JP5982633B2 - 金属化フィルムコンデンサと金属化フィルムコンデンサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は例えば各種電子機器、電気機器、産業機器、自動車等に使用される金属化フィルムコンデンサとこの金属化フィルムコンデンサの製造方法に関するものである。

近年、あらゆる電気機器は、環境保護の観点から、インバータ回路で制御され、省エネルギー化、高効率化が進められている。中でも自動車業界においては、電気モータとエンジンで走行するハイブリッド車（以下、ＨＥＶという）が市場導入される等、地球環境への負荷が少なく、省エネルギー化、高効率化に関する技術の開発が活発化している。

このようなＨＥＶ用の電気モータは、使用電圧領域が数百ボルトと高いため、電気モータに関連して使用されるコンデンサには、高耐電圧で低損失の電気特性が求められている。さらに市場ではメンテナンスフリー化の要望が強くなり、寿命の長い金属化フィルムコンデンサの需要が大きくなっている。

しかしながら金属化フィルムコンデンサをＨＥＶ用として使用する場合には、直流電源の交流成分を平滑する目的で使用されるため、交流電流（リップル電流）が流れる。このリップル電流によりコンデンサが発熱し、熱余裕度が少なくなってしまうことがあった。したがって、金属化フィルムコンデンサの放熱性能の向上が求められている。

図６（ａ）〜（ｃ）は金属化フィルムコンデンサ１の構成を示す。この金属化フィルムコンデンサ１は、コンデンサ素子２と、このコンデンサ素子２の中心軸Ｐに挿入された二本の巻芯３、４とを備えている。

巻芯３、４はアルミニウム箔を巻回したものである。巻芯３、４は正・負極間の絶縁性を確保するため、中央で分離されている。巻芯３、４の外端部は陽極、陰極となるメタリコン電極５、６にそれぞれ接続され、メタリコン電極５、６はバスバー（図示せず）と接続されて外部へ電極が引き出される。巻芯３、４はアルミニウムからなるため、熱伝導が比較的高く、メタリコン電極５、６を介してバスバーへと放熱することができ、素子２の発熱を抑えることができる。

以上のような金属化フィルムコンデンサ１に近似する発明を示すものとして、例えば、特許文献１が挙げられる。

特開２００８−２１１２８号公報

上記金属化フィルムコンデンサ１をもってしても、車載用の金属化フィルムコンデンサ１としては、放熱性を更に高めることが求められている。

そこで本発明は、素子の放熱性をより向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、素子の中心軸にグラファイトからなる巻芯を挿入したものである。

これにより本発明は、素子の放熱性を向上させることができる。

その理由は、巻芯としてグラファイトを用いることで、熱伝導性を高め、例えば両端に形成したメタリコン電極を介してすばやくバスバーへと放熱できるからである。

以上より本発明は、素子の放熱性を向上させることができる。

（ａ）本発明の実施例１における金属化フィルムコンデンサの構成を示した正面断面図、（ｂ）同側面断面図（図１（ａ）のＺ−Ｚ断面）、（ｃ）同斜視透視図 （ａ）同金属化フィルムコンデンサの巻き取り状態を示した正面断面図、（ｂ）同側面断面図（図２（ａ）のＺ−Ｚ断面）、（ｃ）同斜視透視図 本発明の実施例１における金属化フィルムコンデンサを用いたコンデンサユニットの斜視図 巻芯の長さと放熱性向上率との関係を示した図 巻芯の長さと放熱性向上率との関係を示した図 （ａ）従来の金属化フィルムコンデンサの構成を示した正面断面図、（ｂ）同側面断面図、（ｃ）同斜視透視図

（実施例１）
図１（ａ）〜（ｃ）に示す本発明の実施例１による金属化フィルムコンデンサ７は、誘電体フィルム上に電極膜を形成した正負一対の金属化フィルムを、電極膜が誘電体フィルムを介して対向するように巻回した素子８と、この素子８の両端面８Ａ、８Ｂに設けられたメタリコン電極９、１０と、素子８の中心軸Ｐに挿入された二本の巻芯１１、１２と、を備えている。

本実施例では、二本の巻芯１１、１２を、電極膜と直接触れないように金属化フィルムの電極膜が形成された面と反対側の面に配置した。また巻芯１１、１２は互いにスペース１３を空けて配置され、かつそれぞれの外側の端部１１Ａ、１２Ａはメタリコン電極９、１０と接続されている。

巻芯１１は巻芯１２と同じ長さである。巻芯１１、１２のそれぞれの端部１１Ａ、１２Ａは、素子８の端面８Ａ、８Ｂから突出させるか、ほぼ面一に形成する。いずれの場合も、素子８の端面８Ａ、８Ｂに巻芯１１、１２の一方の端部１１Ａ、１２Ａが接し、本実施例のようにメタリコン電極９、１０や、その他素子８を収容する金属製のケース、後述するバスバーと直接接続させる。このように表面積が大きく、熱伝導性の優れた部材と巻芯１１、１２を接続することで、放熱性を高めることができる。

なお、巻芯１１、１２の他方の端部１１Ｂ、１２Ｂは、それぞれ素子８の内部にある。

素子８の外周は、例えばポリプロピレンやポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニルサルファイドなどの熱可塑性樹脂からなる絶縁性材料の外装体１４で覆われている。

誘電体フィルムは、例えばポリプロピレンやポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニルサルファイドなどの熱可塑性樹脂からなる絶縁性材料が挙げられる。電極膜は、アルミニウムや亜鉛、マグネシウムなどを蒸着して形成できる。

本実施例１では、巻芯１１、１２が二本一組で構成され、これらの巻芯１１、１２を、同軸上に所定のスペース１３（本実施例では２０ｍｍとした）を設けて非接触状態で配設した。スペース１３における熱伝導率は、０．０５Ｗ／ｍＫであり、巻芯１１、１２の熱伝導率よりもはるかに小さい。正負の絶縁性が確保されていれば、このスペース１３の間隔はこの数値に制限されない。スペース１３は空間であってもよく、あるいは樹脂やゴム、セラミックなどの絶縁部材を挿入してもよい。

巻芯１１、１２の材料は、熱伝導率が７００Ｗ／ｍＫのグラファイトシートである。このグラファイトシートは、素子８の端面８Ａ、８Ｂ間を繋ぐ方向に六角板状結晶体が連なっている。

本実施例では、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、グラファイトシートを巻き取り装置（図示せず）に設けられた軸（図示せず）を中心に、押圧後の厚みが１００μｍとなるように複数回巻回することによって巻芯１１、１２を形成した。さらに本実施例のように薄い箔を巻回して用いる場合は、可撓性のある材料が適しており、厚みは数μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。なお、巻芯１１、１２としては、薄い箔ではなく、厚みのある筒状体あるいは棒状体のバルク状のグラファイトを用いても良い。

以上の巻芯１１、１２を巻回軸として前述の正負一対の金属化フィルムを巻取り、巻芯１１、１２を巻取り装置の軸から外すと、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような円柱状の素子８が形成される。

本実施例では、二本の巻芯１１、１２のそれぞれ外側の端部１１Ａ、１２Ａが素子８の両端面８Ａ、８Ｂから０．５ｍｍずつ突出するように配置した。そして素子８の両端面８Ａ、８Ｂに金属溶射により一対のメタリコン電極９、１０を形成した。巻芯１１、１２の端部１１Ａ、１２Ａを素子８の外方へ突出させることで、よりメタリコン電極９、１０との接続信頼性が増し、熱を逃がしやすくすることができる。メタリコン電極９、１０はアルミや亜鉛、マグネシウムなどの金属材料で形成した。

このように高い熱伝導率を有する巻芯１１、１２をメタリコン電極９、１０に接続することで、素子８にリップル電流通電等を行うことによって素子８が発熱し、素子８の内部の温度が上昇しても、巻芯１１、１２がヒートパイプの役割を果たし、メタリコン電極９、１０を介して外部へ放熱することができる。本実施例では、この円柱状の素子８を押圧して扁平加工し、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように断面が楕円になるように形成したものである。

扁平加工後の巻芯１１、１２の断面は、幅が１２ｍｍ、厚みが０．１ｍｍであった。素子８を扁平加工することにより、複数の素子８を並べた時に空隙を減らすことができ、電子部品の小型化に寄与する。

ここで本実施例の巻芯１１、１２は薄い箔から形成されているため、厚みのある板や太い棒等と比較して機械的強度がそれ程高くない。したがって扁平加工がし易く、偏平加工後に巻芯が元の形状（円形）に戻り難いため、エアギャップの発生が無くなって放熱性の向上と安定化が図れる。

本実施例では、素子８の端面８Ａから８Ｂまでの中心軸Ｐ方向の長さＬ_dを１００ｍｍとした。巻芯１１は、端面８Ａからの進入距離、すなわち端面８Ａからの長さをＬ₁とし、巻芯１２は、端面８Ｂからの進入距離、すなわち素子８の端面８Ｂからの長さをＬ₂とした時、長さＬ₁、Ｌ₂をいずれも４０ｍｍとした。スペース１３の長さを２０ｍｍとした。スペース１３の熱伝導率は０．０５Ｗ／ｍＫとした。なお、素子８の端面８Ａ、８Ｂからの長さとは、巻芯１１、１２の突出した部分の長さを含まないものとした。

以上のような金属化フィルムコンデンサ７を図３に示すように複数並べ、正極、負極のそれぞれのメタリコン電極９、１０をバスバー１５、１６でつなぐと、コンデンサユニット１７が形成できる。

また扁平加工後の素子８の体積は、約１６７ｃｍ³であった。

上記バスバー１５、１６の代わりに銅板を用い、放熱性を検討した。比較例１として、巻芯を用いない素子を用いた。比較例２として、図６に示すような、巻芯３、４が熱伝導率２３６Ｗ／ｍＫのアルミニウム箔を巻回したものからなる素子２を用いた。比較例２と本実施例１とでは、巻芯の材料が異なるが、素子の組み立て方法は同じとした。

比較例２は、本実施例と同様に、二つの巻芯３、４の長さＬ₁、Ｌ₂は同じ（Ｌ₁＝Ｌ₂）で４０ｍｍ、巻芯３、４の厚みは１００μｍとした。また素子２の長さＬ_dも１００ｍｍとした。

放熱性は、それぞれの素子８のリップル電流通電（７．５ＫＨｚ、１７Ａｒｍｓ）による自己温度上昇を、比較例１と対比させて検討した。放熱性の指標となる放熱性向上率の算出方法は下記の通りである。

まず、それぞれの素子８（または図６の符号２）の初期温度を９２．７５℃とし、リップル発熱時の最高温度を測定して、最高温度と初期温度（９２．７５℃）との差ΔＴを算出する。そして比較例１の素子のリップル電流による温度上昇分をΔＴ₀とする。このΔＴ₀から、各実施例のリップル電流による温度上昇分ΔＴとの差を求め、この差をΔＴ₀で除した値から放熱性向上率を求める。すなわち（ΔＴ₀−ΔＴ）／ΔＴ₀×１００（％）の値が放熱性向上率を示し、値が大きい程、放熱性が優れると判断する。

下記（表１）に、それぞれのサンプルの放熱性向上率を示す。

上記（表１）に示すように、アルミニウムからなる巻芯３、４を用いた比較例２は、比較例１と比べて、１９．３％放熱性が高くなった。しかしながらグラファイトシートからなる巻芯１１、１２を用いた実施例１では、グラファイトシートの熱伝導性が非常に高いため、２７．１％と比較例２と比べてはるかに放熱性を高めることができた。

また本実施例１は、巻芯１１、１２をグラファイトで形成したため、アルミニウム箔よりさらに軽量化を図ることができる。

なお、巻芯１１、１２として例えば銅などの熱伝導性の高い材料を用いることも考えられるが、グラファイトは銅よりも熱伝導性が高いため、より放熱性を高めることができる。さらに銅よりも軽量であるため、素子８の軽量化を図ることができる。

またグラファイトシートは一般的に金属より空隙が多く、プレスで圧縮変形しやすいため、素子８を扁平に加工する際、素子８と巻芯１１、１２との接触面積が増え、熱が伝わりやすくなり、より放熱性を高めることができる。

（実施例２）
本実施例２と実施例１との違いは、グラファイトシートの熱伝導率を１０００Ｗ・ｍＫと高めたことである。グラファイトシートの熱伝導率は、グラファイトの密度を高めることで高くすることができる。

（実施例３）
本実施例３と実施例１との違いは、グラファイトシートの熱伝導率を１６００Ｗ・ｍＫと高めたことである。グラファイトシートの熱伝導率は、グラファイトの密度を高めることで高くすることができる。

上記（表１）に示すように、実施例２では放熱性向上率が２９．５％、実施例３では放熱性向上率が３２．７％となり、巻芯１１、１２の熱伝導率が高くなったことで、比較例１、２と比較して極めて放熱性が高くなることが分かった。

（実施例４）
本実施例４と実施例１との違いは、巻芯１１の端面８Ａからの長さＬ₁と、巻芯１２の端面８Ｂからの長さＬ₂である。本実施例４では、Ｌ₁が５０ｍｍ、Ｌ₂が３０ｍｍである。スペース１３の長さや熱伝導率など、その他の条件は実施例１と同じである。実施例４では、放熱率向上率が３１．４％となった。

（実施例５）
本実施例５と実施例１との違いは、巻芯１１、１２の端面８Ａ、８Ｂからの長さＬ₁、Ｌ₂である。本実施例５では、Ｌ₁が６０ｍｍ、Ｌ₂が２０ｍｍである。スペース１３の長さや熱伝導率など、その他の条件は実施例１と同じである。実施例５では、放熱性向上率が３０．４％となった。

（実施例６）
本実施例６と実施例１との違いは、巻芯１１、１２の端面８Ａ、８Ｂからの長さＬ₁、Ｌ₂である。本実施例６では、Ｌ₁が７０ｍｍ、Ｌ₂が１０ｍｍである。スペース１３の長さや熱伝導率など、その他の条件は実施例１と同じである。実施例６では、放熱性向上率が２９．０％となった。

（実施例７）
本実施例７と実施例１との違いは、巻芯１１が素子８の片方の端面８Ａからしか挿入されておらず、さらに巻芯１１の端面８Ａからの長さＬ₁が８０ｍｍである点である。実施例７では、放熱性向上率が２７．５％となった。巻芯１２は存在しないが、（表１）では便宜上長さＬ₂を０と表記する。

上記（表１）の実施例１、４〜７の結果を図４に示す。図４から、長さＬ₁が４５ｍｍ以上７０ｍｍ以下の領域で、放熱性が向上していると推測できる。長さＬ₁が４５ｍｍ以上の場合に、より放熱性が高くなる理由は、熱の篭り易い素子８の中央に巻芯１１が接触するからと考えられる。

従って、巻芯１１、１２を二本設ける場合は、巻芯１１長さＬ₁を、下記式２のように、素子８の長さＬ_dの半分以上とすることで、熱の篭り易い素子８の中心部分を放熱でき、素子８全体の放熱性をより効率よく高めることができる。

また巻芯１２の長さＬ₂を１０ｍｍ以上とすることで、より放熱性が高まる。短い方の巻芯１２も、ある程度長さを維持し、巻芯１１、１２の両方から放熱することで、効率よく放熱できるからである。よって、短い方の巻芯１２の長さＬ₂を、下記式３を満たす長さとすることが放熱性の観点から好ましい。

