ersichtlich, daß die Funkenspannung
F = a - p, also vor der Wärmebehandlung kleiner ist als die Funkenspannung
nach der Behandlung
Das Paschensche Gesetz, das hier in erster Näherung für einen Einschluß in Würfelform
Gültigkeit hat, kann für sämtliche Formen der Einschlüsse angewendet werden. Dabei
treten zwar je nach der Form der Einschlüsse wesentlich kompliziertere und undurchsichtigere
Zusammenhänge auf, die geschilderte vorteilhafte Wirkung bleibt jedoch erhalten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich natürlich auch mit einer
der für Kunststoffkondensatoren sonst noch angewandten Wärmebehandlung kombinieren.
So werden z. B. bekanntlich Kunststoffkondensatoren mit einem Dielektrikum aus Polystyrol
vielfach aus zweifach gereckter Polystyrolfolie gewickelt und dann einer Wärmebehandlung
unterworfen, bei der die Folie sich teilweise entreckt und verbackt. Diese Wärmebehandlung
kann zugleich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden, wobei sie
in dein unter überdruck stehenden Druckzylinder erfolgt. Die zweckmäßige Durchführung
solcher kombinierter Verfahren kann dem Fachmann überlassen bleiben.
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Das obenstehend für Kondensatoren beschriebene Verfahren läßt sich
sinngemäß auch auf elektrische Kabel oder sonstige elektrische Bauelemente, die
unter Verwendung von Kunststoffen hergestellt sind, anwenden. In welcher Stufe des
jeweiligen Herstellungsprozesses das Verfahren am zweckmäßigsten angewendet wird,
kann dem Urteil des Fachmannes überlassen werden.