DE2335810A1

DE2335810A1 - Elektrischer ofen zur erhitzung eines fliessfaehigen materials, vorzugsweise glas

Info

Publication number: DE2335810A1
Application number: DE19732335810
Authority: DE
Inventors: Robert William Holler; Richard Edward Rothrock
Original assignee: Owens Corning Fiberglas Corp
Current assignee: Owens Corning
Priority date: 1972-07-19
Filing date: 1973-07-13
Publication date: 1974-01-31
Also published as: CA1013407A; SE399870B; IT998253B; LU68023A1; US3836689A; GB1440967A; FI55324C; BR7305287D0; FR2193473A5; FI55324B; NL7309643A; BE802425A

Description

Dft.-INa. OIFU-ΙΝβ. M. SC. OIPI ^HYS. Ort. DlfU.-FMY». HÖGER -STELLRECHT - GRiESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Owens-Corning Fiberglas Corporation Toledo, Ohio 43 659
U. S. A.

Elektrischer Ofen zur Erhitzung eines fließfähigen Materials, vorzugsweise Glas

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Ofen zur Erhitzung eines fließfähigen geschmolzenem Material, vorzugsweise Glas zur Glasfaserherstellung, mittels Joule'scher Wärme.

Bis in die letzten Jahre hinein war es unpraktisch gewesen _f sehr viele Materialien, darunter beispxelsweise geschmolzenes Glas, in einem elektrischen Ofen aufgrund des Durchleiten eines Stromes durch dieses Material zu erhitzen. Es traten nämlich bei der elektrischen Erhitzung von geschmolzenen

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Glas aufgrund des Joule'sehen Effekts, d. h. aufgrund der Joule"sehen Wärme als Folge der durch den negativen Temperaturkoeffizient des Widerstandes des geschmolzenen Glases verursachten Instabilität Probleme auf. Wenn geschmolzenes Glas aufgrund des Durchgangs eines elektrischen Stromes erhitzt V7ird_# fällt der Widerstand des Glases, was wiederum dazu führt, daß der Strom ansteigt, falls dieser Strom nicht in irgendeiner Weise reguliert oder geregelt wird.

Es ist von extremer Bedeutung, die Temperatur geschmolzenen Glases auf erwünschten Temperaturhöhen zu halten, wenn dieses durch einen elektrischen Glasofen fließt. Wird Glas beispielsweise auf einer Seite des Ofens zu heiß, dann bewirkt die verringerte Viskosität des Glases eine Kanalbildung, eine sogenannte Channelierung und der Ofen gibt ein ungleichförmiges Glas ab. Wenn ein solcher heißer Fleck bzw. heißer Bereich in einem Ofen ausreichend warm oder erhitzt wird,kann das Glas Blasen bilden und schäumen. Dieser heiße Bereich beeinträchtigt auch das Temperaturprofil in der Flußrichtung des geschmolzenen Glases. Bei einem üblichen Entwurf für Glasofen wird rohes Glasgemengematerial dem einen Ende des Ofens an der Oberfläche des Glaskörpers zugeführt und geschmolzenes Glas v/ird an dem entgegengesetzten Ende des Ofens entnommen. Wenn das Glasgemenge geschmolzen und das geschmolzene Glas durch den Ofen fließt, sollte in der Flußrichtung ein spezifisches Temperaturprofil aufrechterhalten bleiben. Das geschmolzene Glas soll auf eine vorgegebene hohe Temperatur erhitzt werden, wenn es durch den mittleren Bereich des Ofens fließt, um sicherzustellen, daß das gesamte Gemengematerial vollständig aufge-

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Das Problem der Temperaturstabilität bei elektrisch geheizterageschmolzenen Glas ist schon in dem US-Patent 3 395 237 angesprochen worden, wobei in diesem Patent eine Anzahl von . Elektrodenpaaren in einem Ofen positioniert sind,um durch das geschmolzene Glas Strom hindurchzuleiten. Das Quadrat des mittleren Stromes, der jedem Elektrodenpaar- zugeführt wird, ist dabei auf ein im wesentlichen konstantes Niveau geregelt, ohne Berücksichtigung der Temperatur oder des Widerstandes des geschmolzenen Glases zwischen den Elektrodenpaaren. Es ist bekannt, daß die von einem Leiter verbrauchte bzw. vernichtete Leistung gleich ist dem Quadrat des durch den Leiter fließenden Stromes, multipliziert mit dem Widerstand des Leiters. In dem man das Quadrat des mittleren Stromes bzw. den quadratischen Mittelwert des Stromes auf einen im wesentlichen konstanten Wert aufrechterhält, ist die im geschmolzenem Glas verbrauchte Bzw, als Verlust eingehende Leistung zwischen einem Paar einen

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Abstand aufweisenden Elektroden proportional zu dem Widerstand des geschmolzenen Glases.-Hält man daher das Quadrat des durchlässigen Stromes konstant, dann nimmt die zugeführte Leistung ab, wenn der Widerstand es geschmolzenen Glases aufgrund eines Temperaturanstiegs in demselben abnimmt. Umgekehrt steigt die zugeführte Leistung, wenn sich der Widerstand des Glases erhöht als Folge einer Temperaturabnahme des Glases. Sind dann alle anderen Faktoren konstant, dann hat auch die Temperatur des geschmolzenen Glases die Tendenz konstant zu sein, wenn eben das Quadrat des mittleren zugeführten Stromes konstant gehalten wird.

