DE69633090T2

DE69633090T2 - Kondensatorfolie mit hoher spezifischer Oberfläche

Info

Publication number: DE69633090T2
Application number: DE69633090T
Authority: DE
Inventors: William H. Elias; Thomas F. Strange; James I. Stevens
Original assignee: Pacesetter Inc; Philips Electronics North America Corp
Current assignee: Philips North America LLC; Pacesetter Inc
Priority date: 1995-05-17
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2016-05-18
Also published as: AU5236296A; EP0743662B1; DE69633090D1; EP0743662A1; CA2176684A1; US5808857A; US5660737A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Aluminiumelektrolytkondensatoren, und insbesondere eine verbesserte, hochgradig geätzte und spröde Kondensatorfolie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Hochspannungskondensatoren sind bei Technologieanwendungen nützlich, bei denen kurze Hochspannungsimpulse geliefert werden müssen, z. B. in automatischen implantierbaren Kardiovertern/Defibrillatoren („implantable cardioverter/defibrillators" bzw. „ICDs"), bei denen Hochspannungsimpulse quer über dem Defibrillationsführungssystem benötigt werden, um eine Defibrillation oder eine Kardioversion zu bewirken. Ein ICD und ein Gehäuse dafür, einschließlich gerollter (oder "gewickelter") Kondensatoren, sind von Langer im US-Patent Nr. 4,254,775 beschrieben.
Implantierbare Defibrillatoren werden bei Patienten implantiert, die unter einer potenziellen letalen Herzarrhythmie leiden. Die Vorrichtung überwacht eine kardiale Aktivität und entscheidet, ob eine elektrische Therapie erforderlich ist. Falls eine Tachykardie erkannt ist, könnte eine Phasensteuerung oder eine Kardioversionstherapie angewendet werden, um die Arrhythmie zu beenden. Falls eine Fibrillation bzw. ein Flimmern erkannt wird, ist eine Defibrillation die einzig effektive Therapie.
Sowohl eine Kardioversion als auch eine Defibrillation erfordern, dass dem Herz ein Hochspannungsschock zugeführt wird. Da es unpraktisch ist, die Hochspannung kontinuierlich zur Verwendung bereitzuhalten, laden implantierbare Defibrillatoren Energiespeicherkondensatoren nach einer Erfassung einer Arrhythmie und vor einem Liefern eines Schocks an das Herz auf.
Bei implantierbaren Defibrillatoren, wie bei anderen Anwendungen, bei denen Raum ein kritisches Konstruktionselement darstellt, ist es wünschenswert, Kondensatoren mit der größtmöglichen Kapazität pro Einheitsvolumen zu verwenden. Ein Weg, bei einem flachen Kondensator die Kapazität pro Einheitsfläche zu erhöhen, ist, die Oberfläche der Anodenfolie senkrecht zu der Oberfläche desselben zu ätzen. Ein implantierbarer kardialer Defibrillator mit verbesserten ebenen bzw. flachen Kondensatoren ist im US-Patent Nr. 5,131,388 von Pless et al. beschrieben, welches hier durch Bezugnahme integriert ist.
Hintergrundstechniken, die Konstruktionsdetails von traditionellen Hochspannungskondensatoren, die bei automatischen Defibrillatoren verwendet werden, beschreiben, sind von P. J. Troup in „Implantable Cardioverters and Defibrillators" auf Seiten 704 bis 713 (Current Problems in Cardiology, Vol. XIV, Nr. 12, Dezember 1989, Year Book Medical Publishers, Chicago) beschrieben, welche Seiten durch Bezugnahme hier integriert sind.
Typischerweise werden bei diesen Anwendungen Elektrolytkondensatoren verwendet, da sie die idealsten Eigenschaften im Sinne von Größe und der Fähigkeit, einer relativ hohen Spannung stand zu halten, aufweisen. Im Allgemeinen werden Aluminium elektrolytkondensatoren verwendet, wobei sie Aluminiumfolienplatten aufweisen, die in ein sehr kleines Volumen hineingerollt sind. Mittels Ätzen der Oberfläche der Aluminiumfolie kann die Fläche der Oberfläche weiter erhöht werden, und die Kapazität erhöht sich entsprechend.
Nachdem die Folie geätzt ist, wird durch ein Elektrolyt eine Spannung an die Folie angelegt, wie z. B. durch Borsäure und Wasser oder andere Lösungen, die einem Fachmann bekannt sind, was in der Ausbildung von Aluminiumoxid (Al₂O₃) an der Oberfläche der Anodenfolie resultiert. Die Dicke des Aluminiumoxids, das sich an der Anodenfolie absetzt bzw. „bildet", ist proportional zu der angelegten Spannung und beträgt ungefähr 10 bis 15 × 10^–10 m [Ångström] pro angelegtem Volt. Die Aluminiumoxidschicht, die sich auf der Folie bildet, lässt die Folie spröde werden. Außerdem sind sowohl die Sprödigkeit der Folie als auch ihre Kapazität proportional zu der Tiefe des Ätzens und der Dichte der Ätzgrübchen, d. h. zur Anzahl pro Einheitsfläche. Dementsprechend ist die Kapazität, und dadurch die Energiedichte, durch die Sprödigkeit der gebildeten Folie begrenzt.
