JP2009212444A - アルミニウム電解コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサ内部で発生するガスに対応しながら、コンデンサの放熱性を改善するアルミニウム電解コンデンサを提供する。
【解決手段】本発明は、陽極箔と、陰極箔とをセパレータを介し巻回したコンデンサ素子と、このコンデンサ素子を収納する外装ケースと、を有するアルミニウム電解コンデンサにおいて、前記コンデンサ素子の底面から陰極箔をはみ出して巻回するとともに、可撓性放熱材を介して前記陰極箔のはみ出し側端面と前記ケース内面を接触させることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサである。また、本発明は、上記可撓性放熱材として、放熱フィラー添加の可撓性放熱材を使用することを特徴とするアルミニウム電解コンデンサである。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム電解コンデンサに関するものである。特に、アルミニウム電解コンデンサの放熱性に関するものである。

従来、アルミニウム電解コンデンサは、最小形状で最大容量を得る点から、アルミニウムの箔の陽極と陰極を同幅同位置かさねとし、また絶縁の点からセパレータはそれらより広く、それらからはみ出して巻回してコンデンサ素子とし、上面が開放した、コンデンサ素子の径より大きな外装ケースに収納していた。そのため、コンデンサ素子の径と外装ケースの径の差から生ずる間隙を有しており、この間隙は空間となっていて熱が伝わりにくいため、放熱性の改善が要求されている。
コンデンサの放熱性を改善するための方法として、外装ケースの側面とコンデンサ素子の側面の間隙空間に、熱伝導が空気より良好なシリコーンオイルを充填させる方法（特許文献１）が開示されている。また、外装ケースとコンデンサ素子との固定を改善しながらコンデンサの放熱性を改善するための方法として、外装ケースの側面とコンデンサ素子の側面の間隙空間に、シリコーン樹脂コンパウンドを設ける方法（特許文献２）が開示されている。
特開２００２−１１０４７９号公報 特開平３−１７９７１８号公報

しかしながら、従来の方法は、コンデンサ素子の径と外装ケースの径の差から生ずる間隙の空間を部分的にも埋めてしまうので、アルミニウム電解コンデンサの内部でガスが発生した場合、ガスにより内圧が急に上昇しやすく、開弁にいたる時間が短縮してしまいやすい。
ところで、もっとも熱伝導が大きなものは金属であるため、コンデンサ素子の底面から金属である陰極箔をはみ出して巻回し、はみ出した陰極箔と外装ケースの内底面と直接接触することにより、コンデンサの放熱性を改善するとともに、開弁にいたる時間が短縮問題をも改善すると考えられる。しかし、巻ズレがあるため、陰極箔はみ出し素子のはみ出し側端面が、必ずしも全てケース内面と接触するとはかぎらない。また、使用中の振動などにより接触している部分であっても必ずしも安定的に接触しているとはかぎらない。

本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、コンデンサ内部で発生するガスに対応しながら、コンデンサの放熱性を改善するアルミニウム電解コンデンサを提供するものである。

本発明は、陽極箔と、陰極箔とをセパレータを介し巻回したコンデンサ素子と、このコンデンサ素子を収納する外装ケースと、を有するアルミニウム電解コンデンサにおいて、前記コンデンサ素子の底面から陰極箔をはみ出して巻回するとともに、可撓性放熱材を介して前記陰極箔のはみ出し側端面と前記ケース内面を接触させることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサである。
また、本発明は、上記可撓性放熱材として、放熱フィラー添加の可撓性放熱材を使用することを特徴とするアルミニウム電解コンデンサである。

コンデンサ素子の底面から陰極箔をはみ出して巻回するとともに、可撓性放熱材を介して陰極箔のはみ出し側端面と外装ケース内面が接触しているので、コンデンサ内部で発生するガスに対応しながら、コンデンサの放熱性を改善するアルミニウム電解コンデンサを提供することができる。