Heiße oder kalte Stellen oder Punkte bzw. Bereiche treten in einem elektrischen Glasofen selbst dann auf, wenn die einem Elektrodenpaar zugeführte Leistung gesteuert bzw. geregelt ist, Wenn beispielsweise eine Elektrode ausfallen sollte,dann ergibt sich angrenzend an diese Elektrode ein kalter Bereich, der kühler als erwünscht ist. Dieser kalte Bereich kann ausreichend sein, um die-Qualität bzw. Gleichförmigkeit des in dem Ofen erzeugten Glases zu beeinträchtigen. Wenn beispielsweise das geschmolzene Glas durch eine Öffnung geringen Durchmessers hindurch fließt und zu einer Faser ausgezogen wird dann sind Qualität und Gleichförmigkeit des Glases und der von der Temperatur abhängenden Viskosität des Glases von extremer Bedeutung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen

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elektrischen Ofen zu schaffen, der mit extremer· Genauigkeit sicherstellt, daß ein gewünschtes Temperaturprofil des in dem Ofen aufgeschmolzenen Materiales erreicht und aufrechterhalten bleibt, desgleichen eine vorgegebenen Viskosität und eine bestimmte Temperatur am Ofenauslaß sichergestellt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten elektrischen Ofen und besteht erfindungsgemäß darin, daß ein Behälter für das geschmolzene Material und mindestens eine sich in dem Material in einer Richtung quer zur Materialflußrichtung erstreckende thermische Zone vorgesehen sind, daß zur Zuführung elektrischer Leistung für jede thermische Zone mindestens zwei in elektrischem Kontakt mit dem Material in einer gegebenen Zone stehende Elektroden umfassende Schaltkreise vorgesehen und die Elektroden im Abstand in Querrichtung zum Materialfluß angeordnet sind und daß auf eine vorgegebene Temperaturdifferenz in jeder Zone in Querrichtung zum Materialfluß ansprechende Meßfühler vorgesehen sind zur=Regelung der Leistungszuführung sämtlicher Schaltkreise, die den Elektroden dieser thermischen Zone Leistung zuführen.

Die Erfindung besteht also darin, daß ein elektrischer Ofen geschaffen wird,der mindestens eine und bevorzugt eine Vielzahl geregelter thermischer Zonen umfaßt, die sich in einer Richtung quer zur Flußrichtung des Glases durch den Ofen erstrecken. Dabei sind jeder thermischen Zone mindestens zwei elektrische Schaltkreise zugeordnet, die zur Erhitzung des Glases mindestens jeweils drei Elektroden Leistung zuführen;

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weiterhin ist eine Regelschaltung vorgesehen, die das Quadrat des mittleren Stromes in jedem Speiseschaltkreis für die Elektroden auf im wesentlichen einen konstanten Wert hält. Wird dann in dem geschmolzenen Glas in jeder thermischen Zone eine vorgegebene, erlaubte Temperaturänderung überschritten, dann wird entweder die sämtlichen Elektroden in diesenthermischenZone zugeführte elektrische Leistung reduziert oder völlig unterbrochen. Die thermischen Zonen können weiterhin untereinander in einer Verbindung stehen, d. h. es können beispielsweise diesen thermischen Zonen extern vorgewählte Sollwerte vorgegeben werden, die sich dann so auswirken, daß ein gewünschtes Temperaturporfil in dem Material in Flußrichtung aufrechterhalten werden kann.

Die Erfindung stellt daher einen verbesserten elektrischen Ofen zur Erhitzung von Materialien, wie beispielsweise geschmolzenes Glas zur Verfügung, wobei der Ofen Regelungen umfaßt, die die dem Glas zugeführte Wärmeleistung regulieren, damit gegebenenfalls auf Zufällen beruhende heiße oder kalte Bereichein dem geschmolzenen Glas reduzierenund deren Einfluß zunichte machen. Der Ofen besteht aus einem Behälter, der das Glas aufnimmt, wenn dieses erhitzt wird. Der Behälter wird auf ein vorgegebenes Niveau mit geschmolzenem Glas angefüllt und ein vorgemischtes Gemenge von Beschickungsmaterialien wird der Oberfläche des geschmolzenen Glases an einem Ende des Behälters zugeführt, um die Niveauhöhe des geschmolzenen Glases auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten. Das geschmolzene Glas wird dann an der gegenüberliegenden Seite des Behälters oder an einem entfernteren Teil wieder entnommen.

Innerhalb des geschmolzenen Glases sind eine Vielzahl von Elek-

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troden untergetaucht, die in Reihen angeordnet sind, die sich in Querrichtung zu der Flußrichtung des geschmolzenen Glases erstrecken. Jede Elektrodenreihe definiert eine separate thermische Zone, die gebildet wird, wenn den Elektroden zur Erhitzung des Glases elektrische Leistung zugeführt wird. Die Leistung wird bevorzugt in der Weise kontrolliert und geregelt, daß für jedes Elektrodenpaar das Quadrat des mittleren Stromes oder der quadratische Mittelwert, d.h. der Effektivstrom konstant gehalten wird. Die Glastemperaturen werden dabei an einer Vielzahl von ortern innerhalb jeder thermischen Zone überwacht und miteinander verglichen. Sollte in irgendeiner thermischen Zone eine erlaubte Tmperaturvariatxon überschritten werden, dann wird die Leistung reduziert oder vollständig von sämtlichen Elektroden innerhalb der thermischen Zone weggenommen, oder sonstwie eingeregelt, um unerwünschte Temperaturvariationen in einer Richtung quer zu dem Glasfluß zu unterbinden. Die Abschaltung der gesamten Leistungszuführung zu einer Zone ver-' ursacht einen Temperaturabfall des Glases, welches diese Zone durchströmt; als Folge des negativen Temperaturkoeffizienzen des geschmolzenen Glases verursacht jedoch ein solcher Temperaturabfall einen Anstieg des Glaswiderstandes. In der nächsten thermischen Zone, durch welche das Glas fließt, bewirkt dann dieser höhere Glaswiderstand die Zuführung bzw. Aufnahme einer höheren elektrischen Leistung, um auf diese Weise einen gleichmäßigen Temperaturanstieg mit höherer Geschwindigkeit zur Kompensation der weiter vorn abgeschalteten Leistung zu gewinnen. Dies hat allgemein die Tendenz, die Glastemperatur wieder auf Normalwert zurückzuführen. Zusätzlich können die thermischen Zonen in gegenseitiger Abhängung geregelt und gesteuert werden, um den Ausfall oder die Beschädigung von einer oder mehrerer dieser thermischen Zonen zu kompensieren.

