СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ БОЛЬШОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ
METHOD FOR MANUFACTURING OF CONDENSERS WITH BIG CAPACITANCE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в рекуператорах энергии как движущихся, так и стационарных средств, а также в устройствах компенсации индуктивности нагрузки высоковольтных потребителей (фазовых компенсаторах).
Известны электрические конденсаторы разных типов [1], предназначенные для использования с разными целями. Традиционно конденсаторы выполняются в виде двух электродов, выполненных в виде пластин из металла (фольги) с размещенным между ними изолятором (диэлектриком).
Прототипом предлагаемого устройства является керамический конденсатор, например, дисковый проходной конденсатор [2]. Этот конденсатор имеет систему из параллельных электродов-пластин, соединенных друг с другом через одну пластину. Между пластинами и вне их расположена керамика с высокой диэлектрической проницаемостью, например, получаемая путем спекания глины с примесью сегнетоэлектриков (титаната бария или титаната свинца). Основными недостатками керамических конденсаторов является их низкая энергоемкость и высокая стоимость. Низкая энергоемкость связана с их конструкцией, высокая стоимость обусловлена значительной долей ручного труда при их производстве и необходимостью длительного нагрева при преобразовании глины в керамику.
По сравнению с керамическими конденсаторами гораздо более высокой энергоемкостью обладают электролитические конденсаторы, например батарея конденсаторов с двойным электрическим слоем [3]. Основным недостатком электролитических конденсаторов является их относительно низкая энергоемкость, приходящаяся на единицу веса или объема.
Частично компенсируют этот недостаток ионисторы, например, выполненные по описанию к заявке [4]. По заявке RU 95103368 [4] предлагается использовать в качестве электродов углеродные нити, покрытые металлом для снижения их омического сопротивления. Все ионисторы имеют низкое напряжение и соответственно при накоплении в них значительной энергии их электроды должны быть рассчитаны на большие токи. Выполнить электроды ионисторов одновременно обладающими и высокой площадью проводящей поверхности и низким внутренним сопротивлением технически невозможно. Так, если мы выполним электроды ионистора из порошка активированного углерода, то мы получим ионистор емкостью порядка нескольких фарад, приходящихся на один литр объема, с допустимым напряжением порядка 1,1 вольта при использовании электролита на основе воды. Такой ионистор не пригоден для рекуперации энергии, так как угольный электрод имеет очень высокое внутреннее сопротивление, обусловленное плохим контактом зерен угольного порошка между собой. Это приводит к разогреву электрода при попытках извлечения или вкачивания значительной энергии в угольный ионистор. Именно по этой причине авторы заявки RU 95103368 [4] вынуждены прибегать к использованию углеродных нитей и покрывать их металлом. Следует подчеркнуть, что попытки снизить внутреннее сопротивление проводящего электрода ионистора всегда приводят к снижению его емкости. Например, замена угольного электрода на вспененный металл дает резкое снижение внутреннего сопротивления, но одновременно с этим значительно снижается емкость ионистора, приходящаяся на единицу веса или единицу объема конденсатора.
Технической целью предлагаемого изобретения является увеличение запасаемой энергии в конденсаторе при одновременном снижении его стоимости и массогабаритных показателей.
Поставленная техническая цель достигается тем, что при изготовлении конденсатора по п.1 формулы изобретения используют обычную конструкцию из двух или более параллельно расположенных металлических электродов, однако между ними размещают тщательно перемешанную смесь порошка проводящего материала и смесь порошка изолятора (диэлектрика). При этом порошка изолятора берут большую объемную долю в сравнении с порошком проводником. Взаимную фиксацию зерен порошка изолятора и порошка проводника относительно друг друга осуществляют любым известным способом (прессованием, спеканием, склеиванием).
Основным достоинством конденсаторов, выполненных по п.1. формулы изобретения, является то, что они одновременно обладают электрической емкостью, сопоставимой с электролитическими конденсаторами, и в то же время не содержат электролита. Кроме того, большая рабочая поверхность проводящего материала получающегося конденсатора создается без привлечения ручного труда (исключены операции получения фольги и ее намотки), что снижает стоимость конденсаторов нового типа.
Основным недостатком способа по п.1 формулы изобретения является то, что энергоемкость полученных по нему конденсаторов сопоставима с энергоемкостью обычных электролитических конденсаторов из-за невозможности осуществить равномерное перемешивание порошков разных веществ.
