DE19718755A1 - Schichtenddichtung für einen Vakuumunterbrecher - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vakuumunter­ brecher und insbesondere bezieht sie sich auf eine Schichtenddichtung für solche Unterbrecher.

Vakuumunterbrecher werden typischerweise verwendet, um Wechselströme mit hoher Spannung zu unterbrechen. Die Un­ terbrecher weisen eine im allgemeinen zylindrische Vakuumumschließung auf, die ein Paar von koaxial ausge­ richteten trennbaren Kontaktanordnungen mit entgegen wei­ senden Kontaktoberflächen umgibt. Die Kontaktoberflächen liegen aneinander in einer Position mit geschlossener Schaltung an und werden getrennt, um die Schaltung zu öffnen. Jede Elektrodenanordnung ist mit einem stromtra­ genden Anschlußpfosten verbunden, der sich zum Äußeren der Vakuumumschließung erstreckt und eine Verbindung mit einer Wechselstromschaltung herstellt.

Ein Lichtbogen wird typischerweise zwischen den Kontakt­ oberflächen gebildet, wenn die Kontakte auseinander in die offene Schaltungsposition bewegt werden. Die Lichtbo­ genbildung tritt weiter auf, bis der Strom unterbrochen wird. Metall von den Kontakten, welches vom Lichtbogen verdampft wird, bildet ein neutrales Plasma während der Lichtbogenbildung und kondensiert zurück auf die Kontakte und auch auf Dampfabschirmungen, die zwischen den Kon­ taktanordnungen und der Vakuumumschließung angeordnet sind, nachdem der Strom ausgelöscht bzw. abgeschaltet ist.

Die Vakuumumschließung des Unterbrechers weist typischer­ weise ein keramisches rohrförmiges Isoliergehäuse auf, wobei eine Metallendkappe oder -dichtung jedes Ende ab­ deckt. Die Elektroden des Vakuumunterbrechers erstrecken sich durch die Endkappen in die Vakuumumschließung. Zu­ mindest eine der Endkappen ist an der Elektrode befestigt und muß relativ hohen dynamischen Kräften während des Be­ triebs des Unterbrechers widerstehen können. Somit müssen die Enddichtungen ausreichende Festigkeit und Steifigkeit besitzen. Da zusätzlich die Enddichtungen mit dem rohr­ förmigen Isoliergehäuse durch Mittel, wie beispielsweise Löten, verbunden sind, muß die Vakuumumschließung Span­ nungen widerstehen können, die durch eine unterschiedli­ che thermische Ausdehnung zwischen dem Isolierrohr und den Metallenddichtungen bewirkt werden.

Um hohe Festigkeit und Steifigkeit vorzusehen, um den ho­ hen dynamischen Kräften zu widerstehen, und auch um eine relativ niedrige Festigkeit benachbart zum Isolierrohr vorzusehen, um Spannungen auf Grund von Unterschieden der thermischen Ausdehnung zu erreichen und zu entlasten, weisen herkömmliche Vakuumunterbrecher-Enddichtungen un­ terschiedliche Metallkomponenten auf, die miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann die Enddichtung eine hochfeste rostfreie Stahlscheibe aufweisen, die mit einem CuNi-Ringglied mit niedriger Festigkeit verbunden ist, welches wiederum mit dem Isolierrohr verbunden ist. Bei solchen Konstruktionen wird das hochfeste Metall mit dem Metall mit niedriger Festigkeit durch Techniken, wie bei­ spielsweise Löten, verbunden. Jedoch stellen solche Ver­ bindungstechniken zusätzliche Montageschritte und eine Befestigung dar, die zu den Kosten des Produktes hinzu­ kommen. Darüber hinaus lecken herkömmliche gelötete Ver­ bindungen oft und erfordern einen Test, bevor sie in Be­ trieb gesetzt werden. Lötreparaturvorgänge sind oft nö­ tig, um fehlerhafte Verbindungen zu reparieren bzw. zu befestigen. In manchen Fällen können Lecks nicht während des anfänglichen Tests detektiert werden und können erst auftreten, nachdem der Vakuumunterbrecher vollständig montiert worden ist, wobei in diesem Fall wahrscheinlich die vollständige Unterbrecheranordnung unbrauchbar wird.

