DE1093055B

DE1093055B - Multiple metal-glass-metal sealing

Info

Publication number: DE1093055B
Application number: DES48917A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Werner Schmalenberg; Georg Engelhardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-05-31
Filing date: 1956-05-31
Publication date: 1960-11-17

Description

Es ist bekannt, für elektrisch isolierte Durchführungen Druckglaseinschmelzungen zu verwenden. Dabei wird ein Innenleiter in einen Glasring eingeschmolzen, der von einem metallischen Außenring umgeben ist, dessen thermische Ausdehnung wesentlich größer ist als die der beiden umschlossenen Teile. Dadurch wird nach Erstarren der Anordnung das Glas unter radiale Druckspannung gesetzt. Vorteilhafterweise verwendet man als Innenleiter ein dem Glas thermisch angepaßtes Metall und als Außenring gewöhnlichen Stahl. Ebenso ist aber vorgeschlagen worden, nichtlegiertes Eisen als Einschmelzmaterial zu verwenden.It is known to use pressure glass seals for electrically insulated feedthroughs. An inner conductor is melted into a glass ring, which is surrounded by a metallic outer ring is, the thermal expansion of which is significantly greater than that of the two enclosed parts. Through this the glass is placed under radial compressive stress after the arrangement has solidified. Advantageously a metal that is thermally matched to the glass is used as the inner conductor and ordinary metal as the outer ring Stole. However, it has also been proposed to use non-alloyed iron as a sealing material use.

Oft müssen jedoch zwei oder mehrere gegeneinander isolierte Leiter durch eine metallene Wand durchgeführt werden. Diese Aufgabe tritt beispielsweise an Stromrichterentladungsgefäß'en auf, bei denen neben der Anode noch ein Anodenschutzrohr und/oder ein Steuergitter durch die metallene Wand des Entladungsgefäßes geführt werden. Dazu sind isolierte koaxiale Durchführungen mit Glasringverschmelzungen bekannt. Bei ihnen sind die von einem rohrförmigen Teil der Gefäßwand umschlossenen metallenen Halterungsteile der verschiedenen Elektroden konzentrisch ineinander angeordnet und je zwei benachbarte Halterungsteile durch einen zwischen ihnen liegenden ringförmigen Glasfluß verschmolzen. Die innenliegende eigentliche Anodendurchführung besteht aus einem Anodenbolzen und einem Gitterrohr, beide aus legiertem Stahl, z. B. Chromstahl, und aus einem zwischen ihnen liegenden Glasfluß. Alle Teile haben angenähert gleiche Wärmeausdehnungen. Die innere Verschmelzung ist also eine spannungsarme oder auch eine nahezu spannungsfreie Verschmelzung. Die äußere Einschmelzung ist dagegen eine Druckglaseinschmelzung. Der äußere Metallring besteht nämlich aus nichtlegiertem Stahl. Er ist starkwandig. Der zwischen ihm und dem Gitterrohr aus Chromstahl liegende Glasring hat eine Wärmeausdehnung, die kleiner als die Wärmeausdehnung der angrenzenden Metallteile ist. Bei dieser Anordnung wirken die Druckkräfte des äußeren Metallringes durch die Teile der Druckglaseinschmelzung auf die im Innern liegende spannungsarme oder spannungsfreie Einschmelzung.Often, however, two or more mutually insulated conductors have to be passed through a metal wall will. This task occurs, for example, on converter discharge vessels, where in addition to the anode nor an anode protection tube and / or a control grid can be passed through the metal wall of the discharge vessel. These are isolated coaxial Bushings with glass ring fusions are known. With them they are of a tubular part The metal holding parts of the various electrodes, which are enclosed in the vessel wall, are concentric with one another arranged and two adjacent bracket parts by an annular between them Glass flux fused. The actual internal anode lead-through consists of one Anode bolts and a trellis tube, both made of alloy steel, e.g. B. chrome steel, and from a between them lying glass river. All parts have approximately the same thermal expansion. The inner fusion is therefore a low-tension or almost tension-free fusion. The outer meltdown on the other hand is a pressure glass seal. Namely, the outer metal ring is made of non-alloyed material Stole. It is thick-walled. The glass ring between it and the chrome steel tube has a thermal expansion that is smaller than the thermal expansion of the adjacent metal parts. at In this arrangement, the pressure forces of the outer metal ring act through the parts of the pressure glass seal on the low-tension or tension-free seal located inside.

