DE898479C

DE898479C - Elektrischer Kondensator mit einem Dielektrikum aus auf einem Belegungsmetall aufgewachsenen Umsetzungsprodukten

Info

Publication number: DE898479C
Application number: DES16040D
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Herrmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1940-07-11
Filing date: 1940-07-11
Publication date: 1953-11-30

Description

Elektrischer Kondensator mit einem Dielektrikum aus auf einem Belegungsmetall aufgewachsenen Umsetzungsprodukten Es ist bekannt, als Dielektrikum auch für statische Kondensatoren Umsetzungsprodukte des oder der Belegungsmetalle zu verwenden. Von den vielen Vorschlägen, die in dieser Beziehung gemacht worden sind, hat sich keiner als für die Praxis geeignet erwiesen, da diese Kondensatoren sehr häufig Kurzschlüsse aufwiesen. Man glaubte dies darauf zurückführen zu können, daß die dielektrische Schicht mechanisch sehr empfindlich ist und deswegen bei der Anbringung der Gegenbelegung sehr leicht beschädigt wird. Deshalb hat man schon vorgeschlagen, die Gegenbelegung auf die dielektrische Schicht in fein verteiltem Zustande aufzubringen, um einer Verletzung der dielektrischen Schicht vorzubeugen. Aber auch dieser Vorschlag führte zu keinem brauchbaren !Ergebnis, vielmehr zeigten sich nach wie vor Durchschläge, die zu einem KurzschluB des Kondensators führten.
Andere Vorschläge, die -den Fehler in den Poren der Umsetzungsschichten zu erkennen glaubten, gingen darauf aus, diese Poren vor dem Aufwickeln der Gegenbelegung zu verschließen, indem Füllkörper geeigneter Art in diese Poren eingebracht und diese damit verschlossen wurden. Auch dies führte zu keinem brauchbaren Ergebnis. Wie die Untersuchungen ergaben, liegt der eigentliche Fehler vermutlich darin, daß die mit den Umsetzungsschichten versehenen Metalle niemals vollkommen rein sind und immer Beimengungen von Fremdmetallen enthalten. Diese Beimengungen stellen Einschlüsse dar, die auch an der umzusetzenden Oberfläche des Metallgrundkörpers vorhanden sind und entweder .durch die angewendeten Umsetzungsverfahren nicht mit einer nichtleitenden Schicht bedeckt werden oder auf Grund ihrer Stoffart keine nichtleitenden Schichten bilden. Hierdurch entstehen aber leitende Stellen in der Umsetzungsschicht, die den Kurzschluß zwischen Grundmetall und Gegenbelegung hervorrufen.
Eine an anderer Stelle beschriebene Möglichkeit, diesen Fehler abzustellen, besteht darin, die Umsetzungsschicht so stark zu gestalten, daß die Fremdeinschlüsse an der umzusetzenden Oberfläche des Grundmetallkörpers vollkommen in die nichtleitende Schicht einwachsen und dadurch vom Grundmetall isoliert werden. Dies hat jedoch auf der anderen Seite den Nachteil, daß mit einer verhältnismäßig dicken dielektrischen Schicht zu rechnen ist, wenn man mit Sicherheit alle, auch die größten Teilchen der Fremdeinschlüsse isolieren will, so daß die Kapazitätsausbeute klein ist; außerdem kann durch Zufall an einer beliebigen Stelle trotzdem ein besonders großes Korn eines Fremdmetalls vorhanden sein, das ausreicht, um wiederum eine leitende Verbindung zwischen -den Belegungen zu schaffen.
Um völlige Sicherheit gegen. solche Kurzschlüsse zu haben und die Kapazitätsausbeute im gewissen Umfange groß zu gestalten, wird entsprechend dem Kennzeichen der Erfindung vorgeschlagen, das Dielektrikum aus einer chemischen oder elektrolytisch hergestellten Schicht nach Art der korrosionssicheren Überzüge in der Größenordnung von ungefähr 5 bis io,es Stärke herzustellen und auf diese Schicht die Gegenbelegung einschlußfrei festhaftend in einer solchen ,Stärke aufzubringen, .daß bei Überlastung oder an Fehlerstellen des Dielektrikums die Gegenbelegung zerstört bzw. nichtleitend gemacht wird. Es wird hierbei also das an sich bekannte Prinzip per selbstheilenden Kondensatoren verwendet, um zu einem brauchbaren und raummäßig günstigen Kondensator mit einem anorganischen Dielektrikum aus auf einer Belegung aufgewachsenen, nichtleitenden Umsetzungsprodukten zu gelangen.
Als besonders geeignet für die Durchführung des Erfindungsgedankens zeigten sich Umsetzungsprodukte, die auf einem Ventilmetall hergestellt sind, vorzugsweise Oxyde.
