Aufgabe
der Erfindung ist es daher einen Tiegel gemäß der
EP 0119877 A1 so weiterzubilden, dass
die vorstehend beschriebenen negativen Folgen, insbesondere die
unnötige
Vernichtung von eingekoppelter Energie, weitgehend unterbunden werden.
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen hochfrequenzbeheizten Tiegel mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1.
Es
hat sich in überraschender
Weise gezeigt, dass es möglich
ist, selbst bei einem so komplexen Gebilde, wie einem Einschmelzaggregat,
welches wenigstens den Einschmelztiegel wie auch die Induktionseinrichtung
umfasst, eine Schutzeinrichtung vorzusehen, die einerseits die Abstrahlung
der Hochfrequenzstrahlung in den Außenraum weitgehend und. zuverlässig unterbindet,
andererseits aber die Funktionsweise des Einschmelzaggregats in
keiner Weise beeinträchtigt. "Weitgehend unterbindet" bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass Werte außerhalb
des Käfigs
maximal erreicht werden, die unterhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte
liegen. Für
diese Grenzwerte werden die „Guidelines
der ICNIRP" und die „Berufsgenossenschaftlichen
Regeln für
Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit" herangezogen.
In
den hier erwähnten
Bestimmungen wird beschrieben, dass Arbeitspersonal in einem H-Feld mit
einer bestimmten Frequenz nur einer maximalen Feldstärke dieser
Frequenz ausgesetzt sein darf. Mit einer HF-Schmelzanlage erhält man in
20 cm Entfernung vom HF-Käfig
bei 20% Leistung einen Wert, der knapp unterhalb dieses Normwertes
liegt. Dies würde
bedeuten, dass bei einer Auslastung der Anlage die Grenzwerte deutlich überschritten
werden. Schützt
man die kontinuierliche Schmelzanlage mit der HF-Abschirmung, so
ergibt sich eine Reduktion um einen Faktor 5 bei einer Entfernung
von 20 cm vom HF-Käfig.
Mit der Reduktion um einen Faktor 5 unterschreitet man den Grenzwert
deutlich, so dass durch das H-Feld keine Gefährdung des Personals entsteht.
Ebenso
wie die Normwerte für
die H-Feld Abschirmung müssen
auch die Bedingungen für
die E-Feld Abschirmung erfüllt
werden. Diese sind jedoch bei der HF beheizten Abschirmung nicht
so kritisch zu sehen. Wie beim H-Feld sind auch beim E-Feld Grenzen
bei den Feldstärken
einzuhalten, damit das Personal nicht gefährdet wird. Ohne Abschirmung
misst man an der HF-Anlage eine Feldstärke die bei 20% Leistungseintrag
unterhalb des Grenzwertes liegt etwa den Faktor 20, d.h. bei maximaler Auslastung
ist man immer noch um etwa den Faktor 4 unterhalb der Grenzwerte.
Man würde
also keine Abschirmung benötigen.
Mit der Abschirmung für
die Schmelzanlage erreicht man eine Reduzierung der E-Feldstärke um einen
Faktor 20, d.h. bei voller Auslastung der Anlage ist man etwa um
den Faktor 80 unterhalb der kritischen Werte.
Bei
der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung
handelt es sich um eine Art Faraday-Käfig, d. h. die Schutzeinrichtung
besteht aus einem Käfig
aus Metall. Die Wandungen dieser Schutzeinrichtung bestehen aus
einem Lochmetall, einem Metallgitter oder einem Metallgeflecht,
um gleichzeitig den Blick auf das Einschmelzaggregat zu ermöglichen.
Im Auslaufbereich, der sich sowohl im unteren als auch, in Kombination
mit einem Glasüberlauf,
im oberen Tiegelbereich befinden kann, ist die Schutzeinrichtung
so gestaltet, dass die Abschirmung unterbrochen wird und die glasführenden
Bauteile durch die Abschirmung hindurch nach außen geführt werden.
Überraschend
zeigt sich, dass trotz der Unterbrechungen des Käfigs, die notwendig sind um das
Schmelzaggregat betreiben zu können,
eine signifikante Abschirmung des H-Feldes möglich ist und die erforderlichen
Grenzwerte nicht überschritten werden.