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Die Erfindung stellt daher einen elektrischen Ofen, insbesondere zur gesteuerten und gezielten Erhitzung geschmolzenen Glases zur Verfügung, der eine Zonentemperaturregelung aufweist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 in einer schematischen Darstellung eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Ofens zur Erhitzung geschmolzenen Glases,

Figur 2 in ebenfalls eher schematischer Weise ein Blockschaltbild des elektrischen Versorgungssystems für den Ofen nach Figur 1,

Figur 3 zeigt in schematischer Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Ofens zur Erhitzung geschmolzenen Glases,

Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild zur gesteuerten Leistungszuführung für den Ofen nach Figur 3, v/ährend

Figur 5 in schematischer Darstellung ein drittes

Ausführungsbeispiel, ausgehend von dem elektrischen Ofen der Figur 1 zeigt, v/obei

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dieses Ausführpngsbeispiel eine Kontrolle zur Aufrechterhältung eines gewünschten Temperaturprofils in Flußrichtung des geschmolzenen Glases aufweist, wenn dieses erhitzt wird.

In den Zeichnungen und insbesondere in Figur 1 ist ein verbesserter Ofen 10 zum Erhitzen geschmolzenen Materials, wie beispielsweise Glas, dargestellt. Obwohl in der nachfolgenden Beschreibung dieser Ofen speziell in bezug auf die Erhitzung von Glas erläutert werden soll, versteht es sich jedoch, daß auch andere Materialien mit einem ausreichend niedrigem Widerstand zur Erhitzung in elektrischen öfen ebenfalls in diesem Ofen 10 erhitzt werden können. Der Ofen 10 umfaßt allgemein einen Behälter 11, durch welchen das geschmolzene Glas fließt. An einem Ende 13 des Behälters 11 ist ein Auslaß 12 zur Entnahme des erhitzten geschmolzenen Glases vorgesehen. Der Auslaß 12 ist bevorzugt unter dem normalen Oberflächenniveau des geschmolzenen Glases untergetaucht, um das Eindringen ungeschmolzenen, auf der Oberfläche schwimmenden Gemenges zu verhindern. Eine Gemengezuführvorrichtung, nämlich ein Gemengespeiser 14 ist am entgegengesetzten Ende 15 des Behälters 11 angeordnet, wobei es sich versteht, daß die Zuführung des Gemenges an dem einen Ende des Behälters 11 lediglich beispielhaft ist und daß das Gemenge auch einer beliebigen Anzahl von Bereichen oberhalb der Oberfläche zugeführt werden kann, darin eingeschlossen eine Verteilung über die gesamte Oberfläche. Der Gemengespeiser 14 führt der Oberfläche des geschmolzenen Glases innerhalb des Behälters 11 zur Aufrechterhaltung eines konstanten Oberflächenniveaus eine Decke des ungeschmolzenen Gemengematerials zu.

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Das geschmolzene Glas innerhalb des Behälters 11 fließt kontinuierlich von dem Gemengespeiser 14 dem Auslaß 12 zu. Innerhalb des Behälters 11 befinden sich eine Vielzahl von thermischen Zonen 16, die sich in einer Richtung quer zur Flußrichtung des geschmolzenen Glases durch den Behälter 11 erstrecken. An jeder thermischen Zone 16 wird dem geschmolzenen Glas zusätzliche Wärme zugeführt. Da sich diese zusätzliche Wärme dem geschmolzenen Glas hinzufügt und dessen Wärmevolumen erhöht, erhöht sich auch die Temperatur des Glases, wenn es in Richtung auf den Auslaß 12 fließt. Innerhalb jeder thermischen Zone 16 sind mindestens drei Elektroden angeordnet, um dem geschmolzenen Glas zur Erhitzung desselben aufgrund des Joule'sehen Effekts, d.h. aufgrund der Joule'sehen Wärme elektrische Leistung zuzuführen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Ofens 10 in Figur 1 sind drei Elekroden 17 bis 19, jeweils innerhalb jeder thermischen Zone 16 gezeigt, wobei dem geschmolzenen Glas in einer beliebigen Zone 16 elektrische Leistung durch einen ersten Schaltkreis 20 zugeführt wird, der Elektroden 17 und 18 umfaßt und durch einen zweiten Schaltkreis 21, der die Elektroden 18 und 19 umfaßt. Die Elektrode 18 ist bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 beiden Schaltkreisen gemeinsam.

In Figur 1 ist ein Transformator 22 mit Mittelanzapfung gezeigt, um dem ersten und zweiten Schaltkreis 20 und 21 elektrische Leistung in Form eines Viechseistroms zuzuführen, obwohl auch zwei getrennte Transformatoren verwendet werden können. Die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators 22 ist mit der gemeinsamen Elektrode 18 und die Enden der Sekundärwicklung jeweils mit den Elektroden 17 und 19 verbunden. Weiterhin ist ein Stromregelschaltkreis 23 in Reihe mit der Leitung zwischen dem Transformator 22 und der Elektrode 17 und ein weiterer Stromregelschaltkreis 24 in Reihe zwischen dem

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Transformator 22 und die Elektrode 19 geschaltet, wobei diese Regelschaltkreise 23 und 24 bevorzugt so ausgelegt sind, daß sie im wesentlichen konstante Werte des Quadrats des Durch-

des
SchnittsStroms oder/quadratischen Mittelwerte der Ströme in den ersten und zweiten Schaltkreisen 20 und 21 aufrechterhalten. So wie dies bei den vorliegenden Schaltungen gemeint ist, soll die Regelung des Quadrats des durchschnittlichen Stromes in gleicher Weise ausgelegt sein wie die Regelung des quadra- ' tischen Mittelwerts des Stromes.

