FI82785B - Metalliserad kondensator och elektrodband. - Google Patents

Description

1 82785

Metalloitu kondensaattori ja elektrodiliuska Tämä keksintö kohdistuu metalloituihin, vaihtovirta (AC) -kondensaattoreihin ja tarkemmin sanottuna suuria 5 jännityksiä kestävään metalloituun kondensaattoriin, jonka elektrodit muodostuvat useista eri metalleja olevista ohuista metallikerroksista sijoitettuna dielektrisen liuskan väliin.

Metalloidussa kondensaattorissa yksi tai molemmat 10 elektrodit on muodostettu kiinteällä dielektrisellä liuskalla olevan erittäin ohuen metallikerroksen avulla, yleisen esimerkin ollessa kaasufaasista saostetun alumiiniker-roksen polypropyleeniliuskalla. Nämä liuskat voidaan kiertää yhteen rullaksi sähkökondensaattorin saamiseksi, jossa 15 on metalloidut elektrodit ja polypropyleenidielektrikumit.

Rulla voidaan sijoittaa säiliöön ja kyllästää sopivasti dielektrisellä nesteellä. Se voidaan myös sopivasti koteloida ja käyttää kuivana tai sijoittaa säiliöön, jossa vain rullan päät ovat kosketuksessa dielektrisen nesteen 20 kanssa. Tätä jälkimmäistä kondensaattoria voidaan kutsua puolikyllästetyksi tai epätäydellisesti kyllästetyksi ja keksintö kohdistuu pääasiassa tähän puolikyllästettyyn tai kuivaan kondensaattoriin. Eräs esimerkki tällaisesta kondensaattorista, jossa käytetään pientä määrää nestettä, on 25 esitetty ja sille on haettu patenttia US-patentissa 3 987 348 (Flanagan et ai.), jonka haltija on sama kuin tämän patenttihakemuksen.

Metalloitujen sähkökondensaattorien, erikoisesti niiden, joiden nimellisjännite on suurempi kuin 250 volt-30 tia (vaihtojännitettä), normaalikäytössä esiintyy kaksi merkittävää haitallista toimintapuutetta: (a) paikallisia metallin häviämisiä ja (b) korroosiota, jotka vaikuttavat kondensaattorin toimintaan ja käyttöikään. Paikalliset me-tallihäviöt ovat toistuvia kondensaattorin käytön aikana 35 ja ne aiheutuvat vioista dielektrikumissa, jotka voivat 2 82785 aiheuttaa määrättyjä sähköpurkauksia, kuten koronapurkauk-sia elektrodien välillä. Alan aikaisemmissa kondensaattoreissa, joissa käytetään itsetukevia alumiinikalvoelektro-deja, nämä purkaukset voivat mahdollisesti kuluttaa di-5 elektrikumia, siirtyä kiinteän dielektrikumin pintaa pitkin tai tunkeutua siihen, niin että sähköisiä oikosulkuja esiintyy elektrodien välillä kondensaattorin vioittuessa äkillisesti. Metalloidussa kondensaattorissa kuitenkin dielektrikumin lävitse tapahtuvan sähköpurkauksen aiheut-10 tama lämpö höyrystää, kuten on mainittu, ohuen metalliker-roksen jatkuvasti kasvavan alueen, jolloin valokaaren pituus kasvaa, kunnes se sammuu itsestään. Toisin esitettynä, jos dielektrikumi vaurioituu ja reikä muodostuu me-talloidun kondensaattorin dielektriseen kerrokseen, metal-15 loinnin erittäin ohut kalvo palaa poispäin vauriokohdasta eristäen vikakohdan. Metalloidun kondensaattorin tämän sisäisen itsekorjautumisen vaikutuksen vuoksi voi korona-purkaus tai valokaari aiheuttaa kondensaattorin ennenaikaisen vioittumisen. Tämän itsekorjautumisen epäkohtana on 20 myös kondensaattorin kapasitanssin kokonaishäviö elektrodin pinta-alan pienentyessä höyrystymisen vuoksi.

Korroosio on toinen tekijä, joka esiintyy metalloi-tujen kondensaattorien normaalitoiminnassa. Tämä ilmiö havaitaan, kun ohuen metalloidun kerroksen määrätyt alueet 25 muuttuvat oksidiksi, esimerkiksi alumiinioksidiksi, joka ei ole hyvä sähköjohde ja siten menetetään hieman elektrodin tehokasta pinta-alaa. Syyt tähän korroosioilmiöön ovat epäselvät, mutta sähköisten rasitusten ollessa suurten ja käytettäessä ohuita alumiinielektrodeja, on korroosio no-30 peasti leviävä ja tuhoava ilmiö. Sitä esiintyy erikoisesti vaihtovirtakondensaattoreissa, kun polypropyleeniä olevan dielektrisen kalvon jänniterasitus on suurempi kuin noin 1 000 volttia/25 pm paksuussuunnassa.

Koska metalloidut kondensaattorit voivat menettää 35 jopa 10 % kapasiteetistaan verrattain lyhyenä aikana näi- 3 82785 den tekijöiden vaikutuksesta, ovat ne sopimattomia määrättyihin sovellutuksiin ja voidaan tarvita verrattain epätaloudellinen suunnittelu niiden korvaamiseksi. Myös kondensaattorin kapasitanssin häviö voi olla mahdollisena syynä 5 isäntälaitteen vioittumiselle, mikä voi aiheutua kondensaattorin kapasitanssihäviöistä.

