JP2009152590A - 高静電容量フィルムコンデンサシステムおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の孔（１４）を有する１対の電極（１２）を含むフィルムコンデンサ（１０）を提供すること。
【解決手段】フィルムコンデンサ（１０）は、１対の電極（１２）のそれぞれの上に付着されて誘電層を形成するポリマーフィルム（２０）を含む。 本発明の別の実施形態によれば、フィルムコンデンサを製造する方法が提供される。この方法は、１対の電極を配置するステップを含む。この方法はまた、１対の電極のそれぞれに対して複数の孔を形成するステップを含む。この方法は、１対の電極のそれぞれの上にポリマーフィルムの被覆物を付着させるステップをさらに含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にはフィルムコンデンサに関し、より詳細には高静電容量のフィルムコンデンサに関する。

ここ１０年、製造技術の進歩と新素材とがあいまって、コンデンサの信頼性を大幅に向上させることに成功している。フィルムコンデンサは、製造手法に基づいて３つのタイプに、すなわちフィルム／ホイルコンデンサ、金属化フィルムコンデンサ、および複合技術のフィルムコンデンサに分類することができる。

一般に、フィルム／ホイルコンデンサは、プラスチックフィルムの層によって分離される２つの金属はく電極から構成される。一般に使用されているプラスチックフィルムの１つはポリプロピレンである。通常、フィルム／ホイルコンデンサは、２層のプラスチックフィルムを用いて２部片のアルミニウムはくを交互に配置することによって作られる。これらの挿し込まれた層は、金属層が互いに接触するのを防止するためにスピンドルの周りに巻きつけられる。フィルム／ホイルコンデンサは、その高い電流処理能力により高電力で公共性のある産業で広く使用されてきた。金属化フィルムコンデンサは、アルミニウムはくがプラスチックフィルムの層上に付着される真空の金属フィルム層に置き換えられるという点でフィルム／ホイルコンデンサとは異なる。金属フィルム層は、一般には５０〜５００オングストローム程度で非常に薄く、一般にはアルミニウムまたは亜鉛である。金属化コンデンサは、フェールセーフ性能、低い等価直列抵抗、サイズ、単純さ、および、製造コストという点で利点を有する。複合技術のコンデンサは、フィルム／ホイルコンデンサと金属化フィルムコンデンサとの両方の組合せである。通常、これは高電圧のコンデンサである。
米国特許第５６５９４５７号公報 米国特許第６８６４１４７号公報 米国特許出願２００７０１０８４９０

ここ数十年の間にコンデンサは著しく進歩している一方で、低静電容量の原因となる例えば低表面積およびフィルム厚の制限というようないくつかの問題が存在し続ける。したがって、上述の問題に対処しておりさらに工業利用における現在の要求を満たすようなフィルムコンデンサを設計することが望まれる。

本発明の一実施形態によれば、あるフィルムコンデンサが提供される。このフィルムコンデンサは、複数の孔を有する１対の電極を含む。このフィルムコンデンサはまた、１対の電極のそれぞれの上に付着されて誘電層を形成するポリマーフィルムを含む。

本発明の別の実施形態によれば、フィルムコンデンサを製造する方法が提供される。この方法は、１対の電極を配置するステップを含む。この方法はまた、１対の電極のそれぞれに対して複数の孔を形成するステップを含む。この方法は、１対の電極のそれぞれの上にポリマーフィルムの被覆物を付着させるステップをさらに含む。

本発明の上記のまたは他の特徴、態様、および利点は、複数の図面を通して同一の参照符号が同一の部品を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって、よりよく理解されるであろう。

以下で詳細に考察するように、本発明の実施形態は、改良された電気的特性を有しておりさらに高電圧で作動可能であるフィルムコンデンサを含む。このようなフィルムコンデンサの製造方法も説明する。本明細書で考察する誘電性特性の一部は、誘電率および絶縁破壊電圧である。誘電体の「誘電率」とは、構成が同じである真空の電極の静電容量に対する、電極の間およびそれらの周りの空間に誘電体が充填されているコンデンサの静電容量の比率である。本明細書で使用する「絶縁破壊電圧」は、印加されるＡＣ電圧またはＤＣ電圧下での誘電性材料の絶縁破壊抵抗の値を示す。絶縁破壊前に印加される電圧は、誘電性材料の厚さによって分割されて絶縁破壊電圧を与えるようになる。これは、一般に、ミリメートルあたりのキロボルト（ｋＶ／ｍｍ）などのようにある長さ単位における電位差の単位で測定される。本明細書で使用する「高電圧」という用語は少なくとも約２００Ｖの動作電圧を表す。また、「高静電容量」という用語はμＦオーダーの静電容量を表す。

