JP3851670B2 - 静粛コンデンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電気的に導電体であるフォイルと電気的に絶縁体である膜又はフォイルとを巻いて作成された、少なくとも２個のコンデンサ素子を有する電気エネルギの一時貯蔵のためのコンデンサ、特に高電圧のための電力用コンデンサに関する。このような電力用コンデンサは、とりわけフィルタに用いられる。この場合、リアクトルや抵抗器と一緒に用いられる時、これらは、電気分布回路網の高調波をフィルタ作用で除去する共振回路を形成する。多数個の電力用コンデンサが、通常、アースから絶縁されて、大きな高さに積み上げられる。この場合、それぞれの面は一定の電位を表す。
【０００２】
【従来の技術およびその問題点】
前記の形式の電力用コンデンサは、いわゆる素子と呼ばれる多数個の部分コンデンサ(sub-bapatitors)で構成される。これらの素子のおのおのは、誘電体材料の膜で分離された、複数個の薄いアルミニウム・フォイルの非常に薄い層を、巻いてロール体にしたもので構成される。このロール体は、積み重ねてパッケージにするのに適切であるように、平坦化される。このパッケージが、電気的に絶縁体である流体で満たされたコンデンサ・タンクの中に配置される。これらの素子が連結されてマトリックスが構成され、そして２個の絶縁されたブッシングに接続される。直列接続される素子の数と並列接続される素子の数とは、それぞれ、このコンデンサに要求される静電容量値により決定される。通常、これらの素子のおのおのと直列に、ヒューズがまた接続される。これらの素子およびヒューズの他に、このコンデンサはまた、残留電荷を放電するための特別の抵抗器を有する。
【０００３】
２個の分離された電気的に導電体である極板が反対電位の電荷で帯電される時、これらの極板の間に静電界が発生する。この静電界により、極板間に作用する機械的力が発生する。この力は、極板を相互に近付けようとする引力である。極板の電荷が除去される時、この引力は消滅する。もし極板が反対の極性の電荷で帯電する時にも、再びこの引力が発生する。一定の周波数で電荷が極板の加えられる時、電位が交代する時間間隔のおのおのにおいて、極板の間に交代する機械的力が発生する。この引力ために、極板は機械的に変位する。この変位運動の周波数は、加えられる交代する電荷の周波数の２倍である。非常に多数個の層を巻いてロール体に作成されたコンデンサの場合、それぞれの内側層の運動が外側層の運動に加算され、そのために、最も外側層は非常に大きく運動することがある。したがって、このようなコンデンサ素子の１つの欠点は、負荷が加えられた時に振動が始まり、それにより、コンデンサ素子の外側表面層の振動が原因となって、好ましくない音または好ましくない雑音を放射することになる。
【０００４】
複数個の素子で構成される前記の形式のコンデンサから発生する雑音を小さくする方法は、通常次のようにして行われる。すなわち、コンデンサが負荷された時に振動を発生し、そしてこの振動がコンデンサ・タンクの外側に伝送され、そしてこの外側表面から音が放射されるのであるから、コンデンサを完全にまたは部分的に遮蔽または閉じ込めてしまう方法である。コンデンサのこの遮蔽を実行する際に生ずる１つの問題点は、コンデンサはアースに対して大きな電位差を有することが多いから、この遮蔽は一定の安全な距離をもって配置されなければならないことである。遮蔽体と音源との間の距離が大きいと、遮蔽効果が低下してしまうであろう。またコンデンサを閉じ込める場合には、大きな容器が必要になるであろう。このような場合、遮蔽体の材料の重量が大きくなり、および遮蔽体には沢山の材料が使われることになる。これらはいづれも、コストを増大させる要因となる。
【０００５】
オーディオ技術の範囲内で、特開昭６０−１６ ７３９号公報（１９８５）に１つのコンデンサが開示されている。この特許に開示されているコンデンサは、電極膜とプラスチック膜とを巻いて作成されたコンデンサ素子を有し、そして内側層と外側層とを備えた容器の中にこれらが配置される。この内側層は、弾性体材料または非弾性体材料のいづれで作成することもできる。外側層はまた、弾性体材料または非弾性体材料のいづれであることもできるが、内側層の材料と反対の種類のものでなければならない。この設計のコンデンサは、本願で検討しているコンデンサの音響についての問題点を解決していない。本願で検討するコンデンサは、幾つかのコンデンサ素子で構成され、そして非常に大きいので、前記形式の層は、音の発生に対して、減衰効果を有しないであろう。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
本発明により、負荷が加えられた時に生ずるコンデンサの内部振動が抑制され、したがって、コンデンサが発生する音が小さい、前記で説明したコンデンサが得られる。このことは、コンデンサ・タンクの中のコンデンサ素子またはその集合体の間に、１個または複数個の弱いバネ素子を配置し、それによりコンデンサ本体の固有周波数を変更することにより達成される。このように、力が作用する周波数範囲内でコンデンサ本体の振動に対する抵抗が増大し、それにより、コンデンサの発生する音が小さくなる。このようなバネ素子は、気密で内部が排気された容器により構成することができる。この容器は、金属で作成されることが好ましい。この容器は、受動的または能動的に動作する弾性（またはバネ）装置であることができる。能動的に動作するバネ装置とは、そのバネの強さが外部の制御可能なエネルギ源により調整することが可能である、力を吸収する素子であることを意味する。
【０００７】
【実施例】
本発明は、添付図面を参照して下記において詳細に説明される。
【０００８】
図１は、コンデンサ・タンク４を備えた電力用コンデンサの図である。コンデンサ・タンク４はブッシング１を有し、そして電気的に絶縁体である流体により含浸されおよび取り囲まれた複数個のコンデンサ素子２を封止している。コンデンサ素子２は、絶縁体である封止体（エンクロージャ）３により、コンデンサ・タンク４から絶縁されたまま保持される。図２は、電気的に導電体である２個の金属フォイルが電気的に絶縁体である３個の誘電体膜６により分離されて巻き込まれてロール体を形成することにより、コンデンサ素子２がどのようにして作成されるかを示した図である。この金属フォイルはアルミニウムで構成されることが好ましい。コンデンサ素子２のおのおのは、非常に長い金属フォイルと絶縁体膜とで構成され、そしてこれらを巻き込んでロール体に作成される。コンデンサ・タンク４の中の空間を無駄なく使うために、これらのロール体が圧縮されて偏平な形状にされ、そして積み重ねられて、パッケージ１０に作成される。図３は、ヒューズ７と放電用抵抗器８とにより、コンデンサ素子２がどのように電気的に相互接続されるか、そしてブッシング１にどのように接続されるかを示した図である。
【０００９】
例えばコンデンサ本体のような機械的構造体からの音の発生は、一部分は加えられる力に依存し、そしてまた一部分はこの構造体の力学的性質に依存する。もし機械的力の周波数がこの構造体の固有周波数のいずれかに一致するならば、極めて大きな変位を生ずる。これらの変位は振動を発生する。この振動は、絶縁性流体を通して、コンデンサ・タンクに伝わり、そしてこのコンデンサ・タンクが音を放射する。放射される音の強度は、加えられる力の強さと、この固有周波数における構造上の減衰特性とに応じて定まる。逆に、もし力の周波数と固有周波数とが一致しないで不整合であるならば、力の周波数で構造体が振動する際の抵抗が増加し、発生する音は小さいであろう。構造物に減衰特性を与え、かつ同時に、固有周波数と力の周波数とを相互に離すことにより、発生する音は小さくなるであろう。多くの場合、力の周波数パターンは与えられている。したがって、最終的な解決方法は構造体のふるまいを変えることである。けれども、複合構造体の固有周波数を推測することは困難である。
【００１０】
