CH636066A5

CH636066A5 - Fluessigkeitsgekuehlte form zur herstellung von glaswaren.

Info

Publication number: CH636066A5
Application number: CH1114878A
Authority: CH
Inventors: Millard Lawrence Jun Jones
Original assignee: Owens Illinois Inc
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-10-27
Publication date: 1983-05-13
Also published as: NL7810306A; IE781790L; JPS5744610B2; AU4276078A; DK534878A; ZA785342B; IT1110858B; DE2843642B2; PT68699A; DE2843642A1; BE873072A; AU511002B2; LU80356A1; IT7852282A0; US4142884A; SE432758B; JPS5744609B2; PH15578A; JPS5542936B2; JPS55130827A

Description

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Form gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Formen zur Herstellung von Glaswaren werden in den meisten Fällen mit Druckluft gekühlt. Durch die Druckluft, die mit hoher Geschwindigkeit die Formen turbulent umströmt, wird eine grosse Wärmemenge abgeführt und eine gesteuerte Wärmeübertragung von den Formen auf die Druckluft erzielt. Bei der Herstellung von Glasflaschen wird eine formbare Glascharge unter der Wirkung der Schwerkraft zuerst einer Vorform zur Herstellung eines Flaschenrohlings zugeführt. Die Vorform ist nicht zur Abfuhr einer grossen Wärmemenge vom Rohling ausgebildet, da dieser so plastisch sein muss, dass er in einer Endblasform durch

Druckluft aufgeblasen werden kann. Die Endblasform, in der die Glasflasche ihre endgültige Form erhält, muss zur Abfuhr einer solchen Wärmemenge vom Glas ausgebildet sein, dass die fertige Flasche mit dem Boden nach oben auf s eine Kühlplatte gestellt werden kann, ohne dass sie deformiert wird und dann durch einen Entspannungsofen, eine Kontrollstation und eine Verpackungsstation transportiert werden kann. Dies ist der Arbeitszyklus der bekannten Glasformmaschine. Da die Verweilzeit des Glases in der Vorform io wesentlich kleiner ist als die Verweilzeit in der Endblasform, muss eine wesentlich grössere Wärmemenge von der Endblasform abgeführt werden als von der Vorform.

Das Problem der Wärmeabfuhr ist besonders bei der Herstellung von Glasbehältern akut, da die Herstellungsge-15 schwindigkeit durch die unzureichende Kühlung durch die unter niedrigem Druck stehende Kühlluft begrenzt wird. Unter niedrigem Druck stehende Kühlluft, wie sie derzeit zum Kühlen von Formen für die Herstellung von Glasbehältern verwendet wird, muss eine relativ hohe Geschwindigkeit 20 besitzen und in grossen Mengen verwendet werden, wodurch im Bereich der Formen grosser Lärm erzeugt wird. Durch die vorliegende Erfindung lässt sich dieser Lärm vermeiden.

Formen zur Herstellung von Glaswaren können auch mit Flüssigkeiten wie Wasser gekühlt werden. Ein Beispiel einer 25 Einrichtung zur Wasserkühlung von Formen ist in der US-PS Nr. 3 887 350 beschrieben. In dieser Patentschrift ist ein wassergekühlter Formhalter mit einem Einsatz aus Asbest und Graphit zwischen dem Halter und der in den Halter eingesetzten Form beschrieben. Jede Formeinheit besteht aus 30 drei Hauptteilen, nämlich einer Form mit dem Formhohlraum, einem Einsatz zum Begrenzen der Wärmeabfuhr von der Form und einem wassergekühlten Formhalter. Bei der Kühlung von Formen zur Herstellung von Glaswaren ist es wichtig, dass die Wärme nicht zu rasch oder in unkontrol-35 lierter Weise von der Form abgeführt wird, da dann die Oberfläche des Formhohlraums zu kalt ist, wodurch Sprünge im fertigen Behälter auftreten oder eine ungleichmässige Kühlung bewirkt werden kann, die Bereiche ungleicher Dik-ke des Behälters zur Folge hat, was nicht erwünscht ist. 40 Durch die Verwendung des wärmeisolierenden Einsatzes wird eine gleichmässigere Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Formhohlraums erzielt.

Eine andere Anordnung zum Kühlen von Formen ist in der US-PS Nr. 4 009 017 beschrieben. Diese Anordnung um-45 fasst einen Formhalter mit einem Bett aus Materialteilchen, beispielsweise Eisenschrot, eine Einrichtung zum Fluidisie-ren der Materialteilchen, so dass ein Wirbelbett erhalten wird und eine Einrichtung zum Kühlen des Eisenschrots durch eine Flüssigkeit. Das Wirbelbett bewirkt eine relativ so grosse Wärmeabfuhr von der Form während das ruhende Bett praktisch keine Wärmeabfuhr bewirkt.

In der oben genannten US-PS Nr. 3 887 350 sind verschiedene Materialien für den wärmeisolierenden Einsatz beschrieben, wenn auch Asbesttuch als bevorzugtes Material 55 genannt ist. Die vorliegende Erfindung stellt gegenüber der Erfindung nach der oben genannten US-PS eine Verbesserung dar, da sie ein besseres Material und eine bessere Konstruktion zur steuerbaren und reproduzierbaren Erzielung des gewünschten Grades an Wärmeisolierung vor-60 schlägt, welches Material und welche Konstruktion auf einfache Weise hergestellt werden können.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Form zur Herstellung von Glaswaren zu schaffen, die einfach im Betrieb ist und keine komplizierten be-65 weglichen Teile besitzt, die unerwünschte Effekte bewirken könnten.