Kapasitanssin pieneneminen itsekorjautumisten ja korroosion vaikutuksesta on nykyisin vaikein epäkohta suu-rirasitteisissa metalloiduissa AC-kondensaattoreissa ja 10 rajoittava tekijä niiden käyttökelpoiselle käyttöiälle. Tärkeämpi edellä mainituista kahdesta epäkohdasta on korroosion esiintyminen, joka on täysin riippumaton itsekorjautumisen aiheuttamista metallihäviöistä ja mikä korroosio vaikuttaa eniten kapasitanssihäviöihin. Kuitenkaan 15 mitä tehdäänkin korroosion torjumiseksi, ei se saa vaikuttaa itsekorjautumisiin, so. saa tehdä niitä voimakkaammiksi, jolloin energiaa vapautuu enemmän. Esimerkiksi korroosiota ei voida torjua pelkästään paksumpia elektrodeja käyttämällä. Paksut elektrodit tarkoittavat elektrodeja, 20 joissa esiintyy erittäin epäedullisia hidastuneesti esiintyviä ja voimakkaita itsekorjautumisilmiöitä, jotka vaikuttavat metalloitujen kondensaattorien päätarkoitusta vastaan. Ohuemmat elektrodit ovat suositeltavampia, koska ne ovat taloudellisesti edullisempia. Ohuemmat elektrodit 25 eivät kuitenkaan helpota korroosiovaikeuksia, ne pelkästään lisäävät sitä tukemalla useita tarpeettomia itsekor-jautumisia. Koska eri metalleilla on erilainen korroosionopeus, on selvästi edullista jatkaa sellaisten hyväksi tunnettujen metallien, kuten alumiinin ja sinkin käyttöä 30 kerroselektrodeina ja nämä metallit ovat kaikkein alttiimpia korroosiolle.

Koska sekä itsekorjautuminen ja korroosio ovat riippuvaisia sähköisistä rasituksista ja sähkökentän voimakkuudesta ja alumiinin johtokyky tai alumiinin paksuus 35 ovat kiinteitä kapean alueen puitteissa tehokasta itsekor- 4 82785 jautumista varten, korroosiovaikutusten muutos, vaikka se on selvä parannus, sallii vain annetun suurirasituksisen kondensaattorin toimia hieman kauemmin, so. kapasitanssin häviö on pienempi. Liialliset itsekorjautumiset vaikut-5 tavat edelleen kapasitanssiin. Tärkeää on, että sekä itsekor jautumisilmiöt ja korroosioilmiöt vaativat toimenpiteitä suurirasituksisten kondensaattorien toimintakyvyn parantamiseksi. Vaikka dielektrikumin jänniterasitusten pienentäminen vaikuttaa molempiin tarkoituksiin, on kui-10 tenkin erittäin epätaloudellista tehdä siten.

Nämä ongelmat on keksinnön mukaisesti ratkaistu patenttivaatimuksen 1 mukaisella sähkökondensaattorilla ja patenttivaatimuksen 3 mukaisella elektrodiliuskalla.

On havaittu, että metalloitujen kondensaattorien 15 korroosioalttiutta voidaan pienentää merkittävästi vaikuttamatta haitallisesti itsekorjautumisilmiöihin käyttämällä ainutlaatuista, erittäin ohutta, yhdistettyä kaksi- tai kaksoiskerroksista elektrodimetallia yhtenä elektrodira-kenteena ilman, että menetetään edulliset itsekorjautumis-20 ilmiöt. Tämä havainto liittyy erilaisia metalleja olevan bimetallisen elektrodikerroksen käyttöön, jolloin ulomman kerroksen ominaisvastus on suurempi kuin sisemmän kerroksen ja kaksoiskerroksen kokonaispaksuus on pienempi kuin alan aikaisemman yhden kerroksen.

25 Tämä keksintö voidaan ymmärtää paremmin seuraavan esityksen ja piirrosten avulla, joista kuvio 1 esittää kuivan, metalloidun kondensaattorin rullaosaa, jossa käytetään tämän keksinnön mukaista elekt-rodirakennetta; 30 kuvio 2 esittää valmista kondensaattorirakennelmaa, jossa käytetään kuvion 1 mukaista rullaosaa; kuvio 3 esittää suurennettuna tämän keksinnön mukaisen kaksikerroksisen, metalloidun elektrodirakenteen yhtä toteutusta; 35 kuvio 4 on suurennettu valokuva alan aikaisemmasta

II

5 82785 yksikerroksisesta, metallointikalvosta, josta käyvät ilmi itsekorjautumisten vaikutukset; kuvio 5 on suurennettu valokuva tyypillisestä alan aikaisemmasta yksikerroksisesta, metalloidun kondensaat-5 torin elektrodista, jossa kuviossa ilmenevät korroosiovai-kutukset määrätyn käyttötuntimäärän jälkeen.

