DE2022344A1

DE2022344A1 - Koaxialverbinder und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2022344A1
Application number: DE19702022344
Authority: DE
Inventors: Andrews Robert Lee
Original assignee: Bunker Ramo Corp
Current assignee: Bunker Ramo Corp
Priority date: 1969-06-11
Filing date: 1970-05-06
Publication date: 1970-12-17
Also published as: FR2052364A5; NL7006253A; US3613050A; IL34280A; CH522963A; IL34280A0

Description

The Bunker-Ramo Corporation

Oakbrook North, Oak Brook, Illinois, USA

Koaxialverbinder und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen hermetisch abgedichteten Koaxialverbinder, insbesondere für Isolier-Durchführungen, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Für verschiedene Anwendungen sind hermetisch abgedichtete Koaxialverbindungen zwischen einem geschlossenen Raum und der äußeren Umgebung erforderlich. Bei einer derartigen Anwendung soll beispielsweise ein Dreifach-Koaxialkabel derart durch ein Schott oder durch die Wandung eines- geschlossenen Raumes geführt werden, daß es hermetisch abgedichtet ist und geringe elektrische Verluste eintreten, während die elektrische Isolierung der äußeren Abschirmung erhalten bleibt. Damit erfordert eine solche Verwendung eine Vierleiter-Koaxialanordnung. Da schon die Erzielung einer hochwertigen hermetischen Abdichtung bei einer einfachen Zweileiter-Koaxialverbindung nicht einfach ist, bietet die Herstellung einer Vierleiter-Koaxialverbindung, wie sie für die angeführte beispielhafte Verwendung erforderlich wäre, offensichtlich noch sehr viel größere Schwierigkeiten.

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Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, mittels deren eine hochwertige, verlustarme, anpaßbare und hermetisch abgedichtete Koaxialverbindung mit kleinem Durchmesser für bis zu vier koaxiale Leiter oder sogar mehr erzielbar ist. Bei einer beispiolshaften Ausführungsform der Erfindung sind Glas-Isolatoren zwischen den koaxialen metallischen Leitern eingeschmolzen, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten der metallischen Leiter und des Glases in vorbestimmtem Verhältnis zueinander stehen, so daß die dem Einschmelzen des Glases foLgende Abkühlung ein derartiges Zusammenspiel der Leiter und des Glases herbeiführt, daß dadurch ein hochwertiger, hermetisch abgedichteter und verlu>starmer Koaxialaufbau entsteht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie die Verwendung von Material mit sehr verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten für das Glas' und die Leiter gestattet. Eine derartige Freiheit der Auswahl kann dort besonders bedeutsam sein, wo das Material für die Leiter und das Glas im Hinblick auf andere Eigenschaften gewählt werden soll, wie beispielsweise im Hinblick auf eine niedrige Dielektrizitätskonstante und/oder einen kleinen Verlustfaktor im Falle des Glases und auf mechanische Eigenschaften und/oder Leitfähigkeit im Falle der Leiter.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie weitere Verwendungen ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, die in ihrer einzigen Figur eine Längsschnittansicht eines zylindrischen, hermetisch abgedichteten Durchführungs- und Verbindungsbuchsenteils mit einem in eine der beiden im wesentlichen gleichen Fassungen an den Enden des Buchsenteils eingeführten 7erbinduagsstecker zeigt .

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In der gesamten Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugs-, zeichen gleiche Teile. Zum vereinfachten Verständnis der Erfindung sind Bestandteile der Durchführungsbuchse 10 mit Zahlen unter 100 bezeichnet, Bestandteile des Kabel-Annchlußsteckers 100 mit Zahlen über 100 und Bestandteile eines dreiachsigen Kabels 200, an dem der Stecker 100 befestigt ist, mit Zahlen über 200. Da die Erfindung überwiegend auf eine hermetische Abdichtung gerichtet ist, werden im folgenden bekannte bzw. geläufige Einzelheiten mechanischer und baulicher Natur nur allgemein behandelt.

