JPH0668976B2 - セラミック密封組立体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電気装置のハウジングを貫通する端子を密封
し、かつ電気的に絶縁するセラミック密封組立体に関
し、更に詳しくは、ハウジング、例えば金属気体電池の
構成部品を収容するのに用いられる液圧成形された圧力
容器のような電池ハウジング、にセラミック密封組立体
を密封固着するアダプターに関する。

［従来の技術］ 比較的軽量で薄肉の圧力容器が、電気装置、特に金属気
体電池の構造部品を収容するのに用いられてきた。例え
ば、ニッケル水素電池は密封金属容器の中に封入された
電極板積層体を含む。従来、ニッケル合金のような金属
板を、これに適当に形作られた心金のまわりに伸張させ
て１つの半球形状の端部分を有する中空円筒形状に液圧
成形する。このような部材２つを互に溶接して２つの半
球形状端部分を有する円筒形容器を形成する。このよう
な従来の製造では、圧力容器の壁はほぼ0.51−1.27mm
（0.020−0.050インチ）の厚さを有する。端子は、電極
板積層体の一端から出る電荷を運ぶ導線に電気的に接続
され、端部分の一方に設けられた開口部を貫通する。金
属気体電池には、典型的に約49−84kg／cm²（ゲージ
圧）（700−1200psig）の水素のような、比較的高圧の
気体が充填されている。

従来、金属気体圧力容器の液圧成形端部分は、成形首部
分を有し、この首部分は、端子の貫通する開口部を構成
する。容器と端子の間の液体漏れを阻止する密封は、２
つの方法で達成されてきた。第１には、ほぼ環状のテフ
ロンプラグを端子のまわりに位置決めし、容器の首部分
へ圧入する。その力により、テフロンプラグを圧縮させ
かつ流動させ、容器の首部分と端子との間に密封部を作
る。第２には、ほぼ環状のテフロンプラグを端子のまわ
りに位置決めし、このテフロンプラグを圧縮することな
く容器の首部分の中へ位置決めできる寸法にする。その
後、圧着のような方法で、首部分をつぶしてテフロンを
変形させ、それによって、テフロンを流動させて密封部
を作る。

テフロンシールの使用に関連する１つの問題は、テフロ
ンの熱膨張係数が、端子や圧力容器を組立る金属の熱膨
張係数より１ケタ以上大きいことである。金属気体電池
の寿命中圧力と熱の繰り返しによって、個々のテフロン
シールを0.18−0.25mm（0.007−0.010インチ）流動させ
る。そのような流動によって、流体漏れを成長させる可
能性が生じ、それゆえに容器内に収容された電気装置の
早期故障の可能性が生じる。別の問題は、外部端子をは
んだ付けするために端子の外側に加えられる300℃以上
の温度により、テフロンシールを溶かすことである。

［発明を解決しようとする課題］ 従って、本発明の目的は、繰り返される圧力と熱のサイ
クルに亘って流体が漏れないように、容器を貫通する端
子を密封し、かつ電気的に絶縁する、薄肉の圧力容器内
に収容された電気装置用の密封組立体を提供することで
ある。

本発明の別の目的は、何ら構造又は機能の変更なしに、
容器を貫通する端子に外部リード線をはんだ付けするこ
とと関連した温度に耐えることができる、薄肉圧力容器
内に収容された電気装置用の密封組立体を提供すること
である。

本発明の更に別の目的は、故障なしに繰り返される高圧
と熱のサイクルに耐えることのできる、電気装置を収容
する圧力容器に、密封組立体を密封固着するアダプター
を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 前述した目的及びその他の目的を達成するために、本発
明は、高圧の流体を入れ、開口を構成する肩部を有する
ハウジングと、前記開口の中を延びて、前記ハウジング
内の電気装置に接続された端子と、前記ハウジングに密
封的に取付けられたカラーと、前記端子を包囲し、該端
子に取付けられ、前記カラーに密封的に取付けられた略
環状の第１のセラミック部材と、前記端子を包囲し、前
記カラーに密封的に取付けられ、ハウジングの外方に軸
線方向に移動しないように、前記肩部の内側面に隣接す
る略環状の第２のセラミック部材と、を有し、前記ハウ
ジング内の高い流体圧力により、前記セラミック部材が
圧縮を受けて前記肩部に押しつけられ、前記端子と前記
ハウジングとの間のシールを維持するように、前記セラ
ミック部材と肩部とが組み合わされている、電気装置を
提供する。

