CN100393647C - 同时加热和冷却玻璃以生产回火玻璃的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于对玻璃板进行加热、成形及回火的系统和方法，包括将玻璃板预热到至少为第一预定温度。所述系统和方法还包括将射频能量施加到所述玻璃板上，以使其被加热到至少为第二预定温度，并且将玻璃板的至少一个外表面冷却到第三预定温度，以将玻璃板回火。

Description

同时加热和冷却玻璃以生产回火玻璃的系统和方法
相关申请的交叉参考
本申请基于2001年9月19日递交的发明名称为“同时加热和冷却玻璃以生产回火玻璃的系统”的美国临时专利申请60/323,223。
技术领域
本发明总体上涉及回火玻璃，特别涉及一种用于同时加热和冷却玻璃以生产回火玻璃的系统和方法。
背景技术
经回火或热处理的玻璃通常被定义为预应力玻璃(例如，退火玻璃或普通玻璃)，它们通过被加热到基本达到或高于玻璃软化点的温度，并且在仔细控制的条件下强制突然并快速地急冷从而被施加预应力。回火工艺可生产具有非常理想的诱发应力条件的回火玻璃，所述诱发应力可导致回火玻璃比退火玻璃或者普通玻璃具有附加的强度、耐热性及抗冲击力。
回火工艺中采用的基本原理是创造玻璃表面及边缘压缩的初始条件。通过首先加热玻璃接着快速冷却玻璃表面来获得这个条件。这种加热和冷却的结果是玻璃的中央层相对于玻璃表面而言较热。随着中央层冷却，表面被迫压缩。风压、射体冲击、热应力或其它作用的负载必须首先克服这种压缩，才能实现玻璃断裂的任何可能性。
关于加热步骤，已知可使用炉床或退火炉加热要被回火的玻璃板。退火炉是一种炉子，其可以是连续辊式、固定辊式或气体式。例如，气体式退火炉具有排列在多个辐射加热器下方的多个区段。典型地，一块玻璃板放置在所述退火炉内，其中玻璃板通过传统的辐射、对流和传导加热方法而被加热。所述玻璃板沿着各区段按预定速率移动以达到玻璃板成形范围内的温度。所述预定速率取决于玻璃板的导热率。当达到这个温度时(例如，大约1200°F)，玻璃板被形成为具有所述区段的预定形状。
一旦成形，玻璃板典型地通过一股气流作用到其上而被快速空气急冷。所述气流可由固定式、往复式或旋转式喷嘴阵列形成。重要的是从玻璃板的两个表面均匀地吸取热量(不均匀的热量吸取可产生弓面或翘曲)并且持续足够长时间的急冷以防止玻璃表面被依然热的玻璃板中央再加热。当玻璃板被降低到大约400°F到600°F的温度时，急冷状态变得稳定。
尽管上述的退火炉工作性能良好，但是其有些缺点，即退火炉必须在长度上足够大，以容许玻璃板按预定速率被加热。这个长度需要大量的地面空间、能量消耗及成本。
一种克服这个缺点的最新方法是采用微波能(频率在2吉兆赫(GHz)到40吉兆赫(GHz)的范围内)快速高效地加热已通过传统方法被预热到基本等于或高于玻璃软化点的温度的玻璃板。这种方法被比较充分地描述在Boaz的美国专利5,782,947和5,827,345中，其公开的内容结合在此作为参考。
Boaz的美国专利5,782,947公开了一种用于加热玻璃板的方法，其包括将玻璃板加热到第一预定温度的步骤和对玻璃板施加微波能以将其加热到至少为第二预定温度以使玻璃板成形的步骤。Boaz的美国专利5,782,947中描述的方法的一个优点是减小了退火炉的长度，这就导致较少的地面空间并且增加了玻璃板成形的生产能力(速度和产量)。
Boaz的美国专利5,827,345公开了一种用于加热、成形和回火玻璃板的方法，其包括将玻璃板加热到至少为第一预定温度，对玻璃板施加微波能以将其加热到至少为第二预定温度，使玻璃板成形为预定形状，以及将玻璃板的至少一个外表面冷却到至少为第三预定温度以将玻璃板回火的步骤。Boaz的美国专利5,827,345中描述的方法的一个优点是可回火相对薄的玻璃板(例如，厚度小于0.125英寸)。具体地讲，当玻璃板的中央通过微波能被加热时，玻璃板的外表面被冷却，由此在玻璃板的中央和外表面之间产生所需的温差或温度梯度。
尽管Boaz的美国专利5,782,947和5,827,345中描述的方法代表了在玻璃回火技术上的显著进步，但是这些方法有些缺点，即所公开的微波能的等级(即，具有2GHz到40GHz范围内的频率)在产生和维持长期的生产周期方面相对昂贵。另外，在传统的生产设备中这种高频微波能等级的使用会出现操作问题。由此，本领域需要一种系统和一种方法，用于在回火工艺的加热部分过程中快速、高效和低廉的加热玻璃，而同时维持玻璃板的中央和外表面之间所需的温差或温度梯度以便于生产回火玻璃，特别是相对薄的回火玻璃。
