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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Glasrohre für technische
Anwendungen, insbesondere für elektrische
bzw. magnetische Bauelemente, und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Glasrohre zur Verwendung
als Einkapselung für
sogenannte Reedschalter.
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Reedschalter
sind bekanntermaßen
schaltende elektronische Bauelemente, deren Kontakte in einem Glasrohr
unter einer Schutzgasatmosphäre,
einer inerten Gasatmosphäre
oder unter einem Vakuum angeschlossen sind und durch äußere magnetische
Felder betätigt
werden, um einen Schaltvorgang auszuführen. Zum Einschluss in der
vorgenannten Schutzgasatmosphäre
sind Reedschalter üblicherweise
in einem Glasrohr (häufig
auch als „Reedrohr" oder „Reedglas" bezeichnet) eingekapselt,
dessen Enden geeignet abgeschmolzen sind.
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Reedschalter
der vorgenannten Art finden in großen Stückzahlen überall dort Einsatz, wo bei
niedriger Schaltleistung hohe Sicherheit und Genauigkeit gefordert
ist. Um eine hohe Zuverlässigkeit
und eine lange Lebensdauer von mehr als l09 Schaltzyklen
zu gewährleisten,
arbeiten die Kontakte in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre. Durch
den hermetischen Verbund zwischen Kontakten (Reeds) und umhüllendem Glasrohr
wird die Atmosphäre
im Innern des Schalters über
die gesamte Lebensdauer erhalten. Diese Anforderung schließt einen
Verschluss mittels Gasflamme aus. Neben elektrischen Pt/Rh-Heizwendeln,
die stellenweise noch Einsatz finden, wird der Verschluss heutzutage
größtenteils
mit Wolfram-Halogen-Lampen,
die die Infrarotstrahlung mittels goldbeschichteter Reflektoren
auf den Einschmelzbereich fokussieren, oder mit Nd:YAG-Lasern bewerkstelligt.
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Reedrohre
werden üblicherweise
durch Ziehen direkt aus einer Glasschmelze hergestellt, beispielsweise
mit dem herkömmlichen
Vello-Verfahren, dem Danner-Verfahren oder mit geeigneten Down-Draw-Verfahren.
Von besonderer Bedeutung sind die Glasspannungen an den Einschmelzstellen
von Reedschaltern, also an den Glas-Metall-Übergängen nach dem Einschmelzen
der Kontakte. Während
man bei Glas-Metall-Verschmelzungen üblicherweise durch sorgfältige Kühlung Glasspannungen
zu vermeiden sucht, werden die Reedeinschmelzungen zur Erzielung
hoher Durchsatzraten bzw. niedriger Stückkosten sturzartig abgekühlt (kurze
Taktzeiten), wobei gezielt ein komplexes Spannungsmuster aufgebaut
wird.
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Wichtig
ist dabei eine radiale Druckspannung von ausreichender Größe, die
hier für
eine hermetische Abdichtung bzw. Einkapselung und für eine ausreichende
mechanische Stabilität
der Einschmelzung sorgt. Gleichzeitig entstehen unvermeidlich axiale
und tangentiale Zugspannungen, die bei Überschreiten eines kritischen
Weites zu einer Rissbildung und damit zur Zerstörung des Schalters führen.
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EP 1 153 895 A1 offenbart
ein Glasrohr aus einem Glas mit einem hohen Absorptionsvermögen im infraroten
Spektralbereich zur Verwendung als Einkapselung für Reedschalter.
Das hohe Absorptionsvermögen
ermöglicht
eine Einkapselung mittels Infrarot-Bestrahlung innerhalb eines kurzen
Zeitraums, wobei die Wahrscheinlichkeit der Ausbildung einer Innenbeschichtung
des Glasrohrs durch kondensierende Glasdämpfe, die sonst zu elektrischen
Fehlkontakten (ihren können,
durch die gewählte
Glaszusammensetzung reduziert wird. Bei einer Dicke der Glasrohrwandung
von 0,5 mm ist das Transmissionsvermögen bei einer Wellenlänge von
1050 nm kleiner als 10%.
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US 4,277,285 offenbart eine
Glaszusammensetzung für
Reedrohre mit einem Absorptionsvermögen im infraroten Spektralbereich
zwischen etwa 700 nm und etwa 4000 nm von mindestens 98%, wobei
ein mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich
zwischen 20°C
und 300°C
etwa 9 × 10
6/°C beträgt und wobei
das Glas beim Schmelzen wenig flüchtig
ist, um die Wahrscheinlichkeit einer Fehlkontaktierung durch kondensierende
Glasdämpfe
zu reduzieren. Die Glaszusammensetzung enthält im Wesentlichen kein K
20 und kein B
2O
3.
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Herkömmlichen
Reedrohre weisen somit stets eine runde Geometrie auf und sind aus
speziellen Glastypen gefertigt sind, wie diese beispielsweise in
der
US 4,277,285 und
der
EP 1 153895 A1 offenbart
sind. Solche und andere Glasrohre, die Einsatz in magnetischen und
elektrischen Anwendungen finden (z.B. Dioden), werden ferner üblicherweise
durch einen Ziehprozess direkt aus der Schmelze hergestellt, beispielsweise
mittels eines üblichen
Vello-, Danner- oder
Down-Draw-Verfahrens.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Glasrohr für technische
Anwendungen, insbesondere für
elektrische bzw. magnetische Bauelemente, beispielsweise für elektronische
Bauelemente, bereitzustellen, mit dem sich Einkapselungen der vorgenannten
An noch zuverlässiger,
einfacher und kostengünstiger
erzielen lassen. Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
betrifft ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Diese
und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Glasrohr mit den
Merkmalen nach einem der Ansprüche
1, 4 oder 7, durch ein Verfahren nach Anspruch 17 sowie durch eine
Verwendung nach Anspruch 30 bzw. 31 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der rückbezogenen
Unteransprüche.
