KR20160022285A - 커패시터 및 그것의 제조 방법 - Google Patents

커패시터 및 그것의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전도성 및 유전체 필름 와인딩들을 가진 1개 이상의 커패시터 바디(예컨대, 보빈), 1개 이상의 전극 접촉면을 가진 1개 이상의 전극, 및 전극 접촉면과 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 전기 및 열 전도성 접촉을 유지하도록 커패시터 바디와 전극을 함께 결합하는 압착력을 적용하는 하우징을 포함하는 교류 파워 커패시터에 관한 것으로서, 전도성 필름 와인딩들의 에지들은 1개 이상의 커패시터 바디 접촉면을 형성하는 평면을 한정한다.

Description

커패시터 및 그것의 제조 방법{CAPACITOR AND METHOD OF MANUFACTUR THEREOF}
본 발명의 방법 및 시스템은 파워 커패시터, 특히 고주파 고전압 파워 커패시터에 관한 것이다.
고전압 교류(AC) 파워 커패시터는 고전압 고주파 AC 전기회로의 기계적, 전기적 및 성능 요구를 충족시키도록 설계된다. 예를 들어 1400 Vpeak의 피크 전압과 3000 Arms의 전류를 운반하는 전기회로에서 보통 사용되는 상기 커패시터들은 주로 열의 형태로 저항성, 유전성 및 유도성 에너지 손실이 발생하기 쉽다. 예를 들어, 보통의 고주파 및 중간주파(예컨대, 1 kHz 내지 1 MHz) 파워 커패시터에서 각각의 500 kvar 무효전력(reactive power)은 열의 형태로 500 W 내지 1000 W(와트)의 손실을 발생시킬 수 있다.
고전압 파워 커패시터는 예를 들면 필름 커패시터와 같이 보통 다층 커패시터이고, 상기 필름 커패시터는 예컨대 알루미늄 호일(foil)과 같은 전도성 재료와 예컨대 폴리프로필렌 필름과 같은 유전체의 교대 층으로 만들어지며, 이것들은 평평한 층들로 적층되거나 스풀(spool) 또는 보빈(bobbin)에 감겨진다. 다른 유전체 재료들은 폴리에스터(Mylar®), 폴리스티렌, 폴리프로피렌, 폴리카보네이트, 금속화 종이, Teflon® 등을 포함할 수 있다. 그 다음 전극들이, 적층 커패시터 바디의 양측 상의 외부 전도층들의 각각의 1개 이상의 에지에 또는 전도성 필름 와인딩(windings)의 에지들에 의해 형성된 보빈의 각각의 평평한 단부에, 예컨대 솔더링에 의해 열 접착되거나 또는 예컨대 커넥터에 의해 기계적으로 접속된다.
보통 조립된 커패시터는 주위로부터 커패시터 바디 또는 보빈의 분리를 제공하도록 용기에 삽입되며 전극만이 노출된다.
솔더링은 전극들과 커패시터 바디 접촉면 사이에 견고한 접착을 제공하지만 솔더링에 관련된 몇몇 단점들이 존재한다. 솔더링 재료로서 보통 주석이 사용되며 솔더 포인트(solder point)는 커패시터 바디(보통 알루미늄-유전체 층)로부터 전극(보통 구리) 및/또는 주위로 열 전도 및 발산에 의해 열을 전달하는 작용을 한다. 그러나, 파워 커패시터에서는, 주석 솔더는 2개의 인터페이스, 즉 커패시터 바디(보통 알루미늄-유전체 층)-주석 인터페이스와 주석-전극(보통 구리) 인터페이스를 형성하며, 후자는 커패시터 동작 동안에 상승된 접합 온도(junction temperature)를 초래하는 열 접합(thermal junction)을 생성한다.
솔더링용 주석은 적당한 전기 전도체이지만, 그와 같은 파워 커패시터에서 여전히 에너지 손실을 초래하는 저항을 가질 수 있다.
직렬로 배치된 2개의 커패시터 바디 사이에 접속을 제공하기 위한 시도들이 있었다. 미국 특허 제4,307,434호는 적층 커패시터 전도성 층들 사이에 압착된 전도성 슬리브(sleeve) 또는 전도성 탭(tabs)과 직렬로 배치된 2개의 커패시터들의 "단락회로(short circuit)"를 개시한다.
미국 특허 제6,370,009호는 커패시터의 호일 에지에 와이어를 크림핑(crimping)하여 종래의 솔더링 작업을 대체하는 것을 개시한다.
커패시터로부터 열을 배출하기 위해 커패시터 하우징 또는 전극을 통해 냉각 유체를 흐르게 하는 것과 같은 다른 솔루션들은 단지 부분적인 솔루션일 뿐이다. 플라스틱 필름 적층 커패시터에서, 유전체 성분/층들은 약 120 ℃의 온도에서 쉽게 녹아 붕괴되지만 솔더링 온도는 보통 200 ℃를 초과한다.
수냉각 방식만의 조건하에서 솔더링은 신속한 포인트 솔더링만이 가능하고(열 접합을 생성함) 커패시터 바디 접촉면과 전극 사이의 큰 영역을 솔더링하는 것은 가능하지 않은데 이는 큰 표면 영역을 솔더링함으로써 발생되는 높은 솔더링 온도가 유전체 성분을 용융시켜 붕괴시킴으로써 커패시터를 손상시킬 수 있기 때문이다.
또한, 알루미늄(커패시터 바디)은 구리(전극)에 직접 솔더링될 수 없기 때문에 구리 또는 주석-아연 분말과 같은 매개 접착 재료가 추가되어야 하는데, 이것은 커패시터 바디 접촉면의 표면 위에 아크(arc) 분사되어 추가의 인터페이스와 열 접합을 생성하는 것이다.
