FI63129B - Elektrisk apparat med foerbaettrat dielektriskt system - Google Patents

Description

\u£*r*\ ΓΒ1 «« KUULUTUSjULKAISU , -, . Q Q

ΉΟΓα IBJ <11) UTLÄGCNINGSSKRIFT O >5 1 2 9 C ♦ M . » u -.4 1933 •giw L (45) v ^ ^ (51) Kv.ik?/i<ic.ci. ^ H 01 G 4/22 SUO M I —FI N LAN D (21) Pu*nttllu*«nHi· —Ρ*·η«η·0»«ι»η^ 762628 (22) Hukumtoptlv* — AiMttknlngsdig lU . 09.76 ' ' (23) AikupUvi—GIItlglutadag 1^.09.76 (41) Tullut lutkisakd — Blhrtt offuntlif l6.03.77

Pmmtl· j. r.ki.frih.llltu. NSntwlkijpMMn,. k***»..

Patent- och registerstyrelten ' ' Antökan utiifd oeh utUkrifiun publicmd 31.12.82 (32)(33)(31) PnMutty utuotlMUi-Bufird prtorituc 15.09-75 USA(US) 613073 (71) McGrav-Edison Company, 333 West River Road, Elgin, Illinois, USA(US) (72) John Lapp, Franklin, Wisconsin, Fred S. Sadler, Racine, Wisconsin, USA(US) (74) Oy Kolster Ab (5U) Parannetun dielektrisen systeemin omaava sähkölaite - Elektrisk apparat med förbättrat dielektriskt system

Esiteltävä keksintö kohdistuu sähköiseen laitteeseen, kuten kondensaattoriin, jossa on parannettu dielektrinen systeemi. Kondensaattoriin kuuluu vuorottelevat metallikalvoa ja dielektristä materiaalia olevat kerrokset, jolloin dielektrinen materiaali muodostuu polymeerikalvon ja paperin yhdistelmästä, joka on kyllästetty nestemäisellä dielektrisellä koostumuksella, joka sisältää monohalogenoidun difenyylioksidin ja monohalogenoidun alkyylidi-fenyylioksidin seoksen, jolloin alkyyliryhmä sisältää 1-20 hiiliatomia molekyylissään. Kondensaattorin koronaominaisuudet ovat parantuneet ja sen dielek-triset häviöt ovat pienet ja nestemäinen dielektrinen koostumus on oleellisesti biohajautuva.

Kondensaattoreita, kuten tehokerroinkorjauskondensaattoreita, valmistettaessa kondensaattoripakat muodostetaan vuorottelevista metallikalvoa ja kiinteää dielektristä materiaalia olevista kerroksista, jolloin dielektrinen materiaali kyllästetään nestemäisellä dielektrikumilla.

2 631 29

Aikaisemmin käytettiin yleisesti voimapaperikudosta dielektrisenä materiaalina ja tämän tyyppisten kondensaattorien dielektriset häviöt olivat verrattain suuret rajoittaen niiden käytön 100 kvar'in ja pienempiin konden-saattoreihin.

Paperin ja polymeerikalvon, kuten polypropyleenikalvon yhdistelmää on myös käytetty dielektrisenä kerroksena kondensaattoreissa. Paperi-kalvo-kondensaattorin dielektriset häviöt ovat oleellisesti pienemmät kuin pelkästään paperikondensaattorin ja sen luotettavuus on parempi sallien sen käytön suuremman kvar-kyvyn omaavissa kondensaattoreissa. Paperi paperiksi vo-dielektrisessä kerroksessa aiheuttaa määrättyjä rajoituksia, mutta toimii se imukykyisenä materiaalina kondensaattorin kyllästämisen parantamiseksi nestemäisellä dielektrikumilla.

Useita vuosia polykloorattuja difenyylejä on käytetty nestemäisenä dielektrikumina tehokerroinkorjauskondensaattoreissa ja tämä dielektrikumi muddostaa tehokkaan dielektrisen systeemin, joka on tehnyt mahdolliseksi useita parannuksia kondensaattoreihin. Esimerkiksi viime vuosina kotelon tilavuus kvar'ia kohti on alentunut kertoimella noin 8, dielektriset häviöt ovat alentuneet tekijällä, joka on suurempi kuin 5 jm kustannukset kvar'ia kohti ovat laskeneet tekijällä noin 2. Nämä parannukset ovat johtuneet, ainakin osaksi, polykloorattujen difenyylien käytöstä nestemäisenä kyllästys-aineena.

Vaikka polyklooratut difenyylit, kuten esimerkiksi triklooridifenyyli, muodostavat tehokkaan dielektrieen systeemin kondensaattoria varten, niiden käyttö on aiheuttanut määrättyjä ekologisia probleemoja, koska eräät polyklooratut difenyylit ovat itse asiassa biohajaantumattomia, jolloin, jos kondensaattorin kotelossa esiintyy vuoto tai murtuma tai jos kondensaattori hävitetään vanhentuneena, polykloorattu difenyyli jää saasteeksi ympäristöön eikä se hajoa mainittavassa määrässä edes useiden vuosien aikana. Toisena epäkohtana polyklooratut difenyylit pyrkivät biokonsentroitumaan eläimiin ja ovat ne osoittautuneet myrkyllisiksi.

