JP2020173982A - Airtight terminal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁材に複合ガラス材を用いた気密端子に関する。 The present invention relates to an airtight terminal using a composite glass material as an insulating material.
気密端子は、金属外環の挿通孔に絶縁材を介してリードを気密に封着したもので、気密容器内に収容された電気機器や素子に電流を供給したり、電気機器や素子から信号を外部に導出したりする場合に用いられる。特に金属外環とリードを絶縁ガラスで封着するGTMS(Glass−to−Metal−Seal)タイプの気密端子は、整合封止型と圧縮封止型の2種類に大別される。前述の気密端子において信頼性の高い気密封止を確保するには、外環およびリードの金属材と絶縁ガラスの熱膨張係数を適正に選択することが重要となる。封止用の絶縁ガラスは、金属外環とリードの素材、要求温度プロファイルおよびその熱膨張係数によって決定されている。整合封止の場合、金属材と絶縁ガラスの熱膨張係数が可能な限り一致するように封止素材を選定する。一方、圧縮封止は、金属外環が絶縁ガラスおよびリードを圧縮するように意図的に異なる熱膨張係数の金属材と絶縁ガラスの材料が選択されている。 An airtight terminal is an airtight terminal in which a lead is airtightly sealed in an insertion hole of a metal outer ring via an insulating material, and a current is supplied to an electric device or element housed in the airtight container, or a signal is sent from the electric device or element. Is used when deriving to the outside. In particular, GTMS (Glass-to-Metal-Seal) type airtight terminals that seal the metal outer ring and leads with insulating glass are roughly classified into two types, a matching sealing type and a compression sealing type. In order to ensure highly reliable airtight sealing in the above-mentioned airtight terminals, it is important to properly select the coefficient of thermal expansion of the metal material of the outer ring and the lead and the insulating glass. The insulating glass for sealing is determined by the material of the metal outer ring and lead, the required temperature profile and its coefficient of thermal expansion. In the case of matching sealing, the sealing material is selected so that the coefficients of thermal expansion of the metal material and the insulating glass match as much as possible. On the other hand, for compression sealing, a metal material and an insulating glass material having intentionally different coefficients of thermal expansion are selected so that the metal outer ring compresses the insulating glass and the lead.
従来の気密端子は高い気密信頼性ならびに電気絶縁性を確保するため、整合封止型気密端子においては、金属外環およびリード材に広い温度範囲でガラス材と熱膨張係数が一致しているコバール合金(Fe54%、Ni28%、Co18%)を使用して、両者をホウケイ酸ガラスからなる絶縁ガラスで封着し、圧縮封止型気密端子においては、使用温度範囲においてガラスに同心円状の圧縮応力が加わるように、炭素鋼またはステンレス鋼などの鋼製の金属外環と、鉄ニッケル合金(Fe50%、Ni50%)や鉄クロム合金(Fe72%、Cr28%)などの鉄合金のリード材を使用して、両者をソーダバリウムガラスからなる絶縁ガラスで封着していた。 In order to ensure high airtight reliability and electrical insulation of conventional airtight terminals, Kovar has the same thermal expansion coefficient as the glass material over a wide temperature range for the metal outer ring and lead material in the matching sealed airtight terminal. Using an alloy (Fe 54%, Ni 28%, Co 18%), both are sealed with insulating glass made of borosilicate glass, and in the compression-sealed airtight terminal, the compressive stress concentric with the glass in the operating temperature range. Uses a metal outer ring made of steel such as carbon steel or stainless steel, and a lead material of an iron alloy such as an iron-nickel alloy (Fe50%, Ni50%) or an iron-chromium alloy (Fe72%, Cr28%). Then, both were sealed with insulating glass made of sodabarium glass.
