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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen
flüssiger
Glasposten definierten Volumens aus einer Glasschmelze.
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Solche
Vorrichtungen umfassen beispielsweise einen Vorratsbehälter, aus
dem durch eine Auslaßöffnung Schmelze
in Form eines Glasstranges austritt, ferner eine Trenneinrichtung,
die von dem Glasstrang einen Abschnitt bestimmter Länge und damit
bestimmten Volumens abtrennt. Der Auslaßöffnung kann ein Ventil zugeordnet
sein, das den Querschnitt des Glasstranges zeitlich getaktet verändert. Damit
lassen sich Tropfen erzeugen, die an ihrem verjüngten Hals abgetrennt werden
können.
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Der
noch nicht abgetrennte tropfenförmige Glasstrangabschnitt
ist noch relativ weich. Aufgrund seines Eigengewichtes hat er die
Tendenz, noch weiter nach unten zu sinken, wobei sich sein bereits
verdünnter
Hals noch weiter einschnürt.
Dabei kann es zu einer für
den nachfolgenden Formgebungsprozeß ungünstigen Tropfenform oder sogar
zu einem ungewollten Abtropfen kommen, bevor die Trenneinrichtung
zum richtigen Zeitpunkt und an der richtigen Stelle eingreifen kann.
Die Folge davon ist, daß der abgetropfte
Glasposten nicht das gewünschte
Volumen aufweist. Dies ist besonders dann der Fall, wenn große Glasposten
benötigt
werden, so wie diese beispielsweise für die Herstellung von Bildschirmen
dienen. Das ungewollte vorzeitige Abtropfen ist auch dann nachteilig,
wenn kleine Tropfen gebildet werden, die während einer gewissen Zeitspanne
frei hängen
sollen. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn Tropfen durch
Abschmelzen eines Glasstabes erzeugt werden, da die Dauer der Wiedererwärmung einige
Minuten beträgt.
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Um
ein ungewolltes vorzeitiges Abtropfen zu verhindern, hat man bisher
den Tropfen unterstützt. Als
Unterstützung
diente dabei eine Platte, zum Beispiel aus Bornitrid (sogenannte
Spanker-Platte). Derartige Platten müssen gekühlt werden, damit es nicht zu
einem Ankleben des Glases an der Platte kommt. Durch das Kühlen wird
dem Glastropfen sehr viel Wärme
entzogen, so daß er
anschließend
schwer zu verarbeiten ist. Außerdem
kommt es bei dem direkten Kontakt zwischen Glas und Platte zu Beschädigungen
der Glasoberfläche
in Gestalt von Kratzern, Verunreinigungen oder Trübungen.
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US 5 762 673 A zeigt
die Verwendung eines Gaspolsters, um einen Glasgob zu stützen. Auch
hier wird der sich bildende Glastropfen gekühlt. Um den Glasgob herzustellen,
wird der Tropfen entweder durch seine Schwerkraft, durch Anblasen
mit einem schneidenden Gasstrahl oder durch Absenken des Aufnehmers,
so dass der Glastropfen abreißt,
abgetrennt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, womit sich flüssige
Glasposten definierten Volumens erzeugen lassen, und zwar insbesondere
Glasposten größeren Volumens,
und womit es möglich
ist, den Glastropfen vor seinem Abtrennen eine bestimmte Zeitspanne
in der Schwebe zu halten, ohne daß dabei dem Glastropfen Wärme entzogen
wird und ohne daß seine
Oberfläche
beschädigt
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Demgemäß wird auf
den tropfenförmigen Glasstrang
von unten her ein Stützgasstrom
aufgebracht, und zwar noch vor dem Abtrennen des Glaspostens. Der
Stützgasstrom
führt entweder
nur zu einem geringeren oder gar keinem Entzug von Wärme aus
dem Glastropfen, und hat auch keinerlei Beeinträchtigungen der Oberfläche des
Glastropfens zur Folge.
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US 5762673 A zeigt
und beschreibt das Erzeugen von sogenannten Glasgobs. Siehe dort
zum Beispiel
8. Hierbei wird aus einer
Hülse ein Glastropfen
abgegeben und auf eine Membran aufgelegt, die aus porösem Werkstoff
besteht. Die Membran wird von unten her mit einem Druckgasstrom beaufschlagt,
der durch die Membran hindurchtritt und auf den Glastropfen einwirkt,
so daß dieser
angehoben wird und frei schwebt.
