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Durchlauf-Formiereinrichtung für streifenförmige Anoden von Elektrolytkondensatoren
Die Erfindung betrifft eine Durchlauf-Formiereinrichtung für streifenförmige, vorzugsweise
geätzte Anoden von Elektrolytkondensatoren, bei der die auf Vorratsrollen aufgewickelte
Anodenfolie durch ein oder mehrere Formierbäder gezogen und während des Durchlaufens
formiert wird.
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Eine solche Formierung erfolgte früher ausschließlich im Standformierverfahren,
bei dem die Anodenfolie vor dem Formieren in passende Längen geschnitten wurde.
In den letzten Jahren ist dieses Formierverfahren von einer neuen Arbeitsweise abgelöst
worden, bei der die Anodenfolie von einer Vorratsrolle durch ein oder mehrere Elektrolytbäder
geführt und während des Durchlaufens formiert wird. Einzelheiten dieses Verfahrens
sind nicht bekanntgeworden, jedoch scheint man im allgemeinen mit niedriger Stromdichte
und nicht homogener Feldverteilung zu arbeiten, weshlab man sowohl für den Aufbau
der Schicht (Aufformierstrecke) als auch zu ihrer Verdichtung bis zum Erreichen
eines bestimmten Reststromwertes (Abformierstrecke) sehr lange Wege benötigt.
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Eine Formiereinrichtung nach der Erfindung vermeidet diese Nachteile
und kennzeichnet sich dadurch, daß im ersten Teil der Durchlaufstrecke Aufformierkathoden
Verwendung finden, deren Abstand von der Folie in Durchlaufrichtung mit zunehmendem
Aufbau der Schicht derart abnimmt, daß unter der Voraussetzung gleichbleibender
Formierstromdichte die Summe aus der mit der Schichtdicke wachsenden Sperrspannung
und dem in der Durchlaufrichtung abnehmenden Spannungsabfall im Formierelektrolyt
längs der Formierkathode ständig konstant bleibt. Auf diese Weise ist es möglich,
eine besonders kurze Aufformierstrecke mit konstantem und hohem Formierstrom zu
erreichen.
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Hierbei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß es für den Formiervorgang
und für die Lagerfähigkeit der Elektrolytkondensatoren von Vorteil ist, die Formierstromdichte
bis an die Grenze der Querschnittbelastbarkeit des Bandes zu steigern. Dies darf
jedoch nicht so weit getrieben werden, daß innerhalb der Aufformierstrecke eine
zu hohe Wärmeentwicklung entsteht, so daß für die Formierstromdichte und die Länge
der Aufformierstrecke ein günstigster Wert ermittelt werden kann: Der Vorteil einer
Formierung mit hohem Strom liegt nicht nur in dem Zeitgewinn, der dem ersten Faradayschen
Gesetz der Elektrolyse entspricht, m=A i t
(nz = Masse des abgeschiedenen
Sauerstoffes, A = elektrochemische Konstante, i = Strom, t = Zeit),
das hier ebenso wie bei der Metallabscheidung gilt, lediglich mit der Abwandlung,
daß es sich um eine Abscheidung und chemischeBindung von negativ enSauerstoffionen
handelt. Es ist einleuchtend, daß der Aufbau der Formierschicht nicht allein von
der Masse des abgeschiedenen Sauerstoffes abhängt, sondern noch von anderen Faktoren.
So ist beispielsweise die Dichte der Schicht sicher eine Funktion der Geschwindigkeit,
mit der die Sauerstoffionen auf die Anoden aufprallen; andererseits wirkt bei zu
langem Verbleiben der Folie im Elektrolytbad eine chemische Rücklösung dem Aufbau
der Schicht entgegen. Im ganzen kommt damit ein zusätzlicher Zeitgewinn bei Erhöhung
der Formierstromdichte zustande, der immer Vorteile bringt, da jeder Zeitgewinn
sich auf den Wirkungsgrad der Anlage günstig auswirkt.
