JP2006269652A - コンデンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 特別な部品を追加することなく耐熱性を向上させることが可能なコンデンサ装置を提供する。
【解決手段】 コンデンサ装置１００は、耐熱性の高いフィルムを有する第１コンデンサ素子１１０と、第１コンデンサ素子１１０よりも耐熱性の低い第２コンデンサ素子１２０と、第１および第２コンデンサ素子１１０，１２０を収納する外装ケース１０１とを備える。第１コンデンサ素子１１０および第２コンデンサ素子１２０が耐熱性を考慮して外装ケース１０１内に配置される。
【選択図】 図２

Description

この発明は、コンデンサ装置に関し、より特定的には、複数のコンデンサ素子を有するコンデンサ装置に関するものである。

従来、コンデンサ装置は、たとえば特開２００１−３２６１３１号公報（特許文献１）、実開平５−４３５３３号公報（特許文献２）、実開平５−７６０２８号公報（特許文献３）および特開平３−４８４１２号公報（特許文献４）に開示されている。
特開２００１−３２６１３１号公報 実開平５−４３５３３号公報 実開平５−７６０２８号公報 特開平３−４８４１２号公報

たとえば特許文献１では、複数個のコンデンサ素子の間に外部と連続的な空気層を設けることによりコンデンサ素子の発熱を放熱する。

特許文献２では、コンデンサを複数個横積みし、各列間に密着するように金属板または熱伝導率の高い絶縁板を挿入する技術が開示されている。

特許文献３では、コンデンサ間に金属製放射板を挿入する技術が開示されている。

特許文献４では、絶縁性の高いフィルム層と耐熱性の高いフィルム層の２種類のフィルム層により構成されるガス充填フィルムコンデンサが開示されている。

従来の技術では、コンデンサ素子の内部に蓄積される熱を放熱させるために特別な冷却構造を設ける技術が知られている。このような方法では、特別な冷却構造を設けるための特別なスペースを必要とするため、車載のような限られたスペースしかない場合においては有効な方法ではない。また、従来では内部を均一に冷却する場合しか想定されておらず、外部との接続関係から耐熱が必要な箇所を重点的に冷却する構造は何ら開示されていない。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、特別な冷却構造を設けることなくコンデンサ素子を冷却することが可能なコンデンサ装置を提供することを目的とする。

この発明に従ったコンデンサ装置は、耐熱性の高いフィルムを有する第一コンデンサ素子と、第一コンデンサ素子よりも耐熱性の低い第二コンデンサ素子と、第一および第二コンデンサ素子を収容する外装ケースとを備える。第一および第二コンデンサ素子が耐熱性の観点から外装ケース内に配置される。

このように構成されたコンデンサ装置では、特別な冷却構造を設けることなく第一および第二コンデンサ素子の配列を調整するだけで十分な冷却を図ることができる。その結果省スペース化を図ることができる。また、全体の使用温度を上げることが可能になる。さらに、すべてのコンデンサ素子に耐熱性の高いコンデンサ素子を用いた場合に比べてコストを安くすることができる。

より好ましくは、外装ケース内部の中心部付近および外部接続との関係において耐熱性が必要な第一領域に第一コンデンサ素子が配置され、第一領域よりも耐熱性が要求されない第二領域に第二コンデンサ素子が配置される。

好ましくは、第一コンデンサ素子はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムまたはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルムを使用したコンデンサ素子であり、第二コンデンサ素子はポリプロピレン（ＰＰ）フィルムを使用したコンデンサ素子である。

好ましくは、コンデンサ装置の使用環境における温度分布を考慮して第一および第二コンデンサ素子が配置される。

この発明に従えば、特別な冷却構造を設けることなく十分な冷却を図ることができるコンデンサ装置を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

図１は、この発明に従ったコンデンサ装置を有する負荷駆動装置の主要部の構成を示す電気回路図である。

図１を参照して、負荷駆動装置１０は、コンバータ２０と、インバータ３０と、制御装置４０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、出力ライン６２〜６６とを備える。コンバータ２０は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３を介してバッテリＢと接続され、インバータ３０は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３を介してコンバータ２０と接続される。また、インバータ３０は、出力ライン６２〜６６を介して電気負荷としてのモータジェネレータＭＧと接続される。