Suositeltavien toteutusten esityksessä on kuviossa 1 esitetty kondensaattori, jossa tämän keksinnön mukaiset optimaaliset edut voidaan saavuttaa. Tässä kondensaatto-10 rissa käytetään rakennetta, joka on esitetty mainitussa Flanaganin patentissa, suurempia kuin noin 370 volttia ja erikoisesti suurempia kuin noin 440 volttia olevia jännitteitä varten. Kuviossa 1 on esitetty eräs tämän keksinnön suositeltava toteutus kondensaattorin rullaosana 10. Rul-15 laosa 10 käsittää kaksi polypropyleeniä olevaa dielektris-tä materiaaliliuskaa 11 ja 12, jotka on metalloitu, kuten metalloidut pinnat tai päällysteet 13 ja 14 esittävät. Kuten tavallista, liuskat 11 ja 12 on metalloitu tavalla, jolloin saadaan metallista vapaat reuna-alueet 15 ja 16 20 pitkin rullan 10 vastakkaisia reunoja. Kierrettäessä rulla 10 kierretään sydänosan 17 ympärille ja liuskat 11 ja 12 sijaitsevat toistensa suhteen niin, että kummassakin rullan reunassa metalloitu päällyste on vuorotellen siirtynyt pois rullan reunasta. Sitten voidaan sopivat sähköjohtimet 25 18 ja 19 kiinnittää paljastuneisiin metallipäällysteisiin käyttäen hyvin tunnettua "schooping"-menetelmää metalli-kerroksen 20 muodostamiseksi ja rulla sijoitetaan sitten kannuun tai koteloon, kuten kuviossa 2 on esitetty.

Kuviossa 2 kondensaattoriin 21 kuuluu kotelo tai 30 kannu 22, joka sisältää yhden ainoan rullan 10 ja johtimet 18 ja 19, jotka kytkevät rullan päätenapoihin 23 ja 24. Kotelo 22 voi olla tiivistetty kannutyyppi, joka on täytetty dielektrisellä nesteellä 25 ja sitten tiivistetty tai se voi olla suojaavaa kotelotyyppiä, jossa ei käytetä . . 35 nestemäistä kyllästysainetta. Kaikissa tapauksissa tämä 6 82785 keksintö kohdistuu pääasiassa metalloituihin päällysteisiin 13 ja 14, kuten kuviossa 1 on esitetty ja joita esitellään tarkemmin kuvioon 3 viitaten.

Kuviota 3 tarkasteltaessa on dielektrinen liuska 11 5 esitetty leikkauksena synteettisen hartsin muodossa, esimerkiksi polypropyleenikalvona, jossa on yhdistetty metal-likerros tai päällyste 13, joka on tyhjiösaostettu tai muutoin levitetty tai kiinnitetty liuskaan 11. Kuten kuviossa on esitetty, yhdistetty kerros 13 muodostuu metalli) lien 26 ja 27 kaksoiskerroksesta tai bimetallikerroksesta. Nämä metallit yleensä peittävät dielektrisen liuskan tai tarkemmin sanottuna, ne ovat jatkuvia ja peittävät täysin kondensaattorin tehokkaan elektrodialueen.

Ensimmäinen metallikerros 26 on kondensaattorin 15 pääelektrodikerros. Tyypillinen metalli tätä kerrosta varten on erittäin puhdas, 99,99-%:inen alumiini. Tavallisesti tämän kerroksen paksuus on alueella 175-250 A ja vastaava ominaisvastus 5-8 ohmia/neliö tämän keksinnön tarkoituksia varten. Ohmi/neliö on hyväksyttävä mittaus ää-20 rimmäisen ohuille haihdutetuille metallikerroksille. Tämä kerros peittää liuskan 11 kokonaisuudessaan lukuun ottamatta erillään sijaitsevia reuna-alueita. Syy tähän täydelliseen peittoon aiheutuu siitä, että tutkimukset ja metalloitujen kondensaattorien tarkastus osoittavat, että 25 korroosiota esiintyy kauttaaltaan kondensaattorirullassa ja voi olla riittämätöntä tai epätaloudellista muodostaa korroosiosuoja pienemmälle kuin kaikelle käytettävissä olevalle tehokkaalle elektrodin alueelle.

Toinen kerros 27 on erikoismetallia tai erikoisme-30 talliseosta, joka on erilaista kuin ensimmäinen metalli ja jonka sähkökemiallisten ominaisuuksien täytyy olla määrättyjä kahden toiminnan suorittamiseksi: (a) sallia kerroksen 26 valmistamisen epätavallisen ja erittäin ohueksi itsekorjautumisen parantamiseksi ja (b) vähentää korroo-35 siota sen heikompien hapettumisominaisuuksien vaikutukses-

II

7 82785 ta sekä parantaa sen kykyä pysyä oleellisesti jatkuvassa metallisessa tilassa kondensaattorin käytön aikana. Oikea metalli antaa myös kerroksen 27, jonka paksuus yhdistettynä peruskerroksen 26 paksuuteen antaa yhdistetyn paksuu-5 den, joka on pienempi kuin alan aikaisemman yksittäisen alumiinikerroksen paksuus.

Suositeltaviin metalleihin kerrosta 27 varten kuuluvat metallit, kuten rauta, kromi, nikkeli ja niiden seokset, kuten NiCr. Näiden metallien ominaisvastukset 10 ovat alueella noin 104 - 10 ohmia/neliö. Nämä metallit kuuluvat laajempaan metalliryhmään, joiden sulamispisteet ovat korkeammat kuin ensimmäisen ryhmän metallien ja joiden sähkökemiallinen korroosionopeus voimakkaassa kentässä on huomattavasti pienempi kuin ensimmäisen kerroksen metal-15 lien samoissa käyttöolosuhteissa. Niiden ominaisvastus on myös suurempi kuin ensimmäisen kerroksen metallien - otettaessa niiden ohuus huomioon - ja niitä voidaan saostaa ensimmäiselle kerrokselle jatkuvaan metalliseen tilaan äärimmäisen ohuina kerroksina.

