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Gas- und flüssigkeitsdichte Leitungsdurchführung Die Erfindung bezieht
sich auf eine gas- und flüssigkeitsdichte Leitungsdurchführung, bei der durch die
Bohrung einer unter hohem Druck stehenden Gehäusewand, insbesondere eines Verstärker-
oder Entzerrergehäuses für Seekabel, ein isolierter metallischer elektrischer Leiter
hindurchgeführt wird.
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An eine solche Leitungsdurchführung werden je
nach Art des elektrischen
Gerätes und in Abhängigkeit von dem endgültigen Standort des Gehäuses ganz besondere
Anforderungen gestellt. So muß die Leitungsdurchführung einem sehr hohen Druck dauernd
widerstehen können, da Gehäuse in Seekabelanlagen in der Tiefsee normalerweise einem
Druck bis zu tausend Atmosphären ausgesetzt sind. Die Durchführung soll weiterhin
gasdicht sein. Zwar würde es im Betrieb genügen, wenn die Durchführung flüssigkeitsdicht
wäre; es ist jedoch kein Prüfverfahren bekannt, mit welchem Spuren von in das Gehäuse
eingedrungener Flüssigkeit schnell genug festgestellt werden können. Es wird daher
vorgezogen, eine an sich bekannte Prüfung auf Gasdichtigkeit mittels Helium unter
Verwendung eines Massenspektrometers vorzunehmen. Die Durchführung soll auch Temperaturwechsel
innerhalb eines bestimmten Bereiches und eine genügend hohe Anzahl mechanischer
Lastwechsel aushalten. Ferner werden an die elektrische Spannungsfestigkeit und
an den Isolationswiderstand der Durchführung hohe Anforderungen gestellt. Zusätzlich
müssen die in der Durchführung verwendeten Werkstoffe weitere Bedingungen erfüllen,
weil über ein Seekabel hohe Frequenzen übertragen werden. So muß beispielsweise
der Verlustfaktor des Dielektrikums möglichst gering sein; der elektrische Leiter
soll aus unmagnetischem Material bestehen, damit in der Durchführung keine Phasenverschiebungen
zwischen Strom und Spannung auftreten, welche Verzerrungen der über das Kabel übertragenen
Signale verursachen. Bei der geforderten hohen Lebensdauer von Seekabelanlagen müssen
die Leitungsdurchführungen darüber hinaus alterungsbeständig und gegenüber chemischen
Einflüssen unempfindlich sein.
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Es ist bereits eine Leitungseinführung bekanntgeworden, beispielsweise
für ein Unterwasserkabel, bei der die Kabelisolierung wenigstens teilweise zur Abdichtung
herangezogen wird. Dies hat jedoch Nachteile, da bei den erforderlichen hohen Drücken
die Forderungen, welche an die Isolierung des Kabels in mechanischer und elektrischer
Hinsicht gestellt werden, schwer zu erfüllen sind.
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Weiterhin ist bereits eine Abdichtung für Unterwasserverstärker, die
mit Überseekabeln in Verbindung stehen, beschrieben. Dabei handelt es sich um die
Abdichtung einer Kopfplatte gegen ein starres, die elektrische Ausrüstung enthaltendes
Gehäuse, wobei die Ringdichtung aus zwei in Nuten der Kopfplatte oder des Gehäuses
angeordneten Dichtungsstreifen aus leicht verformbarem Werkstoff besteht. Über einen
druckdicht abschließbaren Zuführungskanal, der zwischen den Dichtungsstreifen mündet,
sind die Dichtungsstreifen mittels eines Druckmediums an ihre Gegenflächen anpreßbar.
Es handelt sich hierbei jedoch nicht um eine Leitungsdurchführung, sondern lediglich
um den druckdichten Verschluß eines Gehäuses, bei dem zusätzliche Isolierungsprobleme
nicht auftreten.
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Ferner ist eine Durchführung bekannt, welche als Isolierstoff Glas
verwendet. Diese Durchführung besteht aus einem Innenleiterstift, welcher aus einem
Metall mit annähernd gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Glas besteht und
von einem zylindrischen Glaskörper umschlossen wird. Der Glaskörper ist in ein Metallrohr,
welches meist aus dem gleichen Metall wie der Innenleiter besteht, eingeschmolzen.
Die innige Bindung zwischen Glas und Metall und damit auch die Abdichtung wird hierbei
durch eine Oberflächenoxydation des Metalls erreicht. Die Metalloxydschichten haften
einerseits fest auf dem Metall, sind andererseits in geschmolzenem Glas jedoch löslich,
so daß eine feste Bindung entsteht, nachdem das Oxyd mit der Schmelze erstarrt ist.
