DE102008013669A1

DE102008013669A1 - Verfahren und Vorrichtung zum raschen Abkühlen von Glasröhren

Info

Publication number: DE102008013669A1
Application number: DE200810013669
Authority: DE
Inventors: Diether Böttger; Sonja NOWAK-BÖTTGER
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2009-09-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum raschen und gleichmäßigen Abkühlen eines aus einer Glasschmelze endlos gezogenen Glasrohres durch Wäremaustausch mittels einer im Bereich der Zwiebel konzentrisch angeordneten ringförmigen Sondenkühlkammer, deren Wände aus feuerfestem Material mit einer Emission bzw. Absorption von wenigstens 65% bestehen, wobei in der Sondenkühlkammer zahlreiche mit einem Kühlmedium beaufschlagte Kühlsonden vorgesehen sind, um die gewünschte Abkühlung des Glasrohres zu erreichen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum raschen und gleichmäßigen Abkühlen eines aus einer vorbehandelten Glasschmelze endlos gezogenen Glasrohres, bis zu dessen formhaltigen Verfestigung, durch Wärmeaustausch mittels einer im Bereich der Zwiebel konzentrisch angeordneten ringförmigen Sondenkühlkammer, die aus einem Wandmaterial mit einer Emission bzw. Absorption von wenigstens 65% besteht und gegen die, dem Glasrohr bzw. der Zwiebel abgewandten Außenlängswand, wenigsten eine oder eine Vielzahl von über dem Umfang verteilten, unabhängig voneinander, einzeln durch ein Ventil kontrollierbaren und mit einem Kühlmedium beaufschlagten Kühlsonden, angeordnet sind, die mit einer inneren Zufuhrleitung und einer äußeren Rückleitung versehen sind.
Stand der Technik
Bei der Herstellung von Glasröhren sind das Vello-, das Down-Draw- und das Dannerverfahren bekannt. Beim klassischen Sanzches-Vello-Verfahren ( US 2,009,793 ) wird eine vorbehandelte Glasschmelze im horizontalen (Vello-Verfahren) aber auch im vertikalen Verfahren (Down-Draw-Verfahren) zu Glasröhren bzw. Glaszylindern verarbeitet. Das Glas tritt aus einer am Boden des Speiserkopfes befindlichen Düse aus und bildet mit dem konischen Teil der Dosier-Ziehnadel das gewünschte Glasrohr. Es wird dann mittels einer Ziehmaschine horizontal bzw. vertikal nach unten gezogen. Während des Ziehvorganges wird das Glasrohr erheblich gestreckt. Diese Streckung ist umso größer, je höher die Ziehgeschwindigkeit ist. Die schrofffeste Dickenänderung des sich bildenden Rohres erfolgt unmittelbar am Kopf der Dosier-Ziehnadel bzw. der Pfeife beim Dannerverfahren. Diese Stelle wird als Zwiebel bezeichnet. Beim Dannerverfahren läuft das durch eine Düse genau dosierte Glas auf eine etwa 12° geneigte, rotierende und durch eine in der Länge nach durchbohrte Pfeife. Zur Temperaturregelung ist die Pfeife von einer beheizten Muffel umgeben. Eine Ziehmaschine zieht das Glas über die mit Rollen bestückte Ziehbahn, an deren Ende die Rohre auf die gewünschte Länge geschnitten werden.
Aus dem Stand der Technik sind Kühlvorrichtungen für Glasröhren bekannt. In der DE 10 2008 006 015 wird eine Vorrichtung zum Einblasen von Kühlluft in ein Kastenprofil oder segmentweise Anordnung von Wasserkühlung und/oder elektrischer Heizung für große Rohrabmessungen hingewiesen. Als Nachteilig erweist sich, bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlkammern, die Gefahr ungleichmäßiger Kühlung durch unterschiedliche Wasser- bzw. Lufttemperaturen am Einlass bzw. am Auslassende des Kühlgehäuses, wobei dann der für eine rasche, formhaltige Verfestigung erforderlichen Kühlgeschwindigkeit Grenzen gesetzt sind. Infolge der Temperaturunterschiede weisen die frisch aus einer Glasschmelze gezogenen Glasröhren Viskositätsunterschiede auf, welche das Ziehen einwandfreier Glasröhren unmöglich macht. Auch sind Heizmuffeln, wie in der DE 10 2005 023 582 oder in der DE 100 16 108 dargestellt, bei der Herstellung von großen Rohrdurchmessern und hohen Rohrwandstärken eher hinderlich, da diese nicht für eine rasche und gleichmäßige Abkühlung des frisch gezogenen Rohres sorgen. Diese Heizmuffeln sind aber durchaus sinnvoll, wenn das Glasrohr bereits formstabil ist.
