DE60126560T3 - Metall/keramik-komposit und diese verwendender Vakuumschalter - Google Patents

Metall/keramik-komposit und diese verwendender Vakuumschalter Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Metall-Keramik-Verbundkörper. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vakuumschalteinheit, die einen Metall-Keramik-Verbundkörper verwendet.
  • Eine Vakuumschalteinheit wird weit verbreitet als ein Schalter zum wahlweisen Umschalten einer Stromzuführung, um dadurch das Anlegen einer Hochspannung zu steuern, verwendet. Die Vakuumschalteinheit umfasst ein keramisches Gehäuse, innerhalb dem Kontakte angeordnet sind und das für den Zweck evakuiert ist, zu verhindern, dass ein Zündfunke durch Unterbrechen des Stroms hervorgerufen wird, um dadurch eine ausreichende Isolation zu erzielen. In einem allgemeinen Aufbau einer solchen Vakuumschalteinheit besteht das keramische Gehäuse aus einem hohlen, zylindrischen, keramischen Element und metallischen Abdeckelementen, die die gegenüberliegenden Enden des zylindrischen, keramischen Elements verschließen. Die metallischen Abdeckelemente sind an dem keramischen Element angelötet, um einen Metall-Keramik-Verbund zu bilden.
  • Eine Struktur zum Verbinden eines metallischen Elements mit einer axialen Endfläche eines zylindrischen, keramischen Elements, wobei eine hermetische Abdichtung dazwischen vorgesehen ist, ist aus einer so genannten Kantendichtungsstruktur und einer Stoßdichtungsstruktur bekannt, wie dies in der japanischen, vorläufigen Patentveröffentlichung Nr. 52-59863 offenbart ist. Das erstere ist eine Verbindung einer axialen Endfläche eines hohlen, zylindrischen, metallischen Elements mit einer axialen Endfläche eines hohlen, zylindrischen, keramischen Elements, indem ein Lot dazwischengefügt wird. Das letztere dient dazu, das hohle, zylindrische, metallische Element mit einem ringförmigen Flansch zu versehen, der sich radial nach außen von einem axialen Ende davon erstreckt, den ringförmigen Flansch auf der axialen Endfläche des keramischen Elements anzuordnen und sie zu verbinden, indem ein Lot dazwischengefügt wird. Bei der Herstellung der herkömmlichen Vakuumschalteinheit, oder dergleichen, werden die Kantendichtungsstruktur oder die Stoßdichtungsstruktur wahlweise ohne eine Beziehung zu dem Außendurchmesser und der Dicke des keramischen Elements verwendet. Zum Beispiel offenbart die japanische, vorläufige Patentveröffentlichung Nr. 52-59863 , dass ein guter Metall-Keramik-Verbund mit ein paar Defekten durch Bilden des metallischen Elements aus Kovar, oder einer ähnlichen Legierung, mit einem niedrigen Expansionskoeffizienten und unabhängig davon, ob eine Kantendichtungsstruktur oder eine Stoßdichtungsstruktur eingesetzt wird, erhalten werden kann. Weiterhin offenbart die japanische, vorläufige Patentveröffentlichung Nr. 7-172946 , dass ein guter Metall-Keramik-Verbund durch Kontrollieren des Verhältnisses der Dicke des keramischen Elements zu der Dicke eines Verbindungsbereichs des metallischen Elements und weiterhin durch Kontrollieren der linearen Expansionskoeffizienten der Materialien und des Schmelzpunkts des Lots, unter der Bedingung, dass die Stoßdichtungsstruktur eingesetzt wird, erhalten werden kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gerade wenn die Techniken, die durch die vorstehend beschriebenen, japanischen, vorläufigen Patentveröffentlichungen offenbart sind, betrachtet werden, bringt die Herstellung eines Metall-Keramik-Verbundkörpers noch ein Problem dahingehend mit sich, dass ein defektes Produkt, das extrem niedrig in der Verbindungsfestigkeit ist, dafür anfällig ist, in dem Fall erzeugt zu werden, dass sich Gegenstände, die hergestellt werden sollen, in dem äußeren Durchmesser des keramischen Elements zueinander unterscheiden, und in Abhängigkeit davon, welche der Dichtstrukturen eingesetzt wird, da sich eine Spannung an einer bestimmten Stelle eines Verbindungsbereichs zum Zeitpunkt eines Kühlens nach einem Löten aufgrund einer Differenz in dem linearen Expansionskoeffizienten zwischen dem keramischen Element und dem metallischen Element konzenriert.
