JP2019506735A - コンデンサデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、１つの楕円の芯穴（６）を有する１つの巻回体（２）備えるコンデンサデバイスに関する。この楕円の芯穴（６）は、最大直径（７）とこの最大直径（７）より小さな最小直径（８）とを有する。この巻回体（２）は、この巻回体（２）で点状に作用する力によって、この巻回体（２）の局部的にのみ生成される変形を生じ得るように構築されている。
【選択図】 図１

Description

本発明はコンデンサデバイスに関する。

このコンデンサデバイスは、具体的には１つの電解コンデンサであり得る。このコンデンサデバイスは、具体的には軸構造の１つの電解コンデンサであり得る。

本発明の課題は、改善されたコンデンサデバイスを提供することである。この改善されたコンデンサデバイスは、たとえば１つの巻回体に作用する力（複数）による損傷に対して敏感とならないようにすることができる。

上記の課題は請求項１に記載のコンデンサデバイスによって解決される。

本発明は１つのコンデンサデバイスを提示し、このコンデンサデバイスは、１つの楕円の芯穴を有する１つの巻回体を備え、この芯穴は、最大直径とこの最大直径より小さな最小直径とを有する。上記の巻回体は、この巻回体で点状に作用する力によって、この巻回体の局部的にのみ生成される変形を生じ得るように構築されている。

芯穴は、ここではこの巻回体の内側の１つの開孔部を意味し、この開孔部にはこの巻回体のシート（複数）は存在しない。この芯穴は、この巻回体のシートが１つの心棒の回りに巻回され、この後この心棒が取り外されることによって生成する。楕円形の芯穴を生成するためには、１つの楕円形または扁平な心棒を使用することができる。

局部的に限定された変形が生じるような、上記の芯穴の楕円形状も、また上記の巻回体の構造も、巻回体に作用する力（複数）によって生じ得る損傷に対して、本コンデンサデバイスが敏感でないようにすることを可能とする。

コンデンサデバイスの巻回体は、一般的には円形の断面を有する１つの円筒形状のハウジング内に構築されているので、この巻回体の断面がほぼ円形の形状を有していると有利である。この巻回体断面の円形の形状によって、このハウジングからこの巻回体に作用する力（複数）が、この巻回体の外周に渡って均等に分布されていることを保証することができる。ここで上記の芯穴の楕円形状は、この巻回体の形状に狙い通りに合わせ込むことを可能とする。たとえば１つの正極接続端子または１つの負極接続端子の配設のために、たとえばこの巻回体が所定の領域で拡がっていると、この影響はこれに対応した楕円の芯穴の構造によって相殺することができる。こうしてこの楕円の芯穴は、上記の巻回体の異なる幅の領域が実質的に均等に、この巻回体に作用する力（複数）によって影響を受けるようにすることを保証することができる。

上記の芯穴の直径は、ここでは２つの互いに反対側にあるこの芯穴の縁点を互いに結び、そしてここでこの芯穴の中点を通って延在する結合直線を意味する。その楕円形で、非円形である形状のために、この芯穴は異なる大きさの直径を備える。具体的には、この芯穴は、この芯穴の２つの互いに反対側にある２つの縁点の最大距離を表す、最大の直径を備えており、ここでこれらの点の結合直線はこの芯穴の中点を通って延在している。これに対応して、最小の直径は、この芯穴の２つの互いに反対側にある２つの縁点の最小距離を表しており、ここでこれら２つの点の結合直線はこの巻回体の穴の中点を通って延在している。ここでこの芯穴は常に、巻回軸に対して垂直になっている断面で見ており、この巻回軸の回りにこの巻回体が巻回されている。

さらに上記の巻回体は、この巻回体で点状に作用する力によって、この巻回体の局部的にのみ生成される変形を生じ得るように構築されている。ここで局部的な変形は、この巻回体の外周全部に渡って延在するものでなく、むしろこの巻回体の部分領域にのみに関するものと考えてよい。特にこの巻回体は、この巻回体で点状にのみ作用する力がこの巻回体全体の変形をもたらさないように構築されている。

