CN104395250A - 在玻璃制造过程中对成形体进行热去耦的设备 - Google Patents

Abstract

揭示了用于形成玻璃板的设备，其降低了设备的上部区域和下部区域之间的热耦合。该设备实现了外壳的下部区域附近的温度变化而不会对外壳的上部区域的温度造成大的影响，从而为位于外壳内的成形体的温度分布设定提供了较大的灵活性。

Description

在玻璃制造过程中对成形体进行热去耦的设备

本申请根据35U.S.C.§120，要求2012年3月27日提交的美国申请序列第13/431340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。

背景技术

技术领域

本发明涉及用来生产平板玻璃的熔合法，具体地，涉及使用位于外壳内的耐火成形体的熔合法。

技术背景

熔合法是玻璃制造领域中用来生产平板玻璃的一种基础技术。与浮法和狭缝拉制法之类的本领域已知的其它方法相比，熔合法生产的玻璃板的表面具有优良的平整度和光滑度，而无需对成形后表面进行研磨或抛光。作为结果，在用于制造液晶显示器(LCD)的玻璃基板的生产中，熔合法变得特别重要。

在示例性熔合下拉法中，一旦实现了稳定状态的操作，熔融玻璃从成形体中的槽的顶部的两侧溢流，形成两个熔融玻璃流，它们沿着成形体的会聚外表面向下且向内流动。两个流在成形体的底部或根部汇合，在此熔合在一起形成单个玻璃带。然后将玻璃带进料到拉伸设备，其从成形体的根部拉制玻璃带。对带进行拉制的速率影响带的最终厚度。

以具有平坦、光滑表面的连续带从成形体拉制熔融玻璃的能力要求对供给玻璃和从成形体拉制时的熔融玻璃的精确温度控制。通常通过设置在增压室中的加热元件来提供此类温度控制，所述增压室是由围绕成形体的外壳形成的。位于加热元件和成形体之间的外壳内壁通常是良好的到热体，从而将热能从加热元件有效地传输至成形体。它们还起了使热能平坦和消除热点的作用。然而，内壁的导热性还起了向上传导热量的作用，从而下方加热元件的功率变化会导致外壳顶部的温度增加，有效地使得上部温度与下方外壳的变化耦合在一起。因此，变得难以控制根部的温度而不影响成形体顶部的玻璃温度。

概述

在一个方面，揭示了用于形成玻璃板的设备，所述设备包括：外壳，其包含上内壁部分、下内壁部分以及与所述上内壁部分和下内壁部分隔开的外壁，以在之间形成增压室；位于外壳内的成形体，其包含槽和会聚成形表面；多个加热元件，其位于增压室内；热阻隔，其延伸穿过增压室并位于最下方加热元件和纵向相邻加热元件之间，所述热阻隔包含隔热层和结构元件；以及隔热块，其位于上内壁部分和下内壁部分之间，并将它们分开。在一些实施方式中，隔热层大于或等于约2.5cm。在一些例子中，隔热块的底部位于结构元件的上表面上方。在其他一些例子中，结构元件被隔热块支撑。在其他一些例子中，隔热块的上表面位于结构元件的下方。下内壁部分可以被耐火隔热元件支撑。

在另一个方面，揭示了用于形成玻璃板的设备，所述设备包括：外壳，其包含上内壁部分、下内壁部分以及与所述上内壁部分和下内壁部分隔开的外壁，以在之间形成增压室；成形体，其包含位于外壳内的会聚成形表面和槽；多个加热元件，其位于增压室内；热阻隔，其延伸穿过增压室并位于最下方加热元件和纵向相邻加热元件之间，所述热阻隔包含隔热层和结构元件；隔热块，其位于上内壁部分和下内壁部分之间，并将它们分开；以及耐火隔热元件，其支撑了下内壁部分。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，目的是提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本发明的示例性实施方式，并与说明书一起用来说明本发明的原理和操作。

附图简要说明

图1是用于制造玻璃板的示例性熔合下拉法中的成形体的端面截面图；

图2是本发明的一个实施方式的端面截面图，其中隔热块位于上内壁部分和下内壁部分之间，以使得下方加热元件的功率变化与上方外壳温度变化去耦，所述隔热块位于热阻隔上方，所述热阻隔延伸穿过内壁和外壁之间的增压室；

图3是本发明的另一个实施方式的端面截面图，其中隔热块位于上内壁部分和下内壁部分之间，以使得下方加热元件的功率变化与上方外壳温度变化去耦，延伸穿过内壁和外壁之间的增压室的热阻隔被隔热块支撑；以及

