DE19510986A1 - Isolierter metallischer Leiter und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Verbindung zwischen einem Leiter und einer Isolierung in Form eines Rohres gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Keramik oder Glas ist ein altbekanntes, hochwertiges Isoliermaterial für metallische elektri­ sche Leiter. In der Regel wird der Leiter zum Zweck der Isolierung in ein Keramikrohr oder zur Wahrung der Flexiblität des Leiters in eine Vielzahl aneinander gereihter kurzer Keramikröhrchen oder Glasperlen eingesetzt.

Bisher wurde die gasdichte Verbindung zwischen Leiter und Isolierung stets so hergestellt, daß z. B. an der Austrittsstelle des Leiters aus der Isolierung eine gasdichte Versiegelung die­ ser Austriftsstelle angebracht wurde.

Der Nachteil dieses Standes der Technik ist, daß die gasdichte Verbindung Isolationswerk­ stoff/Leiter auf den relativ kleinen Bereich der Versiegelung beschränkt, und demgemäß die Gefahr des Entstehens von Undichtheiten, sei es bei der Herstellung oder beim Einsatz, z. B. durch Einwirken mechanischer Kräfte, gegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist sichergestellt, daß das Leitermetall im Rohr auf­ geschmolzen wird und dadurch eine innige Verbindung mit der Oberfläche der Bohrung des Rohres eingeht und es daher zu einem Eingreifen des Leitermetalles in die Unebenheiten der Innenwand des Rohres kommt. Dadurch ergibt sich eine dichte Verbindung des Leitermetal­ les mit dem umgebenden Rohr.

Es hat sich herausgestellt, daß auf diese einfache und kostengünstige Art eine praktisch durchgehende vakuum- und gasdichte Verbindung von Metall und Isolator erzielt werden kann. Selbst dann, wenn das aufgeschmolzene Metall an einigen wenigen Stellen sich nicht an das umgebende Isolatormaterial angelegt haben würde, bleibt dennoch die elektrische Leitfähigkeit ebenso wie die gasdichte Verbindung über die gesamte Länge des Leiters gese­ hen vollständig erhalten.

Bei Erschmelzen des Leitermetalles im Rohr ist es vorteilhaft, eine Art der Erwärmung des Leiters zu wählen, bei denen im wesentlichen nur der Leiter selbst, nicht aber das diesen um­ gebende Rohr direkt erwärmt wird. Dazu eignet sich z. B. eine Erwärmung des Leiters mittels Widerstandserwärmung, wobei ein entsprechende hoher Strom durch den Leiter fließt und diesen erwärmt, wobei überstehende Bereiche des Leiters im Bedarfsfalle gekühlt werden können.

Weiters ist es auch möglich, den Leiter mittels magnetischer Wechselfelder zu erwärmen, wo­ bei es zur Ausbildung von Wirbelströmen im Leiter kommt, die diesen erwärmen. Bei einer solchen Erwärmung des Leiters ergibt sich der Vorteil, daß die Einwirkzone der magneti­ schen Wechselfelder relativ gut auf den gewünschten Bereich der Aufschmelzung einge­ schränkt werden kann.

Bei einer Erwärmung des Leiters, die im wesentlichen nur auf diesen einwirkt, wie eben eine elektrischer Widerstandserwärmung oder Wirbelstromerwärmung, ist es auch möglich Leiter, deren Schmelzpunkt über der Erweichungs- oder Schmelztemperatur des umgebenden Roh­ res, das z. B. aus Glas hergestellt ist, mit dem Rohr dicht zu verbinden, wobei das Rohr im wesentlichen in seiner Form bestehen bleibt. Dabei kann das Rohr im Bedarfsfall auch ge­ kühlt werden.

Bei Rohren aus einem Material, z. B. Keramik, dessen Schmelz oder Erweichungstemperatur deutlich über der Schmelztemperatur des Leitermaterials liegt, kann die Erwärmung auch durch Strahlungshitze oder Einbringung in ein entsprechend heißes Medium, z. B. entspre­ chend aufgeheizte Luft oder ein aufgeheiztes Schutzgas, erfolgen, wobei das Rohr selbst di­ rekt erwärmt wird und das Leitermetall durch die die Rohrwände durchströmende Wärme er­ hitzt wird.

Es hat sich als einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben, daß dieses un­ ter Normalgasatmosphäre stattfinden kann. In manchen Fällen kann es jedoch zweckmäßig sein, den Schmelzvorgang in einer Vakuumanlage, gegebenenfalls unter Druckausübung auf das in dem Rohr erschmolzene Leitermetall vorzunehmen.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich eine besonders innige Verbindung des Leitermetalles mit der umgebenden Innenwand des Rohres, da sich durch die Druckausübung das erschmolzene Leitermetall besonders gut in die kleinen Unebenheiten der Innenwand des Rohres eindringt. Dadurch wird im wesentlichen die gesamte Innenwand des Rohres mit dem geschmolzenen Leitermetalls belegt.

