Электрический конденсатор

Полезная модель относится к области электротехники и электроники, в частности к устройствам, накапливающим электрические заряды, и может быть использована для создания конденсаторов с повышенной электроемкостью.
Известен высоковольтный импульсный конденсатор, содержащий металлические коаксиально расположенные цилиндрические наружную и внутреннюю полую обкладки с выводами и керамический диэлектрик, а также полость, заполненную фенольным полимером (патент РФ № 104768, опубл. 25.05.2011 по индексу МПК H01G7/06). Недостатком высоковольтного импульсного конденсатора является сравнительно быстрое снижение емкости, что обуславливает небольшой ресурс работы конденсатора.
В качестве прототипа выбран электрический конденсатор по патенту РФ № 128391, опубл. 25.05.2013 по индексу МПК H01G7/06. Электрический конденсатор, состоящий из корпуса, электрических выводов, электропроводящих пластин с помещенным между ними разделяющим веществом, по которому осуществляется перенос положительного и отрицательного носителей, в разделяющее вещество введено активное начало, расположенное на твердой подложке, два полых цилиндра - внешний и внутренний, расположенные коаксиально с зазором между ними и скрепленные крышками сверху и снизу, упомянутый зазор представляет собой полость, в верхней крышке установлены втулки для заполнения полости жертвенным веществом в виде порошка с заданной пароиспаряемостью и выхода газов нагретого жертвенного вещества, упомянутые электропроводящие пластины расположены во внутреннем цилиндре, в верхней и нижней крышках в области полости внутреннего цилиндра установлены втулки для прохождения воздуха через эту полость.
Электрический конденсатор по прототипу позволяет увеличить время заряда и разряда конденсатора. Недостатком прототипа является выброс в атмосферу токсичных газообразных продуктов испарения жертвенного вещества, в качестве которого используют полимеры на основе фенола и другие вредные вещества.
Задачей заявляемой полезной модели является исключение выброса в атмосферу токсичных газообразных продуктов, образующихся в результате испарения жертвенного вещества.
Поставленная задача решается в конструкции заявляемого электрического конденсатора, содержащего корпус, в котором расположены электрические выводы, электропроводящие пластины с помещённым между ними разделяющим веществом с введенным в него активным началом, расположенным на твёрдой подложке, внешний и внутренний цилиндры, выполненные полыми и расположенные коаксиально с зазором между ними и соединенные между собой верхней и нижней металлическими плитами, при этом зазор между внешним и внутренним полыми цилиндрами заполнен жертвенным веществом, например, в виде порошка с заданной пароиспаряемостью, во внутреннем полом цилиндре расположены сборная плата и блок физических источников тока с проводниками, нижнюю втулку, проходящую через нижнюю металлическую плиту и нижнюю неметаллическую плиту, а в верхних неметаллической и металлической плитах внутреннего цилиндра соосно установлены верхние втулки, в отличие от прототипа, дополнительно содержит диэлектрическую шайбу, под которой установлена верхняя неметаллическая плита, расположенная в свою очередь на верхней металлической плите, заглушку, установленную в сквозном отверстии в стенках корпуса и внешнего цилиндра, обратный клапан, герметично соединенный с дросселем посредством патрубка и расположенный в сквозном отверстии в стенках корпуса и внешнего цилиндра выше заглушки на уровне сборной платы с проводниками физических источников тока, при этом обратный клапан последовательно соединен со змеевиком и со сборником продуктов испарения жертвенного вещества, змеевик зафиксирован с корпусом конденсатора и с корпусом сборника продуктов испарения с помощью стяжек и штифтов, жестко соединяющих корпус сборника с нижней неметаллической плитой, при этом нижняя втулка герметично входит в корпус сборника продуктов испарения жертвенного вещества.
Конструкция заявляемого электрического конденсатора поясняется чертежами:
- на Фиг. 1 представлено схематическое изображение электрического конденсатора, где 1 - корпус конденсатора, 2 - внешний металлический полый цилиндр, 3 - внутренний металлический полый цилиндр, 4 - упругий элемент, 5 – блок электропроводящих физических источников тока (ФИТ), 6 – диэлектрическая шайба, 7 – проводники ФИТ положительного электрического коаксиального вывода 8, 9 – проводники ФИТ отрицательного электрического коаксиального вывода 11, 10 - сборная плата с проводниками ФИТов, 12 – верхние втулки, 13 – верхняя неметаллическая плита, 14 – верхняя металлическая плита, 15 – обратный клапан, 16 – патрубок с дросселем, 17 - заглушка, 18 – змеевик, 19 - жертвенное вещество, 20 – стяжка, 21 – штифт, 22 – нижняя втулка, 23 - нижняя металлическая плита, 24 – нижняя неметаллическая плита, 25 – сборник продуктов испарения жертвенного вещества 19;
- на Фиг. 2 – представлен вид сверху электрического конденсатора.
Электрический конденсатор содержит корпус 1, в котором коаксиально расположены внешний 2 и внутренний 3 цилиндры, выполненные полыми и вставленые друг в друга с зазором между ними, соединенные между собой верхней 14 и нижней 23 металлическими плитами. Внутренние стенки цилиндра 3 облицованы упругим элементом 4, выполненным, например, в виде вогнутых пластин из пружинистого материала (например, стали 65Г). Во внутреннем цилиндре 3 расположен блок 5 электропроводящих ФИТ, содержащий электропроводящие пластины с помещённым между ними разделяющим веществом с введенным в него активным началом, расположенным на твёрдой подложке. Упругий элемент 4 позволяет поддерживать постоянную форму корпуса блока 5 при изменениях температуры конденсатора (нагрев – охлаждение) во время эксплуатации. Блок 5 электропроводящих ФИТ может быть выполнен с отверстиями в корпусе, через которые может поступать воздух, который будет охлаждать стенки блока 5. Блок 5 электропроводящих ФИТ соединен со сборной платой с проводниками ФИТов 10 посредством проводников ФИТ 9 отрицательного электрического коаксиального вывода 11 и проводников ФИТ 7 положительного электрического коаксиального вывода 8. Электрические положительный 8 и отрицательный 11 коаксиальные выводы расположены в корпусе 1. Верхняя неметаллическая плита 13 установлена под диэлектрической шайбой 6 и над верхней металлической плитой 14. В верхних неметаллической 13 и металлической 14 плитах внутреннего цилиндра 3 соосно установлены верхние втулки 12.
