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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Homogenisieren einer Glasschmelze,
insbesondere das Homogenisieren einer Glasschmelze, die zur Herstellung
eines Glas- oder Glaskeramikprodukts von hoher Qualität und mit
einer geringen Dichte an Einschlüssen
und/oder Fehlstellen verwendet wird, beispielsweise von Displayglas.
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Hintergrund der Erfindung
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Ziel
des Homogenisierens einer Glasschmelze ist es, räumliche und zeitliche Schwankungen
der chemischen Zusammensetzung der Glasschmelze, entsprechend den
Produktanforderungen, zu reduzieren. Denn chemische Inhomogenitäten führen zu Inhomogenitäten der
Brechzahl, die beispielsweise die optische Abbildung beeinträchtigen
können,
und zu Inhomogenitäten
der Viskosität,
die bei Heißverarbeitungsprozessen
beispielsweise zu unkontrollierten Geometrieschwankungen führen können. Dabei wird
unterschieden zwischen Makro-Inhomogenitäten, also einer Variation einer
chemischen Zusammensetzung auf vergleichsweise großen räumlichen Skalen,
beispielsweise von einigen Zentimetern, mit kleinen räumlichen
Gradienten, und Mikro-Inhomogenitäten (auch Schlieren genannt),
also einer Variation der chemischen Zusammensetzung auf kleinen räumlichen
Skalen, beispielsweise von 0,1 bis 2 mm, mit teilweise großen räumlichen
Gradienten. Ziel des Homogenisierungsprozesses ist, die Makro-Inhomogenitäten und
die Mikro-Inhomogenitäten soweit
als möglich
zu beseitigen, so dass beispielsweise ein glatter Brechzahlverlauf
erhalten werden kann.
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Glasschmelzen
sind dadurch charakterisiert, dass diese in typischer Weise eingesetzten
Rührsystemen
eine Viskosität
zwischen etwa 1 und 200 Pa·s aufweisen,
was eine laminare Strömung
der Glasschmelze bewirkt (Reynolds-Zahl < 1), und dass der chemische Diffusionskoeffizient
normalerweise kleiner als 10–12 m2/s
ist, so dass die durch Diffusion erreichbare Homogenisierung vernachlässigbar
klein ist. Stattdessen kann eine Homogenisierung in Glasschmelzen
im Wesentlichen nur dadurch erreicht werden, dass lokale Inhomogenitäten bzw.
Schlieren stark gedehnt, umverteilt und zerhackt werden. Zu diesem
Zweck werden Rührsysteme
verwendet, die einen Schmelzenbehälter zur vorübergehenden
Aufnahme der Glasschmelze sowie zumindest eine Rühreinrichtung zum Rühren der
Glasschmelze in dem Schmelzenbehälter
aufweisen.
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Damit
unter den vorgenannten Bedingungen, insbesondere hohen Viskositäten und
kleinen chemischen Diffusionskoeffizienten, überhaupt eine geeignete Homogenisierung
erzielt werden kann, wird der Spalt zwischen Rührerflügeln der Rühreinrichtung und der Wand
des Schmelzenbehälters
herkömmlich
möglichst
schmal gehalten. Ein allzu schmaler Spalt zwischen den Rührerflügeln und
der Schmelzenbehälterwand
birgt jedoch die Gefahr, dass der Rührer die Gefäßwand berührt und
dadurch der Rührer
und/oder das Rührgefäß beschädigt wird bzw.
werden. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass die Justierung des Rührers
stets nur im erkalteten Zustand des Schmelzenbehälters erfolgen kann. Da beim
Aufheizen auf die Betriebstemperaturen thermisch induzierte Verformungen
des Rührers
oder des Rührsystems
unvermeidbar sind, stimmt die Justierung der Komponenten bei den
Betriebstemperaturen häufig
nicht mehr. Dies kann zu einem zu geringen Abstand zwischen den
Rührerflügeln und
der Schmelzenbehälterwand
und somit zu einem direkten Materialkontakt führen, der letztlich zur Zerstörung des
Rührsystems
führt.
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Typischerweise
ist relative Randspaltbreite, d. h. der Quotient 0,5·(Durchmesser
der Rühreinrichtung
bzw. Durchmesser des Schmelzenbehälter minus Durchmesser des
Rührers)/(Durchmesser
der Rühreinrichtung
bzw. des Schmelzenbehälters),
kleiner als etwa 5% oder gar kleiner als etwa 1% des Schmelzenbehälterdurchmessers
bzw. Durchmessers der Rühreinrichtung.
Aufgrund der vorgenannten thermischen Verformung der Komponenten
beim Hochheizen der Vorrichtung auf die Betriebstemperatur kann
die Breite des Spalts nicht reproduzierbar eingehalten werden, sodass üblicherweise
große Randspalte
vorgegeben werden müssen.
Deshalb werden im Stand der Technik insbesondere für hochviskose
Glasschmelzen nur unbefriedigende Homogenisierungsergebnisse erzielt.
