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Verfahren und Vorrichtung zur Erwärmung von Gegenständen aus Glas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Erwärmung von Gegenständen aus Glas auf höhere Temperaturen, insbesondere auf solche Temperaturen, bei denen die eintretende Erweichung eine
Verformung des Glases erlaubt. Das zu diesem Zweck überwiegend verwendete Verfahren besteht darin, den zu verformenden Teil des Glasgegenstandes mittels Gasflamme zu beheizen und die beabsichtigte Verformung durch mechanische Kraft zu unterstützen oder zu bewirken. Wenn dieses Verfahren auch wegen seiner Wirtschaftlichkeit, der bequemen Einregulierung der gewünschten Wärmezufuhr und der Schnellig- keit des damit zu erzielenden Temperaturanstieges in sehr vielen Fällen völlig zufriedenstellend arbei- tet, erweist es sich jedoch für zahlreiche Anwendungszwecke als ungeeignet.
Häufig tritt der Fall auf, dass eine Berührung des Glases oder der in dieses eingeschmolzenen Metallteile durch Flammen wegen der damit verbundenen Gefahr einer chemischen Veränderung an der Oberfläche des Glases oder der Metalle un- erwünscht ist. Auch ist bei der Beheizung mit Gasflammen eine unregelmässige Aufheizung nur selten zu vermeiden, so dass eine Zerstörung von Einschmelzungen oder anderer wegen ihrer Formgebung besonders empfindlicher Glasteile, wie z. B. Planfenster, komplizierter Verschmelzungen oder dickwandiger Stel- len herbeigeführt werden kann. Wegen der entstehenden Verbrennungsgase führt die Aufheizung von Glas- teilen mittels Gasbrenner in den Fällen, wo dieser Arbeitsgang in abgeschlossenen Kammern durchgeführt werden soll, zu sehr grossen Schwierigkeiten.
Esist bereitsbekannt, das Verschliessen von Glühlampen und Verbrennungsblitzlampen, die mit einem
Gas gefüllt sind, dessen Druck den Atmosphärendruck übersteigt, in Überdruckkammern vorzunehmen, in denen Gasbrenner angeordnet sind. Die Verbrennungsgase führen aber zu Komplikationen, so dass man z. B. schon besondere Kamine vorgesehen hat, um die entstehenden Gase und Dämpfe nach aussen abzuführen, wobei jedoch grosse Verluste an dem die Pumpkammer einnehmenden unter Überdruck stehenden Gas ein- treten. Soll einem Körper, der sich im Vakuum befindet, um dort etwa entgast oder verformt zu werden,
Wärme zugeführt werden, so kommt eine direkte Beheizung durch Gasflammen grundsätzlich nicht in
Frage.
Wegen dieser bei der Gasbeheizung auftretenden Schwierigkeiten sind schon Verfahren entwickelt worden, um die notwendige Wärme auf elektrischem Wege zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird in der
Nähe des Glases ein elektrischer Heizkörper angebracht, dessen Hitze sich durch Wärmeleitung auf den zu erweichenden Teil des Glaskörpers überträgt. Diese Methode ist für die Massenherstellung jedoch wenig geeignet, da der notwendige enge Kontakt zwischen Heizkörper und Werkstück wegen der im Betrieb er- folgenden laufenden Ablösung fertiger und Zuführung neuer Werkstücke zu Schwierigkeiten führt. Ein an- deres ebenfalls schon bekanntes Verfahren benutzt eine dielektrische Hochfrequenzbeheizung des Glases zur Erwärmung und umgeht somit den für die maschinelle Fertigung hinderlichen Heizkörper.
Dieses Verfahren ist jedoch nicht nur sehr unwirtschaftlich, sondern seine Anwendung ist auch wegen der bei der Zuführung der HF-Energie auftretenden Schwierigkeiten in vielen Fällen, wie z. B. beim Pump- kammerverfahren, unvorteilhaft. Eine wirklich zuverlässige Abschirmung für die Metallteile, die nicht gleichzeitig das Hochfrequenzfeld im Glas bedeutend verringert, ist bei den meist vorliegenden kleinen
Abmessungen der in Frage kommenden Gegenstände (Elektronenröhren, Lampen, GlasdurchfUhrungen. Ka- thodensirahlröhren) kaum möglich.
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Ferner ist ein Verfahren zum Anschmelzen eines Glasfensters an einen Hohlkörper bekannt, bei dem die zu verschliessende Öffnung in einen Stutzen übergeht. an dessen Rand das Fenster innen aufliegt. Durch
Beheizen des Stutzens von aussen wird das Glasfenster angeschmolzen. Die hiezu notwendige Wärme wird dem Fenster vom Glas des Stutzens durch Wärmeleitung mitgeteilt. Es ist auch nicht mehr neu, dass die i Aufheizung von Glasteilen vorwiegend durch die von einem erhitzten Kohlekörper emittierte Wärmestrah- lung erfolgt.
