JP2015115424A

JP2015115424A - コンデンサ装置

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Publication number: JP2015115424A
Application number: JP2013255591A
Authority: JP
Inventors: 直人川端; Naoto Kawabata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-06-22

Abstract

【課題】コンデンサ装置において、コンデンサの振動が外部に伝播することである。【解決手段】コンデンサ装置１０は、充放電によって振動する振動側面１３を有するコンデンサ１２，１４，１６と、樹脂材料を介してコンデンサ１２，１４，１６を内部に保持するケース２０と、コンデンサ１２，１４，１６の振動側面１３に向かい合うケース２０の対向側面２４，２５とコンデンサ１２，１４，１６の振動側面１３の間の樹脂部分２２において、ケース２０の対向側面２４，２５の側よりもコンデンサ１２，１４，１６の振動側面１３の側に近い位置に配置されるプレート３０，３２であって、樹脂材料よりも曲げ剛性の高い材料で構成され、コンデンサ１２，１４，１６の振動側面１３がケース２０の対向側面２４，２５に投影される面積よりも広い投影面積を有するプレート３０，３２と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、コンデンサ装置に係り、特に、コンデンサを樹脂ケースに収納したコンデンサ装置に関する。

コンデンサは充放電動作によって発熱し、構造によっては振動する。そこで、複数のコンデンサを用いるとき、あるいはコンデンサに電極を取り付けたとき等に、放熱性や振動の緩衝のために、コンデンサを樹脂ケースに収容することが用いられる。

例えば、特許文献１には、複数の金属化フィルムコンデンサをケースに収納する際に、ケース内に各金属化フィルムコンデンサを分ける仕切板を配置して樹脂を充填する構成が開示される。これによって、樹脂が固化するときのケースの変形を抑制し、各金属化フィルムにかかる応力を緩和している。

特許文献２は、強誘電体を用いる積層セラミックコンデンサに交流信号が印加されると圧電現象によって振動が発生することを述べている。これを抑制するために、金属端子板を用いて積層セラミックコンデンサを回路基板から浮かせながら搭載し、回路基板とこれに対向する積層セラミックコンデンサの面との間に振動緩衝部材を介在させることが開示されている。

特許文献３には、複数のコンデンサを接続したコンデンサ装置において、コンデンサと金属製のケースの底面間に、熱伝導性のよい樹脂と機械強度のよい樹脂を二層構造で充填することが開示される。

特開２０１０−０４０８３２号公報特開２０００−１８２８８８号公報特開２００６−１９６６８０号公報

コンデンサが充放電をするとき振動するが、その振動は、コンデンサの構造で決まる所定の方向に生じる。例えば、円筒形のコンデンサの場合、円筒形の外周面で振動し、両端面ではあまり振動しない。

例えば、ハイブリッド車両に搭載される電力制御回路にコンデンサが接続される場合、コンデンサが動作によって振動すると、その振動が電力制御回路の筐体に伝播し、電力制御回路の筐体の振動が車両のボディに伝播し、車室内に耳障りな騒音として聞こえることがある。

本願発明の目的は、コンデンサの振動が外部に伝播することを抑制できるコンデンサ装置を提供することである。

本発明に係るコンデンサ装置は、複数の側面を有するコンデンサであって、充放電によって生じる振動が他の側面に比し大きい側面である振動側面を有するコンデンサと、樹脂材料を介してコンデンサを内部に保持するケースと、コンデンサの振動側面に向かい合うケースの対向側面とコンデンサの振動側面の間の樹脂部分において、ケースの対向側面の側よりもコンデンサ振動側面の側に近い位置に配置されるプレートであって、樹脂材料よりも曲げ剛性の高い材料で構成され、コンデンサの振動側面がケースの対向側面に投影される面積よりも広い投影面積を有するプレートと、を備えることを特徴とする。

上記構成のコンデンサ装置は、樹脂材料を介してコンデンサを内部に保持するケース内で、ケースの対向側面の側よりもコンデンサ振動側面の側に近い位置に配置されるプレートを備えるので、コンデンサの振動によってケース対向側面に生じ得る振動が抑制される。これによって、コンデンサの振動が外部に伝播することを抑制できる。

