JP5978463B2 - 金属化フィルムコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は例えば各種電子機器、電気機器、産業機器、自動車等に使用される金属化フィルムコンデンサに関する。

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という）が市場導入される等、地球環境への負荷が少なく、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、電気モータに関連して使用されるコンデンサには、高耐電圧で低損失の電気特性が求められている。さら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きている。

金属化フィルムコンデンサをＨＥＶ用として使用する場合には、例えば、直流電源の交流成分を平滑する目的で使用される。この場合には直流電源への平滑リプル電流が大きくなると、これによりコンデンサの発熱も高くなって熱余裕度が少なくなる。したがって、高い放熱性能を有する金属化フィルムコンデンサが求められている。

図４Ａから図４Ｃは金属化フィルムコンデンサ１の構成図である。金属化フィルムコンデンサ１は、アルミニウムからなる巻芯２、３と巻芯２、３に巻回された金属化フィルムを有するコンデンサ素子４とを備えている。巻芯２、３は正・負極間の絶縁性を確保するため、中央で分離されている。巻芯２、３の外端部は陽極、陰極となるメタリコン電極５、６にそれぞれ接続され、メタリコン電極５、６はバスバーと接続されて外部へ電極が引き出される。巻芯２、３はアルミニウムからなるので熱伝導が比較的高く、メタリコン電極５、６を介して熱をバスバーへ伝達させ、さらに外部へと放散させることができ、コンデンサ素子４の発熱を抑えることができる。

金属化フィルムコンデンサ１に類似する従来のコンデンサが特許文献１に記載されている。

金属化フィルムコンデンサ１では、巻芯２、３でコンデンサ素子４の十分放熱できない場合がある。

特開２００８−２１１１２８号公報

金属化フィルムコンデンサは、中心軸に沿って配置された第１と第２の巻芯と、中心軸を中心に第１と第２の巻芯に巻回されているコンデンサ素子とを備える。第２の巻芯は、第１の巻芯とスペースを空けて配置されている。コンデンサ素子は、誘電体フィルムと、誘電体フィルム上に設けられた第１の電極膜と、誘電体フィルムを介して第１の電極膜に対向する第２の電極膜とを有する。第１と第２の巻芯は誘電体フィルムよりも熱伝導率が高い。中心軸の方向のコンデンサ素子の長さＬｄと、コンデンサ素子内における中心軸の方向の第１の巻芯の長さＬ１と、コンデンサ素子内における中心軸の方向の第２の巻芯の長さＬ２は以下の関係を満たす。

Ｌ_１＞Ｌ_２
Ｌ_１＋Ｌ_２＜Ｌ_ｄ
Ｌ_１≧Ｌ_ｄ／２
Ｌ_２≧（Ｌ_ｄ−Ｌ_１）／２
この金属化フィルムコンデンサは、コンデンサ素子の放熱性を向上させることができる。

図１Ａは本発明の実施の形態における金属化フィルムコンデンサの斜視図である。 図１Ｂは図１Ａに示す金属化フィルムコンデンサの線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。 図１Ｃは図１Ａに示す金属化フィルムコンデンサの線１Ｃ−１Ｃにおける断面図である。 図１Ｄは図１Ｂに示す金属化フィルムコンデンサの拡大断面図である。 図２Ａは実施の形態における金属化フィルムコンデンサの製造方法を示す斜視図である。 図２Ｂは図２Ａに示す金属化フィルムコンデンサの断面図である。 図２Ｃは図２Ａに示す金属化フィルムコンデンサの断面図である。 図３は実施の形態における金属化フィルムコンデンサを用いたコンデンサユニットの斜視図である。 図４Ａは従来の金属化フィルムコンデンサの構成図である。 図４Ｂは従来の金属化フィルムコンデンサの構成図である。 図４Ｃは従来の金属化フィルムコンデンサの構成図である。

