-
Elektrischer Kondensator mit dünner, vorzugsweise je einer Trägerdielektrikum-Schicht
zwischen zwei Belägen, sogenannter Einlagen-Kondensator Für die Herstellung elektrischer
Kondensatoren werden Dielektrika möglichst geringer Dicke verwandt. Es liegt in
der Natur der Sache, daß mit abnehmender Stärke die Zahl der Fehler, bezogen auf
die Flächeneinheit, zunimmt. Das trifft insbesondere für Papier zu, das infolge
der bei ihm erreichbaren geringen Dicken überragende Bedeutung in der Kondensatorherstellung
erlangt hat. Infolge der Neigung zu erhöhter Schwachstellenzahl mit abnehmender
Dicke ist es an sich nicht möglich, Papierkondensatoren mit nur einer Papierschicht
zwischen zwei Belägen, sogenannte einlagige Papierkondensatoren, herzustellen. Um
diese Schwierigkeiten zu verringern, ist man dazu übergegangen, das Papier einseitig
zu lackieren. Eine solche Lackschicht, die natürlich ebenfalls gerade wegen ihrer
noch geringeren Dicke eine große Zahl von Schwachstellen aufweist, hat dabei die
Aufgabe einer zweiten Papierlage, wobei man annimmt, daß die Schwachstellen des
Papiers nicht gerade mit denen der Lackschicht zusammentreffen. Diese Annahme wird
aber bei der sehr großen Zahl von Schwachstellen nur sehr bedingt erfüllt, so daß
die Herstellung von Kondensatoren mit einer Lage lackierten Papiers nur Anwendung
bei Kondensatoren mit aufgedampften Belägen, sogenannten Metallpapierkondensatoren,
gefunden hat, weil dort die auch bei lackiertem Papier immer noch vorhandenen resultierenden,
d. h. zusammenfallenden Schwachstellen durch Ausbrennen der Belag-
Schicht,
allerdings nur in beschränktem Umfang, unwirksam gemacht werden können. Die Erfahrung
zeigt nämlich, daß bei derartigen Kondensatoren die Isolation viel schlechter ist
als bei mehrlagigen und darüber hinaus infolge der sich immer wieder neu bildenden
Kurzschlüsse oder Strombrücken zeitlich großen Schwankungen unterworfen ist. Das
bedeutet, daß zwar durch die Lackierung eine Verbesserung gegenüber dem reinen Papier
erreicht wird, aber die Isolation und Spannungsfestigkeit einer zweiten Papierlage
bei weitem nicht erreicht wird.
-
Man könnte natürlich versuchen, die Isolation und Spannungsfestigkeit
des Dielektrikums durch Aufbringen von Lackschichten auf beiden Seiten zu verbessern.
Dieses Verfahren ist jedoch nicht angängig, da dann keine Möglichkeit bestehen würde,
die in dem Dielektrikum enthaltene, die Isolation und Spannungsfestigkeit stark
beeinträchtigende Feuchtigkeit herauszubringen.
-
Eine wesentliche Verbesserung eines elektrischen Kondensators mit
dünner, vorzugsweise je einer Trägerdielektrikum-Schicht zwischen zwei Belägen,
eines sogenannten Einlagen-Kondensators, ergibt sich der Erfindung gemäß dadurch,
daß das Trägerdielektrikum mindestens auf einer Seite mit einer porösen dielektrischen
Deckschicht versehen ist. Diese Deckschicht weist Hohlräume und Poren auf, durch
welche die Feuchtigkeit, z. B. durch Vakuum und Wärmebehandlung, herausgeholt werden
kann. Vorzugsweise werden die Poren und Hohlräume dieser porösen Deckschicht mit
einem dielektrischen Imprägniermittel, z. B. Öl, ausgefüllt, so daß die Deckschicht
im fertigen Kondensator eine ähnliche Spannungsfestigkeit aufweist, wie das Imprägniermittel
selbst. Das gekennzeichnete Prinzip läßt sich sowohl bei normalen Kondensatoren
mit eingelegten :Metallfolien als Belägen als auch bei Kondensatoren mit auf das
Dielektrikum festhaftend, z. B. durch Aufdampfen, hergestellten Metallschichten
anwenden. Auf einer Seite des Trägerdielektrikums kann eine nichtporöse dielektrische
Schicht, z. B. Lack oder Kitt, aufgetragen sein. Bei Belägen, die auf das Dielektrikum
festhaftend, z. B. durch Aufdampfen, hergestellt sind, kann man so vorgehen, daß
auf der Belagseite des Trägerdielektrikums zunächst eine poröse Deckschicht und
darauf die aufmetallisierte Belagschicht aufgebracht wird. Es ist auch möglich,
die Anordnung so zu treffen, daß auf der Belagseite des Trägerdielektrikums zunächst
eine nichtporöse Deckschicht und darauf die aufmetallisierte Belagschicht aufgebracht
ist, während auf der Gegenseite dieses Trägerdielektrikums eine poröse Deckschicht
vorgesehen ist.