Auf eine weitere Schwierigkeit beim Verwenden einer hochgradig geätzten Anodenfolie trifft man, wenn die Folie in einem flachen mehrschichtigen Kondensator verwendet wird, wie z. B. bei dem durch Pless et al. beschriebenen. Falls die Anodenfolien mittels Schweißen elektrisch miteinander zu verbinden sind, trifft man auf Schwierigkeiten, da es nicht ausreichend Aluminium für die Schweißnaht gibt und zu viel Aluminiumoxid für eine zuverlässige Schweißnaht gibt, falls der Ausbildungs schritt vor einem Zusammenbauen des Stapels und einem Verbinden der Anodenschichten durchgeführt wird.
Die maximale Nennspannung von verfügbaren einzelnen Elektrolytkondensatoren lag in dem Bereich von 450 V, in dem ungefähr 3 Joules pro Kubikzentimeter des Kondensatorvolumens gespeichert werden können. Wie von Dr. P. J. Troup (oben) beobachtet, macht dies den Kondensator „wahrscheinlich zur einzigen größten Begrenzung für eine weitere Miniaturisierung implantierbarer Defibrillatoren" bei vorgegebenen aktuellen Energiezuführungsanforderungen.
Die maximale Hochspannung und die für einen implantierbaren Defibrillator benötigte Energie liegt in dem Bereich von 750 V und 40 Joules. Dies macht es notwendig, zwei in Reihe gekoppelte Kondensatoren zu verwenden. Da jeder Kondensator ungefähr 20 Joules speichern muss, ist ihre Größe relativ groß, und es ist schwierig, sie in ein kleines implantierbares Gerät zu packen. Aktuell erhältliche implantierbare Defibrillatoren sind relativ große (über 64,52 cm² [10 inch²]), gewöhnlich rechteckige Geräte mit einer Dicke von einem Inch. Der Patient, dem ein Gerät implantiert worden ist, könnte im Bauch durch die Anwesenheit des großen Objekts gestört sein. Für den Komfort des Patienten ist es wünschenswert, die Größe der Defibrillatoren zu minimieren. Wie von Troup beobachtet, war die Größe der Kondensatoren ein kritischer Faktor, der zu der Größe des Defibrillators beigetragen hat. Ein weiterer Vorteil eines Reduzierens der Größe des Defibrillators ist, dass ein kleineres Gerät in den pektoralen Bereich des Patienten implantiert werden kann, und das Defibrillatorgehäuse könnte als eine Defibrillationselektrode verwendet werden.
Das Dokument DE 38 10 937 A1 , das den Titel „Elektrolytkondensator" trägt, betrifft einen Elektrolytkondensator, der aus einer aufgerauten Anodenfolie besteht, die aus einem Ventilmetall, einer dielektrischen Schicht, die auf der Anodenfolie angeordnet ist, und einer Kathodenfolie besteht, die aus einem Ventilmetall gemacht ist, die ggf. ebenfalls aufgeraut ist. Beide Folien werden mit einem Abstandshalter gewickelt, der mit einem Arbeitselektrolyt imprägniert ist. Die Anodenfolie weist eine asymmetrische Aufrauung auf, d. h. eine Seite der Folie ist aufgerauter als die dazu gegenüberliegende Seite.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kondensator zu schaffen, der eine höhere Energiemenge pro Einheitsvolumen speichern kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine Kondensatorfolie zu schaffen, die eine Oberfläche aufweist, von der ein Teil hochgradig geätzt ist.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der Erfindung, eine Anodenfolie für einen gestapelten Kondensator zu schaffen, die auf einfache Weise auf andere Anodenfolien in dem Stapel geschweißt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Die Erfindung ist auf die Vorteile gerichtet, die durch ein Tiefenätzen der Anodenfolie für Aluminiumelektrolytkondensatoren erhalten werden. Eine Anodenfolie ist normalerweise nicht bis zu diesem Grad geätzt, da eine solche Ätzung die Folie so spröde werden lässt, dass sie nicht in Kondensatoren gewickelt werden kann, ohne dass die Folie bricht bzw. springt, und dass die Anodenfolien der flachen gestapelten Kondensatoren schwierig miteinander zu verbinden sind. Durch tiefes Ätzen der Anodenfolie bis zu diesem Grad kann man eine 30% bis 50% größere Kapazität erzeugen als mit einer Folie, die nicht tiefengeätzt ist. Die Erfindung ermöglicht es, die Anodenfolie zum Vorteil einer höheren Kapazität tiefenzuätzen, während strategische Bereiche mit hoher Flexibilität beibehalten werden.
