JP2010245426A

JP2010245426A - コンデンサ

Info

Publication number: JP2010245426A
Application number: JP2009094807A
Authority: JP
Inventors: Masahito Sano; 正仁佐野
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】コンデンサ素子に加わる局所的な発熱を低減することにより、信頼性の高いコンデンサを提供することを目的とする。
【解決手段】両端面に電極部８を設けたコンデンサ素子１と、上面に開口部を有しコンデンサ素子１を収納するケース２と、コンデンサ素子１とケース２を絶縁する絶縁材３ａと、ケース２の開口部を封止する蓋４と、蓋４に設けられた外部接続端子５と、コンデンサ素子１と外部接続端子５とを接続する上部リード線６、下部リード線７と、ケース２内に充填される絶縁油３ｂとを備えたコンデンサであって、コンデンサ素子１の両端面に設けた電極部８がケース２内で上下に位置するように収容され、コンデンサ素子１の上側に位置する一方の電極部８から引き出される上部リード線６の断面積よりもコンデンサ素子１の下側に位置する他方の電極部８から引き出される下部リード線７の断面積を大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、モーターの運転用や力率改善用をはじめとした電気機器などに用いられるコンデンサに関するものである。

従来、コンデンサ素子の両端面に設けた電極が上下方向に配置されるようにケース内に収容し、絶縁材を充填して密封した金属化フィルムコンデンサが使用されている。

図２は従来のコンデンサの一例を示す断面図であり、図２においてリード線２４ａ、２４ｂの一端はコンデンサ素子２１のメタリコン電極２８ａ、２８ｂに各々接続され、リード線２４ａ、２４ｂの他端は端子２５に接続されて、熱硬化性樹脂２９とともにコンデンサケース２２に収納されている。

このような従来のコンデンサでは、上部のメタリコン電極２８ａと外部接続端子２５を接続するリード線２４ａと、下部のメタリコン電極２８ｂと外部接続端子２５を接続するリード線２４ｂには特に注意が払われることなく、同じものを長さを変えて用いた構成が一般的であった。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００２−１１０４４５号公報

しかしながら、上記のような従来のコンデンサを高電圧、大電流下で使用した場合、抵抗値を有するリード線２４ａ、２４ｂも発熱するが、下部のメタリコン電極２８ｂと端子２５を接続するリード線（下部リード線）２４ｂは、上部のメタリコン電極２８ａと端子２５を接続するリード線（上部リード線）２４ａに比べて、「抵抗率×長さ÷断面積」で表される総抵抗値が高いために、上部リード線２４ａよりも下部リード線２４ｂの発熱量が大きく、発熱がアンバランスとなり、局部的に発熱温度の高い部分が形成されてしまう。

しかも、その下部リード線２４ｂはコンデンサ素子２１に接した状態で外部接続端子２５に至る長い距離で引き回されているため、下部リード線２４ｂの発熱が直接コンデンサ素子２１に伝わり、高電圧、大電流下で長期間使用した場合に、コンデンサ素子２１が局所的に熱のために劣化し、この局所的な部分がトリガーとなって、甚だしい場合には熱破壊に至る懸念を有するという課題があった。

一般にコンデンサ素子の内部温度が１００℃を超えると、故障率が急激に増大するため、発熱しても９０℃以下とすることが必要である。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、コンデンサ素子の局所的な発熱を抑制し、高電圧、大電流下で使用した場合でも信頼性の高いコンデンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のコンデンサは、両端面に電極部を設けたコンデンサ素子と、上面に開口部を有し前記コンデンサ素子を収納するケースと、このケースの開口部を封止する蓋と、この蓋に設けられ前記コンデンサ素子から前記ケースの外方へ電気を引き出す外部接続端子と、前記コンデンサ素子と前記外部接続端子とを接続する長さの異なる一対のリード線とを備えたコンデンサであって、前記コンデンサ素子の両端面に設けた電極部が前記ケース内で上下に位置するように収容され、前記一対のリード線は前記コンデンサ素子の上側に位置する一方の電極部から引き出される上部リード線と前記コンデンサ素子の下側に位置する他方の電極部から引き出される下部リード線とからなり、前記下部リード線の断面積が前記上部リード線の断面積よりも大きくしたものである。

