JP3849838B2

JP3849838B2 - 巻回形箔電極コンデンサ

Info

Publication number: JP3849838B2
Application number: JP2000038910A
Authority: JP
Inventors: 敏栄三浦; 年弘野村
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2020-02-17
Also published as: JP2001230145A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属箔をフィルム状誘電体とともに巻回してコンデンサ素子を構成した巻回形箔電極コンデンサに関し、特にその冷却手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記したコンデンサ素子として、金属箔に例えばアルミ箔を用い、誘電体に例えばポリプロピレンフィルムを用い、これらを重ねて反物状又は円筒状に巻き上げ、その両端面に亜鉛などの溶融金属をメタリコンして封止し、この部分に電極をはんだ付けしたものが知られている。このコンデンサ素子は複数個集合してケースに収納し、電圧・容量に応じた巻回形箔電極コンデンサ（以下、単にコンデンサという。）を構成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記コンデンサは、通電により発熱する。この発熱はコンデンサ各部分の導体に発生する抵抗損と、コンデンサ素子の誘電体に発生する誘電損に分けられ、抵抗損はI²・Ｒ（Ｉはコンデンサに流れる電流、Ｒはコンデンサ各部の抵抗成分）で表され、誘電損はＶ・Ｉ・ｔａｎδ（Ｖはコンデンサ素子に印加される電圧、ｔａｎδは誘電体により決まる定数で、例えばポリプロピレンでは0.03％）で表される。いずれにしても電圧，電流を増やそうとすると損失は大きくなり、コンデンサ素子が温度上昇するので、そのレベルに応じた適宜の冷却手段が必要である。ここで、誘電体の耐温度は他の部分より低く（例えば、ポリプロピレンでは８５℃）、誘電体の温度上昇には特に配慮する必要がある。
【０００４】
上記冷却手段として、従来より自然冷却方式、ファンにより送風する空冷方式、水や油を冷却コイル内に通流する液冷方式などがあるが、発熱量が大きい場合には液冷方式が有効である。コンデンサを液冷する場合、従来はコンデンサケースの内側あるいは外側に冷却コイルを配置しているが、コンデンサケース自体にロールボンド方式で製造したパイプシートを用いて冷却液を通流させるものも提案されている（特開昭５３−３６６２６号公報参照）。このような従来の液冷方式はいずれもコンデンサケースを冷却するものであるが、この方式は以下に述べるように冷却効率の点で得策とはいえない。
【０００５】
コンデンサ内部の損失にはすでに述べたように抵抗損と誘電損とがあるが、これらの損失による発生熱の流れ（熱流）を考えてみると、誘電体の熱抵抗は金属箔に比較して非常に大きい（熱抵抗係数は、例えばポリプロピレン：721.5 ℃／Ｗ・ｃｍ²，アルミ：0.74℃／Ｗ・ｃｍ²）。従って、コンデンサ内の誘電体で生じた熱の大部分は誘電体内を熱伝導で流れるよりも金属箔に伝達され、金属箔内を抵抗損による熱と一緒に流れて、金属箔がコンデンサケース内の空気ある絶縁油と接している部分から放熱される。すなわち、コンデンサ内の発生熱は、ほとんどが金属箔を介して放熱されるが、従来の液冷方式は金属箔から放熱される熱をコンデンサケースを介して間接的に冷却しているため冷却効率が低い。
そこで、この発明の課題は、損失熱の熱流路となる金属箔を直接液冷して、冷却効率を高めることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、２枚の金属箔がフィルム状誘電体を介して、かつ前記各金属箔がこの誘電体の左右片側からそれぞれはみ出すように重ね合わされて反物状又は円筒状に巻回され、その両端面が導体で封止されたコンデンサ素子からなる巻回形箔電極コンデンサにおいて、板導体を箱状に形成して一方の電極板を構成し、この電極板に複数個の前記コンデンサ素子を収納して、その一端の前記封止導体を前記電極板にそれぞれ接合するとともに、前記複数個のコンデンサ素子の他端の前記封止導体間に渡るように他方の電極板を接合し、前記電極板に薄肉金属製の冷却パイプを接合して、この薄肉パイプに冷却液を通流させるものとする。