Diese Aufgabe wird durch die flüssigkeitsgekühlte Form zur Herstellung von Glaswaren nach der Erfindung gelöst

3

636 066

und ist gekennzeichnet durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale.

Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 in Fig. I,

Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 4 eine der Fig. 2 ähnliche Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 5 eine der Fig. 2 ähnliche Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Wärmeleitzahl von der Zusammensetzung des für das Wärmeübertragungsrohr verwendeten Pulvers, und

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Wärmeleitzahl vom Verdichtungsdruck.

Zur Vermeidung von Schwankungen der thermischen Leitfähigkeit und zur Schaffung von wassergekühlten Formeinheiten, die weniger Sorgfalt beim Zusammenbau benötigen, wird nach der vorliegenden Erfindung verdichtetes Pulver als Wärmeübertragungsmedium verwendet. Bei der Auswahl des teilchenförmigen Materials hinsichtlich seiner wärmeleitenden Eigenschaften wurde sowohl der Einfluss der Form als auch der Einfluss der Zusammensetzung der Teilchen untersucht. Auch der Form des aus den Teilchen hergestellten Elements, das als Wärmeschranke dient, wurde Beachtung geschenkt.

Zur Erzielung einer bestimmten gewünschten Wärmeabfuhr von einem Formhohlraum hat sich ein Wärmeübertragungsrohr als geeignet erwiesen, das durch Verdichten eines ausgewählten teilchenförmigen Materials bei einem bestimmten Verdichtungsdruck hergestellt wurde. Wärmeübertragungsrohre aus verdichtetem Pulver können aus verschiedenen pulverförmigen Materialien wie Metalle, Graphit, Sand und verschiedenen anderen anorganischen Materialien hergestellt werden. Rohre mit einer Wärmeleitzahl von 0,17 für Kieselgur bis 65,8 W/Km für Graphit ergeben Wärmeübergangszahlen von 91 bis 1845 W/Km2.

Für Formen, die einer grossen Wärmebelastung ausgesetzt sind, sind Wärmeübergangsanordnungen mit mittlerer bis hoher Wärmeleitzahl geeignet, die rostfreies Stahl- oder Nickelpulver mit einem Zusatz von Aluminium- oder Graphitpulver verwenden. Diese Mischungen mit verschiedenen Anteilen der Komponenten haben Wärmeleitzahlen im Bereich von 0,87 bis 13,8 W/Km. Anordnungen mit niedrigen Wärmeleitzahlen von 0,17 bis 1,21 W/Km werden mit Kieselgur mit einem Zusatz an Graphit erhalten.

Wärmeübertragungsrohre sind leichter und mit besser reproduzierbaren thermischen Eigenschaften herstellbar als Wärmeübertragungsplatten. Das Prüfen der thermischen Eigenschaften des Pulvermaterials kann an grossen Chargen durchgeführt werden und zur Erzielung der gewünschten Wärmeleitungszahl kann entweder der Verdichtungsdruck oder die Zusammensetzung des Pulvers eingestellt werden. Ferner werden die gewünschten Kühleigenschaften erzielt, ohne dass die Formteile für die Anordnung der Wärmeübertragungsrohre besonders genau bearbeitet werden müssen.

Nachfolgend werden Beispiele der Herstellung von Wärmeübertragungsrohren aus Metallpulver in einer Prüfvorrichtung beschrieben. Die Prüfvorrichtung und die zusammen mit dieser verwendete Kühlanordnung entsprachen der Funktion nach einer flüssigkeitsgekühlten Form nach der Erfindung. Die Prüfvorrichtung hatte die Form eines Metallblocks mit einem durchgehenden Loch mit Vi" Durchmesser, wie in den Fig. 3 und 5 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Im Loch wurde ein Kühlwasserrohr mit einem 'A" Aussendurchmesser koaxial angeordnet, so dass ein Ringraum gebildet war. Dieser Ringraum wurde dann mit einem Pulver aus rostfreiem 316 LSS Stahl der Siebgrösse kleiner als 100 mesh gefüllt, welches Stahlpulver von der Firma Glidden bezogen wurde, jedoch auch von anderen Quellen erhältlich ist. Dieses Pulver aus rostfreiem Stahl wurde bei stufenweise Vergrösserung der Menge um je 1 cm3 verdichtet, wobei eine Matrize verwendet wurde, die in den Ringraum passte und einem Verdichtungsdruck von 200 000 kN/m2 ausgesetzt war. Der Block wurde dann in einer thermisch isolierten Kammer angeordnet und elektrisch geheizt, wobei Kühlwasser durch das Kühlwasserrohr geleitet wurde. Die in der nachstehenden Tabelle I angeführten Daten wurden über eine Zeitperiode von mehreren Stunden erhalten. Aus diesen Daten sind die thermischen Eigenschaften des aus dem verdichteten Stahlpulver bestehenden Wärmeübertragungsrohres ersichtlich. Die nach den beiden ersten Messungen im wesentlichen konstante Wärmeleitzahl kp war gleich 2,044, welcher Wert als endgültiger Wert genommen wurde.

Tabelle 1

Wärmeübertragungszahl U0 und Wärmeleitzahl eines thermisch stabilen Wärmeübertragungsrohres Das Wärmeleitungsrohr bestand aus einem Pulver aus rostfreiem Stahl 3 ! 6L der Siebgrösse kleiner als 100 mesh und wurde durch Verdichten dieses Pulvers in um stufenweise um 1 cm3 zunehmender Menge unter Anwendung eines Verdichtungsdrucks von 200 000 kN/m2 hergestellt. Als Kühlwasserrohr wurde ein lA " Rohr aus SS316 Stahl verwendet, das in der genannten '/i"-Zoll-Bohrung des Metallblocks angeordnet war.

