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Verfahren zum genauen Kalibrieren von Glaskolben für elektrische Entladungsröhren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum genauen Kalibrieren der Innenabmessungen
eines Kolbens für eine elektrische Entladungsröhre, der an einem Ende offen und
am anderen Ende mit einem Pumprohr versehen ist, unter Verwendung eines ungeteilten,
kegeligen Kernes, gegen den sich das bei der Erhitzung erweichende Glas des Kolbens
durch die kombinierte Wirkung seiner Oberflächenspannung und dem Druck der Flammen
anlegt.
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Es sind zahlreiche Verfahren zum genauen Kalibrieren von Glaskolben
bekannt, deren Ziel es ist, den Innendurchmessern der meist zylindrischen Kolben
über einen Teil ihrer axialen Länge eine genau bestimmte Länge zu geben. Ein derartiges
Verfahren ist z. B. in der deutschen Patentschrift 292 737 gezeigt. Hier kommt es
darauf an, einem rohrförmigen Körper aus Glas oder anderen in erhitztem Zustand
plastischen Massen durch Wiedererhitzen und Nachformen eine genau vorgeschriebene
Innengestalt zu geben. Dieses bekannte Verfahren verwendet einen ungeteilten, kegeligen
Kern. Die Erhitzung des Glases kann dabei durch Flammen oder durch einen elektrischen
Heizkörper bzw. durch elektrische Induktion erfolgen, die direkt auf den metallischen
Kern und dadurch auch auf das umgebende Rohr bzw. den Kolben erhitzend einwirkt.
Bei dem in dieser deutschen Patentschrift gezeigten Verfahren erfolgt die Erhitzung
nicht über die gesamte axiale Länge des Glaskolbens bzw. Kernes gleichzeitig, sondern
nur in einem in axialer Richtung eine geringe Ausdehnung besitzenden kleinen Bereich.
Auf diese Weise legt sich das erweichende Gut an den kegeligen Kern an.
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Ein anderes Verfahren zum Herstellen von Glasrohren mit genauer Innengestalt
zeigt die deutsche Patentschrift 642 907. Bei diesem Verfahren geht es darum, einen
einseitig geschlossenen Glaskolben auf einen spitzen Dorn zu stülpen und mit Hilfe
einer scharfen Flamme von oben nach unten fortschreitend zu erweichen. Hierdurch
wird das Glas zum Anliegen an den Dorn gebracht. Um ein Beschlagen des Glaskolbens
auf der Innenseite zu vermeiden und auch den Glaskolben gegen unerwünschte Formveränderungen
zu schützen, wird bei diesem Verfahren das am oberen Ende gehaltene senkrecht herabhängende
Glas gegenüber dem Dorn um seine Achse gedreht und auf seiner ganzen Länge gleichzeitig
erhitzt. Dabei wird der Dorn während der Erhitzung in kurzen Abständen schrittweise
fortschreitend erschütterungsfrei immer tiefer in das Rohr, dasselbe aufweitend,
eingeführt und nach jedem Schritt für kurze Zeit wieder herausgezogen oder gelockert.
Aus dieser Patentschrift ist bereits das Problem beim Kalibrieren derartiger Glaskolben
ersichtlich, nämlich die Lösung des hergestellten Glaskolbens vom Formdorn bzw.
von dem Kern. Bei dem Verfahren nach der deutschen Patentschrift 642907 wird
also der Kern immer wieder herausgezogen, und um ein Anhaften zu vermeiden, wird
außerdem eine dauernde Schmierung vorgesehen. Das Anliegen des Glases an den Kern
erfolgt auf der ganzen Länge oder stellenweise durch scharf gerichtete Stichflammen,
die außer der Wärmewirkung eine Druckwirkung auf das Glasrohr bzw. den Glaskolben
ausüben. Diese Druckwirkung der Flammen bewirkt ein Zusammenpressen des Glaskolbens,
das schon durch die Oberflächenspannungen des Glases eingeleitet worden ist. Bei
der Ausübung dieses Verfahrens ist es von größter Wichtigkeit, den z. B. aus Kohle
bestehenden Kern dauernd, beispielsweise mit Wasser, zu kühlen. Als Kernmaterial
kann auch ein keramischer Kern, der vorteilhafterweise aus nicht gut leitendem Werkstoff
bestehen soll, verwendet werden. Aus den ausgelegten Unterlagen der deutschen Patentanmeldung
S 25934 ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung kalibrierter rohrförmiger Formkörper
aus Glas bekannt, bei dem der Kern aus einem Werkstoff besteht, der einen höheren
thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der des Glases besitzt. Bei diesem Verfahren
wird das Glas auf dem Kern aufgeschrumpft. Hierbei kann noch, soweit erforderlich,
eine
Evakuierung des Glaskolbens erfolgen. Eine Trennung von Kolben und Kern nach der
Herstellung erfolgt aber durch Abkühlung unter Ausnutzung des größeren Ausdehnungskoeffizienten
des Kernes.
