Elektrolytischer Kondensator Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung betrifft einen elektroly tischen Kondensator, der sich besonders für die Fälle eignet, w o die Wechselspannung einer Gleichspannung überlagert ist. Erbe sitzt mindestens eine mit einem isolierenden Häutchen versehene Elektrode, die in einen zu überwiegenden Hauptsache nicht aus Wasser, dagegen erfindungsgemäss, im we sentlichen aus einem in einem Alkohol gelös ten Ionogen bestehenden Elektrolyten ein taucht. Die Erfindung betrifft auch ein Ver fahren zur Herstellung eines solchen Kon densators.
Die Erfindung ist aus dem Bestreben hervorgegangen, einen elektrolytischen Kon densator zu schaffen, der eine hohe Kapazi- iät pro Volumeneinheit und eine geringe elektrische Undichtheit hat, der such das Häutchen auf der Elektrode während Perio- clen des Nichtgebrauches behalten soll, so dass er keine Neuformierung in dem Masse wie gewöhnliche Kondensatoren mit wässeriger Lösung verlangt; dabei sollte auch ein Elek- trolyt zur Verwendung kommen, der weder verdampft noch kriecht.
Zweckmässigerweise wird man die Ver bindung Häutclenelektrode mit ihrem Träger so herstellen, dass chemische oder elektro chemische Wirkungen und elektrische Un- dichtheit vermieden werden.
Die Erfindung ermöglicht den Aufbau eines wirksamen Aggregates von grosser Ein fachheit und entsprechend verhältnismässig geringen Kosten.
Der Ausdruck "Ionogen" soll allgemein Säuren, Basen, Salze und - oder andere che- inische Verbindungen bezeichnen, die in ge wissen Lösungsmitteln Ionen bilden, so dass die Lösung ein elektrisch leitendes Medium ist. Entsprechend dieser Definition ist ein Elektrolyt eine Lösung eines oder mehrerer Ion.ogene in einem Lösungsmittel,, in dem das Ionogen oder dini Ionogene mehr oder weniger ionisiert sind.
Der Ausdruck "im wesentlichen trok- ken" oder "im wesentlichen wasserfrei" soll bezüglich der Elektrolyte und Lösungs mittel besagen, dass sie gänzlich oder doch praktisch wasserfrei sind, so dass der Elek trolyt im wesentlichen eine Lösung eines Ionogens im Lösungsmittel ist, im Gegensatz zu einer Lösung des Ionogens in Wasser mit Zusatz eines anderweitigen Lösungsmittels.
In der Zeichnung sind Ausführungsbei spiele des Erfindungsgegenstandes schema tisch dargestellt.
Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt eines Gleichrichters; Fig. 2 ein Grundriss einer andern Aus führung; Fig. 3 ein senkrechter Schnitt nach 3-3 der Fig. 2, Fig. 4 ein wag rechter Schnitt nach 4 bis 4 der Fig. 3; Fig. 5 ein Aufriss der Hautelektrode nach Fig. 1.
Das Gehäuse 10 (Fig. 1) besteht zum Bei spiel aus gezogenem Stahl, der gegen Ro sten aussen mit Cadmium plattiert ist. Es könnte natürlich auch aus anderem leitenden Werkstoff bestehen.
Das Gehäuse 10 enthält einen Elektroly ten 11, der zweckmässigerweise dadurch her gestellt ist, dass man im wesentlichen trok- kenes, chemisch reines Glyzerin (spezifisches Gewicht nicht unter 1,252 bei 20' C) auf etwa 80 erhitzt und 3 1/2 Gewichtsprozent Natriumbicarbonat NaHCO3 einrührt. Etwa 20 Minuten genügen gewöhnlich zum voll ständigen Auflösen, worauf man das Gly zerin auf Zimmertemperatur abkühlen lässt. Man kann natürlich verschiedene Mengen von Glyzerin und Natriumbicarbonat verwenden; als Ionogene können auch andere Stoffe, Säuren. Basen oder Salze statt Natriumbi- carbonat verwendet werden.
