JP3270597B2 - コンデンサ素子及びコンデンサユニット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自己保安機能付きのコ
ンデンサ素子及びコンデンサユニット（以下「コンデン
サ」と総称する）の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、自己保安機能付きコンデンサ
としては、次のようなものが知られている。

【０００３】［短絡形式］その一つは、コンデンサ主機
能を果たす巻回素子に短絡機構としての金属箔を設けた
もの（以下「短絡形式」という）で、図６は、短絡形式
のコンデンサの概念的構成の一例を示す断面図である。
すなわち、この形式のコンデンサでは、ＳＨコンデンサ
素子などの素子２１にアルミニウム箔などの２枚の金属
箔２２ａ，２２ｂが設けられ、これら２枚の金属箔２２
は、過温溶融絶縁材２３によって絶縁されている。ま
た、２枚の金属箔２２ａ，２２ｂは、それぞれ、素子２
１の両極であるメタリコン２４ａ，２４ｂに接続され、
各メタリコン２４ａ，２４ｂが、それぞれリード線２５
ａ，２５ｂに接続されている。

【０００４】このような短絡形式のコンデンサでは、素
子２１内部に絶縁破壊などの異常が発生した際、素子２
１に設けられた絶縁材２３が溶解し、２枚の金属箔２２
ａ，２２ｂを短絡させ、この短絡電流により、コンデン
サ外部に設けたヒューズ・ブレーカーなどの安全装置を
作動させる。

【０００５】例えば、日本国の特公昭５５−２６６１０
号の発明（以下「松下特許」という）では、コンデンサ
の外周部に金属箔を配置し、異常時には金属箔を完全短
絡させるものが提案されている。また、概要は松下特許
と同じで、誘電体構造、金属箔の配置位置、その長さ及
びそれらの製造方法が詳細に記載されているものとし
て、ベルギー公開特許公報昭６０−５２００９、同昭６
１−１０２２２及び同平４−７２３７４がある。

【０００６】また、旧西ドイツ特許公開明細書１９２７
４２３号の発明（以下「シーメンス特許」という）は、
コンデンサ素子の中心部から外周部に至る素子内部全面
に、短絡構造である金属箔が挿入巻回されたもので、異
常発生の際は金属箔が速やかに短絡作動する。

【０００７】［セグメント形式］また、自己保安機能付
きコンデンサの他の形式のものとして、コンデンサ主機
能を果たすコンデンサ素子を、独立した多数の分割電極
で構成したもの（以下「セグメント形式」という）が知
られている。図７は、セグメント形式のコンデンサの概
念的構成の一例を示す断面図である。すなわち、この種
のコンデンサでは、構造素子３１内部に絶縁破壊が生じ
ても、分割電極の一部の蒸着膜がヒューズ作用をし、破
壊した部分の分割電極のみを電気的に瞬時に切り離すた
め、コンデンサ全体の破壊を招かず、わずかに容量が減
少するだけで、コンデンサ機能が維持できる。例えば、
わが国においてもセグメント形式に関する特許が存在
し、その特許では、独立した数百から数千の分割電極で
コンデンサが構成され、その分割電極の一部の蒸着膜が
ヒューズ作用を果たすものとされている。図中３２はメ
タリコン電極である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来のコンデンサには、次のような問題点が存在
していた。まず、短絡形式では、短絡動作が絶縁破壊に
よる発生エネルギーに依存しているので、絶縁破壊のパ
ワーの程度いかんによって作動の可否が大きく左右され
る。そして、動作不全の場合、時間の経過にともなって
破壊箇所が増大したり、温度が上昇したり、ガスが発生
するという不利益が生じる。このような状態が発生する
と、状況がさらに悪化して激しい温度上昇が発生するま
で金属箔の短絡が生じないという問題点が生じる。ま
た、短絡に成功した場合も、最終的保安動作が二次的な
ものとなるので対応の遅れが生じる可能性がある。

【０００９】さらに、短絡形式では、保安機構が短絡構
造のため、一旦短絡して保安機構が作動するとその素子
は機能を喪失し、素子１個構成のコンデンサの場合は当
該コンデンサ全体が機能を喪失する。また、複数個構成
のコンデンサの場合も素子１個が短絡するとコンデンサ
全体としても短絡状態となるので、正常な他の素子も機
能を喪失することとなるという問題点があった。

【００１０】特に、前記松下特許では、素子外周部にの
み、唯一の保安機構（金属箔）を設けているので、素子
外周部に近い箇所で絶縁破壊が発生すれば金属箔短絡が
瞬時に働くが、素子中心部の場合は瞬時に作動しない場
合があった。この点、シーメンス特許では、誘電体一層
ごとに保安機構を挿入しているが、このために、素子の
体積が２倍以上に大型化し、素子巻回作業が複雑で作業
性が悪く、コストの大幅アップという問題点があった。

