DE965974C

DE965974C - Selbstausheilender Kondensator

Info

Publication number: DE965974C
Application number: DEB35646A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Helmut Maylandt; Dipl-Phys Paul Schweitzer; Dr-Ing Eberhardt Traub
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1955-05-07
Filing date: 1955-05-07
Publication date: 1957-07-04

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kondensator, der nicht nur bei Durchschlägen an den Durchschlagstellen selbst ausheilt, -sondern auch an Stellen, an denen beispielsweise infolge erhöhter elektrischer Verluste bei Betrieb mit Wechselstrom eine unzulässige örtliche Erwärmung eintritt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß gerade in Wechselstromkondensatoren die Temperatur an einzelnen Stellen derart anwachsen kann, daß das Dielektrikum verkohlt und die Kondensatoren unter dem Druck von in ihrem Innern entwickelten Gasen zerstört werden. Dies kann vermieden werden, wenn ein Kondensator nicht nur eine Belegung enthält, die bei einem Durchschlag um die Durchschlagstelle herum wegbrennt, sondern auch mindestens eine Belegung, die bei Erwärmung thermisch aufreißt, ehe eine schädliche Zersetzung oder sonstige Zerstörung des Dielektrikums eintritt.

Als Metalle, die thermisch aufreißen, ehe eine schädliche Zerstörung des Dielektrikums eintritt, eignen sieb am besten; Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt. Reißt eine solche Belegung an einer lokalen Überwärmungsstelle so auf, daß hier eine Stelle ohne elektrische Leitfähigkeit entsteht, so verschwindet hier das elektrische Feld, und die weitere Erwärmung an dieser Stelle wird vermieden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein volles Verschwinden des elektrischen Feldes an

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Stellen starker lokaler Erwärmung nur dann eintritt, wenn der nach dem thermischen Aufreißen an diesen Stellen vorhandene spezifische Flächenwiderstand des Metallbelags genügend groß ist (Erklärung des Begriffs »spezifischer Flächenwiderstand« siehe am Schluß der Beschreibung.) Im allgemeinen ist es erforderlich, hierzu spezifische Flächenwiderstände von mehr als io⁶ Ohm zu erreichen. Eine solche Erhöhung des Schicht-Widerstands erhält man nicht mit Sicherheit, wenn man nur darauf achtet, daß der Schmelzpunkt des Belagmetalls unter der Zerstörungstemperatur des verwendeten Dielektrikums liegt. Eine einwandfreie Abschaltung des Feldes an den Fehlerstellen ist nur zu erreichen, wenn nicht nur zwischen den beim Aufreißen sich bildenden Metallinseln keine Brücken erhalten bleiben, sondern wenn auch die auf dem Belagmetall stets vorhandene Korrosionsschicht einen entsprechend hohen Widerstand hat. Erfindungsgemäß wird daher als thermisch aufreißfähige Belegung eine niederschmelzende Legierung verwendet, bei der denjenigen Komponenten, die die Aufreißtemperatur bestimmen, eine weitere Komponente zugesetzt ist, welche die Entstehung einer Korrosions- oder Deckschicht an der Oberfläche des Metallbelags zur Folge hat mit einem höheren Widerstand als demjenigen einer Korrosionsschicht, die sich bilden würde, wenn die die Auf reiß temperatur bestimmenden Komponenten allein vorhanden wären. Eine derartige Legierung kann z. B. aus Kadmium, Wismut und Zink mit einer Zusammensetzung von mehr als 5 % Kadmium, 2 bis 80% Wismut und 2 bis 80% Zink bestehen, bei der die geforderte Eigenschaft der entstehenden Korrosionsschicht durch ihren Zinkgehalt bedingt ist. Die Aufreißtemperatur einer Kadmium-Wismut-Zink-Legierung ist allein bestimmt durch den Schmelzpunkt des Eutektikums der Komponenten Kadmium und Wismut. Da aber die Anwesenheit von Kadmium und Wismut allein zu Korrosionsschichten führen würde, die verhältnismäßig .niederohmig sind, würden aufgerissene Kadmium-Wismut-Schichten nicht die obengenannte io⁶-Ohm-Grenze erreichen. Enthält eine solche niederschmelzende Belegung außer Kadmium und Wismut aber auch noch Zink, so entstehen an der Oberfläche dieser Belegung keine Kadmiumdeckschichten, sondern nur noch solche des unedleren Zinks, welche einen wesentlich höheren Widerstand haben als die Korrosionsschiohten des Kadmiums. Darauf ist es zurückzuführen, daß durch aufgerissene Schichten aus Kadmium-Wismut-Zink-Legierungen praktisch kein Stromdurchgang stattfinden kann und so die Schicht an dieser Stelle keine Kondensatorbelegung mehr darstellt.