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Eine andere bekannte Durchführung benutzt Keramik als Isolierstoff.
Hierbei bestehen die Schichten, welche die Verbindung mit dem Innenleiterstift und
dem Metallkörper herstellen, nicht aus einem Metalloxyd, sondern der Keramikkörper
ist an diesen Stellen metallisiert, d. h. lötbar gemacht worden.
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Diese zuletzt genannten bekannten Durchführungen haben beide den Nachteil,
daß sie bei der Herstellung
einen großen Temperaturbereich durchlaufen
müssen, nämlich wenn das Glas auf der Schmelze erkaltet oder das Lot auf dem Keramikkörper
erstarrt. Aus diesem Grund müssen Metalle verwendet werden, die nahezu den gleichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Keramik oder Glas haben. Diese Bedingungen erfüllen
jedoch nur gewisse Eisenlegierungen und Platin. Die Eisenlegierungen sind wegen
ihrer Magnetisierbarkeit und der damit verbundenen elektrischen Nachteile nur bedingt
geeignet, während die Verwendung von Platin die Durchführungen, insbesondere wenn
sie aus Gründen der Spannungsfestigkeit und der hohen Drücke große Dimensionen aufweisen,
sehr teuer macht.
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Es ist eine weitere Leitungsdurchführung bekannt, bei welcher der
den Innenleiterstift umfassende Isolierstoffkörper aus Quarz, Kerainik oder Glas
konisch ausgebildet und in eine konische Bohrung in der Gehäusewand eingesetzt ist,
wobei der konische Zapfen mit einem weichen, die Diffusion von Wasser verhindernden
und unter Druckeinwirkung fließenden Metall überzogen ist. Es ist bekannt, daß Isolierstoffkörper
aus den genannten Werkstoffen, insbesondere aus Keramik, gegenüber Druckbeanspruchungen
sehr widerstandsfähig sind, während sie gegenüber Zug-, Scher- und Biegekräften
sehr empfindlich sind. Dem trägt die bekannte Leitungsdurchführung nicht genügend
Rechnung, vielmehr ist der in das Gehäuse hineinragende konische Zapfen starken
Scherkräften ausgesetzt. Die Einführung des Innenleiterstiftes in den konischen
Pfropfen ist verhältnismäßig kompliziert, und dessen Abdichtung erscheint unzureichend.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine gas- und flüssigkeitsdichte
Leitungsdurchführung, bei der durch die Bohrung einer unter hohem Druck stehenden
Gehäusewand, insbesondere eines Verstärker- oder Entzerrergehäuses für Seekabel,
ein isolierter metallischer elektrischer Leiter hindurchgeführt wird, anzugeben,
welche die eingangs erwähnten hohen Anforderungen hinsichtlich Druckfestigkeit,
Gas- und Flüssigkeitsdichte, Temperaturbeständigkeit, Spannungsfestigkeit und niedrigem
Verlustfaktor der Isolation erfüllt und unter Beibehaltung gleichbleibender Zustandsgrößen
eine hohe Lebensdauer erreicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß erfindungsgemäß die Durchführung
aus einem mit lsolierhüllen versehenen Durchführungsleiter, der als eine aus hochfestem,
erforderlichenfalls unmagnetischem Material bestehende Schraube mit Mutter oder
als ein aus gut leitendem Metall hergestellter und mit einer tellerförmigen Erweiterung
versehener elektrischer Leiter ausgebildet ist, aus mehreren koaxial zu dem Durchführungsleiter
beidseitig bzw. einseitig auf der Bohrung der Gehäusewand aufgesetzten Rohrstücken
aus druckfestem, gasdichtem Isoliermaterial und aus an den Rohrstückenden angeordneten
Unterlegscheiben aus plastisch verformbarem Metall besteht.
