JP6481200B2 - 電気二重層キャパシタのユニット構造 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電気二重層キャパシタを収納する際に、電気二重層キャパシタの固定構造を改善することにより、冷却性能の向上を図るようにした電気二重層キャパシタのユニット構造に関する。

従来から、充放電サイクル特性（寿命）や急速充放電に優れた特徴を有する蓄電池の１つとして、電気二重層キャパシタが知られている。この電気二重層キャパシタは、電気二重層という界面現象を蓄電に利用したものであり、エネルギや環境に優しいデバイスとして、近年注目されている。これにより、電気二重層キャパシタが使用される機器については、携帯機器、車載機器、及び、ソーラー応用製品等となっており、非常に幅広い分野で多岐に亘っている。更に、その主な用途としては、アクチュエータやモータ等の駆動源を駆動するための電源に多く使用されている。

また、電気二重層キャパシタが振動を受け易い位置に設置される場合には、外部からの衝撃及び振動に耐え得る丈夫な筐体内に、複数の電気二重層キャパシタを収納することにより、ユニット化を図るようにしている。そして、このような、従来の電気二重層キャパシタのユニット構造としては、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２０１１−２２２５７３号公報

上記従来のユニット構造においては、筐体内に隙間無く一列に並べた複数の電気二重層キャパシタに対して、筐体内に支持された固定具を押し付けることにより、それらの電気二重層キャパシタを筐体内に固定するようにしている。

ここで、電気二重層キャパシタにおいては、充放電時におけるジュール熱によって発熱してしまい、この発熱によって電気二重層キャパシタ自体の温度を上昇させる要因となっている。このため、上記従来のユニット構造のように、複数の電気二重層キャパシタを隙間なく密着させて収納してしまうと、電気二重層キャパシタからの放熱が著しく阻害されることになる。特に、充放電を頻繁に繰り返すような用途に適用される電気二重層キャパシタにおいては、当該電気二重層キャパシタの温度が急激に上昇して、使用可能な温度上限を超えてしまうため、劣化が促進され、寿命が短くなるおそれがある。

そこで、複数の電気二重層キャパシタを筐体内に収納する際に、隣接する電気二重層キャパシタ間に隙間を形成して、冷却性能の向上を図ることも考えられる。しかしながら、単に、隣接する電気二重層キャパシタ間に隙間を形成したのでは、固定具やこれを留めるためのねじ等の設置数量が増えたり、固定具の長さが長くなったりしてしまい、生産性の低下や製造コストの増加を招くおそれがある。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、冷却性能の向上を図りつつ、生産性の向上及び製造コストの抑制を図ることができる電気二重層キャパシタのユニット構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための第１の発明に係る電気二重層キャパシタのユニット構造は、
箱型の筐体内に、並列または直列に接続される複数の電気二重層キャパシタを一列に並べて収納するようにした電気二重層キャパシタのユニット構造において、
前記電気二重層キャパシタが、当該電気二重層キャパシタの表面の少なくとも一部分を覆う保護部材を有し、
前記筐体内における対向した一方の壁面及び他方の壁面に、複数の凸部及び複数の凹部がキャパシタ配列方向に沿って交互に形成される固定部材を、互いの前記凸部及び前記凹部が対向するように設け、
対向した前記一方の壁面側の前記凹部と前記他方の壁面側の前記凹部との間に、前記保護部材と共に前記電気二重層キャパシタを嵌め込み、
前記保護部材を前記筐体内に向けて押し付ける押付部材を前記一方の壁面及び前記他方の壁面に設け、
前記押付部材が、前記保護部材を押さえ付けるときに、前記固定部材と接触する
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第２の発明に係る電気二重層キャパシタのユニット構造は、
前記筐体は、前記一方の壁面と前記他方の壁面とを連結する連結壁を有し、
前記連結壁における対向した前記一方の壁面側の前記凸部と前記他方の壁面側の前記凸部との間に対応した位置に形成され、前記筐体の外部と連通する通風孔を備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第３の発明に係る電気二重層キャパシタのユニット構造は、
前記筐体は、前記複数の電気二重層キャパシタのうち、キャパシタ配列方向両端に配置された電気二重層キャパシタとキャパシタ配列方向で対向する対向壁面を有し、
前記通風孔は、隣接した前記電気二重層キャパシタ間、及び、キャパシタ配列方向両端に配置された前記電気二重層キャパシタと前記対向壁面との間に、配置される
ことを特徴とする。

