Verfahren zum Herstellen eines Kondensators, Kondensator und Verwendung davon

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kondensator sowie die Verwendung eines solchen Kondensators zur Herstellung eines Stromkabels, eines Koaxialkabels und/oder einer resonanten Heizleitung.

Für leistungselektronische Anwendungen werden zunehmend passive Bauelemente benötigt, die bei hohen Spannungen, Strömen und Temperaturen, beispielsweise bei 10 kV, 100 A und 500 °C, betrieben werden können. Insbesondere besteht Bedarf an kapazitiven Bauelementen, die eine Ladungskapazität bis in den μΕ-Bereich aufweisen und unter derartigen extremen Betriebsbedingungen verwendet werden können. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators zu schaffen, der möglichst einfach an einen Betrieb bei hohen Spannungen, Strömen und Temperaturen anpassbar ist und eine einfach einstellbare Ladungskapazität besitzt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen entsprechenden Kondensator zu schaffen, der möglichst einfach an extreme Betriebsbedingungen anpassbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verwendung eines solchen Kondensators anzugeben. Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, durch einen Kondensator gemäß Patentanspruch 9 sowie durch die Verwendung gemäß Patentanspruch 11 eines Kondensators gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jewei- ligen Unteransprüchen angegeben.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators, bei welchem zumindest die Schritte a) Bereitstellen eines Grundkörpers, b) Herstellen eines SchichtSystems auf dem Grundkörper, wobei das Schicht- System wenigstens zwei elektrisch leitfähige Schichten um- fasst, die jeweils durch wenigstens eine dielektrische

Schicht galvanisch voneinander getrennt werden, wobei die wenigstens eine dielektrische Schicht wenigstens eine thermisch gespritzte Schicht aus Keramik aufweist, und c) Sintern des Schichtsystems durchgeführt werden. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Kondensator hergestellt wird, indem zwei oder mehr elektrisch leitfähige Schichten erzeugt werden, die beim fertigen Kondensator als Elektroden fungieren. Zwischen jeweils zwei elektrisch leitfähigen Schichten werden eine oder mehrere isolierende Schichten angeordnet, welche als Dielektrikum fungieren und die elektrisch leitfähigen Schichten voneinander isolieren. Die dielektrischen Schichten sind gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest teilweise durch thermisches Spritzen appliziert.

Anschließend wird der Träger abgezogen oder - beispielsweise durch Ausbrennen- entfernt, wodurch das noch ungesinterte Schichtsystem erhalten wird. Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen beschränkt, es kann sowohl eine elektrisch leitfähige Schicht als erste Schicht des Schichtsystems auf den Grundkörper aufgebracht sein wie eine dielektrische. Ebenso kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass eine dielektrische oder eine elektrisch leitfähige Schicht als letzte Schicht, das heißt als Deckschicht des Schichtsystems hergestellt wird. Die Gesamtzahl der Schichten des Schichtsystems kann dabei nach Bedarf gewählt werden. Beispielsweise kann das Schichtsystem 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 oder mehr Schichten umfassen, wobei jede elekt- risch leitfähige und/oder dielektrische Schicht grundsätzlich ihrerseits aus mehreren Schichten desselben Materials oder abweichender Materialien aufgebaut sein kann. Nach der Herstellung des Schichtsystems wird dieses gesintert, wodurch der hochtemperaturstabile Kondensator erhalten wird. Die Sintertemperatur hängt dabei von den verwendeten Materialien ab und liegt beispielsweise zwischen 800 °C und 1800°C.