Diese Art der Durchführungen hat noch den elektrischen Nachteil, daß der ringförmige Metallteil aus Chromstahl, durch das Material und die geringe Dicke bestimmt, einen erheblichen elektrischen Widerstand hat, was bei hoher Strombelastung der Gitterelektrode zu einer starken Erwärmung und damit starken thermischen Beanspruchung führt. Eine Verstärkung ist nicht möglich, weil dadurch die Übertragung des radialen Schrumpf druckes nach innen durch die große mechanische Widerstandsfähigkeit nicht gewährleistetThis type of bushings still has the electrical disadvantage that the ring-shaped metal part is made of Chromium steel, determined by the material and the small thickness, has a considerable electrical resistance has what with high current load of the grid electrode to a strong heating and thus strong thermal Stress leads. An amplification is not possible, because it would result in the transmission of the radial shrinkage pressure inwards due to the great mechanical resistance is not guaranteed

Mehrfach-Metall-Glas-Metall-Eins chmelzungMultiple-metal-glass-metal-one melting

Anmelder:Applicant:

Siemens-SchuckertwerkeSiemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,Corporation,

Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Werner Schmalenberg, Berlin-Siemensstadt,Dr.-Ing. Werner Schmalenberg, Berlin-Siemensstadt,

und Georg Engelhardt, Berlin-Siemensstadt,and Georg Engelhardt, Berlin-Siemensstadt,

sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors

ist. Will man aber trotzdem dem mittleren Rohr eine bessere elektrische und thermische Leitfähigkeit verleihen, so kann man es kaum durch Wahl des Materials bzw. durch Verstärkung erreichen. Außerdem sind noch mechanische Nachteile vorhanden. Es treten bei der thermischen Beanspruchung nämlich nicht nur radiale, sondern auch axiale und tangentiale Kräfte zwischen den Glasringen und den an sie grenzenden Metallteilen auf, die eine Zerstörung der Glasringe bewirken können. Den elektrischen Widerstand könnte man zwar durch Wahl eines entsprechend dickwandigen Rohres vermindern. Solche Rohre sind aber nicht nur teuer, sondern sie verringern auch nicht die mechanischen Spannungen an den Metallglasverbindungsstellen, die zum Springen der Glasringe bzw. zum Undichtwerden der Glasmetallverbindungen führen, weil der Metallteil infolge seiner großen axialen Ausdehnung den sich nur wenig axial dehnenden Glasring auseinanderzureißen bestrebt ist.is. But if you still want to give the middle tube a better electrical and thermal conductivity, it can hardly be achieved through choice of material or reinforcement. Also are there are still mechanical disadvantages. It does not only occur with thermal stress radial, but also axial and tangential forces between the glass rings and those adjacent to them Metal parts that can destroy the glass rings. The electrical resistance could you can reduce it by choosing a suitably thick-walled tube. But such pipes are not only expensive, but they also do not reduce the mechanical stresses at the metal-glass connection points, which cause the glass rings to crack or the glass-metal connections to leak, because the metal part due to its large axial extent the only slightly axially expanding glass ring strives to tear apart.

Diese Doppelglaseinschmelzung wird während des Betriebes durch die von den durchgeführten Metallteilen beim Durchgang des Stromes erzeugte Wärme beansprucht, die innen am größten ist und nach außen strömt, wo sie durch das Kühlmittel abgeführt wird.This double glass seal is made by the metal parts carried out during operation The heat generated when the electricity passes through it, which is greatest inside and outwards flows where it is removed by the coolant.

Im Gegensatz zu dieser Beanspruchung während desIn contrast to this stress during the

Betriebes steht aber die Beanspruchung während der Fertigung des Entladungsgefäßes. Hierbei wird das Entladungsgefäß einer Wärmebehandlung im Ofen unterworfen, wobei die Doppelglaseinschmelzung nicht durch von innen, sondern durch von außen kommende Wärme beansprucht wird. Hierbei dehnen sich die äußeren Teile zuerst aus, während die inneren Teile noch kalt sind und dieser Dehnung nicht folgen können.In operation, however, there is the stress during the manufacture of the discharge vessel. Here is the Discharge vessel subjected to a heat treatment in the furnace, whereby the double glass seal is not is stressed by heat coming from inside, but from outside. The outer parts first while the inner parts are still cold and cannot follow this expansion.