バッテリＢは、直流電源であって、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池である。バッテリＢは、発生した直流電力をコンバータ２０に供給し、また、コンバータ２０から受取る直流電力によって充電される。

モータジェネレータＭＧは、たとえば３相交流同期電動発電機であって、負荷駆動装置１０から受ける交流電力によって駆動力を発生する。また、モータジェネレータＭＧは、発電機としても使用され、減速時の発電作用（回生発電）により交流電力を発生し、その発生した交流電力を負荷駆動装置１０に供給する。

コンバータ２０は、各々が半導体モジュールからなる上アームおよび下アームと、リアクトルＬとを含む。上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続され、電源ラインＰＬ２に接続される上アームは、パワートランジスタＱ１と、パワートランジスタＱ１に逆並列に接続されるダイオードＤ１とからなり、電源ラインＰＬ３に接続される下アームは、パワートランジスタＱ２と、パワートランジスタＱ２に逆並列に接続されるダイオードＤ２とからなる。そして、リアクトルＬは、電源ラインＰＬ１とパワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点との間に接続される。

このコンバータ２０は、バッテリＢから受ける直流電圧をリアクトルＬを用いて昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。また、コンバータ２０は、インバータ３０から受ける直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。

インバータ３０は、Ｕ相アーム５２と、Ｖ相アーム５４と、Ｗ相アーム５６とを含む。Ｕ相アーム５２、Ｖ相アーム５４およびＷ相アーム５６の各々は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続され、半導体モジュールからなる上アームおよび下アームからなる。各相アームにおける上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続される。

Ｕ相アーム５２の上アームは、パワートランジスタＱ３と、パワートランジスタＱ３に逆並列に接続されるダイオードＤ３とからなり、Ｕ相アーム５２の下アームは、パワートランジスタＱ４と、パワートランジスタＱ４に逆並列に接続されるダイオードＤ４とからなる。Ｖ相アーム５４の上アームは、パワートランジスタＱ５と、パワートランジスタＱ５に逆並列に接続されるダイオードＤ５とからなり、Ｖ相アーム５４の下アームは、パワートランジスタＱ６と、パワートランジスタＱ６に逆並列に接続されるダイオードＤ６とからなる。Ｗ相アーム５６の上アームは、パワートランジスタＱ７と、パワートランジスタＱ７に逆並列に接続されるダイオードＤ７とからなり、Ｗ相アーム５６の下アームは、パワートランジスタＱ８と、パワートランジスタＱ８に逆並列に接続されるダイオードＤ８とからなる。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、対応する出力ラインを介してモータジェネレータＭＧの対応する相のコイルの反中性点側に接続されている。

インバータ３０は、制御装置４０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧへ出力する。また、インバータ３０は、モータジェネレータＭＧによって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

制御装置４０は、モータジェネレータＭＧのトルク指令値、各相電流値、およびインバータ３０の入力電圧に基づいてモータジェネレータＭＧの各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ３０へ出力する。ここで、モータジェネレータＭＧの各相電流値は、インバータ３０の各アームを構成する半導体モジュールに組込まれた電流センサによって検出される。この電流センサは、Ｓ／Ｎ比が向上するように半導体モジュール内に配設されている。また、制御装置４０は、上述したトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ３０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ２０へ出力する。

さらに、制御装置４０は、モータジェネレータＭＧによって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢを充電するため、コンバータ２０およびインバータ３０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。

この負荷駆動装置１０においては、コンバータ２０は、制御装置４０からの制御信号に基づいて、バッテリＢから受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２に供給する。そして、インバータ３０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧへ出力する。

また、インバータ３０は、モータジェネレータＭＧの回生動作によって発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源ラインＰＬ２へ出力する。そして、コンバータ２０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。