Dabei ist es zweckmäßig, von einem solchen Ventilmetall auszugehen bzw. solche Umsetzungsprodukte zu bilden, die eine hohe Dielektrizitätskonstante und geringe dielektrische Verluste besitzen. Bei den der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Versuchen wurde als Ventilmetall Aluminium und als dielektrische Schicht ein darauf gebildetes Aluminiumoxyd verwendet. Dieses Umsetzungsprodukt kann in bekannter Weise chemisch oder auch elektrolytisch hergestellt sein. Alls besonders vorteilhaft zeigte sich die Anwendung der Elektrolyse, weil dabei in nicht wiederholbarer Weise jede Schichtstärke hergestellt werden kann.
Unter Umständen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Sperrschicht aus verschiedenartig erzeugten, d. h. nach verschiedenen Verfahren, beispielsweise in verschiedenen Elektrolyten. hergestellten Schichten zusammenzusetzen. Man kann z.:B. eine Schicht in der Art eines korrosionsfesten Überzuges fertigen, die bekanntlich verhältnismäßig porös und als amorph anzusprechen ist, und in diese eine bei der Herstellung von Elektrolytkondensatoren bekannte kristalline Schicht einlagern, um die Porosität der ersten Schicht zu verkleinern. Es empfiehlt sich dann weiter, die dielektrische Schicht zur Verbesserung ihrer Werte einer zusätzlichen Behandlung zu unterwerfen. So kann man die Schicht, sofern es sich um eine Oxydschicht handelt, mittels überhitzten Wasserdampfes härten, wodurch die Poren verkleinert bzw. zum Teil verschlossen werden. Weiterhin kann man in die dielektrische Schicht zur Gefügeverbesserung und zur Porenverringerung zusätzliche Stoffe organischer oder anorganischer Natur nach irgendeinem der bekannten Verfahren einlagern.. Beispielsweise kann man Titandioxyd als dielektrisch hochwertigen Stoff kataphoretisch in die dielektrische Schicht einlagern. Man kann auch chemische Ausfällungs- und Abscheidungsverfahren in Anwendung bringen, wobei jedoch unter Umständen eine weitere Nachbehandlung erforderlich ist, um die für den Einlagerungsprozeß not-«#endigen, jedoch für den Kondensator unerwünschten Stoffe wieder zu entfernen. Als Füllstoffe können auch Lacke, beispielsweise Polystyrollacke, Verwendung finden, die in Form eines Imprägniervorganges z. B. in die Schicht eingelagert werden können. Irgendwelcher Überschuß, der naturgemäß zur Vermeidung eines zusammengesetzten Dielektrikums entfernt werden muß, kann beispielsweise durch Abschleudern entfernt werden. Bekanntlich enthalten insbesondere elektrolytisch hergestellte Sperrschichten Wasser, welches wegen seiner Eigenschaft als Lösungsmittel sehr schlechte dielektrische Eigenschaften des Kondensators verursacht. Es ist darum unter Umständen erforderlich, dieses in den Poren und Kapillaren der dielektrischen Schicht eingelagerte bzw. chemisch gebundene Wasser vor der Aufbringung des Gegenbelages und unter Umständen auch vor der Einlagerung von Füllstoffen zu entfernen. Dies kann in einfachster Weise durch eine Ausheizung, unter Umständen im Vakuum, erfolgen. Die hierfür notwendigen Temperaturen liegen in der Größenordnung von wenigen ioo' und variieren je nach dem verwendeten Dielektrikum. Stattdessen können auch wasserentziehende Mittel, wie ein- oder mehrwertiger Alkohol od. dgl., in Anwendung kommen, wobei ebenfalls unter Umständen eine Entfernung des wasserentziehenden Mittels bei der Nachbehandlung erforderlich sein kann. Auf die so vorbereitete dielektrische Schicht wird dann die Gegenbelegung in der gekennzeichneten geringen Stärke aufgebracht. ,Dies erfolgt am zweckmäßigsten durch Katho.denzerstäubung oder noch besser durch Metallverdampfung, weil dabei zunächst die dielektrische Schicht bei der Aufbringung des Belages sich im Vakuum befindet und weiterhin die Gegenbelegung festhaftend und einschlußfrei in atomarer Form aufgebracht wird, so daß jede Oberflächenkontur der dielektrischen Schicht von der Gegenbelegung getreu nachgebildet werden kann, so daß auch höchste Kapazitätsausbeute gewährleistet ist. Es ist unter Umständen notwendig, für bestimmte dielektrische Schichten auch bestimmte Metalle als Gegenbelegung zu wählen, «eil sich herausgestellt hat, daß durch die im Augenblick noch nicht geklärten Beziehungen die Durchschlagsspannung des Kondensators wesentlich beeinflußt werden kann. Ebenso richtet sich, die Stärke der aufzubringenden Metallbelegung nach der Stärke und Art der dielektrischen Schicht.
