DE2918339A1

DE2918339A1 - Glas-metall-verschluss fuer den anschlusskontakt eines elektrochemischen elementes und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE2918339A1
Application number: DE19792918339
Authority: DE
Inventors: John J Decker; Donald J Kantner
Original assignee: GTE Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1978-05-11
Filing date: 1979-05-07
Publication date: 1979-11-15
Also published as: SE7904038L; US4158721A; GB2020889B; FR2425731A1; GB2020889A; JPS54147432A

Description

GTE Sylvania Inc., USA

GTE-PA 166

PATENTANMELDUNG

Glas-Metall-Verschluß für den Anschlußkontakt eines elektrochemischen Elementes und Verfahren zur Herstellung.

Zusammenfassung:

Ein Glas-Metall-Verschluß für den Anschlußkontakt eines elektrochemischen Elementes enthält eine geformte, metallische Deckelplatte eines entsprechenden Behälters, die ein zentrales Loch und eine konzentrische Vertiefungssicke um dieses Loch aufweist. Ein Anschlußkontaktteil, das etwa die Gestalt eines Reißstiftes hat, besteht einstückig aus einem scheibenförmigen Tellerteil und einem zentral an seiner einen Seiten anschließenden Stiftteil. Letzteres hat einen erheblich kleineren Durchmesser als das Loch. Das Anschlußkontaktteil wird mittels eines Glas-Metall-Varschlusses in dem Loch isoliert

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gehalten, wobei das Tellerteil aus der Ebene der Deckelplatte heraussteht und dabei seine Oberfläche parallel zur Ebene der Deckelplatte ist.

Bestimmte Schritte zur Herstellung dieses Glas-Metall-Verschlusses bilden ein entsprechendes Verfahren, wobei eine zweiteilige Formvorrichtung aus Kohlenstoff verwendet wird und Hitze und Druck das erforderliche Verschmelzen zur Eildung des Verschlusses bewirken.

Die Erfindung betrifft einen Glas-Metall-Verschluß gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß untergeordneter Ansprüche.

Stand der Technik:

Es wurden bereits in der Vergangenheit dünne Anschlußkontaktstifte in Teile des Behälters von elektrochemischen Elementen mittels derartiger Verschlüsse eingefügt. Die Aufgabe solcher Verschlüsse ist es, außer des hermetischen Verschlusses eine elektrisch isolierte Halterung für den Anschiußkontakt zu. erstellen, also den positiven von dem negativen Kontakt elektrisch isoliert auszuführen. Während diese bekannte Verschlüßkonstruktion unter normalen Bedingungen mehr oder weniger zufriedenstellend funktionierte, traten bei rauhem Gebrauch und insbesondere bei Kurzschluß des Elementes auftretender Ausdehnung des Behälters durch überhöhten Druck im Inneren Risse oder Sprünge des Verschlusses auf, also eine Zerstörung, die den Elektrolyten austreten ließ . Da dieser

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meistens eine Säure enthält, wurden Beschädigungen der Umgebung durch Korrosion verursacht. Außerdem ergab der geringe Durchmesser des Anschlußkontaktstiftes keinen befriedigenden elektrischen Kontakt in den zu speisenden Geräten.

Aufgabe:

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Verschlußkonstruktion zu entwickeln, die sowohl einen verbesserten hermetischen Verschluß des Behälters für unterschiedliche Innendrucke ermöglichte, als auch einen verbesserten elektrischen Kontakt besaß.Schließlich sollte ein einfaches Verfahren zur Herstellung dieses Glas-Metall-Verschlusses gefunden werden.

Diese Aufgabe wird für den angegebenen Oberbegriff des ersten

Anspruchs gemäß dem Kennzeichen desselben gelöst. Ein Unteranspruch enthält die Verfahrensschritte für eine Herstellung eines solohen Verschlusses.