Aufgabenstellung
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Kühlvorrichtung für die Glasröhren-Produktion zu schaffen, die eine möglichst gleichmäßige Einwirkung auf das aus der Glasschmelze gezogene Glasrohr im Bereich der Zwiebel gestattet. Auf diese Weise soll die Viskosität des Glases beeinflusst werden, um das Glas in einer einheitlichen Wandstärke zu ziehen. Besonders bei der Herstellung von Glasröhren mit einem Durchmesser über 200 mm und hohen Wandstärken von bis zu 12 mm stellt die Abkühlung des Glases bei hohen Ziehgeschwindigkeiten ein Problem dar. Einerseits soll die Ziehgeschwindigkeit groß sein, um der Entglasung entgegenzuwirken, andererseits bereitet die Abkühlung dann Probleme. Deshalb ist es von besonderer Bedeutung, dass ein Wärmeabsorber so gleichmäßig und einwandfrei wie möglich arbeitet, wenn Glasrohre unter Kontrolle bis zu ihrer Formhaltigkeit gekühlt werden sollen, da sonst die Abkühlung nicht einwandfrei kontrolliert bzw. mit maximaler Wirksamkeit ausgenutzt werden kann. Um eine gleichmäßige Wirkung von Wärmetauschern zu gewährleisten, muss das Strahlungsfeld weitgehend homogenisiert und überdies müssen auch nach Möglichkeit die Eigenschaften eines schwarzen Körpers realisiert sein.
Die Aufgabe wird bei der Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass aus einer vorbehandelten Glasschmelze nach dem Vello-, Down-Draw- oder Danner-Verfahren gezogenen Glasröhren durch Wärmeaustausch mittels einer konzentrisch angeordneten ringförmigen Sondenkühlkammer, die eine hohe Emission und eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und gegen die, dem Glasrohr bzw. der Zwiebel abgewandten Außenlängswand, wenigstens eine oder eine Vielzahl von über dem Umfang der ringförmigen Sondenkühlkammer verteilten, unabhängig voneinander einzeln durch eine Ventil kontrollierbaren mit einem Kühlmedium beaufschlagten Kühlsonden angeordnet sind, die mit einer inneren offenen Zufuhrleitung, ausgehend von einer Sammelleitung und einer äußeren Rückleitung, die mit einer Abschlussplatte verschlossen ist und in der sich mehrere Einlassöffnungen für das Kühlmedium befinden, versehen sind. Durch den Kühlmittelstrom wird die dem Glasrohr bzw. der Zwiebel zugewandte Längswand gekühlt und dadurch dem Glasrohr Wärme entzogen. Als Kühlmedium werden bevorzugt Luft, Stickstoff, Argon, oder Dampf verwendet.
Bevorzugt besteht die zugewandte Längswand bzw. die Längswände der Sondenkühlkammer, die in einem bemessenen Abstand zum Glasrohr/Zwiebel stehen, aus einem Material hoher Emissivität, so dass die von dem Glasrohr abstrahlende Wärme gut absorbiert wird. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials ist ausschlaggebend, so dass die absorbierte Wärmeenergie rasch auf die dem Glasrohr zugewandte Innenlängswand der Sondenkühlkammer geleitet, vom Kühlmedium aufgenommen und durch die Rückleitung zur Atmosphäre hin transportiert wird.
Als Ausgangsmaterial für das feuerfeste Wandmaterial der ringförmigen und mit einem Ringraumquerschnitt bemessenen Sondenkühlkammer ist das feinkörnige, porenfreie und gasdichte Siliciumcarbid (SiC) ein idealer Werkstoff. Aus Koks und Sand entsteht bei Temperaturen zwischen 2.000 und 2.500°C Siliciumcarbid nach der Reaktion SiO2 + 3C > SiC + 2CO. Die Hochtemperaturbeständigkeit (> 1.500°C) des Materials SiC in Kombination mit hoher thermischer Leitfähigkeit (> 100 W/mK) und ausgezeichneter Thermoschockbeständigkeit, sowie einem hohen Elastizitätsmodul, ermöglicht den Einsatz in Wärmetauschern der hier beschriebenen Art.
