EP3849949A1 - Vorrichtung und verfahren zum thermischen vorspannen von glasscheiben mit wärmetauscher - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum thermischen vorspannen von glasscheiben mit wärmetauscher

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Publication number
EP3849949A1
EP3849949A1 EP19733792.6A EP19733792A EP3849949A1 EP 3849949 A1 EP3849949 A1 EP 3849949A1 EP 19733792 A EP19733792 A EP 19733792A EP 3849949 A1 EP3849949 A1 EP 3849949A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
glass pane
glass
gas
gas stream
blow box
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19733792.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Achim ZEICHNER
Jack PENNERS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Original Assignee
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Glass France SAS, Compagnie de Saint Gobain SA filed Critical Saint Gobain Glass France SAS
Publication of EP3849949A1 publication Critical patent/EP3849949A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B27/00—Tempering or quenching glass products
    • C03B27/016—Tempering or quenching glass products by absorbing heat radiated from the glass product
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B27/00—Tempering or quenching glass products
    • C03B27/04—Tempering or quenching glass products using gas
    • C03B27/044—Tempering or quenching glass products using gas for flat or bent glass sheets being in a horizontal position
    • C03B27/048—Tempering or quenching glass products using gas for flat or bent glass sheets being in a horizontal position on a gas cushion

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the thermal tempering of glass panes and the use of a heat exchanger, in particular an evaporative cooler, for the thermal tempering of glass panes.
  • thermal tempering The thermal hardening of glass panes has been known for a long time. It is often referred to as thermal tempering or tempering.
  • thermal tempering By way of example only, reference is made to the patent documents DE 710690 A, DE 808880 B, DE 1056333 A from the 1940s and 1950s.
  • a glass pane heated to just below the softening temperature is subjected to an air flow, which leads to rapid cooling (quenching) of the glass pane.
  • thermally toughened glass panes are used as so-called single pane safety glass in the vehicle sector, in particular as rear panes and side panes. In the automotive sector, high demands are made on the degree of preload, which are also regulated in standards. But thermally toughened glass panes are also common in construction, architecture and living areas, for example as glass facades, shower cubicles or table tops.
  • Ambient air which has not been pretreated, is typically used during tempering, from which a strong gas flow is generated by means of fans, which is directed as homogeneously as possible to the surfaces of the glass panes by means of large-area blow boxes provided with a large number of nozzles.
  • the strength of the gas flow determines the tempering efficiency: the stronger the gas flow, the more efficiently the glass pane is quenched and the higher the voltages generated.
  • other factors such as the temperature, humidity and density of the gas flow have an influence on the preload efficiency.
  • Current trends in the automotive industry require ever higher pretensioning efficiencies. For example, ever thinner glass panes are used to save weight.
  • the thinner the glass pane the higher the prestressing efficiency must be in order to produce a temperature difference between the pane surfaces and the pane core which is sufficient to generate the desired stresses.
  • glass manufacturers endeavor to bend glass at ever lower temperatures, which can improve the optical quality of the panes.
  • the colder the glass pane is before tempering the more it has to be quenched in order to generate the desired tensions.
  • Heat exchangers with indirect heat transfer are known in which heat is exchanged between two media in separate rooms. They are also widely used in everyday life, for example as a radiator or as a cooling system for internal combustion engines. It has been proposed to use such indirect heat exchangers to cool the gas stream with which a glass pane is cooled or thermally tempered. Examples are on GB1021849, US20130252367A1 and
  • the object of the present invention is to provide an improved device and an improved method, wherein a high pretensioning efficiency is achieved in an energy-efficient manner.
  • the device according to the invention for the thermal tempering of glass panes comprises a first blow box and a second blow box.
  • the two blow boxes are arranged opposite one another so that their gas outlet openings (nozzles) point towards one another.
  • the blow boxes with gas outlet openings facing one another the surfaces of a glass pane arranged between the blow boxes can be subjected to a gas flow.
  • a gas supply is connected to each blow box, via which the gas flow is fed to the blow boxes.
  • the gas feeds are equipped with a heat exchanger, in particular an evaporative cooler.
  • the gas flow is actively cooled by means of the heat exchanger. Since the gas flow is at a lower temperature when it hits the glass pane, it has to be less strong in order to achieve the same cooling or prestressing effect. This can save energy for generating the gas stream. That is the great advantage of the present invention.
  • biasing efficiency as used in the present invention can are expressed quantitatively by the so-called heat transfer coefficient a. It is a common physical quantity and, as it were, a proportionality factor that describes the intensity of the heat transfer at an interface. It is usually specified in the unit W / (m 2 K).
  • the heat transfer coefficient during the thermal tempering of glass panes is particularly dependent on the strength (pressure), the temperature, the density and the humidity of the gas flow.
  • a heat exchanger in the most general sense is understood to be a device which transfers thermal energy from the gas stream in the gas feeds to a coolant stream, or is provided and suitable for this purpose.
  • the gas stream is cooled.
  • the cooling can be based on a direct heat transfer, that is to say on a combined heat and mass transfer between the media, or on an indirect heat transfer, the two media being spatially separated by a heat-permeable wall.
  • the geometric routing of the two material flows (gas flow and coolant flow) to one another can in principle be chosen freely. For example, operation can be selected in co-current (both material flows in the same direction), counter-current (both material flows in the opposite direction) or cross-flow (both material flows cross, also called cross-flow).
  • the heat exchanger is operated with a coolant, in particular through which the coolant flows or around which it flows.
  • the coolant is preferably liquid (coolant), but can in principle also be gaseous.
  • the cooling liquid is preferably water or essentially consists of water, which may optionally contain additives, for example heat-conducting additives, antifreeze or chemical or biological stabilizers.
  • the device according to the invention can optionally include a recooling device which is provided and suitable for cooling the heat exchanger or the coolant of the heat exchanger during operation. This can further increase the efficiency of the cooling.
  • a heat exchanger for cooling the gas stream for the thermal tempering of glass panes can be designed as an indirect heat exchanger, by which a heat exchanger with indirect heat transfer is referred to.
  • An indirect one The heat exchanger has a component through which the coolant flows and which separates the coolant from the gas stream to be cooled. Said component is arranged for efficient heat transfer in the gas stream. Operation in cocurrent, countercurrent or crossflow is possible, and combinations of these are also possible.
  • the coolant can be liquid or gaseous, but is preferably liquid.
  • the component through which the coolant flows can be designed in various ways.
  • the component can be designed, for example, as a plate, typically as a plurality of parallel plates (plate heat exchanger) or as a spirally wound sheet (spiral heat exchanger).
  • the component can also be designed as a tube or a multiplicity of tubes (tube heat exchanger, tube bundle heat exchanger).
  • the tube or tubes can be bent into a U or a number of shapes to reduce the space required (U-tube heat exchanger).
  • Two concentric pipes can also be used, with one pipe being flowed through by the coolant and the other by the gas stream to be cooled (jacket pipe heat exchanger), or cooling registers as a combination of pipes (for the coolant) and fins attached to them (for the cooling gas flow).
  • the indirect heat exchanger can also be a recuperator. In addition to the examples mentioned, other configurations are also conceivable.
  • Indirect heat exchangers have the advantage that the cooling effect can be regulated, in particular by the flow rate of the coolant. In this way, a desired temperature of the gas flow can be set deliberately. Control loops can also be implemented, the temperature of the gas flow being measured and automatically regulated by the coolant flow.
  • the indirect heat exchanger or its coolant is preferably cooled by a recooling device in order to increase the efficiency.
  • the heat exchanger is designed in particular as an evaporative cooler.
  • a coolant in particular water, is used as the coolant.
  • Such an evaporative cooler is a heat exchanger with direct heat transfer, the evaporative cooler of the coolant being used to cool the gas stream (heat transfer). Coolant is transferred to the gas flow (mass transfer).
  • the evaporative cooler also causes an increase in the moisture of the gas flow, which likewise increases the pretensioning efficiency and is an advantage of the invention.
  • evaporative coolers can generally be operated without recooling, so that they are cheaper to maintain than, for example, indirect heat exchangers. The device therefore preferably has no recooling device.
  • the evaporative cooler is preferably designed as a so-called trickle cooler and typically contains a carrier material, in particular a fibrous or porous carrier material, which is impregnated with a cooling liquid.
  • a droplet separator can be arranged above the carrier material, which sprinkles the carrier material with the cooling liquid.
  • a pot collector can be arranged below the carrier material in order to collect coolant that has flowed through the carrier material.
  • the coolant collected in the drop collector can be returned to the drop separator by means of a coolant line provided with a pump.
  • the gas stream flows through the carrier material. Cooling, in particular adiabatic cooling, of the gas stream is thereby achieved.
  • the carrier material Since the carrier material is typically trickled vertically by the cooling liquid and the gas flow passes horizontally through the carrier material, there is cross-flow operation.
  • the coolant evaporates, the energy required for this is extracted from the environment, i.e. ultimately from the gas flow, which leads to its cooling.
  • the evaporated coolant is absorbed by the gas flow and increases its relative humidity.
  • the effect of cooling depends on the surrounding air condition, temperature and relative humidity. The lower the relative humidity, the higher the potential for further moisture absorption, so the more coolant can evaporate.
  • Paper for example, can be used as the carrier material, in particular in the form of corrugated paper layers. Alternatively, suitable ceramics or synthetic structures are also conceivable as a carrier material.
  • the gas supply of each blow box is preferably equipped with at least one fan in order to supply the respective blow box with the gas flow.
  • the gas feed of each glass box is particularly preferably equipped with a first fan and a second fan, which are connected to one another in series, so that the gas flow generated by the first fan enters the second fan and is further compressed by it and thereby reinforced. By connecting two fans in series, a stronger gas flow can be generated overall.
  • the use of two fans per gas supply is common, but in principle more than two fans can also be used, in particular connected in series.
  • the heat exchanger in particular an evaporative cooler, can be arranged upstream or downstream of the at least one fan in the direction of flow.
  • the heat exchanger is preferably arranged behind the at least one fan. This has the advantage that the gas stream after cooling does not have to pass through the fan, where it heats up again would be.
  • the heat exchanger can be arranged upstream or downstream of all fans in the flow direction or between two fans. In a particularly preferred embodiment, the heat exchanger is arranged in the flow direction behind all fans of the gas supply.
  • Each gas supply is preferably designed with a heat exchanger, in particular an evaporative cooler. In principle, however, it is also possible to pass both gas streams through a common heat exchanger by merging the gas feeds and connecting them to the common heat exchanger.
  • the gas supplies typically include pipes that connect the evaporative coolers and fans to each other and to the blow box, and through which gas is drawn in to produce the gas flow.
  • the device according to the invention can optionally be equipped with a drying device which is suitable and provided for reducing the moisture of the gas stream before it hits the glass pane.
  • a high level of moisture is in principle advantageous for the pretensioning efficiency, but if the level of moisture is too high, undesirable effects can occur, for example droplet formation. Too high humidity can be caused, for example, by damp ambient air or by strong cooling with an evaporative cooler.
  • the drying device can be designed, for example, as a drop trap. It is preferably arranged in the flow direction behind the heat exchanger, in particular evaporative cooler, and all the fans of a gas supply.
  • the invention enables the efficiency of prestressing devices or methods to be increased. High pretensioning efficiencies are particularly advantageous when pretensioning vehicle windows, because high pretensioning requirements are imposed, some of which are regulated by law.