  • DE 38 03 227 A1 bezieht sich auf einen Vorgang des vakuumdichten Abschließens einer keramischen Röhre. Ein kappenförmiges Dichtungselement aus Metall oder ein scheibenförmiges Dichtungselement aus Metall wird mit der keramischen Röhre mit Hilfe eines Metalllotes verbunden.
  • DE 26 33 543 A1 offenbart einen Vakuumschalter, der ein zylindrisches Element, das keramisch sein kann, und Stirnplatten aus Metall enthält, die an dem zylindrischen Element befestigt sind. DE 26 33 543 A1 konzentriert sich auf spezielle Konstruktionsdetails von Schaltern, um nachteilige Effekte zu verhindern oder zu verringern, die während des Schaltvorgangs auftreten können. Es wird eine spezielle Anordnung von Löchern in den Schaltern vorgeschlagen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Metall-Keramik-Verbundkörper zu schaffen, bei dem ein Riss, oder ein ähnlicher Defekt, nur schwer in dem Verbindungsbereich davon hergerufen wird und der eine hohe Verbindungsfestigkeit besitzt.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vakuumschalteinheit zu schaffen, die einen Metall-Keramik-Verbundkörper der vorstehenden Art verwendet.
  • Um die vorstehenden Aufgaben zu lösen, wird, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Metall-Keramik-Verbundkörper geschaffen, der die Merkmale des unabhängigen Anspruches 1 hat. Der Metall-Keramik-Verbundkörper umfasst: ein hohles, zylindrisches Keramikelement mit einer axialen Abschlussfläche, ein Metallelement mit einem flachen Plattenabschnitt, der sich um einen gesamten Umfang der axialen Abschlussfläche des Keramikelements erstreckt, wobei das Metallelement so angeordnet ist, dass eine Hauptfläche des Plattenabschnitts der axialen Abschlussfläche des Keramikelements gegenüberliegend angeordnet ist, und eine verbindende Metallschicht, die zwischen der Hauptfläche des Metallelements und der axialen Anschlussfläche des keramischen Elements angeordnet ist, und das Metallelement und das Keramikelement miteinander verbindet, um eine Stoßdichtungsstruktur zu bilden, wobei die verbindende Metallschicht und das Keramikelement an einem ringförmigen Bereich miteinander in Kontakt sind, der sich in Umfangsrichtung der axialen Abschlussfläche des Keramikelements erstreckt und eine durchschnittliche Breite W (mm) hat, und wobei die durchschnittliche Breite W und ein Außendurchmesser D (mm) des Keramikelementes D ≥ 30 und (1/6) × D ≥ W ≥ (D/30) + 2,6 erfüllen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vakuumschalteinheit geschaffen, die die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 7 hat. Die Vakuumschalteinheit umfasst: einen Metall-Keramik-Verbundkörper, in dem ein geschlossener Raum ausgebildet ist, und ein Paar Elektroden mit Kontakten, die in dem geschlossenen Raum angeordnet sind und aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden können, wobei der Metall-Keramik-Verbundkörper enthält: ein hohles zylindrisches Keramikelement, das einander gegenüberliegende axiale Abschlussflächen aufweist, ein Paar Verschlusselemente aus Metall, die die jeweiligen einander gegenüberliegenden axialen Anschlussflächen verschließen, wobei jedes der Verschlusselemente aus Metall einen flachen Plattenabschnitt aufweist, der sich über einen gesamten Umfang jeder der axialen Abschlussflächen des Keramikelements herum erstreckt, wobei jedes der Anschlusselemente aus Metall so angeordnet ist, dass eine Hauptfläche des Plattenabschnitts gegenüber jeder der axialen Abschlussflächen des Keramikelements angeordnet ist, und ein Paar verbindender Metallschichten, wobei jede der verbindenden Metallschichten zwischen der Hauptfläche jedes der Verschlusselemente aus Metall und jeder der axialen Abschlussflächen des Keramikelements angeordnet ist und jedes der Verschlusselemente und das Keramikelement miteinander verbindet, um eine Stoßdichtungsstruktur zu bilden, wobei jede der verbindenden Metallschichten und das Keramikelement an einem ringförmigen Bereich miteinander in Kontakt sind, der sich in Umfangsrichtung jeder der axialen Abschlussflächen des Keramikelements erstreckt und eine durchschnittliche Breite W (mm) hat, und wobei die durchschnittliche Breite W und ein Außendurchmesser D (mm) des Keramikelements D ≥ 30 und (1/6) × D ≥ W ≥ (D/30) + 2,6 erfüllen. Weitere Details sind aus den Ansprüchen zu ersehen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Schnittansicht eines Vakuumschalters, in dem ein Metall-Keramik-Verbundkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist;
