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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Erwärmen
bzw. Erhitzen von zumindest einem Teil eines Feedersystems und/oder
eines darin geleiteten Mediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Feedersysteme, auch Zuführ- oder
Einspeisesysteme genannt, der hier fraglichen Art dienen dazu, ein
erwärmtes
Gut bzw. Medium, wie beispielsweise Glas, einer weiteren Bearbeitung,
wie beispielsweise einem Formungsprozeß zuzuführen. Um die Qualität und die
Dosiermenge des der Form zugeführten
Glases präzise
kontrollieren zu können,
ist es notwendig, das Feedersystem, insbesondere an dessen Auslaß, der als
Auslaufdüse
ausgebildet sein kann, auf exakt definierte Bedingungen einzustellen und
im Zuge dessen zu erwärmen.
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Zu diesem Zweck, d.h. für das Beheizen
einer solchen Einspeisevorrichtung, gibt es zahlreiche Ansätze, wie
beispielsweise eine indirekte Beheizung der Feedervorrichtung. Hierbei
werden um die Feedervorrichtung bildende Keramikrohre ringförmig Heizelemente
angebracht, die eine homogene Temperaturverteilung im Inneren des
Speisers gewährleisten
sollen. Nachteile dieses indirekten Verfahrens zur Erwärmung des
in den Keramikrohren geführten Glases
bestehen in einem sehr hohen Energie verbrauch aufgrund der außerhalb
der, an sich isolierend wirkenden, Keramikrohre angebrachten Heizelemente
sowie in sehr langen Reaktionszeiten bei Temperaturänderungen,
da die Keramikrohre selbst eine gewisse Wärmekapazität und somit Speicherwirkung aufweisen.
Darüber
hinaus ist die Belastung der Keramik, insbesondere bei Temperaturwechseln,
extrem hoch, so daß die
Lebensdauer bzw. die Standzeiten der Keramikteile niedrig sind.
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Ein weiterer Ansatz richtet sich
darauf, daß in einem
vertikalen Rohrsegment für
eine mechanische und thermische Homogenisierung des Glases gesorgt
wird, damit eine feinjustierte Dosierung der Glasgewichte bzw. der
Glasmenge möglich
ist. Hierfür
wird in der Regel eine Rührplungertechnologie eingesetzt.
Darüber
hinaus werden die Keramikteile mittels einer Wärmeisolierung und einem Stahlgehäuse stabilisiert,
wobei in Kombination mit den Heizelementen eine „aktive Isolierung" realisiert wurde.
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Optional werden gemäß eines
weiteren Ansatzes die Berührungsflächen der
Keramikteile, die mit dem flüssigen
Glas in Kontakt kommen, mit Platin beschichtet, um eine Korrosion
der Keramikteile zu vermindern und damit deren Standzeit zu verlängern.
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In neuerer Zeit wird die innere Platinbeschichtung
der Keramikteile bei „Vollplatinsystemen" für eine direkte
elektrische Beheizung der Keramikteile sowie des Glases verwendet.
Der Nachteil dieses Systems liegt jedoch in sehr hohen Investitionskosten
aufgrund der hohen Edelmetallpreise für Platin und der großen Menge
an Platin, die für
diese Systeme benötigt
wird.
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Eine weitere Alternative zur Beheizung
von Feedervorrichtungen besteht in einer direkten Beheizung einer
dünnen
Platinbeschichtung bei Keramikfeedern. Nachteilig ist hier jedoch
die hohe Störanfälligkeit
aufgrund der starken Belastung der sehr dünnen Platinschicht durch die
direkte elektrische Beheizung in Kombination mit den nur begrenzt
hitzeschockbeständigen
Keramikteilen, wobei die Platinschicht einer hohen Spannungsbelastung
ausgesetzt ist und ein Abplatzen möglich ist.
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Die
DE 100 21 013 A1 beschreibt diesbezüglich eine
Vorrichtung zur Herstellung von Substratglas nach dem Überlaufverfahren.
