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Verfahren zur Herstellung einer vakuumdichten Verbindung zwischen
rohrförmigen Isolierteilen und Metallteilen von Elektronenröhren Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung einer vakuumdichten Verbindung zwischen rohrförmigen
Isolierteilen, z. B. aus Glas oder Keramik, und Metallteilen von Elektronenröhren.
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Es ist bereits eine Elektronenröhre bekannt, die mindestens in der
Umgebung einer lösbaren Dichtungsstelle aus Metall besteht und zylindrisch ausgebildet
ist und deren lösbare Dichtungsstelle aus zwei aufeinanderpassenden Drehflächen,
insbesondere Kegelstumpfmantelflächen, besteht, von denen die eine mit einem bei
Zimmertemperatur bildsamen Werkstoff, z. B. Silber, überzogen ist und die andere
mindestens eine ringsherum laufende oder auch schraubenförmig ausgebildete Rille
oder Leiste mit scharfen Rändern trägt und durch Wärmeschrumpfung zusammengepreßt
ist. Es ist auch bekannt, an Stelle des überzuges aus einem bildsamen Metall eine
zwischengelegte Folie zu verwenden, in diesem Falle müssen dann beide Paßflächen
Rillen oder Leisten aufweisen. Die bekannte Verbindung kommt durch ein Eindrücken
des bildsamen Metalls in die Rillen oder um die Leisten zustande, stärkeren mechanischen
Belastungen ist diese Dichtungsstelle nicht gewachsen.
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Es ist auch bereits ein Abdichtungsverfahren bekannt, das ohne Zwischendichtung
arbeitet. Die Abdichtung erfolgt dabei durch direkte Berührung von in Art von Nut
und Feder ausgebildeten Dichtleisten, wobei ballige Flächen der Feder sich gegen
ebenfalls ballige Flächen der Nut abstützen. Die sich berührenden Flächen besitzen
unterschiedliche Krümmungen, so daß nur eine schmale Berührungszone entsteht. Die
Dichtleisten werden durch eine Verschraubung gegeneinandergepreßt.
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Es ist ferner eine Rohrverbindung für dünne Blechrohre bekannt, deren
ineinandersteckbare Enden verschiedene Konizität aufweisen. Die Abdichtung der Verbindung
erfolgt durch eine elastische Ringdichtung, die in einer Sicke in dem übergreifenden,
weiteren Rohrende liegt.
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Zur Abdichtung druckverschiedener Räume, besonders bei extremen Temperaturen,
ist es bekannt, den Rand des zylindrischen, kleineren Endes eines ersten Rohres
durch eine Verschraubung gegen die sich konisch erweiternde Innenwand des zweiten
Rohrendes zu drücken. Die Abdichtung erfolgt hier längs einer schmalen, ringförmigen
Zone, mechanisch wird die Verbindung jedoch durch die Verschraubung zusammengehalten.
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Bei einer anderen Verbindung dieser Art sind die Endflächen zweier
zu verbindender Rohre mit kegelförmigen Endflächen versehen, und die Kegelfläche
des einen Rohres fällt steiler ab als die des anderen Rohres. Die abdichtende Schneidkante
des schwächer abfallenden Rohres liegt in einem Rücksprung.
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Bei einer anderen bekannten Rohrverbindung ist das eine Rohr an seiner
inneren Wandung mit einer Abrundung zwischen zwei zylindrischen Teilen versehen,
während das andere, einzuschiebende Rohr auf seiner äußeren Fläche einen kegeligen
Teil trägt, der in eine Abrundung endet und sich tangential gegen die Abrundung
des übergreifenden Rohrendes legt.
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Bei einer bekannten Dichtung mit kegelförmigen Flächen für Vakuum-
und Druckapparate sind das Verschlußteil und der Sitz als Doppelkegel ausgebildet,
deren korrespondierende Mantelflächen divergieren und deren Durchdringungskanten
gegen einen zwischengeschalteten Dichtungsring abgedichtet sind.
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Der Dichtungsring kann zu einem Einsatzgefäß verlängert sein, beim
Vorhandensein von zwei oder mehreren Einsatzgefäßen werden diese gegeneinander durch
einen Dichtungsring abgedichtet, der im Querschnitt die Form. einer Raute besitzt,
deren längere Diagonale parallel zu den kegelförmigen Enden der Einsatzgefäße verläuft.
Bei einer anderen bekannten
. Dichtung dieser Art sind die Durchdringungskanten
eines als Doppelkegel ausgebildeten Verschlußteiles und eines Sitzes beiderseits
eines Dichtungsringes gegeneinander der Höhe nach versetzt.
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Schließlich sind Schnellverbindungen für Ofenrohre mit verschiedenem
Durchmesser bekannt, bei denen das Ende des.dünneren Rohres mit einem konisch, verlaufenden
Zwischenstück versehen und in das weitere Rohr 'eingeschoben ist. ' Die bekannten
Abdichtungen benötigen zusätzliche Mittel zur Aufrechterhaltung des für die Dichtung
notwendigen Anpreßdruckes oder zur Entlastung der Dichtung gegen mechanische Beanspruchungen.
In Anwendung auf die Herstellung eines Kolbens einer Elektronenröhre sind die bekannten
Dichtungen teils nicht geeignet, teils zu aufwendig und umständlich und teils liegen
die Anwendungsgebiete dem Bau von Elektronenröhren zu fern, um Anregungen hierfür
zu geben.
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Durch die Erfindung soll nun ein Verfahren zur Herstellung einer vakuumdichten
Verbindung zwischen zwei rohrförmigen, meinandergesteckten Teilen verschiedenen
Durchmessers und verschiedener Konizität oder Balligkeit, die sich nur längs einer
kreisringförmigen Zone berühren, für die Herstellung des Kolbens einer Elektronenröhre
angegeben werden, das schnell und einfach durchführbar ist, eine dauerhafte und
zuverlässige Verbindung liefert, ohne daß dabei hohe Temperaturen, wie beim Verschmelzen,
benötigt werden. Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte vakuumdichte
Verbindung benötigt keinerlei mechanische Mittel zur Entlastung oder Aufrechterhaltung,
auch wenn die Röhre während des Betriebes höheren Temperaturen ausgesetzt wird.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
ein aus Isolierstoff und ein aus Metall bestehendes Teil des Kolbens der Röhre so
weit ineinandergepreßt werden, daß durch die nach Aufheben der Pressung verbleibende,
radial gerichtete Spannung längs der kreisringförmigen Zone eine vakuumdichte und
mechanisch ohne zusätzliche Mittel stabile Verbindung gebildet wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden Form und Material der
Teile sowie die Einpreßkraft so bemessen, daß das Metallteil längs der kreisringförmigen
Zone etwas über die Grenze des elastischen Bereiches gedehnt wird. Hierdurch läßt
sich auf einfache Weise der Höchstwert der auftretenden Spannung begrenzen und ein
definierter Wert der verbleibenden radialen Spannung erreichen.