従って、本発明に係る電気二重層キャパシタのユニット構造によれば、筐体内の対向した位置に設けた固定部材の凹部間に、電気二重層キャパシタを嵌め込むことにより、筐体内に、凸部のキャパシタ配列方向長さの分だけの隙間を形成することができるので、電気二重層キャパシタに対する冷却性能を向上させることができる。また、対向した凹部間に電気二重層キャパシタを嵌め込むだけで、当該電気二重層キャパシタを固定することができるので、生産性の向上を図ることができる。更に、追加する部材を固定部材のみとすることができるので、製造コストの抑制を図ることができる。

本発明の一実施例に係る電気二重層キャパシタをモジュール化したときの斜視図である。 キャパシタモジュールを下ケース内に固定するときの様子を示した斜視図である。 図２のＡ矢視図である。 下ケース内に固定されたキャパシタモジュールを上ケースに固定するときの様子を示した斜視図である。 図４のＢ矢視図である。 本発明の一実施例に係るキャパシタモジュールをユニット化したときの斜視図である。 固定金具によるキャパシタモジュールの固定状態を示した断面図である。

以下、本発明に係る電気二重層キャパシタのユニット構造について、図面を用いて詳細に説明する。なお、下記の実施形態では、電気化学蓄電素子の一例として、電気二重層キャパシタを挙げることにしている。

始めに、図６に示すように、本発明に係るキャパシタユニット１は、複数のキャパシタモジュール１０を、横置きで、且つ、隣接したキャパシタモジュール１０間の前面と後面とが対向するように一列に並べた状態で、筐体２０内に収納するようにした構成を採用している。

先ず、キャパシタモジュール１０の構成について、図１を用いて説明する。

図１に示すように、キャパシタモジュール１０は、平板状をなす電気二重層キャパシタ１１に、前後一対の緩衝材（保護部材）１２を組み付けたものとなっている。電気二重層キャパシタ１１の外周は、アルミラミネートフィルム（図示省略）によって覆われている。このように、電気二重層キャパシタ１１をアルミラミネートフィルムによって覆うことにより、水分の浸入を防止して、キャパシタ内部に存在する電解液に水分を混入させないようにしている。

このとき、アルミラミネートフィルムの内部及び電気二重層キャパシタ１１の内部を減圧して、それらの内部を真空とした状態で、アルミラミネートフィルムの外周縁部を溶着するものの、電気二重層キャパシタ１１の正極端子１１ａ及び負極端子１１ｂは、アルミラミネートフィルムから露出している。

また、電気二重層キャパシタ１１の前面及び後面には、衝撃吸収材としての緩衝材１２がそれぞれ設けられている。これらの緩衝材１２は、両面テープや接着剤等によって、電気二重層キャパシタ１１の前面及び後面（アルミラミネートフィルムの表面）に貼り付けられており、その材質としては、例えば、弾性力に富んだ、熱可塑性エラストマ、加硫ゴム、発泡樹脂、発砲ゴム等が、採用されている。

緩衝材１２は、矩形の枠状平板部材となっており、上下方向で対向する２つの横枠部１２ａと、左右方向（幅方向）で対向する２つの縦枠部１２ｂとから構成されている。各横枠部１２ａは、電気二重層キャパシタ１１の前面及び裏面における上縁部及び下縁部にそれぞれ貼り付けられており、各縦枠部１２ｂは、電気二重層キャパシタ１１の前面及び裏面における左縁部及び右縁部にそれぞれ貼り付けられている。

即ち、電気二重層キャパシタ１１には、枠状をなす緩衝材１２が、その表面及び裏面における外周縁部全周に亘って、貼り付けられている。このように、電気二重層キャパシタ１１を緩衝材１２によって前後方向両側から挟むことにより、電気二重層キャパシタ１１の中でも、特に、外周縁部及び４つの隅部を、外的衝撃から保護している。

更に、前後一対の緩衝材１２が貼り付けられた電気二重層キャパシタ１１には、左右一対の環状バンド１３が巻かれている。この環状バンド１３は、電気二重層キャパシタ１１の左右両端部を、その縦方向において、前後一対の緩衝材１２ごと締め付けている。これにより、緩衝材１２の剥がれを防止することができる。

そして、上述したように、電気二重層キャパシタ１１に前後一対の緩衝材１２を設けて、それらを左右一対の環状バンド１３によって締め付けることにより、キャパシタモジュール１０が構成されることになる。