Diese kritischen Bereiche bestehen aus der Einlegeöffnung,
dem Glasauslass und den Anschlüssen,
die weiterhin notwendig sind um das Schmelzaggregat zu betreiben,
wie z.B. Kühlwasseranschluss
und Absaugvorrichtung. Diese Bereiche müssen so ausgestaltet sein,
dass Öffnungen
im Käfig
angebracht werden, die groß genug
sind um z.B. das Einbringen des Gemenges zu gewährleisten. Durch die Öffnungen
wiederum dürfen
die vorgeschriebenen Grenzwerte nicht überschritten werden, damit
ein für
das Arbeitspersonal ungefährdeter
Aufenthalt an der Anlage möglich
ist. Die Wandungen der Schutzeinrichtung sind so ausgelegt, dass
das hochfrequente Feld sie, wie oben beschrieben, nicht nach außen hin
durchdringen kann, dass andererseits aber auch nicht zuviel Hochfrequenzenergie
in den Wandungen der Sicherheitseinrichtung absorbiert wird.
Maschengitter
mit einer Stärke
von bis zu ca. 1 mm bei einer Maschengröße von 3 bis 5 mm bei gut leitfähigen Materialien,
wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer, und bei zunderfreiem Stahl
bzw. Edelstahl von bis zu ca. 3 mm zeigen sich hierfür hervorragend
geeignet.
Die
auftretende Absorption kann durch Vergrößerung des Abstandes zur Feldquelle
verringert werden, wodurch in äußerst vorteilhafter
Weise die Einkopplung und ungewollte Vernichtung von Energie vermieden
werden kann. Entgegen der Lehren des Standes der Technik, möglichst
nahe an der felderzeugenden Quelle abzuschirmen, geht die Erfindung überraschende
neue Wege, nämlich
die beabstandete Abschirmung, welche eine weitestgehend unabhängige Wahl
der Schmelztiegelgestaltung bzw. der gesamten Schmelzanlage ermöglicht.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
der Abstand zwischen den Wandungen der Schutzeinrichtung und dem
Tiegel größer gleich
0,2 m. Befindet sich die Schutzeinrichtung näher an dem Tiegel, so kann
eine zu große
Menge an HF-Energie des Feldes von der Abschirmung absorbiert und
dadurch eine zu große
Erwärmung
der Abschirmung stattfindet. Außerdem
erhöht
sich die Gefahr, dass es zwischen der Induktionsspule und der Abschirmung zu Überschlägen kommt.
Ist sie weiter entfernt angeordnet, so kann der Raum, der für die Schmelzanlage notwendig
ist, unnötig
groß werden.
Die
Schutzeinrichtung umgibt den Tiegel bzw. die Schmelzanlage mit allen
Induktionseinrichtungen vollständig,
d. h. auch im Bodenbereich.
Vorteilhafterweise
ist eine solche Schutzeinrichtung begehbar und zu diesem Zweck mit
Türen ausgestattet,
wobei diese Türen
zweckmäßigerweise seitlich
in bezug auf die Fließrichtung
der Schmelze in der Schmelzanlage angeordnet werden. Zum Schutz
des Bedienungspersonals sollten die Türen mit einer Schutzschaltung
ausgestattet sein, die die Hochfrequenzgeneratoren beim Öffnen der
Türen sofort
abschaltet.
Der
Begriff Induktionseinrichtung soll im Sinne der Erfindung alle Einrichtungen
umfassen, mit deren Hilfe Hochfrequenzstrahlung in den Tiegel eingestrahlt
werden kann, insbesondere Induktionsspulen, die den Tiegel vollständig oder
segmentartig umgeben. Die Induktionsspule(n) werden dabei in der Regel
von einem Hochfrequenzgenerator gespeist.
Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass die
Schutzeinrichtung nicht nur vor dem Austritt der Hochfrequenzstrahlung
in den Außenraum
schützt,
sondern zugleich das Bedienungspersonal vor dem Kontakt mit dem
Einschmelztiegel und der Induktionseinrichtung während des Betriebs. Hierbei
ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, die Schutzeinrichtung im Einlegebereich so zu gestalten, dass
das Bedienungspersonal ohne Gefährdung auch
während
des Betriebs der Induktionseinrichtung Zugriff auf die Gemengeeinlage
für die
Durchführung von
Reinigungsarbeiten hat.
Insbesondere
bei der Herstellung von Glas kann es bei Verwendung von hochfrequenzbeheizten Einschmelztiegeln,
speziell im kontinuierlichen Betrieb und bei stark staubendem Gemenge,
zu einer starken unerwünschten
Verunreinigung der Schmelzanlage durch Gemengestaub kommen. Die
Folge hiervon können Überschläge zwischen
den Bauteilen des Schmelztiegels und der Induktionseinrichtung sein,
die im schlimmsten Fall zu deren Zerstörung führen können. Es ist daher in diesen
Fällen
erforderlich, die Gemengeeinlage regelmäßig vom Gemengestaub zu befreien.
