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PERFECTIONNEMENTS AUX APPAREILS ELECTRIQUES A ELECTROLYTE IMMOBILISE.-
La présente invention est relative aux dispositifs qui utilisent un électrolyte immobilisé, par exemple des condensateurs, des redresseurs, des coupe-circuits. L'objet de l'invention est d'améliorer la stabilité et la rapi- dité d'action de tels appareils, de manière qu'ils conservent toutes leurs pos- sibilités d'action et les caractéristiques voulues, même après de longues pério- des de repos.
Jusqu'ici, les dispositifs électrolytiques sont à base d'un film d'oxyde ou analogue formant isolant et qui recouvre au moins une des élec-
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-trodes. Ce film est sujet à se détériorer lorsque le dispositif ne fonctionne pas pendant longtemps, ou encore lorsqu'on l'expose à des températures un peu supérieures à la température ambiante. En fait, les condensateurs accouplés avec des moteurs électriques et qui ne fonctionnent, pour ainsi dire, que lors des démarrages, peuvent être soumis à des températures élevées pendant de longues périodes de repos. Dans ces conditions, la capacité et le facteur de puissance de ces dispositifs sont exposés aux plus grands risques de détérioration.
D'autre part, on doit éviter que l'électrolyte grimpe le long des électrodes, qu'il s'évapore ou subisse une décomposition qui provoquerait la formation de gaz nuisibles. Tous ces inconvénients se rencontrent à quelque degré dans les condensateurs connus, dont ils ont entravé le développement industriel.
D'une façon générale, les appareils électrolytiques connus peu- vent être répartis en deux grandes classes. Les uns sont du type "humide", c'est- à-dire que l'électrolyte en est constitué par des solutions salines aqueuses re- lativemert diluées. La seconde classe est du type "sec" et peut comporter deux catégories d'appareils. Dans certains l'électrolyte est un sel hydraté avec juste assez peu de liquide pour obtenir une pâte ou un milieu très visqueux. D'autres comportent un électrolyte complètement solide.
Parfois l'éleotrolyte est un sel anhydre; dans d'autres cas, on a jugé indispensable de lui adjoindre une petite quantité d'eau. Dans les condensateurs du type sec ou plus exactement à électro- lyte immobilisé, on utilise une quantité relativement petite d'électrolyte dispo- sée entre les électrodes qui sont des plaques, et cet électrolyte est pâteux.
Certaines formes de condensateurs secs emploient un électrolyte visqueux tel que la glycérine qui confère à cet électrolyte la haute viscosité et le caractère hygroscpique jugé nécessaire.
Dans la fabrication d'un condensateur de type sec, puisque les températures peuvent s'élever jusqu'à. 100 C., l'association d'eau avec un élec- trolyte se heurte à des difficultés pour maintenir la composition exacte. Or, toute variation de celle-ci entraîne une variation des caractéristiques et dans la résistance intérieure. L'association d'un sel avec de faibles quantités d'un liquide donnant une pâte, apporte des caractéristiques est notamment une résis- tance qui se modifie au cours de la fabrication et de l'emploi du condensateur.
Tout changement de composition entraîne aussi une modification du taux des pertes ou du facteur de puissance de l'appareil. En associant un sel et un liquide pour
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obtenir un électrlyte convenant à des condensateurs électrolytiques, on a esti- mé nécessaire jusqu'ici de les choisir de façon que leur mélange soit une solu- tion limpide à toute temnérature suffisamment basse pour permettre l'imprégna- tion. c'est-à-dire en général au maximum de 100 à 120 C.. Pour s'affranchir de cette condition, on a également utilisé un électrolyte en pâte épaisse que l'on étable sur une mousseline ou sur un diaphragme analogue avant de faire l'assem- blage du condensateur; mais cette opération est coûteuse et n'est guère adaptée à une production intensive.
De plus, elle donne des condensateurs de fabrication difficile et peu constante.
Conformément à l'invention, on évite toutes ces difficultés en choiesissant des électrolytes des types indiqués plus loin. Leur résistance élec- trique est pratiquement constante pour une large étendue de compositions variées.
De plus, ces mélanges d'électrolytes possèdent de telles caractéristiques qu'on peut en imprégner les condensateurs secs à des températures bien Inférieures à celles pour laquelle ces mélanges pourraient se décomposer ou se mddifier chimi- quement, même si le liquide en résultant n'est pas limpide. Puisqu'on s'affran- chit des limitations mentionnées plus haut, on s'affranohit aussi dans certains cas de toute matière auxiliaire liquide ou visqueuse, et les condensateurs ainsi construits constituent des produits d'ordre toute à fait nouveau.
Suivant une première variante de l'invention, l'électrolyte est composé par un mélange de deux ou plusieurs substances différentes dont au moins un sel. De préférence on mélange au moins deux sels à des températures qui, en général, ne dépassent pas 120 C.. Au cours du refroidissement, chacun d'eux empêche la cristallisation de l'autre. Ceux qui conviennent à l'exécution du procédé sont solides à la température ambiante ; mais une fois associés, ils donnent des liquides denses ou des solides plastiques ou pâteux à la température ambiante. A un certain point de vue, ces mélanges sont analogues aux alliages eutectiques entre deux métaux ou davantage, car on en choisit les proportions au voisinage de la composition "cryohydratique".
Les électrolytes décrits ci-dessous consistent donc en deux ou plusieurs substapces dont un sel, chacune de ces substapces étant solide lorsqu' elle est isolée à la température ambiante. L'électrolyte en résultant est au contraire liquide ou pâteux une température plus basse que le point de fusion de son constituant le plus fusible. Dans ce qui suit, on désignera ces mélanges sous le nom de cryohydratiques.
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Sur la planche jointe, les fig.l et 2 représentent un conden- sateur du type décrit ici, les fig. 3, 4 et 6 concernent des variantes dans la construction, et la Fig.5 montre un dispositif particulier de bornes pour la prise da courant.
L'un des ingrédients de l'éleotrolyte cryo-hydratique conforme à l'invention est constitué par un ou plusieurs sels solubles dans l'eau d'un acide organique, par exemple un sel ammoniacal. On peut utiliser notamment des sels des acides formique, acétique, propionique, butyrique, lactique, citrique, oxalique, carbonique, linoléique, tartrique ou salicylique, Comme second consti- tuant de l'électrolyte cryohydratique, on peut employer un grand nombre de subs- tances telles que des sels alcalins, des sels ammoniacaux ou des sels d'autres métaux tels que le plomb, le zinc, le calcium, ou encore les acides comme l'acide molybdique, ou enfin des matières organiques qui n'ont pas le caractère salin, par exemple un glucide tel que le dextrose.
En se reportant au dessin, le condensateur de la Fig.Z comporte des armatures ou électrodes 1 et 2 en métal convenable, comme l'aluminium, le tantale, le magnésium. Généralement, on utilise des feuilles d'aluminium dont l'épaisseur est d'environ 0,025 à 0,075 mm. Entre ces feuilles, on dispose un diaphragme poreux 3 imprégné d'un mélange électrolytique au cours de la fabri- cation du condensateur. Ce diaphragme peut être une mousseline, du papier poreux, etc.. Sur le dessin, on a représenté deux diaphragmes 3 et 3h, le condensateur des fig.l et 2 étant du type à enroulement, le diaphragme doit être par consé- quent présent, dans tous les cas, entre les spires consécutives des armatures enroulées.
Les diaphragmes 3 et 3' qui sont de préférence en mousseline, doivent être pratiquement exempts de chlorures et peuvent avoir une épaisseur comprise entre les limites 0,06 et 0,14 mm., bien que ces épaisseurs ne soient pas impératives. Si le diaphragme est en tissue, on en peut largement modifier la texture. Le nombre des fils de là mousseline peut être par exemple de 40 x 44.
Comme on le voit en 4 sur la Fig.3, on peut utiliser un diaphragme en papier dont la porosité soit analogue à celle du papier buvard. L'épaisseur de ce papier peut être comprise entre les limites 0,018 et 0,025 mm. On peut perforer ce diaphragme au moyen de trous.représentés en 5 sur la Fig.4. On a observé que du papier dont les trous ont 1 mm. de diamètre et espacés de 1 à 2 mm. convient
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bien. Au surplus, le diaphragme n'est pas une caractéristique indispensable de l'invention; bien que son emploi soit préférable on peut le supprimer ; que la composition électrolytique soit étalée sur les électrodes.