図１Ａは本発明の実施の形態における金属化フィルムコンデンサ７の斜視図である。図１Ｂは図１Ａに示す金属化フィルムコンデンサ７の線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。図１Ｃは図１Ａに示す金属化フィルムコンデンサ７の線１Ｃ−１Ｃにおける断面図である。金属化フィルムコンデンサ７は、コンデンサ素子８と、コンデンサ素子８の端面１０９、１１０にそれぞれ設けられた端面電極９、１０と、コンデンサ素子８の中心軸７Ｃに挿入された巻芯１１、１２とを備えている。実施の形態では端面電極９、１０はメタリコン電極である。

図１Ｄは図１Ｂに示す金属化フィルムコンデンサ７の拡大断面図である。コンデンサ素子８は、積層された金属化フィルム１０１、２０１を有する。金属化フィルム１０１は、誘電体フィルム１０１Ａと、誘電体フィルム１０１Ａの面１１０１Ａ上に設けられた電極膜１０１Ｂとを有する。金属化フィルム２０１は、誘電体フィルム２０１Ａと、誘電体フィルム２０１Ａの面１２０１Ａ上に設けられた電極膜２０１Ｂとを有する。電極膜１０１Ｂ（２０１Ｂ）が誘電体フィルム１０１Ａ（２０１Ａ）を介して電極膜２０１Ｂ（１０１Ｂ）に対向するように金属化フィルム１０１、２０１が積層されて中心軸７Ｃすなわち巻芯１１、１２を中心に巻回されている。端面１０９、１１０は中心軸７Ｃ上で互いに反対側に位置する。

実施の形態では、巻芯１１、１２は金属化フィルム１０１（２０１）の誘電体フィルム１０１Ａ（２０１Ａ）の電極膜１０１Ｂ（２０１Ｂ）が形成された面１１０１Ａ（１２０１Ａ）と反対側の面２１０１Ａ（２２０１Ａ）に配置されている。巻芯１１、１２は中心軸７Ｃに沿って互いにスペース１３を空けるように配置され、巻芯１１、１２は導通が断たれた状態になっている。巻芯１１、１２の外端部はコンデンサ素子８の端面１０９、１１０まで延びて端面電極９、１０とそれぞれ接続されている。巻芯１１の中心軸７Ｃの方向の長さＬ_１は巻芯１２の中心軸７Ｃの方向の長さＬ_２より長く、Ｌ_１＞Ｌ_２とＬ_１＋Ｌ_２＜Ｌ_ｄの関係を満たす。

端面電極９、１０は表面積が大きく、熱伝導性の優れた部材よりなる。したがって、巻芯１１、１２を端面電極９、１０に接続することによりコンデンサ素子８の放熱性能を高めることができる。

コンデンサ素子８の外周は、例えばポリプロピレンやポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニルサルファイドなどの熱可塑性樹脂からなる絶縁性材料の外装体８Ａで覆われている。

誘電体フィルム１０１Ａ、２０１Ａは例えばポリプロピレンやポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニルサルファイドなどの熱可塑性樹脂からなる絶縁性材料よりなる。電極膜１０１Ｂ、２０１Ｂは、アルミニウムや亜鉛、マグネシウムなどの金属材料を誘電体フィルム１０１Ａ，２０１Ａの面１１０１Ａ、１２０１Ａに蒸着して形成できる。

巻芯１１、１２は１つの中心軸７Ｃに沿って延び、中心軸７Ｃ上に間に所定のスペース１３を空けて互いに非接触状態で配設した。実施の形態ではスペース１３の中心軸７Ｃの方向の間隔は２０ｍｍである。正負の絶縁が確保されていれば、スペース１３の間隔はこの数値に制限されない。スペース１３は空間であってもよく、あるいは樹脂やゴム、セラミックなどの絶縁部材がスペース１３に挿入されていてもよい。