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Die Erfindung soll nun an Hand einiger Beispiele in Verbindung mit
der Zeichnung näher erläutert werden, dabei bedeutet Fig.1 einen Querschnitt eines
Isolierteiles und eines Leiterteiles unmittelbar vor ihrer Zusammenfügung zu einer
gasdichten Verbindung, Fig. 2 einen Querschnitt der Teile nach dem Zusammenpressen,
Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4 ein idealisiertes
Kraft-Dehnungs-Diagramm für ein hartes Isoliermaterial und für ein Leitermaterial
von hoher Zerreißfestigkeit, Fig. 5, 6 und 7 Querschnittsansichten von anderen Ausführungsformen
nach der Erfindung, Fig. 8 und 9 vergrößerte Querschnittsansichten von Teilen ausgeführter
Verbindungen, Fig. 10 und 11 graphische Darstellungen der Beziehungen zwischen Beanspruchung,
Dehnung, Temperatur und Wanddickeverhältnis für einen speziellen Rohrleiter und
einen speziellen Rohrisolator, die in gasdichter Verbindung miteinander stehen,
Fig. 12, 13 und 14 Querschnittsansichten weiterer Ausführungsformen der Erfindung,
Fig. 15 eine perspektivische, aufgebrochene Teilansicht einer Elektronenröhre.
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In Fig.l sieht man ein Isolierteil 10 und ein Leiterteil 12,
die sich zur Bildung einer gasdichten Verbindung gemäß den Lehren der Erfindung
eignen. Sowohl das Isolierteil 10 als auch das Leiterteil 12 können als Hohlzylinder
ausgebildet sein, wobei der Außendurchmesser des Isolierteiles 10 größer ist als
der Innendurchmesser des Leiterteiles 12. Die Außenfläche 14 des Endes 16 des Isolierteiles
10 ist mit einer konisch verjüngten. Fläche 18 versehen, so daß der Außendurchmesser
des Isolierteiles an diesein Ende 16 kleiner wird als der Innendurchmesser des Leiterteiles
12. Da, wo sich die konische Fläche 18 mit der zylindrischen Außenfläche 14 schneidet,
wird ein Rand oder eine Schulter 19 gebildet.
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Die Einflüsse verschiedener Verhältnisse zwischen dem Außendurchmesser
des Isolierteiles 10 und dem Innendurchmesser des Leiterteiles 12 sowie der Konizität
der Fläche 18 am Ende 16 des Isolierteiles 10 sollen weiter unten ausführlich erörtert
werden. Die relative Wanddicke der beiden Teile 10 und 12 kann, wie ebenfalls weiter
unten erörtert werden wird, verschieden gewählt werden; bei der hier gezeigten Ausführungsform
ist die Wandung des Isolierteiles 10 dicker als die des Leiterteiles 12.
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Die beiden Teile 10 und 12 werden mit ihren beiden Enden koaxial gegeneinander
gesetzt, und das konische Ende 16 des Isolierteiles 10 wird in das Leiterteil 12
eingeführt. Sodann werden auf die Teile 10 und 12 hinreichend starke Axialkräfte
ausgeübt, so daß die beiden Teile gasdicht zusammengepreßt werden, wie es aus Fig.
2 ersichtlich wird. Dabei kommt zuerst das Ende 20 des Leiterteiles 12 mit der konischen
Außenfläche 18 am Ende 16 des Isolierteiles 10 in Berührung und wird, wenn die Teile
10 und 12 gegeneinandergedrückt werden, nach außen ausgeweitet. Die Axialpressung
der beiden Teile gegeneinander wird so lange fortgesetzt, bis die Schulter 19 in
das Teil 12 hineingetrieben ist, wie es aus Fig. 2 hervorgeht. Beim Gegeneinanderdrücken
der Teile 10 und 12 preßt sich das Leiterteil 12 an das Isolierteil 10 an und übt
auf dieses einen Druck aus.
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Wie man aus Fig. 3 sieht, haben die auf die Teile 10 und 12 ausgeübten
Axialkräfte, vorausgesetzt, daß die beiden Teile richtig zueinander orientiert sind,
zur Folge, daß im Leiterteil 12 eine Dehnungsspannung 22 (d. h. eine tatsächliche
Deformation in der gezeigten Richtung) und im Isolierteil 10 eine Kompressionsspannung
24 (d. h. eine tatsächliche Deformation in der gezeigten Richtung) wirksam werden,
während zwischen den beiden Teilen 10 und 12 im Berührungsbereich der Innenfläche
28 des Leiterteiles 12 mit der Schulter 19 des Isolierteiles 10 ein wechselseitiger
Druck 26 (d. h. eine in den ge-
zeigten Richtungen wirkende Kraft) herrscht.
Die Schulter 19 am Isolierteil 10 dient dazu, die Druckkraft 26 auf eine verhältnismäßig
schmale, ringförmige Zone zu konzentrieren.
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Die Druckkraft hat zur Folge, daß die beiden Teile 10 und 12 im Bereich
der Schulter 19 so fest
aneinandergepreßt werden, daß sich eine
gasdichte Verbindung ergibt. Es wird - vorerst ohne sicheren Beweis - angenommen,
daß im Dichtungsbereich zwischen den beiden Teilen 10 und 12 ein im wesentlichen
molekularer Kontakt stattfindet, der das Hindurchtreten von Gasmolekülen durch den
Kontaktbereich verhindert. Experimente haben gezeigt, d.aß zwischen den Materialien,
aus welchen die Teile 10 und 12 bestehen, keine Legierungsbildung auftritt, so daß
man annehmen darf, daß die erfindungsgemäß ausgebildete Dichtung eine rein mechanische
Dichtung ist, zum Unterschied von chemischen Dichtungen, wie sie bei der Legierung
zweier Materialien gebildet werden.
