Hitzebeständige Elektrodeneinführung für Vakuumentladungsapparate mit metallenem Vakuumgefäss, insbesondere für Stromrievter. Die Erfindung bezieht sich auf eine hitzebeständige Elektrodeneinführung für Vakuumentladungsapparate mit metallenem Vakuumgefäss, insbesondere für Stromrichter, wie Quecksilberdampfgleichrichter oder der gleichen.
Es ist bekannt, bei derartigen Elektroden einführungen den aus einem Isoliermaterial (zum Beispiel keramisches Material, wie Steatit oder dergleichen) bestehenden Durch führungskörper mit den angrenzenden Me tallteilen durch einen Schmelzfluss aus Glas oder Email oder aber unmittelbar durch einen Schmelzprozess bezw. einen Brenn- oder Sinterprozess zu verbinden. Die Erfin dung betrifft derartige Elektrodeneinfüh-
rungen und insbesondere solche, bei denen der Isolierkörper als ein Rohr ausgebildet ist, an dessen innerer und/oder äusserer Mantel fläche die vakuumdicht zu befestigenden Metallteile (stromführender Leiter und Ge- fässwandung ) mit einer geschlossenen Haft- fläche anliegen.
Die Höhe in der Achsrich tung der zylindrischen Teile der Einschmel zung ist dabei zweckmässig kleiner als der Gesamtdurchmesser der Einschmelzung ge wählt und derart bemessen, dass die an den Verbindungsstellen auftretenden mechani schen Beanspruchungen olhne weitere Ab stützung der Elektrode aufgenommen werden können.
Es ist bei derartigen Elektrodeneinfüh- rungen vorgeschlagen worden, die Ausdeh nungskoeffizienten der zu verbindenden Teile so zu wählen, dass der Ausdehnungskoeffi zient der Metallteile etwas grösser ist als der jenige des Isolierkörpers; falls ein Schmelz fluss verwendet wird, kann dessen Ausdeh nungskoeffizient zum Beispiel gleich dem des Isolierkörpers gewählt werden.
Bei dieser Vorschrift ist von der Eigen schaft keramischer Werkstoffe oder auch Glas ausgegangen, gegen Druckbeanspru chungen um, ein Mehrfaches widerstands- fähiger als gegen Zugbeanspruchungen zu sein. Bei der Herstellung der Verbindung zwischen dem Isolator und den angrenzenden Metallteilen sowie auch im Betrieb können nun Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Teilen auftreten, die zu gefähr lichen Zugbeanspi2ichun_-err im isolierenden -Werkstoff führen, insbesondere -#\-enri es sich um die Verbindung von Teilen mit grossem Durchmesser handelt.
Durch die Verwendung eines 3letalles mit grösserem Ausdehnungs- koeffizienten als der des Isolators wird irun erreicht, dass sieh das aussen befindliche D'Ie- tall beim Abkühlen der Elektrodeneinfüh- rung stärker als der Isolator zusammenzieht. Die Folge hiervon ist, dass an den kerami schen Teilen eine gewisse Vorspannung, und war eine 1)riicl@spa,
irniing entsteht. Da die Richtung dieser Druckvorspannung mit der= Richtung der durch ungünstige Beansprti- chung der Verbindung erzeugten Zugspan nun- zusammenfällt, kann diese Zugspan nung um den Betrag der Vorspann.ung bei derselben Anstrengung des Werkstoffes grö sser sein.
Man erreicht also dadurch, dass grö ssere Temperaturunterschiede auftreten kön nen, bis unzulässige Zugspannungen an. den keramischen (beziv. Glas-) Teilen der Ein- führung erreicht werden, -als es bei Verwen- dung \r1eic-her Ausdehnungskoeffizienten der Fall ist. ZVeiterhin braucht man.
bei der Her stellung der Elektrodeneinführungen nicht so grosse Sorgfalt auf die Innehaltung Be stimmter Werte der Ausdehriringszahlen zri legen. was eine Verbilligung der Herstellung bedeutet. Ausserdem sind druekverspamit;e Verschmelzungen gegenüber Temperatur- schwankungen unempfindlicher als Ver schmelzungen mit genau abgeglichener Aus dehnung der verwendeten Baustoffe.
Bei druckverspannten Verschmelzungen zieht sich aber das Metall nicht nur in Rich tung des Radius, sondern auch in Richtung der Rohrachse stärker als der Isolierkörper zusammen. Die Folge hiev an ist, da <B>ss</B> an der Crrenzfläehe zwischen dem Metall und dein Isolierkörper bezw. dem Sebmelzfluss irieht unbeträchtliche Schubspannungen auftreten, die an den Rändern besonders gross sind.
Diese Schabspannungen wirken in Richtzar- einer Verlängerung der Metallteile und einer Verkürzung des l solierkö rpers und sind be steht, beide Teile gleich lang zu machen.
Die vorliegende Erfindung besteht nun darin, Mittel worzasc=hr=n, durch welche die in axialer Eiclrtang auftretenden Sehubspan- riruige=n herabgemindert:
erden, so dass sie, ohne dass dabei die angrestrebte Schrumpf\vir- hung nviscben Metall- und Isolierkörper be- eiriti-ächtigt wird, keine gefährlichen Z\'erte mehr erreichen können. Diese Herabsetzung der Schubspannungen kann in verschiedener Weise geschehen, zuni Beispiel dadurch,
dass die Wandstärke der Schrnrnpfringe nach ihrem Rande zri. < rllrniililich verringert wird, oder dadurch, dass die Wandungen der Schrumpfringe mit _XVcllungen, Verzah nungen, Falten, Gewinden oder dergleichen LTnebenheitc:
n versehen werden, oder auch da durch, dass der- Durchmesser des Isolators oberhalb und unterhalb der -Verbindungsstel len kleiner ist als an den Verbindungsstellen selbst. wobei der eine Rand oder beide Rän der der Schrumpfringe den vorspringenden "Peil des Tsolators umklammern können.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die -Wandstärken sowie die Aiisdeirirurigshoeffizienteri des Isolators und der angrenzenden Metallteile in ein sol- ebes Verhältnis gebracht, dass in dem Tempe- rafurgebiet zwischen Fru,
eiehungstemperatur und normaler Aussentemperatur im Isolator oder im Metall die niazimal zulässige Druck- beansprirchinig sowie an der Grenzfläche zwi- schen Metall- und Isolierkörper die maimal nrlä ssige Schubspannung nicht überschritten werden. ,
jedoch an der Berührungsfläche oder Grenzzone zwischen Metall und Isolator ein Schrumpfdruck von mindestens 40 kg!cm= vorhanden ist. In diesem Falle gelingt es, ins- besondere auch Teile von verhältnismässig sehr- grossem Durchmesser miteinander zu verschmelzen.
Denkt man sich auf der Aussenseite des rohrförmigen Isolierkörpers eineu Metallteil in Form einer Schelle und erstsprechend der vorliegenden Erfindung längs einer geschlossenen Haftfläche va kuumdicht aufgeschmolzen, so werden, so lange die Wandstärke dieser Schelle sehr dünn ist, die Druckbeanspruchung des zylin drischen Isolierkörpers in einem Flächenele ment, welches in einer Meridianebene ge legen ist, aber auch die Druck- und Schub spannungen in einem Flächenelement, wel ches auf der Mantelfläche des Zylinders ge legen ist, sehr klein;
dagegen wird die ge samte Dehnung, welche durch das Auf schrumpfen zustande kommt, von der Metall schelle aufgenommen werden müssen. Macht man nun die Wandstärke der Schelle dicker, so werden alle drei der angegebenen Span nungen grösser werden, und es ist nun ge meint, dass diese Wandstärke der Schelle so gross gemacht werden soll, dass an der Be rührungsfläche oder Grenzzone zwischen Me tall und Isolator ein Schrumpfdruck von mindestens 40 kgjcm' auftritt. Versuche haben ergeben, dass bei diesem Schrumpf druck die Druckspannung im Isolierkörper in dem Flächenelement,
welches in der Meri- dianebene gelegen ist, und die Schubspan nung in dem Flächenelement in der zylindri schen Mantelfläche des Isolierkörpers keine unzulässig hohen Werte erreicht.
In der Zeichnung sind mehrere Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 eine Anodeneinführung, Fig. 2 eine Kathodeneinführung, während die Fig. 3 bis 11 eine Reihe verschiedener Schrumpfringanordnungen bringen, bei wel chen diese mit nicht rechteckigen Querschnit ten ausgebildet sind.
1 ist die Wandung des metallenen Va kuumgefässes. In diese ist ein zylindrisches Rohr 2 eingeschweisst, welches zur Aufnahme der Elektrodeneinführung dient. Diese be steht aus dem stromeinführenden Leiter 3, welcher den Elektrodenkörper 4 trägt. Der stromeinführende Leiter ist mit einem Iso- lierrohr 5 aus keramischem Material, insbe sondere aus Steatit umgeben. Zur Verhinde- rung seitlicher Schwingungen der Elektrode in dem Isolierrohr 5 ist auf den stromeinfüh renden Leiter eine Scheibe 6 aufgesetzt.
Ebenso ist auf dem Isolierrohr eine Scheibe 7 angebracht, welche zur Verhinderung von Schwingungen des Isolierrohres in dem den Elektrodenkörper umgebenden Anodenschutz- rohr 8 dient. Die vakuumdichte Verbindung des Isolierrohres 5 mit der Gefässwandung 1 erfolgt mit Hilfe eines ringförmigen Flan sches 9 und eines Schrumpfringes 10.