下部リード線の断面積を上部リード線の断面積よりも大きくすることにより、上部リード線と下部リード線の発熱をほぼ均等に、言い換えるならば発熱量の大きな下部リード線の発熱を抑制して上部リード線の発熱に近づけることにより、発熱のバランスが取れ、局所的に高い温度に発熱する部分を低減することができ、コンデンサ素子が局所的に高い温度にさらされることがなくなるため、コンデンサ素子の劣化の引き金（トリガー）となる局所発熱部分を避けることが可能となり、高い信頼性のコンデンサを得ることができる。

本発明の一実施の形態におけるコンデンサの内部構造を示す断面図従来のコンデンサの内部構造を示す断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態におけるコンデンサの断面図である。

図１において、両面コロナ処理が施されたポリプロピレンフィルムの両面に、蒸着によりアルミニウムと亜鉛の合金よりなる蒸着金属電極を形成した金属化ポリプロピレンフィルム（図示せず）を巻回し、巻回した両端面にメタリコンにより、電極部８を設けたコンデンサ素子１がアルミニウムなどの金属製のケース２に収納されている。

コンデンサ素子１とケース２の間には樹脂ケースなどの絶縁材３ａが設けられてコンデンサ素子１と金属製のケース２間の絶縁を確保している。

また、ケース２内部には、ポリブテンオイルなどの絶縁油３ｂが充填されている。

ケース２は蓋４によって密封され、この蓋４に設けられた外部接続端子５とコンデンサ素子１とはメタリコン電極部８と上部リード線６と下部リード線７によって電気的に接続されている。

このように構成されたコンデンサにおいて、外部接続端子に電圧が印加されたとき、コンデンサ素子１には印加電圧、周波数、コンデンサの静電容量に比例した電流が流れる。

また、上部リード線６と下部リード線７にも同じ電流が流れることになる。

そして、上部リード線６と下部リード線７がもし同じ断面積であれば、リード線の総抵抗値（抵抗率×長さ÷断面積）の大きい下部リード線７の方が上部リード線６よりも大きく発熱するが、本実施の形態のように、下部リード線７の断面積を上部リード線６の断面積よりも大きくすることにより、上部リード線６と下部リード線７の発熱をほぼ均等に、言い換えるならば発熱量の大きな下部リード線７の発熱を抑制して上部リード線６の発熱に近づけることにより、発熱のバランスが取れ、局所的に高い温度に発熱する部分を低減することができる。

したがって、コンデンサ素子１が局所的に高い温度にさらされることがなくなるため、コンデンサ素子１の劣化の引き金（トリガー）となる局所発熱部分を避けることが可能となり、高い信頼性のコンデンサを得ることができる。

次に、本実施の形態における実施例および比較例のコンデンサを試作し、発熱効果の比較試験を行った結果について説明する。

まず本実施の形態における実施例として、厚み５μｍのポリプロピレンフィルムにアルミニウムと亜鉛の合金よりなる蒸着金属電極を形成した両面金属化ポリプロピレンフィルム（図示せず）と金属蒸着電極を形成していない合わせフィルム（図示せず）とが交互になるように巻回して、巻回した両端面にメタリコン電極部８を形成し、定格電圧が４４０Ｖで静電容量が６５μＦのコンデンサ素子１を作製し、樹脂ケースよりなる絶縁材３ａに入れたものをアルミニウム製のケース２に収納し、絶縁油３ｂとしてポリブテンオイルを充填し、アルミニウム製の蓋４で密封した。

