CN104903258A - 制造异形管和套筒的方法和设备 - Google Patents

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P·J·奇莫
T·L·A·达努克斯
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Abstract

用于制造具有所需的非圆形截面轮廓(参见图3)的玻璃管(200)的设备(100)，其包括适用于靠近加热软化的管放置的心轴(101)。心轴(101)具有鼻端(102)和喷嘴区段(120)，其具有会限定管的最终截面轮廓的选择的轮廓。喷嘴区段(120)具有用于接收来自源(207)的气体的进料室(140)和多孔和/或小孔圆周表面(132，134)，气体可以通过其排放到心轴的外部。当气体排放到心轴外部时，在多孔圆周表面(132，134)和加热软化的管(200)之间形成在间隙(314，318)中的加压气体的膜。还提供了采用所揭示的设备形成具有非圆形截面轮廓的管的方法。还公开了由再成形的或成形的管制得的玻璃套筒：由平行的、相对的、平坦的和平滑的前和后覆盖制得的整体式套筒用于电子器件(参见图13)。一些玻璃陶瓷材料也可适用于管，如透明β-锂辉石。

Description

制造异形管和套筒的方法和设备
相关申请交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119，要求2012年8月30日提交的美国临时申请系列第61/694,913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。
技术领域
本发明涉及制造三维(3D)玻璃制品。
背景技术
玻璃被用作电子器件的前覆盖。电子器件制造商现在希望电子器件的后覆盖也由玻璃制造，并且后覆盖符合与前覆盖相同的高尺寸精确性和表面质量。可以分开地制造具有所需的尺寸精确性和表面质量的前覆盖和后覆盖，然后将它们组装到一起。但是，这使得制造过程增加了额外的步骤，并且可能导致尺寸控制的损失。替代方案是制造整体式玻璃套筒，其中玻璃套筒的前侧将作为前覆盖，玻璃套筒的后侧将作为后覆盖。许多电子器件结合了平坦显示器。因此，整体式玻璃套筒会需要具有可以容纳平坦显示器的截面轮廓。通常来说，该截面轮廓会具有能够布置成与平坦显示器平行的平坦侧面。平坦侧面的平坦度还必须符合电子器件制造商规定的严格要求。
制造玻璃管然后将玻璃管转变成容器是已知的。因此，制造整体式玻璃套筒的一个实际方法会是制造具有所需截面轮廓的玻璃管，然后将玻璃管切割成玻璃套筒。从熔融玻璃形成玻璃管的方法是已知的。最常见的那些是Danner工艺、Vello工艺以及下拉工艺。这些工艺参见例如Heinz G.Pfaender的“斯考特玻璃指南(Schott Guide to Glass)”，第二版，Chapman&Hall，1996。这些工艺通常用于形成具有圆形截面形状的玻璃管。可以使用挤出来形成具有非圆形截面形状(例如可具有平坦侧面的截面形状)的玻璃管。但是，挤出涉及与玻璃表面的工具接触，这会降低玻璃的表面质量。
发明内容
在一个方面，本发明涉及用于制造异形管(profiled tubing)的设备。设备包括适合于靠近管表面放置的心轴。心轴具有喷嘴区段，该喷嘴区段具有会限定管的最终截面轮廓的选择的截面轮廓。喷嘴区段具有用于接收气体的进料室和多孔圆周表面，气体可以通过所述多孔圆周表面排放到心轴的外部。当气体排放到心轴外部时，在多孔圆周表面和管之间形成加压气体的膜。
在一个实施方式中，设备还包括用于形成管的管形成设备，其中心轴布置成与管形成设备同轴。
在一个实施方式中，喷嘴区段是由孔隙率为10-20％且平均孔径小于或等于10μm的多孔材料制造的。
在一个实施方式中，喷嘴区段是穿孔的。
在一个实施方式中，多孔圆周表面包括一对边缘表面，它们是相对关系并且相对于工具轴倾斜，心轴沿着所述工具轴对准。
