(57)【要約】【課題】電力変換装置にとって好適な放熱構造を有するコンデンサ及びそれを用いた電力変換装置を提供することを課題とする。【解決手段】上記課題は、ケース２と、ケース２内に収納されたコンデンサ素子１と、ケース２の開口部を封止する封口板５と、ケース２内においてコンデンサ素子１と電気的に接続されたリード部材３と、リード部材３と電気的に接続され、封口板５を貫通してケース２の外部に突出する端子部材４と、ケース２の外表面の一部分に設けられ、ケース２が載置されるヒートシンク２３と接触し、かつ電気的に絶縁性を有する底板１０と、底板１０が露出するようにケース２の外表面を覆うと共に、電気的に絶縁性を有するスリーブ７とを有する電界コンデンサ１００において、底板１０を熱伝導性を有する部材で構成することにより解決することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有するケースと、該ケースの内に収納されたコンデンサ素子と、前記ケースの開口部を封止する封口部材と、前記ケースの内において前記コンデンサ素子と電気的に接続されると共に、前記封口部材を貫通して前記ケースの外に突出するリード端子部材と、前記ケースの外表面の一部分に設けられると共に、前記ケースが載置される被載置物と接触する底板と、該底板が露出するように前記ケースの外表面を覆うと共に、電気的に絶縁性を有するスリーブとを有し、前記底板は、電気的に絶縁性を有すると共に、熱伝導性を有する部材で構成されていることを特徴とするコンデンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のコンデンサにおいて、前記底板は、前記ケースから前記被載置部材に向かって突出すると共に、前記被載置部材と接触する凸部を有する放熱シートであることを特徴とするコンデンサ。
【請求項３】
請求項１に記載のコンデンサにおいて、前記底板は、前記ケースの外表面を覆う凹形状の放熱シートであることを特徴とするコンデンサ。
【請求項４】
請求項１に記載のコンデンサにおいて、前記底板は、前記ケースの外表面との接触面に粘着層を有する放熱シートであることを特徴とするコンデンサ。
【請求項５】
請求項１に記載のコンデンサにおいて、前記底板は、片面に金属層を有する絶縁板であると共に、前記ケースの外表面とは半田によって接続されていることを特徴とするコンデンサ。
【請求項６】
請求項１に記載のコンデンサにおいて、前記底板はコンパウンドであり、前記スリーブの一部分は、前記ケースと前記被載置物との間に配置され、前記ケースの外表面と前記被載置物との対向方向における前記コンパウンドの厚さを決定することを特徴とする蓄電装置。
【請求項７】
ヒートシンクと、該シートシンク上に絶縁基板を介して載置された半導体素子と、該半導体素子の直流側と電気的に並列接続されると共に、直流電力の変動を抑制する平滑用コンデンサと、前記半導体素子の動作を制御する制御回路とを有し、前記平滑用コンデンサは、電気的に絶縁性を有すると共に、熱伝導性を有する部材で構成された底板が前記ヒートシンクに接触していることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンデンサ及びそれを用いた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置、例えば直流電力を交流電力に変換するインバータ装置の直流側には、直流電力の変動を抑制するために、電界コンデンサが電気的に並列接続されている。電界コンデンサには、インバータ装置の出力電流に比例したリップル電流が流れる。これにより、電界コンデンサのケース内部では、リップル電流に応じた損失、すなわちコンデンサ素子に流れるリップル電流をＩｒ，コンデンサ素子の等価直列抵抗をＲｅとしたとき、下記数式に示す損失ｌｃが発生し、発熱する。
【０００３】
ｌｃ＝Ｉｒ２×Ｒｅ                                        …（数１）
