IB2007/001987
Elektrische Durchführung, insbesondere für Druckanwendungen, sowie Verfahren zum Herstellen einer solchen Durchführung
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Durchführung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 28.
Elektrische Durchführungen, insbesondere auch in ihrer Ausbildung als Glas-Metall- Durchführungen, sind bekannt und dienen beispielsweise dazu, eine elektrische Verbindung zwischen zwei getrennten Räumen herzustellen, in denen unterschiedliche Bedingungen beispielsweise hinsichtlich Druck, Temperatur, Atmosphäre oder hinsichtlich anderer die Räume ausfüllender Medien usw. bestehen.
Insbesondere bei Druckanwendungen, bei welchen zwischen den Gehäuseseiten, aus denen die elektrischen Leiter der Durchführungen herausgeführt sind, eine hohe Druckdifferenz anliegt, sind u.a. das die Leiter in den Gehäusen fixierende und die Gehäusedurchlässe verschließende Material (Glaskörper), aber auch der Übergang dieses Materials und dem jeweiligen Gehäuse einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt. Dies gilt in verstärktem Maße bei Anwendungen mit wechselnden Drücken.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Durchführung aufzuzeigen, die insbesondere für Druckanwendungen auch bei extrem hohem Drücken geeignet ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Durchführung entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Durchführung ist Gegenstand des Patentanspruchs 28.
Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass der Gehäusedurchlass zumindest im Bereich eines ersten Gehäuseendes, welche im Anwendungsfall die mit dem Druck
belastete Gehäuseseite (nachstehend auch druckbelastete Gehäuseseite oder Druckseite) ist, wenigstens zwei Mündungen an einem Abschnitt der Gehäuseaußenfläche bildet, der eine Gehäuseachse nach Art einer Mantelfläche umschließt. Die wenigstens zwei Mündungen sind dabei bevorzugt flächengleich oder im Wesentlichen flächengleich ausgebildet. Die wenigstens zwei Mündungen sind weiterhin in gleichmäßigen Winkelabständen um die Gehäuseachse versetzt, und zwar bevorzugt derart, dass sich die Achsen der Mündungen und damit auch die Kraftlinien der aus dem Druck an der Druckseite resultierenden Kräfte in einem gemeinsamen Punkt schneiden, vorzugsweise zusammen mit der Gehäuseachse.
Durch diese Ausbildung ergibt sich bei Druckanwendungen eine Kompensation der auf die Mündungen im Bereich des ersten bzw. druckseitigen Gehäuseendes einwirkenden Druckkräfte, insbesondere auch in der Weise, dass Kräfte, die aus dem Druck der Druckanwendung resultieren und auf das den Gehäusedurchlass verschließende Material einwirken, in Richtung zwischen dem ersten und den zweiten Gehäuseende, d.h. beispielsweise in Richtung der Gehäuseachse zumindest weitestgehend vermieden sind und hierbei insbesondere auch Kräfte oder Belastungen am Übergangsbereich zwischen dem den Gehäusedurchlass verschließenden Material und dem Gehäuse.