Gute Verhältnisse ergeben sich unter Verwendung von Legierungen, die aus mehr als 30^/0Kadmium, 5 bis 30% Wismut und 10 bis 40% Zink zusammengesetzt sind. Im praktischen Betrieb haben sich Schichten aus einer Legierung von 60% Kadmium, 20 ^fl/o Wismut und 20% Zink besonders bewährt. Sie reißen bei 143 ° C auf, d. h. also ehe eine schädliche Zersetzung von Papier eintritt, das vielfach als Kondensator dielektrikum Verwendung findet. Der spezifische Flächenwiderstand aufgerissener Kadmium-Wismut-Zink-Schichten beträgt ι o⁸ bis ι o¹⁰ Ohm. Natürlich kann auch von Legierungen mit anderen die Aufreißtemperatur bestimmenden Komponenten, wie z. B. Zinn— Wismut, Blei—Zinn und Zinn—Kadmium, ausgegangen werden, wenn es sich darum handelt, in dem Bereich von 120 bis 200° C thermisch aufreißende Schichten herzustellen. Gegebenenfalls hat dann nur noch die Auswahl einer dritten Legierungskomponente zu erfolgen, die in jedem Fall unedler sein muß als die die Aufreißtemperatur bestimmenden Legierungskomponenten und. die Bildung einer Korrosionsschicht mit höherem Widerstand an der Oberfläche des Metallbelags zur Folge hat als demjenigen einer Korrosionsschicht, die sich beim alleinigen Vorhandensein der übrigen Legierungskomponenten bilden würde. Als dritte Legierungskomponente kommen in Verbindung mit den genannten, die Auf reiß temperatur bestimmenden Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt z. B. Aluminium, Magnesium, Mangan und Indium in Betracht.

Bei selbstheilenden Kondensatoren, die eine bei Erwärmung aufreißende Metallbelegung gemäß der Erfindung besitzen, wird man normalerweise für die andere Belegung eine Metallschicht wählen, die sich möglichst gut eignet für die Ausheilung von Durchschlagstellen, also z. B. eine Schicht, die aus Zink, Kadmium, Aluminium oder Nickel besteht und eine Schichtdicke zwischen 0,01 und 0,2 μ besitzt. Man ist in diesem Fall in der Wahl der Schichtdicke für die bei unzulässiger Erwärmung aufreißende Belegung frei. Man kann aber auch die aufreißende Belegung durch entsprechende Wahl der Schichtdicke so ausbilden, daß sie sowohl bei einem Durchschlag um die Durchschlagstelle herum verschwindet und den Durchschlagstrom unterbricht als auch bei lokal unzulässiger Erwärmung ihre Leitfähigkeit so weit verliert, daß das elektrische Feld an dieser Stelle zusammenbricht. In einem solchen Fall kann für die beiden Kondensate rbelegungen die gleiche Metallschicht oder es kann für die zweite Kondensatorbelegung eine nicht ausheilende andere Metallbelegung, z. B. eine Metallfolie, verwendet werden.

In den Fig. 1 und 2 ist eine aufgerissene Metallschicht im Schnitt und in der Draufsicht in gegenüber der Wirklichkeit verzerrten Größenverhältaissen schematisch dargestellt.

In den Figuren ist mit 10 eine Unterlage bezeichnet, beispielsweise aus 8 μ starkem Kondemsatorpapier, auf welche eine etwa 0,05 μ starke Metallschicht 11 aus einer Kadmium-Wismut-Zink-Legierung aufmetallisiert ist. Auf der Metallschicht 11 hat sich nach der Metallisierung eine iao Korrosionsschicht gebildet, die beispielsweise 0,01 μ stark sein, und aus einem Oxyd bestehen kann. In Fig. 2 ist die Deckschicht der Deutlichkeit halber nicht aufgezeichnet. An der Stelle 13 ist die Metallschicht 12 thermisch aufgerissen, d. h. das Belagmetall hat sich hier unter dem Einfluß

