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Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren einer Glasschmelze.
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Hintergrund der Erfindung
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An die Qualität optischer Gläser oder Displaygläser werden heutzutage hohe Anforderungen gestellt. Zum einen sollen diese möglichst homogen sowie frei von Blasen, Schlieren und/oder Verfärbungen sein. Zum anderen sollen die Gläser sogenannte ”grüne Gläser” sein, welche soweit als möglich keine toxischen oder ökologisch bedenklichen Substanzen, wie zum Beispiel Arsen oder Antimon, enthalten sollen.
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Der erste Prozessschritt in der Glasherstellung stellt das Einschmelzen der Ausgangssubstanz in einem Schmelztiegel dar. Um eine Höchstmaß an Homogenität und Blasenfreiheit zu erzielen, bedarf es gründlicher Durchmischung und Entgasung der Glasschmelze. Daher schließt sich dem Einschmelzen im Allgemeinen eine Läuterung und Homogenisierung der Schmelze an. Wesentliches Ziel der Läuterung ist die physikalisch und/oder chemisch in der Schmelze gebundenen Gase aus der Schmelze zu entfernen. Sofern reduzierte Anforderungen an die Qualität gestellt werden, kann die Läuterung auch im Schmelztiegel erfolgen.
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Nach der Läuterung ist die Glasschmelze im Idealfall blasenfrei. Um eine unerwünschte Qualitätseinbuße zu vermeiden, sollte während des Transports der Glasschmelze zu einem weiteren Verarbeitungsschritt ein erneuter Eintrag an Blasen in die Glasschmelze oder die Neubildung von Blasen in der Glasschmelze vermieden werden.
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Iridium und Iridium-Legierungen haben sich als vorteilhaft erwiesen zur Vermeidung von Schlieren, Blasen und auch von Verfärbungen im Glas. Aufgrund dieser Vorzüge haben Iridium und Iridium-Legierungen beispielsweise beim Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren einer Glasschmelze ihren Einzug als Schmelzkontaktmaterial gehalten (siehe zum Beispiel die
DE 10 2006 003 531 A1 ).
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Jedoch weisen Iridium und Iridium-Legierungen den Nachteil auf, dass diese bei erhöhten Temperaturen, insbesondere von größer als etwa 1000°C, gegenüber dem in Luft enthaltenen Sauerstoff nicht oxidationsstabil sind. Es bildet sich ein gasförmiges und somit flüchtiges Oxid. Dies schränkt die allgemeine und umfassende Verwendung als Kontaktmaterial für Glasschmelzen ein. So gut somit Behältnisse auf Ihrer Innenseite durch den Kontakt mit der aufzubewahrenden Schmelze vor einer Oxidation durch Sauerstoff geschützt sind, so problematisch erweist sich der dauerhafte Schutz vor Oxidation auf der schmelzabgewandten Außenseite. Sollte zum Beispiel eine aus Iridium oder einer Iridium-Legierung aufgebaute Vorrichtung zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren nicht ausreichend von der Umgebung abgeschirmt sein, so resultiert dies in ein Kollabieren der Vorrichtung.
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So werden zum Beispiel für die Außenseite oxidationsstabile Schutzschichten vorgeschlagen, die in intaktem Zustand die Anforderungen an den Schutz vor Sauerstoff erfüllen können. Aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten werden die Schutzschichten jedoch bei Temperaturwechseln leicht beschädigt.
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Insbesondere die Langzeit- und/oder Temperaturstabilität einer aus Iridium oder einer Iridium-Legierung aufgebauten Vorrichtung stellt eine große Herausforderung dar. Dabei müssen auch die Übergänge oder Verbindungen zu den angrenzenden Vorrichtungen, wie zum Beispiel zu einer Läuterkammer, oder zu den eingebauten Bauteilen, wie zum Beispiel zu einem Thermoelement zum Erfassen der Schmelztemperatur, ausreichend abgedichtet sein.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Vor dem vorstehend geschilderten Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren einer Glasschmelze bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik zumindest vermindern. Dabei soll ein sicherer Betrieb der Vorrichtung über einen ausreichend langen Zeitraum und insbesondere auch bei hohen Temperaturen gewährleistet sein.
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Gelöst werden diese Aufgaben bereits durch die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der unabhängigen Patentansprüche.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren einer anorganischen nichtmetallischen Schmelze vor. Die Vorrichtung ist vorzugsweise geeignet zum kontinuierlichen Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren. Die Schmelze ist vorzugsweise einer Glasschmelze.
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Die Vorrichtung umfasst die folgenden Bestandteile:
- – ein Rohr mit einer Rohrwand aus einem feuerfesten Material als Träger und einer Auskleidung aus Iridium zum Bereitstellen einer Kontaktfläche für eine in dem Rohr führbare Schmelze, wobei
- – das Rohr in einem Innenraum eines Kastens angeordnet ist, welcher wenigstens einen Anschluss zum Einleiten eines Gases in den Innenraum des Kastens aufweist, so dass in dem Innenraum eine Atmosphäre eines nichtoxidierenden Gases anlegbar ist,
- – eine Heizeinrichtung zum konduktiven Beheizen des Rohrs durch einen Stromfluss in der Auskleidung, so dass eine in dem Rohr führbare Schmelze mittels der beheizten Auskleidung beheizbar ist,
- – wenigstens zwei an dem Rohr angeordnete Flansche zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der Heizeinrichtung und der Auskleidung, und
- – Mittel zum Kompensieren einer unterschiedlichen Längenausdehnung zwischen dem Kasten und dem in dem Innenraum des Kastens angeordneten Rohrs.
