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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Metallkeramikverbund und eine
Vakuumschaltereinheit, die den Metallkeramikverbung verwendet.
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Als
ein Schalter zum wählbaren
Schalten der Stromzufuhr, um so die Anwendung einer Hochspannungslast
zu steuern, wird eine Vakuumschaltereinheit weithin verwendet, um
eine mit dem Ausschalten des Stroms einhergehende Funkenbildung
und anschließenden
Entladungskurzschluss zu vermeiden, um so ausreichende Isolationseigenschaften
zu gewährleisten.
Die Vakuumschaltereinheit weist ein innen evakuiertes Keramikbehältnis zum
Umschließen
eines Kontaktes auf. In einer solchen Vakuumeinheit ist typischerweise das
Keramikbehältnis
aus einem zylindrischen Keramikteil gebildet, dessen entgegengesetzte
Enden durch ein metallisches Abdeckteil abgedeckt sind. Das metallische
Abdeckteil und das Keramikteil sind miteinander verlötet, um
einen Metallkeramikverbund zu bilden.
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Um
ein Metallteil mit den Endflächen
des zylindrischen Keramikteils hermetisch zu verbinden, kann eine
Kantendichtungsstruktur oder eine Stoßdichtungsstruktur verwendet
werden. Bei ersterer wird die Endfläche eines Rohrabschnitts des
Metallteils über
ein Lötmaterial
mit der Endfläche
des zylindrischen Keramikteils stumpf (stoßartig) verbunden. Bei letzterer überlappt
die ebene Oberfläche
eines plattenartigen Bereichs des Metallteils, wie z.B. eine Metallfalz,
die Endfläche
des Keramikteils, wobei Lötmaterial
dazwischen eingebracht ist, um die einander gegenüberliegenden
Flächen
zu verbinden. Die herkömmliche
Vakuumschaltereinheit hat bisher entweder die Kantendichtungsstruktur
oder die Stoßdichtungsstruktur
verwendet, unabhängig
von dem Außendurchmesser
oder der Wanddicke des Keramikteils im besonderen. Zum Beispiel
offenbart die Japanische offengelegte Patentpublikation Nr. Sho
52-59863 ein Bilden des Metallteils aus einer Legierung mit einem kleinen
Expansionskoeffizienten, wie z.B. Kovar, um so einen guten Verbund
mit wenigen Defekten zu erhalten, unabhängig davon, ob es die Kantendichtung
oder die Stoßdichtung
ist. Die Japanische, offengelegte Patentpublikation Nr. Hei 7-172946
beschreibt, dass, unter der Annahme, dass die Stoßdichtungsstruktur
verwendet wird, ein guter Verbund erhalten werden kann durch Definieren
des Verhältnisses
der Wanddicke des Keramikteils zu der Dicke des überlappenden Verbindungsbereichs
des Metallelements und durch Definieren des linearen Expansionskoeffizienten
des Materials oder des Schmelzpunkts des Lötmaterials.
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Bezüglich der
in der obigen Veröffentlichung
offenbarten Technik kann jedoch weiterhin ein Problem bleiben, das
heißt,
wenn das Keramikteil verschiedene unterschiedliche Außendurchmesser
abhängig
von den Produkten hat, kann die eingesetzte Verbindungsstruktur
möglicherweise
eine Spannungskonzentration an einer speziellen Stelle der Lötverbindung
verursachen aufgrund verschiedener linearer Expansionskoeffizienten zwischen
dem Keramikteil und dem Metallteil, zum Zeitpunkt des Abkühlens nach
dem Löten,
und neigt somit dazu, Schwachstellen mit einer extrem geringen Verbindungsfestigkeit
zu erzeugen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Metallkeramikverbund
mit einer hohen Verbindungsfestigkeit bereitzustellen, der weniger
wahrscheinlich Defekte wie z.B. Einschnitte oder Brüche an der
Verbindung verursacht, durch Verwenden einer optimalen Verbindungsstruktur
abhängig
von den Abmessungen des Keramikteils, und eine Vakuumschaltereinheit
bereitzustellen, die einen solchen Metallkeramikverbund verwendet.
