DE102004007560A1

DE102004007560A1 - Vorrichtung und Ziehtank zur Herstellung von dünnen Glasscheiben

Info

Publication number: DE102004007560A1
Application number: DE102004007560A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Lange; Holger Wegener; Horst Loch
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: CN1657453A; CN1657453B; JP4568616B2; TWI356812B; KR20060042932A; TW200528404A; DE102004007560B4; HK1079757B; HK1079757A1; JP2005231992A

Abstract

Um eine gleichmäßige Verteilung einer Glasschmelze über die gesamte Breite eines Ziehtankes für das Down-Draw-Verfahren zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß ein Ziehtank (7') vorgeschlagen, der über die gesamte Breite mindestens zwei Abschnitte (21a, b, 22) mit unterschiedlichem Flächenquerschnitt aufweist, wobei die Abschnitte (21a, b, 22) derart dimensioniert sind, dass der Druckabfall in der Summe über dem von der Glasschmelze in beiden Abschnitten jeweils zurückgelegten Weg (I1a, I1b, I2a, I2b) an jeder Stelle der Schlitzdüse (8) konstant ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Glasscheiben, insbesondere Glasscheiben mit einer Dicke unter 3 mm, mit einer Schmelzwanne, einem Homogenisierungssystem, einem Zulauf und einem Ziehtank, wobei der Ziehtank ein Düsensystem mit mindestens einer Schlitzdüse aufweist. Ferner betrifft die Erfindung einen geeigneten Ziehtank.

Beim sogenannten Down-Draw-Verfahren bzw. „Ausziehen nach unten" wird das Glas aus der Schmelzwanne zunächst einem Rührtiegel zugeführt, in dem das Glas mechanisch homogenisiert wird. Über ein Zuführrohr wird die Glasschmelze dem Ziehtank zugeführt, an dem die Ziehdüse befestigt ist. Die Ziehdüse weist einen Schlitz auf, durch den das Glasband nach unten gezogen wird. Der Ziehtank samt Ziehdüse ist das eigentlich formgebende Bauteil. Der Ziehtank ist mindestens so breit wie die gewünschte Glasbandbreite, die gezogen werden soll. Durch entsprechende Heizeinrichtungen wird das Glas im Ziehtank auf die gewünschte Formgebungstemperatur gebracht. Außerdem wird im Ziehtank das Glas aus dem i. d. R. runden Querschnitt des Zuführrohres gleichmäßig über die Breite des Düsenschlitzes verteilt. Um den Glasstrom aus einem runden Querschnitt auf einen länglichen Querschnitt zu verteilen, wird als Ziehtank i. d. R. ein Bauteil mit horizontal verlaufendem zylindrischen Innenvolumen an das vertikal verlaufende Zuführrohr angekoppelt. Eine entsprechende Vorrichtung wurde bereits in der DE-AS 1 596 484 beschrieben.

Dünnglasscheiben einer Dicke unter 3 mm, insbesondere einer Dicke unter 1 mm werden als Substratglas bei elektronischen Geräten, z. B. für Displays (tragbare Telefone, Flachbildschirme etc.) und digitalen Massenspeichern von Rechnern, eingesetzt. Deshalb sind höchste Anforderungen an die innere Qualität des Glases, die im wesentlichen durch Blasen und Einschlüsse bestimmt wird, an die Sauberkeit, an die Qualität der Oberflächengeometrie, die im wesentlichen durch die Feinwelligkeit (waviness) und durch die Abweichung von der Ebenheit (warp) bestimmt wird, an die Bruchfestigkeit und gegebenenfalls an das geringe Gewicht zu stellen.

Bei den üblichen Ziehtanks ist beobachtet worden, dass das Glas bevorzugt zur Düsenmitte fließt. Die Außenbereiche des Ziehtanks hingegen werden nicht genügend mit Glas versorgt. Außerdem können in den oberen Ecken Strömungstotgebiete entstehen, die aufgrund ihrer nicht definierbaren Ausmaße zu Prozessschwankungen führen.

In der Vergangenheit wurde versucht, die Glasscheibenqualität durch besondere Temperaturprofile quer zur Ziehrichtung im Bereich der Düse zu verbessern. Dazu wird z. B. in der DE 100 64 977 C1 vorgeschlagen, Zulauf, Ziehtank und Düsensystem als geschlossenes System auszubilden, wobei der Zulauf ein kreisrundes Rohr mit symmetrischen Rohrabschnitten und der Ziehtank ein in vertikaler und Querrichtung segmentiertes Beheizungssystem aufweist.

