DE68915218T2 - Keramische Dichtungsanordnung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Keramikdichtung, mit der ein durch das Gehäuse eines elektrischen Geräts ragender Anschluß abgedichtet und elektrisch isoliert wird, und insbesondere auf einen Adapter, um eine keramische Dichtanordnung hermetisch an ein Gehäuse anzuschließen, beispielsweise ein Batteriegehäuse, wie etwa ein hydraulisch geformtes Druckgehäuse für die Elemente einer Metallgaszelle.
• Relativ leichtgewichtige dünnwandige Druckgehäuse wurden verwendet, um elektrische Geräte aufzunehmen, insbesondere die Komponenten einer Metallgaszelle. Beispielsweise enthalten Nickel-Wasserstoff-Zellen eine Plattenstapel in einem dichten Metallgehäuse. Üblicherweise wird ein Metallblech, beispielsweise aus einer Nickellegierung, hydraulisch zu einem hohlzylindrischen Element mit einem halbkugeligen Endbereich geformt, indem das Blech um einen geeignet geformten Dorn gedehnt wird. Zwei solche Elemente werden zusammengeschweißt und bilden ein zylindrisches Gehäuse oder Gefäß mit zwei halbkugelförmigen Endbereichen. Bei klassischer Herstellungsart haben die Druckgehäusewände eine Dicke von etwa 0,02 bis 0,05 inches. Ein Anschluß wird elektrisch mit den Leitungen verbunden, die eine entsprechende elektrische Last tragen und von einem Ende des Plattenstapels ausgehen sowie durch eine in einem der Endbereiche vorgesehene Öffnung herausragen. Metallgaszellen sind üblicherweise mit einem Gas relativ hohen Drucks gefüllt, wie z.B. Wasserstoff, mit etwa 700 bis 1200 psig.
• Üblicherweise besitzt der pneumatisch geformte Endabschnitt des Druckgehäuses der Metallgaszelle einen angeformten Halsbereich, der eine Öffnung bildet, durch die der Anschluß verläuft. Eine Abdichtung gegen Fluidlecks zwischen dem Gehäuse und dem Anschluß erfolgte bisher auf eine von zwei Arten: Erstens wird ein im wesentlichen ringförmiger Teflonstopfen um den Anschluß herum angeordnet und in den Halsbereich des Gehäuses hineingedrückt. Durch die Druckwirkung wird der Teflonstopfen komprimiert und verformt und erzeugt so eine Dichtung zwischen dem Halsbereich des Gehäuses und dem Anschluß. Zweitens wird ein im wesentlichen ringförmiger Teflonstopfen um den Anschluß herum gelegt und so bemessen, daß er ohne Kompression in den Halsbereich des Gehäuses hineinpaßt. Danach wird der Halsbereich verformt, beispielsweise gefaltet, so daß das Teflon sich verformt und eine Dichtung bildet.
• Ein mit der Verwendung einer Teflondichtung verbundenes Problem besteht darin, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Teflons eine Größenordnung über der des Metalls liegt, aus dem der Anschluß oder das Druckgehäuse besteht. Aufgrund des Drucks und der Wärmezyklen im Betrieb der Metallgaszelle kann eine bestimmte Teflondichtung zwischen 0,007 und 0,01 inch fließen. Dieser Materialfluß kann der Grund für die Entwicklung eines Fluidlecks und damit für einen vorzeitigen Ausfall eines elektrischen Geräts sein, das in dem Gehäuse liegt. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Teflondichtungen bei Temperaturen vom 300ºC oder mehr schmelzen können, denen die Anschlüsse außen unterworfen sind, beispielsweise beim Anlöten äußerer Leiter.
• Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dichtanordnung in elektrischen Geräten anzugeben, die in einem dünnwandigen Druckgehäuse untergebracht sind, wobei die Dichtanordnung einen durch die Gehäusewand verlaufenden Anschluß elektrisch isolieren und gegen Fluidlecks auch bei wiederholten Druck- und Temperaturzyklen abdichten soll.
• Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dichtanordnung für ein in einem dünnwandigen Druckgehäuse untergebrachtes elektrisches Gerät anzugeben, die der in Verbindung mit dem Anlöten äußerer Drähte an den durch die Gehäusewand ragenden Anschluß auftretenden Temperaturen ohne Struktur- oder Funktionsänderung widerstehen kann.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Gerät, wie es in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
• Die Druckschrift US-A-4 112 204 beschreibt eine Dichtstruktur für einen elektrischen Batterieanschluß. Die Dichtung enthält ringförmige Keramikglieder, die den Anschluß umgeben, und einen ringförmigen Metallkragen, der die Keramikglieder mit dem Batteriegehäuse verbindet. Diese Kombination wird jedoch nicht mittels Kompression gegen eine Schulter des Gehäuses unter erhöhtem Druck in der Batterie eingesetzt.
• Die bei liegenden Zeichnungen, die Bestandteil der Offenbarung sind, zeigen, wie die vorliegende Erfindung realisiert werden kann, und dienen in Verbindung mit der Beschreibung der Erläuterung des Erfindungsprinzips.
• Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine keramische Dichtanordnung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
• Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt und unter Verwendung der keramischen Dichtanordnung aus Figur 1.
• Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt und unter Verwendung der keramischen Dichtanordnung aus Figur 1.
• Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt und unter Verwendung der keramischen Dichtanordnung aus Figur 1.
• Figur 5 zeigt einen Ausschnitt aus einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt und unter Verwendung der keramischen Dichtanordnung aus Figur 1.
• Figur 6 zeigt einen Ausschnitt aus einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt und unter Verwendung der keramischen Dichtanordnung aus Figur 1.
• Eine keramische Dichtanordnung, wie sie ganz allgemein in Figur 1 mit 10 bezeichnet ist, besteht aus drei ringförmigen Keramikelementen 11, 12 und 13, einer Buchse 20 und einem Kragen 15. Die Buchse 20 ist im wesentlichen ein zylindrisches Rohr 21 mit zwei Enden, von denen das eine einen im wesentlichen ringförmigen Flansch 22 integral angeformt oder an das Rohr angesetzt aufweist. Ein mit einem elektrischen Gerät wie z.B. einer Batterie verbundener Anschluß kann durch das Rohr 21 eingesteckt und durch geeignete Mittel wie z.B. eine in Umfangsrichtung verlaufende kontinuierliche Wolfram-Inertgasschweißung hermetisch am Rohr befestigt werden. Der Kragen 15 hat einen im wesentlichen ringförmigen Bereich 16, der mit einem im wesentlichen kreisförmigen Randbereich 18 entweder fest verbunden oder an diesen angeformt ist und mit dem ringförmigen Bereich 16 einen vorbestimmten Winkel, vorzugsweise 90º, einschließt. Die genaue Konfiguration des Randbereichs 18 sowie der Winkel zwischen diesem und dem Ringbereich 16 kann abhängig von der jeweiligen Anwendung verändert werden, wie dies im Rahmen fachmännischer Maßnahmen liegt. Im montierten Zustand verlaufen die ringförmigen Keramikelemente 11 und 12 um das Rohr 21 herum. Eine im wesentlichen ringförmige Oberfläche des ringförmigen keramischen Elements 13 ist an einer Seite des Flansches 22 mittels einer hermetischen Keramik-Metalldichtung 24 befestigt, die bekannte Techniken verwenden kann, wie sie im US-Patent 3 395 993 beschrieben ist. Die Offenbarung dieses Patents wird hier bezugnehmend herangezogen. In ähnlicher Weise ist eine im wesentlichen ringförmige Oberfläche des ringförmigen Keramikelements 12 mit der anderen Seite des Flansches 22 über eine hermetische Keramik-Metalldichtung 25 verbunden. Eine gegenüberliegende, im wesentlichen ringförmige Seite des ringförmigen Keramikelements 12 ist an einer Seite des ringförmigen Bereichs 16 des Kragens 15 mittels einer hermetischen Keramik-Metalldichtung 26 befestigt. Eine im wesentlichen ringförmige Seite des ringförmigen Keramikelements 11 ist mit der anderen Seite des ersten Elements 16 ebenfalls durch eine hermetische Keramik- Metalldichtung 27 verbunden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie in Figur 2 dargestellt, ist die Dichtanordnung 10 bezüglich eines Druckgehäuses 30 so angeordnet, daß der Randbereich 18 des Kragens 15 zur Außenseite des Gehäuses 30 zeigt und daß der Flansch 22 der Buchse 20 innerhalb des Gehäuses 30 liegt. Das Druckgehäuse 30 enthält ein elektrisches Gerät und ein Fluid unter hohem Druck. Mit dieser Ausrichtung unterliegen die Keramik-Metalldichtungen 24, 25, 26 und 27 Kompressionskräften aufgrund des Druckfluids im Gehäuse 30. Eine solche Ausrichtung steht im Gegensatz zur üblichen Ausrichtung einer Dichtanordnung 10, die bei Anwendungen auf Nickel-Kadmium-Batterien mit geringem Druck in Frage kommt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß in einer üblichen Ausrichtung der Dichtanordnung 10 zum Abdichten eines Anschlusses durch die Wand eines Druckgehäuses 30, das ein Fluid unter hohem Druck enthält, wie z.B. 4,8 bis 8,3 MPa (700-1200 psi), die Keramik-Metalldichtungen 25, 26 und 27 einer Zugspannung ausgesetzt sind, die zu einem vorzeitigen Ausfall der Dichtanordnung 10 führt. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff "Fluid" sowohl ein Gas als auch eine Flüssigkeit ein.
