DE102007035203B4

DE102007035203B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Homogenisieren einer Glasschmelze, sowie Verwendung

Info

Publication number: DE102007035203B4
Application number: DE102007035203A
Authority: DE
Inventors: Dr. Naumann Karin; Dr. Berndhäuser Christoph; Dr. Lentes Frank-Thomas; Holger Hunnius; Gregor Rösel; Dr. Ott Franz; Dr. Ollig Markus; Sven Petri
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: IT1391288B1; FR2919281A1; ITTO20080570A1; KR20090012108A; JP2009029704A; KR101371928B1; JP5352145B2; DE102007035203A1; FR2919281B1; US20090025428A1

Abstract

Verfahren zum Homogenisieren einer Glasschmelze unter Verwendung von zumindest einer Rühreinrichtung (1), die jeweils in einem Rührgefäß (2) mit einem seitlichen Einlass (4) und einem Auslass (5) angeordnet ist, wobei die jeweilige Rühreinrichtung (1) eine Mehrzahl von Rührerflügeln (11, 20, 21) aufweist, die entlang einer gemeinsamen Rührerwelle (10) beabstandet zueinander angeordnet sind, bei welchem Verfahren eine Netto-Förderwirkung der Rühreinrichtung (1) insgesamt von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5) kleiner als +/–5%, bezogen auf den Gesamtschmelzenfluss von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5), im Wesentlichen dadurch erzielt wird, dass die Rührerflügel (11, 20, 21) entlang der Rührerwelle (10) zumindest zwei zueinander entlang der Rührerwelle beabstandete Zonen mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung erzeugen und die Förderwirkungen dieser zueinander beabstandeten Zonen sich im Wesentlichen aufheben und zumindest ein Rührerflügel (20) im Querschnittsbereich des Einlasses jeweils eine Zone (22, 24) mit einer axialen Förderwirkung entlang der Rührerwelle (10) und in...

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Homogenisieren einer Glasschmelze, insbesondere das Homogenisieren einer Glasschmelze, die zur Herstellung eines Glas- oder Glaskeramikprodukts von hoher Qualität und mit einer geringen Dichte an Einschlüssen und/oder Fehlstellen verwendet wird, beispielsweise von Displayglas oder von Glasrohren.
Hintergrund der Erfindung
Ziel des Homogenisierens einer Glasschmelze ist es, räumliche und zeitliche Schwankungen der chemischen Zusammensetzung der Glasschmelze, entsprechend den Produktanforderungen, zu reduzieren. Denn chemische Inhomogenitäten führen zu Inhomogenitäten der Brechzahl, die beispielsweise die optische Abbildung beeinträchtigen können, und zu Inhomogenitäten der Viskosität, die bei Heißverarbeitungsprozessen beispielsweise zu unkontrollierten Geometrieschwankungen führen können. Dabei wird unterschieden zwischen Makro-Inhomogenitäten, also einer Variation einer chemischen Zusammensetzung auf vergleichsweise großen räumlichen Skalen, beispielsweise von einigen Zentimetern, mit kleinen räumlichen Gradienten, und Mikro-Inhomogenitäten (auch Schlieren genannt), also einer Variation der chemischen Zusammensetzung auf kleinen räumlichen Skalen, beispielsweise von 0,1 bis 2 mm, mit teilweise großen räumlichen Gradienten. Ziel des Homogenisierungsprozesses ist, die Makro-Inhomogenitäten und die Mikro-Inhomogenitäten soweit als möglich zu beseitigen, so dass beispielsweise ein glatter Brechzahlverlauf erhalten werden kann.
Glasschmelzen sind dadurch charakterisiert, dass diese in typischer Weise eingesetzten Rührsystemen eine Viskosität zwischen etwa 1 und 200 Pa·s aufweisen, was eine laminare Strömung der Glasschmelze bewirkt (Reynolds-Zahl < 1), und dass der chemische Diffusionskoeffizient normalerweise kleiner als 10^–12 m²/s ist, so dass die durch Diffusion erreichbare Homogenisierung vernachlässigbar klein ist. Stattdessen kann eine Homogenisierung in Glasschmelzen im Wesentlichen nur dadurch erreicht werden, dass lokale Inhomogenitäten bzw. Schlieren stark gedehnt, umverteilt und zerhackt werden. Zu diesem Zweck werden Rührsysteme verwendet, die einen Schmelzenbehälter zur vorübergehenden Aufnahme der Glasschmelze sowie zumindest eine Rühreinrichtung zum Rühren der Glasschmelze in dem Schmelzenbehälter aufweisen.
Damit unter den vorgenannten Bedingungen, insbesondere hohen Viskositäten und kleinen chemischen Diffusionskoeffizienten, überhaupt eine geeignete Homogenisierung erzielt werden kann, wird der Spalt zwischen Rührerflügeln der Rühreinrichtung und der Wand des Schmelzenbehälters herkömmlich möglichst schmal gehalten. Ein allzu schmaler Spalt zwischen den Rührerflügeln und der Schmelzenbehälterwand birgt jedoch die Gefahr, dass der Rührer die Gefäßwand berührt und dadurch der Rührer und/oder das Rührgefäß beschädigt wird bzw. werden. Da bei den üblichen Betriebstemperaturen thermisch induzierte Verformungen des Rührers oder des Rührsystems auftreten, dejustieren sich die Komponenten im Laufe der Betriebszeit. Dies kann zu einem zu geringen Abstand zwischen den Rührerflügeln und der Schmelzenbehälterwand und somit zu einem direkten Materialkontakt führen, der letztlich zur Zerstörung des Rührsystems führt.
Typischerweise ist die relative Randspaltbreite, d. h. der Quotient 0,5·(Durchmesser der Rühreinrichtung bzw. Durchmesser des Schmelzenbehälter minus Durchmesser des Rührers)/(Durchmesser der Rühreinrichtung bzw. des Schmelzenbehälters), kleiner als etwa 5% oder gar kleiner als etwa 1% des Schmelzenbehälterdurchmessers bzw. Durchmessers der Rühreinrichtung. Aufgrund der vorgenannten thermischen Verformung der Komponenten kann die Breite des Spalts nicht reproduzierbar eingehalten werden.
Hohe Scherspannungen zwischen Rührerflügel und Schmelzenbehälterwand aufgrund eines zu schmalen Randspalts können die Lebensdauer des Rührsystems erheblich beeinträchtigen. Auch besteht die Gefahr, dass bei einem zu engen Randspalt Blasen, die an der Schmelzenbehälterwand anhaften, abgeschert werden und ins Produkt gelangen. Hohe Scherspannungen können schließlich auch einen Abrieb des Wandmaterials des Schmelzenbehälters bzw. Rührgefäßes bewirken, was zu Mikroeinschlüssen in dem Glas bzw. der Glaskeramik führen kann, die insbesondere bei Displaygläsern unerwünscht sind.
US 20030101750 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren einer Glasschmelze zur Herstellung von Displayglas. Dabei wird bei einer vorbestimmten Rühreffizienz, die bestimmt wird durch Rührerdurchmesser, Rührergeschwindigkeit und Randspalt, eine vorbestimmte Scherrate ausgewählt. Der Randspalt ist vergleichsweise schmal und entspricht einer Breite von etwa 6 bis 9% des freien Durchmessers des Rührgefäßes.
Die hiermit im Zusammenhang stehende US 2 831 664 A offenbart eine entsprechende Vorrichtung zum Homogenisieren einer Glasschmelze mit einem seitlichen Einlass für die Glasschmelze am oberen vertikalen Ende eines zylindrischen Behälters und einem Auslass an dessen unterem Ende. Der Randspalt zwischen den vorderen Enden der Rührerflügel und der Innenwand des Behälters ist vergleichsweise schmal, was in diesem Bereich zu einer hohen Materialbelastung und zu hohen Scherraten führt.
