CN114175407A

CN114175407A - 气密端子

Info

Publication number: CN114175407A
Application number: CN202080053629.6A
Authority: CN
Inventors: 岩本晃一
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2022-03-11
Also published as: JPWO2021015189A1; EP4007074A1; EP4007074A4; US20220247101A1; JP7257515B2; WO2021015189A1

Abstract

本发明的气密端子包括：柱状的导体；金属环，其与导体位于同轴上；绝缘环，其与导体位于同轴上；凸缘，其设置在绝缘环上且将柱状的导体划分为两个区域；第一固定构件，其用于将绝缘环固定于导体；以及第二固定构件，其用于将绝缘环固定于凸缘。金属环、第一固定构件及第二固定构件由Fe－Co系合金、Fe－Co－C系合金、Fe－Ni系合金或Fe－Ni－Co系合金形成。金属环与第一固定构件连接，绝缘环与金属环分离而固定于导体。

Description

气密端子

技术领域

本发明涉及一种气密端子。

背景技术

以往，在粒子加速器、核聚变装置等所使用的高真空排气系统的一部分中使用了气密端子，该气密端子使用了能够与电源系统电绝缘的陶瓷环。例如，在专利文献1中公开了这样的陶瓷环。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本实开昭59－47916号公报

发明内容

附图说明

图1是示出本发明的一实施方式的气密端子的立体图。

图2是示出以图1所示的X－X线剖切时的剖面的说明图。

图3是示出本发明的一实施方式的气密端子所包含的第二固定构件的变形例的说明图。

图4是示出本发明的一实施方式的气密端子所包含的金属环的说明图。

具体实施方式

在将可伐环(Kovar ring)抵接于陶瓷环的任一侧的状态下，经由套筒将陶瓷环固定于导体的情况下，若分别使用钎料将陶瓷环及套筒与导体及套筒连接，则有时接合后在陶瓷环、套筒会产生裂纹。特别是，当导体为重物时，裂纹的产生显著。

如上所述，本发明的气密端子包括：柱状的导体、与导体位于同轴上的金属环、与导体位于同轴上的绝缘环、设置在绝缘环上且将柱状的导体划分为两个区域的凸缘、用于将绝缘环固定于导体的第一固定构件、以及用于将绝缘环固定于凸缘的第二固定构件。金属环、第一固定构件及第二固定构件由Fe－Co系合金、Fe－Co－C系合金、Fe－Ni系合金或Fe－Ni－Co系合金形成。金属环与第一固定构件连接，绝缘环与金属环分离而固定于导体。根据这样的结构，本发明的气密端子即使将第一固定构件及第二固定构件分别利用钎料接合于绝缘环，残留于绝缘环的第二固定构件侧的表层部的应力也降低。其结果是，在绝缘环、第一固定构件及第二固定构件不易产生裂纹。

基于图1及图2对本发明的一实施方式的气密端子进行说明。图1所示的一实施方式的气密端子1包括：导体11、金属环12、绝缘环13、凸缘14、第一固定构件15、第二固定构件16、以及间隔件17。

一实施方式的气密端子1所包含的导体11具有柱状，只要是柱状，则对大小、形状没有限定。如图1所示，导体11也可以是存在圆柱状部分和四棱柱状(板状)部分那样的形状。导体11的大小根据具备气密端子1的装置等适当设定即可。在导体11为圆柱状部分和四棱柱状(板状)部分在轴向上连接的形状的情况下，例如，长度(全长)为200mm～300mm左右，圆柱状部分的外径为90mm～110mm左右，四棱柱状(板状)部分的宽度为80mm～88mm左右。导体11例如由无氧铜、韧铜、磷脱氧铜等铜、铜合金等形成。

一实施方式的气密端子1所包含的金属环12设置为与导体11位于同轴上。金属环12由Fe－Co系合金、Fe－Co－C系合金、Fe－Ni系合金或Fe－Ni－Co系合金形成。当金属环12由这样的特定合金形成时，这些合金的30℃～400℃下的平均线膨胀率比构成导体11的铜、铜合金等的平均线膨胀率低。其结果是，在利用后述的钎料进行加热接合的情况下，不会在金属环12与导体11之间产生间隙，能够提高气密的可靠性。在绝缘环13由陶瓷构成的情况下，在这些合金当中，30℃～400℃下的平均线膨胀率最低。在接近于陶瓷的上述温度范围内的平均线膨胀率进行加热接合的情况下，从使陶瓷产生裂纹的可能性最低的观点出发，使用Fe－Ni－Co系合金为宜。金属环12例如通过银钎料(Bag－8等)等安装于导体11的外周面。

