JP7189842B2

JP7189842B2 - 耐熱衝撃用容器

Info

Publication number: JP7189842B2
Application number: JP2019102758A
Authority: JP
Inventors: 隆寛上野; 諭史豊田; 健太郎菊地
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2022-12-14
Anticipated expiration: 2039-05-31
Also published as: JP2020198181A

Description

本開示は、耐熱衝撃用容器に関する。

地球温暖化等の環境問題に対する意識の高まりを背景に、ＥＶ（Electric Vehicle）等の環境対応車の需要が高まってきている。そして、このような環境対応車には、二次電池とモータ・インバーターとを安全にオンオフできるように、ＥＶリレーが搭載されている。

ここで、ＥＶリレーは、上部と、この上部に繋がり筒状に延びる側部とを備え、この側部に囲まれた部分が開口しているキャップ状の耐熱衝撃用容器（ＥＶリレー用容器）を備えている。耐熱衝撃用容器は、上部に貫通孔を有している。ＥＶリレーは、さらに、貫通孔内に位置する固定端子と、耐熱衝撃用部容器内において固定端子に対向して位置する可動端子と、耐熱衝撃用容器の開口部分に位置する金属部材と、可動端子および金属部材を繋げるバネ等の弾性体と、を備えている。そして、ＥＶリレーがオンのときは、固定端子に可動端子が接しており、ＥＶリレーがオンからオフに変わるときは、固定端子から可動端子が離れる仕組みになっている。

そして、このような耐熱衝撃用容器には、絶縁性および耐熱性の観点から、セラミックスが広く採用されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１２－８９４８９号公報

ＥＶリレーがオンからオフに変わるにあたって、固定端子から可動端子が離れるとき、固定端子および可動端子の間にアーク（円弧状の放電スパーク）が発生する。このアークについては、磁場によりアークを引き延ばすことにより消滅（以下、消弧と記載する。）させている。

近年では、環境対応車に使用される二次電池が、ニッケル水素電池からリチウムイオン電池へ置き換わってきている。ここで、リチウムイオン電池を使用する場合、ＥＶリレーがオンのときに流れる電流は高電圧かつ大電流となるため、ＥＶリレーがオンからオフに変わるときに発生するアークの放電電圧が大きい。

このように、アークの放電電圧が大きくなると、アークが消弧する際に、耐熱衝撃用容器には大きな熱エネルギーが加わり、耐熱衝撃用容器の側部における上部に近い部位にクラックが入って破損しやすい。このとき、クラックの進展方向は、側部の厚み方向である。

本開示は、このような事情を鑑みて案出されたものであり、アークが消弧する際に破損しにくい耐熱衝撃用容器を提供することを目的とする。

本開示の耐熱衝撃用容器は、セラミックスからなり、上部と、該上部に繋がり筒状に延
びる側部とを備えるキャップ状である。そして、前記側部が延びる方向を第１方向としたとき、前記側部の前記第１方向の長さを３等分したうちの前記上部の近くに位置する領域Ｒにおいて、前記領域Ｒの前記第１方向に沿った断面における複数の気孔のアスペクト比の平均値Ａが１．４以上である。

本開示の耐熱衝撃用容器は、使用にあたって破損しにくい。

本開示の耐熱衝撃用容器を備えるＥＶリレーの一例を示す斜視図である。本開示の耐熱衝撃用容器を備えるＥＶリレーの一例を示す縦断面図である。領域Ｒにおける第１方向に沿った断面の一例を示す模式図である。領域Ｒにおける第２方向に沿った断面の一例を示す模式図である。

本開示の耐熱衝撃用容器について、図面を参照しながら、以下詳細に説明する。

図１は、本開示の耐熱衝撃用容器を備えるＥＶリレーの一例を示す斜視図であり、図２は縦断面図である。

ＥＶリレー２０は、図１および図２に示すように、貫通孔３を有する耐熱衝撃用容器１０と、固定端子４と、可動端子５と、弾性体６と、金属部材７とを備える。耐熱衝撃用容器１０は、上部１と、この上部１に繋がり筒状に延びる側部２とを備えるキャップ状である。側部２の延びる方向は、図２において符号Ｆで示す方向であり、この方向が第１方向である。また、この第１方向に直交する方向が第２方向であり、図２において符号Ｓで示している。

