JP5320960B2 - ケースモールド型コンデンサ - Google Patents

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Description

本発明は各種電子機器、電気機器、産業機器、自動車等に使用され、特に、ハイブリッド自動車のモータ駆動用インバータ回路の平滑用、フィルタ用、スナバ用に最適な金属化フィルムコンデンサをケース内に樹脂モールドしたケースモールド型コンデンサに関するものである。
近年、環境保護の観点から、あらゆる電気機器がインバータ回路で制御され、省エネルギー化、高効率化が進められている。中でも自動車業界においては、電気モータとエンジンで走行するハイブリッド車(以下、HEVと呼ぶ)が市場導入される等、地球環境に優しく、省エネルギー化、高効率化に関する技術の開発が活発化している。
このようなHEV用の電気モータは使用電圧領域が数百ボルトと高いため、このような電気モータに関連して使用されるコンデンサとして、高耐電圧で低損失の電気特性を有する金属化フィルムコンデンサが注目されており、更に市場におけるメンテナンスフリー化の要望からも極めて寿命が長い金属化フィルムコンデンサを採用する傾向が目立っている。
そして、このようにHEV用として用いられる金属化フィルムコンデンサには、使用電圧の高耐電圧化、大電流化、大容量化等が強く要求されるため、バスバーによって並列接続した複数の金属化フィルムコンデンサをケース内に収納し、このケース内にモールド樹脂を注型したケースモールド型コンデンサが開発され、実用化されている。
図13はこの種の従来のケースモールド型コンデンサの構成を示した分解斜視図、図14は図13のA−A線における断面図であり、図13と図14において、20は金属化フィルムコンデンサ(以下、コンデンサと呼ぶ)を示し、このコンデンサ20はポリプロピレンからなる誘電体フィルムの片面または両面に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを一対とし、上記金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向する状態で巻回し、両端面に亜鉛を溶射したメタリコン電極を形成することによってP極とN極の一対の取り出し電極を夫々設けて構成されたものである。
21はP極バスバー、21aはこのP極バスバー21の一端に設けられた外部接続用のP極端子であり、このP極バスバー21は上記コンデンサ20を複数個密着して並べた状態で各コンデンサ20の一方の端面に形成されたP極電極と夫々接合され、また、P極端子21aはこのコンデンサ20の上方へ引き出され、後述するケース23から表出するようにしているものである。
22はN極バスバー、22aはこのN極バスバー22の一端に設けられた外部接続用のN極端子であり、このN極バスバー22も上記P極バスバー21と同様に、上記コンデンサ20を複数個密着して並べた状態で各コンデンサ20の他方の端面に形成されたN極電極と夫々接合され、また、N極端子22aはこのコンデンサ20の上方へ引き出され、後述するケース23から表出するようにしており、これにより、複数個のコンデンサ20がP極バスバー21とN極バスバー22により並列接続状態で連結されているものである。
23は樹脂製のケース、24はこのケース23内に充填されたモールド樹脂であり、このモールド樹脂24は上記P極バスバー21とN極バスバー22により並列接続されて連結された複数個のコンデンサ20をケース23内に収納して樹脂モールドしたものである。
このように構成された従来のケースモールド型コンデンサは、コンデンサ20をモールド樹脂24にてケース23内にモールドしたことにより、機械的強度、耐熱性、耐湿性に優れた高信頼性のケースモールド型コンデンサを提供することができるというものであった。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
特開2004−146724号公報
しかしながら上記従来のケースモールド型コンデンサでは、車載用としての用途に使用される場合には、例えば0.1〜0.3A/μFの大電流が入力される場合もあり、このような過酷な条件下ではコンデンサ20自体の発熱が大きくなって金属化フィルムの温度が上昇し、これにより絶縁抵抗の低下や寿命が短くなるという課題があった。