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Gemäß der weiteren Erfindung sind die koaxial zum Durchführungsleiter
beidseitig auf der Bohrung der Gehäusewand aufgesetzten Rohrstücken unter Zwischenlage
von Unterlegscheiben mittels einer mit einer hochspannungsfesten Isolierhülle überzogenen,
als elektrischer Leiter dienenden Schraube mit Mutter so zusammengepreßt, daß die
Unterlegscheiben plastisch verforint und die Übergänge vom Gehäuse zu den Rohrstücken
und von den Rohrstücken zum isolierten Leiter dicht sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein mit einer tellerförmigen
Erweiterung und einer hochspannungsfesten Hülle versehener elektrischer Leiter zwischen
zwei koaxial zum Durchführungsleiter angeordneten Rohrstücken, von denen wenigstens
eines mit Unterlegscheiben versehen ist, einseitig auf der Bohrung der Gehäusewand
mittels eines darüber angeordneten Druckflansches und Schraubenbolzen, die in im
Gehäuse eingelassene Gewinde eingreifen, festgepreßt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß ein Außenleiter
aus elektrisch gut leitendem Metall koaxial zu dem elektrischen Innenleiter angoordnet,
isoliert und gas- und flüssigkeitsdicht durch die Gehäusewand geführt ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bestehen das gasdichte,
druckfeste Isoliermaterial aus Keramik, die Unterlegscheiben aus Kupfer, Aluminium,
Silber oder Gold und die Schrauben mit Muttern aus Berylliumkupfer oder hochfestem
Stahl mit einem Überzug aus Kupfer, Aluminium, Silber oder Gold. Die Metallteile,
welche einen hohen Druck auf die Rohrstücke ausüben, bestehen aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung
mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Keramik.
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Eine Ausführungsform der Leitungsdurchführung gemäß der Erfindung
ist in F i g. 1 dargestellt. Den
Leiter 11 bildet eine Schraube
aus hochfestem, erforderlichenfalls unmagnetischem Material, beispielsweise Berylliumkupfer.
Die Gas- und Flüssigkeitsdichtigkeit der Durchführung wird dadurch erreich4 daß
mit dieser Schraube und einer Mutter 12 unter Zwischenlage von Unterlegscheiben
13 aus plastisch verformbarem Metall, beispielsweise Kupfer, die beiden Rohrstücke
14 mit ihren Stirnflächen derart fest gegen die Gehäusewand 15 gepreßt werden,
daß die Unterlegscheiben plastisch verformt werden. Zur Erhöhung der elektrischen
Spannungsfestigkeit zwischen dem Leiter 11 und dem Gehäuse 15 ist
der Leiter mit einer Isolierhülle 16 aus spannungsfestem Isolierstoff, beispielsweise
Polyäthylen, umgeben.
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Nach einem anderen Ausführungsbeispiel ist die neue Leitungsdurchführung
so ausgebildet, daß ein Außenleiter aus elektrisch gut leitendem Metall koaxial
zu dem elektrischen Leiter angeordnet und isoliert und dicht durch die Gehäusewand
geführt ist. Dieses in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine
für Hochfrequenzzwecke koaxial aufgebaute Leitungsdurchführung. Der Innenleiter
besteht wiederum aus einer Schraube 17 mit Mutter 18, welche zur Erreichung
einer hohen Festigkeit aus Stahl bestehen und aus elektrischen Gründen von einem
Überzug aus elektrisch gut leitendem Metall 19 umhüllt sind. Die Durchführung
enthält weiter mehrere Rohrstücke 20 und 21 aus Keramik, mehrere hochspannungsfeste
Isolierhüllen 23, 24, 25 und 26, die Unterlegscheiben 22 und
den elektrischen Außenleiter 27. Die Gas- und Flüssigkeitsdichtigkeit wird
auch hier dadurch erreicht, daß die Rohrstücke mit der Schraube so stark zusammen-
bzw. gegen die Gehäusewand 15
gedrückt werden, daß die Unterlegscheiben sich
plastisch verformen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der neuen Leitungsdurchführung
ist ein mit einer tellerförmigen Erweiterung und einer hochspannungsfesten Hülle
versehener elektrischer Leiter zwischen zwei Rohrstücken, von denen wenigstens eines
mit Unterlegscheiben versehen ist, koaxial zur Bohrung auf der Außenwandung des
Gehäuses mittels eines darüber angeordneten Druckflansches und Schraubenbolzen,
die
in im Gehäuse eingelassene Gewinde eingreifen, festgepreßt. An Hand der F i
g. 3 kann man Einzelheiten dieser Ausführungsform erkennen. Der elektrische
Leiter 28 weist eine tellerförmige Erweiterung 29
auf und ist mit einer
hochspannungsfesten Isolierhülle 30 überzogen. Zwischen der tellerförmigen
Erweiterung des Leiters und der Gehäusewand 15 ist ein Rohrstück
31 aus Keramik, dessen Stirnflächen mit Unterlegscheiben 32 versehen
sind, auf den Leiter geschoben. Oberhalb der tellerförmigen Erweiterung sitzt ebenfalls
ein Rohrstück auf dem Leiter. In F i g. 3
enthält dieses Rohrstück keine Unterlegscheiben
an den Stirnflächen. Es ist jedoch auch möglich, die Stirnflächen dieses Rohrstückes
mit Unterlegscheiben zu versehen. Der Leiter wird nun dadurch gas- und flüssigkeitsdicht,
daß die Rohrstücke durch den aufgelegten Druckflansch 33 mittels der in die
Gewinde 35
eingreifenden Schraubenbolzen 34 so stark zusammengepreßt werden,
daß sich die Unterlegscheiben plastisch verformen.