在一个实施方式中，多孔圆周表面还包括一对侧表面，它们是相对关系并且在所述边缘表面对之间形成网。
在一个实施方式中，所述侧表面对分别具有凹陷区域。
在一个实施方式中，设备还包括至少一对边缘室，其形成在喷嘴区段中并且与进料室相连。所述边缘室对分别与所述边缘表面对的一个相邻并且与其基本平行。
在一个实施方式中，设备还包括形成在喷嘴区段中的一对室组(chambercluster)。室组分别包括至少两个与进料室相连的边缘室。室组分别与所述边缘表面对的一个相邻并且与其基本平行。
在一个实施方式中，各个室组的至少两个边缘室与相邻边缘表面是等距离的。
在一个实施方式中，各个室组的至少两个边缘室具有不同长度。
在另一个方面，本发明涉及形成由玻璃材料制造的异形管的方法。方法包括靠近管的表面布置心轴。心轴具有喷嘴区段，该喷嘴区段具有会限定管的最终截面轮廓的选择的截面轮廓。方法包括从喷嘴区段的多孔圆周表面排放气体，以在喷嘴区段和管表面之间产生加压气体的膜。加压气体的膜向管表面施加压力，其足以使得管局部变形成与喷嘴区段一致。方法包括使得加压气体的膜沿着管的长度前进。方法包括对管进行加热，从而在加压气体的膜施加压力的管的任意局部区段中，所述管的局部区段的粘度是使得所述管的局部区段可以通过压力发生变形。
在一个实施方式中，管在与喷嘴区段一致之前具有初始圆周，并且在与喷嘴区段一致之后具有最终圆周。方法包括对管进行选择，使得初始圆周与最终圆周的比例为0.7-0.95。
在一个实施方式中，管变形成与喷嘴区段一致包括管壁伸长5-30％。
在一个实施方式中，方法包括以1-10atm的压力将气体递送到喷嘴区段中的进料室。
在一个实施方式中，加压气体的膜的厚度为60-70μm。
在一个实施方式中，方法还包括将心轴布置成与形成管的管形成设备同轴。
在一个实施方式中，选择的截面形状是椭圆形的。
在一个实施方式中，方法还包括从已经变形成与喷嘴区段一致的管的区段切割至少一个套筒。
在一个实施方式中，排放气体包括从多孔圆周表面排放气体以及从多孔圆周表面的凹陷区域排出气体的组合，从而使得在管和喷嘴区段之间局部地产生加压气体的膜。
在另一个方面，本发明涉及由玻璃材料制造的套筒。套筒具有无缝壁。壁的内表面的表面粗糙度小于1μm，外表面的表面粗糙度小于1μm。壁还具有相对平坦区段。每个平坦区段的平坦度在70x 120mm2的区域上好于50μm。
在一个实施方式中，套筒具有椭圆形的截面形状。
应理解，前面的综述和以下的详细描述都只是本发明的示例，用来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。附图显示了本发明的各种实施方式，并与发明内容和具体实施方式一起用来解释本发明的原理和操作。
附图说明
以下是结合附图进行的附图说明。为了清楚或简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可以按比例放大显示或示意性显示。
图1是一致化工具的透视图。
图2A是通过一致化工具形成的玻璃套筒的表面粗糙度曲线。
图2B是通过现有技术方法形成的玻璃表面的表面粗糙度曲线。
图3A-3G是椭圆形截面形状。
图4A显示用作内部成形工具的一致化工具。
图4B显示用作外部成形工具的一致化工具。
图5是图1沿工具轴的截面图。
图6是图1的一致化工具的底部端视图。
图7是图1的一致化工具的侧视图。
图8是图7沿线8-8的截面图。
图9A是另一种一致化工具的透视图。
图9B显示图9A的一致化工具的喷嘴。
图10是采用图1的一致化工具形成异形管的设定。
图11A-11E显示采用图1的一致化工具对管进行成形的过程。
图12显示在使用图1的一致化工具过程中的气体排放。
图13是通过图1的一致化工具形成的玻璃套筒的透视图。
图14显示包括采用图1的一致化工具连续玻璃管工艺。
具体实施方式
在以下详细描述中，为了提供对本发明实施方式的透彻理解，陈述了许多具体的细节。但是，对本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的一些细节或全部细节的情况下实施。在其它情况中，为了不使本发明难理解，可能没有详细描述众所周知的特征或工艺。此外，类似或相同的附图编号可用于标识共有或类似的零件。