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Selbst nach Aufhören der Axialkräfte dauert die Druckkraft 26 an,
und zwar wegen der Elastizität der Teile 10 und 12, d. h. wegen des Bestrebens dieser
Teile, in den spannungslosen Zustand zurückkehren.. Mithin wirken die Teile 10 und
12 ähnlich wie Fe^ dem als spannungsspeichernde Elemente, indem sie durch eine ihnen
erteilte Kraft deformiert werden, und diese Deformation ihrerseits nach Aufhören
der angelegten Kraft infolge der Elastizität der Teile 10 und 12 eine Kraft ausübt.
Die auf Grund der erwähnten Spannungsspeicherung von den Teilen 10 und 12
aufeinander ausgeübte Druckkraft 26 sorgt dafür, daß an der Schulter 19 eine innige
Berührung bestehen bleibt und so nach Entfernung der angelegten Axialkräfte eine
stabile gasdichte Verbindung gebildet wird.
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Fig. 4 zeigt etwas vereinfacht ein Kraft-Dehnungs-Diagramm für einen
metallischen Werkstoff (ausgezogene Kurve) und für ein Isolierteil, beispielsweise
aus Glas oder Keramik (gestrichelte Kurve). Auf der Ordinate ist die Kraft, auf
der Abszisse die Dehnung aufgetragen. Die beiden Kurven sind nicht maßstäblich,
sie dienen nur zur Erläuterung der charakteristischen Eigenschaften der beiden Werkstofftypen.
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Der Punkt A der für den metallischen Werkstoff gültigen, ausgezogenen
Kurve entspricht der Proportionalitätsgrenze, der Punkt B der elastischen Grenze,
unterhalb derer keine dauernde Deformation auftritt. Die Punkte C, D und E entsprechen
der Fließgrenze, Festigkeitsgrenze bzw. Zerreißgrenze des Werkstoffes.
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Bei der gestrichelt gezeichneten Kraft-Dehnungs-Kurve des Isoliermaterials
fallen die Punkte A bis E praktisch zusammen. Dies bedeutet, daß das Isoliermaterial
gewöhnlich keine dauernde Deformie^ rung erfährt, sondern um einen der einwirkenden
Kraft proportionalen Betrag gedehnt wird, solange die Kraft die Zerreißgrenze nicht
überschreitet.
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Es ist leicht einzusehen, daß die in den Teilen 10, 12 gespeicherte
elastische Energie durch die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe, aus denen
diese Teile gefertigt sind, begrenzt ist. Die Dehnung im Isolierteil 10 kann die
elastische Grenze B des Isoliermaterials nicht nennenswert übersteigen, da die elastische
Grenze B und der Zerreißpunkt E des Materials praktisch zusammenfallen. Überschreitet
dagegen die spezifische Dehnungsspannung im Leiterteil die elastische Grenze B des
Leiterwerkstoffes, so ergibt sich eine nennenswerte dauernde Deformation des Leiterteiles,
ohne daß die im Leiter- i teil gespeicherte elastische Energie wesentlich erhöht
wird, da eine Speicherung von elastischer Energie lediglich bei der elastischen
Deformation auftreten kann. Die in den Teilen 10, 12 speicherbare elastische Spannung
ist also durch die elastische Grenze B der Werkstoffe der Teile begrenzt.
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Die in den Teilen 10, 12 gespeicherte elastische Energie verursacht
die Druckkraft 26, die nach Aufhören der beim Zusammenbau zur Einwirkung gebrachten
Axialkräfte zwischen den Teilen 10, 12 bestehenbleibt: Die Druckkraft hängt jedoch
von der gesamten. gespeicherten elastischen Energie in den Teilen ab und nicht von
der gespeicherten spezifischen.. elastischen Energie. Die Druckkraft 26, die zwischen
den Teilen 10, 12 erzeugt werden kann, hängt also von den Abmessungen dieser Teile
ebenso ab wie von den Materialeigenschaften. So kann z. B. zwischen einem gegebenen
Isohertei110 und einem dünnwandigen Leiterteil 12 mit hoher Elastizitätsgrenze B
die gleiche Druckkraft 26 herrschen wie zwischen dem gleichen Isolierteil 10 und
einem dickwandigen Leiterteil 12 von wesentlich niedrigerer elastischer Grenze B...
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Die Fig. 2, 5 und -7 zeigen die bei dem vorliegenden Verfahren möglichen
Extreme und den Einfluß der Dicke der für die Bildung der Dichtung verwendeten Teile.
Ein derartiges Extrem ist in Fig. 5 gezeigt, wo ein dickwandiges konisches Isolierteil
36 in einen ursprünglich nicht ausgeweiteten dünnwandigen Metallzylinder 34 eingeschoben
ist, wobei dann das Ende 38 des Metallzylinders 34 in der gezeigten Weise ausgeweitet
wird. Nimmt man den Extremfall an, so wird das Isolierteil nicht nennenswert deformiert,
während im wesentlichen die gesamte Deformation oder Dehnungsspeicherung im Metallteil
auftritt. Das andere Extrem ist in Fig. 7 gezeigt, wo ein konisches Isolierteil
44 in einen dickwandigen. Metallzylinder 40 mit einem von vornherein ausgeweiteten
Ende 42 (oder mit einer abgeschrägten Innenfläche an diesem Ende 42) eingepreßt
ist. Nimmt man wiederum den Extremfall an, so wird das Leiterteil 40 nicht
wesentlich deformiert, während nahezu die gesamte Deformation oder Dehnungsspeicherung
im System im Isolierteil 44 auftritt.
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Fig. 2 stellt den mittleren Fall dar, d. h. den Fall, bei welchem
sowohl das Leiterteil als auch das Isolierteil um einen vom Dickeverhältnis der
Teile abhängigen Betrag deformiert oder gedehnt wird. Vorzugsweise wählt man die
Materialien für die Teile und das Dickeverhältnis zwischen den Teilen so, daß das
Leiterteil bis wenig über seine elastische Grenze gedehnt wird, so daß die Toleranzen
in der Größe der Teile nicht kritisch sind, da die Druckkraft 26 auf jeden Fall
durch die elastische Grenze des Leiterteiles 12 in der oben beschriebenen Weise
begrenzt wird.
