CN103517755B - 用于对玻璃熔体施加超声波声能的超声波换能器组件 - Google Patents

Abstract

提供了包括超声波换能器、超声波放大器、超声波探针和放大器冷却单元的超声波换能器组件。所述超声波放大器与超声波换能器相连以放大由超声波换能器产生的声能，并将放大的声能传输到超声波探针。超声波探针的固定端放置在超声放大器的探针座中。设置所述放大器冷却单元以调节超声波放大器探针座的温度，使得组件支持超声波探针的固定端与超声波放大器的探针座的依赖温度的压配接合。所述依赖温度的压配接合使得超声波探针的固定端可以在升高的温度T_热下可逆地从探针座移入和移出，并在室温T_冷下在探针座中固定。提供了一种向玻璃熔体施加超声波声能的方法，该方法监测玻璃熔体的温度T_Y，并以控制器功率P_C和控制器频率ν_C通过位于玻璃熔体中的超声波探针从超声波换能器向玻璃熔体传输超声波声能。还提供了用于向玻璃熔体施加超声波声能的系统。

Description

用于对玻璃熔体施加超声波声能的超声波换能器组件

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C.§120，要求2011年2月28日提交的美国申请系列第13/036,568号以及2011年2月28日提交的美国申请系列第13/036,668号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

发明背景

技术领域

本发明涉及玻璃制造方法和系统，包括但不限于，玻璃混合、均质化、澄清，或者向玻璃熔体引入机械能可能是有益的任意方法和系统。

技术背景

常采用机械搅拌器向玻璃熔体引入机械能。我们已经意识到在一些情况下，机械搅拌器会是玻璃熔体的污染源。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，提供了一种向玻璃熔体施加超声波声能的方法，该方法监测玻璃熔体的温度T_Y，并以控制器功率P_C和控制器频率ν_C通过位于玻璃熔体中的超声波探针从超声波换能器向玻璃熔体传输超声波声能。根据所述方法，至少响应(i)监测的玻璃熔体温度T_Y和(ii)参比玻璃熔体温度T_R，对控制器功率P_C进行控制。至少响应以下几点对控制器频率ν_C进行控制：(i)来自表征玻璃熔体的温度-粘度曲线的一个或多个输入参数，(ii)来自一个或多个玻璃熔体的温度依赖性阻抗响应模型的一个或多个输入参数，以及(iii)△Z，其中所述△Z代表当在玻璃熔体中放置超声波探针时，超声波探针的阻抗状态Z_Y与参比阻抗Z_R的差异程度。还考虑了用于向玻璃熔体施加超声波声能的系统。

根据本发明的另一个实施方式，提供了一种超声波换能器组件，其包括超声波换能器、超声波放大器、超声波探针以及放大器冷却单元。所述超声波放大器与超声波换能器相连以放大由超声波换能器产生的声能，并将放大的声能传输到超声波探针。超声波探针的固定端放置在超声波放大器的探针座中。设置所述放大器冷却单元以调节超声波放大器探针座的温度，使得组件支持超声波探针的固定端与超声波放大器的探针座的依赖温度的压配接合。所述依赖温度的压配接合使得超声波探针的固定端可以在升高的温度T_热下可逆地从探针座移入和移出，并在室温T_冷下在探针座中固定。

我们预期本文所揭示的超声波方法和系统能帮助解决已知的机械搅拌器引入的潜在污染源的问题。此外，我们已经意识到在玻璃澄清操作中采用超声波能可能是有益的，因为超声波能会鼓励气泡聚结，允许Stokes澄清，并且会鼓励声流，在其中气泡向玻璃空气界面移动。最后，我们预期本文所揭示的超声波方法和系统将能够适用于宽范围的采用玻璃熔体的额外的制备、诊断和开发方法。虽然本发明的方法可用于各种玻璃组合物，但是我们意识到在特种玻璃，例如光伏玻璃、LCD玻璃、消费者电子器件玻璃、高纯度熔融二氧化硅玻璃以及康宁公司(Corning Incorporated)制造和销售的商品名为Eagle玻璃和玻璃的特种玻璃中，对于有效玻璃混合和澄清过程的需求是特别敏锐的。

