DE2037902A1 - Elektrischer Kondensator - Google Patents

Description

K 1854Aa PP-Dr.Wa-df 22. Juli 1970

Beschreibung zur Anmeldung der

KALLE AKTIENGESELLSCHAFT Wiesbaden-Biebrich

für ein Patent auf

Elektrischer Kondensator

(Zusatz zu Patent . ... ... Patentanmeldung

P 18 02 327.3 vom 10. Oktober 1968)

Gegenstand der Hauptanmeldung ist ein elektrischer Kondensator aus einem Elektrodenpaar und einem dielektrischen Abstandshalter, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der dielektrische Abstandshalter aus mindestens einer nicht- * porösen thermoplastischen Folie 3 besteht, welche auf mindestens einer ihrer Oberflächen mit Erhebungen 4 versehen ist, und die «wischen den Erhebungen entstandenen Räume mit einer dielektrischen Flüssigkeit ausgefüllt sind.

Es ist bekannt, Dielektrika für Kondensatoren aus Spezialpapier oder anderen Cellulosematerialien und in Jüngster Zeit aus Kunststoffolien, entweder allein oder in Verbin-

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dung mit Papierbogen herzustellen. Kunststoffolien im allgemeinen und insbesondere Polypropylenfolien sind den Dielektrika aus Cellulosefolien überlegen, da sie höheren Spannungen pro Dickeneinheit standhalten können, weniger oft Fehler aufweisen, zum Beispiel kleine Löcher oder leitende Teilchen, die die elektrische Festigkeit herab-

ψ setzen und einen kleineren dielektrischen Verlustfaktor haben. In Anbetracht dieser und anderer Eigenschaften kann man zu Erzielung äquivalenter Kapazität und Betriebsspannung Kondensatoren mit Dielektrika aus Polypropylenfolie kleiner herstellen als Kondensatoren mit Dielektrika aus Papier. Dünne, orientierte Polypropylenfolien haben-jedoch den Nachteil, daß sie dazu neigen, sowohl aneinander als auch an den Elektrodenfolien, mit denen sie bei der Herstellung der Kondensatoren gewickelt werden, fest zu haften und zu

^ kleben. Dieses unerwünschte, im allgemeinen ale "blocking" bezeichnete Kleben der Poylpropylenfolienoberflächen an benachbarten Polypropylen* oder Metallfolienoberflächen erschwert das Imprägnieren derartiger Kondensatoren nach der Wicklung. Ferner führt diese Klebetendenz zu Lufteinochlüssen in der fertig gewickelten Kondensatoreinheit und verhindert das Vordringen der dielektrischen Flüssigkeit zu allen Teilen des Wickels. Folglich wird die elektrische Festigkeit merklich verringert, die Glimmeinsatzepannung ninaat ab, di» Kondensa-

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toreinheiten erleiden einen vorzeitigen Durchschlag und haben eine verkürzte Lebensdauer. Dazu kommt, daß der nichtporöse Charakter der Polypropylenfolien eine entsprechende Imprägnierung erschwert. Mangelhaftes Imprägnieren führt zu nicht erfaßten Poren und Lücken in den Zwischenräumen, d.h. zwischen den Folien und benachbarten, nichtporösen Oberflächen, was eine Verschlechterung und einen vorzeitigen Durchschlag des Kondensators zur Folge hat.

Nach einem Verfahren, das man zur Verbesserung der Imprägnierung von Kondensatoren mit Polyolefindielektrika vorgeschlagen hat, verwendet man ein poröses Material, wie Papier, in Verbindung mit der Folie. Bei diesen Kondensatoren mit einem geschichteten Dielektrikum oder einem Dielektrikum aus einem Verbundmaterial ermöglicht die poröse Schicht, wahrscheinlich aufgrund ihrer dochtähnlichen Wirkung, eine |

bessere und gleichmäßigere Imprägnierung mit der dielektrischen Flüssigkeit. Die Verwendung einer Papierschicht vermindert jedoch die Fähigkeit des Dielektrikums, hohen Spannungen pro Dickeneinheit standzuhalten, erhöht den dielektrischen Verlustfaktor des Kondensators und die Größe der Einheit, so daß im allgemeinen die Vorteile keine wirtschaftliche Bedeutung mehr haben.