Es besteht daher eine Notwendigkeit für Vakuumunterbre­ cher-Enddichtungen, die leicht hergestellt und zusammen­ gebaut werden können, und die den Ausschuß bzw. das Zu­ rückweisen von Teilen auf Grund einer Leckage verringern oder eliminieren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vakuumunterbre­ cher-Schichtenddichtung als eine einheitliche Komponente vorgesehen, die einen scheibenartigen Basisteil mit einer zylindrischen Seitenwand besitzt, die sich davon er­ streckt. Der Basisteil weist zwei Metallagen auf, die aufeinander gelegt bzw. geschichtet sind, um hohe Festig­ keit und Steifigkeit vorzusehen, während der Seitenwand­ teil vorzugsweise eine einzige Metallage von relativ niedriger Festigkeit aufweist. Die Seitenwand ist ein Ma­ terial, welches gute Lötcharakteristiken mit dem Lötfüll­ metall und dem Isolierrohr besitzt, und an das Ende eines Vakuumunterbrecher-Isolierohrs angelötet werden kann, oh­ ne das Rohr zu zerbrechen, wenn die gelötete Verbindung sich beim Abkühlen zusammenzieht. Die relativ niedrige Festigkeit des Seitenwandmetalls sieht auch eine Span­ nungsisolierung zwischen dem Isolierohr und dem steifen Basisteil der Schichtenddichtung vor. Die Enddichtung wird durch Formen eines Schichtbleches in einem tassen- bzw. napfartigen Artikel hergestellt, der das hochfeste Metall an seiner Außenseite und das Metall mit geringer Festigkeit an seiner Innenseite hat. Das hochfeste Metall wird dann von der äußeren Seitenwand des Artikels durch Bearbeitung oder ähnliches entfernt. Die daraus resultie­ rende Enddichtung weist somit eine einzige Komponente auf, die die gewünschten Basis- und Seitenwandeigenschaf­ ten besitzt, ohne die Notwendigkeit, eine Lötverbindung dazwischen auszubilden.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbes­ serte Enddichtung für einen Vakuumunterbrecher vorzu­ sehen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vakuumumschließung für einen Vakuumunterbrecher oder eine andere Vakuumrohrvorrichtung vorzusehen, wie beispiels­ weise einen Kondensatortuner bzw. eine kapazitive Ein­ stellvorrichtung oder eine Leistungsröhre, einschließlich eines Isolierrohrs bzw. einer Isolierröhre und Enddich­ tungen, die mit den Enden des Isolierrohrs verbunden sind. Die Enddichtung weist einen im wesentlichen schei­ benförmigen Basisteil auf, der zumindest zwei Lagen un­ terschiedlicher Metalle aufweist, und einen im wesent­ lichen zylindrischen Seitenwandteil, der eine der Metal­ lagen aufweist, die sich vom Basisteil erstreckt.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Enddich­ tung für einen Vakuumunterbrecher vorzusehen, welches folgende Schritte aufweist: Vorsehen eines Schichtbleches mit einer ersten Metallage, die auf eine zweite Metallage geschichtet ist, Umformen des Schichtbleches in einen ge­ formten bzw. umgeformten Artikel mit einem im wesentli­ chen scheibenförmigen Basisteil mit einem im wesentlichen zylindrischen Seitenwandteil, der sich davon erstreckt und Entfernen der zweiten Metallage vom Seitenwandteil.

Fig. 1 zeigt einen typischen Vakuumunterbrecher des Stan­ des der Technik, der Mehr-Komponenten-End­ dichtungen mit gelöteten Verbindungen besitzt;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Vakuumunterbrechers, der Schichtenddichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;

Fig. 3 ist eine Ansicht einer Schichtenddichtung der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 4 ist eine Seitenschnittansicht der in Fig. 3 ge­ zeigten Schichtenddichtung;

Fig. 5-7 sind Seitenansichten, die verschiedene Stufen bei der Herstellung der Schichtenddichtung der vorliegenden Erfindung zeigen.

Mit Bezug auf die Figuren, wo gleiche Bezugszeichen glei­ che Elemente in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen, zeigt Fig. 1 einen typischen Vakuumunterbrecher 10 des Standes der Technik, der ein zylindrisches Isolierrohr 12 und Enddichtungen 14 und 16 aufweist. Elektrodenan­ ordnungen 20 und 22 sind in Längsrichtung mit einer Vakuumumschließung ausgerichtet, die von den Isolierrohr 12 und den Enddichtungen 14 und 16 gebildet wird. Eine zylindrische Dampfabschirmung 24 umgibt die Elektrodenan­ ordnungen 20 und 22, um zu verhindern, daß Metalldämpfe sich auf den Isolierrohr 12 sammeln. Ein Tragflansch 25 sichert bzw. befestigt die Dampfabschirmung 24 am Iso­ lierrohr 12.

