DE19911744C2 - Baugruppe zur druckdichten Trennung eines ersten Hohlleiters von einem zweiten Hohlleiter sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Baugruppe - Google Patents
Baugruppe zur druckdichten Trennung eines ersten Hohlleiters von einem zweiten Hohlleiter sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen BaugruppeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur druckdichten Trennung
eines ersten Hohlleiters von einem zweiten Hohlleiter, mit einem
druckfesten Leiterkörper sowie einem ersten Adapter, der zwischen dem
ersten Hohlleiter und dem diesem zugewandten Ende des Leiterkörpers
angeordnet ist, und einem zweiten Adapter, der zwischen dem zweiten
Hohlleiter und dem diesem zugewandten Ende des Leiterkörpers
angeordnet ist, wobei die Dielektrizitätskonstanten des ersten und des
zweiten Adapters zwischen denjenigen des Leiterkörpers und der
Hohlleiter liegen. Die Erfindung betrifft ferner ein elektronisches Gerät mit einer solchen Baugruppe, sowie ein Verfahren zur
Herstellung einer solchen Baugruppe.
Eine solche Baugruppe dient zur Einkopplung von elektromagne
tischen Wellen, beispielsweise Mikrowellen, die von einer elektro
nischen Schaltung erzeugt werden, in hermetisch abgetrennte Bereiche,
beispielsweise explosionsgefährdete Bereiche oder geschlossene
Metallbehälter.
Im Stand der Technik sind insbesondere, zwei Wege bekannt, um die
elektromagnetischen Wellen durch eine einen solchen Bereich abgren
zende Barriere hindurch zu leiten. Ein Weg zur Erzielung einer
vakuumdichten Einspeisung in einen Hohlleiter besteht darin, einen in
Glas eingeschmolzenen Metallstift als Glasdurchführung zu verwenden.
Solche Glasdurchführungen werden beispielsweise von der Firma Schott
in den verschiedensten Ausgestaltungen angeboten. Ein Problem bei
einer solchen Glasdurchführung besteht darin, daß die Druck- und
Temperaturbelastbarkeit sehr begrenzt ist. Da der Wärmeausdehnungs
koeffizient von Glas und des darin eingeschmolzenen Metallstiftes
unterschiedlich ist, entstehen bei Temperaturbeanspruchungen hohe
Spannungen, die zu einer Beschädigung führen können. Dies kann durch
einen aufgeschrumpften Metallring, der den aus dem Glas gebildeten
Isolierkörper unter eine Druckspannung setzt, nur begrenzt kompensiert
werden. Üblicherweise sind Temperaturen im Bereich von 100 bis 200°C
zulässig; in Extremfällen sind solche Glasdurchführungen bis maximal
350°C belastbar. In diesem Fall muß aber gewährleistet sein, daß nicht
gleichzeitig ein hoher Druck auf die Glasdurchführung aufgebracht
wird. Ein weiteres Problem besteht hinsichtlich der Durchlässigkeit
für Mikrowellen. Für eine gute Durchlässigkeit ist eine kurze Länge
des Metallstiftes erforderlich. Hierbei ergeben sich aber Probleme
hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Lötlänge. Wird dagegen die
Stiftlänge vergrößert, um über die von einigen Zulassungsverfahren
geforderte Lötlänge zu verfügen, sinkt die Durchlässigkeit für
Mikrowellen stark ab.
Ein anderer Weg, der in der EP 0 248 958 A1 beschrieben ist, die
eine Baugruppe der eingangs genannten Art zeigt, besteht darin, ein
Fenster im Hohlleiter anzuordnen, das für elektromagnetische Wellen,
insbesondere Mikrowellen, durchlässig ist. Ein solches Fenster besteht
im allgemeinen aus einem eingelöteten oder eingeschmolzenen Glas im
Hohlleiter. Das größte Problem bei solchen Fenstern besteht in der
geringen Druckbelastbarkeit. Üblicherweise dürfen solche Fenster nur
einen Druck von wenigen bar ausgesetzt werden. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß die Gläser nur eine sehr geringe Dicke haben.
