JP2019125725A

JP2019125725A - コンデンサ

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Publication number: JP2019125725A
Application number: JP2018005997A
Authority: JP
Inventors: 毅安坂; Takeshi Yasusaka; 文成及川; Fuminari Oikawa
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2038-01-17
Also published as: JP6937250B2

Abstract

【課題】異常ストレスの発生により生じる破損箇所を限定することにより異常発生時に有効に対応し得るコンデンサを提供する。【解決手段】陽極箔２ｘおよび陰極箔２ｙがセパレータ２ｚを介して巻回されてなるコンデンサ素子２と、電解質を含浸したコンデンサ素子２を収納する有底円筒形状の外装ケース３ａと、外装ケース３ａの開口端を封口するとともにコンデンサ素子２に接続された引き出しリード線が挿通される挿通孔を有する封口体３ｂと、コンデンサ素子２の巻芯部に挿入される絶縁部材２０とを備え、絶縁部材２０は、コンデンサ素子２の軸方向の長さの一部において巻芯部の内周面に接触する構成とする。【選択図】図２

Description

本発明は、コンデンサに関し、特に過電圧が印加された場合に有効に対応し得るコンデンサに関するものである。

従来、表面にリードタブが接続された電極箔（陽極箔および陰極箔）を電解紙（セパレータ）を挟んで巻回したコンデンサ素子に電解液を含浸し、外装ケースに封入してなる巻回型の電解コンデンサでは、過電圧等の異常ストレスが加わると、漏れ電流の増加によりコンデンサ素子が発熱して高温になり、電解液の気化によるケース内圧力の上昇と高温による電極箔の膨張が発生する。ケース内の圧力上昇と電極箔の膨張により電解紙が圧縮されるため、陽極箔と陰極箔との極間、特にリードタブと電極箔との極間が短くなってショートが発生したり、コンデンサ素子の巻芯部が巻軸方向に対して「く」の字状に折れ曲がってショートが発生して、さらに大きな電気エネルギーがショート箇所に集中することで、外装ケースを破壊するような状態になることがあった。

かかる課題を解決するための一つの方策として、例えば、陽極箔と陰極箔との間のショートを防止する構成としたもの（特許文献１参照）が考えられている。

特開平１１−１６７８８号公報

しかしながら、上述の従来の構成は、過電圧等の過度の異常ストレスの発生に際して、完全にショートを防止するものではなく、また、過度な条件によってはショートを防止すること自体が困難になる場合があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたものであり、異常ストレスの発生により生じる破損箇所を限定することにより異常発生時に有効に対応し得るコンデンサを提供することを目的とする。

本発明のコンデンサは、陽極箔および陰極箔の各々にリードタブが接続され、前記陽極箔および前記陰極箔がセパレータを介して巻回されてなるコンデンサ素子と、電解質を含浸した前記コンデンサ素子を収納する有底円筒形状の外装ケースと、前記外装ケースの開口端を封口するとともに前記リードタブと接続される外部端子を有する封口体と、前記コンデンサ素子の巻芯部に挿入される絶縁部材とを備え、前記絶縁部材は、前記コンデンサ素子の巻軸方向の長さの一部において前記巻芯部の内周面に接触することを特徴とする。

この構成によれば、巻芯部の一部において当該巻芯部の内周面に絶縁部材が接触する構成としたことにより、過電圧印加時にショート等により破損が発生する箇所を意図する範囲に限定することができる。

また本発明のコンデンサは、上記構成において、前記絶縁部材は、前記コンデンサ素子の巻芯部の内周面に対して、当該内周面の周方向に部分的かつ互いに分離した状態で接触することを特徴とする。

この構成によれば、巻芯部の内周面と絶縁部材とを周方向に部分的かつ互いに分離した状態で接触させることにより、当該接触部分において発生する応力を接触面の大きさによって設定可能とすることができる。これにより、巻芯部に対する絶縁部材の挿入方向の長さを変えることなく、巻芯部に対する絶縁部材の周方向の接触幅を変えるだけで接触部分において発生する応力を設定することができ、コンデンサ素子の軸方向の破損箇所を変えることなく当該箇所におけるショートの発生し易さを設定することができる。

