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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Glasschmelzen-Lieferungsvorrichtungen.
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Hintergrund der Erfindung
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Edelmetalle
und insbesondere die Platin-Gruppen-Metalle („PGM") sind in der Glasindustrie in Verfahren
zum Schmelzen und Wärmeformen von
Spezialglas verwendet worden und werden weiter verwendet.
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Es
ist in der Technik wohlbekannt, daß PGM-Materialien hohe Schmelzpunkte,
eine hohe Wärmebeständigkeit,
eine hohe mechanische Festigkeit und Abriebfestigkeit aufweisen.
Aufgrund dieser Eigenschaften sind PGM-Materialien für die Herstellung
von Bauteilen besonders geeignet, die mit Hochtemperaturflüssigkeiten,
wie einer Glasschmelze in Kontakt kommen. PGM-Materialien, die für Teile geeignet
sind, die mit einer Glasschmelze in Kontakt kommen, umfassen Platin
und Legierungen von Platin und/oder anderen PGM-Metallen, und können kleinere
Mengen von unedlen Metallen als Legierungen oder Additive enthalten.
PGM-Materialien,
die in der Glasindustrie typischerweise verwendet werden, schließen Feinplatin,
PtRh10 (Platin-Rhodium-Legierung mit 10% Rhodium) oder Platin ein,
das eine kleine Menge fein verteiltes feuerfestes Metalloxid, zum Beispiel
Zirkondioxid enthält.
Die Verwendung von Zirkondioxid mit Platin erhöht die Festigkeit und Hochtemperatur-Kriechfestigkeit
des Platins, und wird als feinkornstabilisiertes Platin („FGS") bezeichnet.
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Komponenten
und Vorrichtungen für Schmelzglaserzeugnisse
werden typischwerweise zum Schmelzen, Verfeinern, Transportieren,
Homogenisieren und Portionieren von geschmolzenen Glas verwendet
und sind Fachleuten wohlbekannt.
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Diese
Komponenten zum Liefern einer Glasschmelze sind üblicherweise Konstruktionen
aus PGM-Material. Alternativ können
sie aus anderen Materialien mit hoher Wärmebeständigkeit bestehen, wie zum
Beispiel feuerfester Keramik oder Materialien unedler Metalle mit
einem dünnwandigen Schutz-PGM-Überzug.
Der Überzug
kann in der Form eines Feinblechmetalls oder einer Oberflächenbeschichtung
vorliegen, die durch Verfahren aufgetragen wird, die in der Technik
bekannt sind, einschließlich,
jedoch nicht begrenzt auf Plasmaspritzen und Flammspritzen.
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Die
Komponenten, die eine Glasschmelze befördern, sind häufig Edelmetallbleche,
die als dünnwandige
Rohrsysteme aufgebaut sind. Das geschmolzene Glas fließt durch
die Rohrsysteme mit Temperaturen von zwischen etwa 1000°C und etwa 1700°C. Die Rohrsysteme
sind typischwerweise äußerlich
durch eine isolierende und stützende
Keramik umgeben, die durch stützende
Metallkonstruktionen, zum Beispiel Metallkästen gehalten wird.
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Es
wird typischerweise eine Speiservorrichtung verwendet, um die Glasschmelze
in die geeigneten Formen von Bearbeitungsmaschinen, zum Beispiel
Preßmaschinen,
Blasmaschinen und Preß-/Blasmaschinen einzuführen oder
zuzuteilen und zu proportionieren. Der Speiser besteht aus einem
Speiserkopf, einer Speisernadel und einer Speiserdüse, die
auch als Ausflußdüse bezeichnet
wird. Die Verwendung von Speisern zur Glasschmelzenabgabe ist Fachleuten
wohlbekannt, siehe zum Beispiel
JP
01 072 927 .