Durch Verwendung eines Materials hoher Emissivität von wenigstens 65% (0,65), vorzugsweise größer 80 bis 98% (0,8–0,98), erreicht man eine konstante Strahlungsabsorption und eine gleichmäßige Temperaturverteilung. Grundsätzlich gilt, dass das Emissionsvermögen eines gegenüber seiner Umgebung wärmeren Körpers dem Absorptionsvermögen desselben gegenüber seiner Umgebung kälteren Körpers entspricht. Besondere Bedeutung hat auch die Wärmeausdehnung des bevorzugten SiC Materials, weil dadurch sehr stark die Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) beeinflusst wird, die dem Ausdehnungskoeffizient umgekehrt proportional ist, das heißt, je geringer der Ausdehnungskoeffizient, desto besser ist die TWB. Des Weiteren ist die geringe Wärmeausdehnung des SiC Materials von Vorteil, da die dem Glasohr bzw. der Zwiebel zugewandte Längswand beim Aufheizen und Abkühlen erheblichen Temperaturschwankungen unterworfen ist.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das feuerfeste Wandmaterial der Sondenkühlkammer grundsätzlich mit einer glatten und/oder einer rauen Oberfläche, abschnittweise auch mit einem spitzen Winkel versehen wird. Bei einer rauen bzw. matten Oberfläche stellt sich eine diffuse Reflexion ein, die in besonderen Fällen angestrebt ist, um die vom Glasrohr bzw. der Zwiebel abgestrahlte Wärme gut zu absorbieren. Alternativ können auch Siliciumcarbid-Verbindungen wie z. B. SiC-ZrB₂, SSiC, SiSiC oder Borcarbid (B₄C) als Wandmaterial für die ringförmige Sondenkühlkammer verwendet werden.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher insbesondere einer Sondenkühlkammer mehrere untereinander angeordnete Sondenkühlkammern, die durch Scheidewände voneinander getrennten sind, zugeordnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Sondenkühlkammern parallel zu schalten, um die günstigste Ausnutzung der Kühlelemente zu erreichen.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zur Kühlung des Glasrohres bzw. der Zwiebel benötigte konzentrisch angeordnete Sondenkühlkammer oder Sondenkühlkammern in der Höhenrichtung, durch Heben oder Senken gegen den Düsenring, von außen zu regulieren.
In einer bevorzugten Form der Erfindung besteht die Kühlvorrichtung aus einer Sondenkühlkammer oder mehreren Sondenkühlkammern und einer dahinter konzentrisch angeordneten ringförmigen Kammer, die durch eine Längswand getrennt sind. Die hinter der Sondenkühlkammer liegende Kühlkammer kann von einem Kühlmedium, z. B. Wasser durchströmt werden, dass infolge der guten Wärmeleitfähigkeit der Wände eine gute Kühlung, der dem Glasrohr zugewandten Längswand der ringförmigen Sondenkühlkammer, gestattet.
Ausführungsbeispiel
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der dazugehörigen Figuren deutlich.
1 zeigt im senkrechten Schnitt einen Glasrohrformkörper einer Vello Dosier-Ziehnadel mit der erfindungsgemäßen Sondenkühlkammer.
2 zeigt einen horizontalen Schnitt durch die Sondenkühlkammer.
3 zeigt einen Schnitt durch eine Danner-Ziehmuffel mit der erfindungsgemäßen Sondenkühlkammer.
In 1 erkennt man im senkrechten Schnitt den unteren Teil eine Glasrohr-Ziehzelle 2 mit Glasschmelze 1. Die Glasschmelze durchfließt den Konus der Glasrohr-Ziehzelle 2 in vertikaler Richtung von oben nach unten. Die Glasrohr-Ziehzelle besitzt am Boden eine Öffnung und wird durch eine elektrisch beheizte Düse 4 begrenzt, aus der die Glasschmelze 1 austritt und mittels des Glasrohrformkörpers 3, der den Abschluss einer nicht dargestellten Edelmetall ummantelten Dosier-Ziehnadel bildet, zu einem Glasrohr 5 geformt wird. Der Glasrohrformkörper ist mit einer zentrisch angeordneten hohlen Spitze ausgeführt. Die Spitze kann jede erdenkliche geometrische Form aufweisen, besonders bevorzugt sind zylindrische (a), prismatische (b) oder auch mit einem Radius (c) versehene Spitzen.