Для ликвидации этого недостатка и получения емкости конденсатора, сопоставимой с емкостью ионисторов, но с огромной энергией (из-за высокого напряжения между обкладками) по п.2 формулы изобретения предложено порошок изолятора (например, глины или титаната бария) и порошок проводящего материала (например, алюминиевую пудру) размещать в жидкости (например, в воде). Далее предложено одновременно размельчать и перемешивать порошки до коллоида путем кавитационной обработки жидкости.
Кавитационная обработка жидкости со смесью порошков может быть осуществлена на кавитационной мельнице любого типа: механической кавитационной мельнице, ультразвуковой кавитационной мельнице или мельнице с формированием кавитационных пузырьков электролизом воды [5] и их последующей детонацией.
Кавитационную обработку жидкости осуществляют до того момента, пока порошки материалов не будут хорошо перемешаны и хорошо размолоты до коллоидного состояния. Частицы веществ перестают слипаться и всегда остаются во взвешенном состоянии, жидкость даже может стать прозрачной, так как размеры коллоидных частиц могут стать меньше длинны волны света. Далее полученный коллоид смеси веществ размещают над металлическими электродами и удаляют жидкость (в случае использования воды, осуществляют высушивание или выпаривание воды). При этом коллоид смеси проводящего и непроводящего электрический ток материалов оседает на поверхности электродов конденсатора, образуя слой изолятора с включениями в него мелких фрагментов проводящего материала.
Новые свойства конденсатора, изготовленного по предложенному способу, обусловлены тем, что в промежутке между электродами всегда образуется слой изолятора. Изолятор образуется в силу того, что объемная доля порошка диэлектрика всегда берется больше объемной доли порошка проводящего материала, а кавитационное измельчение двух разных материалов в одной жидкой среде фактически приводит к идеальному перемешиванию разнородных материалов (так кавитационная обработка приводит к смешиванию обычно не смешивающихся жидкостей: воды и масла). То есть именно при кавитационной обработке двух разнородных материалов удается не только измельчить их, но и перемешать их, противодействуя природному сродству частиц одного материала и их самокоагуляции.
Достижение новых свойств конденсатора, изготовленного по предложенным способам п.1 и п.2 формулы изобретения, обусловлено тем, что в новом типе кондесатора промежуточные электроды (в виде частиц проводящего материала) имеют огромную поверхность. Кроме того, огромная поверхность проводящих частиц оказывается хорошо изолирована частицами диэлектрика с высокой относительной диэлектрической проницаемостью (например, титанат бария). То есть предложенный конденсатор с объемным распределением промежуточных электродов-частиц будет иметь емкость в несколько фарад при допустимом напряжении заряда между обкладками в десятки и сотни вольт, что во много раз выше, чем у ионисторов.
Следует подчеркнуть, что в предложенных конденсаторах с объемным распределением вещества проводящих внутренних электродов нет проблем с низким сопротивлением электродов. Во первых, резко снижаются токи во внешних сплошных электродах из-за повышения напряжения, во вторых внутренние распределенные объемные электроды вообще не нуждаются в низком поперечном сопротивлении (поперек электрического поля). В новой конструкции конденсатора необходимо только низкое продольное сопротивление (вдоль электрического поля), а оно у проводящих частиц есть. Внутреннее сопротивление электродов обычных ионисторов должно быть инвариантно к направлению поля и они обязательно должны иметь массу металла много выше, чем масса электролита. В новой предложенной конструкции масса металла может быть на много меньше, чем масса диэлектрика. Как правило, металлы (проводники) дороже диэлектриков (изоляторов), снижение веса порошка титана (алюминия) в конденсаторе за счет пропорционально увеличения изолятора (например, обычной глины) приводит к снижению стоимости конденсаторов. Кроме того, исключение ручного труда при изготовлении лент фольги и лент изолятора резко снижает стоимость конденсаторов нового типа.
На фиг.1 изображен пример конденсатора, выполненный из нескольких электродов, причем каждый из электродов имеет слой диэлектрика с объемным размещением в нем микрочастиц промежуточных электродов.