Diese geringe Dicke ist aber für die üblicherweise angestrebten hohen
Bandbreiten erforderlich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine druckdichte Hohl
leiterdurchführung zu schaffen, die eine Temperaturbelastbarkeit im
Bereich von 250°C und höher sowie eine Druckbelastbarkeit im Bereich
von 60 bis 100 bar aufweist, wobei die Bandbreite ohne
großen Aufwand an die jeweiligen Anforderungen angepaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei sind die Adapter
unverlierbar in Adapterhaltern aufgenommen, wobei die Adapter als
gestufte Zylinder mit einen ersten und einen zweiten Abschnitt
ausgeführt sind und wobei der erste Abschnitt jeweils einen größeren
Durchmesser aufweist als der zweite Abschnitt und der erste Abschnitt
jeweils dem Leiterkörper zugewandt ist. Die Baugruppe
basiert vereinfacht ausgedrückt auf einer Bereitstellung von verschie
denen Bauteilen für die verschiedenen Funktionen, die eine Durchfüh
rung durch einen Hohlleiter erfüllen muß. Die Druckfestigkeit wird von
dem Leiterkörper gewährleistet, dessen Material speziell an die
Anforderungen angepaßt werden kann. Besonders geeignet als Material
für den Leiterkörper ist neben Keramik das Material Glas, insbesondere
Quarzglas. Die Adapter dienen zur Kompensation der Übergangsstellen.
Ihre Dielektrizitätskonstante wird so gewählt, daß das optimale Durch
laßverhalten erzielt wird. Als Material für den Adapter kann Kunst
stoff, insbesondere Polytetrafluorethylen, verwendet werden. Durch die
gestufte Ausgestaltung der Adapterhalter sind die Adapter ohne weitere
Maßnahmen unverlierbar in den Adapterhaltern aufgenommen.
Die Unteransprüche geben Ausführungsarten der Erfindung an.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der
Leiterkörper einen kreisförmigen Querschnitt hat und von einem Metall
mantel umgeben ist. Bei dieser Gestaltung ergibt sich eine besonders
hohe Festigkeit der Baugruppe. Ferner kann der Metallmantel besonders
gut zur Verbindung mit anderen Bauteilen verwendet werden, beispiels
weise durch Verschweißen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Metallmantel eine Druckspan
nung auf den Leiterkörper ausübt. Diese Gestaltung berücksichtigt, daß
die Materialien Keramik und Glas, die für den Leiterkörper vorzugs
weise verwendet werden, zwar eine sehr hohe Druckfestigkeit aufweisen,
jedoch nur eine geringe Zugfestigkeit. Wenn nun vom Metallmantel eine
Druckspannung auf den Leiterkörper aufgebracht wird, überlagert sich
diese Druckspannung mit all den Spannungen, die während des Betriebes
auf den Leiterkörper einwirken können. Selbst falls hierbei Zugspan
nungen in den Leiterkörper eingeleitet werden, ergibt sich als
resultierende Belastung in jedem Fall eine Druckspannung, so daß eine
Beschädigung des Leiterkörpers ausgeschlossen ist.
Die von dem Metallmantel auszuübende Druckspannung kann vorzugs
weise erzeugt werden, indem der Leiterkörper und der Metallmantel
entsprechend einer Preßpassung dimensioniert sind.
Als Material für den Metallmantel, das den auftretenden Bean
spruchungen Stand hält, ist insbesondere eine Legierung mit der
Bezeichnung Hastelloy oder eine Legierung mit der Werkstoffnummer
1.4571 geeignet.
Um die gewünschte gasdichte und druckfeste Trennung zu erreichen,
wird bei üblichen Prüf- und Zulassungsverfahren eine Mindestlänge des
Leitkörpers von 10 bis 15 mm verlangt. Für Mikrowellen im K-Band
bedeutet dies, daß die Länge des Leitkörpers ein Mehrfaches des
Durchmessers beträgt. Die Länge des Leitkörpers läßt sich für eine
bestimmte Frequenz (Mittenfrequenz) so wählen, daß sie λ/4 oder λ/4 +
ein Vielfaches von λ/2 beträgt. Damit löschen sich die Reflektionen an
den einander gegenüberliegenden Grenzschichten gegenseitig aus, so daß
die Transmission optimal ist, also die Reflektionsdämpfung sehr groß
ist. Hieraus ergibt sich bei einem Durchmesser des Leiterkörpers im
Bereich zwischen 4 und 4,5 mm eine Länge im Bereich zwischen 8 und 20 mm,
vorzugsweise zwischen 10 und 15 mm. Zu beachten ist, daß sich bei
einer Änderung der Frequenz bei gleicher Länge des Leiterkörpers eine
Änderung der Reflektionsdämpfung ergibt. Je länger der Leiterkörper
ist, desto kleiner wird die erzielbare Bandbreite.