Dort wird ein in einem Substratglasformer angeordneter Metallkanal, der
aus Platin oder einer Platinlegierung besteht, durch einen unmittelbaren
Stromdurchgang durch das Platinmetall beheizt.
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Ein weiteres Verfahren zur Abkühlung von geschmolzenem
Glas, insbesondere mit einer beheizten Rühranlage in wenigstens einem
Glasauslauf ist in der
DE
33 14 540 A1 beschrieben. Dort wird das geschmolzene Glas
von der Rühranlage
in einen Glasspeiser geleitet, der durch Durchleiten von Strom homogen
beheizt wird.
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Die
DE 31 11 484 C2 beschreibt ein Verfahren
zur Herstellung von Glasfasern. Dort wird eine Glasschmelze einer
Ziehdüsenanordnung
zugeführt und
in vorgelagerten Zwischenkammern durch einen direkten Stromdurchgang
mittels eingeführter
Elektroden elektrisch beheizt. Eine direkte elektrische Beheizung
der Begrenzungswände
einer Zwischenkammer ist in der
DE 33 16 795 A1 beschrieben.
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All diesen Direktbeheizungssystemen
ist ein hoher Wartungsaufwand inhärent. Darüber hinaus steht bei diesen
Systemen sehr hohen Kosten im Fall von Vollplatinsystemen eine geringe
Lebensdauer im Fall von dünnen
Platinbeschichtungen auf der Innenseite der Keramikfeeder gegenüber. Insofern
weisen derzeitig bekannte beheizte Feedersysteme aufgrund dessen,
daß wesentliche
Beheizungsteile im Inneren des Feeders liegen, nicht nur einen komplizierten
und wartungsintensiven Aufbau auf, sondern auch die Wartungsintervalle
sind relativ kurz und die damit einhergehenden Stillstandszeiten
aufgrund eines hohen Wartungsaufwands lang, was zu geringen Produktionsraten
und im schlimmsten Fall zu Produktionsausfällen führt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erwärmen von
zumindest einem Teil eines Feedersystems und/oder eines darin geleiteten
Mediums zur Verfügung
zu stellen, das eine gegenüber
dem Stand der Technik erhöhte
Lebensdauer und Effektivität
aufweist, kostengünstig
ist und einfach zu warten bzw. anzuwenden ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch
1.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch
eine Vorrichtung zum Erwärmen
von zumindest einem Teil eines Feedersystems, das zumindest je einen
Feederkanal, Feederkopf sowie ggf. eine thermische Isolierung aufweist
und/oder eines darin geleiteten Mediums, vorzugsweise zum Einsatz
in Schmelzzonen sowie in Kanal- oder Einspeisesystemen bei der Heißverarbeitung
von Glas gelöst,
wobei zumindest eine Induktionsvorrichtung, insbesondere Induktionsspule
oder Induktionsrohr, für
das induktive Erwärmen
des zu erwärmenden
Teils und/oder des darin geleiteten bzw. zu temperierenden Mediums
vorgesehen ist.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung
liegt darin, daß eine
Induktionsvorrichtung vorgesehen ist, mittels derer ein Teil des
Feedersystems oder ein darin geleitetes oder geführtes Medium erwärmt wird. Aufgrund
der Wirkungsweise einer induktiven Erwärmung, die sowohl ein direktes
als auch ein indirektes Erwärmen
eines Mediums ermöglicht,
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
konstruktiv wesentlich einfacher gestaltet werden als bisher bekannte
Feedersysteme, bei denen immer eine direkte Beheizung eines schwer
zugänglichen
Platinteils im Inneren des Feedersystems mit allen damit einhergehenden
Anschlußsystemen
und Leitungen notwendigerweise durchgeführt wurde.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Induktionsvorrichtung
zumindest einen Teil des Feedersystems, vorzugsweise ein, das Medium
führende Rohr,
umgibt.
