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Die vorliegende Erfindung betrifft eine in einer Vorrichtung wie einem Vakuum-Leistungsschalter oder dergleichen verwendete Vakuumröhre (Vakuumventil) und insbesondere eine Technologie, welche wirkungsvoll zum Anfügen eines in eine Vakuumröhre integrierten Faltenbalgs verwendet werden kann.
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Zum Beispiel ist ein Vakuumschalter bekannt, welcher als Technologie zum Unterbrechen eines einen relativ starken elektrischen Strom führenden Stromkreises eine Vakuumröhre verwendet.
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Patentdokument 1 zum Beispiel offenbart einen Aufbau, welcher ein auf einem vorbestimmten Vakuumgrad gehaltenes luftdichtes, isolierendes Gefäß, einen aus einer an einer Spitze einer feststehenden Stromleiterstange befestigten feststehenden Elektrode und einer an einer Spitze einer beweglichen Stromleiterstange befestigten beweglichen Elektrode bestehenden Kontakt, der im isolierenden Gefäß untergebracht ist, und einen bei einem Teil des isolierenden Gefäßes, wo die bewegliche Stromleiterstange eingeschoben ist, angeordneten Faltenbalg, dessen eines Ende am isolierenden Gefäß luftdicht befestigt ist und dessen anderes Ende an der beweglichen Stromleiterstange luftdicht befestigt ist, enthält. Das Ausdehnen und Zusammenziehen des Faltenbalgs in axialer Richtung gestattet, die bewegliche Elektrode (d. h. die bewegliche Stromleiterstange) in axialer Richtung zu verschieben und dabei das Vakuum im isolierenden Gefäß aufrechtzuerhalten. Das Schalten des mit der feststehenden Stromleiterstange und der beweglichen Stromleiterstange verbundenen Stromkreises erfolgt durch Zusammenbringen und Trennen des aus der feststehenden Elektrode und der beweglichen Elektrode bestehenden Kontakts.
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Wenn der Vakuumgrad in einer Vakuumröhre mit einem Aufbau wie oben beschrieben beeinträchtigt ist, tritt eine Lichtbogenentladung am Kontakt auf, welche das Schalten des Stromkreises behindert. Deshalb ist es, vom Gesichtspunkt der Betriebszuverlässigkeit und Verbesserung der Lebensdauer her gesehen, wichtig, die Luftdichtheit in der Wand des Faltenbalgs selbst, welcher sich ausdehnt und zusammenzieht, und an der Verbindungsnaht zwischen dem isolierenden Gefäß und dem Faltenbalg über eine lange Zeit sicherzustellen.
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Folglich ist ein Faltenbalg einer der wichtigsten Bestandteile einer Vakuumröhre. Wegen seiner guten Korrosionsbeständigkeit wird gewöhnlich austenitischer Edelstahl als Werkstoff für den Faltenbalg verwendet. Das Zusammenfügen der Enden des Faltenbalgs mit einer Endplatte und einer beweglichen Stromleiterstange kann durch TiG-Schweißen oder Löten mit Silberlot erfolgen.
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TiG-Schweißen bringt jedoch insofern Probleme mit sich, als Maße eines Teils bezüglich eines anderen Teils genau kontrolliert werden müssen und die Qualität der Verbindungsnaht, je nach dem Können des Schweißers, gut oder schlecht sein kann.
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Während Löten mit Silberlot das oben erwähnte Problem beim TiG-Schweißen nicht aufweist, muss den Oberflächeneigenschaften des zu verlötenden Teils Beachtung geschenkt werden. Zum Beispiel austenitischer Edelstahl, ein möglicher Werkstoff für Faltenbälge, auf dessen Oberfläche sich ein Oxidfilm befindet, weist wegen des Oxidfilms keine zufriedenstellende Benetzbarkeit mit Silberlot auf, wohingegen er eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bietet. Folglich wird die Oberfläche eines Faltenbalgs in der Regel mit Nickel überzogen, um die Benetzbarkeit mit Silberlot sicherzustellen. Patentdokument 2 offenbart eine Vernickelung auf einer Lötnaht eines Faltenbalgs.
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Jedoch kann die Vernickelung auf einem Faltenbalg, welcher gewöhnlich eine geringe Dicke und eine komplizierte Form hat, nicht durch einen losweises Verfahren wie Trommelgalvanisierung, welches die gleichzeitige Verarbeitung vieler Faltenbälge gestattet, ausgeführt werden, um Defekte wie Grübchenbildung auszuschließen. Folglich ist es unvermeidlich, ein individuelles Überzugsverfahren wie Gestellgalvanisierung anzuwenden, was sehr zeit- und arbeitsaufwendig ist. Deshalb verursacht das Aufbringen des Metallüberzugs selbst, welches eine Voraussetzung für das Anwenden des Lötens ist, beachtlich hohe Kosten.
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Ein Faltenbalg, welcher Gegenstand des Lötens mit Silberlot ist, kann ein sogenannter Faltenbalg des nahtlosen Typs sein, wie in Patentdokument 3 beschrieben.
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Ein Faltenbalg des nahtlosen Typs wird in der Regel durch das folgende Verfahren hergestellt. Eine Scheibe wird durch Schneiden aus einem Blech einer Dicke von etwa 0,5 mm ausgestanzt. Die Scheibe wird einem wiederholte Schritte des Reinigens, Einfettens, Tiefziehens, Reinigens, Ausglühens, Einfettens, Tiefziehens und so weiter umfassenden Verfahren unterzogen, um einen tiefen zylindrischen Becher mit einer etwa 0,1 mm dicken rohrförmigen Seitenwand und einer relativ dicken (Dicke des Rohblechs, d. h. etwa 0,5 mm) Bodenplatte (verschlossenes Ende des Bechers) zu erhalten. Um einen Faltenbalg zu erhalten, wird dieser Becher einem auf ihre Innenwand wirkenden, Rippen förmenden hydraulischen Druck unterzogen.
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Wie oben beschrieben, wird ein Faltenbalg des nahtlosen Typs durch ziemlich komplizierte zahlreiche Schritte hergestellt, welche so beachtlich teuer sind, dass es problematisch ist.
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Um diesen Faltenbalg des nahtlosen Typs mit einer Bodenplatte in eine Vakuumröhre zu integrieren, wie im oben erwähnten Patentdokument 3 beschrieben, wird ein Durchgangsloch für eine Elektrode in den Boden gebohrt und werden der Faltenbalg, ein Faltenbalg-Abschirmelement und ein Verbindungsring aufeinandergestapelt und durch Löten befestigt. Dieser integrierende Aufbau ist notwendig, aber ziemlich kompliziert.
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Die Komplexität des integrierenden Aufbaus kann eine unzureichende Füllung der Spalte zwischen dem Faltenbalg, dem Faltenbalg-Abschirmelement und dem Verbindungsring mit Lot verursachen. Somit bestehen Bedenken hinsichtlich einer Verschlechterung von Festigkeit und Luftdichtheit an der Lötnaht.
- [Patentdokument 1] Japanisches Patent Nr. 3 369 366 A
- [Patentdokument 2] Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2004 079 446 A
- [Patentdokument 3] Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2001 066 53 A
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DE 39 26 619 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Vakuumschaltkammer mit einem Keramikmantel und beidseitigen metallischen Deckeln, und mit einem feststehenden und einem beweglichen Leiterstengel, wobei ein Metallbalg führ die Abdichtung zwischen dem beweglichen Leiterstengel und einem der Deckel vorgesehen ist.
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DD 229 244 A1 beschreibt eine Lageranordnung an Vakuumschaltkammern, wobei ein Lager zentrisch mit einem Metallbalg und einem Anschlussteil einer Vakuumschaltkammer vakuumdicht verbunden ist.
