Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Schmelzen isolierender Materialien wie z. B.
Glas durch direkte Induktion im kalten Tiegel.
Stand der Technik und Problemstellung
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Die Herstellung irgendwelcher Materialien durch Einschmelzung erfolgt oft in
induktionsbeheizten Tiegeln. Die am weitesten verbreiteten und einfachsten Tiegel sind aus
feuerfestem bzw. refraktärem Material, jedoch sind diese Tiegel nicht für alle Schmelzbäder
geeignet. Tatsächlich sind bestimmte Materialien beim Schmelzen aggressiv gegenüber den
refraktären Materialien, während andere, insbesondere Glas, durch die refraktären
Materialien verunreinigt werden können.
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Diese Materialien müssen dann in speziellen, sogenannten "kalten" Tiegeln
behandelt werden, deren Wände nicht verunreinigend sind. Ein kalter Tiegel wird durch
metallische Sektoren gebildet, die durch Wasserzirkulation gekühlt werden. In diesem Tiegel
wird das zu behandelnde Material durch eine periphere Induktionseinrichtung erhitzt. Die
Sektorisierung oder Unterteilung des Tiegels dient der Begrenzung der Erhitzung der
Tiegelwand durch die Induktion und begünstigt die direkte Erhitzung des in dem Ofen
enthaltenen Materials durch Induktion.
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Die Induktionseinrichtung wird durch eine oder mehrere um den Tiegel gewickelte
Windungen gebildet, denn man nimmt an, dass man mit dieser Anordnung die besten
Leistungen erzielt.
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Das deutsche Patent DE-C-33 546 beschreibt einen Ofen mit kaltem Metalltiegel, der
außerdem eine untere Induktionsvorrichtung umfasst, die unter der Sohle angeordnet und
sektorisiert ist. Jedoch ist diese untere Induktionseinrichtung nur ein unterstützendes
Heizelement. Eine Hauptinduktionseinrichtung ist um den Tiegel gewickelt, was impliziert,
dass die metallischen Seitenwände des Tiegels auch stark sektorisiert sind.
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Das britische Dokument Nr. 2 279 543 beschreibt einen Gießtiegel mit
nichtsektorisierten Seitenwänden, um metallische Legierungen und nicht Isoliermaterialien
herzustellen, der ebenfalls eine Induktionseinrichtung umfasst, die unter einer sektorisierten
Sohle angeordnet ist. Die Induktionseinrichtung ist dazu bestimmt, die Gießtemperatur zu
bestimmen, wobei dieses Gießen im Zentrum der Induktionseinrichtung stattfindet, ist aber
nicht konzipiert, um die gesamte in dem Tiegel befindliche Metallmenge zu schmelzen. Dieser
Tiegel ist dazu bestimmt, zusammen mit einer Hauptvorrichtung benutzt zu werden, die das
Schmelzen des Metalls gewährleistet. Die Induktionseinrichtung bildet also ein zusätzliches
Heizelement. Die Haupterhitzung kann durch Induktion erfolgen, wobei man in diesem Fall
sektorisierte metallische Seitenwände wiederfindet oder auch refraktäre Wände mit den oben
erwähnten Inkompatibilitätsproblemen.
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Das deutsche Patent DE-C-564 693 beschreibt einen Innenheizofen mit Hülsen, die
unten in das Schmelzbad eindringen und Induktionswindungen umfassen. Ein solcher Ofen ist
komplex, insbesondere wenn er als Ofen mit kalten Wänden realisiert werden soll.
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Aus dem oben dargelegten Stand der Technik kann man ableiten, dass eine unter der
Sohle angeordnete Induktionseinrichtung eines Tiegels noch nie als einzige Heizeinrichtung
vorgesehen worden ist.
Resümee der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kalttiegel-Schmelzofen
vorzusehen, der sich besonders gut für Glas eignet, der besonders einfach und kostengünstig
aufgebaut ist und der dabei Leistungen garantiert, die mit denen der klassischen Öfen
vergleichbar sind.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein solcher Ofen, der für eine
bestimmte Kapazität mit billigeren Bauteilen die Erregungsspannung der Induktionseinrichtung
liefert.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ofen
vorzusehen, dessen Kapazität erhöht werden kann, indem zur Realisierung der
Erregungsspannung der Induktionseinrichtung Bauteile verwendet werden, die im Handel
erhältlich sind.
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Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, vorzusehen, dass
dieser Ofen eine besonders gute Wärmeisolation zwischen dem Schmelzbad und den
Wänden des Tiegels aufweist.
