DE1267305B - Vakuumschaltergehaeuse - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIh

Deutsche Kl.: 21c-35/09

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 67 305.1-34
8. Januar 1966
2. Mai 1968

Die Erfindung betrifft ein hermetisches evakuiertes Gehäuse für Vakuumschalter, bestehend aus einem röhrenförmigen dielektrischen Gehäuseteil, metallischen Platten an beiden Enden sowie Dichtungsringen zwischen diesen Platten und dem Gehäuseteil.

Es ist bekannt, die Vakuumgehäuse für beispielsweise Starkstromschalter aus Teilen verschiedenen Materials, wie Keramik und Metall, zusammenzusetzen. Die Nahtstellen sind in der Regel hart gelötet. Da die verschiedenen Werkstoffe sehr unterschiedliche Dehnungswerte besitzen, treten bei Temperaturänderungen zum Teil erhebliche Spannungen innerhalb des Gehäuses auf, die zur Zerstörung führen können. Um diese Gefahr zu vermindern, sind Ausführungen bekanntgeworden, bei denen an der Verbindungsstelle zwischen dem rohrförmigen keramischen Gehäuseteil und der metallischen Abschlußplatte ein flacher Ring zwischengelegt ist, dessen innerer und äußerer Rand jeweils nach entgegengesetzten Richtungen abgebogen sind. Der äußere so Rand steht etwas über das Keramikrohr vor und ist mit dem heruntergezogenen Rand der Abschlußplatte verlötet. Zwischen Ring und Abschlußplatte ist noch ein Keramikring eingefügt, der in seinen Durchmesserabmessungen dem Keramikgehäuse entspricht. Die Zahl der Lötnähte ist pro Gehäuse gegenüber der vorliegenden Ausführung doppelt so groß. Damit steigt natürlich auch die Unsicherheit hinsichtlich Undichtigkeiten auf das Doppelte. Nachteilig ist ferner der bedeutend größere Durchmesser der Abschlußplatten relativ zum übrigen Gehäuse. Der zwischengelegte flache Ring ist auch schlecht geeignet, mechanische Spannungen, die durch die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten von Keramik und Kupfer oder dergleichen Metallen verursacht werden, aufzufangen und auszugleichen. Schließlich tritt bei Einsatz eines derartigen Gehäuses für Hochfrequenzschalter der Nachteil in Erscheinung, daß der Strom beim Durchgang durch metallisch-keramische Grenzflächen deren Erwärmung verursacht, was wiederum thermische Spannungen und die Zerstörung der Dichtung bzw. des Gehäuses zur Folge hat. Bei den bekannten Ausführungen muß der Strom dreimal die Übergänge passieren.

Eine weitere bekannte Ausführung vermeidet zwar sowohl den eingefügten Keramikring und reduziert damit die Zahl der Lötnähte als auch eine Durchmesservergrößerung der Gehäuseenden. Dafür fehlt dieser Ausführung ein Ausgleichsring vollständig.

Die Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Gehäuse für Vakuumschalter od. dgl. zu schaffen, das selbst größere thermische Spannungen auffangen kann, ohne Vakuumschaltergehäuse

Anmelder:

Jennings Radio Manufacturing Corporation,

San Jose, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,

7000 Stuttgart 1, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:
Joseph Martin Dimock jun.,
San Jose, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 11. Januar 1965 (424 600)

daß die Dichtung darunter leidet, das bei einfacher Herstellung die Zahl der Nahtstellen gering hält und Durchmesservergrößerungen des Gehäuses vermeidet. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß der Dichtungsring mit einer ringförmigen Dehnungsfalte versehen ist und daß dieser Dichtungsring außerhalb seiner ringförmigen Dehnungsfalte nur mit der Stirnseite des Gehäuseteiles und innerhalb seiner ringförmigen Dehnungsfalte nur mit der Innenfläche der Platte in bekannter Weise hart verlötet ist.

Gemäß einer Ausbildung nach der Erfindung ist die Platte am Rand mit einem Absatz versehen, der der äußeren Peripherie des hier mit dem Gehäuseteil vereinigten Dichtungsringes gegenübersteht.

Nach einer Weiterbildung ist die Platte mit einer Nut versehen, die der Dehnungsfalte gegenüberliegt.

Entsprechend einer Weiterbildung ist die Platte mit einer kreisförmigen Wulst versehen, die in eine Falte des Dichtungsringes eingreift und mit dieser hart verlötet ist. Die Wulst weist eine Anzahl auf den Umfang verteilter Kerben auf, die den Entgasungsprozeß verbessern.

