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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Metall-Keramik-Verbundkörper. Weiterhin
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vakuumschalteinheit,
die einen Metall-Keramik-Verbundkörper verwendet.
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Eine
Vakuumschalteinheit wird weit verbreitet als ein Schalter zum wahlweisen
Umschalten einer Stromzuführung,
um dadurch das Anlegen einer Hochspannung zu steuern, verwendet.
Die Vakuumschalteinheit umfasst ein keramisches Gehäuse, innerhalb
dem Kontakte angeordnet sind und das für den Zweck evakuiert ist,
zu verhindern, dass ein Zündfunke
durch Unterbrechen des Stroms hervorgerufen wird, um dadurch eine
ausreichende Isolation zu erzielen. In einem allgemeinen Aufbau
einer solchen Vakuumschalteinheit besteht das keramische Gehäuse aus
einem hohlen, zylindrischen, keramischen Element und metallischen
Abdeckelementen, die die gegenüberliegenden
Enden des zylindrischen, keramischen Elements verschließen. Die
metallischen Abdeckelemente sind an dem keramischen Element angelötet, um
einen Metall-Keramik-Verbund zu bilden.
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Eine
Struktur zum Verbinden eines metallischen Elements mit einer axialen
Endfläche
eines zylindrischen, keramischen Elements, wobei eine hermetische
Abdichtung dazwischen vorgesehen ist, ist aus einer so genannten
Kantendichtungsstruktur und einer Stoßdichtungsstruktur bekannt,
wie dies in der
japanischen, vorläufigen Patentveröffentlichung
Nr. 52-59863 offenbart ist. Das erstere ist eine Verbindung
einer axialen Endfläche
eines hohlen, zylindrischen, metallischen Elements mit einer axialen
Endfläche
eines hohlen, zylindrischen, keramischen Elements, indem ein Lot
dazwischengefügt
wird. Das letztere dient dazu, das hohle, zylindrische, metallische
Element mit einem ringförmigen
Flansch zu versehen, der sich radial nach außen von einem axialen Ende
davon erstreckt, den ringförmigen
Flansch auf der axialen Endfläche
des keramischen Elements anzuordnen und sie zu verbinden, indem
ein Lot dazwischengefügt
wird. Bei der Herstellung der herkömmlichen Vakuumschalteinheit,
oder dergleichen, werden die Kantendichtungsstruktur oder die Stoßdichtungsstruktur
wahlweise ohne eine Beziehung zu dem Außendurchmesser und der Dicke
des keramischen Elements verwendet. Zum Beispiel offenbart die
japanische, vorläufige Patentveröffentlichung
Nr. 52-59863 , dass ein guter Metall-Keramik-Verbund mit ein paar Defekten
durch Bilden des metallischen Elements aus Kovar, oder einer ähnlichen
Legierung, mit einem niedrigen Expansionskoeffizienten und unabhängig davon,
ob eine Kantendichtungsstruktur oder eine Stoßdichtungsstruktur eingesetzt
wird, erhalten werden kann. Weiterhin offenbart die
japanische, vorläufige Patentveröffentlichung
Nr. 7-172946 , dass ein guter Metall-Keramik-Verbund durch
Kontrollieren des Verhältnisses
der Dicke des keramischen Elements zu der Dicke eines Verbindungsbereichs
des metallischen Elements und weiterhin durch Kontrollieren der
linearen Expansionskoeffizienten der Materialien und des Schmelzpunkts
des Lots, unter der Bedingung, dass die Stoßdichtungsstruktur eingesetzt
wird, erhalten werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gerade
wenn die Techniken, die durch die vorstehend beschriebenen, japanischen,
vorläufigen
Patentveröffentlichungen
offenbart sind, betrachtet werden, bringt die Herstellung eines
Metall-Keramik-Verbundkörpers
noch ein Problem dahingehend mit sich, dass ein defektes Produkt,
das extrem niedrig in der Verbindungsfestigkeit ist, dafür anfällig ist,
in dem Fall erzeugt zu werden, dass sich Gegenstände, die hergestellt werden
sollen, in dem äußeren Durchmesser
des keramischen Elements zueinander unterscheiden, und in Abhängigkeit
davon, welche der Dichtstrukturen eingesetzt wird, da sich eine
Spannung an einer bestimmten Stelle eines Verbindungsbereichs zum
Zeitpunkt eines Kühlens
nach einem Löten
aufgrund einer Differenz in dem linearen Expansionskoeffizienten
zwischen dem keramischen Element und dem metallischen Element konzenriert.
