DE2522327C2 - Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Durchführung - Google Patents

Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunstharz-Isolierkörper thermisch auf demselben Niveau wie die Kunstharzmasse in dem eine verhältnismäßig hohe Temperatur aufweisenden Kern (^ gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunstharz-Isolierkörper anstelle einer kreiszylindrischen Formgebung in konischer oder rechteckiger Form ausgebildet wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Durchführung, weiche aus einem Kunstharz-Isolierkörper aus exotherm reagierendem Harz und mindestens einem hierin angeordneten elektrischen Leiter, welcher keine zusätzlichen Haftvermittler-Schichten aufweist, besteht

Es besteht ein zunehmender Bedarf für elektrische Durchführungen, die bei zuverlässiger Montage einen elektrischen Anschluß von einem Bereich in einen zweiten Bereich ermöglichen, wobei eine atmosphärische Isolation zwischen den beiden Bereichen wesentlich ist Ein spezifischer An*-endungsfall für solche Durchführungen existiert im Bereich der Nukleartechnik, die die Notwendigkeit der Übertragung elektrischer Signale aus einer radioaktiv verseuchten Umgebung durch eine Trennwand in einem Kontrollraum zur Aufzeichnung und

Wiedergabe kennt Für diesen Anwendungsfall sind die Anforderungen für elektrische Durchführungen äußerst streng, um die Möglichkeit eines radioaktiven Lecks in die von dem Bedienungspersonal umgebenden Bereiche möglichst klein zu halten. Überlicherweise werden Durchführungen in der Weise aufgebaut, daß ein adhäsiver Oberzug auf der sorgfeJtig bet/beiteten Metalloberfläche des Durchführungselements angebracht wird, um eine Abdichtung innerhalb eines Kunstharz-Gußteils zu bewirken, das üblicherweise aus einem Epoxydharz oder

einer anderen Kunststoffzusam. lensetzung besteht

Es ist durch die DE-OS 23 23 967 eine Durchführung bekannt, bei der in der Trennwand eine Führungsbuchse vorgesehen ist, durch weiche der Leiter zentrisch geführt wird. Sowohl der Leiter als auch die Fühningsbuchse werden von dem eingegossenen Kunstharz umschlossen, wobei ausdrücklich der die Führungsbuchse umgebende ringförmige Teil des Kunstharz-Isolierkörpers relativ dünn ausgebildet sein soll, damit er Formänderungen durch Ausdehnung oder Zusammenziehen folgen kann. Mit dieser traditionellen Technik können die strengen Anforderungen bezüglich der zulässigen Leckwerte, wie sie für die Gehäuse von Kernreaktc:en aufgestellt sind, nicht eingehalten werden.

Durch die Zeitschrift »Kunststoffe«, Band 56,1966, Heft 7, Seiten 458 bis 463 ist bereits bekannt, daß beim Einbetten von Gegenständen in Kunstharzmassen ein auf die Elemente ausgeübter Schwindungsdruck entsteht, der bezüglich seiner Größe von der während der Aushärtung herrschenden Umgebungstemperatur abhängig ist Die Anwendung dieser Erkenntnis für die Einbettung von Leitern in Durchführungselemente für die Anwendung bei der Nukleartechnik kann zu erheblichen Schwierigkeiten führen, wenn die Kunstharzmasse gemäß dem Vorschlag bei komplizierten Apparaturen und großen, stark wärmeleitenden Materialmassen auf einer gleichbleibenden hohen Aushärtungstemperatur gehalten werden soll.

so Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Druckabdichtung von Durchführungselementen durch Kunstharzmaterial zu schaffen, mit dem eine extrem hohe Abdichtung längs der Durchführungselemente in dem Kunstharzmaterial gewährleistet ist und mit welchem die gewünschte Aushärtungstemperatur in einfacher Weise im gewünschten Bereich aufrecht erhalten werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß der Kunstharzkörper thermisch auf demselben Niveau wie die Kunstharzmasse in dem eine verhältnismäßig hohe Temperatur aufweisenden Kern ft) gehalten wird.