Der zweckmässig etwas elastische Ringflansch 9 ist an seiner Aussenseite mit dem Zylinder 2 und an der Innenseite mit dem Schrumpfring 10 verschweisst. Die Verbindung zwischen dem Schrumpfring 10 und dem Isolator 5 er folgt mit Hilfe eines Schmelzflusses 11 aus Glas oder Email, der in einen taschenförmi gen Auffangbehälter 12 eingefüllt wird, welcher zwischen dem Isolator und dem Schrumpfring 10 gebildet ist.
An Stelle einer Verbindung durch einen Schmelzfluss kann auch eine Verbindung durch einen Brenn- oder Sinterprozess angewendet werden. Die Wahl der Dicke des Schrumpfringes und der Ausdehnungskoeffizienten des Schrumpfrin ges, des Schmelzflusses und des Isolators er folgt nach den vorstehend erläuterten Ge= sichtspunkten. Die Anodenhülse 8 ist mit Hilfe eines Zwischenstückes 13 oder derglei chen ebenfalls an den Zylinder 2 ange schweisst.
Die Herstellung der vakuumdichten Ver bindung zwischen dem Isolierrohr und dem stromeinführenden Leiter 3 erfolgt in der gleichen Weise, wie vorstehend für die Ver bindung zwischen Isolator und Gefässwand beschrieben ist. 14 ist der elastische Ring flansch, welcher einerseits mit dem stromein führenden Leiter und anderseits mit dem Schrumpfring 15 verschweisst wird. Die Ver bindung zwischen Schrumpfring und Isolator erfolgt durch den Schmelzfluss 16, der sich in der Fangtasche<B>1.7</B> befindet.
Die Flansche 9 und 14 werden zweckmässig mit den Schrumpfringen 10 und 15 verschweisst, be vor diese mit dem Isolator 5 verschmolzen werden. Damit nun die relativ dünnen Flansche während des Verschmelzungspro zesses nicht. unzulässig verzundern, werden sie zweckmässig aus schwer oxydierbarem Netall, zum Beispiel Nickeleisen, hergestellt.
Wie die Fig. 1 zeigt, ist der Durchmesser des Isolierkörpers oberhalb und unterhalb der Berühiaingsfläche des Schrumpfringes klei ner gehalten als der der Berührungsfläche selbst. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Rohre bei Biegungsbeanspruchung verhält nismässig leicht an den Stellen brachen, an denen der aufgeschmolzene Metallring endete. Die Bruchfläche war immer regelmässig und symmetrisch zur Rohrachse. Die geringe Fe- stigh.eit des Isolierrohres an dieser Stelle ist darauf zuriickzuführen, dass die durch den Schrumpfring erzeugten Spannungen an sei nen Enden aufhören.
Die Wirkung ist also vergleichbar mit einer Kerbe in einem be lasteten @'erhatücl@. Durch die Verringerung des Durchmessers des Isolierrohres oberhalb und unterhalb der Berfilirunbsfläche des Schrumpfringes wird nun erreicht, dass die vorstehend angegebenen gefährlichen, ört lichen Spannungsveränderungen nicht auf treten.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Kathoden ausführung ist 1.8 das Kathodenquecksilber, 1.9 eine zur Stromeinführung dienende Me tallplatte, 20 ein zum Beispiel aus Steatit be stehender Isolator, 21 ein Schrumpfring, der mit dem Isolator 20 durch einen Sehmelzfluss 22 und mit der Platte 19 durch eine Schwei- ssung 23 verbunden ist, 24 ein zweiter Sehrumpring. der mit dein Isolator 20 durch einen Schnielzfluss ?<B>5</B> und mit einem Ring flansch 26 durch eine Schweissung 27 ver bunden ist, 28 ein Metallzylinder zum Tra gen.
der ganzen Kathode, jvelclier mit der Ge fässwandung 1 bezw. dem Ringflansch 26 verschweisst ist, und 29 ein Einsatzring, der die vakuumdichten Verbindungen gegen her- en abtropfendes Quecksilber schützt.
Auch bei dieser Ausführungsform ist der Durchmesser des Isolierkörpers oberhalb und unterhalb der Berührungsflächen der Schrumpfringe kleiner gehalten als der der Berührungsflächen selbst, um eine Kerbwir- kung oberhalb und unterhalb der Berühungs- flächen zu vermeiden.
Von den Ausführungen mit Schrumpf ringen mit nicht rechteckigem Querschnitt zeigt Fig. 3 einen Schrumpfring, dessen Wandstärke sich nach dem Rande zu allmäh lich verringert, wobei der keramische Körper finit 31, der aus Glas oder Email bestehende Schmelzfluss mit 32 und der Schrumpfring mit 33 bezeichnet ist.
Eine Ausführungsform mit Wellungen in der Wandung des Schrumpfringes zeigt Fig. 4. Keramischer Körper, Schmelzfluss und Schrumpfring tragen die gleichen Be zeichnungen wie in Fig. 3.
In der Fig. 5 ist der Schrumpfring mit Rillen versehen. Der keramische Körper ist in den Fig. 4 und 5 an den Verbindungsstel len abgesetzt, so dass der Durchmesser ober halb und unterhalb der Verbindungsstellen kleiner ist als an den Verbindungsstellen selbst, um eine Kerbwirkung oberhalb und unterhalb dieser Stellen zu vermeiden.
In der Fig. 6 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei welcher auch der Isolator 31 mit Wellungen 34 versehen ist.
In der Fig. 7 besitzt der Schrumpfring 35 einen U-förmigen Querschnitt. Zwischen den Flanschen ist ein zweiteiliger Ring 36 aus dein gleichen Material wie der Isolierkörper 31 eingespannt. Dieser Ring hat einen k16 neren Ausdehnungskoeffizienten als das Me tall des Schrumpfringes und übt dadurch auf das Metall einen Druck p aus, durch welchen sich das Metall dehnt, wodurch die Schub spannungen, die an der Grenzfläche zwischen dem Metall und dem keramischen Körper auftreten, entsprechend verringert werden.
In den Fig. 8 und 9 sind Ausführungs formen dargestellt, bei welchen die Ränder des Schrumpfringes oder auch nur ein Rand den vorspringenden Teil des Isolators um klammern. In der Fig. 8 ist dies der abge bogene Rand 37 des Schrumpfringes 33, wo durch Druckkräfte p entstehen, die die Schubkräfte fast vollständig ersetzen, wäh rend bei Fig. 9 der abgebogene Rand 37 des Schrumpfringes auch einen zweiteiligen Ring 38 aus dem gleichen keramischen Material wie der Isolator umklammert, welcher mittels eines Schmelzflusses 39 auf das glatte Isola tionsrohr 31 aufgeschmolzen ist und dadurch den vorspringenden Teil des Isolators nach den Fig. 4 bis 7 ersetzt.
Auch hier sind die Schubkräfte im wesentlichen aufgehoben.
In den Fig. 10 und 11 sind praktische Anwendungen der in. den Fig. 3 bis 9 aufge zeigten Möglichkeiten dargestellt.
In den Figuren ist 40 der stromeinfüh rende Leiter, der den eigentlichen Elektro- denkörper trägt und von einem Isolierrohr 41 umgeben ist. 49 ist die Gefässwandung, mit welcher ein zum Tragen der Elektrodenein- führung dienender Metallzylinder 43 ver schweisst ist. Zur Herstellung der Verbin dung zwischen dem stromeinführenden Leiter 40 und dem zum Beispiel aus Steatit be stehenden Isolator 41 ist ein am besten etwas elastischer Ringflansch 44 mit dem Isolator und einem Schrumpfring 45 verschweisst.
Dieser Schrumpfring ist wellenförmig ausge bildet und mit dem an der Verbindungs stelle ebenfalls wellenförmigen Isolator durch einen Glasschmelzfluss 46 vakuumdicht ver bunden. Die Verbindung zwischen dem Isola tor 41 und dem Zylinder 43 erfolgt mit Hilfe eines Flanschteils 47, der an einem Ende mit dem Zylinder 43 verschweisst ist und am an dern Ende Wellen 48 aufweist, die sich in entsprechende Wellen des Isolierkörpers ein legen.
Die vakuumdichte Verbindung zwi schen dem Isolierkörper und dem Flansch 47 erfolgt auch hier durch einen Glasschmelz fluss 49.
Bei der Ausführung nach Fig. 11 weist der Schrumpfring 45 einen Ansatz 50 auf, der sich gegen die Kante eines Vorsprunges 51 des Isolators 41 anlegt, so dass die Schub kräfte im wesentlichen durch Druckkräfte er setzt werden. Der zur Herstellung der Ver bindung zwischen dem Zylinder 43 und dem Isolator 41 dienende Flansch 47 hat an der Verbindungsstelle einen U-förmigen Quer schnitt.
Er ist an seiner glatten Seite durch den Sehmelzfluss 49 mit dem Isolator ver schmolzen und in die beiden Schenkel 52 und 53 des U-förmigen Teils ist- ein. zweiteiliger Ring 54 aus dem gleichen Material wie der Isolator 41 eingesetzt, der infolge seines klei neren Ausdehnungskoeffizienten eine Deh nung des Metalles bewirkt, wodurch die auf tretenden Schubspannungen entsprechend ver mindert werden.