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Glasrohr
für technische
Anwendungen bereitgestellt, insbesondere für elektrische bzw. magnetische
Bauelemente, mit einer Innenbohrung und zumindest einer das Profil
der Innenbohrung verengenden Querschnittsverengung, wobei zwischen der
jeweiligen Querschnittsverengung (x) und dem Durchmesser (d) des
Umkreises der Innenbohrung die Beziehung gilt: x größer oder
gleich 0,02·d;
und wobei zwischen der jeweiligen Querschnittsverengung (x) und dem
Durchmesser (d) des Umkreises der Innenbohrung bevorzugter die Beziehung
gilt: x größer oder
gleich 0,1·d.
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Durch
die Querschnittsverengung wird die Zeitdauer, die beim Abschmelzen
eines Reedrohrs benötigt wird,
damit die Rohrwandungen eines im Wesentlichen auf eine Schmelztemperatur
erwärmten
Glasrohrs in gegenseitige Anlage gelangen und miteinander verschmelzen
können,
vorteilhaft reduziert. Durch die Querschnittsverengung können auch
Glasspannungen bei Glas-Metall-Verschmelzungen wirkungsvoll gemindert oder
gezielt aufgebaut werden, was für
eine niedrigere Ausschussquote bei technischen Anwendungen, wie beispielsweise
Reedschaltern, und einen zuverlässigeren
Dauerbetrieb sorgt, da die Gefahr von Rissbildungen wirkungsvoll
gemindert ist. Darüber
hinaus dienen die Querschnittsverengungen als geometriedefinierende
Einbauhilfen für
die Reedkontakte.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
weist die Innenbohrung ein im wesentliches rechteckförmiges Profil
auf, wobei die Querschnittsverengung bzw. Querschnittsverengungen
auf einer Innenumfangswand des rechteckförmigen Profils ausgebildet
ist bzw. sind und somit in die Innenbohrung des Glasrohrs hineinragt
bzw. hineinragen. Beim Einschmelzen von Funktionselementen in die
Stirnseite des Glasrohrs ist somit die von der jeweiligen Rohrwandung
zum Aubilden einer hermetischen Einkapselung zurückzulegende Wegstrecke im Vergleich
zu einem kreisrunden oder rechteckigen Profil kürzer, was zu geringeren Glasspannungen
beim Einschmelzen bzw. Einkapseln der Funktionselemente in erfindungsgemäße Glasrohre
führt.
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Bevorzugt
werden als Querschnittsverengung dabei stetige Konturen, die in
die Innenbohrung des Glasrohrs vorstehen. Besonders spannungsarme
Glas-Metall-Verschmelzungen lassen sich erfindungsgemäß dadurch
erzielen, dass die jeweilige Querschnittsverengung als konvex einwärts vorstehender
Meniskus ausgebildet ist. Wie nachfolgend noch näher ausgeführt werden wird, bilden sich
solche Menisken automatisch und nahezu spannungsfrei dann aus, wenn
das Glasrohr durch Gießen
eines schmelzflüssigen
Glases in eine geeignete Form ausgebildet wird, in der koaxial ein
das Innenprofil des Glasrohrs geeignet vorgebendes Formgebungsmittel,
beispielsweise in Form eines Dorns, angeordnet ist, über das
die Glasschmelze fließt.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind zwei einander
entsprechende Querschnittsverengungen auf jeweils einander gegenüberliegenden
Innenumfangswandungen des Glasrohrs vorgesehen.
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Gemäß einem
weiteren, auch unabhängig
beanspruchbaren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein
Glasrohr für
technische Anwendungen bereitgestellt, insbesondere für elektrische
bzw. magnetische Bauelemente, mit einer Innenbohrung, die zumindest
eine Innenkante ausbildet, die sich im wesentlichen in Längsrichtung
des Glasrohrs erstreckt. Dabei ist der Krümmungsradius der jeweiligen
Innenkante zumindest kleiner oder gleich 0,1 mm ist und bevorzugter
kleiner oder gleich 0,03 mm ist. Wie nachfolgend noch ausführlicher
ausgeführt
werden wird, lässt
sich ein solches Glasrohr mit einem vergleichsweise eckigen Innenprofil
durch einfaches Gießen
eines schmelzflüssigen
Glases in eine geeignete Form ausbilden, in der koaxial ein das
Innenprofil des Glasrohrs geeignet vorgebendes Formgebungsmittel,
beispielsweise in Form eines Dorns, angeordnet ist, über das
die Glasschmelze fließt.
Auf diese Weise können
spannungsarme Glasrohre mit einer eckigen Innen- und/oder Außenkon tur
einfach und kostengünstig
hergestellt werden. Solche Glasrohre eignen sich hervorragend als
technische Glasrohre mit nicht-runder Geometrie im Rahmen des SMD
(surface mounted design). Insbesondere können solche Glasrohre bei der
SMD-Montage, beispielsweise durch einen Lötprozess, praktisch nicht seitlich
wegrollen, sind also nach Auflegen auf eine Platine oder dergleichen
an einem geeigneten Ort praktisch fixiert. Dieses Herstellungsverfahren
eignet sich insbesondere auch für
sehr spezielle und eng tolerierte Geometrien, selbst bei kleinen
und mittleren Losgrößen, weil
durch geeignete Wahl einer Gussform der Aufwand zur Geometrieerreichung
reduziert werden kann.
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Gemäß einem
weiteren auch unabhängig
beanspruchbaren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ferner
ein Glasrohr für
technische Anwendungen bereitgestellt, insbesondere für elektrische
bzw. magnetische Bauelemente und insbesondere von der An, wie vorstehend
ausgeführt,
das sich dadurch auszeichnet, dass das Glasrohr aus einer Preform über einen üblichen
Wiederziehprozess hergestellt ist.
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Da
sich die Geometrie des Glasrohrs beim Wiederziehen praktisch unverändert bleibt
und lediglich der Außendurchmesser
bei im Wesentlichen unverändertem
Außendurchmesser-zu-Wandstärke-Verhältnis reduziert
wird, lässt
sich die Geometrie des Glasrohrs nach dem Wiederziehen bereits durch
die Geometrie der Preform präzise
vorgeben.