また、これらに加え、上記P極バスバー21ならびにN極バスバー22に夫々一体で設けられたP極端子21aならびにN極端子22aが発熱したり、あるいは入力側から印加される電流と共に熱も伝播されてしまい、結果としてP極端子21aならびにN極端子22aが発熱し、このP極端子21aならびにN極端子22aに一番近いコンデンサ20から順次隣接するコンデンサ20へと熱が伝播され、全てのコンデンサ20の温度が上昇してケースモールド型コンデンサとしての特性が劣化してしまうという課題があった。
なお、コンデンサの発熱を検出し、この結果に基づいてコンデンサに流れる電流を軽減させるという技術は特開平10−163077号公報等にて提案されているが、ケースモールド型コンデンサにおいてはバスバーで接続された複数のコンデンサをケース内に樹脂モールドした構成のために発熱状態や放熱状態が複雑であり、ケースモールド型コンデンサに見合った構成が必要であるという課題を有したものであった。
本発明はこのような従来の課題を解決し、素子の発熱を精度良く検知することができる信頼性に優れたケースモールド型コンデンサを提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するために本発明は、複数の素子を外部接続用の端子部を一端に設けたバスバーで接続し、これらを温度測定器とともにケース内に収納して少なくとも上記バスバーの端子部を除いて樹脂モールドしたケースモールド型コンデンサにおいて、上記温度測定器は測定部とこの測定部に接続されたリード線部で構成され、上記温度測定器の少なくとも測定部を保持する保持部材を上記ケース内底面に設けられた結合部に結合することで、上記温度測定器の測定部をケースの厚み方向中部に固定するようにした構成のものである。
以上のように本発明によるケースモールド型コンデンサは、ケース内の、特にバスバーや素子の近傍に温度測定器を配設した構成であり、素子の発熱を精度良く検知することができるため、何らかの要因で許容範囲を超えるような発熱が発生した際に素子に流れる電流を制御したり、あるいは強制的に放熱させたりすることが容易にできるようになるという効果が得られるばかりでなく、放熱性や耐熱性に優れた最適な設計を行うことが可能になるという効果も得られるものである。
また、ケースモールド型コンデンサに、たとえば数十秒〜数百秒という短時間の温度上昇があった場合、ケース外に配置された温度測定器ではこの温度変化に追従するのは困難であるが、本発明によるケースモールド型コンデンサでは温度測定器をケース内の最も発熱温度が高くなる位置に配設しているため、このような短時間の温度上昇でも検出することができるという効果も奏することができるものである。
(実施の形態1)
以下、実施の形態1を用いて、本発明の特に請求項1、2、10に記載の発明について説明する。
図1は本発明の実施の形態1によるケースモールド型コンデンサの構成を示した斜視図(内部構造を分かり易くするためにケースを省略して図示)、図2は同側面図であり、図1と図2において1は素子を示し、この素子1はポリプロピレン等からなる誘電体フィルムの片面または両面に金属蒸着電極を形成した一対の金属化フィルムを上記金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するようにして巻回し、その両端面に亜鉛を溶射したメタリコン電極を形成することによってP極とN極の一対の取り出し電極を夫々設けて構成されたものである。
2は上記素子1のP極電極に半田付けされることによって接続されたP極バスバー、3は同じく素子1のN極電極に半田付けされることによって接続されたN極バスバーであり、このようにP極バスバー2とN極バスバー3が一対で接続された素子1を図示しないケース内に収容し、P極バスバー2ならびにN極バスバー3に夫々設けられた外部接続用の端子部2a、3aを除いて樹脂モールド(図示せず)するようにしたものである。
4は温度測定器としてのサーミスタであり、このサーミスタ4は上記素子1とN極バスバー3間に配設されて上記図示しないケース内に樹脂モールドされているものである。
