DE1540976C3

DE1540976C3 - Kontaktverbindung für ein drahtförmlges Heizelement

Info

Publication number: DE1540976C3
Application number: DE1540976A
Authority: DE
Inventors: Marcel Joseph Aubervilliers Cadiou; George Claude Paris La Gargasson
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1964-02-27
Filing date: 1965-02-24
Publication date: 1975-10-09
Also published as: US3344386A; AT263965B; BE660245A; FR1394979A; NO119643B; DE1540976B2; GB1081908A; DK112542B; DE1540976A1; NL6502225A; CH444250A

Description

Die Erfindung betrifft eine feuchtigkeitsdichte Kontaktverbindung zwischen einem drahtförmigen Heizelement, das aus mindestens einem durch ein pulverförmiges Metalloxyd elektrisch isolierten, in einer Metallumhüllung angeordneten elektrischen Leiter und mindestens einem zugeordneten, gegenüber dem Leiter dicken Anschlußstift besteht, der mit dem an seinem Ende von der Metallumhüllung und dem metalloxydbefreiten Leiter verlötet ist, wobei die mit einem Anschlußstück versehene Stelle, an der der Leiter aus der Metallumhüllung heraustritt, von einer Buchse umgeben ist, die mit ihrem einen Rand auf der Metallumhüllung aufgelötet und die mit ihrem anderen Rand mit dem Anschlußstift aufsitzend verbunden ist.

Bei einer derartigen bekannten Kontaktverbindung

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(französische Patentschrift 1 236 026) wird als Iso- Ausführungsbeispiele der Erfindung und Verfahren

liermasse Glas verwendet, wodurch vermieden wird, zu deren Herstellung sind in der Zeichnung dargedaß Feuchtigkeit aus der Umgebung in das pulver- stellt und näher beschrieben. Es zeigt

förmige Oxyd zwischen der Umhüllung und dem elek- F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Kontaktver-

trischen Leiter eindringen kann; eine Aufnahme von 5 bindung zwischen einem koaxialen Heizkabel und Feuchtigkeit in das Oxyd würde nämlich die Durch- einem als Steckerbuchse ausgebildeten Anschlußstift schlagspannung zwischen dem Leiter und der Umhül- und

lung beträchtlich herabsetzen. F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kon-

Der Verwendung von Glas als elektrisch isolieren- taktverbindung zwischen einem Heizkabel mit zwei des Material in einer Kontaktverbindung haftet der io Stromleitern und zwei Anschlußstiften.
Nachteil an, daß die Verbindung' nicht oder kaum Das drahtförmige Heizelement nach F i g. 1 be-

gegen mechanische Schwingungen oder Stöße bestän- steht aus einer Metallumhüllung 1 und einem mittdig ist. Auch ist diese Verbindung nur bis auf eine leren elektrischen Leiter 2, der durch ein pulverför-Betriebstemperatur verwendbar, die niedriger ist als miges Metalloxyd 3 von der Umhüllung 1 isoliert ist. der verhältnismäßig niedrige Erweichungspunkt der 15 Der Leiter 2 ist an seinem Ende 4 von seiner Isolaverwendeten Glassorte. tion befreit und reicht in eine Bohrung des Endteiles

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine 15 eines als Steckerbuchse ausgebildeten Anschlußgas-und wasserdichte Kontaktverbindung zu schaffen, Stiftes 7. Die Umhüllung 1 und das Endteil 15 sind die besonders widerstandsfähig ist, eine hohe Strom- von einer Buchse 6 aus einem gesinterten Keramikstärke gestattet und gegen hohe Betriebstemperaturen 2° material umgeben, dessen Dichte derart ist, daß dieses von vielen hundert Grad Celsius beständig ist. Material lichtdurchlässig ist. Mit 5 ist eine Metall-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- buchse bezeichnet. Sämtliche Verbindungen sind in löst, daß jener Teil der Buchse, der die Stelle umgibt, diesem Beispiel gelötet. Ein Ring 8, gleichfalls aus an der der Leiter bzw. die Leiter aus der Metallum- Keramikmaterial, ist über einen Teil seiner Länge hüllung heraustreten und an der der Leiter bzw. die 25 innerhalb der Umhüllung 1 orientiert.
Leiter mit dem Anschlußstift bzw. den Anschlußstif- Die Verbindung nach F i g. 1, bei der die zusamten verlötet sind, aus einem Keramikmaterial, z. B. menzufügenden Teile vorher sorgfältig mittels einer Aluminiumoxyd, besteht und daß auch der andere geeigneten Flüssigkeit entfettet werden, wird wie folgt Rand der Buchse mit dem Anschlußstift.bzw. mit den hergestellt.
Anschlußstiften verlötet ist. 30 Zunächst wird an der mit 11 bezeichneten Stelle

