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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft die kontinuierliche Herstellung von glasüberzogenen
Metallfasern und insbesondere von solchen, bei denen die beiden
die Faser bildenden Materialien erhitzt und partiell verschmolzen
werden, um kontinuierlich in ihre definitive Form gezogen zu werden.
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Stand der
Technik und Problemstellung
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Alle
Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung glasüberzogener Metallfasern nach
dem Stand der Technik basieren auf einem Verfahren, das 1924 von
TAYLOR entwickelt und beschrieben wurde. Es beruht auf dem folgenden
Prinzip.
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Man
gibt im Voraus eine bestimmte Menge Metall in ein an seinem unteren
Ende verschlossenes Glasrohr. Der untere Teil dieses Rohrs wird
in der Nähe
eines Hochfrequenzinduktionsofens angeordnet, der das in dem Glasrohr
befindliche Metall zum Schmelzen bringt. Das Glas erweicht durch
Wärmeleitung.
Die Gießoperation
des Mikrofilaments, gebildet durch die Metallfaser in ihrem Glasüberzug,
wird manuell mit Hilfe einer Kapillare ausgelöst. Die initiierte Faser wird
dann so auf eine Drehtrommel gewickelt, dass der sich bildende Verbund
aus Metall und Glas kontinuierlich gezogen wird. Fasern, deren Gesamtdurchmesser
von 6 bis 25 μm
variieren kann, mit einem metallischen Kern, der von 2 bis 18 μm gehen kann,
werden häufig
nach diesem Verfahren hergestellt.
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Jedoch
hat dieses Verfahren den Hauptnachteil, dass es nicht kontinuierlich
funktioniert, denn wenn die in das Rohr eingefüllte Metallmasse zu groß ist, besteht
die Gefahr der Durchlöcherung des
Glasüberzugs.
Die Kopplung des Induktionsofens mit dem Metall ist nämlich um
so stärker,
je größer die
Metallmasse ist. Der Grad der Erweichung des unteren Teils des Rohrs
ist folglich direkt von der Masse des in diesem Rohr geschmolzenen
Metalls abhängig.
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Die
Metallmasse, die man in das Glasrohr einfüllen kann, ist also begrenzt,
was den Operator dazu zwingt, die Gießoperation zu unterteilen.
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Dieser
Nachteil hat zur Entwicklung von Verbesserungen des Verfahrens geführt. So
beschreibt das russische Patent SU-A-1 088 075 ein Gießverfahren
eines Mikroleiters aus isolierendem Glas, schematisch dargestellt
in der 1. Verwendet wird ein Glasrohr 1, in
dem eine Metallschmelze 5 erzeugt wurde, die dazu bestimmt
ist, die Faser zu bilden, sobald das untere Ende des Glasrohrs 1 durch
den Kontakt mit dieser Schmelze 5 weich geworden ist. Ein
erster Induktionsofen 4, um das Glasrohr 1 herum angeordnet,
heizt einen Metallstab 2, der sich im Innern des Glasrohrs 1 befindet
und von einer Spannzange 3 getragen wird, die von einer
Hebe- und Senkvorrichtung 7 abgesenkt werden kann. Die
Heizung des Metallstabs 2 ist so vorgesehen, dass am unteren
Ende des Stabs 2 stets ein geschmolzener Metalltropfen 8 hängt, um
die Schmelze 5 im unteren Teil des Glasrohrs 1 zu
speisen, wenn sie zu sehr abgenommen hat. Der untere Induktionsofen 6 erzeugt die
Schmelze 5 und ermöglich
so das Ziehen der glasüberzogenen
Metallfaser.
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Zwar
ermöglicht
dieses Verfahren, einen Teil der Probleme des TAYLOR-Verfahrens zu lösen, indem
es zum Beispiel über
einen Metallvorrat verfügt, der
die Herstellung einer großen
Faserlänge
ermöglicht,
ohne die Maschine anhalten zu müssen.
Jedoch weist es zwei Nachteile auf, die mit der diskontinuierlichen
Metallzufuhr zum Mikroschmelzbads 5 in Form des Tropfens 8 am
Ende der Stange 2 zusammenhängen. Dieser Zufuhrtropfen 8,
dessen Masse gegenüber
dem Mikroschmelzbad 5 nicht zu vernachlässigen ist, lässt nämlich dessen
Masse plötzlich stark
ansteigen, was zu einer Streckung des erweichten Teils des Glasrohrs 1 in
Richtung der Zone mit der größten magnetischen
Intensität
führt.