  • relatively thin glass panes are generally used here, which require higher cooling rates than thicker glass panes to achieve a desired pretension.
  • the glass pane to be tempered according to the invention is therefore provided in a particularly advantageous embodiment of a vehicle pane, that is to say as a window pane of a vehicle, preferably a motor vehicle and in particular a passenger car.
  • the invention can also be used for tempering other glass panes, for example in construction, architecture, and Living area, for example when tempering facade glazing, glass floors, table tops or shower cubicles.
  • the device according to the invention also comprises means for generating a relative movement between the glass pane to be tempered and the blow boxes.
  • the glass pane can be exposed to the effective area of the blow box (glass pane is positioned in the space between the blow boxes) and removed again (glass pane is positioned outside the space between the blow boxes).
  • These means for generating the relative movement are preferably means for moving a glass pane, which are suitable for moving the glass pane to be tempered into the space between the two blow boxes and out of said space again.
  • a rail, roller or treadmill system can be used for this.
  • the glass pane can be transported lying vertically or horizontally.
  • the means for moving the glass sheet preferably comprise retaining clips which are attached to the glass sheet so that the glass sheet hangs vertically on them and in turn are moved by the rail, roller or treadmill system or equivalent means.
  • the glass pane can be placed directly on the rail, roller or treadmill system.
  • the means for moving the glass pane preferably also include a transport frame on which the glass pane is placed.
  • the transport frame usually has a prestressing frame (frame shape) for storing the glass pane.
  • the glass pane is mounted on the transport frame during transport and pretensioning, which in turn is moved by the rail, roller or treadmill system or equivalent means.
  • the tempering of glass panes, which are arranged horizontally on a tempering frame is particularly common in connection with vehicle panes, which is why this variant is particularly preferred.
  • the means for generating the relative movement between the blow boxes and the glass pane can also be designed differently.
  • they can be means for moving the blow boxes, which move the blow boxes to a disk that remains stationary and away from it again after the pretensioning. It is also conceivable that the pane is moved and the blow boxes are moved along with the glass pane over a certain distance.
  • a pretensioning frame or a frame shape is understood to mean a frame-like or ring-like device on which the peripheral side edge of the Glass pane is deposited, while the majority of the pane surface, especially the central area, has no direct contact with the tempering frame.
  • the tempering frame is typically exchangeably attached to the transport frame and adapted to the shape of the type of glass pane to be tempered.
  • the shape of the support frame is therefore, in plan view, approximately polygonal, for example rectangular, trapezoidal or triangular, corresponding to the shape of conventional window panes, in particular vehicle panes, the side edges in the strict sense often being slightly curved in comparison with the polygon.
  • the pretensioning frame is typically constructed from several sections, each of which is assigned to one side of the polygon.
  • the support surface is constructed, for example, from four straight or slightly curved sections which are assembled to form the shape of a rectangle or trapezoid.
  • the tempering frame can have openings, which can also be referred to as holes or feedthroughs, and are arranged such that the edge of the glass pane to be tempered comes to rest on the openings when used as intended.
  • the glass pane is supported by the areas of the support frame between the openings, which are chosen to be as small as possible.
  • the openings allow air circulation, which is advantageous for the preload efficiency.
  • the blow boxes of the device according to the invention are spaced apart from one another so that a glass pane can be arranged between them. If the glass pane is to be biased horizontally, the nozzles of the first blow box (upper blow box) point downwards and the nozzles of the second blow box (lower blow box) point upwards. If, on the other hand, the glass pane is to be prestressed vertically, the blow boxes are arranged to the side of the prestressing position, so that the gas flow leaves them essentially horizontally. The blow boxes can then be referred to as left and right blow boxes, for example.
  • a gas flow is applied to the surface of the glass pane by means of the blow boxes and thereby cooled.
  • a blow box is understood in the most general sense of the invention to be a device for generating a directed gas flow which is suitable for cooling the surface of a glass pane, for example by hitting the glass pane over the entire surface or at points over the surface.
  • the blow boxes preferably have an internal cavity into which a gas flow is introduced by means of the gas supply can be initiated.
  • the cavity is typically delimited in the direction of the disk by at least one closure element which is equipped with a plurality of nozzles.
  • the nozzles are connected to the cavity or connected to the cavity, so that gas can flow out of the cavity through the nozzles to apply an air flow to the surface of a glass sheet.
  • the blow box thus divides the gas flow from the gas supply line with a comparatively small cross section through the nozzles into a large effective area.
  • the nozzle openings represent discrete gas outlet points, which are however present in large numbers and are evenly distributed, so that all areas of the surface are cooled substantially simultaneously and uniformly, so that the pane is provided with a homogeneous prestress.
  • the nozzles are bores or bushings that extend through the entire closure element.
  • Each nozzle has an inlet opening (nozzle inlet) through which the gas flow enters the nozzle and an opposite outlet opening (nozzle opening) through which the gas flow exits the nozzle (and the entire blow box).
  • the surface of the closure element with the inlet openings faces the cavity of the blow box and that surface with the nozzle openings faces away from it and faces the glass pane when used as intended.
  • the surface of a glass pane is subjected to an air flow as intended through the nozzle openings.
  • the nozzles can advantageously have a section which adjoins the inlet opening and tapers in the direction of the outlet opening, in order to guide the air efficiently and in terms of flow technology into the respective nozzle.
  • a single nozzle plate can be used as the closure element, which delimits the cavity and which has the entirety of the nozzles in a two-dimensional distribution, for example in rows and columns.
  • each blow box has a plurality of so-called nozzle strips as closure elements.
  • the gas flow is divided into a plurality of channels, starting from the cavity, each of which is closed by a nozzle bar.
  • Each nozzle bar typically has a number of nozzles through which the gas stream can exit the blow box.
  • the blow box thus divides the gas flow from the gas supply line with a comparatively small cross-section via the channels and nozzles over a large effective area.
  • a plurality of channels into which the gas flow is divided during operation are connected to the cavity, typically opposite the gas supply line.
  • the channels can also be referred to as nozzle webs, fins or ribs.
  • the channels typically have an elongated, essentially rectangular cross section, the longer dimension essentially corresponding to the width of the cavity and the shorter dimension being in the range from 8 mm to 15 mm.
  • the channels are typically arranged parallel to one another.
  • the number of channels is typically from 10 to 50.
  • the channels are typically formed by sheets.
  • the cavity is preferably wedge-shaped.
  • the boundary of the cavity bordering the channels can be described as two side surfaces that converge at an acute angle.
  • the channels typically run perpendicular to the connecting line of said side surfaces.
  • the length of a channel is not constant, but increases from the center to the sides, so that the inlet opening of the channel connected to the cavity is wedge-shaped and spans the outlet opening in a smooth, typically curved surface.
  • the outlet openings of all channels typically form into a common smooth, curved surface. Due to the described wedge-shaped configuration of the cavity and the described arrangement of the channels, the gas flow is divided into the channels particularly efficiently and the result is a very homogeneous gas flow over the entire effective area.
  • Each channel is closed at its end opposite the cavity with a nozzle bar.
  • the device can be designed for a continuous process in which the glass panes are moved continuously without being positioned stationary between the blow boxes.
  • the glass pane is moved at a substantially constant speed on a transport route, being moved between the blow boxes, as long as the gas flow moves between the blow boxes and it is moved out again from the space between the blow boxes, without their speed significantly in the meantime to change or even stop altogether.
  • Such continuous processes are particularly common for toughening glass panes in the construction, architecture and living areas.
  • the device can also be designed for a method in which the glass panes are positioned stationary between the blow boxes for tempering.
  • Such Devices are customary in particular for tempering glass panes in the vehicle area, because particularly high demands are made on the degree of tempering which can sometimes not be achieved with continuous processes. This configuration is therefore particularly preferred.
  • the closure elements can be flat or curved. Plane closure elements are particularly suitable for tempering flat glass panes, but curved glass panes can also be tempered with flat closure elements if less demands are made on the degree and homogeneity of the tempering. Higher prestressing efficiencies can be achieved if the shape of the closure element or the closure elements is adapted to the shape of the curved glass pane to be tempered, so that all nozzle openings are at substantially the same distance from the glass surface.
  • the nozzle openings of a blow box span a convexly curved surface and the nozzle openings of the opposite blow box have a complementary concave curved surface, the curvature essentially corresponding to that of the glass pane.
  • the convex blow box faces the concave surface of the pane and the concave blow box faces the convex surface.
  • This configuration is suitable for continuous processes if the glass pane to be tempered is only curved along one spatial direction (cylindrical curve), and for tempering processes with a glass pane positioned stationary between the blow boxes (cylindrical or spherical curve).
  • Spherically curved glass panes typically occur in the vehicle area (curved in both spatial directions) and high demands are placed on the degree and homogeneity of the prestressing, which is why continuous processes are less suitable for prestressing.
  • These glass panes are therefore generally prestressed stationary between the blow boxes, the shape of the closure elements being adapted to the spherical bending of the glass panes.
  • the glass panes are preferably transported lying horizontally on a pretensioning frame between the blow boxes. Since the panes are usually transported with the concave surface facing upwards, the upper blow box is preferably convex and the lower concave.
  • the device is designed to preload the glass panes between the blow boxes, it preferably also includes means for changing the distance between the first and second blow boxes.
  • the blow boxes can be moved relatively towards and away from one another. After the glass pane continues spaced state of the blow boxes between them, the distance of the blow boxes to each other and thus to the glass sheet is reduced, whereby a stronger gas flow can be generated on the glass surface. After the tempering, the distance is increased again in order to move the glass pane out of the space between the blow box again. In this way, even strongly and / or spherically curved glass panes can be toughened with high efficiency.
  • the movement of the blow boxes is necessary in order to achieve a sufficiently small distance between the glass surface and the nozzles.
  • the transport frame is typically moved periodically so that the nozzles of the blow box are not directed at the same locations on the glass pane over the entire period.
  • the use of movable blow boxes is particularly common in connection with vehicle windows, which is why this variant is particularly preferred.
  • blow boxes can also be realized in other ways.
  • the blow boxes it is conceivable for the blow boxes to have large-area openings without closure elements in the manner of an air shaft, and for the large-area gas stream emerging from these openings to strike all or part of the pane surface without being more finely divided by nozzles. It is also conceivable that separate nozzles are connected to the gas supply by individual lines.
  • the gas feeds configured in this way can in turn be combined with blow boxes of any design and means for moving the glass pane, for example horizontally arranged blow boxes for horizontal panes or vertically arranged blow boxes for hanging panes, stationary or movable blow boxes, blow boxes for continuous systems or for prestressing stationary arranged glass panes, blow boxes with curved or flat closure means, means of transport with or without a transport frame etc.
  • blow boxes of any design and means for moving the glass pane for example horizontally arranged blow boxes for horizontal panes or vertically arranged blow boxes for hanging panes, stationary or movable blow boxes, blow boxes for continuous systems or for prestressing stationary arranged glass panes, blow boxes with curved or flat closure means, means of transport with or without a transport frame etc.
  • the invention also comprises an arrangement for the thermal tempering of glass panes, comprising the device according to the invention and a glass pane arranged between the two blow boxes.
  • the invention also includes a method for thermally toughening glass panes.
  • a heated glass pane is arranged between a first blow box and a second blow box, in particular moved between the first blow box and the second blow box, which are arranged opposite one another and to each of which a gas supply is connected.
