DE849147C - Verfahren zur Herstellung elektrischer Wickelkondensatoren und Kondensator - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung elektrischer Wickelkondensatoren und Kondensator Es sind elektrische Kondensatoren bekannt, bei denen das Dielektrikutn nach den für frittenhaltige Massen, Glasuren oder Emaillen üblichen Verfahren auf die Belegungen aufgetragen ist. Es ist auch bekannt, Metallplatten, die auf diese Weise mit dielektrischen Schichten überzogen sind, zu Kondensatorpaketen aufzuschichten. Man hat ferner bei Kondens ,atoren der erwähnten Art vorgeschlagen, als leitenden Belag Metallüberzüge zu verwenden, die von einem keramischen Körper getragen werden. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, Wickelkondensatoren hoher Kapazitätswerte zu schaffen, die ein anorganisches Dielektrikum besitzen und deshalb die günstigen Eigenschaften derartiger Kondensatoren hinsichtlich hoher elektrischer Belastbarkeit, geringer Verluste und einer kleinen Temperaturabhängigkeit der Kapazitätswerte aufweisen. Gemäß der Erfindung wird auf einer als Belag dienenden biegsamen Metallfolie die dielektrische Schicht als Pulver, vorzugsweise in Form einer Suspension, aufgetragen. Nach ausreichender Verfestigung der dielektrischen Schicht beerden mehrere Belegungen zu einem Kondensator aufgewickelt, wobei die Dicke der dielektrischen Schicht so gering gewählt wird, daß der Wickelvorgang ohne Beschädigung der dielektrischen Schicht durchgeführt werden kann. Auf diese Weise gelingt es, Kondensatoren mit anorganischem Dielektrikum nach Art von Wickelkondensatoren und Kondensatoren hoher Kapazitätswerte in einem verhältnismäßig einfachen Arbeitsgang herzustellen.
• Das auf den. Kondensatorbelag als Pulver aufgetragene Dielektrikum wird gemäß der weiteren Erfindung vor oder nach Aufwickeln durch Sintern verfestigt. Man kann beispielsweise so vorgehen, daß man zunächst das Dielektrikum, das in Foren einer Suspension durch Streichen, Spritzen oder Tauchen aufgetragen ist, durch Vorsintern verfestigt, wobei gleichzeitig die als Suspensions- oder Klebemittel benutzten Substanzen ausgetrieben werden können. Es empfiehlt sich, dieVorsinterungsteinperatur so hoch zu wählen, daß das Suspensionsinittel restlos verdampft und der dielektrische Stoff an der Metallunterlage haftet. Als Suspensionsmittel koinnten in erster Linie Flüssigkeiten in Betracht, die ohne Rückstand, gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur, verdampfen oder ohne Rückstand verbrennen, wie z. B. Paraffinöl, Alkohole u. dgl. Um der nach der Entfernung des Suspensionsinittels zurückbleibenden Schicht des dielektrischen Stoffes eine erhöhte Festigkeit zu verleihen, kann es sich einlifelilen. (las Dielektrikum mit einer Lösung von anorganischen Stoffen aufzuschlämmen, so daß der gelöste Stoff nach dem Verdampfen des Lösungsiiiittcls als Bindemittel wirkt. So kann inan bei-=pielstveise das Dielektrikuin in Form der Suspension eines anorganischen Stoffes in Lösungen von Schellack in Alkohol, Kollodium, Kampferlösungen oder Lösungen von organischen Stoffen, wie Nitrocelltilose in Amylacetat oder Alkohol aufschlämiueu.Wie bereits angedeutet, kann man wohl den Sinterungsvorgang in einen Zeitraum nach dem Aufwickeln der Kondensatorbelegungen verlegen, es einphelilt sich jedoch, unter Umständen bereits vorher für die Austreibung der Suspensions- oder Bindemittel zu sorgen, weil dies, insbesondere bei hondensatorpaketen großer Ausdehnung, sonst eine störend lange Zeit erfordert.
• Als Dielektrikum zur Herstellung von Kondensatoren gemäß der Erfindung kommen anorganische Stoffe in Betracht, die neben guten elektrischen Eigenschaften eineSinterungsteniperaturaufweisen, die noch genügend unterhalb der Schinelzteniperatur des zur Herstellung des Metallbelages dienenden metalls liegt.
