(57)【要約】【課題】制御基板で使用する電解コンデンサの正確な寿命予測ができるような電解コンデンサの寿命予測方法を提供することを課題とする。【解決手段】使用経過期間を特定できる制御基板に取り付けられた電解コンデンサを取外す取外しステップと、取外した電解コンデンサと、該電解コンデンサと同じ規格で新品の電解コンデンサのそれぞれについて、静電容量とｔａｎδを測定する測定ステップと、測定した静電容量とｔａｎδから、それぞれの電解コンデンサの温度上昇ΔＴを算出する算出ステップと、算出した温度上昇ΔＴを用いて、前記取外した電解コンデンサの静電容量またはｔａｎδのいずれかが異常値となるまでの温度上昇を予測し、予測した温度上昇とアレニウス則に基づき取外した電解コンデンサが異常値となる時期を予測する予測ステップとを有する。【選択図】図１
2010093046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御基板で使用する電解コンデンサの寿命を予測する電解コンデンサの寿命予測方法であって、
使用経過期間を特定できる制御基板に取り付けられた電解コンデンサを取外す取外しステップと、
取外した電解コンデンサと、該電解コンデンサと同じ規格で新品の電解コンデンサのそれぞれについて、静電容量とｔａｎδを測定する測定ステップと、
測定した静電容量とｔａｎδから、それぞれの電解コンデンサの温度上昇ΔＴを算出する算出ステップと、
算出した温度上昇ΔＴを用いて、前記取外した電解コンデンサの静電容量またはｔａｎδのいずれかが異常値となるまでの温度上昇を予測し、予測した温度上昇とアレニウス則に基づき取外した電解コンデンサが異常値となる時期を予測する予測ステップとを有することを特徴とする電解コンデンサの寿命予測方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電解コンデンサの寿命予測方法において、
前記温度上昇ΔＴを、以下の(３)式より求めることを特徴とする電解コンデンサの寿命予測方法。
【数３】
2010093046.tif 000007
【請求項３】
制御基板で使用する電解コンデンサの寿命を予測する電解コンデンサの寿命予測装置であって、
使用経過期間を特定できる制御基板から取り外された電解コンデンサと、該電解コンデンサと同じ規格で新品の電解コンデンサのそれぞれについて、静電容量とｔａｎδを測定する測定手段と、
該測定手段で測定した静電容量とｔａｎδを入力し、それぞれの電解コンデンサの温度上昇ΔＴを算出する算出手段と、
前記算出手段で算出した温度上昇ΔＴを入力し、前記取外した電解コンデンサの静電容量またはｔａｎδのいずれかが異常値となるまでの温度上昇を予測し、予測した温度上昇とアレニウス則に基づき取外した電解コンデンサが異常値となる時期を予測する予測手段とを有することを特徴とする電解コンデンサの寿命予測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解コンデンサの寿命予測方法及び装置に関するものであり、特に、制御基板で使用する電解コンデンサの寿命予測方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ほとんどの制御基板には、電圧の平滑化やノイズ除去のために、電解コンデンサが搭載されている。しかし、電解コンデンサは、内部の電解液が透過や飛散によりドライアップを引き起こし、静電容量の低下を引き起こすといった特性を抱え、有寿命品である。そして、制御基板上で唯一の有寿命品である場合が多く、電解コンデンサの寿命はそのまま制御基板の寿命へと繋がっている。
【０００３】
また、従来のアルミ電解コンデンサの寿命推定は、アレニウスモデル式(後述する)に従う、つまり、使用温度が10℃上昇する毎に寿命は半減するという考えが使用されている。
【０００４】
そして、特許文献１または特許文献２には、大容量電解コンデンサでは、静電容量・抵抗値を測定し続けることで、コンデンサ劣化度カーブをプロットしていき、そのコンデンサの劣化度を判定する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２５８７２号公報
【特許文献２】特開２００１−７６９８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、制御基板上の電解コンデンサでは、周囲の抵抗やコンデンサ自身の発熱によりコンデンサの温度変化を予想することができず、更には製造上コンデンサ容量にもバラツキがあることからも、アレニウスモデル式や標準のコンデンサ劣化度予測カーブから電解コンデンサの寿命を推定することは現実的に難しいという問題がある。