Avant d'assembler les électrodes, il vaut mieux les revêtir d'une couche d'oxyde, obtenue par oxydation électrolytique en conformité des procédés bien connus* Les électrodes employées de préférence sont constituées par des longueurs indéfinies d'une feuille métallique mince, comme on le voit sur la
Fig.2; mais on peut également utiliser des plaques planes représentées en 6 et 7 sur les figés et 4. Ces plaques peuvent aussi être striées ou de toute autre for- me (non représentée) sans altérer les caractères essentiels de l'invention.
Un électrolyte convenant bien à l'emploi pour cette oxydation électrolytique préalable peut être préparé en dissolvant 80 gr. d'acide borique et 2 gr. de borax dans un litre d'eau distillée. On peut d'ailleurs modifier considérablement cette composition, sans affecter sensiblement les résultats.
Le traitement d'oxydation peut être entièrement effectué dans un récipient, ou encore la matière de l'électrode, lorsqu'elle est constituée par de longues ban- des de feuilles métalliques, peut traverser successivement une série de bains électrolytiques dans des récipients différents, la concentration dans chaque bain étant supérieure à celle du bain précédent, et cette progression se poursuivant depuis le premier jusqu'au dernier. De préférence, on chauffe ltélectrolyte pen- dant cette oxydation à une température qui est normalement de 90 à 96 C.. La tension à laquelle est soumis le bain pour ce dépôt électrolytique doi être, si possible, la même que celle sous laquelle opérera le condensateur, ou bien lui être supérieure de 10%,.
Lorsque les condensateurs sont destinés à fonctionner sur courant alternatif, l'oxydation électrolytique peut être exécutée sous cou- rant continu ou sous courant alternatif. On utilise de préférence le courant con- tinu sous une tension égale ou légèrement supérieure à la tension maxima du cou- rant alternatif auquel le condensateur sera soumis. Ainsi, une feuille d'alumi- nium destinée à fonctionner sous 110 volts courant alternatif, peut être oxydée par traitement sous courant continu, cette feuille servant d'anode, etune. ten- sion de 160 volts étant appliquée entre l'anode et la cathode.
La vitesse de passage de la feuille dans ltélestrolyte et l'in- tensité du courant dépendent évidemment des conditions opératoires. D'habitude, une feuille dont le traitement oxydant est terminé ne doit pas laisser passer plus d'un dixième d'ampère par décimètre carré sous 160 volts courant continu,
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lorsqu'on l'immerge dans un électrolyte d'oxydation tel que celui indiqué ci-des- sus et à une température de 95 C. Une fois que la feuille a été oxydée, on peut la sécher et la stocker dans un local sec, en attendant son emploi.
Les condensateurs sont assemblés conformément à la pratique bien connue, par exemple par enroulement (voir fig.2) ou par superposition (Fig.3, 4 et 6). On doit correctement disposer le diaphragme et les feuilles oxydées. Il faut oxyder les deux armatures dans les condensateurs destinés au courant alternatif.
Dans le cas du courant continu, il suffit qu'une seule des armatures (l'anode) soit oxydée préalablement à l'emploi. La cathode peut ne pas l'être ; peut la constituer avec n'importe quel métal sans action chimique sur l'électrolyte. On effectue les connexions électriques aux armatures respectives conformément à la pratique bien connue, par exemple en repliant une extrémité de la feuille, comme on le voit en 8 sur la Fig.S, ou bien en attachant la feuille électrode aux bornes 9 et 10 qui sont enfin connectées par rivetage ou par soudure aux bornes extérieu- res de l'appareil.
Quand on a terminé l'imprégnation du condensateur assemblé au moyen de l'électrolyte cryohydratique décrit plus loin, les condensateurs sont enfermés dans des récipients convenables 11 et y restent scellé% Si le récipient est en métal, le condensateur doit en être correctement isolé. On applique un scellement plastique approprié et on connecte les bornes intérieures 9 et 10 aux bornes externes 12 et 13 au moyen d'un procédé connu, l'isolement de ces bornes étant assuré par des rondelles isolantes 14 et 15. On peut pratiquer un évent 16 bouché de façon veavessble amovible si c'est nécessaire.
L'électrolyta cryohydratique préféré pour le montage de ces condensateurs comporte de l'acétate et du borate d'ammoniaque, On peut le préparer comme suit. On met en suspension 1 partie en poids d'acide borique dans 1,77 par- tie d'acide acétique cristallisable. On fait passer du gaz ammoniac dans le mélange ce qui provoque une élévation de température. On refroidit éventuellement le pro- duit de manière à ne pas dépasser 100 à 110 C. au cours de la préparation. Le passage du gaz ammoniac dans la solution acide provoque une agitation violente et la formation de borate et d'acétate d'ammoniaque. On arrête la réaction quand la solution est presque neutre ou très légèrement acide ( pH compris entre 6,8 et 7).
Le mélange qui en résulte est,un liquide trouble à 100 C. Il se transforme.en une masse crémeuse à la température ambiante. Dans certains cas, dépendant de la va-
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-leur du pH en fin de réaction, il y a une petite quantité de liquide qui surnage après repos ; sa présence n'est pas gênante. Si on le désire, on peut l'enlever de façon à garder seulement la matière de consistance colloïdale que l'on neutralise complètement par l'ammoniaque, jusqu'à pH 7.
On peut préparer l'électrolyte d'autres manières: par exemple, on peut combiner séparément les acides acétique et borique avec l'ammoniaque, et mélanger ensuite les deux sels. Dans certains cas, on peut ajouter de l'eau à l'acide acétique et réaliser la composition chimique par l'ammoniaque dis- soute pour réagir sur les acides. Les procédés suivant lesquels on introduit de l'eau dans le produit final doivent être complétés par l'élimination de cette eau.
Celle-ci n'est en effet pas nuisible à la conservation des électro- des du condensateur, mais elle provoque le grimpage de l'électrolyte le long des armatures et jusque dans le trou d'évent; finalement elle peut amorcer la destruction de la boites
Le mélange correctement préparé est caractérisé par un taux d'é- vaporation inférieur à 5% lorsqu'on chauffe pendant six heures à 100 C.Bans un récipient d'aluminium ouvert à l'air. Ce mélange ne doit pas avoir tendance à grimper sur les parois de ce récipient d'aluminium. Les autres caractéristi- ques mesurées sur ce produit sont les suivantes :résistance normale à 90 C.
1.000 cycles :de 20 à 35 ohms par cm3; densité à 25 par rapport à l'eau à
EMI7.1
<tb> 15'5 <SEP> .................... <SEP> 1,3 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> viscosité <SEP> à <SEP> 100 C......... <SEP> 177 <SEP> secondes <SEP> Saybolt <SEP> , <SEP>
<tb>
<tb> " <SEP> à <SEP> 25 C........5.000 <SEP> " <SEP> "
<tb>
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<tb> indice <SEP> de <SEP> réfraction <SEP> à <SEP> 40 <SEP> C.......1.437.
<tb>
Tandis que la résistance donnée ci-dessus caractérise la com- position préférée, les changements dans les taux respectifs d'acide acétique, de borate d'ammoniaque et d'acétate d'ammonium représentant différentes va- leurs pH, n'apportent aucun changement marqué dans la résistivité de l'élec- trolyte. On a obtenu en effet des résistances du même ordre que la valeur pH soit égale à 4,5 ou à 7,2.
De plus, bien que le rapport de la quantité d'acide borique celle d'acide acétique avant neutralisation par l'ammoniaque puisse être modi- fié entre 1/1 et 1/3,2, la résistance est pratiquement la même, se trouvant entre 20 et 35 ohms par cm3 à 90 . Cette circonstance permet d'employer un électrolyte dont la consistance peut être comprise entre celle d'une pâte
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claire et celle d'une masse plastique assez dure. Cette dernière peut d'ail- leurs être préférable dans certains types de condensateurs électrolytiques.
Les condensateurs montés comme on le voitig,1 et 2, sont im- prég@@s du mélange préparé, comme décrit ci-dessus, en les immergeant pendant un temps convenable et à une température également convenable. On peut utili- ser des températures élevées (100 C. par exemple) pour des mélanges électro- lytiques les plus visqueux. Dans ce cas, trois heures suffisent généralement bien que ce temps ne soit pas impérativement nécessaire. Après imprégnation, les condensateurs sont soumis à un traitement thermique en les mettant sous tension électrique. Ce traitement abaisse le facteur de puissance qui, im- médiatement après l'imprégnation peut atteindre environ 10%, et le ramène au-dessous de 6%.
