Конденсатор с двойным электрическим слоем

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции низковольтных накопительных конденсаторов, и может найти применение в системах электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания, а также в резервных источниках питания. В конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем корпус, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов, и торцевые токосъемные пластины, соединенные с внешними разнополярными токовыводами, установленные в корпусе друг на друга в чередующейся полярности пакеты, состоящие из плоских накопительных секций, каждая из которых имеет два пористых электрода, разделенных сепаратором и пропитанных электролитом, прилегающие к ним тонколистовые обкладки, торцевые внутренние изоляторы, размещенные между торцевыми токосъемными пластинами и силовыми плитами, промежуточные токосъемные пластины, установленные между пакетами и соединенные с торцевыми токосъемными пластинами соответствующей полярности коммутирующими перемычками, согласно изобретению каждая коммутирующая перемычка выполнена в виде плоской шины с прикрепленными к ее концам Г-образными деталями, неразъемно соединенными встык с торцевыми поверхностями токосъемных пластин, причем токосъемные пластины в каждой образованной паре соединены друг с другом по меньшей мере двумя перемычками. Наличие по меньшей мере двух перемычек позволяет предотвратить выход конденсатора из строя при разрядах большими токами, вплоть до тока короткого замыкания. Перемычки выполнены плоскими для улучшения теплоотвода и предотвращения перегрева как их самих, так и прилегающих к ним элементов при больших токах. Техническим результатом изобретения является повышение надежности конденсатора и технологичности его конструкции. 20 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции низковольтных накопительных конденсаторов, и может найти применение в системах электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания, а также в резервных источниках питания.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий корпус, внутри которого между силовыми плитами и торцевыми токосъемными пластинами, соединенными с внешними разнополярными токовыводами, размещены установленные друг на друга в чередующейся полярности пакеты, состоящие из плоских накопительных секций, каждая из которых имеет два пористых электронно-проводящих электрода, пропитанных электролитом и разделенных электронно-изолирующим ионопроводящим сепаратором, прилегающие к электродам тонколистовые электронно-проводящие обкладки, торцевые внутренние изоляторы, размещенные между торцевыми токосъемными пластинами и силовыми плитами, промежуточные токосъемные пластины, установленные между пакетами и соединенные с торцевыми токоведущими пластинами соответствующей полярности коммутирующими токоведущими перемычками (см. заявка WO 92/12521, МПК H 01 G 9/00).

К недостаткам известного конденсатора относится высокая вероятность его выхода из строя в режиме короткого замыкания, что связано с перегревом коммутирующих перемычек, а также недостаточная технологичность конструкции, обусловленная тем, что данные перемычки имеют сложную форму и выполнены за одно целое.

Задача изобретения - повышение надежности конденсатора и технологичности его конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем корпус, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов, и торцевые токосъемные пластины, соединенные с внешними разнополярными токовыводами, установленные в корпусе друг на друга в чередующейся полярности пакеты, состоящие из плоских накопительных секций, каждая из которых имеет два пористых электронопроводящих электрода, пропитанных электролитом и разделенных сепаратором, прилегающие к электродам тонколистовые обкладки, торцевые внутренние изоляторы, размещенные между торцевыми токосъемными пластинами и силовыми плитами, промежуточные токосъемные пластины, установленные между пакетами и соединенные с торцевыми токосъемными пластинами соответствующей полярности коммутирующими перемычками, согласно изобретению каждая коммутирующая перемычка выполнена в виде плоской шины с прикрепленными к ее концам “внахлест” Г-образными деталями, другой стороной неразъемно соединенными “встык” с торцевыми поверхностями токосъемных пластин, причем токосъемные пластины в каждой образованной паре соединены друг с другом по меньшей мере двумя перемычками.

Наличие по меньшей мере двух перемычек значительно повышает надежность коммутации, так как позволяет предотвратить выход конденсатора из строя при его разряде большими токами, вплоть до токов короткого замыкания. Перемычки выполнены плоскими для улучшения теплоотвода и предотвращения перегрева как их самих, так и прилегающих к ним элементов при больших токах. Наличие Г-образных деталей значительно упрощает процесс сборки конденсатора: сначала пакеты устанавливают друг на друга, между ними устанавливают токосъемные пластины, предварительно соединенные встык с Г-образными деталями, далее пакеты сжимаются рабочим усилием между плитами и затем шины “внахлест” соединяются с загнутой частью Г-образных деталей.