Es ist auch vorgesehen, daß der Kunstharzkörper anstelle einer kreiszylindrischen Formgebung in konischer oder rechteckiger Form ausgebildet wird.

eo Die Erfindung eröffnet eine vorteilhafte Technik für das Gestalten der Geometrie von Kunstharz-Gußteilen sowie die Einstellung der thermischen Leitfähigkeitscharakteristik für Durehführungselemente, um durch exotherme Reaktion verursachte Kräfte während des Erstarrens kontrolliert entstehen zu lassen, so daß eine Druckabdichtung zwischen einer Kunstharzmasse und dem durch diese verlaufenden Durehführungselemente bewirkt wird. Die Geometrie des Kunstharz-Gußteils wird auf der Basis eines Formfaktors kontrolliert, der dem Verhältnis der Gesamtoberfläche zu dem Gesamtvolumen des Gußteils entspricht, um einen Kern mit verhältnismäßig hoher Temperatur während des Erstarrenc sicherzustellen, in dessen Bereich sich die Kunststoffmasse zusammenzieht und tangentiale Druckkräfte auf das Durchführungselement innerhalb des Kerns die gewünschte Druckabdichtung bewirken. Durch eine Vielzahl von Erprobungen unterschiedlicher geometrischer Formen

läßt sich ein Formfaktor bestimmen, der von einer Größe kleiner 1 bis zu einer Größe größer 1 eine hochzuverlässige Druckabdichtung möglich macht, ohne daß zusätzliche adhäsive Oberzüge auf den Durchführungselementen oder eine Spezialbehandlung der Oberfläche der Durchführungselemente notwendig wird.

Das Fehlen einer bekannten Technik, um durch exotherme Reaktionen verursachte Kräfte während des Erstarrens des Kunstharz-Gußteils zu verwenden, ist ein offensichtliches Anzeichen dafür, daß die Bedeutung des Oberflächen-Volumenvsrhältnisses des Kunstharz-Gußteils nicht erkannt und nicht beachtet wurde.

Ein Kern aus einer sich selbst erwärmenden flüssigen Kunststoffmasse entsteht in dem geometrischen Zentrum des Gußteils während des Erstarrens bzw. des thermischen Härtungsprozesses des Kunstharz-Gußteils innerhalb eirsr erwärmten Umgebung. Die Selbsterwärmung ergibt sich aus der Tatsache, daß der Kern genügend weit von allen äußeren Oberflächen des Gußteils entfernt liegt, so daß die flüssige Kunststoffmasse im Zentrum bzw. im Kern des Gußteils keine Wärme zu der Oberfläche hin verliert. Die heiße Kunstharzmasse, welche den Kern bildet, tendiert dazu, sich während der Verfestigung und des Erstarrens der Kunststoffmasse in Richtung auf das Zentrum hin zusammenzuziehen.

Der Kern, der etwa im geometrischen Zentrum des Kunstharz-Gußteils entsteht, hat etwa die Form des Kunstharz-Gußteils selbst Ein zylindrischer Gußteil hat einen Formfaktor zwischen 0,9 und 2 und bewirkt auch die Ausbildung eines zylindrischen Kerns mit hoher Temperatur, wogegen in einem kubischen Kunstharz-Gußteil sich ein Kern ausbildet, der im wesentlichen eine kubische Form hat, die von den Außenoberflächen des Gußteils etwa gleich weit entfernt ist.

