WO2007065937A1 - Method and device for electromagnetically influencing the flow conditions in fluids of low electrical conductivity and high viscosity - Google Patents

Method and device for electromagnetically influencing the flow conditions in fluids of low electrical conductivity and high viscosity Download PDF

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WO2007065937A1
WO2007065937A1 PCT/EP2006/069457 EP2006069457W WO2007065937A1 WO 2007065937 A1 WO2007065937 A1 WO 2007065937A1 EP 2006069457 W EP2006069457 W EP 2006069457W WO 2007065937 A1 WO2007065937 A1 WO 2007065937A1
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WO
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fluid
channel
electrode
flow
coils
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Application number
PCT/EP2006/069457
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German (de)
French (fr)
Inventor
Bernd Halbedel
Dagmar Hülsenberg
Uwe Krieger
Ulrich Lüdtke
Gunter Carl
Hans-Jürgen LINZ
Original Assignee
Technische Universität Ilmenau
Jsj Jodeit Gmbh
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Publication date
Application filed by Technische Universität Ilmenau, Jsj Jodeit Gmbh filed Critical Technische Universität Ilmenau
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/16Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/18Stirring devices; Homogenisation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/45Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers
    • B01F33/451Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers wherein the mixture is directly exposed to an electromagnetic field without use of a stirrer, e.g. for material comprising ferromagnetic particles or for molten metal

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for carrying out the method
  • Another applied flow control is mechanical stirring. It takes place with the help of different types of Ruhrers and with glass melts at different positions in the melting unit. For example, a rod stirrer can use high speeds and the resulting shear forces to pull apart an existing streak, increasing their surface area and reducing the chemical gradients. th necessary diffusion is favored (see DE 100 57 285).
  • Spiral stirrers are primarily used to improve thermal homogeneity because they ensure high material transport [1]. Therefore, they are also particularly suitable for coloring glass in the feeder of glass melting plants (feeder area) (SU 1 011 564).
  • blade stirrers generate the shear forces through different speeds along a blade (DD 296 798, DD 274 812, EP 0 504 774).
  • stirrers Despite frequent use, the use of mechanical stirrers often does not guarantee the desired improvement in the homogeneity of the glass melts, because on the one hand the abrasion products of the stirrers cause colorings, crystal germs and other impurities [1] and on the other hand the risk of thermal reboiling through local undercooling and reheating Melt exists [2]. Furthermore, these stirrers have limited operating times and call due to the often necessary use of precious metals
  • GB 1289317 and DE 2056445 describe a method and a device for producing glass in which electromagnetic forces are used to stir glass melts, in particular during the casting process or refining, which result from the interaction of the heating current with a perpendicular to it standing external magnetic field result.
  • alternating currents with a frequency of 50 Hz and alternating magnetic fields of the same frequency are used.
  • the phase position does not necessarily have to match.
  • the magnetic field is generated by one or more single-phase and three-phase iron-bearing alternating current magnets, which are externally adapted to the melting vessels. Different flows are to be realized by separately controlling individual magnets. In order to achieve sufficient stirring effects, it is recommended that the ratio of the electromagnetic force to the convection force according to equation (1)
  • V - volume element resulting flow in the glass melt is returned.
  • the flow rates achieved should have been up to 12 cm / s with a magnetic induction of 0.15 T. No information is available on the current densities j in the melt.
  • SU 10 244 23 also describes a method for improving the homogeneity of glass melts with the help of Lorentz forces, with a low-frequency magnetic field (0.2-0.6
  • T 50 Hz
  • 0.5 - 2.5 s another, but higher-frequency magnetic field (0.01 - 0.03 T, 19 - 250 kHz) with an electrical current density (synchronous with the basic field) penetrate melted glass.
  • the time for the electromagnetic homogenization procedure is 15 minutes to 60 minutes. This melting process is intended in particular for
  • JP 2000-128547 describes electromagnetically initiated stirring effects in glass melts of a certain composition, the melting state of which is generated in an inductively heated platinum crucible.
  • a magnetic field - presumably constant field - with an intensity in the range of 0.1 T to 8 T is applied perpendicular or parallel to the crucible axis.
  • the exposure time of the magnetic field is 2 to 5 hours.
  • the composition of the glass melts should contain at least one of the known network-forming oxides SiC> 2, B2O3, P2O5 or GeC> 2.
  • the proportion of these network formers - individually or in total - must, however, be less than 30 mol%. No reference is made to the generation of an electrical current density in the melt via electrodes.
  • Glass fibers are proposed, the radial distribution of the thermally ionized dopants being changed with radially acting electrical and / or electromagnetic field forces which act on a melted glass mixture mixed with dopants, and thus the refractive index distribution over the fiber cross section being set in a targeted manner.
  • the electric field is between a central electrode immersed in the glass mixture, which is just before the melt solidifies is removed again and an outer electrode, which is arranged concentrically to the center electrode and surrounds the glass mixture, is impressed.
  • a coil toroid
  • the glass mixture must be turned. Then the induced should be radial
  • Patent application PCT / FR2004 / 050319 (WO 2005/008157 A2) describes a method which is based on the principle of
  • Induction crucible furnace works.
  • a second galvanically isolated but inductively coupled inductor is used, which generates an oppositely directed, also high-frequency electromagnetic field (0.1 MHz ⁇ f ⁇ 20 MHz), which also penetrates the melt.
  • the electromagnetic force effect which results from the interaction of the eddy currents induced in the melt and the overlapping inductor fields, creates one
  • Another disadvantage of this method is that a continuous operation of the manufacturing process has not yet been realized.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a device suitable for carrying out the method for the electromagnetic influencing of the flow conditions of primarily glass melts or other slightly electrically conductive, viscous fluids in channels of any cross section, the flow influences from gravity independently, in sections, efficiently , specifically controllable and tool-free.
  • This is intended on the one hand to minimize the diffusion times characteristic of chemical homogenization in laminar flows (by maximizing the interface of the inhomogeneities) and on the other hand to simultaneously minimize the temperature gradients and to set the residence time of the fluid in the channel can.
  • the homogenization thermal and chemical
  • a device according to the invention is characterized in that the wall of the channel, which is in direct contact with the fluid, is partially or completely electrically conductive, and an inner electrode is arranged centrally in the channel and, like the outer electrode, is partially or completely electrically conductive , so that when an AC voltage is applied to these outer and inner electrodes, the fluid is partially or completely penetrated by a primarily radial current density distribution over the length of the channel.
  • At least two (or a multiple thereof) ironless magnetic coils are preferably positioned in a Helmholtz arrangement concentrically around the channel in the method according to the invention. These magnetic coils are fed with coil currents which are analogous to the electrode current with respect to the temporal behavior, but are partially phase-shifted by 180 ° with respect to one another, so that the channel cross-section is penetrated by an axially but sectionally opposite magnetic field.
  • the electrical flow field j and the magnetic field B are perpendicular to each other in the fluid and here give the maximum possible according to equation (2)
  • Lorentz force distribution F L which, however, is aligned alternately in sections - just like the magnetic field - tangentially to the current density distribution in a positive or negative direction and thus also produces locally alternating tangential velocity components in the fluid.
  • the arrangement of the magnetic coils according to the Helmholtz condition ensures a sufficiently uniform distribution of the magnetic field over the entire channel cross section with minimal use of line material for these magnetic coils. If necessary, it makes sense to route the supply and discharge lines for the electrical supply of the electrodes with positive and negative winding senses around the flow channel, so that a locally distributed but oppositely flowing coil arrangement is created, which also generates alternating magnetic fields in their direction.
  • the magnet coils or parts thereof can be adapted electrically to the available current sources (medium frequency generator, frequency converter) in series or in parallel and with respect to the current direction in the magnet coils the requirements are connected in the same or opposite way.
  • the inner and outer electrodes must be made of appropriate platinum alloys due to the required temperature resistance.
  • frequencies> 1 kHz must preferably be used to avoid platinum corrosion for the coil and electrode current.
  • the existing network frequencies (50/60 Hz) can be used.
  • ⁇ - electrical conductivity of the fluid can, on the one hand, be reduced if necessary and the associated reduction in the Lorentz force density can be compensated for by a proportional increase in the magnetic flux density (a reduction in the current density j to half results in a reduction in the additional heating power to H) in order to ensure the same Lorentz force distribution in this case, only a doubling of the magnetic flux density is necessary) or on the other hand to compensate for the increased heat loss due to the modified flow conditions can be used.
  • a proportional increase in the magnetic flux density a reduction in the current density j to half results in a reduction in the additional heating power to H
  • compensate for the increased heat loss due to the modified flow conditions can be used.
  • the application of the invention in particular brings advantages for glass melting techniques with an electrically heated vertical outlet channel and plunger (plunger) for flow control for the production of high-melting, low-alkali or free of borosilicate glasses.
  • plunger plunger
  • the flow channel with the described variants of the magnet and electrode system at any angle to gravity up to the horizontal position or to carry out the method according to the invention under ⁇ -gravimetric conditions (space, parabolic flight, etc.) .
  • the tangential flows are also generated electromagnetically.
  • the proposed method and the associated device is particularly suitable for the production of technical glasses, glasses for flat screens based on LCD and plasma, optical glasses, glass silk, container glasses and others.
  • some special glasses can only be melted homogeneously with the help of the solution according to the invention.
  • Another advantage of the invention is that the quality of the glasses to be produced can be increased significantly and that a more precise metering of the fluid and the associated going to be less wall thickness tolerances of the final products.
  • FIG. 1 shows a cross section and a section from the FIG. 1
  • Figure 2 - a cross section and a section of the
  • FIG. 2 shows a section of the device according to FIG. 2 with a magnetic flooding of 2500 A
  • Figure 8 - a cross section and a section of the
  • FIG. 1 shows a device according to the invention in accordance with a first embodiment for influencing electromagnetic flow for a device, in particular under the effect of
  • the main flow of the fluid can also be forced with a pressure (pump) - especially when the channel is arranged horizontally.
  • the magnet system (1) is positioned concentrically around the fluid-carrying channel.
  • thermal insulation (2) between the outer electrode (3a) of the electrode system (3), which also represents the channel wall, and the magnet system (1).
  • thermal insulation (2) in the form of refractory materials common in glass melting plant construction to temperatures below the permissible operating temperatures of the electrical conductor materials (copper) used for the magnetic coils.
  • the coil cross sections of the magnet system can thus be chosen to be smaller. In the best case, the magnet coil and channel cross sections are identical, apart from the space required for the electrical insulation between the magnet coils and the outer electrode.
  • the inner electrode (3b) is arranged concentrically to the outer electrode (3a) of the electrode system (3) in the middle of the fluid-carrying channel.
  • the outer and inner electrodes can be made of a platinum alloy, for example.
  • the fluid (glass melt) (4) moves between the outer and inner electrodes in the direction of ⁇ .
  • the magnet system (1) consists of ironless ring coils, which are alternately switched against each other.
  • the magnetic coils with the radius r 0 are arranged concentrically around the channel at a distance 2d.
  • the penetration of the fluid volume with the magnetic field generated by the magnet system (1) is shown in principle with the drawn magnetic field lines (5).
  • the coil cross-sections can be circular or polygonal.
  • the magnetic field is weakened depending on the size of the frequency of the magnetic field and the electrical conductivity and permeability of these areas.
  • the reduction due to shielding is characterized by the depth of penetration ⁇ of the magnetic field. Equation (5) applies to the depth of penetration: where f - the frequency of the electromagnetic field, ⁇ - the permeability and
  • ⁇ - denote the electrical conductivity. It decreases exponentially with increasing frequency, permeability and electrical conductivity.
  • Table 1 shows the electromagnetic penetration depth for dispersion-enhanced platinum to illustrate the relationships
  • FIG. 2 illustrates a second embodiment of a device for electromagnetic currents according to the invention. influence with alternating counter
  • the magnetic coils in Helmholtz arrangement are switched in pairs.
  • the inner diameter of the outer electrode is 40 mm
  • the outer diameter of the inner electrode is 20 mm.
  • the conductor cross section of the magnetic coils is hollow and rectangular (external dimensions: 15 mm x 10 mm).
  • the solenoids are connected in series and in pairs. A current of 2500 A flows through them at a frequency of 1 kHz. With this flooding, the basic field line image (5) shown in FIG. 2 is created.
  • FIG. 3 shows the numerically calculated distribution of the magnetic flux density in a device according to FIG. 2 at the time of the maximum of the coil current. It can be seen that the magnetic field penetrates the glass melt completely, sufficiently strongly (up to 10 mT) and evenly in sections.
  • the calculated current density distribution (see FIG. 4) is radial. The current densities are greatest at the inner electrode (3b). They are 20 mA / mm 2 here and 10 mA / mm on the outer electrode (3a).
  • the electrode voltage is 130 V.
  • the heating power of the electrode current in the electrodes is negligible.
  • the eddy current losses due to the magnetic field in the electrodes and in the melt are also negligible.
  • Magnetic coils is 4 kW.
  • the device according to FIG. 2 has three sections (-640 / + 480 / -640) N / m 3 . This creates a tangential flow of (-0, 4 / + 0, 3 / + 0, 4) mm / s with alternating direction in the annular gap sections, which results in an average velocity gradient of approx. 5.8 -l / ms. This leads to rapid and good thermal and chemical homogenization of the melt.
  • the fluid runs out of the channel in a spiral.
  • the outlet speed of the fluid is expediently controlled via the size of the tangential speed component in the lower annular gap section, which in turn depends on the size of the electrode current and / or the magnetic field.
  • it makes sense to separate and electrically isolate the lower area of the outer and inner electrodes from the upper area, so that the average outlet speed of the fluid is controlled via the electrode current which is supplied to this annular gap section.
  • the lower pair of magnetic coils can be disconnected from the power supply of the magnet system and supplied separately, so that the control of the medium outflow speed of the fluid takes place via the size of the magnetic flux density in this lower area.
  • Melt can be adjusted.
  • the separate electrical supply of the electrode and magnetic subsystems being able to take place via synchronized current sources (frequency converters).
  • FIG. 6 shows the principle of a flow control connected to the device according to the invention. To regulate the average outlet speed of the
  • a flow measuring device (7) is provided in the flow channel for fluids.
  • the actual value measured with this flow measuring device is matched to the predetermined setpoint by means of a current control (10) of the synchronized current sources (8) and (9).
  • suitable flow meters are, for example, but not exclusively, orifices known from the prior art (cold, high-viscosity fluids), vane anemometers (cold, low-viscosity fluids) or Lorentz force anemometers (hot ones
  • FIG. 7 shows the supply line guide (11) for realizing the locally distributed coil arrangement according to the invention, through which alternating directions flow, with an exemplary number of coil turns of 2.