Рассмотрим подробнее пример реализации способа по п.1 формулы изобретения. Будем исходить их того, что необходимо создать конденсатор объемом 1 кубический дециметр (такие размеры вполне приемлемы для рекуператоров энергии). В качестве проводящих электродов используем алюминиевую фольгу на нижнем и верхнем слое конденсатора с внутренним объемным распределением проводящих частиц. Для удешевления конденсатора используем глину в качестве диэлектрика 60% от объема (0.6 кубических дециметра) и 40% графитового порошка (0.4 кубических дециметра) с зерном графита диаметром 0.01 мм (100 микрон).
После перемешивания (0.4 объема порошка графита) и (0.6 объема порошка помолотой глины) и размещения их между верхней и нижней обкладкой конденсатора объемом 100×100×100 мм мы получим конденсатор с емкостью 4000 последовательно соединенных элементарных конденсаторов с толщиной проводящего слоя 0.01 мм и толщиной изолятора в 0.015 мм. Каждый из таких 4000 элементарных последовательных конденсаторов будет иметь толщину 0.025 мм, будет иметь свое напряжение пробоя и свою емкость, зависящую от свойств диэлектрической прокладки. Если предположить, что диэлектрик прокладки имеет свойства воздуха, глины (фарфора) или титаната бария, то мы получим характеристики, приведенные в таблице 1.
Таблица 1
Параметры конденсатора, выполненного по п.1 формулы изобретения при разных типах использованного диэлектрика
Материал изолятора и его относительная диэлектрическая проницаемость
Напряжение пробоя слоя толщиной d=0.015 мм
Емкость 1-го слоя <img file="00000001.tif" he="10" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
Энергия 1-го слояW=CU<sup>2</sup>/2 для 1/2 U пробоя в Джоулях
Полная энергия конденсатора объемом 1 дм<sup>3 </sup>(один литр, имеющего 4000 слоев) в Джоулях
Воздух: ε=1.0
30 Вольт
6 нФ
6,7×10<sup>-4</sup>
2,7
Глина: ε=4.5
300 Вольт
27 нФ
0.3
1216,0
Титанат бария: ε=5000.0
100 Вольт
30 мкФ
37.5
150000,0
Из таблицы 1 видно, что конденсаторы из глины и графита объемом один литр должны запасать значительную энергию (1,2 килоДжоуля). Столь высокой энергии вполне достаточно для целей рекуперации энергии средства передвижения (гибридного автомобиля). Если же перейти к диэлектрикам с более высокой относительной диэлектрической проницаемостью (например, использовать титанат бария), то энергетические характеристики оказываются еще выше.
К сожалению, столь высокие энергетические характеристики являются не более чем теоретически возможный потенциал этого типа конденсаторов. При попытках реализации способа по п.1 формулы изобретения возникает проблема с перемешиванием неоднородных веществ. Порошок графита и глины разнородны и плохо смешиваются. Чем меньше размеры частиц этих порошков, тем хуже они смешиваются. При обычном перемешивании спонтанно возникают кластеры (сгустки) графита в глине. Смешивание этих порошков в воде не помогает, смесь остается существенно неоднородной. По этой причине энергетические характеристики конденсаторов с взвешенными объемными проводящими микроэлектродами оказываются от 10 до 100 раз хуже, чем это указано в таблице 1.
Для того чтобы исключить негативный эффект образования кластеров однородных материалов по п.2 формулы изобретения, предложено размещать порошки в жидкой среде (например, в воде). Предложено одновременно дробить порошки друг об друга и одновременно перемешивать их в кавитационном измельчителе. Высокоэнергетические процессы кавитационного измельчения позволяют одновременно и дробить вещества в воде до коллоидов и при этом вбивать их друг в друга при плохом смешивании веществ. То есть обрабатывая в устройстве по патенту RU 2397015 [5] графит и глину кавитационными процессами, удается получить коллоид хорошей смести этих двух веществ.
Коллоид глины и графита в воде становится прозрачным из-за того, что размеры частиц глины и частиц графита становятся меньше длинны волны видимого света. Далее будем исходить из того, что удалось получить водный коллоид хорошо перемешанных частиц графита и глины размерами 250 нм или 0.000250 мм. Последнее эквивалентно тому, что толщина элементарного плоского конденсатора снижается в 60 раз по сравнению с конденсатором, для которого построена таблица 1. Тогда в одном и том же объеме удается разместить в 60 раз больше последовательных эквивалентных конденсаторов, емкость каждого из них возрастает, но снижается в 60 раз напряжение пробоя. Пересчет данных таблицы 1 под новые условия приведен таблице 2.