本発明に述べる陽極箔は、アルミニウム電解コンデンサに使用される一般的な陽極箔で、厚さ５０μｍから１５０μｍ程度のアルミニウム箔等を、酸水溶液中、その表面をエッチング処理し、直径が０．１μｍから２μｍ程度のエッチングピットを設けた後、ホウ酸アンモニウム等の水溶液中で、定格電圧の１．５倍程度の電圧を印加して化成し、コンデンサとしての耐圧性の陽極酸化皮膜を形成したもので、化成後、引き出しリードタブを取り付け、陽極箔としたものである。

本発明に述べる陰極箔は、アルミニウム電解コンデンサに使用される一般的な陰極箔で、厚さ２０μｍから１００μｍ程度のアルミニウム箔等をそのまま、または酸水溶液中に浸漬し、その表面をエッチング処理し、引き出しリードタブを取り付け、陰極箔としたものである。
特に厚さは、厚い方が放熱性の点と共に曲がりやすい陰極箔の形状安定性を得ることができるので好ましいが、あまり厚いと対容積あたりの容量が低下するため、５０μｍから７０μｍ程度にすることが好ましい。

本発明に述べるセパレータは、陽極箔と、陰極箔とを物理的にわけると共に、電解液を保持する役目をする多孔質シートで、マニラ紙、ヘンプ紙、クラフト紙などの従来から使用されてきた電解紙を主材料としたものである。大きさはコンデンサの大きさにより選定されるが、おおよそ幅は、陽極箔幅より広く、１ｃｍから３０ｃｍ程度で、長さは数ｃｍから数ｍほどのもの、厚さは数μｍから数１０μｍほどのものである。セパレータの構成としては、単純密度紙のほか、一枚が相対的に繊維が密な高密度な層と、相対的に繊維が粗な低密度な層の複層紙などであってもかまわない。

本発明に述べるコンデンサ素子は、陽極箔と、陰極箔とをセパレータを介して巻回したものであるが、特に、セパレータは、陽極箔の両幅よりはみ出すようにして巻回し、陰極箔の引き出しリードタブ側では、はみ出すよう巻回する。また、陰極箔のケース底側では、陰極箔の方がはみ出すように巻回する。

本発明に述べる可撓性放熱材は、硬化前は液状であって、硬化後はゲル化またはゴム化する柔軟で可撓性のある物質で、熱伝導性のある物質である。熱伝導性接着剤、熱伝導性樹脂、熱伝導性ゴム、熱伝導性ゲルなどの特に硬化後、可撓性のある材質が選択できる。熱伝導性は添加する放熱フィラーにより増強される。
たとえば、熱伝導性接着剤としては、熱伝導性可撓性エポキシ接着剤、一液縮合型液状シリコーンゴム接着剤、加熱硬化型シリコーンゴム接着剤などが使用できる。また、熱伝導性ゴムとしては、熱伝導性シリコーンゴム、熱伝導性ウレタンゴムなどが使用できる。また、熱伝導性樹脂としては、アクリル系ポリウレタン樹脂、変成シリコーン／エポキシ混合樹脂組成物などが使用できる。また、熱伝導性ゲルとしては、熱伝導性シリコーンゲル、縮合硬化型の液状シリコーンゲル、チキソ性シリコーンゲル、付加型液状シリコーンゲル、熱伝導性ウレタンゲルなどが使用できる。必要があれば、難燃剤、酸化防止剤を添加してもよい。

このように、コンデンサ素子の底面から陰極箔をはみ出して巻回するとともに、可撓性放熱材を介して陰極箔のはみ出し側端面と外装ケース内面が接触しているので、巻ズレがあって陰極箔はみ出し素子のはみ出し側端面が、外装ケース内面と直接接触していなくとも、可撓性放熱材を介して陰極箔とケース内面と接触しているので放熱を迅速に行うことができる。

本発明に述べる放熱フィラーは、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化硼素、水酸化アルミニウム、炭化珪素、酸化チタンその他の熱伝導性に優れるセラミックフィラーや、アルミニウム粉、銅粉、銀粉、その他の熱伝導性に優れる金属フィラーを用いることができる。金属フィラーに樹脂やセラミックを被覆などしたものを使用してもよい。放熱フィラーの添加量は、硬化前の導入のしやすさから高粘度にならない程度に混合する。陽極箔と、陰極箔とが接触しない程度の量であれば、可撓性放熱材に導電性が生じる程度に多めに導電粉を使用するのが放熱特性の点で好ましい。