20 On tärkeää, että toinen metallikerros pyrkii pysy mään pääasiallisesti metallisessa muodossaan kondensaattorissa, s.o. että se ei helposti muutu oksidikseen ilman tai muun syyn vaikutuksesta. Metallien sähkönjohtokyky on suositeltava, vaikkakaan jotkut oksidin puolijohdeominai-25 suudet eivät ole haitallisia. Päällysmetallin täytyy peittää tai kattaa mahdolliset korroosio!tuvat kohdat ja sen johtokyvyn täytyy olla metallinen tai puolijohtava. Metallit, kuten sinkki, kupari jne. eivät ole suositeltavia niiden nopean ja erittäin voimakkaasti korroosioivan luon-30 teen vuoksi erittäin ohuina kerroksina. Kapasitanssin muutos tai häviö pienenee voimakkaasti metallisena johtavan päällysteen vaikutuksesta, joka säilyttää johtavan elektrodin kokonaisrakenteen ja muodon.

Vaikkakin alumiinia ja kuparia sisältävien metalli-35 seosten käyttö yhtenäisenä elektrodina pienentää korroo- 8 82785 siota jossain määrin, vaaditaan huomattava määrä kuparia ja tämä muuttaa epäedullisesti elektrodin ominaisvastusta. Tämän keksinnön mukaisten kerroksen 27 metallien ominais-vastus on suurempi kuin puhtaan alumiinin ja niiden sula-5 mispiste on korkeampi. Niiden ominaisvastus on yleensä alueella noin 104 - 1010 ohmia/neliö. Itsekorjautumistapah-tuman aikana ei toisen kerroksen tarvitse sulaa. Korkeampi sulamispiste ja ohuus aiheuttaa niiden nopean haihtumisen itsekorjautumistapahtuman aikana aiheuttamatta mitään hai-10 tallisia metallin haihtumistapahtumia. Valitsemalla ensimmäinen kerros, joka on ohuempi kuin alan aikaisemmat alu-miinikerrokset, saavutetaan edullisempi itsekorjautuminen.

Yksittäisten kerrosten paksuuksien edulliset suhteet ovat sellaisia, että toisen kerroksen paksuus on 1/6 15 - 1/12, edullisesti 1/8 - 1/12 ensimmäisen kerroksen pak suudesta, jolloin ensimmäisen kerroksen paksuus on pienempi kuin noin 250 A. Tämän keksinnön suhteen on tärkeää, että toinen kerros on oleellisesti jatkuva kahdessa mielessä, ensin sen täytyy olla oleellisesti jatkuva koko te-20 hokkaalla elektrodin alueella ja toiseksi sen täytyy olla levitetty katkeamattomana kerroksena siinä mielessä, että eräät metallit saostettuina äärimmäisen ohuiksi kerroksiksi, joiden paksuus esimerkiksi on pienempi kuin 50 A, muodostavat yksittäisiä saarekkeita, jotka eivät ole fysikaa-25 lisesti tai sähköisesti yhteydessä keskenään. Syy esitettyihin paksuussuhteisiin on, että on edullista, jos kaikki johdettava sähkövirta kulkee ensimmäisessä kerroksessa ja jos toisen kerroksen sähköinen ominaisvastus ja sulamispiste ovat suuremmat.

30 Metalloidun polypropyleenikalvon, jossa on käytetty alumiinia ja nikkeliä ja/tai rautaa olevia kaksoiskerrok-sia, suorituskyky on osoittautunut paremmaksi alan aikaisempiin kondensaattoreihin verrattuna. Esimerkiksi kapasi-tanssihäviötä voidaan pienentää jopa 90 % tai enemmän kon-35 densaattorin käyttöiän aikana ja tästä syystä näiden kon-

II

9 82785 densaattorien sähköistä rasitustasoa voidaan nostaa suuremmaksi kuin 1 200 V/25 μπι (46 V/pm), esimerkiksi alueelle 1 500 - 2 000 V/25 pm (82 V/pm) tai enemmän. Samanaikaisesti materiaalitaloudellisuus paranee käytettäessä 5 kahta kerrosta, joiden yhdistetty paksuus on pienempi kuin alan aikaisempien yksittäisten kerrosten. Edustavia esimerkkejä tämän keksinnön sovellutuksista on esitetty seu-raavassa. Kaikissa esimerkeissä metallikerrokset muodostettiin hyvin tunnetun tyhjiösaostusmenetelmän avulla.

10 Esimerkki 1 Tässä esimerkissä valmistettiin useita kondensaattoreita kuvioiden 1, 2 ja 3 mukaisten rakenteiden mukaan kapasiteetin ollessa 15-65 pF. Tämän rakenteen tärkeä piirre on polypropyleenikalvon ohuus, s.o. 8 pm sekä kak-15 soiskerroksisen päällysteen ohuus. Tässä esimerkissä käytetty kaksoiskerros muodostui alumiinia olevasta peruskerroksesta ja toisesta kerroksesta nikkelikromiseosta, esim. 80 % Ni ja 20 % Cr, alumiinikerroksen päällä. Kaikissa tapauksissa alumiinikerroksen paksuus oli välillä noin 20 175-250 A ja NiCr-kerroksen paksuus oli välillä noin 20- 30 A. Vertailuun käytettiin yleensä alan aikaisempaa kondensaattoria, jonka rakenne oli pääasiallisesti muiden kondensaattorien kaltainen esimerkissä, paitsi että käytettiin yhtä ainoaa alumiinikerrosta, jonka paksuus oli 25 noin 500 A.

