DE1802327C3

DE1802327C3 - Elektrischer Kondensator

Info

Publication number: DE1802327C3
Application number: DE19681802327
Authority: DE
Inventors: Paul Legrand Greenville Del. Johnstone
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1967-10-10
Filing date: 1968-10-10
Publication date: 1981-06-25
Also published as: DE1802327B2; 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 Cellulosemalerialien 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 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 im altgemeinen 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 Kunstsi ^rf- 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 Kunststoff dielektrika 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 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 dar Oberfläche der Folie oder durch ihre gesamte Masse, ein in Partikeln auftretendes dielektrisches Material, wie Aluminium oxid. Das Einarbeiten von Aluminiumoxid in den Roh stoff vor der Folienbildung hat die Nachteile, daß es schwierig ist, gleichmäßige Rohstoffdispersionen zu erhalten oder das Harz zu extrudieren, wenn man eine einwandfreie Folie erhalten will.

Aus der US-PS 33 40 4415 ist ein elektrischer Kondensator bekannt, der »us 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 AJumiPc'jmoxidpartikel am

•H> 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

*s Schicht aus Aluminiumoxidparlikel 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 formbestän dig.

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 raumför mige, permanente formstabile Ausbildung derart besitzt, daß durch diese eine gleichbleibende Abstandshaiuing zwischen der Kunststoffolie und der Metallfolie gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem

^h"> elektrischen Kondensator mit zwei Metallfolien als Beläge mit mindestens einer zwischen den Metallfolien angeordneten aus thermoplast schem Kunststoff bestehenden, nichtporösen Folie als Dielektrikum, bei dem

die Haftneigung zwischen der Oberfläche 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 Oberflächen der Folie mit Erhebungen versehen.

Das Material, aus dem die nichtporöse thermoplastische Kunststoffolie, welche das feste Dielektrikum der erfindungsgemäßen Kondensatoren bildet, hergestellt ist, kann jedes thermoplastische filmbildende Homopolymere 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 PolyäthylenterephthaJat, Polystyrol und die Yinylpolymeren, wie Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Copolymere aus Vinyliaenchlorid und Vinylchlorid, Copolymere aus Vinylchlorid und Acrylnitril und dergleichen, die Polykarbonate und die Polyamide. Bevorzugt wegen der guten mechanischen 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-Methylpenten-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 ein 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 mit der Oberfläche nur vorübergehend Kontakt hat, so daß durch die Wärmeeinwirkung und durch einen entsprechend gewählten Prägedruck das gewünschte Muster auf mindestens einer oder beiden Oberflächen der Folie 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 I olie eine Dicke von "> bis 40 um und je nach Foliendicke eine Prägetiefe von 0.5 bis 10 μΐι..

Die Erfindung wird anhand der !-jlgenden Figuren näher erläutert. Die

Fig. 1 gibt eine ,»rrspcktivische Ansicht eines teilweise abgewickelten Kondensatorwickels wieder. In F i g. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Kondensatorwickels nach F i g, 1 gezeigt, nachdem er mit einem Gehäuse versehen wurde. In
F i g. 3 und 4 sind Teilquerschnitte von verwendeten

ί dielektrischen Kunststoffolien und in

F i g. 5 ist eine Draufsicht auf die Oberfläche der Kunststoffolien gezeigt

Die Herstellung des Kondensatorwickels 1 von F i g. 1 erfolgt durch Aufwickeln der Streifen 2 und 2'

ίο 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 'vurde auf beiden Oberflächen geprägt und die in F i g. 4 aufgezeigte nur auf einer Oberfläche.