Der Elektrolyt kann auch in nicht flüs siger Form hergestellt werden. Man kann zum Beispiel drei Gewichtsteile Gelatine in einem Teil Glyzerin auf dem Dampfbade auflösen und die heisse Lösung mit Natrium- bicarbonat sättigen. Andere Ionogene kön nen auch für die nichtflüssige Elektrolyt- form benutzt werden. Durch Zusatz einiger Tropfen Formaldehyd erhärtet die Gallerte rasch und wird durch spätere Erhitzung un- verflüssigbar.
Die Häutchenelektrode 13 wird im All stand von der Wandung des Gehäuses durch einen Deckel 13 aus einem Isolierstoff gehal ten, der nicht absorbierfähig und chemisch inert ist und zum Beispiel aus einem Phenol kondensationsprodukt bestehen kann.
Die Häutchenelektrode besteht aus meh reren gestanzten Aluminiumscheiben 14 von im wesentlichen konischer Form bezw. Be cherform (Fig. 1), deren Seitenflächen auf wärtszagen, so dass etwaige Luftblasen ent weichen können. Diese Aluminiumscheiben werden durch Zwischenscheiben 15 in Ab stand gehalten. Die Scheiben sind auf eine Aluminiumstange 16 aufgereiht und werden in ihrer Stellung durch eine Scheibe 17 ge halten, die an der Stange durch den Kopf 18 festgehalten wird. Die obere Scheibe liegt gegen einen Bund 19 der Stange.
Eine untere Hülse 22 des Deckels 13 umgibt den obern Teil der Stange 16. Um chemische oder elektrolytische Wirkung dort zu verhindern, wo das Aluminium den Deckel unterhalb der Oberfläche des Elektro lyten berührt (zum Beispiel bei 20), ist eine C,rlimmerscheibe 21 vorgesehen. Diese ist für erfolgreichen Betrieb bei hohen Spannungen äusserst wichtig.. Kommt die Aluminiumelek trode mit einem Phenolkondensat bei 20 in Berührung, so scheint sich in diesem eine chemische Veränderung zu vollziehen. div seine Oberfläche carbonisiert und leitend macht, so dass ein Undichtheitsstrom bei 20 auftritt.
Dieser verursacht Funkenbildung. welche die Haut dort weiter zerstört und schliesslich den Kondensator unbrauchbar macht. Die Erfahrung hast gezeigt, dass. wenn nicht eine Scheibe aus Glimmer, Zellu loid oder sonstiger inerter Isoliermasse die mit Häutchen bekleidete Oberfläche von dem Pheno.lkondensat trennt. die Kondensatoren an diesem Punkt unvermeidlich versagen, wenn sie hohen Spannungen ausgesetzt wer den.
Die Wichtigkeit des Hinunterragens der Hülse unter den Spiegel des Elektrolyten ist bekannt, insofern dadurch Oberflächenwir kung durch den vereinten Einfluss der Luft, der Funkenbildung des Elektrolyten und der elektrolytischen Gase an diesem Punkt ver hindert wird.
Das Gehäuse 10 hat oben eine Ringein ziehung 24, so dass ein Rundsitz 25 für den auswärtsragenden Ringflansch 26 des Deckels 13 gebildet wird. Letzterer wird durch aufragende Wände 27 zentriert und trägt einen Dichtungsring 28, über den die Wände 27 bei 29 umgefalzt werden, um die Teile fest zusammenzuhalten und den Dichtungsring zu verdecken. Die Wand 29 liegt vorteilhaft gegen die senkrechte Wand 30 des Deckels 13 an. Der Dichtungsring 28 besteht vorzugsweise aus Asbest mit etwa 10 % Gummi, oder aus anderem inertem Isolierstoff.
Als Abdichtungsmittel, um die Verdun stung des Lösungsmittels und die Absorption von Feuchtigkeit zu verhindern, könnte auch eine Ölschicht über dem Elektrolyten ver wendet werden.
