DE1813371C3 - Verfahren zur Herstellung eines mit Rizinusöl imprägnierten elektrischen Kondensators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit Rizinusöl imprägnierten elektrischen Kondensators, der zwischen den Belägen ein Dielektrikum aus Polypropylen aufweist, bei dem ein Kondensatorwickel hergestellt, der Wickel in ein Gehäuse eingebracht, das Gehäuse evakuiert, das Rizinusöl in das Gehäuse eingefüllt und das Gehäuse abgedichtet wird.

Kondensatoren mit einem Wickel abwechselnder Schichten eines synthetischen Kunstharzfilmes und metallischen Schichten der Beläge sind gewöhnlich mit einem dielektrischen flüssigen Imprägniermittel getränkt, um die Stabilität sowie die Lebensdauer zu erhöhen und für einen niedrigeren Leistungsfaktor des Dielektrikums, d. h. für geringere, dielektrische Verluste der Kondensatoren zu sorgen. Zahlreiche synthetische Kunstharzfilme mit Polyolefinfiimen und insbesondere Propylen sind schwer zu imprägnieren, wenn das Material selbst imprägniert werden soll, da dieses Material gewöhnlich als nichtporös betrachtet werden kann, da es keine wesentliche Anzahl Poren oder Zwischenräume aufweist, die die gegenüberliegenden Oberflächen miteinander verbinden. Gleichzeitig sind jedoch keine durch den Film hindurchführende Porenöffnungen für eine Anwendung in Kondensatoren erwünscht, da sie eine Gefahrenquelle für Überschläge oder Kurzschlüsse der Beläge darstellen. Darüberhinaus weist eine Anzahl bekannter Imprägniermittel nachteilige Wirkungen auf einige Kunstharzfilme auf oder sie sind auf andere Weise mit den Kunstharzfilmen für viele Kondensatoranwendungen nicht verträglich. Zu den bekannten Imprägniermitteln gehört auch Rizinusöl, das als Imprägniermaterial wünschenswerte Eigenschaften für Niederfrequenz- und Energiespeicher-Gleichstromkondensatoren besitzt (US-Patent 33 40 446).

Es ist nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen mit Rizinusöl imprägnierten Kondensators zu schaffen, der gegenüber anderen bekannten Kondensatoren eine höhere Energiespeichereigenschaft, eine erhöhte Stabilität und eine längere Lebensdauer besitzt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs geschilderten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Temperatur des Wickels auf über 9O⁰C

gebracht und über eine zur praktisch vollständigen Imprägnierung des Poiypropylenfilms erforderliche Zeitspanne auf dieser Temperatur gehalten wird, und daß dann vor der Abdichtung des Gehäuses die Temperatur verringert wird.

Es hat sich gezeigt, daß bei einem solchen Herstellungsverfahren das Rizinusöl mit dem Polypropylenfilm verträglich ist und so ein Kondensator erhalten wird, der sich durch hohe Energiespeichereigenschaften, erhöhte Stabilität und lange Lebensdauer auszeichnet

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Film von weniger als etwa 0,025 mm dickem Polypropylen als Dielektrikum verwendet und die Temperatur 12 Stunden lang auf mehr als 100° C gehalten.

Die solchermaßen hergestellten Kondensatoren zeichnen sich durch besonders vorteilhafte Eigenschaften aus.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und der Zeichnungen von Ausführungsbeispielen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kondensatoren näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Darstellung eines Wickelkörpers für den Kondensator

F i g. 2 ist eine Darstellung eines Kondensators mit einem becherartigen Gehäuse, in dem der Kondensatorwickelkörper nach F i g. 1 enthalten ist.

Fig. 3 zeigt einen größeren Kondensator mit einem becherartigen Gehäuse, das zahlreiche langgestreckte Kondensatorkörper enthält, die dem Wickelkörper nach F i g. 1 ähnlich sind.

