JP6488464B2 - フィルムコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、ケース内にコンデンサ素子を収容したフィルムコンデンサに関する。

近年、電気機器、電子機器、産業機器や自動車などに搭載されるフィルムコンデンサは、充放電の際に生じる熱を放出することにより、フィルムコンデンサの信頼性を高めることが要求されている。

例えば、特許文献１には、複数のコンデンサ素子と、コンデンサ素子に接続されたバスバーとを備え、バスバーに設けた外部接続用の端子部に最も近い部分に他の部分と比べて放熱性能が優れる放熱手段を設けたフィルムコンデンサが開示されている。以下に具体的に説明する。

図６は従来のフィルムコンデンサの構成を示した斜視図であり、図７は上面側の正極バスバー９２Ａを除いた状態の平面図である。フィルムコンデンサは複数のコンデンサ素子９１、正極バスバー９２Ａ、及び負極バスバー９２Ｂをケース９３に収容している。各コンデンサ素子９１の両端面に形成されたメタリコン電極はそれぞれ正極バスバー９２Ａと負極バスバー９２Ｂとに接続されている。そして、従来のフィルムコンデンサは、正極バスバー９２Ａに設けた外部接続用の正極外部端子部９２Ａ２、及び負極バスバー９２Ｂに設けた外部接続用の負極外部端子部９２Ｂ２に最も近い部分にコンデンサ素子９１を配置せず、モールド樹脂９６のみが配設されるように構成されている。正極外部端子部９２Ａ２と負極外部端子部９２Ｂ２に入力側から印加される電流と共に熱も一緒に伝導された場合でも、この熱は正極外部端子部９２Ａ２と負極外部端子部９２Ｂ２からそれぞれ正極バスバー９２Ａと負極バスバー９２Ｂを介してコンデンサ素子９１に伝導される前に、まずモールド樹脂９６に伝導されるようになるため、このモールド樹脂９６から熱を外部へ放熱することができる。よって、従来のフィルムコンデンサでは、コンデンサ素子９１にダメージを与えるような大きな熱が伝導するのを抑制することができる。

このように、特許文献１で開示された従来技術ではある程度の発熱を抑制することは可能であるが、近年、フィルムコンデンサの放熱性能をより向上させることが求められている。

特開２０１３−２６５８６号公報

フィルムコンデンサは、端部にメタリコン電極が形成されたコンデンサ素子と、メタリコン電極と接続しているバスバーと、コンデンサ素子とバスバーを収容するための収容部を有するケースと、収容部の開口を覆う蓋部材と、バスバーと蓋部材との間に配設される熱伝導部材と、を備え、蓋部材は熱伝導部材と対向する側に凸部を有し、凸部は熱伝導部材と接すると共に、熱伝導部材はバスバーと接した構成となっている。

放熱性能を向上させることにより信頼性を高めたフィルムコンデンサを提供できる。

図１は第１実施形態のフィルムコンデンサの斜視図である。 図２は第１実施形態のフィルムコンデンサの分解斜視図である。 図３は第１実施形態のフィルムコンデンサの断面図である。 図４は第１実施形態の第１蓋部材と第２蓋部材が分離した状態の斜視図である。 図５は第１実施形態の樹脂液注入を説明する概略斜視図である。 従来のフィルムコンデンサの斜視図である。 従来のフィルムコンデンサの上面側の正極バスバーを除いた状態の平面図である。

以下、図面を参照して第１実施形態におけるフィルムコンデンサの構成及びその製造方法について説明する。

図１は、第１実施形態によるフィルムコンデンサの斜視図であり、図２はフィルムコンデンサの要部の分解斜視図である。また、図３は図１の切断線Ｉ−Ｉにおける断面図である。

本実施形態において、フィルムコンデンサは電流平滑用のコンデンサ素子１を６つ備えている。各コンデンサ素子１の両端部にはメタリコン電極１１が形成されている。ここで、コンデンサ素子１の構成について詳述する。コンデンサ素子１は、互いに対向する２つの端面と、この２つの端面をつなぐ側面とを有し、端面視で扁平形状（２つの平面と２つの曲面を有する形状）をなしている。また、コンデンサ素子１は、一対の金属化フィルムを備えている。金属化フィルムは、ポリプロピレン（以下、「ＰＰ」という）などからなる誘電体フィルムの表面のうちの少なくとも片面にアルミニウムを蒸着して蒸着金属層（蒸着電極）を形成したものである。そして、この一対の金属化フィルムは重ね合わせられて巻回（巻回体）されている。また、巻回体の両方の端面には亜鉛からなるメタリコン電極１１が形成されている。

