NO853872L - Hoeyspenningskondensator med hoey energitetthet. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår forbedringer ved den gjenstand

som er beskrevet i den tyske patentsøknad som er publisert som publiseringsskrift nr. 3 312 076.

Denne søknad beskriver en kondensatortype med en energitetthet over 0,5 J/cm 3 og som også kan nå 1,2 J/cm 3,

mens den tidligere kjente teknikk har vist at en energitetthet på 1 J/cm 3 aldri er blitt oppnådd.

Området mellom 0,5 og 0,8 J/cm er allerede blitt oppnådd, men bare med kondensatorer som benytter et spesielt dielektrukum (polyvinyliden-fluorid, kjent under handels-navnet "K-film"). Disse "K-film"-kondensatorer er imidler-

tid så vidt i stand til å oppnå dette energitetthetsnivå med ulempen med så høye dielektriske tap at de er helt utelukket fra alle anvendelser hvor kondensatoren må arbeide med en høy repetisjonshastighet. Anvendelsesområdet for disse "K-film"-kondensatorer er da i hovedsaken begrenset til bruk med meget lave repetisjonshastigheter, såsom defibrillatorer. På den annen side er prisen for dette spesialdielektrikum

pr. Joule 3 eller 4 ganger høyere prisen for et vanlig dielektrikum. Den type kondensator som er beskrevet i ovennevnte tyske patentskrift, som ikke har "K-film"-ulempene,

er altså den eneste som kan komme i betraktning for en energitetthet over 0,5 J/cm 3 i de fleste andre tilfeller enn defibriliatoranvendelsen.

Dette faktum har brakt søkeren til å forbedre

denne teknologi. Ovennevnte kondensator var nettopp begrenset til et anvendelsesområde som likner på eller ligger meget nær defibrillatoranvendelsen. Søkeren har nå tilpas-

set anvendelsen av denne kondensator til andre områder enn defibrillatorområdet, hvor en energitetthet på fra 0,5 til 1,2 J/cm 3 hittil ikke var oppnådd. En annen faktor å ta i betraktning var at energitetthetene på fra 0,5 til 1,2

J/cm 3 som ble oppnådd tidligere, bare ble realisert ved

noen prototyper, og de samme verdier kunne senere ikke opp-

nås på nytt. Den foreliggende oppfinnelse består derfor også i å oppstille de prinsipper som danner grunnlaget for disse energitettheter, for å være i stand til å reprodusere disse på pålitelig måte og også å overskride disse, idet man

således oppnår verdier som er høyere 2 J/cm 3. De nye omrader for oppfinnelsen er områdene for en elementærkondensator med høy spenning og høy energi, og som har forskjellige anvendelser, såsom energilagrings-, kommuterings- og filtrerings-anvendelser. Kondensatoren tilhører den generelle type som omfatter to elektrisk ledende "armaturer" eller kondensatorbelegg som er adskilt ved hjelp av minst ett dielektrisk lag. Den nye elementærkondensator ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at hvert kondensatorbelegg er knyttet til minst ett lag av et første dielektrikum, at hvert belegg er dannet av et metallovertrekk med en motstand pr. flateenhet mellom 2 og 30 ohm, idet det er påført på et andre dielektrikum

med en fibrøs struktur eller konstruksjon som begunstiger regenerering, slik at kondensatoren blir regenererende (selvkurerende), at kondensatoren er impregnert med et flytende dielektrikum, og at tykkelsen og beskaffenheten av hvert dielektrikum såvel som det flytende dielektrikum er valgt slik at det sikres at når merkespenningen påtrykkes, er forholdet mellom den elektriske feltstyrke og gjennomslagsfastheten i det vesentlige likt for alle dielektrika.

Ytelser som kan oppnås med disse midler, kan best

sammenfattes ved hjelp av to bestemmelser:

- den midlere elektriske feltstyrke over hele dielektrikumet i kondensatoren når denne arbeider på den nominelle spenningsverdi: Denne feltstyrke er fra ca. 200 V/pm til mer enn 400 V/ym

- kondensatorens volumetriske energitetthet ved

3

denne samme spenning: Denne er fra 0,5 J/cm til mer enn

3

2 J/cm .

Disse to spesielle egenskaper, er de mest fremtredende for

en kondensator av den generelle type som er omtalt ovenfor, og de er knyttet til hverandre.

Den høye elektriske feltstyrke og den høye energitetthet oppnås takket være to hovedfaktorer som er knyttet til hverandre for å gi de gitte resultater, hvilke resultater er som følger:

1. Regenereringsevne (selvkurering).

2. Nesten fullstendig utnyttelse av gjennomslagsfastheten for begge dielektrika takket være et likt forhold mellom den fremherskende feltstyrke og gjennomslagsfastheten i

begge dielektrika.

Definisjoner

I denne beskrivelse betyr uttrykket "merkespenning" den maksimale arbeidsspenning som kondensatoren kan håndtere. Den svarer til en arbeidsspenning for normal anvendelse, dvs. med tilstrekkelig sikkerhetsmargin, men innenfor anvendelser hvor noen begrensninger, bortsett fra selve spenningen, er lave eller middels. Disse begrensninger er for eksempel repetisjonshastigheten dersom kondensatoren arbeider på utladning, temperaturen eller andre parametere. Dersom noen av disse parametere er høye, vil kondensatoren arbeide i en ikke-merkemodus (engelsk:derating mode), med en spenning som er mindre enn merkespenningen.

1. Regenereringseevne

Denne regenereringsevne består i den egenskap å "kurere" en isolasjonsfeil når den inntreffer, ved å brenne ut metalliseringen rundt feilsonen. Det er også mulig å benytte hele gjennomslagsfastheten av det dielektrikum som er anbrakt mellom de to kondensatorbelegg, inntil en meget høy grad, på grunn av elimineringen av opp-tredende feil.

Denne egenskap gjør det følgelig mulig å nærme seg iso-las jonsgrensen for hele dielektrikumet, uansett hva isolasjonsgrensenivået kan være. Det er det andre dielektrikums og metalliseringsegenskapenes rolle å

anta denne regenereringsevne. Regenereringsprosessen har i virkeligheten vært kjent i mange tiår, men har aldri vært benyttet under forholdene for den foreliggende oppfinnelse, og kunne således aldri føre til de samme resultater. Spesielt har denne prosess aldri vært benyttet på samme tid opp til sådanne nivåer av spenning, energi og elektrisk feltstyrke som de som tillates ved hjelp av oppfinnelsen, på grunn av at ved noen av disse forskjellige nivåer kunne prosessen ikke kontrolleres og førte til kondenstorsvikt.

Dette problem er godt beskrevet i det franske patentskrift nr. 7908375 i følgende vendinger: "Det er kjent at under kontrollene ved slutten av frem-stillingen eller under bruk av sådanne kondensatorer, førte de dielektriske feil til lokale utladninger i form av lys-buer, oksydering eller lokal forflyktigelse av det metalliserte belegg. Disse utladninger er nyttige da de gjennopp-retter den normale isolasjon. Denne prosess kalles selvkurering.

Med kondensatorer med en viss kapasitet og spenninger som er høyere enn noen tusen volt, kan ikke desto mindre den tilgjengelige energi i det minste lokalt bli ødelagt. Da den energi som bevares i en kondensator, er proporsjonal med kvadratet på spenningen, blir ovennevnte fare større, et faktum som øker ødeleggelsesfaren for høy-spenningskondensatorer."

Den løsning på dette problem som foreslås ifølge det franske patent nr. 7908375 er å oppdele det metalliserte belegg i flere isolerte deler, hvilket oppnås med en laserstråle, for å redusere den energi som opptrer under en selvkurering.

De verdier av spenning, elektrisk feltstyrke og energi som oppnås på denne måte, er 1500 V, 187 V/pm (1500 V: 8ym) og 112 J.

Den løsning som foreslåes i det nevnte patent, oppviser imidlertid følgende ulemper: Kompleksitet for å fjerne metallisering med en laserstråle, og følgelig tap av kapasitans, og også tap av kapasitans under driftstiden når ett eller flere metalliserte lag ad-skilles.

De nivåer av spenning, elektrisk feltstyrke og energi som oppnås i dette patent, er på den annen side mye lavere enn verdiene ved den foreliggende oppfinnelse, hvis verdier er henholdsvis 600 V til minst 8000 V, 200 V/ym og mer enn 400 V/ym inntil 500 J eller mer for en elementærkondensator. Den gitte løsning ifølge det foreliggende patent fører til mye mer interessante resultater selv om det benyttes enklere midler som er en metallisering med en overflatemotstand på mellom 2 og 3 0 ohm avsatt på det andre dielektrikum som består av impregnert fiberstruktur.