如图2所示，金属环12也与第一固定构件15连接。当金属环12与第一固定构件15连接时，能够增强导体11与第一固定构件15的接合部。金属环12和第一固定构件15例如可以通过钎焊连接，也可以是仅接触的方式。

金属环12的大小只要是能够插入导体11的大小就没有限定。例如，金属环12的外径为导体11的外径的1.1倍以上且1.4倍以下。金属环12的厚度也没有限定，例如为2mm～4mm左右。

一实施方式的气密端子1所包含的绝缘环13设置为与导体11位于同轴上。绝缘环13的两侧的主面13a、13b的平面度均可以为50μm以下。当主面13a的平面度为50μm以下时，在主面13a上形成金属化层(未图示)，利用钎料接合第一固定构件15和绝缘环13的情况下，在主面13a与金属化层之间不易产生间隙，第一固定构件15与绝缘环13的接合可靠性提高。同样地，当主面13b的平面度为50μm以下时，在主面13b上形成金属化层(未图示)，利用钎料接合第二固定构件16和绝缘环13的情况下，在主面13b与金属化层之间不易产生间隙，第二固定构件16与绝缘环13的接合可靠性提高。金属化层例如包含10质量％～30质量％的锰，剩余部分由钼构成。

主面13a相对于主面13b的平行度可以为0.1mm以下。若平行度为0.1mm以下，则在将导体11插入并固定于绝缘环13的内周侧空间的情况下，会降低绝缘环13的内周面与导体11的外周面接触而对该外周面造成损伤的可能性。绝缘环13只要由具有绝缘性的物质、例如体积电阻率为10¹²Ω·m以上的物质形成就没有限定。作为这样的具有绝缘性的物质，例如可以列举以氧化铝、碳化硅或氮化硅为主要成分的陶瓷等。在这些物质当中，从一次原料廉价、加工容易的观点出发，使用以氧化铝为主要成分的陶瓷为宜。

氧化铝的结晶具有5μm以上且20μm以下的平均粒径为宜。在本说明书中，“主要成分”是指在构成陶瓷的成分的合计100质量％中占80质量％以上的成分。陶瓷所包含的各成分的鉴定通过使用了CuKα射线的X射线衍射装置进行，各成分的含量例如通过ICP(Inductively Coupled Plasma)发光分光分析装置或荧光X射线分析装置求出即可。

当氧化铝的结晶的平均粒径为5μm以上时，与小于5μm的情况相比，每单位面积的晶界相所占的面积变少。其结果是，导热性提高。另一方面，当平均粒径为20μm以下时，与平均粒径超过20μm的情况相比，每单位面积的晶界相所占的面积增加。其结果是，由于构成钎料的成分的锚固效应，密合性变高，因此可靠性提高且机械强度变高。

氧化铝的结晶的粒径可以如下求出。首先，使用平均粒径D50为3μm的金刚石磨粒利用铜盘从绝缘环13的表面在厚度方向上研磨至0.6mm的深度。然后，使用平均粒径D50为0.5μm的金刚石磨粒利用锡盘进行研磨。将通过这些研磨得到的研磨面在1480℃下进行热处理直至能够识别晶粒和晶界层，作为观察面。热处理例如进行30分钟左右。

用光学显微镜对观察面进行观察，例如以400倍的倍率进行拍摄。将拍摄到的图像中的面积为4.8747×10²μm的范围作为测量范围。通过使用图像解析软件(例如，三谷商事(株式会社)制，Win ROOF)来解析该测量范围，从而能够计算各个结晶的粒径和根据该粒径计算平均粒径。

进而，从抑制局部的机械强度的降低的观点出发，氧化铝的结晶的粒径具有0以上的峰度即可，也可以为1以上且8以下。当氧化铝的结晶的粒径的峰度为0以上时，能够抑制粒径的偏差。其结果是，气孔的聚集减少，能够减少从气孔的轮廓、内部产生的脱粒，特别是1以上为宜。另一方面，当氧化铝的结晶的粒径的峰度为8以下时，粒径大的结晶和粒径小的结晶以适当的比率存在。其结果是，由于成为粒径小的结晶填充相邻的3个粒径大的结晶之间的间隙的结构，因此热传导率提高。

