DE4447436A1 - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung leuchtstoffbeschichteter Glasgefäße - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung leuchtstoffbeschichteter Glasge­ fäße nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für die thermische Behandlung von Schichten auf anderen Werkstoffen als Glas sind mehrere, verschieden ausgeführte Anwendungen bekannt. So wird in der DE 30 16 437 A1 eine Durchlaufkabine zur Wärmebehandlung von Lack- und Email-Schichten beschrieben. Allgemein bekannt ist auch die Infrarot-Lacktrocknung, wovon eine spezielle Ausführung in DE 34 46 187 A1 beschrieben ist. Die Trocknung von Papier­ bahnen wird in DE 38 34 058 A1 beschrieben. Ein weiterer Spezialfall ist die Trocknung von Halbleiterscheiben nach DE 33 15 003 A1. Zugeschnitten auf Lacke verschiedener che­ mischer Zusammensetzung sind Infrarot-Trockenverfahren nach EP 0 486 035 A1.

Alle aufgezählten Erfindungen haben mit ihrer thermischen Behandlung die Trocknung von Schichten zum Ziel und optimieren zumeist die verwendete Wellenlänge auf das Absorptionsverhalten des behandelten Materials. Anders dagegen wird in der DE 42 02 944 A1 ein spezieller Strah­ lungswandler beschrieben, der den transparenten Anteil des kurzwelligen Infrarot wandelt, um es ebenfalls für die Glas­ erwärmung nutzbar zu machen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leuchtstoffschicht hinter der Glasgefäßwand mit einer Aufheizgeschwindigkeit zu erwärmen, die weit oberhalb der Spannungsbruchgrenze für Kolbenglas liegt und darüber hin­ aus in der Leuchtstoffschicht eine Maximaltemperatur zu erreichen, die weit oberhalb der Erweichungstemperatur der Glasgefäße liegt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.

Bei den leuchtstoffbeschichteten Glasgefäßen wird in der Leuchtstoffschicht eine Aufheizrate von mehr als 6°C/s und eine maximale Temperatur von mehr als 600°C realisiert, während gleichzeitig im die Schicht tragenden Glasgefäß eine Aufheizrate von weniger als 6° C/s und eine Maximaltem­ peratur unter 600°C realisiert wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die neben den Hellstrahlern mit 1,15 µm Emissionsmaximum noch Dunkelstrahler mit 3 µm im Emissionsmaximum enthält sowie einen Aufbau, der einen Anteil der Hellstrahlerkühlungsluft für die Glasgefäßtem­ perierung nutzt.

In einer bevorzugten Ausführungsform erwärmen gleichzeitig Infrarotstrahler mit einem Emissionsmaximum zwischen 1,1 bis 2,5 µm und vorzugsweise mit einem Emissionsmaximum um 1,15 µm vorrangig die Leuchtstoffschicht, während gleichzeitig die in Menge und Temperatur geregelte Spülluft für die In­ frarotstrahler den Glasgefäßen konvektiv Wärme zu- oder abführt. Die innenliegende, dünne Leuchtstoffschicht erhält auf diese Weise eine hohe Aufheizrate mit hoher Maximaltemperatur, während die außenliegende, wesentlich dickere Glasschicht sich wesentlich langsamer erwärmt und schließlich durch die Konvektionsspülluft unterhalb ihres Erweichungspunktes gehalten werden kann.

