具有用于气体扩散的控制元件的电解电容器的制作方法

具有用于气体扩散的控制元件的电解电容器
1.本发明涉及一种电解电容器，其包括罩壳和安装在罩壳中的电容器元件。电容器元件包括电解质。
2.专利us 3463969公开了一种电解电容器，其具有模制的盖构件和在盖构件内部的排气口。
3.专利us 2766408和us 3669302公开了一种用于电解电容器的排气口塞。排气口塞位于注射模制的盖构件中。
4.专利申请de 102015119844 a1公开了一种电解电容器，其在罩壳内部具有安全排气口。
5.在电解电容器的长期操作期间，发生必要的电化学反应以及老化引发的化学分解。两个过程都导致电容器内部的气体析出。气体的产生逐渐增加了电容器中的内部压力并在电容器罩壳和盖构件上产生机械应力。内部压力可引起变形，诸如伸长或鼓包，且最终引起罩壳破裂，这两种情况都导致电容器的寿命结束。
6.本发明的目的是提供一种具有改进的操作稳定性的电解电容器。该问题由如权利要求1中所公开的本发明解决。
7.在一个实施例中，本发明涉及一种电解电容器，其包括罩壳、安装在罩壳中的电容器元件、以及用于控制罩壳内侧和外侧之间的气体扩散的元件，其中，控制元件嵌入罩壳中。
8.由于气体的产生增加了电容器中的内部压力并在罩壳上产生了机械应力，因此用于控制电容器内部和外部之间的气体交换的元件是必不可少的。
9.控制元件提供气体从罩壳的内侧到外侧的通路。控制元件进一步被构造成控制气体的移动以提供扩散。
10.罩壳可具有罐的形状。电容器元件可以是圆形元件，特别是圆柱形元件。电容器元件可包括箔，特别是铝箔。电容器元件可浸渍有电解质，特别是液体电解质。
11.在一个实施例中，电容器包括空腔，其中，控制元件布置成使得来自空腔的气体可以直接流到控制元件。空腔是电容器内部最大的中空空间。因此，存在于电容器中的大部分气体存储在所述空腔中。空腔可沿着电容器元件的中心轴线延伸。空腔可由围绕中心轴线缠绕电容器元件的箔造成。空腔是电容器内部最大的中空空间。因此，存在于电容器中的大部分气体存储在所述空腔中。
12.控制元件可直接邻近于空腔布置。如果空腔是绕组元件的轴向居中空腔，则控制元件可处于轴向居中位置处。将控制元件直接邻近于空腔定位的优点是，电容器元件（特别是绕组元件）的外表面不会通过绕组的这些匝来阻碍扩散路径。
13.在实施例中，电解电容器的罩壳包括罐和用于密封罐的盖构件，其中，控制元件布置在罐中。优选地，控制元件被集成到罩壳的底部中。底部是罩壳的与盖构件相对的一侧。盖构件可包括弹性材料，特别是橡胶材料。盖构件可以是插入罐中的元件。用于电互连的端子可引导通过盖构件。盖构件没有任何控制元件。在实施例中，电解电容器包括用于密封罐的两个或更多个竖直堆叠的盖构件。
14.控制元件可嵌入罩壳的与电端子的位置相对的一部分中。在实施例中，端子引导通过罩壳顶部上的盖构件，而控制元件布置在罩壳的底部中。因此，控制元件的位置和侧向尺寸可以在很宽的范围内变化，而不干涉端子位置或盖构件的机械稳定性。由于罐优选地由铝制成，因此罐的机械稳定性高于盖构件的机械稳定性。用于电互连电容器的端子可被构造为卡入式样。
15.在一个实施例中，控制元件完全被集成在罩壳中。嵌入罩壳中的控制元件既不突出到超出罩壳的内侧，也不突出到超出罩壳的外侧。由于控制元件只需要很小的竖直空间，因此在罩壳的内部中的控制元件不造成突起。因此，更多空间可用于电容器元件，例如绕组元件。
