(57)【要約】【課題】本発明は、金属化フィルムを使用したコンデンサ素子の冷却性能を向上した構造に関する。【解決手段】本発明のフィルムコンデンサは、金属化フィルムが巻回されている筒形形状で、その両端に電極が設けられているコンデンサ素子がケースに収容され、絶縁性樹脂が充填されており、電極に接続されている外部引き出し端子がケースに設けられて開口部から延出され、この外部引き出し端子と開口部で絶縁性伝熱部材が接触しており、さらにケース外側の開口部のある面に冷却器を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属化フィルムが巻回されている筒形形状で、その両端に電極が設けられているコンデンサ素子と、このコンデンサ素子が収容されているケースと、このケースに充填されている絶縁性樹脂とからなる電力変換装置のフィルムコンデンサにおいて、前記電極に接続されており、前記ケースに設けられた開口部から延出されている外部引き出し端子、この外部引き出し端子と前記開口部で接触している絶縁性伝熱部材、前記ケースの前記開口部のある面に設けられた冷却器を備えた電力変換装置のフィルムコンデンサ。
【請求項２】
前記ケースと前記冷却器とは一体として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のフィルムコンデンサ。
【請求項３】
前記絶縁性伝熱部材は、前記ケースの内側にかえし構造を設けて配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置のフィルムコンデンサ。
【請求項４】
前記外部引き出し端子は、絶縁部材を介して重ねられた状態で開口部から延出されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置のフィルムコンデンサ。
【請求項５】
前記コンデンサ素子は、長辺と短辺を有する断面楕円形状であり、この長辺を有する面と、前記ケースの内側で前記開口部が設けられている面との間に伝熱部材が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置のフィルムコンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属化フィルムを使用したコンデンサ素子を、開口部を有するケースに収容したフィルムコンデンサに係り、特にフィルムコンデンサの冷却性能を向上させた構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、大電力容量化と同時に小型化されており、これに伴い、発熱損失の増大による冷却性能の向上が必要になっている。特に電力変換装置を構成する平滑コンデンサは、印加電圧が高いことから、コンデンサの中でもフィルムコンデンサを使用する傾向がある。このため、フィルムコンデンサの冷却性能の向上が求められている。
電力変換装置を構成するコンデンサを冷却する技術として、例えば、特許文献１では、水路筐体の中央部開口にコンデンサをスロットインし、コンデンサの発熱を、コンデンサ表面から水路へ伝熱する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９―２１９２７０号公報（図１２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、コンデンサ素子と水路筐体の間に充填している絶縁性樹脂を介して熱を伝達している。しかし、絶縁性樹脂は熱伝導率が低く、期待通りの冷却効果が得られないという課題がある。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電力変換装置のフィルムコンデンサを良好に冷却することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る電力変換装置のフィルムコンデンサは、金属化フィルムが巻回されている筒形形状で、その両端に電極が設けられているコンデンサ素子と、このコンデンサ素子が収容されているケースと、このケースに充填されている絶縁性樹脂とからなり、電極に接続されており、前記ケースに設けられた開口部から延出されている外部引き出し端子と、この外部引き出し端子と開口部で接触している絶縁性伝熱部材と、ケースの開口部のある面に設けられた冷却器を備えている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、コンデンサの発熱は、電極から外部引き出し端子、絶縁性伝熱部材、ケースを介して冷却器に伝達することができるため、コンデンサの冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施の形態１による電力変換装置のフィルムコンデンサ構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１による電力変換装置のフィルムコンデンサ構造を示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