图4是本发明的另一个实施方式的端面截面图，其中隔热块位于上内壁部分和下内壁部分之间，以使得下方加热元件的功率变化与上方外壳温度变化去耦，所述隔热块位于热阻隔下方，所述热阻隔延伸穿过内壁和外部之间的增压室。

详细描述

在以下的详述中，为了说明而非限制的目的，给出了说明具体细节的示例性实施方式，以提供对本发明的充分理解。但是，对于本领域普通技术人员显而易见的是，在从本说明书获益后，可以按照不同于本文所述具体细节的其他实施方式实施本发明。另外，本文会省去对于众所周知的装置、方法和材料的描述，以免干扰对本发明的描述。最后，在任何适用的情况下，相同的附图标记表示相同的元件。

如图1所示，显示了包含用于常规熔合法的成形体10的示例性玻璃制造设备30。成形体10包括形成在成形体的上表面中、并且被壁14限定的槽12，以及会聚外成形表面16，其沿着线在成形体的下端部(下文称作根部18)相遇。将熔融玻璃20供给到槽12，并在壁14溢流，以形成熔融玻璃的单独的物流22，其向下流过成形体的外表面，包括会聚成形表面16。熔融玻璃的单独的物流在根部合并或熔合，以形成熔融玻璃的连续带24，其从粘性液体冷却至弹性固体，作为带24从根部18降下。相对且反向转动的辊26啮合降下的带的边缘部分，促进以拉制方向28从成形体拉制带。拉制方向28通常是垂直方向，但是在一些实施方式中，拉制方向可以偏移至非垂直方向。

从流过成形体10的熔融玻璃生产具有极端平坦度和表面光滑度的玻璃板的能力取决于对许多不同加工变量的控制，包括熔融玻璃的拉制速率、温度和粘度。例如，为了从根部成功地拉制熔融玻璃，熔融玻璃应该具有最小粘度。如果粘度过低，则带可能无法支持施加的拉制力。例如，典型的最小粘度约为100000泊，虽然在一些配置中，可以拉制具有低至50000泊的玻璃。

例如，一些玻璃组合物可能在给定的拉制温度下具有低粘度，并且在成形体根部需要较冷的温度，以将玻璃的粘度增加至合适的拉制粘度。相反地，其他玻璃组合物可能在给定的拉制温度下具有较高粘度，并且需要较高的根部温度，以实现合适的拉制粘度。不存在一种能够适用于所有应用的玻璃组合物。因此，存在对成形体的热环境进行控制的需求，特别是控制成形体根部的温度基本独立于成形体顶部的温度。

可能考虑的玻璃的另一个性质是玻璃的液相线温度，其中所述液相线温度是如果在该温度或者低于该温度下维持一段可感知的时间，玻璃会开始结晶的温度。

最后，因为成形体通常是由耐火陶瓷材料形成的，而熔融玻璃在其熔化状态展现腐蚀性，所以构建了成形体的陶瓷材料会溶解在流过成形体表面的熔融玻璃中，然后沉淀出，通常是在成形体根部或其他较低表面。沉淀的材料会扰乱熔融玻璃的流动，从而影响带表面的光滑度。因此，各种因素要求对成形体高度上的温度分布进行控制。例如，如上文所述，可能变得需要增加根部的熔融玻璃的粘度，以熔合拉制玻璃。这会需要通过增加位于靠近根部的加热元件的功率，来增加根部附近的温度。但是，热空气上升，增加成形体底部的温度还会造成使得成形体顶部的温度增加的不合乎希望的影响，从而增加溶于熔融玻璃中的成形体材料的量。

图1还显示了位于外壳32内的成形体10。外壳23是多壁结构，其包括内壁34和与内壁34分开的外壁36，从而在内壁和外壁之间存在空间或增压室38。外壁34可以是砖材料，例如耐火砖。内壁36可以是烧结的碳化硅材料，例如Hexaloy，或者任意其他合适的具有良好的导热性的耐高温材料。在图1所示的实施方式中，内壁34和外壁36都被支撑元件40支撑。支撑元件40可以是，例如，在操作温度下能够至少支撑内壁和外壁的重量而不会变形的结构钢元件。