Die Elektrodenanordnungen 20 und 22 sind axial mit Bezug aufeinander beweglich, um die Wechselstromschaltung zu öffnen und zu schließen. Ein Faltenbalg 28, der an der Elektrodenanordnung 20 montiert ist, dichtet das innere der Vakuumumschließung, die vom Isolierrohr 12 und den Enddichtungen 14 und 16 gebildet wird, während er eine Bewegung der Elektrodenanordnung 20 aus einer geschlos­ senen Position, wie in Fig. 1 gezeigt, in eine offene (nicht gezeigte) Schaltungsposition gestattet. Die Elek­ trodenanordnung 20 weist einen Elektrodenkontakt 30 auf, der mit einem im allgemeinen zylindrischen Anschlußpfo­ sten bzw. Stift 31 verbunden ist, der sich aus der Va­ kuumumschließung heraus durch ein Loch in der Enddichtung 14 erstreckt. Eine Kontaktdampfabschirmung 32 ist auf dem Anschlußpfosten 31 montiert, um Metalldämpfe von dem Fal­ tenbalg 28 wegzuhalten. Genau so weist die Elektroden­ anordnung 22 einen Elektrodenkontakt 34 auf, der mit ei­ nem im allgemeinen zylindrischen Anschlußpfosten 35 ver­ bunden ist, der sich durch die Enddichtung 16 erstreckt. Eine Kontaktdampfabschirmung 36 wird auf dem Anschlußpfo­ sten 35 montiert, um das Isolierrohr 12 vor Metalldämpfen zu schützen. Der Anschlußpfosten 35 ist starr an der End­ dichtung 16 durch Mittel, wie beispielsweise Schweißen oder Löten, abgedichtet.

Jede der Enddichtungen 14 und 16 weist zwei Metallkompo­ nenten auf, die miteinander durch Löten verbunden sind. Die Enddichtung 14 weist eine scheibenförmige Komponente 41 und eine ringförmige Komponente 42 auf. In ähnlicher Weise weist die Enddichtung 16 eine scheibenförmige Kom­ ponente 43 und eine ringförmige Komponente 44 auf. Jede der scheibenförmigen Komponenten 41 und 43 ist aus einem hochfesten, hochsteifen Metall, wie beispielsweise rost­ freiem Stahl, hergestellt. Der rostfreie Stahl der schei­ benförmigen Komponenten kann relativ hohen axialen Bela­ stungen widerstehen, die durch die Anschlußpfosten 31 und 35 übertragen werden. Die scheibenförmigen Komponenten 41 und 43 müssen relativ steif sein, um Ablenkungen zu ver­ hindern, die bewirken können, daß die Elektrodenanord­ nungen gekippt werden oder aus der Mitte geraten, was ei­ nen ungleichmäßigen Druck auf die zusammenpassenden Stirnseiten der Elektroden zur Folge hat, wenn der elek­ trische Kontakt vorgenommen wird.

Die ringförmigen Komponenten 42 und 44 werden jeweils an die scheibenförmigen Komponenten 41 bzw. 43 gelötet. Die ringförmigen Komponenten 42 und 44 sind auch mit dem Iso­ lierrohr 12 durch Mittel, wie beispielsweise Löten, ver­ bunden. Die ringförmigen Komponenten 42 und 44 sind aus einer Legierung mit relativ niedriger Festigkeit herge­ stellt, wie beispielsweise CuNi, welches 68% Cu auf­ weist. Die Verwendung einer solchen Legierung mit gerin­ ger Festigkeit ist nötig, um Spannungen zu isolieren, die anderenfalls von der starren scheibenförmigen Komponente zum Isolierrohr übertragen werden würden. Während der Montage des Vakuumunterbrechers bewirkt der Lötvorgang zum Verbinden der Enddichtung mit dem Isolierrohr, daß sich der rostfreie Stahl jeder scheibenförmigen Kompo­ nente 41 und 43 vielmehr ausdehnt, als die Keramik des Isolierrohrs 12. Beim Abkühlen zieht sich der rostfreie Stahl mehr zusammen als die Keramik, wodurch Spannung in jeder der Komponenten erzeugt wird. Durch die Verwendung einer relativ dünnen ringförmigen Komponente, die eine Legierung mit relativ niedriger Festigkeit aufweist, wie beispielsweise CuNi, wird sie sich ablenken bzw. verbie­ gen und einen Teil der Spannung entlasten, wodurch ein möglicher Bruch des Keramikisolierrohres 12 verhindert wird.

Somit erfordern Vakuumunterbrecher des Standes der Tech­ nik, wie in Fig. 1 gezeigt, Mehrkomponenten-Enddichtun­ gen, die aus verschiedenen Materialien gemacht sind, die in anderer Weise funktionieren. Ein hochfestes und hoch­ steifes Material, wie beispielsweise rostfreier Stahl, ist erforderlich, um ein unerwünschtes Verkippen, eine axiale Fehlausrichtung und eine axiale Bewegung der Elek­ trodenanordnungen zu verhindern, während ein Material mit geringer Festigkeit erforderlich ist, um Spannungen zu isolieren, die anderenfalls das keramische Isolierrohr zerbrechen könnten. Ein Hauptnachteil von solchen Mehr- Komponenten-Enddichtungen ist, daß sie durch Techniken, wie beispielsweise Löten, verbunden werden müssen, was zu den Herstellkosten hinzukommt und oft eine Leckage zur Folge hat.

