JP2011521429A - 電力端子フィードスルー - Google Patents

Abstract

ハウジングと、少なくとも１つの電流伝導ピンと、前記少なくとも１つの電流伝導ピンを前記ハウジングにハーメチックシールするシーリングガラスとを有する電力端子フィードスルーである。前記少なくとも１つの電流伝導ピンは、前記電流伝導ピンの表面に周縁の凹部を規定している。前記シーリングガラスは、前記電流伝導ピンとハウジングとの両方に融着されたとき、前記周縁の凹部を充填する。

Description

本出願は、２００８年５月１９日に出願された米国仮出願Ｎｏ．６１／０５４，１８３の利益を主張する。上述の出願の開示内容全体が、参照としてここに含まれる。

本開示は、電力端子フィードスルーに、特に、少なくとも１つの電流伝導ピンを有する電力端子フィードスルーに関する。

ハーメチックシールされた電力端子フィードスルーは、ハーメチックシールされたデバイスと共に使用するための気密な電気接続を提供する。フィードスルーを通ってハーメチックシールされたデバイスへの、又はこのデバイスからの漏れは、防止される。このような電力端子フィードスルーは、一般的に、少なくとも１つの電流伝導ピンが貫通して延びたハウジングと、このハウジングに前記ピンをハーメチックシールしているシーリング材料とを有する。

電力給送部のような電力端子フィードスルーで使用される電流伝導ピンは、一般的に、延伸プロセスによって製造される。このようなピンは、通例、低炭素鋼、４４６ステンレス鋼、又は銅のコアの鋼線から延伸され、一般的に、良い耐食性及び熱膨張特性を有する。しかし、製造プロセスの人為産物として、ピンの表面のところのミクロな亀裂（micro-crack）の形態の欠陥が生じ得る。ピンの表面のミクロな亀裂は、除去するのにコストがかかり、また、大容量製造環境で１つずつのベースで検出するのが難しい。ミクロな亀裂は、電力端子フィードスルーのハーメチックシールの完全性に好ましくない影響を及ぼし、製造のスクラップ率を高め、フィードスルーの長期間の信頼性を減少させる可能性がある。

例えば、電力端子フィードスルー１０に組み込まれた電流伝導ピン１１は、延伸製造プロセスから生じるミクロな亀裂１２を有し得る。図１に示されるように、ミクロな亀裂１２は、電流伝導ピン１１の長軸線Ｘに沿って延びている。このミクロな亀裂１２は、一般的に、フィードスルーの組立中、シーリング材料１５がミクロな亀裂１２へと流れてこのミクロな亀裂１２を充填することができるには小さすぎる。従って、シーリング材料１５が電力端子フィードスルー１０の電流伝導ピン１１とハウジング１３とに融着されたとき、シーリング材料１５のギャップが、ミクロな亀裂１２の位置に生じ得る。従って、このような場合、電流伝導ピン１１の対向端部のところの第１のチャンバ１４と第２のチャンバ１６との間のオープンな経路が、必要なハーメチックシールが果たされるのを妨げる漏れ経路を生じる。結果として、電力端子フィードスルー１０全体が廃棄されなければならない。

一形態では、電力端子フィードスルーは、ハウジングと、少なくとも１つの電流伝導ピンと、シーリングガラスとを有する。前記ハウジングは、このハウジングを貫通している開口を規定している。前記少なくとも１つの電流伝導ピンは、前記開口を貫通して延びており、その外面に、前記開口内に位置された周縁の凹部を有する。前記凹部は、約３１μｍないし約２５０μｍの深さを有する。前記シーリングガラスは、前記周縁の凹部及び前記開口を十分に充填し、前記ピンと前記ハウジングとの間にシールを与えるために、前記少なくとも１つの電流伝導ピンと前記ハウジングとの両方に融着される。

