DE4021391A1 - Reinfenstervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Reinfenstervorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Die Erfindung bezieht sich nicht auf die Pulverherstellung, bei der das Produktionsergebnis das Pulver ist. Sie befaßt sich vielmehr mit einem Nebenprodukt der Pulverherstellung und mit Feinpulver, das als Nebenprodukt einer Schmelzver­ arbeitung erzeugt wird. Das Nebenprodukt ist eine Wolke von sehr feinen Partikeln, die sich in der Vorrichtung dort bildet, wo Material gebildet, verarbeitet oder geschmolzen wird.

Es gibt eine Anzahl von Materialverarbeitungsprozeduren, die innerhalb eines Gehäuses oder Behälters ausgeführt wer­ den, entweder weil die Materialien, die verarbeitet werden, vor der Atmosphäre geschützt werden müssen oder weil zu befürchten ist, daß die Materialien, die verarbeitet wer­ den, in einer Verarbeitungsanlage dispergiert werden und Bereiche der Anlage, die sonst Reinbereiche sein würden, wesentlich verunreinigen.

Solche Materialverarbeitungsprozeduren beinhalten hochin­ tensives Erhitzen von Metallen, Plasmaspritzauftragen, Plasmaerhitzen, Plasmalichtbogenerhitzen, Spritzauftragen von Metallen, Gaszerstäuben von Metallen, Elektronenstrahl­ erhitzen von Metallen und andere Verarbeitungsprozeduren.

Ein solches Materialverarbeitungsverfahren beinhaltet die Bildung von Feinpulver. Ein gegenwärtig in Gebrauch befind­ liches Verfahren zum Zerstäuben von Materialien in Feinpul­ ver beinhaltet die Zerstäubung eines Stroms von flüssigem oder schmelzflüssigem Material durch einen Gasstrom, der auf den Flüssigkeitsstrom auftrifft, um ihn zu dispergieren und zu zerstäuben. Die Erfindung befaßt sich nicht mit der Bildung von Pulver durch Gaszerstäubung.

Diese Zerstäubung ist jedoch von der Herstellung von extrem feinem Pulver begleitet, z.B. einem feinen Nebel oder einer feinen Wolke von Metallpulver, das aus schmelzflüssigen Me­ tallen gebildet wird, die durch die Einwirkung von Gasströ­ men zerstäubt werden, welche auf einen Strom des schmelz­ flüssigen Metalls auftreffen.

Eine weitere derartige Materialverarbeitungsprozedur ist die Verwendung des Pulvers in einem Sprühauftragsverfahren, wo entweder der Sprühnebel aus einem flüssigen Metall oder durch Hindurchströmenlassen eines Pulvers durch eine Plasmaflamme, die bewirkt, daß die Pulverpartikel zu einem schmelzflüssigen Sprühnebel aufschmelzen, gebildet wird.

Die Erfindung befaßt sich nicht mit dieser Materialverar­ beitungsprozedur, sondern mit einem Nebel oder einer Wolke von sehr feinen Partikeln, die sich als ein Nebenprodukt dieser Materialverarbeitungsprozedur bildet.

Es gibt zahlreiche andere Materialverarbeitungstechniken, die die Bildung von Dämpfen oder Feinpulver oder die Ver­ wendung von Dampf oder Feinpulver bei dem Herstellen von Gegenständen beinhalten und bei denen sich Nebel oder Wol­ ken von sehr feinen Partikeln als Nebenprodukt dieser Mate­ rialverarbeitungsprozedur bilden.

Bei vielen derartigen Arbeitsgängen ist es häufig er­ wünscht, visuellen Zugang zu der Schlüsselerscheinung zu haben, die die Materialverarbeitung begleitet. Dieser visu­ elle Zugang kann jedoch durch solche Nebel oder Wolken von sehr feinen Partikeln verringert oder verschlechtert oder verdeckt werden. Zahlreiche Konstruktionen sind bereits vorgeschlagen und entwickelt worden, die gestatten, das In­ nere einer Verarbeitungskammer zu betrachten, während in ihr die Verarbeitung von statten geht, so daß gewisse Ver­ arbeitungskriterien beobachtet, erfaßt oder gesteuert wer­ den können.

Wenn Feinpartikelwolken in einem Gehäuse als Nebenprodukt der Verarbeitung oder Reaktion von Materialien, die darin stattfindet, erzeugt werden, kann die tatsächliche kriti­ sche Erscheinung innerhalb des Gehäuses durch die in der Kammer gebildete Partikelwolke verdeckt werden. Eines der Kennzeichen von solchen Wolken, die in Verarbeitungskammern gebildet werden, ist die Tendenz der Partikel, sich auf den inneren Oberflächen der Kammer und auf der inneren Ober­ fläche eines Fensters in einer Wand der Kammer niederzu­ schlagen. Dieser Niederschlag von Teilchenmaterial kann die Betrachtung stören und die Beobachtung von außerhalb der Kammer behindern. In ernsten Fällen kann die Beobachtung des Inneren der Kammer gänzlich verhindert werden, weil sich Teilchenmaterial auf der inneren Oberfläche des Fen­ sters angesammelt hat.