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Nach einem anderen zur Verbesserung der Imprägnierbarkeit von Polyolefinfolien bekannten Verfahren verwendet man, entweder auf der Oberfläche der Folie oder durch ihre gesamte Masse, ein in Partikeln auftretendes dielektrisches Material wie Aluminiumoxid. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß es schwiering ist, eine gleichmäßige Verteilung der Oxidpartikel auf der Folienoberfläche zu schaffen und aufrechtzuerhalten, oder eine gleichmäßige Dispersion des Aluminiumoxids im Harz zu erhalten und das Harz zu extrudieren, wenn man eine einwandfreie Folie erhalten will. Die Ungleichmäßigkeit in der Verteilung der Aluminiumoxidpartikel verursacht eine inhomogene elektrische Spannungeverteilung und eine Verminderung der Durchschlagfestigkeit des Dielektrikums.

In Weiterentwicklung des Gegenstandes der Hauptanmeldung wurde nun in Abwandlung des elektrischen Kondensators gemäß der Hauptanmeldung ein elektrischer Kondensator gefunden, der hohe Spannungen aushält ohne daß elektrische Durchsehläge oder Glimmentladungen auftreten, ein© höhere Kapazität pro Volumeneinheit besitzt und günstige dielektrische Eigenschaften über einen weiten Temperatur- und Frequenzbereich aufweist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit eine Aöwani«

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lung des elektrischen Kondensators nach der Hauptanmeldung, bestehend aus einem Elektrodenpaar und einem dielektrischen Abstandshalter, bei dem der dielektrische Abstandshalter aus mindestens einer nichtporösen thermoplastischen Folie 3 besteht, welche auf mindestens einer ihrer Oberflächen mit Erhebungen ¹I versehen ist, und die zwischen den Erhebungen entstandenen Räume mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter aus einer biaxial orientierten Folie aus isotaktischem Polypropylen besteht, die bei 12O°C einen Restschrumpf von weniger als 3% in Maschinenrichtung und von weniger als 1% quer zur Maschinenrichtung besitzt und auf wenigstens einer Seite Erhebungen aufweist, die eine Unebenheit der Folienoberfläche bewirken.

Der Kunststoff, aus dem die biaxial orientierten dielektrischen Folien der erfindungsgemäßen Kondensatoren hergestellt werden, besteht aus hochmolekularem, stereoregulärem, hauptsächlich kristallinem, hoch isotaktischem Polypropylen. Die Herstellung der biaxial orientierten Folien aus diesen Polymeren kann auf bekannte Weise durch Auswalzen, Extrusion, Pressen, Gießen aus einer Lösung und Gießen einer Schmelze erfolgen. Man kann die Folien anschließend auch längs- und

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querverstrecken, um sie biaxial oder in Längs- und Querrichtung gleichmäßig zu orientieren.

Die orientierte Polypropylenfolie hat bei 12O°C einen Restschrumpf von weniger als 3% in Maachinenrichtung und von weniger als 1% quer zur Maschinenrichtung und ist auf min-

" destens einer ihrer Oberflächen aufgrund sich darauf befindlicher Erhebungen uneben. Die Herstellung der Folien mit den oben angegebenen Schrumpfwerten kann durch Thermofixierung einer orientierten Folie erfolgen» d.h. die orientierte Folie wird für den Bruchteil einer Sekunde bis zu etwa zwei Sekunden auf einer heißen Walze oder in einem Spannrahmen bei einer Temperatur von etwa 125 bis IHO⁰C erhitzt, wobei sie, vorzugsweise in Querrichtung, unter Spannung gehalten wird. Die Unebenheit der Folienoberfläche wird durch Prägen

^ der orientierten thermofixieren Folie unter Verwendung einer geeigneten Vorrichtung, mit der man die Oberfläche der Folie wie oben beschrieben, verändern kann, erzeugt. Nach einem geeigneten Verfahren bearbeitet man die Oberfläche der Polypropylenfolie mit den vorgenannten Schrumpfwerten mit Hilfe eines beheizten Elements, das mit der Oberfläche der Folie nur kurz in Berührung steht, so daß die Wärme und der nötige Druck das gewünschte Prägemuster auf einer oder beiden Seiten der Folie bilden. Die Temperatur des beheizten Elements und der Druck werden so eingestellt, daß die Oberfläche der Folie mit den OberfläehenmerkmaleR des beheizten

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Elements geprägt wird. Vorzugsweise ist das beheizte Element eine Metallwalze, die das gewünschte Prägemuster aufweist und bei einer Temperatur von etwa 105 bis 16O°C, vorzugsweise von etwa 130 bis 15O⁰C, gehalten wird*