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US-A-5,364,010
offenbart eine Metallkeramikverbundstruktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Um
die obige Aufgabe zu erfüllen,
ist gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Metallkeramikverbund
vorgesehen, aufweisend ein Metallteil mit einem Rohrabschnitt und
ein zylindrischen Keramikteil, wobei der Metallkeramikverbund eine
Struktur besitzt, bei der eine Endfläche des Rohrabschnittes des
Metallteiles über
eine Verbindungsmetallschicht mit einer Endfläche des zylindrischen Keramikteils
stumpf aneinanderstoßend
(stoßartig)
so verbunden ist, dass eine Kantendichtung erzielt wird, wobei die
Verbindungsmetallschicht und das Keramikteil in einer ringförmigen Region
mit der Durchschnittsbreite W (mm) miteinander in Kontakt sind,
wobei sich die ringförmige
Region umfangsmäßig um die
Endfläche
des Keramikteiles erstreckt, und wobei W und D jeweils Werte aufweisen,
welche die Bedingungen erfüllen: D ≥ 30 (1);und(1/60) × D ≤ W ≤ (D/30) + 3,1, (2) wobei D (mm)
ein Aussendurchmesser des Keramikteils ist, dadurch gekennzeichnet,
dass das zylindrische Keramikteil einen abgeschrägten Abschnitt an der inneren
Randkante und/oder der äußeren Randkante
der Endfläche
des zylindrischen Keramikteils besitzt.
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Um
die obige Aufgabe zu erfüllen,
ist gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vakuumschaltereinheit
vorgesehen, aufweisend den Metallkeramikverbund gemäß der vorliegenden
Erfindung; ein Paar von Abdeckteilen, welche entgegengesetzte Enden
des Keramikteiles abdecken, um einen Schalterabdeckraum innerhalb
des Keramikteiles zu bilden, welches zylinderförmig ausgebildet ist; und ein Paar
von Schalterelektrodenteilen, welche so angeordnet sind, dass sie
imstande sind, sich innerhalb des Schalterabdeckraumes zueinander
hin oder voneinander fort zu bewegen, wobei das Paar von Schalterelektrodenteilen
einen Schalterkontaktbereich bildet.
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Die
Erfinder führten
intensive Untersuchungen über
die Beziehung zwischen der Form der Verbindungsstruktur und den
Abmessungen des Keramikteils durch, wenn das Metallteil mit dem
rohrartigen Keramikteil über
eine Verbindungsmetallschicht (z.B., Lötmaterial) verbunden ist. Für das Keramikteil
mit einem Aussendurchmesser von 30 mm oder mehr (die obige Bedingung
(1)), welches generell weithin für
die Vakuumschaltereinheit, etc. verwendet wird, hat sich demgemäß herausgestellt,
dass, wenn die Breite W der Verbindungsregion kleiner wird als der
Außendurchmesser
D, Einschnitte oder andere Defekte tendenziell an der Innenkante
oder der Außenkante
der Kontaktregion auftreten. Weitere Untersuchungen führten zu
dem Schluss, dass solche Einschnitte leicht auftreten, wenn von
den zwei Arten von den Verbindungsstrukturen die Stoßverbindungsstruktur
angewendet wird.
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Basierend
auf diesen Studien wurden Experimente durchgeführt, um die Bedingungen für den Erhalt einer
guten Verbindung zu erkennen. Es wurde herausgefunden, dass, sogar
wenn die Dicke des Keramikteils nichts groß genug gegen seinen Außendurchmesser
D gemacht werden kann, somit die Verbindungsregionsbreite W geringer
als ein bestimmter Grenzwert, genauer ausgedrückt, der obere Grenzwert Wmax
ausgedrückt
durch Wmax = D/30 + 3,1, wird die Anwendung der Kantendichtungsstruktur
insbesondere als die Verbindungs struktur es dem Keramikelement kaum
erlauben würde,
Einschnitte oder andere Defekte aufzuweisen, die aus der Spannungskonzentration
an der Innenkante oder der Außenkante
der Verbindungsregion herrühren
und die Schaffung eines Verbundes mit hoher Verbindungsfestigkeit
gewährleisten
kann. Die vorliegende Erfindung war somit abgeschlossen. Ein Einsatz
eines solchen Verbunds für
die Vakuumschaltereinheit würde
es ermöglichen,
die Lebensdauer der zwischen dem Keramikteil, d.h. der Schalteraussenhülle, und
dem Metallabdeckteil gebildeten Verbindung zu verbessern, um einen
Vakuumschalter mit einem langen Lebensdauer zu realisieren, der
kaum Lecks oder anderen Mängeln
unterliegt. Eine Reduzierung der mängelbehafteten Verbindungen
trägt zu
einer bemerkenswerten Verbesserung beim Ertrag von Produkten bei.