Esimerkki 1

Kondensaattorin Testiolosuh- Testin Kapasitans- Oikosul-tyyppi teet kesto sihäviö kuja %

Vertailut 470 VAC/80eC 1000 h 5-8 % 5-25 30 Suuria rasituk- 470 VAC/80°C 2000 h 0,3 % 0 siä kestävä 550 VAC/80eC 2000 h 0,8 % 0 kaksoiskerros 660 VAC/80eC 500 h 2,0 % 0

Al/NiCr-elektro-deilla 35 10 82785

Esimerkin 1 mukaan on ilmeistä, että kapasitanssi-häviö ajan suhteen on noin 5-8 % alan aikaisemmassa ver-tailuyksikössä ja niinkin pieni kuin 0,3 % käytettäessä alumiinista aluskerrosta ja krominikkelipäällystettä. Tämä 5 on yllättävää otettaessa huomioon, että yksiköt testattiin 470-660 voltin jännitteellä 80eC lämpötilassa, mitkä muodostavat vaativimmat testiolosuhteet näin ohuille dielekt-risille systeemeille. Bimetallikerroksen kokonaispaksuus on selvästi pienempi kuin alan aikaisempien yksittäisten 10 kerrosten paksuudet. Tämäntyyppisten kondensaattorien tavanomainen elinikä, vertailukondensaattorit mukaan luettuna, on tavallisesti pitempi kuin 20 000 tuntia.

Esimerkki 2

Toinen kaksikerroksinen elektrodi, joka on poista-15 nut voimakkaan kentän aiheuttaman sähkökemiallisen korroo-sioprosessin SMPP-kondensaattoreissa, on Al/Fe- tai Fe/Al-kaksoiskerros. Rauta on eräs edullisimmista kaksoiskerros-materiaaleista, koska se säilyy fysikaalisesti ja sähköisesti jatkuvana pienemmillä kuin 20 A paksuuksilla ja li-20 säksi se on verrattain halpaa. Kondensaattoreita, joissa on käytetty Al/Fe-kaksoiskerroselektrodeja, on testattu menestyksellä rasitustasoilla, jotka ovat huomattavasti suuremmat kuin vertailuyksiköiden (ks. esimerkkiä 1). Tässä esimerkissä 2 alumiinikerroksen paksuus oli 200-250 A 25 ja rautakerroksen paksuus oli 20-30 A. Dielektrikumi oli kahdeksan mikrometrin paksuinen polypropyleenikalvo.

Kondensaattorin Testiolosuh- Testin Kapasitans- Oikosul-tyyppi teet kesto sihäviö kuja % 30 Suuria rasituk- 500 VAC/80eC 1200 h 0,5 % 10 siä kestävä 600 VAC/80°C 500 h 0,5 % 0 kaksoiskerros 660 VAC/20°C 500 h 0,5 % 0

Al/Fe elektrodin kanssa 35

II

11 82785

Kuten tästä esimerkistä 2 voidaan havaita, esimerkin 1 mukaiset pienet kapasitanssihäviöt varmistuvat ja osoitettu kapasitanssihäviöiden parantuminen ja pitempi kuin 1 200 tunnin käyttöikä suurilla rasituksilla ja läm-5 pötiloissa on poikkeuksellinen.

Tätä keksintöä sovellettaessa on havaittu, että merkittävä määrä kondensaattorien vioittumisista ei aiheutunut dielektrisistä tai kapasitanssin häviöiden aiheuttamista vioittumista, vaan aiheutuivat ne itse asiassa 10 sähköliitoksessa (kuvio 1) johtimien tai liuskojen 17 ja metallikerroksen 13 välillä "schooping"-materiaalin 20 lävitse. Asennuksessa liuskoissa 11 ja 12 on päällystämättömät reuna-alueet 15 ja 16 molemmissa päissä ja ne voivat lisäksi olla sivussa toisistaan kummassakin päässä, 15 niin että toisen elektrodin metallikerros 13 on selvästi erillään sen pään kytkentäalueesta 20. Eräiden tämän keksinnön mukaisten päällysteiden 27 on havaittu vaikuttavan hidastuneesti liitoksiin yhteiseen käytettyyn schooping-juotteeseen. Siten tämän keksinnön suositellussa toteutuk-20 sessa käytetään toista reuna-aluetta (kuvio 3) liuskojen 11 metallikerroksen reuna-alueella. Reuna-alue 28 paljastaa alla olevan alumiinimetallin tavanomaista schooping-prosessia varten erinomaisin tuloksin ja poistaa muutoin piilevän vaikeuden näissä kondensaattoreissa eri päällys-25 temateriaaleja käytettäessä. Lisäksi paljastunut alumiini-kerros kohdassa 28 voidaan tehdä paksummaksi parempien liitosominaisuuksien saavuttamiseksi. Tämän keksinnön esimerkeissä alumiinireuna-alue on tehty noin kaksinkertaiseen alumiinikerroksen paksuuteen.

