FI114754B - Kondensaattori - Google Patents

Description

1 114754

Kondensaattori - Kondensator

Esillä oleva keksintö kohdistuu sähköenergia tilapäisesti 5 varastoivaan kondensaattoriin, joka käsittää vähintään kaksi sähköisesti johtavasta ja sähköisesti eristävästä kalvosta käämittyä kondensaattorielementtiä, ja erityisesti suurjän-nitekondensaattoriin. Tällaisia voimakondensaattoreita käytetään m.m. suodattimissa, joissa ne yhdessä reaktoreiden ja 10 vastusten kanssa muodostavat värähtelypiirin sähköisen jake luverkon yliäänien poissuodattamiseksi. Tavallisesti pinotaan suuri lukumäärä voimakondensaattoreita korkeisiin, maata vasten eristettyihin jalustoihin, joissa jokainen taso edustaa tiettyä potentiaalia.

15

Edellämainitun kaltainen voimakondensaattori on rakennettu tietystä määrästä osakondensattoreita, niinkutsutuista elementeistä. Kukin elemetti käsittää tietyn määrän hyvin ohuita alumiinikalvosta koostuvia, eristävien kalvojen toisis-20 taan erottamia ja rullalle käärittyjä elektrodikerroksia, jotka on puristettu kasaan niiden voimiseksi pinota optimaa-• ’ lisesti paketiksi. Paketti sijoitetaan sähköisesti eristä- | · väliä nesteellä täytettyyn kondensaattotikoteloon. Elementit : kytketään yhteen matriisissa ja liitetään kahteen eristet- *' : 25 tyyn läpivientiin, jolloin sarjaan ja rinnan kytkettyjen . elementtien lukumäärä määrittää kondensaattorin halutun ka pasitanssin. Tavallisesti jokaisen elementin kanssa kytketään sarjaan sulake. Elementin ja sulakkeen lisäksi sisältää . kondensaattori myös erityisiä vastuksia jäännösvarausten ;/ 30 purkamiseksi.

; Kun kaksi vastakkain olevaa, sähköisesti johtavaa levyä va- rataan vastakkaispotentiaalisi1la varauksilla, muodostuu sähköinen kenttä. Tässä kentässä muodostuu levyjen välille •••*35 mekaaninen, levyjä toisiaan puoleensa vetävä voima. Kun va- raus johdetaan pois, loppuu puoleensa vetävä voima, sen taas jälleensyntyessä, jos levyt varataan käänteisellä potentiaalilla. Kun levyjä varataan tietyn taajuisella varauksella, 114754 2 niin syntyy levyjen väliin jokaisella vaihtelevalla potentiaalilla vaihteleva mekaaninen voima. Tämä voima aiheuttaa levyissä mekaanisen värähtelyn, jonka taajuus on syötettyn vaihtelevan potentiaalin suhteen kaksinkertainen. Hyvin suu-5 resta lukumäärästä kerroksia käämityssä kondensaattorissa lisääntyy liike jokaisesta sisäkerroksesta ulompaan, jolloin liike voi ulkokerroksessa tulla hyvin suureksi. Tällaisen kondensaattorielementin haittapuoli on siksi, että se kuormitettaessa joutuu värähtelyyn, jolloin kondensaattoriele-10 mentin ulkokerroksen värähtelyt säteilevät epätoivottuna äänenä tai hurinana.

Eräs tavallinen toimenpide hurinan vähentämiseksi edellämainitun kaltaisten kondensaattoreissa, jotka sisältävät 15 useita elementtejä, jotka kuoritettaessa synnyttävät väräh telyjä, mitkä johtuvat kondensaattorikotelon ulkopuolelle ja säteilevät siitä äänenä, on kondensaattoreiden varjostaminen tai niiden kokonaan sisäänrakentaminen. Eräs varjostuksessa ilmenevä ongelma on, että koska kondensaattoreilla on usein 20 maata vasten huomattava potentiaaliero, on varjostus sijoi tettava tietylle varmuusetäisyydelle. Suurempi suojan ja ’ äänenlähteen välinen etäisyys antaa huonomman suojavaikutuk- * ’,· sen ja sisäänrakennettaessa suuret kotelot. Täten lisääntyy sekä paino että materiaalinkulutus. Nämä toimenpiteet ovat , ' : 25 kustannuksia vaativia.