Keksintö kohdistuu sähköiseen laitteeseen, kuten kondensaattoriin, jossa on parannettu dielektrinen systeemi sekä menetelmään kondensaattorin valmistamiseksi. Kondensaattori käsittää vuorottelevat kerrokset metalli-kalvoa ja dielektristä materiaalia, joka muodostuu polymeerikalvon ja paperin yhdistelmästä. Dielektrinen materiaali kyllästetään nestemäisellä dielek-trisellä koostumuksella, joka sisältää monohalogenoldun difenyylioksidin ja monohalogenoidun alkyylidifenyloksidin seoksen, jolloin alkyyliryhmä sisältää 1-20 hiiliatomia molekyylissä. Nestemäinen dielektrinen koostumus sisältää 3 631 29 yleensä noin 5 - 95 painoprosenttia monohalogenoitua difenyylioksidia ja 95-5 painoprosenttia monohalogenoitua alkyylidifenyloksidia. Lisäksi dielektrinen koostumus voi sisältää 0,01 - 10 prosenttia epoksidiyhdistettä, joka toimii puhdistavana lisäaineena neutraloiden kloori-ionit tai muut hajaantumistuot-teet, joita muodostuu tai vapautuu kyllästysaineesta tai muista materiaaleista kondensaattorissa sen käytön aikana.

Polymeerinen materiaali voidaan valmistaa materiaalista kuten polypro-pyleenistä, polyetyleenistä, polyesteristä tai vastaavista ja kalvon pinta ja/tai metallikalvon sitä vastassa oleva pinta voivat olla varustettuja karhennukeilla imuvaikutuksen saamiseksi nestemäistä dielektristä materiaalia varten kalvon täydellisen kyllästymisen aikaansaamiseksi nestekäsittelyn aikana.

Kondensaattoria valmistettaessa kondensaattorin kotelo, joka sisältää kiinteän dielektrisen kerroksen, kuivataan tyhjiössä 60°Ctn alapuolella olevassa lämpötilassa, edullisesti huoneenlämpötilassa, aikana, joka riittää poistamaan vesihöyryt ja muut kaasut kondensaattorin sisältä. Nestemäistä dielektrikumia kierrätetään tai muuten sekoitetaan tyhjiössä kaasujen poistamiseksi siitä. Kondensaattorin ja dielektrisen nesteen erikseen suoritettujen kaasunpoistojen jälkeen neste sijoitetaan kondensaattorin sisään. Kun kondensaattori on täytetty, sijoitetaan neste tyhjiölle alttiiksi tai siihen kohdistetaan ylipaine 60°Csb alapuolella olevassa lämpötilassa, edullisesti huoneenlämpötilassa. Kyllästämisen jälkeen poistetaan tyhjiö ja kondensaattori suljetaan.

Keksinnön mukaisen kondensaattorin dielektriset häviöt ovat pienet ja sen koronaominaisuudet erinomaiset alueella -40°C - +90°C olevissa lämpötiloissa. Lisäetuna on se, että nestemäinen dielektrinen koostumus on vähemmän vaarallinen ympäristölle kuin polyklooratut hiilivedyt, koska se on vähemmän myrkyllinen, sen biorikastuminen eläviin organismeihin on pienempi ja sen biohajaantuvuue on suurempi kuin polykloorattujen difenyylien.

Dielektrinen systeemi, valmistettuna keksinnön mukaisen menetelmän avulla kaasujen poistamiseksi dielektrisestä systeemistä, pystyy toimimaan jännitteen alaisena kohotetuissa, aina 125°C olevissa lämpötiloissa ilman poly-meerikerrosten tai nestemäisen dielektrikumin hajaantumista. Parantunut stabiilisuus kohotetuissa lämpötiloissa sallii dielektrisen systeemin käytön suurissa tehokerroinkorjauekondensaattoreissa, joiden käyttölämpötila-alue (kotelon lämpötila) on tavallisesti -40°C - +70°C samoinkuin pienemmissä tasaus- tai erikoiskondensaattoreissa, joiden käyttölämpötila voi nousta o aina 100 Cteen asti.

Lisäetuna keksinnön mukainen menetelmä poistaa tarpeen jälkikäsi- 4 631 29 teliä joka on usein ollut välttämätöntä tavanomaisia valmistusmenetelmiä käytettäessä. Tavallisesti 72 tuntiin asti olevan jälkikäsittelyn eliminointi lyhentää oleellisesti kondensaattorin kokonaisvalmistusaikaa alentaen siten valmistuskustannuksia.

Muut kohteet ja edut ilmenevät seuraavasta esittelystä. Piirrosten kuvio 1 on perspektiivinen esitys esiteltävän keksinnön mukaan valmistetusta kondensaattorista, kuvio 2 on kondensaattoripakan perspektiivinen esitys, kuvio 3 on graafinen käyrä, joka esittää eri suhteissa valmistettujen monoklooridifenyloksidin ja monoklooridodesyylidifenyloksidin seosten jäh-mettymispisteitä ja kuvio 4 on graafinen esitys esittäen läpilyöntijännitteen alkua eri länpötiloissa keksinnön mukaan valmistetussa paperi-kalvo-kondensaattorissa verrattuna kloorattua difenyyliä kyllästysaineena käyttävään paperi-kalvo-kon-densaattoriin.

Kuviossa 1 on esitetty tyypillinen kondensaattori, joka käsittää ulkokuoren 1, jossa on sivuseinät 2, pohja 3 ja kansi 4» Käytössä kotelo 1 on hermeettisesti suljettu ja on se varustettu pienellä sulkureiällä 5» jonka kautta dielektrinen neste lisätään koteloon valmistuksessa. Lisäksi tyhjiö-putki voidaan liittää reikään 3 kondensaattorin tyhjiökuivausta varten valmistuksen aikana. Pari kytkentäpäätettä 6 ulottuu kannen lävitse ja on ne eristetty kannesta.

Ryhmä kondensaattoripakkoja 7 on sijoitettu koteloon 1 ja jokaiseen kondensaattoripakkaan, kuten kuviossa 2 on esitetty, kuuluu käämittyjä metal-likalvokerroksia 8 dielektrisen kerroksen 9 eroittamina. Elektrodit on kiinnitetty metallikalvokerroksiin 8 ja eri pakkojen elektrodit on kytketty yhteen sarjassa lopullista päätteeseen 6 suoritettavaa yhdistämistä varten.