このように構成された本実施の形態によるケースモールド型コンデンサは、素子1とN極バスバー3間にサーミスタ4を配設した構成により、車載用等として使用されて過酷な条件下で大電流が入力された場合に、素子1が発熱したり、P極バスバー2やN極バスバー3に設けた端子部2a、3aが発熱したりしても、素子1の発熱を精度良く検知することができるため、何らかの要因で許容範囲を超えるような発熱が発生した際に素子1に流れる電流を制御したり、あるいは強制的に放熱させたりすることが容易にできるようになるという格別の効果を奏するものである。
また、素子1の発熱を精度良く検知することができることから、放熱性や耐熱性に優れた最適な設計を行うことが可能になるという格別の効果も奏するものである。
(実施の形態2)
以下、実施の形態2を用いて、本発明の特に請求項3、4に記載の発明について説明する。
本実施の形態は、上記実施の形態1で図1、図2を用いて説明したケースモールド型コンデンサに設けたサーミスタの配設状態が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態1と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて説明する。
図3は本発明の実施の形態2によるケースモールド型コンデンサの構成を示した斜視図(内部構造を分かり易くするためにケースを省略して図示)であり、図3において、5はN極バスバー、5aはこのN極バスバー5の一端に設けられた外部接続用の端子部、5bは同じくN極バスバー5の電流経路の略中央部を部分的に細くすることによって設けた括れ部であり、この括れ部5bにサーミスタ4を取り付けた構成にしたものである。
このように構成された本実施の形態によるケースモールド型コンデンサは、N極バスバー5の電流経路の略中央部に括れ部5bを設け、この括れ部5bにサーミスタ4を取り付けた構成により、上記実施の形態1によるケースモールド型コンデンサにより得られる効果に加え、上記括れ部5bはN極バスバー5の電流経路の中で最も抵抗が高くなることから発熱が最も大きくなる部分であるため、この括れ部5bにサーミスタ4を取り付けることによってN極バスバー5の発熱が最も高い部分を精度良く検知することが可能になるという格別の効果を奏するものである。
また、図4は本発明の実施の形態2によるケースモールド型コンデンサの他の構成の例を示した斜視図であり、図4において、6はP極バスバー、6aはこのP極バスバー6の一端に設けられた外部接続用の端子部、6bは同じくP極バスバー6の他端に設けられた素子1との半田付けによる接続部であり、この端子部6aと接続部6bはP極バスバー6の中で最も幅寸法が細くなるように形成されているものである。
4は上記端子部6aと接続部6bに夫々取り付けられたサーミスタ、7はN極バスバー、7aはこのN極バスバー7の一端に設けられた外部接続用の端子部であり、このN極バスバー7も上記P極バスバー6と同様に形成されているものである。8はこれらを収容したケースである。
このように構成された本実施の形態によるケースモールド型コンデンサは、P極バスバー6の一部の幅を細くした端子部6a、接続部6bを設けることにより、この端子部6a、接続部6bはP極バスバー6の電流経路の中で最も抵抗が高くなることから発熱が最も大きくなる部分であるため、この端子部6a、接続部6bにサーミスタ4を夫々取り付けることにより、上記図3を用いて説明したケースモールド型コンデンサと同様に、P極バスバー6の発熱が最も高い部分を精度良く検知することが可能になるという格別の効果を奏するものである。
(実施の形態3)
以下、実施の形態3を用いて、本発明の特に請求項5、6に記載の発明について説明する。
本実施の形態は、上記実施の形態1で図1、図2を用いて説明したケースモールド型コンデンサに設けたサーミスタの配設状態が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態1と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて説明する。
図5(a)は本発明の実施の形態3によるケースモールド型コンデンサにおいて、サーミスタの配設位置を示した斜視図(内部構造を分かり易くするためにバスバーとケースの一部を省略して図示)、図5(b)は図5(a)の側面からの要部側面図であり、素子1の表面あるいは隣接する素子1と素子1の間にサーミスタ4を配設する位置を示したものである。なお、隣接する素子1と素子1間の距離は8mmとし、また各サーミスタ4の配設位置は、その配設平面の中心位置とした。