  • 2 zeigt eine schematische Teilschnittansicht eines Metall-Keramik-Verbundkörpers, bei dem ein Keramikelement und ein Metallelement miteinander so verbunden sind, um eine Stoßdichtungsstruktur zu bilden;
  • 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Verbindungsabschnitts des Metall-Keramik-Verbundkörpers der 2;
  • 4A und 4B zeigen schematische Teilschnittansichten eines Bereichs des Metall-Keramik-Verbundkörpers der 2, um zu zeigen, wie die Breite W eines Verbindungs bereichs eine Verbindung zwischen einem Keramikelement und einem Metallelement, die so miteinander verbunden sind, um eine Stoßdichtungsstruktur zu bilden, beeinflusst; und
  • 5A und 5B zeigen Ansichten, um Abläufe zum Herstellen einer Stoßdichtungsstruktur darzustellen.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • In 1 ist eine Vakuumschalteinheit, die einen Metall-Keramik-Verbundkörper gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt, allgemein mit 50 bezeichnet. Die Vakuumschalteinheit 50 umfasst ein Gehäuse 53, das ein hohles, zylindrisches Keramikelement 55 umfasst. Innerhalb des Keramikelements 55 ist ein zylindrisches Abschirmelement 54, das hohl ist, zylindrisch ist und aus Metall hergestellt ist, angeordnet. Auf der Innenumfangsfläche des Keramikelements 55 ist ein ringförmiger Vorsprung 12, der sich in Umfangsrichtung des Keramikelements 55 erstreckt, gebildet. An der inneren Umfangsfläche des ringförmigen Vorsprungs 12 ist die äußere Umfangsfläche des Abschirmelements 54 über eine Lotschicht (nicht dargestellt) verbunden. Das Keramikelement 55 ist zum Beispiel aus einer Aluminiumoxidkeramik (z. B. einer Keramik, die 92 Gew.-% an Aluminiumoxid enthält) hergestellt und deren äußere Oberfläche ist durch eine Glasurschicht (nicht dargestellt) abgedeckt.
  • Die gegenüberliegenden, axialen Enden des Keramikelements 55 sind durch metallische Abdeckelemente 57 und 57 so umschlossen, dass ein geschlossener Raum 11 innerhalb des Keramikelements 55 gebildet ist. Die metallischen Abdeckelemente 57 und 57 sind an den gegenüberliegenden, axialen Endflächen des Keramikelements 55 so angelötet, um jeweils Stoßdichtungsstrukturen zu bilden. Die metallischen Abdeckelemente 57 und 57 sind, wie in 2 dargestellt ist, allgemein von der Form einer kreisförmigen Platte, so dass die äußeren Umfangsbereiche der metallischen Abdeckelemente 57 und 57, die gegenüberliegend zu den axialen Endflächen 55a des keramischen Elements 55 angeordnet sind, so angeordnet sind, um sich entlang des gesamten Umfangs der axialen Endflächen 55a zu erstrecken. Jedes metallische Umhüllungselement 57 besitzt an einer Seite und an einem äußeren Umfangsbereich davon eine Hauptfläche, an der es an der axialen Endfläche 55a des keramischen Elements 55 mittels eines Verbindungsmetalls oder einer Lotschicht 15 so angelötet ist, um die Stoßdichtungsstruktur zu bilden.
  • Dabei sind die metallischen Abdeckelemente 57 und 57 aus einer Fe-Ni-Co-Legierung, z. B. Kovar (Handelsname; Fe-Ni-Co-Legierung, die 29 Gew.-% an Ni, 17–18 Gew.-% an Co und der Rest Fe enthält) hergestellt. Allerdings können die metallischen Abdeckelemente 57 und 57 auch in anderer Weise aus rostfreiem Stahl, einer Cu-Legierung, usw., hergestellt sein. Die Lotschicht 15 ist aus einer Ag-Cu-Legierung so hergestellt, dass eine Reaktionsschicht, die aus einer Reaktion einer aktiven Metallkomponenten (z. B. Ti oder dergleichen) mit Keramik resultiert, zwischen dem Keramikelement 55 und der Lotschicht 15 gebildet ist.