Durch die Merkmale des Anspruches 6 wird ebenfalls eine weitgehend vollständige Belegung der Innenwand des Rohres mit dem Leitermetall erreicht.

Durch die Merkmale des Anspruches 5 ist es auf besonders einfache Weise möglich Druck auf das im Inneren des Rohres erschmolzenen Leitermetalls auszuüben. Dabei wird eine eventuelle Differenz zwischen dem Volumen des Rohrinneren und dem Drahtvolumen, die gegeben sein kann, um den Draht in das Rohr einschieben zu können, aufgehoben.

In der Praxis kann dabei diese Überlänge mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung in das heiße Innere des Keramikrohres so lange nachgeschoben werden, bis eine vollständige Fül­ lung desselben mit dem Metall erfolgt ist. Andererseits kann das Keramikrohr während des Schmelzvorgangs auch senkrecht stehen und die Überlänge des Metalls der Schwerkraft fol­ gend in das Rohrinnere nachsinken.

Im übrigen hat sich bei geeigneter Auswahl des Durchmessers von Keramikrohr und einge­ setztem Draht in einem Dimensionsbereich, der für elektrische Durchführungen in kleinen Bauteilen üblich ist, herausgestellt, daß während des Schmelzvorgangs durch die Kapillarwir­ kung innerhalb des Keramikrohres kein Austritt von flüssigem Metall aus dem Rohr stattfin­ det.

Es ergibt sich auf diese Weise ein keramikisolierter Leiter, der über seine Länge hinweg kon­ stante Eigenschaften aufweist. Bei Bedarf kann daher die gewünschte Länge eines vorgefertig­ ten isolierten Leiters einfach abgeschnitten und verarbeitet werden, ohne daß eine eigene Abdichtung zwischen Isolation und Leiter vorgenommen werden müßte.

Wird eine beliebige Querschnittsfläche eines derartigen Leiters bzw. Leiterstückes betrachtet, was eventuell auch unter dem Mikroskop oder durch eine Schliffaufnahme erfolgen kann, so zeigt sich in jedem Fall das innige Aneinanderliegen von Metall und Keramik, so daß sich da­ durch der erfindungsgemäße Leiter eindeutig von den bisher bekannten keramikisolierten Leitern unterscheidet, bei denen immer nur an einer einzigen Querschnittsstelle die Abdich­ tung gegeben ist.

Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise be­ schrieben.

Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäß isolierten Leiter bzw. Leiterstück im Längsschnitt,

Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein metallischer Leiter 1, der in der Praxis vorzugsweise aus Kupfer besteht, füllt den Innen­ raum 2 eines Keramikrohres 3, dessen Schmelz-, bzw. Erweichungstemperatur über dem Schmelzpunkt des Leiters 4 übersteigt, komplett aus. Durch den Schmelzvorgang hat sich das Metall an die Unebenheiten der umgebenden Keramikfläche vollständig angelegt und die Verbindung zwischen Metall und Keramik ist durchwegs gas- und vakuumdicht. Gewünsch­ tenfalls können Überlängen 1′ und 1′′ des Metalldrahtes zur nachfolgenden Verwendung vor­ gesehen sein.

An der Außenseite des Keramikrohres 3 ist eine dünne Metallschicht 4 vorgesehen, mit deren Hilfe das Einlöten in metallische Bauteile erfolgen kann.

Die Darstellung ist gegenüber der Normalgröße vergrößert, da in der Praxis weder die Un­ ebenheiten der Keramikfläche noch die Dicke der äußeren Metallschicht so deutlich erkenn­ bar wäre.

Fig. 2 zeigt schematisch ein in einen Schmelzofen 4 eingesetztes Keramikrohr 5, in welches ein Leiter 6 eingeschoben ist, wobei der Leiter vorzugsweise das Keramikrohr zur Gänze aus­ füllt. Bei Erwärmung des metallischen Leiters 6 bis bzw. über seinen Schmelzpunkt er­ schmilzt das Metall und verbindet sich mit den Grenzinnenflächen des Keramikrohres 5. Bei geeigneter Auswahl des Durchmessers des Keramikrohres 5 und eingesetztem Draht 6 in ei­ nem Dimensionsbereich, der für elektrische Durchführungen in kleinen Bauteilen üblich ist, hat sich herausgestellt, daß während des Schmelzvorganges durch die Kapillarwirkung inner­ halb des Keramikrohres kein Austritt von flüssigem Metall aus dem Rohr stattfindet.

Gemäß Fig. 2 schließt der Leiter 6 bündig mit dem Rohr 5 ab. In Abänderung kann gemäß Fig. 3 eine Überlänge des Metalldrahtes im Verhältnis zur Länge des Keramikrohres verwen­ det, und zum Auffüllen während des Schmelzvorganges herangezogen werden. Auf diese Weise wird eine eventuelle Differenz zwischen dem Volumen des Rohrinneren und dem Drahtvolumen, die gegeben sein kann, um den Draht in das Rohr einschieben zu können, auf­ gehoben.