Denne spesifisitet som er bundet til andre elementer av den foreliggende oppfinnelse, er med andre ord grunnlaget for et perfekt, dyktig mesterskap med hensyn til selvkureringsfeno-menet, og dette også for de ekstreme verdier av spenning, feltstyrke eller energi som er angitt foran.

Dette mesterskap kan åpenbart avgjøres med følgende angi-velser: Når en kondensator ifølge oppfinnelsen tvinges til å regenerere på grunn av en viss driftstid, eller på grunn av at merkespenningen overskrides, er den forbrukte eller tapte energi på stedet for selvkurering alltid en meget liten del av kondensatorens totale energi, f.eks. 1 %. For en oppladningsprosess opp til 5000 V vil således en kondensator ifølge oppfinnelsen se et spenningsfall på ca. 4980 V som et resultat av en sådan selvkurering. Dette lille spenningsfall og energifall for en sådan selvkurering skyldes det faktum at den strøm som flyter til gjennomslagspunktet, nesten stoppes av det metalliserte lags overflatemotstand som er forholdsvis høy. Da tykkelsen av det metalliserte lag er meget liten, vil massen av det metall som skal brennes, være liten. En spesiell egenskap ved kondensatoren ifølge oppfinnelsen er at spenningen ikke trenger å falle for å stoppe selvkureringsstrømmen. Strømmen stopper seg selv på grunn av overflatemotstanden og på grunn av lagets meget lave tykkelse.

En perfekt demonstrasjon av regenereringsegenskapen til en kondensator ifølge oppfinnelsen er gitt ved følgende erfaring: I en viklingskondensator ifølge oppfinnelsen inn-stikkes en nål til en dybde på 1 mm normalt på viklingens akse, og blir deretter fjernet. Deretter lades kondensatoren. Ved den første lading vil en viss knitring opptre (dersom viklingen ikke er beskyttet av olje), og etterpå vil isola-sjonen være helt gjenopprettet. 2. Utnyttelse av de to dielektrika med det samme forhold Dette andre særtrekk ved oppfinnelsen er knyttet til regenereringsegenskapene, for mens det sistnevnte gjør det mulig å oppnå isolasjonsgrensen, gjør dette andre trekk det mulig å øke denne grense opp til verdier som aldri er blitt oppnådd tidligere.

Valget av de forskjellige parametere for begge dielektrika, slik at forholdet mellom den fremherskende feltstyrke i hvert dielektrikum og motstanden mot gjennom-slagsutladning er i hovedsaken det samme for alle dielektrika, fører til drift på det samme nivå med begge dielektrika, f.eks. 80 %. Med denne metode vil hele dielektrikumet bli bedre benyttet, og det oppnås en midlere elektrisk feltstyrke på et nivå som aldri er oppnådd tidligere.

De oppnådde verdier av midlere elektrisk feltstyrke er fra 200 V/ym til mer enn 400 V/ym. Det er lett å vise at den volumetriske energitetthet d for en viklet kondensator er:

hvorEq = absolutt dielektrisitetskonstant for vakuum

e = relativ dielektrisitetskonstant

r

E = elektrisk feltstyrke i dielektrikumet

Da d er proporsjonal med E 2, er det klart at den foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å oppnå en elektrisk feltstyrke som er mer enn det dobbelte av den feltstyrke som svarer til den aktuelle, kjente teknikk (300 til mer enn 400 V/ym sammenliknet med 150 V/ym), og følgelig mer enn fire ganger høyere tetthet av energi som er lagret i kondensatorene. En foretrukket utførelse av oppfinnelsen for å oppnå at de to dielektriske filmer arbeider likt, består i å velge beskaffenheten av disse to dielektrika og også det flytende dielektrikum som impregnerer disse, slik at forholdet mellom motstanden og den maksimale elektriske feltstyrke for hvert impregnert dielektrikum er praktisk talt det samme. Den konstante verdi av dette forhold må også bekreftes ved de høye nivåer av elektrisk feltstyrke som omfattes av oppfinnelsen. Det er åpenbart at impregneringsforholdene (temperatur, vakuumforhold, behandlingsvarighet) gjør det mulig å innvirke på disse parametere. Ikke bare er det å påvirke de mest gunstige deler av elektriske felter i et sammensatt dielektrikum, ikke allerede kjent, men er uforenlig med vanligvis godtatte, elektriske regler. Når det dreier seg om et sammensatt dielektrikum, avhenger det elektriske feltstyrkenivå i hvert av de to dielektrika av flere dielektriske parametere. Idet man betrakter fig. la på tegningene, har de to dielektrika 1 og 2 den samme overflate, tykkelser e^

og q^ i relative dielektrisitetskonstanter e, og z^, og spesifikke motstander (resistiviteter) r^og t^. Dersom kondensatoren opplades til en spenningsverdi U, fremkommer det i hvert av de to dielektrika elektriske feltstyrker E^og E^, og i de to dielektrika fremkommer følgelig følgende spenninger i overensstemmelse med relasjonene:

For sammensatte dielektrika gir den kjente teknikk relasjonen:

Denne relasjon er bare riktig for en teoretisk kondensator som ikkke har noen lekkasjemotstand. Sådanne lekkasjemotstander og R2er vist på fig. lb i parallell med kondenstorer og C2som symboliserer de to dielektrika 1 og 2. Ved de fleste praktiske anvendelser er relasjonen (1) riktig på grunn av at R^og R2kan betraktes som uendelige. Dersom kondensatorene C-^og C2betraktes som om de. er koplet i serie og er uten lekkasjemotstander, kan det sies at:

Den hypotese at og R^betraktes som uendelige, er berettiget ved praktisk talt alle anvendelser i den foreliggende, kjente teknikk, på grunn av at alle kjente kondensatorer arbeider under en "lav" elektrisk feltstyrke (under 200 V/ym). Under disse forhold kan den dielektriske resistivitet på konvensjonell måte omformes til ohm x m, men også til M ohm x ym. Denne verdi som er gitt i litteraturen for en feltstyrke på bare noen få V/ym, svarer til en tidskonstant på 50 000 sekunder

(14 timer). Da oppladningstiden for en kondensator alltid er klart mindre enn denne tidsperiode, vil iso-las jonsmotstanden ikke ha tilstrekkelig lang til å endre delingen av spenninger slik som uttrykt i relasjonene (1) og (2).

I overensstemmelse med forholdene ifølge den foreliggende oppfinnelse, som mer spesielt består i få få de elektriske feltverdier så nær som mulig den maksimale verdi som tillates av de to dielektrika, dvs. deres gjennom-.slagsfasthet, er nå de spesifikke motstander eller resistivitetene for dielektrikumene bare en del av de som er angitt i litteraturen, og isolasjonsmotstandene R^og R 2 og også tidskonstantene R^og R^C 2 blir altså tilstrekkelig lave til å gi en spenningsdeling ifølge relasjonen:

I det tilfelle da U, og U2har oppnådd sine maksimums-verdier, fås: Dersom maksimumsverdien av den dielektriske feltstyrke for begge dielektrika Ex, max og Ei0 insx (<gj>ennomslagsfast-het), deres respektive resistiviteter r^og r2og deres tykkelser innføres i likning (5), fåes:

Denne relasjon uttrykker et foretrukket valg av dielektrika og også av impregneringstilstandene ifølge den foreliggende oppfinnelse.

Ikke dsto mindre er det verdt å merke seg at relasjonen (7) er helt teoretisk. I praksis er det i virkeligheten tilrådelig å benytte relasjonene (3) eller (4) som benytter den totale isolasjonsmotstand for den gitte lag-eller sjikttykkelse i stedet for sjiktets resistivitet, slik at for å etablere relasjonene (6) og (7) har man frem-satt hypotesene = r^e^og R2= r2e2selv om erfaringen har vist at disse hypoteser ikke verifiseres for filmer med tynne dielektrika som utsettes for høye feltstyrker. Man har observert at for slike filmer er motstanden ikke en lineær funksjon av tykkelsen, hvilket betyr at resistiviteten ikke er konstant. For eksempel er resistiviteten for polyesterfilmer med en tykkelse på 3 - 5 ym mye mindre sammenliknet med tykkelser på 8 - 12 ym (alltid utsatt for høy feltstyrke). Valget av dielektrikumene må således tilfredsstille relasjonen (4) og må ta i betraktning tykkelsen av gitte dielektrika. I det følgende betraktes en sammenstil ling på to dielektrika (fig. la) hvor det ene (1) er massivt og fremstilt av en homogen plast, det andre (2) er porøst og fibrøst, og hele sammenstillingen er impregnert med en isolerende olje. Dersom man studerer disse dielektrika angå-ende resistiviteten, kan man som en første approksimasjon innrømme at det andre dielektrikum 2 oppfører seg som et oljereservoar og har en stor del av oljens egenskaper, mens det første dielektrikum 1, som er massivt, i hovedsaken har egenskapene til sitt materiale. Dersom et sådant massivt dielektrikum benyttes alene eller kombineres med andre, og dersom det impregneres med olje, innrømmer man ifølge den vanlige kjennskap til teknologien at denne olje bare tjener til å forsterke dielektrikumets svake punkter og gjennomslagsfastheten i disse punkter. Man forventer også en reduksjon av "koronaeffektene", særlig ved kantene.