16.在一个实施例中，底部从外部看可以是平的。在另一个实施例中，底部可以包括容纳控制元件的突起。在两种情况下，控制元件完全被集成在罩壳中。控制元件不突出超越罩壳。
17.可在控制元件和电容器元件之间保持距离。距离提供装置可例如以肋的形式被实施。设置在罩壳内侧上的肋在电容器元件和控制元件之间保持一定距离。这些肋产生中空空间，以促进从电容器的内部到控制元件的自由的气体流动。
18.控制元件可包括膜。膜尺寸、膜厚度和膜的确切材料组成可能影响膜的渗透性和通过膜的气体扩散速度。这些参数可以适应实际的技术要求。
19.特别地，膜可以是逐渐透气的。随着电容器中的压力增加，气体扩散也增加。另一方面，膜应优选地是液体不可渗透的。如果膜是液体可渗透的，则存在液体电解质损失的风险。
20.膜可由一种材料组成，该材料是硅、三元乙丙橡胶（epdm）或具有可比较性质的另一种弹性聚合物中的一种。
21.可根据所需的膜性质来选择膜材料。应根据几个标准来选择膜的所需的渗透性。一方面，膜应对打算穿过膜的气体有足够的渗透性。特别地，膜可对氢气有渗透性。另一方面，渗透性应对不打算穿过膜的气体和蒸气而言足够低。特别地，膜可能对电解质溶剂的蒸气不是可渗透性的。一般而言，膜可能对液体不是可渗透性的。
22.使用膜作为控制元件有几个优点。膜需要很少的竖直空间和体积。因此，对于控制元件用掉更少的电容器的内部体积，而更多的内部体积可用于电容器元件。
23.此外，通过使用膜，避免了不必要的无效空间。
24.附加地，由上文提到的材料制成的膜具有低厚度。因此，控制元件（其是膜）比通常由氧化铝制成的罩壳壁薄。因此，膜可以很容易地被集成在罩壳中。控制元件（其是膜）不突出超越罩壳。控制元件没有浪费内部体积。更多的内部体积可用于电容器元件。
25.此外，由弹性材料（比如上文提到的材料）制成的膜可以被牢固地压紧，因此实现了紧密密封。
26.电容器元件可被电解质浸渍，特别是液体电解质。液体电解质或电容器的内部中的任何其他液体可流到膜。如果液体流入膜孔隙中，则膜孔隙将阻塞住且膜的渗透性降低。
27.在实施例中，安装电容器，使得罩壳的包括膜的一侧不向下指向。作为示例，包括膜的那侧向上指向或水平地定向。在这种情况下，可以有效地防止液体电解质流到膜。另外，可防止液体电解质对膜的污染。这可确保维持气体扩散。
28.在一个实施例中，安装电容器，使得具有控制元件的一侧向上指向。因此，罐的底部向上指向。端子可定位在相对侧上。因此，端子可向下指向。在进一步的实施例中，电容器安装有膜排气口，并且端子布置在水平侧处。
29.在实施例中，当超过电容器内的最大容许压力时，膜充当不可逆的安全排气口。
30.在操作期间，电容器内部的压力可增加，特别是在电气过载的情况下。当压力接近超过最大容许压力的临界值时，安全排气口可被构造成爆裂。由此，可防止电容器的不受控制的爆炸。如果达到临界压力，则膜将爆裂并且电容器的内部的气体将向外流动，直到压力减小到防止壳体破裂的程度。
31.在膜爆裂之后，由于液体电解质从罩壳中漏出，存在污染端子和/或其他部件（诸如，印刷电路板或母线）的风险。通过将膜定位在远离端子侧的一侧上，可以降低污染的风险并且可以延长电子部件的操作寿命。因此，在实施例中，充当不可逆的安全排气口的控制元件定位在端子的相对侧上。
32.在一个实施例中，安装电容器，使得具有不可逆的安全排气口的一侧不向下指向。在优选实施例中，该侧向上指向。