Unter einem die Gehäuseachse mantelflächenartig umschließenden Abschnitt der Gehäuseaußenfläche ist im Sinne der Erfindung jeder beispielsweise rotationssymmetrisch um die Gehäuseachse ausgebildete Umfangsabschnitt, wie z.B. ein zylinderförmiger, kegelstumpfförmiger Abschnitt, aber auch ein Umfangsabschnitt zu verstehen, an welchem die Gehäuseaußen- oder -u mf an gsf lache polygonartig ausgebildet ist, beispielsweise einen dreieckförmigen, rechteckförmigen, quadratischen oder einen vieleckförmigen Querschnitt besitzt. Wesentlich hierbei ist nur, dass sich die Kraftlinien der aus dem Druck einer Druckanwendung resultierenden und auf die Durchlassmündungen wirkenden Kräfte in einem gemeinsamen Punkt schneiden und hierdurch eine Kompensation der Kräfte erreicht wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und im Längsschnitt eine als Metall-Glas-
Durchführung ausgebildete Durchführung gemäß der Erfindung; Fig. 2 u. 3 die Metall-Glas-Durchführung der Figur 1 in Vorderansicht (Figur 2) bzw. in
Rückansicht (Figur 3);
Fig. 4 in einer Darstellung ähnlich Figur 1 die die Metall-Glas-Durchführung bildenden Komponenten vor der Fertigstellung dieser Durchführung;
Fig. 5 in vergrößerter Teildarstellung eine Mündung des Gehäusedurchlasses bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete und als Metall-Glas-Durchführung ausgebildete Durchführung eignet sich speziell für Hochdruckanwendungen, beispielsweise für die elektrische Verbindung von in einem Druckraum angeordneten elektrischen Komponenten, wie z.B. Aktoren, Sensoren oder dgl., mit außerhalb des Druckraumes angeordneten elektrischen Komponenten oder Baugruppen, wobei der Druck im Druckraum beispielsweise der Druck wenigstens eines flüssigen, gasförmigen und/oder dampfförmigen Mediums ist und z.B. einige lOOObar beträgt, während der Druck außerhalb des Druckraumes beispielsweise Umgebungsdruck, d.h. ein Druck von etwa 1 bar ist. Die Durchführung 1 ist beispielsweise als Durchführung oder Basis für oder als Bestandteil von Hochdruck-Sensoren, z.B. in Kraftstoffeinspritz- Systemen oder Hydraulik-Systemen verwendbar.
Im Einzelnen besteht die Durchführung aus einem Gehäuse 2 aus Metall, beispielsweise aus Stahl, welches bei der dargestellten Ausführungsform einstückig mit mehreren Gehäuseabschnitten 2.1-2.4 ausgebildet ist, die ausgehend von einer Rückseite 3 der Durchführung 1 in einer Gehäuselängsrichtung L zur Vorderseite 4 der Durchführung 1 aneinander anschließen. An dem der Rückseite 3 unmittelbar
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benachbarten Gehäuseabschnitt 2.1 sowie an dem hieran anschließenden Gehäuseabschnitt 2.2 besitzt das Gehäuse 2 bei der dargestellten Ausführungsform jeweils eine kreiszylinderförmige Umfangsfläche, wobei der Gehäuseabschnitt 2.2 beispielsweise mit einem Außengewinde versehen sein kann. An den Gehäuseabschnitt 2.2 anschließend ist die Gehäuseaußenfläche am Gehäuseabschnitt 2.3 sich kegelstumpfförmig verjüngend ausgebildet und geht dann in den Gehäuseabschnitt 2.4 über, an dem das Gehäuse 2 bei der dargestellten Ausführungsform einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Eckbereichen aufweist (Figur 2) und der die Vorderseite 4 der Durchführung bildet. Mit dem Gehäuseabschnitt 2.2 ist die Durchführung 1 in einer den Druckraum bildenden und diesen beispielsweise von der Umgebung trennenden Komponente 5 durch Einschrauben befestigbar. Auch andere Arten der Befestigung sind denkbar, z.B. Schweißen, Hartlöten usw. Bei der dargestellten Ausführungsform bildet der Gehäuseabschnitt 2.4 ein plane oder im Wesentlichen plane Stirnfläche 6, die in einer Ebene senkrecht zur Gehäuselängsachse L liegt und die zur Befestigung von elektrischen oder elektromechanischen Bauteilen oder Bauelementen geeignet ist.
Das Gehäuse 2 ist mit einer achsgleich mit der Gehäuselängsachse L ausgeführten Bohrung 7 versehen, die an der Rückseite 3 offen und an der Vorderseite 4 verschlossen ist, d.h. zwar durch die Gehäuseabschnitte 2.1 - 2.3, nicht aber durch den Gehäuseabschnitt 2.4 reicht. Im Gehäuseabschnitt 2.3 ist eine Querbohrung 8 eingebracht, deren Querschnitt kleiner ist als der Querschnitt der Längsbohrung 7 und deren Achse die Gehäuselängsachse L senkrecht schneidet. Die Querbohrung 8 bildet dadurch zwei Bohrungsabschnitte 8.1 , die jeweils an der Außenfläche des Gehäuseabschnitts 2.3 offen sind, in die Längsbohrung 7 münden und mit ihren
Achsen achsgleich zueinander sowie radial zur Gehäuselängsachse L orientiert sind.
