DE1564711A1 - Regenerierfaehiger elektrischer Kondensator - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIEUGESELISCHAFT Berlin und München

München 2, 1 ⁹· &'»' ' 2 c S Witteisbacherplatz 2

PA 66/2867

Regenerierfähiger elektrischer Kondensator

Die Erfindung beizieht sich auf elektrische Kondensatoren mit regenerierfähig dünnen Belegungen, bei denen wenigstens eine Polseit© aus zwei oder mehreren miteinander leitend verbundenen Metallisierungen besteht, die durch im feldfreien Raum

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liegende Isolierstoffzwischenlage!! getrennt sind. Die IscliorstcffzY/isckcr.lagcn kennen gegebenenfalls mindestens 10 ^cp -¹Cn für ihre vellstüiidigc Ur.sctzung cn stabilen Gxydationspro-'^:;;>tcn bcnütißtc2i Gi-iydationsnittelD in Molekül enthalten.

T/n t er rcgcr.ericrfjihigen Kondensatoren sind solche au verstehe:·", η er en JTetallbelcgungcn go dünn sin-ri, ^aQ dieco Isei Durchcc}:l;.;^cn r'urcli üas Pielektriku::: um die DurchGclilagotelle herum v/cf_:.;t-re2:ncn. Sei ßen einfachsten AiiGführungGforraen ist flas rielektrikün teiri- orier einseitig mit dünnen I.ietallschicjiten, ^ic v.lihrc2i^r1 r?eG Botrietc; ala Eloktrc-f'eii wirken, versehen, z.B. Lc'cnpft ur.ri r:u einen Kon^ensatorkürper verarbeitet. Sin derertiger /aiftcu tringt ITachteilo mit eich. BeicpielGweise ragen cpit.Tcn •r'G-r aufgedampft cn IIetallir.;ieri;ngen in nie Poren rloo - riclcktrikuKo, wac eu liaufigcn "Durchschlügen Anlai3 gibt« 3ci vielen Kcn-'cncatcrtypcn ceoitct r'ac Oiolektrikun zv;ar gute •"iclcktricche Eigenschaften, "bei r.urchcelilagen "bilden sich aber in "".urchcchlagckr.nal leitende Zernctnungcproöuktc. Bei PoIy- ::t;/rol :-:. Ti., .^an alo Taelektrikun iiervcrragcnriG Eigenschaften l'CGitnt, bilficn sicJi bei einen Durchschlag Kohlenotoff brücken !.wischen !¹CIi gcgcnroligen Belegungen aurj. Zur Vermeidung diercr liachtcilc L-.inr¹ verschiedene Auibaur.öglichkeiten bekannt.

Ein bekannter Aufbau hat eich als besondere vorteilhaft erv/ic- zcr.. Bei diesen Kcndensr.torcn bcötcht rrindestens eine Polaeitc nur; einer cd er mehreren Isolicrntoffeinlagen, die beidseitig mit rcgcncrierfühig dünnen, kurzgeschlossenen Ilctallbelcgungen

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versehen sind.'Die andere Polseite kann identisch aufgebaut sein oder aus massiven Metallfeinen bestehen, -"Da die Isolierstoff einlage während des Betriebes in feldfreien Raun liegt, spielen deren dielektrische Eigenschaften eine untergeordnete Holle. Es hat sich als äußerst vorteilhaft erwiesen, einen Stoff zu wühlen, der in seinen Molekülen einen Mindestgehalt . an Sauerstoff, nämlich 10 $-des für seine "vollständige Umsetzung zu stabilen Oxydaticnsproduktcn notwendigen Sauerstoffs enthält. Tadurch wird es möglich, z. B. Polystyrol oder andere hervorragende Dielektrika, die bei Durchschlügen leitende Kohlenstoff brücken bilden, bei der Herstellung regenerierender Kondensatoren zu verwenden. Gleichfalls ist es möglich, ein völlig spitzcnfreieo Dielektrikum herzustellen, da die Spitzen ^er aufgedampften Metallbelegungen in die im foldfreien Raum liegende Isolierstoffeinlage ragen. Ereignet sich trotzdem ein Durchschlag, so wird infolge der sich dabei entwickelnden erhöhten Temperatur in der sich im feldfreien Raum befindenden Isolierstoffeinlege genügend Sauerstoff frei, der zur Umsetzung der sich im Dielektrikum befindenden Kohlenstoffatome zu nichtleitenden Kohlenoxiden zur Verfugung steht. Es genügt, wenn nur eine Elektrode im Kondensator oben beschriebenen Aufbau besitzt. Die. Gegenelektrode kann z. B. eine selbständige Metallfolie sein.