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Die Erfindung wird auch beschrieben durch ein Verfahren zur, insbesondere kontinuierlichen, Herstellung eines Glases und/oder einer Glaskeramik umfassend
- – Einschmelzen eines Gemenges zum Bereitstellen einer Glasschmelze,
- – Läutern der Glasschmelze durch eine Temperaturerhöhung der Glasschmelze,
- – Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren der geläuterten Glasschmelze in einem Rohr mit einer Rohrwand aus einem feuerfesten Material als Träger und einer Auskleidung aus Iridium zum Bereitstellen einer Kontaktfläche für die Schmelze, wobei das Rohr in einem Innenraum eines Kastens angeordnet ist,
- – Formgebung und/oder Abkühlung und/oder Wärmebehandlung der transportierten, homogenisierten und/oder konditionierten Glasschmelze, so dass ein Glas und/oder eine Glaskeramik bereitstellbar ist, wobei
- – Mittel zum Kompensieren einer unterschiedlichen Längenausdehnung zwischen dem Kasten und dem in dem Innenraum des Kastens angeordneten Rohrs bereitgestellt werden.
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Das Verfahren ist insbesondere ausführbar mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist insbesondere ausgebildet zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der Träger stellt im Wesentlichen die Standfestigkeit der Vorrichtung bzw. ihre mechanische Stabilität bereit. Der Träger wird in einer Ausführungsform durch eine Ausmauerung bereitgestellt. Mögliche Materialien zur Herstellung des Trägers sind zum Beispiel: Mullit, Kieselglas, Spinell und/oder sogenannte Feuerleichtsteine, welche auch als Porenisolationssteine bezeichnet werden. Der Träger besitzt insbesondere eine Dicke von etwa 10 mm bis etwa 300 mm, vorzugsweise von etwa 30 mm bis etwa 150 mm.
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Die Auskleidung bedeckt abschnittsweise oder vollständig die Innenseite des Rohrs. In einer Ausführungsform stellt die Auskleidung vollständig die Schmelzkontaktfläche des Rohrs bereit. Die erfindungsgemäße konduktive Beheizung der Auskleidung stellt eine elektrische Widerstandsheizung dar. Die direkt beheizbare Vorrichtung erweist sich als gut regelbar.
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Die Auskleidung ist eine Iridium-Auskleidung. Diese wird gebildet durch Iridium oder durch eine Iridium-Legierung. Eine solche Iridium-Auskleidung besitzt einen Anteil an Iridium von größer als etwa 50 Gew.-%, bevorzugt von größer als etwa 90 Gew.-%, besonders bevorzugt von größer als etwa 99 Gew.-%. Die Auskleidung wird bereitgestellt durch ein Ir-Blech. Die Auskleidung besitzt eine Dicke in einer Größenordnung von beispielsweise etwa 0,2 mm bis 2 mm, vorzugsweise von etwa 0,4 mm bis etwa 0,8 mm.
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Ein in der vorliegenden Anmeldung als Ir-Bauteil oder ein als Bauteil aus Iridium bezeichnetes Bauteil ist ein Bauteil mit den vorstehend genannten Mengenangaben. Entsprechendes gilt für die in der vorliegenden Anmeldung angeführten weiteren Bauteile aus einem anderen Metall.
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Der Kasten ist ein Gehäuse. Er stellt eine Verkapslung oder eine Abschirmung für das Rohr bereit. Im Detail stellt der Kasten einen Schutz für die Auskleidung aus Iridium vor dem in der Luft vorhandenen Sauerstoff bereit. Der Kasten kann zum einen gasdicht sein. Als eine Alternative oder als eine Ergänzung kann in dem Innenraum des Kastens eine Atmosphäre eines nichtoxidierenden Gases bereitgestellt werden. Zum Beispiel ist das Gas wenigstens ein Gas, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Stickstoff, Argon, Helium und Formiergas.
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In einer weiteren Ausführungsform, in der der Kasten nicht gasdicht ausgebildet ist, ist dem Kasten zumindest soviel Gas zuführbar, wie dem Kasten entweicht, so dass in dem Innenraum des Kastens ein Überdruck gegenüber der Umgebung einstellbar ist. Dadurch entsteht ein permanenter Gasfluss nach außen in die Umgebung. Ein Einströmen der Sauerstoff enthaltenden Luft in den Kasten hinein kann wenigstens reduziert oder sogar vollständig unterbunden werden.
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In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung auch ein Thermometer zum Erfassen einer Temperatur einer in dem Rohr führbaren Schmelze in zumindest einem Abschnitt des Rohrs. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Thermometer als ein Thermoelement ausgeführt. Das genannte Thermoelement ist mittels eines Halters an der Auskleidung befestigt und/oder zumindest in dem Träger des Rohrs fixiert.
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In einer Ausführungsform sind die Mittel zum Kompensieren der Längenausdehnung ausgebildet als im Rohr, vorzugsweise in der Auskleidung des Rohrs, angeordnete oder eingebrachte Sicken. Die Sicken sind rinnenartige Vertiefungen oder Erhöhungen in ebenen oder auch in gewölbten Flächen, wie zum Beispiel Blechflächen. Im Allgemeinen ist die Tiefe der Sicken gegenüber deren Länge klein. Herkömmlicherweise werden Sicken dazu verwendet, um zum Beispiel die Steifigkeit eines Blechs zu erhöhen. In der vorliegenden Erfindung werden jedoch die Sicken im Wesentlichen dazu eingesetzt, um der Vorrichtung die Fähigkeit zu verleihen, unterschiedliche Ausdehnungen zwischen dem Kasten und dem Rohr ausgleichen zu können.