Je kleiner die Korngrößen der Gemengebestandteile
und je höher
die Glasdurchsätze
sind, um so häufiger
müssen
die beschriebenen Reinigungsarbeiten durchgeführt werden, mit der Folge,
dass die ständigen
Unterbrechungen des Schmelzprozesses, wie weiter unten noch beschrieben
wird, zu Problemen bei der Einkopplung der Hochfrequenzstrahlung
in die Schmelze führen
können.
Ein weiterer Reinigungsgrund ist dadurch gegeben, dass bei staubendem
Gemenge der Einlegebereich sich mit Gemenge zusetzt, so dass immer
weniger Gemenge in den Einschmelztiegel eingetragen werden kann.
Um die Einlegeöffnung
zu reinigen wird mit einem nicht leitenden Stab aus Keramik oder Quarzglas
der Einlegebereich von Gemenge gesäubert. Bei den Reinigungsarbeiten
muss darauf geachtet werden, dass kein Kontakt mit der Schmelze entsteht,
zum einen um zu verhindern dass die Schmelze kontaminiert wird mit
dem Reinigungsgegenstand, zum anderen liegt die Schmelze auf einem hohen
Spannungspotential und es kann bei leitfähigen Reinigungsgegenständen zu
lebensgefährlichen Überschlägen zwischen
dem Reinigungsgegenstand und der Schmelze kommen.
Die
Abschirmung kann so mit Türen
ausgestattet sein, dass durch Öffnen
der Türen
der Einschmelztiegel und/oder eines der anderen mit einem HF-Feld
induktiv beheizten Bauteile leicht ausgebaut und ausgetauscht werden
kann. Der Zugriff auf die Gemengeeinlage kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass die Wandung der
Schutzeinrichtung im Einlegebereich unterhalb der Gemengeeinlage waagrecht
zum Tiegel hin geführt
wird und dann unmittelbar vor der Gemengeeinlage senkrecht nach oben
gelenkt wird. Im Bereich der Gemengeeinlage weist die Wandung der
Schutzeinrichtung eine Öffnung
auf, die mittels einer Abschirmeinrichtung, beispielsweise eines
Abschirmgitters, verschließbar
ist. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass zum Öffnen und Schließen dieser Öffnung die
Bewegung der Abschirmeinrichtung bzw. des Abschirmgitters über die Bewegung
des Einlegearms einer Einlegemaschine gesteuert wird. Die Abschirmung
kann aber auch so ausgebildet sein, dass der waagrechte Teil der
Abschirmung den Einlegebereich umfasst und im Bereich des Einlegens
eine offene Aussparung angebracht ist. Die Abschirmung geht erst
hinter der Einlegeöffnung
senkrecht nach oben.
Prinzipiell
ist es auch möglich,
bei der erfindungsgemäßen Anordnung
für die
Durchführung
der Reinigungsarbeiten die Schutzeinrichtung durch die in den seitlichen
Bereichen vorgesehenen Türen
zu betreten. Dies hat jedoch ein Abschalten des Hochfrequenzgenerators
und damit eine Unterbrechung der Beheizung der Schmelze zur Folge.
Ein solcher Vorgang ist, wie bereits oben erwähnt, äußerst kritisch, da die Schmelze
dabei an Temperatur und damit an elektrischer Leitfähigkeit
verliert, wodurch sich die Einkopplung der Hochfrequenzstrahlung
in die Schmelze in unerwünschter
Weise verändern
kann.
Die
Schutzeinrichtung ist so aufgebaut, dass es zwei Sicherheitsbereiche
gibt, die beide durch Türen
zugänglich
sind. Der eine Sicherheitsbereich (II in Zeichnung) kann nur betreten
werden wenn die HF-Anlage ausgeschaltet ist. Der zweite Sicherheitsbereich
(Sicherheitsbereich I in Zeichnung) sollte ebenfalls durch Türen verschlossen
sein, es ist jedoch möglich,
diesen Bereich zu betreten ohne dass die HF-Anlage abgeschaltet
wird. Der erste Bereich ist der eigentliche Abschirmbereich, der
zweite Bereich sollte nur von geschultem Personal betreten werden
können,
um z.B. bei laufendem Betrieb des HF-Generators notwendige Reinigungsarbeiten durchzuführen oder
z.B. Brenner über
dem Einlegebereich zu entfernen oder zu setzen, wenn eine Zusatzheizung
des Einschmelzaggregats notwendig wird.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
der Einlegebereich durch eine Abdichtung vom Einschmelzbereich getrennt, um
ein Eindringen von Gemengestaub in den Einschmelzbereich zu verhindern.