また、耐熱衝撃用容器１０単体においては、側部２の端部（上部１から離れた部分）の内面２ａに囲まれた部分が開口しており、この開口から上部１までの部分が、空間となっているキャップ状である。なお、図１および図２においては、上部１の正面視形状として四角形状を示しているが、この形状に限定されるものではなく、円形状であってもよい。

そして、本開示の耐熱衝撃用容器１０は、セラミックスからなり、複数の気孔を有する。セラミックスとしては、酸化アルミニウム質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等を用いることができる。そして、セラミックスの中でも、耐熱衝撃用容器１０が酸化アルミニウム質セラミックスからなるときには、セラミックスの中で、原料価格や作製コストまで含めて比較的安価でありながら、優れた機械的特性を有する。

ここで、酸化アルミニウム質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、酸化アルミニウムを７０質量％以上含有するものである。なお、他のセラミックスについても同様である。

そして、耐熱衝撃用容器の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて、対象の耐熱衝撃用容器を測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値より、ＪＣＰＤＳカードと照合する。ここでは、ＸＲＤにより酸化アルミニウムの存在が確認された場合を例に挙げて説明する。次に、ＩＣＰ発光分光分析装置（ＩＣＰ）または蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて、アルミニウム（Ａｌ）の定量分析を行なう。そして、ＩＣＰまたはＸＲＦで測定したＡｌの含有量から酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）に換算した値である含有量が７０質量％以上であれば、耐熱衝撃
用容器の材質は酸化アルミニウム質セラミックスである。

そして、耐熱衝撃用容器１０において、上部１および側部２の境界は、上部１の内面２の延長線とする。そして、この延長線から側部２の端部までを側部２の長さとする。側部２は、第１方向に延びるものであるため、側部２の第１方向の長さともいうことができる。また、内面２ａから外面２ｂまでの距離が側部２の厚みである。そして、図２に示すように、側部２の第１方向の長さを３等分したうちの上部１の近くに位置する部分を領域Ｒとする。

耐熱衝撃用容器１０の大きさとしては、例えば、上部の正面視の大きさが３００ｍｍ^２～１５００ｍｍ^２程度であり、側部２の長さが１５ｍｍ～３５ｍｍであり、側部の厚みが１ｍｍ～８ｍｍである。

次に、図３は、領域Ｒにおける第１方向に沿った断面の一例を示す模式図である。図３において、上から下への方向が第１方向であり、左右方向が第２方向である。また、位置関係としては、図３に示す模式図外の上方に上部１が位置し、図３における奥行方向に側部２の内面２ａ若しくは外面２ｂが位置するものである。

本開示の耐熱衝撃用容器１０は、領域Ｒの第１方向に沿った断面において、複数の気孔のアスペクト比の平均値Ａが１．４以上である。ここで、アスペクト比とは、１つの気孔において、長径を短径で除したものである。長径とは、対象の気孔のうち最も長い部分の長さのことであり、短径とは、長径に垂直方向で最も長い部分の長さのことである。なお、図３においては、図が煩雑にならないように、長径を第２方向に、短径を第１方向に揃えて示している。

本開示の耐熱衝撃用容器１０は、領域Ｒの第１方向に沿った断面において、複数の気孔のアスペクト比の平均値Ａが１．４以上であることにより、存在する気孔が長径を直径とした円形であるときよりも、面積占有率が小さく、第１方向へ熱が伝わりやすいため、このような気孔は、アークが消弧する際のクラックの起点になりにくい。これに対し、複数の気孔のアスペクト比の平均値Ａが１．４未満では、第１方向への伝熱効果が小さい。

複数の気孔のアスペクト比の平均値Ａは、２．０以下であってもよい。このような構成を満たすときには、第１方向への伝熱効果を有しながら、気孔がクラックの起点になりにくい。

また、領域Ｒにおける気孔率が１０％以下であってもよい。このような構成を満たすときには、気孔が多すぎないため、第１方向への伝熱効果を有しながら、クラックの起点になりにくい。なお、気孔率に関し、上記において下限値を設けていないが、本開示の耐熱衝撃用容器は複数の気孔を有するものであり、気孔率が０％ということはない。下限値として記載するとすれば、１％である。