【０００６】
また、基板上の電解コンデンサは他の素子と共に精密にハンダ付けされており、特許文献１または２に開示の技術のようにコンデンサの実測値を用いたコンデンサ劣化度カーブを作成することもできないため、今まで基板上の電解コンデンサの寿命予測は実施されていなかった。
【０００７】
このため、現状では、基板が故障してから対応するBreakdown  Maintenance(以下、ＢＭ対応と称する)、推定寿命(約１０年)以上経過してからの一斉交換、および予備基板を用いての基板オーバーホール(以下、ＯＨ対応と称する)が実施されている。
【０００８】
しかしながら、これらの方法であっても、基板総数が数千枚・同規格基板が数十枚以上を使用している製鉄所においては、次のような問題点がある。すなわち、基板が一斉に寿命を迎えた場合には、予備基板・メーカー在庫の欠乏の可能性があり、これらの手当てが間に合わない場合には、工場停止へと繋がる危険性がある。また、寿命を安全方向に推定し早期に基板を更新する場合にも、高価格の制御基板を膨大な数量を購入しなければならず、莫大な修理費用が必要となってしまうという問題点がある。
【０００９】
本発明は、これら従来技術の問題点に鑑み、制御基板で使用する電解コンデンサの正確な寿命予測ができるような電解コンデンサの寿命予測方法及び装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１に係る発明は、制御基板で使用する電解コンデンサの寿命を予測する電解コンデンサの寿命予測方法であって、使用経過期間を特定できる制御基板に取り付けられた電解コンデンサを取外す取外しステップと、取外した電解コンデンサと、該電解コンデンサと同じ規格で新品の電解コンデンサそれぞれについて、静電容量とｔａｎδを測定する測定ステップと、測定した静電容量とｔａｎδから、それぞれの電解コンデンサの温度上昇ΔＴを算出する算出ステップと、算出した温度上昇ΔＴを用いて、前記取外した電解コンデンサの静電容量またはｔａｎδのいずれかが異常値となるまでの温度上昇を予測し、予測した温度上昇とアレニウス則に基づき取外した電解コンデンサが異常値となる時期を予測する予測ステップとを有することを特徴とする電解コンデンサの寿命予測方法である。
【００１１】
また本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電解コンデンサの寿命予測方法において、前記温度上昇ΔＴを、以下の(３)式より求めることを特徴とする電解コンデンサの寿命予測方法である。
【００１２】
【数３】
2010093046.tif 000003
【００１３】
さらに本発明の請求項３に係る発明は、制御基板で使用する電解コンデンサの寿命を予測する電解コンデンサの寿命予測装置であって、使用経過期間を特定できる制御基板から取り外された電解コンデンサと、該電解コンデンサと同じ規格で新品の電解コンデンサのそれぞれについて、静電容量とｔａｎδを測定する測定手段と、該測定手段で測定した静電容量とｔａｎδを入力し、それぞれの電解コンデンサの温度上昇ΔＴを算出する算出手段と、前記算出手段で算出した温度上昇ΔＴを入力し、前記取外した電解コンデンサの静電容量またはｔａｎδのいずれかが異常値となるまでの温度上昇を予測し、予測した温度上昇とアレニウス則に基づき取外した電解コンデンサが異常値となる時期を予測する予測手段とを有することを特徴とする電解コンデンサの寿命予測装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、制御基板で使用する電解コンデンサの正確な寿命予測ができるようにしたので、今まで不明だった基板の劣化具合情報を得ることが可能となる。更に、その基板の劣化具合から、同じ規格や同じ環境にある、未だ更新していない制御基板の劣化具合を推定することで、故障トラブルの事前防止・更新時期の調整による更新コスト低下の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図５は、電解コンデンサの構成を説明する図である。電解コンデンサは、アルミニウム電解コンデンサとタンタル電解コンデンサに大別でき、図５では、アルミニウム電解コンデンサの例で説明する。
【００１６】
なお、タンタル電解コンデンサは、化成皮膜がきわめて安定で劣化が少なく、アルミ電解コンデンサと比べると、漏れ電流が小さく長寿命で信頼性も高いが、割高である。このため、産業界ではアルミ電解コンデンサが広く用いられている。
【００１７】