  • Each gas supply is equipped with a heat exchanger, especially an evaporative cooler. If the glass pane is arranged in the intermediate space, then a gas flow is applied to it by means of the two blow boxes, so that the glass pane is cooled and thereby tempered. The gas flow is passed through the heat exchanger, in particular an evaporative cooler, and is thereby actively cooled.
  • the gas used to cool the glass pane is preferably air.
  • the glass surfaces are usually exposed to the gas stream over a period of 1 s to 10 s. Periods of 3 or 4 seconds are common, particularly when prestressing vehicle windows. Since the prestressing efficiency is increased with the method according to the invention, these times can be reduced. In a particularly advantageous embodiment, the time period is therefore less than 3 s, in particular from 1 s to 2 s.
  • the gas stream When it hits the glass pane, the gas stream is cooled by the evaporative cooler and preferably has a temperature of at most 70 ° C., particularly preferably of at most 50 ° C, for example from 30 ° C to 50 ° C. This leads to particularly good pretensioning efficiencies.
  • An evaporative cooler also increases the humidity of the gas stream.
  • its relative humidity is preferably at least 50%, particularly preferably at least 70%, very particularly preferably from 80% to 90%. This leads to particularly good pretensioning efficiencies.
  • the glass pane to be tempered consists of soda-lime glass, as is customary for window panes.
  • the glass pane can also contain or consist of other types of glass such as borosilicate glass or quartz glass.
  • the thickness of the glass pane is typically from 1 mm to 20 mm. In the vehicle sector, pane thicknesses from 1 mm to 5 mm are common, in particular from 2 mm to 4 mm.
  • the invention unfolds its advantages in a special way when tempering relatively thin glass panes because these require higher cooling rates than thicker glass panes.
  • the glass pane has a thickness of at most 3.5 mm, preferably from 1 mm to 3 mm.
  • the method according to the invention immediately follows a bending process in which the glass pane which is planar in the initial state is bent.
  • the glass sheet is heated up to the softening temperature.
  • the tempering process follows the bending process before the glass pane has cooled significantly.
  • the glass pane is transferred from the bending tools to the tempering mold after the bending process or in the last step of the bending process. This means that the glass pane does not have to be heated again specifically for tempering.
  • the tempering method according to the invention can be used particularly advantageously because the increased tempering efficiency leads to sufficient stresses in the glass pane despite the lower temperature.
  • the temperature of the glass sheet lies between the so-called transition point, at which the viscosity of the glass sheet can be plastically deformed and the so-called softening point, at which the glass deforms under its own weight.
  • the invention makes it possible to reduce the distance from the transition point. So far, the usual bending temperatures for curved vehicle windows made of soda-lime glass have been 650 ° C.
  • the temperature of such a glass pane, immediately before it is acted upon by the gas stream and cooled is at most 640 ° C., preferably less than 640 ° C.
  • the invention also includes the use of an evaporative cooler for the active cooling of a gas stream with which a glass pane is thermally tempered.
  • the invention is explained in more detail below with reference to a drawing and exemplary embodiments.
  • the drawing is a schematic representation and not to scale. The drawing in no way limits the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a further embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a further embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 6 shows a flow diagram of an embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 1 shows schematically an embodiment of the device according to the invention for the thermal tempering of glass panes.
  • the device comprises a first blow box 1.1 and a second blow box 1.2, which are arranged opposite one another.
  • the nozzles of the blow boxes 1 .1, 1.2 through which the gas flow (air flow) required for the prestressing exits, is directed towards the intermediate space between the blow boxes 1.1, 1.2.
  • a gas supply 2.1 is connected to the first blow box 1.1, through which it is supplied with the gas stream.
  • the gas supply comprises supply pipes and a first fan 3.1 and a second fan 4.1, which are connected in series in this order in the flow direction.
  • the serial arrangement of the fans 3.1, 4.1 makes it possible to generate a strong gas flow in the direction of the blow box 1.1.
  • An evaporative cooler 5.1 is also arranged as a heat exchanger downstream of the fans 3.1, 4.1.
  • a gas supply 2.2 is connected to the second blow box 1.2, which in addition to supply pipes has a first fan 3.2, a second fan 4.2 and an evaporative cooler 5.2, which are connected in series in the flow direction in this order.
  • Both gas feeds 2.1, 2.2 can be closed completely or partially by means of a closing flap 7.1, 7.2 in order to stop the gas flow or to regulate its strength.
  • the air drawn in by the fans 3.1, 4.1, 3.2, 4.2 is, on the one hand, cooled and, on the other hand, moistened by the evaporative coolers 5.1, 5.2. Both increase the Biasing efficiency of the device over conventional biasing devices without cooling. That is the great advantage of the present invention.
  • the device also comprises means for moving the glass pane G to be prestressed, comprising a transport system 8, for example in the form of a roller system, and a transport frame 9 moved therewith.
  • the transport frame 9 is equipped with a prestressing frame on which the peripheral side edge of the glass pane G is placed. With the transport system, the glass sheet G is in the space between the blow boxes 1.1,
  • blow boxes 1.1, 1.2 of the glass pane G are then approximated in order to efficiently apply the gas flow to them. After tempering, the blow boxes 1.1, 1.2 are moved away again from the glass pane G and the glass pane G is moved out of the intermediate space. The pretensioner is then ready for the next pretension cycle.
  • Figure 2 shows schematically a further embodiment of the device according to the invention.
  • the evaporative coolers 5.1, 5.2 are arranged in the flow direction in front of the fans 3.1, 4.1 and 3.2, 4.2 instead of behind.
  • the gas supplies 2.1, 2.2 are each with a
  • Drying device 30.1, 30.2 equipped, which are arranged in the flow direction behind the fans 3.1, 4.1 and 3.2, 4.2.
  • the drying devices 30.1, 30.2 are designed, for example, as drop collectors. If the gas stream has an undesirably high level of moisture, for example caused by the evaporative coolers 5.1, 5.2 or by excessively humid ambient air, the drying devices 30.1, 30.2 allow this moisture to be reduced and set to a desired value.
  • FIG. 3 shows schematically a further embodiment of the device according to the invention.
  • each evaporative cooler 5.1, 5.2 is between the fans 3.1, 4.1 or 3.2, 4.2 of its gas supply 2.1 or
  • the drying devices 30.1, 30.2 can thus also be used in the configurations of FIGS. 1 and 3.
  • the drying devices 30.1, 30.2 also do not have to be arranged in the flow direction behind the fans 3.1, 4.1 or 3.2, 4.2, but in principle also in front of or between them.
  • the glass pane G can also rest directly on rollers of the transport system 8, for example, or can be transported and pretensioned vertically.
  • the glass pane G could also be biased within a continuous system between stationary blow boxes 1 .1, 1.2.
  • the design of the device can be chosen freely by the person skilled in the art in accordance with the requirements in the application, in particular taking into account the shape of the glass pane to be tempered, the degree of tempering, the properties of the ambient air with regard to moisture and temperature and the desired process speed.
  • FIG. 4 schematically shows a cross section of an evaporative cooler 5 as part of a gas supply 2. It contains a fibrous, porous carrier material 10, for example corrugated paper layers.
  • a drop separator 11 is arranged above the carrier material 10 and sprinkles the carrier material with a cooling liquid, for example water. Excess coolant is taken up by a droplet collector 12 after passing through the carrier material 10 and fed back to the droplet separator by means of a pump 14 via a coolant line 13. Since cooling liquid is also lost during cooling, the coolant line 13 also includes a supply line (not shown) for further coolant.
  • the gas flow generated by the fans flows through the carrier material 10. This results in adiabatic cooling of the gas flow. Evaporating coolant is absorbed by the gas flow, which increases its moisture. The cooling effect is based on the associated evaporative cooling.
  • FIG. 5 schematically shows a cross section of an indirect heat exchanger 6 as part of a gas supply 2.
  • the indirect heat exchanger 6 contains a coolant line 20, which is designed, for example, as a multi-U-shaped tube and is operated by the coolant, for example water, in the frame a cooling circuit is flowed through.
  • the tube is arranged in a flow space 21 through which the gas stream flows, the gas stream coming into contact with the coolant line 20 and being cooled as a result. Since the coolant is heated in the process, the indirect heat exchanger is preferably equipped with recooling, which cools the coolant again in the region of the coolant outlet, not shown, outside the flow space 21.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention for the thermal tempering of glass panes on the basis of a flow chart.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Vorspannen von Glasscheiben, umfassend - einen ersten Blaskasten (1.1) und einen zweiten Blaskasten (1.2), die einander gegenüberliegend angeordnet sind und geeignet sind, die Oberflächen einer zwischen ihnen angeordneten Glasscheibe (G) mit einem Gasstrom zu beaufschlagen, - jeweils eine an den ersten Blaskasten (1.1) und den zweiten Blaskasten (1.2) angeschlossene Gaszuführung (2.1, 2.2), wobei die Gaszuführungen (2.1, 2.2) mit einem Verdunstungskühler (5) ausgestattet sind.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM THERMISCHEN VORSPANNEN VON
GLASSCHEIBEN MIT WÄRMETAUSCHER
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Vorspannen von Glasscheiben sowie die Verwendung eines Wärmetauschers, insbesondere eines Verdunstungskühlers, beim thermischen Vorspannen von Glasscheiben.
Das thermische Härten von Glasscheiben ist seit langem bekannt. Es wird häufig auch als thermisches Vorspannen oder Tempern bezeichnet. Lediglich beispielhaft sei auf die Patentdokumente DE 710690 A, DE 808880 B, DE 1056333 A aus den 1940er und 1950er Jahren verwiesen. Eine auf knapp unter Erweichungstemperatur erhitzte Glasscheibe wird dabei mit einem Luftstrom beaufschlagt, die zu einem raschen Abkühlen (Abschrecken) der Glasscheibe führt. Dadurch bildet sich in der Glasscheibe ein charakteristisches Spannungsprofil aus, wobei Druckspannungen an den Oberflächen und Zugspannungen im Kern der Glasscheibe vorherrschen. Dies hat auf zweierlei Weise Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Glasscheibe. Erstens wird die Bruchstabilität der Scheibe gesteigert und sie kann höheren Belastungen widerstehen als eine ungehärtete Scheibe. Zweitens erfolgt ein Glasbruch nach Penetration der zentralen Zugspannungszone (etwa durch Beschädigung durch einen spitzen Stein oder durch absichtliches Zerstören mit einem spitzen Notfallhammer) nicht in Form großer scharfkantiger Scherben, sondern in Form kleiner, stumpfer Fragmente, wodurch die Verletzungsgefahr erheblich herabgesetzt wird. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Eigenschaften werden thermisch vorgespannte Glasscheiben als sogenanntes Einscheibensicherheitsglas im Fahrzeugbereich eingesetzt, insbesondere als Heckscheiben und Seitenscheiben. Im Fahrzeugbereich werden hohe Anforderungen an den Grad der Vorspannung gestellt, die auch in Normen geregelt sind. Aber auch im Bau-, Architektur- und Wohnbereich sind thermisch vorgespannte Glasscheiben üblich, beispielsweise als Glasfassaden, Duschkabinen oder Tischplatten.
