JP2023078220A - キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタの蓋に配置されたベント部が容器内部の沈殿物によって閉塞されないように保護され、キャパシタ内部のベント部によって占有される空間を最小限に抑えるように設計されたキャパシタを提供する。【解決手段】キャパシタは、開口部を有する容器（１）と、容器の内部に配置された少なくとも一つのキャパシタ素子（２）と、容器を封止する蓋（４）とを備え、蓋の内面における凹部（６）にベント部（５）が配設される。【選択図】図１

Description

本発明は、ベント部が配設された封止蓋を備えるキャパシタに関する。

ベント部とは、キャパシタの蓋に設けられていることが多い標準の部品であり、故障やリーク電流などに起因するキャパシタ内での発熱によって容器に蓄積された過圧を解放するものである。このベント部はキャパシタの容器内に突出しており、キャパシタ内の沈殿物および流体に曝されている。このため、沈殿物および流体はベント部内に容易に進入してベント部を閉塞し、これによって、ベント部の機能不全が生じ、早期故障を引き起こす。特に電解キャパシタでは、電解質がベント部に進入し、当該電解質が乾燥し、結晶化し、ベント部を詰まらせる可能性がある。さらに、突出したベント部は容器内の空間を占有し、従って、容器内のキャパシタ素子が取り得る範囲を減少させる。そこで、本発明の目的は、改良型キャパシタ、例えば、キャパシタの蓋に配置されたベント部が容器内部の沈殿物によって閉塞されないように保護され、キャパシタ内部のベント部によって占有される空間を最小限に抑えるように設計されたキャパシタを提供することである。

この目的は、請求項１に記載のキャパシタによって解決される。

開口部を有する容器と、該容器の内側に配置される少なくとも１つのキャパシタ素子と、該容器を封止する蓋とを備え、該蓋の内面の凹部にベント部が配置されるキャパシタが提供される。

ここでは、凹部は、蓋内の凹み、窪み、または空洞であり、当該凹部は蓋の内面から蓋の外面まで延在していない。したがって、凹部によって、蓋の厚さ内に付加的な表面または付加的な段部が生成される。この意味で、凹部は、当該蓋を貫通する貫通孔であって、キャパシタの外部とキャパシタの内部とを接続する開口部を成す貫通孔とすることはできない。

蓋は、キャパシタのハウジングの板状構成要素であってもよく、平面図において丸い又は長方形であってもよく、当該蓋は容器を閉じるものである。蓋の内面は、容器内部のキャパシタ素子に対向する板状の面であってもよい。

この蓋の内面において、凹部は、容器内のキャパシタ素子から離れる方向に凹むキャビティとして形成されてもよい。本発明によれば、ベント部は凹部内に配置される。

ベント部は、特に容器内の蓄熱および化学反応によってガスが発生のした場合に、キャパシタ内部から過圧を解放することを可能にし得る。このようなベント部を介して拡散することにより、水素などの発生したガスを放出することができ、内圧の蓄積によるキャパシタの故障を防止することができる。このベント部は、過圧ベント、安全ベント、または適切なバルブであってよい。ベント部を凹部内に配置することにより、ベント部が凹部内に配置されていないキャパシタよりも、容器内の沈殿物によってベント部が閉塞することからより一層保護され、従って、キャパシタの故障のリスクが低減する。

加えて、従来のキャパシタではベント部が蓋から容器内に突出しているので、通常、例えば巻線及び電解質を含むことができるキャパシタ素子のために、容器内の空間の全体を使用することができない。本発明によれば、ベント部が蓋に埋設されているので、容器内部の空間全体をキャパシタ素子で占めることができる。その結果、キャパシタに蓄積されるエネルギー密度を増加させることができ、本発明によるキャパシタによれば、同じ体積を有する従来のキャパシタと比較して、より多くのエネルギーを蓄積することができる。

