JP5306047B2 - 充放電用コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、３０Ｈｚ以上のパルス・フォーミング・ネットワーク等における多数回の充放電の繰り返しに対応した、大電流充放電用コンデンサに関する。

パルス・フォーミング・ネットワーク（パルス成形用回路網）において多数回の充放電を繰り返す際には、コンデンサの放電電流が大きく、充放電回数も多い。このため、このような大電流充放電用コンデンサにあっては、損失を低減するために、電極をアルミニウム箔、誘電体をポリプロピレン（以下、ＰＰと称す）フィルムとした油入式コンデンサを使用するのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、上記充放電用コンデンサでは、放電時にアルミニウム電極箔で挟まれたＰＰフィルムの電界集中箇所（ボイド等）やアルミニウム電極箔端部でコロナが発生するために、電位傾度を低減して設計する必要があり、コンデンサが大形化するという問題があった。

これに対し、近年、上記の充放電用コンデンサについて、小形化の要求が大きく、電極はアルミニウム箔に代わり、金属化紙を蒸着電極とした自己回復型充放電用コンデンサが採用されている。金属化紙では表面の凹凸が多く、絶縁油の含浸性が良好で、電界集中が発生し難いため、耐コロナ性を高めることが可能で、また、小形、軽量化を図ることができる。
上記の充放電用コンデンサは、次のようにして作製される。すなわち、両面が金属で蒸着された電極紙（以下、「両面金属化電極紙」と称す）とＰＰフィルムとを重ねて巻回したコンデンサ素子を偏平に押圧して両巻回端面部にメタリコン電極を形成する。そして、該コンデンサ素子を複数個、積み重ね、締付板を用いて締付け、コンデンサユニットとし、該コンデンサユニットにリード線、外部端子を接続する。その後、該コンデンサユニットを金属製ケースに収納して真空乾燥した後、絶縁油を含浸する。このようにして、上記の充放電用コンデンサが完成する（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２５０７３９号公報

特開２００９−３８１５８号公報

上記の充放電用コンデンサでは、比較的小電流であれば、充放電を多数回、繰り返しても、低損失と耐コロナ性を維持し、温度上昇を低減し、安定した寿命特性を維持している。
しかし、パルス・フォーミング・ネットワーク等においての大電流充放電を繰り返すと、放電時の高エネルギーで、大きな電磁力が発生し、両面金属化電極紙とメタリコン電極との接合部が劣化してオープン不良等が発生するおそれがあり、特性の安定性に欠けるという問題を有していた。

上記のような問題があったため、両面金属化電極紙とＰＰフィルム等の誘電体フィルムからなる油入式コンデンサにおいて、パルス・フォーミング・ネットワーク等で、大電流充放電を多数回、長期にわたって行った場合でも、放電時の高エネルギーにより発生する大電磁力に対して、両面金属化電極紙とメタリコン電極との接合部の劣化、オープン不良がなく、寿命特性の安定化を図ることができる充放電用コンデンサが求められていた。

本発明は、上記課題を解決するために発明されたもので、両面が金属化された電極紙と誘電体フィルムを巻回したコンデンサ素子を偏平に押圧して、両方の巻回端面部にメタリコン電極を形成し、該コンデンサ素子を複数個、積み重ねたコンデンサユニットと、該コンデンサユニットから引き出され、外部端子に接続されるリード線と、前記コンデンサユニットを収納する収納ケースとを備え、前記収納ケースにコンデンサユニットを収納した状態で真空乾燥後、絶縁油を含浸した充放電用コンデンサにおいて、
前記コンデンサユニットは、積み重ねた複数個のコンデンサ素子を積み重ね方向に挟み込む一対の締付板と、前記複数個のコンデンサ素子を前記一対の締付板で挟んだ状態で該一対の締付板を積み重ね方向に締め付けるように巻回された結束部材と、前記複数個のコンデンサ素子の間に該コンデンサ素子の巻回端面の長径方向に沿って配置された締付補助部材とを備え、前記締付補助部材は、前記コンデンサ素子の巻回軸方向において前記コンデンサ素子の中央部を除く両方の巻回端面部にそれぞれ１枚ずつ配置された一対の補助板からなることを特徴としている。

また、前記締付補助部材が、前記複数個のコンデンサ素子の間のほか、コンデンサ素子と締付板との間に配置されたことを特徴としている。

このような構成によれば、積み重ねた複数個のコンデンサ素子を積み重ね方向に挟み込む一対の締付板が該一対の締付板に巻回された結束部材によって積み重ね方向に締め付けられる。
ここで、複数個のコンデンサ素子の間には、該コンデンサ素子の巻回端面の長径方向に沿って締付補助部材が配置されているので、大電流を伴う充放電を多数回繰り返しても、両面が金属化された電極紙（両面金属化電極紙）とメタリコン電極との接合部（以下「メタリコン接合部」と称す）の劣化を抑制することができる。これにより、オープン不良の発生を防止して、充放電用コンデンサの寿命特性の安定化を図ることができる。

