CN112740346B - 电解电容器 - Google Patents
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Abstract
电解电容器1包括：电容器元件10，在该电容器元件10中卷绕有阴极箔11和阳极箔12，并且在阴极箔11和阳极箔12之间夹有分隔件13，并且规定的溶液被保持在阴极箔11和阳极箔12之间；容纳电容器元件10的主体壳体3；以及密封主体壳体3的密封体5。该溶液是溶解在亲脂性溶剂中的脂溶性抗氧化剂，并且分隔件13被配置为与密封体5接触。
Description
技术领域
本发明涉及用密封构件密封的电解电容器。
背景技术
专利文献1中公开了一种已知的电解电容器。该电解电容器具有主体壳体、电容器元件和密封构件。主体壳体由具有底部的圆柱形形状的金属形成，并且其圆柱形圆周壁的一端封闭，而另一端开放以具有开口。
电容器元件具有阳极箔和阴极箔并且被容纳在主体壳体内，阳极箔和阴极箔这两者具有形成在其上的氧化物涂层，在其之间卷绕有分隔件(separator)。电解液被保持在阳极箔和阴极箔之间。阳极箔和阴极箔各自具有连接到其的引线端子。内部容纳有电容器元件的主体壳体的开口用密封构件密封，该密封构件例如由橡胶形成，并且引线端子穿透该密封构件以从主体壳体引出。
人们认为，当诸如橡胶等聚合物在空气或其他地方存在氧气的情况下暴露于热或光的能量时，由自由基的产生触发开始一连串的氧化反应，从而导致性能退化。为了解决该问题，经常提到在密封构件中混合用于抑制氧化反应的抗老化剂。
另一方面，专利文献2公开了具有代替电解液的固体电解质的电解电容器。该电解电容器具有类似于专利文献1的电解电容器的主体壳体、电容器元件和密封构件。作为固体电解质的导电聚合物保持在电容器元件的阳极箔和阴极箔之间。在阳极箔和阴极箔之间还保持有包含水分的亲水性聚合物化合物。
利用如上所述构造的电解电容器，导电聚合物有助于实现低ESR。此外，亲水性聚合物化合物中包含的水分有助于修复阳极箔和阴极箔上的氧化物涂层中的缺陷。
引文列表
专利文献
专利文件1：JP-A-2000-100670(第2-4页，图1)
专利文献2：WO 2014/050913(第9-23页，图2)
发明内容
技术问题
如今，随着包含电解电容器的装置的尺寸减小和性能提高的趋势，电解电容器越来越多地用于高温环境中，在高温环境中，电解电容器被布置在产生大量的热量的马达、发动机、快速运行的半导体装置等附近。
在上述专利文献1中公开的电解电容器中，混合在密封构件中的抗老化剂随着其发挥抗氧化作用而被消耗；也就是说，它逐渐被耗尽。在高温环境下使用的电解电容器中，随着抗老化剂被耗尽，密封构件迅速劣化。这通常引起电解液从主体壳体中蒸发出来，最终造成所谓的干瘪(dried-up)状态。因此，存在电解电容器无法长期稳定地保持其特性的问题。
同样，对于上述专利文献2中公开的电解电容器，在高温环境下使用该电解电容器导致密封构件的劣化。因此，保持在阳极箔和阴极箔之间的水分从主体壳体泄漏出来，不再能够修复氧化物涂层。因此，存在电解电容器无法长期稳定地保持其特性的问题。
这不仅对于用于修复氧化物涂层的水分是如此，而且，在具有增强电解电容器特性的功能的功能性液体被保持在电容器元件中的情况下，同样地，随着密封构件在高温环境下劣化，功能性液体泄漏。因此，存在电解电容器无法长期稳定地保持其特性的问题。