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Um diese Aufgaben zu lösen, sieht die Erfindung vor, das Glas nur mit einer
Induktionseinrichtung zu erhitzen, die unter der Sohle angeordnet ist. Die
Induktionseinrichtung wirkt also nicht durch die Seitenwand des Tiegels, sodass diese Wand
kontinuierlich bzw. durchgehend sein kann, d. h. in elektrischer Hinsicht nicht sektorisiert
werden muss, was ihre Herstellung besonders einfach macht.
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Der mittlere Durchmesser der Induktionseinrichtung ist fast nur halb so groß wie der
Durchmesser einer nach klassischer Art um den Tiegel herumgewickelten
Induktionseinrichtung, was ihre lnduktanz und folglich ihre Erregungsspannung deutlich
verringert.
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Die Tatsache, die Peripherie der Induktionseinrichtung von den Seitenwänden des
Tiegels zu entfernen, ermöglicht die Bildung einer dicken Schicht aus erstarrtem Glas auf
diesen Wänden, was die Wärmeverluste zwischen dem Schmelzbad und dem gekühlten
Tiegel verringert. Eine solche thermische Isolation kann bei Metallen nicht hergestellt werden,
die im flüssigen wie im festen Zustand gute Wärmeleiter sind.
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Für Metalle sind die Leistungen eines solchen Ofens mittelmäßig in Bezug auf die
Leistungen der klassischen Öfen. Hingegen kann man für Glas die Leistungen des Ofens
durch eine spezielle Dimensionierung optimieren.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Ofen zum Einschmelzen von
Isoliermaterialien, der eine kalten Tiegel mit metallischer Seitenwand, eine sektorisierte und
gekühlte Sohle und wenigstens eine Induktionseinrichtung umfasst, die unter der Sohle
angeordnet ist. Die einzige Heizeinrichtung ist die genannte Induktionseinrichtung, und die
metallische Seitenwand des Tiegels ist durchgehend bzw. kontinuierlich.
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Nach einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung werden die Höhe des
Schmelzbads in dem Tiegel und die Erregungsfrequenz der Induktionseinrichtung so gewählt,
dass die genannte Höhe und der Innen-Halbradius des Tiegels kleiner sind als die Hautdicke
in dem Bad, die aus der Erregerfrequenz der Induktionseinrichtung resultiert.
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Nach einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung wird die Sohle durch
nebeneinanderliegende Rohre gebildet.
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Nach einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung sind die Rohre aus einem
Material, das ein guter thermischer Leiter und ein schlechter elektrischer Leiter ist.
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Nach einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung umfasst der Ofen einen
Boden und ein Dach aus Metall, die zusammen mit dem Tiegel, mit dem sie verbunden sind,
einen Faradaykäfig bilden, der die Außenumgebung vor den durch die Induktionseinrichtung
erzeugten Strahlen schützt.
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Nach einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung umfasst der Ofen mehrere
Induktionseinrichtungen, verteilt unter der Sohle und unabhängig gesteuert.
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Nach einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung hat der Ofen eine rechteckige
Form und die Induktionseinrichtungen sind längs der Hauptachse des Rechtecks verteilt.
Liste der Figuren
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Diese Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, sowie
weitere, werden in der nachfolgenden, nicht einschränkenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen detailliert erläutert, bezogen auf die beigefügten Figuren:
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- die Fig. 1 zeigt eine Ausführung des Glasschmelzofens nach der vorliegenden
Erfindung;
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- die Fig. 2 zeigt eine erste Variante des erfindungsgemäßen Schmelzofens; und
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- die Fig. 3 zeigt eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Schmelzofens.
Detaillierte Beschreibung mehrerer Ausführungen
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Die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsart des erfindungsgemäßen Schmelzofens
umfasst einen gekühlten Tiegel, gebildet durch eine vertikale metallische Doppelwand 10 und
einen horizontalen Boden 12, durchlässig für das elektromagnetische Feld. Dieser Aufbau sitzt
z. B. auf einem wannenförmigen Sockel 14. Er kann von einem dachförmigen Deckel 16
überdeckt sein, der verschiedene Zugangsöffnungen enthält, z. B. eine
Materialeinführungsöffnung 18 und eine Verbrennungsgas-Entlüftungsöffnung 20. Die Sohle 12 umfasst z. B. eine
zentrale Austrittsöffnung 22, verschlossen durch einen drehbaren bzw. wegschwenkbaren
Verschluss 24. Der Boden 14 umfasst dann eine entsprechende Austrittsöffnung 26.
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Das einzige Heizelement ist die Induktionseinrichtung 28, die unmittelbar unter der
Sohle 12 angeordnet ist, im Innern der Wanne 14. Dieses Heizelement ist bei dieser
Ausführungsart eine Induktionseinrichtung mit einer oder mehreren Windungen.
