DE1113755B - Elektrolytkondensator - Google Patents

Description

ESTERNAT.KL. H 01 g

DEUTSCHES

PATENTAMT

ANMELDETAG: 30. A P R I L 1956

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 14. SEPTEMBER 1961

Die Erfindung bezieht sich auf Elektrolytkondensatoren, und zwar vor allem auf solche, bei denen als Elektrolyt Schwefelsäure oder ähnliche Chemikalien benutzt werden, die ein starkes Bestreben haben, längs Oberflächen zu kriechen.

Durch die bei Betrieb entstehende Wärme wird dieses Bestreben noch weiter unterstützt, da diese Wärme dazu führt, daß die als Elektrolyt benutzte Säure chemisch stärker aktiv wird und sich der Druck innerhalb des abgedichteten Kondensators steigert, wodurch die Kriechneigung noch verstärkt wird. Ein hermetisches Abdichten derartiger elektrolytischer Bauelemente bereitet daher große Schwierigkeiten, die insbesondere bei Verwendung zu militärischen Zwecken oder in der Luftfahrt ins Gewicht fallen, wo die Elemente im allgemeinen extremen Temperaturen standhalten müssen, die von etwa — 60° C bis zu etwa 85° C und darüber reichen und oft innerhalb weniger Minuten oder Stunden wechseln.

Elektrolytkondensatoren sind in vielfältigen Formen bekannt. Diese weisen im allgemeinen ein die eine Elektrode bildendes und die Elektrolytflüssigkeit enthaltendes zylindrisches Gehäuse aus ziehbarem Metall auf, das an einer Stirnseite offen ist. Zwischen einer Schulter in dem Gehäuse und dem umgebördelten Rand ist eine Unterstützung für die andere Elektrode isoliert und dicht eingeklemmt. Zu diesem Zweck ist es bekannt, die zweite Elektrode durch einen Abschlußdeckel für das Gehäuse hindurchzuführen, der aus einer Scheibe aus nachgiebigem Material und zwei diese außen und innen abdeckenden festen Plastikscheiben besteht. Um den Deckel zwischen der Gehäuseschulter und dem eingebördelten Gehäuserand abzudichten, dient eine den Rand des Deckels von beiden Seiten her umgreifende elastische Dichtung aus Gummi. Um Leckverluste entlang der durch den Deckel herausgeführten Elektrodenzuleitung zu vermeiden, hat man die Zuleitung bereits um den Rand einer Deckelscheibe aus Hartgummi od. dgl. herumgeführt, der wieder mit einer den Rand der Scheibe umgreifenden Gummidichtung zwischen Gehäuseschulter und Bördelrand eingeklemmt ist.

Die durch die Herausführung der zweiten Elektrode auftretenden Abdichtungsprobleme sind bei anderen Elektrolytkondensatoren vermieden. Bei diesen Kondensatoren, bei denen das Gehäuse beispielsweise aus Tantal oder Silber und die Anode aus einem Sinterkörper, beispielsweise aus Tantal bestehen können, ist die Anode unmittelbar an eine Metallplatte angeschweißt oder angesintert, die auf ihrer Außenseite den Anodenanschluß trägt. Die Metallscheibe ist wiederum mittels einer den Rand Elektrolytkondensator

Anmelder:

Fansteel Metallurgical Corporation, North Chicago, IU. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann, Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Oliver Samuel Aikman, Libertyville, 111. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

der Scheibe von beiden Seiten umfassenden elastischen Dichtung zwischen Gehäuseschulter und Bördelrand eingesetzt. Die Verbindung der Anode nach außen erfolgt also unmittelbar über die das Gehäuse abschließende Metallscheibe, die nach außen noch durch eine Isolierscheibe abgedeckt sein kann. Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß mit einem einheitlichen Dichtkörper, der den Rand der MetaUscheibe von beiden Seiten umgreift, eine zuverlässige und hermetische Abdichtung gegen Leckverluste des Elektrolyten nicht erreicht werden kann, insbesondere dann nicht, wenn der Kondensator den obenerwähnten erschwerenden Bedingungen ausgesetzt ist. Da es sich bei diesen elektrolytischen Bauelementen im aU-gemeinen um Elemente von geringen Abmessungen mit einer nur geringen Menge an Elektrolytflüssigkeit handelt, rufen bereits geringe Leckverluste eine merkliche Änderung der elektrischen Eigenschaften des Bauelements hervor.

