Isolierendes dielektrisches Material. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein isolierendes Material, insbesondere für Kondensatoren und Hochfrequenzkabel.
Bekanntlich wird die Leistung eines Wech- selstromkondensat.ors durch die Zahl der Volt ampere, die er bei kontinuierlichem Betrieb ohne übermässige Überhitzung und chemische Zersetzung aufnehmen kann, bestimmt. Die Aufnahmefähigkeit in Voltampere ist. dem Quadrat der angelegten Spannung, der spe zifischen induktiven Kapazität und dem Ver lustfaktor proportional. Zur Erzielung einer maximalen Voltampere-Aufnahmefähigkeit ist es deshalb zweckmässig; eine hohe dielektrische Festigkeit zu haben, um das Anlegen einer hohen Spannung bei hoher spezifischer in-. dttktiver Kapazität und gleichzeitig minima lem Verlustfaktor zu ermöglichen.
Es ist üblich, als Dielektrikum zwischen den Elektroden eines Kondensators für Hoch frequenzkreise natürlichen Glimmer zu ver wenden, da dieser bei den höheren Frequen zen einen günstigen Verlustfaktor aufweist. Die Voltampere-Charakteristik eines. mit diesem Material als Dielektrikum versehenen Kondensators ist jedoch durch die spezifische induktive Kapazität und die dielektrische Festigkeit des Glimmers begrenzt, wobei die letztere Grösse leider klein und ungünstig ist.
Eine wichtige Tatsache ist, dass .die dielektri- sch,e Festigkeit, bestimmt durch den Ionisa- tions- oder Koronaspiegel, der als Angabe des Grenzspiegels dienen kann, für die mei- sten festen Dielektrika, wie Glimmer, Harze, Wachse und keramische Materialien, verhält nismässig klein ist. Ausserdem weisen Kon densatoren mit natürlichem Glimmer als Di- elektrikum, selbst wenn der Glimmer mit einem flüssigen Dielektrikum kombiniert ist, ein geringes Wärmeableitüngsvermögen auf.
Anderseits zerfallen Cellulösematerialien als Dielektrika bei den höheren Temperaturen, beispielsweise bei 150 C. .
Das, dielektrische Material gemäss der vor liegenden Erfindung besteht aus einem selbst tragenden Glimmerkörper; z. B. einem Blatt, der aus unregelmässig angeordneten, sich überlappenden, durch natürliche Molekilar- kräfte zusammengehaltenen, kleinen Glimmer flocken zusammengesetzt ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Zwischenräumen zwischen den _ Glimmerflocken ein von Luft verschiedener isolierender Stoff vorhanden ist.
Im folgenden werden Ausführungsbei spiele des Erfindiuigsgegenstandes an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines mit dem erfin dungsgemässen dielektrischen Material ausge rüsteten Kondensators mit parallelen Platten.
Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein elektri sches Kabel, das ebenfalls mit dem dielektri- schen Material gerriäss der vorliegenden Erfin dung versehen ist.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit des Verlustfaktors (in /o) von der Frequenz (in Hz bzw. Megahz) für verschiedene als Dielektrika verwendete Stoffe (B für Papier -f- Öl, A für wieder vereinigten Flockenglimmer -I- Öl, Ü für trok- kenen natürlichen Glimmer, D für Mineralöl).
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Durchschlagsfestigkeit in Volt pro Millizoll für verschiedene Stärken 'des Di- elektrikums für verschiedene Dielektrika (E für wiedervereinigten Flockenglimmer -h Öl, Kraftpapier -I- Öl, F für natürlichen Glim mer, Harze, feste Dielektrikä) zeigt, und Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die den Scheinwiderstand in Abhängigkeit von der Temperatur in C für natürlichen Glim mer (G)
und wiedervereinigten Flock englim- mer (H) zeigt.
Wie bereits erwähnt wurde, wird natür licher Glimmer für Hochfrequenzkondensato- ren verwendet, und zwar wegen seines kleinen erhistfaktors, wie aus einem Vergleich der in Fig. 3 dargestellten Kurven ersichtlich ist.. Werden jedoch Glimmerblätter mit einer ge eigneten Isolierflüssigkeit, wie z. B.
