DE102010017731A1

DE102010017731A1 - Verfahren zur Herstellung von Glasrohren mit zumindest einem Rohrendabschnitt reduzierter Spannung

Info

Publication number: DE102010017731A1
Application number: DE102010017731A
Authority: DE
Inventors: Reiner Bartsch; Jens Dr. Ahrens; Markus Pappenberger; Roland Fuchs
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2030-07-06
Also published as: DE102010017731B4; US20110005275A1; US8474285B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Glasrohrs mit zumindest einem Rohrendabschnitt mit einer reduzierten mechanischen Spannung, insbesondere zur Verwendung in einer Glas-Metall-Verbindung.
Bei dem Verfahren wird ein Glasrohrstrang aus einer Glasrohrherstellungsanlage abgezogen und das Glasrohr von dem Glasrohrstrang abgetrennt. Dabei wird das noch erhitzte Glasrohr vor seiner vollständigen Abkühlung an dem zumindest einen Rohrendabschnitt einer gezielten lokalen Wärmebehandlung unterzogen wird, der nicht das gesamte Glasrohr sondern nur der Bereich des jeweiligen Rohrendabschnittes unterzogen wird, um die mechanischen Spannungen an dem jeweiligen Rohrendabschnitt zu reduzieren. Insbesondere erfolgt die Wärmebehandlung so, dass die mechanische Zugspannung im Bereich von 7 mm bis 20 mm von dem jeweiligen Rohrende entfernt auf unterhalb von 6,0 MPa, bevorzugter auf unterhalb von 4,5 MPa reduziert ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die innere Priorität der Deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2009 032 684 „Verfahren zur Herstellung von Glasrohren mit zumindest einem Rohrendabschnitt reduzierter Spannung”, angemeldet am 9. Juli 2009, deren gesamter Inhalt hiermit im Wege der Bezugnahme ausdrücklich mit beinhaltet sei.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Verbesserung der Bruchfestigkeit von Enden von Glasrohren gegenüber mechanischen oder thermischen Belastungen, die beispielsweise bei der Weiterverarbeitung der jeweiligen Rohrenden auftreten können, und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Glasrohren mit reduzierter mechanischer Spannung an zumindest einem Rohrende, bevorzugt an beiden Rohrenden, wobei gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung auch ein vorbestimmtes mechanisches Spannungsprofil an zumindest einem Rohrendabschnitt ausgebildet sein soll.
Hintergrund der Erfindung
Industriell hergestellte Glasrohre haben nach dem Abschneiden bzw. Ablängen von einem Glasrohrstrang im Bereich der Rohrenden und nach dem Verwärmen der Rohrenden einen spezifischen Spannungsverlauf, wie dieser beispielhaft in der 1a dargestellt ist. Dieser Spannungsverlauf ist bedingt durch das angewendete Schneidverfahren und durch das anschließende Verschmelzen der Rohrenden induziert. Das hier beschriebene Rohrende liegt beispielhaft im Bereich zwischen 0 und 50 mm zum jeweiligen Rohrende entfernt.
Wird ein solches Rohrende direkt und ohne entsprechende Nachbehandlung in einer Glas-Metall-Verbindung eingesetzt, kommt es wegen des starken Gradienten zwischen Zugspannung und Druckspannung am Rohrende nach der thermischen Bearbeitung, z. B. bei der Erwärmung mit Glaslot, während des Abkühlvorgangs zum Absprengen durch Spannungsinduktion (auch als sog. „Abringeln” des Rohrendes bezeichnet). Dies führt zur völligen Zerstörung einer Glas-Metall-Verbindung, wie diese beispielhaft in der 3b dargestellt ist und nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
Um Glasrohre dennoch für Glas-Metall-Verbindungen einsetzen zu können, wird gemäß dem Stand der Technik das gesamte Glasrohr einer sog. Feinkühlung unterzogen. Zu diesem Zweck durchläuft das gesamte Glasrohr nach dem Abschneiden vom Glasstrang und Abkühlen auf Raumtemperatur einen gesonderten Ofen, in welchem das gesamte Glasrohr einer kontrollierten Wärmbehandlung, d. h. einer vorbestimmten Wärmebehandlung mit genau definierter Aufheiz- und Abkühlkurve, unterzogen wird. Die 1b zeigt den mechanischen Spannungsverlauf an einem Rohrende eines solchen Glasrohrs, das herkömmlich einer Feinkühlung unterzogen wurde. Im Bereich der Pfeile, wie durch die Bezugszeichen A und B angedeutet, kommt es aufgrund der Feinkühlung zu einer deutlichen Reduzierung der mechanischen Druckspannung (im Bereich A) bzw. mechanischen Zugspannung (im Bereich B).
Für jeden Glastyp gibt es angepasste Kühlkurven, die eine Reduzierung der Spannung bewirken sollen. Die allgemeine Lehrmeinung besagt, dass für die Entspannung von Glas mindestens eine Zeit von 15 min zwischen oberem Kühlpunkt (upper strain point) bei einer Viskosität η = 10^13,5 Pa·s und unterem Kühlpunkt (lower strain point) bei einer Viskosität η = 10¹² Pa·s benötigt wird, um die Spannung so weit zu reduzieren, dass ein gefahrloses (bruchsicheres) Verarbeiten des Glases möglich ist. Anschließend muss die Temperatur des Glasstückes mit 2°C/min vom oberen zum unteren Kühlpunkt durchlaufen werden Eine solche Feinkühlung von Glasrohren ist deshalb sehr zeitaufwendig, da für das Aufheizen und Abkühlen üblicherweise mehrere Stunden benötigt werden.