他の形態では、電力端子フィードスルーは、ハウジングと、少なくとも１つの電流伝導ピンと、シーリングガラスとを有する。前記ハウジングは、このハウジングを貫通している開口を規定している。前記少なくとも１つの電流伝導ピンは、前記開口を貫通して延びており、外面及び２つの周縁のノッチを規定している。前記外面は、前記電流伝導ピンの長手方向に沿った方向に延びたミクロな亀裂を有する。前記周縁のノッチは、前記開口内に位置され、約３１μｍないし約１００μｍの深さを有する。前記周縁のノッチは、前記電流伝導ピンの前記長軸線に沿った方向に、約３ｍｍの間隔で離間されている。前記シーリングガラスは、前記周縁のノッチ及び前記開口を十分に充填し、前記ピンと前記ハウジングとの間にシールを与えるために、前記少なくとも１つの電流伝導ピンと前記ハウジングとの両方に融着される。

さらなる他の形態では、電力端子フィードスルーは、ハウジングと、少なくとも１つの電流伝導ピンと、シーリングガラスとを有する。前記ハウジングは、このハウジングを貫通している開口を規定している。前記少なくとも１つの電流伝導ピンは、前記開口を貫通して延びており、外面及び周縁の凹部を規定している。前記外面は、前記電流伝導ピンの長軸線に沿った方向に延びたミクロな亀裂を有する。前記周縁の凹部は、前記開口内に位置され、前記ミクロな亀裂を横切っている。前記周縁の凹部は、約１５０μｍ以下の深さと、前記電流伝導ピンの前記長軸線に沿った方向に測定されるような約３ｍｍの幅と、を有する。前記シーリングガラスは、前記周縁の凹部と前記開口とを十分に充填し、前記ピンと前記ハウジングとの間にシールを与えるために、前記少なくとも１つの電流伝導ピンと前記ハウジングとの両方に融着される。

本発明は、以下の詳細な説明並びに添付図面からより完全に理解されるであろう。

図１は、従来の電力端子フィードスルーの概略的な横断面図である。 図２は、本発明の教示に従う電力端子フィードスルーの上面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線に沿って受けた電力端子フィードスルーの横断面図である。 図４は、図３の部分Ｂの拡大図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に従う電力端子フィードスルーで使用される電流伝導ピンの上面図である。 図６は、電流伝導ピンとシーリング材料との間の接続を示す概略図である。 図７Ａは、ミクロな亀裂と周縁の凹部との間の関係を示す、本発明の電流伝導ピンの一部の部分的な横断面図である。 図７Ｂは、ミクロな亀裂と周縁の凹部との間の関係を示す、本発明の電流伝導ピンの一部の部分的な拡大図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に従う電流伝導ピンの上面図である。 図９Ａは、本発明の第３の実施の形態に従う電流伝導ピンの上面図である。 図９Ｂは、図９Ａの電流伝導ピンの上面図である。 図１０Ａは、本発明の第４の実施の形態に従う電流伝導ピンの上面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａの電流伝導ピンの側面図である。

対応する参照符号は、図面のいくつかの図全体を通して対応する部品を示している。

図２並びに図３を参照すると、電力端子フィードスルー４０は、金属のハウジング４２と、この金属のハウジング４２を通って延びた複数の電流伝導ピン４４とを有する。図２並びに図３には３つの電流伝導ピン４４が示されているが、いかなる数の電流伝導ピン４４（１つのみの電流伝導ピンも含む）が、必要に応じて、又は所望のように形成されることができる。

電流伝導ピン４４の配置は、ピンの円形の直径Φ_１を規定しており、これは、電流伝導ピン４４の各々の中心を通過している円の寸法であり、電力端子フィードスルー４０の長軸線に中心位置決めされている。電流伝導ピン４４は、低炭素鋼、ステンレス鋼又は銅のコアの鋼線でできていることができる。

金属のハウジング４２は、カップ形状であり、受けスペース４３を規定している。この金属のハウジング４２は、底壁４６と、この底壁４６に接続され、かつこの底壁４６の周りに配置された円筒形の側壁４８と、この円筒形の側壁４８の一端部から延びた環状のリップ５０とを有する。電力端子フィードスルー４０は、シェル４５の開口中に電力端子フィードスルー４０を位置決めすることによって、及び、シェル４５に金属のハウジング４２を溶接することによって、ハーメチックシールされたデバイスのシェル４５に装着されることができる。