Zeit u„

Kp

W/Km2

W/Km

9:15

417

2,423

9:20

#

410

2,432

9:35

360

2,053

*

358

2,046

358

2,048

360

2,055

**

10:40

355

2,018

10:45 *

354

2,017

10:55

356

2,029

10:59

358

2,044

**

11:30

360

2,051

11:35 *

357

2,034

11:42

360

2,062

11:45

361

2,069

12:15

359

2,029

12:20 *

356

2,036

12:30

359

2,056

12:34

360

2,067

* thermisch geschockt durch Unterbrechen der Wasserkühlung während 5 Minuten.

** thermisch gesehockt durch Abkühlen des Blocks auf 82 °C und wiedererhitzen.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

636 066

4

Die Gesamtwärmeübergangszahl U0 in W/Km2 ist auf den Durchmesser des Lochs im Metallblock bezogen. Der Koeffizient U0 kann aus der folgenden Beziehung bestimmt werden:

A At, o t

A à r o P

A,h. k.A. k A , . i i t t p p wobei:

A0 die Fläche der Innenwand des Lochs in m2,

hi die Wärmeübergangszahl für den Übergang von Wasser zum Metall in W/Km2,

A, die mit dem Kühlwasser in Kontakt stehende Innenfläche des Kühlwasserrohres in m2,

kt die Wärmeleitzahl des Kühlwasserrohres in W/Km, At die auf den mittleren Radius bezogene effektive Wärmeübergangsfläche des Kühlwasserrohres in m2,

Art die Dicke des Kühlwasserrohres in m,

kp die Wärmeleitzahl des Stahlpulvers in W/Km

A in m p die effektive Wärmeüberfangsfläche des Stahlpulvers 2 und

Arp die Dicke des Pulvers in m ist.

Die Wärmeleitzahl kp wurde aus den folgenden Gleichungen berechnet:

Q = mCp(T2-T1)

0,023

ÏÏ' o

TT DL

! V T2\ [\ - —)

(3)

(4)

U' o

Vi

Vrt

Btkt

D A r

E

3> k P P

yrb \\

Art die Dicke der Wand des Kühlwasserrohres in m, Ti Temperatur des in den Wärmeübergangsbereich fliessenden Wassers in K,

T2 Temperatur des aus dem Wärmeübergangsbereich s fliessenden Kühlwassers in K, und

Tb die mittlere Temperatur des Metallblocks in K (gemessen ausserhalb des Lochs).

Es wurde auch die Möglichkeit der Verwendung von anderen Metallpulvern untersucht. Zur Untersuchung der Eig-lo nung von reinem Aluminiumpulver wurde die gleiche, bereits beschriebene Prüfvorrichtung verwendet und der Ringraum mit reinem Aluminiumpulver gefüllt. Das Aluminiumpulver wurde dann unter einem Druck von 100 000 kN/m2 verdichtet, also weniger als bei der Verwendung von Stahl-15 pulver. Wie aus der nachstehenden Tabelle II ersichtlich ist, war die Wärmeleitfähigkeit des aus dem Aluminiumpulver bestehenden Wärmeübertragungsrohres zu Beginn sehr hoch, nahm dann jedoch sehr rasch ab. Reines Aluminium ist somit thermisch unstabil, obgleich die Wärmeleitfähigkeit 20 nach einem thermischen Schock wieder zunahm. Reines Nikkeipulver zeigte das gleiche Verhalten. Keines dieser Metalle ist für ein Wärmeübertragungsrohr geeignet.

Es wurden auch Mischungen aus den eingangs genannten Metallen in Pulverform untersucht und teilweise befriedi-25 gende Ergebnisse erhalten. Ferner wurde feuerfestes Oxidpulver und Graphitpulver untersucht und erwies sich in begrenztem Mass als geeignet. Auch andere anorganische Pulver, wie Talkpulver und Kieselgurpulver sind in besonderen Fällen geeignet.

30

Tabellen

Wärmeübergangszahl U0 und Wärmeleitzahl k eines thermisch unstabilen Wärmeübertragungsrohres 35 Das Wärmeübertragungsrohr bestand aus Aluminiumpulver mit einer Siebgrösse von kleiner als 60 und grösser als 150 mesh, das mit einem Verdichtungsdruck von 100 000 kN/m2 in einer stufenweise um 1 cm3 zunehmenden Menge verdichtet wurde.

40 Als Kühlwasserrohr wurde ein %'-Rohr aus SS316 Stahl wobei:

Cp die Wärmekapazität von Wasser in J/kgK,

Db der mittlere Durchmesser des Metalls des Blocks zwischen den zur Messung verwendeten Thermoelementen und dem Loch in m,

Di der Innendurchmesser des Kühlwasserrohres in m, D0 der Durchmesser des Lochs im Block in m,

Dp der mittlere Durchmesser des aus Stahlpulver bestehenden Rohres in m,

U'o die Wärmeübergangszahl zwischen dem Metallbock an der Stelle der Thermoelemente und dem Wasser, bezogen auf den Durchmesser des Lochs im Block,

D, der mittlere Durchmesser des Kühlwasserrohres in m, G die Massengeschwindigkeit des Wassers im Kühlwasserrohr in kg/m2h,

hi die Wärmeübergangszahl für den Übergang vom Wasser zum Kühlwasserrohr in W/Km2,

kb die Wärmeleitzahl des Metallblocks in W/Km,

kt die Wärmeleitzahl des Kühlwasserrohres in W/Km, kw die Wärmeleitzahl vom Wasser in W/Km,

L die Länge der Wärmeübergangsfläche in m,

m die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlwassers in kg/h,

Arb Dicke des Metallblocks zwischen den Thermoelementen und dem Loch im Block in m,

Arp die Dicke des Wärmeübertragungsrohres in m,

verwendet, das in der Vi "-Bohrung des Metallblocks angeordnet war. Die Temperatur des Blocks betrug 340 °C und die des Kühlwassers 30 °C.