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Diese neue Leitungsdurchführung kann dadurch als elektrisch hochwertige
Leitungsdurchführung ausgeführt sein, daß ein Außenleiter aus elektrisch gut leitendem
Metall koaxial zu dem elektrischen Leiter angeordnet ist. Eine derartig ausgeführte
koaxiale Leitungsdurchführung ist in F i g. 4 aufgezeigL Diese enthält einen
Innenleiter 36 mit tellerförmiger Erweiterung, welche einen Kern
37 aus einer mit Keramik dehnungsgleichen Legierung besitzt und mit einer
elektrisch gut leitenden Schicht 38 überzogen ist. Die Leitungsdurchführung
besteht weiter aus den Rohrstücken 41, den Unterlegscheiben 42, den hochspannungsfesten
Isolationshüllen 39 und 40, dem Druckflansch 43, den Schrauben 44 und dem
Außenleiter 45. Die Abdichtung wird durch bereits beschriebene Maßnahmen erreicht.
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Darüber hinaus können nach einer Weiterbildung der neuen Leitungsdurchführung
alle Metallteile, welche einen hohen Druck auf die Rohrstücke ausüben, aus einer
Legierung mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Keramik bestehen. Damit
wird erreicht, daß bei Temperaturwechseln keine Wärmespannungen in der Durchführung
auftreten. Für diesen Zweck sind Nickel-Kobalt-Legierungen, beispielsweise mit
28 0/, Ni, 18 0/, Co und Rest Eisen, oder auch als Einschmelzungslegierungen
bekannte Metalle gut geeignet. Die betreffenden Metallteile sind dann an den elektrisch
wichtigen Stellen mit Kupfer oder einem anderen gut leitenden, unmagnetischen Metall
bedeckt, so daß die Durchführung trotz der Verwendung eventuell magnetischen Materials
elektrisch verzerrungsfrei ist.
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Außer den in den F i g. 1 bis 4 aufgezeigten Ausführungsformen
einer Leitungsdurchführung sind ebenfalls eine Reihe weiterer isolierter Leitungsdurchführungen
denkbar, die nach dem gleichen Prinzip aufgebaut sind. So sind beispielsweise auch
Mehrfachkoaxialdurchführungen in gleicher Weise sehr einfach herzustellen. An den
aufgeführten Beispielen ist gezeigt worden, daß das Konstruktionsprinzip sehr variabel
ist und sich damit die Möglichkeit ergibt, durch die Wahl geeigneter Isolierstoffe
und Metalle sowie durch zweckentsprechende Formgebung die Leiterdurchführungen in
weitem Maße an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen. Darüber hinaus weist die
neue Leitungsdurchführung weitere Vorteile auf. So gestattet dieses Konstruktionsprinzip
die Verwendung von Metallen, welche für den jeweiligen Zweck optimale Eigenschaften
aufweisen, beispielsweise gute chemische Stabilität, Alterungsbeständigkeit, Temperaturfestigkeit,
ohne Rücksicht auf Metallisierbarkeit und Lötbarkeit nehmen zu müssen. Bei der Montage
der Durchführung in das Gehäuse tritt auch keine Wärmebeanspruchung mehr auf. Die
Durchführungen können außerdem für sehr hohe Drücke und elektrische Spannungen ausgelegt,
durch die Wahl entsprechenden Materials und bei entsprechender Formgebung an die
besonderen elektrischen Anforderungen, wie Wellenwiderstandsstoßfreiheit, Klirrfreiheit,
niedrige dielektrische Verluste und niedrige Kapazität, angepaßt werden. Mit solchen
Durchführungen sind Leckraten mit Werten kleiner als 3 - 1.-1, Ncn" sec
(N cm3 ist die Bezeichnung der Einheit Normalkubikzentimeter) erreichbar,
d. h., sie sind auch bei hohen Drücken von 1000 Atmosphären und darüber
noch absolut gasdicht. Die Leitungsdurchführungen sind darüber hinaus im wesentlichen
aus rotationssymmetrischen, vorzugsweise kreiszylindrischen Teilen aufgebaut, die
sehr leicht und mit großer Genauigkeit hergestellt werden können. Außerdem ist die
neue Durchführung selbstdichtend, d. h., mit steigendem Druck steigt auch
der Anpreßdruck an den Dichtungsflächen.