附图简要说明

当结合以下附图阅读下面对本发明的具体实施方式的详细描述时，可对其形成最好的理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：

图1是本文所揭示的用于向玻璃熔体施加超声波声能的系统和方法的示意图；

图2是本文所揭示的当向玻璃熔体施加超声波声能时用于控制超声波频率的方法的示意图；

图3是本文所揭示的当向玻璃熔体施加超声波声能时用于控制声功率的方法的示意图；

图4是玻璃熔体的模拟温度依赖性阻抗响应；

图5所示是包括本发明的一个或多个特征的超声波探针组件；

图6是根据本发明的放大器冷却单元的截面图；

图7是图5所示的一部分超声波探针组件的部分分解视图；以及

图8所示是包括本发明的一个或多个特征的另一种超声波探针组件。

发明详述

最初可以参考图1描述本发明的系统和方法，其是用于向玻璃熔体10施加超声波声能的系统的示意图。所述系统包括超声波电源20、超声波换能器30以及超声波探针40。对超声波电源进行编程，在一个或多个温度传感器50的帮助下监测玻璃熔体温度T_Y，并以控制器功率P_C和控制器频率ν_C，从超声波换能器30通过超声波探针40向玻璃熔体10传输超声波声能。以下描述解决了对控制器功率P_C和控制器频率ν_C进行控制的方式。以下描述还引入了可用于本文所述系统和方法的超声波探针组件的例子。应注意的是，本文所考虑的功率和频率控制方案并不限于采用任意具体的硬件类型。

根据本发明所述方法，至少响应(i)监测的玻璃熔体温度T_Y和(ii)参比玻璃熔体温度T_R，对控制器功率P_C进行控制。可以结合图1来解读图3（下文进一步详述），来说明本文所考虑的功率控制的各个方面。应注意的是，本文提到的“受控制的”参数旨在涵盖各种参数控制状态，包括但不限于，建立、确定、调节、维持参数等状态。此外，提到的“响应”特定数据控制参数旨在涵盖数据的各种用途，包括但不限于，参数是数据的直接或间接函数的情况，或者更广泛地，参数以某种方式受到数据的影响。

可以结合图2来解读图1，以说明本文所考虑的频率控制的各个方面。更具体地，至少响应以下几点对控制器频率ν_C进行控制：(i)来自表征玻璃熔体10的温度-粘度曲线（T，μ_G）的一个或多个输入参数，(ii)来自一个或多个玻璃熔体10的温度依赖性阻抗响应模型的一个或多个输入参数，以及(iii)△Z，其中所述△Z代表当在玻璃熔体10中放置超声波探针40时，超声波探针40的阻抗状态Z_Y与参比阻抗Z_R的差异程度。选择状态-特定玻璃熔体处理的控制器频率ν_C，其通常位于约15-30kHz之间。来自表征玻璃熔体的温度-粘度曲线的输入参数可以包括，单个粘度值、多个粘度值、粘度范围或其组合。应注意的是，本文所引入的术语“状态-特定玻璃熔体处理”指的是采用所述系统建立最佳工艺基准的处理状态。