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DE 43 20 910 C1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Lötverbindung und Anwendung des Verfahrens bei der Herstellung von Bauelementen mit vakuumdichten Gehäuse. Insbesondere beschreibt die
DE 43 20 910 C1 Möglichkeiten der Vereinfachung eines Lötvorgangs, indem es z. B. vorgesehen ist, mehrere Bauteile eines vakuumdichten Gehäuses in einem Arbeitsgang zu Töten.
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In Anbetracht der obigen Probleme besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, bei einer Vakuumröhre (auch als Vakuumventil bezeichnet), welche eine Struktur zum Verlöten in einem beweglichen Teil eines Faltenbalgs enthält, niedrige Kosten zu erreichen. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Herstellungszeit für eine Vakuumröhre, welche eine Struktur zum Verlöten in einem beweglichen Teil eines Faltenbalgs enthält, zu verkürzen. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, Festigkeit und Luftdichtheit der Verbindungsnaht in der Struktur zum Verlöten in einem beweglichen Teil eines Faltenbalgs in einer Vakuumröhre zu verbessern.
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Die vorstehenden Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch eine Vakuumröhre gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Vakuumröhre gemäß Anspruch 7 bzw. Anspruch 13 gelöst. Abhängige Ansprüche beschreiben bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung.
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Eine Vakuumröhre enthält ein luftdichtes Gefäß, in welchem ein feststehendes Kontaktstück und ein bewegliches Kontaktstück untergebracht sind, welches luftdichte Gefäß ein erstes Bauteil mit einem Metallüberzug, einen Faltenbalg ohne Metallüberzug und ein zweites Bauteil mit einem Metallüberzug enthält, wobei das erste Bauteil zwischen dem beweglichen Kontaktstück und dem Faltenbalg liegt und mit dem einen Endteil des Faltenbalgs verlötet ist und der andere Endteil des Faltenbalgs mit dem zweiten Bauteil verlötet ist.
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Der Faltenbalg wird vorzugsweise durch einen Schweißschritt, in welchem ein Edelstahl-Blech in eine zylindrische Form gerollt wird und eine Nahtlinie in einer Seitenfläche geschweißt wird, um ein Rohr zu bilden, und durch einen Formungsschritt, in welchem im Rohr ein gerippter Teil geformt wird, hergestellt; und der Faltenbalg weist vorzugsweise den gerippten Teil, welcher das Ausdehnen und Zusammenziehen gestattet, und zylindrische Endteile auf beiden Seiten des gerippten Teils auf.
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Das erste und das zweite Bauteil bestehen vorzugsweise aus weichem Stahl, Kupfer, Edelstahl oder einer Dichtlegierung aus Eisen-Nickel-Legierung oder Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Metallüberzug aus einer Vergoldung oder einer Vernickelung und das erste und das zweite Bauteil sind mittels eines Silberlots mit dem Faltenbalg verlötet.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält eine Lötstelle zwischen dem Faltenbalg und dem ersten Bauteil eine Metallkomponente, welche aus dem Metallüberzug des ersten Bauteils übertragen wird, und eine Lötstelle zwischen dem Faltenbalg und dem zweiten Bauteil enthält eine Metallkomponente, welche aus dem Metallüberzug des zweiten Bauteils übertragen wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Faltenbalg einen gerippten Teil, welcher das Ausdehnen und Zusammenziehen gestattet, und Öffnungs-Endteile zylindrischer Form auf beiden Seiten des gerippten Teils; das erste Bauteil enthält ein Durchgangsloch, durch welches die bewegliche Elektrode verlaufen soll, und einen Stufenteil, der so geformt ist, dass er das Durchgangsloch umgibt; und eine äußere Oberfläche eines der Öffnungs-Endteile des Faltenbalgs ist mit einer inneren Oberfläche des Stufenteils des ersten Bauteils verlötet.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Vakuumröhre, die ein luftdichtes Gefäß enthält, in welchem ein feststehendes Kontaktstück und ein bewegliches Kontaktstück untergebracht sind, wobei das luftdichte Gefäß ein erstes Bauteil mit einem Metallüberzug, einen Faltenbalg ohne Metallüberzug und ein zweites Bauteil mit einem Metallüberzug enthält und das bewegliche Kontaktstück durch den Faltenbalg hält, umfasst:
einen ersten Schritt des Vorbereitens des ersten Bauteils, des Faltenbalgs und des zweiten Bauteils, wobei das erste Bauteil zwischen dem beweglichen Kontaktstück und dem Faltenbalg zu liegen kommt und so positioniert wird, dass es am einen Endteil des Faltenbalgs anliegt, und der andere Endteil des Faltenbalgs so positioniert wird, dass er am zweiten Bauteil anliegt; und
einen zweiten Schritt des Verlötens des ersten Bauteils und des Faltenbalgs und des Verlötens des Faltenbalgs und des zweiten Bauteils.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird der Faltenbalg im ersten Schritt durch einen Schweißvorgang, bei dem ein Rohr durch Rollen eines Edelstahl-Blechs in eine zylindrische Form und Schweißen einer Nahtlinie in einer Seitenfläche des gerollten Blechs gebildet wird, und durch einen Formungsvorgang, bei dem Rippen am Rohr gebildet werden, hergestellt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform bestehen das erste und das zweite Bauteil aus weichem Stahl, Kupfer, Edelstahl oder einer Dichtlegierung aus Eisen-Nickel-Legierung oder Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Metallüberzug aus einer Vergoldung oder einer Vernickelung.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird der zweite Schritt des Verlötens mittels eines Silberlots ausgeführt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Metallkomponente des Metallüberzugs auf dem ersten Bauteil während des Verlötens des ersten Bauteils mit dem Faltenbalg im zweiten Schritt zum Faltenbalg übertragen; und eine Metallkomponente des Metallüberzugs auf dem zweiten Bauteil wird während des Verlötens des zweiten Bauteils mit dem Faltenbalg im zweiten Schritt zum Faltenbalg übertragen.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Vakuumröhre, bei welchem Bauteile eines luftdichten Gefäßes zur Aufnahme von Kontaktspitzen mit einem Faltenbalg verlötet werden, um zu ermöglichen, die Kontaktspitzen zusammenzubringen und zu trennen und dabei gleichzeitig die Luftdichtheit aufrechtzuerhalten, umfasst:
einen ersten Schritt des Aufbringens eines Metallüberzugs auf die Bauteile; und einen zweiten Schritt des Verlötens der Bauteile mit dem Faltenbalg, welcher keinen Metallüberzug aufweist.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird der Faltenbalg im ersten Schritt durch einen Schweißvorgang, bei dem ein Rohr durch Rollen eines Edelstahl-Blechs in eine zylindrische Form und Schweißen einer Nahtlinie in einer Seitenfläche des gerollten Blechs gebildet wird, und durch einen Formungsvorgang, bei dem Rippen am Rohr gebildet werden, hergestellt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Bauteile aus weichem Stahl, Kupfer, Edelstahl oder einer Dichtlegierung aus Eisen-Nickel-Legierung oder Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Metallüberzug der Bauteile aus einer Vergoldung oder einer Vernickelung besteht und die Verlötung mittels eines Silberlots.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Metallkomponente des Metallüberzugs des Bauteils während des Verlötens des Bauteils mit dem Faltenbalg im zweiten Schritt zum Faltenbalg übertragen.