Weiterhin ist ein Temperaturfühler 25 vorgesehen, beispielsweise ein Thermoelement oder ein Infrarotsensor; der Temperaturfühler 25 ist so positioniert, daß er die Temperatur des geschmolzenen Glases an einer Position zwischen und geringfügig unterhalb der Elektroden 17 und 18 abtastet. Ein ähnlicher Temperaturfühler 26 ist zur Abtastung der Temperatur des geschmolzenen Glases zwischen und leicht unterhalb der Elektroden 18 und 19 angeordnet. Eine Vergleichsschaltung 27 für jede Zone 16 vergleicht die Werte der abgetasteten Temperaturen in der entsprechenden Zone. Bei Auftreten einer Tönperaturvariation zwischen den von den Temperaturfühlern 25 und 26 gemessenen Temperaturen, wenn diese ein erlaubtes Niveau überschreiten, reduziert bzw. unterbricht die Vergleichsschaltung 27 in vorteilhafter Weise den Strom der ersten und der zweiten Schaltung 20 und 21, um die dem geschmolzenen Glas innerhalb der thermischen Zone 16 zugeführte Leistung entweder zu reduzieren oder vollkommen abzuschalten. Wird sämtliche zugeführte Leistung von der Zone 16 weggenommen, d.h. abgeschaltet, dann hört das Glas auch auf _t innerhalb dieser thermischen Zone ungleichmäßig erhitzt zu werden. Bei Unterbrechung der Leistungszufuhr innerhalb einer der thermischen Zonen 16 aufgrund des Auftretens einer vorgegebenen Temperaturvariation innerhalb

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dieser Zone ist dann das in die nächste thermische Zone eindringende geschmolzene Glas kühler als normal. Da dieses Glas kühler ist, hat es einen größeren VJiderstand und es wird dem geschmolzenen Glas zusätzliche Leistung zugeführt innerhalb der nachfolgenden thermischen Zonen, um die Erwärmungsrate in diesen Zonen zu steigern. Die Leistungsänderung ist eine Folge des Umstandes, daß dann, wenn der quadratische Mittelwert des dem Glas zugeführten Stromes konstant ist, die mittlere, dem Glas zugeführte Leistung dem Widerstand des Glases proportional ist, der wiederum eine Funktion der Glastemperatur ist.

Die ersten und zweiten Stromregelschaltkreise 23, 24, der Transformator 22 und die Temperaturvergleichsschaltung 27 wiederholen sich dann für jede thermische Zone 16. Darüberhinaus hängt die tatsächliche Anzahl der Regelschaltungen 23 und 24 und der Transformatoren 22 ab von der Anzahl der Elektroden innerhalb jeder thermischen Zone 16. Um den Leistungseinschränkungen der Dienstleistungsfirmen gerecht zu v/erden, sind die Transformatoren 22 bevorzugt gleichmäßig über die drei Schenkel eines Dreiphasen-Leistungstransformators oder Leistungsschaltkreises verteilt. Darüberhinaus können natürlich auch für den einzigen Transformator 22 in Figur 1 zwei Transformatoren eingesetzt werden, wobei die Sekundärwicklung des einen Transformators Leistung dem ersten Schaltkreis 20 und die zweite Sekundärwicklung des anderen Transformators Leistung dem zweiten Schaltkreis 21 zuführen.

In Figur 2 ist nun ein größere Einzelheiten darstellendes Blockschaltbild gezeigt zur Regelung einer einzigen thermischen Zone 16 des Ofens 10.

Der erste Stromregelschaltkreis 23 umfaßt Schaltmittel 30 und

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eine Regelschaltung 31 zur Aufrechterhaltung des quadratischen Mittelwertes des Stromes mit Hilfe der Schaltmittel 30 auf einen im wesentlichen konstanten Wert, während der zweite Stromregelschaltkreis 24 ebenfalls Schaltmittel 32 und die Regelschaltung 31 umfaßt. Die Regelschaltung 31 kann beispielswa.se von der Art unddem Aufbau sein, wie sie in der US-PS 3 395 237 beschrieben ist, dieser Verweis soll gleichzeitig dazu dienen, eine solche Schaltung im einzelnen zu erläutern und ist damit Bestandteil vorliegender Beschreibung. Die Schaltmittel 30 umfassen ein Paar gesteuerter Siliziumgleichrichter 33 und 34, die zueinander parallel und so verbunden sind, daß die Kathode des einen Gleichrichters an die Anode des anderen angeschlossen ist, d.h. sie stellt eine sogenannte Antiparallelschaltung dar; auch die Schaltmittel 32 bestehen aus einem Paar gesteuerter Siliziumgleichrichter 35 und 36 in dieser Antiparallelschaltung. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Arten von Schalter anstelle der gesteuerten Gleichrichter 33 bis 36 verwendet werden können. Die Regelschaltung 31 verfügt über einen gepulsten Ausgang 37 zur Ansteuerung, also zur Triggerung der Gleichrichter 33 und 35 und einen zweiten gepulsten Ausgang 38 zur Ansteuerung der Gleichrichter 34 und 36.

