DK141219B - Metalpapirkondensator. - Google Patents

Description

Cl!!? (11) FREMLÆGGELSESSKRIFT 141219 --' DANMARK (M) int.ci.3 h 01 o uzu (21) Antegning nr. 5Ο63/7Ο (22) Indleveret dm 6. Okt. 1970 (28) Lebedag 6. Okt. 1970 X/ (44) Antegningen fremlagt og - nRn fremlæggeltewkrtftet offentliggjort den 4 6D. lyu^ DIREKTORATET FOR , u t

PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET <*» ^STlSS". 1950562. JE

(71) INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, 520 Park Avenue, New "York, New York 10022, US.

(72) Opfinder: Eric Harold HarknesS* Residence Esculape, Rue Chanteloup, 53 Laval, FR; Sigllnde~Laurentia Eiemann, 8500 Nuernberg, Schneppen« horststrasse 73* DE.

(74) Fuldmægtig under sagene behandling:

Patentbureauet Hofman-Bang & Boutard. ______ (54) Metalpapirkondensator.

Opfindelsen angår en elektrisk kondensator med papir som dielektri-kum bestående af mod hinanden anliggende papirstrimler, der er me-talliseret på den glatte side ved pådampning af metal. Sådanne kondensatorer betegnes almindeligvis metalpapirkondensatorer. Det metalliserede lag kan være så tyndt, at kondensatoren har selvhelende egenskaber, dvs. at belægningen ved et gennembrud fordamper bort omkring gennembrudsstedet, således at kondensatoren forbliver funktionsduelig også efter et eller flere sådanne gennembrud.

Det er allerede kendt, at ved sådanne metalpapirkondensatorer spiller det med pådanpet metal forsynede papirs glathed en stor rolle.

Det er endvidere kendt at anbringe det metalliserede lag pfi den glatte side af papirstrimlen.

2 141219 Således er det for eksempel allerede nævnt i tysk patentskrift nr. 878.412, at der antagelig under metalliseringen af papirstrimmelen dannes spidse fremspring af metalbelægningen, som rager ind i dielek-trikummet, og at dielektrikummet herved overbelastes på disse steder.

For at papiroverfladen, på hvilken metallet anbringes, kan gøres glat-tere, er denne overflade blevet forsynet med et lakovertræk. Dette lakovertræk udfylder porer og fordybninger i overfladen, således at der på denne måde opnås en glattere overflade, end det ulakerede papir har.

Endvidere har man konstateret, at papirets glathed kan.forbedres yderligere, ved at papiret i fugtig tilstand presses ned på et udglattende underlag og tillades at tørre på dette underlag. Den således opnåede glatte papiroverflade forsynes derefter ved metallisering med en metalbelægning.

Endvidere er det fra tysk patentskrift nr. 974.836 kendt til fremstilling af elektriske kondensatorer at anvende papir, der er komprimeret ved hjælp af kalandring, hvilket papir er glattere på den side, der bærer de metalliserede belægninger, end på den anden side. Ujævnhederne på den glatte side skal derved være mindre end 5 μΐη, fortrinsvis mindre end 1 μΏΐ. Sådanne kondensatorer har en væsentlig lavere tabsfaktor end kondensatorer, der er fremstillet med indtil da kendt kondensatorpapir.

Endvidere er det i beskrivelsen til tysk patent nr. 969.551 foreslået at fremstille stærkt sammenpresset kondensatorpapir på den måde, at kondensatorpapiret sammen med en hjælpestrimmel drejes gennem ka-landeren. Dette forslag går ud fra den erkendelse, at et stærkt sammenpresset papir har relativt store tab i tilfælde af vekselspændingskondensatorer, medens er blot maslcinglat papir vel har lavere tab, men også en lavere kapacitet og en lavere dielektrisk styrke. Man har forsøgt at undgå disse ulemper ved at anvende papir af en meget høj kompression, men som på den ene side er ru, således at fugtigheden efter fremstilling af kondensatorviklinger bedre kan fjernes fra viklingen end ved et meget glat papir.

