JP5111630B2

JP5111630B2 - フィルムコンデンサ

Info

Publication number: JP5111630B2
Application number: JP2011019697A
Authority: JP
Inventors: 一義小又; 清治山口
Original assignee: AAFC Energy Technology Inc.; Hitachi AIC Inc
Current assignee: AAFC Energy Technology Inc.; Lincstech Circuit Co Ltd
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-02-01
Also published as: JP2012160607A

Description

本発明は、フィルムコンデンサに関するものである。特に、複数のコンデンサ素子を使用したフィルムコンデンサに関するものである。

フィルムコンデンサは、ＰＰ（ポリプロピレン）やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＳ（ポリスチレン）等のフィルムに、アルミニウムや亜鉛を蒸着して電極を形成し、これを積層または捲回してコンデンサ素子を構成するか、アルミニウム箔電極をフィルムとともに積層または捲回してコンデンサ素子を構成していた。蒸着金属の場合、こうしてできたコンデンサ素子の両端に、金属の溶射によって形成されるメタリコン電極を施し、このメタリコン電極にリード線を溶接又はハンダ付し、リード線の先端に端子金具を取付けて容器に収納し、容器内に樹脂を注入し、コンデンサ素子やリード線部分に樹脂を充填していた。
また、車両、圧延機、直流送電等の産業機器や力率改善等に用いられる大容量のフィルムコンデンサは、複数個のコンデンサ素子を使用し、これらのコンデンサ素子の端面部のメタリコン電極を外部引出端子で並列接続し、上面が開放面のある容器内に収容後、容器内を絶縁性樹脂で充填していた。

また、上記の容器をなくし、容器内に充填する絶縁性樹脂を減らすことで小型軽量を得るために、特許文献１には、コンデンサ素子の側面外周部に絶縁性の粘着樹脂テープを巻いたりまたは熱収縮樹脂チューブを被せたりした後、並列にならべ、外部引出端子で並列に接続後、一対の凹状端子カバーでコンデンサ素子の両端部がまとめて隠れるように、凹状端子カバーの内側を絶縁樹脂で充填し、また、一対の凹状端子カバー間の間隔を保つために、その凹状端子カバーの両端部に一対の絶縁板を配設して支柱としたフィルムコンデンサが記載されている。

特開２００１−７６９６６公報

解決しようとする問題点は、複数のコンデンサ素子を有する大容量のコンデンサを小型軽量に製造するために、特許文献１のようなコンデンサ素子の側面外周部に絶縁性の粘着樹脂テープを巻いたりまたは熱収縮樹脂チューブを設けたりする構造にすると、高温と低温とで使用する環境により、コンデンサ素子に膨張収縮がおこり、粘着樹脂テープがずれて粘着力が低下し、そのため耐湿性が劣化しやすくなる。また、熱収縮樹脂チューブの場合は、耐湿性を向上させるために、熱収縮樹脂チューブの肉厚を厚くすると、熱収縮によりコンデンサ素子を必要以上に締め付ける場合があり、コンデンサ素子内の電極間隔が圧迫縮小したり、場合によっては巻き折れが発生したりして耐絶縁性が悪化する場合が生ずる。
また、特許文献１のように、一対の凹状端子カバー間の間隔保持するために、その凹状端子カバーの両端部に一対の絶縁板を配設して支柱とした場合、コンデンサとして両端部に支柱があるだけなので、強度的に構造上の制約を受けやすく、大型化が困難になりやすい。

そのため、複数のコンデンサ素子を有する大容量のコンデンサを小型軽量に製造するにあたって、耐湿性、耐絶縁性および強度に優れたフィルムコンデンサを提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、下記のフィルムコンデンサを提供するものである。
（１）両端にメタリコン電極を設けた複数のコンデンサ素子を、両端が開放した筒状ケースにそれぞれ収容して並列にならべ、外部引出端子で並列に接続し、前記筒状ケースの両端部分をそれぞれ一括して覆うように一対の凹状端子カバーでふたをし、凹状端子カバーの内側を絶縁樹脂で充填したフィルムコンデンサ。
（２）両端にメタリコン電極を設けた複数のコンデンサ素子を、両端が開放した筒状ケースにそれぞれ収容して並列にならべ、外部引出端子で並列に接続し、前記筒状ケースの両端部分が一括して覆うように一対の凹状端子カバーでふたをし、凹状端子カバーの内側と前記筒状ケース内とを絶縁樹脂で充填したフィルムコンデンサ。
（３）筒状ケースを凹状端子カバーに固定するための、凹状端子カバーに設けた固定手段を有する上記（１）または（２）のフィルムコンデンサ。