ここで、サーミスタ4は図5(a)に4a〜4iで示した配設位置すべてに配設するのではなく、4a〜4iのいずれかの位置に配設されるものであるが、特に素子間である4aは最も温度上昇する位置であり、発熱温度あるいは温度上昇に追従してその温度を検出するには、4aの位置にサーミスタ4の測定部が来るように配設するのが好ましい。以下にその詳細を説明する。
図6は25℃の環境下でコンデンサに電流60Aを印加し、図5(a)で示したサーミスタの配設位置を4a〜4iに変化させた場合の発熱温度特性を評価した結果を示すグラフである。
ここで発熱温度とは、サーミスタの検知温度と周囲温度との差を示すものである。
図6から明らかなように、素子1の表面の各配設位置で発熱温度には差があり、飽和時で最も発熱温度が高い4aの位置では9.1℃、最も温度が低い4bの位置では4.8℃であり、その温度差は4.3℃であった。
また、飽和時のみでなく、飽和に至るまでの過程においても、配設位置4aが最も発熱温度が高く、素子1の温度を検知する際に最も適した配設位置であることが分かる。
次に、図5(a)のサーミスタ4の配設位置4aをその周辺で変化させた場合の発熱温度特性の評価結果を示す。
図7(a)は、図5(a)のサーミスタ4の配設位置4aを中心に直交する3方向に配設位置を変化させた斜視図であり、位置関係を説明するために隣接する一方の素子を省略して示している。
図7(a)で401、402は配設位置4aを中心として素子間の方向(X方向とする)に±4mmずらせた位置を示し、403、404は配設位置4aを中心として素子のメタリコン電極の異極間方向、すなわち素子の幅方向(Y方向とする)に±10mmずらせた位置を示し、405、406は配設位置4aを中心としてXY平面に垂直な方向(Z方向とする)に±10mmずらせた位置を示す。
図7(b)は図7(a)の側面からの要部側面図、図7(c)は図7(a)のケース開口面からの要部平面図である。
図8は25℃環境下でコンデンサに電流60Aを印加し、図7(a)で示したサーミスタ4の配設位置を4aからずれた位置401〜406に変化させた場合の発熱温度を評価した結果を示すグラフである。
図8から明らかなように、サーミスタ4の配設位置を4aを基準として401〜406に変化させた場合の発熱温度は±0.3℃以内であり、この温度差が測定誤差範囲内であることから、配設位置4aを中心にX方向に±4mm、Y、Z方向に±10mmの範囲内では、素子1の発熱温度を精度良く検知できることがわかる。
なお、より精度の高い温度検知を行なうために、好ましくは、配設位置4aからのずれは配設位置4aを中心にX方向に±2mm、Y、Z方向に±5mmの範囲内である。
従来は、最も検出精度の良い位置ではない位置における温度測定結果から、相対的に素子1の温度を予測していたため、実際の温度とはずれがあり、コンデンサへの制御設計においてはこのずれ分を見越した低い温度を設定しなければならず、結果として、コンデンサの使用温度範囲を狭めた使用となっていた。
しかし、本実施の形態のような構成によるケースモールド型コンデンサは、素子1と素子1間の最も温度上昇する範囲にサーミスタ4を配設したことにより、何らかの要因で許容範囲を超えるような発熱や短時間の温度上昇にもより精度良く追従して検知することができることから、コンデンサの使用温度範囲をより広く活用できることを可能にするという格別の効果を奏するものである。
なお、本実施の形態ではコンデンサを構成する素子が2素子の場合を用いて説明したが、構成する素子が1素子の場合は、サーミスタ4の配設位置を素子表面として良い。
(実施の形態4)
以下、実施の形態4を用いて、本発明の特に請求項7、8に記載の発明について説明する。
本実施の形態は、上記実施の形態1で図1、図2を用いて説明したケースモールド型コンデンサに設けたサーミスタの配設状態が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態1と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて説明する。