Endelig kendes fra beskrivelsen til fransk patent nr. 1.063.542 elektriske kondensatorer med metalliserede papirstrimler, hvor flademodstanden i metalisseringslaget andrager mellem 1,5 og 10 ohm. Den her angivne modstandsværdi gælder et modstandslegeme af form som et retvinklet parallelepipedum med længden 1 cm og tværsnittet 1 cm multipliceret med metalliseringslagets tykkelse.

Undersøgelser er nu blevet udført med det· formål at opklare sammenhængen nærmere mellem papirets glathed og de elektriske egenskaber ved en metalpapirkondensator fremstillet af sådant papir. Hertil skal det siges forud, at forskellige fremgangsmåder er kendt til bestemmelse 3 141219 af et papirs glathed. En af de hyppigst anvendte fremgangsmåder til , måling af et papirs glathed er reflektionsmåling ifølge Dr. Lange, ved hvilken lysets tilbagekastning ved den pågældende papiroverflade testes som mål for papirets glathed. Denne fremgangsmåde er forholdsvis enkel, fordi en berøringsfri måling er mulig ved hjælp af en lyskilde og en fotocelle, hvilken fremgangsmåde også egner sig til at udføre kontinuerlig overvågning af en løbende papirbane.

En anden fremgangsmåde til måling af papirers glathed, som har været kendt længe, er papirtestningen ifølge Dr. Bekk. Denne fremgangsmåde er for eksempel beskrevet i tidsskriftet "Der Papierfahrikant" fra 1935» No. 16, siderne 137-143. En anden artikel af pr. Bekk angående glathedsmåling af papir er blevet offentliggjort i tidsskriftet "Der graphische Betrieb", Bind'7, 1932, siderne 2-10. Denne fremgangsmåde for glathedsmåling ved Dr. Bekk er baseret på, at en papirprøve trykkes, med et bestemt tryk mod en glat glasplade* der har en åbning med en bestemt størrelse. Åbningen i glaspladen står i forbindelse med en beholder, i hvilken der frembringes et bestemt undertryk. Som mål for pa- 3 pirets glathed angives nu den tid i sekunder, som kræves for, at 10 cm luft kan trænge ind i beholderen mellem den ringformede polerede overflade og papiroverfladen. Denne art af glathedsmåling er hovedsagelig blevet brugt i forbindelse med testning af papir ud fra et trykketeknisk synspunkt. Glathedsmåling ifølge Bekk's fremgangsmåde kan kun udføres på enkelte papirprøver og kræver alt efter papirets glathed en længere eller kortere tid. Derfor egner denne fremgangsmåde sig ikke til løbende glathedsmåling af papirbaner i bevægelse.

Når nu et papir skal undersøges med hensyn til dets egnethed som kondensatorpapir til brug for metalpapirkondensatorer, anvendes en af de kendte fremgangsmåder for at fastslå, om papiret er tilstrækkeligt glat til dette formål især på den side, på hvilken der skal pådampes metal. Herved er man altid gået ud fra den antagelse, at der ved fordybninger i papiroverfladen dannes spidser i metalbelægningen, som rager ind i papirdielektrikummet og på det pågældende sted forringer de dielektriske egenskaber ved spidsernes indvirkning.

Ved indgående undersøgelser har det nu på overraskende måde vist sig, at sammenhængen mellem papirets glathed og de elektriske egenskaber ved en metalpapirkondensator ikke er så enkel som hidtil antaget. Således har for eksempel målinger af ruhedsdybden af papiroverflader givet det overraskende resultat, at et kondensatorpapir ved påføring af en lakbelægning ikke bliver væsentlig glattere end et papir uden lakbelægning. Således blev der på et bestemt papir målt en ruhedsdybde på 2,8 Pm og en aritmetisk middelruhedsværdi på ca. 0,45 pm. Efter påfø- 4 141219 ring af en lakbelægning blev ruhedsdybden målt til 2,4 pm og den aritmetiske middelværdi til 0,45 pm. Ruhedsdybden blev altså formindsket ubetydeligt, medens den aritmeriske middelværdi overhovedet ikke havde forandret sig. Ruhedsdybden og ruhedsværdien kunne altså ikke være årsag til forbedringen af en metalpapirkondensators elektriske egenskaber ved påføring af en lakbelægning på den papirside, der skulle metallise- res. Som det fremgår af de ovennævnte værdier for ruhedsdybde og middel-ruhedsværdien, er de ved metallisering fremkomne metalspidser ikke blevet væsentligt formindsket.