Daa durch die Prägewalze erzeugte Prägemuster kann beliebig sein, solange es genügend Erhebungen und/oder Einkerbungen oder Vertiefungen auf der Folienoberfläehe erzeugt, um die Unebenheit und Kapillarbenetzung über im wesentlichen die ganze Folienoberfläche zu schaffen. So kann das Prägemuster grob oder fein sein und aus Rippen oder Wellen, Nagelspitzen, Dellen, Querlinien und dergleichen bestehen. Besondere bevorzugt ist ein Prägemuster, das als Wellung oder "gleichmäßige Riffelung" bezeichnet wird, d.h. das Muster besteht aus gleichmäßig voneinander entfernten linienförmigen rippenartigen Erhebungen, die quer zur Maschinenrichtung auf der Folienober- | fläche verlaufen.

Vorzugsweise hat die Folie eine Dicke von 5 bis 38,um und je nach Foliendicke eine Prägetiefe von 0.5 bis lO^um.

Das Prägen, bei dem die Folie nicht versehrt werden darf,

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verleiht den Folienoberflächen die gewünschte Unebenheit bzw. das gewünschte Prägemuster. Die geprägte und thermofixierte Folie ist bei Erfüllung aller für Kondensatorherstellung und -verwendung üblichen Bedingungen mechanisch und thermisch stabil, überraschenderweise hat die erfindungsgemäße, geprägte und thermofixierte Folie auch eine verbesserte Standfestigkeit des Prägemusters im Vergleich zu einer geprägten Folie, die aus nicht orientierter oder aus nicht thermofixierter und orientierter Folie hergestellt wurde. Die Erfindung ermöglicht somit nicht nur die Verwendung höherer Trocknungsund Imprägniertemperaturen bei entsprechend kürzeren Arbeitszeiten, sondern schafft auch Dielektrika, die über einen größeren Temperaturbereich verwendet werden können als es vorher der Fall war.

Die erfindungsgemäßen Kondensatoren werden mit Ausnahme des verwendeten festen dielektrischen Materials in üblicher Weise konstruiert. In den beigefügten Zeichnungen ist in Figur 1 eine perspektivische Ansieht einer teilweise geöffneten Wickelkondensatoranordnung dargestellt. Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Kondensators nach Figur 1, nachdem er mit einem Qehäu@e versehen wurde« Di© Figuren 3, 4 und 5 sind Teilquerschnitte der dielektrischen

und die Figuren 6 und 7 stellen jeweils eine erweiterte Draufsicht auf die Oberfläche der dielektrischen Folie von Figur 4 bzw. 5 dar.

Die Herstellung der Kondensatoranordnung 1 von Figur 1 erfolgt durch Aufwickeln der Streifen 2 und 2' aus Metallfolie,

I z.B. aus Aluminium, Kupfer, Tantal oder dergleichen, mit dazwischenliegendem dielektrischem Abstandshalter, welcher aus einer Polypropylenfolie 3 besteht, die eine durch auf mindestens einer ihrer Oberflächen hervorstehende Erhebungen

4 hervorgerufene Unebenheit aufweist (siehe Figuren 3» 4

und 5). In Figur 3 besteht der Abstandshalter aus einer Polypropylenfolie 3, die auf beiden Oberflächen geprägt ist, in Figur 4 aus einer Polypropylenfolie, die nur auf einer Oberfläche geprägt ist und in Figur 5 aus einer Polypropylenfolie, die das gleichmäßig geriffelte Muster aufweist. |

Der elektrische Kontakt mit den Elektroden kann durch eingelegte Anschlußstreifen 5 und 6 hergestellt werden, deren Enden aus einem Ende der Wickelkondensatoranordnung herausragen. Zur Erzielung eines besseren Kontaktes können die Anschlußstreifen gegebenenfalls an die Elektroden geschweißt sein, und zur Schaffung einer breiteren Kontaktfläche mit seiner zugehörigen Elektrode kann der untere Teil der Streifen

5 und 6 wie bei 7 erweitert sein.

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Vor dem Imprägnieren gibt man die Elektroden-Dielektrikum-Anordnung 1 im allgemeinen in einen Behälter, z.B. in einen wie in Figur 2 gezeigten Metallbehälter 10, und schließt den Behälter mit dem Deckel 11 ab.

Obwohl es nicht gezeigt wird, umfaßt die in Figur 2 gezeigte Einheit 15 ferner eine dielektrische Flüssigkeit, die den übrigen Raum im Behälter 10, der von der Kondensatoranordnung nicht eingenommen wird, einnimmt und den dielektrischen Abstandshalter 3 imprägniert.

