DE102008011048B4 - Vorrichtung zur Erzeugung von Bewegungen in Glasschmelzen mit Hilfe der Lorentzkraft und Verwendung der Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Bewegungen in einem Fluid in Form von Glasschmelzen mit Hilfe der Lorentzkraft, wobei die Lorentzkraft von einer Stromdichte j und einer magnetischen Flussdichte B erzeugt wird und sich das Fluid in einem Behälter befindet, mit dem das Fluid beheizende Elektroden zur Erzeugung der Stromdichte j in Verbindung stehen sowie dem im Bereich der Stromdichte j zur Erzeugung der Flussdichte B mindestens ein Magnet zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete als stab-, rohr- oder kanalförmige elektrische Leiter ausgebildet und in paralleler Richtung zu einer Längsausdehnung des Behälters angeordnet sind und das Fluid durch die Lorenzkraft bewegbar und/oder einer pulsierenden Drucksituation aussetzbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beeinflussung von viskosen Fluiden in Form von Glasschmelzen mit Hilfe der Lorentzkraft gemäß der Gattung der Patentansprüche sowie deren Verwendung. Sie ist sowohl für elektrisch gut leitfähige als auch für schlecht leitfähige Fluide geeignet.
• Zum Mischen, Homogenisieren und Läutern von viskosen Fluiden, insbesondere von Glasschmelzen und ähnlichen, elektrisch weniger leitfähigen Reaktionsgemischen sind technische Lösungen bekannt, die bspw. in den DE 10 2004 015 055 A1 und DE 10 2005 058 729 A1 umfänglich beschrieben sind. Insbesondere ist es bekannt, zur Steuerung eines Glasschmelzflusses ein elektrisches und ein magnetisches Feld mit unterschiedlich gerichteten Feldvektoren gleichzeitig zumindest an einem Abschnitt eines Zuführungskanals anzulegen und somit eine den Schmelzfluss bremsende oder beschleunigende Lorentzkraft zu erzeugen. Zur Erzeugung des elektrischen Feldes dienen Elektroden, die sich möglichst in Kontakt mit dem Schmelzfluss befinden. Das Magnetfeld wird durch Magnete generiert, die von der Schmelze isoliert, außen in der Nähe des Kanals angebracht sind. Eine auch aus der US 6849121 B1 bekannte Anordnung ist mit einer Zentralelektrode in einem Kanal und einer peripheren Elektrode in Form der Kanalwandung ausgestattet. Die Kanalwandung ist von mindestens einer elektrischen Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes umgeben. Aus der SU 992432 ist eine Vorrichtung zur Beeinflussung von viskosen Fluiden mit Hilfe der Lorentzkraft bekannt, bei der Elektroden zur Beheizung der Glasschmelze in einem Behälter und durch ein Joch verbundene Magnetpole außerhalb des Magnetes vorgesehen sind. In jedem Fall ist für die praktische Erzeugung und Wirksamkeit der Lorentzkraft F_L die Anordnung und Gestaltung der Magnete von besonderer Bedeutung, zu der dem Stand der Technik nichts entnehmbar ist.
• In der US 3 496 736 A ist eine besondere Gestaltung der Magnete für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Dicke und Querschnittsform eines Floatglasbandes offenbart. Mit Hilfe der Lorenzkraft wird die Oberflächengeometrie eines Zinnbades in gewünschter Weise geformt. Diese Form wird der Unterseite des über das Zinnbad gleitenden hochviskosen Floatglasbandes aufgeprägt. Dabei fließt im Floatglasband wegen seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit weder ein Strom noch ist in ihm eine Lorentzkraft wirksam. Die ausschließlich im Zinnbad wirkende Lorentzkraft erzeugt wegen der hohen Viskosität des keinerlei Strömung oder Bewegung im Glas.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Anordnungen und Gestaltungen des Magnets/der Magnete anzugeben, die es ermöglichen, mit geringst möglichem Aufwand in einem Fluid, insbesondere einer Glasschmelze, wirkungsvoll Magnetfelder mit hohen magnetischen Flussdichten zu erzeugen.
• Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen angegeben.
• Der Behälter kann ein Kanal, Tank, Tiegel, Speiser, Formteil oder eine Wanne sein, in denen das Fluid sich befindet bzw. strömt. Die elektrischen Leiter bestehen aus einem elektrisch gut leitenden Material, z. B. Platin, und können außerhalb oder innerhalb des Behälters, der Behälterwand benachbart angeordnet sein. Innerhalb des Fluids angeordnete elektrische Leiter haben den Vorteil, dass die in ihnen vom durchfließenden Strom erzeugte Wärme mit zur Beheizung des Fluids verwendet werden kann. Ist das Fluid ausreichend elektrisch leitfähig, so wird in ihm mittels entsprechend angeordneter Elektroden eine elektrische Stromdichte j erzeugt, die mit der von den elektrischen Leitern generierten magnetischen Flussdichte B eine zumindest annähernd nach innen bzw. außen gerichtete Lorentzkraftdichte f_L schafft.
