JPH0357606B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は金属化紙電極を有するコンデンサ、特
に１対の両面金属化紙を電極として、その間に合
成樹脂フイルムを誘電体として用いた円筒形ロー
ルを有するコンデンサに用いる含浸油に関する。 コンデンサは簡単なものでは、１対の離間電
極、通常アルミニウム箔の間に合成樹脂誘電フイ
ルムをはさんだ構造である。アルミニウム箔をフ
イルム上に極めて薄いアルミニウム被覆層を適当
に蒸着したものに代えたコンデンサは、金属化コ
ンデンサと称される。金属化コンデンサはある種
の用途には極めて望ましい。その理由は、金属化
コンデンサが固有の自己回復特性を有する、即ち
電極間に電気的短絡が起つたとき、アークが消滅
するまでアークによりこの薄い被覆層が広い面積
にわたつて焼き払われるからである。この種の代
表的なコンデンサが米国特許第3987348号に記載
されている。 近年の改良された金属化コンデンサでは、電極
として両面が金属薄層で被覆された紙を用い、合
成樹脂フイルムで分離する。この構造では、電極
と樹脂フイルムをロール状に巻き、適当なケース
に収め、絶縁油で含浸する。含浸油を用いたこの
種の代表的なかた巻き円筒形金属化コンデンサが
米国特許第3555642号に記載されている。 かゝるコンデンサにとつての重要な問題は、コ
ロナ開始電圧や時間経過にともなう容量損失のよ
うな幾つかの特性を改良する必要があることであ
る。これらの問題は異なる絶縁油を用いることで
大きく左右される。しかし、この種のコンデンサ
における合成樹脂フイルムの油／誘電体膨潤比は
もつとも重要であり、誘電率、粘度および他の特
性の異なる各種の絶縁油の使用によりもたらされ
る変化を厳しく限定するか軽減する。 上述したタイプの主流コンデンサの１つでは、
この種のコンデンサ用の最適絶縁油として低誘電
率油を使用する。Hagedornの米国特許第
3555642号は上述したタイプのコンデンサの１例
を開示し、１つの基準として誘電フイルムの膨潤
と絶縁油浸透との関係を極めて重要であるとみな
しており、フイルムの膨潤を含浸油およびロール
の占積率に注意深く相関させなければならないと
記載している。 上述した組合せとは正反対に、本発明者は低誘
電率油と高誘電率油との特別な混合物、実際には
高膨潤性油と低膨潤性油との混合物によつて上記
コンデンサを大きく改良できることを見出した。
これらの混合物は特定のエステルと選択された炭
化水素との組合せである。 エステルおよび炭化水素類の含浸油から選択さ
れた絶縁油の特定の組合せまたは混合物によつ
て、金属化コンデンサの含浸および電気性能が著
しく改良される。本発明の目的には、絶縁油を、
多数の化学化合物よりなる鉱油と違つて、単一化
学化合物の流体、例えば芳香族枝分れ鎖フタル酸
エステルおよび合成芳香族炭化水素とする。含浸
方法は油に関与する温度制御された過程である。 次に図面を参照しながら本発明を具体的に説明
する。 第１図に本発明のコンデンサのロール部分を一
部ほどいた状態で示す。図示のコンデンサロール
部分１０は、芯材１１上に合成樹脂フイルム１２
と金属化紙電極１３を連続的かつかたく巻回して
なる。このロール部分１０には電極１３が互にず
れた関係で巻回され、一方の電極の金属化端部１
４がロール部分の一端１５に露出し、他方の金属
化電極の端部１６がロール部分の他端１７に露出
している。ロール部分の両端１５，１７に適当な
金属、例えばアルミニウムまたは亜鉛をスプレー
塗布して被覆層１８を形成し、電極リード１９お
よび２０を被覆層１８に接合する。 第２図に詳細に示すように、金属化紙電極１３
