JP2015064928A - 気密端子 - Google Patents

Abstract

【課題】リード材の機械的強度を確保しながら通電発熱を大幅に低減することが可能な気密端子を提供する。【解決手段】金属外環１２と、この金属外環に挿通した導出リード１３と、金属外環の内壁と導出リードの外径とを気密に封着する絶縁ガラス１４とを備えた気密端子１０において、導出リードは、構造材のリード母材１５に低抵抗金属材からなる皮膜状のリード被覆層１６を設けたことを特徴とする。このリード被覆層は、銀、銅、アルミニウムまたは銀合金、銅合金、アルミニウム合金の群から選択された低抵抗金属材を使用することができる。【選択図】図１

Description

本発明は気密端子に関する。

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。

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。

その他、電子管、電球、放電ランプおよびダイオード、サーミスタなどの半導体デバイスの軟質ガラス封入部に用いる封着金属線材にジュメット線がある。ジュメット線は鉄・ニッケル合金を心金とし、それに銅を被覆した複合線で、さらに表面をオキシダイズ仕上げまたはボレート仕上げしたもので、非特許文献１の日本工業規格に規定されている。

特開昭６１−２６０５６０号公報

日本工業規格 ＪＩＳ Ｈ ４５４１−１９９７ ジュメット線

近年、気密端子の大電力対応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、いきおい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自ずと上昇する傾向にある。従来から冷凍機用気密端子には、リード・ピンの機械的強度などの制約からリード材に鉄合金などの高抵抗金属を用いている。このため、電気的な過負荷がかかるとリード材のジュール熱により絶縁ガラスが溶融し、気密性が確保できなくなり、最悪の場合はリード材が抜け落ちるなどの危険があった。特に大電力用途向けには、気密端子のリード材の通電発熱を抑制できれば、大電力への対応や省電力化など電気エネルギーの効率利用の観点からより好ましい。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できればよいが、これら低抵抗材は機械的強度が鉄合金より乏しく、組立や設置作業時にリード・ピンが曲がりやすくなるため不都合である。また、封止に利用する絶縁ガラスは概して低熱膨張係数材料のため、リード材に高熱膨張係数材料の銀、銅、アルミニウムや銀合金、銅合金、アルミニウム合金などを用いると整合封止が原理上利用できなくなる。圧縮封止においても、上記低抵抗金属は、金属外環に使用する鋼材に比べて熱膨張係数がより大きく、これをリード材に用いると、封着後にリード材が収縮するため、絶縁ガラスに負荷できる圧縮応力が小さくなりすぎ気密性の確保が難しくなる。敢えて金属外環とリード材ともに銀、銅、アルミニウムやその合金などの高熱膨張係数材料で構成することも考えられるが、その場合は絶縁ガラスに加わる圧縮応力が大きくなりすぎ、封止材のガラスに割れが生じたりするので採用できない。

従来、リード材の電気抵抗を低減する目的で銅芯リードを使った気密端子が提案されている。特許文献１に示されるように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、限られた金属外環内にリードを装着する制約の下で、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、リードの機械的強度が保てないばかりか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、所望するリードの抵抗値を得ることが難しくなるという構造上の限界があった。また、リードに実用範囲の機械的強度を具備させた場合は、電流経路として鋼材のアウタジャケットにも必ず通電されるようになり、合金鋼のアウタジャケットは銅の数十倍の比抵抗を有するので、銅材部で発熱を抑えても鋼材部で大きな発熱が生じてしまう。鋼材への通電を抑制するため銅芯をより太くすれば鋼材の発熱は抑えられリードとガラスとの間の熱応力を小さくできるが、代わりに通電側の銅材と鋼材との間に大きな熱応力が生じ材料界面が剥離しやすくなる。従って、鋼材アウタジャケットと銅材インナコアの構成では、銅芯材の電気抵抗を下げる効果と、銅芯材の過大な熱膨張とが拮抗しているため、銅芯材と被覆鋼材の熱応力による界面剥離の問題を解決できず、前記金属材の複合界面が熱履歴の影響を受けて気密性を損ない易いという欠点があった。

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タイプの気密端子、例えば冷凍機用の気密端子や二次電池、燃料電池等の電池セル用気密端子などの大電力用途に適用可能とするため、リード材の機械的強度を確保しながら通電発熱を大幅に低減することが可能な気密端子を提供することにある。