特定の負荷を加えた状態におけるコンデンサについて多くの音響的測定を行うことにより、コンデンサから放射される音を計算するための数学的モデルを得た。これに関連して、コンデンサの機械的性質は、コンデンサ・パッケージ１０の中の縦波に対する基本固有周波数に直接にさかのぼることができる共振特性により支配されることが分かった。固有周波数は、コンデンサ・パッケージの剛性率をその密度で除算した商の平方根に比例し、そしてコンデンサ・パッケージの長さに逆比例する。このコンデンサ・パッケージを分割し、分割された部分の間に弱いバネ素子が取り付けられる時、このパッケージに対する固有周波数が変化する。取り付けられるこの弱いバネの強さを選定することにより、固有周波数を変えることができ、そして力の固有周波数に関連して適切に固有周波数を選定することができる。図４ａは、コンデンサ・パッケージとそれに対応する数学的モデルを示した概要図である。多数個のコンデンサ素子２で構成されるコンデンサ・パッケージ１０は、数学的には、バネ１３で相互に連結された２個の大きな質量体として見ることができる。
【００１１】
図４ｂは、同じコンデンサ・パッケージ１０が、本発明により、２個の部分１０ａ、１０ｂに分割され、そしてそれらが弱いバネ１１で連結される。図４ｂにはまた、この分割されたコンデンサ・パッケージの機械的等価回路図が示されている。もとのコンデンサ・パッケージが弱いバネ素子１１で分離されているから、数学的な観点からは、前記により分離された２個の小さなコンデンサ・パッケージが弱いバネで連結されていると見ることができる。したがって、小さなコンデンサ・パッケージは小さな質量体１４を有し、そしてパッケージが短くなるためにバネはより強いバネ１６になる。
【００１２】
図５は、振動速度を周波数の関数として表したグラフである。図の中の２つの曲線は、加えられる力の周波数を変えた時、コンデンサ・パッケージの両端の振動速度の計算結果を示す。点線の曲線は、共振周波数が１０００Ｈｚである均一なコンデンサ・パッケージに対する計算結果である。実線の曲線は、弱いバネ素子１１により分離されたコンデンサ・パッケージ１０ａ、１０ｂに対する計算結果であって、これらのコンデンサ・パッケージ１０ａ、１０ｂは２つの共振周波数、すなわち、３５０Ｈｚおよび１７５０Ｈｚを有する。弱いバネ素子１１により分離されたコンデンサ・パッケージ１０ａ、１０ｂに対する計算結果は、５００Ｈｚに***振状態が生じていることを示している。この***振状態が生ずることは、バネ素子により分離された結果であり、機械装置はより多くの自由度を与えられる。このような***振状態では、振動に対する抵抗がコンデンサ・パッケージの両端の表面において無限に大きく、その運動速度は原理的にゼロであり、全運動をバネ素子が吸収している。
【００１３】
図６は、バネ素子１１の１つの実施例を示す図である。このバネ素子１１は、金属の気密容器であって、平行な側板を有し、内部が排気されている。図６に示されているように、上側板と下側板は厚くて硬い板２０であり、端部２１の側板は横断面が半円形の薄板で作成される。端部の側板２１は、上側板および下側板２０のおのおのに連結される。この完成したバネ素子は、平行六面体に似た形状を有するが丸い端部を有し、そして平坦面の寸法がコンデンサ・パッケージと同じ寸法を有する。
【００１４】
コンデンサが受ける力の性質が分かれば、１個または多数個の弱いバネを取り入れることにより、力の重要な成分の周波数から固有周波数が大きく異なるように、コンデンサの機械的構成を最適に選定することができる。***振周波数が支配的な力と同じ周波数で起こるようにして、取り付けられたバネの大きさが定められる時、機械的構造体の最適の実施例が得られる。
【００１５】
バネ素子または力を吸収する素子として、多数の材料および多数の実施例が可能である。これらは、受動弾性特性および能動弾性特性を有することができる。受動バネ素子とは、その弾性特性がバネの形状と材料とにより決定され、外部からの影響により変わることがない装置のことである。能動バネ素子は、受動素子と同じように構成することができるが、その材料の容積または形状のような性質が外部エネルギが加わることにより変わることが可能である材料、例えば、磁気ひずみ材料または圧電材料で作成された装置である。図に示された実施例のように、このバネ素子は、絶縁性流体に対し耐腐食性を有する材料、例えば金属またはプラスチックのような、気密性材料(tight material)の中空の平行六面体として構成することができる。このバネ素子は、力を吸収する要求された特性を有し、そしてそれ自身が弾性を有する装置であるか、またはバネ素子を構成する容器の内部に要求された性質を備えた装置を閉じ込めているか、のいずれかであることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面板の一部分が除去されて示されている電力用コンデンサの図。
【図２】コンデンサ素子の図。
【図３】複数個のコンデンサ素子がどのように連結されるかを示した図。
【図４】コンデンサ・パッケージの構成とその機械的等価回路の図であって、Ａは従来のコンデンサ・パッケージの構成とその機械的等価回路の図、Ｂは本発明による弱いバネ素子を備えたコンデンサ・パッケージの構成とその機械的等価回路の図。
【図５】従来のコンデンサ・パッケージの振動速度と、弱いバネ素子を備えたコンデンサ・パッケージの振動速度とを示したグラフ。
【図６】本発明による弱いバネ素子の横断面図。
【符号の説明】
２ コンデンサ素子
５ 電極
６ 絶縁体
１０ コンデンサ・パッケージ
１１ バネ素子

Claims (8)

1. １個または複数個の誘電体（６）により分離された電極（５）を備えた少なくとも２個のコンデンサ素子（２）を有する電気エネルギの一時貯蔵のためのコンデンサであって、前記コンデンサ素子（２）の間にまたは前記コンデンサ素子（２）に隣接して少なくとも１個のバネ素子（１１）が備えられ、かつ強制振動作用を受けた時前記コンデンサの外側振動が小さくなりその結果前記コンデンサから放射される音のエネルギが小さくなるように前記バネ素子（１１）の強さが調整されることを特徴とする、前記コンデンサ。
2. 請求項１記載のコンデンサにおいて、前記コンデンサ素子（２）のおのおのが金属フォイル（５）と誘電体膜（６）とを巻いて作成されるロール体で構成されることを特徴とする、前記コンデンサ。
3. 請求項１または請求項２のいづれかに記載のコンデンサにおいて、前記コンデンサ素子（２）が少なくとも１個の前記バネ素子（１１）により分離されたコンデンサ・パッケージ（１０）に積層されることを特徴とする、前記コンデンサ。
4. 請求項１、請求項２、または請求項３のいづれかに記載のコンデンサにおいて、前記コンデンサ素子（２）が電気的に絶縁性である流体により取り囲まれていることを特徴とする、前記コンデンサ。
5. 請求項４記載のコンデンサにおいて、前記コンデンサ素子（２）と、前記バネ素子（１１）と、前記電気的絶縁性流体とが、ブッシング（１）と保護用絶縁体（３）とを備えたコンデンサ・タンク（４）の中に封止されることを特徴とする、前記コンデンサ。
6. 請求項１、請求項３、または請求項５に記載のコンデンサにおいて、少なくとも１個の前記バネ素子（１１）が金属またはプラスチックで作成されかつ気密で内部が排気された容器を有することを特徴とする、前記コンデンサ。
7. 請求項１、請求項３、請求項５、または請求項６に記載のコンデンサにおいて、少なくとも１個の前記バネ素子（１１）が材料またはその形状により定められる受動的に動作するバネ装置を有することを特徴とする、前記コンデンサ。
8. 請求項１、請求項３、請求項５、または請求項６に記載のコンデンサにおいて、少なくとも１個の前記バネ素子（１１）が外部エネルギ源により能動的に動作するバネ装置を有することを特徴とする、前記コンデンサ。

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