DE1927423C3 - Regenerierfahiger elektrischer Kondensator und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen regenerierfähigen elektrischen Kondensator, bei dem jeder der Beläge regenerierfähige Melallschichten und nicht regenerierfähige, einen kleinen elektrischen Widersland aufweisende Metallschichten besitzt, wobei jeweils die Mietallschtchten eines Belages parallelgeschaltet sind

Ein derartiger Kondensator ist aus der USA.-Patentschrift 3 211 973 bekannt. Dort sind auf eine Metallfolie beidseitig Dielektnkumsschichten und auf einer Seite zusätzlich eine Metallschicht aufgebracht und zwei derarttge Folien zu einem Kondensator verwickelt, wobei die Mctallschichien nach Fig. 1 mn den zugehörigen Metallfoüen am Rand elektrisch leitend verbunden sind.

Dieser Aufbau ist jedoch relativ aufwendig, insbesondere wenn Diclektrikumsdicken in der Grei.ie.nordnung der Dicke einer selbsttragenden Dieiektrikumsfoüc benötigt werden, da pro Belag eine Metallfolie, eine Dielektrikumsschicht und eine Metallschicht erforderlich sind.

Elektrische Kondensatoren, deren Belage aus Metallfolien bestehen, haben während des Betriebes an medcrohinigen Spannungsquellen (/ B. Netzleitungen) im Falle eines elektrischen Duichschlags einen sehr niedrigen Durchgangswiderstand. Dadurch entstehen sehr hohe Kurzschlußströme, durch welche die Netzsicnerung bzw. Gerätesicherung anspricht und Folgeschäden vermieden werden.

Selbstheilende Kondensatoren haben dagegen im Fall des Versagens'der Selbstheilung erfahrungsgemäß so hohe Durchgangswiderstände, daß Netzsicherungen im allgemeinen nicht ansprechen. Es kann deshalb an der Kurzschlußstelle ein Strom fließen, der zur Aufheizung und schließlich mm Entflammen des Kondensators führen kann. In selbstheilende Kondensatoren werden deshalb bei Verwendung an niederohmigen Spannungsquellen Spezialsicherungen eingebaut, die beim Versagen der Selbstheilung ansprechen.

Aus der schweizerischen Patentschrift 324 07(1 ist eine Sichcrhcitsschaltvorrichtu:ig in einem Konten sa'or^ehäiise bekannt, bei der durch Ausbauchen von Sicken, welche im Deckel de: bechei artiger, Gehäuses

untergebracht sind, zwei Leitungsstücke an einer Sollbruchstelle getrennnt werden. Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrifft 1 794 821 ist eine Abreißsicherung in einem Kondensatorgehäuse bekannt, welche durch das Anheben des Verschiußdeckels betätigt wird.

Derartige Kondensatortypen mit den eingebauten bekannten Sicherungen haben die Nachteile, daß ihr Volumen erheblich vergrößert ist, cie eiiu-n komplizierten Aufbau besitzen und die Herstellungskosten erhöbt sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kondensator zu zeigen, welcher regeneriert und ohne Einbau einer SpezialSicherung und ohne nennenswerte Vergrößerung seines Volumens ebenso wie Kondensatoren, deren Beläge aus Metallfolien beslehen, an niederohmigen Spannungsquellen betrieben werden kann in dem im Falle von Folgedurchschlägen hohe Kurzschluß=tröme entstehen, welche eine Gerätesicherung auslösen können.

Erfindungsgemäß wird dies beim eingangs dargestellten Kondensator dadurch erreicht, daß über den ganzen Kondensatorquerschnitt zwischen je zwei gegenpoligen nicht regenerierfähigen Metallschichten mindestens drei Dielektrikumsfolien liegen und zwischen diesen sich je eine regenerierfähige Metallschichl befindet und daß die regenerierfähigen Metallschichten abwechselnd mit dem einen bzw. mit dem anderen Anschluß des Kondensators elektrisch leitend verbunden sind.

Die Erfindung geht von folgenden Überlegungen aus: Die Durchschlagsfestigkeit von Dielektrikumsfolien nimmt mit steigender Temperatur stark ab. Bei einem Durchschlag in einem selbstheilenden Kondensator werden stets auch die Nachbarlagen der vom Durchschlag betroffenen Dielektrikumsfolien erwärmt. Normalerweise schadet diese Erwärmung nichts, da sie nur i.chr kurzzeitig ist und in ihrer Hohe niedrig bleibt. In diesem Fall bleibt der Durchschlag auf eine Dielektrikumsfolie beschränkt. Der Durchschlag ist selbstheilend, sowcii die weiteren Voraussetzungen dafür erfüllt sind.