１による電力変換装置のフィルムコンデンサ構造を示す横断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１による絶縁性伝熱部材のかえし構造を例示する縦断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１によるコンデンサ素子の熱伝達経路を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２による電力変換装置のフィルムコンデンサ構造を示す横断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３による電力変換装置のフィルムコンデンサ構造を示す縦断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３によるコンデンサ素子の熱伝達経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す電力変換装置のフィルムコンデンサ構造を説明する斜視図である。図１において電力変換装置のフィルムコンデンサは、ケース４、外部引き出し端子６、絶縁性伝熱部材７、冷却器８から構成される。
図２は、本発明の実施の形態１を示す電力変換装置のフィルムコンデンサ構造を説明する縦断面図である。図２において電力変換装置のフィルムコンデンサは、複数個のコンデンサ素子１、メタリコン電極２、接続部３、ケース４、絶縁性樹脂５、外部引き出し端子６、絶縁性伝熱部材７、冷却器８、樹脂注入口１１から構成される。メタリコン電極２と接続部３と外部引き出し端子６は、電気的および熱的に接続されている。
図３は、本発明の実施の形態１を示す電力変換装置のフィルムコンデンサ構造を説明する横断面図である。図３においてコンデンサ素子１ａとコンデンサ素子１ｂをケース４に収容している。コンデンサ素子１ａの一方のメタリコン電極２ａは、接続部３ａを介して、外部引き出し端子６ａが接続されている。コンデンサ素子１ａの他方のメタリコン電極２ｂは、接続部３ｂを介して、外部引き出し端子６ｂが接続されている。コンデンサ素子１ｂの一方のメタリコン電極２ｃは、接続部３ｃを介して、外部引き出し端子６ｃが接続されている。コンデンサ素子１ｂの他方のメタリコン電極２ｄは、接続部３ｄを介して、外部引き出し端子６ｄが接続されている。
各実施の形態において、同一符号を付している構成は、同一または相当の構成を示す。
【０００９】
コンデンサ素子１は、ポリエチレンテレフタレートやポリプロピレン等のフィルム表面に、アルミニウムや銅、亜鉛などの金属を蒸着した金属化フィルムを重ねて巻回し、両端面に亜鉛、銅、アルミニウムなどの金属を溶射し、メタリコン電極２を設けた一般的なフィルムコンデンサである。高周波電流やリプル電流によって、コンデンサ素子１は発熱し、周囲温度と発熱温度の和がコンデンサ素子１の使用温度範囲を超えないように冷却する必要がある。
【００１０】
ケース４は、複数個のコンデンサ素子１を収容可能な有底箱状であり、開口部および樹脂注入口を有するケースで、プラスチックまたは金属からなる。プラスチックであれば、例えば、ポリエチレンテレフタレート系、ポリブチレンテレフタレート系、ポリカーボネート系、または、ポリフェニレンスルフィード系などの樹脂からなる。金属であれば、例えば、アルミニウム。マグネシウム、鉄、ステンレス、銅などからなる。または、金属にプラスチックが積層されたものも使用できる。ケース４の幅、深さや奥行き等の寸法は、収容するコンデンサ素子１のサイズと個数により主に定まる。例えば、本実施の形態では、コンデンサ素子１ａとコンデンサ素子１ｂの２個について、コンデンサ素子１ａの接続部３ｂとコンデンサ素子１ｂの接続部３ｃが向かい合う配置で、ケース４に収容する。そのため接続部３に接続している外部引き出し端子６は直線で、ケース４の開口部から外へ引き出されている。ケース４の厚みは、外部引き出し端子６よりも肉厚に形成する。また、ケース４の開口部と絶縁性伝熱部材７が接触する面を平面に形成させている。
このような構成によれば、絶縁性伝熱部材７とケース４の接触面積を広くとれるようになる。熱抵抗は接触面積に反比例する関係にある。したがって、絶縁性伝熱部材７―ケース４間の熱抵抗を低減することができるため、絶縁性伝熱部材７からケース４への熱伝達を
向上させることが可能となる。
【００１１】
絶縁性樹脂５は、一般的にフィルムコンデンサの電気的な絶縁性能と、耐湿性能を確保するために使用している材料で、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの樹脂にフィラー等を混ぜたものである。フィラーとしては、珪素、チタン、アルミニウム、カルシウム、ジルコニウム、マグネシウム等の水酸化物、酸化物、炭化物、窒化物、これらの複合物などが使用できる。本実施の形態では、絶縁性樹脂５を樹脂注入口１１からケース４内に満たすまで流し込む。そのため、コンデンサ素子１とケース４は絶縁性樹脂５にて電気的に絶縁されている。絶縁性樹脂５を樹脂注入口１１から流し込む前に、絶縁性伝熱部材７をケース４と外部引き出し端子６の間に挿入するが、絶縁性伝熱部材７の構造を図４に示すかえし構造にしてもよい。この構成によれば、絶縁性伝熱部材７とケース４の接触面積が増加することで、密閉性が向上し、絶縁性樹脂５の漏出を抑制することができる。