发明内容
因此，本发明是一种用于加热、成形和回火玻璃板的系统和方法，其包括将玻璃板预热到至少为第一预定温度。所述系统和方法也包括对玻璃板施加射频能量以将其加热到至少为第二预定温度，并且将玻璃板的至少一个外表面冷却到至少为第三预定温度以将玻璃板回火。
本发明的一个优点是提供了一种系统和方法用于同时加热和冷却玻璃以生产出回火玻璃。本发明的另一个优点是所提供的系统和方法对生产相对薄的回火玻璃特别有效。本发明进一步的优点是所述系统和方法使用射频能量以将已通过传统方法预热过的玻璃快速、高效和低廉加热到基本等于或高于玻璃软化温度的温度。同时，加热过的玻璃被冷却以利用中央具有比外表面更高的温度维持玻璃中央和外表面之间所需的温差或温度梯度。接着，处理后的玻璃板被急冷以生产出回火玻璃。本发明还具有一个优点是通过使用较少的用于对加热了的玻璃进行急冷的压缩空气来对普通厚度的玻璃例如0.1875英寸厚的玻璃进行回火。
在阅读完以下结合附图所作的说明之后，本发明的其它特征和优点可以被更好地理解，从而更容易了解它们。
附图说明
图1是依据本发明成形回火玻璃板的方法的流程图。
图2是依据本发明成形回火玻璃板的系统的局部正视图。
图3是按照现有技术的传统回火技术加热的相对薄的玻璃板的中央和一个外表面之间温差的曲线图。
图4是按照本发明的系统和方法同时加热和冷却相对薄的玻璃板的中央和一个外表面之间温差的曲线图。
图5是依据本发明图2的用于成形回火玻璃板的系统的另一个实施例的局部正视图。
具体实施方式
参见图1，示出了依据本发明的用于加热、成形和回火玻璃板的方法的一个实施例。尽管图中示出的和下面描述的方法用于玻璃板，但是应理解为本方法可用于任何适合的玻璃物体。
本方法包括第一步骤10：将玻璃板预热到基本等于或高于其软化温度的温度，其通常在大约900°F至大约950°F的温度范围内。这种预热可在许多传统方法下完成，包括利用红外线能量加热。
本方法还包括第二步骤20：利用射频能量加热预热后的玻璃板，而同时冷却玻璃板的至少一个外表面以处理玻璃板。例如，使用一股或多股气流直接作用到玻璃板上以冷却至少一个外表面。优选地，冷却玻璃板的两个主外表面。或者优选地，射频能量加热预热的玻璃板到成形温度，其在大约1150°F至大约1250°F的范围内。另外，射频能量维持在大约0.1GHz至大约小于2.0GHz的频率范围内，优选的频率是0.4GHz。
玻璃板表面冷却的目的是，通过使玻璃板中央具有比表面高的温度，来维持玻璃板中央和表面之间所需的温差或温度梯度。
本方法包括第三步骤30：可用许多传统方法急冷所述处理(加热)过的玻璃板以生产出回火玻璃板。一种这样的方法是对处理后的玻璃板作用一股或多股气流，优选地，对准玻璃板的两个主外表面。或者优选地，在急冷工序中，处理后的玻璃板的温度被降低到大约400°F至大约600°F或以下的范围内。在急冷工序之后，回火玻璃板被进一步冷却，例如，降到室温。
参见图2，示出了依据本发明的系统100的一个实施例，该系统与本发明的方法结合使用，用于加热、成形和回火玻璃板102。系统100主要包括三个工位，一个预热工位104，一个加热/冷却工位106和一个急冷工位108。虽然工位104、106和108是以紧邻的关系示出，但是应理解为工位104、106和108也可以被过道、隧道、管道、地道和/或其它适合的结构分开。
预热工位104(例如，退火炉、窑炉、烤炉或其它适合的装置)的目的是增加玻璃板102的温度，使之基本达到或高于玻璃板102软化温度，其典型地是在大约900°F至大约950°F的范围内。优选地，当玻璃板102在一连串选择性操作的辊子112上被导入预热工位102内时，至少有一个热源110(例如，一个红外加热灯)放置在玻璃板102的上方和/或下方，所述辊子在预期方向上旋转以沿特定方向移动玻璃板102。随着玻璃板前进通过加热工位104，热源110优选均匀地加热玻璃板102。应该理解预热玻璃板102a可成形许多种形状和结构，如汽车挡风玻璃(未示出)，但不限于此。