ここでは、力がこの巻回体全体に、全面的に作用するのでなく、むしろこの巻回体の全表面よりも顕著に小さな領域にのみ作用する場合に、力が点状に作用すると表現することができる。ここでは１つの絞り溝（Sicke）によってこの巻回体に印加される力も、点状に作用するものと考える。

この変形を局部的な領域に限定することは、様々な方法で達成することができる。たとえば上記の巻回体は、１つの巻回領域内部を備えてよく、この巻回領域内部には電極が存在せず、そしてこの巻回領域内部は、直接上記の楕円の芯穴に繋がっている。代替としてまたは追加的に、この巻回体は、１つのとりわけ大きく形成された楕円の芯穴を備え、この芯穴は、たとえば少なくとも６ｍｍの最大直径を備え、および／またはこの巻回体の直径の少なくとも２５％の最大直径を備える。以上により上記の２つの実施形態例では、この巻回体の内部領域は、この内部領域がセパレータ材料のみを備えるか、あるいはこの内部領域に材料が存在しないことによって、その剛性が低下し、こうしてこの内部領域はその剛性が低下した領域において、上記巻回体で点状に作用する力を吸収することができ、そして１つの局部的な変形の形態でこの力を消散させることができる。

このようなこの巻回体で点状に作用する力は、たとえばこの巻回体が配設されているハウジングに形成されている１つの絞り溝によって生じ得る。上記の円柱状の巻回体は、このハウジング内に、この絞り溝によって保持することができる。これに対応して、ここでこの絞り溝は、この巻回体に保持力を印加する。

たとえば、正極接続端子（複数）および負極接続端子（複数）が上記の巻回体に溶接される点状の溶接部位（複数）に、この巻回体は脆弱部を有し、この脆弱部は、この巻回体の機械的な変形の際に、この巻回体の貫通（Durchstechen）をもたらし得る。この際１つの負極シートが１つの正極シートと接触し、そして直流的な短絡を生じ、この短絡はこのコンデンサデバイスの破壊をもたらし得る。

上述のコンデンサデバイスは、上記の巻回体の変形が低減されて、このような貫通が発生することを防止することができる。

本願に記載するコンデンサデバイスの構成は、以上のようにして巻回体の貫通の危険性を低減することができる。この巻回体の大きすぎる変形の結果、しばしば貫通が生じる。上述したように、しかしながら本願に記載する巻回体の構成によって、このような変形を局部的に限定することができる。以上により、絶縁破壊の防止のための他の方法、たとえば特に厚いあるいは高密度のセパレータ（複数）、すなわち電解質ペーパーは、短絡を防止するためには不要である。はるかに薄いセパレータ（複数）、すなわち４０μｍ〜６０μｍの厚さの電解質ペーパーを使用することができ、これらの薄いセパレータは、小さなＥＳＲ（ＥＳＲ＝Equivalent Series Resistance）を有するコンデンサデバイスを構築することを可能とする。こうしてこのようなコンデンサデバイスは、小さな内部損失抵抗を備え、そしてこれにより、より良好な効率を備える。

１つの実施形態例においては、上記の巻回体は、電極が存在しない１つの巻回領域内部を備えてよく、この巻回領域内部は、上記の楕円の芯穴で径方向外側に繋がっており、そしてこの巻回体の直径の少なくとも３５％の直径、好ましくはこの巻回体の直径の少なくとも４５％の直径を有する。上記の巻回領域内部は、具体的には上記の楕円の芯穴で径方向外側に繋がっていてよい。

この巻回領域内部は、１つのセパレータ材料から成っていてよい。この巻回領域内部は、ペーパーすなわち電解質ペーパーから成っていてよい。この巻回領域内部は、ペーパーおよび電解質から成っていてよい。この巻回領域内部は、実質的にリング状となっていてよく、そして上記の楕円の芯穴を包囲してよい。ここで上記の巻回領域内部の直径は、実質的にリング状の巻回領域内部では、このリングの外径を表している。