Oben hat der Deckel mehrere Rippen 31, 31' und dazwischen Ringnuten 32, 32', um die Oberflächenleitung zu erschweren und Kurzschluss des Kondensates durch das ##Kriechen# des Elektrolyten über die Ober seite des Kondensators zu verhindern. Sollte also Flüssigkeit durch die Fugen um die Glimmerscheibe 21 oder den Ring 28 hin durchdringen, so würde sich in den Nuten 32, 32' sammeln, bevor sie vom Gehäuseteil 29 zur Aluminiumstange 16 kriechen kann, so dass elektrische Undichtheit vermieden wird.
Der Deckel hat vorzugsweise eine kleine Bohrung 33 unter dem Ring 28 (Fig. 1), so dass Gase durch den Dichtring hindurch dif fundieren bezw. unter ihn und um ihn ent weichen können. Dadurch wird das Auftre ten übermässigen Druckes in der Zelle und dabei doch die Verdunstung des Lösungsmit tels, die Absorption von Feuchtigkeit und das Ausfliessen von Elektrolyt beim Umkeh- ren des Kondensators, wenigstens praktisch gesprochen, verhindert.
Ein Stromzuführungsansatz 34 mit ge lochtem wagrechtem Teil 35 ist an der Aluminiumstange verzugsweise durch Stau chen der letzteren (Fig. 1) zu einem Halte kopf 36 befestigt und ist vorzugsweise aus Aluminium, um elektrolytische Wirkung bei etwaigem Entweichen von Elektrolyt zu ver hindern. Verschiedene Metalle würden ein galvanisches Element bilden und dann Kor rosion verursachen. Um das Anlöten von Drähten zu erleichtern, wird eine verzinnte Messingkausche 37 in dem Loche 38 des Ansatzes 34 befestigt.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 bis 4 sind statt der Hautelektrode 12 der Fig. 1 drei kleinere Elektroden in eine Zelle einge setzt. Sie bestehen aus abgedrehten Alumi niumstangen 16' mit einer Schulter 19' und mehreren in Abstand angeordneten und ein Stück mit der \Stange bildenden Scheiben 14' (Fig. 5). Diese Elektrode kann sehr bil lig auf einer Drehbank oder selbsttätigen Schraubenschneidmaschine hergestellt wer den. Der Deckel 13' dieser Ausführung hat drei abwärtsragende Büchsen 22', deren jede eine Aluminiumstange 16' umgibt und durch Glimmerscheibe 21' in Abstand davon gehalten wird. Das Zusammenbauen der Wand 29' und Ansatz 34' usw. entspricht der Fig. 1.
Die Hautelektrode, die aus den abwech selnd auf der Stange nach Fig.1 angeordneten gestanzten Scheiben und Abstandhaltern oder dem gedrehten Aluminiumkörper nach Fig. 5 besteht, wird zunächst mit Alkalilösung gereinigt und dann in saurer Lösung behan delt. Die Elektroden werden in eine Fünf pro,zentlösung von Natriumcarbonat bei etwa, <B>70'</B> C eingetaucht. Dabei werden die Elek troden hin- und herbewegt, um die Luft zwischen den Platten zu entfernen und die N atriumcarbona.tlösung gut auf alle Ober flächen einwirken zu lassen.
In wenigen Se kunden sind alle Fettspuren entfernt, und die Oberfläche des Aluminiums zeigt ein leicht geätztes oder mattiertes Aussehen, wobei eine schäumende Gasentwicklung ein tritt. Die Arbeit geschieht vorzugsweise in Eisengefässen und erfordert 10 oder 15 Se kunden. Praktisch kann dieser Schnitt oft entfallen, da die Säurebehandlung gewöhn lich ausreicht, um alle Verunreinigungen zu entfernen und die Oberfläche für wirksame Hautbildung herzurichten.
Die Elektroden werden dann aus der So dalösung entfernt und in reinem Wasser ge spült.
Die letzte Reinigungslösung stellt man durch Mischen von zum Beispiel einem Vo lumenteil konzentrierter Salpetersäure mit drei Teilen Wasser her. Die gespülten Plat ten werden zwei oder drei Stunden in diese kalte Lösung getaucht. Der Hauptzweck hiervon liegt im Entfernen metallischer Oberflächenverunreinigungen vom Alumi nium. Die chemische Wirkung ist aber ge wöhnlich sehr gering.