Bevor man den Behälter mit dem Deckel schließt, befestigt man die Kontaktstreifen 5 und 6 an den Enden 12 bzw. 13» die aus dem Deckel hervorragen und von ihm isoliert sind. Um das Entfernen von Feuchtigkeit und Luft aus der Anordnung ^ und das Einführen der Imprägnierflüssigkeit zu ermöglichen, hat der Deckel 11 ein kleines Loch 14.

Vor dem Imprägnieren trocknet man die Kondensatoranordnungen im allgemeinen im Vakuum, um restliehe Feuchtigkeit zu entfernen. Die Trocknungstemperatur richtet eich nach der Länge des Trocknungszyklus, liegt aber im allgemeinen im Bereich

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von etwa 60 bis 15O°C. Bei zu niedriger Temperatur ist die Trocknungszeit übermäßig lang, während eine zu hohe Temperatur die Zersetzung des Dielektrikums verursacht.

Die dielektrische Imprägnierflüssigkeit leitet man der Kondensatoranordnung durch das Loch 14 zu, vorzugsweise während die getrocknete Anordnung sich noch unter Vakuum in einem geeigneten luftleeren Behälter befindet. Im allgemeinen führt man so viel Imprägnierflüssigkeit ein, daß das Kondensatorelement im Behälter mindestens untergetaucht ist. Den Druck im Behälter erhöht man dann auf atmosphärischen Druck und läßt die Anordnung für einige Stunden stehen, damit die Imprägnierflüssigkeit gründlich eindringen kann. Nach dem Imprägnieren verschließt man den Kondensator, z.B. indem man das Loch Ik mit einer geeigneten Menge Lötmittel versieht. Für die Durchführung des Imprägnierverfahrens kann man neben den vorstehenden Verfahren auch andere Techniken, die im allgemeinen Wärme und/oder Druck verwenden, einsetzen.

Die als Imprägnierflüssigkeiten bekannten Mittel können im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Geeignete flüssige Imprägniermittel sind zum Beispiel Mineralöl, Rizinusöl, Baumwollsaatöl, Siliconöl, Polybuten und

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vorzugsweise eine der verschiedenen aromatischen Halogenwasserstoff verbindungen. Beispiele für aromatische Halogenverbindungen sind die chlorierten Diphenyle -, die chlorierten Diphenlyketone, Pentachlornitrodiphenyl und seine Alkylderivate, chloriertes Benzol und Benzolderivate und dergleichen.

Beispiel 1

Es wird eine Gruppe Leistungskondensatoren hergestellt, die jeweils ein aufgewickeltes Paar Elektrodenfolien aus Aluminium aufweisen, die durch eine 25/Um dicke thermofixierte, biaxial orientierte Polypropylenfolie, die auf beiden Oberflächen bis zu einer Prägetiefe von Jj^um geprägt war, getrennt sind. Die Thermofixierung wird in der.Weise durchgeführt, daß man eine 20 .um dicke, biaxial orientierte Folie mit einer Geschwindigkeit von 304.80 m/Min, um eine auf 135⁰C erhitzte Walze führt, wobei die Folie etwa 0.5 Sek. mit der Walze in Berührung steht. Die thermofixierte Folie hat bei 120⁰C einen ReetBchrumpf von 2.83Ϊ in Maschinenrichtung und von O.75J& quer zur Mäschinenrichtung. Die Prägung wird durch Führen der Folie zwischen ein auf etwa 110°c bis etwa l*tO°C erhitztes Paar Prägewalzen vorgenommen, ao daß in der sehr kurssen Zeit des Kontaktes mit der Walze die Oberflächen der Folie wärme-

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verformt und ihnen die Oberflächencharakteristiken der Prägewalzen aufgeprägt sind. Zum Vergleich stellt man eine Gruppe von Kondensatoren gleicher Konstruktion her, bei denen die Polypropylenfolie zwar thermofixiert, jedoch nicht geprägt ist. Die Kondensatoren beider Gruppen werden mit chloriertem Diphenyl (AROCLOR 1242, Monsanto Chem.Corp.) als dielektrischer Flüssigkeit unter den gleichen Bedingungen imprägniert. Die durchschnittliche Glimmeinsatzspannung der Vergleichsgruppe der Kondensatoren war viel niedriger . als die der Gruppe mit der geprägten Polypropylenfolie. Diese Versuche zeigen, daß das Prägen der Folienoberfläche die Imprägnierbarkeit von thermoplastischen dielektrischen Folien verbessert, was die höhere Glimmeinsatzspannung beweist.