-
Weitere Merkmale der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung
aufgezeigt. An Hand der Zeichnung wird noch näher auf die Faktoren, die eine Verschlechterung
der Gesamtisolation eines Kondensators zur Folge haben, und auf die verschiedenen
Verbesserungsmöglichkeiten eingegangen.
-
Kurzschlüsse oder Strombrücken im Dielektrikum sind auf verschiedenartige
Fehler des Dielektrikums zurückzuführen. Eine Gruppe sei unter dem Begriff der Vertiefungen
zusammengefaßt; das sind solche Stellen im Dielektrikum, an denen eine Verringerung
der Dicke vorhanden ist, aber der Zusammenhang des Gefüges noch erhalten geblieben
ist. In der zweiten Gruppe ist der Zusammenhang nicht mehr vorhanden, das Dielektrikum
weist also Löcher oder Poren auf. Zur dritten Gruppe gehören schließlich Stellen,
an denen infolge von Einschlüssen verschiedenster Art, wie z. B. von Metallteilchen
usw., hohe Leitfähigkeit auftritt.
-
Fig. i bis 5 zeigen Schnitte durch Schichten mit eingelegten Metallfolien
als Belägen. Fig. 6 bis io zeigen Schnitte von Kondensatoren mit auf das Dielektrikum
festhaftend, z. B. durch Aufdampfen, hergestellten Metallschichten. Soweit es sich
in den einzelnen Figuren, welche die Kondensatorenschnitte in stark vergrößertem
Maßstab darstellen, um Teile gleichen Materials handelt, sind überall die gleichen
Bezugszahlen verwendet worden. Bei Fig. i ist die Dielektrikumschicht i, z. B. aus
Papier, zwischen der zugehörigen Metallfolie 2 und der Metallfolie 3 des Gegenbelages
angeordnet. In der Dielektrikumschicht i befindet sich eine Vertiefung i i. Der
Belag 2 fügt sich weitgehend dieser Vertiefung, namentlich bei den meist verwendeten
dünnen Folien, an, so daß das Dielektrikum an dieser Stelle besonders beansprucht
wird und daher dort zu Durchschlägen neigt. Die Pore 12 wird nach der Imprägnierung
mit Imprägniermasse gefüllt sein und daher kaum eine Gefährdung bedeuten. Der leitende
Einschluß 13 überbrückt das Dielektrikum, so daß unmittelbar Verbindung und damit
Kurzschluß zwischen den beiden Belägen besteht.
-
Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 ist die Dielektrikumschicht i einseitig
mit einer Lackschicht q. versehen. Im Falle der Vertiefung i i ergibt sich eine
gewisse Ausfüllung, so daß die geschwächte Dielektrikumstelle mit gewisser Wahrscheinlichkeit
der Beanspruchung gewachsen bleibt. Die Schwachstelle mit der Pore 12 bleibt ungefährlich,
während der Einschluß 13 durch die Lackschicht etwas isoliert wird, so daß nicht
alle Einschlüsse zu Kurzschlüssen führen werden, wodurch sich also schon eine Verbesserung
gegenüber dem normalen Folienkondensator ohne Deckschicht ergibt.