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Der Einfluß der verhältnismäßigen Dicke der Teile auf den Betrag an
möglicher Dehnungsspeicherung in den erfindungsgemäßen Dichtungen wird am besten
bei der Betrachtung der Fig. 10 ersichtlich, wo in einem Diagramm eine Kurvenschar
für eine spezielle Verbindung zwischen einem Isolierteil aus einem bestimmten Material
und einem Leiterteil aus einem bestimmten Material in Form von Zylindern mit einem
Berührungsbereich von einem bestimmten Radius aufgetragen ist.
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Durch algebraische Umwandlung der im Kapitel 12 des Buches »Formulas
for Stress and Strain« von Raymond J. Roark, McGraw Hill Book Company, New York,
1943, angegebenen Formeln läßt sich zeigen, daß die Kraft g pro Zentimeter an der
Peripherie
eines belasteten Zylinders annähernd der folgenden Gleichung
gehorcht:
In dieser Gleichung bedeutet P eine vom Ort der Belastung des Zylinders abhängige
Konstante, V das Poissonsche Verhältnis für das Material, aus welchem der Zylinder
gefertigt ist, E der Elastizitätsmodul für dieses Material, d R die tatsächliche
Änderung des Zylinderradius, t die Wanddicke des Zylinders und R der mittlere Radius
des Zylinders.
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Da die auf die beiden Zylinder einwirkende Kraft in diesem Falle die
gleiche, d. h. gleich der zwischen den beiden Teilen wirkenden Druckkraft 26 ist,
läßt sich die folgende Beziehung aufstellen:
Darin bedeutet der Index c, daß sich die betreffenden Größen auf das Isolierteil
beziehen, und der Index m, daß sich die betreffenden Größen auf das Leiterteil beziehen.
Da jedoch die Eigenschaften der für die beiden Teile verwendeten Materialien ebenso
wie der Radius der Berührungszone und der Ort der Belastung jeweils konstant bleiben,
treten als einzige Variable in der obigen Gleichung die Radiusänderungen (d R) der
beiden Teile und die Dickeänderungen (t) der beiden Teile in Erscheinung. Diese
Variablen sind in dem Diagramm nach Fig. 10 aufgetragen. Und zwar ist hier die Einheitsänderung
im Radius des Isolierteiles
auf der Ordinate und die relative Dicke der Teile auf der Abszisse aufgetragen,
wobei angenommen ist, daß die Dicke des Isolierteiles gleich Eins ist. Jede der
ausgezogenen Linien im Diagramm stellt eine konstante Einheitsänderung im Radius
des Leiterteiles # dar. Man sieht, daß für eine gegebene konstante
Einheitsänderung im Radius des Leiterteiles die Einheitsänderung im Radius des Isolierteiles
mit ansteigendem Verhältnis zwischen der Dicke des Metallteiles und der Dicke des
Isolierteiles ansteigt. Die gestrichelten Linien geben die konstante Gesamteinheitsänderung
im Radius,
an. Man sieht, daß man eine gegebene Gesamteinheitsänderung im Radius bei jedem
gegebenen Dickeverhältnis der Teile mit jedoch unterschiedlicher Verteilung der
Änderungsgrößen zwischen den beiden Teilen erhalten kann.
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Wie oben erklärt, dienen die durch die Verjüngungen an den Enden der
Isolierteile 10, 36 und 44 gebildeten Schultern hauptsächlich dazu, die Spannungen
zu konzentrieren. Die Berührung zwischen den Teilen tritt in einem Bereich von minimaler
Flächenausdehnung auf, und nahezu die gesamte bei der Bildung der Verbindung auftretende
Spannung wird auf diesen minimalen Flächenbereich konzentriert. Diese Spannungskonzentration
ermöglicht den intimen Kontakt zwischen den Teilen 10 und 12, 34 und 36 bzw. 42
und 44, und zwar unter Anwendung nicht übermäßig großer Axialkräfte. Da der Betrag
an Axialkraft, der für die Bildung des gewünschten Kontaktes erforderlich ist, mit
der Größe der Berührungsfläche zwischen den Teilen ansteigt, wäre als Idealfall
eine linienförmige Berührung anzustreben; eine solche Berührung ist in den Ausführungsformen
nach Fig. 2, 5 und 7 approximiert.
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Während an sich eine geradlinige Verjüngung, die eine verhältnismäßig
scharfe Kante oder Schulter 19 bildet, wie in Fig. 2, 5 und 7 gezeigt, vorzuziehen
ist, kann die Spannungskonzentration bei der erfmdungsgemäßen Verbindung auch mit
Hilfe einer gekrümmten Verjüngung, wie in Fig. 6 gezeigt, erreicht werden. Hier
hat das Ende 20 des Leiterteiles 12 vorzugsweise von vornherein eine gekrümmte oder
gebogene Ausweitung von gegebenem Radius. Das Ende 16 des Isolierteiles 10 ist mit
einer gekrümmten Verjüngung 32 versehen, deren Radius kleines als der Radius der
Ausweitung des Endes 20 des Leiterteiles 12 ist. Auf diese Weise kann die
gekrümmte Verjüngung 32 des Isolierteiles 10 mit dem ausgeweiteten Ende 20
des Leiterteiles 12 in tangentiale Berührung gebracht werden, wobei die resultierendeDruckspannungzurBildungderVerbindungführt.
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Ein zusätzlicher Vorteil der Verjüngung am Ende des Isolierteiles.,
gleichgültig ob diese Verjüngung gerade oder gekrümmt ist, besteht darin, daß sie
den Angriffsbereich der Kraft auf das Isolierteil von dessen Ende entfernt hält.
Indem so die Angriffszone der Kraft vom Ende des Isolierteiles beabstandet ist,
werden die durch die Spannung im Isolierteil hervorgerufenen Biegemomente wesentlich
verkleinert und dadurch die Möglichkeit eines Bruches des Isolierteiles infolge
der durch diese Biegemomente bedingten Spannkräfte verringert. Die Biegemomente,
welche durch eine dem Ende des Isolierteiles erteilte Druckkraft hervorgerufen werden,
erzeugen ihrerseits Spannkräfte, deren Größe sich entsprechend einer gedämpften
Sinusfunktion in Axialrichtung längs des Isolierteiles ändert. Reicht jedoch ein
Teil des Isolierteiles über denjenigen Punkt, an welchen die Druckkraft angesetzt
wird, hinaus, so wird durch diesen hinausreichenden Teil ein neues Biegemoment eingeführt,
welches das durch die Druckkraft induzierte Biegemoment teilweise aufhebt.