上記の巻回領域内部には電極が無いので、この巻回領域内部は、上記の巻回体の電極を含む他の領域よりも柔らかくなっている。これによりこの巻回領域内部は、力がこの巻回体に印加されると容易に変形する。これに応じてこの巻回領域内部は、この巻回体に印加される力（複数）を吸収することを可能とし、この巻回体の電極が配設されている領域の変形および／または損傷を生じることが無い。このようにしてこの巻回体の貫通（Durchstechen）による電気的な短絡の危険性が低減される。

代替としてまたは追加的に、上記の芯穴の最大直径は少なくとも６ｍｍであってよく、および／または上記の巻回体の直径の少なくとも２５％であってよい。こうして上記の芯穴は、上記のコンデンサの製造のために巻回工程で必要な大きさよりも大きく形成されていてよい。この際この大きな芯穴は、上記の巻回領域内部と同様に機能する。これは上記の巻回体に作用する力（複数）を、上記の電極が形成されている領域におけるこの巻回体の変形が生じないように、吸収することを可能とする。さらに上記の芯穴の最大直径は、上記の巻回体の直径の少なくとも３５％となっていてよい。

上記の拡大された芯穴も、また電極が無い巻回領域内部の形成も、巻回型コンデンサの一般的な目標である、出来る限り大きな電極によってキャパシタンスを大きくするということでは、逆行するように見える。上述したように、しかしながら上記の実施形態例は、上記の巻回体に作用する力（複数）による損傷に対して敏感でない巻回体を構築することを可能とする。この利点は、達成可能な最大キャパシタンスが低減されることを相殺して余りあるものである。

上記の巻回体は、７ｍｍ〜３０ｍｍの範囲、好ましくは１０〜２２ｍｍの範囲の直径を有して良い。このオーダーの大きさの直径は、巻回型電解コンデンサではおしなべて一般的なものである。この直径は、上記の楕円の芯穴の直径に関連して用いられる。ここでは上記の楕円の芯穴は、この巻回体のその内部におけるあまり重要でない部分に材料が無いように構成されていることが示されている。以上によりこの巻回体の剛性は低減され、そしてこの巻回体はこれに作用する力（複数）による損傷に対して敏感でないようになる。

上記の芯穴の最大直径は、上記の芯穴の最小直径よりも少なくとも１ｍｍ以上大きくてよい。この最大直径がこの最小直径よりも少なくとも１ｍｍ以上大きいと、これに対応した上記の楕円の芯穴の向きとすることで、上記の正極接続端子および負極接続端子が円形の巻回体の変形をもたらすという影響を相殺することができる。

本コンデンサデバイスは、１つの正極接続端子および１つの負極接続端子を備え、これらはそれぞれ上記の巻回体と接続されており、そしてこれらは互いに上記の芯穴の反対側に配設されている。

この正極接続端子と負極接続端子との間の結合直線は、この巻回体の最大の直径に沿った線に対して垂直となり得る。この正極接続端子と負極接続端子との間に結合直線は、この巻回体の最小の直径に沿った線に対して平行に延在し得る。以上ではこの巻回体は、巻回軸に対して垂直に切った断面で見ている。上記の正極接続端子および上記の負極接続端子に関するこのようなこの楕円の芯穴の向きによって、この楕円の芯穴がこれらの接続端子によるこの巻回体の変形を相殺することが保証される。これによりその断面がほぼ円形となるように巻回体を構築することができる。

本コンデンサデバイスは、１つの電解コンデンサであってよい。

以下では、図を参照して、本発明を詳細に説明する。

１つの第１の実施形態例による、１つのコンデンサデバイスの断面を示す。 １つのコンデンサデバイスのレントゲン写真を示す。 ハウジングがコンデンサデバイスの巻回体に印加する力の分布を示す。 ハウジングがコンデンサデバイスの巻回体に印加する力の分布を示す。 １つの第２の実施形態例による、１つのコンデンサデバイスの断面を示す。