Zahlreiche Schemata sind bereits ersonnen worden, um die innere Oberfläche von solchen Beobachtungsfenstern reinzu­ halten. Es ist jedoch festgestellt worden, daß viele dieser Schemata begrenzten Erfolg haben, so daß sie zwar die Zeit verlängern können, während welcher die Beobachtung statt­ finden kann, daß jedoch über einer längeren Zeitspanne das Teilchenmaterial das Fenster allmählich verschließt und die Betrachtung oder die Lichtübertragung durch das Fenster verhindert.

In der Vergangenheit haben Versuche, die unternommen worden sind, um die Sichtöffnungen solcher Vorrichtungen reinzu­ halten, die Verwendung eines Gasschleiers oder von Gas­ strahlen oder eines bewegten Films oder von Verschlüssen beinhaltet. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese Techniken beim Reinhalten der Sichtöffnungen gemischte Er­ gebnisse erbracht haben. Diese Techniken sind zwar beim Reinhalten von Sichtöffnungen von begrenzter Hilfe gewesen, ihre Verwendung hat jedoch andere Probleme mit sich ge­ bracht. Ein derartiges Problem bezieht sich auf die Verwen­ dung eines Gasschleiers oder Gasstrahls. Diese Verwendung verlangt im allgemeinen große Gasströme oder Hochgeschwin­ digkeitsgasströme. Diese hohe Geschwindigkeit oder der hohe Gasdurchsatz erzeugt sehr turbulente und eine niedrigen Druck aufweisende Gebiete in der Nähe der Sichtöffnung. Das kann zu einer Wirbelströmung des Gases, zum Mitreißen von Partikeln und zu deren Ablagerung auf den Sichtfenstern führen, obgleich ein großer Gasdurchsatz und Hochgeschwin­ digkeitsgas zum Verhindern dieses Niederschlags benutzt werden.

Im Gegensatz dazu basiert die Bewegtfilmtechnik auf dem Prinzip, daß der Niederschlag der Partikel einfach gestat­ tet wird, allerdings nur auf einem transparenten Film. Wenn der Niederschlag erfolgt, wird der Film einfach weiterbe­ wegt, um den die Partikel tragenden Film aus dem Sichtweg herauszubewegen und ihn durch einen frischen, klaren Film zu ersetzen, der dann zusätzlichen Partikelniederschlag empfangen kann. Alternativ wird ein klarer, transparenter Film ständig an der Sichtöffnung vorbeibewegt, um einen klaren, transparenten Abschnitt am Sichtöffnungsort zu schaffen, obgleich es einen ständigen Niederschlag von Par­ tikeln auf dem Film gibt, wenn dieser an der Sichtöffnung vorbeigeht. Diese Klarfilmtechnik verlangt einen aufwendi­ gen dynamischen Betrieb von mechanischer Hardware und ist auch hinsichtlich des Platzbedarfes sehr aufwendig. Weiter kommt durch den Film ein weiteres Element in den optischen Weg, das für Lichtsignale, die sich auf diesem Weg bewegen, beispielsweise für Licht im Infrarotspektrum, teilweise un­ durchlässig sein kann.

Die Verschlußtechnik ist einfach eine mechanische Möglich­ keit, bei der eine Sichtöffnung von der Kammer räumlich ge­ trennt wird, in der das feinverteilte oder dampfförmige Ma­ terial verarbeitet wird. Durch die Verwendung eines Ver­ schlusses ist die Sichtöffnung zwar isoliert, der Verschluß wird jedoch geöffnet, wenn Beobachtungen erforderlich sind, und anschließend wieder geschlossen. Ein Problem bei der Verschlußtechnik besteht darin, daß sie nicht die ständige Beobachtung gestattet. Weiter hat sie den Nachteil, daß sich in der kurzen Zeit, in der der Verschluß offen ist, Teilchenmaterial auf dem Beobachtungsobjektiv niederschlägt und es keine Vorrichtung gibt, um das niedergeschlagene Ma­ terial zu entfernen, das sich bei jeder Öffnung des Ver­ schlusses einfach ansammelt.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, die eine ständige Sicht in ein Gehäuse ermög­ licht, in welchem dampfförmiges oder feinverteiltes Mate­ rial hergestellt oder verarbeitet wird.

Weiter soll durch die Erfindung ein optischer Weg durch die Wand eines Gehäuses geschaffen werden, in welchem dampfför­ miges oder feinverteiltes Material hergestellt oder verar­ beitet wird.

Ferner soll durch die Erfindung eine Sichtöffnung für eine Vorrichtung geschaffen werden, in welcher sich Material auf der Vorrichtungswand niederschlägt, wo die Sichtöffnung frei von solchen Niederschlägen bleibt.

Weitere Ziele der Erfindung liegen zum Teil auf der Hand und sind zum Teil in der folgenden Beschreibung dargelegt.