Die Ausbildung nach der Erfindung bringt verschiedene Vorteile. Durch die Dehnungsfalte und die Anordnung bzw. Befestigung des Dichtungsringes zwischen den Gehäuseteilen vermag dieser selbst große thermische Spannungen auszugleichen. Die Zahl der Lötnähte ist auf das Geringste reduziert. Zusätzlich eingefügte Ringe werden vermieden. Der Dichtungsring selbst ist ein in Massen gefertigtes Teil. Der Durchmesser des Gehäuses ist über die gesamte Länge konstant.

809 574/317

Die Herstellung von Vakuumschalterbauteilen geschah bisher folgendermaßen:

Fabrikation der Einzelteile in konventioneller Technik,

Zusammensetzen der einzelnen Teile zu einem Ganzen,

Hartlöten in einem passenden Ofen oder durch Lichtbogenschweißung überstehender Flansche, anschließendes Evakuieren des dichten Gehäuses durch eine entsprechende Bohrung bzw. ein Rohr mittels Vakuumpumpe.

Bei dieser Methode werden Unsauberkeiten eingeschleppt hauptsächlich in die Metallteile, die sich durch chemische Reinigung und Pumptechnik nicht wieder entfernen lassen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, das diese Nachteile vermeidet. Dies wird erreicht durch folgende Verfahrensschritte:

a) Hartanlöten der Dichtungsringe an die metallisierten Ränder des dielektrischen Gehäuseteiles,

b) Einbringen des Gehäuseteiles entsprechend a) in eine Vakuumkammer,

c) Einbringen der Platten in die Vakuumkammer und Ausrichten auf die Dichtungsringe, wobei eine Platte auf Abstand gehalten wird,

d) Erhitzen der Anordnung bis unterhalb der Löttemperatur zur Entgasung,

e) Erhitzung auf Löttemperatur, wobei die Platte auf den Dichtungsring abgesenkt wird,

f) Abkühlung des Gehäuses in der Vakuumkammer,

g) Entnehmen des fertigen Gehäuses aus der Vakuumkammer.

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen Schalter mit erfindungsgemäßer Gehäuseabdichtung an den Endplatten,

F i g. 2 einen Teilausschnitt, der eine Ausführung der neuartigen Gehäuseabdichtung verdeutlicht,

F i g. 3 einen Schnitt durch einen Schalter einer ähnlichen Konstruktion,

Fig. 4 einen Teilausschnitt des Schalters nach F i g. 3, der die Abdichtung vergrößert hervorhebt,

Fig. 5 einen Teilausschnitt des Schalters nach F i g. 3, der die Abdichtung vergrößert hervorhebt, in der Stellung während des Entgasungsvorganges.

Das Gehäuse, das allgemein mit 2 bezeichnet ist, besteht aus einem röhrenförmigen dielektrischen Teil 3, das mit einem gleichartigen Teil 4 axial fluchtend hermetisch hart zusammengelötet ist. Diese beiden zylindrischen Teile sind vorzugsweise aus hochgradig dielektrischer Keramik, z. B. Aluminiumoxyd, hergestellt. An der Verbindungsstelle ist ein Dichtungsring 6 eingefügt, der eine Anzahl auf dem Umfang verteilter Lappen 7 aufweist, die im rechten Winkel zum Ring 6 abgebogen sind. Am Ende des Teiles 3 ist eine schwere Metallplatte8 angeordnet, die z.B. aus vakuumgeschmolzenem Kupfer hergestellt ist.

An der Peripherie ist die Platte 8 hermetisch und flexibel durch den Dichtungsring 9 mit dem Keramikteil 3 verbunden, und zwar ist der äußere Rand des Ringes 9 mit dem Keramikteil und der innere Rand mit der Platte 8 hart verlötet. Dazwischen ist der Ring mit einer umlaufenden Dehnungsfalte 12 versehen, die ihn flexibel macht und thermische Spannungen ausgleicht, die zwischen Platte und Gehäuse auftreten. Wie am besten aus F i g. 2 zu ersehen ist, weist die Platte 8 an ihrem Rand einen Absatz oder eine Nut 13 auf, die hier die Oberfläche 14 vom Dichtungsring 9 trennt. Die Tiefe der Nut 13 ist etwas geringer als die Wanddicke des Keramikteiles, so daß zwischen den angrenzenden Teilen Kontakt besteht zwischen Platte 8 und Dichtungsring 9, mit Ausnahme des von

ίο der Nut eingenommenen Bereiches. Zusätzlich ist eine weitere Nut 16 in der Platte 8 vorgesehen, die der Dehnungsfalte gegenübersteht. Während der Herstellung wird der Dichtungsring 9 an das Keramikteil 3 vorgelötet. Danach wird die Endplatte 8 an die innerhalb der ringförmigen Dehnungsfalte 12 obenliegenden Fläche des Dichtungsringes 9 angelötet. Dabeihat sich gezeigt, daß Lot um die Außenkante des Dichtungsringes 9 wandert und durch Kapillarwirkung zwischen Ring 9 und Platte 8 zieht, so daß diese versehentlich an ihrer äußeren Peripherie zusammenlöten. Dadurch wurde jedoch die Flexibilität der Verbindung beeinträchtigt, und das Keramikgehäuse kann beim Abkühlen platzen. Die Nut 13 ist so bemessen, daß die Lotwanderung unterbleibt.