【００１２】
外部引き出し端子６は、メタリコン電極２に接続し、ケース４の開口部を通過して、外部に引き出しをするための電極で、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、ステンレスの金属または、これらの合金を使用できる。または、表面をスズ等で金属メッキする場合もある。コンデンサ素子１の発熱はメタリコン電極２を介して外部引き出し端子６に伝達される。外部引き出し端子６の厚さは、要求する許容電流または強度等を考慮して設計される。外部引き出し端子６の長さは、長くなると外部引き出し端子６の抵抗成分および熱抵抗が大きくなるので、できるだけ短くすることが好ましい。そのため、図２では、外部引き出し端子６は、直線でケース４の外部に引き出されている。なお、外部引き出し端子６は、接続部３、メタリコン電極２との接続を除き、絶縁性樹脂５にて被膜加工されているので、例えば、ケース４と短絡はしない。外部引き出し端子６と絶縁性伝熱部材７が接触する面を平面に形成させている。このような構成によれば、外部引き出し端子６と絶縁性伝熱部材７の接触面積を広くとれるようになる。したがって、外部引き出し端子６―絶縁性伝熱部材７間の熱抵抗を低減することができるため、外部引き出し端子６から絶縁性伝熱部材７への熱伝達を向上させることが可能となる。
メタリコン電極２と外部引き出し端子６との接続部３は、スポット接続、かしめ、はんだ付け等に限定するわけではないが、許容電流や熱伝導率を確保するために、接続面積が広くとれる点で、はんだ付けが好ましい。
【００１３】
絶縁性伝熱部材７は、ケース４と外部引き出し端子６の間の電気的絶縁と熱伝達のために、ケース４の開口部と外部引き出し端子６との間に設けられるものである。ケース４と外部引き出し端子６との間の電気的絶縁を確保できる場合、絶縁性伝熱部材７の厚みを薄くする。熱抵抗は厚みに比例する関係にあるので、このような構成によれば、絶縁性伝熱部材７の熱抵抗を低減することができるため、絶縁性伝熱部材７の温度上昇を抑制することができる。ケース４の材質が導電性を有する場合は、ケース４と外部引き出し端子６とを短絡させないために、絶縁性伝熱部材７を設ける必要があるが、ケース４の材質が絶縁性を有する場合は、ケース４を絶縁性伝熱部材７とすることができる。例えば、ケース４の材質が絶縁性を有するポリエチレンテレフタレート系の場合、外部引き出し端子６をケース４の開口部に接触させて、外部引き出し端子６とケース４を熱的に接続させてもよい。
【００１４】
冷却器８は、外部引き出し端子６とケース４の開口部の間に設けた絶縁性伝熱部材７を介して、ケース４に伝達されてきたコンデンサ素子１の発熱を冷却するために配置している。ケース４の開口部がある面に冷却器８が取り付けられていないと、絶縁性伝熱部材７から冷却器８への熱伝達経路が長くなり、コンデンサ素子１の冷却性能を低下させてしまう。このために、冷却器８は、ケース４の開口部がある面に取り付けられている。冷却器の材質は、例えば、アルミニウムや銅などの熱伝導率が高い金属材料が好ましい。また、冷却器の冷却冷媒は空気以外の冷媒、例えば、水を使用する構成のものであってもよい。
一般的にケース４を冷却器８に取り付ける場合は、ケース４と冷却器８の間にグリスを塗布する。しかしながら、グリスの熱抵抗があるため、ケース４―冷却器８間の熱伝達率が低下してしまい、コンデンサ素子１の冷却効果を得にくくなる。ケース４と冷却器８を一体成形することで、グリスの熱抵抗が無くなり、コンデンサ素子１の冷却効果を高めることができる。
【００１５】
図示していないが、外部引き出し端子６に接続する大電力容量の電力変換装置、例えば、インバータを構成するスイッチング半導体素子から発生する熱を冷却するために、上述のスイッチング半導体素子を冷却器８に隣接させても良い。スイッチング半導体素子は、一般的にＭＯＳＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁型バイポーラトランジスタ）、またはシリコンカーバイドトランジスタ、またはシリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴ等からなる。
【００１６】
上記実施の形態１にかかる電力変換装置のフィルムコンデンサの構成によれば、コンデンサ素子１の発熱は、図５に示すようにメタリコン電極２と外部引き出し端子６と絶縁性伝熱部材７とケース４とを介して、冷却器８に固体の熱伝導によって伝達され、冷却器８で冷却されるので、特許文献１にある絶縁性樹脂を介した冷却技術よりも、効率的に冷却することができる。さらに、外部引き出し端子６と絶縁性伝熱部材７との接触面および絶縁性伝熱部材７とケース４との接触面が平面であるため、外部引き出し端子６―絶縁性伝熱部材７間および絶縁性伝熱部材７―ケース４間の熱抵抗を低減することでき、コンデンサ素子１の冷却効果を高めることが可能となる。また、このような構成によれば、絶縁性伝熱部材７をケース４と外部引き出し端子６の間に挿入する作業を円滑に行うことができるので、フィルムコンデンサの製造が簡単になる。