Beim Vorspannen kommt typischerweise nicht weiter vorbehandelte Umgebungsluft zum Einsatz, aus der mittels Ventilatoren ein starker Gasstrom erzeugt wird, welcher mittels großflächiger, mit einer Vielzahl von Düsen versehener Blaskästen möglichst homogen verteilt auf die Oberflächen der Glasscheiben geleitet wird. Die Stärke des Gasstroms bestimmt dabei die Vorspanneffizienz: je stärker der Gasstrom, desto effizienter wird die Glasscheibe abgeschreckt und desto höhere Spannungen werden erzeugt. Daneben nehmen weitere Faktoren, wie die Temperatur, Feuchtigkeit und Dichte des Gasstroms Einfluss auf die Vorspanneffizienz. Aktuelle Trends in der Fahrzeugindustrie machen immer höhere Vorspanneffizienzen erforderlich. So werden immer dünnere Glasscheiben eingesetzt, um Gewicht einzusparen. Je dünner jedoch die Glasscheibe wird, desto höher muss die Vorspanneffizienz sein, um eine Temperaturdifferenz zwischen den Scheibenoberflächen und dem Scheibenkern zu erzeugen, die zur Entstehung der gewünschten Spannungen ausreichend ist. Außerdem sind die Glashersteller bemüht, die Glasbiegung bei immer geringeren Temperaturen durchzuführen, wodurch die optische Qualität der Scheiben verbessert werden kann. Je kälter die Glasscheibe aber vor dem Vorspannen ist, desto stärker muss sie abgeschreckt werden, um die gewünschten Spannungen zu erzeugen.
Insbesondere wenn sich die Herstellungsanlagen in Ländern mit hohen Außentemperaturen oder in Höhenlagen befinden, sind starke Gasströme erforderlich, um das nötige Vorspannergebnis zu erzielen. Die Erzeugung starker Gasströme ist aber mit einer signifikanten Steigerung der Energiekosten zum Betrieb der Ventilatoren verbunden.
Es sind Wärmetauscher mit indirekter Wärmeübertragung bekannt, bei denen Wärme zwischen zwei Medien in voneinander getrennten Räumen ausgetauscht wird. Sie sind auch im Alltagsleben weit verbreitet, beispielsweise als Heizkörper oder als Kühlsystem von Verbrennungsmotoren. Es wurde vorgeschlagen, solche indirekten Wärmetauscher zum Kühlen des Gasstroms zu verwenden, mit dem eine Glasscheibe gekühlt oder thermisch vorgespannt wird. Beispielhaft sei auf GB1021849, US20130252367A1 und
US20120171632A1 verwiesen.
Ferner ist bekannt, die Kühlung der Glasscheibe durch Übergang eines auf oder in der Nähe der Glasoberfläche befindlichen Kühlmittels in die Gasphase zu verstärken. So wird in GB441017 vorgeschlagen, die Glasoberfläche mit Wassertropfen zu beaufschlagen, welche verdunsten und dadurch den Gasstrom und das Glas kühlen. In US3929442 wird vorgeschlagen, die Glasoberfläche mit Trockeneis zu versehen, welches sublimiert, wodurch das Glas gekühlt wird. Das direkte In-Kontakt-Bringen der Glasoberfläche mit einem Kühlmittel birgt aber die Gefahr der Beschädigung des Glases bis hin zum Zerspringen. Dagegen wird in W02013102702A1 vorgeschlagen, dem Gasstrom Flüssigkeitstropfen über eine poröse Membran zuzuführen, welche vor dem Auftreffen auf die Glasscheibe, aber in deren unmittelbarer Nähe verdampfen, wobei sie der Glasscheibe thermische Energie entziehen. Eine solche Lösung ist technisch sehr aufwändig und fehleranfällig. Im Kraftwerksbau ist es bekannt, Ansaugluftkanäle von Gasturbinen mithilfe von Verdunstungskühlern adiabatisch zu kühlen. Beispielhaft sei auf US5655373A und W003058141A1 verwiesen. Verdunstungskühler sind Wärmetauscher mit direkter Wärmeübertragung, also einer kombinierten Wärme- und Stoffübertragung. Die Kühlwirkung beruht dabei auf der Verdunstungskälte einer Kühlflüssigkeit, mit der ein vom Luftstrom durchströmtes Trägermaterial getränkt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, wobei energieeffizient eine hohe Vorspanneffizienz erreicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 . Bevorzugte Ausgestaltungen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum thermischen Vorspannen von Glasscheiben umfasst einen ersten Blaskasten und einen zweiten Blaskasten. Die beiden Blaskästen sind einander gegenüberliegend angeordnet, so dass ihre Gasaustrittsöffnungen (Düsen) aufeinander weisen. Damit ist gemeint, dass die Gesamtheit der Gasaustrittsöffnungen des ersten Blaskastens und die Gesamtheit der Gasaustrittsöffnungen des zweiten Blaskastens aufeinander weisen - es ist nicht erforderlich, dass jede einzelne Gasaustrittsöffnung ein ihr genau gegenüberliegendes Gegenstück im gegenüberliegenden Blaskasten aufweist. Stattdessen können die einzelnen Gasaustrittsöffnungen der Blaskästen gegeneinander versetzt sein. Mit den Blaskästen mit aufeinander weisenden Gasaustrittsöffnungen können die Oberflächen einer zwischen den Blaskästen angeordneten Glasscheibe mit einem Gasstrom beaufschlagt werden. An jeden Blaskasten ist eine Gaszuführung angeschlossen, über die den Blaskästen der Gasstrom zugeleitet wird.
Erfindungsgemäß sind die Gaszuführungen mit einem Wärmetauscher, insbesondere einem Verdunstungskühler ausgestattet. Mittels der Wärmetauscher wird der Gasstrom aktiv gekühlt. Da der Gasstrom eine geringere Temperatur aufweist, wenn er auf die Glasscheibe trifft, muss er weniger stark sein, um dieselbe Abkühl- beziehungsweise Vorspannwirkung zu erreichen. Dadurch kann Energie zur Erzeugung des Gasstroms eingespart werden. Das ist der große Vorteil der vorliegenden Erfindung.
Durch die Kühlung des Gasstroms wird die Vorspanneffizienz erhöht. Der Begriff Vorspanneffizienz, wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann quantitativ ausgedrückt werden durch den sogenannten Wärmeübergangskoeffizienten a. Er ist eine gebräuchliche physikalische Größe und ist gleichsam ein Proportionalitätsfaktor, der die Intensität des Wärmeübergangs an einer Grenzfläche beschreibt. Er wird üblicherweise in der Einheit W/(m2 K) angegeben. Der Wärmeübergangskoeffizient beim thermischen Vorspannen von Glasscheiben ist insbesondere abhängig von der Stärke (Druck), der Temperatur, der Dichte und der Feuchtigkeit des Gasstroms.
Unter einem Wärmetauscher im allgemeinsten Sinne wird eine Vorrichtung verstanden, welche thermische Energie von dem Gasstrom in den Gaszuführungen auf einen Kühlmittelstrom überträgt, beziehungsweise dazu vorgesehen und geeignet ist. Dabei wird der Gasstrom gekühlt. Die Kühlung kann auf einer direkten Wärmeübertragung beruhen, also auf einer kombinierten Wärme- und Stoffübertragung zwischen den Medien, oder auf einer indirekten Wärmeübertragung, wobei die beiden Medien räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind. Die geometrische Führung der beiden Stoffströme (Gasstrom und Kühlmittelstrom) zueinander kann grundsätzlich frei gewählt werden. So kann ein Betrieb beispielsweise im Gleichstrom (beide Stoffstrome in gleicher Richtung geführt), Gegenstrom (beide Stoffstrome in entgegengesetzter Richtung geführt) oder Querstrom (beide Stoffstrome kreuzen sich, auch Kreuzstrom genannt) gewählt werden. Eine Übersicht über verschiedene Arten von Wärmetauschern bietet beispielsweise Ramesh K. Shah, Dusan P. Sekulic „Fundamentals of Heat Exchanger Design“, insbesondere in Kapitel 1 „Classification of Heat Exchangers“.
Der Wärmetauscher wird mit einem Kühlmittel betrieben, insbesondere von dem Kühlmittel durchflossen oder umflossen. Das Kühlmittel ist bevorzugt flüssig (Kühlflüssigkeit), kann aber grundsätzlich auch gasförmig sein. Die Kühlflüssigkeit ist bevorzugt Wasser oder besteht im Wesentlichen aus Wasser, welches optional Zusätze enthalten kann, beispielsweise wärmeleitende Additive, Frostschutzmittel oder chemische oder biologische Stabilisatoren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann optional eine Rückkühleinrichtung umfassen, die dafür vorgesehen und geeignet ist, den Wärmetauscher beziehungsweise das Kühlmittel des Wärmetauschers im Betrieb zu kühlen. Dadurch kann die Effizienz der Kühlung weiter gesteigert werden.
Grundsätzlich kann ein Wärmetauscher zum Kühlen des Gasstroms zum thermischen Vorspannen von Glasscheiben als indirekter Wärmetauscher ausgebildet sein, womit ein Wärmetauscher mit indirekter Wärmeübertragung bezeichnet wird. Ein indirekter Wärmetauscher weist ein Bauteil auf, welches vom Kühlmittel durchflossen wird und welches das Kühlmittel vom zu kühlenden Gasstrom trennt. Das besagte Bauteil ist für eine effiziente Wärmeübertragung im Gasstrom angeordnet. Es ist ein Betrieb im Gleichstrom, Gegenstrom oder Querstrom möglich und auch Kombinationen davon sind realisierbar. Das Kühlmittel kann flüssig oder gasförmig sein, ist bevorzugt aber flüssig. Das vom Kühlmittel durchflossene Bauteil kann auf verschiedene Arten ausgebildet sein. Das Bauteil kann beispielsweise als Platte, typischerweise als Vielzahl von parallelen Platten ausgebildet sein (Plattenwärmeübertrager) oder als ein spiralförmig aufgewickeltes Blech (Spiralwärmeübertrager). Das Bauteil kann auch als Rohr oder eine Vielzahl von Rohren ausgebildet sein (Rohrwärmetauscher, Rohrbündelwärmetauscher). Das Rohr oder die Rohre können ein- oder mehrfach U-förmig gebogen sein, um den Platzbedarf zu reduzieren (U- Rohr-Wärmetauscher). Es können auch zwei konzentrische Rohre zum Einsatz kommen, wobei das eine Rohr vom Kühlmittel und das andere vom zu kühlenden Gasstrom durchflossen wird (Mantelrohrwärmeübertrager), oder auch Kühlregister als eine Kombination von Rohren (für das Kühlmittel) und daran befestigten Lamellen (für den zu kühlenden Gasstrom). Der indirekte Wärmetauscher kann auch ein Rekuperator sein. Neben den genannten Beispielen sind auch andere Ausgestaltungen denkbar.
Indirekte Wärmetauscher weisen den Vorteil auf, dass die Kühlwirkung reguliert werden kann, insbesondere durch die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels. So kann eine gewünschte Temperatur des Gasstroms bewusst eingestellt werden. Es können auch Regelkreise realisiert werden, wobei die Temperatur des Gasstroms gemessen und durch den Kühlmittelstrom automatisch reguliert wird. Der indirekte Wärmetauscher beziehungsweise sein Kühlmittel wird bevorzugt durch eine Rückkühleinrichtung gekühlt, um die Effizienz zu steigern.
