WO2017057554A1 - 高容量リレー用気密端子およびその気密端子を用いた高容量リレー用接点装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係る高容量リレー用気密端子は、通孔（１１）を有する金属容器（１２）と、この通孔（１１）に挿通したパイプリード（１３）と、該金属容器（１２）とパイプリード（１３）とを気密に封着する絶縁ガラス（１４）と、パイプリード（１３）を貫通し該パイプリード（１３）に気密に固着した低抵抗金属からなる端子台（１５）とを備えている。

Description

高容量リレー用気密端子およびその気密端子を用いた高容量リレー用接点装置

　本発明は高容量リレーに用いられる気密端子およびその気密端子を用いたリレー用接点装置に関する。

　国内外の自動車メーカーは、地球温暖化などの環境問題への対策として、ハイブリッド車（以下、ＨＥＶと略記）を実用化している。ＨＥＶは、現在、大型車やＲＶ車などにも展開されている。電気自動車（以下、ＥＶと略記）の開発も活発化している。ＨＥＶおよびＥＶは、大きなモータ出力を要し、搭載されるバッテリーも高容量のものとなる。

　このためＨＥＶやＥＶを安定かつ効率的に駆動させるには、高性能な高容量リレーが不可欠である。車載用の高容量リレーは、限られたスペースに取り付けられるため小型軽量化が要求される。またリレーの通電性能を向上させるため、通電部分に低抵抗金属を用いながらも連続通電時の温度上昇を極力抑制する必要がある。さらに車載部品のため、過酷な振動や温度負荷に耐える頑健性および信頼性も求められる（非特許文献１参照）。

　このような高容量リレーとして、たとえば、特開２０１５－０４６３７７号公報（特許文献１）に記載される電磁継電器がある。この電磁継電器は、電磁石装置と、接点装置と、トリップ装置とを備えている。

　電磁石装置は、第１の励磁コイルと可動子と第１の固定子とを有し、第１の励磁コイルへの通電時に生じる磁束によって第１の固定子に可動子を吸引し、この可動子を第２の位置から第１の位置へ移動させる。

　接点装置は、固定接点および可動接点を有し、可動子の移動に伴って可動接点が移動することにより、可動子が第１の位置にあるときに可動接点が固定接点に接触する閉状態となり、可動子が第２の位置にあるときおよび第３の位置にあるときに可動接点が固定接点から離れた開状態となる。

　トリップ装置は、接点装置と直列に接続された第２の励磁コイルを有し、可動子が第１の位置にある状態で接点装置を通して流れる規定値以上の異常電流により第２の励磁コイルで生じる磁束によって、可動子を第３の位置へ移動させる。

　接点装置と電磁石装置とトリップ装置とは一方向に並べて配置されており、トリップ装置は、電磁石装置に対して接点装置とは反対側に配置されている。

　このような車載用の高容量リレーを構成する接点装置には、従来から、接点オフ時に発生するアークを迅速に消弧するために、固定接点および可動接点が配置された空間を気密空間とし、該空間内に消弧性ガス（絶縁性ガス）を充填した接点装置が使用されている。

　たとえば、特開２０１５－０４９９３９号公報（特許文献２）に記載の接点装置は、ハウジング、連結体、プレート、プランジャキャップを気密接合して、固定接点および可動接点を収容する気密空間を形成している。接点装置においては、ハウジング、連結体、プレート、プランジャキャップで囲まれる空間を気密空間とし、この気密空間には水素を主成分とする消弧性ガスが封入されている。

「ＨＶ・ＨＥＶ用の小型軽量ＤＣパワーリレー」，パナソニック電工技報（Ｖｏｌ．５８、Ｎｏ．４），２０１０年１２月号，ｐ．１１－ｐ．１５

特開２０１５－０４６３７７号公報 特開２０１５－０４９９３９号公報

　従来の高容量リレーに用いられる接点装置は、セラミック筐体を金属蓋体でメタライズにより密閉した気密ハウジングと、セラミック筐体を貫通して固着された一対の端子台と、該端子台に支持された一対の固定接点と、蓋体を貫通したシャフトに支持された可動接触子と、可動接触子に設けられた一対の可動接点とで構成される。

　これら従来型の接点装置は、筐体にセラミック材を使用している。セラミック筐体は、焼結体特有のポーラス構造に起因して器壁から消弧性ガスの水素がリークしやすく、機械的にも脆い。そのため、器壁の肉厚をあまり薄くできないので小型軽量化に限界があった。気密性のセラミック筐体は、真空用の特殊セラミック材を高温焼成して製造するため廉価な部材とは言えず、必ずしも経済的に効率がよい構成ではなかった。