F i g. 1 zeigt als Beispiel einen Kondensatorwickelkörper 10 mit einem Wickel abwechselnder Schichten 11 und 12 zweier Beläge sowie Streifen 13 und 14 aus Polypropylen. Es werden geeignete Anschlußfahnen 15 und 16 verwendet, die für eine elektrische Verbindung mit den Schichten 11 und 12 der Beläge sorgen. Fahnen 15 und 16 können an mehreren verschiedenen Stellen innerhalb des Wickels selbst angeordnet sein und der Wickel kann eine abgeflachte Form besitzen. Obwohl der Kondensatorwickelkörper 10 in Fig. 1 ein Dielektrikum zeigt, das zwischen den gegenüberliegenden Schichten der Beläge nur einen Streifen aus Polypropylen besitzt, kann das Dielektrikum auch mehrere Streifen aus Polypropylen umfassen. Darüberhinaus kann auch ein oder mehrere Streifen aus Polypropylen zusammen mit Streifen eines anderen Materials wie z. B. Papier verwendet werden. Hierbei wird die Verwendung von biaxial orientiertem Polypropylen bevorzugt. Weiterhin können die Schichten der Beläge aus einem Material bestehen, das auf das Polypropylen oder das Papier als ein Überzug, wie z. B. durch Metallisierung, aufgebracht worden ist.

Die Imprägnierung der in Fig. 1 gezeigten Kondensatorkörper wird gewöhnlich durchgeführt, wenn die Wickelkörper in einem geeigneten Kondensatorgehäuse angeordnet sind. Ein derartiges Gehäuse kann beispielsweise die in der F i g. 2 oder die in der F i g. 3 gezeigte Form besitzen.

In Fig.2 ist ein Kondensator dargestellt, der einen den Kondensatorwickel 10 umschließenden äußeren Becher 17 aufweist. Geeignete Anschlüsse 18 und 19 führen durch eine Wandungsoberfläche oder einen Deckei 20 des Bechers 17 hindurch und sind elektrisch I itend mit den Anschlußfahnen 15 und 16 verbunden. In dem Deckel 20 des Bechers 17 ist eine Öffnung 21

vorgesehen, durch die der Becher mit einem geeigneten dielektrischen Imprägniermittel, in diesem Falle Rizinusöl, gefüllt werden kann und die danach dicht angeschlossen werden kann.

Es gibt eine Anzahl verschiedener Verfahren, um ■-, einen Kondensatorwickel 10 in dem Becher 17 wirksam zu imprägnieren. Beispielsweise kann der Kondensator nach F i g. 2 zur Vakuumtrocknung in eine geeignete Kammer eingebracht werden, um die restliche Feuchtigkeit zu entfernen. Die öffnung 21 in dem Becher 17 erlaubt während des Trockenverfahrens einen Abzug der Feuchtigkeit aus dem Innenraum des Gehäuses. Die Trocknungstemperatur und der Arbeitsgang hängen gewöhnlich von den Materialarten ab, die in dem Kondensatorwickel 10 verwendet werden. Nach der Trocknung wird durch die öffnung 21 hindurch Rizinusöl in die Kondensatoranordnung gegeben, während sich der Kondensator weiterhin unter Vakuum in der abgeschlossenen Kammer befindet. Gewöhnlich wird soviel Imprägnierflüssigkeit eingefüllt, daß zumindest der Kondensatorkörper in dem Behälter völlig eingetaucht ist Der Druck wird dann auf Atmosphärendruck erhöht Die Kondensatoranordnung wird dann für mehrere Stunden stehen gelassen, so daß sich der Kondensatorkörper vollsaugen kann und somit die Imprägnierflüssigkeit durch und durch in den Kondensatorkörper eindringt Nach der Imprägnierung kann die Kondensatoranordnung abgeschlossen werden, indem geeignetes Lötzinn oder ein anderes Dichtmaterial über die öffnung 21 aufgetragen wird.

Die Erfindung geht, bezüglich der Vakuumtrocknung und des Füllens des Gehäuses und des Polypropylen aufweisenden Körpers mit Rizinusöl, von den oben beschriebenen Verfahren aus. Danach wird die Temperatur erhöht und die Anordnung kann für mehrere Stunden ziehen. Bei kleineren Kondensatorwickeln haben Temperaturen über 90° C bereits bei 12 bis 14 Stunden eine praktisch vollständige Imprägnierung bewirkt. Es ist jedoch vorzuziehen, in dem Imprägnierverfahren höhere Temperaturen nahe 100°C oder darüber zu verwenden, damit eine im wesentlichen vollständige Imprägnierung sichergestellt ist. Obwohl sich gewöhnlich derartige Temperaturen über einen gewissen Zeitraum bei anderen Materialkombinationen als nachteilig herausgestellt haben, zeigt die Kombina- Ai tion aus Rizinusöl und Polypropylen keine nachteiligen Wirkungen.