図２Ａは金属化フィルムコンデンサ７の製造方法を示す斜視図である。図２Ｂと図２Ｃは図２Ａに示す金属化フィルムコンデンサ７の断面図である。厚み１０μｍ程度のアルミニウム箔あるいは銅箔を巻き取り装置の軸１００１を中心に５ターン巻回することによって巻芯１１、１２を形成する。巻芯１１、１２は、上記以外の材料からなる金属箔により形成してもよい。巻芯１１、１２は金属以外の有機、無機材料からなるフィルムにより形成してもよいが、誘電体フィルム１０１Ａ、２０１Ａよりも熱伝導性が高いことが好ましい。上記のように薄い箔を巻回して巻芯１１、１２を形成する場合は、その箔は可撓性のある材料が適しており、厚みは数μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。なお、巻芯１１、１２としては、巻回された薄い箔の代わりに、厚みのある筒状体あるいは棒状体で形成してもよい。

次に、巻芯１１、１２に金属化フィルム１０１、２０１を巻取り、巻芯１１、１２を巻取り装置の軸１００１から外すと、図２Ａから図２Ｃに示す円柱状のコンデンサ素子８が形成される。

実施の形態では、巻芯１１、１２の各外端部はコンデンサ素子８の端面１０９、１１０から０．５ｍｍだけ突出する。コンデンサ素子８の端面１０９、１１０にアルミや亜鉛、マグネシウムなどの金属材料を溶射することで端面電極９、１０を形成する。巻芯１１、１２の外端部をコンデンサ素子８の外方へ突出させることで、端面電極９、１０との接続信頼性が増し、熱を逃がしやすくすることができる。

高い熱伝導率を有する巻芯１１、１２を端面電極９、１０に接続することで、コンデンサ素子８にリップル電流通電等を行うことによってコンデンサ素子８が発熱し、コンデンサ素子８内部の温度が上昇しても、巻芯１１、１２がヒートパイプの役割を果たし、端面電極９、１０を介して外部へ放熱することができる。本実施の形態では、図２Ａから図２Ｃに示す円柱状のコンデンサ素子８を押圧して偏平加工し、図１Ａから図１Ｃに示すように長円形の断面を有するコンデンサ素子８を形成する。偏平加工後の巻芯１１、１２の中心軸７Ｃに直角の断面での幅Ｗ_１は１２ｍｍであり、厚みＤ_１は０．１ｍｍである。また扁平加工後のコンデンサ素子８の体積は、約１６７ｃｍ^３である。

コンデンサ素子８を偏平加工することにより、複数のコンデンサ素子８を並べたときに空隙を減らすことができ、電子部品の小型化に寄与する。実施の形態における巻芯１１、１２は薄い箔から形成されているので、厚みのある板や太い棒等と比較して機械的強度がそれ程高くない。したがって巻芯１１、１２は容易に偏平加工でき、偏平加工後に元の形状である円形に戻り難いので、エアギャップの発生が無くなって放熱性の向上と安定化が図れる。

図３は金属化フィルムコンデンサ７を用いたコンデンサユニット１６の斜視図である。コンデンサユニット１６では、複数の金属化フィルムコンデンサ７が並べられ、複数の金属化フィルムコンデンサ７の端面電極９がバスバー１４に接続され、端面電極１０がバスバー１５に接続されている。実施の形態では、巻芯１１、１２は端面電極９、１０とそれぞれ接続されている。巻芯１１、１２のうちの少なくともいずれか一方をバスバー１４もしくはバスバー１５と直接接続してもよい。バスバー１４、１５は表面積が大きく、熱伝導性の優れた部材なので、コンデンサ素子８の放熱性を高めることができる。

また、巻芯１１、１２の少なくともいずれか一方を、コンデンサ素子８を収容する金属製のケースと直接接続してもよい。このようなケースは表面積が大きく、熱伝導性の優れた部材なので、コンデンサ素子８の放熱性を高めることができる。

図４Ａから図４Ｃに示す従来の金属化フィルムコンデンサ１では、巻芯２、３がコンデンサ素子４の中央で分離されている。したがって、最も放熱されにくいコンデンサ素子４の中心部分を効率よく放熱できず、巻芯２、３でコンデンサ素子４の十分放熱できない場合がある。