Die Temperatur des Schmelzbads erhöht sich dadurch sehr stark, was
zu einer Modifikation der geometrischen Charakteristika der Faser
führt.
Zudem führt
das diskontinuierliche Abschmelzen des Stabs 2 aufgrund
des Intervalls von einigen Minuten, das die Erzeugung von zwei aufeinanderfolgenden
Tropfen 8 am unteren Ende des Stabs 2 trennt,
zu einer periodischen Zufuhr inhomogener Oxide in das Schmelzbad 5,
was für
die Homogenität
der Qualitäten
der Metallfaser ungünstig
ist. Einige dieser Oxide, deren Schmelzpunkte höher sind, bilden oft unlösliche Einschlüsse, die,
wenn sie in die Formungszone der Faser gelangen, deren Reißen verursachen
können.
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Ein
andere Lösung
wird in dem amerikanischen Patent Nr. 3 362 803 dargestellt. Sie
besteht darin, das Glasrohr mit der Metallmenge zu füllen, die für die erwünschte Faserlänge nötig ist,
aber nur das Metall im unteren Teil des Glasrohrs durch Induktion zum
Schmelzen zu bringen. Der obere Teil des Metalls wird durch einen
elektrischen Widerstand auf eine Temperatur vorgewärmt, die
niedriger ist als die Erweichungstemperatur des Glases oder der
Keramik, aber da das geschmolzene Metall ein guter Wärmeleiter
ist, breitet sich diese nach oben aus. Das Glas, das Kontakt hat
mit der geschmolzenen Legierung, wird dann so weich, dass die Gefahr
des Reißens
des Glasrohrs unter der Wirkung der Masse des geschmolzenen Metalls
besteht.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Probleme der oben genannten
Vorrichtungen und Verfahren zu lösen.
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Außerdem kennt
man aus dem Patent US-A-3 481 390 eine Verfahren, das ermöglicht,
mit Metallen zu arbeiten, deren Schmelztemperatur so hoch ist, dass
sie das Glas zu sehr verflüssigen
würde,
und die so reaktiv sind, dass sie die Wahl der für die Vorrichtung verwendeten
Materialien einschränken
würden.
Das in diesem Dokument vorgeschlagene Verfahren besteht darin, das
Metall oder die Metalllegierung in einem gegenüber diesem Metall oder dieser
Metalllegierung total inerten refraktären Tiegel zu schmelzen. Dieser
Tiegel, dessen Unterteil mit einer Düse endet, wird in dem Glasrohr
angeordnet, ohne jeden Kontakt mit diesem. Man benutzt eine erste
Heizeinrichtung, um die in dem Tiegel enthaltene Legierung zu schmelzen,
und eine zweite, die sich in Höhe
des unteren Endes des Glasrohrs befindet, um dieses zu erweichen,
um aus ihm eine Glaskapillare initiieren zu können. Außerdem benutzt die Vorrichtung
Einrichtungen, die ermöglichen,
in dem Tiegel einen Druck auszuüben,
um die flüssige
Legierung durch die Düsenöffnung zu
ejizieren, in Form eines Strahls aus geschmolzenem Material, in
der Richtung der gebildeten Kapillare. Bei dieser Vorrichtung fällt das
den Tiegel verlassende Material über eine
Distanz von 2 bis 15 cm, um so spät wie möglich das Glasrohr zu erreichen,
so dass das Metall sich etwas abkühlt. Der Kontakt zwischen dem
geschmolzenen Metall und dem Glas findet nur während einer sehr kurzen Periode
(Kontaktzeit zwischen 0,5 und 0,002 s) und nur in Hohe der Kapillare
statt. Folglich unterscheidet sich das in diesem Dokument US-A-3 481
390 dargestellte Verfahren sehr von dem TAYLOR-Prinzip (kein permanente
Kugel aus geschmolzenem Metall, Benutzung eines Überdrucks zur Ejektion des
geschmolzenen Metalls. Zudem haben die durch dieses Verfahren hergestellten
Fasern generell einen Durchmesser über 30 μm, wohingegen eine der Aufgaben
der Erfindung darin besteht, mit großer Geschwindigkeit Fasern
herzustellen, deren Durchmesser kleiner als 20 μm ist (Geschwindigkeiten über 10 m/s).