Bei geeigneter Wahl der Dichte des gesinterten ein Ring aus Lötmaterial, einem Eutektikum von Keramikmaterials ist dieses Material lichtdurchlässig. Kupfer und Silber, auf die Umhüllung aufgesetzt. Dies bietet die attraktive Möglichkeit, die Verbin- (Die Figur stellt den Zustand nach dem Löten dar.) dung im Betrieb visuell zu kontrollieren; man kann Anschließend wird die Buchse 5, deren Ausdehdann nämlich feststellen, ob die Temperatur der aus 35 nungskoeffizient ungefähr gleich dem der Buchse 6 der Umhüllung des Elementes heraustretenden Leiter ist, über die Umhüllung 1 geschoben. Die Buchse 5 zu hoch wird. Wird die Temperatur an dieser Stelle besteht aus einer Eisen-Nickel-Verbindung mit 42 ⁰Zo zu hoch und werden die Leiter z.B. rotglühend, so Nickel, während die Buchse 6 aus gesintertem Aluist dies wegen der Lichtdurchlässigkeit des gewählten mininiumoxyd besteht. Ein Lotring aus einem titan-Keramikmaterials wahrnehmbar. In diesem Falle 40 haltigen Eutektikum von Kupfer und Silber wird können Maßnahmen getroffen werden, die Tempe- dann bei 12 angebracht. Darauf werden die Buchse 6 ratur z. B. durch eine äußere Luft- oder Wasserküh- und ein Lotring bei 13 angebracht, wobei die Umlung herabzusetzen. hüllung 1 derart verschoben wird, daß sie etwas aus

Die Buchse aus Keramikmaterial muß an ihren der Buchse 6 herausragt. Anschließend werden der Rändern mit der Metallumhüllung des Elementes und 45 Ring 8 aus gesintertem Aluminiumoxyd und ein Ring den Anschlußstiften gasdicht verlötet werden. Dazu aus einem Lötmaterial mit sehr hohem Schmelzpunkt könnte man die Buchse aus Keramikmaterial stellen- bei 14 angebracht, wobei die Ringe 8 und 14 einweise metallisieren, damit mit Kupfer-Silber-Lot ge- ander berühren. Dieser Ring 14 besteht aus einer Learbeitet werden kann. Dieses Metallisieren ist eine gierung von 85 % Silber und 15 % Mangan, deren kostspielige Bearbeitung. Nach einer weiteren Aus- 50 Schmelztemperatur 950° C beträgt. Der aus Eisenführungsform der Verbindung nach der Erfindung Nickel (42% Nickel) bestehende Anschlußstift 7 wird wird bevorzugt, als Lötmaterial ein titanhaltiges mit seinem Endteil 15 in die Buchse 6 eingeschoben, Eutektikum von Silber und Kupfer zu wählen. wobei die Umhüllung 1 wieder in die Buchsen 5

Es wurde festgestellt, daß bei einer Verbindung und 6 zurückgeschoben wird. Der Durchmesser des zwischen einem Keramikmaterial und der Umhüllung 55 Endteiles 15 ist derart gewählt, daß einerseits die des Heizelementes mittels eines titanhaltigen Lots das Wärme im Innern des von der Keramikbuchse 6 umTitan in das Umhüllungsmaterial eindiffundiert und gebenen, von Isolation befreiten Leiterendes 4 abgedies spröde macht. Es wird daher eine Ausführungs- führt werden kann und andererseits die im Endteil 5 form bevorzugt, bei der die Buchse nicht völlig aus infolge der Stromdurchführung erzeugte Wärme ver-Keramikmaterial hergestellt ist, sondern aus zwei 60 nachlässigbar ist.