アルミ電解コンデンサは、粗面化したアルミニウム製の陽極に誘電体酸化皮膜を形成した後、その間にセパレータ(ほう酸アンモンなどの電解液を含んだ電解紙)を介在させてアルミニウム製の陰極と共に巻回することによりコンデンサ素子を形成する。そして、このコンデンサ素子を有底筒状のアルミニウムケースに収納した後、このアルミニウムケースの開放端をゴム等の弾性体からなる封口部材で封止することによって構成されている。
【００１８】
このように構成されたアルミ電解コンデンサでは、電解液が含浸されたコンデンサ素子を収納したアルミニウムケースの封止をゴム等の弾性体からなる封口部材で行うようにしているために、完全に密封することが困難である。このために時間の経過と共に電解液が徐々に蒸発し、静電容量の減少、ｔａｎδ(損失角)の増加等に代表される、アルミ電解コンデンサとしての重要な電気特性が劣化するという問題を有している。
【００１９】
上述したｔａｎδ(損失角)には、以下の（１）式で表される関係がある。
【００２０】
【数１】
2010093046.tif 000004
【００２１】
アルミ電解コンデンサの寿命を推定するに当たっては、以下の（２）式で示すアレニウスモデル式に従うことが知られている。
【００２２】
【数２】
2010093046.tif 000005
【００２３】
電解液の蒸発速度は温度が１０℃上昇する毎に２倍になると近似されることから、使用温度が１０℃上昇する毎に寿命は半減するという計算によって行われている。
【００２４】
しかしながら、制御基板上の電解コンデンサでは、前述したように上手くコンデンサの温度変化を予想または実測することができず、アレニウスモデル式を直接適用できていなかった。
【００２５】
本発明は、コンデンサの温度が不明であり、コンデンサ劣化度予測カーブを実測・作成することができない状況下で、コンデンサの性能劣化量とコンデンサ使用期間から今後どれだけの期間使用可能であるかを予測するものである。
【００２６】
これまで、メーカーへ制御基板のＯＨ対応を依頼した場合、制御基板上の電解コンデンサ・バッテリー等の有寿命品交換と、劣化箇所・問題点がないか動作試験が実施されている。本発明者らは、有寿命品交換の際に、そのまま廃棄されていた使用済みの電解コンデンサに着目した。
【００２７】
すなわち、これまで廃棄されていた電解コンデンサの静電容量・tanδ値を測定し、測定した静電容量・tanδ値と新品の電解コンデンサの静電容量・tanδ値とに基いて、コンデンサの温度上昇がどれだけ増加したか計算することによって、それまでの使用期間から今後どれだけの期間使用可能であるかを予測する。
【００２８】
図２は、本発明に係る電解コンデンサの寿命予測装置の構成例を示す図である。電解コンデンサの静電容量の値を測定する静電容量測定部１、電解コンデンサのｔａｎδの値を測定するｔａｎδ測定部２、静電容量測定部１とｔａｎδ測定部２を用いて測定した値を入力して電解コンデンサの温度上昇量ΔＴを算出するΔＴ算出部３、求めたΔＴを入力して電解コンデンサの寿命予測を行う予測演算部４、予測した結果を表示など行う出力部５から構成される。
【００２９】
ここで、静電容量測定部１、ｔａｎδ測定部２には市販の測定機器を用いればよい。使用経過期間が既知の電解コンデンサと、同規格の新品（未使用）の電解コンデンサを測定する。測定はそれぞれ２回行うことになるが、全ての測定が完了するまで、それまでの測定値をΔＴ算出部に一時記憶しておき、全ての測定が完了した時点で、ΔＴ算出部の演算を開始すればよい。また、ΔＴ算出部３、予測演算部４は異なる計算機としてもよいし、１つの計算機で構成してもよい。
【００３０】
図１は、本発明に係る電解コンデンサの寿命予測方法の処理手順例を示す図である。本発明においては、対象とする制御基板が、同規格仕様で複数枚あることを前提とする。
【００３１】
先ずStep11にて、制御基板に取り付けられ、同規格仕様でかつ同じ条件で使用されている電解コンデンサの内、１つの基板から電解コンデンサを取外す。実施時期は、ＯＨ対応時または特定時期でもよいが、使用経過期間(例えば、ｎ年)を特定できることが必要である。
【００３２】
次にStep12にて、取外した電解コンデンサならびにこれと同規格で新品の電解コンデンサのそれぞれについて、静電容量とｔａｎδを測定する。
【００３３】
そしてStep13にて、測定した静電容量とｔａｎδから、コンデンサの温度上昇ΔＴを以下の（３）式に基づき算出する。
【００３４】
【数３】
2010093046.tif 000006
【００３５】