La tension appliquée à l'appareil pendant le traitement peut être la même que celle sous laquelle le transformateur va opérer ou bien lui être supérieure, La durée de ce travail est d'au moins une heure environ. Dans le cas de condensateurs fabriqués pour courant alternatif, le mode de tension appliqué doit être intermittent, par exemple deux secondes sous tension et huit secondes sous repos.
Une fois que le condensateur terminé a été imprégné et mûri, on le dispose dans une botte 11 (fig.l), en aluminium ou tout autre métal convenable, ou encore fabriquée avec une matière isolante telle que l'ébo- nite, la fibre, une résine synthétique, etc...
On donnera encore d'autres exemples de mélanges salins for- mant électrolytes cryohydratiques et susceptibles d'emploi suivant l'inven- tion. Toutes les proportions sont données en poids.
EMI8.1
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Exemple <SEP> 2.- <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque <SEP> .*..*este <SEP> 75 <SEP> parties
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<tb> orthophosphate <SEP> disodique <SEP> ....,25
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<tb> Cette <SEP> matière <SEP> constitue <SEP> une <SEP> pâte <SEP> claire <SEP> à <SEP> 25 <SEP> C.
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Exemeple <SEP> 3 <SEP> - <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque <SEP> 80 <SEP> parties
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<tb>
<tb> oxalate <SEP> d'ammoniaque <SEP> ......... <SEP> 20 <SEP> "
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<tb> Cette <SEP> matière <SEP> est <SEP> un <SEP> liquide <SEP> trouble <SEP> de <SEP> consistance <SEP> pâteuse <SEP> à <SEP> 75 C., <SEP> et <SEP> une
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<tb> pâte <SEP> visqueuse <SEP> à <SEP> 25 C.
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Exempled4- <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque <SEP> .......... <SEP> 75 <SEP> parties
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<tb> sel <SEP> de <SEP> Rochelle <SEP> .......... <SEP> 25
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<tb> Ce <SEP> liquide <SEP> est <SEP> trouble <SEP> à <SEP> 25 C.
<tb>
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EMI9.1
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Exemple <SEP> 5.- <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque <SEP> ......... <SEP> 80 <SEP> parties
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<tb> Citrate <SEP> d'ammoniaque <SEP> .......... <SEP> 20 <SEP> "
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<tb> Ce <SEP> mélange <SEP> est <SEP> un <SEP> liquide <SEP> trouble, <SEP> sirupeux, <SEP> à <SEP> 25 <SEP> c..
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<tb>
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Exemple <SEP> 6.- <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque <SEP> .................... <SEP> 75 <SEP> parties
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<tb> perborate <SEP> de <SEP> sodium <SEP> ...................... <SEP> 25 <SEP> "
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<tb> Ce <SEP> mélange <SEP> constitue <SEP> un <SEP> sirop <SEP> clair <SEP> et <SEP> limpide <SEP> à <SEP> 25 <SEP> C.;
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<tb> Exemple <SEP> 7. <SEP> - <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque <SEP> .................... <SEP> 85 <SEP> parties
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<tb> bichromate <SEP> de <SEP> potasse <SEP> ............... <SEP> 15 <SEP> "
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<tb> Ce <SEP> mélange <SEP> est <SEP> pâteux <SEP> à <SEP> 25 C.
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Exemple <SEP> 8.- <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque <SEP> .................... <SEP> 75 <SEP> parties
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<tb> tétraborate <SEP> de <SEP> potassium................ <SEP> 25 <SEP> "
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<tb> Cette <SEP> matière <SEP> possède, <SEP> à <SEP> 25 , <SEP> la <SEP> consistance <SEP> d'une <SEP> graisse.
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Exemple <SEP> 9. <SEP> - <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque.................... <SEP> 80 <SEP> parties
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<tb> carbonate <SEP> d'ammoniaque <SEP> 20 <SEP> "
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<tb> Ce <SEP> mélange <SEP> est <SEP> une <SEP> solution <SEP> limpide <SEP> à <SEP> 100 <SEP> C. <SEP> et <SEP> une <SEP> pâte <SEP> visqueuse <SEP> à <SEP> 25 <SEP> C..
<tb>
<tb>
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Exemple¯¯10. <SEP> - <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque <SEP> 70 <SEP> parties
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<tb> lactate <SEP> de <SEP> chaux <SEP> ........................ <SEP> 30 <SEP> "
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<tb> Ce <SEP> mélange <SEP> est <SEP> sirupeux <SEP> à <SEP> 25 C.
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Exemple <SEP> 11.- <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque <SEP> 80 <SEP> parties
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<tb> acide <SEP> molybdique <SEP> 20 <SEP> "
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<tb> Ce <SEP> mélange <SEP> est <SEP> une <SEP> pâte <SEP> incolore <SEP> et <SEP> sirupeuse <SEP> à <SEP> 25 C..
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Exemple <SEP> 12.- <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque <SEP> 1 <SEP> partie
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<tb> acétate <SEP> d'aluminium <SEP> 1 <SEP> "
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<tb>
<tb> phosphate <SEP> trisodique <SEP> 1 <SEP> "
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<tb> Ce <SEP> mélange <SEP> est <SEP> pâteux, <SEP> mou <SEP> à <SEP> 25 <SEP> C..
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Exemple <SEP> 13.- <SEP> acétate <SEP> de <SEP> soude <SEP> 2 <SEP> parties
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<tb>
<tb> orthophosphate <SEP> disodique............... <SEP> 1 <SEP> "
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb> Ce <SEP> mélange <SEP> constitue <SEP> une <SEP> pâte <SEP> molle <SEP> à <SEP> 25 C.
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Exemple <SEP> 14. <SEP> - <SEP> formiate <SEP> d'ammoniaque <SEP> ................... <SEP> 75 <SEP> parties
<tb>
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<tb> salycilate <SEP> d'ammoniaque <SEP> 25 <SEP> "
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<tb> Ce <SEP> mélange <SEP> reste <SEP> pâteux <SEP> à <SEP> 25 C.
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Exemple <SEP> 15. <SEP> - <SEP> acétate <SEP> d'ammoniaque <SEP> 80 <SEP> parties
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<tb> dextrose <SEP> ................................ <SEP> 20 <SEP> "
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<tb> Cette <SEP> matière <SEP> possède <SEP> à <SEP> 25 <SEP> la <SEP> consistance <SEP> d'une <SEP> pâte <SEP> grasse.
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<tb>
Des <SEP> condensateurs <SEP> fabriqués <SEP> au <SEP> moyen <SEP> des <SEP> imprégnants <SEP> décrits
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ci-dessus peuvent être stockés à la température ordinaire ou à la température plus élevée, sans rien perdre de leurs caractéristiques électriques favora- bles. Les condensateurs imprégnés avec ces mélanges sont caractérisés par un facteur de puissance inférieur à 'le et une capacité moyenne d'environ 1 micro- farard pour 50 centimètres carrés de feuille métallique active. On peut obte- nir des facteurs de puissance de l'ordre de 3%.
On indiquera ci-dessous un tableau mentionnant les variations du facteur de puissance et de la capacité avec la température :
EMI10.1
<tb> Température <SEP> Facteur <SEP> de <SEP> puissance <SEP> Capacité
<tb> (.c.) <SEP> 5 <SEP> (microfarads)
<tb>
<tb> 75 <SEP> 5,3 <SEP> 94,5
<tb>
<tb> 25 <SEP> 4,3 <SEP> 88,9
<tb>
<tb> ö <SEP> 4,2 <SEP> 86,1
<tb>
<tb> -35 <SEP> 3,8 <SEP> 75,1
<tb>
Les condensateurs fabriqués suivant l'invention sont aussi bien adaptés à l'emploi sur des circuits à courant continu. Dans de telles appli cations, les pertes observées sont égales ou tout au moins du même ordre de grandeur que le facteur de puissance.
