CN104768882B - 燃烧器模块、形成玻璃片的方法以及由此形成的玻璃片 - Google Patents

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Abstract

一种燃烧器模块，其包括燃烧器气体进口块、下方流动板、上方流动板、燃烧器气流分散器和燃烧器气体排出块。燃烧器气体进口块、燃烧器气流分散器和燃烧器气体排出块各自包括多个被隔板分开的通道。燃烧器气流分散器和燃烧器气体排出块的隔板包括刀口。上方流动板和下方流动板各自包括多个与所述多个通道流体连通的压力孔。另外，使用所述燃烧器模块形成玻璃片或带的方法以及使用所述方法形成的玻璃片或带。

Description

燃烧器模块、形成玻璃片的方法以及由此形成的玻璃片
相关申请交叉引用
本申请根据35U.S.C.§120要求2012年5月31日提交的美国申请序列第13/484466号的优先权，其全部内容通过参考结合于此。
发明领域
本发明一般涉及薄的玻璃片和带，更具体涉及燃烧器模块、形成玻璃片和带的方法以及由此形成的玻璃片和带。
技术背景
可采用多种不同方法包括例如浮法玻璃工艺和熔合拉制工艺来形成玻璃片材料。玻璃带是玻璃片中薄到足以轧制成实用性尺寸的卷的一个子集，因为该玻璃薄到足以对该材料进行绕卷。用浮法玻璃制造玻璃带是不切实际的，通常将浮法玻璃制成较厚的片。将熔合拉制工艺扩展至较薄的范围能形成带，但仍然受限于较软的玻璃组成和高氧化硅水平以及高软化点。另外，可通过对火焰-水解炉中按批次生产的氧化硅锭料进行切割、碾磨和抛光来产生氧化硅玻璃基材，但这对玻璃带而言不切实际。本发明的发明人认识到需要上述工艺的替代方法，更具体来说，是用于形成具有高表面品质的均匀薄玻璃片和带的经济性替代方法。
发明概述
本概述介绍燃烧器模块、形成玻璃片和带的方法以及由此形成的玻璃片和带产品。
根据本发明的具体实施方式，提供的燃烧器模块包括燃烧器气体进口块、下方流动板、上方流动板、燃烧器气流分散器和燃烧器气体排出块。燃烧器气体进口块、燃烧器气流分散器和燃烧器气体排出块各自包括多个通过隔板分开的通道。燃烧器气流分散器和燃烧器气体排出块的隔板包括刀口。上方流动板和下方流动板各自包括多个与所述多个通道流体连通的压力孔。
根据本发明的另一些实施方式，提供了形成玻璃片和带的方法，其中该方法包括：在旋转鼓的沉积表面上沉积经由所述燃烧器模块产生的多个玻璃烟炱颗粒以形成烟炱片，从该旋转鼓的沉积表面释放至少部分的烟炱片，以及通过将该部分移动的烟炱片加热至烧结温度从而将至少部分的烟炱片烧结成致密化的玻璃。
根据本发明的另一些实施方式，设想了采用所述燃烧器模块制造的玻璃片和带产品。
本发明的其他特性和优点将在以下详述中列出，其中的部分特性和优点对于阅读了本说明书的本领域技术人员而言将是显而易见的，或可通过如包括以下详述和权利要求以及附图所述实施各实施方式而了解。
附图简要描述
结合附图能最好地理解以下对本发明具体实施方式的详细说明，附图中用类似的附图标记表示类似的结构，其中：
图1是根据本发明一种实施方式的燃烧器模块的示意图；
图2是根据本发明一种实施方式的燃烧器模块的分解示意图；
图3是根据本发明一种实施方式的燃烧器模块的切开侧视图；
图4是根据本发明一种实施方式的上方流动板或下方流动板的示意图；
图5是根据本发明一种实施方式的燃烧器模块的切开前视图；和
图6是根据本发明一种实施方式的燃烧器气体进口块的顶部轮廓图。
发明详述
一般参考附图，具体参考图1，能理解本说明书是为了描述本发明的具体实施方式，而非意在将本发明限制于此。
参考图1和2，以组装和分解形式显示了燃烧器模块的示意图。燃烧器模块100包括燃烧器气体排出块200、燃烧器气流分散器300、燃烧器气体进口块400、上方流动板500和下方流动板600。使用术语“上方”和“下方”只是为了区分上方流动板500和下方流动板600，并非用于限制流动板的相对位置，因为燃烧器模块100可按许多取向使用。
参考图2和3，燃烧器气体排出块200包括多个位于该燃烧器气体排出块的燃烧器表面204上的孔隙202。燃烧器气体排出块200还包括多个被气体排出通道隔板208分开的气体排出通道206。气体排出通道206从燃烧器气体排出块的进口表面210延伸到多个燃烧器表面通道212。燃烧器表面通道212从气体排出通道206延伸到位于燃烧器表面204上的孔隙202。气体排出通道隔板208在燃烧器气体排出块201的进口表面处包括刀口形上方流动板接触表面214。刀口是一个结构的具有缩小的宽度的部分。
燃烧器气流分散器300包括多个被分散通道隔板304分开的分散通道302。分散通道302从燃烧器气流分散器的进口表面306延伸到燃烧器气流分散器的出口表面308。燃烧器气流分散器的出口表面308用作刀口形上方流动板接触表面214的基准点(anvil)。分散通道隔板304在燃烧器气流分散器的进口表面306处包括刀口形下方流动板接触表面310。
