JP5095459B2 - キャパシタモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、キャパシタを各々収納する複数のキャパシタセルを備えたキャパシタモジュールに関する。
駆動源としてエンジンおよび発電電動機が搭載されるハイブリッド型車両は、エンジンによって駆動された発電電動機が発電した電力を蓄える蓄電装置を備える。蓄電装置は、発電電動機に対して電力を供給する電源としての機能も有している。このような蓄電装置として、大容量のキャパシタを備えたキャパシタモジュールが適用されることがある。
ハイブリッド型車両の一例であるハイブリッド型の建設機械の蓄電装置としてキャパシタモジュールを適用する場合、建設機械は駆動と減速を数秒〜数十秒単位で頻繁に繰り返すため、キャパシタに加わる負荷の変動が大きく、キャパシタの発熱量が大きくなりやすい。このため、キャパシタの劣化が速く、キャパシタの寿命が短くなってしまうという問題があった。
キャパシタの寿命が短くなってしまうのを防止するためには、キャパシタの内部温度がキャパシタの耐熱温度（例えば６０℃）を超えない状態を保持することが望ましい。そこで、キャパシタから発生した熱を効率よく放熱することによってキャパシタを冷却し、キャパシタを常に耐熱温度以下の状態に保つ機構が必要となる。このような状況の下、キャパシタを収容するキャパシタケースの底壁部を厚底にし、この底壁部を冷却用媒体が流れる流路が形成された放熱体へ固定することによって冷却性能を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
国際公開第０７／１２６０８２号パンフレット
しかしながら、上述した特許文献１に記載の従来技術では、キャパシタセルと放熱体を締結する際に放熱体の底面側からキャパシタセルをネジ止めするため、放熱体に対してキャパシタセルの個数分の貫通穴を形成しなければならず、放熱体を含むモジュール全体の強度に問題が生じるおそれがあった。また、キャパシタセルを固定するための複数の貫通穴を回避するように流路を設計しなければならないため、流路設計の自由度が小さかった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モジュール全体の強度を向上させることができ、冷却用媒体の流路を設計する際の自由度が大きいキャパシタモジュールを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るキャパシタモジュールは、キャパシタと、底面に有底の第１のネジ穴が設けられ、前記キャパシタを収納するキャパシタケースとをそれぞれ有する複数のキャパシタセルと、前記第１のネジ穴に連通する貫通穴を有し、該貫通穴を介して前記キャパシタセルを固定するセル用ネジを前記第１のネジ穴に螺合することにより、前記複数のキャパシタセルの各々が固定される金属製のセル固定体と、熱伝導性を有する絶縁性材料からなり、前記複数のキャパシタセルと前記セル固定体との間に設けられ、前記複数のキャパシタセルと前記セル固定体とを絶縁する絶縁体と、前記セル固定体を固定するセル固定体用ネジが螺合される有底の第２のネジ穴を有するとともに、該第２のネジ穴が設けられた表面の裏面側に冷却用媒体を流す流路を有する金属製の放熱体と、前記放熱体の表面であって前記流路が設けられた表面を被覆するカバーと、を備えたことを特徴とする。
また、本発明に係るキャパシタモジュールは、上記発明において、前記第２のネジ穴の個数は、前記キャパシタセルの個数より少ないことを特徴とする。
また、本発明に係るキャパシタモジュールは、上記発明において、前記セル固定体は、各々が平板状をなす複数の金属プレートであり、前記絶縁体は、各々が前記金属プレートよりも薄く、前記複数の金属プレートと同数であるかまたは前記複数の金属プレートよりも多い複数の絶縁シートであることを特徴とする。