近年、気密端子の大電流容量化が求められるようになっている。例えば、コンビニエンス・ストアのようなスペースが限られた店舗内に設置する冷凍機用に小型かつ高性能なコンプレッサーが求められるようになっている。このように業務用途を中心に近年のコンプレッサーは、従来サイズに比し小型化される傾向にあるが、冷凍機の能力向上に伴ってコンプレッサーに取り付けられた気密端子を通る最大電流値は上昇する傾向にある。従来、冷凍機用気密端子のリード・ピンには、機械的強度や耐熱性の観点からリード材に鉄合金などの高抵抗金属を用いることが多い。このため、特に大電力用途向けの気密端子においては、過負荷時にジュール熱によってリード材を封止する絶縁ガラスが溶融してしまう危険性が増してきたといえる。また、大電力用途の気密端子は、リードを従来の鉄合金製のリード材から、銅やアルミニウム合金などの低抵抗金属製のリード材に変更することも提案されている。 In recent years, there has been a demand for a large current capacity of airtight terminals. For example, there is a growing demand for small, high-performance compressors for refrigerators installed in stores with limited space, such as convenience stores. In this way, compressors in recent years, mainly for commercial use, tend to be smaller than conventional sizes, but the maximum current value that passes through the airtight terminals attached to the compressor increases as the capacity of the refrigerator increases. There is a tendency. Conventionally, for the lead pin of an airtight terminal for a refrigerator, a high resistance metal such as an iron alloy is often used as the lead material from the viewpoint of mechanical strength and heat resistance. For this reason, it can be said that the risk of melting the insulating glass that seals the lead material due to Joule heat at the time of overload has increased, especially in the airtight terminal for high power applications. It has also been proposed to change the lead material of the airtight terminal for high power use from the conventional lead material made of iron alloy to a lead material made of low resistance metal such as copper or aluminum alloy.
気密端子の電流容量を大きくするために、銅やアルミニウムなどの低抵抗導体からなる比較的大線径のリードを用いることできれば便利である。しかし、これら低抵抗導体は熱膨張率が大きく、これをより熱膨張率の小さいホウ珪酸ガラスやソーダライムガラスの絶縁ガラスで封止すると、低抵抗導体リードの膨張と収縮に伴い半径方向に引張り応力が生じ、その結果シール界面またはリード軸方向にガラス内部を貫通するクラックが発生しリーク不良となり易いという欠点があった。また、熱膨張を上記低抵抗導体に整合させるため、Na2O、K2O等の含有量を増やした高アルカリ金属ガラスを用いて絶縁ガラスの膨張率を上げた場合は、ガラスの化学的耐久性が著しく低下してしまうため実用できないという課題があった。 In order to increase the current capacity of the airtight terminal, it would be convenient if a lead with a relatively large wire diameter made of a low resistance conductor such as copper or aluminum could be used. However, these low-resistance conductors have a large coefficient of thermal expansion, and when they are sealed with insulating glass of borosilicate glass or soda lime glass, which has a lower coefficient of thermal expansion, they are pulled in the radial direction as the low-resistance conductor leads expand and contract. There is a drawback that stress is generated, and as a result, cracks penetrating the inside of the glass in the direction of the seal interface or the lead axis are generated, and leak defects are likely to occur. Further, in order to match the thermal expansion with the low resistance conductor, when the expansion coefficient of the insulating glass is increased by using a highly alkali metal glass having an increased content of Na 2 O, K 2 O, etc., the glass is chemically expanded. There was a problem that it could not be put into practical use because its durability was significantly reduced.
本発明の目的は、大電流容量化に適合した複合ガラスを用いた気密端子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an airtight terminal using a composite glass suitable for increasing the current capacity.
本発明によれば、少なくとも1個の貫通孔を有した金属外環と、この金属外環の貫通孔に挿通した低抵抗導体を含むリードと、金属外環とリードとを封着する絶縁ガラスとを備え、該絶縁ガラスは、高膨張ガラスの内層材と、少なくともこの内層材の外径部を覆った該内層材より低膨張ガラスの外層材から構成した複合ガラスからなる気密端子が提供される。上記絶縁ガラスは、高膨張ガラスの内層材の表面にこれより低膨張のガラスからなる外層材を設けたことで、化学的耐久性に劣る高膨張ガラスを気密端子の封止材に用いても、高膨張ガラスの露出表面を低膨張ガラスの外層材が被覆しているため、内層材ガラスの化学的耐久性を気にせずに使用できる。また、封止時の加熱から冷却する過程でこの内層材の収縮に伴い外層材に生じる大きな圧縮応力を利用して外層材のガラスを強化し、外層材ガラスの機械的強度を向上させる。 According to the present invention, a metal outer ring having at least one through hole, a lead including a low resistance conductor inserted through the through hole of the metal outer ring, and an insulating glass for sealing the metal outer ring and the lead. The insulating glass is provided with an airtight terminal composed of an inner layer material of a highly expanding glass and a composite glass composed of an outer layer material of a lower expansion glass than the inner layer material covering at least the outer diameter portion of the inner layer material. Glass. In the above insulating glass, a high expansion glass having inferior chemical durability is used as a sealing material for an airtight terminal by providing an outer layer material made of a glass having a lower expansion on the surface of the inner layer material of the high expansion glass. Since the exposed surface of the high expansion glass is covered with the outer layer material of the low expansion glass, it can be used without worrying about the chemical durability of the inner layer glass. Further, in the process of cooling from heating at the time of sealing, the glass of the outer layer material is strengthened by utilizing the large compressive stress generated in the outer layer material due to the shrinkage of the inner layer material, and the mechanical strength of the outer layer material glass is improved.