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Die
Temperatursteuerung in diesen Komponenten spielt infolge der hohen
Betriebstemperaturen eine wesentliche Rolle, die typischerweise
im Bereich von etwa 1000°C
bis etwa 1700°C
liegen. Um eine kontrollierte Zufuhr oder Ableitung von Wärme zu erzielen,
werden die Komponenten in einigen Fällen elektrisch geheizt. Dies
kann entweder indirekt durch zusätzlich
installierte Heizleiter oder direkt durch Widerstandsheizung der
PGM-Komponenten der Düse
geschehen. Im Fall der direkten Heizung dient das Edelmetallblech
als der Heizleiter. Die elektrische Energie, die in das PGM-Blech
eingeleitet wird, wird infolge des spezifischen elektrischen Widerstands
des PGM in Wärme
umgewandelt.
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Um
imstande zu sein, an den verschiedenen Stellen durch die Isolation
elektrische Energie in die Komponente einzuleiten, werden Heizflansche
oder Heizschaufeln verwendet. Diese stellen die Verbindung von der
Stromquelle, zum Beispiel dem Stromkabel oder den Leiterschienen
eines Transformators zu den Edelmetallkomponenten her. Die Formgebung
und Abmessungen der Edelmetallkomponente und die Formgebung, Abmessungen
und Anordnung der Stromzuführungen
sind für
die Leitung des elektrischen Stroms und für die lokale Wärmeentwicklung während einer
direkten Heizung kritisch.
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Zur
portionierten Erzeugung von Glastropfen oder Glassträngen durch
den Glasschmelzenspeiser müssen
bestimmte Verarbeitungsparameter präzise eingehalten werden. In
den meisten Fällen
ist eine Genauigkeit der Verarbeitungstemperatur von etwa ±1°C notwendig.
Es ist notwendig, daß das
Gewicht der Glastropfen oder der Glasstränge in hohem Maße konstant
ist, in der Praxis innerhalb einer Variation von etwa ±1%. In
einigen Fällen,
zum Beispiel im Falle verhältnismäßig kleiner
Tropfen von weniger als 100 Gramm, ist die zulässige Abweichung des Gewichts
bedeutend kleiner als ein Gramm. Ferner kann es auch wichtig sein,
eine definierte Tropfenform einzuhalten, die vom Glasendprodukt
abhängt, das
hergestellt werden soll. In diesen Fällen erfordert das Längen-Breiten-Verhältnis des
Tropfens eine besondere Aufmerksamkeit.
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Die
Konstruktion und Temperatursteuerung der Lieferdüse sind für die Steuerung der Glastemperatur,
des Tropfengewichts und der Tropfenform während der Lieferung der Glasschmelze
kritisch.
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1 zeigt in drei detaillierten Diagrammen (a),
(b) und (c) die Konstruktion eines Speisers, wie er typischerweise
in der Technik bekannt ist, der im axial halben Schnitt gezeigt
wird.
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Das
detaillierte Diagramm (a) veranschaulicht die grundlegende Konstruktion
eines typischen Speisers. Der Speiser weist einen konisch geformten Speiserkopf
(1) auf, in dem die kalotttenförmige Spitze der Speisernadel
(2) endet. Die Speiserdüse,
die auch als Lieferdüse
(3) bezeichnet wird, weist einen koni schen trichterförmigen Abschnitt
(4) und ein zylindrisches Endstück (5) auf. Die Speiserdüse sitzt bündig am
Speiserkopf (1). Der Speiserkopf und die Speiserdüse bestehen
aus einem dünnen PGM-Blech
und sind auf der Außenseite
durch komplementäre
und formschlüssige
Keramikkomponenten (6), (7) umgeben, an denen
sie mit PGM-Flanschringen (8), (9), (10)
an den Enden gehalten werden. Die Speiserdüse weist eine Entnahmestange (11)
auf, die in einem größeren oder
kleineren Ausmaß über den
unteren Flanschring (10) vorstehen kann. Der Abgabeblock
(7) ist in einem Ringhalter (12) aus Stahl angebracht.
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Eine
solche ungeheizte Konstruktion der Speiservorrichtung weist die
Einschränkung
auf, daß aus
dem Glasfluß in
einem unerträgliche
Ausmaß Wärme entzogen
wird, insbesondere in dem kritischen Bereich der Portionierung und
Formung.
