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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Erzeugen von Kantendruckspannungen in Glasscheiben
während
einer thermischen Behandlung, insbesondere während eines Biegevorgangs,
bei dem die Glasscheiben in den Bereich ihrer Erweichungstemperatur,
ggf. darüber
hinaus erhitzt werden. Sie bezieht sich auch auf entsprechende Vorrichtungen.
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Speziell bei nicht insgesamt vorgespannten Glasscheiben,
die zu einem Scheibenverbund (Verbundsicherheitsglas) weiterverarbeitet
werden sollen, will man entlang deren Kanten oder Rändern bleibende
Randdruckspannungen erzeugen, damit diese Scheiben während ihrer
Weiterverarbeitung und Montage sowie im Einbauzustand weniger anfällig gegen
von ihrem Rand ausgehende Risse bzw. Brüche sind. Dieses sowohl für ebene
als auch für gebogene
Glasscheiben relevante Problem wurde bereits mannigfach abgehandelt,
wie im Folgenden anhand einiger Beispiele erörtert wird.
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So beschreibt
EP-B1-322 284 ein Verfahren nebst
Vorrichtung, mit dem/der insbesondere zur Weiterverarbeitung in
Verbundglas vorgesehene Glasscheiben nach dem Erhitzen und Biegen
durch Aufblasen von Gas, insbesondere von Luft, auf ihren Umfangsrand
gezielt lokal durch Konvektion so gekühlt werden, dass sich ein umlaufender
Rahmen von Druckspannungen bildet. Zum Lenken oder Leiten der kühlenden
Gasströmung
ist dort eine Schürze vorgesehen,
welche den zentralen Flächenbereich der
Glasscheiben überdeckt
und abdeckt, so dass dieser langsamer als der Scheibenrand abgekühlt wird.
Durch Verändern
des Abstands zwischen der Glasscheibenfläche und dem scheibennahen Rand der
Schürze
lässt sich
die Breite des gesondert gekühlten
Rahmens und damit die Breite der Druckspannungszone beeinflussen.
Bei diesem partiellen Vorspannen der Glasscheiben können sich
jedoch in Kompensation der Druckspannungen problematische Zugspannungen
in einem Glasflächenband
einwärts
vom Rand bilden, welche die Scheiben bei dort auftretenden Oberflächenverletzungen
(Abrieb, Steinschlag) zerstörungsanfällig machen.
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Dem letztgenannten Problem will
EP-B1-683 724 abhelfen,
indem innerhalb des Außenrandes
einer gebogenen Glasscheibe ein Isolierring vorgesehen wird, der
einen begrenzten rahmenförmigen
Flächenbereich
der Glasscheibe überdeckt
und dessen allzu rasches Abkühlen
beim insgesamten Kühlen der
Glasscheibe verhindern soll. Während
sich die erwünschten
Druckspannungen am äußeren Scheibenrand
einstellen, wird der Effektivwert der – unvermeidlichen – Zugspannungen
verringert, indem ihr Maximum verringert und das Band ihrer Ausdehnung verbreitert
wird.
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EP-B1-351 739 beschreibt ein Verfahren zum
paarweisen Schwerkraft-Biegen von Glasplatten für laminiertes Glas, bei dem
die fertig gebogenen Glasscheiben im noch heißen Zustand vom heißen Biegeformring
abgehoben werden, um eine verhältnismäßig raschere
Abkühlung
des Scheibenrandes zu erreichen, die ihrerseits die erwünschten
Randdruckspannungen herbeiführt.
Dieses Verfahren wird bei dünnen
Glasscheiben angewendet, deren Seitenbereiche durch zusätzliches
Pressbiegen in besonders enge Biegeradien geformt werden müssen, wobei
ein Auskragen Lassen der Scheiben über den Umfang der Biegeformen
(um ihren Rand nach dem Biegen schneller kühlen zu können) zu ungenauen Biegeverläufen bzw.
Randwelligkeiten führen
könnte und
deshalb zwar diskutiert, aber als Lösung ausgeschlossen wird.
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EP-B1-400 631 offenbart ebenfalls ein Verfahren
zum Erzeugen von Randdruckspannungen in ebenen oder gebogenen Glasscheiben.
Hier wird die Glasscheibe zunächst
erhitzt, ggf. gebogen, und dann ihr Rand mit einem – ggf. ihrer
gekrümmten Kontur
angepassten – Kühlring in
Kontakt gebracht, dessen Temperatur deutlich unter der Temperatur
der Glasscheibe und der Umgebung liegt. Sodann überführt man die Glasscheibe in
einen Kühlofen,
dessen Temperatur wiederum nicht höher als die Temperatur des
Kühlrings
ist, um sie spannungsfrei abzukühlen. Schließlich wird
die gesamte Glasscheibe auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei an ihrem Rand die
erwünschten
Druckspannungen bestehen bleiben. Durch das Aufliegen des Scheibenrandes
beim separaten Kühlen
auf einer passenden Form werden unerwünschte Verformungen weitestgehend
vermieden.