複数のコンデンサ素子を有する大容量のコンデンサを小型軽量に製造するにあたって、耐湿性、耐絶縁性および強度に優れたフィルムコンデンサを提供することができる。

本発明の実施の形態を示すコンデンサの長手方向の断面図を示している。本発明の別の実施の形態を示すコンデンサの長手方向の断面図を示している。本発明の実施の形態を示すコンデンサの幅方向の断面図を示している。本発明の製造方法の例を示している。

本発明に述べるコンデンサ素子は、ポリプロピレンフィルムなどの誘電体フィルムの表面に金属蒸着電極を設けた一組の金属化フィルムを金属面が重ならないよう互い違いに２枚重ねて捲回し、捲回した両端部に亜鉛などの金属の溶射などの方法によりメタリコン電極を形成したものである。
メタリコン電極は、一般的にフィルムコンデンサに使用しているものが使用でき、銅、亜鉛、アルミニウム、錫、半田等の金属または合金からなり、溶射によって形成されたものである。場合によっては、電極の表面にメッキを施してもよい。
また、誘電体の片面に金属化蒸着電極を形成した金属化フィルムを２枚重ねて捲回したコンデンサ素子とするほか、これに限定されるものではなく、両面に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムと、金属蒸着電極を形成していない誘電体フィルムとを重ねて捲回して作製したコンデンサ素子でもよい。

本発明に述べる筒状ケースは、両端が開放した筒状体で、内部にコンデンサ素子を収容し、それを耐候性的にそして強度的に保護するものである。
材質としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）、ＰＰＯ（ポリフェニルオキサイド）等の樹脂成形品、またはポリ塩化ビニル、ポリカーボネートなどの真空樹脂成形品、アルミニウム、鉄、ステンレス等の金属、または樹脂と金属との積層体などである。これに拘らなくてもよい。ただ、樹脂／樹脂界面の密着性は金属／樹脂界面の密着性より大きい場合が多く、その点で材質としては樹脂成形品が好ましい。また、脂成形品の場合はガラス繊維などの充填材で補強していてもよい。樹脂と金属との積層体や金属の場合は、金属部分がメタリコン電極や外部引出端子と接触しない構造にする必要がある。肉厚は、樹脂主体の場合、０．３ｍｍから１０ｍｍ、好ましくは１ｍｍから５ｍｍ程度、金属主体の場合、０．２ｍｍから５ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍから３ｍｍ程度で、薄いと耐候性または強度が悪化する。厚いとコンデンサ素子の放熱性・冷却性または小型軽量性が悪化する。
また、放熱性・冷却性を向上させるために、外部表面に凹凸加工を設けてもよいし、外部表面に放熱性のよい材質を設けてもよい。放熱性のよい材質としては、伝導タイプより放射タイプが好ましい。
また、収容するコンデンサの素子は、取出電極を設けた両端が筒状ケースの開放端となるように収容する。収容後の筒状ケースとコンデンサの素子との隙間は熱移動の点では狭いほど好ましい。

本発明に述べる凹状端子カバーは、コンデンサ素子を収容した筒状ケースの端部が隠れるように、両方からふたをするもので、複数のコンデンサ素子をそれぞれ収容した筒状ケースを並列にならべ、外部引出端子で並列に接続し、筒状ケースの両端部分のそれぞれが一括してまとめて隠れるように、両方からふたをする。
材質としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）、ＰＰＯ（ポリフェニルオキサイド）等の樹脂成形品、またはポリ塩化ビニル、ポリカーボネートなどの真空樹脂成形品アルミニウム、鉄、ステンレス等の金属、または樹脂と金属との積層体などである。これに拘らなくてもよい。また、ガラス繊維などの充填材で補強してもよい。樹脂と金属との積層体や金属の場合は、金属部分がメタリコン電極や外部引出端子と接触しない構造にする必要がある。

本発明に述べる外部引出端子は、一端でコンデンサ素子のメタリコン電極間を接続し、他端でコンデンサの外部と接続するもので、金属の箔、薄板、または線など変形可能で、はんだ接続、溶接、圧接が可能なものなどが限定なく使用できる。
薄板の場合、どの方向へも曲げられる線状のリード線に比べて、箔状の金属板では厚み方向には曲がりやすいが、幅方向には変形しにくく、曲げた上体での位置固定が容易であり、したがって接続端子がふらつくことがなく、異なる電位の接続端子がクロスするようなことがない。また、許容電流値自体がリード線端子より、箔状端子の方が高いことも挙げられる。さらに、断面が丸状のリード線とは異なり、箔状の金属板では厚みが薄いため、はんだ付け部の厚みが低減でき、コンデンサの小型化に有利であるという特徴も有している。