Weitere Einzelheiten sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Die Lösung und ihre Vorteile:

Nach der Erfindung ist das crfindungsgemäße Deckelteil des Behälters eines elektrochemischen Elementes eine geformte Metall-

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platte mit einem zentralen Loch und einer konzentrischen Vertief ungs sicke zum Ausgleich möglicher Innendruckschwankungen. Ein .Anschlußkontaktteil, daß Reißstift-ähnlich ,ausgebildet ist, wird mittels der Verschlußmasse so eingebettet gehalten, daß der dünne zylindrische Stift des Anschlußkontaktteils durch das Loch ohne Berührung der Lochperipherie ragt und das scheibenförmige Tellerteil dieses Anschlußkontaktteils in vorbestimmtem parallelem Abstand zur planen Randzone der' Lochperipherie vorstehend positioniert und befestigt ist, indem der Raum um die Unterseite des Tellerteils und um den Stift sowie das Loch in der Metallplatte bis zum erhabenen Rand der ringförmigen Sicke von der Verschlußmasse, die aus einem geeigneten Verschlußglas oder Keramik bzw. einer Mischung beider Materialien bestehen kann» ausgefüllt ist. Dieser Verschluß wird nach dem Verfahren mittels einer zweiteiligen Formvorrichtung mittels Druck und Hitze erzeugt und dabei eine innige Verbindung zwischen Glas und Metall erreicht.

.Der so hergestellte Verschluß ist vorteilhaft im Hinblick auf eine wesentlich verbesserte Bruchfestigkeit. Das breite Tellerteil bietet eine günstigere Kontaktfläche für den elektrischen Anschluß im zu speisenden Gerät.

Die Zeichnung:

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt in

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Figur 1 in perspektivischer Darstellung ein elektrochemisches Element mit einem Glas-Metall-Verschluß und so eingebettetem Anschlußkontaktteil;

Figur 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht entlang der in Figur 1 angedeuteten Schnittlinie 2-2j

Figur 3 eine Schnittdarstellung, die einen Schritt des Herstellungsverfahrens illustriert;

Figur 4 eine ähnliche Schnittdarstellung, die die Beendigung des Verfahrens zeigt, wonach das fertige Teil entnommen werden kann.

Beschreibung:

Figur 1 zeigt ein elektrochemisches Element 10 mit einem hohlem Metallkörper oder Behälter, in dessen Oberseite ein elektrischer Anschlußkontakt in einem Glas-Metall-Verschluß 14 eingebettet ist. Die Oberfläche des Anschlußkontaktteils 12 steht über den planen Boden 16 der geformten Metallplatte heraus und ist parallel zu ihr. Das Anschlußkontaktteil 12 und wenigstens ein Teil der dieses umgebenden Zone der Metallplatte 11 sind aus einer Legierung, die einen guten Glas-Metall-Verschluß 14 ermöglicht, wie etwa Rodar oder Kovar. Das sind Materialien, die im wesentlichen 29 % Nickel, 17 % Koblat und 54 % Eisen enthalten. Das Verschlußglas enthält eine Mischung aus hartem Verschlußglas, wie etwa Corning Glass Werks Nr. 7052 und Aluminiumoxyd (Al-O₃] im

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Verhältnis 3:1. Diese Mischung ist kommerziell verfügbar als Corning Glass Works Nr. 9319.. Es sind auch andere Glasarten und Verschlußlegierungen brauchbar, wenn deren thermischer Ausdehnungskoeffizient, mit dem der Metallplatte verträglich ist.

Der Verschluß 14 ist deutlich in Figur 2 zu erkennen, bei der oben-^unten bzw. innen-außen miteinander vertauscht^sind.Es ist zu sehen, daß der Verschluß 14 in einem Loch 18 des Bodens 16 eingebettet ist und dabei das Anschlußkontaktteil isolierend enthält. Das Loch 18 hat einen bestimmten Durchmesser und dieser ist um einiges größer als der Durchmesser des Stiftteils 24 des Anschlußkontaktteils 12. Das Loch 18 ist von einer konzentrischen Vertiefungssicke 20 umgeben, deren konvexe Schulter in das Innere des Elementes, in Figur 2 oben, hineinragt. Zumindest die Zone 22 des Bodens 16, die das Loch 18 umgibt, ist plan ausgebildet. Das Stiftteil 24

