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Verfahren zur Herstellung von Elektroden, insbesondere für Elektrolytkondensatoren,
und Elektrolytkondensator Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Elektroden, insbesondere für Elektrolytkondensatoren, bei dem filmbildendes
Material auf eine poröse Unterlage aufgespritzt wird. Die Erfindung kann auch bei
anderen elektrolytischen Geräten mit Vorteil angewendet werden., z. B. bei Gleichrichtern,
Überspannungsableitern u. dgl.
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Es ist bei der Herstellung von Elektroden bekannt, filmbilidendes
metallisches Material, z. B. Aluminium, auf die verschiedenartigsten Unterlagen,
wie z. B. Unterlagen aus Aluminium oder anderen Metallen, Papier, Wachs, phenolischen
Kondensationsprodukten, Glas, Textilien u. ägl., aufzusprühen. Bei Elektrolytkondensatoren
ist es üblich, metallisierte Papiere als Elektrode zu verwenden, die durch Aufspritzen
hergestellt sind.
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Erfindungsgemäß wird bei der Herstellung von Elektroden., insbesondere
für Elektrolytkondensatoren, :das filmbildende Material auf eine Unterlage aufgespritzt,
die aus einem großporigen, aus Glas- oder Metallfäden gebildeten Gewebe besteht.
Während die bei! dien. bekannten Verfahren verwendeten Unterlagen weitgehend unporös
sind (nur bei Textilien oder manchen Papiersorten ist eine gewisse Porosität vorhanden),
werden: bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren aus Glas- oder Metallfäden
bestehende Gewebe benutzt, die großporig sind. Dadurch wird die Porosität der Elektrode
wesentlich erhöht und eine besonders große Berührungsfläche mit dem Elektrolyt erzielt.
Die wirksame Oberfläche, die: hierbei geschaffen wird und mit dem. Elektrolyt in
Berührung kommt, ist ein Vielfaches, der glatten Oberfläche einer gleich großen
Metallfolienelektrode. Es werden also bei verhältnismäßig gedrängten Elektrodenabmessungen
große wirksame Oberflächen erreicht. Werden solche Elektroden in einen Elektrolytkondensator
eingebaut, so ist d ie erzielte Kapazität uni ein Vielfaches größer als die Kapazität
einer gleich großen Elektrode mit glatter Oberfläche. Wegen der porösen Struktur
besitzt eine derartige Elektrode einen ,geringen Widerstand, wodurch die Verluste
niedrig sind. Außerdem ist die Biegsamkeit einer derartigen Elektrode erhöht, wodurch
die Gefahr, daß Brüche entstehen, vermindert wird. Auf den als Unterlage verwendeten
Geweben aus Metall-oder Glasfäden haftet außerdem die aufgesprühte Metallschicht
besonders gut. -In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde
gefunden, daß es außerordentlich zweckmäßig ist, auf die Unterlage, auf die die
Metallschicht aufgespritzt wird, einen über deren Länge sich erstreckenden Leitungsteil,
z. B. einen Zuführungsdraht, aufzulegen und ihn durch Aufspritzen von Metall mit
der Unterlage fest zu verbinden. Bei einer auf diese Weise erhaltenen Elektrode
kann der zu- und: abfließende Strom über die ganze Länge des Zuleitungsdrahtes auf
die Elektrodenfläche übertreten, was zweifellos gegenüber Elektroden, bei denen
der Zuleitungsdraht nur an einer einzigen Stelle befestigt ist, Vorteile bedingt.
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Gerade das Aufspritzen flüssigen Metalls über Draht und Gewebe bedingt
eine innige elektrische Verbindung zwischen Metallfilm und Zuleitungsdraht, wobei
zusätzlich noch die Parallelschaltung einer Unzahl von Übertrittsstellern den. Übergangsw-derstand-
auf ein Minimum herabsetzt.
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Bei Elektrolytkondensatoren bildet gerade die Vergrößerung -.der Übergangsflächen
vom Zuleitungsdraht zur Elektrodenoberfläche und von der Elektrodenoberfläche zum
Elektrolyt durch die Herabsetzung des inneren Widerstandes und durch die gleichzeitig
hiermit herbeigeführte Erhöhung der Kapazitätswirkung einen wesentlichen. Fortschritt
gegenüber den bekannten. Ausgestaltungen.
