ITUB20154115A1 - Configurazione di condensatore elettrolitico autoestinguente - Google Patents

Description

CONFIGURAZIONE DI CONDENSATORE ELETTROLITICO AUTOESTINGUENTE

DESCRIZIONE

Campo dell'invenzione

La presente invenzione riguarda una configurazione di condensatore elettrolitico perfezionato, in particolare un condensatore a ridotto rischio di combustione.

Stato della tecnica anteriore

Come noto un condensatore è un componente elettrico che è in grado di immagazzinare una certa quantità di carica elettrica, solitamente misurata in micro Farad [pF]. Tra i condensatori di potenza, ossia quelli utilizzati per applicazioni elettroniche di potenza (tipicamente inverter), solitamente si fa impiego di condensatori elettrolitici di alluminio.

Un condensatore elettrolitico di alluminio è formato da un anodo in forma di un foglio di alluminio, avente uno strato di ossidazione superficiale (Al203) che funge da dielettrico, ed un catodo anch'esso in forma di un altro foglio di alluminio. I fogli di alluminio sono di elevata purezza e spessore ridottissimo (80μιτι - 130 μιτι).

Tra il catodo e lo strato di ossidazione dell'anodo è disposto un foglio di carta impregnato di elettrolita, quale un elettrolita a base glicole etilico (per esempio una soluzione di glicole etilenico e borati) oppure gamma butirrolattone. Il foglio di carta ha anche la funzione di impedire che anodo e catodo vengano a contatto provocando cortocircuiti interni. Questo sandwich di strati di materiale viene avvolto a spirale in un pacco che assume la tipica forma cilindrica dei condensatori elettrolitici, come rappresentato in fig. 1.

Per avere una maggiore superficie utile, entrambi i fogli di alluminio sono incisi con tecniche che realizzano micro canalizzazioni superficiali - destinate ad essere bagnate dall'elettrolita - adatte ad aumentare artificialmente la superficie attiva del condensatore (a parità di ingombro complessivo del materiale componente).

Infine, sono previste connessioni a bandella, collegate ai due fogli di alluminio, che fuoriescono dal pacco cilindrico e costituiscono i due terminali del condensatore.

Il connubio tra materiale dielettrico molto sottile, ampie superfici ed il liquido elettrolita, consente di offrire condensatori con una eccellente capacità per unità di volume.

Il pacco del condensatore è poi racchiuso all'interno di una custodia di alluminio chiusa con un dischetto robusto di un materiale dielettrico quale bachelite/gomma o plastica fenolica. Nella custodia è presente tipicamente anche una valvola di sicurezza o porzione a rottura predeterminata, che permette l'apertura controllata nel caso in cui si inneschino fenomeni di guasto che producono incrementi di pressione interna, così da evitare eventi esplosivi. Nel caso in cui la valvola non fosse presente sulla custodia, analoga funzione è coperta da una valvola siliconica presente nel dischetto. In fig.

2 è illustrata una tipica configurazione di una custodia cilindrica di un condensatore elettrolitico, in cui è prevista una zona circolare a rottura predeterminata (safety vent) sulla stessa base da cui sporgono i due contatti dei terminali elettrici.

La rottura di un condensatore elettrolitico con fuoriuscita del liquido elettrolitico è un evento piuttosto raro, ma va previsto nella fase di progettazione per evitare pericolosi fenomeni esplosivi. Al contempo, le condizioni anomale di guasto, normalmente derivanti da riscaldamento e da cortocircuito, possono indurre combustione di alcuni componenti, con gli sgradevoli riflessi sulla circuiteria in cui i condensatori sono installati. Si consideri, a tal proposito, che principi di incendio dovuti a cortocircuiti tendono a propagarsi molto rapidamente, sia perché i materiali impiegati sono solo parzialmente autoestinguenti, sia perché invece la carta interposta fra anodo e catodo è infiammabile.