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Hohe
Scherspannungen zwischen Rührerflügel und
Schmelzenbehälterwand
aufgrund eines zu schmalen Randspalts können die Lebensdauer des Rührsystems
erheblich beeinträchtigen.
Auch besteht die Gefahr, dass bei einem zu engen Rührspalt
Blasen, die an der Schmelzenbehälterwand
anhaften, abgeschert werden und ins Produkt gelangen. Hohe Scherspannungen
können
schließlich auch
einen Abrieb des Wandmaterials des Schmelzenbehälters bzw. Rührgefäßes bewirken,
was zu Mikroeinschlüssen
in dem Glas bzw. der Glaskeramik führen kann, die insbesondere
bei Displaygläsern
unerwünscht
sind.
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US 2003/0101750 A1 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren einer Glasschmelze
zur Herstellung von Displayglas. Dabei wird bei einer vorbestimmten
Rühreffizienz,
die bestimmt wird durch Rührerdurchmesser,
Rührergeschwindigkeit
und Randspalt, eine vorbestimmte Scherrate ausgewählt. Der
Randspalt ist vergleichsweise schmal und entspricht etwa 6 bis 9%
des freien Durchmessers des Rührgefäßes.
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Eine
weitere Homogenisierung kann auch durch die Geometrie der Rührerflügel selbst
erzielt werden. Bevorzugt wird dabei, die Neigung der Rührerflügel und
damit die Förderwirkung
des Rührers
so einzustellen, dass diese jeweils gegen den Glasstrom in dem Glasschmelzenbehälter arbeiten.
Dabei kann eine axiale Förderwirkung
durch Anstellung der Rührerflügel, durch
die geometrische Form der Rührerflügel und/oder
eine helixartige Anordnung der Rührerflügel an der
Rührerwelle
erreicht werden. So offenbart beispielsweise
JP 10265226 A eine Anordnung,
bei der zur besseren Homogenisierung die inneren Rührerblätter abwärts fördern, während die äußeren Rührerblätter aufwärts fördern.
JP 63008226 A offenbart,
dass die Neigung der Rührerflügel und
damit die Förderwirkung
des Rührers
so eingestellt werden, dass diese jeweils gegen den Glasstrom arbeiten.
Dadurch sollen Toträume
in dem Glasschmelzenbehälter
vermieden werden.
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Aus
den vorgenannten Gründen
wird gemäß dem Stand
der Technik stets ein möglichst
schmaler Rührspalt
angestrebt, um eine möglichst
hohe Homogenität
zu erzielen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Trotz
vielfältiger
Bemühungen
im Stand der Technik besteht weiterhin Bedarf nach Verfahren und Vorrichtungen,
die eine noch effizientere Homogenisierung von Glasschmelzen ermöglichen.
Insbesondere soll gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren
einer Glasschmelze bereitgestellt werden, womit sich bei geringer
Belastung auf die Komponenten der Vorrichtung, bei einfacher und
genauer Justierung der Vorrichtung und möglichst geringem Abrieb bzw.
geringer Abscherrate von Bläschen
eine hohe Homogenität
erzielen lässt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach
Anspruch 13. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand
der rückbezogenen
Unteransprüche.
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Somit
geht die vorliegende Erfindung aus von einem Verfahren zum Homogenisieren
einer Glasschmelze in einem als Rührgefäß wirkenden Schmelzenbehälter, beispielsweise
einem zylindrischen Gefäß oder einer
Schmelzrinne, wobei in dem Schmelzenbehälter zumindest eine Rühreinrichtung angeordnet
ist, die eine Rührerwelle
und eine Mehrzahl von Rührerflügeln aufweist,
die von der Rührerwelle
getragen werden und von dieser abragen, wobei zwischen einem Wandbereich
des Schmelzenbehälters
und den Rührerflügeln ein
Spalt bzw. Rührspalt
ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist die
Rühreinrichtung und/oder
die Vorrichtung so ausgelegt, dass in einem inneren Rührbereich
der Rühreinrichtung,
das heißt zwischen
der Rührerwelle
und den Rührerflügeln, eine
axiale Förderwirkung
ausgeübt
wird, um die Glasschmelze in dem inneren Rührbereich entlang der Rührerwelle
zu fördern.
Durch geeignete Auslegung der Rühreinrichtung
und/oder -vorrichtung wird erfindungsgemäß außerdem erreicht, dass die axiale Förderwirkung
so ausgeübt
wird, dass ein durch die axiale Förderwirkung bewirkter Schmelzenstrom
den Spalt zwischen dem Wandbereich des Schmelzenbehälters und
den Rührerflügeln gegen
ein unmittelbares Durchströmen
der Glasschmelze abdichtet.
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Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, dass die dynamische Abdichtung des Randspalts
trotz deutlich größerer Randspaltbreiten
eine hervorragende Homogenisierung von Glasschmelzen, insbesondere
hochviskosen Glasschmelzen, ermöglicht.
Somit können
gemäß der vorliegenden
Erfindung deutlich größere Randspaltbreiten
verwendet werden, als dies herkömmlich
möglich
war. Aufgrund der deutlich größeren Randspaltbreiten
kann erfindungsgemäß die Belastung
auf die Komponenten der Vorrichtung erheblich reduziert werden.