图1显示用于将玻璃材料制造的初始管非接触成形为异形管的一致化工具100。玻璃材料通常会是玻璃。玻璃材料也可以是玻璃陶瓷，但是通常仅仅在成形条件下可以避免成核或结晶的玻璃陶瓷会是合适的。玻璃陶瓷的可能的例子是透明β锂辉石，购自欧若克拉公司(Eurokera)的KERALITE。玻璃的选择宽泛得多，并且所述选择会是基于异形管或者由异形管制造的套筒的所需的性质。一致化工具100可用于可离子交换的玻璃，其通常在韧性和抗破坏性是重要的应用中是合乎希望的。可离子交换的玻璃的例子是碱性铝硅酸盐玻璃或者碱性铝硼硅酸盐玻璃。一致化工具100还可用于具有高热膨胀系数的玻璃。
在一个实施方式中，一致化工具100配置成可插入管内的心轴101。为了对管进行成形，一致化工具100产生气体轴承，其向管施加形成压力，并且作为一致化工具100和管之间的阻隔。气体阻隔会允许管的表面质量在采用一致化工具100的成形过程中得到保留。气体阻隔可防止成形过程中在管的内表面上发展瑕疵，例如条纹。图2A显示从通过一致化工具100成形的玻璃管切割的玻璃套筒的内表面粗糙度曲线。该曲线显示玻璃套筒的最大内表面粗糙度为0.18nm。采用Zygo干涉仪进行图2A所示的表面粗糙度测量。出于比较目的，图2B显示从通过现有技术方法成形的玻璃管切割的矩形玻璃套筒的内表面粗糙度曲线，所述现有技术方法包括使得工具与玻璃管的壁发生接触。对于现有技术套筒，在玻璃表面上测得条纹。条纹显示为具有1μm振幅(峰谷距离)和0.6mm周期的波。如果将振幅取作表面粗糙度的测量，则现有技术套筒中观察到的最大表面粗糙度会是约1μm，这远大于采用一致化工具100制造的玻璃套筒的表面粗糙度。此外，当用裸眼观察时，表面上的条纹是明显的，因为它们引发了表面的显著且非常局部倾斜的变化，最终产生看上去变形和不诱人的玻璃覆盖。
在一个实施方式中，通过一致化工具100成形的异形管或套筒具有40mm长度上小于1μm的内表面粗糙度以及在40mm长度上小于1μm的外表面粗糙度。在另一个实施方式中，通过一致化工具100成形的异形管或套筒具有40μmx 40μm区域上0.2-10nm的内表面粗糙度以及40μm x 40μm区域上0.2-10nm的外表面粗糙度。应注意的是，由于在成形过程中保留了表面质量，通过一致化工具100成形之后的管的表面粗糙度会取决于通过一致化工具100成形之前的管的表面粗糙度。因此，通过一致化工具100成形的管的表面粗糙度的规格也是在通过一致化工具100成形之前的管的表面粗糙度的规格。
一致化工具100配置成将管从初始截面轮廓成形为最终截面轮廓，其中所述最终截面轮廓不同于所述初始截面轮廓。管的截面轮廓通过形状和尺寸进行表征。因此，管的成形可包括形状转变和/或尺寸转变。在一个实施方式中，一致化工具100用于将管从初始圆形截面形状成形为最终非圆形截面形状。在一个更具体的实施方式中，最终非圆形截面形状是椭圆形的形状。“椭圆形”指的是拉伸的。在一个实施方式中，椭圆形形状的长宽比大于5:1。在另一个实施方式中，椭圆形形状的长宽比大于10:1。
图3A-3G示意性显示了椭圆形截面形状的数个例子。这些椭圆形形状是齿条、半径、锥形和平坦的不同组合制得的。图3A显示椭圆形形状400，其具有平坦侧面402、404以及圆端406、408。图3B显示椭圆形形状410，其具有平坦侧面412、414以及圆端416、418。图3B类似于图3A，不同之处在于端部416、418的圆状的半径小于端部406、408。在图3C中，椭圆形形状420具有平坦侧面422、424以及平端426、428，即矩形。在图3D中，椭圆形形状430具有平坦侧面432、434以及锥形端436、438。图3E显示椭圆形形状440，其具有齿条侧面442、444以及齿条端446、448。图3F显示椭圆形形状450，其具有齿条侧面452、454以及平坦端456、458。图3G显示椭圆形形状460，其具有齿条侧面462、平坦侧面464以及平坦边缘466、468。椭圆形形状460是不对称的。
