DE2254780B2 - Verfahren zum thermischen Vorspannen von Glasgegenständen - Google Patents
Verfahren zum thermischen Vorspannen von GlasgegenständenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Vorspannen eines Glasgegenstandes, bei dem der
Glasgegenstand bis in einen für das thermische Vorspannen ausreichenden, erhöhten Temperaturbereich erwärmt und in diesem Zustand an seiner
Oberfläche mit einem Kühlmedium beaufschlagt wird, welches aus einem Strom weicher Feststoffteilchen
besteht
Glasgegenstände werden thermisch vorgespannt, indem sie auf eine erhöhte Temperatur oberhalb der
unteren Entspannungstemperatur, und zwar bis in die Nähe, jedoch noch unterhalb des Erweichungspunktes
erwärmt werden, worauf sie dann plötzlich abgekühlt werden. Für das auch als Abschrecken bezeichnete
plötzliche Abkühlen wird im folgenden nur der Ausdruck »Kühlen« verwendet. Als untere Entspannungs- oder Kühltemperatur wird diejenige Temperatur
bezeichnet, bei der das Glas eine Viskosität von 1O14*
Poise hat, während man unter dem Erweichungspunkt denjenigen Punkt versteht, bei dem das Glas auf eine
Temperatur erwärmt ist, bei der es eine Viskosität von 10">
Poise aufweist. Beim Abkühlen des Glasgegenstandes wird die Glasoberfläche verhältnismäßig schnell
abgekühlt, während innere Bereiche des Glases mit einer geringeren Geschwindigkeit heruntergekühlt
werden. Dadurch entsteht ein Temperaturgradient über
die Glasdicke, durch den Druckspannungen in den
Glasoberflächenbereichen erzeugt werden, die durch entsprechende Zugspannungen im Inneren des Glases
kompensiert werden,
Das fertig vorgespannte Glas besitzt einen größeren Widerstand gegenüber Bruch als nicht vorgespanntes
Glas, Sollte ein thermisch vorgespannter Glasgegenstand, beispielsweise eine Glasscheibe, dennoch brechen, so zeigt das Bruchverhalten einen deutlichen
ίο Unterschied zu demjenigen nicht vorgespannten Glases,
da das vorgespannte Glas in kleine Fragmente zerbricht, die stumpfe runde Kanten besitzen, die um so
kleiner und starker abgerundet sind, je höher die Vorspannung vorgenommen wurde. Nicht vorgespann
tes Glas zerbricht dagegen in große Stücke mit scharfen
Kanten. Dieses weniger gefährliche Bruchverhalten und die geringere Neigung zum Brechen überhaupt macht
thermisch vorgespanntes Glas besonders geeignet für den Einsatz als Glastüren, Fahrzeugfenster, Brillenglas
linsen, Abdeckungen für Instrumentenskalen, Behälter
und dergleichen.
Herkömmliche Verfahren zum thermischen Vorspannen von Glasgegenständen bestehen darin, daß der
erwärmte Glasgegenstand an seiner Oberfläche mit
einem Gas oder einer Flüssigkeit beaufschlagt wird, die
als Kühlmedium dienen. Im Fall der Kühlung mit Gas wird im allgemeinen ein Luftstrom gegen die heiße
Glasoberfläche gerichtet Bei diesem Verfahren ist infolge der physikalischen Eigenschaften von Luft die
jo Wärmeübertragungsgeschwindigkeit begrenzt Sie kann auch nicht dadurch erhöht werden, daß die
Luftmenge durch eine Erhöhung der Luftgeschwindigkeit vergrößert wird, da ein Überschreiten gewisser
Luftgeschwindigkeiten nachteilige Auswirkungen auf
j-, die warme und weiche Glasoberfläche haben kann,
gegen die der Luftstrom gerichtet ist.
Eine hohe Wa. meübertragung von der Glasoberfläche in das Kühlmedium ist insbesondere beim
thermischen Vorspannen von sehr dünnen Glasgegen
ständen, beispielsweise dünnen Glasscheiben erforder
lich. Wird bei solchen Gegenständen die Wärme aus der Glasoberfläche nicht genügend schnell abgeführt, kann
sich im Inneren des Glasgegenstandes kein für das thermische Vorspannen erforderlicher Temperaturgra
dient ausbilden. Bei dickeren Glasgegenständen ist dies
jedoch auch bei einer verhältnismäßig langsamen Abkühlung an der Oberfläche möglich, da der Weg und
somit auch die Zeit für den Wärmetransport aus den Mittelschichten des Glasgegenstandes an dessen Ober-
-,0 fläche wesentlich größer sind als bei dünnen Glasgegenständen. Aus diesem Grunde ist ein thermisches
Vorspannen von dünnen Glasscheiben mittels Luftstromkühlung nicht in ausreichendem Maße möglich.
