KR101079129B1 - 커패시터 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드자동차와 전기 자동차, 수소연료 자동차 등 친환경 자동차 (이하,“친환경자동차”라 칭한다)의 인버터에 사용되는 커패시터에 관한 것으로, 커패시터의 무게를 경량화하여 친환경자동차의 연비를 향상시키고, 커패시터 내부에서 발열되는 열을 외부로 신속하게 방열시켜 수명이 단축되는 것을 방지하며, 주위온도가 높은 환경에서도 커패시터의 성능에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 커패시터 조립체에 관한 것이다.
본 발명은 커패시터의 무게를 경량화하고 방열효과를 향상시키기 위하여 커패시터에 전기를 인가하는 부스바와 커패시터의 외장케이스를 무게가 가볍고 열전도성이 우수한 알루미늄재로 제작한 커패시터 조립체에 특징이 있다.

Description

커패시터 조립체{CAPACITOR ASSEMBLY}

본 발명은 친환경 자동차의 인버터용 커패시터의 무게를 가볍게 하고 커패시터에서 발생되는 열을 신속히 방열시켜 커패시터의 수명이 단축되는 것을 방지하며 커패시터가 온도가 높은 환경에서도 커패시터의 성능을 안정적으로 발휘할 수 있도록 함으로써 커패시터의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 커패시터 조립체에 관한 것이다.

일반적으로, 커패시터는 각종산업 분야에서 전기기기용, 저압진상용, 전자기기용 등으로 널리 사용되고 있으며, 세계적으로 이산화탄소 배출 등으로 인한 지구 온난화로 인해 친환경 자동차의 생산과 개발에 주력하는 자동차업체가 대세를 이루고 있고 이런 친환경자동차의 인버터에도 커패시터가 사용되고 있다.

이러한 커패시터는 유전체로 폴리에칠렌텔레프타레이트(PET) , 폴리프로필렌(PP) , 폴리에칠렌나프탈레이트(PEN) , 폴리카보네이트(PC) , 폴리페닐렌설파이드(PPS) 등의 프라스틱 필름을 사용하여, 프라스틱 필름의 한 면 또는 양면에 금속을 증착한 증착필름을 적층 또는 권취하고, 적층 또는 권취된 증착필름의 양면에는 아연, 아연 합금, 주석 또는 1차 아연 2차 주석을 용사하여, 용사면을 만들어 커패시터 소자(이하, '소자'라 함)를 제조한다. 이러한 소자의 용사면에 부스바를 땜하여 외장케이스에 안치시키고 몰딩제로 충진한 후 경화시켜 커패시터 조립체를 완성한다.

종래의 예를 도 3a 내지 도 4d로 설명하면 도 3a는 주성분이 동(Cu)인 부스바에 소자의 일측 용사면을 땜으로 결선하고, 타측의 용사면에는 다른 부스바로 결선한 커패시터 조립체의 사시도이고, 도 3b는 이 조립체를 안치시키는 프라스틱으로 사출된 외장케이스의 사시도 이며, 도 3c는 프라스틱 사출케이스를 안치시키는 금속 외장케이스의 사시도이고, 도 3d는 부스바와 소자와 프라스틱 외장케이스와 금속 외장케이스의 부분절개 사시도이며, 도 4a는 종래의 다른 부스바와 소자의 조립체 사시이고, 도 4d는 종래의 부스바와 소자와 프라스틱 외장케이스와 금속 외장케이스의 다른 조립체 사시도이다.

친환경 자동차의 인버터용 커패시터는 동(Cu)을 주성분으로 하고, 동(Cu)도금 또는 주석(Sn)도금 또는 동(Cu)도금 후 주석도금 등으로 표면처리를 한 극성이 다른 한 쌍의 부스바(4)(5)를 커패시터의 정전용량에 따라 소자(1)의 갯수를 가감하여 각 소자(1)의 용사면(7)에 결선하여 조립체를 만들고, 재질이 프라스틱, 더욱 상세하게는 PPS(폴리페닐렌셜파이드)인 프라스틱 외장케이스(2)의 외부에 부스바(4)(5)의 단자부(4a)(5a)가 노출되어 형성하도록 프라스틱 외장케이스(2)에 안치시킨 뒤 에폭시 또는 우레탄 같은 몰딩제를 충진하거나 혹은 에폭시와 우레탄과 같은 이종의 몰딩제를 다층으로 충진하여 경화시켜 제조한다.