巻芯１１、１２の長さＬ_１、Ｌ_２と材料の異なるコンデンサ素子８の実施例１〜８の試料を作製し、放熱性を評価した。表１は金属化フィルムコンデンサ７の放熱性の評価結果を示す。巻芯１１、１２の材料としてアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）を用いた。長さＬ_１、Ｌ_２は、コンデンサ素子８内での巻芯１１、１２の長さである。即ち巻芯１１、１２がコンデンサ素子８の端部から突出している場合、長さＬ_１，Ｌ_２は突出している部分を除く巻芯１１、１２の長さである。外端部から突出していない場合は、長さＬ_１、Ｌ_２は巻芯１１、１２そのものの長さを指す。

これらの試料において、コンデンサ素子８の中心軸７Ｃの方向の長さＬ_ｄは、実施の形態では端面電極９、１０間の距離を指し、１００ｍｍとした。スペース１３の中心軸７Ｃの方向の長さは２０ｍｍとした。表１におけるスペース１３での熱伝導率は０．０５Ｗ／ｍ・Ｋとした。バスバー１４、１５の代わりに銅板を用い、端面電極９および巻芯１１、１２と接続した。

表１において、長さＬ_１、Ｌ_２が以下に示す式Ｆ１、式Ｆ２および式Ｆ３を満たす場合は「Ｙｅｓ」と記し、満たさない場合は「Ｎｏ」と記している。

Ｌ_１≧Ｌ_ｄ／２ ・・・（式Ｆ１）
Ｌ_２≧（Ｌ_ｄ−Ｌ_１）／２ ・・・（式Ｆ２）
Ｌ_２＞Ｌ_ｄ／５ ・・・（式Ｆ３）
比較例として、Ｌ_１＝Ｌ_２を満たす、すなわち巻芯１１、１２が中央で分離され同じ長さであるコンデンサ素子を作製した。放熱性は、リップル電流通電（７．５ＫＨｚ、１７Ａｒｍｓ）による自己温度上昇を比較例と対比させて判定した。すなわち比較例のコンデンサ素子８のリップル電流による温度上昇Ｔ_０と、実施例１〜８のリップル電流による温度上昇ＴとでΔＴ＝Ｔ_０−Ｔを算出し、表１にΔＴ／Ｔ_０（％）の値を示す。この値が大きい程、比較例よりも放熱性が優れると判断できる。

表１から分かるように、少なくとも式Ｆ１と式Ｆ２を満たすことにより、比較例より放熱性を高めることができる。

すなわち、式Ｆ１を満たすことで、巻芯１２より長い巻芯１１は少なくともコンデンサ素子８の中心部に到達する。したがってコンデンサ素子８内で最も熱の篭り易い領域の熱を巻芯１１によって外部に放散することができる。

また、式Ｆ２を満たすことにより、コンデンサ素子８の中心軸７Ｃに沿った空間のうち、巻芯１１が存在しない部分の中心部に短い巻芯１２が到達する。

コンデンサ素子８の中心軸７Ｃに沿って巻芯１１のみを挿入した状態においては、コンデンサ素子８の中心軸７Ｃに沿った空間のうち、巻芯１１が存在しない部分に熱が篭る。ここで、巻芯１１が存在しない部分の両端部の熱はそれぞれ巻芯１１、コンデンサ素子８の端面１１０からコンデンサ素子８の外部に向けて放散される。したがって、巻芯１１が存在しない部分において最も熱の篭り易い領域は、巻芯１１が存在しない部分の中心軸７Ｃに沿った中心部付近となる。そこで、式Ｆ２を満たすように、巻芯１１が存在しない部分の中心部に巻芯１２が到達することで、巻芯１２は巻芯１１が存在しない部分の中で最も熱の篭り易い領域に到達し、巻芯１１が存在しない部分に篭った熱を外部に放散することができる。なお、ここで、熱の最も篭り易い領域とは巻芯１１が存在しない部分内の最も温度が高い位置を中心とした、その最も高い温度と１℃以内の温度差の領域である。