コンデンサ素子で発生した熱は、コンデンサ素子から、コンデンサ素子に電気的に接続されたリード端子に熱伝達されて外部に放熱される。また、コンデンサ素子で発生した熱は、コンデンサ素子から、コンデンサ素子を収納するケースに熱伝達され、さらにそれから、ケースの外表面を覆うスリーブに、また、被載置物とケースの外表面との間に設けられた底板を介して被載置物にそれぞれ熱伝達され、外部に放熱される。しかしながら、底板は塩化ビニールによって製作されている。また、底板と被載置物との間にスリーブの厚さ分だけ空気の層が介在するので、被載置物とケースとの間の熱抵抗が大きくなり、コンデンサ素子で発生した熱をケースの外部に効率良く放熱することができない。
【０００４】
そこで、従来は、例えば特許文献１に開示されているように、巻回部の巻芯として、巻芯外体内にヒートパイプを挿入した構造とし、巻回部の熱をヒートパイプを介して容器の外部に運ぶようにし、コンデンサ素子で発生した熱の放熱性を向上させている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２０４３７８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、地球環境問題について様々な分野においてその対応がなされている。例えば自動車分野においては、環境対応自動車、すなわち電動機を唯一の駆動源とする電気自動車、内燃機関と電動機とを駆動源とするハイブリッド型電気自動車などの普及により、排気ガスの排出量を低減している。環境対応自動車の電機駆動系は、直流電源から供給された直流電力を電力変換装置（インバータ装置）によって交流電力に変換し、変換した交流電力で電動機を駆動するという構成が主流である。環境対応自動車のさらなる普及にあたっては、さらなる低価格化や燃費向上などが要求されている。このため、環境対応自動車の電機駆動系に対して低価格化や小型化などが要求されており、そのコンポーネント機器である電力変換装置の低価格化や小型化などが必須とされている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された従来のものでは、ヒートパイプを用いる放熱構造を採用しているので、コンデンサ自身が高価となり、低価格化を実現する電力変換装置への採用は不向きであると考えられる。また、特許文献１に開示された従来のものでは、コンデンサ容器からヒートパイプが突出する構造であるので、コンデンサ自身が大型化となり、小型化を実現する電力変換装置への採用は不向きであると考えられる。さらに、電力変換装置内部にコンデンサを設置する場合、特許文献１に開示された従来のものでは、ヒートパイプを介してコンデンサ容器外に伝えられたコンデンサ内部の熱を電力変換装置内部に放熱することになるので、電力変換装置内部の温度上昇を抑制する手段を電力変換装置に講じる必要になり、低価格化や小型化を実現する電力変換装置への採用は不向きであると考えられる。
【０００８】
以上のことから、従来より、電力変換装置にとって好適な放熱構造を有するコンデンサの実現が課題であった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電力変換装置にとって好適な放熱構造を有するコンデンサ及びそれを用いた電力変換装置を提供する。また、本発明は、低価格でかつ大型化を招くことなく放熱性能の向上を図ることができるコンデンサ及びそれを用いた電力変換装置を提供する。さらに、本発明は、電力変換装置の放熱構造を利用して自身の放熱性能の向上を図ることができるコンデンサ及びそれを用いた電力変換装置を提供する。
【００１０】
上記コンデンサは、開口部を有するケースと、このケース内に収納されたコンデンサ素子と、ケースの開口部を封止する封口部材と、ケース内においてコンデンサ素子と電気的に接続されると共に、封口部材を貫通してケース外に突出するリード端子と、ケースの外表面の一部分に設けられると共に、ケースが載置される被載置物と接触する底板と、この底板が露出するようにケースの外表面を覆うと共に、電気的に絶縁性を有するスリーブとを有するものにおいて、電気的に絶縁性を有すると共に、熱伝導性を有する部材で底板を構成することによって達成することができる。底板は、ケースから被載置部材に向かって突出して被載置部材と接触する凸部を有する放熱シートである。