当一致化工具100用作内部工具时，可以在管中形成凸截面轮廓，例如如图3A-3G所示。图4A显示使用一致化工具100作为内部工具来成形管470的例子。为了形成凹截面轮廓或者凹凸截面轮廓，一致化工具100可用作位于管外部的外部工具。图4B显示使用一致化工具100作为外部工具来成形管472的例子。当一致化工具100用作外部工具时，通过一致化工具100产生的气体轴承会在管的外表面和一致化工具100之间。不对一致化工具100进行任意改变，一致化工具100不会限制管的圆周并且会仅在管的圆周的一个区段中施加成形作用力。如果需要沿着圆周的成形作用力的完全覆盖，则可以将一致化工具100绕着管转动。或者，一致化工具100可改装成限制管的圆周的环形。还可以想象到的是，内部和外部、气体轴承和非气体轴承的一致化工具任意组合可用于成形管。
回到图1，心轴101与工具轴104对准，并且可以绕着工具轴104对称或者不对称。通常，心轴101会绕着工具轴104对称。心轴101由鼻端102和喷嘴120制成。鼻端102和喷嘴120可以形成作为结合在一起的分开部件或者形成作为整体。鼻端102形成一致化工具100的前部分并且帮助将心轴101插入管中，而喷嘴120形成一致化工具100的后部分并且确定了将要一致化的管的形状。鼻端102的形状和尺寸使得在管的初始条件下进入管中。也就是说，如果DTI是管的初始截面尺寸，DM是鼻端102的最大截面尺寸，则DM小于DTI。鼻端102的形状可以是大致管状的，并且可具有形状大致为圆形的截面轮廓。在该实施方式中，玻璃管也可具有形状是圆形的初始截面轮廓。在该情况下，DM可以是鼻端102的最大截面直径，DTI可以是管的初始截面直径。但是，鼻端102的截面形状不限于圆形形状，管的初始截面形状也不限于此。
参见图5，鼻端102的顶端包括连接端口106，鼻端102的底端包括连接销108。连接端口106接收位于鼻端102上方的塞112的连接件114。通过合适的方法，将连接销114与连接端口106固定，使得塞112与鼻端102相连，例如，连接销114与连接端口106的壁116之间的螺纹连接或者焊接连接。连接销108延伸进入喷嘴102中的连接端口122。通过合适的方法，将连接销108与连接端口122固定，使得鼻端102与喷嘴120相连，例如，连接销108与连接端口122的壁124之间的螺纹连接、焊接连接或者粘结连接。管道路线110穿过鼻端102，从连接端口106到连接销108。管道110可以是直的并且与工具轴104轴向对准。或者，管道110可以不是直的和/或与工具轴104轴向对准。
塞112具有管道118，其通过连接端口106与鼻端102中的管道110连通。管道118可以是直的并且与工具轴104轴向对准。或者，管道118可以不是直的和/或不与工具轴104轴向对准。无论管道110、118的构造如何，管道110、118之间应该是可以连通的。塞112可以与导管(未示出)相连，所述导管可以与气体源相连，用于向管道110、118传输气体。传输到管道110的气体最终会被传输到喷嘴120。气体可以是空气或者惰性气体，例如氮气。在鼻端102的情况下，塞112的形状和尺寸使得在管的初始条件下进入管中。也就是说，如果DP是塞112的最大截面尺寸，DTI是管的初始截面尺寸，则DP小于DTI。
回到图1，喷嘴120具有上区段120a，其类似于前述的鼻端120，其形状和尺寸使得在管的初始条件下进入管中。如果上喷嘴区段120a的最大截面尺寸是DNU且管的初始截面尺寸是DTI，则DNU小于DTI，优选地，DNU约等于DTI减去2δ，其中δ是当心轴101插入管中的时候，会在上喷嘴区段120a和管之间形成的气体支承间隙的宽度。上喷嘴区段120a可以是管状的形状，并且具有横向于工具轴104的平面中的圆形的截面形状。通常来说，上喷嘴区段120a会具有与管的初始截面形状相匹配或者相似的截面形状。也就是使得当在管中插入上喷嘴区段120a的时候，可以在上喷嘴区段120a和管之间形成均匀气体轴承间隙。均匀气体轴承间隙中的均匀加压气体可具有使得上喷嘴区段120位于管内中心的作用。