Um die Leckverluste entlang der elastischen Abdichtung zu verringern, ist bereits eine besondere Formgebung und Befestigungsart für den Dichtkörper bekanntgeworden. Bei dieser bekannten Anordnung handelt es sich um eine PrimärzeUe, bei der die auf der Innenseite der Metallscheibe liegende Lippe des den Rand der Scheibe voUständig umfassenden elastischen Dichtkörpers an einem zentralen Ansatz der Scheibe durch eine Art Nietvorgang festgelegt ist. Eine solche Maßnahme mag bei einer PrimärzeUe, die im allgemeinen unter überwachten, gleichbleibenden Verhältnissen aufbewahrt wird, zu den gewünsch-

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ten Ergebnissen führen. Bei Elektrolytkondensatoren, die häufig wesentlich kleinere Abmessungen besitzen und extremen Änderungen der Umgebungsverhältnisse ausgesetzt sind, wird auch mit dieser bekannten Maßnahme keine hermetische Abdichtung erzielt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Elektrolytkondensator zu schaffen, der auch unter extremen Bedingungen und über eine lange Betriebsdauer vollständig abgedichtet ist und bei dem eine Änderung der elektrischen Eigenschaften durch Leckverluste praktisch vollständig vermieden ist. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Dichtung aus zwei ringförmigen Scheiben verschiedenen Materials besteht, wobei die innere Scheibe aus einem gegenüber dem Elektrolyten widerstandsfähigen Stoff besteht, und daß das umgebördelte Gehäuseende toroidförmig eingerollt ist.

Die Erfindung bietet gegenüber den bekannten Elektrolytkondensatoren mit umgebördeltem Rand durch den toroidförmig eingerollten Rand eine wesentlich größere Anpreßkraft für die zwischen dem Rand und der Gehäuseschulter eingeklemmten Teile. Vor allem aber schafft sie die Möglichkeit, den dem Elektrolyten ausgesetzten Dichtungsring aus einem gegenüber der Wirkung des Elektrolyten völlig inerten Material und den außenliegenden Dichtungsring aus einem Material mit besonders guten Dichtungseigenschaften herzustellen. Der innenliegende Dichtungsring schützt dabei den außenliegenden Dichtungsring vor der Einwirkung des Elektrolyten, so daß bei der Wahl des Materials für den außenliegenden Dichtungsring auf die Art und Wirkung des Elektrolyten keine Rücksicht genommen zu werden braucht. Auf Grund dieser Maßnahmen beruht offenbar die Tatsache, daß die Anordnung gemäß der Erfindung eine den bekannten Anordnungen erheblich überlegene Dichtungswirkung auch über lange Betriebszeiten aufweist. Die Erfindung ist besonders in den Fällen von Vorteil, in denen Kondensatoren mit sehr kleinen Abmessungen erlangt werden, deren zuverlässige Abdichtung bisher besonders große Schwierigkeiten bereitete.

Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Elektrolytkondensators mit einer Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Abdichtung;

Fig. 2 zeigt den Kondensator nach Fig. 1 im Grundriß;

Fig. 3 ist ein in größerem Maßstab gezeichneter Längsschnitt, der die Konstruktion des Elektrolytkondensators nach Fig. 1 erkennen läßt;

Fig. 4 ähnelt Fig. 3, zeigt jedoch ein anderes Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 ähnelt ebenfalls Fig. 3, zeigt jedoch ein weiteres abgeändertes Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen Elektrolytkondensator, bei dem mindestens ein Pol aus Tantal besteht und der im Hinblick auf seine Abmessungen eine große Kapazität aufweist. Dieser Kondensator besitzt ein Gehäuse bzw. eine topfförmige Hülse 9. Dieses Gehäuse besteht aus Metall, vorzugsweise aus einem geschmeidigen Metall, das sich leicht ziehen läßt, ζ. B. Silber oder Tantal oder Silber, das auf der Innenseite mit einem Überzug aus Tantal versehen ist. Silber erweist sich als besonders zweckmäßig, denn bei seiner Verwendung als Kathodenmaterial neigt es nicht zur Bildung eines Films, und es reagiert auch nicht chemisch mit dem Elektrolyten oder mit geeigneten Dichtungsmaterialien. Ferner besitzt Silber eine ausgezeichnete Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität, und es ist geschmeidig, so daß es sich leicht ziehen und bördeln läßt. Wenn für das Gehäuse 9 Tantal verwendet werden muß, kann man das Tantal auf elektrolytischem Wege auf der Innenfläche eines Gehäuses aus Silber niederschlagen, und man

ίο kann an der Innenseite des Gehäuses zusätzliches gesintertes Tantalmaterial anbringen, um die Kapazität des Kondensators zu vergrößern.

Das Gehäuse 9 trägt ein Elektrodenaggregat 10. Dieses Aggregat umfaßt eine Scheibe 11 aus Tantal, einen an der Außenseite der Scheibe 11 angebrachten Stift 12 und einen an der Innenseite der Scheibe 11 befestigten Tragstift 13. Diese Stifte 12 und 13 bestehen vorzugsweise aus Tantal und sind mit der Scheibe 11 durch Punktschweißung oder auf beliebige andere geeignete Weise verbunden.

An dem Tragstift 13 ist ein Körper 14 aus porösem Tantalmetall angebracht, der mit der Scheibe 11 und dem Tragstift 13 durch einen Sintervorgang verbunden ist. Dieser poröse Tantalkörper trägt einen Oxydfilm von außerordentlich geringer Dicke und mit einer hohen Dielektrizitätskonstante. Wenn ein nicht polarisierter Kondensator hergestellt werden soll, kann man das gleiche poröse Tantalmaterial auf die Innenfläche des Gehäuses 9 aufbringen, wie es bereits angedeutet wurde. Das Gehäuse 9 enthält ferner den Elektrolyten 15. Im Falle eines Tantalkondensators, insbesondere bei einem solchen Kondensator, der den erwähnten extremen Temperaturen standhalten soll, kann als Elektrolyt 4O°/oige Schwefelsäure vorgesehen sein. Es lassen sich jedoch auch andere Konzentrationen sowie andere Elektrolyten verwenden.

Es ist zweckmäßig, Zuführungen für den Kondensator vorzusehen, so daß man den Kondensator leicht mit den zugehörigen Leitungen verlöten kann, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung des eigentlichen Kondensators besteht. Dementsprechend können in der dargestelten Weise Zuleitungen 15« und 15 b vorgesehen sein, die mit dem Stift 12 bzw. dem Gehäuse 9 durch Löten, Schweißen oder auf andere Weise dauerhaft verbunden sind. Diese Zuleitungen bestehen vorzugsweise aus Kupfer und sind von zweckentsprechender Länge.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist unterhalb des ringförmigen Randes der Scheibe 11 ein innerer Dichtungsring 16 vorgesehen, während oberhalb des Randes der Scheibe 11 ein äußerer Dichtungsring 17 angeordnet ist. Vorzugsweise ist an einem der beiden Dichtungsringe eine Aussparung vorgesehen, deren Tiefe der Dicke des Randes der Scheibe 11 entspricht. Naturgemäß können solche Aussparungen auch in beiden Dichtungsringen vorgesehen sein. Es ist jedoch einfacher, nur einen der Dichtungsringe mit einer Aussparung zu versehen, und bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist diese Aussparung an der Oberseite des inneren Dichtungsrings 16 vorgesehen.