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Als
Preform eignen sich grundsätzlich
Glasrohre mit beliebigem Innen- und Außenprofil, die grundsätzlich vor
dem Wiederziehen auch weiter bearbeitet werden können, beispielsweise im kalten
Zustand durch Schleifen oder dergleichen. Preformen im Sinne der
Erfindung können
beispielsweise aus einem Ziehprozess direkt aus der Schmelze hergestellt
sein (beispielsweise mit einem Vello-Verfahren, Danner-Verfahren
oder Down-Draw-Verfahren) oder können
mittels eines Extrusionsprozesses, Abscheideprozesses oder mittels
eines anderen bekannten Prozesses zur Herstellung von Preformen
hergestellt sein. Bevorzugt wird dabei erfindungsgemäß jedoch
die Verwendung eines Glasrohrs, wie vorstehend ausgeführt, als
Preform für
einen üblichen
Wiederziehprozess.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugtem Gesichtspunkt der vorliegenden wird die Preform
dabei jedoch durch Gießen
eines schmelzflüssigen
Glases in eine geeignete Form, die bevorzugt als Schacht bzw. als
sich längserstreckender
Hohlraum mit einem kleinen Öffnungsweiten-zu-Länge-Verhältnis ausgebildet ist, sodass das
Außenprofil
des Glasrohrs durch die Form bzw. den Schacht festgelegt wird,
wobei im Innern der Form bzw. des Schachts ein sich koaxial erstreckendes
Formgebungsmittel, beispielsweise in Form eines Dorns, vorgesehen
ist, über
das das schmelzflüssige
Glas fließt,
sodass das Innenprofil des Glasrohrs durch das Formgebungsmittel
festgelegt wird, wobei das Formgebungsmittel gekühlt ist, sodass sich das schmelzflüssige Glas
in der Form bzw. in dem Schacht zu dem Glasrohr verfestigt.
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Dabei
kann das schmelzflüssige
Glas in den Schacht mit einer Temperatur eingegossen werden, die einer
Viskosität
von kleiner als 107,5 dPas, bevorzugter
einer Viskosität
im Bereich von 10 dPas bis 105 dPas und
noch bevorzugter einer Viskosität
im Bereich von 102 dPas bis 105 dPas
entspricht, also insgesamt signifikant niedriger ist als bei den
vorgenannten herkömmlichen
Ziehverfahren. Dabei wird das schmelzflüssige Glas an dem Formgebungsmittel
auf eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur des Glases
abgekühlt
wird, sodass das Glasrohr das in den Schacht nachfließende schmelzflüssige Glas
geeignet abstützt, um
ein unkontrolliertes Hindurchfließen des nachfließenden schmelzflüssigen Glases
durch den Schacht zu unterbinden.
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Auf
diese Weise lassen sich in einfacher und kostengünstiger Weise vorteilhaft homogene
und präzise Glasrohre
als Preform mit vergleichsweise hohen Wandstärken ausbilden, da die Wandstärke beim
erfindungsgemäßen Gießen des
Glasrohrs nicht mehr durch die Ziehzwiebel und die Ziehparameter
von herkömmlichen
Ziehverfahren limitiert ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung lässt sich
insbesondere ein Glasrohr zur Verwendung als Preform mit einem Verhältnis von
Außendurchmesser
(AD) zu Wandstärke
(WD) von kleiner oder gleich 0,1·AD/[mm] ausbilden, wobei
AD bzw. WD Größen darstellen
sollen, die den Außendurchmesser
(AD) bzw. die Wandstärke
(WD) des Glasrohrs jeweils in Millimetern angeben sollen. Dabei
kann der Außendurchmesser
des Glasrohrs größer oder
gleich 40 mm sein.
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Weil
beim Gießen
des Glasrohrs im Vergleich zum Ziehen aus einer Glasschmelze Oberflächenspannungseffekte
einen geringeren Einfluss haben und fließdynamische Effekte von erheblich
geringerer Bedeutung sind, sind somit erfindungsgemäß neue Geometrien
für Glasrohre
zu geringen Herstellungskosten zugänglich. Hierunter fallen insbesondere
Geometrien mit scharfen Ecken sowie Geometrien mit besonders ausgeprägten konvexen
Querschnittsverengungen auf der Innenseite, beispielsweise in Form
von Menisken bzw. Einzügen.
Denn während
Ziehprozesse direkt aus einer Glasschmelze an eine vergleichsweise
niedrige Ziehviskosität
beispielsweise um 105 dPas gebunden sind,
können
bei dem erfindungsgemäß bevorzugten
Gießen des
Glasrohrs bzw. des Preforms aus einem schmelzflüssigen Glas auch andere Viskositäten eingesetzt
werden. Für
den Gießprozess
bieten sich hier insbesondere niedrigere Viskositäten (z.B.
103dPas) an, da dann eine besonders gute
Formausfüllung
erreicht werden kann.
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Für Ziehprozesse
dagegen gelten andere Zusammenhänge.
Bei den – im
Vergleich zu Wiederziehprozessen – vergleichsweise niedrigen
Viskositäten,
wie diese bei herkömmlichen
Ziehverfahren (beispielsweise Vello-Verfahren, Danner-Verfahren
oder Down-Draw-Verfahren)
eingesetzt werden, ist das Glas noch außerordentlich gut verformbar.