Der elektrische Kontakt mit den Mctallfolien 2,2' der Beläge kann durch eingelegte Anscrtf-iöstreifen 5 und 6 hergestellt werden, deren Enden aus einem Ende des Kondensatorwickels herausragen. Zur Erzielung eines besseren Kontaktes können die Anschlußslreifen gegebenenfalls an die Metallfolien 2,2' geschweißt sein und zur Schaffung einer breiteren Kontaktfläche 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 mit 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 den Anschlüssen 12 bzw. 13, die aus dem Deckel hervorragen und von ihm isoliert sind. Um das Entfernen von Feuchtigkeit und Luft aus der 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 Trockentempeatur richtet sich nach der Länge des Trocknungszyklus, Deträgt aber im allgemeinen zwischen 60 und 150° C. Bei zu niedriger Temperatur ist die Trocknungszeit übermäßig lang, während eine zu hohe Temperatur Zersetzung und Schrumpfung der Kunststoffolie 3 verursacht

Die dielektrische Imprägnierflüssigkeit leitet man der Kondensatoranordnung durch das Loch 14 zu, vorzugsweise während die getrocknete Anordnung sich noch unter Vakuum in ?inem geeigneten luftleeren Behälter befindet. Im allgemeinen führt man so viel Imprägnierflüssigkeit ein, daß der Kondensatorwickel I im Behälter 10 mindestens untergetaucht ist. Den Drurk im üehälter 10 erhöht man dann auf atmosphärischen Druck und läßt die Anordnung für einige Stunden stehen, damit die

·■■' Imprägnierflüssigk'it 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 Irnprägnierverfahrens kann man neben den vorstehenden Verfahren auch andere Techniken, die im allgemeinen Wärme und/oder Druck verwenden, einsetzen.

Bestimmte bekannte Imprägnierflüssigkeiten können ι verwendet werden. Geeignete Imprägniermittel sind zum Beispiel Mineralöl, Rizinusöl, Baumwollsaatöl, Siliconöl, Polybuten und jede der verschiedenen aromalischen Halogenkohlenwasserstoffverbindungen. Beispiele für aromatische Halogenverbindungen sind m 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: r.

Es wurde eine Gruppe von Leistungskondensatoren hergestellt, die jeweils ein gewickeltes Paar Metallfolien der Beläge aus Aluminium hatten, die durch eine 25 μπι dicke thermoplastische, biaxial orientierte Foiypropylenfolie. die auf beiden Oberflächen bis zu einer Tiefe :n von 4 μπι geprägt war, getrennt waren. Die Prägung wurde durch Führen der Folie zwischen ein auf 110 bis 140'"¹C erhitztes Paar Prägewalzen vorgenommen, so daß in der sehr kurzen Zeit des Kontaktes mit der Walze die Oberflächen der Folie wärmeverformt und ihnen die :ί Oberflächencharakteristiken der Prägewalzen aufgeprägt wurden. Zum Vergleich stellte man eine Gruppe von Kondensatoren gleicher Wickelkonstruktion her.

bei denen jedoch die Polypropylenfolie nicht geprägt war. Beide Gruppen wurden mit chloriertem Diphenyl als dielektrische 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 Folienoberfläche die Imprägnierbarkeit von thermoplastischen dielektrischen Folien verbessert.

Bei einem weiteren Vergleich wurde eine zweite Vergleichsgruppe von Kondensatoren gleicher GröOe wie im vorangegangenen Beispiel konstruiert mit der Ausnahme, daß man statt der nicht geprägten Polypropylenfolie eine Verbundfolie verwendet, die sich aus einer nicht geprägten 12 μπι dicken Polypropylenfolie und einem 12 μπι dicken Kondensatorpapier zusammensetzte. Damit durchgeführte Versuche zeigten, daß die Kondensatoren mit geprägter Polypropyienfoiie eine höhere Giimmeinsatzspanniing halten 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, daß in allen Fällen die Lebensdauer eines eine geprägte Folie enthaltenden Kondensators erheblich langer ist als die Lebensdauer eines Kori.-.insators mit einer nicht geprägten Folie.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer 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 Oberfläche der Kunststoffolie und 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 Kunststoffolienoberflächenmit Erhebungen (4) versehen sind.

3. Elektrischer Kondensator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß 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. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (4) durch Ptägen eines Musters auf mindestens eine Oberfläche der Kunststoffolie (3) gebildet sind.