Der innere Dichtungsring 16 stützt sich an einer nach außen ragenden Schulter 18 des Gehäuses 9 ab. Dieser innere Dichtungsring steht in unmittelbarer Berührung mit dem Elektrolyten, so daß dieser Dichtungsring aus einem Material bestehen muß, das innerhalb eines großen Temperaturbereiches stabil ist und nicht mit dem Elektrolyten reagiert. Als Beispiel

für ein vorzugsweise verwendetes Material sei der synthetische Kunststoff Polytetrafluoräthylen genannt. Ein weiteres geeignetes Material ist der synthetische Kunststoff Polytrifluorchloräthylen. Auch andere Materialien, wie polymerisiertes Tetrachloräthylen u. dgl., lassen sich ebenso wie Glimmer u. dgl. verwenden. Diese Materialien sind verhältnismäßig unelastisch und neigen zum Fließen im kalten Zustand. Aus diesem Grunde wird für eine erhebliche Nachgiebigkeit des ganzen Dichtungsaggregats gesorgt, indem man den äußeren Dichtungsring 17 aus einem nachgiebigen Material herstellt, z. B. aus synthetischem Gummi, beispielsweise dem gummiähnlichen Mischpolymerisat aus Butadien und Acrylnitril (Buna N) oder dem gummiähnlichen Mischpolymerisat des Butadiens und des Styrols (Buna S), und insbesondere aus Butylkautschuk.

Die Außenflächen der beiden Dichtungsringe liegen an einem Wandabschnitt 19 des Gehäuses 9 an, der sich axial von der Schulter 18 weg erstreckt. Dieser Wandabschnitt 19 des Gehäuses erstreckt sich über die beiden Dichtungsringe hinaus und ist nach innen umgebördelt, um einen hohlen und allgemein toroidförmig eingerollten Flansch 20 zu bilden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist das den Flansch bildende Metall nach innen umgebördelt, und dieser Bördelvorgang wird auf beliebige geeignete Weise, z. B. mittels eines Werkzeugs geeigneter Form, durchgeführt.

Zwischen dem äußeren Dichtungsring 17 und dem nach innen umgebördelten Flansch 20 liegt eine ringförmige Scheibe 21 aus Metall, z. B. aus Silber oder Tantal. Diese Scheibe 21 hat die Aufgabe, die durch den Flansch 20 ausgeübte Druckkraft über die ganze Stirnfläche des Dichtungsrings 17 zu verteilen.

Um eine hohe Lebensdauer der Dichtung zu gewährleisten, versieht man die Scheibe 11 und das Gehäuse 9 zweckmäßigerweise mit ringförmigen Rippen oder Sicken 23 bzw. 24. Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, befindet sich die Rippe 24 des Gehäuses an der Übergangsstelle zwischen der Seitenwand des eigentlichen Gehäuses und der Schulter 18. Diese Rippe wölbt sich von der Außenseite des Gehäuses nach innen, so daß sie sich in den unteren Teil des inneren Dichtungsrings 16 eindrückt. Die Anordnung der Rippe 24 an dieser Stelle ist besonders günstig, denn in jedem Falle muß das Metall zu einer abgerundeten Kante gebogen werden, um ein Reißen des Metalls zu verhindern. Die Rippe 24 wirkt somit als Damm, um das im kalten Zustand fließende Material des unteren Teils des inneren Dichtungsrings 16 zurückzuhalten. Die Rippe 23 ermöglicht eine gewisse Zusammenziehung und Dehnung der Scheibe 11 bei wechselnden Temperaturen.