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JP 09-235124 A beschreibt
eine Vorrichtung zum Herstellen einer Preform eines optischen Elementes.
Mittels dieser soll ein kalter Glasgob mit einer vorteilhaften Form
hergestellt werden. Dabei wird der Glasgob in dem Zustand, in welchem
er noch eine freie Oberfläche
aufweist, gekühlt.
Die Trennung des Glasgobs kann dadurch erfolgen, dass ein Halter schnell
abwärts
bewegt wird, so dass der Glasgob in Form eines Tropfens von der
Glaszufuhr abreißt.
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Der
Druckgasstrom wirkt dabei jedoch erst dann auf den Tropfen ein,
wenn sich dieser bereits von der nachströmenden Schmelze getrennt hat.
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Eine
Vorrichtung zum Durchführen
des Verfahrens weist zunächst
einen Spender zum Abgeben flüssiger
Glasschmelze in Gestalt eines Glasstranges auf. Ein solcher Spender
kann beispielsweise eine Wanne zur Aufnahme einer Schmelze mit einem Auslaß sein.
Es kann sich aber auch um jegliche andere Art von Spender handeln,
beispielsweise um einen Glasstab, der als Halbzeug dient, und der
an seinem unteren Ende durch Aufbringen von Wärme abgeschmolzen wird.
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Eine
solche Vorrichtung weist ferner eine Trenneinrichtung zum Abtrennen
des Glaspostens auf. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Einrichtung zum
Aufbringen eines Stützgaspolsters
auf dem Glasstrang auf; dabei wird das Stützgaspolster erzeugt und aufgebracht,
bevor der Glasposten vom nachfolgenden Strang abgetrennt wird. Die
Einrichtung zum Aufbringen des Stützgaspolsters kann nach Abtrennung
des Glaspostens aus dem Bereich unter dem Spender wegbewegt (z.
B. geklappt oder linear bewegt) werden, damit der Tropfen ungehindert
fallen kann.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird eine Meß- und Steuereinrichtung
vorgesehen. Diese erfaßt
beispielsweise den Querschnitt des sich bildenden Glastropfens an
dessen dünnster
Stelle, ferner wichtige Parameter des Stützgasstromes, insbesondere
den statischen Druck und den Durchsatz, gegebenenfalls auch den
Staudruck dieses Stützgasstromes.
Die Meß-
und Steuereinrichtung kann ferner eine logische Einheit zum Abstimmen
der genannten Parameter aufeinander aufweisen, um beispielsweise
zu ermitteln, wann beziehungsweise ob der Glastropfen ein bestimmtes
Volumen erreicht hat, und/oder wann und ob der Tropfen eine bestimmte
Zeitspanne im Schwebezustand verbracht hat.
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Die
Einrichtung zum Aufbringen eines Stützgaspolsters kann einen Membrankörper und
einen Druckgasquelle umfassen. Der Membrankörper kann mit natürlichen
oder künstlichen
Kanälen
versehen sein, die einerseits an die Druckgasquelle angeschlossen
sind, und die andererseits in einer den Glastropfen zugewandten
Austrittsfläche
münden. Zudem
kann der Membrankörper
auch durch eine zusätzliche
Kontaktkühlung
von der dem Glasposten abgewandten Seite gekühlt werden.
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Dies
hat den Vorteil, daß das
Levitationsgas und der Kühlstrom
unabhängig
voneinander geregelt werden können.
Eine Aufheizung der Membran, die unter Umständen bis zum Erreichen der
Klebetemperatur führen
kann, wird vollständig
vermieden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform besteht
der Membrankörper
aus einem offenporigen Material, in dem somit eine Vielzahl natürlicher
Kanäle
vorliegen.
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Es
kann aber auch folgendes vorgesehen werden: Der Membrankörper besteht
zwar aus offenporigem Material, so daß er natürliche Kanäle aufweist. Es sind aber außerdem noch
künstliche
Kanäle
in ihn eingearbeitet, beispielsweise durch Einformen oder Bohren.
Diese künstlichen
Kanäle
verlaufen in einem gewissen Abstand von der Austrittsfläche des
Membrankörpers.