Metallikalvokerrokset 8 voidaan muodostaa jokaisesta halutusta sähköisesti johtavasta materiaalista, yleensä metallista kuten alumiinista tai vastaavasta. Kerrokset 8 voivat olla tasaisia levyjä tai kerroksiin voidaan muodostaa pintakarhennuksia kuten puristamalla muodostettuja deformaatioita kalvon toiselle puolelle ja vastaavia kohoumia toiselle puolelle, kuten USA-patentissa 3*746,933 on esitetty.

Kiinteät dlelektriset kerrokset 9 muodostuvat polymeerikalvon kuten polypropyleenin, polyetyleenin, polyesterin tai polykarbonaatin sekä kuitumaisen selluloosamateriaalin kuten voimapaperin, imupaperin, absorboivien puukuitumateriaalien ja vastaavien yhdistelmistä. Polymeerikalvot voivat muodoltaan olla sileäpintaisia liuskoja tai voivat ne olla polymeeriksivoa kuten polypropyleeniä, jonka pinnalle on kiinnitetty ohuita polyolefiinikui- 5 631 29 tuja oleva kerros, kuten US-patentissa 3 772 578 on esitetty.

Polymeerikalvo muodostuu yleensä 90 painoprosenttiin asti dielektrisestä kerroksesta ja useimmissa tapauksissa 30 - 90 painoprosenttia, edullisesti 70 -85 painoprosenttia dielektrisestä kerroksesta.

On tärkeää, että polymeerikalvon pinnalla ja/tai sitä vastassa olevan metallikalvon 8 pinnalla on epäsäännöllisyyksiä tai deformaatioitaniin, että nämä kaksi toisiaan vastassa olevaa pintaa eivät ole jatkuvassa tiiviissä kosketuksessa keskenään. Pinnassa olevat epäsäännöllisyydet aikaansaavat imu- tai kapillaarivaikutuksen nestemäistä dielektrikumia varten sallien nesteen kyllästää täysin kalvon 9 käsittelyn aikana.

Dielektriset kerrokset 9 kyllästetään nestemäisellä dielektrisellä koostumuksella, joka sisältää monohalogenoidun difenyylioksidin ja monohaloge-noidun alkyylidifenyylioksidin seoksen, jolloin alkyyliryhmä sisältää 1 - 20 hiiliatomia.

Monohalogenoitua difenyylioksidia käytetään seoksessa noin 9-95 painoprosenttia oleva määrä monohalogenoidun alkyylidifenyylioksidin muodostaessa sen loppuosan. Useammissa sovellutuksissa monohalogenoitua difenyylioksidia käytetään 10 - 70 painoprosentin suuruinen määrä koostumuksesta loppuosan ollessa monohalogenoitua alkyylidifenyylioksidia.

Molemmissa aineosissa kloori on suositeltava halogeeni, vaikkakin muita halogeeneja, kuten bromia voidaan käyttää. Halogeeniatomi sijaitsee tavallisesti para-asemassa kummassakin aineosassa ja tyypillisessä menetelmässä yhdisteitä valmistettaessa noin 80 - 100 prosenttia halogeeniatomeista on para-asemassa, loppuosan 0-20 prosenttia ollessa orto-asemassa.

Monohalogenoidun alkyylidifenyylioksidin alkyyliryhmä sisältää edullisesti 3-16 hiiliatomia ja voi se olla joko suora- tai haaraketjuinen ja haarojen kulloinenkin asema ja lukumäärä ei ole krittiinen keksinnön suhteen.

Erityisiä esimerkkejä dielektrisestä koostumuksesta, jotka voidaan käyttää keksinnön mukaisissa kondensaattoreissa, ovat: 50 % mono-bromidifenyylioksidia ja 50 % mono-klooridodekyylidifenyylioksidia; 30 % mono-klooridifenyyli-oksidia ja 70 % mono-klooridodekyylidifenyylioksidia; 80 % mono-klooridifenyylioksidia ja 20 % mono-klooriheksyylidifenyylioksidia; 40 TL mono-klooridifenyyli-oksidia ja 60 % mono-klooributyylidifenyylioksidia; 20 % mono-klooridifenyyli-oksidia ja 80 % mono-klooripropyylidifenyylioksidia; 35 % mono-klooridifenyylioksidia ja 65 % mono-klooriheksyylidifenyylioksidia; 17 Z mono-klooridifenyyli-oksidia ja 83 % mono-klooributyylidifenyylioksidia.

Dielektrinen koostumus voi lisäksi sisältää 0,01 - 10 painoprosenttia, edullisesti 0,2 - 1,5 painoprosenttia, epoksidia olevaa puhdistavaa lisäai- 6 63129 netta, joka neutraloi ne hajaantumistuotteet, jotka vapautuvat tai muodostuvat nestemäisestä kyllästysaineesta ja muista materiaaleista kondensaattorissa sen käytön aikana. Neutraloivat aineet tai puhdistusaineet ovat muotoa 1,2-epoksi- 3-fenoksipropaani; bis(3,4-epoksi-6-metyylisykloheksyylimetyyli)adipaatti; 1-epoksietyyli-3,4-epoksisykloheksaani; 3,4-epoksisykloheksyylimetyyli-3,4-epoksi-sykloheksaanikarboksylaatti; 3,4-epoksi-6-metyylisykloheksyylimetyyli-3,4-epok-si-6-metyylisykloheksaanikarboksylaatti ja näiden seoksia. Epoksiyhdisteet pystyvät tehokkaaasti neutraloimaan hajaantumistuotteita parantaen siten kondensaattorin dielektrisiä ominaisuuksia ja sen käyttöikää.

Monohalogenoituja difenyylioksideja voidaan valmistaa tavanomaisten menetelmien avulla, jolloin difenyylioksidia halogenoidaan alumiinihalogenidia, kuten alumiinikloridia tai muita protonisia happoja käyttäen o- tai p-halogeeni-difenyylioksidin seoksen saamiseksi, kuten US-patenttissa 2 022 634 on esitetty.

