DE1802327B2

DE1802327B2 - Elektrischer Kondensator

Info

Publication number: DE1802327B2
Application number: DE1802327A
Authority: DE
Inventors: Paul Legrand Greenville Del. Johnstone (V.St.A.)
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1967-10-10
Filing date: 1968-10-10
Publication date: 1980-09-18
Also published as: DE1802327C3; DE6801713U; DE1802327A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kondensator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bis jetzt stellte man Dielektrika für Kondensatoren aus Spezialpapier oder Cellulosematerialien und in jüngster Zeit aus Kunststoffolien, entweder allein oder in Verbindung mit Papierbogen, her. Kunststoffolien sind im allgemeinen den Dielektrika aus Cellulosefolien überlegen, da sie höheren Spannungen pro Dickeneinheit standhalten können, weniger of« Fehler aufweisen, zum Beispiel kleine Löcher oder !einende 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 im 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 Metallfolien der Beläge, mit denen sie bei der Herstellung der Kondensatoren gewickelt werden, fest zu haften und zu kleben. Dieses unerwünschte Kleben der Kunststoffolienoberfläche 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 Vordringen der dielektrischen Flüssigkeit zu allen Teilen der Wicklung.

Folglich wird die elektrische Festigkeit merklich verringert, die Glimmeinsatzspannung nimmt ab, die Kondensatoreinheiten erleiden einen vorzeitigen Durchschlag und haben eine verkürzte Lebensdauer. Dazu kommt, daß der nichtporöse Charakter der Kunststoffolien eine entsprechende Imprägnierung erschwert.

Nach einem Verfahren, das man zur Verbesserung der Imprägnierung von Kondensatoren mit Xunststoffdielektrika vorgeschlagen hat, verwendet main 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 ur:d gleichmäßigere Imprägnierung mit der dielektrischen Flüssigkeit Die Verwendung einer Papierschicht vermindert jedoch die ausnutzbare Feldstärke des Dielektrikums und erhöht den Verlustfaktor.

Nach anderen, zur Verbesserung der Imprägnierung von Kunststoffolien vorgeschlagenen Verfahren verwendet man, entweder auf der Oberfläche der Folie oder durch ihre gesamte Masse, ein in Partikeln auftretendes dielektrisches Material, wie Aluminiumoxid. Das Einarbeiten von Aluminiumoxid in den Rohstoff vor der Folienbildung hat die Nachteile, daß es schwierig ist, gleichmäßige Rohstoffdispersionen zu erhalten oder das Havz zu extrudieren, wenn man eine einwandfreie Folie erhalten will.

Aus der US-PS 33 40 446 ist ein elektrischer Kondensator bekannt, der aus zwei flächenhaften Belägen aus Metallfolien mit einer dielektrischen Kunststoffolie, die entweder Aluminiumoxidpartikel inkorporiert enthält oder auf der glatten Oberfläche eine Schicht aus Aluminiumoxidteilchen besitzt, wobei diese Schicht die Oberfläche der angrenzenden Metallfolie berührt

Die Haftung der auf die Oberfläche der Kunststoffolie aufgestaubten Schicht aus Aluminiumoxidpartikel am Substrat erfolgt durch elektrostatische Kräfte. In den Hohlräumen der partikulären Schicht ist dielektrische Flüssigkeit vorgesehen.

Dieser Kondensator hat jedoch den Nachteil, daß infolge der Herstellungsweise und dem Aufbau der Schicht aus Aluminiumoxidpartikel auf der Kunststoffolie die Gefahr besteht, daß die Schicht die Substratoberfläche nicht hinreichend gleichmäßig bedeckt und daß die Schichtdicke nicht gleichmäßig ist. Es besteht zudem die Gefahr, daß die Luft in den Hohlräumen zwischen den Partikeln der Schicht bzw. diesen und der Oberfläche der Metallfolie nicht restlos durch dielektrische Flüssigkeit verdrängt ist.

