JP2005210070A - 電解コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 安価に製作され得ると共に、大電流や高リップル電流を印加しても発生する熱を効率良く外部に放出することができる放熱特性に優れた電解コンデンサを提供することを目的とする。
【解決手段】 外装ケース３内にコンデンサ素子２が収納されてなる電解コンデンサ１において、外装ケース３とコンデンサ素子２との間にこれらに接触状態に、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導材５を介装せしめる。前記熱伝導材５としては、アルミナ粒子、窒化アルミニウム粒子、窒化ホウ素粒子及び酸化亜鉛粒子からなる群より選ばれる１種または２種以上の粒子がマトリックス材中に分散されてなる熱伝導材を用いるのが好ましい。前記マトリックス材としては、シリコーンオイル、変性シリコーンオイル、ポリオレフィン（ポリプロピレン、ポリエチレン等）を用いるのが好ましい。
【選択図】 図１

Description

この発明は、放熱性に優れた電解コンデンサに関する。

なお、この明細書において、「アルミニウム」の語は、アルミニウム及びその合金を含む意味で用いる。

電解コンデンサとしては、有底円筒状の外装ケース内にコンデンサ素子が収容されると共に、該コンデンサ素子に電極端子が設けられた構成のものが多く用いられている。この電解コンデンサは、これにリップル電流を長時間印加したり大電流を印加したりすると、その内部に収容されたコンデンサ素子が発熱する。また、電解コンデンサのサイズが大型になるとコンデンサ素子の発熱量もさらに増大する。このようにコンデンサ素子が発熱してその温度が過度に上昇すると、誘電正接の増大や静電容量の減少が生じるなどコンデンサの電気的諸特性が劣化したり、更にはコンデンサの耐用寿命が短くなるという問題が発生する。

そこで、このような問題を解決するため、従来より、コンデンサ素子の温度上昇を抑制することのできる電解コンデンサが提案されている。

例えば、コンデンサ素子の端面に金属製集電端子が接合された電解コンデンサが提案されている（特許文献１参照）。また、コンデンサ素子の巻芯部にヒートパイプの吸熱部が接続されるとともに、外に導出されたヒートパイプの放熱部に放熱フィンやヒートシンクが接続された構成の電解コンデンサも提案されている（特許文献２〜３参照）。

また、有底円筒状の外装ケース内にコンデンサ素子が収容された電解コンデンサにおいて、外装ケースとコンデンサ素子の間の空隙にシリコーンオイルを充填した構成を採用することによって、電解コンデンサの放熱特性を向上できることが記載されている（特許文献４参照）。
特開２０００−７７２６８号公報（請求項１） 特開平１１−３２９８９９号公報（請求項１、図１） 特開平１１−１７６６９７号公報（請求項１及び２、図１） 特開２００２−１１０４７９号公報（請求項１）

しかしながら、上記特許文献１〜３に記載された電解コンデンサでは、コンデンサ素子自体や内部構造自体を設計変更した電解コンデンサを製作する必要があるため、製作コストが高く付いてしまうという難点があった。

一方、上記特許文献４に記載された電解コンデンサでは、コンデンサ素子自体や内部構造自体を設計変更する必要はなく、この点で好都合であるものの、その放熱性能は十分に満足できるものではなかった。特に近年、電気自動車、燃料電池車、太陽光発電システム、産業用電源等において、そのインバータ回路やＡＣサーボモータ駆動回路に適用される電解コンデンサとしては、大電流印加時や高リップル電流印加時に発生する熱を効率良く外部に放出することができる放熱特性に優れた電解コンデンサが求められているが、前記特許文献４に記載の技術は必ずしもこのような要求に応えられるものではなかった。

この発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、安価に製作され得ると共に、放熱性に優れた電解コンデンサ、特に大電流や高リップル電流を印加しても発生する熱を効率良く外部に放出することができる放熱特性に優れた電解コンデンサを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。

［１］外装ケース内にコンデンサ素子が収納されてなる電解コンデンサにおいて、前記外装ケースと前記コンデンサ素子との間にこれらに接触状態に、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導材が介装されていることを特徴とする電解コンデンサ。