-
Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der eine poröse dielektrische Massenschicht
5 auf einer Seite der Dielektrikumschicht aufgebracht ist. Gegenüber der Lackschicht
q. gemäß Fig. 2 ergibt sich insofern eine Verbesserung, als die mit Imprägniermasse
ausgefüllte poröse Schicht eine weit höhere Durchschlagsfestigkeit aufweist.
-
Fig. q. zeigt auf der Dielektrikumschicht i beiderseitig die porösen
Schichten 5, wodurch die Spannungsfestigkeit, insgesamt gesehen, noch weiter gesteigert
wird. Da die Vertiefungen i i einmal auf der einen, dann auf der anderen Oberfläche
sein können, braucht daher bei beiderseitiger Deckschicht nicht mehr mit einem Ausfall
gerechnet zu werden. Die Poren 12 bleiben hier ebenfalls
ungefährlich.
Bei den Einschlüssen 13 besteht infolge der jetzt zweifachen Isolationsschicht 5
eine wesentliche geringere Wahrscheinlichkeit, daß Kurzschlüsse auftreten.
-
Fig. 5 zeigt die Anordnung einer Dielektrikumschicht i, die auf der
einen Seite eine poröse Schicht 5 und auf der anderen Seite eine Lackschicht q.
besitzt. Da die Lackschicht praktisch kein Imprägniermittel aufnimmt, tritt hier
vielleicht eine etwas kleinere Spannungsfestigkeit auf als bei der Anordnung gemäß
Fig, q., bei der auf beiden Seiten der Dielektrikumschicht i poröse Schichten vorhanden
sind, welche mit Imprägniermittel getränkt werden.
-
Bei Kondensatoren, deren Beläge festhaftend, z. B. durch Aufdampfen
von Metall, auf das Dielektrikum hergestellt sind, spielen noch andere Gesichtspunkte
eine wesentliche Rolle, die an Hand der Fig.6 bis io näher erläutert werden. Fig.6
veranschaulicht eine Schichtung ohne besondere Deckschichtenanordnung, indem das
Dielektrikum i, z. B. Papier, eine aufgedampfte Schicht 7 und das Dielektrikum6
eine aufgedampfte Schicht 8 trägt. Bei den Vertiefungen i i ist die Fehlermöglichkeit
hier noch größer als beim Folienkondensator (Fig. i), da die niedergeschlagene Metalldampfschicht
jeder Oberflächenänderung genauestens folgt. Bei den Poren 12 ist hier ebenfalls
praktisch immer im Gegensatz zu Folienkondensatoren mit einem Kurzschluß zu rechnen,
wenn nicht besondere Maßnahmen bei der Bedampfung ergriffen werden, auf welche später
hingewiesen wird und die ein weiteres Kennzeichen der Erfindung darstellen. Das
gleiche gilt für die Einschlüsse 13. Daraus ergibt sich also, daß bei einem Dielektrikum
ohne Deck- bzw. Schutzschicht nahezu jede Schwachstelle zum Kurzschluß führt. Da
die Zahl derartiger Schwachstellen im vorzugsweise als Dielektrikum verwendeten
Papier verhältnismäßig groß ist, erklärt sich auch, warum es nicht möglich ist,
metallbedampfte Papierkondensatoren mit einer einlagigen Papierschicht als Trägerdielektrikum-Schicht
ohne Schutz- bzw. Deckschicht mit ausreichender Isolation aufzubauen. Das gilt erfahrungsgemäß
auch trotz der Tatsache, daß bei dem Prinzip der Metallbedampfung mit so dünnen
Belagschichten gearbeitet wird, daß sie bei Auftreten von Kurzschlüssen um die Kurzschlußstelle
herum verschwinden. Die Isolation eines solchen Kondensators sinkt durch die vielen
Kurzschlüsse bzw. Ausbrennstellen auf einen unzulässigen Wert ab.