Bei den Untersuchungen zeigte sich, daß bei Überschreiten der Durchbruchspannung Durchschläge auftraten, die unter Umständen sich nicht selbst ausheilten. Es wurde festgestellt, daß diese Durchschläge immer unterhalb der Stromzuführung auftraten. Nach Abheben der Stromzuführung war der Kurzschluß aufgehoben und der Kondensator wieder betriebsbereit. Dies veranlaßt deswegen zu der Regel, die Stromzuführungen an solchen Stellen des dünnen Belages anzubringen, denen kein Gegenbelag gegenübersteht bzw. bei welchen das Dielektrikum wesentlich verstärkt ist.
Da, wie bereits erwähnt, die dielektrischen Schichten porös sind und vermutlich auch hygroskopisch, kann ein Kondensator, selbst wenn er durch Ausbeizen od. dgl. völlig wasserfrei gestaltet ist, seine Werte unter dem Einfluß der Luftfeuchtigkeit wiederum wesentlich verschlechtern, und es ist darum zweckmäßig, ihn der Einwirkung irgendwelcher Feuchtigkeit zu entziehen und ihn feu.chtigkeits-dicht, vorzugsweise sogar vakuumdicht, einzubauen.
Der Kondensator gemäß der Erfindung hat allergrößte praktische Bedeutung, da er infolge seines Aufbaues und der Wahl von wärmeunempfindlichen Stoffen wesentlich höhere Betriebstemperaturen zuzulassen gestattet als die üblichen bekannten Kondensatoren.
Es ist darum möglich, irgendwelche elektrische Geräte, die an sich zwar für höhere Betriebstemperaturen hätten gebaut werden können, jedoch auf Grund eines damit zusammengebauten Kondensators nur für niedrigere Betriebstemperaturen zugelassen werden konnten, jetzt auch für höhere Temperaturen und damit wesentlich kleiner und billiger auszuführen. Der Kondensator gemäß der Erfindung verhält sich auch bezüglich seines Verlustwinkels und seiner Kapazität in Abhängigkeit von der Temperatur und in Abhängigkeit von der Frequenz überraschend gut und weist bei Beachtung der angegebenen Regeln Verlustwinkel auf, die in der Größenordnung von hochwertigem Glimmer liegen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrischer Kondensator mit einem Dielektrikum aus auf einem Belegungsmetall aufgewachsenen Umsetzungsprodukten und einer Gegenbelegung, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus einer chemisch oder elektrolytisch hergestellten Schicht nach Art der korrosionssicheren Überzüge in der Größe von ungefähr 5 bis io,u Stärke besteht, und daß auf diese Schicht die Gegenbelegung einschlußfrei festhaftend in einer solchen Stärke aufgebracht ist, daß bei Überlastung oder an Fehlerstellen des Dielektrikums die Gegenbelegung zerstört bzw. nichtleitend gemacht wird.
2. Kondensator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus einer auf einem Ventilmetall erzeugten Sperrschicht, insbesondere hoher Dielektrizitätskonstante und geringer Verluste, vorzugsweise einer Oxydschicht, besteht.
3. Kondensator nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht aus verschiedenartig erzeugten Schichten zusammengesetzt ist. q..
Kondensator nach Anspruch i bis 3; dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Gegenbelegung die dielektrische Schicht zur Verbesserung ihrer Eigenschaften mittels Wasserdampf behandelt ist.
5. Kondensator nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Gegenbelegung die dielektrische Schicht einer thermischen Behandlung, vorzugsweise im Vakuum, unterworfen ist.
6. Kondensator nach ,Anspruch i bis q., -dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Gegenbelegung die dielektrische Schicht mit wasserentziehenden Mitteln, beispielsweise mit Alkohol, behandelt und gegebenenfalls einer das Wasser entziehenden Nachbehandlung unterworfen ist.
7. Kondensator nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Gegenbelegung die Poren der dielektrischen Schicht mittels Lack öder sonstiger organischer oder anorganischer Füllstoffe, vorzugsweise großer Dielektrizitätskonstante und kleiner Verluste, die nach irgendeinem bekannten Verfahren eingelagert sind, verschlossen werden. B. Kondensator nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Stromzuführung verwendeten Stellen eines Belages frei von Gegenbelag sind bzw. daß an dieser Stelle das Dielektrikum verstärkt wird. g. Kondensator nach Anspruch i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator feuchtigkeitsdicht, vorzugsweise vakuumdicht, eingebaut ist.