図１は、複数の孔１４を有する例えばカソードである電極１２を含むフィルム／ホイルコンデンサ１０の一部分の断面図である。特定の実施形態では、この電極は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、タンタルおよびチタンはくを含む。別の実施形態では、孔１４は、電極１２上の多孔質表面１８にくぼみ形成される。別の実施形態では、孔１４は、電極１２上に付着される銀、銅、亜鉛、チタン、タングステン、チタン炭化物およびチタン窒化物１８を含む複数の多孔質炭素粒子または他のナノ金属粒子によって形成される。別の実施形態では、孔１４は約１０００ｎｍ未満の間隔を有する。多孔質炭素粒子１８の非限定的な例には、カーボンブラック、活性炭、炭素ナノチューブおよびｔｒｉｍｅｔａｓｐｈｅｒｅ炭素フラーレン球が含まれる。さらに、ポリマーフィルム２０が電極１２の上に配置されて誘電層を形成する。ポリマーフィルム２０は、通常、有機ポリマー、無機物、またはポリマーフィルムを含む。無機物の非限定的な例は、窒化ボロン（ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ（ＢＮ））、マイカ、酸化アルミニウム、酸化シリコン、窒化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ（Ｓｉ_３Ｎ_４））または窒化アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ（ＡｌＮ））である。ポリマーフィルム２０のいくつかの非限定的な例には、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ（ＰＰ））、ポリエステル（ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ（ＰＥＴ））、硫化ポリフェニレン（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ（ＰＰＳ））、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ（ＰＣ））、フルオレニルポリエステル（ｆｌｕｏｒｅｎｙｌ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ（ＦＰＥ））、ポリエーテルエーテルケトン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎ（ＰＥＥＫ））、ポリエーテルスルホン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ（ＰＥＳ））、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ（ＰＶＤＦ））、ポリフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ−ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ））、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ−ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｙｌｅｎｅ（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ））、ポリエチレンオキシド（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ（ＰＥＯ））、ポリプロピレンオキシド（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ（ＰＰＯ））、ポリメチルメタクレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ（ＰＭＭＡ））、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ポリアミドイミド（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ−ｉｍｉｄｅ）、テフロン（商標）（ｔｅｆｌｏｎ（ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｅｌｙｎｅ）（ＰＴＦＥ）））、 Ｕｌｔｅｍ（商標）（ポリエーテルイミド（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ））、およびこれらの組合せが含まれる。別の実施形態では、ポリマーフィルムは、シアノ系樹脂、セルロース、酢酸塩、アクリラートおよびポリ二フッ化ビニルからなる群から選択される少なくとも１つのポリマーを含む。

特定の実施形態では、ポリマーフィルムは最大で約１μｍの厚さを有する。１つの例では、フィルム／ホイルコンデンサは、少なくとも約１００μＦの静電容量を有する。誘電層を形成するポリマーフィルム２０は、約−５０℃から約２００℃の間の温度範囲で作動することができる。誘電層のＤＣ絶縁破壊電圧は、約２００〜６００ｋＶ／ｍｍの範囲内にあってよい。

図２は、複数の孔３４を有する例えばカソードである電極３２を含む金属化フィルムコンデンサ３０の一部分の断面図である。金属被覆物３６が電極３２上に付着される。特定の実施形態では、電極３２は、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ（ＰＰ））、ポリエステル（ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ（ＰＥＴ））、硫化ポリフェニレン（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ（ＰＰＳ））、ポリエーテルエーテルケトン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎ（ＰＥＥＫ））、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ（ＰＶＤＦ））、ポリフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ−ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ））、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ−ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｙｌｅｎｅ（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ））、 Ｕｌｔｅｍ（商標）（ポリエーテルイミド（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ））、および、 Ｋａｐｔｏｎ（商標）（ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ））などのであるがこれらに限定されない両面金属化ポリマーフィルムを含む。別の実施形態では、孔３４は、電極３２上に配置された複数の多孔質炭素粒子３８によって形成される。多孔質炭素粒子３８の非限定的な例には、カーボンブラック、活性炭、炭素ナノチューブ、および、ｔｒｉｍｅｔａｓｐｈｅｒｅ炭素フラーレン球が含まれる。活性炭のいくつかの非限定的な例には、粒子、繊維、粉末、薄板、布およびフェルトが含まれる。別の実施形態では、孔１４は約１０００ｎｍ未満の間隔を有する。さらに、ポリマーフィルム４０が電極３２上に配置されて誘電層を形成する。一実施形態では、ポリマーフィルムは、シアノ系樹脂、セルロース、酢酸塩、アクリラートおよびポリ二フッ化ビニルからなる群から選択される少なくとも１つのポリマーを含む。特定の実施形態では、ポリマーフィルムは最大で約１μｍの厚さを有する。１つの例では、フィルム／ホイルコンデンサは少なくとも約１００μＦの静電容量を有する。誘電層を形成するポリマーフィルム４０は、約−５０℃から約２００℃の間の温度範囲で作動することができる。誘電層の絶縁破壊電圧は約２００〜６００ｋＶ／ｍｍの間の範囲にあってよい。金属被覆物３０の典型的な厚さは、約５０Åから約５００Åの範囲で変化する。