Die baulich-strukturelle Ausbildung der Schicht ist infolge ihres Aufbaus auch nicht permanent formbeständig.

Vom genannten Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Kondensator der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem die Kunststoffolie zwischen den Metallfolien eine raumförmige, permanente formstabile Ausbildung derart besitzt, daß durch diese eine gleichbleibende Abstandshaltung zwischen der Kunststoffolie und der Metallfolie gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem elektrischen Kondensator mit zwei Metallfolien als Beläge mit mindestens einer zwischen den Metallfolien angeordneten aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden, nichtporösen Folie als Dielektrikum, bei dem

die Haftneigung zwischen der Oberfliche der Kunststoffolie und der Oberfläche der angrenzenden Metallfolie vermindert ist und bei dem mindestens zwischen diesen Oberflächen eine dielektrische Flüssigkeit vorgesehen ist, dadurch gelöst, daß die Kunststoffolie ■> auf mindestens einer ihrer Oberflächen zur Verminderung der Haftneigung Erhebungen aufweist und daß die zwischen den Erhebungen der Folie vorhandenen Räume mit der dielektrischen Flüssigkeit ausgefüllt sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind beide ι ο Oberflächen der Folie mit Erhebungen versehen.

Das Material, aus dem die nichtporöse thermoplastische Kunststoffolie, weiche das feste Dielektrikum der erfindungsgemäßen Kondensatoren bildet, hergestellt ist, kann jedes thermoplastische filmbildende Homopolyrnere oder Copolymere sein. Hierzu gehören zum Beispiel Polyolefine, wie die Polymere von Äthylen oder von höheren Mono-olefinen mit 3 oder mehr Kohlenstoffatomen sowie deren Copolymere oder Mischpolymerisate, die Polyester, wie Polyethylenterephthalat, Polystyrol und die Vinylpolymeren, wie Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Copolymere aus Vinylidenchlorid und Vinylchlorid, Copolymere aus Vxiylchlorid und Acrylnitril und dergleichen, die Polykarbonate und die Polyamide. Bevorzugt wegen der guten mechanisehen und dielektrischen Eigenschaften werden die hochmolekularen linearen Polymeren von Äthylen und die stereoregulären kristallinen Polymeren von Buten-1, Penten-1, 2-Methylbuten-l und 4-MethyIpenten-l eingesetzt Ganz besonders geeignet ist stereoreguläres Polypropylen.

Die Herstellung von Folien aus diesen Polymeren 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 recken, um sie monoaxial, biaxial oder in Längs- und Querrichtung gleichmäßig zu orientieren. Biaxial orientierte Folien werden bevorzugt verwendet.

Mindestens eine Oberfläche der Kunststoffolie weist Erhebungen auf, so daß sie uneben ist. Diese Unebenheit wird durch Prägen erzeugt, welches die scheinbare Dicke der Folie erhöht und ihr auch sonst 31η anderes Aussehen geben kann. Das Prägen der Folie kann mit jeder geeigneten Vorrichtung erfolgen, mit der man die Oberfläche der Folie, wie oben beschrieben, verändern kann. Nach einem geeigneten Verfahren bearbeitet man die Oberfläche der thermoplastischen Kunststoffolie mit Hilfe einer beheizten Vorrichtung, die mk der Oberfläche nur vorübergehend Kontakt hat, so daß w durch die Wärmeeinwirkung und durch einen entsprechend gewählten Prägedruck das gewünschte Muster auf mindestens einer oder beiden Oberflächen der Foiie gebildet wird. Die Temperatur der beheizten Vorrichtung und der Prägedruck werden so eingestellt, daß die « Oberfläche der Folie mit den Oberflächencharakteristiken der beheizten Vorrichtung geprägt wird. Vorzugsweise ist die beheizte Vorrichtung eine Metallrolle, die das gewünschte Prägemuster aufweist. Das Prägen, bei dem die Folie nicht beschädigt werden darf, verleiht den «> Folienoberflächen die gewünschte Unebenheit bzw. das gewünschte Muster. Vorzugsweise hat die Folie eine Dicke von 5 bis 40 μπι und je nach Foliendicke eine Prägetiefe von 0,5 bis 10 μιτι.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren '"' näher erläutert. Die

