JP2006054299A - ガス抜き弁およびこれを用いた電気部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解液を使用するコンデンサに用いるコンデンサケースのような内圧が作用する容器内の圧力が上昇した際に、容器内のガスを排出して内圧を解放する簡易な構造のガス抜き弁を提供する。
【解決手段】 伸縮性を有するシート体からなる弁体２７が、容器内に連通して設けられた開口部２３を塞いで設けられ、前記弁体２７が、常時は容器の内外を遮断し、容器の内圧が上昇した際には容器内のガスを容器外に排出して容器の内圧をコントロールすべく設けられたガス抜き弁２０であって、前記弁体２７が、容器内に面する第１の弁体２５と、容器外に面し、前記第１の弁体２５を形成するシート体よりも伸び率が大きい第２の弁体２６とが積層されて形成され、前記第１の弁体２５には、前記容器内に連通する通気孔２５ａがシート体を貫通して設けられ、前記第２の弁体２６には、前記通気孔２５ａと平面配置が重複しない配置に、通気孔２６ａがシート体を貫通して設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は電解液を使用するコンデンサの爆発防止用等として用いられるガス抜き弁、およびこれを用いた電気部品に関する。

電気二重層電解コンデンサは、図６に示すように、有底の筒状に形成されたアルミニウム製のコンデンサケース１０に、陽極、陰極およびセパレータを多数回巻回したコンデンサ素子（不図示）を収納し、コンデンサケース１０の開口部を合成樹脂製の封口体１２によって密封して形成される。このようなコンデンサケース１０内に電解液が密封されたコンデンサでは、陽極端子１４ａおよび陰極端子１４ｂ間に過電圧が印加される等により電解液からガスが発生しコンデンサケース１０の内圧が異常に上昇したような場合に、コンデンサが爆発することを防止する防爆弁１６が設けられている。防爆弁１６としては、たとえば封口体１２に貫設した貫通孔を、０．４ｍｍ程度の厚さのゴム板により遮蔽し、コンデンサケース１０の内圧が上昇するとゴム板が膨らみ、最終的にはゴム板が破断することで内圧を解放するように設けたものや、アルミニウム等の金属材料を防爆弁に使用したもの（特許文献１参照）などがある。
特開平１０−１０６５２４号公報

上記のように、従来の電解液を使用するコンデンサに設けられている防爆弁１６は、コンデンサケース１０の内圧が高くなった際に防爆弁１６自体が破断して、コンデンサが爆発することを防止する。したがって、従来の防爆弁１６を設けたコンデンサでは、防爆弁１６が破断するとコンデンサを使用することができなくなり、新品と交換しなければならない。

そこで、本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、電解液を使用するコンデンサで用いられるコンデンサケースのような内圧が作用する容器内の圧力が上昇した際に、容器内のガスを排出して内圧を解放することができるガス抜き弁およびこれを用いた電気部品を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、伸縮性を有するシート体からなる弁体が、容器内に連通して設けられた開口部を塞いで設けられ、前記弁体が、常時は容器の内外を遮断し、容器の内圧が上昇した際には容器内のガスを容器外に排出して容器の内圧をコントロールすべく設けられたガス抜き弁であって、前記弁体が、容器内に面する第１の弁体と、容器外に面し、前記第１の弁体を形成するシート体よりも伸び率が大きい第２の弁体とが積層されて形成され、前記第１の弁体には、前記容器内に連通する通気孔がシート体を貫通して設けられ、前記第２の弁体には、前記通気孔と平面配置が重複しない配置に、通気孔がシート体を貫通して設けられていることを特徴とする。
なお、第１の弁体に設けられる通気孔は一つに限定されるものではなく、通気孔が開口部の中心位置もしくは中心対称となる配置に設けられる場合に限られない。また、第２の弁体に設けられる通気孔も中心対称となる配置に設けられる場合に限るものではない。

また、前記第２の弁体として、前記第１の弁体を形成するシート体よりも抗張力が小さなシート体が用いられていることを特徴とする。第２の弁体として第１の弁体を形成するシート体よりも伸び率が大きく、抗張力が小さなシート体を用いることによって、容器の内圧が弁体に作用した際に、第２の弁体が第１の弁体よりも膨張しやすくなり、第１の弁体と第２の弁体に設けた通気孔を介して、容器内のガスがより好適に容器外に排出されるようになる。