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Allgemein ist es vorteilhaft, wenn man den Elektrolyt innerhalb der
Aufformierstrecke auf gleichbleibender Temperatur hält. Nur in dieser Strecke erfolgt
praktisch eine nennenswerte Wärmeentwicklung, und daher sind die Aufformierkathoden
gemäß einer zweckmäßigen Ausbildungsform der Erfindung doppelwandig ausgestaltet
und werden von einem Kühlmittel, vorzugsweise dem im übrigen Teil des Bades kühl
bleibenden Elektrolyt, durchströmt. Es ist selbstverständlich möglich, für diese
Kühlung der Aufformierstrecke eine besondere Kühlflüssigkeit zu benutzen, doch hat
es sich als zweckmäßig erwiesen, den Formierelektrolyt gleichzeitig als Kühlmittel
zu verwenden, da dieser im übrigen Teil des Bades keiner nennenswerten Erwärmung
ausgesetzt ist und beim Umlauf die von der Aufformierkathode abgeführte\@rärme dort
abgeben kann.
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Hierbei ist es günstig, wenn die Innenwände der Aufformierkathoden,
die der Folie unmittelbar gegenüberstehen, mit Öffnungen versehen sind, aus denen
der im Umlauf gekühlte Formierlelektrolyt in die Aufformierstrecke eintritt. Auf
diese Weise wird erreicht, daß diese Strecke stets mit frisch gekühltem Elektrolyt
versehen ist und der Formiervorgang ungestört und regelmäßig vor sich gehen kann.
Für
die Gestaltung der Aufformierkathoden ist die jeweils gegebene Formierspannung maßgebend,
die von dem jeweils zu fertigenden Kondensatorentyp abhängt. Es ist also zweckmäßig,
wenn man dieAufformierkathoden hinsichtlich ihres Abstands von der Anodenfolie je
nach der typbedingten Formierspannung verschiebbar oder schwenkbar anordnet. Dies
ist möglich, da die Krümmung der Aufformierkathoden bei verschiedenen Formierspannungen
unverändert bleiben kann, so daß nur eine Verschiebung oder Verschwenkung der einzelnen
Formierkathode erforderlich ist. Dies kann dadurch erfolgen, daß man den Abstand
der Kathoden von der Anodenfolie ändert, wobei gleichzeitig die Durchlaufgeschwindigkeit
des Bandes entsprechend nachgeregelt werden muß. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, die Kathoden um ihre dem Auslauf der Folie benachbarten Kanten schwenkbar
anzuordnen.
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Mit der vorstehend beschriebenen Einrichtung läßt sich das Aufformieren
so exakt gestalten, daß die daran anschließende Aufformierstrecke, die der Verdichtung
der zuvor aufgebauten Schicht dient, verhältnismäßig kurz gemacht werden kann. Hierbei
ist es wesentlich, daß ein möglichst kleiner Abstand zwischen den Abformierkathoden
und der Folie eingehalten wird, damit möglichst die volle Formierspannung an der
Schicht wirksam ist, ohne daß imElektrolyt ein nennenswerter Spannungsabfall vorhanden
ist. Diese Abformierung kann in demselben Formiergefäß erfolgen wie die Aufformierung,
doch kann selbstverständlich hierfür auch ein zweites Formiergefäß vorgesehen werden.
Die Länge der Abformierstrecke beträgt hierbei ein Mehrfaches der Länge der Aufformierstrecke.
Eine Kühlung ist in der Abformierstrecke nicht nötig, da bei guter Aufformierung
hier keine nennenwerte Wärmeentwicklung mehr auftritt. Dagegen ist für den Formiervorgang
von großem Vorteil, daß im ganzen elektrolytischen Bad, also auch innerhalb der
Abformierstrecke, die gleiche Temperatur herrscht wie in der Aufformierstrecke.
Andernfalls erleidet der Formiervorgang in den kälteren Zonen eine Stockung, und
es müßte die Durchlauflänge vergrößert werden, um die Formierung ordnungsgemäß zu
vollenden. Um Kurzschlüsse zwischen der Abformierkathode und der Anodenfolie zu
verhüten, ist es vorteilhaft, auf den Kathoden isolierende Abstandhalter anzubringen.