• Besitzt das Fluid keine ausreichende elektrische Leitfähigkeit, so kann der zur Beheizung des Fluids erforderliche Strom durch die Behälterwand fließen, die dadurch aufgeheizt wird und ihre Wärme an das Fluid abgibt. In diesem Fall bildet sich in der Behälterwand parallel zu einer Längsausdehnung (Längsachse) des Behälters eine gerichtete Stromdichte j aus, die mit der von den elektrischen Leitern erzeugten, peripher gerichteten magnetischen Flussdichte B zur Schaffung einer im Wesentlichen radial gerichteten Lorentzkraftdichte f_L in der Behälterwand zusammenwirkt. Die in der Behälterwand erzeugte Lorentzkraft F_L wird an das sie berührende Fluid übertragen und führt in diesem zu Schwingungen, Wechseldruck und Läuterung.
• Von der Erfindung sollen auch sogen. Tauchsiederöfen zum Schmelzen von elektrisch schlecht leitendem Glas umfasst werden. Tauchsieder sind Metallformteile, bspw. Mäander aus Molybdän, Platin, Wolfram u. ä., die sich in einer Wanne befinden und außen und innen vom Fluid umgeben sind. Wenn dabei z. B. starre Stäbe (Hochstromleiter) als Quellen der Magnetflussdichte B von dünnen schwingungsfähigen Blechen umgeben sind, die als Heizleiter dienen und in denen bei Bestromung die Stromdichte j besteht, so entsteht auch in diesem Fall eine Lorentzkraft und damit radial gerichtete Lorentzkraftdichte f_L, die zu läuternden Schwingungen im Fluid führt. Dabei ist es von Vorteil, wenn Stäbe und Bleche (wie auch elektrische Leiter und Behälterwand bzw. Elektroden in vorgenannten Fällen) elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass derselbe Strom I zur Erzeugung der Stromdichte j und der Flussdichte B verwendet wird. Diese Reihenschaltung hat weiterhin den Vorteil, dass die Frequenzen v_j und v_B der elektrischen Stromdichte j und der magnetischen Flussdichte B gleich sind. Wenn dann die Frequenz v_f der Lorentzkraftdichte f_L so eingestellt wird, dass sie annähernd gleich der Eigenschwingungsfrequenz des Formteils oder Behälters ist, ergibt sich eine besonders günstige Wechseldrucksituation und intensive Schwingungssituation im Behälter und im Fluid.
• Die Frequenzen v_j und v_B können gleich oder unterschiedlich, konstant oder mit der Zeit variabel sein. Die hierzu erforderlichen Einstellungen werden mit Hilfe einer Steuereinrichtung bereitgestellt und vorgenommen.
• Die Elektroden können als Blockelektroden, Ringelektroden oder Plattenelektroden gestaltet sein; sie können sich an den Enden eines mit einer Längsausdehnung versehenen Behälters oder an seinen Seitenwänden befinden. Ist der Behälter ein elektrisch gut leitendes Platinrohr, so kann die elektrische Kontaktierung an seinen Enden (Anschnitte, Flansche) vorgenommen werden.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Es zeigen:
• 1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel in einem Axialschnitt, bei dem elektrische Leiter zur Erzeugung der magnetischen Flussdichte außerhalb eines Behälters angeordnet sind,
• 2 einen Schnitt entlang einer Linie G-G in 1,
• 3 eine Steuereinheit,
• 4 einen Axialschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels mit Platinzylinder und Reihenschaltung für die elektrischen Leiter und den Behälter und
• 5 eine Draufsicht zur 4.
• In den 1 und 2 ist ein Behälter 10 mit einer Längsachse X-X von stabförmigen Stromleitern 11 (z. B. gekühlten Hochstromleitungen) umgeben und mit ringförmigen Elektroden 12 versehen, die mindestens angenähert koaxial zur Längsachse X-X angeordnet sind. Im Behälter 10 befindet sich ein Fluid oder Fluidstrom 13, der im Wesentlichen parallel zur Achse X-X gerichtet ist. Die Ringelektroden 12 sind in das Rohr eingelassen und so gestaltet, dass sie noch ein Stück in das elektrisch leitfähige Fluid 13 hineinragen. Zwischen ihnen besteht eine elektrische Spannung U, die im Prozess eine elektrische Stromdichte j erzeugt. Jeder der stabförmigen Stromleiter 11 wird von einem Strom I durchflossen und erzeugt um sich herum eine magnetische Flussdichte B'. Die Resultierende der Flussdichten B' im Behälter 10 ist die zur Zeichenebene der 1 parallele Flussdichte B deren Frequenz v_B ist und die rechtwinklig zur Stromdichte j gerichtet ist. Die Frequenz v_j der Stromdichte j ist verschieden von der Frequenz v_B der magnetischen Flussdichte B. In 1 ist die resultierende magnetische Flussdichte B links durch einen Kreis mit Kreuz und rechts durch einen Kreis mit Punkt bezeichnet. Damit soll zum Ausdruck kommen, dass die resultierende Flussdichte B peripher gerichtet ist und auf der linken Seite der 1 in die Zeichenebene hineinzeigt und auf der rechten Seite der 1 aus der Zeichenebene herauszeigt. Analoges gilt auch für nachfolgende Figuren.