Vastaavasti monohalogenoitua alkyylidifenyylioksidia voidaan valmistaa tunnettujen menetelmien avulla, jolloin halogeenidifenyylioksidia käsitellään pienellä määrällä alumiinikloridia, minkä jälkeen alkyylihalogenidia tai -ole-fiinia lisätään vähitellen pitäen samalla reaktioseos reaktiolämpötilassa, kuten US-patentissa n:o 2 170 989 on esitetty.

Mitään määrättyä menetettelyä ei tarvita kahden aineosan sekoittamiseksi keskenään ja voidaan sekoittaa huoneen lämpötilassa tai kohotetuissa lämpötiloissa. Vaihtoehtoisesti seos voidaan saada alkylointimenetelmän avulla, jolloin alkylointi päätetään riittävän ajan jälkeen niin, että saadaan haluttu mono-halogenoidun alkyylidifenyylioksidin ja mono-halogenoidun difenyylioksidin suhde. Käytettäessä tätä menettelyä alemman alkyyli-alkyloinnin saamiseksi voi esiintyä pieni prosenttimäärä di-alkyloitumista.

Keksinnön mukaisen kondensaattorin valmistamiseksi, kondensaattoripakan sisältävän kondensaattorikuoren sisälle muodostetaan aluksi tyhjö tai alipaine ajaksi, joka riittää poistamaan vesihöyryn tai muut kaasut kondensaattorin sisältä. Tyhjö muodostetaan kotelon 1 sisälle kytkemällä johto tyhjölaitteen ja reiän 5 välille. Tavallisesti käytetään tyhjöä, joka on pienempi kuin 100 mikrometriä ja edullisesti pienempi kuin 30 mikrometriä ja pitempi kuin.40 tuntia oleva tyhjökuivausjakso on tavanomainen, vaikkakin aika riippuu tyhjön suuruudesta.

Polymeerikalvon molekyylilaajennuksen estämiseksi täytyy lämpötila pitää 60°C:n alapuolella ja tyhjökuivaus suoritetaan edullisesti 43°C:n alapuolella olevassa lämpötilassa kuten huoneen lämpötilassa, Polymeerikalvo kyllästetään nestemäisellä dielektrisellä aineella di££uusion avulla, jolloin 63129 dielektrisen nesteen molekyylit tunkeutuvat kalvoon ja siirtyvät suuren väkevyyden omaavilta alueilta pienen väkevyyden omaaviin alueisiin, kunnes tasapaino on saavutettu. On havaittu, että polymeerikalvon kuumentaminen vaikuttaa haitallisesti diffuusionopeuteen molekyylirakenteen laajenemisen vuoksi.lämmitettäessä niin, että on tärkeää välttää polymeerikalvon lämmittämistä 60°C:n yläpuolella olevaan lämpötilaan kondensaattoria kuivattaessa.

Dielektriselle nesteelle suoritetaan erikseen tyhjökuivauskäsittely kaasujen poistamiseksi nestemäisestä dielektrikumista. Kaasunpoistokäsittelys-sä käytetään 500 mikrometrin alapuolella olevaa tyhjöä ja 50 mikrometrin alapuolella olevan tyhjön ollessa suositeltava.. Nesteelle suoritettavan tyhjökui-vauksen ajan tulee olla riittävä poistamaan kaasut nesteestä. Kaasujen poistumisen nopeuttamiseksi on edullista saattaa neste liikkeeseen joko kierrättämällä nestettä tai sekoittamalla sitä. Kaasujen poistumisaika riipuu eri tekijöistä kuten nesteen viskositeetista, tyhjön suuruudesta, sekoitustavasta ja muista tekijöistä. Yleensä nesteelle suoritettavan tyhjökuivauskäsittelyn kestoaika on pitempi kuin 12 tuntia.

Tyhjökuivauskäsitettelyn aikana pidetään neste edullisesti huoneenlämpötilassa. Kuumennusta voidaan käyttää, mutta kaasuista vapautetun nesteen lämpötilan täytyy olla 60°C:n ja edullisesti 43°C:n alapuolella lisättäessä sitä kondensaattoriin. Kaasuista vapautettu nestemäinen dielektrikumi lisätään kondensaattorikoteloon 1 reikään 5 kiinnitetyn putken avulla ylläpitäen samalla tyhjö. Kondensaattorikotelon täyttämisen jälkeen kohdistetaan nesteeseen pienempi kuin 100 mikrometrin ja edullisesti pienempi kuin 30 mikrometrin tyhjö ajaksi, joka riittää täydellisesti kyllästämään kiinteät dielektriset kerrokset dielektrisellä nesteellä. Useimmissa tapauksissa käytetään pitempiä kuin 24 tuntia olevia kyllästysaikoja. Tämän jakson aikana kiinteiden dielektristen kerrosten lämpötila kondensaattorissa ja dielektrisen nesteen lämpötila pidetään 60°C:n alapuolella ja edullisesti 43°C:n alapuolella, kuten huoneen lämpötilassa.

Vaihtoehtoisesti voidaan täyttämisen jälkeen kohdistaa 0,07 - 0,28 3 kp/cm suuruinen alipaine kondensaattorissa olevaan nestemäiseen dielektriku-miin kiinteiden polymeerikerrosten kyllästymisen parantamiseksi. Tavallisesti kohdistetaan paine dielektriseen nesteeseen yli 30 minuuttia olevaksi ajaksi. Tapa, jolla paine kohdistetaan nesteeseen, ei ole kriittinen, vaikkakin on suositeltavaa olla käyttämättä paineenalaista kaasua suorassa kosketuksessa nesteen kanssa, koska kaasu voi absorboitua nesteeseen ja absorboituneilla kaasuilla on haitallinen vaikutus systeemin dielektrisiin ominaisuuksiin.