-
Es ist bereits bekannt, wie in Fig. 7 dargestellt ist, die Dielektrikumschichten
i bzw. 6 zunächst mit einer Lackschicht .4 zu versehen und darüber die Metalldampfschichten
7 bzw. 8 aufzubringen. Bei den Vertiefungen i i ist die Gefahr des Kurzschlusses
stark verringert, bei den Poren 12 sogar meistens beseitigt. Die Einschlüsse 13
führen dagegen in der Mehrzahl der Fälle noch zu einem Kurzschluß.
-
In Fig. 8 sind auf den Dielektrikumschichten i bzw. 6 poröse Dielektrikumschichten
5 auf der Seite aufgebracht, die später mit Metall bedampft wird. Die Spannungsfestigkeit
einer solchen porösen, mit Imprägniermasse gefüllten Schicht ist wesentlich höher
als die einer Lackschicht. Das wird sich insbesondere bei den Vertiefungen i i auswirken,
da die Deckschicht 5 hier ausgleichend wirkt, so daß an dieser Stelle das Gesamtdielektrikum
aus Papier i und poröser Deckschicht 5 wahrscheinlich stärker ist als an den anderen
Stellen.
-
Offensichtlich wird die Gefahr eines Kurzschlusses bei der Ausführung
gemäß Fig.9 noch weiter verringert, bei der die Dielektrikumschicht i auf beiden
Seiten mit porösen Deckschichten 5 versehen ist.
-
Endlich veranschaulicht Fig. io eineAusführung, bei der auf der einen
Seite, vorzugsweise auf der später mit Metall zu bedampfenden Seite, eine Lackschicht
q. und auf der Gegenseite eine poröse Deckschicht 5 aufgebracht ist. Die Anordnung
der Lackschicht q. auf der später mit Metall zu bedampfenden Dielektrikumseite des
Dielektrikums i hat noch den gewissen Vorteil, daß bei der Metallbedampfung das
Metall gar nicht mit den Schwachstellen in Berührung kommt, während auf der Gegenseite
die poröse Deckschicht das Imprägniermittel aufnimmt und so eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit
bewirkt.
-
Eine weitere Verbesserung bei allen Ausführungen kann dadurch erreicht
werden, daß die Bedampfung auf die porösen Schichten nicht normal, sondern schräg
zur Normalebene der Dielektrikumschicht erfolgt, da dadurch verhindert wird, daß
der Metallniederschlag merklich in diese Schichten eindringt. Für ein Dielektrikum
mit einer porösen Schicht ergibt sich daher eine Verbesserung in allen drei Fällen
(Vertiefung, Pore, Einschluß), wobei naturgemäß bei den Einschlüssen relativ am
ehesten mit einem Kurzschluß gerechnet werden kann. In dieser Hinsicht bedeutet
die Anbringung poröser Schichten auf beiden Seiten eine weitere Verminderung der
Gefahr.
-
Die gekennzeichneten Anordnungen, beispielsweise gemäß Fig.2 bis 5
und 8 bis io, ergeben also eine erhebliche Verbesserung des Kondensators gegenüber
den bisher bekannten Ausführungen, z. B. gemäß Fig. 1, 6 und 7. Insbesondere durch
die Kombination von Lackschicht und poröser Schicht bzw. durch Anwendung von zwei
porösen Schichten und schräger Bedampfung wird erreicht, daß der Kondensator praktisch
einem mit zweilagigem Dielektrikum gleichkommt. Da jedoch die Lackschicht bzw. die
poröse Schicht in ihrer Dicke wesentlich geringer ist als eine zweite Dielektrikumlage,
bleibt andererseits der Vorteil des Einlagen-Kondensators, größere Kapazität bzw.
kleinerer Raumbedarf, erhalten.
-
Zur Herstellung poröser Schichten seien noch einige, die Erfindung
weiterbildende Hinweise gegeben. Es ist z. B. möglich, sehr feine pulverige Massen
auf das Dielektrikum, beispielsweise Papier, aufzuwalzen, aufzubügeln usw. Da aus
den oben erläuterten Gründen die Schichtdicke etwa in der Größe von i ,u, möglichst
nicht über
a ,cc sein soll, ergibt sich damit die maximale Teilchengröße.