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Auch die französische Patentschrift 773498 zeigt ein Verfahren
zur Herstellung von Glaskolben auf teilweise kegeligen Kernen. Aus dieser Patentschrift
ist im wesentlichen bekannt, den Kern mit einer ringsum verlaufenden Schulter zu
versehen, auf der sich der Glaskolben nach seinem Erweichen abstützen kann.
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Schließlich zeigt die USA.-Patentschrift 2531394 ein Verfahren zur
Herstellung von Glaskolben, deren Erhitzung in axialer Richtung zeitlich nacheinander
erfolgt. Dieses bekannte Verfahren verwendet sehr komplizierte Kerne, da auch bei
diesem Verfahren eine starke Abhängigkeit von den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Kernes besteht, und der einmal hergestellte Glaskolben kann nur von dem Kern
abgenommen werden, wenn der Kern praktisch ganz abgekühlt ist. Außerdem werden bei
dem gezeigten bekannten Verfahren die Kerne gekühlt, und es ist daher manchmal sehr
schwierig, bei bestimmten '.Maschinen derartige Kühleinrichtungen zu verwenden.
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Die Erfindung geht von diesem bekannten Stand der Technik aus. Sie
bezieht sich auf ein Verfahren der eingangs genannten Art und hat zum Ziel die Schaffung
eines für Elektronenröhren sehr geeigneten stoßfesten Glaskolbens, der über einen
Teil seiner axialen Länge sehr genau kalibriert werden muß, damit in diesem Teil
ein steifes Glimmerzentrierglied durch Klemmwirkung genau gehalten werden kann.
Obwohl mit dem bekannten Verfahren sehr gute Ergebnisse erzielt werden können, haften
diesen Verfahren doch immer die Mängel an, daß sie nur unter Ausnutzung der verschiedenen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kern und dem Glas wirkungsvoll arbeiten. Das
Verfahren nach der Erfindung gestattet nicht nur die Verwendung sehr korrosionsfester
Kerne, sondern auch einen Einsatz auf Karussellmaschinen, bei denen es sehr wesentlich
ist, daß zu den sich drehenden Teilen keine Zuleitungen hin verlaufen müssen.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der
zunächst noch zylindrische Kolben in senkrechter Lage auf den oben einen geringeren
Durchmesser aufweisenden Kern geschoben und durch einen in das nach oben liegende
Pumprohr eingreifenden Zapfen zentriert und danach gleichzeitig über seine ganze
Länge mit dem Kern zusammen von außen erhitzt wird, dann einige Sekunden wieder
mit dem Kern zusammen abgekühlt, daraufhin nacherhitzt und unmittelbar anschließend
abgehoben wird.
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Nach der Erfindung können Kolben und Kern gemeinsam zusammen mindestens
während der Erhitzungen gegenüber den Flammen gedreht werden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahfahrens nach der Erfindung
kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Kern an seinem unteren Ende mit einer
ringsum verlaufenden Schulter versehen ist. Auch kann der Zapfen auf einem dem Kern
in axialer Richtung durchsetzenden und in dieser Richtung verschiebbaren Stift angeordnet
sein. Diese Anordnung wird oft als sogenannte Aushebhilfe bezeichnet. Schließlich
ist eine elektrische Entladungsröhre mit einem Kolben, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Elektrodensystems der
Röhre durch ein Glimmerzentrierglied, dessen Umfang nur durch Kreisbogen mit Durchmessern,
die größer als der Innendurchmesser des Kolbens sind, begrenzt wird, im Kolben zentriert
gehalten ist.
