JP6355202B2

JP6355202B2 - 高電流用気密端子

Info

Publication number: JP6355202B2
Application number: JP2014256837A
Authority: JP
Inventors: 大輔福島
Original assignee: Schott Japan Corp
Current assignee: Schott Japan Corp
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: JP2016119179A

Description

本発明は高電流用途に使用でき、かつ高い気密信頼性を有する圧縮封止型気密端子に関する。

気密端子は、金属外環また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。特に金属性の外環と金属性のリードを絶縁ガラスで封着する気密端子は、整合封止型と圧縮封止型の２種類に大別される。信頼性の高い気密封止を確立するには、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定し組み合わせることが重要である。封止用の絶縁ガラスは、金属外環とリードの素材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に意図的に圧力をかけられるよう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。

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必要がある。このため、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とガラス材の熱膨張係数が広い温度範囲で一致するように構成されている。例えば、コバール合金や鉄−ニッケル（４２％）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ている。一方、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、鉄またはステンレス鋼などの金属外環と、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。

特開昭６１−２６０５６０号公報

近年、高出力・高効率化の観点から気密端子にも高電流に対応可能なものを要求されるようになっている。従来型のリード材に鉄や鉄−クロムなどの高抵抗金属を使用した気密端子では、過大な電流で負荷をかけるとリード材の自己発熱によりリードに装着されている動力線の被覆が溶融するなどの問題があった。一方、気密端子のリード材を、従来の鉄合金から銅やアルミニウム合金などの低抵抗金属に変更できれば大電力への対応が可能となるが、低抵抗金属は熱膨張係数が高いため、一般的な封止に利用する絶縁ガラスでは気密性を確保する封止が不可能であった。無理に一般的な整合封止および圧縮封止用ガラスを使用した場合、気密性不足あるいはガラスクラックやリード脱落の可能性があり実用面に課題があった。

従来、銅芯リードを使った気密端子には、特許文献１に示されるような銅芯の表面を合金鋼で被覆した複合リード材を用いた気密端子がある。しかしながら、特許文献１の気密端子のリード材は、銅のインナコア表面に合金鋼のアウタジャケットを固着被覆してあるので、リードの電気抵抗を小さくするため、銅のインナコア径を大きくして合金鋼のアウタジャケットを薄くすると、銅の大きな熱膨張に合金鋼の被覆が抗しきれず追従してしまい充分な圧縮封止を得られない。逆にインナコアの銅径を小さくし合金鋼の被覆を厚くすると、所望のリード抵抗値を得ることが難しくなるという構造上の欠点があった。

また、パイプリードを使用した気密端子には、導出リードに高温度がかかりパイプリードに内部からの膨張圧力を加える可能性があるため、導出リードとパイプリード間に隙間を有する構造も提案されている。その場合、導出リード−パイプリード間に設けた隙間が不適当であったときは、めっき液が表面張力により内部まで入り込まないため、結果的に外側から確認不可な隙間内部にめっきの不着箇所が存在する可能性がある。その部位がむき出しになったまま実機稼働すると、大気中の水分や、塩分雰囲気のあるような環境下では、材料腐食による気密性および強度劣化の可能性があり、長期高信頼性のターミナルとしての機能を保持できない。また、上記隙間が狭すぎたときには、入り込んだめっき液の除去が困難であるので同様に内部腐食の原因となる。

本発明の目的は、上記課題を解消するため提案するものであり、ＧＴＭＳ（Ｇｌａｓｓ-ｔｏ-Ｍｅｔａｌ-Ｓｅａｌ）タイプの気密端子に高電流を負荷することの出来るターミナル等の気密端子として適用可能とするため、導出リード材に銅材などの低抵抗金属を使用しながら、あらゆる環境負荷での長期使用にも耐えうる気密端子を提供することにある。

本発明によれば、金属外環と、この金属外環に挿通したパイプリードと、金属外環の内壁とパイプリードの外径とを気密に封着する絶縁ガラスと、パイプリードを貫通した低抵抗金属からなる導出リードを備え、導出リードの熱膨張を緩衝するために設けた隙間部分に、高絶縁性および延性、撥水性を有する絶縁材料を充填したことを特徴とする圧縮封止型気密端子が提供される。

