DE1471961A1

DE1471961A1 - Plasmabrenner zur Bearbeitung von Lampenteilen

Info

Publication number: DE1471961A1
Application number: DE19641471961
Authority: DE
Inventors: Otto Puell
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1964-01-30
Filing date: 1964-01-30
Publication date: 1970-01-08

Description

Patent-Treuhand-Gesellsohaft für elektrische Glühlampen mbH., llünohen Plasmabrenner zur Bearbeitung von Lampenteilen

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner zum kurzzeitigen Erhitzen von Glas, insbesondere von Quarzglas_β Unter einem Plasmabrenner ist hierbei eine Entladungsvorrichtung zu verstehen, bei der aus einer Düse ein Plasmastrahl, d.h«, ein Strahl hooherhitzten teilweise ionisierten und angeregten Gases austritt« Soweit es sich bei dem Gas um ein Llolekülgaa handelt ist es zumindest teilweise dissoziiert Das

Plasma wird in einen Entladungsraum etwa zwischen zwei fester

Elektro-

den erzeugt. Der Entladungsraum ist durch die Düse mit der At qoSphäre verbunden, aus der das dem Entladungsraum an anderer Stelle ζ!geführte Betriebagas als Plasmastrahl entweicht und dem zu bearbeitend in Werk« stück zugeführt wird, an welohes das Plasmaseine Energie abgi

Die für die Bearbeitung notwendige Erhitzung des Quarzglases erfolgt meistens durch Gas-Sauerstoffbrenner· Ein häufig durchzuführender Arbeitsgang in der Lampenteohnik ist die Herstellung einer Polieneinquetsohung, bei der eine Wolybdänfolie als Stromdurchführung in das Quarzglas eingequetsoht wird. Bei einem Quarzglasrohr mit eines Duron» messer von 8 nun beträgt die Aufheizzeit bis sum Quetschvorgang 8 bis Sekunden unter Anwendung der konventionellen Gas»Sauerstoffbrenner_e Die wachsende Bedeutung yon aus Quarzglasrohr hergestellten Lampen wie Quarzjodglühlampen oder Quecksilberdaepfhochdrucklampen fordert die Konstruktion sohnellaufender ttasohipen zu deren Herstellung, Ähnlich

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wie sie etwa für Glühlampen und Leuchtstofflampen bekannt sind. Der Konstruktion solcher Hochleistungsmaschinen steht noch die lange Aufheizzeit im Wege, welche die von den Maschinen gelieferten Stückzahlen stark beschränkt.

Es hat sich gezeigt, daß die Aufheizzeit für die Folieneinquetschung stark verkürzt werden kann, wenn an der Quetschmaschine ein oder zwei wasser- bzw. luftgekühlt· Plasmabrenner anstelle der Gasbrenner eingebaut werden. Der Durchmesser der Plasmaflamme der bekannten Plasmabrenner iet jedoch zu klein, um die Quetschung in einer Länge von etwa 15 mm aufzuheizen. Um eine gleichmäßige Erhitzung des Quarzglases zu erzielen, müßte der Plasmabrenner etwa mittels Exzenter und Schubstange eine ent-

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sprechende Vertikalbewegung entlang der Quetschstelle aueführen. Eine derartig· üubbewegung kompliziert jedoch die schnellaufende Queteohnaechlne außerordentlich und wird durch den Plasmabrenner der Erfindung eingespart.

Gemäß der Erfindung ist der Plasmabrenner zum kurzzeitigen Erhitzen von · Quarz oder Glas, bei den das Plasma durch eine Entladung zwischen festen Elektroden erzeujt wird und als Strahl aus einer Düse austritt dadurch gekennzeichnet, daß die Dusenöffnung eine im wesentlichen orale Form be· sitzt und der Plasmastrahl durch ein Uagnetfeld aufgefächert, ist, dessen Feldlinien in der Umgebung der Düsenöffnung überwiegend parallel zur kleinsten Achse der Düsenöffnung verlaufen. -

£s ist schon ein Plasmabrenner bekannt, bei dem an der kreisförmigen Düsenöffnung ein zur Dusenöffnung senkrechtes I.Iagnetfeld vorgesehen ist, um den Plasaastrahl einzuschnüren und die thermische Belastung des Düsenkörpers au vermindern. Ferner ist schon ein elektrodenloeer Plasmabrenner bekannt, bei dem der Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit durch ein sehr starkes Magnetfeld von 50.000 bis 100.000 Gauß geleitet wird' und die Ionisation durch das elektrische Feld bewirkt wird, das aus dem relativ zu den Gasteilchen bewegten Magnetfeld nach den Harwell * sehen Gesetzen entsteht· Schließlich ist auch ein ringförmiges einen elektrischen Schweißbogen umgebendes magnetisches Stabilisierungsfeld bekannt.