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Durch das Verfahren nach der Erfindung wird eine sehr schnelle Arbeitsweise
erreicht, denn bei den Karussellmaschinen kommt es darauf an, wie oben bereits angedeutet,
daß möglichst keine Zuleitungen zu den sich drehenden Teilen vorhanden sind und
daß alle Maßnahmen, insbesondere zur Lösung des Kolbens vom Kern zu Verfahrensschritten
führen, deren Einsatz nur eine kurze Zeitdauer benötigt, um den Arbeitstakt der
Maschine zu beschleunigen. Bei derartigen Karussellmaschinen sind die Brenner feststehend
angeordnet, und der Druck der Flammen kann entweder kontinuierlich oder im Arbeitstakt
der Maschine geändert werden. Eine Karussellmaschine nach der Erfindung benötigt
z. B. für jeden Arbeitsschritt nur etwa 4 Sekunden, so daß ohne weiteres 900 Glaskolben
in einer Stunde kalibriert werden können. Hierbei ist es von großer Wichtigkeit,
daß nicht wie bei dem bekannten Verfahren mit den Temperaturschwankungen des Kernes,
also mit den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Kern und Glaskolben,
gearbeitet wird, sondern ausschließlich mit der Erhitzung des Glaskolbens von außer
her. Zwar wird bei dem Verfahren nach der Erfindung durch die Erhitzung des Glaskolbens
der Kern auch heiß, aber seine Temperatur bleibt unterhalb der Erweichungstemperatur
des Glases für den Arbeitsschritt, bei dem es darauf ankommt, den Glaskolben vom
Kern zu lösen. Hier spielt also der Ausdehnungskoeffizient des Kernes keine Rolle.
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Weiterhin ist es wichtig, daß bei der Herstellung des Glaskolbens
eine Möglichkeit besteht, daß sich das weiche Glas schnell an den Kern anlegt. Wegen
der mittleren vorhandenen Kerntemperatur und der kurzen Arbeitsschritte legt sich
das Glas bei dem Verfahren nach der Erfindung derart an den Kern an, daß es gleichzeitig
verhältnismäßig stark abkühlt. Auf diese Weise erhält dann die Innenseite des Glaskolbens
sofort die richtige Form. Im nächsten Arbeitsgang wird dann aber keine Erhitzung
des Kolbens vorgenommen, sondern der Kern wird mit dem Kolben etwa 4 Sekunden lang
in der Umgebungsluft, ohne Flammen also, gedreht. Hierbei kühlt auch die vorbeistreichende
Luft die Außenseite des Kolbens ab. Der Kern wird zwar infolge der Wärmeableitung
über die Halterungsorgane des Kernes auch ein wenig kühler werden, aber diese Abkühlung
spielt nur eine ganz untergeordnete Rolle und wird auch gar nicht angestrebt. Die
erwünschte Wirkung dieser kurzzeitigen Abkühlung des Kolbens liegt darin, daß der
Kolben fast vollständig die mittlere Kerntemperatur annimmt, so daß im nächsten
Arbeitsgang dann die Außenseite des Kolbens durch schwache Flammen wieder aufgeheizt
werden kann, und zwar ohne die geringste Gefahr, daß die Erweichungstemperatur des
Glases erreicht wird. Schon hierdurch löst sich aber das Glas vom Kern, so daß in
dem darauffolgenden Arbeitsgang der Kolben sofort von dem Kern abgenommen werden
kann, ohne daß wie bei dem bekannten Verfahren auf die Abkühlung des Kernes gewartet
werden muß.
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Infolgedessen ist eine Maschine, die nach dem Verfahren nach der Erfindung
arbeitet, auch sofort
beim Einschalten richtig arbeitsfähig, obgleich
nach dem Einschalten der Karussellmaschine die Kerne doch noch sehr kalt sind und
erst nach einigen Umläufen ihre mittlere Temperatur erreicht haben. Da es bei dem
Verfahren nach der Erfindung aber nicht auf die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
ankommt, kann die Maschine sofort richtig arbeiten.
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Bei den bekannten Verfahren war, weil der Wärmeinhalt des Kernes meist
viel größer als der des dünnen Glaskolbens ist, keine Fertigung in kürzester Zeit
möglich. Das Glas kühlte sich nämlich am Anfang mit dem Kern zusammen so lange gleichmäßig
ab, wie es mit dem Kern noch in Berührung stand. Erst dann, wenn nach stärkerer
Abkühlung durch den Unterschied zwischen den Ausdehnun-skoeffizienten des Glases
und des Kernes das Glas von dem Kern frei wurde, konnte die Abkühlung des Kernes
schneller verlaufen als die Kühlung des Glases. Hierbei mußte jedoch immer noch
berücksichtigt werden, daß ein dünnwandiger Glaskolben sich in der Luft auch schnell
abkühlt. Diese Nachteile und Mängel besitzt das Verfahren nach der Erfindung nicht.