Når det gjelder resistiviteten til et massivt dielektrikum, har man alltid vært av den oppfatning at denne egenskap tilhører bare selve materialet. Innenfor resul-tatene av den foreliggende oppfinnelse, og særlig for de høye feltstyrker som antas å komme til anvendelse, har imidlertid det første dielektrikum 1 en resistivitet som ikke er konstant, men for det første er proporsjonal med valgte film-tykkelser, og for en gitt tykkelse er for det andre denne resistivitet (eller motstanden dersom man betrakter denne spesielle tykkelse) en avtagende funksjon av det dielektriske felt. Endelig er denne resistivitet ikke lenger utelukkende knyttet til materialet, men er sterkt avhengig av den olje som impregnerer materialet.

Denne oppdagelse har inntruffet ved et tilfelle: Man har bygget en første kondensator ifølge oppfinnelsen som hadde en energitetthet på 1,3 J/cm 3 som ble oppnådd helt pålitelig og reproduserbart. Denne kondensator var impregnert med silikono.l je .

Som en andre kondensator bygget man en annen som var nøyaktig identisk med den foregående, men impregnert med ricinusolje. Bare 75 % av den tidligere spenning kunne oppnås, hvilket altså betydde 56 % av energitettheten. Gjennomslagsfasheten for ricinusolje er imidlertid tilnærmet den samme som for silikonolje. Ved beregning av den energi som var inneholdt i hvert av dielektrikumene, fant man at den energi som var inneholdt i det første dielektrikum 1, representerte 85 % av den totale energi. Energiunderskuddet i den andre kondensator måtte følgelig komme fra det første dielektrikum 1, i det minste for en stor del, da denne kondensator hadde tapt 44 % av sin totale energi. Energiunderskuddet i den andre kondensator kunne følgelig ikke bare komme fra det andre dielektrikum 2, hverken av motstands- eller resistivitetsgrunner, og heller ikke av oljebeskaffenhetsgrunner.

Da oljens gjennomslagsfasthet i den andre kondensator var like god som for den første, kunne energiunderskuddet for dielektrikum 1 ikke ha gjennomslagsfastheten som opprinnelse, men bare en modifikasjon av motstandsvaria-sjonen og en dårlig spenningsfordeling med hensyn til gjennomslagsfastheten, slik det anvises av oppfinnelsen. Man måtte derfor konkludere med at oljetypen har sin betydning når det gjelder motstanden og resistiviteten til dielektrikum 1, en oppfatning som, etter det man kjenner til, ikke er vanlig akseptert for massive dielektrika. Da beviset er fremlagt, har man satt opp følgende forklaring: Den sannsynlige grunn er at de filmer som er fremstilt av tynn plast, har en viss mengde mikrohull. Mengden av disse hull pr. flateenhet er omvendt proporsjonal med tykkelsen. Over en viss tykkelse er filmene med sikkerhet "tette". Disse mikrohull er tilstrekeklig små til å unngå punktering eller gjennomslag gjennom dielektrikumet. De er for det første forskjellige fra film-"kraterne" som er hulrom med variabel dybde på dielektrikumet, men som er større og forårsaker punktering ved en viss påtrykt spenning, og for det andre er de forskjellige fra mikrohulrom som er innesluttet i dielektrikumet og ikke nødvendigvis kommuniserer. Disse mikrohull, som er mer elle mindre oppfylt av impregnerings-oljen, er tilstrekkelig tallrike for en tynn film, slik at deres tilstedeværelse i parallell og under høy feltstyrke fører til en strøm gjennom oljen som fyller hullene, som følge av ionisasjonsfenonemer, urenhet eller restfuktighet som er inneholdt i oljen. Denne strøm fører til et faktisk fall i filmens isolasjonsmotstand. Dette fenomen kommer i tillegg til polarisasjons- og ionisasjonsstrømmene i selve materialet og risikerer å bli sammenblandet med disse. Under de omtalte forhold eller tilstander er imidlertid en strøm på grunn av mikrohull sikker. Beviset på dette er at dersom man endrer typen av olje og/eller de relaterte impregnerings-tilstander og mens man måler lekkasjestrømmen (ved høy feltstyrke) for kondensatorene, fant man slike motstandsvaria-sjoner at de bare kunne være frembrakt ved ledning gjennom mekaniske passasjer som var oppfylt med olje i dielektrikum 1. Dersom plastfilmen hadde vært tett, ville oljen ikke ha hatt en sådan innvirkning.

Dersom man betrakter eksempelet med den andre kondensator som er beskrevet foran, er energiunderskuddet derfor et resultat av et motstandsfall i R, (fig. la), slik at feltet i dielektrikum 1 har avtatt kraftig som en følge av innvirkningen av relasjonen (3). Feltet i dielektrikum 2 øket-tilfeldigvis desto høyere og hadde oppnådd sin spenningsgren-se mye tidligere sammenliknet med dielektrikum 1. Det used-vanlig kraftige fall av R^i denne andre kondensator er blitt bekreftet ved hjelp av autoutladningsmålinger. Disse målin-ger viser den totale lekkasjemotstand (R^+ R2) for kondensatoren, hvorR^for en stor del er inkludert. Man kan også verifisere at autoutladningen angår en energiandel som bare kan komme fra dielektrikum 1. Den beskrevne erfaring viser at energitettheten for den første kondensator er basert på relasjoner mellom motstander som er tilveiebrakt ved hjelp av oppfinnelsen og som er blitt forringet ved endring av impregneringsmiddelet på den andre kondensator. Det er imidlertid mulig at en ricinusolje av en annen type eller som har gjennomgått en annen behandling, kan tilfredsstille oppfinnelsens formål. Oljer av andre typer, mineraloljer eller organiske oljer, kan også komme i betraktning.

Et bemerkelsesverdig trekk ved kondensatorene ifølge oppfinnelsen er at spenningsfordelingsprosessen for begge dielektrika med hensyn til isolasjonsmotstandene (eller lekkasjen) starter først på en forholdsvis høy elek-

trisk feltstyrke, nettopp når denne fordeling er nyttig.

Når isolasjonsmotstanden faller for det ene eller det andre dielektrikum samtidig og proporsjonalt etter hvert som det elektriske felt nærmer seg betydelig det maksimale felt (f.eks. 70~80 %), er det ikke sikkert at denne isola-?-sjonsmotstandsreduksjon skjer med det samme forhold for hvert dielektrikum. Ved visse anvendelser av oppfinnelsen utnyttes gjennomslagsfastheten eller den elektriske feltgrense for hvert av dielektrikumene med nesten 80 %. Det faktum at man har bare noen få selvkurerende punkteringer i dette dielektrikum, viser at isolasjonsmotstandene under disse høye elektriske feltstyrker reduseres i forhold som under alle omstendigheter er gunstige for en god elektrisk feltfordeling over begge dielektrika. Isolasjonsmotstanden ved høye elektriske feltstyrker begynner allerede å avta mens kondensatoren opplades. Når den elektriske feltstyrke i det ene av dielektrikumene nærmer seg gjennomslagsfastheten, avtar isolasjonsmotstanden for dette dielektrikum automatisk, og dets elektriske felt og dets spenning stiger mindre raskt mens feltet og spenningen på det andre dielektrikum vil stige raskere. Man vil forstå dette fenomen dersom man betrakter det ekvivalente skjema som er beskrevet foran (fig. lb). Under en oppladningsprosess har således isolasjonsmotstandsvariasjonen i forhold til feltet som kon-sekvens at forholdet mellom den effektive elektriske feltstyrke og. den elektriske feltgrense i hvert dielektrikum holder seg merkbart uforandret, og således garanterer de tilstander som er formålet med oppfinnelsen. Jo mer det elektriske felt nærmer seg feltgrensen, jo mer avtar isolasjon smot standen .

Denne automatiske regulering virker selvsagt bare innenfor et bestemt område. Dersom feltgrensen oppnås for et gitt dielektrikum mens kondensatoren bare har oppnådd en brøkdel av den forventede maksimumsspenning, vil kondensatoren ikke være i stand til å håndtere denne spenning. Bote-middelet i dette tilfelle vil bestå i et bedre valg av iso-las jonsmotstandene R1ogR2. Isolasjonsmotstandsfallet ved høy elektrisk feltstyrke er blitt godtgjort ved hjelp av følgende målearrangement: Man har realisert en kondensator i overensstemmelse med oppfinnelsen bestående av et metallisert papirlag og to polyesterlag (for hvert kondensatorbelegg), og av et flytendee dielektrikum bestående av silikonolje.