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Die Sicken können in unterschiedlichen Querschnittsformen eingebracht werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Sicken als Dreiecksicken und/oder als Kastensicken ausgebildet. Die Höhe der Sicken, insbesondere der Dreieck- und/oder Kastensicken, kann im Allgemeinen in einem Bereich von etwa 2 mm bis etwa 50 mm, vorzugsweise von etwa 5 mm bis etwa 20 mm, liegen. Die Breite der Sicken, insbesondere der Dreieck- und/oder Kastensicken, kann im Allgemeinen in einem Bereich von etwa 2 mm bis etwa 30 mm, vorzugsweise von etwa 5 mm bis etwa 15 mm, liegen. Entsprechend einer Gesamtbauteillänge und/oder einer Gesamtlängenänderung des Bauteils durch eine Temperaturerhöhung ist die Anzahl der Sicken zur Dehnungskompensation in dem Rohr zu wählen.
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Für Bleche, welche auf Platin basieren, ist es möglich, die Sicken, insbesondere ohne zusätzlichen Materialaufwand, als Blechstrukturen einzuprägen. Die Erfinder haben erkannt, dass dies für Bleche, welche auf Iridium basieren, nicht möglich ist, da sich das Iridium als zu spröde erwiesen hat.
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Eine erfindungsgemäße Sicke ist aus wenigstens einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt aufgebaut. Der erste und der zweite Abschnitt und gegebenenfalls, abhängig von der konkreten Ausgestaltung der Sicke, noch wenigstens ein weiterer Abschnitt bilden zusammen eine Sicke. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Abschnitte mittels Verschweißen miteinander verbunden.
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Im Bereich der Erfindung liegt daher auch ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Sicke in einem Iridiumblech für eine Rohrauskeidung zum Führen einer anorganischen nichtmetallischen Schmelze, insbesondere in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei
die Sicke aus wenigstens einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt gebildet wird und
der erste Abschnitt und/oder der zweite Abschnitt zumindest abschnittsweise umgeformt wird bzw. werden und
der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt miteinander verschweißt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden der erste Abschnitt, der zweite Abschnitt und insbesondere der wenigsten eine weitere Abschnitt über ein Umformen, vorzugsweise ein Kaltumformen, hergestellt bzw. in die gewünschte Form oder Gestalt zum Aufbau der Sicke überführt.
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Um einen Bruch des jeweiligen Abschnitts beim Umformen zu vermeiden, wird der zu formende Abschnitt im erwärmten Zustand umgeformt. Der umformende Abschnitt wird wenigstens abschnittsweise erwärmt, insbesondere auf eine Temperatur in einem Bereich von 1000°C bis 1200°C.
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Um einen wirksame Verkapslung bereitzustellen, wird ein ergänzender Oxidationsschutz für die Auskleidung in dem Bereich bereitgestellt, in dem die elektrische Verbindung zwischen dem Flansch und der Auskleidung hergestellt wird.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden hierzu wenigstens zwei Kühleinrichtungen bereitgestellt. Dabei ist jeweils eine Kühleinrichtung einem Flansch zugeordnet. Eine Ausgestaltung der Kühleinrichtung ist ein mit einem Fluid, vorzugsweise einem Gas, durchströmtes Volumen oder Rohrsystem, welches sich vorzugsweise vollständig über den Umfang des Flanschs erstreckt. Die Kühlung ist derart einstellbar, dass der Oxidationsschutz zumindest durch eine in dem Übergangsbereich erstarrbare Schmelze bereitstellbar ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens zwei Verbindungselemente, wobei jeweils ein Verbindungselement mit einem Flansch und der Auskleidung in Kontakt steht. Die zwei Verbindungselemente stellen eine elektrische Verbindung zwischen jeweils einem Flansch und der Auskleidung bereit. Die zwei Verbindungselemente umfassen vorzugsweise jeweils einen Kragen zum Bereitstellen des ergänzenden Oxidationsschutz in dem Übergangsbereich.
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Eine Weiterbildung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens zwei Iridiumscheiben, welche jeweils an einer Stirnseite des Rohrs angeordnet sind. Über die Scheiben steht die Auskleidung in einem elektrischen Kontakt mit dem jeweiligen Verbindungselement.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jeweils eine gasdichte elektrische Isolierung zwischen dem Flansch und dem Kasten angeordnet. Die Isolierung ist aufgebaut aus wenigstens einem Material, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Glas, Glaskeramik, Keramik, Kunststoff und Gummi.