外壳32促进绕着成形体10形成可控环境，从而尽可能地将熔融玻璃与外部影响隔离开。为了加热成形体及其中所含的熔融玻璃，外壳32通常包含位于增压室38内的加热元件42。加热元件42通常是采用线卷的电阻加热器，或者更常见的金属棒。例如，可以以纵向阵列排设多个加热元件，并且在一些实施方式中，还可包括沿着外壳长度延伸的水平阵列。多个加热元件中的每一个优选是采用合适的、众所周知的热控制方法和设备进行单独控制。加热元件42可以是例如，手动控制的、恒温控制的或者优选计算机控制的，从而可以在外壳32内更容易地维持合适的温度分布。加热元件也可以以排(bank)或批(block)的方式进行控制，其中对加热元件的组进行一起控制。也就是说，其中一组加热元件的所有加热元件接收相同大小的电流。在采用传导棒作为加热元件的一些实施方式中，可以沿着棒的长度改变截面直径或其他截面属性，提供适用于特定温度分布的预定的分布。由于加热元件的电阻，以及由此获得的对于给定电流的温度，取决于导体的截面积，可以通过适当地形成加热元件的截面形状来水平地沿着成形体的长度提供定制的温度分布，以产生随加热元件的长度变化的不同温度。

在一个通畅的共用增压室38中，增压室的上部和外壳32被共用增压室内的所有加热元件通过辐射和对流加热。通畅指的是增压室没有被完全阻隔以使得增压室的底部对于增压室的顶部是不开放的。作为替代，否则可能被导向成形体10的会聚成形表面16的热能，以及特别地通过最下方加热元件42a导向根部18的热能，通过共用增压室损失到外壳32和成形体10的上部。因此，成形体的上部以及在上部溢流的熔融玻璃接收比预期多的热量，而成形体的下部接收比预期少的热量。因此，为了实现所需的根部温度，成形体的上部(及其中所含的熔融玻璃)可能超过所需的温度。该加热偏移可能导致成形体的上部和下部之间不可接受的大温差ΔT。

成形体顶部的玻璃与成形体底部的玻璃之间的温差应该最小化，以降低可能溶于溢流过成形体的表面的熔融玻璃中的成形体材料的量，如果熔融玻璃的温度过低，则成形体材料可能是可结晶的。

当溶解的成形体材料的量超过熔融玻璃的温度的给定玻璃条件下的饱和水平，则可能出现熔融玻璃中的内含物。例如，如果成形体是由锆石形成的，则可能促进成形底部的锆石晶体生长。溶解的材料从溶液中出来，并且可能在成形体的表面上作为晶体沉淀。如果允许其生长得足够大，那么这些晶体可能会脱落并被夹带入玻璃流中。这对于质量方面是不可接受的。

由于成形体溶解的两个关键贡献因素是时间和温度，消除成形体组成材料再生长的一个方式是降低成形体中或成形体上(特别是较热的上部)的玻璃的最大温度。同时，流动玻璃的温度必须维持在高于成形体的最下端(根部区域)的玻璃的液相线温度，以防止玻璃的失透。因此，可能希望增加成形体底部的玻璃的温度，而同时降低流过成形体顶部的玻璃的温度，也就是说，降低成形体顶部和成形体底部之间的温差或温度梯度。

控制成形体高度上的温差的另一个原因是有助于设备的启动。也就是说，例如在修理关闭之后，将成形体加热至合适的操作温度。成形体通常是耐火(陶瓷)材料的整体块，如果它没有基本上均匀加热的话，可能在升温过程中由于热应力发生破裂。在常规熔合法中，供给到最下方加热元件以提升根部区域的温度的功率的增加也使得成形体顶部的温度增加，潜在地增加了成形体顶部和成形体底部之间的温差。因而，成形体顶部的温度成为成形体升温过程中的控制因素。通过降低成形体顶部温度和成形体底部温度之间的耦合，可以降低成形体顶部和底部之间的温差，以及由于不均匀加热导致的应力。这里，耦合指的是一个位置(例如，成形体底部)中的温度对于另一个位置(例如，成形体顶部)中的温度的影响。

尝试降低成形体顶部和根部之间的温差可能是困难的，因为供给到最底部加热元件以升高根部温度的功率通常还使得成形体顶部的温度增加，如上文所述。因此，根部的温度与成形体顶部的温度有效地耦合，其中一个位置的温度变化导致另一个位置的温度变化。

在一些情况下，在外壳32内提供热阻隔50，并且该热阻隔50延伸穿过增压室38，以使得最下方加热元件42a与增压室38内的外壳32的余下加热元件隔离开，从而控制阻隔上方的增压室的辐射加热。

热阻隔50可以由一层或多层构成。例如，一层可以是为阻隔提供结构完整性或强度的层，而一层或多层额外层提供热阻隔的大部分的隔热性。例如，已经发现SiC阻隔虽然同时提供所需的强度和耐高温降解性，但是其自身不足以提供所需的热性质。因此，在一些实施方式中，热阻隔50包含结构元件52(例如SiC)以及一层或多层隔热层54。隔热层可包含例如高温陶瓷纤维板(如2600)。结构元件52支撑隔热层54。因此，隔热层50促进成形体顶部部分的温度与成形体底部部分的温度的去耦。此外，由于加热元件偶尔发生破裂或掉落，结构元件52有利地为最下方加热元件42a和热阻隔50下方的熔合设备的组件提供机械保护。