33.在实施例中，最大容许压力由膜的紧密性确定。如果超过该最大容许压力，则膜由于爆裂而充当不可逆的安全排气口。如果膜被安装元件更牢固地压紧，则膜的渗透性降低。在这种情况下，比较低的压力就能引起膜爆裂。如果膜被安装元件不太牢固地压紧，则膜的渗透性增加。在这种情况下，需要比较高的压力才能使膜爆裂。因此，最大容许压力可以通过由安装元件压紧膜来设定。
34.在一个实施例中，膜具有圆盘的形状。圆盘形状是用于气体扩散的膜的优选且稳定的结构。
35.在实施例中，电解电容器包括用于固定膜的安装环，其中，该安装环具有用于容纳膜的适当形状。安装环以及罩壳可由铝组成。安装环和罩壳的铝可以是同一等级的。在实施例中，安装环可包括不是铝的金属。特别地，安装环可由一种材料组成，该材料不损害或干扰电容器的操作。安装环是通过冲压或冲击挤压来生产的。
36.此外，安装环可在其表面上包括密封闸门，从而增加膜的紧密性和密封性。在实施例中，密封闸门也可在安装环的配对物上。密封闸门可包括与安装环相同的材料。因此，密封闸门可由铝或另一种金属组成。在实施例中，密封闸门可包括与安装环的材料不同的材料。特别地，密封闸门可由一种材料组成，该材料不损害或干扰电容器的操作。
37.密封闸门可以是安装环的表面上的凸块。密封闸门通过使膜变形来压紧膜。在实施例中，安装环可包括几个密封闸门。
38.作为密封闸门的功能的变形是通过沿着闭合曲线压缩膜来执行的。膜应被压缩到如此的程度，以至于实现机械固定。此外，膜应被压缩到如此的程度，以至于在电容器的可能的操作压力范围内实现对液体的紧密性。另一方面，当压缩膜时，应避免对膜材料的损坏。
39.为了压紧膜，安装环可具有比膜更大的直径。具有适当的密封闸门的大安装环可允许使膜强烈地变形并且变紧。因此，膜在超过相对低的最大容许压力的相对低的临界压力下爆裂。具有大量密封闸门的比较小的安装环可具有相同的效果。密封闸门的数量可与比较大的安装环的密封闸门的数量相同或更大。
40.具有较少的密封闸门的较小安装环可使膜不太强烈地变形并且变紧。因此，膜在超过较高的最大容许压力的较高临界压力下爆裂。
41.附加地，具有大直径的安装环可允许使膜很容易地变形。因此可应用：安装环的直径越高，膜在给定压力下就可以越容易变形。除了较高的变形之外，膜还在较低压力下爆裂。这样，改变安装环直径可允许选择和微调最大容许压力。
42.电解电容器的罩壳可包括用以容纳膜和安装环的凹部。
43.在一个实施例中，用以容纳膜的凹部布置在罩壳的内侧上。因此，膜和安装环必须从内侧布置。在另一个实施例中，用以容纳膜的凹部布置在罩壳的外侧上。因此，膜和安装环必须从外侧布置。
44.嵌入凹部中的膜和安装环既不在内侧上也不在外侧上突出超越罩壳。由于膜和安装环的平坦形状，凹部只需要很小的体积和小的竖直空间。因此，与没有控制元件的电容器相比，罩壳没有用掉电容器的内部的任何额外部体积。内部体积可用于电容器元件，例如用于绕组元件。在一个实施例中，罩壳的底部可以是平的。在另一个实施例中，底部包括容纳凹部的突起，膜和安装环布置在该凹部中。
45.此外，用以容纳膜的凹部可在其内表面上包括密封闸门，从而增加膜的紧密性和密封性。在此类情况下，安装环可没有任何密封闸门。
46.在实施例中，凹部的内表面和安装环两者都可包括密封闸门。凹部的内表面可以是安装环的配对物。密封闸门可被形成为凸块。较大尺寸或较高数量的密封闸门可增加膜的变形，且因此增加膜的紧密性和密封性。由于膜的高紧密性，降低了最大容许压力。