本発明に係る実施の形態のコンデンサ装置の構成図である。図１の断面図である。（ａ）は上面から見た図、（ｂ）は側面から見た図、（ｃ）は、ケースの側面におけるコンデンサとプレートの投影面積を示す図である。図３は、コンデンサ装置の振動を示す図で、（ａ）は、図１，２の構成のコンデンサ容器における振動を示す図で、（ｂ）は、プレートを用いないコンデンサ装置の振動を示す図である。プレートの配置位置、及びプレートの面積の大きさと、コンデンサ装置の振動との関係を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、コンデンサ装置として、ハイブリッド車両に搭載される電力制御装置に用いられるものを述べるが、これは説明のための例示であって、外部の回路装置に接続されて用いられるコンデンサ装置であればよく、用途は問わない。以下に述べる形状、材質、コンデンサの個数等は、説明のための例示であって、コンデンサ装置の仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、ハイブリッド車両に搭載される回転電機に接続される電力制御装置に用いられるコンデンサ装置１０の外観図である。電力制御装置は、インバータ回路と、電圧変換回路とを含み、コンデンサ装置１０は、これらの回路における電圧や電流の平滑化等に用いられる。

図１には、互いに直交するＸ方向とＹ方向とＺ方向を示した。図２は、図１のコンデンサ装置１０の断面図で、（ａ）は、コンデンサ装置１０の上面側から見た断面図で、（ｂ）に示すＡ−Ａ線に沿って切断した図、（ｂ）は、コンデンサ装置１０の側面側から見た図で、（ａ）に示すＢ−Ｂ線に沿って切断した図、（ｃ）は、（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿ってＸＺ平面で切断し、−Ｙ方向を見た断面図である。

コンデンサ装置１０は、全体として直方体の外形を有し、コンデンサ１２，１４，１６と、樹脂材料を介してコンデンサ１２，１４，１６を内部に保持するケース２０と、振動伝播抑制のためのプレート３０，３２を備える。

コンデンサ１２，１４，１６は、金属製で円筒形の外形を有する密閉容器の内部にコンデンサ素子を収納し、金属製密閉容器との間を絶縁しながら円筒形の軸方向の両端部に正極端子と負極端子を引き出したキャパシタである。

コンデンサ素子としては、正極電極薄膜と負極電極薄膜の間に誘電体を挟み、円筒状に巻回したものを用いることができる。誘電体としては液体である電解質液や、固体であるプラスチックフィルムが用いられる。例えば、正極電極薄膜と負極電極薄膜の間に電解液を充填した電解コンデンサをコンデンサ素子として用いることができる。また、ポリエステルやポリプロピレン等のフィルムの両面に金属薄膜を蒸着して一方側を正極電極薄膜、他方側を負極電極薄膜としたフィルムコンデンサをコンデンサ素子として用いてもよい。

コンデンサ１２，１４，１６の正極端子と負極端子には、それぞれ引出電極部材が接続される。各引出電極部材は、コンデンサ装置１０の内部に配置されて締結部２６，２８へ引き出される。引き出される途中で、複数の引出電極部材を相互接続してもよい。例えば、３つのコンデンサ１２，１４，１６を並列接続して用いるときは、３つの正極端子を相互に接続して１つの正極引出電極部材とし、３つの負極端子を相互に接続して１つの負極引出電極部材とされる。なお、図１以下では、引出電極部材の図示を省略した。

ケース２０は、コンデンサ装置１０における樹脂ケースである。ケース２０は、直方体形状のコンデンサ装置１０において、コンデンサ１２，１４，１６とプレート３０，３２とコンデンサ１２，１４，１６の引出電極部材等を除いた樹脂部分２２である。例えば、コンデンサ装置１０は、モールド型にコンデンサ１２，１４，１６等を配置し、樹脂モールドして所定の外形に成形し、その後モールド型から取り外すことで得ることができるが、得られた直方体のコンデンサ装置１０の外形がケース２０の外形である。このように、ケース２０は、樹脂部分２２を構成する樹脂材料を介してコンデンサ１２，１４，１６等を内部に保持するものである。