Die geschilderten Schwierigkeiten, die bisher in vielen Fällen einer wirtschaftlichen und das Werk- stück nicht beschädigenden Erwärmung von Glasgegenständen im Weg standen, werden durch die Erfindung überwunden. Nach der Erfindung wird zur Erwärmung von Gegenständen aus Glas unter Mitwirkung von Wärmestrahlung auf höhere Temperaturen, insbesondere auf eine solche Temperatur, bei welcher die ein- tretende Erweichung des Glases eine Verformung des Gegenstandes erlaubt, die dazu notwendige Wärme- menge dem Glaskörper vorwiegend als Wärmestrahlung über einen vorzugsweise mittels Gasbrenner aufge- heizten hocherhitzten Körper zugeführt, der aus einem hitzebeständigen Glas, insbesondere Quarzglas, besteht,
und den zu verformenden Gegenstand umgibt und es wird zwischen den beiden Glaskörpern all- seitig ein evakuierter oder mit Gas gefüllter Zwischenraum belassen. Es zeigte sich, dass die vom Quarz- glas abgegebene Wärmestrahlung ausreicht, um eine Aufheizung des Glases zu erzielen, die in bezug auf
Schnelligkeit und Wirtschaftlichkeit der direkten Gasbeheizung kaum nachstehtund gegenüber dieser eine
Reihe von Vorteilen aufweist. Bei einer Anordnung zur Ausübung der Erfindung kann Quarzglas als ein Teil der Wandung einer Druck- oder Vakuumkammer dienen, welche das zu bearbeitende Werkstück enthält.
Wenn zwischen dem aus Quarzglas bestehenden Heizkörper und dem zu erhitzenden Glaskörper noch eine
Gasatmosphäre vorhanden ist, wird die Strahlungsheizung noch durch Wärmeleitung und Konvektion un- terstützt. An die Stelle des Quarzglases kann auch anderes Glas treten, wie z. B. ein Hartglas oder jeden- falls ein höher als das zu bearbeitende Glas schmelzendes Glas.
Es ist schon eine Anordnung bekannt, bei welcher ein sich im Vakuum befindender Körper durch Strah- lung aufgeheizt wird, doch befindet sich die Strahlenquelle dabei ebenfalls in demselben Vakuum und ist nicht etwa mit der Kammerwand identisch und bestand auch nicht aus Quarzglas bzw. Glas. Auch wurde schon beschrieben, den Strahler zur Vermeidung einer Störung durch Gasabgabe in einem besonderen strah- lendurchlässigen evakuierten Raum unterzubringen, der sich innerhalb des Hauptvakuums befindet. Ferner wurden schon Vorrichtungen angegeben, bei welchen sich der zu'erhitzende Körper in einem und der Strah- ler sich im andern Brennpunkt eines ellipsoidförmigen Reflektors befindet. Derartige Anordnungen eignen sich jedoch aus naheliegenden Gründen nicht für eine industrielle Massenanfertigung.
Die Anwendung der
Wärmestrahlung zur Erhitzung von Glasgegenständen, um diese etwa zu verformen oder zu entgasen, ist erst durch vorliegende Erfindung möglich geworden, die offenbar auf den besonderen Eigenschaften des
Quarzglases beruht.
Die schlechte Wärmeleitfähigkeit gestattet mittels scharf gebündelter Gasflammen die starke Erhitzung einer eng begrenzten Zone des Quarzglases, welche dem aufzuheizenden Teil des Glases direkt gegen- überliegt. Eine weitere Erklärung für die überraschend schnelle Aufheizung des Glases dürfte die selektive
Wärmestrahlung des Quarzglases sein, welche gerade in das Wellenlängengebiet von über 3,6 jl fällt, in welchem Glas eine maximale Absorption aufweist. Ausserdem spielt der hohe Schmelzpunkt des Quarz- glases eine Rolle, der es gestattet, dem Quarzstrahler eine Temperatur zu erteilen, bei welcher die übli- cherweise verwendeten Gläser schon dünnflüssig werden.