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Durch die erfindungsgemäße Kombination der besonderen Form der Düsen- d öffnung mit dem nahezu homogenen Magnetfeld, das an der Düsenöffnung in Richtung der kleinsten Aohee der ovalen Öffnung verläuft, wird eine solche Auffächerung des Plasmastrahles erreicht, daß eine Quetschlänge von 15 ■■ oder mehr gleichmäßig von einem ruhenden Plasmabrenner aufgeheist werden kann· Die Aufheizzeit beträgt bei einem ^uarzrohr bis zu θ mm Durchmesser nur noch 3,5 Sekunden, ist also im Vergleich zu der Aufheizzeit bei Verwendung konventioneller Gas-Sauerstoffbrenner auf etwa 1/3 verkürzt·

Zur gleichmäßigen Auffächerung des Plasmas wird ein magnetisches Wechseljfj!ld_Jjevoraugt. Ee ist jedoch auoh die Anwendung eines periodisch umge-* schalteten Gleichfeldes möglich, wobei außerdem durch unterschiedliche

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Tastrerhältnisee die Wärme auf verschiedene Punkte der aufzuheilenden Zone konzentriert werden kann_o Zur bevorzugten Erwärmung beatimater Partien iet auoh die Überlagerung eines Gleichfeldee mit einem Wechselfeld cur Ablenkung der Plasmaflanme möglioh.

Der Soheitelwert der magnetischen Feldstärke in der Ungebung der Düsenöffnung, ist gröCer als 10 Gauß und beträgt vorzugsweise 50 bis 250 Qaufl.

Die Bezeichnung "im wesentlichen oval" für die Düaenöffnung ist nicht streng zu verstehen, sondern soll auoh etwa elliptische Öffnungen oder etwa rechteckige öffnungen nit abgerundeten Ecken einschließen. Wesentlich ist, daß die Düsenöffnung eine von der Kreisfora deutlich abweichen· _Ä de längliohe Gestalt besitzt. Vorzugsweise beträgt der größte Durohmes-™ ser der Düsenöffnung Ö bis 14 tarn, der kleinste Durchmesser 5 Wa 10 α. Dae Verhältnis zwischen größtem und kleinstem Durchmesser liegt vorzugsweise zwischen 1:1,2 und 1s2₀

Im Vergleich sum konventionellen Gas-Sauerstoffbrenner besitzt der erfindungogexaäße Plasmabrenner für die Quarzglaabearbearbeitung hauptsäenlieh die folgenden Vorteile:

1„ Die Plasmaflamme kann je nach Art des Betriebsgases bzw. des Gaege-

misohes neutral, reduzierend oder auoh oxydierend eingestellt werden· 2o Bei Verwendung inerter Gase werden Explosionsgefahren vermiedend

30 Der Brenner ist auch bei Betriebsdrücken über 1 atü mit Hilfe einer Impulezündung sofort betriebebereit.

4e Die höhere Temperatur des Plasmabrenners und die größere Wärmemenge ergeben kurze Aufheizzeiten, insbesondere bei der Verarbeitung von

Quarzglas„ Für jeden Arbeitsablauf oder Arbeitsgang kann der Brenner

frisch gezündet werden. Die kurzen Einschaltzeiten haben entsprechend verringerte Betriebskosten zur Folge.

Ib allgemeinen rotiert das zu verarbeitende Quarzglasrohr während seiner . Aifieieung durch die Plasmaflamme. Um bei Quarzrohren größeren Durchmes-

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sere eine Rotation zu vermeiden, kamt man zwei sich gegenüberstehende Plasmabrenner anordnen, die eine Horiaontalbewegung ausführen. Diese gewährleistet eine gleichmäßigere Aufheizung der Quarzrohre unabhängig yon deren Durchmesser.

Die Erfindung wird jetzt an Band der Figuren näher beschrieben. Figur 1 zeigt die perspektivische Barstellung eines Brenners.

Figur 2 zeigt den Aufbau de· Brenners im Längsschnitt ohne die das Mag» netfeld erzeugenden LIittel.

Figur 3 zeigt den Anodenkörper des Brenners ia Schnitt. Figur 4 zeigt den Anodenkörper in Aufsicht.