本発明のコンデンサによると、異常ストレスの発生により生じる破損箇所を限定することにより異常発生時に有効に対応し得るコンデンサを提供することができる。

本発明の実施形態に係る電解コンデンサの構成を示す上面図および断面図である。本発明の実施形態に係るコンデンサ素子を示す斜視図である。本発明の実施形態に係るピンの構成を示す斜視図である。本発明の実施形態に係るピンの構成を示す側面図である。本発明の実施形態に係るピンの横断面を示す断面図である。本発明の実施形態に係るピンの横断面を示す断面図である。本発明の実施形態に係るコンデンサ素子の過電圧印加時の説明に供する略線図である。本発明の実施形態に係る外装部材の説明に供する側面図である。他の実施形態に係るピンの構成を示す略線図である。他の実施形態に係るピンの構成を示す略線図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面に基づき詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る電解コンデンサ１は、コンデンサ素子２、ケース（外装ケース）３ａ、封口体３ｂ、底板４、スリーブ５、固定材６、端子（外部端子）７ａ、７ｂおよび圧力弁１０、ピン２０を有する。

ケース３ａは、コンデンサ素子２を収容するものであり、開口部に封口体３ｂが嵌合されている。封口体３ｂは、ケース３ａを封止している。ケース３ａは金属（アルミニウム等）からなり、封口体３ｂは、絶縁材料（変性フェノール樹脂等）からなる。

封口体３ｂの上部周縁には、弾性材料（ゴム等）からなるパッキン３ｘが設けられている。パッキン３ｘは、封口体３ｂとケース３ａとの隙間からケース３ａ内のガスが漏出することを防止する機能を有する。パッキン３ｘはケース３ａの上端で加締固定されている。

底板４は、絶縁材料（難燃性ポリエステル等）からなる円形のフィルムであり、ケース３ａの底部下面に重なるように配置されている。スリーブ５は、絶縁材料（ポリオレフィン等）からなる略円筒状の部材であり、ケース３ａの側部周面、底板４の下部周縁、およびケース３ａの上部周縁を覆っている。スリーブ５の下部は、底板４に固定されている。

固定材６は、コンデンサ素子２をケース３ａ内に固定するものであり、熱可塑性樹脂（ポリプロピレン等）からなる。

端子７ａ、７ｂおよび圧力弁１０は、封口体３ｂに設けられている。端子７ａ、７ｂは、封口体３ｂの厚み方向から見て、封口体３ｂの中心に関して点対称となる位置に、互いに離隔して設けられている。端子７ａ、７ｂは金属（アルミニウム等）からなり、陰極端子７ａはコンデンサ素子２の陰極リードタブ２ａ、陽極端子７ｂはコンデンサ素子２の陽極リードタブ２ｂとそれぞれ接続されている。

封口体３ｂには、封口体３ｂの厚み方向から見たときの中心（端子７ａ、７ｂ間の中央）と外縁との間に、ケース３ａの内部と外部とを連通する貫通孔３ｂ１が形成されている。圧力弁１０は、当該貫通孔３ｂ１を塞ぐように設けられており、その上面に設けられたロックワッシャ８によって、封口体３ｂに固定されている。圧力弁１０は、ケース３ａ内のガスを放出する機能を有している。

次いで、図２を参照し、コンデンサ素子２の構成について詳細に説明する。

コンデンサ素子２は、陰極リードタブ２ａおよび陽極リードタブ２ｂがそれぞれ取り付けられた陰極箔２ｘおよび陽極箔２ｙを、絶縁材料からなるセパレータ（クラフト紙等）２ｚを介して巻回し、これにより形成された巻回体の外周を素子止めテープ２ｔで固定し、その後巻回体を駆動用電解液に含浸させることにより、形成されている。陰極箔２ｘおよび陽極箔２ｙはアルミニウム箔の表面を粗面化したものであり、陽極箔２ｙは当該表面に陽極酸化皮膜を形成したものである。