本发明的目的是提供一种可以长期稳定地保持其特性的电解电容器。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，一种电解电容器包括：电容器元件，其具有阳极箔和阴极箔并且在阳极箔和阴极箔之间保持有预定溶液，在阳极箔和阴极箔之间卷绕有分隔件；主体壳体，其中容纳有电容器元件；以及密封构件，主体壳体用该密封构件密封。此处，溶液具有溶解在亲脂性溶剂中的脂溶性抗氧化剂，并且分隔件与密封构件接触。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，电容器元件可以保持固体电解质。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，溶液可以是具有溶解在亲脂性溶剂中的脂溶性抗氧化剂和电解质的电解液。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，脂溶性抗氧化剂在电解液中的浓度可以为按重量的1％至按重量的30％。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，脂溶性抗氧化剂在电解液中的浓度可以为按重量的3％至按重量的30％。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，亲脂性溶剂可以是γ-丁内酯。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，亲脂性溶剂可包含：选自由环丁砜、乙二醇和二甘醇组成的组中的至少一个；以及非离子表面活性剂。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，非离子表面活性剂可以是与亲脂性基团偶联的聚乙二醇或聚甘油。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，非离子表面活性剂可以是聚乙二醇与聚丙二醇的共聚物。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，脂溶性抗氧化剂可以是脂溶性维生素。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，脂溶性维生素可以是生育酚或生育三烯酚。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，分隔件在其短边方向上的宽度可以大于阳极箔和阴极箔在它们的短边方向上的宽度，并且，分隔件可以比阳极箔和阴极箔朝向密封构件突出更远，从而与密封构件接触。
根据本发明的另一方面，在如上所述构造的电解电容器中，主体壳体可具有从其内表面突出以按压密封构件的圆周面的收缩部，并且收缩部的脊位于比密封构件在其厚度方向上的中间更远离电容器元件之处。
发明的有益效果
根据本发明，电容器元件保持具有溶解在亲脂性溶剂中的脂溶性抗氧化剂的溶液，并且分隔件与密封构件接触。因此，分隔件允许脂溶性抗氧化剂连续地供应到密封构件。供应至密封构件的脂溶性抗氧化剂通过密封构件内部的分子间间隙渗透，从而到达密封构件的内部和密封构件的外表面。因此，密封构件的表面被油膜形式的脂溶性抗氧化剂覆盖，因此这有助于长时间抑制密封构件的劣化。因此，可以防止由电容器元件保持的溶液泄漏，并且可以长期保持电解电容器的特性。
附图说明
图1是从上方观察到的根据本发明的第一实施例的电解电容器的透视图。
图2是从下方观察到的根据本发明的第一实施例的电解电容器的透视图。
图3是示出根据本发明的第一实施例的电解电容器的电容器主体的前截面图。
图4是示出根据本发明的第一实施例的电解电容器的电容器元件的透视图。
图5是图3中的H部分的详细视图。
图6是示出通过耐久性测试的根据本发明的第一实施例的电解电容器的电容变化率的图。
图7是示出耐久性测试后的根据本发明的第一实施例的电解电容器的密封构件的图。
图8是示出耐久性测试后与本发明进行比较的比较例的电解电容器的密封构件的图。
具体实施方式
<第一实施例>
下面将参考附图描述本发明的实施例。图1和图2是示出分别从上方和下方观察到的根据第一实施例的电解电容器1的透视图。电解电容器1包括电容器主体2和座板6。座板6由合成树脂形成，并且保持电容器主体2。座板6具有形成在其中的成对的通孔6a和6b。从电容器主体2引出的引线端子7、8(稍后描述)通过通孔6a和6b***并且是弯曲的，从而被焊接到电路基板。
图3是电容器主体2的前截面图。电容器主体2包括主体壳体3、电容器元件10和密封构件5。主体壳体3由具有圆形截面的有底部的圆筒的形状的诸如铝等的金属形成，并且在一个端部处开放以具有开口3c。电容器元件10被容纳在主体壳体3的内部，并且开口3c用密封构件5密封。
图4是电容器元件10的透视图。电容器元件10包括阳极箔11、阴极箔12和分隔件13。阳极箔11和阴极箔12均由细长带的形式的金属箔形成。分隔件13由细长带的形式的无纺布等形成。
电容器元件10通过将阳极箔11和阴极箔12(阳极箔11和阴极箔12之间具有分隔件13)卷绕成圆柱形而形成。阳极箔11或阴极箔12的末端用卷绕端带(winding-end tape)14固定。引线端子7连接到阳极箔11；引线端子8连接到阴极箔12。
分隔件13形成为使其在短边方向(轴方向)上的宽度大于阳极箔11和阴极箔12在短边方向上的宽度。因此，相对于阳极箔11和阴极箔12，分隔件13向上(远离开口3c)和向下(朝向开口3c)突出，从而防止阳极箔11和阴极箔12之间的短路。
阳极箔11由诸如铝、钽、铌或钛等阀金属形成。阴极箔12隔着分隔件13面对阳极箔11，并且由铝等形成。阳极箔11和阴极箔12具有形成在其表面上的氧化物涂层(未示出)。
在电容器元件10的阳极箔11和阴极箔12之间，保持有电解液。将电容器元件10在电解液中浸渍预定的时间长度允许电解液渗透到分隔件13中，以被保持在阳极箔11和阴极箔12之间。电解液实际上起着阴极的作用。电解液还有助于修复阳极箔11和阴极箔12上的氧化物涂层中的缺陷。
电解液是电解质在亲脂性溶剂中的溶液。γ-丁内酯可以用作亲脂性溶剂。还可用作脂溶性溶剂的是在环丁砜、乙二醇和二甘醇的至少一个中包含非离子表面活性剂的液体。可用作非离子表面活性剂的是与亲脂性基团偶联的聚乙二醇或聚甘油、聚乙二醇与聚丙二醇的共聚物等。
电解质通过溶解在溶剂中分解成离子以发挥导电性。可用作电解质的是例如硼酸化合物或碳酸化合物的有机胺盐。
电解液还包含溶解在亲脂性溶剂中的脂溶性抗氧化剂。脂溶性抗氧化剂与氧气进行氧化反应，从而抑制密封构件5的氧化，如稍后将详细描述的。可溶于亲脂性溶剂的抗氧化剂(例如，脂溶性维生素)可以用作脂溶性抗氧化剂。脂溶性维生素的示例包括例如维生素A(视黄醇、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、β-隐黄质)、维生素D(维生素D2、维生素D3)、维生素E(生育酚、生育三烯酚)和维生素K(维生素K1、维生素K2、甲萘醌-7)。
如果脂溶性抗氧化剂在电解液中的浓度低于按重量的1％，则无法长时间保持对密封构件5的抗氧化作用。如果脂溶性抗氧化剂在电解液中的浓度高于按重量的30％，则电解液具有如此高的粘度，以至于将电解液保持在电容器元件10中需要很长时间，导致工时增加。出于这些考虑，优选的是脂溶性抗氧化剂在电解液中的浓度为按重量的1％至按重量的30％。进一步优选的是脂溶性抗氧化剂在电解液中的浓度为按重量的3％至按重量的20％，因为这提供了更好的抗氧化作用，从而减少了工时。
在图3中，密封构件5形成为具有成对的通孔5a和5b的盘形的诸如橡胶等电绝缘弹性材料的模制件。电容器元件10的引线端子7和8穿过通孔5a和5b被按压。可用于密封构件5的是丁基橡胶，其诸如耐热老化性、耐化学性和耐光性等耐环境性高、电阻高并且气体渗透低。密封构件5可以包含用于抑制劣化的抗老化剂。
在密封构件5放置于主体壳体3的开口3c中的情况下，主体壳体3的开放端折叠到密封构件5上。主体壳体3被锻造(swage)，以按压密封构件5的圆周面，从而形成向主体壳体3的内部突出的收缩部3d。因此，密封构件5与电容器元件10一起被保持在固定位置并防止脱落，并且主体壳体3的开口3c被密封构件5密封。
在此，收缩部3d的脊定位为比密封构件5在其厚度方向上的中间更远离电容器元件10。因此，如图所示，从下方按压密封构件5的圆周面，使得密封构件5的顶面(靠近电容器元件10的面)向上鼓出，其中央部分朝向电容器元件10突出。
图5是图3中H部分的详细视图。分隔件13的比阳极箔11和阴极箔12更向下突出的至少一部分与密封构件5接触。在此，由于密封构件5的中央部分鼓起而向上突出，因此分隔件13沿着密封构件5放置，使得分隔件13在多个点处或在区域上与密封构件5牢固地接触。
密封构件5经由与其接触的分隔件13被连续地供给有电解液中的脂溶性抗氧化剂。脂溶性抗氧化剂透过密封构件5内部的分子间间隙而到达密封构件5的内部和密封构件5的外表面(与电容器元件10相对的面)。因此，密封构件5的外表面覆盖有油膜形式的脂溶性抗氧化剂。
脂溶性抗氧化剂具有高沸点和低熔点(例如，生育酚的沸点为235℃、熔点为3℃)。这抑制了覆盖密封构件5的表面的脂溶性抗氧化剂的蒸发。这允许脂溶性抗氧化剂在从25℃(即，在室温附近)到150℃的温度范围内保持液相，从而稳定地保持油膜的状态。
因此，在密封构件5与空气中的氧气之间的接触被抑制的同时，脂溶性抗氧化剂与密封构件5的表面处或内部的氧气进行氧化反应。这使得可以长时间抑制氧化引起的密封构件5的劣化。因此，可以防止电解质溶液经由密封构件5中的裂缝等蒸发。
图6是示出本实施例的电解电容器1的电容通过耐久性测试如何变化的图。在该图中，竖直轴表示电容变化率(以百分比表示)，水平轴表示时间推移。
在该图中，“A”表示该实施例的电解电容器1，其中，电解液包含作为亲脂性溶剂的γ-丁内酯以及作为脂溶性抗氧化剂的生育酚。脂溶性抗氧化剂在电解液中的浓度为按重量的10％。密封构件5由其中添加了抗老化剂的丁基橡胶形成。
在该图中，“B”表示比较例的电解电容器，其中，与由A表示的电解电容器1的电解液相比，省去了脂溶性抗氧化剂。
对本实施例和比较例的电解电容器1在150℃的高温环境下进行耐久性测试，并测量其电容。图7是经过8000小时后的由A表示的电解电容器1的密封构件5的照片图像。图8是经过4000小时后的由B表示的电解电容器1的密封构件5的照片图像。
比较例的电解电容器的耐久性测试揭示以下内容。经过1500小时后，抗老化剂失去其作用，使得密封构件5的表面处于干燥状态。经过4000小时后，密封构件5产生裂缝(见图8)，并且电解液迅速蒸发，导致电容急剧下降。
相对照，本实施例的电解电容器1被证明如下。在经过1500小时甚至8000小时之后，密封构件5的表面因覆盖有油膜形式的脂溶性抗氧化剂覆盖而看起来有光泽。即，在密封构件5的表面处，生育酚的蒸发比γ-丁内酯慢，并且使脂溶性抗氧化剂在150℃左右的高温范围内稳定地保持油膜状态，在该温度下，密封构件5通过氧化会迅速劣化。
另外，在本实施例的电解电容器1中，经过8000小时后，电容变化率小于20％。因此，该电解电容器1可以在高温环境下长期提供稳定的特性。同时，ESR也保持很低，表明脂溶性抗氧化剂对电解液中的电解质没有不利影响。