燃烧器气体进口块400包括多个设置在燃烧器气体进口块基部404上的气体进口402。燃烧器气体进口块400还包括多个被气体进口通道隔板408分开的气体进口通道406。气体进口通道406从燃烧器气体进口块404的气体进口402延伸到燃烧器气体进口块的出口表面410。燃烧器气体进口块的出口表面410用作刀口形下方流动板接触表面310的基准点。
参考图4，上方流动板500包括多个被纵向延伸的上方流动板脊面(land)504分开的上方流动板压力孔502。此外，所述多个上方流动板压力孔502各自与分散通道302中的一个通道以及气体排出通道206中的一个通道流体连通。
下方流动板600包括多个被纵向延伸的下方流动板脊面604分开的下方流动板压力孔602。此外，所述多个下方流动板压力孔602各自与气体进口通道406中的一个通道以及分散通道302中的一个通道流体连通。
还可包括绝缘包装(未显示)作为燃烧器模块100的一部分。
燃烧器模块100是一种模块化设计。燃烧器气体排出块200、燃烧器气流分散器300、燃烧器气体进口块400、上方流动板500和下方流动板600可以各自独立于其他部件替换。燃烧器模块100的模块化性质在制造过程中和在该燃烧器模块的应用和使用过程中都是有益的。
在制造阶段中，燃烧器模块100整体当中的单独一个部分里的小缺陷并不一定会导致整个组合件报废。可仅仅报废有缺陷的部件，而剩余的部件仍可使用。另外，将燃烧器模块100分成多个片段使得设置在燃烧器模块中各处的多个通道、压力孔和孔隙的机加工难度降低。使用常规的机加工技术无法制造单件式燃烧器模块100的精确内部几何结构，因为存在工具无法到达的盲通道(blind channel)。已经尝试通过用经烧结或光固化的金属制造其他燃烧器单元来克服这项挑战，但是这些努力存在自身困难和缺点。
在燃烧器模块100的操作阶段过程中，由于能拆卸并到达设置在燃烧器模块各处的多个通道、压力孔和孔隙，所以便于清洁燃烧器模块。另外，若单独一个部件受损或以一些方式产生缺陷，则可替换该单独部件而无须对整个单元进行成本更高的替换。若燃烧器模块100的全部部件的使用寿命各不相同，则这样做是特别有益的。
如图所示，通过螺栓800将各部件组装并夹持成单独一个燃烧器模块100。螺栓800应以足够的扭矩紧固从而将燃烧器模块100的各部件密封在一起。例如当如图1中所示使用12个螺栓时，紧固螺栓800的方法的一个例子是，按标定次序以多次操作对它们进行紧固。所采用的加扭矩顺序便于燃烧器元件界面载荷均匀，应将螺栓800紧固至90英寸-磅。这优选通过以下方式实现：按非圆周次序将各螺栓800紧固至约30英寸-磅，再将各螺栓紧固至约60英寸-磅，最后再将各螺栓紧固至约90英寸-磅。对于将各部件连接在一起的各螺栓800系列，可重复这个程序。还设想了将单个部件夹持在一起的其他方式，例如铆钉。
参考图5，将燃烧器模块100配置成递送燃烧气体、氧化剂、烟炱前体和惰性气体，通过气体进口402、气体进口通道406、下方流动板压力孔602、分散通道302、上方流动板压力孔502、气体排出通道206、多个燃烧器表面通道212和多个孔隙202，到达化学气相沉积工艺中的燃烧位置，从而在接近于燃烧器表面的燃烧区域中产生燃烧器火焰。
所述多个气体进口402包括至少一个燃烧气体进口、至少一个氧化剂进口、任选的至少一个惰性气体进口和至少一个前体进口。所述至少一个燃烧气体进口从燃烧气源向燃烧器模块100提供燃烧气体，所述至少一个氧化剂进口从氧化剂源向燃烧器模块提供氧化剂，所述至少一个惰性气体进口从惰性气体源向燃烧器模块提供惰性气体，所述至少一个前体进口从烟炱前体源向燃烧器模块提供烟炱前体。
示例性的燃烧气体包括甲烷和氢气。一种示例性的氧化剂气体是氧气。一种示例性的惰性气体是氮气。在一些实施方式中，燃烧气体可预先与氧气混合。可使用多种含硅前体材料作为前体气体。这些前体材料包括但并不限于：含卤化物的前体例如四氯化硅；不含卤化物的前体例如硅氧烷，尤其是聚烷基硅氧烷，例如八甲基环四硅氧烷(OMCTS)。另外可使用合适的掺杂剂。可将这些掺杂剂随前体气体递送到燃烧器模块100。或者，可通过独立的气体进口402将掺杂剂递送到燃烧器模块100，并通过独立的孔隙202或孔隙阵列将其排出燃烧器模块100。
参考图6，在一种实施方式中，燃烧器气体进口块400包括5个气体进口402，各自具有约8英寸长度的气体进口通道406。或者，燃烧器气体进口块400可包括设置在各气体进口通道406基部的3-7个气体进口402。设置在各气体进口通道406中的独立气体进口402提供相同的单独输入气体或输入气体的混合物。例如，包含燃烧气体例如甲烷的给定气体进口通道406通过3-7个气体进口402进料；这些进口都提供甲烷。与各通道通过单独一个气体进口进料相比，使气体进口402分布在各气体进口通道406中能使气体在各气体进口通道中实现更均匀的分布。
单独的气体进口402还可向各气体进口通道406送入预先混合的气体。例如，燃烧气体可包含甲烷和氧气，或者烟炱前体和惰性气体可预先混合再送入单独的气体进口402。在一种实施方式中，燃烧气体源、氧化剂源、惰性气体源和/或烟炱前体源包含至少两种输入介质的混合物。输入介质包含燃烧气体、氧化剂、烟炱前体和惰性气体。