45

Zeit

U„

W/Km2

k

W/Km

16:10 16:15

50 *

16:30

16:35

**

nächster Tag

55

*

11:30

11:33

**

60 12:20

12:22 *

12:36

936 947

684 624

756 765

641 638

613 615

556

557

10,055 10,287

5,363 5,098

6,415 6,583

4,793 4,759

4,454 4,488

3,829 3,834

65

* thermischer Schock durch Unterbrechung der Wasserkühlung für 5 min

** thermischer Schock durch Kühlen auf 82 "C und wiedererhitzen

5

636066

Andere Metallpulver und Mischungen dieser Pulver mit Graphit wurden ebenfalls untersucht. Es wurde festgestellt, dass bei nicht verdichteten Pulvern aus Kupfer, 316 SS Stahl, Nickel und Aluminium der Verdichtungsgrad einen wesentlichen Einfluss auf die thermischen Eigenschaften hat. Es wurden mehrere Proben aus Kupfer und Nickel auf die Reproduzierbarkeit der thermischen Eigenschaften untersucht. Kupfer wies eine schlechtere Reproduzierbarkeit auf als Nickel, möglicherweise infolge einer teilweisen Oxidation des Kupfers bei höheren Temperaturen.

Zur Untersuchung der Reproduzierbarkeit der thermischen Eigenschaften von Wärmeübertragungsrohren aus verschiedenen Pulvern, wurde die bereits beschriebene Prüfvorrichtung verwendet, wobei die Wärmeübertragungsrohre auf die gleiche, bereits früher beschriebene Weise in der Prüfvorrichtung hergestellt wurden. Die Ergebnisse der Untersuchung sind in der nachstehenden Tabelle III angegeben.

Tabelle III

Reproduzierbarkeit der thermischen Eigenschaften von

Wärmeübertragungsrohren Material: Due Rohre bestanden aus Pulver aus rostfreiem 316L Stahl mit einer Siebgrösse von kleiner als 100 mesh, welches in einer in einer stufenweise um 1 cm3 zunehmenden Menge mit einem Druck von 40 000 kN/m2 verdichtet wurde.

Kühlwasserrohr: Der Durchmesser des aus SS 316 Stahl bestehenden Rohres betrug %" und der Durchmesser des Lochs im Metallblock Vi". Die Temperatur des Blocks betrug 340 °C und die des Kühlwassers 30 "C.

Untersuchung kp u„

Nr.

W/Km

W/Km2

1

0,97

198

2

0,98

196

3

0,90

182

4

0,97

194

5

0,95

190

6

0,97

196

Mittelwert

0,96

Standardabweichung

3%

Der Einfluss des zum Verdichten des Pulvers verwendeten Verdichtungsdrucks auf die Wärmeleitzahl von 316 SS Stahl und Nickel ist aus der nachstehenden Tabelle IV ersichtlich.

Tabelle IV

Einfluss des Verdichtungsdrucks auf die Wärmeleitzahl

Druck

SS 316 L Stahl

AN 100 Nickel kN/m2

kp (W/Km)

70 000

0,902

1,783

0,919

2,164

0,871

0,817

Mittelwert

0,878 ±5,1%

1,973+ 13,6%

140 000

1,317

3,150

1,608

3,147

1,464

1,463

1,461

Mittelwert

1,463 + 7%

3,149 + 0,8%

Druck

SS 316 L Stahl

AN 100 Nickel kN/m2

kp (W/Km)

210 000

1,876

3,029

2,044

3,756

2,077

2,908

2,027

3,670

Mittelwert

2,006 + 4,5%

3,341 + 11,8%

280 000

2,384

Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass der Verdichtungsdruck einen grossen Einfluss auf die thermische Leitfähigkeit hat.

Bei der Konstruktion einer flüssigkeitsgekühlten Form nach der Erfindung ist auch die Zusammensetzung des teilchenförmigen Materials des Wärmeübertragungsrohres bzw. der Wärmeübertragungsschicht 16 (Fig. 2, 3 und 5) zu berücksichtigen. Aus diesem Grund wurden auch verschiedene Mischungen von pulverförmigen Materialien in der beschriebenen Prüfvorrichtung untersucht.

In der nachstehenden Tabelle V sind die Wärmeleitzahlen kp für verschiedene Mischungen aus Aluminium-, Nikkei- und 316 L Stahlpulver angegeben. Die Pulvermaterialien wurden bei einem Druck von 210 000 kN/m2 in einer stufenweise um 1 cm3 zunehmender Menge verdichtet.