【００１１】次に、セグメント形式では、コンデンサ機
能を有する素子自体のみにしか保安構造を備えていない
ので、絶縁破壊のエネルギーが大きい場合、破壊にヒュ
ーズ作用が追い付かなくなるという問題点が存在してい
た。すなわち、絶縁破壊が激しいと、誘電体が劣化し、
さらに発煙・発火し、ガス化による内圧上昇が生じてケ
ース膨れに至る場合がある。また、このような現象は、
隣接する正常な他の素子のような周辺機器に悪影響を与
えるなど、二次災害を生じさせる可能性がある。

【００１２】本発明は、上記の従来技術の問題点を解決
するために提案されたもので、その目的は、安全性及び
信頼性の高いコンデンサ素子及びコンデンサユニットを
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達するた
め、請求項１のコンデンサ素子は、巻芯と、この巻芯上
に巻き回され、過温溶融絶縁材によって絶縁された一対
の第１の金属箔と、前記第１の金属箔の外側に所定の容
量分巻き回されたセグメント構造素子と、前記セグメン
ト構造素子の外側に巻き回され、過温溶融絶縁材によっ
て絶縁された一対の第２の金属箔と、を有し、前記第１
及び第２の金属箔それぞれの各１枚ずつは、前記セグメ
ント構造素子の一端に設けられた第１の電極に並列に接
続され、前記第１及び第２の金属箔それぞれの他の１枚
ずつは、前記セグメント構造素子の他端に設けられた第
２の電極に並列に接続されたことを特徴とする。

【００１４】また、請求項２のコンデンサユニットは、
請求項１記載のコンデンサ素子と、前記第１又は第２の
電極と直列に接続されたヒューズとを有することを特徴
とする。

【００１５】また、請求項３のコンデンサユニットは、
請求項１記載のコンデンサ素子と、このコンデンサ素子
を収納するケースと、を有し、前記コンデンサ素子と前
記ケース間の空間には、少なくともバーミキュライトを
含む充填材が充填されたことを特徴とする。

【００１６】また、請求項４の発明は、請求項３記載の
コンデンサユニットにおいて、前記ケースには、当該ケ
ース内で発生するガスを当該ケース外に排出するための
通気孔が設けられたことを特徴とする。

【００１７】また、請求項５の発明は、請求項３記載の
コンデンサユニットにおいて、前記コンデンサ素子にお
いて発生する熱を放散させるための冷却板を有すること
を特徴とする。

【００１８】

【作用】上記のような構成を有する本発明は、次のよう
な作用を有する。すなわち、請求項１の発明では、絶縁
破壊がコンデンサ素子内部のいかなる箇所に発生して
も、電極の一部の蒸着膜がヒューズ作用を果たし、破壊
した部分の分割電極のみを瞬時に切り離すので、コンデ
ンサ素子全体の破壊が生じず、わずかに容量が減少する
のみで、コンデンサ素子全体の機能は維持される。

【００１９】また、絶縁破壊のエネルギーが大きく、ヒ
ューズ作用が追従できない場合は、素子巻芯部又は外周
部に巻き回される絶縁材が溶解し、第１又は第２の金属
箔が電気的に短絡状態になる。このときの大きな短絡電
流により、外部回路に設けたヒューズ・ブレーカーなど
の安全装置を作動させることができる。

【００２０】また、請求項２の発明では、外部回路の安
全装置が動作不全又は設けられていない場合でも、コン
デンサユニット自身に設けられたヒューズが作動し、外
部回路の電気的接続が完全に遮断される。

【００２１】また、請求項３の発明では、充填材が、無
毒で不燃性・圧縮性のある微粒の無機物であるバーミキ
ュライトを含んでいるので、コンデンサ素子の発火や他
のコンデンサ素子への影響が阻止され、二次災害が生じ
ない。

【００２２】また、請求項４の発明では、万一ガスが発
生しても、ガスは通気性に富んだバーミキュライトを通
り抜け、ケースの通気孔を通してケース外部に放出され
るので、ケース膨れが生じない。

【００２３】また、請求項５の発明では、各素子内部で
発生する熱が冷却板によって外部に放散されるので、複
数のコンデンサ素子を用いる場合、あるコンデンサ素子
に異常が発生しても隣接する正常なコンデンサ素子に悪
影響を与えない。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の複数の実施例として、単一の
コンデンサ素子を用いたコンデンサユニット（第１実施
例）及び複数のコンデンサ素子を用いた集合体コンデン
サユニット（第２実施例）について、図面に従って具体
的に説明する。