Die Rippe 23 ist so ausgebildet, daß sie sich in das Material des inneren Dichtungsrings 16 eindrückt, und diese Rippe ist vorzugsweise gegenüber der Rippe 24 seitlich versetzt. Somit wird durch die Aussparung im Oberteil des inneren Dichtungsrings 16, welche den Rand der Scheibe 11 aufnimmt, zusammen mit den Rippen 23 und 24 ein Fließen des Materials des inneren Dichtungsrings 16 im kalten Zustand im wesentlichen auf eine Stelle beschränkt, an der die Lebensdauer der Dichtung durch das Fließen des Materials nur in einem vernachlässigbar kleinen Ausmaß beeinflußt wird. Die beiden Dichtungsringe besitzen annähernd die gleiche Dicke und sind erheblich dicker als die Scheibe 11. Bei der fertigen Vorrichtung nach Fig. 3 ist der Flansch 20 derart umgebördelt, daß die beiden Dichtungsringe unter Druck stehen.

Wenn sich der Temperaturbereich, innerhalb dessen die Dichtung wirksam bleiben muß, von dem weiter oben erwähnten Temperaturbereich unterscheidet, kann man für den äußeren Dichtungsring 17 auch ein anderes Material verwenden, so daß diese Dichtung ihre Nachgiebigkeit innerhalb des vorgesehenen Temperaturbereichs behält.

Ferner liegt es auf der Hand, daß man auch die innere Dichtung 16 aus einem anderen Material herstellen kann, wenn ein anderer Elektrolyt benutzt wird. Die beschriebene Konstruktion hat sich jedoch für die erwähnten Bedingungen als zweckmäßig erwiesen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ähnelt die Konstruktion allgemein der in Fig. 3 dargestellten, jedoch mit der Ausnahme, daß die ringförmige Metallscheibe 21 nach Fig. 3 hier fortgelassen ist und daß der Flansch 22 nicht so weit nach innen umgebördelt ist wie der Flansch 20 in Fig. 3. Während die Kante des den Flansch bildenden Metalls in Fig. 3 so weit nach innen gedrückt ist, daß eine sich über einen erheblichen Winkel erstreckende doppelte Metallschicht vorhanden ist, ist die Kante in Fig. 4 weniger weit umgebördelt, und die doppelte Metallschicht erstreckt sich über einen verhältnismäßig kleinen Winkel.

Naturgemäß ist es möglich, den Flansch 20 nach Fig. 3 und den Flansch 22 nach Fig. 4 im wesentlichen in der gleichen Weise auszubilden und die gewünschte Druckkraft durch geeignete Wahl der Blechstärke sowie der Abmessungen bzw. der Krümmung des Flansches zu erzielen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 unterscheidet sich von den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 und 4 durch die Fortlassung der an dem Gehäuse 24 ausgebildeten Rippe. Das Gehäuse 9 besitzt gemäß Fig. 5 einen Flansch bzw. eine nach außen ragende Schulter 25, und das Metall ist an der entstehenden Kante in der üblichen Weise gebogen. Das Elektrodenaggregat umfaßt hier eine Scheibe 26 und einen Stift 27. Innerhalb des Gehäuses 9 befindet sich der Elektrolyt 30, bei dem es sich um ein beliebiges, für den Kondensator geeignetes Material handeln kann.

Der innere Dichtungsring 28, der aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen kann, das gegenüber dem Elektrolyten chemisch träge ist und gleichzeitig nicht die nachteilige Eigenschaft des Fließens im kalten Zustand aufweist, stützt sich unmittelbar auf der Schulter bzw. dem Flansch 25 ab. Der innere Dichtungsring 28 kann somit aus dem gleichen Material bestehen wie der innere Dichtungsring 16. Ferner ist ein äußerer Dichtungsring 29 vorgesehen, der aus einem geeigneten nachgiebigen Material, z. B. Gummi, hergestellt ist und der an seiner Unterseite eine Aussparung zur Aufnahme der Scheibe 26 aufweist. Die übrigen Teile der abgedichteten Konstruktion, z. B. die ringförmige Metallscheibe 21 und der Flansch 20, ähneln den entsprechend bezeichneten Teilen der Konstruktion nach Fig. 3.