Die Regelschaltung für den quadratischen Strommittelwert kann zwei Arten zeitlich aufeinander abgestimmter Impulsfolgenan den Ausgängen 37 und 38 zur Ansteuerung der Gleichrichter 33 bis 36 erzeugen. Bei einer Ausgangssignalart wird ein Gleichrichter in jeder der ersten und zweiten Schaltung 20 und 21 während jeder Halbschwingung der von der Sekundärwicklung des Transformators 22 herrührenden angelegten Leistung gezündet. Die Phase bzw. der Zeitpunkt in jeder Schwingung bzw. in jedem Zyklus, an welchem die. Gleichrichter gezündet v/erden, ist so geregelt und kontrolliert, daß im wesentlichen ein konstanter

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-quadratischer Mittelwert des Stromes an den Elektroden 17 bis aufrechterhalten wird. Mit Hilfe eines oder mehrerer Stromtranformatoren 39, die den Stromzufluß zu den Elektroden 17 bis 19 messen, kann der Regelschaltung 31 ein Rückführsignal zugeführt werden. Bei einer zweiten Art des Regelvorganges schaltet die Regelschaltung 31 die Gleichrichter 33 und 36 periodisch an und aus, in einer Weise, daß der quadratische Mittelwert des Stromes lediglich über eine Zeitperiode konstant gehalten wird. Die Gleichrichter 33 bis 36 können beispielsweise für eine oder mehrere Schwingungen der zugeführten Leistung des Sekundärteils des Transformators 22 eingeschaltet werden und anschließend für den Zeitraum einer oder mehrerer Schwingungen abgeschaltet v/erden.

Die Temperaturfühler 25 und 26 sind an die Vergleichsschaltung 21 angeschlossen, die eine übliche Schaltung zum Vergleichen entweder einer Vielzahl von analogen oder auch digitalen Signalen sein kann, in Abhängigkeit von der Art des Ausgangs der Temperaturfühler 25 und 26. Die Vergleichsschaltung 21 ist so.ausgelegt, daß sie ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die abgetasteten Temperaturen innerhalb eines erlaubten Toleranzbereiches liegen und ein zweites Ausgangssignal dann, wenn die Differenz zwischen den abgetasteten Temperaturen die erlaubte Toleranz übersbhreitet. Wenn der erlaubte Toleranzwert überschritten ist, dann wird der Regelschaltung 31 ein Signal zugeführt, um entweder selektiv die Zündung der Gleichrichter bis 36 zu reduzieren oder in entsprechender Weise zu vergrössern bzw. vollkommen zu verhindern, so daß in dieser Weise die Leistungszuführung an die Elektroden 17 bis 19 gesteuert und geregelt wird und das Ungleichgewicht des geschmolzenen Glases.

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welches sich in dieser Weise entwickelt hat, wieder reduziert und zurückgeführt wird.

In Figur 3 ist nunmehr ein abgeändertes Ausführungsbeispiel eines Glasschmelzofens 45 gezeigt. Dieses andere Ausführungsbeispiel 45 umfaßt eine Vielzahl thermischer Zonen 46, die zueinander in Längsrichtung, also in Richtung des Fluß des geschmolzenen Glases im Abstand gehalten sind und die sich quer zur Richtung des Glasflusses erstrecken. In jeder der thermischen Zonen des Ofens 45 sind vier Elektroden 47 bis 50 in einer Reihe angeordnet und montiert, um dem geschmolzenen Glas zu dessen Erhitzung elektrische Energie zuzuführen. Es sei jedoch erwähnt, daß auch drei oder mehr Elektroden in jeder thermischen Zone 46 angeordnet sein können, in Abhängigkeit und abgestimmt auf die Breite jeder thermischen Zone 46 und auf die Leistungsmenge und den Leistungsbedarf, der dem- Glas in jeder thermischen Zone zugeführt werden muß.

Die Elektroden 47 und 49 sind mit einer ersten Schaltung 51 verbunden, die dem geschmolzenen Glas zwischen den Elektroden 47 und 49 elektrische Energie zuführt, die Elektroden 48 und 50 sind mit einer zweiten Schaltung 52 verbunden, die zur Erhitzung des geschmolzenen Glases zwischen den Elektroden 48 und 50 diesen Energie zuführen. Die erste Schaltung '51 umfaßt einen Stromreglerschaltkreis 53 und einen Lexstungstransfcrmator 54. Die zweite Schaltung 52 umfaßt in ähnlicher VTeise eine Stromreglerschaltung 55 und einen Leistungstransformator 56. Die Stromreglerschaltungen 53 und 55 sind so ausgelegt, daß sie im wesentlichen den quadratischen Mittelwert des Stromes, der den Elektroden 47 und 50 zugeführt wird, aufrechterhalten.

Wie weiter vorn schon erwähnt, ist dann, wenn der quadratische Mittelwert des Stromes im wesentlichen auf einen konstanten

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in der Schaltung aufrechterhalten wird, die den Elektroden tatsächlich zugeführte mittlere Leistung eine Funktion des Widerstandes des geschmolzenen Glases, der wiederum eine Funktion der Temperatur des Glases ist.Indem man die dem geschmolzenen Glas in dem ersten Schaltkreis 51 und im zweiten Schaltkreis zugeführte mittlere Leistung mißt, kann man also Signale erhalten, die funktionsmäßig auf die Temperatur des Glases zwischen den Elektrodenpaaren 47 und 49 der ersten Schaltung 51 und den Elektrodenpaaren 48 und 50 der zweiten Schaltung 52 bezogen sind.

Zur Messung der den Elektroden 47 und 49 der ersten Schaltung 51 zugeführten elektrischen Leistung ist eine Schaltungsanordnung 57 vorgesehen; zur Messung der den Elektroden 48 und 50 durch die zweite Schaltung 52 zugeführten elektrischen Leistung ist eine Schaltungsanordnung 58 vorgesehen. Die Ausgänge dieser beiden Schaltungsanordnungen 57 und 58 zur Leistungsmessung, die funktionsmäßig auf die Temperatur des Glases in dieser thermischen Zone 46 bezogen sind, sind mit einer Vergleichsschaltung 59 verbunden. Im Falle, daß eine vorgegebene erlaubte Variation zwischen den abgetasteten Temperaturen überschritten wird, wie angezeigt durch eine Veränderung der durch die beiden Leistungsmeßkreise 57 und 58, wie sie im folgenden bezeichnet werden sollen, gemessenen Leistungen, reduziert die Vergleichsschaltung 59 den Strom in den Schaltungen 51 und 52 bzw. unter bindet diesen ganz.