Erfindungsgemäß ist der Wärmetauscher insbesondere als Verdunstungskühler ausgebildet. Als Kühlmittel wird eine Kühlflüssigkeit eingesetzt, insbesondere Wasser. Ein solcher Verdunstungskühler ist ein Wärmetauscher mit direkter Wärmeübertragung, wobei die Verdunstungskühle des Kühlmittels genutzt wird, um den Gasstrom zu kühlen (Wärmeübertragung). Dabei geht Kühlmittel in den Gasstrom über (Stoffübertragung). Neben der Kühlung bewirkt der Verdunstungskühler dadurch auch eine Steigerung der Feuchtigkeit des Gasstroms, was ebenfalls die Vorspanneffizienz erhöht und ein Vorteil der Erfindung ist. Außerdem können Verdunstungskühler in der Regel ohne Rückkühlung betrieben werden, so dass sie günstiger im Unterhalt sind als beispielsweise indirekte Wärmetauscher. Bevorzugt weist die Vorrichtung daher keine Rückkühleinrichtung auf. Der Verdunstungskühler ist bevorzugt als sogenannter Rieselkühler ausgeführt und enthält typischerweise ein Trägermaterial, insbesondere ein faseriges oder poröses Trägermaterial, welches mit einer Kühlflüssigkeit getränkt ist. Dazu kann beispielsweise oberhalb des Trägermaterials ein Tropfenseparator angeordnet sein, welcher das Trägermaterial mit der Kühlflüssigkeit berieselt. Unterhalb des T rägermaterials kann ein T ropfensammler angeordnet sein, um durch das Trägermaterial hindurchgeflossenes Kühlmittel aufzufangen. Das im Tropfensammler aufgefangene Kühlmittel kann mittels einer mit einer Pumpe versehenen Kühlmittelleitung wieder dem Tropfenseparator zugeleitet werden. Das Trägermaterial wird vom Gasstrom durchströmt. Dabei wird eine Kühlung, insbesondere adiabatische Kühlung des Gasstroms erreicht. Da das Trägermaterial typischerweise vertikal von der Kühlflüssigkeit durchrieselt wird und der Gasstrom horizontal durch das Trägermaterial tritt, liegt ein Betrieb im Querstrom vor. Bei der Verdunstung des Kühlmittels wird die dazu nötige Energie der Umgebung, also letztendlich dem Gasstrom entzogen, was zu seiner Abkühlung führt. Das verdunstete Kühlmittel wird vom Gasstrom aufgenommen und steigert seine relative Feuchtigkeit. Der Effekt der Kühlung ist vom umgebenden Luftzustand, Temperatur und relativer Feuchte, abhängig. Je niedriger die relative Feuchte ist, desto höher ist das Potential weiterer Feuchtigkeitsaufnahme, desto mehr Kühlmittel kann also verdunsten. Als Trägermaterial kann beispielsweise Papier zum Einsatz kommen, insbesondere in Form gewellter Papierlagen. Alternativ sind auch geeignete Keramiken oder synthetische Strukturen als Trägermaterial denkbar.
Die Gaszuführung jedes Blaskastens ist bevorzugt mit mindestens einem Ventilator ausgestattet, um den jeweiligen Blaskasten mit dem Gasstrom zu versorgen. Besonders bevorzugt ist die Gaszuführung jedes Glaskastens mit einem ersten Ventilator und einem zweiten Ventilator ausgestattet, welche seriell miteinander verbunden sind, so dass der durch den ersten Ventilator erzeugte Gasstrom in den zweiten Ventilator eintritt und durch diesen weiter verdichtet und dadurch verstärkt wird. Durch die serielle Hintereinanderschaltung zweier Ventilatoren kann insgesamt ein stärkerer Gasstrom erzeugt werden. Die Verwendung zweier Ventilatoren pro Gaszuführung ist üblich, grundsätzlich können aber auch mehr als zwei Ventilatoren verwendet werden, insbesondere seriell hintereinandergeschaltet.
Der Wärmetauscher, insbesondere Verdunstungskühler, kann in Strömungsrichtung vor oder hinter dem mindestens einen Ventilator angeordnet sein. Bevorzugt ist der Wärmetauscher hinter dem mindestens einen Ventilator angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass der Gasstrom nach dem Herunterkühlen nicht den Ventilator durchlaufen muss, wo er wieder aufgeheizt werden würde. Ist die Gaszuführung mit zwei oder mehr seriell verschalteten Ventilatoren ausgestattet, so kann der Wärmetauscher in Strömungsrichtung vor oder hinter sämtlichen Ventilatoren angeordnet sein oder auch zwischen zwei Ventilatoren. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Wärmetauscher in Strömungsrichtung hinter sämtlichen Ventilatoren der Gaszuführung angeordnet.
Bevorzugt ist jede Gaszuführung mit jeweils einem Wärmetauscher, insbesondere Verdunstungskühler ausgestaltet. Prinzipiell ist es aber auch möglich, beide Gasströme durch einen gemeinsamen Wärmetauscher zu leiten, indem die Gaszuführungen zusammengeführt und mit dem gemeinsamen Wärmetauscher verbunden werden.
Die Gaszuführungen umfassen typischerweise Rohre, welche die Verdunstungskühler und Ventilatoren miteinander und mit dem Blaskasten verbinden, und durch welche Gas angesaugt wird zur Erzeugung des Gasstroms.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann optional mit einer Trocknungseinrichtung ausgestattet sein, die dazu geeignet und vorgesehen ist, die Feuchtigkeit des Gasstroms zu verringern, bevor dieser auf die Glasscheibe trifft. Eine hohe Feuchtigkeit ist zwar prinzipiell vorteilhaft für die Vorspanneffizienz, ist die Feuchtigkeit jedoch zu hoch, können unerwünschte Effekte auftreten, beispielsweise Tropfenbildung. Eine zu hohe Feuchtigkeit kann beispielsweise durch feuchte Umgebungsluft oder durch starke Kühlung mit einem Verdunstungskühler hervorgerufen werden. Die Trocknungseinrichtung kann beispielsweise als Tropfenfalle ausgebildet sein. Sie ist bevorzugt in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher, insbesondere Verdunstungskühler, und sämtlichen Ventilatoren einer Gaszuführung angeordnet.
Die Erfindung ermöglicht eine Erhöhung der Effizienz von Vorspannvorrichtungen beziehungsweise -verfahren. Hohe Vorspanneffizienzen sind insbesondere beim Vorspannen von Fahrzeugscheiben vorteilhaft, weil hier hohe, teils gesetzlich geregelte Anforderungen an die Vorspannung gestellt werden. Zudem werden hier in der Regel relativ dünne Glasscheiben verwendet, welche zum Erreichen einer gewünschten Vorspannung höhere Abkühlraten erfordern als dickere Glasscheiben. Die erfindungsgemäß vorzuspannende Glasscheibe ist daher in einer besonders vorteilhaften Ausführung eine Fahrzeugscheibe, also als Fensterscheibe eines Fahrzeugs, bevorzugt eines Kraftfahrzeugs und insbesondere eines Personenkraftwagens vorgesehen. Die Erfindung ist aber ebenso beim Vorspannen anderer Glasscheiben anwendbar, etwa im Bau-, Architektur-, und Wohnbereich, beispielsweise beim Vorspannen von Fassadenverglasungen, Glasböden, Tischplatten oder Duschkabinen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst außerdem Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der vorzuspannenden Glasscheibe und den Blaskästen. Dadurch kann die Glasscheibe dem Wirkbereich der Blaskasten ausgesetzt (Glasscheibe ist im Zwischenraum zwischen den Blaskästen positioniert) und wieder entzogen werden (Glasscheibe ist außerhalb des Zwischenraums zwischen den Blaskästen positioniert). Diese Mittel zur Erzeugung der Relativbewegung sind bevorzugt Mittel zur Bewegung einer Glasscheibe, die dazu geeignet sind, die vorzuspannende Glasscheibe in den Zwischenraum zwischen den beiden Blaskästen zu bewegen und wieder aus besagtem Zwischenraum heraus. Hierzu kann beispielsweise ein Schienen-, Rollen- oder Laufbandsystem verwendet werden. Die Glasscheibe kann vertikal oder horizontal liegend transportiert werden. Im ersteren Fall umfassen die Mittel zur Bewegung der Glasscheibe bevorzugt Halteklammern, die an der Glasscheibe befestigt werden, so dass die Glasscheibe vertikal an ihnen hängt, und wiederum durch das Schienen-, Rollen- oder Laufbandsystem oder äquivalente Mittel bewegt werden. Im letzteren Fall kann die Glasscheibe direkt auf dem Schienen-, Rollen- oder Laufbandsystem abgelegt sein. Die Mittel zur Bewegung der Glasscheibe umfassen bevorzugt aber auch ein Transportgestell, auf dem die Glasscheibe abgelegt wird. Das Transportgestell weist üblicherweise einen Vorspannrahmen (Rahmenform) auf zur Ablage der Glasscheibe. Die Glasscheibe ist beim Transport und beim Vorspannen auf dem Transportgestell gelagert, welches wiederum durch das Schienen-, Rollen- oder Laufbandsystem oder äquivalente Mittel bewegt wird. Das Vorspannen von Glasscheiben, die horizontal liegend auf einem Vorspannrahmen angeordnet sind, ist insbesondere im Zusammenhang mit Fahrzeugscheiben üblich, weshalb diese Variante besonders bevorzugt ist.
Die Mittel zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen Blaskästen und Glasscheibe können prinzipiell aber auch anders ausgestaltet sein. So können sie beispielsweise Mittel zur Bewegung der Blaskästen sein, welche die Blaskästen zu einer stationär verbleibenden Scheibe bewegen und nach dem Vorspannen wieder von dieser weg. Ebenso ist es denkbar, dass die Scheibe bewegt wird und die Blaskästen über eine gewisse Strecke mit der Glasscheibe mitgefahren werden.
Unter einem Vorspannrahmen oder einer Rahmenform wird im Sinne der Erfindung eine rahmen- oder ringartige Vorrichtung verstanden, auf welche die umlaufende Seitenkante der Glasscheibe abgelegt wird, während der Großteil der Scheibenfläche, insbesondere der Zentralbereich, keinen direkten Kontakt zum Vorspannrahmen hat. Der Vorspannrahmen ist typischerweise austauschbar am Transportgestell befestigt und an die jeweilige Form des vorzuspannenden Glasscheibentyps angepasst. Die Form des Auflagerahmens ist daher, entsprechend der Form üblicher Fensterscheiben, insbesondere Fahrzeugscheiben, in Draufsicht etwa polygonal, beispielsweise rechteckig, trapezartig oder dreieckig, wobei die Seitenkanten im Vergleich zum Polygon im strengen Sinne häufig leicht gebogen ausgestaltet sind. Der Vorspannrahmen ist typischerweise aus mehreren Teilstücken aufgebaut, die jeweils einer Seite des Polygons zugeordnet sind. Im Falle einer rechteckigen oder trapezartigen Scheibe ist die Auflagefläche beispielsweise aus vier geraden oder leicht gebogenen Abschnitten aufgebaut, die zur Form des Rechtecks oder Trapezes zusammengesetzt sind. Der Vorspannrahmen kann Öffnungen aufweisen, die auch als Löcher oder Durchführungen bezeichnet werden können und so angeordnet sind, dass die Kante der vorzuspannenden Glasscheibe im bestimmungsgemäßen Einsatz auf den Öffnungen zum Liegen kommt. Gestützt wird die Glasscheibe durch die Bereiche des Auflagerahmens zwischen den Öffnungen, die möglichst klein gewählt werden. Die Öffnungen ermöglichen eine Luftzirkulation, die für die Vorspanneffizienz vorteilhaft ist. Außerdem kann die Seitenkante der Glasscheibe infolge der Öffnungen direkt mit Luft beaufschlagt werden, wodurch die Scheibe homogener abgekühlt wird und störende sogenannte Randspannungen der vorgespannten Glasscheibe vermieden werden und damit deren Stabilität verbessert wird.