Die Elektroden werden dann gründlich in reinem Wasser und dann in destilliertem Wasser gespült, da es absolut wesentlich ist, dass alle Säurespuren vor Weiterbehandlung entfernt werden. Hierzu wird vorzugsweise das restliche Wasser durch Pressluft ausge blasen. Die Platten sollten auf dieser Stufe des Verfahrens eine silber graue Farbe zeigen. Eine zu lange Eintau chung erzeugt ungleichförmiges Aussehen.
Nachdem das Scheibenaggregat gereinigt ist, werden der Deckel 13 und der Alumini umansatz 34 mit dem obern Ende der Stange 16 durch Stauchen des obern Endes der letzteren an ihr befestigt, wobei dafür ge sorgt wird, eine Verunreinigung des Aggre gates auszuschliessen.
Der nächste Schritt ist die Wechsel stromformierung, bei welcher die Platten vollständig in eine Lösung von 2 % chemisch reinen Natriumbicarbonates in destilliertem Wasser untergetaucht werden. Die Konzen tration dieser Lösung kann je nach der For mierungsspannung schwanken. Die verdünn ten Lösungen werden für höhere Spannun gen verwendet. Alle Metalle, die nicht Alu- sninium sind, müssen den Platten während der Formierung ferngehalten werden, und besonders muss man auf Fernhaltung der Korrosionsprodukte von Kupfer und Messing rücksichtlich der Platten und des Bades ach ten. Das Bad ist vorzugsweise in einem Stahlgefäss, und die Platten werden in zwei Gruppen eingeteilt, deren jede einen Pol der Wechselstromquelle bildet. Der Elektrolyt steht etwa 3 mm über der obersten Scheibe.
Die Wechselstromzufuhr wird so gere gelt, dass etwa 1/2 Ampere auf das grosse Schei bengebilde (etwa 38 Scheiben von 25,4 mm Durchmesser) entfällt und ein entsprechen der Strom für Elektroden von andern Grö ssen. Das Anfangspotential ist etwa 50 Volt und wird während etwa, 5 Minuten auf 290 Volt erhöht.
Während dieser Zeitspanne fällt der Strom auf einen wesentlich kon stanten Wert. Das Fortschreiten der For mierung kann durch Widerstand oder Reak- tanz in Reihe mit der Stromquelle geregelt werden. Vorzugsweise werden die 290 Volt in etwa 4 Minuten erreicht und innegehal ten, bis der Strom konstant ist, was in der Regel 1 oder 2 Minuten länger dauern wird. Die anfängliche Formierung mit Wechsel strom ist wichtig, weil sie ein robusteres Häutchen ausbildet, das weniger zu Fehl stellen oder schwachen Punkten neigt.
Die Gruppen aus mit Wechselstrom for mierten Platten erhalten dann eine Gleich stromformierung. wobei man vorzugsweise ,den Stahlbehälter als negativen Pol und alle die Aluminiumplatten als positiven Pol ver wendet. Diese Formierung geschieht ohne Störung der Platten im selben Gefäss, indem man von Wechselstrom auf Gleichstrom um schaltet. Die Gleichstrombehandlung erfor dert 2 1,'2 bis 3 Stunden in der zweiprozenti gen wässerigen Lösung von Natriumcarbo- nat. Die Temperatur sollte unter 40' C ge halten werden, da, sonst Schlierenbildung auf den Platten leicht eintritt.
Statt die Wechselstromformierung vor Beginn der Gleichstro@mformbildung zu be enden, kann man beides abwechseln lassen, indem man fortschreitend die Spannung für Wechselstrom und Gleichstrom bei der Be- handlung erhöht und den Strom wesentlich konstant hält, bis die Spannung einen Höchstwert erreicht hat, worauf man den Strom bis zu einem Mindestwert sinken lässt. Durch diese abwechselnde Behandlung er zielt man einen sehr robusten und wider standsfähigen Hautbelag auf der Aluni- niumelektrode.