前掲課題の解決に加えて、発明者は、従来の気密端子の通電発熱において最も高温を示す部位が、配線材を結線するためにリードに取り付けた端子板の溶接部であることに着目し、鋭意検討を重ねリード材の機械的強度を確保しながら、さらに端子板溶接部の発熱も抑えることができる新規の気密端子を発明した。

本発明によれば、金属外環と、この金属外環に挿通した導出リードと、金属外環の内壁と導出リードの外径とを気密に封着する絶縁ガラスとを備えた気密端子において、導出リードは、構造材のリード母材に低抵抗金属材からなる皮膜状のリード被覆層を設けたことを特徴とする気密端子が提供される。

本発明に係る気密端子は、少なくとも１個の貫通孔を有する金属外環と、この金属外環の貫通孔に挿通した導出リードと、貫通孔に充填され金属外環と導出リードとを気密に封着する絶縁ガラスからなり、導出リードは、構造材のリード母材と、このリード母材の少なくとも外周壁の表面に施された低抵抗金属材からなる皮膜状のリード被覆層を有する。リード被覆層は、導出リードの通電発熱を抑えながらリード被覆層の熱膨張を最小化できるように所定の膜厚で形成される。気密容器内の電気装置には、外部電源から低抵抗金属材のリード被覆層を経て給電される。リード被覆層は、熱膨張の大きい低抵抗金属材を用いるが、皮膜状であるので、その熱膨張の影響をリード母材並みの最小限に止める。従って、構造材のリード母材は、機械的強度が優れ低熱膨張の材料であれば良く、鋼材などの金属材料に限らずセラミクス材や結晶化ガラス材などの耐熱性無機材料も利用できる。

本発明に係る気密端子のリード被覆層と給電用の配線材とを電気接続する接続手段は、はんだ接合を含むろう接、電気溶接を含む溶接または各種の圧着端子やコネクタソケットを用いて接続でき、特に予めリード被覆層と接合した端子板に配線材のファストン端子を被せて結線するのが好適である。

本発明により、リード母材の表面を熱伝導性に優れる低抵抗金属の皮膜で被覆することで、気密端子の放熱性を向上させることができ、リード被覆層とリード母材との間の熱応力を抑えて界面剥離のおそれがない高信頼性の気密端子を実現する。また、リード・ピンの機械的強度を損なうことなく端子板接合部の電気抵抗を低減してリード・ピンの発熱を防止した気密端子を実現できる。

本発明に係る気密端子１０を示し、（ａ）は正面断面図を、（ｂ）は平面図を示す。 本発明に係る気密端子２０の平面図を示す。 本発明に係る気密端子２０の正面図を示し、図２のＤ−Ｄ線に沿って切断した部分断面図を示す。 本発明に係る気密端子２０の下面図を示す。

本発明に係る気密端子は、少なくとも１個の貫通孔を有する金属外環と、この金属外環の貫通孔に挿通した導出リードと、貫通孔に充填され金属外環と導出リードとを気密に封着する絶縁ガラスからなり、導出リードは、構造材としてＦｅ−Ｎｉ合金、コバール合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、フェライト系ステンレス鋼材などの鉄合金またはセラミクス材や結晶化ガラス材などの耐熱性無機材料からなるリード母材と、このリード母材の少なくとも外周壁の表面に施された銀、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材からなる皮膜状のリード被覆層を設けたことを特徴とする。上記気密端子は、金属外環、リード被覆層および端子板を含む金属材の表面上に、さらに金またはニッケルやクロムなどの防食金属層を設けても良い。

本発明に係る気密端子のリード被覆層の膜厚は、リード母材の直径を１とするとき、リード被覆層の膜厚比を０．０２５から０．２６となるように設けるのが好ましい。膜厚比が０．０２５未満では十分な通電容量を獲得できずリード母材部への通電量が増すため導出リードの発熱抑制効果が得られない。また、膜厚比が０．２６を超えると低抵抗金属材の熱膨張によりリード母材とリード被覆層との境界面に界面剥離を生じる。前記膜厚比は導出リードの中心から半径方向に占める片側の膜厚の比である。

本発明に係る気密端子の導出リードに給電用の配線材を電気接続する接続手段は、リード被覆層に、はんだ接合を含むろう接、電気溶接を含む溶接または各種の圧着端子やコネクタソケットを用いて配線材を接続できる。より好適にはリード被覆層に給電用の配線材を接続するための端子板を接合して、この端子板に配線材のファストン端子を被せて結線するのが電気抵抗を低減できて良い。

