JP5152174B2 - ケースモールド型コンデンサおよびその使用方法 - Google Patents

Description

本発明はコンデンサ素子をケース内に樹脂モールドしたケースモールド型コンデンサの中で、特に車載用のモータ駆動のインバータ回路の平滑用コンデンサとして使用されるケースモールド型コンデンサに関するものである。

近年、インバータ機器に用いられる金属化フィルムコンデンサにおいて、小型化、高性能化、低コスト化のための開発が盛んに行われている。また、インバータ機器に用いられる金属化フィルムコンデンサには、使用電圧の高電圧化、大電流化、大容量化等が要求されるため、並列接続した複数のコンデンサ素子をケース内に収納し、このケース内に樹脂を注型したケースモールド型金属化フィルムコンデンサが開発され、実用化されている。このようなケースモールド型金属化フィルムコンデンサにおいては、大きな機械的強度、高耐熱温度、耐水性、耐油性に優れたものが追求されている。

図９はこの種の従来のケースモールド型コンデンサの構成を示した正面断面図である。図９においてコンデンサ素子１０１は片面または両面に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを一対の金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように巻回し、両端面に夫々メタリコン電極１０３を設けて構成されたものである。コンデンサ素子１０１は複数個密着して並べた状態で装着されている。銅板からなるバスバー１０２は、コンデンサ素子１０１の両端に設けられた外部接続用の電極端子である。バスバー１０２はこの各コンデンサ素子１０１の両端面に形成されたメタリコン電極１０３と夫々接合されるとともに一端が上方へ引き出され、金属ケース１０４から表に出るようにしている。コンデンサ素子１０１を収納する金属ケース１０４はアルミニウム製である。ポリプロピレンフィルムなど（厚さ２００μｍ）を用いて形成された絶縁シート１０５が、上記金属ケース１０４の内面に配設されることにより、金属ケース１０４とコンデンサ素子１０１や、これに接合されたバスバー１０２との短絡を防止するようにしている。上記金属ケース１０４内に充填されたモールド樹脂１０６は、バスバー１０２により接続された複数個のコンデンサ素子１０１を電極端子１０２ａの一部を除いて金属ケース１０４内に樹脂モールドし、絶縁、固定しているものである。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

しかしながらこの従来のケースモールド型コンデンサでは、大きなリプル電流や、高温環境下での使用時などで、コンデンサ素子１０１の発熱を除去する必要がある際に、モールド樹脂１０６の材質によっては、熱がコンデンサ素子１０１に残留する場合があり、このようにコンデンサ素子１０１に熱が残留するとコンデンサ素子１０１の絶縁破壊電圧（ＢＤＶ）が見かけ上、低下するといった電気特性低下の課題があった。

特開２００６−２５３２８０号公報

本発明は、コンデンサ素子の電極部に外部接続用の電極端子を設けたバスバーを接続し、これを金属ケース内に前記電極部が前記ケース底面と垂直になるように収容して少なくとも上記バスバーの電極端子を除いてシリカ粒子を添加したモールド樹脂にて樹脂モールドしたケースモールド型コンデンサにおいて、金属ケースとコンデンサ素子の間に絶縁伝熱層を設け、かつ、絶縁伝熱層の熱伝導率をモールド樹脂より高く、金属ケースより低いものとし、バスバーは、絶縁伝熱層に接するバスバーと、絶縁伝熱層に接しないバスバーとで構成され、絶縁伝熱層に接するバスバーは絶縁伝熱層に接しないバスバーよりも長さが長い構成としたものである。本発明によるケースモールド型コンデンサは、ケースにアルミニウムを主体とした金属ケースを用いたことにより耐湿性を確保した状態で、さらに、この金属ケースとコンデンサ素子の間に絶縁伝熱層を設けることによってコンデンサ素子での発熱が絶縁伝熱層を通じて金属ケースへと拡散して除去される。そのため、コンデンサ素子の見かけ上のＢＤＶが低下することなく、電気特性の低下が抑制されるという効果が得られるものである。

本発明の実施の形態１によるケースモールド型コンデンサの構成を示した上面図 本発明の実施の形態１によるケースモールド型コンデンサの構成を示した正面断面図 本発明の実施の形態２によるケースモールド型コンデンサの構成を示した正面断面図 本発明の実施の形態２によるケースモールド型コンデンサの構成を示した反対側の正面断面図 本発明の実施の形態２によるケースモールド型コンデンサの構成を示した上面図 本発明の実施の形態３によるケースモールド型コンデンサの構成を示した上面図 本発明の実施の形態３によるケースモールド型コンデンサの構成を示した正面断面図 本発明の実施の形態４によるケースモールド型コンデンサの構成を示した正面断面図 従来のケースモールド型コンデンサの構成を示した正面断面図

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１によるケースモールド型コンデンサの構成を示した上面図である。図２はその正面断面図である。図１、図２においてコンデンサ素子１は片面または両面に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを一対の金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように巻回し、両端面に夫々電極を設けて構成されたものである。銅板からなるバスバー２は、バスバー２の一端に設けられた外部接続用の電極端子２ａを有している。このバスバー２は上記コンデンサ素子１を二個密着して並べた状態で各コンデンサ素子１の両端面に形成されたメタリコン電極３と夫々接合されている。電極端子２ａはこのコンデンサ素子１の上方へ引き出され、金属ケース４から表出するようにしている。アルミニウム製の金属ケース４は、アルミニウムを主体とし、上面開口の形状をしている。本実施の形態では、金属ケース４の底面とコンデンサ素子１の両端面に形成されたメタリコン電極３とは垂直になるように配置されている。

エポキシ樹脂を主材料とするモールド樹脂５は、この金属ケース４内にコンデンサ素子１と、電極端子２ａを除いてバスバー２とを樹脂モールドしている。更にそのモールド樹脂５の下には、コンデンサ素子１と金属ケース４の底面との間に設けた絶縁伝熱層６がある。絶縁伝熱層６は、例えばエポキシ樹脂を主材料とし、これにアルミナなどのフィラーを添加したものである。絶縁伝熱層６は特にコンデンサ素子１のメタリコン電極３やバスバー２と金属ケース４との電気的な絶縁を確保するとともに、熱を金属ケース４へと伝える性質を持つ。金属ケース４の下側に取り付けられた冷却部７は、内部に冷却水を通したり、冷却フィンなどの形状にしたりして放熱性をより高めたものである。冷却部７は、一般にはコンデンサの一部ではないが、金属ケース４の底面を兼ねるものでもよい。この冷却部７は必要に応じてその有無が検討されるものである。なお、図１ではその図示を省略している。

以上のような構成とすることによって、本発明のケースモールド型コンデンサが構成される。金属ケース４の底面とコンデンサ素子１の間に絶縁伝熱層６を設けることが、本発明の技術的特徴の一つである。このようにすると、コンデンサ素子１と導電物である金属ケース４との間の電気的な絶縁を確保しつつ、コンデンサ素子１での発熱が絶縁伝熱層６を通じてモールド樹脂５より熱伝導率の高い金属ケース４へと速やかに拡散して除去されることとなる。そこで、コンデンサ素子１内に熱が残留して電気的特性が低下してしまうことを抑制できる。

そもそも、コンデンサ素子１の電気特性の一つである絶縁破壊電圧（ＢＤＶ）はコンデンサ素子１やその周囲の温度が高いと見かけ上低下してしまい、意図した電圧以下で絶縁破壊が引き起こされてしまう。このように、コンデンサの温度が高いと、電気特性が低下してしまうものであった。本発明の実施の形態によれば、コンデンサ素子１の熱を拡散して除去することによって、このコンデンサ素子１の温度上昇を抑制することとなるので、電気特性の低下も抑制されるという顕著な効果を奏するものである。

特に、コンデンサ素子１としてポリプロピレンなどを用いた金属化フィルムを巻回または積層するものとした場合、ほとんどの形状においてはコンデンサ素子１のメタリコン電極３を金属ケース４の底面に対して垂直に配置、すなわち、外周面（または側面）を底面側に配置することによって、接地面積を大きくすることができる。そこで、コンデンサ素子１内からの放熱効果がより顕著になるものである。

ここで、絶縁伝熱層６はコンデンサ素子１およびバスバー２と接していると放熱の効果がより顕著になる。

このとき、絶縁伝熱層６の熱伝導率をモールド樹脂５より高く、かつ、金属ケース４より低くすると、コンデンサ素子１から見て、徐々に熱伝導率の傾斜が付与された状態となり、広範囲な熱拡散の効果がより効率的になる。

特に、絶縁伝熱層６は３Ｗ／ｍＫ以上であると、この熱拡散の効果がよくなるものである。これは、３Ｗ／ｍＫより小さいと熱がコンデンサ素子１内に残留しやすくなる場合があるからである。

絶縁伝熱層６の熱伝導率を高めるためには、エポキシ樹脂にアルミナをフィラーとして添加した場合にはフィラーを５５ｖｏｌ％以上含有させるとよい。また、このフィラーの形状としては、球形状とすると、充填性が向上するため、この充填量に比例する熱伝導性が向上する。

なお、絶縁伝熱層６はエポキシ樹脂、フェノール樹脂、およびウレタン樹脂からなる群から選択される少なくとも１種類以上の樹脂と、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、並びに窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種類以上の無機フィラーを含むものが好ましい。

また、絶縁伝熱層６の絶縁の性能として、絶縁耐電圧は３ｋＶ／ｍｍ以上とし、絶縁抵抗は１０００ＭΩ／ｃｍ以上が好ましい。絶縁の方法として、絶縁性のスペーサを絶縁伝熱層６内に埋め込んだ状態にしてもよい。スペーサとしてはガラスビーズや樹脂体のようなものである。このスペーサが絶縁伝熱層６と同等またはそれ以上の熱伝導率を有するものであるとなおよい。

製造工程においては、硬化中の絶縁伝熱層６にコンデンサ素子１を載置した後、モールド樹脂５を充填する際に、絶縁伝熱層６の硬化が不十分な場合、コンデンサ素子１が金属ケース４の底面に接触してしまうこともあり得る。上記のようにスペーサなどを埋め込むことで、絶縁伝熱層６の硬化中でも電気的な絶縁をより確実にすることができる。

さらに、本発明の実施の形態では、製造時の絶縁伝熱層６の粘度として、６０〜１２０℃の加熱時に５００Ｐａ・ｓ〜２０００Ｐａ・ｓのものを用いた。このような粘度にすることで、絶縁伝熱層６の形成時の製造作業性を確保できるものであるが、これは、モールド樹脂５であるエポキシ樹脂やウレタン樹脂などより高いものである。

したがって、金属ケース４内の全てに絶縁伝熱層６を充填することは、作業性や、充填時のボイド除去、軽量化の点からも困難なものであるため、絶縁伝熱層６は少なくとも底面を覆っていればよいものである。

また、本発明の実施の形態では、絶縁伝熱層６の線膨張係数は２５ｐｐｍ／℃である。この絶縁伝熱層６の線膨張係数はフィラーなどを添加することで、変わるものであり、できるだけ、金属ケース４の値に近いものにすることが望ましい。

さらに、本発明の実施の形態では、絶縁伝熱層６と金属ケース４との接着強度は３ＭＰａであった。この絶縁伝熱層６の接着強度もフィラーなどを添加することで、向上させることが可能となるものであり、フィラーの添加によってこの接着強度が３ＭＰａ以上であると、熱衝撃に対しても絶縁伝熱層６が金属ケース４からはく離するといったことがなくなるものである。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２によるケースモールド型コンデンサの構成を示した正面断面図である。図４は本発明の実施の形態２によるケースモールド型コンデンサの構成を示した反対側の正面断面図である。図５は本発明の実施の形態２によるケースモールド型コンデンサの構成を示した上面図である。実施の形態１と同じ構成要素には同じ符号を付与している。

本実施の形態が、実施の形態１と異なるのは、バスバー２ｂ、２ｃである。図４に見るように、バスバー２ｂは、メタリコン電極３と接合する接合端子２ｆが長いものとなっている。そして接合端子２ｆは、絶縁伝熱層６と接している。一方、図５に見るように、反対側のバスバー２ｃのメタリコン電極３と接合する接合端子２ｇは、短いものとなっている。そして、接合端子２ｇは、絶縁伝熱層６とは接していない。

以上のような構成のコンデンサは、高温になった際には、バスバー２ｂ側は、接合端子２ｆが絶縁伝熱層６と接しているので、熱が逃げやすく冷却されやすい。一方、バスバー２ｃ側は、接合端子２ｇが絶縁伝熱層６と接していないので熱が逃げにくい。このコンデンサのバスバー２ｂ側の電極端子２ｄを外部電源のＰ極側に接続し、バスバー２ｃ側の電極端子２ｅを外部電源のＮ極側に接続する。外部電源のＰ極とは、外部電源の電圧の高い方の極であり、Ｎ極とは電圧の低いほうの極である。自動車用等のインバータ電源では、Ｐ極側がＮ極側に比べて熱が発生しやすいことが多いことが経験的に知られている。経験的にこの熱を「貰い熱」と呼んでいる。本実施の形態のように、Ｐ極側の熱が逃げやすくしておくと、この貰い熱をうまく放熱冷却する。そして、コンデンサの熱分布をバランスよく保つことが出来る。そこで、電気特性の低下も抑制される。

（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３によるケースモールド型コンデンサの構成を示した上面図である。図７は本発明の実施の形態３によるケースモールド型コンデンサの構成を示した正面断面図である。本実施の形態は、上記実施の形態１で説明したケースモールド型コンデンサのコンデンサ素子１とバスバー２の配置構成が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同様である。図１、図２と同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略する。異なる部分についてのみ以下に図面を用いて説明する。

本実施の形態では、コンデンサ素子１の置き方が９０度異なる。実施の形態１のコンデンサの置き方が「横置き」とすれば、本実施の形態のコンデンサ素子の置き方は「縦置き」である。すなわち、メタリコン電極３の一方が底面に面しもう一方が上に向いている置き方である。言い方を代えると、メタリコン電極３は底面に対して水平に配置されている。バスバー２ｒは底面側のメタリコン電極３に接合されている。バスバー２ｓは上面側のメタリコン電極３に接合されている。バスバー２ｒの電極端子２ｐと、バスバー２ｓの電極端子２ｑとがコンデンサの上部から引き出されている。絶縁伝熱層６はコンデンサ素子１と金属ケース４の底面の間にあって、バスバー２ｒと金属ケース４の底面との間に設けられている。

このような構成にすると、リプル電流などによる発熱はバスバー２やメタリコン電極３に加わるため、コンデンサ素子１のメタリコン電極３を金属ケース４の底面に対して水平に配置、すなわち、バスバー２やメタリコン電極３を底面側に配置することによって、バスバー２やメタリコン電極３からの放熱効果がより顕著になるものである。

特に、本実施の形態では、電極端子２ｐは電源のＰ極に接続され、電極端子２ｑは電源のＮ極に接続されている。このようにすると、電源のＮ極に比べて熱の発生しやすい電源のＰ極側が絶縁伝熱層６に接しているので、熱が非常に逃げやすく、コンデンサ素子の温度上昇が防止できる。そこで、電気特性の低下も抑制される。

（実施の形態４）
図８は本発明の実施の形態４によるケースモールド型コンデンサの構成を示した正面断面図である。コンデンサ素子１内の熱を更に除去するために、図８のように、絶縁伝熱層６は、コンデンサ素子１の外周面または側面の一部も含めて覆うようにしてもよい。このようにすると、バスバー２やメタリコン電極３からの熱を除去できるとともに、コンデンサ素子１内の熱も絶縁伝熱層６を通じて除去されて、電気的な特性低下を抑制することが可能となるものである。

上記のようなケースモールド型コンデンサの発熱除去の効果を確かめるために、上記の実施の形態で説明したケースモールド型コンデンサを用いて特性を測定した。以下にその結果について述べる。ここで、下記のいずれの実施例でもモールド樹脂５にはエポキシ樹脂にシリカ粒子を添加したものを用い、その熱伝導率は０．６Ｗ／ｍＫであった。

（実施例１）
実施例１として、実施の形態１で説明したケースモールド型コンデンサの絶縁伝熱層６として、エポキシ樹脂にアルミナ粒子を添加したものを用い、絶縁伝熱層６の熱伝導率を測定したところ３Ｗ／ｍＫであった。この実施例１に対して実使用時の周囲温度からの上昇温度をコンデンサ素子１およびモールド樹脂５の表面でそれぞれ測定した。

（実施例２）
実施例２として、実施の形態３で説明したケースモールド型コンデンサの絶縁伝熱層６として、エポキシ樹脂にアルミナ粒子を添加したものを用い、絶縁伝熱層６の熱伝導率を測定した。結果は３Ｗ／ｍＫであった。この実施例２に対して実使用時の周囲温度からの上昇温度をコンデンサ素子１およびモールド樹脂５の表面でそれぞれ測定した。

（実施例３）
実施例３として、実施の形態１で説明したケースモールド型コンデンサの絶縁伝熱層６として、エポキシ樹脂に窒化ホウ素粒子を添加したものを用い、絶縁伝熱層６の熱伝導率を測定した。結果は７Ｗ／ｍＫであった。この実施例３に対して実使用時の周囲温度からの上昇温度をコンデンサ素子１およびモールド樹脂５の表面でそれぞれ測定した。

（従来例）
従来例として、図９に示す従来のケースモールド型コンデンサで絶縁伝熱層６がなく、モールド樹脂１０６のみのものを用いた。ここで、モールド樹脂１０６はエポキシ樹脂にシリカ粒子を添加したものを用い、その熱伝導率は０．６Ｗ／ｍＫであった。この従来例に対して実使用時の周囲温度からの上昇温度をコンデンサ素子１０１およびモールド樹脂１０６の表面でそれぞれ測定した。

それぞれ測定した結果を（表１）に示す。

表１からわかるように、いずれの実施例も従来例にくらべて、素子温度およびモールド樹脂表面温度の上昇が小さい。これは、いずれの実施例においてもコンデンサ素子１に熱が残りにくくなっていることを表すとともに、コンデンサ素子１での熱が絶縁伝熱層６を通じて金属ケース４へと拡散して除去されたことを表すものである。

なお、上記の各実施の形態では、バスバーが一対すなわち２本の構成例について説明したが、バスバーの数は一対に限定されるものではない。

本発明によるケースモールド型コンデンサは、高温下で使用しても電気特性の低下が抑制されるという効果を有し、特に、高い信頼性が要求される車載用の分野等として有用である。

１ コンデンサ素子
２，２ｂ，２ｃ，２ｒ，２ｓ バスバー
２ａ，２ｄ，２ｅ，２ｐ，２ｑ 電極端子
２ｆ，２ｇ 接合端子
３ メタリコン電極
４ 金属ケース
５ モールド樹脂
６ 絶縁伝熱層
７ 冷却部

Claims (6)

1. コンデンサ素子の電極部に外部接続用の電極端子を設けたバスバーを接続し、これを上面の開口したケース内に前記電極部が前記ケース底面と垂直になるように収容して少なくとも前記バスバーの電極端子を除いてシリカ粒子を添加したモールド樹脂を用いて樹脂モールドしたケースモールド型コンデンサにおいて、
   前記ケースは金属ケースであり、前記金属ケースの底面と前記コンデンサ素子との間に絶縁伝熱層を設け、かつ、前記絶縁伝熱層の熱伝導率を前記モールド樹脂より高く、前記金属ケースより低いものとし、
   前記バスバーは、前記絶縁伝熱層に接する前記バスバーと、前記絶縁伝熱層に接しない前記バスバーとで構成され、前記絶縁伝熱層に接する前記バスバーは前記絶縁伝熱層に接しない前記バスバーよりも長さが長いことを特徴としたケースモールド型コンデンサ。
2. 前記コンデンサ素子は金属化フィルムを巻回または積層して、両端面にメタリコン電極を有したものであり、
   前記メタリコン電極を前記金属ケースの底面に対して垂直に配置し、
   少なくとも前記コンデンサ素子または前記バスバーと前記絶縁伝熱層が接している請求項１に記載のケースモールド型コンデンサ。
3. 前記コンデンサ素子は金属化フィルムを巻回または積層して、両端面にメタリコン電極を有したものであり、
   前記メタリコン電極を前記金属ケースの底面に対して水平に配置し、
   少なくとも前記コンデンサ素子または前記バスバーと前記絶縁伝熱層が接している請求項１に記載のケースモールド型コンデンサ。
4. 前記絶縁伝熱層の熱伝導率は、３Ｗ／ｍＫ以上である請求項１に記載のケースモールド型コンデンサ。
5. 前記絶縁伝熱層内に絶縁性のスペーサを埋め込んだ請求項１に記載のケースモールド型コンデンサ。
6. 前記絶縁伝熱層に接する前記バスバーの前記電極端子が電源のＰ極に接続され、前記絶縁伝熱層に接しない前記バスバーの前記電極端子が電源のＮ極に接続される請求項１に記載のケースモールド型コンデンサ。

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