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Die Erfindung bezieht sich auf eine hitzebeständige Elektrodeneinführung für Vakuumentladungs- gefässe mit metallenem Vakuumgefäss, insbesondere für Stromrichter, wie Quecksilberdampfgleichrichter od. dgl.
Es ist bekannt, bei derartigen Elektrodeneinführungen den aus einem Isoliermaterial (z. B. kera- mischen Material, wie Steatit od. dgl. ) bestehenden Durehführungskörper mit den angrenzenden Metall- teilen durch einen Schmelzfluss aus Glas oder Emaille oder aber unmittelbar durch einen Schmelzprozess bzw. einen Brenn-oder Sinterprozess zu verbinden. Die Erfindung betrifft derartige Elektroden- einführungen und insbesondere solche, bei denen der Isolierkörper als ein Rohr ausgebildet ist, an dessen äusserer Mantelfläche die vakuumdieht zu befestigenden Metallteile (stromführender Leiter und Gefässwandung), deren Ausdehnungskoeffizient grösser als der des Isolierkörpers ist, unter Zwischenfügen eines glasartigen Schmelzflusses mit geschlossenen, im wesentlichen ringförmigen Haftflächen anliegen.
Die Höhe in der Achsrichtung der zylindrischen Teile der Einschmelzung ist dabei zweckmässig kleiner als der Gesamtdurehmesser der Einschmelzung gewählt und derart bemessen, dass die an den Verbindungsstellen auftretenden mechanischen Beanspruchungen ohne weitere Abstützung der Elektrode aufgenommen werden können.
Es ist bei derartigen Elektrodeneinführungen vorgeschlagen worden, die Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Teile so zu wählen, dass der Ausdehnungskoeffizient der Metallteile etwas grösser ist als derjenige des Isolierkörpers. Bei ringförmigen Verschmelzungen wird dadurch eine Schrumpfwirkung des Metallkörpers auf den keramischen Körper und die glasartige Zwischenschicht erreicht.
Die glasartige Zwischenschicht steht dann dauernd unter Druck, was ihre mechanische Festigkeit erhöht.
Die Erfindung besteht darin, dass die schädlichen Wirkungen der in axialer Richtung der zu verschmelzenden Körper auftretenden Schubkräfte in Druckkräfte umgesetzt werden, indem der Metallkörper mit dem Isolierkörper verankert ist. Der Metallkörper kann unter Anwendung eines Sehrumpfdruckes von mindestens 40 /cw (gemessen an der Grenzzone zwischen Metall und Isolator) auf den Isolierkörper aufgeschrumpft sein.
Bei derartigen Verschmelzungen zieht sich nämlich das Metall nicht nur in Richtung des Radius, sondern auch in Richtung der Rohrachse stärker als der keramische Körper zusammen. Die Folge davon ist, dass an der Grenzfläche zwischen dem Metall und dem keramischen Körper bzw. dem Schmelzfluss nicht unbeträchtliche Schubspannungen auftreten, die an den Rändern besonders gross sind.
Diese Sehubspannungen wirken in Richtung einer Verlängerung der Metallteile und einer Verkürzung des keramischen Körpers und sind bestrebt, beide Teile gleich lang zu machen.
In Fig. 1 der Zeichnungen sind die sich hiebei abspielenden Vorgänge veranschaulicht.
1 ist der keramische Körper, 2 der aus Glas oder Emaille bestehende Schmelzfluss, der die gleiche Ausdehnung wie der keramische Körper hat und daher nachstehend diesem gleichgestellt wird, und 3 der den keramischen Körper umgebende metallene Schrumpfring, dessen Ausdehnungskoeffizient grösser ist als derjenige der Teile 1 und 2. Der Verlauf der Schubspannungen in den Grenzflächen zwischen Schrumpfring 3 und Schmelzfluss 2 ist durch die Kurve in Fig. 1 angedeutet. Diese Sehubspannungen sind um so grösser, je grösser die Dicke s des Schrumpfringes ist.
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Wandungen der Schrumpfringe mit Wellungen, Verzahnungen, Falten, Gewinden od. dgl. versehen.
Die Fig. 2 und 3 zeigen solche Ausführungsformen.
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mit Wellungen (Fig. 4) zu versehen.