• Wie weiter aus Figur 2 hervorgeht, ist der erfindungsgemäße Adapter allgemein mit 40 bezeichnet und wird verwendet, um die Dichtanordnung 10 am Druckgehäuse 30 zu befestigen. Es hat sich herausgestellt, daß Versuche, die Dichtanordnung 10 unmittelbar an der dünnen Wand (mit einer Wandstärke von z.B. 0,041 bis 0,076 cm (0,016 bis 0,030 inch)) eines Leichtbaugehäuses 30 durch Löten zu einem vorzeitigen Ausfall der Zelle bei hydraulischen Zyklen von 96 kPa bis 6,3 MPa (0 bis 900 psig) mit einer Frequenz von 10.000 Zyklen pro Tag geführt hat. Gemäß der vorliegende Erfindung wird ein Adapter 40 verwendet, um die Dichtanordnung 10 am Gehäuse 30 gut zu befestigen und hermetisch abzudichten. Allgemein enthält der Adapter 40 einen rohrförmigen Bereich 41 mit zwei Endbereichen und einen Kragen 42, der an einem der Endbereiche angeformt ist und sich im wesentlichen um den ganzen Umfang des rohrförmigen Bereichs 41 herum nach innen unter Bildung einer im wesentlichen ringförmigen Schulter 46 erstreckt.
• Wie in Figur 2 zu sehen, besitzt der Adapter 40 gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Ausführungsform einen im wesentlichen ringförmigen Flansch 43, der am anderen Endbereich des rohrförmigen Bereichs 41 angeformt ist. Ein im wesentlichen ringförmiger Rand 44 verlängert eine der Oberflächen des Flansches 43. Der Rand 44 und der Endbereich 47 des Flansches 43 formen eine im wesentlichen ringförmige Stufe 45. In der Anwendungsform gemäß Figur 2 des Adapters ist die Dichtanordnung 10 in der oben beschriebenen Art ausgerichtet und gestaltet und liegt im rohrförmigen Bereich 41 des Adapters 40 derart, daß das ringförmige Keramikelement 11 auf der Schulter 46 anliegt. Die Dichtanordnung 10, insbesondere die ringförmigen Keramikelemente 11, 12 und 13, wird gegen ein Ausweichen axial nach außen aufgrund von durch den hohen Fluiddruck im Gehäuse 30 erzeugten Kräften durch Kraftschluß zwischen dem ringförmigen Keramikelement 11 und dem Kragen 42 abgestützt. Die Dichtanordnung 10 ist durch Lötung mit dem Adapter 40 entlang im wesentlichen der ganzen Zwischenfläche zwischen dem Randbereich 18 des Kragens 15 und dem rohrförmigen Bereich 41 hermetisch verbunden. Die Lötung kann durch Einfügung eines Rings eines geeigneten Lötmaterials, beispielsweise eine aus Nickel und Gold bestehende Lötlegierung "NIORO" gebildet werden, die von der Western Gold and Platinum Company, einer Tochterfirma der GTE Products Corporation, hergestellt wird und zwischen den Randbereich 18 und den rohrförmigen Bereich 41 beim Zusammenbau eingefügt wird, worauf dieses Material durch ein beliebiges geeignetes Mittel wie z.B. einen Vakuumofen auf eine für die Lötung erforderliche Temperatur gebracht wird. Danach werden der Adapter 40 und die Dichtanordnung 10 in der im Druckgehäuse 30 ausgebildeten Öffnung so angebracht, daß die Kante 32 des Gehäuses 30 auf der ringförmigen Stufe 45 aufliegt. Der Adapter 40 wird an dieser Verbindungsstelle durch zwei getrennte Schweißnähte 90 und 91 am Gehäuse 30 befestigt, die entlang der ganzen Naht verlaufen. Vorzugsweise sind die Schweißnähte 90 und 91 durch Elektronenstrahlschweißung gebildet.