从广阔的角度来看，来自玻璃熔体的阻抗响应模型的输入参数代表玻璃熔体中的超声波探针的选定的共振，并用于对控制器频率ν_C进行较粗的控制。例如，图4显示了玻璃熔体中的超声波探针在室温T₁和依次更高的温度T₂、T₃、T₄下的一组温度依赖性阻抗响应模型。我们已经意识到此类阻抗响应模型可用于鉴定随着温度增加相对高阻尼的共振槽（参见槽A），以及随着温度增加相对最小阻尼的共振槽（参见槽B）。为了优化性能，温度依赖性阻抗响应模型可用于产生用于控制器频率ν_C的输入参数，其鉴定了相对最小阻尼共振槽的频率特性。例如，参见如图4所示的具体模型，模拟阻抗响应显示玻璃熔体中的超声波探针的主低阻抗共振槽A和次级低阻抗共振槽B。因为次级槽具有最小温度依赖性阻尼，用于控制器频率ν_C的输入参数能鉴定次级低阻尼共振槽B的频率特性。输入参数可鉴定频率范围的原因是它们可用于粗控，但是考虑输入参数可以包括单个超声波频率值、多个超声波频率值、超声波频率范围或其组合。

具体回到图1和2，对于控制器频率ν_C的精细控制，可以参照△Z，其表示当在玻璃熔体10中放置超声波探针40时，超声波探针40的阻抗状态Z_Y与参比阻抗Z_R的差异程度。△Z还可用于代表玻璃熔体10中的超声波探针40的功率因子，因为换能器阻抗代表超声波探针的控制电压与电流之间的相差。更具体来说，测量流过换能器组件的电流I和换能器组件上的压降V来确定超声波探针40的阻抗状态Z_Y。△Z可以是当在玻璃熔体中放置超声波探针时，超声波探针的阻抗状态Z_Y与参比阻抗Z_R的直接对比。为了最优化玻璃熔体处理，参比阻抗Z_R尽可能选择锋利的共振，并且通常对应特定的频率范围（这取决于温度和玻璃粘度）。通常的频率范围会落在约15-30kHz之间。

通常来说，与控制频率ν_C相关的控制目标是在可变系统阻抗条件下，传送到玻璃熔体的最大或特定最佳功率状态。在一些实施方式中，该目标是启动/预热熔融工艺过程中的最为重要的。由于玻璃熔体的性质取决于玻璃组成发生明显变化，所以可由表征玻璃熔体的温度-粘度曲线来得到状态-特定最佳功率。在许多情况下，特定最佳功率状态高于约200W。应注意的是，本文所引入的术语“状态-特定最佳功率”涵盖了对控制器频率ν_C进行控制，以向玻璃熔体传送最佳功率量的情形，应理解在系统的使用者制定规格的情况下，所述最佳功率可以是或者不是最大功率。

预期可以响应热损耗参数Q_SYS或者过程干扰参数d_Z来进一步对控制器频率ν_C进行控制，所述热损耗参数Q_SYS表示玻璃熔体中的热损耗量，所述过程干扰参数d_Z表示直接或间接影响△Z的过程扰动。这些参数如图1和2示意性所示。

对控制器功率P_C进行控制相关的控制目标是，在可变系统热状态下，将玻璃温度维持在状态-特定最佳水平。在一些实施方式中，该目标是启动/预热熔融工艺之后最为重要的。例如，可以对控制器功率P_C进行控制，将玻璃温度维持在玻璃澄清过程的最佳水平，例如高于约1000℃。因为玻璃熔体的性质取决于玻璃组成发生明显变化，所以可由表征玻璃熔体的温度-粘度曲线来得到玻璃温度的最佳水平。

具体参见图1和图3，考虑可以响应△T来对控制器功率P_C进行控制，其中所述△T表示监测的玻璃熔体温度T_Y与参比玻璃熔体温度T_R的差异程度。可以响应来自一个或多个玻璃熔体温度模型的一个或多数输入参数来对控制器功率P_C进行额外的控制。创建的温度模型具有各种形式，但是通常表示输入功率和玻璃温度之间的关系。