Ferner ist eine solche Feinkühlung sehr aufwendig, insbesondere energieaufwendig. Zum Kühlen von Glas bzw. dem Steuern der Spannungen von der Rohrmitte zum Rohrende hin wird normalerweise ein Kühlband (engl. annealing lehr) eingesetzt. Hierzu wird ein Glasstück bzw. das Glasrohr in das Kühlband eingesetzt, durchfährt eine vorbestimmte Kühlkurve und wird danach vom Band entnommen und verpackt.
Außerdem ist die Atmosphäre in üblichen zur Feinkühlung verwendeten Öfen vergleichsweise schmutzig, so dass die Glasrohre nach der Feinkühlung aufwendig gereinigt werden müssen, beispielsweise wenn diese für eine nachfolgende Anwendung beschichtet werden müssen.
Ein Ausweg, um diese Probleme zu beheben, besteht darin, die jeweiligen Rohrendabschnitte nach der vollständigen Abkühlung auf Raumtemperatur abzuschneiden und zu verwerfen. Dies reduziert jedoch die Effizienz und erhöht die Kosten bei der Glasrohrherstellung.
US 2166871 A offenbart ein Verfahren, bei dem kontinuierlich ein Glasposten wärmeweich von einem Glasrohrstrang abgetrennt und anschließend verformt wird. Hierzu sind Viskositäten bzw. Temperaturen um den Working Point bei einer Viskosität η = 10⁴ Pa·s erforderlich. Der so produzierte Glasposten wird anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, die nicht näher beschrieben ist.
GB 826270 A offenbart ein Verfahren zum Abrennen von Glasrohren, das vornehmlich zum Trennen von großen Glasrohrdurchmessern eingesetzt wird. Das Glasrohr wird nach dem lokalen Erwärmen mit Brennern durch das Anlegen einer sehr hohen elektrischen Spannung bis zum Abschmelzen erhitzt. Wegen dieser sehr schnellen lokalen Übererhitzung muss das abgetrennte Glasrohr unmittelbar nach dem Abtrennen verwärmt werden, um Spannungsrisse („Einläufer”) induziert durch den hohen Temperaturunterschied zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird das noch erhitzte Glasrohr auf ein Fördermittel abgelegt, welches das Glasrohr an seitlich vorgesehen Heizeinrichtungen vorbeibewegt. Dabei wird jedoch kein Erwärmungsbereich mit einem vorbestimmten Temperaturprofil durchlaufen, der sich in Längsrichtung des Glasrohrs erstreckt und in welchem die Temperatur des Glasrohrs gezielt in Abhängigkeit von einem Abstand zu dem jeweiligen Rohrende lokal erhöht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und effizientes Verfahren zur Herstellung von Glasrohren bereitzustellen, mit dem Glasrohre mit reduzierter mechanischer Spannung an zumindest einem Rohrende hergestellt werden können. Gemäß einem weiteren bevorzugten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung soll an zumindest einem Ende eines Glasrohrs ein vorbestimmtes mechanisches Spannungsprofil mit insgesamt reduzierter mechanischer Spannung induziert werden.
Diese Aufgabe werden gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. 20. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Bei einem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird das Glasrohr mit einer vorbestimmten Länge von dem Glasrohrstrang in einem noch erwärmten Zustand, üblicherweise bei vergleichsweise hoher Temperatur, abgelängt und anschließend durch einen Bereich transportiert, der sich in Längsrichtung des Glasrohrs erstreckt und in welchem zumindest ein Rohrendabschnitt, bevorzugt beide Rohrendabschnitte, jedoch nicht das gesamte Glasrohr einer gezielten lokalen Wärmebehandlung unterzogen werden, die so gewählt ist, dass die mechanischen Spannungen an dem jeweiligen Rohrendabschnitt geeignet, insbesondere in Anpassung an die jeweils gewünschte Anwendung reduziert werden können. Diese lokale Wärmebehandlung, die sich erfindungsgemäß bevorzugt nur und ausschließlich auf den Bereich des Transformationsgebietes (Glasübergangstemperatur) Tg [°C] bzw. auf Viskositäten von etwa η = 10¹³ Pa·s bis etwa η = 10^14,5 Pa·s (oberer/unterer Kühlpunkt) nach der Herstellung eines Rohres und dem Abtrennen vom Glasstrang bezieht, kann zeitlich vergleichsweise kurz erfolgen. Versuchsreihen der Erfinder haben ergeben, dass eine lokale Wärmebehandlung von nur wenigen Minuten Zeitdauer, teilweise von deutlich weniger als 2 min Zeitlänge, grundsätzlich ausreichend ist, um die mechanischen Spannungen ausreichend zu reduzieren. Ein Temperaturgradient von 2°C/min zur Abkühlung vom oberen zum unteren Kühlpunkt muss erfindungsgemäß nicht mehr eingehalten werden. Dadurch kann der Energieaufwand und der Zeitaufwand im Vergleich zu einer Feinkühlung erheblich reduziert werden.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umgeht somit die herkömmlich zwingend notwendige zeit- und kostenaufwendige Feinkühlung durch eine lokale Wärmebehandlung im Bereich des jeweiligen Rohrendes, wobei das bei der Herstellung des symmetrischen Glaskörpers (z. B. Rohr, Stab, etc.) an den Enden entstandene Spannungsprofil durch die lokale Wärmebehandlung gezielt thermisch verändert wird.