また、前記第１の弁体には単一の通気孔が設けられ、前記第２の弁体には前記第１の弁体に設けられた通気孔の周囲に、２以上の通気孔が均等配置に設けられていることにより、容器の内圧が上昇した際に、第１の弁体に設けた通気孔を介して第２の弁体が確実に膨張し、第１の弁体と第２の弁体に設けた通気孔から容器内のガスが確実に排出されるようになる。

また、前記第１の弁体を構成するシート体が、伸縮性を有する基材にカーボンブラックを混合したものからなり、前記第２の弁体を構成するシート体が、伸縮性を有する基材にカーボンナノファイバーを混合したものからなることにより、第２の弁体の伸び率が第１の弁体よりも大きく、抗張力が小さくできるとともに、第１の弁体と第２の弁体との剥離性が良好になり、ガス抜き弁による内圧の解放が好適になされるようになる。なお、カーボンブラックとしてはアセチレンブラック、ファーネスブラック等が用いられ、伸縮性を有する基材には、エチレンプロピレンゴム等の伸縮性を有する樹脂材等が用いられる。

また、前記第１の弁体および第２の弁体に形成される通気孔が、シート体にレーザ加工が施されて形成されたものであることにより、通気孔が任意位置に、容易に微小径に形成することができ、容器の内圧のコントロール内容に応じたガス抜き弁として提供することが可能となる。
本発明に係るガス抜き弁を、電解液を使用するコンデンサや電池などの内圧が作用する容器の防爆弁として利用することにより、容器の爆発を防止し、内圧をコントロールして内部抵抗や容量の変動が小さく、すぐれた特性を有する電解コンデンサ等の電気部品として提供することが可能になる。

本発明に係るガス抜き弁は、弁体が第１の弁体と第２の弁体とを積層して形成されるものであることから、きわめて簡素な構成に形成されるとともに、第１の弁体と第２の弁体の伸び率を調節したり、第１の弁体と第２の弁体に設ける通気孔の孔径、孔位置を調節する等によって、容器の内圧をコントロールすることができるガス抜き弁として利用することが可能になる。また、このガス抜き弁を内圧が作用する容器の防爆弁として利用することにより、容器の爆発を防止し、特性のすぐれた電気部品として提供することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
〔ガス抜き弁の構成〕
図１は、本発明に係るガス抜き弁を電気二重層電解コンデンサ等の電解液を使用するコンデンサの防爆弁として使用した例を示す。ガス抜き弁２０は、図６に示す電解コンデンサの封口体１２を構成する基体２２に、弁体を取り付けるための凹部２４を設け、凹部２４内に基体２２を厚さ方向に貫通する貫通孔（開口部）２３を設け、貫通孔２３を封止する弁体２７を凹部２４内に装着することによって形成される。

本実施形態のガス抜き弁２０の特徴は、貫通孔２３を封止する弁体２７の構成にある。すなわち、弁体２７は容器内に面する第１の弁体２５と、容器外に面する第２の弁体２６とを積層してなり、貫通孔２３が、取り付け金具２８により弁体２７の周縁部を凹部２４の段差部２４ａに押圧して弁体２７により密封された状態で取り付けられている。取り付け金具２８は、中央部に円形の開口２８ａが設けられ、凹部２４の内周側面に抜け止めして取り付けられる。

第１の弁体２５および第２の弁体２６は、ともに伸縮性を有する材料（ゴム材、合成樹脂材）を用いて形成されるが、本発明に係るガス抜き弁２０は、第１の弁体２５にくらべて第２の弁体２６の伸び率を大きく設定したこと、言い換えれば、第２の弁体２６の方が第１の弁体２５よりも伸びやすくなるように設定したことを特徴とする。本実施形態のガス抜き弁２０で第１の弁体２５として使用している材料は、エチレンプロピレンゴムを基材とし、この基材にアセチレンブラックを５０重量％の割合で混合したものであり、第２の弁体２６として使用している材料は、エチレンプロピレンゴムを基材とし、この基材にカーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製 VGCF）を２５重量％の割合で混合したものである。第１の弁体２５としては厚さ０．４〜０．５mmの厚さのシート体に成形したもの、第２の弁体２６としては０．３mmの厚さのシート体に成形したものを使用した。