蓋４に設けられた外部接続端子５とコンデンサ素子１の両端面のメタリコン電極部８は断面積が０．３２ｍｍ²で長さが５ｃｍの撚り線よりなる上部リード線６と、断面積が０．８２ｍｍ²、１．０３ｍｍ²、１．３１ｍｍ²、２．０８ｍｍ²、４．１７ｍｍ²で長さが１３ｃｍの撚り線よりなる下部リード線７とで、電気的に接続したものを作製し、それぞれ実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５とした。

これとは別に、本実施の形態である実施例と比較するための比較例として、上部リード線６として断面積が０．６５ｍｍ²で長さが５ｃｍの単線を用い、下部リード線として断面積が０．６５ｃｍ²で長さが１３ｃｍの単線よりなる下部リード線７を使用した以外は実施例と同様のコンデンサを作製し、比較例とした。

これらの実施例と比較例のコンデンサ各３個について、７０℃の高温下で、交流定格電圧４４０Ｖの１．２５倍（５５０Ｖ）の交流電圧を印加し、最も高温になるコンデンサ素子１の中央部の温度を熱電対を用いて測定した。

その結果を（表１）に示す。（表１）で温度上昇は周囲温度７０℃のもとでコンデンサ素子１の中央部の温度がどの程度上昇するかを示したものであり、コンデンサ素子１の中央部の測定温度から７０℃を引いた温度で表される。

一般にポリプロピレンフィルムよりなるコンデンサ素子１の内部温度が１００℃を超えると、故障率が急激に増大するため、コンデンサ素子１の温度は発熱した状態でも上限温度として９０℃以下とすることが重要である。

（表１）の結果より、比較例ではコンデンサ素子１の中央部の温度が試料３個の平均で９２．１℃となり、上限温度とした９０℃を超えてしまったのに対して、本実施の形態による実施例１では８４．０℃と低く抑えられ、上限温度とした９０℃に対して約６℃の余裕があった。実施例２〜５ではさらに温度上昇が抑制された結果となっている。

一般にコンデンサ等の故障率は温度により指数関数的に増大する傾向があり、上限温度近くにおいては、たとえ数度でも下げられるのであれば、コンデンサの信頼性に及ぼす効果は大きいものである。

（表１）に示したように、本実施の形態の実施例１〜５では下部リード線７として断面積０．８２ｍｍ²、１．０３ｍｍ²、１．３１ｍｍ²、２．０８ｍｍ²、４．１７ｍｍ²のリード線を用いたが、これは（表１）にも示したように、通常リード線の規格として使用されるアメリカンワイヤーゲージ（ＡＷＧサイズ）でそれぞれ１８〜１１に相当する。リード線の断面積の規格としては、このようなアメリカンワイヤーゲージ規格に準じたものを使用することが、入手の容易さ、製品規格の設計の上で便利である。

実施例１で用いた下部リード線（断面積０．８２ｍｍ²、ＡＷＧサイズで１８）よりもさらに断面積の大きい下部リード線を用いた実施例２（断面積１．０３ｍｍ²、ＡＷＧサイズで１７）や実施例３（断面積１．３１ｍｍ²、ＡＷＧサイズで１６）、実施例４（断面積２．０８ｍｍ²、ＡＷＧサイズで１４）、実施例５（断面積４．１７ｍｍ²、ＡＷＧサイズで１１）とすることで、温度上昇はさらに抑制することができる。しかし、実施例４と実施例５を比較すると、リード線の断面積を２倍にしたにも関わらず温度上昇の値は殆ど変わらないことから、下部リード線の断面積は実施例４の２．０８ｍｍ²（ＡＷＧサイズで１４）以下で良いことが解る。

さらに、ケース２内部の余剰スペースにも限界があり、コスト増にもつながるという点からも、下部リード線７の断面積としては、２．０８ｍｍ²（ＡＷＧサイズで１４）以下とすることが望ましい。