Audiotekniikassa tunnetaan patentista JP 60 16 739 (1985) kondensaattori, joka koostuu elektrodeista ja muovikalvoista , . käämitystä kondensaattorielementistä ja joka on sijoitettu ’I',.* 30 koteloon yhdessä sisemmän ja ulomman päällyksen kanssa. Si- ' sempi päällys voi olla joko joustavaa tai joustamatonta ai- : : netta. Myös ulopi päällys voi olla joustavaa tai joustama- t”’; tonta ainetta, mutta sen on oltava vastakkaista lajia sisem- män päällyksen kanssa. Tämä kondensaattorirakenne ei ratkai-35 se ääniongelmaa kyseessä olevassa kondensaattorissa, joka '· ”· käsittää useita kondensaattorielementtejä ja on niin suuri, että edellä kuvatun kaltaisella päällystyksellä ei olisi äänen säteilyyn mitään vaimentavaa vaikutusta.

114754 3

Keksinnön tarkoitus on tuottaa edellä esitetyn kaltainen kondensaattori, jonka sisäisiä värähtelyjä vaimennetaan kuormituksen aikana, jolloin kondensaattori synnyttää vähemmän ääntä. Tämä saadaan aikaan sijoittamalla kondensaattori-5 koteloon kondensaattorielementtien tai kondensaattoriele- menttipinojen väliin yksi tai useampia pehmeitä jousielemet-tejä, jolloin kondensaattorin mekaaniset ominaisresonanssit muuttuvat. Täten voidaan lisätä kondensaattorin värähtely-vastusta niillä taajuusalueilla joilla voima vaikuttaa, joi-10 loin kondensaattori synnyttää vähemmän ääntä. Tällainen jou- sielemetti voi käsittää tiiviin tyhjöimetyn, ensisijaisesti metallisen säiliön. Säiliö sisältää passiivisesti tai aktiivisesti vaikuttavan joustavan järjestelyn. Aktiivisesti vaikuttavalla jousijärjestelyllä tarkoitetaan voimia vastaanot-15 tavaa elementtiä, jonka jäykkyyttä voidaan ohjata ulkopuoli sella energian syötöllä.

Keksintöä selitetään lähemmin sen erään rakenne-esimerkin kuvauksella viitaten oheisiin kuvioihin, joissa 20 kuvio 1 esittää osittain aukileikattua kondensaattoria, kuvio 2 kuvaa kondensaattorielemettiä, : ‘ kuvio 3 kuvaa kaaviol1isesti kuinka useita kondensaattori rielementtejä kytketään yhteen, • kuvio 4a esittää kuinka kondensaattoripaketti on rakennettu ; : 25 sekä sen mekaanisen vastineen, kuvio 4b osoittaa kuinka keksinnön mukainen heikolla jou-sielementillä varustettu kondensaattoripaketti on rakennettu ja sen mekaanisen vastineen, kuvio 5 kuvaa käyrää värähtelynopeudesta taajuuden funktiona 30 tunnetulla kondensaattoripaketilla ja heikon jousielementin ’ sisältävällä kondensaattoripaketilla, ja : kuvio 6 kuvaa keksinnön mukaisen jousielementin poikkileik- i ’"; kausta.

"35 Kuviossa 1 kuvataan voimakondensaattoria, joka käsittää lä- ’· pivienneillä 1 varustetun kondensaattorikotelon 4, joka si sältää tietyn määrän sähköisesti eritettyjä nesteky1lästet- tyjä ja käämittyjä kondensaattorielementtejä 2, jotka pide- 114754 4 tään eristetetyinä kondensaattorikotelosta 4 eristävällä si-sävaipalla 3. Kuvio 2 kuvaa, kuinka kondensaattorilelementti 2 on käämitty kahdesta sähköisesti johtavasta, ensisijaisesti alummiinisesta, kolmen sähköisesti eristävän kalvon 6 5 eristämästä metal1ikalvosta 5. Kondensaattorielementti 2 sisältää hyvin pitkiä kalvoja tai filmejä, jotka on käämitty rullalle. Kotelon 4 tilan säästämiseksi on rullat puristettu yhteen ja pinottu paketiksi 10. Kuviosta 3 käy ilmi kuinka elementit 2 on kytketty sähköisesti yhteen sulakkeilla 7 ja 10 purkausvastuksi1la 8 ja liitetty läpivienteihin 1.

