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Um
Ströme,
Spannungen oder elektrische Signale aus und in hermetisch verschlossene
Behälter
zu führen,
ist es bekannt, elektrische Durchführungen zu verwenden. Für Anwendungen,
bei denen hohe Temperaturen einwirken können und/oder bei denen eine
niedrige Leckrate gefordert wird, ist besonders Glas als Isolationsmaterial
für den
oder die elektrischen Leiter der Durchführung geeignet. Für die Dichtheit
einer solchen Durchführung
ist unter anderem der Glas-Metall-Übergang zwischen dem elektrischen
Leiter und dem isolierenden Glasmaterial entscheidend.
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Die
Problematik bei derartigen Durchführungen liegt unter anderem
darin, daß Glas
und Metall im allgemeinen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen, die zu Temperaturspannungen und damit zu Rissen im Glasmaterial führen können. Um
diesem Problem zu begegnen, ist es bekannt, bestimmte Legierungen,
wie insbesondere Eisen-Nickel-Legierungen zu verwenden, die einen
an das Glas angepaßten
Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen. Hier tritt jedoch
wiederum das Problem auf, daß derartige
Legierungen nicht optimal hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit
sind. Um die Leitfähigkeit,
insbesondere zum Transport hoher Ströme zu verbessern, wurde dazu
in der Vergangenheit eine elektrische Durchführung mit einem Metallrohr
aus einer solchen Legierung hergestellt. In das Rohr wurde dann
in einem zweiten Schritt eine Stange aus einem Material mit hoher
Leitfähigkeit,
wie insbesondere Kupfer oder Messing bzw. Bronze eingelötet. Derartige
Durchführungen
sind aus der
DE 1 490
508 A und der
DE
19 72 545 U bekannt.
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Ein
Nachteil bei einer solchen Durchführung besteht aber darin, daß das Wiedererwärmen beim Einlöten dennoch
zu thermischen Spannungen führt, was
dann die Temperaturbeständigkeit
und Langzeitstabilität
einer solchen Durchführung
erheblich herabsetzt. Aus der
DE 26 04 573 A1 ist es dazu bekannt, beim
Herstellen einer Glühdrahtkerze
eine Hartlötung
gleichzeitig mit dem Arbeitsgang des Glasschmelzens in einem Durchlaufofen
durchzuführen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit
welchem elektrische Durchführungen
herstellbar sind, die hinsichtlich ihrer Temperaturbeständigkeit
gegenüber
den aus der
DE 1 490
508 A und der
DE
19 72 545 U bekannten Durchführungen verbessert sind.
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Diese
Aufgabe wird bereits in höchst überraschend
einfacher Weise durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demgemäß sieht
die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung vor,
bei welchem zumindest ein Metallrohr in eine Glasisolierung eingeschmolzen
wird, wobei vor oder während
des Einschmelzens des Rohres in die Glasisolierung eine Stange aus
hoch leitfähigem
Metall oder einer Metalllegierung mit dem Metallrohr hermetisch
gefügt
wird.
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Die
Metallstange muß dabei
nicht notwendigerweise massiv sein, auch ist es möglich, eine
hohle, röhrenförmige Stange
zu verwenden, beispielsweise, um eine weitere Stange aufzunehmen
oder um Kühlfluid
durchleiten zu können.
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Besonders
bevorzugt wird die Metallstange in das Metallrohr eingelötet. Um
eine feste Verbindung auch bei höheren Temperaturen
zu gewährleisten,
wird dabei die Metallstange vorzugsweise mit Hartlot in das Metallrohr
eingelötet.