可以由玻璃熔体中的单次或多次同时温度测量来确定监测的玻璃熔体温度T_Y。△T可以是监测的玻璃熔体温度T_Y与参比玻璃熔体温度T_R之间的直接对比。因为不同玻璃组成的玻璃性质和处理要求变化明显，所以可以根据状态-特定玻璃熔体处理来选择参比玻璃熔体温度T_R，在一些实施方式中，其位于约800-1700℃之间，应理解的是，更可能的温度范围落在约1000-1650℃之间。在任意情况下，监测的玻璃熔体温度T_Y与参比玻璃熔体温度T_R可以包括单个温度值、范围温度值或者表现为温度曲线。

预期可以响应过程干扰参数d_T来进一步对控制器功率P_C进行控制，所述过程干扰参数d_T表示直接或间接影响△T的过程扰动。该参数如图1和3示意性所示。

如上所述，可以采用各种换能器和探针构造来实现本发明的方法。然而，图5-7显示了一类合适的超声波换能器组件的设计要素。在图5-7中，组件包括超声波换能器100、超声波放大器110、超声波探针120以及放大器冷却单元130。所述超声波换能器100以高于约15kHz的频率产生声能。所述超声波放大器110放大由超声波换能器100产生的声能并将放大的声能传输到超声波探针120。

超声波探针120的固定端122放置在超声波放大器110的探针座112中。所述超声波探针120的固定端122可以具有比探针表面余下部分略低的圆周，以帮助探针固定操作。设置所述放大器冷却单元130以调节超声波放大器110的探针座112的温度，使得组件支持超声波探针120的固定端122与超声波放大器110的探针座112的依赖温度的压配接合。所述依赖温度的压配接合使得当超声波放大器110的探针座112在升高的温度T_热时，超声波探针120的固定端122可以可逆地从探针座112移入和移出。在室温T_冷时，超声波探针120的固定端122可以固定在探针座112中，所述室温T_冷在本文中宽泛地定义为约0-100℃之间的任意温度，原因在于与玻璃熔体相关的显著更高的温度。升高的温度T_热和室温T_冷适用于以下关系：

T_冷≤100℃

T_热-T_冷≤300℃。

在操作中，放大器冷却单元130帮助维持探针座112的温度充分低于T_热，例如比它低约50℃，以确保探针120的固定端122保持固定在超声波放大器110的探针座112中。所得组件牢固的足以避免在组件中使用螺纹元件和粘合剂。本文提及的超声波探针120的固定端122“可逆的”从探针座112移入和移出旨在包括探针120的畅通或通畅地移动，排除会损坏探针120或者其他任意方式影响其功能的移动。

更具体来说，如图7所示，超声波放大器110包括限定了探针座尺寸d的探针座，并且超声波探针120的固定端122的几何形貌使得超声波探针限定了互补座尺寸d’，其支持了超声波探针120的固定端122与超声波放大器110的探针座112的压配接合。在所示情况下，所述尺寸是直径，但是预期探针120和放大器110可限定各种替代几何形貌。还应注意的是，取决于具体玻璃熔体操作的要求，不同实施方式的具体尺寸规格可发生变化。

超声波放大器110的特征在于如下热膨胀系数，该热膨胀系数足以使得探针座尺寸d从室温T_冷（小于100℃）时的座尺寸d_冷膨胀至升高的温度T_热时的座尺寸d_热。超声波放大器的探针座尺寸d以及超声波探针120的固定端122的互补座尺寸d’可以配置成近似为如下关系，以帮助确保上文所述的可逆性和牢固固定：

d_冷≤d'≤d_热。

应注意的是，关系“近似为”的意义在于，互补座尺寸d’可略小于座尺寸d_冷或者略大于座尺寸d_热，只要实现上文所述的室温T_冷时的牢固固定以及升高的温度T_热时的可逆的移动即可。

在所示实施方式中，放大器冷却单元130包括流体冷却夹套，该流体冷却夹套围绕着一部分超声波放大器110或者与其热连接的组件的部件（即一部分换能器100与放大器110相连）。放大器冷却单元的截面如图6所示，并且可配置成各种替代形式以调节超声波放大器的温度。如图8所示，预期换能器组件可设置有额外的冷却单元132、134，它们与超声波探针120或超声波换能器100热连接，为整个组件提供温度调节。