In Figur 4 ist nun ein größere Einzelheiten wiedergebendes Blockschaltbild in Verbindung mit den Schaltkreisen 51 und 52 gezeigt. Der Stromregelschaltkreis 53 für den ersten Schaltkreis 51 umfaßt eine Regelschaltung 60 zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Wertes des Quadrats des'

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durchschnittlichen, den Elektroden 47 und 49 zugeführten Stromes sowie Schaltmittel 61. Die Schaltmittel 61 bestehen aus einem Paar gesteuerter Siliziumgleichrichter 62 und 63, die wiederum in Antiparallelschaltung geschaltet sind. Die Regelschaltung 60 triggert die Gleichrichter 62 und 63 periodisch zur Kontrolle und Regelung der von dem Transformator 54 den Elektroden 57 und 59 zugeführten elektrischen Leistung. In Reihe mit der Leitung zu einer der Elektroden 47 oder 49 ist ein Stromtransformator 64 geschaltet, um ein Rückführsignal für die Regelschaltung 60 zu erzeugen. In ähnlicher Weise umfaßt der Stromregelschaltkreis 55 eine Regelschaltung zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Wertes des Quadrats des durchschnittlichen Stromes, der den Elektroden 48 und 50 zugeführt wird sowie einen Stromtransformator 66 zur Erzeugung eines Rückführsignals an die Regelschaltung 65, weiterhin Schaltmittel 67, die aus einem Paar gesteuerter Siliziumgleichrichter 68 und 69 in Antiparallelschaltung bestehen.

Wie bei dem Ausführungsbeispiei der Figur 1 und 2 können weitere Einzelheiten hinsichtlich der Stromregelschaltkreise 53 und 55 der US-PS 3 395 237 entnommen werden.

Die in dieser Schaltung weiterhin noch vorgesehenen Leistungsmesser oder Leistungsfühler 57 und 58 zur Messung der den Elektrodenpaaren 47, 49 und 48, 50 zugeführten elektrischen Leistung sind von üblicher Bauart und können beispielsweise aus Wattmeter ähnlichen Schaltungen bestehen. Die Ausgänge dieser Leistungsmesser 57 und 58 sind mit einer Vergleichsschaltung 59 verbunden, die ihrerseits wieder die Regelschaltungen 60, 55 steuern. Im Falle,daß die Glastemperaturen zwischen den Elektroden 47 und 49 und zwischen den Elektroden 48 und 50 um mehr als den zulässigen Grenzwert differieren _t was durch unten

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gleiche Ausgangssignale der beiden Leistungsmesser 57 und 58 angezeigt wird, erzeugt die Vergleichsschaltung 59 ein Ausgangssignal, das die Regelschaltungen 60 und 65 veranlaßt, entweder die Schaltrate bzw. die Schalthäufigkeit der Gleichrichter 62, 63, 68 und 69 zu reduzieren oder vollkommen einzustellen, so
daß der Stromfluß zu sämtlichen Elektroden innerhalb dieser
thermischen Zone 46 reduziert oder ebenfalls eingestellt wird.

über den Ausgang der Vergleichsschaltung 59 kann auch eine geeignete, nicht dargestellte Alarmgsbe gesteuert werden, um anzuzeigen, daß zu einer der thermischen Zonen 46 die Leistungsversorgung eingestellt worder, ist. Bei einem genannten Ausführungsbeispiel kann die Schaltrate der Gleichrichter 62, 63, 68 und 69 selektiv zur Vergrößerung der den Elektroden in irgendeinem kühleren Bereich einer thermischen Zone 4 6 zugeführten elektrischen Leistung gesteuert werden. Wird die
Leistung zu einer der thermischen Zonen 4 6 abgeschaltet, dann
ist die Temperatur des diese thermische Zone verlassenden
Glases unterhalb eines gewünschten Wertes reduziert. Eine Reduzierung der Temperatur des geschmolzenen Glases verursacht
einen Anstieg in dem Widerstand des Glases und als Folge davon wird dem geschmolzenen Glas zusätzliche Leistung zugeführt,
wenn es durch die sich unterhalb dieser thermischen Zone befindenden anderen thermischen Zone fließt. Auf diese Weise v/erden die thermischen Zonen von Natur bzw. von sich aus in eine gegenseitige Abhängigkeit gebracht, und zwar aufgrund des Widerstandes des geschmolzenen Glases, wobei das Temperaturprofil
des Glases die Tendenz hat, in Richtung des Glasflusses im
wesentlichen in konstanter Weise aufrechterhalten zu bleiben,
selbst wenn beispielsweise eine oder mehrere Elektroden innerhalb des Ofens 45 ausfallen oder sonstwie ungenau arbeiten.

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In Figur 5 ist nunmehr ein weiteres Ausführungsbeispxel eines elektrischen Ofens dargestellt. Dieser elektrische Ofen 70 ist dem Ofen 10 der Figuren 1 und 2 und dem Ofen 45 der Figuren 3 und 4 ähnlich mit der Ausnahme, daß zusätzliche Mittel zur Errichtung einer inneren Abhängigkeit zwischen den sukzessiv aufeinanderfolgenden thermischen Zonen vorgesehen sind, um in Richtung des Flusses des geschmolzenen Glases oder des anderen in dem Ofen 70 erhitzten Materials ein gewünschtes Temperaturprofil aufrechtzuerhalten. Bisher sind Glasofen, die eine Kontrolle oder Regelung über das Temperaturprofil in Flußrichtung aufwiesen,von der Art gewesen, bei welcher Flammen von in Flußrichtung zueinander im Abstand angeordneten Ölbrennern auf die Oberfläche des geschmolzenen Glases gerichtet worden sind. Solche Regelungen bekannter Art aus dem Stand der Technik können beispielsweise der US-PS 3 482 956 entnommen v/erden.