Die Blaskästen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind voneinander beabstandet, so dass eine Glasscheibe zwischen ihnen angeordnet werden kann. Soll die Glasscheibe horizontal liegend vorgespannt werden, so weisen die Düsen des ersten Blaskastens (oberer Blaskasten) nach unten und die Düsen des zweiten Blaskastens (unterer Blaskasten) nach oben. Soll die Glasscheibe dagegen vertikal vorgespannt werden, so sind die Blaskästen seitlich der Vorspannposition angeordnet, so dass der Gasstrom sie im Wesentlichen horizontal verlässt. Man kann die Blaskästen dann beispielsweise als linker und rechter Blaskasten bezeichnen.
Mittels der Blaskästen wird die Oberfläche der Glasscheibe mit einem Gasstrom beaufschlagt und dadurch abgekühlt. Unter einem Blaskasten wird im allgemeinsten Sinne der Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Gasstroms verstanden, der geeignet ist, die Oberfläche einer Glasscheibe abzukühlen, indem er beispielsweise ganzflächig oder punktuell über die Oberfläche verteilt auf die Glasscheibe trifft. Die Blaskästen weisen bevorzugt einen inneren Hohlraum auf, in den mittels der Gaszuführung ein Gasstrom eingeleitet werden kann. Der Hohlraum ist in Richtung der Scheibe typischerweise durch mindestens ein Verschlusselement begrenzt, das mit einer Mehrzahl von Düsen ausgestattet ist. Die Düsen sind mit dem Hohlraum verbunden oder an den Hohlraum angeschlossen, so dass Gas aus dem Hohlraum durch die Düsen strömen kann, um die Oberfläche einer Glasscheibe mit einem Luftstrom zu beaufschlagen. Der Blaskasten teilt also den Gasstrom aus der Gaszuleitung mit vergleichsweise geringem Querschnitt über die Düsen auf eine große Wirkfläche auf. Die Düsenöffnungen stellen diskrete Gasaustrittsstellen dar, die jedoch in großer Anzahl vorliegen und gleichmäßig verteilt sind, so dass alle Bereiche der Oberfläche im Wesentlichen zeitgleich und gleichmäßig abgekühlt werden, so dass die Scheibe mit einer homogenen Vorspannung versehen wird.
Die Düsen sind Bohrungen oder Durchführungen, die sich durch das gesamte Verschlusselement erstrecken. Jede Düse weist eine Eingangsöffnung (Düseneintritt) auf, durch welche der Gasstrom in die Düse eintritt, und eine gegenüberliegende Ausgangsöffnung (Düsenöffnung), durch welche der Gasstrom aus der Düse (und dem gesamten Blaskasten) austritt. Die Oberfläche des Verschlusselements mit den Eingangsöffnungen ist dem Hohlraum des Blaskastens zugewandt und diejenige Oberfläche mit den Düsenöffnungen davon abgewandt und bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Glasscheibe zugewandt. Durch die Düsenöffnungen wird die Oberfläche einer Glasscheibe bestimmungsgemäß mit einem Luftstrom beaufschlagt. Die Düsen können vorteilhafterweise einen sich an die Eingangsöffnung anschließenden und sich in Richtung zur Ausgangsöffnung verjüngenden Abschnitt aufweisen, um die Luft effizient und strömungstechnisch günstig in die jeweilige Düse zu leiten.
Als Verschlusselement kann beispielsweise eine einzelne Düsenplatte verwendet werden, welche den Hohlraum begrenzt und welche die Gesamtheit der Düsen in einer zweidimensionalen Verteilung aufweist, beispielsweise in Reihen und Spalten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung, mit der eine höhere Vorspanneffizienz erreicht werden kann, weist jeder Blaskasten eine Mehrzahl von sogenannten Düsenleisten als Verschlusselemente auf. Bei dieser Art des Blaskastens wird der Gasstrom ausgehend vom Hohlraum in eine Mehrzahl von Kanälen aufgeteilt, die jeweils von einer Düsenleiste abgeschlossen sind. Jede Düsenleiste weist typischerweise eine Reihe von Düsen auf, über welche der Gasstrom aus dem Blaskasten austreten kann. Der Blaskasten teilt also den Gasstrom aus der Gaszuleitung mit vergleichsweise geringem Querschnitt über die Kanäle und Düsen auf eine große Wirkfläche auf. Die Verwendung dieser Art von Blaskästen und Düsenleisten ist insbesondere im Zusammenhang mit Fahrzeugscheiben üblich, weshalb diese Variante besonders bevorzugt ist.
An den Hohlraum sind dabei, der Gaszuleitung typischerweise gegenüberliegend, eine Mehrzahl von Kanälen angeschlossen, in die der Gasstrom im Betrieb aufgeteilt wird. Die Kanäle können auch als Düsenstege, -finnen oder -rippen bezeichnet werden. Die Kanäle weisen typischerweise einen länglichen, im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die längere Dimension im Wesentlichen der Breite des Hohlraums entspricht und die kürzere Dimension im Bereich von 8 mm bis 15 mm liegt. Typischerweise sind die Kanäle parallel zueinander angeordnet. Die Anzahl der Kanäle beträgt typischerweise von 10 bis 50. Die Kanäle sind typischerweise durch Bleche ausgebildet. Der Hohlraum ist bevorzugt keilartig ausgebildet. Die an die Kanäle grenzende Begrenzung des Hohlraums kann dabei beschrieben werden als zwei Seitenflächen, die in einem spitzen Winkel zusammenlaufen. Die Kanäle verlaufen typischerweise senkrecht zur Verbindungslinie besagter Seitenflächen. Folglich ist die Länge eines Kanals nicht konstant, sondern nimmt von der Mitte zu den Seiten hin zu, so dass die an den Hohlraum angeschlossene Eintrittsöffnung des Kanals keilförmig ist und die Austrittsöffnung in eine glatte, typischerweise gekrümmte Fläche aufspannt. Die Austrittsöffnungen sämtlicher Kanäle bildet typischerweise in gemeinsame glatte, gekrümmte Fläche aus. Durch die beschriebene keilförmige Ausgestaltung des Hohlraums und die beschriebene Anordnung der Kanäle wird der Gasstrom besonders effizient in die Kanäle aufgeteilt und es resultiert eine über die gesamte Wirkfläche sehr homogener Gasstrom. Jeder Kanal ist an seinem dem Hohlraum gegenüberliegenden Ende mit einer Düsenleiste abgeschlossen.
Die Vorrichtung kann für ein Durchlaufverfahren ausgelegt sein, bei dem die Glasscheiben kontinuierlich bewegt werden, ohne stationär zwischen den Blaskästen positioniert zu werden. Die Glasscheibe wird dabei mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit auf einer Transportstrecke bewegt, wobei sie zwischen die Blaskästen eingefahren wird, solange sie sich zwischen den Blaskästen bewegt mit dem Gasstrom beaufschlagt wird und wieder aus dem Zwischenraum zwischen den Blaskästen herausgefahren wird, ohne zwischenzeitlich ihre Geschwindigkeit wesentlich zu ändern oder gar gänzlich abzustoppen. Solche Durchlaufverfahren sind insbesondere zum Vorspannen von Glasscheiben im Bau-, Architektur- und Wohnbereich üblich.
Die Vorrichtung kann aber auch für ein Verfahren ausgelegt sein, bei dem die Glasscheiben zum Vorspannen stationär zwischen den Blaskästen positioniert werden. Solche Vorrichtungen sind insbesondere zum Vorspannen von Glasscheiben im Fahrzeugbereich üblich, weil hier besonders hohe Anforderungen an den Grad der Vorspannung gestellt werden, die mit Durchlaufverfahren mitunter nicht erreichbar sind. Diese Konfiguration ist daher besonders bevorzugt.
Die Verschlusselemente können plan oder auch gebogen ausgeformt sein. Plane Verschlusselemente eignen sich insbesondere zum Vorspannen planer Glasscheiben, aber auch gekrümmte Glasscheiben können mit planen Verschlusselementen vorgespannt werden, wenn geringere Anforderungen an Grad und Homogenität der Vorspannung angelegt werden. Höhere Vorspanneffizienzen können erreicht werden, wenn die Form des Verschlusselements oder der Verschlusselemente an die Form der gebogenen, vorzuspannenden Glasscheibe angepasst, so dass alle Düsenöffnungen im Wesentlichen den gleichen Abstand zur Glasoberfläche haben. Die Düsenöffnungen eines Blaskastens spannen dabei eine konvex gekrümmte Fläche auf und die Düsenöffnungen des gegenüberliegenden Blaskastens eine dazu komplementäre konkav gekrümmte Fläche, wobei die Krümmung im Wesentlichen derjenigen der Glasscheibe entspricht. Beim Vorspannen wird der konvexe Blaskasten der konkaven Oberfläche der Scheibe zugewandt und der konkave Blaskasten der konvexen Oberfläche. Diese Ausgestaltung eignet sich für Durchlaufverfahren, wenn die vorzuspannende Glasscheibe nur entlang einer Raumrichtung gebogen ist (zylindrisch gebogen), und für Vorspannverfahren mit stationär zwischen den Blaskästen positionierter Glasscheibe (zylindrisch oder sphärisch gebogen).
Im Fahrzeugbereich treten typischerweise sphärisch gebogene Glasscheiben auf (in beiden Raumrichtungen gebogen) und es werden hohe Anforderungen an Grad und Homogenität der Vorspannung gestellt, weshalb Durchlaufverfahren weniger zur Vorspannung geeignet sind. Diese Glasscheiben werden daher in der Regel stationär zwischen den Blaskästen vorgespannt, wobei die Form der Verschlusselemente der sphärischen Biegung der Glasscheiben angepasst ist. Die Glasscheiben werden bevorzugt horizontal liegend auf einem Vorspannrahmen zwischen die Blaskästen transportiert. Da die Scheiben üblicherweise mit nach oben weisender konkaver Oberfläche zur Vorspannstation transportiert werden, ist der obere Blaskasten bevorzugt konvex und der untere konkav ausgestaltet.
Ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, die Glasscheiben stationär zwischen den Blaskästen vorzuspannen, so umfasst sie bevorzugt außerdem Mittel zur Änderung des Abstands zwischen erstem und zweitem Blaskasten. Dadurch können die Blaskästen relativ aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden. Nachdem die Glasscheibe im weiter beabstandeten Zustand der Blaskästen zwischen diese eingefahren worden ist, wird der Abstand der Blaskästen zueinander und damit zur Glasscheibe verringert, wodurch ein stärkerer Gasstrom auf der Glasoberfläche erzeugt werden kann. Nach dem Vorspannen wird der Abstand wieder vergrößert, um die Glasscheibe Wieder aus dem Zwischenraum zwischen den Blaskasten heraus zu bewegen. So können auch stark und/oder sphärisch gebogene Glasscheiben mit hoher Effizienz vorgespannt werden. Die Bewegung der Blaskästen ist dabei nötig, um einen ausreichend geringen Abstand der Glasoberfläche von den Düsen zu erreichen. Sollte die Glasscheibe zwischen zwei stationären Blaskästen vorgespannt werden, so müsste deren Abstand zum Einfahren der gebogenen Glasscheibe zu groß gewählt werden, was die Vorspanneffizienz kritisch herabsetzen würde. Beim Vorspannen wird das Transportgestell typischerweise periodisch bewegt, damit die Düsen des Blaskastens nicht über den gesamten Zeitraum auf dieselben Stellen der Glasscheibe gerichtet sind. Die Verwendung beweglicher Blaskästen ist insbesondere im Zusammenhang mit Fahrzeugscheiben üblich, weshalb diese Variante besonders bevorzugt ist.