　本発明は、上記課題を解決するため提案するものであり、高容量リレー（高容量電磁継電器）に用いられる接点装置において、より気密性の高い接点装置を実現することを目的とする。

　本発明に基づいた高容量リレー用気密端子に従えば、通孔が設けられた金属容器と、上記通孔に挿通したパイプリードと、このパイプリードと上記金属容器とを気密に封着する絶縁ガラスと、上記パイプリードを貫通し上記パイプリードに気密に固着した低抵抗金属からなる端子台とを備えている。

　上記高容量リレー用気密端子のある実施形態においては、上記金属容器は、上記通孔が設けられた平面板と、該平面板の周囲に設けられた周壁とを有している。上記通孔を設けた上記平面板の板厚は、上記周壁の板厚よりも厚い。

　上記高容量リレー用気密端子のある実施形態においては、上記通孔の周囲の同心円状の部分の板厚が、それ以外の部分の板厚よりも厚い。

　上記高容量リレー用気密端子のある実施形態においては、上記金属容器は、その内壁面に耐熱絶縁材が設けられている。

　本発明に基づいた高容量リレー用接点装置に従えば、上記高容量リレー用気密端子が用られ、電磁石装置によって開閉される。上記高容量リレー用接点装置は、上記端子台に支持された固定接点と、上記金属容器に設けられた開口部を覆って密閉する蓋体と、この蓋体を貫通したシャフトと、このシャフトに支持された可動接触子と、この可動接触子に設けられた可動接点とをさらに備える。

　上記高容量リレー用接点装置のある実施形態においては、上記蓋体は、その内壁面に耐熱絶縁材が設けられている。

　本発明に係る高容量リレー用気密端子および高容量リレー用接点装置によると、気密性の高い接点装置を実現することができる。

実施の形態１の高容量リレー用気密端子を示す平面図である。 実施の形態１の高容量リレー用気密端子を示す、図１ＡのＩＢ－ＩＢ線で一部を切断した正面部分断面図である。 実施の形態１の高容量リレー用気密端子を示す下面図である。 実施の形態２の高容量リレー用気密端子を示す平面図である。 実施の形態２の高容量リレー用気密端子を示す、図２ＡのＩＩＢ－ＩＩＢ線で一部を切断した正面部分断面図である。 実施の形態２の高容量リレー用気密端子を示す下面図である。 実施の形態３の高容量リレー用気密端子を示す平面図である。 実施の形態３の高容量リレー用気密端子を示す、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線で一部を切断した正面部分断面図である。 実施の形態３の高容量リレー用気密端子を示す下面図である。 一実施の形態の高容量リレー用接点装置の閉状態を示す正面断面図である。 一実施の形態の高容量リレー用接点装置の開状態を示す正面断面図である。

　以下、本発明に係る高容量リレー用気密端子および、該気密端子を用いた高容量リレー用接点装置について、図面を参照しながら説明する。

　実施の形態１に係る高容量リレー用気密端子１０は、図１Ａから図１Ｃに示すように、通孔１１が設けられた金属容器１２と、該通孔１１に挿通したパイプリード１３と、このパイプリード１３と該金属容器１２を気密に封着する絶縁ガラス１４と、パイプリード１３を貫通し該パイプリード１３に気密に固着した低抵抗金属からなる端子台１５とを備えている。

　金属容器１２は、鉄または鉄合金などの金属で構成される。パイプリード１３は、鉄または鉄合金などの金属で構成される。絶縁ガラス１４は、ホウ珪酸ガラス、ソーダバリウムガラスなどで構成される。端子台１５は、銅または銅合金などの低抵抗金属で構成される。

　図１Ａから図１Ｃに示す実施の形態において金属容器１２は、下面に開口部を有する略箱形に形成されている。金属容器１２の各面を形成する板の厚みは略均一である。金属容器１２においては、少なくとも通孔１１の周囲の板厚が、パイプリード１３と金属容器１２とのガラス封止による気密封着をするのに必要なだけ確保されていれば足りる。本実施の形態に係る金属容器１２において、金属容器１２の通孔１１の周囲の部分の板厚を厚くし、それ以外の部分の板厚をこれより薄くしてもよい。

　上記ガラス封止は整合封止または圧縮封止の何れであってもよい。このように金属容器１２の厚みを通孔１１の周囲に限って厚くした場合には、リレー接点装置の内容積を大きく取ることができる。これによりリレー接点装置を小型化することができる。