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Die
detaillierten Diagramme (b) und (c) zeigen geheizte Düsenkonstruktionen
gemäß des Stands
der Technik.
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Das
detaillierte Diagramm (b) zeigt eine indirekt geheizte Speiserdüse im axialen
halben Schnitt (3'),
die über
Flanschringe (9'),
(10') an
den Enden am Abgabeblock (7')
befestigt ist. Der Abgabeblock (7') weist spiralförmige oder verdrillte Rillen
auf der Innenseite (13) auf, in die eine Heizspule (14)
aus einem Draht aus Edelmetall zum Beispiel Platin oder einer Platinlegierung
eingesetzt ist. Die Verbindung mit der elektrischen Stromversorgung
(Transformator) (15) geht durch Bohrungen in der Keramikkomponente
(7').
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In
dieser Konstruktion werden der konische (4') und teilweise der zylindrische
(5') Abschnitt
der Lieferdüse
(3') und
des Abgabeblocks (7')
geheizt. Jedoch erleidet das Glas den größten Wärmeverlust an der Unterseite
der Ausflußdüse infolge
von Wärmestrahlung
und Ableitung über
die freie Oberfläche des
Flanschrings (10')
und der Entnahmestange (11').
Folglich kühlt
sich der untere Teil der Lieferdüse an
der Entnahmestange (11')
in einem stärkeren Ausmaß ab, und
daher kühlt
sich das Glas an dieser besonders kritischen Stelle ab.
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Das
detaillierte Diagramm (c) zeigt eine direkt geheizte Speiserdüse im axialen
halben Schnitt, (3''), die über Flanschringe
(9''), (10'') an den Enden an einem formschlüssigen Ab gabeblock
(7'') befestigt
ist. Stromzuführungen
(Platten) (16), (17), die mit der elektrischen
Stromquelle (Transformator) (15') verbunden sind, sind an den Flanschringen
(9''), (10'') ausgebildet. In dieser Konstruktion
wird der gesamte Trichter aus Edelmetall (3'')
mit dem konischen (4'') und zylindrischen
(5'') Abschnitt
elektrisch direkt geheizt.
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Diese
Konstruktion weist auch die Einschränkung auf, daß im konischen
Bereich, insbesondere im unteren Bereich, über die große freie Oberfläche dem
Flanschringe mehr Wärme
entzogen wird, als zugeführt
werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber diesen
bekannten Konstruktionen. Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung bereitgestellt,
die aus einer elektrisch direkt geheizten Lieferdüse für Glasschmelze
besteht, die ein PGM-Material nutzt. Diese Vorrichtung ist so aufgebaut,
daß sie nicht
den Nachteil eines übermäßigen Wärmeentzugs
aus dem System aufweist. Zusätzlich
stellt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine regelbare,
effektive Erwärmung
der Lieferdüse
und daher des Glasflusses insbesondere in dem kritischen Bereich
der Portionierung und Formung sicher.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Erwärmen einer
Glasschmelze und Verfahren zur Verwendung dieser Vorrichtung bereit.
Diese Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, die eine Lieferdüse für Glasschmelze
aufweist, die direkt und durch eine elektrische Stromquelle geheizt
wird. Die Düse
enthält
mindestens ein PGM-Material, das in einer Keramikkomponente in einer
formschlüssigen Weise
befestigt ist und an der Keramikkomponente mit axialen Flanschringen
an den Enden angebracht ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht die Lieferdüse aus einem konischen trichterförmigen Teil
und einem zylindrischen Endstück.
Das zylindrische Endstück
der beschriebenen Düse
weist eine Entnahmestange oder Entnahmeschieber auf, die durch einen
Flanschring mit einem zylindrischen Heizring aus PGM-Material verbunden
ist. Der zylindrische Heizring ist in einer Keramikkomponente koaxial
in einem Ab stand um das zylindrische Endstück angeordnet, und er ist an einem
unteren Flanschring angebracht, der an die Entnahmestange angrenzt.