Die Kapazität des erfindungsgemäß hergestellten Kondensators kann durch Variierung des Schichtsystems besonders einfach an seinen jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden und wird im Wesentlichen durch die Anzahl und Gesamtfläche der elektrisch leitfähigen Schichten, durch die Anzahl und Dicke der dielektrischen Schichten und durch die Permittivität der dielektrischen Schicht (en) nach dem Sintern bestimmt. Die Dicke der dielektrischen Schicht (en) bestimmt zudem die elektrische Durchbruchspannung des Kondensators und stellt damit einen Parameter dar, mit dessen Hilfe die Balance zwischen Kapazität und Spannungsfestigkeit des Kondensators einstellbar ist. Durch die geeignete Auswahl der verwendeten Materialen und geometrischen Abmessungen ist eine hohe Variabilität bezüglich der Kapazität und Durchbruchspannung des Kondensators ermöglicht. Somit können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens grundsätzlich Kondensatoren mit hohen Ladungskapazitäten bis in den μΡ-Bereich hergestellt werden, die eine hohe Temperaturbeständigkeit und Spannungsfestigkeit aufweisen und sich somit auch für extreme Betriebsbedingungen eignen. Darü- ber hinaus kann die Geometrie des Kondensators besonders einfach über die Geometrie des Grundkörpers eingestellt werden, wodurch sich der Kondensator besonders einfach an unterschiedliche Einsatzzwecke anpassen und einfach in verschiedenste Bauteile integrieren lässt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine dielektrische Schicht aus mindestens zwei Lagen thermisch gespritzten Materials hergestellt wird und/oder dass die wenigstens eine Lage thermisch gespritzten Materials zum Herstellen zumindest einer dielektrischen Schicht wenigstens einmal den Grundkörper ummantelt. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, um die Kapazität des Kondensators über die Dicke des Dielektrikums, das heißt die Dicke der thermisch gespritzten Schicht, nämlich durch die Zahl der Lagen gezielt einzustellen. Die Dicke des Dielektrikums bestimmt zudem die elektrische Durchbruchspannung des Kondensators. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine, mehrere oder alle dielektrischen Schichten jeweils aus 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 oder mehr Lagen eines thermisch gespritzten Materials bestehen.

Das thermische Spritzen ist eine an sich bekannte Methode zur Aufbringung von keramischem, metalloxidischen und/oder carbidischen Material und umfasst eine Vielzahl von Techniken, wie beispielsweise das Atmosphärische Plasmaspritzen, das Schutzgasplasmaspritzen, das Plasmaspritzen in Kammern, das Induktionsplasmaspritzen, das Flüssigkeitsstabilisierte Plasmaspritzen, das Vakuumplasmaspritzen und das Plasmaspritzen bei Druck über 1 bar. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten Arten des thermischen Spritzens beschränkt, sondern umfasst noch weitere, hier nicht näher ausgeführte Arten des thermischen Spritzens.

Zum Herstellen der elektrisch leitfähigen Schichten können Metallpulver, beispielsweise Nickel-, Silber- oder sonstige leitfähige Pulver ebenfalls über ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht werden. Daneben eignet sich auch die Ver- wendung einer organischen Paste, welche Metallpartikel enthält. Dies stellt eine besonders einfache, schnelle und flexible Möglichkeit zum Herstellen der elektrisch leitfähigen Schichten dar. Der organische Binderanteil kann beim Sintern des Schichtsystems ausgebrannt werden, wodurch die Metallpar- tikel einen leitfähigen Sinterverbund für die Elektroden bilden. Als Metallpartikel können grundsätzlich Elemente wie beispielsweise Silber und/oder Metalllegierungen verwendet werden . In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrisch leitfähigen Schichten durch Eintauchen, Aufrakeln, Aufdrucken und/oder mithilfe ei- nes Tauchverfahrens und/oder eines Sprühverfahrens hergestellt werden. Auch dies ermöglicht es, die elektrisch leitfähigen Schichten besonders schnell, einfach und flexibel herzustellen. Die Ausbildung der elektrisch leitfähigen

Schicht durch Metallisieren mit thermischen Spritzmethoden wie oben genannt, beispielsweise durch atmosphärisches Plasmaspritzen mit Metallpulvern wie mit Nickel- und/oder Silberpulver ist natürlich auch vorgesehen. Insbesondere bevorzugt kommen hier auch die so genannten APS-Verfahren (Atmospheric Plasma Spraying) und HVOF-Verfahren (High Velocity Oxide Fuel) zum Einsatz.

