JPH04501935A - コンデンサ冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 コンデンサ冷却装 皮丘±１ 本発明は、高電力密度の多層磁器（セラミック）コンデンサ（ＭＬＣ）に間し、 特に、克服されない場合には例えば出力フィルタとしての使用を制限する冷却の 問題を克服しつつ、独特の特徴の使用を大いに許容するかかるコンデンサのため の冷却装置に関するものである。

ｉｔ肢遣 コンデンサの効率はその誘電率により測定される。コンデンサの設計は、レイデ ンびんの発明と共に、数百年の間存在してきたけれども、現代の電子工学の小型 化は、コンデンサの設計の改良にますます大きな要求を課してきており、なぜな らば、コンデンサは、スプリアスな電気信号から集積回路を保護すると共にサー ジを減衰するからであり、もしこのような保護並びに減衰が無ければ回路は損傷 されるか、もしくはそれらの動作が妨害されてしまうであろう。

セラミックもしくは磁器物質の性質のために、絶縁物質として使用されるとき、 該物質内の電子の行動は、増大された容量並びに効率を提供する。絶縁体内の電 子は移動可能ではないけれども、各側のＴ４極がらの引力並びに反発力ρ影響下 でわずかにシフトすることができる。

絶縁体の一側の電子は、負電荷を作る表面から膨れ出てしまい、他側ではそれら 電子は、正電荷を生じる表面から引っ込む、このように絶縁体上に発生される電 荷は、電極上の電荷を中性化するのを助ける。幾つかの絶縁体は、！種目体上の 電荷とほぼ同じくらいの大きさの電荷を有することができる。このような中性化 は反発力を減少し、一層多い電荷が電極上に存在するのを許容し、このことは、 次に、誘電率に影響を受ける容量を増加する。

多層セラミックもしくは磁器コンデンサの効能を説明するのはこの特性である。

多層磁器（セラミック）コンデンサ（ＭＬＣ’　Ｓ）において、一般に、少量の 他の酸化物と共に概してチタン酸バリウムからなるセラミックもしくは磁器が、 絶縁体として用いられる。セラミックもしくは磁器は、２０００と６０００の間 の誘電率を有し、直径数マイクロメータの粒子を有したきめ細かな粉末の形態に ある６粒子は、溶媒内に分散され、ペイントの硬度（ｅｏｎｓ　１ｓｔｅｎｅｙ ）を持ったスラリーとなる。スラリーは、次に、紙もしくはステンレス鋼のベル ト上で薄いシートに鋳造され、該シートの厚さはブレードによって制御される。

スラリーは溶媒が蒸発するにつれて乾燥し、滑らかな未焼成もしくは緑色のテー プ（ａ　ｓｍｏｏｔｈ　ｕｎｆｉｒｅｄ　ｏｒ　ｇｒｅｅｎ　ｔａｐｅ）を残し 、該テープは、６インチから８インチ平方の正方形に切断される。

電極パターンを描写する薄いスクリーンを通して数千の電極が各シート上にプリ ントされる。このようなコンデンサの全体的な構造及び組立は、１９８８年７月 発行の’　？ｆｉ’ｌｙ＞の８６頁及びその次の頁に説明されている。

ＭＬＣは温度に対して非常に敏感であり、その結果として容量のドリフトの問題 がある。ＭＬＣのもう１つの１１ＪＩＩＮはその動作温度限界である。かかる限 界は１２５℃から１５０℃であり、これは、成る航空宇宙の応用においては苛酷 な制限であり得る。従って、ＭＬＣを用いる長所を得ることができるためには、 温度及び熱ショックを動作範囲以内に保つようにコンデンサ損により生成される 熱を除去することが、回路設計に対する重要な要素である。しかしながら、戒な 、コンデンサを過冷却するのも望ましくない、というのは、この過冷却は、温度 及び熱損失間の逆関係に基づいて熱損失を増大するがらである。

過去において、幾つかの方法でコンデンサ内の熱を消散することが提案されてき た０例えば、米国特許第１．４７４，４８８号明細書には、送信機及び無線通信 のための特定の応用を有したコンデンサが開示されており、それにおいては、金 属箔（ホイル）導体及びマイカの絶縁体がスタック内に連続的に接合される。交 互に配置された複数個のマイカ及び箔シート（ホイル・シート）を含んだ隣接区 域の各対は、−側がマイカであり他側が導体シートであって良い２つの絶縁シー トにより互いに離され、該導体シートは、電気及び熱の双方を導通するものであ る。