本発明の第２の観点によると、導出リードとパイプリード間の導通接合箇所以外の空間に熱伝導性の高い高絶縁材料を充填し、金属外環の天板面から高絶縁材料を盛り上げて突設させた構造にすることにより、通電時に発熱する導出リードからの熱量を放出するヒートシンクの代替材として機能させ、より高電流を通電することを可能とした圧縮封止型気密端子が提供される。

本発明に係る圧縮封止型気密端子は、絶縁ガラスと対向する位置にあるパイプリードの内壁面と導出リードの外径との一部が通電可能な接合を施されており、接合部以外の導出リードとパイプリード間に存在する空間に高絶縁性材料が充填された構造を形成しており、絶縁ガラスに金属外環とパイプリードの圧縮応力を負荷させながら、導出リードの熱膨張を空間部に存在する延性のある高絶縁材料で緩和することができるので、熱膨張係数が大きい低抵抗金属を導出リードに使用した圧縮封止型気密端子を実現することができる。本発明に係る気密端子は、導出リードとパイプリード間に隙間が無い構造になっているため、導出リード−パイプリード間のめっき不着箇所のような材料素地が表に出ている状態であっても、撥水性のある高絶縁材料が充填されていることで、あらゆる環境下でも高信頼性を確保できる構造となっている。

本発明により、金属外環に用いられる鉄および鉄基合金より熱膨張が過大であるため、これまで気密端子のリード材として用いることができなかった高熱膨張係数材料を、腐食雰囲気下に曝しても侵されることなく導出リードに用いることができる。さらには、高熱膨張係数材料である銀材、銅材またはその合金などの低抵抗金属を気密端子の導出リードに用いることができるので、高出力のコンプレッサー、ポンプかつ高電流用途のデバイスに対応が容易な気密端子を圧縮封止で安定に製造することができる。また、金属外環とパイプリードの熱膨張係数差で絶縁ガラスにコンプレッションが働き、リーク洩れの惧れがなくなる。

本発明に係る圧縮封止型気密端子１０の正面断面図を示す。本発明に係る圧縮封止型気密端子２０の正面断面図を示す。本発明に係る圧縮封止型気密端子３０の正面断面図を示す。

以下、本発明の気密端子について、図面を参照しながら説明する。

本発明の圧縮封止型気密端子１０は、図１に示すように鉄または鉄合金の金属外環１１と、金属外環１１に挿通した鉄合金のパイプリード１２と、金属外環１１の内壁とパイプリード１２の外径とを気密に封着する絶縁ガラス１３と、パイプリード１２を貫通した銀、銅、アルミニウムまたは銀合金、銅合金、アルミニウム合金などの低抵抗金属からなる導出リード１４とを備え、導出リード１４の熱膨張の緩衝およびめっき不着の外部露出を防止するためのシリコーンゴムまたは樹脂１５を充填し、導出リード１４は、ロウ材などの接合材を充填した接合部１６によりパイプリード１２と気密に接合させたことを特徴とする。接合部１６は、予めパイプリード１２の上部開口に沿ってリング状の接合材を設置しておき、これを加熱溶融することでパイプリード１２と導出リード１４の間隙部の片側開口端の全周を接合材で気密に接合して形成する。パイプリード１２の開口に沿ってリング状に配置した接合材は、加熱溶融され開口を埋めて接合部１６を形成する。接合材は、ガラス封着炉で溶融接合させてもよい。この場合、絶縁ガラスの封着と同時に接合材の接合封止を完了することができる。次に、高絶縁材の充填となるが、粘土状シリコーンゴムの場合は、加熱加圧可能なプレス機にてパイプリード１２上に適量を乗せる。あるいは、液状シリコーンの場合は、適量を塗布後真空脱泡により内部大気を完全に放出した後、硬化必要温度まで固定加熱炉などを用いてシリコーンゴムの硬化作業を行う。