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Entsprechend
ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine elektrische Durchführung
mit zumindest einem in eine Glasisolierung eingeschmolzenen Leiter
herstellbar, welche ein Metallrohr und eine darin hartgelötete metallische
Stange umfasst. Gegenüber
bekannten Durchführungen
zeichnet sich einer erfindungsgemäß hergestellte Durchführung durch
eine höhere
Temperaturbeständigkeit
und Langzeitstabilität
aus, da eine Wiedererwärmung
zur Lötung
der inneren Metallstange im Metallrohr entfällt. Eine solche Wiedererwärmung führt ansonsten zu
Spannungen zwischen Metall und Glas, welche zu Mikrorissen im Glas
führen. Überraschend
ist es dabei möglich,
den Einlötvorgang
auf die im allgemeinen lange Dauer des Einglasens auszudehnen und dennoch
eine stabile Lötung
zu erreichen. So kann das Einglasen, beziehungsweise das Einschmelzen des
Rohres in das Glas für
eine Dauer im Bereich von Minuten bis zu 36 Stunden durchgeführt werden.
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Metallrohr
und Metallstange umfassen vorzugsweise weiterhin unterschiedliche
Materialien. Um dabei dann thermische Spannungen zu vermeiden, wird
in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung die Metallstange nur
an einem Ende des Rohrs gelötet.
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Für den Glas-Metall-Übergang
der Durchführung
ist es ebenfalls vorteilhaft, ein Metallrohr aus einem Material
mit einem an die Glasisolierung angepaßten Temperaturausdehnungskoeffizienten
zu verwenden. Hier kommen unter anderem Ni-Fe-Legierungen als Material
für das
Metallrohr in Frage. Das Metallrohr muß dabei nicht ausschließlich aus
einer solchen Legierung bestehen, sondern es können auch Teile des Rohres,
wie etwa dessen Außenmantel
aus einem Material mit angepaßtem
thermischen Ausdehnungskoeffizient gefertigt sein.
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Für hohe Stromleitfähigkeiten
ist es weiterhin vorteilhaft, wenn eine Kupferstange im Metallrohr
befestigt wird. Auch kann eine geeignete Kupferlegierung mit hoher
Stromleitfähigkeit
eingesetzt werden.
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Gemäß noch einer
Weiterbildung der Erfindung wird Einschmelzen vorzugsweise – im Unterschied
zu einer Schmelze unter Vakuum- oder Unterdruckbedingungen in einer
Umgebung mit kontrollierter Gasatmosphäre, insbesondere unter Normaldruckbedingungen
durchgeführt.
Eine solche kontrollierte Atmosphäre kann insbesondere eine Schutzgasatmosphäre sein.
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Die
Zusammensetzung der kontrollierten Atmosphäre kann insbesondere durch
die Glasart der Durchführung
und die verwendeten Metalle bestimmt werden. Bestimmte Glasarten
und Metalle lassen sich besser in reduzierenden oder neutralen Umgebungen
verarbeiten. Eine kontrollierte Atmosphäre kann insbesondere aber auch
oxidierend wirken. Dies ist unter anderem von Vorteil, um einen
besonders guten Glas-Metall-Übergang
zu erzielen. So kann unter anderem durch eine geeignete Atmosphäre die Mantelfläche des
Metallrohrs vor oder während
des Einschmelzens oxidiert werden. In der oxidierenden Atmosphäre bildet
sich auf dem Metallrohr eine Oxidschicht, die sich mit dem Glas
verbinden kann. Ein gezieltes Oxidieren der Mantelfläche kann aber
auch durch andere, alternative oder zusätzliche Maßnahmen erfolgen. Eine oxidierende
Umgebung unterdrückt
oder verlangsamt weiterhin auch eine Umwandlung oxidischer Bestandteile
des Glases bzw. der Metalle.
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Allgemein
können – sogar
in einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre – bei der Erwärmung des
Glases und/oder der Metalle der Durchführungsleiter oxidierende Gase
freigesetzt werden. Insbesondere für eine Befestigung der Metallstange
im Metallrohr durch Einlöten
sind solche Bestandteile aber nachteilig. Dies gilt insbesondere
dann, wenn die Metallstange gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung flussmittelfrei eingelötet wird. In
oxidierender Atmosphäre
ist die Benetzung des Lots mit den zu fügenden Komponenten schlechter, außerdem kann
das Lot im Verlauf des im allgemeinen recht langen Einglasvorgangs
oxidieren und somit keine oder zumindest stark reduzierte Benetzung mehr
aufweisen.