更详细地探索燃烧器气体排出块200，在燃烧器表面204上以整体阵列形式设置有孔隙202，用于均衡燃烧器模块100的长度和宽度上以及进入燃烧区域的反应物气流。所以在燃烧区域中提供了均匀的火焰，导致烟炱均匀分布在沉积表面上。应注意到，燃烧器模块100的长度和宽度上反应物气流的均衡也是燃烧器气体模块中其他部件带来的结果，包括燃烧器气流分散器300、燃烧器气体进口块400、上方流动板500和下方流动板600，它们在燃烧器气体排出块200之前分散了反应物气体。
孔隙202的阵列可包括独立的子阵列，各子阵列具有预定数量的具有预先选定的位置、尺寸等的孔隙。例如，孔隙202的阵列可包括用于燃烧气体的孔隙阵列、用于氧化剂的孔隙阵列、用于前体气体的孔隙阵列以及用于惰性气体的孔隙阵列，各阵列具有不同的孔隙位置、尺寸等。应理解，图1和2中所示的孔隙202的结构只是一种实施方式，可以有其他的结构，并且包括在本发明范围之内。例如，图1和2示出在用于燃烧气体的孔隙阵列、用于氧化剂的孔隙阵列、用于前体气体的孔隙阵列以及用于惰性气体的孔隙阵列之间存在一致的孔隙202位置。任何子阵列都可具有比其他子阵列更多或更少的孔隙或者成行孔隙。
在一种具体的实施方式中，孔隙202的整体阵列包括多个排列成n个平行列的孔；其中n至少为5。一种示例性的燃烧器模块100包括9列孔隙202。平行列的阵列具有长度l和宽度w，其通过设置在阵列相对外边界上的孔隙外边界之间的对应距离限定。例如在形成氧化硅玻璃烟炱时，根据一种实施方式，中心线列(例如第5列)提供氧化硅气体前体/运载气体混合物。紧邻列(例如第4列和第6列)提供氧气用于化学计量控制氧化硅气体前体。在中心线两侧的下两列气体孔口(orifice)(例如第2列、第3列、第7列和第8列)提供额外的氧气，可利用其流速来控制化学计量和烟炱密度，并为点火火焰提供氧化剂。最外列孔口(例如第1列和第9列)可提供点火火焰混合物，例如CH4/O2或H2/O2。
表1.用于9列线性燃烧器模块的示例性气体输入流速
根据包括9列孔隙202的示例性燃烧器模块100，在一种选择的实施方式中，燃烧器气体进口块400包括9个气体进口通道406，燃烧器气流分散器300包括9个分散通道302，燃烧器气体排出块200包括9个气体排出通道206。
刀口形下方流动板接触表面310和刀口形上方流动板接触表面214各自包括刀口宽度，分散通道隔板304和气体排出通道隔板208各自包括通道隔板宽度，通道隔板宽度大于刀口宽度。刀口宽度优选约为0.005-0.031英寸。刀口宽度更优选约为0.010-0.015英寸。刀口宽度更优选约为0.012-0.013英寸。通道隔板宽度优选约为0.04-0.08英寸。通道隔板宽度更优选约为0.05-0.07英寸。
在一种选择的实施方式中，刀口形下方流动板接触表面310和刀口形上方流动板接触表面214是截顶三角棱柱。
在一种实施方式中，通过燃烧器气流分散器300的刀口形下方流动板接触表面310以及燃烧器气体进口块的出口表面410之间的下方流动板600形成密封。当组装燃烧器模块100时，燃烧器气流分散器300的刀口形下方流动板接触表面310与下方流动板600的下方流动板脊面604匹配。刀口形下方流动板接触表面310和下方流动板脊面604界面形成密封。而且，在下方流动板600的平坦表面与燃烧器气体进口块的出口表面410之间形成另一个密封。位于燃烧器气流分散器300的刀口形下方流动板接触表面310、下方流动板600的下方流动板脊面604以及燃烧器气体进口块410的出口表面之间的密封优选能密封最高至少15psig，更优选最高30psig。
在一种实施方式中，通过燃烧器气体排出块200的刀口形上方流动板接触表面214与燃烧器气流分散器的出口表面308之间的上方流动板500形成密封。当组装燃烧器模块100时，燃烧器气体排出块200的刀口形上方流动板接触表面214与上方流动板500的上方流动板脊面504匹配。刀口形上方流动板接触表面214和上方流动板脊面504界面形成密封。而且，在上方流动板500的平坦表面与燃烧器气流分散器的出口表面308之间形成另一个密封。位于燃烧器气体排出块200的刀口形上方流动板接触表面214、上方流动板500的上方流动板脊面504以及燃烧器气流分散器的出口表面308之间的密封优选能密封最高至少15psig，更优选最高30psig。
不希望受限于理论，发明人相信，在流动板、刀口以及随后的燃烧器模块100部件之间形成了密封，因为随着将刀口(刀口形下方流动板接触表面310或刀口形上方流动板接触表面214)按压在流动板(下方流动板600的下方流动板脊面604或上方流动板500的上方流动板脊面504)中，使流动板变形，材料在背面被压出，从而抵靠随后的燃烧器模块部件(燃烧器气体进口块的出口表面410或燃烧器气流分散器的出口表面308)形成密封。