• So kann man beispielsweise Pulver von Gläsern hoher Durchschlagsfestigkeit und geringer dielektrischer Verhiste verwenden. Man kann aber auch zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstante Glaspulver finit pulverförmigen Stoffen hoher Dielektrizitätskoustante, wie geeigneten Metalloxyden, insbesondere Titandioxyd, vermengen. Obwohl in diesen Fällen bei der Sinterungstemperatur der beigeinengte Stoff, z. li. Titanoxyd, selbst nicht an der Sinterung beteiligt ist, erhält man bei geeignetem Glaszusatz eine genügend dichte Schicht, da das Glaspulver gewissermaßen als Bindemittel zwischen (len "Teilchen hoher Dielektrizitätskonstante dient.
• L?ber die Teilchengröße des zur Herstellung der dielektrischen Schicht dienenden Pulvers läßt sich sagen, daß die mittlere Teilchengröße nur einen kleinen Bruchteil der Dicke der dielektrischen Schicht betragen soll. Pulver genügender Feinheit lassen sich in bekannter Weise finit Hilfe von Kugelmühlen und .Anwendung geeigneter Sclilämniverfahren gewinnen. Es kann sich auch empfehlen, Gläser verschiedener Beschaffenheit, insbesondere @erschied'en hoher Erweichungspunkte anzuwenden.
• Die Sinterung der dielektrischen Schicht wird zweckmäßig in einem indifferenten Gas, gegebenenfalls unter erhöhtem Druck. durchgeführt. Man kann aber auch den Sintcrtingsvorgang im Vakuum durchführen. Wesentlich ist in allen diesen Fällen, daß eine unerwünschte starke Oxydation der als Belag dienenden lietallscliiclit vermieden wird. In gewissen Fällen ist es zweckmäßig, Sauerstoff, zumindest am Ende des Sinterungsvorganges, einwirken zu lassen, um etwa in dem Dielektrikum vorhandene oder in das Dielektrikuni eingedrungene, die Isolationsfähigkeit tind die Verloste beeinträchtigende Metallteilchen in tinscliiidliclie Oxyde umzuwandeln.
• Es kann sich enipfelilen, die als leitenden Belag dienende Metallschicht von vornherein oberflächlich zu oxydieren. Dadurch kann die Haftfestigkeit des Dielektrikums an der Unterlage sowie die Isolation verbessert werden. Der leitende Belag kann beispielsweise aus oberflächlich oxydiertem Aluminium, aber auch aus oxydiertem Xtipfer oder ktipferplattiertein Aluminium, das oberflächlich oxydiert ist, leergestellt werden. Es koininen aber auch andere Metalle, z. B. Eisen, das gegcbeiienfalls ebenfalls verkupfert sein kann, als Materialich zur Herstellung der leitenden Beläge in Betracht.
• Während des Sinterungsvorganges kann inan auch 'Maßnahmen anwenden, tini durch inechanisclie Einwirkung auf die dielektrische Schicht deren Gefüge zu beeinflussen, insbesondere zu verdichten. Hierzu gehören vor allein Walz- und PrCßvorgänge, durch die in geeigneten T eniperattirgebieten nicht nur das Gefüge verdichtet, sondern auch die Oberfläche geglättet werden kann.