Tabelle V

Gew.-%

316SS Stahl kp

AI

Ni

W/Km

0

100

2,006

0

100

0

3,341

100

0

6,578

10

0

90

3,981

10

0

90

4,000

25

0

75

5,851-6,370

25

0

75

5,685-5,989

10

30

60

4,379

Die Wärmeübertragungsrohre für die Formen nach der Erfindung können aus zahlreichen Pulvermaterialien hergestellt werden. Metalle, Graphit, Sand und zahlreiche andere anorganische Materialien wurden mit Erfolg verwendet. Die hergestellten Wärmeübertragungsrohre hatten eine Wärmeleitzahl von 0,17 für Kieselgur bis 65,78 W/Km für Graphit und eine Wärmeübergangszahl von 90 bis 1845 W/Km2. Die den Kurven in Fig. 6 zugeordneten Punkte sind Mittelwerte von mit der beschriebenen Prüfvorrichtung gemessenen Werten.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist für Wärmeleitzahlen von 5,2 bis 13,8 W/Km eine Mischung von Graphit und Nickel am günstigsten. Für den Bereich von 2,25 bis 5,2 W/Km ist eine Mischung von Graphit mit der Siebgrösse kleiner als 100 mesh und rostfreiem Stahl geeignet. Für den Bereich von 0,86 bis 2,25 W/Km ist rostfreies Stahlpulver mit der Siebgrösse kleiner als 100 mesh, das bei einem Druck von 70 000 bis 280 000 kN/m2 verdichtet wurde, geeignet. Für den Bereich von 0,17 bis 1 W/Km ist eine Mischung von Graphit und Kieselgur wie «Celite 320» geeignet.

Die fünf Kurven in Fig. 6 beziehen sich auf Mischungen von Metallpulvern, Metallpulver und Graphit sowie Kieselgur und Graphit. «Celite 320» ist ein Kieselgur der Firma Johns Manville, Inc., mit den folgenden Eigenschaften:

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

636066

6

Farbe: weiss

Dichte: trocken 312 kg/m3

nass 320 kg/m3 Siebgrösse: von einem Sieb mit 150 mesh wurden 50% der Menge zurückgehalten ph: 10

spez. Gewicht: 2,30 ehem. Analyse:

SÌ02

89,6

ai2o3

4,0

Fe203

1,3

p2os

0,2

Ti02

0,2

CaO

0,5

MgO

0,6

Na20 + K20

3,3

Beispiel 4

Wie Beispiel 1, jedoch ohne Zusatz von Graphit zum Kieselgur. Der Mittelwert von k betrug 0,42 W/Km. In Fig. 6 zeigt die Kurve «Graphit in Celite 320» die Abhängig-5 keit der Wärmeleitzahl k vom Anteil des Graphits.

Beispiel 5

Das gleiche Vorgehen wie in Beispiel 1, jedoch mit einer Mischung aus Aluminiumpulver und rostfreiem Stahlpulver io mit Siebgrössen von kleiner als 100 mesh. Bei einem Anteil des Aluminiumpulvers von 26 Gew.-% betrug der Mittelwert von k 6,06 W/Km.

Beispiel 6

is Wie Beispiel 5, jedoch mit einem Zusatz an Aluminium von 10 Gew.-%. Der Mittelwert von k betrug 3,98 W/Km.

Der mit «Celite» gemischte Graphit stammte von der Fa. USAR, Niagara Falls, New York und hatte die Katalog-Nr. GP BB-5. Dieser Graphit hatte eine solche Feinheit, dass mindestens 50% der Menge durch ein 35-mesh-Sieb auf ein 65-mesh-Sieb gingen. Der Aschengehalt des Graphits war kleiner als 2%. Die Siebe waren Tyler Siebe.

Die Wärmeübertragungsrohre wurden auf folgende Weise hergestellt und geprüft:

Schritt 1: Die benötigten Materialmengen wurden in einen grossen Becher oder Behälter gefüllt.

Schritt 2: Die trockenen Materialien wurden so lange gemischt, bis die Mischung eine einheitliche Farbe hatte. Dazu ist zu bemerken, dass Graphitpulver schwarz und Kieselgur weiss ist.

Schritt 3: Die Mischung wurde in den Ringraum der Prüfvorrichtung zwischen der Innenwand des Lochs im Metallblock und dem koaxial im Loch angeordneten Kühlwasserrohr gefüllt. Die Mischung wurde stufenweise in Mengen von je 2 cm3 zugegeben und nach jeder Zugabe im Ringraum mit einem Druck von 200 000 kN/m2 verdichtet.

Schritt 4: Der Metallblock wurde auf 340 °C erhitzt und zur Kühlung Wasser mit etwa 30 °C durch das Kühlwasserrohr geleitet.

Schritt 5: Nach Erreichen des thermischen Gleichgewichts wurden die Temperaturen von Thermoelementen abgelesen, die in bezug zum Loch im Metallbock an bestimmten Stellen des Metallblocks angeordnet waren. Ebenso wurde die Temperatur des in den Block und aus dem Block fliessenden Kühlwassers gemessen.

Schritt 6: Die Anordnung wurde durch Unterbrechen der Wasserkühlung während 5 Minuten thermisch geschockt und dann wieder mit dem Schritt 5 begonnen. Aus den Messungen wurden die Wärmeleitziffern in W/Km berechnet. Die Kurven in Fig. 6 und die Kurven in Fig. 7 wurden auf Grund von Mittelwerten der Wärmeleitziffern gezeichnet.

Beispiel 1

Bei diesem Beispiel wurden die sechs vorstehend beschriebenen Schritte mit «Celite 320» und einem Graphitzusatz von 20 Gew.-% durchgeführt. Der Mittelwert der Wärmeleitzahl k betrug 1,17 W/Km.

Beispiel 2

Wie Beispiel 1, jedoch mit einem Zusatz an Graphit von 10 Gew.-% zum Kieselgur. Der Mittelwert von k betrug 0,67 W/Km.

Beispiel 3

Wie Beispiel 1, jedoch mit einem Zusatz an Graphit von 5 Gew.-% zum Kieselgur. Der Mittelwert von k betrug 0,51 W/Km.

