Конденсатор с двойным электрическим слоем (варианты)

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции низковольтных накопительных конденсаторов. По первому варианту конденсатор содержит корпус, внутри которого размещен по меньшей мере один пакет накопительных секций с токосъемными пластинами, торцевой и боковой внутренние изоляторы, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов и сжимающие пакет накопительных секций и торцевой изолятор, по меньшей мере один стержневой токовывод, электрически соединенный с токосъемной пластиной и расположенный в отверстии, выполненном в силовой плите. Торцевой изолятор, размещенный между силовой плитой и токосъемной пластиной, выполнен в виде детали из эластичного материала, образующей герметичное соединение "выступ-впадина" с боковым изолятором, заполняющим полость между корпусом и пакетом накопительных секций, и с изолятором, заполняющим полость вокруг токовывода. По второму варианту торцевой изолятор состоит из слоев, по меньшей мере крайние из которых, прилегающие к силовой плите и к токосъемной платине, выполнены из эластичного материала, а по меньшей мере один внутренний слой выполнен из твердого материала. Изоляторы обеспечивают надежную герметизацию внутренней полости конденсатора. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции низковольтных накопительных конденсаторов.

Конденсаторы с двойным электрическим слоем (КДЭС) применяют в качестве резервных источников питания, а также для обеспечения больших импульсных токов через нагрузку, например, в системах электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания. Сверхвысокая емкость таких конденсаторов обеспечивается двойным электрическим слоем, образующимся на границе раздела между электродом и электролитом. КДЭС обладают хорошими зарядно-разрядными характеристиками и способностью сохранять заряд в течение длительного времени.

Известен КДЭС, содержащий полый цилиндрический корпус из изоляционного материала, внутри которого размещены пакеты накопительных секций, каждый из которых включает два электрода, разделенных ионопроводящим пористым сепаратором, пропитанным электролитом, и инертные к электролиту обкладки, охватывающие электроды и разделенные изоляционными проставками (патент РФ 2036523, кл. Н 01 G 9/00, 1995 г.). Токовыводами в данном конденсаторе являются торцевые силовые плиты, между которыми зажаты пакеты накопительных секций. Это ограничивает область применения конденсатора, так как в ряде случаев необходимо наличие специального токовывода, выполненного из металла или сплава с низким удельным сопротивлением (меди, латуни) и адаптированного к внешним коммутационным элементам.

Известен также КДЭС, содержащий пакеты накопительных секций, зажатые между токосъемными пластинами, токовыводы, выполненные в виде цилиндрических стержней, каждый из которых прикреплен к соответствующей токосъемной пластине, и внутренние изоляторы (заявка РСТ 92/12521, кл. Н 01 G 9/00, 1992 г. ). К недостаткам конденсатора относится то, что неблагоприятные условия его эксплуатации (повышенная температура, вибрации, ударные воздействия, высокое напряжение заряда) могут стать причиной нарушения герметичности соединений торцевых изоляторов с токосъемными пластинами, силовыми плитами и с боковыми изоляторами, расположенными между пакетами накопительных секций и корпусом. Через образующиеся при этом микрозазоры может подтекать электролит.

Задачей изобретения является создание технологичной и малогабаритной конструкции, обеспечивающей надежную герметизацию внутренней полости конденсатора.

Поставленная задача решается путем того, что в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем корпус, внутри которого размещен по меньшей мере один пакет накопительных секций с токосъемными пластинами, торцевой и боковой внутренние изоляторы, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов и сжимающие пакет накопительных секций и торцевой изолятор, по меньшей мере один стержневой токовывод, электрически соединенный с токосъемной пластиной и расположенный в отверстии, выполненном в силовой плите, согласно первому варианту изобретения, торцевой изолятор, размещенный между силовой плитой и токосъемной пластиной, выполнен из эластичного материала и герметично соединен с боковым изолятором, заполняющим полость между корпусом и пакетом накопительных секций, и с изолятором, заполняющим полость вокруг токовывода, причем контактирующие поверхности упомянутых изоляторов выполнены профилированными.

Профилированная поверхность каждого из соединенных изоляторов имеет по меньшей мере один выступ или одну канавку для образования с профилированной поверхностью другого изолятора соединения "выступ-впадина". Отношение высоты выступа на профилированной поверхности к его толщине, а также отношение глубины канавки к ее ширине составляет 0,1-10.

Толщина выступа на профилированной поверхности и ширина канавки равны не менее 50 мкм и составляют 0,1-0,5 расстояния между внутренней поверхностью силовой плиты и поверхностью токосъемной пластины.

Для более надежного соединения на поверхности торцевого изолятора, контактирующие с силовой плитой и с токоведущей пластиной, может быть нанесен слой жидкого вязкого герметизирующего материала (вазелина, низкомолекулярного полиизобутилена, силиконового герметика, минерального или синтетического масла).