［２］前記熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導材として、アルミナ粒子、窒化アルミニウム粒子、窒化ホウ素粒子及び酸化亜鉛粒子からなる群より選ばれる１種または２種以上の粒子がマトリックス材中に分散されてなる熱伝導材が用いられた前項１に記載の電解コンデンサ。

［３］前記熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導材として、マトリックス材中にアルミナ粒子が分散されてなる熱伝導材が用いられた前項１に記載の電解コンデンサ。

［４］前記粒子の平均粒径が０．５〜５μｍである前項２または３に記載の電解コンデンサ。

［５］前記熱伝導材における前記粒子の含有率が７０質量％以上である前項２〜４のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。

［６］前記マトリックス材としてシリコーンオイル又は／及び変性シリコーンオイルが用いられた前項２〜５のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。

［７］前記マトリックス材として合成樹脂が用いられた前項２〜５のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。

［８］前記合成樹脂としてポリオレフィンが用いられた前項７に記載の電解コンデンサ。

［９］前記ポリオレフィンとしてポリプロピレン又は／及びポリエチレンが用いられた前項８に記載の電解コンデンサ。

［１０］前記コンデンサ素子の高さの３０％以上が前記熱伝導材と接触状態にある前項１〜９のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。

［１１］前記外装ケースはアルミニウム製である前項１〜１０のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。

［１２］アルミニウム電解コンデンサであることを特徴とする前項１〜１１のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。

［１３］前記コンデンサ素子は、陽極箔と陰極箔との間にセパレータが介在されて捲回されたものからなる前項１〜１２のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。

［１］の発明では、外装ケースとコンデンサ素子との間にこれらに接触状態に熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導材が介装されているので、コンデンサ素子で発生した熱はこの熱伝導材を介して効率良く外装ケースに伝熱されて外に放熱され、コンデンサ素子が高温になるのを防止でき、これにより耐用寿命の長い電解コンデンサが提供される。また、このように放熱性に優れているので、大電流や高リップル電流を印加した場合でもコンデンサ素子の温度上昇を十分に抑制することができる。また、外装ケースとコンデンサ素子との間に上記特定の熱伝導材を介装するだけで放熱性を向上できるものであり、コンデンサ素子自体や内部構造自体を設計変更する必要がないので、安価に製作され得る。

［２］の発明では、熱伝導材として、アルミナ粒子、窒化アルミニウム粒子、窒化ホウ素粒子及び酸化亜鉛粒子からなる群より選ばれる１種または２種以上の粒子がマトリックス材中に分散されてなる熱伝導材を用いているので、即ち熱伝導性に優れたこれら特定化合物をマトリックス材中に分散せしめた熱伝導材を用いているので、コンデンサ素子で発生した熱はこの熱伝導材を介してさらに効率良く外装ケースに伝熱されて外に放熱されるものとなり、コンデンサ素子が高温になるのを一層効果的に防止できる。

［３］の発明では、熱伝導材として、マトリックス材中にアルミナ粒子が分散されてなる熱伝導材を用いているので、コンデンサ素子で発生した熱はこの熱伝導材を介してさらに一層効率良く外装ケースに伝熱されて外に放熱され、コンデンサ素子が高温になるのをより一層効果的に防止できる。

［４］の発明では、粒子の平均粒径が０．５〜５μｍであるから、電解コンデンサの放熱性をさらに向上させることができる。

［５］の発明では、熱伝導材における粒子の含有率が７０質量％以上に設定されているので、より低コストで電解コンデンサの放熱性をさらに向上させることができる。

［６］の発明では、マトリックス材としてシリコーンオイル（変性タイプも含む）を用いているので、電解コンデンサの放熱性をさらに向上させることができる。

［７］の発明では、マトリックス材として合成樹脂を用いているので、より低コストで電解コンデンサの放熱性を向上させることができる。

［８］の発明では、上記合成樹脂としてポリオレフィンを用いているので、電解コンデンサの放熱性をさらに向上させることができる。

［９］の発明では、上記ポリオレフィンとしてポリプロピレン又は／及びポリエチレンを用いているので、低コストであると共に、ハロゲンを含有しないことから環境にも十分に配慮したものとなる。