底壁４６は、複数の開口５７を有し、電流伝導ピン４４が、ハウジング４２の第１の側面からハウジング４２の第２の側面へと開口５７を貫通して延びている。

誘電性のシーリング材料５８が、これら開口５７を充填し、電流伝導ピン４４を囲んでおり、電流伝導ピン４４をハウジング４２に融着している。シーリング材料５８は、電流伝導ピン４４をハウジング４２から電気的に絶縁し、電流伝導ピン４４をハウジングにハーメチックシールしている。シーリング材料５８は、良いシーリング、接着及び耐食性を提供するガラスであることができる。

ハウジング４２が底壁を有していないとき、円筒形の側壁４８の内側の周縁面は、電流伝導ピンが貫通する開口を規定することができることが理解され、認識される。それ故、シーリング材料は、開口を充填し、電流伝導ピン４４と円筒形の側壁４８の内側の周縁面との間にシールを提供する。

第１の実施の形態
図４並びに図５を参照すると、電流伝導ピン４４は、外面に少なくとも１つの凹部を有することができる。この凹部は、溝、ノッチ、窪み、又は他の特徴の形態を取ることができる。第１の実施の形態では、電流伝導ピン４４は、外面６１に２つの周縁のノッチ６０を有する。電流伝導ピンは、丸みが付けられた端部を有する。これら周縁のノッチ６０は、シーリング材料５８が融着され、金属のハウジング４２の円筒形の側壁４８によって直接囲まれた領域であるシーリング領域に形成されている。これら周縁のノッチ６０は、電流伝導ピン４４の長手方向Ｘに沿って離間されている。これら周縁のノッチ６０は、電流伝導ピン４４の直径の周りに形成されており、各々が円形を規定している。これら周縁のノッチ６０は、圧延（rolling）によって形成されることができ、各々が、約３１μｍないし約１８８μｍの範囲の深さｄを有する。電流伝導ピン４４の直径Ｄは、２．２７６ないし２．２８６ｍｍの範囲にある。それ故、ピンの直径に対するノッチの深さの比率（ｄ／Ｄ）は、約０．０１３６ないし約０．０８２６の範囲にある。電流伝導ピン４４は、周縁のノッチ６０の深さが約３１μｍないし約１００μｍの範囲にあるとき、より満足であることが証明されている。

これら周縁のノッチ６０は、電流伝導ピン４４の長さに沿って、所定の間隔Ｗで離間されている。この間隔は、３ｍｍ以下である。ピンの長さは、約２６．９７ｍｍである。それ故、電流伝導ピン４４の長さに対する周縁のノッチ６０の間隔の比率は、約０．１１１である。

図６を参照して、起こり得る漏れ経路を分断するために周縁のノッチを使用することの利点が、以下により詳細に説明される。明確化のために、１つの周縁のノッチ６０のみが示されている。電流伝導ピン４４は、少なくとも１つの電流伝導ピン４４の外面６１に、又は近くに、少なくとも１つのミクロな亀裂６３を生じ得る延伸プロセスによって、鋼線でできていることができる。延伸は、ダイの出口側に加えられる引張力によってこのダイによって材料を押すことを含む金属加工プロセスである。後に電流伝導ピン４４となる延伸された鋼線は、延伸プロセスの結果として、その外面６１に、又は近くに、ミクロな亀裂６３を有する。ミクロな亀裂６３は、シーリング材料５８が与えられるシーリング領域を超えた十分な長さで、電流伝導ピン４４の長手方向Ｘに沿って延びることができる。ミクロな亀裂６３の寸法及びシーリング材料５８の粘度により、シーリング材料５８が融着温度で電流伝導ピン４４の周りのスペースに充填されたとき、シーリング材料５８は、ミクロな亀裂６３を完全に充填するように流れることができない。この結果、ミクロな亀裂６３は、漏れ経路を生じる可能性を有し、電力端子フィードスルーの長期間のハーメチックの完全性に影響を及ぼす。

本開示に従って、図７Ａ並びに図７Ｂを参照すると、周縁のノッチ６０は、電流伝導ピン４４に形成される。ノッチが付けられた電流伝導ピン４４を備えた電力端子フィードスルーは、ミクロな亀裂６３の存在でさえも、長期間のハーメチックの完全性をより信頼性があるようにして維持することができる。周縁のノッチ６０が電流伝導ピン４４の外面に形成されたとき、シーリング材料５８は、周縁のノッチ６０へと容易に流れ込むことができ、融着温度で周縁のノッチ６０を充填する。シーリング材料５８が冷却された後、突出部７０が、ミクロな亀裂６３の少なくとも一部分中を充填して、ハーメチックシールによっていかなる起こり得る漏れ経路も分断するように、周縁のノッチ６０に形成される。