Die Elektroden werden dann behutsam aus dem Formierungsbehälter entfernt und durch einen Pressluftstrahl gründlich ge trocknet. Dabei und bei allen späteren Be handlungen ist es sehr wichtig, dass die Elek trodenaggregate mit möglichst wenig me chanischer Reibung behandelt werden. Eine Durchbrechung des Häutchens macht den Kondensator unbrauchbar oder verlängert doch sehr die Zeit für die nötige letzte For mierung.
Diese geschieht in einer wesentlich trok- kenen Lösung von 31/2 % Natriumbicarbonat in Glyzerin. In der Regel ist es nötig, das Glyzerin etwas zu erwärmen, um das Auf lösen zu bewirken. Meist ist eine Tempera tur von 80' C auf etwa 20 Minuten nötig. Man sollte sehr darauf achten, das Glyzerin von der Oberfläche des Deckels 13 fernzu halten, da, es sehr schwer zu entfernen ist und Stromschluss verursachen sowie den Kondensator verderben kann. Die getrock neten Elektroden taucht man in diese Gly zerin-Natriumbiearbonatlösung und lässt sie mehrere Stunden stehen, um die Luft aus den Zwischenräumen der Platten entweichen zu lassen. Dann wird die Gleichstromspan nung angelegt, und die Elektroden werden 250 Volt ausgesetzt, bis die Undichtheit den gewünschten Minimalwert erreicht.
Die formierten Elektroden werden dann sorgsam aus dem Bade gehoben, ohne den von den Scheiben festgehaltenen Elek trolyten zu entfernen, und werden dann in das Gehäuse 10 gesteckt, das vorher mit der selben Glyzerinlösung so hoch gefüllt wurde, dass der Elektrolytspiegel schliesslich etwa 3 mm über der obersten Platte des Aggrega tes steht. Dabei muss man besonders sorgfäl tig die Elektrode an Berührung mit der Seite des Gehäuses oder sonstigem Gegenstand verhindern.
Nach dem Einsetzen der Scheibenaggregate in das Gehäuse 10 wird der Dichtungsring 28 eingesetzt, und das Gehäuse wird ver schlossen, indem man den obern Rand 29 über den Dichtring falzt. Die Kondensato ren werden dann an 250 Volt Gleichstrom angeschlossen und sollten eine Undichtheit von weniger als 1 Milliampère pro Aggregat zeigen. Die Spannung von 250 Volt wird aufrecht erhalten, bis der Strom auf weni ger als 0,2 Milliampère sinkt. Fehlerhafte Kondensatoren findet man durch ihre hohe Undichtheit heraus. Kondensatorplatten, die man in wässeri gen Lösungen formiert und dann in Gly- zerinelektrolyten eingeführt hat, können Stö rungen durch Streustrom verursachen.
Da durch, dass man die Hautbildung in der Gly- zerinlösung vornimmt, wird diese Schwierig keit vermieden. Die dünne, der Platte beim Entfernen aus dem Formierungsglyzerin an haftende Glyzerinsehicht dient auch dazu, besseren Kontakt mit. dem Elektrolyten in der Kondensatmzelle zu gewährleisten, das heisst, es ist dann geringere Neigung zur Bil dung von Luftsäcken vorhanden.
Der so hergestellte Kondensator ist etwa 50 mm hoch bei -32 mm Durchmesser, hat eine Kapazität von 10 Microfa.rad, eine Un- dielitheit von 0,2 Milliamp#-re bei 250 Volt Gleichstrom, ist wesentlich stabil, das heisst erfordert keine Nachformierung nach einer Periode des Nichtgebrauches, leidet nicht über Gehühr durch Alter oder Gebrauch und ist billig herstellbar.