Beispiel 7

Wie Beispiel 5, jedoch mit einem Zusatz an Aluminium

20 von 5 Gew.-%. Der Mittelwert von k betrug 3,12 W/Km.

Beispiel 8

Wie Beispiel 5, jedoch ohne Zusatz von Aluminiumpulver. Der Mittelwert von k betrug 2,08 W/Km. Die Kurve

25 «Aluminium in rostfreiem Stahl» in Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Wärmeleitzahl k vom Anteil des Aluminiums.

Beispiel 9

Das gleiche Vorgehen wie in Beispiel 1, jedoch mit einer

30 Mischung aus Graphitpulver und rostfreiem Stahlpulver mit der Siebgrösse kleiner als 100 mesh. Bei einem Zusatz von 8 Gew.-% Graphitpulver betrug der Mittelwert von k 7,10 W/Km.

35 Beispiel 10

Wie Beispiel 9, jedoch mit einem Zusatz an Graphit von 5 Gew.-%. Der Mittelwert von k betrug 5,02 W/Km.

Beispiel 11

40 Wie Beispiel 9, jedoch mit einem Zusatz an Graphit von 2 Gew.-%. Der Mittelwert von k betrug 3,29 W/Km.

Beispiel 12

Wie Beispiel 9, jedoch mit einem Zusatz an Graphit von

451 Gew.-%. Der Mittelwert von k betrug 2,77 W/Km. Die Kurve «Graphit in rostfreiem Stahl» in Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Wärmeleitzahl k vom Anteil des Graphits.

Beispiel 13

so Das gleiche Vorgehen wie beim Beispiel 1, jedoch mit einer Mischung von Nickelpulver und Aluminiumpulver. Bei einem Zusatz von 15 Gew.-% Aluminium betrug der Mittelwert von k 6,06 W/Km.

55 Beispiel 14

Wie Beispiel 13, jedoch mit einem Zusatz an Aluminiumpulver von 10 Gew.-%. Der Mittelwert von k betrug 5,88 W/Km.

60 Beispiel 15

Wie Beispiel 13, jedoch mit einem Zusatz an Aluminiumpulver von 5 Gew.-%. Der Mittelwert von k betrug 4,85 W/Km.

65 Beispiel 16

Wie Beispiel 13, jedoch ohne Zusatz an Aluminiumpulver. Für das reine Nickel betrug der Mittelwert von k 3,34 W/Km. Die Kurve «Aluminium in Nickel» in Fig. 6

7

636 066

zeigt die Abhängigkeit der Wärmeleitzahl k vom Anteil an Aluminiumpulver.

Beispiel 17

Das gleiche Vorgehen wie in Beispiel 1, jedoch mit einer Mischung von Graphitpulver und Nickelpulver. Das Graphit hatte die gleiche Feinheit wie bei den vorher beschriebenen Beispielen. Für einen Zusatz an Graphit von 8 Gew.-% betrug der Mittelwert von k 13,85 W/Km.

Beispiel 18

Wie Beispiel 17, jedoch mit einem Zusatz an Graphit von 2 Gew.-%. Der Mittelwert von k betrug 5,71 W/Km. Die Kurve «Graphit in Nickel» in Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Wärmeleitzahl k vom Anteil des Graphits.

Die in der Spalte «Rostfreier SS-316L-Stahl» der Tabelle IV angegebenen Daten sind in Fig. 7 in Form einer Kurve dargestellt. Die Werte von k bei den Verdichtungsdrücken von 70 000 bis 280 000 kN/m2 sind auch hier die Mittelwerte von mehreren Messungen. Die Wärmeübertragungsrohre wurden auf die gleiche Weise hergestellt und geprüft wie in den früher beschriebenen Schritten 2 bis 6.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, sind Mischungen von Aluminiumpulver oder Graphitpulver mit Pulvern aus rostfreiem 316-Stahl oder Nickel besonders für Wärmeleitzahlen von 2,25 bis 13,85 W/Km geeignet. Für Wärmeleitzahlen von 0,17 bis 1,4 W/Km sind, wie die unterste Kurve in Fig. 6 zeigt, Mischungen aus Kieselgur und Graphit geeignet. Die Wärmeübergangszahlen für dieses Material liegen im Bereich von 0,35 bis 1,21 W/Km. Mit Kieselgur anderer Feinheit kann eine Wärmeleitzahl von nur 0,17 W/Km erhalten werden.

Fig. 7 zeigt, dass durch Ändern des Verdichtungsdrucks beim Verdichten von Pulvern aus rostfreiem Stahl Wärmeleitzahlen im Bereich von 0,87 bis 2,25 W/Km erhalten werden können. Zur Erzielung einer Wärmeleitzahl im Bereich von 2,25 bis 5,20 W/Km kann, wie die entsprechende Kurve in Fig. 6 zeigt, eine Mischung aus rostfreiem Stahl mit Graphit verwendet werden. Mischungen aus Nickel und Graphit als Zusatz ergeben Wärmeleitzahlen im Bereich von 5,20 bis 13,85 W/Km.

Das pulverförmige Material kann entsprechend der gewünschten thermischen Leitfähigkeit ausgewählt werden und kann eine Mischung verschiedener Metalle und/oder Graphit sein. Da jedoch bei Glasformen Wärmeleitzahlen im Bereich von 0,17 bis 65,78 W/Km benützt werden, kann es möglich sein, dass eine Mischung aus Kieselgur und Graphit allen Anforderungen genügt. Wie Fig. 6 zeigt, ist ein Bereich vorhanden, in dem sich die Wärmeleitzahl so stark mit der Zusammensetzung der Mischung ändert, dass ein gewünschtes Wärmeleitvermögen nur schlecht reproduzierbar ist.