【００１７】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２を示す電力変換装置のフィルムコンデンサ構造を説明する横断面図である。図６において、コンデンサ素子１ａのメタリコン電極２ａに接続した一方の外部引き出し端子６ａと、コンデンサ素子１ａのメタリコン電極２ｂに接続した他方の外部引き出し端子６ｂとの間に、絶縁部材９ａを配置して、外部引き出し端子６がお互いに重なりあって、ケース４の開口部から引き出されている。
また、コンデンサ素子１ｂのメタリコン電極２に接続している外部引き出し端子６についても上述と同様に、コンデンサ素子１ｂのメタリコン電極２ｃに接続した一方の外部引き出し端子６ｃと、コンデンサ素子１ｂのメタリコン電極２ｄに接続した他方の外部引き出し端子６ｄとの間に、絶縁部材９ｂを配置して、外部引き出し端子６がお互いに重なりあって、ケース４の開口部から引き出されている。絶縁部材９ａは、外部引き出し端子６ａと外部引き出し端子６ｂを短絡させないために配置しており、絶縁部材９ｂは、外部引き出し端子６ｃと外部引き出し端子６ｄを短絡させないために配置している。
【００１８】
上述の構成によれば、重なりあった一方の外部引き出し端子６ａないし６ｃと、他方の外部引き出し端子６ｂないし６ｄには、逆方向に電流が流れ、一方の外部引き出し端子６ａないし６ｃと、他方の外部引き出し端子６ｂないし６ｄが発生する磁界を打ち消し合うため、外部引き出し端子６のインダクタンスを低減することができる。図６では、厚みのある絶縁部材９を用いているが、外部引き出し端子６の電流ループを低減するために、絶縁部材９の形状は、厚みの薄いテープ状やシート状が好ましい。
その他、実施の形態１と同様の作用効果を有する。また、コンデンサ素子１の熱伝達経路は実施の形態１と同様なため、省略する。
【００１９】
実施の形態３.
図７は、本発明の実施の形態３を示す電力変換装置のフィルムコンデンサ構造を説明する縦断面図である。図７において、コンデンサ素子１を長辺と短辺を有する断面楕円形で
構成し、ケース４の開口部がある面と絶縁性樹脂５によって被膜加工されたコンデンサ素子１の長辺面との間に、伝熱部材１０を配置して、コンデンサ素子１と伝熱部材１０とケース４は熱的に接続した構成である。
上述の構成によれば、コンデンサ素子１の長辺面は、短辺面より面積が大きい。それゆえ、ケース４の開口部がある面とコンデンサ素子１の長辺面との間にある伝熱部材１０の面積を大きくすることができる。その結果、図８に示すように絶縁性樹脂５と伝熱部材１０とケース４とを介して、冷却器８にコンデンサ素子１の発熱損失を伝達する経路を設けることができるので、実施の形態１よりもコンデンサ素子１の冷却性能を高めることが可能になる。図８では、絶縁性樹脂５によって被膜加工されたコンデンサ素子１の長辺面に、厚みのある伝熱部材１０を用いているが、熱抵抗を小さくするために、伝熱部材１０の形状は、厚みの薄いテープ状やシート状が好ましい。
【００２０】
その他、実施の形態１〜２と同様の作用効果を有する。また、メタリコン電極２と外部引き出し端子６と絶縁性伝熱部材７とケース４とを介して、冷却器８にコンデンサ素子１の発熱損失を伝達する経路は、実施の形態１と同様なため、省略する。
なお、実施の形態１〜３において、コンデンサ素子の個数をコンデンサ素子１ａとコンデンサ素子１ｂの２個で説明したが、コンデンサ素子１の個数を限定するものではない。
また、実施の形態１〜３において、コンデンサ素子１ａとコンデンサ素子１ｂを外部引き出し端子６にて並列接続させたコンデンサ素子１を使用する構成とすることもできる。
【００２１】
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００２２】
１、１ａ、１ｂ  コンデンサ素子、 ２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ  メタリコン電極
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ  接続部、４  ケース、５  絶縁性樹脂
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ  外部引き出し端子
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈ  絶縁性伝熱部材、８  冷却器
９、９ａ、９ｂ  絶縁性部材、１０  伝熱部材、１１  樹脂注入口
【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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