Vynález se týká způsobu tepelného zpracování sklářských materiálů a sklářské pece k provádění tohoto způsobu. Pod zpracováním sklářských materiálů se přitom rozumí tavení či čeření sklářské drti, hmoty nebo směsi či kmene.

Dosavadní stav techniky

V současné době se k tavení skla či k výrobě skloviny používají výhradně sklářské pece vyhřívané plynovými hořáky. Jejich nevýhodou je značná váha a robustnost vzhledem k nutnosti vyhřívání celé pece vyžadující silnostěnné izolační vrstvy - šamot a tím je znemožněna jejich mobilita, tj. možnost přemisťování z místa na místo, například u příležitosti výstav. Z hlediska životního prostředí kromě toho vznikají škodlivé spaliny ze spalování značného množství plynu a nepříjemné je i silné sálání tepla do pracovního prostoru. Byla snaha tyto klasické sklářské pece nahradit elektrickými pecemi, avšak vzhledem k požadovaným parametrům jako je teplota, výkon, spotřeba se neujaly z různých důvodů včetně ekonomických. Rychlé roztavení skla klasickými druhy ohřevu je totiž znevýhodněno jeho nízkou tepelnou vodivostí. Kromě toho některé druhy skel, zejména obsahujících železo, například svářečské sklo, účinně odrážejí infračervené paprsky a hloubka jejich ohřevu je tedy značně omezená.

Pokusy aplikovat mikrovlnnou techniku ohřevu narážejí na skutečnost, že většina skel je pro mikrovlny transparentní, tj. sklo mikrovlny při pokojové teplotě neadsorbuje a je třeba je aktivovat, tj. učinit způsobilými pro absorpci mikrovln. Je známo, že při určité teplotě - cca 500 °C a výše, začnou kladně nabité částice alkalických iontů vibrující v negativně nabité intersticiální poloze účinkovat jako oscilační dipól, což je základem pro absorpci mikrovln. Předehřátí lze dosáhnout na příklad elektrickým ohřevem, to však vyžaduje hybridní pec, tj. pec s kombinovaným elektrickým a mikrovlnným ohřevem, což je poměrně nákladné a kapacitně omezené. Někteří autoři použili k předehřátí transparentních materiálů jako je např. azbest nebo křemelina různých aditiv absorbujících mikrovlny např. práškové železo, chlorid železitý či borax [F. G. Wihsmann, R. Kokoschko, K. Forkel, Sklář a keramik 46, 75 (1996)]. Tyto materiály však nejsou jako aditiva do skelných materiálů vhodné, neboť reagují se skelnou hmotou a změnily by složení i strukturu skla, což je nežádoucí. Jiní autoři použili k předehřátí náplně obal absorbující mikrovlny či hydrataci materiálu před tavením [Μ. P. Knox, G. J. Copley, Glass Technology 38, 91 (1997)]. Ani tyto způsoby aktivace však nejsou dokonalé, protože v případě absorpčního obalu nemohou mikrovlny proniknout do vsazeného materiálu a teplo se v tomto případě šíří sáláním jako při klasickém ohřevu. Hydratace neboli navlhčení u většiny skel není dostačující pro zahřátí na požadovanou teplotu.

Uvedené problémy nejsou řešeny ani v EP 803477, jehož předmětem je speciálně upravená mikrovlnná pec a postup určený pro vitrifikací - zeskelnění, respektive zalití do skla nebezpečných materiálů, včetně radioaktivních materiálů. To se provádí tak, že vsázka obsahuje kromě těchto materiálů i skelné materiály, například skelná vlákna. Předmětem tohoto řešení není tedy výroba užitkového nebo uměleckého skla a proto nejsou pro daný účel vitrifikace na závadu ani výše uvedené problémy spojené s reakcí příměsí se skelnou hmotou, ke které zde nutně dochází.

Podstata vynálezu

Podstata způsobu tavení sklářských materiálů, který odstraňuje uvedené nedostatky, spočívá vtom, že sklářský materiál obsahuje inertní aditivum vybrané ze skupiny karbidů, nitridů či boridů v množství 5 až 50 g na kg sklářského materiálu a takto připravená směs se vystaví účinkům mikrovlnného záření o frekvenci 2450 MHz.

