<Desc/Clms Page number 1>
PERFECTIONNEMENTS AUX MATIERES ISOLANTES UTILISEES EN
ELECTRICITE.
L'invention se rapporte à des matières isolantes utilisées en électricité, et plus particulièrement à des matières diélectri- ques entrant dans la fabrication des condensateurs.
Dans la demande de brevet Américain N 508.057, on a dé- crit un condensateur électrique dont l'isolant comprend un ou plusieurs oléfines polymérisés solides, dans lesquels sont noyées des particules inorganiques finement divisées ayant une permettivité plus grande que 5, de manière à élever le pouvoir de cette matière d'au moins 10% sans devoir élever le facteur de puissance de l'en- semble résultant au dessus de 0.0025.
De plus, dans certains cas, un condensateur électrique pourvu comme diélectrique d'une couche @ ou film de résine dans laquelle sont incorporées des particules in- @
<Desc/Clms Page number 2>
organiques finement divisées de permettivité élevée, offre des avan- tages sur les condensateurs de capacité correspondante actuellement en usage, même si le facteur de puissance est aussi élevé que 0.05, puisque ce condensateur peut être de dimensions plus faibles que par exemple un condensateur au papier, si le diélectrique a la forme d' une couche ou d'un film qui adhère fortement aux électrodes et est de permettivité plus élevée que le papier.
De plus, ces condensa- teurs peuvent être substitués aux condensateurs électrolytiques dans certains cas, mais avec un facteur de puissance plus faible et sans devoir observer la polarité des condensateurs.
Dans le but d'obtenir des condensateurs de grandes capaci- tés tout en maintenant réduit le prix de revient de la matière con- stituant la couche ou le film, il est désirable que cette matière se présente sous forme d'une bande ou ruban continu pouvant être enroulé fortement autour d'un mandrin de forme quelconque. Il s'ensuit dès lors qu'une condition importante de ces films est d'offrir une rési- stance suffisante et une flexibilité satisfaisante pour résister aux procédés d'enroulement dans le fabrication des condensateurs, sans se rompre, ou sans qu'il ne se produise des craquelures ou autres détériorations mécaniques.
On a trouvé que pour maintenir une flexibilité raisonnable dans le film composé résultant, il est désirable de réduire la quan- tité moyenne de particules de charge utilisées à environ un tier de l'épaisseur du film, par exemple si les particules sont approximati- vement sphériques ou cubiques, le diamètre moyen, ou la diegonale principale, ne doit pas dépasser un tier de l'épaisseur du film.
Suivant la présente invention, on a prévu un condensateur électrique dont l'isolant comprend un film d'une matière plastique organique dans laquelle sont incorporées des particules inorganiques finement divisées, de grande permettivité, la dimension moyenne de ces particules n'étant pas plus grande qu'un tier de l'épaisseur du film. En plus de ces dimensions, le film doit aussi présenter une
<Desc/Clms Page number 3>
résistance à la traction et une flexibilité qui répondent à la quan- tité des particules présentent, ce qui peut se définir plus exacte- ment comme étant le pourcentage en volume des particules.
On a trouvé qu'avec la majorité de matière organique flexible, des films peuvent être obtenus avec des pourcentages en volume de particules solides d'environ 50%, tout en offrant encore une résistance à la traction et une flexibilité suffisante pour être enroulés sur un mandrin. Il est cependant préférable d'avoir un plus grand facteur mécanique de sécurité et d'utiliser des pourcentages en volume des particules solides compris dans la rangée de 10 à 30%, même au dé- pend d'une faible perte de permettivité.
On a constaté que parmi les matières obtenues commerciale- ment en formes de poudres, les dimensions des particules varient considérablement, mais si le diamètre moyen de ces particules n'est pas plus.grand qu'un tier de l'épaisseur du film, des résultats mé- caniques satisfaisants peuvent être obtenus en ce qui concerne les limites de pourcentage en volume déjà définies.
De fines poudres convenables peuvent être préparées pour réaliser des films minces au moyen de méthodes bien connus, comme par un grenage ou une désintégration à grande vitesse, suivie par une séparation des particules de dimensions voulues par flottage dans l'air ou par criblage spécial sous pression, ainsi qu'il est décrit dans l'article du Bell Monograph B.881, publié par Monsieur F.F.
Lucas.