好ましくは、ベント部は、容器内のキャパシタ素子に対向するベント部の端部が蓋の内面よりもキャパシタ素子から更に離れるように、凹部内に配置されてもよい。これにより、ベント部は沈殿物の衝撃からさらに保護され、容器内部のより多くの空間をキャパシタ素子によって使用することができる。

一実施形態ではキャパシタ蓋内の凹部が上側段部と下側段部とを有してよく、この場合、上側段部は下側段部よりもキャパシタ素子からさらに離れており、凹部は上側段部に配置されている。この配置では、キャパシタ素子に対向するベント部の開口部は、不所望の粒子の侵入からさらに保護される。凹部の下側段部における表面張力によって流体は凹部に進入することを抑制され得ることから、特に、容器の内側に流体を含むキャパシタは２段式の凹部による利益を享受することができる。

凹部または凹部の下側段部は、閉鎖されたキャパシタ内の圧力が閾値圧力を超えている場合にガスをベント部に搬送することによって圧力解放を支援する、細長い溝部として形成されてもよい。当該溝部は、ベント部を越えて延在して、粒子をベント部に導くことによってガス放出を補助してもよい。別の可能性は、蓋の長さ全体に亘って溝部を延長することであり、これにより封止された容器内の圧力上昇によるガス放出が改善される。

凹部または凹部の下側段部は互いに交差し、それによってガス放出を支援する多数の溝部として形成することもできる。

当該蓋の凹部は、蓋の内面に取り付けられた付加部分の間のギャップによって形成してもよい。この構成は、キャパシタ蓋の製造に好都合であり得る。これらの付加部分は、容器内に存在し得る化学物質と反応しない限り、蓋またはその他のものと同じ材料であってもよい。例えば、当該材料は、非導電性材料、例えば、ＴＰＥｓ、ＨＤＰＥｓ、ＰＰｓ、ＰＶＣｓまたはＰＴＦＥｓなどの合成ポリマーであってもよい。

キャパシタは、電解キャパシタであると明示し得る。電解キャパシタは、誘電体におけるエネルギー損失による自己発熱に加え、極性を間違えると蓄熱の危険があるため、非電解キャパシタに比べて熱、過圧に対する脅威が大きくなる。したがって、ほとんどの電解キャパシタは、本発明の利益を享受し得るベント部を一体化している。

液体電解質はベント部に容易に進入し当該ベント部を詰まらせる可能性があるので、特に、電解質として流体を使用する非固体電解キャパシタは、開示されたベント部の構成による利益を享受し得る。

キャパシタ素子に対向する蓋の内面における凹部のために、蓋の一部がベント部の周囲に用意されなければならないので、安定性の理由から、蓋の外面におけるベント部の周囲で蓋を隆起させることが有利となり得る。

キャパシタ素子の電極は、ガス密に蓋を貫通するねじ端子によって電気的に接続されてもよい。ねじ端子は、キャパシタに対して要求されるアプリケーションへの電気的及び機械的接続を提供するように形成されてもよい。

さらに、ベント部と電解質またはフィルムなどのキャパシタ素子との間の接触が回避されるように蓋を形成することは最良の利点であり得る。このようにして、潜在的な短絡の危険性が低減される。

以下、図面を参照しつつ、本発明における好ましい実施形態を説明する。

図１は、本発明におけるキャパシタの簡略化された断面図を示す。 図２は、本発明における別の実施形態のキャパシタの簡略化された断面図を示す。 図３は、本発明における更に別の実施形態のキャパシタの簡略化された断面図を示す。 図４は、図１に示した実施形態と類似する蓋を示す拡大断面図である。 図５は、別の実施形態による蓋の内側の斜視図を示す。 図６は、異なる複数のキャパシタ蓋の内面の簡略化された平面図である。