• Die elektrische Stromdichte j zeigt in 2 senkrecht in die Zeichenebene hinein und ist durch ein Kreuz mit umschriebenem Kreis dargestellt. Stromdichte j und Flussdichte B erzeugen gemäß der Rechte-Hand-Regel eine Lorentzkraftdichte f_L, die rechtwinklig zu j und B und zur Achse X-X gerichtet und bestrebt ist, das Fluid 13 einzuengen.
• Wird bspw. die Phasenlage der elektrischen Stromdichte j bezüglich der Phasenlage der magnetischen Flussdichte B von 0° auf 180° geändert, so kehrt sich die Richtung der Lorenzkraftdichte f_L in den 1 und 2 um. Sie wirkt nunmehr radial nach außen. Ist die Frequenz v_B der magnetischen Flussdichte B verschieden von der Frequenz v_j der elektrischen Stromdichte j, so entstehen abwechselnd Zeitabschnitte mit nach innen und Zeitabschnitte mit nach außen gerichteter Lorentzkraftdichte f_L. Es entsteht eine pulsierende Drucksituation im Fluid. Für die Lorentzkraftdichte f_L gilt die mathematische Beziehung f_L = j × B × sinα, wobei α der Winkel zwischen j und B ist.
• In 3 ist ein Frequenzgenerator 14 einerseits mit einer Eingabeeinheit 15 und andererseits mit einer Wandler-Verstärker-Einheit 16 verbunden, deren Signale den Elektroden 17 und Magneten 18 zugeführt werden, die an einem Fluidbebälter 19 anliegen. Ein Netzteil 20 stellt die erforderliche elektrische Leistung bereit.
• Mit Hilfe der Eingabeeinheit 15 werden Werte für die Ströme bzw. Spannungen U₁, U₂, Frequenzen v₁, v₂ und Phasenwinkel φ₁, φ₂ in den Frequenzgenerator 14 eingegeben, der daraus entsprechende Spannungs- bzw. Strom-Zeit-Verläufe für die elektrische Stromdichte j und die magnetische Flussdichte B ermittelt, diese über die Wandler-Verstärker-Einheit 16 generiert und an die Elektroden 17 und Magnete 18 weiter gibt und so deren Ströme I und Frequenzen v im Prozess beeinflusst bzw. steuert.
• Mit Hilfe der zu 3 erläuterten Steuereinheit ist es möglich die zu den 1, 2 sowie 4, 5 beschriebenen Vorrichtungen zu steuern.
• In den 4 und 5 ist ein rohrförmiger Behälter 21 mit einer Längsachse X-X dargestellt, in welchem sich ein Fluid 22 mit geringer elektrischer Leitfähigkeit befindet. Außerhalb des Behälters 21 sind vier mit nicht erkennbaren (verdeckten) Innenkühlungen versehene stabförmige elektrische Leiter 23, 24, 25, 26 dem Behälter 21 unmittelbar benachbart, wenigstens angenähert parallel zur Achse X-X angeordnet. Der Behälter 21 besteht aus einem elektrisch gut leitenden Material (Platin) und ist zusammen mit den stabförmigen elektrischen Leitern 23 bis 26 seriell an eine Spannungs- bzw. Stromquelle U angeschlossen. Dabei werden die Leiter 23 und 25 von einem Strom I durchflossen, der in den 4 und 5 abwärts gerichtet ist, während die Stromrichtung in den Leitern 24 und 26 aufwärts gerichtet ist.
• Demzufolge ist die von den Leitern 23, 25 erzeugte magnetische Flussdichte B peripher im Behälter 21 gegen den Uhrzeigersinn und die von den Leitern 24, 26 erzeugte magnetische Flussdichte B peripher im Behälter im Uhrzeigesinn gerichtet. Die Stromdichte j ist in der Wand des Behälters 21 etwa parallel zur Achse X-X nach unten gerichtet.
• Stromdichte j und Flussdichte B erzeugen Lorentzkraftdichten f_L, wie sie in 5 angegeben sind. Sie sind bestrebt, den rohrförmigen Behälter 21 in der Breitenrichtung zu dehnen und in der Höhenrichtung zu pressen.
• Da die Anordnung mit Wechselstrom betrieben wird, wechseln auch die Dehn- und Pressrichtungen ständig. Dadurch gerät der Behälter 21 in Schwingungen, die auf das Fluid 22 übertragen werden und homogenisierend und läuternd auf dieses einwirken. Diese Einwirkung ist dann besonders günstig, wenn die Frequenz der erzeugten Lorentzkraftdichten gleich der Eigenschwingungsfrequenz des Behälters 21 ist.
• Die Erfindung ist nicht an die dargestellten Ausführungsbeispiele gebunden. Sie ist hinsichtlich der Anzahl, Gestaltung und Anordnung der Elektroden und elektrischen Leiter vielfältig variierbar. Ebenso können durch die Kombination von Merkmalen aus den Ausführungsbeispielen neue erfindungsgemäße Ausführungsformen entstehen. Schließlich können alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
• Bezugszeichenliste