전술한 것과 같은 솔더링의 한계는 또한 커패시터 바디가 직렬로 배치되는 이중-바디 커패시터를 조립하는 옵션을 무효화하기도 한다.
본 발명은 주로 열 형태인 옴(Ohm) 에너지 손실, 유전성 에너지 손실 및 유도성 에너지 손실을 최소화하기 위해 커패시터 바디(예컨대, 보빈)와 부착된 전극들 사이의 접촉점에서 열 접합을 최소화하는 교류(AC) 파워 커패시터를 제공하려는 것이다.
일 실시 예에 따르면 전도성 및 유전성 필름 와인딩들을 가진 1개 이상의 커패시터 바디들을 포함하는 커패시터가 제공되며, 상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들은 상기 유전성 필름 와인딩들의 에지들을 넘어 돌출하고, 1개 이상의 커패시터 바디 접촉면들을 형성하는 평면, 1개 이상의 전극 접촉면들을 가진 1개 이상의 전극들, 및 상기 전극 접촉면과 상기 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 열 및 전기 전도성 접촉을 유지하기 위해 상기 커패시터 바디와 전극을 함께 결합하는 압축력을 적용하는 하우징을 한정한다.
상기 전극은 가능한 많은 전도성 필름 와인딩들과 접촉하도록 평평할 수 있다.
또 다른 실시 예에 의하면 전도성 및 유전성 필름 와인딩을 가진 2개 이상의 커패시터 바디들을 직렬로 포함하는 커패시터가 제공되며, 상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들은 상기 유전성 필름 와인딩들의 에지들을 넘어 돌출하고, 1개 이상의 커패시터 바디 접촉면들을 형성하는 평면, 1개 이상의 전극 접촉면들을 갖고 상기 커패시터 바디들 사이에 전극들 중 1개가 배치된 가진 1개 이상의 전극들, 및 상기 전극 접촉면과 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 열 및 전기 전도성 접촉을 유지하기 위해 상기 커패시터 바디와 전극들을 함께 결합하는 압축력을 적용하는 하우징을 한정한다.
또 다른 실시 예에 의하면 커패시터 바디; 적어도 제1 커패시터 바디 접촉면과 인접하여 접촉하는 1개 이상의 전극 접촉면들과 1개 이상의 관통구멍들을 가진 제1 전극; 제2 커패시터 바디 접촉면과 인접하여 접촉하는 1개 이상의 전극 접촉면과 1개 이상의 나사소켓을 가진 제2 전극; 및 상기 제1 전극으로부터 절연되고 상기 관통구멍을 통해 통과되며 상기 나사소켓 안으로 체결되는 1개 이상의 볼트를 포함하고,
상기 전극들 사이에 상기 커패시터 바디가 개재되고,
상기 볼트들이 회전될 때 상기 제1 전극 및 제2 전극을 서로를 향해 그리고 상기 커패시터에 대하여 밀어서 압축력을 발생시키고 상기 전극 접촉면과 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 전기 및 열 전도성 접촉을 유지한다.
또 다른 실시 예에 의하면 파워 커패시터를 조립하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 전도성 및 유전체 필름 와인딩들을 가진 1개 이상의 커패시터 바디와를 정렬하는 단계, 상기 정렬된 전극 및 커패시터 바디를 2개의 이동 가능한 평행한 판들 사이의 지그 내에 배치하는 단계, 및 상기 지그 판들을 서로를 향해 이동시키는 단계를 포함하며, 상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들은 1개 이상의 커패시터 바디 접촉면을 형성하는 평면 및 서로 인접하는 1개 이상의 전극 접촉면들과 림을 가진 1개 이상의 전극들을 정의한다.
평행하고 이동 가능한 판들을 채용하고, 상기 전극들과 커패시터 바디를 함께 결합하고 상기 전극 접촉면과 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 전기 및 열 전도성 접촉을 형성하여 유지하기 위해 상기 전극 및 커패시터 상에 압축력을 적용한다.
상기 지그 평행판들의 압축력 하에서 커패시터를 여전히 유지하면서 인캡슐레이션과 포팅을 수행한다. 인캡슐레이션 시 상기 포팅은 상기 전극의 림의 위로 흘러서 상기 림을 덮는다. 일단 인캡슐레이션이 건조되면 커패시터를 지그로부터 제거한다. 상기 전극들과 커패시터 사이의 접촉은 폴리우레탄의 기계적 강도에 의해 적용된 압축력 하에서 유지된다.
본 발명의 방법과 시스템은 다음과 같은 첨부의 도면들과 함께 아래의 상세한 설명으로부터 더욱 완전하게 이해되고 파악될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 보통 사용되는 파워 커패시터를 간략히 도시하는 사시도 및 단면도이고;
도 2a 내지 도 2c는 파워 커패시터의 일 실시예를 간략히 도시하는 사시도와 단면도이고;
도 3은 파워 커패시터의 또 다른 실시예를 간략히 도시하는 단면도이고;
도 4a 내지 도 4e는 파워 커패시터를 제조하는 방법을 간략히 도시하는 사시도이고;
도 5는 파워 커패시터의 또 다른 실시예를 간략히 도시하는 단면도이고;
도 6은 파워 커패시터의 또 다른 실시예를 간략히 도시하는 단면도이다.
용어 "커패시터 바디(capacitor body)", "전도체-유전체 층(conductor-dielectric layers)", "적층된-플레이트(layered-plates)", "스풀(spool)" 및 "보빈(bobbin)"은 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용되며 전기 에너지를 저장하는 커패시터의 핵심을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "커패시터"는 1개 이상의 전극에 연결된 커패시터 바디를 의미한다.