［１０］の発明では、コンデンサ素子の高さの３０％以上が熱伝導材と接触状態にあるので、十分に優れた放熱性を確保することができる。

［１１］の発明では、外装ケースがアルミニウム製であるから、軽量化を図ることができるし、電解コンデンサの放熱性もさらに向上させることができる。

［１２］の発明では、優れた放熱特性を有するアルミニウム電解コンデンサが提供される。

［１３］の発明では、十分な静電容量を備えると共に優れた放熱特性を有する電解コンデンサが提供される。

この発明の電解コンデンサは、放熱性を必要とされるコンデンサであれば何でも良く、例えば、弁作用金属を用いたコンデンサ、セラミックスコンデンサ、フィルムコンデンサ、スチロールコンデンサ等を挙げることができる。中でも、弁作用金属を用いたコンデンサが好ましく、アルミ電解コンデンサ、タンタル電解コンデンサ、ニオブ系（ニオブ酸化物を含む）コンデンサが特に好ましい。前記弁作用金属とは、その金属表面に生成する酸化物皮膜が電流を一方向にのみ流し、反対方向には非常に流しにくいような特性、即ち整流作用を有する酸化皮膜であるものである。

次に、この発明の一実施形態に係る電解コンデンサ（１）の断面図を図１に示す。この電解コンデンサ（１）は、アルミニウム電解コンデンサであって、コンデンサ素子（２）と、該コンデンサ素子（２）を収容した有底円筒状の外装ケース（３）と、該外装ケース（３）の上面開口部を封口した電気絶縁性の封口部材（６）と、該封口部材（６）に対して貫通して配置された一対の電極端子（７）（７）と、該電極端子（７）の下端部とコンデンサ素子（２）とを接続するリード線（８）とを備えている。更に、前記外装ケース（３）と前記コンデンサ素子（２）との間の空隙にこれら（２）（３）に接触状態に熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導材（５）が介装されている。この電解コンデンサ（１）では、コンデンサ素子（２）で発生した熱は前記熱伝導材（５）を介して効率良く外装ケース（３）に伝熱されて外に放熱されるから、コンデンサ素子（２）が高温になるのを防止することができ、耐用寿命の長い電解コンデンサとなる。このように放熱性に優れているので、大電流や高リップル電流を印加した場合でもコンデンサ素子（２）の温度上昇を十分に抑制することができる。

前記コンデンサ素子（２）は、陽極箔と陰極箔との間にセパレータが介在されて捲回されたものからなる。また、このコンデンサ素子（２）には電解液が含浸されている。

前記外装ケース（３）としては、金属製のものが好ましく用いられ、特に好適なのはアルミニウム製のものである。アルミニウム製のものを用いた場合には、軽量化を図ることができると共に電解コンデンサ（１）の放熱効率も向上させることができる。

前記熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導材（５）としては、アルミナ粒子、窒化アルミニウム粒子、窒化ホウ素粒子及び酸化亜鉛粒子からなる群より選ばれる１種または２種以上の粒子がマトリックス材中に分散されてなる熱伝導材を用いるのが好ましく、この場合にはコンデンサ素子（２）で発生した熱はこの熱伝導材（５）を介してさらに効率良く外装ケース（３）に伝熱されて外に放熱されるものとなり、コンデンサ素子（２）が高温になるのを一層効果的に防止することができる。中でも、前記熱伝導材（５）としては、マトリックス材中にアルミナ粒子が分散されてなる熱伝導材を用いるのが特に好ましく、この場合にはコンデンサ素子（２）が高温になるのをより一層効果的に防止することができる。