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Resümee der Erfindung
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Ein
erster Hauptgegenstand der Erfindung ist eine kontinuierliches Herstellungsverfahren
einer glasüberzogenen
Metallfaser, darin bestehend:
- – in ein
bewegliches, an seinem unteren Ende verschlossenes Glasrohr Metall
einzuspeisen;
- – das
Metall im Innern des Glasrohrs in dessen unterem Teil bis zum Schmelzen
zu erhitzen, um in einem unteren Teil des Glasrohrs einen prozessfähigen Tropfen
zu erzeugen und damit diesen unteren Teil zu erweichen.
- – den
von dem unteren Teil des Glasrohrs ausgehenden Verbund aus geschmolzenem
Metall und Glasüberzug
kontinuierlich zu ziehen, wobei das in Höhe seines unteren Teils partiell
geschmolzene Glasrohr in dem Maße
langsam abgesenkt wird, wie es durch das Ziehen der erhaltenen glasüberzogenen
Faser verbraucht wird;
- – ein
gegen Thermoschocks resistentes Speisungsrohr zu benutzen, das in
Bezug auf das Glasrohr stationär
ist, dessen Außendurchmesser kleiner
ist als der Innendurchmesser des Glaserohrs, das total inert ist
gegenüber
der metallischen Masse, das bei der Arbeitstemperatur nicht weich
wird, das sich im Innern des Glasrohrs befindet, das gefüllt ist
mit der Gesamtheit des Metalls, welches zur Herstellung einer großen Quantität einer
glasüberzogenen
Metallfaser nötig
ist, und das in seinem unteren Teil eine Düse mit einem bestimmten, kleinen
Abstand von dem unteren Teil des Glasrohrs aufweist, der in Kontakt
ist mit dem prozessfähigen
Tropfen und derart die Bildung des prozessfähigen Tropfens und die kontinuierliche
Speisung von diesem ermöglicht,
so dass die Dimensionen dieses prozessfähigen Tropfens während des
Ziehens der Faser im Wesentlichen konstant bleiben. Dabei benutzt
man Einrichtungen zur Erzeugung eines Unterdrucks in dem Speisungsrohr,
um die metallische Masse im Innern dieses Rohrs zurückzuhalten.
Dieser Unterdruck wird anschließend
entspannt und reguliert, um den Beginn des Abfließens des
geschmolzenen Metalls durch die Düse zu bewirken und das kontinuierliche
Abfließen
der metallischen Masse während
des Ziehens zu steuern.
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Es
ist vorteilhaft, zwischen den beiden Rohren ein Inertgas wie Argon
zirkulieren zu lassen, um die Oxidmenge in der hergestellten Faser
zu minimieren.
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Es
ist sehr vorteilhaft, die genannten Gaszirkulationseinrichtungen
zu benutzen, um vor dem Schmelzen des Metalltropfens das Innere
des Speisungsrohrs mit Inertgas zu spülen und zu reinigen.
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Ein
zweiter Hauptgegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen
Herstellung einer glasüberzogenen
Metallfaser aus einem an seinem unteren Ende verschlossenen Glasrohr
mit einem bestimmten Durchmesser, umfassend:
- – Heizeinrichtungen,
um eine im Innern des Glasrohrs befindliche metallische Masse zu
schmelzen und einen prozessfähigen
Tropfen im geschmolzenen Zustand zu halten, der einen unteren Teil
des Glasrohrs erweicht,
- – ein
die metallische Masse enthaltendes Speisungsrohr, dessen Außendurchmesser
kleiner ist als der Innendurchmesser des Glasrohrs, das resistent
ist gegen Thermoschocks, das total inert ist gegenüber der
metallischen Masse und das bei der Schmelztemperatur des zu schmelzenden Metalls
nicht weich wird, wobei dieses Speisungsrohr in seinem unteren Teil
eine Düse
besitzt und so in dem Glasrohr positioniert ist, dass seine Düse sich
sehr nahe bei dem unteren Teil des Glasrohrs befindet;
- – Einrichtungen
zum Verschieben des Glasrohrs, um es progressiv in dem Maße abzusenken,
wie es durch das Ziehen der Faser verbraucht wird; und
- – Unterdruckerzeugungs-
und Spüleinrichtungen, um
im Innern des Speisungsrohr einen Unterdruck herzustellen und zu
beherrschen, um das Abfließen
der den prozessfähigen
Tropfen speisenden geschmolzenen metallischen Masse zu regeln und
zu steuern.