　端子台１５は、大径の円盤部と、円盤部より小径で円盤部の下面中央に接続された円柱部とを有する。パイプリード１３は、中空円筒状の円筒部とその上端に設けられ外側に広がったフランジ部とを有する。端子台１５の円柱部はパイプリード１３の円筒部を貫通している。パイプリード１３の円筒部の内周面と、端子台１５の円柱部の外周面との間には隙間（空間）が設けられている。パイプリード１３の外周面と、通孔１１の内周面との間は絶縁ガラス１４により気密に封着されている。パイプリード１３の絶縁ガラス１４と接触する部分の内周面と、端子台１５の対応する部分の外周面との間には隙間が設けられている。パイプリード１３のフランジ部の上面と、端子台１５の円盤部の下面外周部とは溶接やろう接などにより気密を保って接合されている。

　ここで、鋼などで構成された金属容器の通孔に、通電ロスの少ない銅などの低抵抗金属の端子台を貫通させて、金属容器と端子台との間を絶縁ガラスで直接封着すると、銅などの端子台の熱膨張が大きいためガラス封着部が破壊され、金属容器の気密が保たれないという問題がある。そのため従来の高容量リレーにおいては気密端子が用いられることはなかった。

　本実施の形態の高容量リレー用気密端子１０は、端子台１５の外周に空間を介してパイプリード１３を装着し、パイプリード１３と金属容器１２とを絶縁ガラス１４で封着している。パイプリード１３と端子台１５との間に設けられた空間により端子台１５の熱膨張を上手く緩衝して絶縁ガラス１４の破壊を防止することができる。容器として金属容器を用いた場合でも絶縁ガラス１４の破壊を防止し、高い気密性を保つことができる。

　本実施の形態の高容量リレー用気密端子１０においては、従来用いられていたセラミックメタライズ構造の容器を金属容器に置き換えたことにより、気密性に優れ廉価な構造を実現することができる。

　図２Ａから図２Ｃに示す実施の形態２の高容量リレー用気密端子２０は、実施の形態１の高容量リレー用気密端子１０を変形したものである。

　実施の形態２の高容量リレー用気密端子２０は、通孔２１が設けられた金属容器２２と、該通孔２１に挿通したパイプリード２３と、このパイプリード２３と該金属容器２２を気密に封着する絶縁ガラス２４と、パイプリード２３を貫通し該パイプリード２３に気密に固着した低抵抗金属からなる端子台２５とを備えている。

　金属容器２２は、鉄または鉄合金などの金属で構成される。パイプリード２３は、鉄または鉄合金などの金属で構成される。絶縁ガラス２４は、ホウ珪酸ガラス、ソーダバリウムガラスなどで構成される。端子台２５は、銅または銅合金などの低抵抗金属で構成される。

　実施の形態２の金属容器２２においては、通孔２１を設けた平面板２６の板厚を厚くし、通孔２１のない周壁２７の板厚をこれより薄くしている。

　本実施の形態においては、通孔２１を設けた平面板２６と、周壁２７とを別の部材で構成している。平面板２６を構成する板材の厚みは、周壁２７を構成する板材の厚みよりも大きい。略矩形の平面板２６を、周壁２７の天面に設けた略矩形の開口に挿入し、平面板２６の外周部を周壁２７の開口に接合している。平面板２６と周壁２７とは必ずしも別の部材で構成しなくてもよい。たとえば、鋳造、切削などにより金属容器２２を一体で形成し、このとき平面板２６と周壁２７とを異なる厚みに形成してもよい。

　本実施の形態においては、端子台２５は円柱状である。パイプリード２３の上端は本体部よりも小径とされている。端子台２５はパイプリード２３を貫通しているが、端子台２５とパイプリード２３の本体部との間には隙間が設けられている。パイプリード２３の上端の小径の部分は、端子台２５の外周上部に気密に接合されている。パイプリード２３の絶縁ガラス２４と接触する部分の内周面と、端子台２５の対応する部分の外周面との間には空間が設けられている。

　パイプリード２３と端子台２５との間に設けられた空間により端子台２５の熱膨張を上手く緩衝して絶縁ガラス２４の破壊を防止することができる。容器として金属容器を用いた場合でも絶縁ガラス２４の破壊を防止し、高い気密性を保つことができる。

　図３Ａから図３Ｃに示す実施の形態３の高容量リレー用気密端子３０は、実施の形態１および２の高容量リレー用気密端子１０、２０を変形したものである。

　実施の形態３の高容量リレー用気密端子３０は、通孔３１が設けられた金属容器３２と、該通孔３１に挿通したパイプリード３３と、このパイプリード３３と該金属容器３２を気密に封着する絶縁ガラス３４と、パイプリード３３を貫通し該パイプリード３３に気密に固着した低抵抗金属からなる端子台３５とを備えている。