コンデンサ装置１００はコンデンサＣ１，Ｃ２を含み、コンデンサＣ１，Ｃ２を同一のケースに収納することで構成される。コンデンサＣ１の正極（Ｐ極）は電源ラインＰＬ１に接続され、負極（Ｎ極）は電源ラインＰＬ３に接続される。コンデンサＣ２の正極（Ｐ極）は電源ラインＰＬ２に接続され、コンデンサＣ２の負極（Ｎ極）は電源ラインＰＬ３に接続される。

図２は、図１で示すコンデンサ装置の平面図である。図２を参照して、コンデンサ装置１００は、耐熱性の高いフィルムを有する第一コンデンサ素子１１０と、第一コンデンサ素子１１０よりも耐熱性の低い第二コンデンサ素子１２０と、第一および第二コンデンサ素子１１０，１２０を収容する外装ケース１０１とを備える。第一および第二コンデンサ素子１１０，１２０が耐熱性の観点から外装ケース１０１内に配置されている。

外装ケース１０１の内部の中心部および外部接続との関係において耐熱性が必要な第一領域に第一コンデンサ素子１１０が配置され、第一領域よりも耐熱性が要求されない第二領域に第二コンデンサ素子１２０が配置される。

第一コンデンサ素子１１０はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムまたはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルムを使用したコンデンサ素子であり、第二コンデンサ素子１２０は、ポリプロピレン（ＰＰ）フィルムを使用したコンデンサ素子である。

外装ケース１０１は箱形状であり、その内部空間に複数の第一および第二コンデンサ素子１１０，１２０が配置される。図２では、外装ケース１０１は四角形状であるが、この形状に限られず、円形状または多角形状とされてもよい。

外装ケース１０１の中央領域を境として、外装ケース１０１内にコンデンサＣ１，Ｃ２が収納される。コンデンサＣ１，Ｃ２は同一数のコンデンサ素子から構成されているが、これに限られるものではなく、コンデンサＣ１，Ｃ２のいずれか一方では、他方よりコンデンサ素子が多く含まれていてもよい。

また、この実施の形態では、コンデンサＣ１，Ｃ２の境界領域は外装ケース１０１の短辺方向に延びるが、これに限られず、外装ケース１０１の長辺方向にコンデンサＣ１，Ｃ２の境界領域が延びてもよい。

第一コンデンサ素子１１０および第二コンデンサ素子１２０はそれぞれ扁平した円柱形状であり、互いに接触するように配列されている。第一コンデンサ素子１１０および第二コンデンサ素子１２０は電極の間に絶縁フィルムを挟み込み、この絶縁フィルム間の正極および負極間で電荷を蓄積するキャパシタであり、絶縁フィルムの材質によって誘電率が異なる。これにより容量が異なる。また、絶縁フィルムの材質を変化させることで、耐熱性も変化する。具体的には、第一コンデンサ素子１１０の絶縁フィルムであるポリエチレンテレフタレートまたはポリエチレンナフタレートは耐熱性が高く、第二コンデンサ素子１２０の絶縁フィルムであるポリプロピレンは耐熱性が低い。

外装ケース１０１において、熱がこもりやすい領域および高温になりやすい領域には、耐熱性の高い第一コンデンサ素子１１０が配置される。具体的には、外装ケース１０１の中心付近では、外部に放熱することが困難であるため高温となりやすい。この領域には、第一コンデンサ素子１１０が配置される。さらに、Ｎ極バスバー１５２、第一Ｐ極バスバー１５３および第二Ｐ極バスバー１５４付近では、電流が集中し発熱しやすい。この付近でも耐熱性の高い第一コンデンサ素子１１０が配置される。

なお、図２においてハッチングを付したコンデンサ素子が第一コンデンサ素子であり、ハッチングが付されていない素子が第二コンデンサ素子である。

第二コンデンサ素子１２０は、高い耐熱性を要求されない領域に配置される。具体的には、外装ケース１０１に直接接触する領域であり、かつバスバーから離れた領域では熱が直接外装ケース１０１へ伝わり、外装ケース１０１から放熱がなされるため、低い耐熱性の第二コンデンサ素子１２０を配置することができる。

