CN102015558B - 通过电磁辐射进行玻璃熔合的温度控制 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用来形成玻璃片的系统和方法。提供了一些方法和系统，其包括耐火主体，所述耐火主体构造成接受基于玻璃的材料，还包括用来传输能量，从而通过基于玻璃的材料至少对所述耐火主体的一部分进行选择性加热的装置。在一个方面，所述传输的能量具有选定的频率，不会被基于玻璃的材料完全吸收，至少部分地被所述耐火主体吸收。所述能量可以通过以下装置传输：激光束阵列，扫描激光束，微波发生器，射频发生器，或者其它的装置。

Description

通过电磁辐射进行玻璃熔合的温度控制

相关申请

本申请要求2008年4月29日提交的美国专利申请第12/150484号，以及2008年2月29日提交的题为“通过电磁辐射进行玻璃熔合的温度控制(Temperature Control of Glass Fusion by Electromagnetic Radiation)”的美国临时申请第61/067,671号的优先权。

技术领域

本发明涉及用来形成玻璃片的系统和方法。更具体来说，提供对用于玻璃片成形工艺的输送系统进行热控制的系统和方法。

背景技术

近来，人们把注意力高度集中于用于包括LCD应用在内的各种应用的平板玻璃片的需求。人们努力将玻璃片内的缺点和/或缺陷减至最少。失去透明性(玻璃内晶体生长)是影响玻璃片质量的一个常见问题。

常规的形成玻璃片的方法包括下拉熔合(例如使用溢流槽(isopipe))，浮法，辊压法等。在这各种方法中，熔融的基于玻璃的材料通常会在形成玻璃片的过程中在耐火主体上流过。但是，基于玻璃的材料的液相线粘度会对常规的可熔融成形的玻璃的组成范围带来限制。用于LCD的常规的可熔合成形的玻璃的液相线粘度通常约大于500,000泊(，对于2000系列玻璃，可以接近1,000,000泊)。一般来说，目前液相线粘度小于500,000泊的基于玻璃的材料无法用来形成高质量的玻璃片，这是因为在制造过程中会发生失去透明性。

“液相线”包括两个部分，即开始成核和晶体生长速率。成核会在耐火材料表面以及耐火材料-玻璃界面处发生(非均相成核)，成核的性质主要由界面处的表面粗糙度以及局部组成变化的控制。均相成核(在大块玻璃内，而不是在界面处)大体上会随着以下因素变化：过冷，低于液相线的ΔT，直到粘度足够高，使得原子无法移动形成晶核为止。晶体生长速率通常在刚好低于液相线温度的时候是最大值，然后随着原子迁移性降低，晶体生长速率逐渐减小。

另一个结晶问题，尽管并不严格的是玻璃失去透明性，是次要的锆石。使用包含锆石的耐火主体制造玻璃片，容易带来这个问题。锆石(或氧化锆)会在制造过程的高温阶段溶解在玻璃中，而在工艺的较低温度部分会以小的锆石针状体形式沉淀出来，可能会结合入玻璃片中成为缺陷。在使用在较低温度下在玻璃中的溶解度会降低的任何耐火组合物的时候都会发生此种情况，不一定限于锆石组合物。

因此，本领域需要一种用来形成玻璃片的系统和方法，其能够通过对玻璃输送系统进行热控制，同时在成形过程中将玻璃内失去透明性和次要的锆石的影响减至最小。

发明内容

本发明提供了用来形成玻璃片的系统和方法。更具体来说，提供了一些系统，该系统包括耐火主体，所述耐火主体构造成接受基于玻璃的材料，例如但不限于熔融玻璃。所述系统还包括用来传输能量的装置，其通过基于玻璃的材料至少对耐火主体的一部分进行选择性加热。在一个方面，所述传输的能量具有选定的频率，不会被基于玻璃的材料完全吸收，至少部分地被所述耐火主体吸收。

在使用时，提供了一些方法，该方法包括提供耐火主体，所述耐火主体构造成接受基于玻璃的材料，并且通过所述基于玻璃的材料至少向所述耐火主体的一部分传输能量，从而至少对所述耐火主体的一部分进行加热。