Ferner entfällt erfindungsgemäß auch zusätzlicher Aufwand für eine Zwischenlagerung von bereits erkalteten Glasrohren. Aufwendige Versuchsreihen der Erfinder haben auch ergeben, dass Verunreinigungen der Glasrohre durch die Atmosphäre in den Feinkühlöfen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erheblich reduziert werden können, so dass eine weitere aufwendige Reinigung der Rohrglasoberfläche vor einer anschließenden Weiterverwendung z. B. für Beschichtung grundsätzlich entfallen kann.
Erfindungsgemäß muss insbesondere nicht mehr das gesamte Glasrohr einer kontrollierten Kühlung mittels eines Kühlbands oder dergleichen unterzogen werden. Vielmehr ist eine gezielte lokale Wärmebehandlung nur der jeweiligen Rohrendabschnitte vollkommen ausreichend für eine Weiterverarbeitung.
Die gezielte lokale Wärmebehandlung setzt dabei bevorzugt an der Schnittstelle zwischen Zugspannung und Druckspannung oder in deren unmittelbarer Nähe an, also bei dem oder nahe dem ersten Nulldurchgang der Spannungskurve eines unbehandelten Glasrohrs gemäß der 1a, der anhand von Referenz-Glasrohren im Voraus präzise bestimmt werden kann. Hierzu werden erfindungsgemäß gerade in diesem Rohrendabschnitt mit einer vorbestimmten Ausdehnung in Längsrichtung des Glasrohrs vorbestimmte Temperaturbedingungen vorgegeben, die trotz der vergleichweise kurzen lokalen Wärmebehandlung eine geeignete Minderung von mechanischen Spannungen, also Zug- und Druckspannungen, in diesem Rohrendabschnitt bewirken können. Erfindungsgemäß braucht in den übrigen Abschnitten des Glasrohrs nicht für eine gezielte Wärmebehandlung durch Feinkühlung zur Reduzierung auftretender Restspannungen gesorgt werden, was den Energieaufwand und damit Prozeßaufwand erfindungsgemäß weiter reduziert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das abgelängte Glasrohr in einer vorbestimmten Richtung, die zu der Abzugsrichtung des Glasrohrstrangs aus der vorgeordneten Glasrohrherstellungsanlage verschieden ist, beispielsweise rechtwinkelig zu dieser verläuft, weiter transportiert, wobei der jeweilige Rohrendabschnitt zur lokalen Wärmebehandlung ein vorbestimmtes Temperaturprofil durchläuft. Dieses Temperaturprofil kann während der lokalen Wärmebehandlung in Längsrichtung des Glasrohrs örtlich und/oder zeitlich variiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das lokale Temperaturprofil an den Rohrenden, in Längsrichtung des Glasrohrs betrachtet, ein Temperaturmaximum mit einem vorbestimmten Abfall der Temperatur zu beiden Seiten eines solchen Temperaturmaximums, sodass das Temperaturprofil üblicherweise symmetrisch ist. Das resultierende Temperaturprofil am Ende der Heizstrecke ergibt sich aus der örtlichen Verschiebung der Maxima durch das Bewegen des Glasrohres entlang der Heizeinrichtung.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können, in Längsrichtung des Glasrohrs betrachtet, jedoch auch zwei oder mehrere solcher Temperaturmaxima vorgesehen sein. Ein solches Temperaturmaximum kann in einfacher Weise mittels einer Heizeinrichtung, die in der Glasrohrtransportbahn unter einem vorbestimmten Abstand zum jeweiligen Glasrohrende sowie unter einem vorbestimmten Abstand zur Oberfläche des Glasrohrs angeordnet ist, realisiert werden, beispielsweise durch einen oder mehrere längliche Gasbrenner, insbesondere einen Gasflammenbrenners, oder auch durch eine oder mehrere elektrische Widerstandsheizungen. Durch Variation der Energiezufuhr zu einer solchen Heizeinrichtung kann in einfacher Weise eine zeitliche Variation des Temperaturprofils realisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform fällt die Temperatur des Glasrohrs nach dem Ablängen von dem Glasrohrstrang bis zum Durchlaufen des vorgenannten vorbestimmten Temperaturprofils nicht unterhalb von 200° Celsius, bevorzugterweise nicht unterhalb 300° Celsius ab, wodurch der Energieaufwand zum Aufheizen der Rohrenden weiter minimiert werden kann.
Um das Temperaturprofil in Längsrichtung des Glasrohrs zeitlich zu variieren, können gemäß einer weiteren Ausführungsform mehrere Heizeinrichtungen, in Transportrichtung des Glasrohrs betrachtet, d. h. bevorzugt senkrecht oder nahezu senkrecht zur Längsrichtung des Glasrohrs, entlang einer Kurve unter vorbestimmten Abständen zueinander verteilt angeordnet sein. Dabei kann der Abstand der Kurve zum jeweiligen Rohrende in der Transportrichtung betrachtet stetig abnehmen oder alternativ gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform grundsätzlich auch zunehmen, wobei die Kurve die Glasrohrtransportrichtung an zumindest einer Stelle unter einem spitzen Winkel schneidet. Die mehreren Heizeinrichtungen sorgen für lokale Temperaturmaxima an verschiedenen Positionen in Längsrichtung des Glasrohrs betrachtet. Weil das Glasrohr während der Wärmebehandlung in einer vorbestimmten Richtung transportiert wird, durchläuft das jeweilige Temperaturmaximum somit den jeweiligen Rohrendabschnitt in Längsrichtung des Glasrohrs betrachtet stetig und es ergibt sich zusammen mit der am Anfangspunkt einsetzenden Abkühlung ein resultierendes Temperaturprofil. Somit kann das Spannungsprofil noch gezielter beeinflusst werden. Bei ausreichend hohen Temperaturen am Rohrende kann dies noch für eine Verschmelzung der Schnittkante genutzt werden (sog. Glazing).