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Es
sind auch Stromzuführungsmetallbleche aus
PGM, die als „PGM-Metallbleche" bezeichnet werden
können,
am zylindrischen Heizring angebracht. Vorzugsweise sind die PGM-Metallbleche
radial auf gegenüberliegenden
Seiten, axial mit der Oberfläche
angeordnet, und gehen durch Schlitze in der Keramikkomponente.
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In
einer anderen Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung bereit, die aufweist:
- a. eine Keramikkomponente;
- b. einen zylindrischen Heizring, wobei sich der zylindrische
Heizring innerhalb der Keramikkomponente befindet; und
- c. eine Lieferdüse,
wobei die Lieferdüse
mindestens ein Platin-Gruppen-Metall aufweist.
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In
einer bevorzugten Unterausführungsform stellt
die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung bereit, die aufweist:
- a. eine Keramikkomponente, wobei sich in der
Keramikkomponente Schlitze befinden;
- b. eine Düse,
wobei die Düse
ein konisches trichterförmiges
Teil und ein zylindrisches Endstück aufweist,
und das trichterförmige
Teil angrenzend an das zylindrische Endstück angeordnet ist;
- c. einen oberen axialen Flanschring;
- d. einen unteren axialen Flanschring;
- e. eine Entnahmestange, die distal zum Ende des zylindrischen
Endstücks
angeordnet ist, das an das konische trichterförmige Teil angrenzt und an den
unteren axialen Flanschring angrenzt;
- f. einen zylindrischen Heizring, der in der Keramikkomponente
in Kontakt mit dem unteren axialen Flanschring und koaxial zum zylindrischen Endstück angeordnet
ist; und
- g. mindestens zwei Stromzuführungsbleche,
wobei die Stromzuführungsbleche
an dem zylindrischen Heizring angebracht und radial auf gegenüberliegenden
Seiten und a xial zu dem unteren Flanschring angeordnet sind und
durch die Schlitze verlaufen.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau
stellt eine regelbare, effektive Erwärmung der Lieferdüse und daher
des Glasflusses insbesondere in dem kritischen Bereich der Portionierung
und Formung sicher.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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1 ist eine Darstellung des Aufbaus eines Speisers,
wie er in der Technik bekannt ist, im axialen Halbschnitt, in drei
detaillierten Umrißdiagrammen (a),
(b) und (c).
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2 stellt zwei detaillierte Umrißdiagramme
(a) und (b) bereit, die den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
im axialen Halbschnitt (detailliertes Diagramm (a)) und im Querschnitt
der Ebene A-A (detailliertes Diagramm (b)) darstellen.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Erwärmen einer
Glasschmelze bereit. Erfindungsgemäß ist ein zylindrischer Heizring
in einer isolierenden Keramikkomponente angeordnet. Dieser zylindrische
Heizring wird durch Widerstandsheizung elektrisch geheizt. Diese
Heizung wirkt indirekt auf einen inneren zylindrischen Abschnitt
einer Lieferdüse,
und folglich auf den Glasfluß.
Zusätzlich fließt der Strom über den
Heizring, er fließt über einen
unteren Flanschring, der an eine Entnahmestange angrenzt, und außerdem teilweise über den
Innenabschnitt der Lieferdüse.
Der beschriebene Aufbau und eine geeignet ausgewählte abgestimmte Materialdicke
stellen eine intensivere Erwärmung des
zylindrischen Teils der Lieferdüse
und der Entnahmestange sicher. Vorzugsweise dienen auch Stromzuführungsmetallbleche
(Platten), die mindestens teilweise in der Keramik eingeschlossen
sind, als Heizleiter. Folglich wird auch die Keramikkomponente geheizt,
was kalte Stellen am Übergang
von der Schaufel zum Heizring verhindert, und außerdem einen Wärmeentzug
aus der Keramikkomponente und aus der Vorrichtung verhindert.
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Es
werden nun die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Diese Ausführungsformen
werden präsentiert, um
beim Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu helfen und sind nicht dazu bestimmt,
und sollten nicht so aufgefaßt
werden, daß sie
die Erfindung in irgendeiner Weise begrenzen. Alle Alternativen,
Modifikationen und Äquivalente,
die üblichen
Fachleuten beim Lesen der Offenbarung deutlich werden, sind in den
Geist und Rahmen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen. Ferner
ist diese Offenbarung nicht dazu bestimmt, eine Abhandlung über Lieferdüsen zu sein.