Der Hauptgrund des unterschiedlichen Aufwärmverhaltens ist jedoch weniger der Masseunterschied als mehr das unter­ schiedliche Absorptionsverhalten für kurzwelliges Infrarot.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in der schnellen Trocknung naß aufgebrachter Leuchtstoffschich­ ten. Nasse Leuchtstoffschichten verändern unter dem Einfluß der Schwerkraft ihre Schichtdicken. Eine schnelle Trocknung der naß aufgebrachten Schichten unterbindet dieses. Bei der Trocknung wird nicht die Maximaltemperatur sondern die hohe Aufheizrate des Verfahrens benötigt. Fast der gesamte Energiegehalt der auftreffenden Strahlung wird in der dünnen Leuchtstoffschicht in Wärme gewandelt, während der dickere Glaskolben nur langsam im Temperaturanstieg folgt. Außenliegend kann der Glaskolben außerdem leicht per konvektiver Umluft auf dem erforderlichen Temperaturniveau gehalten werden.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung folgt für die Pyrolyse organischer Bindemittel in der getrockneten Leuchtstoff­ schicht. Bisher hatten Temperaturen unterhalb des Erwei­ chungspunktes des Glases sowie geringe Temperaturanstiegsra­ ten zur Vermeidung von Glasbruchspannungen eine unvollstän­ dige Pyrolyse mit Restkohlenstoff in der Leuchtstoff­ schicht zur Folge. Das senkt die Lichtausbeute und stei­ gert unerwünschte Wärmeentwicklungen am Kolbenglas.

Beim Anwendungsfall Bindemittelpyrolyse kann das Kolbenglas sowohl in der Anstiegsrate als auch in der Maximaltempera­ tur unterhalb der kritischen Werte von 6°C/s bzw. 600°C als Maximaltemperatur gehalten werden, während die durchdringen­ de kurzwellige Infrarotstrahlung die zu pyrolysierende Leuchtstoffschicht mit einer Aufheizrate von mehr als 14°C/s auf Maximaltemperaturen oberhalb 700°C aufheizt und so eine vollständige Pyrolyse mit rückstandsfreier Leuchtstoffschicht sichert.

Mit Vorteil kommt das erfindungsgemäße Verfahren auch im Einsatzfall Desorption zur Anwendung. Bei der Herstellung des Betriebsvakuums im Glasgefäß müssen die innenliegenden Leuchtstoffschichten frei von Wasserdampf und anderen möglichen Adsorbaten und Kondensaten aus der Wendelformie­ rung sein. Die Erweichungstemperatur des Glasgefäßes darf bei anliegendem Vakuum auch nicht annähernd erreicht werden. Dadurch sind in der Leuchtstoffschicht für Wasser nur Desorptionsenergien kleiner als 180 kJ/MOL realisier­ bar.

Mit dem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können die glastechnisch bedingt niedrigen Temperaturen für die Leuchtstoffschicht überschritten werden. Dadurch kann eine nahezu vollständige Wasserdesorption wie auch ein weitge­ hendes Abdampfen von z. B. Kondensaten aus der Wendelformie­ rung von der Leuchtstoffschicht realisiert werden. Auch hier wird mittels konvektiv wirkender Umluft während des Evakuierens das Glasgefäß sicher unterhalb der Erweichung­ stemperatur gehalten. Die zu desorbierende Leuchtstoff­ schicht hingegen wird auf Werte oberhalb 700°C gebracht.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die angegebene Aufgabe dadurch gelöst, daß Hellstrahler und Dunkelstrahler längs einer Bestrahlungsgasse beidseitig angeordnet sind. Durch diese Bestrahlungsgasse werden die Glasgefäße mittels einer zeitgesteuerten Transportvorrichtung hindurchbewegt. Die für die Hellstrahler erforderliche Kühlungsluft wird durch die Vorrichtung in Menge und Temperatur so geregelt, daß im Hellstrahlerbereich der Bestrahlungsgasse die konvekti­ ve Temperatureinstellung der Glasgefäße realisiert wird.

Schließlich sorgen die in mindestens drei Regelbereiche ge­ gliederten Dunkelstrahler längs der Bestrahlungsgasse für die Einstellbarkeit einer aus der Glastechnologie erforder­ lichen speziellen Abkühlrampe.

Als Strahlungsquelle werden Infrarot-Hellstrahler mit einem Emissionsmaximum zwischen 1,1 bis 2,5 µm verwendet. Weiter­ hin wird ein einstellbarer Anteil der Hellstrahlerkühlungs­ luft für die Energieübertragung auf die Glasgefäße verwen­ det.