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Wenn
die Verbindungsregionbreite W weniger als Wmax ist, kann der Einsatz
anderer Verbindungsstrukturen, z.B. der Stoßdichtungsverbindung statt
der Kantendichtungsverbindung ein erhebliches Auftreten der obigen
Defekte an der Verbindung induzieren, was zu einer Verringerung
der Lebensdauer aufgrund der unzureichenden Festigkeit an der Verbindung
und zu einer Verringerung des Ertrags der Produkte aufgrund eines
Anstiegs der Mängelrate
führt.
Wenn die Verbindungsregionbreite W größer als Wmax ist, ist es nicht
so vorteilhaft, die Kantendichtungsstruktur einzusetzen, da die
gute Verbindungsstruktur auch mit dem anderen Verfahren wie mit
dem Stoßdichtungsverfahren
erhalten werden kann. Zum Beispiel ist die Stoßdichtungsstruktur vergleichsweise
einfach; das Einzige, was benötigt
wird, ist, das Falz-artige Metallteil mit der Endfläche des
Keramikteils über
die Lötschicht überlappend
zu verbinden, wohingegen bei der Kantendichtungsstruktur ein zylindrischer
Bereich für
die Stoßverbindung
unabdingbar ist, und die Vakuumschaltereinheit mit separaten Metallkappen
ausgestattet sein muss, um den Innenraum abzudecken, was zu der
Anzahl von Teilen und Schritten beiträgt, was zu vergleichsweise
hohen Kosten führt.
Wenn W größer ist
als Wmax, ist es demgemäß manchmal
hinsichtlich der Kosten nachteilig, die Kantendichtungsstruktur
einzusetzen.
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Wenn
die Verbindungsbreite W andererseits geringer als der untere Grenzwert
Wmin ist, der Wmin = (1/60) × D
(mm) genügt,
wird die Verbindungsfläche
gegen den Außendurchmesser
D des Keramikteils relativ zu klein, und somit wird es unmöglich, genügend Verbindungsfestigkeit
zu haben. Ferner kann eine Ver bindungsbreite W geringer als Wmin
eine Verringerung der Festigkeit des Keramikteils selbst wegen der
Knappheit an Dicke induzieren.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
Schnittansicht einer beispielhaften Vakuumschaltereinheit ist, die
einen Metallkeramikverbund gemäß der vorliegenden
Erfindung einsetzt;
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2 eine
Schnittansicht einer Verbindungsstruktur zwischen einem Keramikteil
und einem Metallteil, basierend auf dem Kantendichtungsverfahren,
ist;
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3(a) und 3(b) vergrößerte Ansichten
der Verbindung aus 2 sind;
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4 eine
vergrößerte Schnittansicht
der Verbindung basierend auf dem Stoßdichtungsverfahren ist;
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5(a) bis 5(d) Erklärungsdiagramme
sind, die einen Unterschied der Wirkung zwischen dem Kantendichtungsverfahren
und dem Stoßdichtungsverfahren
zeigen;
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6 eine
Schnittansicht einer Variante der Verbindungsstruktur basierend
auf dem Kantendichtungsverfahren ist; und
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7(a) und 7(b) Erklärungsdiagramme
sind, die Herstellungsschritte der Stoßverbindungsstruktur basierend
auf dem Kantendichtungsverfahren zeigen.
