JP2020173982A

JP2020173982A - 気密端子

Info

Publication number: JP2020173982A
Application number: JP2019075428A
Authority: JP
Inventors: 西脇　進; Susumu Nishiwaki; 進西脇
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2020-10-22
Anticipated expiration: 2039-04-11
Also published as: JP7325214B2; CN212162147U

Abstract

【課題】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。【解決手段】少なくとも１個の貫通孔１１を有した金属外環１２と、この金属外環の前記貫通孔に挿通した少なくとも低抵抗導体を含むリード１３と、金属外環とリードとを封着する絶縁ガラス１４を備え、絶縁ガラスは、高膨張ガラスの内層材と、この内層材を覆って配置された内層材よりも低膨張ガラスの外層材とで構成した複合ガラスからなり、内層材は、例えばホウ酸系ガラス、ボロンシリケート系ガラス、亜鉛ホウ酸系ガラス、アルカリボロンシリケート系ガラス、アルカリ土類シリケート系ガラス、リン酸系ガラスの群から選択されたガラス材からなる気密端子１０。【選択図】図１

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。

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。

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。

特開昭６１−２６０５６０号公報

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。

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、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ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。

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。

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。

本発明に係る気密端子１０の平面図を示す。本発明に係る気密端子１０の正面図を示し、図１のＤ−Ｄ線に沿って切断した正面部分断面図を示す。本発明に係る気密端子１０の下面図を示す。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４のＤ−Ｄ線に沿って切断した正面部分断面図を示す。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。

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。

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（Ｂ_２Ｏ_３）、ボロンシリケート系ガラス（Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２）、亜鉛ホウ酸系ガラス（Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ）、アルカリボロンシリケート系ガラス（ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ_２Ｏ［Ｒはアルカリ金属］）、アルカリ土類シリケート系ガラス（ＳｉＯ_２−ＲＯ［Ｒはアルカリ土類金属］）、リン酸系ガラス（Ｐ_２Ｏ_５）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（Ｂ_２Ｏ_３）、ボロンシリケート系ガラス（Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２）、亜鉛ホウ酸系ガラス（Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ）、アルカリボロンシリケート系ガラス（ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ_２Ｏ［Ｒはアルカリ金属］）、アルカリ土類シリケート系ガラス（ＳｉＯ_２−ＲＯ［Ｒはアルカリ土類金属］）、リン酸系ガラス（Ｐ_２Ｏ_５）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。

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。

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（ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ_２Ｏ）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。

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（Ｐ_２Ｏ_５）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。

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（ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ_２Ｏ）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。

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（Ｂ_２Ｏ_３−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。

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。

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。

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

少なくとも１個の貫通孔を有した金属外環と、この金属外環の前記貫通孔に挿通した少なくとも低抵抗導体を含むリードと、前記金属外環と前記リード１２とを封着する絶縁ガラスを備え、前記絶縁ガラスは、高膨張ガラスの内層材と、この内層材を覆って配置された前記内層材よりも低膨張ガラスの外層材とで構成した複合ガラスからなる気密端子。
前記内層材は、ホウ酸系ガラス、ボロンシリケート系ガラス、亜鉛ホウ酸系ガラス、アルカリボロンシリケート系ガラス、アルカリ土類シリケート系ガラス、リン酸系ガラスの群から選択されたガラス材からなる請求項１に記載の気密端子。
前記内層材は、線膨張率が１２〜１８ｐｐｍ／Ｋの範囲の請求項１または請求項２に記載の気密端子。
前記リードは、芯材に低抵抗導体の外被材を施した複合金属リードからなる請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の気密端子。
前記外被材の表面にめっきを施した請求項４に記載の気密端子。
前記めっきは、ニッケル、ニッケル燐、ニッケルボロンの何れかからなる請求項５に記載の気密端子。
前記芯材は、鋼材、ステンレス鋼、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金の群から選択された金属材からなる請求項４ないし請求項６の何れか１つに記載の気密端子。
前記低抵抗導体は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金の群から選択された金属材からなる請求項１ないし請求項７の何れか１つに記載の気密端子。
前記外層材は、前記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からなる請求項１ないし請求項８の何れか１つに記載の気密端子。
前記外層材は、ソーダライムガラス、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の群から選択したガラス材からなる請求項９に記載の気密端子。