Wie bei den weiter vorn schon genannten Ausführungsbeispielen umfaßt der Ofen 70 einen Behälter 71 zur Aufnahme des ge-. schmolzenen Materials während des Erhitzens. Ein Gemengespeiser 72 beschickt das eine Ende des Behälters 71 mit rohen Gemengematerialien, während die heißen geschmolzenen Materialien an einem Auslaß 73 am entgegengesetzten Ende des Behälters 71 entnommen werden. Innerhalb des Behälters 71 sind eine Anzahl thermischer Zonen 74 angeordnet, die sich jeweils in einer Richtung quer zur Flußrichtung des Glases erstrecken. Obwohl nur sechs thermische Zonen 74 gezeigt sind, versteht es sich doch, daß auch mehr oder weniger thermische Zonen innerhalb des Behälters 71 angeordnet werden können, in Abhängigkeit zu den Erfordernissen der speziellen, zu erhitzenden Materialien. Die sechs thermischen Zonen sind jeweils mit den Bezugszeichen 74a bis 74f bezeichnet worden, das Bezugszeichen 74a gilt für die Zone, angrenzend an den Gemengespeiser 72 und die Zone 74f für den Bereich angrenzend an den Auslaß 73. In jeder thermi-

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sehen Zone 74 wird dem geschmolzenen Glas durch mindestens drei Elektroden 75 elektrische Leistung zugeführt. Die Elektroden 75 sind in einer Richtung quer zu der Flußrichtung des geschmolzenen Glases im Abstand gehalten, so daß das Glas in Querrichtung gleichförmig erhitzt wird, um so das Auftreten heißer Flecken oder eine Channelierung, d.h. eine Kanalbildung aufgrund von Viskositätsvariationen zu verhindern oder klein zu halten..Die Elektroden 75 für jede der thermischen Zonen 74a bis 74f sind jeweils mit Leistungsquellen und Regelungen 76a bis 76f verbunden. Jede der Leistungsquellen und der Regelungen kann von der Art sein, wie sie schon in Figur 1 gezeigt und besprochen worden sind und kann den Transformator 22, die Stromregelschaltkreise 23 und 24 und die Temperaturvergleichsschaltung 27 umfassen. Die Leistungsquellen und Regelungen können aber auch ähnlich den aufgebaut und ausgewählt sein, wie sie bezüglich der Figuren 3 und 4 schon erläutert worden sind. Sind die Regelungen 76 von der Art, wie sie in denFiguren 1 und 2 beschrieben worden sind, dann sind jeder thermischen Zone eine Vielzahl von Temperaturfühlern 77 zugeordnet, die in einer Richtung quer zur Richtung des Glasflusses im Abstand zueinander gehalten sind, um die Temperatur des Glases abzutasten, nachdem es in jeder thermischen Zone 74 erhitzt worden ist.

Nun ist beispielsweise bei der Erhitzung geschmolzenen Glases, welches zur Bildung von Glasfasern verwendet werden soll, die Konsistenz und die Viskosität des den Ofen 70 verlassenden Glases extrem kritisch. Die Glaskonsistenz und -viskosität werden durch die Temperaturvergangenheit des erhitzten Glases beeinträchtigt bzw. durch das Temperaturprofil in der Glasflußrichtung im Behälter 71. So kann es beispielsweise erwünscht sein, das geschmolzene Glas in den anfänglichen thermischen Zonen 74a und 74b auf eine Temperatur von 1288 C zu erhitzen. Fließt dann das geschmolzene Glas nachfolgend durch den Zen-

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tralbereich des Behälters 71, dann kann dieses auf 1343°C erhitzt werden, um einen sogenannten Wärmehöcker oder Wärmeberg ("heat hump") zu erhitzen. In diesem Bereich garantiert die hohe Temperatur, daß das rohe Glasgemenge vollständig geschmolzen und das geschmolzene Glas von gleichförmiger Konsistenz ist. Die Temperatur des geschmolzenen Glases wird üblicherweise in der letzten thermischen Zone 74e und 74f erniedrigt, bis das Glas die Temperatur von vielleicht 1232°C am Auslaß 73 erreicht. Die tatsächliche Auslaßtemperatur des Glases hängt selbstverständlich von der jeweiligen tatsächlichen Zusammensetzung des Glases oder anderer, zu erhitzender Materialien ab und muß genauestens kontrolliert werden, um die Viskosität des Glases zu errichten, die für den nachfolgenden Formvorgang benötigt wird.

Wie weiter vorn schon in Verbindung mit der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 4 erläutert, wird der tatsächliche Leistungsbetrag, der von den Regelungen 76 zu den Elektroden 75 ausgeht, von Regel schallungen kontrolliert, eingestellt und geregelt, die von der Art sind, wie sie in der US-PS 3 395 237 beschrieben sind. Bei der Schaltung in diesem US-Patent ist eine manuelle Regelkontrolle vorgesehen, die anfänglich die Größe des Quadrats des durchschnittlichen Stromes oder den quadratischen Mittelwert des den Elektroden zugeführten Stomes festlegt. Solche manuellen Kontrollen können in einer Regelschaltung 78 für das Temperaturprofil angeordnet werden, die mit jeder der Leistungsquellen und der Regelungen 76a bis 76f verbunden ist. Die Temperaturprofilregelschaltung 78 kann eine manuelle Kontrolle zur anfänglichen Errichtung der Temperatur umfassen, auf welche das geschmolzene Glas in jeder der thermischen Zonen 74a bis 74f erhitzt werden soll. Die Einstellung der manuellen Kontrolle ergibt bzw. legt tatsächlich das Verhältnis zwischen den Stroinmengen oder Strorahöhen fest, die den Elektroden 75 in

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jeder der thermischen Zonen 74a bis 74f zugeführt werden.