Die Blaskästen können aber prinzipiell auch auf andere Art realisiert werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Blaskästen nach Art eines Luftschachts über großflächige Öffnungen ohne Verschlusselemente verfügen und der aus diesem Öffnungen austretenden großflächige Gasstrom die gesamte Scheibenoberfläche oder einen Teil davon trifft, ohne durch Düsen feiner aufgeteilt zu werden. Ebenso ist es denkbar, dass separate Düsen durch jeweils einzelne Leitungen mit der Gaszuführung verbunden sind.
Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen sind beliebig miteinander kombinierbar und die Vorrichtung kann vom Fachmann entsprechend den Anforderungen im Anwendungsfall ausgelegt werden. Bevorzugte Anordnungen im Rahmen der Gaszuführung und im Falle der Verwendung zweier Ventilatoren sind beispielsweise (in der Reihenfolge entlang der Strömungsrichtung:
Verdunstungskühler - Ventilator 1 - Ventilator 2
Ventilator 1 - Verdunstungskühler - Ventilator 2
Ventilator 1- Ventilator 2- Verdunstungskühler
Verdunstungskühler - Ventilator 1 - Ventilator 2 - T rocknungseinrichtung
Ventilator 1 - Verdunstungskühler - Ventilator 2 - T rocknungseinrichtung
Ventilator 1- Ventilator 2- Verdunstungskühler - Trocknungseinrichtung
Die derart ausgestalteten Gaszuführungen können wiederum mit beliebig ausgebildeten Blaskästen und Mitteln zur Bewegung der Glasscheibe kombiniert werden, beispielsweise horizontal angeordneten Blaskästen für liegende Scheiben oder vertikal angeordneten Blaskästen für hängende Scheiben, stationären oder beweglichen Blaskästen, Blaskästen für Durchlaufsysteme oder zum Vorspannen stationäre angeordneter Glasscheiben, Blaskästen mit gebogenen oder planen Verschlussmitteln, Transportmittel mit oder ohne Transportgestell etc.
Die Erfindung umfasst auch eine Anordnung zum thermischen Vorspannen von Glasscheiben, umfassend die erfindungsgemäße Vorrichtung und eine zwischen den beiden Blaskästen angeordnete Glasscheibe.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zum thermischen Vorspannen von Glasscheiben. Dabei wird eine erhitzte Glasscheibe zwischen einem ersten Blaskasten und einem zweiten Blaskasten angeordnet, insbesondere zwischen den ersten Blaskasten und den zweiten Blaskasten bewegt, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind und an welche jeweils eine Gaszuführung angeschlossen ist. Jede Gaszuführung ist mit einem Wärmetauscher, insbesondere Verdunstungskühler, ausgestattet. Ist die Glasscheibe im Zwischenraum angeordnet, so wird sie mittels der beiden Blaskästen mit einem Gasstrom beaufschlagt, so dass die Glasscheibe abgekühlt und dadurch vorgespannt wird. Der Gasstrom wird dabei durch den Wärmetauscher, insbesondere Verdunstungskühler geleitet und dadurch aktiv gekühlt.
Die vorstehend mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschriebenen vorteilhaften Ausführungen gelten für das Verfahren entsprechend.
Das zur Kühlung der Glasscheibe verwendete Gas ist bevorzugt Luft. Die Scheibenoberflächen werden üblicherweise über einen Zeitraum von 1 s bis 10 s mit dem Gasstrom beaufschlagt. Besonders beim Vorspannen von Fahrzeugscheiben sind Zeiträume von 3 oder 4 Sekunden üblich. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Vorspanneffizienz erhöht wird, können diese Zeiten reduziert werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Zeitraum daher weniger als 3 s, insbesondere von 1 s bis 2 s.
Der Gasstrom ist, wenn er auf die Glasscheibe trifft, durch den Verdunstungskühler gekühlt und weist bevorzugt eine Temperatur von höchstens 70 °C auf, besonders bevorzugt von höchstens 50 °C, beispielsweise von 30 °C bis 50 °C. Damit werden besonders gute Vorspanneffizienzen erreicht.
Ein Verdunstungskühler erhöht auch die Feuchtigkeit des Gasstroms. Wenn der Gasstrom auf die Glasscheibe trifft, beträgt seine relative Feuchtigkeit bevorzugt mindestens 50 %, besonders bevorzugt mindestens 70 %, ganz besonders bevorzugt von 80 % bis 90 %. Damit werden besonders gute Vorspanneffizienzen erreicht.
Die vorzuspannende Glasscheibe besteht in einer bevorzugten Ausführung aus Kalk-Natron- Glas, wie es für Fensterscheiben üblich ist. Die Glasscheibe kann aber auch andere Glassorten wie Borsilikatglas oder Quarzglas enthalten oder daraus bestehen. Die Dicke der Glasscheibe beträgt je nach Anwendung typischerweise von 1 mm bis 20 mm. Im Fahrzeugbereich sind Scheibendicken von 1 mm bis 5 mm üblich, insbesondere von 2 mm bis 4 mm.
Die Erfindung entfaltet ihre Vorteile in besonderer Weise beim Vorspannen relativ dünner Glasscheiben, weil diese höhere Abkühlraten erfordern als dickere Glasscheiben. In einer besonders vorteilhaften Ausführung weist die Glasscheibe eine Dicke von höchstens 3,5 mm aufweist, bevorzugt von 1 mm bis 3 mm.
Das erfindungsgemäße Verfahren schließt sich in einer vorteilhaften Ausführung unmittelbar an einen Biegeprozess an, in dem die im Ausgangszustand planen Glasscheibe gebogen wird. Während des Biegeprozesses wird die Glasscheibe bis auf Erweichungstemperatur erhitzt. Der Vorspannprozess schließt sich an den Biegeprozess an, bevor die Glasscheibe signifikant abgekühlt ist. Dazu wird die Glasscheibe nach dem Biegeprozess oder im letzten Schritt des Biegeprozesses von den Biegewerkzeugen auf die Vorspannform übergeben. So muss die Glasscheibe zum Vorspannen nicht noch einmal eigens erhitzt werden.
Es besteht derzeit eine Neigung der Glashersteller, die Temperaturen zum Glasbiegen immer weiter zu reduzieren, weil dadurch eine bessere optische Qualität und Oberflächenbeschaffenheit der Glasscheiben erreicht werden kann. Bei solchen Biegeverfahren mit relativ geringen Temperaturen ist das erfindungsgemäße Vorspan nverfahren besonders vorteilhaft anwendbar, weil die erhöhte Vorspanneffizienz trotz der geringeren Temperatur zu hinreichenden Spannungen in der Glasscheibe führt. Beim Vorspannen liegt die Temperatur der Glasscheibe zwischen dem sogenannten Übergangspunkt ( transition point), an dem die Viskosität der Glasscheibe plastisch verformbar wird, und dem sogenannten Erweichungspunkt (softening point), an dem sich das Glass unter seinem eigenen Gewicht verformt. Die Erfindung ermöglicht es, den Abstand zum Übergangspunkt zu reduzieren. Bislang liegen übliche Biegetemperaturen für gebogene Fahrzeugscheiben aus Kalk-Natron-Glas bei 650 °C. In einer besonders vorteilhaften Ausführung beträgt die Temperatur einer solchen Glasscheibe, unmittelbar bevor sie mit dem Gasstrom beaufschlagt und abgekühlt wird, höchstens 640°C, bevorzugt kleiner als 640°C.
Die Erfindung umfasst außerdem die Verwendung eines Verdunstungskühlers zur aktiven Kühlung eines Gasstroms, mit dem eine Glasscheibe thermisch vorgespannt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4 einen Querschnitt eines Verdunstungskühlers,
Fig. 5 einen Querschnitt eines indirekten Wärmetauschers und
Fig. 6 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt schematisch eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum thermischen Vorspannen von Glasscheiben. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Blaskasten 1.1 und einen zweiten Blaskasten 1.2, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Düsen der Blaskästen 1 .1 , 1.2, durch welche der zum Vorspannen benötigte Gasstrom (Luftstrom) austritt, ist auf den Zwischenraum zwischen den Blaskästen 1.1 , 1.2 gerichtet. An den ersten Blaskasten 1.1 ist eine Gaszuführung 2.1 angeschlossen, durch die er mit dem Gasstrom versorgt wird. Die Gaszuführung umfasst Zuleitungsrohre sowie einen ersten Ventilator 3.1 und einen zweiten Ventilator 4.1 , die in dieser Reihenfolge in Strömungsrichtung hintereinandergeschaltet sind. Die serielle Anordnung der Ventilatoren 3.1 , 4.1 ermöglicht es, einen starken Gasstrom in Richtung des Blaskastens 1.1 zu erzeugen. In Strömungsrichtung hinter den Ventilatoren 3.1 , 4.1 ist außerdem ein Verdunstungskühler 5.1 als Wärmetauscher angeordnet. Ebenso ist an den zweiten Blaskasten 1.2 eine Gaszuführung 2.2 angeschlossen, die neben Zuleitungsrohren einen ersten Ventilator 3.2, einen zweiten Ventilator 4.2 und einen Verdunstungskühler 5.2 aufweist, die in dieser Reihenfolge in Strömungsrichtung hintereinandergeschaltet sind. Beide Gaszuführungen 2.1 , 2.2 sind mittels jeweils einer Verschlussklappe 7.1 , 7.2 ganz oder teilweise verschließbar, um den Gasstrom zu stoppen oder seine Stärke zu regulieren.
Durch die Verdunstungskühler 5.1 , 5.2 wird die durch die Ventilatoren 3.1 , 4.1 , 3.2, 4.2 angesaugte Luft einerseits gekühlt und andererseits angefeuchtet. Beides erhöht die Vorspanneffizienz der Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Vorspannvorrichtungen ohne Kühlung. Das ist der große Vorteil der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung umfasst außerdem Mittel zum Bewegen der vorzuspannenden Glasscheibe G, umfassend ein Transportsystem 8, beispielsweise als Rollensystem ausgeführt, und einen damit bewegtes Transportgestell 9. Das Transportgestell 9 ist mit einem Vorspannrahmen ausgestattet, auf den die umlaufende Seitenkante der Glasscheibe G abgelegt ist. Mit dem Transportsystem wird die Glasscheibe G in den Zwischenraum zwischen den Blaskästen 1.1 ,
1 .2 bewegt. Anschließend werden die Blaskästen 1.1 , 1.2 der Glasscheibe G angenähert, um sie effizient mit dem Gasstrom zu beaufschlagen. Nach dem Vorspannen werden die Blaskästen 1.1 , 1.2 wieder von der Glasscheibe G wegbewegt und die Glasscheibe G aus dem Zwischenraum herausgefahren. Die Vorspannvorrichtung ist dann für den nächsten Vorspannzyklus bereit.