Die gute Verformbarkeit führt
hier – im
Gegensatz zu Gießprozessen – dazu,
dass das Glas dem Bestreben folgt, eine Minimaloberfläche (Kreisquerschnitt)
anzunehmen. Hierdurch werden scharfe Kanten, auch wenn sie in der
Düsen-
bzw. Nadelgeometrie vorgesehen werden, stark verrundet. Darüber hinaus
werden Einzüge
nach innen auf der Rohrinnenseite sehr stark nach außen deformiert,
bis hin zur Ausbildung eines weitgehend runden Innenraumes. Im Gegensatz
dazu können
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung des Glasrohrs auch scharfe Kanten und gleichmäßig nach
innen vorstehende Querschnittsverengungen, beispielsweise in Form
von Einzügen,
zuverlässig
und spannungsarm ausgebildet werden. Denn bei dem Wiederziehschritt
sind Viskositäten
von >105dPas – bevorzugt
sogar >l07dPas – nutzbar. Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
können
bevorzugterweise also – im
Vergleich zum Ziehprozess aus der Schmelze – für den Gießprozess besonders niedrige
und für
den Wiederziehprozess besonders hohe Viskositäten gewählt werden, um ein erfindungsgemäßes Glasrohr
zu erhalten.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird bei dem Gießprozess
ein unmittelbarer Kontakt des schmelzflüssigen Glases mit einer Innenumfangswand
des Schachts und/oder mit einer Außenumfangswand des Formgebungsmittels
bzw. Dorns durch Ausbilden eines Gaspolsters auf der Innenumfangswand
des Schachts und/oder auf der Außenumfangswand des Formgebungsmittels
bzw. Dorns verhindert ist. Dies steht im Gegensatz zu den bekannten
herkömmlichen
Ziehverfahren von Glasrohren aus einer Glasschmelze, bei denen immer
ein direkter und in der Regel haftender Kontakt mit einer Ziehdüse und einer
Innennadel besteht. Hierdurch bildet sich herkömmlich durch den Glasquerschnitt
ein charakteristisches Geschwindigkeitsprofil aus, mit Minima an
den Kontaktstellen zur Nadel und zur Düse, wobei sich das Geschwindigkeitsprofil
nach Austritt aus der Düse
signifikant verändert.
Durch diese komplexe Fließbewegung kommt
es bei den herkömmlichen
Ziehverfahren aus der Glasschmelze selbst unabhängig von Oberflächenspannungseinflüssen zu
starken Abweichungen der Geometrie des Glasrohres von der Düsengeometrie.
Bei dem erfindungsgemäßen direkten
Gießen
treten solche komplizierten Fließbewegungen nicht auf, sodass
das Glasrohr bzw. der Preform mit präziser Geometrie vorteilhaft
einfach und kostengünstig
hergestellt werden kann.
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Vorteilhaft
ist ferner, dass die übliche
mitunter aufwendige Auslegung der Düsengeometrie bei einem herkömmlichen
Ziehverfahren nicht mehr notwendig ist, um enge Spezifikationen
einzuhalten. Erfindungsgemäß lassen
sich somit für
das Glasrohr bzw. die Preform nahezu beliebige Innengeometrien erzielen,
insbesondere auch vergleichsweise enge Kantenradien und starke Inneneinzüge nach
innen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich für
das Glasrohr bzw. die Preform im Prinzip beliebige Geometrien der
Innenbohrung erzielen, insbesondere auch Innenbohrungen mit einer
nicht-runden Geometrie. Während
die Außengeometrie
des Glasrohrs bzw. der Preform mit der Innengeometrie im Wesentlichen übereinstimmt,
wenn das Glasrohr während
des Gießens
bzw. Ziehens gedreht wird, kann das Glasrohr bzw. die Preform selbstverständlich auch
ohne Drehen gegossen bzw. gezogen werden, in welchem Fall das Außenprofil
des Glasrohrs bzw. der Preform auch von dem Innenprofil abweichen
kann. Auf diese Weise lassen sich erfindungsgemäß Glasrohre bzw. Preformen
mit beliebigem Innen- und/oder Außenprofil ausbilden.
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Insbesondere
lässt sich
so eine Preform bzw. ein Glasrohr mit einer nicht einheitliche Wanddicke
erzielen. Wie vorstehend ausgeführt,
werden die Konturen der Preform mit den Konturen des Glasrohrs nach dem
Wiederziehprozess weitgehend übereinstimmen.
Somit können
bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Glasrohre Optimierungszyklen überflüssig sein,
da eine definierte Beziehung von beispielsweise. der vorgefertigten
Gießform
zur Preform (Rohr aus dem das spätere
Glasrohr entsteht) und dann zum hergestellten Glasrohr vorliegen
kann.
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Für den Wiederziehprozess
kann die Preform in eine Haltevorrichtung eingespannt werden, kann
die Preform dann partiell bzw. abschnittsweise erhitzt werden und
dann zu einem Glasrohr mit dem gewünschten Durchmesser gezogen
werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die
in den Figuren schematisch dargestellt sind. Gleiche Bezugsziffern
in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder gleichwirkende
Elemente. Im Einzelnen zeigt:
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1 einen
Querschnitt einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Glasrohrs
mit ausgeprägtem
Inneneinzug X;
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2 einen
Querschnitt einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Glasrohrs
mit Innenrechteck und definiertem Kantenradius r; und
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3 eine
schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Herstellen einer Preform
zum Herstellen eines Glasrohrs gemäß der vorliegenden Erfindung
mittels eines Wiederziehprozesses.
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Gemäß der 1 weist
das Glasrohr 21 ein im Wesentlichen rechteckförmiges Außenprofil
auf, das von vier Rohrwandungen ausgebildet wird. Die beiden seitlichen
Rohrwandungen sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel flach und erstrecken
sich im Wesentlichen parallel zueinander über die gesamte Höhe des Glasrohrs 21.
Die einander gegenüberliegende
obere und untere Rohrwandung weisen auf ihrer jeweiligen Innenumfangswand
eine Querschnittsverengung auf, welche die Innenbohrung 23 des
Glasrohrs 21 verengt.