Таблица 2
Параметры конденсатора, выполненного по п.2 формулы изобретения при разных типах использованного диэлектрика
Материал изолятора и его относительная диэлектрическая проницаемость
Напряжение пробоя слоя толщиной d=0.00025 мм
Емкость 1-го слоя <img file="00000002.tif" he="10" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
Энергия 1-го слояW=CU<sup>2</sup>/2 для 1/2 U пробоя в Джоулях
Полная энергия конденсатора объемом 1 дм<sup>3</sup> (один литр, имеющего 4000×60 слоев) в Джоулях
Воздух: ε=1.0
0,5 Вольт
360 нФ
1,2×10<sup>-5</sup>
2,7
Глина: ε=4.5
5 Вольт
1,6 мкФ
5×10<sup>-5</sup>
1216,0
Титанат бария: ε=5000.0
1,7 Вольт
1,8 Ф
0,625
150000,0
Из сравнения таблицы 1 и таблицы 2 видно, что при достаточно малых размерах частиц сами их размеры особой роли не играют. Не так важно их размалывать до малых размеров, как равномерно перемешивать их между собой и создавать коллоиды их смеси.
В соответствии с п.2 формулы изобретения производят одновременное и перемалывание веществ и их смешивание до коллоидов. При этом размеры взвешенных частиц веществ в воде оказываются неизвестными. При изготовлении конденсатора по п.2 формулы следует определить размеры частиц коллоида, для этой цели используют пробное высаживание слоя диэлектрика со взвесью веществ на электрод. В соответствии с формулой изобретения коллоид смеси веществ размещают над электродом и удаляют из него жидкость (сушка, выпаривание).
Далее осуществляют измерение получившейся емкости путем подведения другого электрода через проводящую пасту. Кроме того, осуществляют измерение допустимого напряжения путем пробоя полученного конденсатора. Толщина слоя высаженного диэлектрика и его процентный состав определяют емкость элементарного конденсатора и его напряжение пробоя. Необходимая толщина слоя диэлектрика на электроде или необходимый объем коллоида над электродом подбирается экспериментально.
После этого осуществляют изготовление конденсатора заданной емкости путем параллельно-последовательного соединения элементарных конденсаторов. Пример последовательного объединения элементарных конденсаторов показан на фиг.1.
Положительным техническим эффектом способа по п.2 формулы изобретения является равномерное смешивание проводящего вещества и одновременное их дробление. Уменьшение размеров хорошо перемешанных веществ не сказывается на энергетических характеристиках конденсатора, однако оно выгодно, так как при малых размерах частиц вещества происходит их естественная диффузионная сварка (срастание) после удаления жидкости. В случае необходимости спекания вещества композиционного диэлектрика требуются меньшие энергозатраты на получение керамики с микровкраплениями проводящих веществ. Чем меньше размеры частиц в коллоиде, тем меньше затрат энергии потребуется далее на спекание композиционного материала до керамики. Маленькие частицы равномерной смеси плотнее прилегают друг к другу в сравнении с большими частицами и диффузионное срастание малых плотно прижатых частиц идет быстрее даже при меньших температурах.
Источники информации
1. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. Под редакцией Дудина В.Н., Жука М.С. М.: Энергия, 1977 г. (раздел 4-3, с.279, рис.4.24).
2. Описание к патенту RU 2398302, «Дисковый проходной керамический конденсатор», авторы: Смирнов В.Ф., Шалаева А.А., Красильщиков М.Я., опубликовано 27.08.2010. Бюл. №24, приоритет от 19.06.2009 г.
3. Описание к патенту RU 2345435, «Батарея конденсаторов с двойным электрическим слоем и способ ее изготовления», авторы: Крепак О.В., Дашко О.Г., Смирнов В.А., опубл. 27.01.2009. Бюл. №3, приоритет от 01.11.2007 г.
4. Описание заявки RU 95103368, «Конденсатор большой мощности на двойном электрическом слое», авторы: Товстюк Н.К (UA), Чернилевский И.К. (UA) и др., опубликовано 27.07.1996 г., заявлено 09.03.1995 г.
5. Описание к патенту RU 2397015, «Устройство для кавитационного измельчения, активации, дезинфекции вещества», авторы: Иванов А.И., Недорезов В.Г., заявка №2009110945, приоритет от 25 марта 2009 г.