Es ergeben sich aber ;uich Durchschläge, die die benachbarten Dieiektrikumslagen so hoch erhitzen, daß in diesen ebenfalls Durchschlage, sogenannte Folgedurchschläge, auftreten. Die entstehende Wärmeenergie addiert sich zu der des ersten Durchschlags hinzu, so daß eine Kettenreaktion ausgelöst wird und nacheinander viele Dielektrikumslagen durchschlagen. Es entsteht eine so große Gesamtwärme, daß die Dielektnkumsfolien thermisch zerstört werden und elektrisch leitfähige Abbauprodukte bilden.

Die Isolation des Kondensators sinkt dann im allgemeinen auf einige hundert Ohm ab. Infolge des weiterhin fließenden Leckstroms erhitzt sich der Kondensator immer höher und entflammt. Derartige Durchschläge nennt man auch Schmelzdurchschläge. Diese werden durch eine leistungsfähige Spannungs-(Juellc am Kondensator mit geringem Innenwider-Stand sehr gefördert. Es kann nämlich Energie schnell in den Kondensator fließen, um den Schmelzzonenbercich aufzuheizen und außerdem sinkt die Spannung *m Kondensator wegen des geringen Innenwiderstandes der Stromquelle nur wenig ab, so daß die thermisch geschwächten Dielektrikumsstellen hohen Feldstärken ausgesetzt sind.

Weiterhin ist es möglich, daß ein Durchschlag, der !•■nächst nur auf eine Dielektrikumsfolie beschrankt war und der nur unvollständig ausheilte, z. B. durch Kohlenstoffabscheidung auf dem Isolierhof zu Folgedurchschlägen führt. Der resultierende Leckstrom erwärmt die UmgebungsEtellen des Durchschlags.

Zwar liegen die Temperaturen der aufheizenden Leckstromstelle bedeutend niedriger als die einer aufheizenden Stelle eines elektrischen Durchschlags, jedoch betragen die Einwirkzeiten der Temperatur beim elektrischen Durchschlag nur wenige Mikrosekünden. Die Einwirkzeit einer Leckstromstelle dauert dagegen beliebig lange. Die Wahrscheinlichkeit eines Durchschlags, d.h. eines Folgedurchschlags, wächst sowohl mit steigender Temperatur als auch mit der Einwirkdauer derselben.

'5 Durch die Schmelzdurchschläge bzw. durch die Folgedurchschläge entsteht eine Kondensatorisolation, die zu hoch ist, um die Netzsicherung zum Ansprechen /u bringen, aber zu niedrig, um eine Aufheizung des Kondensators zu verhindern.

Durch die Erfindung wird nun im FaUe des Versagens der Selbstheilung, d.h. beim Entstehen von Schmelzdurchschlägen und Folgedurchschlägen, stets ein solcher Durchschlag ausgelöst, welcher zwischen zwei nicht selbstheilenden Belegungen einen Kurzschlußstrom erzeugt. Dieser Kurzschlußstrom löst wie bei Metallfolienkondensatoren die Netz- oder Gerälesicherung aus, so daß Folgeschaden vermieden werden.

Die Erfindung kann derart ausgestaltet sein, daß die nicht selbstheilenden Beläge entweder aus Metallfolien oder aus entsprechend dicken Metallisierungen, welche durch Aufdampfen hergestellt sind, bestehen. Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 439 334 ist es bei einem regenerierfähigen Wickelkondensator für Wcehselspannungsbetrieb bekannt, durch an den Stirnseiten überstehende Metallfolien die Erwärmung im inneren Drittel des aktiven Teils des Wickeis herabziibt-izen. Sind die Metallfolien beim bekannten Kondensator nur im inneren Drittel des aktiven Wikkelteüs ungeordnet, so erstrecken sich beim erfindungsgcmäßcn Kondensator die nicht selbstausheilenden Deläge über den gesamten Kondensatorkorpcr bzw. sind über den ganzen Kondensatorkörper verteilt, um in jedem Bereich des Kondensatorinneren eine Sicherung zu erhallen.

An Hand der Figur soll an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung und Vorteile derselben crläiiteit werden.

Die Figur zeigt einen Tcilausschnitt aus einem Kondensatorwickel.