Kyllästyksen tai imeytysjakson jälkeen tyhjö tai paine, jos sitä käytetään, poistetaan ja kondensaattori suljetaan.

631 29 8

Aikaisemmin on usein käytetty jälkikäsittelyä, jolloin suljettu kondensaattori kuumennettiin noin 85°C:n lämpötilaan jopa 72 tunnin pituiseksi ajaksi’ kyllästymisen parantamiseksi ja paremman luotettavuuden saavuttamiseksi. Jälki-käsittelymenettelyä ei tarvita keksinnön mukaista menetelmää käytettäessä, vaikkakin jälkikäsittelyä voidaan käyttää ilman haitallisia vaikutuksia, mutta se pidentää oleellisesti kokonaisvalmistusaikaa. Poistamalla jälkikäsittely voidaan saavuttaa huomattava valmistusajan lyheneminen ja tämä on tärkeää tuotantosyistä.

On havaittu, että keksinnön mukaisessa kondensaattorissa käytetty nestemäinen dielektrinen koostumus kyllästää helpommin polymeerikalvon kuin tavanomaiset kyllästysaineet, kuten triklooridifenyyli. Tämä kyllästyrnisuopeuden kasvu on riippuvainen koostumuksen pintaenergiasta ja riippuu se myös, ainakin osaksi, koostumuksen verrattain pienestä viskositeetistä. Kyllästymisnopeuden kasvu voi aiheuttaa huomattavaa ajansäästöä kondensaattoria valmistettaessa.

Keksinnön mukaisessa sähköisessä laitteessa käytetyn nestemäisen di-elektrisen koostumuksen suhteellinen dielektrisyysvakio on huomattavasti pienempi kuin polykloorattujen difenyylien dielektrisyysvakio; esimerkiksi seoksen, joka sisältää 17 % mono-klooridifenyylioksidia ja 83 % mono-klooributyylidi-fenyylioksidia, suhteellinen dielektrisyysvakio on noin 4,4, kun kondensaattori-laadun trikloorifenyylin suhteellinen dielektrisyysvakio on noin 5,9. Tämän huomattavan eron suhteellisissa dielektrisyysvakioissa voisi odottaa aiheuttavan sen, että keksinnön mukaisen dielektrisen koostumuksen valinta olisi huono verrattuna kondensaattorilaatuisiin polykloorattuihin difenyyleihin, koska suhteellinen dielektrisyysvakio tavallisesti määrää suoraan kapasitanssin ja tästä pienemmästä suhteellisesta dielektrisyysvakiosta voisi odottaa aiheutuvan suuremman tilavuuden kvar-yksikköä kohti. On kuitenkin odottamatta havaittu, että keksinnön mukaisen dielektrisen koostumuksen käyttö yhdessä kiinteän dielektrisen paperi-kalvo-yhdistelmän kanssa ei aiheuta merkittävää kapasitanssin alenemista verrattuna samanlaiseen kondensaattoriin, joka on kyllästetty poly-klooratuilla difenyyleillä.

Vertailtuna, kondensaattori, jossa on pelkästään paperinen dielektrinen kerros ja joka on kyllästetty keksinnön mukaisella dielektrisellä koostumuksella, toimii odotusten mukaan siten, että kapasitanssi on pienentynyt verrattuna kokopaperikondensaattoriin kyllästettynä polyklooratulla difenyylillä.

Täten kokopaperikondensaattori kyllästettynä keksinnön mukaisella koostumuksella täytyisi valmistaa tilavuudeltaan noin 20 % suurenmaksi kuin polyklooratulla difenyylillä kyllästetty kokopaperikondensaattori tai sähköisiä rasi- 9 63129 tukeia täytyisi nostaa noin 10 36 edellyttäen, että lämpöhäviöillä ei ole merkitystä, ollakseen vertailukelpoinen kokopaperisen polyklooratun difenyli-kondeneaattorin kanssa.

On havaittu, että jos polymeeriksivoa kuten polypropyleeniä kyllästetään polyklooratulla difenyylillä, kuten triklooridifenylillä, polymeeriksivon suhteellinen dielektrisyysvakioa kasvaa hieman. Kuitenkin, täysin odottamatta, polymeerikalvon suhteellinen dielektrisyysvakio kasvaa huomattavasti kyllästettäessä keksinnön mukaisella dielektrisellä koostumuksella niin, että keksinnön mukaisella dielektrisellä koostumuksella kyllästetyn kalvon suhteellinen dielektrisyysvakio on itse aseassa hieman suurempi kuin saman kalvon dielektrisyysvakio kyllästettynä polyklooratulla difenyylillä, vaikka keksinnön mukaisen koostumuksen dielektrisyysvakio on vain noin 4,4 verrattuna polyklooratun difenyylin arvoon noin 5,9· Vieläpä lisättäessä 25 - 50 ^ paperia dielektriseen systeemiin, jossa käytetään keksinnön mukaista koostumusta, aiheutuu vain noin 1 prosentin kapasiteetin laskun identtiseen systeemiin verrattuna, jossa käytetään kondensaattorilaatua olevaa polykloorattua dife-nyyliä. Tämä vastaa odotettua 5-6 prosentin kapasitanssin alenemista laskettuna materiaalien suhteellisista dielektrisistä vakioista. Täten vaikka keksinnön mukaisen nesteen suhteellinen dielektrisyysvakio on huomattavasti pienempi kuin polyklooratun difenyylin, paperi-kalvo-kondensaattorin kapasitanssi kyllästettynä keksinnön mukaisella dielektrisellä koostumuksella on verrattavissa polykloorattua difenyyliä käyttävän kondensaattorin kapasitanssiin.