Сепараторы, обкладки, торцевые и промежуточные токосъемные пластины могут иметь форму дисков с диаметром, в 1,02-1,2 раза большим диаметра электродов. Такое выполнение позволяет обеспечить надежную герметизацию электродов вдоль их периметра и устранить возможность образования электролитных мостиков между соседними накопительными секциями.

Токосъемные пластины и перемычки могут быть выполнены из стали с содержанием углерода не более 1%, что позволяет уменьшить удельное сопротивление по сравнению с легированными сталями при значительном их удешевлении.

Толщина каждой токосъемной пластины может быть выбрана по формуле:

(L²R)/Nr<HL - размер электрода вдоль его плоскости (диаметр),

R - удельное сопротивление металла, из которого выполнена токосъемная пластина,

r - среднее омическое сопротивление конденсаторной секции единичной площади (например, 1 см²),

h - толщина обкладки,

N - количество конденсаторных секций в пакете.

Это позволяет для каждого выбранного материала обеспечить при минимальной массе токосъемных пластин достаточно малое их сопротивление по сравнению с внутренним сопротивлением каждого пакета.

Толщина промежуточных токосъемных пластин может находиться в пределах от 0,1мм до 2 мм, что позволяет обеспечить достаточно малое их сопротивление по сравнению с сопротивлением каждого пакета, содержащего электроды достаточно большого размера (диаметра) в пределах от 2 см до 50 см.

Толщина торцевых токосъемных пластин может находиться в пределах от 0,2 мм до 5 мм, что позволяет обеспечить достаточно малое их сопротивление по сравнению с сопротивлением всего конденсатора, состоящего из нескольких параллельно соединенных пакетов достаточно большого размера, а также упрощает технологию соединения с внешним токовыводом.

Для уменьшения сопротивления токосъемные пластины и/или перемычки могут быть выполнены из никеля. Однако из-за высокой цены в ряде случаев это экономически не оправдано.

Неразъемное соединение Г-образных деталей “встык” с промежуточными и торцевыми токосъемными пластинами может быть выполнено с помощью сварки или пайки. Предпочтительно данное соединение выполнять путем изготовления (вырубки) из единого листового материала с последующим выполнением Г-образного отгиба.

Соединение Г-образных деталей “внахлест” с шинами может быть выполнено с помощью сварки или пайки, или склейки электропроводящим клеем, что позволяет повысить надежность соединения. Однако предпочтительнее сварка - наиболее технологичный и надежный вид соединения.

Отношение ширины перемычек к их толщине может находиться в пределах от 5 до 25, так как такое выполнение позволит обеспечить достаточно хорошую теплоотдачу от них к окружающей среде, а также упростить их размещение в достаточно узком пространстве между пакетом (пакетами) и корпусом конденсатора.

Толщина перемычек может находиться в пределах от 0,1 мм до 5,0 мм, это целесообразно, поскольку при меньшей толщине усложняется технология соединения с Г-образными деталями, а при большей требуется увеличение расстояния между пакетом (пакетами) и корпусом, что увеличивает размеры конденсатора.

Соединенная “встык” часть каждой Г-образной детали может иметь толщину в пределах от 0,5 до 1,5 от толщины токосъемной пластины, что обеспечивает технологичность их соединения, например, сваркой или пайкой.

Г-образные детали соединены с шинами “внахлест” и могут иметь в местах соединения толщину в пределах от 0,5 до 2 толщины шины, что упрощает технологию сборки.

Расстояние между шинами, соединяющими две токосъемные пластины, может находиться в пределах от 0,3 до 3 ширины шины. Это требуется для повышения удобства сборки конденсатора.

Расстояние между шинами и каждым из пакетов может находиться в пределах от 0, 5 до 10 мм, что снижает вероятность пробоя.