Sie können
beispielsweise parallel zur Austrittsfläche verlaufen, aber auch unter
einem gewissen Winkel zu dieser. Diese Variante erlaubt es, einen
dicken, klotzförmigen
Membrankörper
zu verwenden, der eine genügend
große Steifigkeit
aufweist. Die genannten künstlichen
Kanäle
können
relativ nahe an die Austrittsfläche
gelegt werden, so daß der
Weg, den das Druckgas bis zur Austrittsfläche zurückzulegen hat, relativ klein
gehalten werden kann.
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Die
Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen
folgendes dargestellt:
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1 zeigt eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer Wanne als Spender für
flüssige
Glasschmelze.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem Glasstab als Spender für
flüssige
Glasschmelze.
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3 zeigt in schematischer
Darstellung einen besonders gestalteten Membrankörper.
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4 zeigt schematisch eine
weitere Ausführungsform
eines Membrankörpers
mit muldenförmiger
Austrittsfläche.
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5 zeigt einen Membrankörper mit
ebener Austrittsfläche
in perspektivischer Darstellung.
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6 zeigt den Gegenstand von 5 in einer Ansicht von unten.
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Bei
der in 1 dargestellten
Ausführungsform
befindet sich ein Schmelzbad 1 in einem Behältnis 2.
Das Behältnis
kann z. B. ein Schmelztiegel sein oder seinerseits durch eine Schmelzwanne
mit flüssigem
Glas versorgt werden. Das Behältnis 2 weist
einen Auslaßstutzen 2.1 auf,
der sich in der Regel nicht direkt an der Schmelzwanne befindet.
Dem Auslaßstutzen
ist ein hier nicht gezeigtes Ventil zugeordnet, das die lichte Weite
des Auslaßstutzens 2.1 verändern kann.
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Unterhalb
des Auslaßstutzens 2.1 befindet sich
eine Trenneinrichtung 3.
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Noch
weiter unten erkennt man eine Einrichtung 4 zum Aufbringen
eines Stützgaspolsters – im folgenden
kurz "Stützeinrichtung" gennant. Die Stützeinrichtung 4 weist
als wesentliches Element einen Membrankörper 4.1 auf. Dieser
besteht aus offenporigem Material. Unter der Membran 4.1 befindet
sich ein Blaskasten 4.2 mit einem Druckgasanschluß 4.2.1.
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Wie
man sieht, ist durch den Auslaßstutzen 2.1 bereits
flüssige
Schmelze aus dem Schmelzbad 1 ausgetreten und hat dabei
einen Tropfen 1.1 gebildet. Der Tropfen hat einen eingeschnürten Hals 1.2 gleich
nach dem Auslaßstutzen 2.1.
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Man
erkennt weiterhin eine flache Kühlschlange 4.1.1.
Durch diese wird Kühlmedium
eingeführt.
Die Kühlschlange 4.1.1 ist
durch eine federnde Lagerung an die Membran 4.1 nach Montage
angepreßt.
Die Windungen der spiralförmigen
Kühlschlange 4.1.1 haben
dabei einen genügend
großen
gegenseitigen Abstand, damit das Levitationsgas noch weitgehend
ungehindert die Membran 4.1 erreichen kann.
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Die
Vorrichtung wird wie folgt betrieben:
Bereits zu Beginn der
Tropfenbildung wird in den Druckgasanschluß 4.2.1 unter Druck
stehendes Gas eingeleitet. Dabei kann es sich um Luft oder um ein anderes
Gas handeln. Das Gas kann kalt oder heiß sein. Das Gas tritt in den
Blaskasten 4.2 ein, beaufschlagt die gesamte Querschnittsfläche des
Membrankörpers 4.1,
tritt durch dessen Poren hindurch und an dessen Austrittsfläche 4.3 aus.
Es bildet über
der Austrittsfläche 4.3 ein
Gaspolster, auf dem der Tropfen 1.1 gewissermaßen schwimmt.