Insoweit als das Erstarren des Kunstharz-Gußteils innerhalb einer erwärmten Umgebung stattfindet, z. B. in einem Ofen, wenn das Oberflächen-Volumenverhältnis des Kunstharz-Gußteils derart ist, ^"M der Abstand zwischen dem Zentrum des Gußteiis und den Oberflächen auf einem Minimum gehalten wire ergibt sich im wesentlichen kein Kern mit höherer Temperatur, so daß der Kunstharz-Gußteil vom Zentrum des Gußteils weg in Richtung auf die Wärmequelle zu schrumpft, welche in diesem Fall außerhalb der Oberfläche des Gußteils angeordnet ist. Es wurde experimentell festgestellt, daß bei der Einstellung des Formfaktors des Kunstsioff-Gußteils in der Weise, daß ein ausreichend großer Abstand zwischen dem geometrischen Zentrum und der Außenfläche des Gußteils entsteht, der Kern selber als Wärmequelle wirksam ist, die ein Schrumpfen der flüssigen Kunststoffmasse beim Aushärten im Bereich des Kerns auslöst Wenn ein Formfaktor vorgesehen wird, der ein solches Schrumpfen nach innen auslöst, ergibt sich an einem innerhalb des Kerns angeordneten Durchführungselement, z. B. einem Metalleiter, eine Druckabdichtung zwischen dem Kunstharzniaterial und der Oberfläche des Durchführungselements. Durch dieses Nach-Innen-Schrumpfen der Kunstharzmasse werden gegen das Durchführungselement gerichtete Kräfte aufgebaut, die in der Größenordnung von bis zu 11032 N/mm² (16 000 psi) liegen können. Wenn die Masse und die thermische Leitfähigkeit der Durchfühmngselemente innerhalb des Kerns ausreichend ist, um einen Wärmeabfluß zuzulassen, um somit während des Härtungsvorgangs die Wärmequelle zu verkleinern und ein Schrumpfen des Kerns zuzulassen, werden das Durchführungselement bzw. die Durchführungselemente auf eine Temperatur erwärmt, die ausreicht um den Wärmeableitef- fekt zu eliminieren und das Schrumpfen der Kunstharzmasse unter gleichzeitigem Anpressen an das Durchführungselement sicherzustellen. Durch das Erwärmen der Durchführungselemente können diese auf gleicher Temperatur mit dem Kern der Kunststoffmasse gehalten werden. Die Materialauswahl für die Durcr-führuogselemente ist dafür bestimmend, ob zusätzliche Wärme zugeführt werden muß, damit ein Kern mit erhöhter Temperatur entsteht Es ist bekannt daß Kupfer etwa die zweifache thermische Leitfähigkeit verglichen mit Aluminium, hat Somit würde eine Durchführungsanordnung -ait Durchführungselementen aus Aluminium eine geringere Wärmeableitung bewirken, als d<es für Durchführungselemente aus Kupfer der Fall sein würde.

Die erfindungsgemäße Technik zur Herstellung einer Druckabdichtung zwischen einer Kunstharzmasse und einem Durchführungselement läßt sich auch bei rohrförmigen Durchführungselementen benutzen, jedoch ist in diesem Fall darauf zu achten, daß die Wandstärke des rohrförmigen Durchführungselemcnts ausreichend groß ist um den beim Schrumpfen des Korns entstehenden Kräften widerstehen zu können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Durchführung im Schnitt die für eine Druckabdichtung gemäß der Erfindung ungeeignet ist,

F i g. 2 einen Schnitt durch einen Kunstharz-Gußteil mit einem einzigen Durchführungselement, das gemäß der Erfindung eine Druckabdichtung im Bereich eines Kernbereichs hat,

Fig.3 -5 graphische Darstellungen des erfinderischen Konzepts, um eine Druckabdichtung für Durchführungselemente zu erhalten, wobei unterschiedliche geometrisch«; Formen des Kunstharz-Gußteils berücksichtigt werden,

F i g. 6 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform e-per Druckabdichtung für mehre.-e Durchführungselemente.