In der JP 2002-211934 A wird ein anderer Ansatz gewählt und vorgeschlagen, den Innendurchmesser des Ziehtanks derart zu gestalten, dass er angepasst an die Schlitzdüse schlitzförmig ist, wobei der Schlitz in der Mitte enger ist als an den äußeren Enden. Dadurch wird der Strömungswiderstand in der Mitte vergrößert, so dass, relativ gesehen, der Glasstrom an den äußeren Enden erhöht wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie einen geeigneten Ziehtank zur Herstellung von dünnen Glasscheiben zur Verfügung zu stellen, die es erlaubt, ein Glasband herzustellen, das hohen Anforderungen bezüglich Dickenkonstanz und Planität genügt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie einen geeigneten Ziehtank gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltung finden sich in den Ansprüchen 2 bis 7 und den Ansprüchen 9 bis 13.

Der Ziehtank besteht erfindungsgemäß aus mindestens 2 Abschnitten mit jeweils unterschiedlichem Flächenquerschnitt, wobei der Flächenquerschnitt senkrecht zur jeweiligen Strömungsrichtung der Glasschmelze gemessen wird. Der Weg, den die Glasschmelze zwischen Zulauf und Schlitzdüse zurücklegt, setzt sich aus mindestens 2 Teilstücken zusammen, dem Teilstück in dem einen Abschnitt und dem Teilstück in dem anderen Abschnitt. Der Druckabfall pro Teilwegstück ist dabei proportional zur Länge des Teilwegstückes multipliziert mit dem Strömungswiderstand in diesem Abschnitt. Indem die mindestens zwei Abschnitte in bezug auf verschiedene Teilwegstrecken und Strömungswiederstände aufeinander abgestimmt werden, kann gewährleistet werden, dass der Druckabfall in der Summe über den in den mindestens 2 Abschnitten zurückgelegten Weg konstant ist und zwar an jeder Stelle der Schlitzdüse. Dadurch wird gewährleistet, dass der Glasstrom gleichmäßig über die gesamte Breite verteilt wird, so dass der Glasmengenstrom an jeder Stelle der Schlitzbreite gleich groß ist. Dies führt zu einem gezogenen Glasband mit einer hohen Dickenkonstanz und Planität über die gesamte Bandbreite.

Aus hydrodynamischen Gründen ist es vorteilhaft, wenn der Zulauf in den Abschnitt mit dem größeren Flächenquerschnitt mündet und sich daran dann der Abschnitt mit dem kleineren Flächenquerschnitt anschließt. Denn beim Übergang von einem engeren zu einem weiteren Flächenquerschnitt könnten im Übergangsbereich je nach Strömungs geschwindigkeit Strömungstotgebiete auftreten, die ihrerseits wiederum zu Prozessschwankungen undefinierbaren Ausmaßes führen.

Insbesondere bei der Verwendung von Zuläufen mit einem kreisförmigen Flächenquerschnitt bietet es sich an, wenn der Flächenabschnitt, an den der Zulauf mündet, ebenfalls einen kreisförmigen Flächenquerschnitt aufweist.

Eine besonders homogene Verteilung der Glasschmelze über die gesamte Düse erhält man, wenn der Zulauf auf halber Breite in den Ziehtank mündet und davon ausgehend zwei nach außen verlaufende Rohre als Abschnitt mit größerem Flächenquerschnitt angeordnet sind. Die beiden Rohre haben einen identischen Querschnitt, so dass sich der Massenstrom gleichmäßig in 2 Hälften teilt, die sich jeweils gleichmäßig von der Mitte nach außen auf die gesamte Breite verteilen. Insbesondere hat sich dabei als vorteilhaft für die Strömungsverhältnisse herausgestellt, wenn zwischen der Schlitzdüse und den Rohren ein Winkel zwischen 5 ° und 45 ° besteht.

In einer bevorzugten Ausführung weist der Abschnitt mit geringerem Flächenquerschnitt einen rechteckigen Flächenquerschnitt auf. Dies hat sich insbesondere in Kombination mit einem Abschnitt größeren Flächenquerschnitts mit im wesentlichen kreisförmigen Flächenquerschnitt bewährt, speziell bei der Verwendung von Rohren als Abschnitt mit größerem Flächenquerschnitt. In diesem Fall weisen die Rohre in ihrer Umfangswand einen Schlitz parallel zur Rohrachse auf, an den sich parallel verlaufende Wände zum Definieren des geringeren Flächenquerschnittes anschließen. Diese Wände münden dann in der Schlitzdüse. Der Abstand der parallelen Wände in Längsrichtung der Schlitzdüse sollte dabei geringer als der Querschnitt der Rohre sein.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, an dem Ziehtank Heizelemente vorzusehen. Dadurch ist der Ziehtank über seine Breite und Höhe so zu beheizen, dass das Glas im Bereich der Düse eine für den Ziehprozess optimale Temperaturverteilung aufweist.