Mineralöl, imprägniert, so besitzen sie nur anfänglich verhältnismässig hohe Ionisationsspiegel und erleiden unter elektrischer Belastung Scha den, so dass der Ionisationsspiegel sich dem jenigen, der durch die Kurve F in Fig. 4 dargestellt ist, annähert, wodurch eine rasche Beschädigung und ein Versagen des Dielek- trikums verursacht werden.
Der Grund für diese Erscheinung beruht wahrscheinlich auf der Tatsache, dass natürliche Glimmerblätter mit geschichteter Struktur Hohlräume ent halten, -und dass natürliche geschichtete Blät ter in einer zu den Ebenen der Schichten. trans,versalen Richtung undurchlässig sind, so dass beim Imprägnieren nur die Zwischen räume zwischen den Schichten ausgefüllt wer den, nicht aber die Hohlräume, die wegen der Undurchlässigkeit des Materials durch die Imprägnierflüssigkeit nicht erreicht wer den können.
Auf jeden Fall ist es nicht zweckmässig, ein Isolieröl mit natürlichem Glimmer als Dielektrikum zu kombinieren und dadurch gegenüber natürlichem Glimmer ohne Öl einen Vorteil erzielen zu wollen.
In Fig. 1 ist ein Kondensator mit par allelen Platten dargestellt, in welchem die Zahl 10 ein zwischen leitenden Platten 11 angeordnetes Kondensatordielektrikum be zeichnet, das aus mit. einer Isolierflüssigkeit oder einem Isoliergas unter Druck imprägnier ten Glimmerblättern besteht, die so herge stellt werden, dass man natürlichen Glimmer bei einer Temperatur von etwa 800 C brennt, um eine Entblätterung des Glimmers hervor zurufen, das gebrannte Produkt in Wasser zerkleinert, um verhältnismässig kleine Glim- merflocken und .einen Schlamm zu erzeugen,
der hierauf in ein Deckelgefäss oder in eine Spezialpapier-Herstellungsmaschine überge führt wird, wo das Wasser abgeführt. ;wird und ein dichter feuchter Filz aus kleinsten Glimmerflocken zurückbleibt. Der Filz wird hierauf in 'einem Ofen bei 100 bis 150 C ge trocknet.
Das fertige Material ist aus sich überlappenden und unregelmässig angeord neten kleinsten Flocken aus reinem Glimmer zusammengesetzt., die durch die zwischen den Flocken wirkenden natürlichen Molekular kräfte zusammengehalten werden unter Bil dung eines selbsttragenden Blattes, das im Gegensatz zu natürlichem Glimmer für Flüs sigkeiten und Gase in allen Richtungen durch lässig ist.
Da theoretisch zu erwarten war, dass Glim mer in Form kleinster Flocken immer noch tiefe Ionisationsspiegel aufweisen würde, wie dies bei grösseren natürlichen Glimmerblät- tern der Fall ist und durch die Kurve F in Fig. 4 zum Ausdruck gebracht ist, stellt. das Resultat der höheren Ionisationsspiegel eine völlig unerwartete Tatsache dar, die in keiner Weise hätte vorausgesehen werden können.
Prüfungen haben indessen ergeben dass Ioni- sationsspiegel erhalten werden, die mit den jenigen von Dielektrika aus Öl und Papier vergleiehbar sind, wie aus der Kurve E in Fig. 4 ersichtlich ist. Ausser diesem neuen Resultat wird gleichzeitig ein Verlustfaktor erzielt, der verhältnismässig klein ist.
So zeigt beispielsweise die Prüfungskurve g von Fig. 3 einerseits, dass die Kombination aus neu zusammengesetztem Glimmer und einem Isolieröl bei den höheren Frequenzen einen Verlustfaktor aufweist, der beträchtlich unter demjenigen der Papier-Öl-Dielektrika (Kurve B) liegt, und anderseits, dass euer Verlustfak tor mit steigender Frequenz, statt zuzuneh men, abnimmt, bis er sich dem Verlustfaktor von natürlichem Glimmer bei .einer Frequenz von einer Million annähert.