Les condensateurs conformes à l'inven- tion et imprégnés d'un mélange d'acétate et de borate d'ammoniaque, tels que décrits ci-dessus, possèdent les caractéristiques suivantes, quand on les es- saie à 50 volts courant continu avec lequel on superpose un courant alternatif de 5 volts à 25 :
EMI10.2
<tb> Capacité <SEP> 10 <SEP> microfarads
<tb>
<tb> Facteur <SEP> de <SEP> puissance <SEP> .................. <SEP> 4%
<tb>
<tb> Pertes <SEP> en <SEP> milli-ampères <SEP> ............... <SEP> 0,03
<tb>
<tb> Surface <SEP> de <SEP> feuilles <SEP> actives <SEP> rapportée <SEP> à
<tb> 1 <SEP> microfarad <SEP> .......................... <SEP> 1,8
<tb>
Après trois cents heures de fonctionnement sous courant continu à 60 0:
, ces condensateurs possèdent les caractéristiques auivantes y
EMI10.3
<tb> Capacité <SEP> ............... <SEP> 9 <SEP> microfarads
<tb>
<tb> Facteur <SEP> de <SEP> puissance <SEP> .............. <SEP> 4%
<tb>
<tb> Pertes <SEP> en <SEP> milli-ampères <SEP> .................0
<tb>
On a décrit plus particulièrement la fabrication de condensa- teurs destinés à fonctionner sous 100 volts, mais l'expérience a montré qu'on peut obtenir de même façon des condensateurs destinés à travailler à des air-
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-cuits à 250 volts en utilisant les données de l'invention.
Dans ce cas, le facteur de puissance est inférieur à 5%,.'la perte est de 0,007 milliampère par miorofarad à 25 C. lorsqu'on fait supporter à ces appareils un courant conti nu de 250 volts superposé à un courant alternatif de 25 volts.
On peut réaliser de façon différente les électrolytes convenant à ces mêmes appareils, ainsi qu'on.le verra par les nouveaux exemples suivants.
On peut en effet réaliser des électrolytes pâteux par d'autres moyens, tout en leur conservant une viscosité suffisante et une bonne résis- tance à la dessication au cours du magasinage ou de l'emploi.
On a déjà décrit des électrolytes fonctionnant avec des électro- des en tantale, l'électrolyte ayant la consistance d'une gelée et composé de silicate de soude et d'acide sulfurique. Mais cet électrolyte ne convient pas à des condensateurs dont les armatures sont en aluminium recouvert d'une pel- licule d'oxyde.
Avec l'aluminium, la Société demanderesse utilise un électrolyte renfermant un silicate alcalin modifié par un acide, mais avec des modalités différentes de l'emploi connu de ces silicates avec l'acide sulfurique qui est un acide fort.
On utilise en effet un acide faible, comme les acides borique, tartrique, oxalique; de plus, on emploie un excès de cet acide.
On peut par exemple utiliser un silicate alcalin tel que le silicate de soude dans lequel la proportion d'oxyde de sodium à la silice est de 1 à 3,36 environ. On traite ce produit au moyen de l'acide faible choisi, de préférence l'acide borique. Il est meilleur de diluer d'abord le silicate avec de l'eau. Pour un silicate dont la densité est 1,41, on mélange 100 gram- mes d'eau et 70,5 grammes de silicate, ce qui correspond à des volumes égaux des deux constituants. On ajoute alors au produit dilué une faible quantité d'acide borique, par exemple 5 d'acide dissous dans 100 gr. d'eau, ce qui représente une solution sensiblement saturée.
On incorpore cette solution à celle du silicate et, en agitant, l'acide borique neutralise l'aleali libre du silicate, provoque la décomposition de ce sel en formant de la silice géla- tineuse ; le mélange résultant possède le caractère d'une gelée. On ajoute en- core 25 gr. d'acide borique solide finement divisé que l'én répartit de façon uniforme dans le gel, au moyen d'une agitation convenable. Le produit obtenu peut être étalé directement sur les diaphragmes qui séparent les armatures
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du condensateur, fig.2; ou plus simplement il peut être étalé directement sur le métal de ces électrodes, sans qu'il y ait aucun diaphragme. Si l'on emploie un diaphragme, celui-ci peut être en tissu à mailles lâches, tel que de la mousse- line, comme on le voit en 3 et 3' sur la fig.2.
Le mélange possède une telle con- sistance qu'il peut être étalé sur les armatures à la température ambiante, ce qui est un avantage important. On a schématisé cet emploi, avec des armatures planes, dans la Fig.6;on y voit une armature 17 revêtue du gel silicique, et une armature 18, non revêtue. Dans d'autres modèles, les électrodes 1 et 2 (fig.2 sont en forme de ruban, ce qui permet de les enrouler, comme on l'a indiqué, Dans chaque cas, les électrodes sont de préférence préalablement oxydées par électro- lyse, ainsi qu'on l'a dit plus haut.
Au lieu d'acide borique solide, on peut employer d'autres ma- tières solides, de préférence finement divisées, pourvu qu'elles puissent four- nir des ions et assurer la conductibilité et la capacité requises pour le con- densateur terminé. On peut aussi substituer à l'acide borique divisé une matière cristalline insoluble telle que le bioxyde de titane, Dans certains cas, on peut également incorporer un acide gras à fonction alcoolique, par exemple l'aci- de alpha hydroxy-isobutrique. Ce dernier peut être incorporé en petites quantités soit par exemple 1% et même moins, uniquement pour accroître l'ionisation. On peut enfin l'épaissir au moyen d'une charge telle que l'argile.
On a encore pu réaliser d'autre façon des condensateurs qui possèdent une efficacité et une constance meilleure. On peut par exemple utiliser comme électrolyte, entre les armatures d'un condensateur électrolytique, un acide organique pratiquement anhydre tel que l'acide acétique cristallisable, L'acide organique peut être employé seul ou en présence d'un agent épaissant, un pro- duit cellulosique par exemple. On peut aussi utiliser un acide organique concen- tré associé avec une substance qui abaisse la résistance, le borate d'ammoniaque ou autre sel convenable par exemple. On peut employer différents .'acides organi- ques équivalents appartenant aux séries aliphatique ou cyclique.
On a trouvé d'ailleurs que,si on utilise un acide organique, seul ou associé avec un produit épaississant ou un produit qui en modifie la résistance, il est possible d'incorporer une petite proportion d'eau qui peut atteindre environ 15 %.en poids de celui de l'acide entrant dans la compp@@tion.
Grâce à ce perfectionnement, les condensateurs ainsi fabriqués se mettent plus
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rapidement en équilibre au cours du travail spontané de maturation accompa- gaant la formation de la couche d'oxyde sur l'électrode en aluminium. Avec un tel électrolyte et dans le cas où cette couche aurait été désagrégée ou détruite pour une raison quelconque, cette couche se restaure d'elle-même.
On suppose que cette propriété tient à l'action d'un électrolyte aqueux qui oxyde plus facilement les armatures du condensateur. Cela est particulière- ment exact lorsqu'on adjoint à l'acide un sel tel que le borate d'ammoniaque car ce sel, de même que beaucoup d'autres, est plus soluble dans les acides aqueux que dans les acides anhydres. La présence du sel en solution abaisse également la résistivité de l'acide et, par conséquent, accroît l'efficacité du condensateur traité avec une telle composition.
Dans le condensateur représenté fig.2, les armatures ou élec- trodes 1 et 2 sont en métal convenable tel que l'aluminium, le magnésium ou le tantale. On emploie en général des feuilles d'aluminium dont l'épaisseur est de 0,075 mm.. On a représenté en 3 et 3' un diaphragme poreux qui peut être en mousseline, du papier buvard, comme ci=dessus et qu'on a imprégné d'acide au cours de la fabrication de condensateur. La figure montre deux diaphragmes 3 et 3'; le condensateur étant du type à enroulement, le diaphrag- me est également enroulé en bande indéfinie séparant les armatures.
Les diaphragmes (en mousseline par exemple) doivent être exempts de chlorure et peuvent avoir une épaisseur comprise entre environ 0,06 et 0,14 mm. Toutefois cette épaisseur n'est pas indispensable. Si on utilise la mousseline, il est commode qu'elle ait, comme nombre de fils, 40x44, Si on utilise un papier buvard spongieux comme diaphragme, il est facile d'em- ployer un buvard ordinaire représenté en 4 sur la Fig.3. Cette épaisseur est, de préférence, comprise entre 0,016 et 0,025 mm.. Ce diaphragme peut être perforé de trous, comme indiqué plus haut. Il n'est d'ailleurs pas Indispen- sable d'employer un diaphragme, la composition électrolytique pouvant être simplement étalée sur les électrodes (Fig.6)-, le diaphragme est cependant préférable.
Il est également bien meilleur de traiter les électrodes préa- lablement à leur enroulement ou à leur superposition, de manière à les re- couvrir d'une couche d'oxyde produite par exemple par électrolyse, Si on em- ploie des électrodes planes superposées 3 et 4, on peut les prendre plates
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ou striées ou de toute autre forme convenable.