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DE 38 03 227 A1 bezieht
sich auf einen Vorgang des vakuumdichten Abschließens einer
keramischen Röhre.
Ein kappenförmiges
Dichtungselement aus Metall oder ein scheibenförmiges Dichtungselement aus Metall
wird mit der keramischen Röhre
mit Hilfe eines Metalllotes verbunden.
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DE 26 33 543 A1 offenbart
einen Vakuumschalter, der ein zylindrisches Element, das keramisch
sein kann, und Stirnplatten aus Metall enthält, die an dem zylindrischen
Element befestigt sind.
DE
26 33 543 A1 konzentriert sich auf spezielle Konstruktionsdetails
von Schaltern, um nachteilige Effekte zu verhindern oder zu verringern,
die während
des Schaltvorgangs auftreten können.
Es wird eine spezielle Anordnung von Löchern in den Schaltern vorgeschlagen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Metall-Keramik-Verbundkörper zu
schaffen, bei dem ein Riss, oder ein ähnlicher Defekt, nur schwer
in dem Verbindungsbereich davon hergerufen wird und der eine hohe
Verbindungsfestigkeit besitzt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vakuumschalteinheit
zu schaffen, die einen Metall-Keramik-Verbundkörper der vorstehenden Art verwendet.
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Um
die vorstehenden Aufgaben zu lösen,
wird, gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Metall-Keramik-Verbundkörper geschaffen,
der die Merkmale des unabhängigen
Anspruches 1 hat. Der Metall-Keramik-Verbundkörper umfasst: ein hohles, zylindrisches
Keramikelement mit einer axialen Abschlussfläche, ein Metallelement mit
einem flachen Plattenabschnitt, der sich um einen gesamten Umfang
der axialen Abschlussfläche
des Keramikelements erstreckt, wobei das Metallelement so angeordnet
ist, dass eine Hauptfläche
des Plattenabschnitts der axialen Abschlussfläche des Keramikelements gegenüberliegend
angeordnet ist, und eine verbindende Metallschicht, die zwischen
der Hauptfläche
des Metallelements und der axialen Anschlussfläche des keramischen Elements
angeordnet ist, und das Metallelement und das Keramikelement miteinander
verbindet, um eine Stoßdichtungsstruktur
zu bilden, wobei die verbindende Metallschicht und das Keramikelement
an einem ringförmigen
Bereich miteinander in Kontakt sind, der sich in Umfangsrichtung
der axialen Abschlussfläche
des Keramikelements erstreckt und eine durchschnittliche Breite
W (mm) hat, und wobei die durchschnittliche Breite W und ein Außendurchmesser
D (mm) des Keramikelementes D ≥ 30
und (1/6) × D ≥ W ≥ (D/30) +
2,6 erfüllen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vakuumschalteinheit
geschaffen, die die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 7 hat. Die
Vakuumschalteinheit umfasst: einen Metall-Keramik-Verbundkörper, in
dem ein geschlossener Raum ausgebildet ist, und ein Paar Elektroden
mit Kontakten, die in dem geschlossenen Raum angeordnet sind und
aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden können, wobei der
Metall-Keramik-Verbundkörper
enthält:
ein hohles zylindrisches Keramikelement, das einander gegenüberliegende
axiale Abschlussflächen
aufweist, ein Paar Verschlusselemente aus Metall, die die jeweiligen
einander gegenüberliegenden
axialen Anschlussflächen
verschließen,
wobei jedes der Verschlusselemente aus Metall einen flachen Plattenabschnitt
aufweist, der sich über
einen gesamten Umfang jeder der axialen Abschlussflächen des
Keramikelements herum erstreckt, wobei jedes der Anschlusselemente
aus Metall so angeordnet ist, dass eine Hauptfläche des Plattenabschnitts gegenüber jeder
der axialen Abschlussflächen
des Keramikelements angeordnet ist, und ein Paar verbindender Metallschichten,
wobei jede der verbindenden Metallschichten zwischen der Hauptfläche jedes
der Verschlusselemente aus Metall und jeder der axialen Abschlussflächen des
Keramikelements angeordnet ist und jedes der Verschlusselemente
und das Keramikelement miteinander verbindet, um eine Stoßdichtungsstruktur
zu bilden, wobei jede der verbindenden Metallschichten und das Keramikelement
an einem ringförmigen
Bereich miteinander in Kontakt sind, der sich in Umfangsrichtung
jeder der axialen Abschlussflächen
des Keramikelements erstreckt und eine durchschnittliche Breite
W (mm) hat, und wobei die durchschnittliche Breite W und ein Außendurchmesser
D (mm) des Keramikelements D ≥ 30
und (1/6) × D ≥ W ≥ (D/30) +
2,6 erfüllen.