高圧ヘリウムテスト、標準圧力ヘリウムテスト及び窒素ガス気泡テストを含むテスト（すなわち、ガスを含む囲いに対する漏れテスト）が、本開示に従って構成されたフィードスルーに対して行われ、これらのテストは、従来の電力端子フィードスルーと比較して、ハーメチックシールの破損が減少し、信頼性が向上されたことを示している。表１は、本開示の電力端子フィードスルー（テスト品Ａ）と、従来技術の電力端子フィードスルー（テスト品Ｂ）との両方のテストの結果を示している。テスト品Ａ及びＢの両方が、フィードスルーに漏れが起こり得るように、ミクロな亀裂を有する欠陥品に関して予め拒絶される電流伝導ピンを含む。欠陥を有するピンのいくつかは、起こり得る漏れ経路を分断するように、外面に２つの周縁のノッチ６０を形成するように機械加工され、テスト品Ａの電力端子フィードスルーに組み込まれた。欠陥を有するピンのいくつかは、さらなる機械加工プロセス又は処理を受けず、テスト品Ｂの電力端子フィードスルーに組み込まれた。２つの、離間された周縁のノッチ６０を有する電流伝導ピンを含む本開示の電力端子フィードスルーが、テストされ、各ノッチは、約３１μｍないし約１００μｍの範囲の深さを有する。

テスト結果によって示されるように、ノッチが付けられたピンを有する電力端子フィードスルーは、ノッチが付けられたピンなしの電力端子フィードスルー全体に対して、破損率（failure rate）のかなりの減少を示している。それ故、電流伝導ピンのミクロな亀裂の存在にもかかわらず、周縁のノッチが、シーリング材料と電流伝導ピンとの間のハーメチックシールを改良しているという妥当な結論が導かれることができる。

表２は、表１と同様のテスト結果を示している。同様に、テスト品Ａ及びＢは、電力端子フィードスルーに漏れを引き起こす可能性があるミクロな亀裂を有するとして予め拒絶される電流伝導ピンを含む。欠陥を有するピンのいくつかは、外面に２つの周縁のノッチ６０を形成するように機械加工され、テスト品Ａの電力端子フィードスルーに組み込まれた。欠陥を有するピンのいくつかは、さらなる機械加工プロセス又は処理を受けず、テスト品Ｂの電力端子フィードスルーに組み込まれた。しかし、表２では、電流伝導ピンの周縁のノッチの深さの範囲は、約１０３μｍないし約１８８μｍよりも大きい。

表２に示される結果から、周縁のノッチの深さを深くすることは、漏れ経路を分断する際に必ずしもより効果的でないと結論付けることが妥当である。

第２の実施の形態
図８を参照すると、本開示の第２の実施の形態に従う電流伝導ピン７２は、この電流伝導ピン７２の外面７６に、シーリング材料が融解されるシーリング領域に、１つのノッチ７４のみを規定していることができる。さらに、ノッチ７４の周縁は、９０°でない所定の角度で、長軸線に関して電流伝導ピンを囲むことができる。このノッチ７４は、ノッチ７４がピンの周りに閉じた経路を規定していれば（すなわち、ノッチ６２の始点がノッチ６２の終点と一致していれば）、起こり得る漏れ経路を効果的に分断することができる。

第３の実施の形態
図９Ａ並びに図９Ｂを参照すると、本開示の第３の実施の形態に従う電流伝導ピン８０は、１つの凹部のみを規定している。この凹部は、幅の広い周縁の溝８２の形態を取る。この幅の広い周縁の溝８２は、研削、圧延、又は他の適切な機械加工動作、もしくは鍛造動作によって形成されることができる。この周縁の溝８２は、外面８６に隣接している開端部８４と、開端部８４に対向している底端部８８とを有することができる。開端部８４及び底端部８８は、深さｄを規定している。