Le montage du condensateur est effectué comme décrit plus haut, par enroulement ou par superposition, en intercalant les diaphrames entre les feuilles métalliques, à la manière représentée.
Dans le cas où l'on utilise l'acide acétique comme électrolyte, on peut lui ajouter jusqu'à environ 15% de son poids d'eau, mais il est pré- férable de se tenir autour de 10%. On peut employer d'autres acides organi- ques tels que les acides propionique, acrylique, butyrique ; ou encore des phénoles tels que le phénol ordinaire, le crésol, etc..;u enfin des acides à fonction alcoolique, par exemple l'acide lactique, l'acide hydroxyacryli- que, l'acide crotonique, l'acide dihydro-xypropionique ou les homologues su- périeurs de l'acide lactique.
On a aussi employé d'autres acides : l'acide butyrique, l'acide diéthylacétique, l'acide isoamylacétique, l'acide isobutylacétique, etc,., Dans tous les cas, chacun de ces acides est caractérisé par une solubilité non négligeable dans l'eau. La résistance électrique du mélange acide doit être inférieure à 106 ohms par cm3. Il est probable que cet acide fonctionne comme électrolyte, bien que la théorie de son emploi n'ait pas été complète- ment établie. Les autres particularités mentionnées pour la nature du dia- phragme, l'emploi d'électrodes en aluminium, etc.. ne sont pas non plus li- mitatives de l'invention.
La présence d'eau est surtout avantageuse quand on ajoute un sel à l'acide organique; en effet, la solubilité du sel augmente rapidement avec la quantité d'eau. Pour le borate d'ammoniaque, à 25 C. la solubilité est d'environ 1% dans l'acide acétique anhydre, tandis qu'elle atteint 7,5% environ pour l'acide renfermant 15% de son poids d'eau.
Pour utiliser l'électrolyte, on imprègne le condensateur tout monté pendant environ une heure dans le mélange acide. Au cours de cette imprégnation, ce mélange peut être chauffé au-dessus de la température am- biante et aller même jusqu'à. 100 c.. Après une heure d'immersion, le con- densateur imprégné est soumis, pendant une heure environ, à une tension in- termittente continue sans le sortir du liquide. Ce traitement a pour effet de détruire tous les défauts qui existeraient éventuellement dans la couche d'oxyde à la surface du métal. On peut exécuter cette mise sous tension à
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toute température comprise entre la température ordinaire et 100 c. environ, de préférence vers 60 à 70 c.
Il est préférable d'utiliser le courant continu et, dans le cas d'un courant alternatif sous 110 volts, on peut effectuer le mûrissement du condensateur sous courant continu à 160 volts. Il convient d'ailleurs d'inverser les ples de temps à autre, par exemple toutes les vingt secondes.
Le condensateur imprégné est refroidi à la température ordinaire si l'imprégnation a été effectuée à une température plus élevée. On le scelle alors dans une boite Il et on y installe les connexions, comme indiqué plus haut. On peut également isoler le condensateur de sa boite au moyen d'un iso- lant tel qu'une cire qui fonde entre 75 et 100 C. L'isolement du condensateur d'avec sa boite peut être réalisé par une première couche de cire à point de fusion situé entre 75 et 1000 C. environ, et inattaquable par l'acide ; peut ensuite appliquer une seconde couche isolante, par exemple un asphalte à point de fusion élevé. Là encore, il peut être utile de placer un évent 16 dans le couvercle.
Un condensateur ainsi préparé possède à la fois une grande ca- pacité, un faible facteur de puissance et même en cas de repos prolongé, il se détériore moins facilement que les condensateurs dans lesquels on n@emploie pas d'eau. Ils sont également de meilleures propriétés de restauration sponta- née lorsqu'ils ont été soumis à des tensions supérieures à celles pour lesquel- les ils sont établis, tensions qui pourraient altérer ou détruire l'oxyde iso- lant qui recouvre les armatures.
EMI15.1
-: RE SUbiE t-
1- Appareils comportant un diélectrique immobilisé, à destina- tion de condensateurs, redresseurs, disjoncteurs, etc...,caractérisés par leurs facultés de longue conservation à toute température Inférieure à 100 C. envi- ron, et par leurs facultés de restauration rapide et spontanée.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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IMPROVEMENTS TO ELECTRICAL APPLIANCES WITH IMMOBILIZED ELECTROLYTE.
The present invention relates to devices which use an immobilized electrolyte, for example capacitors, rectifiers, circuit breakers. The object of the invention is to improve the stability and rapidity of action of such devices, so that they retain all their possibilities of action and the desired characteristics, even after long periods of time. of rest.
Hitherto, electrolytic devices have been based on an oxide film or the like which forms an insulator and which covers at least one of the electrolytic devices.
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-trodes. This film is subject to deterioration when the device is not operated for a long time, or when exposed to temperatures a little above room temperature. In fact, capacitors coupled with electric motors and which only work, so to speak, during start-ups, can be subjected to high temperatures for long periods of rest. Under these conditions, the capacity and the power factor of these devices are exposed to the greatest risks of deterioration.
On the other hand, we must prevent the electrolyte from climbing up the electrodes, evaporating or undergoing decomposition which would cause the formation of harmful gases. All these drawbacks are found to some degree in known capacitors, whose industrial development they have hampered.
In general, known electrolytic devices can be divided into two main classes. Some are of the "wet" type, that is to say that the electrolyte consists of relatively dilute aqueous saline solutions. The second class is of the "dry" type and may include two categories of apparatus. In some the electrolyte is a hydrated salt with just enough liquid to make a paste or a very viscous medium. Others have a completely solid electrolyte.
Sometimes the electrolyte is an anhydrous salt; in other cases, it was considered essential to add a small quantity of water to it. In capacitors of the dry type or more exactly with immobilized electrolyte, a relatively small quantity of electrolyte is used which is arranged between the electrodes which are plates, and this electrolyte is pasty.
Certain forms of dry capacitors employ a viscous electrolyte such as glycerin which gives this electrolyte the high viscosity and the hygroscopic character deemed necessary.
In the manufacture of a dry type capacitor, since temperatures can rise up to. 100 C., the association of water with an electrolyte faces difficulties in maintaining the exact composition. However, any variation of this results in a variation of the characteristics and in the internal resistance. The association of a salt with small quantities of a liquid giving a paste, provides characteristics and in particular a resistance which changes during the manufacture and use of the capacitor.
Any change in composition also results in a change in the loss rate or the power factor of the device. By combining a salt and a liquid for
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To obtain an electrlyte suitable for electrolytic capacitors, it has heretofore been considered necessary to choose them so that their mixture is a clear solution at any temperature low enough to allow impregnation. that is to say in general at most 100 to 120 C. To overcome this condition, we also used a thick paste electrolyte which is laid on a muslin or on a similar diaphragm before assemble the capacitor; but this operation is expensive and is hardly suited to intensive production.
In addition, it gives capacitors difficult to manufacture and not very constant.
In accordance with the invention, all these difficulties are avoided by choosing electrolytes of the types indicated below. Their electrical resistance is practically constant over a wide range of various compositions.
In addition, these electrolyte mixtures possess such characteristics that they can be impregnated with dry capacitors at temperatures much lower than those at which such mixtures could decompose or chemically change, even if the resulting liquid does not. is not crystal clear. Since the limitations mentioned above are overcome, in certain cases any liquid or viscous auxiliary material is also dispensed with, and the capacitors thus constructed constitute entirely new products.
According to a first variant of the invention, the electrolyte is composed of a mixture of two or more different substances, including at least one salt. Preferably, at least two salts are mixed at temperatures which, in general, do not exceed 120 ° C. During cooling, each of them prevents the crystallization of the other. Those suitable for carrying out the process are solid at room temperature; but when combined, they give dense liquids or plastic or pasty solids at room temperature. In a certain point of view, these mixtures are analogous to eutectic alloys between two or more metals, since the proportions thereof are chosen in the vicinity of the "cryohydratic" composition.
The electrolytes described below therefore consist of two or more substances including a salt, each of these substances being solid when isolated at room temperature. The resulting electrolyte is on the contrary liquid or pasty at a temperature lower than the melting point of its most fusible constituent. In what follows, these mixtures will be referred to as cryohydratics.
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On the attached board, figs. 1 and 2 show a capacitor of the type described here, figs. 3, 4 and 6 relate to variations in the construction, and Fig.5 shows a particular device of terminals for the socket da current.