Für die Erzeugung der glastechnisch bedingte Abkühlrampe werden Infrarot-Dunkelstrahler mit einem Emissionsmaximum um 3 µm verwendet.

Die aus Hell- und Dunkelstrahlern bestehende Strahlergasse ist in mehrere leistungsgeregelte Zonen geteilt.

Die Hell- und Dunkelstrahler sind quer zur Transportrichtung so justiert, daß sie stets den gleichen Abstand zu den unterschiedlichen Glasgefäßen aufweisen.

Während der thermischen Behandlung leuchtstoffbeschichteter Glasgefäße wird erwärmte Spülluft durch die Glasgefäße geleitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden nachfolgend anhand von Zeichnungen für drei verschiedene Anwendungsfälle erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 den Anwendungsfall Trocknen;

Fig. 2 den Anwendungsfall Pyrolyse;

Fig. 3 den Einsatzfall Desorption.

Ziel des Trocknungsprozesses ist es, die unmittelbar nach der Beschichtung noch homogen dicke Schicht der Leuchtstoffsuspension auf der Glasinnenwand schnell zu trocknen, um die Schichthomogenität zu fixieren. Mit fort­ laufender Zeit zerfließt unter dem Einfluß der Schwerkraft die ungetrocknete Schicht. Für das Trocknen wird praktisch nicht die Maximaltemperatur, sondern der hohe Energieein­ trag für eine hohe Aufheizrate bzw. Trocknungsrate benö­ tigt. Dabei ist es wichtig, die Glastemperatur niedriger als die Schichttemperatur zu halten, um Blasenbildung in der Schicht zu vermeiden.

Wie in der Fig. 1 dargestellt, werden die im Verband einer Palette 3 längs der Transporteinrichtung 4 in den Wirkungs­ bereich des Hellstrahlerfeldes 1 gebrachten frisch beschich­ teten Glasgefäße 2 bei einem Abstand des Hellstrahlerfel­ des 1 von den Glasgefäßen 2 von etwa 12 mm und einer Ener­ giedichte von 150 kW/m² schnell getrocknet. Mit einer Dros­ sel 8 wird der Kühlluftstrom aus der Kühlluftkammer 6 über die Glasgefäße 2 im Verband der Palette 3 geleitet. Die im Hellstrahlerfeld 1 vorgewärmte Kühlluft hat bezüglich der Glasgefäße 2 weiterhin eine Kühlfunktion, zusätzlich aber auch eine Transportfunktion für den ausgetragenen Wasser­ dampf, der mit der Absaugung 7 weggeführt wird. Mit einem Leistungssteller 6 wird bei gegebener Transportgeschwindig­ keit das glasgefäßbezogene Temperatur-Zeitregime reali­ siert.

Ziel der Pyrolyse, wie sie beispielsweise mit der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung durchgeführt wird, ist es, das in der Leuchtstoffschicht verbliebene organische Bindemittel rückstandslos zu gasförmigen Bestandteilen thermisch zu zersetzen. Dabei verlangt ein optimaler Pyrolyseprozeß Tem­ peraturanstiegsraten oberhalb von 6°C/s und eine Maximal­ temperatur oberhalb 600°C, d. h. oberhalb des Erweichungs­ punktes für Kolbenglas. Die zu pyrolisierenden Glasgefäße 2 werden mit der Transporteinrichtung 4 zuerst durch das Hellstrahlerfeld 1 und anschließend durch das Dunkelstrah­ lerfeld 9 bewegt und erfahren dabei sowohl die rückstands­ freie Pyrolyse innerhalb des Hellstrahlerfeldes 1 mit Glastemperaturbegrenzung als auch die glastechnisch erfor­ derliche Abkühlrampe in Dunkelstrahlerfeld 9. Die Kühlluft­ kammer 5 in Verbindung mit der Absaugung 7 und der Drossel 8 begrenzen die Temperatur der Glasgefäße 2. Das rege­ lungstechnisch dreifach gegliederte Dunkelstrahlerfeld 9 er­ laubt die Einstellung spezifischer Abkühlrampen.

