DE2850789A1 - Elektrolyt-kondensator - Google Patents

Elektrolyt-kondensator

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DE2850789A1
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Leslie Smith
William Tew
Jack Woolley
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Arcotronics Ltd
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Plessey Handel und Investments AG
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    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/004Details
    • H01G9/08Housing; Encapsulation
    • H01G9/10Sealing, e.g. of lead-in wires

Description

Pci ~-;fon · "::·- Dipl. :-;;. Γ. -^-^--«a ϋΠθΓ
Dr. νζϊ. η.;:. mIujkcs Berendt
»r.-lüg. Hans Lc-yh Lücile-Grahn-Sircaa 33 D 8 München
Unser Zeichen: A 14 Lh/fi
PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS A.G. Gartenstrasse 2
Zug (Schweiz)
Elektrolyt-Kondensator
909822/0722
Plessey Handel ... - A 14 222 -
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Elektrolyt-Kondensator, der z.B. Tantal-Anoden aufweist und sie betrifft insbesondere die hermetische Abdichtung solcher Kondensatoren.
Elektrolyt-Kondensatoren mit nicht-festen Elektrolyten haben einen Behälter, in welchem eine Kondensatoranode untergebracht ist. Die Innenwand des Behälters dient ferner als Kathode, deren Kapazität durch eine geeignete Behandlung gesteigert werden kann, durch welche die Oberfläche erhöht wird.
Bisher wurden hermetische Glas-Metalldichtungen in der Weise hergestellt, daß eine zentrale rohrförmige metallische öse von einem Glasring dicht umgeben wird, der seinerseits von einem Metallring umgeben und mit diesem dicht verbunden ist. Der Anodendraht ist so angeordnet, daß er zu der metallischen öse verläuft. Die Glas-Metall-Dichtung ist im Ende des Kondensatorbehälters angeordnet und an ihrem Umfang mit der Behälterwand verlötet, die gewöhnlich aus Silber besteht.
Es werden zwei Methoden verwendet, um den Anodendraht abzudichten, nämlich
a) in die Anode ist ein Tantaldraht bereits eingesintert. Der Tantaldraht ist an eine lötbare Nickelleitung angeschweißt. Der Schweißbereich ist in dem lötbaren Rohr der Glas-Metall-Dichtung eingeschlossen und die Dichtung wird vervollständigt durch Ausfüllen dieses Rohres mit einem Lötmittel.
b) In die Anode ist ein Tantaldraht bereits eingesintert. Der Tantaldraht wird am oberen Ende des Tantalrohres abgeschnitten, das die Mitte der Glas-Metall-Dichtung bildet. Das Rohr und der Draht werden zusammengeschweißt,
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um die hermetische Dichtung zu vervollständigen. Eine lötbare Nickelleitung wird an die Außenseite des Tantalrohres angeschweißt.
Die vorliegende Erfindung sieht einen elektroIytischen Kondensator vor mit einer Anode, die im wesentlichen konzentrisch innerhalb einer ringförmigen Kathode und durch das Elektrolyt von dieser getrennt angeordnet ist, wobei dies in einem Topf, der die Kathode umgibt, angeordnet ist, und der hohl ausgebildet und anfangs an einem Ende offen ist, um die Kathode und die Anode einsetzen zu können, wobei die Anode mit einer Öffnung zur Aufnahme eines Anodenkabels versehen ist, ferner mit einer Dichtung zum Abdichten des offenen Endes des Topfes, wobei die Dichtung Mittel umfaßt, um das Anodenkabel durch die Dichtung und elektrisch isoliert gegen den Topf oder Behälter anzuschließen, ferner mit einer weiteren Dichtung in dem Behälter, mit einem Stöpsel, der eng eingepaßt ist, um das Anodenkabel zu umgeben, wobei diese weitere Dichtung zwischen der Anode und der Dichtung angeordnet ist und verhindert, daß das Elektrolyt wenigstens während des Abdichtvorganges in Kontakt mit der Dichtung gelangt.