Es ist ferner das thermische Vorspannen von
-,-) Glasgegenständen durch Flüssigkeitskühlung bekannt. Bei einem gebräuchlichen Verfahren wird der erwärmte
Glasgegenstand in die Kühlflüssigkeit eingetaucht. Zwar sind bei diesem Verfahren hohe Wäimeabführgeschwindigkeiten möglich, die auch die Ausbildung eines
„ο geeigneten Temperaturgradienten in einer dünnen
Glasscheibe ermöglichen würden, jedoch läßt sich die Vorspannung nicht gleichzeitig und in gleichmäßiger
Verteilung in den Glasgegenstand einbringen. Wird nämlich eine Glasscheibe in ein Kühlbad eingetaucht, so
h, wird ihre Eintauchkante bereits gekühlt, bevor die
Gegenkante mit Kühlmittel beaufschlagt werden kann. Durch den erwärmten Glasgegenstand wird ferner
während des Eintauchens das Kühlmittel zunehmend
erwärmt und somit d*s Temperaturgefälle ^wischen
Kühlmittel und Glasgegenstand vermindert. Dies führt
insgesamt zu einer ungleichmäßigen Kühlung und damit
Spannungsverteilung im Glas, die ihrerseits insbesondere bei dünnen Glasscheiben zu erhöhtem Bruch
Während des thermischen Vorspannens führt Es sind auch Verfahren bekannt, bei denen die Kühlflüssigkeit
auf die Glasoberfläche durch Düsen aufgesprüht wird. Bei einem solchen Verfahren ist es sehr schwer, eine
ausreichend gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels über die Glasoberfläche zu erreichen. Dies wird noch
dadurch erschwert, daß beim praktischen Betrieb die Sprühdosen für das Kühlmittel dazu neigen, sich zu
verlegen.
Es besteht auch noch die Möglichkeit, einen Glasgegenstand auf chemischem Wege, durch Stoffaustausch
in den Oberflächenschichten dort mit einer Druckvorspannung zu versehen. Diese Verfahren
können zwar auch für dünne Glasgegenstände geeignet sein, sie verändern jedoch die Glaszusammensetzung in
den Oberflächenbsreichen, was in vieler. Fällen
unerwünscht sein kann, und sind im allgemeinen sehr zeitaufwendig und verhältnismäßig teuer.
Es ist auch bereits ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art zum thermischen Vorspannen von
Glasgegenständen vorgeschlagen worden, bei dem als Kühlmedium ein Strom eines Fluids verwendet wird, in
dem Feststoffteilchen suspendiert sind. Dieses Verfahren ist in der US-PS 34 23 198 beschrieben. Durch die
Mitverwendung von Feststoffteilchen soll das an sich sehr gleichmäßig arbeitende Kühlverfahren mit einem
Luftstrom in seinen Wärmeabführeigenschaften verbessert werden. Ais Feststoffteilchen werden nach dem
vorbekannten Verfahren solche auc. verhältnismäßig weichem, elastischem, wärmewiderstandsfähigem, nicht
haftendem Kunststoffmaterial vorgeschlagen, wie beispielsweise Silikon, Gummi oder Polyfluorkohlenstoffverbindungen.
Teilchen aus solchen Stoffen sollen den Wärmeübergang von der heißen Glasoberfläche in das
Kühlmedium erleichtern. Durch dieses Verfahren wird zwar die erreichbare Wärmeableitung durch die
Mitverwendung eines Feststoffes verbessert, dessen spezifische Wärme im Vergleich zu derjenigen der
Kühlluft größer ist, jedoch reicht diese Verbesserung nicht aus, um auch in sehr dünnen Glasgegenständen
einen ausreichenden Temperaturgradienten für ein thermisches Vorspannen zu erzeugen.
Aus der US-PS 21 97 365 ist es bereits bekannt, als Kühlbad zum Tempern von Stahlgegenständen, nämlich
Wälzkörpern für Wälzlager festes Kohlendioxid zu verwenden. Wegen des hohen Wärmeleitvermögens
von Metallgegenständen kommt es beim Tempern von Stahl im allgemeinen nicht auf eine gleichmäßige
Verteilung des Wärmeüberganges an der Oberfläche an, weswegen das Kohlendioxid bei diesem bekannten
Verfahren allein wegen der angestrebten tiefen Temperaturen verwendet wird. Eine Übertragung
dieses Verfahrens auf das thermische Vorspannen von Glasgegenständen löst daher noch nicht das Problem,
insbesondere bei dünnen Glasgegenständen einen ausreichenden Temperaturgradienten zum Inneren des
Gegenstandes in möglichst gleichzeitiger und gleichmäßiger Verteilung über die gesamte Fläche des
Glasgegenstandes zu erreichen. Das Verfahren würde vielmehr auch die Nachteile aufweisen, die bei der
Tauchkühlung von Glasgegenständen in Flüssigkeiten vorhanden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren der eingangs bezeichneten Art derart sw
verbessern, daß insbesondere auch dünne Glasgegenstände mit einer ausreichenden thermischen Vorspannung
in möglichst gleichmäßiger Verteilung versehen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Teilchen aus einem subliroierbaren Feststoff
verwendet werden, dessen Sublimationsremperatur ausreichend unterhalb des Temperaturbereichs liegt, auf
den der Glasgegenstand erwärmt worden ist, und der an der erwärmten Glasoberfläche sublimiert
Dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß die Feststoffteilchen nicht nur mit ihrer höheren spezifischen
Wärme den Kühlvorgang beeinflussen, sondern ddi die wesentlich höhere Sublimationswärme des