  • Dann wird innerhalb des geschlossenen Raums 11 eine stationäre Elektrode 4 angeordnet, die sich durch ein metallisches Abdeckelement 57 hindurch erstreckt. Die stationäre Elektrode 4 besitzt einen Anschlussabschnitt 52 auf der stationären Seite an einer ersten Endseite, die außerhalb des geschlossenen Raums 11 angeordnet ist. Andererseits besitzt die stationäre Elektrode 4 einen Schaltkontakt 61 auf der stationären Seite an einer zweiten Endseite, die innerhalb des geschlossenen Raums 11 angeordnet ist. Weiterhin ist eine bewegbare Elektrode 5 vorgesehen, die sich durch das andere, metallische Abdeckelement 57 erstreckt, und ist axial entlang der axialen Richtung O des zylindrischen Keramikelements 55 bewegbar. Die bewegbare Elektrode 5 besitzt eine erste Endseite, die außerhalb des geschlossenen Raums 11 angeordnet ist, einen Anschlussabschnitt 56 auf der bewegbaren Seite, und an einer zweiten Endseite angeordnet, die innerhalb des geschlossenen Raums 11 liegt, eine bewegbare Seite des Schaltkontakts 60, der zu dem stationären Schaltkontakt 61 hin und davon weg bewegbar ist, um dadurch in Kontakt damit und aus einem Kontakt davon gebracht zu werden. Das Abschirmelement 54 ist innerhalb des Keramikelements 55 so angeordnet, um den Schaltkontakt 61 auf der stationären Seite und den Schaltkontakt 60 auf der bewegbaren Seite zu umgeben. Die Elektrode 5 auf der bewegbaren Seite besitzt Metallbälge 58, die sich zusammenziehen und expandieren, um den Kontakt 60 auf der bewegbaren Seite zu dem Kontakt 61 auf der stationären Seite hin und davon weg zu bewegen.
  • Die Lotschicht 15 besitzt, wie die 3 und 4A und 4B zeigen, einen ringförmigen oder ringartigen Verbindungsbereich mit einer durchschnittlichen, radialen Breite W (mm), an dem er in Kontakt mit der axialen Endfläche 55a des zylindrischen Keramikelements 55 gebracht wird. Die durchschnittliche Breite W (mm) und der äußere Durchmesser D (mm) (siehe 2) des zylindrischen, keramischen Elements 55 werden so festgelegt, um D ≥ 30 (1); und (1/6) × D ≥ W ≥ (D/30) + 2,6 (2)zu erfüllen.
  • Weiterhin sind an der inneren und der äußeren Umfangskante der Fläche 55a des axialen Endes des zylindrischen Keramikelements 55 Abfasungen 55t und 55t gebildet. In Verbindung hiermit kann nur eine Fase 55t an entweder der inneren oder der äußeren Kante der axialen Endfläche 55a gebildet werden. Dabei wird die Breite W des Verbindungsbereichs der Lotschicht (die verbindende Metallschicht) 15 in Bezug auf eine Figur, die auf eine Projektionsebene projiziert ist, die senkrecht zu der Mittenachse edes zylindrischen Keramikelements 55 liegt, und so, um die Breite W, gemessen entlang einer Linie, die sich durch die Mittenachse O erstreckt und radial dazu liegt, darzustellen, festlegt.
  • Die Bedeutung des Ausdrucks (2) wird im Detail nachfolgend beschrieben. Entsprechend den Untersuchungen, die durch den Erfinder durchgeführt wurden, wurde festgestellt, dass, wie in 3 dargestellt ist, ein Riss oder ein ähnlicher Defekt C des zylindrischen Keramikelements 55 leicht an einer Position benachbart zu der äußeren oder der inneren Kante des Verbindungsbereichs zum Zeitpunkt eines Abkühlens nach einem Löten auftrat. Insbesondere in dem Fall, dass die Lotschicht 15 einen überlegenden Bereich 15a (d. h. einen Bereich der Lotschicht 15, der außerhalb einer zylindrischen Fläche angeordnet ist, die eine Achse besitzt, die mit der Achse O übereinstimmt und die innere Umfangskante 55e umfasst) besitzt, der über die Fase 55t gelegt ist, wurde die Spannungskonzentration noch stärker und ein Riss oder ein ähnlicher Defekt C wurde wahrscheinlicher verursacht, wenn der überlegende Bereich 15a im Volumen größer wurde. Folglich ist es, um einen solchen Riss oder den entsprechenden Defekt C zu verhindern, wichtig, den überlegenden Bereich 15a im Volumen kleiner zu machen.