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Da es aber, wie oben ausgeführt, nicht mehr auf die unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten ankommt, können nunmehr als Werkstoffe für den Kern
Metalle bzw. Legierungen verwendet werden, die eine sehr große Lebensdauer besitzen.
So ist es nunmehr z. B. möglich, den Kern aus rostfreiem Stahl herzustellen. Außerdem
ist es nicht unbedingt notwendig, das Anlegen des Glaskolbens an den Kern durch
die Schaffung eines Unterdruckes innerhalb des Glaskolbens zu erreichen, wodurch
wiederum die verwendeten Maschinen wesentlich einfacher ausgebildet werden können.
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An Hand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher beschrieben
werden. Es zeigt F i g. 1 einen Glaskolben auf einem Kern während des Erhitzens,
F i g. 2 den Glaskolben auf dem Kern während des Nacherhitzens, F i g. 3 einen Längsschnitt
und F i g. 4 einen Querschnitt eines Glaskolbens mit einem eingebauten Elektrodensystem
und F i g. 5 einen Längsschnitt durch eine fertige elektrische Entladungsröhre.
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Der Glaskolben 1 wird vor Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung
aus einem zylindrischen Glasrohr gebildet, mit einem Pumprohr 2 versehen und dann
mit dem Pumprohr 2 nach oben über einen Kern 3 gehängt. Dieser Kern 3 steht senkrecht
und besteht aus rostfreiem Stahl und ist nach oben hin ein wenig kegelig, so daß
der Durchmesser an einer Schulter 4 etwa 0,6 mm größer ist als am oberen Kernende.
Der durchschnittliche Durchmesser beträgt 18,5 mm. Der Durchmesser am oberen Ende
ist 18,2 mm und an der Schulter 18,8 mm. Die Wandstärke des Glaskolbens 1 beträgt
etwa 1 mm, der Außendurchmesser höchstens 21 mm. Durch die Mitte des Kernes 3 ist
ein Stift 5 verschiebbar. Dieser Stift 5 weist an seinem oberen Ende einen dünnen
Zapfen 5' auf, der gerade in das Pumprohr 2 paßt und damit den Glaskolben 1 zentriert
haltert.
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Eine Anzahl von Kernen 3 sind auf einer zur Herstellung von Entladungsröhren
üblichen Karussellmaschine angeordnet. Auf diese Kerne 3 werden die Glaskolben 1
aufgesetzt und an vorzugsweise mehreren Stellen nacheinander durch Schlitzbrenner
6 erhitzt, so daß das Glas jedes Kolbens erweicht. Zugleich wird auch der Kern 3
warm. Ist das Glas genügend weich, so legt es sich unter Einfluß der Oberflächenspannung
des Glases und dem Druck der Flammen ganz an den Kern 3 an.
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Es ist von besonderer Bedeutung, daß eine verhältnismäßig große Zone
13 (F i g. 3) des Glaskolbens 1 genau bestimmte Innenabmessungen mit geringen Toleranzen
erhält, weil in diesem Teil später das obere, steife Glimmerzentrierglied eines
Elektrodensystems eingeklemmt werden soll. Es ist deshalb dafür zu sorgen, daß der
Kern 3 dort die höchste und günstigste Temperatur erhält.
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Der Kern 3 wird mit dem Glaskolben 1 vorzugsweise relativ zu
den Schlitzbrennern 6 in eine umlaufende Bewegung versetzt. Der untere Rand des
Glaskolbens 1 liegt auf der Schulter 4 auf, wodurch die Länge des Kolbens unterhalb
der Zone 13 festliegt. Die Breite der Zone 13 ist derart gewählt, daß alle Abweichungen,
die sich durch Montagetoleranzen und Änderungen in Kolbenlänge unterhalb dieser
Zone 13 ergeben, in dieser Breite aufgenommen werden können. Die Breite der Zone
13 ist z. B. 11 mm, der Durchmesser der oberen Zonengrenze z. B. 18,2 mm, der unteren
Zonengrenze z. B. 18,3 mm.