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Die geschmolzenen Metallteilchen werden vorteilhafterweise von beiden
Seiten auf die Unterlage aufgespritzt, wobei ein dünner Strahl angewendet wird.
Zweckmäßigerweise werden nur dünne Schichten aufgespritzt, um Material zu spanen,
da es nur notwendig ist, eine derartige Schichtdicke herzustellen, da.ß die erzielte
Leitfähigkeit auf der gesamten Fläche der Elektrode groß :genug ist. Wenn., es sich
um Aluminiumanoden handelt, erzielt man z. B. vorzügliche Ergebnisse durch Aufspritzen
einer Schicht zwischen o,o25 und 0,075 mm Dicke. Obwohl durch die aufgespritzte
Schicht die Unterlage etwas steifer wird., bleibt sie dennoch genügend biegsam,
so daß sie in beliebigen Schleifen und Lagen angeordnet werden kann. Wenn derartige
Elektroden, nachdem sie mit einer geeigneten dielektrischen Schutzschicht versehen
sind, in einem Elektrolytkondensator verwendet werden, beträgt die erzielte Kapazität
bei gleicher Elektrodengröße das lehnfache oder ein. noch höhexes Vielfaches. Außerdem
erzielt man bei der Verwendung solcher Elektroden, Kondensatoren mit äußerst niedrigem
Verlustwiderstand, :deren; Verlustfaktor weniger als 4% beträgt. Bei dem Aufspritzen
des Metalls auf eine biegsame Unterlage, wie vorhin erwähnt, empfiehlt es; sich,
in fortlaufendem Verfahren zu arbeiten, wodurch lange, zum Gebrauch als Elektrode
geeignete Bänder erzielt werden. Wenn die Elektroden in einem Elektrolytkondensator
als Anoden wirksam sein sollen, kann vorteilhafterweise eine dielektrische Schutzschicht
aufgetragen werden, :indem :das Elektrodenband kontnnnierlich durch ein geeignetes
Bad hindurchläuft, wobei die erforderlichen Spannungen angewendet werden. Danach
wird dann das Band: in Stücke geeigneter Länge zerschnitten und in den Kondensator
eingelegt.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen gehen aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung hervor. Fig. i zeigt eine Draufsicht auf eine Elektrode, die
gemäß der Erfindung hergestellt ist; Fg.`2 gibt einen Schnitt durch diese Elektrode,
entsprechend der Linie 2-2 in Fig. i ; Fig. 3 zeigt eine trockene Type eines Elektrolytkondensators,
der gemäß der Erfindung hergestellt ist; Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine nasse
Type eines Elektrolytkondensators nach der Erfindung; Fig. 5 gibt einen Schnitt
gemäß der Linie 5-5 in Fi.g. 4 wieder; Fig. 6, 7 und 8 erläutern - verschiedene
Stufen der Herstellung einer Elektrode nach der Erfindung.
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Die sämtlichen Figuren erläutern nur Ausführungsbeispiele, so daß
das Schutzbegehren nicht auf die in den, Figuren dargestellten Ausführungsformen
der Erfindung beschränkt ist.
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Wie die schematischen Fig. i und 2 erläutern, besteht die Unterlage
oder das Kernmaterial einer Elektrode mach der Erfindung vorzugsweise aus einem
porösen, biegsamen Streifen io, der in der Figur als, ein gewebter Streifen .dargestellt
ist. Für das Weben dieses Streifens können geeignete Bänder und Fäden verwendet
werden, wobei nur darauf zu achten ist, daß das verwendete Material nicht chemisch
auf den Elektrolyt des Kondensators oder der sonstigen elektrolytischen Vorrichtung
einwirkt oder den Elektrolyt verdirbt oder die Arbeitsfähigkeit des elektrolytischen
Geräts irgendwie nachteilig beeinflußt. In Verbindung mit Elektrolytkondensatoren
ist es empfehlenswert, metallische Gewebe: oder solche aus Glasfäden oder metallischen
Drähten zu verwenden. Die Metalldräh te sind dabei vorteilhafterweise aus dem gleichen
Material, welches auch für die aufgespritzte
Schicht verwendet
wird. Je nach dem Verwendungszweck können Metallstärken von verschiedener Größe
angewendet werden.