Feststoffes ausgenutzt wird, um entsprechende Wärmemengen aus der Oberfläche des erwärmten Glasgegenstandes
zu führen, wodurch eine so hohe Wänneübertragungsgeschwindigkeit erreicht wird, daß auch in
dünnen Glasgegenständen ein genügend hoher Temperaturgradient erzeugt werden kann, wie er für ein
wirkungsvolles thermisches Vorspannen der Gegenstände erforderlich ist
Als sublimierbarer Feststoff wird vorzugsweise Kohlendioxid verwendet, welches in der Form von Kohlendioxidschnee eingesetzt wird Dip Sublimationstemperatur von Kohlendioxid liegt in einem Bereich, der für das thermische Vorspannen von Glasgegenständen besonders geeignet ist. Zweckmäßigerweise wird
Als sublimierbarer Feststoff wird vorzugsweise Kohlendioxid verwendet, welches in der Form von Kohlendioxidschnee eingesetzt wird Dip Sublimationstemperatur von Kohlendioxid liegt in einem Bereich, der für das thermische Vorspannen von Glasgegenständen besonders geeignet ist. Zweckmäßigerweise wird
jo als gasförmiges Trägerfluid für die Feststoffteilchen
ebenfalls Kohlendioxid in Glasform verwendet. Diese Kombination bietet eine sehr einfache Möglichkeit, das
aus Kohlendioxidgas und aus Kohlendioxidschnee zusammengesetzte Kühlmedium herzustellen. Man
j5 braucht lediglich flüssiges Kohlendioxid unter geeigneten
Bedingungen aus einer Düse austreten zu lassen, um das erwünschte Gemisch zu erhalten. Durch die beim
Verdampfen des aus der Düse austretenden flüssigen Kohlendioxids verbrauchte Wärme * ird gleichzeitig ein
anderer Teil des flüssigen Kohlendioxids in seine feste Form als Kohlendioxidschnee überführt
Bei einer anwendungsorientierten, zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird der thermisch
vorzuspannende Glasgegenstand mit einer solchen Menge des aus Kohlendioxidschnee und Kohlendioxidgas
bestehenden Kühlmediums beaufschlagt daß sich an der Oberfläche des Glasgegenstandes eine Wärmeübergangszahl
von 2556 bis 12 267 kj/m2 · h · K ergibt. Die
besten Ergebnisse werden im allgemeinen erzielt, wenn
;o sich die Wärmeübergangszahl in den Grenzen zwischen
etwa 4090 und etwa 10 223 kj/m2 · h · K bewegt Beim
thermischen Vorspannen von dünnen Glasgegenständen, d. h. von Glasgegenständen mit einer Dicke von
ungefähr 1,27 bis 2,29 mm sollte, um ein hohes Ausmaß
Y1 an thermischer Vorspannung zu erreichen, das Kühlmedium
so eingestellt werden, daß sich die durchschnittliche WärmeUbergangszahl im oberen Teil des angegebenen
Bereichs liegt. Bei dickerem Glas, d. h. bei Glas mit einer Dicke von ungefähr 2,5 mm bis 123 mm kann
bereits ein hohes Maß an Vorspannung erreicht werden, wenn das Kühlmedium so eingestellt wird, daß es eine
mittlere Wärmeübertragungszahl ermöglicht, die im unteren Teil des genannten Bereiches liegt.
Wärmeübergangszahlen, die unterhalb von 2556 kj/
hi m2 ■ h · K liegen, sind nicht zu empfehlen, da dabei nur
eine mäßige Vorspannung insbesondere bei dünnem Glas erreicht werden könnte. Höhere Wärmeübergangszahlen
als 12 267 kj/m2 · h · K sind ebenfalls nicht
zu empfehlen, da debei die vorübergehende, anfängliche
Qberflächerwugspannung, die beim ersten Abkühlen der
Oberflgche erzeugt wird, zu groß wird, so daß das Glas
im Laufe des Kuhlvorganges brechen würde.
Die bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im thermischen Vorspannen von
dünnen Glasscheibeniis zu einer Dicke von 2$ mm.
Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen noch näher erläutert
In Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum thermischen Vorspannen von Glas wird beispielsweise
eine flache Glasscheibe zunächst auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, die wesentlich oberhalb der
unteren Entspannungstemperatur des Glases, aber unterhalb des Erweichungspunktes liegt, so wie man es
beim thermischen Vorspannen mittels Luft oder Flüssigkeit durchführt Oberhalb des Erweichungspunktes
verhält sich Glas wie eine Flüssigkeit Zwischen dem Erweichungspunkt und der unteren Entspannungstemperatur
kann das Glas als ein Material mit viskoelastischem Verhalten betrachtet werden, we'ches insbesondere
gegenüber Temperaturveränderungen empfindlich ist Spannungen werden erzeugt bzw. abgebaut,
während das Glas durch diese hindurch abgekühlt wird. Wenn das Kühlen schnell genug erfolgt verfestigen sich
die Glasoberflächen und ziehen sich zusammen, wodurch sie zeitweise unter Zugspannung gelangen. Da
sich jedoch der Glaskern noch nicht bis auf die Oberflächentemperatur abgekühlt hat und noch verhältnismäßig
verformbar ist kann er der Oberflächenzugspannung nachgeben, indem er fließt und zeitweise
unter Druckspannung gerät Wenn sich der Kern verfestigt hat wird seiner weiteren Kontraktion ein
Widerstand von den schon verfestigten Oberflächenschichten entgegengesetzt, die nun unter Druckspannung
gebracht werden, während der Kern selbst unter Zugspannung gesetzt wird.