30 Edullisia tuloksia on saatu käytettäessä silikoni- öljyä metallin saostusmenetelmän maskiosassa, koska kalvon reuna-alueet absorboivat tätä öljyä parantaen koronapur-kauksien vastustuskykyä rullan päissä valmiissa kondensaattorissa.

35 Edustavia kondensaattoreita, joissa käytetään por- i2 82785 rastettua elektrodin rakennetta, on esitetty seuraavassa esimerkissä.

Esimerkki 3 Tässä esimerkissä kondensaattorit valmistettiin 5 esimerkissä 1 esitetyllä tavalla, paitsi että käytettiin porrastettuja elektrodeja, joissa alumiinin paksuus oli 200-250 A. Rautakerroksen paksuus oli 20-30 A ja rautaker-ros päättyi noin 2-3 mm etäisyydelle liuskan reunasta. Tässä reunassa paksunnetun tai porrastetun alumiinin pak-10 suus oli 400-500 A. Polypropyleenikalvon paksuus oli 8 mikrometriä.

Kondensaattorin Testiolosuh- Testin Kapasitans- Oikosul-tyyppi teet kesto sihäviö kuja % 15 Suuria rasituk- 550 VAC/100°C 500 h 0,5 % 0 siä kestävä 550 VAC/-30°C 500 h 0, 5 % 0 kaksoiskerros porrastetun Al/Fe-elektrodin kanssa 20

Aukaistaessa useita tämän keksinnön mukaisia kondensaattoreita, joissa kalvon paksuus oli 8 pm ja nimel-lisjännite 550-660 VAC, havaittiin merkittävä metalliker-roksen haihtumisen aleneminen ja merkityksetön korroosio. 25 Itsekorjautumisen ilmeneminen on esitetty kuvion 4 mikro-valokuvassa. Metallikerroksen haihtuminen määritetään keskeiseksi aukoksi tai reiäksi ja rengasmaiseksi puhtaaksi alueeksi. Puhdas alue on polypropyleenikalvoa, josta alumiinipinta on poistunut kaasuuntumalla. Tämän keksinnön 30 mukaisen kaksoiskerroksen käyttö ei vähennä eikä lisää tapahtuvien metallialueiden poistumisten lukumäärää. Kaksoiskerros pienentää itsekorjautumisten vaikutuksia, kuten pienentäen niiden voimakkuutta tai vaikutusaluetta. Se vaikuttava tässä suhteessa tähän tarkoitukseen ohuemman 35 sisäkerroksen avulla, joka läpäisee pienehkön energian

II

i3 82785 omaavia itsekorjautumisia ja estää suurehkojen ja voimakkaiden muodostumisen. Samanaikaisesti suuremman ominais-vastuksen omaava ulkometallikerros säilyttää ulomman me-tallikerroksen yhtenäisyyden.

5 Kuviossa 5 on esitetty mikroskooppikuva, joka esit tää korroosion vaikutusta alumiinielektrodin pintaan. Tässä kuviossa vaaleat alueet ovat alumiinioksiditäpliä. Tummemmat alueet ovat alumiinimetallia. Nämä oksiditäplät alkavat alumiinimetallikerroksen ja polypropyleenikalvon ra-10 japinnalta ja etenevät täydellisesti metallin lävitse. Tämän seurauksena muuttunut metalli on metallielektrodia, joka on poistunut aktiivilta elektrodipinnalta. Itsekor-jautumisesta poiketen korroosio on kasvava prosessi ja kohonneet lämpötilat, jännitteet ja taajuudet kiihdyttävät 15 kasvun edistymistä.

Tämän keksinnön mukainen kaksoiskerros voidaan muodostaa hyvin tunnettujen galvanointi-, saostus- ja pääl-lystysmenetelmien avulla. Voidaan muodostaa metalliseoksen, kuten krominikkelin saostuma saostamalla samanaikai-20 sesti tai peräkkäin eri metalleja samassa kammiossa. Tämä vähentää mahdollisuuksia pintojen likaantumiseen ja rajoittaa metallikerrosten hapettumista prosessin aikana. Hieman toisen kerroksen metallia voidaan havaita diffun-doituneen ensimmäiseen metallikerrokseen. Tämän keksinnön 25 kaksoiskerroksissa voi alumiini olla ulkometallikerroksena ja kerrokset voivat sisältää yhden alumiinikerroksen esimerkiksi kalvoliuskan yhdellä pinnalla ja ohuen rautaker-roksen sen vastakkaisella pinnalla.

Tämän keksinnön tärkeä piirre on metallikerrosten 30 paksuuksien suhde. On havaittu, että tätä keksintöä sovellettaessa voidaan pienentää kaikkia paksuuksia voimakkaasti ja saavuttaa parantuneita etuja. Useita metalleja ei tästä syystä voida käyttää ja rasitustasoja voidaan merkittävästi suurentaa. Tämä keksintö ei pelkästään paranna 35 annetun kondensaattorin tehokkuutta rajoittamalla korroo- i4 82785 siota, vaan itse asiassa saadaan ainutlaatuinen, voimakkaammin rasitettavissa oleva kondensaattori, jonka korroosio myös on minimaalinen.