Denne kondensator hadde en kapasitet på ca. 20 uF. Mellom kontaktklemmene til denne kondensator ble det innkoplet en ytre motstand på 1 Gigaohm (Gohm). Kondensatoren ble oppladet med en likespenning på 4280 volt, og spenningsreduk-sjonen ble registrert som funksjon av tiden. Utladningskurven viste bare små avvikelser sammenliknet med den teo-retiske utladningskurve for en perfekt kondensator (uten lekkasje) som utlader seg i en motstand på 1 Gohm. Man trakk den slutning at den indre motstand (R^+ R,,) i denne kondensator ved 4280 V er mye høyere enn 1 Gohm, nemlig rundt 100 Gohm. Etterpå ble den samme kondensator oppladet til 6000 V, hvilket er dens nominelle spenning: Allerede etter 38 minutter hadde spenningen falt til 5000 V. Dersom man betrakter dette spenningsfall som et resultat av en konstant isolasjonsmotstand i parallell med motstanden på 1 Gohm, men innbygget i kondensatoren (R^+ R2)/nar den en verdi på 1,55 Gohm. Ved å analysere nedgangen i utladningskurven i umiddelbar nærhet av der hvor oppladningen ender, fant man at nedgangen er mye lavere sammenliknet med en naturlig eksponentialfunksjon, og man utledet deretter en øyeblikkelig tidskonstant som var lavere enn 1 sekund ved dette spesielle tidspunkt på kurven. Denne lavere tidskonstant påvirker allerede slutten av oppladningsprosessen og modifiserer allerede på gunstig måte feltstyrkene i dielektrikumene før oppladning oppnås. Fra begynnelsen av utladningskurven starter tidskonstanten, som da er meget lav, å stige og oppnår etter en tid og/eller mindre den verdi den har ved slutten av kurven som er en naturlig eksponentialfunksjon. Denne stigning er så rask at kondensatoren meget snart oppnår en høy isolasjonsmotstand. Så snart det oppnås likevekt mellom spenningene og U2i overensstemmelse med oppfinnelsen, blir lekkasjen meget liten. Isolasjonsmotstanden og tidskonstanten, som er kraftig reduserte ved utladningskurvens begynnelse, viser en reduksjon av i det minste den ene av de to seriekoplede isolasjonsmotstander (Rj^ / ^2 ^ •

Den sterke reduksjon av isolasjonsmotstanden når man nærmer seg feltstyrkegrensen, har også følgende fordel for kondensatorens levetid: Dersom det antas at den beskrevne kondensator for første gang opplades til 6000 V,

må hvert kondensatorelement C^, C2 svarende til hvert dielektrikum 1 og 2 (fig. lb) lagre den samme ladning dersom auto-eller selvutladningen som følge av isolasjonsmotstandene ikke ville være til stede. Selvutladningen som vanligvis er forskjellig for begge dielektrika, forårsaker at det ene av de to elementer C-^ eller C2etter en tid har en ladning som er mindre betydningsfull enn den andre. Dersom nå kondensatoren utlades til det ytre, vil elementene ikke bli fullstendig utladet som følge av de i begynnelsen forskjellige ladninger før utladningsprosessen: Det element som ikke hadde noen indre ladningstap, vil forbli delvis oppladet med den opprinnelige polaritet, mens det andre vil være oppladet med den omvendte polaritet. De gjenværende spenninger på kondensatorelementene og 0.^ er tilstrekkelig lave til å betrakte isolasjonsmotstanden som uendelig. Elementene C^, C2 kan da beholde sin ladning i lang tid, dvs. noen få uker eller måneder. Dersom man nå opplader kondensatoren, må ladestrømmen først fullstendig utlade kondensatorelementet med motsatt polaritet og deretter opplade dette med den polaritet som er gitt ved ladestrømmen. Dersom man nå lader kondensatoren med en gitt ladning, vil dette kondensatorelement oppta en mindre ladning sammenliknet med det andre, og vil derfor få en lavere spenning enn tidligere, og vil være mindre belastet under sine etterfølgende oppladninger.

Denne virkning, som er teoretisk og ikke kan måles, er blitt godtgjort eksperimentelt, ikke med de separate eller de enkelte dielektrika som danner kondensatoren (på grunn av at man ikke kan påtrykke feltstyrkene på de enkelte dielektrika på en tilstrekkelig overflate uten permanente punkteringer), men med to komplette kondensatorer (konden-satorviklinger) med forskjellige kapasitetsverdier. To seriekoplede kondensatorer har oppført seg på samme måte som de individuelle dielektrika i en enkelt kondensator som beskrevet foran. Dette skjer selvsagt bare dersom man påtrykker en spenning som er så høy at den ene av kondensatorene oppnår sin feltgrense (grensefeltstyrke) og har store tap eller selvkureringer. Etter en utladning og en permanent kortslutning av seriekoplingen har man målt at begge kondensatorer forble oppladet med motsatte polariteter med ca. 10 % av sluttoppladningsspenningen. Denne virkning, som er blitt observert på en virkelig kondensator, viser seg å være en fordel når man kopler sådanne kondensatorer i serie på grunn av at en uregelmessig spenningsfordeling som følge av forskjellige kapasitetsverdier må forventes. En kortvarig forskjell mellom spenningene kan også opptre under oppladningsprosessen.

Sådanne feil på grunn av dårlig spenningsfordeling påvirker ikke kondensatorer ifølge oppfinnelsen når de er koplet i serie, for det første på grunn av at kondensatorene ikke ødelegges takket være den selvkurerende evne når de oppnår grensen for den midlere feltstyrke (eller feltstyrkegrensen for det ene av dielektrikumene), og for det andre på grunn av at man etter utladningen har en ladning med motsatt polaritet som beskytter den ene kondensator mot over-belastning under en ytterligere oppladningsprosess.

Elementærkondensatoren ifølge oppfinnelsen er således særlig egnet for seriekopling av et stort antall elementer, og dette utgjør en foretrukket anvendelse som man skal komme tilbake til senere.

De her beskrevne prinsipper er blitt verifisert automatisk for elementærkondensatorer med spenninger mellom 2 kV og 20 kV, idet det som det første dielektrikum benyttes etylenpolytereftalat og som det andre dielektrikum benyttes metallisert papir. Man har observert at den oppnåelige energitetthet for hele spenningsområdet ikke var konstant. Den gitte energitetthet for utnyttelsesforhold med middels strenghet hadde en verdi som lå over 1 J/cm 3 for en spenning på ca. 5 - 8 kV (eksempel: kondensator for 7 kV oppnådd med papir med 7 nm tykkelse med en metallisering på 5 - 10 ohm pr. flateenhet og etylen-polytereftalat med 14 ym tykkelse

(2 lag på 7 ym), det hele impregnert med silikonolje; midlere elektrisk feltstyrke 333 V/ym; energitetthet 1,6 J/cm 3).

For elementærkondensatorer mellom ca. 5 kV og 2 kV eller mellom ca. 8 kV og 20 kV avtok den oppnåelige energitetthet gradvis fra 1 J/cm 3 ned til verdier som var lavere enn eller lik 0,5 J/cm 3. Grunnene til denne reduksjon var av helt forskjellig beskaffenhet og førte til at man gjorde andre forbedringer eller foretok andre arrangementer.

Mellom 5 kV og 2 kV

Energitetthetsreduksjonen skyldtes en teknologisk

grense for det ene av de benyttede dielektrika.

I det følgende betraktes tilfellet med en kondensator med en antatt nominell spenning på 3 kV. For å få en .energitetthet på 1 J/cm 3, må man arbeide med en elektrisk feltstyrke på 300 V/ ym (et resultat av tidligere eksperimen-ter) . Tykkelsen av dielektrikumet må således være 3000/300 = 10 ym. Det er nå intuitivt at man for å holde det samme midlere felt må ha nesten samme tykkelsesfordeling når man benytter de samme dielektrika. For det tidligere tilfelle med en kondensator på 7 kV var tykkelsesforholdet mellom papiret og det totale dielektrikum 6/20, dvs. 30 %. Ved anvendelse av denne regel på den aktuelle 3 kV kondensator måtte man ha papir og etylen-polytereftalat på henholdsvis 3 ym og 7 ym. Papirtykkelser under 6 ym er imidlertid ikke kommersielt tilgjengelige. Man var således tvunget til å benytte det eksisterende papir på 6 ym og å knytte et etylen-polytereftalat på 4 ym til dette. Den ugunstige fordeling av dielektrikumene har følgelig ført til en kondensator som i stedet for 3 kV bare holder 2 kV og har oppnådd bare en energitetthet på 0,43 J/cm 3. Denne energitetthet var likevel akseptabel sammenliknet med den kjente teknikk, men søkeren har utvik-let papir med en tykkelse på mindre enn 6 ym for å gjøre det mulig å oppnå de forutsette verdier.