Fig. 2 zeigt einen Vakuumunterbrecher 10 mit Schichtend­ dichtungen 51 und 52 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Vakuumunterbrecher 10 weist ein zylindrisches Iso­ lierrohr 12 auf, welches in Kombination mit den Schicht­ enddichtungen 51 und 52 eine Vakuumumschließung 50 bil­ det. Das Isolierrohr 12 trägt eine Dampfabschirmung 24 mittels eines Flansches 25. Das Isolierrohr 12 ist vor­ zugsweise aus einem Keramikmaterial hergestellt, wie bei­ spielsweise Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder anderen Oxid­ keramiken. Die Elektrodenanordnung 20 weist einen Falten­ balg 28 auf, einen Elektrodenkontakt 30, einen Anschluß­ pfosten bzw. -zapfen 31 und eine Dampfabschirmung 32. Die Elektrodenanordnung 22 weist einen Elektrodenkontakt 34 auf, einen Anschlußpfosten 35 und eine Dampfabschirmung 36. Während die Vakuumumschließung 50, die in Fig. 2 ge­ zeigt ist, ein Teil eines Vakuumunterbrechers 10 ist, sollte klar sein, daß der Ausdruck "Vakuumumschließung", wie er hier verwendet wird, irgendeine abgedichtete Kom­ ponente mit einer Keramik/Metall-Dichtung aufweisen kann, die eine im wesentlichen gasdichte Umschließung bildet. Solche abgedichteten Umschließungen können auf Unter­ druck, atmosphärischem bzw. Normaldruck oder Überdruck während des Betriebes gehalten werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Schichtend­ dichtung 51 eine Schichtbasis 61 und eine bearbeitete Seitenwand 62 auf, die genauer unten beschrieben wird. In ähnlicher Weise weist die Schichtenddichtung 52 eine Schichtbasis 63 und eine bearbeitete Seitenwand 64 auf.

Die Schichtbasis 63 der Schichtenddichtung 52 ist starr am Anschlußpfosten 35 der Elektrodenanordnung 22 durch Mittel, wie beispielsweise Löten, abgedichtet. Die bear­ beitete Seitenwand 64 ist mit dem Isolierrohr 12 durch Mittel, wie beispielsweise Löten, verbunden. Die Seiten­ wand 62 der Schichtenddichtung 51 ist in gleicher Weise mit dem Isolierohr 12 durch Löten oder ähnliches verbun­ den. Die Schichtbasis 61 der Schichtenddichtung 51 ist am Faltenbalg 28 durch Mittel, wie beispielsweise Löten ab­ gedichtet, um eine Leckage zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Vakuumumschließung 50 zu verhindern, die vom Isolierrohr 12 und den Enddichtungen 51 und 52 gebildet wird.

Wenn die Elektkrodenanordnungen 20 und 22 auf ein Öffnen und Schließen hin, wie in Fig. 2 gezeigt, in Kontakt kom­ men, werden beträchtliche axiale Belastungen durch die Anschlußpfosten 31 und 35 zu den Schichtbasen 61 und 63 der Schichtenddichtungen 51 und 52 übertragen. Die Schichtbasen 61 und 63 müssen daher ausreichend fest und steif sein, um eine unerwünschte Ablenkung der Enddich­ tungen 51 und 52 zu verhindern. Eine solche Ablenkung könnte bewirken, daß sich die Elektrodenanordnungen 20 und 22 mit Bezug aufeinander kippen oder daß sie axial fehlausgerichtet werden, und könnte auch bewirken, daß die bewegliche Elektrodenanordnung 20 die feste Elektro­ denanordnung 22 nach rechts in Fig. 2 drückt. Wenn die Elektrodenanordnungen gekippt oder fehlausgerichtet wer­ den, wird ein ungleichmäßiger Druck zwischen den Gegen­ flächen der Kontakte angelegt, was höhere Stromdichten in den Gebieten zur Folge hat, die in Kontakt sind. Solche höheren Stromdichten erzeugen höhere Temperaturen und hö­ heren Widerstand. Zusätzlich kann eine wesentliche Ablen­ kung bzw. Verbiegung der Schichtbasis 63 zum Auftreten von vorzeitiger Kontakterosion führen, da die bewegliche Elektrodenanordnung 20 in einem größeren Abstand in die Vakuumumschließung eingeführt wird. Somit ist es essen­ tiell, daß die Schichtbasis 63 der Schichtenddichtung 52 ausreichend fest und steif ist, um ein unerwünschtes Aus­ maß an Ablenkung bzw. Auslenkung zu verhindern. Auf der anderen Seite muß die bearbeitete Seitenwand 64 der Schichtenddichtung 52 ausreichend flexibel sein, um Span­ nungen zwischen der Schichtenddichtung 52 und dem Iso­ lierrohr 12 zu entlasten, die anderenfalls das keramische Isolierrohr zerbrechen könnten. Die bearbeitete Seiten­ wand 62 muß genau so ausreichend flexibel sein, um Span­ nungen zwischen der Schichtenddichtung 51 und dem Iso­ lierrohr 12 zu isolieren, die das keramische Isolierrohr zerbrechen könnten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist jede Schichtbasis 61 und 63 vorzugsweise eine äußere Lage aus relativ fes­ tem und steifem Metall auf, wie beispielsweise rostfrei­ er 304-Stahl und eine innere Lage von relativ flexiblem Metall, wie beispielsweise eine CuNi-Legierung, die 68% Cu aufweist. Sowohl die inneren als auch die äußeren La­ gen sind vorzugsweise nicht-magnetisch, um eine induktive Aufheizung der Schichtenddichtungen zu verhindern, die durch den Strom bewirkt wird, der durch die Elektrodenan­ ordnungen 20 und 22 fließt.

Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorlie­ genden Erfindung weist jede der bearbeiteten Seitenwände 62 und 64 eine Erstreckung bzw. Verlängerung der Innen­ lage der Schichtbasis auf, die einen geringfügig niedri­ geren Grad an thermischer Ausdehnung besitzt als die äu­ ßere Lage der Schichtbasis. Beispielsweise kann die in­ nere Lage einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als ungefähr 9,5×10^-6 in/in/°F besitzen, wäh­ rend die äußere Lage einen thermischen Ausdehnungskoef­ fizienten von mehr als 10×10^-6 in/in/°F besitzen kann. Wenn somit die bearbeiteten Seitenwände 62 und 64 mit dem Isolierrohr 12 durch Mittel, wie beispielsweise Löten, verbunden werden, werden Restspannungen durch Verringern des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Seitenwand­ materials auf ein Niveau abgesenkt, welches besser mit der thermischen Ausdehnung des Isolierrohres kompatibel ist bzw. zusammenpaßt. Jedoch sollte der Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den inneren und äußeren Lagen nicht so groß sein, daß er eine wesent­ liche Verbiegung der Schichtbasis während des Lötzyklus­ ses zur Folge hat. Zusätzlich sind die bearbeiteten Sei­ tenwände 62 und 64 vorzugsweise relativ dünn, um eine ausreichende Auslenkung zu gestatten, um die Spannung an der Schnittstelle der bearbeiteten Seitenwand und des Isolierrohres zu verringern, um dadurch ein Zerbrechen des Isolierrohrs zu verhindern.

Fig. 3 und 4 zeigen End- bzw. Querschnittsansichten einer Schichtenddichtung 52 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Schichtenddichtung 52 weist eine Schichtbasis 63 und eine bearbeitete Seitenwand 64 auf. Die Schichtbasis 63 besitzt ein kreisförmiges Loch 65, welches gestattet, daß der Anschlußpfosten bzw. -zapfen 35 durch die Schichtend­ dichtung 52 hindurchgeht, wenn der Vakuumunterbrecher montiert wird, wie in Fig. 2 gezeigt. Wie am besten in Fig. 4 zu sehen, weist die bearbeitete Seitenwand 64 eine im allgemeinen zylindrische Metallwand auf, die aus der Ebene der Schichtbasis 63 ausgeformt ist.

Die Fig. 5-7 veranschaulichen die Bildung einer Schichtenddichtung 52 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist ein Schichtstreifen 70 vorge­ sehen, der eine relativ dicke Metallage 71 aufweist, die mit einer relativ dünnen Metallage 72 verbunden ist. Der Schichtstreifen 70 wird durch chemisches Reinigen der Komponentenmetalle erzeugt, um Oberflächenverunreini­ gungen zu entfernen, die eine Verbindung verhindern wür­ den. Die Komponenten- bzw. Verbundmetallbleche werden dann gestapelt und mit ausreichender Kraft zusammenge­ drückt, um zu bewirken, daß sich die Atomgitter an der Schnittstelle der Metallbleche vermischen. Der Schicht­ streifen wird dann wärmebehandelt, um eine Elektronen­ diffusion einzuleiten, und um Verunreinigungen zu entfer­ nen, um die Verbindungs- bzw. Bindungstestigkeit zu ver­ bessern.