  • the electrical lead of the outer electrode is in this case with a positive winding sense and the lead of the inner electrode with a negative winding sense is guided in a coil-like manner around the flow channel.
  • Such designs can advantageously be used with high electrode currents (electrically heated feeders from glass melting plants) and / or with flow channels which allow immediate wrapping - that is, without large distances.
  • FIG. 8 shows the cross section and a section from the longitudinal section of a device according to the invention with segmented and alternating electrodes (12a, 12b) and the method that can be carried out with it.
  • the radial current density distributions that are achieved in this way, alternating outwards and inwards, generate tangential Lorentz forces that act in sections in positive and negative directions and thus also locally changing tangential velocity components in the fluid.
  • the aim is to load the magnet systems up to the maximum current, since the greatest magnetic flux density, the highest Lorentz force or the greatest change in the current conditions can be achieved thereby.
  • the inductor current also leads to heating of the
  • the inductor coil which leads to destruction if a limit temperature is exceeded. Therefore, the inductor coil can be forced-cooled (water cooling) and provided with a temperature monitor. This enables operation with maximum inductor current and consequently maximum

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Abstract

The invention relates to a method and device for electromagnetically influencing the flow conditions of flowing fluids of low electrical conductivity and high viscosity - preferably glass melts - in channels of any desired cross section. For this purpose, Lorentz forces that are perpendicular to the main direction of flow but axially opposed from portion to portion are generated, resulting from the simultaneous compression of alternating electric and magnetic fields that are vectorially directed perpendicularly to one another and have the same temporal behaviour. By means of electrodes (3a, 3b) that are in contact with the fluid, the alternating electric fields produce in the fluid electric current density distributions that are directed perpendicularly to the main direction of flow of the fluid. The alternating magnetic fields are generated by an external coreless coil system which encloses the fluid and the electrodes and the field lines of which in the fluid are primarily directed parallel to the main flow. The Lorentz forces impress on the main flow flow components that are oppositely directed from portion to portion and, because of the great velocity gradients induced between these axial portions, even out the local and temporal distribution of the chemical composition and the temperature in the fluid independently of gravitational force, and also change the residence time of the fluid in the channel in a controlled manner.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur elektromagnetischen Method and device for electromagnetic
Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in gering elektrisch leitfähigen und hochviskosen Fluiden Influencing the flow conditions in low electrically conductive and highly viscous fluids
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zur Durchfuhrung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur The present invention relates to a method and a device for carrying out the method
schwerkraftunabhangigen elektromagnetischen Beeinflussung der Stromungsverhaltnisse von gering elektrisch leitfahigen und hochviskosen Fluiden - vorzugsweise Glasschmelzen - in Kanälen beliebigen Querschnitts. Gravitationally independent electromagnetic influence on the flow conditions of low electrically conductive and highly viscous fluids - preferably glass melts - in channels of any cross-section.
Die Strömung in einem Glasschmelzaggregat erfolgt in der Praxis vorrangig durch Konvektion, welche unter dem Einfluss der Schwerkraft durch Dichteunterschiede infolge von Temperaturgradienten in der Schmelze entsteht. Sie wird oft mit Hilfe einer elektrischen Zusatzheizung (EZH) verstärkt. Damit ist die erzeugte Kraftwirkung allerdings immer an das Vorhandensein und die Richtung der Schwerkraft bzw. entgegengesetzt dazu sowie an das Vorhandensein von Temperaturgradienten gebunden. Aufgrund der erforderlichen Gradienten ist also nie eine thermische Homogenisierung der Schmelze möglich und die chemische Homogenisierung ist an lange Prozesszeiten gebunden. Zudem können lokale Unterkuhlungen bzw. Uberhitzungen der Schmelze und das damit verbundene Reboiling auftreten. In practice, the flow in a glass melting unit takes place primarily by convection, which occurs under the influence of gravity due to density differences as a result of temperature gradients in the melt. It is often reinforced with the help of an additional electric heater (EZH). However, the force effect generated is always linked to the presence and direction of gravity, or in the opposite direction, and to the presence of temperature gradients. Due to the required gradients, thermal homogenization of the melt is never possible and chemical homogenization is linked to long process times. In addition, local hypothermia or overheating of the melt and the associated reboiling can occur.
Eine weitere angewandte Stromungsbeeinflussung ist das mechanische Ruhren. Es erfolgt mit Hilfe verschiedener Ruhrertypen und bei Glasschmelzen an unterschiedlichen Positionen im Schmelzaggregat. So kann z.B. ein Stabruhrer mit Hilfe hoher Drehzahlen und der dadurch auftretenden Scherkräfte eine vorhandene Schliere auseinander ziehen, wodurch ihre Oberflache vergrößert und die für den Abbau des chemischen Gradien- ten notwendige Diffusion begünstigt wird (s. u.a. DE 100 57 285) . Another applied flow control is mechanical stirring. It takes place with the help of different types of Ruhrers and with glass melts at different positions in the melting unit. For example, a rod stirrer can use high speeds and the resulting shear forces to pull apart an existing streak, increasing their surface area and reducing the chemical gradients. th necessary diffusion is favored (see DE 100 57 285).
Für die Verbesserung der thermischen Homogenität werden vor allem Spiralrührer verwendet, da sie einen hohen Materialtransport gewährleisten [1] . Deshalb eignen sie sich auch besonders zum Einfärben von Glas im Speiser von Glasschmelzanlagen (Feederbereich) (SU 1 011 564) . Flügelrührer hingegen erzeugen die Scherkräfte durch unterschiedliche Geschwindigkeiten entlang eines Flügels (DD 296 798, DD 274 812, EP 0 504 774) . Spiral stirrers are primarily used to improve thermal homogeneity because they ensure high material transport [1]. Therefore, they are also particularly suitable for coloring glass in the feeder of glass melting plants (feeder area) (SU 1 011 564). On the other hand, blade stirrers generate the shear forces through different speeds along a blade (DD 296 798, DD 274 812, EP 0 504 774).
Trotz vielfacher Anwendung gewährleistet der Einsatz von mechanischen Rührern jedoch oft nicht die gewünschte Verbesserung der Homogenität der Glasschmelzen, da einerseits die Abrasionsprodukte der Rührer wieder Färbungen, Kristallkeime und sonstige Verunreinigungen [1] verursachen und andererseits die Gefahr des thermischen Reboilings durch lokale Unterkühlung und Wiederaufheizung der Schmelze besteht [2] . Weiterhin haben diese Rührer begrenzte Betriebszeiten und rufen infolge des oft notwendigen Edelmetalleinsatzes Despite frequent use, the use of mechanical stirrers often does not guarantee the desired improvement in the homogeneity of the glass melts, because on the one hand the abrasion products of the stirrers cause colorings, crystal germs and other impurities [1] and on the other hand the risk of thermal reboiling through local undercooling and reheating Melt exists [2]. Furthermore, these stirrers have limited operating times and call due to the often necessary use of precious metals
(Platin, Platin-Rhodium) hohe Betriebskosten hervor. In der GB 1289317 bzw. DE 2056445 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Glas beschrieben, bei dem zum Rühren von Glasschmelzen, insbesondere während des Gießvorganges oder der Läuterung, elektromagnetische Kräfte genutzt werden, die aus der Wechselwirkung des Heizstromes mit einem senkrecht dazu stehenden äußeren Magnetfeld resultieren.  (Platinum, platinum-rhodium) high operating costs. GB 1289317 and DE 2056445 describe a method and a device for producing glass in which electromagnetic forces are used to stir glass melts, in particular during the casting process or refining, which result from the interaction of the heating current with a perpendicular to it standing external magnetic field result.
Hierbei werden Wechselströme mit einer Frequenz von 50Hz und magnetische Wechselfelder gleicher Frequenz genutzt. Die Phasenlage muss nicht zwingend übereinstimmen. Das Magnetfeld wird von einem oder mehreren von außen an die Schmelzgefäße adaptierten einphasigen und dreiphasigen eisenbehafteten Wechselstrommagneten erzeugt. Durch getrennte Ansteuerung einzelner Magnete sollen unterschiedliche Strömungen realisiert werden. Zur Erzielung hinreichender Rührwirkungen wird empfohlen, das Verhältnis der elektromagnetischen Kraft zu der Konvektionskraft gemäß Gleichung (1) Here, alternating currents with a frequency of 50 Hz and alternating magnetic fields of the same frequency are used. The phase position does not necessarily have to match. The magnetic field is generated by one or more single-phase and three-phase iron-bearing alternating current magnets, which are externally adapted to the melting vessels. Different flows are to be realized by separately controlling individual magnets. In order to achieve sufficient stirring effects, it is recommended that the ratio of the electromagnetic force to the convection force according to equation (1)
B B
>1 :D  > 1: D
einzustellen. Es bezeichnen: adjust. Designate it:
j - die elektrische Stromdichte in der Schmelze, B - die magnetische Flussdichte,  j - the electrical current density in the melt, B - the magnetic flux density,
g - die Erdbeschleunigung,  g - gravitational acceleration,
PF - die Dichte der Glasschmelze, P F - the density of the glass melt,
ßF - den thermischen Volumen-Ausdehnungskoeffizienten der Schmelze ß F - the thermal volume expansion coefficient of the melt
Δi3- - den Temperaturgradienten in der Schmelze.  Δi3- - the temperature gradient in the melt.
Obwohl hier schon die vorteilhafte Nutzung von Lorentzkräften zur Strömungsbeeinflussung von Glasschmelzen vorgeschlagen wird, lassen die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren nur eine Veränderung der Strömung in oder entgegen der Schwerkraft zu. Auch nach [3] wird eine deutliche Verbesserung der Farbcharakteristik UV-absorbierender Gläser erzielt, wenn durch die Schmelze über Top-Elektroden ein Wechselstrom geführt und senkrecht dazu ein magnetisches Wechselfeld das Schmelzgefäß durchdringt. Die bessere Verteilung der färbenden Glasbe- standteile (Cr3VCr6+-; Fe3+- Ionen) wird auf die aus der elektromagnetisch generierten Volumenkraftdichte - im folgenden als Lorentzkräftdichte bezeichnet - - A - Although the advantageous use of Lorentz forces for influencing the flow of glass melts is already proposed here, the proposed devices and methods only allow a change in the flow in or against gravity. A significant improvement in the color characteristics of UV-absorbing glasses is also achieved according to [3] if an alternating current is passed through the melt via top electrodes and a magnetic alternating field penetrates the melting vessel perpendicular to it. The better distribution of the coloring glass components (Cr 3 VCr 6+ -; Fe 3+ - ions) is based on the volume force density generated electromagnetically - hereinafter referred to as Lorentz force density - - A -
( 2 )(2)
L dV mit fL - Lorentzkraftdichte, L dV with f L - Lorentz force density,
FL - Lorentzkraft, F L - Lorentz force,
V - Volumenelement, resultierenden Strömung in der Glasschmelze zurückgeführt. Die erzielten Stromungsgeschwindigkeiten sollen bei einer magnetischen Induktion von 0,15 T bis zu 12 cm/s betragen haben. Über die Stromdichten j in der Schmelze liegen keine Angaben vor.  V - volume element, resulting flow in the glass melt is returned. The flow rates achieved should have been up to 12 cm / s with a magnetic induction of 0.15 T. No information is available on the current densities j in the melt.