図１は、１つのコンデンサデバイス１の１つの第１の実施形態例を示す。このコンデンサデバイス１は、１つの巻回体２を備える。この巻回体２は、正極シート３，負極シート４，およびセパレータ５から成る複数の層を備え、これらの層は上下に重なって１つの巻回軸の回りに巻回されている。このセパレータ５は、ペーパーであってよい。これらの正極シート３および負極シート４は、それぞれこのコンデンサデバイスの１つの電極を形成する。図１は、このコンデンサデバイス１を断面で示し、ここでこのコンデンサデバイス１は、巻回軸に対して垂直に切断されている。

このコンデンサデバイス１は、１つの楕円の芯穴６を備える。この楕円の芯穴の中心点は、この巻回体２の中心点に在る。この楕円の芯穴６は、最大直径７および最小直径８を備え、ここでこの最小直径８は、この最大直径７よりも小さくなっている。この最大直径７も、またこの最小直径８も、この楕円の芯穴６の中心点を通って延在している。この楕円の芯穴６は、上記の複数の層が平坦または楕円の１つの巻回芯棒の回りに巻回されて生成される。

さらにこのコンデンサデバイス１は、１つの正極接続端子９および１つの負極接続端子１０を備える。これらの正極接続端子９および負極接続端子１０は、それぞれ帯状に形成されている。これらの接続端子は上記の巻回軸の方向に延伸している。この正極接続端子９は、正極シート３と電気的に接続している。この負極接続端子１０は、負極シート４と電気的に接続している。これらいずれの場合もその接続は溶接によって行われる。具体的には、この正極接続端子９は、正極シート３に複数の部位で点状に溶接されていてよい。この負極接続端子１０は、負極シート４に複数の部位で点状に溶接されていてよい。

１つの代替の実施形態例においては、本発明によるコンデンサデバイス１は、上記の正極シート３に溶接されている複数の正極接続端子９、および上記の負極シート４に溶接されている複数の負極接続端子１０を備えてよい。

図２は、このような複数の正極接続端子９および複数の負極接続端子１０を有する代替の実施形態例による１つのコンデンサデバイス１のレントゲン写真を示す。図２では、これらの接続端子９，１０がそれぞれ点状に正極シート３あるいは負極シート４に結合されていることが見て取れる。これらの点状の溶接部位（複数）によって、巻回体２に凹凸が生じ得る。

この巻回体２は、１つのハウジング１１内に配設されており、このハウジングはほぼ円筒形となっている。このハウジング１１には１つの絞り溝１２が形成されている。ここで、たとえばこの絞り溝１２によって、機械的な圧力がこの巻回体２に印加されると、これにより具体的には上記の接続端子９，１０の点状の溶接によって生じるこの巻回体２の凹凸のある部位が、この機械的な圧力によって機械的な変形をうける危険性がある。このような機械的な変形によって、このコンデンサデバイス１は電圧耐性が損なわれ得る。

しかしながらさらに重要な危険性は、いわゆる「貫通」にある。この際上記の巻回体２の複数の層は強く変形し、その機械的な変形の結果正極シート３が負極シート４に直接接触することが起こり、こうして電気的な短絡がおこるようになる。以下にさらに詳細に説明されるように、この巻回体２は、このような巻回体２で点状に作用する力の結果生じる変形が局部的に限定されたままとなるように構成されている。以上によりこの巻回体２の様々な部位に生じる複数の変形が互いに強め合うことを防止することもできる。

図１は巻回体２が、正極シート３および負極シート４が無い、１つの巻回領域内部１３を備えることを示す。この巻回領域内部１３は、直接楕円の芯穴６に繋がっている。この巻回領域内部１３において、この巻回体２はセパレータの層（複数）のみを含んでいる。ここでこのセパレータは、具体的にはペーパーおよび電解質であり得る。正極シート３および負極シート４は、この巻回領域内部１３に配設されていないので、この巻回領域内部１３にはこれらのシート３，４から形成される電極（複数）は無い。この巻回領域内部１３は、この巻回体２の直径Ｄ_Ｗの少なくとも３５％の直径Ｄ_ＩＷを有し、好ましくはこの直径Ｄ_Ｗの少なくとも４５％となっている。