US 2 750 161 A offenbart eine Glasrühreinrichtung mit zwei identisch ausgebildeten Rührern, die höhenversetzt und seitlich zueinander versetzt in einem vertikalen Rührgefäß angeordnet sind. Durch die Konfiguration der Rührerflügel ergeben sich drei wesentliche Kraftkomponenten, deren Resultierende eine insgesamt schraubenförmige Förderwirkung hervorruft. Eine axiale Förderwirkung vom Einlass und hin zum Auslass ist hier geradezu erwünscht, eine dynamische Abdichtung des Randspalts jedoch nicht offenbart.
US 2 570 078 A offenbart eine weitere Glasrühreinrichtung, bei der eine axiale Förderwirkung erwünscht ist. Eine dynamische Abdichtung eines Randspalts zwischen vorderen Enden der Rührerflügel und der Innenwand eines Rührgefäßes ist jedoch nicht offenbart.
EP 0 504 774 A2 offenbart einen vertikalen Glasschmelzbehälter, in welchem sich eine Glasschmelzenrühreinrichtung befindet, die mehrere Strömungswalzen in jeweiligen axialen Unterbereichen der Rührers ausbildet. Eine axiale Förderwirkung ist offenbar erwünscht, eine dynamische Abdichtung eines Randspalts jedoch nicht offenbart.
US 2 569 459 A offenbart eine Glasrühreinrichtung, bei der ein unmittelbares Durchströmen innerhalb des von dem Rührer eingenommenen Volumens durch die Wahl der Anstellwinkel der jeweiligen Rührerflügel verhindert ist. Eine gewisse Förderwirkung aufgrund der gewählten Geometrie ist ebenfalls erwünscht.
DE 10 2004 032 795 A1 offenbart eine Rührvorrichtung zum Durchrühren und Homogenisieren von Glasschmelzen, bei der eine Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite der einzelnen Rührerflügel besteht.
Epodoc- und WPI-Abstract zu JP 2001-072426 A offenbart ein weiteres Verfahren zur Homogenisierung einer Glasschmelze, bei dem jedoch die Glasschmelze in dem Randspalt zwischen Rührer und Innenwand des Rührgefäßes nach unten strömt.
Aus den vorgenannten Gründen wird gemäß dem Stand der Technik stets ein möglichst schmaler Rührspalt angestrebt, um eine möglichst hohe Homogenität zu erzielen.
Eine weitere Homogenisierung kann auch durch die Geometrie der Rührerflügel selbst erzielt werden. Bevorzugt wird dabei, die Neigung der Rührerflügel und damit die Förderwirkung des Rührers so einzustellen, dass diese jeweils gegen den Glasstrom in dem Glasschmelzenbehälter arbeiten. Dabei kann eine axiale Förderwirkung durch Anstellung der Rührerflügel, durch die geometrische Form der Rührerflügel und/oder eine helixartige Anordnung der Rührerflügel an der Rührerwelle erreicht werden. JP 63008226 A offenbart beispielsweise, dass die Neigung der Rührerflügel und damit die Förderwirkung des Rührers so eingestellt werden, dass diese jeweils gegen den Glasstrom arbeiten. Dadurch sollen Toträume in dem Glasschmelzenbehälter vermieden werden.
JP 10265226 A offenbart eine Vorrichtung zum Homogenisieren einer Glasschmelze, mit einer Rühreinrichtung, die innere Rührerflügel, die in einem Rührgefäß eine abwärts gerichtete Strömung der Glasschmelze erzeugen, und äußere Rührerflügel aufweist, die in dem Rührgefäß eine aufwärts gerichtete Strömung der Glasschmelze erzeugen. Insgesamt wird so in dem Rührgefäß eine quasi geschlossene Strömungswalze ausgebildet, die die gesamte Höhe der Rühreinrichtung in der axialen Richtung der Rührerwelle überstreicht. Die Strömungswalze ist in dem Randspalt zwischen der Innenwand des Rührgefäßes und den vorderen Enden der Rührflügel aufwärts gerichtet und im inneren Rührbereich, d. h. im inneren Bereich des Rührgefäßes nahe der Drehmitte der Rühreinrichtung, abwärts gerichtet. Der Einlass befindet sich nahe dem unteren Ende des Rührgefäßes und der Auslass nahe dem oberen Ende des Rührgefäßes. Somit führt die Strömungswalze in dem Randspalt die einströmende Glasschmelze mit sich nach oben, wo Inhomogenitäten zunächst in den inneren Rührerbereich nahe der Drehmitte der Rühreinrichtung transportiert werden. Erst nach mindestens einer Zirkulation kann die Glasschmelze wieder aus dem Rührgefäß austreten. Die Rühreinrichtung selbst übt jedoch eine gewisse Netto-Förderwirkung aus, sodass eine Änderung des Homogenisierungsgrads stets auch einen Einfluss auf den Durchsatz der Vorrichtung hat.
Die nachveröffentlichte Deutsche Patentanmeldung DE 10 2006 060 972 A1 der Anmelderin, angemeldet am 20. Dezember 2006, mit dem Titel „Verfahren und Vorrichtung zum Homogenisieren einer Glasschmelze” offenbart eine Vorrichtung zum Homogenisieren einer Glasschmelze, die nachfolgend anhand der 1 bis 2b näher beschrieben wird. Gemäß der 1 ist ein mehrere Rührflügel 11 aufweisender Rührer in einem insgesamt zylindrischen Rührgefäß 2 in punktsymmetrischer Anordnung angeordnet. Sämtliche Rührerflügel 11 fördern die Glasschmelze 3 in dieselbe Richtung, d. h. in der 1 axial abwärts gerichtet. Wie durch den Pfeil 12 angedeutet, wird in dem inneren Rührbereich zwischen der Rührwelle 10 und den vorderen Enden der Rührerflügel 11 eine axiale Förderwirkung ausgeübt, die die eintretende Glasschmelze 3 vom oberen axialen Ende des inneren Rührbereichs 12 hin zu dessen unterem axialen Ende fördert. In dem Randspalt 16 wird deshalb eine aufwärts gerichtete Gegenströmung induziert, wie durch den Pfeil angedeutet, wodurch die Passage von Schlieren bzw. Inhomogenitäten durch den Randspalt 16 nach unten blockiert wird und der Randspalt dynamisch abgedichtet wird.
Somit werden die Schlieren bzw. Inhomogenitäten in der Glasschmelze 3 in den inneren Rührbereich 12 gesogen und dort verrührt, wodurch eine Homogenisierung der Glasschmelze bewirkt wird.
Bei dieser Vorrichtung besteht jedoch eine gewisse axiale Förderwirkung in Richtung der allgemeinen Glasströmung vom Einlass 4 und hin zum Auslass 5, sodass eine Änderung des Homogenisierungsgrads durch Variieren der Drehzahl der Rühreinrichtung stets auch eine Änderung des Gesamtdurchsatzes der Vorrichtung bedingt.