また、領域Ｒにおける複数の気孔の重心間距離の平均値が４０μｍ以上であってもよい。このような構成を満たすときには、気孔同士の距離が近すぎないため、第１方向への伝熱効果を有しながら、クラックの起点になりにくい。なお、複数の気孔の重心間距離の平均値に関し、上記において上限値を設けていないが、限りなく離れているというものではない。上限値として記載するとすれば、２００μｍ以下である。

次に、図４は、領域Ｒの第１方向に直交する第２方向の断面の一例を示す模式図である。４において、模式図外の上方に内面２ａが位置し、下方に外面２ｂが位置する。下方に内面２ａが位置し、上方に外縁２ｂが位置するというものであってもよい。そして、図示
面における奥行方向は、第１方向である。

本開示の耐熱衝撃用容器１０は、領域Ｒの第１方向に直交する第２方向沿った断面における複数の気孔のアスペクト比の平均値Ｂが、平均値Ａより小さくてもよい。平均値Ａが１．４であれば、平均値Ｂは１．４未満ということである。また、真円のアスペクト比は１であることからすれば、平均値Ｂは、１以上１．４未満である。さらに、領域Ｒの第１方向に直交する第２方向の断面の複数の気孔の形状が、領域Ｒの第１方向において確認された複数の気孔の形状よりも、真円に近くてもよいということもできる。

このような構成を満たしているときには、図示における上下方向である側部２の厚み方向（第２方向）に熱が伝わりにくいが故に、第１方向への熱が伝わりやすい。

また、本開示の耐熱衝撃用容器１０は、領域Ｒの第１方向に沿った断面における複数の気孔の第１方向の平均長さ１と、領域Ｒの第１方向に直交する第２方向に沿った断面における複数の気孔の第２方向の平均長さ２とにおいて、平均長さ２／平均長さ１が１．４以上であってもよい。このような構成を満たすとき、気孔は、アークが消弧する際のクラックの起点になりにくい。

次に、領域Ｒの第１方向に沿った断面における複数の気孔のアスペクト比の平均値Ａ（以下、単に平均値Ａと記載する場合がある。）、領域Ｒにおける気孔率（以下、単に気孔率と記載する場合がある。）、領域Ｒにおける複数の気孔の重心間距離の平均値（以下、単に重心間距離の平均値と記載する場合がある。）、領域Ｒの第１方向に直交する第２方向に沿った断面における複数の気孔のアスペクト比の平均値Ｂ（以下、単に平均値Ｂと記載する場合がある。）の測定方法について説明する。

まず、第１方向に沿って領域Ｒを切断し、この切断面をクロスセクションポリッシャー（ＣＰ）にて研磨した断面を第１面とする。また、第１方向に直交する第２方向に沿って切断し、この切断面をクロスセクションポリッシャー（ＣＰ）にて研磨した断面を第２面とする。平均値Ａ、気孔率、重心間距離の平均値は、第１面を観察する。平均値Ｂについては、第２面を観察面とする。

次に、それぞれの観察面を、マイクロスコープ（例えば、(株)キーエンスのデジタルマイクロスコープＶＨＸ－５０００）を用いて５００倍の倍率で撮影する。そして、撮影した写真における、例えば、面積が２０００００μｍ^２以上８００００００μｍ^２以下となる範囲に対して、画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製、なお、以降に画像解析ソフト「Ａ像くん」と記した場合、旭化成エンジニアリング（株）製の画像解析ソフトを示すものとする。）にて画像解析を行なう。平均値Ａ、平均値Ｂについては、測定上は気孔を粒子とみなして、「粒子解析」という手法を適用し、個々の気孔の最大長と最小幅を測定する。個々の気孔の最大長を最小幅で割った値の平均値により、平均値Ａ、平均値Ｂを求める。気孔率については、同様に粒子解析という手法を適用し、測定総面積に占める、気孔の面積の合計の割合（面積率（％））により求める。重心間距離については、分散度計測という手法を適用する。ここで、画像解析ソフト「Ａ像くん」の解析条件としては、例えば、粒子の明度を「暗」、２値化の方法を「自動」、小図形除去面積を０．１μｍ、雑音除去フィルタを「有」、２値化画像補正を「直線分離」、表示方法を「重ね合わせ」とすればよい。