그러나 프라스틱 재질로 성형된 외장케이스는 열전도성이 낮아 커패시터에서 발생되는 열을 외부로 방출하는데 한계가 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위해 프라스틱 외장케이스(2)에 제조된 커패시터를 열전도성이 우수한 알루미늄 등 금속으로 만든 제2의 외장케이스인 금속 외장케이스(3)에 안치시키는 방법도 제시된 바 있다.

그러나 친환경자동차는 자동차를 구성하는 부품들의 무게가 무거우면 연비가 떨어지는 문제가 있기 때문에 각종 부품의 무게를 경량화하는 것은 필수적인 사항이 되고 있다.

위에서 설명한 것 같이 주성분이 동으로 제조된 부스바(4)(5)는 커패시터의 무게를 무겁게 하므로 커패시터를 장착한 친환경자동차의 연비를 떨어뜨리는 문제를 초래하고, 또한 프라스틱 재질로 제조된 외장케이스(2)와 금속 외장케이스(3)를 2중으로 설계하므로 작업공수가 많고 복잡하며, 커패시터의 중량을 증가시킬 뿐만 아니라 제조원가를 상승시키는 요인이 되는 문제가 있고, 또한 제2 외장케이스가 열전도성이 우수하더라도 제1 외장케이스는 열전도성이 낮은 프라스틱 재질이므로 커패시터에서 발생되는 열을 신속히 방출하는데는 한계가 있다.

커패시터의 내부 발열현상은 커패시터의 인덕턴스가 클수록 높고, 사용전압이 높을수록 그리고 전류가 많이 흐를수록, 주파수가 높을수록 많이 일어나고, 커패시터의 발열은 커패시터의 전기적 특성을 떨어뜨리고, 커패시터의 수명을 단축시키며, 신뢰성을 저하시키는 문제점을 발생시킨다.

전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 종래에는 도 4a에 도시된 바와 같이 극성이 다른 한 쌍의 부스바의 일부가 다층형태로 배치하는 방법도 강구되었으나 한 쌍의 부스바를 다층형태로 배치하기 위해 부스바의 면적을 확장시키야 하므로 부스바의 중량이 증가하면서 커패시터의 중량도 무거워지므로 친환경자동차의 연비를 더욱 떨어뜨리는 문제가 있어 왔다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 커패시터에서 발생되는 열의 방열을 신속하게 함으로써 주위의 높은 온도환경에서 커패시터의 수명이 단축되는 문제를 해결하고 커패시터의 신뢰성을 향상시키며, 더불어 커패시터의 경량화를 통해 친환경자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 커패시터 조립체를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 커패시터 조립체의 해결수단으로서는,

극성이 다른 한 쌍의 부스바(3)(4)에 커패시터의 정전용량에 따라 소자(1)의 갯수를 가감하여 각 소자(1)의 용사면(7)을 땜 등의 방법으로 결선하여 조립체를 만들고, 금속 외장케이스(3) 외부에 부스바(4)(5)의 단자부(4a)(5a)가 형성하도록 금속 외장케이스(2)에 안치시킨 뒤, 에폭시 또는 우레탄과 같은 몰딩제를 충진하거나 혹은 에폭시와 우레탄과 같은 이종의 몰딩제를 다층으로 충진한 후 경화시켜 제조되는 커패시터에 있어서,

극성이 다른 한 쌍의 부스바(4)(5)의 주성분을 알루미늄으로 하고, 부스바(4) (5)의 표면을 처리를 하지 않거나 용사면(7)과 땜하기 위하여 표면전체를 1종류 또는 2종류 이상의 전도성 금속(예: 동, 아연, 주석, 니켈, 크롬 등)으로 도금처리 하거나 또는 땜 부위인 리드프레임(6)을 포함하는 일부분만 1종류 또는 2종류 이상의 전도성 금속(예: 동, 아연, 주석, 니켈, 크롬 등)으로 도금 처리하여 소자의 용사면(7)에 부스바(4)(5)를 결선하고, 외장케이스는 열전도성이 우수한 주성분이 알루미늄재질의 단일 금속 외장케이스(3)로 채용함으로써 커패시터의 중량을 경량화한 것에 특징이 있다.