  • Die metallische Hauptfläche des metallischen Abdeckelements 55 ist, wie in 2 dargestellt ist, in dem Fall, dass die Stoßdichtungsstruktur eingesetzt wird, nahezu parallel zu der gesamten, axialen Endfläche des zylindrischen Keramikelements 55 positioniert. Folg lich ist der Umfang 15p der Lotschicht 15, der sich zwischen der Hauptfläche des metallischen Verschlusselements 57 und dem äußeren Umfang der axialen Endfläche 55a des zylindrischen Keramikelements 55 erstreckt, d. h. die Phase 55t, konkav gekrümmt, wenn sie in einem Schnitt betrachtet wird. Unter der Annahme, dass ein Kehlnahtwinkel ϕ ein Winkel ist, der in dem Schnitt gebildet ist, der durch die Ebene vorgenommen ist, die die Mittenachse des zylindrischen Keramikelements 55 umfasst, zwischen der Fase 55t und der Tangenten P, die tangential zu dem gekrümmten Umfang 15p an der Verbindung zwischen dem gekrümmten Umfang 15p und der Fase 55t liegt, hat der Kehlnahtwinkel ϕ die Tendenz dazu, dass er groß wird. In diesem Fall ist es, da das geschmolzene Lot, besonders zum Zeitpunkt des Lötens, zu der äußeren Umfangskante der Hauptfläche des metallischen Abdeckelements 57 hin gezogen wird, d. h. nahezu parallel zu der axialen Endfläche 55a des zylindrischen, keramischen Elements 55, wahrscheinlich, dass das Lot zu der Seite der Fase 55t fließt und deshalb ist es wahrscheinlich, dass der überlegende Bereich 15a der Lotschicht 15 größer wird.
  • Demzufolge wird davon ausgegangen, dass, in dem Fall, dass die Dicke T des zylindrischen Keramikelements 55 kleiner gemacht wird, d. h. die Breite W des Verbindungsbereichs wird kleiner gemacht, wie dies in 4B dargestellt ist, ein Zusammenziehen der Lotschicht 15 aufgrund einer Oberflächenspannung nicht so stark hervorgerufen wird, und deshalb wird, wie dies unter Bezugnahme auf 3 beschrieben worden ist, der überlegende Bereich 15a im Volumen größer, so dass ein Riss, oder ein ähnlicher Defekt C, wahrscheinlicher hervorgerufen wird. Allerdings wird, in dem Fall, dass die Dicke T des zylindrischen Keramikelements 55 in einem bestimmten Umfang groß ist, d. h. die Breite W des Verbindungsbereichs ist in einem solchen Umfang groß, wie dies in 4A dargestellt ist, das Lot expandiert, während es dünner wird. Folglich wird eine zusammenziehende Wirkung des geschmolzenen Lots aufgrund einer Oberflächenspannung größer, so dass der überlegende Bereich 15a im Volumen nicht so groß wird. Das Volumen des überlegenden Bereichs 15a kann, wie vorstehend beschrieben worden ist, indem die Breite W des Verbindungsbereichs größer als der untere Grenzwert Wmin (= D/30 + 2,6) gemacht wird, geeignet klein gemacht werden. Als eine Folge wird es möglich, einen Riss oder einen ähnlichen Defekt aufgrund einer Spannungskonzentration effektiv zu verhindern, und deshalb ist es möglich, einen Metall-Keramik-Verbundkörper zu erhalten, der eine hohe Verbindungsfestigkeit besitzt. Dabei wird die Breite W des Verbindungsbereichs auf einen Wert kleiner als die obere Grenze Wmax, die durch Wmax = (1/6) × D (mm) ausgedrückt ist, eingestellt, so dass eine übermäßige Erhöhung des Gewichts des zylindrischen keramischen Elements 55 und ein Fehlen eines Raums für den geschlossenen Raum 11 nicht hervorgerufen werden.
  • Dann ist es wünschenswert, die Dicke t (mm) des Metallabdeckelements 57 so zu bestimmen, dass (1/120) × D ≤ t ≤ 3 erfüllt wird. Wenn die Dicke t den Wert von 3 mm übersteigt, wird die Spannungskonzentration an der Seite des Keramikelements 55 zu der Kontraktion des Metallelements erhöht, so dass ein Riss oder ein entsprechender Defekt in einigen Fällen verursacht wird. Weiterhin ist es, wenn die Dicke t des metallischen Abdeckelements 57 größer als (1/120) × D wird, schwierig, dass das metallische Abdeckelement 57 die erwünschte Festigkeit besitzt.
  • Dabei ist der Metall-Keramik-Verbundkörper nicht auf die Verwendung in einer Vakuumschalteinheit begrenzt, sondern kann bei anderen Vorrichtungen angewandt werden, z. B. einem Wärmetauscher.