図１に示すように、第１の弁体２５には、貫通孔２３の中心に位置合わせして一つの通気孔２５ａを形成する一方、第２の弁体２６には通気孔２５ａとは重複しない配置で、取り付け金具２８の開口２８ａの領域内に、複数の通気孔２６ａを設ける。
図１では第２の弁体２６に２つの通気孔２６ａ、２６ａを設けた例を示すが、第２の弁体２６に設ける通気孔２６ａの個数はとくに限定されるものではなく、図４に示すように、通気孔２５ａと重複しない配置に、周方向に均等配置で３個または４個、あるいはこれ以上の個数の通気孔２６ａを設けることができる。また、第１の弁体２５に複数の通気孔２５ａを設け、第２の弁体２６に単一の通気孔２６ａを設ける構成とすることも可能である。
第１の弁体２５および第２の弁体２６に形成する通気孔２５ａ、２６ａの孔径は、０．１〜０．２mm程度である。図では、説明上、通気孔２５ａ、２６ａの孔径を拡大して描いている。

図２は、図１に示すガス抜き弁２０による作用を示す説明図である。すなわち、電解コンデンサでは電解液が分解して内部でガスが発生することにより、コンデンサの内圧が変動する。図２(a)は、コンデンサの内圧が若干高まり、コンデンサの内部に連通する貫通孔２３を介して弁体２７が内圧を受け、弁体２７が取り付け金具２８の開口２８ａから若干外向きに膨らんだ状態を示す。弁体２７を構成する第１の弁体２５と第２の弁体２６とは、積層面が互いに接した（密接した）ままの状態で膨らんだ形状となっており、通気孔２５ａ、２６ａは第１の弁体２５と第２の弁体２６とが接していることによって閉止された状態（シールされた状態）となっている。

図２(a)に示す、第１の弁体２５と第２の弁体２６とが互いに密着した状態で弁体２７が開口２８ａから外向きに膨らんだ状態は、いわばコンデンサケース１０内の内圧が若干高まった状態でガス抜き弁２０によってコンデンサの内外が遮断されている状態である。コンデンサの内圧は印加電圧が変動すること等によって若干変動するが、第１の弁体２５と第２の弁体２６とが互いに接した状態で膨縮する状態は、コンデンサの内圧に応じて弁体２７が膨縮する作用をなす状態である。

図２(b)は、コンデンサの内圧が一定圧力以上となって、コンデンサケースの内部からガスが排出される状態を示す。図２(a)に示す状態から、コンデンサの内圧がさらに高まると、第１の弁体２５および第２の弁体２６は、取り付け金具２８の開口２８ａからさらに外側に押し出されて膨張し、第１の弁体２５と第２の弁体２６の伸縮性の差異によって、第１の弁体２５と第２の弁体２６の境界面が離間するようになる。図２(b)でＡ部分が、第１の弁体２５と第２の弁体２６との接触面が離間して第１の弁体２５と第２の弁体２６との間に形成された隙間（空間部分）を示す。

第２の弁体２６が第１の弁体２５から離間するようにして押し上げられる作用は、コンデンサの内圧が第１の弁体２５に設けられた通気孔２５ａを介して第２の弁体２６に作用して、第２の弁体２６を押し上げる作用による。第１の弁体２５と第２の弁体２６との境界面（接触面）が離間すると、隙間Ａがコンデンサケース内で発生したガスを外部に逃がす流路として作用し、コンデンサの内部で発生したガスは通気孔２５ａ、隙間Ａ、通気孔２６ａを経由してコンデンサの外部に排出される。

本実施形態のガス抜き弁２０で使用している第２の弁体２６は、伸縮性を有する基材にカーボンナノファイバーを加えて形成したことによって、大きな伸び率を得ることができ、第１の弁体２５にくらべて容易に膨張することから、コンデンサの内圧が高くなった際に、第１の弁体２５にくらべて大きく膨らんで第１の弁体２５との間に隙間Ａが形成される。
また、第２の弁体２６は伸縮性を有する基材にカーボンナノファイバーを混合して形成したことにより、弁体の表面が粗面状となり、第１の弁体２５との接触面の密着度が緩和され、内圧を受けて第２の弁体２６が膨張する際に第１の弁体２５から剥離されやすく、これによっても第１の弁体２５との間に隙間Ａが形成されやすくなる。