One of the ingredients of the cryo-hydratic eleotrolyte in accordance with the invention consists of one or more water-soluble salts of an organic acid, for example an ammoniacal salt. Salts of formic, acetic, propionic, butyric, lactic, citric, oxalic, carbonic, linoleic, tartaric or salicylic acids can be used in particular. As the second constituent of the cryohydratic electrolyte, a large number of substances can be used. tances such as alkali salts, ammoniacal salts or salts of other metals such as lead, zinc, calcium, or even acids such as molybdic acid, or finally organic materials which do not have the character saline, for example a carbohydrate such as dextrose.
Referring to the drawing, the capacitor of Fig.Z has armatures or electrodes 1 and 2 of suitable metal, such as aluminum, tantalum, magnesium. Usually, aluminum foils with a thickness of about 0.025 to 0.075 mm are used. Between these sheets is placed a porous diaphragm 3 impregnated with an electrolytic mixture during the manufacture of the capacitor. This diaphragm can be a muslin, porous paper, etc. In the drawing, two diaphragms 3 and 3h have been shown, the capacitor of fig. 1 and 2 being of the winding type, the diaphragm must therefore be present. , in all cases, between the consecutive turns of the wound reinforcements.
Diaphragms 3 and 3 ', which are preferably muslin, should be substantially free of chlorides and may have a thickness between the limits 0.06 and 0.14 mm, although these thicknesses are not imperative. If the diaphragm is made of tissue, the texture can be greatly modified. The number of threads of the muslin can be, for example, 40 x 44.
As seen at 4 in Fig. 3, a paper diaphragm can be used whose porosity is similar to that of blotting paper. The thickness of this paper can be between the limits 0.018 and 0.025 mm. This diaphragm can be perforated by means of holes represented at 5 in Fig. 4. It was observed that paper with holes of 1 mm. in diameter and spaced 1 to 2 mm apart. fits
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well. In addition, the diaphragm is not an essential characteristic of the invention; although its use is preferable, it can be suppressed; that the electrolyte composition is spread over the electrodes.
Before assembling the electrodes, it is better to coat them with an oxide layer, obtained by electrolytic oxidation in accordance with well-known methods * The electrodes preferably used are constituted by indefinite lengths of a thin metal foil, such as we see it on the
Fig. 2; but it is also possible to use flat plates shown at 6 and 7 in the figures and 4. These plates can also be striated or of any other shape (not shown) without altering the essential characteristics of the invention.
An electrolyte well suited to the use for this prior electrolytic oxidation can be prepared by dissolving 80 g. boric acid and 2 gr. of borax in a liter of distilled water. This composition can also be considerably modified without appreciably affecting the results.
The oxidation treatment can be carried out entirely in a container, or else the material of the electrode, when it consists of long strips of metal foils, can successively pass through a series of electrolytic baths in different containers, the concentration in each bath being greater than that of the previous bath, and this progression continuing from the first to the last. Preferably, the electrolyte is heated during this oxidation to a temperature which is normally 90 to 96 ° C. The voltage to which the bath is subjected for this electroplating should be, if possible, the same as that under which the electrolytic coating will operate. capacitor, or be greater than 10% ,.
When the capacitors are intended to operate on alternating current, the electrolytic oxidation can be carried out under direct current or under alternating current. The direct current is preferably used at a voltage equal to or slightly greater than the maximum voltage of the alternating current to which the capacitor will be subjected. Thus, an aluminum foil intended to operate at 110 volts alternating current can be oxidized by treatment with direct current, this foil serving as an anode, and a. a voltage of 160 volts being applied between the anode and the cathode.
The speed at which the sheet passes through the electrolyte and the intensity of the current obviously depend on the operating conditions. Usually, a sheet whose oxidizing treatment is finished should not allow more than a tenth of an ampere per square decimetre to pass under 160 volts direct current,
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when immersed in an oxidation electrolyte such as that indicated above and at a temperature of 95 C. Once the sheet has been oxidized, it can be dried and stored in a dry room, while waiting for his job.
The capacitors are assembled in accordance with well-known practice, for example by winding (see fig. 2) or by superposition (Figs. 3, 4 and 6). The diaphragm and the oxidized leaves must be properly disposed. It is necessary to oxidize the two armatures in the condensers intended for the alternating current.
In the case of direct current, it suffices for only one of the reinforcements (the anode) to be oxidized before use. The cathode may not be; can form it with any metal without chemical action on the electrolyte. Electrical connections are made to the respective armatures in accordance with well-known practice, for example by folding over one end of the foil, as seen at 8 in Fig. S, or else by attaching the electrode foil to terminals 9 and 10 which are finally connected by riveting or soldering to the external terminals of the device.
When the impregnation of the assembled capacitor has been completed by means of the cryohydratic electrolyte described later, the capacitors are enclosed in suitable receptacles 11 and remain sealed there. If the receptacle is made of metal, the capacitor must be properly insulated therefrom. A suitable plastic seal is applied and the internal terminals 9 and 10 are connected to the external terminals 12 and 13 by means of a known method, the isolation of these terminals being provided by insulating washers 14 and 15. A vent can be made. 16 Removable veavessble stopper if necessary.
The preferred cryohydratic electrolyte for mounting these capacitors comprises ammonia acetate and borate. It can be prepared as follows. 1 part by weight of boric acid is suspended in 1.77 part of crystallizable acetic acid. Ammonia gas is passed through the mixture which causes a rise in temperature. The product is optionally cooled so as not to exceed 100 to 110 ° C. during preparation. The passage of ammonia gas through the acid solution causes violent agitation and the formation of ammonia borate and acetate. The reaction is stopped when the solution is almost neutral or very slightly acidic (pH between 6.8 and 7).
The resulting mixture is a cloudy liquid at 100 C. It turns into a creamy mass at room temperature. In some cases, depending on the
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-their pH at the end of the reaction, there is a small quantity of liquid which floats after standing; his presence is not disturbing. If desired, it can be removed so as to keep only the material of colloidal consistency which is completely neutralized with ammonia, up to pH 7.
We can prepare the electrolyte in other ways: for example, we can separately combine acetic and boric acids with ammonia, and then mix the two salts. In some cases, water can be added to acetic acid and the chemical composition can be achieved by ammonia dissolved to react with the acids. The processes by which water is introduced into the final product must be supplemented by the removal of this water.
This is in fact not detrimental to the conservation of the electro- des of the capacitor, but it causes the electrolyte to climb along the reinforcements and into the vent hole; finally she can initiate the destruction of the box
Properly prepared mixture is characterized by an evaporation rate of less than 5% when heated for six hours at 100 C. In an aluminum container opened to air. This mixture should not tend to climb on the walls of this aluminum container. The other characteristics measured on this product are as follows: normal resistance at 90 C.
1,000 cycles: from 20 to 35 ohms per cm3; density at 25 compared to water at
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<tb> 15'5 <SEP> .................... <SEP> 1,3 <SEP>
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<tb>
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<tb>
<tb>
<tb> index <SEP> of <SEP> refraction <SEP> to <SEP> 40 <SEP> C ....... 1.437.
<tb>
While the strength given above characterizes the preferred composition, changes in the respective levels of acetic acid, ammonium borate and ammonium acetate representing different pH values do not cause any changes. marked in the resistivity of the electrolyte. In fact, resistances of the same order whether the pH value is equal to 4.5 or 7.2 have been obtained.
In addition, although the ratio of the amount of boric acid to the amount of acetic acid before neutralization with ammonia can be varied between 1/1 and 1 / 3.2, the resistance is practically the same, being found between 20 and 35 ohms per cm3 at 90. This circumstance makes it possible to use an electrolyte whose consistency can be between that of a paste
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clear and that of a fairly hard plastic mass. The latter may moreover be preferable in certain types of electrolytic capacitors.
The capacitors mounted as shown, 1 and 2, are impregnated with the mixture prepared, as described above, by immersing them for a suitable time and at an equally suitable temperature. High temperatures (eg 100 ° C.) can be used for the most viscous electrolyte mixtures. In this case, three hours are generally sufficient although this time is not absolutely necessary. After impregnation, the capacitors are subjected to a heat treatment by putting them under electrical voltage. This treatment lowers the power factor which, immediately after the impregnation can reach about 10%, and brings it back below 6%.
The voltage applied to the device during the treatment may be the same as that under which the transformer will operate or else be greater than it. The duration of this work is at least about an hour. In the case of capacitors manufactured for alternating current, the voltage mode applied should be intermittent, for example two seconds on and eight seconds off.