Der in Figur 1 dargestellte Plasmabrenner 1 besitzt eine längliche etwa ovale Düeenöffnung 2 mit zwei in der Nähe der Düsenöffnung angeordneten Magnetpole 3a und 3b, die mit einem Kern 4 einer LLagnetspule 5 ia Verbindung stehen und in der Umgebung der Düsenöffnung 2 ein Llagnetfeld von etwa 100 Gauß erzeugen» das eine wesentliche Komponente in Sichtung der kleinsten Achse der oyalen Düsenöffnung 2 besitzt. Durch das Zusammenwirken der länglichen Form der Düeenöffnung mit dem Magnetfeld wird die Plaemaflamme 6 in der angegebenen Weise aufgefächert.

Wie in Figur 2 zu sehen ist, besitzt der Plasmabrenner eine im wesentliohen stabförmige Kathode 7 aus Wolfram, das noch mit die Elektronen· emission erhöhenden Zusätzen versehen sein kann. Die Kathode ragt noch ein Stück in die als Düse dienende rohrförmige Anode 8 aus Kupfer hinein« Die Kathode 7 wird von einen Kathodenhalter 9 getragen, der duroh einen Deckel 10 verschlossen ist. Dar Deckel hat zwei Bohrungen, duroh welche die Kühlwasserzuleitung 11 und die (nicht gezeigte) Kühlwasserableitung hindurohgeführt sind. Durchlesen Kühlwasserkreis wird die Kathode gekühlt. Der zweite Kühlwasserkreis zur Kühlung der Anode besteht aus den Leitungen 12a und 12b und dem zwischen Anode 8 und Anodenkopf 13 eingeschlossenen vom Kühlwasser durchflossenen Raum. Die durch das Zentrier-

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stüok 14 hindurchgeführte Leitung 15 dient der Zufülirung des Betriebsgaaes. Die isolierenden Dichtungen 16 und 17 bestehen aus einen unter dem Handelsnamen "DeIrin" bekannten Kunststoff, während die Dichtungsring« 18 und 19 aus Kupfer bestehen. Die lietallteile sind an- den bezeichneten Stellen hart verlötet» Die Spannmutter 20 hält den anodischen und den kathodischen Teil dee Brenners zusammen,, 21 und 22 stellen die elektrischen AnschluBkontakte für Anode und Kathode dar.

Vie besonders deutlich der Figur 3 zu entnehmen ist, besteht die öffnung der Anode aus einem ersten Teil 23t dessen Querschnitt sich von der Kreiefora teilweise in etwa konischer Weise so verringert, daß er ein Oval bildet, dessen größter Durchmesser etwa 10 cm beträgt und dem Durchneseer des ursprünglichen Kreises entspricht, während an den konisch ▼erlaufenden Seiten der kleinste Durchmesser 7 mm beträgt. Der zweite ' Teil 24 der Öffnung ist zylindrisch und besitzt diesen ovalen Querschnitt, auf den der Teil 23 eich verengt.

Diese Öffnung kann durch eine axiale 3ohrung von 7 πκ Durchmesser, durch zwei auf dem größten Durchmesser dee gewünschten etwa ovalen Querschnittes liegende von der Achse um je 2 mm versetzte Bohrungen von etwa 6 ram Durchmesser und durch eine konische Bohrung mit größtem Durchmesser 10 ram und kleinstem Durchmesser 7 n° sehr veitgehend approximiert werden, wie es in den Figuren 3 und 4 angedeutet ist.

Der Brenner wird im Betrieb von 2-20 l/min Betriebsgae durchflossen und wird alt Strömen von 100-400 Ampere betrieben.

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Claims

Patentansprüche

1. Plasmabrenner sun kurzzeitigen Erhitzen von Quarz oder Glas, bei dem das Plasma durch eine* Entladung zwischen festen Elektroden erzeugt wird und ale Strahl aus einer Düse austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die DüBenöffnung eine im wesentlichen ovale Form besitzt und der Plasnastrahl durch, ein Magnetfeld aufgefächert ist, dessen Feldlinien in der Umgebung der Düsenöffnung überwiegend parallel zur kleinsten Achse der Düsenöffnung rerlaufen,

2„ Plasmabrenner naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in der Umgebung der Düsenöffnung nahezu hon»gen ist und eine Feldstürke ron 50 bis 250 Gauß besitzt.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis dee größten Durchmessers der Düsenöffnung zum kleinsten Durchmesser zwischen 1:1,2 und 1:2 liegt und der größte Durchmesser 0 mm bis 14 nm beträgt.

Ilasohine zum kurzzeitigen Aufheizen und Quetschen von uarzglas, gekennzeichnet durch mindestens einen Plasmabrenner nach Anspruch 1 bis 3·

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