例えば銅などの金属製のバスバー２は、正極バスバー２Ａと負極バスバー２Ｂとで構成されている。負極バスバー２Ｂの正極バスバー２Ａとの対向面には、正極バスバー２Ａとの絶縁を図るために絶縁紙３３が貼り付けられている。各コンデンサ素子１の一方のメタリコン電極１１には正極バスバー２Ａが、他方のメタリコン電極１１には負極バスバー２Ｂが、半田付けや抵抗溶接により接続されている。

正極バスバー２Ａと負極バスバー２Ｂが接続された複数のコンデンサ素子１は、ポリフェニレンサルファイド（以下、「ＰＰＳ」という）などの絶縁樹脂からなるケース３に設けられた収容部３Ａに収容されている。ケース３は上方開口型で、略矩形状をした開口を有しており、収容部３Ａの開口を取り巻くように略矩形状をした矩形環状端面３Ｂが形成されている。

また、コンデンサ素子１の配列方向（Ｘ方向）における正極バスバー２Ａの端部及び負極バスバー２Ｂの両端部には、それぞれ保持部２Ａ１、保持部２Ｂ１が設けられ、保持部２Ａ１及び保持部２Ｂ１がケース３の矩形環状端面３Ｂの所定の位置に引っ掛けられている。そして、負極バスバー２Ｂのメタリコン電極１１との接続面（メタリコン電極接続面）と反対側の表面（熱伝導部材配置面）には絶縁紙やアクリル系樹脂からなる熱伝導シート４が配置され、熱伝導シート４は負極バスバー２Ｂと接している。熱伝導シート４は、絶縁性に支障がない限り厚さの小さいものが好ましく、例えば厚さが０．５〜１．０ｍｍのものを用いることができる。本実施形態においては、熱伝導シート４としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムにポリアミド紙を貼り付けた絶縁紙を用いている。該絶縁紙はハンドリング性がよく、また厚みが薄い。熱伝導シート４は熱伝導部材の一例である。

例えばアルミニウム等の金属製の蓋部材５が、ケース３の収容部３Ａの開口を覆うようにケース３の矩形環状端面３Ｂの上に配置されており、ネジ８によりケース３の矩形環状端面３Ｂにネジ止めされている。また、正極バスバー２Ａの正極外部端子部２Ａ２は、正極バスバー２Ａの保持部２Ａ１よりもケース３から離れた位置に設けられている。同様に、負極バスバー２Ｂの負極外部端子部２Ｂ２は、負極バスバー２Ｂの保持部２Ｂ１よりもケース３から離れた位置に設けられている。

蓋部材５は第１蓋部材５Ａと第２蓋部材５Ｂとから構成されている。図２に示すように、第１蓋部材５Ａは第２蓋部材５Ｂよりも大きい。図４は第１蓋部材５Ａと第２蓋部材５Ｂが分離した状態の蓋部材５を熱伝導シート４側からみた斜視図である。第１蓋部材５Ａは切欠部５Ａ２を有している。第１蓋部材５Ａの切欠部５Ａ２を構成する３つの外縁の近傍には段差部５Ａ５が設けられている。また、上面視で矩形状をした第２蓋部材５Ｂの４辺のうち３辺の近傍にも段差部５Ｂ１が設けられている。第１蓋部材５Ａの段差部５Ａ５に第２蓋部材５Ｂの段差部５Ｂ１をはめ込むことにより第２蓋部材５Ｂは固定され、第１蓋部材５Ａと第２蓋部材５Ｂは組み合わされて蓋部材５を構成している。