Keksinnön mukainen koostumus, vaikkakin se on monokloorattu, muodostaa stabiilin systeemin. Perinnäisesti stabiilisuus liitetään kasvaneeseen klooraukseen, mutta on havaittu, että keksinnön mukainen nestemäinen dielektri-nen systeemi antaa stabiilin systeemin, joka on verrattavissa triklooridl-fenylin Ja tetraklooridifenylln avulla saataviin. Lisäksi pienempi klooraus-aste on selvä etu tehden koostumukset helpommin biohajaantuviksi, vähemmän myrkyllisiksi ja vähemmän taipuviksi biokonsentroitumaan eläviin organismeihin.

Nestemäinen dielektrinen koostumus on oleellisesti täysin biohajaantuva, mikä tarkoittaa, että jos dielektristä koostumusta joutuu ympäristöön kotelon vuodon tai murtumisen vuoksi tai hävitettäessä vanhentyneita kondensaattoreita, nestemäinen dielektrikumi hajoaa vaarattomiksi yhdisteiksi, eikä siitä muodostu merkittävää haittaa ympäristölle. Toisaalta kondensaattorilaatua olevien polykloorattujen difenyylien on havaittu säilyvän ympäristössä, eivätkä ne biohajaannu helposti.

10 631 29

Polykloorattujen difenyylien on myös havaittu biokonsentroituvan kaloihin ja eläimiin ja olevan myrkyllisiä. Vertailun vuoksi, keksinnön mukainen dielektrinen neste on vähemmän vaarallinen ympäristölle, koska se biokon-sentroituu vähemmän elävään organismiin ja on vähemmän vaarallinen kaloille ja imettäväisille. Esimerkiksi kondensaattorilaatua olevat polyklooratut difenyy-lit biorikastuvat kaloihin 100 - 200 kertaa niin paljon, kuin seos, joka sisältää 17 painoporosenttia monoklooridifenyylioksidia ja 83 painoprosenttia monoklooributyylidifenyylioksidia. Lisäksi kondensaattorilaatuisten polykloorattujen oraalinen akuutti myrkyllisyys on noin 10 kertaa suurempi kuin keksinnön mukaisen dielektrisen nestemäisen koostumuksen.

Eräs tärkeä kohta kondensaattorin suunnittelussa on osittaispurkaus-jännite (DIV). On tärkeää, että dielektrikumin ei sallita toimia olosuhteissa, joissa esiintyy osittaisia läpilyöntejä, koska dielektrinen systeemi heik-kenee tällaisten osittaispurkausten esiintyessä ja systeemin elinikä lyhenee huomat tavast i.

Käyrä 3 esittää erilaisteh mono-klooridifenyylioksidin ja mono-kloo-ridodekyylidifenyylioksidin seosten jähmettymispisteiden arvoja saatuina koeolosuhteissa, joissa lämpötila oli vakiona useita tunteja ennen lukemien määrittämistä. Kuten tästä käyrästä käy ilmi, yksinomaan klooridodekyylidifenyylioksi-din jähmettymispiste on noin 0°C ja puhtaan mono-klooridifenyylioksidin kitey-tymispiste on noin -18°C. Kuitenkin odotusten vastaisesti näiden kahden aineen seoksen jähmettymispiste on alempi kuin kummankaan aineosan erikseen. Esimerkiksi kahden aineosan suhteessa 50:50 olevan seoksen jähmettymispiste on noin -45°C ja useimpien seosten jähmettymispisteet ovat runsaasti -20°C:n alapuolella.

Koska kondensaattorit voivat käytössä joutua erittäin mataliin ympä-ristölämpötiloihin, on suotavaa, jos dielektrisen nesteen jähmettymispiste on matala. Kahden aineosan seoksen antama alentunut jähmettymispiste takaa sen, että nestemäinen dielektrikumi ei kiteydy ja pysyy nestemäisessä tilassa koko kondensaattorin käyttölämpötila-alueella.

Keksinnön mukaisen dielektrisen nesteen jähmettymispiste on alempi kuin kondensaattorilaatuisten polykloorattujen difenyylien. Tämän tuloksena keksinnön mukaista kondensaattoria voidaan käyttää -45°C:n lämpötilaan asti ja jopa niinkin matalassa lämpötilassa kuin -60°C riippuen nestemäisessä di-elektrikumisea käytettyjen aineosien seoksesta.

On havaittu, että useimpien dielektristen systeemien luotettavuus matalissa lämpötiloissa on verrattain huono. Dielektriset systeemit, joiden on annettu stabiloitua sähköisesti kuormitettuina erittäin matalissa lämpöti- " 63129 loissa, ovat erikoisen alttiita vaurioitumaan ennenaikaisesti erikoisesti, jos systeemi kytketään käyttöön erittäin matalassa lämpötilassa. Tämän vuoksi on tärkeää, että dielektrisen systeemin häviöt matalissa lämpötiloissa ovat suuret, sillä suuret häviöt pakoittavat toimimaan korkeammissa dielektrikumin lämpötiloissa, joissa luotettavuus tunnetusti on parempi. Täten keksinnön mukaisen dielektrisen systeemin dielektriset häviöominaisuudet vastaavat perusvaatimuksia, ollen suuria matalissa lämpötiloissa parantaen täten luotettavuutta. Tämä ominaisuus yhdessä dielektrisen nesteen matalan jähmettymispisteen kanssa antaa erinomaisen dielektrisen matalalämpötilasysteemin.

Esiteltävän keksinnön mukaisen kalvo-paperi-kondensaattorin DIV-arvo kyllästettynä keksinnön mukaisella dielektrisellä nesteellä on korkeampi tavanomaisella käyttölämpötila-alueella kuin vastaavan kondensaattorin, jossa käytetään polykloorattua difenyyliä kyllästysaineena. Tämän osoittamiseksi valmistettiin joukko kondensaattoreita, joissa käytettiin kahta levyä 12,5 mikro-metrin sähkölaatua olevaa polypropyleenikalvoa erotettuna yhdellä arkilla 9 mikrometrin voimapaperia dielektrisinä kerroksina (74 % polypropyleenikalvoa ja 26 % voimapaperia). Tämä laminoitu dielektrikumi sijoitettiin alumiinikalvon väliin, jonka nimellispaksuus oli 6,15 mikrometriä.