Zusammenfassung der Erfindung
Trotz vielfältiger Bemühungen im Stand der Technik besteht weiterhin Bedarf nach Verfahren und Vorrichtungen, die eine noch effizientere Homogenisierung von Glasschmelzen ermöglichen. Insbesondere soll gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren einer Glasschmelze bereitgestellt werden, womit sich ein vorbestimmter Homogenisierungsgrad einstellen lässt, ohne dass dadurch der Druckabfall im System und/oder der Gesamtdurchsatz wesentlich beeinflusst würde. Insbesondere soll bei einem solchen Verfahren und einer solchen Vorrichtung auch eine geringe Belastung der Komponenten der Vorrichtung bei einfacher und genauer Justierung der Vorrichtung und möglichst geringem Abrieb bzw. geringer Abscherrate von Bläschen ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. 3 sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 18 bzw. 20. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Somit geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Homogenisieren einer Glasschmelze unter Verwendung von zumindest einer Rühreinrichtung, die jeweils in einem Rührgefäß mit einem Einlass und einem Auslass angeordnet ist, wobei die jeweilige Rühreinrichtung eine Mehrzahl von Rührerflügeln aufweist, die entlang einer gemeinsamen Rührerwelle beabstandet zueinander angeordnet sind, und wobei zumindest zwei Rührerflügel entgegengesetzt angestellt sind.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind die Rühreinrichtung und/oder die Vorrichtung so ausgelegt, dass eine Förderwirkung bzw. Netto-Förderwirkung der Rühreinrichtung insgesamt von dem Einlass zu dem Auslass kleiner als +/–5% bezogen auf den Gesamtschmelzenfluss von dem Einlass zu dem Auslass beträgt. Somit kann erfindungsgemäß die Drehzahl der Rühreinrichtung innerhalb gewisser Grenzen frei variiert werden, um einen gewünschten Homogenisierungsgrad der Glasschmelze einzustellen, ohne dass dies zu einer nennenswerten Änderung des Gesamtdurchsatzes der Vorrichtung führen würde. Dabei entspricht der vorgenannte Drehzahlbereich dem Bereich üblicher Drehzahlen der Rühreinrichtung, der beispielsweise von etwa 10 bis etwa 100 U/min reichen kann. Außerhalb dieses Drehzahlbereichs kann durchaus ein gewisser Druckabfall bzw. eine gewisse Netto-Förderwirkung bestehen. Ganz besonders bevorzugt ist jedoch auch außerhalb des vorbestimmten Drehzahlbereichs die Netto-Förderwirkung der Rühreinrichtung nahezu verschwindend. Die Glasschmelze wird somit aufgrund einer anderen Antriebskraft durch die Vorrichtung zum Homogenisieren gefördert, insbesondere aufgrund eines vorherrschenden hydrostatischen Drucks oder auch aufgrund einer vorgeschalteten und/oder nachgeschalteten Fördereinrichtung.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung bildet zumindest ein Rührerflügel im Querschnittsbereich des Einlasses jeweils eine Zone mit einer axialen Förderwirkung entlang der Rührerwelle und in einer Richtung von dem Einlass und hin zu dem Auslass aus, wobei innerhalb des Spalts alternierend Zonen mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung ausgebildet werden, die einen unmittelbaren Durchtritt der durch den Einlass einströmenden Glasschmelze durch den Spalt hin zu dem Auslass verhindern.
Dabei ragen die Rührerflügel im Wesentlichen radial von der Rührerwelle ab und sind bevorzugt als flächige, ebene Gebilde ausgebildet, die angestellt sind, die also mit einer Ebene, welche die Rührerwelle senkrecht schneidet, einen spitzen Winkel einschließen. Dieser Winkel kann beispielsweise im Bereich zwischen etwa –89° bis 0° bzw. 0° bis 89° liegen, wobei die Richtung der Förderwirkung sich bei Wechsel des Vorzeichens umkehrt.
Selbstverständlich können die Rührerflügel auch gekrümmte Oberflächen aufweisen, in welchem Fall der Übergangswinkel zum Wechsel der Förderrichtung auch bei anderen Winkeln liegen kann.
Dabei wird die insgesamt im Wesentlichen verschwindende Netto-Förderwirkung der Vorrichtung dadurch erzielt, dass die Rührerflügel entlang der Rührerwelle zumindest zwei zueinander entlang der Rührerwelle beabstandete Zonen mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung erzeugen. Die Förderwirkungen dieser zueinander beabstandeten Zonen heben sich im Wesentlichen auf, so dass dem von außen aufgeprägten Glasschmelzenstrom durch die Vorrichtung keine weitere Förderwirkung aufgeprägt wird.
Gemäß dem vorgenannten ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Förderwirkung der Rühreinrichtung insgesamt von dem Einlass zu dem Auslass kleiner als +/–5% bezogen auf den Gesamtschmelzenfluss, insbesondere innerhalb des vorgenannten Drehzahlbereichs der Rühreinrichtung. Insgesamt ist die so noch bestehende Förderwirkung weiterhin vernachlässigbar, so dass der Drehzahlbereich der Rühreinrichtung zur Erzielung eines vorbestimmten Homogenisierungsgrads frei verändert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Förderwirkung der Rühreinrichtung weniger als +/–1%, bezogen auf den Gesamtschmelzenfluss von dem Einlass zu dem Auslass, insbesondere innerhalb des vorgenannten Drehzahlbereichs der Rühreinrichtung. Insgesamt ist die so noch bestehende Förderwirkung weiterhin vernachlässigbar, so dass der Drehzahlbereich der Rühreinrichtung zur Erzielung eines vorbestimmten Homogenisierungsgrads frei verändert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Förderwirkung der Rühreinrichtung insgesamt durch Anstellen der Rührerflügel, durch die geometrische Form der Rührerflügel und/oder durch die Winkelstellung der Rührerflügel in Umfangsrichtung der Rührerwelle (helixartige Anordnung der Gesamtheit der Rührerflügel entlang der Rührerwelle) bewirkt. Durch Variieren dieser Parameter, was insbesondere durch numerische Simulation simuliert werden kann, lässt sich die erzielbare Homogenisierung in dem bestimmungsgemäßen Drehzahlbereich der Rühreinrichtung variabel vorgeben, wobei dennoch dem von außerhalb erzeugten Glasschmelzenfluss keine weitere Förderwirkung aufgeprägt wird.
Dabei können die Rührerflügel unter unterschiedlichen Winkelstellungen angeordnet sein, so dass insgesamt eine helixartige Anordnung der Rührerflügel entlang der Rührerwelle ausgebildet wird. Der Drehsinn dieser Helix kann gleichsinnig oder entgegengesetzt zum von außen aufgeprägten Gesamtschmelzenfluss sein. Durch diese helixartige Anordnung der Rührerflügel wird insgesamt ein direkter Durchfluss der Glasschmelze durch den inneren Rührerbereich, welcher von den Rührerflügeln überstrichen wird, unterbunden. Mit anderen Worten, durch die versetzte Anordnung der Rührerflügel zu einer helixartigen Anordnung kann insgesamt eine direkte Bahn vom Einlass hin zum Auslass versperrt werden. So werden Kurzschluss-Strömungen von wenig verrührtem Schmelzgut verhindert.
Darüberhinaus führt die helixartige Anordnung der Rührerflügel ebenfalls zu einer Förderwirkung, die je nach Orientierung gleich- oder gegensinnig zum aufgeprägten Schmelzenstrom wirksam ist. In Kombination mit der Förderwirkung der Flügel selbst kann dieser Effekt zur Neutralisierung der Netto-Förderwirkung benutzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist einer oder sind mehrere Rührerflügel im Bereich des Einlasses derart angestellt, dass in einer ersten Zone eine Förderwirkung entlang der Rührerwelle und in einer Richtung von dem Einlass hin zu dem Auslass ausgebildet wird. Die erzielbare Förderwirkung in dieser ersten Zone kann dabei durch die Form und/oder den Anstellwinkel des Rührerflügels bzw. der Rührerflügel eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Rührerflügel im Bereich des Auslasses mit einer axialen Förderwirkung entlang der Rührerwelle und in einer Richtung von dem Einlass und hin zu dem Auslass vorgesehen, wobei die Förderwirkung ebenfalls durch die Form und/oder den Anstellwinkel der Rührerflügel eingestellt werden kann.