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Die Schmelze wird auf eine Temperatur eingestellt, welche zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren der Schmelze geeignet ist. Die einzustellende Temperatur ist abhängig von der jeweiligen Glassorte. Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt jedoch im Allgemeinen bei einer Temperatur in der Schmelze von etwa 700°C bis etwa 1700°C, bevorzugt von 1100°C bis etwa 1700°C. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Betrieb bei einer Temperatur von etwa 1300°C bis etwa 1500°C.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen langzeitstabilen Betrieb der Vorrichtung zum Transportieren, Homogenisieren und/oder zum Konditionieren der Glasschmelze, da vor allem die Auskleidung aus Iridium ausreichend gegenüber Oxidation geschützt ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren sind insbesondere geeignet zum Transportieren, zum Homogenisieren und/oder zum Konditionieren bzw. zur Herstellung von LAS-Glaskeramik-Basisgläsern, alkalifreien Gläsern, Kalk-Natron-Gläsern und/oder Gläsern für optische Anwendungen. Mögliche optische Gläser sind Borat- und/oder Lanthanboratgläser, Phosphatgläser, Schwermetall-Phosphatgläser, Fluorid-Phosphat-gGläser, Fluoridgläser, Aluminatgläser, aber auch Borosilkatgläser, Zinksilikatgläser, Aluminasilikatgläsern, Alumoborosilikatgläser, bismuth-, und germaniumhaltigen Gläsern oder Gläsern mit niedrigem Gehalt an polyvalenten Ionen, insbesondere mit einem Ionenanteil unter 0,01 Gew.-%. Anwendungen finden die genannten Gläser beispielsweise in einem in optischen Abbildungs- und Belichtungssystemen, optischen Systemen zur Datenübertragung, optischen Systemen zur Datenspeicherung, optischen Filtersystemen, Systemen zur Lichtübertragung und/oder Displayanwendungen, in optischen Glaselementen. Die hier genannten Gläser und Anwendungen sind beispielhaft zu verstehen und beschränken sich keinesfalls auf die genannte Auswahl.
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Schließlich liegt im Bereich der Erfindung auch ein Produkt aus Glas, vorzugsweise einem optischen Glas, oder aus einer Glaskeramik, das mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung herstellbar oder hergestellt ist.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele im Einzelnen erläutert. Hierzu wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Die in den einzelnen Zeichnungen verwendeten gleichen Bezugszeichen beziehen sich auf die gleichen Teile.
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1 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte bzw. der eingesetzten Vorrichtungen in der Glasherstellung.
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2 zeigt eine Detailansicht des Ausschnitts D1 aus 1 in einer vergrößerten Darstellung.
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3 zeigt eine Detailansicht des Ausschnitts D2 aus 2 in einer vergrößerten Darstellung.
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4 zeigt eine Detailansicht des Ausschnitts D3 aus 3 in einer vergrößerten Darstellung.
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5.a und 5.b zeigen schematisch zwei erfindungsgemäß an der Vorrichtung zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren angeordnete Thermoelemente.
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6.a bis 6.f illustrieren zum einen die Herstellung einer erfindungsgemäßen Sicke (6.a) und zum anderen unterschiedliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Sicke (6.b bis 6.f).
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In 1 sind einzelne Schritte in der Glasherstellung illustriert. Es ist beispielhaft eine Anlage zum Schmelzen, Läutern, Konditionieren, Homogenisieren und zur Formgebung einer Glasschmelze 1 und somit eine Anlage zur Herstellung von Glas dargestellt. Die Beheizung erfolgt beispielhaft im Wesentlichen induktiv über Spulen 6.
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Der erste Prozessschritt in der Glasherstellung stellt das Einschmelzen der Ausgangssubstanz, nämlich des Gemenges, in einem Schmelztiegel 2 dar. Beispielhaft dargestellt ist ein offener Schmelztiegel 2 mit offener Schmelzoberfläche 1a. Sobald das Gemenge zähflüssig geworden ist, beginnt ein erstes Vorläutern der Schmelze 1 in dem Schmelztiegel 2.
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Um ein Höchstmaß an Homogenität und Blasenfreiheit in der Schmelze 1 zu erzielen, bedarf es gründlicher Durchmischung und Entgasung des Glasschmelze 1. Daher schließt sich dem Einschmelzen die Läuterung der Glasschmelze 1 in einem Läutertiegel 3 an. Ein wesentliches Ziel der Läuterung ist die physikalisch und/oder chemisch in der Schmelze 1 gebundenen Gase aus der Schmelze 1 zu entfernen. Zwischen dem Schmelztiegel 2 und dem Läutertiegel 3 kann, wie hier dargestellt, eine Vorrichtung zum Transportieren 10, eine Art Rinne angeordnet sein, über welche die Schmelze 1 dem Läutertiegel 3 zugeführt wird. Diese Rinne kann ausgebildet sein als eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Unter Homogenisierung wird die Auflösung und gleichmäßige Verteilung aller Bestandteile sowie die Beseitigung von Schlieren verstanden. Unter der Konditionierung einer Schmelze 1 wird verstanden, die Temperatur der Schmelze 1 schnell und möglichst exakt einzustellen. Dies ist beispielsweise in Rinnensystemen von Glasschmelzanlagen der Fall, wenn die Aufschmelz- und Läuterprozesse abgeschlossen sind und das Glas auf eine gewünschte Formgebungstemperatur gebracht werden soll.
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Dem Läutertiegel 3 schließt sich in Fließrichtung der Schmelze 1 eine Rinne 10 an, in welcher ein Konditionieren der Schmelze 1 erfolgt. Daher kann die Rinne 10 auch als Konditionierungseinrichtung 10 bezeichnet werden. Über diese wird die Schmelze 1 einer Homogenisierungseinrichtung 4 zugeführt. Diese umfasst eine in einer Wanne angeordnete Rührvorrichtung 4a, welche dem Homogenisieren der Schmelze 1 und dem Entfernen von Schlieren aus der Schmelze 1 dient. Dem Homogenisieren der Glasschmelze 1 schließt sich die Formgebung 5 des Glases an. Im Allgemeinen unterliegt das fertige Glas immer einer formgebenden Behandlung. Je nach Produkt wird das Glas unterschiedlich geformt. Es gibt fünf grundlegende Verarbeitungsmethoden für Glas in plastischem Zustand: Gießen, Blasen, Ziehen, Pressen und Walzen. Die Formgebung beginnt entweder erst nach langsamem völligem Erstarren der Glasmasse oder in noch halbflüssigem, zähem Zustand des Glases oder schon bei hoher Temperatur und in dünnflüssigem Zustand der Glasmasse. Insbesondere zur Herstellung einer Glaskeramik ist noch eine Wärmebehandlung erforderlich. Dies wird auch als Keramisieren bezeichnet.