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Bei einer Struktur zum Verlöten eines Faltenbalgs in einer Vakuumröhre gemäß der Erfindung wird ein Metallüberzug nicht auf den Faltenbalg selbst, sondern auf gegenüberliegende Bauteile aufgebracht, wodurch die Kosten des Faltenbalgs gesenkt werden. Der Metallüberzug wird hier auf ein Bauteil aufgebracht, welches eine relativ einfache Form hat und selten Defekte wie Grübchenbildung verursacht, indem ein Verfahren, zum Beispiel Trommelgalvanisierung, eingesetzt wird, welches eine leichte und massenhafte Verarbeitung gestattet. Deshalb werden die Kosten des Metallüberzug gesenkt.
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Eine weitere Kostensenkung wird durch Verwendung eines Faltenbalgs des Typs mit Naht, welcher nicht teuer ist, erreicht.
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Ein Faltenbalg des Typs mit Naht hat, wie es seinem Herstellungsverfahren eigen ist, an seinen beiden Enden Öffnungen zylindrischer Form. Während des Verlötens der Außenumfangs-Oberfläche des Öffnungsteils mit einem gegenüberliegenden Bauteil wird wegen einer einfachen Form des Spalts zwischen der Außenumfangs-Oberfläche des Öffnungsteils und dem Bauteil dieser Spalt sicher mit Lot gefüllt, wodurch Festigkeit und Luftdichtheit der Lötnaht verbessert werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Senkung der Kosten einer Vakuumröhre, welche eine Struktur zum Verlöten eines Faltenbalgs in einem beweglichen Teil enthält.
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Die Erfindung schafft außerdem eine Verkürzung einer Herstellungszeit einer Vakuumröhre, welche eine Struktur zum Verlöten eines Faltenbalgs in einem beweglichen Teil enthält.
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Die Erfindung schafft ferner eine Verbesserung von Festigkeit und Luftdichtheit in einer Struktur zum Verlöten eines Faltenbalgs in einer Vakuumröhre, welche eine Struktur zum Verlöten eines Faltenbalgs in einem beweglichen Teil enthält.
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Nun werden einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 ist eine Schnittansicht einer Vakuumröhre gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Lötanschlüsse in Detailansichten vergrößert gezeigt sind;
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2A ist eine vergrößerte Schnittansicht von Verbindungsteilen eines Faltenbalgs in einer Vakuumröhre gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2B ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche eine Abwandlung von Verbindungsteilen eines Faltenbalgs in einer Vakuumröhre gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 veranschaulicht ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines in eine Vakuumröhre integrierten Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4A veranschaulicht das vorbereitende Beispiel 1 zum Anfügen eines in einer Vakuumröhre verwendeten Faltenbalgs;
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4B veranschaulicht eine Abwandlung des vorbereitenden Beispiels 1 zum Anfügen eines in einer Vakuumröhre verwendeten Faltenbalgs;
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5A veranschaulicht das vorbereitende Beispiel 2 zum Anfügen eines in einer Vakuumröhre verwendeten Faltenbalgs;
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5B veranschaulicht eine Abwandlung des vorbereitenden Beispiels 2 zum Anfügen eines in einer Vakuumröhre verwendeten Faltenbalgs;
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6 veranschaulicht Beispiel 1 eines Verfahrens zum Anfügen eines Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7A ist die schematisierte Darstellung einer Schnittbeobachtung an einem verlöteten Teil, bestehend aus einem angefügten Metall, einer Silberlot-Schicht und einem Grundmetall, in Beispiel 1 zum Anfügen eines Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7B ist die schematisierte Darstellung einer Schnittbeobachtung an einer Verbindungs-Übergangsfläche zwischen einem angefügten Metall und einer Silberlot-Schicht in Beispiel 1 zum Anfügen eines Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7C ist ein Diagramm, welches die im Bereich einer Verbindungs-Übergangsfläche zwischen einem angefügten Metall und einer Silberlot-Schicht in Beispiel 1 zum Anfügen eines Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch EPMA gemessenen Ergebnisse der Konzentrationsverteilung verschiedener Elemente zusammenfasst;
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7D zeigt Diagramme der Konzentrationsverteilung einzelner Elemente, welche in 7C zusammengefasst sind, wobei die Lage der Verbindungs-Übergangsfläche für alle Diagramme zur Deckung gebracht wurde;
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8A ist die schematisierte Darstellung einer Schnittbeobachtung an einem verlöteten Teil, bestehend aus einem angefügten Metall, einer Silberlot-Schicht und einem Grundmetall, in Beispiel 1 zum Anfügen eines Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8B ist die schematisierte Darstellung einer Schnittbeobachtung an einer Verbindungs-Übergangsfläche zwischen einem Grundmetall und einer Silberlot-Schicht in Beispiel 1 zum Anfügen eines Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8C ist ein Diagramm, welches die im Bereich einer Verbindungs-Übergangsfläche zwischen einem Grundmetall und einer Silberlot-Schicht in Beispiel 1 zum Anfügen eines Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch EPMA gemessenen Ergebnisse der Konzentrationsverteilung verschiedener Elemente zusammenfasst;
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8D zeigt Diagramme der Konzentrationsverteilung einzelner Elemente, welche in 8C zusammengefasst sind, wobei die Lage der Verbindungs-Übergangsfläche für alle Diagramme zur Deckung gebracht wurde;
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9 zeigt das Konzept aus Beispiel 2, bei welchem ein Verfahren zum Anfügen eines Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf eine Vakuumröhre angewendet wird;
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10A ist die schematisierte Darstellung einer Schnittbeobachtung an einem verlöteten Teil in Beispiel 2 zum Anfügen eines Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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10B ist die schematisierte Darstellung einer Schnittbeobachtung an einer Verbindungs-Übergangsfläche zwischen einem Faltenbalg und einer Silberlot-Schicht in Beispiel 2 zum Anfügen eines Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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10C ist ein Diagramm, welches die im Bereich einer Verbindungs-Übergangsfläche zwischen einem Faltenbalg und einer Silberlot-Schicht in Beispiel 2 zum Anfügen eines Faltenbalgs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch EPMA gemessenen Ergebnisse der Konzentrationsverteilung verschiedener Elemente zusammenfasst;
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10D zeigt Diagramme der Konzentrationsverteilung einzelner Elemente, welche in 10C zusammengefasst sind, wobei die Lage der Verbindungs-Übergangsfläche für alle Diagramme zur Deckung gebracht wurde;
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11A und 11B eine fotografische Darstellung entsprechend den 7A und 7B;
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12A und 12B eine fotografische Darstellung entsprechend den 8A und 8B;
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13A und 13B eine fotografische Darstellung entsprechend den 10A und 10B.
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1 ist eine Schnittansicht, welche ein Beispiel eines Aufbaus einer Vakuumröhre gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die Vakuumröhre 10 in dieser Ausführungsform enthält einen isolierenden Zylinder 11, eine Endplatte auf der beweglichen Seite 12, eine Endplatte auf der feststehenden Seite 13, ein bewegliches Kontaktelement 14, ein feststehendes Kontaktelement 15, einen Faltenbalg 16, eine Kappe 17 und einen Funkenschirm 18.
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Der isolierende Zylinder 11 besteht aus einem isolierenden Werkstoff, zum Beispiel aus Keramik. Eine Metallisierungsschicht 11a und eine Metallisierungsschicht 11b sind am unteren beziehungsweise am oberen Ende des isolierenden Zylinders 11 gebildet.
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Die Metallisierungsschicht 11a und die Metallisierungsschicht 11b an den beiden Enden des isolierenden Zylinders 11 haften durch Lötnaht 22 beziehungsweise Lötnaht 21 an der Endplatte auf der feststehenden Seite 13 beziehungsweise an der Endplatte auf der beweglichen Seite 12, wodurch ein luftdichtes Gefäß V gebildet wird, dessen Innenraum auf einem vorbestimmten Vakuumgrad gehalten wird.