용어 "힘"과 "압력"은 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용되고, 동일한 의미를 가지며 커패시터의 요소들(즉, 전극들 및 커패시터 바디)을 함께 결합하고 유지하는 커패시터에 적용된 기계적 작용을 설명한다.
이제, 흔히 사용되는 AC 파워 커패시터를 사시도 및 단면도를 간략히 도시하는 도 1a 및 도 1b를 참조한다. 파워 커패시터(100)는 보빈 또는 적층된 층들과 같은 1개 이상의 커패시터 바디(104)와, 흔히 구리로 만들어지고 솔더링 포인트(108)를 통해 바디(104)에 솔더링되는 전극(106)을 흔히 포함한다.
이제, 파워 커패시터의 일 실시예의 사시도 및 단면도를 간략히 도시하는 도 2a 내지 도 2c를 참조한다.
AC 필름/호일 또는 금속화 필름 커패시터일 수 있는 파워 커패시터(200) 보빈(204)과, 2개 이상의 전극(206)을 수용할 수 있는 하우징(202)을 포함하며, 상기 전극들은 하우징(202)의 반대 측으로부터 돌출할 수 있지만 반드시 그런 것은 아니다.
도 2b에서, 전극(206)과 하우징(202)의 일부는 설명을 위해 하우징(202) 내부의 보빈(204)을 노출하도록 제거되었다. 보빈(204)은 1개 이상의 유전체 층 또는 필름에 의해 분리된 2개 층 또는 필름의 전도성 재료를 포함한다. 상기 교대하는 전도성 및 유전체 필름 층들은 축(W) 둘레에 동심원으로 배치된 와인딩 형태로 배치될 수 있다. 상기 전도성 필름 와인딩들 각각의 에지(230)들은, 상기 유전체 필름 와인딩들의 에지(미도시)를 넘어서 반대 방향으로 서로에 대해서 및 보빈의 중심으로부터 떨어져 약간 돌출하며, 또한 보빈(204)의 평탄한 대향면들의 각각에 하나씩 2개의 커패시터 바디 접촉면(210)들을 형성하고 축(W)에 수직인 평면을 정의한다.
교번하는 전류 사이클 동안, 상기 전도성 필름 층들의 각각과 그것에 전기적으로 접속된 전극은 그것들의 대응하는 부분들의 극과 반대인 극을 가진다. 단지설명을 단순화하기 위해, 본 명세서에서 사용된 용어 "전도성 필름 와인딩(conductive film windinds)"은 교번하는 전류 사이클 전체에 걸쳐 그것들의 전기 극성에 관계없이 커패시터 내의 전도성 필름 와인딩들 모두에 관련이 있다.
단지 설명을 단순화하기 위해, 본 명세서에서 사용된 용어 "전극"은 교번하는 전류 사이클 전체에 걸쳐 그것들의 전기 극성에 관계없이 커패시터 내의 전극들 모두에 관련이 있다.
전도성 필름 와인딩은 알루미늄 또는 아연과 같은 전도성 재료로 만들어질 수 있지만, 이에 한정하지 않는다. 대안으로 또는 선택적으로, 유전체 층은 그 위에 피착된 알루미늄 또는 아연과 같은 전도성 재료로 적층될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 유전체 필름 와인딩은 폴리에스터(Mylar®), 폴리스티렌, 폴리프로피렌, 폴리카보네이트, 금속화 종이, Teflon® 등으로 만들어질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 전극(206)은 구리로 만들어질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
전극(206)은 충분히 큰 표면적(surface area)을 가진 접촉면(208)을 포함할 수 있으며, 그리하여 조립될 때, 전극(206) 접촉면(208)이 바디 접촉면(210)을 구성하는 전도성 필름 와인딩들의 에지(230)들의 전부가 아니라도 대부분과 접촉할 수 있다. 일반적으로, 조립될 때, 전극(206) 접촉면(208)은 바디 접촉면(210)을 구성하는 전도성 필름 와인딩들의 에지(230)들의 50% 초과와 접촉할 수 있다. 더 일반적으로는, 조립될 때, 전극(206) 접촉면(208)은 바디 접촉면(210)을 구성하는 전도성 필름 와인딩들의 에지(230)들의 75% 초과와 접촉할 수 있으며, 가장 일반적으로는, 조립될 때, 전극(206) 접촉면(208)은 바디 접촉면(210)을 구성하는 전도성 필름 와인딩들의 에지(230)들의 90% 초과와 접촉할 수 있다. 전극(206) 접촉면(208)의 표면적은 커패시터 바디 접촉면(210)보다 더 크거나, 동일하거나 더 작을 수도 있다.
필수적인 것은 아니지만 선택사항으로, 전극(206) 접촉면(208)과 커패시터 바디 접촉면(210)은 그 사이에 배치된 전기 및 열 전도성 층(212)을 개재시킬 수 있다. 전기 및 열 전도성 층(212)은, 아연-주석 혼합물 및 구리를 포함하는 재료들의 그룹으로부터 선택된 전기 및 열 전도성 재료로 흔히 와이어 또는 분말 형태로서 만들어질 수 있고, 아래에서 더 상세히 설명되는 것과 같이 아크 또는 플레임 스프레이(flame spray)에 의해 커패시터 바디 접촉면(210)에 도포될 수 있다.
예를 들어 구리 및 알루미늄과 같은 일부 금속들은, 종래 기술에서 솔더링된 파워 커패시터(도 1a 및 도 1b 참조)에서 서로 직접 솔더링될 수 없기 때문에, 구리 또는 주석-아연 분말과 같은 중간 접착 재료가 예컨대 아크 스프레이에 의해 상기 커패시터 바디 접촉면 위에 추가되어야 하며 따라서 추가의 인터페이스와 열 접합을 생성한다. 본 명세서에서 개시된 AC 파워 커패시터들 모두에서, 조립된 AC 파워 커패시터들의 컴포넌트들(즉, 커패시터 바디 및 전극들)은 커패시터 요소들(즉, 바디 및 전극들) 사이에 기능적 접촉을 제공하는 압축력(compressive force)에 의해서만 함께 결합될 수 있으므로 그와 같은 중간 접착 재료의 필요를 제거한다(도 3 및 도 5 참조).