なお、上記の方法とは別に、上部に矩形形状の開口部を有し開口部の周囲を枠状の壁部を配置し底部を有する矩形筒状の容器を予め準備し、底部と枠状の壁部で形成される内部空間にコンデンサ１２，１４，１６等を配置し、隙間を樹脂材料で充填することでもコンデンサ装置１０を得ることができるが、容器を別途準備することが必要である。この場合でも容器の材質を充填される樹脂材料と同じのときは、モールド型で得られるコンデンサ装置１０と同じものとなる。以下では、製造方法を問わず、得られるコンデンサ装置１０における樹脂部分２２がケース２０を指すものとする。

樹脂部分２２を構成する樹脂材料としては、成形性と耐熱性に優れた熱硬化樹脂が用いられる。熱硬化樹脂としては、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等を用いることができる。樹脂に適当なフィラーを含ませてもよい。

ケース２０の端部に設けられる締結部２６，２８は、コンデンサ１２，１４，１６の正極端子と負極端子に接続された引出電極部材を介して接続端子を保持する。例えば、締結部２６に、コンデンサ装置１０のプラス側端子とマイナス端子側端子を露出させて設けることができる。プラス端子は、コンデンサ１２，１４，１６の正極端子から引出電極部材を介して引き出された接続端子であり、マイナス端子はコンデンサ１２，１４，１６の正極端子から引出電極部材を介して引き出された接続端子である。電源制御装置のインバータ回路にコンデンサ装置１０を用いる場合には、インバータ回路の正極母線からの接続線が締結部２６のプラス端子に締結され、インバータの負極母線からの接続線が締結部２６のマイナス端子に締結される。

上記では、締結部２６を介してコンデンサ装置１０と電源制御装置が接続される例を述べたが、締結部２８に電源制御装置を接続するものとしてもよい。締結部２６，２８を介してコンデンサ装置１０に接続される外部装置は、電力制御装置以外であってもよい。以下では、締結部２６を介してコンデンサ装置１０と電源制御装置が接続されるものとする。

コンデンサ１２，１４，１６は、充放電動作時に振動する。振動は、円筒形の外形に生じやすく、円筒形の端面には生じにくい。このように、コンデンサ１２，１４，１６は、円筒形の外形を構成する側面と、円筒形の端面となる側面と、複数の側面を有し、複数の側面のなかで、充放電によって生じる振動が他の側面に比し大きい側面である振動側面を有する。図１では、コンデンサ１２に代表させて、その円筒形の外周面を、充放電による振動が生じやすい振動側面１３として示し、振動側面１３の振動１８を白抜き矢印で示した。上記ではコンデンサ１２，１４，１６を円筒形のものとして説明したが、これ以外の形状を有するものでもよい。その場合、コンデンサの複数の側面のなかで、充放電によって生じる振動が他の側面に比し大きい側面が振動側面である。

コンデンサ１２，１４，１６が振動すると、ケース２０が振動し、ケース２０の締結部２６，２８を介して接続されている電力制御装置に振動が伝播する。電力制御装置はハイブリッド車両の車体に搭載されるので、電力制御装置の振動は、車体に伝播し、場合によって騒音として聞こえる場合がある。

コンデンサ１２，１４，１６の振動１８が電力制御装置に伝播するのは締結部２６を介してであるので、締結部２６が設けられるケース２０の側面がコンデンサ１２の振動側面１３に対向する場合に、コンデンサ１２の振動１８が最も大きく電力制御装置に伝播する。図１はそのような場合で、コンデンサ１２の振動側面１３に向かい合う面であるケースの対向側面２４に締結部２６が設けられている。したがって、コンデンサ１２の振動側面１３に生じた振動１８がケース２０の対向側面２４を振動させ、その振動が締結部２６を介して電力制御装置に伝播する。プレート３０は、コンデンサ１２の振動１８が電力制御装置に伝播することを抑制するために設けられる。同様に、プレート３２は、コンデンサ１６の振動１８が締結部２８を介して接続される外部装置に伝播することを抑制するために設けられる。

プレート３０，３２は、コンデンサ１２，１６の振動側面１３と、ケース２０の対向側面２４，２５の間に配置される板状部材である。プレート３０，３２は、ケース２０の樹脂部分２２を構成する樹脂材料よりも曲げ剛性の高い材料で構成される。プレート３０，３２の材料の曲げ剛性が樹脂部分を構成する曲げ剛性よりも高いとは、仮にプレート３０，３２の材料を、樹脂部分２２を構成する樹脂材料で置き換えたとき、振動側面１３と対向側面２４，２５の間の樹脂部分２２が振動側面１３からの振動によって変形する大きさが、置き替える前に比べて大きくなるということを指す。かかるプレート３０，３２の材質としては、金属材料を用いることができる。例えば鉄板を用いることができる。プレート３０，３２は平板で構成してもよいが、適当なリブを設けることで、プレート３０，３２としての曲げ剛性を高めることができる。コンデンサ装置１０におけるプレート３０，３２は配置位置がコンデンサ１２側かコンデンサ１６側かが相違するだけで、その他は同じであるので、特に断らない限り、以下ではプレート３０について説明する。