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Die Glasringe werden daher auf Zug beansprucht. Dieser Beanspruchung ist das Glas vielfach nicht gewachsen, so daß die Gefahr besteht, daß die innenliegenden Glasringe schon bei der Herstellung springen. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Glasteile in radialer, axialer und tangentialer Richtung bei von außen kommender Wärme auf Zug beansprucht werden, dem sie nicht gewachsen sind.The glass rings are therefore subject to tensile stress. The glass is often not able to cope with this stress, so that there is a risk that the inner glass rings jump during manufacture. This is due to the fact that the glass parts in the radial, axial and tangential directions at from heat coming from outside are subjected to tension, which they are not able to cope with.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden. Sie betrifft eine Mehrfach-Metall-Glas-Metall-Einschmelzung für die Ein- oder Durchführung von elektrischen Leitern, insbesondere für elektrische Entladungsgefäße, bei welchen mehrere Elektrodenanschlüsse zwischen konzentrisch angeordneten Glasringen liegen, und besteht darin, daß jede Einschmelzung für sich eine Druckglaseinschmelzung ist. Zweckmäßig werden der äußere Metallteil und die zwischen den Glasringen liegenden Metallteile aus unlegiertem Stahl bestehen. Dabei ist die Wandstärke der Metallteile so zu bemessen, daß sie auf die jeweils umschlossenen Glasringe den bei einer Druckglaseinschmelzung erforderlichen Druck ausüben. Der innere Metallteil wird mit seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten dem Glas angepaßt und aus legiertem Stahl, z. B. Chromstahl, gewählt. Es ist aber auch möglich, sowohl die Metallteile, welche die Glasringe einschließen, als auch die zentral gelegene Stromzuführung aus unlegiertem Stahl oder unlegiertem Eisen herzustellen. Diese Durchführung hat den Vorteil, daß alle Metallteile gute elektrische und thermische Leitfähigkeiten haben, so daß sie sich beim Stromdurchgang nicht so stark erwärmen, entstandene Wärme aber leichter abführen können. Variationen beim Aufbau der Durchführungen lassen sich durch die Wahl der verschiedenen zur Verfügung stehenden Materialien, wie z. B Eisen- und Glassorten, und durch die Wahl der Wandstärken erreichen. Wesentlich ist dabei aber immer der Gesichtspunkt, daß jede Einschmelzung für sich eine Druckglaseinschmelzung ist, obwohl alle Einschmelzungen in einem Arbeitsgang niedergeschmolzen werden.These disadvantages are avoided by the invention. It relates to a multiple metal-glass-metal seal for the insertion or passage of electrical conductors, in particular for electrical discharge vessels, in which several electrode connections between concentrically arranged glass rings lie, and consists in the fact that each seal is in itself a pressure glass seal. Appropriate the outer metal part and the metal parts between the glass rings are made of unalloyed Made of steel. The wall thickness of the metal parts is to be dimensioned in such a way that they fit onto the respectively enclosed Glass rings exert the pressure required for a pressure glass seal. Of the inner metal part is adapted to the glass with its thermal expansion coefficient and made of alloy steel, e.g. B. chrome steel selected. But it is also possible both the metal parts, which the glass rings include, as well as the centrally located power supply made of unalloyed steel or unalloyed To make iron. This implementation has the advantage that all metal parts are good electrical and thermal Have conductivities so that they do not heat up as much when the current passes through them But they can dissipate heat more easily. Variations in the structure of the bushings can be passed the choice of the various materials available, such as B Iron and glass types, and by choosing the wall thickness. However, it is always essential that each Melting in itself is a pressure glass meltdown, although all meltdowns are carried out in one operation be melted down.

Ein Ausführungsbeispiel einer Doppel-Glaseinschmelzung nach der Erfindung ist in der Fig. 1 schematisch im Querschnitt dargestellt, welche die Einführung eines Anodenbolzens in ein Entladungsgefäß zeigt. Die Erfindung ist aber nicht an dieses Beispiel gebunden, sie kann vielmehr auch bei allen anderen Elektrodeneinführungen, beispielsweise auch bei der Kathodeneinführung verwendet werden. Die Figur zeigt einen schematischen Querschnitt der Anodeneinführung und der Einführung einer elektrischen Verbindung zu einem Steuergitter.An embodiment of a double glass seal according to the invention is shown in FIG shown schematically in cross section, showing the introduction of an anode bolt into a discharge vessel shows. However, the invention is not tied to this example; rather, it can also apply to all other electrode entries, for example also for cathode entry. the Figure shows a schematic cross section of the anode lead-in and the lead-in of an electrical one Connection to a control grid.