Nach einer ersten, bevorzugten Ausführungsform bestehen der Topf bzw. das Gehäuse und die Anode aus Tantal, nach einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform bestehen sie ganz oder teilweise aus Niob.
Die Anode ist vorzugsweise mit einem dielektrischen Oxidfilm überzogen. Das Elektrolyt ist vorzugsweise entweder wässrige Schwefelsäure oder eine Lithiumchloridlösung, oder eines dieser beiden Mittel in Verbindung mit einem Geliermittel.
Die Kathode besteht vorzugsweise aus einer stark porösen Büchse
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oder Hülse aus gesintertem Tantalpulver, die in dem Tantalgehäuse des Kondensators durch Falzen, Schweißen oder Sintern befestigt ist.
Das Anodenkabel besteht vorzugsweise aus Tantal und die Dichtuni - ist ein Tantel-Blei-Glas-Tantalring, der an dem Tantalgehäuse befestigt ist durch einen hochenergetischen Strahl, einen Plasmäbogen, durch Widerstandsschweißung oder andere geeignete Mittel.
Der Stöpsel besteht vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen und der O-Ring besteht vorzugsweise aus einem fluorierten Elastomer. Der Stöpsel und der O-Ring isolieren nicht nur das Elektrolyt während des Schweißvorganges, sondern sie bilden auch eine obere Anodenabstützung und eine vibrationshemmende Halterung.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren vorgesehen zum Zusammenbau und Aufbau eines elektrolytischen Kondensators, wonach eine Kathode in Form sine*· ringförmigen Hülse in das offene Ende eines Gehäuses eingesetzt wird, in welchem eine Anode im Abstand von der Kathode eingesetzt ist, wobei der Raum zwischen der Anode und der Kathode mit einem Elektrolyt ausgefüllt wird, wobei ferner die Anode eine öffnung zur Aufnahme einer Anodenleitung hat, wobei eine erste Dichtung zum Abdichten des offenen Endes des Gehäuses vorgesehen ist, die eine Anodenleitung umfaßt, die elektrisch isoliert gegen den Rest der Dichtung ist, wobei ferner eine zweite Dichtung an der Anodenleitung an der Innenfläche der ersten Dichtung angeordnet wird, um eine Dichtung zwischen dieser Anodenleitung und dem Gehäuse zu bilden vor dem Abdichten der ersten Dichtung des Kondensators, wobei ferner das Ende der Anodenleitung, das aus der zweiten Dichtung vorsteht, bearbeitet wird, um VorSprünge an dieser Leitung zu
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bilden/ wobei ferner der Kondensator zusammengebaut wird, indem der vorspringende Abschnitt der Anodenleitung in die Anode eingedrückt oder eingepreßt wird bis die erste Dichtung sich in ihrer Position befindet, wobei ferner die erste Dichtung längs ihrem umfang mit dem Gehäuse verschweißt und der Kondensator einem Alterungsprozess unterworfen wird, um jegliche etwaige Beschädigung von Anode und Anodenleitung, die möglicherweise während des Preßvorganges aufgetreten ist, zu beseitigen.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1 im Schnitt den vollständigen Kondensator mit der neuartigen Dichtkonstruktion zeigt.
Fig. 2 zeigt einen Teil des Kondensators nach Fig. 1.
Fig. 3 zeigt ein erstes Verschlußglied für den Kondensator nach Fig. 1.
Fig. 4 zeigt ein zweites Verschlußglied für den Kondensator nach Fig. 1.
Fig. 5 zeigt einen Teil der Dichtung des Kondensators nach Fig. 1, wobei die Herstellungsmethode dargestellt ist und
Fig. 6 zeigt eine weitere Stufe beim Aufbau des Kondensators nach Fig. 1.