Weitere Details sind aus den Ansprüchen zu ersehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines Vakuumschalters, in dem ein Metall-Keramik-Verbundkörper entsprechend
der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist;
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2 zeigt
eine schematische Teilschnittansicht eines Metall-Keramik-Verbundkörpers, bei
dem ein Keramikelement und ein Metallelement miteinander so verbunden
sind, um eine Stoßdichtungsstruktur
zu bilden;
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3 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
eines Verbindungsabschnitts des Metall-Keramik-Verbundkörpers der 2;
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4A und 4B zeigen
schematische Teilschnittansichten eines Bereichs des Metall-Keramik-Verbundkörpers der 2,
um zu zeigen, wie die Breite W eines Verbindungs bereichs eine Verbindung zwischen
einem Keramikelement und einem Metallelement, die so miteinander
verbunden sind, um eine Stoßdichtungsstruktur
zu bilden, beeinflusst; und
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5A und 5B zeigen
Ansichten, um Abläufe
zum Herstellen einer Stoßdichtungsstruktur
darzustellen.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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In 1 ist
eine Vakuumschalteinheit, die einen Metall-Keramik-Verbundkörper gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besitzt, allgemein mit 50 bezeichnet.
Die Vakuumschalteinheit 50 umfasst ein Gehäuse 53,
das ein hohles, zylindrisches Keramikelement 55 umfasst.
Innerhalb des Keramikelements 55 ist ein zylindrisches
Abschirmelement 54, das hohl ist, zylindrisch ist und aus
Metall hergestellt ist, angeordnet. Auf der Innenumfangsfläche des
Keramikelements 55 ist ein ringförmiger Vorsprung 12,
der sich in Umfangsrichtung des Keramikelements 55 erstreckt,
gebildet. An der inneren Umfangsfläche des ringförmigen Vorsprungs 12 ist
die äußere Umfangsfläche des
Abschirmelements 54 über
eine Lotschicht (nicht dargestellt) verbunden. Das Keramikelement 55 ist
zum Beispiel aus einer Aluminiumoxidkeramik (z. B. einer Keramik,
die 92 Gew.-% an Aluminiumoxid enthält) hergestellt und deren äußere Oberfläche ist
durch eine Glasurschicht (nicht dargestellt) abgedeckt.
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Die
gegenüberliegenden,
axialen Enden des Keramikelements 55 sind durch metallische
Abdeckelemente 57 und 57 so umschlossen, dass
ein geschlossener Raum 11 innerhalb des Keramikelements 55 gebildet
ist. Die metallischen Abdeckelemente 57 und 57 sind
an den gegenüberliegenden,
axialen Endflächen
des Keramikelements 55 so angelötet, um jeweils Stoßdichtungsstrukturen
zu bilden. Die metallischen Abdeckelemente 57 und 57 sind,
wie in 2 dargestellt ist, allgemein von der Form einer
kreisförmigen
Platte, so dass die äußeren Umfangsbereiche
der metallischen Abdeckelemente 57 und 57, die
gegenüberliegend
zu den axialen Endflächen 55a des
keramischen Elements 55 angeordnet sind, so angeordnet
sind, um sich entlang des gesamten Umfangs der axialen Endflächen 55a zu
erstrecken. Jedes metallische Umhüllungselement 57 besitzt
an einer Seite und an einem äußeren Umfangsbereich
davon eine Hauptfläche,
an der es an der axialen Endfläche 55a des
keramischen Elements 55 mittels eines Verbindungsmetalls
oder einer Lotschicht 15 so angelötet ist, um die Stoßdichtungsstruktur
zu bilden.