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。

本発明に係る実施例１の気密端子１０は、図１に示すように、１個の貫通孔１１を有する鋼製金属外環１２と、この金属外環１２の貫通孔１１に挿通した導出リード１３と、貫通孔１１に充填され金属外環１２と導出リード１３とを気密に封着するソーダライムガラス材の絶縁ガラス１４からなり、導出リード１３は、直径２．１ｍｍのフェライト系ステンレス鋼材（Ｆｅ−１８Ｃｒ−０．１Ｃ合金）のリード母材１５と、このリード母材１５の表面に導出リード１３の外径が３．２ｍｍとなるように施された膜厚０．５５ｍｍの銀材リード被覆層１６からなり、リード被覆層１６は、その膜厚比をリード母材１５の直径を１とするとき、リード被覆層１６の膜厚比を０．２６となるよう設けられる。なお、このリード被覆層１６に配線材を接続するための端子板を接合しても良い。

本発明に係る実施例２の気密端子２０は先に示した気密端子１０の変形例である。気密端子２０は、図２、図３および図４に示すように、３個の貫通孔２１を形成する筒状部を有する鋼製金属外環２２と、この金属外環２２の貫通孔２１に挿通した導出リード２３と、貫通孔２１に充填され金属外環２２と導出リード２３とを気密に封着するホウケイ酸ガラス材の絶縁ガラス２４からなり、導出リード２３は、直径３．０５ｍｍのＦｅ−４２Ｎｉ合金製のリード母材２５と、このリード母材２５の外周壁の表面に導出リード２３の外径が３．２ｍｍとなるように施された膜厚０．０７５ｍｍの銅材リード被覆層２６からなり、リード被覆層２６は、リード母材２５の直径を１とするとき、リード被覆層２６の膜厚比を０．０２５となるよう設けられ、さらに、このリード被覆層２６に配線材を接続するための端子板２７を接合している。この場合、気密端子２０の導出リード２３の端面は、両切り仕様となっておりリード被覆層２６を施していないが導出リード２３の電気伝導に支障はない。さらに気密端子２０は、図示しないが絶縁ガラス２４の封着部分を除く金属材の露出面をニッケルめっき材の防食金属層で被覆する。ただし、この防食金属層はガラス封着部（ガラス接触面）を含む金属材の全表面に施しても良い。

本発明は、特に高圧力下で高電圧・高電流に耐久し、高い気密性が要求される気密端子に利用できる。

１０，２０・・・気密端子、
１１，２１・・・貫通孔、
１２，２２・・・金属外環、
１３，２３・・・導出リード、
１４，２４・・・絶縁ガラス、
１５，２５・・・リード母材、
１６，２６・・・リード被覆層、
２７・・・端子板。

Claims (8)

1. 少なくとも１個の貫通孔を有する金属外環と、前記貫通孔に挿通した導出リードと、前記貫通孔に充填され前記金属外環と前記導出リードとを気密に封着する絶縁ガラスとを備えた気密端子において、前記導出リードは、構造材のリード母材に低抵抗金属材からなる皮膜状のリード被覆層を設けたことを特徴とする気密端子。
2. 前記リード母材は、鉄合金材、セラミクス材、結晶化ガラス材の群から選択された構造材であることを特徴とする請求項１に記載の気密端子。
3. 前記リード母材は、Ｆｅ−Ｎｉ合金、コバール合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、フェライト系ステンレス鋼材の群から選択された鉄合金であることを特徴とする請求項１に記載の気密端子。
4. 前記リード被覆層は、銀、銅、アルミニウムまたは銀合金、銅合金、アルミニウム合金の群から選択された低抵抗金属材であることを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の何れか１つに記載の気密端子。
5. 前記リード被覆層の膜厚は、前記リード母材の直径を１とするとき、前記リード被覆層の膜厚比を０．０２５から０．２６としたことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の気密端子。
6. 前記導出リードは、前記リード被覆層に配線材を接続するための端子板を接合したことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１つに記載の気密端子。
7. 前記気密端子の金属表面の上に、さらに防食金属層を施したことを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れか１つに記載の気密端子。
8. 前記防食金属層は、金、ニッケル、クロムの群から選択された金属材であることを特徴とする請求項７に記載の気密端子。
   

Images