In einem ihrer breitesten Aspekte kann das Ziel der Erfin­ dung erreicht werden durch Schaffen einer Reinfenstervor­ richtung in der Wand eines Gehäuses, für deren innere Ober­ fläche die Gefahr besteht, daß sie mit einem feinverteilten Material überzogen wird. Die erste Forderung an diese Vor­ richtung ist, eine Öffnung durch die Wand des Gehäuses zu schaffen, um einen Sichtweg in das Gehäuse zu bilden. Ein transparentes Fenster ist in dem äußersten Teil des Sicht­ weges angeordnet. Eine innere und eine äußere, insgesamt ringförmige Gruppe von Wänden erstreckt sich um einen äuße­ ren Teil des Sichtweges, um zwischen den Wänden einen ring­ förmigen Gasströmungsraum zu schaffen. Die innere ringför­ mige Wand des Raums wird durch ein poröses Material gebil­ det, um das Hindurchströmen von Gas zu gestatten. Das Fen­ ster ist an dem äußeren Ende des ringförmigen Gasströmungs­ raums befestigt. Der ringförmige Gasströmungsraum und das Fenster sind in der Öffnung des Gehäuses befestigt, um die Öffnung für den Durchtritt von Umgebungsgas in das oder aus dem Gehäuse zu verschließen. Gaszuführeinrichtungen sind vorgesehen zum Versorgen des Raums mit Gas, um eine Gas­ strömung durch die poröse innere Wand in den inneren Sicht­ weg des Gehäuses hervorzurufen, wodurch der Materialnieder­ schlag auf dem Fenster im wesentlichen ausgeschlossen oder verhindert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt des Reinfen­ sters nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt eines Fen­ sters ähnlich dem von Fig. 1, das aber unter einem Winkel befestigt ist, um die Sicht zu erleichtern, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung ei­ nes Fensters, wie es in Verbindung mit einer Gasversorgung und ande­ ren Vorrichtungen benutzt wird.

Eines der Ziele, die die Erfinder hatten, als sie eine Vor­ richtung entwickelten, um ein Sichtfenster reinzuhalten, besteht darin, die Tendenz von Gasen in dem Gebiet des Sichtfensters, sich auf turbulente Weise zu bewegen und Wirbelströme zu bilden, die zu einer Rückströmung des teil­ chen- oder dampfförmigen Materials und damit zu dessen Nie­ derschlag auf einem Fenster führt, zu vermeiden oder zu be­ seitigen. Die Erfinder haben danach getrachtet, statt die­ ser turbulenten Strömung eine gleichmäßige, unidirektionale Strömung eines Reinigungsgases weg von dem Fenster zu schaffen. Nach umfangreichen Tests der Gasströmung in Be­ ziehung zu dem Fenster haben die Erfinder herausgefunden, daß eine gleichmäßige, unidirektionale Strömung möglich ist, wenn eine Vorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art be­ nutzt wird.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Schaffen eines Reinfen­ sters für ein Gehäuse, in welchem die Verarbeitung oder Herstellung von feinverteiltem oder dampfförmigem Material stattfindet. Die Sichtvorrichtung 10 ist an dem Gehäuse 12 befestigt, bei dem es sich um eine Kammer oder einen Tank handelt. Die Sichtvorrichtung 10 ist über einer Öffnung 14 in der Tankwand 13 befestigt. Ein Ring 16 und ein Flansch 18 sind an der Tankwand 13 durch eine Schweißung 20 dauer­ haft befestigt. Eine Trommel 22, die einen unteren Flansch 24 und einen oberen Flansch 26 hat, ist über dem Flansch 18 mittels Schrauben 28 befestigt. Eine Blende 30 kann zwi­ schen dem Flansch 18 und dem Flansch 24 befestigt sein, um eine Kontrolle der Gasströmung aus dem Inneren einer Kammer 32 und aus dem Inneren des zentralen Hohlraums der Trommel 22 in die Kammer 60 zu gestatten.

Alternativ kann diese Blende 30 weggelassen werden, und als eine weitere Alternative kann eine Blende 42 mit einem nach unten vorstehenden Ring 43, der gestrichelt dargestellt ist, benutzt werden. Ein Ringraum 34 ist zwischen den Sei­ tenwänden der Trommel 22 gebildet, das heißt zwischen einer porösen inneren Wand 36 und einer undurchlässigen äußeren Wand 38. Gas kann dem Ringraum 34 über ein Gaseinlaßrohr 40 zugeführt werden, das sich durch die undurchlässige Seiten­ wand 38 erstreckt.

Die Blende 30 hat eine begrenzte Öffnung 42, die einen Durchmesser hat, der beträchtlich kleiner als der der mit­ tigen Öffnung 32 der Trommel 22 ist, was in Fig. 1 ohne weiteres zu erkennen ist. O-Ringe 44 und 46 bilden eine Dichtung zwischen dem Flansch 18 und der Blende 30 bzw. zwischen dem Flansch 24 und der Blende 30. Die Proportionen der Teile, die in Fig. 1 dargestellt sind, entsprechen den Teilen, die in einer Vorrichtung tatsächlich benutzt worden sind, welche erfolgreich experimentell benutzt worden ist und sich als geeignet erwiesen hat, das Sichtfenster 50 für ausgedehnte Zeitspannen reinzuhalten.