预期超声波换能器100、超声波放大器110、超声波探针120以及放大器冷却单元130可以作为刚性、机械连接的组件进行常规组装。在一些实施方式中，超声波换能器组件配置成在高于200W和高于1000℃操作。

超声波放大器可包括Ti合金超声波放大器，超声波探针可包括由氧化铝或钼制造的多波长探针或单波长探针。在钼的情况下，在一些实施方式中，探针设置有内气体吹扫固定装置以防止超声波探针在玻璃熔体中的氧化。

例如但不限于，应注意的是，换能器组件可包括与由钛合金制造的改性超声波放大器紧密配合的氧化铝波导。紧密收缩匹配的一个例子是OD20mm棒和U7轴、h6容差孔。利用传导加热（即将放大器的底端加热至200～300℃）将陶瓷棒插入放大器中。然后将棒与约1英寸的顶盖压配。然后将放大器的热端冷却至室温会形成紧密匹配。相同的理念和设计可用于制造不同尺寸的探针-放大器对。

应注意的是，本文中“至少一种”部件、元件等不应认为选择性使用修饰语“一个”或“一种”限于单独的部件、元件等。

应注意的是，本文中的部件“配置”成特定的方式或者具有特定的性质、或者以特定的方式发挥功能，是结构性描述，而不是对预期的用途进行限制。更具体来说，本文所述的对部件进行“配置”的方式表示该部件现有的物理条件，因此可以将其看作该部件的结构特征的限定性描述。

出于描述和限定本发明的目的，应当指出，词语“基本上”和“约”在本文中用来表示可归属于任何定量比较、数值、测量或其他表达的固有不确定程度。

应当指出，本文所用的诸如“优选”、“常用”和“通常”之类的词语不是用来限制本发明要求保护的范围，也不表示某些特征对本发明要求保护的结构或者功能来说是重要的、关键的、或者甚至是必不可少的。相反地，这些词语仅仅用来表明本发明实施方式的特定方面，或者强调可以用于或者可以不用于本发明特定实施方式的可选或附加的特征。

在结合具体实施方式详细描述了本发明的主题之后，应当指出，本文披露的各种细节不应理解为暗示着这些细节涉及属于本文所述各种实施方式的实质性组成的要素，即便在本文所附的每幅图中都示出了特定要素的情况下也是如此。相反，本文所附权利要求书应理解为唯一表达了本发明的广度和本文所述各项发明的相应范围。此外，在不背离所附权利要求书所限定的本发明范围的前提下，显然可以作出各种改变和变化。

应注意，以下权利要求书中的一项或多项权利要求使用术语“其特征在于”作为过渡语。出于限定本发明的目的，应当指出，在权利要求中用该术语作为开放式过渡短语来引出对一系列结构特征的描述，应当对其作出与更常用的开放式引导语“包含”类似的解释。

Claims (19)

1.一种向玻璃熔体施加超声波声能的方法，该方法监测玻璃熔体的温度T_Y，并以控制器功率P_C和控制器频率ν_C通过位于玻璃熔体中的超声波探针从超声波换能器向玻璃熔体传输超声波声能，其中：

至少响应(i)监测的玻璃熔体温度T_Y和(ii)参比玻璃熔体温度T_R，对所述控制器功率P_C进行控制；

至少响应以下几点对所述控制器频率ν_C进行控制：(i)来自表征玻璃熔体的温度-粘度曲线的一个或多个输入参数，(ii)来自一个或多个玻璃熔体的温度依赖性阻抗响应模型的一个或多个输入参数，以及(iii)△Z，其中所述△Z代表当在玻璃熔体中放置超声波探针时，超声波探针的阻抗状态Z_Y与参比阻抗Z_R的差异程度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