【０００７】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、一方及び他方の電極板に平板状の口出部を一体形成し、これらの口出部を絶縁フィルムを挟んで重ね合わせるようにして、口出部の固有インダクタンスを低減させるものとする（特公平３−７４０２６号公報参照）。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１の（Ａ）はコンデンサ素子の平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は左側面図である。コンデンサ素子１は、図２に示すように、２枚の帯状の金属箔（例えばアルミ箔）２及び３をほぼ同幅の同じく帯状のフィルム状誘電体（例えばポリプロピレンフィルム）４及び５を介して、かつ金属箔２が誘電体４，５の図２の左側に、また金属箔３が同じく右側にそれぞれはみ出すように重ね合わせて反物状に巻回し、図１に示すように、その両端面に亜鉛などの金属をメタリコンして封止し、メタリコン６にＬ曲げした銅棒などからなる電極７及び８をはんだあるいはろう９により接合したものである。
【０００９】
ここで、図１において、メタリコン６に薄肉金属製の冷却パイプ１０がはんだあるいはろう９により接合されている。冷却パイプ１０は円管であるが、接合部は図３に示すように偏平に押圧成形されてメタリコン６との接触面積の拡大が図られ、両端は屈曲によりハ字状に持ち上げられている。冷却パイプ１０としては、外径２〜10ｍｍ, 肉厚0.1 〜１ｍｍ程度の例えば銅の薄肉パイプが用いられるが、図１の場合、コンデンサ素子１は大きさが例えば縦・横各50ｍｍ程度，厚さ20ｍｍ程度、静電容量が例えば6.５μＦとして、例えば外径４ｍｍ，肉厚0.５ｍｍのものが用いられる。
【００１０】
図１のコンデンサ素子１は通電状態において、冷却パイプ１０に図示しないホースを介して水などの冷却液が通流されて冷却される。その場合、誘電体４，５から発生する熱は、誘電体４，５における熱抵抗が大きいために誘電体４，５自身を流れて移動する割合は少なく、大部分は金属箔２，３に伝達されて抵抗損による熱と一緒になり、金属箔２，３内を流れる。この熱流は金属箔２，３に一体接合されたメタリコン６及びこれに一体接合された冷却パイプ１０を経由して冷却液に伝えられ外部に排出される。図１ではコンデンサ素子１の端面を封止する導体としてメタリコン６を溶射する例を示したが、金属箔２，３がはんだ付け可能な例えば錫であれば、例えば短冊状の銅板を封止導体としてはんだ付けし、この銅板に冷却パイプを接合することも可能である。
【００１１】
図４は複数個（図示は３個）のコンデンサ素子を集合してコンデンサ素体を構成したもので、図４の（Ａ）はコンデンサ素体の平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は左側面図である。図４において、コンデンサ素子１は図１におけるものと同一とし、３個のコンデンサ素子１は図示の通り重ねられ、それらのメタリコン６に渡るように例えば厚さ0.５ｍｍの銅板からなる方形の導体板１１がはんだあるいはろう９により接合されて並列に接続されている。そして、導体板１１に銅パイプからなる冷却パイプ１０及びＬ曲げされた銅棒からなる電極７及び８が、はんだあるいはろう９により接合されている。図４において、コンデンサ素子１内で誘電損及び抵抗損により生じる熱は、金属箔２，３（図２）、金属箔２，３に一体接合されたメタリコン６、これに一体接合された導体板１１、更にこれに一体接合された冷却パイプ１０を経由して冷却液に伝えられて放熱される。なお、図４において、冷却パイプ１０をメタリコン６にはんだ付けあるいはろう付けして、複数個のコンデンサ素子１を並列接続し、導体板１１を省くことも可能である。また図４において、導体板１１には二点鎖線で示すように電極１１ａを一体に、例えば図示のように折り曲げて形成することができ、そのようにすれば電極７を別部品として接合する必要がなく構成が簡単になる。
【００１２】
図５は板導体を箱状に形成して一方の電極板を構成し、この電極板にコンデンサ素子を収納したもので、図５の（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）は左側面図である。図５において、１２は一方の電極板で、例えば厚さ0.５ｍｍの銅板からなり、正面側が開口した箱状に折り曲げ形成され、底板には開口側に突出するように横長方形の口出部１２ａが一体形成されている。電極板１２はケースを兼ね、その内部に複数個（図示は３個）のコンデンサ素子１からなるコンデンサ素体が収納されている。ここで、図５（Ｃ）に示すように、電極板１２の背面板には各コンデンサ素子１の端面中央に対向して長方形の窓穴１４がそれぞれあけられ、電極板１２の外側から各窓穴１４に被さるようにはんだあるいはろう９が流されることにより、電極板１２は各コンデンサ素子１のメタリコン６にそれぞれ接合されている。なお、コンデンサ素体の端面を除く外周面と電極板１２との間は絶縁フィルム１５により絶縁されている。
【００１３】