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Die zwei in 1 gezeigten Rinnen 10 können als jeweils als eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren 10 der Glasschmelze 1 ausgebildet sein. 2 zeigt dazu eine Detailansicht des Ausschnitts D1 aus 1. Ausschnitt D1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren 10.
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Die Vorrichtung 10 umfasst ein Rohr 11 mit einer Rohrwand aus einem feuerfesten Material als Träger 12 und einer Auskleidung 13 aus Iridium als Schmelzkontaktfläche. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Träger 12 durch eine Ausmauerung bereitgestellt, welche gegebenenfalls mit einer keramischen Gießmasse ausgegossen sein kann. Es ist ein direkt konduktiv beheiztes Bauteil 10 aus Iridium, das auch als Iridiumrinne bezeichnet wird und über Flansche 20 beheizt wird.
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Das Rohr 11 ist in einem bzw. innerhalb eines Kasten 30 angeordnet. Dieser erstreckt sich entlang der Längsachse und über den Umfang des Rohrs 11. Der Kasten 30 schirmt die Auskleidung 13 gegenüber der Umgebung ab. Im Innenraum des Kastens 30 ist eine Atmosphäre eines nichtoxidierenden Gases angelegt. Als Gas kann beispielsweise wenigstens ein Inertgas und/oder ein Formiergas zugeführt werden. Dazu sind wenigstens eine Gaszufuhr 31 und gegebenenfalls eine Gasabfuhr und/oder ein Überdruckventil vorgesehen. Zudem ist eine Gasversorgung 32, beispielsweise in Gestalt eines Regelsystems und eines Gasbehälters, erforderlich. In einer Ausführungsform ist der Kasten 30 aus Stahl gefertigt.
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Der Kasten 30 kann zum Beispiel gasdicht ausgebildet sein. Da jedoch eine vollständige oder hermetische Verkapslung im Allgemeinen nicht oder nur unter einem erheblichen Aufwand möglich ist, wird vielmehr eine gewisse Leckrate toleriert. Der Kasten 30 ist in einer derartigen Ausgestaltung somit nicht vollständig gasdicht. Der Kasten 30 ist in der Lage, einen leichten Überdruck zu halten. Es wird dazu mindestens soviel Gas zugeführt wie dem Kasten 30 entweicht, so dass ein leichter Überdruck erhalten bleibt.
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Weiterhin ist wenigstens ein Thermoelement 40 zum Erfassen der Schmelztemperatur vorgesehen. Das Thermoelement 40 wird durch den Kasten 30 und insbesondere auch durch den Träger 12 zur Auskleidung 13 des Rohres 11 geführt. Vorzugsweise werden die Thermoelemente 40 gasdicht aus dem Kasten 30 herausgeführt. Details und erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Thermoelemente 40 sind den 5.a und 5.b zu entnehmen.
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Im Allgemeinen sollte das Bauteil 10 in der Lage sein, unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen dem Kasten 30 und dem Rohr 11 aufzunehmen. Dies kann durch eine geeignete Flanschkonstruktion erfolgen und/oder, wie in dem vorliegenden Beispiel dargestellt, durch im Rohr 11 eingebrachte oder angeordnete Sicken 14, Die Sicken 14 sind in der Auskleidung 13 eingebracht. Sie erstrecken über den Umfang des Rohrs 11 und sind entlang der Längsachse des Rohrs 11 verteilt. Details und bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen der Sicken 14 sind in den 6.a bis 6.f dargestellt.
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Die Schmelze 1 wird zumindest oder ausschließlich mittels der beheizten Auskleidung 13 beheizt. Die Auskleidung 13 selbst wird konduktiv beheizt. Zum Einspeisen des Stroms in die Auskleidung 13 sind zwei Flansche 20 vorgesehen. Diese sind an der Eintrittseite und an der Austrittsseite für die Schmelze 1 angeordnet. Es ist folglich ein direkt konduktiv beheiztes Bauteil 10 aus Iridium, welches über die beiden Flansche 20 mittels der Heizeinrichtung 22, beispielsweise einem Transformator, konduktiv beheizt wird. Die Flansche 20 sind durch die Zuleitungen 21 mit der Heizeinrichtung 22 elektrisch verbunden.
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3 zeigt eine Detailansicht des Ausschnitts D2 aus 2 in einer vergrößerten Darstellung. Gezeigt ist der Übergang von der Ir-Rinne 11 zu einem benachbarten Bauteil. Das benachbarte Bauteil ist hier die Läuterkammer 3, welche zum Beispiel einen Wannenstein 50 eines Feuerfestmaterials umfasst. Zum besseren Verständnis sei auch auf die 4 verwiesen, in welcher eine vergrößerte Detailansicht des Ausschnitts D3 aus 3 gezeigt ist.