Fig. I gibt eine perspektivische Ansicht eines teilweise abgewickelten uondensatorwickels wieder. In F i g, 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Kondensatorwickels nach Fi g, 1 gezeigt, nachdem er mit einem Gehäuse versehen wurde, In

F i g, 3 und 4 sind Teilquerschnitte von verwendeten dielektrischen Kunststoffolien und in

Fig,5 ist eine Draufsicht auf die Oberfläche der Kunststoffolien gezeigt

Die Herstellung des Kondensatorwickels 1 von Fig. 1 erfolgt durch Aufwickeln der Streifen 2 und 2' aus Metallfolie, zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Tantal oder dergleichen, mit dazwischenliegendem Dielektrikum, welches jeweils aus einer nichtporösen thermoplastischen Kunststoffolie 3 besteht, die eine durch auf mindestens einer ihrer Oberflächen hervorstehende Erhebungen 4 hervorgerufene Unebenheit aufweist (siehe Fig.3 und 4). Die in der Fig.3 aufgezeigte thermoplastische Kunststoffolie 3 wurde auf beiden Oberflächen geprägt und die in F i 3.4 aufgezeigte nur auf einer Oberfläche.

Der elektrische Kontakt mit den Metallfolien 2,2' der Beläge kann durch eingelegte AnscK'ußstreifen 5 und 6 hergestellt werden, deren Enden au: einem Ende des Kondensatorwickels herausragen. Zur Erzielung eines besseren Kontaktes können die Anschlußstreifen gegebenenfalls an die Metallfolien 2,2' geschweiüt sein und zur Schaffung einer breiteren Kontakifläche mit ihrer jeweils zugehörigen Metallfolie 2, 2' kann der untere Teil der Streifen 5 und 6 eine Erweiterung 7 aufweisen.

Vor dem Imprägnieren gibt man die Kondensatorwikkel 1 im allgemeinen jeweils in einen Behälter, zum Beispiel in einen wie in F i g. 2 gezeigten Metallbehälter 10 und schließt den Behälter mi*, dem Deckel 11 ab.

Obwohl es nicht gezeigt wird, umfaßt der in F i g. 2 gezeigte Kondensator 15 ferner eine dielektrische Flüssigkeit, die den übrigen Raum im Behälter 10, der von dem Kondensatorwickel 1 nicht eingenommen wird, einnimmt und die Kunststoffolie 3 des Dielektrikums imprägniert

Bevor man den Behälter mit dem Deckel schließt, befestigt man die Enden der Anschlußstreifen 5 und 6 an der Anschlüssen 12 bzw. 13, die aus dem Deckel hervorragen und von ihm isoliert sind. Um das Entfernen von Feuchtigkei' und Luft aus des' Anordnung und das Einführen der Imprägnierflüssigkeit zu ermöglichen, hat der Deckel 11 ein kleines Loch 14.

Vor dem 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 15O⁰C. Bei zu niedriger Temperatur ist die Trocknungszeit übermäßig lang, während eine zu hohe Temperatur Zersrtzung und Schrumpfung der Kunststoffolie 3 verursacht.

Die dielektrische Imprägnierflüssigkeit Iti'et man der Kondensatoranordnung 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 der Kondensatorwickel 1 im Behälter 10 mindestens untergetaucht ist. Dm Druck im Sehälter 10 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 Durchfüh-

rung des Imprägnierverfahrens kann man neben den vorstehenden Verfahren auch andere Techniken, die im allgemeinen Wärme und/oder Druck verwenden, einsetzen.