Eine Imprägnierung der Kondensatoren mit dochtartigen Blättern, wie z. B. Papier, zwischen den Schichten aus Polypropylen hat sich nicht als besonders schwierig herausgestellt Wird kein Papier verwendet, wenn also beispielsweise nur ein Polypropylenstreifen oder mehrere Streifen zwischen den Belägen angeordnet werden, ist die Imprägnierung sehr viel schwieriger. Rizinusöl tränkt beispielsweise Polypropylen recht langsam. Es wird keine nennenswerte Imprägnierung der Polypropylenstreifen sichtbar, wenn sie Rizinusöl bei Raumtemperaturen über längere Zeiträume oder sogar bei Temperaturen unter 75° C bei längeren Zeiten ausgesetzt werden. Bei Temperaturen von 75° C hat sich herausgestellt, daß eine Zeit von 24 Std. erforderlich ist, um einige übliche Kondensatorwickel praktisch vollständig zu imprägnieren. Es ist demgemäß wünschenswert, für den Imprägnierungsprozeß Temperaturen über 100° C für mindestens 12 bis 14 Std. zu verwenden, wenn das Verfahren auf kleine Gleichstromkondensatorwickel für Elektronikzwecke angewendet wird, die als Dielektrikum nur Streifen von weniger als etwa 0,025 mm Polypropylen zwischen den Belägen enthalten.

Mit praktisch vollständiger Imprägnierung soll gemeint sein, daß das verwendete Imprägnierungsverfahren zur Folge hat daß sich der dünne Streifen aus Polypropylen mit seiner maximalen oder nahezu minimalen Menge an Imprägniermittel vollsaugt Dieses Vollsaugen geschieht mit Hilfe des Rizinusöls, das praktisch alle vorhandenen Räume in dem Material und ebenso in einigen Fällen das Material selbst ausfüllt, das das Imprägniermittel innerhalb seines Gefüges absorbiert Praktisch vollständige Imprägnierung beinhaltet normalerweise auch das Tränken irgendeines Zwischenraumes zwischen einem Kunstharzfilm und einem gegenüberliegenden Belag.

Das Zeit-Temperatur-Verfahren der beschriebenen Imprägnierung liefert hervorragende Ergebnisse bei der Herstellung von Kondensatoren. Die Aufsaugperiode bei erhöhter Temperatur kann in Beziehung zu einem Beuteltest geätzt werden, in dem ein Rizinusöl enthaltender Polypropylenbeutel in eine erhitzte Kammer eingebracht wird. Die Imprägnierungszeit für diese idealen Bedingungen wird als die Zeit gemessen, die das Rizinusöl bei einer gegebenen Temperatur benötigt, um durch den Beutel zu dringen oder zu diffundieren und auf seiner äußeren Oberfläche zu erscheinen.

Es können eine Anzahl anderer Testverfahren und ebenso Hilfsstufen verwendet werden. Hierzu gehören Zusätze sowie Druck- und Temperaturzyklen. In jedem Falie kann die praktisch vollständige Imprägnierung durch andere Parameter gemessen werden, wie z. B. die Koronazündspannungen. Die Messung dieser Spannungen bei verschiedenen Imprägnierungsgraden zeigt, daß sie sich ausgleichen oder in der Nähe der maximalen Koronazündspannung nur in sehr geringem Maße schwanken, wenn eine praktisch vollständige Imprägnierung vorliegt