このように、可撓性放熱材として、放熱フィラー添加の可撓性放熱材を使用することにより、放熱性を改善すると共に、コンデンサ素子の底面からはみ出した、曲がりやすい陰極箔を、両側から変形量の少ない可撓性放熱材で支えるため、使用中に強い振動などがあったとしても安定的に接触することができる。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るアルミニウム電解コンデンサの断面図を示している。図１（ａ）は、コンデンサ素子の外表面を示していて、図１（ｂ）は、その断面図を示している。
本発明に係るアルミニウム電解コンデンサは、通常のアルミニウム電解コンデンサと同様に、電極箔を適当な巾に裁断された後、引き出しリードタブ１を接続し、紙などのセパレータと共に捲回されたコンデンサ素子２を、上面が開口したアルミニウム等の金属材からなり外観的に円筒状や楕円筒状に形成されているケース３内に収容し、封口板４で封口したものである。ケース３には絶縁性チューブを被覆する場合もある。
封口板４は、ケース上面の開口部を封口するもので、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、フェノール等の絶縁樹脂からなり、３〜５０ｍｍ程度の厚さがある。外部端子５を予め成形金型にセットし、インサート樹脂モールド等で行い、一体的に成形を行っている。引き出しリードタブ１は、外部端子５のケース３内面側で接続固定されている。
また、コンデンサ素子２を上方から押し付け、コンデンサ素子２の底面である陰極端面とケース３内底面が接触するようにするための手段として、たとえば封口板内面に押し付け突起６を設けている。陽極と陰極を分ける仕切手段を兼ねていてもかまわない。また、押し付け突起６の先端細くしてコンデンサ素子２の巻き心７に挿入し、コンデンサ素子２の横揺れ固定防止手段を兼ねていてもかまわない。
可撓性放熱材８は、コンデンサ素子２を入れる前にケース３内に注入し、コンデンサ素子２を入れてから硬化させる。