Изолятор, размещенный между токосъемной пластиной и силовой плитой, может быть выполнен из резины (на основе натурального или синтетического каучука, силиконовой и др.), поливинилхлорида, полиуретана, эпоксидных смол, содержащих эластичные пластификаторы (например, полиизобутилен).

Поставленная задача решается также путем того, что в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем корпус, внутри которого размещен по меньшей мере один пакет накопительных секций с токосъемными пластинами, торцевой и боковой внутренний изоляторы, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов и сжимающие пакет накопительных секций и торцевой изолятор, по меньшей мере один стержневой токовывод, электрически соединенный с токосъемной пластиной и расположенный в отверстии, выполненном в силовой плите, согласно второму варианту изобретения торцевой изолятор, размещенный между силовой плитой и токосъемной пластиной, состоит из слоев, крайние из которых, прилегающие к силовой плите и к токосъемной пластине, выполнены из эластичного материала, а по меньшей мере один внутренний - выполнен из твердого материала, причем торцевой изолятор герметично соединен с изолятором, заполняющим полость между корпусом и пакетом накопительных секций, и с изолятором, заполняющим полость вокруг токовывода, а контактирующие поверхности упомянутых изоляторов выполнены профилированными.

Профилированная поверхность каждого из соединенных изоляторов имеет по меньшей мере один выступ или одну канавку для образования с профилированной поверхностью другого изолятора соединения "выступ-впадина".

Слои торцевого изолятора различаются по размерам таким образом, что отношение высоты выступа на профилированной поверхности к его толщине, а также отношение глубины канавки к ее ширине составляет 0,1 -10, причем каждый слой имеет толщину не менее 50 мкм, равную 0,01-0,2 расстояния между внутренней поверхностью силовой плиты и токосъемной пластиной.

Для более надежного соединения на боковые поверхности слоев может быть нанесен жидкий вязкий герметизирующий материал (вазелин, низкомолекулярный полиизобутилен, силиконовый герметик, минеральное или синтетическое масло).

Слои изолятора, размещенного между силовой плитой и токоведущей пластиной, могут быть склеены между собой.

Для изготовления слоев торцевого изолятора могут быть использованы следующие эластичные материалы: резина (на основе натурального или синтетического каучука, силиконовая и др.), поливинилхлорид, полиуретан, эпоксидные смолы, содержащие эластичные пластификаторы (например, полиизобутилен).

В качестве твердого материала для изготовления слоев могут быть использованы фторопласт, полиэтилен высокого давления, винипласт, поливинилхлорид.

Выполнение контактирующих между собой поверхностей профилированными и их соединение по принципу "выступ-впадина" позволяет увеличить площадь контакта без увеличения общей толщины изолятора.

За счет того, что торцевой изолятор, полностью или частично, выполнен из эластичного материала и сжат между силовой плитой и токосъемной пластиной предотвращается возникновение микрозазоров около внутренних поверхностей силовых плит и токосъемных пластин и исключается возможность утечки электролита из внутренней полости конденсатора.

Указанные в зависимых пунктах формулы размеры и их соотношения являются оптимальными как с точки зрения надежности соединения "выступ-впадина", так и с точки зрения технологичности конструкции конденсатора. Например, при отношении высоты выступа к его толщине меньшем 0,1 увеличение площади контакта становится незначительным и практически не влияет на надежность соединения. Если упомянутое отношение больше 10, площадь контакта становится избыточной, а процесс сборки изделия усложняется. При отношении глубины канавки в эластичном изоляционном материале к ее ширине большем 10 возможно смыкание сторон канавки под воздействием усилия сжатия между силовыми плитами.

Минимальное значение ширины канавок и выступов, а также толщины слоев определяется технологией изготовления конденсатора, включающей операции заполнения жидким диэлектриком полости между корпусом и пакетом накопительных секций и полости вокруг токовывода, с последующей полимеризацией диэлектрика. При ширине канавки меньшей 50 мкм затруднено проникновение в нее жидкого диэлектрического материала.

На чертеже изображен конденсатор с двойным электрическим слоем, снабженный слоистым торцевым изолятором.

Конденсатор содержит полый корпус 1, внутри которого размещен пакет 2 накопительных секций 3 (конденсаторных элементов, каждый из которых содержит пропитанные электролитом электроды и сепаратор). Пакет 2 зажат между токосъемными пластинами 4,5. Конденсатор также содержит силовые плиты 6,7, приваренные по периметру к корпусу 1 для обеспечения усилия сжатия пакета, стержневой токовывод 8, электрически соединенный с токосъемной пластиной 4 и расположенный в отверстии 9, выполненном в силовой плите 6, и внутренние изоляторы 10-12. Функцию второго токовывода выполняет силовая плита 7, контактирующая с токосъемной пластиной 5.