본 발명에 의하면 전술한 바와 같이 소자(1)의 양측 용사면(7)에 재질이 알루미늄 재질의 극성이 다른 부스바(4)(5)를 결선하여 커패시터 무게의 경량화와 커패시터의 방열효과를 향상시킬 수 있고, 또한 극성이 다른 부스바(4)(5)의 적어도 일부가 중첩되도록 하여 인덕턴스를 줄이는 경우에도 커패시터의 무게를 경량화시킬 수 있다.

또한 알루미늄 재질의 금속 외장케이스(3)는 상기한 부스바(4)(5)와 같이 커패시터 무게를 경량화 할 수 있고, 커패시터의 발열을 효과적으로 방열시킬 수 있다.

도 1a는 본 발명의 실시예인 부스바와 소자의 조립체 사시도,
도 1b는 본 발명의 실시예인 금속 외장케이스의 사시도,
도 1c는 본 발명의 실시예인 부스바와 소자와 금속 외장케이스 조립체의 부분절개 사시도,
도 2a는 본 발명의 다른 실시예인 부스바와 소자의 조립체 사시도,
도 2b는 본 발명의 다른 실시예인 금속 외장케이스의 사시도,
도 2c는 본 발명의 다른 실시예인 부스바와 소자와 금속 외장케이스 조립체의 부분절개 사시도,
도 3a는 종래의 부스바와 소자의 조립체 사시도,
도 3b는 종래의 부스바와 소자의 조립체를 안치시키는 프라스틱 외장케이스 사시도,
도 3c는 종래의 프라스틱 외장케이스를 안치시키는 금속 외장케이스의 사시도,
도 3d는 종래의 부스바와 소자와 프라스틱 외장케이스와 금속 외장케이스의 조립체의 부분절개 사시도,
도 4a는 종래의 다른 부스바와 소자의 조립체 사시도,
도 4b는 종래의 부스바와 소자의 조립체를 안치시키는 프라스틱 외장케이스의 사시도,
도 4c는 종래의 프라스틱 외장케이스를 안치시키는 금속외장 케이스의 사시도,
도 4d는 종래의 부스바와 소자와 프라스틱 외장케이스와 금속 외장케이스의 다른 조립체의 부분절개 사시도이다.

이하, 본 발명에 따른 커패시터용 부스바 및 그 제품에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

커패시터에 있어서, 부스바(4)(5)와 소자(1) 조립체 구조는 도 3a 내지 도 4a와 동일하므로 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

금속 외장케이스(3)는 용융된 알루미늄을 다이캐스팅 방식으로 성형하거나 또는 알루미늄 덩어리를 케이스 형상의 하부금형에 넣고 프레스에 의해 상부금형을 순간적으로 하강시켜 성형한 것으로 금속 외장케이스(3)의 내벽에는 부스바(4)(5)와 소자(1)등과의 절연을 위해 절연물질로 코팅하거나 도장하는 통상의 방법으로 절연처리를 한다.

외장케이스에 있어서 다른 방법으로는 프라스틱 외장 케이스를 사출함에 있어서 외장케이스의 적어도 하면, 더욱 상세하게는 외장케이스의 개부구의 대향면의 재질은 알루미늄으로 하여 인서트 사출하고, 알루미늄 재질의 케이스 면을 방열효과가 있는 커패시터가 장착되는 기구의 면에 접촉시켜 커패시터 내부에서의 발열을 방열하는 효과를 얻을 수 있다.