ここで、コンデンサ素子２の製造工程では、陰極箔２ｘ、陽極箔２ｙおよびセパレータ２ｚを巻芯部材に巻き付けた後、当該巻芯部材を引き抜くことにより、陰極箔２ｘ、陽極箔２ｙおよびセパレータ２ｚからなる巻回体１５を形成するようになされており、当該巻回体１５の中心部（巻芯部）には、巻芯部材を引き抜いたあとに空洞が残る。

本実施形態の電解コンデンサ１では、この空洞部１５ａに封口体３b側からピン２０を挿入することにより、空洞部１５ａの封口体３ｂ側の所定範囲において、巻回体１５（空洞部１５ａ）の内周面１５ｂとピン２０との間に接触部が形成されるようになっている。

図３および図４はピン２０の斜視図および側面図であり、図５および図６は図４のＡ−Ａ線を断面にとって示す横断面図である。

図３に示すように、ピン２０は、全体が樹脂材料によって形成され、巻回体１５の巻芯部（空洞部１５ａ）の直径よりも大きな直径で形成されピン２０の空洞部１５ａに対する巻軸方向の位置決め手段としての機能を有する円盤形状の座板２１と、当該座板２１の一方の表面に形成された突起部２２とを有する。突起部２２には、空洞部１５ａへの挿入方向である長手方向に対して直交する方向に４つの当接部２５、２６、２７および２８が放射状に形成されている。

当接部２５〜２８において、その当接面２５ａ、２６ａ、２７ａおよび２８ａは、巻回体１５の空洞部１５ａの内周面１５ｂの形状にほぼ沿う形状となっており、当接部２５〜２８の外径形状（当接面２５ａと２７ａとの間の距離、前端面２６ａと２８ａとの間の距離）は、空洞部１５ａの直径とほぼ同様となっている。これにより、ピン２０を空洞部１５ａに挿入した状態では、当接部２５〜２８の当接面２５ａ〜２８ａと空洞部１５ａの内周面１５ｂとは、巻回体１５を構成する電極箔（陰極箔２ｘ、陽極箔２ｙ）において過電圧が印加されない通常状態ではショートが発生しない程度の接触圧で接触するようになされている。

また、突起部２２の先端部分において、当接部２５〜２８にはテーパ面２５ｂ、２６ｂ、２７ｂおよび２８ｂが形成され、先端に向かって先細りの形状となっている。これにより、突起部２２を当該先端部分から空洞部１５ａに挿入する際に円滑な挿入を可能とし巻回体１５に傷が付くことを防止することができる。

図５に示すように、突起部２２において、当接部２５、２６、２７および２８は、その当接面２５ａ、２６ａ、２７ａおよび２８ａの両端部２５ｃ、２６ｃ、２７ｃおよび２８ｃが曲面状に面取りされている。このような形状とすることにより、当該両端部２５ｃ、２６ｃ、２７ｃおよび２８ｃが鋭角に形成されている場合に比べて、図６に示すように突起部２２を空洞部１５ａに挿入した状態において空洞部１５ａの内周面１５ｂに傷が付き難くすることができる。

ここで、当接部２５〜２８の各当接面２５ａ〜２８ａにおいては、その円周方向の幅Ｗ１（図５）の合計が空洞部１５ａ（図２）の直径（巻回体１５の巻芯部の直径）の２０〜４０％となるように形成されている。その理由は、２０％未満では、当接面２５ａ〜２８ａと空洞部１５ａの内周面１５ｂとの接触面積が小さくなることにより、当該接触部分において発生する応力が小さくなりすぎるためであり、４０％を超えると、当該接触部分において発生する応力が大きくなりすぎるためである。具体的には、図７に示すように過電圧が印加された場合に巻回体１５の体積が大きくなると、巻回体１５の空洞部１５ａの内周面１５ｂの一部が内側（巻軸側）に向かって突出するような「く」の字状の変形箇所１５ｃが発生する。ピン２０の突起部２２を空洞部１５ａに挿入した状態において、過電圧が印加されると、当該変形箇所１５ｃでは当接部２５〜２８の各当接面２５ａ〜２８ａと内周面１５ｂとの接触部分によって電極箔（陰極箔２ｘ、陽極箔２ｙ）へのストレスが大きくなるが、各当接面２５ａ〜２８ａの円周方向の幅Ｗ１（図５）の合計が空洞部１５ａ（図２）の直径の２０％未満では、当接部間の電極箔（陰極箔２ｘ、陽極箔２ｙ）が内側に向かって突出するような変形が発生し、当接面２５ａ〜２８ａと対向する電極箔（陰極箔２ｘ、陽極箔２ｙ）へのストレスが弱くなり当接部２５〜２８の当接面２５ａ〜２８ａが空洞部１５ａの内周面１５ｂに接触している部分以外で電極箔（陰極箔２ｘ、陽極箔２ｙ）にショートが発生する可能性が高くなり、これに対して、４０％を超えると、当該ストレスが大きくなりすぎて耐過電圧性能が低下しショートが発生し易くなるためである。