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Das Band, io ist auf beiden Seiten mit einer aufgespritzten Oberflächenschicht
bedeckt. Vorzugsweise betragen diese. Schichten nur o,o25 bi's 0,075 mm Dicke. Diese
Dicke ist in den Figuren erheblich übertrieben dargestellt. Es ist zweckmäßig, die
aufgespritzte Schicht nicht ganz bis zum äußersten Rand des als Unterlage dienenden
Streifens auszudehnen, insbesondere wenn die Unterlage aus nicht leitendem Stoff
besteht, z. B. Glas, um auf diese Weise eine isolierende Randzone zu, erhalten.
Die Schichten 15 enthalten, wie vorhin erwähnt, eine große Anzahl feinverteilter,
zusammenhängender metallischer Teilchen, welche eine genügende Leitfähigkeit über
die gesamte Oberfläche ergeben.
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Wenn die Elektrode als Anode in einem Elektrolytkondensator Verwendung
findet, werden 'die aufgespritzten Schichten 15 aus Aluminium oder einem anderen,
zur Bildung einer dielektrisdhen Schutzschicht geeigneten Metall gewählt, und, nach
dem Aufspritzen der Schicht werden, die Elektroden mit der dielektrischen Schutzschicht
überzogen., indem sie einem. elektrolytischen Bad ausgesetzt werden:, welches beispielsweise
eine Lösung von Borax und Borsäure enthält. Die Zusammensetzung dieses Bades, seine
Temperatur und die angewendete Spannungshöhe werden in üblicher Weise gewählt, entsprechend
dem. späteren Verwendungszweck der Elektrode. Die verschiedenen Verfahren, welche
.bekannt sind, eine dielektrische Schutzschicht zu erzeugen, gehören nicht zur Erfindung
und brauchen d aber nicht näher ausgeführt zu werden. Es sei aber hervorgehoben;
daß die dielektrische. Schutzschicht die Oberfläche der aufgespritzten kleinen Metallteilchen
formgenau einnimmt, so daß also auch die wirksame und! mit dem Elektrolyt in Verbindung
kommende Oberfläche dieser Schutzschicht ein Vielfaches der ebenen Elektrodenoberfläche
beträgt.
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Wenn eine derartige Elektrode in einem elektrolytischen Gerät verwendet
wird, durchdringt der Elektrolyt die aufgespritzten Metallschichten wie auch die
poröse Grundlage dieser Metallschichten. Dadurch erklärt es sich, daß die wirksame
Oberfläche der Elektrode ein Vielfaches der Oberfläche einer gleich großen, aber
glatten Elektrode beträgt. Daraus ergibt sich weiterhin, daß ein Kondensator mit
solchen Elektroden je Flächeneinheit der Elektrodenabmessung eine außerordentlich
hohe Kapazität besitzt, weil die größte Kapazität abhängig ist von der Größe der
tatsächlichen Oberfläche der Elektrode, die aber gleich-der Summe der Außenfläche
der zahlreichen aufgespritzten kleinen Metallteilchen ist.
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Elektroden nach der Erfindung können bei den verschiedenen Arten elektrolytischer
Geräte verwendet werden. In Fig. 3 ist z. B. eine Trockentype eines Elektrolytkondensators
wiedergegeben. Wie in der Figur erläutert, enthält ein derartiger Kondensator, wenn
er in einem Gleichstromkreis. Verwendung finden soll, eine Vielzahl von Anoden 16,
die wie vorhin beschrieben hergestellt sind, und auch eine Vielzahl von Kathoden
17. Die Kathoden sind ähnlich aufgebaut wie die Anodenplatten, brauchen aber, wenn
.der Kondensator nur für Gleichstrom verwendet wird, keine dielektrische Schutzschicht
zu tragen. Es.könnenda'her@dieKathoderb einfach auch, aus Metallblech bestehen,
oder sie bestehen aus einem aufgespritzten Metall, welches nicht zur Bildung einer
diaelektrischen Schutzschicht geeignet ist, z. B. aus Kupfer. Bei Kondensatoren
für Wechselstromkreise dagegen erhalten vorteilhafterweise beide Elektroden eine
dielektrische Schutzschicht. Die Anoden und Kathoden werden, voTteilhafterweise
mit Anschlußleitungen ausgestattet, die beispielsweise aus Streifen einer metallischen
Folie 18 und ig. bestehen, und ungewollte Berührungen zwischen den Elektroden können
durch zwischengelegte Papierstreifen 2o verhindert werden. Die gesamte Kondensatoranordnung
wird mit einem geeigneten breiigen oder zähflüssigen Elektrolyt imprägniert und
kann daraufhin in ein geeignetes Gefäß oder Gehäuse eingepackt werden.