Ces poudres peuvent être incorporées dans des laques pour 8tre coulées par une méthode quelconque connue qui fournit une in- corporation parfaite et uniforme, mais le grenage dans un tambour à billes a donné des résultats plus satisfaisants. Il est normal d' ajouter des quantités convenables de matières plastifiantes à la résine en question suivant les procédés bien connus. D'autres parts les poudres peuvent être incorporées aux bases plastiques ou élasti- ques par broyage dans un tambour à billes normalles.
<Desc/Clms Page number 4>
Dans les exemples suivants on envisage les volumes réels et non par les volumes d'encombrement.
Exemple 1 - 30 cms3 de roudre rutile, formée de particules de dimensions moyennes 2 elle , sont incorporés le plus uniformément possible dans une laque comprenant du polystyrène, une matière pla- stifiante, et un dissolvant volatil, la quantité de laque étant telle que le volume de résine polystyrène plus la matière plastifiante était de 70 cms3. Des films de l'épaisseur de 25 #, coulés au moyen de ce mélange sur une plaque plate, se mouvant enbande ou en cy- lindre, pour être ensuite séparés de la plaque, ont été trouvés pré- senter une permettivité de 17.5 et un facteur de puissance de 0.0011 de mésurés à une fréquence;! megacycle par seconde.
Exemple 2 - 10 cms3 de poudre de titane de barium formée de particules de dimension moyenne 3 #, étaient incorporés unifor- mément dans une laque comprenant du polystyrène, une matière plqsti- fiante, et un dissolvant volatil, la quantité de réstne et de matière plastique étant de 90 cms3 en volume. Quand des films d'une épais- seur 12 # étaient obtenus de ce mélange sur une plaque plate, se mouvant en bande ou en cylindre, de laquelle ils étaient séparés par la suite pour être enfin séchés, on obtenait un produit de permetti- vité égale à 5.1 et de facteur de puissance de 0.001 mesurés à une fréquence de 1 mégacycle par seconde.
Exemple 3 - 30 cms3 d'une poudre de titane de barium formée de particules ayant des dimensions moyennes 5 #, étaient mélangés intimement dans une laque faite de polystyrène, d'une matière plasti- fiante, et d'un dissolvant volatil convenable dans un tambour à billes. Le mélange, coulé sur une plaque plate, se mouvant en bande ou cylindre, puis séparé de cette plaque pour constituer des films d'une épaisseur 2 #, ont été trouvés offrir une permettivité de 19 et un facteur de puissance de 0. 0107, mesurés à une fréquence de 1 mégacycle par seconde.
Exemple 4 - 30 cms3 de titane de barium constitué de par-
<Desc/Clms Page number 5>
ticules ayant une dimension moyenne 5 #, étaient intimement mélan- gés avec une 1%que d'acétate de cellulose comprenant une résine secondaire, une matière plastifiante, et un dissolvant volatil.
Quand le mélange est coulé sur une plaque plate, se déplaçant par bande ou cylindre, puis est séparé de celle-ci pour constituer des films d'épaisseur 5 #, séchés par la suite pour être libérés de toutes traces de dissolvant résiduel et d'humidité, on obtenait dès films présentant une permettivité de 27 et un, facteur de puissance de 0.047 mesurés à une fréquence de 1 mégacycle par seconde.
Exemple 5 .. 30 cms3 de titane de barium formé de parti- cules moyennes ,de 5 #, étaient intimement mélangés avec une laque comprenant du dichlorostyrène, une matière plastifiante, et un dis- solvant, en quantités telles qu'il restait 70 cm3 de dichlorostyrène plus la matière plastifiante après l'enlèvement du dissolvants. Des films d'épaisseur 25 # obtenus de ce mélange sur une plaque plate se mouvant par bande ou cylindre, puis séparés de celle-ci, présen- taient une permettivité de 19.2 et un facteur d'énergie de 0.011 mesurés à une fréquence de 1 mégacycle par seconde.
Exemple 6 - 20 cms3 de poudre de rutile formé de particu- les ayant des dimensions moyennes de 3 #, étaient incorporés in- timement dans 80 cms3 d'éthylène polymérisé au moyen d'un mélangeur, et le mélange résultant était calandré pour former une feuille de 25 # d'épaisseur qui présentait une permettivité de 8 et un facteur de puissance de 0. 0008, mesurés à une fréquence de 1 mégacycle par seconde.
Exemple 7 - 30 cms d'une poudre de titane de barium for- mée de particules ayant des dimensions moyennes de 5 # étaient in- timement mélangés à 70 cm3 d'une résine de chlorurede polyvinyl dans un mélangeur à haute température, le mélange étant calandré sur un appareil spécial à une température de 200 centigrades, de manière à fournir des feuilles d'une épaisseur de 500 # qui offraient une permettivité de 20 et un facteur de puissance de 0.031 mesurés à une fréquence de 1 mégacycle par seconde.