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Da
der Tropfen an Volumen und somit auch an Gewicht zunimmt, kann es
notwendig werden, die Parameter des Druckgases zu verändern. Diese
sind insbesondere der Gasdruck sowie der Gasdurchsatz. Auch ist
es möglich,
den Durchsatz durch den Auslaßstutzen 2.1 durch
das genannte, nicht gezeigte Ventil zu verändern. Schließlich können die
Parameter der Ventileinstellung einerseits und des Druckgases andererseits
aufeinander abgestimmt werden, um einen Tropfen eines ganz bestimmten
Volumens zu erzeugen, und/oder einen Tropfen nach Erzeugen eines
bestimmten Volumens oder Nachfluß von Schmelze aus dem Schmelzbad 1 eine
bestimmte Zeitspanne lang in der Schwebe zu halten. Außerdem kann
es sinnvoll sein, eine vertikale Höhenverstellung der Stützeinrichtung
vorzusehen.
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Im
richtigen Zeitpunkt wird die Trenneinrichtung 3 aktiviert,
so daß der
Tropfen 1.1 von der nachfolgenden Schmelze abgetrennt wird
und als Glasposten einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 2 dient als Spender ein
Glasstab. Der Glasstab wurde zuvor als Halbzeug hergestellt. Er
ist von einer Hülse 20 umschlossen.
Die Vorrichtung umfaßt
eine Heizeinrichtung 5. Diese umgibt den unteren Bereich
des Glasstabes 10 und koppelt Wärmeenergie, z. B. in Form von
Strahlung, in das Glas ein.
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Alle übrigen Bauteile
sind gleich oder ähnlich den
entsprechenden Bauteilen von 1,
nämlich die
Trenneinrichtung 3 sowie die Stützeinrichtung 4.
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Der
Membrankörper 4.1 weist
eine im Vergleich zu bekannten Membranscheiben erhebliche Dicke
auf. Wie man sieht, beträgt
die Dicke im vorliegenden Falle etwa die Hälfte seiner Längserstreckung.
Es wäre
auch möglich,
den Membrankörper etwas
dünner
zu machen, so daß das
Verhältnis
von Dicke zu Länge
etwa 1 : 4 beträgt,
oder die Dicke noch größer zu machen,
als hier dargestellt, so daß das
Verhältnis
von Dicke zu Länge
etwa 1 : 1 beträgt. Insbesondere
für poröse Metallmembranen
sind auch Dickenverhältnisse
von 1 : 50 mit Abweichungen nach oben und unten möglich – z. B.
5 mm Dicke bei 200 mm Länge.
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Der
Membrankörper 4.1 weist
eine obere Fläche 4.3 und
eine untere Fläche 4.4 auf.
Die obere Fläche 4.3 ist
wiederum die Austrittsfläche.
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Der
Membrankörper
besteht wiederum aus offenporigem Material, das gewissermaßen natürliche Kanäle bildet.
Er ist aber außerdem
noch versehen mit einem Horizontalkanal 4.5 und einem Vertikalkanal 4.6.
Diese Kanäle
sind gebohrt und werden hier als "künstliche
Kanäle" bezeichnet.
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Der
horizontale Kanal 4.5 verläuft relativ nahe der Austrittsfläche 4.3 und
parallel zu dieser. Er könnte
auch unter einem bestimmten Winkel geneigt zur Austrittsfläche 4.3 verlaufen.
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Entsprechend
der Pfeile A und B kann Druckgas in den Horizontalkanal 4.5 eingeleitet
werden, und zwar entweder gemäß beider
Pfeife oder nur gemäß einem
Pfeil. Aus Kanal 4.6 kann gemäß Pfeil C überschüssiges Druckgas abgezweigt
werden, gegebenenfalls gesteuert durch ein hier nicht dargestelltes
Ventil.
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Die
Gestaltung des Membrankörpers 4.1,
so wie hier dargestellt, hat die folgenden Vorteile:
Zum einen
kann der Membrankörper 4.1 als
dicker Block ausgebildet und damit sehr steif und fest sein. Zum
anderen kann Horizontalkanal 4.5 in nur geringem Abstand
von der Austrittsfläche 4.3 angeordnet sein,
so daß das
im Kanal 4.5 strömende
Druckgas nur einen geringen Weg zurückzulegen hat, was eine Einsparung
an Energie bedeutet.
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Schließlich kann
mit mindestens einem Vertikalkanal 4.6, der die Membranoberfläche durchstößt, aus
dem mittleren Bereich der Membran ein gewisses Maß an Druckgas
wieder abgezogen werden. Damit läßt sich
Einfluß nehmen
auf den Druck innerhalb des Druckgaspolsters unterhalb des Tropfens 1.1.