Bestimmte bekannte Imprägnierflüssigkeiten können > verwendet werden. Geeignete Imprägniermittel sind zum Beispiel Mineralöl, Rizinusöl, Baumwollsaatöl. Siliconöl, Polybuten und jede der verschiedenen aromatischen Halogen kohlen Wasserstoffverbindungen. Beispiele für aromatische Halogenverbindungen sind n die chlorierten Diphenyle, die chlorierten Diphenylketone. Pentachlornitrodiphenyl und seine Alkylderivate. chloriertes Benzol und Benzolderivate und dergleichen.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter näher erläutert:

Es wurde eine Gruppe von Leistungskondensatoren hergestellt, die jeweils ein gewickeltes Paar Metallfolien der Beläge aus Aluminium hatten, die durch eine 25 μηι dicke thermoplastische, biaxial orientierte Polypropy-

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von 4 μιη geprägt war. getrennt waren. Die Prägung wurde durch Führen der Folie zwischen ein auf IIO 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 Wickelkonstruktion her.

bei denen jedoch die Polypropylenfolie nicht gepräg war. Beide Gruppen wurden mit chloriertem Diphenv als dielektrische Flüssigkeit unter den gleichen Bedin gungen imprägniert. Die durchschnittliche Glimmein satzspannung der Vergleichsgruppe der Kondensatorei war viel niedriger als die der Gruppe mit der geprägte! Polypropylenfolie. Diese Versuche zeigten, daß da Prägen der Folienoberfläche die Imprägnierbarkeit voi thermoplastischen dielektrischen Folien verbessert.

Bei einem weiteren Vergleich wurde eine zweiti Vergleichsgruppe von Kondensatoren gleicher Größi wie im vorangegangenen Beispiel konstruiert mit de Ausnahme, daß man statt der nicht gcprägtei Polypropylenfolie eine Verbundfolie verwendet, die siel aus einer nicht geprägten 12 |im dicken Polypropylen^ lie und einem 12 μηι dicken Kondensatorpapie zusammensetzte. Damit durchgeführte Versuche zeig ten. daß die Kondensatoren mit geprägter Polypropy lenfolie eine höhere Glimmeinsatzspannung hatten al

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Versuche, die man mit einer Reihe von mit Fliissigkei imprägnierten Kondensatoren durchführte, die Dielek trika aus linearen Polyäthylen- und Polyäthylentereph thalatfolien enthielten, die sowohl geprägt als aucr ungeprägt waren, zeigten, daß in allen Fällen dis Lebensdauer eines eine geprägte Folie enthaltender Kondensators erheblich länger ist als die Lebensdauei eines Kondensators mit einer nicht geprägten Folie.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Kondensator mit zwei Metallfolien als Beläge mit mindestens einer zwischen den Metallfoüen angeordneten aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden, nichtporösen Folie als Dielektrikum, bei dem die Haftneigung zwischen der Oberfläche der Kunststoffolie wnd der Oberfläche der angrenzenden Metallfolie vermindert ist und bei dem mindestens zwischen diesen Oberflächen eine dielektrische Flüssigkeit vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,daß die Kunststoffolie (3) auf mindestens einer ihrer Oberflächen zur Verminderung der Haftneigung Erhebungen (4) aufweist und daß die zwischen den Erhebungen (4) der Folie (3) vorhandenen Räume mit der dielektrischen Flüssigkeit ausgefüllt sind.

2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kunststoffolienoberflächen mit Erhebungen (4) versehen sind.

3. Elektrischer Kondensator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurcft gekennzeichnet, diaß die nichtporöse, thermoplastische Kunststoffolie (3) biaxial orientiert ist

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

5. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material stereoreguläres Polypropylen ist

6. ElCkIrJSCi¹Cr Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (4) durch Prägen eines Musters auf mindestens eine Oberfläche der Kunststoffolie (3) gebildet sind.