Wie die Fig. 2-4 zeigen, ist der Durchmesser des Isolierkörpers 1 oberhalb und unterhalb der Berührungsfläche des Schrumpfringes 3 kleiner gehalten als der der Berührungsfläche selbst, was den Zweck hat, starke örtliche Spannungsänderungen, die durch das plötzliche Aufhören des Schrumpf- druckes an den Enden der Metallringe bedingt sind, zu vermeiden.
Bei der Anordnung nach Fig. 6 wird der Zusammenziehung des Schrumpfringes 3 dadurch entgegengewirkt, dass dieser mit U-förmigem Profil ausgebildet ist und dass in diesem Profil ein keramischer Ring 6 eine axiale Verkürzung des Metallringes 3 verhindert.
Nach den Ausführungsformen der Fig. 6 und 7 umklammert der Schrumpfring 3 mit seinen abgebogenen Rändern 7 den vorspringenden Teil des Isolators 1, mit welchem er verschmolzen ist.
Infolgedessen werden die Schubkräfte ganz oder zum grössten Teil durch Druckkräfte p ersetzt. Gegen Druckkräfte sind aber Glas- und keramische Körper sehr widerstandsfähig.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist die glatte zylindrische Aussenfläche des Isolators 1 mit einem zweiteiligen Ring 8 ans dem gleichen Material wie der Isolator mittels eines Schmelzflusses 9 verschmolzen. Dieser Ring wird von den abgebogenen Rändern 7 des Schmmpfringes 3, der mittels des Schmelzflusses 2 mit dem Ring 8 verbunden ist, umklammert, so dass auch hier die Schubkräfte im wesentlichen aufgehoben werden.
Die bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich alle im wesentlichen dadurch aus, dass die Schubspannungen durch entsprechende Veränderung der Oberfläche (Innenoder Aussenfläche) der miteinander zu verschmelzenden Teile herabgemindert sind. Es hat sich nun gezeigt, dass eine solche Veränderung der Oberfläche nicht unbedingt erforderlich ist, dass sich in vielen Fällen vielmehr auch eine einwandfreie Verschmelzung von glatten zylindrischen Rohren (Keramik und Metall) durchführen lässt, wenn die Wandstärken sowie die Ausdehnungskoeffizienten des Isolators und der angrenzenden Metallteile in ein solches Verhältnis zueinander gebracht werden, dass in dem Temperaturgebiet zwischen Erweichungstemperatur und normaler Aussentemperatur im Isolator die maximal zulässige Druckbeanspruchung nicht überschritten wird,
jedoch an der Berührungsfläche oder Grenzzone zwischen Metall und Isolator ein Sehrumpfdruek von mindestens 40 y/cm vorhanden ist. In diesem Falle gelingt es, insbesondere auch Teile von verhältnismässig sehr grossem Durchmesser miteinander zu verschmelzen.
Die Erfindung geht dabei von den folgenden Versuchen und Überlegungen aus.
Es wurden Rohre aus keramischem Material mit Hilfe eines Zwischenglases mit Nickeleisen verbunden, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient grösser als der des Isolators und des Zwischenglases ist, und es wurde versucht, Verbindungen herzustellen mit folgenden Durchmessern der Isolier- rohre : 20, 35, 50 und 160 mm. Die Wandstärken betrugen 5 bis 10 mm. Das Metall hatte durchweg eine Stärke von 0, 8 mm. Es zeigte sich, dass die Verschmelzungen mit einem Rohrdurchmesser von 20 und 35 mm in allen Fällen hielten, die mit 50 1ntn Durchmesser waren unsicher, und die Verschmelzung mit 160 N : m gelang überhaupt nicht.
Eine genaue Untersuchung der verschiedenen Versuchseinschmelzungen zeigte, dass tatsächlich die Unterschiede der Wärmedehnungen in Richtung der Rohrachse, also die Sehubspannungen zu Zerstörungen geführt haben. Dies konnte man an den Stellen erkennen, an denen das Glas die Stirnfläche des Metallringes umflossen hatte. Hier war der Zusammenhang zwischen Metall und Glas zerrissen, also dort, wo das Metall auf das Glas einen Zug ausübt. Die Sehubspannungen sind nun in ihren Werten ungefähr unabhängig von dem Durchmesser der Verschmelzung.