また、上部リード線６として断面積０．３２ｍｍ²（ＡＷＧサイズで２２）のリード線を用いたが、さらに断面積の小さいリード線を用いてもよい。ただし、電流密度が著しく大きくならないように０．１３ｍｍ²（ＡＷＧサイズで２６）以上の断面積とすることが望ましい。

以上詳述したように、本実施の形態のコンデンサによれば、極めて平易に下部リード線７の発熱を低下させ、より長寿命のコンデンサを提供することができるとともに、上部リード線６のコスト削減、組立作業性向上が図れる。

さらにリード線（特に上部リード線６）として、撚り線を用いることにより、さらにリード線の接続が容易となり、組立作業効率の向上を図ることができる。

上記実施例では下部リード線７の断面積により説明したが、断面積に代えて下部リード線に流れる電流の電流密度を制限することにより、下部リード線７の発熱を抑制することもできる。

この実施例の場合には、定格電圧（４４０Ｖ）印加時の下部リード線の断面積を０．８２ｍｍ²としているが、電流密度でいうと１５Ａ／ｍｍ²以下、より好ましくは１３．１Ａ／ｍｍ²以下とすることで、下部リード線７の発熱を抑えつつ上部リード線６との発熱バランスを取ることができ、コンデンサ素子１への局所的温度上昇要因を除去することができる。

なお、実施の形態ではコンデンサ素子１の放電を防ぎ、絶縁性を確保するためにポリブテンオイルを絶縁油３ｂとして充填したが、これに限定されるものではなく、絶縁油３ｂとしてはポリブテンオイルの他にその他の鉱物油、植物油、あるいはこれらの混合油や、ワックスや、エポキシ樹脂などの充填樹脂を用いることもできる。

コンデンサ素子１としては、今回の試料では交流電流用途におけるコロナ放電の影響を低減するため、アルミニウムと亜鉛の合金を用いたが、これに限定されるものではなく、アルミニウムによる金属蒸着電極であってもよい。

ケース２としては、内部のコンデンサ素子１からの放熱のためにはアルミニウムなどの金属製のものが好ましいが、樹脂製のケースであってもよい。

本発明のコンデンサは、誘電体フィルムに金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを巻回してその両端面に取出電極を設けたコンデンサ素子と、このコンデンサを収納する外装ケースと、外部接続端子を有する蓋とで構成されたコンデンサであって、コンデンサ素子と外部接続端子とを電気的に接続する上部リード線と下部リード線の総抵抗値が略等しくすることで、コンデンサ素子の局所的な発熱を抑制し、信頼性の高いコンデンサを提供することができるため、各種電気機器、産業機器等に使用されるコンデンサに有用である。

１コンデンサ素子
２ケース
３ａ絶縁材
３ｂ絶縁油
４蓋
５外部接続端子
６上部リード線
７下部リード線
８メタリコン電極部

Claims

両端面に電極部を設けたコンデンサ素子と、上面に開口部を有し前記コンデンサ素子を収納するケースと、このケースの開口部を封止する蓋と、この蓋に設けられ前記コンデンサ素子から前記ケースの外方へ電気を引き出す外部接続端子と、前記コンデンサ素子と前記外部接続端子とを接続する長さの異なる一対のリード線とを備えたコンデンサであって、前記コンデンサ素子の両端面に設けた電極部が前記ケース内で上下に位置するように収容され、前記一対のリード線は前記コンデンサ素子の上側に位置する一方の電極部から引き出される上部リード線と前記コンデンサ素子の下側に位置する他方の電極部から引き出される下部リード線とからなり、前記下部リード線の断面積が前記上部リード線の断面積よりも大きいことを特徴とするコンデンサ。
前記下部リード線の断面積が０．８２ｍｍ²以上、２．０８ｍｍ²以下である請求項１に記載のコンデンサ。
少なくとも前記上部リード線に撚り線を用いた請求項１または２に記載のコンデンサ。