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Ein ähnliches Verfahren ergibt sich
aus
EP-A1-838 438 ,
der zufolge erhitzte Glasscheiben mithilfe einer beheizten Formmembran
gegen eine vollflächige
starre Biegeform gepresst werden. Die mit dem Glas in Kontakt kommenden
Formflächen sind
in der üblichen
Weise mit Geweben bedeckt, um den Wärmeübergang zu verbessern. Die
Deckgewebe können
hier im Randbereich der Glasscheiben eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit haben, um die Kühlung des
besagten Randbereichs zu verbessern.
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W0-A1-98/39261 lehrt hingegen ein
kontrolliertes Kühlen
einer Teilfläche
einer im Biegevorgang befindlichen, hoch erhitzten Glasscheibe mithilfe
einer hohlen Box mit möglichst
geringer Eigenmasse und geringer Wärmekapazität, die in unmittelbarer Nachbarschaft
zu der besagten Glasscheibe angeordnet ist. Dieses Verfahren lässt sich
auch auf paar weises Biegen von Glasscheiben anwenden, die zur Weiterverarbeitung
in gebogenes Verbundglas vorgesehen sind. Es zielt jedoch nicht
auf das Erzeugen besonderer Spannungen im Glas ab, sondern soll beim
Schwerkraftbiegen auf einer Ringform ein übermäßiges Durchsacken des zentralen
Flächenbereichs
der Glasscheiben (beim paarweisen Biegen das Durchsacken der unten
liegenden Glasscheibe) verhindern.
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Besagte Box, die den normalen Wärmeübergang
von den Heizelementen auf das Glas nicht behindern und nicht in
Kontakt mit den Glasscheiben kommen soll, wird mit einer durchgeleiteten
Kühlluftströmung herunter
gekühlt,
sobald die Glastemperatur oberhalb von etwa 550°C angelangt ist. Sie bildet dann
eine Wärmesenke,
welche der eng benachbarten Glasfläche Wärme entzieht. Folglich wird
das Glas im Bereich der Box lokal weniger stark erhitzt als an den
anderen, nicht von der Box überdeckten Flächen. Die
Kühlluftströmung gelangt
nicht in die die Glasscheibe aufnehmende Biegekammer, die Wärme wird
vom Glas zur Wärmesenke
praktisch ausschließlich
durch Strahlung übertragen.
Ein erhöhter Energieeinsatz
in der Biegevorrichtung wird in Kauf genommen.
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Im Zusammenhang mit dem flächigen thermischen
Vorspannen von monolithischen Windschutzscheiben für Fahrzeuge
wurde schließlich
vorgeschlagen (
DE-AS-1
256 844 ), der hoch erhitzten Glasscheibe an definierten
Stellen schon vor dem Vorspannen durch in deren Nähe gebrachte
Kühlkörper mit
hoher Wärmeaufnahmekapazität gezielt
Wärme zu
entziehen. Dadurch soll die Temperaturänderung an den betreffenden
Stellen beim nachfolgenden Abschrecken bzw. schroffen Abkühlen der
gesamten Glasscheibe weniger steil werden. Folglich stellt sich
an diesen Stellen eine im Vergleich mit den restlichen Flächenanteilen
verringerte Vorspannung ein. Man will damit erreichen, dass im Bruchfall
größere zusammenhängende Glasstücke erhalten
bleiben, die noch eine gewisse Durchsicht durch die zerstörte (Windschutz-)Scheibe
ermöglichen.
Das Erzeugen besonderer Randspannungen wird auch hier nicht angesprochen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu
Grunde, ausgehend von der Lehre der
EP-B1-322 284 ein weiteres Verfahren zum
Erzeugen von erhöhten Randspannungen
in thermisch behandelten Glasscheiben zu schaffen sowie eine insbesondere
zum Durchführen
des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des
Verfahrens erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Merkmale des Patentanspruchs
13 geben eine entsprechende Vorrichtung an. Die Merkmale der den
unabhängigen
Ansprüchen
jeweils nachgeordneten Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen
dieser Anspruchsgegenstände
an.