Daneben sind aus [4] weitere Ergebnisse zum elektromagneti- sehen Ruhren in einer kleintechnischen Anlage (Kanalschmelzer mit 0,8 m3 Fassungsvermögen) bekannt. Hierbei werden zwei hufeisenförmige Wechselstrommagnete an den Seitenwanden des Kanalschmelzers gegenüberliegend angebracht, so dass sich das Magnetfeld über den Schmelzkanal schließen muss. Drei Elekt- roden sind im Bereich der Einwirkung der Magnetfelder der Wechselstrommagneten mittig im Schmelzkanal mit einem In addition, from [4] further results on electromagnetic stirring in a small-scale plant (channel melter with 0.8 m 3 capacity) are known. Two horseshoe-shaped alternating current magnets are attached opposite each other on the side walls of the channel melter, so that the magnetic field must close across the melting channel. In the area of the action of the magnetic fields of the AC magnets, three electrodes are centered in the melting channel with one
bestimmten Abstand positioniert, so dass das elektrische Stromungsfeld zwischen den Elektroden mit dem in die Schmelze eindringenden Magnetfeld gekreuzt und endliche Lorentzkraft- dichten generiert werden, die wiederum Strömungen im Kanalquerschnitt initiieren. Die Wirkung dieser Strömung soll zur Homogenisierung der Schmelze beitragen. Die Effekte werden anhand von Brechzahlmessungen an Proben aus der erkalteten Schmelze nachgewiesen. Die mittleren Induktionen in der Glas- schmelze betragen zwischen 0,015 T bis 0,249 T. In SU 81 49 04 wird ein Verfahren zur Verbesserung der Läuterung und Homogenisierung von insbesondere hochviskosen Glasschmelzen (bis zu 500 Pas bei Temperaturen von 12500C bis zu 1460°C) in einem speziellen Schmelzaggregat vorgeschlagen, wobei eine Strömung der Größenordnung 4 bis 5 cm/s und deren Wechsel (z. B. alle 3 bis 5 min) zwischen horizontaler und vertikaler Richtung ( = parallel zur Schwerkraft) mittels entsprechend in der Schmelze wirkenden Lorentzkraftdichten erzwungen wird. Dazu befinden sich in der Schmelze 3 Elektro- denpaare, womit Stromdichteverteilungen je nach Glasart vonPositioned a certain distance, so that the electric current field between the electrodes crossed with the magnetic field penetrating into the melt and finite Lorentz force densities are generated, which in turn initiate flows in the channel cross section. The effect of this flow is said to contribute to the homogenization of the melt. The effects are demonstrated on the basis of refractive index measurements on samples from the cooled melt. The average induction in the glass melt is between 0.015 T to 0.249 T. In SU 81 49 04 a method for improving the refining and homogenization of particularly highly viscous molten glass (up to 500 Pas at temperatures of 1250 0 C to 1460 ° C) is proposed in a special melting unit, wherein a flow of the order of 4 to 5 cm / s and their change (e.g. every 3 to 5 min) between the horizontal and vertical direction (= parallel to gravity) is forced by means of corresponding Lorentz force densities acting in the melt. For this there are 3 pairs of electrodes in the melt, with which current density distributions of depending on the type of glass
10 bis etwa 50 mA/mm2 realisiert werden und außen am Schmelzaggregat ein Elektromagnet, der ein zu der Stromdichte senkrecht stehendes und zeitlich synchrones Magnetfeld (Flussdichte bis 40 mT) erzeugt. Die Richtungswechsel, z.B. von horizontaler nach vertikaler Strömung, werden durch das 10 to about 50 mA / mm 2 and an electromagnet on the outside of the melting unit, which generates a magnetic field that is perpendicular to the current density and synchronous in time (flux density up to 40 mT). The changes of direction, for example from horizontal to vertical flow, are determined by the
Umschalten der Elektroden und des Elektromagneten mittels eines nicht näher beschriebenen Gerätes vorgenommen. Die unterschiedlich gerichtete Ausbildung der Strömung erfolgt aufgrund der jeweils generierten Lorentzkraftverteilung aber zeitlich versetzt, so dass getrennte Arbeitsschritte erforderlich sind, die zum Läutern oder zum Homogenisieren der Glasschmelze dienen. Die Dauer der elektromagnetische Läute- rungs- und Homogenisierungsprozeduren beträgt bis zu mehreren Stunden (1 bis 3 h) . Die Verbesserung der Glasqualität durch die elektromagnetisch initiierten Strömungen wurde anhand der Abnahme der Blasenhaltigkeit von Glasproben im Vergleich zu traditionell hergestellten Gläsern (ohne magnetisches Rühren) nachgewiesen. Als Beispiele sind u.a. für verschiedene Glaszusammensetzungen (in Ma-%) folgende Prozeduren angegeben: • 31 , 04 % S iO2 ; 65 , 57 % PbO ; 2 , 64 % Na2O ; 0 , 5 % As2 O 3 und 0 , 25 %Switching of the electrodes and the electromagnet made by means of a device not described in detail. Due to the Lorentz force distribution generated in each case, the flow is designed in different directions, so that separate work steps are required which are used for refining or for homogenizing the glass melt. The duration of the electromagnetic refining and homogenization procedures is up to several hours (1 to 3 hours). The improvement in glass quality due to the electromagnetically initiated flows was demonstrated by the decrease in the bubble content of glass samples compared to traditionally produced glasses (without magnetic stirring). The following procedures are given as examples for various glass compositions (in% by mass): • 31.04% S iO 2 ; 65.57% PbO; 2.64% Na 2 O; 0.5% As 2 O 3 and 0.25%
Sb2O3 ; Sb 2 O 3 ;
Aufschmelzen: 13500C, 3 h Melting: 1350 0 C, 3 h
Läutern: 14800C (30 Pas); 50 mA/mm2; 50 mT; Richtungswechsel alle 5 min; 15 min Gesamtdauer Homogenisieren: 12400C (50 - 70 Pas); 50 mA/mm2; 50 mT; Purification: 1480 0 C (30 Pas); 50 mA / mm 2 ; 50 mT; Change of direction every 5 min; 15 min total homogenization time: 1240 0 C (50 - 70 Pas); 50 mA / mm 2 ; 50 mT;
Richtungswechsel alle 5 min; 90 min Gesamtdauer • 65,15% SiO2; 12,11% B2O3; 3,19% Al2O3; 1,56% BaO; 1,20% CaO; Change of direction every 5 min; 90 min total duration • 65.15% SiO 2 ; 12.11% B 2 O 3 ; 3.19% Al 2 O 3 ; 1.56% BaO; 1.20% CaO;
0,50% MgO; 6,10% K2O; 9,89% Na2O und 0,30% As2O3; 0.50% MgO; 6.10% K 2 O; 9.89% Na 2 O and 0.30% As 2 O 3 ;
Aufschmelzen: 13800C - 1420°C, 3 h Melting: 1380 0 C - 1420 ° C, 3 h
Läutern: 14400C - 1460°C (20 - 25 Pas); 20 mA/mm2; Affine: 1440 0 C - 1460 ° C (20-25 Pas); 20 mA / mm 2 ;
40m T; Richtungswechsel alle 2,5 min;  40m T; Change of direction every 2.5 min;
15 min Gesamtdauer  15 min total duration
Homogenisieren: 1280°C - 12600C (225 - 230 Pas); Homogenize: 1280 ° C - 1260 0 C (225 - 230 Pas);
50 mA/mm2; 40 mT; Richtungswechsel alle 5 min; 90 min Gesamtdauer 50 mA / mm 2 ; 40 mT; Change of direction every 5 min; 90 min total duration
• 42,80% SiO2; 45,00% PbO; 10,40% K2O; 1,50% Na2O; 0,30% As2O3 Aufschmelzen: 1380°C, 3 h 42.80% SiO 2 ; 45.00% PbO; 10.40% K 2 O; 1.50% Na 2 O; 0.30% As 2 O 3 melting: 1380 ° C, 3 h
Läutern: 1450 °C ( 20 Pas); 30 mA/mm2; 50m T; Purification: 1450 ° C (20 Pas); 30 mA / mm 2 ; 50m T;
Richtungswechsel alle 5 min; 30 min Gesamtdauer Homogenisieren: 12800C (120 Pas); 30 mA/mm2; 50 mT; Change of direction every 5 min; 30 min total homogenization time: 1280 0 C (120 Pas); 30 mA / mm 2 ; 50 mT;
Richtungswechsel alle 5 min; 60 min Gesamtdauer  Change of direction every 5 min; 60 min total duration
In SU 10 244 23 wird ebenfalls ein Verfahren zur Verbesserung der Homogenität von Glasschmelzen mit Hilfe von Lorentzkräf- ten beschrieben, wobei nacheinander länger andauernd (5 - 20 min) ein niederfrequentes magnetisches Grundfeld (0,2 - 0,6SU 10 244 23 also describes a method for improving the homogeneity of glass melts with the help of Lorentz forces, with a low-frequency magnetic field (0.2-0.6
T; 50 Hz) und kurz (0,5 - 2,5 s) ein weiteres, aber höherfre- quentes Magnetfeld (0,01 - 0,03 T, 19 - 250 kHz) auf eine mit einer elektrischen Stromdichte (synchron mit dem Grundfeld) durchsetzten Glasschmelze einwirken. Die Zeit für die elekt- romagnetische Homogenisierungsprozedur beträgt 15 min bis 60 min. Dieses Schmelzverfahren soll insbesondere für die T; 50 Hz) and briefly (0.5 - 2.5 s) another, but higher-frequency magnetic field (0.01 - 0.03 T, 19 - 250 kHz) with an electrical current density (synchronous with the basic field) penetrate melted glass. The time for the electromagnetic homogenization procedure is 15 minutes to 60 minutes. This melting process is intended in particular for
Herstellung von optischen Gläsern geeignet sein. Die JP 2000-128547 hingegen beschreibt elektromagnetisch initiierte Rührwirkungen in Glasschmelzen bestimmter Zusammensetzung, deren Schmelzzustand in einem induktiv beheizten Platintiegel erzeugt wird. Ein magnetisches Feld - vermutlich Gleichfeld - mit einer Intensität im Bereich von 0,1 T bis 8 T wird senkrecht oder parallel zur Tiegelachse aufgeprägt. Als Einwirkzeiten des Magnetfeldes werden 2 bis 5 h angegeben. Die Zusammensetzung der Glasschmelzen sollte mindestens eines der bekannten netzwerkbildenden Oxide SiC>2, B2O3, P2O5 oder GeC>2 enthalten. Der Anteil dieser Netzwerkbildner - einzeln oder in der Summe - muss allerdings kleiner als 30 mol-% betragen. Auf die Erzeugung einer elektrischen Stromdichte in der Schmelze über Elektroden wird nicht hingewiesen. Es ist somit davon auszugehen, dass in der Schmelze kein von außen initiierter Ionenstrom (d.h. über Elektroden eingeprägt oder elektrisch induziert) fließt. Trotzdem wird eine zusätzliche Strömung festgestellt. Der Einfluss dieser elektromagnetisch hervorgerufenen Strömungen wurde mit Laborexperimenten unter definierten Betriebszuständen durch Messung der veränderten Temperaturverteilungen nachgewiesen. Insbesondere Gläser mit hoher Homogenität und Transmission für optische Anwendungen (Lichtleitfasern, Lasergläser, Gläser extrem hoher Brechzahl, IR-Gläser, ... ) sollen damit ohne mechanisches Rühren herstellbar sein. Angegeben werden z.B. zweistündige Schmelzprozeduren mit 2 T mit folgenden Zusammensetzungen (in mol-%) : Production of optical glasses may be suitable. JP 2000-128547, on the other hand, describes electromagnetically initiated stirring effects in glass melts of a certain composition, the melting state of which is generated in an inductively heated platinum crucible. A magnetic field - presumably constant field - with an intensity in the range of 0.1 T to 8 T is applied perpendicular or parallel to the crucible axis. The exposure time of the magnetic field is 2 to 5 hours. The composition of the glass melts should contain at least one of the known network-forming oxides SiC> 2, B2O3, P2O5 or GeC> 2. The proportion of these network formers - individually or in total - must, however, be less than 30 mol%. No reference is made to the generation of an electrical current density in the melt via electrodes. It can therefore be assumed that no ion current initiated from outside (ie impressed via electrodes or electrically induced) flows in the melt. Nevertheless, an additional flow is found. The influence of these electromagnetically induced flows has been demonstrated in laboratory experiments under defined operating conditions by measuring the changed temperature distributions. In particular, glasses with high homogeneity and transmission for optical applications (optical fibers, laser glasses, glasses with extremely high refractive index, IR glasses, ...) should be able to be produced without mechanical stirring. For example, two-hour melting procedures with 2 T are given with the following compositions (in mol%):
• 77,80% TeO2; 3,10% PbO; 14,10% B2O3; 1, 60% Bi2O3; 1, 6% WO3; • 77.80% TeO 2 ; 3.10% PbO; 14.10% B 2 O 3 ; 1.60% Bi 2 O 3 ; 1.6% WO 3 ;
1,8% Al2O3 bei 9000C (→ hochbrechende Telluritgläser) ,1.8% Al 2 O 3 at 900 0 C (→ high-index tellurite glasses),
• 51,00% ZrF4; 20,00% BaF2; 4,50% LaF3; 4,50% AlF3; 20,00% NaF2 bei 9000C (→ Zirkonf luoridgläser für Lichtleiter) ,• 51.00% ZrF 4 ; 20.00% BaF 2 ; 4.50% LaF 3 ; 4.50% AlF 3 ; 20.00% NaF 2 at 900 0 C (→ zirconium fluoride glasses for light guides),
• 21, 60% Bi2O3; 44,80% PbO; 13, 60% Ga2O3; 20,00% GeO2 bei 1000 - 1250°C (→ Germanatgläser) . Diese Druckschrift enthalt keine Erläuterungen zu den Ursachen der erzielten Effekte. Vermutlich erzeugt die induktive Erwärmung der Tiegelwand eine starke lokale Erwärmung der Schmelze in den Außenbereichen, wodurch eine intensive • 21, 60% Bi 2 O 3 ; 44.80% PbO; 13, 60% Ga 2 O 3 ; 20.00% GeO 2 at 1000 - 1250 ° C (→ Germanate glasses). This publication does not contain any explanation of the causes of the effects achieved. The inductive heating of the crucible wall presumably produces a strong local heating of the melt in the outer areas, as a result of which an intensive
Konvektion in der Schmelze entsteht. Infolge des sehr geringen Netzwerkbildneranteils der halbleitenden bzw. hochionen- leitenden Glaser stellt diese Strömung gleichzeitig einen Gleichstrom dar. Die Kreuzung dieses naturlichen Gleichstromes mit einem ausreichend starken statischen Magnetfeld fuhrt zu einer konstanten und in einer Richtung wirkenden Lorentz- kraft, die die vorhandene Konvektionsstromung verändert, so dass die festgestellten Homogenisierungseffekte entstehen. Aber auch hier ist die elektromechanische Stromungsbeeinflussung von der Konvektion und damit von dem Vorhandensein einer Schwerkraft und eines Temperaturgradienten abhangig. Es wird auf keinen Fall eine thermische Homogenisierrung erzielt. Convection occurs in the melt. As a result of the very low network component of semiconducting or highly ion-conducting glasses, this flow also represents a direct current. The crossing of this natural direct current with a sufficiently strong static magnetic field leads to a constant and unidirectional Lorentz force that changes the existing convection current , so that the observed homogenization effects arise. But here, too, the electromechanical flow control depends on convection and thus on the presence of gravity and a temperature gradient. Under no circumstances is thermal homogenization achieved.
Das trifft auch für das in DE 10 2004 015 055 Al vorgeschlagene Verfahren und die dazugehörige Anordnung zur gezielten Beeinflussung des Flusses einer Glasschmelze bei der Überführung aus dem Schmelzofen in einem Verarbeitungsprozess zu. Die Lorentzkrafte können nur in oder entgegen der Schwerkraft bzw. der Hauptstromung erzeugt werden. In DE 31 05 070 Al wird ein Verfahren zur Herstellung vonThis also applies to the method proposed in DE 10 2004 015 055 A1 and the associated arrangement for specifically influencing the flow of a glass melt during the transfer from the melting furnace in a processing process. The Lorentz forces can only be generated in or against gravity or the main flow. DE 31 05 070 A1 describes a process for the production of
Glasfasern vorgeschlagen, wobei mit radial wirkenden elektrischen und/oder elektromagnetischen Feldkraften, die auf ein aufgeschmolzenes, mit Dotierstoffen vermengtes Glasgemisch wirken, die radiale Verteilung der thermisch ionisierten Dotierstoffe verändert und somit die Brechzahlverteilung über den Faserquerschnitt gezielt eingestellt. Das elektrische Feld wird zwischen einer in das Glasgemisch eintauchenden Mittenelektrode, die kurz vor dem Erstarren der Schmelze wieder entfernt wird und einer Außenelektrode, die konzen- zentrisch zur Mittenelektrode angeordnet ist und das Glasgemisch umgibt, eingeprägt. Um Kontaminationen infolge Korrosion der Elektroden zu vermeiden, kann auch um das Glasge- misch eine Spule (Toroid) angeordnet werden, die ein axiales Magnetfeld erzeugt. In diesem Fall muß das Glasgemisch gedreht werden. Dann soll die damit induzierte radial Glass fibers are proposed, the radial distribution of the thermally ionized dopants being changed with radially acting electrical and / or electromagnetic field forces which act on a melted glass mixture mixed with dopants, and thus the refractive index distribution over the fiber cross section being set in a targeted manner. The electric field is between a central electrode immersed in the glass mixture, which is just before the melt solidifies is removed again and an outer electrode, which is arranged concentrically to the center electrode and surrounds the glass mixture, is impressed. In order to avoid contamination due to corrosion of the electrodes, a coil (toroid) can be arranged around the glass mixture, which generates an axial magnetic field. In this case the glass mixture must be turned. Then the induced should be radial
wirkende Lorentzkraft die radiale Ionenverteilung verandern. Stärkere Effekte verspricht man sich, wenn man das axiale Magnetfeld mit dem radialen elektrischen Feld kombiniert. acting Lorentz force change the radial ion distribution. One promises stronger effects if one combines the axial magnetic field with the radial electrical field.