明細書の一部をなす添付図面は、本発明の実施例を示
し、かつ詳細な説明とともに本発明の原理を説明するの
に役立つ。

［実施例］ 第１図に一般的に10で示すセラミック密封組立体は、３
つの環状セラミック部材11、12、13、スリーブ20、およ
びカラー15から成る。スリーブ20は、ほぼ円筒形のチュ
ーブ21であり、そのチューブ21は２つの端部を構成し、
その一方の端部はチューブ21に一体に形成されあるいは
固着されたほぼ環状のフランジ22を有する。電池のよう
な電気装置に接続された端子は、チューブ21に挿入さ
れ、円周方向に延びた連続タングステン不活性ガス（TI
G）溶接のような、適当な手段でチューブ21に密封的に
固着される。カラー15は、ほぼ環状の部分16を有し、こ
の環状部分16は、該環状部分16に対して所定の角度、好
ましくは90゜に配置された、ほぼ円形のリム部分18と一
体に作られ或いは、これに固着される。リム部分18の正
確な形状、並びにそれが環状部分16に対して配置される
角は、当業者の範囲内で、特定の用途により変化する。
組立るとき、環状セラミック部材11と12は、チューブ21
のまわりに位置決めされる。環状セラミック部材13の一
方のほぼ環状面は、密封セラミック対金属シール24によ
ってフランジ22の一方の面に固着される。このシール24
は、米国特許第3,395,993号に詳述されるような、従来
技術でによって形成されるのが良い。この特許の開示を
参考としてここに入れる。同じ方法で、環状セラミック
部材12で一方のほぼ環状の面が、密封セラミック対金属
シール25によって、フランジ22の他方の面に固着され
る。セラミック環状部分12の反対側のほぼ環状の面が、
密封セラミック対金属シール26によってカラー15の環状
部分16の一方の面に固着される。セラミック環状部分11
の一方のほぼ環状の面が、やはり密封セラミック対金属
シール27によって第１部材16の他方の面に固着される。

本発明によれば、第２図に示すように、密封組立体10
は、カラー15のリム部分18が容器30の外部に向かって延
び、スリーブ20のフランジ22が、容器30の内部に位置決
めされるように圧力容器30に対して配向される。圧力容
器30は、電気装置を収容し、高圧の流体を収容する。こ
のように配向されたとき、セラミック対金属シール24、
25、26、27は、容器30の中に収容された加圧流体によっ
て、圧縮力を受ける。そのような配向は、低圧ニッケル
−カドミュウム電池用途の密封組立体10の従来の配向と
反対である。しかし、従来の配向では、高圧、例えば47
−84kg／cm²（700−1200psi）の流体を収容する圧力容
器30に対して端子を密封する密封組立体10は、セラミッ
ク対金属シール25、26、27を張力状態に置き、その結
果、密封組立体10を早期に故障させてしまうことがわか
った。この明細書を通して用いる「流体」という用語
は、気体と液体の両方を含む。

第２図に更に示すように、本発明のアダプターを40とし
て一般的に示し、このアダプターを用いて、密封組立体
10を圧力容器30に固着する。密封組立体10を薄肉、例え
ば0.41−0.76mm（0.016−0.030in.）、の軽量容器30に
ろう付けによって直接固定する試みは、１日当たり10,0
00サイクルの割合で０から63kg／cm²（900psi）までの
液圧サイクルの間に早期に電池を故障させてしまうこと
がわかった。本発明によれば、アダプター40を用いて、
密封組立体10を容器30に固着し、かつ密封する。一般的
に、アダプター40は、２つの端部分を構成する管状本体
部分41と、端部分の一方と一体に形成されたカラー42と
から成り、このカラー42は、管状本体部分41のほぼ全円
周に内方に延び、かくして、ほぼ環状の肩部46を形成す
る。