　金属容器３２は、鉄または鉄合金などの金属で構成される。パイプリード３３は、鉄または鉄合金などの金属で構成される。絶縁ガラス３４は、ホウ珪酸ガラス、ソーダバリウムガラスなどで構成される。端子台３５は、銅または銅合金などの低抵抗金属で構成される。

　実施の形態３の金属容器３２においては、通孔３１の周囲の同心円状の同心円部分３６の板厚を厚くし、それ以外の部分である金属容器本体３７の板厚をこれより薄くしている。

　本実施の形態においては、通孔３１を設けた同心円部分３６と、金属容器本体３７とを別の部材で構成している。同心円部分３６を構成する板材の厚みは、金属容器本体３７を構成する板材の厚みよりも大きい。円形の同心円部分３６を、金属容器本体３７の天面に設けた円形の開口に挿入し、同心円部分３６の外周部を金属容器本体３７の開口に接合している。同心円部分３６と金属容器本体３７とは必ずしも別の部材で構成しなくてもよい。たとえば、鋳造、切削などにより金属容器３２を一体で形成し、このとき同心円部分３６と金属容器本体３７とを異なる厚みに形成してもよい。

　本実施の形態においては、端子台３５は円柱状である。パイプリード３３の上端は本体部よりも小径とされている。端子台３５はパイプリード３３を貫通しているが、端子台３５とパイプリード３３の本体部との間には隙間が設けられている。パイプリード３３の上端の小径の部分は、端子台３５の外周上部に気密に接合されている。パイプリード３３の絶縁ガラス３４と接触する部分の内周面と、端子台３５の対応する部分の外周面との間には空間が設けられている。

　パイプリード３３と端子台３５との間に設けられた空間により端子台３５の熱膨張を上手く緩衝して絶縁ガラス３４の破壊を防止することができる。容器として金属容器を用いた場合でも絶縁ガラス３４の破壊を防止し、高い気密性を保つことができる。

　実施の形態２および３においては、金属容器の肉厚が、通孔の周囲とそれ以外の部分とで異なるように構成している。この場合、金属容器としては、部位によって厚みが異なる一体の容器、および厚みが異なる複数の金属部材を互いに溶接やロウ接等で気密に固着した容器のどちらも選択できる。

　本発明に係る高容量リレー用接点装置は、一例として示される実施の形態１から３に示すような高容量リレー用気密端子１０、２０、３０を金属容器に利用したリレー用接点装置である。

　図４Ａおよび図４Ｂに示す本実施の形態の高容量リレー用接点装置４０は、電磁石装置１００によって接点装置を開閉する電磁継電器である。高容量リレー用接点装置４０は、通孔４１が設けられた金属容器４２と、該通孔４１に挿通したパイプリード４３と、このパイプリード４３と該金属容器４２を気密に封着する絶縁ガラス４４と、パイプリード４３を貫通し該パイプリード４３に気密に固着した低抵抗金属からなる端子台４５と、該端子台４５に支持された固定接点４６と、金属容器に設けられた開口部を覆って密閉する蓋体と、この蓋体を貫通したシャフト４８に支持された可動接触子４９と、可動接触子４９に設けられた可動接点５０とを備えている。

　金属容器４２は、鉄または鉄合金などの金属で構成される。パイプリード４３は、鉄または鉄合金などの金属で構成される。絶縁ガラス４４は、ホウ珪酸ガラス、ソーダバリウムガラスなどで構成される。端子台４５は、銅または銅合金などの低抵抗金属で構成される。蓋体は、鉄または鉄合金で構成される。

　固定接点４６は、端子台４５の下面に設けられている。可動接点５０は可動接触子４９の上面に設けられている。固定接点４６と可動接点５０とは対向している。可動接触子４９が上下動することにより、固定接点４６および可動接点５０の閉状態と開状態とが切り替えられる。

　蓋体は、金属容器４２の下端に接合される中心に開口を有する蓋体本体４７Ｂと、蓋体本体４７Ｂの中心の開口に上端が挿入される筒部４７Ａと、蓋体本体４７Ｂの下面中央部に上端が接続され、筒部４７Ａの外周部を囲むカバー部４７Ｃとを含む。

　蓋体は金属容器４２の下端に、溶接またはろう接などにより接合されて、金属容器の気密を確保している。また、カバー部４７Ｃはハット型に構成されており、蓋体本体４７Ｂと筒部４７Ａとの接合部を覆うことで、蓋体の気密性を向上させている。

　筒部の中心部にはシャフト４８が貫通している。シャフト４８の下端には磁石が設けられており、電磁石装置１００からの磁力と、シャフト４８に設けられたバネの作用により、シャフト４８を昇降させることができる。