Once the finished capacitor has been impregnated and cured, it is placed in a boot 11 (fig.l), made of aluminum or any other suitable metal, or else made with an insulating material such as ebonite, fiber , a synthetic resin, etc ...
Still other examples of salt mixtures forming cryohydratic electrolytes and suitable for use according to the invention will be given. All proportions are given by weight.
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<tb>
Example <SEP> 2.- <SEP> acetate <SEP> of ammonia <SEP>. * .. * este <SEP> 75 <SEP> parts
<tb>
<tb>
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<tb> orthophosphate <SEP> disodium <SEP> ...., 25
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<tb>
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<tb> This <SEP> material <SEP> constitutes <SEP> a <SEP> paste <SEP> clear <SEP> to <SEP> 25 <SEP> C.
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Example <SEP> 3 <SEP> - <SEP> acetate <SEP> of ammonia <SEP> 80 <SEP> parts
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<tb> ammonia <SEP> oxalate <SEP> ......... <SEP> 20 <SEP> "
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<tb> This <SEP> material <SEP> is <SEP> a <SEP> liquid <SEP> cloudy <SEP> of <SEP> consistency <SEP> pasty <SEP> to <SEP> 75 C., <SEP> and <SEP> a
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<tb> viscous <SEP> paste <SEP> to <SEP> 25 C.
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Example 4- <SEP> acetate <SEP> of ammonia <SEP> .......... <SEP> 75 <SEP> parts
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<tb> sel <SEP> de <SEP> Rochelle <SEP> .......... <SEP> 25
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<tb> This <SEP> liquid <SEP> is <SEP> cloudy <SEP> at <SEP> 25 C.
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Example <SEP> 5.- <SEP> acetate <SEP> of ammonia <SEP> ......... <SEP> 80 <SEP> parts
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<tb> Ammonia <SEP> Citrate <SEP> .......... <SEP> 20 <SEP> "
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<tb> This <SEP> mixture <SEP> is <SEP> a cloudy <SEP> liquid <SEP>, <SEP> syrupy, <SEP> to <SEP> 25 <SEP> c ..
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Example <SEP> 6.- <SEP> acetate <SEP> of ammonia <SEP> .................... <SEP> 75 <SEP> parts
<tb>
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<tb> <SEP> sodium perborate <SEP> <SEP> ...................... <SEP> 25 <SEP> "
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<tb> This <SEP> mixture <SEP> constitutes <SEP> a <SEP> syrup <SEP> clear <SEP> and <SEP> clear <SEP> to <SEP> 25 <SEP> C .;
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<tb> Example <SEP> 7. <SEP> - <SEP> acetate <SEP> of ammonia <SEP> .................... <SEP> 85 <SEP> parties
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<tb> bichromate <SEP> of <SEP> potash <SEP> ............... <SEP> 15 <SEP> "
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<tb> This <SEP> mixture <SEP> is <SEP> pasty <SEP> at <SEP> 25 C.
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Example <SEP> 8.- <SEP> acetate <SEP> of ammonia <SEP> .................... <SEP> 75 <SEP> parts
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<tb> <SEP> potassium tetraborate <SEP> ................ <SEP> 25 <SEP> "
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<tb> This <SEP> material <SEP> has, <SEP> to <SEP> 25, <SEP> the <SEP> consistency <SEP> of a <SEP> grease.
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Example <SEP> 9. <SEP> - <SEP> acetate <SEP> of ammonia .................... <SEP> 80 <SEP> parts
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<tb> ammonia <SEP> carbonate <SEP> 20 <SEP> "
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<tb> This <SEP> mixture <SEP> is <SEP> a <SEP> solution <SEP> clear <SEP> to <SEP> 100 <SEP> C. <SEP> and <SEP> a <SEP> paste < SEP> viscous <SEP> to <SEP> 25 <SEP> C ..
<tb>
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<tb>
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Exampleē¯10. <SEP> - <SEP> acetate <SEP> of ammonia <SEP> 70 <SEP> parts
<tb>
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<tb> lactate <SEP> of <SEP> lime <SEP> ........................ <SEP> 30 <SEP> "
<tb>
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<tb> This <SEP> mixture <SEP> is <SEP> syrupy <SEP> at <SEP> 25 C.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Example <SEP> 11.- <SEP> acetate <SEP> of ammonia <SEP> 80 <SEP> parts
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> molybdic acid <SEP> 20 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> This <SEP> mixture <SEP> is <SEP> a <SEP> paste <SEP> colorless <SEP> and <SEP> syrupy <SEP> to <SEP> 25 C ..
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Example <SEP> 12.- <SEP> acetate <SEP> of ammonia <SEP> 1 <SEP> part
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<tb>
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<tb>
<tb>
<tb> <SEP> aluminum acetate <SEP> 1 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> phosphate <SEP> trisodium <SEP> 1 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> This <SEP> mixture <SEP> is <SEP> pasty, <SEP> soft <SEP> to <SEP> 25 <SEP> C ..
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb>
Example <SEP> 13.- <SEP> acetate <SEP> of <SEP> soda <SEP> 2 <SEP> parts
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> orthophosphate <SEP> disodium ............... <SEP> 1 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> This <SEP> mixture <SEP> constitutes <SEP> a <SEP> dough <SEP> soft <SEP> at <SEP> 25 C.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Example <SEP> 14. <SEP> - <SEP> ammonia formate <SEP> <SEP> ................... <SEP> 75 <SEP> parts
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> salycilate <SEP> of ammonia <SEP> 25 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> This <SEP> mixture <SEP> remains <SEP> pasty <SEP> at <SEP> 25 C.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Example <SEP> 15. <SEP> - <SEP> acetate <SEP> of ammonia <SEP> 80 <SEP> parts
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> dextrose <SEP> ................................ <SEP> 20 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> This <SEP> material <SEP> has <SEP> to <SEP> 25 <SEP> the <SEP> consistency <SEP> of a fatty <SEP> <SEP> dough.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<SEP> capacitors <SEP> manufactured <SEP> to the average <SEP> <SEP> of the <SEP> impregnants <SEP> described
<tb>
<Desc / Clms Page number 10>
above can be stored at room temperature or at higher temperature, without losing any of their favorable electrical characteristics. Capacitors impregnated with these mixtures are characterized by a power factor of less than 1c and an average capacity of about 1 micro-farard per 50 square centimeters of active metal foil. Power factors of the order of 3% can be obtained.
Below is a table showing the variations in power factor and capacity with temperature:
EMI10.1
<tb> Temperature <SEP> Power <SEP> factor <SEP> <SEP> Capacity
<tb> (.c.) <SEP> 5 <SEP> (microfarads)
<tb>
<tb> 75 <SEP> 5.3 <SEP> 94.5
<tb>
<tb> 25 <SEP> 4.3 <SEP> 88.9
<tb>
<tb> ö <SEP> 4.2 <SEP> 86.1
<tb>
<tb> -35 <SEP> 3.8 <SEP> 75.1
<tb>
The capacitors manufactured according to the invention are also well suited for use on direct current circuits. In such applications, the losses observed are equal or at least of the same order of magnitude as the power factor.
The capacitors according to the invention and impregnated with a mixture of acetate and ammonia borate, as described above, have the following characteristics, when tested at 50 volts direct current with which we superimpose an alternating current of 5 volts at 25:
EMI10.2
<tb> Capacity <SEP> 10 <SEP> microfarads
<tb>
<tb> Power <SEP> factor <SEP> <SEP> .................. <SEP> 4%
<tb>
<tb> Losses <SEP> in <SEP> milli-amps <SEP> ............... <SEP> 0.03
<tb>
<tb> Surface <SEP> of <SEP> active <SEP> leaves <SEP> reported <SEP> to
<tb> 1 <SEP> microfarad <SEP> .......................... <SEP> 1.8
<tb>
After three hundred hours of operation under direct current at 60 0:
, these capacitors have the same characteristics as
EMI10.3
<tb> Capacity <SEP> ............... <SEP> 9 <SEP> microfarads
<tb>
<tb> Power factor <SEP> <SEP> <SEP> .............. <SEP> 4%
<tb>
<tb> Losses <SEP> in <SEP> milli-amps <SEP> ................. 0
<tb>
The manufacture of capacitors intended to operate at 100 volts has been described more particularly, but experience has shown that it is possible to obtain capacitors intended to operate on air in the same way.
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-cooked at 250 volts using the data of the invention.
In this case, the power factor is less than 5%, the loss is 0.007 milliampere per miorofarad at 25 C. When these devices are made to withstand a direct current of 250 volts superimposed on an alternating current of 25 C. volts.