外装ケース１０１には、Ｎ極バスバー１５２、第一Ｐ極バスバー１５３および第二Ｐ極バスバー１５４が設けられている。Ｎ極バスバー１５２は電源ラインＰＬ３に接続されて、第一および第二コンデンサ素子１１０，１２０のＮ極端子と接続される。Ｎ極バスバー１５２は電源ラインＰＬ３に電気的に接続される。Ｎ極バスバー１５２は平板形状であり、導電部材として作用する。Ｎ極バスバー１５２上には第一Ｐ極バスバー１５３および第二Ｐ極バスバー１５４がそれぞれ配置される。第一Ｐ極バスバー１５３はコンデンサＣ１側に配置され、第二Ｐ極バスバー１５４はコンデンサＣ２側に配置される。

図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図３を参照して、コンデンサ装置１００は、窪んだ形状の外装ケース１０１と、外装ケース１０１の底面に配置されるＮ極バスバー１５２と、Ｎ極バスバー１５２上に載置される第一コンデンサ素子１１０と、第一コンデンサ素子１１０の上面に接触する第一Ｐ極バスバー１５３および第二Ｐ極バスバー１５４とを有する。Ｎ極バスバー１５２はすべてのコンデンサ素子のＮ極と接続されており、外装ケース１０１の内表面に沿った形状とされる。第一コンデンサ素子１１０の上面がＰ極端子１１１であり、下面がＮ極端子１１２である。なお、図では示していないが、第二コンデンサ素子１２０でも上面がＰ極端子であり、下面がＮ極端子である。すべてのＮ極端子１１２はＮ極バスバー１５２に接続されている。外装ケース１０１内には第一コンデンサ素子１１０が規則正しく配列されている。第一コンデンサ素子１１０の上面のＰ極端子１１１は第一Ｐ極バスバー１５３および第二Ｐ極バスバー１５４と接触している。なお、図３で示す断面では、第一コンデンサ素子１１０の高さはすべて一定であるが、第一コンデンサ素子１１０の高さは必ずしもすべてが一定でなくてもよい。また、第一コンデンサ素子１１０の大きさはすべて均等であるが、これに限られず、大きいコンデンサ素子と小さいコンデンサ素子が設けられていてもよい。

図４は第一コンデンサ素子の斜視図である。図４を参照して、第一コンデンサ素子１１０は円柱形状であり、頂面にＰ極端子１１１が設けられ、底面にＮ極端子１１２が設けられる。第一コンデンサ素子１１０の形状としては、円柱だけでなく、角柱、楕円柱形状などとしてもよい。さらに、隙間なく充填するために六角柱形状、四角柱形状または三角柱形状などの形状とされてもよい。

図５は第一コンデンサ素子の分解斜視図である。図５を参照して、第一コンデンサ素子１１０は、絶縁フィルム１１３と、カソード電極１１４と、絶縁フィルム１１３とアノード電極１１５とを積層した形状とされる。絶縁フィルム１１３はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの耐熱性の高い材料により構成される。なお、第二コンデンサ素子も同様に絶縁フィルム、カソード電極、絶縁フィルムおよびアノード電極の積層構造とされ、絶縁フィルムとして、ポリプロピレン（ＰＰ）などの比較的耐熱性の低い材料が用いられる。

本発明では、フィルムコンデンサの素子の実装方法において、内部温度の上昇するバスバー近傍およびコンデンサ圧子の中心部に耐熱性の高い、ＰＥＴ、ＰＥＮ等のフィルムを有する第一コンデンサ素子１１０を配置する。温度上昇の低い部分については、コストが低く、耐熱性の低いＰＰフィルムを有する第二コンデンサ素子１２０を用いる。第一および第二コンデンサ素子１１０，１２０はフィルムを巻回して構成される。第一および第二コンデンサ素子１１０，１２０の隙間は基本的に樹脂モールドされる。