は薄い高密度紙２１にアルミニウム層または被覆
２２を設けてなる。電極１３用に多種類の材料を
用いることができ、例えば高分子物質の織物また
は不織布、または絶縁油が表面および内部に進入
できる多孔性または吸上性材料を用いることがで
きる。しかし、本発明の実施に当つては、密度約
1.0のコンデンサ薄葉紙が好適である。かかる薄
葉紙はコンデンサ用クラフト紙として市場で入手
できる。 紙２１の両面を金属層２２で被覆する。この組
合せを両面金属化紙と称する。好ましくは金属を
アルミニウムとし、周知の真空蒸着法によつて紙
に真空蒸着して均一な高純度金属層を形成する。
かゝる金属層はその電極箔／平方センチメートル
当りのオーム（抵抗）を単位として測定し、本発
明に好ましい範囲は約4.0〜7.0Ω／cm²である。 合成樹脂フイルム１２は、普通の誘電樹脂、例
えばポリオレフイン、ポリカーボネート、ポリア
ミンなどおよびこれらのホモポリマーおよびコポ
リマーの１種または複数種よりなる単一または複
数フイルムとすることができる。しかし、本発明
の樹脂フイルムには電気コンデンサグレードのポ
リプロピレンよりなる樹脂が好ましい。コンデン
サ用ポリプロピレンフイルムは高い誘電特性を有
する高純度の滑らかなポリプロピレンフイルムで
ある。 ポリプロピレンフイルム１２および金属化紙１
３を一緒に第１図に示すようにロールに巻き、第
３図に示す円筒罐２３に入れ、高温真空乾燥法に
よつて水分を除去し、さらに適当な絶縁油２４で
真空含浸する。 従来、この構造のコンデンサは十分かたく巻い
てフイルムと金属箔表面との間に空間がないか、
あつたとしても極くかすかにしなければならず、
巻回操作上の問題から何らかの空間が生じた場合
には、含浸油が樹脂を膨潤し樹脂がこれら空間を
満たすようになると考えられていた。従つてコン
デンサには完全な液体含浸が必要であつた。しか
し、紙の通常の流体吸上作用は紙の両面の金属化
層によつて著しく抑制される。両面の金属化層は
膨潤ポリプロピレンフイルムと相まつてガスケツ
トシールのように作用し、絶縁油がロール端に浸
透するのを阻止する。この結果、絶縁油／誘電樹
脂膨潤特性がこのコンデンサにとつて臨界条件と
なる。 上述した種類のコンデンサの絶縁油には通常鉱
油を選択している。鉱油は低い誘電率に拘らず、
幾つかの望ましい粘度、コロナおよび薄膜安定特
性を有すると信じられているからである。鉱油の
使用は円筒形ロール、円筒罐設計およびロール巻
きのかたさと相関しているようであり、これらの
要素が原因で、やゝ長い含浸過程が必要である。
長円形罐・ロールのコンデンサではロールの平坦
部分と湾曲端部との双方が比較的ゆるく、含浸油
を受入れやすいのと違つて、かたく巻いたロール
は含浸が非常に難しい。 鉱油は、多くの理由で、エステルやある種の炭
化水素を含めて他の通常用いられる別のコンデン
サ用の含浸油よりも好適であつた。エステル油、
特に枝分れ鎖エステルが一般に含浸型コンデンサ
の優れた含浸油であることを確認した。しかし、
かゝるエステル油により得られる結果は、ある種
類のコンデンサと別の種類のコンデンサとでは違
つてくる。コンデンサ環境が含浸油を選択する上
で重要な役割を演じる。エステル油の主要利点の
１つは高い誘電率であるが、高電圧印加装置では
エステル油の比較的高い粘度と限定されたガス吸
収能とが主な欠点となる。実際、エステル油はコ
ロナ放電を支持するガスを放出する。 ある種の炭化水素油、例えばエタン類、アルカ
ン類およびジフエニル類が含浸型コンデンサ用の
含浸液として優れていることを確かめた。これら
の油もその与える結果がコンデンサの種類によつ
て相違するようである。これらの炭化水素油の主