전극(206)은 또한 림(220)을 포함할 수 있으며(도 2c 참조), 따라서 커패시터 바디 접촉면(210)과 접촉할 때, 전극(206)이 제자리에 유지되고, 하우징(202)에 의해 전극(206) 림(220)에 적용된 압축력 하에서 커패시터 바디 접촉면(210)에 대해 눌려져 결합된다. 하우징(220)에 의해 커패시터(200)에 적용된 압력은 커패시터(200)의 반대 측면들 위에 위치된 전극(206)들의 각각의 림(220)들에 동시에 적용된다.
전극(206)이 커패시터 바디 접촉면(210)과 접촉되어 유지되는 압력의 크기는 커패시터 보빈(204)과 전극(206)들의 치수에 좌우된다. 상기 유지되는 압력은 전극(206) 접촉면(208)과 커패시터 바디 접촉면(210) 사이의 평행한 접촉 평면 전체에 걸쳐 균일하고 양호한 전기 및 열 전도성 접촉을 허용하기에 충분해야 한다. 상기 접촉이 더 균일하게 분포될수록, 열 접합의 형성이 감소하고, 에너지 손실이 감소하고, 열 발생이 감소하며 커패시터(200)의 효율은 더 높아진다.
전극(206)이 커패시터 바디 접촉면(210)과 접촉되어 유지되는 압축력의 크기는 보빈(204)(커패시터 바디)이 압축력에 굴복하여 붕괴하는 적용된 힘의 값에 의해서만 제한된다. 예를 들면, 직경이 80 mm인 보빈과 직경이 80 mm인 전극을 가진 커패시터는 5 kg/sqcm과 10 kg/sqcm 사이의 압력에서 유지될 수 있다.
하우징(202)은 또한 보빈(204) 및 하우징(202) 벽(222) 사이의 포팅(potting)(214)을 둘러쌀 수 있다.
커패시터(200)의 상기 구성은 솔더링된 접촉점(108)들에 대한 필요를 제거함으로써 열 및 전기 전도층(212)과 열 접합들과 같은 여분의 재료 인터페이스들에 대한 필요를 제거하는 압축력 하에서만 함께 결합된 전극(206) 접촉면(208)과 커패시터 바디 접촉면(210) 사이에 생성된 크고 균일한 접촉 면적에 기인한 양호한 전기 및 열 전도를 제공할 수 있다(도 1a 및 도 1b 참조).
이제, 파워 커패시터의 또 다른 실시예를 간략한 단면도를 도시하는 도 3을 참조한다. AC 커패시터인 파워 커패시터(300)는 2개 이상의 커패시터 바디(300-1, 300-2)를 포함하며, 각각은 도 2a 및 도 2b의 커패시터와 구조가 유사하고 직렬로 배치되어 있다.
커패시터 바디(300-1, 300-2)는, 하우징(302) 내에 함께 수용되고 커패시터 바디(300-1, 300-2)들 사이에 배치된 1개 이상의 전극 접촉면(208)을 가진 공통 전극(306)을 통해, 접속될 수 있다.
공통 전극(306)을 커패시터 바디(300-1, 300-2)의 하나 또는 둘 다 모두에 솔더링하려는 어떤 시도도 전술한 이유로 인해서 커패시터 바디(300-1, 300-2)의 하나 또는 둘 다 모두에 손상을 줄 수 있다. 그러므로 전극(206)과 공통 전극(306)은 커패시터 바디 접촉면(210)과 접촉할 때 하우징(302)에 의해 압축력 하에서 제자리에 유지될 수 있다. 전극(206, 306)들이 커패시터 바디 접촉면(210)과 접촉 상태로 유지되는 압축력의 크기는 커패시터 보빈(204)들과 전극(206, 306)들의 치수에 좌우된다. 상기 유지되는 압축력은 전극(206, 306) 접촉면(208)과 커패시터 바디 접촉면(210) 사이의 접촉 평면 전체에 걸쳐 균일하게 분포된 양호한 전기 및 열 전도성 접촉을 허용하기에 충분해야 한다. 접촉이 균일할수록 - 열 접합의 형성이 감소하고, 에너지 손실이 감소하고 열 생성이 감소하며 커패시터(200)의 효율은 더 높다.
전극(206, 306)이 커패시터 바디 접촉면(210)과 결합되고 접촉되어 유지되는 압축력의 크기는 보빈(204)이 압축력에 굴복하여 붕괴하는 압력의 값에 의해서만 제한된다. 예를 들면, 직경이 80 mm인 보빈과 직경이 80 mm인 전극을 가진 커패시터는 5 kg/sqcm과 10 kg/sqcm 사이의 압력에서 유지될 수 있다.
하우징(302)은 또한 보빈(204) 및 하우징(202) 벽(222) 사이의 포팅(potting)(214)을 둘러쌀 수 있다.
커패시터(300)의 상기 구성은 하우징(302)에 의해 발생된 압축력에 의해서만 전극(206, 306) 접촉면(208)과 커패시터 바디 접촉면(210) 사이에 생성된 크고 균일하게 분포된 접촉 영역에 기인한 양호한 전기 및 열 전도를 제공할 수 있으므로 솔더링된 접촉점(108)과 같은 열 접합들과 같은 여분의 재료 인터페이스들에 대한 필요를 제거한다(도 1a 및 도 1b 참조).