• Wenn der Adapter 40 auch aus einem beliebigen Leichtbaumaterial hergestellt werden kann, wird vorzugsweise Inconel 718 verwendet, bei dem es sich um eine von der International Nickel Company hergestellte Nickellegierung handelt. In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform besitzt der Adapter 40 im wesentlichen eine gleichmäßige Dicke von z.B. 0,13 cm (0,05 inch). Die Dicke der Wand des Druckgehäuses 30 ist geringer als die des Adapters 40, beispielsweise 0,041 bis 0,076 cm (0,016 bis 0,030 inch). Eine nicht dargestellte Kerbe könnte im Flansch 43 anstelle des Randes 44 und des Endbereichs 47 vorgesehen sein, die mit der Kante 32 des Gehäuses 30 übereinstimmt.
• In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Figur 3 gezeigt ist, besitzt der Adapter 40 einen rohrförmigen Bereich 50, bestehend aus einem ersten Abschnitt 51 mit im wesentlichen der gleichen Dicke wie der Kragen 42 und der Flansch 53 von z.B. 0,13 cm (0,050 inch) und einem zweiten Abschnitt 52 mit geringerer Dicke (z.B. 0,066 cm (0,026 inch). Die Dichtanordnung 10 liegt in dem rohrförmigen Bereich 50 so, daß das ringförmige Keramikelement 11 gegen die Schulter 46 stößt und hermetisch mit dem Adapter 40 durch Verlötung entlang im wesentlichen der ganzen Zwischenfläche zwischen dem Randbereich 18 des Kragens 15 und dem ersten Abschnitt 51 befestigt ist. Dementsprechend sei bemerkt, daß die Menge an Lötmaterial für die hermetische Befestigung der Dichtanordnung 10 am Adapter 40 deutlich geringer in der Ausführungsform gemäß Figur 3 ist, was zu geringeren Kosten und geringerem Gewicht führt. Zusätzlich erleichtert das Innenrelief der verringerten Dicke im zweiten Abschnitt 52 den Lötvorgang. Der Flansch 53 hat eine Kegelstumpfform, um einen relativ sanften Übergang an der Verbindungsstelle des Flansches 53 mit dem Gehäuse 30 zu ergeben. Der Adapter 40 ist mit dem Gehäuse 30 genauso wie in Verbindung mit Figur 2 beschrieben verbunden, abgesehen davon, daß eine in Umfangsrichtung verlaufende Kerbe 56 in den Flansch 53 eingearbeitet wurde, die der Kante 32 des Gehäuses 30 gegenübersteht.
• In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform besitzt der Adapter 40 einen rohrförmigen Bereich 50 mit einem ersten Abschnitt 51, der im wesentlichen dieselbe Dicke wie der Kragen 42 hat, nämlich 0,13 cm (0,050 inch) und einem zweiten Abschnitt 52 verringerter Dicke von z.B. 0,066 cm (0,026 inch). Ein im wesentlichen ringförmiger Rand 54 steht von der äußeren Oberfläche des zweiten Abschnitts 52 vor. Der Rand 54 und der Endbereich 57 definieren eine im wesentlichen ringförmige Stufe 55. Die erfindungsgemäß angeordnete und montierte Einheit aus der Dichtanordnung 10 und dem Adapter 40 wird in die Öffnung der Gehäusewand 30 von außerhalb des Gehäuses eingesetzt, bis die Kante 32 der Gehäusewand 30 der Stufe 55 gegenüberliegt. Wie oben beschrieben wird der Adapter 40 hermetisch an der Nahtstelle mit dem Gehäuse 30 durch zwei in Umfangsrichtung verlaufende Schweißnähte 90, 91 verbunden, die vorzugsweise mittels Elektronenstrahlschweißung hergestellt werden. Eine nicht dargestellte, in Umfangsrichtung verlaufende Kerbe könnte im zweiten Bereich 52 anstelle des Rands 54 und des Endbereichs 57 gegenüber der Kante 32 des Gehäuses 30 vorgesehen sein.