Ein O-Ring 48, der in einer entsprechenden Vertiefung in dem Flansch 26 angeordnet ist, bildet eine Dichtung zwi­ schen dem Flansch 26 und dem Rand des transparenten Fen­ sters 50. Das Fenster 50 wird durch eine obere ringförmige Platte 52 und durch einen Satz Schrauben 54, welche sich zwischen der oberen ringförmigen Platte 52 und dem Flansch 26 erstrecken, festgehalten.

Der Betrieb der Vorrichtung beinhaltet die Zufuhr von Gas über die Öffnung 40 in die ringförmige Kammer 34, um dem Gas zu gestatten, in die zentrale Kammer 32 durch die po­ röse Wand 36 einzutreten. Da sich die poröse Wand 36 voll­ ständig um die zentrale Kammer 32 erstreckt, erfolgt die Gaseinströmung von allen Seiten. Nach dem Eintritt in die Kammer 32 strömt das Gas abwärts durch die Öffnung 42 in der Blende 30, um einen kontinuierlichen, sanften, unidi­ rektionalen Gasstrom aus der Kammer 32 in das Innere des Tanks 12 zu schaffen, von welch letzterem nur ein Teil der Wand 13 in Fig. 1 dargestellt ist. Durch dieses Einströmen von Gas in das Gehäuse 12, welches durch die Wand 13 be­ grenzt wird, wird jeglicher Niederschlag von Teilchenmate­ rial oder jegliche Kondensation von dampfförmigem Material, das in der Verarbeitungskammer 60 in dem Gehäuse 12 erzeugt oder verarbeitet wird, auf dem Fenster 50 verhindert oder stark verringert.

Das Gas, welches durch die Öffnung 40 in den Ringraum 34 und von da aus in die Kammer 32 geleitet wird, kann irgend­ ein Gas sein, das üblicherweise bei der Gaszerstäubung oder bei dem Betrieb einer Plasmaspritzvorrichtung benutzt wird, und üblicherweise kann es sich um Heliumgas, Argongas oder ein Gemisch dieser Gase in verschiedenen Verhältnissen für den Betrieb der Kammer 32 bei Atmosphären- oder bei redu­ ziertem Druck handeln. Beispielsweise ist eine solche Vor­ richtung erfolgreich mit Gaskammerdrücken von einer Drit­ telatmosphäre bis zu mehr als einer Atmosphäre betrieben worden. Der Versorgungsgasdruck muß groß genug sein, um die Druckabfälle in dem System zu überwinden und eine positive Gasströmung in die Kammer 32 und von da aus in den Tank 12 zu erzeugen.

Die Verwendung der Blende 30 oder des langgestreckten Roh­ res 43 kann den Betrieb der Sichtöffnung bei reduzierter Gasströmung gestatten.

Eine alternative Form der Vorrichtung ist in Fig. 2 darge­ stellt. Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 ist die Sichtöff­ nung so gestaltet, daß das Betrachten unter einem Winkel gegen die Oberfläche der Wand 113 des Gehäuses 112 erfolgen kann. Der Aufbau der Vorrichtung nach Fig. 2 ist zwar dem der Vorrichtung nach Fig. 1 ziemlich ähnlich, es gibt je­ doch einige Unterschiede, und diese Unterschiede sind in der folgenden Beschreibung dargelegt. In dieser Beschrei­ bung werden, wo der Aufbau dem nach Fig. 1 gleicht, diesel­ ben, jedoch jeweils um 100 erhöhten Bezugszahlen benutzt. So entspricht dem Fenster 50 in Fig. 1 das Fenster 150 in Fig. 2. Die Tankwand, an der diese Vorrichtung nach Fig. 2 befestigt ist, ist mit 113 bezeichnet, und die Tankwand, an der die Vorrichtung nach Fig. 1 befestigt ist, ist mit 13 bezeichnet. Insgesamt ist eine Sichtvorrichtung 110 darge­ stellt, die aus einer Trommel 122 aufgebaut ist. Ein abge­ winkelter Sockel 116 trägt die Trommel 122 und dient zum Befestigen derselben über einer Öffnung 114 in der Wand 113. Der Sockel 116 ist an der Wand 113 durch Schweißen oder auf andere geeignete Weise wie Hartlöten, Kleben usw. befestigt. Die Trommel besteht aus einem oberen Flansch 126 und einem unteren Flansch 124, zwischen denen sich eine äu­ ßere Wand 138 und eine innere, poröse Wand 136 erstrecken. Die innere Wand 136 umgibt eine innere Kammer 132, der Gas zugeführt wird, welches dazu durch die poröse Wand 136 strömt. Zwischen der inneren, porösen Wand 136 und der äu­ ßeren Wand 138 empfängt und verteilt eine Ringkammer 134 das über eine Gaseinlaßöffnung 140 zugeführte Gas.