図9(a)、(b)は本発明の実施の形態4によるケースモールド型コンデンサの構成を示したサーミスタ取り付け前の部分斜視図とサーミスタ取り付け後の部分斜視図であり、図9において、10aはサーミスタ4の先端部分の測定部を固定するために、ケース10の内底面に設けた固定部である。
そして、図9(a)に示すように、この固定部10aの上部の凹部にサーミスタ4の一部(図9(a)ではサーミスタのリード線部)が上方から圧入等の手段によって嵌め込まれて、サーミスタ4の先端部分の測定部が素子1の近傍に来るようにして固定される。
固定方法としては、粘着テープ等を用いてサーミスタ4の測定部を素子表面に貼り付けることもできるが、貼り付け作業のばらつきによる位置ばらつきを生じやすいことや、貼り付け位置を決めにくいこと、また、テープ貼り付け時の圧力により素子表面への機械的負荷を生じる場合もある。
しかし、本実施の形態によるケースモールド型コンデンサでは、ケース10の内底面に設けた固定部10aにサーミスタ4の一部を固定するため、実施の形態3の図7(a)で示した範囲内に、安定して、位置精度よく、さらに素子表面へ圧力を加えずサーミスタ4の測定部を配設でき、素子1の発熱を精度良く検知できるため、生産性、信頼性に優れるという格別の効果を奏するものである。
また、図10(a)、(b)は本発明の実施の形態4によるケースモールド型コンデンサの他の構成を示したサーミスタ取り付け前の部分斜視図とサーミスタ取り付け後の部分斜視図である。
図10において、9はサーミスタ4の先端部分の測定部を保持する保持部材、10はケース、10bはこのケース10の内底面に設けられ、上記保持部材9を圧入等の手段によって結合する結合部である。
このように構成された本実施の形態によるケースモールド型コンデンサは、まず、図10(a)に示すように、保持部材9によりサーミスタ4の一部を保持した後、図10(b)に示すように、上記保持部材9をケース10の内底面に設けた結合部10bに圧入することによって、サーミスタ4をその先端部分の測定部が素子1の外周部付近に来るように固定し、その後、上記ケース内に図示しないモールド樹脂を充填して樹脂モールドするようにしたものである。
このように構成された本実施の形態によるケースモールド型コンデンサは、保持部材9と結合部10bを用いて生産に適した方法で、安定して位置精度よくサーミスタ4の測定部を固定できるため、上記図9を用いて説明したケースモールド型コンデンサと同様に、実施の形態3の図7(a)で示した範囲内に、安定して、位置精度よく、さらに素子表面へ圧力を加えずサーミスタ4の測定部を配設できるため、素子1の発熱を精度良く検知でき、生産性、信頼性に優れるという格別の効果を奏するものである。
(実施の形態5)
以下、実施の形態5を用いて、本発明の特に請求項9に記載の発明について説明する。
本実施の形態は、上記実施の形態2で図4を用いて説明したケースモールド型コンデンサに設けたサーミスタの配設状態が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態2と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて説明する。
図11は本発明の実施の形態5によるケースモールド型コンデンサの構成を示した斜視図、図12(a)、(b)は同ケースモールド型コンデンサの内部を示した要部斜視図と要部平面図であり、図11と図12において、11はP極バスバー、11aはこのP極バスバー11の一端に設けられた外部接続用の端子部、11bは同じくP極バスバー11の他端に設けられた素子1との半田付けによる接続部、12はN極バスバー、12aはこのN極バスバー12の一端に設けられた外部接続用の端子部であり、このN極バスバー12も上記P極バスバー11と同様に形成されているものである。8はこれらを収容したケース、8aはこのケース8内に設けられたサーミスタ固定板である。
13は上記P極バスバー11の端子部11aと接続部11b、ならびにサーミスタ固定板8aに夫々ねじ14を介してねじ止めすることにより取り付けられたサーミスタである。