前記粒子の平均粒径は０．５〜５μｍの範囲であるのが好ましい。０．５μｍ未満ではマトリックス材中において粒子が凝集しやすくなるおそれがあるので好ましくないし、一方５μｍを超えるとマトリックス材中における粒子の分散安定性が低下して粒子がマトリックス材中において沈殿しやすくなるおそれのあるものとなり、これによりコンデンサ素子（２）で発生した熱を効率良く外装ケース（３）に伝熱することが困難になるので好ましくない。中でも、前記粒子の平均粒径は１〜４μｍの範囲であるのが特に好ましい。

前記熱伝導材（５）における前記粒子の含有率は７０質量％以上に設定するのが好ましい。７０質量％未満では優れた放熱性能が得られ難くなるおそれがあるので好ましくない。前記粒子の含有率の上限は好ましくは９０質量％以下であり、９０質量％を超えると流動性が悪くなり熱伝導性が低下するおそれがあるので好ましくない。

前記マトリックス材としては、特に限定されるものではないが、例えばシリコーンオイルの他、アルキル変性シリコーンオイル、エポキシ変性シリコーンオイル等の変性シリコーンオイルが好適に用いられる。これらの中でも、変性シリコーンオイルを用いるのが特に好ましく、この場合にはマトリックス材の熱対流による熱伝導の促進が効果的に行われるものとなり、これにより電解コンデンサ（１）の放熱性がさらに向上する。

前記マトリックス材としては、上記例示した化合物以外に、例えば脂肪族系樹脂（ポリオレフィン等）、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、メタアクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の合成樹脂も使用することができる。前記合成樹脂は低分子量体であっても良いし、高分子量体であっても良い。また、前記合成樹脂はオイル状、ゴム状、硬化物のいずれであっても良い。これら合成樹脂の中でもポリオレフィンを用いるのが好ましく、特に好適な樹脂は、ポリプロピレン、ポリエチレンである。

この発明において、前記熱伝導材（５）は、前記外装ケース（３）とコンデンサ素子（２）との間に介装されるが、この際熱伝導材（５）の充填高さがコンデンサ素子（２）の高さの３０％以上になるように構成されるのが好ましい。即ち、前記コンデンサ素子（２）の高さの３０％以上が前記熱伝導材（５）と接触状態にあるように構成されるのが好ましい。このような構成を採用すれば十分に優れた放熱性を確保することができる。

この発明に係る電解コンデンサは、上記実施形態のものに特に限定されるものではなく、種々設計変更することができる。例えば、上記実施形態では、一対の電極端子（７）（７）は電解コンデンサの上部位置に設けられているが、一方の電極端子を電解コンデンサの上部に設け、他方の電極端子を電解コンデンサの下部に設けた構成を採用することもできる。

次に、この発明の具体的実施例について説明する。

＜実施例１＞
図１に示す構成の電解コンデンサを製作した。製作に際し、外装ケース（３）としては塩化ビニル樹脂製のものを用いた。また、熱伝導材（５）として、アルミナ粒子（平均粒径２．５μｍ）８０質量部がエポキシ変性シリコーンオイル２０質量部に分散されてなる熱伝導材を用い、この熱伝導材をコンデンサ素子（２）の高さの８０％の位置まで充填（介装）した。

＜実施例２＞
前記アルミナ粒子として、平均粒径が１．０μｍのアルミナ粒子を用いた以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例３＞
前記アルミナ粒子として、平均粒径が３．０μｍのアルミナ粒子を用いた以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例４＞
前記アルミナ粒子として、平均粒径が４．０μｍのアルミナ粒子を用いた以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例５＞
前記熱伝導材におけるアルミナ粒子の含有率を７０質量％に設定した以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例６＞
前記熱伝導材におけるアルミナ粒子の含有率を８５質量％に設定した以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例７＞
前記熱伝導材におけるアルミナ粒子の含有率を９０質量％に設定した以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例８＞
前記粒子として、平均粒径２．５μｍのアルミナ粒子に代えて平均粒径１．５μｍの窒化アルミニウム粒子を用いた以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例９＞
前記粒子として、平均粒径２．５μｍのアルミナ粒子に代えて平均粒径２．０μｍの窒化ホウ素粒子を用いた以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例１０＞
前記粒子として、平均粒径２．５μｍのアルミナ粒子に代えて平均粒径２．０μｍの酸化亜鉛粒子を用いた以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例１１＞
前記変性シリコーンオイルに代えて、シリコーンオイルを用いた以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例１２＞
前記変性シリコーンオイルに代えて、ポリプロピレンを用いた以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例１３＞
前記変性シリコーンオイルに代えて、ポリプロピレンを用いた以外は、実施例５と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例１４＞
前記変性シリコーンオイルに代えて、ポリプロピレンを用いた以外は、実施例７と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例１５＞
前記変性シリコーンオイルに代えて、ポリプロピレンを用いた以外は、実施例８と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例１６＞
前記変性シリコーンオイルに代えて、ポリプロピレンを用いた以外は、実施例９と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例１７＞
前記変性シリコーンオイルに代えて、ポリプロピレンを用いた以外は、実施例１０と同様にして電解コンデンサを得た。