また、当接部２５〜２８の各当接面２５ａ〜２８ａにおいては、その長手方向（突起部２２が挿入される空洞部１５ａの挿入方向）の長さＬ１（図４）を１５〜３０ｍｍとすることが好ましい。その理由は、１５ｍｍ未満では、当接面２５ａ〜２８ａと空洞部１５ａの内周面１５ｂとの接触面積が小さくなることにより、図７について上述したように巻回体１５の体積が大きくなった場合に空洞部１５ａ付近の電極箔（陰極箔２ｘ、陽極箔２ｙ）へ加わるストレスが弱くなり当接部２５〜２８の当接面２５ａ〜２８ａが空洞部１５ａの内周面１５ｂに接触している部分以外で電極箔（陰極箔２ｘ、陽極箔２ｙ）にショートが発生する可能性が高くなり、これに対して、３０ｍｍを超えると、電極箔（陰極箔２ｘ、陽極箔２ｙ）へのストレスが大きくなり過ぎて耐過電圧性能が低下しショートが発生し易くなるためである。

このような構成の当接部２５〜２８を備えたピン２０を巻回体１５の空洞部１５ａに対して封口体３ｂ側から挿入した状態で製造された電解コンデンサ１と、ピン２０を備えていない電解コンデンサとについて、過電圧を印加する試験を行い、ショート箇所の確認を行った。

具体的には、定格４００Ｖ／１８０００μＦのネジ端子形アルミニウム電解コンデンサ（外形寸法：直径φ９０ｍｍ×長さ２２０ｍｍ）であって、コンデンサ素子の寸法が直径φ８３ｍｍ×長さ２００ｍｍ、巻回体１５の巻芯部（空洞部１５ａ）の直径がφ１０ｍｍのものに対して、印加電圧８００Ｖ、試験電流１０Ａ、試験温度を室温として試験を行った。

この結果、ピン２０を備えていない従来品では、５個のサンプルのうち４個にショートが発生した。ショート箇所としては、コンデンサ素子の底部（ケースの底部側）に発生したものが３個、中央部（ケースの底部側と封口体側との間の中央部）に発生したものが１個であった。

これに対して、ピン２０を備えた本実施形態の構成では、５個のサンプルのうち５個にショートが発生し、ショート箇所は、いずれもピン２０の当接部２５〜２８付近であった。

この試験結果から、ピン２０を備えた電解コンデンサ１では、ピン２０が挿入された位置に応じてショートの発生位置が限定的になることが分かった。すなわち、ピン２０を設けることにより、ショートが発生する位置を限定した範囲にすることが可能になることが分かった。

具体的には、図７に示したように、コンデンサ素子２に過電圧が印加されると、急激に漏れ電流が増加し、当該コンデンサ素子２に発熱と電極箔の膨張が発生する。コンデンサ素子の発熱は、電解液を気化させケース内部の圧力を上昇させる。空洞部１５ａにピン２０が挿入されていない状態では、この圧力上昇と膨張により空洞部１５ａに向かって素子の変形が生じる（変形部１５ｃ）。本実施形態のコンデンサ素子２においては、空洞部１５ａにピン２０の突起部２２を挿入しているため、変形部１５ｃと突起部２２（当接面２５ａ〜２８ａ）との間の接触圧が大きくなり、この接触部分における発生応力を、ピン２０の突起部２２（当接面２５ａ〜２８ａ）が空洞部１５ａの内周面１５ｂに接触していない部分に比べて大きくすることができる。これにより、当該接触部分において意図的にショートを誘発させ、ショート箇所を意図した部分に限定することができる。