Queste condizioni impongono non solo di prevedere una zona a rottura predeterminata nella configurazione costruttiva, ma anche opportuni accorgimenti in fase di installazione nei rispettivi circuiti elettrici/elettronici per evitare guasti più ampi.

Nonostante l'impellente esigenza di evitare ogni principio di incendio, sino ad oggi ogni tentativo di inserire altre sostanze estinguenti nei condensatori elettrolitici si è rivelata inefficace: la delicatezza dell'equilibrio dell'elettrolita e la criticità del sottile strato di ossido, rendono infatti improponibile l'accostamento del corpo di condensatore a sostanze autoestinguenti, che finiscono per compromettere rapidamente il regolare funzionamento del condensatore.

Oltre al problema di contaminare il fluido elettrolita, riducendo l'efficacia delle reazioni chimico/fisiche, esiste anche un effetto compromettente sull'integrità degli ossidi di alluminio e sulla circolazione di correnti interne al condensatore.

Nel settore è quindi fortemente sentita l'esigenza di fornire una configurazione idonea di condensatore che risulti non solo autoestinguente rispetto ad alcune norme esistenti, ma effettivamente priva di rischi di incendio per tutte le modalità di guasto possibili per il componente, indotte dall'esterno oppure autoindotte internamente all'elemento stesso.

Descrizione sommaria dell'invenzione

Problema alla base dell'invenzione è pertanto quello di proporre una configurazione di condensatore elettrolitico che permetta di inibire completamente ogni principio di incendio, pur salvaguardando le prestazioni e la durata nel tempo.

Questo scopo viene conseguito attraverso le caratteristiche enunciate in termini essenziali nelle rivendicazioni allegate.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno comunque meglio evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una forma di esecuzione preferita, data a puro titolo esemplificativo e non limitativo ed illustrata nei disegni allegati, nei quali:

fig. 1, come già accennato, rappresenta una vista in prospettiva di un condensatore elettrolitico di tecnica nota parzialmente aperto;

fig. 2 come già accennato, è una vista in pianta dall'alto di un condensatore di tecnica nota;

fig. 3A è una vista schematica in sezione trasversale di una prima forma di esecuzione del dispositivo secondo l'invenzione;

fig. 3B è una vista schematica in sezione trasversale di una seconda forma di esecuzione del dispositivo secondo l'invenzione;

Descrizione dettagliata di una preferita forma di esecuzione

Come accennato, un condensatore elettrolitico C si compone di un corpo di condensatore chiamato elemento avvolto, realizzato con fogli sottili di alluminio, che fungono da anodo e catodo, avvolti su se stessi insieme ad un foglio di materiale cartaceo interposto, ed una parte di involucro, costituito almeno da un astuccio di alluminio ed un dischetto di materiale dielettrico, quale bachelite.

Il corpo di condensatore è imbevuto di liquido elettrolitico, per esempio una soluzione di glicole etilenico e borati, e poi sigillato in una capsula di alluminio e dischetto plastico, prima di essere introdotto in una guaina isolante. I conduttori che fungono da terminali elettrici, attraversano la guaina isolante e fuoriescono all'esterno con appositi morsetti (fig. 2).

Per ridurre rischi di esplosione legati allo sviluppo di gas interni -quando il condensatore si trova in condizioni di funzionamento anomale, per esempio sovratensioni o sovratemperature - sulla capsula è prevista una valvola di sfiato, indicata come "safety vent" in fig. 2.

Secondo l'invenzione, il corpo di condensatore è inoltre circondato da un ambiente contenente un liquido neutro fluorurato, in particolare un composto perfluorurato (PFC), ad esempio il prodotto commercializzato con il marchio Fluorinert™ da 3M o Galden™ da Solvay Solexis.

Questi prodotti sono noti come buoni conduttori di calore nel campo dei circuiti elettronici, ma mai erano stati sperimentati per condizionare l'ambiente intorno ad un corpo di condensatore elettrolitico con funzioni estinguenti.