この配列は、熱放射を推進するよう設計されてはいるけれども、ＭＣＬの特定の 構成には向けられてはおらず、より重要なことには、一層高い効率の冷却配列を 必要とするＭＣＬの属性もしくは特性には向けられていない。

米国特許第１．７１３．８６７号明細書には、マイカ・シートを増強して該マイ カ・シートの区域からの熱を放射するように働く該マイカ・シート区域に金属の 端ブロックが置かれた同様の配列が示されている。しかしながら、金属端ブロッ クは、マイカ・シートの周辺内に収容され、ＭＣＬにより発生される容量損もし くはコンデンサ損を導通するためには満足なものではないであろう。

米国特許第３，８４０，７８０号明細書は、紙及び電極ホイルの交互のストリッ プを含んだ巻きコンデンサに関係している。コンデンサ端子間に存在する何等か の望ましくない電圧の制御された消散のために、そして成る程度までは、コンデ ンサ内の熱を消散させるために、抵抗ストリップがコンデンサ・ロール区域の端 近辺に置かれる。

しかしながら、再度、このような配列は、極めて低い等債な直列抵抗及び出力フ ィルタとしての等個直列インダクタンス・コンデンサを必要とする高速スイッチ ・モードの電源のような成る適用に対して用いられる回路においては、ＭＣＬを その１２５℃の動作限界内に保つために満足なものではない。

ｌ１五１１ 従って、本発明の目的は、コンデンサを冷却するための従来の装置で遭遇した問 題及び欠点を克服することにある。

本発明のもう１つの目的は、効果的な冷却並びに動作温度及び熱シヨツク限界の 維持を確実にする、磁器コンデンサのための単純かつ信頼ある冷却装置を提供す ることである。

本発明のさらにもう１つの目的は、ＭＬＣのための高められた表面領域を許容す る単純でなおかつ効果的な冷却装置を提供することである。

上述の目的は、磁器板間にアルミニウムまたはホイルを用い、磁器板により発生 される熱を該ホイルを通してコンデンサの境界の外側の露出端に移動可能とする ことにより達成される。コンデンサの境界の外側の露出端ではホイルは、直接空 気冷却のための吹き付は空気のような別の冷却媒体と相互作用することにより、 もしくは磁器板を均一に冷却するよう液体または空気冷却される熱交換器にホイ ル端をろう付けすることにより熱伝達される。

本発明のもう１つの形態においては、冷却板にろう付けされるかもしくは接合さ れるＵ形状のひれ（フィン）に熱を伝導するように、幾つかのコンデンサのサブ アッセンブリが配列される。かかる配列は、伝導距離を短くし、熱伝達のための 充分に大きな表面面積を提供し、熱伝導率の方向に個々のチップ・サブアッセン ブリを配向し、そして電気及び熱絶縁層を横切る伝導を最小にする。

面の　ｆ；口 本発明の上述並びにさらなる特徴、目的及び長所は、添付図面と共に為される本 発明の以下の詳細な説明から一層明瞭となるであろう、添付図面において：第１ 図は、磁器層及び金属を示す通常のＭＬＣの構成を示す分解図； 第２図は、本発明によるホイル部材でもって構成されたＭＬＣチップ−サブアッ センブリの分解図；第３図は１本発明による組立てられたＭＬＣチップ・サブア ッセンブリの側面図； 第４図は、本発明のもう１つの実施例によって構成されたＭＬＣの端面図； 第４Ａ図は、第４図に示されたコンデンサ熱交換器の部分透視図； 第５図は、本発明に従って構成されたＭＬＣのもう１つの実施例を示す端面図： 第６図は、本発明に従って構成されたＭＬＣのさらにもう１つの実施例を示す区 ： 第７図は、幾つかのＭＬＣチップ・サブアッセンブリの組立のために用いられる 熱交換器組立体のもう１つの実施例を示す図； 第８図は、内部に組立てられたＭＬＣのサブアッセンブリを一緒に示した第７図 と同様の図；第９図は、第８図に示されたコンデンサ組立体の区域の熱回路網を 示す図、である。

を　るための　のン。

さて図を参照し、特に第１図を参照すると、多層磁器（セラミック）コンデンサ （ＭＬＣ）チップのサブアッセンブリが総括的に数字ｌＯで示されている。該Ｎ ＬＣチップ・サブアッセンブリは、基本的には、６３のセミツク層（磁器層）１ ３の両側の４つのブランクもしくは空白セラミック層１１．１２から成り、第１ 図には６３のセラミック層１３の内の５つだけが示されている。もちろん、層の 数は、特定のコンデンサに依存して可変である。