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Dabei
sind die metallischen Abdeckelemente 57 und 57 aus
einer Fe-Ni-Co-Legierung, z. B. Kovar (Handelsname; Fe-Ni-Co-Legierung,
die 29 Gew.-% an Ni, 17–18
Gew.-% an Co und der Rest Fe enthält) hergestellt. Allerdings
können
die metallischen Abdeckelemente 57 und 57 auch
in anderer Weise aus rostfreiem Stahl, einer Cu-Legierung, usw.,
hergestellt sein. Die Lotschicht 15 ist aus einer Ag-Cu-Legierung
so hergestellt, dass eine Reaktionsschicht, die aus einer Reaktion
einer aktiven Metallkomponenten (z. B. Ti oder dergleichen) mit
Keramik resultiert, zwischen dem Keramikelement 55 und
der Lotschicht 15 gebildet ist.
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Dann
wird innerhalb des geschlossenen Raums 11 eine stationäre Elektrode 4 angeordnet,
die sich durch ein metallisches Abdeckelement 57 hindurch
erstreckt. Die stationäre
Elektrode 4 besitzt einen Anschlussabschnitt 52 auf
der stationären
Seite an einer ersten Endseite, die außerhalb des geschlossenen Raums 11 angeordnet
ist. Andererseits besitzt die stationäre Elektrode 4 einen
Schaltkontakt 61 auf der stationären Seite an einer zweiten
Endseite, die innerhalb des geschlossenen Raums 11 angeordnet
ist. Weiterhin ist eine bewegbare Elektrode 5 vorgesehen,
die sich durch das andere, metallische Abdeckelement 57 erstreckt,
und ist axial entlang der axialen Richtung O des zylindrischen Keramikelements 55 bewegbar.
Die bewegbare Elektrode 5 besitzt eine erste Endseite,
die außerhalb
des geschlossenen Raums 11 angeordnet ist, einen Anschlussabschnitt 56 auf
der bewegbaren Seite, und an einer zweiten Endseite angeordnet,
die innerhalb des geschlossenen Raums 11 liegt, eine bewegbare
Seite des Schaltkontakts 60, der zu dem stationären Schaltkontakt 61 hin
und davon weg bewegbar ist, um dadurch in Kontakt damit und aus
einem Kontakt davon gebracht zu werden. Das Abschirmelement 54 ist
innerhalb des Keramikelements 55 so angeordnet, um den Schaltkontakt 61 auf
der stationären
Seite und den Schaltkontakt 60 auf der bewegbaren Seite
zu umgeben. Die Elektrode 5 auf der bewegbaren Seite besitzt
Metallbälge 58,
die sich zusammenziehen und expandieren, um den Kontakt 60 auf
der bewegbaren Seite zu dem Kontakt 61 auf der stationären Seite
hin und davon weg zu bewegen.
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Die
Lotschicht 15 besitzt, wie die 3 und 4A und 4B zeigen,
einen ringförmigen
oder ringartigen Verbindungsbereich mit einer durchschnittlichen,
radialen Breite W (mm), an dem er in Kontakt mit der axialen Endfläche 55a des
zylindrischen Keramikelements 55 gebracht wird. Die durchschnittliche
Breite W (mm) und der äußere Durchmesser
D (mm) (siehe 2) des zylindrischen, keramischen
Elements 55 werden so festgelegt, um D ≥ 30 (1); und (1/6) × D ≥ W ≥ (D/30) +
2,6 (2)zu
erfüllen.