/das ist zentrisch im Loch 18 angeordnet und ragt in Innere des Elementes. Das Tellerteil 26 des Anschlußkontaktstiftes. 12 bildet eine mit Abstand nach außen den Boden 16 überragende Kontaktfläche. Der Durchmesser des Tellerteils 26 ist mit größerem Durchmesser ausgeführt als der Durchmesser des Lochs 18 und hat einen Abstand dazu, der mit der isolierenden Verschlußmasse 2S ausgefüllt ist. Diese Verschlußmasse 28 füllt außerdem den Raum zwischen den erhabenen Schultern der Vertiefungssicke 20 aus und umgibt das Stiftteil 24 wie auch die Fläche 30 des Tellerteils 26. Der Verschluß wird vorzugsweise in einer .reduzierenden Atmosphäre gebildet.

Dieser Verschluß nach der Erfindung bietet gegenüber bisherigen Konstruktionen einige erhebliche Vorteile. Die Kombination der den Druckausgleich ermöglichenden Vertiefungs-

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sicke rait der endgültigen Formgebung des Glas-Metall-Verschlusses, der sich auf beide Seiten des Bodens 16 erstreckt, ergibt eine wesentlich verbesserte Festigkeit bei gleichzeitiger Ermöglichung einer gewissen Biegung des Bodens Außerdem verstärkt die Ausbildung des Anschlußkontaktteils mit dem Tellerteil großer Kontaktfläche diese positive Eigenschaft der Konstruktion.

Diese Konstruktion des Glas-Metall-Verschlusses macht eine neue Methode der Fertigung notwendig. Das wird durch ein Verfahren ermöglicht, das von einer zweiteiligen Formvorrichtung aus Kohlenstoff Gebrauch macht. Dies zeigen die Figuren 3 und 4. Die Formvorrichtung 32 besteht aus den beiden ineinander passenden Teilen, dem Mutterteil 34 und dem Vaterteil 36.

Das Mutterteil 34 besitzt eine zentrale Absenkung 38, in das das Tellerteil 26 des Anschlußkontaktteils 12 paßt. Eine große Absenkung 40 erlaubt das Einsetzen der Metallplatte mit dem Boden 16. Entsprechend ausgebildete Ausricht- und Befestigungsmittel für die beiden Teile der Formvorrichtung 32 sind als eingegossener Stift 42 im Mutterteil 34 bzw. als Schraube 44 dargestellt und passen in entsprechende Bohrungen 46 resp. 48 im Vaterteil 36.

Zunächst wird das Anschlußkontaktteil'12 in das Mutterteil 34 eingelegt und dann -das Metallteil mit seinem Boden 16. Das Vaterteil 36 besitzt eine zentrale Bohrung 52, die dem Durchmesser der erhabenen Schulter der Vertiefungssicke 20 entspricht. Das Vaterteil 36 wird nunmehr eingesetzt und befestigt. Das Verschlußrnaterial 28 wird in Form eines Kegel-

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stumpfes durch die Bohrung 52 eingesetzt und besitzt ein zentrales Loch 50, in daa das Stiftteil 24 ragt. Ein Stempel mit einem zentralen Loch'56 dient als Druckkalben in der Bohrung 52. Wenn dieser Stempel 54 eingeführt ist,ruht er auf dem Verschlußmaterial 28.

Sobald diese Zusammenfügung nun erhitzt wird auf etwa 1050⁰C für etwa 16 Minuten während auf den Stempel 54 eine Kraft wirkt, die'einen Druck von etwa 0,245 kp/cm erzeugt, bildet das erweichte Verschlußmaterial 28 den angestrebten Verschluß durch Bindung mit dem Metall ein. Der Druck ist erforderlich damit das Verschlußmaterial 28 den Raum bis zu den Oberflächen 22 und 30 vollständig ausfüllt und auch mit ihnen die erforderliche Bindung eingeht.