The electrolytes suitable for these same devices can be produced in a different way, as will be seen from the following new examples.
It is in fact possible to produce pasty electrolytes by other means, while retaining sufficient viscosity for them and good resistance to desiccation during storage or use.
Electrolytes operating with tantalum electrolytes have already been described, the electrolyte having the consistency of a jelly and composed of sodium silicate and sulfuric acid. However, this electrolyte is not suitable for capacitors whose armatures are made of aluminum covered with an oxide film.
With aluminum, the Applicant Company uses an electrolyte containing an alkali silicate modified with an acid, but with different methods from the known use of these silicates with sulfuric acid, which is a strong acid.
In fact, a weak acid is used, such as boric, tartaric or oxalic acids; in addition, an excess of this acid is used.
It is possible, for example, to use an alkali silicate such as sodium silicate in which the proportion of sodium oxide to the silica is from 1 to 3.36 approximately. This product is treated with the chosen weak acid, preferably boric acid. It is best to dilute the silicate with water first. For a silicate with a density of 1.41, 100 grams of water and 70.5 grams of silicate are mixed, which corresponds to equal volumes of the two constituents. A small amount of boric acid, for example 5 dissolved in 100 g, is then added to the diluted product. of water, which represents a substantially saturated solution.
This solution is incorporated into that of the silicate and, while stirring, the boric acid neutralizes the free aleal of the silicate, causes the decomposition of this salt, forming gelatinous silica; the resulting mixture has the character of a jelly. A further 25 g are added. of finely divided solid boric acid which the en distributes evenly throughout the gel with suitable agitation. The product obtained can be spread directly on the diaphragms which separate the frames
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of the capacitor, fig. 2; or more simply it can be spread directly on the metal of these electrodes, without there being any diaphragm. If a diaphragm is employed, this may be of a loose mesh fabric, such as foam, as seen at 3 and 3 'in fig. 2.
The mixture has such a consistency that it can be spread over the reinforcements at room temperature, which is an important advantage. This use has been shown schematically, with flat reinforcements, in FIG. 6; there is a frame 17 coated with silicic gel, and a frame 18, uncoated. In other models, the electrodes 1 and 2 (fig. 2 are ribbon-shaped, which allows them to be wound up, as indicated. In each case, the electrodes are preferably oxidized beforehand by electrolysis. , as we said above.
Instead of solid boric acid, other solids, preferably finely divided, may be employed, provided that they can provide ions and provide the required conductivity and capacity for the finished capacitor. The divided boric acid can also be substituted for an insoluble crystalline material such as titanium dioxide. In some cases, an alcohol-functional fatty acid, for example alpha hydroxy-isobutric acid, can also be included. The latter can be incorporated in small amounts, for example 1% and even less, only to increase the ionization. Finally, it can be thickened by means of a filler such as clay.
It has also been possible to make capacitors in another way which have better efficiency and consistency. It is for example possible to use as electrolyte, between the plates of an electrolytic capacitor, a practically anhydrous organic acid such as crystallizable acetic acid. The organic acid can be used alone or in the presence of a thickening agent, cellulose product for example. A concentrated organic acid can also be used together with a strength lowering substance, for example ammonia borate or other suitable salt. Different equivalent organic acids belonging to the aliphatic or cyclic series can be employed.
It has moreover been found that, if an organic acid is used, alone or in combination with a thickening product or a product which modifies its resistance, it is possible to incorporate a small proportion of water which can reach about 15%. by weight of that of the acid entering into the composition.
Thanks to this improvement, the capacitors thus manufactured become more
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rapidly in equilibrium during the spontaneous work of maturation accompanying the formation of the oxide layer on the aluminum electrode. With such an electrolyte and in the event that this layer has been disintegrated or destroyed for some reason, this layer restores itself.
It is assumed that this property is due to the action of an aqueous electrolyte which more easily oxidizes the plates of the capacitor. This is especially true when a salt such as ammonium borate is added to the acid, because this salt, like many others, is more soluble in aqueous acids than in anhydrous acids. The presence of the salt in solution also lowers the resistivity of the acid and hence increases the efficiency of the capacitor treated with such a composition.
In the capacitor shown in FIG. 2, the armatures or electrodes 1 and 2 are made of a suitable metal such as aluminum, magnesium or tantalum. In general, aluminum sheets are used, the thickness of which is 0.075 mm. There is shown at 3 and 3 'a porous diaphragm which may be made of muslin, blotting paper, as above and which has been impregnated. of acid during capacitor manufacturing. The figure shows two diaphragms 3 and 3 '; the capacitor being of the winding type, the diaphragm is also wound in an indefinite strip separating the armatures.
Diaphragms (eg muslin) should be chloride free and may be between about 0.06 and 0.14mm thick. However, this thickness is not essential. If muslin is used, it is convenient for it to have, as the number of threads, 40x44. If a spongy blotting paper is used as a diaphragm, it is easy to use an ordinary blotter shown at 4 in Fig. 3. . This thickness is preferably between 0.016 and 0.025 mm. This diaphragm can be perforated with holes, as indicated above. It is also not essential to use a diaphragm, since the electrolytic composition can be simply spread over the electrodes (Fig. 6) - the diaphragm is however preferable.
It is also much better to treat the electrodes prior to their winding or their superposition, so as to cover them with an oxide layer produced for example by electrolysis, if one uses superimposed planar electrodes 3 and 4, we can take them flat
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or ridged or any other suitable shape.
The capacitor is mounted as described above, by winding or by superposition, by inserting the diaphrams between the metal sheets, in the manner shown.
In the case where acetic acid is used as electrolyte, up to about 15% of its weight of water can be added to it, but it is preferable to keep around 10%. Other organic acids can be used such as propionic, acrylic, butyric acids; or alternatively phenols such as ordinary phenol, cresol, etc.; u finally acids with an alcoholic function, for example lactic acid, hydroxyacrylic acid, crotonic acid, dihydro-xypropionic acid or the higher homologs of lactic acid.
Other acids have also been used: butyric acid, diethylacetic acid, isoamylacetic acid, isobutylacetic acid, etc., In all cases, each of these acids is characterized by a not insignificant solubility in the water. The electrical resistance of the acid mixture should be less than 106 ohms per cm3. It is probable that this acid functions as an electrolyte, although the theory of its use has not been fully established. The other features mentioned for the nature of the diaphragm, the use of aluminum electrodes, etc. are not limiting of the invention either.
The presence of water is especially advantageous when a salt is added to the organic acid; in fact, the solubility of salt increases rapidly with the amount of water. For ammonia borate, at 25 ° C. the solubility is about 1% in anhydrous acetic acid, while it reaches about 7.5% for the acid containing 15% by weight of water.
To use the electrolyte, the fully assembled capacitor is impregnated for about an hour in the acid mixture. During this impregnation, this mixture can be heated above room temperature and even go up to. 100 c. After one hour of immersion, the impregnated capacitor is subjected, for approximately one hour, to a continuous intermittent tension without removing it from the liquid. This treatment has the effect of destroying any defects that may exist in the oxide layer on the surface of the metal. This power-up can be performed at
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any temperature between ordinary temperature and 100 c. approximately, preferably around 60 to 70 c.
It is preferable to use direct current, and in the case of alternating current under 110 volts, the capacitor maturation can be carried out under direct current at 160 volts. It is also necessary to invert the ples from time to time, for example every twenty seconds.
The impregnated capacitor is cooled to room temperature if the impregnation has been carried out at a higher temperature. It is then sealed in a box II and the connections are installed there, as indicated above. The capacitor can also be insulated from its box by means of an insulator such as a wax which melts between 75 and 100 C. The capacitor is insulated from its box by a first layer of wax. melting point between 75 and 1000 C. approximately, and unassailable by acid; can then apply a second insulating layer, for example a high melting point asphalt. Again, it may be useful to place a vent 16 in the cover.
A capacitor thus prepared has both a high capacity, a low power factor and even in the case of prolonged rest it deteriorates less easily than capacitors in which no water is used. They also have better spontaneous restoration properties when they have been subjected to stresses greater than those for which they are established, stresses which could alter or destroy the insulating oxide which covers the reinforcements.
EMI15.1
-: RE SUbiE t-
1- Devices comprising an immobilized dielectric, intended for capacitors, rectifiers, circuit breakers, etc ..., characterized by their ability to keep for a long time at any temperature below approx. 100 C., and by their ability to restore quickly and spontaneous.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.