Die Spannungsverteilung über der Dicke des thermisch vorgespannten Glases ist normalerweise
parabolisch. Typischerweise befinden sich die Bereiche des Glases in der Nähe der Oberflächen bis zu einer
Tiefe von ungefähr 2/5 der Gesamtdicke (1/5 in jeder Oberfläche) unter Druckspannung, mit einem Maximalwert
an der Oberfläche von ungefähr 275 MPa. Um diese Oberflächendruckspannurg aufzunehmen, befinden
sich 3/5 des inneren Querschnittes der Glasdicke unter Zugspannung, wobei die maximale Zugspannung
im Zentrum der Glasdicke herrscht, mit einem Wert der ungefähr der Hälfte der maximalen Oberflächendruckspannung
entspricht.
Nachdem die Glasscheibe in einem Ofen auf das oben definierte Temperaturniveau erwärmt wurde, wird sie
aus dem Ofen in eine Stellung gebracht, in der ihre Oberflächen plötzlich abgekühlt werden, indem weiche
Teilchen aus festem Kohlendioxid bei dessen Sublimationstemperatur (194,7° K) gegen die erwärmten Glasoberflächen
gerichtet werden. Die weichen Partikel liegen in der Form von Schnee vor und beschädigen
daher nicht die heißen Glasoberflächen bei Berührung,
Kohlendioxid besitzt eine Sublimationswärme von
25,25 kj pro Mol bei der Sublimationstemperatur. Dieser Stoff ermöglicht einen Wärmeübergang von
mindestens 2045 kj/m2 · h · K bis zu einer oberen Grenze, die durch die Masse der festen Partikeln
bestimmt wird, welche pro Flächeneinheit des behanddien Gegenstandes, pro Zeiteinheit und pro Grad
Temperaturdifferenz zwischen dem Gegenstand und den Teilchen sublimicrt werden. Die Wärmeübertragung
wird auch durch die Menge pro Zeiteinheit an kaltem Kohlendioxid-Gas beeinflußt, die mit den testen
Partikeln gegen die Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes zuströmt Es ist verhältnismäßig einfach,
die Wärmeabführung durch die weichen Teilchen aus festem Kohlendioxid innerhalb des Bereiches von 2556
bis 12 267 kj/m2 · h · K wunschgemäß zu steuern, wie
es weiter unten erläutert wird.
Die Quelle für weiche feste Teilchen von Kohlendioxid besteht aus einem oder aus mehreren Vorratsbehältern
für komprimiertes, flüssiges Kohlendioxid, das bei einer Temperatur und unter einem Druck gehalten
wird, die ausreichen, um das Kohlendioxid innerhalb der
Behälter in flüssigem Zustand zu halten. Der Behälter ist
,5 mit einer Ausströmleitung versehen, die über ein
Absperrventil und ein Steuerventil zum Einstellen der Ausströmmenge an Kohlendioxid zu einer Düse führt
Die Flüssigkeit verdampft an dem Ventil, wenn der Druck erniedrigt wird. Diese Verdampfung kühlt einen
Teil der Flüssigkeit bis herab zum festen Zustand in
Form von Schnee. Das Kohlenaioxidgas entweicht durch das Ventil und die Düse und nimmt dabei kleine
Partikel des festen Kohlendioxids in der Form von Schnee mit Diese Partikeln besitzen eine durchschnittlieh.
Größe von ungefähr 0,8 bis 63 mm und reichen von weniger als 0,4 mm bis ungefähr 12,5 mm mit einem
typischen Größenbereich von 1,6 mm bis 3,2 rnm.
Thermisch vorgespannte Gegenstände, die man erhält wenn man die Oberfläche von hitzeerweichten
Glasscheiben mit weichen Partikeln eines sublimierbaren Materials, wie z. B. festem Kohlendioxid beaufschlagt,
um die Gegenstände unter wirksamer Ausnutzung der Sublimationswärme schnell zu kühlen,
zeichnen sich durch eine gleichmäßigere Spannungsverteilung und durch Oberflächen aus, deren optische
Eigenschaften besser sind als diejenigen von Glasgegenständen, die mittels Flüssigkeitskühlung thermisch
vorgespannt wurden. Diese besseren Resultate werden selbst in Glasscheiben gefunden, die zu dünn sind, um in
ihnen eine geeignete Vorspannung zu erzeugen, wenn sie mittels Luft gekühlt werden, d. h. bei Glasscheibe.,,
die dünner sind als 2,5 mm.
Beim thermischen Vorspannen durci. Luftkühlung von Glasscheiben aus handelsüblichen KalkNatron-Silikatgläsern,
wie sie für Floatglas, Flachglas oder Glasscheiben mit einer Dicke von 2,5 mm verwendet
werden, konnten maximale Oberflächen-Druckspannungen von ungefähr nur 82,7 MPa erzeugt werden,
gemessen mittels eines von R. W. Ansevin als DSRTM-
jf) Refraktometer beschriebenen Refraktometers (»The
Non-Destructive Measurements of Surface Stresses in Glass«, ISA Transactions, Band 4, Nr. 4, Oktober 1965).