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Weiterhin
sind an der inneren und der äußeren Umfangskante
der Fläche 55a des
axialen Endes des zylindrischen Keramikelements 55 Abfasungen 55t und 55t gebildet.
In Verbindung hiermit kann nur eine Fase 55t an entweder
der inneren oder der äußeren Kante
der axialen Endfläche 55a gebildet
werden. Dabei wird die Breite W des Verbindungsbereichs der Lotschicht
(die verbindende Metallschicht) 15 in Bezug auf eine Figur,
die auf eine Projektionsebene projiziert ist, die senkrecht zu der
Mittenachse edes zylindrischen Keramikelements 55 liegt,
und so, um die Breite W, gemessen entlang einer Linie, die sich
durch die Mittenachse O erstreckt und radial dazu liegt, darzustellen,
festlegt.
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Die
Bedeutung des Ausdrucks (2) wird im Detail nachfolgend beschrieben.
Entsprechend den Untersuchungen, die durch den Erfinder durchgeführt wurden,
wurde festgestellt, dass, wie in 3 dargestellt
ist, ein Riss oder ein ähnlicher
Defekt C des zylindrischen Keramikelements 55 leicht an
einer Position benachbart zu der äußeren oder der inneren Kante
des Verbindungsbereichs zum Zeitpunkt eines Abkühlens nach einem Löten auftrat.
Insbesondere in dem Fall, dass die Lotschicht 15 einen überlegenden
Bereich 15a (d. h. einen Bereich der Lotschicht 15,
der außerhalb
einer zylindrischen Fläche
angeordnet ist, die eine Achse besitzt, die mit der Achse O übereinstimmt
und die innere Umfangskante 55e umfasst) besitzt, der über die
Fase 55t gelegt ist, wurde die Spannungskonzentration noch
stärker
und ein Riss oder ein ähnlicher
Defekt C wurde wahrscheinlicher verursacht, wenn der überlegende
Bereich 15a im Volumen größer wurde. Folglich ist es,
um einen solchen Riss oder den entsprechenden Defekt C zu verhindern,
wichtig, den überlegenden
Bereich 15a im Volumen kleiner zu machen.
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Die
metallische Hauptfläche
des metallischen Abdeckelements 55 ist, wie in 2 dargestellt
ist, in dem Fall, dass die Stoßdichtungsstruktur
eingesetzt wird, nahezu parallel zu der gesamten, axialen Endfläche des
zylindrischen Keramikelements 55 positioniert. Folg lich
ist der Umfang 15p der Lotschicht 15, der sich
zwischen der Hauptfläche
des metallischen Verschlusselements 57 und dem äußeren Umfang
der axialen Endfläche 55a des
zylindrischen Keramikelements 55 erstreckt, d. h. die Phase 55t,
konkav gekrümmt,
wenn sie in einem Schnitt betrachtet wird. Unter der Annahme, dass
ein Kehlnahtwinkel ϕ ein Winkel ist, der in dem Schnitt
gebildet ist, der durch die Ebene vorgenommen ist, die die Mittenachse
des zylindrischen Keramikelements 55 umfasst, zwischen
der Fase 55t und der Tangenten P, die tangential zu dem
gekrümmten
Umfang 15p an der Verbindung zwischen dem gekrümmten Umfang 15p und
der Fase 55t liegt, hat der Kehlnahtwinkel ϕ die
Tendenz dazu, dass er groß wird.
In diesem Fall ist es, da das geschmolzene Lot, besonders zum Zeitpunkt
des Lötens,
zu der äußeren Umfangskante
der Hauptfläche
des metallischen Abdeckelements 57 hin gezogen wird, d.
h. nahezu parallel zu der axialen Endfläche 55a des zylindrischen,
keramischen Elements 55, wahrscheinlich, dass das Lot zu
der Seite der Fase 55t fließt und deshalb ist es wahrscheinlich,
dass der überlegende
Bereich 15a der Lotschicht 15 größer wird.