Расстояние между шинами и корпусом может находиться в пределах от 1 до 10 мм. Такое расстояние достаточно для установки между пакетами и корпусом перемычек в виде плоских шин.

Выступающие за периметр электродов части сепараторов, обкладок, торцевых и промежуточных токосъемных пластин, шины и Г-образные детали могут находиться в объеме диэлектрического материала, заполняющего полость между пакетами и корпусом, что позволит улучшить изоляцию между токоведущими частями, пакетом и корпусом конденсатора, а также охлаждать шины при разряде, не допуская их перегрева.

Для заполнения полости использован эпоксидный компаунд.

В качестве электролита, пропитывающего электроды и сепараторы, могут использоваться водные растворы щелочей КОН, NaOH, LiOH, RbOH, CsOH или их смеси с концентрацией в пределах от 10 мас.% до 50 мас.%.

Целесообразно, чтобы в конденсаторе было размещено нечетное количество пакетов, при этом они могут быть установлены в чередующейся полярности непосредственно друг на друга. При этом напряжение заряда каждого пакета совпадает с напряжением заряда конденсатора, а электрические емкости пакетов соединены параллельно. Это упрощает схему коммутации и повышает ее надежность.

В конденсаторе может быть размещено четное количество параллельно-последовательно соединенных пакетов. При этом напряжение заряда пакетов, а также напряжение между пакетами и коммутирующими перемычками в два или более раз меньше напряжения заряда конденсатора. Это несколько усложняет схему коммутации, однако значительно повышает надежность при большом напряжении заряда конденсатора.

В промежуточных токосъемных пластинах могут быть выполнены выемки, расположенные напротив шин, соединяющих токосъемные пластины противоположной полярности. Наличие выемок позволяет увеличить расстояние между кромками токосъемных пластин и расположенными вблизи них шинами противоположной полярности, что уменьшает вероятность электрического пробоя без увеличения общих габаритов конденсатора и его внутреннего сопротивления.

Разрядный ток, протекающий по перемычкам, может достигать сотен ампер, а в режиме короткого замыкания - до 1000 А. Предлагаемая форма и размеры перемычек являются оптимальными с точки зрения обеспечения нормального теплового режима работы элементов конденсатора.

На фиг.1 изображен продольный разрез конденсатора, состоящего из трех параллельно соединенных пакетов.

На фиг.2 изображена схема коммутации того же конденсатора в аксонометрии.

На фиг.3 изображен продольный разрез конденсатора, состоящего из шести параллельно-последовательно соединенных пакетов.

Конденсатор с двойным электрическим слоем содержит корпус 1 и силовые плиты 2, 3. Внутри корпуса 1 между торцевыми токосъемными пластинами 4, 5, соединенными с внешними разнополярными токовыводами 6, 7, отделенными от силовых плит торцевыми изоляторами 10 и 11, размещены установленные друг на друга в чередующейся полярности пакеты 8, состоящие из плоских накопительных секций 9, каждая из которых имеет два пористых электронопроводящих электрода, пропитанных электролитом и разделенных электроноизолирующим ионопроводящим сепаратором, и прилегающие к электродам тонколистовые электронопроводящие обкладки (не показаны). Конденсатор также содержит промежуточные токосъемные пластины 12, 13, установленные между пакетами и соединенные с торцевыми токоведущими пластинами 4, 5 соответствующей полярности коммутирующими токоведущими перемычками 14, 15. Каждая перемычка выполнена из шины 16 и Г-образных деталей 18, 19, изготовленных из металлического листа. Полость между пакетами и корпусом заполнена диэлектрическим материалом (20). В промежуточных токосъемных пластинах выполнены выемки 21, расположенные напротив шин 14, 15.

Конденсатор работает следующим образом.

При заряде и разряде ток протекает через токовыводы 6, 7, торцевые и промежуточные пластины 4, 5 и 12, 13, соединенные перемычками 14 и 15.