Weniger als 41,4 MPa war die maximale Oberflächendruckspannung, die sich mittels luftkühlung von
Scheiben aus diesen Glaszusammensetzungen ergab, die eine Dicke von 2,2 mm aufwiesen. Bei dünneren
Glasscheiben ließen sich nur maximale Oberflächen-Druckspannurjen erzeugen, die wesentlich geringer
waren als 41,4 MPa, wenn sie mittels Luft gekühlt
ms wurden. Die vorliegende Erfindung ermöglichf es, in
Glasscheiben mit einer Dicke vcn 1,9 mm Oberflächendruckspannungen
von mehr als 103 MPa ?.u erzeugen. Gegenwärtig besteht ein Bedürfnis nach thermisch vorgf spannten Glasscheiben mit einer Dicke
fr, von 2,5 mm und weniger, die eine Oberflächtndruckspannung
von mehr als 68,6 MPa aufweisen, und nach thermisch vorgespannten Glasscheiben mit einer Dicke
von 2.2 mm. die eine OberflächenHrnrksnMnnnnif «in
ungefähr41,4 MPaaufweisen
Mit der vorliegenden Erfindung ist man in der Lage. eine Druckspannung in großen Oberflächen zu erzeugen,
die um weniger als 10% in einer zur vorgespannten Oberfläche parallelen Ebene schwankt, die durch einen
etwa der doppelten Glasdicke entsprechend breiten Rand begrenzt ist, verglichen mit der Oberflächendruckspannung
im Zentrum der Ebene der Messung.
Der Grund für diese Fähigkeit liegt darin, daß es möglich ist, die kleinen, weichen Partikeln aus feistem
Kohlendioxid im wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Glasscheibe aufzubringen.
Diese gleichmäßige Aufbringung des Kühlmecliums unterscheidet sich deutlich von dem Tauchkühlen, bei
dem die erhitzte Glasscheibe in eine kalte Flüssigkeit eingetaucht wird, wobei die untere Kante der Scheibe
zuerst gekühlt wird, bevor die obere Kante in die Flüssigkeit eingetaucht wird, und das Eintauchen des
heißen Glases bewirkt, daß die Temperatur der Kühlflüssigkeit ansteigt, wodurch die Temperaturdifferenz
zwischen der Flüssigkeit und den einzelnen Bereichen der in die Flüssigkeit eingetauchten Glasscheibe
vermindert wird.
Gegenstände, wie z. B. Glasscheiben, die mittels Flüssigkeitskühlung thermisch vorgespannt werden,
insbesondere durch Tauchkühlen, lassen sich zwar mit einer Druckspannung in einer Höhe versehen, die in der
Größenordnung liegt, die auch beim Sublimationskühlen erreicht wird, jedoch ist die Flüssigkeitskühlung
nicht dafür geeignet, eine Glasscheibe über ihre gesamte Erstreckung gleichförmig zu kühlen, und ist daher auch
nicht geeignet, eine Spannungsverteilung zu erzeugen, die so gleichförmig ist. wie sie mittels Sublimationskühlen
erreicht wird.
Sprühkühlen beinhaltet die Verwendung von Flüssigkeit oder Sprühmaterialien, die eine Düse, durch die das
Sprühen auf die heiße Glasoberfläche ausgeführt wird, verstopfen kann. Daher kann es sein, daß Sprühkühlen
für eine kommerzielle Tätigkeit nicht praktisch ist. da es notwendig ist, die Sprühdüsen zu säubern.
Ein Kühlen mittels Luft ist begrenzt durch die Höhe der erreichbaren Oberflächendruckspannungen. Weiterhin
wird die Oberflächenglätte verschlechtert, wenn Luft mit einer zu hohen Geschwindigkeit auf die
hitzeerweichte Glasscheibenoberfläche aufgeblasen wird.
Während der erfir.dungsgemäß erzeugte Kühleffekt
hauptsächlich das Ergebnis der Sublimation der weichen Teststoffteilchen eines sublimierbaren Stoffes, wie z. B.
Kohlendioxid bei seiner Sublimationstemperatur ist, ist das Kohlendioxid andererseits derartig beschaffen, daß
die sublimierbaren festen Teilchen in einem Trägerfluid gegen die heißen Glasoberflächen getragen werden
müssen. Bei einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Trägerfluid gasförmiges
Kohlendioxid, das durch das Ventil und die Düsenöffnungen gegen die Oberfläche des erhitzten und zu
kühlenden Gegenstandes hin entweicht, wobei es kleine weiche Teilchen aus festem Kohlendioxid mitnimmt Es
ist auch klar, daß die Kühlung durch die Temperatur erreicht werden kann, bei der flüssiges Kohlendioxid
gelagert wird, so daß die Temperatur des Trägerfluids, die gewöhnlich ausreichend unterhalb der unteren
Entspannungstemperatur des Glases liegt, ausreicht wodurch ein sekundärer Effekt auf die Kühlgeschwindigkeit
der Glasoberfläche ausgeübt wird, welche von den weichen Teilchen aus festem Kohlendioxid
beaufschlagt wird.