ガス抜き作用によってコンデンサの内圧が解放された後は、弁体２７は膨らんだ状態から元の状態に復帰する。このように、本実施形態のガス抜き弁２０は、コンデンサの爆発防止と、内圧を解放した後は、弁体２７が閉止状態に戻り、コンデンサとしての機能を回復、保持する作用をなす。なお、コンデンサの内圧のコントロール、たとえばガス抜き弁から排気してコンデンサの内圧を解放する際の圧力値は、第１の弁体２５および第２の弁体２６の素材、厚さ、取り付け金具２８の開口径、通気孔２５ａ、２６ａの孔径等を調節することによって適宜設定することができる。

〔弁体の製造方法〕
本実施形態のガス抜き弁２０に使用している弁体２７は、第１の弁体２５についてはエチレンプロピレンゴムにアセチレンブラックを加え、第２の弁体２６についてはエチレンプロピレンゴムにカーボンナノファイバーを加えて、相ロールで板状に混練成形し、成形された板状体を、加硫するために、金型を用いて１８０℃で１０分間、加熱・加圧してシート体として得たものである。表１はこのようにして作製した第１の弁体２５と第２の弁体２６のシート体について抗張力、伸び率等を測定した結果を示す。

表１の測定結果は、カーボンナノファイバーを混合した第２の弁体２６を形成するシート体はアセチレンブラックを混合した第１の弁体２５を形成するシート体にくらべて伸び率が大きく、抗張力が小さいことがわかる。すなわち、本実施形態のガス抜き弁２０では、第２の弁体２６は第１の弁体２５と比較してより小さな力で変形しやすく、ガス抜き弁２０に内圧が作用した際に、第２の弁体２６が第１の弁体２５から離間して局部的に空隙を生じさせる変形が生じ、内圧が解放された際には原状に復帰するという作用が生じやすくなっている。

前述したように第１の弁体２５および第２の弁体２６には微小な通気孔２５ａ、２６ａが設けられている。第１の弁体２５と第２の弁体２６を形成するシート体に通気孔２５ａ、２６ａを形成する方法として、本実施形態ではレーザ加工方法を利用した。具体的には、フェムト秒パルスレーザ光を焦点距離１５０ｍｍの光学レンズによりシート体の表面に集光させるように照射して通気孔を形成した。使用したレーザ光源は、波長７７５ｎｍ、パルス幅２００ｆｓ、出力３４０ｍＷである。

図３は、上述したカーボンナノファイバーを混合したシート体（厚さ０．３mm）に前記レーザ光を１秒間照射して通気孔を形成した状態の電子顕微鏡写真である。図３(a)が平面図、図３(b)が断面図である。このレーザ加工によってシート体に形成された貫通孔の開口径は、入射側が約２３０μｍ、出射側が約１００μｍであり、通気孔は出射側が徐々に細径となる円錐状に形成されている。なお、アセチレンブラックを加えた第１の弁体２５についても、上記と同じレーザ光源を使用し、１秒間照射することによって同程度の開口径の貫通孔を形成することができる。

このように、カーボンナノファイバーを混合したシート体や、アセチレンブラックを混合したシート体に通気孔を加工する方法としてレーザ加工を利用することは、開口径が０．２mmといった微小な貫通孔が容易に形成できること、レーザ光が局所的に照射され強いエネルギーによって被加工物が蒸発または昇華するので加工屑が加工孔の周囲に残らず、シート体の接触面の清浄度を保つことができること、加工部位が滑らかで亀裂が生じたりしないのでシート体に変形が繰り返し作用しても貫通孔の形状が変わらないこと、被加工品を短時間で加工できること、被加工品の任意の位置に貫通孔が形成できること等の利点がある。
図４(a)は、弁体の中心を挟む２個所に通気孔２６ａを形成した例、図４(b)は弁体の中心のまわりの３個所に均等間隔で通気孔２６ａを形成した例、図４(c)は弁体の中心のまわりの４個所に均等間隔で通気孔２６ａを形成した例である。

〔内圧解放試験〕
図５は、本実施形態のガス抜き弁を電気二重層電解コンデンサに取り付けて、ガス抜きの作用を実験した結果を示す。第１の弁体２５は前述したアセチレンブラックを混合したもの、第２の弁体２６はカーボンナノファイバーを混合したものであり、第２の弁体２６には通気孔を４個設けたものを使用した。
実験は、従来のコンデンサに上記ガス抜き弁２０を防爆弁１６にかえて取り付け、コンデンサの封口体に内圧測定用として圧力センサを取り付け、端子間に電圧を印加してそのときのコンデンサの内圧を測定する方法で行った。