このように構成された本実施の形態によるケースモールド型コンデンサは、サーミスタ13をねじ止めした構成により、サーミスタ13の固定を確実に行って樹脂モールド作業の際にサーミスタ13が移動することもなく、更に、測定箇所による製品間の発熱差を最小限に抑えて精度良く検知することができるようになるという格別の効果を奏するものである。
なお、上記実施の形態では温度測定器としてサーミスタを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば熱電対や白金抵抗などの温度測定器を用いても良い。
また、上記実施の形態では温度測定器の取り付けは固定部や保持部材を用いたり、ねじ止めの方法を示したが、これに限定されるものではなく、例えば素子表面への取り付けでは粘着テープや接着剤で、素子1にできるだけ負荷がかからないようにしつつ温度測定器の測定部を仮止めしておき、ケース内にモールド樹脂を充填して硬化させることにより固定する方法も用いることができる。
本発明によるケースモールド型コンデンサは、素子の発熱を精度良く検出することができるため、放熱性や耐熱性に優れるという効果を有し、特に過酷な条件下で使用される車載用分野等として有用である。
本発明の実施の形態1によるケースモールド型コンデンサの構成を示した斜視図 同側面図 本発明の実施の形態2によるケースモールド型コンデンサの構成を示した斜視図 同実施の形態によるケースモールド型コンデンサの他の例を示した斜視図 (a)本発明の実施の形態3によるケースモールド型コンデンサにおいて、サーミスタの配設位置を示した斜視図、(b)同要部側面図 本発明の実施の形態3によるケースモールド型コンデンサの発熱温度測定位置における発熱温度を示すグラフ (a)本発明の実施の形態3によるケースモールド型コンデンサの素子間の温度測定位置を示した斜視図、(b)同側面からの要部側面図、(c)同ケース開口面からの要部平面図 本発明の実施の形態3によるケースモールド型コンデンサの素子間の発熱温度測定位置における発熱温度を示すグラフ (a)本発明の実施の形態4によるケースモールド型コンデンサの構成を示したサーミスタ取り付け前の斜視図、(b)同サーミスタ取り付け後の斜視図 (a)本発明の実施の形態4によるケースモールド型コンデンサの他の例を示したサーミスタ取り付け前の斜視図、(b)同サーミスタ取り付け後の斜視図 本発明の実施の形態5によるケースモールド型コンデンサの構成を示した斜視図 (a)同ケースモールド型コンデンサの内部を示した要部斜視図、(b)同要部平面図 従来のケースモールド型コンデンサの構成を示した分解斜視図 図13のA−A線における断面図
符号の説明
1 素子
2、6、11 P極バスバー
2a、3a、5a、6a、7a、11a、12a 端子部
3、5、7、12 N極バスバー
4、13 サーミスタ
4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4g、4h、4i サーミスタ配設位置
5b 括れ部
6b、11b 接続部
8、10 ケース
8a サーミスタ固定板
9 保持部材
10a 固定部
10b 結合部
14 ねじ
401、402、403、404、405、406 サーミスタ配設位置

Claims (3)

  1. 両端面に一対の電極が夫々設けられた複数の素子を外部接続用の端子部を一端に設けたバスバーで接続し、これらを温度測定器とともにケース内に収納して少なくとも上記バスバーの端子部を除いて樹脂モールドしたケースモールド型コンデンサにおいて、
    上記温度測定器は測定部とこの測定部に接続されたリード線部で構成され、
    上記温度測定器の少なくとも測定部を保持する保持部材を上記ケース内底面に設けられた結合部に結合することで、上記温度測定器の測定部をケースの厚み方向中部に固定するようにしたケースモールド型コンデンサ。
  2. 上記ケースは上部開口型の形状を有しており、
    上記保持部材の少なくとも一部は、上記温度測定器の測定部を上記ケースの開口部方向から覆うように、上記温度測定器の測定部上部に設けられた請求項1に記載のケースモールド型コンデンサ。
  3. 温度測定器により検知された素子の温度により、素子への電圧・電流印加を制御するようにした請求項1あるいは請求項2に記載のケースモールド型コンデンサ。
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