Die Durchführungsverbindung insgesamt weist zunächst ™

eine im wesentlichen zylindrische Buchse 10 auf, in deren an den beiden Enden ausgebildeten Fassungen jeweils ein Kabel-Anschlußstecker 100 einführbar ist. Die Anschlußstecker 100 sind ihrerseits an jeweils einem Dreifach-Koaxialkabel 200 befestigt. Die Zeichnung zeigt lediglich ein Kabel 200, dessen Anschlußstecker 100 in eine der Fassungen der Buchse 10 eingeführt ist, selbstverständlich ist jedoch zum Anschluß an der anderen Fassung der Buchse 10 ein weiterer gleichartiger Stecker mit einem Dreifach-Koaxialkabel vorgesehen. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden an den Enden der Buchse 10 ausgebildeten Fassungen im wesentlichen gleich ausgebildet,und sie nehmen μ gleiche Anschlußstecker 100 auf.

Im einzelnen weist die Buchse 10 eine zylindrische Metallhülse 12 auf, die einen äußeren elektrischen Leiter bzw. Mantel bildet. Auf der Hülse 12 ist ein Flansch 13 ausgebildet, mittels dessen sie an der(nicht dargestellten) Wandung eines geschlossenen Saums befestigbar ist, durch die hermetisch abgedichtete, koaxiale elektrische Durchführungsverbindungen gemäß der Erfindung herzustellen sind. Innerhalb der Hülse 12 der Buchse 10 sind drei koaxiale

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Leiter 16*18,und 20 ungeordnet und durch eingeschmolzene Glasringe 21,22 und 23 befestigt bzw. gesichert· Die Leiter 16 und 18 sind zylindrische Metallhülsen! und ,der innere Mittelleiter 20 ist ein Metallstift mit ver jungten Teilen 24 an beiden Seiten. Die Glasringe 21,22 und 23 bilden zusammen mit den dielektrischen. Isolierringen 26 den O-Profil Ringen 28 aus Silikongummi und den Silikongummi-Dichtscheiben 30 die erforderliche Isolierung der Hülse 11 und der Leiter 16,18 und 20 sowie eine hermetische Abdichtung zwischen den an den Enden der Buchse 10 angeordneten Passungen.

Bei einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Einsetzen der Leiter 16,18 und 20 und der Glasringe 21,22 und 23 in die Buchse 10 werden neben den Hingen 21,22 und 23 der Zeichnung entsprechende Glasringe vorgeformt. Diese werden zusammen mit den Leitern 16,18 und 20 in die Hülse 12 der Buchse 10 eingesetzt und mittels einer für diesen Zweck geeigneten Einspannvorrichtung in der richtigen Stellung gehalten. Die so entstandene Anordnung wird darauf bis zu einer zum Schmelzen des Glases ausreichenden Temperatur erwärmt, so daß das Glas auf die entsprechenden Flächen der Leiter aufgeschmolzen wird, worauf die Baugruppe abgekühlt wird.

Offensichtlich hängt die Herstellung einer hochwertigen hermetischen Abdichtung zwischen den beiden Enden der Buchse 10 wesentlich von der Durchführung des An- oder Einschmelzens der Glasringe 21, 22 und 23 an den entsprechenden zugeordneten Flächen der Hülse 12 und der Leiter 16, 18 und ab. Wegen des beim An- bzw. Einschmelzen an den verhältnismäßig vielen Leitern und Glasringen auftretenden Ausdehnens und Zusammenziehens ist es jedoch schwierig oder gar unmöglich, vorauszusehen, ob dabei eine hochwertige Abdichtung, beispielsweise eine solche mit einer Durch- / lässigkeit von etwa 1 · 10~° car Helium pro Sekunde*, ent-

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steht oder nicht. Ein Weg zur Vereinfachung dieses Problems besteht in der Auswahl des für die Leiter und die Glasringe verwendeten Materials derart,daß diese gleiche lineare Ausdehnungskoeffizienten haben. Eine solche Auswahl vermag jedoch die Erzielung einer hochwertigen hermetischen Abdichtung nicht zu gewährleisten, selbst wenn eine genaue Übereinstimmung der Ausdehnungskoeffizienten erzielbar wäre, was jedoch unwahrscheinlich ist", zumal Unterschiede im Volumen und den Abmessungen der Leiter und der Glasringe weiterhin Unterschiede der tatsächlichen Ausdehnung und Zusammenziehung verursachen. Ferner kann, wie vorstehend bereits erwähnt, die Forderung gleicher Wärmeausdehnungskoeffizienten für Leiter und Glasringe insofern beträchtliche Nachteile bringen, als sich dadurch die Verwendung von Materialien mit im Hinblick auf die herzustellenden elektrischen Verbindungen wesentlich günstigeren Eigenschaften verbietet.