また、本発明に係るキャパシタモジュールは、上記発明において、前記絶縁シートは、前記キャパシタセルと前記金属プレートとの間に介在する平面部と、前記平面部の長手方向の両端から前記キャパシタセルの側面に沿って前記キャパシタセルと前記セル固定体用ネジとの間に配される側面部と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係るキャパシタモジュールは、上記発明において、前記放熱体は、前記第２のネジ穴および前記流路が設けられた平板状のベース部と、前記第２のネジ穴が設けられた前記ベース部の表面の周縁から当該ベース部と略直交して設けられ、前記複数のキャパシタセルの側面を包囲する側壁部と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係るキャパシタモジュールは、上記発明において、前記セル用ネジと前記セル固定体との間に設けられ、前記セル用ネジと前記セル固定体とを絶縁するネジ用絶縁体を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、複数のキャパシタセルを固定するセル固定体を放熱体へネジ止めするために、放熱体の表面のうち冷却用媒体を流す流路が形成された表面とは異なる表面に有底の第２のネジ穴を設けているため、放熱体に貫通穴を形成する場合よりも放熱体の強度を高くすることができる。また、第２のネジ穴は放熱体を貫通していないため、第２のネジ穴が放熱体を貫通する場合と比較して流路の形状に関する制約が少ない。したがって、モジュール全体の強度を向上させることができ、冷却用媒体の流路を設計する際の自由度が大きいキャパシタモジュールを提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以後、「実施の形態」と称する）を説明する。なお、以下の説明で参照する図面は模式的なものであって、同じ物体を異なる図面で示す場合には、寸法や縮尺等が異なる場合もある。
図１は、本発明の一実施の形態に係るキャパシタモジュールの構成を示す分解斜視図である。図２は、本実施の形態に係るキャパシタモジュールの筐体底部の概略構成を示す図である。図３は、本実施の形態に係るキャパシタモジュールの長手方向に平行な切断面で見たキャパシタモジュール要部の部分断面図である。図４は、本実施の形態に係るキャパシタモジュールの短手方向に平行な切断面で見たキャパシタモジュール要部の部分断面図である。
図１〜図４に示すキャパシタモジュール１は、規則的に配置された複数のキャパシタセル２と、複数のキャパシタセル２を所定の数ずつ固定する複数の金属製の金属プレート３と、キャパシタセル２と金属プレート３との間に設けられ、キャパシタセル２と金属プレート３とを絶縁する絶縁シート４と、金属プレート３を固定し、金属プレート３上のキャパシタセル２が発生する熱を放熱する金属製の放熱体５と、放熱体５の底面側を被覆するカバー６と、放熱体５とカバー６との間に介在し、放熱体５とカバー６との隙間をふさぐガスケット７と、放熱体５に取り付けられ、キャパシタセル２の上面を被覆する蓋８と、放熱体５の上端と蓋８との間に介在し、放熱体５の上端と蓋８との隙間をふさぐガスケット９と、キャパシタセル２に接続される配線等を収容するとともに外部接続用のコネクタが設けられた配線ボックス１０と、キャパシタセル２を冷却する冷却水（冷却用媒体）を放熱体５へ供給するポンプ１１と、を備える。
図５は、キャパシタセル２の周辺の構成を示す分解斜視図である。また、図６は、キャパシタセル２の内部構成を示す部分断面図である。キャパシタセル２は、キャパシタ２１と、キャパシタ２１を収容するキャパシタケース２２と、キャパシタ２１に接続される２つの外部端子２３と、キャパシタケース２２の上部開口をふさいだ状態でキャパシタケース２２に固定され、外部端子２３を保持する端子板２４と、キャパシタケース２２の外周を被覆する絶縁性の被膜２５とを有する。キャパシタ２１は、２つの外部端子２３にそれぞれ接続する２つの内部端子２１１を有している。２つの外部端子２３に外部から電圧が加わると、一方が正極となり、他方が負極となる。このようなキャパシタ２１として、電気二重層キャパシタなどを適用することができる。