本発明に述べる絶縁樹脂は、凹状端子カバーの内側または筒状ケース内側を充填するための絶縁性の樹脂で、絶縁性のエポキシ、ウレタン、シリコン樹脂等が挙げられるが、これに拘らなくてもよい。また、上記樹脂にフィラー等を混ぜたものも好ましい。フィラーとしては、珪素、チタン、アルミニウム、カルシウム、ジルコニウム、マグネシウム等の水酸化物、酸化物、炭化物、窒化物、これらの複合物などが使用できる。必要があれば、難燃剤、酸化防止剤を添加してもよい。特に放熱性が大きい方が好ましい。
絶縁樹脂の充填具合は、凹状端子カバーの内側と凹状端子カバーの内側の充填面と同じ程度充填面までの筒状ケース内空隙部分とを絶縁樹脂で充填する方法と、凹状端子カバーの内側と筒状ケース内の空隙部分とを、絶縁樹脂で充填する方法等が挙げられる。
いずれにおいても、少なくとも筒状ケースと凹状端子カバー間の隙間を埋めるように絶縁樹脂で充填する。また、それに伴ってメタリコン電極部分とその近傍の外部引出端子部分とが絶縁樹脂で被覆されるのが好ましい。

筒状ケースの固定方法は、凹状端子カバーに、筒状ケースの寸法の外周に沿って凸部を設け密着する方法、もしくは筒状ケースの外形寸法に沿って凹溝を設けはめ込む方法などの固定手段が挙げられる。
また、筒状ケースが凹状端子カバーに直接接触しなくとも、凹状端子カバーの内側またはそれに加えて筒状ケース内に絶縁樹脂を充填することにより筒状ケースおよび内部に収容したコンデンサ素子を固定することができる。また、筒状ケースの端部外側面に鍔部を設けるとくさび状となり、より強度に筒状ケースを充填された絶縁樹脂に固定することができる。また、この鍔部により、筒状ケースの肉厚が厚くなるので、凹状端子カバー側からネジ止めも可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図1は、本発明の実施の形態を示すコンデンサの長手方向の断面図を示している。
図1では、両端にメタリコン電極１を設けたコンデンサ素子２を３コ、横に並列にならべていて、それぞれのコンデンサ素子２は、両端が開放した筒状ケース３に、メタリコン電極１がその開放した両端で露出するようにそれぞれ収容されている。
また、メタリコン電極１は、上下別々に外部引出端子４により並列に接続されていている。
この外部引出端子４は、コンデンサ素子２間ｑを接続しやすいようにまたメタリコン電極１と接続しやすいように、筒状ケース３の両端側面部に設けた切欠部５により、コンデンサ素子２間を連結している。
また、筒状ケース３の上下開放端は、一括して一対の凹状端子カバー６で、凹部側が内側を向くようにふたをし、凹状端子カバー６の内側は、絶縁樹脂７で充填されている。
凹状端子カバー６の充填範囲は、図1（ａ）では、凹状端子カバー６の内側と凹状端子カバー６の内側の充填面と同じ程度充填面までの筒状ケース３内空隙部分とを充填していて、図1（ｂ）では、凹状端子カバー６の内側と筒状ケース３内の空隙部分とを、充填している。筒状ケース３内部は、筒状ケース３の両端側面部に設けた切欠部５により、絶縁樹脂７が充填され加熱等により硬化し固化される。

図２は、本発明の実施の形態を示すコンデンサの長手方向の断面図を示している。
図1との違いは、図1の構成部品に、凹状端子カバー６間に支柱８を追加して配設している点である。
支柱８は、コンデンサ素子２間またはコンデンサの周辺に設ける。また、支柱８は、凹状端子カバー６側からネジ９等でネジ止めするのが固定の点で好ましい。支柱８があることにより、液状の絶縁樹脂７が固化するまで、コンデンサの形状を仮固定するのに役立つことができる。また、液状の絶縁樹脂７が固化した後は、コンデンサの形状を強度維持に役立つことができる。だだし必要以上に支柱８増やすとその分コンデンサの形状が大きくまた、筒状ケース３間の隙間が狭くなり放熱性の点で好ましくない。

図３は、本発明の実施の形態を示すコンデンサの幅方向の断面図を示している。図３は、図１または２の方向とは直角方向の断面図を示している。図３（ａ）は、凹溝にはめ込む方法、図３（ｂ）は、凸部にはめ込む方法、図３（ｃ）は、上げ底を設け方法を示している。なお、充填される絶縁樹脂は省略している。
図３（ａ）のはめ込む方法は、凹状端子カバー６に凹溝１０を設けて筒状ケース３をはめ込んでいて、はめ込む箇所は全周のほか、部分的でもよい。部分的のほうが凹状端子カバー６の強度が得やすい。
図３（ｂ）のはめ込む方法は、筒状ケース３の寸法の外周に沿って、凹状端子カバー６に凸部１１を設け密着する。凸部１１は、全周のほか、部分的でもよい。
図３（ａ）または図３（ｂ）のはめ込む方法において、筒状ケース３端部が凹状端子カバー６に接触する場合、外部引出端子４が引き回ししやすいように、筒状ケース３の両端側面部に外部引出端子４が通る切欠部等の空間を設けるのが好ましい。
図３（ｃ）の上げ底方法は、図３（ｂ）のはめ込む方法において、筒状ケース３に上げ底部分１２を設け、上げ底部分１２に筒状ケース３の端部が接触するようにすると、筒状ケース３の両端側面部に外部引出端子４が通る切欠部等の空間を設ける必要がなく好ましい。