Dieser könnte
ansonsten im Einschmelzbereich zu Überschlägen zwischen Tiegel und Induktionseinrichtung
führen,
wodurch beide Bauteile sehr stark beschädigt werden könnten. Vorzugsweise
ist eine solche Abschirmung aus feurfestem Gewebematerial.
Nachfolgend
wird die Erfindung an Hand der Figur näher erläutert.
1 zeigt
in einer schematischen Längsschnittdarstellung
eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
zum Einschmelzen von Glas, bei welcher die Schutzeinrichtung so
ausgestaltet ist, dass der Einlegebereich für das Bedienungspersonal frei
zugänglich
ist.
Bei
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
soll die Bezeichnung Einschmelztiegel auch Schmelztiegel umfassen,
wie diese beispielsweise bei der Läuterung und der Homogenisierung,
insbesondere bei Gemengen und Schmelzen zur Herstellung von Glas, eingesetzt
werden.
Man
erkennt in 1 den Einschmelztiegel 1 mit
dem Einlegebereich 2, dem Schmelzbereich 3 und
dem Glasüber- bzw. -ablauf 4.
Der
Einschmelztiegel 1 ist für elektromagnetische, hochfrequente
Strahlung durchlässig,
so dass durch diesen eine induktive Einkopplung in das Schmelzgut
möglich
ist, gleichzeitig aber verbietet dieser Sachverhalt eine Abschirmung,
wie diese aus der WO 98/05185 A1 bekannt ist. Ferner wird die energieverzehrende
Gestaltung des Tiegels mit geschlossener Seitenwand vermieden.
Der
Tiegel wird im erfindungsgemäßen Sinne
als Aufbewahrungseinrichtung für
Schmelz-, Läuter-
und Homogenisierungsgut verstanden und umfasst insbesondere Skulltiegel,
keramische Tiegel und allgemein aus Feuerfestmaterial bestehende Tiegel.
Zwischen
dem Schmelzbereich 3 und dem Glasüber- bzw. -ablauf 4 befindet
sich bei der in der 1 dargestellten bevorzugten
Ausführungsform eine
Brücke 5,
die teilweise in die Schmelze eintaucht und dabei nicht aufgeschmolzene
Gemengebestandteile vom direkten Durchströmen zum Glasablauf 4 hin
abhalten soll. Es liegt auf der Hand, dass die Verwendung einer
solchen Brücke
optional und für
das Funktionieren der Erfindung nicht zwingend ist. Der Einschmelztiegel 1 ist
in der 1 ohne Beschränkung
der Allgemeinheit mit Brennerlöchern 7,
Pyrometerloch 8 und einer Abzugsöffnung 9 versehen. Man
erkennt weiterhin die Schutzeinrichtung 10, die den Schmelztiegel 1 und
die in der 1 der Einfachheit halber nicht
dargestellte Induktionseinrichtung umgibt.
Die
Schutzeinrichtung 10 ist erfindungsgemäß im Bereich der Gemengeeinlage 11 dergestalt ausgeschnitten,
dass die Wandung der Schutzeinrichtung 10 vor der Gemengeeinlage 11 nicht
wie auf den übrigen
Seiten kastenförmig
ausgebildet ist, sondern vorerst unterhalb der Gemengeeinlage 11 waagrecht
bis an den Einschmelztiegel 1 herangeführt wird und dann bei Erreichen
der Gemengeeinlage 11 senkrecht nach oben geführt wird.
Unmittelbar vor der Gemengeeinlage 11 weist die so ausgeschnittene
Schutzeinrichtung 10 eine Öffnung 12 auf, durch
die das Gemenge mittels eines Einlegearms 15 einer nicht dargestellten
Einlegemaschine hindurchgeführt
werden kann zur Gemengeeinlage 11 hin. Die Öffnung 12 kann
beispielsweise mittels eines Abschirmgitters 14 verschlossen
werden. Das Abschirmgitter 14 kann hierbei über die
Bewegung des Einlegearms 13 gesteuert werden.