Die Leser werden für
zusätzliche
Informationen auf geeignete zur Verfügung stehende Texte über diesen
Gegenstand verwiesen, falls notwendig.
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Erfindungsgemäß wird eine
Vorrichtung zur Lieferung einer Glasschmelze bereitgestellt. Die
Vorrichtung weist eine Keramikkomponente und eine Lieferdüse auf.
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Die
Keramikkomponente besteht aus einem Keramikmaterial. Keramikmaterialien
sind Fachleuten wohlbekannt. In der Keramikkomponente ist ein zylindrischer
Heizring angeordnet, der vorzugsweise aus mindestens einem PGM-Material
besteht.
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Die
Lieferdüse
besteht vorzugsweise auch aus mindestens einem PGM-Material und
läßt die Abgabe
einer Glasschmelze zu. Sie enthält
vorzugsweise einen konischen Trichter und ein zylindrisches Endstück, wobei
ein Ende des konischen Trichters proximal zu einem Ende des zylindrischen
Endstücks liegt.
Die Lieferdüse
ist in einer formschlüssigen
Weise in der Keramikkomponente angebracht und durch axiale Flanschringe
an der Keramikkomponente befestigt.
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Ferner
gibt es vorzugsweise mindestens zwei axiale Flanschringe. Wenn es
zwei axiale Flanschringe gibt, sind diese Ringe vorzugsweise an
jedem Ende der Lieferdüse
angeordnet. Wenn sie an jedem Ende der Lieferdüse angeordnet sind, kann der
Flanschring, der am Trichterende der Düse angeordnet ist, das distal
zum zylindrischen Endstück liegt,
als der „obere
Flanschring" bezeichnet
werden, und der andere Flanschring, der am Ende des zylindrischen
Endstücks
distal zum Trichter angeordnet ist, kann als der „untere
Flanschring" bezeichnet
werden.
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Vorzugsweise
kann die Lieferdüse
der vorliegenden Erfindung eine Entnahmestange aufweisen, die am
unteren Ende des zy lindrischen Endstücks und angrenzend an den unteren
Flanschring angeordnet ist.
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Der
obenerwähnte
zylindrische Heizring, der in der Keramikkomponente angeordnet ist,
ist koaxial um das zylindrische Endstück angeordnet. Der zylindrische
Heizring, der eine Unterkante und eine Oberkante aufweist, ist außerdem vorzugsweise
an der Unterkante mit dem unteren Flanschring verbunden. Die Unterkante
bezeichnet die Kante des zylindrischen Endstücks, die distal zum Trichterabschnitt
der Lieferdüse
verläuft;
die Oberkante bezeichnet die Kante des zylindrischen Endstücks, die
proximal zum Trichterabschnitt der Lieferdüse verläuft.
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Der
zylindrische Heizring wird vorzugsweise durch eine elektrische Stromquelle
geheizt. In einer Unterausführungsform
gehen Zuführungsmetallbleche
durch Schlitze in der Keramikkomponente zum zylindrischen Heizring
und erwärmen,
wenn sie mit Elektrizität
versorgt werden, den zylindrischen Heizring. Ferner gibt es vorzugsweise
mindestens zwei Zuführungsmetallbleche,
und die Komponenten eines Paares Zuführungsmetallbleche sind auf
einander gegenüberliegenden
Seiten und axial angeordnet. Die Zuführungsmetallbleche weisen vorzugsweise
mindestens ein PGM-Material auf.