在以下详细描述和任意权利要求中部分地提出了本发明的另外一些实施方式，它们部分源自详细描述，或可以通过实施本发明来了解。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，不对揭示和/或要求保护的本发明构成限制。

附图说明

图1显示了用于辊压玻璃片的示例性系统。

图2显示了用于用浮法形成玻璃片的示例性系统。

图3显示了使用下拉熔合法形成玻璃片的具有溢流槽的示例性系统。

图4显示了根据本发明一个方面的示例性系统，该系统包括40MHz的杂散RF场，其构造成通过熔融玻璃流过溢流槽壁对溢流槽的根部耐火材料进行加热。

图5显示了根据本发明另一个方面的示例性系统，该系统包括40MHz的平行板RF，其构造成通过熔融玻璃流过溢流槽壁对溢流槽的根部耐火材料进行加热。

图6显示了根据本发明一个方面的示例性系统，该系统包括微波发生器，其构造成通过熔融玻璃流过溢流槽壁对溢流槽的根部耐火材料进行加热。

图7显示了一种用来形成玻璃片的示例性的溢流下拉熔合系统，其包括溢流槽，所述溢流槽具有根部部分，还包括激光器阵列，该激光器阵列用来通过熔融玻璃流过所述溢流槽的侧面(未显示)，对根部耐火材料进行加热。

图8显示了一种用来形成玻璃片的示例性的溢流下拉熔合系统，其包括溢流槽，所述溢流槽具有根部部分，还包括扫描激光器，该扫描激光器用来通过熔融玻璃流过所述溢流槽的侧面(未显示)，对根部耐火材料进行加热。

图9是根据本发明的一个方面，在2450MHz和900℃条件下试验装置的示意图，其包括位于混合熔炉内的类似体积的EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃和锆石材料，使用MoSi₂电阻加热元件和微波或RF能。

图10显示使用与图8的试验装置中的类似体积的EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃和锆石材料，在2450MHz和900℃条件下的试验结果。

图11是锆石材料相对于EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃的差示介电常数(ε’)随频率和温度的变化关系图。

图12是锆石材料相对于EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃的差示介电常数(ε”)随频率和温度的变化关系图。

图13显示了锆石材料和EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃的半功率穿透深度随频率和温度的变化。

图14显示了锆石材料和EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃的损耗角正切随频率和温度的变化。

发明详述

提供以下对本发明的描述，作为按其最佳的目前已知实施方式来揭示本发明内容。因此，相关领域的技术人员会认识并理解，可以对本文所述的本发明的各实施方式进行许多变化，同时仍能获得本发明的有益的结果。还显而易见的是，本发明所需的有益结果中的一部分可以通过选择本发明的一些特征而不利用其他的特征来获得。因此，本领域技术人员会认识到，对本发明的许多更改和修改都是可能的，在某些情况下甚至是希望的，并且是本发明的一部分。因此，提供以下描述作为对本发明原理的说明并且不构成对本发明的限制。

如本文所用的，单数形式的“一个”，“一种”和“该”包括复数的所述事物，除非文本中另有明确的说明。因此，例如，提到的“溢流槽”包括具有两个或更多个此类“溢流槽”的实施方式，除非文本中另有明确的说明。

如本文所用的，除非有明确的相反的说明，术语“锆石材料”用来表示包含锆石(硅酸锆)的锆石组合物。根据各种方面，锆石材料可以适合用来形成耐火陶瓷主体，例如溢流槽。如果存在锆石材料的话，所述锆石材料可以以任意合适的形式提供，例如固体或粉末。

在本文中，范围可以表示为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值。表述这样的范围时，另一种实施方式包括从一个具体值和/或至另一个具体值。类似地，用先行词“约”将数值表示为近似值时，应该理解，具体值构成另一种实施方式。应该进一步理解，范围的各端点不管与另一个端点相关还是独立于该另一个端点，都是有意义的。