In der Figur besteht der erfindungsgemäße Aufbau aus acht Folien. Die Folien 1, 2, 3, 5, 6, 7 sind DielektnV-umsfolien, welche mit selbstheilenden Metallschichten verschen sind. Die Metallfolien 4 und 8, welche an entgegengesetzten Stirnseiten aus dem Wickelkörper herausragen, sind nicht selbstheiiend. Die Metallfolien 4 und 8 besitzen die gleiche Folienlänge wie die sich zwischen ihnen befindenden regenerierfähigen Kondensatorbänder. Durch stirnseitige Kontaktierung, z. B. durch Aufspritzen von Kontaktmetall, sind auf der einen Stirnseite die Metallschichten der Dielektrikumsfolien 1, 3, 6 und die Metallfolie 4 und auf der anderen Stirnseite die Beläge der Dielektrikumsfolien 2, 5, 7 und die Metallfolie 8 elektrisch kurzgeschlossen. Durchschläge durch die Folien 2 und 6 heilen ohne weiteres aus. Da auch eine selbstheilfähige Metallschicht, welche mit einer Metallfolie als Gcirenheiaf» in einem Kondensator .combi-

niert ist, einen selbstheilfähigen Aiifbau ergibt, heilen auch die Durchschläge durch die Dielektrikumsfolien 1, 3, 5 und 7 aus. Entstehen im Kondensator der Figur Folgedurchschläge, dann ereignet sich folgendes: Findet zwischen den Metallschichten der Folien 5 und 6 ein Durchschlag statt, der das Dielektrikum 5 so stark erhitzt, cbS auch zwischen der Metallschicht der Folien 5 und der Metallfolie 4 ein Durchschlag erfolgt, dann ergeben sich folgende Möglichkeiten:

1. Der Folgedurchschlag durch die Dielektrikumsfolic 5 setzt sich nicht bis zur Dielektrikumsfolie 3 fort, da die Metallfolie 4 eine hohe Wärmciei:fähigkeit hat und die Wärme von der örtlich eng begrenzten Stelle des Durchschlags schnell auf größere Flächen verteilt wird. Eine Kettenreaktion ν Λ damit unterbrochen. Die Durchschlag, durch die Dielektrikumsfolicn 5 können durchaus selbsthcilend sein, da im Anfangs/ustand der Keltenreaktion die Wärmetönung noch so gering ist, daß es nicht zurr, thermischen Abbau der Dielektrikumsfolie kommt. Tn diesem FnIl hat also die Metallfolie 4 den Kondensator funktionsfähig erhalten, da sie weitere Folgedurchschläge anterbuiv den hat.

2. Die Durchschlüge der Folien 5 und 6 können jedoch zu so hoher ortlicher Erwärmung der Metallfolie 4fi>hren, daß sich auch durch die Dielektrikumsfolie 3 ein Durchschlag ereignet. Es wird dann aber erst recht in der Dielektrikumsfolie 7ein üur^hschlagentstehen. Es hat sich dann zwischen den Mctallfulien 4 und 8 eine K>"e .*..> Folgedurdv "u'agen ereignet, v. J-hc /um gleichen 1 ^-bms fuhren wie ein Durchschlag in einem Metallfolienkondensator. Die Durchschlagstelle zwischen den Mctallfolicn 4 und 8, welche sich aus den Folgedurchschlägor. zusammensetzt, führt zu einem stehenden Lichtbogen, der durch seinen hohen Kurzschlußstrom die Geräte- od«.r Netzsicherung auslö-,ί. Zum gleichen Ergebnis würde auch eine Kette von Folgedurchsehlä,^ ri über die Dielektrikumsfolien 3, 2. 1 führen.

Der Aufbau nach der Figur weist demnach folgende Vorteil auf: Der Kondensat· >■· is' selbsthcilend und die Metallfolicn fördern die Selbstheilung noch dahingehend, daß sie eine Fortsetzung von Folgedurchschlägen verhindern. Bei /ι» starken Folgeschädigungen, die beim üblichen selbstheilenden Kondensator zu Schmclzdurchschlägcn und damit zum Entflammen führen können, wird beim kondensator der Figur die Gerate- bzw. Netzsicherung ausgelöst. Der Energienachschub in den Kondensator wird dadurcli wie bei einem Metallfolienkondensator schnei! unterbunden und Folgeschäden vermieden.

Beim Kondensator der Figur können, ohne daß das Erfindungsprinzip wesentlich geändert wird, die unmittelbar an den Metallfolien anliegenden Metallisierungen der den Metallfolien benachbarten Dielektrikumsfolien 3 und 7 weggelassen werden. Auch in diesem Fall bilden die Metallschichten auf den Dielektrikumsfolien 2 und 6 und die Metallfolien 4 und 8 einen regenerierfähigen Aufbau Die Metallfolien 4 und 8 können außerdem durch dicke Metallschichtcn, welche z.B. durch Aufdampfen auf den Folien 3 und 7 hergestellt sind, ersetzt werden. Die Metalldicke muß an den erforderlichen KurzschluQstrom, welcher die Sicherung auslösen soll, angepaßt werden.