【００１１】
本発明によれば、底板と被載置物との間に空気層を介在させることなくケースと被載置物との間に放熱路を構成することができるので、ケースと被載置物との間の熱抵抗を低減することができると共に、底板の圧縮寸法をスリーブの厚さで決めることができるので、ケースと被載置物との間の熱抵抗を最小の一定の値に保持することができる。従って、本発明によれば、コンデンサの放熱性能を向上させることができる。
【００１２】
また、上記コンデンサにおいて、底板を、ケースの外表面を覆う凹形状の放熱シートとすることにより、ケースと被載置物との間の放熱面積を拡大してケースと被載置物との間の熱抵抗をさらに低減することができ、コンデンサの放熱性能をさらに向上させることができる。
【００１３】
また、上記コンデンサにおいて、底板を、ケースの外表面との接触面に粘着層を有する放熱シートとすることにより、底板をケースに設けるにあたり、粘着材を用いる必要がなくなり、粘着材による熱抵抗を低減することができ、コンデンサの放熱性能をさらに向上させることができる。
【００１４】
また、上記コンデンサにおいて、底板を、片面に金属層を有する絶縁板としてこれをケースの外表面に半田によって接続することにより、底板として放熱シートを用いた場合に比べ、底板自身の熱伝導率をさらに向上させて、ケースと被載置物との間の熱抵抗をさらに低減することができ、コンデンサの放熱性能をさらに向上させることができる。
【００１５】
また、上記コンデンサにおいて、底板をコンパウンドとすると共に、スリーブの一部分をケースと被載置物との間に配置して、ケースの外表面と被載置物との対向方向におけるコンパウンドの厚さを決定することにより、低価格な材料を用いてケースと被載置物との間の熱抵抗を低減することができ、低価格でコンデンサの放熱性能を向上させることができる。
【００１６】
上記電力変換装置は、ヒートシンクと、ヒートシンク上に絶縁基板を介して載置された半導体素子と、この半導体素子の直流側と電気的に並列接続されると共に、直流電力の変動を抑制する平滑用コンデンサと、半導体素子の動作を制御する制御回路とを有するものにおいて、平滑用コンデンサが、電気的に絶縁性を有すると共に、熱伝導性を有する底板をヒートシンクに接触させることによって達成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１，図２は、本発明の第１実施例である電界コンデンサの構成を示す。図３は、第１実施例の電界コンデンサが用いられるインバータ装置の構成を示すものであって、第１実施例の電界コンデンサをインバータ装置のヒートシンク上に搭載した状態を示す。
【００１８】
図３において２００はインバータ装置を示す。インバータ装置２００は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であり、冷却水路２４を有するヒートシンク２３と、ヒートシンク２３上に絶縁基板を介して半導体素子が載置された半導体モジュール２１と、半導体モジュール２１の半導体素子の直流側と電気的に並列接続され、かつ半導体モジュール２１の側方のヒートシンク２３上に載置され、直流電力の変動を抑制する平滑用の電解コンデンサ１００と、ヒートシンク２３に半導体モジュール２１及び電解コンデンサ１００が載置された状態でこれらを覆うインバータケース２０と、インバータケース２０の内部から外部へ突出し、半導体モジュール２１の半導体素子の直流側と外部（例えば車載用電源であるバッテリ）と電解コンデンサ１００とを電気的に接続する直流側バスバー２２と、インバータケース２０の内部から外部へ突出し、半導体モジュール２１の半導体素子の交流側と外部（例えば車両の駆動源である交流電動機）とを電気的に接続する交流側バスバー２６と、インバータケース２０の内部において半導体モジュール２１の上方に配置され、半導体モジュール２１の半導体素子の動作を制御する制御回路２５とを備え構成されている。
【００１９】