<Desc/Clms Page number 6>
Un mélange de chlorure de polyvinyl plus mou peut être obtenu par l'addition de matières plastifiantes, de manières bien connues. Avec ces mélanges, des composés peuvent être préparés qui sont calandrés à une épaisseur de 50 #, mais avec des facteurs de puissance quelque peu supérieurs suivant la quantité de la nature de la matière plastifiante utilisée.
Dans tous les exemples mentionnés ci-dessus dans lesquels un film était obtenu par coulage, ce film peut être coulé sur une feuille métallique qui, ainsi recouverte, est utilisée dans la fabri- cation des condensateurs électriques sans que le film soit séparé de la feuille métallique. Quand deux longueurs d'une telle feuille sont enroulées ensemble, elles constituent les électrodes du conden- sateur.
Les exemples précédents envisagent principalement l'emploi du rutile et du titanate de barium, mais la présente invention con- cerne aussi des mélanges renfermant des particules finement divisées de titanate de strontium, de titanate de magnésium, de titanate de calcium, de titanates de strontium et de barium mélangés, de titanate de plomb ou autres poudres inorganiques à haute permettivité, comme décrit dans la demande de brevet Américaine 508.057.
<Desc / Clms Page number 1>
IMPROVEMENTS TO INSULATING MATERIALS USED IN
ELECTRICITY.
The invention relates to insulating materials used in electricity, and more particularly to dielectric materials used in the manufacture of capacitors.
In US Patent Application No. 508,057, an electrical capacitor has been described, the insulation of which comprises one or more solid polymerized olefins, in which are embedded finely divided inorganic particles having a permissiveness greater than 5, so as to increase the power of this material by at least 10% without having to raise the power factor of the resulting assembly above 0.0025.
In addition, in some cases, an electric capacitor provided as a dielectric with a resin layer or film in which embedded particles are incorporated.
<Desc / Clms Page number 2>
finely divided organics of high permissiveness, offers advantages over capacitors of corresponding capacitance currently in use, even if the power factor is as high as 0.05, since this capacitor may be of smaller dimensions than for example a paper capacitor , if the dielectric is in the form of a layer or film which adheres strongly to the electrodes and is of higher permeability than paper.
In addition, these capacitors can be substituted for electrolytic capacitors in some cases, but with a lower power factor and without having to observe the polarity of the capacitors.
In order to obtain capacitors of large capacities while keeping the cost of the material constituting the layer or film reduced, it is desirable that this material be in the form of a continuous strip or ribbon. can be wrapped tightly around a mandrel of any shape. It follows, therefore, that an important condition of these films is to offer sufficient strength and satisfactory flexibility to withstand the winding processes in the manufacture of capacitors, without breaking, or without breaking. cracks or other mechanical damage occurs.
It has been found that in order to maintain reasonable flexibility in the resulting composite film, it is desirable to reduce the average amount of filler particles used to about a third of the film thickness, for example if the particles are approximately. spherical or cubic, the average diameter, or the main diegonal, must not exceed one third of the thickness of the film.
According to the present invention, there is provided an electric capacitor whose insulation comprises a film of an organic plastic material in which are incorporated finely divided inorganic particles, of great permeability, the average size of these particles not being greater. than a third of the film thickness. In addition to these dimensions, the film must also present a
<Desc / Clms Page number 3>
tensile strength and flexibility which responds to the amount of particles present, which can be more accurately defined as the volume percentage of the particles.
It has been found that with the majority of flexible organic material, films can be obtained with volume percentages of solid particles of about 50%, while still providing sufficient tensile strength and flexibility to be wound onto a coil. mandrel. It is, however, preferable to have a greater mechanical safety factor and to use percentages by volume of solid particles in the range of 10 to 30%, even at the expense of a small loss of permissiveness.
It has been found that among materials obtained commercially in powder form the particle sizes vary considerably, but if the average diameter of these particles is not greater than a third of the thickness of the film, Satisfactory mechanical results can be obtained with regard to the volume percent limits already defined.
Suitable fine powders can be prepared to make thin films by means of well known methods, such as high speed graining or disintegration, followed by separation of particles of desired size by floating in air or by special screening under. pressure, as described in the Bell Monograph B.881 article, published by Monsieur FF
Lucas.