도 2a, 도 2b 및 도 3에 도시된 파워 커패시터와 같은 AC 파워 커패시터의 제조 방법을 간략히 도시하는 도 4a 내지 도 4e에서와 같이, 파워 커패시터(400) 바디 접촉면(210)은 구리 및 아연-주석 혼합물을 포함하는 재료들의 그룹에서 선택된 전기 및 열 전도성 재료로 선택적으로 아크 분사될 수 있다(도 4a 참조).
전술한 것과 같이, 도 4a에 도시한 단계는 선택적인 것이며, 전극(206, 306) 접촉면(208)과 커패시터 바디 접촉면(210) 사이의 접촉은 압축력에 의해서만 발생되어 유지될 수 있으므로 전기 및 열 전도성 재료(402)에 대한 필요를 제거한다.
2개 이상의 전극(206) 및 커패시터 보빈(204)은, 각각의 전극(206) 접촉면(208)이 각각의 파워 커패시터 바디 접촉면(210)에 인접하게, 서로 인접하여 배치되어 조립된 커패시터(400)을 생성할 수 있으며, 이것은 그 다음 1개 이상의 볼트(410)에 의해 서로 부착된 2개의 이동 가능한 평행판들(408) 사이에 지그(jig)(406) 내에 배치될 수 있다. 볼트(410)는 판(408)들을 서로 평행하게 유지하도록 조정될 수 있다(도 4b 참조). 결합된 전극(206)들과 커패시터 보빈(204)은 커패시터(400)가 완전한 기능을 발휘하기에 충분한 전기 접촉을 그것들 사이에 아직 형성하지 않는다.
그 다음 볼트(410)는, 지그 판(408)들이 서로를 향하게 하고, 커패시터 바디(204)의 평평한 양 측면들과 접합된 전극(206)에 압축력을 적용하여, 전극(206)과 커패시터 바디(204)를 함께 결합하고, 전극 접촉면과 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일하고 기능적인 전기 및 열 전도성 접촉을 형성 및 유지하여 커패시터(400)가 완전히 기능하도록 하기 위해 조여질 수 있으며, 상기 압축력의 벡터는 축(W)에 평행할 수 있고 커패시터 바디 접촉면(210)에 수직일 수 있다.
커패시터(400) 상의 압축력은 지그(406) 판(408)들과 전극(206)들 사이의 접촉에 의해 외부로부터 커패시터(400)의 중심을 향해 내부로 적용될 수 있다. 판(408)들은 전극(206) 이외에 커패시터(400)의 어떤 다른 부분이나 커패시터(404) 보빈(204)을 접촉하지 않는다.
여전히 지그(406) 판(408)들에 의해 적용된 압축력 하에 있는 동안, 커패시터(400)는 링(412)(도 4c 참조)과, 링(412)과 보빈(204) 사이의 포팅(414)(도 4d 참조)에 의해 인캡슐레이션(encapsulation)될 수 있으며, 양자는 예컨대 폴리우레탄 시트 및 폴리우레탄 수지와 같은 전기 절연성 재료로 만들어지고, 벽(222)을 가진 하우징(202)을 함께 형성한다(도 2c 및 도 3 참조).
상기 인캡슐레이션은 커패시터(400)에 적용될 수 있으며, 인캡슐레이션 공정 동안, 포팅(414)(도 4d 참조)이 전극(206) 림(220) 위로 흘러 삼켜서 인캡슐레이션 내에 림(220)을 포함하게 된다.
상기 폐쇄된 지그(406)는 상기 폴리우레탄 인캡슐레이션 및 포팅이 완전히 건조할 때까지 커패시터(400)에 압축력을 적용하도록 내버려둘 수 있다. 일단 인캡슐레이션이 건조되면, 커패시터(400)는 지그(406)로부터 제거될 수 있다(도 4e 참조). 이제 막 함께 결합된 커패시터(400) 전극(206)들 및 보빈(204) 사이의 접촉은 하우징(202)의 폴리우레탄 인캡슐레이션의 기계적 힘에 의해 전극(206) 림(220)에 이제 막 적용된 압축력 하에서 유지될 수 있다.
당해 기술분야의 숙련자는 전술한 바와 같은 커패시터를 제조하는 본 발명의 방법이 도 3에 도시한 파워 커패시터와 같이 직렬로 배치된 2개 이상의 커패시터 바디를 가진 커패시터에 적용될 수도 있음을 인식할 것이다.
이제, 파워 커패시터의 또 다른 실시예를 간략히 도시하는 단면도인 도 5를 참조한다.
AC 파워 커패시터(500)는 적층된 판들 또는 스풀 또는 보빈의 형태가 될 수 있는 커패시터 바디(504)를 개재하는 판들의 형태인 2개 이상의 전극(506-1, 506-2)을 포함할 수 있다. 전극(506-1, 506-2)은 커패시터 바디 접촉면(510)과 접촉할 때 볼트(520)들에 의해 전극(506-1, 506-2) 판들에 적용된 압축력 하에서 제자리에 결합 유지될 수 있으며, 상기 압축력은 전극(506-1, 506-2)을 커패시터 바디 접촉면(510)에 수직인 방향으로 커패시터 바디(504)의 양 측면 상의 커패시터 바디 접촉면(510)에 대해서 누른다.
전극(506-1)은 1개 이상의 볼트(520)를 수용하는 1개 이상의 구멍(530)과 1개 이상의 볼트(520) 헤드(524)를 수용하는 1개 이상의 나사못-머리 자리(522)를 포함할 수 있다. 나사못 머리 자리(522)의 내부벽(526)은, 나사못 머리(524)가 조여져 자리(522)에 눌려질 때 볼트(520)와 전극(506-1) 사이에 전기적 접촉이 형성되지 않도록, 전기 절연 재료로 피복될 수 있다.