所述预热工位104也可设有一个第一选装门系统114a，在玻璃板102将要进入到预热工位104时和一旦玻璃板102已经进入到预热工位104时，其可选择性地操作以打开和关闭以致保持预热工位104内的温度级别。此外，预热工位104还可设有第二选装门系统114b，在预热过的玻璃板102a将要进入到加热/冷却工位106时，其可选择性地操作以打开，并且一旦预热过的玻璃板已经进入到加热/冷却工位106时，其关闭以致保持预热工位104内的温度级别。
加热/冷却工位106(例如，退火炉、窑炉、烤炉或其它适合的装置)的目的是增加预热过玻璃板102a的温度，使之达到其成形温度，该温度在大约1150°F至大约1250°F的范围内，而同时冷却预热过的玻璃板102a的至少一个表面。通过对预热过的玻璃板102a施加射频能量来完成加热。
优选地，随着预热过的玻璃板102a在一连串选择性操作的辊子112上被导入加热/冷却工位102内，至少一个被总体标示为116的射频能量源设置在预热过的玻璃板102a的上方和/或下方，所述辊子在预期方向上旋转以沿特定方向移动预热过的玻璃板102a。所述射频能量源116包括一个母线118，其具有多个从其向预热过的玻璃板102a延伸的电极120。每个电极120的一个终端部分122被设置成尽可能靠近但不接触预热过的玻璃板102a的一个主外表面。
当预热过的玻璃板102a前进通过加热/冷却工位106时，射频能量源116均匀加热预热过的玻璃板102a以形成一个处理(加热)后的玻璃板102b。射频能量的频率被维持在大约0.1吉兆赫(GHz)至大约2.0吉兆赫(GHz)的范围内，优选地是0.4吉兆赫(GHz)的频率。
在预热过的玻璃板102a通过射频能量源116加热以形成处理后的玻璃板102b时，预热过的玻璃板102a/处理后的玻璃板102b的至少一个外表面，优选两个主外表面，被同时冷却以维持预热过的玻璃板102a/处理后的玻璃板102b的中央和预热过的玻璃板102a/处理后的玻璃板102b的两个主外表面之间所需的温差或温度梯度。预热过的玻璃板102a/处理后的玻璃板102b的中央比预热过的玻璃板102a/处理后的玻璃板102b的外表面的温度更高。通过对预热过的玻璃板102a/处理后的玻璃板102b施加至少一股气流129来完成冷却。应该理解加热和冷却的结合形成处理后的玻璃板102b。
优选地，通过对预热过的玻璃板102a/处理后的玻璃板102b施加至少一股气流或压缩空气129来完成冷却。具体地讲，当预热过的玻璃板102a/处理后的玻璃板102b前进通过加热/冷却工位106时，至少一个总体表示为124的冷却系统设置在预热过的玻璃板102a/处理后的玻璃板102b的上方和/或下方。冷却系统124包括一个压缩空气129的气源126，所述压缩空气129通过至少一个喷嘴、优选多个喷嘴128分送。喷嘴128可构成为一个或多个固定式、往复式或旋转式喷嘴128的阵列。
在图5示出的另一个实施例中，电极120可被制成管状元件或部件121，它们具有至少一个开口123，以使压缩空气流过这些管状部件121以产生同时冷却的效果。管状部件121被设置在辊子112之间并且在玻璃板102的上方和下方，以使空气在此流过。
应该理解，系统100可用于回火相对薄的玻璃板102(例如，厚度小于0.125英寸)。也应该理解，系统100可被用于使用较少的急冷用压缩空气来回火的相对正常厚度的玻璃板(例如厚度及高度为0.375英寸)。还应进一步理解，一个或多个温度测量装置(未示出)可被用于测量预热玻璃板102a/处理后的玻璃板102b的温度。还应进一步理解，处理后的玻璃板102b可形成多种形状和结构，如汽车挡风玻璃(未示出)，但不限于此。
所述加热/冷却工位106也可设有一个选装门系统130，在处理后的玻璃板102b将要被从加热/冷却工位106推出时，其可选择性地运转以打开，并且一旦处理后的玻璃板102b已进入到急冷工位108时，其关闭，由此保持加热/冷却工位106内的温度级别。
急冷工位108的目的是突然并快速急冷处理后的玻璃板102b以形成回火玻璃板102c。优选地，在急冷工序中所述处理后的玻璃板102b的温度被降低到大约400°F至大约600°F或以下的范围内以致形成回火玻璃板102c。在急冷工序后，回火玻璃板102c可被进一步冷却，例如，冷却到室温。