ヒートシンク２３は、アルミニウムなどの熱伝導性部材によって形成された放熱部材である。絶縁基板はセラミックス製のものであり、その両面に導電パターンが設けられている。半導体素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴ，ＩＧＢＴなどのスイッチグ素子である。このように構成されたインバータ装置２００では、半導体素子の動作によって生じた熱が絶縁基板を介してヒートシンク２３に熱伝達され、冷却水路２４を流れる冷却水と熱交換される。また、ヒートシンク２３上に電解コンデンサ１００も載置されているので、電解コンデンサ１００で発生した熱も熱伝達されるようになっている。
【００２０】
電界コンデンサ（蓄電装置或いは静電容量装置と呼ばれる場合もある）１００は、円筒の中心軸一方端に開口部を有する円筒状のケース２（或いは円筒状の容器という）と、ケース２内に収納されたコンデンサ素子１（或いは静電容量素子という）と、ケース２の開口部を封止する封口板５（或いは封口部材又は封止部材という）と、ケース２内においてコンデンサ素子１と電気的に接続されたリード部材３と、リード部材３と電気的に接続され、封口板５を貫通してケース２の外部に突出する端子部材４と、ケース２の外表面の一部分（本実施例では、ケース２のヒートシンク２３への載置面である底面）に設けられ、ケース２が載置されるヒートシンク２３と接触し、かつ電気的絶縁性と熱伝導性を有する部材で構成された底板１０と、底板１０が露出するようにケース２の外表面を覆う（本実施例では、封口板５の一部分（周縁）を含むケース２の一方端と、底板１０の一部分（周縁）を含むケース２の他方端とを含んでケース２の周壁面を覆う）と共に、電気的に絶縁性を有するスリーブ７（或いは掩蔽部材という）とを備え構成されている。
【００２１】
コンデンサ素子１は、陽極箔と陰極箔との間に、絶縁紙であるセパレータを介して巻きこみ、電解液を染み込ませた券回部材である。本実施例ではコンデンサ素子１として電解コンデンサ素子を例示したが、フィルムコンデンサ素子を適用してもよい。ケース２はアルミニウムなどの熱伝導性部材製であり、陰極と同電位である。リード部材３は、コンデンサ素子１の陽極と端子部材４の正極側とを電気的に接続するものと、コンデンサ素子１の陰極と端子部材４の負極側とを電気的に接続するものとからなる。リード部材３と端子部材４とを纏めてリード端子という場合もある。
【００２２】
底板１０は、ケース２からヒートシンク２３に向かってスリーブ７の厚みよりも大きく突出すると共に、ヒートシンク２３の載置面に接触する凸部を有するものであり、シリコンを含有した高熱伝導材料から形成された、弾性を有する放熱シートである。
【００２３】
電解コンデンサ１００は、図２に示すように、直流側バスバー２２に固定され、ヒートシンク２３に一定の圧力で押し付けられる構成となっている。このように、電解コンデンサ１００をヒートシンク２３へ押し付けることにより、底板１０は、スリーブ７の外表面からヒートシンク２３側に突出している分が圧縮されてヒートシンク２３に接触する。すなわち底板１０の圧縮しろはほぼスリーブ７の厚さによって決められるので、底板１０には常に同じ圧力がかかり続け、許容範囲以上の圧力が印加されることはない。従って、本実施例では、印加圧力のアンバランスの度合いによって底板１０が裂け、高圧電源系の電流がリークすることを抑制することができる。
【００２４】
電界コンデンサ１００のケース２の内部では、リップル電流に応じた損失が発生して発熱する。コンデンサ素子１で発生した熱の一部は、コンデンサ素子１からリード部材３，端子部材４に熱伝達されて外部に放熱される。また、コンデンサ素子１で発生した熱の一部はコンデンサ素子１からケース２に熱伝達され、これからスリーブ７及び底板１０にそれぞれ熱伝達される。スリーブ７に熱伝達されたコンデンサ素子１の熱はインバータ装置２００内に放熱される。底板１０に熱伝達されたコンデンサ素子１の熱はヒートシンク２３に熱伝達され、冷却水路２４を流れる冷却水と熱交換される。
【００２５】