Bevorzugt ist die Kurve dabei eine Gerade, entlang der die Heizeinrichtungen unter konstanten Abständen zueinander verteilt angeordnet sind, in welchem Fall sich das Temperaturmaximum bei konstanter Transportgeschwindigkeit mit konstanter Geschwindigkeit in Längsrichtung des Glasrohrs aufbaut. Grundsätzlich können jedoch auch unterschiedliche Abstände zwischen den einzelnen Heizeinrichtungen oder Gruppen von Heizeinrichtungen vorgesehen sein.
Die Kurve erstreckt sich dabei, in Längsrichtung des Glasrohrs betrachtet, bevorzugt über einen jeweiligen Erwärmungsbereich, in welchem die mechanischen Spannungen durch die gezielte lokale Wärmebehandlung in vorbestimmter Weise gemindert werden sollen. Wie vorstehend ausgeführt, schließt dieser Erwärmungsbereich zumindest den ersten Nulldurchgang der Spannungskurve gemäß der 1a ein, also denjenigen Bereich, in welchem sich bei einem unbehandelten Glasrohr mechanische Druck- und Zugspannungen kompensieren oder annähernd kompensieren. In diesem Bereich kann die örtliche auf dem Glasrohr erzielte Temperatur gemäß einer weiteren Ausführungsform auch die Glas-Übergangstemperatur (T_g) erreichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der jeweilige Erwärmungsbereich am zugeordneten Rohrendabschnitt gegen die Außenumgebung hin abgeschirmt, so dass äußere Einflüsse, beispielsweise Temperaturänderungen oder Luftströmungen, keinen Einfluss auf die gezielte lokale Wärmebehandlung an dem jeweiligen Rohrendabschnitt haben. Zu diesem Zweck kann der Erwärmungsbereich beispielsweise als kastenförmiger Erwärmungsbereich ausgebildet sein, der mittels geeigneter Wandungen, beispielsweise aus einem Feuerfestmaterial, gegen die Außenumgebung zu Isolationszwecken abgeschirmt ist. Bei Verwendung von einzelnen Gasbrennern oder gasbeheizten Brennerleisten sind die Heizeinrichtungen dabei zweckmäßig unterhalb des Glasrohrs angeordnet, wird also der jeweilige Rohrendabschnitt durch die von den Heizeinrichtungen aufsteigende Wärme lokal wärmebehandelt. Zweckmäßig zieht die aufsteigende Wärme aus einem solchermaßen abgeschirmten Erwärmungsbereich durch einen Abzugskamin oder dergleichen ab, der oberhalb des Glasrohrs ausgebildet ist. Dadurch kann die Wärme aus dem jeweiligen Erwärmungsbereich abgeführt werden, so dass die Temperaturbedingungen, insbesondere das Temperaturprofil, in dem jeweiligen Erwärmungsbereich auch zeitlich geeignet variiert werden können. Dabei kann der Abzugsquerschnitt auch gezielt variiert werden, beispielsweise um Zeitkonstanten zur Änderung der Temperaturbedingungen zu variieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Glasrohr zumindest im Bereich der jeweiligen Heizeinrichtung mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit, die bevorzugt konstant ist, gedreht, um eine noch gleichmäßigere lokale Wärmebehandlung über den Rohrumfang sicherzustellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verrutschen des Glasrohrs in dessen Längsrichtung beim Transport während der gezielten lokalen Wärmebehandlung verhindert, variiert also die Position des jeweiligen Rohrendes, in Längsrichtung des Glasrohrs betrachtet, nicht. So kann das Temperaturprofil noch genauer vorgegeben werden und eine Änderung von Rohr zu Rohr vermieden werden. Zu diesem Zweck kann die Transporteinrichtung zum Transportieren des Glasrohrs in der vorbestimmten Richtung über geeignete Begrenzungsmittel, beispielsweise Anschläge, verfügen oder kann eine aktive Steuerung bzw. Regelung zur Festlegung der Position des Glasrohrs vorgesehen sein.
Aufwendige Versuchsreihen der Erfinder haben insbesondere ergeben, dass eine nachträgliche Feinkühlung oder ein Abschneiden des Rohrendes nicht notwendig ist, wenn es gelingt, die Zugspannung in dem jeweiligen Rohrendabschnitt insbesondere im Bereich zwischen 7 und 20 mm beabstandet zum jeweiligen Rohrende auf unterhalb von 4,5 MPa zu reduzieren, was durch geeignete Vorgabe der Temperaturbedingungen bei der gezielten lokalen Wärmebehandlung erreicht werden kann.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird an dem jeweiligen Rohrendabschnitt ein vorbestimmtes Spannungsprofil induziert. Zu diesem Zweck wird das mechanische Spannungsprofil eines zuvor hergestellten Glasrohrs mittels einer geeigneten Messapparatur vermessen und werden die Parameter der lokalen Wärmebehandlung, insbesondere Temperaturprofil und dessen zeitliche und/oder örtliche Variation, dergestalt gezielt verändert, also gesteuert oder geregelt, dass für Glasrohre, die mit den entsprechend geänderten Temperaturbedingungen lokal wärmebehandelt werden, das gewünschte vorbestimmte mechanische Spannungsprofil erzielt werden kann.