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Gemäß den Fig. q. und 5 können Elektroden, die ,gemäß der Erfindunghergestellt
sind, bei Elektrolytkondensatoren mit einem weichen oder flüssigen Elektrolyt verwendet
werden. Solch ein Kondensator besitzt einen Topf 25, der zugleich als Kathode und
als Behälter für den Elektrolyt dient. Der Topf hat an seinem Boden einen hohlen
Ansatz 26 und ist durch einen Deckel 27 verschlossen. Die Elektrode 28, welche die
Anode des Kondensators bildet, ist in geeigneter Weise im Innern des Topfes 25 befestigt
und in den Elektrolyt eingetaucht.
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Vorzugsweise wird. die Anode 28 ausgeführt, wie aus Fig. 6 hervorgeht,
d. h. derart, daß -die Notwendigkeit für eine Vorrichtung .entfällt, welche die
Anode innerhalb des Gefäßes trägt. Außerdem entfällt dabei die Notwendigkeit, besondere
isolierende Zwischenlagen zwischen der Anade und der Wandung des Gefäßes vorzusehen.
Es besteht dabei die Anode vorzugsweise aus einem Kernmaterial oder Grundstoff aus
nicht leitendem Gewebe 2g, z. B. aus Glasfäden, welche beiderseits durch Spritzen
hergestellte Auflagen 3o besitzen. Diese aufgespritzten Auflagen haben oben und
unten einen gewissen Abstand von den Kanten des Streifens 29, wodurch von der Auflage
freie, nicht leitende Flächen 31 und 32 entstehen. Es entsteht ferner eine erhebliche,
nicht leitende unbespritzte Fläche 33 an dem einen Ende der Elektrode. Diese Elektrode
kann sehr bequem in einem Kondensator -der in den Fig. q. und 5 dargestellten Form
untergebracht werden, wobei die biegsame Elektrode zu einer Spirale gewickelt ist,
so daß die äußere Windung dieser Spirale von dem nicht mit einer aufgespritzten
Auflage versehenen Teil 33 gebildet wird. Der Teil 33 ist aus diesem Grunde lang
genug, um wenigstens eine volle Windung der spiralförrriigen Elektrode zu bilden;
und ergibt dadurch eine isolierende Lage, welche die Elektrode
auf
-ihrem äußeren Umfang einhüllt und einen Bestandteil der Elektrode selber bildet.
Die Elektrodenspirale wird in den Topf oder die. Büchse eingedrückt, wobei die nicht
bespritzte Außenfläche 33 der Spirale mit der Innenseite des. Topfes in Berührung
kommt und die ebenfalls nicht bespritzte untere Kante 31 gegen den Boden
34 anlehnt. Der obere, ebenfalls nicht bespritzte Rand 32 stützt- die Elektrode
gegen Aufwärtsbewegungen, indem sie sich gegen einen zweckrnäßigerweise nach einwärts
gebogenen Kragen 35 des Topfes 25 anlegt.