図２は、本発明に係るアルミニウム電解コンデンサの、コンデンサ素子の断面図の一部を示している。
９は陰極箔、１０はセパレータ、１１は陽極箔、８は可撓性放熱材を示している。陰極箔９は、セパレータ１０よりも下にはみ出していて、その先端端面の多くはケース３と接触しているが、一部ケース３と接触していない場合がある。その場合は、ケース３内底面側に設けた可撓性放熱材８を介して接触している。
可撓性放熱材８はまた、はみ出した陰極箔９の側面とも接触していて、その側面を補強しながら陰極箔８とケース３内底面と面で接触しているので放熱性を安定化させている。
可撓性放熱材８の高さは、可撓性放熱材８が絶縁性であれば、可撓性放熱材８が陽極箔１１と接触する高さでもかまわない。可撓性放熱材８が導電性であれば、陽極箔１１と接触しない高さである必要があるが、その分放熱特性の優れた金属粉を使用することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、実施例は、定格４００Ｖ、５６００μＦの電解コンデンサを製造する場合について説明する。
先ず、陽極箔は厚さ１００μｍのアルミニウム箔を処理して製造する。すなわち、このアルミニウム箔を直流エッチング法によって０．７μＦ／ｃｍ^２になるように粗面化する。粗面化後、純水中でボイルする。ボイル後、ホウ酸の化成液中において、６００Ｖの化成電圧をかけて化成し、化成膜を形成する。化成処理後、安定化させるために、リン酸処理をし、その後、幅１２０ｍｍ、長さ８０００ｍｍの大きさに切断して、陽極箔とする。
また、陽極用リードタブには化成処理をしない厚さ１５０μｍ、幅１０ｍｍ、長さ１６０ｍｍのアルミニウム箔を用いる。そしてこの陽極用リードタブの、１００ｍｍの長さの部分を陽極箔に２０００ｍｍおきに４枚、コールドウェルにより接続する。
陰極箔は、厚さ６０μｍのアルミニウム箔を塩酸と硫酸の混合酸からなる水溶液中に浸漬し、その表面を電解エッチング処理し、平均直径０．８μｍのエッチングピットを設け、２００μＦ／ｃｍ^２になるように粗面化し、その後、リン酸処理をする。リン酸処理後、幅１２０ｍｍ、長さ８３００ｍｍの大きさに切断する。
陰極用リードタブは、アルミニウム箔を長さ１５０μｍ、幅１０００ｍｍに圧延し、次いで焼なまし、５００ｍｍの幅に切断した後、さらに幅１０ｍｍの大きさに切断して製造する。そしてこの陰極用リードタブを陰極箔に２０００ｍｍ間隔で４枚をコールドウェルにより接続する。
電解紙として、厚さ６０μｍ、幅１３０ｍｍ、密度０．６ｇ／ｍ^３のマニラ紙の電解紙と、厚さ３０μｍ、幅３０ｍｍ、密度０．７５ｇ／ｍ^３のクラフト紙を用いる。
陰極箔を電解紙から５ｍｍはみ出して、この電解紙を介して陽極箔と陰極箔とを積層して巻回し、コンデンサ素子を形成した。その後、有機酸系の電解液を含浸した。
電解液を含浸後、コンデンサ素子から引き出した陽極用リードタブ及び陰極用リードタブを、各々封口板に貫通して設けた陽極端子及び陰極端子に接続した。
接続後、予め硬化前の可撓性放熱材としてポリオルガノシロキサンを使用し、これをケースの底の方に４ｍｍの高さまで充填し、次に、ケースにコンデンサ素子を収納した。収納後、可撓性放熱材を１００℃で２０分加熱硬化するとともに、封口板をケースの端に取り付けて、ケースを密閉した。なお、封口板には防爆弁が取り付けられている。ケースを密閉後、温度８５℃の雰囲気中に放置して４２５Ｖの電圧を加えてエージング処理した。エージング処理後、ケースに絶縁性のチューブを被覆した。

可撓性放熱材としてポリオルガノシロキサン１００重量部に、平均粒径２μの酸化アルミニウム粉５５０重量部を添加したものを使用した以外実施例１と同様に製作した。

実施例１と実施例２のほかに、可撓性放熱材を使用しない以外実施例１と同様に製作したものを比較例とし、これらの電解コンデンサを周囲温度６０℃の環境で、ＤＣバイアス４００Ｖ、リプル電流８Ａ／１２０Ｈｚを印加して５０時間後のコンデンサ内部の発熱温度を測定した。コンデンサ内部の温度は、コンデンサの封口板に穴をあけて熱電対を挿入して測定し、その結果を表１示す。それによると、可撓性放熱材を使用した実施例１のものは、それを使用していない比較例のものと比べ、１０℃以上の放熱効果が確認できた。また、可撓性放熱材に放熱フィラーを添加した実施例２ものは添加しない実施例１のものより４℃以上の放熱効果が確認できた。

本発明に係るアルミニウム電解コンデンサの全体を示している。 本発明に係るアルミニウム電解コンデンサの、コンデンサ素子の断面図の一部を示している。

符号の説明

１…引き出しリードタブ、２…コンデンサ素子、３…ケース、４…封口板、５…外部端子、６…押し付け突起、７…巻き心、８…可撓性放熱材、９…陰極箔、１０…セパレータ、１１…陽極箔。

Claims (2)

1. 陽極箔と、陰極箔とをセパレータを介し巻回したコンデンサ素子と、このコンデンサ素子を収納する外装ケースと、を有するアルミニウム電解コンデンサにおいて、前記コンデンサ素子の底面から陰極箔をはみ出して巻回するとともに、可撓性放熱材を介して前記陰極箔のはみ出し側端面と前記ケース内面を接触させることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
2. 可撓性放熱材として、放熱フィラー添加の可撓性放熱材を使用することを特徴とする請求項１のアルミニウム電解コンデンサ。

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