Ryhmä kondensaattoreita kyllästettiin kondensaattorilaatua olevalla polyklooratulla difenyylillä (Aroclor 1016, joka pääasiassa on triklooridi-fenyylin ja tetraklooridifenyylin seos) ja 0,5 painoprosentilla epoksi-lisä-ainetta bis(3,4-epoksi-6-metyylisykloheksyylimetyyli)adipaattia puhdistavana aineena .

Toinen ryhmä kondensaattoreita kyllästettiin keksinnön mukaisella dielektrisellä nesteellä, joka oli seos 17 painoprosentista monoklooridifenyyli-oksidia ja 83 painoprosentista monoklooributyylidifenyylioksidia sekä 0,5 painoprosentista samaa epoksidi-lisäainetta.

Kaikki kondensaattorinäytteet kuivattiin tyhjössä uunissa 105°C:n lämpötilassa 48 tunnin aikana tyhjön ollessa pienemmän kuin 100 mikrometriä. Dielektrinen neste kuivattiin kummassakin tapauksessa erikseen tyhjössä 20°C:n lämpötilassa 48 tunnin aikana tyhjön ollessa 100 mikrometrin alapuolella. Kondensaattorit jäähdytettiin 60°C:n lämpötilaan ja dielektriset nesteet lisättiin koteloihin ja niiden annettiin imeytyä 72 tuntia 60°C:n lämpötilassa kohdistaen nesteeseen tyhjö, joka oli pienempi kuin 100 mikrometriä. Tämän imeytys-jakson jälkeen tyhjö poistettiin jokaisesta näytteestä ja kondensaattorit suljettiin.

Kondensaattorinäytteitä käytettiin kaikissa tapauksissa sähköisesti kuormitettuina huoneen lämpötilassa 24 tuntia arvolla 1800 volttia 25,4 mikrometriä kohti. Tämän käyttöjakson jälkeen määritettiin DIV-arvo eri läm- 631 29 12

Potiloissa välillä -45°C - +90°C. Tämän kokeen tulokset on esitetty kuviossa 6.

Kuviossa 6 on esitetty DIY-arvot lämpötilan funktiona kalvo-paperi-kondensaattorinäytteille kyllästettyinä polyklooratulla difenyylillä ja keksinnön mukaisella dielektrisellä koostumuksella.

Kuten kuviosta 6 käy ilmi, keksinnön mukaan valmistettujen kondensaattorien DIV-arvot ovat korkeampia tavanomaisella käyttölämpötila-alueella kuin kondensaattorien, joissa käytettiin polykloorattua difenyyliä kyllästysai-neena. Lisäksi luonteenomaista painaumaa kohdassa -20°C - 0°C, joka esiintyy kondensaattoreilla, joissa on käytetty polykloorattua difenyyliä, ei esiinny näytteissä, jotka on kyllästetty keksinnön mukaisella dielektrisellä koostumuksella. Tämän luonteenomaisen painuman puuttuminen on tärkeää, koska saavutetaan kasvanut varmuusraja, mikä takaa, että normaali käyttörasitus on runsaasti koronajännitteen alapuolella tai vastaavasti, jos systeemin varmuuskerroin pidetään suunnilleen samana, kuin mitä käytetään polyklooratulla difenyylillä, voidaan käyttää suurempia rasituksia. Tällöin saadaan kondensaattori, jonka tilavuus on pienempi samalla kvar-arvolla.

Nämä kokeet osoittavat, että voidaan rakentaa keksinnön mukainen kondensaattori, jonka DIY-arvo on suurempi kuin 60 kV/mm kaikissa välillä -40°C - +90°C olevissa lämpötiloissa.

Esiteltävän keksinnön mukainen kalvo-paperi-kondensaattori on myös stabiili käyttöolosuhteissa. Systeemin stabiilisuuden ja luotettavuuden osoittavat seuraavassa taulukossa 1 olevat arvot. Näissä koesarjoissa näyte-kondensaattorit valmistettiin käyttäen kahta 19 mikrometrin polypropyleeni-kalvoa ja yhtä 9 mikrometrin volmapaperiarkkia dielektrisenä materiaalina ja tämä laminoitu rakenne sijoitettiin alumiinikalvojen väliin, joiden nimellis-paksuus oli 6,5 mikrometriä.

Kondensaattorit kyllästettiin seoksella, joka sisälsi 17 ^ mono-kloori-difenyyylioksldia ja 85 # mono-klooributyylidifenyylioksidia. Lisäksi käytettiin 0,5 io epoksidi-lisäainetta (EHL-4-4289)· KalYo-paperi-kondensaattori-näytteet käsiteltiin samalla tavalla, kuin edellä on esitetty SXY-lämpötila-kokeiden yhteydessä.

13 63129

Taulukko I

Näyte no* Alku-DIV-lukema DIV-arvo 192 tunnin käytön DIV-arvo 192 tunnin _ kV/25.4 nm_ .jälkeen arvolla 1800 V .jälkeen arvolla 2100 V

a 1,86 2,14 kV/25,4 jm 2,35 kV/25,4 p b 2,11 2,19 " 2,35 o 1,83 2,05 " 2,21 " d 1,62 2,22 " 2,38 e 2,05 2,22 M 2,38 f 2,03 2,30 " 2,38

Keskim. 1,92 2,17 " 2,34

Taulukossa I on esitetty alku-DIV-arvo, DIV-arvo 192 tunnin käytön jälkeen 1800 voltin kuormituksella kilovoltteina 25*4 mikrometriä kohti ja DIV-arvo 192 tunnin jälkeen 2100 voltin kuormituksella kilovoltteina 25f4 mikrometriä kohti.