要欠点の１つは低い誘電率であるが、そのほかに
絶縁耐力が弱いこととその化学構造故にこれらの
炭化水素油は有害な炭素質残滓を形成しがちであ
る。この残滓はコンデンサ内に望ましくない導電
区域を形成する。 上述したようなコンデンサには、各種の油それ
ぞれの欠点につながる種々の条件が存在する。構
造には比較的ガスを発生しやすい材料および紙を
使用し、自己回復作用を利用し、これらの組合せ
の結果として多量のガスを発生し、これがコロナ
放電を支える。同時にかたく巻かれた円筒ロール
は粘稠な油（他の場合には粘稠な油の方が有利で
ある）の含浸を妨げる。 本発明者は、上述したようなコンデンサの場
合、低誘電率炭化水素と高誘電率エステル双方の
特定の組せを含む所定の含浸油混合物により、著
しく改良されたコンデンサが得られることを見出
した。この混合物は相当量の両成分の混合物、例
えば各成分40〜60容量％づつの混合物であり、従
つて各油成分の主要利点が全体に大きく寄与する
とともに相互緩和作用も顕著である。かゝる混合
物の１例を挙げると、60容量％のジ−２−エチル
ヘキシルフタレート（DEHP）と40容量％のフエ
ニルキシリルエタン（PXE）との混合物がある。 これらの油混合物は上記コンデンサ構造に対し
て大きな親和性を有し、ロールおよび合成樹脂に
一層急速かつ容易に浸透して、ロール全体にわた
つて油を確実に供給し油を存在させ続ける。この
油供給維持が本発明に必須である。同時に、これ
らの油混合物の成分は粘度およびフイルム膨潤に
関して互にある程度の親和性を有する。粘度に関
して、DEHPは鉱油より高い粘度を有するが、
PXEは低い粘度を有する。ポリプロピレンフイ
ルムの膨潤に関してDEHPは鉱油より低く、また
PXEより低い。しかし、コンデンサに高い誘電
率と実証された一般性能という利点を十分に達成
するためには、エステルを主要成分とする必要が
あり、混合物の50％以上とする必要がある。低誘
電率の炭化水素油は、鉱油より容易にポリプロピ
レンフイルム中に浸透し、しかもその優れた浸透
能力がエステル油の高い粘度を限度内に補償する
という意味で、良好な補償油である。これらの混
合物の重要な利点はコンデンサ作動における回復
作用である。 フエニルキシリルエタン（PXE）は次式： を有する市販の流体である。他の炭化水素油はモ
ノイソプロピルビフエニル（MIPB）であり、こ
れは次式： を有し、やはり市販されている。本発明に有用な
他の炭化水素には、エタン類およびビフエニル類
のほかにジアリールアルカン類の油がある。 代表的な枝分れ鎖エステルはEustanceの米国
特許第3925221号に開示されている。本発明に有
用な例には、枝分れ鎖芳香族フタル酸エステル、
例えばジ−２−エチルヘキシルフタレートおよび
ジイソノニルフタレートがある。 本発明の改良油は、多数の化学化合物や分子鎖
化合物とは対照的にほゞ球形分子の単一化学化合
物であることで特徴付けられる。これらの油をか
たく巻いた円筒ロールの金属化紙電極コンデンサ
に使用すると、良好な結果が得られる。これらの
油を他の型式にコンデンサに使用しても、これら
の油が本発明のコンデンサ構造で呈するような種
類の特性が得られなかつた。 本発明の混合物の使用が、鉱油のような従来の
油の場合と同様に臨界的であることは知られてい
ない。本発明の混合物はポリプロピレンを然程膨
潤させず、ポリプロピレンを溶解する度合も低
い。本発明の混合物はコロナ抑制特性に優れ、こ
とことはコンデンサに発生するガスが少なく、コ
ロナの連鎖反応（コロナ支持ガスの遊離−一層多
くのコロナなど）が最小限に抑えられることを意
味する。本発明の混合物を使用して得られる良好
な結果は、大部分円筒ロールコンデンサに由来す