Versuche ergaben, daß bei den Kondensatoren, bei denen wenigstens eine Elektrode aus zwei kurzgeschlossenen Metallisierungen und einer dazwischen im feldfreicn Raun angeordneten Isolierstoff einlage besteht und bei .denen Dielektrika mit hoher

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Durchschlagsfestigkeit und/oder hoher Temperaturbeständigkeit verwendet werden, die Spannungsfestigkeit überraschend niedrig Let, wenn r.cn die Erfahrungen bei Kondensatoren, fieren Elektroden jeweils nur aus einer Metallisierung bestehen und welche die gleichen Dielektrika besitzen, in Erwägung zieht.

Vorliegende Erfindung setzt sich das Ziel, diese Mangel bei regenerierfähigen Kondensatoren, bei denen wenigstens eine Elektrode aus zwei kurzgeschlossenen Metallisierungen und einer dazwischen in feldfreicn Raun angeordneten Isolierstoffeinlagc besteht, zu beheben.

Die Erfindung geht vcn folgenden Beobachtungen aus: Im allgemeinen findet in regenerierfähigen Kondensatoren, zu deren Aufbau gegenpolige Elektroden aus mehr als zwei Metallbelegungcn verwendet werden, ein Durchschlag zwischen zwei Metallbolcgungcn, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, statt. In dieser Figur ist ein Kondensator gezeigt, bei den beide gegenpolige Elektroden aus einer Icolierstoffeinlage 1 und 1' und s. B. aufgedampften Metallisierungen 2 bzw. 2' bestehen. Die Verbindung zwischen ßcn jeweils miteinender zu verbindenden Metallisierungen kann z. B. bei V/ickelkendcnsatorcn dadurch hergestellt werden, daß die gegenpoligen Elektroden abwechselnd an den Stirnseiten überstehen und z. B. bein stirnseitigen Aufbringen einer Schoopschicht die gleichpoligen Metallbolcgungen miteinender verbunden werden. Findet bei einen derartigen Kondensator ein Durchschlag statt, so verflüchtigen sich die I.Ietallisierun-

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gen rings um die Durchschlagstelle und es entstehen Isolierhofe 3 und 3' . Besteht das Dielektrikum 5 aus Kohlenwasserstoffen, so werden die in Durchschlagskanal 4 freigesetzten Kohlenstoffatom durch Sauerstoffzufuhr aus der in feldfreien Raun liegenden Isolierstoffeinlege zu nichtleitenden Kohlenoxid cn abgebaut. Die Isolierhofe können je nach angelegter Spannung und Kapazität 0,1 - 3 ran Durchmesser besitzen. Aus ^ er Figur läßt sich ohne weiteres erkennen, daß "bein v/g it er cn Betrieb auch die zunächst in feldfreien Raun liegenden Isolier-.stcffschichten 1 und 1' in Bereich der Isolierhöfe 3 und 3' vcn elektrischen Feldlinien durchsetzt sind. Bei diesen Isolierstoff einlagen handelt es sich in der Regel un Stoffe, die schlechte dielektrische Eigenschaften besitzen. Außerdem ragen in ^icse Isolierstoffschichten Spitzen der z. B. aufgedampften Metallisierungen oft in beträchtlichen Ausmaß. An die Oberflächcnbc.schaffenheit und Spannungsfestigkeit der Isolierstoffeinlage werden keine besonderen Anforderungen gestellt,

Trotzdcn findet aber cn dieser Stelle in allgemeinen kein, weiterer Durchschlag durch die Isolierstoffschichten 1 und 1' statt, weil die Feldstärke um Faktoren niedriger liegt als an Dielektrikum in Bereich unzcrstorter Elektroden. Dies ist ohne v/eiteres aus Figur 1 zu ersehen.