Die Anzahl der Mctallfolicn 4 und 8 kann im Kondensator reduziert werden, indem mindestens drei, vorzugsweise fünf und mehr, metallisierte Folien zwischen den Metallfolien 4 und 8 liegen. Durch die Anzahl der Metallfolien wird die Abschaltgeschwindigkeit beeinflußt. Es ist deshalb eine Frage des verwendeten Dielektrikums (hinsichtlich dessen Brennbarkeit), der Kapzität und Spannung und der Art der Sicherung (z. B. !rage oder schnell), wieviele Metallfolien verwendet werden. Bei einer großen Anzahl von selbsthcilenden Zwischenlagen ist es bei der üblichen Herstellungslechnik durch Wickeln von Vorteil, eine Windung einer Metallfolie nach einer

ίο größeren Anzahl von selbstheilenden Wickellagen einzuschließen. Andernfalls wird die Anzahl der zu verwickelnden Folienbahnen hoch. Hs werden dabei z.B. zwei regenerierende Kondensatorbänder in mehreren Windungen aufgewickelt und dann eine Windung -iner Metallfolie rnitverw'ckelt. Es werden dann wiederum mehrere Windungen der beiden regenerierenden Kondensatorbänder hergestellt und dann die nächste Windung einer Metallfolie mitverwickelt und so weiter. Aufeinanderfolgende Mctal'folien sind im fertigen Kondensator entgegengesetzt gepolt. Dei Kondensatorkörpei ist dann durch Oie Metallfolien in mehrere regenerierende Bereiche unterteilt.

Die beiden gegenpoligen Mctallfolicn 4 und 8 müssen nicht unbedingt die gleiche Windungszahl im Wikkel besitzen. Zum Beispiel k?">n die Metallfolie 4 zusammen mit den Folien 1, 2 3, 5, 6, 7 v,.,wickelt werden, während vor. der Metallfolie 8 nur jeweils nach einigen Windungen der Folien 1. 2, 3, 5. 6, 7 eine Windung -ingespult wild.

Die Anzahl der Lagen kann reduziert werden, wenn z. B. die Folien 1 und 2 fortgelassen weiden. Zwischen den beiden nichtregenerierenden Metallfolicn 8 bzw . 8 und 4 befindet sich kein oder lediglich ein unmittelbar an einer der Mctallfolien anliegende regencrierf.'- higc Metallschicht. Dei Kondensatoraufbau besteht dann aus einem nicht sclbstheilcndcn Tcilkondcnsator. welcher sich aus den Folien 8' bzw 8, 3 und 4 und einem crfindungsgcmalicn sclbstheilcndcn leilkondensator. vvlcher sieh aus den Folien 4. 5. 6, 7 und 8 zusammensetzt. Auch hier können in vorteilhafter Weise nach mehreren Windungen der Folien 4. S. 6. 7. welche den selbsihcilciiden Anteil bilden, die Folien 8 bzw. 8' und 3 als eine Windung eingcschossc π werden.

LJm bei der Aufbringung dei stirnseitigen Konuiktschichten. 7.B. durch das bekannte Schoop-Verfahren, größere Sichel heit gegenüber einem KurzschluC zwischen den Metallfolien und den gegenpolicci Kontaktschichten zu haben, ist es zweckmäßig, eint schrumpfende Folie in die Nachbarschaft de: Metall folien zu legen Diese schrumpfende Folie kann / H aus Polypropylen bestehen lis legl sieh dann dies benachbarte Dielektrikumsfolie schützend um Λ\ Metallkante der Metallfolie. Dazu ist es notwendig daß der Rand dieser der Metallfolie benachbarte Dielektrikumsfolie über die im Wickel hegende Kam der Metallfolie heim Wickeln hinausragt.

Um die Imprägnierfahigkeit des Kondensators / erhöhen, können die selbstheilenden Metallschicht auf den Dielektrikumsfolien durch sclbsthcilendc L; gen ersetzt werden, welche aus beidseitig metallisie ten Isolierstoffbändern, insbesondere Papierbänder bestehen.