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Innerhalb des isolierenden Zylinders 11, welcher das luftdichte Gefäß V bildet, sind ein feststehendes Kontaktelement 15, welches durch die Endplatte auf einer feststehenden Seite 13 verläuft, und ein bewegliches Kontaktelement 14, welches durch die Endplatte auf einer beweglichen Seite 12 verläuft, einander gegenüberliegend angeordnet.
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Das bewegliche Kontaktelement 14 umfasst ein bewegliches Kontaktstück 14a an einer gegenüberliegenden Spitze und eine bewegliche Leiterstange 14b, welche das bewegliche Kontaktstück 14a von der Rückseite hält.
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Das feststehende Kontaktelement 15 umfasst ein feststehendes Kontaktstück 15a an einer gegenüberliegenden Spitze und eine feststehende Leiterstange 15b, welche das feststehende Kontaktstück 15a von der Rückseite hält.
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Das durch die Endplatte auf der feststehenden Seite 13 verlaufende feststehende Kontaktelement 15 ist durch Lötnaht 26 luftdicht an dieser Endplatte auf der feststehenden Seite 13 befestigt.
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Innerhalb des luftdichten Gefäßes V ist ein becherförmiger Funkenschirm 18 am feststehenden Kontaktelement 15 befestigt, welcher den Raum umschließt, wo das feststehende Kontaktstück 15a und das bewegliche Kontaktstück 14a einander gegenüberliegen. Der Funkenschirm 18 dient dazu, die Innenwand des isolierenden Zylinders 11 gegen Verunreinigung durch Lichtbogenentladungen, welche beim Schalten von Strömen durch Zusammenbringen und Trennen des feststehenden Kontaktstücks 15a und des beweglichen Kontaktstücks 14a erzeugt werden, zu schützen.
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2A ist eine vergrößerte Schnittansicht des Bereichs, wo das bewegliche Kontaktelement 14 auf der beweglichen Seite 12 durch die Endplatte verläuft.
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Ein Faltenbalg 16 ist in dem Bereich angebracht, wo das bewegliche Kontaktelement 14 am beweglichen Ende 12 durch die Endplatte verläuft. Der Faltenbalg 16 stellt, während er das Verschieben des beweglichen Kontaktelements 14 in axialer Richtung zulässt, die Luftdichtheit in dem Bereich sicher, wo das bewegliche Kontaktelement 14 auf der beweglichen Seite 12 durch die Endplatte verläuft.
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Der Faltenbalg 16 besteht aus einem dehnbaren gerippten Teil 16a und zylindrischen Öffnungs-Endteilen 16b und 16e auf beiden Seiten des gerippten Teils. Jeder Öffnungs-Endteil hat eine zylindrische Form und einen annähernd parallel zur Axialrichtung liegenden Längsschnitt.
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Der Faltenbalg kann zum Beispiel aus Edelstahl bestehen. Der Faltenbalg kann ein Faltenbalg des Typs mit Naht sein, welcher durch ein weiter unten beschriebenes Verfahren hergestellt wird. Sowohl die innere als auch die äußere Oberfläche des Faltenbalgs 16 sind in dieser Ausführungsform nicht mit einem Metallüberzug versehen und liegen im Zustand des Rohmaterials offen wie nach der Herstellung.
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Die gesamte Oberfläche der Endplatte auf der beweglichen Seite 12 ist mit einer Vernickelungsschicht 12a überzogen. Die Endplatte auf der beweglichen Seite 12 hat in ihrem mittleren Bereich ein Durchgangsloch 12b, durch welches das bewegliche Kontaktelement 14 verläuft. Ein Stufenteil 12c liegt konzentrisch zum Durchgangsloch 12b und springt aus dem luftdichten Gefäß V vor.
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Der Innenumfang des Stufenteils 12c und der Öffnungs-Endteil 16c des Faltenbalgs 16 sind mit einem Lot wie Silberlot an einer Lötnaht 23 luftdicht verlötet. An der Lötnaht 23 ist der Spalt zwischen der äußeren Oberfläche des Öffnungs-Endteils 16c und der Innenumfangs-Oberfläche des Stufenteils 12c über den gesamten Umfang mit Lotmaterial gefüllt, und auf dem äußeren beziehungsweise inneren Umfang des Öffnungs-Endteils 16c des Faltenbalgs 16 sind Ausrundung 23a und Ausrundung 23b gebildet.
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Der andere Öffnungs-Endteil 16b des Faltenbalgs 16 ist durch die Kappe 17 mit dem beweglichen Kontaktelement 14 luftdicht verbunden.
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Die Kappe 17 ist gänzlich mit einer Vernickelungsschicht 17a beschichtet und hat in ihrem mittleren Bereich ein Durchgangsloch 17b, durch welches das bewegliche Kontaktelement 14 verläuft. Der Innenumfang des Durchgangslochs 17b und die Außenumfangs-Oberfläche des beweglichen Kontaktelements 14 sind an der Lötnaht 25 mittels eines Lots luftdicht verbunden.
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Die Kappe 17 hat einen Stufenteil 17c, welcher konzentrisch zum Durchgangsloch 17b liegt und zur Innenseite des luftdichten Gefäßes V hin vorspringt. Ein Flansch 17d ist am Außenumfang des Stufenteils 17c angebracht. Der Flansch 17d schirmt den Faltenbalg 16 gegen den Bereich ab, wo das bewegliche Kontaktstück 14a und das feststehende Kontaktstück 15a im luftdichten Gefäß V einander gegenüberliegen.
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Die Innenumfangs-Oberfläche des Stufenteils 17c und die äußere Oberfläche des Öffnungs-Endteils 16b des Faltenbalgs 16 sind mittels eines Lots in der Lötnaht 24 luftdicht zusammengefügt. An der Lötnaht 24 ist der Spalt zwischen der äußeren Oberfläche des Öffnungs-Endteils 16b und der Innenumfangs-Oberfläche des Stufenteils 17c über den gesamten Umfang mit Lotmaterial gefüllt, und auf dem inneren beziehungsweise äußeren Umfang des Öffnungs-Endteils 16b des Faltenbalgs 16 sind Ausrundung 24a und Ausrundung 24b gebildet.
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Ein in dieser Ausführungsform verwendeter Faltenbalg ist nicht ein durch Tiefziehen hergestellter nahtloser Typ, sondern ein durch ein Verfahren wie weiter unten beschrieben hergestellter Faltenbalg 16 des Typs mit Naht. Folglich haben die beiden Enden des Faltenbalgs 16, die Öffnungs-Endteile 16b und 16c, eine zylindrische Form mit gleichbleibendem Durchmesser längs der Axialrichtung im gleichen Zustand wie nach der Herstellung.
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Folglich weist die Verbindungsstelle zwischen dem Faltenbalg 16 und der Kappe 17 (und folglich dem beweglichen Kontaktelement 14) einen einfachen Aufbau auf, bei welchem der Öffnungs-Endteil 16b des Faltenbalgs 16 längs der Axialrichtung in den Stufenteil 17c der Kappe 17 eingeschoben und eingebaut ist. Diese einfache Struktur sorgt dafür, dass der Spalt zwischen dem Öffnungs-Endteil 16b und dem Stufenteil 17c an der Lötnaht 24 vollständig mit Lot gefüllt wird, wodurch sich sanft geformte Ausrundungen 24a und 24b bilden.
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Desgleichen hat auch die Verbindungsstelle zwischen dem Faltenbalg 16 und der Endplatte auf der beweglichen Seite 12 einen einfachen Aufbau, bei welchem der Öffnungs-Endteil 16c des Faltenbalgs 16 längs der Axialrichtung in den Stufenteil 12c der Endplatte auf der beweglichen Seite 12 eingebaut ist. Der Spalt zwischen dem Öffnungs-Endteil 16c und dem Stufenteil 12c an der Lötnaht 23 wird ebenfalls vollständig mit Lot gefüllt, wodurch sich sanft geformte Ausrundungen 23a und 23b bilden.