10, 21

Behälter

11,

Stromleiter

12, 17

Elektroden

13, 22

Fluid, Fluidstrom

14

Frequenzgenerator

15

Eingabeeinheit

16

Wandler-Verstärker-Einheit

18

Magnete

19

Fluidbehälter

20

Netzteil

23, 24, 25, 26

elektrische Leiter

B

magnetische Flussdichte

f_L

Lorentzkraftdichte

j

elektrische Stromdichte

I

(Wechsel-)Strom

U

Spannungs-, Stromquelle

X-X

Längsachse

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Bewegungen in einem Fluid in Form von Glasschmelzen mit Hilfe der Lorentzkraft, wobei die Lorentzkraft von einer Stromdichte j und einer magnetischen Flussdichte B erzeugt wird und sich das Fluid in einem Behälter befindet, mit dem das Fluid beheizende Elektroden zur Erzeugung der Stromdichte j in Verbindung stehen sowie dem im Bereich der Stromdichte j zur Erzeugung der Flussdichte B mindestens ein Magnet zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete als stab-, rohr- oder kanalförmige elektrische Leiter ausgebildet und in paralleler Richtung zu einer Längsausdehnung des Behälters angeordnet sind und das Fluid durch die Lorenzkraft bewegbar und/oder einer pulsierenden Drucksituation aussetzbar ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter außerhalb des Behälters nahe der Behälterwand angeordnet sind.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter im Behälter angeordnet sind.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter einzeln geschaltet und angesteuert werden.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die elektrischen Leiter miteinander geschaltet und angesteuert werden.
6. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche zur Erzeugung von Bewegungen und/oder einer pulsierenden Drucksituation in Glasschmelzen mit Hilfe der Lorentzkraft zur Mischung, Homogenisierung, Läuterung und Beschleunigung chemischer Reaktionen sowie physikalischer Prozesse in Glasschmelzen.

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