In der Praxis kann dabei diese Überlänge mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung in das heiße Innere des Keramikrohres so lange nachgeschoben werden, bis eine vollständige Fül­ lung desselben mit dem Metall erfolgt ist. Andererseits kann das Keramikrohr während des Schmelzvorganges auch senkrecht stehen, und die Überlänge des Metalls der Schwerkraft folgend in das Rohrinnere nachsinken.

Auch kann zur Erhöhung der Belegung von erschmolzenem Metall an der Innenfläche des Rohres das Rohr während des Schmelzvorganges bzw. nach dem Erschmelzen des Leiterme­ talls in Rotation um die Rohrachse versetzt werden, wie dies mit den Pfeilen 7 angedeutet ist. Bei Verwendung einer Überlänge des Metalldrahtes im Verhältnis zur Länge des Keramik­ rohres kann, wie dies Fig. 3 zeigt, das eine Ende 8 des Rohres verschlossen sein, so daß das erschmolzene Metall 9 durch Nachführen der Leiterüberlänge 10 unter Druck gesetzt werden kann.

Alternativ kann das Aufschmelzen unter Druck auch dadurch erfolgen, daß bei der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 2 von beiden Stirnseiten des Keramikrohres 5 Druck ausgeübt wird, z. B. in einem Druckgefäß, oder daß nach Fig. 3 bei Verwendung eines Leiterstückes mit einer dem Keramikrohr 5 etwa entsprechenden Länge in einem Druckgefäß auf das erschmolzene Metall Druck ausgeübt wird.

Gemäß Fig. 4, in welcher die mit den anderen Figuren übereinstimmenden Teile mit densel­ ben Bezugszeichen versehen sind, wird dadurch von beiden Stirnseiten des Keramikrohres 5 auf die Schmelze 9 Druck ausgeübt, daß von beiden Seiten überlange Leiterstücke 10 in das Keramikrohr 5 eingesetzt sind und im Ausmaß des Fortschreitens des Schmelzvorganges in Pfeilrichtung F nachgeschoben werden.

Die Anordnungen nach Fig. 2, 3 oder 4 können entsprechend den Anforderungen des Schmelzvorganges unter Normalatmosphäre, Schutzgas oder Vakuum, mit oder ohne Druck­ beaufschlagung, arbeiten.

Wenngleich die Erfindung vorstehend am Beispiel eines Keramikrohres beschrieben ist, ist sie hierauf nicht beschränkt. Gleichermaßen kann sie Anwendung finden auf jeden hochtem­ peraturfesten, elektrisch isolierenden Werkstoff, wie z. B. Glas, dessen Schmelzpunkt höher liegt als jener des zu erschmelzenden Metalls. Unter der Voraussetzung, daß im wesentlichen lediglich der Leiter erwärmt wird, kann dieser auch in einem Rohr aus einem Material ge­ schmolzen werden, dessen Erweichungs- oder Schmelztemperatur unter der Schmelztempe­ ratur des Leiters liegt, wenn das Rohr eine ausreichende Wandstärke aufweist, um die Wärme entsprechend rasch aus der Grenzzone zwischen dem Leiter und der Innenwand des Rohres abzuleiten, um ein Schmelzen eines größeren Bereiches des Rohres zu vermeiden. Ein Schmelzen des Rohres im Grenzbereich der Innenwand des Rohres fördert dabei eine innige und daher gasdichte Verbindung zwischen dem Leiter und dem umgebenden Rohr.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Verbindung zwischen einem Leiter und ei­ ner Isolierung in Form eines Rohres, das aus einem temperaturfesten Werkstoff, z. B. Keramik, Glas od. dgl. hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht aus dem Leitermetall in das Rohr eingesetzt und danach in demselben über seine Schmelztempe­ ratur hinaus erhitzt wird, wobei das Rohr in seiner Form im wesentlichen bestehen bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzvorgang in einer Vakuumanlage gegebenenfalls unter Druckausübung auf das in der Isolierung er­ schmolzene Metall vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzvorgang unter Schutzgas gegebenenfalls unter Druckausübung auf das erschmolzene Metall vorge­ nommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Er­ schmelzen des Leitermetalls Druck einwirken gelassen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall­ draht mit einer die Länge des als Isolator dienenden Rohres übersteigenden Länge in dieses eingeschoben wird wobei die Überlänge des Drahtes während des Schmelzens desselben in das Rohr nachgeschoben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das als Iso­ lierung vorgesehene Keramikrohr und der Leiterdraht während des Schmelzvorganges bzw. nach dem Erschmelzen des Leitermetalls in Rotation um die Rohrachse gehalten werden.