Insbesondere lassen sich erfindungsgemäß ein zu vernachlässigender
Abrieb von Material, eine niedrige Abscherrate von Bläschen bei
gleichzeitig vorteilhaft geringem Aufwand zum Justieren der Komponenten der
Vorrichtung erzielt werden.
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Auf
diese Weise wird erreicht, dass erfindungsgemäß sämtliche Glasinhomogenitäten unabhängig vom
Eintrittsort in das Rührsystem
in den inneren Rührbereich
zwischen Rührerwelle
und den Enden der Rührerflügel geraten
und dort durch Dehnen, Zerhacken und räumliche Umverteilung reduziert
werden. Dabei lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichsweise
hohe Spaltbreiten zwischen den Rührerflügeln und
der Innenwand des Schmelzenbehälters
erzielen. Auf die Weise können
durch hohe Scherraten bewirkte Störeffekte, wie beispielsweise
Abrieb, Korrosion oder Einschlüsse aufgrund
von Abrieb von Auskleidungsmaterial des Schmelzenbehälters und/oder
Rührerflügelmaterial, verhindert
werden. Zur Erzielung der Abdichtwirkung ist es erfindungsgemäß nicht
unbedingt erforderlich, dass der durch die axiale Förderwirkung
der jeweiligen Rührereinrichtung
bewirkte Schmelzenstrom sich tatsächlich entgegen der eintretenden
Glasschmelze bewegt. Vielmehr ist es ausreichend, wenn der Spalt
in der Art eines Pfropfens aus Glasschmelze aktiv abgedichtet wird,
also aufgrund einer Stauung von Glasschmelzenmaterial. Bevorzugt
herrscht jedoch in dem Spalt eine Strömung vor, die der Richtung
der von der Rühreinrichtung
ausgeübten
axialen Förderwirkung
entgegen gerichtet ist, sodass jegliche einströmende Glasschmelze durch die
in dem Randspalt aufsteigende Glasschmelze zum oberen Ende der Rühreinrichtung
mitgerissen wird. In jedem Fall wird ein unmittelbarer Durchtritt
der einströmenden
Glasschmelze durch den Randspalt zum Auslass des Rührgefässes bzw.
Schmelzenbehälters verhindert.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird ein unmittelbarer Eintritt der Glasschmelze in den inneren
Rührbereich
durch einen oder mehrere Rührerflügel aktiv
verhindert. Dabei kann es insbesondere zu einer Umorientierung des
eintretenden Glasstroms (ihren, beispielsweise hin zu einem axialen Ende
des inneren Rührbereichs,
von wo aus die eintretende Glasschmelze zu einem entgegen gesetzten
axialen Ende des innen Rührbereichs
bzw. der Rührerwelle
gefördert
wird, um dort aktiv zur Abdichtung des Spalts zwischen dem Wandbereich
des Schmelzenbehälters
und den Rührerflügeln beizutragen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
erstrecken sich die Rührerflügel der
Rühreinrichtung über einen
Teil des Querschnitts des Einlasses des Schmelzenbehälters. Somit
wird ein gewisser Teil des Querschnitts der durch den Einlass einströmenden Schmelzenströmung durch
die Rührerflügel bedeckt,
um einen unmittelbaren Eintritt der einströmenden Glasschmelze in den
inneren Rührbereich zu
verhindern. Die einströmende
Glasschmelze wird vielmehr, unabhängig von ihrem Eintrittsort,
zum oberen Ende der Rühreinrichtung
umgelenkt, um erst dort in den inneren Rührbereich einzutreten. Der
Prozentsatz, zu dem der Querschnitt der einströmenden Glasschmelze durch die
Rührerflügel bedeckt
ist, kann zumindest 50% betragen. Eine noch bessere Homogenisierung
der Glasschmelze lässt
sich gemäß einer
weiteren Ausführungsform
dann erzielen, wenn der Querschnitt der einströmenden Glasschmelze zu mehr
als zwei Drittel durch die Rührerflügel bedeckt
ist. Anders als im Stand der Technik stehen die Rührerflügel somit über den
unteren Rand des Einlasses vor.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
die axiale Förderwirkung
der Rühreinrichtung so
bemessen sein, beispielsweise durch geeignete Erhöhung der
Rührgeschwindigkeit,
dass ein mehrmaliges Hindurchtreten der Glasschmelze durch den inneren
Rührbereich
bewirkt wird. Mit anderen Worten, die von dem axialen Ende des inneren
Rührbereichs
austretende Glasschmelze durchströmt der Spalt zwischen dem Wandbereich
des Schmelzenbehälters
und den Rührerflügeln in
einer Richtung entgegengesetzt zur axialen Förderrichtung in dem inneren
Rührbereich,
wodurch die aktive Abdichtung des vorgenannten Spaltbereichs erzielt
wird.