Der Ziehtank sollte aus feuerfestem Material bestehen. Besonders bevorzugt werden dabei Platin bzw. Platinlegierungen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
1a bis 1c eine Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Glasscheiben gemäß dem Stand der Technik;
2a einen erfindungsgemäßen Ziehtank und
2b von der Glasschmelze zurückgelegte Wege.
Die in der Schmelzwanne 1 in 1 erhaltene Glasschmelze A gelangt über den kurzen Kanal 2 in den Behälter 3, wo sie mittels einem Rotor 4 homogenisiert wird. Der Antrieb des Rotors 4 erfolgt über das Getriebe 5 und ist in der Geschwindigkeit regelbar. Sodann wird die homogenisierte Schmelze A durch die Rinne 6 dem Ziehtank 7 zugeführt, der mit einer aus Platin gefertigten, mit einem unteren Schlitz versehenen Düse 8 ausgestattet ist.
Sowohl der Kanal 2 als auch der Behälter 3 und der Ziehtank 7 sind mit in den Wandungen eingelassenen Heizwicklungen 9, 10 und 11 ausgestattet. Die Beheizung der Schmelze innerhalb der Rinne 6 erfolgt durch Joulesche Wärme mittels der Elektroden 12, 13, 14 und 15. Sowohl die den Heizwicklungen wie den Elektroden zugeführte elektrische Stromstärke ist regelbar, so dass auf feinste Temperaturunterschiede eingestellt werden kann.
Die im unteren Teil des Ziehtanks 7 angebrachte Düse 8 ist ebenfalls mit Platin oder Platinlegierung verkleidet und kann durch unmittelbaren Stromdurchgang durch den tragenden Kern und/oder den Platinmantel unabhängig von der Beheizung des Ziehtanks 7 aus einer regelbaren Stromquelle 19 beheizt werden.
1a lässt erkennen, dass die gesamte Anlage bis zur Düse 8 mit Ausnahme der Schmelzoberfläche unmittelbar über dem Rotor 4 allseitig geschlossen ist, so dass die Schmelze nicht mit der freien Oberfläche in Kontakt kommen kann. Es ist lediglich das mittels Heizwicklungen 16 ausgestattete Entlüftungsrohr 17 vorgesehen.
Die Schmelze wird aus der Düse 8 nach unten geführt und der Glasfluss B nach Erstarren mittels bekannten Ziehvorrichtungen z. B. über angetriebene Rollen, abgezogen. Das Glasband kann dann in gewünschte Längen geschnitten werden.
In 1b, die dem Schnitt D-D durch 1a entspricht, ist der konkrete Aufbau von Ziehtank 7 mit Zulauf 20 und Düse 8 dargestellt. Sowohl der Zulauf 20 als auch der Ziehtank 7 sind rohrförmig ausgebildet, wobei das den Ziehtank 7 bildende Rohr senkrecht zum den Zulauf bildenden Rohr verläuft. An das horizontal verlaufende Rohr schließt sich ein parallel zur Rohrachse verlaufender Schlitz an, der sich zu einer Ziehdüse 8 verjüngt. Bei dem hier dargestellten Ziehtank 7 fließt das Glas bevorzugt zur Düsenmitte, die Außenbereiche des Ziehtanks 7 werden nicht genügend mit Glas versorgt. Außerdem werden die Bereiche oben links und oben rechts nicht von Glas durchströmt, so dass hier Strömungstotgebiete entstehen, die aufgrund ihrer nicht definierbaren Ausmaße zu Prozessschwankungen führen.
In 2 ist ein erfindungsgemäßer Ziehtank 7' dargestellt. Der Ziehtank 7 weist einen Abschnitt mit größerem Flächenquerschnitt auf, der aus den Rohren 21b und 21a gebildet wird, sowie einen Abschnitt 22 mit geringerem Flächenquerschnitt, der von sich an die Rohre 21a,b anschließenden parallelen Platten gebildet wird. Der Abstand der parallelen Platten, die den Abschnitt 22 bilden, ist dabei geringer als der Querschnitt der Rohre 21a,b.