Die äußere Lage 71 des Schichtstreifens 70 besitzt vor­ zugsweise eine Dicke von ungefähr 0,050 bis ungefähr 0,075 inch, und insbesondere vorzugsweise von ungefähr 0,060 bis ungefähr 0,062 inch. Die äußere Lage 71 besteht vorzugsweise aus einem relativ festen und steifen Me­ tall, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Kohlen­ stoffstahl, Molybdänstahl oder einer Nickel-Eisen-Legierung. Die äußere Metallage 71 besitzt vorzugsweise eine Festigkeit von mehr als ungefähr 70 ksi, beispiels­ weise von ungefähr 70 bis ungefähr 80 ksi. Der Modul, insbesondere der E-Modul der äußeren Metallage 71 ist vorzugsweise größer als ungefähr 27×10⁶ psi, beispiels­ weise von ungefähr 27,6×10⁶ psi bis ungefähr 29×10⁶ psi. Eine insbesondere bevorzugte äußere Lage 71 besteht aus rostfreiem 304L-Stahl mit einer Dicke von ungefähr 0,062 inch.

Die innere Lage 72 des Schichtstreifens 70 besitzt vor­ zugsweise eine Dicke von ungefähr 0,028 bis ungefähr 0,032 inch und insbesondere vorzugsweise von ungefähr 0,029 bis ungefähr 0,031 inch. Die innere Lage 72 besteht vorzugsweise aus einer Legierung wie beispielsweise 68%-igem CuNi, Kovar, Monel, NiFe oder 80-Cupro-Nickel. Die Zusammensetzung und Dicke der inneren Lage 72 wird aus­ gewählt, um ausreichende Flexibilität vorzusehen, so bald die Schichtenddichtung auf das keramische Isolierrohr ge­ lötet wird. Die innere Metallage 72 besitzt vorzugsweise eine Festigkeit von weniger als ungefähr 28 ksi, bei­ spielsweise von ungefähr 25 bis ungefähr 28 ksi. Der Mo­ dul, insbesondere E-Modul der inneren Metallage ist vor­ zugsweise ungefähr 22×10⁶ psi. Ein speziell bevorzugtes Material für die Innenlage 72 ist 68%-iges CuNi mit einer Dicke von ungefähr 0,030 inch.

Wie in Fig. 6 gezeigt, wird der Schichtstreifen 70 in ei­ ne Tassen- bzw. Napfform umgeformt, und zwar durch Mit­ tel, wie beispielsweise Stoßen bzw. Ziehen oder ähnli­ ches. Auf dieser Stufe weist die Seitenwand der Tasse ei­ nen Teil der Außenlage auf, der geformt bzw. umgeformt worden ist 73 und einen Teil der Innenlage, der geformt bzw. umgeformt worden ist 74.

Die umgeformte äußere Lage 73 wird dann von der umgeform­ ten inneren Lage 74 durch irgendein geeignetes Verfahren wie beispielsweise eine Bearbeitung, insbesondere eine maschinelle Bearbeitung, entfernt. Die daraus resultie­ rende Komponente weist eine im allgemeinen scheibenför­ mige Schichtbasis 63 und eine bearbeitete Seitenwand 64 auf, wie in Fig. 7 gezeigt. Die Komponente wird vorzugs­ weise so bearbeitet, daß sie eine Kante mit Radius vor­ sieht. Ein Loch kann in die Mitte der Schichtbasis 63 ge­ stoßen bzw. gestanzt werden, um eine Schichtenddichtung 52 zu bilden, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt.

Das folgende Beispiel soll verschiedene Aspekte der vor­ liegenden Erfindung veranschaulichen und soll nicht ihren Umfang einschränken.

Beispiel

Ein Schichtblech mit 5 mal 5 inch, welches eine äußere Lage aus 0,062 inch dickem rostfreiem 304L-Stahl auf­ weist, die mit einer inneren Lage von 0,030 inch dickem 68%-igem CuNi verbunden ist, ähnlich dem in Fig. 5 ge­ zeigtem, wird in eine Napf- bzw. Tassenform ähnlich der in Fig. 6 gezeigten gestoßen bzw. umgeformt und getrimmt, und zwar mit einem Durchmesser von ungefähr 3,90 inch und mit einer Seitenwandhöhe von ungefähr 0,44 inch. Ein Loch mit 1,13 inch Durchmesser wird in die Mitte der Schicht­ basis gestanzt. Der ausgebildete bzw. umgeformte Seiten­ wandteil der äußeren Lage aus rostfreiem Stahl wird dann maschinell weggearbeitet, und zwar durch Klemmen des In­ nendurchmessers der Seitenwand oder des Mittelloches mit einer sich ausdehnenden Spindel und durch eine Drehbear­ beitung, bis der gesamte rostfreie Stahl von der Seiten­ wand entfernt ist und das CuNi freigelegt ist. Die Kante aus rostfreiem Stahl wird auf einen Radius von ungefähr 0,04 inch maschinell bearbeitet, wie in Fig. 7 gezeigt.

Die Schichtenddichtung der vorliegenden Erfindung besitzt verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen gelöteten Enddichtungen, wie in Fig. 1 gezeigt. Beispielsweise eli­ miniert die Schichtenddichtung Lötreparaturvorgänge, die erforderlich sind, um Lecks an der gelöteten Metall­ verbindung abzudichten, wie bei Konstruktionen des Stan­ des der Technik. Trotz eines Lecktestes lecken herkömm­ liche gelötete Verbindungen oft, nachdem der Vakuumunter­ brecher zusammengebaut worden ist, was einen Ausfall der gesamten Anordnung zur Folge haben kann. Die vorliegende Schichtenddichtung eliminiert auch Ausfälle bzw. Zurück­ weisungen wegen einer Fehlausrichtung zwischen den Me­ tallkomponenten. Zusätzlich weist die Schichtenddichtung eine verringerte Anzahl von Komponenten auf und elimi­ niert die Erfordernisse von Ausrichtungsbefestigungen für die Montage von Mehrfachkomponenten. Darüber hinaus sieht die vorliegende Schichtenddichtung, um ein äußeres Zusam­ menbrechen zu verhindern, eine bessere Hochspannungsiso­ lation vor, da sie mit einer mit Radius versehenen Außen­ kante versehen werden kann, anstelle einer überhängenden Lippe von herkömmlichen Konstruktionen. Ein äußerer Zu­ sammenbruch tritt auf, wenn eine zu hohe Spannung an dem offenen Vakuumunterbrecher angelegt wird und die Dielek­ trizitätskonstante bzw. dielektrische Stärke (dielektric strength) der Luft außerhalb des Isolierrohres nicht aus­ reichend ist, um die Spannung abzuhalten, was die Bildung eines Lichtbogens zwischen den Metallenden zur Folge hat. Ein solcher externer bzw. äußerer Zusammenbruch kann leichter bei scharfen Kanten auftreten, die mit Mehrkom­ ponenten-Enddichtungen des Standes der Technik assoziiert sind, wo eine elektrische Feldkonzentration erzeugt wird. Durch Vorsehen einer mit Radius versehenen Außenkante vermeiden die bevorzugten Schichtenddichtungen der vor­ liegenden Erfindung einen solchen äußeren Zusammenbruch.

Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, werden dem Fachmann verschiedene Anpassungen, Modifikationen und Veränderungen offensichtlich sein, und solche Anpassun­ gen, Modifikationen und Veränderungen sollen im Umfang der Erfindung liegen, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen: Eine Schichtenddichtung (51, 52) für einen Vakuumunter­ brecher (50) weist einen scheibenförmigen Basisteil (61, 63) auf, der aus zumindest zwei Schichtmetallagen her­ gestellt ist, und einen zylindrischen Seitenwandteil (62, 64), der sich davon erstreckt, der eine der Metallagen aufweist. Der Basisteil (61, 63) sieht Festigkeit und Steifigkeit vor, während der Seitenwandteil (62, 64) eine Spannungsisolierung zwischen dem Isolierrohr (12) des Va­ kuumunterbrechers (50) und der Basis der Schichtenddich­ tung (51, 52) vorsieht. Die Metallseitenwand (62, 64) be­ sitzt eine relativ geringe Festigkeit und einen dünnen Abschnitt, der das Bruchrisiko verringert, wenn die End­ dichtung (51, 52) auf das Vakuumunterbrecher-Isolierrohr (12) gelötet wird. Die Schichtenddichtung (51, 52) wird durch Formen eines Schichtbleches (70) in einem tassen­ förmigen Artikel erzeugt, und zwar gefolgt von einer Ent­ fernung der äußeren Metallage (73) von der zylindrischen Seitenwand (74). Die daraus resultierende Schichtenddich­ tung (51, 52) weist eine einheitliche Komponente auf, die die Probleme eliminiert, die mit den herkömmlichen Mehr­ komponenten-Enddichtungen assoziiert sind.

Claims (24)

1. Vakuumumschließung (50), die folgendes aufweist:
ein Isolierrohr (12); und
Enddichtungen (51, 52), die mit den Enden des Iso­ lierrohrs (12) verbunden sind, wobei zumindest eine der Enddichtungen einen im wesentlichen scheibenförmigen Ba­ sisteil aufweist, der zumindest erste (62, 64) und zweite (61, 63) sich zusammen erstreckende Schichtmetallagen (62, 64) aufweist, wobei eine der Lagen sich von dem im wesentlichen scheibenförmigen Basisteil erstreckt und mit dem Ende des Isolierohrs (12) verbunden ist.

2. Vakuumumschließung nach Anspruch 1, wobei das Iso­ lierrohr (12) aus Oxidkeramikmaterial ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die Aluminiumoxid und Zir­ konoxid enthält.

3. Vakuumumschließung (50) nach Anspruch 1 oder 2, wo­ bei die Metallage (62, 64), die sich von dem im wesentli­ chen scheibenförmigen Teil erstreckt, eine im wesentli­ chen zylindrische Seitenwand aufweist.