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Um
dennoch ein Einlöten
während
des Einglasens der Durchführung
zu ermöglichen,
ist gemäß der Erfindung
vorgesehen, über
das Metallrohr eine Kappe oder Hülse
zu stülpen,
welche die Lötstelle während des
Einschmelzens schützt.
Insbesondere kann die Kappe oder Hülse die Lötstelle während des Einschmelzens umgeben.
Mit einer solchen Kappe können
oxidierende Gase während
des Einschmelzens von der Befestigungsstelle des Rohrs mit der Stange
zumindest teilweise ferngehalten werden. Um die Wirkung der Kappe
weiter zu verbessern, kann die Kappe auch so ausgebildet werden,
daß oxidierende
Gase durch die Kappe während
des Einschmelzens absorbiert oder umgewandelt werden. Eine solche
Wirkung kann bereits in überraschend einfacher
Weise erzielt werden, wenn die Lötstelle von
einer Graphit-Kappe oder Graphit enthaltenden Kappe geschützt, insbesondere
umgeben wird.
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Um
eine Schutzwirkung für
die Lötstelle
zu erreichen, muß die
Kappe oder Hülse
nicht ausschließlich
aus Graphit bestehen, auch wenn diese Ausführungsform besonders bevorzugt
wird. Es ist auch denkbar, beispielsweise eine Kappe aus einem feuerfesten
Träger
zu verwenden, der mit Graphit belegt oder versehen wird. So kann
etwa eine metallische oder keramische Kappe verwendet werden, die mit
Graphit beschichtet wurde. Weiterhin kann das Material der Kappe
auch allgemein eine hohe Reaktionsbindungswirkung für oxidierende
Gase zumindest in heißem
Zustand aufweisen, d. h. Getterwirkung haben.
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Wird
eine Durchführung
mit mehreren Leitern, entsprechend also mehreren Metallrohren hergestellt,
können
die mehreren Metallrohre auch mit einer gemeinsamen Kappe oder Hülse abgedeckt werden.
Insbesondere können
auch mehrere Metallrohre in einer gemeinsamen Glasisolierung eingeschmolzen
werden.
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In
bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird ein Glas-Sinterkörper verwendet,
in welchen das oder die Metallrohre eingeschoben werden. Der so bestückte Sinterkörper wird
dann aufgeschmolzen, um eine dichte Glas-Metall-Verbindung zum Metallrohr
herzustellen.
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Weiterhin
kann das Glas auch in einem Metallkörper der Durchführung, beispielsweise
einer Metall-Hülse
oder einem Flansch aufgeschmolzen werden, um eine dichte Verbindung
des Glases mit dem Metallteil als Bestandteil der Durchführung herzustellen.
Wird das Glas im Metallkörper
aufgeschmolzen, so entsteht demgemäß eine dichte Verbindung mit
an dem Metallkörper
angeschmolzenem Glas. Dabei wird das Metallrohr während des
Einschmelzens vorzugsweise mit Ausrichtungselementen zum Metallkörper ausgerichtet
fixiert, um eine genaue Ausrichtung des oder der Leiter zum Metallkörper der
fertiggestellten elektrischen Durchführung zu erhalten.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens können das
Metallrohr und die Stange so miteinander verlötet werden, daß die Lötstelle,
mit welcher das Metallrohr und die Stange verbunden sind, sehr dicht an
die Oberfläche
der Glasisolierung heranreicht. So ist gemäß noch einer Weiterbildung
der Erfindung vorgesehen, daß die
Lötstelle
auch in einem Abstand im Bereich von 2 bis 20 Millimetern von der
Glasoberfläche
angeordnet ist.
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Eine
feste Verbindung wird bei einer Verlötung erzielt, wenn das Metallrohr
und die Stange mit einer Kehlnaht oder Kapillarnaht verbunden werden. Die
Kehlnaht kann dabei vorzugsweise auch in das Rohr hineinreichen,
beziehungsweise auch am Ende des Rohres dessen Innenseite mit der
Stange verbinden.