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Die vertikale Tiegelwand 10 und die Tiegelsohle 12 sind beide konzipiert für die
Zirkulation einer Kühlflüssigkeit, was durch schematisch dargestellte Leitungen 30 angedeutet
wird. Die Doppelwand umfasst eine Innenwand und eine Außenwand, beide durchgehend,
zwischen denen die Kühlflüssigkeit zirkuliert. Um die Kühlung zu homogenisieren, kann man
zwischen den beiden Wänden Schikanen vorsehen.
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Eine solcher Tiegel 10 ist besonders einfach und kostengünstig herzustellen,
bezogen auf einen sektorisierten Tiegel, bei dem Sektoren von relativ komplexer Form
(trapezförmig) vorher hergestellt und dann miteinander zusammengebaut werden müssen,
dicht und elektrisch isolierend.
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Die Induktionseinrichtung 28 erzeugt ein Feld, dargestellt durch strichpunktierte
Linien, die die Sohle 12 durchqueren.
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Nur die Sohle 12 ist sektorisiert. Wie weiter unten mehr im Detail zu sehen sein wird,
ist es sehr viel einfacher, eine Bereichseinteilung des Bodens zu realisieren, als die
Seitenwände eines Tiegels zu sektorisieren.
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Der Außendurchmesser der Induktionseinrichtung 28 ist kleiner als der
Innendurchmesser des Tiegels 10, so dass das elektromagnetische Feld nahe der Tiegelwand
schwach ist. Daraus resultiert eine Temperaturabnahme in der Nähe der Tiegelwand und eine
Verdickung der auf dieser Wand erstarrten Glasschicht. Da das feste Glas ein guter
Wärmeisolator ist, werden die Energieverluste beträchtlich reduziert. Natürlich gilt dieser
Vorteil nicht für Metalle, die unabhängig von ihrer Phase gute Wärmeleiter sind.
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Der mittlere Durchmesser der Induktionseinrichtung ist fast nur halb so groß wie der
Durchmesser einer um den Tiegel gewickelten klassischen Induktionseinrichtung, was seine
lnduktanz und infolgedessen seine Erregungsspannung zur Übertragung einer bestimmten
Energie stark reduziert. Dies ist besonders vorteilhaft, vor allem im Falle von Glas, denn die
Frequenz der Erregungsspannung ist dann besonders hoch. So kann man bei einem
bestimmten Ofendurchmesser für den die Erregungsspannung der Induktionseinrichtung
liefernden Wandler Bauteile verwenden, deren Durchschlagsspannung niedriger ist als im
Falle eines klassischen Ofens. Außerdem kann mit existierenden Bauteilen der Durchmesser
des Ofens größer als derjenige eines klassischen Ofens sein.
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Anzumerken ist, dass bei Metallen die Zunahme des Ofendurchmessers kein
besonderes Problem der Wahl der Bauteile verursacht, denn die Erregungsfrequenz der
Induktionseinrichtung ist viel niedriger als für Glas.
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Bei einem Induktionsofen für irgend ein Material versucht man, einen guten
thermischen Wirkungsgrad zu erzielen. Wegen des Hauteffekts ist die in das Schmelzbad
eingespeiste Energie in der Nähe der Induktionseinrichtung maximal und nimmt dann schnell
ab. Sie wird jenseits einer "Hautdicke" genannten Distanz schwach, die für ein bestimmtes
Material nur von der Erregungsfrequenz abhängt. Die Hautdicke nimmt ab, wenn die Frequenz
zunimmt.
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Die durch den Hauteffekt konzentrierte Energie muss also durch Leitung und
Konvektion in das übrige Bad übertragen werden. Man ist also daran interessiert, die
Hautdicke zu erhöhen, um die thermische Homogenität des Bads zu begünstigen. Hingegen
nimmt der elektrische Wirkungsgrad ab, wenn die Hautdicke zunimmt. Man sucht also einen
Kompromiss zwischen der Heizhomogenität und dem elektrischen Wirkungsgrad.
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Die Metallbäder sind im Allgemeinen dünnflüssig und haben eine gute thermische
Leitfähigkeit, was die Homogenisierung durch Leitung und Konvektion begünstigt. Bei einem
klassischen Ofen mit um den Tiegel gewickelter Induktionseinrichtung erzielt man, um den
elektrischen Wirkungsgrad zu begünstigen, einen guten Kompromiss, wenn die Hautdicke
kleiner als ein Viertel des Innenradius des Schmelztiegels ist.