＜実施例１８＞
前記変性シリコーンオイルに代えて、ポリエチレンを用いた以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜比較例１＞
前記熱伝導材として変性シリコーンオイル（アルミナ粒子を含有しないもの）を用いた以外は、実施例１と同様にして電解コンデンサを得た。

＜比較例２＞
前記熱伝導材としてポリプロピレン（アルミナ粒子を含有しないもの）を用いた以外は、実施例１２と同様にして電解コンデンサを得た。

上記のようにして得られた電解コンデンサに対して下記評価法により放熱特性を評価した。その結果を表１〜３に示す。

＜放熱特性評価法＞
周囲温度３５℃の環境下に電解コンデンサを配置した状態でコンデンサ素子にリップル電流５Ａを印加することによって発熱を与え、この時のコンデンサ素子の温度（最大上昇温度）を測定した。なお、コンデンサ素子の温度の測定は、熱電対を用いて行った。

表１〜３から明らかなように、この発明の実施例１〜１８の電解コンデンサは、放熱性に優れており、コンデンサ素子の発熱による温度上昇が効果的に抑制されていた。これに対して、比較例１、２の電解コンデンサでは放熱性が不十分であり、コンデンサ素子の発熱による温度上昇が大きかった。

この発明に係る電解コンデンサの一実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

１…電解コンデンサ
２…コンデンサ素子
３…外装ケース
５…熱伝導材

Claims (13)

1. 外装ケース内にコンデンサ素子が収納されてなる電解コンデンサにおいて、
   前記外装ケースと前記コンデンサ素子との間にこれらに接触状態に、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導材が介装されていることを特徴とする電解コンデンサ。
2. 前記熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導材として、
   アルミナ粒子、窒化アルミニウム粒子、窒化ホウ素粒子及び酸化亜鉛粒子からなる群より選ばれる１種または２種以上の粒子がマトリックス材中に分散されてなる熱伝導材が用いられた請求項１に記載の電解コンデンサ。
3. 前記熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導材として、マトリックス材中にアルミナ粒子が分散されてなる熱伝導材が用いられた請求項１に記載の電解コンデンサ。
4. 前記粒子の平均粒径が０．５〜５μｍである請求項２または３に記載の電解コンデンサ。
5. 前記熱伝導材における前記粒子の含有率が７０質量％以上である請求項２〜４のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。
6. 前記マトリックス材としてシリコーンオイル又は／及び変性シリコーンオイルが用いられた請求項２〜５のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。
7. 前記マトリックス材として合成樹脂が用いられた請求項２〜５のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。
8. 前記合成樹脂としてポリオレフィンが用いられた請求項７に記載の電解コンデンサ。
9. 前記ポリオレフィンとしてポリプロピレン又は／及びポリエチレンが用いられた請求項８に記載の電解コンデンサ。
10. 前記コンデンサ素子の高さの３０％以上が前記熱伝導材と接触状態にある請求項１〜９のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。
11. 前記外装ケースはアルミニウム製である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。
12. アルミニウム電解コンデンサであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。
13. 前記コンデンサ素子は、陽極箔と陰極箔との間にセパレータが介在されて捲回されたものからなる請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。