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Der Verjüngungswinkel an dem Enden des Isolierteiles kann je nach
den verwendeten Materialien und den Verwendungszwecken, denen die Verbindung dienen
soll, verschieden sein. Bei erfolgreich erprobten Ausführungsformen betrug der Verjüngungswinkel
am Isolierteil ungefähr 7° gegenüber dem Körper des Isolierteiles. Jedoch ist dieser
Winkel nicht notwendig kritisch bei allen Ausführungsformen; er kann an Hand des
Durchmesserverhältnisses der beiden Teile, der Materialien, aus welchen die Teile
gefertigt sind, und der zu erwartenden Biegemomente bestimmt werden, wobei stets
zu beachten ist, daß die wichtigste Aufgabe der Verjüngung darin besteht, die kleinflächige
Berührung zwischen den beiden Teilen herzustellen.
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Die für die Leiterteile verwendeten Materialien müssen nicht immer
die bestmöglichen elektrischen
Leiter sein. Man kann jedoch für
die Verbindungen eine höhere Hochfrequenzleitfähigkeit als bei irgendwelchen anderen
Verbindungsarten dadurch gewinnen, daß man einfach auf dem metallischen Teil in
an sich bekannter Weise eine Schicht oder einen Belag 46 aus hochleitfähigem Material,
beispielsweise Kupfer, Gold oder Silber, anbringt, wie es in Fig. 5 bis 9 gezeigt
ist.
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Nachdem die Verbindungen rein mechanisch ausgebildet sind, werden
die elektrischen Eigenschaften einer solchen hochleitfähigen Schicht 46 durch die
Vorgänge bei der Bildung der Verbindung nicht beeinflußt, da eine Legierung der
Schicht oder des Belages n.6 nicht stattfinde=. Bei sämtlichen anderen Verbindungsarten,
welche man allgemein als chemische Verbindungen bezeichnen kann, findet stets eine
gewisse Legierung des hochleitfähigen Belages 45 statt, wodurch die elektrische
Leitfähigkeit des Belages 46 stark verringert wird.
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Die Vorteile des hochleitfähigen Belages 46 sind sehr groß in solchen
Fällen, wo der durch die Verbindung hindurchzuleitende Strom hochfrequent ist, da
ein solcher Hochfrequenzstrom stets das Bestreben hat, in der Oberflächenschicht
des Leiters zu fließen. Da nun im vorliegenden Falle die Oberflächenschicht des
Leiterteiles durch einen hochleitfähigen Belag 46 gebildet wird, verringert sich
der elektrische Widerstand des Leiterteiles gegenüber Hochfrequenzstromflüssen sehr
stark und kommt dem des Belages 46, der, wie erwähnt, aus Silber oder Kupfer bestehen
kann, nahe.
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Die Verwendung des leitenden Belages 46 bei der Verbindung hat den
weiteren Vorteil, daß hochleitfähige Materialien wie Silber, Kupfer oder Gold gut
deformierbar oder schmiedbar sind. So läßt sich der Belag 46 unter dem Einfluß der
zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen bestehenden Druckkraft 26 deformieren.
Dank dieser Deformierbarkeit kann man die innige Berührung zwischen den beiden Teilen
mit geringeren Axialkräften, als sie sonst erforderlich wären erreichen.
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Fig.8 und 9 zeigen vergrößerte Schnittansichten des Verbindungs- oder
Dichtungsbereiches gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung. In Fig. 9 ist
der deformierbare Belag 46 auf dem metallischen Teil 12 durch das Isolierteil
10 zum Teil abgeschabt worden, und die so zum Fließen gebrachte Masse des
Belages hat sich in Form eines Dichtungsringes 48 zwischen das Isolierteil 10 und
das Metallteil 12 gelegt. Dieser Abschab- oder Abstreifvorgang trägt zur Bildung
der erforderlichen innigen Berührung an der Schulter 50 bei, indem er das deformierbare
Material 46 zum Fließen bringt, etwaige Poren oder Rauhigkeiten in der Abdichtfläche
des Isolierteiles an der Schulter 50 zudeckt oder verkittet und so einen fortlaufenden
Kontakt zwischen den beiden Teilen längs deren Peripherie gewährleistet. Das Vorhandensein
des Dichtungsringes 48 deutet gewöhnlich auf eine gut abdichtende Verbindung, indem
es eine gleichmäßige Berührung und eine beträchtliche Spannung zwischen den beiden
Teilen 10 und 12 anzeigt. Erfolgreich abdichtende Verbindungen zwischen einem keramischen
Isoliertei110 und einem stählernen Leiterteil 12 sind auch bereits ohne deformierbaren
Belag 46 auf dem Stahlteil durch Hochpolieren der Dichtungsflächen gewonnen worden;
das Vorhandensein des deformierbaren Belages ermöglicht jedoch die Bildung der abdichienden
Verbindung mit viel geringerem Kräfteansatz und ohne daß ein Hochpolieren der Dichtungsflächen
erforderlich ist.
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Die in Fig. 8 gezeigte Verbindung kann als Vergrößerung der in Fig.
7 gezeigten Verbindung nufgefaßt werden; d. h., das Leiterteil 40 ist schwer oder
dick und mit einer von vornherein vorhandenen Ausweitung 42 versehen. Somit tritt
der Hauptanteil der bei der Herstellung der Verbindung entstehenden Dehnung im Isohertei144
auf, während der zuvor beschriebene Abschabvorgang nur im äußerst geringen Maße
stattfindet. Auch hier wird die Innenfläche des Leiterteiles 40 deformiert, und
zwar in verstärktem Maße, wenn der deformierbare Belag 46 auf dem Leiterteil vorhanden
ist. Die Verjüngungen am Isolierteil 44 und am Leiterteil 40 wirken gemeinsam
dahingehend, daß die Spannung auf einen im wesentlichen linienförmigen Berührungsbereich
konzentriert wird.