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Gemäß der 1 sind
die beiden einander entsprechenden Querschnittsverengungen als konvex
einwärts
vorstehende Wölbungen
in Form von Menisken ausgebildet. Die Querschnittsverengungen weisen
in Richtung der Breite des Glasrohrs 21 einen stetigen,
nicht sprunghaften Verlauf auf. Die Querschnittsverengungen schneiden
die beiden Seitenwandungen an jeweiligen Eckpunkten der Innenbohrung 23 bzw.
des Innenprofils. Diese vier Eckpunkte legen den mit gestrichelten
Linien schematisch eingezeichneten Umkreis 24 fest, dessen
Durchmesser mit der Größe d bezeichnet
ist. Wie der 1 ohne weiteres entnehmbar ist,
befinden sich sämtliche
Innenumfangswandungen des Glasrohrs 21 innerhalb des so
festgelegten Umkreises 24. Diese verdeutlicht die erhebliche
Abweichung von der üblichen
kreisrunden Geometrie der Innenbohrung herkömmlicher Reedrohre.
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Gemäß der 1 sind
die Querschnittsverengungen auf zwei einander gegenüberliegenden
Innenumfangswandungen des Glasrohrs 21 angeordnet. Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezielle Geometrie
beschränkt.
Vielmehr kann auch nur eine Querschnittsverengung auf einer einzelnen
Innenumfangswand vorgesehen sein oder können Querschnittsverengungen
auf mehr als zwei Innenumfangswänden ausgebildet
sein.
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Mit
der Größe x wird
in der 1 diejenige Strecke bezeichnet, um die die jeweilige
Querschnittsverengung relativ zu der von den zugeordneten Eckpunkten
festgelegten Basislinie (durch die obere durchgezogene Linie angedeutet)
in die Innenbohrung 23 vorsteht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das Glasrohr 21 so ausgebildet, dass zwischen
dem Inneneinzug X und dem Durchmesser d des Umkreises die nachfolgende
Beziehung erfüllt
ist: X größer oder
gleich 0,02·d.
Noch bevorzugter wird dabei erfindungsgemäß die nachfolgende Beziehung
erfüllt:
X größer oder gleich
0,1·d.
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Wenn
entsprechende Querschnittsverengungen bzw. Einzüge auch auf den beiden Seitenwänden des Glasrohrs 21 vorhanden
sind, so können
für diese
Querschnittsverengungen bzw. Einzüge erfindungsgemäß entsprechende
Beziehungen erfüllt
sein.
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Insgesamt
wird somit der Querschnitt der Innenbohrung 23 erheblich
reduziert, was das spannungsarme Einschmelzen von Funktionselementen
in Glasrohre, wie dieses beispielsweise bei elektrischen oder magnetischen
Bauelementen, wie beispielsweise Reedschaltern, unter einer Schutzgasatmosphäre oder
unter Vakuumbedingungen erforderlich ist, erheblich erleichtert.
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Die 2 zeigt
ein Glasrohr gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Gemäß der 2 weist
das Glasrohr ein im Wesentlichen rechteckförmiges Innen- und Außenprofil
auf, wobei die Innenumfangswandungen im Wesentlichen glatt und parallel
zueinander verlaufend ausgebildet sind, also ohne Querschnittsverengungen,
wie vorstehend anhand der 1 beschrieben.
Mit dem Kreis sei dabei der Innenradius r der Innenkanten 25 der
Innenbohrung 23 angedeutet.
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Gemäß der zweiten
Ausführungsform
ist der Krümmungsradius
r der Innenkante 25 kleiner oder gleich etwa 0,1 mm und
noch bevorzugter kleiner oder gleich etwa 0,03 mm.
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Selbstverständlich können gemäß der vorliegenden
Erfindung auch Glasrohre hergestellt werden, welche die vorstehend
anhand der 1 und 2 beschriebenen
Merkmale miteinander vereinen.
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Die
erfindungsgemäßen Glasrohre
können
für beliebige
technische Anwendungen verwendet werden, beispielsweise als Hüllrohre
für Reedschalter
bzw. Reedrelais oder als Hüllrohre
für vergleichbare
elektrische oder magnetische Bauelemente.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Glasrohr, wie vorstehend anhand
der 1 und 2 beschrieben, als Preform,
d.h. als vorgeformtes, hohles Ausgangsmaterial, für einen
nachfolgenden Wiederziehprozess zur Herstellung von Glasrohren mit
kleineren Außendurchmessern verwendet.
Bekanntermaßen ändert sich
bei einem üblichen
Wiederziehprozeß das
Verhältnis
von Außendurchmesser
zu Wandstärke
im Wesentlichen nicht, während
der Außendurchmesser
deutlich reduziert werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
kann mittels eines Druckunterschiedes zwischen der Rohrinnenseite
und der Rohraußenseite
auch ein anderes AD/WD-Verhältnis
(Außendurchmesser
zu Wandstärke) eingestellt
werden.
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Zum
Wiederziehen wird das gegossene Rohr in eine Haltevorrichtung eingespannt,
partiell erhitzt und dann auf den gewünschten Außendurchmesser gezogen.
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Nachfolgend
soll anhand der 3 ein bevorzugtes Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Herstellung eines als Preform für den vorstehend beschriebenen
Wiederziehprozess verwendeten Glasrohrs beschrieben werden. Die 3 zeigt
dabei einen Querschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Herstellung von Glasrohren.
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Gemäß der 3 umfasst
die Vorrichtung einen länglichen
und vergleichsweise schlanken Schacht 9 und einen als Formgebungsmittel
wirkenden Dorn 10, der sich im Inneren des Schachts befindet
und koaxial zum Schacht 9 erstreckt. Die Schachtwand umfasst
bevorzugt ein hochtemperaturstabiles Material, beispielsweise Grafit,
BN, SiC und/oder Stahl.
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Gemäß der 3 ist
der Schacht 9 in einem Druckbehälter 11 aufgenommen,
sodass in dem Ringspalt zwischen dem Schacht 9 und der
Innenumfangswand des Druckbehälters 11 ein
Spülgas
aufgenommen werden kann, um den Schacht 9 zu umgeben.
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Von
oben ist in den Schacht 9 zentrisch ein koaxialer und konzentrischer
Dorn 10 eingebracht, der als Formgebungsmittel zum Festlegen
des Innenprofils des Glasrohrs 1 wirkt. Der Dorn 10 kann
aus dem Schacht 9 entnommen werden, beispielsweise zum
Hochfahren der Vorrichtung. Der Dorn 10 umfasst bevorzugt
ein hochtemperaturstabiles Material wie beispielsweise Grafit, BN,
SiC und/oder Stahl oder ist aus diesem ausgebildet. Besonders bevorzugt
ist der Dorn 10 ein Grafitdorn. Der Dorn 10 wird
koaxial von einem Kühlmittel durchflossen.
Kühlmittel
können
beispielsweise ein Gas, eine Flüssigkeit
wie Wasser oder ein Gas-Füssigkeits-Gemisch
sein.
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Der
Dorn ist gemäß der 3 leicht
konisch ausgeführt,
wobei der untere bzw. stromabwärtige
Durchmesser kleiner als der obere bzw. stromaufwärtige Durchmesser ist. Ist
der Konus zu klein, kann die Gefahr bestehen, dass das Glas auf
den Dorn aufschrumpft und der Prozess gestoppt werden muss.
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Die
Umfangswand des Schachts
9 kann ein poröses Material enthalten, sodass
das Spülgas
aus dem Inneren des Druckbehälters
11 durch
die Umfangswand des Schachts
9 hindurch treten kann, um
auf der Innenumfangswand des Schachts
9 ein Gaspolster
auszubilden. Die Ausbildung eines Gaspolsters mithilfe eines porösen Wandungsmaterials
wird beispielhaft in der
US 4,546,811 beschrieben,
deren Inhalt hiermit im Wege der Bezugnahme ausdrücklich in
die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen sei. Poröses Material
im Sinne der Erfindung kann poröses
Grafit, poröses
Metall, poröse
Keramik und andere Hochtemperaturfeste poröse Materialien sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform
verhindert das Gaspolster einen direkten Kontakt zwischen dem Glas bzw.
Glasrohr und dem Schachtmaterial. Bevorzugt wird das Gaspolster
mit einem Überdruck
ausgebildet. Zu diesem Zweck kann Spülgas kontinuierlich über die
Spülgas-Einlässe 4 in
den Druckbehälter 11 einströmen und
können
die Spülgas-Auslässe 5 zumindest
teilweise versperrt sein, so dass in dem Druckbehälter 11 ein gewisser Überdruck
ausgebildet wird, der sich durch die Umfangswand des Schachts 9 auf
das Gaspolster überträgt.
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Der
Schacht 9 kann prinzipiell jede Form einnehmen. Bevorzugt
ist der Schacht 9 konisch oder zylindrisch ausgeführt. Im
Falle eines zylindrischen Schachts wird somit ein Glasrohr mit einem
kreisförmigen
Außenprofil
ausgebildet.
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Das
schmelzflüssige
Glas wird gemäß der 3 aus
einer Schmelzrinne, Schmelzwanne oder einem vergleichbaren Behälter oder
Glasspeisungsmittel (nicht abgebildet) durch eine Düse 8 am
oberen Rand des Schachts 9 in den Schacht 9 eingebracht.
Wie in der 3 schematisch dargestellt ist,
kann das schmelzflüssige
Glas in den Schacht 9 frei hineingegossen werden, sodass
unterhalb der Düse 8 und
am oberen Rand des Schachts 9 ein freier Meniskus ausgebildet
sein kann. Bevorzugt wird für
die Unterdrückung
von Kühlwellen
mit möglichst
hoher Temperatur gearbeitet. Die Temperatur darf aber auch nicht
zu hoch sein, da das Glas nach der Ausformung dann nicht fest genug
ist und sich nach der Formung weiter verformen kann. Die Glasschmelze
hat beim Eingießen
in den Schacht 9 vorzugsweise eine Temperatur, die einer
Viskosität
von 10–105 dPas, vorzugsweise 102 bis
105 dPas, entspricht und somit niedriger
ist als eine Viskosität
von etwa 107,5 dPas, die einer Erweichungstemperatur
des Glases entspricht.
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Um
den Prozess zu starten, kann ein dem Glasrohr in der Form angepasster
Anfänger
(nicht gezeigt) benutzt werden, der als flächiges Verschluss-Element zum
vorübergehenden
Verschließen
des Schachts 9 wirkt. Dieser Anfänger kann in eine Dreh- und
Verschiebeeinrichtung so eingespannt sein, dass er von unten in
den Schacht hineinragt. Dieser Anfänger verhindert, dass das Glas
zu Beginn des Prozesses, beispielsweise beim Hochfahren der Vorrichtung,
durch den Schacht hindurchfließt,
ohne diesen zu füllen.
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Sobald
sich ein ausreichender Glasfilm auf dem Anfänger gebildet hat, wird dieser
kontinuierlich abgesenkt, sodass der Auflaufmeniskus des Glases
möglichst
konstant bleibt. Sobald das Glasrohr lang genug ist, um von der
Vorschub- und Rotationseinrichtung aufgenommen zu werden, kann der
Anfänger
entfernt, beispielsweise seitlich herausgezogen, werden. Im Anschluss
kann der Prozess dann kontinuierlich betrieben werden. Dabei durchläuft das
Glasrohr 1 den Schacht 9 in der durch den Pfeil 6 angedeuteten
Vorschubrichtung. Hierzu ist es nicht unbedingt erforderlich, das
Glas aus dem Schacht 9 heraus zu ziehen, wie dies aus dem
Stand der Technik bekannt ist, wenngleich ein Ziehen, beispielsweise
zur Beschleunigung des Prozesses, durchaus angewendet werden kann.
Wie durch den Pfeil 7 angedeutet, kann das Glasrohr 1 bei
runden Geometrien während
der vorstehend beschriebenen Formgebung auch um seine Längsache
kontinuierlich gedreht werden.
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Während des
Herstellungsprozesses fließt
aus dem Speiserohr, das mit der Düse 8 kommuniziert, kontinuierlich
Glas auf das Glasrohr bzw. rotierende Glasrohr auf. Das kontinuierlich
erzeugte Rohr kann danach in Teilstücke mit der gewünschten
Länge abgelängt werden.