開端部８４は、底端部８８よりも幅が広いので、シーリング材料５８は、周縁の溝８２に容易に流れ込むことができる。この周縁の溝８２は、底壁４６の開口５６に、かつ、シーリング材料５８が融着するピン８０のシーリング領域に位置されている。

電流伝導ピン８０の直径Ｄは、２．２７６ｍｍないし２．２８７ｍｍの範囲にあり、この電流伝導ピンの長さは、約２６．９７ｍｍであり、ミクロな亀裂の長さは、５１μｍないし１６８μｍの範囲にあることができる。周縁の溝８２は、漏れ経路を効果的に遮断し減少させるように、２５０μｍ以下の深さｄを有するように形成されている。１５０μｍ以下の溝の深さは、より満足であることが証明されている。溝の幅は、約３ｍｍである。それ故、ピンの直径に対する溝の深さの比率（ｄ／Ｄ）は、０．００９以下、好ましくは、０．００６未満であることができる。

周縁の凹部（これに限定されないが、例えば、ノッチ、溝、窪みを含む）の形状及びサイズは、シーリング材料が融着温度で周縁の凹部に流れ込むことができる限り、適用形態に依存して変化することができることが理解され、認識される。

周縁の溝８２の増加された幅は、漏れ経路を効果的に分断するために、周縁の溝８２中に形成された、第１の実施の形態よりも大きな突出部を与える。例えば、気泡テストは、この実施の形態のフィードスルーが周縁の溝のない複数のピンを有するフィードスルーよりも低い破損率を有することを示している。

表３では、グループ１は、この実施の形態の周縁の溝を有する電流伝導ピンを含む９３，０１４のフィードスルーを含み、一方、グループ２は、周縁の溝のない電流伝導ピンを含む９２，１７０のフィードスルーを含む。グループ１及びグループ２のフィードスルーが、気泡テストを受けた。

表に示されるように、グループ１の９３，０１４のフィードスルーのうちの１は、気泡テストを満たさず、また、グループ２の９２１７０のフィードスルーのうちの１５は、気泡テストを満たさなかった。グループ１のフィードスルーの破損率は、１１ＰＰＭ（parts per million）であり、これは、グループ２のフィードスルーの破損率の１４１ＰＰＭよりも低い。

うまくいかなかったフィードスルーの分析は、フィードスルーの漏れがピンのミクロな亀裂の表面に起因することを示している。周縁の溝を有するフィードスルーの低い破損率は、周縁の溝が、漏れ経路を遮断し、かつ破損率を減少させる際に効果的であることを示している。

第４の実施の形態
図１０Ａ並びに図１０Ｂを参照すると、本開示の第４の実施の形態に従う電流伝導ピン９０は、周縁の溝９２の形態を取る凹部を含むことができる。この周縁の溝９２は、図９Ｂに示されるような台形形状と対比して、丸みが付けられた形状を有する。この周縁の溝９２は、図９Ａ並びに図９Ｂでと同様に、ピンの直径に対する溝の深さの所定の比率（ｄ／Ｄ）を有することができる。この周縁の溝９２は、圧延によって形成される。

本開示の電流伝導ピン４４、８２、９０は、ミクロな亀裂が電流伝導ピン４４、８２、９０の表面の所定の長さに沿って存在している可能性があっても、電流伝導ピン４４、８２、９０とガラス材料との間にハーメチックシールを与える。本開示のピンのデザインは、加工していないワイヤ材料から電流伝導ピンを製造するように、電流伝導ピンの供給者に適応性を与える。さらに、本開示のピンのデザインは、大規模なテストによる欠陥状態の軟ワイヤ又はピンの必要性をなくす。本開示のピンのデザインもまた、高いアニーリングのコストなく、本開示の電流伝導ピンを含むフィードスルーの破損率を減少させる。それ故、本開示の電流伝導ピンの製造のためのコストは、減少されることができる。

この記載は、単なる例示であり、従って、本開示の要旨から逸脱しない変形例が、本開示の範囲内に含まれることを意図している。本発明を適用可能なさらなる分野は、以上に与えられた詳細な説明から、当業者にとって明白であろう。説明並びに特定の例が、本発明の好ましい実施の形態を示しているが、これらは、説明のみを目的とすることを意図しており、この開示の範囲を限定することを意図するものではない。