为了确保燃烧器火焰具有均匀的曲线，各流体通路在通道组之间包括至少一个流动板(上方流动板500和下方流动板600)用于气体膨胀(气体进口通道406、分散通道302和气体排出通道206)。相邻的气体进口通道406被气体进口通道隔板408分开。相邻的分散通道302被分散通道隔板304分开。相邻的气体排出通道206被气体排出通道隔板208分开。本领域技术人员容易理解，燃烧器模块100可包括比所示更多或更少数量的通道、流动板等。例如，燃烧器模块100的一种实施方式可不包括燃烧器气流分散器300以及下方流动板600和上方流动板500中的一个流动板。在另一种实施方式中，燃烧器模块100可包括至少两个燃烧器气流分散器300以及另一个下方流动板600或上方流动板500，用于各附加的燃烧器气体分散器。唯一的要求是，燃烧器模块100的各部件被用于密封目的的流动板分开。燃烧器模块100的模块化性质允许按照各具体应用的需要对部件进行增减。
本文所述的通道、流动板和其他流动改变性或流动限制性结构以及孔隙202阵列用于均衡沿着燃烧器模块100的燃烧器表面204长度l的气体流动，从而使通过孔隙的气流速率和压力更均匀。因为下方流动板压力孔602和上方流动板压力孔502而受到限制的流动促使各对应通道(气体进口通道406、分散通道302和气体排出通道206)中的气体在通道中分散。所以提供了更均匀的火焰以及玻璃前体分布。这种均匀性可通过焰锥高度中的均匀性、焰锥的温度曲线、气体的速度或压力分布以及在孔隙202阵列的宽度上和沿着其长度的气体浓度来表征。
在一种实施方式中，上方流动板500和下方流动板600包括相同的压力孔数量、几何形状和位置。上方流动板500的上方流动板压力孔502与下方流动板600的下方流动板压力孔602的数量、几何形状和位置相匹配。
在另一种实施方式中，设想上方流动板500和下方流动板600包括不同的压力孔数量、几何形状或位置。上方流动板500的上方流动板压力孔502不与下方流动板600的下方流动板压力孔602的数量、几何形状和位置相匹配。上方流动板500和下方流动板600的压力孔可具有不同的位置、孔几何形状、尺寸、数量或属性组合。
在一种实施方式中，上方流动板500和/或下方流动板600包括至少150个压力孔。各上方流动板压力孔502与分散通道302中的一个通道以及气体排出通道206中的一个通道流体连通。各下方流动板压力孔602与分散通道302中的一个通道以及气体进口通道406中的一个通道流体连通。
在另一种实施方式中，上方流动板500和/或下方流动板600包括至少450个压力孔。各上方流动板压力孔502与分散通道302中的一个通道以及气体排出通道206中的一个通道流体连通。各下方流动板压力孔602与分散通道302中的一个通道以及气体进口通道406中的一个通道流体连通。
在另一种实施方式中，上方流动板500和/或下方流动板600包括至少1000个压力孔。各上方流动板压力孔502与分散通道302中的一个通道以及气体排出通道206中的一个通道流体连通。各下方流动板压力孔602与分散通道302中的一个通道以及气体进口通道406中的一个通道流体连通。
在燃烧器模块100的一种实施方式中，上方流动板500和/或下方流动板600包括直径约为0.020-0.030英寸的圆形压力孔。与单独一个的分散通道302以及单独一个的气体排出通道206连通的上方流动板压力孔502沿着单独一条直线设置，上方流动板压力孔的中心间隔约0.030-0.040英寸。成行的上方流动板压力孔502被宽度约为0.060-0.180英寸的上方流动板脊面504分开。与单独一个的气体进口通道406以及单独一个的分散通道302连通的下方流动板压力孔602沿着单独一条直线设置，下方流动板压力孔的中心间隔约0.030-0.040英寸。成行的下方流动板压力孔602被宽度约为0.060-0.180英寸的下方流动板脊面604分开。
在燃烧器模块100的另一种实施方式中，上方流动板500和/或下方流动板600包括直径约为0.010-0.030英寸的圆形压力孔。与单独一个的分散通道302以及单独一个的气体排出通道206连通的上方流动板压力孔502沿着至少两条直线设置，上方流动板压力孔的中心间隔约0.015-0.030英寸。上方流动板压力孔502的至少两条直线可以是对齐或交错的。各组成行的上方流动板压力孔502被宽度约为0.060-0.180英寸的上方流动板脊面504分开。与单独一个的气体进口通道406以及单独一个的分散通道302连通的下方流动板压力孔602沿着至少两条直线设置，下方流动板压力孔的中心间隔约0.015-0.030英寸。下方流动板压力孔602的至少两条直线可以是对齐或交错的。各组成行的下方流动板压力孔602被宽度约为0.060-0.180英寸的下方流动板脊面604分开。
上方流动板压力孔502和下方流动板压力孔602不一定必须是圆形。上方流动板压力孔502和下方流动板压力孔602可以是包括例如卵形、正方形、三角形、或椭圆形的任意几何形状。
