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Glas-Metall-Verschmelzung Die I_rfirrdung bezieht sich auf Glas-Metall-Verschmelzungen
für hochvakuumdichte, durch das Einschmelzglas isolierte Einführungen von vorzugsweise
einigen Millimetern starken Metalldrähten, -Stäben oder -rohren (Innenleiter) in
Metallgehäuse (Außenleiter), bei @velchen der pfropfenförmige, von (lern Innenleiter
durchsetzte Glasteil nur über einen Teil, insbesondere den mittleren Teil seiner
axialen Länge hinweg mit dem Außenleiter verschmolzen ist.
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Derartige Glasdurchführungen, die vorzugsweise hei Kondensatoren,
Trockengleichrichtern und ähnlichen Apparaten der Elektrotechnik Verwendung finden,
sind bereits in verschiedenen Ausführungsforinen bekannt. Im wesentlichen unterscheidet
man Scheibendurchführungen (:11)h. i), Ringdurchführungen (Abb. 2) und Kappendurchführungen
(Abb.3). Bei diesen bekannten, in. den Abb. i bis 3 schematisch gezeigten Ausführungsformen
ist durchweg ein ringförmiger bzw. ringscheibenförmiger Außenleiter i vorgesehen,
in den zentral der z. B. in Form eines Röhrchens ausgebildete Innenleiter 2 mittels
des im wesentlichen pfropfenförmigen Glaskörpers 3 eingeschmolzen ist. Kennzeichnend
für diese bekanntenVerschmelzungen ist, daß das Metall (die Teile i und 2) und das
Glas (der Teil 3) nahezu gleich große Wärmedehnungszahlen besitzen und daß der Glasteil
3 beiderseits über den Außenleiter i hinausragt. Als Metall bzw. als Metallegierung
hat man bisher in erster Linie Kovar verwendet, welches im allgemeinen aus 54 %
Eisen, 29 % Nickel,
1 7 Q/o Kobalt und Spuren von Kohlenstoff und
Mangan besteht. An Stelle von Kovar wurde auch ,5oo/oiges Nickeleisen vorgesehen.
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Der Einbau einer solchen Glasdurchführung, z. B. iii einen Kondensatorbecher,
erfolgt in der Weise, claß die von Glas freien Teile des Außen- und Innenleiters
verzinnt werden und daran anschließend .die Glasdurchführung in die Wand des Bechers
weich eingelötet wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Glasdurchführungen
zu schaffen, deren äußere Form im wesentlichen mit der der vorstehend beschriebenen
übereinstimmt, deren Metallteile jedoch von Kobalt, Nickel oderentsprechenden iLegierungszusätzen
frei sind. Dabei sollen die Durchführungen denselben Anforderungen wie die bekannten
genügen. Diese Anforderungen sind: i. die Glasdurchführungen müssen völlig vakuumdicht
sein; 2. die Glasdurchführungen müssen der thermischen Beanspruchung des Verzinnens
und Lötens gewachsen sein; 3. die Glasdurchführungen müssen beider Prüfung und im
Betrieb Temperaturen zwischen --6o° und + i--o° vertragen; q.. das Glas muß hinsichtlich
Durchschlagsfestigkeit, Überschlagssicherheit und Isolationsvermögen den elektrischen
Anforderungen bei der Prüfung und im Betrieb genügen.
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Gemäß .dem Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung erhält man eine
Glasdurchführung, deren Metallteile frei von Nickel, Kobalt oderentsprechenden .Legierungszusätzen
sind und die diesen Anforderungen genügt, indem man sowohl für den Außenleiter als
auch für den Innenleiter der Durchführung kohlenstoffarmes (C-Gehalt unter o, i
5 "/o) unlegiertes Eisen wählt, dessen Wärmedehnungszehl wesentlich größer (30 "/o
oder mehr) als die des Glases ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird vorzugsweise unlegiertes
Eisen mit einem geringen Mangangehalt verwendet. Der Mangangehalt ist so klein zu
wählen, daß er die Wärmedehnungszahl des unlegierten Eisens praktisch nicht verändert.
Andererseits ist der Mangangehalt.so groß zu wählen, daß die Haftfähigkeit bzw.
die Benutzungsfähigkeit des Glases am unlegierten Eisen sichergestellt i,st.
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Durch eingehende Versuche ist festgestellt worden, daß unlegiertes
Eisen mit einem Mangangehalt von o,io bis i,5o "/o diesen Anforderungen genügt.
Dieser Mangangehalt ist bzw. kann dem Eisen gleich bei der Herstellung oder 'nachträglich
zul;esetzt werden.
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An sich sind großflächige Metall-Glas-Verschmelzungen bekannt, bei
denen der Wärmeau:sdehnungskoeffizient des Glasteiles um 20 "/" oder mehr unter
dem des äußeren Metallteiles liegt und bei denen der äußere Metallteil aus kohlenstdffarmen,
praktisch reinem Eisen besteht. Bei diesen bekannten Glasdurchführungen (Pfropfeneinschmelzungen)
ist kennzeichnend, daß der äußere Metallring in axialer Richtung beiderseits über
den Glasteil hinausragt und daß für den Innenleiter ein Metall bzw. eine Metallegierung
gewählt wird, deren Wärmeausdehnungszahl mit der des Glasteiles praktisch übereinstimmt.
Das Hinausragen des Außenleiters über den pfropfenförmi,gen Glaskörper bringt eine
Vergrößerung der Bauhöhe mit sich, die in vielen Fällen nicht tragbar ist. Die neuen
Glas-Metall-Verschmelzungen sind von diesem Nachteil frei.
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Der Vorteil der neuen Glas-Metall-Verschmelzungen gegenüber den eingangs
an Hand der Abb. i bis 3 erläuterten bekannten Verschmelzungen besteht nicht nur
darin, daß man Nickel oder Kobalt einspart, sondern ist vor allem auch dadurch gegeben,
d.aß der äußere Metallteil, d. h. der Außenleiter, aus demselben Metall herstellbar
ist wie der Teil des Metallgehäuses, mit dem der Außenleiter beispielsweise durch
Löten oder Schweißen verbunden ist. Demzufolge kann man die neuen Durchführungen
auch unmittelbar in die Eisenwandung des jeweils vorliegenden Apparates oder Gerätes
einschmelzen. Letzteres ist z. B. von Vorteil bei Stahlrundfunkröhren, bei denen
man bisher die Durchführungen so hergestellt hat, daß man in den Eisenboden der
Röhre kleine Hülsen aus Kovar oder einer hinsichtlich der Wärmeausdehnungszahl (lern
verwendeten Glas entsprechenden Metalllegierung hart eingelötet und in diese den
Durchführungsleiter eingeschmolzen hat. Bei Verwendung der neuen Glas-Metall-Verschmelzungen
ist es im Gegensatz hierzu möglich, die Durchführungen direkt in den eisernen Boden
der Röhre ohne Zwischenmetall einzuschmelzen. Durch die Erfindung werden also ganz
neue konstruktive Möglichkeiten eröffnet.
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Für . die Eisenteile der neuen Glas-Metall-Verschmelzungen kann man
als Ausgangsmaterial Sonderwerkstoffe mit niedrigem Kohlenstoffgehalt verwenden.
Beispielsweise genannt seien vakuumgeschmolzene Reineisen oder reines Sintereisen.
Es ist aber auch möglich, kohlenstoffarme Eisensorten aus .der technischen Großerzeugung,
wie Armco-Eisen, St. C io.6i, oder sonstige kohlenstoffarme Oualitäten, wie z. B.
Ziehblech, Tiefziehblech usw., zu verwenden. Diese Eisensorten können bekanntlich
einen mehr oder weniger großen Gehalt an Silicium aufweisen. Eisensorten mit einem
Si-Gehalt bis zu o,2 "/o sind bei den neuen Glasdurchführungen praktisch erprobt
worden. Erforderlichenfalls kann der Kohlenstoffgehalt des Eisens durch eine Glühung
in Wasserstoff mit einem Zusatz von Wasserdampf herabgesetzt werden und ist der
Mangangehalt des Eisens durch Zementieren auf den angegebenen Betrag zu erhöhen.
Letzteres ist imsbesondere beim Arbeiten mit Armco-Eisen erforderlich. Ferner ist
es zweckmäßig, die Oberfläche des Verschmelzungsmetalls aufzurauhen, um eine feste
Bindung des Glases zu erreichen, was z. B. durch Sandstrahlen oder durch Beizen
erfolgen kann. Wenn die Aufrauhung der Eisenteile durch Beizen erfolgt, hat man
darauf zu achten, daß der beim Beizen aufgenommene Wasserstoff wieder entfernt wird,
um zu verhindern, daß bei der Herstellung der Verschmelzung Blasen auftreten. Der
Kohlenstoffgehalt des Eisens kann durch Entkahlu.ngsglühung bis auf o,oi "/o gesenkt
werden.
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Die Wärmedehnungszahl der unlegierten Eisenteile bei einer praktisch
erprobten neuen Glas-Metall-
Verschmelzung beträgt 14 bis
15 # lote zwischen 5o und 400'. Für den Glasteil wurden hierbei mit Erfolg
Bleigliiser mit Wärmedehnungszahlen zwischen 9,1 bis 1o,5 ' 1o-8 zwischen
5o und 400° verwendet.
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In den A1)b.4 bis 7 sind maßstäblich einige praktisch erprobte Ausführungsbeispiele
der neuen Glas - ldetall - Verschmelzungen dargestellt. Diese Ausführungsbeispiele
weisen alle die gleiche Grundform, nämlich die einer Ringdurchführung, und dieselbe
Bauhöhe auf. Sie unterscheiden sich in der Hauptsache hinsichtlich der Größe des
Kriechweges zwischen dem Außenleiter 4 und dem Innenleiter 5, gemessen entlang der
Oberfläche des Glasteiles 6. Weiter ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 7
der äußere Metallteil bzw. der AuBenleiter4 mit einem Flansch , versehen, an den
sich die Wandung des Apparates oder des Gerätes anschließt, in welches die Durchführung
eingesetzt wird. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Abb.4 bis 6 wird dagegen
die Wandung des betreffenden elektrischer Apparates oder Gerätes unmittelbar an
die Außenseite im wesentlichen zylindrischen Teiles 4 angesetzt.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Die Erfindung kann z. B. auch auf die in den Abb. 1 und 3 gezeigten
Scheiben- bzw. Kappendurchführungen angewendet werden. Weiter kann an Stelle des
rdhrenförinigen Innenleiters 4 auch ein massiver Metalldraht vorgesehen sein. Schließlich
kännen auch Abmessungen der verwendeten Metall- und Glasteile in weiten Grenzen
abweichend von denen der in den Abbildungen dargestellten Anordnungen gewählt werden.
Unter Zugrundelegung der Ausführungsform und der Bauhöhe der in den Abb. 4 bis 7
dargestellten Beispiele kann z. B. die Wandstärke des Außenleiters 4 ohne weiteres
zwischen o,2 und o,6 mm variiert werden. Die Wandstärke des rohrförmigen Innenleiters
5, der z. B. einen Durchmesser von a mm aufweist, ist hierbei 0,4 mm groß gewählt.
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Der gegebenenfalls erforderliche Einbauder neuen Glasdurchführungen
in ein Metallgebäuse kann in derselben Weise erfolgen wie bei den in den Abb. 1
bis 3 gezeigten bekannten Durchführungen. Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, daß
ein solcher 1?iiillau jedoch grundsätzlich nicht mehr erforderlich ist, da, wie
bereits erwähnt, die neuen Durchführungen ja auc:i direkt in das Metallgehäuse des
jeweils vorliegenden Apparates oder Gerätes eingeschmolzen werden können.
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Bei der Herstellung der neuen Glasdurchführungen wird insbesondere
dann, wenn die Wärmedehnungszählen der miteinander zu verschmelzenden Teile beträchtlich
voneinander abweichen, zweckmäßig so vorgegang;n, daß an den eigentlichen Verschmelzungsvorgang
sich ein besonderer Abkühlungsprozeß anschließt, und zwar eine beschleunigte Abkühlung,
die an freier Luft, im Gegensatz zur Abkühlung im Auskühlofen, erfolgen kann, oder
z. B. dadurch erreicht wird, daß die noch heiße Durchführung mit Luft von Raumtemperatur
oder mit temperierter Luft angeblasen wird. Diese beschleunigte Abkiihlung'hat zur
Folge, daß das Glas nach erfolgter Abkühlung sich in einem Spannungszustand befindet,
der die Haltbarkeit der Verschmelzung erhöht. Verfahrensmäßig wird dabei z. B. so
vorgegangen, daß die Durchführung auf einer Maschine, die wie eine Glühlampeneinschmelzungsm#aschine
gebaut ist, die verschiedenen mit Brennern bestiickten Positionen passiert und zum
Schluß eine oder mehrere Positionen durchläuft, die an Stelle von Brennern Luftdüsen
haben. Dabei werden die Brenner so eingestellt, .daß auf den Eisenteilen die für
die Bindung mit dem Glas notwendige Oxydschicht in richtiger Dicke entsteht und
das Glas, insbesondere wenn es Blei enthält, nicht reduziert wird. Die Abkühlungsgeschwindigkeit
ist hierbei geeignet zu wählen. Ist die Abkühlungsgeschwindigkeit wesentlich zu
groß, d. h. die Kühlung zu stark, so erhält man im Glasteil der Durchführungen Sprünge,
die parallel zu dem äußeren Metallring verlaufen und die vornehmlich in einer Ebene
senkrecht zur Achse liegen, insbesondere nähe dem Rande des äußeren Metallteiles
ihren Ursprung haben. Es sind meistens Oberflächensprünge mit einer nur geringen
Eindringurgstiefe. Ist die Abkühlungsgeschwindigkeit zu klein, @so treten im Glasteil
der Durchführungen Sprünge ganz anderer Art auf. Die Sprünge liegen nunmehr in radialen
Ebenen und gehen vom Innenleiter aus, vereinzelt erhält man auch Quersprünge, die
von innen aus den ganzen Glaskörper bis zur Oberfläche in einer Ebene senkrecht
zur Achse durchsetzen. Diese beiden Sprungformen sind so charakteristisch, daß man
aus den ihnen zugeordneten Abkühlungsgeschwindigkeiten die richtige Abkühlungsgeschwindigkeit
ermitteln kann.