Inertní aditivum je s výhodou vybráno ze skupiny karbidů křemíku - SiC, wolframu - WC, boru B₄C, titanu - TiC, nebo nitridů vanadu - VN, boru - BN, nebo boridů titanu - TiB₂, niobu - NB₂, vanadu VB₂, wolframu WB₂ nebo hliníku A1B₂.

Podstata sklářské pece k provádění způsobu spočívá v tom, že obsahuje nejméně jeden generátor mikrovln o frekvenci 2450 MHz s dvojitou emisí o výkonu 0,5 až 1 kW na kg sklářského materiálu, s rozdělením výkonu do nejméně 10 stupňů, přičemž vnitřní stěny pece jsou obloženy izolačními rohožemi z oxidu hlinitého - korundu.

Podstatné znaky sklářské pece podle vynálezu lze konkretizovat, respektive dále rozvíjet a to příkladně v následujících provedeních.

Víko pece je opatřeno mechanickým a magnetickým bezpečnostním spínačem. V peci je instalován bezkontaktní infračervený teploměr, jehož signál je napojen na mikroprocesor pro řízení generátoru mikrovln a pec je opatřena transportními koly.

Způsob tavení sklářských materiálů a sklářská pec podle vynálezu jsou tudíž založeny na využití mikrovlnné energie k selektivnímu ohřevu skla či sklářských materiálů. To znamená, že se ohřívá pouze požadovaný materiál a to rovnoměrně v celém objemu, přičemž okolí zůstává chladné. Tímto způsobem se dodaná energie využije výhradně k roztavení požadovaného materiálu a není nutné vyhřívat celou pec. Dále je vynález založen na použití inertních materiálů jako aditiv (např. karbidu křemíku) do skelné hmoty či kmene. Tyto inertní materiály silně absorbují mikrovlny již při pokojové teplotě, ale vlastnosti skla neovlivňují. Takto lze roztavit každý druh skla bez ohledu na složení a velikost částic, včetně jakýchkoliv sklářských kmenů. Proces tavení je extrémně rychlý a je omezen pouze tepelnou odolností tavícího keramického kelímku. Kovový kelímek nelze použít kvůli nepříznivé interakci s mikrovlnami.

Nežádoucí jevy jako ztráty materiálu či oxidace materiálu vzdušným kyslíkem jsou při mikrovlnném tavení úplně potlačeny. Vlastnosti skla zůstávají zcela zachovány, ale dají se i změnou tavícího režimu změnit, například lze vhodným využitím mikrovlnné energie při tavení kmene získat i sklo odlišných vlastností, kterých nelze dosáhnout v klasických sklářských pecích (např. co do morfologie či mikrostruktury).

Výhody vynálezu založené na použití sklářské pece s využitím mikrovlnného ohřevu lze stručně shrnout do následujících bodů:

Rychlý a objemový ohřev - objemovým ohřevem se na rozdíl od klasického ohřevu rozumí vlastnost mikrovln ohřívat materiál téměř rovnoměrně a to směrem ze středu ke stěnám.

Selektivní ohřev - vlastnost selektivního ohřevu spočívá vtom, že dochází kohřevu pouze požadovaného materiálu a nikoliv okolí, které zůstává chladné.

Trvalé zapnutí pece není nutné - pec lze kdykoliv vypnout a znovu zapnout, tj. není třeba ji udržovat v neustálém provozu.

-2CZ 289191 B6

Nízká spotřeba elektrické energie a tím i podstatně nižší provozní náklady - tento bod je důsledkem předcházejících bodů 1-3.

Zdravotně nezávadné pracovní prostředí - z hlediska životního prostředí nedochází k vývoji škodlivých spalin ani ke zvýšení teploty pracovního prostředí.

Kromě tavení skla je možné využití pece pro čeření, vytvrzování či pro formování různých skelných materiálů. Možnost tavení více vzorků skla za účelem např. barevných dekorací.