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Als Induktionsvorrichtung ist vorzugsweise entweder
eine Induktionsspule oder ein Induktionsrohr vorgesehen, wobei jedoch
jede Vorrichtung als Induktionsvorrichtung dienen kann, die geeignet
ist, ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Insbesondere kommen
hierfür
alle Arten von stromdurchflossenen elektrischen Leitern in Betracht.
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Gemäß einer Ausführungsform
umgibt die Induktionsvorrichtung ein Keramikrohr, innerhalb dem
das zu erwärmende
Medium, im hier vorliegenden Fall Glas, geführt ist. Im Inneren des Keramikrohrs
ist gemäß einer
Alternative ein Induktionskörper
vorgesehen, der beispielsweise als Hülse ausgebildet und an die
Form des Keramikrohres angepaßt oder
im wesentlichen von allen Seiten des Keramikrohrs gleichmäßig beabstandet
ist.
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An dieser Stelle sei angemerkt, daß das Keramikrohr
als Feederkanal dient und das Glas einem Feederkopf zuführt. Als
Rohrgeometrie kommen prinzipiell alle langgestreckten Hohlkörper in
Frage, die geeignet sind, ein Medium zu führen, wobei insbesondere rinnenförmige, U-
oder V-förmige
bzw. eckige Geometrien neben standardmäßig rund oder oval ausgebildeten
Geometrien vorteilhaft sein können.
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Die Keramik, innerhalb der das flüssige Glas geführt wird,
und die unter anderem auch zur thermischen Isolierung dient, besteht üblicherweise
aus Aluminiumoxid, das gegossen oder beispielsweise auch als Fasermatte
Anwendung findet. Es sind jedoch auch andere keramische Materialien,
insbesondere in faserverstärkter
Ausführung,
anwendbar, wobei wesentliche Aspekte eine Temperaturresistenz sowie
eine Temperaturschockbeständigkeit
der Keramik sind.
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Der Induktionskörper besteht aus einem elektrisch
leitfähigen
Material und ist im Inneren des Feedersystems in einem wärmeübertragenden
Kontakt mit dem zu temperierenden Medium angeordnet. Je nach Geometrie
des Feedersystems können
mehrere Induktionsvorrichtungen, beispielsweise Spulen, und/oder
mehrere Induktionskörper
vorgesehen sein.
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Der Induktionskörper selbst kann unterschiedlich
ausgebildet sein. Es kommt beispielsweise ein in Keramik eingeklebtes
Vollplatinblech in Betracht. Eine andere Variante besteht in einer
platinbeschichteten Keramik auf der Grundlage von einem Mullit,
wie beispielsweise Zirkonmullit oder einem anderen schmelzgegossenen
Material. Ebenso denkbar ist ein in Keramik eingeklebtes Iridiumblech.
Als leitfähige
Materialien, die vorgenanntes Platin oder Iridium ersetzen können, kommen
des weiteren Edelmetalle, wie beispielsweise Silber, Gold, Palladium, Platin,
Rhodium, Ruthenium, Iridium oder Osmium sowie Legierungen daraus
in Betracht. Sofern das elektrisch leitfähige Material vollständig von
einer, insbesondere dünnen,
Keramik umschlossen ist, kommen des weiteren unedle Metalle wie
Eisen oder Kupfer, aber auch Wolfram oder Tantal, als induktiv wirksamer
Teil des Induktionskörpers
in Betracht.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
besteht der Induktionskörper
aus einer Platin/Rhodiumlegierung, die sich im direkten, d.h. wärmeübertragenden
Kontakt mit dem flüssigen
Glas befindet.
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Erfindungsgemäß kann im Inneren des Feedersystems,
ebenfalls in einem wärmeübertragenden Kontakt
mit dem zu temperierenden Medium zumindest eine Infrarotstrahlung
reflektierende Oberfläche vorgesehen
sein. Im Falle der Verwendung einer Hülse aus einem der vorgenannten
Edelmetalle, insbesondere Platin oder einer Platin/Rhodiumlegierung, als
Induktionskörper,
besteht die vorgenannte reflektierende Oberfläche in der spiegelnden Oberfläche des
Metalls selbst.
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Der wesentliche Vorteil des vorstehend
beschriebenen beheizbaren Feedersystems besteht in einem sehr einfachen
und wartungsfreundlichen Aufbau. So wird, im Fall der Verwendung
einer „kalten
Induktionsspule" diese
um das Keramikrohr, mit dem Platineinsatz bzw. der Platinbeschichtung
im Inneren des Rohres, herumgewickelt und nach Bedarf mit einer
Aluminiumoxid-Fasermatte nach außen hin isoliert. Als Induktionsspule
kommt eine einfache Kupferspule in Betracht, die, beispielsweise
mit Wasser, gekühlt
wird. Die Induktionsspule wird mit einem hochfrequenten Wechselstrom
betrieben, wodurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Aufgrund
des Hochfrequenz-Wechselstroms ändert
sich die +/– –Polung
im Magnetfeld entsprechend der Frequenz des Wechselstroms. Das wechselnde
Magnetfeld wirkt durch die Keramik hindurch und induziert in der
leitfähigen
Platinbeschichtung bzw. in dem Platineinsatz im Inneren des Keramikrohrs
einen Induktivstrom, wobei das Platin quasi als Sekundärwicklung
eines Kurzschlußtransformators
wirkt und sich durch die erzeugte sogenannte Wirbelstromwärme erwärmt. Die
in dem Platin er zeugte Erwärmung
wird zu einem kleineren Teil von der Oberfläche in Form vom Wärmeleitung
an das direkt angrenzende Glas abgegeben und zu einem größeren Teil
in Form von Infrarotstrahlung im Inneren des Rohres an das Glas abgestrahlt.
Die Infrarotstrahlung, die senkrecht aus der Oberfläche austritt,
geht durch den Mittelpunkt des rohrförmigen Feederkanals bzw. Feederkopfs, wird
an der gegenüberliegenden
reflektierenden Oberfläche
des Platineinsatzes bzw. der Platinbeschichtung reflektiert und
erwärmt
auf diese Weise das Glas mit hoher Temperaturhomogenität. Durch an
das Platinmaterial angeschweißte
Thermoelemente oder auf berührungslose,
beispielsweise optische Weise, wird die Temperatur im Platin bzw.
im Glas erfaßt
und geregelt.
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Gemäß einer Variante dient das
zu temperierende Medium, hier das Glas, selbst als Induktionskörper, sofern
dieses eine elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Bei Glas ist dies bei hohen Temperaturen der Fall. Somit ist es
möglich,
daß das
hochfrequente Wechsel-Magnetfeld direkt in das leitfähige Medium, respektive
das Glas einkoppelt und das Glas unmittelbar durch die Wirbelstromwärme erhitzt
wird. In vorteilhafter Weise ist es so möglich, auf einen Platineinsatz
bzw. auf eine Platinbeschichtung zu verzichten, was den Aufbau der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
nochmals wesentlich vereinfacht. So sind gemäß dieser Ausführungsform
im Inneren der Vorrichtung keine eine Wartung erfordernden oder
einer Abnutzung unterliegenden Teile mehr vorhanden. Auf die Vorsehung
von Bohrungen oder sonstigen Zutrittsöffnungen zum Inneren der Vorrichtung,
die bei üblichen
Feederheizsystemen notwendig waren, kann verzichtet werden, so daß in äußerst vorteilhafter
Weise die Homogenität
und Integrität
des Feederkanals und des zugehörigen
Feederkopfes sowie ggf. eines zugehörigen Gehäuses verbessert sind, da keinerlei
Schwachstellen aufgrund von Bohrungen oder Einlagerungen, beispielsweise
von Heizdrähten
oder sonstiger Elektrik, mehr nötig
sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung kann auf eine Kühlung der Induktionsspule verzichtet
werden, so daß sich
diese, bedingt durch den Stromfluß, zunehmend erwärmt. Die
Wärme wird
auf das Keramikrohr übertragen,
wodurch sich auch dieses erwärmt
und die Wärme
seinerseits an das zu erwärmende Medium,
respektive Glas, abgibt. Sobald, je nach Glastyp, die Temperatur erreicht
ist, bei der das jeweilige Glas elektrisch leitfähig wird, koppelt das magnetische
Hochfrequenzwechselfeld direkt in das Glas ein und erhitzt dieses zusätzlich zu
der von der Keramikwandung abgestrahlten Wärme.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
ist die Induktionsvorrichtung in Kontakt mit dem zu temperierenden
Medium angeordnet oder wird von diesem umströmt. Gemäß dieser Variante befindet
sich die Induktionsspule direkt im Glasfluß und wird durch die zugeführte Energie
erwärmt.