従って、例えば図８に示すように、巻回体１５の空洞部１５ａに対して、封口体３ｂ側からピン２０を挿入した構成においては、ピン２０が挿入された箇所の周囲（すなわち、電解コンデンサ１の封口体３ｂ側の周囲）を例えば金属材料で形成される高強度の外装部材４０によって覆う構成とすることにより、過電圧状態となってショートが発生しケース３ａが破損した場合であっても、部分的に外装部材４０を設けるだけで破損物が周囲に飛散することを防止することができる。すなわち、電解コンデンサ全体を高強度の外装部材で覆うといった大がかりな構成を用いることなく、簡易な構成によって、電解コンデンサ１にショート等の異常が発生した場合に対応することができる。

なお、外装部材４０を設ける位置は、図８に示すような電解コンデンサ１のケース外周面に対向する位置だけでなく、封口体３ｂが設けられた上面に対向する位置にも設けるようにしてもよい。また、外装部材４０は電解コンデンサ１に接するように設けても、図８に示すように離間して設けるようにしてもよい。

以上の構成において、例えば、定格４００Ｖの電解コンデンサを２つ直列接続して８００Ｖで使用する場合、異常が発生していない状態であれば各々の電解コンデンサに４００Ｖが印加されるが、一方の電解コンデンサが故障して導通状態になると、他方の電解コンデンサに８００Ｖが印加されることになり、当該電解コンデンサは過電圧が印加された状態となる。この場合であっても、当該電解コンデンサにピン２０を備えることにより、過電圧印加時にショート等により破損が発生する箇所を意図する範囲に限定することができる。この結果、電解コンデンサを設けるレイアウトに応じて高強度の外装部材４０（図８）を設ける位置に制約があっても、当該外装部材４０の位置に応じてショート等の異常による電解コンデンサの破損箇所を外装部材４０の位置に合わせることが可能となる。

また、以上の構成によると、コンデンサ素子２の巻芯部に形成される空洞部１５ａにピン２０を挿入するだけでショート等による破損箇所を限定することができるため、従来構造のコンデンサにおいても本発明に係る構成を容易に導入することが可能となる。

なお、上述の実施形態においては、巻回体１５の空洞部１５ａに対して、ピン２０を封口体３ｂ側から挿入した構成について述べたが、これに限られるものではなく、例えば、ケース３ａの底部側から挿入してもよい。この場合、外装部材４０をケース３ａの底部の周囲の限定された範囲に設けることにより、ショート発生時の破損に対応することができる。

また、上述の実施形態においては、巻回体１５の空洞部１５ａに対する位置決め手段としての座板２１に直接突起部２２を形成したピン２０を用いることにより、空洞部１５ａの上部（封口体３ｂ側）または下部（ケース３ａの底部側）に突起部２２（当接部２５〜２８）を設ける構成について述べたが、これに限られるものではなく、コンデンサ素子２の長さ方向の中央部（電解コンデンサ１の封口体３ｂ側とケース３ａの底部側との間の略中央部）に設けるようにしてもよい。図３〜図５との対応部分に同一符号を付して示す図９は、当接部２５〜２８を空洞部１５ａの中央部に配置する実施形態を示す図である。

図９に示すように、ピン１２０は、巻回体１５の内周面１５ｂに接触する当接部１２５、１２６、１２７および１２８を有する。これらの当接部１２５〜１２８は、上述したピン２０の当接部２５〜２８と同様に放射状に設けられているものである。なお、図９において当接部１２７は紙面の奥方向に設けられるものであるため、符号のみを示している。