第２図に示すように、本発明のアダプター40の実施例の
１つは、ほぼ環状のフランジ43を有し、このフランジ43
は、管状本体部分41の端部分の他方と一体に成形され
る。ほぼ環状のリム44は、フランジ43の一方の面から突
出する。リム44とフランジ43の端部分47は、ほぼ環状の
ブラケット45を構成する。第２図に示すアダプターを用
いて、密封組立体10を上述した方法で配向し、かつアダ
プター40の管状本体部分41の中へ位置決めすべき寸法に
形作り、これをそこに位置決めし、それによって、環状
セラミック部材11は、肩46に当接する。密封組立体10、
詳しくは環状セラミック部材11、12、13は、容器30内の
比較的高い流体の圧力によって及ぼされる力で、外向き
の軸方向移動が引き起こされないように、環状セラミッ
ク部材11とカラー42との係合によって、抑制される。密
封組立体10は、カラー部材15のリム部分18と管状本体部
分41との間のほぼ全接触面に沿って、ろう付けによって
アダプター40に密封的に固着される。適当なろう付け材
料、例えば、「NIORO」ニッケル−金ろう付け合金のリ
ングを、組立中リム部分18と管状本体部分41との間に介
在させ、この材料を真空炉のような、任意の適当な手段
で、ろう付けを行うのに効果的な温度まで加熱すること
によって、ろう付けをなされる。この「NIORO」ニッケ
ル−金ろう付け合金は、GTEプロダクトコーポレーショ
ンの一部門であるウエスタンゴールドアンドプラチナ会
社によって、製造される。その後、アダプター40と密封
組立体10を、容器30の縁32が、環状ブラケット45と整合
するように、圧力容器30に形成された開口部の中に位置
決めする。アダプター40は、接合部全体に沿って延びる
２つの別々の溶接部90、91によって、この接合部で容器
30に固着される。溶接部90、91は、電子ビーム溶接であ
るのが好ましい。アダプター40は、任意の適切な軽量材
料から機械加工されるのが良いけれども、イッターナシ
ョナルニッケル会社で製造されたニッケル合金であるイ
ンコネル718を用いるのが好ましい。第２図に示す実施
例では、アダプター40は、ほぼ均一の厚さ、例えば1.27
cm（0.50インチ）である。圧力容器30の厚さは、アダプ
ター40の厚さより薄く、例えば0.41−0.76mm（0.016−
0.030インチ）である。円周方向に延びるノッチ（図示
せず）をリムと端部分47の代わりにフランジ３を設け
て、容器30の縁32と整合させても良い。

第３図に示す本発明の別の実施例では、アダプター40
は、一般的に50として示す管状本体部分を備え、この管
状本体部分は、カラー42及びフランジ53とほぼ同じ厚さ
の、例えば1.27mm（0.050インチ）の第１部分51と、例
えば0.66mm（0.026インチ）の厚さの薄い第２部分52と
からなる。密封組立体10は、環状セラミック部材11が、
肩46に当接するように管状本体部分50の中へ位置決めさ
れ、そしてカラー15のリム部分18と第１部分51との接触
面全体に沿うろう付けによって、アダプター40に密封固
着される。従って、第３図の実施例ではアダプター40に
密封組立体10を密封固着するのに必要なろう付け材料の
量は、相当に少なく、その結果、コスト低減と重量軽減
を生ずることが、認識されよう。更に、第２部分52の厚
さを減ずることによって備えられた内側の隙間により、
ろう付け工程を容易にする。フランジ53は、フランジ53
と容器30との接合部の移行を比較的滑らかにするため、
截頭円錐形状を有する。円周方向に延びるノッチ56がフ
ランジ53に機械加工され、このノッチ56が容器30の縁32
と整合すること以外、アダプター40は、第２図に関して
上述した方法で容器30に固着される。

