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Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kondensatoren mit Glas
oder ähnlichen Stoffen als Dielektrikum Die Erfindung bezieht sich auf :ein Verfahren
zur Herstellung von elektrischen Kondensatoren, bei denen Glas als Dielektrikum
verwendet wird.
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Es ist bereits bekannt, als Delektrikum für eIektrische Kondensatoren
Glas oder ähnliche Stoffe zu verwenden. Diese Stoffe haben vor allem den Vorteil.,
daß. sie vollkommen unempfindlich gegen Feuchtigkeit sind und verhältnismäßig hohe
und tiefe Temperaturen ahne Beeinträchtigung ihrer elektrischen Eigenschaften vertragen.
Man hat z. B. Kondensatoren dieser Art hergestellt, indem man abwechselnd Metall-
und Glasplättchen übe reinanderschichtet. Um .eine große Kapazität zu :erhalten,
hat man die Glasplättchen so, dünn wie möglich gemacht, d. h., es wurden Glasplättchen
in der Stärke vol ungefähr 1/1o mm verwendet. Zusätzlich hat man die überstehenden
Ränder der Glasplättchen noch miteinänder verschmolzen und so Kondensatoren von
hoher Stabilität erhalten. Die auf diese Weise hergestellten Stapelkondensatoren
weisen jedoch nur eine verhältnismäßig geringe Kapazität pro Volumseinheit auf.
Man hat deshalb versucht, Kondensatoren mit Glasdielektrikum nach Art der Wickelkondensatoren
unter Verwendung von dünnen Glasfolien herzustellen, die sich um
einen Kern
wickeln lassen. Es ist zwar gelungen.
Glasfolien bis zu der geringen
Stärke von einigen ,cc herzustellen, diese äußerst- dünnen Folien sind
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doch immer noch so spröde, daß sie sich in kaltem Zustand nur um einen
Wickeldorn von mindestens; 40 mm Durchmesser biegen lassen, ohne zu zerbrechen.
Man kann beim Wickeln dieser Glasfolien auch höhere Temperaturen anwenden, um, die
Folien zu erweichen. Diesle Maßnahme stößt jedoch auf Schwierigkeiten, .da die Vorrichtung
zum. Erhitzen der Folien direkt :an die Wickehnaschine angebaut sein und die Temperatur
bei derart dünnen Folien ziemlich genau eingehalten werden muß. Als Beweis für diese
Schwierigkeiten ist die Tatsache anzusehen, saß derartige Kondensatoren bis heute
nicht auf dem Markt erschienen sind.
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Um die genannten Vorteile des Kondensators mit Glasdielektrikum auszunutzen
und die beschriebenen Nachteile zu vermeiden, wird ierfindungsgdeznäß ein Verfahren
vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, saß Glas in Form von dünnen Fäden
aufgewickelt und durch eine ,anschließende Wärmebehandlung zu einer zusammenhängenden
Masse verschmolzen wird.
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Seit längerer Zeit wird Glas in Form von dünnen Fäden zur Anfertigung
von Glasgewebe und Glaswolle, vorzugsweise zur thermischen. Isolation, here Glasfäden,
die sich in äußerster gestellt. Derartig Feinheit herstellen lassen, und die derart
biegsam sind, saß sie sich schon um einen ganz dünnen Dorn wickeln lassen, können
erfindungsgemäß mit großem Vorteil zur Herstellung von Kondensatoren mit Glasdielektrikum
verwendet werden. Wenn man solche Glasfäden auf einen Isolierstoffkern aufwickelt,
und danach einer Wärmehehandlung unterwirft, bei der das Glas zum Erweichen, insbesondere
zum Fließen kommt, so kann man auf diese Weise deinen sehr dünnen Glasüberzug auf
dem Isolierstoffkern derzeugen. Wenn man vor dem Bewickeln eine dünne Metallschicht
auf den Kern aufbringt, so kann Iman auf diese Weise die Metallschicht mit einer
,dünnen, gleichmäß'gen Glassichicht überziehen. Bringt man auf diese Schicht wiederum
:eine MetaIlschicht und eine Glasschacht auf, so, erhält man einen Kondensator,
bei ,dem die bie@den Metallbelegungen durch eine dünne Glasschicht getrennt sind,
die das Diesektrikum bildet. Es muß@ beim Aufwickeln ,des Glasfadens dafür gesorgt
sein., saß die einzelnen Windungen ,des Fadens dicht nebeneinanderliegen, was durch
einen Fadenführer leicht zu erreichen ist. Ein anderer wichtiger Punkt ist der,
saß die Ausddehnungs koeffizienten ,der zur Verwendung kommenden Stoffe möglichst
gut aufeinander abgestimmt sind. E.s ist anzustreben, saß. die Ausdehnungskoeffizienten
des Isolierstoffkernes des Glases und der Metallschicht möglichst gleich groß, sind,