プレート３０は、ケース２０の対向側面２４とコンデンサ１２，１６の振動側面１３の間の樹脂材料充填部分である樹脂部分２２において、ケース２０の対向側面２４側よりもコンデンサ１２，１６の振動側面１３側に近い位置に配置される。

図２（ｂ）は、振動側面１３と対向側面２４とプレート３０について、Ｙ方向に沿った位置関係を示す図である。ここでは、コンデンサ１２の振動側面１３の位置がＰ₁₃として示され、ケース２０の対向側面２４の位置がＰ₂₄として示され、プレート３０の位置がＰ₃₀として示される。プレート３０はＹ方向に沿って厚さがあるので、Ｐ₃₀はプレート３０の厚さ方向の中心位置とすることができる。

図２（ｂ）に示されるように、プレート３０の位置Ｐ₃₀は、ケース２０の対向側面２４の位置Ｐ₂₄よりもコンデンサ１２の振動側面１３の位置Ｐ₁₃の側に近い位置に設定される。すなわち、｜Ｐ₃₀とＰ₁₃の位置の差｜＜｜Ｐ₃₀とＰ₂₄の位置の差｜となるように設定される。すなわち、近接度＝｛｜Ｐ₃₀とＰ₁₃の位置の差｜／｜Ｐ₂₄とＰ₁₃の位置の差｜｝として、近接度が０．５未満となるように設定される。近接度が小さい値となるほど、コンデンサ１２の振動１８によるケース２０の対向側面２４の振動の大きさが抑制される。好ましくは、近接度を０．１程度とすることが好ましい。

図２（ｃ）は、プレート３０の大きさを示す図である。プレート３０の大きさは、プレート３０がケース２０の対向側面２４に投影される面積Ａ₃₀が、コンデンサ１２の振動側面１３がケース２０の対向側面２４に投影される面積Ａ₁₃よりも広くなるように設定される。図２（ｃ）に示されるように、コンデンサ１２の振動側面１３がケース２０の対向側面２４に投影される面積Ａ₁₃は、Ａ₁₃＝｛（Ｚ方向の高さＨ₁₂）×（Ｘ方向の幅Ｗ₁₂）｝である。プレート３０がケース２０の対向側面２４に投影される面積Ａ₃₀は、Ａ₃₀＝｛（Ｚ方向の高さＨ₃₀）×（Ｘ方向の幅Ｗ₃₀）｝である。プレート３０の大きさは、Ｈ₃₀＞Ｈ₁₂、Ｗ₃₀＞Ｗ₁₂となるように設定され、したがって、プレート３０の投影面積Ａ₃₀＝（Ｈ₃₀×Ｗ₃₀）は、コンデンサ１２の振動側面１３の投影面積Ａ₁₃＝（Ｈ₁₂×Ｗ₁₂）よりも広い。

図３は、上記構成の作用効果を従来技術と比較して説明する図である。図３（ａ）は、プレート３０，３２を用いる図１，２の構成のコンデンサ装置１０における振動を示す図で、（ｂ）は、プレート３０，３２を用いない従来技術のコンデンサ装置の振動を示す図である。これらの図は、それぞれ図２（ａ）に対応し、コンデンサ１２，１４，１６が充放電動作を行って振動が生じたときを示す図である。

図３（ａ）に示すように、コンデンサ１２，１４，１６が充放電動作を行うと、コンデンサ１２，１４，１６の振動側面１３がＸ方向に伸縮を繰り返し、振動１８が生じる。振動１８の方向は、ケース２０の対向側面２４，２５に向かっている。ここで、コンデンサ１２の振動側面１３とケース２０の対向側面２４との間に樹脂部分２２の曲げ剛性よりも大きな曲げ剛性を有するプレート３０が配置されている。これによって、コンデンサ１２，１６の振動側面１３の振動１８によって樹脂部分２２が振動しても、その樹脂部分２２の動きがプレート３０で塞き止められ、ケース２０の対向側面まで影響が及ばない。したがって、締結部２６はほとんど振動しない。