Der Anodenbolzen ist mit 1, der Steuergitteranschluß mit 2 und der mit dem Entladungsgefäß 3 verbundene Anodenhals mit 4 bezeichnet. Zwischen den Metallteilen liegen die beiden Glasringe 5 und 6. Sie bestehen aus Glas mit einem Ausdehnungskoeffizienten von etwa 90· 10~⁷. Der zwischen ihnen liegende Metallzylinder 2 und der äußere Metallzylinder 4 haben j e einen Ausdehnungskoeffizienten von 120 · 10 - ⁷. Die Wandstärken der Metallteile 2 und 4 zeigen, daß es sich um zwei konzentrische Druckglaseinschmelzungen handelt. Der Anodenbolzen 1 kann aus Chromstahl bestehen. Mit 7 ist eine Schweißverbindung zwischen den Teilen 3 und 4 bezeichnet.The anode bolt is denoted by 1, the control grid connection by 2 and the anode neck connected to the discharge vessel 3 by 4. Between the metal parts the two glass rings are 5 and 6. They are made of glass with an expansion coefficient of about 90 × 10 ~ ^7th The metal cylinder 2 lying between them and the outer metal cylinder 4 each have a coefficient of expansion of 120 · 10 ^-7 . The wall thicknesses of the metal parts 2 and 4 show that there are two concentric pressure glass seals. The anode bolt 1 can be made of chrome steel. With 7 a welded connection between the parts 3 and 4 is designated.

Die Fig. 2 zeigt eine Dreifacheinschmelzung mit dem Bolzen 10, den Metallzylindern 11,12,13 mit nach außen zunehmenden Wandstärken und den Glasringen 14, 15, 16. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die axiale Länge der Glaspfropfen verschieden lang zu machen. Man kann die axiale Länge von innen nach außen z. B. zunehmen lassen, wie es in den Figuren dargestellt ist. So haben z. B. die Glaspfropfen 5 und 14 eine geringere axiale Länge als die Glaspfropfen 6 und 15.Fig. 2 shows a triple seal with the bolt 10, the metal cylinders 11,12,13 with after outside increasing wall thicknesses and the glass rings 14, 15, 16. Under certain circumstances it can be useful be to make the axial length of the glass plugs different lengths. You can get the axial length from the inside to the outside z. B. increase, as shown in the figures. So have z. B. the glass stopper 5 and 14 have a smaller axial length than the glass plugs 6 and 15.

Die Erfindung hat besondere Bedeutung bei Durchführungen mit Temperaturen, die vorwiegend unter dem Transformationspunkt des Glases, d. h. also unter etwa 425° C liegen. Hierbei ergibt sich der Vorteil eines stabileren Verhaltens, weil die Druckkräfte des Stahls infolge der höheren Ausdehnung als die des Chromstahls bei sinkenden Temperaturen stärker sind. Das wirkt sich besonders bei den axial gerichteten Kräften an den Endflächen des Glasringes aus. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist es wesentlich, daß der äußere und der mittlere Metallteil gleiche Ausdehnungen haben, so daß sie sich beide dem Glas gegenüber gleichartig verhalten.The invention is of particular importance in bushings with temperatures that are predominantly below the transformation point of the glass, d. H. i.e. below about 425 ° C. This has the advantage a more stable behavior, because the compressive forces of the steel due to the higher expansion than those of the Chrome steel are stronger when the temperature drops. This has a particular effect on the axially directed Forces on the end faces of the glass ring. In the arrangement according to the invention, it is essential that the outer and the middle metal part have the same dimensions, so that they both meet the glass behave in the same way towards

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Multiple metal-glass-metal sealing for the insertion or passage of electrical conductors, in particular for electrical discharge vessels, in which several electrode connections lie between concentrically arranged glass rings, characterized in that each seal is in itself a pressure glass seal.

2. Melting according to claim 1, characterized in that the inner metal part is made of alloyed Steel, e.g. B. chrome steel, and the outer metal parts are made of mild steel and that the outer Metal parts have increasing wall thickness towards the outside.

3. Melting according to claim 1, characterized in that the successive concentric Glass rings (14,15, 16) have different strengths in the axial direction and that the strengths increase from the inside out.

4. Melting according to claim 1, characterized in that the metal parts (11, 12, 13), which enclose the glass rings are made of non-alloy iron.

5. Melting according to claim 4, characterized in that also the centrally located power supply made of non-alloy steel or non-alloy iron.

Considered publications:

German Patent No. 734115;

German patent application ρ 915 VI / 32bB (announced on November 30, 1950);

Espe and Knoll, »Materials Science of High Vacuum Technology«, 1936, p.322;

"Glass and High Vacuum Technology", year 1952, issue 7, pp. 123 to 134.

1 sheet of drawings