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Bei
der bevorzugten Realisierung der Heizeinrichtungen umfassen diese
einen ersten Induktionsofen, dessen Windungen den unteren Teil des Speisungsrohrs über mehrere
Zentimeter umgeben.
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Vorzugsweise
umfassen die Heizeinrichtungen des im Innern des Glasrohrs befindlichen
prozessfähigen
Tropfens einen schalenförmigen
zweiten Induktionsofen, der sich unter dem unteren Teil des Glasrohrs
befindet.
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Vorgesehen
ist eine Argon-Zirkulation zwischen dem Glasrohr und dem Speisungsrohr,
wobei in dem oberen Teil des Glasrohrs eine Stopfbüchse sitzt,
um die Abdichtung zwischen dem Glasrohr und dem Speisungsrohr zu
realisieren.
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Ebenfalls
vorgesehen sind Spüleinrichtungen,
um das Innere des Glasrohrs mit Inertgas zu spülen.
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Liste der
Figuren
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Die
Erfindung und ihre verschiedenen Charakteristiken werden besser
verständlich
durch die nachfolgende Beschreibung, bezogen auf die beiden beigefügten Figuren:
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1,
schon beschrieben, zeigt eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
und
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2 zeigt
eine Vorrichtung nach der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung einer Realisierung der Erfindung
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In
der 2 sieht man funktionelle Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die denen der 1 entsprechen, also dem Stand
der Technik. Es sind dies das Glasrohr 20, eine dieses
Glasrohr umgebende und durch einen Induktionsofen 23 gebildete
erste Heizeinrichtung, eine unter dem unteren Teil 21 des
Glasrohrs 20 angeordnete und durch einen zweiten Induktionsofen 24 gebildete
zweite Heizeinrichtung sowie Einrichtungen 38 zur Spülung und
Erzeugung eines Unterdrucks im Innern des Rohrs 15. Um
das Herstellungsverfahren von glasüberzogenen Metallfasern expliziter
zu machen, figurieren in dieser 2 folgende
sekundäre
Elemente.
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Temperatursensoren
wie etwa Pyrometer 30 befinden sich in der Nähe der Heizung
des Glasrohrs 20, in Höhe
ihres unteren Teils 21. Eine Wasserstrahleinrichtung 34 bespritzt
die überzogene
Metallfaser 10 direkt nach dem Ziehvorgang, um sie schnell
abzukühlen.
Anschließend
kontrolliert eine Messeinrichtung den Durchmesser der Faser 31.
Schließlich wird
die gezogene Faser 10 auf die Spule einer Wickeleinrichtung 11 gespult.
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Je
nach Schmelztemperatur der zur Herstellung der überzogenen Metallfaser 10 verwendeten Legierung
können
verschiedene Glastypen verwendet werden, um das Rohr 20 herzustellen,
zum Beispiel Borsilikatgläser,
Aluminiumsilikatgläser,
96-prozentiges Siliciumdioxid oder geschmolzenes Quarz. Es können auch
Keramiken verwendet werden. Zudem muss die Tatsache berücksichtigt
werden, dass die Ziehtemperatur um 50 bis 300°C höher ist als die Schmelztemperatur
des Metalls. Eine Absenkungseinrichtung 25 ermöglicht,
das Glasrohr 20 langsam in dem Maße progressiv abzusenken, wie
es durch das Ziehen der Faser verbraucht wird.
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Eine
wichtige technische Charakteristik der Erfindung besteht darin,
ein Speisungsrohr 15 zu verwenden, in das im Voraus die
Gesamtheit der metallischen Masse 12, gebildet durch Metall
oder Metalllegierung, eingefüllt
wird. Dieses Speisungsrohr 15 kann aus einem refraktären Material
sein, das die Arbeitstemperatur aushält. Es kann sich zum Beispiel um
Quarz handeln, wenn man amorphe oder mikrokristalline Legierungen
realisieren möchte,
deren Schmelztemperatur bei ungefähr 1000°C liegt. Bei Legierungen, deren
Schmelztemperaturen höher sind,
ist es möglich,
auf Rohre aus Aluminiumoxid, Bornitrid oder auch Titanborid zurückzugreifen.
