DE1802327A1 - Elektrischer Kondensator - Google Patents

Description

• Beschreibung Elektrischer Kondensator Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Kondensator, bestehend aus einem Elektrodenpaar und einem dielektrischen Abstandshalter, insbesondere einen Wickelkondensator, der als Dielektrikum eine thermoplastische Folie enthält.
• dis jetzt stellte man Dielektrika für hondensatoren aus Spezialpapier oder Gellulosenaterialien und in jüngster Zeit aus Kunststoffolien, entweder allein oder in Verbindung mit Papierbogen, her. Kunststoffolien sind im allgemeinen den Dielektrika aus Cellulosefolien überlesen, da sie höheren Spannungen pro Dickeneinheit standhalten können, weniger oft Fehler aufweisen, zum Beispiel kleine Löcher oder leitende Teilchen, die die elektrische Festigkeit herabsetzen, und einen besseren dielektrischen Verlustfaktor haben. In Anbetracht dieser und anderer Eigenschaften kann man zur Erzielung äquivalenter Kapazität und Betriebsspannung Kondensatoren mit Dielektrika aus Kunststoffolie in allgemeinen kleiner herstellen als Kondensatoren mit Dielektrika aus Papier.
• Dünne Kunststoffolien haben jedoch den nachteil, daß sie dazu neigen, sowohl aneinander als auch an den Elektrodenfolien, mit denen sie bei der Herstellung der Kondensatoren gewickelt werden, fest zu haften un zu kleben.
• Dieses unerwünschte, ir;i allgemeinen als "blocking" bezeichnete Kleben der Kunststoffolienoberflächen an benachbarten Kunststoff- oder Metallfolienoberflächen erschwert das Imprägnieren derartiger Kondensatoren nach der Wicklung. Ferner führt diese Klebetendenz zu Lufteinschlüssen in der endgültig gewickelten Kondensatoreinheit und verhindert das Vordrin<er der dielektrischen Flüssigkeit zu allen Teilen der ..icklun. Folglich wird die elektrische Festikeit merklich verrin-ert, die Glimmeinsatzspannung nimmt ab, die Kondensatoreinheiten erleiden einen vorzeitigen Durcsenlag und haben eine verkürzte Lebensdauer. Dazu kor; t, daß der nichtporöse Charakter der Kunststoffolien eine entsprechende Imprägnierung erschwert.
• IJach einem Verfahren, das man zur Verbesserung der Imprägnierung von Kondensatoren mit Kunststoffdielektrika vorgeschlagen hat, verwendet man ein poröses Material, wie Papier, in Verbindung mit der Kunststoffolie. Bei diesen Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus einem Schichtstoff oder Verbundmaterial ermöglicht die poröse Schicht, wahrscheinlich aufgrund ihrer dochtähnlichen Wirkung, eine bessere und gleichmäßigere Imprägnierung mit der dielektrischen Flüssigkeit. Die Verwendung einer Papierscilicilt verir£indert jedoch die ausnutzbare Feldstärke des Dielektrikums und erhöht den Verlustfaktor.
• T4ach einem anderen zur Verbesserung der Imprägnierung von ;,unststorf'olien vorgeschlagenen Verfahren verwendet man, entweder auf der Oberfläche der Folie oder durch ihre gesamte lasse, ein in Partikeln auftretendes dielektrisches Material, wie Aluminiumoxid, Die Verwendung von Aluminiumoxid als Staub auf der Folie hat Jedoch den Nachteil, da es schwierig ist, eine gleichmäßige Verteilung der Oxidpartikel auf der Folienoberfläche zu schaffen und aufrechtzuerhalten, und das Einarbeiten von Aluminiumoxid in den Rohstoff vor der Folienbildung hat die .;achteile, daß es schwierig ist, gleichmäßige Rohstoffdispersionen zu erhalten oder das Harz zu extrudieren, wenn min eine einwandfreie Folie erhalten will.