Přehled obrázků na výkrese

Na připojeném výkrese je schematicky v osovém řezu znázorněno jedno z možných provedení zařízení sklářské pece podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Do keramického kelímku o objemu 4 1 bylo vloženo 5 kg skleněné drti z průsvitného skla o velikosti částic od 2 do 6 mm alOOg kompaktního karbidu křemíku (SiC) a kelímek byl vložen do mikrovlnné pece. Po uzavření pece byl obsah kelímku zahříván mikrovlnným zářením o výkonu 4 kW do roztavení náplně. Roztavené sklo bylo udržováno při teplotě 1200 + 50 °C a zpracováno na různé užitkové předměty.

Příklad 2

Do keramického kelímku o objemu 4 1 byly vloženy 2 kg směsi sestávající z kmene pro olověný křišťál a50g kompaktního karbidu wolframu (WC) a kelímek byl vložen do mikrovlnné pece. Po uzavření pece byl obsah kelímku zahříván do roztavení avyčeření skloviny na teplotu 1450 °C a poté na 1200 ± 20 °C. Roztavené sklo bylo dále udržováno při této teplotě a zpracováno na různé užitkové předměty.

Příklad 3

Tavení skla podle příkladu 2 bylo provedeno za stejných podmínek stím rozdílem, že bylo postupně použito karbidů křemíku - SiC, wolframu - WC, boru - B₄C, titanu - TiC, nebo nitridů vanadu - VN, boru - BN, nebo boridů titanu - TiB₂, niobu - NB₂, vanadu VB₂, wolframu WB2 nebo hliníku A1B₂.

Příklad 4

Mikrovlnná sklářská pec obsahuje vnější plášť 8.1 a vnitřní plášť 8.2. Vnitřní plášť 82 vymezuje tepelně izolační prostor, který je vyplněn izolačními rohožemi 3 z oxidu hlinitého - korundu, které jsou transparentní pro mikrovlny při vysokých teplotách. Na vnitřním plášti 82 jsou umístěny jednotlivé magnetrony 1.1, 12, 1.3. 1.4 které zasahují do meziprostoru mezi vnitřní pláštěm 8.2 a vnějším pláštěm 8.1. V meziprostoru je rovněž umístěn ventilátor 4 ke chlazení magnetronů 1.1 - 1.4. V homí části je sklářská pec opatřena otvorem 10 s uzávěrem 11, z kterého

-3CZ 289191 B6 vyčnívá průzor 7. Na uzávěru 11 je instalován bezpečnostní spínač 9. Na průzor 7 dále navazuje infračervené čidlo 5, které je napojeno na měřič a regulátor teploty 6 s mikroprocesorem pro řízení režimu pece. Spodní dno vnějšího pláště 8.1 je opatřeno manipulačními transportními koly 12. Do izolačního prostoru je vložena vanička 2 s náplní sklářského materiálu.

Čtyři generátory mikrovln - magnetrony 1,1 - 1,4 generují mikrovlny o frekvenci 2450 MHz s dvojitou emisí za účelem dosažení co nejhomogennějšího elektromagnetického pole. Celkový mikrovlnný výkon byl volen podle požadavku na množství sklářského materiálu a pohyboval se v rozmezí od 2 do 6 kW s výhodou 4 kW. Celkový výkon byl dále rozdělen na řadu stupňů ío (až 20), umožňujících použití jemně odstupňovaného výkonu podle požadavků na rychlost ohřevu a udržování konstantní teploty taveniny ve vaničce 2. Teplota taveniny byla měřena bezkontaktním infračerveným čidlem 5 a regulována měřičem a regulátorem teploty 6 s mikroprocesorem. Bezpečnostní mechanický spínač 9.1 a magnetický spínač 9.2 na víku H slouží k zabránění úniku mikrovln při otevření pece tak, že záření se po otevření pece vypne.

Průmyslová využitelnost

Vynálezu je možné využít pro tavení či přípravu všech druhů skel bez ohledu na míru absorpce 20 mikrovln. Mikrovlnou pec lze výhodně využít ve sklárnách pro laboratorní účely (např. příprava modifikovaných či nových druhů skel), pro umělecké účely (výroba uměleckých předmětů, replik ap.), pro dekorační účely (dekorace základního tvaru různými druhy barevných skel), tj. ve sklářských laboratořích, studiích, uměleckých ateliérech, domácích sklářských dílnách ap. Vzhledem ke snadné mobilitě lze pec využívat na výstavách pro demonstraci výroby skleněných 25 předmětů jako součást propagace firemních výrobků.