Theoretisch führt die Substitution von Luft durch Kohlendioxidgas als Kühlmedium zu einer Reduktion
der Wärmeübertragung auf ungefähr 81% des Wertes, der mittels Luftkühlung unter sonst gleichen Bedingungen
erreichbar ist. Trotz der Tatsache jedoch, daß Kohlendioxidgas in seinen Wärmeübertragungseigenschaften
nicht so wirksam ist wie Luft, ergänzt es doch in gewissem Maße die Primärquelle der Wärmeübertragung,
die in der Sublimation des festen Kohlendioxids in
in den gasförmigen Zustand beim Berühren der erhitzten
Oberfläche besteht. Dieser Gasstrom, der die festen sublimierbaren Teilchen trägt, bricht auch eine Sperrschicht
auf, die sich auf der Oberfläche bilden und die Kühlgeschwindigkeit herabsetzen würde.
π Es wurden folgende Experimente durchgeführt, um
die vorliegende Erfindung zu prüfen.
In Feuerlöschern bei einem Dampfdruck von 66 bar
:n und einer geschätzten Raumtemperatur von ungefähr
27"C gespeichertes flüssiges Kohlendioxid wurde an kegelstumpfartige Düsen mit einem Apexwinkel von 6°
angeschlossen. Das enge Ende einer jeden Düse war mit einem Rohr von einem äußeren Durchmesser von
y> 19 mm verbunden. Jedes Rohr war mit dem einen und
dem anderen Flüssigkohlendioxid-Feuerlöscher verbunden, die als Druckbehälter dienten und ein handbetätigtes
Absperrventil aufwiesen, mittels dessen die Flüssigkeit aus jeden der Druckbehälter an die Atmosphäre in
ι*ι einstellbarer Menge abgegeben werden konnte. Jede
Kegelstumpfdüse besaß ein weites Ende von 89 mm Innendurchmesser. Die weiten Enden der Düsen
wurden in einem Abstand von 15 cm angeordnet.
Um die mit dem Verfahren mögliche Wärmeübertra-
i* gung zu ermitteln, wurde zuerst aus Gründen der einfacheren meßtechnischen Erfassung der Scheibentemperatur
ein Versuch mit einer Metallscheibe durchgeführt. Eine Kupferplatte von 6.4 mm Dicke und
mit einer Flächenausdehnung von 10 χ 10 cm enthielt
in ein Thermoelement, das im Zentrum der Plattendicke
eingebettet war. Die Platte wurde in einem Ofen auf 6775C erhitzt, das Ventil geöffnet und die Kupferplatte
aus dem Ofen in einer vertikalen Ebene ungefähr in die Mitte zwischen den sich gegenüberstehenden weiten
■>· Düsenenden mit einer Geschwindigkeit von ungefähr
60 cm/Sek. in die Ströme von weichen festen Kohlendioxidteilchen abgesenkt, die aus den weiten Enden der
kegelstumpfförmigen Düsen austraten. Die Wärmeübertragungszahl h in Kilo-Joule pro Quadratmeter,
in Stunde und Grad Kelvin wurde als eine Kurve &wS
kontinuierlichen Messungen der Temperatur der Kupferplatte über der Zeit nach folgender Formel ermittelt:
h =
69 516d77df
[T.-T,)
[T.-T,)
wobei d77di die mittlere Steigung der Temperaturzeitkurve
für ein Intervall von einer Sekunde ist bestimmt aus der Kurve, die während der Beaufschlagung durch
bo die Teilchenströme aufgenommen wurde und wobei Tp
ungefähr die durchschnittliche Plattentemperatur während des zugehörigen Ein-Sekunden-Intervalls ist
berechnet aus dem arithmetischen Mittel der zwei aufeinanderfolgenden Ablesungen, und wobei T5 die
Temperatur des Kühimediums ist, von dem angenommen wurde, daß es sich auf Sublimationstemperatur von
Kohlendioxid befindet
Tabelle I zeigt die Wärmeübergangszahl, berechnet
Tabelle I zeigt die Wärmeübergangszahl, berechnet
aus den oben bestimmten Daten, nach jeder Sekunde des Abkühlens für unterschiedliche Plattentemperaturen
während dieses Experimentes.
Bestimmung der Wa'mieübergangszahl mittels Sublimationskühlung
Plattentemperatur
Warmeübergangs/ahl (/ι)
5111
5214
5316
5418
5111
511!
5111
5520
5316
5316
10
Dieses Experiment zeigt, daß Sublimationskühlen ein thermisches Vorspannen von dünnem Glas ermöglichen
würde, da die Wärmeübergangszahl ausreichend groß ist, und auch ausreichend konstant über dem Temperaturbereich,
der normalerweise beim Vorspannen von Glasgegenständen erforderlich ist.
Beispiel II
Das in Beispiel I verwendete Gerät wurde verwendet, um feste Teilchen aus Kohlendioxid auf Glasscheiben zu
richten. In jedem Fall war die Glasscheibe eine gezogene Glasscheibe von 15 cm χ 15 cm. die in einem
Ofen auf eine Temperatur von 677° C erhitzt und dann in eine Stellung zwischen die ausgerichteten Düsen
bewegt wurde.
Tabelle II zeichnet den Abstand von Düse zu Düse,
uic Dicke üci Glasscheiben, uic bciiäiiüeii würden, uie
Dauer der Behandlung und die Oberflächendruckspannung, die in der Mitte der behandelten Scheibe erzeugt
wurde, wobei jeweils vier Scheiben mit dem Testgerät behandelt wurden.