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Deshalb ergeben sich an der Lötnaht 24 und an der Lötnaht 23 eine bessere Verbindungsfestigkeit und Luftdichtheit. Die Verbindungsfestigkeit und die Luftdichtheit an der Lötnaht 24 können auf ein gewünschtes Maß gebracht werden, indem die Verbindungslänge L1 in axialer Richtung des Öffnungs-Endteils 16b des Faltenbalgs 16 angepasst wird, um die axiale Länge der Lötnaht 24 zu beeinflussen. Genauso können die Verbindungsfestigkeit und die Luftdichtheit an der Lötnaht 23 auf ein gewünschtes Maß gebracht werden, indem die Verbindungslänge L2 in axialer Richtung des Öffnungs-Endteils 16c des Faltenbalgs 16 angepasst wird, um die axiale Länge der Lötnaht 23 zu beeinflussen.
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2B zeigt eine Abwandlung an der Lötnaht 24 zwischen dem Faltenbalg 16 und der Kappe 17. Bei dieser Abwandlung nutzt die Lötnaht 24, zusätzlich zur äußeren Oberfläche des Öffnungs-Endteils 16b, für einen Teil der Verbindungsfläche einen solchen Teil der äußeren Oberfläche 16d des dehnbaren gerippten Teils 16a des Faltenbalgs 16, welcher dem Öffnungs-Endteil 16b am nächsten liegt und eine annähernd senkrecht zur Axialrichtung des Faltenbalgs 16 stehende Oberfläche darstellt. Dieser abgewandelte Aufbau verbessert die Verbindungsfestigkeit und die Luftdichtheit der Lötnaht 24 werter.
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3 veranschaulicht ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen des Faltenbalgs 16 in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ein rechteckiges Blech 31 zum Beispiel aus Edelstahl wird gerollt, so dass es ein Rohr 32 bildet, und die Naht 33 in axialer Richtung an der seitlichen Oberfläche des Rohrs 32 wird geschweißt. Dann wird mittels einer Umformvorrichtung 40, bestehend aus einer Grundform 41, an deren Umfang sich entsprechende Formrippen befinden, und einer Pressform 42 mit Vorsprüngen jeweils im Abstand der Rippen, im in axialer Richtung mittleren Teil des Rohrs 32 ein dehnbarer gerippter Teil 34 (ein dehnbarer gerippter Teil 16a) gebildet. Beim Umformvorgang wird die Grundform 41 in das Rohr 32 eingeführt und druckt die Pressform 42 durch die Wand des Rohrs 32 in Radialrichtung des Rohrs einwärts gegen die Grundform 41. So erhält man einen Faltenbalg 30 (Faltenbalg 16).
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Anstatt eine Umformvorrichtung 40 zu verwenden, kann ein Faltenbalg 30 durch ein Verfahren hergestellt werden, bei welchem das Rohr 32 in ein zylindrisches Gesenk mit Rippen an seiner Innenwand eingeführt wird und ein hydraulischer Druck im Innern des Rohrs 32 angewendet wird, um das Rohr 32 entsprechend der Innenform des Gesenks aufzuweiten.
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Diese Verfahren zur Herstellung eines Faltenbalgs 30 wie oben beschrieben, welche den gerippten Teil 34 formen und dabei die beiden Endteile des Rohrs 32 in einer ursprünglichen zylindrischen Form belassen, können in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne weiteres in kurzer Zeit einen Faltenbalg 16 schaffen, welcher im in axialer Richtung mittleren Teil einen dehnbaren gerippten Teil 16a und in den beiden Endteilen einfache zylindrische Öffnungs-Endteile 16b und 16c aufweist. Ein Faltenbalg des Typs mit Naht 16 kann in einer Ausführungsform der Erfindung in kürzerer Zeit hergestellt werden als ein Faltenbalg des nahtlosen Typs nach bekanntem Stand der Technik, welcher ein kompliziertes Herstellungsverfahren erfordert. Folglich kann gemäß dem Herstellungsverfahren der Erfindung auch eine Herstellungszeit einer Vakuumröhre 10, welche den Faltenbalg 16 verwendet, verkürzt werden.
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In der Vakuumröhre 10 mit einem Aufbau in einer Ausführungsform der Erfindung sind das bewegliche Kontaktelement 14 und das feststehende Kontaktelement 15 mit einem gewünschten elektrischen Stromkreis verbunden und kommen das bewegliche Kontaktstück 14a und das feststehende Kontaktstück 15a in Kontakt miteinander, wodurch der elektrische Stromkreis in einen leitenden Zustand versetzt wird. Wenn der elektrische Stromkreis im Fall irgendeiner Störung unterbrochen werden soll, wird das durch den Faltenbalg 16 gehaltene bewegliche Kontaktelement 14 auf ein äußeres Signal hin vom feststehenden Kontaktelement 15 weg verschoben. Das bewegliche Kontaktstück 14a und das feststehende Kontaktstück 15a werden getrennt und in einen voneinander isolierten Zustand versetzt. Das Vakuum Innerhalb des luftdichten Gefäßes V verhindert, dass die Abschaltung wegen einer Lichtbogenentladung fehlschlägt.
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Somit kann der Faltenbalg 16, welcher in der Lage ist, sich auszudehnen und zusammenzuziehen, durch Zusammenbringen und Trennen des beweglichen Kontaktstücks 14a und des feststehenden Kontaktstücks 15a, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Vakuums innerhalb des luftdichten Gefäßes V, das Ein- und Ausschalten eines elektrischen Stromkreises bewerkstelligen.
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In der Ausführungsform der Erfindung wie hierin beschrieben weist der Faltenbalg keinen Metallüberzug auf, und nur die Endplatte auf der beweglichen Seite 12 und die Kappe 17 sind mit einer Vernickelungsschicht 12a und einer Vernickelungsschicht 17a überzogen. Und der Öffnungs-Endteil 16c des Faltenbalgs 16 und die Endplatte auf der beweglichen Seite 12 sind an der Lötnaht 23 zum Beispiel mit einem Silberlot zusammengefügt; und der Öffnungs-Endteil 16b des Faltenbalgs 16 und die Kappe 17 sind an der Lötnaht 24 mit einem Silberlot zusammengefügt.
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Die weiter unten beschriebenen speziellen Beispiele haben bewiesen, dass zufriedenstellende Verbindungsfestigkeit und Luftdichtheit bei dem Aufbau, bei welchem der Faltenbalg 16 keinen Metallüberzug hat und nur die gegenüberliegenden Bauteile, die Endplatte auf der beweglichen Seite 12 und die Kappe 17, mit der Vernickelungsschicht 12a und der Vernickelungsschicht 17a versehen sind, gewährleistet sind. Der Aufbau der Vakuumröhre in der Ausführungsform der Erfindung beruht auf dem Wissen über die speziellen Beispiele.
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Wie weiter oben beschrieben, verwendet ein Verfahren zur Versilberung eines Faltenbalgs in einer herkömmlichen Vakuumröhre einen Faltenbalg des nahtlosen Typs, welcher durch Tiefziehen aus einem Blech aus austenitischem Edelstahl hergestellt ist, und wird dieser Faltenbalg des nahtlosen Typs durch Suspensionsgalvanisierung oder stromlosen Niederschlag, welche Verfahren beide sehr zeit- und arbeitsaufwendig sind, mit einer Vernickelung überzogen, wie in Patentdokument 2 beschrieben.