電極板１２の開口部に臨むコンデンサ素体の端面には、Ｌ形に折り曲げられた例えば厚さ0.５ｍｍの銅板からなる他方の電極板１３が、一方の脚部がコンデンサ素体と対面し、口出部１３ａとなる他方の脚部が口出部１２ａと重なるように配置されている。電極板１３の幅は電極板１２より狭く、コンデンサ素体の左右中央に配置された電極板１３の左右端は両端のコンデンサ素子１の中心線上に位置している。コンデンサ素体と対面する電極板１３の脚部には、図５（Ｂ）に示すように、その中央に長方形の窓穴１６があけられ、この脚部の外側から窓穴１６に被さるように、またこの脚部の左右端に被さるようにはんだあるいはろう９が流され、電極板１３は各コンデンサ素子１のメタリコン６にそれぞれ接合されている。一方、口出部１２ａと１３ａとは、隙間が生じないように絶縁フィルム１７を挟んで密に重ねられ、口出部分のインダクタンスの低減が図られている。そして、電極板１２の背面及び電極板１３の前面には、銅パイプからなる冷却パイプ１０がはんだあるいはろう９により接合されている。
【００１４】
図５において、コンデンサ素子１内で生じた熱は、金属箔２，３（図２）、金属箔２，３に一体接合されたメタリコン６、これに一体接合された電極板１２，１３、更にこれに一体接合された冷却パイプ１０を経由して冷却液に伝えられて放熱される。この実施の形態においては、電極板１２がコンデンサケースを兼ねるため別途のケースが不要であるとともに、金属箔２，３と一体の電極板１２，１３が面積の大きい放熱フィンを形成するため冷却効率が一層高くなる。
【００１５】
最後に、図６に図５のコンデンサをより大型化した実施の形態を示す。ここで、図６の（Ａ）はコンデンサの平面図、（Ｂ）はその正面図、（Ｃ）は同じく背面図、（Ｄ）は同じく左側面図である。図６において、ケースを兼ねる横長・箱状の電極板１２及びＬ形の電極板１３は例えば厚さ0.５ｍｍの銅板からなり、口出部１２ａ，１３ａには図示しないリード板をねじ接続する複数個の接続穴１８があけられている。また、電極板１２の左右端には取付穴１９を有する取付フランジ１２ｂが一体に設けられている。電極板１２の箱状部分の寸法は、例えば、約250 ×80×60ｍｍで、外形寸法が例えば約50×50×20ｍｍのコンデンサ素子１が図示の配置で１４個収納され、電極板１２及び１３は窓穴１４及び１６を介してはんだあるいはろう９によりコンデンサ素子１のメタリコン部分に接合されている。
【００１６】
そして、電極板１２及び１３には外内径４／３（偏平部外径 2.5×５）ｍｍの銅管からなる冷却パイプ１０がそれぞれはんだあるいはろう９により接合されている。これらの構成は図５におけるものと実質的に同じである。図示コンデンサは例えば定格電圧DC400V、静電容量90μＦ（コンデンサ素子１個当たり約6.５μＦ）、許容電流1000A で、水を冷却液として例えばインバータ回路の中間コンデンサに使用され、その場合に誘電体の温度上昇は85℃以下に抑えられる。
【００１７】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、コンデンサ素子両端の封止導体に接合した電極板に冷却パイプを接合して冷却液を通流させることにより、コンデンサ内で発生した熱をその放熱通路となる金属箔から熱伝導により直に冷却パイプに導くことができるので、コンデンサ内の空気や絶縁油を介して熱伝達により冷却する従来技術に比べ高い冷却効率が得られ、誘電体の温度上昇を許容温度以下に抑えながらコンデンサの定格電圧・電流を増大することが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）はコンデンサ素子の平面図、（Ｂ）はその正面図、（Ｃ）は同じく左側面図である。
【図２】図２のコンデンサ素子の巻回構成を示す平面図である。
【図３】図１における冷却パイプの平面図である。
【図４】（Ａ）はコンデンサ素子を複数個集合したコンデンサ素体の平面図、（Ｂ）はその正面図、（Ｃ）は同じく左側面図である。
【図５】（Ａ）はコンデンサ素子を複数個集合したコンデンサ素体をケースを兼ねる電極板に収納したコンデンサの平面図、（Ｂ）はその正面図、（Ｃ）は同じく背面図、（Ｄ）は同じく左側面図である。
【図６】（Ａ）はコンデンサ素子を複数個集合したコンデンサ素体をケースを兼ねる電極板に収納したコンデンサの平面図、（Ｂ）はその正面図、（Ｃ）は同じく背面図、（Ｄ）は同じく左側面図である。
【符号の説明】
１コンデンサ素子
２金属箔
３金属箔
４誘電体
５誘電体
６メタリコン
７電極
８電極
９はんだ
１１導体板
１２電極板
１３電極板
１５絶縁フィルム
１７絶縁フィルム
１８接続穴

Claims

２枚の金属箔がフィルム状誘電体を介して、かつ前記各金属箔がこの誘電体の左右片側からそれぞれはみ出すように重ね合わされて反物状又は円筒状に巻回され、その両端面が導体で封止されたコンデンサ素子からなる巻回形箔電極コンデンサにおいて、
板導体を箱状に形成して一方の電極板を構成し、この電極板に複数個の前記コンデンサ素子を収納して、その一端の前記封止導体を前記電極板にそれぞれ接合するとともに、前記複数個のコンデンサ素子の他端の前記封止導体間に渡るように他方の電極板を接合し、前記電極板に薄肉金属製の冷却パイプを接合して、この薄肉パイプに冷却液を通流させることを特徴とする巻回形箔電極コンデンサ。
前記一方及び他方の電極板に平板状の口出部を一体形成し、これらの口出部を絶縁フィルムを挟んで重ね合わせたことを特徴とする請求項１記載の巻回形箔電極コンデンサ。