（実施例８）
本実施例８は実施例７と同様に、巻芯１１が一方しかなく、巻芯１１の素子８の端面８Ａからの長さＬ₁が７０ｍｍである。他方の端面８Ｂからは、フィルムなどグラファイト以外の芯材をダミーとして挿入してもよい。実施例８では、放熱性向上率は２７．８％であった。

（実施例９）
本実施例９と実施例８との違いは、巻芯１１の端面８Ａからの長さＬ₁である。実施例９はＬ₁が６０ｍｍである。実施例９では、放熱性向上率は２０．７％であった。

（実施例１０）
本実施例１０と実施例８との違いは、巻芯１１の端面８Ａからの長さＬ₁である。実施例１０はＬ₁が５０ｍｍである。実施例１０では、放熱性向上率は１２．５％であった。

（実施例１１）
本実施例１１と実施例８との違いは、巻芯１１の端面８Ａからの長さＬ₁である。実施例１１はＬ₁が４０ｍｍである。実施例１１では、放熱性向上率は８．９％であった。

（実施例１２）
本実施例１２と実施例８との違いは、巻芯１１の端面８Ａからの長さＬ₁である。実施例１２はＬ₁が３０ｍｍである。実施例１２では、放熱性向上率は４．６％であった。

（実施例１３）
本実施例１３と実施例８との違いは、巻芯１１の端面８Ａからの長さＬ₁である。実施例１３はＬ₁が２０ｍｍである。実施例１３では、放熱性向上率は２．６％であった。

（実施例１４）
本実施例１４と実施例８との違いは、巻芯１１の端面８Ａからの長さＬ₁である。実施例１４はＬ₁が１０ｍｍである。実施例１４では、放熱性向上率は１．３％であった。

実施例７〜１４の結果を図５に示す。巻芯１１を一つしか用いない場合も、巻芯を用いない場合（比較例１）と比べて放熱性は高い。また図５に示すように、巻芯１１が片方にしかなくても、巻芯１１の長さＬ₁が６０ｍｍ以上の時、アルミニウムの巻芯３を用いた比較例２と比べても、放熱性向上率を高めることができる。

従って、巻芯１１を一つだけ用いる場合は、下記式１のように、巻芯１１の素子８の端面８Ａからの長さＬ₁を素子８の長さＬ_dの６割以上とすることで、素子８の放熱性をより効率よく高めることができる。

巻芯１１を一つだけ用いる場合は、他方の巻芯１２との絶縁を考慮しなくてよいため、例えば巻芯１１の位置ずれが生じても、耐電圧性を維持することができる。また巻芯１１の高精度な位置合わせが不要になり、生産性に優れる。

以上、本実施例１〜１４に示すように、巻芯１１、１２にグラファイトを用いることで素子８の放熱性を高めることができる。

本発明による金属化フィルムコンデンサは、放熱性に優れ、特に高温高圧下の過酷な使用環境が要求される自動車用の分野等として有用である。

７ 金属化フィルムコンデンサ
８ 素子
８Ａ 端面
８Ｂ 端面
９ メタリコン電極
１０ メタリコン電極
１１ 巻芯
１１Ａ 端部
１１Ｂ 端部
１２ 巻芯
１２Ａ 端部
１２Ｂ 端部
１３ スペース
１４ 外装体
１５ バスバー
１６ バスバー
１７ コンデンサユニット

Claims (3)

1. 誘電体フィルム上に電極膜を形成した金属化フィルムを、一対の前記電極膜が前記誘電体フィルムを介して対向するように巻回した素子と、
   前記素子の中心軸に挿入された一つの巻芯と、を備え、
   前記巻芯は、一端が前記素子の端面に接し、
   他端は前記コンデンサ素子の内部にあるとともに、
   前記素子の前記端面からの長さＬ1が下記式１を満たす、
   金属化フィルムコンデンサ。
   

   
2. 前記巻芯はグラファイトからなる、請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
3. 前記コンデンサ素子は扁平状であり、前記グラファイトからなる巻芯はグラファイトシートにて形成された、請求項２に記載の金属化フィルムコンデンサ。

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