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1 zeigt
eine beispielhafte Vakuumschaltereinheit, die einen Metallkeramikverbund
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet. Die generell als 50 bezeichnete Vakuumschaltereinheit
weist ein zylindrisches Rohrteil 55 in der Form eines Keramikteils,
das eine Außenhülle bildet,
und ein zylindrisches metallisches Lichtbogenabschirmteil 54,
das innerhalb des Rohrteils 55 angeordnet ist, auf. Die
innere Umfangsoberfläche des
Rohrteils 55 ist mit einer sich umfangsmäßig erstreckenden
Leiste 12 ausgebildet, so dass die äußere Umfangsoberfläche des
Lichtbogenabschirmteils 54 über eine nicht gezeigte Lotmaterialschicht
mit der inneren Umfangsoberfläche
der Leiste 12 verbunden ist. Das Rohrteil 55 ist
z.B. aus Aluminiumoxid-basierter Keramik (die z.B. 92 Masse% Aluminiumoxid
enthält)
gebildet und hat eine äußere Umfangsoberfläche, die
mit einer nicht gezeigten Deckbeschichtung bedeckt ist.
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Das
Rohrteil 55 ist mit einem Paar von Abdeckteilen 57 in
der Form von Scheibendeckeln zum Abdecken jeweiliger Endbereiche
versehen, um so einen Schalterabdeckraum 11 im Inneren
zu definieren. Wie in 2 zu sehen, sind die Abdeckteile 57 in
einer solchen Weise vorgesehen, dass sie Endflächen des zylindrischen Metallteils 13 bedecken,
die mit gegenüberliegenden
Endflächen
des Rohrteils 55 mittels einer Kantendichtungsstruktur
verbunden sind. Wie aus den 3(a) und 3(b) ersichtlich, hat jedes Metallteil 13 einen
Rohrabschnitt 13b, dessen eine Endfläche in einer Kanten-abgedichteten
Weise an die Endfläche 55a des
Rohrteils (Keramikteils 55) stumpf-geschweißt ist mittels
eines Lötmaterials 15,
das eine Verbindungsmetallschicht bildet. Wie in 2 gezeigt,
ist die andere Endfläche
des Rohrabschnitts 13b mit einem umfangsmäßigen Flansch 13a vorgesehen,
der radial auswärts
von der äußeren Umfangsoberfläche des
Rohrabschnitts 13b ragt, wobei das Abdeckteil 57 über eine
nicht gezeigte Lötmaterialschicht
mit der planen Oberfläche
des Flansches 13a verbunden ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
sind die Metallteile 13 und die Abdeckteile 57 aus
einer Fe-Ni-Co-Legierung gebildet, (z.B. Kovar (Handelsname): Fe-29
Gew.-% Ni-17–18 Gew.-%Co),
aber stattdessen können
andere Materialien, wie z.B. ein rostfreier Stahl oder eine Kupferlegierung
verwendet werden. Das Lötmaterial 15 kann
z.B. ein Ag-Cu-basiertes Lötmaterial
sein, um so eine Reaktionsschicht mit einer aktiven Metallkomponente
(z.B. Ti) und Keramik zwischen dem Lötmaterial 15 und dem
Rohrteil 55 in der Form des Keramikteils zu bilden.
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Im
Inneren des Schalterabdeckraums 11 ist ein fixiertes Elektrodenteil 4 angeordnet,
das sich durch eines des Paars von Abdeckteilen 57 erstreckt.
Das fixierte Elektrodenteil 4 weist einen Festseitenanschlussabschnitt 52,
der an seiner Basis außerhalb
des Schalterabdeckraums 11 ausgebildet ist, und einen Festseitenschalterkontaktabschnitt
(Schalterelektrodenteil) 61, der an seiner inneren Extremität zu dem
Schalterabdeckraum 11 ausgebildet ist, auf. Ein bewegbares Elektrodenteil 5 erstreckt
sich durch das andere des Paars von Abdeckteilen 57, wobei
das bewegbare Elektrodenteil 5 in der Richtung einer Achse
O des Rohrteils 55 bewegbar ist. Das bewegbare Elektrodenteil 5 weist
einen Bewegungsseitenanschlussabschnitt 56, der an seiner
Basis außerhalb
des Schalterabdeckraums 11 ausgebildet ist, und einen Bewegungsseitenschalterkontaktabschnitt
(Schalterelektrodenteil) 60, der an seiner inneren Extremität zu dem
Schalterabdeckraum 11 ausgebildet ist, auf, wobei der Bewegungsseitenschalterkontaktabschnitt 60 in
Anlage gegen oder weg von dem Festseitenschalterkontaktabschnitt 61 als
ein Ergebnis einer Bewegung des Bewegungsseitenschalterkontaktabschnitts 60 kommt.