In keinen der aufgezeigten Falle wird eine Strömung im Glas erzeugt, sondern die thermisch bedingte Diffusion der Ionen durch die generierten Feldkrafte gerichtet. Weiterhin ist zu beachten, dass die Feldkrafte sowohl auf die Kationen als auch auf die Anionen wirken. Diese Wirkung ist aber aufgrund der Ladung der Ionen entgegengesetzt gerichtet, so dass sich das Glas entmischt und nicht homogenisiert wird. Die Wirkung dieser entscheidend nachteiligen Effekte verringert sich auch nicht bei Verwendung von asymmetrischen Wechselfeldern , deren eine Halbwelle bis auf 20 % unterdruckt wird. In none of the cases shown is a flow generated in the glass, but the thermal diffusion of the ions is directed by the generated field forces. It should also be noted that the field forces act on both the cations and the anions. However, due to the charge of the ions, this effect is directed in the opposite direction, so that the glass segregates and is not homogenized. The effect of these decisively disadvantageous effects does not diminish when using asymmetrical alternating fields, the half wave of which is suppressed to 20%.
In US 6 849 121 Bl werden in einem rotationssysmmetrischen Graphittiegel durch die Erzeugung einer tangential wirkenden Lorentzkraftverteilung, generiert mittels einer radialenIn US 6 849 121 B1 are generated in a rotationally symmetrical graphite crucible by generating a tangent Lorentz force distribution by means of a radial
Stromdichteverteilung, welche zwischen einer Graphitelektrode kleinen Durchmessers und dem Graphittiegel selbst durch Anlegen einer Gleichspannung eingeprägt wird, und der Überlagerung mit einem axialen Magnetfeld, erzeugt mittels einer den Tiegel umschließenden Solenoid-Spulenanordnung, tangentiale Strömungen in der Schmelze erzwungen, die die Schmelze chemisch homogenisieren sollen und damit am unteren Tiegelaustritt ein uniformes Kristallwachstum gestatten. Die Verwendung von Gleichfeldern ist generell für Glasschmelzen nicht sinnvoll, da das elektrische Feld eine Dissoziation erzwingt. Weiterhin ist bei diesem Prozess keine Hauptstro- mung in axialer Richtung vorhanden. Ebenso bilden sich infolge der elektrischen Leitfähigkeit des Tiegelbodens auch axial gerichtete Sromdichteverteilungen zwischen Mittenelektrode und Tiegel aus. Das fuhrt dazu, dass insbesondere im Bereich des Tiegelbodens, dort wo sich die Kristalle bilden, keine tangentialen Lorentzkrafte und somit im ExtremfallCurrent density distribution, which is impressed between a graphite electrode of small diameter and the graphite crucible itself by applying a DC voltage, and the superimposition with an axial magnetic field, generated by means of a solenoid coil arrangement surrounding the crucible, forces tangential flows in the melt which are intended to chemically homogenize the melt and thus allow uniform crystal growth at the lower crucible outlet. The use of constant fields is generally not advisable for glass melts, since the electric field forces dissociation. Furthermore, there is no main flow in the axial direction in this process. Likewise, due to the electrical conductivity of the crucible bottom, axially directed current density distributions are formed between the center electrode and the crucible. This means that, particularly in the area of the crucible bottom, where the crystals form, there are no tangential Lorentz forces and thus in extreme cases
(Stromdichte parallel zum Magnetfeld) keine tangentiale Strömungen entstehen können. Weiterhin sind mit der vorgeschlagenen Anordnung infolge der dünnen Mittenelektrode nur kleine Stromdichten in der Schmelze realisierbar, da eine Oberfla- chengrenzstromdichte der Elektroden von < 2 A/cm2 eingehalten werden muss. Eine Überschreitung wurde die Elektrodenkorrosion exponentiell vergrößern und damit die Bildung reiner Kristalle unmöglich machen. Kleine Stromdichten bewirken aber bei ebenfalls kleinen Flussdichten, die von konventionellen Solenoidwicklungen erzeugt werden, entsprechend geringe (Current density parallel to the magnetic field) no tangential flows can arise. Furthermore, due to the thin center electrode, only small current densities in the melt can be realized with the proposed arrangement, since a surface current limit density of the electrodes of <2 A / cm 2 must be maintained. Exceeding this would increase electrode corrosion exponentially, making the formation of pure crystals impossible. However, small current densities result in correspondingly low flux densities, which are also generated by conventional solenoid windings
Lorentzkrafte (vgl. Gl. (2), die wiederum nur kleine Strömungen in der Schmelze und somit eine unzureichende Homogenisierung der Schmelze zur Folge haben. Somit mussten teure Hochfeldmagnetsysteme eingesetzt werden, um hinreichende Effekte zu erzielen.  Lorentz forces (cf. Eq. (2), which in turn only result in small flows in the melt and thus inadequate homogenization of the melt. This means that expensive high-field magnet systems had to be used in order to achieve sufficient effects.
Ahnliche Anordnungen werden auch in EP 0500 970 Al zur Stromerzeugung vorgeschlagen. Hier wird allerdings infolge der Bewegung eines niedrig elektrisch leitfahigen, aber niedrig viskosen Fluid (z.B. Seewasser) durch das starke Gleichfeld (10 bis 20 T) eines supraleitenden Solenoidmagneten im Fluid eine elektrische Stromdichte - anolog den bekannten MHD-Gene- ratoren - induziert und nicht durch ein externes Magnetfeld induziert bzw. über Elektroden eingeprägt. Similar arrangements are also proposed in EP 0500 970 A1 for power generation. However, due to the movement of a low electrically conductive, but low viscous fluid (e.g. sea water) through the strong DC field (10 to 20 T) of a superconducting solenoid magnet in the fluid, an electrical current density - anologically known MHD genes - rators - induced and not induced by an external magnetic field or impressed via electrodes.
In der Patentanmeldung PCT/FR2004/050319 (WO 2005/008157 A2) wird ein Verfahren beschrieben, das nach dem Prinzip desPatent application PCT / FR2004 / 050319 (WO 2005/008157 A2) describes a method which is based on the principle of
Induktionstiegelofens arbeitet. Bei diesem Verfahren wird ein zweiter galvanisch getrennter, aber induktiv gekoppelter Induktor benutzt, der ein entgegengesetzt gerichtetes, ebenfalls hochfrequentes elektromagnetisches Feld (0,1 MHz < f < 20 MHz) erzeugt, das auch die Schmelze durchdringt. Die elektromagnetische Kraftwirkung, die sich aus der Wechselwirkung der in der Schmelze induzierten Wirbelströme und den sich überlagernden Induktorfeldern ergibt, erzeugt eine Induction crucible furnace works. In this method, a second galvanically isolated but inductively coupled inductor is used, which generates an oppositely directed, also high-frequency electromagnetic field (0.1 MHz <f <20 MHz), which also penetrates the melt. The electromagnetic force effect, which results from the interaction of the eddy currents induced in the melt and the overlapping inductor fields, creates one
Veränderung der Geometrie der Schmelzoberfläche und eine intensivere, turbulente Durchmischung, wodurch sich das Changes in the geometry of the enamel surface and a more intensive, turbulent mixing, which changes the
Aufschmelzverhalten von eingebrachtem Glaspulver verbessert. Die Effekte können mit einer Phasenverschiebung der beiden Induktorsysteme von 20° bis 40° erzielt werden. Jedoch sind aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit von Glas- schmelzen und der hohen Verluste sowie des hohen technischen Aufwands für die elektrische Stromversorgung des Induktorsystems die realisierbaren geometrischen Abmessungen des Schmelzaggregates stark eingeschränkt (Durchmesser des  Improved melting behavior of introduced glass powder. The effects can be achieved with a phase shift of the two inductor systems of 20 ° to 40 °. However, due to the low electrical conductivity of glass melts and the high losses as well as the high technical complexity for the electrical power supply of the inductor system, the geometrical dimensions of the melting unit that can be realized are severely restricted (diameter of the
Ausführungsbeispiels ca. 10 cm). Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass ein kontinuierlicher Betrieb des Herstellungsverfahrens bisher nicht realisiert wurde. 10 cm). Another disadvantage of this method is that a continuous operation of the manufacturing process has not yet been realized.
In der nationalen sowie auch in der internationalen Praxis finden Glasschmelzanlagen mit den bisher bekannten, oben angeführten Vorrichtungen zur elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung gegenwärtig keine Anwendung, da die damit erzielbaren Effekte nicht ausreichend sind. Hauptursache dafür ist die ungenügende Durchmischung und Homogenisierung der Schmelze aufgrund zu geringer Gradienten der Geschwindigkeit im Fluidvolumen . Zudem fuhren die exponentiellen Tempe- raturabhangigkeiten der Eigenschaften (Viskosität, elektrische Leitfähigkeit) von Glasschmelzen zu einer nur schwer beherrschbaren Durchflusssteuerung bzw., -regelung, besonders im Fall von inhomogenen Glasschmelzen. In national as well as in international practice, glass melting plants with the previously known devices for influencing electromagnetic flow are currently not used, since the effects that can be achieved with them are not sufficient. The main reason for this is insufficient mixing and homogenization the melt due to insufficient gradients of the velocity in the fluid volume. In addition, the exponential temperature dependencies of the properties (viscosity, electrical conductivity) of glass melts lead to a difficult to control flow control or regulation, especially in the case of inhomogeneous glass melts.
Eine weitere Ursache für den bisher nicht realisierten Another cause for the previously unrealized
Einsatz ist eine ungenügende und/oder diffuse Durchdringung der Schmelzen mit den extern erzeugten Magnetfeldern, so dass die vektorielle Verknüpfung mit der elektrischen Stromdichte in der Schmelze nicht zu der maximal möglichen Lorentzkraft- dichte fuhrt. Des Weiteren sind die Aufwendungen für die Erzeugung des erforderlichen externen Magnetfeldes zu hoch. Das trifft insbesondere für Hochfeldmagnete zu. Dadurch lassen sich die erzielten Effekte nicht wertschopfend umsetzen. Zudem fuhren die Maßnahmen zur elektromagnetischen Stromungsbeeinflussung teilweise zu nachteiligen Nebeneffekten:Use is inadequate and / or diffuse penetration of the melt with the externally generated magnetic fields, so that the vectorial connection with the electrical current density in the melt does not lead to the maximum possible Lorentz force density. Furthermore, the expenditure for generating the required external magnetic field is too high. This is especially true for high field magnets. As a result, the effects achieved cannot be implemented in a value-adding manner. In addition, the measures to influence electromagnetic currents sometimes lead to disadvantageous side effects:
• Reboiling infolge ortlicher Uberhitzungen durch ungleich- maßige Verteilung der eingeprägten elektrischen Stromdichten, das durch die exponentielle Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit von Glasschmelzen mit der Temperatur noch verstärkt werden kann, Reboiling as a result of local overheating due to the uneven distribution of the impressed electrical current densities, which can be increased by the exponential increase in the electrical conductivity of glass melts with temperature.
• Aufwolbungen/Durchbruch der Gemengedecke bei vollelektri- sehen Schmelzen (VES) über den Bodenelektroden (Bottom- Elektroden) infolge der in Elektrodennahe starken und nach oben gerichteten naturlichen Lorentzkrafte und daraus resultierendes Ansteigen der Warmeabstrahlung und Gewolbe- schaden .  • Bulging / breakthrough of the batch ceiling in the case of fully electric melts (VES) above the bottom electrodes (bottom electrodes) as a result of the strong Lorentz forces near the electrodes and directed upwards and the resulting increase in heat radiation and vault damage.
Die zur Zeit verwendeten Technologien zur Stromungsbeeinflussung (Konvektion, mechanisches Ruhren) haben den Nachteil, dass die Eigenschaften der Glasschmelze unmittelbar vor dem Verlassen des Schmelzaggregates nur unzureichend steuerbar sind. Besonders zu nennende Problemstellungen sind: The currently used technologies for influencing the flow (convection, mechanical stirring) have the disadvantage that the properties of the glass melt immediately before Leaving the melting unit are insufficiently controllable. Problems to be mentioned are:
• auf empirischen Ansätzen basierende Durchflusssteuerung / Portionierung der Schmelze  • Flow control / portioning of the melt based on empirical approaches
• unzureichende chemische und thermische Homogenität der • insufficient chemical and thermal homogeneity of the
Schmelze  melt
• Kristallisationen in der Schmelze.  • Crystallizations in the melt.
Für die sich anschließende Formgebung bedeutet das unter Umständen lange Einfahrzeiten des Prozesses, große Toleranzen in der Maßhaltigkeit und in den Eigenschaften des gefertigten Produktes. Die steigenden Anforderungen an technische Gläser sowie der Trend zur Kostenreduzierung erfordern aber eine stetige Verbesserung der Glasproduktion. Ebenso ist das For the subsequent shaping, this may mean long running-in times for the process, large tolerances in the dimensional accuracy and in the properties of the manufactured product. However, the increasing demands on technical glasses and the trend towards cost reduction require a constant improvement in glass production. It is the same
Schmelzen neuer, vor allem hochschmelzender Glaszusammensetzungen notwendig. Um die erforderliche Qualität des Glasproduktes auch in Zukunft gewährleisten zu können, sind demnach die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in einem Schmelzaggregat von großer Bedeutung. Melting of new, especially high-melting glass compositions is necessary. In order to be able to guarantee the required quality of the glass product in the future, the options for influencing the flow conditions in a melting unit are of great importance.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur elektromagnetischen Beeinflussung der Strömungsverhältnisse von vorrangig Glasschmelzen oder anderen gering elektrisch leitfähigen, viskosen Fluiden in Kanälen beliebigen Querschnitts zu schaffen, die Strömungsbeeinflussungen von der Schwerkraft unabhängig, abschnittsweise, effizent, gezielt steuerbar und werkzeuglos ermöglichen. Damit sollen einerseits die für die chemische Homogenisierung in laminaren Strömungen charakteristischen Diffusionszeiten (durch Maxi- mierung der Grenzfläche der Inhomogenitäten) und andererseits gleichzeitig die Temperaturgradienten simultan minimiert sowie die Verweilzeit des Fluides im Kanal eingestellt werden können. Weiterhin soll die Homogenisierung (thermisch und chemisch) über den gesamten Strömungsquerschnitt erfolgen und durch Veränderung der Verweilzeit eine Durchflusssteuerung bzw. -regelung möglich werden. The object of the invention is therefore to provide a method and a device suitable for carrying out the method for the electromagnetic influencing of the flow conditions of primarily glass melts or other slightly electrically conductive, viscous fluids in channels of any cross section, the flow influences from gravity independently, in sections, efficiently , specifically controllable and tool-free. This is intended on the one hand to minimize the diffusion times characteristic of chemical homogenization in laminar flows (by maximizing the interface of the inhomogeneities) and on the other hand to simultaneously minimize the temperature gradients and to set the residence time of the fluid in the channel can. Furthermore, the homogenization (thermal and chemical) should take place over the entire flow cross-section and flow control or regulation should be possible by changing the dwell time.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein im Anspruch 1 angegebens Verfahren und Vorrichtungen nach den Ansprüchen 17 und 18 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 16 gekennzeichnet, während bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtungen in den Patentansprüchen 19 bis 33 angegeben sind. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch charakterisiert, dass die Wandung des Kanals, die unmittelbar mit dem Fluid in Verbindung steht, partiell oder vollständig elektrisch leitfähig ausgeführt wird, und in dem Kanal eine Innenelektrode mittig angeordnet und ebenso wie die Außenelektrode partiell oder vollständig elektrisch leitfähig ausgeführt wird, so dass beim Anlegen einer Wechselspannung an diese Außen- und Innenelektrode das Fluid über die Länge des Kanals partiell oder vollständig von einer vorrangig radialen Stromdichteverteilung durchsetzt wird. According to the invention, this object is achieved by a method and devices as claimed in claims 1 and 18. Preferred refinements of the method according to the invention are characterized in claims 2 to 16, while preferred refinements of the devices are given in claims 19 to 33. A device according to the invention is characterized in that the wall of the channel, which is in direct contact with the fluid, is partially or completely electrically conductive, and an inner electrode is arranged centrally in the channel and, like the outer electrode, is partially or completely electrically conductive , so that when an AC voltage is applied to these outer and inner electrodes, the fluid is partially or completely penetrated by a primarily radial current density distribution over the length of the channel.
Zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes in dem in diesem Kanal befindlichen Fluid, werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren konzentrisch um den Kanal mindestens zwei (oder ein Vielfaches davon) eisenlose Magnetspulen vorzugs- weise in einer Helmholtzanordnung positioniert. Diese Magnetspulen werden mit hinsichtlich des zeitlichen Verhaltens dem Elektrodenstrom analogen jedoch abschnittsweise um 180° gegeneinander phasenverschobenen Spulenströmen gespeist, so dass der Kanalquerschnitt von einem axial aber abschnittsweise entgegengesetzt ausgerichteten Magnetfeld durchdrungen wird. In Folge dessen stehen im Fluid das elektrische Stromungsfeld j und das magnetische Feld B senkrecht zueinander und ergeben hier gemäß Gleichung (2) die maximal möglicheIn order to generate an alternating magnetic field in the fluid in this channel, at least two (or a multiple thereof) ironless magnetic coils are preferably positioned in a Helmholtz arrangement concentrically around the channel in the method according to the invention. These magnetic coils are fed with coil currents which are analogous to the electrode current with respect to the temporal behavior, but are partially phase-shifted by 180 ° with respect to one another, so that the channel cross-section is penetrated by an axially but sectionally opposite magnetic field. As a result, the electrical flow field j and the magnetic field B are perpendicular to each other in the fluid and here give the maximum possible according to equation (2)
Lorentzkraftverteilung FL , die aber abschnittsweise abwechselnd - ebenso wie das Magnetfeld - tangential zur Stromdichteverteilung in positiver oder negativer Richtung ausgerichtet ist und somit ebenso ortlich abwechselnde tangentiale Geschwindigkeitskomponenten im Fluid erzeugen. Lorentz force distribution F L , which, however, is aligned alternately in sections - just like the magnetic field - tangentially to the current density distribution in a positive or negative direction and thus also produces locally alternating tangential velocity components in the fluid.
Damit sind gegenüber gleichgerichteten Lorentzkraftverteilun- gen bei sonst gleichen Bedingungen (Stromdichte im Fluid, Flussdichte der Spulen) wesentlich höhere Geschwindigkeits- gradienten im Fluid erzielbar. Dies fuhrt zu einer effizienten Homogenisierung (chemisch und thermisch) des Fluides und gleichzeitig zu einer Vergrößerung der Verweilzeit infolge der Überlagerung der tangentialen Stromungskomponenten mit der axialen Komponente aus der Hauptstromung des Fluides. Die Homogenisierung und die Verweilzeit des Fluides im Kanal sind über die Große des Elektrodenstromes, die Große des Spulenstromes und/oder deren Phasenlage zueinander, unabhängig von sonstigen Prozessparametern, variierbar, einstellbar und bei Vorhandensein entsprechender Durchflussmesseinrich- tungen auch regelbar. This means that, compared to Lorentz force distributions in the same direction, conditions of current (fluid density, flux density of the coils), which are otherwise the same, can achieve significantly higher velocity gradients in the fluid. This leads to an efficient homogenization (chemical and thermal) of the fluid and, at the same time, to an increase in the residence time due to the superimposition of the tangential flow components with the axial component from the main flow of the fluid. The homogenization and the dwell time of the fluid in the channel can be varied, adjusted and adjusted via the size of the electrode current, the size of the coil current and / or their phase relationship to one another, regardless of other process parameters, and can also be controlled if appropriate flow measuring devices are available.
Die Anordnung der Magnetspulen gemäß der Helmholtzbedingung (Spulenradius = Spulenabstand) gewahrleistet eine ausreichend gleichmaßige Verteilung des magnetischen Feldes über den gesamten Kanalquerschnitt bei minimalem Einsatz von Leitungsmaterial für diese Magnetspulen. Gegebenenfalss ist es sinnvoll, die Zu- und Ableitungen für die elektrische Versorgung der Elektroden mit positivem und negativem Wicklungssinn um den Stromungskanal zu fuhren, so dass eine ortlich verteilte aber abschnittsweise entgegenge- setzt durchflossene Spulenanordnung entsteht, die ebenso in ihrer Richtung abwechselnde Magnetfelder erzeugt. The arrangement of the magnetic coils according to the Helmholtz condition (coil radius = coil spacing) ensures a sufficiently uniform distribution of the magnetic field over the entire channel cross section with minimal use of line material for these magnetic coils. If necessary, it makes sense to route the supply and discharge lines for the electrical supply of the electrodes with positive and negative winding senses around the flow channel, so that a locally distributed but oppositely flowing coil arrangement is created, which also generates alternating magnetic fields in their direction.
Möglich ist es auch, alle Magnetspulen mit gleichen Stromrichtungen zu speisen, so dass ein in einer Richtung den Kanal und das Fluid axial durchdringendes Magnetfeld It is also possible to feed all magnetic coils with the same current directions, so that a magnetic field axially penetrating the channel and the fluid in one direction
entsteht, aber die Innen- und Außenelektrode zu segmentieren, die Segmente elektrisch voneinander zu isolieren und die gegenüberliegenden Elektrodensegmente abwechselnd entgegenzuschalten, so dass im Fluid abschnittsweise abwechselnd radial nach außen oder radial nach innen gerichtete Stromdichteverteilungen entstehen, die wiederum durch die vektorielle arises, but to segment the inner and outer electrodes, to electrically isolate the segments from each other and to switch the opposite electrode segments alternately, so that sections of the fluid alternating radially outward or radially inward are produced, which in turn are caused by the vectorial
Verknüpfung mit dem axialen Magnetfeld zur Stromdichteverteilung tangentiale, abschnittweise in positiver und negativer Richtung wirkende Lorentzkrafte generieren und somit ebenso ortlich abwechselnde, tangentiale Geschwindigkeitskomponenten im Fluid erzeugen. Generate a link with the axial magnetic field for current density distribution to generate tangential Lorentz forces, which act in sections in positive and negative directions, and thus also generate alternating, tangential velocity components in the fluid.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der erfindungsgemaßen Vorrichtung werden über die Lange eines Stromungskanales schwerkraftunabhangig zur Hauptstromungsrichtung senkrechte, abschnittsweise aber gegenläufige Strömungen erzeugt und somit die Geschwindigkeitsgradienten besonders in den Uber- gangszonen der Teilabschnitte maximiert. Die Magnetspulen oder Teile davon können zur Anpassung an die zur Verfugung stehenden Stromquellen (Mittelfrequenzgenerator, Frequenzumrichter) elektrisch in Reihe oder parallel und bezuglich der Stromrichtung in den Magnetspulen entsprechend den Erfordernissen gleich- oder entgegengesetzt verschaltet werden . With the proposed method and the device according to the invention, flows perpendicular to the main flow direction are generated over the length of a flow channel, regardless of the force of gravity, but in sections opposite flows, thus maximizing the speed gradients, particularly in the transition zones of the partial sections. The magnet coils or parts thereof can be adapted electrically to the available current sources (medium frequency generator, frequency converter) in series or in parallel and with respect to the current direction in the magnet coils the requirements are connected in the same or opposite way.
Bei hochschmelzenden Fluiden und entsprechenden Qualitätsan- forderungen sind die Innen- und die Außenelektrode (Kanalbe- wandung) aufgrund der erforderlichen Temperaturbeständigkeit aus entsprechenden Platinlegierungen auszuführen. Dies hat zur Folge, dass zur Vermeidung von Platinkorrosionen für den Spulen- und Elektrodenstrom vorzugsweise Frequenzen >1 kHz verwendet werden müssen. Für andere ElektrodenmaterialienIn the case of high-melting fluids and corresponding quality requirements, the inner and outer electrodes (channel walls) must be made of appropriate platinum alloys due to the required temperature resistance. As a result, frequencies> 1 kHz must preferably be used to avoid platinum corrosion for the coil and electrode current. For other electrode materials
(Molybdän, Zinndioxid, ... Kupfer) sind die vorhandenen Netzfrequenzen (50/60 Hz) nutzbar. (Molybdenum, tin dioxide, ... copper), the existing network frequencies (50/60 Hz) can be used.
Ein weiterer Effekt der eingeprägten elektrischen Stromdichte j besteht darin, dass das Fluid zusätzlich direkt elektrisch beheizt wird. Die zwangsläufig direkt im Fluid erzeugte Heizleistung PH entsprechend Gleichung (3) Another effect of the impressed electrical current density j is that the fluid is additionally electrically heated directly. The heating power P H inevitably generated directly in the fluid according to equation (3)
PH=—V (3) σ mit PH - Heizleistung und P H = —V (3) σ with P H - heating power and
σ - elektrische Leitfähigkeit des Fluids, kann einerseits, falls notwendig, verringert werden und die damit verbundene Reduzierung der Lorentzkraftdichte durch eine proportionale Erhöhung der magnetischen Flussdichte ausgeglichen werden (eine Reduzierung der Stromdichte j auf die Hälfte hat eine Verringerung der zusätzlichen Heizleistung auf H zur Folge; um in diesem Fall die gleiche Lorentz- kraftverteilung zu gewährleisten, ist aber nur eine Verdopplung der magnetischen Flussdichte notwendig) oder andererseits zum Ausgleich des erhöhten Wärmeverlustes infolge der modifizierten Strömungsverhältnisse genutzt werden. Diese Möglichkeiten sind vor allem für Glasschmelzen vorteilhaft. σ - electrical conductivity of the fluid can, on the one hand, be reduced if necessary and the associated reduction in the Lorentz force density can be compensated for by a proportional increase in the magnetic flux density (a reduction in the current density j to half results in a reduction in the additional heating power to H) in order to ensure the same Lorentz force distribution in this case, only a doubling of the magnetic flux density is necessary) or on the other hand to compensate for the increased heat loss due to the modified flow conditions can be used. These options are particularly advantageous for glass melts.
Die Anwendung der Erfindung bringt insbesondere Vorteile für Glasschmelztechniken mit einem elektrisch beheizten vertikalen Auslaufkanal und Tauchkolben (Plunger) zur Durchflusssteuerung für die Herstellung von hochschmelzenden, alkaliarmen oder -freien Borosilikatgläsern . Hier ist in der Regel nur der Plunger als Mittenelektrode auszuführen und das The application of the invention in particular brings advantages for glass melting techniques with an electrically heated vertical outlet channel and plunger (plunger) for flow control for the production of high-melting, low-alkali or free of borosilicate glasses. As a rule, only the plunger is to be used as the center electrode and that
Magnetsystem als Modul an die Anlagen zu adaptieren. Weiterhin sind mit der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung neue Gläser, die bei konventionellen Adapt the magnet system as a module to the systems. Furthermore, with the electromagnetic flow control according to the invention, new glasses are used, which are conventional
Herstellungstechniken zur Phasentrennung oder zur Kristallisation neigen, herstellbar. Manufacturing techniques for phase separation or crystallization tend to be produced.