파워 커패시터(500)는 또한, 전기 절연 재료로 만들어지고 볼트(520)를 수용하며 볼트(520)가 조립되어 최종 정지상태에 있을 때 볼트(520)를 전기적으로 절연하는 슬리브(550)를 포함할 수 있다.
전극(506-2)은, 볼트(520)가 나사소켓(528) 안으로 나사식으로 회전될 때 볼트(520)가 전극(506-1, 506-2)을 서로에 대해서 누르고 또한 커패시터 바디(504)를 눌러서 압축력을 발생시키고 전극 접촉면(508)과 커패시터 바디 접촉면(510) 사이의 평행한 판의 전체에 걸쳐 균일한 전기 및 열 전도성 접촉을 유지하도록, 볼트(520)의 나사 단부(530)를 나사식으로 수용하는 나사소켓(528)을 포함할 수 있다. 나사소켓(528)은 전기 전도성을 가지며 볼트(520)의 나사 단부(530)와 직접적인 전기 접촉을 이룰 수 있다.
전극(506-1, 506-2)이 커패시터 바디 접촉면(510)과 접촉하여 유지되는 압력의 크기는 커패시터 바디(504)와 전극(506-1, 506-2)의 치수에 종속한다. 상기 유지된 압력은 전극(506-1, 506-2) 접촉면(508)과 커패시터 바디 접촉면(510) 사이의 평행한 접촉 평면 전체에 걸쳐 균일하게 분포된 양호한 전기 및 열 전도성 접촉을 허용하기에 충분해야 한다. 상기 접촉이 더 균일하게 분포될수록, 열 접합의 형성이 감소하고, 에너지 손실이 감소하고, 열 발생이 감소하며 커패시터(500)의 효율은 더 높다.
전극(506-1, 506-2)이 커패시터 바디 접촉면(510)과 접촉하여 유지되는 압력의 크기는 커패시터 바디(504)가 붕괴하는 압력의 값에 의해서만 제한된다. 예를 들면, 직경이 80 mm인 보빈과 직경이 80 mm인 전극을 가진 커패시터는 5 kg/sqcm과 10 kg/sqcm 사이의 압력에서 유지될 수 있다.
커패시터(500)의 상기 구성은, 커패시터 바디(504)에 대해 가해진, 전극(506-1, 506-2)에 의해 생성된 압축력에 의해서만 전극(506-1, 506-2) 접촉면(508)과 커패시터 바디 접촉면(510) 사이에 생성된 크고 균일한 접촉 영역에 기인한 양호한 전기 및 열 전도를 제공할 수 있으므로, 열 및 전기 전도층(212)과 열 접합들과 같은 여분의 재료 인터페이스들을 제거하여 여분의 재료 인터페이스 및 열 접합의 부족을 초래하며 솔더링된 접촉점(108)들에 대한 필요를 제거한다(도 1a 및 도 1b 참조).
파워 커패시터(500)를 조립하는 방법은 다음 단계들:
제1 전극(506-1) 및 제2 전극(506-2)을 대응하는 커패시터 바디 접촉면(510)과 결합하는 단계;
볼트(520)가 회전될 때, 제1 전극(506-1) 및 제2 전극(506-2)이 서로를 향해 그리고 커패시터 바디 접촉면(510)에 수직인 방향으로 커패시터 바디(504)의 양 측에 대하여 밀어서, 압축력이 전극(506-1, 506-2) 접촉면(508)과 커패시터 바디 접촉면(510) 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 전기 및 열 전도성 접촉을 유지하기에 충분히 큰 정도까지 커패시터 바디(504)에 대하여 상기 압축력을 적용하도록, 상기 제1 전극(506-1) 상의 구멍들(540)을 통해 1개 이상의 볼트(520)를 삽입하고 제2 전극(506-2) 상의 나사소켓(528) 안으로 볼트(520)를 회전시켜 조이는 단계; 및
전극(506-1, 506-2)만이 주위에 노출되어 유지되도록 커패시터 바디(504)를 포팅(514)으로 인캡슐레이션하는 단계;를 포함하고, 각각의 전극(506-1, 506-2)은 커패시터 바디(504)의 반대 측에 인접한다.
이제, 파워 커패시터의 또 다른 실시예를 간략히 도시하는 단면도인 도 6을 참조한다. AC 파워 커패시터(600)는 2개 이상의 커패시터 바디(600-1, 600-2)를 포함하는 커패시터로서, 상기 커패시터 바디 각각은 도 5의 커패시터(500)와 구조가 유사하고 직렬로 배치되어 있다.
커패시터(600)는 공통 전극(606)을 통해 접속될 수 있는 커패시터 바디(600-1, 600-2)를 포함할 수 있다. 공통 전극(606)은 볼트들(520)이 자유롭게 공통전극(606)을 통해 삽입될 수 있도록 하는 관통구멍들(602)을 포함할 수 있다. 파워 커패시터(600)는 또한 전기 절연재료로 만들어진 슬리브들(550)을 포함할 수 있으며 상기 슬리브들은 볼트들(520)이 공통전극(606)에 조여져서 최종 정지상태에 있을 때 볼트들(520)을 수용하고 전기적으로 절연하는 기능을 한다.
공통 전극(606)을 커패시터 바디(600-1, 600-2)의 하나 또는 둘 다 모두의 바디(504)에 솔더링하려는 어떤 시도도 전술한 이유로 인해서 결국은 커패시터 바디(600-1, 600-2)의 하나 또는 둘 다 모두에 손상을 줄 수 있다. 그러므로 전극(506-1, 506-2)과 공통 전극(606)은 커패시터 바디 접촉면(510)과 접촉할 때 볼트들(520)에 의한 압축력 하에서 제자리에 유지될 수 있다.