Zwischen diesen beiden Bereichen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest ein Rührerflügel angeordnet, der eine Zone mit einer entgegengesetzt gerichteten Förderwirkung ausbildet. Die Förderwirkungen in den verschiedenen Zonen kompensieren sich dabei insgesamt, so dass von der Rühreinrichtung insgesamt keine Netto-Förderwirkung ausgeübt wird. Dies kann durch geeignete Formgebung der Rührerflügel und/oder Winkelstellung der Rührerflügel und/oder durch geeignetes Anstellen der Rührerflügel bewirkt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform üben die Rührerflügel insgesamt sowohl eine axiale als auch eine radiale Förderwirkung aus. Der radiale Schmelzenstrom geht außerhalb des inneren Rührerbereichs, das heißt in dem Spalt zwischen der Innenwand des Rührgefäßes und den vorderen Enden der Rührerflügel, über in eine Glasschmelzenströmung mit entgegen gesetzter Richtung innerhalb des inneren Rührerbereichs. Auf diese Weise werden von der Rühreinrichtung insgesamt zumindest zwei walzenartige Strömungsbereiche ausgebildet, deren Förderwirkung von dem Einlass hin zu dem Auslass sich insgesamt kompensieren zu einer nahezu verschwindenden Netto-Förderwirkung der Rühreinrichtung. Dies gilt auch für den Fall, dass mehr als zwei solcher walzenartige Strömungsbereiche ausgebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Rührerflügel insgesamt so ausgelegt, dass ein durch die Förderwirkung insgesamt bewirkter Schmelzenstrom einen Spalt zwischen einer Innenwand des jeweiligen Rührgefäßes und den Rührerflügeln gegen ein unmittelbares Durchströmen der Glasschmelze abdichtet. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass eine solche dynamische Abdichtung des Randspalts trotz deutlich größerer Randspaltbreiten eine hervorragende Homogenisierung von Glasschmelzen ermöglicht, insbesondere von hochviskosen Glasschmelzen. Somit können gemäß der vorliegenden Erfindung deutlich größere Randspaltbreiten verwendet werden, als dies herkömmlich möglich war. Aufgrund der deutlich größeren Randspaltbreiten kann erfindungsgemäß die Belastung auf die Komponenten der Vorrichtung erheblich reduziert werden. Insbesondere lassen sich erfindungsgemäß ein zu vernachlässigender Abrieb von Material sowie eine niedrige Abscherrate von Bläschen bei gleichzeitig vorteilhaft geringem Aufwand zum Justieren der Komponenten der Vorrichtung erzielen.
Auf diese Weise wird insbesondere erreicht, dass erfindungsgemäß sämtliche Glasinhomogenitäten unabhängig vom Eintrittsort in das Rührsystem in den inneren Rührbereich zwischen der Rührerwelle und den Enden der Rührerflügel geraten und dort durch Dehnen, Zerhacken und räumliche Umverteilung reduziert werden. Dabei lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichsweise hohe Spaltbreiten zwischen den Rührerflügeln und der Innenwand des Rührgefäßes erzielen. Auf diese Weise können durch hohe Scherraten bewirkte Störeffekte, wie beispielsweise Abrieb, Korrosion oder Einschlüsse aufgrund von Abrieb von Auskleidungsmaterial des Rührgefäßes und/oder Rührerflügelmaterial, verhindert werden.
Die vorgenannte aktive Abdichtung des Randspalts wird gemäß einer weiteren Ausführungsform insbesondere durch die Ausbildung von alternierenden Zonen mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung innerhalb des Randspalts erzielt, die einen unmittelbaren Durchtritt der durch den Einlass einströmenden Glasschmelze durch den Spalt hin zu dem Auslass verhindern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die Rührerflügel der Rühreinrichtung über einen Teil des Querschnitts des Einlasses des Schmelzenbehälters. Somit wird ein gewisser Teil des Querschnitts der durch den Einlass einströmenden Schmelzenströmung durch die Rührerflügel überdeckt, um einen unmittelbaren Eintritt der einströmenden Glasschmelze in den inneren Rührbereich zu verhindern. Die einströmende Glasschmelze wird vielmehr, und zwar unabhängig von ihrem Eintrittsort, zum oberen Ende der Rühreinrichtung hin umgelenkt, um erst dort in den inneren Rührbereich zu gelangen. Der Prozentsatz, zu dem der Querschnitt der einströmenden Glasschmelze durch die Rührerflügel überdeckt ist, kann größer als 0% sein und bis zu 50% betragen. Anders als im Stand der Technik stehen die Rührerflügel somit über den unteren Rand des Einlasses vor.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Rührgefäß in vertikaler Richtung ausgerichtet, das heißt entlang der Richtung der Schwerkraft, wobei der Einlass am oberen Ende des Rührgefäßes und der Auslass am Boden des Rührgefäßes vorgesehen ist und der den Gesamtschmelzenfluss treibende Druck im Wesentlichen durch einen hydrostatischen Druck bewirkt wird, was zu einem besonders vorteilhaft gleichmäßigen Glasschmelzenfluss führt. Die Vorrichtung kann dabei von der Glasschmelze kontinuierlich durchströmt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Schmelzenbehälter auch diskontinuierlich durchströmt werden, was beispielsweise durch intermittierendes Nachfüllen erzielt werden kann. Insgesamt durchströmt die Glasschmelze dabei die Vorrichtung jeweils in einer vorbestimmten Durchsatzrichtung.
Bevorzugt ist das Rührgefäß als Zylinder ausgebildet, worin die Rühreinrichtung konzentrisch angeordnet ist. Dabei umschließt das untere Ende des Rührgefäßes das untere Ende der Rühreinrichtung. Der untere Auslauf des Rührgefäßes kann sich dabei konisch verjüngen oder in einem ebenen, flachen Boden ausgebildet sein. Bevorzugt ist der Auslass des Rührgefäßes konzentrisch angeordnet. Denkbar sind jedoch grundsätzlich auch exzentrische Anordnungen des Auslasses.
Die vorgenannten Parameter, insbesondere der Anstellwinkel der Rührerflügel, die geometrische Form der Rührerflügel, die helixartige Anordnung der Rührerflügel entlang dem Umfang der Rührerwelle, die Wahl der Drehgeschwindigkeit des Rührers, des Durchmessers der Rühreinrichtung, der Anzahl Rührerflügel, die Förderwirkung der Rührerflügel und dergleichen, können insbesondere mit Hilfe einer mathematischen und/oder physikalischen Simulation der Strömungsverhältnisse in dem Glasschmelzenbehälter simuliert und erzielt erhalten werden, so dass basierend auf einer solchen Simulation ein optimaler Homogenisierungsgrad je nach den geforderten Spezifikationen erreicht werden kann. Zur physikalischen Simulation kann dabei insbesondere auf Modellsysteme mit vergleichbaren herunterskalierten Dimensionen und Viskositäten zurückgegriffen werden, wobei die Homogenisierung durch Einbringen von Farbstreifen in die einströmende, geeignete Viskoseflüssigkeit visuell begutachtet und optisch ausgewertet werden kann.
Mehrere Rührgefäße können dabei in geeigneter Weise in Reihe oder parallel hintereinander geschaltet werden. Dabei können unmittelbar hintereinander geschaltete Rührgefäße auf demselben Höhenniveau angeordnet sein, wobei der Auslass eines stromaufwärts befindlichen Rührgefäßes mit dem Einlass eines stromabwärts befindlichen Rührgefäßes über eine schräg ansteigende Leitung oder Röhre miteinander verbunden sind. Alternativ können unmittelbar hintereinander geschaltete Rührgefäße auch auf unterschiedlichen Höhenniveaus angeordnet sein, in welchem Fall die Verbindungsleitung bzw. -röhre zwischen dem Auslass eines stromaufwärts befindlichen Rührgefäßes und dem Einlass eines stromabwärts befindlichen Rührgefäßes auch horizontal verlaufen kann. In beiden Fällen wird der Gesamtschmelzenfluss bevorzugt aufgrund eines hydrostatischen Drucks in der gesamten Vorrichtung getrieben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Breite des Randspalts zwischen den vorderen Enden der Rührerflügel und der Innenoberfläche des Rührgefäßes mehr als 3% bis 13%, bevorzugter mehr als 5% bis 10%, des Durchmessers des Rührgefäßes. Somit kann der Randspalt erfindungsgemäß vergleichsweise breit sein und können erfindungsgemäß unerwünschte Störeffekte, wie beispielsweise Abrieb oder Korrosion von Material der Wandung des Rührgefäßes und/oder der Rühreinrichtung, vermieden werden.
Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft das Homogenisieren einer Glasschmelze bei der Herstellung von Displayglas, einer Glaskeramik, von Borosilikatgläsern, optischen Gläsern oder eines Glasrohrs. Bevorzugt ist die Vorrichtung dabei unmittelbar vor einem Glasspeiser zum Ausgeben der homogenisierten Glasschmelze angeordnet. Dabei braucht ein puffernder Zwischenspeicher für die Glasschmelze zwischen der Vorrichtung und dem Glasspeiser nicht vorgesehen sein. Vielmehr können die Vorrichtung und der Glasspeiser über eine röhrenartige Verbindungsleitung, auch mit einem größeren Durchmesser als dem Durchmesser des Rührgefäßes, miteinander unmittelbar verbunden sein. Bei dem Glasspeiser kann es sich um eine Düse zum Ausgeben der Glasschmelze, auch in Form einer die Glasschmelze formenden Düse, um einen Glasspeiser zum Ausgeben der Glasschmelze auf eine heiße Zinnschmelze im Rahmen der Herstellung von Floatglas, insbesondere für LCD-Displays, um eine Düse zum Ausgeben der heißen Glasschmelze auf den Außenumfang einer Dannerpfeife im Rahmen der Herstellung von Glasrohren oder um einen Ringspalt zur Ausgabe der Glasschmelze im Rahmen eines herkömmlichen Vello-Verfahrens zur Herstellung von Glasrohren handeln.
Figurenübersicht
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben ergeben werden. Es zeigen:
1 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
2a eine herkömmliche Rühreinrichtung;
2b die Anordnung der Rühreinrichtung gemäß der 2a in einem Rührgefäß gemäß der 1;
3 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 in einer schematischen Darstellung die Förderwirkung der Rührerflügel der Rühreinrichtung gemäß der 3;
5 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6a bis 6c die konkrete Ausgestaltung der Rührerflügel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
7a und 7b die konkrete Formgestaltung der Rührerflügel gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
8 die Netto-Förderwirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu einem idealen, nicht fördernden Rührer sowie mit herkömmlichen Rührvorrichtungen; und
9 die Anordnung der Rührvorrichtung gemäß der 3 unmittelbar vor einem Glasspeiser zur Ausgabe der homogenisierten Glasschmelze auf den Außenumfang einer sich drehenden Dannerpfeife im Rahmen der Herstellung von Glasrohren.
In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleichwirkende Elemente oder Elementgruppen.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Gemäß der 3 ist ein mehrere Rührerflügel 20, 21 aufweisender Rührer in einem insgesamt zylindrischen Rührgefäß 2 in punktsymmetrischer Anordnung angeordnet. In dem Rührgefäß 2 ist eine Glasschmelze aufgenommen. Das Rührgefäß 2 kann kontinuierlich oder diskontinuierlich von der Glasschmelze durchströmt werden, und zwar von dem Einlass 4 und hin zu dem Auslass 5. Die Gesamt-Förderwirkung des Rührers ist erfindungsgemäß verschwindend oder im Wesentlichen verschwindend, so dass der Gesamtschmelzenfluss durch die Rührvorrichtung von außen getrieben wird, insbesondere durch Anlegen eines hydrostatischen Drucks. Zu diesem Zweck kann das Rührgefäß 2 entlang der Schwerkraft verlaufend angeordnet sein. Gemäß der 3 ist der Einlass 4 am oberen Ende des Rührers angeordnet und der Auslass 5, der mit einem sich konisch verjüngenden Boden 6 ausgestattet ist, am unteren Ende des Rührers.
Gemäß der 3 überdecken die obersten drei Rührflügel 20 einen Großteil des Einlasses 4. Bevorzugt wird von dem Rührer zumindest 50% des Querschnittes des Einlasses 4 und noch bevorzugter zumindest zwei Drittel des Querschnitts des Einlasses 4 überdeckt. In der 3 sind die Rührerflügel, die aufgrund des Anstellwinkels eine abwärts gerichtete Förderwirkung ausüben, mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet und diejenigen Rührerflügel, die aufgrund des Anstellwinkels eine aufwärts gerichtete Förderwirkung ausüben, mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet.
Eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse in dem Rührgefäß 2 ist für den Rührer gemäß der 3 in der 4 gezeigt. Darin sind aus Vereinfachungsgründen die Rührerflügel 20, 21 nur schematisch als Rechtecke dargestellt und die von den Rührern jeweils ausgeübte Förderwirkung durch einen aufwärts oder abwärts gerichteten Pfeil dargestellt. Gemäß der 4 üben die obersten drei Rührerflügel 20 eine abwärts gerichtete Förderwirkung aus, übt der sich anschließende Rührerflügel 21 eine aufwärts gerichtete Förderwirkung aus, übt der sich anschließende Rührerflügel 20 eine abwärts gerichtete Förderwirkung aus und übt der unterste Rührerflügel 21 eine aufwärts gerichtete Förderwirkung aus. Die abwärts und aufwärts gerichteten Pfeile in der 4 deuten die Förderwirkung innerhalb des inneren Rührbereichs an, das heißt im Bereich der sich drehenden Rührerflügels 20, 21. Im Randspalt zwischen den Rührerflügeln 20, 21 und der Innenwand des Rührgefäßes 2 muss sich aus Gründen der Masseerhaltung und Kontinuität der Strömung eine entgegengesetzt gerichtete Strömung aufbauen. Diese ist im Bereich der obersten drei Rührerflügel 20 im Randspalt aufwärts gerichtet, wie durch das Bezugszeichen 22 angedeutet, ist im Bereich des sich anschließenden Rührerflügels 21 im Randspalt abwärts gerichtet, wie durch das Bezugszeichen 23 angedeutet, ist im Bereich des sich anschließenden Rührerflügels 20 im Randspalt aufwärts gerichtet, wie durch das Bezugszeichen 22 angedeutet und ist im Bereich des Auslasses bzw. untersten Rührerflügels 21 erneut abwärts gerichtet, wie durch das Bezugszeichen 24 angedeutet. Die den Bezugszeichen 22 bis 24 zugeordneten Pfeile deuten jeweils die Strömungsrichtung innerhalb des Randspalts 16 an.
Aufgrund der in dem Randspalt 16 aufwärts gerichteten Strömung 22 wird die durch den Einlass 4 einströmende Glasschmelze aufwärts mitgeführt, um am oberen Ende des Rührers in den inneren Rührbereich zu gelangen, mit dort vorherrschender axial abwärts gerichteter Förderwirkung. Aufgrund der den Querschnitt des Einlasses 4 im Wesentlichen vollständig überdeckenden aufwärts gerichteten Strömung 22 wird ein unmittelbarer Durchtritt der durch den Einlass 4 einströmenden Glasschmelze durch den Randspalt 16 hin zu dem Auslass 5 verhindert. Aufgrund der entgegengesetzt gerichteten Strömungswalze 23 und der entgegengesetzt gerichteten Förderwirkung des sich anschließenden Rührerflügels 21 wird ein unmittelbarer Durchtritt der axial abwärts geförderten Glasschmelze zu dem Auslass 5 verhindert. Vielmehr kommt es im Übergangsbereich zwischen den Strömungswalzen 22 und 23 zu einer erheblichen Verwirbelung der Glasschmelze, wodurch eine Homogenisierung der Glasschmelze bewirkt wird. Eine entsprechende Homogenisierung wird auch im Übergangsbereich zwischen den Strömungswalzen 23 und 22 im Übergangsbereich zwischen dem (von oben betrachtet) vierten und fünften Rührerflügel 21, 20 bewirkt, sowie im Übergangsbereich zwischen dem (von oben betrachtet) fünften und sechsten Rührerflügel 20, 21, das heißt im Übergangsbereich zwischen der Strömungswalze 22 und 24.