キャパシタケース２２は、比較的熱伝導性がよいアルミニウムなどの金属からなり、一端が閉じた筒状をなしている。キャパシタケース２２は、キャパシタ２１を載置する底壁部２２１と、底壁部２２１の外縁から上方に延びる側壁部２２２とを有する。底壁部２２１の中央部には、キャパシタセル２を金属プレート３に固定するネジ３０１（セル用ネジ）を螺合するネジ穴２２３（第１のネジ穴）が設けられている。ネジ穴２２３は底壁部２２１の開口付近で拡径しており、この拡径部には後述するブッシュ１２の端部が嵌め合わされる。底壁部２２１の肉厚は側壁部２２２の肉厚よりも十分に大きい。
キャパシタセル２が固定される金属プレート３は平板状をなしており、板厚方向に貫通してネジ３０１が挿通される貫通穴３１と、板厚方向に貫通して金属プレート３を放熱体５に固定するネジ３０２（セル固定体用ネジ）が螺合されるネジ穴３２とを有する。貫通穴３１は、ネジ３０１のネジ頭を収容可能な大径部３１ａと、大径部３１ａよりも径が小さくネジ３０１のネジ部を挿通可能な小径部３１ｂとを有する。小径部３１ｂは、キャパシタセル２のネジ穴２２３および絶縁シート４に設けられる開口部４１１と連通しており、ネジ穴２２３の径よりも若干大きい径を有する。金属プレート３はキャパシタケース２２と同様にアルミニウム等の金属からなり、キャパシタモジュール１が備える複数のキャパシタセル２の一部（図５では１２個）が固定される。
ネジ３０１と金属プレート３との間には、ネジ３０１と金属プレート３とを絶縁する複数のネジ用絶縁体が設けられている。複数のネジ用絶縁体は、一方の端部にフランジが形成された中空円筒形状をなし、そのフランジを有する端部がキャパシタセル２の底壁部２２１に嵌め合わされ、他方の端部が金属プレート３の貫通穴３１の小径部３１ｂおよび絶縁シート４の開口部４１１に挿通され、ネジ３０１のネジ部が中空部に挿通された樹脂製のブッシュ１２と、中空円筒形状をなし、金属プレート３の貫通穴３１の小径部３１ｂを介して大径部３１ａに延びるブッシュ１２の端部を中空部で保持する樹脂製のワッシャ１３と、有底の筒状をなし、ネジ３０１のネジ頭を収容した状態で金属プレート３の貫通穴３１の大径部３１ａに嵌め込まれ、開口側がワッシャ１３によって封止されている樹脂製のネジカバー１４とを含む。なお、ネジ３０１とワッシャ１３との間には、金属製のワッシャ１５が設けられている。
絶縁シート４は、キャパシタセル２と金属プレート３との間に介在する平面部４１と、平面部４１の長手方向の両端からキャパシタセル２の側面に沿ってキャパシタセル２とネジ３０２との間に配される側面部４２とを有する。平面部４１には、キャパシタモジュール１を組み立てた状態でキャパシタセル２のネジ穴２２３および金属プレート３の貫通穴３１と連通する開口部４１１が６個設けられている。絶縁シート４は、熱伝導性を有する絶縁性材料（例えばシリコンゴム）を用いて形成され、キャパシタセル２と金属プレート３とを絶縁する機能に加えて、キャパシタセル２が発生した熱を金属プレート３を介して放熱体５へ伝達する機能を有している。絶縁シート４は、キャパシタモジュール１が有する複数のキャパシタセル２の一部（図５では６個）と金属プレート３とを絶縁する。
放熱体５は、平板状のベース部５１と、ベース部５１の表面の周縁からベース部５１と略直交して設けられ、複数のキャパシタセル２の側面を包囲する側壁部５２とを有する。放熱体５は、金属プレート３と同様、アルミニウムなどの金属によって形成される。ベース部５１の上面には、金属プレート３のネジ穴３２と連通する有底のネジ穴５１１（第２のネジ穴）が設けられている。また、ベース部５１の底面には、キャパシタセル２を冷却する冷却水を流す流路５１２と、カバー６およびガスケット７をネジ止めするためのネジ穴５１３が設けられている。一方、側壁部５２の上面には、蓋８およびガスケット９をネジ止めするためのネジ穴５２１が設けられている。