在此，峰度是指表示分布的峰值和下摆相较于正态分布如何不同的指标(统计量)。在峰度大于0的情况下，成为具有尖锐峰值的分布。在峰度为0的情况下，成为正态分布。当峰度小于0的情况下，分布成为具有带圆角的峰值的分布。氧化铝的结晶的粒径的峰度使用Excel(注册商标，Microsoft Corporation)所具备的函数Kurt求出即可。

绝缘环13经由第一固定构件15固定于导体11。第一固定构件15由上述的合金、即Fe－Co系合金、Fe－Co－C系合金、Fe－Ni系合金或Fe－Ni－Co系合金形成。当第一固定构件15由这样的特定合金形成时，这些合金的30℃～400℃下的平均线膨胀率比构成导体11的铜、铜合金等的平均线膨胀率低。在绝缘环13由陶瓷构成的情况下，接近于陶瓷的上述温度范围内的平均线膨胀率。因此，即使利用钎料对导体11及绝缘环13进行加热接合，也不会在导体11与第一固定构件15之间以及绝缘环13与第一固定构件15之间产生间隙。其结果是，能够提高气密的可靠性。在这些合金当中，30℃～400℃下的平均线膨胀率最低，在接近于陶瓷的上述温度范围内的平均线膨胀率进行加热接合的情况下，从使陶瓷产生裂纹的可能性最低的观点出发，使用Fe－Ni－Co系合金为宜。

绝缘环13的大小只要是能够插入导体11的大小就没有限定。例如，绝缘环13的外径比导体11的外径大1.2～1.5倍左右。绝缘环13的厚度也没有限定，例如为28mm～32mm左右。由于在绝缘环13的第二固定构件16侧的表层部残留的应力进一步降低，因此从更不易产生裂纹的观点出发，绝缘环13的厚度为金属环12的厚度的5倍以上为宜。从能够抑制材料费的观点出发，绝缘环13的厚度为金属环12的厚度的15倍以下为宜。

绝缘环13与金属环12分离而固定于导体11。通过将金属环12和绝缘环13分离设置，在绝缘环13的第二固定构件16侧的表层部残留的应力降低。其结果是，即使反复进行加热及冷却，在绝缘环13、第一固定构件15及第二固定构件16也不易产生裂纹。金属环12与绝缘环13的间隔距离没有限制，根据气密端子1的大小而适当设定。金属环12与绝缘环13的间隔距离例如为8mm～12mm左右。

一实施方式的气密端子1所包含的凸缘14设置在绝缘环13上，将导体11划分为两个区域。在一实施方式的气密端子1中，如图1所示，凸缘14将导体11划分为圆柱状部分和四棱柱状(板状)部分。

凸缘14经由第二固定构件16固定于绝缘环13。第二固定构件16由上述的合金、即Fe－Co系合金、Fe－Co－C系合金、Fe－Ni系合金或Fe－Ni－Co系合金形成。当第二固定构件16由这样的特定合金形成时，这些合金的30℃～400℃下的平均线膨胀率比构成导体11的铜、铜合金等的平均线膨胀率低。在绝缘环13由陶瓷构成的情况下，接近于陶瓷的上述温度范围内的平均线膨胀率。因此，即使利用钎料对导体11及绝缘环13进行加热接合，也不会在导体11与第二固定构件16之间以及绝缘环13与第二固定构件16之间产生间隙。其结果是，能够提高气密的可靠性。在这些合金当中，30℃～400℃下的平均线膨胀率最低，在接近于陶瓷的上述温度范围内的平均线膨胀率进行加热接合的情况下，从使陶瓷产生裂纹的可能性最低的观点出发，使用Fe－Ni－Co系合金为宜。

凸缘14的大小只要是能够插入导体11的大小就没有限定。例如，凸缘14的外径为绝缘环13的外径的1.5倍以上且2.5倍以下。凸缘14的厚度没有限定，例如为8mm～16mm左右。在凸缘14形成有多个孔。该孔是为了将气密端子1固定于装置而使用的螺纹孔。

一实施方式的气密端子1所包含的间隔件17设置在金属环12与第一固定构件15之间。通过具备间隔件17，绝缘环13的外周部的保持力变高，得到的气密端子1的可靠性进一步提高。间隔件17例如由SUS304、SUS304L、SUS304ULC、SUS310ULC、SUSXM15J1等不锈钢形成。间隔件17的厚度没有限定，例如为6mm～14mm左右。