図１は、キャパシタの簡略化した断面図を示す。キャパシタは容器１を含む。容器の基部領域は、長方形、丸形、または他の任意の形状であってよい。容器１の内部にはキャパシタ素子２が配置されている。容器１は、気密な蓋４で封止されている。少なくとも２つのねじ端子３は、ガス密を維持しつつ蓋４を貫通し、キャパシタ素子２の電極に電気的に接続している。ここで、蓋４の中央において、キャパシタ素子２に対向する蓋の内面７に凹部６が形成されている。当該凹部６内にベント部５が配置されており、これにより、閉鎖された容器１の内部の圧力が例えば発熱によって増加した場合に、圧力が解放される。
キャパシタが電解キャパシタである場合、キャパシタ素子２は、流体であってよい電解質を含む。

ベント部５が凹部６に埋設されているので、容器１の内側に面するベント部５の開口部は、ガスを放出し得るキャパシタ素子２からさらに離れており、この場合、気化する電解質からのガスによって析出物が形成され得る。凹部内にベント部を配置することによってベント部５の保護された位置が提供され、この結果、ベント部５は当該ベント部５を詰まらせる沈殿物から保護される。これにより、ベント部５が詰まって圧力解放が妨げられ、キャパシタの誤動作又は爆発に至るような、キャパシタの故障のリスクが軽減される。さらに、ベント部５が凹部６に埋設されているため、ベント部５によって通常占有される空間が解放され、容器１の内部においてキャパシタ素子２を拡大することができる。その結果、同じ体積を有するキャパシタに蓄積されるエネルギー密度を増加させることができ、又は同じエネルギー蓄積を有するキャパシタをよりコンパクトに構築することができる。

ベント部５の目的は、蓄熱及び特にガス発生によって容器１の内部に蓄積された圧力の解放を可能にすることである。ベント部５は膜を使用することができ、当該膜は、例えば水素などのガスが拡散によって消失することを可能にする。キャパシタ内部の圧力は、特にベント部５が詰まっているとキャパシタの爆発につながる恐れがあるため、安全のために過圧ベント部やバルブを使用することがある。

凹部６は、円筒形、円錐形、立方体形、楕円形、または用途に適した任意の他の三次元形状を有することができる。

容器１は、指定された雰囲気の要件に適し、かつキャパシタ素子２の幾何学的形状に適した任意の三次元形状を有することができる。特にキャパシタが電解キャパシタの場合、容器１及び蓋４は、気密であるか又は少なくとも流体密である材料で製造することが好ましい。容器１は、金属、例えばアルミニウムや、炭素鋼、ステンレス鋼、工具鋼又は合金鋼としての鋼から製造することができる。他の適切な材料は、ＴＰＥｓ、ＨＤＰＥｓ、ＰＰｓ、ＰＶＣｓまたはＰＴＦＥｓのような合成ポリマーであり得る。キャパシタにおいて腐食または劣化の危険がある場合、材料はコーティング、めっき、または他の適切な防護処理で保護されてもよい。

キャパシタ素子２はまた、任意の三次元形状を有することができ、それによって、キャパシタのエネルギー密度を最適化するために、容器１によって形成された容積を利用することが有益となり得る。キャパシタ素子２は、セラミック又はフィルムキャパシタとして非分極とすることができるし、又は分極されたものとすることができる。陽極にアルミニウム、タンタル、ニオブを用いた電解キャパシタ素子２、電解質にポリマーを用いた高分子キャパシタ素子２は、一般的な分極型のものである。本発明は固体電解質を有するキャパシタに使用することができるが、流体電解質はベント部５に容易に進入して当該ベント部５を詰まらし得るので、非固体電解質において最良の利点を有する。この場合、キャパシタ素子２は、流体電解質及び巻線を含むことができる。しかし、二重層キャパシタ又は擬似キャパシタとしてのスーパーキャパシタ素子２も、本発明に好適であり得る分極キャパシタ素子２である。特に、分極キャパシタ素子２は誤って設置された場合、短絡を起こしやすく、これにより、蓄熱を受けることが予想される。キャパシタ素子２は、多数のキャパシタ素子２から構成することができる。