  • [Beispiel]
  • Gesinterte Aluminiumoxidkörper (d. h. ein gesinterter Körper, der aus einer Keramik gebildet ist, die 92 Gew.-% Aluminiumoxid enthält), die verschiedene äußere Durchmesser D (mm) und verschiedene innere Durchmesser d (mm), dargestellt in Tabelle 1, haben, wurden als das zylindrische Keramikelement 55 präpariert. Jeder gesinterte Aluminiumoxidkörper ist mit einer Fase von 0,25 mm an sowohl der inneren als auch der äußeren Umfangskante ausgebildet. Eine metallisierende Paste, die Mo-Mn-Legierungspulver enthält, wird auf die gegenüberliegenden axialen Endflächen des zylindrischen Keramikelements aufgebracht und bei der Temperatur von 1.400°C eingebrannt. Danach werden die metallisierten axialen Endflächen des zylindrischen Keramikelements 55 mit Ni galvanisiert, um eine Metallisierungsschicht 104 zu bilden, wie dies in 5A dargestellt ist. Das metallische Hüllelement 57, wie es in 5B dargestellt ist, hergestellt aus Kovar und mit der Dicke, die entsprechend dem Durchmesser verschiedenartig festgelegt ist, wird auf der axialen Abschlussfläche des zylindrischen Keramikelements 55 angeordnet, indem dazwischen ein eutektischer Ag-Cu-Lot-(Legierung, die 28 Gew.-% Cu und den Rest Ag ent hält)-Film 105 angeordnet und darauf bei einer Temperatur von 830°C angelötet wird, um die Stoßdichtungsstruktur zu bilden. Dabei wird die Breite W des Verbindungsbereichs durch die Größe des Lotfilms 105 eingestellt. Das Aussehen der Verbindungsbereiche der so erhaltenen Beispiele wurde betrachtet, um zu prüfen, ob ein Riss oder ein ähnlicher Defekt in dem zylindrischen Keramikelement 55 hervorgerufen wurde. Ein Beispiel, in dem kein Riss oder ein ähnlicher Defekt gefunden wurde, ist mit O, ein Beispiel, in dem Risse oder ähnliche Defekte, obwohl nur ein paar wenige, gefunden wurden, ist mit Δ angegeben, und ein Beispiel, in dem eine Anzahl von Rissen oder ähnlicher Defekte vorgefunden wurde, ist mit X angegeben. Das Testergebnis ist in Tabelle 1 dargestellt.
  • Anhand des Testergebnisses wird gesehen werden, dass nur selten irgendein Riss oder ein ähnlicher Defekt verursacht wird, wenn die Breite W des Verbindungsbereichs gleich zu oder größer als Wmin = (D/30) + 2,6 (mm) beträgt. Andererseits wird ersichtlich werden, dass das Auftreten eines Risses oder eines ähnlichen Defektes dann verstärkt auftritt, wenn die Breite W des Verbindungsbereichs kleiner als Wmin ist.
  • Zu dem Vorstehenden muss darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung als ein Ergebnis einer umfangreichen Untersuchung gemacht wurde, die durch den Anmelder durchgeführt wurde, der die Beziehung zwischen der Verbindungsstruktur (d. h. Kantendichtstruktur oder Stoßdichtungsstruktur) und der Größe des keramischen Elements zum Zeitpunkt eines Verbindens des metallischen Elements mit dem zylindrischen Keramikelement mittels der verbindenden Metallschicht feststellte. Hierbei wurde herausgefunden, dass in dem Keramikelement mit dem Außendurchmesser von 30 mm oder größer, das weit verbreitet in einer allgemeinen Vakuumschalteinheit verwendet wird (der vorstehend beschriebene Zustand (1)), ein Defekt, wie beispielsweise ein Riss oder ein entsprechender Defekt, wahrscheinlich an den inneren und äußeren Kanten des Verbindungsbereichs des zylindrischen Keramikelements in dem Fall verursacht wurde, bei dem die Breite des Verbindungsbereichs relativ klein verglichen mit dem Außendurchmesser D war. Als Folge einer weiteren Untersuchung wurde festgestellt, dass ein solcher Riss oder der entsprechende Deffekt wahrscheinlicher dann verursacht wurde, wenn, mit den vorstehend beschriebenen zwei Dichtungsstrukturen, die Stoßdichtungsstruktur eingesetzt wurde.
  • Allerdings erfordert die Kantendichtungsstruktur unvermeidbar, dass das Metallelement einen hohlen, zylindrischen Abschnitt besitzt, wobei an einem Ende davon das metallische Element stumpf mit einem Keramikelement verbunden wird. Da eine Vakuumschalteinheit oder die entsprechende Vorrichtung ein metallisches Abdeckelement erfordert, um einen umschlossenen, inneren Raum zusätzlich zu dem metallischen Element, das den hohlen, zylindrischen Bereich besitzt, zu bilden, führt dies zu der Notwendigkeit einer erhöhten Anzahl von Bauteilen und einer erhöhten Arbeitsstundenzahl, und deshalb führt dies zu der Erhöhung der Herstellungskosten. Im Gegensatz hierzu erfordert die Stoßdichtungsstruktur zum Beispiel nur ein metallisches Element in der Form einer Abdeckung, das an einer axialen Endfläche eines Keramikelements verbunden werden muss, indem dazwischen eine Lotschicht zwischengefügt wird. Folglich ist die Stoßdichtungsstruktur relativ einfacher und kann die erforderliche Stundenzahl verringern, d. h. die Stumpfdichtungsstruktur besitzt ein Merkmal, das die Kantendichtungsstruktur nicht besitzt.