La richiedente, tramite ampie sperimentazioni, ha infatti riscontrato che questi composti perfluorurati liquidi - anche se bagnano gli elementi costituenti il condensatore - hanno il pregio di risultare completamente inerti rispetto alle reazioni chimiche che si sviluppano all'interno di un condensatore elettrolitico, nonché ininfluenti sui processi di ossidazione dell'alluminio in quanto insolubili negli elettroliti utilizzati. Per converso, la presenza del liquido perfluorurato intorno al corpo di condensatore allaga il multistrato avvolto, come condizione standard operativa oppure a seguito di rotture dielettriche per malfunzionamenti, impedendo qualsiasi combustione (per esempio del materiale cartaceo impregnato di elettrolita con l'ossigeno) o spegnendo eventuali archi elettrici transitori conseguenti alla perforazione dielettrica.

Numerose prove condotte dalla Richiedente, anche investendo un condensatore secondo l'invenzione con una fiamma libera da 1500W, hanno dimostrato che non si sviluppa alcuna combustione.

Secondo l'invenzione, il liquido perfluorurato è direttamente attorno all'elemento avvolto, inserito all'interno di una camera che avvolge l'elemento avvolto e circondata dalla guaina isolante od opportuna custodia.

Secondo una prima forma di esecuzione (fig. 3A), liquido perfluorurato F è contenuto all'interno di una prima camera la in cui trovano posto uno o più elementi avvolti elettrolitici C. Il liquido F riempie la camera la almeno sino al livello di coprire interamente i condensatori C.

In una seconda forma di esecuzione(fig. 3B), ciascun condensatore C è inserito in una sacca sottile 10 avente un volume appena superiore a quello occupato dal condensatore e riempito del composto perfluorurato liquido F. Le pareti delle sacche 10 sono configurate in modo da tollerare una certa sovrappressione, per esempio hanno una capacità di espandersi parzialmente. Le sacche 10 sono preferibilmente dotate anch'esse di una prima porzione ad apertura predeterminata (non rappresentata) - costituita da una valvola di ritegno o da una porzione a rottura predeterminata - che si apre nel caso in cui la sovrappressione aumenti oltre una soglia massima.

Per esempio, le sacche 10 sono fabbricate con pellicola plastica sottile e vengono fatte aderire strettamente ai condensatori mediante aspirazione sottovuoto (dopo aver introdotto l'adeguata quantità di composto perfluorurato F).

Come si evince dalla descrizione sopra riportata, il complesso secondo l'invenzione consegue perfettamente gli scopi esposti nelle premesse.

La configurazione dei condensatori elettrolitici circondati da liquido perfluorurato permette di inibire sul nascere ogni possibile sviluppo di combustione, pur senza influire negativamente sulle prestazioni e la durata dei condensatori elettrolitici di potenza.

S'intende comunque che l'invenzione non deve considerarsi limitata alla particolare disposizione illustrata sopra, che costituisce soltanto una forma di esecuzione esemplificativa di essa, ma che diverse varianti sono possibili, tutte alla portata di un tecnico del ramo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione dell'invenzione stessa, come definito dalle rivendicazioni che seguono.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. Configurazione di condensatore elettrolitico (C) comprendente un corpo di condensatore formato da una struttura avvolta di anodo e catodo sottili separati da un foglio di materiale cartaceo impregnato di liquido elettrolitico, racchiuso in un astuccio di alluminio ed un dischetto di materiale dielettrico provvisto di una valvola di sicurezza, caratterizzata da ciò che almeno detto corpo di condensatore è circondato da un composto perfluorurato liquido.
2. 2. Configurazione di condensatore elettrolitico (C) come in 1, in cui detto composto perfluorurato liquido è contenuto in una camera di contenimento (la, 10) di detto astuccio di alluminio ed allaga detta struttura avvolta di anodo e catodo.
3. 3. Configurazione come in 2, in cui detta prima camera di contenimento (10) è in forma di una busta flessibile ed elastica riempita di detto composto perfluorurato e sigillata.