Der erste Kondensatortyp, der von dem Prozess der Erfindung profitiert, ist ein gestapelter Kondensator, bei dem Anodenplatten aus einer Hochverstärkungskondensatorfolie gestanzt werden und dann in einem Kondensatorelement ohne Biegen der spröden Platten gestapelt werden. Jede Anodenplatte muss eine elektrische Verbindung zu dem Anodenanschluss aufweisen. Ein Verbinden der Anodenplatten bei einer Schweißnahtfahne an jeder Platte ist durch ein Maskieren der Fläche möglich, wo diese Fahne während des Ätzprozesses anzubringen ist, um einen Bereich hoher Stärke vorzusehen, so dass die Platten elektrisch verbunden sein könnten und auch mit dem Anodenanschluss mittels Schweißens verbunden sein könnten. Eine Flexibilität in dem Fahnenbereich ermöglicht es auch, dass Fahnen, z. B. der oberen und unteren Anodenfolien in einem Stapel, zum Schweißen gemeinsam gebogen werden. Eine solche Konstruktion kann auch von einem Maskieren des Rands der Platte profitieren, so dass starke Kanten erhalten bleiben, wenn die Platte gestanzt oder gegossen wird, wodurch die Möglichkeit eines Springens reduziert wird, was normalerweise während des Stanzens und während Zusammenbauarbeiten passieren würde.
Der zweite Kondensatortyp, der von dem Prozess der Erfindung profitiert, ist ein flacher oder ovaler Kondensator, der mittels Rollen oder Wickeln des Kondensatorelements auf einem großen Dorn und anschließendem Abplatten des Elements durch Pressen in einer Presse hergestellt ist. Wenn ein Kondensatorelement dieser Gestalt, das einen Querschnitt ähnlich einem Donut aufweist, abgeplattet wird, wird das Material mit einer Biegung auf jeder Seite abgeplattet und es wird flache Flächen dazwischen aufweisen. Eine hohe mechanische Spannung tritt bei den scharfen Biegungen auf, was in einem Springen oder Brechen resultiert, falls die Folie nicht flexibel ist. Normalerweise muss eine solche Struktur eine Folie mit niedriger Verstärkung verwenden, die sich biegen und bei den Punkten hoher Spannung nicht brechen wird. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht es, dass eine Folie mit hoher Verstärkung in den flachen Bereichen verwendet wird, während das Maskieren die Stellen stärkt, wo die scharfen Biegungen auftreten, wodurch die Kapazität verbessert wird.
Der Prozess der Erfindung ermöglicht eine Ätzmaske, vorzugsweise aus Phenolkunststoff, um während des Ätzvorgangs solche Teile der Anodenfolie abzudecken, die während einer Konstruktion des Kondensators einer Spannung ausgesetzt sind, wie z. B. die Schweißnahtfahnen und die Kanten eines geschichteten Kondensators und die Biegungen eines abgeplatteten kreisförmigen Kondensators. Komplementäre Masken werden vor einem Ätzen der Anodenfolie über beiden Folienoberflächen angeordnet. Die Ätzmasken werden vorzugsweise mit einem Rahmen auf der Oberfläche der Folie gehalten. Die Anordnung wird in ein Ätzbad, typischerweise aus Chloridionen und Wasser, eingetaucht. Zwischen Ätzplatten und der Folie wird ein Strom geführt, bis die exponierten Folienoberflächen, die den Ätzplatten gegenüberliegen, hochgradig geätzt sind. Die Teile der Folie, die durch die Ätzmasken bedeckt sind, werden nicht oder vorzugsweise zu einem geringeren Grad geätzt. Wenig Ätzen könnte wünschenswert sein, da dies zur Folienkapazität beiträgt, ohne die Folie zur Handhabung oder Kondensatorkonstruktion zu spröde zu machen. Nach dem Ätzschritt werden die Masken entfernt, und die Folie wird gesäubert und einem Bildungsprozess in einem Elektrolyt unterworfen, wie z. B. einer Borsäurelösung. Die Folie könnte dann in einen flachen Schichtkondensator mit Trennschichten und Kathodenplatten gestapelt werden oder zu einem kreisförmigen Kondensator mit Trennschichten und einer Kathodenfolienschicht gerollt werden. Der Ringkondensator ist abgeplattet, d. h. von zwei Seiten gepresst, so dass er oval oder fast rechtwinklig im Querschnitt wird, wobei die Anodenfolie so positioniert ist, dass die Teile, die flexibler sind, da sie nicht geätzt oder zu einem geringeren Grad geätzt sind, sich bei den Biegungen des abgeplatteten Kreisrings befinden.