Bei den verschiedenen beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht die einen Teil des Elektrodenaggregats bildende Scheibe 11 oder 26 vorzugsweise aus dünnem Blech. Wenn die Vorrichtung Schwingungen ausgesetzt ist, besitzt die Scheibe 11 bzw. 26 eine aus-

reichende Elastizität, um als Membran zu wirken und so eine erhebliche Schwingungsenergie aufzunehmen bzw. zu vernichten. In der Praxis richtet sich die Dicke der Scheibe im Hinblick auf ihre Wirkung als Membran nach dem Durchmesser der Scheibe und der mit ihrem Mittelpunkt starr gekuppelten Masse. Bei Geräten größerer Abmessungen kann eine solche Schwingungswirkung eine erhebliche Bedeutung annehmen. In jedem Falle ist der Randabschnitt der Metallscheibe zwischen den beiden Dichtungsringen hermetisch und nachgiebig eingespannt. Das Gehäuse 9 besitzt somit eine erweiterte Öffnung, die durch die Abdichtungseinrichtung verschlossen ist. Es sei bemerkt, daß ein Gehäuse mehrere derartige Abdichtungen aufweisen kann.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrolytischer Kondensator mit einem eine Elektrode bildenden und eine Elektrolytflüssigkeit enthaltenden zylindrischen Gehäuse aus ziehbarem Metall, das auf der einen Stirnseite eine Öffnung besitzt, in der zwischen einer schulterartigen Ausweitung des Gehäuses und dem eingebördelten Gehäuseende der äußere, die Schulter überragende Rand einer die zweite Elektrode tragenden Metallscheibe mittels einer den Rand von beiden Seiten umfassenden Dichtung isoliert gehaltert ist, da durch gekennzeichnet, daß die Dichtung aus zwei ringförmigen Scheiben (16, 17 bzw. 28, 29) verschiedenen Materials besteht, wobei die innere Scheibe (16 bzw. 28) aus einem gegenüber dem Elektrolyten (15 bzw. 30) widerstandsfähigen Stoff besteht, und daß das umgebördelte Gehäuseende (20 bzw. 22) toroidförmig eingerollt ist.

2. Elektrolytischer Kondensator nach Anspruch 1, bei welchem der innere Dichtungsring aus einem Material besteht, das dazu neigt, im kalten Zustand zu fließen, gekennzeichnet durch in der Schulter (18) und an der Scheibe (11) ausgebildete ringförmige Rippen (23 bzw. 24), die jeweils im Abstand vom äußeren Rand des inneren Dichtungsringes (16) derart angeordnet sind, daß sie den Querschnitt des inneren Dichtungsringes in der Nähe seines innen gelegenen Randes einschnüren.

3. Elektrolytischer Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rippen (23, 24) in radialer Richtung ein wenig gegeneinander versetzt angeordnet sind.

4. Elektrolytischer Kondensator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Dichtungsring (16) eine Aussparung zur Aufnahme des Randabschnitts der Scheibe (11) aufweist.

5. Elektrolytischer Kondensator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Dichtungsring (16 bzw. 28) aus Polytetrafluoräthylen besteht.

6. Elektrolytischer Kondensator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Dichtungsring (17 bzw. 29) aus synthetischem Gummi besteht.

7. Elektrolytischer Kondensator nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine ringförmige Druckscheibe (21) aus Metall, die zwischen dem toroidförmigen Flansch (20) und dem äußeren Dichtungsring (17 bzw. 29) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 857 987, 892 937;
schweizerische Patentschrift Nr. 300 399;
britische Patentschriften Nr. 722789, 729494;
USA.-Patentschriften Nr. 2 243 814, 2 457 810,
627 538, 2 733 389, 2 743 399, 2 793 400.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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