Nach dem Austritt der Glasschmelze 1 aus der Düse 4 ist gemäß der Erfindung eine zum Glasrohrformkörper 3 konzentrisch angeordnete Sondenkühlkammer 6 aus einem Material hoher Emissivität, in einem Abstand von 5 bis 300 mm, vorzugsweise 15 bis 150 mm angeordnet, um dem Glas, das über den konischen Formkörper 3 fließt und zu einem Glasrohr geformt wird, Wärme zu entziehen.
Die ringförmige Sondenkühlkammer 6, in ihrer einfachsten Ausführung, besteht aus einer Kammer, der zugewandten Längswand 7, der zugewandten Innenlängswand 8, der abgewandten Außenlängswand 9 und den Scheidewänden 10. Gegen die dem Glasrohr 5 bzw. der Zwiebel abgewandten Außenlängswand 9 der Sondenkühlkammer sind wenigstens eine oder eine Vielzahl von über dem Umfang verteilten, unabhängig voneinander einzeln durch eine Ventil 12 kontrollierbaren mit einem Kühlmedium beaufschlagte Kühlsonden 11 angeordnet, die mit einer inneren offenen Zufuhrleitung 13, ausgehend von einer Sammelleitung 14 und einer äußere Rückleitung 15, die mit einer Abschlussplatte 16 versehen ist, in der sich mehrere für ein Kühlmedium (Luft, Stickstoff, Argon, oder Dampf) bestimmte Einlassöffnungen befinden, wobei die Rückleitung 15 mit einem zur Atmosphäre freien Auslass ausgeführt ist. Es versteht sich von selbst, dass insbesondere einer Sondenkühlkammer 6 mehrere untereinander angeordnete und durch Scheidewände 10 voneinander getrennte Sondenkühlkammern zugeordnet werden können, was die Kühlwirkung bei Parallelschaltung verstärken würde.
Weiterhin ist in 1 auf der rechten Seite in einem Teilausschnitt zu erkennen, dass der ringförmigen Sondenkühlkammer 6 eine weitere ringförmige Kühlkammer 17 zugeordnet ist. Diese Kühlkammer 17 kann von einem Kühlmedium (z. B. Wasser) durchströmt und gekühlt werden. Bedingt durch die Wärmeleitfähigkeit des SiC Materials, wird somit auch die Kühlung der dem Glasrohr abgewandten Außenlängswand 9 und der dem Glasrohr zugewandten Längswand 7, welche der Strahlung des Glasrohres ausgesetzt ist, gewährleistet. Zu diesem Zweck kann diese Kühlkammer 17 vorzugsweise aus einem die Wärme gut leitendem Material hergestellt sein, wie z. B. Kupfer.
Durch eine einfache nicht dargestellte Hebevorrichtung kann die beschriebene Sondenkühlkammer 6 als auch die Kühlkammer 17, wenn diese installiert ist, von außen durch Heben oder Senken in der Höhenrichtung gegen den Düsenring 4 reguliert werden.
In machen Fällen ist es sinnvoll, unterhalb der Sondenkühlkammer 6 ein oder mehrere über den Umfang verteilte Heizelemente zuzuordnen, wie in der 1 dargestellt. Die Heizelemente, die vorzugsweise in Form einer Reihe von einzelnen elektrischen Widerstandsspulen angeordnet sind, erstrecken sich kreis- bzw. ringförmig über den Umfang. Um Zugluft von außen zu unterbinden ist die gesamte Einheit unterhalb der Heizelemente durch eine Irisblende verschließbar.
2 zeigt einen horizontalen Schnitt durch die Sondenkühlkammer 6, hier mit zahlreichen Kühlsonden 11, die über den Umfang verteilt sind, dargestellt. Wobei die Kühlkammer 17 nicht dargestellt ist. Wie leicht zu erkennen, wird die Wärme von dem frisch gezogenem Glasrohr 5 in erster Linie durch Wärmestrahlung auf die zugewandte Längswand 7 und dann durch Wärmeleitung auf die zugewandte Innenlängswand 8 der Sondenkühlkammer 6 übertragen. Das sich in der Sondenkühlkammer 6 befindliche Kühlmedium erwärmt sich und wird durch die Einlassöffnungen, die in der Abschlussplatte 16 vorgesehen sind, in der Rückleitung 15, mit zur Atmosphäre freiem Auslass, transportiert.