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Überdies ist der integrierende Aufbau des Faltenbalgs und der Elektrode wie in Patentdokument 3 beschrieben, bei welchem ein Durchgangsloch für die Elektrode in die dicke Bodenplatte des nahtlosen Faltenbalgs gebohrt wird und der Faltenbalg, ein Faltenbalg-Abschirmelement und ein Verbindungsring aufeinandergestapelt und am Stufenteil der Elektrode gehalten und dann durch Löten befestigt werden, ziemlich kompliziert.
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Somit erfordert der bekannte Stand der Technik die Verwendung eines teuren Faltenbalgs nahtlosen Typs und Vernickelung auf dem Faltenbalg. Die hohen Kosten des Faltenbalgs selbst und die Notwendigkeit einer Vernickelung bedeuten zusätzliche Kosten.
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In Anbetracht der oben beschriebenen Umstände haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ausführliche Untersuchungen zu den Verfahren des preiswerten Lötens mit Silberlot an einem Faltenbalg in einer Vakuumröhre 10 in der Ausführungsform der Erfindung, wie im folgenden beschrieben, unternommen. Der Aufbau der Vakuumröhre 10 gemäß der Ausführungsform der Erfindung wie oben beschrieben ist eine Anwendung des durch die Untersuchungen gewonnenen Wissens.
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Einige vorbereitende Experimente zum Löten wurden unter Verwendung verschiedener Werkstoffe ausgeführt. Die in den Experimenten verwendeten Werkstoffe waren sauerstofffreies Kupferblech (C1020P, ein in Japanischen Industrienormen vorgeschriebener Werkstoff-Code, was auch im folgenden für ”SPCC” und ”SUS304CP” gilt), kaltgewalztes Stahlblech (SPCC) und kaltgewalztes Edelstahlblech (SUS304CP). Die Abmessungen der Probestücke entsprachen einer Dicke von 2 bis 3 mm und einem Quadrat mit einer Seitenlänge von etwa 30 mm. Die Oberfläche des Probestücks wurde in den Fällen ohne Vernickelung lediglich durch Entfetten in einem Lösemittel behandelt.
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[Vorbereitendes Beispiel 1]
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Eine Folie aus Silberlot (72Ag-Cu) wurde zwischen ein Blech aus SUS304 ohne Vernickelung (vorübergehend als ein Grundmetall 101 betrachtet) und C1020P, SPCC oder SUS304CP (vorübergehend als ein angefügtes Metall 102 betrachtet) gelegt. Diese Kombinationen wurden in einer Hochvakuum-Umgebung bei einem Druck unter 10–2 Pa auf 800°C erhitzt, um das Grundmetall 101 und das angefügte Metall 102 über die Silberlot-Schicht 103 zu verbinden. Bei der Kombination Grundmetall 101 (SUS304)/angefügtes Metall 102 (C1020P oder SPCC) bildete sich auf der Seite des angefügten Metalls 102, welches C1020P oder SPCC ist, eine Ausrundung 103a mit der Form einer Spindel, wohingegen sich auf der Seite des Grundmetalls SUS304 ein Lunker 103b bildete, wie in 4A gezeigt.
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Bei der Kombination aus dem Grundmetall 101 aus SUS304 und dem angefügten Metall 102 aus SUS304 bildeten sich sowohl auf der Seite des Grundmetalls als auch auf der Seite des angefügten Metalls große Lunker 103b, wie in 4B gezeigt.
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Hierzu kam es, weil ein wenig Verunreinigung und Oxid, welche auf der Oberfläche von C1020P und SPCC vorhanden sind, durch reduzierendes Erwärmen im Vakuum zersetzt werden, was eine gute Benetzbarkeit zur Folge hat. Im Fall des Werkstoffs SUS304 ist auf seiner Oberfläche ein starker Oxidfilm gebildet und kann der Oxidfilm nicht durch Erwärmung in einem Vakuum beseitigt werden. Folglich weist ein SUS304 ohne Vernickelung eine schlechte Benetzbarkeit auf und gestattet in einem Zustand ohne Vernickelung oder sonstige Spezialbehandlung nicht, eine gute luftdichte Verbindung auszuführen.
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[Vorbereitendes Beispiel 2]
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Dann wurden die entsprechenden Lötexperimente mit den Kombinationen aus einem Grundmetall 101 aus SUS304-Blech mit Vernickelung und einem angefügten Metall 102 aus C1020P, SPCC oder SUS304CP ohne Vernickelung durchgeführt.
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Bei der Kombination Grundmetall 101 (SUS304 mit Vernickelung)/angefügtes Metall 102 (C1020P oder SPCC) bildete sich auf der Oberfläche sowohl auf der Seite des Grundmetalls 101 als auch auf der Seite des angefügten Metalls 102 eine spindelförmige Lot-Ausrundung 103a, wie in 5A gezeigt. Somit kann der Werkstoff SUS304, welcher im wesentlichen eine schlechte Benetzbarkeit mit Silberlot aufweist, dennoch eine gute Lötfähigkeit aufweisen, wenn er mit einer Vernickelung (101a) überzogen ist.
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Ein eigentümliches Phänomen, wie in 5B gezeigt, wurde bei der Kombination Grundmetall 101 (SUS304 mit Vernickelung)/angefügtes Metall 102 (SUS304CP ohne Vernickelung) beobachtet. Es bildete sich eine spindelförmige Lot-Ausrundung 103a, welche einen guten Verlötungszustand zeigte wie in 5B auf der Seite des angefügten Metalls 102 aus SUS304 ohne Vernickelung, welcher Werkstoff, wie es ihm eigen ist, eine schlechtere Benetzbarkeit mit Silberlot haben kann.
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Als Ursache hierfür kann angenommen werden, dass die auf dem Grundmetall 101 (SUS304) gebildete Vernickelung 101a sich während des Lötvorgangs bei 800°C bis 850°C teilweise auflöst und sich während der Erstarrung des Silberlots auf der Oberfläche des angefügten Metalls 102 (ohne Vernickelung) niederschlägt, wie wenn eine Vernickelung auf dem angefügten Metall 102 ausgeführt wird.
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Wettere Lötexperimente wurden auf die gleiche Weise wie die oben beschriebenen Lötexperimente mit der Kombination aus einem Grundmetall 101 aus SUS304-Blech mit Vernickelung und C1020P, SPCC oder SUS304CP mit Vernickelung durchgeführt. Selbstverständlich bildeten sich sowohl auf der Seite des Grundmetalls 101 als auch auf der Seite des angefügten Metalls 102 bei jeder Kombination gute Ausrundungen 103a.
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Obwohl Verunreinigungen und Oxidfilme auch auf der Oberfläche der Vernickelung vorhanden sein müssen, werden sie ohne werteres durch Erwärmen in einem Vakuum beseitigt, was eine gute Benetzbarkeit mit Silberlot zur Folge hat.
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[Beispiel 1]
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Auf dem in den oben beschriebenen vorbereitenden Beispielen gewonnenen Wissen beruhend, wurden drei Arten von Probestücken in drei Kombinationen aus einem Grundmetall 101 aus SUS304 ohne Oberzug und angefügten Metallen 102 aus C1020P, SPCC und SUS304 jeweils mit Vernickelung (Oberzug auf angefügtem Metall 102a) hergestellt. Betrachtet man das Lötergebnis, zeigt sich wie in 6, dass sich bei jeder Kombination sogar auf der Seite des Grundmetalls 101 aus SUS304 ohne Vernickelung eine Ausrundung 103 bildete, was auf einen zufriedenstellenden Verlötungszustand hindeutet.