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Von ausschlaggebender Bedeutung für einen einwandfreien Ablauf des
Abformiervorgangs ist bekanntlich eine gegebenenfalls mehrfach wiederholte Ablösung
der Gasschichten, die infolge der Polarisation auf der Anodenfolie entstehen. Beim
Standformierverfahren wird diese Entgasung durch Abschalten der Formierspannung
erreicht. Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden zwischen der
Aufformier- und der Abformierstrecke, gegebenenfalls auch innerhalb der letzteren,
in entsprechenden Zwischenräumen formierte, Anodenpotential aufweisende Abschirmelektroden
vorgesehen, die die Anodenfolie durch Fehlen des Potentialgefälles im Elektrolyt
entgasen. Sofern eine mehrmalige Entgasung zweckmäßig erscheint, können mehrere
derartige Entgasungsstrecken in entsprechenden Unterbrechungen der Abformierstrecke
bzw. der Abformierkathoden vorgesehen werden.
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Schließlich wird man vorteilhaft noch ein besonderes Gefäß mit einem
Elektrolyt vorsehen, das von derAnodenfolie nach Abschluß des Formiervorgangs durchlaufen
wird und in dem das formierte Band in an sich bekannter Weise auf Reststrom und
Scheinkapazität geprüft wird, um, damit die Funktion der Anlage und die erreichte
Qualität der Folie zu überwachen.
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An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
erläutert, und zwar zeigt Fig. 1 eine Einrichtung nach der Erfindung im Querschnitt,
und zwar in schematischer Darstellung, Fig. 2 und 3 Kennlinien der sich in der Formiereinrichtung
abspielenden Vorgänge.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Formiereinrichtung wird die Anodenfolie
1 über Umlenkrollen durch den imGefäß 8 enthaltenen Formierelektrolyt geleitet,
um danach noch mittels weiterer Umlenkrollen ein zweites Gefäß 7 zu durchlaufen,
das zur Messung des Reststromes und der Scheinkapazität dient. Die Aufformierung
erfolgt gleich beim Eintritt in das Bad 8 mit Hilfe der Aufformierelektroden 2,
die so geformt sind, daß die Summe aus der mit der beim Formieren erzeugten Schichtdicke
wachsenden Sperrspannung und dem in der Durchlaufrichtung abnehmenden Spannungsabfall
im Formierelektrolyt längs der Formierkathode ständig konstant bleibt.
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Trägt man den Formierstrom i pro Oberflächeneinheit in Abhängigkeit
von der erforderlichen Formierzeit für eine bestimmte Formierspannung in einem Diagramm
auf, so ergibt sich eine Kurve, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Auf Grund dieser
Kurve läßt sich der geeignete Arbeitspunkt entsprechend der gewählten Querschnittsbelastung
des Bandes festlegen. Aus der so bestimmten Formierzeit und den Folienabmessungen
ergibt sich die Länge der Formierstrecke, d. h. die Länge der Elektrode 2, gemessen
in Bandrichtung.
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Ein Beispiel möge dies erläutern: Es wird angenommen, daß ein Ätzfolienband
von 60 mm Breite und 0,1 mm Stärke formiert werden soll, und es wird ferner eine
maximale Strombelastung von 4 A/mmz zugrunde gelegt. Mit Rücksicht auf die Querschnittsverminderung
des Bandes durch die Ätzung, die beispielsweise zu 10 °/o angenommen werden kann,
ergibt sich ein maximal zulässiger Formierstrom von 21,6 A. Ferner sei angenommen,
daß aus der Kurve Fig. 2 die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Formierzeiten
und zugehörigen Formstromierdichten entnommen worden sind. Aus diesen Werten können
sodann die erforderliche Formierfläche, die Formierstrecke und die Durchlaufgeschwindigkeit
bei einem Gesamtformierstrom von etwa 21 A ermittelt werden.
| Formier- Formier- Formier- Formier- Durchlauf- |
| zeit stromdichte fläche strecke geschwindigkeit |
| Sekunden A/dm2 äm2 cm cm/Min. |
| 70 5 4 33 28 |
| 50 7 3 25 30 |
| 35 10 2 17 29 |
| 17 21 1 8 28 |
Auf den ersten Blick erscheint es zweckmäßig, den Arbeitspunkt auf der Kurve Fig.