Ba die Erfindung die Verwendung von Leitern und Glasrißgen mit sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ermöglicht, ist die Wahl der dafür zu verwendenden Materialien außerordentlich erweitert und die Ausnützung anderer, beispielsweise mechanischer und elektrischer Eigenschaften dieser Werkstoffe ermöglicht. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde eine zufriedenstellende hermetische Abdichtung durch Verwendung von rostfreiem Stahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 280 . 10~Vgrd für die Hülse 12, von einer unter dem Famen "Kovar" im Handel befindlichen Legierung aus 20% Nickel, 17% Kobalt, 0.2% Mangan und dem Rest Eisen, mit einem Wärmeausdehnungs-, koeffizienten von etwa 125.10"*vgrd für die Leiter 16,18 und 20, und von einem elektrisch verlustarmen Borsilikatglas mit der Corning-Zahl ?0?0 und einem Wärmeausdehnungs- ■

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koeffizienten von etwa 32.1O~Vgrd für die Glanringe 21, 22 und 23 erzielt. Die Verwendung von Glas mit der Corning-Zahl 7070 ist insofern vorteilhaft, als dienen nicht nur elektrisch sehr verlustarm ist, sondern auch eine niedrige Dielektrizitätskonstante hat, so daß eine Anpassung der elektrischen Impedanz bei relativ kleinen Außendurchmesser der Buchse 10 ·erzielbar ist. Zur Verhinderung von Oxydation und als Korrosionsschutz werden die Leiter 16,16 und 20 vor dem Einschmelzen der Glasringe verzugsweine mit einer Rhodium-Plattierung versehen.

Da die aus der Kovar-Legierung hergestellten inneren Leiter 16,18 und 20 einen beträchtlich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten haben als die Ringe 21,22 und 23 aus dem Corning 7070-Glas, schrumpfen die Leiter radial um ein beträchtlich größeres Maß als die Glasringe nach ihrem Erstarren, wenn die Anordnung sich nach dem vorstehend beispielsweise beschriebenen Einschmelzen des Glases abkühlt.Dadurch ziehen sich die Leiter 18 und 20 beim Kühlen von dem zugeordneten Glasring größeren Durchmessers 21 bzw. 22 zurück und ziehen sich auf den direkt zugeordneten Glasringen kleineren Durchmessers 22 bzw. zusammen. Außerdem zieht sich der Mittelleiter 16 beim Abkühlen von dem zugeordneten Glasring 23 zurück und die den äußeren Leiter bildende Hülse 12 zieht sich auf dem darunter angeordneten Ring 21 kleineren Durchmessers zusammen. Unter normalen Bedingungen wurden diese verschiedenen Ausdehnungen und Zusammenziehungen die Möglichkeiten des Erzielens einer zufriedenstellenden hermetischen Abdichtung der Buchse stark beeinträchtigen. Da jedoch der Wärmeausdehnungskoeffizient der aus rostfreiem Stahl bestehenden Hülse 12 sehr viel größer ist als der der Leiter 16,18 und 20, zieht sie sich beim Abkühlen radial um ein solches Maß zusammen, daß sie fest aufschrumpft und trotz

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der schlecht angepaßten Wärmeausdehnungskoeffizienten der Leiter 16, 18 und 20 und der Glasringe 2:1, 22 und 2$ einen einwärts gerichteten Druck auf diese ausübt. Dieser Kompressionsdruck fördert nicht mir die Herstellung einer guten Verbindung der Leiter mit dem Glas beim An- bzw. Einschmelzen zur Erzielung einer hochwertigen hermetischen Abdichtung, sondern bewirkt auch während des nachfolgenden Gebrauchs des Bauteils weiterhin eine hermetische Abdichtung. ί ·

Nach dem Einsetzen der leiter 16, 18 und 20 und der Glasringe 21, 22 und 23 in die Hülse 12 der Buchse 10 in der vorstehend beschriebenen Weise werden die Isolierringe 26, die 0-Profilringe 28 und die Dichtungsendscheiben 30 entsprechend der Zeichnung eingesetzt. Ferner " werden in entsprechend geformte Hüten 33 an der Innenseite der beidenEnden des Leiters 18 ringförmige Kontaktfedern 32 beispielsweise aus Berylliumkupfer eingesetzt.