喷嘴120具有下喷嘴区段120b，其限定了在使用一致化工具100过程中管将要一致化的形状。出于该原因，下喷嘴区段120b的截面形状主要决定于管的最终截面形状，但是下喷嘴区段120b的截面形状可能不是最终截面形状的精确复制。在一个实施方式中，下喷嘴区段120b具有非圆形截面轮廓。在一个更具体的实施方式中，下喷嘴区段120b具有椭圆形截面轮廓，其中“椭圆形”指的是拉伸的。椭圆形形状的长宽比在之前关于管的最终截面形状中已经进行了描述。图6显示适用于形成图3A所示的管或套筒最终截面形状的下喷嘴区段120b的截面形状的一个例子。在下喷嘴区段120b的情况下，在椭圆形形状的“平坦”侧402a、402b中存在凹陷138a、138b。这些凹陷是用于通量排出，并且能够实现形成平坦侧面402、404，如图3A所示。
在一个实施方式中，下喷嘴区段120b具有由主锥形形状和次锥形形状各制成的双锥形形状。参见图5，沿着横向于工具轴104的轴125测得的下喷嘴区段120b的主宽度以朝向鼻端102的方向逐渐变窄。下喷嘴区段120b的主宽度限定了主锥形形状。沿着横向于工具轴104且垂直于轴125的轴127测得的下喷嘴区段120b的次宽度以远离鼻端102的方向逐渐变窄。次宽度的锥形如图7最佳所示。下喷嘴区段120b的次宽度限定了次锥形形状。
在图5中，下喷嘴区段120b的最小主尺寸存在于下喷嘴区段120b与上喷嘴区段120b的相交处119，并且其通常会与上喷嘴区段120b的最大尺寸相同。下喷嘴区段120b的最大主尺寸存在于喷嘴120的底端117(或者远离鼻端102的喷嘴120的远端)。如果DTF是管的最终尺寸(即通过一致化工具100成形之后的管的尺寸)，且DNL是下喷嘴区段120b最大主尺寸，则DNL约等于DTF减去2δ，其中δ是使用一致化工具100的过程中，会在下喷嘴区段120b和管之间形成的气体支承间隙的宽度。通常，在下喷嘴区段120b和管之间形成的加压气体膜的厚度会决定δ。
回到图1，下喷嘴区段120b具有相对边缘128a、128b，它们分别具有相对于工具轴104倾斜的边缘表面132a、132b。下喷嘴区段120b具有在相对边缘128a、128b之间延伸并且将它们相连的网130。网130具有相对侧表面134a、134b(图7)，它们毗邻边缘表面132a、132b。倾斜边缘表面132a、132b在横向于工具轴104之间的距离限定了下喷嘴区段120b的主宽度。侧网表面134a、132b在横向于工具轴104之间的距离限定了下喷嘴区段120b的次宽度。倾斜边缘表面132a、132b以及侧网表面134a、132b一起限定了下喷嘴圆周表面136b。上喷嘴区段120a具有上喷嘴圆周表面136a。一起地，圆周表面136a、136b构成喷嘴120的圆周表面136。
网表面134a、134b分别具有凹陷区域138a、138b，它们在使用一致化工具100的过程中会作为排出流量点位。参见图5，在一个实施方式中，倾斜表面132a、132b绕着工具轴104对称地设置，并且倾斜表面132a、132b相对于工具轴104的倾斜角是相同的。在替代实施方式中，倾斜表面132a、132b可以绕着工具轴104不对称地设置和/或相对于工具轴104的倾斜角是不同的。倾斜表面132a、132b的倾斜角通常会与交叉119处的下喷嘴区段120b的宽度、底端117的下喷嘴区段120b的宽度以及下喷嘴区段120b的高度相关。通常，会选择倾斜角从而使得实现了玻璃管的逐渐成形。
在喷嘴120中形成进料室140。进料室140从连接端口122延伸到下喷嘴区段120b中的非远点。进料室140与鼻端102的管道110连通。在喷嘴120中形成两个边缘室142a、142b。边缘室142a、142b从喷嘴120的顶端123延伸到下喷嘴区段120b中的非远点。边缘室142a、142b与进料室140存在偏移。在一个实施方式中，进料室140与工具轴104轴向对准，边缘室142a、142b绕着工具轴104对称地布置。但是，在其他实施方式中，进料室140可能不与工具轴104轴向地对准和/或边缘室142a、142b可能绕着工具轴不对称地布置。