急冷优选通过在处理后的玻璃板上作用至少一股气流132来完成。具体地讲，当处理后的玻璃板102b/回火玻璃板102c前进通过急冷工位108时，至少一个总体表示为134的冷却系统设置在处理后的玻璃板102b/回火玻璃板102c的上方和/或下方。优选地，随着处理后的玻璃板102b前进通过急冷工位108时，冷却系统134均匀地冷却处理后的玻璃板102b以形成回火玻璃板102c。
冷却系统134优选包括至少一个压缩空气132的气源136，所述压缩空气通过至少一个喷嘴138、优选通过多个喷嘴分送。所述喷嘴138可构成为一个或多个固定式、往复式或旋转式喷嘴阵列。
所述急冷工位108也可设有一个选装门系统140，在回火玻璃102c将要被从急冷工位108推出时，其可选择性地运转以打开，并且一旦回火玻璃板102c已被推出到大气环境中时，其关闭，由此保持急冷工位108内的温度级别。
参见图3和4，其中分别示出了传统回火系统和方法及本发明的回火系统和方法中相对薄的玻璃板102的中央温度“a”和其一个外表面的温度“b”之间的温差(δt)的图线对比。图3示出了以传统方式加热的一块普通急冷的相对薄玻璃板102在玻璃板的中央温度“a”和一个外表面温度“b”之间产生相对小的温差(δt)。也就是，在玻璃板102的中央和外表面之间不会有非常大的温差。在处理后的玻璃板102b急冷时，由于没有显著的温差(δt)，将不可能在玻璃板102内形成诱发应力，因此这个温差对回火相对薄玻璃板102非常不理想。
相反，图4示出了按照本发明加热的一块普通急冷的相对薄玻璃板102在玻璃板中央温度“a”和一个外表面温度“b”之间产生的比传统回火技术导致的温差(δt)更大的温差(δt)。也就是，在玻璃板102的中央和外表面之间产生一个比传统回火技术导致的温差更大的温差。在处理后的玻璃板102b急冷时，由于呈现显著的温差(δt)将允许玻璃板102内形成诱发应力，因此这个温差对回火相对薄的玻璃板102非常理想。
因此，本发明在回火工序的加热或处理部分采用射频能量以快速、高效和低廉地加热预热玻璃板。同时，在回火工序的处理过程中优先采用一股或多股气流以维持玻璃板的中央和其至少一个外表面之间所需的温差或温度梯度。接着，处理后的玻璃板被急冷以生产出回火玻璃。
本发明已经被以示例的方式进行了说明。可以理解，使用的措词仅仅是说明性的而不是限制性的。
按照上述的描述，本发明可有许多改进和变化。因此，在所附的权利要求的范围内，本发明可以以不同于前述特定描述的方式实施。

Claims (21)

1.一种用于对玻璃板进行加热、成形及回火的方法，包括下述步骤：
将玻璃板预热到至少为第一预定温度；
对玻璃板施加射频能量以将玻璃板加热到至少为第二预定温度；
将玻璃板的至少一个外表面冷却到至少为第三预定温度以将玻璃板回火；
其特征在于，设置至少一个电极，其具有至少一个开口；
将射频能量从所述至少一个电极施加到玻璃板上以使其达到所述第二预定温度；以及
通过所述至少一个电极的至少一个开口施加至少一股气流以实现将玻璃板的至少一个外表面冷却到至少为第三预定温度以将玻璃板回火。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射频能量具有位于大约0.1GHz至大约2.0GHz范围内的频率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射频能量具有大约0.4GHz的频率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却玻璃板的步骤包括将至少一股气流引导到玻璃板的至少一个外表面上。
5.如权利要求1所述的方法，包括急冷玻璃板以生产出回火玻璃板的急冷步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述急冷步骤包括对处理后的玻璃板的至少一个外表面施加至少一股气流。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述急冷步骤将处理后的玻璃板的温度降低到大约400°F至大约600°F的温度范围内。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预定温度是在大约900°F至大约950°F范围内的温度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预定温度是在大约1150°F至大约1250°F范围内的温度。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将玻璃板预热到至少为第一预定温度的步骤包括利用红外线能量或对流能量加热。