47.本发明进一步包括一种将膜固定在电容器元件上的方法。该方法包括几个步骤。提供电解电容器，该电解电容器包括具有用于膜的凹部的罩壳、以及安装在罩壳中的电容器元件。膜嵌入凹部中。在一种方法中，如果凹部在罩壳的外侧上，则可从外侧嵌入膜。在另一种方法中，如果凹部在罩壳的内侧上，则可在电容器的内侧上嵌入膜。
48.当膜布置在凹部中时，将由金属组成的安装环嵌入到凹部中的膜上。安装环被适当地形成为容纳膜。在组装过程期间，将压力施加到安装环，该压力被赋予在膜上。结果，膜可变形以使系统紧密。为了接收紧密密封，膜优选地由弹性材料（比如橡胶或另一种弹性体）组成。
49.凹部的内表面或安装环的表面上的密封闸门支持变形和密封过程。在将膜和安装环布置在凹部中之后，通过外部过程，比如，切入、锻造或任何种类的焊接，来固定安装环。在一种方法中，焊接方法可以是激光焊接。在另一种方法中，通过铆接来固定安装环。铆接可以在整个环上或在环的多个部分上完成。通过固定安装环，膜也被固定。
50.本公开包括本发明的几个实施例和方面。关于实施例中的一个或该方法所描述的每个特征也在本文中关于相应的各自实施例和方面被公开，即使在具体实施例或方面的上下文中未明确提到相应特征。
51.从结合附图对示例性实施例的以下描述中，进一步的特征、改进和权宜之计变得明显。
52.图1示出了根据第一实施例的电容器的示意性横截面图；图2a是根据第一实施例的电容器的仰视图；图2b是根据第一实施例的电容器的仰视图；
图3示出了根据第三实施例的电容器的一部分的示意性横截面图及其控制元件的详细视图；以及图4示出了根据第三实施例的电容器的仰视图；类似的元件、相同种类的元件和相同作用的元件在附图中可设置有相同的附图标记。
53.图1示出了电解电容器1。电容器包括罩壳2和安装在罩壳2中的电容器元件3。电容器元件3包括绕组元件。电容器元件3具有圆柱形形状，该圆柱形形状具有轴向居中空腔4。空腔沿着绕组元件的中心轴线延伸。电容器元件3包括箔，特别是铝箔。电容器元件3（特别是铝箔）浸渍有电解质。电解质是液体电解质。
54.罩壳2具有圆柱体的形状。罩壳2包括金属。作为示例，罩壳2包括铝。罩壳2具有罐的形状。
55.电容器1包括底部5、弯曲的侧向侧6和上侧7。上侧7与底部5相对。电容器1的从底部5的外边缘到上侧7的外边缘的最大长度超过35 mm。该最大长度小于或等于120 mm。罩壳2的直径在从22 mm或更大到50 mm或更小的范围内。底部5与侧向侧6一体地形成。它们一起形成罐。罐包括金属，特别是铝。
56.在上侧7处，电容器1包括用于电互连电容器的端子8。端子8中的一个是正极端子。端子8中的另一个是负极端子。端子8被构造为卡入式端子。端子8通过附加的连接元件与电容器元件3连接。这些连接元件包括端子突片8a和端子铆钉8b。电容器1被构造成端子向下安装，使得端子8指向地心。替代地，例如，如果端子8沿水平方向指向，则水平地安装电容器1。
57.电容器1可安装在安装构件（未示出）处。安装构件用于固定电容器1。附加地，安装构件可用于电连接端子8。在这种情况下，例如，安装构件可包括印刷电路板或母线。
58.在上侧7处，罩壳2由包括两个盖构件9a和9b的盖密封。盖构件9a和9b具有圆盘的形状。盖构件9a包括纸质层叠件。盖构件9b包括弹性体。在实施例中，盖构件可包括橡胶材料。端子8被引导通过盖构件9a和9b。在另一个实施例中，盖可仅包括一个盖构件。