在一种实施方式中，上方流动板500和/或下方流动板600都采用例如耐腐蚀性合金板的光化学机加工(PCM)来制造。一种示例性的合金是镍合金。用于形成上方流动板500或下方流动板600的合金可进行热处理以优化其机械性质，包括硬度和延展性。可采用PCM工艺来精确并准确地形成特征，例如上方流动板压力孔502和下方流动板压力孔602。例如，可形成直径约为0.004±0.0005英寸的上方流动板压力孔502和下方流动板压力孔602。而且，可采用PCM工艺来精确控制各流动板压力孔的相对位置。通过PCM工艺能精确、有效地形成上方流动板压力孔502和下方流动板压力孔602，同时不会形成机加工毛刺或工具痕迹。
由于刀口形上方流动板接触表面214和刀口形下方流动板接触表面310分别与上方流动板500和下方流动板600形成密封，所以这两种材料的相对硬度很重要。刀口形上方流动板接触表面214和刀口形下方流动板接触表面310优选比上方流动板500和下方流动板600更硬，因此在组装过程中，上方流动板和下方流动板变形，刀口形上方流动板接触表面和刀口形下方流动板接触表面保持它们的形状。刀口形上方流动板接触表面214和刀口形下方流动板接触表面310优选具有至少约50的C标度洛氏(Rockwell)硬度。对于压头上的100克负载，上方流动板500和下方流动板600优选具有约94.6的努普(Knoop)硬度。对于压头上的100克负载，优选上方流动板500和下方流动板600的最大努普硬度小于100。
燃烧器气体进口块400、燃烧器气流分散器300和燃烧器气体排出块200优选由硬化钢制造。更具体来说，燃烧器气体进口块400、燃烧器气流分散器300和燃烧器气体排出块200优选由420不锈钢制造。这种材料使得燃烧器模块100的部件能用于严苛的操作环境并且具有足够的牢固性和结构可靠性。另外，使用420不锈钢便于进行常规机加工。
再参考图5，在一种示例性的实施方式中，燃烧器模块100包括至少两个对齐销钉700，它们设置成对齐定位燃烧器气流分散器300、上方流动板500和燃烧器气体排出块200。
在另一种实施方式中，燃烧器模块100还包括至少两个对齐销钉700，它们设置成对齐定位燃烧器气流分散器300、下方流动板600和燃烧器气体进口块400。
对齐销钉700确保刀口形上方流动板接触表面214与上方流动板500接触，使刀口宽度设置在上方流动板脊面504上。对齐销钉700还确保刀口形下方流动板接触表面310与下方流动板600接触，使刀口宽度设置在下方流动板脊面604上。另外，气体排出通道206、分散通道302和气体进口通道406必须与上方流动板压力孔502和下方流动板压力孔602对齐。对齐销钉700确保通道和压力孔正确对齐。
燃烧器模块100可作为用于形成均匀的薄玻璃片和带的设备部件，用于生产薄玻璃片和带。用于形成均匀的薄玻璃片和带的设备包括烟炱提供装置、烟炱接收装置、烟炱片引导装置和烟炱片烧结装置。
根据一种示例性的实施方法，将烟炱提供装置形成的玻璃烟炱颗粒沉积在烟炱接收装置的沉积表面上。烟炱接收装置为可旋转的鼓或传送带的形式，由此可包括连续沉积表面。沉积的烟炱颗粒在沉积表面上形成烟炱层。形成烟炱层之后，可以立即从沉积表面释放该烟炱层，作为自支撑的连续烟炱片。从沉积表面释放烟炱层的操作可以在没有物理干涉的情况下发生，因为例如烟炱层和沉积表面之间的热失配(热膨胀系数失配)以及/或者重力作用会导致释放。从烟炱接收装置释放烟炱片之后，烟炱片引导装置可引导烟炱片移动通过烟炱片烧结装置，该烧结装置烧结并固结烟炱片形成玻璃片。烟炱沉积系统的例子见述于Daniel W.Hawtof等人于2005年12月14日提交的美国专利8137469，题为“用于制造熔凝氧化硅的方法和设备(Method and Apparatus for Making Fused Silica)”。
因此，形成均匀的薄玻璃片的方法包括：提供多个玻璃烟炱颗粒，在烟炱接收装置的沉积表面上沉积玻璃烟炱颗粒的均匀层以形成烟炱层，从烟炱接收表面释放烟炱层以形成烟炱片，以及烧结烟炱片以形成玻璃片或带。用于制造玻璃片的方法和设备的一个例子见述于Daniel W.Hawtof等人于2007年5月7日提交的美国专利7677058，题为“用于制造玻璃片的方法和设备(Process and Apparatus for Making Glass Sheet)”。以下详细揭示用于制造玻璃片的方法和设备的另一些方面。
烟炱提供装置可包括一个或多个燃烧器模块100，例如用于外部气相沉积(OVD)、气相轴向沉积(VAD)和平面沉积工艺的那些模块。烟炱提供装置可包括单独一个燃烧器模块100或多个燃烧器模块。任选可将多个燃烧器模块100设置成燃烧器模块阵列，该阵列能在其长度和宽度上产生基本连续的烟炱颗粒流。