図３に示すように、第１蓋部材５Ａは、フィルムコンデンサの表面を構成する外側面５Ａ３と、外側面５Ａ３の反対側にあってケース３の収容部３Ａに面している内側面５Ａ４を有している。内側面５Ａ４は凸部５Ａ１を有し、凸部５Ａ１の端部は熱伝導シート４と接している。すなわち、熱伝導シート４は負極バスバー２Ｂと蓋部材５（第１蓋部材５Ａの凸部５Ａ１）に挟まれている。この構造により、コンデンサ素子１から発生した熱がメタリコン電極１１、バスバー２、熱伝導シート４、凸部５Ａ１を介して蓋部材５全体に伝導されるので、フィルムコンデンサから外部へ効率よく熱を放出することができる。また、熱伝導シート４は絶縁性を有しているので、フィルムコンデンサの電気特性に影響を及ぼすことはない。なお、本実施形態以外の構成として負極バスバー２Ｂと蓋部材５との間に絶縁性の樹脂を流し込む構成も考えられるが、この場合は該樹脂を流し込むために負極バスバー２Ｂと蓋部材５との間に十分な隙間を設けなくてはならない。このように十分な隙間を空けた場合は当然放熱性が低下してしまい、本実施形態のような優れた放熱性は実現できない。一方、本実施形態のように厚みが薄いＰＥＴフィルムにポリアミド紙を貼り付けた絶縁紙を用いると、負極バスバー２Ｂと蓋部材５との距離を十分に近づけることができるため、優れた放熱性を実現することができる。

また、図２において紙面左側のコンデンサ素子１に隣接して、並列接続された２つのＹコンデンサ７がコンデンサ素子１に直列に接続されている。この２つのＹコンデンサ７はノイズ除去用に配設されている。

そして、図３に示すように、ケース３の収容部３Ａに対向している蓋部材５の内側面とケース３の収容部３Ａの表面３Ａ１で画定された空間には、その上部を除いてコンデンサ素子１封止用の樹脂層６が形成されている。樹脂層６は熱伝導シート４をすべて被覆しており、さらに凸部５Ａ１の熱伝導シート４側の端部は樹脂層６に埋設している。

しかし、本実施形態によれば、第１蓋部材５Ａの凸部５Ａ１の側面のうち熱伝導シート４側の端部（下端部）が樹脂層６により被覆（埋設）されており、凸部５Ａ１と樹脂層６のアンカー効果により第１蓋部材５Ａが熱伝導シート４に接した状態で確実かつ強固に第１蓋部材５Ａを固定することができる。また、本実施形態において図１及び図２に示すように、第１蓋部材５Ａはケース３の矩形環状端面３Ｂに２つのネジ８でネジ止めされているが、そのネジ８は矩形環状端面３Ｂの１つの辺のみに、しかも近接して締結されている。これはフィルムコンデンサの小型化の要請によるものである。そのため、第１蓋部材５Ａは矩形環状端面３Ｂにおいて互いに対向する辺を固定した両側固定ではなく片側固定であり、Ｘ方向と垂直なＹ方向に関しては実質的には２点固定ではなく１点固定に近い状態となる。しかしながら、第１蓋部材５Ａとケース３とが上記のように固定された場合であっても、凸部５Ａ１の熱伝導シート４側の端部が熱伝導シート４と接触した状態で樹脂層６により埋設されているので、凸部５Ａ１と熱伝導シート４との接触の安定性を高めることができる。さらに、本実施形態において、第１蓋部材５ＡのＹ方向の紙面奧側の内側面５Ａ４にＺ方向上側に向かう力が加わった場合においても、凸部５Ａ１の熱伝導シート４側の端部が熱伝導シート４と接触した状態で樹脂層６により埋設されているので、凸部５Ａ１と熱伝導シート４との接触の安定性を高めることができる。

モータ駆動用のインバーター回路（特に電車、車載用途）にフィルムコンデンサが組み込まれる場合、フィルムコンデンサには大電流により充放電が行われるため、より熱が発生し易くなる。したがって、このような用途に本実施形態のフィルムコンデンサを用いることで、信頼性の高いフィルムコンデンサを提供できる。
（製造方法）
以下に、本実施形態のフィルムコンデンサの製造方法を説明する。
（コンデンサ素子形成工程）
コンデンサ素子形成工程を説明する。まず、ＰＰからなる誘電体フィルムの片面にアルミニウムを蒸着させて、蒸着金属層（蒸着電極）が形成された金属化フィルムを形成する。なお、本実施形態ではこのように蒸着金属としてアルミニウムを用いたが、これ以外にも亜鉛やマグネシウムなどの金属、あるいはこれらの金属を混合させたものを用いてもよい。