流路５１２は、流入口５３から流入した冷却水が複数に分岐し、ベース部５１の底面を満遍なく循環した後に合流して流出口５４へ達する構成を有している。流路５１２の断面積は場所によらずほぼ均一であり、全てのキャパシタセル２の底部にほぼ均等に配置される。このため、冷却水の流れがスムーズであり、全てのキャパシタセル２に対して同様の冷却効果を発揮することができる。流入口５３は所定の配管を介してポンプ１１に接続される一方、流出口５４は流路５１２を循環してきた冷却水を冷却する冷却器（図示せず）に接続されている。冷却器によって冷却された冷却水は、再びポンプ１１に達して流路５１２に流入する。冷却水の温度は、キャパシタ２１の温度に基づいて調整される。キャパシタ２１の温度は、キャパシタモジュール１内の所定の位置にあるバスバーに取り付けられた温度センサが検出する。冷却器を制御するコントローラは、温度センサの出力を参照することによって冷却水の温度を制御する。
図７は、キャパシタセル２および絶縁シート４が固定された金属プレート３の放熱体５への取り付けの概要を示す図である。金属プレート３と放熱体５は、ネジ３０２を金属プレート３のネジ穴３２および放熱体５のネジ穴５１１に螺合することによって固定される。一枚の金属プレート３には２つの絶縁シート４が取り付けられる。このため、キャパシタセル２および絶縁シート４が固定された金属プレート３を放熱体５へ取り付ける際、２つの絶縁シート４の互いに対向する側面部４２の間に位置するネジ穴３２に螺合するネジ３０２がキャパシタセル２の底部と接触するのを確実に防止することができる。
キャパシタモジュール１は、金属プレート３の長手方向に沿って２枚の金属プレート３が並べて配置される一方、金属プレート３の短手方向に沿って５枚の金属プレート３が並べて配置されており、合計１０枚の金属プレート３がマトリックス状に配置されている。１枚の金属プレート３には１２個のキャパシタセル２が固定されているため、キャパシタモジュール１は１２０個のキャパシタセル２を有する。
互いに隣接する２つのキャパシタセル２の外部端子２３は、銅などの金属製のバスバー１６ａ〜１６ｄのいずれかを介して電気的に接続される。図８は、バスバー１６ａ〜１６ｄを介した複数のキャパシタセル２の接続態様を模式的に示す図である。バスバー１６ａ〜１６ｄは、連結対象である２つの外部端子２３同士の距離に応じて互いに異なる長さを有している。バスバー１６ａは、同じ絶縁シート４の上に配設され、かつ互いの長手方向に沿って隣接するキャパシタセル２の外部端子２３同士を連結する。バスバー１６ｂは、同じ金属プレート３に取り付けられるとともに異なる絶縁シート４の上に配設され、かつ互いの長手方向に沿って隣接するキャパシタセル２の外部端子２３同士を接続する。バスバー１６ｃは、互いの短手方向に沿って隣接するキャパシタセル２の外部端子２３同士を連結する。バスバー１６ｄは、異なる金属プレート３に取り付けられ、かつ互いの長手方向に沿って隣接するキャパシタセル２の外部端子２３同士を連結する。
図８に示すように、複数のキャパシタセル２は、バスバー１６ａ〜１６ｄを用いることによってジクザグ状に連結され、電気的に直列に接続されている。このため、限られたスペースの中で多数のキャパシタセル２を配置することが可能となる。なお、図８で左上端と左下端に位置する２つの外部端子２３は、直列に接続された複数のキャパシタセル２の最端部の電極であり、配線Ｗを介して外部とそれぞれ接続される。
バスバー１６ａ、１６ｂは、薄板状をなすバスバーブラケット１７によって保持される（図５を参照）。バスバーブラケット１７は、バスバー１６ａ，１６ｂをそれぞれ保持する開口部を有する第１ブラケット１７１と、第１ブラケット１７１の下方に積層され、キャパシタセル２の外部端子２３を挿通する開口部を有する第２ブラケット１７２とからなる。