Nach den Fig. 1 und 2 umfaßt der Kondensator eine konzentrische Hülse 2 aus Tantalpulver, die nach mechanischer Befestigung z.B. durch Sintern oder Schweißen an dem Tantalbehälter 1 eine
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Kathode mit stark erhöhter Oberfläche bildet (Fig. 2). Der äußere Tantalbehälter 1 wird hergestellt, indem eine Scheibe aus einem Tantalband ausgestanzt und in die Form eines Behälters tiefgezogen wird. Die Hülse 1 wird hergestellt, indem entweder eine Mischung aus Tantalpulver und einer Flüssigkeit in einer Gummiform zum Erstarren gebracht wird, worauf eine Trocknung und Sinterung folgt, oder indem ein Tantalpulver oder eine Mischung aus Pulver und einem Wachs in eine Stahlform gepreßt wird, worauf, falls erforderlich, das Wachs wieder entfernt und das Pulver gesintert wird.
Die poröse Hülse 2 kann an dem äußeren Gehäuse durch eine mechanische Verengung des Gehäuses befestigt werden, durch Schweißen oder durch gemeinsame Vakuumsinterung von Hülse und Gehäuse. Ein lötbarer Draht 3 wird axial an die Basis des Gehäuses angeschweißt, um die negative Leitung zu bilden. Das Innere des Gehäuses 1 mit seiner konzentrischen Hülse 2 wird anodisiert, um einer Gegengleichspannung widerstehen zu können.
Die Tantal-Glas-Tantal-Dichtung, von der einige mögliche Formen in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind, wird aus drei Bestandteilen gebildet. Der Teil 4 ist ein mit einer zentralen öffnung versehener Napf aus Tantal, der durch Ausstanzen und Formen eines Tantalstreifens gebildet wird. Der Teil 5 ist ein Stift aus Tantal, der aus Tantaldraht hergestellt werden kann, während der Teil 6 ein vorgeformtes Glasstück ist, das aus einem säurefesten Glas besteht. Die Glas-Tantal-Dichtung kann eine eingepaßte Dichtung sein, wobei ein Glas verwendet wird, das einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen gleich demjenigen von Tantal ist, oder es kann eine Druckdichtung sein. Vorzugsweise wird ein Fusionsprozess angewendet, in welchem eine chemische Verbindung erfolgt. Die
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Teile werden in einer Aufspannvorrichtung zusammengebaut oder zusammengesetzt und in einem evakuierten Ofen auf eine Temperatur zwischen etwa 125O°C und 14OO°c erhitzt, worauf Argon eingeführt wird und die Erwärmung fortgesetzt wird. Nach einer anfänglichen Fusion erfolgt eine Reaktion zwischen dem Metalloxid und den Bestandteilen des Glases, wodurch eine Dichtung erzeugt wird, die sehr zufriedenstellende mechanische und elektrische Eigenschaften hat. (Britisches Patent Nr. 1 421 050).
Bei einer praktischen Ausführungsform eines Kondensators wird die ringförmige Hülse aus dem Tantalpulver, die die Kathode bildet, in folgender Weise hergestellt.
Ein Tantalpulver mit hoher Kapazität und einer geeigneten Partikelgröße von etwa 4 Mikron wird mit Wachs gemischt und auf eine Dichte von etwa 6,5 bis 8,5 g/cm3 gepreßt. Das Pressen kann separat in einer Form erfolgen oder unter Verwendung des Kondensatorgehäuses als Form.
Nach dem separaten Preßvorgang wird die Kathodenhülse in das Gehäuse aus Tantal eingeschoben. Das Gehäuse und die Hülse werden auf eine Temperatur zwischen etwa 1900C und 45O°C unter Vakuum erwärmt, um das Wachsbindemittel zu entfernen. Nach dem Entfernen des Wachses expandiert die Hülse etwas und wird so in dem Gehäuse gehalten. Die Wand des Gehäuses kann vor dem Einsetzen des Kathodenpulvers geätzt werden, um die Adhäsion zu verbessern. Es ist jedoch darauf zu achten, daß der Dichtungsbereich an der Mündung des Gehäuses nicht geätzt wird.