• je nachdem, ob man den Metallbelag gemäß der Erfindung nur auf der einen oder auf beiden Seiten mit einer dielektrischen biegsamen Schicht überzieht, wird man die Schichtdicke entweder gleich dem Abstand der Belegungen des Kondensators oder gleich der Hälfte dieses Abstandes wählen. Es ist auch nicht erforderlich, zwei in der beschriebenen Weise mit einem Dielektrikuin bedeckte Belegungen als Elektroden des Kondensators zti verwenden. Man kann vielmehr den einen Belag auch durch Überziehen der dielektrischen Schicht finit einer dünnen Metallschicht auf elektrocheinischein Wege oder durch Aufdampfen (Kathodenzerstäubung od.-dgl.) herstellen. Es enipfielilt sich, nur diejenigen Teile der Metalllnelegungen frei von dem Dielektrikuni zu lassen, die finit Sttonanschlüssen versehen werden müssen. Nach dein Aufwickeln der Belegungen kann man während des Sinterungsprozesses den Kondensatorwickel durch Druckwerkzeuge unter Druck setzen, so daß Zwisclienräuine zwischen den Metallbelegungen und den dielektrischen Schichten vermieden werden. Der Vorsillterungsprozeß, der so geführt werden kann, dali der dielektrische Belag an der Unterlage haftet, kann, ebenso wie der eigentliche Sinterungsvorgang, in c,ineni itierten Gas, gegebenenfalls bei erhöhtem Druck oder itii Vakuum, durchgeführt \N ei-deii. Auch bei vier Herstellung von Kondensatoren dc rart, claß vor dem Aufwickeln der dielektrisclie Belag zu einer zusammenhängenden dichten Schicht gesintert wird, kann es sich empfehlen, nach dein .\nfwickeln den Kondensatorwickel nochmals eitic#r "l@enillei-atui-beliandlung zu unterwerfen, um innere Spanneiigen im Dielektrikilin zu beseitigen. :\tic ü lassen sich durch eine solche Temperaturlielialltllu»,g llei geringfügigem Erweichen der dielekti-isclic#ii Schicht unerwünschte Zwischenräume bei :\nt@eilduiig voii ausreichendem Druck beseitigen.
• 1,,s einptichlt sich, nach der Herstellung des Konc!ensatori@-ickels geni;iß der Erfindung die Ränder der \Ictalllrclegungcn in der für die Herstellung der dielchtrisdlen Schicht beschriebenen Weise mit einer Isolierschicht zu überziehen. Das gilt sowohl 1 'ü i - den 1,a11, tlaß der Wickelvorgang vor oder nach dein \'orsiiitt-rn durchgeführt wird. Die nachträglich ;in tleii hindern aufgetragene Isolierschicht t\ iril z\\ ecl;ni:ihig geinä ß der Erfindung ebenfalls <furch Sititurn vcrfestigt. Man kann zur Herstellung diesei Schicht die gleiche Emulsion verwenden wie zier llerstt#lluiig der dielektrischen Schichten im hcmtl@.iisator. \Ian kann aller auch die etwa zur ErliiiltLiiig (IL-i- I helektrizit:itskonstante dienenden Zus;itzc w@glasscii, weil es bei der Randisolierunghier-'iii nicht ailkcmimt. Durch das zuletzt beschriebene \ erlalirc» kaibi der fertige Kondensatorwickel auch iitit ciiier diese 111-örller dicht umschließenden Hülle verselicii werden.
• Ger Durchfiihrung des Sinterungsvorgariges kann inan sich verschiedener Methoden bedienen. \lan kann In-ispielsweise Öfen bekannter Art zu diesem Zweck verwenden. Wenn es sich um die Betlccknng \ciii Metallländern mit dielektrischen Sc llic litt lt handelt, kann man Durchziehöfen benutzeii, clie gegeltcnenfalls finit Vakuumschleuse und \'<ilctiunikaninier oder Druckschleuse und Druckl,.:tiniiicr versehen sirret. Mit Hilfe automatischer Kegeleinrichtungen kann inan auch die Sinterungsteniperatur im Ofen selbst auf einen als zweckmäßig "efuntlciieii \Vert einstellen. Ein anderer Weg, die Sinterung otlcr\-otsititerting durchzuführen, besteht darin, dal.l inan cleri finit der Emulsion eines elektrischen Stoftes bedeckten Belag in ein elektrisches oder nui»eti;clie, 1-lochfrequenzfeld bringt und datnit die t'iiterlage der dielektrischen Schicht oder auch tlie dicld;trische Schicht selbst durch die darin entstehenclril \'erlttste erhitzt. Dieses Verfahren kaiirr sot\lilil lwi einzelnen Schichten als auch bei t itiein h@-tii@lcllsatc»-wickel durchgeführt werden. Im letztercii Uall kann inan die Erwärmung der dielektriscücn Schicht noch durch Anlegung einer l lticlifrec@ueiizsllaninnig an die Belegungen des Kon-(leils;ttt @r: fi@rtlern. 1)ie:\n@@-endung einer hohenSpanituiig (tilciclia@;iniiung oder Niederfrequenzspaniitiiig), auch \\ eiiii sie wegen ihrer geringen Frequenz nicht ausreicht, um durch die Verluste im Kondensator eine nennenswerte Erwärmung herbeizuführen, kann sich auch empfehlen, um den Kondensator, z. B. durch Wegbrennen- leitender Brücken, in eine stabile Form zu bringen. Man kann dabei auch die bei der Anwendung von Gleichstrom auftretenden Polarisationserscheinungen ausnutzen. Eine derartige Behandlung des Kondensators wird zweckmäßig finit allmählich ansteigender Spannung durchgeführt. Die Behandlung der dielektrischen Schichten durch Anlegen von Spannungen kann gemäß der Erfindung auch während der etwa zur Anwendung kominenden Walz- oder Preßvorgänge durchgeführt werden.