第４図に示す実施例では、アダプター40は、カラー42と
ほぼ同じ厚さ、例えば、1.27mm（0.050インチ）の第１
部分51と、厚さの薄い、例えば、0.66mm（0.026イン
チ）の第２部分52とを有する管状本体部分50を備える。
ほぼ環状のリム54が、第２部分52の外面から突出してい
る。リム54と端部分57は、ほぼ環状のブラケット55を構
成する。本発明に従って配向され、かつ組立てられたと
き、密封組立体10とアダプター40は、容器30の縁32がブ
ラケット55に整合するまで、容器30の外側から、容器30
の開口部に挿入される。前述したように、アダプター40
は、２つの別々の円周方向に延びる溶接部90、91によ
り、この接合部で容器30に密封固着される。この溶接
は、電子ビーム溶接であることが好ましい。図示しない
が、円周方向に延びるノッチを、リム54と端部分57の代
わりに、第２部分52に設け、容器30の縁32と整合しても
良い。

第５図を参照すると、圧力容器30には、段付きの首部分
が打ち出しされ、この首部分は、貫通した開口部を有
し、かつ第１管状部分34と、内径と外径の小さい第２管
状部分36とを構成する。第２管状部分36の端部には、内
方に延びるフランジ37が設けられている。第５図に示す
アダプター40の実施例は、第２部分52の長さが短く、か
つリム54が設けられてないこと以外は、第４図に示した
アダプター40に似ている。本発明に従って配向され、か
つ組立てられたとき、密封組立体10とアダプター40は、
カラー42がフランジ37に当接するまで、容器30内から容
器30の開口部の中へ挿入される。その後、アダプター40
は、フランジ40の第１管状部分51及びカラー42と容器30
の第２管状部分36及びフランジ37との間の、接触面全体
に沿うろう付けによって容器30に密封固着される。組立
中、容器30の首部分とアダプター40との間に、ろう付け
材料の適切な形状のリングを挿入し、この材料をろう付
け接合を形成するのに効果的な温度まで加熱してろう付
けをするのが良い。

第６図に示すアダプターの実施例は、フランジ53が、フ
ランジ53のほぼ中間で、例えば1.27mm（0.050インチ）
の厚さから、フランジ53の縁57で、例えば0.30mm（0.01
2インチ）の厚さまで、ほぼ均一にテーパを付けられて
いること以外、第３図のアダプターの形状に似ている。
容器30に接触するフランジ53の表面は、フランジ53と合
う容器30の部分の形状と一致するように形作られてい
る。容器30には、図示するように、アダプター40の管状
部分50と接触する上向きの首部分38が設けられている。
アダプター40は、アダプター40の管状部分50及びフラン
ジ53と、もしあれば首部分38を含む容器30との接触面の
全体に沿う、ろう付けによって容器30に密封固着され
る。

以下の実施例は、本発明の製作工程と使用方法を説明
し、つ発明者が考えた発明を実施する最良の方法を示す
が、これは、発明の範囲を限定するものと解釈すべきで
はない。

実施例１ 試験容器は、厚さ6.1mm（0.24インチ）の、液圧成形さ
れた、２つの半球状ドームから構成され、このドームに
は、第３図に示すように、形作られ、かつ配向された、
アダプターと密封組立体を受け入れる開口部が機械加工
された。密封組立体を、第３図に関して上述した方法で
アダプターにろう付けした。アダプターと密封組立体
を、各ドームに合わせ、容器の外側から行なった電子ビ
ーム溶接（EB）と容器の内側から行なった別々のEB溶接
とで、各ドームに密封固着した。次いで4.8mm（0.19イ
ンチ）の溶接リングとタングステン不活性ガス（TIG）
装置を用いて、ドームの周囲を互に溶接して、球形試験
容器を形成した。容器を、インコネル718で作り、かつ
時効硬化させた。容器には一方の端部の充填チューブに
キャップを、他方の端部に圧縮取付具を取付けた。容器
を、初めにH₂で63kg／cm²（900psi）まで加圧し、取付
具と密封部をH₂検出器を用いて密封性について調べた。
流体漏れの徴候がまったく見出されなかったので、容器
を排気し、容器を水で完全に満たし、そして自圧力サイ
クル試験装置に連結した。かくして、組み立てた装置の
流体漏れを調べ、そして装置を63kg／cm²（900psi）に
調整した。圧力サイクルを、１日当たり10,000サイクル
の割合で０−63kg／cm²（900psi）を45,000サイクル、
連続的に行い、引き続いて210kg／cm²（ゲージ圧）（3,
000psig）の破裂圧力試験を行った。試験の結果、何ら
故障がなく、さらに引き続く分析によって、ドーム／ア
ダプターの溶接および密封組立体のいずれにも何らの被
労および漏れ（He10−7cc／sec以下）の形跡がなかっ
た。