Agglomerierte Pulver oder bindungsmittelfreie Pulver können ebenfalls zur Herstellung der Kathodenhülse verwendet werden. Eine endgültige Dichte nach dem Brennen von etwa 4,5 bis 7,0 g/cm ist erreichbar.
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Die Kathodenhülse und das Gehäuse werden anodisiert auf eine Gleichspannung von etwa 4,5 bis 7 V, um einer Gegenspannung von etwa 3,0 V zu widerstehen. Die Anodisierung wird in einer Tantaleinspannvorrichtung ausgeführt und die Gehäuse werden vertikal gehalten, damit die entstehenden Gase entweichen können.
Bei Anwendungsfällen, bei denen keine größere Festigkeit gegen eine Gegenspannung als 1 V Gleichspannung erforderlich ist, kann ein Anstrich oder ein überzug aus Platin oder Ruthenium auf die Innenseite aufgebracht und eingebrannt werden (Britisches Patent 1 317 494).
In einer praktischen Ausführungsform werden Tantalgehäuse aus einem Tantalband mit einer Dicke von 0,25 mm hergestellt, wobei das Material normal oder kornstabilisiert ist. Der Tantalstreifen wird entfettet unmittelbar vor dem Anodisieren über eine Zeitspanne von 15 Minuten bei 25°C in einem Spannungsbereich von 3O bis 1OO V Gleichspannung. Das Material wird ausgestanzt u\d das Gehäuse aus dem Rohling gezogen, wobei zweckmäßigerweise wenigstens fünf Ziehstufen einschließlich das Beschneiden auf Länge durchgeführt werden. Es kann ein geeignetes Hochdruck-Tiefziehschmiennittel verwendet werden, das durch Entfetten entfernt wird und das Gehäuse wird in einem Hochfrequenzofen gebrannt, um alle Spuren des Oxidfilmes zu entfernen.
In einer praktischen Ausführungs^form wird der zentrale Tantaldraht der Glas-Metali-Dichtung gereinigt vor dem Anodisieren durch Eintauchen in eine chemische fitzlösung. Die Drähte werden anodisiert auf 2OO V bei 85°C (oder einer äquivalenten Spannung wenn eine andere Temperatur verwendet wird).
Die zylindrischen porösen Anoden werden durch konventionelle
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Mittel gepreßt und in einem Temperaturbereich von 1600 bis 2O5O°C gesintert. Der Dichtungsbereich liegt bei 6,5 bis 10#5 g/cm . Die Anodisierung wird in einem Korb aus Tantalstreckmetall ausgeführt. Die angelegte Spannung wird progressiv gesteigert auf wenigstens 140% der beabsichtigten Betriebsspannung.
Der Elektrolytkondensator wird wie folgt zusammengebaut:
a) Der Teil des zentralen Drahtes unter dem napfförmigen Teil der hermetischen Glas-Tantal-Dichtung wird anodisiert auf 200 V, um einen dielektrischen Film hoher Qualität zu schaffen.
b) Der anodisierte Teil des Drahtes 5 wird in ein viskoses Draht-Dichtungsmittel eingetaucht.
c) Der 0-Ring und der Stöpsel oder Pfropfen 7, 8 werden 'auf den anodisierten Abschnitt des Drahtes aufgeschoben bis sie an der Tantalkappe anliegen (Fig. 5).
d) Der vorstehende Abschnitt des anodisierten Drahtes wird durch ein Preßwerkzeug bearbeitet, das eine gerändelte oder geriffelte Verzahnung 15 in seiner Oberfläche ausbildet, wie Fig. 6 zeigt.
e) Die Kathodenhülse 2 und die Anode 10 werden mit einem Elektrolyt gesättigt und das Elektrolyt wird in dem Kathodengehäuse verteilt.
f) Die untere Anodenabstutzung 11 wird an der Basis der Anode angebracht, die zentral in die Kathodenhülse und das Gehäuse eingesetzt wird. Es kann ein geeignetes Werkzeug verwendet werden, um sicherzustellen, daß die Anode konzentrisch eingesetzt wird.