Es wurde zwar ein Kondensator mit einer Aluminiumelektrode in einem Elektro lyten von Natriumbicarbolnat in Glyzerin oben beschrieben, doch könnte auch jede au- dere geeignete Härtchenelektrode wie Tantal oder dergleichen statt Aluminium verwendet werden. Auch könnte man andere Alkohole, besonders andere mehrwertige Alkohole, wie ä.tliylenglycol und dergleichen statt Glyzerin benutzen. Jedes im -wesentlichen trockene Ionogen, wie z.
B. im wesentlichen trockene Schwefelsäure kann statt Natrium- bica.rbonat verwendet werden, und man kann im Rahmen der Erfindung Gelatine oder sonstige Stoffe dem Elektrolyten zusetzen.
Ein sehr wichtiges Merkmal des beschrie benen Kondensators ist seine Stromundicht- heit bei hohen Spannungen. Bekanntlich ist bei gewöhnlichen Papierkondensatoren der Undichtheitsstrom direkt proportional der an gelegten Spannung, das heisst, die graphi sche Darstellung ist eine gerade Linie. Bei dem vorliegenden elektrolytischen Kondensa tor aber erlaubt das Häutchen eine rasche Zunahme im Undichtheitsstrom, wenn die angelegte Spannung über einen bestimmten Wert wächst, und die Spannung am Kon densator wird am Anstieg erheblich über den gegebenen Wert hinaus verhindert.
Mit andern Worten, während ein Papierkonden sator allgemein gesprochen die Eigenschaf ten einer reinen Kapazität hat, zu der ein fester Widerstand von hohem Wert im Ne benschluss liegt, hat der vorliegende Kon densator allgemein die Eigenschaften einer reinen Kapazität, zu der ein Widerstand in Nebenschlussanordnung ist, der nach Anstieg der angelegten Spannung über einen be stimmten Punkt rasch abnimmt beim Wach sen der angelegten Spannung. Um eine Ana logie zu brauchen, der vorliegende Konden sator wirkt sehr ähnlich einem Drucksicher heitsventil.
Wegen dieser Charakteristik findet der vorliegende Kondensator eine wichtige An wendung bei Filterkreisen für Gleichrich ter.
Sehr oft kennzeichnet sich die Span nungswelle des ausgehenden Stromkreises des Gleichrichters durch einen oder mehrere scharfe Anstiege bezw. hohe schmale Spit zen in jeder Halbperiodenwelle der gleichge richteten Spannung. Diese Spitzen werden durch magnetische und elektrische Eigen schaften des Speisetransformators und Gleichrichters verursacht. Bei einem nur Papierkondensatoren verwendenden Filter kreise veranlassen diese Spitzen oder An- stiege Störungen in den Drosselspulen, die zum Filter gehören, und können eine unbe friedigende Filterung verursachen, das heisst es kann zu viel Unruhe im ausgehenden Strome des Filters herrschen.
Wird aber der vorliegende Kondensator als erstes Element des Filterkreises verwendet, so verhindert er wirksam, dass einen bestimmten Wert über schreitende Schwankungen der Gleichricb- terausgangsspannung auf die nachfolgenden Elemente im Filterkreise übertragen wer den. Als Resultat wird daher ein sehr gleichmässig filtrierter Strom von llem Filter erzielt.
Die Schwankungen in der Gleichrichter ausgangsspannung sind je für sich von kur zer Dauer im Vergleich zur ganzen Halb periodenwelle bezw. dem Impulse der gleich gerichteten Spannung. In graphischer Dar stellung sind sie scharfe Spitzen, die zwar recht hoch, aber relativ schmal sind, so dass das Entfernen dieser Spitzen nur ein klei nes Opfer an Leistung und eine in der Re gel urbeachtliche Verringerung des Wir kungsgrades verursacht.
Durch Wahl des Metalles für die Häut- chenelektrode, des im Elektrolyten benutzten Ionogens und der Ionogenkonzentration im Elektrolyten kann man der vorliegenden Kondensatorzelle die gewünschten Charak teristiken für kritische Spannung und Un- dichtheit innerhalb gewisser Grenzen geben, um der Anforderung zu entsprechen, da.ss dic# Spitzen aus der ausgehenden Spannungs welle eines bestimmten Gleichrichters ausgr.- merzt werden.