damit bei Temperaturschwankungen Risse in ,der Glasschicht vermieden werden. Durch
entsprechende Auswahl des Kernmaterials, der Glassorte und des Bielegungsmetalls
ist diese Bedingung aber leicht zu erfüllen. Die Metallbelegungen werden so aufgebracht
und mit Glasfaden bewickelt, saß sie abwechselnd links und rechts aus der Glasmasse
hervorsehen und mit einer elektrischen Zuleitung verbunden werden können.- Wenn
mehr als zwei Metallbdelegungen übereinander angebracht werden, so wird man zweckmäßig
jeweils die Belegungen auf edner Seite miteinander verbinden. Es ist aber auch möglich,
mehrere Kondensatoreinheiten auf diese Weise übereinander anzuordnen. Als Isoliderstoffkern
muß ein Stoff verwendet werden, der die hohen Temperaturen, welche zur Erweichung
des Glases nötig sind, ohne Schaden erträgt. Zweckmäßig verwendet man hierzu einen
Keramikstab oder ein Keramikröhrchen von einigen Millimetern Durchmesser. Es ist
aber auch möglich, einen anderen Isol'edrstoffkern zu verwenden, z. B. einen solchen
aus einem Glas höheren aus Quarzglas. od.:dgl. Es ist auch möglich, deinen Kern
aus Metall zu verwenden, der dann vor dem Aufbringen des ersten Belages in :der
beschriebenen Weise mit einer dünnen Glasschicht überzogen wird. Blei der Verwendung
von Metallen besteht jedoch infolge ihres hohen Ausdehnungskoeffizientens leicht
diele Gefahr, saß die Glasschicht reißt. Bei Versuchen wurde ein Keramikröhrchen
3 bis ¢ mm Durchmesser und etwa i q. mm Länge verwendet, auf welches ein Glasfaden
von etwa 5,u Stärke aufgewickelt wurde. Die Metallschicht, welche die Belegung bildet,
kann auf verschiedene Weise aufgebracht werden. So kann man z. B. eine dünne Metallfolie
verwenden, die um den Kern gelegt wird und durch den darauf gewickelten Glasfaden
festgehalten wird. Es haben sich zu diesem Zwecke dünne Folien aus Kupfer oder Silber
bewährt. Es ist aber auch möglich, die Metallschicht auf andere Weise aufzubringen,
z. B. durch Aufspritzen, Aufstäuben oder Aufdampfen von Metall. Sehr dünne Metallschichten
erhält man auch nach .dem sogenannten Einbrennverfahren, bei dem Lösungen von Metallsalzen
mit bestimmten Zusätzen aufgestrichen werden, die beim Erhitzen durch Zersetzung
eine dünne Metallschicht ergeben. Dille Metallschicht kann aber auch auf chemischem
Wege erzeugt werden, z. B. durch Reduktion von .Metallsalzlösungen oder ddurch Zersetzung
von Metallverbindungen in der Gasphase, z. B. von Metallkarbonylen. Die Höhe der
Temperatur, bei welcher diele Glasfäden zu einer einheitlichen Schicht verschmelzen,
hängt naturgemäß von der verwendeten Glassorte ab und bewegt sich ungefähr zwischen
5oo und iooo° C. Man kann so. vorgeben, saß man nach jeder Wickellage ,des Glasfadens
eine Wärmebdehandlung zum Verschmelzendes Glasfadens einschaltet, oder aber man
baut den Kondensator aus Metall und Glasfadenjagen vollkommen auf und bringt erst
dann alle Schichten gleichzeitig zum Verschmelzen. Das erste Verfahren hat den großen
Vorteil, saß Lufteinschlüsse im Glas weitgehend verm:iedeen werden können, während
.das zweite Verfahren einen geringeren Zeitbedarf erfordert.
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Zum schnelleren Herstellen einer Glasfadenlage kann man auch so vorgehen,
saß gleichzeitig mehrere Fäden nebeneinander aufgewickelt werden, die zusammen eine
Lage Glasfaden ergeben. Will man stärkere Glasschichten erzielen, so wird man zweckmäßigerweise
nicht
einen stärkeren Glasfaden verwenden, sondern den dünnen Faden in mehreren Lagen
übereinander aufwickeln.
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Die Dielektrizitätskonstante des Glases liegt ungefähr bei ¢ bis,
5 und kann durch bestimmte Zusätze zur Glasschmelze noch wesentlich .erhöht werden.
Vorteilhaft werden als Zusätze verschiedene Oxyde, wie z. B. Bleioxyd, Titandi@oxyd,
. Bariumoxyd, Zirkonoxyd, oder ähnliche Stoffe einzeln oder gemischt verwendet.
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Zur Verdeutlichung des Erfindungsgedankens soll :ein Ausführungsbeispiel
an Hand der Figuren beschrieben werden.
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In Fig. i ist dargestellt, wie die Metallbielegungen und der Glasfaden
auf den Isolierstoffkern aufgebracht werden; Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch
den fertigen Kondensator dar.