间隔件17沿着周向(若是圆柱状的导体11，则为圆周向)设置有多个。从能够比较均匀地保持绝缘环13的外周部的观点出发，间隔件17等间隔地设置为宜。其结果是，得到的气密端子1的可靠性进一步提高。并且，对于间隔件17的至少一个，也可以在间隔件17的外周面形成第一槽部。通过形成第一槽部，即使反复进行加热及冷却，由于热应力被第一槽部缓和，因此能够进一步降低施加于绝缘环13的应力。第一槽部例如沿着上述周向形成，其形状为V槽状、U槽状等。

同样地，如图4所示，金属环12也可以在内周面形成多个第二槽部12a。通过形成第二槽部12a，即使反复进行加热及冷却，由于热应力被第二槽部12a缓和，因此能够进一步降低施加于金属环12的应力。特别是，第二槽部12a可以沿着内周面等间隔配置，第二槽部的个数例如为3个以上且20个以下。第二槽部12a的形状例如如图4的(a)所示为矩形、如图4的(b)所示为半圆状。

本发明的气密端子不限于上述的一实施方式。例如，上述的气密端子1具备间隔件17。但是，本发明的气密端子也可以不具备间隔件17。间隔件17是为了进一步提高本发明的气密端子的效果而使用的构件。

在本发明的气密端子中，第一固定构件15和第二固定构件16中的至少一方可以由具有弯折部的套筒构成。根据这样的结构，第一固定构件15及第二固定构件16的弯折部周边的应力被进一步降低，更不易产生裂纹。弯折部的内径半径没有限定，若考虑到更优异的应力的降低效果，可以为2mm以上，也可以为4mm以下。

并且，在本发明的气密端子中，从导体11的轴心到第一固定构件15及第二固定构件16各自的前端面15a、16a的距离L₁、L₂可以如图1所示相同，也可以如图2所示不同。从使绝缘环13不易产生沿轴向的裂纹的观点出发，从导体11的轴心到第一固定构件15及第二固定构件16各自的前端面15a、16a的距离L₁、L₂如图2所示不同为宜。这是因为，例如，即使在钎料的接合工序中钎料因降温收缩而使绝缘环13在轴向上被拉伸，也能够抑制其拉伸应力。从导体11的轴心到第一固定构件15及第二固定构件16各自的前端面15a、16a的距离L₁、L₂的差δ例如为3mm以上且6mm以下。

在上述的气密端子1中，导体11具有存在圆柱状部分和四棱柱状(板状)部分那样的形状。但是，在本发明的气密端子中，导体的形状只要是柱状就没有限定。导体的形状根据具有气密端子的装置等适当设计即可。

附图标记说明：

1 气密端子

11 导体

12 金属环

13 绝缘环

14 凸缘

15 第一固定构件

16 第二固定构件

17 间隔件。

Claims

1.一种气密端子，其中，

所述气密端子包括：

柱状的导体；

金属环，其与所述导体位于同轴上；

绝缘环，其与所述导体位于同轴上；

凸缘，其设置在所述绝缘环上且将柱状的所述导体划分为两个区域；

第一固定构件，其用于将所述绝缘环固定于所述导体；以及

第二固定构件，其用于将所述绝缘环固定于所述凸缘，

所述金属环、所述第一固定构件及所述第二固定构件由Fe－Co系合金、Fe－Co－C系合金、Fe－Ni系合金或Fe－Ni－Co系合金形成，

所述金属环与所述第一固定构件连接，

所述绝缘环与所述金属环分离而固定于所述导体。

2.根据权利要求1所述的气密端子，其中，

所述绝缘环具有所述金属环的厚度的5倍以上且15倍以下的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的气密端子，其中，

所述第一固定构件和所述第二固定构件中的至少一方由具有弯折部的套筒构成，任一弯折部的内径半径为2mm以上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气密端子，其中，

从所述导体的轴心到所述第一固定构件及所述第二固定构件各自的前端面的距离不同。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的气密端子，其中，

在所述金属环与所述第一固定构件之间沿着周向设置有多个间隔件。

6.根据权利要求5所述的气密端子，其中，

在所述气密端子中，以等间隔配置所述间隔件。

7.根据权利要求5或6所述的气密端子，其中，

所述间隔件的至少一个在外周面形成有第一槽部。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的气密端子，其中，

所述金属环在内周面形成有多个第二槽部。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的气密端子，其中，

所述绝缘环包含以氧化铝为主要成分的陶瓷，所述氧化铝的结晶具有5μm以上且20μm以下的平均粒径。

10.根据权利要求9所述的气密端子，其中，

所述氧化铝的结晶的粒径具有0以上的峰度。