Die Form der Teilchen ist an sich beliebig, jedoch dürfte es insbesondere bei Metallbedampfung
vorteilhafter sein, wenn sie nicht kugelförmig, sondern unregelmäßig gestaltet sind,
da dann das Eindringen eines zusammenhängenden Metallniederschlags in die poröse
Schicht hinein erschwert wird. Als Material kommen vorwiegend solche Stoffe in Frage,
die nicht zu niedrigen spezifischen Widerstand besitzen, wie z. B. Porzellanmehl
od. ä. Hat die verwendete Masse auch noch eine hohe Dielektrizitätskonstante, wie
beispielsweise Titandioxyd od. ä., so ist dies von weiterem Vorteil.
-
Eine andere Möglichkeit, eine derartige Schicht herzustellen, besteht
in dem Auftragen eines Lackes mit einer den obigen Gedankengängen entsprechenden
Masse als sogenanntem Füllstoff. Der Anteil des Lackes ist dabei kleiner als der
des Füllstoffes. Der Lack dient also vorzugsweise als Klebemittel. An Stelle von
Lacken mit oder ohne Füllstoff können allgemein auch Kitte Verwendung finden.
-
Die Schicht kann auch dadurch gebildet werden, daß man auf das Dielektrikum
die Masse in einzelnen Molekülen aufbringt. Besonders geeignet sind dafür Kohlenwasserstoffverbindungen.
Handelt es sich z. B. um Kettenmoleküle, so wirkt ein ungeordneter Niederschlag
solcher Ketten etwa wie ein Geflecht, ist also im Sinne der Erfindung denkbar gut
porös. Man kann aber auch zunächst eine gleichmäßige Schicht aufbringen, aus der
man dann gewisse Bestandteile wieder herauslöst, so daß auf dem Untergrund, hier
also dem Dielektrikum, ein skelettartiges Gebilde, etwa als Gerüst anzusprechen,
übrigbleibt. Insbesondere bei schräger Bedampfung ergeben sich hierbei günstige
Verhältnisse.
-
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das fertig behandelte Trägerdielektrikum,
z. B. Papier, aufzurauhen. So wird für den Kondensatorbau vorwiegend ratiniertes,
d. h. oberflächengeglättetes Papier verwendet. Hat nun die letzte Walze im Kalander
keine polierte, sondern eine aufgerauhte Oberfläche, so wird das Papier entsprechend
der Oberfläche der Walze gemustert. Die Oberflächenunterschiede der Walze und damit
der Aufrauhgrad des Papiers muß innerhalb der oben angegebenen Grenze liegen. Die
Aufrauhung der Wälze muß daher sehr fein sein, besonders vorteilhaft wird sie durch
Feinstrukturätzung erzielt. Es ist dabei erwünscht, daß die Eindringtiefe der hervorstehenden
Walzenteilchen groß ist gegen ihren Querschnitt. Sollen beide Seiten des Papiers
aufgeraulit werden, so ist die Gegenwalze ebenso auszubilden.
-
Eine weitere Verbesserung des gekennzeichneten Einlagen-Kondensators
kann noch dadurch erzielt werden, daß das mit einer Deckschicht überzogene Dielektrikum
entweder vor dem Einlegen oder Einwickeln in den zu bildenden Kondensator oder vor
der betriebsmäßigen Verwendung im Kondensator einer die Isolationseigenschaften
verbessernden Vorbehandlung, z. B. einer Spannungsbehandlung, unterworfen wird.
Bei der Spannungsbehandlung kann, wie an anderer Stelle vorgeschlagen wird, eine
ruhende Gleichspannung, eine Stoßspannung, Wechselspannung geeigneter Frequenz oder
pulsierende Gleichspannung angewandt werden. Die Vorbehandlung kann auch in einer
chemischen Beeinflussung bestehen, indem entsprechende Mittel die Isolationseigenschaften
ari den Schwachstellen, z. B. durch Oxydation von metallischen Einschlüssen, verbessern.