次に、一方の極性用の金属化フィルムと他方の極性用の金属化フィルムとを幅方向の端部を僅かにずらした状態で重ねて巻回し、円柱状の巻回体を作製する。そして、この巻回体の曲面状の外周面を巻回体の径方向の両側から押圧して扁平形状（２つの平面と２つの曲面を有する形状）に加工する。さらに、扁平形状に加工された巻回体の互いに対向する２つの端面に亜鉛を溶射することによりメタリコン電極１１を形成する。これにより、誘電体フィルムを介して対向する蒸着金属層がメタリコン電極１１に接続されたコンデンサ素子１が完成する。
（バスバー接続工程）
まず、正極バスバー２Ａとの対向面に正極バスバー２Ａとの絶縁を図るために絶縁紙３３が貼り付けられた負極バスバー２Ｂと、正極バスバー２Ａと、Ｙコンデンサ７と、ＧＮＤ端子７Ａを用意する。次に、６つのコンデンサ素子１の一方のメタリコン電極１１に正極バスバー２Ａを、他方のメタリコン電極１１に負極バスバー２Ｂを半田付けや抵抗接合により接続する。また、Ｙコンデンサ７の一方のメタリコン電極１１とＧＮＤ端子７Ａの一端を半田付けや抵抗接合により接続し、Ｙコンデンサ７の他方のメタリコン電極と正極バスバー２Ａを半田付けや抵抗接合により接続する。
（封止工程）
まず、収容部３Ａを備えた上方開口型のＰＰＳ製のケース３を用意する。ケース３は収容部３Ａの開口を取り囲むように略矩形状をした矩形環状端面３Ｂを有している。

コンデンサ素子配列方向（Ｘ方向）における正極バスバー２Ａの端部及び負極バスバー２Ｂの端部にそれぞれ設けられた保持部２Ａ１、保持部２Ｂ１を、ケース３の矩形環状端面３Ｂの所定の位置に引っ掛けるように載置して、正極バスバー２Ａと負極バスバー２Ｂが接続された６つのコンデンサ素子１及び２つのＹコンデンサ７をケース３の収容部３Ａに収容する。このときＹコンデンサ７の一方のメタリコン電極に接続されたＧＮＤ端子７Ａの他端部も、その貫通孔が矩形環状端面３Ｂに設けられたネジ穴に重なるように、矩形環状端面３Ｂと接している。

次いで、負極バスバー２Ｂのメタリコン電極接続面と反対側の熱伝導部材配置面に絶縁紙やアクリル系樹脂からなる熱伝導シート４を配置する。次に、ケース３の収容部３Ａの開口を覆うように例えばアルミニウム等の金属からなる第１蓋部材５Ａをケース３の矩形環状端面３Ｂの上に配置すると共に、第１蓋部材５Ａの熱伝導シート４と対向する側に設けられた凸部５Ａ１を熱伝導シート４と接触させる。そして、ケース３に埋め込まれているナットとネジ８を用いて第１蓋部材５ＡとＧＮＤ端子７Ａをケース３にネジ止めする。なお、正極バスバー２Ａの正極外部端子部２Ａ２及び負極バスバー２Ｂの負極外部端子部２Ｂ２は、ケース３及び第１蓋部材２Ａの外部に露出している。

図５は、コンデンサ素子封止用の樹脂層６を形成するための樹脂液注入を説明する模式斜視図である。理解を容易にするため、ケース３の収容部３Ａに収容されたコンデンサ素子１などの部材は省略している。図５に示すように、ケース３の矩形環状端面３Ｂの一部と第１蓋部材５Ａの切欠部５Ａ２で形成される開口（樹脂液注入口）６Ａから収容部３Ａへ高温の樹脂液を注入し、図３に示すようにケース３の収容部３Ａの表面３Ａ１とコンデンサ素子１やバスバー２などとの隙間に樹脂液を充填し、冷却して樹脂層６を形成する。樹脂層６は熱伝導シート４をすべて被覆すると共に、少なくとも凸部５Ａ１の熱伝送シート４側の端部を被覆している。すなわち、第１蓋部材５Ａの凸部５Ａ１は樹脂層６に埋設された部分を有している。