Mittels Schrauben 128 ist der Flansch 124 an dem Sockelträ­ ger 116 befestigt. Mittels Schrauben 154 ist der Flansch 126 an Platten 152 und 153 befestigt. Die Platten 152 und 153 halten zwischen sich eine Linse 150 fest.

Es gibt einige Differenzen in den Konstruktionen, welche die abgewinkelte Betrachtung des Tankinneren betreffen. Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 ist klar, daß die Öffnung 151 in der Platte 152 exzentrisch angeordnet ist, und zwar um eine Sichtlinie in einer günstigeren Position zum Betrach­ ten des Inneren 160 des Bereiches innerhalb der Wand 113 zu ermöglichen. Eine weitere Differenz in der Konstruktion be­ trifft den Flansch 124. Es ist klar, daß die innere Kammer 132 gegenüber dem Flansch 124 exzentrisch ist oder daß, um­ gekehrt, der Flansch 124 in bezug auf die anderen Bestand­ teile der Trommel 122 und insbesondere der Wandteile 136 und 138 exzentrisch befestigt ist. Hier wiederum ist die Exzentrizität der Kammer 132 vorgesehen, um die Sicht in den umschlossenen Raum 160 innerhalb des durch die Wand 113 umschlossenen Tanks zu verbessern, wobei aber diese exzen­ trische Befestigung für die Ausführung der Erfindung unkri­ tisch ist.

Im Betrieb wird ein Gas über die Einlaßöffnung 140 dem Ringraum 134 zugeführt, von wo aus es durch die poröse, in­ nere Wand 136 in die Sichtzone 132 strömt. Durch die gleichmäßige Strömung von Gas in die Sichtzone oder zen­ trale Kammer 132 und aus derselben durch die Öffnung 114 in das Innere 160 des Gehäuses 112 innerhalb der Wand 113 wird die Rückströmung von Dampf oder feinverteiltem Teilchenma­ terial aus dem Gehäuse 112 aufwärts zu der Unterseite der Linse 150 ausgeschlossen oder stark blockiert oder redu­ ziert.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Art und Weise, wie die Vorrichtung nach der Erfindung benutzt wer­ den kann. Ein Gehäuse 220 ist zum Verarbeiten von Materia­ lien vorgesehen, wobei die Verarbeitung zur Erzeugung von feinverteiltem Material oder Dämpfen des Materials führt. Die erfindungsgemäße Fenstervorrichtung 210 ist in einer Wand 212 des Gehäuses 220 befestigt. Die Betrachtung durch das Fenster 210 gestattet die Beobachtung einer Verarbei­ tungsstation 230 innerhalb des Gehäuses 220. Die Verarbei­ tung erfolgt beispielshalber mit einem Plasmabrenner 232, der sich gemäß der schematischen Darstellung durch eine Dichtung 216 in einer Wand 214 erstreckt.

Alternativ kann ein solches Fenster 210 in Verbindung mit der Infraroterfassung benutzt werden, wie sie in dem US-Pa­ tent 46 56 331 der Anmelderin beschrieben ist.

Ein Plasma 234 kann bewirken, daß sich sehr fein verteiltes Material in einem schmelzflüssigen Zustand auf einer rotie­ renden Trommel 236 niederschlägt, die mittels einer Welle 238 in Drehung versetzt wird, welche durch einen drehzahl­ veränderlichen Rotor 240 angetrieben wird, der auf einem Motorhalter 242 befestigt ist. Die Zufuhr von Gas und Pul­ ver zu der Plasmapistole 232 ist nicht dargestellt, da diese nicht Teil der Erfindung ist. Gas wird der Reinfen­ stervorrichtung 210 über die Gaseinlaßöffnung 240 aus einem Gastank 242 zugeführt, der mit einem herkömmlichen Gasmes­ ser 244 und einem Stromregelventil 246 ausgerüstet ist. Das Gas strömt über eine Gasleitung 248 zu der Gaseinlaßöffnung 240 der Reinraumfenstervorrichtung 210, die in Fig. 3 sche­ matisch dargestellt ist.

Die Verarbeitung von Material mittels Plasmabrenner ist nur eine von vielen Verarbeitungsmöglichkeiten, wie oben erläu­ tert, bei denen das Reinfenster nach der Erfindung eine brauchbare Sicht- oder Erfassungsvorrichtung darstellt. An­ dere Verarbeitungen beinhalten beispielsweise hochintensive Schmelzverarbeitung allgemein, Schleifen oder Pulverisieren oder die Gaszerstäubung von flüssigem Metall oder ein Spritzauftrag eines Niederschlags auf einer Aufnahmefläche wie der umlaufenden Oberfläche der Trommel 236, die in Fig. 3 dargestellt ist.

Die vorstehende Beschreibung ist eine allgemeine Beschrei­ bung des Aufbaus und der Maßnahmen, durch die ein optischer Zugang von außerhalb einer Kammer erfolgt, die eine Atmo­ sphäre umschließt, welche Dämpfe oder feinverteiltes Mate­ rial enthält. Es gibt viele Alternativen, die vorgesehen werden können, sowohl hinsichtlich des Aufbaus als auch hinsichtlich der Verarbeitung, die in einer solchen Kammer stattfindet. Einige dieser Details können anhand der fol­ genden Beispiele verdeutlicht werden.