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Die
Erfindung ist unter anderem besonders zur Herstellung einer elektrischen
Durchführung
für einen
Sicherheitsbehälter
geeignet. Eine bevorzugte Anwendung ist dabei die Herstellung einer
elektrischen Durchführung
für die
Reaktorsicherheitsbehälter
eines Kernkraftwerks. Auch zur Herstellung von elektrischen Durchführungen
für Druck- oder Vakuumbehälter ist
die Erfindung hervorragend geeignet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche
Teile.
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Es
zeigen:
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1 eine
Ansicht einer erfindungsgemäßen Stromdurchführung,
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2 eine
Hülse zum
Schutz der Lotstelle während
des Einschmelzens der Leiter der in 1 gezeigten
Durchführung,
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3 ein
Ausrichtungselement zum Ausrichten (Zentrieren) eines Leiters während des
Einschmelzens,
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4 eine
Querschnittansicht durch den Flansch 3 mit einem Aufbau
für das
Einschmelzen der Leiter der Durchführung, und
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5 eine
Anordnung zur Herstellung einer Durchführung mit mehreren Leitern
in einer gemeinsamen Glasisolierung.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 bezeichneten erfindungsgemäßen Stromdurchführung dargestellt.
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Die
Stromdurchführung 1 umfaßt einen
als Flansch 3 ausgebildeten Metallkörper mit drei Einzeldurchführungen 5, 6 und 7.
Schraubenlöcher 30 im Flansch
dienen zur Befestigung der Durchführung, beispielsweise auf einer Öffnung eines
Sicherheitsbehälters
bzw. eines Druckbehälters.
Ein solcher Sicherheitsbehälter
kann insbesondere ein Reaktorsicherheitsbehälter eines Kernkraftwerkes
sein.
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Die
Einzeldurchführungen 5, 6, 7 sind
jeweils in Bohrungen 10 im Flansch 3 angeordnet
und umfassen in diesem Ausführungsbeispiel
jeweils einen Leiter 9, welcher mit einer Glasisolierung 12 gegenüber der
Innenwandung der Bohrung 10 isoliert ist. Die Leiter 9 umfassen
jeweils ein Metallrohr 14, in welches eine Metallstange 16 eingesteckt
und mit Hartlot flussmittelfrei eingelötet ist.
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Das
Einlöten
erfolgt dabei bereits vor oder -bevorzugt – während des Einschmelzens des
Rohres 14 in die Glasisolierung 12. Weiterhin
wird das Einschmelzen der Leiter 9 in die Glasisolierung
im Flansch vorgenommen. Damit wird das Glas der Isolierung auch
an dem Metallkörper
angeschmolzen und es wird auch an der Innenwandung der Bohrungen 10 eine
hermetische Abdichtung geschaffen.
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Das
Metallrohr 14 ist aus einem anderen Material als die Kupferstange 16 gefertigt.
Um die Temperatur- und Schockfestigkeit der elektrischen Durchführung 1 zu
verbessern, wird für
das Metallrohr 14 bevorzugt ein Material mit einem an die
Glasisolierung 12 möglichst
angepaßten
Temperaturausdehnungskoeffizienten verwendet. Ein bevorzugtes Material
dafür ist
eine Nickel-Eisen-Legierung.
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Die
Lötstelle 20 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
als Kehlnaht ausgebildet, welche in der Kehle aus der Mantelfläche der
aus dem Metallrohr 14 herausragenden Kupferstange 16 und
der Endfläche des
Metallrohrs 14 gebildet wird. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
kann die Lötstelle 20 sehr
dicht zur Oberfläche
der Glasisolierung 12 angeordnet sein. Vorzugsweise liegt
der Abstand dabei im Bereich von 2 bis 20 Millimetern.
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Um
Temperaturspannungen zwischen den miteinander verbundenen Teilen 14 und 16 zu
vermeiden, ist eine Lötstelle 20 jeweils
nur an einem Ende des Metallrohrs 14 vorgesehen. Die Stange 16 kann
sich dann am anderen Ende des Rohrs 14 relativ zum Rohr
in Längsrichtung
aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnung bewegen.