Das Lichtbogenabschirmelement 54 ist in einer solchen Weise
angeordnet, den Festseitenschalterkontaktabschnitt 61 und
den Bewegungsseitenschalterkontaktabschnitt 60 zu umgeben.
Das bewegbare Elektrodenteil 5 wird durch die Betätigung des
Metallbalges 58 näher
zu oder weg von dem Festseitenschalterkontaktabschnitt 61 bewegt.
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3(a) zeigt, in einem vergrößerten Schnitt, eine Verbindung
zwischen dem Rohrteil 55 und dem Metallteil 13.
Das Lötmaterial 15 ist
in Kontakt mit der Endfläche 55a des
Rohrteils 55 an einer sich umfangsmäßig streckenden Ringregion
mit einer durchschnittlichen Breite von W(mm). Wenn D (mm: 2)
ein Außendurchmesser
des Rohrteils 55 ist, dann sind die Werte von W und D so
gewählt,
dass erfüllt
wird: D ≥ 30 (1);und(1/60) × D ≤ W ≤ (D/30) + 3.1 (2).
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Ein
abgeschrägter
Bereich 55t ist an der inneren Randkante und/oder an der äußeren Randkante
der Endfläche 55a des
Rohrteils (Keramikteils) 55 ausgebildet (obwohl der abgeschrägte Bereich 55t hierin
sowohl an der inneren Randkante als auch an der äußeren Randkante ausgebildet
ist, kann er entweder an der inneren Randkante oder an der äußeren Randkante
ausgebildet sein).
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Der
innere Kantenbereich und/oder der äußere Kantenbereich der Lötmaterialkehlnaht 15 haben
keine Überlappung
mit dem abgeschrägten
Bereich 55t, wenn das Lötmaterial
ein geringes Volumen hat. Wenn das Volumen des Lötmaterials zunimmt, kann das
Lötmaterial
jedoch in einer überlappenden
Weise auf den abgeschrägten
Bereich 55t fließen,
wie durch die Strich-Punkt-Linie in den 3(a) und 3(b) angedeutet. In diesem Fall ist die Verbindungsregionbreite
W des Lötmaterials 15 (Verbindungsmetallschicht)
eine radiale Breite w um die Zentralachse O einer senkrecht projizierten
Abbildung des Verbindungsbereichs auf eine Projektionsebene orthogonal
zu der Zentralachse O des Rohrteils 55. In Fällen, in
denen die Lötmaterialkehlnaht 15 über den
abgeschrägten
Bereich 55t überlappt,
wie durch die Strich-Punkt-Linie angedeutet, bezeichnet W' in dem Diagramm
die Verbindungsregionbreite.
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Es
wird nun eine Beschreibung in genaueren Einzelheiten davon gegeben,
was der Ausdruck (2) meint. Eine Studie der vorliegenden Erfinder
hat ergeben, dass, beim Abkühlen
nach dem Löten
z.B. das Rohrteil 55 in der Form des Keramikteils dazu
neigt unter Brüchen
C oder anderen Defekten an der äußeren Kante oder
inneren Kante der Verbindungsregion zu leiden, wie in 3(b) gezeigt. Vorausgesetzt, dass die Lötmaterialkehlnaht 15 über den
abgeschrägten
Bereich 55t überlappt,
wie in 3(b) zu sehen, treten tendenziell insbesondere
Brüche
C oder andere Defekte als Ergebnis wesentlicher Spannungskonzentration
demgemäß auf, wenn
eine Dicke h (welche die Dicke gemessen von der inneren Kante 55e in
der Richtung der Zentralachse O ist), der Lötmaterialschicht an der inneren
Kante 55e des abgeschrägten
Bereichs 55e zunimmt und demgemäß, wenn das Volumen der Überlappung 15a an
dem abgeschrägten
Bereich 55t (welcher ein Bereich der Lötmaterialkehlnaht ist, der
außerhalb
der richtigen zylindrischen Oberfläche SC, die durch die innere
Kante 55e um die Zentralachse O verläuft) zunimmt. Es ist somit
entscheidend, bis zu welchem Grad die Dicke h des Lötmaterials
und das Volumen der Überlappung 15a reduziert
werden können,
um das Auftreten der Brüche C
oder anderer Defekte zu unterdrücken.