Zentral in der Platte 8 ist in einer Bohrung 17 ein schwerer Kupferstößel 18 angeordnet, der mit dem Absatz 19 an der Innenseite der Platte 8 anliegt. Der Stößel erstreckt sich ins Gehäuseinnere und endet dort im Kontakt 21, wie F i g. 1 zeigt.

Das Ende des dielektrischen Teiles 4 ist von einer Platte 22, ähnlich wie von Platte 8 das andere Ende des Gehäuses, hermetisch verschlossen. Für gleiche Teile wurden gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Bohrung 23 in der Mitte der Platte 22 ist so bemessen, daß der Hals 24 des Balges 26 hineinpaßt. Das innere Ende 27 des Balges ist an den Stößel 28, der den Balg durchläuft, etwa in der Mitte hermetisch hart angelötet. Am inneren Ende des Stößels 28 befindet sich der Kontakt 29, der mit dem Kontakt 21 zusammenwirkt. Ein Topf 31 verhindert den Niederschlag von Kontaktpartikeln auf dem Balg 26. Die Röhre 32 in der Platte 22 wird beim Evakuieren mit einer Vakuumpumpe verbunden. Wird der Schalter jedoch in einer Vakuumkammer zusammengebaut, wie das am Beispiel der F i g. 3 betrachtet wird, so stellt die Abschlußdichtung den letzten Schritt der Herstellung dar, und der Schalter wird der Vakuumlötkammer im fertigen Zustand entnommen. Um den Schalter einzusetzen, braucht nur noch das Gehäuse mit einer der Platten 8 und 22 befestigt und das Ende 33 des Stößels 28 mit einem Betätigungsmechanismus verbunden zu werden.

Um den Niederschlag verdampften Kontaktmaterials auf der Innenfläche die dielektrischen Teile 3 und 4 zu verhindern, ist ein Topf 34 mittig zwischen die Lappen 7 des Dichtungsringes 6 eingesetzt. Die Enden 36 des Topfes sind so weit einwärts gebogen, daß direkter Beschüß der Teile 3 und 4 durch Kontaktpartikel unterbunden ist.

Der Schalter nach F i g. 3 und 4 ist, wie schon gesagt, in einer Vakuumkammer fertiggestellt, um das Leerpumpen und die zugehörige Röhre einzusparen. Diese Anordnung besteht aus dem dielektrischen Gehäuseteil 41, das von den metallischen Platten 42 und 43 verschlossen ist, die jeweils mit der zentralen Bohrung 44 bzw. 46 versehen sind. Die Bohrung 44 in der Platte 42 nimmt den Stößel 47 auf, der hart eingelötet ist und am inneren Ende den Kontakt 48 trägt. Die

Bohrung 46 in der Platte 43 enthält das äußere Ende 49 des Balges 51, dessen inneres Ende 52 hermetisch mit dem Stößel 53 verbunden ist. Der Stößel 53 gleitet im Lager 54, das ebenfalls in der Bohrung 46 sitzt. Das innere Ende des Stößels trägt den Kontakt 56. Die Töpfe 57 und 58 sind am Stößel 47 bzw. 53 zum Schutz des Gehäuseteiles 41 und des Balges 51 befestigt.

Wie F i g. 4 zeigt, ist die Platte 42 mit einer kreisförmigen Wulst 59 versehen, die einen Ring 61 aus Lot berührt, der in der Falte 62 des Dichtungsringes

63 liegt. Die Falte 62 liegt an der inneren Peripherie

64 des Dichtungsringes 63, während in der Wulst 59 eine Anzahl Kerben 66 eingelassen sind, so daß bei Temperatursteigerung zur Entgasung der verschiedenen Teile ausreichend Raum und Durchtrittsöffnungen zwischen Platte 42 und Dichtungsring 63 vorhanden sind, um die Gasmoleküle aus dem Gehäuse entweichen zu lassen. Andererseits kann die Platte 42 durch eine Haltevorrichtung 67 während des Entgasungsvorganges auf Abstand gehalten (F i g. 5) und beim Erreichen des gewünschten Grades des Vakuums gegen den Dichtungsring 63 abgesenkt werden. Die Haltevorrichtung 67 wird dabei von außen in der Vakuumkammer durch geeignete Mittel gesteuert.