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Um
die axiale Förderwirkung
zu erzielen, können
wahlweise einer oder mehrere der nachfolgenden Parameter geeignet
eingestellt werden: Anstellwinkel der Rührerflügel, geometrische Form der Rührerflügel, helixartige
Anordnung der Rührerflügel entlang
dem Umfang der Rührerwelle,
Wahl der Drehgeschwindigkeit des Rührers, des Durchmessers der
Rühreinrichtung,
der Anzahl Rührerflügel, Förderwirkung
der Rührerflügel und
dergleichen.
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Die
vorgenannten Parameter können
insbesondere mit Hilfe einer mathematischen und/oder physikalischen
Simulation der Strömungsverhältnisse
in dem Glasschmelzenbehälter
simuliert und gezielt erhalten werden, so dass basierend auf einer solchen
Simulation ein optimales Rührergebnis
je nach den geforderten Spezifikationen erreicht werden kann. Zur
physikalischen Simulation kann dabei insbesondere auf Modellsysteme
mit vergleichbaren oder herunterskalierten Dimensionen und Viskositäten zurückgegriffen
werden, wobei die Homogenisierung durch Einbringen von Farbstreifen
in die einströmende
geeignet viskose Flüssigkeit
visuell begutachtet und optisch ausgewertet werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform handelt
es sich bei dem als Rührgefäß wirkenden Schmelzenbehälter um
einen rinnenartigen Behälter, der
von der Glasschmelze kontinuierlich durchströmt wird. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird der Schmelzenbehälter
diskontinuierlich durchströmt,
was beispielsweise durch intermittierendes Nachfüllen des Schmelzenbehälters erzielt
werden kann. Dabei durchströmt
die Glasschmelze des Glasschmelzenbehälters jeweils in einer vorbestimmten Durchsatzrichtung.
Gemäß einer
bevorzugten weiteren Ausführungsform
erfolgt die axiale Förderwirkung,
die durch die jeweilige Rührereinrichtung
bewirkt wird, in der Durchsatzrichtung der Glasschmelze.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
bilden sich durch die axiale Förderwirkung
in dem Schmelzenbehälter
eine Mehrzahl von virtuellen Rührgefäßen aus,
die jeweils wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind, wobei die
virtuellen Rührgefäße hintereinander
geschaltet sind und die von einer stromaufwärts befindlichen Rühreinrichtung
geförderte
Glasschmelze in den inneren Rührbereich
einer stromabwärts
befindlichen Rühreinrichtung
an deren axialem Ende übergeben
wird, so dass ein unmittelbarer Eintritt der Glasschmelze, die von der
stromaufwärts
befindlichen Rühreinrichtung
abgegeben wird, in den inneren Rührbereich
der nachgeordneten Rühreinrichtung
durch einen oder mehrere Rührflügel aktiv
verhindert wird. In jedem der virtuellen Rührgefäße wird die Glasschmelze in
Abhängigkeit
der jeweils gewählten
Parameter des Rührgefäßes homogenisiert,
wobei der insgesamt erzielbare Homogenisierungsgrad der n-ten Potenz
des Homogenisierungsgrads eines einzelnen Rührgefäßes gegeben ist. Eine solche
Ausführungsform
eignet sich insbesondere für
einen als Schmelzrinne ausgebildeten Schmelzenbehälter, der
von der Glasschmelze in einer vorbestimmten Richtung durchströmt wird,
insbesondere kontinuierlich durchströmt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform entspricht
die Breite des Randspalts zwischen den vorderen Enden der Rührerflügel und
der Innenoberfläche
des Schmelzenbehälters
bzw. Rührgefäßes größer als
etwa 5% bis etwa 20%, bevorzugter größer als etwa 5% bis maximal
etwa 15%, des Durchmessers der Rühreinrichtung.
Somit ist der Randspalt vergleichsweise breit und können erfindungsgemäß unerwünschte Störeffekte,
wie beispielsweise Abrieb oder Korrosion von Material der Wandung
des Schmelzenbehälters
und/oder der Rühreinrichtung, vermieden
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird zumindest eine solche Rühreinrichtung,
wie vorstehend beschrieben, zum Regeln eines Massestroms der Glasschmelze
in dem Schmelzenbehälter
unabhängig
von der Temperatur und/oder Viskosität der Glasschmelze verwendet.
Zu diesem Zweck kann insbesondere die Rührerdrehzahl geeignet geregelt werden.
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Figurenübersicht
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Nachfolgend
wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen ausführlicher
beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben
ergeben werden. Es zeigen:
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1 in
einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2a eine
herkömmliche
Rühreinrichtung;
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2b die
Anordnung der Rühreinrichtung gemäß der 2a in
einem zylindrischen Rührgefäß, das grundsätzlich zur
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist;
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3a eine
Rühreinrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3b die
Anordnung der Rühreinrichtung gemäß der 3a in
einem zylindrischen Rührgefäß;
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4a und 4b in
einem schematischen Seitenschnitt und in einer schematischen Draufsicht die
Hintereinanderschaltung mehrerer Rühreinrichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Ausbildung von virtuellen Rühreinrichtungen in einer Glasschmelzenrinne
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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5a und 5b in
einem schematischen Seitenschnitt und in einer schematischen Draufsicht die
parallele Anordnung mehrerer Rühreinrichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Ausbildung von virtuellen Rühreinrichtungen in einer Glasschmelzenrinne
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In
den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder
im Wesentlichen gleichwirkende Elemente oder Elementgruppen.