Selbstverständlich liegt es aufgrund der Schwerkraftunabhängigkeit auch im Bereich der Erfindung, den Strömungskanal mit den beschriebenen Varianten des Magnet- und Elektrodensystems in jedem Winkel zur Schwerkraft bis zur horizontalen Lage anzuordnen oder das erfindungsgemässe Verfahren unter μ- gravimetrischen Bedingungen (Weltraum, Parabellflug, u.a.) durchzuführen. Die tangentialen Strömungen werden ebenso elektromagnetisch erzeugt. Das vorgeschlagene Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung ist insbesondere für die Herstellung technischer Gläser, Gläser für Flachbildschirme auf LCD- und Plasmabasis, optischer Gläser, Glasseiden, Behältergläser u.a. geeignet. Zudem lassen sich einige spezielle Gläser überhaupt erst mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung homogen schmelzen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Qualität der herzustellenden Gläser erheblich gesteigert werden kann und dass eine genauere Dosierung des Fluides und damit einher- gehend geringere Wandstärketoleranzen der Enderzeugnisse möglich werden. Of course, due to the independence of gravity, it is also within the scope of the invention to arrange the flow channel with the described variants of the magnet and electrode system at any angle to gravity up to the horizontal position or to carry out the method according to the invention under μ-gravimetric conditions (space, parabolic flight, etc.) . The tangential flows are also generated electromagnetically. The proposed method and the associated device is particularly suitable for the production of technical glasses, glasses for flat screens based on LCD and plasma, optical glasses, glass silk, container glasses and others. In addition, some special glasses can only be melted homogeneously with the help of the solution according to the invention. Another advantage of the invention is that the quality of the glasses to be produced can be increased significantly and that a more precise metering of the fluid and the associated going to be less wall thickness tolerances of the final products.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Figur 1 - einen Querschnitt und einen Ausschnitt aus dem Further advantages, details and developments of the present invention result from the following description of preferred embodiments, with reference to the drawing. FIG. 1 shows a cross section and a section from the FIG
Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;  Longitudinal section of a device according to the invention according to a first embodiment;
Figur 2 - einen Querschnitt und einen Ausschnitt aus dem Figure 2 - a cross section and a section of the
Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;  Longitudinal section of a device according to the invention according to a second embodiment;
Figur 3 - die Verteilung der magnetischen Flussdichte in Figure 3 - the distribution of the magnetic flux density in
einem Ausschnitt der Vorrichtung nach Figur 2 bei einer magnetischen Durchflutung von 2500 A, 2 shows a section of the device according to FIG. 2 with a magnetic flooding of 2500 A,
Skala in T Scale in T
Figur 4 - die Verteilung der Stromdichte im Ringspalt der Figure 4 - the distribution of the current density in the annular gap
Vorrichtung nach Figur 2 bei einer Elektroden- Spannung von 130 V und einer mittleren elektrischen Device according to Figure 2 at an electrode voltage of 130 V and a medium electrical
Leitfähigkeit der Glasschmelze von 1 S/m, Skala in A/m2 Conductivity of the glass melt of 1 S / m, scale in A / m 2
Figur 5 - die Verteilung der Lorentzkraft im Ringspalt der Figure 5 - the distribution of the Lorentz force in the annular gap
Vorrichtung nach Figur 2 bei einer Elektrodenspannung von 130 V, einer mittleren elektrischen Leitfähigkeit der Glasschmelze von 1 S/m und einer magnetischen Durchflutung von 2500 A, Skala in N/m3 Figur 6 - Prinzip einer an die erfindungsgemäße Vorrichtung angeschlossenen Durchflussregelung; Figur 7 - die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Darstellung der Elektrodenzu- und ableitungen; Device according to FIG. 2 with an electrode voltage of 130 V, an average electrical conductivity of the glass melt of 1 S / m and a magnetic flooding of 2500 A, scale in N / m 3 Figure 6 - Principle of a flow control connected to the device according to the invention; Figure 7 - the device according to the invention with a representation of the electrode supply and discharge;
Figur 8 - einen Querschnitt und einen Ausschnitt aus dem Figure 8 - a cross section and a section of the
Längsschnitt einer erfindungsgemäßen  Longitudinal section of an inventive
Vorrichtung mit segmentierten und abwechselnd entgegengeschalteten Elektroden.  Device with segmented and alternating electrodes.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zur elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung für eine insbesondere unter der Wirkung der FIG. 1 shows a device according to the invention in accordance with a first embodiment for influencing electromagnetic flow for a device, in particular under the effect of
Schwerkraft g auslaufende Glasschmelze (4) in einem vertikalen, rotationssymmetrischen Kanal dargestellt. Die Hauptströmung des Fluids kann aber auch mit einem Druck (Pumpe) erzwungen werden - insbesondere bei horizontaler Annordnung des Kanals. Gravity g emerging glass melt (4) shown in a vertical, rotationally symmetrical channel. The main flow of the fluid can also be forced with a pressure (pump) - especially when the channel is arranged horizontally.
In jedem Fall ist um den fluidführenden Kanal konzentrisch das Magnetsystem (1) positioniert. Zwischen der Außenelekt- rode (3a) des Elektrodensystems (3) , die zugleich die Kanalwand darstellt, und dem Magnetsystem (1) befindet sich eine thermische Isolation (2). Bei heißen Fluiden, wie es Glasschmelzen sind, ist es zweckmäßig, die hohen Temperaturen mittels einer thermischen Isolation (2) in Form von im Glas- Schmelzanlagenbau üblichen Feuerfestmaterialien auf Temperaturen unterhalb der zulässigen Einsatztemperaturen der für die Magnetspulen verwendeten elektrischen Leitermaterialien (Kupfer) abzubauen. Zur Auslegung dieser Wärmeisolation ist der Wärmetransport durch Leitung und Strahlung zu berücksichtigen. Bei kalten Fluiden entfällt diese Notwendigkeit. Somit können die Spulenquerschnitte des Magnetsystems kleiner gewählt werden. Im günstigsten Fall sind Magnetspulen- und Kanalquerschnitt, abgesehen von dem Platzbedarf für die elektrische Isolierung zwischen Magnetspulen und Außenelektrode, identisch. In any case, the magnet system (1) is positioned concentrically around the fluid-carrying channel. There is thermal insulation (2) between the outer electrode (3a) of the electrode system (3), which also represents the channel wall, and the magnet system (1). In the case of hot fluids, such as glass melts, it is advisable to reduce the high temperatures by means of thermal insulation (2) in the form of refractory materials common in glass melting plant construction to temperatures below the permissible operating temperatures of the electrical conductor materials (copper) used for the magnetic coils. To design this thermal insulation is to consider the heat transport through conduction and radiation. This requirement does not apply to cold fluids. The coil cross sections of the magnet system can thus be chosen to be smaller. In the best case, the magnet coil and channel cross sections are identical, apart from the space required for the electrical insulation between the magnet coils and the outer electrode.
In der Mitte des fluidführenden Kanals ist konzentrisch zur Außenelektrode (3a) des Elektrodensystems (3) die Innenelektrode (3b) angeordnet. Die Außen- und Innenelektrode können beispielsweise aus einer Platinlegierung bestehen. Zwischen der Außen- und Innenelektrode bewegt sich das Fluid (Glasschmelze) (4) in Richtung §. The inner electrode (3b) is arranged concentrically to the outer electrode (3a) of the electrode system (3) in the middle of the fluid-carrying channel. The outer and inner electrodes can be made of a platinum alloy, for example. The fluid (glass melt) (4) moves between the outer and inner electrodes in the direction of §.
Das Magnetsystem (1) besteht aus eisenlosen Ringspulen, die abwechseld entgegen geschaltet sind. Man erkennt die dabei abschnittsweise entgegenwirkenden Teilmagnetfelder (5) bzw. die abschnittsweise abwechselnd in positiver oder negativer tangentialer Richtung wirkenden Lorentzkräfte und Geschwindigkeitskomponenten im Fluid. Daraus resultiert bei sonst gleichen Bedingungen theoretisch der doppelte Geschwindigkeitsgradient - insbesondere vorteilhaft, um in hochviskosen, laminar strömenden Fluiden vorhandene Inhomogenitäten The magnet system (1) consists of ironless ring coils, which are alternately switched against each other. One recognizes the partial magnetic fields (5) that counteract in sections or the Lorentz forces and velocity components in the fluid that alternate in sections in the positive or negative tangential direction. This results in theoretically twice the speed gradient under otherwise identical conditions - particularly advantageous for the inhomogeneities present in highly viscous, laminar flowing fluids
(Schlieren) wirksam aufzulösen. (Streaks) dissolve effectively.
Die Magnetspulen mit dem Radius r0 sind im Abstand 2d konzentrisch um den Kanal angeordnet. Die Durchdringung des Fluid- volumens mit dem vom Magnetsystem (1) erzeugten magnetischen Feld ist mit den eingezeichneten magnetischen Feldlinien (5) prinzipiell dargestellt. Die Spulenquerschnitte können kreisförmig oder mehreckig ausgeführt werden. Die Intensität des magnetischen Feldes im Spulenquerschnitt hängt von der Durchflutung der Magnetspulen w * I und vom mittleren Radius r0 des Spulenpaares ab. Für die z-Komponente der Induktion auf der z-Achse (= Spulenachse, Richtung entgegen g) gilt Gleichung (4) : The magnetic coils with the radius r 0 are arranged concentrically around the channel at a distance 2d. The penetration of the fluid volume with the magnetic field generated by the magnet system (1) is shown in principle with the drawn magnetic field lines (5). The coil cross-sections can be circular or polygonal. The intensity of the magnetic field in the coil cross-section depends on the flux through the magnetic coils w * I and on the mean radius r 0 of the pair of coils. Equation (4) applies to the z component of induction on the z axis (= coil axis, direction opposite g):
£z (2,0) = - μ0r0 2iW - + - A ) £ z (2.0) = - μ 0 r 0 2 iW - + - A)
2 (r> + (d+ zyy (r> +(d -zyy wobei 2d - den Spulenabstand, 2 (r > + (d + z yy (r > + (d - z yy where 2d - the coil distance,
μo - die absolute Permeabilität,  μo - the absolute permeability,
r0 - den Spulenradius, r 0 - the coil radius,
w - die Spulenwindungszahl und  w - the number of turns of the coil and
I - den Spulenstrom bezeichnen. Demnach können bei einer vorzugsweisen Verwendung einer Helmholtzspulenanordnung mit Radien ro ≤ 20 mm und Durchflutungen von w * I = 1000 A in jedem Abschnitt Induktionen Bz(z,0) > 40 mT erzeugt werden. Mit größer werdenden Magnetspulenradien werden die erzeugten magnetischen Fluss- dichten deutlich kleiner. Dies ist durch eine höhere magnetische Durchflutung der Spulen mittels Veränderung der Spulenwindungszahl w und / oder des Spulenstromes I ausgleichbar. I - denote the coil current. Accordingly, with a preferred use of a Helmholtz coil arrangement with radii ro und 20 mm and floodings of w * I = 1000 A, induction B z (z, 0)> 40 mT can be generated in each section. As the magnet coil radii become larger, the magnetic flux densities generated become significantly smaller. This can be compensated for by a higher magnetic flux through the coils by changing the number of coil turns w and / or the coil current I.
Befinden sich in dem Magnetsystem leitfähige Gebiete, z. B. die Elektroden und das Fluid, wird das Magnetfeld in Abhängigkeit von der Größe der Frequenz des Magnetfeldes und der elektrischen Leitfähigkeit und Permeabilität dieser Gebiete geschwächt. Die Reduzierung infolge Abschirmung wird durch die Eindringtiefe δ des Magnetfeldes charakterisiert. Für die Eindringtiefe gilt Gleichung (5) :
Figure imgf000025_0001
wobei f - die Frequenz des elektromagnetischen Feldes, μ - die Permeabilität und
Are conductive areas in the magnet system, e.g. B. the electrodes and the fluid, the magnetic field is weakened depending on the size of the frequency of the magnetic field and the electrical conductivity and permeability of these areas. The reduction due to shielding is characterized by the depth of penetration δ of the magnetic field. Equation (5) applies to the depth of penetration:
Figure imgf000025_0001
where f - the frequency of the electromagnetic field, μ - the permeability and
σ - die elektrische Leitfähigkeit bezeichnen. Sie nimmt mit steigender Frequenz, Permeabilität und elektrischer Leitfähigkeit exponentiell ab. Tabelle 1 zeigt zur Veranschaulichung der Zusammenhänge die elektromag- netische Eindringtiefe für dispersionsverstärktes Platin σ - denote the electrical conductivity. It decreases exponentially with increasing frequency, permeability and electrical conductivity. Table 1 shows the electromagnetic penetration depth for dispersion-enhanced platinum to illustrate the relationships
(DVS-Platin) und für eine Glasschmelze mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 1 S/m bei verschiedenen möglichen relativen Permeabilitäten in Abhängigkeit von der Frequenz f des magnetischen Feldes. (DVS platinum) and for a glass melt with an electrical conductivity of 1 S / m at various possible relative permeabilities depending on the frequency f of the magnetic field.
Es wird ersichtlich, dass Gläser - auch mit von 1 verschiedenen relativen Permeabilitäten - immer ausreichend von höher- frequenten magnetischen Feldern durchdrungen werden, jedoch bei Frequenzen > 5 kHz das Magnetfeld in Gebieten mit metal- lischen Leitfähigkeiten und Dicken von ca. 1 mm, die etwa die Kanalwände bzw. Außenelektroden bei Glasschmelzen aufweisen müssen, auf mehr als den 1/e-ten Teil seiner ursprünglichen Intensität abklingt. Die Frequenz von Elektroden- und Spulenstrom ist deshalb so einzustellen, dass eine minimale Elekt- rodenkorrosion entsteht, aber die magnetische Induktion im Fluid durch die abschirmende Wirkung der Außenelektrode nur auf maximal 50 % der Induktion ohne Abschirmung reduziert wird. Tabelle 1: Eindringtiefe δ von DVS-Platin und einer Glasschmelze in Abhängigkeit von der magnetischen Feldfrequenz f
Figure imgf000026_0001
It can be seen that glasses - even with 1 different relative permeabilities - are always sufficiently penetrated by higher-frequency magnetic fields, but at frequencies> 5 kHz the magnetic field in areas with metallic conductivities and thicknesses of approx. 1 mm For example, the channel walls or external electrodes in the case of glass melts must decay to more than 1 / eth part of its original intensity. The frequency of the electrode and coil current must therefore be set so that minimal electrode corrosion occurs, but the magnetic induction in the fluid is reduced to a maximum of 50% of the induction without shielding due to the shielding effect of the outer electrode. Table 1: Penetration depth δ of DVS platinum and a glass melt as a function of the magnetic field frequency f
Figure imgf000026_0001
Beaufschlagt man das Elektrodensystem (3) mit einer Wechselspannung, entsteht in der Glasschmelze eine radiale Stromdichteverteilung. Die Größe der Stromdichte hängt bei fester Elektrodenspannung von dem elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden ab. Dieser wird von der elektrischen Leitfähigkeit der Glasschmelze und der Geometrie des Ringspaltes bestimmt. Unter Berücksichtigung der zusätzlichen Heizleistung (s. Gl. 3) sind in Glasschmelzen Stromdichten bis 100 mA/mm2 möglich. Sind das zeitliche Verhalten von Stromdichte und Magnetfeld zeitlich synchron, wird im Fluid eine tangentiale Lorentzkraftdichteverteilung erzeugt, die eine tangentiale Strömung erzwingt. Bei j = 100 mA/mm2 und B = 40 mT betragen diese Lorentzkraftdichten bis zu +4000 N/m3 in posi- viter tangentialer Richtung und -4000 N/m3 in negativer tangentialer Richtung. Die Differenz der elektromagnetisch generirten Kraftdichten von Abschnitt zu Abschnitt beträgt also 8000 N/m3. Im Vergleich dazu beträgt die Volumenkraft, die infolge der Schwerkraft auf eine auslaufende Glasschmelze wirkt, nur ca. 2300 N/m3. If an alternating voltage is applied to the electrode system (3), a radial current density distribution results in the glass melt. With a fixed electrode voltage, the magnitude of the current density depends on the electrical resistance between the electrodes. This is determined by the electrical conductivity of the glass melt and the geometry of the annular gap. Taking into account the additional heating power (see Eq. 3), current densities of up to 100 mA / mm 2 are possible in glass melts. If the temporal behavior of current density and magnetic field are synchronous, a tangential Lorentz force density distribution is generated in the fluid, which forces a tangential flow. At j = 100 mA / mm 2 and B = 40 mT, these Lorentz force densities are up to +4000 N / m 3 in the positive tangential direction and -4000 N / m 3 in the negative tangential direction. The difference in the electromagnetically generated force densities from section to section is therefore 8000 N / m 3 . In comparison, the volume force, which acts on a leaking glass melt due to gravity, is only approx. 2300 N / m 3 .