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Für den Anschluß von Kabeln
an die Leiter 5, 6, 7 weisen die Kupferstangen 16 jeweils
ein abgeflachtes Ende 17 mit einer Durchgangsbohrung 18 auf.
Die Kabel können
dabei mit einer Schraubverbindung durch die Durchgangslöcher 18 an
den Leitern 5, 6, 7 befestigt werden,
jedoch sind auch alle anderen Anschlusstechniken möglich.
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2 zeigt
eine Graphithülse 25,
welche jeweils mit dem offenen Ende 26 über die Kupferstange 16 und
das Metallrohr 14 während
des Einschmelzens der Leiter 5, 6, 7 gestülpt wird,
um die Lötstellen 20 während des
Einschmelzens zu schützen.
Die Graphithülse
weist bei diesem Ausführungsbeispiel am
geschlossenen Ende einen Schlitz 27 auf, durch welchen
das abgeflachte Ende 17 der Kupferstangen 16 herausragt.
Alternativ kann die Hülse
auch so lang ausgeführt
sein, daß das
aus dem Metallrohr 14 herausragende Ende der Kupferstange 16 einschließlich des
abgeflachten Endes 17 in der Hülse 25 aufgenommen
wird.
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3 zeigt
ein Ausrichtungselement 32, mit welchem das Metallrohr 14 eines
Leiters 5, 6, 7 während des Einschmelzens zum
Flansch 3 ausgerichtet fixiert wird. Das Ausrichtungselement 32 ist
scheibenförmig
und weist eine zentrale, axiale Bohrung 33 auf, mit welcher
das Ausrichtungselement 32 über das Metallrohr 14 gestülpt wird.
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Weiterhin
weist das Ausrichtungselement 32 einen flachen inneren,
zylindrischen Abschnitt 34 und eine Krempe 36 auf.
Das Ausrichtungselement 32 wird mit dem inneren Abschnitt 34 zur Öffnung 10 im Flansch
weisend auf das Metallrohr aufgesteckt. Der innere Abschnitt ist
dabei entsprechend der Form der Öffnung 10 geformt,
so daß die
Mantelfläche 35 des Abschnitts 24 in
die Öffnung 10 eingeschoben
werden kann, bis die Krempe 36 auf der Außenseite
des Flansches 3 aufliegt. Damit wird die Bohrung 33 und auch
das durchgesteckte Metallrohr 14 relativ zur Öffnung 10 des
Flansches 3 zentriert. Auch für das Ausrichtungselement wird
vorzugsweise Graphit verwendet, da Graphit nicht am aufgeschmolzenen
Glas anklebt.
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In 4 ist
eine Querschnittansicht durch den Flansch 3 entlang der
Linie A-A in 1 dargestellt. In dieser Querschnittansicht
ist der Aufbau dargestellt, mit welchem die Leiter 5, 6, 7 in
die Glasisolierung eingeschmolzen werden. In die Öffnungen 10 werden
Glas-Sinterkörper 13 eingelegt
und die Metallrohre 14 in Öffnungen in die Sinterkörper 13 eingeschoben.
Außerdem
werden die Kupferstangen 13 in die Metallrohre 14 eingesetzt
und Hartlot 21 in die zwischen dem Ende des Metallrohres 14 und
der Mantelfläche
der Kupferstange 16 gebildete umlaufende Kehle aufgebracht.
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Zur
Zentrierung wird ein wie in 3 dargestelltes
Ausrichtungselement 32 auf das Metallrohr aufgesteckt und
in der Öffnung 10 verankert,
so daß das
Metallrohr axial in der Öffnung 10 zentriert
wird. Auch auf der gegenüberliegenden
Seite der Öffnung können ein
oder mehrere Ausrichtungselemente angebracht werden. Diese sind
der Übersichtlichkeit halber
in 4 jedoch nicht dargestellt.