【００２５】Ａ．第１実施例 （１）第１実施例の構成 第１実施例のコンデンサユニットは、単一のコンデンサ
素子をケースに収納したもので、図１は、第１実施例の
コンデンサユニットに用いられるコンデンサ素子１の構
成を示す概念図である。このコンデンサ素子１は、この
図に示すように、中空の巻芯棒２（前記巻芯に相当する
もの）と、この巻芯棒２上に巻き回され、過温溶融絶縁
材３によって相互に絶縁された一対のアルミニウム箔４
ａ，４ｂ（前記第１の金属箔に相当するもの）と、この
アルミニウム箔４の外側に所定の容量分巻き回されたＳ
Ｈ乾式セグメント構造素子５と、この構造素子５の外側
に巻き回され、過温溶融絶縁材３によって相互に絶縁さ
れた一対のアルミニウム６ａ，６ｂ箔（前記第２の金属
箔に相当するもの）と、巻芯棒２内に設けられ、前記構
造素子５と直列に接続された温度ヒューズ７とを有す
る。

【００２６】また、アルミニウム箔４ａ，６ａは構造素
子５の一端の電極８ａと、アルミニウム箔４ｂ，６ｂは
素子５の他端の各電極８ｂと、並列に接続されている。
なお、ＳＨ乾式セグメント構造素子５は、ＳＨ乾式の独
立した数百から数千の分割電極で構成されているセグメ
ント構造の誘電体電極であり、自己回復性及び自己保安
機能性を有する。なお、各電極８ａ，８ｂには、外部引
き出しリード線９ａ，９ｂが接続されている。

【００２７】電極８はメタリコンであり、図２は、メタ
リコンの状態を示す断面図である。また、図３は、コン
デンサ素子の結線図である。

【００２８】さらに、図４は、第１実施例のコンデンサ
ユニットの分解斜視図である。第１実施例のコンデンサ
ユニットは、この図に示すように、コンデンサ素子１
が、円筒プラスチックケースＣに収納され、コンデンサ
素子１とケースＣ間の空間には、バーミキュライトと樹
脂との混合物である充填材１０が充填され封入されてい
る。なお、充填材１０としてはバーミキュライトを単体
で用いてもよく、バーミキュライトと電気絶縁油との混
合物を用いることもできる。

【００２９】（２）第１実施例の作用及び効果 上記のような構成を有する第１実施例では、絶縁破壊が
コンデンサ素子１内部のいかなる箇所に発生しても、電
極８の一部の蒸着膜がヒューズ作用を果たし、破壊した
部分の分割電極のみを瞬時に切り離すので、コンデンサ
素子１全体の破壊が生じず、わずかに容量が減少するの
みで、コンデンサ素子１全体の機能は維持される。

【００３０】また、絶縁破壊のエネルギーが大きく、ヒ
ューズ作用が追従できない場合は、巻芯部または外周部
に巻き回される絶縁材３が溶解し、金属箔４，６が電気
的に短絡状態になる。このときの大きな短絡電流によ
り、外部回路に設けたヒューズ・ブレーカーなどの安全
装置を作動させることができる。

【００３１】また、本実施例では、外部回路の安全装置
が動作不全又は設けられていない場合でも、コンデンサ
ユニット自身に設けられたヒューズ７が作動し、外部回
路の電気的接続が完全に遮断される。このため、誘電体
の劣化・発煙・発火やケース膨れが生じず、隣接する他
の素子への悪影響のような二次災害も生じない。

【００３２】また、本実施例における充填材は、無毒で
不燃性・圧縮性のある微粒の無機物であるバーミキュラ
イトを含むので、コンデンサ素子１の発火や他のコンデ
ンサ素子への影響が阻止され、二次災害が生じない。

【００３３】なお、本発明者が、本実施例のコンデンサ
ユニット及びこれと同定格の従来のコンデンサについて
比較実験を行ったところ、次のような結果が得られた。
実験の対象は、本実施例のコンデンサユニット、及び、
従来の技術の欄に記載した短絡形式及びセグメント形式
それぞれ１種類ずつの従来のコンデンサ（従来品１、従
来品２とする）である。本実施例、従来品１、従来品２
の各試料数をそれぞ４０個とし、同一の条件におけるこ
れらの保安性動作率及び寿命特性を比較したところ、次
の表の通りであった。

【００３４】

【表１】

【００３５】この表１から明らかなように、従来品１、
従来品２では、若干の保安性動作不良が発生しているの
に対し、本実施例ではまったく不良が発生せず、保安性
についてはいかなる場合にも１００％動作することが確
認された。また、従来品では、動作不良品の中に、ケー
ス膨れが各１個ずつ発生したが、本実施例においてはケ
ース膨れの発生は認められたなかった。さらに、本実施
例では、寿命特製も従来品と比べて１．５倍に向上して
いるが、これは、バーミキュライト自体の特製の恒久性
によるものと考えられる。