Indem der Grundkörper vor dem Sintern des Schichtsystems vom Schichtsystem entfernt wird, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung möglich, eine Ausnehmung bzw. einen Hohlraum im Kondensator herzustellen. Dies ermöglicht eine besonders einfach Integration des Kondensators in entsprechend geformte Bauteile. Darüber hinaus kann hierdurch auf die Verwendung hochtemperaturfester bzw. sinterbarer Grundkörper verzichtet und der Grundkörper für einen erneuten Verfahrensdurchlauf wieder verwendet werden.

Wenn ein zylindrischer Grundkörper verwendet wird, können die dielektrischen Schichten besonders einfach durch Besprühen erzeugt werden. Der fertige Kondensator ist dann als Zylin- derkondensator ausgebildet, welcher während des Betriebs den Vorteil bietet, dass außerhalb des Kondensators zumindest weitgehend kein von ihm verursachtes elektrisches Feld existiert. Alternativ oder zusätzlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn ein Grundkörper verwendet wird, welcher eine Oberfläche mit einem Haftreibungskoeffizienten μ<0,70, insbesondere eine Oberfläche aus Aluminium besitzt. Eine derartige Oberflächengestaltung ermöglicht ein besonders einfaches Entfernen des Grundkörpers vor dem Sintern des Schichtsystems, so dass beispielsweise ein zylindrischer Grundkörper axial aus einem entsprechend zylindrischen Schichtsystem herausgezogen werden kann. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass der Grundkörper vollständig aus einem möglichst glatten Material wie beispielsweise Aluminium besteht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrisch leitfähigen Schichten derart hergestellt werden, dass sie den Grundkörper alternie- rend auf einander gegenüber liegenden Seiten des Grundkörpers berühren. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die elektrisch leitfähigen Schichten so ausgeführt werden, dass eine erste elektrisch leitfähige Schicht auf der einen Seite des Schichtsystems bis zum Grundkörper hinunterreicht, aber auf der gegenüberliegenden Seite des Schichtsystems Abstand zur Oberfläche des Grundkörpers bzw. zum Rand der dielektrischen Schicht hält. Die auf die erste elektrisch leitfähige Schicht folgende zweite elektrisch leitfähige Schicht wird umgekehrt ausgebildet, so dass die Metallisierung auf der ei- nen Seite des Schichtsystems Abstand zum Rand der darunter liegenden dielektrischen Schicht hält und auf der anderen Seite des Schichtsystems bis zum Grundkörper hinunterreicht.

Entsprechendes gilt für alle folgenden elektrisch leitfähigen Schichten. Auf diese Weise entsteht ein mehrlagiger Kondensator, bei dem die elektrischen Kontaktflächen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Schichtsystems liegen. Darüber hinaus bildet sich hierdurch am Grundkörper eine vergleichsweise dicke elektrisch leitfähige Schicht aus, welche sich hinsichtlich der Strombelastbarkeit des Kondensators vorteilhaft auswirkt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schichtsystem ausgehend vom Grund- körper radial nach außen verjüngend ausgebildet wird. Dies kann beispielsweise durch Variierung der Breite der dielektrischen Schicht erreicht werden, um eine unterbrechungsfreie seitliche Metallisierung des Schichtsystems sicherzustellen. Weitere Vorteile ergeben sich, indem der Kondensator nach dem Sintern in ein Stromkabel und/oder in ein Koaxialkabel und/oder in eine resonante Heizleitung integriert wird. Hier- durch können die spezifischen Vorteile des Kondensators für unterschiedliche Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Beständigkeit des Kondensators gegenüber hohen Spannungen, Strömen und Temperaturen realisiert werden. Wenn der Kondensator als Zylinderkondensator ausgebildet ist, kann er beson- ders Platz sparend in Koaxialkabel und/oder resonante Heizleitungen aus alternierenden induktiven und kapazitiven Segmenten (z. B. für die Ölgewinnung) integriert werden.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Kondensator, insbesondere Zylinderkondensator, umfassend ein Schichtsystem, welches wenigstens zwei elektrisch leitfähige Schichten aufweist, die jeweils durch wenigstens eine dielektrische Schicht aus wenigstens einer gesinterten thermisch aufgespritzten keramischen Schicht galvanisch voneinander getrennt sind. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind. Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Kondensator durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele erhältlich und/oder erhalten ist.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Kondensator im Quer- schnitt zumindest im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist und/oder eine zylindrische Aussparung entlang einer Bauteil - achse aufweist. Hierdurch kann der Kondensator besonders einfach in zylindrische Bauteile wie beispielsweise Stromkabel, Koaxialkabel und/oder resonante Heizleitungen integriert wer- den. Die Aussparung kann auch zum Durchführen anderer Leitungen, beispielsweise zum Transport von Strom, elektrischen Signalen oder Kühlmittel dienen. Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Kondensators nach einem der vorhergehenden Ausführungs- beispiele zur Herstellung eines Stromkabels und/oder eines Koaxialkabels und/oder einer resonanten Heizleitung. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen des ersten und des zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und des zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts anzusehen sind.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:

Figuren 1 bis 6 zeigen einen zylindrischen Grundkörper auf dem durch eine Ausführungsform des Verfahrens ein Schichtsystem erzeugt wird, der dann entfernt wird und schließlich die Sinterung des entstandenen Schichtsystems.

Figur 1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines zylindrischen Grundkörpers,

Figur 2 der zylindrische Grundkörper, nachdem eine Lage thermisch gespritzter Keramik und rechtsbündig eine Lage elektrisch leitfähiges Material aufgebracht wurden,

Figur 3 den Aufbau gemäß Figur 2 mit einer weiteren dielektrischen Schicht und einer linksbündig aufgebrachten Lage elektrisch leitfähigen Materials,

Figur 4 den Aufbau aus Figur 3 wobei eine weitere Lage dielektrischen Materials und eine weitere linksbündig aufgebrachte Lage elektrisch leitfähigen Materials zu erkennen ist,

Figur 5 zeigt den aus den vorherigen Figuren bekannten Aufbau nach Entfernen des Grundkörpers und

Figur 6 zeigt das durch Sinterung geschrumpfte Schichtsystem, das den zylindrischen Kondensator bildet. In Figur 1 ist ein Querschnitt durch einen zylindrischen Grundkörper 1 zu erkennen. Dieser Grundkörper dient beispielsweise als Träger für das Schichtsystem, das durch thermisches Spritzen und/oder Aufbringen einer Paste oder einer Dispersion herstellbar ist. Dieser Träger kann beispielsweise aus Metall, beispielsweise aus Graphit, einer Keramik oder ähnlichem Material, das die beim thermischen Spritzen auftretenden Bedingungen aushält, beschaffen sein.

Figur 2 zeigt die gleiche Ansicht des zylindrischen Grundkör- pers 1 mit einer darauf ausgebildeten dielektrischen Schicht 2 und einer rechtsbündig aufgebrachten elektrisch leitfähigen Schicht 4. Die dielektrische Schicht 2 wird vorzugsweise über thermisches Spritzen mit einem dafür üblichen Precursor- Material wie einem Metalloxid, einem carbidischen Werkstoff oder ähnlichem auf dem Träger 1 hergestellt. Die dielektrische Schicht liegt dabei beispielsweise in einer Dicke im Bereich von ΙΟμπι bis 900μπι, bevorzugt im Bereich von 20μπι bis 500μπι und insbesondere bevorzugt im Bereich von einigen ΙΟμπι bis 190μπι, insbesondere bei ca. ΙΟΟμπι vor. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu, wobei jedoch vorzugsweise die elektrisch leitfähige Schicht 3, wie hier gezeigt, egal ob durch thermisches Spritzen oder über Dispersion oder Paste aufgebracht, etwas dünner als die dielektrische Schicht 2 ist. Die in Figur 2 gezeigte elektrisch leitfähige Schicht ist rechtsbündig aufgebracht, so dass rechts ein leitfähiges Band sich bis zum Träger 1 hin erstreckt. Beim thermischen Spritzen sind insbesondere die beiden Techniken APS-Verfahren (Atmospheric Plasma Spraying) und das HVOF-Verfahren (High Velocity Oxide Fuel) bevorzugt. Beide Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass sie unter einfachen atmosphärischen Bedingungen (beispielsweise Anwesenheit von Luft, Sauerstoff möglich) betrieben werden können. Sowohl das keramische Dielektrikum, als auch die Metallisierung können an Luft-Atmosphäre gespritzt und zu einem 3 -dimensionalen Bauteil in einem additiven Prozess aufgebaut werden.