燃烧器模块阵列例如可包括多个独立的燃烧器模块100(例如头尾相接设置)，这些模块设置成形成并沉积在时间和空间上均匀的玻璃烟炱层。头尾相接设置的燃烧器模块100优选由如图1所示的选定实施方式改进而来，除去了位于燃烧器模块端部的脊面。除去脊面使得燃烧器表面204能更靠近地设置在一起并能以基本不间断的方式从一个燃烧器模块100延续到下一个模块。可通过例如在燃烧器模块的改进端部增加刀口并将独立的燃烧器模块栓接在一起形成密封从而连接独立的燃烧器模块100。因此，可使用各烟炱提供装置来形成具有基本均匀的化学组成和基本均匀的厚度的独立烟炱层。“均匀的组成”和“均匀的厚度”是指给定区域中的组成和厚度的变化小于或等于平均组成或厚度的约2％。在一些实施方式中，烟炱片的组成变化和/或厚度变化可小于或等于该烟炱片上其对应平均值的约1％。燃烧器模块100可耐受热冲击并能提供分布均匀的一种或多种前体气流以形成玻璃烟炱。
在一些实施方式中，所述燃烧器模块100能在出口表面上递送反应物的匀速气流。“匀速气流”是指，(a)对于任意具体的气体反应物，燃烧器表面204上特定孔隙202的气体速度变化小于排出该气体的所有孔隙的平均速度的约2％，以及/或者，(b)对于一种气体，燃烧器表面上孔隙的平均气体速度变化小于对于所有气体的所有孔隙的平均速度的约2％。通过在燃烧器模块的出口表面上提供前体的匀速气流，能形成具有均匀厚度的烟炱片。
各孔隙202之间的流速均匀性使得能形成具有完美均匀性的烟炱片和玻璃薄片。即使是流速不成比例地大于或小于其余孔隙的单独一个孔隙202也会对所得玻璃薄片的表面形态产生影响。表现出超过其余孔隙流速的孔隙202会在由烟炱片形成的玻璃薄片中导致形成突起隆脊。额外沉积的烟炱会在玻璃薄片或带中形成线条，可能是肉眼可见的。表现出小于其余孔隙流速的孔隙202会在由烟炱片或带形成的所得玻璃薄片中导致形成低谷。
燃烧器模块100的一些实施方式的设计和精确制造技术使得能形成无线条的玻璃薄片。无线条的玻璃片是其中的线条为肉眼无法看见。来自各孔隙202的精确且恒定的气流形成在各处具有恒定质量密度的烟炱片从而能形成无线条的玻璃。使用燃烧器模块100形成的玻璃薄片可表现出小于0.1微米(包括0.08微米、0.05微米、0.03微米、0.02微米和小于0.01微米)的峰谷偏移。
采用上述方法制造的玻璃片可具有等于或小于200微米的平均厚度以及等于或小于1纳米的两个主要相对表面中至少一个表面上的平均表面粗糙度。在一种实施方式中，两个主要表面上的平均表面粗糙度都等于或小于1纳米。示例性的高氧化硅玻璃片测得至少2.5×2.5平方厘米。例如，玻璃片宽度可以在约2.5厘米至2米范围内，在加工方向中测得的玻璃片长度可以在约2.5厘米至10米范围内或以上。玻璃片长度原则上只受沉积时间的限制，可延伸超过10米至10千米或更长。
鉴于燃烧器模块100的精确制造要求，常规机加工技术无法提供清洁、恒定并足够精确加工的产品。常规的机加工技术包括车削、铣、研磨、钻孔以及材料去除机制主要基于机械力的任意其他工艺。要实现必需的精确度，例如采用放电机加工(EDM)在燃烧器表面204上形成孔隙202。通过EDM能形成具有光滑壁的孔隙202，并且没有工具痕或毛刺扰乱通过其中的气流，因此不会导致孔隙之间的非恒定流动，也不会在完成的玻璃薄片中形成线条。
可任选地对燃烧器模块100的机加工表面进行后处理，从而使壁和孔隙变光滑。后处理光滑操作例如可通过让用于去毛刺、抛光和表面光洁的试剂如Extrude(宾夕法尼亚州厄尔温的肯纳金属公司(Kennametal，Irwin，PA))通过燃烧器模块100部件来实现。
在烟炱颗粒的形成和沉积过程中，烟炱提供装置可保持静止，或者，烟炱提供装置可相对于沉积表面移动(例如振荡)。从燃烧器表面204到沉积表面的距离可以在约20-100毫米范围内(例如，20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100毫米)。
刚制成或刚沉积的烟炱颗粒可基本上由单独一种相(例如单独一种氧化物)组成，可将其烧结形成例如未掺杂的高纯度玻璃。或者，烟炱颗粒可包含两种或更多种组分或者两种或更多种相，可将其烧结形成例如掺杂玻璃。例如可通过将氧化钛前体或氧化磷前体结合到OMCTS气流中制造多相玻璃片。示例性的氧化钛和氧化磷前体包括各种可溶性金属盐和金属醇盐，例如磷的卤化物和异丙醇钛(IV)。
在火焰水解工艺过程中，可在火焰中引入掺杂剂前体，从而发生原位掺杂。还可以在烧结烟炱片之前或过程中将掺杂剂引入烟炱片中。示例性的掺杂剂包括来自元素周期表中第IA、IB、IIA、IIB、IIIA、IIIB、IVA、IVB、VA、VB族和稀土系列的元素。
烟炱颗粒可具有基本均匀的组成、尺寸和/或形状。或者，烟炱颗粒的组成、尺寸和形状中的一个或多个性质可以变化。例如，主要玻璃组分的烟炱颗粒可通过一种烟炱提供装置提供，而掺杂剂组分的烟炱颗粒可通过不同的烟炱提供装置提供。在一些实施方式中，在形成和沉积烟炱颗粒的操作过程中，烟炱颗粒可以互相混合和/或粘附从而形成复合颗粒。在将烟炱颗粒沉积在沉积表面之前或过程中，还可以基本上避免烟炱颗粒互相粘附形成混合的颗粒。
如本文所用，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物的情况。本文引用的“至少一个(一种)”组分、要素等不应用于产生推论即或选使用的冠词“一个”或“一种”应限制于单独一个(一种)组分、要素等。