Es ist weiterhin gefunden worden, daß Rizinusöl sowohl mit Polypropylen für eine lange Betriebszeit als auch mit der in dem Imprägnierungsverfahren verwendeten hohen Temperatur verträglich ist. Es hat sich auch herausgestellt, daß Polypropylen bei der Imprägnierung nur in sehr geringem Maße und nur kurz aufquillt und plastisch wird. Wichtiger ist jedoch, daß die Kombination aus Polypropylen und Rizinusöl einen Gleichstromkondensator mit einer längeren Lebensdauer bei höherer Betriebstemperatur liefert

Als ein Beispiel für die durch diese Erfindung erzielbaren Vorteile wurden Gleichstromkondensatoren gemäß der Darstellung und der Beschreibung zu F i g. 1 mit einem nur biaxial orientierten Polypropylenfilm von weniger als 0,025 mm Dicke zwischen den Belägen hergestellt. Entsprechende Kondensatoren wurden auf ähnliche Weise einerseits mit einem chlorierten Kohlenwasserstoff und andererseits mit Rizinusöl getränkt In einer Anordnung zur Prüfung der Lebensdauer zeigten die Ergebnisse für die mit chloriertem Kohlenwasserstoff behandelten Kondensatoren ein Versagen nach durchschnittlich 15 Std. Im Vergleich dazu trat bei den nach einem Verfahren gemäß der Erfindung mit Rizinusöl getränkten Einheiten ein Versagen erst nach durchschnittlich 710 Std. auf. Diese Kondensatorprüfungen wurden bei einer Gleichspannung von 788 Volt und einer Temperatur von etwa 85° C durchgeführt.

Das beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Rizinusöl besaß einen Leistungsfaktor von etwa 0,2% bei Frequenzen in der Größenordnung von etwa 60 Hz.

Der Leistungsfaktor geht auf etwa 0,05% zurück, wenn sich die Frequenz auf etwa 1000 Hz erhöht. Bei einem weiteren Ansteigen der Frequenz erhöht sich der Leistungsfaktor, bis er bei Frequenzen von etwa 100 bis 1000 kHz den relativ hohen Wert von etwa 2 bis 5% erreicht. Demgemäß ist Rizinusöl gewöhnlich für Kondensatoren niedriger Frequenz und besonders für Gleichstromkondensatoren empfehlenswert. Rizinusöl kann allein als Imprägniermittel verwendet werden oder es können stabilisierende Zusätze zugegeben werden, oder es kann selbst als eine Mischung mit anderen bekannten Kondensatortränkölen verwendet werden. Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wurden zahlreiche Dielektrikumskombinationen eines Polypropylenstreifens oder

mehrerer Streifen mit oder ohne dochtartigem Streifen praktisch vollständig mit Rizinusöl getränkt. Die erhaltenen Kondensatoren werden nun verschiedenen Prüfungen für elektrische Kondensatoren unterworfen. Die Ergebnisse zeigen die Verträglichkeit des Rizinusöls mit Polypropylen und dessen praktisch vollständige Durchtränkung.

Ein Kondensatorwickel, wie er z. B. als Wickel 10 in F i g. 1 gezeigt ist, kann als einziger Kondensatorkörper in einem Becher, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, oder in einer Ausführungsform mit mehreren Kondensatorwikkelkörpern verwendet werden. Als Beispiel hierfür ist in F i g. 3 ein Kondensator 22 dargestellt, der eine Reihe von Kondensatorwickel 10' enthält, die eine langgestreckte Ausbildung der Wickel 10 aus F i g. 1 darstellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. verfahren zur Herstellung eines mit Rizinusöl imprägnierten elektrischen Kondensators, der zwischen den Belägen ein Dielektrikum aus Polypropylen aufweist, bei dem ein Kondensatorwickel hergestellt, der Wickel in ein Gehäuse eingebracht, das Gehäuse evakuiert, das Rizinusöl in das Gehäuse eingefüllt und das Gehäuse abgedichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Wickels auf über 90⁰C gebracht und über eine zur praktisch vollständigen Imprägnierung des Polypropylenfilms erforderlichen Zeitspanne auf dieser Temperatur gehalten wird, und daß dann vor der Abdichtung des Gehäuses die Temperatur verringert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Film von weniger als etwa 0,025 mm dickem Polypropylen als Dielektrikum verwendet wird und die Temperatur zwölf Stunden lang auf mehr als 100° C gehalten wird.