ここで、締付補助部材は、コンデンサ素子の巻回軸方向においてコンデンサ素子の中央部を除く両方の巻回端面部にそれぞれ１枚ずつ配置された一対の補助板から構成されている。
この構成によれば、コンデンサ素子の巻回端面の近傍に補助板を配置することで、充放電に伴うメタリコン接合部の機械的振動を抑制し、該接合部の断線を効果的に抑制することができる。しかも、一対の補助板をコンデンサ素子の巻回軸方向においてコンデンサ素子の中央部を除く両方の巻回端面部にそれぞれ１枚ずつ設けることで、コンデンサ素子全体の絶縁油の含浸性が阻害されるのを極力回避することができる。

また、結束部材は、一対の補助板の各々に対応して設けられ、コンデンサ素子の巻回軸方向において一対の補助板と重なり合うように配置された２本の結束バンドから構成することが好ましい。この構成によれば、２本の結束バンドと一対の補助板とが堅固に固定され、耐振動性を向上させることができる。

ここで、一対の補助板としては、ポリプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂（ＭＣナイロン等）、ＦＲＰ（エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ガラス繊維の積層板）等の樹脂成形板を用いてもよいし、紙製プレスボードを用いてもよい。前者（樹脂成形板を用いた場合）によれば、２本の結束バンドと一対の補助板との密着性が向上し、堅固な固定が可能である。また、後者（紙製プレスボードを用いた場合）によれば、軽量化が可能となる。

本発明の上記構成をとることにより、大電流を伴う充放電を多数回繰り返しても、両面金属化電極紙とメタリコン接合部の劣化を抑制することができ、オープン不良の発生を防止して、充放電用コンデンサの寿命特性の安定化を図ることができる。

本発明の実施例による両面金属化電極紙、誘電体フィルムの構成図である。 コンデンサ素子の斜視図である。 本発明の実施例によるコンデンサユニットを示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 本発明の実施例によるコンデンサユニットを、ケースに収納した状態を示す断面図である。 従来例によるコンデンサユニットを示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 本発明の実施例と従来例による、充放電用コンデンサの充放電回数（寿命）−定格電流比の関係図である。

本発明の充放電用コンデンサは、両面が金属化された電極紙と誘電体であるＰＰフィルムとを重ねて巻回し、偏平に押圧して、両方の巻回端面にメタリコン電極を形成したコンデンサ素子を複数個、積み重ねたコンデンサユニットと、該ユニットから、外部端子に接続されるリード線と、前記ユニットを収納する収納ケースとを備え、収納した状態で真空乾燥後、絶縁油を含浸して作製される。
前記ユニットは、複数個のコンデンサ素子を積み重ね方向に挟み込む一対の締付板と、前記一対の締付板で挟んだ状態で積み重ね方向に締め付けるように巻回された結束部材（バンド）と、前記複数個のコンデンサ素子の間、および、コンデンサ素子と締付板との間に、巻回端面の長径方向に沿って配置された締付補助部材とを備える。
ここで、締付補助部材は、コンデンサ素子の両メタリコン電極近傍のみに配置した一対の補助板で構成することが好ましく、一対の補助板の材質については、紙製プレスボードや樹脂成形板（プラスチック板）等、絶縁油を汚染しない材料が使用できる。
上記の締付補助部材を用いることによって、多数回、長期間の繰り返し、大電流充放電条件で使用しても、安定した特性を維持することができる。

[実施例]
本発明の充放電用コンデンサのコンデンサ素子７は、図１、２に示すように、コンデンサ紙１の両面に蒸着電極２を形成した厚さ９μｍの両面金属化電極紙３を、厚さ１５μｍのＰＰフィルム４を介して重ね合わせ、また、両面金属化電極紙３は、そのマージン部５が互いに反対方向になるようにして巻回し、偏平形に押圧して両方の巻回端面にメタリコン電極６を形成して構成されている。