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Ausführliche Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen
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Gemäß der 1 ist
ein mehrere Rührflügel 11 aufweisender
Rührer,
der nachfolgend noch ausführlicher
anhand der 2a und 3a beschrieben
wird, in einem insgesamt zylindrischen Rührgefäß 2 in punktsymmetrischer
Anordnung angeordnet. In dem Behälter 2 ist
eine Glasschmelze 3 aufgenommen. Das Rührgefäß 2 kann kontinuierlich
oder diskontinuierlich von der Glasschmelze 3 durchströmt werden,
und zwar von dem Einlass 4 und hin zu dem Auslass 5.
Wie durch den Pfeil 12 angedeutet, wird in dem inneren
Rührbereich
zwischen der Rührwelle 10 und
den vorderen Enden der Rührerflügel 11 eine axiale
Förderwirkung
ausgeübt,
die die eintretende Glasschmelze 3 vom oberen axialen Ende
des inneren Rührbereichs 12 hin
zu dessen unterem axialen Ende fördert.
Dies wird durch geeignete Ausgestaltung des Rührers erzielt, wie nachfolgend
ausführlicher
beschrieben. Die am unteren axialen Ende des inneren Rührbereichs 12 austretende
Glasschmelze bewirkt eine aktive Abdichtung des Spalts 16 zwischen
den vorderen Enden der Rührerflügel 11 und der
Innenwand des zylindrischen Rührgefäßes 2 im Bereich
der Rühreinrichtung,
so dass die eintretende Glasschmelze, insbesondere die durch den
Einlass 4 eintretende Glasschmelze nicht unmittelbar durch den
Spalt 16 zum unteren axialen Ende des inneren Rührbereichs 12 strömen kann
und auch nicht unmittelbar zu der Rührerwelle 10 gelangen
kann, sondern, wie durch den Pfeil angedeutet, zunächst aufwärts und
zum oberen axialen Ende des inneren Rührbereichs 12 hin
umgelenkt wird und dort in den inneren Rührbereich 12 eingesogen
wird. Dabei wird der Randspalt 16 zwischen den vorderen
Enden der Rührerflügel 11 und
der Innenwand des zylindrischen Rührergefäßes 2 komplett abgedichtet,
ohne dass ein allzu enger Randspalt erforderlich wäre, wie nachfolgend
ausführlicher
beschrieben.
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Somit
werden die Schlieren bzw. Inhomogenitäten in der Glasschmelze 3 in
den inneren Rührbereich 12 gesogen
und dort verrührt,
wodurch eine Homogenisierung der Glasschmelze bewirkt wird.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß der 1 wird
in dem Randspalt 16 eine Aufwärtsströmung erzeugt, wie durch den
Pfeil angedeutet, wodurch die Passage von Schlieren bzw. Inhomogenitäten durch
den Randspalt 16 nach unten blockiert wird und der Randspalt
dynamisch abgedichtet wird. Grundsätzlich ist eine solche axiale
Aufwärtsströmung jedoch
nicht zwingend notwendig. Ausreichend ist, wenn der Randspalt 16 durch
die aus dem unteren axialen Bereich des inneren Rührbereichs 12 austretende
Glasschmelze in ausreichendem Maße in der Art eines Pfropfens
aus Glasschmelze bzw. einer Materialstauung abgedichtet ist bzw.
verstopft wird.
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Auf
diese Weise erreicht man, dass sämtliche
Glasinhomogenitäten
unabhängig
vom Eintrittsort in das Rührsystem
in den inneren Rührbereich zwischen
Rührerwelle
und den Enden der Rührerflügel geraten
und dort durch Dehnen, Zerhacken und räumliche Umverteilung in ausreichendem
Maße beseitigt
werden. Wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, kann
durch eine Kaskadierung von zwei oder mehreren solcher Rührvorrichtungen
die Homogenisierung weiter verbessert werden, wobei die verbleibende
Glasinhomogenität
mit der n-ten Potenz der verbleibenden Glasinhomogenität nach einer
Rührvorrichtung
abnimmt. Gemäß der 1 erfolgt
die axiale Förderwirkung
in Richtung der allgemeinen Glasströmung vom Einlass 4 und
hin zum Auslass 5.
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Wie
der 1 ohne weiteres entnommen werden kann, ist der
Querschnitt des Einlasses 4 abschnittsweise durch Abschnitte
des Rührers,
nämlich durch
die Rührflügel 11,
bedeckt, sodass ein unmittelbares Eintreten der einströmenden Glasschmelze in
den inneren Rührbereich 12 verhindert
ist. Genauer gesagt sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 mehr
als 50% des Querschnitts des Einlasses 4 durch den Rührer bedeckt.