各側の４つの空白もしくはブランク層１１．１２及びそれらの閏の６３の層１３ は、チタン酸バリウムのような適切なセラミック物質もしくは磁器物質から成る 。６３の層１３の１つおきの層は電極１４を有する。示された実施例には、１つ おきのセラミック層１３の一側に１６のそして他側に１７の合計３３の電極があ る。より多くのかかる層がＭＬＣの所望の設計特性に依存して用いられ得るのが 分かるであろう、さらに、第１図に示された垂直方向に見られるように、層１３ はわずかに互い違いにずらされ得、これにより、１つおきの層１３の一側の縁が 電気的に１つの端子に接合され得、そして交互の層１３の他側の反対の縁は、も う１つの端子に電気的に接合され得て、ＭＬＣを形成する。

代表的には、セラミック層は、０．０１５インチの厚さを有し、そして電極は、 ０．００１５インチの厚さを有する。

熱伝導率の観点から、組立てられたＮＬＣＩＯに接続される端子（第１図には示 されていない）は、セラミックもしくは磁器よりも約９０倍高い熱伝導率を有し そして電極の２倍を越える熱伝導率を有する０例えば、セラミックは、２．６イ ンチｂｔｕ／ｈ＋（ｔ　−’　Ｆの熱伝導率であって良く、これに対し、電極の 熱伝導率は８０．１であり、そして端子の熱伝導率は２２０．０である。上述の ＭＬＣは、冷却するための何等かの手段を持たない場合、上述の「背景技術」の 項で説明した温度限界もしくは制限に関する問題を経験する。

第２図は、ＮＬＣの温度限界及び熱衝撃の仕様が超過されないのを確実にすると いう課題を解決した本発明の一実施例を示す、構成を簡単にするために電極を再 度は示しておらず、その理由は、これら電極が本発明の部分を形成しないからで ある。−緒に組立てられ、総括的に数字１５．１６．１７で示された１スタツク のセラミック層だけが示されている。スタック内の各層は、約０．１０インチの 厚さである。各層１５．１６．１７の一方の端部面にはすぐれた熱伝導性部材例 えばアルミニウムまたは銅１８から作られた金属箔が設けられている。金属はく もしくはメタルホイル１８は、０．０１から０．０２インチの厚さであって良く 、ボッティングもしくは焼成（ｐｏｔｔｉｎｇ）等により絶縁体で被覆されてい るセラミック層１５．１６．１７に、粘着性物質によって装着され得る。

過去において他の型のコンデンサに用いた金属箔とは違って本発明の金属箔もし くはホイル１８は、コンデンサ層１５．１６．１７の組立てられたスタックに垂 直であり、そしてコンデンサ層の周辺を超えて外方に突出しており、これにより 、ホイル１８の突出した自由端は空気または他の冷却流体と熱交換接触状態にあ ることができる。さらに、熱導体ホイル１８は、このように、コンデンサ層の空 気導体部分から電気的に絶縁される。

第３図は、数字１９．２０で示された交互の層への電気的接続のための端子を有 する第２図の組立てコンデンサの部分の側面図である。

第４図及び第４Ａ図は、第２図と同様であるが、熱伝達を容易にするためまたは 高めるなめに、第４図に示される紙面から突出したし形状に（第４Ａ図）直角に 曲げられた外側端２１を有する金属箔熱交換器１８′を有した、もう１つの実施 例を示す、第５図は、本発明によるコンデンサ冷却装置のもう１つの実施例を示 し、それにおいて、金属箔部材１８”には、コンデンサ・プレートを超えて延び るそれらの外側自由端に開口２２が設けられており、これにより、該層１８”か ら熱を除去する液体またはガスを運ぶための管熱交換器２３が、該開口を通して 内部に受容される。

第６図は冷却装置のさらにもう１つの実施例を示し、それにおいて、コンデンサ ・プレートから突出した各金属箔片１８°°°の端部にランスト・オフセット（ １ａｎｃｅｄｏｆｆｓｅｔ）ひれプレート熱交換器２４が接合される。ホイル及 び冷却流体間熱交換を最大にするためにプレート熱交換器に配列される既知の型 のランスト・オフセットひれストック（台もしくは柄）、もしくは他の何等かの 適切なひれストック（ｆ　ｉｎ　５ｔｏｃｋ　）を通して空気または他の液体が 押しやられる６上述しかつ第２図〜第６図に示したすべての実施例において、コ ンデンサ素子は、熱伝導性金属箔ストリップ１８．１８°１８″、１８°°゛と 垂直な面にスタックされるということに留意すべきである。この配列は、米国特 許第１，７１３，８６７号明細書に示されたように、熱伝導体ストリップがコン デンサの導電性部分から電気的に絶縁されるのを許容する。さらに、米国特許第 １，４７４，４８６号明細書に示された配列とは異って１本発明は、コンデンサ の絶縁された部分間から外方に熱伝導性部材を延ばす。