Bevorzugt wird das nach der vorliegenden Erfindung hergestellte Glasrohr für Glas-Metall-Verbindungen eingesetzt, insbesondere solchen, bei denen ein Glaslot zur Verbindung eines Rohrendes mit einer metallischen Endkappe verwendet wird, oder auch für Anwendungen von Glasrohren in der Fotovoltaik, beispielsweise für längliche Fotovoltaikzellen, wie diese beispielhaft in der US 2007/0215195 A1 beschrieben werden, deren Inhalt im Wege der Bezugnahme zu Offenbarungszwecken ausdrücklich mit beinhaltet sei.
Figurenübersicht
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben ergeben werden. Es zeigen
1a das mechanische Spannungsprofil am Ende eines Glasrohrs nach dem Abschneiden vom Glasstrang, das mit einem herkömmlichen Herstellungsverfahren ohne anschließende Wärmebehandlung hergestellt ist;
1b das mechanische Spannungsprofil eines Glasrohrs, das gemäß dem Stand der Technik einer anschließenden Feinkühlung unterzogen wurde;
2 das Spannungsprofil eines Glasrohrs gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3a einen Glasrohrendabschnitt bei einem Glasrohr, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist;
3b eine Glas-Metall-Verbindung für das Glasrohr gemäß der 3a; und
4 in einem schematischen Blockdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren mit beispielhafter gleichzeitiger Bearbeitung der beiden Rohrenden.
In den Figuren bezeichnen identische Bezugzeichen identische oder im Wesentlichen gleich wirkende Elemente oder Elementgruppen.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Bei einem Verfahren nach der Erfindung wird das Glasrohr nach dem Ablängen von einem Glasrohrstrang in einer Nachverarbeitungslinie an dessen Enden nachträglich entspannt. Zu diesem Zweck wird eine gezielte lokale Wärmebehandlung an einem jeweiligen Glasrohrende ausgeführt. Gemäß der 4 wird von einem von einer Glasrohr-Ziehanlage 27 (beispielsweise ein Danner-Verfahren, Vello-Verfahren oder Down-Draw-Verfahren verwendend) kontinuierlich abgezogenen Glasrohrstrang 25 in der Glasrohr-Schneideanlage 28 ein Glasrohr 1 mit einer vorbestimmten Länge abgetrennt. In der nachgeordneten Nachverarbeitungslinie wird das Glasrohr 1 mittels einer Transporteinrichtung 11 in der vorbestimmten Richtung v mit konstanter oder ggfs. auch zeitlich variierender Geschwindigkeit abtransportiert, wobei die Transporteinrichtung 11so ausgelegt ist, dass die Position des Rohrendes in Längsrichtung des Glasrohrs 1 betrachten, nicht veränderlich ist.
Gemäß der 4 sind entlang der Geraden 12 mehrere Heizeinrichtungen 13 unter konstanten Abständen relativ zueinander verteilt angeordnet. Bei den Heizeinrichtungen 13 kann es sich um mehrere Gasflammbrenner oder Brennerleisten handeln, in welchem Fall die Gerade 12 einer Gasleitung zur Zufuhr von Gas zu den Gasflammbrennern entspricht. Gemäß der 4 kreuzt die Gerade 12 die Transportrichtung v des Glasrohrs 1 unter einem spitzen Winkel. Bei dem Ausführungsbeispiel verläuft die Gerade 12 unter dem vorgenannten spitzen Winkel relativ zu der Transportrichtung v stetig auswärts, d. h. hin zu dem jeweiligen Rohrende. Jede der Heizeinrichtungen 13 erzeugt lokal ein Temperaturmaximum, das zu beiden Seiten, in Längsrichtung des Glasrohrs 1 betrachtet, abfällt. Dies ist beispielhaft in dem obersten Einschub dargestellt, der das Temperaturprofil auf der Oberfläche des Glasrohrs in Abhängigkeit von der Position auf dem Glasrohr in dessen Längsrichtung für eine einzelne Heizeinrichtung zeigt. Weil das Glasrohr 1 zeitlich nacheinander an den Heizeinrichtungen 13 vorbei bewegt wird, durchwandert das von den Heizeinrichtungen 13 jeweils erzeugte Temperaturprofil den jeweiligen Glasrohrendabschnitt in der 4 hin zum Glasrohrende. Wie in dem zweiten Einschub von oben in der 4 dargestellt, ergibt sich durch drei Heizeinrichtungen 3 auf der Oberfläche des Glasrohrs eine Einhüllende für das Temperaturprofil, d. h. ein effektives Temperaturprofil, das zum jeweiligen Glasrohrende hin ansteigt. Wie in dem untersten Einschub darstellt, ergibt sich so insgesamt ein effektives Temperaturprofil, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zum jeweiligen Ende des Glasrohrs hin stetig ansteigt.