次に、複数のキャパシタモジュール１０を収納する筐体２０の構成について、図２乃至図７を用いて説明する。

図２乃至図５に示すように、筐体２０は、外部からの衝撃及び振動に耐え得る強度を有する金属材料や樹脂材料等から形成されており、上ケース及び下ケース２２を備えている。なお、図６に示すように、筐体２０は、上ケースと下ケース２２とを上下方向において重ね合わせることにより、前方に向けて開口する前側開口部２０ａを有する箱型をなすこととなる。

図２及び図３に示すように、下ケース２２は、底板２３、左右一対の側板２４，２５、及び、背面板（連結壁）２６から構成されている。このとき、底板２３、側板２４，２５、及び、背面板２６は、一体的に形成されている。即ち、底板２３の左右両端部には、側板２４，２５がそれぞれ立設されており、底板２３の後端部には、背面板２６が立設されている。そして、背面板２６の左右両端部は、側板２４，２５の各後端部と連結されている。また、詳細は後述するが、背面板２６には、複数の通風孔２６ａが形成されている。

なお、図４及び図５に示すように、上ケースは、天板２１のみによって構成されているが、例えば、上述した下ケース２２の構成と同様に、天板２１だけでなく、左右一対の側板、及び、背面板から構成しても構わない。

更に、図２乃至図５に示すように、筐体２０内の上部及び下部には、上下一対の固定部材３１が着脱可能に設けられている。言い換えれば、筐体２０内の上面（一方の壁面または他方の壁面）となる天板２１の下面２１ａ、及び、筐体２０内の下面（他方の壁面または一方の壁面）となる底板２３の上面２３ａには、上下一対の固定部材３１が固定可能となっている。

固定部材３１は、複数の凸部３１ａ及び複数の凹部３１ｂが、キャパシタ配列方向に沿って、交互に形成されるような、波状部材となっている。凸部３１ａは、並列に配置された複数のキャパシタモジュール１０のうち、キャパシタ配列方向に隣接したキャパシタモジュール１０間に、一定量の隙間を形成するものとなっている。一方、凹部３１ｂは、並列に配置された複数のキャパシタモジュール１０の各側部を嵌め込むための嵌合溝となっている。

つまり、天板２１に固定された波型の固定部材３１においては、凸部３１ａが、天板２１から離れる方向に（下方に向けて）膨出する一方、凹部３１ｂが、天板２１に接近する方向に（上方に向けて）凹んでいる。これに対して、底板２３に固定された波型の固定部材３１においては、凸部３１ａが、底板２３から離れる方向（上方に向けて）膨出する一方、凹部３１ｂが、底板２３に接近する方向（下方に向けて）凹んでいる。

なお、固定部材３１を天板２１及び底板２３に固定する場合には、凸部３１ａ及び凹部３１ｂの端面は、背面板２６に接している。また、凹部３１ｂは、天板２１及び底板２３に接しているが、それらとの間に隙間を空けて離間させても構わない。

また、天板２１に固定された固定部材３１と、底板２３に固定された固定部材３１とは、それぞれの凸部３１ａと凹部３１ｂとが、上下方向において直線的に対向するように配置されている。よって、並列に配置された複数のキャパシタモジュール１０の各左側部及び各右側部を、筐体２０内の上部に位置する凹部３１ｂと、筐体２０内の下部に位置する凹部３１ｂとの間に、それぞれ嵌め込むことにより、それらのキャパシタモジュール１０は、凸部３１ａのキャパシタ配列方向長さの分だけの隙間を空けながら、凹部３１ｂの設置間隔で１列に並ぶことになる。

更に、図２、図３、及び、図５に示すように、背面板２６には、複数の通風孔２６ａが形成されている。これらの通風孔２６ａは、天板２１に固定された凸部３１ａと、底板２３に固定された凸部３１ａとによって、上下方向両側から挟まれた位置で、且つ、キャパシタ配列方向に隣接したキャパシタモジュール１０間、及び、キャパシタ配列方向両端に配置されたキャパシタモジュール１１と、キャパシタ配列方向で対向する側板２４，２５の内面（対向壁面）２４ａ，２５ａとの間に配置されている。

これにより、キャパシタモジュール１０の前面側及び後面側には、前側開口部２０ａと背面板２６の通風孔２６ａとを繋いだ冷却用通路が、形成されることになる。即ち、キャパシタモジュール１０は、その厚さ方向（キャパシタ配列方向）両側から冷却用通路に挟まれた状態となる。