Die Richtung des Gasstroms und der Bewegung der Glasscheibe G sind in der Figur durch graue Blockpfeile angedeutet.
Figur 2 zeigt schematisch eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Unterschied zur Ausgestaltung der Figur 1 sind die Verdunstungskühler 5.1 , 5.2 in Strömungsrichtung vor den Ventilatoren 3.1 , 4.1 beziehungsweise 3.2, 4.2 statt dahinter angeordnet. Außerdem sind die Gaszuführungen 2.1 , 2.2 jeweils mit einer
Trocknungseinrichtung 30.1 , 30.2 ausgestattet, die in Strömungsrichtung hinter den Ventilatoren 3.1 , 4.1 beziehungsweise 3.2, 4.2 angeordnet sind. Die Trocknungseinrichtungen 30.1 , 30.2 sind beispielsweise als Tropfensammler ausgebildet. Falls der Gasstrom eine unerwünscht hohe Feuchtigkeit aufweist, beispielsweise hervorgerufen durch die Verdunstungskühler 5.1 , 5.2 oder durch zu feuchte Umgebungsluft, erlauben es die Trocknungseinrichtungen 30.1 , 30.2, diese Feuchtigkeit zu verringern und auf einen gewünschten Wert einzustellen.
Figur 3 zeigt schematisch eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Unterschied zur Ausgestaltung der Figur 1 ist jeder Verdunstungskühler 5.1 , 5.2 zwischen den Ventilatoren 3.1 , 4.1 beziehungsweise 3.2, 4.2 seiner Gaszuführung 2.1 beziehungsweise
2.2 angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehenden Ausgestaltungen lediglich beispielhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung darstellen und beliebig miteinander kombinierbar und abwandelbar sind. So können die Trocknungseinrichtungen 30.1 , 30.2 auch in den Konfigurationen der Figuren 1 und 3 eingesetzt werden. Die Trocknungseinrichtungen 30.1 , 30.2 müssen auch nicht in Strömungsrichtung hinter den Ventilatoren 3.1 , 4.1 beziehungsweise 3.2, 4.2 angeordnet sein, sondern grundsätzlich auch vor oder zwischen ihnen. Statt auf dem T ransportgestell 9 kann die Glasscheibe G auch direkt auf beispielsweise Rollen des Transportsystems 8 aufliegen oder vertikal hängend transportiert und vorgespannt werden. Statt stationär zwischen den Blaskästen 1.1 , 1.2 vorgespannt zu werden, wobei die Blaskästen an die Glasscheibe G angenähert werden, könnte die Glasscheibe G auch im Rahmen eines Durchlaufsystems zwischen stationären Blaskästen 1 .1 , 1.2 vorgespannt werden. Die Ausgestaltung der Vorrichtung kann vom Fachmann den Erfordernissen im Anwendungsfall entsprechend frei gewählt werden, wobei insbesondere die Form der vorzuspannenden Glasscheibe, der Grad der Vorspannung, die Eigenschaften der Umgebungsluft hinsichtlich Feuchtigkeit und Temperatur und die gewünschte Prozessgeschwindigkeit zu berücksichtigen sind.
Figur 4 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Verdunstungskühlers 5 als Teil einer Gaszuführung 2. Er enthält ein faseriges, poröses Trägermaterial 10, beispielsweise gewellte Papierlagen. Oberhalb des Trägermaterials 10 ist ein Tropfenseparator 1 1 angeordnet, welcher das Trägermaterial mit einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, berieselt. Überschüssige Kühlflüssigkeit wird nach dem Durchlauf durch das Trägermaterial 10 von einem Tropfensammler 12 aufgenommen und mittels einer Pumpe 14 über eine Kühlmittelleitung 13 wieder dem Tropfenseparator zugeleitet. Da beim Kühlen auch Kühlflüssigkeit verloren geht, umfasst die Kühlmittelleitung 13 auch eine nicht dargestellte Zuleitung für weiteres Kühlmittel.
Der durch die Ventilatoren erzeugte Gasstrom durchströmt das Trägermaterial 10. Dabei kommt es zu einer adiabatischen Kühlung des Gasstroms. Verdunstende Kühlflüssigkeit wird durch den Gasstrom aufgenommen, wodurch seine Feuchtigkeit erhöht wird. Auf der damit verbundenen Verdunstungskälte beruht die kühlende Wirkung.
Figur 5 zeigt im Gegensatz dazu schematisch einen Querschnitt eines indirekten Wärmetauschers 6 als Teil einer Gaszuführung 2. Der indirekte Wärmetauscher 6 enthält eine Kühlmittelleitung 20, die beispielsweise als mehrfach U-förmig gebogenes Rohr ausgebildet ist und im Betrieb vom Kühlmittel, beispielsweise Wasser, im Rahmen eines Kühlkreislaufs durchflossen wird. Das Rohr ist in einem Strömungsraum 21 angeordnet, welcher vom Gasstrom durchströmt wird, wobei der Gasstrom mit der Kühlmittelleitung 20 in Berührung kommt und infolgedessen gekühlt wird. Da das Kühlmittel dabei erwärmt wird, ist der indirekte Wärmetauscher bevorzugt mit einer Rückkühlung ausgestattet, welche das Kühlmittel im nicht dargestellt Bereich des Kühlmittelkrauslaufs außerhalb des Strömungsraums 21 wieder abkühlt.
Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum thermischen Vorspannen von Glasscheiben anhand eines Flussdiagramms.
Bezugszeichenliste:
(1 .1 ) erster / oberer Blaskasten
(1 .2) zweiter / unterer Blaskasten
(2) Gaszuführung
(2.1 ) Gaszuführung des ersten Blaskastens 1.1
(2.2) Gaszuführung des zweiten Blaskastens 1.2
(3.1 ) erster Ventilator des ersten Blaskastens 1.1
(3.2) erster Ventilator des ersten Blaskastens 1.2
(4.1 ) zweiter Ventilator des ersten Blaskastens 1.1
(4.2) zweiter Ventilator des ersten Blaskastens 1.2
(5) Verdunstungskühler
(5.1 ) Verdunstungskühler des ersten Blaskastens 1.1
(5.2) Verdunstungskühler des ersten Blaskastens 1.2
(6) indirekter Wärmetauscher
(7.1 ) Verschlussklappe der Gaszuführung des ersten Blaskastens 1.1
(7.2) Verschlussklappe der Gaszuführung des ersten Blaskastens 1.2
(8) Transportsystem für Glasscheiben
(9) Transportgestell für Glasscheiben
(10) poröses Medium/Trägermaterial des Verdunstungskühlers 5
(1 1 ) Tropfenseparator des Verdunstungskühlers 5
(12) Tropfensammler des Verdunstungskühlers 5
(13) Kühlmittelleitung des Verdunstungskühlers 5
(14) Kühlmittelpumpe des Verdunstungskühlers 5
(20) Kühlmittelleitung des indirekten Wärmetauschers 6
(21 ) Strömungsraum des indirekten Wärmetauschers 6
(30.1 ) Trocknungseinrichtung der Gaszuführung 2.1 des ersten Blaskastens 1.1
(30.2) Trocknungseinrichtung der Gaszuführung 2.2 des ersten Blaskastens 1.2
(G) Glasscheibe

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum thermischen Vorspannen von Glasscheiben, umfassend
- einen ersten Blaskasten (1.1 ) und einen zweiten Blaskasten (1.2), die einander gegenüberliegend angeordnet sind und geeignet sind, die Oberflächen einer zwischen ihnen angeordneten Glasscheibe (G) mit einem Gasstrom zu beaufschlagen,
- jeweils eine an den ersten Blaskasten (1.1 ) und den zweiten Blaskasten (1.2) angeschlossene Gaszuführung (2.1 , 2.2),
wobei die Gaszuführungen (2.1 , 2.2) mit einem Verdunstungskühler (5) ausgestattet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Verdunstungskühler (5) ein poröses Trägermaterial enthält, welches mit einer Kühlflüssigkeit getränkt ist und welches vom Gasstrom durchströmt wird, wodurch eine Kühlung des Gasstroms erreicht wird, insbesondere eine adiabatische Kühlung.
3. Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 oder 2, wobei jede Gaszuführung (2.1 , 2.2) mit mindestens einem Ventilator (3.1 , 3.2) ausgestattet ist, um die Blaskästen (1.1 , 1.2) mit dem Gasstrom zu versorgen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei jeweils ein Verdunstungskühler (5.1 , 5.2) in Strömungsrichtung hinter dem mindestens einen Ventilator (3.1 , 3.2) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede Gaszuführung (2.1 , 2.2) mit mindestens einem ersten Ventilator (3.1 , 3.2) und einem zweiten Ventilator (4.1 , 4.2) ausgestattet ist, und wobei jeweils ein Verdunstungskühler (5.1 , 5.2) in
Strömungsrichtung hinter den beiden Ventilatoren (3.1 , 4.1 ; 3.2, 4.2) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche eine Trocknungseinrichtung (30.1 , 30.2) umfasst, die dazu geeignet ist, die Feuchtigkeit des Gasstroms zu verringern.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche mit Mitteln zur Bewegung einer Glasscheibe (G) in einen Zwischenraum zwischen dem ersten Blaskasten (1.1 ) und dem zweiten Blaskasten (1.2) ausgestattet ist, die ein Transportgestell (7) mit einem Vorspannrahmen zur Auflage der Glasscheibe (G) umfassen, welches durch ein Schienen-, Rollen- oder Laufbandsystem bewegt wird.
8. Verfahren zum thermischen Vorspannen von Glasscheiben, wobei
(i) eine erhitzte Glasscheibe (G) zwischen einem ersten Blaskasten (1.1 ) und einem zweiten Blaskasten (1.2) angeordnet wird, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind und an welche jeweils eine Gaszuführung (2.1 , 2.2) angeschlossen ist, welche mit einem Verdunstungskühler (5) ausgestattet ist;
(ii) die Glasscheibe (G) mittels der beiden Blaskästen (1.1 , 1.2) mit einem Gasstrom beaufschlagt wird, so dass die Glasscheibe (G) abgekühlt wird, wobei der Gasstrom mittels der Verdunstungskühler (5) aktiv gekühlt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der auf die Glasscheibe (G) treffende Gasstrom eine Temperatur von höchstens 70 °C aufweist, bevorzugt von höchstens 50 °C.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der auf die Glasscheibe (G) treffende Gasstrom eine relative Feuchtigkeit von mindestens 50 % aufweist, bevorzugt von mindestens 70 %, besonders bevorzugt von 80 % bis 90 %.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Glasscheibe (G) vor dem
Abkühlen mit dem Gasstrom eine Temperatur von höchstens 640 °C aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei der Gasstrom ein Luftstrom ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Glasscheibe (G) in Schritt (ii) über einen Zeitraum von 1 s bis 10 s mit dem Gasstrom beaufschlagt wird, bevorzugt von 1 s bis 2 s.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Glasscheibe (G) eine Dicke von höchstens 3,5 mm aufweist, bevorzugt von 1 mm bis 3 mm.
15. Verwendung eines Verdunstungskühlers (5) zur aktiven Kühlung eines Gasstroms, mit dem eine Glasscheibe (G) thermisch vorgespannt wird.
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