図５は、電圧を印加したことによりコンデンサの内部圧力が徐々に増大し、コンデンサの内部圧力が８０kPaを超えたあたりでガス抜き作用が生じ、これによって内部圧力が解放され内部圧力が徐々に低下する様子、内部圧力が安定状態に戻ったところで、一定の内圧（残留圧力）が作用する状態になる様子がみられる。
この実験結果は、通気孔を有する第１の弁体と第２の弁体の２層構造からなる弁体を使用することにより、ガス抜き作用によって内圧を解放する作用が得られること、内圧を解放した状態でコンデンサ内を外部から遮蔽するチェック作用が得られることを示しており、本実施形態のガス抜き弁２０が、コンデンサの爆発を防止するとともに、コンデンサの内圧をコントロールする作用をなすことが確かめられた。

なお、上記実施形態は、電解液を使用するコンデンサのコンデンサケース内における圧力を解放し、あるいは圧力をコントロールするものとしてガス抜き弁を利用した例を示したが、このガス抜き弁は、コンデンサケースの内圧を解放する場合に限らず、なんらかの内圧が作用する容器（たとえば、電池の容器等）内における内圧をコントロールする弁体として利用することが可能である。容器によっては内圧のコントロール内容（ガス圧など）が異なる場合があるが、第１の弁体および第２の弁体に用いる素材の伸縮性を選択したり、弁体に設ける通気孔の孔径を調節したりすることによって、ガス抜き弁を取り付ける製品に応じて内圧をコントロールできるように設定することができる。

本発明に係るガス抜き弁の構成を示す断面図である。 ガス抜き弁に内圧が作用した状態を示す断面図である。 レーザ加工により通気孔を形成した弁体の電子顕微鏡写真である。 弁体に設ける通気孔の平面配置例を示す説明図である。 ガス抜き弁の内圧を測定した結果を示すグラフである。 従来の電解コンデンサの構造を示す斜視図である。

符号の説明

１０ コンデンサケース
１２ 封口体
１４ａ 陽極端子
１４ｂ 陰極端子
１６ 防爆弁
２０ ガス抜き弁
２２ 基体
２３ 貫通孔
２４ 凹部
２４ａ 段差部
２５ 第１の弁体
２５ａ、２６ａ 通気孔
２６ 第２の弁体
２７ 弁体
２８ 取り付け金具
２８ａ 開口

Claims (6)

1. 伸縮性を有するシート体からなる弁体が、容器内に連通して設けられた開口部を塞いで設けられ、前記弁体が、常時は容器の内外を遮断し、容器の内圧が上昇した際には容器内のガスを容器外に排出して容器の内圧をコントロールすべく設けられたガス抜き弁であって、
   前記弁体が、容器内に面する第１の弁体と、容器外に面し、前記第１の弁体を形成するシート体よりも伸び率が大きい第２の弁体とが積層されて形成され、
   前記第１の弁体には、前記容器内に連通する通気孔がシート体を貫通して設けられ、
   前記第２の弁体には、前記通気孔と平面配置が重複しない配置に、通気孔がシート体を貫通して設けられていることを特徴とするガス抜き弁。
2. 前記第２の弁体として、前記第１の弁体を形成するシート体よりも抗張力が小さなシート体が用いられていることを特徴とする請求項１記載のガス抜き弁。
3. 前記第１の弁体には単一の通気孔が設けられ、前記第２の弁体には前記第１の弁体に設けられた通気孔の周囲に、２以上の通気孔が均等配置に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のガス抜き弁。
4. 前記第１の弁体を構成するシート体が、伸縮性を有する基材にカーボンブラックを混合したものからなり、
   前記第２の弁体を構成するシート体が、伸縮性を有する基材にカーボンナノファイバーを混合したものからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のガス抜き弁。
5. 前記第１の弁体および第２の弁体に形成される通気孔が、シート体にレーザ加工が施されて形成されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のガス抜き弁。
6. 内圧が作用する容器の防爆弁として、前記請求項１〜５のいずれか一項記載のガス抜き弁が設けられていることを特徴とする電気部品。