  • Demzufolge wurden Experimente nur in Bezug auf die Stumpfdichtungsstruktur durchgeführt, um weitere, detaillierte Untersuchungen über die Bedingungen vorzunehmen, bei denen der Riss oder der ähnliche Defekt auftrat. Hierbei wurde herausgefunden, dass in dem Fall, dass die Dicke des Keramikelements in einem gewissen Umfang in Bezug auf den Durchmesser D davon größer gemacht werden könnte und daraus resultierend die Breite W des Verbindungsbereichs gleich zu oder größer als ein bestimmter Grenzwert gemacht werden könnte, genauer gesagt eines unteren Grenzwerts Wmin, der durch Wmin = D/30 + 2,6 ausgedrückt ist, ein Riss oder der ähnliche Defekt nur selten an den inneren und äußeren Enden des Verbindungsbereichs gerade dann auftreten würde, wenn die Stoßdichtungsstruktur eingesetzt wird, und deshalb wurde ein Metall-Keramik-Verbundkörper erhalten, der eine hohe Verbindungsfestigkeit besaß. Auf diese Art und Weise wurde die vorliegende Erfindung gemacht. Weiterhin wird es, durch Anwenden eines solchen Verbundkörpers bei einer Vakuumschalteinheit, möglich, die Haltbarkeit des Verbindungsbereichs zwischen dem Keramikelement und dem metallischen Abdeckelement zu erhöhen, was es demzufolge möglich macht, eine Vakuumschalteinheit zu erhalten, die eine lange Lebensdauer besitzt und nur selten eine Leckage verursacht. Weiterhin kann ein Verringern des Verbindungsdefekts zu einer wesentlich höheren Ertragsrate führen.
  • Wenn die Breite W des Verbindungsbereichs kleiner als das vorstehend beschriebene Wmin wurde, wurde der vorstehend beschriebene Defekt des Verbindungsbereichs häufiger hervorgerufen, was zu einer verringerten Ertragsrate aufgrund einer Erhöhung der Rate eines Auftretens des defekten Produkts aufgrund des Fehlens der Festigkeit an dem Verbindungsbereich, oder dergleichen, führte. Andererseits wurde in dem Fall, dass die Breite W des Verbindungsbereichs größer als der obere Grenzwert Wmax war, der durch Wmax = (1/6) × D (mm) ausgedrückt wurde, die Dicke des Keramikelements zu groß verglichen mit dem Außendurchmesser D, was demzufolge eine Erhöhung der Materialkosten und des Gewichts hervorrief. Weiterhin verursachte dies, in dem Fall, dass das Keramikelement als ein Gehäuse einer Vakuumschalteinheit verwendet wurde, ein Fehlen des Raums zum Anordnen der notwendigen Teile, wie beispielsweise Elektroden.
  • Obwohl die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsform, die vorstehend beschrieben ist, beschränkt. Modifikationen und Variationen der Ausführungsform, die vorstehend beschrieben ist, werden für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet im Hinblick auf die vorstehenden Lehren ersichtlich werden. Der Schutzumfang der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Ansprüche definiert.
  • Figure 00130001

Claims (11)

  1. Metall-Keramik-Verbundkörper (53), der umfasst: ein hohles zylindrisches Keramikelement (55) mit einer axialen Abschlussfläche (55a); ein Metallelement (57) mit einem flachen Plattenabschnitt, der sich um einen gesamten Umfang der axialen Abschlussfläche (55a) des Keramikelementes (55) herum erstreckt, wobei das Metallelement (57) so angeordnet ist, dass eine Hauptfläche des Plattenabschnitts der axialen Abschlussfläche (55a) des Keramikelementes (55) gegenüber liegend angeordnet ist; und eine verbindende Metallschicht (15), die zwischen der Hauptfläche des Metallelementes (57) und der axialen Abschlussfläche (55a) des Keramikelementes (55) angeordnet ist und das Metallelement (57) sowie das Keramikelement (55) miteinander verbindet, um eine Stossdichtungsstruktur zu bilden; wobei die verbindende Metallschicht (15) und das Keramikelement (55) an einem ringförmigen Bereich miteinander in Kontakt sind, der sich in Umfangsrichtung der axialen Abschlussfläche (55a) des Keramikelementes (55) erstreckt und eine durchschnittliche Breite W (mm) hat; und wobei die durchschnittliche Breite W und ein Außendurchmesser D (mm) des Keramikelementes (55) D ≥ 30; und (1/6) × D ≥ W ≥ (D/30) + 2,6,erfüllen, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikelement (55) innere und äußere Fasen (55t, 55t) an Innen- und Außenumfangsrändern der Abschlussfläche (55a) aufweist, wobei die verbindende Metallschicht (15) wenigstens einen Abschnitt der äußeren Fase (55t) überlappt.