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Durch diese ist die mit der metallischen Aufspritzung versehene Elektrodenfläche
sicher und zuverlässig gegen die Gefäßwände und den Gefäßdeckel durch nicht leitende
Teile der Elektrodenunterlage abgestützt, und die gesamte Elektrode ist zuverlässig
innerhalb :der Hülle derart gelagert, daß keine zusätzlichen Mittel zu ihrer Festlegung
notwendig sind. Auf diese Weise wird es nicht notwendig, daß, wie bei anderen Konstruktionen;
eine Stange oder eine Trägerkonstruktion vorgesehen wird, und der elektrische Kontakt
zwischen der Elektrode und dem äußeren Stromkreis kann mittels einer Durchführung
36 hergestellt werden, mittels welcher am Boden durch einen Ansatz 26 ein Leitungsdraht
eingeführt wird. Vorzugsweise enthält diese Durchführung 36 einen Gummistopfen 37,
welcher durch eine Einschnürung 38 des Ansatzes 26 zusammengepreßt wird und den
Ansatz sowie den :eingebetteten Durchführungsdraht 36 flüssigkeitsfest abdichtet.
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Um eine zuverlässige und .doch leicht herstellbarE Verbindung zwischen
der Durchführung 36 und der aufgespritzten Schicht auf der Elektrode Herzustellen,
wird der Durchführungsdraht vorzugsweise auf den Streifen aufgelegt, welcher die
aufgespritzte Metallschicht tragen soll, wie in Fng. 6 bei 39 angedeutet ist. Der
Draht oder sonstige Leiter kann mit der Unterlage durch Nähen befestigt werden,
oder aber er wird lose aufgelegt, bevor das Aufspritzen der Metallschicht vorgenommen
wird. Auf diese Weise erhält man einen guten und innigen Kontakt zwischen dem Leiter
und der aufgespritzten Metallschicht, wobei diese Metallschicht zugleich den Leiter
zuverlässig mit der Elektrode verbindet. Elektroden dieser Art, d. h. mit einem
zusätzlich hineinverarbeiteten leitenden Teil können mit Vorteil bei den vorstehend
beschriebenen Trockenkondensatoren Verwendung finden. Solche Elektroden haben äußerst
geringen Widerstand, weil die leitende Verbindung sich über die gesamte Länge der
Elektrode ausdehnt.
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In den Fig. 7 und 8 sind ebenfalls Herstellungsverfahren erläutert,
durch die Elektroden von der in Fig.6 wiedergegebenen Art vorteilhaft hergestellt
werden können. In Fig. 7 besteht das Verfahren darin, daß zunächst der Streifen,
der die metallische Auflage tragen soll, mit einem leitenden Teil, z. B. einem durch
Nähen befestigten Draht 39. versehen ist, welcher sich über die gesamte Länge des
Streifens erstreckt. In regelmäßigen Abständen bildet der Draht 39 Schleifen 36,
welche zum Anschluß für den äußeren Stromkreis dienen. Der Abstand zwischen diesen
Schleifen 36 hängt von der Größe der herzustellenden Elektroden ab. Der Streifen
29 mit dem eingenähten. Draht 39 wird dann innerhalb der Flächen 30 mit Metall
bespritzt, wie Fig. 8 erläutert. Das Aufspritzen des Metalls kann in ständigem Arbeitsgang
erfolgen; wobei gleichzeitig beide Seiten des Streifens 29 bespritzt werden können.
Durch metallische Schutzschilder wird dafür gesorgt, daß das aufgespritzte Metall
nicht an dien Teilen 34 32 und 33 oder, wenn gewünscht, auch an sonstigen Stellen
der Unterlage haftet.
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Auf diese Weise ergibt -das Aufspritzen des Metalls einen Streifen,
der aus einem Kernstoff besteht, welcher unter Freilassung gewisser Flächen mit
Metall bespritzt ist, wobei aber die gesamten Flächen leitend untereinander verbunden
sind durch den durchgehenden Leiter 39. Es kann dann die: so vorbereitete Elektrode
durch ein Formierungsbad geführt werden, wobei ebenfalls in kontinuierlichem Vorgang
jeder Teil dieses Streifens das Bad durchläuft und mit einer dielektrischen Schutzschicht
überzogen wird. Danach kann der Streifen in den Zwischenräumen zwischen den aufeinanderfolgenden
aufgespritzten Metallflächen zerschnitten werden, woraufhin dann der eingenähte
Draht an den Enden jedes Elektrodenstückes entfernt wird, so daß sich eine Elektrode
ergibt, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Elektrode kann dann zur Spirale
aufgewickelt oder in anderer Weise giefaltet werden und ist dann für ihre Einbringung
in den Kondensator fertig.