Figur 2 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektromagnetischen Strö- mungsbeeinflussung mit abwechselnd entgegengeschalteten FIG. 2 illustrates a second embodiment of a device for electromagnetic currents according to the invention. influence with alternating counter
Magnetspulen . Solenoids.
Um eine vollständige und nahezu gleichmäßige magnetische Durchdringung des Fluidvolumens zu realisieren, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, nicht einzelne Magnetspulen, sondern Magnetspulengruppen von mindestens 2 Magnetspulen je Gruppe bezüglich der Stromrichtung entgegenzuschalten, so wie es in dem zweiten Ausführungsbeispiel in Figur 2 gezeigt wird. In order to achieve a complete and almost uniform magnetic penetration of the fluid volume, it has proven to be expedient not to switch individual magnet coils, but rather magnet coil groups of at least 2 magnet coils per group with respect to the current direction, as is shown in the second exemplary embodiment in FIG. 2.
Hierbei sind die Magnetspulen in Helmholtzanordnung paarweise entgegengeschaltet. Der Innendurchmesser der Außenelektrode beträgt 40 mm, der Außendurchmesser der Innenelektrode 20 mm. Konzentrisch dazu sind 6 wassergekühlte Magnetspulen mit einer Windungszahl w = 1, einem Mittendurchmesser von 120 mm und einem Mittenstand von 60 mm angeordnet. Der Leiterquerschnitt der Magnetspulen ist hohl und rechteckig ausgeführt (Außenabmessungen: 15 mm x 10 mm) . Die Magnetspulen sind in Reihe und paarweise entgegen geschaltet. Sie werden mit einem Strom von 2500 A der Frequenz von 1 kHz durchflössen. Mit dieser Durchflutung entsteht das in Figur 2 gezeigte prinzipielle Feldlinienbild (5) . Here, the magnetic coils in Helmholtz arrangement are switched in pairs. The inner diameter of the outer electrode is 40 mm, the outer diameter of the inner electrode is 20 mm. 6 water-cooled magnetic coils with a number of turns w = 1, a center diameter of 120 mm and a center position of 60 mm are arranged concentrically. The conductor cross section of the magnetic coils is hollow and rectangular (external dimensions: 15 mm x 10 mm). The solenoids are connected in series and in pairs. A current of 2500 A flows through them at a frequency of 1 kHz. With this flooding, the basic field line image (5) shown in FIG. 2 is created.
Figur 3 zeigt die numerisch berechnete Verteilung der magnetischen Flussdichte in einer Vorrichtung nach Figur 2 zum Zeitpunkt des Maximums des Spulenstromes Man erkennt, dass das Magnetfeld die Glasschmelze vollständig, ausreichend stark (bis zu 10 mT ) und abschnittsweise gleichmäßig durchdringt . Die berechnete Stromdichteverteilung (vgl. Figur 4) ist radial. Die Stromdichten sind an der Innenelektrode (3b) am größten. Sie betragen hier 20 mA/mm2 und an der Außenelektrode (3a) 10 mA/mm . Die Elektrodenspannung beträgt 130 V. Die Heizleistung des Elektrodenstromes in den Elektroden ist vernachlässigbar klein. Ebenso vernachlässigbar sind die Wirbelstromverluste infolge des Magnetfeldes in den Elektroden und in der Schmelze. Die erforderliche Leistung der FIG. 3 shows the numerically calculated distribution of the magnetic flux density in a device according to FIG. 2 at the time of the maximum of the coil current. It can be seen that the magnetic field penetrates the glass melt completely, sufficiently strongly (up to 10 mT) and evenly in sections. The calculated current density distribution (see FIG. 4) is radial. The current densities are greatest at the inner electrode (3b). They are 20 mA / mm 2 here and 10 mA / mm on the outer electrode (3a). The electrode voltage is 130 V. The The heating power of the electrode current in the electrodes is negligible. The eddy current losses due to the magnetic field in the electrodes and in the melt are also negligible. The required performance of the
Magnetspulen beträgt 4 kW. Magnetic coils is 4 kW.
Die mittleren Lorentzkraftdichten (s. Figur 5) in einer The mean Lorentz force densities (see FIG. 5) in one
Vorrichtung nach Figur 2 betragen in drei Abschnitten (-640/ +480/-640) N/m3. Damit entsteht in den Ringspaltabschnitten eine tangentiale Strömung von (-0, 4/+0, 3/+0, 4) mm/s mit abwechselnder Richtung, woraus sich ein mittlerer Geschwindigkeitsgradient von ca. 5, 8 -l/ms ergibt. Das führt zu einer schnellen und guten thermischen und chemischen Homogenisierung der Schmelze. The device according to FIG. 2 has three sections (-640 / + 480 / -640) N / m 3 . This creates a tangential flow of (-0, 4 / + 0, 3 / + 0, 4) mm / s with alternating direction in the annular gap sections, which results in an average velocity gradient of approx. 5.8 -l / ms. This leads to rapid and good thermal and chemical homogenization of the melt.
Ist der vom Fluid durchflossene Ringspalt am unteren Ende offen, läuft das Fluid spiralförmig aus dem Kanal. Die Steuerung der Auslaufgeschwindigkeit des Fluides erfolgt zweckmäs- sig über die Größe der tangentialen Geschwindigkeitskompo- nente im unteren Ringspaltabschnitt, die wiederum von der Größe des Elektrodenstromes und / oder des Magnetfeldes abhängt. Dazu ist es sinnvoll, den unteren Bereich der Außen- und Innenelektrode von dem oberen Bereich zu trennen und elektrisch zu isolieren, so dass die mittlere Auslaufge- schwindigkeit des Fluides über den Elektrodenstrom, der diesem Ringspaltabschnitt zugeführt wird, gesteuert wird. Ebenso kann das untere Magnetspulenpaar von der Stromversorgung des Magnetsystems getrennt und separat versorgt werden, so dass die Steuerung der mittleren Auslaufgeschwindigkeit des Fluides über die Größe der magnetischen Flussdichte in diesem unteren Bereich erfolgt. In den oberen Abschnitten kann somit die elektromagnetische Homogenisierung der If the annular gap through which the fluid flows is open at the lower end, the fluid runs out of the channel in a spiral. The outlet speed of the fluid is expediently controlled via the size of the tangential speed component in the lower annular gap section, which in turn depends on the size of the electrode current and / or the magnetic field. For this purpose, it makes sense to separate and electrically isolate the lower area of the outer and inner electrodes from the upper area, so that the average outlet speed of the fluid is controlled via the electrode current which is supplied to this annular gap section. Likewise, the lower pair of magnetic coils can be disconnected from the power supply of the magnet system and supplied separately, so that the control of the medium outflow speed of the fluid takes place via the size of the magnetic flux density in this lower area. In the upper sections, the electromagnetic homogenization of the
Schmelze eingestellt werden. Um den Steuerbereich der mittleren Auslaufgeschwindigkeit des Fluides zu maximieren, ist es zweckmäßig beide Möglichkeiten zu nutzen, wobei die separate elektrische Versorgung der Elektroden- und Magnetteilsysteme über synchronisierte Stromquellen (Frequenzumrichter) erfolgen kann. Melt can be adjusted. In order to maximize the control range of the average outlet speed of the fluid, it is expedient to use both possibilities, the separate electrical supply of the electrode and magnetic subsystems being able to take place via synchronized current sources (frequency converters).
In Figur 6 ist das Prinzip einer an die erfindungsgemäße Vorrichtung angeschlossenen Durchflussregelung dargestellt. Zur Regelung der mittleren Auslauflaufgeschwindigkeit desFIG. 6 shows the principle of a flow control connected to the device according to the invention. To regulate the average outlet speed of the
Fluides ist eine Durchflussmesseinrichtung (7) im Strömungskanal vorgesehen. Der mit dieser Durchflussmesseinrichtung gemessene Istwert wird regeltechnisch über eine Stromregelung (10) der synchronisierten Stromquellen (8) und (9) an den vorgegebenen Sollwert angeglichen. Als Durchflussmesser eignen sich je nach Art des Fluids zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, aus dem Stand der Technik bekannte Blenden (kalte hochviskose Fluide), Flügelradanemometer (kalte, niedrig viskose Fluide) oder Lorentzkraftanemometer (heiße A flow measuring device (7) is provided in the flow channel for fluids. The actual value measured with this flow measuring device is matched to the predetermined setpoint by means of a current control (10) of the synchronized current sources (8) and (9). Depending on the type of fluid, suitable flow meters are, for example, but not exclusively, orifices known from the prior art (cold, high-viscosity fluids), vane anemometers (cold, low-viscosity fluids) or Lorentz force anemometers (hot ones
Fluide) . Fluids).
In Figur 7 ist die Zuleitungsführung (11) zur Realisierung der erfindungsgemäßen, örtlich verteilten und mit abwechselnden Richtungen durchflossenen Spulenanordnung mit einer beispielhaften Spulenwindungszahl von 2 dargestellt. Die elektrische Zuleitung der Außenelektrode ist hierbei mit positiven Wicklungssinn und die Ableitung der Innenelektrode mit negativen Wicklungssinn spulenähnlich um den Strömungskanal geführt. Solche Ausführungen können vorteilhaft bei hohen Elektrodenströmen (elektrisch beheizte Feeder von Glasschmelzanlagen) und/oder bei Strömungskanälen, die eine unmittelbare Umwicklung - also ohne große Abstände - gestatten, angewendet werden. In Figur 8 ist der Querschnitt und ein Ausschnitt aus dem Längsschnitt einer erfindungsgemaßen Vorrichtung mit segmentierten und abwechselnd entgegengeschalteten Elektroden (12a, 12b) und das damit ausfuhrbare Verfahren dargestellt. Die dadurch erreichten abschnittsweise abwechselnd nach außen und innen gerichteten radialen Stromdichteverteilungen generieren abschnittsweise in positiver und negativer Richtung wirkende tangentiale Lorentzkrafte und somit ebenso ortlich abwech- selnde tangentiale Geschwindigkeitskomponenten im Fluid. FIG. 7 shows the supply line guide (11) for realizing the locally distributed coil arrangement according to the invention, through which alternating directions flow, with an exemplary number of coil turns of 2. The electrical lead of the outer electrode is in this case with a positive winding sense and the lead of the inner electrode with a negative winding sense is guided in a coil-like manner around the flow channel. Such designs can advantageously be used with high electrode currents (electrically heated feeders from glass melting plants) and / or with flow channels which allow immediate wrapping - that is, without large distances. FIG. 8 shows the cross section and a section from the longitudinal section of a device according to the invention with segmented and alternating electrodes (12a, 12b) and the method that can be carried out with it. The radial current density distributions that are achieved in this way, alternating outwards and inwards, generate tangential Lorentz forces that act in sections in positive and negative directions and thus also locally changing tangential velocity components in the fluid.
Hierbei sind größere Geschwindigkeitsgradienten erreichbar, wenn die Verhaltnisse der elektrischen Widerstände zwischen den Innen- und Außenelektrodensegment zu benachbarten Segmenten kleiner als 1, da die Umkehr des elektrisches Feldes physikalisch bedingt keine Rückführung wie das magnetische Feld benotigt und demzufolge die Feldumkehr auf wesentlich kleinere Distanzen erfolgen kann.  In this case, greater speed gradients can be achieved if the ratios of the electrical resistances between the inner and outer electrode segments to neighboring segments are less than 1, since the reversal of the electrical field does not require a return, like the magnetic field, for physical reasons, and consequently the field reversal can take place over much smaller distances .