In die linke Fassung der Buchse 10 ist entsprechend der Zeichnung ein an einem Dreifach-Koaxialkabel 200 befestigter Anschlußstecker 100 eingeführt. Das Kabel 200 kann von herkömmlicher Art sein, beispielsweise das ™

Dreifach-Koaxialkabel P/H 21-529 der Firma Amphenol. Das in-der Zeichnung dargestellte Kabel 200 hat zwei geflochtene koaxiale zylindrische Leiter 216 und 218, einen Mittelleiter 220, geeignete Isolierungen 222 für die Leiter und einen äußeren aufgescMrumpften Schlauch 205 aus Silikongummi. Zum besseren Verständnis zeigt die Zeichnung lediglich den hervorstehenden Stecker des Mittelleiters 220*

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Wie weiterhin aus der Zeichnung zu entnehmen ist, ist der Anschlußstecker 100 für das Zusammenfügen mit dem Dreifach-Koaxialkabel 200 und der Durchführungsbuchse 10 eingerichtet, so daß beim Einführen des Steckers 100 in die Fassung der Buchse 10 leitende Verbindungen zwischen den Leitern 16, 18 und 20 der Durchführungsbuchse 10 über entsprechende Leitern 116, 118 und 120 des Steckers 100 und Leitern 216, 218, 220 des Dreifach-Koaxialkabels 200 hergestellt werden. Zu diesem Zweck weist der Mittelleiter 120 des Anschlußnteckers 100 am rechten Ende entsprechend der Zeichnung eine Mittelbohrung 124· zum Herstellen einer lösbaren Verbindung mit dem linken verjüngten Teil 24 des Mittelleiters 20 der Buchse 10 und am linken Ende eine Mittelbohrung 126 zum Herstellen einer leitenden Klemmverbindung mit dem vorstehenden Teil 220 des Mittelleiters des Kabels 200 auf. Ferner hat der Anschlußstecker 100 eine ringförmige Kontaktfeder 133 am rechten Ende des Leiters 116 zum Herstellen einer lösbaren leitenden Verbindung mit dem linken Ende des Leiters 16 der Buchse 10, während das rechte Ende des Leiters 118 über die in der Nut 33 angeordnete Kontaktfeder 32 der Buchse eine lösbare leitende Verbindung mit dem linken Ende des Leiters 18 der Buchse herstellt. Die linken Enden derLeiter 116 und 118 des Steckers 100 sind mittels herkömmlicher Klemmverbindungen 141 und mit den entsprechenden geflochtenen Leitern 216 und 218 des Kabels 200 leitend verbunden. Ferner enthält der Anschlußstecker 100 geeignete Isolierungen 139 für die Leiter und einen Ring 142 aus Silikongummi als Dichtungsζwisch enlage.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, weist der Anschlußstecker 100 ferner eine mit Innengewinde 114 versehene Überwurfmutter 115 auf, die mit einem Außengewinde 14 auf der Hülse 12 der Buchse 10 in Eingriff steht und eine lösbare, gesicherte Verbindung zwischen der Buchse 10 und dem An-

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schlußstecker 100 schafft. Da die Überwurfmutter 115 und die Hülse 12 gegenüber den anderen Leitern isoliert sind, ergibt sich somit die erwünschte elektrisehe Isolierung der äußeren Abschirmung.

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Claims

Patentansprüche

V 1. hermetisch abgedichteter Koaxialverbinder, insbesondere tür Isolierdurchführungen, gekennzeichnet durch einen zylindrischen, metallischen AuEenmantel (12), durch eine Anzahl innerhalb des Außenmantels koaxial zu diesem und zueinander angeordneter metallischer Leiter (16,18,20) durch eine Anzahl zwischen den einzelnen Leitern und dem Außenmantel zur elektrischen Isolierung angeordneter Glasteile (21,22,23), die an benachbarten Flächen der betreffenden Leiter sowie des Außemnantels unter Wärmeeinwirkung stoffschlüssig festgelegt sind, und durch einen in bezug auf die Leiter und Glasteile hinreichend großen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Außenmantels (12), daß von diesem nach der Abkühlung im Anschluß an die stoffschlüssige Festlegung auf die Leiter und Glasteile eine Druckkraft ausgeübt wird, die trotz der bei der stoffschlüssigen Festlegung unter Wärmeeinwirkung auftretenden Unterschiede in der Ausdehnung bzw. Zusammenziehung der Leiter und Glasteile eine hermetische Abdichtung gewährleistet.

2. Koaxialverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Glasteile (21,22,23) von jenem der Leiter (16,18,20) stark bzw. merklich verschieden ist.

3. Koaxialverbinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Leiter wenigstens zwei im Abstand zueinander koaxial angeordnete Mantel (16,18) und in deren Mitte einen zylindrischen Teil (20) sind und daß als Glasteile wenigstens drei Glasringe (21,22,23) vorhanden sind, deren Innen- und Außenflächen mit benachbarten

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Fläche:, ar-- ]piler (1G,1β,2Ο) bzw. des Außenmantels (12)^ unter vr-'rr-oeinvar'.rur.r rtoffschlüssig verbunden sind.

-Ι. l.oaxi ρ !verbinder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e Ii e üT, :: e :i c h r. e t , daß der Wärmeausdehnunrskoeffizioni. dor Loivor (lG,li^;,20) um wenirstens 20So größer ist als dar,: en.ige der Glasteile (21,2?,Γ3)·

S Koiixinlvorbdiider v/eniprntens nach Anspruch 3 oder 4, dadurcli ι- ο 1; e η η ζ e i c h η c t , daß der-Wänneaur,dehnur.["S:oofi'i;:iont der. Aui:enniantels (12) wenigstens doppelt ro [-»Ό., ist v:ie derjenifje der Leiter(16,18,20).

G. Koaxialverbinder wenigstens noch einem der Ansprüche, bis ^!:, dadurcli r e k e η η ζ e i c h η e t , daß der Außennantel O- / nun rostfreiem ütahl besteht, daß die Leiter (16,1c,; I) auπ einer Lenierunρ von 20% Nickel, 17% Kobalt, .rfi Hanpan und Eisen air Hestanteil bestehen und daß die Glasteile (.'1,2P, "J) aus einem elektrisch verlustarmen Borsilikatnlas mit einem Wärmeausdelinungskoeffizienten von etwa ⁷·Γ.1Ο '/prd bestehen.

7. Koaxialverbinder nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Aufbau und Anordnung des Außenmantels (12), der Leiter (16,18,20) und der Glasteile (21,22,23) so getroffen sind, daß eine zylindrische Durchführungs-Buchse (10) mit an deren Enden vorgesehenen, gleichartigen Fassungen zur Aufnahme eines als Verbinder-Gegenstück dienenden Anschlußsteckers (100) gebildet ist.

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8. Koaxialverbinder nach Anspruch 7» dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Anschlußstecker (100) elektrisch isolierte Koaxialleiter (116,118,120) aufweist, die bei in die eine Fassung der Durchführungs-Buchse (10) eingeführtem Stecker (100) mit deren zugeordneten Koaxialleitern (16,18,20) elektrisch leitend verbunden sind.

9. Koaxialverbinder nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g e kennzeichne t , daß mit dem Anschlußstecker (100) ein Dreifach-Koaxialkabel ( 200) mechanisch und elektrisch verbunden ist.

10. Verfahren zum Herstellen eines hermetisch abgedichteten Koaxialverbinders, dadurch gekennzeichnet , daß in einen zylindrischen, metallischen Außenmantel eine Anzahl von Leitern und eine entsprechende Anzahl von Glasteilen in koaxialer Anordnung eingeführt und gehalten wird, wobei die Glasteile jeweils zwischen den Leitern und dem Außenmantel eingesetzt werden, daß die gebildete Baugruppe auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher die Glasteile schmelzen oder anschmelzen und sich mit den benachbarten Flächen der Leiter sowie des Außenmantels stoffschlüssig verbinden, und daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Außenmantels gegenüber demjenigen der Leiter und der Glasteile derart gewählt wird, daß nach einer auf den stoffschlüssigen Verbindungsvqrgang folgenden Abkühlung auf Umgebungstemperatur eine resultierende Druckkraft unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glasteile und der Leiter eine hermetische Abdichtung gewährleistet ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Glasteile von jenem der Leiter stark bzw. merklich verschieden gewählt wird.

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12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch g e ■ k e η η ζ e i c h η e t , daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Leiter tun wenigstens 20% großer als der jenige der Glasteile gewählt wird.

13. VerfsOiren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch g e k e η η ze i c h η e t , daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Außenmantels wenigstens doppelt so groß wie derjenige der Leiter gewählt wird.

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