Cilasdicke
(mm)
Entfernung
/wischen
den Düsen
/wischen
den Düsen
(cm)
Kühldauer
(see)
Oberflächendruckspannung
in der Scheibenmitte
in der Scheibenmitte
(MPa)
Bereich der Oberflächendruckspannung
außerhalb der Scheibenmitte
außerhalb der Scheibenmitte
(MPa)
1,9
1,8
1,8
1.6
1,85
1,85
Bemerkung A
Bemerkung B
Bemerkung B
61
46
46
7
6
6
6
siehe
siehe
107,9
siehe B
siehe B
siehe B
75,8
97,1-111,8
siehe B
siehe B
siehe B
64,7-79,4
64,7-79,4
Festes Kohlendioxid war verbraucht, bevor d,i^ Kühlen beendet war.
Die Platte zerbrach während des txperimentes aufgrund mechanischer Funktionsfehler
des Testgerätes.
Beispiel III
Glasscheiben mit den Ausmaßen 30 χ 30 cm eines im
Handel erhältlichen Flachglases von 1,85 bis 1,9 mm Dicke wurden in einem Ofen erhitzt und in eine Stellung
zwischen einem Paar gegeneinander ausgerichteter, pyramidenförmiger Düsen bewegt, wobei jede Düse
eine 30 χ 30 cm große Düsenöffnung aufwies, sowie eine Länge von 46 cm und einen Apexwinkel von 35°.
Die Düsenöffnungen waren 10 cm voneinander entfernt und auf die einander abgewandten Oberflächen des
Glases gerichtet
Die Düsen wurden mit einem Schnee von weichen Partikeln aus festem Kohlendioxid in einem Gasstrom
aus einem 450 kg Behälter mit flüssigem Kohlendioxid beschickt, das bei einem Dampfdruck von ungefähr
193 Pa und bei einer Tanktemperatur von ungefähr -32° C gehalten wurde. Eine Leitung, die jede Düse mit
dem Behälter verband, wurde so kurz wie möglich gemacht Die Leitungen wurden von der Umgebungsluft
isoliert und besaßen beide Durchflußmengen-Steuerventile und ein magnetbetätigtes Absperrventil. Die
Steuerventile wurden für einige Proben auf ungefähr 1 /4 der maximalen Durchflußmenge und für andere Proben
auf ungefähr 1/3 der maximalen Durchflußmenge eingestellt
Eine Glasscheibe, die auf ungefähr 640"C erhitzt war,
entwickelte während der Behandlung eine Oberflä-
4") chendruckspannung von 53,9 MPa in der Scheibenmitte,
nachdem sie mit festen Teilchen aus Kohlendioxid mit einer Menge von ungefähr 1/3 der Höchstmenge
gekühlt worden war. Eine andere Glasscheibe, bis zu einer Glasoberflächentemperatur von ungefähr 688° C,
so die gerade vor dem Abschrecken erhitzt wurde,
erzeugte eine Oberflächendruckspannung von 71,6 MPa in der Scheibenmitte, nach einer Beaufschlagung mit
festen Teilchen mit einer Zuteilmenge von 1/4 der möglichen Gesamtmenge.
Beispiel IV
Bei einem anderen Experiment wurden Düsen von Kegelstumpfform, 66 cm lang, mit einem eingeschlossenen
Winkel von 18° am Apex und mit einer Düsenöffnung von 26,7 cm Durchmesser gegenüberliegend
zueinander mit einem Abstand von 10 cm zwischen den Düsenöffnungen angeordnet. Eine Glasscheibe
eines handelsüblichen Flachglases von 1,9 mm Dicke und einer Größe von 30 χ 30 cm wurde in einem
i>5 Ofen auf eine Temperatur von ungefähr 655° C erhitzt
und unmittelbar darauf mit festen Teilchen aus Kohlendioxidschnee beaufschlagt, der den Düsen aus
einem Behälter zugeführt wurde, der flüssiges Kohlen-
dioxid bei einem Druck von 17,9 MPa gehaiten wurde,
eingestellt mittels eines Nadelventils für eine Durchflußmenge von ungefähr 1/3 der Maximalmenge. Eine
ringförmige Markierung zeigte sich auf der Glasscheibe und wies auf eine ungleichförmige Vorspannung. Das
Experiment wurde wiederholt unter Verwendung der gleichen Parameter, mit der Ausnahme, daß ein Abstand
von 40 cm zwischen den Düsenöffnungen und eine 1 Osekundige Behandlung der Glasscheibe mit den festen
Kohlendioxidteilchen gewählt wurden. Keine Markierungslinie wurde bei dieser behandelten Glasscheibe
beobachtet.
Die Oberflächen-Druckspannung der letzten Probe betrug 58,8 MPa in der Scheibenmitte und 57,6 MPa an
Punkten im Abstand von 2'/2 cm von der Ober- und Unterkante der Scheibe.