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Tabelle 1 fasst die Ergebnisse der oben beschriebenen Experimente zusammen. Die Zeichen in der Tabellenzellen geben den Verlötungszustand auf der Seite des Grundmetalls/auf der Seite des angefügten Metalls an, wobei ”o” die Bildung einer Lotausrundung
103a und einen guten Verlötungszustand bezeichnet und ”x” das Fehlen einer Ausrundung und einen schlechten Verlötungszustand bezeichnet. [Tabelle 1]
| Beispiel | Grundmetall | Angefügtes Metall |
| Ohne Vernickelung | Mit Vernickelung |
| C1020P | SPCC | SUS304 | C1020P | SPCC | SUS304 |
| Vorbereitendes
Beispiel 1 | SUS304
ohne Vernickelung | x/o | x/o | x/x | - | - | - |
| Vorbereitendes
Beispiel 2 | SUS304
mit Vernickelung | o/o | o/o | o/o | o/o | o/o | o/o |
| Ausführungsform-Beispiel 1 | SUS304 ohne Vernickelung | - | - | - | o/o | o/o | o/o |
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Von diesen Experimenten ausgehend, wurden eingehende Beobachtungen am Querschnitt der Probestücke gemacht.
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7A, 7B, 7C, 7D, 8A, 8B, 8C und 8D zeigen die Ergebnisse der Beobachtung und der Messung der Konzentrationsverteilung der Elemente Fe, Cr und Ni, welche Hauptbestandteile von SUS304 sind, Ag und Cr, welche Hauptbestandteile von Silberlot sind, und Ni aus der Vernickelung im Querschnitt eines verlöteten Teils des Grundmetalls 101, welches SUS304 ohne Vernickelung ist, mit dem angefügten Metall 102, welches SUS304 mit Vernickelung ist, mittels EPMA (Electron Probe Micro Analysis Elektronensonden-Mikroanalyse).
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Genauer gesagt, zeigt 7A eine Schnittbeobachtung an einem verlöteten Teil, bestehend aus einem angefügten Metall 102, einer Silberlot-Schicht 103 und einem Grundmetall 101; und 7B zeigt eine Schnittbeobachtung an einer Verbindungs-Übergangsfläche 104a zwischen einem angefügten Metall 102 und einer Silberlot-Schicht 103. Die 11A und 11B stellen Bilder dar, die den schematisierten Darstellungen der 7A und 7B entsprechen.
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7C ist ein Diagramm, welches die durch EPMA gemessenen Ergebnisse der Konzentrationsverteilung verschiedener Elemente zusammenfasst; und 7D zeigt Diagramme der Konzentrationsverteilung einzelner Elemente, wobei die Lage der Verbindungs-Übergangsfläche 104a für alle Diagramme zur Deckung gebracht wurde.
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8A zeigt eine Schnittbeobachtung an einem verlöteten Teil, bestehend aus einem Grundmetall 101, einer Silberlot-Schicht 103 und einem angefügten Metall 102; und 8B zeigt eine Schnittbeobachtung an einer Verbindungs-Übergangsfläche 104 zwischen einem Grundmetall 101 und einer Silberlot-Schicht 103. Die 12A und 12B stellen Bilder dar, die den schematisierten Darstellungen der 8A und 8B entsprechen.
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8C ist ein Diagramm, welches die durch EPMA gemessenen Ergebnisse der Konzentrationsverteilung verschiedener Elemente zusammenfasst; und 8D zeigt Diagramme der Konzentrationsverteilung einzelner Elemente, wobei die Lage der Verbindungs-Übergangsfläche 104 für alle Diagramme zur Deckung gebracht wurde.
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In jeder der 7C, 7D, 8C und 8D zeigt die Ordinate durch EPMA gewonnene Zählwerte der Elemente, welche in den oberen Positionen höhere Konzentrationen angeben, und zeigt die Abszisse den Ort. Die zweifach gestrichelten Linien in den Diagrammen bezeichnen die ungefähren Lagen der Übergangsfläche 104 zwischen dem Grundmetall 101 aus SUS304 ohne Vernickelung und der Silberlot-Schicht und der Übergangsfläche 104a zwischen dem angefügten Metall 102 aus SUS304 mit Vernickelung und dem Silberlot 103. In den Analysediagrammen für jedes Element, 7C, 7D, 8C und 8D, sind die Ordinaten willkürlich vergrößert oder verkleinert, um die Verständlichkeit zu verbessern.
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7A, 7B, 7C und 7D zeigen die Ergebnisse einer Elementeanalyse um die Verbindungs-Übergangsfläche 104a zwischen dem angefügten Metall 102 aus SUS304 mit Vernickelung und dem Silberlot 103. Es ist ersichtlich, dass die Nickelkonzentration im angefügten Metall 102 im Oberflächenbereich von mehreren μm relativ hoch ist. Dies ist eine Folge der Vernickelung.
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8A, 8B, 8C und 8D zeigen die Ergebnisse einer Elementeanalyse um die Verbindungs-Übergangsfläche 104 zwischen dem Grundmetall 101 aus SUS304 ohne Vernickelung und dem Silberlot 103. Da keine Vernickelung auf die Oberfläche des Grundmetalls 101 aus SUS304 aufgebracht wurde, darf Nickel sich nur innerhalb des Grundmetalls 101 finden, und dies mit einer annähernd konstanten, der Zusammensetzung des SUS304 entsprechenden Konzentrationsverteilung, wie durch die gestrichelte Linie 105 in 8D angegeben. Trotzdem wurde ein eigentümliches Phänomen beobachtet, nämlich dass im Oberflächenbereich des Grundmetalls 101 aus SUS304 eine hohe Nickelkonzentration vorlag, obwohl keine Vernickelung aufgebracht war.
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Diese Tatsache hat die werter oben beschriebene Annahme bestätigt, dass die auf dem SUS304 gebildete Vernickelung sich während des Lötvorgangs teilweise auflöst und sich während des Erstarrungsvorgangs auf der Oberfläche des gegenüberliegenden SUS304 niederschlagt, wie wenn eine Vernickelung ausgeführt wird.
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[Beispiel 2]
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Auf dem aus den oben beschriebenen Experimenten gewonnenen Wissen beruhend, wurden Experimente zum Löten eines Faltenbalgs 16 in einer Vakuumröhre 10 durchgeführt. Der in den Lötexperimenten verwendete Faltenbalg wurde durch das Verfahren des in 3 gezeigten Beispiels hergestellt. Ein Blech aus austenitischem Edelstahl (SUS316) wurde gerollt und TiG-geschweißt, um ein Rohr zu bilden, und dann durch Anwenden von hydraulischem Druck zu einem Faltenbalg geformt. Dieser Faltenbalg war ein sogenannter Faltenbalg des Typs mit Naht 16 mit einer Schweißnaht. Eine Vernickelung wurde nicht vorgenommen.
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Mit dem Faltenbalg verlötete angefügte Metalle waren eine Kappe 17, welche aus C1020P oder SPCC bestand und eine Vernickelungsschicht 17a mit einer Dicke von 2 bis 3 μm hatte, und eine Endplatte auf der beweglichen Seite 12, welche aus Fe-42Ni bestand und eine Vernickelungsschicht 12a mit einer Dicke von 2 bis 3 μm hatte. (Siehe 2A.)
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Das Löten erfolgte bei diesen Werkstoffkombinationen auf die oben beschriebene Weise, und es wurden Kontrollen des äußeren Erscheinungsbilds und der Querschnittsstruktur vorgenommen. Es wurde festgestellt, dass Ausrundung 24b und Ausrundung 23a sich bei allen Kombinationen wie im Beispiel in 9 gezeigt bildeten, was einen guten Verlötungszustand beweist.