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Die
Dicke h des Lötmaterials
und das Volumen der Überlappung 15a variieren
abhängig
von dem Typ der verwendeten Verbindungsstruktur. 4 ist
eine schematische Wiedergabe in einem vergrößerten Maßstab der Verbindung für den Fall
des Einsatzes einer Stoßdichtung.
Diese Struktur entspricht dem Fall, bei dem die plattenähnlichen
Abdeckteile 57 direkt an ihren äußeren Randkanten mit planarer
Oberfläche
an die Endflächen
des Rohrteils 55 ohne die Hinzunahme des zylindrischen
Metallteils 13 der 2 gelötet sind.
In diesem Fall liegt die Platzierungsfläche des Abdeckteils 57 der
Endfläche
des Rohrteils 55 in einer im wesentlichen parallelen Beziehung über die
gesamte Breite der Endfläche
des Rohrteils 55 gegenüber
mit dem Ergebnis, dass die Randkante 15p der Lötmaterialkehlnaht
eine konkave Kontur aufweist, die konkav relativ sowohl zu der planaren
Oberfläche
des Abdeckteils 57 in der Form des Metallteils als auch
zu der Endflächenaußenkante,
d.h., dem abgeschrägten
Bereich 55t des Rohrteils 55 ist. Dann nimmt ein
Kehlnahtwinkel φ tendenziell unvermeidbar
zu, wobei der Kehlnahtwinkel φ ein
Winkel ist, der zwischen einer Lötmaterialkehlnahtanstiegstangentenlinie
P an der Kantenposition der Lötmaterialkehlnaht 15 relativ
zu der Endfläche 55a (oder
dem abgeschrägten
Bereich 55t) des Rohrteils 55 und dem abgeschrägten Bereich 55t in
einem Abschnitt, der die Zentralachse des Rohrteils 5 enthält, ist.
In einem solchen Fall wird das geschmolzene Lötmaterial beim Löten hin
zu der Außenkante
mit planarer Oberfläche
des Abdeckteils gezogen, d.h. in die Richtung im wesentlichen parallel
zu der Endfläche 55a des
Rohrteils 55, so dass der Fluss des Lötmaterials auf den abgeschrägten Bereich 55t tendenziell
auftritt, was zu einem Anstieg des Volumens der Überlappung 15a und
der Lötmaterialdicke
h führt.
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In
dem Fall, dass eine Wanddicke T des Rohrteils 55, d.h.,
die Breite W der Verbindungsregion, zu einem gewissen Grad groß ist, wie
in 5(a) gezeigt, kann sich dann
das Lötmaterial
dünn ausbreiten,
so dass eine große
Kraft wirkt, das geschmolzene Lötmaterial
unter der Oberflächenspannung
zusammenzuziehen, mit dem Ergebnis, dass die Überlappung 15a nicht
bis zu einem großen
Maß anwachsen
kann. Dies kann das Auftreten von Einschnitten oder anderen Defekten
vermeiden. Wenn im Gegensatz dazu die Wanddicke T des Rohrteils 55,
d.h. die Breite W der Verbindungsregion, reduziert ist, wie in 5(b) gezeigt, ohne das Volumen des Lötmaterials
in großem
Maße zu
reduzieren, wirkt eine Kontraktionskraft basierend auf der Oberflächenspannung
nicht so stark. Aufgrund des in Bezug auf 4 beschriebenen
Faktors wird somit das Volumen der Überlappung 15a groß, was das
Auftreten von Brüchen
C oder anderen Defekten vereinfacht.