En anden overraskende konstatering bestod i, at de relative værdier for glatheden, som opnåedes ved de forskellige fremgangsmåder, ikke stemte overens. Hidtil havde man troet, at det ikke kom an på fremgangsmåden ved glathedsmålinger, men at de ved de enkelte fremgangsmåder opnåede relative værdier svarer til hinanden. Det har imidlertid vist sig, at forskellige undersøgte papirer på den glatte side ganske vist viste de samme værdier ved glathedsmåling ifølge Lange, men at glathedsværdierne målt ifølge Bekk afveg meget fra hinanden. Således fremkom for eksempel for glatheden af et bestemt papir en glansværdi på 42 ifølge Lange og en glathed ifølge Bekk på 532. Et andet papir havde ved glansmålingen en glathed på 43 og ved måling ifølge Bekk en glathed på 856. Endelig måltes et papir, hvis glathed ifølge Lange havde værdien 47 og efter Bekk: 1120. Der blev åbenbart ikke ved målingerne konstateret værdier, der svarede til hinanden.

Der blev senere fremstillet metalpapirkondensatorer ved brug af forskellige papirer, hvis glathed var målt ifølge Lange og Bekk, hvorved den glattere papirside var blevet metalliseret på kendt måde. Det viste sig nu til stor overraskelse, at det for at opnå elektriske kondensatorer med gode værdier ikke så meget kom an på papirets glathed som sådan, men at kun de kondensatorer opviste meget gode elektriske egenskaber, hvis papir målt ifølge Bekk viste en høj grad af glathed, medens glathedsmåling efter glansmålingsfremgangsmåden ifølge Lange ved lige store værdier førte til helt andre elektriske egenskaber.

De opdagede betydelige forskelle ved de to glathedsmålinger, beror antagelig på, at der med de to fremgangsmåder måles forskellige ting. Ved glathedsmålingen ifølge Lange, også kaldet glansmåling, konstateres lysets overfladereflektion forårsaget af papiroverfladen. Her spiller åbenbart kun papirets overfladeegenskaber en rolle. Ved glathedsmålingen ifølge Bekk derimod suges der luft.igennem ved berøringsfladerne mellem papiroverfladen og en poleret glasplade, hvorved vel også uregelmæssighederne på papirets overflade spiller en rolle. Ved denne måling er det dog også muligt, at luften ikke blot strømmer langs s 141219 med papirets overflade ind i undertrykskammeret, men det er også muligt, at selve papirets porøsitet i overfladelaget derved spiller en rolle. Dette kunne forklare, at de værdier, som opnås ved de to målingsfremgangsmåder, ikke svarer til hinanden. Det blev imidlertid nu konstateret, at for at opnå fordelagtige elektriske egenskaber er glathedsmåling i-følge Bekk udslagsgivende. Det kan være, at papirets overfladeporøsitet ved pådampning af et metallag spiller en stor rolle, hvorved forbedringen af de elektriske egenskaber ved gode glathedsværdier ifølge Bekk lod sig forklare. Et tegn i denne retning er den kendsgerning, at det pådampede metallags struktur er en anden, når glatheden ifølge Bekk har en høj værdi, end når den har en lav værdi.

Det er formålet med opfindelsen at tilvejebringe metalpapirkon-densatorer, i hvilke tabsfaktorerne tidsmæssige forløb er forbedret væsentligt, således at det er muligt at belaste dielektrikummet med en højere spænding end hidtil, uden at tabsfaktoren stiger i tidens.løb. Dette er især væsentligt af den grund, at temperaturen i kondensatorviklingen med tiden forhøjes gennem tabsfaktorens stigning, hvilket igen fører til en yderligere stigning af tabene. Derved bliver dels kondensatorens spændingsbelastningsevne og dels dens levetid begrænset. Dette betyder, at der under iagttagelse af regelen ifølge opfindelsen kan fremstilles kondensatorer med samme papirtykkelse, som egner sig til en højere driftsspænding, eller at med samme driftsspænding kan papirets tykkelse førmindskes væsentligt, hvorved der fremkommmer mindre og lettere kondensatorer. Det er endog blevet muligt at erstatte såkaldte tolagskondensatorer, i hvilke der mellem.de metalliserede papirstrimler yderligere er ikke-metalliserede papirstrimler tilstede, med ét-lagskondensatorer, hvilket ved samme totaltykkelse af papirdielektrikum-met betyder en væsentlig besparelse i fremstilling og i pris.

Endvidere skal ifølge opfindelsen metalliseringslagets udbrændingsforhold forbedres uden at nedsætte kondensatorens modstandsdygtighed over for jævnspænding.

Disse formål opnås ifølge opfindelsen ved til en kondensator af den i indledningen nævnte art at benytte papir, hvis glathed på den metalliserede side målt efter Bekk's fremgangsmåde andrager mindst 12.000 2 sek. ved et belastningstryk på 1 kg pr. cm , en trykdifference på 0,5 2 2 atu og en trykflade på 10 cm med en huldiameter på 1 cm , og at metai- 2 liseringslagets modstand andrager ca. 4 ohm pr. cm .

Det erkendtes endvidere, at der består en sammenhæng mellem den ifølge Bekk målte papirglathed og papirets tykkelse. Jo tyndere kondensatorpapiret er, desto større må værdien ved glathedsmålingen ifølge β 141219

Bekk være. Det herved fundne forhold udtrykkes ved følgende formel 1,6 x 106 - dl,'6 hvor t angiver tiden i sekunder for målingen ifølge Bekk, og d papirtykkelsen målt i pm.

I al almindelighed kan man imidlertid sige, at til forbedring af de kendte kondensatorer må den ifølge Bekk målte værdi ved ovennævnte målebetingelse opgå til mindst 12000 sek. For et kondensatorpapir med en tykkelse på 8 pm fremkommer derved en værdi på mindst 57.000 sek., for et papir på 10 pm en værdi på ca. 40.000 sek., og for et papir på ca. 12 pm en værdi på 29.9000 sek. I sammenligning hermed har de hidtil anvendte kondensatorpapirer en Bekk-værdi på ca. 10.000 sek. ved et 8 pm papir, på ca. 5.000 sek. ved et 12 pm papir og på ca. 3.000 sek. ved et 17 pm papir. For andre papirtykkelser fremkommer tilsvarende værdier.

Som allerede nævnt i det foregående har det vist sig, at metalliseringslagets tykkelse kan nedsættes væsentligt, når der anvendes et papir ifølge opfindelsen til fremstilling af metalpapirkondensatorer.