実施例２ 球形試験容器を、第５図のドームとアダプターの構成を
第３図の配置の代わりに用いる以外、実施例１に従って
構成した。第１図の密封組立体をアダプターにろう付け
したときには、薄い厚さに機械加工したアダプターの部
分の内周に、ろう付け材料を満たした。容器を、57,000
圧力サイクル、実施例１で説明した方法によって試験
し、どの構成部品も、被労、割れ、故障の徴候の形跡が
なく、試験に成功した。

実施例３ 厚さ0.69mm（0.027インチ）のインコネル718の板を巻い
て円筒形状の容器にし、板の隣接した縁をタングステン
不活性ガス（TIG）溶接で溶接して、２つの別の試験容
器を形成した。インコネル718の板から液圧成形した公
称厚さ0.69mm（0.027インチ）の２つの中空半球状端部
分を、溶接リングを介在させ、軸方向に整合させ、TIG
溶接機によって、溶接リングを外側円周方向に溶接する
ことによって容器の別の縁に組み立てた。溶接リング
は、インコネル718で作られた。各ドームを、打ち出し
て首部分を形成し、第６図によって形作られたアダプタ
ー／密封組立体を、ろう付けによって、首部分に固着し
た。各容器には、一方の端部の充填チューブにキャップ
を、他方の端部に圧縮取付具を取付けた。各容器を、初
めにH₂で63kg／cm²（900psi）に加圧し、取付具と密封
部をH₂検出器を用いて密封性を調べた。流体漏れの徴候
がまったく見出されなかったので、容器を排気し、水で
完全に満たして、自動圧力サイクル試験装置に連結し
た。組み立てた装置の流体漏れを調べ、そして装置を63
kg／cm²（900psi）に調整した。

試験容器を、普通の液体シリンダを用いて、並行して試
験した。圧力サイクルは、０−63kg／cm²（900psi）を4
5,000サイクル連結的に行なわれた。自動機械は、時間
毎にモニターされ、サイクル数、最大圧力を記録した。
45,000サイクルの終りに当って、漏れおよび他の限化の
形跡をみるために試験容器を、目視で検査したがなにも
見つからなかった。H₂漏れは、検出されなかった。最後
に試験容器をヘリウムで63kg／cm²（900psi）に加圧
し、質量分光計で密封性を検査した。指示した漏れ量
は、各試験容器から2.5×10−7cc／secであった。背景
レベル（ヘリウムなし容器）は、6.4×10−８から6.4×
10−8cc／secであることがわかった。

漏れ試験に続いて、容器を194kg／cm²（2775psi）と207
kg／cm²（2950psi）で破裂するまで個々に加圧した。容
器の破裂に当り、破損箇所は、一方は周囲溶接のシリン
ダ側であり、他方は、シリンダの中央近くの重ね溶接部
であった。破裂後の密封構成部品の顕微鏡解析で、密封
構成部品に材料欠陥又は故障の前兆がないことがわかっ
た。密封ろう付け品の一方に破裂試験後180kg（400ポン
ド）の軸方向（内方）力をかけ、多くのろう付け接合部
すなわち構成部品のどれにも観察できる機械的な故障が
なかった。