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Im
Falle der Kantendichtungsstruktur, wie sie in 3(a) dargestellt ist, kann im Gegensatz dazu die Endfläche des
Rohrabschnitts 113b des Metallteils 13 der Endfläche des
Rohrteils 55 an der Mitte in der Endflächenbreitenrichtung des Rohrteils 55 gegenüberliegen,
wobei die Lötmaterialkehlnaht
entlang der äuße ren Randoberfläche des
Rohrabschnitts 13b in der Richtung im wesentlichen orthogonal
zu der Endfläche 55a des Rohrteils 55 gezogen
wird. In diesem Fall neigt der Kehlnahtwinkel θ dazu, kleiner zu werden, wobei
der Kehlnahtwinkel θ als
ein Winkel zwischen der Lötmaterialkehlnahttangentenlinie
P an jeder Kantenposition der Lötmaterialkehlnaht 15 relativ
zu der Endfläche 55a (oder
dem abgeschrägten
Bereich 55t) des Rohrteils 55 in einem Schnitt,
der die Zentralachse des Rohrteils 55 enthält, und
der Endfläche 55a des
Rohrteils 55 definiert ist. Dies unterdrückt das
Herausfließen
des Lötmaterials
auf den abgeschrägten
Bereich 55t.
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Nicht
nur in dem Fall, in dem die Wanddicke T des Rohrteils 55,
d.h., die Breite W der Verbindungsregion, zu einem gewissen Grad
groß ist,
wie in 5(c) gezeigt, sondern auch in
dem Fall, in dem die Wanddicke T in das Rohrteil 55, d.h.,
die Breite W der Verbindungsregion, reduziert ist, wie in 5(d) gezeigt, kann z.B. das Volumen der Überlappung 15a oder
die Dicke h der Lötmaterialschicht
nicht auf ein großes
Maß anwachsen
aufgrund der auf den Rohrabschnitt 13b ausgeübten Zugkraft,
wodurch das Auftreten der Einschnitte und anderer Defekte unterdrückt ist.
Wenn der Wert der Verbindungsregionbreite W nicht mehr als der obere Grenzwert
Wmax (= D/30 + 3.1) ist, dann können,
wie bereits beschrieben, die Einschnitte oder andere Defekte, die
bisher durch die Verwendung der Stoßdichtungsstruktur, wie sie
in 4 dargestellt ist, nicht vermieden werden konnten,
effektiv durch die Verwendung der Kantendichtungsstruktur, wie sie
in 3(a) dargestellt ist, vermieden
werden, was ermöglicht,
dass ein Verbund mit einer hohen Verbindungsfestigkeit erhalten
werden kann. Es sei angemerkt, dass die Verbindungsregionbreite
W auf einen Wert größer als
der untere Grenzwert Wmin ausgedrückt durch Wmin (= 1/60) × D (mm)
eingestellt ist, um so eine ausreichende Verbindungsfläche zu gewährleisten.
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Es
ist bevorzugt, dass die Dicke t (mm) des Rohrabschnitts 13b des
Metallteils 13 innerhalb eines Bereichs von (1/120) × D ≤ t ≤ 3 eingestellt
ist. Wenn t drei Millimeter übersteigt,
dann tritt ein größerer Einfluss der
Spannungskonzentration, die aus der Kontraktion des Metallteils
herrührt,
z.B., beim Abkühlen
nach dem Löten
auf, was es möglicherweise
schwierig machen kann, das Auftreten der Einschnitte oder anderer
Defekte an dem Keramikteil 55 vollständig zu unterdrücken. Andererseits
kann die Dicke t des Rohrabschnitts 13b, die geringer ist als
(1/120) × D,
es schwierig machen, eine ausreichende Festigkeit des Rohrabschnitts 13b zu
gewährleisten.
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Obwohl
in 2 die Endfläche
des Rohrabschnitts 13b mit der Endfläche 55a des Keramikelements 55 Stoß-verbunden
ist, kann der Rohrabschnitt 13b an seiner Extremität einen
Flansch 13c haben, um einen Endbereich mit einem L-förmigen Schnitt
zu schaffen, so dass die Stoßverbindung
an der planaren Oberfläche des
Flansches 13c bewirkt ist, wie in 6 gezeigt.