Die besonderen Vorteile des Verfahrens gemäss der Erfindung liegen darin, dass während des Aufhei- zens des Glases keine schädlichen heissen Gase mit dem Glas oder den mit ihm verbundenen Metallteilen eintreten können, dass eine sehr gleichmässige Erwärmung des Glases und sonstiger vorhandener Bauteile gewährleistet ist und dass keine bevorzugte Aufheizung, etwa der Metallteile, erfolgt. Wenn die das Quarzglas erhitzenden Gasbrenner eine reduzierende Flamme besitzen, kann auch nach mehreren hundert Betriebsstunden keine Entglasung des Quarzglases festgestellt werden. Die zum Schmelzen des Glases notwendige Aufheizzeit hängt natürlich von der Menge des zu beheizenden Glases, der Brennstärke der Gasbrenner sowie von der Glassorte ab und liegt etwa zwischen 10 und 60 sec.
In manchen Fällen ist es möglich, den zu erwärmenden Teil des Glases noch zu schwärzen und so die zum Aufheizen notwendige Zeit weiter zu reduzieren.
In besonderen Fällen erweist sich auch eine elektrische Beheizung des Quarzstrahlers durch Joule'sche Wärme oder Hochfrequenz als günstig. In letzterem Falle kann eine Metallelektrode, die dem Quarzstrahler aufliegt und vorzugsweise ringförmig ist, eine besonders schmale Heizzone erzeugen. In diesem Falle ist es im Gegensatz zur direkten HF-Beheizung etwa mittels der gleichzeitig als Abschirmung dienenden Elektroden, möglich, das HF-Feld am Ort des Werkstückes selbst sehr klein zu halten, so dass keine Zer-
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störung eingeschmolzener Metallteile zu befürchten ist. Die vorliegende Erfindung kann nicht nur zu Er- wärmung und Bearbeitung von Glas dienen, sondern lässt sich auch vorteilhaft zur Behandlung anderer Stoffe verwenden, deren Bearbeitungstemperatur unterhalb von 8000C liegt.
Fig. l zeigt das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip am Beispiel einer Glasmetallverschmelzung.
1 stellt den aus Quarzglas bestehenden Strahler dar, der durch die Gasbrenner 2 besonders innerhalb der
Zone Z aufgeheizt wird. Durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion wird das aus einem Glas- körper 3 und einem Metallkörper 4 bestehende Werkstück, insbesondere an der Verschmelzungsstelle, er- hitzt, bis das Glas erweicht und die Verschmelzung erfolgt. Die Erwärmung von Glas und Metall geschieht gleichmässig und schliesst jede Gefahr einer chemischen Veränderung durch heisse Gase aus. Der Raum zwischen Quarzstrahler und Werkstück kann, falls gewünscht, mit einem Schutzgas gefüllt werden. Nach der Beendigung des Verschmelzungsvorganges werden die Brenner 2 entfernt oder die Flammen stark re- duziert, wie dies aus der Technik bekannt ist, so dass die Verschmelzung abkühlen kann.
Diese Abküh- lung erfolgt auch beim sehr plötzlichen Entfernen der Gasbrenner 2 wegen der erst allmählich abklingen- den Wärmestrahlung des Quarzglases hinreichend langsam, um einen völligen Ausgleich aller inneren Span- nungen im Glas zu bewirken, so dass eine bruchsichere und haltbare Verschmelzung entsteht.
Fig. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung beim Verschliessen einer kleinen Lampe innerhalb einer
Pumpkammer. 5 stellt eine kleine Lampe, z. B. eine Glühlampe, Glimmlampe oder Verbrennungsblitz- lichtlampe, dar, deren Pumpöffnung6 sich in der Nähe eines haubenförmigen Abschnittes 7 des aus Quarz- glas gefertigter Teiles der Pumpkammer befindet. Das Innere der Pumpkammer 8 kann über den Pump- stutzen 9 evakuiert und, falls gewünscht, mit einem Gas von beliebigem Druck gefüllt werden. Besonders vorteilhaft erwies sich das Verfahren bei der Herstellung von Lampen mit einer Gasfüllung, deren Druck den Atmosphärendruck übersteigt. Nachdem in der Pumpkammer 8 und damit auch in der Lampe die ge- wünschen Druckverhältnisse hergestellt sind, wird mittels zweier Gasbrenner 10 die Zone 7 sehr schnell aufgeheizt.
Das heisse Quarzglas heizt nun seinerseits durch Wärmestrahlung das Glas der Pumpöffnung 6 auf, wel- ches nach 20 - 35 sec zu schmelzen beginnt. Falls die Pumpkammer 8 und die Lampe 5 mit einem Gas gefüllt sind, wird die Strahlungsheizung noch durch Wärmeleitung und Konvektion unterstützt und das schmelzen des Glases beginnt in noch kürzerer Zeit. Es werden örtlich scharf begrenzte hohe Abschmelz- temperaturen erzielt, ohne dass sich der Lampenkolben oder die entfernter liegenden Teile der Pumpkammer wesentlich erwärmen. Es ist aus diesem Grunde möglich. nur einen kleinen Teil der Pumpkammer aus Quarzglas zu fertigen, den übrigen Teil aus billigerem und leichter zu bearbeitendem Material, etwa aus Eisen oder Messing.