そして、図６に示すように、筐体２０内に収納された複数のキャパシタモジュール１０は、正極端子１１ａ及び負極端子１１ｂを前側開口部２０ａから臨めるような、横置き状態となると共に、上下一対の固定金具（押付部材）３２によって、背面板２６側に向けて押し付けられている。

図６及び図７に示すように、固定金具３２は、キャパシタ配列方向に延在すると共に、キャパシタ配列方向と直交する断面がＬ字状をなしている。また、固定金具３２の上下方向一端（Ｌ字断面を構成する一辺）３２ａは、天板２１の下面２１ａ及び底板２３の上面２３ａにビス等によって固定されている。一方、固定金具３２の上下方向他端（Ｌ字断面を構成する他辺）３２ｂは、筐体２０内に収納された複数のキャパシタモジュール１０における緩衝材１２の各上端面を押圧している。このとき、固定金具３２は、緩衝材１２の各上端面と天板２１の下面２１ａ及び底板２３の上面２３ａとがなす角部に合致すると共に、他端３２ｂが凸部３１ａ及び凹部３１ｂの各端面と接触する。

このように、複数のキャパシタモジュール１０を、固定金具３２によって背面板２６ａに向けて押し付けることにより、キャパシタモジュール１０における凹部３１ｂ内での位置ずれや、キャパシタモジュール１０の前側開口部２０からの飛び出しを、防止することができる。また、固定金具３２を固定部材３１に接触させることにより、筐体２０の剛性を向上させることができるため、当該筐体２０を、外部からの衝撃や振動に対して、十分に耐え得る構成とすることができる。

次に、キャパシタモジュール１０の筐体２０内への固定方法、即ち、キャパシタユニット１の組み立て方法について、図２乃至図７を用いて説明する。

先ず、図２及び図３に示すように、下ケース２２における底板２３の上面２３ａに、固定部材３１をリベットやビス等によって固定する。続いて、複数のキャパシタモジュール１０を、正極端子１１ａ及び負極端子１１ｂが下ケース２２の前方を向くように横向きにして、固定部材３１の凹部３１ｂに上方から嵌め込む。

このとき、キャパシタモジュール１０における一方の側部（左側部または右側部）が、凹部３１ｂに嵌め込まれることになるが、詳細には、電気二重層キャパシタ１１における一方の側部を、その前面及び後面に設けられた緩衝材１２の縦枠部１２ｂによって挟んだ状態で、それらが凹部３１ｂに嵌め込まれることになる。これにより、複数のキャパシタモジュール１０は、凹部３１ｂの設置間隔となる一定量の間隔を有して、一列に並べられることになり、隣接したキャパシタモジュール１０間におけるキャパシタ配列方向の隙間量（隙間長さ）は、凸部３１ａのキャパシタ配列方向長さとなる。

次いで、図４及び図５に示すように、天板２１の下面２１ａに、固定部材３１をリベットやビス等によって固定する。続いて、その天板２１を下ケース２１の側板２４，２５及び背面板２６の内側に嵌め込む。即ち、天板２１に固定された固定部材３１の凹部３１ｂに、下ケース２２内に固定された複数のキャパシタモジュール１０における他方の側部（右側部または左側部）が押し込まれるように、天板２１を下ケース２１内に上方から嵌め込む。

このとき、キャパシタモジュール１０における他方の側部が、凹部３１ｂに嵌め込まれることになるが、詳細には、電気二重層キャパシタ１１における他方の側部を、その前面及び後面に設けられた緩衝材１２の縦枠部１２ｂによって挟んだ状態で、それらが凹部３１ｂに嵌め込まれることになる。これにより、筐体２０内に、複数のキャパシタモジュール１０が並列に配置された状態で収納されたことになり、その前方には、前側開口部２０ａが形成される。

そして、図６に示すように、固定金具３２を、筐体２０の前側開口部２０ａから挿入した後、複数のキャパシタモジュール１０をそれらの固定金具３２によって更に固定する。即ち、図７に示すように、筐体２０内に収納された複数のキャパシタモジュール１０を、天板２１及び底板２３に固定された固定金具３２によって、背面板２６側に押し付ける。

次いで、正極端子１１ａ同士を電気的に並列または直列に接続すると共に、負極端子１１ｂ同士を電気的に並列または直列に接続する。これにより、複数の電気二重層キャパシタ１１は筐体２０用いてユニット化されたことになり、キャパシタユニット１の組み立てが完了する。