2 möglichst weit nach rechts zu legen, so daß die Aufformierstrecke so kurz wie
möglich wird. Hierbei muß jedoch mit einer erheblichen Feldverzerrung und einer
hohen Wärmestauung gerechnet werden, und es ist daher vorteilhaft, für die Formierstromdichte
und die Länge der Aufformierstrecke einen günstigsten Wert zu suchen.
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Trägt man weiterhin bei einer bestimmten Formierspannung und bei gegebener
konstanter Stromdichte die Sperrspannung U der Schicht in Abhängigkeit von der Formierzeit
auf, so ergibt sich eine Kurve, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Kurve stellt
also auch das Wachsen der Schicht in Abhängigkeit von der Formierzeit dar. Dabei
ist zu beachten, daß die Krümmung der Kurve unabhängig von der Formierspannung ist,
so daß, da aus dieser Kurve die Gestalt der Aufformierelektroden abgeleitet ist,
für alle Spannungsstufen die gleichen Formierelektroden verwendet werden können.
Lediglich die Länge der Aufformierstrecke müßte bei Übergang von
einer
Spannungsstufe zur anderen variiert werden, was aber mit dem gleichen Effekt bei
entsprechender Schwenkung der Elektroden und Veränderung der Durchlaufgeschwindigkeit
erzielt werden kann. Voraussetzung für diese Dimensionierung der Aufformierelektroden
ist aber, daß die Temperatur des Elektrolyts sich längs der Aufformierstrecke nicht
ändert, so daß sein spezifischer elektrischer Widerstand konstant ist.
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Um dies zu erreichen, sind die Aufformierkathoden 2
doppelwandig
ausgebildet, und ihre Innenwände sind mit Öffnungen versehen, während eine Umlaufvorrichtung
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für den Elektrolyt an den Hohlraum der doppelwandigen Aufformierkathoden
angeschlossen ist. Durch eine geeignete, nicht näher dargestellte Einrichtung wird
für ständigen Umlauf des Elektrolyts gesorgt, der durch Öffnungen in der Innenwandung
der Aufformierkathoden ständig in die Aufformierstrecke eintritt. Da praktisch nur
hier eine nennenswerte Wärmeentwicklung erfolgt, wird durch diesen Umlauf also erreicht,
daß ständig frischer und gekühlter Elektrolyt für das Aufformieren zur Verfügung
steht.
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Die beiden Aufformierkathoden 2 sind um ihre Unterkante
4 schwenkbar eingerichtet, um die Aufformierkathoden der jeweils erforderlichen
Formierspannung entsprechend einstellen zu können.
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Die Abformierstrecke besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus zwei voneinander getrennten Teilens und 5'. Die Kathoden sind so eng wie möglich
an die Anodenfolie herangebracht und mit - in der Zeichnung nicht dargestellten
- Abstandshaltern versehen, die einen Kurzschluß zwischen den Abformierkathoden
und der Folie verhindern.
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Um die beim Formieren entstehenden Gasbläschen von der Anodenfolie
zu entfernen, sind zwischen den Aufformierkathoden 2 und den Abformierkathoden 5
sowie auch zwischen letzteren und den Abformierkathoden 5' Entgasungsstrecken 6
bzw. 6' vorgesehen. Diese bestehen aus Elektroden, die an die gleiche positive Spannung
angeschlossen sind wie die Anodenfolie 1, so daß in den Entgasungsstrecken
kein Potentialgefälle herrscht.
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Zur Überwachung des beim Formieren erzielten Effektes ist die Anodenfolie,
wie bereits ausgeführt, nach dem Verlassen des Bades 8 in an sich bekannter Weise
durch ein weiteres Bad 7 geführt, das mit Hilfe der angeschlossenen Meßinstrumente
für den Reststrom i- und den Blindstrom i% eine Messung dieser Werte zuläßt.