次に、図５の矢印Ｅのように、第２蓋部材５Ｂで樹脂液注入口６Ａを塞ぐように、第１蓋部材５Ａの切欠部５Ａ２に設けられた段差部５Ａ５に、第２蓋部材５Ｂの段差部５Ｂ１をはめ込んで第２蓋部材５Ｂを固定することにより本実施形態のフィルムコンデンサが完成する。

本実施形態によれば、蓋部材５は第１蓋部材５Ａと第２蓋部材５Ｂとに分割して構成されているので、樹脂層６を形成するに際して、ケース３の矩形環状端面３Ｂの一部と第１蓋部材５Ａの切欠部５Ａ２で形成される開口により樹脂液注入口６Ａを設けることが可能となり、樹脂液を効率良く注入できるという効果を有する。また、第２蓋部材５Ｂをケース３に固定することにより樹脂液注入口６Ａを閉じることができるので耐湿性能の向上を図ることができ、また、第２蓋部材５Ｂは放熱部材としても機能するのでコンデンサ素子１から伝導された熱を第２蓋部材５Ｂにより効率的に放出することができる。

また、本実施形態においては、第２蓋部材５Ｂは、コンデンサ素子１側に突出する凸部５Ｂ２を有し、第２蓋部材５Ｂの凸部５Ｂ２は第２蓋部材５Ｂの段差部５Ｂ１よりも樹脂層６の近傍まで配置されている。これにより、本実施形態においては、コンデンサ素子１から伝導された熱を第２蓋部材５Ｂの凸部５Ｂ２によりさらに効率的に放出することができる。

なお、第２蓋部材５Ｂを収容部３Ａの開口の長手方向の中央部に配設することにより、注入された樹脂液をケース３の収容部３Ａの表面３Ａ１とコンデンサ素子１やバスバー２との間に形成された隙間に効率的かつ確実に充填することができる。

本実施形態においては、熱伝導部材は１つの熱伝導シートにより構成されていたがこれに限定されない。例えば、同材料の熱伝導シートを２つ積み重ねたものを用いても良い。また、材料・形状の異なる部材、例えば１つの絶縁紙と１つの金属板を重ねたものや、１つの絶縁紙と１つのアクリル樹脂板を重ねたものも本発明の熱伝導部材の技術的範囲に属する。

放熱性能がより向上したフィルムコンデンサを提供することができる。

本発明によるフィルムコンデンサは、放熱性能を向上させることができる。したがって、過酷な外部環境下で用いられるハイブリッド車用のフィルムコンデンサとして好適に採用し得る。

１ コンデンサ素子
１１ メタリコン電極
２ バスバー
２Ａ 正極バスバー
２Ｂ 負極バスバー
３ ケース
３Ａ 収容部
３Ａ１ 収容部の表面
３Ｂ 矩形環状端面
４ 熱伝導シート（熱伝導部材）
５ 蓋部材
５Ａ 第１蓋部材
５Ａ１ 凸部
５Ａ２ 切欠部
５Ａ３ 外側面
５Ａ４ 内側面
５Ａ５ 段差部
５Ｂ 第２蓋部材
５Ｂ１ 段差部
６ モールド樹脂層
６Ａ メールド樹脂注入口
７ Ｙコンデンサ
７Ａ ＧＮＤ端子
８ ネジ

Claims (3)

1. 端部にメタリコン電極が形成されたコンデンサ素子と、
   前記メタリコン電極と接続しているバスバーと、
   前記コンデンサ素子と前記バスバーを収容するための収容部を有するケースと、
   前記収容部内に形成され、前記バスバーが接続された前記コンデンサ素子を封止する樹脂層と、
   前記収容部の開口を覆う蓋部材と、
   前記バスバーと前記蓋部材との間に配設される熱伝導部材と、
   を備え、
   前記蓋部材は前記熱伝導部材と対向する側に凸部を有し、前記凸部は前記熱伝導部材と接すると共に、前記熱伝導部材は前記バスバーと接しており、
   前記凸部は少なくとも一部が前記樹脂層に埋設されているフィルムコンデンサ。
2. 前記蓋部材は、前記凸部を備える第１蓋部材と、第２蓋部材とから構成され、前記第１蓋部材及び前記第２蓋部材はそれぞれ前記収容部の開口を覆っている請求項１に記載のフィルムコンデンサ。
3. 前記第２蓋部材は前記開口の長手方向の中央部に設けられている請求項２に記載のフィルムコンデンサ。

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