如上文简短概述，本发明提供了用来形成玻璃片的系统和方法。为了将玻璃片中形成的缺陷(例如通过失去透明性或次要锆石沉积造成的缺陷)减至最少，提供了一些系统和方法来控制用于片材形成工艺中使用的玻璃输送系统的热特性。如在下文中将进一步描述，通过将输送系统保持在足够高的温度，在玻璃从输送系统向下游流动的时候使得玻璃迅速冷却。通过使得玻璃迅速冷却，将玻璃在结晶的高生长速率温度区中所消耗的时间减至最少。类似地，通过加热输送系统并且将整个输送系统中的热梯度减至最少，可以对锆石，例如锆石材料的沉积加以控制。

在一个方面，所述系统包括构造成接受基于玻璃的材料的耐火主体。在一个方面，所述基于玻璃的材料可以是熔融的玻璃。所述耐火主体具有远端部分，所述基于玻璃的材料从该远端部分向下游流动。根据各种方面，所述耐火主体包含锆石耐火材料。

参见图1，在一个方面，所述耐火主体可以用于辊压工艺来形成玻璃片。在此方面，所述耐火主体107向下倾斜，其远端部分比耐火主体的相反的近端部分低。当基于玻璃的材料111从远端部分向下游流动的时候，通过至少一对辊115对其进行拉制，形成玻璃片。

任选地，所述耐火主体可以用于浮法来形成玻璃片。如图2所示，耐火主体207的至少一部分向下倾斜，耐火主体的远端部分比耐火主体的至少一部分低。当熔融的基于玻璃的材料111从远端部分向下游流动的时候，其被输送到液体金属(例如锡)的浴219上。

在又一个方面，如图3所示，可以通过下拉熔合法，使用具有耐火主体307的溢流槽301形成玻璃片。所述溢流槽可以包括上部部分，所述上部部分限定出槽体305，用来接受通过供应管303的熔融的基于玻璃的材料111。所述溢流槽包括相反的下部部分，朝向溢流槽的根部309逐渐变小。因此，所述耐火主体的远端部分包括所述根部。所述熔融的基于玻璃的材料111被接受在所述槽体中，从槽体的顶部溢流在在两侧面上，这样形成两个玻璃片，沿着溢流槽的外表面向下流动，然后向内流动。两个玻璃板在溢流槽的根部309汇合，在此熔合在一起形成单个玻璃片。然后，将该单个玻璃片输送至拉制设备(图示流动箭头313所示)，如辊，该设备通过拉玻璃片离开根部的速率来控制该玻璃片的厚度。

在另一个方面，所述系统还包括用来传输能量的装置，以通过基于玻璃的材料对远端部分的一些部分进行选择性加热。例如，图1和图2显示了在熔融玻璃与相应的耐火主体分离之处相邻的位置施加能量的区域(分别为117和217)。类似地，能量传输装置可以构造成加热与根部部分相邻的溢流槽，例如如图4-7所示。在一个特别的方面，所述传输的能量具有选定的频率，不会被熔融的基于玻璃的材料完全吸收，至少部分被所述耐火主体的远端部分吸收。

可以使用各种装置对耐火主体的远端部分进行选择性加热。在一个方面，可以使用射频(RF)发生器。可以将传输系统和控制系统与射频发生器结合使用，将能量射向耐火主体的远端部分。传输系统可以包括两对或更多对平行的棒，所述棒与相应的耐火主体的远端部分平行，用来通过所述熔融的基于玻璃的材料传输能量。例如，参见图3，可以将一些成对的平行的棒431设置在溢流槽301根部各侧，与根部部分平行，在根部部分的任一侧上产生杂散场433。任选地，传输系统可以包括至少离开远端部分(例如如图5所示的溢流槽301的根部部分)的长度部分的平行板535。因此RF可以相对均匀地沿着耐火主体的远端部分的长度传输。在另一个方面，所述产生RF的板或棒可以用作散热器，以从沿着耐火主体流动的基于玻璃的材料除去热量。