von örtlicher Erwärmung auf die Schmelztemperatur der Kadmium-Wismut-Zink-Legierung (143⁰ C) in zahlreiche kleine, nicht miteinander in Verbindung stehende Inselchen 14 aus dem Belagmetall aufgespalten. Größenordnungsmäßig handelt es sich um io^e Inselchen, die sich pro mm² beim Aufreißen der Metallschicht bilden. Elektronenmikroskopische Untersuchungen haben ergeben, daß sich die Inselbildung dabei in der Regel nur auf den unter der Deckschicht liegenden Metallbelag erstreckt, während die Deckschicht selbst nicht aufgerissen wird, sondern je nach dem Metall, aus dem sie gebildet wurde, als eine noch mehr oder weniger leitfähige Haut über den Metallinseln 14 erhalten bleibt. Bei Verwendung einer Kadmium-Wismut-Zink-Legierung besteht diese Haut vornehmlich aus Zinkoxyd, das einen ausreichend großen Widerstand besitzt, um auf der Aufreißfläche einen spezifischen Flächenwiderstand der verbleibenden Schicht von mehr als io⁶ Ohm zu ergeben.

Als spezifischer Flächenwiderstand ist dabei derjenige Widerstand zu verstehen, der im Bereich der aufgerissenen Fläche 13 zwischen zwei geraden Schneiden meßbar ist, wenn diese auf einen aus der zu messenden. Schicht herausgeschnittenen Streifen konstanter Breite senkrecht zum Streifenrand so aufgesetzt werden, daß sowohl die Länge der Berührungslinie jeder Schneide mit der Schicht als auch der Abstand der Schneiden in Streifenlängsrichtung gleich der Streifenbreite ist. Die Meßflächenlänge ist in, diesem Fall gleich ihrer Breite und die Meßfläche ein Quadrat. Das Meßergebnis ist eine spezifische Größe, da es unabhängig von der Seitenlänge des Quadrats ist. In der Dimension der Meßgröße erscheint keine Länge mehr. Sie lautet lediglich: Ohm.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Selbstausheilender elektrischer Kondensator, der mindestens eine Belegung enthält, die bei einem Durchschlag um die Durchschlagstelle herum wegbrennt, und mindestens eine niedrigschmelzende Belegung, die bei Erwärmung thermisch aufreißt, ehe eine schädliche Zerstörung des Dielektrikums eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß den die Aufreißtemperatur bestimmenden Komponenten der für die niedrigschmelzende Belegung verwendeten Legierung eine weitere Komponente zugesetzt ist, welche die Entstehung einer Korrosionsschicht an der Oberfläche des Metallbelags zur Folge hat mit einem höheren Widerstand als demjenigen einer Korrosionsschicht, die sich bilden würde, wenn die die Auf reiß temperatur bestimmenden Komponenten allein vorhanden wären.
2. Selbstausheilender Kondensator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die die Auf reiß temperatur bestimmenden Legierungskomponenten der niedrigschmelzenden BeIe- gung aus Kadmium und Wismut bestehen.
3. Selbstausheilender Kondensator nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von kadmiumhaltigen Legierungen für die aufreißende Belegung Zink als zusätzliche Legierungskomponente beigemengt ist.
4. Selbstausheilender Kondensator nach Anspruch ι bis 3*, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch aufreißende Belegung aus einer Legierung von mehr als 5"/»Kadmium, 2 bis 80% Wismut und 2 bis 80% Zink besteht.
5. Selbstausheilender Kondensator nach Anspruch ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch aufreißende Belegung aus einer Legierung von mehr als 30% Kadmium, 5 bis 30% Wismut und 10 bis 40^/0 Zink besteht.
6. Selbstausheilender Kondensator nach Anspruch ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch aufreißende Belegung aus einer Legierung von 60% Kadmium, 20% Wismut und 20 Vo Zink besteht.
7. Selbstausheilender Kondensator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch aufreißende Belegung aus einer die Aufreiß temperatur bestimmenden Legierung besteht, welcher Aluminium beigemengt ist.
8. Selbstausheilender Kondensator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch aufreißende Belegung aus einer die Auf- 9» reiß temperatur bestimmenden Legierung besteht, welcher Magnesium beigemengt ist.
9. Selbstausheilender Kondensator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch aufreißende Belegung aus einer die Aufreißtemperatur bestimmenden Legierung besteht, welcher Mangan beigemengt ist.
10. Selbstausheilender Kondensator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß. die thermisch aufreißende Belegung aus einer die Aufreißtemperatur bestimmenden Legierung besteht, welcher Indium beigemengt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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