このように、本実施例では、コンデンサリップル電流とコンデンサ素子１の内部等価直列抵抗により発生した熱をケース２から、圧縮された底板１０を介してヒートシンク２３に放熱させることができ、高放熱性で高リップル耐量の電解コンデンサ１００を提供することができる。しかも、本実施例では、印加圧力のアンバランスの度合いによって底板１０が裂け、高圧電源系の電流がリークすることを抑制することができるので、高信頼性の放熱構造を有する電解コンデンサ１００を提供することができる。
【００２６】
尚、本実施例では、底板１０を凸部が一体に形成された放熱シートで構成した場合について説明したが、平面の放熱シートと凸部の放熱シートとを別々に形成し、これらの２枚の放熱シートを合わせて底板１０を構成しても同様の効果を得ることができる。
【００２７】
図４は、本発明の第２実施例である電解コンデンサの構成を示す。本実施例では電解コンデンサ１００を横置きでインバータ装置のヒートシンク上に載置した場合である。この場合、底板１０は、ケース２の周壁の外表面の一部に設けられている。スリーブ７は底板１０が露出するようにケース２の周壁の外表面を覆っている。このような構成においても前例と同様に、高放熱性を有する電解コンデンサ１００を提供することができる。
【００２８】
図５は、本発明の第３実施例である電解コンデンサの構成を示す。本実施例は第１実施例の変形例であり、底板１０に凸部を設けるのではなく、底板１０が設けられるケース２の底面を凸構造とし、底板１０を突出させるようにしたものである。このような構成においても前例と同様に、高放熱性を有する電解コンデンサ１００を提供することができる。
【００２９】
図６は、本発明の第４実施例である電解コンデンサの構成を示す。本実施例では、底板１０として、ケース２の底面及び周壁の外表面の底面側を覆う凹形状の比較的高硬度の放熱シートを用いている。本実施例では、底板１０をケース２に固着するための粘着材を用いる必要がなく、ケース２と底板１０との間の熱抵抗を前例よりも低減することができるので、前例よりもさらに高放熱性を有する電解コンデンサ１００を提供することができる。また、スリーブ７は、底板１０の開口側の周壁の外表面の一部分を含み、ケース２の周壁の外表面の封口板５側を覆っている。ケース２の底面に平らな形状の底板を敷く場合には、沿面距離を稼ぐためにケース２の下面の形状より大き目の底板を選択せざるを得ず、電解コンデンサの搭載面積が大きくなる。しかし、本実施例では、スリーブ７と底板１０とをオーバラップさせているので、電解コンデンサ１００の搭載面積が大きくなることがない。
【００３０】
図７は、本発明の第５実施例である電解コンデンサの構成を示す。本実施例は第４実施例の変形例であり、底板１０とスリーブ７とのオーバラップを逆にしている。すなわちスリーブ７の周壁の外表面の封口板５側とは反対側の部分を底板１０で覆っている。このように構成された本実施例においても、前例と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
図８は、本発明の第６実施例である電解コンデンサの構成を示す。本実施例は第１実施例の変形例であり、ケース２の底面の一部分（周縁）をスリーブ７で覆い、粘着材（図示省略）によってケース２の底面に接着された底板１０を、ケース２の底面の一部を覆ったスリーブ７を覆うように下方に向かって突出させている。本実施例によれば、スリーブ７で底板１０の圧縮寸法を決定することができるので、無用な圧力が底板１０に印加されることがない。従って、本実施例によれば、信頼性の高い低熱抵抗の放熱構造を有する電解コンデンサ１００を提供することができる。
【００３２】
図９は、本発明の第７実施例である電界コンデンサの構成を示す。本実施例では、ケース２の周壁面の底面近傍までをスリーブ７で覆い、ケース２の底面に粘着材（図示省略）によって比較的高硬度の平面状の底板１０を接着している。底板１０はその据付面積がケース２の底面の据付面積よりも大きい。本実施例によれば、低コストで高放熱性能を有する電解コンデンサ１００を提供することができる。
【００３３】