Die gesamte Breite der Düse beträgt 1850 mm. Die Breite des Abschnittes 22 mit geringerem Flächenquerschnitt beträgt 50 mm, während der Durchmesser der Rohre 21a,b 80 mm beträgt. Die Rohre 21a, b bilden einen Winkel α von 30 ° mit der Düse 8. Insbesondere bei einer typischen Viskosität der Glasschmelze von ca. 10³ Pa s, die von der speziellen Glaszusammensetzung und der Temperatur abhängt, wird durch diese spezielle Geometrie gewährleistet, dass an allen Düsenstellen der Glasmengenstrom gleich groß ist. Die Verteilwirkung des Ziehtanks 7' ist in der Regel unabhängig von der Viskosität, es sei denn, es liegt eine Temperaturverteilung in Breitenrichtung vor. Wie in 3 skizziert, gilt, dass I1a × W1 + I2a × W2 = I1b × W1 + I2b × W2 = konstant ist. Dabei sind I1a und I1b die Wegstrecken im Abschnitt mit größerem Flächenquerschnitt und daraus resultierend im geringeren Strömungswiderstand W1 und I2a und I2b die zurückgelegten Wegstrecken durch den Abschnitt mit geringerem Flächenquerschnitt und damit höherem Strömungswiderstand W2. Der Flächenquerschnitt wird im übrigen immer senkrecht zur Strömungsrichtung der Glasschmelze gemessen.
Mit gängigen Strömungssimulationswerkzeugen lassen sich Rohrdurchmesser, Winkel und Wandabstände derart finden, dass die oben genannte Gleichung erfüllt ist. Bei steilerem Winkel wird man z. B. den Wandabstand relativ zum Rohrdurchmesser vergrößern. Mit Hilfe der Simulationswerkzeuge ist es ebenso möglich, die Ziehtank-Geometrie durch Variation der Parameter Rohrdurchmesser, Winkel und Wandabstand so auszulegen, dass die gleichmäßige Verteilung der Glasschmelze auch bei inhomogenen Temperaturverteilungen in Breitenrichtung erzielt wird.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Glasscheiben, insbesondere Glasscheiben mit einer Dicke unter 3 mm, mit einer Schmelzwanne, einem Homogenisierungssystem, einem Zulauf und einem Ziehtank, wobei der Ziehtank ein Düsensystem mit mindestens einer Schlitzdüse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ziehtank (7') über die gesamte Breite mindestens zwei Abschnitte (21a,b, 22) mit unterschiedlichem Flächenquerschnitt aufweist, wobei die Abschnitte (21a,b, 22) derart dimensioniert sind, dass der Druckabfall in der Summe über dem von der Glasschmelze in beiden Abschnitten jeweils zurückgelegten Weg (I1a, I1b, I2a, I2b) an jeder Stelle der Schlitzdüse (8) konstant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (20) in den Abschnitt (21a,b) mit dem größten Flächenquerschnitt mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (21a,b) mit dem größeren Flächenquerschnitt einen im wesentlichen kreisförmigen Flächenquerschnitt aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (20) auf halber Breite in den Ziehtank (7') mündet und davon ausgehend zwei nach außen verlaufende Rohre (21a,b) als Abschnitt mit größerem Flächenquerschnitt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen Schlitzdüse (8) und Rohr (21a,b) zwischen 5 ° und 45 ° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (22) mit geringerem Flächenquerschnitt einen rechteckigen Flächenquerschnitt aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ziehtank (7') beheizbar ist.
Ziehtank für eine Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Glasscheiben, insbesondere Glasscheiben mit einer Dicke unter 3 mm, dadurch gekennzeichnet, dass er über die gesamte Breite mindestens zwei Abschnitte (21a,b, 22) mit unterschiedlichem Flächenquerschnitt aufweist, wobei die Abschnitte (21a,b, 22) derart dimensioniert sind, dass der Druckabfall in der Summe über dem von der Glasschmelze in beiden Abschnitten jeweils zurückgelegten Weg (I1a, I1b, I2a, I2b) an jeder Stelle der Schlitzdüse (8) konstant ist.
Ziehtank nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (21a,b) mit dem größeren Flächenquerschnitt einen im wesentlichen kreisförmigen Flächenquerschnitt aufweist.
Ziehtank nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass von der Mitte ausgehend zwei nach außen verlaufende Rohre (21a,b) als Abschnitt mit größerem Flächenquerschnitt angeordnet sind.
Ziehtank nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen Schlitzdüse (8) und Rohr (21a,b) zwischen 5 ° und 45 ° beträgt.
Ziehtank nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (22) mit geringerem Flächenquerschnitt einen rechteckigen Flächenquerschnitt aufweist.
Ziehtank nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er beheizbar ist.