Der Glasstrom, der wiederum durch das magnetische Hochfrequenz-Wechselfeld
erwärmt
wird, dient hierbei gleichzeitig als Kühlmedium für die Induktionsspule, die
in diesem Fall als „heiße Induktionsspule" wirkt. In vorteilhafter
Weise wird somit das Glas direkt durch die durch das wechselnde
Magnetfeld erzeugten Wirbelströme
erhitzt, wobei die zugeführte
Energie unmittelbar und praktisch verlustfrei auf das Glas übertragen
wird.
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Je nachdem, welche der vorgenannten
Vorrichtungsvarianten zum Einsatz kommt, weist die Induktionsvorrichtung
bzw. der Induktionskörper
eines oder mehrere der folgenden Materialien auf: Keramik und/oder
keramische Fasern, vorzugsweise zumindest zum Teil aus Aluminiumoxid,
Mullite, insbesondere Zirkonmullit, Eisen, Kupfer, Wolfram, Tantal,
Silber, Gold, Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium
oder eine Kombination, Zusammensetzung oder Legierung daraus. Als
Induktionskörper kommt
weiterhin Glas in Betracht, sofern sich dieses in einem elektrisch
leitfähigen
Zustand befindet.
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Zusammenfassend kann festgehalten
werden, daß die
erfindungsgemäße Vorrichtung
gegenüber
dem Stand der Technik zahlreiche erhebliche Vorteile aufweist, die
beispielsweise zu deutlich kürzeren
Reaktionszeiten bei Temperaturänderungen führen. Darüber hinaus
wird die Anzahl möglicher Verschleißteile gegenüber herkömmlichen
direkt beheizten Feedersystemen deutlich vermindert bzw. bei einem
Verzicht auf hülsenförmige Induktionskörper nahezu
gänzlich
vermieden. Durch die direkte Einkopplung des magnetischen Wechselfelds
in das Glas wird der Wirkungsgrad der zugeführten Energie erheblich gesteigert.
Hier kommt die direkte anstelle der indirekten Beheizung des Glases
mittels Induktion besonders vorteilhaft zum Tragen. Nicht zuletzt kann
eine mangelhafte herkömmliche
Feederbeheizung bei Bedarf durch eine Kombination mit einer erfindungsgemäßen Induktivheizung
optimiert werden, wobei eine beheizbare herkömmliche Platinbeschichtung
oder – hülse beispielsweise
gleichzeitig oder alternativ als Induktionskörper dienen kann. Des weiteren
wirkt sich der gegenüber
herkömmlichen Feederbeheizungssystemen
reduzierte Bedarf an Edelmetallen äußerst kostengünstig aus.
Durch den erhöhten
Wirkungsgrad sowie durch die induktive Erwärmung der Gläser ist
es möglich,
die Verarbeitungstemperatur gegenüber herkömmlichen Systemen zu erhöhen und
auf diese Weise die Verfahrensbedingungen für die Herstellung von speziellen
technischen Gläsern
zu schaffen, die eine besonders hohe Verarbeitungstemperatur erfordern.