ｎ年使用経過し取外した電解コンデンサと同規格で新品の電解コンデンサ、それぞれについて、コンデンサの温度上昇ΔＴが算出できる。なお、（３）式中の内部抵抗Ｒは、前出の（１）式を変形して、測定した静電容量とｔａｎδから算出し、その他表面積、放熱係数ならびにリプル電流は既知または定格値である。
【００３６】
図３は、ｔａｎδとコンデンサの温度上昇の一例を示す図である。１０年使用したコンデンサの例であり、測定したｔａｎδが０．０３８であり、算出した温度上昇は＋１６．１℃である。コンデンサ劣化によりｔａｎδが増加し、これによりコンデンサが発熱するというコンデンサ劣化加速の様子を表している。また、同規格で新品の電解コンデンサについて、測定したｔａｎδおよび算出した温度上昇は、それぞれ０．０１５、＋６．４℃である。
【００３７】
なお、図中のｔａｎδが０．１２以上の部分は、コンデンサメーカーが定めた故障範囲を表している。コンデンサ劣化によりｔａｎδが増加し、このｔａｎδの増加によりコンデンサが発熱するといった具合に、劣化が加速し故障範囲に入っていく。
【００３８】
図１に戻り説明を続けると、次のStep14にて、算出したコンデンサの温度上昇から測定対象のコンデンサが異常値となる時期を予測する。図４は、異常値となる時期の予測例を示す図である。横軸に静電容量変化(メーカー定格値を基準とする)をとり、縦軸にｔａｎδをとり、Step12にて測定した、基板から取外した電解コンデンサと新品コンデンサ、それぞれについてプロットしている。
【００３９】
図４で示した例で異常値となる時期の予測方法を説明を行なう。この例の場合は、新品から１０年間使用した現在値が、新品からコンデンサメーカーが定めた故障範囲(静電容量変化−２０％以下)までのおよそ中間の位置にあることが分る。１０年間使用して温度上昇が１０℃程度(１６．１℃−６．４℃)であり、故障範囲到達までに劣化の加速により温度上昇がさらに１０℃上昇すると予測できる。したがって、アレニウス則(使用温度が10℃上昇する毎に寿命は半減する)に基づき、現在値からの寿命は現在値までの経過期間１０年の半減した値、５年と予測できる。
【００４０】
因みに、図４において、新品から１０年間使用した現在値が、新品からコンデンサメーカーが定めた故障範囲(静電容量変化−２０％以下)までのおよそ１／３の位置にあるとした場合には、故障範囲到達までに劣化の加速により温度上昇がさらに２０℃上昇すると予測できる。したがって、アレニウス則に基づき、現在値からの寿命は現在値までの経過期間１０年の半減の半減した値、２．５年と予測できる。
【００４１】
より細かに寿命を求めるには次の方法がある。図４のように新品と現在値をプロットし、両者を結ぶ直線を故障範囲到達まで延長させて、故障範囲到達点aの静電容量変化およびｔａｎδ((ΔC/C)a、ｔａｎδa)を求める。求めた(ΔC/C)a、ｔａｎδaを用いて、前述の（１）ならびに（３）式より故障時の温度上昇を求めて、求めた温度上昇をアレニウスモデル式（２）に入れて寿命を求める。
【００４２】
そして、最終的にStep15で、先のステップで予測された時期(寿命)にて、基板を交換する。
【実施例】
【００４３】
メーカー推奨寿命7〜10年を超えた制御基板のＯＨを実施し、基板上の電解コンデンサ劣化具合を測定した。その結果、静電容量の低下や微量の液漏れ等コンデンサ劣化を確認できたが、メーカーの定める静電容量値に充分収まっており、本発明を適用して寿命を予測したところ、緊急に基板更新を行う必要がないことが分った。そこで、新規基板購入による高コストの基板更新ではなく、手持ちの寿命に余裕のある予備基板を用いて順番にＯＨを実施することによって、低コストに抑えることができた。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る電解コンデンサの寿命予測方法の処理手順例を示す図である。
【図２】本発明に係る電解コンデンサの寿命予測装置の構成例を示す図である。
【図３】ｔａｎδとコンデンサの温度上昇の一例を示す図である。
【図４】異常値となる時期の予測例を示す図である。
【図５】電解コンデンサの構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００４５】
１      静電容量測定部
２      ｔａｎδ測定部
３      ΔＴ算出部
４      予測演算部
５      出力部
【図１】
2010093046.tif 000008
【図２】
2010093046.tif 000009
【図３】
2010093046.tif 000010
【図４】
2010093046.tif 000011
【図５】
2010093046.tif 000012