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Dieses
Speisungsrohr 15, das feststehend ist, wird also gefüllt mit
einem Metall oder einer Metalllegierung. Die metallische Masse 12 wird
durch die Windungen eines ersten Induktionsofens 23 geschmolzen,
der einen Teil der Heizeinrichtungen bildet. Diese umgeben das Speisungsrohr 15 an
seinem Unterteil, indem sie so eine zweite Heizzone bilden, bezogen auf
diejenige der 1, die den Stand der Technik
symbolisiert. Die Anzahl der Windungen des ersten Induktionsofens 23 hängt von
der Höhe des
geschmolzenen Metalls der metallischen Masse 12 ab, die
man erreichen will.
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Das
obere Ende des Speisungsrohrs 15 ist direkt an die Inertgasspülungs- und
Unterdruckerzeugungseinrichtung 38 angeschlossen, um zu
vermeiden, dass die metallische Masse 12, wenn sie geschmolzen
ist, frei durch die untere Düse 13 des Speisungsrohrs 15 abfließt. Diese
untere Düse
befindet sich direkt über
dem Unterteil 21 des Glasrohrs 20. Dieses ist
in Bezug auf den zweiten Induktionsofen 24, der sich direkt
unter dem Unterteil 21 des Glasrohrs 20 befindet,
so angeordnet, dass der prozessfähige
Tropfen 14 und das Glas des Glasrohrs 20 auf die
für das
Ziehen erforderlichen Temperaturen gebracht werden. Diese Höhe der Düse 13 in
Bezug auf den Unterteil des Glasrohrs 20 ist kleiner oder
gleich der für
den Metalltropfen oder prozessfähigen
Tropfen 14 in der Prozesszone erwünschten Höhe, die sich zwischen der Düse 13 des
Speisungsrohrs 15 und dem Unterteil 21 des Rohrs 20 befindet. Die
Höhe des
prozessfähigen
Tropfens 14 regeln die Karte der Temperaturen in dem unteren
Teil des Rohrs 20 und die durch das Gewicht des prozessfähigen Tropfens 14 auf
den Unterteil 21 des Glasrohrs 20 ausgeübte Kraft.
Mit Hilfe der Unterdruckerzeugungs- und Spülungseinrichtung 38 ist
es also möglich,
die Höhe
des prozessfähigen
Tropfens 14 zu steuern. Zudem, indem man die Temperatur
der metallische Masse 12 in dem Speisungsrohr 15 auf
einen Wert regelt, welcher der Temperatur des prozessfähigen Tropfens 14 nahe
kommt, vermeidet man ein thermisches Ungleichgewicht in der Prozesszone,
welche die des Tropfens 14 ist.
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Anzumerken
ist auch, dass nicht nur die Masse und die Temperatur des prozessfähigen Tropfens 14,
sondern auch seine Form die Geometrie und die Eigenschaften der
hergestellten überzogenen
Faser beeinflussen. Bei den Verfahren des Stands der Technik präsentiert
sich das geschmolzene Metall in dem Glasrohr im Wesentlichen als
ein Tropfen mit der Form eines abgeplatteten Sphäroids. Dank des Speisungsrohrs 15 ist
es möglich,
die Form des Tropfens 14 zu steuern, insbesondere die Kontaktfläche mit
dem Unterteil 21 des Glasrohrs 20. Zu diesem Zweck
kann man der Düse 13 mehrere
Formen geben, um unterschiedliche Resultate zu erzielen.
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Festzustellen
ist, dass aufgrund der direkten Einspeisung des geschmolzenen Metalls
in die Prozesszone das eventuelle Vorhandensein von Verunreinigungen
oder von auf dem Tropfen 14 schwimmendem geschmolzenem
Glas vernachlässigbar
ist.
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Der
zweite Induktionsofen 24, der dazu dient, den prozessfähigen Tropfen 14 zu
heizen und sich im Unterteil 21 des Glasrohrs 20 befindet,
wird durch eine oder mehrere Induktionswindungen gebildet. Dieser
zweite Induktionsofen 24 befindet sich in Höhe des Tropfens 14,
vorzugsweise direkt unter dem Unterteil 21 des Glasrohrs 20,
um den Tropfen 14 dank der Laplace-Kräfte in der Schwebe zu halten.