  2. Metall-Keramik-Verbundkörper (53) nach Anspruch 1, wobei der Plattenabschnitt des Metallelementes (57) die Dicke t (mm) hat, die (1/120) × D ≤ t ≤ 3,erfüllt.
  3. Metall-Keramik-Verbundkörper (53) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Keramikelement (55) einen Teil eines Gehäuses (53) einer Vakuumschalteinheit (50) bildet.
  4. Metall-Keramik-Verbundkörper (53) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die verbindende Metallschicht (15) aus Lot besteht.
  5. Metall-Keramik-Verbundkörper (53) nach Anspruch 4, wobei das Lot eutektisches Ag-Cu Lot ist.
  6. Metall-Keramik-Verbundkörper (53) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das Keramikelement (55) aus Aluminiumoxidkeramik besteht und das Metallelement (57) aus Fe-Ni-Co-Legierung besteht.
  7. Vakuumschalteinheit (50), die umfasst: einen Metall-Keramik-Verbundkörper (53), in dem ein geschlossener Raum (11) ausgebildet ist; und ein Paar Elektroden (52, 56) mit Kontakten (61, 60), die in dem geschlossenen Raum (11) angeordnet sind und aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden können; wobei der Metall-Keramik-Verbundkörper (53) enthält: ein hohles zylindrisches Keramikelement (55), das einander gegenüberliegende axiale Abschlussflächen (55a, 55a) aufweist; ein Paar Verschlusselemente (57, 57) aus Metall, die die jeweiligen einander gegenüberliegenden axialen Abschlussflächen (55a, 55a) verschließen, wobei jedes der Verschlusselemente (57, 57) aus Metall einen flachen Plattenabschnitt aufweist, der sich über einen gesamten Umfang jeder der axialen Abschlussflächen (55a, 55a) des Keramikelementes (55) herum erstreckt, wobei jedes der Verschlusselemente (57, 57) aus Metall so angeordnet ist, dass eine Hauptfläche des Plattenabschnitts gegenüber jeder der axialen Abschlussflächen (55a, 55a) des Keramikelementes (55) angeordnet ist; und ein Paar verbindender Metallschichten (15, 15), wobei jede der verbindenden Metallschichten (15, 15) zwischen der Hauptfläche jedes der Verschlusselemente (57, 57) aus Metall und jeder der axialen Abschlussflächen (55a, 55a) des Keramikelementes (55) angeordnet ist und jedes der Verschlusselemente (57, 57) aus Metall und das Keramikelement (55) miteinander verbindet, um eine Stossdichtungsstruktur zu bilden; wobei jede der verbindenden Metallschichten (15, 15) und das Keramikelement (55) an einem ringförmigen Bereich miteinander in Kontakt sind, der sich in Umfangsrichtung jeder der axialen Abschlussflächen (55a, 55a) des Keramikelementes (55) erstreckt und eine durchschnittliche Breite W (mm) hat, wobei die durchschnittliche Breite W und ein Außendurchmesser D (mm) des Keramikelementes (55) D ≥ 30; und (1/6) × D ≥ W ≥ (D/30) + 2,6,erfüllen, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikelement (55) innere und äußere Fasen (55t, 55t) an Innen- und Außenumfangsrändern jeder der axialen Abschlussflächen (55a, 55a) aufweist, wobei jede der verbindenden Metallschichten (15, 15) wenigstens einen Abschnitt der äußeren Fase (55t, 55t) überlappt.
  8. Vakuumschaltereinheit (50) nach Anspruch 7, wobei der Plattenabschnitt jedes der Verschlusselemente (20) aus Metall die Dicke t (mm) hat, die (1/120) × D ≤ t ≤ 3, erfüllt.
  9. Vakuumschaltereinheit (50) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die verbindenden Metallschichten (15, 15) aus Lot bestehen.
  10. Vakuumschaltereinheit (50) nach Anspruch 9, wobei das Lot eutektisches Ag-Cu-Lot ist.
  11. Vakuumschaltereinheit (50) nach einem der Ansprüche 7–10, wobei das Keramikelement (55) aus Aluminiumoxidkeramik besteht und die Verschlusselemente (57, 57) aus Metall aus Fe-Ni-Co-Legierung bestehen.
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