Ein Absenken der Temperatur des flüssigen Kohlendioxids in dem Behälter erhöht den Anteil an festen
ι ciiCncN gcgcuuucf ucfi gaSiuiTnigcn Λ\ΠΊ6ίι6ίΊ ucS
Kühlmediums. Dies kann zu einem Anstieg in dem Wert Λ für das Kühlmedium führen, wodurch die erreichte
Vorspannung verbessert wird.
Aus dem obigen Experiment wird deutlich, daß bei Verwendung der Sublimationsfühlung gemäß der
Erfindung die Oberflächen-Druckspannungen wesentlich höher sind als die, die mittels Luftkühlung bisher
erreichbar waren.
Während die oben berichteten mittels Sublimationskühlung durchgeführten Experimente mit Scheiben aus
Glas erhalten wurden, ist es selbstverständlich, daß die Sublimationskühlung der genannten Art auch mit
Scheiben durchgeführt werden kann, die anders geformt sind oder die andere Gegenstände sind als Scheiben.
Zum Beispiel ist es bei der Bildung von Glasfasersträngen, die durch eine Bündeldüse extrudiert werden,
üblich, die frisch geformten Stränge zu kühlen, indem Luft zwischen die extrudierten Fasern eingeblasen wird.
Bei Anwendung der weichen Feststoffteilchen aus Kohlendioxid zwischen die extrudierten Stränge ist es
möglich, einen gleichförmigeren Strang zu erzeugen, als es gemäß dem Stand der Technik möglich ist, wie er z. B.
von dem US-Patent 32 7i 122 offenbart ist, wobei in
diesem Patent die Luft bei einer gesteuerien Temperatur
und Feuchtigkeit in die Richtung der Strangbewegung geblasen wird.
Während die oben dargestellten Beispiele sich auf das Sublimationskühlen unter Verwendung von Kohlendioxid
als vorzuziehendes Material zur Durchführung der vorliegenden Erfindung beziehen, können auch andere
sublimierbare Stoffe statt des Kohlendioxids verwendet werden. Diese anderen sublimierbaren Stoffe sind nicht
so wirksam wie Kohlendioxid und sind nicht so wünschenswert, und zwar wegen ihrer höheren Kosten
und ihrer geringeren Effektivität, und weil sie bei höheren Temperaturen sublimieren als Kohlendioxid.
Trotzdem werden sie für die Verwendung beim thermischen Vorspannen mittels Sublimation vorgeschlagen
und umfassen:
Aluminiumbutoxid (sublimierbar bei 1800C)
Ammoniumbenzoat (sublimierbar bei 160° C)
Ammoniumbromid (sublimierbar bei 452° C)
Ammoniumcarbamat (sublimierbar bei 600C)
Ammoniumcarbamatsäure
Ammoniumchlorid (sublimiert bei 340° C)
Ammoniumfluorid
Ammoniumfluoborat
Ammonium-Osmiumchlorid (sublimiert bei 170° C)
Ammoniumsalicylat
Ammoniumthiocarbonat
Antimonfluorid (sublimiert bei 319° C)
Kampfe (unterschiedliche Formen sublimieren
unterhalb von 210° C)
Molybdän-oxydichlorid
Molybdän-oxytetrachlorid
Molybdän-oxytrichlorid (sublimiert bei 1000C)
Molybdän-oxydifluorid (sublimiert bei 27O0C)
Nickel-dimethylglyoxim (sublimiert bei 250° C)
Nioboxybromid
Molybdän-oxydichlorid
Molybdän-oxytetrachlorid
Molybdän-oxytrichlorid (sublimiert bei 1000C)
Molybdän-oxydifluorid (sublimiert bei 27O0C)
Nickel-dimethylglyoxim (sublimiert bei 250° C)
Nioboxybromid
Nioboxychlorid (sublimiert bei 400°C)
Zirkon-tetrachlorid (sublimiert bei 33 Γ C)
Zirkon-tetrabromid (sublimiert bei 357° C)
Zirkon-tetrachlorid (sublimiert bei 33 Γ C)
Zirkon-tetrabromid (sublimiert bei 357° C)
Claims (7)
1. Verfahren zum thermischen Vorspannen eines
Glasgegenstandes, bei dem der Glasgegenstand bis in einen für das thermische Vorspannen ausreichenden, erhöhten Temperaturbereich erwärmt und in
diesem Zustand an seiner Oberfläche mit einem Kühlmedium beaufschlagt wird, welches aus einem
Strom weicher Feststoffteilchen besteht, dadurch
gekennzeichnet, daß Teilchen aus einem sublimierbaren Feststoff verwendet werden, dessen
Sublimationstemperatur ausreichend unterhalb des Temperaturbereichs liegt, auf den der Glasgegenstand erwärmt worden ist, und der an der erwärmten
Glasoberfläche sublimiert
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sublimierbaren Feststoffteilchen
mit Hilfe eines Trägerfluids gegen die Glasoberfläche bewegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als sublimierbarer Feststoff
Kohlendioxid verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmiges Kohlendioxid als Trägerfluid verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Kohlendioxid in Form
von Kohlendioxid-Schnee eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasoberfläche mit einer solchen
Menge an Kohlendioxid-Schnee beaufschlagt wird, daß sich eine Wärmeübergangszahl von 2556 bis
12 267kJ/m2· h · K ergibt.
7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis zum thermischen Vorspannen von
dünnen Glasscheiben mit einer Dicke bis zu 2,5 mm.
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