In bezug auf Sprüherscheinungen und Durc schlagsfcstigkcit ist das Dielektrikum längs der Ka ten der Metallfolicn 4 und 8 in der Figur am gcfäb dctstcn. Dm dies zu vermeiden, werden in Ausgesli tune der Erfindung die Diclcktrikumslagen in d

Nachbarschaft der Melallfolien zumindest irrt Bereich der sie berührenden Metallfolienkaiiten mit regenerierfähig dünnen Metallisierungen verschen. Die streifenförmigen Metallisierungen 9 ragen dabei etwa 1 mm über die Metallkanten hinaus. Der Abstand zwischen den Kanten der Metallfolicn und den Rändern der selbstheilenden Schichten darf nicht zu groß sein, damit ein nicht sclbstheilendcr Durchschlag

an den selbstlieilenden Metallkantcn in einen Durchschlag zwischen zwei nicht selbstheilenden Metall schichten übergehen kann, bevor Folgeschäden ent standen sind. Damit die Folien an der Kante dei sclbsthe.ilcndcn Schichten gut aufcinanderliegen um nur einen dünnen Luftspalt bilden, werden die Kon densatoren zumindest stirnscilig in vorteilhafte Weise getempert.

Hierzu 1 lilatt Zeichnungen 409619/:

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Regenierfähiger elektrischer Kondensator, bei dem jeder der Beläge regenerierfähige Metallschichten und nicht regenerierfähige einen kleinen elektrischen Widerstand aufweisende Metallschichten besitzt, wobei jeweils die Metallschichten eines Belages parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß über den gan- *° zen Kondensatorquerschnitt zwischen je zwei gegenpoligen nicht regenerierfähigen Metallschichten (4, 8) mindest drei Dielektrikumsfolien (S, 6, 7) liegen und zwischen diesen sich je eine regenerierfähige Metallschicht befinder und daß ¹S die regenerierfähigen Metallschichten abwechselnd mit dem einen bzw. mit dem anderen Anschluß des Kondensators elektrisch leitend verbunden sind.

2. Regenerierfähiger Kondensator nach An- ^ϊ0 spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht regenerierfähigen Metallschichten von Metallfolien gebildet sind.

3. Regenerierfähiger Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht ²S regenerierfähigen Metallschichten aus relativ dikken auf ein Dielektrikum aufgedampften Metallisierungen bestehen, deren Dicke an den Kurzschlußstrom angepaßt ist, welcher eine in der Schaltung, für die der Kondensator vogesehen st, befindliche Sicherung auslöst.

4. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Metallfolien (4, 8) anliegenden Oberflächen der Dielcktrikumsfolien (1", 3, 5, 7) unmctatlisicrt sind.

5. Kondensator nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit regencriefähigen Mciallschichten versehenen Dielek trikumsfolien aus porösem Stoff bestehen.

(V Kondensator nach Anspruch 5, dadurch ge- *° kennzeichnet, daß die mit regenerierfähigen Metallschichten versehenen Dielektnkumsfoiien aus Papier bestehen.

7. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis (!,dadurch gekennzeichnet, daß die an den Metallfolicn anliegenden Dicleklrikumsfolicn schrumpffahig sind.

8. Kondensatoi nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die sclbstheilcnden Lagen aus beidseitig metallisierten Papier- so bändern bestehen.

°. Kondensator nach einem der Ansprüche ) bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Mctnllfolicu (4,8) benachbarten Dielektrikumslagen (1 , 5) zumindest im Eiereich der sie berührenden Metallfolienkaii'' regen«-rierfähig dünne Metallisierungen (9) tiagen

10. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis °, dadurch gekennzeichnet, daö zwischen je zwei gtgenpoligen nicht regenerierfähigen Me- ^fio talischichten fünf mit regenerierfähigen MeIaIlschichten versehene Dielektrikumsfolien liegen

! 1. Verfahren /.ur Herstellung eines Kondensators nach cinciTi tier Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei MclulKolien (4, H) pc- ^:-, gcncinander versetz.! und zwischen diesen, eben falls gegeneinander verse'/!, mit regenerierfüN-tien Mctallschichien versehene Dieieklrikumsio lien (I, 2, 3, 5, 6, 7) zu einem Kondensator verv/ickelt werden und daß die Metallfolien und die Metallschichten auf den Dielektrikumsfolien auf die gleiche Länge gebracht werden.

12. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach einem der Ansprüche 1 bis K), dadurch gekennzeichnet, daß mit regenerierfähigen Metallschichten versehene Dielektrikumsfolien gegeneinander versetzt zu einem Kondensator verwickelt werden und daß nach einer Anzahl von Windungen jeweils eine Windung einer Metallfolie eingespult wird.

13. Verfahren zur Herstellungeines Kondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Metallfolie (4 oder 8) und mit regenerierfähigen Metallschichten versehene Dielektiikumsfolien zu einem Kondensa tor verwickelt werden und daß nach einigen Windungen jeweils eine Windung einer zweiten Metallfolie (8, 4) gegen die erste Metallfolie versetzt eingespult wird.