　高容量リレー用接点装置４０には、必要に応じて金属容器４２および蓋体４７の内壁面に、耐熱性や絶縁性を強化する目的で耐熱絶縁材を装着または耐熱絶縁材のライニングを設けてもよい。

　本実施の形態の高容量リレー用接点装置４０においては、実施の形態１から３に記載したような高容量リレー用気密端子を用いることで、熱膨張率が大きい低抵抗の金属材を端子台に用いながら、圧縮封止を用いた気密性に優れた全金属製のハウジングを提供することができる。

　これにより本実施の形態の高容量リレー用接点装置４０によると、従来のセラミック容器を用いた接点装置よりも、水素などの消弧性ガスがリークしない気密性に優れる全金属製ハウジングを実現することができる。また金属製容器は、加工性、頑健性、信頼性に優れ、強度を低下させることなく容器の厚みを薄くできるので、装置の小型軽量化を図ることができる。しかも金属容器は良熱伝導性であるので装置の放熱性を向上させることができる。

　上記実施の形態１の高容量リレー用気密端子１０は一例として次のような材料で形成することができる。通孔１１を設けた金属容器１２を鉄製とし、該通孔１１に挿通したパイプリード１３をＦｅ－Ｎｉ合金製とし、このパイプリード１３と該金属容器１２を気密に封着する絶縁ガラス１４をソーダバリウムガラス製とし、パイプリード１３を貫通する端子台１５を銅合金製とする。端子台１５は、該パイプリード１３にＡｇ－Ｃｕ合金のロウ材を用いて気密ロウ接する。

　一実施形態の高容量リレー用接点装置４０は一例として次のような材料で形成することができる。通孔４１を設けた金属容器４２を鉄製とし、該通孔４１に挿通したパイプリード４３をＦｅ－Ｎｉ合金製とし、このパイプリード４３と該金属容器４２とを気密に封着する絶縁ガラス４４をソーダバリウムガラス製とし、パイプリード４３を貫通する端子台を銅合金製とし、該端子台４５に支持された固定接点を銀合金製とし、金属容器４２の開口部を覆って密閉する蓋体４７を鉄合金製とし、この蓋体４７を貫通したシャフト４８に支持された可動接触子４９を銅合金製とし、可動接触子４９に設けられた可動接点５０を銀合金製とする。端子台４５は、該パイプリード４３にＡｇ－Ｃｕ合金のロウ材を用いて気密ロウ接する。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　本発明は、ＨＥＶやＥＶ等に搭載されるシステムメインリレーなどのパワーリレーに利用できる。

１０，２０，３０　高容量リレー用気密端子、１１，２１，３１，４１　通孔、１２，２２，３２，４２　金属容器、１３，２３，３３，４３　パイプリード、１４，２４，３４，４４　絶縁ガラス、１５，２５，３５，４５　端子台、２６　平面部、２７　周壁、３６　同心円部分、３７　金属容器本体、４０　高容量リレー用接点装置、４６　固定接点、４７Ａ　筒部、４７Ｂ　蓋体本体、４７Ｃ　カバー部、４８　シャフト、４９　可動接触子、５０　可動接点、１００　電磁石装置。

Claims (6)

1. 　通孔が設けられた金属容器と、前記通孔に挿通したパイプリードと、このパイプリードと前記金属容器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前記パイプリードに気密に固着した低抵抗金属からなる端子台とを備えた、高容量リレー用気密端子。
2. 　前記金属容器は、前記通孔が設けられた平面板と、該平面板の周囲に設けられた周壁とを有し、
   　前記通孔を設けた前記平面板の板厚は、前記周壁の板厚よりも厚い、請求項１に記載の高容量リレー用気密端子。
3. 　前記金属容器においては、前記通孔の周囲の同心円状の部分の板厚が、それ以外の部分の板厚よりも厚い、請求項１に記載の高容量リレー用気密端子。
4. 　前記金属容器は、その内壁面に耐熱絶縁材が設けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高容量リレー用気密端子。
5. 　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の高容量リレー用気密端子を用いた、電磁石装置によって開閉される高容量リレー用接点装置であって、
   　前記端子台に支持された固定接点と、前記金属容器に設けられた開口部を覆って密閉する蓋体と、この蓋体を貫通したシャフトと、このシャフトに支持された可動接触子と、この可動接触子に設けられた可動接点とをさらに備えた、高容量リレー用接点装置。
6. 　前記蓋体は、その内壁面に耐熱絶縁材が設けられている、請求項５に記載の高容量リレー用接点装置。

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