Beispiel 1

Eine Fenstervorrichtung der mit Bezug auf Fig. 1 beschrie­ benen Art wurde hergestellt. Die beiden konzentrischen Zy­ linder 36 und 38 waren 121 mm (4,75 Zoll) lang und hatten Flansche an jedem Ende angeschweißt, um das Befestigen des Fensters an einer Öffnung in einer Ofenwand zu gestatten. Der innere Zylinder bestand aus gesintertem rostfreien Stahl des Typs 304 mit nominell 10µm-Porosität und einer Dicke von 1,6 mm (1/16 Zoll). Das poröse Metall wurde als ein Blech bezogen, das die Bezeichnung "Mott metallurgical part No. 1100" trug. Das poröse Metallblech wurde kaltgewalzt und stumpfnahtgeschweißt. Das ergab den inneren Zylinder 36 der Vorrichtung, und ein äußerer Zylinder aus rostfreiem Stahl des Typs 304 wurde ebenfalls mit einem inneren Durch­ messer von 127 mm (5 Zoll) hergestellt. Das ergab einen 4,8 mm (3/16 Zoll) breiten Ringspalt zwischen dem inneren Zylinder 36 und dem äußeren Zylinder 38. Ein 6,4 mm(1/4 Zoll)-Nippel wurde an den äußeren Zylinder als Spülgaszu­ führöffnung 40 angeschweißt. Das Fenster wurde mit einem zylindrischen Verlängerungsrohr mit 114 mm (4,5 Zoll) Innendurchmesser und 127 mm (5 Zoll) Länge (einschließlich der Flanschdicke) betrieben, wobei sich die zylindrische Verlängerung so abwärts erstreckte, wie es für den Ring 43 in Fig. 1 gezeigt ist. Die Vorrichtung wurde auch ohne die Verwendung irgendeines Verlängerungsrohres oder irgendeiner Blende erfolgreich eingesetzt.

Rostfreier Stahl ist als Baumaterial für die Fensterrohre nicht notwendig, und andere Materialien können gleich gut benutzt werden. Bei dem Herstellen des Fensters wird für die gasdichten Verbindungen Schweißen bevorzugt, da Hartlö­ ten oder Weichlöten eine Dochtwirkung des Hartlots und das Verschließen von beträchtlichen Teilen des porösen Metalls bewirkt.

Die Funktion des porösen Metalls in dem obigen Beispiel so­ wie in der oben beschriebenen Vorrichtung besteht darin, die Gasströmung gleichmäßig auf die Fensterkammer 32 zu verteilen, so daß Wirbel und Gasstrahlen vermieden werden und weder Kammergas noch Partikel mit sich nehmen. Sie be­ steht außerdem darin, Turbulenz und dadurch verursachte Partikelmitnahme zu minimieren. In der Testgeometrie des obigen Beispiels diente die Strömungsdrosselung, welche durch das poröse Metall erfolgte, als ein Druckabfallver­ teiler, so daß das Gas an einer Stelle 40 eingeleitet wer­ den konnte und es trotzdem von allen Seiten in die Kammer 32 strömen konnte. Es ist selbstverständlich klar, daß das poröse Metall, das in den obigen Beispielen benutzt worden ist, sehr gut funktionierte, daß es aber nicht das einzige poröse Material oder die einzige Porosität ist, die bei der Ausführung der Erfindung benutzt werden kann, weil andere poröse Materialien und andere Porositäten bei der Ausfüh­ rung und dem Betrieb einer Reinfenstervorrichtung, wie sie oben beschrieben worden sind, erfolgreich eingesetzt werden können. Beispielsweise kann eine Gruppe von Feinsieben oder eine Granulatpackung zwischen den Sieben als poröses Mate­ rial dienen.

Anhand von Tests der im Beispiel 1 beschriebenen Konstruk­ tionen ist festgestellt worden, daß die getesteten Kon­ struktionen beim Vermeiden von Turbulenz in der Fensterkam­ mer und in dem optischen Weg, der sich durch die Fenster­ kammer erstreckt, äußerst wirksam waren. Es ist möglich, die Länge der Kammer in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Durchmesser der Kammer und von dem Druck des in dem Gehäuse 60 benutzten Gases zu vergrößern oder zu verringern. Allge­ mein gilt, je größer der Durchmesser der Kammer 32, je grö­ ßer die Länge eines zylindrischen Fortsatzes 43 für einen zufriedenstellenden Betrieb des Reinfensters. Mit anderen Worten, bei größeren Durchmessern sind größere Fensterkam­ merschlankheitsverhältnisse von Länge zu Durchmesser erfor­ derlich. Ein Grund dafür ist, daß, wenn zwei verschiedene Gase mit zwei verschiedenen Dichten benutzt werden, die Möglichkeit von auftriebsbedingten Inversionen besteht.