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g) Der Glas-Metall-Aufbau mit O-Ring und Stöpsel wird oben im Gehäuse angeordnet (der O-Ring sitzt auf dem ausgeformten Abschnitt auf). Die Kondensatorteile werden in ein Werkzeug in einer Kniehebelpresse gebracht und an ein Gehäuse, das das Werkzeug umgibt, wird Vakuum angelegt. Der O-Ring wird nach unten geschoben und das Vakuum wird aufgehoben.
Während dieses Vorganges wird der geriffelte Abschnitt des zentralen Drahtes in die zentrale öffnung der Anode gepreßt, wobei eine genügende Menge des anodisch gebildeten Oxides abgestreift wird, um einen guten elektrischen Kontakt zu schaffen* Die zentrale öffnung in der Anode ist leicht verjüngt und der Draht wird daher mechanisch in dem Anodenblock gehalten.
h) Das obere Ende des Gehäuses wird um etwa 5° zur Vertikalen eingebogen, wodurch eine dichte kompakte Verbindungsstelle entsteht, die geeignet schweißbar ist und ferner die Anode und der Draht unter Druck gehalten werden.
i) Das obere Ende des Gehäuses wird mit dem benachbarten oberen Ende des napfförmigen Deckels der Glas-Metall-Dichtung verschweißt, indem der Kondensator in eine Spanneinrichtung eingebracht und unter einem Strahl hoher Strahlungsenergie gedreht wird bis die Schweißung fertig ist.
j) Der Kondensator wird vervollständigt durch Anschweißen eines lötbaren Drahtes oder Kabels 12 an den Anodendraht, dort wo dieser aus der geschweißten Glas-Metall-Dichtung heraussteht.
k) Eine Beschädigung des anodischen Oxidfilmes bei der Ausbildung der Rillen an dem Bereich des zentralen Drahtes, der in die zentrale öffnung der Anode angepreßt wird, wird
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beseitigt durch einen Alterungsprozess (oder durch Brennen),während welchem der Kondensator einer vollen Spannung bei der oberen Betriebstemperatur über eine Periode zwischen etwa 8 und 60 Stunden ausgesetzt wird.
Der Kondensator kann auch in eine Einspannvorrichtung eingespannt werden und unter einem Laserstrahl gedreht werden. Es kann ein Kohlendioxidlaser verwendet werden mit einem Wellenlängenband von etwa 10,6 Mikrometer bei kontinuierlicher Arbeitsweise. Es kann eine Zeit von etwa 4 bis 5 Sekunden je Umdrehung vorgesehen werden.
Ein Ausgang von etwa 380 bis 400 Watt ist geeignet.
Alternativ kann ein Neodym-Festkörperlaser benutzt werden. Dieser hat eine Wellenlänge von 1,06 Mikrometer und liefert eine Energie von 4 bis 60 Joule je Impuls. Zwischen 2 und Impulse je Sekunde werden angewendet bei einer Impulslänge von 2,75 Millisekunden.
Die Drehgeschwindigkeit der Kondensator-Spanneinrichtung kann zwischen 30 Sekunden und 90 Sekunden je Umdrehung liegen.
Die Vorteile des vorbeschriebenen Kondensators liegen unter anderem darin, daß kein Lötmittel beim Aufbau verwendet wird und daher keine Korrosion auftreten kann. Da keine Schweißung am oberen Ende des schmalen Tantalrohres vorhanden ist, wie bei bisherigen Konstruktionen, besteht keine Gefahr, daß sich thermisches Oxid bildet. Dies ist ein Vorteil, da festgestellt wurde, daß thermische Oxide in Kontakt mit dem Elektrolyt zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften des Kondensators führen.