On tunnettua, että äänen syntyminen mekaanisesta rakenteesta, kuten esim. kondensaattorista, riippuu osaksi johdetusta voimasta, osaksi rakenteen dynaamisista ominaisuuksista. Jos 15 mekaanisen voiman värähdysluku osuu yhteen rakenteen jonkin ominaisvärähtelyn kanssa, syntyy voimakas liike. Tämä liike johtaa värähtelyihin, jotka eristysnesteen kautta saavuttavat kondensaattorin kotelon, mistä se säteilee äänenä. Syntyvän äänen voimakkuus riippuu voiman vahvuudesta ja reso-20 nanssin vaimennuksesta. Käänteisesti pätee, että jos voima ja resonanssi voidaan tehdä keskenään sopeutumattomiksi si-'· " ten, että niiden taajuudet eivät osu yhteen, syntyy vähemmän : ääntä sen johdosta, että rakenteen värähtelyvastus voiman ,,· taajuuksilla lisääntyy. Ääntä voidaan vähentää vaimentamalla : ’ : 25 osaksi rakennetta, ja pyrkimällä siihen, että resonanssin ja voiman taajuudet osuvat kauaksi toisistaan. Tällöin on useinmiten voima tunnettu, minkä johdosta ajankohtaisinta on rakenteen muuttaminen. Kootun rakenteen rakenteellinen re- . · sonanssi on kuitenkin vaikeasti laskettavissa.

« » 3o

Lukuisilla kondensaattoreiden säädetyillä kuormituksilla ta-*.// pahtuneilla äänenmittauksil la on saatu matemaattinen malli s’*’; kondensaattorin äänensäteilyn laskemista varten. Tällöin on /.. ilmennyt, että kondensaattorin mekaanisia ominaisuuksia val- */,35 litsee resonointikäyttäytyminen, joka voidaan johtaa suoraan '· ’· kondensaattoripaketin 10 pitkittäisaaltojen perusresonans- siin. Värähtelytaajuus on suhteessa kondensaattoripaketin jäykkyyden ja sen tiheyden osamäärän neliöjuureen ja kääntä- 114754 5 en suhteessa paketin pituuteen. Kun paketti jaetaan ja osien väliin sijoitetaan pehmeä jousi, muuttuu paketin värähtely-taajuus. Värähtelytaajuutta voidaan ohjata jousen jäykkyyden valinnalla ja valitsemalla sopiva tapa suhteessa voimien 5 taajuuksiin. Kuvio 4a kuvaa kaaviol1isesti kondensaattoripa- kettia ja sen vastaavaa mekaanista vastaavuutta. Tietystä määrästä kondensaattorielementtejä 2 koostuvaa kondensaatto-ripakettia 10 voidaan mekaanisesti pitää kahtena jousen 13 yhdistämänä massana.

10

Kuvio 4b esittää samaa kondensaattoripakettia 10, joka on keksinnön mukaisesti jaettu kahteen, heikon jousielementin 11 erottamaan osaan 10a, 10b. Kuviossa 4b kuvataan myös mekaanisesti vastaava kytkentäkaavio. Kun alkuperäinen konden-15 saattoripaketti jaetaan heikolla jousielementi1lä 11, voi daan sitä edelläolevan mukaisesti mekaanisesti pitää kahtena heikon jousen 15 yhteenliittämänä kondensaattoripakettina.

Nämä pienemmät kondensaattoripaketit saavat tällöin pienemmät massat 14 ja lyhyemmän paketin johdosta jäykemmän jousen 20 16.

: ‘ Kuvion 5 käyrät kuvaavat värähtelynopeutta taajuuden funk- '. ’ tiona. Kaavion kaksi käyrää muodostavat lasketut tulokset , * kondensaattoripaketin ulompien päiden värähtelystä päälle- j ‘ : 25 kytketyllä, taajuussuunnassa heilahtelevalla voimalla. Kat- I , : koviivainen käyrä edustaa homogeenista kondensaattoripaket- |*· tia 10 jonka resonanssi on 1000 Hz. Yhtenäinen käyrä edustaa heikolla jousella 11 jaettua kondensaattoripakettia 10a, 10b . ja sillä on kaksi resonanssia, osaksi 350 Hz:ssä ja osaksi 30 1750 Hz:ssä. Tulos osoittaa myös, että jälkimmäisessä ta- ·, pauksessa esiintyy 500 Hz:ssä vastaresonanssi, joka on tu- : : : loksena siitä, että jousielementillä jaettu mekaaninen jär- s’jestelmä saa useampia vapausasteita. Tällaisella vasta-,,, resonanssilla on heilahteluvastus kondensaattoripaketin pää- ;·*, 35 dyissä äärettömän suuri ja liike täten periaatteessa nolla, - * koska jousielementti saa vastaanottaa koko liikeen.

Kuvio 6 kuvaa erästä jousielementin 11 rakennemuotoa. Se 6 114754 koostuu tyhjöimetystä tasoparallei1ista, tiiviistä metallisäiliöstä, jonka kuviossa 6 esitetyt ylä- ja alapuoli on tehty paksuista jäykistä levyistä 20 ja jonka reunat 21 on kaikilta sivuilta tehty ohuista, puoliympyrän muotoon muo-5 toilluista, kumpaankin levyyn 20 kiinnitetyistä peltilis- toista. Valmis jousielementti muistuttaa muodoltaan pyöristetyin reunoin varustettua suorakaidetta, jolla on konden-saattoripaketin 2 kanssa samat tasomitat.