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines elektrischen Kondensators mit einem Kunststofffolien-Dielektrikum, das relativ hohe Spannungen aushalten kann, ohne daß ein dielektrischer Durchschlag oder eine Glimmentladung auftritt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Kondensator, bestehend aus einem Elektrodenpaar und einem dielektrischen Abstandshalter, gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der dielektrische Abstandshalter aus mindestens einer nicht porösen thermoplastischen Folie 3 besteht, welche auf mindestens einer ihrer Oberflächen mit Erhebungen 4 versehen ist, und die zwischen den Erhebungen entstandenen Räume mit einer dielektrischen Flüssigkeit ausgefüllt sind. In einer bevorzugten AusfUhrungsform sind beide Oberflächen der Folie mit Erhebungen versehen.
• Das Material, aus dem die nichtporöse thermoplastische Folie, welche das feste Dielektrikum der erfindungegemaßen Kondensatoren bildet, hergestellt ist, kann Jedes thermoplastische filmbildende Homopolymere oder Copolymere sstn. Hierzu gehören zum BeispielPolyolefine, wie die Polymeren von äthylen oder von höheren Mono-α-olefinen mit 3 oder mehr Kohlenstoffatomen sowie deren Copolymeren oder Mischpolymerisaten, die Polyester, wie Polyäthylenterophthalat Polystyrol und die Vinylpolymeren, WiOb Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Copolymere aus Vinylidenchlorid und Vinylchlorid, Copolymere aus Vinylchlorid und Acrylnitril und dergleichen, die Polykarbonate und die Polyamide. Bevorzugt wegen der guten mechanischen und dielektrischen Eigenschaften werden die hoatunolekularen linearen Polymeren von Äthylen und die stereoregulären kristallinen Polymeren von Buten-1, Penten-1, 2-Methylbuten-1 und 4-Methylpenten-1 eingesetzt. Ganz besonders geeignet ist stereoreguläres Polypropylen.
• Die Herstellung von Folien aus diesen Polymeren zum Zwecke der Erfindung kann auf beliebige, bekannte Weise durch Auswalzen, Extrusion, Pressen, Aufgießen aus einer Lösung und Aufgießen einer Schmelze erfolgen. Man kann die Folien auch längs und/oder quer verstrecken, um sie monoaxial, biaxial oder in Längs- und Querrichtung gleichmEßig zu orientieren. Biaxial orientierte Folien werden erfindungsgemäß bevorzugt verwendet.
• Infolge der Erhebungen und der dadurch entstandenen Vertiefungen ist die Oberfläche der Folie uneben. Diese Unebenheit wird durch Prägen erzeugt, welches die scheinbare Dicke der Folie erhöht und ihr auch sonst ein anderes Aussehen geben kann. Das Prägen der Folie kann mit jeder geeigneten Vorrichtung erfolgten, mit der man die Oberfläche der Folie, wie oben beschrieben, verändern kann. Nach einem geeigneten Verfahren bearbeitet man die Oberfläche der thermoplastischen Folie mit Hilfe eines beheizten Elementes, das mit der Oberflache nur vorübergehend Kontakt hat, so daß die Wärme und der nötige Druck das gewünschte Muster auf einer oder beiden Seiten der Folie bilden. Die Temperatur des beheizten Elements und der Druck werden so eingestellt, daß die Oberfläche der Folie mit den Oberflächencharakteristiken des beheizten Elements geprägt wird. Vorzugsweise ist das beheizte Element eine Metallrolle, die das gewünschte Prägemuster aufweist. Das Prägen, bei dem die Folie nicht versehrt werden darf, verleiht den Folienoberflacnen die gewünschte Unebenheit bzw. das gewfinsehte musters Vorzugsweise hat die Folie eine Dicke von 5 bis 40 /um und je nach Foliendicke eine Prägetiefe von 0,5 bis 10 Xum.