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Bei
der Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens durchläuft das
Glas in sehr kurzer Zeit den für
die Kristallbildung und das Kristallwachstum kritischen Temperaturbereich.
Es ist daher möglich
auch Röhren
aus leicht kristallisierenden Gläsern
mit diesem Verfahren herzustellen.
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Die
Anwendung des Verfahrens ist nicht auf runde Querschnittsgeometrien
beschränkt.
So können
mit diesem Verfahren beispielsweise auch Rohre mit rechteckiger
oder ovaler oder beliebiger freier Querschnittsform hergestellt
werden. In diesem Fall ist allerdings auf die Rotation des Glasrohres
zu verzichten.
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Während des
Prozesses ist dabei sicherzustellen, dass sich der Querschnitt des
als Form wirkenden Schachts möglichst
vollständig
und gleichmäßig füllt. Dies
kann im Fall von nichtrunden Querschnittsformen auch durch eine
geeignete Form des Speisers bzw. der Düse 8 oder durch eine
Rotation und Translation des Schachtes 9 und des gegossenen
Rohres 1 erfolgen.
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Wie
durch den mit dem in der 2 mit dem Dreieck dargestellten
beispielhaften Messpunkt angedeutet, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
Glasrohre mit Verhältnissen
AD/WD von kleiner als etwa 0,1·AD/[mm]
erzielen, wobei AD und WD in der vorstehend anhand der 2 eingeführten Konvention Größen repräsentieren,
die den Außendurchmesser
(AD) bzw. die Wandstärke
(WD) des gegossenen Glasrohrs in Millimetern angeben. Weitere Versuchsreihen
der Erfinder, die in der 2 aus Ubersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellt sind, haben diese Beobachtung bestätigt.
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Die
mit dieser Vorrichtung hergestellten Glasrohre eignen sich besonders
zur Verwendung als Preformen (geeignet vorgeformte Ausgangsmaterialien),
um mittels eines zusätzlichen
Wiederziehprozesses Rohre mit kleinerem Durchmesser herzustellen.
Dabei kann mittels eines Druckunterschiedes zwischen der Rohrinnenseite
und der Rohraußenseite
auch ein anderes AD/WD-Verhältnis
(Außendurchmesser
zu Wandstärke) eingestellt
werden.
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Aus
den so erzeugten Rohren lassen sich in einem anschließenden Wiederziehschritt
Rohre mit kleinerem AD und einem AD/WD-Verhältnis von größer oder
gleich dem entsprechenden Verhältnis
der Preform herstellen. Um dies zu erreichen, wird das gegossene
Glasrohr in eine Haltevorrichtung eingespannt, partiell erhitzt
und dann auf den gewünschten
Durchmesser AD gezogen. Dabei ändert
sich das Verhältnis
AD/WD in der Regel nicht. Das Verhältnis AD/WD lässt sich
aber über
eine Druckbeaufschlagung im Inneren des Rohres beeinflussen. So
ist es beispielsweise möglich
mit einem Innendruck pi, der größer ist
als der Außendruck
pa, aus einem Preformrohr mit AD/WD < 0,1·AD/[mm] ein Glasrohr mit
einem AD/WD Verhältnis
größer oder
gleich 0,1·AD/[mm]
zu erzeugen.
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Ausführungsbeispiel
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In
einen mit Argon umspülten
leicht konischen Grafitschacht (Innendurchmesser (ID) oben = 71
mm, ID unten = 72 mm) wird ein konischer Grafitdorn (Außendurchmesser
(AD) oben = 23 mm, AD unten = 18 mm) zentrisch eingebracht. Der
Grafitdorn sitzt auf einer koaxial gekühlten Halterung aus Edelstahl.
Diese wird mit einem Gemisch aus Luft und vernebeltem Wasser gekühlt. Das
SCHOTT-Glas 8250 wird in einem Edelmetalltiegel erschmolzen. An
den Boden des Tiegels ist ein beheizbares Edelmetallrohr angeschweißt, das
in einer ebenfalls separat beheizbaren Düse mündet. Beim Einfüllen des
Glases 8250 in den Schacht werden die in Tabelle 1 gezeigten Parameter
eingestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Für das in
diesem Beispiel beschriebene Glas 8250 erweist sich eine Temperatur
von 1230°C
als vorteilhaft.
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Die
so erhaltenen Rohre werden in einer Wiederziehanlage wiedergezogen.
Dabei wird der Außendurchmesser
AD und das Verhältnis
AD/WD über
den Innendruck und die Ziehgeschwindigkeit eingestellt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird das Preformrohr wie oben hergestellt. Diese werden in einer
Wiederziehanlage wiedergezogen. Dabei wird durch den Innendruck
ein neues AD/WD Verhältnis
für die gezogenen
Rohre eingestellt. Das Produkt wird dabei ferner über 2 Walzen
in der Verformungszone zu einem Rechteckrohr umgeformt. Um eine
Schädigung
der Oberfläche
des Glasrohres zu vermeiden bestehen, die Walzen aus hexagonalem
BN oder Grafit.
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Grundsätzlich eignet
sich das erfindungsgemäße Verfahren
für beliebige
Glassorten. Für
technische Anwendungen, bei denen Funktionselemente in ein Glasrohr
eingeschmolzen werden sollen, werden jedoch Glassorten mit einem
vergleichsweise hohen Absorptionskoeffizienten für zum Schmelzen bzw. Einkapseln verwendetes
infrarotes Licht, beispielsweise für Licht im Wellenlängenbereich
zwischen etwa 700 nm und etwa 4000 nm, bevorzugt. Solche Glassorten
sind beispielsweise in
EP
1 153 895 A1 und
US
4,277,285 beschrieben, deren Inhalte hiermit im Wege der
Bezugnahme ausdrücklich
in der vorliegenden Anmeldung enthalten seien.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zur Herstellung einer Preform gemäß der vorliegenden
Erfindung weiter beschrieben werden.