Eine zweite Vergleichsgruppe von Kondensatoren gleicher Größe wird wie im vorangegangenen Beispiel konstruiert mit der Ausnahme, daß man statt der geprägten Polypropylenfolie eine Verbundfolie aus Papier und Polypropylen verwendete, die sich aus einer 12^Um dicken thermofixierten, nicht geprägten oder nicht geprägten, nicht thermofixierten Polypropylenfolie und einem 12 .um dicken Kondensatorpapier zusammensetzt. Damit durchgeführte Versuche zeigen, daß die Kondensatoren des Beispiels eine höhere Glimmeinsatzspannung und Leistungsfähig-

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keit haben als die Vergleichskondensatoren mit der Verbundfolie aus Papier und Polypropylen.

Beispiel 2

Wie in Beispiel 1 wird eine Gruppe Spannungskondensatoren hergestellt, jedoch mit der Abwandlung, daß die Elektrodenfolien

P durch zwei 12»um dicke Polypropylenfolien getrennt sind, die in einem gleichmäßig geriffelten Muster geprägt sind. Es handelt sich um thermofixierte, biaxial orientierte Folie mit einem Restschrumpf bei 120°C von 2.5J5 in Maschinenrichtung von 0.5Ϊ quer zur Maschinenrichtung, die dadurch geprägt wurde, daß man sie durch den von einer heißen (150⁰C) Metallprägewalze und einer Gummiquetschwaise gebildeten Spalt unter einem Quetschdruck von 2.86 bis 17.85 kg/cm (16 bis 100 lbs/in.) Quetschspalt führte. Die Prägewalze

^ verlieh der Folie ein Wellenmustsr mit einer Wellenscheitelhöhe von 0.1 mm und einem Wellenabstand von 0.9 mm.

Es werden zwei Vergleichsgruppen von Kondensatoreinheiten gleicher Konstruktion hergestellt mit der Abwandlung, daß bei der Vergleichsgruppe A die Polypropylenfolie thereofixiert, aber nicht geprägt war und bei Vergleiehsgruppe B di© Polypropylenfolie vor dem Prägen nicht thermofixiert war, wobei der Restschrumpf der letzteren Folie bei 120⁰C in

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tung 9% und quer zur Maschinenrichtung Ik% betrug. Alle drei Gruppen werden mit chloriertem Diphenyl als dielektrischer Flüssigkeit unter den gleichen Bedingungen imprägniert. Die durchschnittliche Glimmeinsatzspannung der Einheiten des Beispiele ist mehr als 100J höher als bei Vergleichsgruppe A, während sie etwa genau so groß wie bei Vergleichsgruppe B ist. Die zulässige Arbeitsspannung im Dielektrikum der Einheiten des Beispiels ist viel größer als die von Vergleichsgruppe A und größer als die von Vergleichsgruppe B. Die Kapazitätskonstanz (kVAr-Leistung) der Einheiten des Beispiels ist größer als bei Gruppe A oder B. Somit zeigen die obigen Ergebnisse die durch die erfindungsgemäßen Kondensatoren geschaffenen Vorteile und insbesondere, daß die erfindungsgemäßen Kondensatoren höheren Spannungen standhalten können, ohne einen elektrischen Durchschlag oder Koronaentladungen zu erleiden, und daß sie für einen größeren * Frequenz- und Temperaturbereich eingesetzt werden können.

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Claims (2)

Patentansprüche

1.J Abwandlung des elektrischen Kondensators bestehend aus einem Elektrodenpaar und einem dielektrischen Abstandshalter, bei dem der dielektrische Abstandshalter aus mindestens einer nichtporösen thermoplastischen Folie (3) besteht, welche auf mindestens einer ihrer Oberflächen mit Erhebungen (4) versehen ist, und die zwischen den Erhebungen entstandenen Räume mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt sind nach Patentanmeldung P 18 02 327.3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter aua einer biaxial orientierten Folie aus isotaktischem Polypropylen besteht, die Folie bei 12O°C einen Restschrumpf von weniger als 3% in Maschinenrichtung und von weniger als 1% quer zur Maschinenrichtung besitzt und auf wenigstens einer fc Seite Erhebungen aufweist, die eine Unebenheit der

Folienoberfläche bewirken.

2. Kondensator nach Anspruch 1, bei dem die dielektrische Flüssigkeit eine aromatische Halogenverbindung ist.

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