Die Gerade 12 überstreicht, in Längsrichtung des Glasrohrs betrachtet, jedenfalls den Bereich, in welchem der Nulldurchgang des Spannungsprofils eines noch unbehandelten Glasrohrs liegen würde (vgl. 1a). Insbesondere ist der Erwärmungsbereich so vorgegeben, dass dem Glasrohrende zwischen 7 und 20 mm vom jeweiligen Ende entfernt schnell und gezielt Wärme zugeführt werden kann, um in diesem Bereich Zugspannungen auf unterhalb von 6,0 MPa zu reduzieren. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Erwärmungsbereich so vorgegeben, dass dem Glasrohrende zwischen 7 und 20 mm vom jeweiligen Ende entfernt schnell und gezielt Wärme zugeführt werden kann, um in diesem Bereich Zugspannungen auf unterhalb von 4,5 MPa zu reduzieren. Beim Durchlaufen des Temperaturprofils von innen nach zum Rohrende kann das erwärmte Rohrende am Ende des Kühl-Prozesses noch verschmolzen werden (sog. Glazing), sodass das Glasrohrende noch besser und zuverlässiger in eine entsprechend vorgefertigte Kappe, insbesondere aus Metall und mit einer stirnseitigen Nut zur Aufnahme der Stirnseite des Glasrohrs versehen, eingeführt und in dieser aufgenommen werden kann.
Die Heizeinrichtungen 13 sind unterhalb der Glasröhre 1 und der Transporteinrichtung 11 angeordnet, so dass die von diesen erzeugte Wärme nach oben abzieht. Der Erwärmungsbereich L2 ist bevorzugt durch ein Gehäuse aus einem geeigneten Feuerfestmaterial zur Außenumgebung hin abgeschirmt und isoliert (nicht gezeigt), wobei oberhalb des Glasrohrs 1 ein oder mehrere Abzugskamine vorgesehen ist bzw. sind, so dass die von den Heizeinrichtungen 13 abgegebene Wärme nach oben bin abziehen kann. Bei den Heizeinrichtungen 13 kann es sich um Langflammbrenner oder Brennerleisten handeln, die lokal begrenzt ihre Wärme an das Glasrohrende abgeben können. Diese Brenner geben eine lange und vergleichsweise schmale (wenige Millimeter breite) Flammenfront ab, was eine sehr hohe lokale Energiedichte ermöglicht. Die Langflammbrenner werden in einem vorbestimmten Winkel zur Bewegungsrichtung v angeordnet. Dies reduziert die Gefahr einer lokalen Überhitzung. Grundsätzlich können auch Gasbrenner mit einem porösen Verbrennungsraum verwendet werden, wie beispielhaft in der DE 10 2006 017 354 A1 der Anmelderin offenbart, deren Inhalt hiermit im Wege der Bezugnahme ausdrücklich mit beinhaltet sei. Alternativ können grundsätzlich auch elektrische Heizeinrichtungen verwendet werden, die oberhalb und/oder unterhalb angebracht sind.
Die Heizeinrichtungen 13 können zur Erzielung eines gewünschten Temperatur- bzw. Spannungsprofils mit unterschiedlichen Energiemengen beaufschlagt werden. Zu diesem Zweck ist eine geeignete Steuerungseinrichtung 18 vorgesehen, die beispielsweise die jeweilige Gaszufuhr zu den Gasbrennern steuern oder regeln kann. Zur Vorgabe des gewünschten Temperatur- bzw. Spannungsprofils kann ferner die Bewegungsgeschwindigkeit in Richtung v variiert werden, zu welchem Zweck der Transporteinrichtung 11 eine entsprechende Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung 17zugeordnet ist, die auch einzelne Transporteinrichtungen (nicht gezeigt) steuern bzw. regeln kann.
Während des Verfahrens werden die auf der Nachbearbeitungslinie fixierten Glasrohre gleichmäßig drehend durch die von den Brennern erzeugte Erwärmungszone hindurch bewegt. Durch die Fixierung wird vermieden, dass das Glasrohr 1 auf der Nachverarbeitungslinie wandert und es so zu einer Erwärmung des gesamten Rohrendes kommt. Durch die Drehung des Glasrohrs 1 wird dabei eine gleichmäßige Erwärmung von allen Seiten gewährleistet.
Gemäß der 4 ist am Ende der Nachverarbeitungslinie ein Messgerät 14 zur Messung des mechanischen Spannungsprofils an einem jeweiligen Rohrende in dem Messbereich 15 angeordnet. Das jeweils gemessene Spannungsprofil wird an eine zentrale Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung 16 übergeben. Anhand eines dann abgelegten Soll-Spannungsprofils und entsprechender Steuerungs- bzw. Regelungsparameter und -kurven können Parameter, welche die gezielte lokale Wärmebehandlung bestimmen, wie beispielsweise jeweiliges Temperaturprofil der Heizeinrichtungen 13 und dessen zeitlicher Verlauf, Energiezuführung zu den jeweiligen Heizeinrichtungen, Transportgeschwindigkeit in Richtung v, Drehgeschwindigkeit w, entsprechend variiert werden, um das gewünschte Soll-Spannungsprofil zu erzielen. Dieses kann für nachfolgend hergestellte Glasrohre bestimmt werden und mit dem Spannungsprofil einer vorherigen Charge vergleichen werden. Durch entsprechende Steuerung oder Regelung kann so schließlich ein gewünschtes mechanisches Spannungsprofil induziert oder zumindest angenähert werden.
