JP3955663B2 - アルミニウム電解コンデンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム電解コンデンサ（以下、電解コンデンサと略す。）に関するものである。さらに詳しくは、電解コンデンサにおける放熱効率の向上技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大型の電解コンデンサは、民生機器および産業機器など幅広い分野で使用されており、その代表的な構造を図９に示す。この図に示すものでは、陽極箔、陰極箔およびセパレータを巻回したコンデンサ素子２と、該コンデンサ素子２を収納した有底筒状のコンデンサケース３と、該コンデンサケース３の開放端側を塞ぐ封口体４とから構成され、コンデンサ素子２には電解液が含浸されている。大型の電解コンデンサでは、コンデンサ素子２が重いため、コンデンサケース３内で振動しやすいなど、耐振動特性が低く、電極リード板２１の断線やショートなどが発生するおそれがある。そこで、従来は、コンデンサケース３内にポリプロピレンなどの高分子固定材３０を充填し、この高分子固定材３０によってコンデンサ素子２を固定する方法が採用されている。
【０００３】
このような構成の電解コンデンサ１において、リップル電流を流すと、温度上昇が起こり、その温度上昇が高いほど、寿命が低下する。そこで、電解コンデンサ１を設計するにあたっては、如何にリップル温度上昇を抑えるから重要な課題である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基本的な構造を変えずに電解コンデンサ１のリップル温度上昇を抑えるにも限界がある。また、従来のように、コンデンサケース３内に充填したポリプロピレンなどの高分子固定材３０を用いてコンデンサ素子２を固定する方法では、内部空間が狭くなるので、内圧上昇を抑えるという観点からみて好ましくない。さらに、高分子固定材３０を溶融炉内で加熱、溶融してコンデンサケース３内に注入した後、それを冷却する必要があるので、大型の生産設備が必要であるとともに、生産性の向上を妨げているという問題点もある。
【０００５】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、ポリプロピレンなどの高分子固定材を用いずにコンデンサ素子を固定し、かつ、そのリップル温度上昇を抑えることもできるアルミニウム電解コンデンサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、陽極箔、陰極箔およびセパレータをパイプ状コアを中心に巻回したコンデンサ素子と、該コンデンサ素子を収納した有底筒状のコンデンサケースと、該コンデンサケースの開放端側を塞ぐ封口体とを有するアルミニウム電解コンデンサにおいて、前記パイプ状コアは、一方側端部が螺着機構によって前記コンデンサケースの底面に固定された状態で、他方側端部が前記封口体側に支持されているとともに、当該パイプ状コアの内部には、作動液が真空封入された液封式のヒートパイプが配置されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明において、ヒートパイプの一方の端部はコンデンサ素子で発生した熱を受けて内部の液が気化し、気化した液はコンデンサケースの底面側に位置するヒートパイプの他方の端部で凝結するとともに、ヒートパイプの一方の端部の方へ戻る。このようなサイクルを繰り返すことによって、コンデンサ素子内で発生した熱はコンデンサケースの底面側から放出される。従って、同一のリップル電流を流したときは温度上昇が抑えられる。言い換えれば、許容される温度上昇が一定であれば、許容リップル電流値を大きくできる。また、前記パイプ状コアは、両端が前記封口体側および前記コンデンサケースの底面側にそれぞれ支持されていることから、ポリプロピレンなどの高分子固定材を用いずにコンデンサ素子を固定することができる。その結果、コンデンサケースの内部空間が広くなるので、内圧上昇を抑えることができる。また、高分子固定材を溶融炉内で加熱、溶融してコンデンサケース内に注入した後、それを冷却するなどといった工程が不要である。また、パイプ状コアの一方側端部を螺着機構によってコンデンサケースの底面に固定したので、嵌め込み構造を採用した場合に比較して、パイプ状コアを介してのコンデンサケースの底面側への熱伝達がよいという利点がある。また、大型の電解コンデンサにおいてコンデンサ素子をコンデンサケース内に確実に固定できる。
【０００８】
本発明において、前記パイプ状コアは、前記他方側端部も前記封口体側に螺着機構により支持されていることが好ましい。このように構成すると、大型の電解コンデンサにおいてコンデンサ素子をコンデンサケース内に確実に固定できる。
【０００９】
本発明において、前記ヒートパイプは、前記パイプ状コアと一体に構成されていることが好ましい。
【００１０】