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Bei probeweise hergestellten Verbindungen wurden für das Isolierteil
keramische Materialien mit einem hohen Prozensatz an Aluminiumoxyd verwendet, und
zwar wegen der hohen Druckfestigkeit und der vorzüglichen elektrischen Eigenschaften
dieser Materialien. Beispielsweise eignen sich keramische Materialien mit einem
Gehalt von mehr als 50,26'°/o Aluminiumoxyd, bis zu 30% eines Manganoxyds, 2,5'%
bis 2,8% Siliziumdioxyd und bis zu 4 % mindestens eines Erdalkalioxydes, und zwar
Beryllium-, Magnesium-, Zink-, Kalzium-, Strontium-, Cadmium- oder Bariumoxyd.
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Auch andere Isoliermaterialien können verwendet werden. vorausgesetzt,
daß bei der Bemessung der Teile die mechanischen Eigenschaften der betreffenden
Materialien gebührend berücksichtigt werden. Für das Leiterteil wurden bei erfolgreich
erprobten Verbindungen verschiedene Metalle verwendet, unter anderem kaltgewalzter
Stahl (SAE 1010), Eisen-Kobalt-Nickel-Legierungen, 883 Werkzeugstahl, 42-Metall
und Kupfer. Bei einigen erfolgreich erprobten Verbindungen war das Leiterteil mit
einem Belag aus Kupfer oder Silber überzogen, während bei anderen Versuchen ein
aus einer Kupferfolie bestehender Dichtungszylinder zwischen das Isolierteil und
das Leiterteil eingeschoben wurde.
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Als Beispiel seien im folgenden diejenigen Abmessungswerte angegeben,
die bei einer mit Erfolg erprobten Verbindung verwendet wurden. Das Isolierteil
dieser Verbindung bestand aus einem Zylinder aus dem oben angegebenen keramischen
Material mit einem Außendurchmesser von 6,201 cm und einer Wanddicke von annähernd
0,635 cm, und das Leiterteil umfaßte einen zusammengesetzten Zylinder mit einem
Innendurchmesser von 6,167 cm, bestehend aus einem Zylinder aus kaltgewalztem Stahl
mit einer Wanddicke von 0,178 cm und einem Dichtungszylinder aus Kupfer mit einer
Wanddicke von 0,066 cm, der als Auskleidung innerhalb des Stahlzylinders gelagert
har. Der keramische Zylinder war mit einer am einen Ende herausgeschliffenen Verjüngung
von 7° versehen, die den zuvor zugeschliffenen Außendurchmesser des Zylinders in
ungefähr 0,635 cm Entfernung vom Ende schnitt. Der keramische Zylinder wurde in
den zusammengesetzten Metallzylinder bis zu einer Tiefe von 1,60 cm eingepreßt,
wofür eine Axialkraft von ungefähr 5400 kp erforderlich war; die resultierende Gesamtdeformation
der Teile betrug 0,135 cm.
Im allgemeinen genügt zur Herstellung
einer gut dichten Verbindung eine axiale Kraft von etwa 140 Kp pro Zentimeter Länge
der Berührungslinie.
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Versuche haben gezeigt, daß, sobald einmal die innige Berührung zwischen
dem Leiterteil und dem Isolierteil hergestellt ist, nur eine sehr kleine Druckkraft
benötigt wird, um diese Berührung aufrechtzuerhalten. Das heißt, während eine beträchtliche
Druckkraft erforderlich ist, um die Dichtungsfläche des Leiterteiles mit der Dichtungsfläche
des Isolierteiles in innige Berührung zu bringen, ist diejenige Druckkraft benötigt
wird, um diese Berührung aufrechtzuerwenn diese einmal hergestellt ist, sehr viel
kleiner.
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Eine abdichtende Verbindung zwischen einem Leiterteil und einem Isolierteil
läßt sich innerhalb eines großen Temperaturbereiches nur sehr schwer aufrechterhalten,
und zwar auf Grund der Tatsache, daß Leiterteile unter dem Einfluß von Wärme gewöhnlich
eine größere Ausdehnung zeigen als Isohermaterialien. Das heißt, wenn die Verbindung
bei einer gegebenen Temperatur hergestellt und dann merklich erhöhten Temperaturen
ausgesetzt wird, so dehnt sich das Leiterteil stärker aus als das Isolierteil, und
der so entstehende Expansionsunterschied kann, wenn er genügend groß ist, die abdichtende
Verbindung zwischen den beiden Teilen zerstören.
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Um zu erreichen, daß die Verbindungen über einen gegebenen Bereich
unterschiedlicher Temperaturen dicht bleiben, muß man die miteinander zu verbindenden
Teile so ausbilden und bemessen, daß die in ihnen gespeicherte Dehnungsspannung
durch die bei der Erhitzung ungleiche Expansion der Teile lediglich teilweise gelockert
wird. Das heißt, man muß die Teile so bemessen, daß, wenn die abdichtende Verbindung
zwischen ihnen hergestellt ist, die in den Teilen hervorgerufene Dehnung genügend
groß ist, um eine Druckkraft 26 zu erzeugen, die größer ist als die für die Beibehaltung
der innigen Berührung zwischen den Teilen erforderliche minimale Druckkraft.
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Der Gesamtbetrag der für die Aufrechterhaltung der Druckkraft zwischen
den Teilen erforderlichen Dehnung läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:
Darin bedeuten
die Einheitsänderung im Radius eines zylindrischen Isolierteiles bzw. eines zylindrischen
Metallteiles, A T die Temperaturänderung, welcher die Teile ausgesetzt werden sollen,
und Km und K, die Wärmeexpansionskoeffizienten des im Zusammenhang mit Fig. 10 erwähnten
Leitermaterials bzw. Isoliermaterials. In der obigen Gleichung ist angenommen, daß
der Wärmeexpansionskoeffizient des Leiterteiles größer ist als der des Isolierteiles.