るものである。円筒ロールは、その形状特有の安
定性および予測される均一な物理的および電気的
特性故に、非常に望ましい。さらに、上述した通
りの特定のコンデンサに関して、PXEの単独使
用には鉱油使用の場合より含浸および電気特性上
の利点がある。この特徴はコンデンサに生じる自
己回復作用により理解できる。PXEでは一層確
実な促進された自己回復作用が生じる。 以下に実施例を記載して、本発明の混合物を使
用することによつて予期し得ぬ効果が達成される
ことを示す。 実施例 １ 本例では図面に従つて多数のコンデンサを製作
した。両面金属化紙は密度1.17ｇ／cm³を有し、ア
ルミニウムで金属化され、表面抵抗率は各表面４
〜6.6Ω／cm²であつた。ポリプロピレンフイルム
は厚さ0.315±0.008ミルであつた。真空乾燥およ
び含浸過程を通常の小形コンデンサについて知ら
れた態様で行つた。これらのコンデンサを比較の
ために次の４種の液体それぞれで含浸した。 １ PXE＋エポキシド安定剤 ２ 60％DEHP＋40％PXE＋エポキシド安定剤
（容量％） ３ DEHP＋エポキシド安定剤 ４ 鉱油 得られたコンデンサは、1524ボルト／ミルの電
圧印加で60Hzで17ｍfdおよび480V（実効値）の定
格を有した。試験結果は下記の通り。

【表】 第１表においてこれらのコンデンサに関して注
意すべき点を以下に示す。 １ ほゞ完全な含浸を達成する時間（最終容量の
99.5％に達する時間として定義）は、時間が短
い程処理時間とコストが軽減できるので、重要
である。 ２ 含浸の結果としての容量増加は、他の事項が
等しいとすれば、最大の容量増加が最低コスト
につながるので、重要である。 ３ 製造時のコンデンサの部分（コロナ）放電強
度（pC、即ちピコクーロンで表示）は低くな
ければならない。 ４ （エンクロージヤのリーク試験に必要とされ
るような）90℃加熱が部分放電強度に与える影
響。増加量が小さければ小さい程、また強度が
低ければ低い程、系は一層安定になる。 ５ 電圧を150V（実効値）／秒の割合で増加した
ときの最終短期60Hz交流破壊強度。これは系の
絶縁耐力の尺度であるだけでなく、永久破壊に
抗する自己回復過程の効率の尺度でもある。 DEHPで達成される高い破壊電圧と良好な容量
増加は、長い含浸時間、そして特に使用中にコロ
ナにより徐々にガスを発生する傾向（実用寿命の
短絡につながる）によつて相殺される。PXEの
良好な含浸時間とコロナ挙動は、低い容量、そし
て特に高電圧印加がある場合の比較的低い破壊強
度によつて価値が軽減される。しかし、多くの用
途においてPXEは、含浸が容易で浸透が完全な
ので、良好な含浸油である。60％DEHPと40％
PXEの混合物は、PXEの主要コロナ特性を十分
に高い破壊電圧と組合せることによつて、その成
分のいずれよりもはるかに広い適用範囲に良好な
コスト／利益比で使用できる含浸油である。比較
的低い容量増加とコロナの結果としてガスをゆつ
くり放出する傾向は、従来の鉱油含浸剤を使用す
る場合には問題である。 上述した通りの特定のコンデンサ構造において
は、従来、鉱油に加えられる高い電圧印加に耐え
るようにするために、低誘電率鉱油の極めて薄い
層を必要とした。厚い層の鉱油は、混さ／ミル当
りの印加ボルトの関係で、もつと早く破壊にさら
された。これらの要因によりロール巻きのような
製造プロセスに厳しい限定が加えられた。他方、
高い誘電率を有するDEHPは、その誘電率が高
く、厚い層で得られる作動が満足なものであるの
で、安全に使用でき、ロール巻きの厳密さを軽減
できた。この場合、DEHPはこれらのコンデンサ
に必要とされる値より高い誘電率を有する。