Neuerdings gibt es jedoch Dielektrikunsfolien mit außerordentlich hoher Durchschlagsfestigkeit und Temperaturbeständigkeit. Diese beiden Eigenschaften führen bei einem Aufbau gemäß Figur

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1, "bei den diese betreffenden Folien als "Dielektrikum verwendet werden, zu sog. Folgedurchschlägen, wie sie in Figur 2 dargestellt sind. Die Ursache dieses Folgeriurchschlages kann man damit erklären, daß die Spcnnungsfestigkeit der neuen Folien εο exircn hechgezüchtet ist, daß nach einen Durchschlag entsprechend Figur 1 die Feldstürke in den Isolierstoffschichten 1 und 1' so hoch ist, daß ein weiterer Durchschlag·'- ein Folgedurchschlag - gemäß Figur 2 erfolgt.

Pas Auf "treten eines Folgedurchschlages wird auch begünstigt, falls die Isolierstoffeinlage im feldfreien Raun aus einem weniger wärmebeständigen LIaterial besteht und der Kondensator bei erhöhter Temperatur betrieben wird.. In diesen Fall sinkt nfmlich die Durchschlagsfestigkeit der Isolierotoffeinlagen 1 und 1' weit unter die der wärmebeständigeren Dielektrikumsfclie. Auch in diesen Fall ist die Feldstärke nach einem Durchschlag gemäß Figur 1 für die Isolierstoffeinlagen 1 und 1' so hcch, daß es zu einen Folgcdurchschlag könnt.

Gemäß der Figur 2 erfolgt der Folgedurchschlag durch den Durchschlagskcnal des ersten Durchschlags. Der Folgedurchschlag bewirkt das Entstehen zweier weiterer Isolierhöfe 7 und 7' in den Belegungen 2 und 2'. Der Folgedurchschlag führt zu einer bctrl-chtlich gesteigerten Erwärmung an der Durchschlag3tello, da in der Regel der Folgcdurchschlag sich während oder sofort nach den ersten Durchschlag ereignet. Durch flic beträchtliche Wärmeentwicklung wird vermutlich da3 Rcgcneriervemügen gestört und

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ca ergeben sich Schädigungen in Dielektrikum, die die Spannungsfestigkeit beeinträchtigen, auch wenn im übrigen durch ^cn günstigen Sauerstoffhaushalt der Isolierstoffeinlage günstige Voraussetzungen zum Regenerieren geschaffen sind.

Me Zusammenhange "bei Regeneriervorgängen in elektrischen Kondcnsatcrcn mit regqnerierfahig dünnen Belegungen, "bei denen wenigstens eine Polseite aus zwei oder mehreren miteinander elektrisch verbundenen Metallisierungen und dazwischen im feldfreien Raun angeordneten Isolierstoffeinlagen besteht, sind sehr komplex und nur zum geringen Teil geklärt. Man kann sich etwa folgende Vorstellungen darüber machen. Zunächst erfolgt ein durchschlag zwischen zwei am Dielektrikum anliegenden Elektroden. Die Zeit eines solchen Regenericrablaufs liegt er-

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fahrungsgcmäß zwischen 10 bis 10 sek. mit beträchtlich unterschiedlichen Encrgicunsü.tzen. Entsprechend wird die anliegende Isolicrstoffeinlage an dieser Stelle mehr oder weniger crv.l'rmt. Dadurch kann der Zeitpunkt des Folgedurchschlages durch die Isolicrstoffeinlage sehr verschieden liegen. Er kann zu Anfang oder zu Ende des Anfsngsdurchschlages erfolgen und damit

den Gesantablauf des Regeneriervorganges entscheidend beeinflussen. Oa die zeitliche Durchschlagsfolgo von der Erwärmung der Isolierstoffeinlage stark abhängt, hat auch ihre Dicke sowie ihre Wärmeleitfähigkeit (Policnmaterial, Imprägnierung) Einfluß auf den Regeneriervorgang. Hinzu kommt, daß die Zusammensetzung der Regeneriergase sowohl vom Material der Foliensortcn als auch ven der zeitlichen Folge vcn Durchschlag und

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Folgedurchschlag abhängen. Ob "beide oder nur eine Isolicrotoffeinlagc durchschlagen werden, hängt von der Feldstärke am Dielektrikum und der "Dicke der Isolierstoffeinlagen ab.

Un Folgedurchschläge zu vermeiden, kann nan an folgende- nächstlicgcnde Maßnahmen denken: Verwendung dielektrisch hochwertiger Stoffe als Isolierstoffeinlagen in feldfreicn Raun zv/ischcn den gleichpoligen Belegungen, porenfreie Oberflächen der Isolierstoff einlagen zur Vermeidung von Spitzen, die einen Folgedurchschlag begünstigen, größere Dicke der Isolierstoffeinlage zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit. Alle diese Maßnahmen wurden aber eine Verteuerung bzw. Verschlechterung der Volunenkapazität der bisheriggcn regenerierfähigen Kondensatoren mit sich bringen.