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In Fig. 11 ist unter Zugrundelegung der Gleichung (3) in Verbindung
mit der Gleichung (2) graphisch die Beziehung zwischen der Dicke der Teile und dem
Temperaturbereich, innerhalb dessen die abdichtende Verbindung zwischen diesen Teilen
verwendet werden soll, veranschaulicht. Die ausgezogenen Kurven in Fig.11 stellen
die Orte konstanter Dehnung im Leiterteil dar, während die gestrichelten Kurven
die Orte konstanter Dehnung im Isolierteil darstellen. Man sieht aus Fig. 11, daß
für einen gegebenen Temperaturbereich d T eine große Vielzahl von Dickeverhältnissen
verwendet werden kann, bei entsprechender Verteilung der Gesamtdehnung zwischen
den Teilen. Man sieht ferner, daß für eine gegebene Dehnung im Leiterteil der Temperaturbereich,
innerhalb dessen die Verbindung standhält, dadurch erweitert werden kann, daß man
das Verhältnis der Dicke des Leiterteiles zur Dicke des Isolierteiles vergrößert.
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Im vorstehenden wurde die Ausbildung der Verbindungen in vereinfachter
Form beschrieben, um die wichtigsten Merkmale der Erfindung herauszustellen. Weitere
in Frage kommende Gesichtspunkte, wie z. B. die Dauerfestigkeit, die Kriecheigenschaften
und die Warmfestigkeit der verwendeten Materialien, werden sich dem Fachmann von
selbst ergeben.
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Die Beschreibung beschränkte sich bisher auf solche Ausführungsformen
der Erfindung, bei denen das Isolierteil vom Leiterteil umschlossen wird. Wie man
aus Fig. 12 sieht, ist es jedoch auch möglich, die gasdichte Verbindung so auszubilden,
daß das Isolierteil 51 das Leiterteil 52 umgibt. Der isolierende Hohlzylinder 51
hat an der Innenfläche seines Endes eine konisch verjüngte Fläche 53, während ein
metallischer Hohlzylinder 52 mit einem Außendurchmesser, der etwas größer als der
Innendurchmesser des isolierenden Zylinders 51 ist, durch Anlegen von Axialkräften
an die beiden Teile 51 und 52 in den Isolierzylinder 51 hineingedrückt wird. Das
Dickeverhältnis zwischen den Teilen 51 und 52 muß so gewählt werden, daß das Isolierteil
51 diejenigen Dehnspannungen, die bei Herrschen der für die Bildung einer
gasdichten Verbindung erforderlichen Druckkraft zwischen den Teilen hervorgerufen
wird, aufzunehmen vermag.
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Will man die Anordnung nach Fig. 12 so ausbilden, daß sie über einen
bestimmten Temperaturbereich standhält, so muß man einige Gesichtspunkte beachten,
die im umgekehrten Verhältnis zu den im vorstehenden erwähnten Gesichtspunkten stehen.
Da das Leiterteil 52 innerhalb des Isolierteiles 51 angeordnet ist und da der Wärmeexpansionskoeffizient
des Leiterteiles 52 gewöhnlich größer als der des Isolierteiles 51 ist, steigt die
zwischen den Teilen 51 und 52 herrschende Druckkraft mit wachsenden Temperaturen
an:. Es ist daher notwendig, die Teile 51 und 52 so zu bemessen, daß bei der in
Frage kommenden Mindesttemperatur noch genügend Druckkraft zwischen ihnen herrscht
und daß sie andererseits in der Lage sind, die bei höheren Temperaturen sich ergebende
erhöhte Druckkraft aufzunehmen.
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Es sei hier darauf hingewiesen, daß man bei der Ausführungsform nach
Fig. 1 und 2 oder bei der Ausführungsform nach Fig. 12 die Materialien für die Teile
10 und 12 bzw. für die Teile 51 und 52 so wählen kann, daß der Wärmeexpansionskoeffizient
des Leiterteiles 12 oder 52 kleiner ist als der des Isolierteiles 10 oder
51. Die in Frage kommenden Temperaturprobleme dürften im vorstehenden hinreichend
erläutert ein, um den Fachmann auf diejenigen grundsätzlichen Gedankengänge hinzuweisen,
denen in dem einen oder anderen Falle bei beiden Ausführungsformen zu folgen ist.
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Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl die
Merkmale gemäß Fig. 1 und 2 als auch die Merkmale gemäß Fig. 12 vorhanden sind.
Ein Isolierring oder -zyhnder 54 ist zwischen
zwei leitende Zylinder
55 und 56 eingekeilt. Der erste leitende Zylinder 55 hat einen größeren Durchmesser
als der zweite leitende Zylinder 56, und die beiden Zylinder 55 und 56 sind konzentrisch
ineinandergefügt, und zwar so, daß ihre einen Enden gleich miteinander abschneiden.
Die Wanddicke des Isolierringes 54 ist etwas größer als die Differenz der Durchmesser
der beiden leitenden Zylinder 55 und 56. Ferner sind sowohl die Außenfläche als
auch die Innenfläche des Isolierringes 54 konisch verjüngt. Der Isolierring 54 und
die beiden leitenden Zylinder 55 und 56 werden axial gegeneinandergedrückt, so daß
der Isolierring 54 zwischen die leitenden Zylinder 55 und 56, wie in Fig. 13 gezeigt,
hineingekeilt wird; daraus ergibt sich eine gasdichte Verbindung zwischen dem Isolierring
54 einerseits und jedem der beiden leitenden Zylinder 55 und 56 andererseits.
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Der Isolierring 54 und die beiden leitenden Zylinder 55 und 56 können
so ausgebildet und bemessen sein, daß der erste leitende Zylinder 55 den Isolierring
54 zu jeder Zeit und bei sämtlichen Temperaturen unter Druck hält, so daß auf diese
Weise die Verbindung nach Fig.l3 innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches
standzuhalten vermag. Eine bequeme Möglichkeit, um dies zu erreichen, besteht darin,
daß man die Wanddicke des ersten leitenden Zylinders 55 größer als die Wanddicke
des zweiten leitenden Zylinders 56 macht. Auch andere Möglichkeiten lassen sich
gleich gut verwerten; z. B. kann man die relativen Durchmesser der einzelnen Teile
geeignet bemessen. Auf diese Weise tritt bei der Mindesttemperatur, der die Verbindung
im Betrieb auszusetzen ist, zwischen dem ersten leitenden Zylinder 55 und dem Isolierring
54 eine wesentlich größere Druckkraft auf als zwischen dem zweiten leitenden Zylinder
56 und dem Isolierring 54, so daß der Isolierring 54 unter Druck gesetzt wird. Wird
dann die Verbindung erhöhten Temperaturen ausgesetzt, und nimmt man an, daß die
leitenden Zylinder 55 und 56 einen höheren Wärmeexpansionskoeffizienten als der
Isolierring 54 haben, so führt die Expansion der leitenden Zylinder 55 und 56 lediglich
zu einem Nachlassen des Anfangsdruckes im Isolierring 54. Man kann daher die Verbindung
so ausbilden, daß der Isolierring 54 stets spannungsfrei bleibt; dies ist deshalb
günstig, weil harte Isoliermaterialien bekanntlich nur eine geringe Festigkeit gegen
Spannungsbeanspruchungen besitzen.