図２は、本発明の別の実施形態を示す。この実施形態では、蓋の内面７における凹部６は上側段部６ａ及び下側段部６ｂという２つの段部を有しており、この場合、上側段部６ａは下側段部６ｂよりもキャパシタ素子２からさらに離れて位置しており、ベント部５は上側段部６ａに配置されている。この図では、ベント部５は、凹部６の上側段部６ａに完全に埋設されている。これにより、キャパシタ素子２に対向するベント部５の開口部または端部は、蓋の内面７よりもキャパシタ素子２から離れて位置する。このような配置により、保護特性が強化され、ベント部５の目詰まり防止が向上する。ベント部５が容器１の内部に突出していないので、ベント部５を利用する従来のキャパシタに反して、容器１と蓋４とによって形成れた完全な空間をキャパシタ素子２のために使用することができる。

加えて、蓋４は、蓋４の外面においてベント部５の周囲で隆起している。凹部６を形成するために体積が減少しているので、凹部６は当然に蓋４を弱化させる。蓋４の外面における隆起部９は付加的な構造体積を追加し、それによって蓋４の安定性を改善する。さらに、隆起部９によって、蓋４とベント部５との間により多くの接触面が提供される。これにより、ベント部５と蓋４との間の密着性が改善される。

図３は、本発明によるキャパシタのさらなる実施形態の概略的な断面図を示す。この実施形態においても、２つの段部即ち上側段部６ａおよび下側段部６ｂを有する凹部６が提供される。ここで、下側段部６ｂは、蓋の内面７に取り付けられた付加部分８の間におけるギャップによって形成されており、他方で、上側段部６ａは蓋４内のキャビティとなっている。ベント部５は凹部６の上側段部６ａに配置されているが、本実施の形態では凹部６の下側段部部６ｂに突出している。このようにして、容器１およびベント部５の下縁部によって形成され、キャパシタ素子２によって使用され得る利用可能な空間が、凹部６を有さない従来のキャパシタと比較して増大される。先の実施形態と同様に、図２の実施形態でも蓋４の外面に隆起部９が設けられている。

付加部分８は、非導電性材料、例えばＴＰＥｓ、ＨＤＰＥｓ、ＰＰｓ、ＰＶＣｓ又はＰＴＦＥｓのような合成ポリマーから作成することができる。付加部分８において腐食または劣化の危険がある場合、材料は、コーティング、めっき、または他の適切な防護処理で保護されてもよい。熱機械的応力を防止するために、蓋４と同じ材料を付加部分８に使用することが有利であり得る。

凹部６の所望の形状に応じて、付加部分８は、穿孔された円板、半円、円のセグメント、長方形、または任意の他の適切な形状を有することができる。

図４は、図１に示した実施形態に類似する蓋４の拡大断面図を示すが、この実施形態では、蓋４は当該蓋４の外面においてベント部５の近傍で膨らんでおり、ベント部５は図２および図３と同様に凹部６内に埋設されている。本実施形態におけるベント部５は、より詳細に示されている。凹部６に埋設されたベント部５の一部は、下向き方向、すなわちキャパシタ素子に向かって径方向に拡大している。この拡大した部分は、通常、容器１内に突き出ている。この拡大した部分は、この実施形態では１つの段部だけで形成されている凹部６内に埋設されているので、ベント部５は容器１内に突出していない。蓋４の外面における隆起部９の隣に、キャパシタに接続されるねじ端子３の部分が図示されている。