なお、アルミニウムにて形成された巻芯１１をコンデンサ素子８の中心軸７Ｃに挿入し、上記の領域の位置を検証した結果、上述のようにこの最も熱の篭り易い領域は巻芯１１が存在しない空間の中心部付近に形成されることが確認できた。さらに、アルミニウムよりも熱伝導率の高い材料（例えば銅）にて最も熱の篭り易い領域の位置を検証すると、この最も熱の篭り易い領域はさらにコンデンサ素子８の端面１１０に移動することが確認できた。したがって、アルミニウムの熱伝導率（２３６Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の熱伝導性を有する材料を用いて巻芯１１を形成した場合は、式Ｆ２を満たすことにより、巻芯１２は巻芯１１が存在しない部分の中で最も熱の篭り易い領域に到達することができ、効率よくコンデンサ素子８の中心軸内の熱を外部に放散することができる。

また巻芯１２の長さＬ_２は、式３を満たすことでより長くなり、放熱性を高めることができる。すなわち短い方の巻芯１２は、コンデンサ素子８の長さＬ_ｄの二割より長くすることで、両端の端面電極９、１０に接続されたバスバー１４、１５を使って効率よく放熱することができる。

なお、巻芯１１、１２が無いコンデンサ素子では、比較例と比べて６．８℃温度が上昇した。したがって、巻芯１１、１２を挿入することにより放熱性を高めることができる。実施の形態における金属化フィルムコンデンサ７では巻芯１１、１２を上記構成とすることにより、放熱性をさらに高めることができる。

本発明による金属化フィルムコンデンサは、放熱性に優れ、特に高温高圧下の過酷な使用環境で十分な性能が要求される自動車用の分野において有用である。

７ 金属化フィルムコンデンサ
７Ｃ 中心軸
８ コンデンサ素子
１１ 巻芯（第１の巻芯）
１２ 巻芯（第２の巻芯）
１３ スペース
１０１Ａ 誘電体フィルム
１０１Ｂ 電極膜（第１の電極膜）
１０９ 端面（第１の端面）
１１０ 端面（第２の端面）
２０１Ａ 誘電体フィルム
２０１Ｂ 電極膜（第２の電極膜）

Claims (3)

1. 中心軸に沿って配置された第１の巻芯と、
   前記第１の巻芯とスペースを空けて前記中心軸に沿って配置された第２の巻芯と、
   誘電体フィルムと、前記誘電体フィルム上に設けられた第１の電極膜と、前記誘電体フィルムを介して前記第１の電極膜に対向する第２の電極膜とを有し、前記中心軸を中心に前記第１の巻芯と前記第２の巻芯に巻回されているコンデンサ素子と、
   を備え、
   前記第１の巻芯と前記第２の巻芯は前記誘電体フィルムよりも熱伝導率が高く、
   前記中心軸の方向の前記コンデンサ素子の長さＬ_ｄと、前記コンデンサ素子内における前記中心軸の方向の前記第１の巻芯の長さＬ_１と、前記コンデンサ素子内における前記中心軸の方向の前記第２の巻芯の長さＬ_２は以下の関係を満たす、
   Ｌ_１＞Ｌ_２
   Ｌ_１＋Ｌ_２＜Ｌ_ｄ
   Ｌ_１≧Ｌ_ｄ／２
   Ｌ_２≧（Ｌ_ｄ−Ｌ_１）／２
   金属化フィルムコンデンサ。
2. 前記第２の巻芯の長さＬ_２は以下の関係を満たす、
   Ｌ_２＞Ｌ_ｄ／５
   請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
3. 前記コンデンサ素子は前記中心軸上で互いに反対側に位置する第１と端面と第２の端面とを有し、
   前記第１の巻芯と前記第２の巻芯は前記第１の端面と前記第２の端面にそれぞれ達している、請求項１または２に記載の金属化フィルムコンデンサ。

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