Das Verfahren und der Kondensator der vorliegenden Erfindung, bei dem das Problem eines Folienbruchs oder -reißens beim Wickeln, wenn die Folie tief geätzt und hoch ausgebildet ist, gelöst wird, kombinieren die Vorteile eines Tiefenätzens und einer resultierenden hohen Kapazität der Anodenfolie und die Vorteile, die mit gewickelten Kondensatoren verbunden sind. Es ermöglicht auch verbesserte Kondensatoren unter Verwendung der gestapelten Konstruktion durch Vorsehen von Platten mit stärkeren Rändern und stärkeren Fahnen für elektrische Verbindungen, wobei beide die Zuverlässigkeit des gestapelten Kondensators verbessern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können einfacher durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in denen:
1 eine Draufsicht auf eine Anodenfolie darstellt, die eine Schweißnahtfahne und einen Folienrand veranschaulicht, die gemäß der Erfindung maskiert waren;
2 eine Teilquerschnittsansicht eines zusammengebauten flachen Kondensatorstapels darstellt, der ein Merkmal der Erfindung veranschaulicht;
3 ein Prozessdiagramm darstellt, das die Schritte der Erfindung beim Erzeugen eines verbesserten Kondensators veranschaulicht;
4 einen gerollten ringförmigen Kondensator zeigt, der teilweise aufgerollt ist, um die verschiedenen Schichten zu zeigen; und
5 einen abgeplatteten Ringkondensator veranschaulicht, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf 1 ist eine Draufsicht auf eine Anodenplatte für einen flachen Schichtkondensator gezeigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist eine Aluminiumanodenfolie bzw. -platte 10 ungefähr 50,8 bis 254 μm [2 bis 10 mils] dick. Die Folie 10 wird durch eine Ätzmaske 12 auf beiden Seiten (in Phantomlinien dargestellt) abgedeckt, die aus einem Bogen aus Phenolkunststoff hergestellt ist, der ungefähr 6,35 mm [0,25 Inch] dick ist.
Eine Vielzahl von Platten kann aus einem einzelnen Bogen 11 hochreinen Aluminiums (in Phantomlinien gezeigt) geschnitten werden, so dass eine Vielzahl von Anodenfolien zur gleichen Zeit geätzt wird. Die Figur zeigt zu Veranschaulichungszwecken lediglich eine einzelne, aus dem Bogen 11 zu schneidende Anodenfolie. Jede Anodenfolie 10 umfasst eine Schweißnahtfahne 14, die auf beiden Seiten der Folie maskiert ist. 1 zeigt lediglich einen Teil der Maskenschicht 12, die sich erstreckt, um die Schweißnahtfahne und den Rand jeder der aus der Schicht 11 zu schneidenden Anodenfolien abzudecken. Bei einer gleichermaßen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden lediglich die Schweißnahtfahnen 12 maskiert. Wenn die Maske 12 verwendet wird, um den Rand der Anodenfolie 10 abzudecken, ermöglicht sie einen Zugriff auf die frei liegende Fläche 16 der Folienoberfläche, die auf eine Tiefe von ungefähr 60 bis 125 μm [Mikrons] geätzt ist, was in einer mehr als 20fachen Oberflächenvergrößerung resultiert.