Aufgrund der im Randspalt alternierend aufwärts und abwärts gerichteten Förderwirkung der Strömungswalzen 22 bis 24 wird weiter ein unmittelbarer Durchtritt der Glasschmelze durch den Randspalt 16 hin zu dem Auslass 5 verhindert. Aufgrund der im inneren Rührbereich alternierend entgegengesetzt gerichteten Förderwirkung der Rührerflügel 20, 21 wird ebenfalls ein unmittelbar axialer Durchtritt der Glasschmelze im inneren Rührbereich zum Auslass 5 hin verhindert.
Durch die geometrische Form der Rührerflügel 20, 21, durch deren Anstellwinkel und/oder durch die Winkelstellungen der Rührerflügel 20, 21 in Umfangsrichtung der Rührerwelle 10, können die Strömungsverhältnisse in dem Rührgefäß 2 präzise vorgegeben werden. Erfindungsgemäß sind die Rührerflügel 20, 21 so ausgelegt, dass die Gesamt-Förderwirkung der Rühreinrichtung insgesamt verschwindend oder nahezu verschwindend ist, und zwar zumindest innerhalb des bestimmungsgemäßen Drehzahlbereich der Rühreinrichtung, der beispielsweise im Bereich zwischen etwa 10 U/min und 100 U/min liegen kann. Somit wird der Gesamtschmelzenfluss durch das Rührgefäß 2 bei variierender Drehzahl der Rühreinrichtung gar nicht oder im Wesentlichen nicht verändert. Somit kann durch geeignetes Einstellen der Drehzahl des Rührers der erzielbare Homogenisierungsgrad nahezu beliebig eingestellt werden, ohne dass dies einen nennenswerten Einfluss auf den Durchsatz bzw. den Gesamtschmelzenfluss durch das Rührgefäß 2 haben würde. Dieser wird vielmehr durch externe Beaufschlagung mit einem hydrostatischen Druck oder mittels einer externen Fördereinrichtung bewirkt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Rührerflügel 20, 21 insgesamt so ausgelegt sein, dass zumindest innerhalb des bestimmungsgemäßen Drehzahlbereichs der Rühreinrichtung, das heißt insbesondere im Bereich zwischen etwa 10 U/min und 100 U/min, der Durchsatz bzw. Gesamtschmelzenfluss durch das Rührgefäß 2 bei variierender Drehzahl innerhalb gewisser Grenzen in geringem Ausmaße variiert wird, beispielsweise bis maximal +/–5%, bevorzugter bis maximal +/–1%, bezogen auf den Gesamtdurchsatz bzw. Gesamtschmelzenfluss durch das Rührgefäß 2. Bei dieser alternativen Ausführungsform hat somit eine Änderung der Drehzahl eine geringfügige Änderung des Gesamtdurchsatzes bzw. Gesamtschmelzenflusses durch das Rührgefäß 2 zur Folge, was bei gewissen Verwendungsformen eine gewisse Regelung des Gesamtdurchsatzes durch Einstellen der Drehzahl der Rühreinrichtung ermöglicht.
Wie der 4 ohne weiteres entnommen werden kann, wird durch die Rührerflügel 20, 21 insgesamt eine axiale und radiale Förderwirkung bewirkt. In dem inneren Rührbereich sowie in dem Randspalt 16 werden erfindungsgemäß entlang der Rührerwelle 10 alternierend Zonen 22, 23, 24 mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung ausgebildet.
Wie der 3 entnommen werden kann, wird diese Förderwirkung insbesondere durch den Anstellwinkel der Rührerflügel 20, 21 bewerkstelligt. Falls die Rührerflügel 20, 21 flache, ebene, flügelartige Gebilde sind, schlägt die ausgeübte Förderwirkung bei Überschreiten eines Anstellwinkels von 45° von einer axial abwärts gerichteten Strömung in eine axial aufwärts gerichtete Strömung um. Dieser Übergangsbereich kann bei anderer Formgestaltung der Rührerflügel 20, 21 und/oder Anordnung derselben auch bei einem anderen Winkel liegen.
Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung, bei welcher der Boden 7 des Rührgefäßes 2 eben ausgebildet ist. Sowohl bei der Ausführungsform gemäß der 3 als auch gemäß der 5 kann der Auslass 5 konzentrisch oder exzentrisch zum Rührgefäß 2 angeordnet sein.
Anhand der 6a bis 7b werden nachfolgend weitere Gestaltungsmöglichkeiten zur Beeinflussung der ausgeübten Förderwirkung beschrieben. Gemäß der 6a liegen die hinteren Enden der Rührerflügel 11 unmittelbar am Außenumfang der Rührerwelle 10 an und ist die Vorderkante 17 des Rührerflügels 11 abgeschrägt ausgebildet. Wie durch den vertikalen Balken 13 im rechten Bildteil der 6a angedeutet, ist der Rührerflügel 11 flach, das heißt als plattenförmiges Element ausgebildet. Gemäß der 6a überlappen die zueinander höhenversetzten Rührerflügel 11 geringfügig. Gemäß der 6b sind die Rührerflügel 11 um genau eine Höhe eines Rührerflügels 11 versetzt zueinander angeordnet.
Die 6c zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Rührerflügel 11 radial von einem zylindrischen Vorsprung 19 abragen, der seinerseits radial von der Rührerwelle 10 abragt. Die hinteren Enden der Rührerflügel 11 grenzen unmittelbar an den Außenumfang der Rührerwelle 10 an, wohingegen die Vorderkanten 17 abgeschrägt ausgebildet sind. Im linken und rechten Bildteil der 6c ist eine Draufsicht auf die Stirnseite der Rührerflügel 11 dargestellt. Die Stirnseite 13 der Rührerflügel 11 ist flach, erkennbar ist auch der kreisrunde Querschnitt der zylindrischen Vorsprünge 19.
Durch den abgeschrägten Abschnitt am vorderen Ende 17 der Rührerflügel 11 werden übermäßige Beanspruchungen an den Eckbereichen der Rührerflügel 11 vermieden.
Die 7a und 7b zeigen bevorzugte Rührflügelgeometrien zur Verbesserung des Homogenisierungsgrads. Gemäß der 7a ist zusätzlich auch am hinteren Ende der Rührerflügel 11 ein abgeschrägter Abschnitt 18 vorgesehen. Gemäß der 7b kann eine solche Abschrägung 18 auch bei Ausführungsformen vorgesehen sein, bei denen die Rührerflügel 11 radial von einem zylindrischen Vorsprung 19 abragen, der seinerseits radial von der Rührerwelle 10 abragt.