本発明に係る気密端子10は、図1ないし図3に示すように、少なくとも1個の貫通孔11を有した金属外環12と、この金属外環12の貫通孔11に挿通した少なくとも低抵抗導体を含むリード13と、金属外環12とリード13とを封着する絶縁ガラス14とを備え、絶縁ガラス14は、リード12の側に配置された高膨張ガラスの内層材14aと、内層材14aの外側を覆って金属外環12の側に配置されており内層材14aよりも低膨張ガラスの外層材14bとで構成した複合ガラスからなる。上記構成により、電流容量の向上に有利な銅、アルミニウムなどの低抵抗導体またはこれら低抵抗導体を含むリード13を使用しながら、その熱膨張率に整合し、かつ封止時の加熱から冷却する過程でこの内層材14aの収縮に伴い外層材に生じる大きな圧縮応力を利用して外層材14bのガラスを強化し、外層材ガラスの機械的強度を向上させた複合ガラス絶縁材を有する気密端子を提供する。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
金属外環12は鉄または鉄基合金からなり、リード13は銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの低抵抗導体または図5に示すように鋼材の芯材23aに銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金など低抵抗導体の外被材23bを施した複合金属リード23からなる。鋼材は特に限定されないが、例えばJIS−SUH309、SUH310、SUH409、SUH409L、SUH446などが好ましい。
The metal outer ring 12 is made of iron or an iron-based alloy, and the
絶縁ガラス14を構成する内層材14aは、同外層材14bよりも高膨張のガラス材であれば何れの材料を使用してもよい。例えば、内層材14aの線膨張率は12〜18ppm/Kの範囲のホウ酸系ガラス(B2O3)、ボロンシリケート系ガラス(B2O3−SiO2)、亜鉛ホウ酸系ガラス(B2O3−ZnO)、アルカリボロンシリケート系ガラス(SiO2−B2O3−R2O[Rはアルカリ金属])、アルカリ土類シリケート系ガラス(SiO2−RO[Rはアルカリ土類金属])、リン酸系ガラス(P2O5)の群から選択されたガラス材を用いることができ、より好ましくは線膨張率12〜16ppm/Kの範囲のホウ酸系ガラス(B2O3)、ボロンシリケート系ガラス(B2O3−SiO2)、亜鉛ホウ酸系ガラス(B2O3−ZnO)、アルカリボロンシリケート系ガラス(SiO2−B2O3−R2O[Rはアルカリ金属])、アルカリ土類シリケート系ガラス(SiO2−RO[Rはアルカリ土類金属])、リン酸系ガラス(P2O5)の群から選択されたガラス材を用いると良い。内層材14aは、リード13を侵さず外層材14bに拡散し難く消失しないものが好ましい。絶縁ガラス14の外層材14bは、内層材14aよりも低膨張でかつ化学的耐久性、耐候性に優れたガラス材であれば何れの材料を使用してもよい。例えば、線膨張率が8〜8.5ppm/Kのソーダライムガラスが好適である。外層材14bは、絶縁ガラス14の封止時の冷却過程で内層材14aの収縮に伴う大きな圧縮応力を利用して強化ガラスとなる。
As the inner layer material 14a constituting the
なお、本明細書において三端子の気密端子を例示するが、リードを外環にガラス封止した気密端子であれば何れの形態を用いてもよく、例示した気密端子に限定されない。 Although the three-terminal airtight terminal is illustrated in the present specification, any form may be used as long as the lead is glass-sealed in the outer ring, and the airtight terminal is not limited to the illustrated airtight terminal.