PXEとDEHPの組合せによつて、２つの目的、
即ち誘電率のコンデンサへの適合と加工厳密性の
緩和とをうまく組合せることができる。上述した
種類の他の炭化水素、例えばMIPBおよびターフ
エニル類をエステルと一緒に使用することができ
る。通常、各成分が60／40混合物の場合のように
油混合物中に相当量存在するのが好ましい。好適
な混合物は有効であるには約25容量％以上の各成
分を含有する。 本発明の絶縁油には、当業界で知られている安
定剤、例えばエポキシド、酸化防止剤および水素
またはガス吸収剤を添加剤として使用することも
できる。 エステルと混合できるが結果が少し違つてくる
他の炭化水素として、炭素原子数10〜20の不飽和
脂肪族アルフアオレフイン、例えばテトラデセン
がある。これについての詳細は、米国特許第
4142223号を参照されたい。 本発明をその特定実施例について説明したが、
当業者であれば本発明の範囲を逸脱せずに種々の
変更を加えることができる。従つて、特許請求の
範囲はその範囲内に入る変更例や変形例すべてを
包含する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のコンデンサのロール部分を一
部ほどいて示す斜視図、第２図は第１図のロール
に巻く金属化紙とこれらにはさまれた合成樹脂フ
イルムの断面図、および第３図は第１図のロール
部分を円筒形罐に収めたコンデンサの斜視図であ
る。 １０……ロール部分、１２……合成樹脂フイル
ム、１３……金属化紙電極、２１……紙、２２…
…アルミニウム層、２３……罐、２４……絶縁
油。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １対の離間したストリツプ電極間に合成樹脂
   の誘電フイルムをはさんで積層体を形成し、該積
   層体をロール形状にかたく巻き、ケースに収容
   し、絶縁油で含浸したコンデンサにおいて、 (a) 前記ストリツプ電極を両面がアルミニウム薄
   層で金属化されたコンデンサ薄葉紙とし、 (b) 絶縁油で前記ロールの薄葉紙およびフイルム
   を含浸し、 (c) 前記絶縁油を、フエニルキシリルエタン、モ
   ノイソプロピルビフエニル及びこれらの混合物
   から選択した芳香族炭化水素25〜50容量％とフ
   タレートエステル50〜75容量％とのブレンドか
   ら基本的になるものとしたことを特徴とするコ
   ンデンサ。 ２ 前記芳香族炭化水素がフエニルキシリルエタ
   ンである特許請求の範囲第１項記載のコンデン
   サ。 ３ 前記芳香族炭化水素がモノイソプロピルビフ
   エニルである特許請求の範囲第１項記載のコンデ
   ンサ。 ４ 前記エステルがジ−２−エチルヘキシルフタ
   レートまたはジイソノニルフタレートである特許
   請求の範囲第１乃至３項のいずれかに記載のコン
   デンサ。 ５ 前記合成樹脂フイルムが厚さ0.5ミル以下の
   ポリプロピレンである特許請求の範囲第１項記載
   のコンデンサ。 ６ １つのロールだけがケースに収容され、前記
   合成樹脂フイルムが厚さ0.5ミル以下のポリプロ
   ピレンであり、コンデンサの定格が220〜660ボル
   トである特許請求の範囲第４項記載のコンデン
   サ。 ７ 前記芳香族炭化水素が前記ブレンドの約50容
   量％を占め、前記フタレートエステルが前記ブレ
   ンドの約50容量％を占める特許請求の範囲第４項
   記載のコンデンサ。 ８ 前記フエニルキシリルエタンが前記ブレンド
   の約40容量％を占め、前記ジ−２−エチルヘキシ
   ルフタレートが前記ブレンドの約60容量％を占め
   る特許請求の範囲第４項記載のコンデンサ。