Solche Inversionen können Teilchenmaterial in dem Gehäuse 60 Zugang zu dem Fenster verschaffen. Zum Vermeiden von solchen Inversionen sollten die höheren Schlankheitsver­ hältnisse benutzt werden. Wenn diese höheren Schlankheits­ verhältnisse benutzt werden, kann oft mit einer geringeren Gaszufuhr in die Kammer 32 gearbeitet werden.

Eine Quelle von solchen Inversionen ist das Einleiten eines kalten Gases in den Ringraum 34 und in die Kammer 32 zum Vermischen mit einem heißen Gas in dem Gehäuse 60. Im all­ gemeinen wird bevorzugt, daß die Temperatur des eintreten­ den Gases ungefähr gleich der Temperatur des Gases in dem Gehäuse ist, was aus mehreren Gründen häufig aber praktisch nicht möglich ist.

Eine weitere Quelle einer solchen Inversion ist die Verwen­ dung eines leichteren Gases wie Helium in Verbindung mit einer schwereren Kammeratmosphäre wie Stickstoff oder Ar­ gon. Allgemein werden Fenster kleineren Durchmessers bevor­ zugt, wenn kleinere Schlankheitsverhältnisse zur Verfügung stehen. Solche Anordnungen haben die Tendenz, durch Auf­ trieb verursachte Inversionen zu reduzieren.

In Fällen, in denen ein niedriges Profil an der Ofenaußen­ seite verlangt wird, ist es möglich, den Gasdiffusionsring 43 von Fig. 1 versenkt in dem Gehäuse 60 vorzusehen.

Gaszufuhren von 0,113 m³/min (4 Normalkubikfuß-Minute) Ar­ gon oder von 0,028 m³/min (1 Normalkubikfuß-Minute) Helium erwiesen sich als ausreichend, um die Fenster während der experimentellen Untersuchung durch die Anmelderin reinzu­ halten, bei der das Fenster an einer Vorrichtung befestigt war, in der Plasmalichtbogenschmelzen oder Plasmaabschei­ dung mit Schnellerstarrung innerhalb des Gehäuses erfolgte. Diese Gaszufuhren haben den Betrieb der Öfen, bei denen sie benutzt wurden, nicht nachteilig beeinflußt.

Es wird angenommen, daß eine geringere Gaszufuhr bei Heli­ umgas für vertikal ausgerichtete Fenster möglich ist, die lange, zylindrische, sich nach unten erstreckende Fortsätze wie den in Fig. 1 mit 43 bezeichneten haben. Es wird außer­ dem angenommen, daß die Erhöhung der Gaszufuhr, um den Nie­ derschlag von Dampf oder Teilchenmaterial zu vermeiden oder zu verhindern, bei Fenstern größeren Durchmessers wesent­ lich größer ist.

Beispiel 2

Ein gasgespültes Fenster, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wurde zur Verwendung an einen Niederdrucktank angebaut, in welchem zur Verarbeitung eine Plasmaabscheidung mit Schnellerstarrung (rapid solidification plasma deposition oder RSPD) benutzt wurde. Das innere, poröse Rohr hatte einen Durchmesser von 114 mm (4,5 Zoll), und das äußere Rohr hatte einen inneren Durchmesser von 127 mm (5,0 Zoll). Die Rohrlänge betrug etwa 127 mm (5,0 Zoll), und das Rohr war oben durch ein Saphirfenster verschlossen, das eine Dicke von 6,4 mm (1/4 Zoll) hatte. Ein Verlänge­ rungszylinder erstreckte sich etwa 127 mm (5 Zoll) in den RSPD-Tank. Die Achse der Rohre und demgemäß der optische Weg durch die Rohre war etwa 65° gegen die Vertikale ge­ neigt. Das RSPD-Verfahren wurde in dem Tank mit einer Viel­ falt von Materialien und Brennergaszusammensetzungen sowie Niederschlagsgeschwindigkeiten ausgeführt. Einige der Be­ dingungen wurden so gewählt, daß ein sehr schmutziges Tank­ gas erzeugt wurde. Sowohl Argon- als auch Heliumspülgase wurden benutzt.

Das Spülen mit Argon war bei einem Schwellenwert des Durch­ satzes von etwa 0,068 bis 0,079 m³/min (2,4-2,8 Standardkubikfuß-Minute) wirksam. Auf der Basis dieser Er­ gebnisse wurde geschätzt, daß bei sehr sauberen Betriebs­ vorgängen Gaszufuhren von nur 0,057 m³/min (2,0 Standard­ kubikfuß-Minute) effektiv gewesen sein können. Die Effek­ tivität der Betriebsläufe wurde anhand von physikalischer und visueller Inspektion der Fenster geprüft, nachdem die Betriebsläufe beendet waren, und während des Tests durch Beobachten des Eindringens von Kammergas und von Rauch in die Fenstervertiefung. Das Gesamtaussehen sowie die of­ fensichtlichen Mechanismen beim Verschmutzen eines Fensters dieser Geometrie sind denen beim Plasmalichtbogenschmelzen, das mit Bezug auf das Beispiel 1 erläutert worden ist, sehr ähnlich. Die Kammergasströmung konnte genau festgelegt wer­ den, indem das Zerstreuen von Teilchenmaterial aus der Fen­ sterkammer beobachtet wurde. Bei der Argongaszufuhr basie­ ren die Schwellenwerte auf der Mindestzufuhr, die benötigt wird, um Wirbelströmungen von Partikel mitführendem Kammer­ gas zu stoppen, bevor dieses Gas das Fenster erreicht. Es wurde beobachtet, daß das Ausströmen von Rauch aus der Fen­ sterkammer unidirektional erfolgte.