전극(506-1, 506-2, 606)이 커패시터 바디 접촉면(510)과 접촉하여 유지되는 압력의 크기는 커패시터 바디(504)와 전극(506-1, 506-2, 606)의 치수에 종속한다. 상기 유지된 압력은 전극(506-1, 506-2, 606) 접촉면(508)과 커패시터 바디 접촉면(510) 사이의 접촉 평면 전체에 걸쳐 균일하게 분포된 양호한 전기 및 열 전도성 접촉을 허용하기에 충분해야 한다. 상기 접촉이 균일할수록, 열 접합의 형성이 감소하고, 에너지 손실이 감소하고, 열 발생이 감소하며 커패시터(600)의 효율은 더 높다.
선택사항으로 커패시터(600)는 또한 전극(506-1, 506-2, 606) 접촉면(508)과 커패시터 바디 접촉면(510) 사이에 열 및 전기 전도층(612)을 포함할 수 있다.
파워 커패시터(600)는 그 다음에 전술한 방식으로 인캡슐레이션될 수 있다.
당해 기술분야의 숙련자는 본 발명의 시스템들 및 방법들이 위에서 특정하여 예시하고 설명한 실시예들에 한정되지 않음을 인식할 것이다. 오히려, 본 발명의 방법 및 시스템의 범위는 전술한 다양한 특징들의 조합들과 하위 조합들을 포함할 뿐만 아니라 전술한 설명을 통해 당해 기술분야의 숙련자에게 떠오르는 당해 기술분야에 존재하지 않는 본 발명의 다양한 수정 및 변경을 포함한다.

Claims (27)

  1. 교류(AC) 커패시터에 있어서,
    전도성 및 유전체 필름 와인딩들을 가진 1개 이상의 커패시터 바디;
    1개 이상의 전극 접촉면을 가진 1개 이상의 전극; 및
    상기 전극 접촉면과 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 전기 및 열 전도성 접촉을 유지하도록 상기 커패시터 바디 및 전극을 함께 결합하는 압축력을 적용하는 하우징을 포함하고,
    상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들은 1개 이상의 상기 커패시터 바디 접촉면을 형성하는 평면을 한정하는, 교류 커패시터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    조립될 때 상기 전극 접촉면은 바디 접촉면을 구성하는 상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들의 50%를 초과하여 접촉하는, 교류 커패시터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    조립될 때 상기 전극 접촉면은 바디 접촉면을 구성하는 상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들의 75%를 초과하여 접촉하는, 교류 커패시터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    조립될 때 상기 전극 접촉면은 바디 접촉면을 구성하는 상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들의 90%를 초과하여 접촉하는, 교류 커패시터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 필름 와인딩들은 상기 유전체 필름 와인딩들의 에지들을 넘어서 돌출하는, 교류 커패시터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축력의 크기는 상기 커패시터 바디가 상기 압축력에 굴복해서 붕괴하는 적용된 힘의 값에 의해서만 제한되는, 교류 커패시터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 커패시터 바디와 상기 하우징 벽 사이에 포팅을 추가로 둘러싸는, 교류 커패시터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극들과 커패시터 바디는 상기 하우징에 의해 적용된 압축력 하에서만 함께 결합되는, 교류 커패시터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    직경이 80 mm인 커패시터 바디와 직경이 80 mm인 전극을 가진 커패시터의 경우 상기 압축력은 5 kg/sqcm과 10 kg/sqcm 사이의 압력을 유지하는, 교류 커패시터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 림을 추가로 포함하고,
    상기 하우징은 1개 이상의 전극의 상기 림에 압축력을 적용함으로써 상기 커패시터 바디와 전극을 함께 결합하는, 교류 커패시터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    하우징 벽과, 상기 하우징 벽과 상기 커패시터 바디 사이의 포팅을 추가로 포함하는, 교류 커패시터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극들과 상기 커패시터 바디 사이의 접촉은 폴리우레탄의 기계적 강도에 의해 적용된 압축력 하에서 유지되는, 교류 커패시터.
  13. 교류(AC) 커패시터에 있어서,
    전도성 및 유전체 필름 와인딩들을 갖고 직렬로 배치된 2개 이상의 커패시터 바디들;
    1개 이상의 커패시터 바디 접촉면과 인접하여 접촉하는 상기 커패시터 바디들 사이에 적어도 배치된 2개의 전극 접촉면들을 가진 1개 이상의 전극; 및
    상기 전극 접촉면과 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 전기 및 열 전도성 접촉을 유지하도록 상기 커패시터 바디들과 전극을 함께 결합하는 압축력을 적용하는 하우징을 포함하고,
    상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들은 1개 이상의 커패시터 바디 접촉면을 형성하는 평면을 한정하는, 교류 커패시터.
  14. 교류(AC) 커패시터에 있어서,
    전도성 및 유전체 필름 와인딩들을 가진 1개 이상의 커패시터 바디;
    적어도 제1 커패시터 바디 접촉면과 인접하여 접촉하는 1개 이상의 전극 접촉면과 1개 이상의 관통구멍을 가진 제1 전극;
    적어도 제2 커패시터 바디 접촉면과 인접하여 접촉하는 1개 이상의 전극 접촉면과 1개 이상의 나사소켓을 가진 제2 전극; 및
    회전될 때 볼트들은 전극들을 서로를 향해 그리고 상기 커패시터 바디에 대향하여 이동하여 압축력을 발생시키고 상기 전극 접촉면과 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 전기 및 열 전도성 접촉을 유지하도록, 상기 관통구멍을 통해 통과되고 상기 나사소켓 안으로 체결되는 1개 이상의 볼트를 포함하고,
    상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들은 1개 이상의 커패시터 바디 접촉면을 형성하는 평면을 한정하는, 교류 커패시터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 1개 이상의 볼트 머리를 수용하는 1개 이상의 전기 절연된 나사머리 자리를 추가로 포함하는, 교류 커패시터.