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Demzufolge
wird davon ausgegangen, dass, in dem Fall, dass die Dicke T des
zylindrischen Keramikelements 55 kleiner gemacht wird,
d. h. die Breite W des Verbindungsbereichs wird kleiner gemacht,
wie dies in 4B dargestellt ist, ein Zusammenziehen
der Lotschicht 15 aufgrund einer Oberflächenspannung nicht so stark
hervorgerufen wird, und deshalb wird, wie dies unter Bezugnahme
auf 3 beschrieben worden ist, der überlegende Bereich 15a im
Volumen größer, so
dass ein Riss, oder ein ähnlicher
Defekt C, wahrscheinlicher hervorgerufen wird. Allerdings wird,
in dem Fall, dass die Dicke T des zylindrischen Keramikelements 55 in
einem bestimmten Umfang groß ist,
d. h. die Breite W des Verbindungsbereichs ist in einem solchen
Umfang groß,
wie dies in 4A dargestellt ist, das Lot
expandiert, während
es dünner
wird. Folglich wird eine zusammenziehende Wirkung des geschmolzenen
Lots aufgrund einer Oberflächenspannung
größer, so
dass der überlegende
Bereich 15a im Volumen nicht so groß wird. Das Volumen des überlegenden
Bereichs 15a kann, wie vorstehend beschrieben worden ist,
indem die Breite W des Verbindungsbereichs größer als der untere Grenzwert
Wmin (= D/30 + 2,6) gemacht wird, geeignet klein gemacht werden.
Als eine Folge wird es möglich, einen
Riss oder einen ähnlichen
Defekt aufgrund einer Spannungskonzentration effektiv zu verhindern,
und deshalb ist es möglich,
einen Metall-Keramik-Verbundkörper
zu erhalten, der eine hohe Verbindungsfestigkeit besitzt. Dabei
wird die Breite W des Verbindungsbereichs auf einen Wert kleiner
als die obere Grenze Wmax, die durch Wmax = (1/6) × D (mm)
ausgedrückt
ist, eingestellt, so dass eine übermäßige Erhöhung des
Gewichts des zylindrischen keramischen Elements 55 und
ein Fehlen eines Raums für
den geschlossenen Raum 11 nicht hervorgerufen werden.
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Dann
ist es wünschenswert,
die Dicke t (mm) des Metallabdeckelements 57 so zu bestimmen,
dass (1/120) × D ≤ t ≤ 3 erfüllt wird.
Wenn die Dicke t den Wert von 3 mm übersteigt, wird die Spannungskonzentration
an der Seite des Keramikelements 55 zu der Kontraktion
des Metallelements erhöht,
so dass ein Riss oder ein entsprechender Defekt in einigen Fällen verursacht
wird. Weiterhin ist es, wenn die Dicke t des metallischen Abdeckelements 57 größer als
(1/120) × D
wird, schwierig, dass das metallische Abdeckelement 57 die
erwünschte
Festigkeit besitzt.
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Dabei
ist der Metall-Keramik-Verbundkörper
nicht auf die Verwendung in einer Vakuumschalteinheit begrenzt,
sondern kann bei anderen Vorrichtungen angewandt werden, z. B. einem
Wärmetauscher.
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[Beispiel]
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Gesinterte
Aluminiumoxidkörper
(d. h. ein gesinterter Körper,
der aus einer Keramik gebildet ist, die 92 Gew.-% Aluminiumoxid
enthält),
die verschiedene äußere Durchmesser
D (mm) und verschiedene innere Durchmesser d (mm), dargestellt in
Tabelle 1, haben, wurden als das zylindrische Keramikelement 55 präpariert.