バスバーブラケット１７の第１ブラケット１７１の上方には、キャパシタセル２が有する２つの外部端子２３を接続し、キャパシタ２１の電圧を調整する機能を有するバランス基板１８が積層されている。なお、個々のキャパシタセル２に対してバランス基板を個別に設けることも可能である。
バスバー１６ａ〜１６ｄ、バスバーブラケット１７およびバランス基板１８は、互いに積層した状態でキャパシタセル２の上方に配設され、ネジ３０３を外部端子２３に螺合することによってキャパシタセル２に固定される。
図９は、以上の構成を有するキャパシタモジュール１が適用されるハイブリッド型の建設機械の概略構成を示す図である。同図に示すハイブリッド型の建設機械は油圧ショベル１００であり、左右履帯の回転等によって自走する自走部１０１ａと、バケット、ブーム、アーム等の作業機や運転室を有し、自走部１０１ａに対して所定の方向を指向する旋回軸の周りに旋回可能な旋回部１０１ｂとを備える。また、油圧ショベル１００は、キャパシタモジュール１と、駆動源であるエンジン１０１と、エンジン１０１の駆動軸に直結された駆動軸を有する発電電動機１０２と、発電電動機１０２を駆動するインバータ１０３と、旋回部１０１ｂに連結された駆動軸を有し、旋回部１０１ｂを自走部１０１ａに対して所定の軸の周りに旋回させる旋回モータ１０４と、旋回モータ１０４を駆動するインバータ１０５と、油圧ショベル１００の動作制御を行うコントローラ１０６とを備える。キャパシタモジュール１は、発電電動機１０２や旋回モータ１０４に電力を供給する一方、発電電動機１０２や旋回モータ１０４で発電した電力を蓄える機能を有する。
油圧ショベル１００では、冷却水がキャパシタモジュール１、インバータ１０３および１０５を経由する。このうち、冷却器からの出力が最初にキャパシタモジュール１を経由するようにすれば、耐熱温度が低いキャパシタセル２の放熱を最も低温状態にある冷却水によって行うことができるのでより好ましい。
以上説明した本発明の一実施の形態によれば、一部のキャパシタセルを金属プレートに取り付けることによって得られるサブモジュールを複数個形成し、各サブモジュールの金属プレートを放熱体に固定する構成としているため、放熱体を貫通するネジによってキャパシタセルを固定する場合よりも組立性を向上させることができる。
また、本実施の形態によれば、キャパシタセルを固定するセル用ネジは冷却用媒体の流路の間を貫通しないので、流路を流れる冷却用媒体とセル用ネジとを絶縁するための別部材を設ける必要がない。したがって、キャパシタモジュールの製造コストを低減することができる。
なお、本実施の形態においては、キャパシタモジュール１が１２０個のキャパシタセル２を有する場合を図示しているが、これはあくまでも一例に過ぎず、キャパシタセル２の個数や配列方法は適宜変更可能である。
また、１枚の金属プレートに対して固定するキャパシタセルの個数や絶縁シートの枚数は適宜変更可能である。
また、平板状をなす放熱体に側壁を有する蓋をかぶせることによってキャパシタモジュールの筐体部分を構成してもよい。
このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。
本発明の一実施の形態に係るキャパシタモジュールの構成を示す分解斜視図である。 本発明の一実施の形態に係るキャパシタモジュールの筐体底部の概略構成を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るキャパシタモジュールの長手方向に平行な切断面で見たキャパシタモジュール要部の部分断面図である。 本発明の一実施の形態に係るキャパシタモジュールの短手方向に平行な切断面で見たキャパシタモジュール要部の部分断面図である。 キャパシタセルの周辺の構成を示す分解斜視図である。 キャパシタセルの内部構成を示す部分断面図である。 キャパシタセルおよび絶縁シートが固定されたプレートの放熱体への取り付けの概要を示す図である。 バスバーを介した複数のキャパシタセルの接続態様を模式的に示す図である。 本発明の一実施の形態に係るキャパシタモジュールが適用されるハイブリッド型の建設機械の概略構成を示す図である。