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Zwischen dem benachbarten Bauteil 50 und der Vorrichtung 10 zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren der Schmelze l befindet sich ein Spalt 24 oder Zwischenraum 24. Der Spalt 24 ist zumindest abschnittsweise mit Schmelze 1 füllbar. Durch den Spalt 24 hindurch wird der elektrische Kontakt zwischen der zu beheizenden Auskleidung 13 und der hier nicht dargestellten Heizeinrichtung 22 hergestellt. Die Auskleidung 13 kann sich hierzu über die Kante des Trägers 12 radial nach außen erstrecken, wie es in 4 dargestellt ist. Die Auskleidung 13 liegt dabei sowohl im Innenraum als auch im Spalt 24 am Träger 12 an. In einer anderen Ausführungsform kann eine Iridiumscheibe 25 in dem Spalt 24 angeordnet sein, welche mit der Auskleidung 13 verbunden ist. Aus Gründen einer vereinfachten Darstellung wird nachfolgend von der Ir-Scheibe 25 ausgegangen, obwohl, wie bereits eben erwähnt, die Auskleidung 13 auch radial nach außen in den Spalt 24 hinein abgeknickt sein kann.
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Die Kontaktierung erfolgt mittels des Flanschs 20. Dieser wird auch als Heizflansch 20 bezeichnet. Vorzugsweise ist der Flansch 20 aus Nickel. Er kann aber auch aus anderen leitfähigen Materialien, wie zum Beispiel Stahl, aufgebaut sein. Der Flansch 20 steht jedoch nicht direkt mit der Auskleidung 13 bzw. mit der Ir-Scheibe 25 in Kontakt. Die Erfinder haben nämlich erkannt, dass die Herstellung einer dauerhaften stoffschlüssigen Verbindung zwischen Iridium und Nickel und/oder zwischen Iridium und Stahl oder wie in dem vorliegenden Fall zwischen der Ir-Scheibe 25 und dem Flansch 20 nicht möglich ist, insbesondere bei den für das Verfahren erforderlichen Temperaturen. Daher steht der Flansch 20 mittels eines Verbindungselements 26 in einem elektrischen Kontakt mit der Auskleidung 13 bzw. mit der Ir-Scheibe 25.
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In einer Ausführung ist das Verbindungselement 26 zum einen mit der Ir-Scheibe 25 mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, vorzugsweise durch Schweißen, verbunden. Zum anderen ist das Verbindungselement 26 Iin einer ersten Ausführungsform mittels einer kraftschlüssigen Verbindung, vorzugsweise durch Klemmen, mit dem Flansch 20 verbunden. Der Flansch 20 ist dazu als ein Klemmflansch ausgeführt. In einer zweiten alternativen oder ergänzenden Ausführungsform ist zum anderen das genannte Verbindungselement 26 mit dem Flansch 20 mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, vorzugsweise durch Schweißen, verbunden.
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Der Flansch 20 wird so gekühlt, dass die Temperaturen an der Flanschverbindung, insbesondere an der Schweißnaht 28, unterhalb von 800°C oder bevorzugt unterhalb von 600°C oder besonders bevorzugt unterhalb von 400°C liegen. Die Flanschverbindung kann dazu aktiv und/oder passiv gekühlt werden. Eine Ausgestaltung einer aktiven Kühlung ist ein mit einem Fluid durchströmtes Volumen oder Rohr 23, welches sich vorzugsweise vollständig über den Umfang des Flanschs 20 und/oder der Ir-Rinne 11 erstreckt. Das Rohr 23 liegt zumindest abschnittsweise an dem Flansch 20 an und/oder ist zumindest abschnittsweise in dem Flansch 20 eingebettet. In einer einfachen Variante der Erfindung wird das Fluid durch Wasser bereitgestellt. Der Flansch wird dann umlaufend mit Wasser gekühlt. Vorzugsweise ist die Kühlung derart, dass die im Spalte 24 vorhandene Glasschmelze 1 sich radial nach außen hin abkühlt und einfriert. Es erfolgt eine Verglasung als Oxidationsschutz. Somit ist der Flansch 20 auf der Anschlussseite zum benachbarten Bauteil 50 ebenfalls vor einer Oxidation geschützt. Eine mögliche Ausführungsform einer passiven Kühlung ist eine geeignete Konstruktion eines Flansches 20 und/oder eine geeignete Konstruktion einer Flanschverbindung 28. Beispielsweise kann hierzu eine freie oder freiliegende Oberfläche des Flanschs 20 und/oder die Flanschverbindung 28 vergrößert werden.
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Das Verbindungselement 26 ist vorzugsweise so ausgeführt dass es radiale Spannungen aufnehmen kann, die zum Beispiel beim Verschweißen entstehen. In einer Ausgestaltung ist das Verbindungselement 26 eine Lasche 26. Die genannte Lasche 26 erstreckt sich zum einen radial nach Innen und liegt überlappend zu der Auskleidung 13 bzw. zu der Ir-Scheibe 25. Zum anderen knickt das Verbindungselement 26 über dem Träger 12 derart ab, dass ein Kragen 26a gebildet wird. Vorzugsweise ist die Auskleidung 13 bzw. die Ir-Scheibe 25 in diesem Bereich durch das Verbindungselement 26 und durch eine Verglasung vor Oxidation geschützt. In einer Variante ist das Verbindungselement 26 als ein Pt-Bauteil oder eine Pt-Lasche ausgeführt. Der beispielsweise aus einem Blech hergestellte Kragen 26a verhindert oder hemmt die Diffusion von Sauerstoff an die Auskleidung 13 bzw. die Ir-Scheibe 25, welche auch als Ir-Flansch 25 bezeichnet wird.
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Zwischen dem Kragen 26a des Verbindungselement 26 und dem Flansch 20 ist zumindest abschnittsweise ein Zwischenraum 20a oder eine Fuge 20a ausgebildet. Der Flansch 20 weist hierzu eine Fase auf. Der Flansch 20 ist im Wesentlichen ausschließlich über eine Kante mit dem Verbindungselement 26 elektrisch verbunden. Dadurch können, beispielsweise thermisch bedingte, radiale mechanische Spannungen aufgefangen werden.