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Bei
dem Verfahren wird ein schmelzflüssiges
Glas in einen Schacht (9) eingegossen, um das Außenprofil
des Glasrohrs (1) festzulegen, wobei das schmelzflüssige Glas über ein
sich koaxial im Inneren des Schachts erstreckendes Formgebungsmittel
(10) fließt,
um das Innenprofil des Glasrohrs (1) festzulegen, und wobei
das Formgebungsmittel (10) gekühlt wird, sodass sich die Glasschmelze
in dem Schacht zu dem Glasrohr (1) verfestigt.
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Bei
diesem Verfahren kann das schmelzflüssige Glas frei in den Schacht
(9) hineinfließen,
sodass der Schacht zumindest abschnittsweise vollständig von
dem schmelzflüssigen
Glas ausgefüllt
wird, um das Außenprofil
des Glasrohrs (1) festzulegen.
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Bei
diesem Verfahren kann das schmelzflüssige Glas in den Schacht (9)
mit einer Temperatur eingegossen werden, die einer Viskosität von kleiner
als 107,5 dPas, bevorzugter einer Viskosität im Bereich
von 10 dPas bis 105 dPas und noch bevorzugter
einer Viskosität
im Bereich von 102 dPas bis 105 dPas
entspricht, wobei das schmelzflüssige
Glas an dem Formgebungsmittel (10) unterhalb der Erweichungstemperatur
des Glases abgekühlt
wird, sodass das Glasrohr (1) die in den Schacht nachfließende Glasschmelze
abstützt.
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Bei
dem Verfahren kann auf einer Innenumfangswand des Schachts (9)
ein Gaspolster ausgebildet, werden, um einen unmittelbaren Kontakt
zwischen der Innenumfangswand des Schachts (9) und einer
Außenumfangswand
des Glasrohrs (1) zumindest abschnittsweise zu verhindern.
Dabei kann das Gaspolster auf der Innenumfangswand des Schachts
(9) mit einem Überdruck
ausgebildet wird. Ferner kann bei dem Verfahren der Überdruck
des Gaspolsters durch Einströmen
eines Spülgases
in einen den Schacht (9) aufnehmenden Druckbehälter (11)
eingestellt werden.
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Bei
dem Verfahren kann zumindest ein Spülgas-Auslass (5) des
Druckbehälters
(11) zumindest teilweise verschlossen sein, um diesen Überdruck
des Gaspolsters auszubilden.
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Bei
dem Verfahren kann das Spülgas
durch eine zumindest abschnittsweise porös ausgebildete Umfangswand
in das Innere des Schachts hindurch treten, um den Überdruck
des Gaspolsters auszubilden.
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Bei
dem Verfahren kann das Formgebungsmittel (10) von einem
Kühlmittel
(3) durchströmt
und gekühlt
werden, um zu gewährleisten,
dass sich das schmelzflüssige
Glas ausreichend rasch, d.h. am unteren Rand oder in unmittelbarer
Nähe des
Formgebungsmittels, abkühlt.
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Bei
dem Verfahren kann ein Spülgas
durch eine zumindest abschnittsweise poröse Außenumfangswand des Formgebungsmittel
(10) hindurch treten, um zwischen einer Innenumfangswand
des Glasrohrs (1) und einer Außenumfangswand des Formgebungsmittels
(10) ein vorzugsweise unter einem Überdruck stehendes Gaspolster
auszubilden und einen direkten Kontakt zwischen der Innenumfangswand
des Glasrohrs (1) und der Außenumfangswand des Formgebungsmittels
(10) zumindest abschnittsweise zu verhindern.
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Das
Verfahren kann fern den Schritt eines axialen Absenkens eines einer
Form des Glasrohrs (1) angepassten Verschluss-Elements
und eines Entnehmens des Verschluss-Elements aus dem Schacht nach
dem Schritt des Absenkens umfassen.
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Bei
dem Verfahren kann ein Glasrohr zur Verwendung als Preform im Sinne
dieser Anmeldung so ausgebildet werden, dass ein Verhältnis von
Außendurchmesser
(AD) zu Wandstärke
(WD) kleiner oder gleich 0,1·AD/[mm]
ist, wobei AD bzw. WD den Außendurchmesser
bzw. die Wandstärke
des Glasrohrs (1) in Millimetern bezeichnen und wobei der
Außendurchmesser
größer oder
gleich 40 mm ist. Solche Glasrohre können mit den vorstehend genannten
herkömmlichen
Ziehprozessen zum Ziehen eines Glasrohrs aus einer Glasschmelze
nicht hergestellt werden.
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Ein
so gegossenes Glasrohr (1) wird somit erfindungsgemäß als Preform
verwendet, wobei der Außendurchmesser
des gegossenen Glasrohrs (1) mittels eines zusätzlichen
Wiederziehschritts verkleinert wird.
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Beim
Wiederziehen kann das gegossene Glasrohr (1) in eine Haltevorrichtung
eingespannt, partiell erhitzt und dann auf den gewünschten
Außendurchmesser
gezogen werden.
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Beim
Wiederziehen können
dabei in der Verformungszone seitliche Kräfte auf das Glas wirken, die
zu einer Änderung
der Querschnittsform führen.
Dabei können
die seitlichen Kräfte
durch eine oder mehrere Rollen aufgebracht werden.
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- 1
- Glasrohr
- 3
- Einlass
und Auslass für
Kühlmittel
- 4
- Einlass
für Spülgas
- 5
- Auslass
für Spülgas
- 6
- Abziehrichtung
des Glasrohrs 1
- 7
- Rotation
des Glasrohrs 1
- 8
- Düse
- 9
- Ringspalt
- 10
- Formgebungsmittel/Dorn
- 11
- Druckbehälter
- 12
- Innenvolumen
des Glasrohrs 1
- 21
- Glasrohr
- 22
- Rohrwand
- 23
- Innenraum
- 24
- Umkreis
des Innenraums
- 25
- Innenkante