Nachdem die Folie geätzt und gebildet ist und die Anodenplatten gestanzt sind, bleibt eine Fläche 18 der Folienoberfläche, die maskiert oder gegen Ätzen geschützt ist oder die relativ schwach geätzt ist, mit einer Oberflächenvergrößerung übrig, die geringer als das 20fache ist. Der Teil 18 wird relativ flexibel bleiben und, in Reaktion auf eine Spannung durch Stanzen oder Biegen der Folie während des Kondensatorherstellungs prozesses, weniger schnell Brechen oder Springen. Eine „Wurzel" der Schweißnahtfahne 14 wird flexibel bleiben, um ein Biegen zu ermöglichen. Die Anodenfolie 10, die in 1 gezeigt ist, ist konfiguriert, um sich einem Defibrillatorgehäuse anzupassen, jedoch könnte jede andere gewünschte Form verwendet werden.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines gestapelten flachen Kondensators, der die Schweißnahtfahnen 14 umfasst. Jede Anodenfolie 10 des Stapels wurde auf beiden Seiten geätzt und maskiert. Jede Kondensatoranodenschicht könnte aus einer einzelnen Anodenplatte, doppelten Anodenplatten oder einem größeren Vielfachen an Anodenplatten bestehen. Jede Konfiguration wird eine unterschiedliche Energiedichte und ein unterschiedliches ESR ergeben. Der ESR ist der Kondensatorserienwiderstand, der so gering wie möglich oder zumindest an die Anwendung angepasst sein sollte. Die Energiedichte verbessert sich, wenn die Anzahl von Anodenplatten pro Schicht steigt, der ESR wird jedoch schlechter. Die tatsächliche Anzahl von Anodenplatten pro Schicht wird deshalb ein Kompromiss zwischen einer niedrigen Energiedichte und einem akzeptablen ESR sein, wobei zwei Anodenplatten gemeinsam für diese und ähnliche Anwendungen verwendet werden. Papiertrenneinrichtungen 22 bedecken jede Anodenschicht und trennen die Anodenschicht von einer Kathodenfolie 24. Es wurden lediglich drei Anodenfolienschichten zu Veranschaulichungszwecken gezeigt, die tatsächliche Anzahl von verwendeten Schichten wird jedoch eine Funktion der gewünschten Kapazität des fertigen Kondensators sein. Die oberen und unteren Schweißnahtfahnen 14 sind als sich in Richtung der Mittelfahne biegend gezeigt. Eine Steigleitung 26 aus hochreinem Aluminium ist bei den Enden der Fahnen angeordnet und senkrecht mit ihnen verbunden. Entlang der Fläche der Fahnen werden zwei Laserschweißnähte auf jeder Seite der Steigleitung vorgesehen, die die Platten verbindet sowie sie mit der Steigleitung verbindet. Die Steigleitung wird mit einem Anodenanschluss verbunden werden, wenn die Platten in einem Kondensatorgehäuse zusammengebaut werden. Kathodenplatten 24 weisen ähnliche Fahnen auf, die zusammen verbunden sind und direkt durch Ultraschallschweißen an das Gehäuse geschweißt sind. Die Kathodenfolie ist innerlich flexibel und erfordert keine Maskierung.
Bezug nehmend auf 3 in Verbindung mit 1 wird der Herstellungsprozess einer verbesserten Anodenfolie und eines Kondensators unter Verwendung einer solchen Folie erläutert werden. Die Ätzmasken 12 werden bei einem Schritt 30 mit den gewünschten Formen vorbereitet. Im Falle eines Schichtkondensators werden komplementäre Masken für die sich gegenüberliegenden Seiten der Aluminiumschicht 11 hergestellt. Die gleichen Masken oder Maskenformen können für jede Schicht verwendet werden. Für einen abgeplatteten Kreisringkondensator wird eine kontinuierliche lange Maske hergestellt, die mit zunehmendem Abstand eine ansteigende Maskenstreifenbreite aufweist, wie es nachfolgend erläutert werden wird. Dies ist erforderlich, da sich der Umfang der gerollten Kondensatorbiegungen mit jeder gerollten Schicht erhöht. Es ist eine Sache einfacher Geometrie, die exakte Beabstandung zu bestimmen.
Bei einem Schritt 32 hält eine Isolierklemme oder ein Halter (nicht gezeigt), vorzugsweise aus Phenolkunststoff, die Masken 12 flach und gerade an den Oberflächen 18 der Folien 10, die die Schweißnahtfahnen und den Anodenfolienrand, falls gewünscht, umfasst.
Wenn die Schicht 11 erst einmal in dem Halter mit den Masken 12 richtig positioniert ist, wird die Anordnung bei einem Schritt 34 in ein Ätzbad aus ungefähr 10 bis 20% wässriger NaCl-Lösung oder ähnlichen Lösungen, die einem Fachmann bekannt sind, abgesenkt. Ein oder mehrere Kathodenplatten werden ungefähr 50,8 bis 76,2 mm [2 bis 3 Inch] von der Folienoberfläche positioniert. Ein Strom von ungefähr 0,1 bis 0,5 A/cm² wird dann zwischen der Folie und der/den Kathodenplatte/n für 1 bis 5 min bei einem Schritt 36 angelegt. Dies ermöglicht das zu der Folienoberfläche senkrechte Tiefenätzen in den Bereichen der Folie, die nicht durch die Maske abgedeckt sind. Es könnte einen gewissen Grad an Ätzung geben, der unter der Maske auftritt, insbesondere entlang den Kanten der Maske, wo ein Unterätzen stattfinden könnte. Dies ist kein Problem, so lange das Ätzen nicht zu tief ist, da die Folie ein wenig geätzt werden kann und die erforderliche Flexibilität beibehält. Leichtes Ätzen der bedeckten Oberfläche 18 der Folie 10 könnte wünschenswert sein, da dies die Kapazität erhöht, ohne die Flexibilität dieses Folienbereichs übermäßig zu verschlechtern.
Als nächstes wird die Anordnung mit der Folie und den Masken bei einem Schritt 38 aus dem Ätzbad entfernt. Die Folie wird dann in Salpetersäure gereinigt und bei einem Schritt 40 mit Wasser gespült. Die Anodenschicht 11 ist nun zum Ausbilden bereit, was ein Wachsen einer Oxidschicht auf der geätzten Oberfläche bei einem Schritt 42 mit sich bringt. Dies wird typischerweise durch Anlegen einer Spannung an die Folie durch ein Elektrolyt, wie z. B. Borsäure und Wasser oder andere einem Fachmann bekannte Lösungen, vollbracht, was in der Bildung von Aluminiumoxid (Al₂O₃) an der Oberfläche der Anodenfolie 10 resultiert. Die Dicke des an der Anodenfolie abgelagerten oder „gebildeten" Aluminiumoxids ist proportional zu der angelegten Spannung beträgt ungefähr 10 bis 15 × 10^–10 m [Ångström] pro angelegtem Volt. Wie bei einem Schritt 44 gezeigt, könnten Anodenplatten aus der gebildeten Folie gestanzt werden. Diese Anodenplatten werden mit Kathodenplatten und Trenneinrichtungen in einer gestapelten oder geschichteten Kondensatoranordnung zusammengebaut, die dann in einem Aluminiumkondensatorgehäuse platziert wird, in das ein Elektrolyt injiziert ist. Alternativ könnte die gebildete Folie mit einem Elektrolyt imprägniert werden und der Stapel könnte in einer Polymerumhüllung mit Kathoden- und Anodendurchführungen, die sich durch die Umhüllung erstrecken, eingekapselt werden. Die Anordnung könnte von dem in dem Pless et al.-Patent beschriebenen Typ oder eine Modifikation dieser Konstruktion sein.
Einige Schritte der Erfindung könnten bei unterschiedlichen Stufen durchgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Bspw. könnte der Ausbildungsschritt durchgeführt werden, nachdem der Kondensatorstapel in ein Gehäuse eingebaut ist. Des Weiteren könnte das Elektrolyt hinzugefügt werden, nachdem der Kondensatorstapel in einem Gehäuse zusammengebaut ist.
4 zeigt einen gerollten Kreisringkondensator 50, der teilweise aufgerollt ist, bevor er abgeplattet wird, um einen flachen oder ovalen Kondensator bereitzustellen. Die Anodenfolie 10, eine Kathodenfolie 52 und Papiertrenneinrichtungen 54 werden auf einem großen Dorn gerollt bzw. gewickelt, und anschließend wird die zylindrische Anordnung, die einen offenen Mittelkern aufweist, durch Pressen derselben in einer Presse abgeplattet. Eine Anodenfahne 56 wird mit der Anodenfolie bei einer Fläche der Folie verbunden, die maskiert war, und eine Kathodenfahne 58 wird mit der Kathodenfolie verbunden, um eine elektrische Verbindung mit den Platten des vollendeten Kondensators zu ermöglichen.
Ein abgeplatteter ovaler Kondensator ist in 5 gezeigt. Das Material des Kondensators wird mit einer Biegung 60 auf beiden Seiten und flachen Flächen 62 dazwischen abgeplattet. Eine hohe Spannung tritt bei den scharfen Biegungen 60 auf, was in einem Reißen oder Brechen der Anodenfolie 10 resultiert, falls sie nicht flexibel ist. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht es, eine Folie mit hoher Verstärkung in den flachen Flächen zu verwenden, während ein Maskieren die Stellen stärkt, wo die scharfen Biegungen auftreten, wodurch die Kapazität verbessert wird. Die maskierten Bereiche, wo die Biegungen auftreten werden, werden mit einem ansteigenden Betrag von dem inneren Teil der Rolle zu dem äußeren Teil beabstandet werden, und/oder die maskierten Bereiche werden eine ansteigende Breite aufweisen, um dem ansteigenden Durchmesser des Zylinders Rechnung zu tragen.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ein verbesserter elektrolytischer Kondensator 50 durch Erzeugen einer Anodenfolie 10 vorgesehen wird, die Flächen 16, die während einem Herstellen keiner Spannung ausgesetzt sind und die hochgradig geätzt sind, sowie solche Flächen 18 aufweist, die während einer Herstellung einer Spannung ausgesetzt sind und die leicht oder überhaupt nicht geätzt sind. Der Prozess der Erfindung sieht eine Ätzmaske 12 vor, die während des Ätzprozesses solche Teile 18 der Anodenfolie 10 abdeckt, die einer Spannung während einer Herstellung des Kondensators 50 ausgesetzt sein werden. Die hochgradig geätzten Flächen 16, die sehr spröde sind, ermöglichen eine erhöhte Kapazität und somit eine verbesserte Energiedichte. Für geschichtete oder gestapelte Kondensatoren wird eine Schweißnahtfahne 14 mit der Ätzmaske 12 abgedeckt, um eine Verbindung der Anodenschichten 10 zu ermöglichen. Zusätzlich könnten starke Kanten beibehalten werden, wodurch die Möglichkeit von Rissen reduziert wird, die normalerweise während der Stanz- und Zusammenbauarbeiten auftreten würden. Für flache oder ovale Kondensatoren 50, die durch Rollen oder Wickeln des Kondensatorelements auf einem großen Dorn hergestellt werden, und wobei das Element anschließend durch Pressen desselben in einer Presse abgeplattet wird, tritt eine hohe Spannung bei den scharfen Biegungen 60 auf, was in Rissen oder Brüchen resultiert, falls die Folie 10 nicht flexibel ist. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht es, eine Folie mit hoher Verstärkung in den flachen Flächen 62 zu verwenden, während ein Maskieren die Stellen stärkt, wo die scharfen Biegungen 60 auftreten, wodurch die Kapazität verbessert wird.