コンデンサユニット９は、図３に示すように、上記のコンデンサ素子７を４個、積層して、コンデンサ素子７の間、コンデンサ素子７と一対の締付板８の間に補助板１０として、厚さ１．６ｍｍ、幅５０ｍｍ、奥行き１５ｍｍの紙製プレスボードを、コンデンサ素子７の巻回軸方向で、コンデンサ素子の中央部を除く両方の巻回端面部にそれぞれ１枚ずつ、挿入し、コンデンサ素子の巻回軸方向において前記一対の補助板の位置と重なり合うように、２本の結束バンド１１を巻回し、締付板８と結束バンド１１で締め付けてなる。
上記構成と併せて、コンデンサ素子の巻回軸方向において、コンデンサ素子の幅寸法Ｌに対する補助板の幅寸法Ｌ１の比（Ｌ１／Ｌ）を０．０５〜０．１とするのが（図３）、含浸性、機械的強度の面から好適である。

次いで、図３、４に示すように、上記のコンデンサユニット９にリード線１２、外部端子１３を接続するとともに、金属ケース１４に収納して真空乾燥、絶縁油１５を含浸して、定格電圧５５ｋＶ、静電容量０．０４５μＦの充放電用コンデンサを作製した。

（従来例）
従来例のコンデンサユニット１６を図５に示す。従来例では、締付補助板１０を除いた以外は、上記実施例と同様にして、同仕様の充放電用コンデンサを作製した。

試験条件として、室温で定格電流（ピーク電流６ｋＡ）の１．８倍、１．６倍、１．４倍になるように抵抗、インダクタンスを調整し、１００Ｈｚの条件で充放電を繰り返し実施して、ｔａｎδ値が初期値の１.５倍になった時の充放電回数をコンデンサの寿命とした。
その結果を表１および図６に示す。

表１より分かるように、締付補助板がない従来例の充放電用コンデンサは、定格電流を１００Ｈｚで繰り返し充放電した場合、２．１×１０^８回の充放電寿命（１２．７時間に相当）であるが、実施例の締付補助板をメタリコン電極近傍に挿入した場合には、３．８×１０^１０回の充放電寿命（１２年に相当）にまで改善することができた。これは、従来例の充放電用コンデンサの約１８０倍の寿命であり、その効果は大なるものである。

また、上記実施例では、締付補助板を紙製プレスボードとしたが、樹脂成形板（プラスチック板）としても同様の良好な結果が得られた。
そして、上記実施例では、誘電体フィルムとして、ＰＰフィルムを使用したが、これ以外にポリエステルフィルム、ポリカーボネートフィルム、ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリフェニレンサルファイドフィルム、ポリアミドフィルム等を用いてもよい。

１ コンデンサ紙
２ 蒸着電極
３ 両面金属化電極紙
４ ＰＰフィルム
５ マージン部
６ メタリコン電極
７ コンデンサ素子
８ 締付板
９ コンデンサユニット
１０ 補助板
１１ 結束バンド
１２ リード線
１３ 外部端子
１４ 金属ケース
１５ 絶縁油
１６ コンデンサユニット

Claims (5)

1. 両面が金属化された電極紙と誘電体フィルムを巻回したコンデンサ素子を偏平に押圧して、両方の巻回端面にメタリコン電極を形成し、該コンデンサ素子を複数個、積み重ねたコンデンサユニットと、
   該コンデンサユニットから引き出され、外部端子に接続されるリード線と、
   前記コンデンサユニットを収納する収納ケースと、
   を備え、前記収納ケースにコンデンサユニットを収納した状態で真空乾燥後、絶縁油を含浸した充放電用コンデンサにおいて、
   前記コンデンサユニットは、積み重ねた複数個のコンデンサ素子を積み重ね方向に挟み込む一対の締付板と、
   前記複数個のコンデンサ素子を前記一対の締付板で挟んだ状態で該一対の締付板を積み重ね方向に締め付けるように巻回された結束部材と、
   前記複数個のコンデンサ素子の間に該コンデンサ素子の巻回端面の長径方向に沿って配置された締付補助部材と、
   を備え、
   前記締付補助部材は、前記コンデンサ素子の巻回軸方向において前記コンデンサ素子の中央部を除く両方の巻回端面部にそれぞれ１枚ずつ配置された一対の補助板からなることを特徴とする充放電用コンデンサ。
2. 前記締付補助部材が、前記複数個のコンデンサ素子の間のほか、前記コンデンサ素子と前記締付板との間に配置されたことを特徴とする請求項１記載の充放電用コンデンサ。
3. 前記結束部材は、前記一対の補助板の各々に対応して設けられ、前記コンデンサ素子の巻回軸方向において前記一対の補助板の位置と重なり合うように配置された２本の結束バンドからなることを特徴とする請求項１または２記載の充放電用コンデンサ。
4. 前記一対の補助板が、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネートから選ばれる樹脂を成形した樹脂成形板であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の充放電用コンデンサ。
5. 前記一対の補助板が、紙製プレスボードであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の充放電用コンデンサ。

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