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Sofern der vorzugsweise gasdichte Kasten 30 aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebaut ist, ist der Kasten 30 zu wenigstens einem der beiden Flansche 20 elektrisch isoliert ausgeführt, um einen Stromfluss über den Kasten 30 zu vermeiden. Hierzu ist zwischen dem Kasten 30 und dem Flansch 20 eine elektrische Isolierung 27 angeordnet. Im Allgemeinen ist die elektrische Isolierung 27 auch nahezu gasdicht ausgebildet, so dass die Ir-Bauteile 13 ausreichend von der Umgebung abgeschirmt sind. Dargestellt ist eine Dichtung 27, welche gleichzeitig elektrisch isolierend wirkt. In einer bevorzugten Variante werden gegebenenfalls druckfeste Keramikwerkstoffe als Isolierung 27 verwendet. Als Isolierung 27 ist auch Glas oder eine Glaskeramik denkbar. Zudem können auch Kunststoff oder Gummidichtungen eingesetzt werden, die vorzugsweise direkt gekühlt werden.
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Zusammenfassend ist der Flansch 20 bevorzugt über einen Pt-Ring 26 und eine Ir-Scheibe 25 mit der Auskleidung 13 bzw. dem Ir-Rohr 11 verbunden. Die Lage der Übergangsschweißnaht 28 ist so gewählt, dass ihre Temperatur einen Wert von 800°C nicht übersteigt. Die Auskleidung 13 bzw. die Ir-Scheibe 25 wird nach Außen hin durch die Pt-Lasche 26 und durch eine Verglasung vor Oxidation geschützt. Es kann auf die Pt-Lasche verzichten werden, wenn die gesamte Außenseite verglast wird, zum Beispiel indem vorübergehend die Kühlung abschaltet wird. Es wird hierbei erwartet, dass schädigende porenbildende Diffusionseffekte so langsam sind, dass während dieser Zeit keine Schädigung auftritt.
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5.a und 5.b zeigen schematisch zwei erfindungsgemäß an der Vorrichtung 10 zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren angeordnete Thermoelemente 40. Es ist eine vergrößerte Detailansicht des Bereichs Z1 aus der 2. Das Thermoelement 40 sollte möglichst nah an der Ir-Auskleidung 13 positioniert sein, um die Temperatur an dem Ir-Blech 13 möglichst exakt bestimmen zu können und Fehlmessungen zu vermeiden. Der Fühler 41 des Thermoelements 40, der auch als Thermoelementperle bezeichnet wird, kann zum Beispiel auch in Kontakt mit der Auskleidung 13 stehen. Ein Beispiel eines bevorzugten Thermoelements ist Pt/PtRh10 (Typ S) und/oder PtRh30/PtRh6. Auch die Thermoelemente 40 sind elektrisch isoliert zu dem Kasten 30 angeordnet. Vorzugsweise werden sie zudem nahezu gasdicht aus dem Kasten 30 herausgeführt. Dabei können auch die vorstehend beschriebenen Dichtungssysteme eingesetzt werden. Bei Pt-Bauteilen werden die Thermoelemente 40 im Allgemeinen angeschweißt, um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Pt-Bauteil und dem Thermoelement 40 zu gewährleisten. Das ist jedoch bei einem Ir-Bauteil, wie der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren, aufgrund von Diffusionsprozessen an der Verbindungsstelle von Ir und Pt, nicht möglich. Schweißverbindungen zwischen Ir- und Pt-Bauteilen sind insbesondere aufgrund von metallischen Diffusionsprozessen nicht ausreichend langzeitstabil.
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In einer ersten Ausführungsform (siehe 5.a) ist das Thermoelement 40 nicht direkt sondern mittels eines Halters 42 an der Auskleidung 13 befestigt. Der Halter 42 ist auch ein Iridium-Bauteil und ist insbesondere aus dem gleichen Material wie die Auskleidung 13 hergestellt. Der Halter 42 ist an der Auskleidung 13 durch Schweißen befestigt. Der Halter 42 ist vorzugsweise als eine Lasche 42 ausgeführt. Das Thermoelement 40 ist in der gezeigten Ausführungsform kraftschlüssig, beispielsweise mittels Klemmen, mit dem Halter 42 verbunden.
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In einer zweiten Ausführungsform ist das Thermoelement 40 in dem Träger 12 der Wand 11 angeordnet oder eingebettet (siehe 5.b). Das Thermoelement 40 ist mittels des Trägers 12 fixiert. In Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung der Wand 11 bzw. des Trägers 12 der Wand 11 kann das Thermoelement 40 hierbei in dem Träger 12 eingemauert und/oder, insbesondere über eine keramische Gießmasse, eingegossen sein.
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Die 6.a bis 6.f beziehen sich auf erfindungsgemäße Sicken 14 zur Kompensation der Längendehnung zwischen dem Kasten 30 und dem Rohr 11. Die 6.b bis 6.f stellen eine vergrößerte Detailansicht des Bereichs Z2 aus 2 dar. 6.a illustriert zunächst die Herstellung einer flachen Spitzsicke 14. Im Detail wird die Herstellung eines ersten Abschnitts 14-1 oder eines zweiten Abschnitts 14-2 einer Sicke 14 illustriert. Iridiumbleche, aus denen die Auskleidung 13 mit den eingebrachten Sicken 14 hergestellt werden, besitzen einen geringen Umformgrad. Dadurch ist auch ein Umformen über eine Kaltumformung, zum Beispiel mittels des dargestellten Formwerkzeugs 60, möglich. Der dargestellte Pfeil symbolisiert die Wirkrichtung des Formwerkzeugs 60. Die gestrichelte Linie symbolisiert die ursprüngliche Lage des Blechs vor der Verformung.