10 Tiedoilla siitä, mille voimille kondensaattori tulee altis tumaan, voidaan sijoittamalla sen sisään yksi tai useampia heikkoja jousia valita kondensaattorin mekaaninen muotoilu optimaalisella tavalla, niin että mekaanisten värähtelyjen taajuudet tulevat kauaksi kriittisten voimakomponenttien 15 taajuuksista. Optimaalinen muotoilu saadaan silloin, kun— sisäänlaitetut jousielementit on mitoitettu siten, että vas-taresonanssit tulevat samoille taajuuksille kuin vallitsevat voimat.

20 Jousielementiksi tai voimaa vastaanottavaksi elementiksi on ajateltavissa joukko sekä aktiiviset että passiiviset jousto-ominaisuudet omaavia aineita. Passiiviset jousielementit ' * ovat sellaisia järjestelyjä, joissa jousiominaisuudet mää— • rittyvät aineen muodosta eikä niitä voida muuttaa ulkopuoli— \ / 25 sella vaikutuksella. Aktiivinen jousielementti voi olla teh- \ : ty samalla tavoin kuin passiivinen elementti, mutta ainees ta, jonka ominaisuuksia, kuten tilavuutta tai muotoa voidaan muutta ulkopuolisella energian syötöllä, esimerkiksi magne- • ,·, tostr ikt i iv iset tai pietsoelektr iset aineet. Jous ielementt i , < « 30 voidaan, kuten rakenne-esimerkissä, tehdä ontoksi suorakai- t teeksi jostain tiiviistä, eristysnestettä kestävästä ainee-sta, kuten esimerkiksi metallista tai muovista. Jousiele-! ί mentti käsittää halutut voimaa vastaanottavat ominaisuudet ja voi joko itse muodostaa joustavan järjestelyn, tai halu-”.35 tut ominaisuudet omaava järjestely voi olla suljettuna jou- ’ * sielementin muodostavaan säiliöön.

Claims (9)

114754 7

1. Sähköenergian tilapäiseen varastointiin tarkoitettu kondensaattori, joka sisältää vähintään kaksi kondensaatto-rielementtiä (2), jotka on tehty yhden tai useamman eristeen 5 (6) erottamista elektrodeista (5), tunnettu siitä, että kondensaattorielementtien (2) väliin tai yhteyteen on sijoitettu ainakin yksi jousielementti (11), ja että jou-sielementin jäykkyys on sovitettu siten, että kondensaattorin ulkopuoliset värähtelyt pakotetussa heilahtelussa pie-10 nenevät, mikä johtaa vähäisempään kondensaattorista tulevaan äänensäteilyyn.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kondensaattori, tunnettu siitä, että kukin kondensaattorielementti (2) 15 käsittää metal1ikalvoista (5) ja eristekalvoista käämityn rullan.

3. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kondensaattori, tunnettu siitä, että kondensaattorielementit 20 (2) on pinottu ainakin yhden jousielementin (11) erottamaksi kondensaattoripaketiksi (10). * < · . t ‘ >' 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kondensaat tori, tunnettu siitä, että kondensaattorielementit 25 (2) ovat sähköisesti eristävän nesteen ympäröimiä. » *

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kondensaattori, tunnettu siitä, että kondensaattorielementit (2), jou-sielementit (11) ja sähköisesti eristävä neste on suljettu » » 30 läpiviennit (1) ja suojaeristyksen (3) käsittävään konden- saattorikoteloon (4). 1 · * » t ·

6. Patenttivaatimuksen 1, 3 tai 5 mukainen kondensaattori, tunnettu siitä, että ainakin yksi jousielementti .", 35 (11) käsittää tiiviin tyhjöimetyn, metallisen tai muovisen i » • j » säiliön.

7. Patenttivaatimuksen 1, 3, 5 tai 6 mukainen kondensaatto- 8 1U7S4 ri, tunnettu siitä, että ainakin yksi jousielementti (11) on aineen ja muodon edellytyksestä passiivisesti toimiva jousijärjestely.

8. Patenttivaatimuksen 1, 3, 5 tai 6 mukainen kondensaattori, tunnettu siitä, että ainakin yksi jousielementti (11) käsittää syötetyllä ulkopuolisella energialla aktiivisesti toimivan jousijärjestelyn.

10 Patentkrav