また、前記パイプ状コアは、前記ヒートパイプの容器自身であってもよい。
【００１１】
本発明において、前記ヒートパイプは、端部が前記コンデンサケースの底面部近傍に位置することにより、該ケース底面部に対して放熱するように構成される場合がある。このように構成すると、該ケース底面部は、従来の電解コンデンサと同様に平坦な構造であるなど、電解コンデンサの外観形状が従来のものと変わらないので、従来の電解コンデンサと同様に機器に組み付けることができる。
【００１２】
本発明において、前記コンデンサケースは、該ケース底面部より外側に突出する放熱部を備えている場合もある。この場合には、ユーザが電解コンデンサを機器に搭載する際に放熱部に対して放熱フィンなどを取り付けることになる。前記放熱部には、放熱フィンを予め構成しておいてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明においては、説明の重複を避けるために、図９に示した従来の電解コンデンサと共通の機能を有する部分には同一の符合を付してある。
【００１４】
［実施の形態１］
図１は、本形態に係る電解コンデンサの構造を模式的に示す縦断面図、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、本形態に係る電解コンデンサに用いた封口体、コンデンサ素子、コンデンサケースの説明図である。
【００１５】
図１および図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、本形態に係る電解コンデンサ１は、従来の電解コンデンサと同様、陽極箔、陰極箔およびセパレータを巻回したコンデンサ素子２と、該コンデンサ素子２を収納した有底筒状のアルミニウム製のコンデンサケース３と、該コンデンサケース３の開放端側を塞ぐ合成樹脂製の封口体４とを有している。封口体４の外端面には外部端子４１が構成され、この外部端子４１の下端部は、内部端子４２としてコンデンサ素子２から引き出された電極リード板２１が電気的に接続されている。また、コンデンサ素子２において、陰極箔を巻ずらして陰極箔がコンデンサケース３の底面部３１に接触するようにし、リップル温度上昇やインピーダンスを小さくしてある。
【００１６】
このような電解コンデンサ１は、放熱という面から封口体４を下向きに使用されるのが一般的である。
【００１７】
コンデンサ素子２は、陽極箔、陰極箔およびセパレータがアルミニウムなどの金属製パイプからなるパイプ状コア５を巻心として巻回され、このパイプ状コア５はコンデンサ素子２の中心部分に位置する。
【００１８】
本形態において、パイプ状コア５は、両端部５１、５２が封口体４の側およびコンデンサケース３の底面部３１の側にそれぞれ支持され、素子固定用には高分子固定材などが使用されていない。すなわち、封口体４の内面にはその中央部分に固定用突起４４が形成され、この固定用突起４４は、側面が錐面で構成されているので、その先端部分がパイプ状コア５の一方の端部５１から内部に嵌まっている。一方、コンデンサケース３の底面部３１において内面側にはその中央部分にねじ軸３５が形成されているのに対して、パイプ状コア５の他方側端部５２の内周面には雌ねじ５２０が形成され、この雌ねじ５２０内に前記のねじ軸３５が螺着している。
【００１９】
また、本形態の電解コンデンサ１では、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、パイプ状コア５の内部には液封式のヒートパイプ６が配置されている。このヒートパイプ６とパイプ状コア５とはそれぞれ別体のものであるが、本形態では、コンデンサ素子２を巻回した後、ヒートパイプ６をパイプ状コア５に挿入、固定したものである。
【００２０】
図４にヒートパイプ６の構造および原理を示すように、アルミニウムなどの金属製の筒状の容器６１内に空気成分を完全に追い出して真空状態にした後、水やフロロカーボンなどの作動冷媒を少量密封したもので、容器内には、液の沸騰・凝縮および毛細管現象を促進させるためのグルーブ（溝）などのウイック６２が形成されている。このため、コンデンサ素子２の軸線方向における中央付近において、ヒートパイプ６の一方の端部がコンデンサ素子２から熱を受けると、内部が減圧状態になっているため、液はその沸点よりも低い温度で蒸発・沸騰し、その蒸気は圧力波となって、コンデンサケース３の底面側に位置する他方側の端部（放熱部６４）に向けて音速に近い速度で移動し、そこで冷却される。ここで冷却されて凝縮した液は、潜熱を放出して液化し、凝縮液はウイックを通じて入熱部６３としての一方の端部の方に向けて移動する。
【００２１】