Kuten taulukosta I voidaan nähdä, käyttö sähköisesti kuormitettuna parantaa DIV-arvoja, joka on tärkeää, sillä se osoittaa, että systeemi ei heikenny, vaan itse asiassa paranee sähköisesti kuormitettaessa.

Keksinnön mukaan valmistettujen kondensaattorien DIV-arvo on verrattain korkea koko käyttölämpötila-alueella antaen siten hyvät kokonaominaisuudet ja omaavat ne pienet dielektriset häviöt. Korkeammat DIV-arvot antavat parantuneen varmuusvaran taaten, että volttimäärä millimetriä kohti on runsaasti DIV-arvon alapuolella sallien volttimäärän nostamisen millimetriä kohti turvallisesti.

Claims (12)

1. 631 29 14 Patenttivaatimukset*
2. 1. Sähköinen laite, jossa on kaksi sähköä johtavaa osaa sijoitettuina toisistaan erilleen ja sovitettuna sähköjännitteen muodostamiseksi niiden väliin ja dielektrinen systeemi sijoitettuna näiden osien väliin, tunnet-t u siitä, että mainittu dielektrinen systeemi on dielektristä materiaalia, joka muodostuu polymeerikalvosta ja kuitumaisesta selluloosamateriaalista sekä nestemäistä dielektristä koostumusta impregnoituna mainittuun dielektri-seen materiaaliin mainitun dielektrisen koostumuksen käsittäessä mono-halo-genoidun difenyylioksidin ja mono-haiogenoidun alkyylidifenyloksidin seoksen, jolloin alkyyliryhmä sisältää 1-20 hiiliatomia molekyylissä.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu dielektrinen materiaali käsittää 30 - 90 painoprosenttia mainittua polymeerikalvoajja 70 - 10 painoprosenttia kuitumaista selluloosamateriaalia.
4. 5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että polymeerikalvo on polypropyleenikalvoa ja kuitumainen selluloosamateri-aali on paperia.
5. 4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen laite, tunnettu siitä, että mono-halogenoitua difenyylioksidia oh läsnä 5-95 painoprosentin suuruinen määrä seoksesta ja mono-halogenoitua alkyldifenyylioksidia on läsnä 95 - 5 painoprosentin suuruinen määrä seoksesta.
6. 5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen laite, tunnettu siitä, että dielektrisen koostumuksen jähmettymispiste on -20°C:n alapuolella.
7. 6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen laite, tunnettu siitä, että koostumukseen sisältyy epoksidia puhdistavana lisäaineena 0,1 - 10 painoprosentin määrä mainitusta seoksesta, jolloin mainittu epoksidi-puhdistusaine on valittu ryhmästä, johon kuuluvat l,2-epokei-3-fenoksipropaani, his(5»4-epoksi-6-metylsyylisykloheksyylimetyyli)adipaatti, 1-epoksietyyli- 3,4-epoksisykloheksaani, 3»4-epokeisyklohekeyylimetyyli-3,4-epokei-6-metyyli-sykloheksaanikarboksylaatti ja näiden seokset.
8. 7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen laite, tunnettu siitä, että halogeeni mainitussa mono-halogenoidussa difenyylioksidissa on bromi ja halogeeni mainitussa monohalogenoidussa alkyylidifenyloksidissa on kloori. Θ. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu dielektrinen materiaali käsittää 70 - 85 painoprosenttia mainittua polyolefiinikalvoa loppuosan ollessa paperia.
9. 9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu mono-halogenoitu difenyylioksldi on mono-klooridifenyyli- 15 6 31 2 9 oksidi ja mainittu mono-halogenoitu alkyylidifenyloksidi on mono-klooributyyli-difenyylioksidi.
10. 10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu polymeerikalvo on valittu ryhmästä, johon kuuluvat polypropyleeni-, polyetyleeni- ja polyesterikalvot, mainitun alkyyliryhmän sisältäessä 3 - 16 hiiliatomia.
11. 11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen laite, tunnettu siitä, että se on sähkökondensaattori, joka on suljettu koteloon.
12. 12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen kondensaattori, tunnettu siitä, että mainitun kondensaattorin läpilyönnin alkamisjännite on suurempi kuin 600 V/yim kaikissa alueella -40°C - +90°C olevissa lämpötiloissa. 13* Menetelmä patenttivaatimuksen 11 mukaisen kondensaattorin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että se käsittää vaiheet kondensaattoripakan muodostamiseksi käämimällä vuorotellen sähköäjohtavaa materiaalia ja polymeeri-paperi-dielektrietä materiaalia olevat liuskat, pakan sijoittamiseksi kondensaattorin koteloon, kotelon sisäosan altistamiseksi 100 mikrometrin alapuolella olevaan tyhjiöön ajaksi, joka riittää poistamaan oleellisesti kaikki kaasut kotelon sisältä, jolloin polymeerimateriaalin lämpötila pidetään 60°C*n alapuolella; nestemäisen dielektrisen materiaalin, joka muodostuu 3-99 painoprosentista mono-halogenoitua alkyldifenyloksidia, jossa alkyyliryhmä sisältää 1-20 hiiliatomia ja 95 - 5 painoprosentista neno-halogenoitna difenyloksidia, altistamisen tyhjiöön, joka on pienempi kuin 300 mikrometriä, sekoittaen nestettä aika, joka riittää poistamaan oleellisesti kaiken kaasun nesteestä ja pitäen nesteen lämpötilaa 60°C:n alapuolella; kaasusta vapautetun nesteen lisäämisen kotelon sisälle altistaen samalla kotelossa oleva neste tyhjiöön, joka on pienempi kuin 100 mikrometriä ja jolloin polymeerimateriaalin lämpötila pidetään 60°Csn alapuolella sekä sulkemalla sitten kotelo. 631 29 16