11.一种用于对玻璃板进行加热、成形及回火的系统，包括：
预热工位，其具有至少一个热源，该热源设置在玻璃板上方和/或下方，并且适于将玻璃板的温度升高到基本等于或高于玻璃板软化点的温度；
加热和冷却工位，其具有至少一个射频能量源，该射频能量源放置在玻璃板的上方和/或下方，并且适于将预热的玻璃板的温度升高到基本等于或高于预热玻璃板成形温度的温度；
冷却工位，其用于使玻璃板的中央温度高于一个外表面温度，以维持玻璃板的中央和该外表面之间具有所需的温差，从而通过加热和冷却的组合而形成回火玻璃板；
其特征在于，所述至少一个射频能量源包括至少一个电极，用于向玻璃板施加射频能量。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个射频能量源发射具有位于大约0.1GHz至大约2.0GHz范围内的频率的能量。
13.权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个射频能量源发射具有大约0.4GHz频率的能量。
14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个射频能量源包括一个母线，所述母线带有从其向玻璃板延伸的多个电极，每个所述电极具有一个终端部分，其被设置成尽可能靠近玻璃板的一个外表面但保持不接触关系，并且适于加热玻璃板。
15.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个电极连接到压缩空气源上，以通过所述至少一个电极使压缩空气施加到玻璃板上。
16.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述预热工位包括一连串选择性操作的辊子，它们在预期方向上旋转，以将玻璃板导入到所述预热工位，并且沿特定方向移动玻璃板通过所述预热工位。
17.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述加热工位包括一连串的选择性操作的辊子，它们在预期方向上旋转，以将玻璃板导入到所述加热和冷却工位，并且沿特定方向移动玻璃板通过所述加热和冷却工位。
18.如权利要求11所述的系统，包括急冷工位，其适于快速急冷玻璃板以形成回火玻璃板。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述急冷工位包括一连串选择性操作的辊子，它们在预期方向上旋转，以将玻璃板导入到所述急冷工位，并且沿特定方向移动玻璃板通过所述急冷工位。
20.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述冷却工位包括至少一个冷却系统，其设置在预热玻璃板的上方和/或下方，以便在玻璃板前进通过所述加热工位时施加压缩空气。
21.一种用于对玻璃板进行加热、成形及回火的系统，包括：
预热工位，其具有至少一个加热源，该加热源设置在玻璃板的上方和/或下方，并且适于将玻璃板的温度升高到基本等于或高于玻璃板软化点的温度；
加热和冷却工位，其具有至少一个射频能量源，该射频能量源放置在玻璃板的上方和/或下方，适于将预热的玻璃板的温度升高到基本等于或高于预热玻璃板成形温度的温度，并且使玻璃板的中央温度高于一个外表面温度，以维持玻璃板的中央和该外表面之间具有所需的温差，从而通过加热和冷却的组合而形成回火玻璃板；
其特征在于，所述至少一个射频能量源包括至少一个中空电极以使射频能量施加到玻璃板上，并且其连接到压缩空气源上以通过所述至少一个中空电极使压缩空气施加到玻璃板上。
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