Jeder gesinterte Aluminiumoxidkörper
ist mit einer Fase von 0,25 mm an sowohl der inneren als auch der äußeren Umfangskante
ausgebildet. Eine metallisierende Paste, die Mo-Mn-Legierungspulver
enthält,
wird auf die gegenüberliegenden
axialen Endflächen
des zylindrischen Keramikelements aufgebracht und bei der Temperatur
von 1.400°C
eingebrannt. Danach werden die metallisierten axialen Endflächen des
zylindrischen Keramikelements 55 mit Ni galvanisiert, um
eine Metallisierungsschicht 104 zu bilden, wie dies in 5A dargestellt
ist. Das metallische Hüllelement 57,
wie es in 5B dargestellt ist, hergestellt
aus Kovar und mit der Dicke, die entsprechend dem Durchmesser verschiedenartig
festgelegt ist, wird auf der axialen Abschlussfläche des zylindrischen Keramikelements 55 angeordnet,
indem dazwischen ein eutektischer Ag-Cu-Lot-(Legierung, die 28 Gew.-%
Cu und den Rest Ag ent hält)-Film 105 angeordnet
und darauf bei einer Temperatur von 830°C angelötet wird, um die Stoßdichtungsstruktur
zu bilden. Dabei wird die Breite W des Verbindungsbereichs durch
die Größe des Lotfilms 105 eingestellt.
Das Aussehen der Verbindungsbereiche der so erhaltenen Beispiele
wurde betrachtet, um zu prüfen,
ob ein Riss oder ein ähnlicher
Defekt in dem zylindrischen Keramikelement 55 hervorgerufen
wurde. Ein Beispiel, in dem kein Riss oder ein ähnlicher Defekt gefunden wurde, ist
mit O, ein Beispiel, in dem Risse oder ähnliche Defekte, obwohl nur
ein paar wenige, gefunden wurden, ist mit Δ angegeben, und ein Beispiel,
in dem eine Anzahl von Rissen oder ähnlicher Defekte vorgefunden
wurde, ist mit X angegeben. Das Testergebnis ist in Tabelle 1 dargestellt.
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Anhand
des Testergebnisses wird gesehen werden, dass nur selten irgendein
Riss oder ein ähnlicher Defekt
verursacht wird, wenn die Breite W des Verbindungsbereichs gleich
zu oder größer als
Wmin = (D/30) + 2,6 (mm) beträgt.
Andererseits wird ersichtlich werden, dass das Auftreten eines Risses
oder eines ähnlichen Defektes
dann verstärkt
auftritt, wenn die Breite W des Verbindungsbereichs kleiner als
Wmin ist.
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Zu
dem Vorstehenden muss darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende
Erfindung als ein Ergebnis einer umfangreichen Untersuchung gemacht
wurde, die durch den Anmelder durchgeführt wurde, der die Beziehung
zwischen der Verbindungsstruktur (d. h. Kantendichtstruktur oder
Stoßdichtungsstruktur)
und der Größe des keramischen
Elements zum Zeitpunkt eines Verbindens des metallischen Elements
mit dem zylindrischen Keramikelement mittels der verbindenden Metallschicht
feststellte. Hierbei wurde herausgefunden, dass in dem Keramikelement
mit dem Außendurchmesser
von 30 mm oder größer, das
weit verbreitet in einer allgemeinen Vakuumschalteinheit verwendet
wird (der vorstehend beschriebene Zustand (1)), ein Defekt, wie
beispielsweise ein Riss oder ein entsprechender Defekt, wahrscheinlich
an den inneren und äußeren Kanten
des Verbindungsbereichs des zylindrischen Keramikelements in dem
Fall verursacht wurde, bei dem die Breite des Verbindungsbereichs
relativ klein verglichen mit dem Außendurchmesser D war. Als Folge
einer weiteren Untersuchung wurde festgestellt, dass ein solcher
Riss oder der entsprechende Deffekt wahrscheinlicher dann verursacht
wurde, wenn, mit den vorstehend beschriebenen zwei Dichtungsstrukturen,
die Stoßdichtungsstruktur
eingesetzt wurde.