図５には、別の実施形態による蓋の内面７の斜視図が示されている。この実施形態は、図３に示す実施形態と同様である。蓋の内面７には２つの半円形状の付加部分８が取り付けられている。これらの付加部分８の間のギャップは、長手方向に延びる溝部として凹部６の下側段部６ｂを形成する。このようにして、溝部は蓋の長さ全体にわたって延在しており、これにより、容器１の内側からベント部５を通じて外部へのガス放出が支援される。
凹部６の上側段部６ａは丸く、溝部における中心から外れて配置されている。付加部分８における直線側に小さなノッチ１０が形成されており、これにより凹部６の円形状の上側段部６ａのための空間が形成され、この場合円形状の上側段部６ａは、凹部６における上側段部６ａを形成する上記溝部よりも径が大きい。凹部６の下側段部６ｂの中央において、凹部６の上側段部６ａにボルト１１が接着されている。このボルト１１は、キャパシタ素子２例えば電解キャパシタにおける巻線を固定するために設けられている。ボルト１１の隣には、ねじ端子３の下端が付加部分８の各々の下面から出ている。

図６ａ）から図６ｆ）には、蓋７の内面に関する多数の概略図が示されている。これらの全てにおいて、凹部６はベント部５を越えて延びており、これにより蓋４を通じたガス放出を支援している。これらの概略図における蓋４の形状は円形であるが、容器１に適合する任意の他の適切な形状であってよい。図６ａ）の凹部６は円形であり、蓋４の中央に配置されている。ベント部５は、凹部６内に配置されている。中心から外れた２つの小さな円は、蓋４を通るねじ端子３の断面である。

図６ｂ）では、凹部６は細長い溝部として形成されており、当該溝部の中央にベント部５が収容されている。蓋４の長さ全体に亘って延びる細長い溝部として凹部６を形成することで、沈殿物をベント部５に導き、これにより圧力とガスの解放を支援することができる。従って、蓋の内面７に平行な凹部６の表面は、ベント部５に至る斜面を有することができる。

溝部は、拡散経路を画定することができる。ガスは、容器１の内側からベント部５への拡散経路に沿って拡散され得る。拡散経路はベント部５の引き裂きを回避するのに役立ち、キャパシタの最大寿命を強化すると同時に最大静電容量を増加させる。

図６ｃ）では、凹部６は、十字形状を形成する２つの交差する溝部として形成されている。ベント部５は、蓋４の中央における両方の溝部の交差部分に配置される。また、凹部は多数の溝部が交差することによって形成されてもよい。

図６ｄ）は、中央で交差する３つの溝部を有する例を示す。この実施形態では、ベント部５は中心から外れて配置されている。

図６ｅ）では、２つの付加的な半円形状部が蓋４に取り付けられており、当該蓋４は、当該半円形状部の間に明確に保持されたギャップによって凹部６を形成する。ここでも、ベント部５は中央から外れて配置されており、溝部は蓋４の長さ全体に亘って延びている。

図６ｆ）でも、凹部６は、蓋４に取り付けられた付加部分８の間に明確に保持されたギャップによって形成されている。付加部分８は４分の１円弧であり、それによって十字形を有する凹部６を形成する。交差する溝部は蓋４の長さ全体に亘って延びており、これにより、容器１の内部で圧力が上昇した場合に粒子及びガスの放出を支援する。この例では、ベント部５は、蓋４及び十字の中央に配置されている。

本発明は、上述の配置に限定されるものではなく、配置の組み合わせが可能であることに留意されたい。

（１） 容器
（２） キャパシタ素子
（３） ねじ端子
（４） 蓋
（５） ベント部
（６） 凹部
（６ａ／ｂ） 凹部の上側段部／下側段部
(７) 蓋の内面
(８) 付加部分
(９) 隆起部
(１０) ノッチ
(１１) ボルト

Claims (1)

1. 開口部を有する容器（１）と、
   前記容器（１）の内部に配置された少なくとも一つのキャパシタ素子（２）と、
   前記容器（１）を封止する蓋（４）と、を備え、
   前記蓋の内面（７）における凹部（６）にベント部（５）が配設されており、
   前記凹部（６）は、前記蓋（４）の長さ全体に亘って延びる細長い溝部として形成されている、キャパシタ。

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