In der Praxis wird die Anordnung eine Weile bei erhöhter Temperatur im Vakuum gehalten, bis der Entgasungsprozeß abgelaufen ist, dann wird die Temperatur so weit erhöht, daß der Ring 61 schmilzt. Sobald das Lot geschmolzen ist, senkt sich die Platte 42 unter der Schwerkraft auf den Dichtungsring, wobei sich das Lot durch Kapillarwirkung zwischen die Oberflächen der Wulst 59 und der Falte 62 verteilt, womit die hermetische Dichtung erreicht wird. Die Flexibilität der Dichtung bleibt jedoch durch die Dehnungsfalte 68 erhalten. Sie hat zwei Funktionen: Erstens gleicht sie thermische Spannungen aus, die zwischen Platte und Gehäuse auftreten, und zweitens verhindert die Rinne 69 zusammen mit der Nut 71 in der Platte 42 die Wanderung des Lotes nach außen, wodurch die Flexibilität beeinträchtigt würde.

Die Platte 43 .am anderen Ende des Gehäuses wird etwas anders mit dem Dichtungsring 72 verbunden. Der Dichtungsring ist an seiner äußeren Peripherie an das metallisierte Ende des dielektrischen Zylinders 41 hart angelötet, am besten, bevor die Anordnung in den Vakuumlötofen eingesetzt wird. Der Dichtungsring 72 ist mit der Dehnungsfalte 73 ausgestattet, deren Rinne 74 zusammen mit der Nut 76 wiederum die Lotwanderung entlang der Dichtung unterbindet. Die obenliegende Fläche des Dichtungsringes 72 ist innerhalb der ringförmigen Dehnungsfalte 73 mit der Platte 43 hart verlötet.

Nach F i g. 3 ist der Absatz 13 (F i g. 1 und 2) in dieser Anordnung anscheinend weggelassen. Dafür ist die innere Peripherie des Dichtungsringes 72 um einen geringen Betrag auf die Platte 43 zu abgesetzt, z. B. um 0,6 mm, mit dem Erfolg, daß nach dem Zusammenlöten an der äußeren Peripherie des Dichtungsringes und der Platte ein Zwischenraum zwisehen beiden Teilen verbleibt. Auch dadurch wird ein Lotfluß in diesen Raum hinein vermieden. Natürlich nehmen die Dichtungsringe unter dem auf das Gehäuse wirkenden atmosphärischen Druck die in F i g. 3 gezeigte Gestalt an. Die daraus resultierende flexible und hermetische Einheit zwischen Platte und Gehäuse wird so bei minimaler Höhe und ohne Vorsprünge über die äußere Gehäuseabmessung erreicht.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Hermetisches evakuiertes Gehäuse für Vakuumschalter, bestehend aus einem röhrenförmigen dielektrischen Gehäuseteil, metallischen Platten an beiden Enden sowie Dichtungsringen zwischen diesen Platten und dem Gehäuseteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (9, 63, 72) mit einer ringförmigen Dehnungsfalte (12, 68, 73) versehen ist und daß dieser Dichtungsring außerhalb seiner ringförmigen Dehnungsfalte nur mit der Stirnseite des Gehäuseteiles (3, 4, 41) und innerhalb seiner ringförmigen Dehnungsfalte nur mit der Innenfläche der Platte (8, 22, 42, 43) in bekannter Weise hart verlötet ist.

2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (8,22) am Rand mit einem Absatz (13) versehen ist, der der äußeren Peripherie des hier mit dem Gehäuseteil (3, 4) vereinigten Dichtungsringes (9) gegenübersteht.

3. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (8, 22, 42, 43) mit einer Nut (16, 71, 76) versehen ist, die der Dehnungsfalte (12, 68, 73) gegenüberliegt.

4. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (42) mit einer kreisförmigen Wulst (59) versehen ist, die in eine Falte (62) des Dichtungsringes (63) eingreift und mit dieser hart verlötet ist.

5. Gehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wulst (59) eine Anzahl auf dem Umfang verteilter Kerben (66) aufweist, die den Entgasungsprozeß des Gehäuses verbessern.

6. Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Hartanlöten der Dichtungsringe (63,72) an die metallisierten Ränder des dielektrischen Gehäuseteiles (41),

b) Einbringen des Gehäuseteiles entsprechend a) in eine Vakuumkammer,

c) Einbringen der Platten (42,43) in die Vakuumkammer und Ausrichten auf die Dichtungsringe, wobei eine Platte (42) auf Abstand gehalten wird,

d) Erhitzen der Anordnung bis unterhalb der Löttemperatur zur Entgasung,

e) Erhitzung auf Löttemperatur, wobei die Platte (42) auf den Dichtungsring abgesenkt wird,

f) Abkühlung des Gehäuses in der Vakuumkammer,

g) Entnehmen des fertigen Gehäuses aus der Vakuumkammer.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt a) ein Lotring (61) in die Falte (62) des Dichtungsringes (63) eingelegt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1197 022,
349 552,1 350 679,1 373 612.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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