Bei dem erfindungsgemassen Verfahren wird angestrebt, die Magnetsysteme bis zum maximalen Strom zu belasten, da damit die größte magnetische Flussdichte, die höchste Lorentzkraft bzw die stärkste Veränderung der Strommungsverhaltnisse erzielbar ist. Der Induktorstrom fuhrt aber auch zu einer Erwärmung derIn the method according to the invention, the aim is to load the magnet systems up to the maximum current, since the greatest magnetic flux density, the highest Lorentz force or the greatest change in the current conditions can be achieved thereby. The inductor current also leads to heating of the
Induktorspule, die bei Überschreiten einer Grenztemperatur zur Zerstörung fuhrt. Deshalb kann die Induktorspule zwangs- gekuhlt (Wasserkühlung) werden und mit einer Temperaturuber- wachung versehen werden. Dadurch wird ein Betrieb mit maxima- lern Induktorstrom ermöglicht und folglich ein maximales Inductor coil, which leads to destruction if a limit temperature is exceeded. Therefore, the inductor coil can be forced-cooled (water cooling) and provided with a temperature monitor. This enables operation with maximum inductor current and consequently maximum
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Bezugszeichenliste Reference list
1 - Magnetsystem 1 - magnet system
2 - thermische Isolation  2 - thermal insulation
3 - Elektrodensystem 3 - electrode system
3a - Außenelektrode  3a - outer electrode
3b - Innenelektrode  3b - inner electrode
4 - Fluid (Glasschmelze)  4 - fluid (glass melt)
5 - magnetische Feldlinien (prinzipieller Verauf)  5 - magnetic field lines (basic sales)
6 - elektromagnetisch initiierter Strömungsverlauf6 - Electromagnetically initiated flow pattern
7 - Durchflussmesseinrichtung 7 - flow measuring device
8 - synchronisierte Stromquelle für das Magnetsystem 8 - synchronized power source for the magnet system
9 - synchronisierte Stromquelle für das Elektrodensystem9 - synchronized power source for the electrode system
10 - Stromregelung 10 - Current regulation
11 - Zuleitungen 11 - supply lines
12 - Elektrodensegmente  12 - electrode segments
12a - Elektrodensegment der Außenelektrode  12a - electrode segment of the outer electrode
12b - Elektrodensegment der Innenelektrode B - magnetische Induktion  12b - electrode segment of the inner electrode B - magnetic induction
Bz - z-Komponente der magnetischen Induktion B z - z component of magnetic induction
2d - Spulenabstand  2d - coil spacing
f - Frequenz des elektromagnetischen Feldes f - frequency of the electromagnetic field
FL - Lorentzkraft F L - Lorentz force
fL - Lorentzkraftdichte f L - Lorentz force density
g - Erdbeschleunigung g - gravitational acceleration
I - Spulenstrom  I - coil current
j - Stromdichte j - current density
PH - Heizleistung P H - heating power
r0 - Spulenradius r 0 - coil radius
V - Volumenelement  V - volume element
vt - tangentiale Geschwindigkeitskomponente v t - tangential velocity component
w - Spulenwindungszahl w - number of coil turns
δ - Eindringtiefe δ - depth of penetration
μ - Permeabilität μ - permeability
μo - absolute Permeabilität μo - absolute permeability
σ - elektrische Leitfähigkeit σ - electrical conductivity

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur elektromagnetischen Beeinflussung der Strömungsverhältnisse von strömenden gering elektrisch leitfähigen und hochviskosen Fluiden - vorzugsweise Glasschmel- zen - in Kanälen beliebigen Querschnitts, bei dem zur1. Method for the electromagnetic influencing of the flow conditions of flowing, low electrically conductive and highly viscous fluids - preferably glass melts - in channels of any cross-section, in which the
Hauptströmungsrichtung senkrechte, aber axial abschnittsweise entgegengesetzt gerichtete Lorentzkräfte erzeugt werden, die aus dem gleichzeitigen Einprägen von vekto- riell senkrecht zueinander gerichteten elektrischen und magnetischen Wechselfeldern gleichen zeitlichen Verhaltens resultieren, wobei Main flow direction vertical, but axially oppositely directed Lorentz forces are generated, which result from the simultaneous impressing of vectorially perpendicular electric and magnetic alternating fields of the same temporal behavior, whereby
- die elektrischen Wechselfelder über in Kontakt mit dem Fluid stehende Elektroden im Fluid elektrische Stromdichteverteilungen erzeugen, die senkrecht zur Haupt- Strömungsrichtung des Fluides gerichtet sind,  the electrical alternating fields generate electrical current density distributions in the fluid via electrodes which are in contact with the fluid and which are directed perpendicular to the main flow direction of the fluid,
- die magnetischen Wechselfelder durch ein externes, das Fluid und die Elektroden umschließendes eisenloses Spulensystem generiert werden, deren Feldlinien im Fluid vorrangig parallel zur Hauptströmung gerichtet sind und  - The alternating magnetic fields are generated by an external ironless coil system enclosing the fluid and the electrodes, whose field lines in the fluid are primarily directed parallel to the main flow and
- die Richtung eines der beiden Felder um 180°  - the direction of one of the two fields by 180 °
abschnittsweise gedreht wird,  is rotated in sections,
und wobei die Lorenzkräfte der Hauptströmung abschnittsweise entgegengesetzt gerichtete Strömungskomponenten aufprägen, die infolge der zwischen diesen axialen  and wherein the Lorenz forces of the main flow impress sections of oppositely directed flow components, which as a result of the axial between them
Abschnitten hervorgerufenen großen Geschwindigkeitsgradienten schwerkraftunhängig die örtliche und zeitliche Verteilung der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur im Fluid vergleichmäßigen sowie die Verweilzeit des Fluides im Kanal kontrolliert verändern. High velocity gradients caused by sections of gravity-independent change the local and temporal distribution of the chemical composition and the temperature in the fluid, as well as the controlled residence time of the fluid in the channel.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Wechselfelder und die Frequenz von Elektroden- und Spulenstrom so eingestellt wird, dass eine minimale Elektrodenkorrosion entsteht und dabei gleichzei- tig die magnetische Induktion im Fluid durch die abschirmende Wirkung der Außenelektrode um maximal 50 % der 2. The method according to claim 1, characterized in that the frequency of the alternating fields and the frequency of electrode and coil current is set so that minimal electrode corrosion occurs and at the same time the magnetic induction in the fluid by the shielding effect of the outer electrode by a maximum 50% of the
Induktion ohne Abschirmung reduziert wird.  Induction without shielding is reduced.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die notwendige magnetische Durchflutung über die Höhe des Spulenstroms eingestellt wird, wobei der Effektivwert der magnetischen Flussdichte auf der Innenelektrode des Kanals mindestens 10 mT beträgt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the necessary magnetic flux is set via the height of the coil current, the effective value of the magnetic flux density on the inner electrode of the channel is at least 10 mT.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized
gekennzeichnet, dass über die Größe der zur Hauptströ- mungsrichtung senkrecht, aber axial abschnittsweise entgegengesetzt gerichteten Strömungskomponenten die Homogenisierung des Fluids veränderbar ist.  characterized in that the homogenization of the fluid can be changed via the size of the flow components which are directed perpendicularly but axially in sections to the main flow direction.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized
gekennzeichnet, dass das Fluid bei geschlossenem Kanal gerührt und homogenisiert wird.  characterized in that the fluid is stirred and homogenized with the channel closed.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized
gekennzeichnet, dass das Fluid auf der einen Kanalseite axial eintritt und auf der anderen Kanalseite mit einer schraubenförmigen Strömung austritt.  characterized in that the fluid enters axially on one channel side and exits on the other channel side with a helical flow.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized
gekennzeichnet, dass über die Größe der zur Hauptströmungsrichtung senkrechten Strömungskomponenten in einem oder mehreren Abschnitten die Verweilzeit des Fluids im Kanal und damit sein Durchfluss veränderbar ist. characterized in that the size of the flow components perpendicular to the main flow direction in one or several sections, the residence time of the fluid in the channel and thus its flow can be changed.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized
gekennzeichnet, dass der Rühreffekt und die mittlere  characterized that the stirring effect and the medium
Austrittsgeschwindigkeit des Fluids über die Größe der Elektrodenströme, die Größe der Spulenströme und/oder deren Phasenlage zu einander gesteuert und geregelt werden .  Exit velocity of the fluid can be controlled and regulated relative to one another via the size of the electrode currents, the size of the coil currents and / or their phase relationship.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Austrittsgeschwindigkeit des Fluides über die9. The method according to claim 7, characterized in that the average exit velocity of the fluid over the
Größe eines von der Stromversorgung der Außen- und Innenelektrode getrennten und separat versorgten Bereiches der Außen- und Innenelektrode gesteuert wird, wobei die elektrischen Betriebsparameter des anderen Elektrodensystem- teils und der Magnetspulen konstant gehalten werden. Size of an area of the outer and inner electrodes which is separate and separately supplied from the power supply of the outer and inner electrodes is controlled, the electrical operating parameters of the other electrode system part and the magnetic coils being kept constant.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Austrittsgeschwindigkeit des Fluides über die Größe des Spulenstromes der von der Stromversorgung der anderen Magnetspulen getrennten und separat versorgten Magnetspulen gesteuert wird, wobei die elektrischen 10. The method according to claim 7, characterized in that the average outlet speed of the fluid is controlled via the size of the coil current of the magnet coils separated and separately supplied from the power supply of the other magnet coils, the electrical
Betriebsparameter des Elektrodensystems und der anderen Magnetspulen konstant gehalten werden.  Operating parameters of the electrode system and the other solenoids are kept constant.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Austrittsgeschwindigkeit des Fluides sowohl über die Größe der Elektrodenströme eines von der Außen- und Innenelektrode getrennten und separat versorgten 11. The method according to claim 7, characterized in that the average exit velocity of the fluid both via the size of the electrode currents of a separate and separately supplied from the outer and inner electrodes
Bereichs und über die Größe der Spulenströme der von der Stromversorgung der anderen Magnetspulen getrennten und separat versorgten Magnetspulen gesteuert wird, wobei die elektrischen Betriebsparameter des anderen Elektrodensys- temteils und der anderen Magnetspulen konstant gehalten werden . Range and the size of the coil currents of the solenoids separated and separately supplied from the power supply of the other solenoids is controlled, the electrical operating parameters of the other electrode system part and the other solenoid coils are kept constant.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch 12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized
gekennzeichnet, dass die mittlere Austrittsgeschwindigkeit des Fluides mit einer Durchflussmesseinrichtung (6) erfasst wird.  characterized in that the average exit velocity of the fluid is recorded with a flow measuring device (6).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch 13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized
gekennzeichnet, dass die mittlere Austrittsgeschwindigkeit des Fluides aus dem Kanal dem nachfolgenden Verarbeitungs- prozess online angepasst wird.  characterized in that the average exit velocity of the fluid from the channel is adapted online to the subsequent processing process.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch 14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized
gekennzeichnet, dass die Rühr- bzw. Homogenisierungszeiten durch die Schließzeiten des Kanals bestimmt werden.  characterized in that the stirring or homogenization times are determined by the closing times of the channel.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch 15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized
gekennzeichnet, dass der aus den modifizierten Strömungsverhältnissen resultierende veränderte Wärmeverlust, durch die Heizwirkung der elektrischen Stromdichte im Fluid ausgeglichen wird.  characterized in that the changed heat loss resulting from the modified flow conditions is compensated by the heating effect of the electrical current density in the fluid.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch 16. The method according to any one of claims 1 to 15, characterized
gekennzeichnet, dass der maximale Strom für das Magnetsystem durch Temperaturmessung kontrolliert und begrenzt wird.  characterized in that the maximum current for the magnet system is controlled and limited by temperature measurement.
17. Vorrichtung zur elektromagnetischen Beeinflussung der 17. Device for electromagnetic interference
Strömungsverhältnisse von strömenden gering elektrisch leitfähigen und hochviskosen Fluiden - vorzugsweise Glas- schmelzen - in Kanälen beliebigen Querschnitts mit einem den Kanal umgebenden Magnetsystem (1) aus mindestens zwei eisenlosen Magnetspulen, die konzentrisch um den Kanal positioniert sind und einem Elektrodensystem (3) mit einer Außenelektrode (3a) und einer mittig und konzentrisch im Kanal angeordneten Innenelektrode (3b), dadurch gekenn- zeichnet, dass die Magnetspulen abschittsweise entgegengesetzt verschaltet sind. Flow conditions of flowing low electrically conductive and highly viscous fluids - preferably glass melt - in channels of any cross-section with a magnet system (1) surrounding the channel, consisting of at least two ironless magnet coils, which are positioned concentrically around the channel and an electrode system (3) with an outer electrode (3a) and an inner electrode arranged in the center and concentrically in the channel ( 3b), characterized in that the magnetic coils are connected in opposite sections in sections.
18. Vorrichtung zur elektromagnetischen Beeinflussung der 18. Device for electromagnetic interference
Strömungsverhältnisse von strömenden gering elektrisch leitfähigen und hochviskosen Fluiden - vorzugsweise Glasschmelzen - in Kanälen beliebigen Querschnitts mit einem den Kanal umgebenden Magnetsystem (1) aus mindestens zwei eisenlosen Magnetspulen, die konzentrisch um den Kanal positioniert sind, und einem Elektrodensystem (3) mit einer Außenelektrode (3a) und einer mittig und konzentrisch im Kanal angeordneten Innenelektrode (3b) , dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen gleich verschaltet sind, dass die Außenelektrode (3a) und die Innenelektrode aus einzelnen Segmenten bestehen, wobei die einzelnen Flow conditions of flowing low electrically conductive and highly viscous fluids - preferably glass melts - in channels of any cross-section with a magnet system (1) surrounding the channel made of at least two ironless magnet coils, which are positioned concentrically around the channel, and an electrode system (3) with an outer electrode ( 3a) and an inner electrode (3b) arranged centrally and concentrically in the channel, characterized in that the magnetic coils are connected in the same way, that the outer electrode (3a) and the inner electrode consist of individual segments, the individual
Segmente voneinander elektrisch isoliert und benachbarte Elektrodensegmente abwechselnd entgegengeschaltet sind. Segments are electrically insulated from one another and adjacent electrode segments are alternately connected in opposition.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen einzeln oder gruppenweise mit entgegenge- setzter Stromrichtung zusammengeschaltet sind. 19. The device according to claim 17, characterized in that the magnetic coils are connected individually or in groups with the opposite current direction.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal ein Rohr ist, in dem ein zweites Rohr mit kleinerem Durchmesser konzentrisch angeordnet ist, dass die Rohre als Außen- bzw. Innenelektrode ausgebildet sind und dass das Fluid im Ringspalt zwischen diesen Rohren in einer axialen Richtung strömt. 20. Device according to one of claims 17 to 19, characterized in that the channel is a tube in which a second tube with a smaller diameter is arranged concentrically, that the tubes as an outer or inner electrode are formed and that the fluid flows in the annular gap between these tubes in an axial direction.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen nach der Helmholtz- bedingung angeordnet sind. 21. Device according to one of claims 17 to 20, characterized in that the magnetic coils are arranged according to the Helmholtz condition.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen über einen Teilbereich des Kanals oder über die gesamte Kanallänge verteilt angeordnet sind. 22. Device according to one of claims 17 to 21, characterized in that the magnetic coils are arranged distributed over a partial region of the channel or over the entire channel length.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen jeweils aus einer Windung bestehen, deren Querschnitt vorzugsweise als flacher rechteckförmiger Hohlleiter ausgebildet ist. 23. Device according to one of claims 17 to 22, characterized in that the magnetic coils each consist of a turn, the cross section of which is preferably designed as a flat rectangular waveguide.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen aus den elektrischen Zu- und Ableitungen des Elektrodensystems gebildet werden. 24. Device according to one of claims 17 to 23, characterized in that the magnetic coils are formed from the electrical supply and discharge lines of the electrode system.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserkühlung für die Windungen der Magnetspulen vorgesehen ist. 25. Device according to one of claims 17 to 24, characterized in that water cooling is provided for the windings of the magnetic coils.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodensystem (3) aus Platin, Platinlegierungen, Molybdän oder Zinndioxid besteht. 26. Device according to one of claims 17 to 25, characterized in that the electrode system (3) consists of platinum, platinum alloys, molybdenum or tin dioxide.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroden- und das Magnetsystem von einer Stromquelle gespeist werden und die Anpassung der Spannungen bzw. Strome über induktive Übertrager erfolgt . 27. Device according to one of claims 17 to 26, characterized in that the electrode and the magnet system are fed by a current source and the adaptation the voltages or currents take place via inductive transformers.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroden- und das Magnetsystem von zwei galvanisch getrennten, aber zeitlich synchronisierten Stromquellen gespeist werden. 28. Device according to one of claims 17 to 26, characterized in that the electrode and the magnet system are fed by two electrically isolated, but time-synchronized current sources.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromungskanal auf einer Seite verschließbar ist. 29. Device according to one of claims 17 to 28, characterized in that the flow channel can be closed on one side.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass im Kanal, vorzugsweise am Kanalende, eine Durchflussmesseinrichtung (7) angeordnet 30. Device according to one of claims 17 to 29, characterized in that a flow measuring device (7) is arranged in the channel, preferably at the channel end
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass im Magnetsystem Temperaturfühler angeordnet. 31. Device according to one of claims 17 to 30, characterized in that temperature sensors are arranged in the magnet system.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich der Außen- und Innenelektrode vom anderen getrennt, elektrisch isoliert ist und elektrisch separat mit einer synchronisierten Strom- quelle versorgt wird. 32. Device according to one of claims 17 to 31, characterized in that a region of the outer and inner electrodes is separated from the other, is electrically insulated and is supplied electrically separately with a synchronized current source.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass Spulen von der Stromversorgung der anderen Spulen galvanisch getrennt sind und elektrisch separat mit einer synchronisierten Stromquelle versorgt werden. 33. Device according to one of claims 17 to 32, characterized in that coils are galvanically isolated from the power supply of the other coils and are separately supplied electrically with a synchronized current source.
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