En første teknikk for realisering av papir med en tykkelse under 6 ym består i å ta det eksisterende 6 ym papir og å redusere dettes tykkelse ved pressing eller ved kalandrering. Den tykkelse som således kan oppnås, er på ca. 4 ym, som allerede tillater en økning av energitettheten for kondensatorer med et dielektrikum med en total tykkelse på 8 - 12 ym (papirforhold 1/3 til 1/2).

Ifølge en foretrukket teknikk ifølge oppfinnelsen utføres en pressing ved at papiret utsettes for en relativ fuktighet på 20 - 40 % og en temperatur på 60 - 120° C. Det vil være fordelaktig å utføre pressingen ved benyttelse av valser mellom hvilke det passerer eksisterende papir på 6 - 12 ym som startmateriale. I stedet for å fukte papiret med vann eller mer spesielt med vanndamp, kan det også fuktes med en ferniss som fastner papirstrukturen etter pressingen, eller med et kjemisk produkt, og særlig et produkt som myk-ner fibrene. Man kan også benytte flere metoder samtidig. På grunn av den ikke-neglisjerbare klaring mellom valselag-rene, er det vanskelig å innstille en meget tynn spalte mellom de to valser (f.eks. 4 ym), slik det ville være nød-vendig for å oppnå den ønskede papirtykkelse. For å løse dette problem angir oppfinnelsen benyttelse av to sylindris-ke valser som er i nær kontakt, idet den ene av disse er drevet, og hvor valsene roterer i motsatte retninger. Omkretsen av den ene av disse valser har en rektangulær utsparing eller fordypning med en bredde som er lik papir-bredden og en dybde som er mindre enn tykkelsen av det som utgangsmateriale benyttede papir. Dette tillater en nær kontakt mellom de to valser utenfor fordypningen, og den nødvendige tykkelse av spalten sikres i området for fordypningen. Presse- eller valsemetoden må ta en viss tid, slik at formen på de naturlige cellulosefibrer som utgjør papiret, kan modifiseres ved hjelp av en form for kryping eller fly-ting.

En variant av oppfinnelsen som er basert på det samme prinsipp, består i fukting av den ene papirside av vanlig kondensatorpapir med en tykkelse på f.eks. 6 ym med et løsningsmiddel eller et cellulose-mykningsmiddel, og deretter pressing av papiret. Den benyttede løsningsmiddel-mengde vil være slik at i det minste en del av kondensator-papirets struktur forblir intakt. Karbondisulfid (CS2) kan benyttes som mykningsmiddel. Ifølge'oppfinnelsen er en annen teknikk for oppnåelse av dette papir basert på øde- leggelse av membranen av naturlige cellulosefibrer, slik at det oppnås tynnere og tettere cellulosefibriller enn de inngående fibrer. Den papirmasse som benyttes for fremstilling av det normale papir, inneholder allerede 10 - 20 % av sådanne cellulosefibriller. Disse fibriller kan uttrekkes fra papirmassen, eventult fortynnet med vann, ved avsetning under virkningen av naturlig tyngdekraft eller ved sentri-fugering. Tykkere cellulosefibrer avsetter seg lettere enn tynne fibriller.

Dersom det fremstilles kondensatorpapir ut fra disse fibriller slik det gjøres i en foretrukket utførelse, kan dette papir fremstilles med en tykkelse som er mindre enn med fibrer, på grunn av det ytterst tynne, resulterende belegg, og dette på tross av en tilstrekkelig gjensidig, mekanisk binding mellom fibrillene som ser ut som en pels. Disse flate fibriller har dessuten fordelen med en 50 % høyere tetthet og en tilsvarende lavere porøsitet, hvilket resulterer i en høyere gjennomslagsfasthet.

Cellulosefibrer av nåletre har en diameter mellom 3 og 6 ym og en lengde på ca. 200 ym selv om de tilsvarende fibriller har en diameter på ca. 0,2 - 0,4 ym og en lengde på ca. 3-4 ym. På den annen side har de såkalte mikro-fibriller, som er mindre interessante, en mye mindre diameter på ca. 0,06 ym - 0,08 ym. Det vil være mulig å oppnå mye større mengder av cellulosefibriller ved behandling av cellulosefibrene ved benyttelse av ultralyd. Den foretrukne ultralydfrekvens bør ligge i området mellom 400 kHz og 600 kHz. Cellulosefibrenes membran kan også ødelegges ved hjelp av kjemiske produkter for å oppnå fibrillene. Dette kan oppnås ved hjelp av en hypoklorittoppløsning som, ved fri-gjørin av klor, ødelegger membranen.

Uavhengig av det primære mål med oppfinnelsen, som var å oppnå en redusert papirtykkelse som tillater en optimal oppdeling med hensyn til det tilhørende diélektrikum (polyetylen-tereftalat), har denne operasjon andre fordel-aktige virkninger: De foran beskrevne kondensatorpapirer er mye tynnere enn det vanlige papir. I betraktning av at de er oppnådd ut fra en større tykkelse eller mindre fibrer, har de en høyere tetthet og følgelig den fordel at de har mindre mikrokaviteter enn vanlig papir, hvilket resulterer i en høyere gjennomslagsfasthet enn gjennomslagsfasthetene for de vanlige papirer.

I overensstemmelse med oppfinnelsen gjør benyttel-sen av sådanne papirer kondensatoren mindre, for det første på grunn av at den reduserte papirtykkelse resulterer i en høyere kapasitet, og for det andre på grunn av at den høyere tetthet og høyere gjennomslagsfasthet tillater en økning av kondensatorspenningen og følgelig den akkumulerte energi sammenliknet med vanlige kondensatorer. En annen fordel med dette nye papir er dets evne til en optimal metallisering. Metallisering på vanlige papirer har ofte spisser som trenger dypt inn i papirporøsitetene på tross av ferniss- eller lakkbelegget. Disse spisser forårsaker punkteringer. Da det nye papir har mindre porøsiteter, vil det være mindre utsatt for denne penetrering. Metalliseringsmetoden er også blitt forbedret. Den vanlige metode består i pådamping av metall, f.eks. sink, i det vesentlige i rett vinkel på et papirbånd. En ny metode for metallisering av kondensatorpapir som foreslås ifølge den foreliggende oppfinnelse, forutser å avsette metallet ved en spiss vinkel som er mindre enn 75°, fortrinnsvis med en vinkel mellom 10 og 45°, idet det optimale er en vinkel mellom 25 og 45°. Det er å foretrekke at metallpartiklenes "bane har en orientering med en komponent i retning av papirets bevegelse. Andre baneorienteringer av metallpartiklene er imidlertid mulige. Den nevnte utførelse har den fordel at partiklene ikke kan trenge dypt inn i eventuelle porøsiteter i papirbåndet på grunn av at de treffer papiret i en skråretning. Det er i hovedsaken på de nevnte papirpartier at metallet avsettes. Som et resultat økes papirets gjennomslagsfasthet, og man vil følgelig ha en kondensator som kan benyttes for en høyere spenning. Den foran beskrevne metalliseringsanord-ning for kondensatorpapir er kjennetegnet ved en bane for metallpartiklene som har en spiss innfallsvinkel i forhold til papiret. Dette nye papir med en tykkelse på 2,5 - 6 ym vil ifølge oppfinnelsen tillate en fordelaktig realisering av kondensatorer mellom 2 og 10 kV. Med den minste papirversjon eller med spesielle impregneringsbetingel-ser kan man også regne med utførelser mellom 600 V og 2 kV.

Mellom 8 kV og 20 kV

Den gradvise reduksjon av energitetthet som ble observert på utførelser mellom 8 kV og 20 kV, hadde en annen årsak som vanligvis betegnes som kant- eller randeffekt. Noen forfattere har vist at kanten av det metalliske belegg som utgjør kondensatorbelegget, i dette område av dielektrikumet danner en høyere elektrisk feltstyrke enn i resten av belegget, hvilket medfører lysbuedannelse eller gnistover-slag på dette sted ved en mye lavere spenning enn i andre områder. Disse lysbuedannelser er i det foreliggende tilfelle ikke ødeleggende da de er selvkurerende, men ikke desto mindre begrenser de kraftig kondensatorens nominelle spenning. Forskjellige arbeider har vist at relasjonen mellom kantfeltet og det homogene, dielektriske felt er en funksjon av kvadratroten av dielektrikumtykkelsen. Denne relasjon er også blitt eksperimentelt verifisert. Dette gjør at kondensatorene ifølge den foreliggende oppfinnelse i prinsipp har en kant- eller randeffekt som opptrer m.ed en mye høyere spenning enn for kjente kondensatorer, da man for en gitt spenning arbeider med mer enn det dobbelte elektriske felt med halvdelen av tykkelsen. Ifølge oppfinnelsen tillater disse kondensatorer i prinsipp at deres spenning kan heves til det dobbelte sammenliknet med kjente kondensatorer før man oppnår det nivå hvor kanteffekten kommer til syne.