本発明に係る実施例1の気密端子10は、図1ないし図3に示すように、3個の貫通孔11を有した炭素鋼の金属外環12と、この金属外環12の貫通孔11に挿通した銅合金のリード13と、金属外環12とリード13とを封着する絶縁ガラス14とを備え、絶縁ガラス14は、リード12の側に配置された線膨張率が12ppm/Kのアルカリボロンシリケート系ガラス(SiO2−B2O3−R2O)の内層材14aと、内層材14aの外側を覆って金属外環11の側に配置された線膨張率が8ppm/Kのソーダライムガラスの外層材14bとで構成した複合ガラスからなる。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
本発明に係る実施例2の気密端子10は、図1ないし図3に示すように、3個の貫通孔11を有したステンレス鋼の金属外環12と、この金属外環12の貫通孔11に挿通した銅合金のリード12と、金属外環11とリード12とを封着する絶縁ガラス13とを備え、絶縁ガラス13は、リード12の側に配置された線膨張率が16ppm/Kのリン酸系ガラス(P2O5)の内層材13aと、内層材13aの外側を覆って金属外環11の側に配置された線膨張率が8.3ppm/Kのソーダライムガラスの外層材13bとで構成した複合ガラスからなる。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
本発明に係る実施例3の気密端子20は、図4ないし図6に示すように、3個の貫通孔21を有したステンレス鋼の金属外環22と、この金属外環22の貫通孔21に挿通した鋼材の芯材23aに銅合金の外被材23bを施した複合金属リード23と、金属外環22とリード23とを封着する絶縁ガラス24とを備え、絶縁ガラス24は、リード23の側に配置された線膨張率が15ppm/Kのアルカリボロンシリケート系ガラス(SiO2−B2O3−R2O)の内層材24aと、内層材24aの外側を覆って金属外環22の側に配置された線膨張率が8.3ppm/Kのソーダライムガラスの外層材24bとで構成した複合ガラスからなる。
As shown in FIGS. 4 to 6, the
本発明に係る実施例4の気密端子20は、図4ないし図6に示すように、3個の貫通孔21を有したステンレス鋼の金属外環22と、この金属外環22の貫通孔21に挿通した鋼材の芯材23aに銅合金の外被材23bを施した複合金属リード23と、金属外環22とリード23とを封着する絶縁ガラス24とを備え、絶縁ガラス24は、リード23の側に配置された線膨張率が12ppm/Kの亜鉛ホウ酸系ガラス(B2O3−ZnO)の内層材24aと、内層材24aの外側を覆って金属外環22の側に配置された線膨張率が8ppm/Kのソーダライムガラスの外層材24bとで構成した複合ガラスからなる。
As shown in FIGS. 4 to 6, the
本発明に係る気密端子の外被材は、表面にニッケル、ニッケル燐、ニッケルボロンなど所望の仕上げめっきを施したものも利用できる。また、上記実施例に記載の芯材は、外被材のベース構造を構成できれば何れの材料を用いてもよい、例えば、鋼材、ステンレス鋼に限らず、適宜、Fe−Ni合金、Fe−Cr合金等に変更してもよい。同様に実施例に記載の外層材は、内層材よりも低膨張でかつ化学的耐久性、耐候性に優れたガラス材であればソーダライムガラスに限らず任意のガラス材を用いることができ、例えば、ホウ珪酸ガラス、ソーダバリウムガラス、アルカリ土類アルミノシリケートガラス、ボロンシリケートガラス、アルカリボロンシリケートガラスなどが利用できる。本発明の気密端子のリードおよび金属外環の一部にシリコーン樹脂等の絶縁被覆を装着させても差し支えない。 As the outer cover material of the airtight terminal according to the present invention, a material having a desired finish plating such as nickel, nickel phosphorus, nickel boron, etc. can also be used. Further, the core material described in the above embodiment may be any material as long as it can form the base structure of the outer cover material. For example, the core material is not limited to steel material and stainless steel, and Fe—Ni alloy and Fe—Cr are appropriately used. It may be changed to an alloy or the like. Similarly, as the outer layer material described in the examples, any glass material can be used as long as it is a glass material having lower expansion than the inner layer material and having excellent chemical durability and weather resistance, not limited to soda-lime glass. For example, borosilicate glass, soda-lime glass, alkaline earth aluminosilicate glass, boron silicate glass, alkaline boron silicate glass and the like can be used. An insulating coating such as silicone resin may be attached to a part of the lead of the airtight terminal and the outer ring of the metal of the present invention.
本発明は、特に高電圧・高電流に耐久し、かつ高い気密性が要求される気密端子に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to an airtight terminal that is particularly durable against high voltage and high current and requires high airtightness.
気密端子10、貫通孔11、金属外環12、リード13、絶縁ガラス14、内層材14a、外層材14b、気密端子20、貫通孔21、金属外環22、リード23、芯材23a、外被材23b、絶縁ガラス24、内層材24a、外層材24b。
Claims (10)
The airtight terminal according to claim 9, wherein the outer layer material is a glass material selected from the group of soda-lime glass, borosilicate glass, soda barium glass, alkaline earth aluminosilicate glass, boron silicate glass, and alkaline boron silicate glass.
Priority Applications (2)
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