本発明の圧縮封止型気密端子２０は、図２に示すように、鉄または鉄合金の金属外環２１と、金属外環２１に挿通した鉄合金のパイプリード２２と、金属外環２１の内壁とパイプリード２２の外径とを気密に封着する絶縁ガラス２３と、パイプリード２２を貫通した銀、銅、または銀合金、銅合金などの低抵抗金属からなる導出リード２４とを備え、導出リード２４の熱膨張の緩衝およびめっき不着の外部露出を防止するためのシリコーンゴムまたは樹脂２５を端子上下面から充填し、導出リード２５は、ロウ材などの接合材を充填した接合部２６によりパイプリード１２と気密に接合させたことを特徴とする。この場合のシリコーンゴムは粘土状が好ましく、両側から同時に加熱加圧プレス成型を実施することにより、片側と同様の作業時間にて形状を生産することが出来る。両側に段差が構成される場合は、素地の外部露出面積が大きくなり、より高信頼性への劣化が懸念される。その場合、シリコーンゴム２５を両側に充填することにより、両側の導出リード２１とパイプリード２２の素地の外部露出部分が保護され、高い信頼性が長期に渡り確保できることを実現できる。

本発明の圧縮封止型気密端子３０は、図３に示すように、鉄または鉄合金の金属外環３１と、金属外環３１に挿通した鉄合金のパイプリード３２と、金属外環３１の内壁とパイプリード３２の外径とを気密に封着する絶縁ガラス３３と、パイプリード３２を貫通した銀、銅、または銀合金、銅合金などの低抵抗金属からなる導出リード３４とを備え、導出リード２４の熱膨張の緩衝およびめっき不着の外部露出を防止するためのシリコーンゴムまたは樹脂３５を端子片側から充填し、導出リード３４は、ロウ材などの接合材を充填した接合部３６によりパイプリード３２と気密に接合されており、パイプリード３２の内部構造が傾斜状にしたことを特徴とする。この場合、液状シリコーンゴムを挿入する際の挿入性が良好となり真空加圧により脱泡性も良好で、充填および脱泡作業の時間短縮が可能となる。

上述した発明の実施形態の気密端子は、何れも金属外環とパイプリードを用いて絶縁ガラスを圧縮封止するとともに、パイプリードと導出リードとの間に撥水性かつ延性を持つ高絶縁材料を充填している。この充填部により、パイプリードの隙間が被覆されるので外部露出部へのめっき不着の問題が無くなり、かつロウ材接合時に部品めっきされた導出リード材から素地が露出した場合でも腐食等されないよう保護でき、気密性や使用環境の制限を無くして長期信頼性のある圧縮封止の気密端子を実現する。また、充填する高絶縁材料に熱伝導性の良好な材料を選定した場合、金属外環の外部まで高絶縁材料を盛り上げる構造にすることで、導出リード通電時の温度上昇をより低温に抑えることができる。また、導出リードに垂直方向の負荷がかかる場合は、導出リードとパイプリード間に隙間が存在する場合、軸線が偏心し易く負荷が接合部に集中してしまうなど却って好ましく無い。本発明に係る気密端子において該隙間を充填したことの効果として、負荷を接合部のみにかけることが無く、充填剤が補強の役割を果たすことができる。

本発明に係る圧縮封止型気密端子の金属外環には、特に図示しないが、必要に応じて段差を有する構造であっても問題は無い。

本発明に係る実施例１の圧縮封止型気密端子１０は、外径１００ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚さ１５ｍｍの冷間圧延鋼（ＪＩＳＳＳ４００相当）の金属外環１１と、金属外環１１に挿通した外径１０ｍｍ、内径６ｍｍ、厚さ２ｍｍの鉄ニッケル合金（Ｆｅ５０％，Ｎｉ５０％）のパイプリード１２と、金属外環１１の内壁とパイプリード１２の外径とを気密に封着するソーダバリウムガラスの絶縁ガラス１３と、パイプリード１２を貫通した直径４ｍｍ、長さ１００ｍｍの銅からなる導出リード１４とを備え、導出リード１４とパイプリード１２の一部を銀ロウ材で両者を接合し、接合箇所以外の導出リード１４とパイプリード１２の内部空間を、高絶縁材料のシリコーンゴムで充填する。なお、パイプリード１２は、鉄ニッケル合金に替えて鉄クロム合金を使用してもよい。