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Claims (10)

  1. Plessey Handel ... - A 14 222 -
    Ansprüche
    Μ. Elektrolyt-Kondensator mit einer Anode, die im wesentlichen konzentrisch innerhalb einer ringförmigen Kathode angeordnet und von dieser durch ein Elektrolyt getrennt ist, das in einem Behälter enthalten ist, der die Kathode umgibt, wobei der Behälter hohl ausgebildet und anfangs an einem Ende offen ist zum Einsetzen der Kathode und der Anode, mit einer Dichtung zum Abdichten des offenen Endes des Behälters, wobei die Dichtung Mittel umfaßt zum Anschließen der Anodenleitung durch die Dichtung und elektrisch isoliert gegenüber dem Gehäuse ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Anode mit einer Öffnung zur Aufnahme der Anodenleitung versehen ist, daß eine weitere Dichtung in dem Gehäuse vorgesehen ist, die einen Pfropfen (8) aufweist, der eng eingepaßt ist, um die Anodenleitung (5) zu umgeben, und daß diese weitere Dichtung (8) zwischen der Anode und der Dichtung angeordnet ist und verhindert, daß das Elektrolyt wenigstens während des Abdichtvorganges in Kontakt mit der Dichtung gelangt.
  2. 2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse und die Anode vollständig aus Tantal oder daß das Gehäuse und die Anode vollständig oder teilweise aus Niob bestehen.
  3. 3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Anode mit einem dielektrischen Oxidfilm überzogen ist.
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  4. 4. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Elektrolyt eine wässrige Schwefelsäure oder eine Lithiumchloridlösung ist.
  5. 5. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Elektrolyt ein Geliermittel enthält.
  6. 6. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Kathode aus einer stark porösen Hülse aus gesintertem Tantalpulver besteht, die in das Kondensatorgehäuse eingefalzt, eingeschweißt oder eingesintert ist.
  7. 7. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Dichtung am Gehäuse durch einen hochenergetischen Strahl, einen Plasmabogen oder durch Widerstandsschweißung befestigt ist.
  8. 8. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Propfen (8) aus Polytetrafluoräthylen besteht.
  9. 9. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Dichtung einen O-Ring (7) umfaßt, der aus einem fluoriertem Elastomer besteht.
  10. 10. Verfahren zum Aufbau eines Elektrolyt-Kondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Kathode in Form einer ringförmigen Hülse in das offene Ende eines Gehäuses eingesetzt wird, dadurch g e k e η η -
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    ze i c h η e t , daß eine Anode (10) in das Gehäuse (1) im Abstand von der Kathode (2) eingesetzt wird, daß der Raum zwischen der Anode (10) und der Kathode (2) mit einem Elektrolyt (9) gefüllt wird, daß die Anode eine öffnung zur Aufnahme einer Anodenleitung (5) aufweist, in der eine erste Dichtung (4, 6) zum Abdichten des offenen Endes des Gehäuses angeordnet wird, daß die Anodenleitung elektrisch isoliert gegen den Rest der Dichtung gehalten wird, daß eine zweite Dichtung (7, 8) an der Anodenleitung an der Innenseite der ersten Dichtung angeordnet wird, um eine Dichtung zwischen der Anodenleitung und dem Gehäuse vor dem Abdichten des Kondensators mittels der Hauptdichtung zu schaffen, daß das Ende der Anodenleitung, das aus der zweiten Dichtung hervorsteht, bearbeitet wird, um Vorsprünge (15) an dieser Leitung auszubilden, daß der vorspringende Teil dieser Anodenleitung in die Anode eingepreßt wird, bis die Hauptdichtung sich in ihrer Position befindet, und daß die Hauptdichtung längs ihres Umfanges mit dem Gehäuse verschweißt wird-um -iei Kondensator einem Alterungsprozess ausgesetzt wird, um eine etwaige Beschädigung der Anode und der Anodenleitung während des Einpressens zu beseitigen.
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