  16. 제 14 항에 있어서,
    전기 절연 재료로 만들어지고 상기 볼트들을 수용하고 전기적으로 절연하는 슬리브들을 추가로 포함하는, 교류 커패시터.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 전극들 및 커패시터 바디는 상기 볼트들에 의해 발생된 압축력 하에서만 함께 결합되는, 교류 커패시터.
  18. 교류(AC) 커패시터에 있어서,
    전도성 및 유전체 필름 와인딩들을 가진 2개 이상의 커패시터 바디들;
    적어도 제1 커패시터 바디 접촉면과 인접하여 접촉하는 1개 이상의 전극 접촉면과 1개 이상의 관통구멍을 가진 제1 전극;
    적어도 제2 커패시터 바디 접촉면과 인접하여 접촉하는 1개 이상의 전극 접촉면과 1개 이상의 나사소켓을 가진 제2 전극;
    1개 이상의 커패시터 바디 접촉면과 인접하여 접촉하는 커패시터 바디들 사이에 적어도 배치된 2개의 전극 접촉면들과 1개 이상의 관통구멍을 가진 제3 전극; 및
    회전될 때 볼트들은 상기 제1 전극 및 제2 전극을 서로를 향해 그리고 상기 커패시터 바디에 대향하여 이동하여 압축력을 발생시키고 상기 전극 접촉면과 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 전기 및 열 전도성 접촉을 유지하도록, 상기 관통구멍들을 통해 통과되고 상기 나사소켓 안으로 체결되는 1개 이상의 볼트를 포함하고,
    상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들은 1개 이상의 커패시터 바디 접촉면을 형성하는 평면을 한정하는, 교류 커패시터.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 1개 이상의 볼트 머리를 수용하는 1개 이상의 전기 절연된 나사머리 자리를 추가로 포함하는, 교류 커패시터.
  20. 제 18 항에 있어서,
    전기 절연 재료로 만들어지고 상기 볼트들을 수용하고 전기적으로 절연하는 슬리브들을 추가로 포함하는, 교류 커패시터.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 전극들 및 커패시터 바디는 상기 볼트들에 의해 발생된 압축력 하에서만 함께 결합되는, 교류 커패시터.
  22. 파워 커패시터를 조립하는 방법에 있어서,
    전도성 및 유전체 필름 와인딩들을 가진 1개 이상의 커패시터 바디(여기서, 상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들은 1개 이상의 커패시터 바디 접촉면을 형성하는 평면을 한정함); 적어도 제1 커패시터 바디 접촉면과 인접하여 접촉하는 1개 이상의 전극 접촉면과 1개 이상의 관통구멍을 가진 제1 전극; 및 적어도 제2 커패시터 바디 접촉면과 인접하여 접촉하는 1개 이상의 전극 접촉면과 1개 이상의 나사소켓을 가진 제2 전극을 제공하는 단계,
    상기 제1 전극 및 제2 전극을 대응하는 1개 이상의 커패시터 바디 접촉면과 결합하는 단계(여기서, 각 전극은 상기 커패시터 바디의 대면(對面)과 인접함),
    상기 제1 전극 상의 상기 관통구멍들을 통해 1개 이상의 볼트를 삽입하는 단계,
    상기 제2 전극 상의 나사소켓들 안으로 상기 볼트들을 회전시켜 체결하는 단계,
    상기 볼트들을 회전시켜 상기 제1 전극 및 제2 전극을 서로를 향해 그리고 상기 커패시터 바디의 양면들에 대향하여 이동시키는 단계, 및
    상기 전극 접촉면과 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 전기 및 열 전도성 접촉을 유지하기 위해 커패시터 바디에 대하여 압축력을 적용하는 단계를 포함하는, 파워 커패시터 조립 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    포팅으로 상기 커패시퍼 바디를 인캡슐레이션하는 단계를 추가로 포함하는, 파워 커패시터 조립 방법.
  24. 커패시터를 제조하는 방법에 있어서,
    전도성 및 유전체 필름 와인딩들을 가진 1개 이상의 커패시터 바디 (여기서, 상기 전도성 필름 와인딩들의 에지들은 1개 이상의 커패시터 바디 접촉면을 형성하는 평면을 한정함); 및 1개 이상의 전극 접촉면을 가진 1개 이상의 전극을 서로 인접하도록 정렬하는 단계;
    정렬된 상기 전극 및 커패시터 바디를 2개의 평행한 판들 사이의 지그 내에 배치하는 단계;
    상기 지그 판들을 서로를 향해 이동시키고, 상기 전극들 및 커패시터 바디를 함께 결합하여 상기 전극 접촉면과 커패시터 바디 접촉면 사이의 평행한 평면의 전체에 걸쳐 균일한 전기 및 열 전도성 접촉을 형성하고 유지하기 위해 상기 전극 및 커패시터 바디에 압축력을 적용하는 단계;
    상기 커패시터를 상기 압축력 하에서 여전히 유지하는 동안 상기 커패시터를 인캡슐레이션하는 단계; 및
    인캡슐레이션이 건조하면 상기 지그로부터 상기 커패시터를 제거하는 단계를 포함하는, 커패시터 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    인캡슐레이션 단계는 포팅을 포함하는, 커패시터 제조 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 전극은 림을 추가로 포함하고,
    인캡슐레이션할 때 상기 포팅은 상기 전극의 림 위로 흘러서 상기 림을 피복하는, 커패시터 제조 방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 판들은 상기 전극들 외에 상기 커패시터의 어떤 다른 부분 또는 상기 커패시터 바디와 접촉하지 않는, 커패시터 제조 방법.
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