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Die Glasbäder sind im Allgemeinen zähflüssig und haben eine schlechte
Wärmeleitfähigkeit, was die Homogenisierung schwierig macht. Man muss eine relativ große
Hautdicke wählen. Bei einem klassischen Ofen erzielt man einen guten Kompromiss; wenn die
Hautdicke ungefähr so groß ist wie der Innenradius des Tiegels. Der Verlust an elektrischem
Wirkungsgrad, verursacht durch die Wahl einer großen Hautdicke, wird in Bezug auf den bei
den Metallbädern erzielten elektrischen Wirkungsgrad durch die Tatsache kompensiert, dass
das geschmolzene Glas eine viel größere Resistivität aufweist als ein Metall. Der elektrische
Wirkungsgrad wächst nämlich mit der Resistivität des Schmelzbads.
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Wenn man eine unter der Sohle angeordnete Induktionseinrichtung benutzt, wie in
der Fig. 1, tritt der Hauteffekt in Wirklichkeit nicht an der Wand 10 des Tiegels auf, sondern
am Boden 12. Um die oben genannten Kompromisse aufrecht erhalten zu können, hat sich
erwiesen, dass die Erregungsfrequenz der Induktionseinrichtung 28 so gewählt werden kann,
dass die Hautdicke gleich der Hälfte von derjenigen ist, die gewählt wird, wenn die
Induktionseinrichtung um den Tiegel herumgewickelt ist. Für die Metalle würde die Hautdicke
also gleich einem Achtel des Innenradius des Tiegels gewählt, während sie für die Gläser
gleich dem Halbradius gewählt würde.
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Die Tatsache, die Induktionseinrichtung 28 unter dem Schmelzbad anzuordnen,
ermöglicht, die Hautdicke um die Hälfte zu reduzieren und dabei die gewünschte thermische
Homogenität beizubehalten. Bei Abnahme der Hautdicke besteht die Tendenz einer Zunahme
des elektrischen Wirkungsgrads.
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Man stellt jedoch fest, dass der thermische Wirkungsgrad niedriger ist als bei einem
einem klassischen Ofen mit um den Tiegel gewickelter Induktionseinrichtung, wenn man keine
besonderen Vorkehrungen trifft. Die Erfinder haben festgestellt, dass der Wirkungsgrad sich in
Abhängigkeit von der Höhe des Schmelzbads verändert und dass der optimale Wirkungsgrad
bei einer Schmelzbadhöhe erzielt wird, die niedriger oder gleich der Hautdicke ist.
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Um die üblichen Kompromisse bei den Metallen aufrecht zu erhalten, müsste man
also eine Badhöhe wählen, die kleiner ist als ein Achtel des Innenradius des Tiegels. Dies
würde zu unvernünftigen Ofenabmessungen führen. Die Öfen mit einer einzigen Heizung von
unten eignen sich also nicht für Metalle.
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Hingegen ist bei Glas erfindungsgemäß die Badhöhe niedriger als die Hälfte des
Radius, was zu vernünftigen Ofenproportionen führt. In der Fig. 1 werden diese Proportionen
im Wesentlichen eingehalten, was ermöglicht, einen optimalen thermischen Wirkungsgrad für
einen Glasofen zu erzielen.
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Ein erfindungsgemäßer Ofen hat weniger Wärmeverluste als ein klassischer Glasofen
derselben Kapazität. Die auf den Seitenwänden erstarrte Glasschicht ist nämlich viel dicker als
bei einem klassischen Ofen, denn es gibt keine Heizquelle in der Nähe der Seitenwände.
Relativ große Verluste bestehen noch in Höhe der Sohle, aber sie sind unvermeidlich, denn
sowohl bei einem erfindungsgemäßer Ofen als auch bei einem klassischen Ofen muss der
Boden des Bads warm sein, um das Gießen des geschmolzenen Glases unter guten
Bedingungen sicherzustellen.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsart wird die Sohle 12, um sie für das Magnetfeld
durchlässig zu machen, durch Rohre gebildet, die horizontal nebeneinander angeordnet und
voneinander isoliert sind. Wie dargestellt haben die Rohre vorzugsweise einen quadratischen
Querschnitt, was ermöglicht, einen ebenen Tiegelboden zu realisieren.
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Ein Problem, dem man bei der Ausführung von sektorisierten vertikalen
Tiegelwänden begegnet, besteht darin, die Sektoren aneinander zu befestigen und dabei die
Dichtheit und die elektrische Isolation zwischen den einzelnen Sektoren zu gewährleisten. Im
Falle der Sohle 12 ist dieses Problem leicht lösbar, indem man z. B. die Rohre 12 partiell in
Beton bettet, wobei man sie etwas voneinander beabstandet, damit der Beton die Isolation
zwischen den Rohren sicherstellt. Die Induktionseinrichtung 28 kann bei derselben
Opereration auch in Beton eingebettet werden.