• Gemäß Figur 5 kann das Druckgehäuse 30 einen abgesetzten angearbeiteten Halsteil besitzen, durch den eine Öffnung verläuft und der einen ersten rohrförmigen Abschnitt 34 sowie einen zweiten rohrförmigen Abschnitt 36 geringeren Innen- und Außendurchmessers definiert. Das Ende des zweiten rohrförmigen Abschnitts 36 besitzt einen nach innen gerichteten Flansch 37. Der Adapter 40 gemäß Figur 5 ähnelt dem Adapter gemäß Figur 4, mit Ausnahme des zweiten Abschnitts 52, der eine geringere Länge besitzt und nicht einen Rand 54 enthält. Die erfindungsgemäß ausgerichtete und montierte Einheit aus Dichtanordnung 10 und Adapter 40 wird in die Öffnung des Gehäuses 30 von innerhalb des Gehäuses 30 eingesetzt, bis der Kragen 42 am Flansch 37 anliegt. Dann wird der Adapter 40 hermetisch am Gehäuse 30 durch eine Lötung entlang der ganzen Zwischenfläche zwischen dem ersten rohrförmigen Abschnitt 51 und dem Kragen 42 des Flansches 40 sowie dem zweiten rohrförmigen Abschnitt 36 und dem Flansch 37 des Gehäuses 30 befestigt. Die Lötung kann durch Einlegen eines geeignet geformten Rings aus Lötmaterial zwischen den Halsbereich des Gehäuses 30 und den Adapter 40 beim Zusammenbau und durch Erwärmen dieses Materials auf eine für die Verlötung erforderliche Temperatur erfolgen.
• Die in Figur 6 dargestellte Ausführungsform des Adapters ähnelt der Konfiguration des Adapters aus Figur 3. Nur der Flansch 53 ist gleichmäßig abgeschrägt von einer Dicke von beispielsweise 0,13 (0,050 inch) in der Mitte des Flansches 53 bis auf eine Dicke von beispielsweise 0,03 cm (0,012 inch) am Ende 57 des Flansches. Die Oberfläche des Flansches 53, die mit dem Gehäuse 30 in Berührung steht, ist in ihrer Form der des Bereichs des Gehäuses 30 angepaßt, der dem Flansch 53 gegenübersteht. Das Gehäuse 53 kann einen nach oben gerichteten Halsabschnitt 38 besitzen, wie gezeigt, der sich an den rohrförmigen Abschnitt 50 des Adapters 40 anlegt. Der Adapter 40 wird an das Gehäuse 30 durch Lötung entlang im wesentlichen der ganzen Zwischenfläche zwischen dem rohrförmigen Abschnitt 50 und dem Flansch 53 des Adapters 40 und dem Gehäuse 30 befestigt, einschließlich ggf. des Halsbereichs 38.
• Die nachfolgenden Beispiele beschreiben, wie die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann und offenbaren die von den Erfindern bevorzugte Ausführungsform, die aber nicht als den Rahmen der Erfindung beschränkend verstanden werden soll.