Das dielektrische Material gemäss der Er findung weist somit eine verhältnismäss hohe spezifische induktive Kapazität und gleich zeitig geringe Verluste und einen hohen Ioni- sationsspiegel auf und kann als Kondensator:
dielektrikum verwendet werden, das sich in ganz aussergewöhnlicher Weise gut zum Ar beiten mit grossen Kilovoltampere-Energien pro Volumeinheit eignet. Das d>lektrische Material gemäss der vorliegenden Erfindung eignet sich wegen seiner elektrischen und mechanischen Charakteristika besonders für Anwendungen auf dem Hochfrequenzgebiet. Es wurde beispielsweise ein 0,1 mm dickes di- elektrisches Blatt bei 500 Kilohertz und 400 Volt pro 0,025 mm geprüft,
wobei nach einer Prüfungsdauer von 100 Stunden kaum eine Beschädigung beobachtet werden konnte. Bis her war es üblich, bei Radiofrequenzen natür lichen Glimmer bei etwa 50 Volt pro 0,025 mm in Dicken von 0,025 bis 0,1 min zu verwenden, während es mit dem erfindungsgemäss neu zusammengesetzten Glimmer in Kombination mit. Öl möglicht ist, bei 200 Volt pro 0,025 mm gefahrlos zu arbeiten.
Die Entdeckung, dass ein kleiner Verlustfaktor und eine hohe dielek- trisehe Festigkeit in einem einzigen dielektri- sehen Material kombiniert werden können, ermöglicht den Bau eines Kondensators, der 16 mal leistungsfähiger ist als Kondensatoren mit natürlichem Glimmer.
Ausserdem liefert das neuartige dielektri- sche Material einen guten Kondensatortempe- raturkoeffizienten, wie aus den Kurven der Fig. 5 ersichtlich ist. Die Wichtigkeit dieser Charakteristik für die Anwendung auf dem Iloehfrequenzgebiet ist offensichtlich, da, so- bald ein Kondensator in :einen abgestimmten Kreis geschaltet worden ist und die Kapazi tät bei Temperaturänderungen beträchtlichen Veränderungen unterworfen ist, der Kreis aus der Resonanz gebracht wird.
Das - neuartige dielektrische Material ist schliesslich, wie natürlicher Glimmer, befä higt, einer Temperatur von mindestens 150 -C erfolgreich zu widerstehen, besitzt jedoch ausserdem, im Gegensatz zu natürlichem Glim mer, ein hohes Ableitungsvermögen für die Wärme aus dem Innern des Stapels nach den leitenden Platten oder Elektroden eines Kon- densators.
Einige Kurven der Zeichnung zeigen im besonderen die Charakteristika dies neuen Ma terials, bei dem der neu aufgebaute Glimmer körper mit Mineralöl imprägniert ist. Andere Versuche mit Glimmer in Kombination mit andern dielektrischen Flüssigkeiten, wie z. B. halogenierten Kohl;enwasserstoffen und Di- butylsebacat, ergeben äquivalente Charakte ristika..
Tatsächlich lassen die bisher durchge führten Versuche mit verschiedenen Flüssig keiten eindeutig erkennen, dass jede Flüs sigkeit mit einem Widerstand von mehr als 104 Ohm pro ems in Kombination mit dem neu zusammengesetzten Glimmer die voran gehend erläuterte Kombination neuer Charak teristika liefert.
Der neu zusammengesetzte Glimmer kann mit einer Isolierflüssigkeit oder einem von Luft verschiedenen Isoliergas, beispielsweise finit fluorierten Kohlenwasserstoffen, unter -der Markenbezeichnung Freone bekannt, Schwefelhexafluorid oder Stickstoff unter Druck, gefüllt oder imprägniert werden, wo bei eine ungewöhnlich kleine spezifische, in duktive Kapazität und geringe dielektrische Verluste erhalten werden.
Diese Kombination eignet sich sehr gut für Hochfrequenzkab.el. Als Beispiel dieser Anwendung ist in Fig. 2 ein koaxiales Kabel dargestellt, das ein. anderes Gas als Luft unter Druck enthält und in welches neu zusammengesetzter Glim mer 12 eingeführt wurde, der Isolierträger- stücke bildet, die in Abständen längs des Kabels angeordnet sind und dazu dienen, den zentralen oder axialen Leiter 13 zu isoliere und vom äussern Leiter 14 in Abstand zu halten.