Weitere Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass eine Bedeckung
von zumindest 50% und noch bevorzugter von zumindest zwei Drittel
zu befriedigenden Homogenisierungsergebnissen bei vergleichsweise
breitem Randspalt 16 führen
kann.
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Die 2a zeigt
ein Beispiel für
einen herkömmlichen
Rührer.
Gemäß der 2a umfasst
der Rührer
eine zylindrische Rührerwelle 10,
auf deren Außenumfang
jeweils axial versetzt zueinander einander diametral gegenüber liegende
Paare von zylindrischen Radialvorsprüngen 11 mit im Profil
kreisrunden Stirnseiten 13 abragen. Gemäß der 2a sind insgesamt
fünf Paare
von Rührerflügeln 11 am
Außenumfang
der Rührerwelle 10 in
einer insgesamt helixartigen Anordnung angeordnet. Untersuchungen
der Erfinder haben gezeigt, dass eine axiale Förderwirkung und eine Abdichtung
des Randspalts hervorgerufen durch eine axiale Förderwirkung mit einem solchen
herkömmlichen
Rührer
im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht erzielt werden kann.
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Die 2b zeigt
die Anordnung eines solchen Rührers
in einem zylindrischen Rührgefäß mit einem
Einlass 4 und einem Auslass 5 für die Glasschmelze 3.
Wenn D den Innendurchmesser des zylindrischen Rührgefäßes bezeichnet und d den Durchmesser
der Rührerflügel 11 bezeichnet,
so beträgt
der Randspalt s = (D – d)/2.
Dieser Randspalt wird so eingestellt, dass eine gewisse Homogenisierung
erzielt werden kann. Es hat sich dabei gezeigt, dass der relative
Randspalt s/D dabei nur deutlich kleiner als bei einem erfindungsgemäßen Rührer eingestellt
werden kann. Typischerweise muss der relative Randspalt s/D dabei
deutlich kleiner als etwa 5% gewählt
werden.
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Der
Linienverlauf in der 2b gibt schematisch das Ergebnis
von physikalischen Simulationen des Betriebs einer solchen Rührvorrichtung
wieder. Zu diesem Zweck wurde eine Rührervorrichtung mit durchsichtigen
Wänden
aufgebaut und wurde diese mit einer durchsichtigen Flüssigkeit
vergleichbarer Viskosität
wie unter den bestimmungsgemäßen Betriebsbedingungen
betrieben. In die durch den Einlass 4 einströmende Flüssigkeit
wurde ein Farbstreifen eingefärbt.
Auf diese Weise konnte die Homogenisierung der Flüssigkeit
visuell beobachtet und optisch ausgewertet werden.
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Wie
der 2b entnommen werden kann, wird die einströmende Flüssigkeit
nicht zum oberen Bereich des Rührers
hin umgelenkt sondern tritt diese von dem Einlass 4 unmittelbar
in den inneren Rührbereich
des Rührers
ein. Wie durch den spiralförmigen
Linienverlauf angedeutet, kommt es anschließend zu einer gewissen Verwirbelung
des Farbstreifens. Nur am oberen Ende des Auslasses 5 konnte
ein relativ schmaler Farbstreifen beobachtet werden, der, wie durch
die Punktedichte angedeutet, in einem zentralen Bereich eine vergleichsweise hohe
Farbstoffkonzentration aufwies, die zu den Randbereichen des sich
etwa über
ein Drittel des Querschnitts des Auslasses 5 erstreckenden
Streifens hin abnahm. Insgesamt konnten die Inhomogenitäten in der
Flüssigkeit
somit nicht über
den gesamten Querschnitt des Auslasses 5 gleichmäßig verteilt werden.
Weitere Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass die Lage
und das Konzentrationsprofil dieses Streifens auch nicht unabhängig vom
Eintrittsort des Farbstreifens in Einlasse 4 waren. Insgesamt war
der erzielte Homogenisierungsgrad somit nicht zufrieden stellend.
Wie durch den Linienverlauf im Streifen im Auslass 5 angedeutet,
traten gewisse chaotische Effekte im Konzentrationsprofil des Auslasses 5 auf.
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Die 3a zeigt
einen Rührer
gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel,
bei dem die Rührerflügel 11 als
schräg
angesellte Platten oder gemäß einer
weiteren Ausführungsform
im Wesentlichen schaufelförmig
ausgebildet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß der 3a sind
insgesamt 6 Paare von Rührerflügeln 11 in
einer helixartigen Anordnung auf dem Außenumfang der Rührerwelle 10 angeordnet.
Die Rührerwelle 10 geht
dabei über
einen abgeschrägten
Absatz 15 in einen verbreiterten Bereich am vorderen Ende
des Rührers über, von welchem
die Rührerflügel 11 abragen.