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Gegenüber herkömmlichen Systemen ist darüber hinaus
auch die Wartungsfreundlichkeit deutlich verbessert, da sich im
Inneren des Feedersystems nur noch Teile befinden, die sehr leicht
entnehmbar sind und keinen elektrischen oder sonstigen komplizierten
Anschluß benötigen, der
aufwendig in das Gehäuse
integriert werden müßte und
dessen Betätigung
zudem arbeitsintensiv ist. Im Fall der Verwendung einer „heißen Induktionsspule" kann diese unproblematisch
in den Glasfluß verbracht
und darin befestigt werden, beispielsweise durch Einhängen, wobei
für Wartungszwecke
ohnehin vorhandene Rohröffnungen
oder Flansche verwendet werden können.
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Des weiteren sei erwähnt, daß im Fall
der Verwendung einer Induktionsspule bzw. eines Induktionskörpers, die
nicht direkt mit dem Glas in Kontakt stehen, auch auf unedlere Metalle
zurückgegriffen werden
kann. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn Induktionsspule
oder Induktionskörper
mit einer Keramikschicht versehen sind. Hierdurch ist eine erhebliche
Verminderung der Materialkosten möglich.
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Da im Falle einer Wartung nahezu
alle Teile des Induktions-Heizsystems von außen zugänglich sind, können erfindungsgemäß auch die
dafür veranschlagten
Zeiten, respektive die Stillstandszeiten in der Produktion vermindert
werden, was sich ebenfalls kostensenkend auswirkt.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispiels
beschrieben, das anhand einer Abbildung näher erläutert wird. Hierbei zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Feedersystems mit einer
Induktions-Heizeinrichtung.
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In der nachfolgenden Beschreibung
werden für
gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Erwärmen
von zumindest einem Teil eines Feedersystems 10. Das Feedersystem
weist zwei Feederkanäle 20 und 20' auf, die ineinander
münden und
sich als Feederkanal 20" fortsetzen.
Der Feederkanal 20" erstreckt
sich in Richtung des Feederkopfes 30. Durch den Feederkanal 20 und
anschließend durch
den Feederkanal 20" fließt ein Glasstrom,
der im Bereich des Feederkanals 20" sowie im Bereich des Feederkopfes 30 induktiv
erwärmt
wird. Zum Zweck der induktiven Erwärmung ist außen am Feederkanal 20" sowie außen am Feederkopf 30 jeweils eine
Induktionsvorrichtung 40 in Form einer Induktionsspule
vorgesehen, die schematisch dargestellt sind. Außen um die Induktionsvorrichtung
ist eine Fasermatte aus Aluminiumoxid (nicht gezeigt) angeordnet.
Innerhalb des Feederkanals 20" und des Feederkopfes 30 befindet
sich ein hülsenförmiger Induktionskörper 50,
dessen innere Oberfläche
reflektierend ausgebildet ist.
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Im Betrieb wird die Induktionsspule 40 mit
einem hochfrequenten Wechselstrom betrieben, so daß der Induktionskörper durch
das magnetische Hochfrequenz-Wechselfeld
angeregt und durch die erzeugten Wirbelströme erwärmt wird. Die Wärme wird
in Form von Wärmeleitung
unmittelbar an das angrenzende Glas abgegeben und darüber hinaus zu
einem größeren Teil
in Form von Infrarotstrahlung für die
Erwärmung
des Glases genutzt. Durch eine Reflexion der Infrarotstrahlung an
den reflektierenden Oberflächen 60 der
Induktionskörper 50 erfolgt eine
homogene Temperaturverteilung innerhalb des Glases, so daß das am
Feederkopf 30 austretende Glas eine einheitliche und genau
definierte Temperatur für
eine Weiterverarbeitung aufweist.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen,
daß alle
oben beschriebenen Teile für
sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die
in der Zeichnung dargestellten Details, als erfindungswesentlich
beansprucht werden. Abänderungen
hiervon sind dem Fachmann geläufig.
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- 10
- Feedersystem
- 20,
20', 20"
- Feederkanal
- 30
- Feederkopf
- 40
- Induktionsvorrichtung
- 50
- Induktionskörper
- 60
- reflektierende
Oberfläche
- 70
- Fließrichtung