図３は、フィルムコンデンサを製造するための例示的な方法５０のステップを表すフローチャートである。方法５０は、ステップ５２において１対の電極を配置することを含む。複数の孔が、ステップ５４において１対の電極のそれぞれに対して形成される。特定の実施形態では、孔は、多孔質表面を備えるようにくぼみ形成された１対の電極を配置することによって構成される。別の実施形態では、孔は、限定されないが、活性炭、カーボンブラック、炭素ナノチューブ、または、ｔｒｉｍｅｔａｓｐｈｅｒｅ炭素フラーレン球などの複数の多孔質炭素粒子を１対の電極のそれぞれの上に貼着させることによって構成される。ポリマーフィルムの被覆物が、ステップ５６において１対の電極にそれぞれの上に付着される。例示的な実施形態では、ポリマーフィルムの被覆物は、例えば浸漬被覆といった電気泳動手法によって付着される。また、１対の電極は、適宜、電極間の隙間でのアーキングおよび部分放電を回避するために油を含浸される。ポリマーフィルムで被覆された電極はステップ５８でコンデンサに巻かれる。

本発明の誘電層は複数の方式で配置されてよい。これらには、スピンコーティング、浸漬被覆、はけ塗り法、溶液流延法および化学蒸着が含まれる。一実施形態では、溶液ベースのシアノ系樹脂ポリマーが、浸漬被膜によって多孔質電極の上に付着される。溶液が乾くと、シアノ系樹脂フィルムは多孔質電極構造体の蛇行形状に沿った状態を維持し続ける。蛇行形態により高表面積が実現され、その結果、静電容量が増し、厚さが減少し、絶縁破壊強度が向上する。さらに、多孔質電極に担持されているシアノ系樹脂フィルムによりフィルムの脆弱性に関する問題が回避され、コンデンサに良好に巻きつくことが可能となる。また、シアノ系樹脂フィルムなどのポリマーは、高い絶縁破壊強度および高い誘電率を示すことが分かっている。

上述の実施形態は、既存のフィルムコンデンサおよびそれらのコンデンサの製造方法に対して明確な利点を有している。例えば、上述の手法によって作られたコンデンサは、既存のフィルムコンデンサと比較して、より高い静電容量、より高い動作電流、より大きな表面積、より優れた熱的安定性、および、より長い寿命を有することが分かっている。さらに、これらの実施形態は、単体のコンデンサ設計において、高静電容量、高動作電圧、低体積、および、高エネルギー密度の組合せの利点を有する。また、上述のフィルムコンデンサは、エネルギー蓄積に関してならびに高い周波数におけるフィルタリング用途に関して電解コンデンサおよびウルトラコンデンサに取って代わり、改良されたパワーエレクトロニクス設計を実現する。上述の電極構成はまた、脆い誘電性フィルムおよびナノコンポジットフィルムをコンデンサに付着させて巻きつけることを可能にする。

したがって、改良されたフィルムコンデンサ設計の種々の実施形態および上述した方法により、高い動作電圧ならびにｍＦオーダーの高い静電容量を有するフィルムコンデンサを用意する手法が実現される。電気活性種をポリマーマトリックス内に埋め込むことができることにより、電極の使用可能な表面積の有用性が向上し、その結果静電容量が増大する。

必ずしも上述したすべての目的または利点が任意の特定の実施形態によって達成されるわけではないことを理解されたい。したがって、当業者は、例えば、本明細書で説明したシステムおよび手法が、本明細書で教示または提案された他の目的または利点を必ずしも達成することなく本明細書で教示された１つの利点または１群の利点を達成または最適化するような形で具体化または実行され得る、ことを理解するであろう。

また、当業者は、種々の実施形態からの様々な特徴の互換性を認識しているであろう。例えば、一実施形態における多孔質炭素粒子が付着された電極の使用は、別の実施形態に関連して説明された溶液ベースのポリフッ化ビニリデンポリマーと共に使用されることにも対応することができる。同様に、説明した様々な特徴ならびにそれぞれの特徴に対しての他の既知の均等物も、本開示の原理に従った追加のシステムおよび手法を構築するために当業者によって組み合わされるあるいは調整されてよい。

本発明を限られた数の実施形態のみに関連させて詳細に説明してきたが、本発明は開示したこれらの実施形態のみに限定されないことは容易に理解できよう。むしろ、本発明は、これまでに説明されていないが本発明の精神および範囲に適合している任意の数の変形形態、変更形態、代替物、または、等価の構成を組み込むように修正されてよい。また、本発明の種々の実施形態を説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを包含してよいことを理解されたい。したがって、本発明は上述の説明のみに限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲のみに限定される。

本発明の一実施形態による、ポリマーフィルムおよび多孔質電極を含むフィルム／ホイルコンデンサシステムの断面図である。 本発明の一実施形態による、ポリマーフィルムおよび多孔質電極を含む金属化フィルムコンデンサの断面図である。 本発明の一実施形態による、コンデンサシステムの例示的な製造方法のステップを表すフローチャートである。

符号の説明

１０ フィルム／ホイルコンデンサ
１２、３２ 電極
１４、３４ 孔
１８ 多孔質表面
２０、４０ ポリマーフィルム
３０ 金属化フィルムコンデンサ
３６ 金属被覆物
３８ 多孔質炭素粒子
５０ フィルムコンデンサの製造方法
５２ １対の電極を配置するステップ
５４ １対の電極のそれぞれに対して複数の孔を形成するステップ
５６ １対の電極のそれぞれの上にポリマーフィルムの被覆物を付着させるステップ
５８ ポリマーフィルムで被覆された電極をコンデンサに巻きつけるステップ

Claims (17)

1. 複数の孔を有する１対の電極と、
   前記１対の電極のそれぞれの上に付着されて誘電層を形成するポリマーフィルムと
   を有するフィルムコンデンサ。
2. 前記１対の電極のそれぞれが、アルミニウム、タンタル、銅、ステンレス鋼、チタン、金属化ポリマーフィルム（４０）からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む、請求項１記載のフィルムコンデンサ。
3. 前記金属化ポリマーフィルム（４０）が、ポリプロピレン、ポリエステル、硫化ポリフェニレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ポリビニリデン−三フッ化エチレン、ポリフッ化ポリビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン、ポリエーテルイミドおよびポリイミドを含む、請求項２記載のフィルムコンデンサ。
4. 前記孔が、前記１対の電極のそれぞれの上部にある多孔質表面によって構成される、請求項１記載のフィルムコンデンサ。
5. 前記孔が、前記電極の上に付着された複数の多孔質炭素粒子によって構成される、請求項１記載のフィルムコンデンサシステム。
6. 前記多孔質炭素粒子が、カーボンブラック、活性炭、炭素ナノチューブ、および、ｔｒｉｍｅｔａｓｐｈｅｒｅ炭素フラーレン球を含む、請求項１記載のフィルムコンデンサ。
7. 前記ポリマーフィルムが、シアン化樹脂、セルロース、酢酸塩、アクリラート、および、ポリ二フッ化ビニルからなる群から選択される少なくとも１つのポリマーを含む、請求項１記載のフィルムコンデンサ。
8. 前記孔が約１０００ｎｍ未満の間隔を有する、請求項１記載のフィルムコンデンサ。
9. システムが少なくとも約１００μＦの静電容量を有する、請求項１記載のフィルムコンデンサ。
10. 前記ポリマーフィルムが最大で約１μｍの厚さを有する、請求項１記載のフィルムコンデンサ。
11. フィルムコンデンサを製造する方法であって、
    １対の電極を配置するステップと、
    前記１対の電極のそれぞれに対して複数の孔を形成するステップと、
    前記１対の電極のそれぞれの上にポリマーフィルムの被覆物を付着させるステップと、
    前記ポリマーフィルムで被覆された前記電極をコンデンサに巻きつけるステップと
    を含む方法。
12. 前記複数の孔を形成するステップが、多孔質表面を備えるようにくぼみ形成された前記１対の電極を配置するステップを含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記複数の孔を形成するステップが、複数の多孔質炭素粒子を前記１対の電極のそれぞれの上に貼着させるステップを含む、請求項１１記載の方法。
14. 前記複数の多孔質炭素粒子を貼着させるステップが、複数の炭素ナノチューブ、活性炭、カーボンブラック、または、ｔｒｉｍｅｔａｓｐｈｅｒｅ炭素フラーレン球のうちの少なくとも１つを前記１対の電極の上に貼着させるステップを含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記ポリマーフィルムの被覆物を付着させるステップが、電気泳動手法によって前記被覆物を付着させるステップを含む、請求項１１記載の方法。
16. 前記電気泳動手法が浸漬被覆を含む、請求項１５記載の方法。
17. 前記電極間でのアーキングを回避するために前記１対の電極に油を含浸するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。

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