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Um aus einer Herstellungsserie von Glasdurchführungen diejenigen Durchführungen
auszusuchen, die gerade an der Grenze der Haltbarkeit liegen, ist es zweckmäßig,
die Glasdurchführungen mehrmals in einen Ofen für einige Minuten einzubringen, dessen
Temperatur wenig unter der Entspannungstemperatur des verwendeten Glases liegt und
danach in ruhiger Luft wieder abkühlen zu lassen. Bei richtiger Führung des Herstellungsverfahrens
dürfen nach mehrmaliger Wiederholung dieses Temperaturvorganges keine Sprünge auftreten.
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Die beschleunigte Abkühlung durch Anblasen mit kalter Luft kann natürlich
in entsprechender Weise angewandt werden bei Durchführungen, die nicht auf der Einschmelzungsmaschine,
sondern in einem Ofen hergestellt werden. Besonders günstig ist für die Herstellung
großer Stückzahlen ein Durchlauf-2-1 Dabei ist die Ofenatmosphäre mit bekannten
T:\1 itteln so zu wählen, daß auf dem Eisen während des eine Oxydsc'hicht entsteht,
die einerseits eine gute Haftung des Glases gewährleistet, andererseits aber nicht
so dick i.st, daß ein Abblättern des Oxydes und Undichtwerden eintritt.
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Zu der Herstellung der neuen Glasdurchführungen sei noch bemerkt,
daß, um die zeitraubende Handarbeit des Aufwickeln des Glases auf den Innenleiter
(das Röhrchen 5 der Abb. 4 bis 6) zu vermeiden, das Glas in vorteilhafter Weise
durch
Formpressen in die zum Verschmelzen geeignete I#c.rm gebracht
wird und anschließend der Außenleiter, der vorgeformte Glasteil und der Innenleiter
in der vorstehend beschriebenen Weise auf einer Einschmelzungsmaschine miteinander
verschmolzen werden. Unter Umständen ist es zweckmäßig, die Glasteile unmittelbar
vor dem Aufgeben auf die Maschine in einem Ofen vorzuwärmen; man kaiirr dann schon
die ersten Brenner auf der Maschine auf heiße Flammen einstellen, ohne ein Springeis
des Glases befürchten zu müssen.
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Die neuen Glas-Metall-Verschmelzungen können zur Herstellung von Metalldraht-,
Metallstab- und Metallrohrdurchführungen in beliebig geformte und beliebigem Verwendungszweck
dienende Metallgehäuse verwendet werden. Vorzugsweise kommen die neuen Glas-Metall-Verschmelzungen
bei elektrischen Apparaten, insbesondere Schwachstromapparaten, in Anwendung, bei
denen es auf vakuumdichten Abschluß des Gehäuses überhaupt und im besonderen an
den Einführungsstellen von metallischen Leitern ;in das Innere der Gehäuse ankommt.
Genannt seien beispielsweise die Gehäuse von Trockengleichrichtern, von Spezialrelais
und von Druckgasbehältern für elektrische Apparate, insbesondere Schwachstromapparate.
Mit besonderem Vorteil wird der Erfindungsgegenstand zur Herstellung der Elektrodeneinführungen
in Metallröhren und in die Gehäuse von Kondensatoren, insbesondete von höhenfesten
Kondensatoren benutzt. Die neuen Glas - Metall - Verschmelzungen können natürlich
auch bei Starkstromapparaten, z. B. Quecksilberdampfgleichrichtern oderGlühkabhodengieichric
htern mit metallenem Vakuumkessel (Ei@senstromrichtern), vorgesehen werden.