本発明に係る実施例２の圧縮封止型気密端子２０は、外径１００ｍｍ、内径２５ｍｍ、厚さ１０ｍｍの４２アロイ（Ｎｉ４２％、Ｆｅ残）の金属外環２１と、金属外環２１に挿通した外径１９ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのコバール合金（Ｃｏ２９％、Ｎｉ１９％、Ｆｅ残）のパイプリード２２と、金属外環２１の内壁とパイプリード２２の外径とを気密に封着するボロンシリケートガラスの絶縁ガラス２３と、パイプリード２２を貫通した直径１５ｍｍ、長さ８０ｍｍのニッケルめっき銅材からなる導出リード２４とを備え、導出リード２４とパイプリード２２の中央の一部を銀ロウ材で両者を接合し、接合箇所以外の上下に存在する導出リード２４とパイプリード１２の内部空間を、高絶縁材料のシリコーンゴムで充填する。シリコーンゴムは、高絶縁性に加え高放熱性を有する素材であるため、シリコーンゴムがリードと金属外環との熱結合を向上させ、リードの放熱を補助する。従って、従来型の気密端子の構成では、ガラス−金属外環のみの熱伝導でリードの発熱を放熱することが困難である場合にも、圧縮封止型気密端子２０を好適に使用できる。また、リードの通電発熱が小さい場合は、使用温度によりシリコーンゴムに替えてエポキシ系あるいはポリイミド系樹脂を用いることも可能である。

本発明に係る実施例３の圧縮封止型気密端子３０は、外径１００ｍｍ、内径３０ｍｍ、厚さ１５ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４の金属外環３１と、金属外環３１に挿通した外径２０ｍｍ、内径１６．２ｍｍ、厚さ１．９ｍｍの鉄クロム合金（Ｃｒ２５％、Ｆｅ残）のパイプリード３２と、金属外環３１の内壁とパイプリード３２の外径とを気密に封着するソーダバリウムガラスの絶縁ガラス３３と、パイプリード３２を貫通した直径１６ｍｍ、長さ１００ｍｍのニッケルめっき銅材からなる導出リード３４とを備え、導出リード３４とパイプリード３２の一部を銀ロウ材で両者を接合し、接合箇所以外の導出リード３４とパイプリード３２の内部空間を、高絶縁材料のシリコーンゴムで充填する。なお、パイプリード３２は、高絶縁材料の素材が液状のため、充填や内部気泡抜けが容易なように、傾斜構造を有しており作業性を向上させる構造となっている。

本発明は、特に高電圧・高電流に耐久し、高絶縁性が要求される気密端子に利用できる。

１０，２０，３０・・・圧縮封止型気密端子、
１１，２１，３１・・・金属外環、
１２，２２，３２・・・パイプリード、
１３，２３，３３・・・絶縁ガラス、
１４，２４，３４・・・導出リード、
１５，２５，３５・・・絶縁材（シリコーンゴムまたは樹脂）、
１６，２６，３６・・・接合部。

Claims

金属外環と、この金属外環に挿通したパイプリードと、前記金属外環の内壁と前記パイプリードの外径とを気密に封着する絶縁ガラスと、前記パイプリードを貫通した低抵抗金属からなる導出リードを備え、前記導出リードと前記パイプリード間に前記導出リードの熱膨張を緩衝するために設けた隙間部分を有し、この隙間部分全部に、撥水性かつ延性を持つ絶縁材を充填し、前記隙間部に存在する延性のある前記絶縁材で前記熱膨張を緩和すると共に、前記金属外環の少なくとも片側の天板面から前記絶縁材を盛り上げて突設させて、前記絶縁材が前記両リードと前記金属外環との熱結合を向上させ前記両リードの放熱を補助することを特徴とする圧縮封止型気密端子。
前記絶縁材は、熱伝導性シリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮封止型気密端子。