• Die erfindungsgemäßen Kondensatoren werden mit Ausnahme des verwendeten festen dielektrischen Materials in üblicher Weise konstruiert. Die beigefügten Zeichnungen geben in Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer teilweise abgewickelten Wickelkondensatoranordnung wieder In Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Kondensators nach Figur i gezeigt, nachdem er mit einem Gehäuse versehen wurde. In Figuren 3 und 4 sind Teilquerschnitte der dielektrischen Folie und in Figur 5 ist eine erweiterte Draufsicht auf die Oberfläche der dielektrischen Folie angedeutet.
• Die Heratellung der Kondensatoranordnung 1 von Figur 1 erfolgt durch Aufwickeln der Streifen 2 und 2'aus Metallfolie, zum beispiel Aluminium, Kupfer, Tantal oder derbleichen, mit dazwischenliegendem dielektrischen Abstandshalter, welcher aus einer nichtporösen thermoplastischen Folie 3 besteht, die eine durch auf mindestens einer ihrer Oberflächen hervorstehende Erhebungen 4 hervorgerufene Unebenheit aufweist (siehe Figuren 3 und 4). In Figur 3 besteht der Abstandshalter aus einer thermoplastischen Folie 3, die auf beiden Oberflächen gepr<'Igt wurde, und in Figur 4 aus einer thermoplastischen Folie, die nur auf einer Oberfläche geprägt wurde.
• Der elektrische Kontakt mit den Elektroden kann durch eingelegte Anschlußstreifen 5 und 6 hergestellt werden, deren Enden aus einem Ende der gewickelten Kondensatoranordnung herausragen. Zur Erzielung eines besseren Kontaktes kennen die Anschlußstreifen gegebenenfalls an die Elektroden geschweißt sein> und zur Schaffung einer breiteren Kontaktfläche mit seiner zugehörigen Elektrode kann der untere Teil der Streifen 5 und 6 wie bei 7 erweitert sein.
• Vor dem Imprägnieren gibt man die Elektroden-Dielektrikum-Anordnung 1 im allgemeinen in einen Behälter, zum Beispiel in einen.wie in Figur 2 gezeigten Metallbehälter 10, und schließt den Behälter hermetisch mit dem Deckel 11 ab.
• Obwohl es nicht gezeigt wird, umfaßt die in Figur 2 gezeigte Einheit 15 ferner ein. dielektrische Flüssigkeit, die den übrigen Raum im Behälter 10, der von der Kondensatoranordnung nicht eingenommen wird, einnimmt und den dielektrischen Abutandshaltbr 3 imprägniert.
• Bevor man den Behälter mit dem Deckel schließt, befestigt man die Kontaktbänder 5 und 6 an den Enden 12 bzw. 13, die aus des Deckel hervorragen und von ihm isoliert sind. Um du Entfernen von Feuchtigkeit und Luft aus der Anordnung und das Einrühren der Imprägnierflüssigkeit zu ermOgli¢hen, hat der Deckel 11 ein kleines Loch 14.
• Vor den Imprägnieren trocknet man die Kondensatoranordnungen im allgemeinen im Vakuum, um restliche Feuchtigkeit zu entfernen. Die Trockentemperatur richtet sich nach der Länge des Trocknungszyklus, beträgt aber im allgemeinen zwischen 60 und 1500C. Bei zu niedriger Temperatur ist die Trocknungszeit übermäßig lang, während eine zu hohe Temperatur Zersetzung und Schrumpf' des Dielektrikums verursacht.
• Die dielektrische Tmprägnierflüssigkeit leitet man der Kondenaatoranordnung durch das Loch 14 zu, vorzugsweise während die getrocknete Anordnung sich noch unter Vakuum in einem geeigneten luftleeren Behälter befindet. Im allgemeinen führt man so viel Imprägnierflüssigkeit ein, daß das Kondensatorelement im Behälter midestens untergetauch ist. Den Druck im Behälter erhöht man dann auf atmosphärischen Druck und läßt die Anordnung für einige Stunden stehen, damit die Imprägnierflüssigkeit gründlich eindringen kann. Nach dem Imprägnieren verschließt man den Kondensator, zum Beispiel indem man das Loch 14 mit einer geeigneten Menge Lötmittel versieht Für die Durchführung des Imprägnierverfahrens kann man neben den vorstehenden Verfahren auch andere Techniken, die im allgemeinen Wärme und/oder Druck verwenden, einsetzen.
• Bestimmte bekannte Imprägnierflüssigkeiten können im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