Claims

GTE-PA 186 Patentansprüche:

1. .Ein Glas-Metall-Verschluß für den Anschlußkontakt eines elektrochemischen Elementes ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

A. Eine runde Metallplatte (11), die als Deckel eines hermetisch verschließbaren Behälters dient, besitzt zentrisch ein rundes Loch (18) mit einem bestimmten Durchmesser;

B. Konzentrisch zu diesem Loch (18) ist in seiner unmittelbaren Nähe eine Vertiefungssicke (20) Vorgesehen, wobei die Randzune (22) am Loch (18) mit dem planen Boden (16) der Metallplatte (11) fluchtet;

C. Ein einstückiges Anschlußkontaktteil (12) hat eine Reißstift-ähnliche Form, wobei es aus einem planen Tellerteil (26) mit größerem Durchmesser als das Loch (1B)' und einem zentrischen Stiftteil (24) mit kleinerem Durchmesser als das Loch (18) besteht;

D. Eine Verschlußmasse (14), ausgewählt aus der Gruppe von Abdichtungsglasarten, Keramikmaterial oder Mischungen aus beiden, wird in erweichtem Zustand von der konvexen Seite der Sicke (20) her in das Loch (18) gepreßt, wobei das Anschlußkontaktteil (12), das mit seinem Stiftteil im Loch (18) positioniert ist, so gehalten und nach

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ORIGINAL INSPECTED

Erstarren der Verschlußmasse [14] isolierend befestigt ist, daß sein Tellerteil (16) einen genau justierten Abstand zur Randzone (22) des Lochs (1B] besitzt.

2. Ein Glas-Metall-Verschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Metallplatte (11) aus einer Legierung besteht, die für die Verschmelzung zu einem Glas-Metall-Verschluß geeignet ist und im wesentlichen aus 29 % Nickel, 17 % Kobalt und 54 % Eisen besteht.

3. Verfahren zur Herstellung eines Glas-Metall-Verschlusses gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Schritte vorgesehen sind:

A. Einsetzen des Anschlußkontaktteils (12) mit dem St'iftteil (24) nach oben in eine entsprechend ausgebildete, zentrale Absenkung (38) in einem Mutterteil (34) einer zweiteiligen aus Kohlenstoff hergestellten Formvorrichtung (32) j

B. Eine Metallplatte (11) wird in das entsprechend geformte Mutterteil (34) mit der konvexen Seite der Sicke (20) nach oben eingelegt, wobei das Stiftteil (24) zentrisch durch das Loch (18) ragt und das Tellerteil (26) des AnschluBkontaktteils (12) den gewünschten Abstand zur Peripherie des Loches (18) hat?

C. Ein Vaterteil (36) der Formvorrichtung (32) wird nun in das Mutterteil (34) eingesetzt und hält die Metallplatte (11) durch Auflage auf dem Boden (16) derselben in Position. Das Vaterteil (36) weist eine mit dem Durchmesser der Vertiefungssicke (20) korrespondierende Bohrung (52) auf;

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D. In die Bohrung (523 wird eine Quantität der Verschlußglasmasse [2B) rait einer zentralen Bohrung C50) eingesetzt, die das Stiftteil C24) aufnimmt;

E. Ein Stempel (54), der eine zentrale Bohrung (56) genügender Tiefe besitzt, wird in die Bohrung (52) eingeführt bis zur Auflage auf die Verschlußglasmasse (28);

F. Die Formvorrichtung (32) wird nunmehr erhitzt und auf den Stempel ein aehsialer Druck ausgeübt, so daß die Verschlußglasmasse (28) um das Stiftteil (24) und durch das Loch (18) bis zur planen Innenfläche (30) des Tellerteils (26.) fließt und diesen Raum wie gewünscht ausfüllt und so den Verschluß bildet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Temperatur zum Verschmelzen und Herstellen des Verschlusses bei etwa 1050.bis 1100° C liegt und dabei

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der erforderliche Druck zwischen 0,245 und 0,35 kp'cm sein muß.

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