Hierdurch läßt sich
beispielsweise eine Delle im unteren Bereich des Tropfens 1.1 vermeiden,
die sonst entstehen könnte.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 4 ist die Austrittsfläche 4.3 des
Membrankörpers 4.1 der Kontur
des Tropfens 1.1 in dessen unterem Bereich angepaßt und somit
konkav gestaltet. Der Membrankörper 4.1 ruht
auf einer Tragplatte 6. Er weist Stützen 4.7 auf. Diese
können
entweder rippenförmig oder
säulenförmig sein.
In jedem Falle sind auch hier Kanäle 4.5 vorhanden,
unten begrenzt durch die Tragplatte 6. In diese Kanäle 4.5 kann
Druckgas eingeleitet werden, das wiederum durch die Wandung des
Membrankörpers 4.1 nach
oben zur Austrittsfläche 4.3 strömt und dort
das genannte Luftpolster bildet. Der zu durchdringende Wandbereich
des Membrankörpers 4.1 ist
so dünn,
daß das
Druckgas nur einen geringen Weg zurückzulegen hat. Gleichwohl ist auch
hier dem Membrankörper 4.1 zufolge
der Stützen 4.7 ein
steifes Gebilde.
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Bei
dem Membrankörper 4.1 gemäß der 5 und 6 handelt es sich um eine ebene Scheibe. Diese
weist an ihrer Unterseite wiederum Kanäle 4.5 auf. Die Kanäle verlaufen
mehr oder minder diagonal durch den Membrankörper 4.1 hindurch.
Durch die Kanäle 4.5 wird
wiederum Druckgas hindurchgeleitet. Es tritt auch hier wiederum
durch den verbleibenden Wandabschnitt zur Austrittsfläche 4.3 hindurch. Die
Kanäle 4.5 sind
in diesem Falle gegen die Unterseite hin offen, praktisch genauso
wie bei der Ausführungsform
gemäß 4. Im übrigen kann bei dem Membrankörper gemäß der 5 und 6 die aussteifende Wirkung der Rippen
ohne Fixierung auf einer Tragplatte ausreichen.
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Bei
der Verarbeitung von großvolumigen Glastropfen
mit besonders hohem Wärmeinhalt
ist der Membrankörper
einer intensiven Wärmestrahlung
ausgesetzt, die dazu führen
kann, daß die
dem Glastropfen zugewandte Oberfläche des Membrankörpers die
Klebetemperatur des Glastropfens erreicht. Außerdem können verstärkt Korrosionsschäden, insbesondere
Oxidation, auftreten. Korrodierte Oberflächen erhöhen jedoch die Haft- und Klebeneigung
des Glases zusätzlich,
was bei einem gelegentlichen Glaskontakt vermehrt zu Prozeßstörungen führt. Die
bei quasikontinuierlichen Prozessen ständig auftretenden Temperaturwechsel
beanspruchen das Membranmaterial zusätzlich durch thermische Spannung.
Aus diesen Gründen
ist es vorteilhaft, sowohl das gesamte Temperaturniveau des Membrankörpers zu
senken als auch die zeitlichen Temperaturschwankungen soweit wie
möglich
zu verringern. Dies geschieht am einfachsten, indem der Membrankörper aktiv
mit einem Kühlmedium
in Kontakt gebracht wird.
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Als
vorteilhaft hat sich hierbei das oben beschriebene Anbringen von
Kühlrohren
auf der dem Glastropfen abgewandten Seite des Membrankörpers erwiesen.
Die Kühlrohre
können
dabei bis zu 50 % der Membranoberfläche abdecken, ohne daß es zu
einer signifikanten Verschlechterung der Gasverteilung an der dem
Glastropfen zugewandten Seite des Membrankörpers kommt. (Die räumliche
Anordnung der Kühlrohre
sollte dabei allerdings in Bezug auf den Glastropfen so symmetrisch
wie möglich sein).
Der Durchfluß des
Kühlmediums
und damit dessen Kühlwirkung
sollte regelbar sein, um die Oberflächentemperatur des Membrankörpers gezielt beeinflussen
zu können.
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Die
Erfindung hat sich in der Praxis bestens bewährt. Dabei hat besonders überrascht,
daß die Kanal-
oder Säulenstruktur
zu einer absolut homogenen Einwirkung auf die Oberfläche des
Glastropfens 1.1 führt.