【００３６】Ｂ．第２実施例 第２実施例は、第１実施例におけるコンデンサ素子１を
複数用いた集合体コンデンサユニットであり、図５は、
第２実施例の構成を示す分解斜視図である。すなわち、
第２実施例は、この図に示すように、スポット溶接１１
を施した、密閉構造でないケース１２と、ケース１１に
複数収納されたコンデンサ素子１と、各コンデンサ素子
１に設けられた冷却板１３と、ケース１２内部の各コン
デンサ素子１周囲に充填されたバーミキュライト１４と
を有するものである。なお、ケース１２は各面を構成す
るプレートをスポット溶接して構成したものであるが、
各プレートの接合面のうちスポット溶接されていない部
分はスリット状の通気孔になっている。また、バーミキ
ュライト１４は必ずしも単独で用いる必要はなく、例え
ば、樹脂との混合や電気絶縁油との混合物としてもよ
い。

【００３７】第２実施例では、万一ガスが発生しても、
ガスは通気性に富んだバーミキュライト１４を通り抜
け、ケース１２の通気孔を通してケース１２外部に放出
されるので、ケース膨れが生じない。また、第２実施例
では、各コンデンサ素子１内部で発生する熱が冷却板１
３によって外部に放散されるので、複数のコンデンサ素
子１を用いる場合、あるコンデンサ素子１に異常が発生
しても隣接する正常なコンデンサ素子１に悪影響を与え
ない。

【００３８】Ｃ．他の実施例 なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、次のような他の実施例を包含する。例えば、巻芯は
中空でなくともよく、その場合、ヒューズは巻芯の一端
その他所望の位置に設けることができる。また、第１及
び第２の金属箔は１対には制限されず、２対以上設けて
もよい。また、金属箔の種類はアルミニウム箔には限定
されず、また、第１と第２の金属箔の種類は同一でなく
ともよい。また、ヒューズは温度ヒューズには限定され
ず、電流ヒューズを用いることもできる。また、ケース
の通気孔の態様は自由であり、例えば、ケース全面に通
気孔を散在させてもよい。また、冷却板の構造も自由に
決定することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明では、絶縁破壊な
どの異常に対して、金属箔の短絡と、蒸着膜によるヒュ
ーズ作用という、二重の保安機構を設けているので、安
全性及び信頼性の高いコンデンサ素子及びコンデンサユ
ニットを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例におけるコンデンサ素子の
構成を示す概念図。

【図２】本発明の第１実施例におけるコンデンサ素子の
メタリコンの状態を示す断面図。

【図３】本発明の第１実施例におけるコンデンサ素子の
結線図。

【図４】本発明の第１実施例のコンデンサユニットの分
解斜視図。

【図５】本発明の第２実施例の構成を示す分解斜視図。

【図６】従来の短絡形式のコンデンサの概念的構成の一
例を示す断面図。

【図７】従来のセグメント形式のコンデンサの概念的構
成の一例を示す断面図。

【符号の説明】

１ コンデンサ素子 ２ 巻芯棒 ３ 絶縁材 ４，６ アルミニウム箔 ５ 構造素子 ７ 温度ヒューズ ８ 電極（メタリコン） ９ リード線 １０ 充填材 １１ スポット溶接 １２，Ｃ ケース １３ 冷却板 １４ バーミキュライト

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 巻芯と、この巻芯上に巻き回され、過温
   溶融絶縁材によって絶縁された一対の第１の金属箔と、
   前記第１の金属箔の外側に所定の容量分巻き回されたセ
   グメント構造素子と、前記セグメント構造素子の外側に
   巻き回され、過温溶融絶縁材によって絶縁された一対の
   第２の金属箔とを有し、前記第１及び第２の金属箔それ
   ぞれの各１枚ずつは、前記セグメント構造素子の一端に
   設けられた第１の電極に並列に接続され、前記第１及び
   第２の金属箔それぞれの他の１枚ずつは、前記セグメン
   ト構造素子の他端に設けられた第２の電極に並列に接続
   されたことを特徴とするコンデンサ素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載のコンデンサ素子と、前記
   第１又は第２の電極と直列に接続されたヒューズとを有
   することを特徴とするコンデンサユニット。
3. 【請求項３】 請求項１記載のコンデンサ素子と、この
   コンデンサ素子を収納するケースとを有し、前記コンデ
   ンサ素子と前記ケース間の空間には、少なくともバーミ
   キュライトを含む充填材が充填されたことを特徴とする
   コンデンサユニット。
4. 【請求項４】 前記ケースには、当該ケース内で発生す
   るガスを当該ケース外に排出するための通気孔が設けら
   れたことを特徴とする請求項３記載のコンデンサユニッ
   ト。
5. 【請求項５】 前記コンデンサ素子において発生する熱
   を放散させるための冷却板を有することを特徴とする請
   求項３記載のコンデンサユニット。