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Entsprechend
der Realisierung nach der 2 verwendet
man einen flachen Einwindungs-Induktor, schalenförmig leicht gebogen, mit einem
zentralen Loch 26. Das Glasrohr 20 befindet sich
bis zu 10 mm über
dem zentralen Loch 26. Insbesondere befindet sich das zentrale
Loch 26 unter dem Glasrohr 20, wobei sein Innenradius
kleiner sein kann als der Radius des Glasrohrs 20. Dies
ermöglicht,
die Heizhöhe
zu reduzieren, die ungefähr
dem Innenradius der Windung entspricht. Die Heizenergie konzentriert
sich also in dem Tropfen 14.
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Der
zweite Induktionsofen 24 kann auch mehrere konisch angeordnete
Windungen aufweisen, die ebenfalls ermöglichen, den Tropfen 14 in
der Schwebe zu halten. Dieser Schwebezustand hilft, die unerwünschte Verlängerung
des Glasrohrs 20 zu vermeiden, indem die auf den Unterteil 21 dieses Glasrohrs 20 wirkende
Kraft reduziert wird.
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Man
kann auch einen IR-Strahlungsofen verwenden, um diese Heizeinrichtungen
des prozessfähigen
Tropfens 14 zu realisieren.
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Die
Eingangsleitung 32A und die Ausgangsleitung 32B ermöglichen
eine Argonzirkulation zwischen dem Glasrohr 20 und der
Außenseite
des Versorgungsrohrs 15. Die Dichtheit dieses Raums wird durch
eine Stopfbüchse 33 gewährleistet,
die sich zwischen dem Glasrohr 20 und dem Speisungsrohr 15 befindet.
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Wie
schon erwähnt,
ist das Glasrohr 20 beweglich in Bezug auf das Speisungsrohr 15 und
in Bezug auf die beiden Induktionsöfen 23 und 24.
Das Glasrohr 20 wird also in dem Maße, wie es durch das Ziehen
der Faser verbraucht wird, nach und nach abgesenkt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist das folgende.
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Die
Gesamtheit des zur Herstellung der überzogenen Faser 10 nötigen Metalls
(oder Metalllegierung) wird in das Speisungsrohr 15 eingefüllt, in Block-
oder Pulverform. Diese metallische Masse 12 im Innern des
Speisungsrohrs 15 wird durch den ersten Induktionsofen 23 erhitzt
und geschmolzen.
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Vorher
wird die Vorrichtung entleert bzw. durchgespült und dann vor dem Schmelzen
des Metalls mit Inertgas gefüllt,
zum Beispiel mit Argon. Es fließt
also dank der Spülungs-
und Unterdruckerzeugungseinrichtungen 38 und der Eingangs-
und Ausgangsleitungen 32A und 32B ein Argonstrom
vom Speisungsrohr 15 zum Glasrohr 20. Die Düse 13 des Speisungsrohrs 15 ist
noch nicht mit geschmolzenem Metall voll.
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Der
erste Induktionsofen 23 heizt die metallische Masse 12 und
die Argonzirkulation in dem Speisungsrohr 15 kommt zum
Stillstand. Es wird dann im Innern des Speisungsrohrs 15 ein
Unterdruck erzeugt, um zu vermeiden, dass die geschmolzene metallische
Masse 12 frei in den Unterteil 21 des Glasrohrs 20 fließt. Hingegen
wird die Argonspülung
im Innern des Glasrohrs 20 – auf der Außenseite
des Speisungsrohrs 15 – dank
der Argonein- und -ausgänge 32A und 32B aufrechterhalten.
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Der
Unterdruck in dem Speisungsrohr 15 wird anschließend reduziert,
um das langsame und kontinuierliche Fließen der flüssigen metallischen Masse 12 in
den Unterteil 21 des Rohrs 20 mit einem bestimmten
Metallschmelze-Durchsatz zu ermöglichen.
Es bildet sich dann im Innern des Unterteils 21 des Rohrs 20 der
prozessfähige
Tropfen 14, dessen Dimensionen und Masse gesteuert werden.
Er wird durch den zweiten Induktionsofen 24 geheizt und
im flüssigen
Zustand gehalten.
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Der
Speisungsprozess muss ohne dynamische Störung ablaufen. Mit anderen
Worten darf die Metallmasse des prozessfähigen Tropfens 14 nicht zu
groß sein,
um das erweichte Glas des Unterteils 21 nicht exzessiv
zu strecken.
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Die
Masse des Tropfens 14 muss konstant gehalten werden. Die
durch das Ziehen der Faser verbrauchte Metallmenge muss permanent
durch eine gleiche Metallmenge ersetzt werden, geliefert durch das
Speisungsrohr 15.