本発明の原理を説明する目的で好ましい実施例を詳述
し、かつ示したが、特許請求の範囲に記載した発明の範
囲から逸脱することなく、修正、置き換え、変更をなす
ことができることは、当業者によって理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のセラミック密封組立体を示す断面
図、 第２図は、第１図のセラミック密封組立体を容器に組立
てた本発明のアダプターの実施例を示す部分切取断面
図、 第３図は、第１図のセラミック密封組立体を容器に組立
てた本発明のアダプターの実施例を示す部分切取断面
図、 第４図は、第１図のセラミック密封組立体を容器に組立
てた本発明のアダプターの実施例を示す部分切取断面
図、 第５図は、第１図のセラミック密封組立体を容器に組立
てた本発明のアダプターの実施例を示す部分切取断面
図、 第６図は、第１図のセラミック密封組立体を容器に組立
てた本発明のアダプターの実施例を示す部分切取断面図
である。 10……密封組立体、 11、12、13……環状セラミック部材、 15……カラー、16……環状部分、 18……リム部分、20……スリーブ、 21……円筒チューブ、 22……環状フランジ、 24、25、26、27……密封セラミック−金属シール、30…
…圧力容器、 32……縁、40……アダプター、 41……管状本体部分、 42……カラー、43……環状フランジ、 44……リム、45……環状ブラケット、 46……環状肩、47……端部分、 50……管状本体部分、51……第１部分、 52……第２部分、53……フランジ、 55……環状ブラケット、57……端部分、 90、91……溶接。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケニス アール リチャードソン アメリカ合衆国 フロリダ州 32605 ゲ インズヴィル ノースウエスト トゥエル ヴス プレイス 3029 (72)発明者 オーヴィル ジー プリケット アメリカ合衆国 フロリダ州 32609 ゲ インズヴィル ノースイースト イレヴン ス テラス 2519 (56)参考文献 特開 昭59−141176（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−153479（ＪＰ，Ｕ)

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高圧の流体を入れ、開口を構成する肩部
   （46）を有するハウジング（30）と、 前記開口の中を延びて、前記ハウジング内の電気装置に
   接続された端子と、 前記ハウジングに密封的に取付けられたカラー（15）
   と、 前記端子を包囲し、該端子に取付けられ、前記カラーに
   密封的に取付けられた略環状の第１のセラミック部材
   （12）と、 前記端子を包囲し、前記カラーに密封的に取付けられ、
   ハウジングの外方に軸線方向に移動しないように、前記
   肩部の内側面に隣接する略環状の第２のセラミック部材
   （11）と、を有し、 前記ハウジング内の高い流体圧力により、前記セラミッ
   ク部材が圧縮を受けて前記肩部に押しつけられ、前記端
   子と前記ハウジングとの間のシールを維持するように、
   前記セラミック部材（11、12）と肩部（46）とが組み合
   わされている、 電気装置。
2. 【請求項２】スリーブ（20）が、前記端子を包囲し、且
   つ、該端子に取付けられ、更に、前記第１のセラミック
   部材（12）に取付けられている、 請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】前記スリーブが、前記第１のセラミック部
   材（12）の面に密封される略環状のフランジ（22）を有
   する、 請求項２に記載の装置。
4. 【請求項４】前記カラー（15）が、略環状の部分（16）
   と直立したリム部分（18）とを有し、 前記環状部分が前記セラミック部材（11、12）に密封さ
   れ、 前記リム部分（18）が、ハウジングに密封される、 請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置。
5. 【請求項５】前記リム部材が、前記環状部分に対し、90
   ゜である、 請求項４に記載の装置。
6. 【請求項６】前記ハウジングが、前記開口を構成する略
   管状のアダプタ（40）を備え、該アダプタが、前記カラ
   ー（15）に密封的に取付けられる本体部（41）と、前記
   肩部（46）を構成する外端部とを有する、 請求項１乃至５の何れか１項に記載の装置。
7. 【請求項７】前記アダプタ（40）の本体部が、異なった
   厚さの第１部分及び第２部分を有し、 前記カラーがより厚い部分に取付けられている、 請求項６に記載の装置。
8. 【請求項８】前記アダプタが、ハウジングの残部に取付
   けられたアダプタの内端部に環状フランジを備える、 請求項６又は７に記載の装置。
9. 【請求項９】前記アダプタが、蝋付けにより、ハウジン
   グの残部に取付けられている、 請求項６、７又は８に記載の装置。
10. 【請求項１０】前記端子に取付けられ、流体圧によって
    圧縮される第３の略環状のセラミック部材（13）を有す
    る、 請求項１乃至９の何れか１項に記載の装置。