Som følge av dette faktum og i forventning om seriekoplingen av kondensatorbatterier, har man innstilt den optimale spenning for de foreliggende elementærkondensatorer på en verdi på ca. 5 til 8 kV for å dra fordel av den maksimale energitetthet for hele batteriet. Det er sikkert at man ikke utelukker fremstilling av elementærkondensatorer på 8 - 20 kV basert på prinsippet ifølge oppfinnelsen,

enten med en energitetthet som er lavere enn 1 J/crn^ eller med en høyere energitetthet, dersom en supplererende forbedring knyttes til oppfinnelsen.

For det tilfelle hvor det andre dielektrikum 2 er dannet av flere lag, består en sådan forbedring spesielt i at det mellom to sådanne lag innføres et lag av det første dielektrikum 1, men ikke metallisert. For eksempel kan man for hvert kondensatorbelegg ha følgende struktur: Dielektrikum 2 (metallisert) - dielektrikum 1 - dielektrikum 2 (ikke metallisert) - dielekrikum 1. Den elekriske felt-styrkefordeling som funksjon av gjennomslagsfasthetene vil oppføre seg på samme måte for et dielektrikum 2 som er metallisert eller ikke, og for hvilke som helst arrangementer av de forskjellige lag.

Man kan også merke seg at prinsippet for maksimal utnyttelse av et dobbelt dielektrikum ifølge oppfinnelsen også kan anvendes i tilfelle av en ikke-selvkurerende kondensator med tykke kondensatorbelegg (aluminiumlag) i stedet for metalliserte kondensatorbelegg. En fordelaktig anvendelse av kondensatoren ifølge oppfinnelsen er dannelsen av seriebatterier og serie-parallell-batterier. Slik som foran angitt, vil sådanne elementærkondensatorer ha f.eks. spenninger på 5 - 8 kV dersom en maksimal energitetthet forventes. Diameteren av elementærviklingene kan variere mellom 10 og 100 mm og høyden mellom 20 og 100 mm. En meget verdifull dimensjon er for eksempel en vikling med en diameter på 50 mm og en høyde på 80 mm. For en stor del av de tilsiktede anvendelser må imidlertid kondensatoren under utladningsprosessen avgi meget betydelige strømmer. Ifølge en viss litteratur (for eksempel tidsskriftet "Electronique de puissance" nr. 1, tillegg til nr. 724 av "Electronique Actualité" datert 9. september 1983, side 69), er imidlertid kondensatorer med metalliserte kondensatorbelegg i prinsipp utelukket for meget høye strømmer (500 A til 50 000 A for en elementærkondensator). I forbindelse med den foreliggende oppfinnelse har man på den annen side vært overrasket over å se at det i visse tilfeller var mulig å avgi gjen-tatte strømmer på ca. 10 000 A uten skade, ved benyttelse av kondensatorer ifølge oppfinnelsen. Dette er meget overraskende dersom man betrakter den høye motstand pr. flateenhet (f.eks. 7,5 ohm) for kondensatorbeleggene. For å forklare dette faktum, skal følgende bemerkes: En kondensator er dannet av bånd med en ikke-viklet lengde L og en bredde h (som svarer til viklingens høyde). Man kan også betrakte den viklede kondensator som en ikke-viklet som er sammensatt av et antall på L/h firkanter som er koplet i serie, men som også er koplet i parallell ved nivået for "sidebelegg-dannelsen" (engelsk: "scooping") (viklingsskive-sidemetal-lisering). Den indre motstand er således omvendt proporsjonal med dette forhold L/h for en gitt filmmotstand. Da nå dielektrikumtykkelsen i kondensatorene ifølge oppfinnelsen for en gitt spenning er meget lav sammenliknet med de kjente kondensatorer (en faktor på mindre enn 1/2), vil lengden L derfor være mer enn det dobbelte for et gitt viklingsavsnitt, sammenliknet med kjente kondensatorer. Dette er grunnen til at kondensatoren ifølge oppfinnelsen har spesielt høye L/h-forhold for området for de tilsiktede spenninger (500 - 10 000 V), tillater toppstrømmer på 5000 - 100 000 A for en elementærkondensator og oppviser meget lave induktanser. De høyeste L/h-forhold, og følgelig de høyeste strømmer, oppnås på kondensatorer med lav høyde og med stor viklingsdiameter (f.eks. en diameter på ca. 70 mm og en høyde på 25 mm).

Disse høye strømmer er enda mer overraskende da den benyttede metallisering er meget tynn (f.eks. 7,5 ohm pr. flateenhet). Dette resultat beror på selve kondensator-prinsippet og på kondensatorens geometri. For å bakke opp strømgrensen ytterligere (eller forbedre levetiden), kan man imidlertid forsterke metalliseringskantene i "scooping"-området, i den inaktive del av kondensatoren (kanten av det andre kondensatorbelegg) med en faktor på 2 - 5 (f.eks. en overflatemotstand på 1 - 3 ohm), på grunn av at dette er det område hvor strømtettheten er mest vesentlig. En annen fordel med denne flate viklingsform er å bygge høyspennings-kondensatorer hvor sådanne elementer er stablet opp og koplet i serie inne i et isolerende rør.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med foretrukne utførelseseksempler under hen-visning til tegningene, der fig. 1 viser et skjema av en kondensator med et dobbelt dielektrikum, fig. lb viser det ekvivalente skjema ifølge oppfinnelsen av kondensatoren på fig. la, fig. 2 viser et eksempel på filmsammensetningen i en kondensator ifølge oppfinnelsen, fig. 3a og 3b viser formen på viklinger ifølge oppfinnelsen, fig. 4 viser et skjematisk riss av en papirmetalliseringsinnretning, fig. 5 viser et sideriss av en sammenstilling for pressing av kondensatorpapir, og fig. 6 viser et lengdesnitt etter linjen VI - VI på fig. 5. Fig. la viser en skjematisk fremstilling av en kondensator med et dobbelt dielektrikum. De to dielektrika 1 og 2 har respektive tykkelser e^og e2og er inneholdt mellom to kondensatorbelegg (engelsk: armatures) 3 og 3' for å lade kondensatoren f.eks. med respektive polariteter + og -, og å utlade denne. De to dielektrika 1 og 2 har respektive, relative dielektrisitetskonstanter e, og£27og når kondensatoren er oppladet til sin nominelle spenning U, er de respektive, elektriske feltstyrker E^og E2, og resistivitetene i disse felter er r^og r^. De spenninger som fremkommer ved begge dielektrikumender, er U, og U2• Fig. lb viser det ekvivalente skjema av kondensatoren på fig. la. Dette ekvivalentskjerna er på ingen måte konvensjonelt. Det er karakteristisk for oppfinnelsen og angir en preferansemetode for utnyttelse av begge dielektrika med det samme forhold. Denne foretrukne metode består i at spennings fordelingen og over kontaktklemmene til de to kondensatorer C-^ og C~som symboliserer de to dielektrika 1 og 2, svarer til relasjonen Fig. 2 viser et eksempel på hvordan kondensatoren kan bygges i overensstemmelse med oppfinnelsen. Figuren viser to fler-sjikts- eller flerlagsplater A og B som er helt identiske. Hvert sammensatt lag omfatter et papir 5 eller 5' som er forsynt med et sinkmeta<ll->lag 4 eller 4', og to plastfolier 6 (6') og 7 (7<1>) av polyetylen-tereftalat. Papiret 5 (5') som er forsynt med metall-laget eller metallsjiktet 4 (4<1>), er et såkalt metallisert papir. Selve papiret 5 (5') er et lakkbelagt papir. Lakkbelegget består av celluloseacetat, men cellulose-acetobutyrat kan også benyttes. Lakkbelegget tilveiebringer en glatt overflate som har en tykkelse på 0,5 ym. Metallsjiktet 4 strekker seg ikke frem til høyre sidekant av papiret 5, men det strekker seg frem til og overskrider den venstre kant, mens metallsjiktet 4' ikke når frem til papirets 5' venstre kant, men når frem til og overskrider den høyre kant. De resulterende kanter eller marginer på begge sider beløper seg til ca. 4 mm. Papirene 5, 5' og plastfoliene 6 (6<1>) og 7 (7') har lik bredde. De på fig. 2 høyre og venstre endeflater 8 og 9 av kondensatoren som er dannet ved oppvikling av de sammensatte lag A og B, er forsynt med påsprøytede metallbelegg 8 og 9 av sink som er i kontakt med metallbeleggene 4 og 4', og til hvilke tilkoplingstråder kan festes ved lodding. For meget høye strømmer er det mulig å fortinne disse "sidebelegg" ("scooping"), eller å påføre andre metaller på sinkbeleggene 8 og 9 i stedet for disse belegg. Metallsjiktet 4, 4' har en overflatemotstand på 7,5 ohm og en tykkelse på 15 mm. Under sinkbelegget er det anordnet et sølvbelegg med en tykkelse på 0,2 - 0,5 nm. Det tørre papir har en spesifikk isolasjonsmotstand på 10 000 Megohm x mikrofarad (målt ved lav feltstyrke). Impregnert med silikonolje har det en spesifikk isolasjonsmotstand på ca. 15 000 Megohm x mikrofarad og en maksimal feltstyrke eller gjennomslagsfasthet på ca. 200 V/ym. Den spesifikke isolasjonsmotstand for den benyttede polyester er 50 000 Megohm x mikrofarad, og dens gjennomslagsfasthet er ca. 600 V/ym. Papirlaget 5 (5') og de to plastlag 6 (6') og 7 (7<1>) har hver en tykkelse på 7 ym. Bredden av papirlaget og plastlagene som er synlige på fig. 2, er 80 mm i det viste eksempel, og den lengde som ikke er synlig på figuren, beløper seg til 100 m. Som vist på fig. 3a og 3b, er lagene oppviklet på en isolert dor 10, idet lagene er i nær kontakt med hverandre og den ferdige kondensator er tilkoplet ved hjelp av beleggene 8 og 9 og impregnert med silikonolje, og kondensatorrullen har en kapasitet på 22,5 uF. Et selvklebende polyesterbånd som har en tykkelse på ca. 70 ym og er viklet rundt kondensatorrullen, hindrer rullen fra å løsne utilsiktet. Under opp-viklingen av kondensatoren strekkes foliene med en kraft på 20 - 25 N.