Det er naturligvis kendt, at jo tyndere metallaget er ved kondensatorer af denne art, desto bedre er den selvhelende effekt. Dog kommer det ikke alene an på metallagets tykkelse, men også på dets struktur. Den laveste grænse for metallagets tykkelse gives da der, hvor kondensatorens tab stiger for stærkt. Især påvirkes kondensatorens modstandsdygtighed over for jævnspænding af metallaget, dvs. når arealmodstanden i metaliseringslaget gennem tyndere metallisering forøges for stærkt, synker kondensatorens modstandsdygtighed over for jævnspænding ned til en værdi, som følge af hvilken kondensatoren bliver ubrugelig. I praksis har det vist sig, at ved en bestemt art af metalpapirlcondensatorer 2 med pådampet zinklag var en modstand i zinklaget på ca. 2 Ohm pr. cm særlig gunstig. Denne værdi repræsenterede det gunstigste kompromis mellem på den ene side en tilstrækkelig modstandsdygtighed over for jævnspænding og på den anden side gode udbrændingsegenskaber. Det har nu vist sig, at ved anvendelse af kondensatorpapirer med en høj værdi ifølge Bekk lean metalliseringslagets modstand forhøjes væsentligt, uden at kondensatorens modstandsdygtighed over for jævnspænding formindskes. Man fandt således, at ved kondensatorerne ifølge opfindelsen, der kun skiller sig fra de ovenfor beskrevne kondensatorer ved den højere Bekk-værdi, er metaliseringslaget med en modstand på 4 Ohm pr. cm den gunstigste. Derved forbedres kondensatorens selvhelende egenskaber væsentligt, således at det i givet fald er muligt at udforme en kondensatortype, som hidtil var udformet som tolags, som en etlags-kondensator.

7 141219 I tegningens figurer er der vist kurver, som gengiver tabsfaktorens forløb og temperaturstigningen i kondensatorer med papirer med forskellige Bekk-værdier. Figurerne 1 og 2 viser ændringer af tabsfaktoren tan S ved 50 Hz i afhængighed af tiden, og kurverne i fig. 3 og 4 viser kondensatorviklingers temperaturændring i afhængighed af tiden.

Af fig. 1 kan udledes, at ved en kondensatorvikling med et papir af en tykkelse på 17 pm og en Bekk-værdi på 3.600 sek. ved en driftsspænding på 360 V er tabsfaktoren steget i løbet af kort tid, kurve 1. Målingen måtte afbrydes efter ca. 25 minutter, da kondensatoren på grund af for stærk egenopvarmning blev ubrugelig. Kurven 2 i fig. 1 viser tabsfaktorens ændring i en kondensator med et kondensatorpapir af en tykkelse på 17 pm og med en Bekk-værdi på 8.000 sek. Denne kondensator blev i modsætning til den første kondensator drevet med en spænding på 430 V. Kurven viser klart, at tabsfaktoren i begyndelsen var væsentligt lavere end ved den første kondensator og i løbet af tiden sank og stabiliserede sig på en konstant værdi. Det skal her igen betones, at dette resultat kun opnås, når papirets såkaldte glathed er målt ifølge Bekk's fremgangsmåde.

I fig. 2 er vist kurver over tabsfaktorens forløb ved tre yderligere kondensatorer. Kurven 3 viser tabsfaktorens forløb ved en kondensator i tolagsudførelse med to kondensatorpapirlag hver af en tykkelse på 9 pm. Bekkværdierne på den metalliserede side androg 4.800 sek. Kondensatoren blev drevet med en spænding på 460 V.

En etlags-kondensator med en papirstykkelse på 18 pm og en Bekk-værdi på 2.000 viser et forløb af tabsfaktoren, som er repræsenteret ved kurven 4. Denne kondensator blev dog drevet med en spænding på 380 V. Det viser sig her, at der i begge tilfælde efter nogen tid nås stabile tabsværdier, som dog ligger forholdsvis højt.

Kurven 5 viser tabsfaktorens forløb med et papir af en tykkelse på 16 pm med en Bekk-værdi på 10.200 sekunder. Denne kondensator blev drevet med en spænding på 460 V. Ved ca. samme dielektrikumstykkelse som ved de to foran nævnte kondensatorer opnås et væsentligt, gunstigere forløb af tabsfaktoren, der stabiliserer sig på en væsentligt lavere værdi.

Fig. 3 viser temperaturforløbet i kondensatorer med forskelligt kondensatorpapir. Kurven 6 svarer til en kondensator med et papir på 17 pm tykkelse og en Bekk-værdi på 3.600 sekunder. Kondensatoren blev drevet med 360 V. Kurven viser en stærk og vedvarende temperaturstigning i kondensatoren.

Kurven 7 svarer til en kondensator med en papirtykkelse på 17 pm