虽然前述位于相邻加热元件之间的热阻隔有效地降低了外壳内的辐射加热，其对于降低外壳的传导加热仅是最小有效的。也就是说，内壁34特意地是由良好热导体的材料形成的，从而加热元件42对于加热外壳32的内壁是有效的。但是，这还确保了内壁对于将热量从内壁的下部传导到内壁的上部(靠近成形体的顶部)也是有效的。

因此，如图2所示，将隔热块60放置在上内壁部分62和下内壁部分64之间，以进一步使得外壳顶部的温度与外壳底部的温度去耦。隔热块60将上内壁部分62和下内壁部分64分开，从而上内壁部分和下内壁部分没有互相接触，从而有效地在内壁中插入了热断裂，这显著地降低了内壁部分之间的热传导。隔热块60可以由陶瓷耐火材料(例如锆石，如Zircon 1390)形成。在图2所示的实施方式中，各个隔热块位于结构元件52上方。此外，在一些实施方式中，可以在下内壁部分64和支撑元件40之间放置支撑了下内壁部分64的隔热底座70，从而将下内壁部分与支撑元件隔热。

为了更好地理解各种隔热选项的影响，进行数学建模。在下表所列出的六个条件下评价这些选项的有效性。模型观察了在最下方加热元件42(加热元件42a)的热输出的步进变化之后，成形体根部的温度变化与朝向成形体的上内壁部分的上部区域的预定位置(MSU)的温度变化之比。

表

上表数据显示，结合隔热块60(其分开了上内壁部分和下内壁部分)与热阻隔50(其位于最下方加热元件和垂直相邻加热元件之间)能够有效地提供上方外壳温度与由下方加热元件产生的温度变化的去耦。

在如图3所示的另一个实施方式中，放置隔热块60使得各结构元件52被隔热块支撑。例如，结构元件52的一侧可以嵌入隔热块60中，使得结构元件与上内壁部分62和下内壁部分64都热隔离开。

在如图4所示的另一个实施方式中，隔热块60放置在各结构元件52下方。因此，例如，上内壁部分62与下内壁部分64分隔开，并且没有接触。但是，结构元件52可与上内壁部分62接触，并且由于结构元件52可以是良好的导热体，从而可以有比图2和3的实施方式更多的热量从结构元件52传输至上内壁部分62。因此，相比于图2和3的实施方式，图4的实施方式较不有效。

应当强调，本发明上述实施方式、特别是任意优选的实施方式，仅仅是可能实现的实施例，仅用来清楚理解本发明的原理。可以在基本上不偏离本发明的精神和原理的前提下，对本发明的上述实施方式进行许多改变和调整。在本文中，所有这些调整和改变都包括在本说明书和本发明的范围之内，并受所附权利要求书的保护。

Claims (9)

1.一种用于形成玻璃板的设备，该设备包括：

外壳，其包含上内壁部分、下内壁部分以及与所述上内壁部分和下内壁部分隔开的外壁，以在之间形成增压室；

位于外壳内的成形体，其包含槽和会聚成形表面；

多个加热元件，其位于增压室内；

热阻隔，其延伸穿过增压室并位于最下方加热元件和纵向相邻加热元件之间，所述热阻隔包含隔热层和结构元件；以及

隔热块，其位于上内壁部分和下内壁部分之间，并将它们分开。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，隔热块的底部位于结构元件的上表面上方。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述结构元件被隔热块支撑。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，隔热块的上表面位于结构元件的下方。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述下内壁部分被耐火隔热元件支撑。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，热阻隔隔热层的厚度大于或等于约2cm。

7.一种用于形成玻璃板的设备，该设备包括：

外壳，其包含上内壁部分、下内壁部分以及与所述上内壁部分和下内壁部分隔开的外壁，以在之间形成增压室；

位于外壳内的成形体，其包含槽和会聚成形表面；

多个加热元件，其位于增压室内；

热阻隔，其延伸穿过增压室并位于多个加热元件的最下方加热元件和纵向相邻加热元件之间，所述热阻隔包含隔热层和结构元件；

隔热块，其位于上内壁部分和下内壁部分之间，并将它们分开；以及

耐火隔热元件，其位于下内壁部分下方并支撑下内壁部分。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，隔热块与下内壁部分直接接触。

9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，耐火隔热元件与下内壁部分直接接触。