3 zeigt eine Danner-Ziehmuffel zur Herstellung von Glasröhren 5, ausgehend von einer Düse 4 durch die, die Glasschmelze 1 dosier wird, der dann eine Danner Pfeife 18 und die erfindungsgemäße Sondenkühlkammer 6 folgt.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellung mit anderen, der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.

1: Glasschmelze
2: Glasrohr-Ziehzelle
3: Glasrohrformkörper
4: Düsenring, Düse
5: Glasrohr
6: Ringförmige Sondenkühlkammer, Wärmetauscher, Wärmeabsorber
7: Zugewandte Längswand
8: Zugewandte Innenlängswand
9: Abgewandte Außenlängswand
10: Scheidewand
11: Kühlsonde
12: Ventil
13: Innere Zufuhrleitung
14: Sammelleitung
15: Rückleitung
16: Abschlussplatte mit Einlassöffnungen
17: Ringförmige Kühlkammer
18: Danner Pfeife

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2009793 [0002]
- DE 102008006015 [0003]
- DE 102005023582 [0003]
- DE 10016108 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Glasröhren durch horizontales oder vertikales Ziehen, bei welchem eine Glasschmelze (1) über einen Düsenring (4) auf eine Zieheinrichtung (3, 18) überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von dem sich bildenden Glasrohr (5), im Bereich der Zwiebel, durch eine ringförmige Sondenkammer (6), Wärme entzogen wird, um die Temperatur in diesem Bereich zu reduzieren und damit die Viskosität zu erhöhen, wodurch an der Zwiebel des Glasrohres (5) eine Formstabilität erreicht wird.
Vorrichtung zum raschen und gleichmäßigen Abkühlen eines endlos aus einer vorbehandelten Glasschmelze (1) nach dem Vello-, Down-Draw- oder Danner-Verfahren gezogenen Glasrohres (5), durch Wärmeaustausch mittels einer im Bereich der Zwiebel konzentrisch angeordneten ringförmigen Sondenkühlkammer (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Wandmaterial, der mit einem Ringraumquerschnitt bemessenen Sondenkühlkammer, aus feuerfesten Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizient, einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einem hohem Elastizitätsmodul und einer Emission bzw. Absorption von wenigstens 65% (0,65), vorzugsweise größer 80 bis 98% (0,8–0,98) besteht, gegen die, dem Glasrohr (5) bzw. der Zwiebel abgewandten Außenlängswand (9), wenigstens eine oder mehrere von über dem Umfang der ringförmigen Sondenkühlkammer (6) verteilten, unabhängig voneinander einzeln durch eine Ventil (12) kontrollierbaren mit einem Kühlmedium beaufschlagte Kühlsonden (11) angeordnet sind, die mit einer inneren offenen Zufuhrleitung (13), ausgehend von einer Sammelleitung (14) und einer äußere Rückleitung (15), die mit einer Abschlussplatte (16) versehen ist, in der sich mehrere für das Kühlmedium bestimmte Einlassöffnungen befinden, wobei die Rückleitung (15) mit zur Atmosphäre freiem Auslass ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenkühlkammern (6) einen kreis- oder ringförmigen Querschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere einer Sondenkühlkammer (6) mehrere untereinander angeordneten und durch Scheidewände (10) voneinander getrennten Sondenkühlkammern zugeordnet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigsten eine der zur Kühlung benötigten ringförmigen Sondenkühlkammern (6) oder Kühlkammer (17) von außen durch Heben oder Senken gegen den Düsenring (4) reguliert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Luft, Wasser, Stickstoff, Dampf, Argon als Kühlmedium verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Sondenkühlkammer (6) aus einem feuerfesten Wandmaterial, wie Siliciumcarbid (SiC) oder auch aus Siliciumcarbid-Verbindungen, wie SiC-ZrB₂, SSiC, SiSiC oder Borcarbid (B₄C) besteht.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das feuerfeste Wandmaterial der Sondenkühlkammer (6) mit einer glatten und/oder einer rauen oder matten Oberfläche und/oder auch mit einer geometrischen Form, wie z. B. mit einem spitzen Winkel, versehen ist.