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Indem man einen als Wärmesenke
dienenden Körper
berührungslos
einer Kante der erhitzten Glasscheibe annähert (oder auch die Glasscheibe
an den Kühlkörper annähert), wird
letzterem in an sich bekannter Weise durch Strahlung Wärme entzogen. Dies
genügt,
wie Versuche der Erfinder gezeigt haben, um bei der fertig abgekühlten Glasscheibe
eine hinreichende und homogene Randspannungsverteilung an der gesondert
gekühlten
Kante aufzubauen. Unter Kante wird hier grundsätzlich der umlaufende äußere Randbereich
einer Glasscheibe verstanden. Dessen ungeachtet ist auch eine spezielle
Anwendung der Erfindung zum Einbringen von Druckspannungen in den
Rand eines oder mehrerer in einer Glasscheibe vorgesehener Löcher möglich.
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Dieser Effekt lässt sich grundsätzlich bei nicht
oder bei nur geringfügig
gebogenen Scheiben, die weniger erhitzt werden müssen, nutzen. Das Verfahren
und die Vorrichtung nach der Erfindung können des weiteren bei jeglichem
Biegeverfahren, sei es Schwerkraftbiegen, sei es Pressbiegen, auf
Ringformen oder Vollformen eingesetzt werden, und zwar sowohl bei
einzelnen als auch bei mehreren zugleich behandelten Glasscheiben.
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Auch ist es denkbar, Verfahren und
Vorrichtung nach der Erfindung bei Bedarf im Zusammenhang mit dem
thermischen Vorspannen von Glasscheiben anwenden, gleich ob diese
nun vollständig oder
nur teilweise vorgespannt werden.
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Der als Wärmesenke benutzte Körper kann an
einer Biegeform, einer Auflage und/oder einer Transportvorrichtung
für die
erhitzte(n) Glasscheibe(n) befestigt werden, wobei dem Fachmann
sämtliche
Möglichkeiten
einer sinnvollen Bauteilintegration offen stehen. Selbstverständlich könnte auch
eine eigene Haltevorrichtung für
den Kühlkörper vorgesehen
werden, um den Kühlkörper bei
Bedarf an die zu kühlende
Kante der Glasscheibe anzunähern
und wieder davon zu entfernen.
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Der Effekt der Annäherung des
als Wärmesenke
genutzten Körpers
an die gesondert gekühlte Kante
der heißen
Glasscheibe besteht darin, dass sowohl die Randdruckspannungen erhöht als auch die
weiter von der Kante sich aufbauenden Zugspannungen erniedrigt werden.
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Bei der Anwendung der Erfindung im
Zusammenhang mit einem Biegeverfahren ist es möglich, mit dem Kühlen des
Randes bereits in der letzten Phase des Formgebung zu beginnen.
Das Verfahren lässt
sich auch problemlos in einen Durchlaufprozess einfügen, in
dem große
Serien von gebogenen Glasscheiben in industriellem Maßstab hergestellt
werden. Dabei wird kein zusätzlicher
Raum benötigt,
weil sich das Verfahren bzw. die zugehörige Vorrichtung in eine vorhandene
Heiz- und/oder Biegevorrichtung integrieren läßt.
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Der Gesamtprozess lässt sich
optimieren und kann dadurch wirtschaftlicher werden im Sinne einer
besseren Anlagennutzung.
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Eine mögliche Integration des Verfahrens besteht
darin, den Kühl-Körper an
die Scheibe zusammen mit einer beweglichen Biegeform anzunähern, wobei
letztere der Scheibe ihre endgültige
Biegekontur gibt.
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Vorzugsweise wird die Wirkung des Kühl-Körpers als
Wärmesenke
auf den Scheibenrand bzw. auf die gesondert zu kühlende Kante ausgerichtet,
indem man ihn auf den von der Glasscheibe bzw. der Kante wegweisenden
Seiten isoliert. Damit werden Wärmeverluste
im Ofen auf ein unvermeidliches Maß reduziert. Die Temperatur
des Kühl-Körpers wird
je nach beabsichtigter Einwirkdauer mehr oder weniger weit unterhalb
der Erweichungstemperatur des Glases liegen müssen.
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Innerhalb des Kühlkörpers, insbesondere zwischen
seiner Außenhaut
und seinem ggf. mit Gas/vorzugsweise Luft oder Flüssigkeit/vorzugsweise
Wasser gekühlten
Innenraum treten erhebliche Wärmegradienten
auf; dies ist bei der Bemessung der Einlauftemperatur des Kühlmediums
zu berücksichtigen.
Man kann beispielsweise Luft oder auch Wasser mit Raumtemperatur
zuführen.