Формула изобретения

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий корпус, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов, торцевые токосъемные пластины, соединенные с внешними разнополярными токовыводами, установленные в корпусе друг на друга в чередующейся полярности пакеты, состоящие из плоских накопительных секций, каждая из которых имеет два электрода, пропитанных электролитом, разделенных сепаратором, и прилегающие к электродам тонколистовые обкладки, торцевые внутренние изоляторы, размещенные между торцевыми токосъемными пластинами и силовыми плитами, промежуточные токосъемные пластины, установленные между пакетами и соединенные с торцевыми токосъемными пластинами соответствующей полярности коммутирующими перемычками, отличающийся тем, что каждая коммутирующая перемычка выполнена в виде плоской шины с прикрепленными к ее концам внахлест Г-образными деталями, другой стороной неразъемно соединенными встык с торцевыми поверхностями двух токосъемных пластин, причем токосъемные пластины в каждой образованной паре соединены друг с другом, по меньшей мере, двумя коммутирующими перемычками.

2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что сепараторы, обкладки, торцевые и промежуточные токосъемные пластины имеют форму дисков с диаметром, в 1,02-1,2 раза большим диаметра электродов.

3. Конденсатор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что торцевые и промежуточные токосъемные пластины и коммутирующие перемычки выполнены из стали с содержанием углерода не более 1%.

4. Конденсатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что толщина торцевых и промежуточных токосъемных пластин выбирается по формуле

(L²R)/Nr<HL - размер электрода вдоль его плоскости (диаметр);

R - удельное сопротивление металла, из которого выполнена токосъемная пластина;

r - среднее омическое сопротивление конденсаторной секции единичной площади;

h - толщина обкладки;

N - количество конденсаторных секций в пакете.

5. Конденсатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что толщина промежуточных токосъемных пластин находится в пределах от 0,1 до 2 мм.

6. Конденсатор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что толщина торцевых токосъемных пластин находится в пределах от 0,2 до 5 мм.

7. Конденсатор по любому из пп.1, 2, 4-6, отличающийся тем, что торцевые токосъемные пластины или коммутирующие перемычки выполнены из никеля, или меди, или их сплавов.

8. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что крепление Г-образных деталей к шинам или к токоведущим пластинам выполнено с помощью сварки, или пайки, или склейки электропроводящим клеем.

9. Конденсатор по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что отношение ширины коммутирующих перемычек к их толщине находится в пределах от 5 до 25.

10. Конденсатор по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что толщина коммутирующих перемычек находится в пределах от 0,1 до 5,0 мм.

11. Конденсатор по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что плоская часть каждой Г-образной детали имеет толщину в пределах от 0,5 до 1,5 от толщины токосъемной пластины, с которой, она соединена.

12. Конденсатор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что Г-образные детали прикреплены к шинам внахлест и имеют в местах соединения толщину в пределах от 0,5 до 2 толщины шины.

13. Конденсатор по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что расстояние между шинами, соединяющими две токосъемные пластины находится в пределах от 0,3 до 3 ширины данных шин.

14. Конденсатор по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что расстояние между шинами и каждым из пакетов находится в пределах от 0,5 до 10 мм.

15. Конденсатор по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что расстояние между шинами и корпусом находится в пределах от 1 до 10 мм.

16. Конденсатор по любому из пп.1-15, отличающийся тем, что выступающие за габариты электродов части сепараторов, обкладок, торцевых и промежуточных токосъемных пластин, шины и Г-образные детали находятся в объеме диэлектрического материала, заполняющего полость между пакетами и корпусом.

17. Конденсатор по п.16, отличающийся тем, что для заполнения полости использован эпоксидный компаунд.

18. Конденсатор по любому из пп.1-17, отличающийся тем, что в качестве электролита, пропитывающего электроды и сепараторы, используются водные растворы щелочей КОН, NaOH, LiOH, RbOH, CsOH или их смеси с концентрацией в пределах от 10 до 50 мас.%.

19. Конденсатор по любому из пп.1-18, отличающийся тем, что в нем размещено нечетное количество параллельно соединенных пакетов.

20. Конденсатор по любому из пп.1-18, отличающийся тем, что в нем размещено четное количество параллельно соединенных пакетов.

21. Конденсатор по любому из пп.1-20, отличающийся тем, что промежуточные токосъемные пластины имеют выемки, расположенные напротив шин.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3