Es ist aus praktischen Gründen erwünscht, dass alle Wärmeübertragungsrohre mit dem gleichen Verdichtungsdruck hergestellt werden, um Schwierigkeiten bei der Anwendung in einer Anlage zur Herstellung von Glasbehältern zu vermeiden.

Zusätzlich zu den beschriebenen Materialien wurden noch andere Materialien untersucht, die jedoch aus verschiedenen Gründen nicht bevorzugt wurden. Diese Materialien und ihre Wärmeleitzahlen sind in der folgenden Tabelle VI angegeben.

Tabelle VI

Wärmeübertragungsrohre aus verschiedenen Materialien

Material Wärme- Bemerkungen

5 (chronologisch) leitzahl

W/Km

Aluminiumpulver 0,7 bis 3,8 unstabil

Stahlwolle 3,1 schwierig zu ver dichten schwierig zu verdichten andere Materialien haben die gleiche Wärmeleitungszahl zu hohe Wärmeleitungszahl schwierig zu verdichten keine Vorteile gegenüber den bevorzugten Materialien keine Vorteile gegenüber den bevorzugten Materialien keine Vorteile gegenüber den bevorzugten Materialien versagte aufgegeben zugunsten besserer Mischungen

Das pulverförmige Material wird zur Herstellung einer Wärmeschranke in Form eines Wärmeübertragungsrohres in einer Bohrung im Formteil mit dem Formhohlraum oder im Formhalter verdichtet, welche Bohrung ein Kühlwasserrohr enthält. Die Art wie das Pulver im Ringraum zwischen der Wand der Bohrung und dem Kühlwasserrohr verdichtet wird, hat einen grossen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit der ganzen Form. Der zur Herstellung des Wärmeübertragungsrohres zur Anwendung kommende Verdichtungsvorgang ist ähnlich demjenigen, der in der Pulvermetallurgie angewendet wird, jedoch wird nicht gesintert, da dies eine zu hohe Wärmeleitungszahl zur Folge hätte. Die Verdichtung des Pulvers zur Herstellung eines Wärmeübertragungsrohes umfasst das Verdichten des Pulvers in einer Pressform mit Hilfe eines Stempels, wodurch ein Produkt erhalten wird, das in der Pulvermetallurgie als «grüner Formling» bezeichnet wird.

In Fig. I ist die eine Hälfte 12 einer Doppelform 10 zur Herstellung von Glasflaschen dargestellt. Die Doppelform besteht aus Eisen, Stahl oder anderen für Glasformen üblichen Materialien. Die in Fig. 1 dargestellte Formhälfte 12 besitzt zwei Formhohlräume, von denen jeder eine polierte Oberfläche 13 besitzt, die zusammen mit der entsprechenden Oberfläche 13 der anderen Formhälfte die Form der Glasflaschen bestimmt. Mit der Doppelform 10 können jeweils zwei Flaschen gleichzeitig hergestellt werden.

Jede Formhälfte 12 der Doppelform ist mit Kühlflüssig-keitsleitungen 14 versehen, die in vertikale Durchlässe 15 der Formhälfte 12 führen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, hat die Formhälfte 12 zwei Gruppen von je vier Durchlässen 15, wobei jedem Formhohlraum eine Gruppe von Durchlässen 15 zugeordnet ist. Die in jedem Durchlass angeordnete Leitung 14 besteht zur Erzielung eines guten Wärmeübergangs aus einem Kupferrohr. Jedes Rohr 14 ist koaxial zum zugei°

Wolle aus rostfreiem 1,0 316 Stahl

60% Stahl, 20% Nickel 4,36 10% Aluminium

15

Graphit 66,8

Talk 2,67

20 Sand 0,74

gebrannte Keramik 0,29

25

giessbares Kunstharz 0,52-0,59

gegossenes Kunstharz -3o (Zement)

verschiedene Mischungen 0,17-1,11 aus Kieselgur und Graphit

35

40

45

50

60

65

636066

8

hörigen Durchlass 15 angeordnet und der Ringraum zwischen Rohr und Durchlass ist auf die früher beschriebene Weise mit verdichtetem Pulver gefüllt, das eine feste, poröse Schicht 16 in Form eines Rohres bildet, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Schicht 16 liegt im Weg des Wärmeübergangs von der glasformenden Oberfläche 13 zur Leitung 14. Die Schicht 16 hat eine Wärmeleitzahl kp im Bereich von 0,017-17 W/Km und hat eine solche Dicke, dass die gewünschte Wärmeübergangszahl U erzielt ist. Die Dicke der Schicht 16 muss nicht überall gleich sein. Es kann vorteilhaft sein, dass die Schicht 16 in verschiedenen Bereichen längs des Profils der Form verschieden dick ist, so dass verschiedene Wärmeübergangsgeschwindigkeiten erhalten werden, wie es für die herzustellenden Glasflaschen am günstigsten ist. Beispielsweise kann es notwendig sein, dass die Wärmeübergangsgeschwindigkeit vom Halsteil der Flasche verschieden sein muss von der Wärmeübergangsgeschwindigkeit von der Seitenwand oder dem Boden der Flasche.