図１０は、本発明の第８実施例である電解コンデンサの構成を示す。本実施例では、ケース２の底面に半田層１２、その下に、両面に金属層（図示省略）を有する絶縁板１３、その下に半田層１２、さらにその下に金属板１４からなる積層体を設けている。金属板１４はその下にグリス（図示省略）が塗布され、ヒートシンク２３上にネジ１５によって取り付けられて固定されている。絶縁板１３にはアルミナが、金属板１４には銅がそれぞれ用いられているが、それらの有する機能、すなわちアルミナにあっては絶縁性、銅にあっては熱伝導性を満足するものであれば他の材料を用いても構わない。本実施例によれば、前例のように底板を使用した場合と比べ、電解コンデンサ１００の放熱性能をさらに向上させることができる。尚、本実施例では、ヒートシンク２３上に金属板１４をネジ１５で固定する場合について説明したが、金属板１４を使用せず、絶縁板１３の下にグリスを塗布し、絶縁板１３をヒートシンク２３上に絶縁性のネジで固定するようにしてもよい。
【００３４】
図１１は、本発明の第９実施例である電解コンデンサの構成を示す。本実施例では、前例で述べた底板の代わりに、ケース２の底面に直接放熱用のシリコンコンパウンド１１を塗布している。シリコンコンパウンド１１の厚さは、ケース２の底面の一部分（周縁）を覆うスリーブ７の厚みによって決められている。本実施例によれば、低コストで高放熱性能を有する電解コンデンサ１００を提供することができる。尚、シリコンコンパウンド１１はボイドを含む可能性があることから、主に低電圧の電力変換装置に搭載された電解コンデンサへの適用が好ましい。
【００３５】
図１２は、本発明の第１０実施例の電解コンデンサの構成を示す。本実施例では第９実施例の変形例であり、ケース２の底面に底板１０（放熱シート）を接着させ、その上で、底板１０のケース２側とは反対側の面にシリコンコンパウンド１１を塗布させている。スリーブ７は底板１０の一部分（周縁）を覆うように設けられている。シリコンコンパウンド１１の厚みはスリーブ７の厚みによって決定されている。本実施例によれば、低コストで高放熱性能を有する電解コンデンサ１００を提供することができると共に、底板１０を設けているので、高電圧の電力変換装置に搭載された電解コンデンサにも適用することができる。すなわち第９実施例の課題を解決することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、電力変換装置にとって好適な放熱構造を有するコンデンサ及びそれを用いた電力変換装置を提供することができる。また、本発明は、低価格でかつ大型化を招くことなく放熱性能の向上を図ることができるコンデンサ及びそれを用いた電力変換装置を提供することができる。さらに、本発明は、電力変換装置の放熱構造を利用して自身の放熱性能の向上を図ることができるコンデンサ及びそれを用いた電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の電解コンデンサの構造を示す断面図。
【図２】図１の下方側の平面図。
【図３】図１の電解コンデンサが搭載されたインバータ装置の構成を示す断面図。
【図４】本発明の第２実施例の電解コンデンサの構造を示す断面図。
【図５】本発明の第３実施例の電解コンデンサの構造を示す断面図。
【図６】本発明の第４実施例の電解コンデンサの構造を示す断面図。
【図７】本発明の第５実施例の電解コンデンサの構造を示す断面図。
【図８】本発明の第６実施例の電解コンデンサの構造を示す断面図。
【図９】本発明の第７実施例の電解コンデンサの構造を示す断面図。
【図１０】本発明の第８実施例の電解コンデンサの構造を示す断面図。
【図１１】本発明の第９実施例の電解コンデンサの構造を示す断面図。
【図１２】本発明の第１０実施例の電解コンデンサの構造を示す断面図。
【符号の説明】
１…コンデンサ素子、２…ケース、３…リード部材、４…端子部材、５…封口板、７…スリーブ、１０…底板、１１…シリコンコンパウンド、２０…インバータケース、２１…半導体モジュール、２３…ヒートシンク、２５…制御回路、２６…交流側バスバー、１００…電解コンデンサ、２００…インバータ装置。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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