Wie sieh aus den nach-
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A C ; = Differenz der Ausdehnungszahlen #035 bzw. #0352 der keramischen Teile bzw. des Schmelzflusses und des Metallringes,
A T = Temperaturunterschied zwischen Erweichungstemperatur und Raumtemperatur,
E1 = Elastizitätsmodul des keramischen Körpers,
E2 = Elastizitätsmodul des Metallringes, 81 = Wandstärke des keramischen Körpers, s2 = Wandstärke des Metallringes, 3i = Druckspannung des keramischen Körpers in äquatorialer Richtung, 1 : 12 = Zugspannung des Metallringes in äquatorialer Richtung, r = halber Durchmesser der Grenzzone zwischen dem Metallring und dem keramischen Körper, p = Radialspannung oder Schrumpfdruck in der Grenzzone.
Zu den vorstehenden Gleichungen ist noch zu sagen, dass der Schrumpfdruck p längs der Rohrachse nicht gleichmässig verteilt ist, es genügt aber der Mittelwert, wie er sich ergibt beim Aufschrumpfen eines sehr langen Metallrohres auf ein keramisches Rohr, unter der Annahme, dass beide aufeinandergleiten können.
Aus den angestellten Versuchen und den vorstehenden Gleichungen ergibt sich nun, dass bei den Verschmelzungen mit kleinem Durchmesser, die gelungen sind, der Schrumpfdruck p gross war,
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druck p einen entsprechend kleineren Wert hatte. Der Sehrumpfdruck p wirkt also offenbar der schädlichen Schubspannung entgegen.
Diese Erkenntnis wird zur Bekämpfung der schädlichen Schubspannung ausgenutzt, indem der Schrumpfdruck verhältnismässig gross, u. zw. auf mindestens 40 kg/cm2 bemessen wird, wobei jedoch dafür Sorge getragen werden muss, dass in dem Temperaturgebiet zwischen der Erweichungstemperatur und der normalen Aussentemperatur die maximal zulässige Druckbeanspruchung des Isolators nicht überschritten wird. Mitunter ist es auch erforderlich, dafür zu sorgen, dass auch im Metall keine unzulässig hohen Zugbeanspruchungen auftreten.
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punktierten Raum liegen, sind die Bedingungen nicht innegehalten.
Zur Erleichterung des Verständnisses werden nachstehend zwei durchgeführte Versuche zahlen-
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l. Ausführung : Es waren
D = 160 mm, in der Keramik E1 = 1, 1. 101 al, x, = 6,0. 10--6, in dem aus Nickeleisen bestehenden Teil
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A T = 530 1, 8. 10-6, 81 = 1 cm, s2 = 0,08 cm, p = 18 at, a1 = 145 at, ei, = 1800 at.
Die beabsichtigte Verschmelzung missglückte.
2. Ausführung : Bei der zweiten Ausführung wurden daraufhin die Wandstärken auf s1=2,5cms2=0,5cm erhöht, und es ergab sich dann p = 95 at, #1 = 300 at, #2 = 1500 at.
Durch diese grösseren Wandstärken ist also die angestrebte Steigerung von p erreicht worden und trotzdem liegt'J1 noch weit unterhalb der zulässigen Druckbelastung. Die zweite Verschmelzung gelang demgemäss einwandfrei.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich also, dass durch die geeignete Wahl der Wand- stärken auch bei grossen Durchmessern ein hoher Schrumpfdruck p erhalten werden kann, ohne dass die Beanspruchungen zu hoch ausfallen. Das bedeutet, dass man bei Beachtung der vorstehenden tech- nischen Regeln in jedem Fall eine einwandfreie Verschmelzung herstellen kann.
In den Fig. 9 und 10 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, u. zw. eine Anodeneinführung und eine Kathodeneinführung für einen Stromrichter, bei denen Isolator und Metall erfindungsgemäss bemessen und ausgewählt sind.
31 ist die Wandung des metallenen Vakuumgefässes. In diese ist ein zylindrisches Rohr 32 eingeschweisst, welches zur Aufnahme der Elektrodeneinführung dient. Diese besteht aus dem strom- einführenden Leiter 33, welcher den Elektrodenkörper 34 trägt. Der stromeinführende Leiter ist mit einem Isolierrohr 35 aus keramischem Material, insbesondere aus Steatit, umgeben. Zur Verhinderung seitlicher Schwingungen der Elektrode in dem Isolierrohr 35 ist auf den stromeinführenden Leiter eine
Scheibe 36 aufgesetzt. Ebenso ist auf dem Isolierrohr eine Scheibe 37 angebracht, welche zur Verhinderung von Schwingungen des Isolierrohres in dem den Elektrodenkörper umgebenden Anoden- sehutzrohr 38 dient.