Dielektrisitetskonstanten til det benyttede polyetylen-tereftalat er 3,2, og dielektrisitetskonstanten til papiret som er impregnert med det flytende dielektrikum, er 4,8. Det således dannede, dobbelte dielektrikum har til sammen en midlere dielektrisitetskonstant på 4,2.

Denne elementærkondensator har en nominell spenning på 7000 V og, i betraktning av sin kapasitet på 22,5 yF, et energinivå på 551 J. Dens volum er 344 cm og dens energitetthet er 1,6 J/ym. Så snart kondensatoren er oppladet til 7000 V, er den midlere elektriske feltstyrke i dielektrikumet lik 333 V/ym. Kondensatoren har en L/h-verdi på 1250

og tåler utladningsstrømmer på ca. 20 000 A. Stikkprøver av elementærkondensatorer blir regelmessig holdt tilbake fra produksjonslinjen og impregneres for å prøves. Ved hjelp av et oscilloskop og en skriver måler man kondensatorenes oppladningskurver opp til den nominelle spenning på 7000 V og videre opp til en prøvespenning på 7700 V. Dersom selv-kureringsvirkninger forekommer, bør de være lave og forsvinne under de neste oppladningsprosedyrer. Videre registrerer man kondensatorenes oppladningskurver som beskrevet ovenfor, og som et tredje trinn sammenliknes skriverstrimlene med referanse-skriverstrimler for en referanse-elementærkondensator. Man analyserer utladningskurven og beregner tidskonstanten og isolasjonsmotstandene for flere punkter som er forutbestemt på kurven, såvel som utnyttelsesprosenten for hvert dielektrikum. Som et normalt tilfelle finner man for eksempel 70 - 80 % for hver av kondensatorene. Disse kontroller tillater overvåkning og eventuell korreksjon av dielektrikumkvaliteten, og særlig av oljekvaliteten og impregneringsbetingelsene. Før man kjente til prinsippene for slik utnyttelse av begge dielektrika og innvirkningen av isoalsjonsmotstandene ved høye feltstyrker slik som beskrevet i den foreliggende beskrivelse av oppfinnelsen, var det i virkeligheten umulig å oppnå en reproduserbarhet og seriefrem-

stilling av kondensatorer som oppnådde den forventede felt-og energitetthet. Man har selvsagt oppnådd noen få ene-stående prototyper som oppnådde sådanne spesifikasjoner, men dette har vært ved ren tilfeldighet, og det har vært umulig på nytt å oppnå disse resultater frem til det tidspunkt da man oppdaget de her beskrevne prinsipper som gir den systematiske beherskelse av de betraktede parametere. Som en indikasjon er impregneringstemperaturen 100° C, vakuumet er på 10 -2 til 10 -3 mm Hg, og impregneringstiden er 24 - 48 timer. Disse betingelser blir imidlertid stadig justert, og kan også være forskjellige fra den ene modell til den andre.

De kondensatorer for hvilke fremstillingsproses-sene er blitt beskrevet foran, er for det meste bestemt for å innebygges i bokser eller beholdere individuelt, eller for å koples som batterier. Et eksempel på et batteri består av to viklinger av den beskrevne type som er oppstablet i en aluminiumbeholder med en diameter på 75 mm og en høyde på 180 mm. Viklingene kan være impregnert før eller etter tilpasningen. En foretrukket teknikk består i å montere de ikke-impregnerte, men forhåndstørkede viklinger i beholderen, og å krympe toppen slik at det etterlates hull for kontaktklemmene. Disse hull vil bli benyttet for behand-lingen. Viklingene inne i beholderen blir deretter tørket på nytt, men under vakuum i 4 8 timer, og impregneres deretter under vakuum i 24 timer. Beholderen vil bli oppfylt på samme tid. På slutten av denne prosedyre og etter å ha brutt vakuumet, men uten å ta ut kondensatorene fra badet, kan man også lukke hullene ved lodding i olje. Den oppnådde kondensator har en kapasitet på 45 yF og en nominell spenning på 7000 V. Den vil bli benyttet for eksempel som ut-ladningskondensator for blinklamper for laserpumping. Dersom utladningsfrekvensen er lavere enn eller lik ca. 1 Hz, vil kondensatoren være i stand til å arbeide ved sin nominelle spenning eller noe under. Dersom repetisjonshastigheten er høyere, f.eks. 20 - 30 Hz, kan kondensatoren benyttes i en "ikke-merke"-modus ("derating mode") ved en spenning på 2000 - 3000 V. Denne samme elementærkondensator kan også benyttes til å bygge batterier med meget høy spenning og/eller meget høy energi, ved kopling i serie eller parallell. Spenningene kan oppnå flere hundre kilovolt, og flere megajoule. Visse modeller er egnet for å bygge Marx-generatorer.

Et andre eksempel består i en elementærkondensator som benytter de samme typer og tykkelser av dielektrikumet, men i stedet for å benytte en lang sylinder slik som før (fig. 3a), bygger man en flat sådan (fig. 3b) ved benyttelse av filmer med en bredde på 25 mm. Viklingshøyden vil da være 25 mm, viklmgsdiameteren 7 4 mm, volumet 107,5 cm 3, kapasiteten 4,5 yF, den nominelle spenning 7000 V, energien 110 J, energitettheten 1 J/cm 3 og den midlere feltstyrke 333 V/ym. Lengden av filmen er 100 m og det nominelle L/h-forhold er 4000.

Denne elementærkondensator tillater strømmer på 500 - 100 000 A. Energitettheten for denne utførelse er mindre, sammenliknet med den foregående, på grunn av at kantproporsjonen, som subtraheres to ganger fra bredden av båndet (engelsk: nappe), er mer betydningsfull.

Den store fordel med denne modell er både dens betydningsfulle L/h-forhold, dens evne til å tåle høye strømmer, og dens lave høyde. Denne elementærkondensator er ganske riktig bestemt for fremstilling av batterier ved oppstabling av disse flate sylindere i et rør med en diameter på 75 mm. På denne måte vil man få en kondensator for ca. 50 kV ved benyttelse av åtte stablede elementer som gir en beholderhøyde på ca. 200 mm. En sådan kondensator er egnet for gasslasere. Det er også mulig å fremstille modeller for 100 kV som har fremstilling av Marx-generatorer som én anvendelse. Da imidlertid energitettheten med en rullhøyde på 25 mm er lavere på grunn av kantproporsjonene, har man også planlagt noen modeller av elementærkondensatorer med en høyde mellom 25 og 80 mm.

Et tredje utførelseseksempel består i en elementærkondensator som er bygget på samme måte som den første (fig. 2 og 3a), men med papirtykkelser på 6 ym (5 og 5') og med tykkelser på 5 ym for hvert av lagene 6, 6' og 7, 7'.