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Die 3b zeigt
die Anordnung des Rührers gemäß der 3a in
einem zylindrischen Rührgefäß. Gemäß der 3b werden
etwa 50% des Querschnitts des Einlasses 4 von den Rührerflügeln 11 des
Rührers
bedeckt. Die Linienverläufe
fassen das Ergebnis einer physikalischen Simulation zusammen, bei
der in eine durchsichtige Flüssigkeit
mit vergleichbarer Viskosität
wie bei den bestimmungsgemäßen Betriebsbedingungen
ein Farbstreifen am unteren Ende des Einlasses 4 eingebracht
wird. Wie durch den Linienverlauf angedeutet, wird zunächst sämtliche
eintretende Flüssigkeit
zum oberen Ende des Rührers
hin umgelenkt. Dort tritt sämtliche
einströmende
Flüssigkeit
schließlich
in den inneren Rührbereich
des Rührers
ein und wird axial nach unten gefordert.
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In
der 3b deutet die Linien- bzw. Punktedichte schematisch
das Farbkonzentrationsprofil an. Wie man der 3b ohne
weiteres entnehmen kann, wird bereits im oberen Drittel des inneren
Rührbereichs
eine starke Homogenisierung der Flüssigkeit erzielt, sodass der eintretende
Farbstreifen vollständig
und gleichmäßig verteilt
werden konnte. Das Farbkonzentrationsprofil war über den gesamten Querschnitt
des Auslasses 5 hinweg gleichmäßig. Dieses Ergebnis konnte
unabhängig
vom Eintrittsort des Farbstreifens im Einlass 4 beobachtet
werden.
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Weitere
Untersuchungen und mathematische Simulationen der Erfinder haben
ergeben, dass ein unmittelbares Durchtreten der durch den Einlass 4 einströmenden Flüssigkeit
zu dem Auslass 5 dadurch verhindert wird, dass sich im
Randspalt 16 eine entgegengesetzt zur axialen Förderwirkung
strömende
Flüssigkeitsströmung aufbaut,
welche den Randspalt 16 dynamisch abdichtet. Dadurch wird
sämtliche
einströmende
Flüssigkeit
hin zu dem oberen Ende des Rührers
umgelenkt. Sämtliche
einströmende
Flüssigkeit
gelangt somit in den inneren Rührbereich
des Rührers,
wodurch eine intensive Homogenisierung der Flüssigkeit bewirkt wird.
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Eine
besonders gute Homogenisierung kann nur dann erzielt werden, wenn
die Förderrichtung
des Rührers
mit der Richtung des Glasdurchsatzes zwischen dem Einlass 4 und
dem Einlass 5 übereinstimmt
und der Eintritt der Glasschmelze in die Rührvorrichtung so erfolgt, dass
durch einen oder mehrere Rührerflügel 11 ein
unmittelbarer Eintritt in den inneren Rührbereich nahe der Rührerwelle 10 verhindert
wird.
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Auf
diese Weise wird erreicht, dass nahezu unabhängig vom Eintrittsort alle
Schlieren bzw. Glasinhomogenitäten
durch den inneren Rührbereich, das
heißt
den Bereich zwischen Rührwelle 10 und vorderen
Enden der Rührerflügel 11,
hindurch treten müssen
und dabei gedehnt, räumlich
umverteilt und zerhackt werden. Dadurch wird erfindungsgemäß eine hohe
Glashomogenität
erreicht, ohne dass der Spalt zwischen Rührgefäß und Rührerflügel sehr eng sein müsste, beispielsweise
kleiner als etwa 5 mm.
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Durch
physikalische oder mathematische Simulation können die Anzahl der Rührerflügel, ihre Form,
ihr Azimutwinkel und der Abstand zueinander sowie die Einbauhöhe im Rührgefäß für die jeweilige Rühraufgabe
optimiert werden. Die Rührerdrehzahl wird
dabei so eingestellt, dass sich ein möglichst gutes Homogenisierungsergebnis
einstellen lässt,
ohne dass unerwünschte
Nebenwirkungen wie Reboil oder übermäßige Korrosion
der verwendeten Materialien auftreten.
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In
vielen Fällen
ist der Einsatz eines zylindrischen Rührgefäßes aus verschiedenen Gründen technisch
nicht erstrebenswert, beispielsweise dann, wenn hohe Massendurchsätze erzielt
werden sollen. Anhand der 4a und 4b wird
nachfolgend ein Rinnenrührsystem
basierend auf den Prinzipien der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Gemäß der 4a wird
die Rinne 2 von der Glasschmelze durchströmt, die
durch den Einlass 4 einströmt und die Rinne 2 im
Bereich des Auslasses 5 verlässt. Wie der Draufsicht gemäß der 4b entnommen
werden kann, wird zwischen den vorderen Enden der Rührerflügel und
der Seitenwand der Rinne 2 ein Randspalt 16 ausgebildet,
dessen Breite erfindungsgemäß im Bereich
zwischen größer als
etwa 5% bis maximal etwa 15% des Durchmessers des jeweiligen Schmelzenbehälters liegen
kann.
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Von
den Rührern
wird jeweils eine axiale Förderwirkung
ausgeübt,
wie durch den Pfeil 12 angedeutet und vorstehend beschrieben.