図４は、本発明の製造方法の一例を示している。
まず、図４（ａ）に示すように、両端にメタリコン電極１を設けたコンデンサ素子２を３コ、横に並列にならべる。
次に、図４（ｂ）に示すように、それぞれのコンデンサ素子２を、両端が開放した筒状ケース３に、メタリコン電極１がその開放した両端で露出するようにそれぞれ収容する。次に、メタリコン電極１を、上下別々に外部引出端子４により並列に接続する。
次に、図４（ｃ）に示すように、筒状ケース３の下側開放端を、一括して凹状端子カバー６ａで、凹部側が内側を向くようにふたをする。次に、凹状端子カバー６ａの内側を、絶縁樹脂で充填し、絶縁樹脂を硬化する。次に、凹状端子カバー６ａが上側になるように１８０度回転させる。
次に、図４（ｄ）に示すように、筒状ケース３の下側開放端を、一括して凹状端子カバー６ｂで、凹部側が内側を向くようにふたをする。次に、凹状端子カバー６ｂの内側を、絶縁樹脂で充填し、絶縁樹脂を硬化する。

定格電圧１１００Ｖで静電容量１６００μＦのコンデンサを作製した。
コンデンサ素子は、厚さ５μｍのポリプロピレンフィルムの誘電体フィルムの表面に、金属蒸着電極を設けた片面金属化フィルムと、それと同様な金属化フィルムを金属面が重ならないよう互い違いに２枚重ねて直径が１００．５ｍｍになるように捲回し、捲回した両端部に亜鉛金属の溶射により厚み０．６ｍｍメタリコン電極を形成した。
次に同形のコンデンサ素子を３コ、横に並列にならべ、それぞれのコンデンサ素子を、両端が開放したポリフェニルオキサイド製の内径１０２ｍｍ、厚さ２ｍｍ筒状ケースに、メタリコン電極がその開放した両端で露出するようにそれぞれ収容した。次に、メタリコン電極は、上下別々に厚さ２００μｍ、幅２９ｍｍの銅箔に錫めっきした外部引出端子により並列に接続した。次に、筒状ケースの下側開放端を、一括してポリフェニレンエーテル製の厚さ３．５ｍｍ、深さ２１．５ｍｍの凹状端子カバーで、凹部側が内側を向くようにふたをする。次に、凹状端子カバーの内側を、絶縁性のウレタン樹脂で充填し、樹脂を熱硬化する。次に、凹状端子カバーが上側になるように１８０度回転させる。次に、筒状ケース３の下側開放端を、一括して凹状端子カバーで、凹部側が内側を向くようにふたをする。次に、凹状端子カバーの内側を、絶縁性のウレタン樹脂で充填し、樹脂を熱硬化する。絶縁樹脂の充填では、真空脱泡、真空注入処理を行った。

凹状端子カバーの内側を、絶縁性のウレタン樹脂で充填し、樹脂を硬化後、筒状ケース内に同じ絶縁性のウレタン樹脂でフル充填し、樹脂を硬化する以外実施例１と同様に行った。

１…メタリコン電極、２…コンデンサ素子、３…筒状ケース、４…外部引出端子、５…切欠部、６、６ａ、６ｂ…凹状端子カバー、７…絶縁樹脂、８…支柱、９…ネジ、１０…凹溝、１１…凸部、１２…上げ底部分

Claims

両端にメタリコン電極を設けた複数のコンデンサ素子を、両端が開放した筒状ケースにそれぞれ収容して並列にならべ、外部引出端子で並列に接続し、前記筒状ケースの両端部分をそれぞれ一括して覆うように一対の凹状端子カバーでふたをし、凹状端子カバーの内側を絶縁樹脂で充填したフィルムコンデンサ。
両端にメタリコン電極を設けた複数のコンデンサ素子を、両端が開放した筒状ケースにそれぞれ収容して並列にならべ、外部引出端子で並列に接続し、前記筒状ケースの両端部分が一括して覆うように一対の凹状端子カバーでふたをし、凹状端子カバーの内側と前記筒状ケース内とを絶縁樹脂で充填したフィルムコンデンサ。
筒状ケースを凹状端子カバーに固定するための、凹状端子カバーに設けた固定手段を有する請求項１または２のフィルムコンデンサ。