In F i g. 1 ist ein Kunstharz-Gußteil 10 dargestellt mit einer übertrieben flachen scheibenförmigen Geometrie, durch welches Durchführungselemente 12 verlaufen. Dieses Kunstharz-Gußteil gemäß Fig. 1 soll eine Form erläutern, deren Geometrie von der Formfaktor-Überlegung völlig abweicht *elche zur Erzeugung eines Kerns mit verhältnismäßig hoher Temperatur und damit zur Ausbildung der gewünschten Druckabdichtung für das Durchführungselement beachtet werden muß. In der Ausführungsform gemäß F i g. 1 ist der Abstand vom Mittelpunkt des Kunstharz-Gußteils in Richtung auf die Oberfläche, welche der Erstarrungs-Umgebringstemperatur ausgesetzt ist, so klein, daß sich kein Kern mit erhöhter Temperatur ausbilden kann und die bei der Erstarrung entstehenden Kräfte zufällig, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist, gegen die erwärmten Oberflächen des Kunstharz-Gußteils hin ausgerichtet sind. Diese zufällige Verteilung der Krafivektoren kann nicht dazu beitragen, eine Druckabdichtung zwischen der Kunstharzmasse und den Durchführungselementen 12 zu ermöglichen.

Die Erstarrungskräfte, welche durch Pfeile angedeutet sind, bewirken ein Schrumpfen der Kunstharzmasse in

Richtung auf die erhitzten äußeren Oberflächen des Gußteils und damit weg von den Durchführungselementen. Damit entstehen unliebsame Leckstrecken zwischen den Durchführungselementen 12 und dem Kunstharzmaterial 14. Es läßt sich jedoch durch experimentelle Versuche zeigen, daß ein Oberflächen-Volumenverhältnis für den Kunstharz-Gußteil, bei dem das Zentrum des Gußteils genügend weit von den Oberflächen entfernt ist, die Ausbildung eines Kerns mit erhöhter Temperatur ermöglicht und damit Kräfte entstehen läßt, die die Kunststoffmasse während des Erstarrens nach innen gerichtet schrumpfen lassen. Dieser Zustand ist bei der Ausführungsform gemäß Fig.2 dargestellt. Eine Kunststoffmasse, die sich besonders vorteilhaft in einer radioaktiv verseuchten Umgebung einsetzen läßt und ein exothermes Verhalten zeigt, ergibt sich aus folgender Mischung:

_]0 Material Gewichtsteile

EPON Kunstharz 815 100,0

gemahlener Füller aus Kieselerde 280,0

Erstarrungszusatz Z 20,0 Die Materialien EPON Kunstharz 815 und Erstarrungszusatz Z sind Produkte der Firma Shell Oil Co.

Bei einem typischen Erstarrungsablauf beträgt die Temperatur im Zentrum des geometrischen Körpers bzw. im Kernbereich X des Kunstharz-Gußteils etwa 150⁰C, während die Temperatur an der Außenfläche des Kunstharz-Gu8».ei!s tynUcherweise etwa bei 90" C liegt. Wenn man davon ausgeht, daß die Masse eines einzigen Durchführungselements 14 verhältnismäßig klein ist, so daß es keine wesentliche Wärmeableitung bringt, so läßt sich durch das Experiment feststellen, daß ein Formfaktor größer 2 eine sehr zuverlässige Abdichtung zwischen dem Kunstharzmaterial und dem Durchführungselement für verschiedene geometrische Formen bewirkt. Der Formfaktor für einen zylindrischen Kunstharz-Gußteil ist wie folgt:

,- , , ,-, ν α \ Gesamtoberfläche Jtdh + ΐπι* dh+21³ Formfaktor (Zyl.nder) - ^ PTT"