Die an den beiden Enden des Leiterkörpers angeordneten Adapter
sind vorzugsweise unverlierbar in Adapterhaltern aufgenommen. Die
Adapter können als gestufte Zylinder mit einem ersten und einem
zweiten Abschnitt ausgeführt sein, wobei der erste Abschnitt jeweils
einen größeren Durchmesser aufweist als der zweite Abschnitt und der
erste Abschnitt jeweils dem Leiterkörper zugewandt ist.
Eine Baugruppe, wie sie vorstehend beschrieben wurde, kann
insbesondere ein elektrisches Gerät mit einem Kontaktstift und einer
Antenne sein, wobei der Kontaktstift in den ersten Hohlleiter einstrahlt
und die Antenne mit dem zweiten Hohlleiter verbunden ist und
die Baugruppe zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlleiter angeord
net ist. Auf diese Weise kann ein Sender über den Kontaktstift und die
Antenne in einen Behälter einstrahlen, der beispielsweise druckdicht
abgeschlossen ist.
Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Herstellen der
beanspruchten Baugruppe, gemäß dem Anspruch 13. Dabei
wird der Leiterkörper
in einen Metallmantel derart eingebracht, daß der Metallmantel eine
Druckspannung auf den Leiterkörper aufbringt. Dieses Verfahren wird
vorzugsweise wie folgt ausgeführt: Zuerst wird der Metallmantel auf
eine solche Temperatur erwärmt, daß sein Innendurchmesser größer als
der Außendurchmesser des Leiterkörpers ist. Dann wird der Leiterkörper
in den Metallmantel eingesetzt. Schließlich wird der Metallmantel
abgekühlt, so daß er auf den Leiterkörper aufschrumpft. Dieses Verfah
ren ermöglicht es, die von dem Metallmantel auf den Leiterkörper
ausgeübten Druckspannungen entsprechend den jeweiligen Anforderungen
einzustellen, indem der Innendurchmesser der Metallhülse mit einem
vorbestimmten Untermaß gegenüber dem Außendurchmesser des Leiterkör
pers hergestellt wird. Vorzugsweise wird bei diesem Verfahren ein
Leiterkörper aus Quarzglas verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine bevor
zugte Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt ist. In diesen zeigen:
Fig. 1 in einem Längsschnitt ein elektronisches Gerät, in
welchem eine erfindungsgemäße Baugruppe verwendet wird; und
Fig. 2 schematisch in einem vergrößerten Maßstab den Bereich X
von Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein elektronisches Gerät zu sehen, bei dem eine
Baugruppe der beanspruchten Art verwendet wird. Das elektronische Gerät ist
hier ein Füllstandsmesser, der nach dem Prinzip einer Radaranlage
arbeitet. Zu diesem Zweck ist eine (nicht dargestellte) Sendeschaltung
vorgesehen, die durch einen Metallstift 10 mit einem ersten Hohlleiter
12 gekoppelt ist. Der erste Hohlleiter 12 ist durch eine druckdichte
Baugruppe 14, die später ausführlich beschrieben wird, mit einem
zweiten Hohlleiter 16 gekoppelt, der wiederum mit einer Antenne 18
verbunden ist. Die Antenne 18 ist dafür vorgesehen, im Inneren eines
druckdicht abgeschlossenen Raumes angeordnet zu werden. Aus diesem
Grunde ist der zweite Hohlleiter 16 druckdicht mittels der Baugruppe
14 abgeschlossen.