Es ist klar, dass verschiedene Alternativen zu den Ausführungsformen der Erfindung, die hier beschrieben sind, beim Ausüben der Erfindung angewendet werden könnten. Es ist deshalb beabsichtigt, dass die nachfolgenden Ansprüche den Umfang der Erfindung definieren und dass Strukturen und Verfahren innerhalb des Umfangs dieser Ansprüche und ihrer Äquivalente davon abgedeckt sind.

Claims

Prozess zum Herstellen einer Anodenfolie (10) zur Verwendung in einem Elektrolytkondensator (50), gekennzeichnet durch die Schritte: Vorsehen einer dünnen Metallfolie (10, 11) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; Vorbereiten (30) einer ersten Ätzmaske (12), die geformt ist, einen Teil (18) der ersten Oberfläche der Folie (10, 11) abzudecken, die geätzt werden soll; Vorsehen (32) der ersten Maske (12) auf der ersten Oberfläche der Folie (10, 11), so dass die Maske (12) den Teil (18) der ersten Folienoberfläche abdeckt und einen anderen Teil (16) der ersten Folienoberfläche frei lässt; und Ätzen (34, 36) des freigelassenen Teils (16) der ersten Oberfläche.
Prozess gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte: Vorsehen (30) einer zweiten Ätzmaske, die geformt ist, einen Teil der zweiten Oberfläche der Folie (10, 11) abzudecken, der dem Teil (18) der ersten Oberfläche entspricht, der durch die erste Maske (12) abgedeckt ist; und Vorsehen (32) der zweiten Maske auf der zweiten Oberfläche der Folie (10, 11).
Prozess zum Herstellen eines Elektrolytkondensators (50), der durch die Schritte gekennzeichnet ist: Vorbereiten (30–40) einer Anodenfolie gemäß Anspruch 1 oder 2; Wachsen (42) einer Oxidschicht auf jedem geätzten Teil der Anodenfolie (10); Vorsehen einer isolierenden Trenneinrichtung (22; 54) und einer Kathodenfolie (24; 52); und Anordnen (44) der Trenneinrichtung (22; 54) zwischen einer Oberfläche der Anodenfolie (10) und der Kathodenfolie (24; 52); und Imprägnieren der Oxidschichten mit einem Elektrolyt.
Prozess gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (30–40) des Vorbereitens der Anodenfolie (10) den Schritt eines Vorbereitens einer ersten isolierenden Maske und einer zweiten isolierenden Maske (12) umfasst, die geformt sind, einen Teil (16) von jeder Oberfläche der zu ätzenden Folie (10) freizulassen und die restlichen Teile (18) der Folienoberflächen abzudecken, und Anordnen der Masken (16) auf den Oberflächen der Folie (10).
Prozess gemäß Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch den Schritt eines Einkapselns der Anordnung aus Kathode (24; 52), Anode (10) und der Trenneinrichtung (22; 54) in einem polymerischen Material.
Prozess gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch den Schritt eines Einschließens der Anordnung aus Kathode (24; 52), Anode (10) und der Trenneinrichtung (22; 54) in einem Gehäuse.