Dabei ist Λ die Höhe, r der Radius und dder Durchmesser des K.unststoff-Gußteils. Aus dieser Abhängigkeit ergibt sich ein Entwurfkriterium, wie es aus der Darstellung gemäß F i g. 3 hervor-

geht Es wurde experimentell ermittelt, daß, wenn der Formfaktor für den Kunstharz-Gußteil den Wert 2 übersteigt, die Qualität und die Zuverlässigkeit der Druckabdichtung abnimmt Aus Fig.3 kann die kleinste Höhe über verscheidene Radien entnommen werden, um den Formfaktor 2 zu erhalten, der den größten Wert für den Formfaktor annähert, bei welchem eine Druckabdichtung mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen erreicht wird. Alle Kombinationen von Radius und Höhe, welche innerhalb des gestrichelten Bereichs der F i g. 3 liegen, erzeugen einen Formfaktor, der kleiner als 2 ist und repräsentieren damit Entwurfskriterien, welche die gewünschte Druckabdichtung zwischen der Kunstharzrr.asse und dem Durchführungselement ermöglichen. Obwohl sich Formfaktoren zwischen etwa 0,9 und etwa 2 als geeignet für eine Druckabdichtung erwiesen haben, läßt sich eine Druckabdichtung mit Drücken bis zu etwa 11032 N/mm² in einem Bereich des Formfaktors erreichen, der etwa zwischen 0,9 und 1,7 liegt. Formfaktoren, die kleiner als 09 sind, erweisen sich in der Regel als unbrauchbar.

Dieselben Entwurfskriterien sind auch auf andere geometrische Formen anwendbar, einschließlich konischer und rechteckiger Kunstharz-Gußteile. Entwurfsinformationen, die mit den in F i g. 3 dargestellten vergleichbar sind, ergeben sich für rechteckige und konische Gußteile aus den F i g. 4 und 5. Die bisherige Beschreibung bezieht sich auf eine Ausführungsform mit einem Durchführungselement Typi scherweise sind jedoch Durchführungen häufig mit einer Vielzahl von Durchführungselementen versehen, die aus Metalleitern bestehen und in ein Kunstharzmaterial eingebettet sind. Wenn die Masse der Durchführungen durch das einzelne Durchführungselement oder die Vielzahl der Durchführungselemente eine solche Größe hat, daß sie eine Wärmeableitung darstellt, und damit das Schrumpfen beim Erstarren der Kunststoffmasse in Richtung auf die Durchführungselemente beeinträchtigen würde, dann können die Durchführungselemente auf

so eine Temperatur gebracht werden, die die Entstehung eines Kerns mit erhöhter Temperatur sicherstellt und damit ein Erstarren der Kunststoffmasse mit einem Zusammenziehen in Richtung auf die Durchführungsei'.. Λβπ-te.

Diese zuletzt erwähnte Situation ist in Fig.6 angedeutet Mit Hilfe einer Wärmequelle 20 werden die Durchführungselemente 22 in dem Kunstharz-Gußteil 24 erwäxmt, so daß sie thermisch etwa auf demselben Niveau wie das Kunstharzmaterial im erwärmten Kern X liegen. Die Temperatur, auf weiche die Durchführungselemente angewärmt werden, muß unterhalb der Temperatur liegen, weiche ein Erhitzen über den Siedepunkt der Kunststoffmasse des mit der Oberfläche des Durchführungselements in Kontaktverbindung stehenden Kunstharzmaterials auslösen würde. Durch das Erhitzen der Kunststoffmasse an der Grenzschicht zwischen dem Kunststoff und dem Durchführungselement über den Siedepunkt ergeben sich Gasblasen, die die Qualität der Druckabdichtung ganz erheblich beeinträchtigen würden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Durchführung, welche aus einem Kunstharz-Isolierkörper aus exotherm reagierendem Harz und mindestens einem hierin angeordneten elektrischen Leiter, welcher keine zusätzlichen Haftvermittler-Schichten aufweist, besteht, dadurchgekennzeichnet, daß

— eine kreiszylindrische Form verwendet wird, deren Formfaktor (Oberflächen-Volumenverhältnis) zwischen 0,9 und 2,0 liegt,

— der Leiter in einem Bereich der Form angeordnet wird, in welchem sich beim Aushärten der Kui. stharzmasse ein eine Temperatur von etwa 150⁰C annehmender Kern ausbildet, und

— der Leiter auf eine Temperatur von etwa I50°C erhitzt wird.