Durch die Längsbohrung 7 und die Bohrungsabschnitte 8.1 sind zwei jeweils von einem Leiter bzw. Draht aus einem elektrisch leitenden Material gebildete Leiter 9 hindurchgeführt, und zwar derart, dass jeder Leiter 9 mit dem Ende eines
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Leiterabschnitts 9.1 über die Rückseite 3 und mit dem Ende eines Leiterabschnitts 9.2 radial und achsgleich mit der Achse des jeweiligen Bohrungsabschnittes 8.1 über den Umfang des Gehäuseabschnittes 2.3 wegsteht. Die beiden Leiter 9 sind hierfür innerhalb des Gehäuses 2 jeweils rechtwinklig abgebogen und im Übrigen bei der dargestellten Ausführungsform so angeordnet, dass die Leiterabschnitte 9.1 mit ihren Achsen in einer gemeinsamen, auch die Gehäuselängsachse L einschließenden Ebene und die Leiterabschnitte 9.2 mit ihren Achsen in einer gemeinsamen, senkrecht zur Gehäuselängsachse L orientierten Ebene liegen.
Zur mechanischen Fixierung der Leiter 9 im Gehäuse 2, zur elektrischen Isolierung der Leiter 9 gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse 2 sowie zur Abdichtung des Gehäuses an den Bohrungen 7 und 8, ist im Gehäuse ein Glaskörper 10 vorgesehen, in welchem die Leiter 9 eingebettet sind und welcher die Bohrungsabschnitte 8.1 sowie die Bohrung 7 bis auf einen relativ kurzen Abschnitt 7.1 an der Rückseite 3 vollständig ausfüllt.
Die Herstellung des Glaskörpers 10 erfolgt entsprechend der Figur 4 unter Verwendung von drei Glasperlen 11 und 12. Die Glasperle 11 , die an ihrer Umfangsfläche in etwa kreiszylinderförmig ausgebildet und an den Durchmesser der Längsbohrung 7 angepasst ist, wird in die Längsbohrung 7 eingebracht und hierbei mit zwei durchgehenden Bohrungen auf die Leiterabschnitte 9.1 aufgeschoben. Die Glasperlen 12, die an ihrer Umfangsfläche jeweils in etwa kreiszylinderförmig ausgebildet und an den Durchmesser der Querbohrung 8 angepasst sind, werden in jeweils einen Bohrungsabschnitt 8.1 eingebracht und hierbei mit einer durchgehenden Bohrung auf einen Leiterabschnitt 9.2 aufgeschoben. Durch Erhitzen werden die
Glasperlen 11 und 12 dann zu dem die Leiter 9 dicht umschließenden und auch dicht mit der Wandung der Längsbohrung 7 sowie der Bohrungsabschnitte 8.1 verbundenen Glaskörper 10 verschmolzen.
Das Volumen der Glasperlen 1 1 und 12 ist so gewählt, dass diese den Innenraum des Gehäuses 2 bzw. den Gehäusedurchlass bis auf den Abschnitt 7.1 vollständig ausfüllenden Glaskörper 10 bilden. Um die Haftung des Glaskörpers 10 am Gehäuse 2 zu verbessern und um eine gleichmäßige Übertragung und Verteilung von Kräften zwischen dem Glaskörper 10 und dem Gehäuse 2 zu erreichen, sind die Flächen der Längsbohrung 7 und der Bohrungsabschnitte 8.1 profiliert oder aufgerauht, und zwar beispielsweise durch eine mechanische Oberflächenbehandlung, wie z.B. durch eine material- oder spanabhebende Oberflächenbehandlung mit einem geeigneten Werkzeug, durch Sandstrahlen, Laserbehandlung usw. oder aber beispielsweise durch eine chemische Oberflächenbehandlung.