これに対し、従来技術を示す図３（ｂ）では、コンデンサ１２，１４，１６が充放電動作を行うと、図３（ａ）と同様に、コンデンサ１２，１４，１６の振動側面１３がＸ方向に伸縮を繰り返し、振動１８が生じる。ここでは、プレート３０が設けられないので、振動１８によって、ケース２０の樹脂部分２２がＸ方向に伸縮して振動を生じる。したがって、締結部２６にＸ方向に伸縮する振動が生じ、この振動が電力制御装置に伝播し、ハイブリッド車両の車体に伝播し、車室内に騒音が生じ得る。

図４は、プレートの配置位置、面積によって振動抑制の効果に差が出ることを示す図である。

図４（ａ）は、プレート３０の位置Ｐ₃₀がコンデンサ１２の振動側面の側よりもむしろケース２０の対向側面２４，２５の位置Ｐ₂₄に近い位置に配置された場合を示す図である。近接度でいえば、近接度≦０．５に設定された場合を示す図である。図４（ａ）は、近接度がかなり１．０に近い例を示している。このように近接度が１．０に近いと、コンデンサ１２が振動するとき、コンデンサ１２の振動側面１３とプレート３０の間の樹脂部分２２がコンデンサ１２の振動側面１３のＸ方向の伸縮とほぼ同じように伸縮する。プレート３０は、この樹脂部分２２の伸縮の動きを受け止めようとするが、ここでは既にかなり大きな伸縮量となっているので、その動きを完全には塞き止めることができない。したがって、プレート３０がＸ方向に伸縮して振動する。この振動によってケース２０の対向側面２４が振動し、締結部２６がＸ方向に伸縮して振動が生じ、この振動が電力制御装置に伝播し、ハイブリッド車両の車体に伝播し、車室内に騒音が生じ得る。

図４（ｂ）は、振動側面１３の投影面積Ａ₁₃よりも狭い投影面積を有するプレート３１，３３を用いた場合を示す図である。プレート３１，３３は同じものであるのでプレート３１について説明する。ここでは、プレート３１の幅Ｗ₃₁が図２で説明した幅Ｗ₃₀のほぼ半分の大きさである例を示している。このようにプレート３１の投影面積が狭く、コンデンサ１２の振動側面１３に向かい合っている部分が少ないと、プレート３１が振動側面１３に向かい合っていないところの樹脂部分２２に振動が生じ、ケース２０の対向側面２４の一部が振動し、これによって締結部２６に振動が生じる。この振動が電力制御装置に伝播し、ハイブリッド車両の車体に伝播し、車室内に騒音が生じ得る。

図３，４に示すように、プレート３０の配置位置Ｐ₃₀をコンデンサ１２の振動側面１３側に近くなるように近接度を０．５未満に設定し、プレート３０の投影面積Ａ₃₀をコンデンサ１２の振動側面１３の投影面積Ａ₁₃よりも大きく設定することで、コンデンサ１２の振動１８が締結部２６に伝播することを抑制できる。これによって、振動１８が電力制御装置や車体に伝播することを抑制でき、車室内の騒音として影響を与えることを抑制できる。

１０コンデンサ装置、１２，１４，１６コンデンサ、１３振動側面、１８振動、２０ケース、３０，３２プレート、２２樹脂部分、２４，２５対向側面、２６，２８締結部、３０，３１，３２プレート。

Claims

複数の側面を有するコンデンサであって、充放電によって生じる振動が他の側面に比し大きい側面である振動側面を有するコンデンサと、
樹脂材料を介してコンデンサを内部に保持するケースと、
コンデンサの振動側面に向かい合うケースの対向側面とコンデンサの振動側面の間の樹脂部分において、ケースの対向側面の側よりもコンデンサの振動側面の側に近い位置に配置されるプレートであって、樹脂材料よりも曲げ剛性の高い材料で構成され、コンデンサの振動側面がケースの対向側面に投影される面積よりも広い投影面積を有するプレートと、
を備えることを特徴とするコンデンサ装置。