Торцевой изолятор 10 состоит из чередующихся слоев 13 и 14, имеющих различные размеры. Слои 13 выполнены из эластичного диэлектрического материала и имеют диаметр, меньший диаметра более твердых слоев 14. Внутренние и наружные периферийные части слоев 14 образуют выступы с высотой h и толщиной l, находящиеся в канавках (впадинах) бокового изолятора 11, заполняющего полость между корпусом 1 и накопительными секциями 3, и изолятора 12, заполняющего полость вокруг токовывода. Глубина и ширина канавок равны соответственно высоте и толщине выступов.

В изображенном на чертеже конденсаторе размер l представляет собой толщину слоев торцевого изолятора.

При реализации первого варианта изобретения (п. 1-6 формулы) торцевой изолятор выполняют в виде одной детали из эластичного материала, форма которой аналогична форме изображенного на чертеже изолятора 10.

Возможно выполнение конденсатора с двумя стержневыми токовыводами, один из которых соединен с положительной токосъемной пластиной, а другой - с отрицательной. Обе силовые плиты при этом имеют отверстия под токовыводы, а конденсатор содержит соответственно два торцевых изолятора, выполненных и установленных аналогично, так как это указано в п.1-6 или 7-12 формулы.

Конденсатор с двойным электрическим слоем работает следующим образом.

При заряде и разряде пакета 2 накопительных секций ток протекает через токосъемные пластины 4,5, силовую плиту 7 и токовывод 8.

Формула изобретения

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий корпус, внутри которого размещен по меньшей мере один пакет накопительных секций с токосъемными пластинами, торцевой и боковой внутренние изоляторы, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов и сжимающие пакет накопительных секций и торцевой изолятор, по меньшей мере один стержневой токовывод, электрически соединенный с токосъемной пластиной и расположенный в отверстии, выполненном в силовой плите, отличающийся тем, что торцевой изолятор, размещенный между силовой плитой и токосъемной пластиной, выполнен из эластичного материала и герметично соединен с боковым изолятором, заполняющим полость между корпусом и пакетом накопительных секций, и с изолятором, заполняющим полость вокруг стержневого токовывода, причем контактирующие поверхности упомянутых изоляторов выполнены профилированными.

2. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что профилированная поверхность каждого из соединенных изоляторов имеет по меньшей мере один выступ или одну канавку для образования с профилированной поверхностью другого изолятора соединения "выступ-впадина".

3. Конденсатор по п. 2, отличающийся тем, что отношение высоты выступа на профилированной поверхности к его толщине, а также отношение глубины канавки к ее ширине составляет 0,1-10.

4. Конденсатор по одному из пп. 2 и 3, отличающийся тем, что толщина выступа на профилированной поверхности и ширина канавки равны не менее 50 мкм и составляют 0,1-0,5 расстояния между внутренней поверхностью силовой плиты и поверхностью токосъемной пластины.

5. Конденсатор по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что на поверхности торцевого изолятора, контактирующие с силовой плитой и с токоведущей пластиной, нанесен слой жидкого вязкого герметизирующего материала.

6. Конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий корпус, внутри которого размещен по меньшей мере один пакет накопительных секций с токосъемными пластинами, торцевой и боковой внутренние изоляторы, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов и сжимающие пакет накопительных секций и торцевой изолятор, по меньшей мере один стержневой токовывод, электрически соединенный с токосъемной пластиной и расположенный в отверстии, выполненном в силовой плите, отличающийся тем, что торцевой изолятор, размещенный между силовой плитой и токосъемной пластиной, состоит из слоев, крайние из которых, прилегающие к силовой плите и к токосъемной пластине, выполнены из эластичного материала, а по меньшей мере один внутренний - выполнен из твердого материала, причем торцевой изолятор герметично соединен с изолятором, заполняющим полость между корпусом и пакетом накопительных секций, и с изолятором, заполняющим полость вокруг стержневого токовывода, а контактирующие поверхности упомянутых изоляторов выполнены профилированными.

7. Конденсатор по п. 6, отличающийся тем, что профилированная поверхность каждого из изоляторов имеет по меньшей мере один выступ или одну канавку для образования с профилированной поверхностью другого изолятора соединения "выступ-впадина".

8. Конденсатор по п. 7, отличающийся тем, что слои торцевого изолятора различаются по размерам таким образом, что отношение высоты выступа на профилированной поверхности к его толщине, а также отношение глубины канавки к ее ширине составляет 0,1-10, причем каждый слой имеет толщину не менее 50 мкм, равную 0,01-0,2 расстояния между внутренней поверхностью силовой плиты и токосъемной пластиной.

9. Конденсатор по одному из пп. 6-8, отличающийся тем, что на боковые поверхности слоев нанесен жидкий вязкий герметизирующий материал.

10. Конденсатор по одному из пп. 6-9, отличающийся тем, что слои торцевого изолятора склеены между собой.

РИСУНКИ

Рисунок 1