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Außerdem wird
eine Graphithülse,
wie sie in 2 dargestellt ist, über das
Metallrohr gestülpt,
so daß die
Lötstelle
an der Kehle von der Hülse
umgeben ist. In 4 ist der Übersichtlichkeit halber nur der
Leiter 5 mit einem derartigen Aufbau dargestellt.
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Der
so ausgerüstete
Flansch wird dann in einem Ofen einer kontrollierten Atmosphäre unter
Normaldruck-Bedingungen, vorzugsweise unter leichtem Überdruck
aufgeheizt. Die Zusammensetzung der Atmosphäre wird vorzugsweise unter
anderem anhand des Flanschmaterials und des verwendeten Glases ausgewählt. Das
Aufschmelzen des Sinterkörpers 13 und
Einschmelzen des Metallrohrs geschieht über einen Zeitraum im Bereich
von Minuten bis zu 36 Stunden. Während
des oft vergleichsweise langen Zeitraums kann die Verlötung durch
das aufschmelzende Lot 21 nicht mit einem Flußmittel
unterstützt
werden, so daß die
Verlötung
flussmittelfrei erfolgt.
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Um
die Glas-Metall-Verbindung zu verbessern, kann es weiterhin von
Vorteil sein, das oder die Metallrohre 14 vor oder während des
Einschmelzens auf ihrer Mantelfläche
zu oxidieren. Die so gebildete Oxidschicht verbindet sich dann sehr
gut mit dem Glas.
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Oxidierende
Gase, die ansonsten vom Flußmittel
von der Lötstelle
abgehalten werden, können aber
das Lot und/oder die zu fügenden
Oberflächen oxidieren
und außerdem
dessen Benetzbarkeit herabsetzen. Eine Verlötung kann aber in überraschend einfacher
Weise durch den Schutz mit der Graphithülse erreicht werden. Die Graphithülse absorbiert oxidierende
Gase der Umgebung und wandelt diese im Falle von Kohlendioxid oder
Sauerstoff um und sorgt so in ihrem Inneren für eine reduzierende oder zumindest
neutrale Atmosphäre.
Die Hülse 25 kann insbesondere
oxidierende Gase für
die gesamte Einschmelzdauer zumindest teilweise so fernhalten, daß eine stabile,
dichte Verlötung
nach dem Erstarren des Hartlots beim Abkühlen der Durchführung im
Ofen erzielt wird.
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5 zeigt
eine Anordnung zur Herstellung einer elektrischen Durchführung mit
mehreren Leitern 50 in einer gemeinsamen Glasisolierung
vor dem Einschmelzen. Dazu wird in einer Metallhülse 4 ein Glas-Sinterkörper 13 mit
mehreren Öffnungen
für Leiter 50 eingesetzt
und die Leiter 50 mit Metallrohren 14 und Kupferstangen 16 in
die Bohrungen eingeschoben. Auch bei diesem Beispiel sind die Kehlen zwischen
den Rohrenden und den Mantelflächen
der Kupferstangen mit Hartlot 21 versehen oder alternativ
bereits mit Hartlot verlötet.
Anders als bei dem in 4 gezeigten Beispiel werden
die einzelnen Leiter nicht mit individuellen Graphit-Hülsen, sondern
vielmehr mit einer gemeinsamen Hülse 25 geschützt. Die
Hülse weist
dabei vorzugsweise eine Bohrung für jeden der Leiter 50 auf,
so daß die
Metallrohre 14 beim Aufsetzen der Hülse 25 in die Bohrungen
eingeschoben und die Lötstellen
von den Bohrungen umschlossen und geschützt werden. Anschließend wird diese
Anordnung ebenfalls in einem Ofen unter kontrollierter Atmosphäre aufgeheizt
und der Glas-Sinterkörper 13 aufgeschmolzen,
so daß die
Leiter 50, beziehungsweise deren Metallrohre 14 in
das Glas eingeschmolzen werden.
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Es
ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern vielmehr in vielfältiger
Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen
beispielhaften Ausführungsformen
auch miteinander kombiniert werden.