Somit wird der unmittelbare Eintritt der Glasschmelze in den inneren Rührbereich
des jeweiligen Rührers
durch die sich drehenden Rührerflügel 11 verhindert.
Somit wird die durch den Einlass 4 einströmende Glasschmelze
zunächst
aufwärts,
hin zum oberen axialen Ende des vorderen Rührers hin umgeleitet und dort
in den inneren Rührbereich
gesogen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Drehzahl der Rührer
so gewählt,
dass die Glasschmelze mehrmals im Bereich des jeweiligen Rührers zirkuliert,
wie durch die Strömungspfeile angedeutet.
Von jedem Rührer
wird somit ein virtuelles Rührgefäß im Sinne
der vorliegenden Anmeldung ausgebildet. Nur ein Teil der geförderten
Glasschmelze wird zu einem stromabwärts befindlichen weiteren virtuellen
Rührgefäß gefördert, wobei
durch die sich drehenden Rührerflügel 11 in
entsprechender Weise ein unmittelbarer. Eintritt der Glasschmelze
in den inneren Rührbereich
verhindert wird und aufgrund der axialen Förderwirkung des nachgeordneten
Rührers die
Glasschmelze zunächst
aufwärts
und hin zum axialen Ende des nachgeordneten Rührers hin umgelenkt wird, um
dort in den inneren Rührbereich
gesogen zu werden.
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Der
Linienverlauf bzw. die Punktedichte in der 4a deutet
schematisch das Ergebnis einer physikalischen Simulation an, wie
vorstehend anhand der 2b und 3b beschrieben.
Man erkennt, dass bereits im oberen Drittel des ersten Rührers eine
nahezu voll ständige
Homogenisierung der Flüssigkeit
erzielt werden konnte.
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Weitere
mathematische Simulationen der Erfinder haben gezeigt, dass bei
einer solchen rinnenartigen Rührvorrichtung
stets der durch die axiale Förderwirkung
bewirkte axiale Massestrom größer ist als
eine Durchsatzströmung
durch die Rinne.
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Durch
die axiale Förderwirkung
werden insgesamt sog. virtuelle Rührgefäße geschaffen, in denen die
Glasschmelze von oben nach unten bzw. von unten nach oben gefördert wird,
ohne aus dem Rührkreis
auszutreten. Dadurch kann der Abstand der Rührer von der Wand der Schmelzrinne
vergrößert werden,
ohne dass Inhomogenitäten
diesen Spalt passieren. Durch eine Optimierung von Drehzahl der Rührer, Durchmesser,
Anzahl der Rührerflügel, Förderwirkung
der Rührerflügel, deren
helixförmige
Anordnung an der Rührerwelle
und vergleichbarer Parameter sowie mittels mathematischer und/oder
physikalischer Simulation kann ein für die jeweilige Anwendung optimales
Rührergebnis
erreicht werden.
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Die 5a und 5b zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße rinnenartige
Rührvorrichtung,
bei der die Rührer
in Durchströmungsrichtung
der Rinne nicht hintereinander geschaltet sind sondern entlang einer
Achse fluchtend angeordnet sind, welche die Rinne unter einem rechten
Winkel schneidet.
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Wie
dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, können Rührvorrichtungen,
wie vorstehend beschrieben, zum Regeln des Massestroms der Glasschmelze
in dem Schmelzenbehälter
unabhängig
von der Temperatur und/oder Viskosität der Schmelze verwendet werden.
Die Rührer
und/oder Rührgefäße können teilweise
oder ganz aus Edelmetall oder zumindest aus einem anderen Refraktärmetall
bestehen. Ganz besonders bevorzugt wird insbesondere zur Erzielung
hoher Schmelztemperaturen die Verwendung von Edelmetalllegierungen,
insbesondere einer Platin-Rhodium-Legierung.
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Wie
dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, kann das der vorliegenden
Erfindung zugrunde liegende Prinzip zum Homogenisieren einer Glasschmelze
bei der Herstellung von Displayglas, insbesondere Glasscheiben für LCD-,
OLED- oder Plasma-Displays, zur Herstellung von Glaskeramiken, von
Borosilikatgläsern
oder von optischen Gläsern
eingesetzt werden. Aufgrund der dynamischen Abdichtung des Randspalts
können
erheblich höhere
Spaltbreiten erzielt werden, so dass der Abrieb von Materialien
erfindungsgemäß verringert werden
kann. Dies führt
auch dazu, dass Partikel, die gemäß dem Stand der Technik abgetragen
werden und die Glasqualität
beeinträchtigen
erfindungsgemäß nicht
mehr auftreten.
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- 1
- Rührvorrichtung
- 2
- Schmelzenbehälter/Rührgefäß
- 3
- Schmelze
- 4
- Einlass
- 5
- Auslass
- 10
- Rührwelle
- 11
- Rührerflügel
- 12
- Rührbereich
mit axialer Förderwirkung
- 13
- Stirnseite
des Rührerflügels 11
- 14
- Drehachse
- 15
- Stufe
- 16
- Spalt/Randspalt