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Der Kern 3 und der Glaskolben 1 werden dann einige Sekunden lang an
der Luft abgekühlt, worauf der Glaskolben 1 dann noch einmal durch einen Brenner
7 (F i g. 2) nacherhitzt wird. Zugleich kann Luft durch ein Röhrchen 8 gegen den
Unterteil des Kernes 3 geblasen werden, wodurch die Temperatur des Kernes 3 nicht
mehr ansteigt. Weil der Kern 3 und der Glaskolben 1 kegelig sind, ist ein kleiner
Unterschied in der Ausdehnung zwischen dem Glaskolben 1 und dem Kern 3 und damit
ein verhältnismäßig kleiner Temperaturunterschied ausreichend, um den Glaskolben
1 vom Kern 3 zu lösen. Durch Empordrücken des durch die Mitte des Kernes 3 hindurch
verschiebbaren Stiftes 5 wird der Glaskolben 1 dann unmittelbar nach dem Nacherhitzen
abgehoben und danach dann in bekannter Weise spannungsfrei gekühlt.
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Der Kern 3 kühlt an der Luft noch ein wenig weiter ab, während bereits
ein anderer Glaskolben 1
über den Kern 3 gehängt wird. Es ist daher nicht
erforderlich, den Kern 3 ganz abzukühlen. Dadurch sind die Zeit- und Wärmeverluste
gering.
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Ein Elektrodensystem 9 einer Entladungsröhre, für die der Glaskolben
1 bestimmt ist, ist zwischen zwei Glimmerscheiben 10 und 11 montiert
und auf einem gläsernen Rohrboden 12 angeordnet (F i g. 3 und 4). Wie aus
F i g. 4 hervorgeht, ist die Glimmerscheibe 10 sehr steif, da sie im wesentlichen
durch Kreisbögen, deren Radien vorzugsweise etwa 20 bis 30% größer als derjenige
des Glaskolbens 1 sind, begrenzt wird, und zwar derart, daß die größten Diagonalen
der Glimmerscheibe10 0,5 bis 20/0 länger sind als der Innendurchmesser des Glaskolbens
1 an der Stelle des oberen Bereiches der Zone 13. Weil dafür gesorgt ist, daß der
Abstand zwischen der zentrierenden Glimmerscheibe 10 und dem Rohrboden 12
immer gleich ist, befindet sich also diese Glimmerscheibe 10 immer auf der gleichen
Höhe in dem Glaskolben 1, wenn der untere Rand des Glaskolbens 1 den Rohrboden 12
berührt. Die Glimmerscheibe 10 ist nur im Bereich der Zone 13 mit
dem Glaskolbenl in Berührung. Sie reibt daher nicht über eine große axiale Länge
eng passend in dem Glaskolben 1. Die Glimmerscheibe 11, die die gleiche
Form
wie die Glimmerscheibe 10 aufweisen kann, berührt den Glaskolben 1 gar nicht.
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Schließlich wird der Rohrboden 12 mit dem Glaskolben 1 verschmolzen,
die Röhre entlüftet, das Pumprohr 2 abgeschmolzen und der Getter verdampft, worauf
die Röhre die in F i g. 5 dargestellte Form hat.
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Durch die große Einfachheit und symmetrische Form des Kernes 3 bleibt
dieser genau gerade, obwohl er jedesmal erhitzt und abgekühlt wird. Weil der Kern
3 aus rostfreiem Stahl bestehen kann, ist seine Abnutzung außerdem sehr gering.
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Da die Länge und der Durchmesser der ursprünglich zylindrischen Glaskolben
1 etwa um 6% verschieden sein können, kann es vorkommen, daß der untere Rand des
Glaskolbens 1 schon auf der Schulter 4 aufliegt, bevor sich auch der Teil
des Glaskolbens 1 unterhalb der Zone 13 an den Kern 3 angelegt
hat. Es kann dann erwünscht sein, die Außenoberfläche dieses Teils des Glaskolbens
1 mit einer Rolle anzudrücken. Auf die Genauigkeit des Innendurchmessers hat dies
jedoch keinen Einfluß, da sich gezeigt hat, daß die Innenoberfläche des Glaskolbens
1 immer mit dem Kern 3 in Berührung kommt. Jedoch sind die Abweichungen des Innendurchmessers
des fertigen Glaskolbens 1 im unteren Teil wohl etwas größer als in der Zone 13,
in der der Kern 3 während des Erweichens die optimale Temperatur aufwies. Da in
den unteren Teil des Glaskolbens 1 jedoch keine Glimmerscheibe eingeklemmt wird,
besteht hierdurch kein Nachteil.