Angrenzend an den Ofenauslaß 73 kann ein Temperaturfühler 79 angeordnet werden, um die kritische Auslaßtemperatur zu überwachen. Der Temperaturfühler 79 führt der Temperaturprofilregelschaltung 78 ein Regelsignal zu; woraufhin die Temperaturprofil-Regelschaltung 78 dann gleichmäßig die sämtlichen thermischen Zonen 74a bis 74f zugeführte elektrische Leistung erhöhen oder erniedrigen kann, um die Temperatur des Glases am Auslaß 73 konstant zu halten. Im Falle eines Versagens in einer der thermischen Zonen 74a bis 74f kann die zugeordnete Leistungsquelle und Regelung 76 Leistung von dieser Zone vollkommen wegnehmen oder doch reduzieren. In diesem Falle kann die Temperaturprofil-Regelschaltung 78 gleichmäßig das Quadrat des durchschnittlichen Stromes oder den quadratischen Mittelwert des Stromes, der den Elektroden 75 in sämtlichen verbleibenden thermischen Zonen zugeführt wird, gleichmäßig steigern, um die gewünschte Glastemperatur an dem Auslaß 73 aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise sind die Zonen 74a bis 74f untereinander abhängig, und zwar aufgrund der Temperaturprofil-Regelschaltung

Es versteht sich selbstverständlich, daß die Erfindung auch den anderen Ausgestaltungen und unter Verwendung anderer Baukomponenten und Gleichwerte angewendet werden kann, ohne daß der erfindungsgemäße Rahmen verlassen wird.

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Claims

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Patentansprüche:

M.J Elektrischer Ofen zur Erhitzung eines fließfähigen geschmolzenen Materials, vorzugsweise Glas zur Glasfaserherstellung mittels Joule'scher, dadurch gekennzeichnet , daß ein Behälter (11,71) für das geschmolzene Material und mindestens eine sich in dem Material in einer Richtung quer zur Materialflußrichtung erstreckende thermische Zone (16, 46, 74a bis 74f) vorgesehen sind, daß zur Zuführung elektrischer Leistung für jede thermische Zone mindestens zwei in elektrischem Kontakt mit dem Material in einer gegebenen Zone stehende Elektroden (17, 18, 19; 47, 48, 49, 50; 75) umfassende ' Schaltkreise (22, 23, 24, 27; 54, 43, ~55, 57, 58, 59; 76a bis 76f, 78) vorgesehen und die Elektroden im Abstand in Querrichtung zum Materialfluß angeordnet sind und daß auf eine vorgegebene Temperaturdifferenz in jeder Zone in Querrichtung zum Materialfluß ansprechende Meßfühler (25, 26; 57, 58) vorgesehen sind zur Regelung der Leistungszuführung sämtlicher Schaltkreise, die den Elektroden dieser thermischen Zone Leistung zuführen.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Folge der Überschreitung einer vorgegebenen Temperaturdifferenz in einer thermischen Zone (16, 45, 74a bis 74f) die Strom-

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regelschaltkreise die Leistungszuführung an sämtlicher Elektroden in dieser einen Zone unterbrechen.

3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stromregelschaltkreis (23, 24; 53, 55, 76a bis 7^f) Regelschaltungen (31, 60, 65) umfasst, die den quadratischen Mittelwert des dem Material mittels der Elektroden zugeführten Stromes auf einen im wesentlichen konstanten Wert halten.

4. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der mindestens Zweistromregelschaltkreise (23, 24, 53, 55) ein Paar von Elektroden (17 - 18, 18 - 19; 47 - 48, 49 - 50) zur Zuführung von Leistung an das geschmolzene Material und eine Leistungsquelle (22, 54, 56) umfasst, wobei Leistungsquelle (Transformator) und Elektroden sowie die Stromregelschaltungen in Reihe geschaltet sind.

5. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stromregelschaltung Schaltmittel (30, 32; 61, 67) zu periodischen Unterbrechung des Leistungsflußes von der Leistungsquelle zu den Elektroden umfasst.

6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von derart angeordneten Temperaturfühlern (25, 26) vorgesehen sind, daß sie die relative Temperatur des geschmolzenen Material an einer Vielzahl von zu einander im Abstand gehaltener Punkte innerhalb einer thermischen Zone (16) stromab zu den Elektroden (17 bis 19)

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und in Querrichtung zu dem Materialfluß messen und daß Temperaturvergleichsschaltungen (27) zur Auswertung der abgetasteten Temperaturen vorgesehen sind.

7. Ofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler aus einer Vielzahl von die dem geschmolzenem Material durch jeden Stromregelschaltkreis zugeführte elektrische Leistung messenden Leistungsmessern (57, 58) bestehen, wobei diese zugeführte Leistung eine Funktion der Temperatur des von den jeweiligen zugeordneten Leistungsschaltkreisen erhitzten geschmolzenen Materials sind und daß Vergleichsschaltungen (59) zur Messung ^und Auswertung der gemessenen Leistung vorgesehen sind.

8. Ofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von sich quer zur Flußrichtung des Material erstreckenden thermischen Zonen(16, 46, 74a bis 74f) vorgesehen sind mit Stromregelschaltkreisen für jede thermische Zone und mit Mitteln, die so geschaltet sind, daß die Leistungszuführung in sämtlichen Stromregelschaltkreisen für jede der thermischen Zonen in einer zu den anderen abhängigen Weise so regelbar ist, das in dem geschmolzenem Material in Flußrichtung ein vorgegebenes Temperaturprofil aufrechterhalten ist.

9. Ofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungsmittel für jede thermische Zone zur Steuerung

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und Regelung der Stromregelschaltkreise einer solchen thermischen Zone getrennt von den anderen thermischen Zonen vorgesehen sind.

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