59.在罩壳2的外侧上、在侧向侧6上，布置了收缩套筒10。收缩套筒附加地保护罩壳2。收缩套筒包括热缩聚合物。热缩意味着在被加热的情况下聚合物的长度收缩。
60.电容器1包括控制元件11。控制元件11提供连接罩壳2的内侧和外侧的气体通路。该通路包括在罩壳2的内侧和外侧之间的孔15。控制元件11进一步包括变窄到孔15的凹部14。
61.在凹部14中，布置了膜12和安装环13。膜12和安装环13完全被集成在罩壳2中。它们不突出超越罩壳2的表面。整个控制元件11布置成使得来自电容器元件3中的轴向居中空腔4的气体可以直接流到控制元件11。
62.控制元件11实现了受控的压力释放。在电容器1的操作期间，电容器1内部可能发生气体产生和加压。这些效应是由电化学反应引起的。作为控制元件11的一部分的膜12使得气体能够在电解电容器1的操作期间扩散到环境。由此减小内压。因此，可以使内压适应环境压力。
63.膜12包括硅材料。膜12可进一步包括epdm或另一种弹性塑料材料。膜12也可包括橡胶材料。特别地，膜12是薄的硅膜。与罩壳2的壁厚相比，膜12的厚度是薄的。因此，与其他
类型的排气口相比，膜需要较少的竖直空间和体积。因此，更多的内部体积可用于电容器元件3。膜12可以是气体可渗透的或半渗透的。膜12是圆形的。膜12的直径为大约3 mm。
64.安装环13在凹部14中布置到膜12上。由于凹部14定位在罩壳2的外侧处，因此膜12和安装环13两者都从外侧布置。
65.安装环13包括金属。特别地，安装环13包括铝。安装环13可以是冲压零件或冲击挤压型。安装环13具有适当的形状以容纳膜12。安装环13可在其表面上包括密封闸门16。密封闸门16可被形成为凸块。密封闸门16增加了膜12的变形且因此增加了膜12的紧密性。
66.安装环13的直径大于膜12的直径。安装环13的直径在3 mm和6 mm之间的范围内。优选地，安装环13的直径在3 mm和4 mm之间的范围内。安装环13的较大直径导致膜12的变形和紧密性增加。附加的密封闸门16也导致膜12的增加的变形和紧密性。
67.通过外部过程来固定安装环13，诸如铆接、切入、锻造或任何种类焊接过程。通过固定安装环13，膜12也被固定。因此，安装环13具有两个主要功能：压紧膜12和固定膜12。
68.在罩壳5的包括控制元件11的底部和电容器元件3之间保持距离17。该距离由内肋保持，从而在电容器元件3和膜12之间确保一定的空间以获得到膜12的自由的气体流动。距离17为约0.5 mm。在实施例中，距离17正好为0.5 mm。
69.此外，凹部14的内表面包括用以使膜12变形和压紧的密封闸门16。密封闸门16被形成为凸块。较高数量的密封闸门16导致膜12的变形和紧密性增加。
70.附加地，在电容器内出现不容许的过压的情况下，膜12充当不可逆的安全排气口。如果达到超过最大容许压力的临界压力，则膜12爆裂。
71.最大容许压力由膜的紧密性确定。膜越紧密，最大容许压力降低得越多。膜越松散，最大容许压力增加得越多。
72.在电容器1的罩壳2的底部5指向上的情况下，电容器1的安装取向是有益的。该取向对应于端子向下的安装取向。这种构造防止膜12被液体电解质覆盖。