为了描述和定义本发明的目的，注意到本文使用术语“基本上”、“大约”和“大致”来代表可归因于任何定量比较、值、测量、或其他表述的固有不确定程度。本文还使用术语“基本上”、“大约”和“大致”来代表定量表述可不同于所述参考而不会导致所关心的主题内容的基本功能发生改变的程度。
除非另外明确陈述，否则，不应以任何方式认为本文列出的任意方法可理解为要求其步骤按特定次序进行。因此，若方法权利要求未实际引述其步骤应遵循的次序或者没有在权利要求或说明书中具体陈述步骤限制于特定次数，则不应以任何方式预期推断任意特定次序。
还注意到，本说明书中关于部件“设计成”体现具体性质或以特定方式发挥功能的引述，是相对于预期应用引述的结构性引述。更具体来说，本文关于部件“设计成”方式的引述表示该部件的现有物理条件，因此应理解为该部件结构性特征的有限引述。
注意到本文使用的术语如“优选”和“通常”不应用于限制要求权利的本发明范围或用于暗示某些特性是所要求权利的本发明结构或功能的关键性、本质性、或重要性特性。相反，这些术语只是意在表明本发明一种实施方式的具体方面，或者是意在重点指出可能或可能没有用于本发明具体实施方式中的备选或另外的特性。
本领域技术人员显而易见的是，可以在不偏离本发明精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和变化。由于本领域技术人员可以想到结合了本发明精神和实质的所述实施方式的修改组合、子项组合和变化，因此，应理解本发明包括所附权利要求及其等同项范围内的所有内容。

Claims (17)

1.一种燃烧器模块，其包括燃烧器气体进口块、下方流动板、上方流动板、燃烧器气流分散器和燃烧器气体排出块，其中：
燃烧器气体进口块包括多个设置在燃烧器气体进口块基部的气体进口以及多个被气体进口通道隔板分开的气体进口通道，气体进口通道从燃烧器气体进口块的气体进口延伸到燃烧器气体进口块的出口表面；
燃烧器气流分散器包括多个被分散通道隔板分开的分散通道，分散通道从燃烧器气流分散器的进口表面延伸到燃烧器气流分散器的出口表面；
各分散通道隔板包括刀口，所述刀口在燃烧器气流分散器的进口表面处包括与下方流动板接触的表面；
燃烧器气体排出块包括多个位于燃烧器气体排出块的燃烧器表面上的孔隙以及多个被气体排出通道隔板分开的气体排出通道，气体排出通道从燃烧器气体排出块的进口表面延伸到多个燃烧器表面通道，燃烧器表面通道从气体排出通道延伸到位于燃烧器表面上的孔隙；
各气体排出通道隔板包括刀口，所述刀口在燃烧器气体排出块的进口表面处包括与上方流动板接触的表面；
下方流动板包括多个被纵向延伸的下方流动板脊面分开的下方流动板压力孔，其中各下方流动板压力孔与气体进口通道中的一个通道以及分散通道中的一个通道流体连通；
上方流动板包括多个被纵向延伸的上方流动板脊面分开的上方流动板压力孔，其中各上方流动板压力孔与分散通道中的一个通道以及气体排出通道中的一个通道流体连通；
燃烧器模块设计成递送燃烧气体、氧化剂、烟炱前体和惰性气体通过气体进口、气体进口通道、下方流动板压力孔、分散通道、上方流动板压力孔、气体排出通道、多个燃烧器表面通道和多个孔隙，到达化学气相沉积工艺中的燃烧位置，从而在靠近燃烧表面的燃烧区域中产生燃烧器火焰；
所述分散通道隔板的刀口的与下方流动板接触的表面和所述气体排出通道隔板的刀口的与上方流动板接触的表面各自包括刀口宽度，所述分散通道隔板和气体排出通道隔板包括通道隔板宽度，并且所述通道隔板宽度大于刀口宽度；
通过燃烧器气流分散器的与下方流动板接触的表面以及燃烧器气体进口块的出口表面之间的下方流动板形成密封；
通过燃烧器气体排出块的与上方流动板接触的表面以及燃烧器气流分散器的出口表面之间的上方流动板形成密封。
2.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于：
所述燃烧器模块还包括燃烧气体源、氧化剂源、惰性气体源和烟炱前体源；
所述多个气体进口包括至少一个燃烧气体进口、至少一个氧化剂进口、至少一个惰性气体进口和至少一个前体进口；
所述至少一个燃烧气体进口将燃烧气体从燃烧气体源提供至燃烧器模块；
所述至少一个氧化剂进口将氧化剂从氧化剂源提供至燃烧器模块；
所述至少一个惰性气体进口将惰性气体从惰性气体源提供至燃烧器模块；以及
所述至少一个前体进口将烟炱前体从烟炱前体源提供至燃烧器模块。
3.如权利要求2所述的燃烧器模块，其特征在于：
所述燃烧气体源、氧化剂源、惰性气体源、烟炱前体源或其子集包含选自燃烧气体、氧化剂、烟炱前体和惰性气体的至少两种输入介质的混合物。
4.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于，所述通道隔板宽度比刀口宽度大至少一个数量级。
5.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于，所述刀口宽度为0.005-0.031英寸。
6.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于：