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Wie in Fig. i dargestellt ist, wird auf den Isolierstoffkern ¢ zuerst
.eine Metallbelegung 5 aufgebracht, die aus einer dünnen Metallfolie aus Kupfer,
Silber oder aus einer Schichteines anderen geeigneten Metalls bestehen kann. Diese
Metallbelegung kann aber auch, wie dies bereits angedeutet wurde, auf andere Weise
erzeugt werden,. Auf die Metallbelegung 5 wird nun der Glasfaden 3, der von :der
Rolle i durch den Fadenführer 2 läuft, in dicht nebeneinanderliegenden Windungen
aufgewickelt. Zweckmäßig bleibt ein Teil der Metallbelegung zum Anschluß der Belegung
uribewickelt. Dieser uribewickelte Teil ist in Fig. i auf det rechten Seite zu sehen.
Die Bewicklung wird dann, im Falle von Fig. i nach links bis über das Ende der Metallbelegung
5 hinausgeführt, so daß auf der linken Seite die Metallbelegung 5 vollkommen vom
Dielektrikum bedeckt ist. Nun wird das Ganze einer Erhitzung, vorzugsweise bis zum
Fließpunkt das Glases, unterworfen, wobei sich eine gleichmäßige dünne Glasschicht
durch Verschmelzen der Windungen des Glasfadens bildet. Es ist in vielen Fällen
zweckmäßig, die Erhitzung nicht an der Atmosphäre vorzunehmen, sondern diese im
Vakuum oder in. einem neutralen Gas auszuführen. Um leine Oxydation der Metallschichten
zu verhindern oder eine bereits erfolgte Oxydation rückgängig zu machen, hat sich
die Anwendung ,einer reduz@erenden Atmosphäre beim Erhitzen als: zweckmäßig erwiesen.
So. kann man z. B. die Erhitzung im Wasserstoffstrom vornehmen. Es ist jedoch darauf
zu achten, daß manche Metalle in der Hitzegrößere Mengen von Gasen ,adsorbier,en,
die Leicht zur Bildung von Gasblasen in der Glasmasse führen können. Deshalb ist
@es zweckmäßig, die Erktzungstemperatur nicht zu hoch zu wählen und nicht zu lange
auszudehnen. Dies ist auch deshalb von Wichtigkeit, weil bei längerem und starkem
Erhitzen. sich vorhandene oberflächliche Oxydsichichten im Glas lösen und -die dielektrisch@en
Elgenschaft@en desselben beeinträchtigen können.
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Nun wird die zweite Metallbelegung aufgebracht, und zwar so, daß ihr
linkes Ende die soeben hergestellte Glasschicht überragt, während das recht;: Ende
nicht ganz bis zum Ende des Glasüberzuges reicht. Alsdann wird abermals Glasfaden
über die Belegung gewickelt, und in diesem Falle wird ein Teil der zweiten Belegung
am linken Ende uribewickelt gelassen, während der Glasfaden über das rechte Ende
der zweiten Belegung hinausgewickelt wird, jedoch nicht so weit, daß die erste Belegung
ganz bedeckt wird. Auf diese Weisse können abwechselnd mehrere Lagen Glasfaden und
Metall aufgebracht werden. Dabei ragen die geradzahligen Belegungen auf der einen
und die ungeradza'hligen Belegungen auf der anderen Seite aus der Glasschicht heraus
und können. miteinander verbunden werden. Es ist zweckmäßig, nach jedem Aufbringen
einer Schicht Glasfaden diese zu verschmelzen.
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Ein Querschnitt durch einen fertigen Kondensato!r ist in Fig. 2 dargestellt.
Auf dem Isolierstoffkern q. befinden sich die einzelnen Belegungen 5, welche abwechselnd
links und rechts miteinander verbunden sind. Die auf jeder Seite herausragenden
Belegungsenden sind beispielsweise durch ein Metallband 6 zusammengehalten, an dem
die Anschilußdrähte 7 befestigt sind. Zwischen den e@inzelnen Belegungen 5 befindet
sich das Dielektrikum aus Glas, welches auf die beschriebene Weise erhalten wurde.
Am Schluß wird der ganze Kondensator zweckmäßig mit Glasfaden überzogen und dieser
durch eine Wärmebehandlung verschmolzen, so daß der ganze Kondensator mit einer
schützenden Glashülle 3 überzogen ist.
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Es soll noch betont werden, daß. die in den Zeichnungen dargestellten
Maße und Größenverhältnisse keinesfalls der Wirklichkeit entsprechen, sondern zur
besseren Darstellung verändert wurden. Auch ist es nicht unbedingt notwendig, daß,der
Kondensator in dereben beschriebenen Weise hergestellt wird. Wesentlich ist nur,
daß die Glasschicht durch Aufwickeln Beines Glasfadens, und,darauffolgendes Verschmelzen
desselben hergestellt wurde.
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Die auf diese Weise :erhaltenen Kondensatoren sind nicht nur unempfindlich
gegen Feuchtigkeit, sondern auch weitgehend temperaturunempfindlich bis zu einigen
hundert Grad, was mit den b@'_,shergen Kondensatoren nicht zu erreichen war. Gegenüber
den bekannten Ausführungen von Kondensatoren mit Glasdielektrikum haben s.-e den
großen Vorteil, daß, .auf einfache Weise sehr kleine Kondensatoren hergestellt werden
können.
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Wie bereits- angedeutet wurde, ist :der Erfindungsgedanke keineswegs
auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt.