(57)【要約】【課題】空冷により電気二重層キャパシタを効率よく冷却することができるキャパシタモジュールを提供する。【解決手段】各々間隔を空けて並列に配置される複数のキャパシタ１と、キャパシタ１を収納する箱型の筐体２と、筐体２の一方の側面に吸気用の冷却ファン４ａ，４ｂと、筐体２の吸気用の冷却ファン４ａ，４ｂを設置した側面の対面に排気用の冷却ファン４ａ，４ｂとを備えることにより、圧力損失が大きい場合であっても大きな流量の冷却風を得ることでき、キャパシタ１の表面で速い流速を得ることができるため、キャパシタ１の冷却効果を大きく向上させた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々間隔を空けて並列に配置される複数の電気二重層キャパシタと、
前記電気二重層キャパシタを収納する箱型の筐体と、
前記筐体の一方の側面に吸気ファンと、
前記筐体の前記一方の側面の対面に排気ファンと
を備える
ことを特徴とするキャパシタモジュール。
【請求項２】
前記電気二重層キャパシタを前記電気二重層キャパシタの集電端子側が前記吸気ファンからの風を直接受けるように前記筐体内に配置する
ことを特徴とする請求項１に記載のキャパシタモジュール。
【請求項３】
前記筐体は前記吸気ファン及び前記排気ファンが設置される吸排気口以外は密閉構造となっている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のキャパシタモジュール。
【請求項４】
前記集電端子に放熱効率を高める放熱手段を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のキャパシタモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層キャパシタは、分極性電極に電解質中のアニオンを正極、カチオンを負極表面に物理吸着させて電気を蓄えることを原理としている。電気二重層キャパシタ（以後、単にキャパシタと呼称する）の電解液は、大別すると有機溶媒系と水系とに分けられる。近年、キャパシタの大容量化や大型化が進んでいるが、ほとんどのものはキャパシタ充電電圧をより高くでき高エネルギー密度化に有利な有機溶媒系電解液が用いられている。
【０００３】
水系電解液を用いたキャパシタはセル電圧が１．０Ｖ程度しか得ることができないが、有機溶媒系電解液を用いたキャパシタは２．３〜２．７Ｖで使用することができる。蓄電エネルギーは電圧の二乗に比例するので、有機溶媒系電解液を用いたキャパシタはエネルギー密度の点から有利である。
【０００４】
ところで、有機溶媒系電解液を用いたキャパシタは極端に水分を嫌う。その理由として、水分が有機溶媒系電解液中に混入すると水の分解電位である１．８Ｖ以上でガス発生し、フッ酸の発生が起こり耐久性能が低下して故障を起こすためである。よって、キャパシタの製造時には水分進入対策が必要である。製造後にもキャパシタの内部への水分進入防止構造が必要であり、一般には金属管への封入や、アルミラミネートフィルム等の金属フィルムで覆う構造が用いられる。
【０００５】
しかし、大型のキャパシタにおいては、全体を大きな金属管で密閉することはコストと信頼性の面で問題があり、ほとんどのキャパシタはアルミラミネートフィルムで外周を覆い水分進入を防ぐ構造をとっている。このように、キャパシタの外周を覆うアルミラミネートフィルムは一般的に強度が低く、衝撃及び振動などで簡単にダメージを受け、ピンホール等が生じる。アルミラミネートフィルムに破損が生じ気密が保てなくなると、水分遮断能力が機能しなくなり、水蒸気が容易に進入することとなる。
【０００６】
特に、大型のキャパシタは自重が大きいため、アルミラミネートフィルムはよりダメージを受けやすくなり、振動を受ける車載用途における展開への障害となっている。そこで、キャパシタを丈夫な金属筺体等に納め、その筺体に保護、耐震、防振、絶縁及び放熱等の機能を付加している。このように、キャパシタを筐体に収めた状態をキャパシタモジュールと以後呼称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２３５８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
キャパシタは充放電を行い電流の出入りがあると「内部抵抗×電流」に相当するジュール熱を発生させる。このジュール熱は、そのままキャパシタの温度を上昇させる熱となる。頻繁に充放電を繰り返す用途においては、キャパシタは急激に温度上昇を起こし使用限界温度を超えてしまうことがある。
【０００９】
このため、キャパシタを筐体に納めて機械的に保護すると同時に放熱の機能も付加する必要が出てくる。この場合、例えばキャパシタを納める筐体に冷却ファンを取り付けるだけの簡単な構造が考えられる。しかし、回生吸収用途などでは、連続で大電流の充放電が要求されることから、キャパシタの冷却効率を少しでも向上させる必要がある。
【００１０】
これに対応するために、キャパシタ外部からの水冷（上記特許文献１参照）、金属製の大型ヒートシンクの取り付け等が考案されているが、いずれもメンテナンス性、スペース効率の悪さなどの問題がある。そこで、空冷でいかに効率よくキャパシタを冷却できるかがキャパシタをモジュール化する際の課題となる。
【００１１】
以上のことから、本発明は、空冷により電気二重層キャパシタを効率よく冷却することができるキャパシタモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決する第１の発明に係るキャパシタモジュールは、
各々間隔を空けて並列に配置される複数の電気二重層キャパシタと、
前記電気二重層キャパシタを収納する箱型の筐体と、
前記筐体の一方の側面に吸気ファンと、
前記筐体の前記一方の側面の対面に排気ファンと
を備える
ことを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決する第２の発明に係るキャパシタモジュールは、第１の発明に係るキャパシタモジュールにおいて、
前記電気二重層キャパシタを前記電気二重層キャパシタの集電端子側が前記吸気ファンからの風を直接受けるように前記筐体内に配置する
ことを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決する第３の発明に係るキャパシタモジュールは、第１の発明又は第２の発明に係るキャパシタモジュールにおいて、
前記筐体は前記吸気ファン及び前記排気ファンが設置される吸排気口以外は密閉構造となっている
ことを特徴とする。
【００１５】
上記の課題を解決する第４の発明に係るキャパシタモジュールは、第１の発明から第３の発明のいずれかひとつに係るキャパシタモジュールにおいて、
前記集電端子に放熱効率を高める放熱手段を備える
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、空冷により電気二重層キャパシタを効率よく冷却することができるキャパシタモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るキャパシタモジュールの側面図である。
【図２】本発明に係るキャパシタモジュールの平面図である。
【図３】本発明に係るキャパシタモジュールの正面図である。
【図４】本発明に係るキャパシタモジュールの背面図である。
【図５】図１にＡ−Ａで示す断面におけるキャパシタモジュールの断面図である。
【図６】図２にＢ−Ｂで示す断面におけるキャパシタモジュールの断面図である。
【図７】本発明に係るキャパシタモジュールにおける内部電極の温度上昇の様子について示した図である。
【図８】本発明に係るキャパシタモジュールにおける幅広部を有する集電端子の構造を示した模式図である。
【図９】本発明に係るキャパシタモジュールにおけるヒートシンクを有する集電端子の構造を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係るキャパシタモジュールを実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
はじめに、本発明に係るキャパシタモジュールの構成例について説明する。
図１〜４に示すように、本発明に係るキャパシタモジュールは、キャパシタ１が筐体２内に収納されている。
【００２０】
なお、本実施形態に係るキャパシタモジュールの説明においては、キャパシタ１の集電電極１ａ側をキャパシタモジュールの正面側とし、反対の面をキャパシタモジュールの背面側として説明を行う。また、本実施形態においてはキャパシタ１を筐体２内に５台並べて設置する構成としているが、１〜４台又は６台以上並べて設置する構成としてもよい。
【００２１】