Ein wesentliches Merkmal der Durchführung 1 besteht darin, dass die Leiterabschnitte 9.2 einander gegenüberliegend und radial zur Gehäuselängsachse L aus dem Gehäuse 2 herausgeführt sind, und hierfür auch die Bohrungsabschnitte 8.1 bezogen auf die Gehäuselängsachse L einander gegenüberliegend vorgesehen sind, sodass sich eine Kompensation solcher Kräfte ergibt, die im Verwendungsfall aus dem Druck im Druckraum resultieren und auf den Gaskörper 10 im Bereich der Bohrungsabschnitte 8.1 bzw. der Mündungen des von den Bohrungen 7 und 8 gebildeten Gehäusedurchlasses einwirken, und dadurch der Glaskörper 10 insbesondere auch nicht mit in Gehäuselängsrichtung L wirkenden Kräften beaufschlagt wird.
Durch die beschriebene Ausbildung ergibt sich an der Vorderseite 4 auch die nicht von Leitern oder Leiterabschnitten durchdrungene Fläche 6, auf der dann die im Druckraum anzuordnenden Bauelemente oder Komponenten befestigt werden können, beispielsweise Aktoren, Sensoren usw. Durch die Reduzierung des
Außenquerschnittes des Gehäuses 2 an den Gehäuseabschnitten 2.3 und 2.4 sowie insbesondere auch dadurch, dass die Leiterabschnitte 9.2 etwa im Bereich der Mitte zweier einander gegenüberliegender Querschnittsseiten des Gehäuseabschnittes 2.4 herausgeführt sind, können die Leiterabschnitte 9.2 zum Anschließen eines auf der Fläche 6 vorgesehenen Bauelementes oder einer dort vorgesehenen Baugruppe so
abgebogen werden, dass diese Leiter nicht über den maximalen Umfang der Durchführung 1 vorstehen.
Wie in der Figur 1 mit der unterbrochenen Linie 6.1 angedeutet ist, kann die von dem Gehäuseabschnitte 2.4 gebildete Stirnseite z.B. zur Anpassung an den Druck, zur Druckableitung und/oder Druckverteilung und/oder zur Anpassung an andere Erfordernisse abweichend gestaltet sein, beispielsweise als Kegel, Kugelfläche usw.
Die Figur 5 zeigt in vergrößerter Teildarstellung eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Durchführung 1 a im Bereich einer Mündung bzw. im Bereich eines Bohrungsabschnittes 8.1. Die Durchführung 1 a der Figur 5 unterscheidet sich von der Durchführung 1 der Figur 1 im Wesentlichen dadurch, dass das Ende des Leiterabschnitts 9.2 bündig mit der von dem isolierenden Material bzw. Glaskörper gebildeten Außenfläche der Durchführung liegt.
Vorstehend ist die Rede von Bohrungen 7 bzw. 8 sowie Bohrungsabschnitten 8.1. Es versteht sich, dass hiermit nicht nur Bohrungen oder Bohrungsabschnitte im eigentlichen Sinne, sonder ganz allgemein im Gehäuse 2 ausgebildete Durchlässe oder Kanäle gemeint sind.
Bezugszeichenliste
1, 1 a Durchführung
2 Gehäuse
2.1 - 2.4 Gehäuseabschnitt
3 Rückseite der Durchführung
4 Vorderseite der Durchführung
5 einen Druckraum bildende Komponente
6, 6.1 geschlossene Stirnfläche des Gehäuses 2
7 Längsbohrung
7.1 Abschnitt der Längsbohrung 7
8 Querbohrung
8.1 Bohrungsabschnitt
9 Anschluss bzw. Leiter
9.1, 9.2 Leiterabschnitt
10 Glaskörper
11, 12 Glasperle zum Herstellen des Glaskörpers 10
L Gehäuselängsachse