このようなサイクルが外力なしに繰り返される結果、本形態の電解コンデンサ１では、コンデンサ素子２内で発生した熱がコンデンサケース３の底面部３１に効率よく伝わり、そこから放熱される。従って、同一のリップル電流を流したときは温度上昇が抑えられる。言い換えれば、許容される温度上昇が一定であれば、許容リップル電流値を大きくできる。また、パイプ状コア５は、両端が封口体４の側およびコンデンサケース３の底面部３１の側にそれぞれ支持されていることから、ポリプロピレンなどの高分子固定材を用いずにコンデンサ素子２を固定することができる。その結果、コンデンサケース３の内部空間が広くなるので、内圧上昇を抑えることができる。また、高分子固定材を溶融炉内で加熱、溶融してコンデンサケース３内に注入した後、それを冷却するなどといった工程が不要である。しかも、高分子固定材を充填しない方が同一のリップル電流を流したときの温度上昇が低い傾向にある。
【００２２】
さらに、電解コンデンサ１内にヒートパイプ６を配置するにあたって、パイプ状コア５の内部を利用しているため、ヒートパイプ６を内蔵させたとしても、コンデンサ素子２の形状などは従来のものと変わらない。従って、コンデンサ素子２を巻き取るための巻取り機は従来のもので十分対応できる。
【００２３】
さらにまた、パイプ状コア５を封口体４の側およびコンデンサケース３の底面側にそれぞれ支持されている構成とするにあたっては、パイプ状コア５とコンデンサケース３の底面部３１の側とは雌ねじ５２０とねじ軸３５とからなる螺着機構を採用している。このため、長さ寸法が３００ｍｍを越えるような大型の電解コンデンサ１においてもコンデンサ素子２をコンデンサケース３内に確実に固定できる。また、コンデンサケース３の底面側に螺着機構を採用したため、パイプ状コア５を介してのコンデンサケース３の底面部３１への熱伝達もよいという利点がある。
【００２４】
［実施の形態２］
図５は、本形態に係る電解コンデンサの構造を模式的に示す縦断面図、図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、本形態に係る電解コンデンサに用いた封口体、コンデンサ素子、コンデンサケースの説明図である。
【００２５】
図５および図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、本形態に係る電解コンデンサ１も、実施の形態１に係る電解コンデンサと同様、陽極箔、陰極箔およびセパレータを巻回したコンデンサ素子２と、該コンデンサ素子２を収納した有底筒状のアルミニウム製のコンデンサケース３と、該コンデンサケース３の開放端側を塞ぐ合成樹脂製の封口体４とを有している。封口体４の外端面には外部端子４１が構成され、この外部端子４１の下端部（内部端子４２）にはコンデンサ素子２から引き出された電極リード板２１が電気的に接続されている。このような電解コンデンサ１も、放熱という面から封口体４を下向きに使用される。
【００２６】
コンデンサ素子２は、陽極箔、陰極箔およびセパレータがアルミニウムなどの金属製パイプからなるパイプ状コア５を巻心として巻回され、このパイプ状コア５はコンデンサ素子２の中心部分に位置する。
【００２７】
パイプ状コア５は、両端部５１、５２が封口体４の側およびコンデンサケース３の底面部３１の側にそれぞれ支持されている。すなわち、封口体４の内面にはその中央部分に固定用突起４４が形成されている。この固定用突起４４は、側面が錐面で構成され、その先端部分がパイプ状コア５の一方の端部から内部に嵌まっている。一方、コンデンサケース３の底面部３１はやや肉厚に形成され、その中央部分にはねじ穴３８が形成されている。これに対して、パイプ状コア５の他方側端部５２の外周面には雄ねじ５２１が形成され、この雄ねじ５２１の部分がケース底面のねじ穴３８に螺着されている。
【００２８】
また、本形態の電解コンデンサ１でも、パイプ状コア５の内部には、図４を参照して説明した液封式のヒートパイプ６が配置されている。
【００２９】
従って、本形態の電解コンデンサ１でも、コンデンサ素子２内で発生した熱がコンデンサケース３の底面に効率よく伝わり、そこから放熱される。従って、同一のリップル電流を流したときは温度上昇が抑えられ、許容される温度上昇が一定であれば、許容リップル電流値を大きくできる。また、パイプ状コア５は、両端が封口体４の側およびコンデンサケース３の底面側にそれぞれ支持されていることから、ポリプロピレンなどの高分子固定材を用いずにコンデンサ素子２を固定することができるなど、実施の形態１と同様な効果を奏する。
【００３０】
［実施の形態３］
図７は本形態に係る電解コンデンサの構造を模式的に示す縦断面図である。
【００３１】
図７に示すように、本形態に係る電解コンデンサ１も、実施の形態１に係る電解コンデンサと同様、陽極箔、陰極箔およびセパレータを巻回したコンデンサ素子２と、該コンデンサ素子２を収納した有底筒状のアルミニウム製のコンデンサケース３と、該コンデンサケース３の開放端側を塞ぐ合成樹脂製の封口体４とを有している。封口体４の外端面には外部端子４１が構成され、この外部端子４１の下端部（内部端子４２）には、コンデンサ素子２から引き出された電極リード板２１が電気的に接続されている。このような電解コンデンサ１も、放熱という面から封口体４を下向きに使用される。
【００３２】
コンデンサ素子２は、陽極箔、陰極箔およびセパレータがアルミニウムなどの金属製パイプからなるパイプ状コア５を巻心として巻回され、このパイプ状コア５はコンデンサ素子２の中心部分に位置する。
【００３３】
パイプ状コア５は、両端部５１、５２が封口体４の側およびコンデンサケース３の底面部３１の側にそれぞれ支持されている。すなわち、封口体４の内面にはその中央部分にねじ穴４５が形成されている一方、パイプ状コア５の一方の端部５１にはその内周面に雌ねじ５１０が形成されている。封口体４のねじ穴４５を貫通するように止めたアルミニウムなどの金属製のボルト７は、軸部７１がパイプ状コア５の内周面に形成した雌ねじ５１０に螺着している。これに対して、コンデンサケース３の底面部３１において内側にはその中央部分にねじ軸３５が起立している一方、パイプ状コア５の他方側端部５２の内周面には雌ねじ５２０が形成され、この雌ねじ５２０にケース底面のねじ軸３５が螺着している。
【００３４】
また、本形態の電解コンデンサ１でも、パイプ状コア５の内部には、図４を参照して説明した液封式のヒートパイプ６が配置されている。
【００３５】
さらに、本形態では、図７からわかるように、コンデンサケース３には、底面部３１より外側に突出する放熱部８が形成され、この放熱部８は複数枚の放熱フィン８１を備えている。
【００３６】
このように構成した電解コンデンサ１でも、コンデンサ素子２内で発生した熱がコンデンサケース３の底面の側に効率よく伝わり、ケース底面部３１、および放熱部８に形成した放熱フィン８１から放熱される。従って、同一のリップル電流を流したときは温度上昇が大幅に抑えられ、許容される温度上昇が一定であれば、許容リップル電流値を大幅に大きくできる。また、パイプ状コア５は、両端部５１、５２が封口体４の側およびコンデンサケース３の底面側に螺着機構により固定されていることから、長さ寸法が３００ｍｍを越えるようなコンデンサ素子２であっても、ポリプロピレンなどの高分子固定材を用いずにコンデンサ素子２を確実に固定することができるなど、実施の形態１と同様な効果を奏し、かつ、その効果も大きい。
【００３７】
なお、ケース底部に形成した放熱部８については、放熱フィン８１を形成しておかずに、ユーザが電解コンデンサ１を機器に搭載する際に放熱部８に対して放熱フィン８１を後付けする構成の他、機器のシャーシなど放熱効果を高める部材を放熱部８に連結してもよい。
【００３８】
［その他の実施の形態］
図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、それぞれパイプ状コア５およびヒートパイプ６の説明図である。
【００３９】
図８（Ａ）に示すものは、図４を参照して説明したヒートパイプ６の筒状の容器６１自身がパイプ状コア５になっている。従って、このヒートパイプ６を用いて陽極、陰極およびセパレータを巻回すれば、実施の形態１ないし３と比較して、ヒートパイプ６をパイプ状コア５に装着する工程を省くことができる。また、ヒートパイプ６の容器６１はコンデンサ素子２に直接、接することになるので、コンデンサ素子２からヒートパイプ６への熱伝達がより向上する。
【００４０】
図８（Ｂ）に示すものは、ヒートパイプ６をパイプ状コア５に嵌めた後、スウェージング加工により、ヒートパイプ６とパイプ状コア５とを一体化し、しかる後に、それを用いて陽極、陰極およびセパレータを巻回してコンデンサ素子を製造するタイプのものである。
【００４１】
図８（Ｃ）に示すものは、パイプ状コア５を用いて陽極、陰極およびセパレータを巻回してコンデンサ素子２を製造した後、その内側にヒートパイプ６を嵌め込むタイプのものである。
【００４２】
これらいずれのタイプのものでも、実施の形態１ないし３と同様、嵌め込み式、あるいは螺着式でパイプ状コア５（ヒートパイプ６）の両端を封口体４の側およびコンデンサケース３の底面部３１にそれぞれ支持させることができる。
【００４３】
図８（Ｄ）に示すものでは、図８（Ａ）に示したものと同様、ヒートパイプ６の筒状の容器６１自身がパイプ状コア５になっている。但し、その両端には小さな突起６６、６７が形成されている。このような構造の場合でも、その端部に雄ねじを形成すれば、螺着式で封口体４の側およびコンデンサケース３の底面部３１の側にそれぞれ支持させることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電解コンデンサでは、コンデンサ素子中央のパイプ状コアは、両端が封口体側およびコンデンサケースの底面側にそれぞれ支持され、かつ、このパイプ状コアの内部には液封式のヒートパイプが配置されていることを特徴とする。従って、本発明によれば、コンデンサ素子内で発生した熱はヒートパイプを介してコンデンサケースの底面側から効率よく放出される。従って、同一のリップル電流を流したときは温度上昇が抑えられ、許容される温度上昇が一定であれば、許容リップル電流値を大きくできる。また、パイプ状コアは、両端が封口体側およびコンデンサケースの底面側にそれぞれ支持されていることから、ポリプロピレンなどの高分子固定材を用いずにコンデンサ素子を固定することができる。それ故、コンデンサケースの内部空間が広くなるので、内圧上昇を抑えることができる。また、高分子固定材を溶融炉内で加熱、溶融してコンデンサケース内に注入した後、それを冷却するなどといった工程が不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電解コンデンサの構造を模式的に示す縦断面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、図１に示す電解コンデンサに用いた封口体、コンデンサ素子、およびコンデンサケースの説明図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、図１に示す電解コンデンサに用いたパイプ状コアおよびヒートパイプの説明図である。
【図４】本発明に係る電解コンデンサに用いたヒートパイプの構造および原理を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る電解コンデンサの構造を模式的に示す縦断面図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、図５に示す電解コンデンサに用いた封口体、コンデンサ素子、およびコンデンサケースの説明図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る電解コンデンサの構造を模式的に示す縦断面図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、本発明に係る電解コンデンサに用いることのできるヒートパイプの説明図である。
【図９】従来の電解コンデンサの構造を模式的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 電解コンデンサ
２ コンデンサ素子
３ コンデンサケース
４ 封口体
５ パイプ状コア
６ ヒートパイプ
７ ボルト
８ 放熱部
２１ 電極リード板
３１ コンデンサケースの底面部
３５ ケース底面のねじ軸
３８ ケース底面のねじ穴
４１ 外部端子
４２ 内部端子
４４ 固定用突起
４５ 封口体のねじ穴
６１ ヒートパイプの容器
８１ 放熱フィン
５１０ パイプ状コアの端部の雌ねじ
５２０ 雌ねじ
５２１ パイプ状コアの端部の雄ねじ

Claims (7)

1. 陽極箔、陰極箔およびセパレータをパイプ状コアを中心に巻回したコンデンサ素子と、該コンデンサ素子を収納した有底筒状のコンデンサケースと、該コンデンサケースの開放端側を塞ぐ封口体とを有するアルミニウム電解コンデンサにおいて、
   前記パイプ状コアは、一方側端部が螺着機構によって前記コンデンサケースの底面に固定された状態で、他方側端部が前記封口体側に支持されているとともに、
   当該パイプ状コアの内部には、作動液が真空封入された液封式のヒートパイプが配置されていることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
2. 請求項１において、前記パイプ状コアは、前記他方側端部も前記封口体側に螺着機構により支持されていることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
3. 請求項１または２において、前記ヒートパイプは、前記パイプ状コアと一体に構成されていることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
4. 請求項１または２において、前記パイプ状コアは、前記ヒートパイプの筒状の容器自身であることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記ヒートパイプは、端部が前記コンデンサケースの底面部近傍に位置することにより、該ケース底面部に対して放熱するように構成されていることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
6. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記コンデンサケースは、該ケース底面部より外側に突出する放熱部を備えていることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
7. 請求項６において、前記放熱部は、放熱フィンを備えていることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。

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