Koska käytetään erittäin ohuita kerroksia, on tär-5 keää määrittää niiden johtokyky metallisessa tilassa sekä myös niiden metallinen tila kondensaattorikäytön elinai-katestin jälkeen. Näihin testeihin kuuluvat elektronilä-päisy ja Auger- sekä Esca-spektroskopia. Seuraava testi, jota on käytetty tätä keksintöä sovellettaessa, on suh-10 teellinen liukoisuustesti, jolloin määrätyt nesteet liuottavat selektiivisesti oksidia tai perusmetallia ja laskutoimitukset ilmoittavat jommankumman muodostumisen tai poissaolon.

Vaikka tätä keksintöä on esitetty sen määrättyjen 15 toteutusten avulla, useita muunnoksia voidaan tehdä alan asiantuntijoiden toimesta poikkeamatta sen todellisesta hengestä ja alueesta. Täten on tarkoitettu, että mukaan liitetyt patenttivaatimukset peittävät kaikki nämä muunnokset ja vaihtelut, jotka sisältyvät tämän keksinnön to-20 delliseen sisältöön ja alueeseen.

li

Claims (24)

1. Metalloitu sähkökondensaattori, joka käsittää kaksi toisistaan erillään olevaa elektrodia sekä niiden 5 välissä olevan dielektrisen materiaaliliuskan (11,12), jolloin ainakin toinen elektrodeista käsittää yhdistelmä-metallipäällysteen (13) mainitulla dielektrisellä liuskalla (11), joka yhdistelmämetallipäällyste (13) sisältää ensimmäisen (26) ja toisen kerroksen (27), jotka ovat eri 10 metalleja, tunnettu siitä, että ensimmäisen ja toisen metallikerroksen paksuudet on valittu siten, että oleellisesti kaikki virta kulkee ensimmäisessä kerroksessa ja kondensaattorin nimellisjännite on sovitettu aikaansaamaan dielektriseen materiaaliin suuri sähköinen kuor-15 mitus, jolloin mainitun kondensaattorin nimellis jännite on sovitettu aiheuttamaan mainittuun dielektriseen aineeseen kuormitus, joka on suurempi kuin noin 39 V/pm paksuussuun-nassa, mainitun ensimmäisen kerroksen (26) paksuuden ollessa pienempi kuin 25 nm ja sellainen, että ominaisvastus 20 vastaa aluetta 5-8 ohmia/neliö, toisen metallikerroksen (27) ollessa höyrystämällä seostettu tasaiseen paksuuteen, joka on noin 1/6 - 1/12 kertaa ensimmäisen kerroksen paksuus ja sellainen, että ominaisvastus vastaa pienempää arvoa kuin 1010 ohmia/neliö, ja että toisen metallikerrok-25 sen (27) metallilla on korkeampi sulamispiste kuin ensimmäisen metallikerroksen (26) metallilla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen metalloitu sähkökondensaattori, tunnettu siitä, että yhdistelmä-metallipinnoite on höyrystämällä saostettu mainitulle di- 30 elektriselle liuskalle (11), ja että kondensaattorin ni-mellisjännite vaihtojännitealueella on 370 V - 660 V, ja että dielektrisellä liuskalla (11) on paksuus, joka on pienempi kuin 8 pm, niin että jännitekuormitus on alueella 46-82 V/pm paksuussuunnassa, ja että yhdistelmämetallipin-35 noitteen (26,27) kokonaispaksuus on alueella 20,5 nm - 28 ie 82785 nm ja toisen kerroksen paksuus on pienempi kuin 3 nm.

3. Metalloitu elektrodiliuska sähkökondensaattoria varten, käsittäen dielektristä materiaalia olevan liuskan (11), joka on pinnoitettu ainakin yhdistelmämetallielekt- 5 rodilla, joka sisältää ensimmäisen (26) ja toisen (27) kerroksen, jotka ovat eri metalleja, tunnettu siitä, että ensimmäisen ja toisen metallikerroksen paksuudet on valittu siten, että oleellisesti kaikki virta kulkee ensimmäisessä kerroksessa, ensimmäisen metallikerroksen 10 paksuuden ollessa pienempi kuin 25 nm ja sellainen, että ominaisvastus vastaa aluetta 5-8 ohmia/neliö, toisen metallikerroksen ollessa höyrystämällä saostettu tasaiseen paksuuteen, joka on välillä 1/6 - 1/12 kertaa ensimmäisen kerroksen paksuus ja sellainen, että ominaisvastus vastaa 15 arvoa, joka on pienempi kuin 1010 ohmia/neliö, ja että toisen metallikerroksen metallilla on korkeampi sulamispiste kuin ensimmäisen metallikerroksen metallilla.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen metalloitu elektrodiliuska sähkökondensaattoria varten, käsittäen dielekt- 20 risen pohjaliuskan (11), joka on synteettistä hartsimate-riaalia, tunnettu siitä, että liuska käsittää ensimmäisen metallikerroksen (26), joka peittää mainittua synteettistä hartsiliuskaa ja ulottuu sen yhteen pitkit-täisreunaan, ja toisen kerroksen (27), joka on sähköisesti 25 jatkuva ensimmäisellä metallikerroksella (26) ja erillään mainitusta pitkittäisreunasta jättäen paljastetuksi tätä reunaa pitkin kulkevan ensimmäistä metallia olevan alueen, ja että synteettisen hartsiliuskan (11) paksuus on pienempi kuin 8 pm.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen metal loitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnettu siitä, että mainitut metallikerrokset (26,27) ovat toistensa vieressä.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen metal-35 loitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnettu i7 82785 siitä, että yksi mainituista ensimmäisestä ja toisesta metallikerroksesta (26,27) on saostettu suoraan mainitulle liuskalle (11) ja toinen kerros on saostettu tämän liuskan päällesaostetun kerroksen päälle.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen metalloitu kon densaattori tai elektrodiliuska, tunnettu siitä, että ensimmäinen metallikerros (26) on saostettu suoraan dielektriselle liuskalle (11) ja toinen metallikerros (27) on saostettu tälle ensimmäiselle metallikerrokselle (26).