第７図及び第８図は、多重コンディサのための熱交換器組立体のもう１つの形態 を示す、第７図においてＵ−形状熱交換金属部材は、ろう付は等により一緒に組 立てられ、そして冷却材を通すための三通過もしくは３バス冷却通路２９が組込 まれた冷却板（プレート）２８に、それらのＵ−形状熱交換金属部材の湾曲部分 で接合される。Ｕ−形状部材２５，２６．２７の脚はひれを限定し、そして該部 材２５．２６．２７の各々の湾曲部は、冷却板２８に装着されるひれベースを形 成する。第８図に数字４０によって示された装置は、部材２５のひれ間の３つの ＭＬＣチップ・サブアセンブリ３０．３１及び３２と、部材２６のひれ間の３つ のＭＬＣ’　３３３，３４゜３５と、そして部材２７のひれ間の３つのＭＬＣ素 子３６．３７．３８とを示す、既知の態様で銅電極が設けられるＭＬＣ’　Ｓの 各々には、ＫＡＰＴＯＮまたは同様の物質の形態における絶縁がこれもまた既知 の態様で設けられる。全組立体、すなわち熱交換器及びコンデンサは、次に、空 気ポケットを除去して熱交換器に伝導通路を提供するために、“Ｉａｃｋ　Ｂｅ ａｕｔｙ”のような商業的に入手可能なボッティングもしくは焼成（ｐｏｔｔｉ ｎｇ）物質で真空ボッティングされる（　Ｐｏｔｔｅｄ　）　。

第８図に示された装置は、出力フィルタ・コンデンサとして特に有用である。活 動的な冷却は、誘導子組立体からの排出流体によって行われる。設計目的のため に、最悪の場合の排出流体の温度は、６８°Ｃより高くはないということが仮定 される。かかる熱交換器の場合、９個のコンデンサに対する熱損失は比較的小さ い、セラミツりの温度が熱発生源から熱交換器流体までの伝導距離の間数である ので、熱交換器から最も陽たったコンデンサは、最小の熱損失及び最も高い温度 を有する。従って、熱交換器に最も接近したコンデンサは、熱交換器からより遠 隔にあるものよりも冷たい。

第８２に文字Ａで示された点線内の区域の熱ネットワークもしくは回路網が第９ 図に示されている。第７図に示された座ｓｌｌ系を用いたＸ及びＹ方向における システムの対称性故に、この区域だけを分析することが必要である。このネット ワークもしくは回路網は、単に説明のためだけに意図されており、コンデンサ素 子３３．３４．３５を通して、次に銅電極３６．３７．３８を通し、Ｋａｐｔｏ ａ絶縁３９．４０．４１を通し、次にＢｌａｃｋＢｅａｕｔｙ”のエポキシ・ポ ツティング物質４２を通して、フィンもしくはひれ２６の脚に、次に管壁２８に 、そして最後に管！２８にろう付けされた管２９内の流体への熱通路を示す０代 表的な取付けにおいて、コンデンサ素子３３の温度は９５°Ｃであるが、コンデ ンサ素子３４の温度は９２°Ｃであり、そしてコンデンサ素子３５の温度は８５ °Ｃである。その熱関係を維持するために、管２９内の流体は６８°Ｃより高く ない温度に維持されて、コンデンサ素子における上述の温度を維持する。

本発明によるいくつかの実施例を示しかつ説明したけれど、上述の開示で与えら れた当該技術に熟達したものに明瞭であるであろう多くの変化及び変更が可能で あるのを明瞭に理解すべきである。従って、本発明を、ここに示しかつ説明した 詳細に制限することを意図するもの変化及び変更のすべてを本発明に包摂させる ことを意図するものである。