In der Fig. 3 ist eine Vorrichtung zur Desorption darge­ stellt. Ziel der Desorption im Verlauf des Abpumpens und Befüllens der leuchtstoffbeschichteten Glasgefäße ist das Austreiben aller auf der Leuchtstoffschicht absorbierten Stoffe. Prinzipiell senken solche absorbierten Stoffe auf der Leuchtstoffschicht nach verschiedenen Wirkmechanismen die Lichtausbeute der anzuregenden Leuchtstoffschicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dazu längs der Kreis­ bahn einer Pumpmaschine angeordnet und funktioniert verfah­ rensmäßig wie im Anwendungsfall Pyrolyse.

Die mit der Transporteinrichtung 4 der Pumpmaschine geführten Glasgefäße durchlaufen eine mit dem Hellstrahlerfeld 1 bestückte Kreisbahngasse. Auch hier sorgt die Kühlluftkammer 5 in Verbindung mit der Absaugung 7 für eine Stabilisierung der Glasgefäßtemperatur unter­ halb der Erweichungstemperatur. Die innenliegende Leuchtstoffschicht in den Glasgefäßen 2 wird zur Desorption auf Temperaturen oberhalb 700°C gebracht. Bei größerer Masse der Glasgefäße 2 muß zur Sicherung der Abkühlrampe ein Dunkelstrahlerfeld 9 nachgeordnet werden. Bei kleineren Glasgefäßen genügt die Umlenkung der Kühlluft aus dem Hellstrahlerfeld 1 in die Transportrichtung der Transport­ strecke 4. Mit dem Leistungssteller 6 wird bei gegebener Transportgeschwindigkeit das glasgefäßbezogene Tempera­ tur-Zeitregime realisiert.

Claims (12)

1. Verfahren zur thermischen Behandlung leuchtstoffbe­ schichteter Glasgefäße, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leuchtstoffschicht eine Aufheizrate von mehr als 6°C/s und eine max. Temperatur von mehr als 600°C realisiert wird, während gleichzeitig im die Schicht tragenden Glasgefäß eine Aufheizrate von weniger als 6°C/s und eine Maximaltemperatur unter 600 °C realisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung mit kurzwelligem Infrarot bei einem Emissionsmaximum zwischen 1,1 bis 2,5 µm erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung mit kurzwelligem Infrarot bei einem Emissionsmaximum um 1,15 µm erfolgt.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strah­ lungsabsorption für das verwendete Infrarot in einer Leuchtstoffschicht größer ist als im Glasge­ fäß.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskol­ ben von konvektiv wirkender Luft umspült wird, mit deren Temperatur und Menge die im Anspruch 1 genann­ te 600°C-Grenze für das Glasgefäß realisiert wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der thermischen Behandlung leuchtstoffbeschichteter Glasgefäße erwärmte Spülluft durch die Glasgefäße geleitet wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach min­ destens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Strahlungsquelle Infrarot-Hell­ strahler (1) mit einem Emissionsmaximum zwischen 1,1 bis 2,5 µm verwendet werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß ein einstellbarer Anteil der Hellstrahler­ kühlungsluft für die Energieübertragung auf die Glasgefäße (2) verwendet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Infrarot-Dunkelstrahler (9) mit einem Emissionsmaximum um 3 µm für die Erzeugung der glastechnisch bedingten Abkühlrampe verwendet werden.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zeitgesteuer­ tes Transportsystem (4) für den Transport der Glas­ gefäße (2) durch eine von Hell- und Dunkelstrahlern (1, 9) gebildete Strahlergasse vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Hell- und Dunkelstrahlern (1, 9) bestehende Strahlergasse in mehrere leistungsgeregelte Zonen geteilt ist.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Hell- und Dunkelstrahler (1, 9) mittels Justierung quer zur Transportrichtung stets den gleichen Abstand zu den unterschiedlichen Glasgefäßen (2) aufweisen.