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Zum Steuern der Kühlwirkung kann man den Strahlungsaustausch
zwischen dem Kühlkörper und der
Glasscheibenkante auch durch Isolierung auf den der Glasscheibe
bzw. deren gesondert zu kühlenden
Kante zugewandten Flächen
des Kühlkörpers den
erforderlichen Bedingungen anpassen. Man könnte z. B. dünne Strahlungsschirme
aus Edelstahl und/oder eine größere Wandstärke und/oder
ein anderes hitzefestes Material vorsehen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels
im Umfeld einer Biegevorrichtung und deren sich im folgenden anschließender eingehender
Beschreibung hervor.
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Die einzige Figur zeigt in stark
vereinfachter und nicht maßstäblicher
Darstellung eine Schnittansicht von der Anordnung eines Kühlkörpers, der
eine Glasscheibe mit geringem Abstand rahmenförmig umgibt und somit deren
gesamte Außenkante
gesondert abkühlt.
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Es ist jedoch nicht zwingend notwendig,
in die gesamte umlaufende Außenkante
einer Glasscheibe Randdruckspannungen einzubringen; sollte es in
bestimmten Anwendungsfällen
genügen,
nur einen Teil der Außenkante
gesondert zu kühlen,
so wird man natürlich
den Kühlkörper entsprechend
gestalten, so dass er nur einem vorbestimmten Abschnitt der Glaskante
angenähert
wird.
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Gleiches gilt für den schon weiter oben erwähnten Fall
einer Loch-Umfangskante – dort
kann man z. B. abweichend von der Darstellung einen kompakten Kühlkörper vorsehen,
der mehr oder weniger genau das Loch ausfüllt, ohne mit dessen Rand in
Berührung
zu kommen.
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In einer insgesamt mit 1 bezeichneten
Glasbiegevorrichtung wirkt eine Ringform 2 mit einer unteren
Form 4 zusammen. Auf letzterer liegt ein Paar 5 von
Glasscheiben auf, die zwischen der unteren Form 4 und der
Ringform 2 nach einer Vorbehandlung einem abschließenden Pressbiegevorgang
unterzogen werden, bei dem sie ihre endgültige Biegekontur erhalten.
Der äußere Umfangsrand 5R der Glasscheiben
kragt geringfügig über den
Außenumfang
der unteren Form 4 aus.
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Die erwähnte Vorbehandlung kann z.
B. mithilfe von weiteren, hier nur angedeuteten Biegeringen 6 vorgenommen
werden, von denen das Paar 5 von Glasscheiben schließlich auf
die untere Form 4 übergeben
wird. Die nach dem Ablegen der Glasscheiben auf der unteren Form
erforderliche Relativbewegung zwischen der Ringform 2 und
der unteren Form 4 kann durch gegenseitiges Annähern oder durch
Bewegen der einen Form zur anderen hin ausgeführt werden. Dieses Biegeverfahren
wird in WO-A1-02/064519 insgesamt beschrieben, weshalb hier nicht
näher darauf
eingegangen wird. Es bildet auch nur einen denkbaren Anwendungsfall
der hier beschriebenen Erfindung.
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Ein Kühl-Körper 3 ist in diesem
Ausführungsbeispiel
der Ringform 2 fest zugeordnet, wie hier durch eine Konsole 3K angedeutet.
Seine Gestalt ist möglichst
exakt dem Verlauf der äußeren Kante
der Glasscheiben angepasst. Für
dieses Beispiel sei angenommen, dass diese beiden Elemente der Biegevorrichtung
1 gemeinsam beweglich sind und zeitgleich auf die Vollform 4 abgesenkt
werden, sobald das Paar 5 von Glasscheiben darauf abgelegt
wurde.
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Der Kühl-Körper 3 wird mit geeigneten
Mitteln auf eine deutlich geringere Temperatur als die der Glasscheiben
gebracht. Dies kann schon vor der Annäherung geschehen, z. B. durch
ständiges
Fließenlassen
eines Kühlmediums
ungeachtet der Stellung des Kühl-Körpers oder -Rahmens 3.
Wenn es der Gesamtprozess (Durchlaufzeiten, erforderliche Temperaturreduzierung
des Glasrandes) zulässt, könnte man
aber den Kühl-Körper 3 auch
erst nach bzw. während
dem Herstellen des Kontakts zwischen den Glasscheiben und der Ringform 2 abkühlen, den Wärmeentzug
also verzögert
einsetzen lassen.