この巻回領域内部１３には電極が無いので、この巻回領域内部は小さな機械的剛性を有する。これによりこの巻回領域内部は、さらに外側にあるこの巻回体２の領域よりも柔らかく構成されている。このためこの巻回体２全体は、正極シート３および負極シート４がこの巻回領域内部１３にも配設された場合よりも堅くなっていないであろう。これはこの巻回体２に点状に作用する力（複数）が、この巻回体２の局部的な変形（複数）のみを生じることをもたらす。具体的にはこの巻回体２は、たとえば巻回領域内部１３の１つの部分において変形することができ、これによってこの巻回体２の他の領域に悪影響が無いようにすることができる。こうしてこの巻回領域内部１３は、この作用する力を吸収し、この力をこの巻回体２の他の領域に伝えることがない。

さらに図１は、正極接続端子９および負極接続端子１０が互いに芯穴６の反対側に配設されていることを示す。具体的にはこの正極接続端子９とこの負極接続端子１０との間の結合直線１４は、上記の芯穴６の最大直径８に対して垂直になっている。

この正極接続端子９およびこの負極接続端子１０によって、巻回体２の大きさは、この２つの接続端子９，１０の結合直線１４の方向で大きくなっている。この影響を相殺するために、楕円の芯穴６は、この２つの接続端子９，１０の結合直線１４が、この楕円の芯穴の最小直径８に対して平行に延在するように配向されている。これらの接続端子９，１０によるこの巻回体２の拡張は、こうして芯穴６の薄く形成された方向において相殺される。以上により全体としてほぼ円形の断面の巻回体を実現することができる。

この円形の断面は、コンデンサデバイス１のハウジング１１は、通常円形の断面を有しているので、しばしば有利となり得る。巻回体２が円形の断面を有する１つのハウジング内に組み込まれると、円形の巻回体２は、このハウジング１１から印加される機械的力（複数）がこの巻回体２の外周に渡って均等に分布されるという利点を有する。このような力は、具体的にはこのハウジング１１に取り付けられる絞り溝１２によって印加され得る。この巻回体２の形状が円形から大きくずれると、このような力（複数）は、不均等に分布されているであろうが、これはこのコンデンサデバイス１の耐振性に不利に作用するであろう。

図３Ａおよび３Ｂは、巻回体２を１つの絞り溝１２を有するハウジング１１の中に入れた後に、それぞれの巻回体２に作用する力を示している。図示を簡単にするために、これらの図３Ａおよび３Ｂには負極シートが示されていない。

ここで図３Ａは、円形の芯穴を備え、電極が存在しない巻回領域内部１３を全く備えない１つのコンデンサデバイス１を示す。図３Ａは、正極接続端子９の負極接続端子１０との結合直線１４に沿って、特に大きな機械的な力が巻回体２に作用することを示している。これにより不均等な力の分布となり、これはこのコンデンサデバイス１の耐振性に悪影響を与える。

これに対し図３Ｂは、楕円の芯穴６を備え、電極が存在しない巻回領域内部１３を備える巻回体２での均等な力の分布を示している。ここで図３Ａと比較して、正極接続端子９の負極接続端子１０との結合直線１４に沿って、大幅に小さな機械的な力が巻回体２に作用していることが見て取れる。これにより、大幅により均等な力分布となり、こうしてこの巻回体２は改善された耐振性を備える。

こうして上記の楕円の芯穴６および巻回領域内部１３は、互いに補足的な技術的効果をもたらす。最小直径８が正極接続端子９の負極接続端子１０との結合直線１４と一致するように、この楕円の芯穴６を配向することによって、この巻回体２のほぼ円形の断面を実現することができ、この円形の断面はこの巻回体２に作用する力（複数）を均等に分布する効果をもたらす。さらにこの巻回領域内部１３は、これらの力によって生成される変形を吸収することができるように、そしてこの変形か局部的にのみ生じるように機能し、この巻回体２全体に悪影響を与えないように機能する。こうしてこのコンデンサデバイス１は全体として、巻回体２に印加される力（複数）による損傷に対して、とりわけ敏感でないものとなる。