Da die Erwärmung der Dichtungsflächen zwischen Quarzglas und Metall gering bleibt, können die Dichtungseinsätze 11 aus Silicon-Gummi oder Teflon hergestellt werden.
Es ist für dieses Gleichdruckverfahren charakteristisch, dass der Abschluss der Lampen ohne mechanische Belastung des Glases nur infolge der Schwerkraft und der Oberflächenkraft schnell und sehr zuverlässig und auch bei Überdrucklampen ohne jedes Aufblasen erfolgt.
Wegen der von diesem Verfahren zu erwartenden Vorteile ist das Zuschmelzen der Pumpöffnungen von Lampen innerhalb einer Vakuum- oder Druckkammer unter Einwirkung äusserer Wärmequellen schon seit langem angestrebt worden, bei den bisher verwendeten Kammer-Materialien jedoch nicht geglückt.
So sind schon verschiedene Methoden dafür bekannt, die einzelnen Teile einer Lampe innerhalb einer Pumpkammer durch von aussen wirkende Erwärmung zu verkitten, doch haben sich gekittete Lampen we- gen der Gasabgabe des Kittmaterials und der infolge der Sprödigkeit der Kittstelle auftretenden Undichtigkeiten nie bewährt. Auch ist es bekannt, der Pumpöffnung von Lampen eine besondere Form, etwa Triebterform, zu geben und darin leichtschmelzendes Glaslot anzubringen, welches durch Erwärmung eines besonders dünnwandigen Teiles der metallischen Pumpkammerwand zum Schmelzen gebracht wird und dadurch die Pumpöffnung verschliesst.
Im Gegensatz dazu gelingt es durch die in Fig. 2 dargestellte Anwendung der vorliegenden Erfindung, die Lampe innerhalb einer Pumpkammer durch Verschmelzen des Glases der Pumpöffnung weit einfacher und viel zuverlässiger zu verschliessen.
Es ist auch möglich, die Lampe innerhalb der Pumpkammer nicht in hängender, sondern in stehender Lage zuzuschmelzen. Doch wird die erste Anordnung bevorzugt, da die Kammer infolge der besseren Ableitung der heissen Verbrennungsgase der Gasbrenner 10 einer geringeren Wärmeeinwirkung ausgesetzt und ein besseres Zufliessen des Halsansatzes der Lampe gewährleistet ist und der aus Quarz zu fertigende Teil der Pumpkammer demzufolge besonders klein gehalten werden kann. Es ist mittels in der Maschinentechnik wohlbekannter Methoden leicht möglich, die Pumpkammer 8 etwa durch Hochklappen der Quarzglashaube 7, die keinesfalls besonders eng am Pumprohr 6 anliegen muss, zu öffnen, die fertige Lampe mittels eines Greifers zu entnehmen und eine neue Lampe einzubringen.
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Durch geeignete Formgebung der Quarzglashaube 7 ist es möglich, die Fertigungstoleranzen des Pumpstengels, die bewirken, dass die zu erhitzende Glasmasse innerhalb eines gewissen Bereiches streut, und die bei herkömmlichen Abschmelzverfahren meist stören, selbsttätig auszugleichen. Das Pumprohr 6 verkürzt sich nämlich während des Schmelzvorganges und wandert gleichzeitig aus der Heizzone heraus, wobei sich die Glasmasse genügend langsam abkühlen kann und eine völlig spannungsfreie Abschlussstelle entsteht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erwärmung von Gegenständen aus Glas unter Mitwirkung von Wärmestrahlung auf höhere Temperaturen, insbesondere auf eine solche Temperatur, bei welcher die eintretende Erweichung des Glases eine Verformung des Gegenstandes erlaubt, dadurch gekennzeichnet, dass die dazu notwendige Wärmemenge dem Glaskörper vorwiegend als Warmestrahlung über einen vorzugsweise mittels Gasbrenner aufgeheizten hocherhitzten Körper zugeführt wird, der aus einem hitzebeständigen Glas, insbesondere Quarzglas, besteht und den zu verformenden Gegenstand umgibt und dass zwischen den beiden Glaskörpern allseitig ein evakuierter oder mit Gas gefüllter Zwischenraum belassen wird.