Claims (14)

1. 貫通している開口を規定しているハウジングと、
   前記開口を貫通して延び、外面に、前記開口内に位置され、約３１μｍないし約２５０μｍの深さを有する周縁の凹部を有する少なくとも１つの電流伝導ピンと、
   前記周縁の凹部及び前記開口を十分に充填し、前記ピンと前記ハウジングとの間にシールを与えるために、前記少なくとも１つの電流伝導ピンと前記ハウジングとの両方に融着されるシーリングガラスと、を具備する電力端子フィードスルー。
2. 前記少なくとも１つの電流伝導ピンは、前記電流伝導ピンの長手方向に沿って離間された２つの周縁のノッチを規定している請求項１の電力端子フィードスルー。
3. 前記周縁のノッチの間の間隔は、約３ｍｍである請求項２の電力端子フィードスルー。
4. 前記周縁のノッチの深さは、約３１μｍないし約１８８μｍの範囲にある請求項２の電力端子フィードスルー。
5. 前記周縁のノッチの深さは、約３１μｍないし約１００μｍの範囲にある請求項２の電力端子フィードスルー。
6. 前記電流伝導ピンの直径に対する前記周縁のノッチの前記深さの比率は、約０．０１３５ないし約０．０８２６である請求項２の電力端子フィードスルー。
7. 前記周縁の凹部は、前記電流伝導ピンの長手方向に沿って約３ｍｍの幅を規定している請求項１の電力端子フィードスルー。
8. 前記周縁の凹部は、前記電流伝導ピンの径方向に沿って約１５０μｍの深さを規定している請求項７の電力端子フィードスルー。
9. 前記電流伝導ピンの直径に対する前記周縁の凹部の深さの比率は、約０．００６以下である請求項８の電力端子フィードスルー。
10. 前記電流伝導ピンは、約３．０ｍｍの幅を有する回転溝の形態の１つの凹部のみを規定している請求項１の電力端子フィードスルー。
11. 前記電流伝導ピンは、この電流伝導ピンの長手方向に沿って延びたミクロな亀裂を規定しており、
    前記周縁の凹部は、前記ミクロな亀裂を横切っている請求項１の電力端子フィードスルー。
12. 前記シーリング材料は、前記ミクロな亀裂を分断するように、前記周縁の凹部中に形成された突出部を有する請求項１２の電力端子フィードスルー。
13. 貫通している開口を規定しているハウジングと、
    前記開口を貫通して延び、外面及び２つの周縁のノッチを規定している少なくとも１つの電流伝導ピンと、
    前記周縁のノッチ及び前記開口を十分に充填し、前記少なくとも１つの電流伝導ピンと前記ハウジングとの間にシールを与えるために、前記少なくとも１つの電流伝導ピンと前記ハウジングとの両方に融着されるシーリングガラスと、を具備し、
    前記少なくとも１つの電流伝導ピンには、
    ミクロな亀裂が、前記ピンの前記外面に形成され、前記ピンの長軸線に沿った方向に延びており、前記周縁のノッチは、前記開口内に位置され、約３１μｍないし約１００μｍの深さを有しており、前記周縁のノッチは、前記ピンの前記長軸線に沿って約３ｍｍの間隔で離間されている、電力端子フィードスルー。
14. 貫通している開口を規定しているハウジングと、
    前記開口を貫通して延び、外面及び周縁の凹部を規定している少なくとも１つの電流伝導ピンと、
    前記周縁の凹部と前記開口とを十分に充填し、前記少なくとも１つの電流伝導ピンと前記ハウジングとの間にシールを与えるために、前記少なくとも１つの電流伝導ピンと前記ハウジングとの両方に融着されるシーリングガラスと、を具備し、
    前記少なくとも１つの電流伝導ピンには、
    前記ピンの前記外面に形成され、前記ピンの長軸線に沿った方向に延びたミクロな亀裂があり、前記周縁の凹部は、前記開口内に位置され、前記ミクロな亀裂を横切っており、前記周縁の凹部は、約１５０μｍ以下の深さと、前記電流伝導ピンの前記長軸線に沿った方向に測定されるような約３ｍｍの幅と、を有する、電力端子フィードスルー。

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