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen metalloitu kon densaattori tai elektrodiliuska, tunnettu siitä, että toinen metallikerros (27) on saostettu suoraan dielektriselle liuskalle (11) ja ensimmäinen metallikerros (26) on saostettu tälle toiselle metallikerrokselle (27).

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen metal loitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnettu siitä, että dielektrinen liuska (11) on synteettistä hartsia.

10. Jonkin patenttivaatimuksista 1-9 mukainen me- 20 talloitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnettu siitä, että mainittu dielektrinen liuska (11) käsittää polypropyleeniä.

11. Jonkin patenttivaatimuksista 1-10 mukainen metalloitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnet- 25. u siitä, että ensimmäinen kerros (26) käsittää alumiinia.

12. Jonkin patenttivaatimuksista 1-11 mukainen metalloitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnet-t u siitä, että toinen metallikerros (27) on valittu luo- 30 kasta, joka sisältää raudan, nikkelin ja kromin.

13. Jonkin patenttivaatimuksista 1-11 mukainen metalloitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnet-t u siitä, että mainittu ensimmäinen metallikerros (26) on hyvin puhdasta alumiinia, joka on höyrystämällä saos- 35 tettu polypropyleenihartsiliuskalle, ja että mainittu toi- ie 82785 nen metallikerros (27) käsittää höyrystämällä seostettua rautaa.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 1-13 mukainen metal-loitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnettu 5 siitä, että toinen metallikerros (27) käsittää rautaa.

15. Jonkin patenttivaatimuksista 1-13 mukainen me-talloitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnet-t u siitä, että toinen metallikerros (27) käsittää nikkeliä.

16. Jonkin patenttivaatimuksista 1-13 mukainen me- talloitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnet-t u siitä, että toinen metallikerros (27) sisältää kromia.

17. Jonkin patenttivaatimuksista 1-16 mukainen me-15 talloitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnet- t u siitä, että toinen metallikerros (27) on sellaisten metallien seos, jotka on valittu ryhmästä, joka sisältää raudan, nikkelin ja kromin.

18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen metalloitu kon-20 densaattori tai elektrodiliuska, tunnettu siitä, että mainittu metalliseos käsittää nikkelikromin.

19. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sähkökondensaat-tori, joka käsittää polypropyleeniä olevan dielektrisen pohjaliuskan (11), tunnettu siitä, että: 25 (a) kondensaattorilla on nimellisjännite, joka on sovitettu aiheuttamaan dielektriseen liuskaan sähköisen kuormituksen, joka on suurempi kuin 46 V/pm paksuussuun-nassa: (b) mainittu ensimmäinen metallikerros (26) käsit- 30 tää alumiinia; (c) mainittu toinen metallikerros (27) sisältää ainakin yhden metallin, joka on valittu ryhmästä, joka sisältää raudan, nikkelin ja kromin; (d) toinen metallikerros (27) on kauttaaltaan säh- 35 köisesti jatkuva ja välimatkan päässä mainitun liuskan il i9 82785 yhdestä pitkittäisreunasta ensimmäisen metallikerroksen paljastamiseksi mainitulla liuskalla olevaksi reuna-alueeksi .

20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen kondensaattori, 5 tunnettu siitä, että mainitun kaksoiskerroksen (26,27) kokonaispaksuus on alueella 20,5 nm - 28 nm ja toisen kerroksen paksuus on pienempi kuin 3 nm.

21. Jonkin patenttivaatimuksista 1, 2 ja 19 mukainen kondensaattori, tunnettu siitä, että konden- 10 saattori on kyllästetty dielektrisellä nesteellä.

22. Jonkin patenttivaatimuksista 1-21 mukainen me-talloitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnet-t u siitä, että ensimmäinen metallikerros (26) käsittää alumiinia ja toinen metallikerros (27) käsittää metallia, 15 joka on valittu luokasta, joka sisältää raudan, nikkelin ja kromin, yhden mainituista ensimmäisestä ja toisesta metallikerroksesta (26,27) ollessa seostettu dielektrisel-le liuskalle ja toisen kerroksen ollessa seostettu tälle liuskan päälle saostetulle kerrokselle, ja että ensimmäi- 20 nen kerros (26) ulottuu toisen kerroksen ohi pitkin reuna-aluetta dielektrisen liuskan (11) yhdellä pitkittäisreu-nalla.

23. Patenttivaatimuksen 22 mukainen metalloitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnettu siitä, 25 että ensimmäisen metallikerroksen (26) alumiini on seostettu mainitulla reuna-alueella suurempaan paksuuteen kuin ensimmäisen kerroksen muu osa.

24. Jonkin patenttivaatimuksen 1-23 mukainen metalloitu kondensaattori tai elektrodiliuska, tunnettu 30 siitä, että dielektrinen liuska (11) on synteettistä hartsia oleva liuska, jonka paksuus on pienempi kuin 8 pm. äo 82785