边缘室142a、142b设置在喷嘴120的相对侧，边缘室142a与倾斜表面132a毗邻，边缘室142b与倾斜表面132b毗邻。在图1和8中，边缘室142a可以是与倾斜表面132a毗邻的室组144a中的多个室中的一个。例如，室组144a可以包括除了边缘室142a之外的边缘室146a、148a。类似地，边缘室142a可以是与倾斜表面132b毗邻的室组144b中的多个室中的一个。例如，室组144b可以包括除了边缘室142b之外的边缘室146b、148b。
室组144a、144b绕着工具轴104对称地布置。但是，在其他实施方式中，室组144a、144b可以绕着工具轴104不对称地布置。边缘室142a、142b、146a、146b、148a、148b通常是管状的形状。边缘室142a、142b、146a、146b、148a、148b的截面形状可以分别是圆形或者椭圆形。在一个实施方式中，各个室组144a、144b中的各个边缘室具有不同长度。但是，在其他实施方式中，各个室组144a、144b中的各个边缘室的长度可以是相同的。边缘室142a、142b、146a、146b、148a、148b的长度会影响在使用一致化工具100过程中，从相邻倾斜表面132a、132b排出的气体的分布。
在一个或多个实施方式中，边缘室142a、146a、148a的取向与相邻的倾斜表面132a是相同方向，即边缘室142a、146a、148a基本平行于相邻倾斜表面132a。在一个实施方式中，边缘室142a、146a、148a沿着相邻倾斜表面132a分配，分配的方式使得它们与相邻倾斜表面132a是基本平行和基本等距离的。类似地，在一个或多个实施方式中，边缘室142b、146b、148b的取向与相邻的倾斜表面132b是相同方向。也就是说，边缘室142b、146b、148b，即边缘室142b、146b和148b基本平行于相邻倾斜表面132b。此外，在一个实施方式中，边缘室142b、146b、148b沿着相邻倾斜表面132a分配，分配的方式使得它们与相邻倾斜表面132b是基本平行和基本等距离的。可以布置边缘室使得它们与它们各自相邻的倾斜表面并非是等距离的。边缘室基本上作为风室(plenum)用于向倾斜表面132a、132b分配气体。
参见图1，边缘室142a、142b、146a、146b、148a、148b通过喷嘴120中的互连孔150与进料室140连通。喷嘴120是多孔的，这表示边缘室142a、142b、146a、146b、148a、148b通过喷嘴120的多孔结构与进料室140也是连通的。进料室140和边缘室142a、142b、146a、146b、148a、148b通过喷嘴120的多孔结构与倾斜表面132a、132b以及网表面134a、134b连通。作为喷嘴120(其是多孔的)的部分的倾斜表面132a、132b以及网表面134a、134b是多孔的，允许供给到进料室140以及边缘室142a、142b、146a、146b、148a、148b的流体被排放到喷嘴120或者心轴101的外部。
喷嘴120的多孔结构可能是由于用于制造喷嘴120的材料或者是由于喷嘴120中的穿孔。在一个实施方式中，喷嘴120是由多孔材料制造的，其例子包括多孔石墨、多孔碳化硅和多孔氧化锆。应理解的是，多孔碳化硅和多孔氧化锆倾向于与玻璃相粘。因此，当使用这些材料的时候，可能希望用高温非粘性材料涂覆它们，即在管的玻璃材料还是软的时候，喷嘴120意外地与管发生接触。多孔材料的孔隙率可以是10-20％。优选地，多孔材料的平均孔径小于50μm以允许喷嘴120的精确机械加工。更优选地，多孔材料的平均孔径小于或等于10μm。在另一个实施方式中，喷嘴120是由非多孔材料或者半多孔材料制造的，对它们进行穿孔来为喷嘴120提供所需的孔结构。可以通过机械加工或者其他适合用于在体内形成孔的方法来制造穿孔。