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Im Ergebnis wird der Rand der Glasscheiben praktisch
zeitgleich mit der endgültigen
Formgebung durch Entzug von Strahlungswärme gegenüber der Ofentemperatur und
den Scheibenflächen
zwangsweise heruntergekühlt,
indem die Wärme
vom Kühl-Körper 3 aufgenommen
(wie durch ein Büschel von
Pfeilen angedeutet ist, die vom Rand 5R der Glasscheiben
in den Kühl-Körper 3 hinein
zeigen) und abgeführt
wird. Letzterer umfasst hier zwei getrennte umlaufende Kanäle oder
Rohre 3.1 und 3.2, die von einem geeigneten Kühlmedium
durchströmt werden.
Dies kann ein Gas, z. B. Luft sein, man verwendet jedoch vorzugsweise
kaltes Wasser, um die von den Glasscheibenrändern aufgenommene bzw. abgestrahlte
Wärme abzuführen.
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Die thermodynamischen Daten des Kühlrahmens
bzw. des Kühlvorgangs,
z. B. Material, Wärmekapazitäten und
-leitfähigkeit,
Querschnitte, Abstände,
Massenströme,
Temperatur des Kühlmediums, Einwirkdauer,
sind in Versuchen zu ermitteln. Von den Erfindern unternommene Vergleichsversuche haben
bestätigt,
dass die Höhe
und die Homogenität der
erzielten Druckspannungen im Scheibenrand insbesondere von der zeitlichen
Dauer der Kühlung
und der Temperatur des Kühlrahmens
abhängen.
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Der Kühlrahmen wird in diesem Verfahren
einer bis 670 °C
heißen
Umgebung ausgesetzt. Man wird ihn aus einem hitzebeständigen Metall
herstellen, wobei vorzugsweise derselbe Werkstoff wie für die Biegeformen
verwendet wird, nämlich
Edelstahl.
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Um die Wärmeabfuhr möglichst effektiv zu lenken
und unnötige
Wärme-
und Energieverluste in der heißen
Umgebung zu minimieren, sind die metallischen Rohre 3.1 und 3.2 des
Kühl-Körpers 3 auf
ihren von den Glasscheiben abgewandten Seiten mit einem geeigneten
Dämmmaterial
thermisch isoliert, so dass nur ihre freien Seiten Wärme aufnehmen
und durch Wärmeleitung
an das innen strömende
Kühlmedium
abgeben können.
Man erkennt, dass auf diese Weise insbesondere an den Stirnkanten
der Glasscheiben die stärkste
Wärmeabfuhr
möglich
ist. Infolge der schlechten Wärmeleitung
von Glas bleibt der Wärmeentzug
auf die äußere Randzone
beschränkt, so
dass sich auch die gewünschten
Randdruckspannungen zuverlässig
am gewünschten
Ort aufbauen.
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Die hier gezeigten einfachen Rechteck-Querschnitte
des Kühl-Rahmens
können
bei Bedarf natürlich
durch andere, an den jeweiligen Anwendungsfall noch besser angepasste
Querschnitte ersetzt werden, die ggf. eine noch bessere Anschmiegung
des Kühl-Rahmens
an den Glasrand 5R erlauben. Insbesondere könnten die
beiden hier gezeigten getrennten Querschnitte zu einem gemeinsamen
Kanal zusammengefasst werden. Andererseits wäre es auch denkbar, mit einer
Mehrzahl von Hohlquerschnitten eine zeitlich und örtlich differenziert steuerbare
Wärmesenke
zu bilden, wenn der jeweilige Anwendungsfall das erfordern sollte.
Man könnte auch
im hier gezeigten Fall die beiden Kanäle zeitlich versetzt, ggf.
auch mit unterschiedlichen Temperaturen kühlen, indem man die Strömung des
Kühlmediums
entsprechend steuert, ggf. auch einen sanfteren Übergang in die Kühl phase
erreichen, indem nicht sofort mit der vollen Kühlleistung gearbeitet wird.
Ggf. könnte
man sogar für
die getrennten Kanäle
unterschiedliche Kühlmedien
verwenden, z. B. einen Kanal mit einem gasförmigen und einen anderen mit flüssigem Kühlmedium
speisen.
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In noch einer Variante könnte man
auch einen ggf. extern kühlbaren
Kühl-Körper vorsehen,
der allein durch sein Wärmespeichervermögen eine „passive" Wärmesenke
bildet und vor jedem Einsatz mit geeigneten Mitteln auf seine Anfangstemperatur heruntergekühlt wird.
Natürlich
kann man auch einen Körper
mit innerer Kühlung
als „passive" Wärmesenke
einsetzen, indem die Kühlströmung nur
zum Herunterkühlen
des Körpers
nach einem Arbeitsgang verwendet und während der eigentlichen Strahlungs-Wärmeübertragung von der Glaskante
auf den Körper
abgeschaltet bleibt.