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Die
Temperaturen der geschmolzenen metallischen Masse 12 und
des prozessfähigen
Tropfens 14 müssen ähnlich sein,
um die thermischen Störungen
weitestgehend zu vermeiden.
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So
ist es möglich,
eine Metallfaser kontinuierlich herzustellen, indem ungefähr 40 g
einer Legierung aus CoFeNiMoSiB in das Speisungsrohr 15 aus Quarz
eingefüllt
werden. Das Glasrohr 20 kann aus Borsilikatglas des Typs
PYREX 7 740 sein.
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Der
zweite Induktionsofen 24 ist ein Einwindungs-Induktor,
leicht gebogen, mit einem Durchmesser von 50 mm und einem Loch 26 mit
8 mm. Der erste Induktionsofen 23 kann durch mehrere Windungen
mit einem Durchmesser von 20 mm gebildet werden, über eine
Höhe von
100 mm. Er muss 20 mm über
dem zweiten Induktionsofen 24 angeordnet werden, der sich
seinerseits 10 mm unter dem Unterteil 21 des Glasrohrs 20 befindet.
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Die
Höhe des
Glasrohrs 20 kann 500 mm betragen, sein Innendurchmesser
12,6 mm und seine Wanddicke 1,2 mm.
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Das
Speisungsrohr 15 kann eine Höhe von ungefähr 1 m,
einen Außendurchmesser
von 10 mm und einen Innendurchmesser von 8 mm haben. Die Düse 13 kann
einen Durchmesser von 1 mm haben. Selbstverständlich ist das Speisungsrohr 15 im
Innern des Glasrohrs 20 zentriert und 10 mm über dem Unterteil 21 angeordnet.
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In
diesem Fall wird die Temperatur der Metalllegierung in den beiden
Rohren 15 und 20 auf ungefähr 1280°C gehalten. Diese Temperatur
wird durch die beiden Pyrometer 30 kontrolliert. Die Masse
des prozessfähigen
Tropfens 14 beträgt
ungefähr 5
g und seine Höhe
ungefähr
10 mm.
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Die
Vorschubgeschwindigkeit des Glasrohrs 20 wird auf 2,5 mm/min
geregelt bzw. eingestellt und die Wickelgeschwindigkeit auf 10 m/s.
Die Absenkungsgeschwindigkeit des Pegels der geschmolzenen Metallmasse 12 in
dem Speisungsrohr 15 beträgt 0,2 mm/min.
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Die
unter diesen Versuchsbedingungen gezogene Faser hat einen Gesamtdurchmesser
von 16 μm
und einen metallischen Kern von 5 μm.
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Genauso
können
ungefähr
20 g einer CoFeNbB-Legierung in das Speisungsrohr 15 mit
dem Außendurchmesser
8 mm und dem Innendurchmesser 6 mm eingefüllt werden. Die Temperatur
der Metalllegierung wird in den Rohren 15 und 20 auf 1260°C gehalten.
Die Vorschubgeschwindigkeit des Glasrohrs 20 ist auf 2
mm/min geregelt bzw. eingestellt und die Wickelgeschwindigkeit auf
18 m/s. Die Absenkungsgeschwindigkeit des Pegels der geschmolzenen
Metallmasse 12 in dem Speisungsrohr 15 beträgt 0,75
mm/min.
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Die
unter diesen Bedingungen gezogene Faser hat einen Gesamtdurchmesser
von 10 μm
und einen metallischen Kern von 5 μm. Man kann die Spulgeschwindigkeit
bis auf Werte zwischen 20 und 80 m/s erhöhen, vorausgesetzt die Absenkgeschwindigkeit
des Rohrs wird von 4 auf 13 mm/min erhöht. Man erhält zum Beispiel eine Faser
mit einem Gesamtdurchmesser von 9 μm mit einem Metallkern von 4 μm.
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In
allen Fällen
wird die herzustellende überzogene
Faser am Ausgang des zweiten Induktionsofens 24 gezogen
und durch den Wasserstrahl 35 abgeschreckt, was ihr eine
amorphe Struktur verleiht.
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Das
Ganze ist mit einem Laserdiffraktionssenor 31 versehen,
das sich 300 mm unter dem zweiten Induktionsofen 24 befindet.
Es ermöglicht,
den Gesamtdurchmesser der hergestellten überzogenen Faser während der
gesamten Ziehdauer zu messen.