従って、本発明に係る電気二重層キャパシタのユニット構造によれば、筐体２０内における上下方向で対向した位置に設けた固定部材３１の凹部３１ｂ間に、キャパシタモジュール１０を嵌め込むことにより、筐体２０内に、凸部３１ｂのキャパシタ方向長さの分だけの隙間を形成することができるので、電気二重層キャパシタ１１に対する冷却性能を向上させることができる。また、上下方向で対向した凹部３１ｂ間にキャパシタモジュール１０を嵌め込むだけで、当該キャパシタモジュール１０を固定することができるので、生産性の向上を図ることができる。更に、従来構成に比べて、追加する部材を固定部材３１のみとすることができるので、製造コストの抑制を図ることができる。

そして、背面板２６における上下方向で対向した凸部３１ａ間に対応した位置に、通風孔２６ａを形成することにより、電気二重層キャパシタ１１に対する冷却性能を更に向上させることができる。

また、電気二重層キャパシタ１１を保護する緩衝材１２を、その電気二重層キャパシタ１１と共に固定部材３１の凹部３１ｂに嵌め込むことにより、キャパシタモジュール１０を固定部材３１の凹部３１ｂに嵌め込んでも、電気二重層キャパシタ１１への損傷を防止することができると共に、緩衝材１２の剥がれを防止することができる。

更に、キャパシタモジュール１０の緩衝材１２を、固定金具３２によって押し付けることにより、キャパシタモジュール１０における凹部３１ｂ内での位置ずれを防止することができる。しかも、固定金具３２を固定部材３１における凸部３１ａ及び凹部３１ｂの端面に接触させているため、筐体２０全体の剛性を向上させることができる。

本発明に係る電気二重層キャパシタのユニット構造を、リチウム電池のユニット構造等の電気化学蓄電素子のユニット構造に適用しても、同様の効果を奏する。

１ キャパシタユニット
１０ キャパシタモジュール
１１ 電気二重層キャパシタ
１１ａ 正極端子
１１ｂ 負極端子
１２ 緩衝材
１２ａ 横枠部
１２ｂ 縦枠部
１３ 環状バンド
２０ 筐体
２０ａ 前側開口部
２１ 天板
２１ａ 下面
２２ 下ケース
２３ 底板
２３ａ 上面
２４，２５ 側板
２４ａ，２５ａ 内面
２６ 背面板
２６ａ 通風孔
３１ 固定部材
３１ａ 凸部
３１ｂ 凹部
３２ 固定金具
３２ａ 一端
３２ｂ 他端

Claims (3)

1. 箱型の筐体内に、並列または直列に接続される複数の電気二重層キャパシタを一列に並べて収納するようにした電気二重層キャパシタのユニット構造において、
   前記電気二重層キャパシタが、当該電気二重層キャパシタの表面の少なくとも一部分を覆う保護部材を有し、
   前記筐体内における対向した一方の壁面及び他方の壁面に、複数の凸部及び複数の凹部がキャパシタ配列方向に沿って交互に形成される固定部材を、互いの前記凸部及び前記凹部が対向するように設け、
   対向した前記一方の壁面側の前記凹部と前記他方の壁面側の前記凹部との間に、前記保護部材と共に前記電気二重層キャパシタを嵌め込み、
   前記保護部材を前記筐体内に向けて押し付ける押付部材を前記一方の壁面及び前記他方の壁面に設け、
   前記押付部材が、前記保護部材を押さえ付けるときに、前記固定部材と接触する
   ことを特徴とする電気二重層キャパシタのユニット構造。
2. 請求項１に記載の電気二重層キャパシタのユニット構造において
   前記筐体は、前記一方の壁面と前記他方の壁面とを連結する連結壁を有し、
   前記連結壁における対向した前記一方の壁面側の前記凸部と前記他方の壁面側の前記凸部との間に対応した位置に形成され、前記筐体の外部と連通する通風孔を備える
   ことを特徴とする電気二重層キャパシタのユニット構造。
3. 請求項２に記載の電気二重層キャパシタのユニット構造において、
   前記筐体は、前記複数の電気二重層キャパシタのうち、キャパシタ配列方向両端に配置された電気二重層キャパシタと対向する対向壁面を有し、
   前記通風孔は、隣接した前記電気二重層キャパシタ間、及び、キャパシタ配列方向両端に配置された前記電気二重層キャパシタと前記対向壁面との間に、配置される
   ことを特徴とする電気二重層キャパシタのユニット構造。

Images