キャパシタ１と筐体２との間には、キャパシタ１を支持し、キャパシタ１への衝撃を緩和する支持緩衝材３が設置されている。図５，６に示すように、キャパシタ１にはそれぞれ支持緩衝材３が設置されており、各キャパシタ１間の空間を保持している。なお、支持緩衝材３の素材は、緩衝効果のある素材であればどのようなものでも用いることが可能であるが、冷却効果をより高める場合には、シリコンゴムのような熱伝導率が高い素材を用いることが望ましい。
【００２２】
筐体２の正面側の吸排気口２ａ（図６参照）には冷却ファン４ａが設置されている。また、筐体２の背面側の吸排気口２ａにも冷却ファン４ｂが設置されている。なお、筐体２は、筐体２の正面側及び背面側の吸排気口２ａ以外は密閉構造となっており、これら吸排気口２ａ以外には空気の流通口はない構造となっている。
【００２３】
本実施形態においては、筐体２の正面側及び背面側にそれぞれ２つずつ冷却ファン４ａ，４ｂを設置したが、設置する個数については１個又は３個以上とする構成としてもよい。また、本実施形態においては、冷却ファン４ａ，４ｂは、同能力の冷却ファンを設けているが、キャパシタ１の冷却時には一方を吸気専用のファンとし他方を排気専用のファンとして同時に運転させるものとする。また、収納するキャパシタ１の数量やキャパシタ１のサイズによって、各キャパシタ１の間の隙間をすべてカバーすることができるように、冷却ファン４ａ，４ｂを設置する数量や冷却ファン４ａ，４ｂの大きさを設定することが好ましい。
【００２４】
次に、本発明に係るキャパシタモジュールの作用について説明する。
図５に示すように、本実施形態に係るキャパシタモジュールにおいては、支持緩衝材３により確保されている各キャパシタ１間の隙間に、図３，４に示すように、筐体２の吸排気口２ａに取り付けられた冷却ファン４ａ，４ｂから送られる冷却風を流し、キャパシタ１の表面で速い流速が得られるような構造となっている。
【００２５】
ここで、キャパシタ１の表面において速い流速を得るには、キャパシタ１間の隙間を小さくすることが有効であるが、あまり小さくすると圧力損失が大きくなり、逆に冷却効率が悪くなってしまうという問題がある。しかしながら、この問題は、上述した本実施形態に係るキャパシタモジュールの構成により、吸排気口２ａに同能力の冷却ファン４ａ，４ｂをそれぞれ設置することで圧力損失が大きい、すなわち、大きな静圧差が得られない場合でも大きな流量を得ることが可能となり、キャパシタ１の表面で速い流速を得ることで解決することができる。
【００２６】
ここで、筐体２の片側の面のみに冷却ファンを設置し、冷却ファンを設置した面の対面には吸気口のみを形成した場合の冷却風の風量を測定する実験を行った結果、本実施形態に係るキャパシタモジュールによれば、吸排気口２ａに冷却ファン４ａ，４ｂを設けることで、片側の面のみに冷却ファンを設置した場合と比較して、単に風量が倍になるのではなく、３倍以上の風量を得ることができるようになることが分かった。このため、本実施形態に係るキャパシタモジュールによれば、キャパシタ１の冷却効果を大きく向上させることができることが分かる。
【００２７】
本実施形態に係るキャパシタモジュールでは、集電端子１ａ側の面を冷却ファン４ａ，４ｂの正面に配置することにより、集電端子１ａ側の面の受ける冷却風の風速及び風量をキャパシタ１の集電端子１ａ側の面以外の表面より大きくしている。当然のことながら、速い風速や大きな流量の冷却風の方が集電端子１ａにおける放熱効率を高めることができるため、上述した本実施形態に係るキャパシタモジュールの構成により、キャパシタ１の内部において発熱した熱の冷却を、効果的に行うことができる。
【００２８】
また、キャパシタ１の熱伝導率は、キャパシタ１の積層（厚み）方向で１．２２Ｗ／ｍ・ｋ（測定値）であるのに対して、キャパシタ１の平面方向、すなわち、キャパシタ１内の電解液を密閉するためのパッキン部では、０．２Ｗ／ｍ・ｋ（測定値）であるため、ほとんど積層方向に熱が逃げて来ることとなる。
【００２９】
そして、集電端子１ａはアルミニウム製（熱伝導率が２３７Ｗ／ｍ・ｋ）であって、積層方向の最後のパーツとして存在し、集電端子１ａ近傍の他の部材はセルロース製であることから、積層方向に逃げてきた熱の大部分が集電端子１ａから放熱されることとなる。このため、集電端子１ａを積極的に冷却することで、キャパシタ１の内部において発熱した熱を冷却し、キャパシタ１の冷却効率をより高めることができる。
【００３０】