Die vakuumdichte Verbindung des Isolierrohres 35 mit der Gefässwandung 31 erfolgt mit Hilfe eines ringförmigen Flansches 39 und eines Schrumpfringes 40. Der zweckmässig etwas elastische Ringflansch 39 ist an seiner Aussenseite mit dem Zylinder 32 und an der Innenseite mit dem
Schrumpfring 40 verschweisst. Die Verbindung zwischen dem Schrumpfring 40 und dem Isolator 35 erfolgt mit Hilfe eines Schmelzflusses 41 aus Glas oder Emaille, der in einen taschenförmigen Auffangbehälter 42 eingefüllt wird, welcher zwischen dem Isolator und dem Sehrumpfring 40 gebildet ist.
An Stelle einer Verbindung durch einen Schmelzfluss kann auch eine Verbindung durch einen Brennoder Sinterprozess angewendet werden. Die Wahl der Dicke des Schrumpfringes und der Ausdehnungskoeffizienten des Schrumpfringes, des Schmelzflusses und des Isolators erfolgt nach den vorstehend erläuterten Gesichtspunkten. Die Anodenhülse 38 ist mit Hilfe eines Zwischenstückes 43 od. dgl. ebenfalls an den Zylinder 32 angeschweisst.
Die Herstellung der vakuumdichten Verbindung zwischen dem Isolierrohr und dem stromeinführenden Leiter 33 erfolgt in der gleichen Weise, wie vorstehend für die Verbindung zwischen Isolator und Gefässwand beschrieben ist. 44 ist der elastische Ringflansch, welcher einerseits mit dem stromeinführenden Leiter und anderseits mit dem Schrumpfring 45 verschweisst wird. Die Verbindung zwischen Schrumpfring und Isolator erfolgt durch den Schmelzfluss 46, der sich in der Fangtasche 47 befindet. Die Flansche 39 und 44 werden zweckmässig mit den Schrumpfringen 40 und 45 versehweisst, bevor diese mit dem Isolator 35 verschmolzen werden. Damit nun die relativ dünnen Flansche während des Versehmelzungsprozesses nicht unzulässig verzundern, werden sie zweckmässig aus schwer oxydierbarem Metall, z. B. Niekeleisen, hergestellt.
Bei der in Fig. 10 dargestellten Kathodenausführung ist 48 das Kathodenqueeksilber, 49 eine zur Stromeinführung dienende Metallplatte, 50 ein z. B. aus Steatit bestehender Isolator, 51 ein Sehrumpfring, der mit dem Isolator 50 durch einen Schmelzfluss 52 und mit der Platte 49 durch eine Schweissung 53 verbunden ist, 54 ein zweiter Schrumpfring, der mit dem Isolator 50 durch einen Schmelzfluss 55 und mit einem Ringflansch 56 durch eine Schweissung 57 verbunden ist, 58 ein Metallzylinder zum Tragen der ganzen Kathode, welcher mit der Gefässwandung 31 bzw. dem Ringflansch 56 verschweisst ist und 59 ein Einsatzring, der die vakuumdichten Verbindungen gegen herabtropfendes Quecksilber schützt.
Auch bei diesen in den Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführungsformen ist der Durchmesser der Isolierkörper oberhalb und unterhalb der Berührungsflächen der Schrumpfringe kleiner gehalten als der Durchmesser an den Berührungsflächen selbst, um eine Kerbwirkung bzw. an den Enden der Schrumpfringe auftretende gefährliche örtliche Spannungsveränderungen zu vermeiden.
Die Bemessung der Wandstärken und Ausdehnungskoeffizienten der miteinander zu verschmelzenden Teile, wie sie an Hand der Fig. 8-10 näher beschrieben wurden, lässt sich gegebenenfalls auch bei den Ausführungsformen gemäss den Fig. 2-7 anwenden.
Da die Verschmelzungen des Isolierkörpers mit den angrenzenden Metallteilen bei sehr hohen Temperaturen hergestellt werden, ist die Elektrodeneinführung gegenüber Erwärmungen in der Grössenordnung von 300 bis 4000 C, wie sie bei der Entgasung des Vakuumgefässes vorkommen, vollständig widerstandsfähig.
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