BEISPIEL 1
• Ein Testgehäuse wurde aus zwei hydraulisch auf Halbkugelform gebrachten 0,061 cm (0,024 inch) dicken Kuppeln hergestellt, die mit Öffnungen zur Aufnahme der Einheit aus Adapter und Dichtung gemäß der Anordnung in Figur 3 vorbereitet wurden. Die Dichtanordnung wurde an den Adapter gemäß der oben anhand von Figur 3 beschriebenen Weise angelötet. Eine Einheit aus Adapter und Dichtung wurde an jeder Kuppel angebracht und hermetisch dicht mittels einer Elektronenstrahlschweißung, die von außerhalb des Gehäuses aufgebracht wurde, und mittels einer getrennten Elektronenstrahlschweißung befestigt, die von der Innenseite des Druckgehäuses her aufgebracht wurde. Die Kuppeln wurden dann an ihrem Umfang aneinander angeschweißt unter Verwendung eines 0,048 cm (0,019 inch) breiten Schweißrings und einer Wolfram-Inertgas-Schweißanlage (TIG), so daß sich ein kugelförmiges Testgehäuse ergab. Das Gehäuse bestand aus Inconel 718 und wurde alterungsgehärtet. Das Gehäuse wurde mit Kappen an einem Füllrohr an einem Ende und mit einem Kompressionsfitting am anderen Ende versehen. Zuerst wurde das Gehäuse mit H&sub2; auf 6,2 MPa (900 psi) abgedrückt und die Fittings und Dichtungen wurden mit einer H&sub2;-Spürsonde auf Dichtheit untersucht. Nachdem keine Fluidlecks festgestellt wurden, wurde der Druck abgebaut und das Gehäuse vollständig mit Wasser gefüllt und mit einer automatischen Anlage zur zyklischen Druckerzeugung verbunden. Das so aufgebaute System wurde auf Fluidlecks überprüft und auf einen Druck von 6,2 MPa (900 psi) eingestellt. Dann wurden Druckzyklen mit einer Frequenz von 10.000 Zyklen pro Tag über insgesamt 45.000 Zyklen von 0 bis 6,2 MPa (0 bis 900 psi) gefahren und dann wurde ein Bersttest auf 20,8 MPa (3.000 psig) durchgeführt. Diese Tests ergaben keinen Schaden und auch bei einer anschließenden Analyse wurden keine Ermüdungen oder Lecks (weniger als 10&supmin;&sup7; cm³/sec He) an einer der Schweißstellen zwischen Kuppel und Adapter oder an der Dichtanordnung festgestellt.
BEISPIEL 2
• Ein sphärisches Testgehäuse wurde wie im Beispiel 1 erzeugt, jedoch wurde die Anordnung gemäß Figur 5 anstelle der von Figur 3 für die Kuppel und den Adapter gewählt. Nachdem die Dichtanordnung aus Figur 1 an den Adapter angelötet war, wurde die innere Peripherie des Abschnitts des Adapters mit verringerter Wandstärke mit Lötmaterial gefüllt. Das Gehäuse wurde erfolgreich gemäß der im Beispiel 1 dargelegten Prozedur in 57.000 Druckzyklen getestet, ohne daß eine Ermüdung, ein Riß oder ein bevorstehender Ausfall irgendeines Bauteils erkennbar geworden wäre.
BEISPIEL 3
• Zwei getrennte Testgefäße wurden durch Rollen eines 50,069 cm (0,027 inch) dicken Blechs aus Inconel 718 gebildet, die einen zylindrischen Behälter bilden, wobei die aneinanderstoßenden Kanten des Blechs durch eine Wolfram-Inertgas-Schweißung (TIG) miteinander verschweißt wurden. Zwei hohle halbkuglige Endbereiche, die aus Blechen von Inconel 718 mittels hydraulischer Formung gebildet wurden und eine Nenndicke von 0,069 cm (0,027 inch) besaßen, wurden an getrennte Kanten des Behälters angesetzt, indem ein Schweißring zwischengefügt, axial ausgerichtet und außen und in Umfangsrichtung mit Hilfe eines TIG-Schweißverfahrens angeschweißt wurde. Der Schweißring bestand aus Inconel 718. Jede Kuppel war so geformt, daß sie einen Hals bildete, und eine Einheit aus Adapter und Dichtung gemäß Figur 6 wurde durch Löten am Hals befestigt. Jedes Gehäuse wurde mit Anschlußkappen an ein Füllrohr an einem Ende und mit einem Kompressionsfitting am anderen Ende versehen. Jedes Gehäuse wurde zuerst mit H&sub2; auf einen Druck von 6,2 MPa (900 psi) gebracht, und die Fittings und Dichtungen wurden auf Dichtheit unter Verwendung einer H&sub2;-Spürsonde überprüft. Nachdem keine Fluidlecks festgestellt wurden, wurde der Druck abgebaut und die Behälter wurden vollständig mit Wasser gefüllt und mit einer automatischen Anlage zur zyklischen Druckerzeugung verbunden. Das so aufgebaute System wurde auf Fluidlecks überprüft und auf einen Druck von 6,2 MPa (900 psi) eingestellt.
• Die Testgehäuse wurden parallel unter Verwendung eines gemeinsamen Hydraulikzylinders getestet. Die Druckzyklen erfolgten kontinuierlich über 45.000 Zyklen zwischen 0 und 6,2 MPa (0 und 900 psi). Das automatische System wurde stündlich überwacht und die Zyklusnummer und der maximale Druck wurden registriert. Nach Abschluß der 45.000 Zyklen wurden die Testgehäuse optisch nach Lecks oder anderen Schäden untersucht, die jedoch nicht festgestellt werden konnten. Es wurde kein H&sub2;-Leck entdeckt. Schließlich wurden die Testgehäuse mit einem Heliumdruck von 6,2 MPa (900 psi) beaufschlagt und unter Verwendung eines Massenspektrometers auf Dichtheit untersucht. Die angegebene Leckrate betrug 2,5 x 10&supmin;&sup7; cm³/sec für jedes Testgehäuse. Der Untergrundpegel (Gehäuse ohne Helium) wurde mit 6,4 x 10&supmin;&sup8; bis 6,4 x 10&supmin;&sup8; cm³/sec festgestellt.
• Nach der Dichtheitsprüfung wurden die Gehäuse einzeln mit Druck beaufschlagt, bis sie bei 19,1 MPa bzw. 20,3 MPa (2775 und 2950 psi) zerbarsten. Das Bersten der Gehäuse erfolgte auf der Zylinderseite des Schweißrings bezüglich eines Gehäuses bzw. an der Schweißnaht in der Nähe der Mitte des Zylinders bezüglich des anderen Gehäuses. Die metallographischen Analysen der Komponenten der Dichtung nach dem Bersten ergaben keine Materialdefekte oder Schwachpunkte in den Komponenten der Dichtung. Eine der Lötungen wurde nach dem Bersttest einer nach innen gerichteten axialen Kraft von 1,78 kN (400 Pounds) ausgesetzt, ohne daß ein mechanischer Schaden an einer der gelöteten Verbindungen oder den Komponenten hätte beobachtet werden können.

Claims (10)

1. Elektrische Vorrichtung mit

einem Gehäuse (30), das ein Fluid unter hohem Druck enthält und eine Schulter (46) aufweist, die eine durch sie hindurchführende Öffnung begrenzt,

einem Anschluß, der sich durch die Öffnung erstreckt und mit einer in dem Gehäuse angeordneten elektrischen Einrichtung verbunden ist,

einem hermetisch dichtend an dem Gehäuse befestigten Kragen (15),

einem ersten im wesentlichen ringförmigen Keramikteil (12), das den Anschluß umgibt, an diesem befestigt ist und hermetisch dichtend an dem Kragen befestigt ist,

einem zweiten im wesentlichen ringförmigen Keramikteil (11), das den Anschluß umgibt, hermetisch dichtend an dem Kragen befestigt ist und an der Innenfläche der Schulter derart anliegt, daß es gegen eine Axialbewegung aus dem Gehäuse heraus gesichert ist,

wobei die Kombination der Keramikteile (11, 12) und der Schulter (46) derart ausgebildet ist, daß bei Ansteigen des Fluiddrucks innerhalb des Gehäuses die Keramikteile unter Kompression gegen die Schulter gedrückt werden und eine Dichtung zwischen dem Anschluß und dem Gehäuse aufrechterhalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Hülse (20) den Anschluß umgibt und an diesem sowie an dem ersten Keramikteil (12) befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Hülse mit einem im wesentlichen ringförmigen Flansch (22) versehen ist, der hermetisch dichtend an einer Fläche des ersten Keramikteils (12) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Kragen (15) einen im wesentlichen ringförmigen Teil (16) und einen aufrechten Randteil (18) aufweist, wobei der Ringteil hermetisch dichtend an den Keramikteilen (11, 12) angeordnet ist und der Randteil (18) hermetisch dichtend an dem Gehäuse befestigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Randteil unter 90º zu dem ringförmigen Teil angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Gehäuse mit einem die Öffnung definierenden, im wesentlichen röhrenförmigen Adapter (40) versehen ist, der einen hermetisch dichtend an dem Kragen (15) befestigten Hauptteil (41) und einen die Schulter (46) bildenden äußeren Endteil aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Hauptteil des Adapters (40) erste und zweite Bereiche unterschiedlicher Dicke aufweist, wobei der Kragen an dem Bereich größerer Dicke befestigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der der Adapter an seinem inneren Endbereich einen Ringflansch aufweist, der an dem übrigen Gehäuse befestigt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei der der Adapter durch Lötung an dem übrigen Gehäuse befestigt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem dritten, im wesentlichen ringförmigen Keramikteil (13), das an dem Anschluß befestigt und durch den Fluiddruck komprimiert ist.