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In Fig.14 ist eine der Fig.13 ähnliche Ausführungsform gezeigt, bei
der ein zusätzliches Leiterteil 57 durch eine erfindungsgemäß ausgebildete gasdichte
Verbindung hindurchgeführt ist. In diesem Falle sind zwei Isolierringe oder -zylinder
58, 58' vorgesehen, von denen. der Innendurchmesser des einen etwas größer als der
Außendurchmesser des anderen ist und die konzentrisch mit gleichflächigen einen
Stirnenden ineinandergeschoben sind. Zwischen diese beiden Isolierringe 58, 58'
ist ein dünner leitender Zylinder 57, dessen Wanddicke ungefährt gleich dem Abstand
zwischen den beiden Ringen ist, eingeschoben.
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Der Außendurchmesser des größeren Isolierringes 58 und der Innendurchmesser
des kleineren Isolierringes 58' sind konisch verjüngt. Die Innenfläche des größeren
Isolierringes 58 und die Außenfläche des kleineren Isolierringes 58' besitzen je
eine vorstehende Schulter 59, 59', die ebenso wie die konisch verjüngten Flächen
zur Druckkonzentration dienen. Die Isolierringe 58, 58', und der zwischen ihnen
gelagerte dünnwandige leitende Zylinder sind wie bei der Ausführungsform nach Fig.
13 zwischen einem äußeren leitenden Zylinder 55 und einem inneren leitenden Zylinder
56 eingekeilt. Da die Isolierringe 58, 58', durch den äußeren leitenden Zylinder
55 unter Druck gehalten werden, werden die an den lolierringen befindlichen Schultern
59, 59', in innige Berührung mit den Innen- und Außenflächen des dünnwandigen leitenden
Zylinders 57 gezwungen und in dieser Berührung festgehalten.
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Die relativen Wanddicken der leitenden Zylinder 55, 56 und 57 können
so gewählt werden, daß die Isolierringe 58, 58', über einen gegebenen Temperaturbereich
unter Druck gehalten werden; und zwar macht man zu diesem Zweck den Außenzylinder
55 wesentlich dicker als den Innenzylinder 56 und den mittleren oder dünnwandigen
Zylinder 57 so dünn gegenüber den beiden anderen Zylindern 55 und 56, daß er im
wesentlichen schlaff und nachgiebig ist und durch die Zylinder 55 und 56 unter Gewalt
gehalten wird. Auf diese Weise kann man zu der Ausführungsform nach Fig. 13 ein
drittes Leiterteil unter minimalen zusätzlichen konstruktionellen Vorkehrungen hinzufügen.
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Fig 15 zeigt eine nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte
Elektronenröhre mit einem wassergekühlten, zylindrischen Anodensystem 62 und einem
metallischen, zylindrischen Kathodensystem 64. Der Kolben der Röhre wird durch entsprechende
Teile des Anoden- und Kathodensystems 62, 64 durch eine Kathodenzuleitung 66, einen
zwischen dem Anodensystem 62 und dem Kathodensystem 64 angeordneten keramischen
Isolierzylinder 68, eine Gitterzuleitungsanordnung 70, einen zwischen der Kathodenzuleitung
66 und der Gitterzuleitung 70 angeordneten ersten keramischen Isolierring 72 und
einen zwischen der Gitterzuleitung 70 und dem Kathodensystem 64 angeordneten keramischen
Isolierring 74 gebildet.
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Der Isolierzylinder 68 liegt zwischen einem Anodenzuleitungsflansch
82 und einem Abdichtungsflansch 98, der einen Teil der Kathodenzuleitungsanordnung
66 bildet. Der Außendurchmesser des Isolierzylinders 68 und die Innendurchmesser
der Flansche 82, 98 sind so bemessen, daß sie durch das Verfahren gemäß der Erfindung
gasdicht verbunden werden können. Die Außenfläche des Isolierzylinders 68 weist
an den Enden je eine konische Verjüngung auf. Diese Verjüngungen werden in die Flansche
82, 98 eingepreßt, um die gasdichte Verbindung herzustellen.
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Der erste Isolierring 72 ist zwischen einen Abdichtzylinder 100 am
Kathodenzuleitungssystem 66 und einen zweiten Abdichtzylinder 102 am Gitterzuleitungssystem
70 eingekeilt. Der zweite Isolierring 74 ist zwischen einem dritten am Gitterzuleitungssystem
70 befestigten Abdichtzylinder 104 und an einem vierten am Kathodensystem 64 befestigten
Abdichtzylinder 106 eingekeilt. , Die Verbindung zwischen dem Isolierzylinder 68
und den Flanschen 82, 98 entsprechen also im wesentlichen den in Fig. 1 und 2 gezeigten
Anordnungen. Die Abdichtungen, die die Isolierringe 72, 74 enthalten, entsprechen
Fig. 13.
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Bei der Montage der Röhre werden zunächst das Gitterzuleitungssystem
70 und das Kathodenzuleitungssystem
66 mit den zugehörigen Isolierringen
72, 74 in die richtige gegenseitige Lage gebracht, und die Isolierringe 72, 74 sowie
die Systeme 64, 66, 70 werden dann zur Bildung der beschriebenen Verbindungen in
axialer Richtung ineinandergedrückt. Dann wird das vorher getrennt montierte Anodensystem
62 und das mit dem Gittersystem 70 und dem Zuleitungssystem 66 verbundene Kathodensystem
64 durch einen axial gerichteten Druck mit dem Isolierzylinder 68 verbunden. Herstellung
und Montage der Röhre sind also besonders einfach und ergeben einen sauberen Röhrenaufbau.