来自一个或多个玻璃熔体的温度依赖性阻抗响应模型的输入参数代表玻璃熔体中的超声波探针的选定的共振，并用于对控制器频率ν_C进行较粗的控制；以及

△Z代表玻璃熔体中超声波探针的功率因子，并用于对控制器频率ν_C进行较细的控制。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述控制器频率ν_C进行控制，以在可变系统阻抗条件下向玻璃熔体传输最大功率。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述控制器频率进行控制，以在可变系统阻抗条件下向玻璃熔体传输状态-特定最佳功率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，从表征玻璃熔体的温度-粘度曲线得到所述状态-特定最佳功率。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对控制器功率进行控制，以在可变系统热状态下，将玻璃温度维持在状态-特定最佳水平。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对控制器功率进行控制，以将玻璃温度维持在用于玻璃澄清过程的最佳水平。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，从表征玻璃熔体的温度-粘度曲线得到玻璃温度的最佳水平。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述阻抗响应模型配置成显示玻璃熔体中的超声波探针的相对高阻尼的共振槽和最小阻尼的共振槽；以及

来自所述温度依赖性阻抗响应模型的用于控制器频率ν_C的输入参数鉴定了所述相对最小阻尼的共振槽的频率特性。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述阻抗响应模型配置成显示玻璃熔体中的超声波探针的主低阻抗共振槽和次级低阻抗共振槽；以及

来自所述温度依赖性阻抗响应模型的用于控制器频率ν_C的输入参数鉴定了所述次级低阻抗共振槽的频率特性。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：

测量流过换能器组件的电流I和换能器组件上的压降V来确定超声波探针的阻抗状态Z_Y；以及

△Z是当在玻璃熔体中放置超声波探针时，超声波探针的阻抗状态Z_Y与参比阻抗Z_R的直接对比。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，来自表征玻璃熔体的温度-粘度曲线的输入参数包括：单个粘度值、多个粘度值、粘度范围或其组合。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，响应表示玻璃熔体中的热损耗量的热损耗参数Q_SYS来进一步对控制器频率ν_C进行控制。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，响应表示直接或间接影响△Z的过程扰动的过程干扰参数d_Z来进一步对控制器频率ν_C进行控制。

15.如权利要求10所述的方法，其特征在于：

至少响应△T对控制器功率P_C进行控制，其中所述△T表示监测的玻璃熔体温度T_Y与参比玻璃熔体温度T_R的差异程度；以及

响应来自一个或多个玻璃熔体温度模型的一个或多数输入参数来对控制器功率P_C进行额外的控制。

16.如权利要求10所述的方法，其特征在于：

由玻璃熔体中的单次或多次温度测量来确定监测的玻璃熔体温度T_Y；以及

△T是当在玻璃熔体中放置超声波探针时，监测的玻璃熔体温度T_Y与参比玻璃熔体温度T_R的直接对比。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，监测的玻璃熔体温度T_Y与参比玻璃熔体温度T_R包括单个温度值、温度值范围或者表现为温度曲线。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，响应表示直接或间接影响△T的过程扰动的过程干扰参数d_T来进一步对控制器功率P_C进行控制。

19.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述超声波换能器和超声波探针配置作为超声波换能器组件，所述超声波换能器组件包括超声波换能器、超声波放大器、超声波探针以及放大器冷却单元；

所述超声波换能器以高于15kHz的频率产生声能；

所述超声波放大器放大由超声波换能器产生的声能并将放大的声能传输到超声波探针；

所述超声波探针的固定端放置在超声放大器的探针座中；

设置所述放大器冷却单元以调节超声波放大器的探针座的温度，使得该组件支持超声波探针的固定端与超声波放大器的探针座的依赖温度的压配接合；以及

所述依赖温度的压配接合使得超声波探针的固定端能够在升高的温度T_热下可逆地从探针座移入和移出，并在室温T_冷下在探针座中固定，其中

T_冷≤100℃

T_热-T_冷≤300℃。