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Vakuumdichte Stromeinführung durch Gefäßwände aus Glas, insbesondere
aus Quarzglas, oder aus keramischem Werkstoff und Verfahren zur Herstellung einer
solchen Stromeinführung Es ist bekannt, zur vakuumdichten Stromeinführung in Gefäßen
aus Glas oder aus keramischem Werkstoff Scheiben- oder kappenförmig ausgebildete
Metallteile zu verwenden, mit denen: eine Öffnung in der Gefäßwand verschlossen
wird und an deren Innen- und Außenseite die Stromzuleitungen durch Löten oder Schweißen
befestigt sind. Es ist ferner bekannt, eine durchgehende Stromzuleitung mit einem
Ring oder einer durchbohrten Kappe vakuumdicht zu verbinden und den äußeren Rand
des Ringes oder .der Kappe mit der Gefäßwand zu verschmelzen. Bei diesen bekannten
vakuumdichten Stromeinführungen werden verhältnismäßig dickwandige Metallteile mit
der Gefäßwand verschmolzen. Man ist daher zur Vermeidung unzulässig hoher Spannungen
darauf angewiesen, sie aus einem Werkstoff herzustellen!, der einen von dem der
Gefäßwand bzw. des Schmelzflusses nur möglichst wenig abweichenden Ausdehnungskoeffizienten
aufweist. Dadurch wird die Herstellung solcher Stromeinführungen erheblich erschwert,
besonders wenn die Gefäßwand aus einem Glas hergestellt ist, das sich, wie beispielsweise
Ouarzglas, nur sehr wenig ausdehnt. Es kommen für solche Anwendungszwecke praktisch
nur Metallteile aus Molybdän oder Wolfram in. Frage. Auch
bei Gefäßwänden
aus keramischem Material ist nur eine verhältnismäßig kleine Zahl von geeigneten
Metallegierungen bekannt, -die in dem in Frage kommenden Temperaturbereich sich
nicht zu stark ausdehnen.. Auf diese möglichst vollkommene übereinstimmung der Ausdehnungskoeffizienten
der mit der Gefäßwandung verschmolzenen Metallteile und der Gefäßwand selbst braucht
um so, weniger Wert gelegt zu werden, je dünner die Metallteile sind. Es ist daher
vorteilhaft, die den vakuumdichten Abschluß, bildenden Metallteile aus einer Metallfolie
herzustellen, deren Dicke vorzugsweise geringer als 2o ,ct gewählt wird. Es ist
jedoch sehr schwierig, mit solchen Metallfolien Stromzuleitungen größeren Querschnitts
zuverlässig und ohne unzulässige Beanspruchung der Folie vor oder, nach dem Einschmelzen
zu verbinden. Eine Schweißung läßt sich praktisch nicht durchführen. Gegen die Verwendung
von Hartloten spricht, daß sie einen so, niedrigen Schmelzpunkt haben, daß die Folie
mit ihnen erst nachdem Einschmelzen in die Gefäßwandung, verbunden werden könnte,
weil andernfalls bei den für die Herstellung der Verschmelzung mit den meisten in
Frage kommenden Gläsern, oder Schmelzflüssen erforderlichen Temperaturen das Hartlot
schmelzen würde. Die nachträgliche Hartlötung ist ebenfalls schwierig herzustellen:,
da, die eingeschmolzene Folie nur schwer auf die erforderliche Temperatur gebracht
werden kann und da bei der Durchführung der Verlötung sehr leicht eine mechanische
Überbeanspruchung der Folie und damit ein Zerreißen eintritt.
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Diese Schwierigkeiten werden beider vakuumdichten Stromeinführung
gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß der vakuumdichte Anschluß durch eine
Metallfolie, vorzugsweise von weniger als 2o ic Dicke, erfolgt, die mit der Gefäßwand
verschmolzen ist und gegen die die innere und die äußere Stromzuleitung gepreßt
werden:. Durch diese beidseitige Pressung wird :die 'Folie nicht unzulässig beansprucht,
sofern .dafür gesorgt wird, daß ihre nicht eingeschmolzenen, Teile nicht gegenüber
den eingeschmolzenen. Teilen, d. h. gegenüber der Gefäßwandung, merklich
verschoben werden. Dies läßt sich jedoch in einfacher Weise dadurch erreichen.,
daß die eine der beiden Zuleitungen in einer Lage gegenüber der Folie und der Gefäßwandung
fixiert wird, in. der sie ohne merkliche Deformation der Folie diese berührt. Die
andere Stromzuleitung bewirkt durch die auf sie auszuübende Kraft den zur Herstellung
des Stromüberganges erforderlichen: Kontaktdruck zwischen der Folie und den beiden,
vorzugsweise an einander gegenüberliegenden Stellen auf sie pressenden Enden der
Stromzuleitungen.
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Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele
der vakuumdichten Stremeinführung nach der Erfindung.
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Die Metallfolie i in Fig. i, die in dieser und in allen anderen Figuren,
obgleich ihre Dicke vorzugsweise nur weniger als 2o ,u beträgt,- im Vergleich zu
den anderen Abmessungen übertrieben. dick dargestellt ist, ist in den einen Teil
der Gefäßwandung bildenden, vorzugsweise aus drei Röhren 21 3, 4. hergestellten
Glaskörper vakuumdicht eingeschmolzen. Die innere Stromzuleitung 5 und die äußere
Stromzuleitung 6 werden erfindungsgemäß- in. Richtung .der dargestellten Pfeile
gegen den freien, nicht eingeschmolzenen Teil der Folie i zur Erzielung des Kontaktdruckes
gepreßt. Sie sind in keiner Weise mit der Folie verbunden.
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Zur Verhinderung eines Verwerfens der Folie während des Einschmelzens
ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 bis ¢ die Folie 7, 8, g mindestens an
ihren. nicht an- oder eingeschmolzenen Teilen gewölbt ausgebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fi.g. 3 und q. ist der eingeschmolzene Rand eben.. Die Enden der Strcmzuleitungen
io bis 15 sind der Wölbung der Folie angepaßt. Die Folie g. ist mit einer mehrfachen
Wellung versehen, durch die ihre Beanspruchung selbst dann gering ist, wenn eine
Verschiebung der Stromzuleitungen in axialer Richtung vorkommen sollte. Bei dieser
Anordnung braucht daher nicht in solchem Maße wie bei den anderen Anordnungen für
:die genaue Einhaltung der Lage der Enden der Stromzuleitungen in; bezug auf die
Einschmelzstellen der Folie Sorge getragen zu werden.
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Die Gefäßwand wird zweckmäßig mit Rillen, Vertiefungen, Wülsten, Vorsprüngen
oder Gewinden versehen, die an den Stromzuleitungen angreifenden, vorzugsweise federnden
Teilen: unmittelbar oder mittelbar als Widerlager dienen. Die Fi:g. 5, 6 und 8 bis
15 zeigen: Ausführungsbeispiele solcher vakuumdichter Stromeinführungen. Die Stromzuleitung
16 (Fig. 5) ist mit einem beispielsweise kegelförmigen oder scheibenförmigen Ende
17 versehen, das in eine entsprechende Rille .des Glaskörpers 18, in den:
die Folie i eingeschmolzen ist, eingreift. Auf der anderen Seite der Folie ist.
das am oberen Ende erweiterte Rohr ig angeordnet, das mit seiner Erweiterung ebenfalls
in eine Rille des Glaskörpers 18 eingreift. Die beiden Teile 16 und ig brauchen
nicht mit dem Glaskörper i8 verschmolzen zu werden. Es ist sogar erwünscht, daß
zwischen ihnen und dem Glaskörper 18 ein wenn auch geringer Spalt verbleibt. Man
stellt sie aus einem Werkstoff her, der bei der Einschmelzung der Folie nicht schmelzen
darf und vorzugsweise einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als der Glaskörper
besitzt, so, daß bei der Abkühlung eine Ablösung der Außenfläche der beiden Teile
von dem Glaskörper 18 eintritt. Zur Erleichterung dieser Ablösung können
beide Teile vor der Herstellung der Einschmelzung mit einem ihr Haften an dem Glaskörper
erschwerenden fi:Tberzug versehen werden. Die Einschmelzung der Folie und die Verankerung
der beiden Teile 16 und ig, wird so, vorgenommen, da.ß der Teil 17 mit seiner ebenen
Endfläche die Folie i berührt. Die Stromzuleitung 2o, die aus einem anderen Werkstoff
als die Teile 16 und ig hergestellt sein kann, wird erst nachträglich eingeführt
und mit ihrem oberen Ende gegen die Folie zur Herstellung des Kontaktdruckes gepreßt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist .angenommen, daß in dem Bereich zwischen der
tiefsten. in der Ruhe
der Einrichtung und der 1-öchsten im Betrieb
vorkommenden Temperatur infolge der Wärmeausdehnung der Teil 2o auf die Folie einen
Druck ausübt, während er bei der Herstellungstemperatur, bei der das Rohr i9 bei
21 zur Bildung eines Wid'erlagers für die Stromzuleitung 20 umgebördelt wurde, keinen
oder einen, geringeren Druck ausübt. Wenn also beispielsweise das Rohr i9 einen
größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als der Teil 20 und die beiden Teile
bei einer oberhalb der höchsten im Betrieb vorkommenden Temperatur miteinander bei
21 verbunden werden., so wird infolge der stärkeren Zusammenziehung des Teils i9
der Teil 2o gegen die Folie i gepreßt. Wenn jedoch das Rohr i9 einen: geringeren
Nusdehnungslso2ffizienten besitzt als die Stromzuleitung 2o, so müßte das Zusammensetzen
bei einer unterhalb der tiefsten, in der Ruhe vorkommenden Temperatur vorgenommen
werden, damit in dem genannten Temperaturintervall stets der erforderliche Kontaktdruck
auf die Folie ausgeübt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.6 wird die obere Stromzuleitung
22 erst nach der Her-#,tellung der Verschmelzung zwischen dem Glaskörper 23 und
der Folie i eingeführt. Das Widerlager für die Stromzuleitung 22 wird durch eine
Rille im Glaskörper 23 gebildet, die mit einer bei niedrigerer Temperatur als der
Glaskörper 23 schmelzenden Masse, beispielsweise Emaille oder Metallot, ausgefüllt
wird, wobei diese Masse entweder an der Stromzuführung 2.2 haftet oder durch Formschluß
mit der Stromzuführung durch an letzteren v orgesehene Vertiefungen, Rillen 25,
Wülste oder Vorsprünge verbunden ist. Es ist nicht erwünscht, daß die Masse 24 auch
am Glaskörper haftet, da andernfalls unter Umständen die Gefahr besteht, daß bei
.der betriebsmäßigen Erwärmung der Stromzuleitung 22 der Glaskörper 23 bei 24 gesprengt
wird.
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An der anderen. Seite der Folie ist in ähnlicher Weise das Rohr 26
mit Hilfe der Masse 27, die an ihm haften oder durch Formschluß mit ihm verbunden
sein soll, starr gegenüber dem Glaskörper 23 gelagert. Der Kontaktdruck wird bei
dieser- Anordnung dadurch erzielt, daß die untere Stromzuleitung 28 bei einer unterhalb
der tiefsten, in der Ruhe vorkommenden Temperatur eingeführt und beispielsweise
am unteren Ende des Rohrs 26 mit diesem durch Punktschweißung verbunden wird'. Bei
der Erwärmung auf höhere Temperatur übt diese Stromzuleitung einen Druck auf dlie
Folie i zus, sofern ihre Wärmeausdehnung größer ist als die des aus den Teilen 23
und 26 gebildeten Körpers.
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Fig. 7 -neigt als weiteres Ausführungsbeispiel die Erzeugung des Kontaktdrucks
mit Hilfe einer Schraubfeder 29, die auf den Stromleiter 28 drückt und der der Ring
3o als Widerlager dient. Dieser Ring wird mit dem Rohr 26 durch Verlöten, Verschweißen
oder Verstiften verbunden, nachdem er unter Anwendung der für den Mindestl;o@ntaktdruclc
erforderlichen Verspannung in: das Rohr 26. hineingepreßt ist. Der untere Teil der
Stromzuleitung 28 kann mit dem oberen durch Verschraubung verbunden werden, wenn,
dies zum Einführen des Ringes 3o wünschenswert erscheint.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist der Glaskörper 31 an seinem
unteren Ende mit einer Rille versehen, die mit einer erweichbaren Masse 32 ausgefüllt
wird, nachdem die Feder 33 und. der Ring 34 unter Anwendung der erforderlichen Vorspannung
in die dargestellte Lage, ini .der sie auf das obere Ende der Stromzuleitung 35
drückt, gebracht sind'. Der Ring 34 ist dabei so, ausgebildet, daß die Masse 32
ihn in seiner Lage durch Förmschluß auch dann. festhält, wenn sie an ihm nicht haftet.
An Stelle der Masse 32 kann auch ein fester Körper, beispielsweise ein Sprengring
oder ein mehrteiliger Ring, verwendet werden, der in das durch die Rille gebildete
Widerlager eingreift.
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Der Glaskörper 36 bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ist am unteren
Ende mit einem wulstartigen Rand versehen; über den die Kappe 37 geschoben wird,
die durch den Schmelzfluß 38 mit dem Glaskörper 36 verbunden ist. Sie dient der
Feder 39, die auf einen Wulst der unteren Stromzuleitung 4o drückt, als Widerlager.
Es :genügt bei dieser Anordnung, daß die Masse 38 an der Kappe 37 - haftet. Am Glaskärper
braucht sie nicht zu haften. Es kann zu diesem Zweck auch ein erweichbarer Kitt
verwendet werden, falls sich dieser Teil der Stromzuleitung nicht in einem Vakuumraum
befindet oder die von solchen Kitten: gewöhnlich abgegebene Gasmenge bei .dem in
Frage kommenden. Anwendungszweck nicht stört.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. io ist der Glaskörper 36 ebenfalls
an seinem unteren Ende mit einem wulstartigen Rand versehen. Die als Widerlager
für die Feder dienende Kappe ist jedoch zweiteilig ausgebildet. Es besteht daher
die .#öglichleit, den zylindrischen: Teil 41 schon, vor dem Einschmelzen der Folie
i mit dem Glaskörper 36, beispielsweise durch einen( Glasfluß oder ein Lot 42 zu
verbinden und den erforderlichen: Kontaktdruck dadurch herzustellen, da.ß der an:
seinem Rand mit einem Gewinde versehene Deckel 43 der Kappe gegen die Kraft der
Feder 44, die an einem Ring der Stromzuleitung 4o angreift, eingeschraubt wird.
Dabei empfiehlt es sich, durch einen untergelegten Ring 45 und an den Teilen. 40
und 41 angreifende Vorrichtungen dafür Sorge zu tragen., daß sie beim Einschrauben
des Deckels 43 sich nicht gegeneinander drehen., weil dadurch eine Beschädigung
der Folie eintreten könnte.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. I I ist die Kappe 46 durch Umbördeln
an ihrem oberen Rand derart mit dem Glaskörper 36 verbunden, daß die Feder 39 auf
dem Ring der Zuleitung 4o einen Druck ausübt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F'ig. 12 ist die Kappe 47, die mittels
der Masse 48 mit dem Glaskörper 36 verbunden ist, selbst als Feder ausgebildet,
so daß sie auf einem Absatz der Stromzuleitung 49 einen Druck ausübt. Sie muß also
unter Ausübung einer entsprechenden Verspannung mit dem Glaskörper 36 verbunden
werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 ist der Glaskörper
5o an seinem unteren Ende mit einem vorzugsweise mehrgängigen: Gewinde versehen,
in das die am oberen Rand mit einem Gewinde versehene Kappe 51 eingreift. Diese
Kappe dient der Feder 52, die auf einen, Ring der Zuleitung 4o einen Druck ausübt,
als Widerla:ger. An Stelle des Gewindes kann auch ein. Bajonettverschluß Anwendung
finden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig: 14 ist .die obere Stromzuleitung
53 gegenüber dem Glaskörper 54 durch einen Sprengring 55 festgelegt. Dieser Sprengring
ermöglicht es, die obere Stromzuleitung erst nach dem Einschmelzen der Folie i einzuführen.
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Auf -der anderen Seite der Folie ist die Stromzuleitung 56 durch die
Wirkung der Feder 57 gegen die Folie gepreßt. Als Widerlager für die Feder dient
die Scheibe 58, .die mittels der Schraubverbindung 59 unter überwindung der Federkraft
dem Glaskörper 54 genähert werden kann. Die Schrauben sind in Vertiefungen des Glaskörpers
mittels eines Schmelzflusses oder Kittes 6o befestigt.
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An Stelle der bei der Erläuterung der Figuren erwähnten Glaskörper,
insbesondere aus Quarzglas-, können auch Körper aus keramischem Werkstoff verwendet
werden, die mit der Folie i und gegebenenfalls untereinander mittels eines Schmelzflusses
oder eines Lotes verbunden sind. Die bei der Erläuterung der Figuren beschriebenen,
nicht vakuumdichten Verbindungen zwischen Metallteilen und dem Glas- bzw. Keramikkörper
mit Hilfe eines Schmelzflusses oder Kittes können außer, durch Deformation (Fig.
i i) auch unter F'ortlassung eines im erweichten. oder plastischen Zustand eingeführten,
später erhärtenden Mittels durch Aufschrumpfen oder Kalteinführen in Bohrungen mit
diesen Körpern verbunden werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 ist die Metallfolie 61 becherförmig
ausgebildet und mit ihrer Mantelfläche mit der Gefäßwand 64 gegebenenfalls mittels
eines Schmelzflusses verschmolzen. Die Stromleiter 62 und 63 sind in der bei der
Erläuterung der Fig. 6 und 9 geschilderten Weise mit der Gefäßwand 64 derart verbunden.,
daß die Folie zum mindesten in der ebenen Grundfläche des Bechers dauernd unter
Druck steht. Die Anordnung kann so getroffen werden, daß auch. die innere Mantelfläche
der Folie 61 von dem in, diesem Fall konisch ausgebildeten Ende .der Stromzuleitung
6@2 berührt wird. Die konische Ausbildung des Bechers 61 und gegebenenfalls auch
der Zuleitung 63 bietet den Vorteil, daß das Herausnehmen des zur Herstellung derVerschmelzung
zweckmäßig angewandten Formkörpers erleichtert wird. Es ist jedoch auch möglich,
den Becher 61 zylindrisch auszuführen. In diesem Fall empfiehlt es sich jedoch,
einen Formkörper zu verwenden, der einen. größeren Ausdehnungskoeffizienten besitzt
als @d'ie Metallfolie und das Material der Gefäßwand, so da.ß er sich nach dem Abkühlen
wegen seines geringeren Durchttiessers aus der becherförmigen Folie herausziehen
läßt. Die Fig. 16 bis 18 erläutern Herstellungsverfahren für Stromeinführungen gemäß.
der Erfindung. Die Metallfolie i ist zwischen zwei Rohrabschnitten 2 und 3, die
gegebenenfalls an ihrer der Metallfolie zugekehrten Seite mit einem Schmelzfluß
überzogen sind, im Innern des Rohrs 4 untergebracht. Mittels der Feder 68 wird bei
der dargestellten Ausführungsform ein Druck auf den Teil 2 ausgeübt, so daß dieser
beim Erhitzen des Rohrs 4 in der Umgebung der Folie i mit der Folie an seiner Stirnseite
verschmilzt, während die Folie gleichzeitig auf der anderen Seite mit der Stirnseite
des Teils 3 verschmolzen wird.
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Da das Glasrohr 4 erweicht, ist es notwendig, während des Verschmelzens
einen Druck auf seine beiden, die Teile 2 und 3 enthaltenden Enden auszuüben bzw.
diesen Teilen ein Widerlager zu bieten. Hierzu können. die beiden Kappen 65 und
66 dienen, die über die in ihrer Länge einstellbaren: Bügel 6#7 miteinander in Verbindung
stehen. Die Anordnung kann dabei, wie dargestellt, so, getroffen werden, daß sich
das Rohr 4 zum Zweck der Herstellung der Verschmelzung um seine Längsachse drehen
läßt. Zur Durchführung der Drehbewegung kann beispielsweise ein Handgriff 69 dienen,
wenn: die Teile 65 und 66 an den Bügeln 67 drehbar gelagert sind.
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Unter Umständen genügt auch der äußere Luftdruck zum Andrücken der
Teile 2 und 3 an. die zwischen ihnen angeordnete Folie i. Bei dieser Durchführung
des Verfahrens, die an Hand der Fig. 17 erläutert werden soll, wird zunächst der
Teil 3 am Rohr 4 nach dem Evakuieren desselben an einer von der Folie i möglichst
weit entfernten Stelle angeheftet und dann die Erwärmung des Rohres 4 in der weiteren
Umgebung der Folie i durchgeführt. Damit unter dem Einfluß des äußeren. Luftdrucks
der Teil 2 gegen die Folie gepreßt wird, wird entweder er selbst oder ein ant ihn
angrenzender ringförmiger Teil 7o an die Gefäßwand angeheftet oder so ausgebildet,
daß er infolge seines Formschlusses mit dem umgebenden. Rohr 4 die Kraft in Richtung
der Rohrachse übertragen. kann. Diese Durchführungsart des erfindungsgemäßen. Verfahrens
bietet .den Vorteil, daß nach dem Aufsprengen des Rohrs 4 am oberen Ende der Teil
70 herausgenommen werden kann, so, daß ein längeres, verhältnismäßig dünnwandiges
Rohr zum Anschmelzen an das Entladungsgefäß, in das der Strom mittels der erfindungsgemäßen.
Einführung geführt werden soll, zur Verfügung steht. Der Körper 7o kann auch aus
einem anderen Werkstoff bestehen als der Körper 2. Esi empfiehlt sich insbesondere,
einen Körper zu verwenden, der mit dem Rohr 4 nicht leicht verschmilzt.
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Bei der Anordnung nach Fig. 18 werden die Teile i bis 3 in ein verhältnismäßig
kurzes Rohr' 71 aus Glas eingeschmolzen.. Zur Ermöglichung des Evakuierens des Rohrs
sind zwei Abschlußkappen 72 und 73 vorgesehen, die mittels eines vorzugsweise elastischen
Dichtungsmittels 76 einen vakuumdichten Abschluß des Rohrs 71 herstellen. Der Innenraum
kann durch das Rohr 74 evakuiert
werden. Das Rohr 74 und der Stab
75 dienen außerdem als Handhabe während des Verschmelzens, das am zweckmäßigsten
unter gleichzeitiger Rotatio,n um die "Achse der Teile 74 und 75 vorgenommen wird.
Dabei müssen diese Teile relativ zueinander derart gehalten werden, daß sie auf
die Enden des Rohrs 71 einen. Druck ausüben:, durch den die Verschmelzung der Folie
i mit den Stirnseiten der Teile 2 und 3 wesentlich erleichtert wird. Dabei können
entweder die Teile 2 und 3 vorher an das Rohr 71 angeheftet werden, oder es kann
der erforderliche Druck durch die Feder 78 erzeugt werden, die in. der dargestelltem
Lage gespannt sein soll.
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Da die Teile i bis 3 nicht genau passend in das Rohr q. bzw. 71 eingepaß;t
sind, genügt es in der Regel, die Evakuierung des Rohrs q, vont einer Seite her
vorzunehmen. Auch der Teil 75 kann, rohrförmig ausgebildet und an eine Vakuumpumpe
angeschlossen werden. In diesem Fall kann. der Arbeitsrhythmus wegen des außerordentlich
geringen Strömungswiderstandes,- noch ganz erheblich beschleunigt werden..