Зазор между внешним 2 и внутренним 3 полыми цилиндрами заполнен жертвенным веществом 19, например, в виде порошка с заданной пароиспаряемостью. В качестве жертвенного вещества могут быть использованы полимеры на основе фенола.
В сквозном отверстии в стенках корпуса 1 и внешнего цилиндра 2 установлена заглушка 17, а ниже заглушки 17 в сквозном отверстии в стенках корпуса 1 и внешнего цилиндра 2 на уровне сборной платы 10 с проводниками физических источников тока расположен обратный клапан 15, герметично соединенный посредством патрубка с дросселем 16, при этом обратный клапан 15 последовательно соединен со змеевиком 18 и со сборником 25 продуктов испарения жертвенного вещества 19. Змеевик 18 зафиксирован с корпусом 1 конденсатора и с корпусом сборника 25 продуктов испарения жертвенного вещества 19 с помощью стяжек 20 и штифтов 21.  Для более жесткой фиксации целесообразно устанавливать два или более штифтов. Штифты 21 жестко соединяют корпус сборника 25 с нижней неметаллической плитой 24. Нижняя втулка 22 герметично входит в корпус сборника 25 продуктов испарения жертвенного вещества 19 и проходит через нижнюю металлическую плиту 23 и нижнюю неметаллическую плиту 24.
Загрузку жертвенного вещества 19 производят при удалении заглушки 17.
За счет конвекционного потока, исходящего через нижнюю втулку 22 и выходящего из верхних втулок 12, происходит охлаждение корпуса блока 5 электропроводящих физических источников тока, стенок внутреннего цилиндра 3, сборной платы 10 с проводниками физических источников тока.
В заявляемой конструкции электрического конденсатора устойчивость емкостной характеристики обеспечивается испарением жертвенного вещества 19, находящегося в герметичной полости, образованной внешним 2 и внутренним 3 цилиндрами и скрепленными верхней металлической плитой 14 и нижней металлической плитой 23. Нагрев жертвенного вещества 19 происходит за счет диэлектрических потерь при работе конденсатора.
Жертвенное вещество 19 нагревается до температуры его испарения, при испарении которого увеличивается давление в герметичной полости между внешним 2 и внутренним 3 цилиндрами. Затем газообразные продукты испарения жертвенного вещества 19 поступают с определенным расходом в обратный клапан 15 через патрубок с дросселем 16.
Количество поступления газообразных продуктов испарения жертвенного вещества 19 определяется пропускным сечением дросселя 16.
Из обратного клапана 15 газообразные продукты жертвенного вещества 19 по змеевику 18 поступают в герметичную полость корпуса сборника 25, в которую, в том числе, поступают твердые отходы, не разложившиеся при пиролизе жертвенного вещества 19.
В течение процесса испарения жертвенного вещества 19 электрическая емкость конденсатора во времени будет контролируема и электрическое напряжение на выводах 8 и 11 будет стабильным. Ресурс работы конденсатора зависит от исходного объёма жертвенного вещества 19.
Внешний 2 и внутренний 3 полые цилиндры, верхнюю металлическую плиту 14, нижнюю металлическую плиту 23 целесообразнее выполнять из высокотемпературостойких материалов, т.к. блок 5 электропроводящих ФИТ может нагреваться до температуры порядка 800°С.
Электрическая ёмкость конденсатора зависит от скорости удаления газообразных продуктов испарения жертвенного вещества 19. Жертвенное вещество 19 должно иметь температуру пароиспаряемости ниже, чем температура разложения материалов, из которых изготовлены элементы конденсатора.
В качестве жертвенного вещества 19 может быть использован фенольный полимер, который вводят в зазор между внешним 2 и внутренним 3 цилиндрами до уровня заглушки 17. Жертвенное вещество должно обладать высокой абляционной способностью. Жертвенное вещество 19 в виде фенольного полимера широко применяется в космической промышленности.
0
Материалы для электрической изоляции проводников 7, 9 и электрических выводов 8 и 11 должны соответствовать классу нагревостойкости F (рабочая температура не более 155С). Кроме этого, электрические выводы 8 и 11 должны иметь термокомпенсаторы (на фиг. не показаны), температурный коэффициент линейного расширения которых близок к соответствующим температурным коэффициентам линейного расширения диэлектрических материалов электрической изоляции. Корпус конденсатора 1 и сборная плата 10 с проводниками физических источников тока могут быть изготовлены из термостойкого композиционного материала, например, из стекловолокнита.
После полного заполнения сборника 25 конденсатор утилизируют в соответствии с нормами и правилами утилизации отходов, содержащих вредные вещества, благодаря чему заявляемый электрический конденсатор является экологически безопасным, в отличие от прототипа. Контроль степени заполнения сборника 25 может быть осуществлен, например, с помощью установки датчика давления с индикатором.
Заявляемый конденсатор может найти широкое применение не только для устройств импульсного действия, но и в различных устройствах электротехнической и автомобильной промышленности, например, в устройствах ДВС мощных карьерных автомобилей, работающих в суровых условиях Крайнего Севера и другой технике, компьютерах и т.д.