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Die Rohre sind vorteilhafterweise aus einem sehr wärmeleitfähigen Material, das aber
ein schlechter elektrischer Leiter sein muss, wie z. B. Siliciumcarbid. Wenn man ein solches
Material verwendet, ist es im Prinzip nicht nötig, die Sohle zu unterteilen, sodass diese durch
zwei Platten gebildet werden kann, zwischen denen die Kühlflüssigkeit fließt. Jedoch können
diese Materialien nicht verlötet oder verschweißt werden, was einen dichten Zusammenbau
schwierig macht, insbesondere einen winkelförmigen Zusammenbau. Jedoch ist es immer
leicht, einen dichten Zusammenbau am Ende eines Rohrs vorzusehen. Ein derartiges
Zusammenbauen von Rohrenden ermöglicht, die die Sohle 12 bildenden Rohre S-förmig zu
verbinden und so die bauliche Voraussetzung für die Zirkulation der Kühlflüssigkeit zu
schaffen.
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Vorzugsweise sind das Dach 16 und die Wanne 14 aus einem elektrisch leitfähigen
Material, sodass sie einen Faradaykäfig bilden, um die Außenseite vor der magnetischen
Strahlung zu schützen, die die Induktionseinrichtung 26 erzeugt.
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Da den erfindungsgemäßen Tiegel keine Induktionseinrichtung umgibt, kann dieser
Tiegel eine beliebige Form haben. Sie ist bei einer einzigen Induktionseinrichtung
vorzugsweise zylindrisch, um deren Ausführung zu vereinfachen. Aber, um die Kapazität des
Ofens zu erhöhen oder eine spezielle Behandlung zu ermöglichen, kann seine Form
angepasst werden an eine Vorrichtung mit mehreren Induktionseinrichtungen. In diesem Fall
zieht man bei der Wahl der Badhöhe und der Erregungsfrequenz den Radius bzw. Bereich
(rayon) in Betracht, der dem mittleren Kreisumfang der durch jede Induktionseinrichtung
abgedeckten Zone entspricht.
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Die Fig. 2 zeigt ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Ofens mit mehreren
Induktionseinrichtungen. Der Tiegel 32 des Ofens hat einen der Vereinigung von drei
Zylindern entsprechenden Querschnitt, von denen jeder an seinem Boden eine spiralige
Induktionseinrichtung 34 umfasst, die durch zwei Leiter 36 versorgt wird. Derart kann man
einen Ofen von großer Kapazität oder mit mehreren Zonen realisieren, deren Temperaturen
unabhängig gesteuert werden, was z. B. ermöglicht, unterschiedliche Behandlungs- und
Gießtemperaturen zu erhalten.
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Im Falle eines Glasofens erleichtert ein solcher Ofen die Affinieroperationen.
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Die Fig. 3 zeigt ein zweites Beispiel eines insbesondere an das Affinieren von Glas
angepassten erfindungsgemäßen Ofens. Der Ofen hat eine rechteckige Form und die
unabhängig gesteuerten Induktionseinrichtungen 34 sind längs der Hauptachse des
Rechtecks angeordnet. Eine der äußeren Induktionseinrichtungen, nämlich diejenige, in deren
Bereich man das zu schmelzende Glas hineinschüttet, wird so stark erregt, dass sie die
höchste Energie liefert, während die anderen Induktionseinrichtungen nur noch so erregt
werden, dass sie abnehmende Energien liefern, wobei das affinierte Glas bei der am
wenigsten erregten Induktionseinrichtung entnommen wird.
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Diese Ofenkonfiguration ist eine ideale Annäherung an jene der klassischen, mittels
Flamme beheizten Glasöfen.
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Bei den oben erwähnten Öfen mit mehreren Induktionseinrichtungen müssen die
Induktionseinrichtungen ausreichend nahe beieinander sein, um eine homogene Wirkung zu
erzielen, aber ausreichend beabstandet sein, um sich nicht gegenseitig zu beeinflussen.
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Der Fachmann kann sich zahlreiche Varianten und Modifikationen der vorliegenden
Erfindung vorstellen. So ist klar, dass ein Ofen nach der vorliegenden Erfindung, auch wenn
die oben beschriebenen Anwendungen Glas betreffen, sich für jedes Material mit schwacher
elektrischer und thermischer Leitfähigkeit im flüssigen Zustand eignet.