次に、本開示の耐熱衝撃用容器の製造方法について以下に説明する。ここでは、耐熱衝撃用容器が、酸化アルミニウム質セラミックスからなる場合を例に挙げて説明する。

まず、主原料として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末を準備する。また、焼結助剤
として、酸化珪素（ＳｉＯ_２）粉末、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）粉末および炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）粉末を準備する。

次に、焼成後において酸化アルミニウムの含有量が７０質量％以上となるように、各粉末（主原料および焼成助剤）を秤量した後混合し、さらにイオン交換水と分散剤を添加し、公知の方法、例えばボールミルによる湿式粉砕を行なうことで、１次スラリーを作製する。

ここで、上記各粉末の合計（上記各粉末の合計を固形分という。）を１００質量部としたとき、１次スラリー中の含水量が３０～８０質量部となるように、イオン交換水を添加する。分散剤として、ポリアクリル酸アンモニウム（ＰＡＡ）などを、固形分１００質量部に対して、０．０２質量部以上０．５質量部添加する。

次に、１次スラリーに、有機バインダ、離型剤を添加し、さらに混合し、２次スラリーを作製する。ここで有機バインダは、固形分１００質量部に対して６質量部以上１０質量部以下添加する。また、バインダとしては、分子量１００００～１０００００程度のアクリル樹脂を用いる。

次に、２次スラリーを公知の方法で噴霧乾燥し、顆粒を作製する。ここで、スラリーの噴霧乾燥時におけるディスクの回転数は、５０００ｒｐｍ以上１００００ｒｐｍ以下とする。

次に、耐熱衝撃用容器となる形状の金型を準備する。そして、金型に顆粒を充填し、一軸プレス成形する。このとき、プレス成形圧は、５０ＭＰａ以上１７０ＭＰａ以下にする。その後、公知の焼成方法で焼成することにより、耐熱衝撃用容器を得ることができる。

なお、平均値Ａを２．０以下にするには、１次スラリー中の含水量を４０～６０質量部、プレス成形圧を６０ＭＰａ以上１７０ＭＰａ以下にすればよい。

また、領域Ｒにおける気孔率を１０％以下にするには、１次スラリーへ添加する分散剤の量は、固形分１００質量部に対し０．０２質量部以上０．２質量部以下にすればよい。

また、領域Ｒにおける複数の気孔の重心間距離の平均値を４０μｍ以上にするには、スラリーの噴霧乾燥時におけるディスクの回転数を６０００ｒｐｍ以上１００００ｒｐｍ以下とすればよい。このとき、ディスクの直径が約８ｃｍ～２１ｃｍのため、ディスクの周速度は、２５ｍ／秒以上１１０ｍ／秒以下である。

また、領域Ｒの第１方向に直交する第２方向の断面における複数の気孔のアスペクト比の平均値Ｂが、平均値Ａより小さいものとするには、１次スラリー中の含水量を３０～６０質量部、プレス成形圧を１００ＭＰａ以上１７０ＭＰａ以下にする。

１：上部
２：側部
２ａ：内面
２ｂ；外面
３（３ａ、３ｂ）：貫通孔
４（４ａ、４ｂ）：固定端子
５：可動端子
６：弾性体
７：金属部材
１０：耐熱衝撃用容器
２０：ＥＶリレー

Claims

セラミックスからなり、
上部と、
該上部に繋がり筒状に延びる側部とを備えるキャップ状であり、
前記側部が延びる方向を第１方向としたとき、前記側部の前記第１方向の長さを３等分したうちの前記上部の近くに位置する領域Ｒにおいて、
前記領域Ｒの前記第１方向に沿った断面における複数の気孔のアスペクト比の平均値Ａが１．４以上であり、
前記領域Ｒにおける気孔率が１０％以下である、耐熱衝撃用容器。
前記アスペクト比の平均値Ａが２．０以下である、請求項１に記載の耐熱衝撃用容器。
前記領域Ｒにおける前記複数の気孔の重心間距離の平均値が４０μｍ以上である、請求項１または２に記載の耐熱衝撃用容器。
前記領域Ｒの前記第１方向に直交する第２方向の断面における前記複数の気孔のアスペクト比の平均値Ｂが、前記平均値Ａより小さい、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の耐熱衝撃用容器。