Teilen besteht, nämlich einem mit der Umhüllung Das Ganze wird darauf in einen Ofen eingeführt,

verlöteten ersten Metallteil und einem sowohl mit in dem eine Wasserstoffatmosphäre aufrechterhalten den Anschlußstiften als auch dem ersten Teil ver- wird, wobei jede Spur von Sauerstoff und Wasserlöteten zweiten Keramikteil. Für die Befestigung des dampf abwesend sein muß; die Ofentemperatur beersten Teiles genügt z. B. eine Kupfer-Silber-Lötver- 65 trägt etwa 1000⁰C. Nachdem die Verbindung wähbindung und für die beiden Lötverbindungen mit dem rend einer gewissen Zeitdauer, die von dem Durchzweiten Teil wird wieder das titanhaltige Lot ver- messer des Heizelementes und den Abmessungen der wendet. Kontaktverbindung abhängt, erhitzt worden ist, wird

die Verbindung unter Aufrechterhaltung der Wasserstoffatmosphäre im Ofen abgekühlt.

Die Abmessungen und die elektrischen Eigenschaften einer Anschlußkonstruktion nach F i g. 1 waren wie folgt:

Durchmesser der Umhüllung 1 beträgt 2 mm, Länge α der Buchse 5 beträgt 7 mm,
Länge b der Buchse 6 beträgt 7 mm,
Länge c des Stiftes 7 beträgt 18,5 mm,
Länge des Endteiles 15 beträgt 5 mm,
Durchmesser des Endteiles 15 beträgt 2 mm, die Länge, über die das Ende 4 in das Endteil 15 reicht, beträgt etwa 1 cm.

Es wurde festgestellt, daß eine der Luft ausgesetzte Verbindung der hier beschriebenen Art mit einem Heizelement, dessen mittlerer Stromleiter aus Nickel-Chrom einen Durchmesser von 0,7 mm hat, einige Tage lang eine Stromstärke von 30 Ampere aushalten konnte; man hat sogar kurze Zeit mit diesen Proben 40 Ampere gemessen. Die Gas- und Wasserdichte der Konstruktion ergab sich dabei als vollkommen. Bei den Prüfungen wurde an der Stelle der Buchse 6 eine kühle Luftströmung aufrechterhalten. Noch höhere Stromstärken sind zulässig, wenn gegen die Buchse 6 ein sehr kaltes Gas (Luft, Stickstoff, CO₂) geblasen oder sie in fließendes Wasser untergetaucht wird. Letzterer Vorschlag ist wegen der großen Gas- und Wasserdichte der Konstruktion durchführbar.

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 besteht das Heizelement aus zwei elektrischen Leitern, deren von ihrer Isolation befreite Enden 36, 37 auf die in der Figur dargestellte Weise in Bohrungen von Kupplungsstücken 25 und 27 aus Nickel befestigt sind. Beide Kupplungsstücke sind durch eine Keramikplatte 32 elektrisch voneinander isoliert und haben weitere Bohrungen zur Aufnahme der aus Eisen-Nickel bestehenden Anschlußstifte 26 und 28. Weiterhin sind Keramikringe 24 und 31 vorgesehen. Die beiden Anschlußstifte 26 und 28 werden mittels einer Buchse 29 aus gesintertem Keramikmaterial in ihrer richtigen Lage gehalten.

Die verschiedenen Teile, welche vorher entfettet worden sind, werden wie folgt montiert.