Mittels Helium wurde das Fenster bei einer Zufuhr von weni­ ger als 0,017 m³/min (0,6 Standardkubikfuß-Minute) wirksam gereinigt. Das stimmt mit der Erfahrung überein, die in obigem Beispiel 1 angegeben ist. In der RSPD-Anlage war eine stabile Schichtung von Teilchenmaterial in der Fen­ stervertiefung sehr evident. Auf der Basis dieser Beobach­ tung wurde geschlossen, daß es sehr wahrscheinlich ist, daß das Fenster ohne den zylindrischen Fortsatz nahezu ebenso­ gut arbeiten würde, wenn Heliumgas als Spül- oder Reini­ gungsgas benutzt würde. Das Ergebnis stimmt mit den im Bei­ spiel 1 angegebenen Ergebnissen überein, die zeigen, daß Auftriebskräfte beim Bestimmen der Reinigungsgasdurchsätze kritisch sind.

Es wurde festgestellt, daß die Steuerung der Gasdichte zum Minimieren von Dichtedifferenzen des Reinigungsgases gegen­ über dem Kammergas vorteilhaft ist. Der Kammerdruck für die Vorgänge in der RSPD-Anlage des Beispiels 2 wurde auf etwa 33,3 MPa (250 torr) gehalten, und zwar bei allen Betriebs­ läufen, die durchgeführt wurden.

Statt der Saphirlinse der Vorrichtung nach Beispiel 2 kann eine Linse aus Quarz oder Pyrex® oder tatsächlich sogar herkömmlichem Fensterglas benutzt werden.

Claims (9)

1. Reinfenstervorrichtung zur Verwendung in der Wand eines Gehäuses (12, 112, 212), an dessen innerer Oberfläche sich feinverteiltes Material ansammelt, gekennzeichnet durch eine Öffnung (14, 114) in der Wand (13, 113, 214) des Gehäuses (12, 112, 212), die eine Sichtzone bildet,
durch ein transparentes Fenster (50, 150, 210), das an dem äußersten Teil der Zone angeordnet ist,
durch eine innere und eine äußere, insgesamt jeweils ring­ förmige Wand (36, 38; 136, 138), die sich um einen äußeren Teil der Sichtzone erstrecken und zwischen sich einen Gas­ strömungsringraum (34, 134) bilden,
wobei die innere ringförmige Wand (36, 136) porös ist,
wobei das Fenster (50, 150, 210) an dem äußeren Ende der Sichtzone befestigt ist,
wobei der Gasströmungsringraum (34, 134) und das Fenster (50, 150, 210) in der Öffnung (14, 114) des Gehäuses (12, 112, 212) befestigt sind, um die Öffnung (14, 114) für den Durchtritt von Umgebungsgas in das oder aus dem Gehäuse (12, 112, 212) zu verschließen, und
eine Gaszufuhreinrichtung (40, 140, 240) zum Versorgen des Ringraums (34, 134) mit Gas, um eine Gasströmung durch die poröse innere Wand (34, 134) hindurch in die Sichtzone hervorzurufen, wodurch das Abscheiden von Material auf dem Fenster (50, 150, 210) verhindert wird.

2. Reinfenstervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fenster (50, 150, 210) ein Fenster ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Fensterglas, Pyrex®, Glas, Quarz, Saphir und Arsentrisulfid besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Blende (30) unter dem Gasströmungsring­ raum (34, 134) angeordnet ist, um die Rückströmung von Gas zu dem Fenster (50, 150, 210) zu drosseln.

4. Reinfenstervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein nach unten vorste­ hender Ring (16, 43, 116) von der Unterseite des Gasströ­ mungsringraums (34, 134) aus bis zu dem oder in das Gehäuse (12, 112, 212) erstreckt.

5. Reinfenstervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse innere Wand (36, 136) aus porösem Material besteht.

6. Reinfenstervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmung, die durch die poröse innere Wand (36, 136) hervorgerufen wird, unidi­ rektional von dem Fenster (50, 150, 210) weggerichtet ist.

7. Reinfenstervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und die äußere Wand (36, 38; 136, 138) an Endflanschen (24, 26; 124, 126) befestigt sind und insgesamt die Form einer Trommel (22, 122) haben.

8. Reinfenstervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das benutzte Spülgas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Helium, Argon und Gemischen derselben besteht.

9. Reinfenstervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse innere Wand (36, 136) aus porösem rostfreien Stahl besteht.