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6.b bis 6.f zeigen einige Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Sicke 14 in einer Querschnittsansicht. Die in den Figuren dargestellten Sicken 14 werden gebildet durch einen ersten und einen zweiten Abschnitt 14-1 und 14-2 (siehe die 6.b bis 6.d) und teilweise mit einem dritten (siehe die 6.e) und vierten Abschnitt (siehe die 6.f). Die Höhe H und die Breite B einer Sicke 14 sind in 6.c angedeutet.
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In 6.b ist zunächst die Sicke 14 gezeigt, die mit dem in 6.a angedeuteten Verfahren hergestellt ist. Es ist eine Sicke 14 mit einem im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt und einer Art geraden Verlängerung. Es wird der Querschnitt eines Dreiecks gebildet, das einen Kasten als Verlängerung aufweist. Vorzugsweise ist es ein spitzes und gegebenenfalls gleichseitiges Dreieck. Vorzugsweise ist der Kasten ein rechtwinkliger Kasten. Die gezeichneten Punkte illustrieren die Schweißpunkte 28 bzw. Schweißnähte 28. Die zwei unteren Schweißpunkte 28 bilden den Übergang von der Sicke 14 zur Grundfläche der Auskleidung 13. Der Übergang von der Sicke 14 zur Grundfläche der Auskleidung 13 ist nicht stetig. Die Scheißnähte 28 liegen direkt in der Ecke. Die Schenkel der Sicke 14 und die Auskleidung bilden einen Winkel von 80° bis 100°, vorzugsweise etwa 90°. Bei dieser Ausgestaltung werden die Schweißnähte 28 geringer belastet bei der Fertigung und beim Tempern.
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Auch in den 6.c und 6.d ist eine Dreiecksicke 14 dargestellt. Es werden Tellerfedersicken 14 gebildet. Durch die in der Auskleidung 13 eingebrachten Sicken 14 wird eine Art Tellerfeder gebildet, so dass beispielsweise thermisch bedingte Längendehnungen zwischen dem Kasten 30 und, dem Rohr 11 ausgeglichen werden können. 6.c zeigt ein spitzwinkliges Dreieck als Sicke 14, das vorzugsweise zudem auch gleichseitig ist. Die Schenkel des Dreiecks bilden eine Ecke mit der Auskleidung 13. Der Übergang von der Sicke 13 zur Grundfläche der Auskleidung 13 ist nicht stetig. Die Scheißnähte 28 liegen in der Ecke. Dagegen zeigt 6.d einen stetigen Übergang von der Sicke 14 auf die Grundfläche der Auskleidung 13. Die Schenkel des Dreiecks sind dazu nach außen geführt oder gebogen. Die Schweißnähte 28 liegen in der Grundfläche der Auskleidung 13.
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In 6.e ist eine Kastensicke 14 gezeigt. Vorzugsweise ist die Kastensicke 14 eine Rechtecksicke, Die Schweißnähte 28 liegen dabei jeweils in den Ecken des Kastens bzw. des Rechtecks. Abschließend zeigt 6.f beispielhaft eine Kastensicke 14, in der noch zusätzlich eine Art Entlüftung 14a oder Verlängerung 14a, zum Beispiel als ein Röhrchen, angeordnet ist, so dass eine Art Volumenausgleich für die Sicke 14 bereitgestellt wird.
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Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind. Die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.
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Merkmale einzelner Ausführungsformen und die im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Merkmale können jeweils untereinander als auch miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schmelze oder Glasschmelze
- 1a
- Schmelzoberfläche oder freie Schmelzoberfläche
- 1b
- Fließrichtung der Schmelze
- 2
- Schmelztiegel oder Schmelzaggregat
- 3
- Läutertiegel oder Bereich zum Läutern
- 4
- Homogenisierungseinrichtung
- 4a
- Rühreinrichtung
- 5
- Einrichtung zur Formgebung
- 6
- Induktionsspule
- 10
- Vorrichtung zum Transportieren, Homogenisieren und/oder Konditionieren oder Rinne
- 11
- Rohr
- 12
- Träger oder Trägerohrwand
- 13
- Auskleidung
- 14
- Sicke
- 14-1
- Erster Abschnitt einer Sicke
- 14-2
- Zweiter Abschnitt einer Sicke
- 14-3
- Dritter Abschnitt einer Sicke
- 14-4
- Vierter Abschnitt einer Sicke
- 20
- Flansch
- 20a
- Zwischenraum oder Fuge
- 21
- Zuleitung
- 22
- Heizeinrichtung oder Transformator
- 23
- Kühleinrichtung oder fluiddurchflossenes Rohr oder Rohrsystem
- 24
- Spalt oder Zwischenraum oder Übergangsbereich
- 25
- Scheibe oder Ir-Scheibe oder Ir-Flansch
- 26
- Verbindungselement oder Lasche oder Pt-Lasche
- 26a
- Kragen des Verbindungselements
- 27
- Isolierung oder Dichtung
- 28
- Flanschverbindung oder Schweißnaht oder Schweißpunkt
- 30
- Kasten oder gasdichter Kasten
- 31
- Gaszufuhr oder Gasanschluss
- 32
- Gasversorgung
- 40
- Thermoelement
- 41
- Fühler
- 42
- Halter oder Halterung
- 50
- Wannenstein einer benachbarten Vorrichtung
- 60
- Formwerkzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006003531 A1 [0005]