These powders can be incorporated into lacquers to be cast by any known method which provides a perfect and uniform incorporation, but graining in a ball drum has given more satisfactory results. It is normal to add suitable amounts of plasticizing materials to the resin in question according to well known methods. On the other hand, the powders can be incorporated into the plastic or elastic bases by grinding in a normal ball drum.
<Desc / Clms Page number 4>
In the following examples, the actual volumes are considered and not the overall volumes.
Example 1 - 30 cms3 of rutile powder, formed of particles of average dimensions 2 her, are incorporated as uniformly as possible in a lacquer comprising polystyrene, a plasticizing material, and a volatile solvent, the quantity of lacquer being such that the volume of polystyrene resin plus plasticizer was 70 cms3. Films of the thickness of 25 #, cast by means of this mixture on a flat plate, moving in a strip or in a cylinder, to be then separated from the plate, were found to exhibit a permissibility of 17.5 and a power factor of 0.0011 measured at a frequency ;! megacycle per second.
Example 2 - 10 cms3 of barium titanium powder formed of particles of average size 3 #, was incorporated uniformly in a lacquer comprising polystyrene, a plasticizing material, and a volatile solvent, the amount of resin and material. plastic being 90 cms3 in volume. When films with a thickness of 12 # were obtained from this mixture on a flat plate, moving in a strip or cylinder, from which they were subsequently separated to be finally dried, a permitting product was obtained. equal to 5.1 and power factor of 0.001 measured at a frequency of 1 megacycle per second.
Example 3 - 30 cms3 of a barium titanium powder formed of particles having an average size of 5 #, were mixed intimately in a lacquer made of polystyrene, a plasticizer, and a suitable volatile solvent in a. ball drum. The mixture, cast on a flat plate, moving in a strip or cylinder, then separated from this plate to form films with a thickness of 2 #, were found to offer a permit of 19 and a power factor of 0. 0107, measured at a frequency of 1 megacycle per second.
Example 4 - 30 cms3 of barium titanium consisting of
<Desc / Clms Page number 5>
The particles having an average size of 5%, were intimately mixed with a 1% cellulose acetate comprising a secondary resin, a plasticizer, and a volatile solvent.
When the mixture is poured onto a flat plate, moving by strip or cylinder, then is separated from it to form films of 5 # thickness, subsequently dried to be freed from all traces of residual solvent and humidity, we obtained from films exhibiting a permeability of 27 and a power factor of 0.047 measured at a frequency of 1 megacycle per second.
Example 5 30 cms3 of barium titanium formed from medium particles, 5%, was thoroughly mixed with a lake comprising dichlorostyrene, a plasticizer, and a dissolver, in amounts such that 70 cm3 remained. of dichlorostyrene plus plasticizer after solvent removal. Films of 25 # thickness obtained from this mixture on a flat plate moving by strip or cylinder, then separated from it, had an allowability of 19.2 and an energy factor of 0.011 measured at a frequency of 1. megacycle per second.
Example 6 - 20 cms3 of rutile powder formed from particles having an average size of 3 #, was incorporated intimately into 80 cms3 of ethylene polymerized by means of a mixer, and the resulting mixture was calendered to form a mixture. 25 # thick sheet which had a permit of 8 and a power factor of 0. 0008, measured at a rate of 1 megacycle per second.
Example 7 - 30 cm3 of a barium titanium powder formed of particles having an average size of 5 # was intimately mixed with 70 cm3 of a polyvinyl chloride resin in a high temperature mixer, the mixture being. calendered on a special apparatus at a temperature of 200 centigrade, so as to provide sheets with a thickness of 500 # which offered an allowability of 20 and a power factor of 0.031 measured at a frequency of 1 megacycle per second.
<Desc / Clms Page number 6>
A softer polyvinyl chloride blend can be obtained by the addition of plasticizers, in well known ways. With these mixtures, compounds can be prepared which are calendered to a thickness of 50 #, but with somewhat higher power factors depending on the amount of the nature of the plasticizer used.
In all the above-mentioned examples in which a film was obtained by casting, this film can be cast on a metal foil which, thus covered, is used in the manufacture of electric capacitors without the film being separated from the foil. metallic. When two lengths of such a sheet are wound together, they constitute the electrodes of the capacitor.
The foregoing examples mainly contemplate the use of rutile and barium titanate, but the present invention also relates to mixtures containing finely divided particles of strontium titanate, of magnesium titanate, of calcium titanate, of strontium titanates. and mixed barium, lead titanate, or other high permissiveness inorganic powders, as described in U.S. Patent Application 508,057.