73.当膜12位于电容器1的下侧时，液体电解质可由于重力而覆盖膜12，且因此阻碍气体的扩散。这可能导致累积性加压，直到膜12爆裂。这种现象降低了膜12的操作效率。当膜12定位在电容器1的上侧时，它与液体电解质保持隔离，使得维持逐渐扩散。
74.当膜12爆裂时，自下而上的取向有助于避免液体电解质泄漏到电容器1的外部。这进一步防止环境装置被液体电解质污染。
75.图2a示出了根据图1的电容器1的底部5上的视图。底部5是电容器1的罩壳2的一部分，并且由铝制成。在轴向居中位置中，凹部14在罩壳2的外侧处凹陷。膜12和安装环13布置在凹部14内侧。根据图1，膜12覆盖孔15。为进行保护，收缩套筒10包围电容器1。
76.安装环13被成形为容纳和压紧膜12。此外，安装环13固定膜12。安装环13可包括密封闸门16。安装环13部分地通过铆接来固定。因此，应用单个铆钉18。
77.在第二实施例中，在安装环13的整个周边上完成铆接，如图2b中所示。完全铆接允许对安装环13和膜12进行更牢固地固定。部分铆接节省了材料及因此成本。
78.在另一个实施例中，可通过另一个过程（诸如，切入、锻造或任何种类的焊接，优选地激光焊接）来固定安装环。
79.图3示出了电容器1的一部分的局部横截面图，该电容器包括罩壳2的底部5及其侧向侧6的一部分。在所示的第三实施例中，用于嵌入膜12和安装环13的凹部14是在罩壳2内
侧。凹部14被轴向居中定位。因此，来自电容器元件3中心的轴心居中空腔4的气体可以直接流到膜12。为进行保护，收缩套筒10在电容器1的侧向侧6处围绕该电容器1。
80.为了更好地识别，控制元件11在细节图中被放大。控制元件11轴向居中布置在罩壳2的底部5中。凹部14在罩壳2的内侧中凹陷。凹部14变窄到连接罩壳2的内侧和外侧的孔15。在凹部14中，布置了膜12。当膜12布置在凹部14中时，安装环13嵌入到凹部14中的膜12上。安装环13被适当地形成为容纳膜12。在组装过程期间，将压力施加到安装环13，该压力被传递到膜12。结果，膜12被变形以使系统紧密。通过使用较大的安装环13，可更牢固地压紧膜12。
81.凹部14内表面上的密封闸门16支持变形和密封过程。在将膜12和安装环13布置在凹部14中之后，通过外部过程（比如，切入、锻造或任何种类的焊接）来固定安装环13。通过固定安装环，膜也被固定。
82.在另一个实施例中，安装环13的表面包括密封闸门16。密封闸门16可被形成为凸块。
83.图4示出了电容器1的第三实施例的仰视图。从外部看，仅膜12透过底部5中的孔15可见。根据图3，膜12覆盖罩壳2内部的安装环13和凹部14。孔15是轴向居中的。为进行保护，收缩套筒10包围电容器1。
84.本发明的可能实施例不限于图1至图4中所示的实施例。包括不同类型的电容器元件的不同类型的电容器可以被构造有所公开的控制元件并且也在本文中公开。除了所公开的以卡入式样构造成用于电接触电容器的端子之外，还在本发明的其他实施例中实现了其他类型的端子。例如，端子可被构造为螺钉型端子。
85.附图标号列表1 电解电容器2 罩壳3 电容器元件4 电容器元件中的轴向居中的空腔5 底部6 侧向侧7 上侧8 端子8a 端子突片8b 端子铆钉9a 盖构件（纸质层叠件）9b 盖构件（弹性体）10 收缩套筒11 控制元件12 膜13 安装环14 罩壳2中的凹部15 罩壳2中的孔
16 密封闸门17 电容器元件3和控制元件11之间的内距离18 铆钉。