Die aus einer Nickel-Eisen-Verbindung mit 42% Nickel bestehende Buchse 23 wird über die Umhüllung 33 des Heizelementes geschoben, wobei ein Ring aus Lötmaterial (einer eutektischen Kupfer-Silber-Verbindung) bei 38 angebracht ist. Mit diesem Ring kann die Buchse 23 über ihre ganze Länge mit der Umhüllung 33 des Heizelementes verlötet werden.

Anschließend wird der aus gesintertem Aluminiumoxyd bestehende, mit zwei Öffnungen versehene Ring 31 über die Enden 36 und 37 der Heizdrähte geschoben. Darauf wird der Ring 24 auf die dargestellte Weise um den Heizdraht herum gebracht und werden

ίο die Kupplungsstücke 25 und 27 auf die dargestellte Weise über die Enden 36 und 37 geschoben. Zwischen den Kupplungsstücken 25 und 27 wird zur Vermeidung eines elektrischen Kontaktes zwischen diesen Teilen eine Platte 32 aus gesintertem Aluminiumoxyd angebracht. Darauf werden bei 40 und 41 Ringe aus einem Silber-Mangän-Lötmaterial angebracht.

Das so entstandene Gebilde wird in einen Ofen eingeführt, in dem genau wie im vorhergehenden Beispiel eine Wasserstoff atmosphäre bei 1000° C aufrechterhalten wird.

Nachdem unter Auf rechterhaltung der Wasserstoffatmosphäre eine Abkühlung erfolgt ist, wird das Ganze aus dem Ofen entfernt und die Buchse 29 aus gesintertem Aluminiumoxyd über die stabförmigen Teile 26 und 28 geschoben, worauf an den mit 43, 44 und 45 bezeichneten Stellen Ringe aus einem titanhaltigen eutektischen Kupfer-Silber-Lötmaterial angebracht werden. Anschließend wird nochmals eine Lötbearbeitung im Ofen durchgeführt und die Buchse 29 befestigt.

Unter ähnlichen Verhältnissen wie beim ersten Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ergab sich, daß eine nach Fig. 2 durchgeführte Kontaktverbindung bei einem Heizelement von 2 mm Durchmesser mit zwei Heizdrähten von je 0,36 mm eine Stromstärke von 15 Ampere gut aushalten konnte, ohne daß eine übermäßige Erhitzung oder eine Beeinträchtigung der Dichte der Verbindung wahrnehmbar war.

Die Abmessungen der verschiedenen Teile dieses Anschlusses waren wie folgt: ■■

Länge d der Buchse 23 beträgt 5 mm,
Außendurchmesser der Buchse 23 beträgt 1 cm, Länge e der Buchse 24 beträgt 2,5 mm,

Durchmesser der Buchse 24 beträgt 6 mm,
Länge / der Buchse 29 beträgt 1 cm,
Außendurchmesser beträgt 8 bis 9 mm.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Feuchtigkeitsdichte Kontaktverbindung zwischen einem drahtförmigen Heizelement, das aus mindestens einem durch ein pulverförmiges Metalloxyd elektrisch isolierten in einer Metallumhüllung angeordneten elektrischen Leiter und mindestens einem zugeordneten, gegenüber dem Leiter dicken Anschlußstift besteht, der mit dem an seinem Ende von der Metallumhüllung und dem metalloxydbefreiten Leiter verlötet ist, wobei die mit einem Abschlußstück versehene Stelle, an der der Leiter aus der Metallumhüllung heraustritt, von einer Buchse umgeben ist, die mit ihrem einen Rand auf der Metallumhüllung aufgelötet und die mit ihrem anderen Rand mit dem Anschlußstift, aufsitzend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jener Teil der Buchse, der die Stelle umgibt, an der der Leiter (2) bzw. die Leiter (36, 37) aus der Metallumhüllung (1 bzw. 33) heraustreten und an der der Leiter (2) bzw. die Leiter (36, 37) mit dem Anschlußstift (7) bzw. den Anschlußstiften (26, 28) verlötet sind, aus einem Keramikmaterial, z.B. Aluminiumoxyd, besteht und daß auch der andere Rand der Buchse mit dem Anschlußstift (7) bzw. mit den Anschlußstiften (26, 28) verlötet ist.

2. Kontaktverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das betreffende Buchsenteil aus gesintertem Keramikmaterial besteht.

3. Kontaktverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das betreffende Buchsenteil aus einem lichtdurchlässigen gesinterten Keramikmaterial besteht.

4. Kontaktverbindung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmaterial zwischen Keramik und Metall ein titanhaltiges Eutektikum von Silber und Kupfer ist.

5. Kontaktverbindung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse aus einer mit der Umhüllung (1 bzw. 33) des Heizelementes verlöteten ersten Metallbüchse (5 bzw. 23) und einer sowohl mit dem Anschlußstift (7) bzw. den Anschlußstiften (26, 28) als auch mit der Metallbuchse (5 bzw. 23) verlöteten zweiten Keramikbuchse (6 bzw. 29) besteht.

6. Kontaktverbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Umhüllung (1 bzw. 33) des Heizelementes befestigte Metallbuchse (5 bzw. 23) an jener Stelle, an der die Kontaktbuchse (6 bzw. 29) festgelötet ist, einen größeren Durchmesser hat als die Keramikbuchse (6 bzw. 29).

7. Kontaktverbindung nach Anspruch 5 oder 6, bei der das Heizelement aus einem koaxial in einer Metallumhüllung orientierten elektrischen Leiter besteht, dessen von Isolation befreites Ende in eine Bohrung des Anschlußstiftes reicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußstift (7) ein dünneres Endteil (15) hat, das über seine ganze Länge in die Keramikbuchse (6) reicht und an jener Stelle, an der es mit der Keramikbuchse (6) verlötet ist, einen größeren Durchmesser hat als diese.

8. Kontaktverbindung nach Anspruch 5 oder 6, bei der das Heizelement aus wenigstens zwei in einer gemeinsamen Metallumhüllung orientierten elektrischen Leitern besteht, dadurch, gekennzeichnet, daß die an ihren Enden von Isolation befreiten Leiter (36, 3.7) durch Metallkupplungsstücke (25, 27) mit zugeordneten dickeren, durch den Boden einer einseitig offenen Keramikbuchse (29) reichenden Anschlußstiften (26, 28) verbunden sind, wobei die elektrisch voneinander isolierten Metallkupplungsstücke (25, 27) je zwei parallele Bohrungen enthalten, in die je das Ende eines der elektrischen Leiter (36, 37) und das Ende eines der zugeordneten dickeren Anschlußstifte (26,28) eingesteckt und festgelötet sind, und bei dieser Verbindung der keramische Buchsenteil (29) einerseits an seinem freien Rand mit dem an der Umhüllung (33) des Heizdrahtes befestigten metallischen Buchsenteil (23) größeren Durchmessers und andererseits um die Stifte (26, 28) herum an der Stelle, an der diese aus dem Boden des Buchsenteiles (23) herausragen, gasdicht festgelötet ist.

9. Verfahren zum Löten der Kontaktverbindung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktverbindung mit Ringen aus Lötmaterial der gewünschten Zusammensetzung aufgebaut wird, dann das Ganze in einer reduzierenden Atmosphäre bis über die Temperatur erhitzt wird, bei der das Lötmaterial mit dem höchsten Schmelzpunkt schmilzt, und dann die Kontaktverbindung in dieser reduzierenden Atmosphäre abgekühlt wird.

10. Verfahren zum Löten der Kontaktverbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Teile der Kontaktverbindung, ausgenommen die Keramikbuchse (29), unter Einschluß von Ringen aus Lötmaterial der gewünschten Zusammensetzung montiert werden, dann das Ganze in einer reduzierenden Atmosphäre bis über die Temperatur erhitzt wird, bei der das Lötmaterial mit dem höchsten Schmelzpunkt schmilzt, und dann die Verbindung in dieser reduzierenden Atmosphäre abgekühlt wird, worauf die entstandene Konstruktion mit der betreffenden Keramikbuchse (29) und Lötmaterialringen versehen und das Ganze erneut der beschriebenen Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre unterworfen wird.