図４は、本発明によるコンデンサデバイス１の１つの第２の実施形態例を示し、このコンデンサデバイスでは芯穴６は、上記の巻回工程で必要であるよりももっと大きな最大直径７を備える。この芯穴６は、たとえば少なくとも６ｍｍの最大直径７を有してよい。代替としてまたは追加的に、この芯穴６は巻回体２の直径Ｄ_Ｗの少なくとも２５％の最大直径７を有してよく、好ましくはこの巻回体２の直径Ｄ_Ｗの少なくとも３５％であってよい。この際この巻回体２は、５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲、好ましくは１０〜２２ｍｍの範囲の直径を有して良い。

この特に大きく形成された楕円の芯穴６は、丁度上記の第１の実施形態例における電極の無い巻回領域内部１３のように、この巻回体２がより堅くならないように作用する。この特に大きく形成された楕円の芯穴６は、これによって、この巻回体２に点状に作用する力（複数）による局部的な変形を可能とする。

１ ： コンデンサデバイス
２ ： 巻回体
３ ： 正極シート
４ ： 負極シート
５ ： セパレータ
６ ： 芯穴
７ ： 最大直径
８ ： 最小直径
９ ： 正極接続端子
１０ ： 負極接続端子
１１ ： ハウジング
１２ ： 絞り溝
１３ ： 内側巻回領域
１４ ： 結合直線

Ｄ_ＩＷ ： 巻回領域内部の直径
Ｄ_Ｗ ： 巻回体の直径

Claims (10)

1. コンデンサデバイス（１）であって、
   １つの楕円の芯穴（６）を有する１つの巻回体（２）備え、当該芯穴は、最大直径（７）と当該最大直径（７）より小さな最小直径（８）とを有し、
   前記巻回体（２）は、当該巻回体（２）に点状に作用する力によって、当該巻回体（２）の局部的にのみ生成される変形を生じ得るように構築されている、
   ことを特徴とするコンデンサデバイス。
2. 前記巻回体（２）は、電極が存在しない１つの巻回領域内部（１３）を備え、当該巻回領域内部（１３）は、前記楕円の芯穴（６）で径方向外側に繋がっており、そして当該巻回体（２）の直径（Ｄ_Ｗ）の少なくとも３５％の直径を有することを特徴とする、請求項１に記載のコンデンサデバイス。
3. 前記巻回領域内部（１３）は、前記巻回体（２）の前記直径（Ｄ_Ｗ）の少なくとも４５％の直径を有することを特徴とする、請求項２に記載のコンデンサデバイス。
4. 前記芯穴（６）の前記最大直径（７）は少なくとも６ｍｍであり、および／または前記巻回体（２）の前記直径（Ｄ_Ｗ）の少なくとも２５％であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のコンデンサデバイス。
5. 前記芯穴（６）の前記最大直径（７）は、前記巻回体（２）の前記直径（Ｄ_Ｗ）の少なくとも３５％となっていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のコンデンサデバイス。
6. 前記巻回体（２）は、７ｍｍ〜３０ｍｍの範囲、好ましくは１０〜２２ｍｍの範囲の前記直径（Ｄ_Ｗ）を有していることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のコンデンサデバイス。
7. 前記芯穴（６）の前記最大直径（７）は、前記芯穴の前記最小直径よりも少なくとも１ｍｍ以上大きいことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のコンデンサデバイス。
8. 前記コンデンサデバイス（１）は、１つの正極接続端子（９）および１つの負極接続端子（１０）を備え、これらはそれぞれ前記巻回体（２）と接続されており、そしてこれらは互いに前記芯穴（６）の反対側に配設されていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のコンデンサデバイス。
9. 前記正極接続端子（９）と前記負極接続端子（１０）との間の結合直線（１４）は、前記巻回体（２）の前記最大直径に対して垂直となっていることを特徴とする、請求項８に記載のコンデンサデバイス。
10. 前記コンデンサデバイス（１）は、１つの電解コンデンサであることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のコンデンサデバイス。

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