In diesem Fall meint die Dicke t des Rohrabschnitts 13b des
Metallteils 13, wie gezeigt, eine Abmessung, die die vorstehende
Länge des
Flansches 13c enthält.
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Es
wird angemerkt, dass der Metallkeramikverbund der vorliegenden Erfindung
auf einen Wärmetauscher
und andere Anwendungen anwendbar ist, ohne auf die hierin zuvor
ausgeführte
Vakuumschaltereinheit beschränkt
zu sein.
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Beispiel
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Es
wurden Rohrteile
55, die aus gesintertem Aluminiumoxidkörpern (die
jeder 92 Masse% Aluminiumoxid enthalten) mit verschiedenen Außendurchmessern
D (mm) und Innendurchmessern d (mm) gebildet sind, hergestellt.
Ein 0,25 mm breiter abgeschrägter
Bereich wurde an den äußeren und
inneren Rändern
der Endflächen
jedes Rohrteils ausgebildet. Eine Metallpaste, die Mo- und Mn-Pulver
enthält,
wurde auf die gegenüberliegenden
Endflächen
jedes Rohrteils aufgebracht, welche dann einem Backen bei 1400° Celsius
und anschließend
einem elektrolytischen Ni-Plattieren ausgesetzt wurde, um so eine
Metallschicht
104 an den Endflächen des Rohrteils
55 zu
bilden, wie in
7(a) dargestellt. Dann wurden
aus Kovar gemachte Rohrmetallteile
13b mit verschiedenen
Dicken mit entsprechenden Außendurchmessern
konzentrisch an den Endflächen des
Rohrteils
55 zentral in der Breitenrichtung der Endflächen des
Rohrteils
55 positioniert, wobei eine Ag-Cu-Eutektikumlötmaterialfolie
105 (Ag-28
Gew.-%Cu) dazwischen eingelagert wurde, wie in
7(b) gezeigt, so dass die Stoßverbindung bei einer Temperatur
von 830° Celsius
unter Verwendung des Kantendichtungsverfahrens ausgeführt wurde.
Die Verbindungsregionbreite W wurde abhängig von den Abmessungen der
Lötmaterialfolie
105 verändert. Als
Vergleichsbeispiele wurden Testartikel produziert unter Verwendung des
aus Kovar gemachten scheibenartigen Abdeckteils
57 (
4)
anstelle des Metallrohrs
13b, mit einer ähnlichen
Verbindungsstruktur in der Stoß-abgedichteten
Form. Die Verbindungen der derart erhaltenen Testartikel wurden
einem Augenscheintest unterzogen, um die Bedingungen des Auftretens
der Einschnitte und anderer Defekte an dem Rohrteil
55 visuell
zu inspizieren. Die Testartikel, die vollständig frei von dem Auftreten von
Einschnitten oder anderen Defekten waren, wurden als O bewertet,
solche, die ein geringfügiges
Auftreten der Einschnitte oder anderer Defekte erlaubten, wurden
als Δ bewertet
und solche mit einer Mehrzahl von beobachteten Brüchen wurden
als X bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle
1
- * zeigt, dass es vom Umfang der vorliegenden
Erfindung abweicht.
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Mit
diesen Ergebnissen wurde bewiesen, dass, wenn die Verbindungsregionbreite
W nicht mehr als Wmax = (D/30) + 3.1 (mm) ist, die Stoßdichtung
ein wesentliches Auftreten der Einschnitte oder anderer Defekte
zulässt,
wohingegen die Kantendichtung kein oder wenig Auftreten der Einschnitte
oder anderer Defekte zulässt,
so dass exzellente Verbindungsbedingungen erhalten werden. Andererseits
kann, wenn die Verbindungsregionbreite W größer als Wmax ist, die Stoß dichtung
auch gute Verbindungsbedingungen aufweisen, was der Kantendichtung
keinen besonderen Vorteil gibt.
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Obwohl
veranschaulichende und derzeit bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung hierin in Einzelheiten beschrieben wurden, soll verstanden
werden, dass die erfindungsgemäßen Konzepte
innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche auch in anderer Weise ausgeführt werden
können.