符号の説明
１…キャパシタモジュール，２…キャパシタセル，３…金属プレート，４…絶縁シート，５…放熱体，６…カバー，７，９…ガスケット，８…蓋，１０…配線ボックス，１１…ポンプ，１２…ブッシュ，１３，１５…ワッシャ，１４…ネジカバー，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ…バスバー，１７…バスバーブラケット，１８…バランス基板，２１…キャパシタ，２２…キャパシタケース，２３…外部端子，２４…端子板，２５…被膜，３１…貫通穴，３１ａ…大径部，３１ｂ…小径部，３２，２２３，５１１，５１３，５２１…ネジ穴，４１…平面部，４２…側面部，５１…ベース部，５２…側壁部，５３…流入口，５４…流出口，１００…油圧ショベル，１０１…エンジン，１０１ａ…自走部，１０１ｂ…旋回部，１０２…発電電動機，１０３，１０５…インバータ，１０４…旋回モータ，１０６…コントローラ，１７１…第１ブラケット，１７２…第２ブラケット，２１１…内部端子，２２１…底壁部，２２２…側壁部，３０１，３０２，３０３…ネジ，４１１…開口部，５１２…流路，Ｗ…配線

Claims (6)

  1. キャパシタと、底面に有底の第１のネジ穴が設けられ、前記キャパシタを収納するキャパシタケースとをそれぞれ有する複数のキャパシタセルと、
    前記第１のネジ穴に連通する貫通穴を有し、該貫通穴を介して前記キャパシタセルを固定するセル用ネジを前記第１のネジ穴に螺合することにより、前記複数のキャパシタセルの各々が固定される金属製のセル固定体と、
    熱伝導性を有する絶縁性材料からなり、前記複数のキャパシタセルと前記セル固定体との間に設けられ、前記複数のキャパシタセルと前記セル固定体とを絶縁する絶縁体と、
    前記セル固定体を固定するセル固定体用ネジが螺合される有底の第２のネジ穴を有するとともに、該第２のネジ穴が設けられた表面の裏面側に冷却用媒体を流す流路を有する金属製の放熱体と、
    前記放熱体の表面であって前記流路が設けられた表面を被覆するカバーと、
    を備えたことを特徴とするキャパシタモジュール。
  2. 前記第２のネジ穴の個数は、前記キャパシタセルの個数より少ないことを特徴とする請求項１記載のキャパシタモジュール。
  3. 前記セル固定体は、各々が平板状をなす複数の金属プレートであり、
    前記絶縁体は、各々が前記金属プレートよりも薄く、前記複数の金属プレートと同数であるかまたは前記複数の金属プレートよりも多い複数の絶縁シートであること
    を特徴とする請求項１または２記載のキャパシタモジュール。
  4. 前記絶縁シートは、
    前記キャパシタセルと前記金属プレートとの間に介在する平面部と、
    前記平面部の長手方向の両端から前記キャパシタセルの側面に沿って前記キャパシタセルと前記セル固定体用ネジとの間に配される側面部と、
    を有することを特徴とする請求項３記載のキャパシタモジュール。
  5. 前記放熱体は、
    前記第２のネジ穴および前記流路が設けられた平板状のベース部と、
    前記第２のネジ穴が設けられた前記ベース部の表面の周縁から当該ベース部と略直交して設けられ、前記複数のキャパシタセルの側面を包囲する側壁部と、
    を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のキャパシタモジュール。
  6. 前記セル用ネジと前記セル固定体との間に設けられ、前記セル用ネジと前記セル固定体とを絶縁するネジ用絶縁体を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のキャパシタモジュール。
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