ここで、実際に、キャパシタ１の内部における発熱を２０Ｗとし、同じ風量（４０ｍ3／ｍｉｎ）で集電端子１ａ側の方向から冷却ファン４ａにより風を当てた場合と、集電端子１ａ側の対面方向から冷却ファン４ｂにより風を当てた場合とで内部電極の温度上昇ΔＴ（ΔＴ＝内部電極温度−冷却ファン風の温度）について比較する実験を行った。
【００３１】
図７に示すように、集電端子１ａ側の方向から冷却ファン４ａにより風を当てた場合（図７中△で示す）と、集電端子１ａ側の対面方向から冷却ファン４ｂにより風を当てた場合（図７中■で示す）とでは、キャパシタ１の内部電極の中心部の温度上昇に差があり、集電端子１ａ側の方向から冷却ファン４ａにより風を当てた場合の温度上昇ΔＴの方が集電端子１ａ側の対面方向から冷却ファン４ｂにより風を当てた場合に比べて低くなることが分かる。
【００３２】
そして、そもそも、キャパシタ１の冷却は内部電極の温度上昇を抑えることにより、キャパシタ１の寿命を長くすることを最終的としていることから、本発明に係るキャパシタモジュールの構成においては、上述したようにキャパシタ１の集電端子１ａ側の方向から冷却ファン４ａにより風を当ててキャパシタ１を冷却する方法をとることが、最も効率がよいということができる。
【００３３】
また、筐体２の吸排気口２ａ以外の部分を密閉構造とすることで、冷却が必要な箇所以外の空気を流動させることを防ぎ、キャパシタ１の表面のみに空気流動エネルギーを集中させることで、キャパシタ１の冷却効率をより高めることができる。
【００３４】
さらに、上述した本実施形態に係るキャパシタモジュールの構成に加え、キャパシタ１の集電端子１ａの放熱効率を高めるため放熱手段として、図８に示すように集電端子１ａの一部に幅広部１ｂを形成して放熱したり、また、図９に示すように集電端子１ａにヒートシンク１ｃを設置して放熱したり、また、集電端子１ａの表面に絶縁を施した上で、グラファイトシート等の熱伝導部材により集電端子１ａと筐体２の内壁とを接続して集電端子１ａから筐体２へ熱を伝導することにより、集電端子１ａの放熱効率を高め、キャパシタ１の冷却効率をより高めることができる。
【００３５】
以上説明したように、本発明に係るキャパシタモジュールは、各々間隔を空けて並列に配置される複数のキャパシタ１と、キャパシタ１を収納する箱型の筐体２と、筐体２の一方の側面に吸気用の冷却ファン４ａ，４ｂと、筐体２の吸気用の冷却ファン４ａ，４ｂを設置した側面の対面に排気用の冷却ファン４ａ，４ｂとを備えることにより、圧力損失が大きい場合であっても大きな流量の冷却風を得ることでき、キャパシタ１の表面で速い流速を得ることができるため、キャパシタ１の冷却効果を大きく向上させることができる。これにより、キャパシタ１の内部電極の温度上昇を抑えることができ、キャパシタ１の寿命を長くすることができる。
【００３６】
また、キャパシタ１をキャパシタ１の集電端子１ａ側が吸気側の冷却ファン４ａ，４ｂからの風を直接受けるように筐体２内に配置することにより、集電端子１ａを積極的に冷却することで、キャパシタ１の内部において発熱した熱を冷却し、キャパシタ１の冷却効率をより高めることができる。
【００３７】
また、筐体２は冷却ファン４ａ，４ｂが設置される吸排気口２ａ以外は密閉構造となっていることにより、冷却が必要な箇所以外の空気を流動させることを防ぎ、キャパシタ１の表面のみに空気流動エネルギーを集中させることで、キャパシタ１の冷却効率をより高めることができる。
【００３８】
また、集電端子１ａの一部に幅広部１ｂ（図８参照）を形成したり、集電端子１ａにヒートシンク１ｃ（図９参照）を設置したり、集電端子１ａの表面に絶縁を施した上で、グラファイトシート等の熱伝導部材により集電端子１ａと筐体２の内壁とを接続したりすることにより集電端子１ａの放熱効率を高める放熱手段を備えることにより、キャパシタ１の冷却効率をより高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、例えば、電気二重層キャパシタのモジュール化に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  キャパシタ
１ａ  集電端子
１ｂ  集電端子の幅広部
１ｃ  ヒートシンク
２  筐体
２ａ  吸排気口
３  支持緩衝材
４ａ，４ｂ  冷却ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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