在另一个方面，可以使用微波发生器对耐火主体的远端部分进行加热。所述微波发生器可以通过合适的控制系统与波导(例如漏隙波导)或喇叭天线连接。可以设定所述波导的位置，将微波能量射向所述耐火主体的远端部分。例如，如图6所示，可以将与波导639连接的微波发生器637设置在溢流槽301根部部分的各侧上。所述微波发生器可以将微波能量射向与根部相邻的溢流槽的负斜率的部分。在另一个方面，所述波导可以至少部分是金属的(例如但不限于涂覆Pt的陶瓷)，可以用作散热器，从沿着耐火主体流动的基于玻璃的材料移除热量。任选地，可以在微波发生器下游设置一个或多个散热器661，从基于玻璃的材料移除热量。

还可以使用激光器对耐火主体的远端部分进行选择性加热。例如，可以将至少一股激光束射向远端部分。所述激光束可以具有近红外范围的波长谱带，例如780-11000纳米。任选地，所述激光束可以具有可见光范围的波长谱带，例如380-780纳米。在一个方面，可以沿着远端部分的长度设置激光器的阵列。例如，参见图7，可以将包括多个激光器732的激光器阵列721设置在与溢流槽301的根部部分相邻并且基本平行于根部的位置。可以将各个激光器产生的激光束725射向溢流槽的远端部分。尽管仅在根部部分的一侧上显示，但是预期在根部部分的相反侧也可以设置类似的激光器阵列。

如图8所示，还可以使用扫描激光器823对耐火主体(例如溢流槽301)的远端部分进行选择性加热。可以使得光束沿着远端部分的长度进行扫描。在一个方面，所述激光器可以将激光束825a射向反射表面827，例如反射镜，所述反射表面可以选择性地移动或定位，以改变反射的光束825b的方向。光束在耐火主体上任意一点的停留时间将决定局部温度升高。在一个具体的方面，可以使用脉冲近红外激光器，例如Nd:YAG或Nd:YVO₄激光器作为扫描激光器。如图8所示，所述激光器可以构造成至少对溢流槽301远端部分长度的一部分(用α表示)进行扫描。如对于图8所述，尽管在图4中仅显示了沿着溢流槽根部部分的一侧进行激光扫描的机理，但是考虑可以在根部部分的相反侧设置类似的激光器机构。

在一个方面，传输的能量约为300至200,000MHz，例如为微波范围。任选地，传输的能量可以约为3-300MHz，例如为RF范围。在又一个方面，所述能量传输装置构造成以足以将远端部分的一些部分加热至高于流过该远端部分的基于玻璃的材料的液相线温度的温度的频率传输能量。

根据各种方面，所述系统还包括散热器，其构造成从基于玻璃的材料移去热量。所述散热器可以设置在远端部分的下游，但是也考虑可以将散热器设置在沿着流体流动路径的任意位置，以选择性地从基于玻璃的材料移去热量。在一个具体的方面，所述散热器设置在远端部分的下游，但是与远端部分相邻。例如，如图6所示，可以将一个或多个散热器661设置在溢流槽根部部分的下游处，当基于玻璃的材料从根部流下或拉下的时候，从所述基于玻璃的材料移去热量。如本文所述，考虑可以将各种系统部件同时用作散热器，例如但不限于RF板或棒，波导或其它系统部件。

在使用时，提供了用来形成玻璃片的方法。在一个方面，所述方法包括提供一种耐火主体，所述耐火主体构造成接受基于玻璃的材料，并传输能量，至少对所述耐火主体的一部分进行加热。如上文所述，所述耐火主体可包括远端部分，所述基于玻璃的材料从该远端部分向下游流动。所述耐火主体可以包括辊压法、浮法、下拉熔合法(例如具有逐渐变小的根部部分的溢流槽)和用来制造玻璃片的其它已知工艺中所用的耐火主体。任选地，本文所述的方法可以用于形成玻璃的方法，包括玻璃料滴(gobbing)工艺或连续玻璃流出工艺(管子或棒的拉制等)。在一个方面，所述耐火主体还可以包括锆石耐火材料。