流动通过多孔层的气体取决于气压、层厚和材料渗透性。对喷嘴120的孔结构进行选择以实现喷嘴120对于气体所需的渗透性。优选地，喷嘴120的孔结构使得喷嘴120对于气体的渗透性是均匀的，并且足够低以实现在气体轴承间隙中建立气垫，其会与管表面产生的引力相抵消。产生气垫的气压通常会是1-10atm。喷嘴120中的气体分配室142a、142b、146a、146b、148a、148b的布置以及气体分配室与喷嘴120表面之间的充足距离实现了该低气压范围。应该避免过大的气压以限制失效风险。可以通过允许均匀流动的多孔材料，同时在小规格区域和大规格区域上分配气体。分配气体的其他方式，例如非多孔材料或者半多孔材料中的穿孔也是可以的。
图9A显示具有鼻端162和喷嘴164的另一个心轴160。心轴160和上文所述的心轴101之间的主要区别在于喷嘴164，其如图9B单独所示。喷嘴164具有上喷嘴区段164a、中间喷嘴区段164b和下喷嘴区段164c。边缘室170、172从上喷嘴区段164a开始，通过中间喷嘴区段164b，并终止于下喷嘴区段164c中的非远点。进料室168从上喷嘴区段164a延伸进入中间喷嘴区段164b并在中间喷嘴区段164b和下喷嘴区段164b之间的界面处终止。上喷嘴区段164a具有大致椭圆截面形状。中间喷嘴区段164b从与上喷嘴区段164a的顶界面处的大致椭圆截面形状变化为与下喷嘴区段164c的底界面处的大致齿条矩形形状。下喷嘴区段164b是大致双锥形的，如上文关于下喷嘴区段120b所述。心轴160可用于对初始截面形状是大致椭圆或圆形的管进行成形。图9A和9B显示一致化工具100的心轴不限于一种形状，并且心轴的喷嘴区段的可具有任意所需的截面轮廓以在管中形成所需的截面轮廓。
图10显示采用一致化工具100对玻璃管200进行成形的设定。玻璃管200以垂直取向布置，即玻璃管200的轴向轴是垂直取向的。在其他设定中，玻璃管200可以水平或者倾斜取向布置。一致化工具100悬挂在导管204的端部，所述导管204通过玻璃管200。导管204优选是刚性管，其是由能够耐受玻璃管进行再成形时的温度并且也不会产生会污染玻璃管的虚假材料(spuriousmaterial)制造的。导管204可以由例如不锈钢制造。导管204与位于玻璃管200上方的支撑206相附连。导管204与流体源207连通。在一个实施方式中，流体源207是加压气体或者空气源。在操作中，向下推动玻璃管200，从而使得一致化工具100沿着玻璃管200的长度以向上方向前进。可以通过任意合适的推动系统(例如，向玻璃管200施加恒定拉力或者恒定速度的带牵引机)提供拉力203。或者，可以通过重力提供拉力203。或者，可以将玻璃管200支撑在固定的位置，并且可以向上拉动一致化工具100。
玻璃管200延伸通过金属圆柱体208，其设置在螺旋状感应器210中。金属圆柱体208，作为接受器，吸收来自螺旋状感应器210的电磁能。吸收的电磁能作为红外辐射再发射至玻璃管200。金属圆柱体208内的玻璃管200的任意部分都会被来自金属圆柱体208的红外辐射加热。从而金属圆柱体208和螺旋状感应器210构成了玻璃管200的一种类型的加热设置。通常来说，可以使用任意合适的方法和设置来加热玻璃管200。加热可以是辐射加热、感应加热、电阻加热或者前述的任意组合。也可采用未具体提及的其他加热方法，前体是该加热方法可将玻璃管200的温度提升至在通过一致化工具100施加流体压力的时候玻璃管200可以发生变形的水平。加热布置也可提供不同温度区，例如，预加热区、再成形区和冷却区。例如，对于诸如康宁编号7740硼硅酸盐玻璃的玻璃材料，预加热区和冷却区可以是650℃，而成形区是780℃。