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10A, 10B, 10C und 10D zeigen die Ergebnisse der Elementeanalyse durch EPMA der Elemente Fe, Cr und Ni, welche Hauptelemente des Faltenbalgs 16 sind, Ag und Cu, welche Bestandteile des Silberlots sind, und Nickel der Vernickelungsschicht 17a (12a) in einem Schnitt des verlöteten Teils zwischen dem Faltenbalg 16 ohne Vernickelung und der Kappe 17 (der Endplatte auf der beweglichen Seite 12) aus C1020P mit der Vernickelungsschicht 17a (12a).
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Genauer gesagt, zeigt 10A eine Schnittbeobachtung an einer Lötnaht 24 (oder Lötnaht 23), bestehend aus einem Faltenbalg 16, einer Silberlot-Schicht und der Kappe 17 (oder der Endplatte auf der beweglichen Seite 12); und 10B zeigt eine Schnittbeobachtung an einer Verbindungs-Übergangsfläche 104 zwischen dem Faltenbalg 16 und einer Silberlot-Schicht (an Lötnaht 24 oder Lötnaht 23). Die 13A und 13B stellen Bilder dar, die den schematisierten Darstellungen der 10A und 10B entsprechen.
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10C ist ein Diagramm, welches die durch EPMA gemessenen Ergebnisse der Konzentrationsverteilung verschiedener Elemente zusammenfasst; und 10D zeigt Diagramme der Konzentrationsverteilung einzelner Elemente, wobei die Lage der Verbindungs-Übergangsfläche 104 für alle Diagramme zur Deckung gebracht wurde.
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In diesen 10A bis 10D wurde ein in 10D bezeichneter Bereich hoher Nickelkonzentration 105a, ähnlich 105a in 8D, sogar auf der Oberfläche des Faltenbalgs 16 beobachtet, auf welchem keine Vernickelung durchgeführt wurde. Dies lässt sich der Übertragung von Teilen des Nickels aus der Vernickelungsschicht 17a zum Faltenbalg 16 während des Vorgangs bei Löttemperatur zuschreiben.
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Während das oben beschriebene im Fall von C1020 für die Werkstoffe der mit dem Faltenbalg 16 zusammenzufügenden Kappe 17 und Endplatte auf der beweglichen Seite 12 gilt, wurden in den Fällen von Werkstoffen aus austenitischem Edelstahl, weichem Stahl und Dichtlegierungen aus Fe-Ni und Fe-Ni-Co ähnliche Ergebnisse erzielt.
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Es wurde die zeitliche Veränderung des Drucks (Vakuumgrads) in der durch das Zusammenfügungsverfahren gemäß der Erfindung hergestellten Vakuumröhre 10 gemessen, und es wurde keine Druckabnahme oder Verschlechterung des Vakuums festgestellt, was zufriedenstellende luftdichte Verbindungen an der Lötnaht 24 zwischen dem Faltenbalg 16 und der Kappe 17 und der Lötnaht 23 zwischen dem Faltenbalg 16 und der Endplatte auf der beweglichen Seite 12 beweist.
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Wie soweit beschrieben, wird beim Anfügen des Faltenbalgs einer Vakuumröhre 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung keine Vernickelung am zum Beispiel aus Edelstahl bestehenden Faltenbalg 16 durchgeführt. Stattdessen werden die Kappe 17 und die Endplatte am beweglichen Ende 12, welche dem Faltenbalg gegenüberliegende Bauteile sind und eine relativ einfache Form haben, mit einer Vernickelungsschicht 17a beziehungsweise einer Vernickelungsschicht 12a versehen und verlötet. Der Verzicht auf einen Metallüberzug auf dem Faltenbalg 16 schafft eine Kostensenkung sowie eine Verbindung mit hoher Luftdichtheit und Verbindungsfestigkeit.
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Eine weitere Kostensenkung wird erreicht, weil ein verwendeter Faltenbalg ein preiswerter Faltenbalg des Typs mit Naht, welcher durch Bilden eines dünnen Rohrs mit einer Schweißnaht hergestellt wird, sein kann. Die Kosten eines Faltenbalgs des Typs mit Naht belaufen sich auf etwa ein Drittel der Kosten eines Faltenbalgs nahtlosen Typs. Somit kann eine beträchtliche Kostensenkung erreicht werden.
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Ein Faltenbalg des nahtlosen Typs 16 in seiner Form wie nach der Herstellung hat gerade zylindrische Teile, einen Öffnungs-Endteil 16b und einen Öffnungs-Endteil 16c an seinen beiden Enden. Folglich können unter Verwendung der inneren oder äußeren Oberfläche dieser Öffnungs-Endteile 16b und 16c als Lötfläche einfache Strukturen von Lötnaht 23 und Lötnaht 22 konstruiert werden.
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Deshalb sind beim Aufrechterhalten der Luftdichtheit an den Lötnähten 23 und 22 über eine lange Zeit Verbesserungen gegenüber dem in Patentdokument 3 offenbarten komplizierten gestapelten Aufbau zu erwarten.
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Die obigen Beschreibungen erwähnten Zusammenfügungsverfahren an Verbindungsstellen des Faltenbalgs 16 in der Vakuumröhre 10. Der Vorgang des Zusammenfügens in der Vakuumröhre 10 eines in 1 gezeigten Beispiels kann in einem Vakuumofen für alle Lötnähte einschließlich Lötnaht 21, Lötnaht 22, Lötnaht 23, Lötnaht 24, Lötnaht 25 und Lötnaht 26 gleichzeitig erfolgen.
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Die Teile der Vakuumröhre 10 mit dem Aufbau aus 1 werden vorläufig wie in 1 zusammengesetzt, und an den Lötnähten 21 bis 26 wird Lotmaterial aufgebracht, Die Viskosität des Lotmaterials kann zum relativen Positionieren der Teile beim vorläufigen Zusammensetzen genutzt werden. Die Teile werden in den Vakuumofen gelegt und im ganzen auf eine Löttemperatur von zum Beispiel 800°C bis 850°C erwärmt, um sie durch Löten zusammenzufügen.
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Da die beiden Enden des Faltenbalgs des Typs mit Naht 16 in dieser Ausführungsform Öffnungs-Endteile 16b und 16c mit einer einfachen zylindrischen Form sind, lässt sich das vorläufige Zusammensetzen ohne weiteres einfach durch koaxiales Anordnen einer Kappe 17, eines Faltenbalgs 16, einer Endplatte auf der beweglichen Seite 12 und eines beweglichen Kontaktelements 14 bewerkstelligen. Dies ist ein weiterer Vorzug der Ausführungsform.
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Beim Erwärmungsvorgang befinden sich die zum Faltenbalg 16 gehörenden Bauteile, wie in 2A gezeigt, innerhalb des isolierenden Zylinders 11 und empfangen folglich weniger Strahlung vom Ofen.
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Trotzdem kann, da bei dieser Ausführungsform das Löten bei einer Löttemperatur von etwa 800°C erfolgen kann, ein gleichzeitiges Zusammenfügen der Vakuumröhre 10 bewerkstelligt werden, indem die Ofentemperatur auf etwa 850°C eingestellt wird und die Bauteile einschließlich des innerhalb des isolierenden Zylinders 11 befindlichen Faltenbalgs auf etwa 800°C erwärmt werden.
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Die Erfindung soll nicht auf die Beispiele der oben beschriebenen Ausführungsform beschränkt sein, sondern es sind jegliche Abwandlungen im Rahmen und im Sinn der Erfindung möglich.
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Zum Beispiel ist das Aufbringen eines Metallüberzugs auf die Endplatte auf der beweglichen Seite 12 und die Kappe 17 nicht auf Vernickelung beschränkt, sondern kann aus einer Vergoldung (Au) bestehen.