在一个方面，所述方法包括通过所述基于玻璃的材料至少将能量传输到所述耐火主体的远端部分的一部分，以加热该部分。所述传输的能量可以具有选定的频率，不会被基于玻璃的材料完全吸收，至少部分地被所述远端部分吸收。如上文所述，所述基于玻璃的材料具有液相线温度。将能量传输给所述耐火主体可以包括传输能量，所述能量足以将所述耐火主体的部分加热至高于所述基于玻璃的材料的液相线温度的温度。通过至少将所述耐火主体的远端部分保持在高于液相线温度，可以在远端部分下游处快速冷却至液相线温度以下，可以控制失去透明性。

可以通过各种装置传输能量，包括微波发生器、RF发生器、激光器阵列、扫描激光器、或者本文所述的其它装置。所述传输的能量的频率可以约为300至200,000MHz(即微波能量)，或者频率范围约为3-300MHz(即RF能量)。任选地，可以使用在任意波长下操作的激光器产生能量，包括在可见光或近红外范围具有离散波长或波长谱带的激光器。

所述方法还可以包括沿着流体流动路径的一个或多个预定位置提供散热器。在一个方面，所述方法包括在远端部分下游处提供散热器。所述散热器可以构造成从基于玻璃的材料移去热量。在一个方面，这可有助于在基于玻璃的材料在与远端部分附近耐火主体分离的时候，对所述基于玻璃的材料进行快速冷却。还可以提供一些装置用来拉所述基于玻璃的材料离开所述耐火主体的远端部分。如上文所述，预期可以沿着流体流动路径的任意位置设置散热器，包括远端部分的上游位置。

应理解，虽然关于本发明的一些说明性的具体实施方式详细描述了本发明，但是不应认为构成对本发明的限制，在不偏离所附权利要求书定义的本发明的广义精神和范围的情况下，可以进行许多的修改。

实施例

为进一步说明本发明的原理，提供以下实施例，以向本领域普通技术人员提供对可以制造和评价本文要求保护的陶瓷制品和方法的完整说明和描述。规定这些实施例仅是本发明的示例，并不限制本发明人视为其发明的范围。已经努力保证数字(如，量、温度等)的准确性；但是，可能出现某些误差和偏差。除非另有说明，否则，份是重量份，温度按℃表示或是环境温度，压力为大气压或接近大气压。

进行试验来测定类似体积的EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃和锆石材料的各种性质。图9显示了试验装置。可以看到，锆石材料试样955放置在混合熔炉941内，所述熔炉使用MoSi₂电阻加热元件949以及微波发生器或RF发生器951，在各种频率下产生能量。还提供了微波或RF模式混合器953，以便在模式的共振频率移动时实现共振频率的调制效应，建立或多或少在光谱之外的模式。所述模式混合器也可以在熔炉内作为辅助天线，不断地耦合入已有的场内，重新辐射出旋转条件下变化的二次图案。使用所述模式混合器增强对材料的均匀加热。使用所述MoSi₂电阻加热元件将样品加热至900℃。提供环境热电偶947，玻璃试样热电偶943和锆石材料试样热电偶945作为温度传感器。然后将MoSi₂电阻加热元件949设定在人工(固定输出百分率)模式，这样试样中任意的升温都是由于微波或RF加热造成的。玻璃试样957和锆石材料试样955以独立的顺序试验进行。图10显示了该实验的结果，显示了锆石材料(10.3，10.7)的温度随能量输入的升高大于玻璃(10.1，10.5)，但是两种材料都会被加热。

进行了其它的试验来测定锆石材料相对于EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃的各种性质随频率和温度的变化。图11显示了锆石材料相对于EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃的差示介电常数(ε′)随频率和温度的变化。可以看到，差异在54MHz下增大最多。图12显示了锆石材料相对于EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃的差示介电损耗(ε″)随频率和温度的变化。随着温度的升高，在912MHz和2460MHz的差异相对恒定，略有增大。但是，当温度升高到约高于400℃的时候，54MHz的差异稳定增大。

图13显示了锆石材料相对于EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃(13.7)的半功率穿透深度随频率和温度的变化。所测试的频率为54MHz(锆石材料：13.1，玻璃：13.2)，912MHz(锆石材料：13.3，玻璃：13.4)，以及2460MHz(锆石材料：13.5，玻璃：13.6)。两种材料都是相对透明的，因此能量能够通过与耐火主体相邻的玻璃，进入耐火主体。图13显示了当RF频率为54MHz的时候，穿透深度大于两种微波频率(912MHz和2460MHz)的情况。