• Geeignete Imprägniermittel sind zum Beispiel Mineralöl, Rizinusöl, Baumwollsaatöl, Siliconöl, Polybuten und jede der verschiedenen aromatischen Halogenkohlenwasserstoffverbindungen. Beispiele für aromatische Halogenverbindungen sind die chlorierten Diphenyle, die chlorierten Diphenylketone, Pentachlornitrodiphenyl und seine Alkylderivate, chloriertes Benzol und Benzolderivate und dergleichen, Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert: Es wurde eine Gruppe von Leistungskondensatoren hergestellt, die jeweils ein umwickeltes Paar Elektrodenfolien aus Aluminium hatten, die durch eine 25 /um dicke thermofixierte, biaxial orientierte Polypropylenfolie, die auf beiden Oberflächen bis zu einer Tiefe Von 4 /um geprägt war, getrennt waren. Die Prägung wurde durch Führen der Folie zwischen ein auf 110 bis 140°C erhitztes Paar Prägewalzen vorgenommen, so daß in der sehr kurzen Zeit des Kontaktes mit der Walze die Oberflächen der Folie wärmeverformt und ihnen die Oberflächencharakteristiken der Prägewalzen aufgeprägt wurden. Zum Vergleich stellte man eine Gruppe von Kondensatoren gleicher Konstruktion her, bei denen jedoch die Polypropylenfolie nicht geprägt war. Beide Gruppen wurden mit chlorierter Diphenyl, zum Beispiel AROCLOR R (Monsanto Chem. Corp.), als dielektrischer Flüssigkeit unter den gleichen Bedingungen imprägniert. Die durchschnittliche Glimmeinsatzspannung der Vergleichsgruppe der Kondensatoren war viel niedriger als die der Gruppe mit der geprägten Polypropylenfolie. Diese Versuche zeigten, daß das Prägen der Folienoberflüche die Impragnierbarkeit von thermoplastischen dielektrischen Folien verbessert.
• Eine zweite Vergleichsgruppe von Kondensatoren gleicher Größe wurde wie in vorangegangenen Beispiel konstruiert mit der Ausnahme, daß man statt der geprägten Polypropylenfolie eine Verbundfolie verwendete, die sich aus einer nicht geprägten 12 /um dicken Polypropylenfolie und einem 12 /um dicken Kondensatorpapier zusammensetzte. Damit durchgeführte Versuche zeigten, daß die Kondensatoren des erfindungsgemäßen Beispiels eine höhere Glin*meinsatzspannung hatten als die Vergleichskondensatoren mit der Verbundfolie.
• Versuche, die man mit einer Reihe von mit Flüssigkeit imprägnierten Kondensatoren durchführte, die Dielektrika aus linearen Polyäthylen- und Polyäthylenterephthalatfolien enthielten, die sowohl geprägt als auch ungeprägt waren, zeigten, d in allen Fällen die Lebensdauer eines eine geprägte Folie enthaltenden Kondensators erheblich länger ist als die Lebensdauer eines Kondensators mit einer nicht geprägten Folie.

Claims (5)

Patentansprüche

1. Elektrischer Kondensator aus einem Elektrodenpaar und einem dielektrischen Abstandshalter, dadurch gekennzeichnet, daß der dlelektrische Abstandshalter aus mindestens einer nichtporösen thermoplastischen Folie (3) besteht, welche auf mindestens einer ihrer Oberflächen mit Erhebungen (4) versehen ist, und die zwischen den Erhebungen entstandenen Räume mit einer dielektrischen Flüssigkeit ausgefüllt sind.

2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Folienoberflächen mit Erhebungen versehen sind.

3. Elektrischer Kondensator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtporöse thermoplastische Folie biaxial orientiert ist.

4. Elektrischer Kondensator nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material ein Polyolefin ist.

5. Elektrischer Kondensator nach Ansprüchen 1 bis 4,' dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material stereoreguläres Polypropylen ist.