4. Vakuumumschließung (50) nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei die im wesentlichen zylindrische Seitenwand der Enddichtung eine Ausdehnung bzw. Verlängerung der ersten Metallage (62, 64) des Basisteils aufweist.

5. Vakuumumschließung (50) nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die erste Metallage (62, 64) eine geringere Festigkeit be­ sitzt als die Festigkeit der zweiten Metallage (61, 63).

6. Vakuumumschließung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die erste Metallage (62, 64) einen geringeren Modul, insbesondere E-Modul besitzt als der Modul der zweiten Metallage (61, 63).

7. Vakuumumschließung (50) nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die erste Metallage eine geringere Dicke besitzt als die zweite Metallage (61, 63).

8. Vakuumumschließung (50) nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die Enddichtung (51, 52) mit dem Ende des Isolierrohres (12) durch Löten verbunden ist.

9. Vakuumumschließung (50) nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die erste Metallage (62, 64) eine Nickellegierung aufweist, und wobei die zweite Metallage (61, 63) aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus rostfreiem Stahl, Kohlen­ stoffstahl und Molybdänstahl besteht.

10. Vakuumumschließung (50) nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die Seitenwand vom Basisteil in einer Richtung im wesentli­ chen senkrecht zu einer Ebene geformt bzw. umgeformt wird, die durch den im wesentlichen scheibenförmigen Ba­ sisteil definiert wird.

11. Vakuumumschließung (50) nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei die zweite Metallage (61, 63) von der Seitenwand entfernt wird.

12. Schichtenddichtung (51, 52) für eine Vakuumum­ schließung (50), die folgendes aufweist:
einen im wesentlichen scheibenförmigen Basisteil, der eine erste Metallage (62, 64) aufweist, die auf eine zweite Metallage (61, 63) geschichtet ist; und
einen im wesentlichen zylindrischen Seitenwandteil, der sich vom Basisteil erstreckt und eine Erstreckung bzw. Verlängerung der ersten Metallage (62, 64) aufweist.

13. Schichtenddichtung (51, 52) nach Anspruch 12, wobei die erste Metallage (62, 64) eine geringere Festigkeit besitzt als die Festigkeit der zweiten Metallage (61, 63).

14. Schichtenddichtung (51, 52) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, wobei die erste Metallage (62, 64) einen geringeren Modul, ins­ besondere E-Modul, besitzt, als der Modul der zweiten Me­ tallage (61, 63).

15. Schichtenddichtung (51, 52) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, wobei die erste Metallage (62, 64) einen geringfügig geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als der thermische Ausdehnungskoeffizient der zweiten Metallage (61, 63).

16. Schichtenddichtung (51, 52) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, wobei die erste Metallage (62, 64) eine Nickellegierung auf­ weist, und wobei die zweite Metallage aus der Gruppe aus­ gewählt wird, die aus rostfreiem Stahl, Kohlenstoffstahl und Molybdänstahl besteht.

17. Schichtenddichtung (51, 52) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, wobei der Seitenwandteil aus dem Basisteil in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu einer Ebene geformt bzw. umge­ formt ist, die durch den im wesentlichen scheibenförmigen Basisteil definiert wird.

18. Schichtenddichtung (51, 52) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 17, wobei der Seitenwandteil maschinell bearbeitet ist.

19. Verfahren zur Herstellung einer Schichtenddichtung (51, 52) für eine Vakuumumschließung (50), wobei das Ver­ fahren folgendes aufweist:
Vorsehen eines Schichtbleches (70), welches aus ei­ ner ersten Metallage (72) besteht, die auf eine zweite Metallage (71) geschichtet ist;
Umformen bzw. Formen des Schichtbleches (70) in ei­ nen geformten Artikel mit einem im wesentlichen scheiben­ förmigen Basisteil mit einem im wesentlichen zylindri­ schen Seitenwandteil (74), der sich davon erstreckt; und
Entfernen von zumindest einem Teil der zweiten Me­ tallage (73), vom Seitenwandteil (74).

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Schichtblech (70) durch Umformen bzw. Stoßen oder Ziehen in dem ge­ formten Artikel umgeformt wird.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 19, wobei die gesamte zweite Metallage (73) vom Seitenwandteil (74) entfernt wird.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 19, wobei die zweite Metallage (73) vom Seitenwandteil (74) durch maschinelle Bearbei­ tung entfernt wird.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 19, wobei der im wesentlichen zylindrische Seitenwandteil eine äußere Lage des zweiten Metalls (73) aufweist, wenn das Schichtblech (70) in den geformten Artikel umgeformt wird.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 19, welches weiter das formen bzw. Ausbilden eines Loches (65) im wesentlichen in der Mitte des Basisteils aufweist, und zwar derart struktu­ riert, um zu gestatten, daß eine Vakuumunterbrecherelek­ trode dadurch hindurchgeht.