Die 2 zeigt beispielhaft den mechanischen Spannungsverlauf eines Glasrohrs, das nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Im Vergleich dazu zeigt die strichpunktierte Linie in der 2 den Spannungsverlauf eines herkömmlich hergestellten und nicht wärmebehandelten Glasrohrs. Während es im Bereich C nur zu einer geringfügigen Minderung der Druckspannung gekommen ist, ist im Bereich im Anschluss an den Nulldurchgang (bei etwa 7 mm vom Rohrende entfernt), also im Bereich D, der beispielsweise zwischen 7 und 20 mm vom jeweiligen Rohrende entfernt liegt, die Zugspannung auf unterhalb von 4,5 MPa reduziert. Aufwändige Versuchsreihen der Erfinder haben ergeben, dass es für die meisten Anwendungen bei Glas-Metall-Verbindungen ausreichend sein kann, die Zugspannung im vorgenannten Bereich D auf unterhalb von 6,0 MPa zu reduzieren.
Die 3a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Glasrohr, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Im Bereich L1, d. h. etwa 2 bis etwa 10 mm entfernt zum jeweiligen Rohrende, liegt die Druckspannung im Bereich zwischen etwa 6 bis 15 MPa. Im Bereich L2, d. h. im Bereich etwa 7 bis 20 mm entfernt zum jeweiligen Rohrende, ist die jeweilige Zugspannung auf unterhalb auf etwa 4,5 MPa reduziert. Die Lage des vorgenannten Nulldurchgangs der Spannung ist beispielhaft und insbesondere abhängig vom Rohrdurchmesser.
Solchermaßen hergestellte Glasrohre können erfindungsgemäß für Glas-Metall-Verbindungen verwendet werden, wie diese beispielhaft in der 3b dargestellt ist. Gemäß der 3b ist das Rohrende im Bereich L3, beispielsweise 0 bis 50 mm entfernt zum jeweiligen Rohrende, nach einem erfindungsgemäßen Verfahren gezielt lokal wärmebehandelt worden. Auf das Rohrende ist eine Metallkappe 3 aufgesetzt. In die Ringnut der Metallkappe 3 kann ein Glaslot 4 zur Verbindung des Glasrohrs 1 mit der Endkappe 3 eingebracht sein und die Kappe 3 mit dem Glasrohr 1 verschmolzen sein.
Solche Glas-Metall-Verbindungen werden insbesondere für Anwendungen von Glasrohren in der Fotovoltaik benötigt, wie diese beispielhaft in der US 2007/0215195 A1 offenbart sind, deren gesamter Inhalt hiermit im Wege der Bezugnahme mit aufgenommen sei.
Wenngleich vorstehend ausgeführt wurde, dass die mechanische Zugspannung in dem jeweiligen Rohrendabschnitt, und zwar bevorzugt insbesondere im Bereich von 7 mm bis 20 mm von dem jeweiligen Rohrende entfernt, auf unterhalb von 6 MPa, bevorzugter auf unterhalb von 4,5 MPa reduziert ist, kann die Größe der Spannung und/oder der vorgenannte Abstand grundsätzlich auch von der Wanddicke oder dem Außendurchmesser des Glasrohrs abhängig sein, sodass die vorliegende Erfindung bevorzugt nicht auf diese konkreten Zahlenwerte beschränkt sein soll. Diesen Zahlenangaben liegen vielmehr typische Glasrohrabmessungen zugrunde, wie diese zur Ausbildung von Glas-Metall-Verbindungen in der Photovoltaik oder Solarthermie typischerweise eingesetzt werden.
Wenngleich vorstehend ausgeführt wurde, dass die gezielte lokale Wärmebehandlung an den beiden Ende eines Glasrohrs in vergleichbarer Weise ausgeführt wird, kann es grundsätzlich auch ausreichend sein, eine solche lokale Wärmebehandlung auch nur an einem Glasrohrende vorzunehmen. Die lokalen Wärmebehandlungen an beiden Glasrohrenden brauchen auch nicht identisch vorgenommen werden, vielmehr können auch unterschiedliche Parameter für die lokale Wärmebehandlung verwendet werden. Die lokale Wärmebehandlung an beiden Glasrohrenden braucht auch nicht gleichzeitig ausgeführt werden sondern kann auch zeitlich und örtlich hintereinander erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Glasrohr
2: Glasrohrwand
3: Metallkappe
4: Glaslot
11: Transporteinrichtung
12: Gaseinlass/Gasleitung
13: Gasbrenner/Brennerleiste/Langflammbrenner
14: Spannungsmessgerät
15: Messbereich von Spannungsmessgerät 14
16: Steuerungs- oder Regelungseinrichtung
17: Antriebseinrichtung
18: Gaszuführsteuerungseinrichtung
19: kastenförmiger Erwärmungsbereich
25: Glasrohrstrang
26: Glasaufbereitung
27: Glasrohr-Ziehanlage
28: Glasrohr-Schneideanlage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102009032684 [0001]
- US 2166871 A [0010]
- GB 826270 A [0011]
- US 2007/0215195 A1 [0031, 0050]
- DE 102006017354 A1 [0043]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Glasrohrs mit zumindest einem Rohrendabschnitt mit einer reduzierten mechanischen Spannung, bei dem ein Glasrohrstrang aus einer Glasrohrherstellungsanlage abgezogen wird, das Glasrohr von dem Glasrohrstrang abgetrennt wird, und das noch erhitzte Glasrohr vor seiner vollständigen Abkühlung an dem zumindest einen Rohrendabschnitt einer lokalen Wärmebehandlung unterzogen wird, um mechanische Spannungen an dem jeweiligen Rohrendabschnitt zu reduzieren, bei welchem Verfahren das noch erhitzte Glasrohr zur lokalen Wärmebehandlung einen Erwärmungsbereich an dem jeweiligen Rohrendabschnitt mit einem vorbestimmten Temperaturprofil durchläuft, der sich in Längsrichtung des Glasrohrs erstreckt und in welchem die Temperatur des Glasrohrs gezielt in Abhängigkeit von einem Abstand zu dem jeweiligen Rohrende