Die 8 zeigt schematisch die von dem erfindungsgemäßen Rührer ausgeübte Förderwirkung in Abhängigkeit von der Drehzahl. Der Drehzahlbereich gemäß der 8 kann beispielsweise von 0 U/min bis etwa 100 U/min reichen, was die Erfindung jedoch nicht beschränken soll. Die horizontal verlaufende Kurve entspricht dem Verhalten eines idealen, nicht fördernden Rührers, der eine konstante Druckdifferenz bewirkt. Im Vergleich dazu führt der erfindungsgemäße Rührer zu einer geringfügig höheren Druckdifferenz, die jedoch auch über den gesamten bestimmungsgemäßen Drehzahlbereich im Wesentlichen konstant ist. Im Vergleich dazu erhöht sich die ausgeübte Druckdifferenz bei der oberen Kurve für einen Förderrührer, bei dem der überwiegende Teil der Rührflügel aufwärts fördernd ist, mit zunehmender Drehzahl, wohingegen gemäß der unteren Kurve für einen Förderrührer, bei dem sämtliche Rührflügel abwärts fördern sind, die Druckdifferenz mit zunehmender Drehzahl abfällt. Mit anderen Worten, für die herkömmlichen Förderrührer gemäß der oberen und unteren Kurve wird mit zunehmender Drehzahl eine zunehmende oder abnehmende Förderwirkung bewirkt, so dass eine Änderung des Homogenisierungsgrads durch Ändern der Drehzahl automatisch zu einer Änderung des Durchsatzes bzw. des Gesamtschmelzenflusses durch das Rührgefäß 2 führt. Im Gegensatz dazu kann bei dem erfindungsgemäßen Rührer (2. Kurve von oben) die Drehzahl zur präzisen Einstellung eines gewünschten Homogenisierungsgrads jedenfalls innerhalb des bestimmungsgemäßen Drehzahlbereichs frei variiert werden, ohne dass dies zu einer nennenswerten Änderung des Durchsatzes bzw. Gesamtschmelzenflusses führen würde.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass den Kurven gemäß der 8 experimentelle Werte (nicht gezeigt) zugrunde liegen, die durch physikalische Simulation in vergleichbaren Systemen mit vergleichbar viskosen Flüssigkeiten und bei vergleichbarer Reynolds-Zahl gemessen wurden.
Die 9 zeigt als Beispiel für eine bevorzugte Verwendung die Anordnung einer erfindungsgemäßen Rühreinrichtung unmittelbar vor einem Glasspeiser 30, aus dem die austretende Glasschmelze 31 auf den Außenumfang einer sich drehenden Dannerpfeife 32 austritt, um dort einen geschlossenen Glasschmelzenmantel 33 auszubilden, der nach Abziehen (in der 9 nach rechts gerichtet) zu einem Glasrohr mit im Wesentlichen konstantem Außendurchmesser und konstanter Wandstärke führt. Gemäß der 9 ist der Glasspeiser 30 unmittelbar hinter dem Auslass 5 angeordnet, das heißt ohne Zwischenschaltung von puffernden Zwischenbehältnissen. Dies setzt einen sehr konstanten Durchsatz des Rührgefäßes 2 voraus, der erfindungsgemäß aufgrund des Anstellwinkels, der geometrischen Form und/oder der Winkelstellungen der Rührerflügel in Umfangsrichtung der Rührerwelle erzielt werden kann. Wie in der 9 gezeigt, tritt die Glasschmelze durch einen sich vertikal aufwärts erstreckenden Verbindungsschenkel 9 in den Einlass 4 ein, so dass insgesamt auf das Rührgefäß 2 ein externer hydrostatischer Druck einwirkt, um die Glasschmelze zu dem Auslass 5 hin zu treiben.
Wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, kann das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Prinzip zum Homogenisieren einer Glasschmelze bei der Herstellung von Displayglas, insbesondere von Glasscheiben für LCD-, OLED- oder Plasma-Displays, zur Herstellung von Glaskeramiken, von Borosilikatgläsern, von optischen Gläsern oder von Gläsern im Rahmen der Herstellung von Rohrglas eingesetzt werden. Aufgrund der dynamischen Abdichtung des Randspalts können erheblich höhere Spaltbreiten erzielt werden, so dass der Abrieb von Materialien erfindungsgemäß verringert werden kann. Dies führt auch dazu, dass Partikel, die gemäß dem Stand der Technik abgetragen werden und die Glasqualität beeinträchtigen, erfindungsgemäß nicht mehr auftreten.
Bezugszeichenliste

2: Schmelzenbehälter/Rührgefäß
3: Schmelze
4: Einlass
5: Auslass
6: Sich konisch verjüngender Abschnitt von Auslass 5
7: Flacher Boden des Rührgefäßes 2
9: Verbindungsschenkel
10: Rührwelle
11: Rührerflügel
12: Rührbereich mit axialer Förderwirkung
13: Stirnseite des Rührerflügels 11
15: Stufe
16: Spalt/Randspalt
17: Abgeschrägter Abschnitt an Vorderkante des Rührerflügels 11
18: Abgeschrägter Abschnitt an hinterer Kante des Rührerflügels 11
19: (Zylindrischer) Vorsprung
20: Abwärts fördernder Rührerflügel
21: Aufwärts fördernder Rührerflügel
22: Aufwärts gerichtete Strömungswalze in Randspalt 16
23: Abwärts gerichtete Strömungswalze in Randspalt 16
24: Überlagerte Strömungswalze im Bereich des Auslasses 5
30: Glasspeiser
31: Austretender Glasschmelzenstrom
32: Dannerpfeife
33: Glasschmelzenmantel auf Dannerpfeife 32
34: Ziehzwiebel/Übergangsbereich zu abgezogenem Glasrohr mit konstantem Durchmesser

Claims

Verfahren zum Homogenisieren einer Glasschmelze unter Verwendung von zumindest einer Rühreinrichtung (1), die jeweils in einem Rührgefäß (2) mit einem seitlichen Einlass (4) und einem Auslass (5) angeordnet ist, wobei die jeweilige Rühreinrichtung (1) eine Mehrzahl von Rührerflügeln (11, 20, 21) aufweist, die entlang einer gemeinsamen Rührerwelle (10) beabstandet zueinander angeordnet sind, bei welchem Verfahren eine Netto-Förderwirkung der Rühreinrichtung (1) insgesamt von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5) kleiner als +/–5%, bezogen auf den Gesamtschmelzenfluss von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5), im Wesentlichen dadurch erzielt wird, dass die Rührerflügel (11, 20, 21) entlang der Rührerwelle (10) zumindest zwei zueinander entlang der Rührerwelle beabstandete Zonen mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung erzeugen und die Förderwirkungen dieser zueinander beabstandeten Zonen sich im Wesentlichen aufheben und zumindest ein Rührerflügel (20) im Querschnittsbereich des Einlasses jeweils eine Zone (22, 24) mit einer axialen Förderwirkung entlang der Rührerwelle (10) und in einer Richtung von dem Einlass (4) und hin zu dem Auslass (5) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei innerhalb des Spalts (16) alternierend Zonen mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung ausgebildet werden, die einen unmittelbaren Durchtritt der durch den Einlass (4) einströmenden Glasschmelze durch den Spalt (16) hin zu dem Auslass (5) verhindern.