Viklingsdiameteren er 49 mm, volumet 150 cm^, kapasiteten

15 yF, den nominelle spenning 5000 V, energien 187 J, energitettheten 1,25 J/cm 3 og den midlere feltstyrke 312,5 V/ym. Filmlengden er 53 m og L/h-forholdet lik 662. Denne elementærkondensator tillater strømmer på 10 000 A. Den kan monteres som et batteri, slik som for den første modell, i en beholder med en diameter på 50 mm og en høyde på 180 mm. Som et eksempel benyttes den oppnådde kondensator på 30 yF

og 5000 V ved sin nominelle spenning for kardiologiske defibrillatorer. For andre anvendelser, såsom visse faste lasere eller visse kopieringsapparater, vil den være i stand til å arbeide enten ved sin nominelle spenning, eller ved en lavere spenning i overensstemmelse med driftsbetingelsene. Disse elementærkondensatorer kan også benyttes for batterier med meget høye spenninger eller energier.

En fjerde kondensatormodell benytter det nye, metalliserte papir med en tykkelse på 4 ym for lagene 4, 5, 4', 5', og en polyesterfilm for lagene 6, 7, 6', 7<*>. Båndene (engelsk: nappes) med en bredde på 80 mn er viklet på en todelt dor som har en diameter på 3 mm og som tas av etter viklingen. Viklingens diameter er 20 mm, volumet 25 cm 3, kapasiteten 12 yF, den nominelle spenning 3 kV og energien 54 J. Den midlere feltstyrke er 375 V/ ym og energitettheten er 2,15 J/cm 3. Dette er en kondensator for en implanterbar defibrillator. Da kondensatoren i et slikt apparat ikke er i bruk særlig ofte og forblir oppladet bare i meget kort tid, kan dielektrikumet utnyttes ut over den grense som benyttes for industrielle anvendelser. Således kommer man til å benytte dielektrikumet ved mer enn 90 % av deres gjennomslagsfasthet. Under disse betingelser kan denne modell derfor også overskride feltstyrken og den angitte energitetthet.

Et femte og siste eksempel benytter det samme dielektrikum som for den fjerde kondensatorutførelse, men er oppviklet til en diameter på 74 mm. Denne utførelse har en kapasitet på 172 yF og en nominell spenning på 2,5 kV. Dens arbeidsspenning kan variere mellom 2 og 3 kV ifølge bruksbetingelsene, hvilket svarer til en energitetthet mellom 1 og 2,25 J/cm 3. Anvendelsene er forskjellige (lasere, defibrillatorer, osv.).

I dette siste eksempel kan man også skifte ut

4 ym-papiret med fibrillpapir på 2,5 ym og benytte en etylen-polytereftalat-film på 2,5 - 4 ym. Med filmbredder på 40 - 80 mm og en viklingsdiameter på 15 - 20 mm kan man bygge andre modeller for implanterbare defibrillatorer med kapasiteter på 10 - 30 yF og energitettheter på 2 - 3 J/cm 3. Kort angitt kan de samme dielektrikum-sammenstillinger benyttes med forskjellige feltstyrker og energitettheter i overensstemmelse med bruksbetingelsene og/eller den forventede levetid: - 150 - 300 V/ym og 0,4 - 1,2 J/cm 3 for filtrering, omkopling, utladningsformål hvor kravene til midlere arbeids-effekt eller levetid er høye. Disse kondensatormodeller kan også benyttes under sitt nominelle nivå (ikke merke-verdi) for strenge forhold; - 300 - 400 V/ym og 1,2 - 2 J/cm 3 for filtrering, omkopling eller utladningsformål hvor driftsbetingelsene er mindre strenge (eksterne defibrillatorer eller lasere med lav repetisjonsfrekvens); - 400 - 500 V/ym og 2 - 3 J/cm<3>for lav arbeidstakt, for eksempel implanterbare defibrillatorer, max 500 støt og nesten umiddelbar utladning etter oppladningsprosessen.

Andre materialer kan benyttes uten å endre prinsippene ifølge oppfinnelsen: - andre metaller eller elementer er mulige for metalliseringen, såsom aluminium, gull, sølv, palladium eller rent amorft karbon; - andre dielektrika er mulige i stedet for dielektrikum 1, f.eks. polypropylen, polykarbonat, polysulfon, polystyren,

osv. ;

- andre fiberstrukturer er mulige i stedet for dielektrikum

2; - andre impregneringsoljer i overensstemmelse med kriteriene ifølge oppfinnelsen er mulige.

Fig. 4, som viser en skjematisk fremstilling av papirmetalliseringsprosessen, viser (ikke i målestokk) et vakuumkammer 100 i hvilket det er vist en moder- eller forrådsrull 102 som er fylt av kondensatorpapir, og en mottagningsrull 104 på hvilken papiret 106 vil bli påviklet. Kondensatorpapiret 106 passerer langs avbøyningsruller 108

og er i den øvre del av vakuumkammeret 100 avstengt eller avskjermet ved hjelp av en skillevegg eller blender 110, 112. En stuss 101 forbinder kammeret med en vakuumpumpe. I kammeret 100 er det anordnet et smeltekar 116 i hvilket sink 118 bringes til å fordampe. Elektroder 120 og 122, som er koplet til en negativ spenning og skjermer for forrådsrullen 102 og mottagningsrullen 106, unngår en dampavsetning på disse. Den vei dampene ville ha tatt i rullretningene dersom disse skjermer ikke var til stede, er illustrert ved stiplede linjer. En annen elektrode 124, som har positivt potensial, er beliggende bak papiret 106 bak en åpning 126

i blenderen 110, 112. Denne åpning 126 er slik beliggende at de metalldamper som avgis fra smeltekaret 116 og passerer gjennom åpningen, har en innfallsvinkel på 45° mot papiret 106. Om nødvendig kan denne vinkel endres.

I det viste eksempel er avstanden mellom smeltekaret 116, som er fremstilt av tantal, og der hvor papiret 106 oppvarmes av dampene bak åpningen 126, lik 15 - 30 cm. Metallets temperatur er 400 - 800° C. Papirets lineære hastighet er 2 - 4 m/min.Potensialforskjellen mellom UQ

for smeltekaret og U+ for elektroden 124 er 400 - 800 V.

Elektrodene 120 og 122 ligger på et negativt potensial på -100 V til 200 V i forhold til karet. Trykket i kammeret 100 er ca. 10<-2>- 10<-5>Torr. Metallavsetningen på papiret avhenger av metalltemperaturen, innfallsvinkelen, papirhastigheten, spenningene, trykket i kammeret og avstanden mellom smeltekaret og papiret.

Fig. 5 og 6 viser skjematisk en innretning som har tre metallvalser 200, 202, 204 med sine akser i samme plan. Den midtre valse 200 er drevet og overfører dreiebevegelsen ved friksjon til de andre valser. Omkretsen av den midtre valse 200 har en utsparing eller fordypning 206 med en bredde på 85 mm og en dybde på 4 ym. Et papirbånd eller en papir-hane 108 av handelsvanlig kondensatorpapir med en tykkelse på 6 ym fra en forrådsrull 210 passerer foran en dampdyse 212 som fukter banen. Papirbanen passerer videre mellom den øvre valse 202 til den midtre valse 200, og videre mellom denne midtre valse og den nedre valse 204. Papirbanen passerer utelukkende i området for fordypningen 206. Det pres-sede papir opprulles deretter på en mottagningsrull 214.

Nær den midtre valse 200 er det anordnet en andre dyse 216

som kan benyttes til å fordampe vann, lakk eller andre produkter, i overensstemmelse med den prosedyre som man ønsker å anvende. Dampdysen 212 impregnerer papiret med en rela-

tiv fuktighet på 25 - 35 %. Valsene 200 og 204 oppvarmes til en temperatur mellom 80 og 110° C ved hjelp av infra-

røde varmeelementer. Valsene 200 og 204 har samme diameter som er 30 cm. Den mitre valse 200 er dreibar om en aksel som er festet til et understell 222, mens de øvre og nedre valser 202 hhv. 204 kan være forskyvbare i høyderetningen og presses mot den midtre valse med et hydraulisk stempel-system 224 som mates av en hydraulisk pumpe 226. Innstil-lingsanordninger muliggjør kontroll av trykket og tillater således en optimalisering av den kraft med hvilken valsene presses mot hverandre. I utførelseseksempelet er dette trykk 1000 - 1500 dN/cm 2. Papiret har en hastighet på 8 m/min - 10 m/min. Etter presseprosessen har papiret en tykkelse på 4 - 4,2 ym. Etter en sådan prosess har papiret en tetthet på ca. 1,4 - 1,5 g/cm . Papir som utelukkende er fremstilt av fibriller, har den samme tetthet. Papirets gjennomslagsfasthet stiger opp til 400 V/ym dersom det impregneres med silikonolje. Det kan også overveies å øke den gitte overflatemotstand på 2 - 30 ohm over denne verdi, særlig ved å benytte eksisterende papir eller nytt papir og/eller de nye metalliseringsmetoder som er beskrevet foran.