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Allerdings
erfordert die Kantendichtungsstruktur unvermeidbar, dass das Metallelement
einen hohlen, zylindrischen Abschnitt besitzt, wobei an einem Ende
davon das metallische Element stumpf mit einem Keramikelement verbunden
wird. Da eine Vakuumschalteinheit oder die entsprechende Vorrichtung
ein metallisches Abdeckelement erfordert, um einen umschlossenen,
inneren Raum zusätzlich
zu dem metallischen Element, das den hohlen, zylindrischen Bereich
besitzt, zu bilden, führt
dies zu der Notwendigkeit einer erhöhten Anzahl von Bauteilen und
einer erhöhten
Arbeitsstundenzahl, und deshalb führt dies zu der Erhöhung der
Herstellungskosten. Im Gegensatz hierzu erfordert die Stoßdichtungsstruktur
zum Beispiel nur ein metallisches Element in der Form einer Abdeckung,
das an einer axialen Endfläche
eines Keramikelements verbunden werden muss, indem dazwischen eine
Lotschicht zwischengefügt
wird. Folglich ist die Stoßdichtungsstruktur
relativ einfacher und kann die erforderliche Stundenzahl verringern,
d. h. die Stumpfdichtungsstruktur besitzt ein Merkmal, das die Kantendichtungsstruktur
nicht besitzt.
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Demzufolge
wurden Experimente nur in Bezug auf die Stumpfdichtungsstruktur
durchgeführt,
um weitere, detaillierte Untersuchungen über die Bedingungen vorzunehmen,
bei denen der Riss oder der ähnliche Defekt
auftrat. Hierbei wurde herausgefunden, dass in dem Fall, dass die
Dicke des Keramikelements in einem gewissen Umfang in Bezug auf
den Durchmesser D davon größer gemacht
werden könnte
und daraus resultierend die Breite W des Verbindungsbereichs gleich
zu oder größer als
ein bestimmter Grenzwert gemacht werden könnte, genauer gesagt eines
unteren Grenzwerts Wmin, der durch Wmin = D/30 + 2,6 ausgedrückt ist,
ein Riss oder der ähnliche
Defekt nur selten an den inneren und äußeren Enden des Verbindungsbereichs gerade
dann auftreten würde,
wenn die Stoßdichtungsstruktur
eingesetzt wird, und deshalb wurde ein Metall-Keramik-Verbundkörper erhalten,
der eine hohe Verbindungsfestigkeit besaß. Auf diese Art und Weise wurde
die vorliegende Erfindung gemacht. Weiterhin wird es, durch Anwenden
eines solchen Verbundkörpers bei
einer Vakuumschalteinheit, möglich,
die Haltbarkeit des Verbindungsbereichs zwischen dem Keramikelement
und dem metallischen Abdeckelement zu erhöhen, was es demzufolge möglich macht,
eine Vakuumschalteinheit zu erhalten, die eine lange Lebensdauer
besitzt und nur selten eine Leckage verursacht. Weiterhin kann ein
Verringern des Verbindungsdefekts zu einer wesentlich höheren Ertragsrate
führen.
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Wenn
die Breite W des Verbindungsbereichs kleiner als das vorstehend
beschriebene Wmin wurde, wurde der vorstehend beschriebene Defekt
des Verbindungsbereichs häufiger
hervorgerufen, was zu einer verringerten Ertragsrate aufgrund einer
Erhöhung
der Rate eines Auftretens des defekten Produkts aufgrund des Fehlens
der Festigkeit an dem Verbindungsbereich, oder dergleichen, führte. Andererseits
wurde in dem Fall, dass die Breite W des Verbindungsbereichs größer als
der obere Grenzwert Wmax war, der durch Wmax = (1/6) × D (mm)
ausgedrückt
wurde, die Dicke des Keramikelements zu groß verglichen mit dem Außendurchmesser
D, was demzufolge eine Erhöhung
der Materialkosten und des Gewichts hervorrief. Weiterhin verursachte
dies, in dem Fall, dass das Keramikelement als ein Gehäuse einer
Vakuumschalteinheit verwendet wurde, ein Fehlen des Raums zum Anordnen
der notwendigen Teile, wie beispielsweise Elektroden.
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Obwohl
die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform
der Erfindung beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf
die Ausführungsform,
die vorstehend beschrieben ist, beschränkt. Modifikationen und Variationen
der Ausführungsform,
die vorstehend beschrieben ist, werden für Fachleute auf dem betreffenden
Fachgebiet im Hinblick auf die vorstehenden Lehren ersichtlich werden.
Der Schutzumfang der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden
Ansprüche
definiert.
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