根据该实施例，电容器元件10可以保持电解液，该电解液可以具有在亲脂性溶剂中溶解的脂溶性抗氧化剂，并且分隔件13与密封构件5接触。因此，电解液中的脂溶性抗氧化剂经由分隔件13连续地供给至密封部件5，这有助于长期抑制密封构件5的劣化。因此，可以防止电容器元件10保持的电解液的蒸发，并且可以长期稳定地保持电解电容器1的特性。
脂溶性抗氧化剂在电解液中的浓度可以为按重量的1％至按重量的30％。这有助于抑制工时的增加，并且有助于长期保持对密封构件5的抗氧化作用。
脂溶性抗氧化剂在电解液中的浓度可为按重量的3％至按重量的20％。这有助于延长抗氧化作用并减少工时。
电解液中的亲脂性溶剂可以容易地通过γ-丁内酯实现。
电解液中的亲脂性溶剂可以容易地通过包含以下的液体来实现：环丁砜、乙二醇和二甘醇中的至少一个；以及非离子表面活性剂。
非离子表面活性剂可以容易地通过具有与亲脂基团偶联的聚乙二醇或聚甘油的液体实现。
非离子表面活性剂可以容易地通过聚乙二醇与聚丙二醇的共聚物实现。
亲脂性溶剂中的脂溶性抗氧化剂可以容易地通过脂溶性维生素实现。
亲脂性溶剂中的溶解在亲脂性溶剂中的脂溶性维生素可以容易地通过生育酚或生育三烯酚来实现。
分隔件13可以比阳极箔11和阴极箔12朝向密封构件5突出更远。因此，分隔件13可以容易地达到与密封构件5接触。
从主体壳体3的内表面突出的收缩部的脊可以位于比密封构件在其厚度方向上的中间更远离电容器元件10的位置。这允许密封构件5的中间部分朝向电容器元件10突出，因此分隔件13沿着密封构件5放置，使得分隔件13在多个点处或在区域上与密封构件5牢固地接触。
<第二实施例>
接下来，将描述第二实施例。在该实施例中，代替电解液，电容器元件10保持固体电解质(未示出)以及预定功能性液体。在其他方面，该实施例类似于第一实施例。
固体电解质由导电聚合物等构成。导电聚合物有助于降低电解电容器1的ESR。可用作导电聚合物的例如是聚噻吩、聚吡咯或任何这些的衍生物。聚乙烯二氧噻吩因其高导电性而是特别优选的。
将电容器元件10浸渍在导电聚合物的分散液中预定的时间长度，然后对所得物进行干燥使得由导电聚合物组成的固体电解质被保持在阳极箔11和阴极箔12之间。
阳极箔11和阴极箔12之间还保持有功能性液体，其具有增加耐压的功能。功能性液体是具有溶解在亲脂性溶剂中的脂溶性抗氧化剂的溶液。γ-丁内酯可以用作亲脂性溶剂。还可用作亲脂性溶剂的是在环丁砜、乙二醇和二甘醇的至少一个中包含非离子表面活性剂的液体。可用作非离子表面活性剂的是与亲脂性基团偶联的聚乙二醇或聚甘油、聚乙二醇与聚丙二醇的共聚物等。这些亲脂性溶剂中的任何一个都有助于增加耐电压，并允许脂溶性抗氧化剂溶解。
可溶于亲脂性溶剂中的抗氧化剂(例如，脂溶性维生素)可以用作脂溶性抗氧化剂。脂溶性维生素的示例包括例如维生素A(视黄醇、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、β-隐黄质)、维生素D(维生素D2、维生素D3)、维生素E(生育酚、生育三烯酚)和维生素K(维生素K1、维生素K2、甲萘醌-7)。
固体电解质通过功能性液体而溶胀。这提供了固体电解质与阳极箔11和阴极箔12的增加的紧密接触程度，其中阳极箔11和阴极箔12之间保持有固体电解质。这有助于降低电解电容器1的ESR。因此，功能性液体还具有降低电解电容器1的ESR的功能。
如在第一实施例中一样，电容器元件10的分隔件13与密封构件5接触，并且功能性液体中的脂溶性抗氧化剂经由分隔件13供应到密封构件5。脂溶性抗氧化剂透过密封构件5内部的分子间间隙而到达密封构件5的内部和密封构件5的外表面(与电容器元件10相对的面)。因此，密封构件5的外表面覆盖有油膜形式的脂溶性抗氧化剂。
因此，在密封构件5与空气中的氧气之间的接触被抑制的同时，脂溶性抗氧化剂与密封构件5的表面处或内部的氧气进行氧化反应。这使得可以抑制氧化引起的密封构件5的劣化，并且防止功能性液体泄漏。
在该实施例中，电容器元件10保持功能性液体以及固体电解质，该功能性液体是由于将脂溶性抗氧化剂溶解在亲脂性溶剂中而形成，并且分隔件13与密封构件5接触。因此，功能性液体中的脂溶性抗氧化剂经由分隔件13持续地供给至密封构件5，这有助于长期抑制密封构件5的劣化。因此，可以防止由电容器元件10保持的功能性液体泄漏，并且可以长期保持电解电容器1的特性。
在该实施例中，具有溶解在上述功能性液体中的电解质的电解液可以被保持在阳极箔11和阴极箔12之间。将固体电解质和电解液保持在阳极箔11和阴极箔12之间有助于实现增强修补氧化物涂层的功能，并进一步降低电解电容器1的ESR。
工业适用性
本发明发现在电解电容器以及在其控制电路中结合了电解电容器的汽车、电子设备等中的应用。
参考标记列表
1 电解电容器
2 电容器主体
3 主体壳体
3c 开口
3d 收缩部
5 密封构件
5a、5b 通孔
6 座板
6a、6b 通孔
7、8 引线端子
10 电容器元件
11 阳极箔
12 阴极箔
13 分隔件
14 带
Claims (12)
1.一种电解电容器，包括：
电容器元件，具有阳极箔和阴极箔，所述阳极箔与所述阴极箔之间卷绕有分隔件，所述电容器元件在所述阳极箔和所述阴极箔之间保持有预定溶液；
主体壳体，其中容纳有所述电容器元件；以及
密封构件，所述主体壳体用所述密封构件密封，
其中，
所述溶液具有溶解在亲脂性溶剂中的脂溶性抗氧化剂，以及
所述分隔件在其短边方向上的宽度大于所述阳极箔和所述阴极箔在其短边方向上的宽度，所述分隔件比所述阳极箔和所述阴极箔朝向所述密封构件突出更远，
使所述密封构件的靠近所述电容器元件的面的中央部分朝向所述电容器元件突出，
所述分隔件与所述密封构件接触。
2.根据权利要求1所述的电解电容器，其中，
所述电容器元件保持有固体电解质。
3.根据权利要求1或2所述的电解电容器，其中，
所述溶液是具有溶解在所述亲脂性溶剂中的所述脂溶性抗氧化剂和电解质的电解液。
4.根据权利要求3所述的电解电容器，其中，
所述脂溶性抗氧化剂在所述电解液中的浓度为按重量的1％至按重量的30％。
5.根据权利要求3所述的电解电容器，其中，
所述脂溶性抗氧化剂在所述电解液中的浓度为按重量的3％至按重量的20％。
6.根据权利要求1或2所述的电解电容器，其中，
所述亲脂性溶剂是γ-丁内酯。
7.根据权利要求1或2所述的电解电容器，其中，
所述亲脂性溶剂包含：
选自由环丁砜、乙二醇和二甘醇组成的组中的至少一者；以及
非离子表面活性剂。
8.根据权利要求7所述的电解电容器，其中，
所述非离子表面活性剂是与亲脂性基团偶联的聚乙二醇或聚甘油。
9.根据权利要求7所述的电解电容器，其中，
所述非离子表面活性剂是聚乙二醇与聚丙二醇的共聚物。
10.根据权利要求1或2所述的电解电容器，其中，
所述脂溶性抗氧化剂是脂溶性维生素。
11.根据权利要求10所述的电解电容器，其中，
所述脂溶性维生素是生育酚或生育三烯酚。
12.根据权利要求1或2所述的电解电容器，其中，
所述主体壳体具有从其内表面突出以按压所述密封构件的圆周面的收缩部，以及
所述收缩部的脊定位为比所述密封构件在其厚度方向上的中间更远离所述电容器元件。
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