当接部１２５〜１２８は、図３〜図８について上述したピン２０の当接部２５〜２８と同様に、各々の当接面１２５ａ、１２６ａ、１２７ａおよび１２８ａが巻回体１５の内周面１５ｂに接触し、当該接触部分において過電圧印加時にショートを誘発させる構成となっている。

このピン１２０は、当接部１２５〜１２８を巻回体１５の空洞部１５ａに対して深く挿入する必要があるため、柱状の支持部１２３によって座板２１から所定距離に当接部１２５〜１２８を支持するように構成されている。この支持部１２３の長さによって当接部１２５〜１２８と巻回体１５の内周面１５ｂとの接触位置を決定することができる。従って、過電圧印加時のショートを誘発させようとする位置に応じた長さの支持部１２３を用いることにより、外装部材４０（図８）を配置する位置に応じて適切な位置でショートを誘発させることができる。

なお、図９に示したピン１２０では、当接部１２５〜１２８を巻回体１５ａの空洞部１５ｂに対して、当接部１２５〜１２８の長さよりも深く挿入する必要があるため、巻回体１５の内周面１５ｂに接触する当接面１２５ａ〜１２８ａの上下両端部にテーパ面１２５ｂ、１２６ｂ、１２７ｂ、１２８ｂを形成している。これにより、必要に応じてピン１２０を空洞部１５ａから引き抜く際に当接部１２５〜１２８によって巻回体１５の内周面１５ｂに傷が付くことを防止することができる。

また、上述の実施形態においては、ピン２０、１２０にそれぞれ４つの当接部２５〜２８、１２５〜１２８を設ける場合について述べたが、これに限られず、当接部の数は種々の数を適用することができる。なお、３〜５個の当接部を設けることが好ましい。

また、上述の実施形態においては、座板２１によってピン２０、１２０の位置決めを行う構成について述べたが、これに限られるものではなく、例えば図１０に示すように、ピン２０に代えて、封口体３ｂに突起部２２を固定する構成としてもよい。すなわち、図８との対応部分に同一符号を付して示す図１０において、封口体３ｂには、柱状の支持部５０を介して突起部２２が支持されている。突起部２２には、図３〜図６について上述した構成と同様の構成を有する当接部２５〜２８が設けられていることにより、当接部２５〜２８と巻回体１５の内周面１５ｂとの接触部分によって過電圧印加時のショートを誘発させることができる。

なお、封口体３ｂに支持部５０を介して突起部２２を設けた構成においても、支持部５０の長さを変えることにより、突起部２２（当接部２５〜２８）が巻回体１５ａの内周面１５ｂに接触する部分の位置を任意に設定することができる。

また、上述の実施形態においては、樹脂材料で形成されたピン２０、１２０を用いる場合について述べたが、これに限られるものではなく、例えば金属材料の表面に絶縁物を被覆したものを用いる等、巻回体１５の内周面１５ｂとの接触部分が絶縁性を有するものであれば、種々のものを用いることができる。

１電解コンデンサ
２コンデンサ素子
２ｙ陽極箔
２ｘ陰極箔
２ｚセパレータ
３ａケース
３ｂ封口体
５スリーブ
１５巻回体
１５ａ空洞部
１５ｂ内周面
２０、１２０ピン
２１座板
２２突起部
２５〜２８、１２５〜１２８当接部
４０外装部材

Claims

陽極箔および陰極箔の各々にリードタブが接続され、前記陽極箔および前記陰極箔がセパレータを介して巻回されてなるコンデンサ素子と、
電解質を含浸した前記コンデンサ素子を収納する有底円筒形状の外装ケースと、
前記外装ケースの開口端を封口するとともに前記リードタブと接続される外部端子を有する封口体と、
前記コンデンサ素子の巻芯部に挿入される絶縁部材とを備え、
前記絶縁部材は、前記コンデンサ素子の巻軸方向の長さの一部において前記巻芯部の内周面に接触することを特徴とするコンデンサ。
前記絶縁部材は、前記コンデンサ素子の巻芯部の内周面に対して、当該内周面の周方向に部分的かつ互いに分離した状態で接触する
ことを特徴とする請求項１に記載のコンデンサ。