[바람직한 실시예]

극성이 다른 한 쌍의 부스바(4)(5)는 주성분을 알루미늄으로 하고 표면 처리를 하지 않거나 용사면(7)과 땜하기 위하여 표면전체를 1종류 또는 2종류 이상의 전도성 금속(예: 동, 아연, 주석, 니켈, 크롬 등)으로 도금처리 하거나 또는 땜 부위인 리드프레임(6)을 포함하는 일부분만 1종류 또는 2종류 이상의 전도성 금속(예: 동, 아연, 주석, 니켈, 크롬 등)으로 도금 처리하여 소자(1)의 용사면(7)에 부스바(4)(5)를 결선하여 조립체를 만들고 이 조립체를 알루미늄이 주성분인 금속 외장케이스(3)에 안치시키고 에폭시 또는 우레탄과 같은 몰딩제를 충진하거나 혹은 에폭시와 우레탄과 같은 이종의 몰딩제를 다층으로 충진한 뒤 경화시켜 커패시터의 무게를 경량화 한다.

상기 부스바(4)(5)와 상기 금속 외장케이스(3)는 열전도에 의해 커패시터에서 발열되는 열을 신속하게 방열시킬 수 있다. 극성이 다른 한 쌍의 부스바(4)(5)의 적어도 일부가 중첩되도록 하여 인덕턴스를 낮춘 경우에는 부스바(4)(5) 상호간의 절연과 부스바(4)(5)와 소자(1)와의 절연 방법은 거리를 이격시키거나 절연재를 삽입하는 등 다양한 절연방법을 적용할 수 있다.

소자(1) 또는 부스바(4)(5)와 금속 외장케이스(3)와의 절연을 위해 금속 외장케이스(3) 내벽에는 에폭시 또는 우레탄 등의 절연물질을 도포하여 경화시키거나 소자(1)와 부스바(4)(5)의 조립체를 프라스틱 필름 등의 절연재로 포장하는 방법과 거리를 이격시키는 방법에 의해 절연성을 확보할 수 있다. 아래의 <표 1>은 알루미늄과 동(Cu) 재질 및 PPS재질의 프라스틱에 대한 비중과 열전도성에 대한 비교표이다.

재질	비중	열 전도성
알루미늄	2.7	238 W/mK
동	8.9	397 W/mK
PPS	-	0.5 W/mK

위 <표 1:알루미늄과 동 재질에 대한 비중과 열전도성의 비교표> 에서와 같이 알루미늄의 비중은 2.7로 8.9인 동의1/3.3 수준이다. 즉, 부스바의 재질이 알루미늄인 경우 종래 무게에 비해 30.3% 수준으로 줄일 수 있고, 외장케이스의 재질이 알루미늄인 경우 열전도성이 238W/mK로 종래인 PPS의 0.5W/mK 보다 476배 우수하여 커패시터 내부의 발열을 외부로 방출하여 냉각효과가 우수하다.

전술한 에폭시나 우레탄 등과 같은 절연물질 또는 몰딩재는 예시적인 것일 뿐 다양한 절연물질 또는 몰딩재들 중 어느 하나를 선택적으로 채택하여도 무방하다.

도면에서 금속 외장케이스(3) 외부의 부스바 단자(4a)(5a) 방향과 수량은 제조자의 의도에 따라 다양하게 선택하여 배치될 수 있으며, 극성이 다른 한 쌍의 부스바(4)(5)에 결선된 소자(1)는 병렬 결선이나 직렬결선 또는 직렬과 병렬을 혼용하여도 무방하며 소자(1)는 제조자의 의도에 따라 가로방향 혹은 세로방향으로 변경할 수도 있다.

1 : 소자 2 : 프라스틱 외장케이스
3 : 금속 외장케이스 3a : 절연물질
4, 5 : 부스바 4a, 5a : 단자부
6 : 리드프레임 7 : 용사면
8 : 마운팅부

Claims (10)

1. 커패시터 소자의 양 용사면에 결선된 한쌍의 부스바를 외장케이스 속에 안치시킨 커패시터에 있어서,
   상기 외장케이스의 내외벽중 외벽은 알루미늄 혹은 철재 중 어느 하나의 재질로 구성되고, 내벽은 프라스틱 재질로 구성하여 2중구조로 이루어진 외장케이스와;
   상기 양 부스바 중 일측 부수바는 알루미늄재, 다른 부스바는 동(Cu)재로 이루어진 부스바로 구성된 것을 특징으로 하는 커패시터 조립체.
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