Verfahren zum Homogenisieren einer Glasschmelze unter Verwendung von zumindest einer Rühreinrichtung (1), die jeweils in einem Rührgefäß (2) mit einem seitlichen Einlass (4) und einem Auslass (5) angeordnet ist, wobei die jeweilige Rühreinrichtung (1) eine Mehrzahl von Rührerflügeln (11, 20, 21), die entlang einer gemeinsamen Rührerwelle (10) beabstandet zueinander angeordnet sind, und einen Randspalt (16) aufweist, bei welchem Verfahren zumindest ein Rührerflügel (20) im Querschnittsbereich des Einlasses jeweils eine Zone (22, 24) mit einer axialen Förderwirkung entlang der Rührerwelle (10) und in einer Richtung von dem Einlass (4) und hin zu dem Auslass (5) ausbildet und innerhalb des Spalts (16) alternierend Zonen mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung ausgebildet werden, die einen unmittelbaren Durchtritt der durch den Einlass (4) einströmenden Glasschmelze durch den Spalt (16) hin zu dem Auslass (5) verhindern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Förderwirkung der Rühreinrichtung (1) insgesamt von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5) kleiner als +/–1% bezogen auf den Gesamtschmelzenfluss von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei Rührerflügel (20, 21) zueinander entgegengesetzt angestellt sind, so dass die Rührerflügel zumindest zwei entlang der Rührerwelle (10) zueinander beabstandete Zonen (22, 23) mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Förderwirkung der Rühreinrichtung (1) insgesamt von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5) durch Anstellen der Rührflügel (11, 20, 21), durch die geometrische Form der Rührerflügel und/oder durch die Winkelstellung der Rührerflügel in Umfangsrichtung der Rührerwelle (10) bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Rührerflügel (20) im Bereich des Auslasses (5) jeweils eine Zone (22, 24) mit einer axialen Förderwirkung entlang der Rührerwelle (10) und in einer Richtung von dem Einlass (4) und hin zu dem Auslass (5) ausbilden und beabstandet zu dieser Zone (22, 24) zumindest eine zweite Zone (23) mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rührerflügel (11, 20, 21) eine axiale und radiale Förderwirkung bewirken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein durch die Förderwirkung insgesamt bewirkter Schmelzenstrom einen Spalt (16) zwischen einer Innenwand des jeweiligen Rührgefäßes (2) und den Rührerflügeln (11, 20, 21) gegen ein unmittelbares Durchströmen der Glasschmelze abdichtet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Strömungsrichtung betrachtet vorderste Rührerflügel (20) im Bereich des Einlasses (4) sich über einen Teil des Querschnitts des Einlasses (4) erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die in Strömungsrichtung vordersten Rüherflügel (20) mehr als 0% und bis zu 50% des Querschnitts des Einlasses (4) bedecken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rührgefäß (2) in vertikaler Richtung ausgerichtet ist, der Einlass (4) am oberen Ende des Rührgefäßes und der Auslass (5) am Boden des Rührgefäßes vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Auslass (5) mittig oder exzentrisch am Boden des Rührgefäßes vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Boden des Rührgefäßes (2) konisch verjüngt (6) oder eben ausgebildet ist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Homogenisieren einer Glasschmelze bei der Herstellung von Displayglas, einer Glaskeramik, von Borosilikatgläsern, optischen Gläser oder eines Glasrohrs.
Verwendung nach Anspruch 15, wobei der Auslauf (5) unmittelbar vor einem Glasspeiser (30) zum Ausgeben der Glasschmelze angeordnet ist.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei der Glasspeiser (30) Teil einer Vorrichtung (32) zur Herstellung eines Glasrohrs ist oder eine Glasformungseinrichtung ausbildet.
Vorrichtung zum Homogenisieren einer Glasschmelze, mit zumindest einer Rühreinrichtung (1), die jeweils in einem Rührgefäß (2) mit einem seitlichen Einlass (4) und einem Auslass (5) angeordnet ist, wobei die jeweilige Rühreinrichtung eine Mehrzahl von Rührerflügeln (11, 20, 21) aufweist, die entlang einer gemeinsamen Rührerwelle (10) beabstandet zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass bedingt durch die Rührflügel-Geometrie, den Anstellwinkel der Rührflügel und/oder die Anordnung der Rührflügel entlang der Rührerwelle eine Netto-Förderwirkung der Rühreinrichtung (1) insgesamt von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5) kleiner als +/–5%, bezogen auf den Gesamtschmelzenfluss von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5), im Wesentlichen dadurch erzielbar ist, dass die Rührerflügel (11, 20, 21) entlang der Rührerwelle (10) zumindest zwei zueinander entlang der Rührerwelle beabstandete Zonen mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung erzeugen und die Förderwirkungen dieser zueinander beabstandeten Zonen sich im Wesentlichen aufheben und zumindest ein Rührerflügel (20) im Querschnittsbereich des Einlasses jeweils eine Zone (22, 24) mit einer axialen Förderwirkung entlang der Rührerwelle (10) und in einer Richtung von dem Einlass (4) und hin zu dem Auslass (5) ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Rührerflügel so ausgelegt sind, dass innerhalb des Randspalt (16) alternierend Zonen mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung ausgebildet werden, die einen unmittelbaren Durchtritt der durch den Einlass (4) einströmenden Glasschmelze durch den Spalt (16) hin zu dem Auslass (5) verhindern.
Vorrichtung zum Homogenisieren einer Glasschmelze, mit zumindest einer Rühreinrichtung (1), die jeweils in einem Rührgefäß (2) mit einem seitlichen Einlass (4) und einem Auslass (5) angeordnet ist, wobei die jeweilige Rühreinrichtung eine Mehrzahl von Rührerflügeln (11, 20, 21) aufweist, die entlang einer gemeinsamen Rührerwelle (10) beabstandet zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Rührerflügel (20) im Querschnittsbereich des Einlasses jeweils eine Zone (22, 24) mit einer axialen Förderwirkung entlang der Rührerwelle (10) und in einer Richtung von dem Einlass (4) und hin zu dem Auslass (5) ausbildet und innerhalb des Randspalt (16) alternierend Zonen mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung ausgebildet werden, die einen unmittelbaren Durchtritt der durch den Einlass (4) einströmenden Glasschmelze durch den Spalt (16) hin zu dem Auslass (5) verhindern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Rührerflügel so ausgelegt sind, dass die Förderwirkung der Rühreinrichtung (1) insgesamt von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5) kleiner als +/–1% bezogen auf den Gesamtschmelzenfluss von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei zumindest zwei Rührerflügel (20, 21) zueinander entgegengesetzt angestellt sind, so dass die Rührerflügel entlang der Rührerwelle (10) zueinander beabstandete Zonen (22, 23) mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei der die Förderwirkung der Rühreinrichtung (1) insgesamt von dem Einlass (4) zu dem Auslass (5) durch Anstellen der Rührerflügel (11, 20, 21), durch die geometrische Form der Rührerflügel und/oder durch die Winkelstellung der Rührerflügel in Umfangsrichtung der Rührerwelle (1) bewirkt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die Rührerflügel so ausgelegt sind, dass zumindest ein Rührerflügel (20) im Bereich des Auslasses (5) eine Zone (22, 24) mit einer axialen Förderwirkung entlang der Rührerwelle (10) und in einer Richtung von dem Einlass (4) und hin zu dem Auslass (5) ausbildet und beabstandet zu dieser Zone (22, 24) zumindest eine zweite Zone (23) mit entgegengesetzt gerichteter Förderwirkung ausgebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei die Rührerflügel (11, 20, 21) ausgelegt sind, um eine axiale und radiale Förderwirkung zu bewirken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei die Rührerflügel so ausgelegt sind, dass ein durch die Förderwirkung insgesamt bewirkter Schmelzenstrom einen Spalt (16) zwischen einer Innenwand des jeweiligen Rührgefäßes (2) und den Rührerflügeln (11, 20, 21) gegen ein unmittelbares Durchströmen der Glasschmelze abdichtet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei in Strömungsrichtung betrachtet vorderste Rührerflügel (20) im Bereich des Einlasses (4) sich über einen Teil des Querschnitts des Einlasses (4) erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die in Strömungsrichtung vordersten Rüherflügel (20) mehr als 0% und bis zu 50% des Querschnitts des Einlasses (4) bedecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 28, wobei das Rührgefäß (2) in vertikaler Richtung ausgerichtet ist, der Einlass (4) am oberen Ende des Rührgefäßes und der Auslass (5) am Boden des Rührgefäßes vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei der Auslass (5) mittig oder exzentrisch am Boden des Rührgefäßes vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, wobei der Boden des Rührgefäßes (2) konisch verjüngt (6) oder eben ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 31, wobei eine Breite des Spalts (16) größer als 3% bis 13% des Durchmessers des jeweiligen Rührgefäßes ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 32 zum Homogenisieren einer Glasschmelze bei der Herstellung von Displayglas, einer Glaskeramik, von Borosilikatgläsern, optischen Gläsern oder eines Glasrohrs.
Verwendung nach Anspruch 33, wobei der Auslauf (5) unmittelbar vor einem Glasspeiser (30) zum Ausgeben der Glasschmelze angeordnet ist.
Verwendung nach Anspruch 34, wobei der Glasspeiser (30) Teil einer Vorrichtung (32) zur Herstellung eines Glasrohrs ist oder eine Glasformungseinrichtung ausbildet.