Verfahren zum Herstellen eines ovalen Kondensators (50), gekennzeichnet durch die Schritte: Vorbereiten (30–40) einer Anodenfolie (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, die eine Länge aufweist, die wesentlich länger als ihre Breite ist, und eine Vielzahl allgemein rechtwinkliger Bereiche (16) auf einer der Folienoberflächen, die hochgradig geätzt sind, und eine Vielzahl von Streifen (18) umfasst, die senkrecht zur Längsrichtung der Anodenfolie (10) orientiert sind, wodurch die hochgradig geätzten Bereiche getrennt werden, und die relativ leicht geätzt oder gar nicht geätzt sind; Bilden (42) einer Oxidschicht auf den geätzten Teilen (16) der Anodenfolie (10); Vorsehen einer ersten isolierenden Schicht (54) und einer zweiten isolierenden Schicht (54) und einer Metallkathodenschicht (52), wobei jede eine Größe und Form ähnlich zu der der Anodenfolie (10) aufweist, wobei die isolierenden Schichten (54) breiter und länger als die Anodenschicht und die Kathodenschicht (10, 52) sind; Anordnen (44) der ersten isolierenden Schicht (54), der Kathodenfolie (52), der zweiten isolierenden Schicht (54) und der Anodenfolie (10) in Form aufeinanderfolgender Schichten; Wickeln der Schichten (10, 52, 54) um einen Dorn herum, um einen zylindrischen Kondensator (50) mit einem offenen Mittelkern zu bilden; und Ebnen des zylindrischen Kondensators (50), indem er auf gegenüberliegenden Seiten gedrückt wird, so dass zwei ebene Bereiche (62) gebildet werden, die durch zwei gebogene oder gekrümmte Seiten (60) verbunden sind, wobei sich die hochgradig geätzten Bereiche (16) der Anodenfolie (10) innerhalb der ebenen Bereiche (62) befinden, und die Streifen (18), die leicht oder nicht geätzt sind, befinden sich innerhalb der gebogenen Seiten (60).
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (30–40) des Vorbereitens der Anodenfolie (10) den Schritt umfasst: Vorbereiten (30) einer ersten und einer zweiten isolierenden Ätzmaske (12) mit Aussparungen, die geformt sind, die allgemein rechtwinkligen Bereiche (16) der Folienoberflächen freizulassen und die Streifen (18) der Folienoberflächen abzudecken; Abdecken (32) der Folienoberflächen mit den Masken (12) und Eintauchen (34) der Anodenfolie (10) in ein Ätzbad; und Ätzen (36) der Oberflächen der Anodenfolie (10).
Elektrolytkondensator mit erhöhter Energiedichte, der aufweist: eine Anodenfolie (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, die eine geätzte Oberfläche mit einem ersten Teil (16), der hochgradig geätzt ist, und einen zweiten Teil (18) aufweist, der zu einem geringeren Grad geätzt ist, wobei die geätzte Oberfläche eine darauf ausgebildete Oxidschicht aufweist; eine Kathodenfolie (24; 52); eine isolierende Trennschicht (22; 54), die zwischen der Anodenfolie (10) und der Kathodenfolie (24; 52) angeordnet ist; und ein Elektrolyt, das primär in der Trennschicht (22; 54) enthalten ist.
Kondensator gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Anodenfolien (10), Kathodenfolien (24; 52) und Trennschichten (22; 54) zusammengestapelt sind, um eine geschichtete Struktur zu bilden, wobei die Anodenfolien (10) elektrisch zusammengekoppelt sind und die Kathodenfolien (24; 52) elektrisch zusammengekoppelt sind.
Kondensator gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch: eine polymerische Umhüllung zum Einschließen der geschichteten Struktur und des Elektrolyts; einen elektrischen Anodenkontakt (14, 26; 56), der sich von den gekoppelten Anodenfolien (10) zur Außenseite der Umhüllung erstreckt; und einen elektrischen Kathodenkontakt (58), der sich von den gekoppelten Kathodenfolien (24; 52) zur Außenseite der Umhüllung erstreckt.
Kondensator gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch: ein Metallgehäuse zum Einschließen der geschichteten Struktur und des Elektrolyts; einen elektrischen Anodenkontakt (14, 26; 56), der sich von den gekoppelten Anodenfolien (10) zur Außenseite des Gehäuses erstreckt; und einen elektrischen Kathodenkontakt (58), der sich von den gekoppelten Kathodenfolien (24; 52) zur Außenseite des Gehäuses erstreckt.
Kondensator gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Anodenfolien (10) geformt ist, um eine Fahne (14) als Teil des zweiten Teils (28) zu umfassen, die sich von einer Seite der Anodenfolie erstreckt, und wobei die Anodenfolien (10) elektrisch gekoppelt sind, indem die Fahnen (14) elektrisch gekoppelt werden.
Kondensator gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Anodenfolie (10) als auch die Kathodenfolie (52) und die Trennschicht (54) im Wesentlichen lange rechtwinklige Formen aufweisen, die mit einer zusätzlichen Trennschicht um einen mittigen offenen Raum herumgewickelt werden, um einen Kreisring zu bilden, der mit der Anodenfolie (10) geebnet ist, die so angeordnet ist, dass die Bereiche (18), die zu einem geringeren Grad geätzt sind, sich auf den Teilen (60) des Kreisrings befinden, die gebogen sind, wenn der Kreisring geebnet ist.