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Erfindungsgemäß beträgt der Abstand
zwischen dem zylindrischen Heizring und dem zylindrischen Endstück vorzugsweise
etwa das Ein- bis Dreifache der Wanddicke des zylindrischen Endstücks.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die Höhe des zylindrischen Heizrings
annähernd über die
Gesamthöhe
des zylindrischen Endstücks,
um eine kontrollierte Erwärmung
zu erzielen. Die Unterkante des Heizrings kann bündig an den Flanschring anstoßen, der
an die Entnahmestange angrenzt, kann ebenso bündig mit der Entnahmestange
abschließen,
oder kann in einem größeren oder
kleineren Ausmaß über deren
Ebene vorstehen.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann sich der Heizring über
die Ebene hinaus erstrecken, die durch die Entnahmestange gebildet
wird, um diesen Raum durch Strahlung zu heizen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind radial angeordnete Stromzuführungsmetallbleche aus
PGM-Material in Bezug auf den zylindrischen Heizring axial auf gegenüberliegenden
Seiten des zylindrischen Heizrings angeordnet, und weisen etwa dieselbe
Höhe wie
der Heizring auf. Es können
zwei Stromzuführungsmetallbleche
unter einem Winkel von etwa 180° zueinander
angebracht sein. Dies stellt einen gleichmäßigen Stromfluß in der
Komponente sicher. Jedoch können
auch mehrere Paare von Stromzuführungsmetallblechen
angebracht sein, wobei vorzugsweise jeder Satz aus zweien besteht, die
unter einem Winkel von etwa 180° zueinander
angeordnet sind, und in einem gleichen Abstand zueinander auf dem
Umfang verteilt sind. Dies führt
zu einem besonders gleichmäßigen Stromfluß in der Komponente.
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Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung besteht vorzugsweise aus
Feinplatin, einer Platinrhodium-Legierung mit 10% Rhodium, oder
feinkornstabilisiertem Platin, oder deren Mischungen.
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Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um
eine Glasschmelze zu erwärmen.
In einer Ausführungsform
wird Elektrizität durch
die Metallzuführungsbleche
geschickt, um die zylindrische Heizeinheit zu erwärmen. Wenn
der Strom befördert
wird, führt
auch der untere Flanschring die Elektrizität, und das PGM-Material der
Lieferdüse,
das den Hohlraum der Düse
auskleidet, wird ebenfalls geheizt. Dieses Heizverfahren läßt eine
effiziente Erwärmung
der Glasmasse zu, die auf Formen oder für andere Verwendungen angewendet werden
kann, die bekannt sind oder Fachleuten zur Kenntnis gelangen.
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2 zeigt beispielhaft in zwei detaillierten Umrißdiagrammen
(a) und (b) den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im axialen
halben Schnitt (detailliertes Diagramm (a)) und im Querschnitt der
Ebene A-A (detailliertes Diagramm (b)).
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Die
direkt geheizte Speiserdüse
(Lieferdüse) (3''')
der Erfindung besteht aus einem konischen trichterförmigen Abschnitt
(4''') und einem zylindrischen Endstück (5''').
Die Speiserdüse
besteht aus dünnen
PGM-Blechen und ist auf der Außenseite durch
die komplementäre
und formschlüssige
Stützkeramikkomponente
(7''') umgeben, gegen die sie durch
PGM-Flanschringe (9'''), (10''') an den Enden gehalten
wird. Die Speiserdüse
weist eine Entnahmestange (11''') auf, die über den
unteren Flanschring (10''') vorsteht. Der Abgabeblock (7''')
ist in einem Ringhalter (12''') aus Stahl angebracht. Ein zylindrischer
Heizring (18) mit annäher
nd derselben Höhe
aus PGM-Material ist koaxial um das zylindrische Endstück (5''')
angeordnet. Die Unterkante des Heizrings ist in einem Abstand von
etwa der doppelten Wanddicke durch Schweißung angebracht und verläuft bündig mit
dem unteren Flanschring (10'''), der an die Entnahmestange (11''')
angrenzt. Zwei radial angeordnete Stromzuführungsmetallbleche (19), (20)
aus PGM-Material, die axial mit der Oberfläche angeordnet sind, sind durch
Schweißung
auf gegenüberliegenden
Seiten am Heizring (18) mit einem Winkel von etwa 180° angebracht.
Diese gehen durch Schlitze in der Keramikkomponente (7''')
und sind über
Stromzuführungsbahnen
(21) mit der außerhalb
liegenden Stromquelle (Transformator) (15'') verbunden.