Pcm gegenüber soll gemäß der Erfindung trotz der Folgedurchcehläge ein einwaiidfreies Regenerieren und die zu erwartende hohe Spannungsfestigkeit bei Kondensatoren erreicht werden, bei denen wenigstens eine Polseitc aus zwei oder mehreren miteinander leitend verbundenen Iletallisierungcn und dazwischen im feldfreicn Raum angeordneten Isolierstoffeinlagen besteht. Erfin^ungcgcnäß wird vorgeschlagen, daß die Summe der Flächcnleitwerte der Iletallisierungcn auf beiden Seiten der Isolierstoff einlege naximal 1,4 Siemens und der Flächenleitwert einer Metallisierung naximal 0,8 Siemens nicht überschreitet. Als Bclegungsmetall verwendet man bevorzugt Aluminium.

Kondensatoren mit Dielektrika aus Polypropylen, Polykarbonat,

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Polyphcnylcnoxid und Polytetrafluoräthylen und Isolierstoffeinlegcn aus Papier zeigen gute Regeneriereigenschaf ten.

Erfindungsgcaüße Kondensatoren lassen sich allerdings auch nit Zink- oder Kadniumbclcgungcn herstellen;

Es ist zwar bekannt, "bei selbstausheilend en Kondensatoren, bei denen eine Elektrode aus einer einzigen MetalIbellung, die auf das Dielektrikum aufgedampft ist, besteht, die BelagsstiJrkcn 121 ühnlichcn Größenordnungen zu boncssen. Diese Kondensatoren zeigen aber, wie oben ausgeführt ist, ein völlig anderes Rcgcncricrverhaltcn als regenerierende Kondensatoren, bei denen vorliegende Erfindung angewendet wird.

Ta die Durchschlagsfestigkeit und das Tenperaturverhalten der einzelnen Stoffe, die als "Dielektrikum oder als Isolierstoffeinlage zwischen den beiden gleichpoligen Belegungen verwendet werden, verschieden ist, ist die Belagsstürke innerhalb dec erfin^ungrigeniüß angegebenen Bereiches auszuwählen. Durch Versuche liißt eich leicht die zu verwendende Dickcnbemessung feststellen. Die vorliegende Erfindung hat sich bei regenerierenden Kondensatoren, deren Isolicrstoffeinlage zwischen den gleichpoligen Belegungen aus Papier oder Äcetylcclluloso besteht, und deren Dielektrikum aus Polystyrol, Polypropylen, Polyähtylcn, Polyethylenterephthalat, Polycarbcnat, Polytetrafluoräthylcn oder Polytetrafluortithylenpropylen besteht, bewährt.

8 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims (1)

1. Patentonsürtjcho

   1. Elektrischer Kondensator mit regcnerierfühig dünnen Belegungen, "bei den wenigstens eine Polseite aus zwei oder mehreren miteinend er elektrisch verbundenen lletallisierungen und dazwischen in fei'!freien. Raun engeordneten Isolierstoff einlagen besteht, die gegebenenfalls mindestens 10 $ des für seine vollständige Umsetzung zu stabilen Gxydaticnsprodukten benötigten Cxydaticncraittelo in Molekül eiiihaltcn, dadurch gekennzeichnet, daß die Sur.rr.e der Plächenlcitv/crte der Metallisierungen auf beiden Seiten der Isolierstoffeinlage 1,4 Siemens und der FlLichcnleitwcrt einer Metallisierung 0,0 Siemens nicht überschreitet.

   2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lletallisierungen aus Aluminium bestehen.

   3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lletallisierungen aus Zink oder Kadmium bestehen.

   4. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffeinlagen aus Papier bestehen.

   5. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus Polypropylen bestellt.

   G. Elektrischer Kondensator nacli Anspruch 4, dadurch gekcnnzeich-

   - 11 -009838/0258 bad origins

   ' daß das "Dielektrikum aus Polykartonat "besteht.

   7. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus Polyphcnylcnoxid. "besteht.

   8. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das "Dielektrikum aus Polytetrafluoruthylen "besteht.

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