高温半導体（ＳｉＣ、ＧａＮなど）を高温で使用しようとすると、コンデンサに半導体素子温度が受熱するが、この場合でも、本発明であればコンデンサが劣化することを防止できる。

以上のように構成された、この発明に従ったコンデンサ装置では、コンデンサおよびインバータなどの設計において、一部の高温部分の温度に律速されることなく全体の使用温度を上げることが可能である。

さらに、全面的にＰＥＮ、ＰＥＴフィルムを使用した場合と比較すると、コストを低下させることができる。

また、ＰＥＴ、ＰＥＮフィルムはＰＰフィルムに比べて誘電率が高く、その分容量を向上させることができる。なお、ＰＰの誘電率は２、ＰＥＴの誘電率は３、ＰＥＮの誘電率は２．５である。

また、ＰＥＴ、ＰＥＮフィルムは、ＰＰフィルムに比べ分子の架橋強度が強く、ＰＰに比べ薄膜化が可能なため、その分容量を向上させることができる。

以上、この発明について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。

まず、実施の形態では、１つの外装ケース１０１内に２つのコンデンサＣ１およびＣ２を構成する第一および第二コンデンサ素子が収納される構造を示したが、さらに別のコンデンサＣ３を構成する第一および第二コンデンサ素子を外装ケース１０１内に設けてもよい。

また、外装ケース１０１内に配置される第一および第二コンデンサ素子を構成する絶縁フィルムは２種類のみでなく、３種類以上の構成を採用してもよい。

さらに、第一および第二コンデンサ素子１１０，１２０の配置については、上記の実施の形態で示したものに限られず、コンデンサ装置１００の使用環境における温度分布を考慮して、第一および第二コンデンサ素子１１０，１２０を配置してもよい。具体的には、車両冷却風、冷媒流れなどに応じて第一および第二コンデンサ素子１１０，１２０を配置する。コンデンサ装置１００を車両に搭載する場合には、走行風（走行時にコンデンサ装置にあたる風）、冷媒（空気または水など）によりコンデンサ装置１００を冷却することが可能であり、冷却が積極的に行われる部分（例えば、冷媒導入口付近）に耐熱性の低い第二コンデンサ素子１２０を配置し、冷却が積極的に行われない部分（例えば冷媒溜りとなる部分）に耐熱性の高い第一コンデンサ素子１１０を配置することが可能である。また、走行風が直接当たる部分に第二コンデンサ素子１２０を配置し、走行風が直接当たらない部分に第一コンデンサ素子１１０を配置することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば車両に搭載されるコンデンサの分野で用いることができる。

この発明に従ったコンデンサ装置を有する負荷駆動装置の主要部の構成を示す電気回路図である。 図１で示すコンデンサ装置の平面図である。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 第一コンデンサ素子の斜視図である。 第一コンデンサ素子の分解斜視図である。

符号の説明

１００ コンデンサ装置、１０１ 外装ケース、１１０ 第一コンデンサ素子、１２０ 第二コンデンサ素子。

Claims (4)

1. 耐熱性の高いフィルムを有する第一コンデンサ素子と、
   前記第一コンデンサ素子よりも耐熱性の低い第二コンデンサ素子と、
   前記第一および第二コンデンサ素子を収容する外装ケースとを備え、
   前記第一および第二コンデンサ素子が耐熱性を考慮して前記外装ケース内に配置される、コンデンサ装置。
2. 前記外装ケースの内部の中心部付近および外部接続との関係において耐熱性が必要な第一領域に第一コンデンサ素子が配置され、前記第一領域よりも耐熱性が要求されない第二領域に前記第二コンデンサ素子が配置される、請求項１に記載のコンデンサ装置。
3. 前記第一コンデンサ素子がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムまたはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルムを使用したコンデンサ素子であり、前記第二コンデンサ素子がポリプロピレン（ＰＰ）フィルムを使用したコンデンサ素子である、請求項１または２に記載のコンデンサ装置。
4. 前記コンデンサ装置の使用環境における温度分布を考慮して前記第一および第二コンデンサ素子が配置される、請求項１に記載のコンデンサ装置。

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