Diese Baugruppe 14 (siehe insbesondere Fig. 2) enthält einen
Metallmantel 20, der einen Leiterkörper 22 umschließt. Zwischen dem
ersten Hohlleiter 12 und dem Metallmantel 20 ist ein erster Adapter
halter 24 angeordnet, der einen ersten Adapter 26 umschließt. Zwischen
dem Metallmantel 20 und dem zweiten Hohlleiter 16 ist ein zweiter
Adapterhalter 28 angeordnet, der einen Adapter 30 umschließt.
Sowohl der Metallmantel 20 als auch die beiden Adapterhalter 24,
28 haben einen kreisförmigen Querschnitt. Der Leiterkörper 22 weist
eine zylindrische Form auf, und die beiden Adapter 26, 30 weisen
jeweils eine abgestuft zylindrische Form auf, wobei der Abschnitt mit
größerem Durchmesser jeweils angrenzend an den Leiterkörper 22 ange
ordnet ist. Auf diese Weise sind die Adapter ohne weitere Maßnahmen
unverlierbar in den Adapterhaltern aufgenommen.
Der hülsenförmige Metallmantel besteht vorzugsweise aus einer
Legierung mit der Bezeichnung Hastelloy oder einer Legierung mit der
Werkstoffnummer 1.4571. Diese Legierungen weisen eine besonders hohe
Wärmefestigkeit auf.
Der Leiterkörper 22 kann aus Keramik bestehen. Vorzugsweise
besteht er aus Glas, insbesondere Quarzglas.
Die Einheit aus Metallmantel 20 und Leiterkörper 22 wird wie
folgt hergestellt: Zunächst wird ein Glasstab mit dem gewünschten
Durchmesser und der gewünschten Länge bereitgestellt. Beispielsweise
kann der Durchmesser 4,35 mm ± 0,01 mm betragen, und die Länge beträgt
18 mm ± 0,2 mm. Der Metallmantel 20 wird mit einem Untermaß von 0,03
bis 0,04 mm gefertigt. Somit beträgt der Innendurchmesser des Metall
mantels 4,32 ± 0,01 mm. Wenn nun der Metallmantel 20 in beispielsweise
einem Ofen auf 700 bis 800°C erwärmt wird, dehnt er sich so weit aus,
daß der Leiterkörper 22 aus Quarzglas frei in den Metallmantel 20
eingesetzt werden kann. Wenn nun der Metallmantel 20 abkühlt,
schrumpft er auf den Leiterkörper 22 fest auf. Aufgrund des gewählten
Untermaßes übt der Metallmantel 20 nach dem Abkühlen eine Druckspan
nung auf den Leiterkörper 22 aus. Diese Druckspannung gewährleistet
zum einen, daß der Leiterkörper 22 fest in dem Metallmantel 20 sitzt,
so daß er auch bei einer hohen Druckbeaufschlagung sicher gehalten
ist, und zum anderen, daß der Leiterkörper 22 derart vorgespannt ist,
daß im Betrieb keine Zugspannungen auftreten können, die zu einer
Zerstörung des Leiterkörpers 22 führen könnten.
Falls erforderlich, können die Stirnflächen des Leiterkörpers 22
nach dem Aufbringen des Metallmantels 20 noch poliert werden.
Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß auf diese Weise her
gestellte Einheiten von Leiterkörper 22 und Metallmantel 20 mit
Drücken bis weit über 300 bar belastbar waren. Dabei ergab sich vor
und nach den Tests eine Heliumdichtigkeit von bis zu 10-9 mbar.l/sec.
Zur Verbesserung der HF-Durchlaßeigenschaften kann das Auf
schrumpfen des Metallmantels in inerter Atmosphäre, also unter
Schutzgas, durchgeführt werden. Alternativ dazu kann der Metallmantel
vorher auf der Innenseite vergoldet oder anderweitig metallisiert
werden.
An die Stirnseiten des Leiterkörpers 22 werden die Adapter 26, 28
angesetzt. Diese bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere
Polytetrafluorethylen. Die Dielektrizitätskonstante der Adapter 26, 30
ist so ausgewählt, daß sie zwischen denjenigen der Hohlleiter 12, 16
und des Leiterkörpers 22 liegt. Auf diese Weise können besondere Über
gangsstrukturen, die aus der HF-Technik bekannt sind, beispielsweise
stufenartige oder kegelartige Strukturen, vermieden werden. Solche
Strukturen sind nämlich mit dem aus Keramik oder Glas bestehenden
Leiterkörper 22 nicht erzielbar, wenn dieser hoch belastbar sein soll.