lokal erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der jeweilige Erwärmungsbereich in Längsrichtung des Glasrohrs zumindest über den jeweiligen Rohrendabschnitt erstreckt, in welchem die mechanischen Spannungen reduziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lokale Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich zwischen dem oberen Kühlpunkt und dem unteren Kühlpunkt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die lokale Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich mit einer Viskosität des Glasrohrs zwischen η = 10^13,5 Pa·s und η = 10¹² Pa·s durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem jeweiligen Erwärmungsbereich eine Mehrzahl von Heizeinrichtungen entlang der vorbestimmten Richtung verteilt angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Heizeinrichtungen entlang einer Kurve unter vorbestimmten Abständen zueinander verteilt angeordnet sind, wobei der Abstand der Kurve zum jeweiligen Rohrende entlang der vorbestimmten Richtung stetig abnimmt und die Kurve die vorbestimmte Richtung an zumindest einer Stelle unter einem spitzen Winkel schneidet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Kurve eine Gerade ist, entlang der die Heizeinrichtungen unter konstanten Abständen zueinander verteilt angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Heizeinrichtungen das bewegte Glasrohr mit unterschiedlichen Energiemengen beaufschlagen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Heizeinrichtungen das bewegte Glasrohr so mit Wärme beaufschlagen, dass ein zum jeweiligen Rohrende hin ansteigendes Temperaturprofil erzielt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Heizeinrichtungen Gasbrenner sind, die unterhalb des Glasrohrs angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Glasrohr zumindest im Bereich eines jeweiligen Brenners mit einer vorbestimmten konstanten Winkelgeschwindigkeit um seine Längsachse gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei der jeweilige Erwärmungsbereich gegen eine Außenumgebung abgeschirmt und/oder isoliert ist, bevorzugt in Form eines kastenförmigen Erwärmungsbereichs, wobei die von den Heizeinrichtungen in dem Erwärmungsbereich erzeugte Wärme über kaminförmige Abzüge oberhalb des bewegten Glasrohrs abgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des Glasrohrs bis zum Durchlaufen des vorbestimmten Temperaturprofils nicht unterhalb von 200°C, bevorzugter 300°C abfällt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Glasrohr nach dem Abtrennen von dem Glasrohrstrang in einer vorbestimmten Richtung, die zu der Glasrohrabzugsrichtung des Glasrohrstrangs verschieden ist, transportiert wird und dabei das vorbestimmte Temperaturprofil durchläuft, um mechanische Spannungen an dem jeweiligen Rohrendabschnitt zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Glasrohr in der vorbestimmten Richtung mit einer vorbestimmten konstanten Geschwindigkeit oder einem vorbestimmten Geschwindigkeitsprofil bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Glasrohr so in der vorbestimmten Richtung transportiert wird, dass eine Bewegungskomponente in einer Richtung senkrecht zu der vorbestimmten Richtung stets verschwindend ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lokale Wärmebehandlung an dem jeweiligen Rohrendabschnitt so erfolgt, dass eine mechanische Zugspannung in dem jeweiligen Rohrendabschnitt auf unterhalb von 6 MPa, bevorzugter auf unterhalb von 4,5 MPa reduziert ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die lokale Wärmebehandlung an dem jeweiligen Rohrendabschnitt so erfolgt, dass die mechanische Zugspannung im Bereich von 7 mm bis 20 mm von dem jeweiligen Rohrende entfernt auf unterhalb von 6 MPa, bevorzugter auf unterhalb von 4,5 MPa reduziert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Glasrohr ein Glasrohr für eine Glas-Metall-Verbindung oder für eine Anwendung in der Photovoltaik oder Solarthermie ist.
Verfahren zur Herstellung eines Glasrohrs mit zumindest einem Rohrendabschnitt mit einem vorbestimmten mechanischen Spannungsprofil, bei welchem Verfahren ein Glasrohrstrang aus einer Glasrohrherstellungsanlage abgezogen wird, das Glasrohr von dem Glasrohrstrang abgetrennt wird, und das noch erhitzte Glasrohr vor seiner vollständigen Abkühlung an dem zumindest einen Rohrendabschnitt einer lokalen Wärmebehandlung unterzogen wird, um mechanische Spannungen an dem jeweiligen Rohrendabschnitt zu reduzieren, bei welchem Verfahren das noch erhitzte Glasrohr zur lokalen Wärmebehandlung einen Erwärmungsbereich an dem jeweiligen Rohrendabschnitt mit einem vorbestimmten Temperaturprofil durchläuft, der sich in Längsrichtung des Glasrohrs erstreckt und in welchem die Temperatur des Glasrohrs gezielt in Abhängigkeit von einem Abstand zu dem jeweiligen Rohrende lokal erhöht wird, wobei die mechanische Spannung in einem Messbereich in dem jeweiligen Rohrendabschnitt gemessen wird und die lokale Wärmebehandlung in Abhängigkeit von der jeweils gemessenen mechanischen Spannung verändert wird, um das vorbestimmte mechanische Spannungsprofil zu erzielen.