Durch maschinelle Führung der Düse und Drehung des Grundkörpers kann dabei eine relativ homogene Beschichtung realisiert werden. Im gleichen Verfahren kann alternierend die Metallisierung aufgebracht werden, so dass zahlreiche Handhabungs- schritte beim Herstellungsverfahren entfallen, die beispielsweise bei Wicklungsmethoden üblich sind.

Figur 3 zeigt den erweiterten Schichtaufbau, wobei auf dem Grundkörper 1 eine erste und eine zweite Lage der dielektri- sehen Schicht 2, eine erste, rechtsbündig aufgetragene elektrisch leitfähige Schicht 3 und eine zweite, linksbündig aufgetragene elektrisch leitfähige Schicht 4 zu erkennen sind.

Figur 4 zeigt eine weitere dielektrische Schicht 2 und eine weitere elektrisch leitfähige rechtsbündig aufgetragene

Schicht 3. Die elektrisch leitfähigen Schichten 3 werden jeweils bis zum Grundkörper 1 ausgedehnt, so dass sich dort rechts ein Bereich 5 ausbildet, in dem eine verstärkte Lage elektrisch leitfähigen Materials vorliegt. Da die Metallisie- rung nach jedem Beschichtungsschritt entweder rechts oder links bis zum Träger heruntergezogen wird, bildet sich in der Nähe der Rolle beispielsweise ein Bereich mit einer hohe Metalldicke 5 aus. Dies wirkt sich hinsichtlich der Strombelastbarkeit des Kondensators vorteilhaft aus. Die untere und obere Elektrode können aus Gründen der radialen Isolierung nach innen und außen weggelassen werden. Die Kapazität des Bauteils wird bestimmt durch die überlappende Umfangsfläche der nach rechts bzw. links herausgeführten Elektrodengruppen, im Wesentlichen also die Zylinderlänge; durch die Dicke der dielektrischen Schichten; und durch die Permittivität der Keramik nach dem Sintern. Die Dicke des Dielektrikums bestimmt ebenfalls die elektrische Durchbruchspannung des Bauelemen- tes, stellt also den Parameter dar, mit dessen Hilfe die Balance zwischen Kapazität und Spannungsfestigkeit eingestellt wird .

Figur 5 zeigt die Stufe des Verfahrens, in der der Grundkör- per 1 entfernt wurde. Entsprechend ist ein Querschnitt durch ein zylindrisches Schichtsystem erkennbar, das einen Innendurchschnitt 6 aufweist.

Figur 6 schließlich zeigt das geschrumpfte Schichtsystem, das den Kondensator bildet und einen verkleinerten Innendurchmesser 7 hat .

Figur 7 schließlich zeigt ein Schichtsystem 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zu erkennen sind die Bereiche 5 mit einer verstärkten Schicht leitfähigen Materials 3 und 4, sowie der Grundkörper 1 und die Schichtabfolge der dielektrischen Schichten 2. Hier ist nur eine Hälfte des Querschnitts durch ein zylindrisch aufgebautes

Schichtsystem zu sehen.

Die Erfindung offenbart erstmals ein massentaugliches Herstellungsverfahren für einen Kondensator, insbesondere einen zylindrischen Kondensator. Dabei wird ein Grundkörper mit dielektrischen und elektrisch leitenden Schichten alternie- rend durch thermisches Spritzen und/oder Besprühen beschichtet und dann gesintert. Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich dadurch eine hohe Design-Variabilität bzgl . Kapazität und Durchbruchspannung und Temperaturbeständigkeit.