Das Material der Hohlleiter 12, 18, der Adapterhalter 24, 28
sowie des Metallmantels 20 ist schweißbar, so daß alle Teile durch
einfach auszubildende Schweißnähte in der richtigen Reihenfolge
miteinander verbunden werden können. Auf diese Weise ergibt sich ohne
großen Aufwand die Baugruppe 14, mit der die beiden Hohlleiter 12, 16
mit der gewünschten Durchlaßbandbreite miteinander verbunden sind,
wobei ein druckdichter Abschluß des zweiten Wellenleiters 16 erzielt
ist.
Claims (14)
1. Baugruppe zur druckdichten Trennung eines ersten Hohlleiters
(12) von einem zweiten Hohlleiter (16), mit einem druckfesten Leiter
körper (22) sowie einem ersten Adapter (26), der zwischen dem ersten
Hohlleiter (12) und dem diesem zugewandten Ende des Leiterkörpers (22)
angeordnet ist, und einem zweiten Adapter (30), der zwischen dem
zweiten Hohlleiter (16) und dem diesem zugewandten Ende des Leiter
körpers (22) angeordnet ist, wobei die Dielektrizitätskonstanten des
ersten und des zweiten Adapters (26, 30) zwischen denjenigen des
Leiterkörpers (22) und der Hohlleiter (12, 16) liegen, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Adapter (26, 30) unverlierbar in Adapterhaltern (24,
28) aufgenommen sind, wobei die Adapter (26, 30) als gestufte Zylinder
mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt ausgeführt sind und wobei
der erste Abschnitt jeweils einen größeren Durchmesser aufweist als
der zweite Abschnitt und der erste Abschnitt jeweils dem Leiterkörper
(22) zugewandt ist.
2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Leiterkörper (22) aus Keramik besteht.
3. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Leiterkörper (22) aus Glas besteht.
4. Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Leiterkörper (22) aus Quarzglas besteht.
5. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Leiterkörper (22) einen kreisförmigen
Querschnitt hat und von einem Metallmantel (20) umgeben ist.
6. Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Metallmantel (20) eine Druckspannung auf den Leiterkörper (22) ausübt.
7. Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
dem Metallmantel (20) und dem Leiterkörper (22) eine Preßpassung vor
liegt.
8. Baugruppe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Metallmantel (20) aus einer Legierung mit der
Bezeichnung Hastelloy oder einer Legierung mit der Werkstoffnummer
1.4571 besteht.
9. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Leiterkörper (22) einen Durchmesser zwischen 4
und 4,5 mm bei einer Länge zwischen 8 und 20 mm hat.
10. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Adapter (26, 30) aus einem Kunststoff beste
hen.
11. Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Adapter (26, 30) aus Polytetrafluorethylen bestehen.
12. Elektronisches Gerät mit einem Kontaktstift (10) und einer
Antenne (18), wobei der Kontaktstift (10) in einen ersten Hohlleiter
(12) einstrahlt und die Antenne (18) mit einem zweiten Hohlleiter (16)
verbunden ist und zwischen dem ersten und den zweiten Hohlleiter (12,
16) eine Baugruppe (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche
angeordnet ist.
13. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe nach einem der
Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Leiterkörper (22) in einen Metall
mantel (20) derart eingebracht wird, daß der Metallmantel (20) eine
Druckspannung auf den Leiterkörper (22) aufbringt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der
Metallmantel (20) auf eine solche Temperatur erwärmt wird, daß sein
Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Leiterkörpers
(22) ist, daß dann der Leiterkörper (22) in den Metallmantel (20)
eingesetzt wird und daß schließlich der Metallmantel (20) abgekühlt
wird, so daß er auf den Leiterkörper (22) aufschrumpft.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ENDRESS + HAUSER GMBH + CO. KG, 79689 MAULBURG, DE |
|
8304 | Grant after examination procedure | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |