КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ Российский патент 1995 года по МПК H01G9/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции конденсаторов с двойным электрическим слоем. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ДЭС) нашли применение в качестве резервных источников питания в системах, требующих бесперебойное снабжение электроэнергией, таких как вычислительная техника, аппараты связи, станки с числовым программным управлением, в производствах с непрерывным циклом.

Известна конструкция, реализующая способ накопления электрического заряда в двойном электрическом слое на поверхности контакта электрода и электролита (патент США N 3.536.963, кл. Н 01 G 9/00, 1970). Электроды выполнены из частиц активированного угля с большой площадью поверхности (1000-2000 кв. м/г) и разделены ионопроводящим сепаратором, электроды и сепаратор пропитаны электролитом, в качестве которого используют водные, а также неводные электролиты. Для отвода заряда с внешней стороны электродов расположены обкладки из электронопроводящего тонколистового материала, непроницаемого для электролита и инертного к нему. Обкладки служат также наружным корпусом и изолированы друг от друга по периметру диэлектрической прокладкой. Последняя предохраняет полость конденсатора от воздействия внешней среды и предотвращает вытекание электролита из конденсатора.

Недостатком данной конструкции является низкая надежность герметизации конденсатора, связанная с наличием дальнейших промежутков между обкладками и диэлектрической прокладкой, обусловленных несовершенством механической обработки поверхности обкладок и их деформацией в процессе изготовления и эксплуатации конденсатора. Это приводит к утечке электролита, ухудшению характеристик конденсатора и опасности повреждения аппаратуры, в которой он используется.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий два электрода, изготовленных из активированного угля, пропитанных органическим электролитом и разделенных ионопроводящим сепаратором, и две обкладки, охватывающие электроды, выполненные из металла, инертного к электролиту, и изолированные по периметру диэлектрической прокладкой, снабженной слоем герметизирующего материала (заявка Японии N 63-190321, кл. Н 01 G 9/00, опубл. 1988). В качестве герметизирующего материала использована смесь асфальтового пека, полибутена с молекулярным весом в пределах 1000-2000 и 1-1-1-трихлорэтана. Эластичный герметизирующий материал, намазанный на диэлектрическую прокладку, заполняет все мельчайшие углубления на поверхности обкладок, контактирующей с прокладкой, предотвращает вытекание электролита из конденсатора с ДЭС и повышает его надежность.

Полибутен добавляют к асфальтовому пеку, чтобы улучшить эластичность и вязкость последнего, особенно при низких температурах. Но использование полибутена с низким молекулярным весом (1000-2000) повышает текучесть герметизирующей смеси при повышенных температурах, что приводит к вытеканию герметика и разгерметизации конденсатора. При этом низкомолекулярный полибутен липкий, неудобен в употреблении, затрудняет автоматизацию технологического процесса изготовления конденсаторов с ДЭС. Кроме того, в известной конструкции не определяются условия, предотвращающие деформацию кромок обкладок, удерживающих диэлектрическую прокладку. Все это является недостатками прототипа.

Целью изобретения является повышение надежности конденсатора с двойным электрическим слоем.

Для этого в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем два электрода, изготовленных из активированного угля, пропитанных органическим электролитом и разделенных ионопроводящим сепаратором, и две обкладки, охватывающие электроды, выполненные из металлического материала, инертного к электролиту, и изолированные по периметру диэлектрической прокладкой, снабженной слоем герметизирующего материала на основе полибутилена, согласно изобретению обкладки выполнены из металлического материала с относительным удлинением 20-35% при временном сопротивлении разрыву 400-560 МПа, а герметизирующий материал состоит из полиизобутилена с молекулярной массой от 70000 до 280000 с добавкой битума.

В частных случаях выполнения обкладки изготовляют из металла толщиной 100-320 мкм, а добавка битума в герметизирующем материале составляет 10-60 мас.

Как известно, упругоэластичные свойства полимерных материалов зависят не только от строения углеродной цепи полимера, но и от его молекулярной массы. Использование согласно изобретению в качестве герметизирующего материала, наносимого на диэлектрическую прокладку, высокомолекулярного полиизобутилена с молекулярной массой от 70000 до 280000, обладающего упругостью и эластичностью как при низких, так и при высоких температурах, позволяет улучшить герметизацию конденсатора с ДЭС. Добавка битума увеличивает адгезию герметизирующего материала к диэлектрической прокладке, облегчает визуальный контроль сплошности нанесения слоя. Надежность герметизации конденсатора с ДЭС предъявляет определенные требования и к материалу обкладок, кромки которых удерживают диэлектрическую прокладку. Необходимые прочность и упругость при достаточной пластичности достигаются при использовании металлических материалов, сочетающих свойства относительное удлинение 20-35% и временное сопротивление разрыву 400-560 МПа, и сохраняются в течение всего срока службы конденсатора. Такие металлические материалы обеспечивают хороший зажим диэлектрической прокладки, не деформируются и не разрываются при завальцовке конденсатора.

Конструкция предлагаемого конденсатора поясняется чертежом, на котором изображен конденсатор в поперечном сечении.

Конденсатор с двойным электрическим слоем содержит два электрода 1 и 2, изготовленных из активированного угля, разделенных ионопроводящим сепаратором 3, и две обкладки 4 и 5, охватывающие электроды и разделенные по периметру диэлектрической прокладкой 6, снабженной слоем герметизирующего материала 7. Электроды 1 и 2 могут быть выполнены из порошкообразного активированного угля или из материала, содержащего волокна активированного угля. В последнем случае для уменьшения контактного сопротивления на электроды 1 и 2 наносят слой металла и неразъемно соединяют электроды с обкладками 4 и 5. В качестве сепаратора 3 используется высокопористые материалы, например нетканый полипропилен, полиэтилен, стеклобумага, асбестовая бумага. Электроды 1 и 2 и сепаратор 3 пропитаны органическим электролитом на основе безводных апротонных органических растворителей, таких как пропиленкарбонат, диметилсульфоксид, диметилформамид, диметоксиэтан и т.п. или их смесей.

Обкладки 4 и 5 выполнены из металлического материала на основе железа и хрома с относительным удлинением 20-35% при временном сопротивлении разрыву 400-560 МПа, например, 08Х13. При этом обкладки из металлических материалов с относительным удлинением менее 20% и временным сопротивлением разрыву менее 400 МПа или более 560 МПа вследствие низкой пластичности не охватывают плотно прокладки и могут от них отслаиваться, создавая условия для утечки электролита; при относительном удлинении более 35% и временном сопротивлении менее 400 МПа не обеспечивают надежного обхвата диэлектрической прокладки из-за высокой пластичности и низкой упругости материала; при той же высокой пластичности, но при временном сопротивлении разрыву более 560 МПа ухудшается надежность завальцовки конденсатора в процессе эксплуатации.

Целесообразно, чтобы обкладки были выполнены из металлического материала толщиной 100-320 мкм, так как при толщине металлического материала менее 100 мкм не обеспечиваются требуемые механические свойства узла герметизации (кромки обкладок, охватывающие прокладку), а при толщине более 320 мкм улучшение механических свойств не наблюдается, но при этом увеличивается вес конденсатора, ухудшаются его удельные характеристики. Диэлектрическая прокладка 6 снабжена слоем герметизирующего материала 7, состоящего из полиизобутилена с молекулярной массой 70000-280000 с добавками битума. При этом полиизобутилен с молекулярной массой менее 70000 не обеспечивает надежную герметизацию, а при молекулярной массе более 280000 ухудшается эластичность состава при низких температурах. Слой наносится окунанием диэлектрической прокладки в раствор герметизирующего материала в растворителе, например толуоле, с последующей сушкой.

Предпочтительно, чтобы добавка битума в полиизобутилене составляла 10-60 мас. поскольку при содержании битума менее 10 мас. снижается адгезия герметизирующего материала к прокладке и ухудшается визуальный контроль сплошности нанесения слоя, а при содержании битума более 60 мас. ухудшается эластичность состава при низких температурах.

Конденсатор с двойным электрическим слоем предназначен для накопления электрического заряда и последующего разряда на нагрузку. В процессе эксплуатации, особенно в условиях резких изменений от низкой температуры к высокой, возникает проблема, связанная с утечкой электролита из-за его объемного расширения и вытеснения его образующимся газом. Использование дополнительного слоя герметизирующего материала из полиизобутилена с молекулярной массой от 70000 до 280000 с добавкой битума и подбором металлического материала для обкладок с относительным удлинением 20-35% при временном сопротивлении разрыву 400-560 МПа усиливает узел герметизации конденсатора и предотвращает утечку электролита.

Конструкция конденсатора создает необходимую гарантию хорошей герметизации конденсатора, повышая его надежность в 1,5-1,7 раза.

Использование: конструкция конденсаторов с двойным электрическим слоем, обеспечивающая повышение надежности. Сущность изобретения: в конденсаторе с двойным электрическим слоем обкладки выполнены из металлического материала с относительным удлинением 20 35% при временном сопротивлении разрыву 400-560 МПа, а герметизирующий материал, в качестве которого использован полиизобутилен с мол. м. 70000-280000, дополнительно содержит битум. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ, содержащий два электрода из активированного угля, пропитанные органическим электролитом и разделенные ионопроводящим сепаратором, и две обкладки, охватывающие электроды, выполненные из металлического материала, инертного к электролиту, и изолированные по периметру диэлектрической прокладкой, снабженной слоем герметизирующего материала на основе полибутилена, отличающийся тем, что обкладки выполнены из металлического материала с относительным удлинением 20-35% при временном сопротивлении разрыву 400-560 МПа, герметизирующий материал дополнительно содержит битум, а качестве полибутилена использован полиизобутилен с мол.м. 70000 280000. 2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что обкладки выполнены толщиной 100-320 мкм. 3. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что количество битума в полиизобутилене составляет 10-60 мас.