图14显示了锆石材料相对于EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃的损耗角正切随频率和温度的变化。所测试的频率为54MHz(锆石材料：14.1，玻璃：14.2)，912MHz(锆石材料：14.3，玻璃：14.4)，以及2460MHz(锆石材料：14.5，玻璃：14.6)。当高于0.01的时候，可能加热材料，高于0.1的时候，极有可能材料会被加热。在2450MHz和900℃的条件下进行的试验证实，两种材料都会被加热。

测定了溢流槽的锆石材料吸收的能量随着频率的减小而增加，从图中可以看到这一点。锆石材料吸收的能量会随着温度的升高而减小。观察到当玻璃和锆石材料的吸收相等的时候，玻璃是移动的，会带走部分的能量，而锆石材料会通过导热将吸收的能量传递给玻璃层以及从与玻璃的界面发生辐射而造成能量损失。这通常导致与玻璃层相比对溢流槽加热增加。因此，当玻璃和溢流槽的性质差异较大的时候，可以使用具有较小波导的较低成本和较小的2450MHz微波设备，而不是使用较低频率的设备。所述波导可以是水冷金属，因此可用作散热器，从玻璃除去另外的热量。

一般来说，发现在常规的根部温度下，EAGLE²⁰⁰⁰F玻璃和锆石材料的性质显著不同，使得锆石材料吸收的能量多于玻璃。通过这种方式，可以将溢流槽的温度(特别是溢流槽-玻璃界面处的温度)保持在高于玻璃失去透明性时的温度，允许在溢流槽下游处，大部分玻璃冷却至低于液相线温度。

Claims (9)

1.一种用来形成玻璃片的系统，其包括:

耐火主体，所述耐火主体构造成接受熔融的基于玻璃的材料，并包括远端部分，所述基于玻璃的材料从该远端部分流向下游;

用来传输能量的装置，其通过所述基于玻璃的材料对所述远端部分的一些部分进行选择性加热,其中传输的能量具有选定的频率，不会被所述熔融的基于玻璃的材料完全吸收，至少部分地被所述远端部分吸收，

所述基于玻璃的材料具有液相线温度,所述传输的能量足以将所述远端部分的一些部分加热至高于所述基于玻璃的材料的液相线温度的温度。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用来传输能量的装置选自下组：激光束阵列,扫描激光束,微波发生器和射频发生器。

3.一种用来形成玻璃片的方法，其包括:

提供耐火主体，所述耐火主体构造成接受熔融的基于玻璃的材料，并包括远端部分，所述基于玻璃的材料从该远端部分流向下游;

通过所述基于玻璃的材料至少向所述远端部分的第一部分传输能量，从而至少对所述远端部分的第一部分进行加热,其中所述传输的能量具有选定的频率，不会被所述熔融的基于玻璃的材料完全吸收，至少部分地被所述远端部分吸收，

所述基于玻璃的材料具有液相线温度,所述传输的能量足以将所述远端部分的一些部分加热至高于所述基于玻璃的材料的液相线温度的温度。

4.如权利要求1所述的系统或权利要求3所述的方法，其特征在于，所述传输的能量为300-200,000MHz。

5.如权利要求1所述的系统或权利要求3所述的方法，其特征在于，所述传输的能量为3-300MHz。

6.如权利要求1所述的系统或权利要求3所述的方法，其特征在于，所述耐火主体包括溢流槽，所述耐火主体的远端部分包括逐渐变小的根部部分。

7.如权利要求1所述的系统或权利要求3所述的方法，还包括提供位于所述远端部分下游的散热器,所述散热器构造成从所述基于玻璃的材料移走热量。

8.如权利要求1所述的系统或权利要求3所述的方法，其特征在于，所述耐火主体包含锆石耐火材料。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述传输能量的步骤包括将至少一股激光束射向所述远端部分的第一部分,所述激光束具有近红外或可见范围内的波长谱带。

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