• Einerlei, ob der Siliterungsvorgang im Durchziehofen oder Hochfrequenzfeld durchgeführt wird, empfiehlt es sich, für eine allmähliche Abkühlung der behandelten Schichten zu sorgen, um mechanische Spannungen zu vermeiden.
• Zur Vereinfachung der Fabrikation empfiehlt es sich, Kondensatorwickel in eitler oder mehreren vorbestininiten Größen herzustellen und mehrere solcher Wickel zur Herstellung von Kondensatoren verschiedener Typengröße in öl- oder gasgefüllten Behältern zu vereinigen. Das die Kond'ensatorwickel umäebende Medium wird dabei zweckmäßig so gewählt, daß es die gleiche Durchschlagsfestigkeit besitzt wie das Dielektrikum selbst.
• In bestimmten Fällen kann es sich empfehlen, die dielektrischen Schichten vor der Herstellung des \\7ickels, aber nach dem Sinterungsvorgang mit Flüssigkeiten, hoher Durchschlagfestigkeit, z. B. gecigneten Ölen, zu tränken. Dies gilt insbesondere bei Kondensatoren, die in einen ölgefüllten Behälter eingeschlossen werden. Es ist bekannt, daß anorganische Stoffe durch die Hinzufügung von weiteren Stoffen, insbesondere solchen, die hygroskopisch sind, eine erhebliche Veränderung ihrer Eigenschaften erfahren, ähnlich wie dies bei Kunststoffen mit Hilfe der sogenannten Weichmacher geschieht. Auf diese Weise gelingt es, die Elastizität und Nachgiebigkeit von dielektrischen Schichten gemäß der Erfindung zu erhöhen. Man kann auf diese Weise die Wickelfähigkeit von Metallfolien, die mit dielektrischen Schichten bedeckt sind, erhöhen.
• Man kann auch den Kondensatorwickel dauernd in einer genügend isolierenden Flüssigkeit anordnen, die im obigen Sinne als Weichmacher dient. Wenn man Weichmacher anwendet, die sich durch Erwärmen verhältnismäßig leicht austreiben lassen, dann kann nian auch den Weichmacher nach dem Wickeln wieder entfernen. Das gilt insbesondere für den Fall, daß der Sinterungsprozeß erst nach dein Aufwickeln durchgeführt wird und verhältnismäßig hohe Temperaturen angewandt werden können.

Claims (20)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung elektrischer Wickelkondensatoren, bei welchen der Raum zwischen den Metallbelegungen durch ein anorganisches Dielektrikuni ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer als Belag dienenden biegsamen Metallfolie die dielektrische Schicht als Pulver, vorzugsweise in Form einer Suspension, aufgetragen wird, d'aß nach ausreichender Verfestigung der dielektrischen Schicht mehrere Belegungen zu einem Kondensatorwickel aufgewickelt werden und daß die Dicke der dielektrischen Schicht so gering gewählt wird, daß der Wickelvorgang ohne Beschädigung der dielektrischen Schicht durchführbar ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das als Pulver aufgetragene Dielektrikum durch Sintern verfestigt wird und daß der Sinterungsvorgang vor oder nach dem Aufwickeln durchführbar ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die diefektrische Schicht vor dem Aufwickeln der Belegungen durch Vorsintern verfestigt und gegebenenfalls gleichzeitig das Suspensions- oder Klebemittel ausgetrieben wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsinterungstemperatur so hoch gewählt wird, d'aß das Suspension.smittel restlos verdampft und der dielektrische Stoff an der Metallunterlage haftet.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung oder Vorsinterung in einer inerten Gasatmosphäre, gegebenenfalls bei erhöhtem Druck oder im Vakuum durchgeführt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch. i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht durch Sintern von Glaspulver hoher Durchschlagsfestigkeit oder Gemengen von Glaspulvern und anorganischen Stoffen hoher Dielektrizitätskonstante, wie z. B. Titandioxyd oder anderen geeigneten Metalloxyden, hergestellt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Suspensionsmittel organische Flüssigkeiten oder Lösungen verwendet werden, die ohne Rückstand aus der dielektrischen Schicht ausgetrieben werden (Paraffinöl, Sclhellack-Alkohol-Lösung, Lösungen von organischen Stoffen, wie Nitrocellulose in Amylacetat oder -aceton, Kollodium, Kampferlösungen u. dgl.). B.
8. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht durch Aufspritzen einer Emulsion aufgetragen wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Suspension des Dielektrikums, vorzugsweise durch Spritzen, versehene Metallbelag, nachdem die dielektrische Schicht durch völlige oder teilweise Verdampfung des Suspensionsmittels eine ausreichende Festigkeit erreicht hat, aufgewickelt wird. und,die so hergestellten Einheiten während des Sinterungsprozesses durch Druckwerkzeuge gehalten werden. to.
10. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß während des Sinterungs- oder Vorsinterungsvorganges die dielektrische Schicht der Einwirkung von Sauerstoff ausgesetzt wird. i i.
11. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden; dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatorwickel vor oder nach dem Verfestigen der dielektrischen Schicht an den nicht zur Stromzuführung benötigten Stellen erneut mit einer Emulsion eines anorganischen Stoffes, insbesondere Glas (z. B. der zur Herstellung der dielektrisdhen Schichten benutzten Emulsion), umspritzt und die so hergestellte Schicht durch Sintern verfestigt wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbelegungen derart mit dem Dielektrikum umgeben werden, daß sie mit Ausnahme der zur Stromzuführung dienenden Punkte keine unbedeckten Metallkanten aufweisen.
13. 13. Verfahren nach Anspruch i i oder 12, dadurch gekennzeichnet, d'aß der Kondensatorwickel nach dem Sintern nochmals mit der Emulsion eines anorganischen Stoffes bedeckt wird, die dann durch Sintern verfestigt wird. '
14. 14. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallbelag verkupferte Aluminiumfolien dienen, deren Oberfläche oxydiert ist.
15. 15. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dielektrischen Schicht bei einseitiger Bedeckung des leitenden Belages gleich dem Abstand zwischen den Belegungen des Kondensators, bei doppelseitiger Bespritzung gleich der Hälfte dieses Abstandes gewählt wird.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag, insbesondere in Form eines Metallbandes, durch ein elektrisches oder magnetisches Hochfrequenzfeld geführt wird, derart, daß der Metallbelag und die dielektrische Schicht die vorgeschriebene Sinterungstemperatur annehmen.
17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Sinterungsvorgang Walz- oder Preßvorgänge, gegebenenfalls ebenfalls im Hochfrequenzfeld, anschließen.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Sinterungsvorgang der mit dem Dielektrikum bedeckte Metallbelag allmählich abgekühlt wird. i9.
19. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag in Form eines Metallbandes durch einen Durchziehofen bekannter Art läuft, der gegebenenfalls mit Vakuumschleuse und Vakuumkammer oder Druckschleuse und Druckkammer versehen ist und vorzugsweise mit automatischer Temperaturregelung arbeitet.
20. 20. Verfahren zur Herstellung von Kondensatorwickeln nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an die Belegungen während des Simterung@vorganges, gegebenenfalls langsam steigend, eine elektrische Spannung angelegt wird. 2i. Kondensator. bestehend aus nach dem Verfahren nach Anspruch t oder einem der folgenden hergestellten Wickeln, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kondensatorwickel vorbestimmter Größe zu Kondensatorblockeinheiten verschiedener Typengröße vereinigt und in öl-oder gasgefüllte Behälter eingeschlossen sind. 2a. Kondensator nach Anspruch 2r, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kondensatorwickel umgebende Medium so gewählt ist, daß es die gleiche Durchschlagsfestigkeit besitzt wie das Dielektrikum des Kondensators.