DE19510986B4

DE19510986B4 - Isolierter metallischer Leiter und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE19510986B4
Application number: DE19510986A
Authority: DE
Inventors: Theodore Dr. Schmitt
Original assignee: Electrovac AG
Current assignee: Electrovac AG
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2015-03-25
Also published as: FR2718278B1; ITUD950055A1; FR2718278A1; GB2287898A; GB2287898B; IT1280152B1; US5547120A; ITUD950055A0; CH690344A5; DE19510986A1; GB9506482D0

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Verbindung zwischen einem drahtförmigen, metallischen Leiter und einer Isolierung in Form eines Rohres, das aus einem temperaturfesten, elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter in das Rohr eingesetzt und danach lediglich der Leiter selbst in dem Rohr über seine Schmelztemperatur hinaus direkt erwärmt wird, wobei die Erweichungs- oder Schmelztemperatur des Rohres unter der Schmelztemperatur des Leiters liegt, und dass die Wärme derart rasch aus der Grenzzone zwischen dem Leiter und der Innenwand des Rohres abgeleitet wird, dass es lediglich zu einem Schmelzen der Innenwand des Rohres kommt, wodurch das Rohr in seiner Form im Wesentlichen bestehen bleibt.

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 elektrische Leiter. In der Regel wird der Leiter zum Zweck der Isolierung in ein Keramikrohr oder zur Wahrung der Flexibilität 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 dieser Austrittsstelle angebracht wurde.
Der Nachteil dieses Standes der Technik ist, dass die gasdichte Verbindung Isolationswerkstoff/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.

Aus der DE 20 47 539 A ist die Herstellung eines besonders feinen und schnell ansprechenden Thermoelements bekannt. Kern des Thermoelements ist ein sog. Taylordraht, bei welchem es sich um einen in ein Glaskapillarrohr eingeschmolzenen feinen Draht handelt. Die DE 20 47 539 A beschreibt die Herstellung eines derartigen Taylordrahts. Dabei wird ein Glasrohr mit Metallfäden unter Zuführung sehr großer Strahlungswärme gezogen, wobei ein sehr dünner Glashohlfaden entsteht, welcher einen sehr dünnen Metallfaden enthält.

Nachteilig an einem Verfahren gemäß der DE 20 47 539 A ist, dass dabei nicht sichergestellt werden kann, dass es zu einer gasdichten Verbindung zwischen dem Leiter und der Isolierung kommt, und zwar deshalb, weil nicht sichergestellt werden kann, dass der Draht mit dem umgebenden Glas verschmolzen ist. Weiters kann durch die bei einem Verfahren gemäß der DE 20 47 539 A durchaus vorgesehenen Verformung der Glashülle nur bedingt sichergestellt werden, dass es zu keinen blank liegenden Stellen kommt. Durch die Verformung kann auch die äußere Maßhaltigkeit derart hergestellter Bauteile nicht bzw. nur bedingt gewährleistet werden. Zudem führt das Aufschmelzen der äußeren Oberfläche der Isolatorhülle zu einem wesentlich aufwendigerem Handling während des Herstellungsprozesses, da eine derartig aufgeschmolzene Oberfläche an anderen Oberflächen haften bleibt. Durch das vollständige Erwärmen des gesamten Verbundes ist es notwendig die Glasumhüllung bis zum Schmelzpunkt des Metalls zu erwärmen. Dies benötigt eine große Energiemenge, da Glas ein guter Isolator ist und Wärme nur schlecht leitet.

Die CH 443 430 A beschreibt ein Verfahren zum dichten Verschließen elektrischer Bauelemente. Dabei wird das Verbinden der gehäuseinternen Anschlussdrähte eines Kondensators mit den nach außen reichenden Anschlussdrähten beschrieben. Die internen Anschlussdrähte reichen lediglich bis zu einer mit einem Glas- oder Keramikgehäuse auf eine nicht näher beschriebene Art verbundenen Metallhülse. Von außen wird ein Anschlussdraht in die Hülse eingeführt und die beiden Anschlussdrähte und die Hülse werden mittels einer angelegten hochfrequenten Spannung verschweißt.

Die US 33 71 406 beschreibt weiters das Herstellen einer Metall-Keramik-Verbindung. Ein keramischer Körper mit einer Schulter und einer Durchgangsbohrung wird an der Schulter und innerhalb der Bohrung mit einer flüchtigen, polymeren, klebrigen und „aktivmetallhaltigen", insbesondere titanhaltigen, Lösung bestrichen. Solange diese Lösung klebrig ist, wird das zu verbindende Metall aufgebracht. An den Stoßstellen wird das Metall mit einem Ring hartlötbarem Metall umgeben. Diese Anordnung wird in einem Vakuumofen erhitzt, was zu einer dauerhaften Verbindung führt. Beim Erhitzen des Ensembles unter Vakuum kommt es zu einer Verbindung des Metalls mit dem Titan, sowie mit dem Titan und dem Keramikwerkstoff.

Aus der US 30 63 144 A ist weiters das Herstellen einer hermetischen elektrischen Leitungsanordnung bekannt. Dabei wird ein Keramikring mit mehreren Metallen, wie z.B. Titan, Platin und Edelstahl beschichtet. Durch den Ring wird ein Metallstab geführt und um den Ring ein Edelstahlrohr. An den Stoßstellen wird ein hartlötbares Metall angeordnet und die gesamte Anordnung in einem Vakuumofen erhitzt.

Unter Berücksichtigung des nächstliegenden Standes der Technik ergibt sich als Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Verbindung zwischen einem Leiter und einer Isolierung derart weiterzubilden, dass auf einfachem Weg eine über die Länge des Leiters betrachtet weitestgehend vollständige, dichte Verbindung zwischen dem Leiter und der Isolierung erreicht werden kann, wobei die Außenmaße des Isolators unverändert bleiben sollen, und möglichst auf aufwendig wärmeisolierte bzw. vakuumevakuierte Behältnisse, Räumlichkeiten bzw. Ofenkonstruktionen verzichtet werden soll, und wobei ein möglichst geringer und genau steuerbarer Energieverbrauch angestrebt wird.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, dass der Leiter in das Rohr eingesetzt und danach lediglich der Leiter selbst in dem Rohr über seine Schmelztemperatur hinaus direkt erwärmt wird, wobei die Erweichungs- oder Schmelztemperatur des Rohres unter der Schmelztemperatur des Leiters liegt, und dass die Wärme derart rasch aus der Grenzzone zwischen dem Leiter und der Innenwand des Rohres abgeleitet wird, dass es lediglich zu einem Schmelzen der Innenwand des Rohres kommt, wodurch das Rohr in seiner Form im Wesentlichen bestehen bleibt.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist sichergestellt, dass das Leitermetall im Rohr aufgeschmolzen 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 Leitermetalles 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 gesehen 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 entsprechend 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, wobei 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 magnetischen Wechselfelder relativ gut auf den gewünschten Bereich der Aufschmelzung eingeschränkt werden kann.

Bei einer Erwärmung des Leiters, die im Wesentlichen nur auf diesen einwirkt, wie eben eine elektrische 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. entsprechend aufgeheizte Luft oder ein aufgeheiztes Schutzgas, erfolgen, wobei das Rohr selbst direkt erwärmt wird und das Leitermetall durch die die Rohrwände durchströmende Wärme erhitzt wird.

Es hat sich als einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben, dass dieses unter 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 Leitermetall 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 erschmolzene Leitermetall 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 mithilfe einer mechanischen Vorrichtung in das heiße Innere des Keramikrohres so lange nachgeschoben werden, bis eine vollständige Füllung desselben mit dem Metall erfolgt ist. Andererseits kann das Keramikrohr während des Schmelzvorgangs auch senkrecht stehen und die Überlänge des Metalls der Schwerkraft folgend in das Rohrinnere nachsinken.

Im übrigen hat sich bei geeigneter Auswahl des Durchmessers von Keramikrohr und eingesetztem Draht in einem Dimensionsbereich, der für elektrische Durchführungen in kleinen Bauteilen üblich ist, herausgestellt, dass während des Schmelzvorgangs durch die Kapillarwirkung innerhalb des Keramikrohres kein Austritt von flüssigem Metall aus dem Rohr stattfindet. Es ergibt sich auf diese Weise ein keramikisolierter Leiter, der über seine Länge hinweg konstante Eigenschaften aufweist. Bei Bedarf kann daher die gewünschte Länge eines vorgefertigten 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, sodass sich dadurch der erfindungsgemäße Leiter eindeutig von den bisher bekannten keramikisolierten Leitern unterscheidet, bei denen immer nur an einer einzigen Querschnittsstelle die Abdichtung gegeben ist.

Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben.
Es zeigt 1 einen erfindungsgemäß isolierten Leiter bzw. Leiterstück im Längsschnitt, 2,
3 und 4 Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein metallischer Leiter 1, der in der Praxis vorzugsweise aus Kupfer besteht, füllt den Innenraum 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. Gewünschtenfalls können Überlängen 1' und 1'' des Metalldrahtes zur nachfolgenden Verwendung vorgesehen sein.
An der Außenseite des Keramikrohres 3 ist eine dünne Metallschicht 11 vorgesehen, mit deren Hilfe das Einlöten in metallische Bauteile erfolgen kann.
Die Darstellung ist gegenüber der Normalgröße vergrößert, da in der Praxis weder die Unebenheiten der Keramikfläche noch die Dicke der äußeren Metallschicht so deutlich erkennbar wäre.
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 ausfüllt. Bei Erwärmung des metallischen Leiters 6 bis bzw. über seinen Schmelzpunkt erschmilzt das Metall und verbindet sich mit den Grenzinnenflächen des Keramikrohres 5. Bei geeigneter Auswahl des Durchmessers des Keramikrohres 5 und eingesetztem Draht 6 in einem Dimensionsbereich, der für elektrische Durchführungen in kleinen Bauteilen üblich ist, hat sich herausgestellt, dass während des Schmelzvorganges durch die Kapillarwirkung innerhalb des Keramikrohres kein Austritt von flüssigem Metall aus dem Rohr stattfindet.
Gemäß 2 schließt der Leiter 6 bündig mit dem Rohr 5 ab. In Abänderung kann gemäß 3 eine Überlänge des Metalldrahtes im Verhältnis zur Länge des Keramikrohres verwendet, 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, aufgehoben.
In der Praxis kann dabei diese Überlänge mithilfe einer mechanischen Vorrichtung in das heiße Innere des Keramikrohres so lange nachgeschoben werden, bis eine vollständige Füllung 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 Leitermetalls 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 Keramikrohres kann, wie dies 3 zeigt, das eine Ende 8 des Rohres verschlossen sein, sodass 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 Ausführungsform nach 2 von beiden Stirnseiten des Keramikrohres 5 Druck ausgeübt wird, z.B. in einem Druckgefäß, oder dass nach 3 bei Verwendung eines Leiterstückes mit einer dem Keramikrohr 5 etwa entsprechenden Länge in einem Druckgefäß auf das erschmolzene Metall Druck ausgeübt wird.
Gemäß 4, in welcher die mit den anderen Figuren übereinstimmenden Teile mit denselben 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 2, 3 oder 4 können entsprechend den Anforderungen des Schmelzvorganges unter Normalatmosphäre, Schutzgas oder Vakuum, mit oder ohne Druckbeaufschlagung, arbeiten.
Wenngleich die Erfindung vorstehend am Beispiel eines Keramikrohres beschrieben ist, ist sie hierauf nicht beschränkt. Gleichermaßen kann sie in nicht beanspruchter Weise Anwendung finden auf jeden hochtemperaturfesten, elektrisch isolierenden Werkstoff, 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 geschmolzen werden, dessen Erweichungs- oder Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur 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

Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Verbindung zwischen einem drahtförmigen, metallischen Leiter und einer Isolierung in Form eines Rohres, das aus einem temperaturfesten, elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter in das Rohr eingesetzt und danach lediglich der Leiter selbst in dem Rohr über seine Schmelztemperatur hinaus direkt erwärmt wird, wobei die Erweichungs- oder Schmelztemperatur des Rohres unter der Schmelztemperatur des Leiters liegt, und dass die Wärme derart rasch aus der Grenzzone zwischen dem Leiter und der Innenwand des Rohres abgeleitet wird, dass es lediglich zu einem Schmelzen der Innenwand des Rohres kommt, wodurch das Rohr in seiner Form im Wesentlichen bestehen bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzvorgang in einer Vakuumanlage gegebenenfalls unter Druckausübung auf das in der Isolierung erschmolzene Metall vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzvorgang unter Schutzgas gegebenenfalls unter Druckausübung auf das erschmolzene Metall vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erschmelzen des Leitermetalls Druck einwirken gelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metalldraht 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das als Isolierung vorgesehene Keramikrohr und der Leiterdraht während des Schmelzvorganges und/oder nach dem Erschmelzen des Leitermetalls in Rotation um die Rohrachse gehalten werden.