Wie Fig. 1 zeigt, sind die Kühlleitungen 14 mit einer Verteilerleitung 17 verbunden, die das Kühlwasser auf die einzelnen Leitungen 14 verteilt. Wie aus den Fig. 2 und 4 ersichtlich ist, ist in jeder Leitung 14 eine Rückführleitung 18 koaxial angeordnet. Die Rückführleitungen 18 sind mit einer Sammelleitung 19 verbunden. Mit den Leitungen 17 und 19 sind Leitungen 21 und 22 verbunden, die über biegsame Leitungen 24 und 25 mit festen Leitungen 26 und 27 verbunden sind. Die Leitungen 26 und 27 führen zu einem Auslass bzw. Einlass einer Kühlwasserpumpe 28. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Zirkulationssystem sind in den Leitungen 27 schematisch dargestellte Steuerventile 30 und 31 vorgesehen, durch die die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlwassers und damit die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr von der Form gesteuert werden kann. Die Steuerung der Durchflussgeschwindigkeit ist bei Glasformen der beschriebenen Art nicht unbedingt erforderlich, jedoch ist sie vorteilhaft, da sie die Erzielung der gewünschten Wärmeübergangseigenschaften auch bei Änderung der Arbeitsgeschwindigkeit der Form ermöglicht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Form-hälfte 12 mit einem Durchlass 32 versehen, der sich von oben nach unten durch die ganze Formhälfte erstreckt. Im Durchlass 32 ist ein Metallrohr 33 koaxial angeordnet und der 5 Ringraum zwischen Durchlass und Rohr in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit verdichtetem Pulver gefüllt. Bei diesem Ausführungsbeispiel dient das Rohr 33 für die Zufuhr und die Abfuhr des Kühlwassers. Da das Rohr 33 den gleichen Durchmesser hat wie das Rohr io 14 in Fig. 2, ist die Wärmeleitfähigkeit der Anordnung nach Fig. 3 etwa gleich deijenigen der Anordnung nach Fig. 2.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 4 und 5 sind die Durchlässe 15 und 32 und die Kühlrohre 14 und 33 in einem Formhalter 11 angeordnet. Wie bei den anderen 15 Ausführungsbeispielen führt das durch die Kühlrohre fliessende Kühlwasser überschüssige Wärme von der glasformenden Oberfläche 13 der Form ab.

Die Anzahl der Kühlrohre pro Formhälfte kann grösser oder kleiner als vier sein. Die Anzahl der Kühlrohre und ihre 20 Anordnung muss jedoch so sein, dass eine gleichmässige oder kontrollierbare ungleichmässige Kühlung der glasformenden Oberfläche 13 erzielt wird.

Die Parameter des in Fig. 1 dargestellten Kühlsystems müssen an die Temperaturen angepasst sein, die während ei-25 nes Arbeitszyklus in der Form auftreten.

Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Formhälften haben bei der Herstellung von Einwegflaschen eine Temperatur zwischen 343 und 400 °C in unmittelbarer Nähe der Oberfläche 13.

30 Wie aus der Tabelle I ersichtlich ist, wird das durch den Metaliblock der Prüfvorrichtung (welche den thermischen Eigenschaften nach den Formen nach den Fig. 3 und 5 entspricht) fliessende Kühlwasser um 6,5 bis 11 °C erhitzt.

Die Erfindung ist nicht auf Formen beschränkt, die aus 35 zwei Formhälften bestehen, sondern kann in gleicher Weise auch bei einstückigen Formen angewendet werden.

s

5 Blatt Zeichnungen

Claims

636066

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Flüssigkeitsgekühlte Form zur Herstellung von Glaswaren mit einer Formfläche zum Formen von geschmolzenem Glas, welche Formfläche mit einer Kühlflüssigkeits-leitung in Wärmeübergangsverbindung steht, und einer Wärmeschranke im Weg des Wärmeübergangs von der Formfläche zur genannten Leitung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeschranke eine poröse Schicht aus verdichteten Teilchen umfasst.
2. Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Metallteilchen besteht.
3. Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus feuerfesten Oxidteilchen besteht.
4. Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einer Mischung von Teilchen aus Metall und Graphit besteht.
5. Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Graphitpulver und Kieselgurpulver besteht.
6. Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine Wärmeleitzahl kp im Bereich von 0,17 bis 13,6 W/Km besitzt.
7. Form nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeitsleitung rohrförmig ist und die poröse Schicht als ein die Leitung umgebendes Rohr ausgebildet ist.
8. Form nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht aus einem oder mehreren Materialien der Gruppe rostfreier Stahl, Aluminium, Nickel, Graphit und Kieselgur besteht.
9. Form nach Anspruch 1 mit mehreren Formhohlräumen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Formhohlraum von mehreren vertikalen Löchern umgeben ist, die in Um-fangsrichtung des Formhohlraums im Abstand voneinander angeordnet sind, dass in jedem Loch die poröse Schicht eine rohrförmige Auskleidung bildet und dass die Kühlflüssigkeit in wärmeaufnehmender Verbindung mit der Schicht steht.
10. Form nach Anspruch 1 mit mehreren Formhohlräumen, dadurch gekennzeichnet, dass die der Wärme des zu formenden Glases ausgesetzte Oberfläche jedes Formhohlraums mit der porösen Schicht in Wärmeübergangsverbindung steht und dass die Kühlflüssigkeitsleitung zur Abfuhr von Wärme innerhalb der Schicht angeordnet ist.
11. Verfahren zum Herstellen der Form nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Herstellen mehrerer vertikaler Löcher in der Form in gleichen Abständen von einem Formhohlraum, Anordnen eines Rohres koaxial in jedem Loch, wobei der Aussendurchmesser des Rohrs kleiner ist als der Innendurchmesser des Lochs, Verdichten eines pulverför-migen Materials im Ringraum zwischen Loch und Rohr und Verbinden des Rohres mit einer Kühlflüssigkeitsquelle.