所述刀口宽度为0.005-0.031英寸；并且
所述通道隔板宽度为0.04-0.08英寸。
7.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于，所述分散通道隔板的刀口的与下方流动板接触的表面和所述气体排出通道隔板的刀口的与上方流动板接触的表面的硬度大于下方流动板和上方流动板的硬度。
8.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于，所述分散通道隔板的刀口或所述气体排出通道隔板的刀口是截顶三角形棱柱。
9.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于，所述上方流动板和/或下方流动板包括至少150个与各单独气体进口通道、单独分散通道或单独气体排出通道流体连通的压力孔。
10.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于，所述上方流动板和/或下方流动板包括至少450个与各单独气体进口通道、单独分散通道或单独气体排出通道流体连通的压力孔。
11.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于，所述上方流动板和/或下方流动板包括直径为0.02-0.03英寸的压力孔。
12.如权利要求11所述的燃烧器模块，其特征在于，与单独一个通道连通的圆形压力孔沿着单独一条直线设置，压力孔中心间隔0.03-0.04英寸。
13.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于，所述上方流动板和/或下方流动板包括直径为0.01-0.03英寸的压力孔，并且与单独一个通道连通的压力孔沿着至少两条直线设置，压力孔中心沿着每条直线间隔0.015-0.030英寸。
14.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于，所述燃烧器模块还包括至少两个对齐销钉，它们设置成对齐定位燃烧器气流分散器、上方流动板和燃烧器气体排出块。
15.如权利要求1所述的燃烧器模块，其特征在于，所述燃烧器模块还包括至少两个对齐销钉，它们设置成对齐定位燃烧器气流分散器、下方流动板和燃烧器气体进口块。
16.一种形成玻璃片或带的方法，该方法包括：将多个玻璃烟炱颗粒沉积在旋转鼓的沉积表面上从而形成烟炱片，从旋转鼓的沉积表面释放至少部分烟炱片，并且通过将部分移动的烟炱片加热到烧结温度从而将至少部分烟炱片烧结成致密化的玻璃，其中：
通过包括燃烧器气体进口块、下方流动板、上方流动板、燃烧器气流分散器和燃烧器气体排出块的燃烧器模块产生玻璃烟炱颗粒；
燃烧器气体进口块包括多个设置在燃烧器气体进口块基部的气体进口以及多个被气体进口通道隔板分开的气体进口通道，气体进口通道从燃烧器气体进口块基部延伸到燃烧器气体进口块的出口表面；
燃烧器气流分散器包括多个被分散通道隔板分开的分散通道，分散通道从燃烧器气流分散器的进口表面延伸到燃烧器气流分散器的出口表面；
各分散器通道隔板包括刀口，所述刀口在燃烧器气流分散器的进口表面处包括与下方流动板接触的表面；
燃烧器气体排出块包括多个设置在燃烧器气体排出块的燃烧器表面上的孔隙以及多个被气体排出通道隔板分开的气体排出通道，气体排出通道从燃烧器气体排出块的进口表面延伸到多个燃烧器表面通道，燃烧器表面通道从气体排出通道延伸到设置在燃烧器表面上的孔隙；
各气体排出通道隔板包括刀口，所述刀口在燃烧器气体排出块的进口表面处包括与上方流动板接触的表面的刀口；
下方流动板包括多个被纵向延伸的下方流动板脊面分开的下方流动板压力孔，各下方流动板压力孔与气体进口通道中的一个通道以及分散通道中的一个通道流体连通；
上方流动板包括多个被纵向延伸的上方流动板脊面分开的上方流动板压力孔，各上方流动板压力孔与分散通道中的一个通道以及气体排出通道中的一个通道流体连通；
燃烧器模块设计成递送燃烧气体、氧化剂、烟炱前体和惰性气体通过气体进口、气体进口通道、下方流动板压力孔、分散通道、上方流动板压力孔、气体排出通道、多个燃烧器表面通道和多个孔隙，到达化学气相沉积工艺中的燃烧位置，从而在靠近燃烧器表面的燃烧区域中产生燃烧器火焰；
所述分散通道隔板的刀口的与下方流动板接触的表面和所述气体排出通道隔板的刀口的与上方流动板接触的表面各自包括刀口宽度，所述分散通道隔板和气体排出通道隔板包括通道隔板宽度，并且所述通道隔板宽度大于刀口宽度；
通过燃烧器气流分散器的与下方流动板接触的表面以及燃烧器气体进口块的出口表面之间的下方流动板形成密封；
通过燃烧器气体排出块的与上方流动板接触的表面以及燃烧器气流分散器的出口表面之间的上方流动板形成密封。
17.一种通过如权利要求16中所述的方法形成的玻璃片或带，其特征在于，所形成的玻璃片表现出小于0.05微米的峰谷表面偏移。
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