ＦＩＧ、　３．　ＦＩＧ、　４゜ ＦＩＧ　４Ａ。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７第１項）平成　２年　７月３１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数個の磁器コンデンサ板と、 該コンデンサ板から電気的に絶縁されるように、かつ前記コンデンサ板かち熱を 伝導するために前記複数個のコンデンサ板の積み重ねにより限定される方向とは 垂直の方向に延びるように、前記複数個のコンデンサ板の対向する板間に動作的 に配列された熱伝導手段と、を備え、前記熱伝導手段は、前記コンデンサの内部 からコンデンサの外部に熱伝達を行うように前記コンデンサ板を超えて延びる部 分を含んでいる多層磁器コンデンサ。 ２．前記熱伝導手段は、それぞれのコンデンサ板との間に電気絶縁を有して該そ れぞれのコンデンサ板に接合される金属部材である請求の範囲第１項記載の多層 磁器コンデンサ。 ３．前記熱伝導手段は、それぞれのコンデンサ板との間に電気絶縁を有して該そ れぞれのコンデンサ板に接合されるホイル部材である請求の範囲第１項記載の多 層磁器コンデンサ。 ４．前記熱伝導手段の部分は、熱伝達を増進するための増進手段を含んでいる請 求の範囲第１項記載の多層磁器コンデンサ。 ５前記増進手段は、前記部分の自由端にＬ形状のひれを含んでいる請求の範囲第 ４項記載の多層磁器コンデンサ。 ６．前記熱伝導手段は、それぞれのコンデンサ板との間に電気絶縁を有して該そ れぞれのコンデンサ板に接合される金属部材である請求の範囲第５項記載の多層 磁器コンデンサ。 ７．前記熱伝導手段は、それぞれのコンデンサ板との間に電気絶賛を有して該そ れぞれののコンデンサ板に接合されるホイル部材である請求の範囲第５項記載の 多層磁器コンデンサ。 ８．前記増進手段は、前記部分を通る流体導通管を含む請求の範囲第４項記載の 多層磁器コンデンサ。 ９．前記熱伝導手段は、それぞれのコンデンサ板との間に電気絶縁を有して該そ れぞれのコンデンサ板に接合される金属部材である請求の範囲第８項記載の多層 磁器コンデンサ。 １０．前記熱伝導手段は、それぞれのコンデンサ板との間に電気絶縁を有して該 それぞれのコンデンサ板に接合される金属部材である請求の範囲第８項記載の多 層磁器コンデンサ。 １１．前記増進手段は、前記部分の端にランスド・オフセットひれ板熱交換器を 含む請求の範囲第４項記載の多層磁器コンデンサ。 １２．前記熱伝導手段は、それぞれのコンデンサ板との間に電気絶縁を有して該 それぞれのコンデンサ坂に接合される金属部材である請求の範囲第１１項記載の 多層磁器コンデンサ。 １３．前記熱伝導手段は、それぞれのコンデンサ板との間に電気絶縁を有して該 それぞれのコンデンサ板に接合されるホイル部材である請求の範囲第１１項記載 の多層磁器コンデンサ。 １４．湾曲部分、並びに熱伝導ひれを形成する直立の脚を有した少なくとも１つ のＵ形状の熱交換器と、前記少なくとも１つのＵ形状の熱交換器内に配列される 電極を有した複数個のコンデンサであって、該コンデンサ及び前記脚間に端子通 路が、両者間に電気絶縁を有して限定される前記複数個のコンデンサと、前記ひ れから伝達される熱を交換するために前記湾曲部分と動作的に関連した手段と、 を備えた多層磁器コンデンサ組立体。 １５．前記熱交換手段は冷却板である請求の範囲第１４項記載の多層磁器コンデ ンサ。 １６．前記冷却板は、該冷却板と関連した通路を有しており、該通路を通して冷 却材流体を導通させる請求の範囲第１５項記載の多層磁器コンデンサ。 １７．前記少なくとも１つのＵ形状の熱交換器の複数個には、接続されるそれら それぞれの隣接する脚、並びに前記熱交換手段と関連するそれらそれぞれの湾曲 部分が設けられている請求の範囲第１４項記載の多層磁器コンデンサ。 １８．前記組立体はエポキシ樹脂でボッティングされ、該エポキシ樹脂は、前記 コンデンサから前記熱交換手段への熱伝達通路をさらに構成する請求の範囲第１ ７項記載の多層磁器コンデンサ。 １９．前記熱交換手段は冷却板である請求の範囲第１８項記載の多層磁器コンデ ンサ。 ２０．前記冷却板は、冷却材流体を導通させるための通路を該冷却板と関連して 有する請求の範囲第１９項記載の多層磁器コンデンサ。