可以将整个玻璃管加热至T1±δ1的成形温度，其中δ1是一些可接受的误差范围，例如小于T1的11％。T1±δ1是玻璃具有较低粘度(例如≤109泊或者108-109泊)的温度。成形温度T1±δ1可以在玻璃的退火点和软化点之间。在一个实施方式中，成形温度T1±δ1比软化点低至少20℃。在成形温度T1±δ1，玻璃的粘度足够低，以使得玻璃可以永久变形。当玻璃管200位于成形温度T1±δ1时，一致化工具100可以沿着玻璃管200移动，以将玻璃管200成形为所需的最终截面轮廓。如果管是由玻璃陶瓷制造的话，特别是如果要避免成核或结晶的话，温度要求可能不同于上文所述。但是，通常来说，会在管可以发生变形的温度向管施加一致化工具100。
作为将整个玻璃管200加热至T1±δ1的替代，可以将整个玻璃管200加热至初始温度T0±δ0，其中δ0是一些可接受的误差范围，例如小于T0的11％。在初始温度T0±δ0，玻璃具有较高粘度，例如6x 109至1012泊。在初始温度T0±δ0，可以避免玻璃管的变形或者玻璃管中的光学缺陷。初始温度T0±δ0可以靠近玻璃的退火点。在一个实施方式中，初始温度T0±δ0位于退火点的10℃之内。然后可以将玻璃管200局部加热至上文所述的成形温度T1±δ1，其中T1±δ1大于T0±δ0。在任意情况下，可以采用一致化工具100使得玻璃管200处于成形温度T1±δ1的部分发生变形。这意味着为了采用一致化工具100使得整个玻璃管200成形，将要沿着玻璃管200的长度施加局部加热和一致化工具100。
图11A-11E显示使用一致化工具100来成形玻璃管200。在这些附图中没有具体显示加热布置。但是，如上文所述，为了进行成形工艺，玻璃管需要处于其可以发生变形的温度。相对于图11A中玻璃管200的取向，工艺从玻璃管200的底端开始。随着向下拉动玻璃管200，一致化工具100的塞112和鼻端102首先通过玻璃管200的底端进入玻璃管200。然后，上喷嘴区段120a跟着鼻端102进入玻璃管200。此时，将气体供给进入喷嘴120的室内，并通过喷嘴120的多孔圆周136排放到喷嘴120外部。由于如上文所述对上喷嘴区段120进行了尺寸化(sizing)，在上喷嘴区段120a和玻璃管段316之间限定了圆周间隙314，其是与上喷嘴区段120a相对关系。从上喷嘴区段120a排放出来的流体在圆周间隙314中形成加压气体的膜。圆周间隙134中的加压气体的膜起了上喷嘴区段120a的表面和玻璃管200之间的气体轴承的作用。气体轴承向玻璃管段316的壁上施加压力。该压力使得玻璃管段316径向膨胀，然后使得一小部分的下喷嘴区段120b进入玻璃管200中，如图11B所示。
在下喷嘴区段120b的相对倾斜表面132a、132b和玻璃管102之间产生两个间隙318a、318b。从下喷嘴区段120b排放出来的气体在间隙318a、318b中分别形成加压气体的膜。间隙318a、318b中的加压气体的膜起了倾斜表面132a、132b与玻璃管200之间的气体轴承的作用。气体轴承向玻璃管段316的壁上施加压力。该压力使得玻璃管段316横向膨胀，使得更多的下喷嘴区段120b进入玻璃管200中。持续该过程直至整个喷嘴120进入玻璃管200中，并通过玻璃管段316。随着喷嘴120通过玻璃管段316，玻璃管段316会呈现喷嘴120的形状，如图11C-11E所示。喷嘴120沿着玻璃管的长度通过任意具体点的最后的横截面会决定管中该具体点的截面轮廓。
一致化工具100可以在玻璃管200内部并沿着玻璃管200前进，直至喷嘴120完全通过整个玻璃管200或者玻璃管200的所需的长度。一致化工具100的前进可包括如上所述的向下拉动玻璃管200并通过一致化工具100，在玻璃管200内向上拉动一致化工具100，或者前述的组合。一致化工具100需要以单一反向前进以进行一致化或成形操作。一致化工具100的前进可以是恒定速度或者变化的速度。但是，需要对速度进行调节从而可以精确且高效地完成玻璃管的一致化或成形。
通过如下方式实现玻璃管200的成形：当玻璃管200处于其可以发生变形的温度时，向玻璃管200施加气体压力。通过如上所述的经由喷嘴120排放的气体在玻璃管200和喷嘴120之间产生的加压气体的薄膜来提供气体压力。加压气体的膜不仅仅起了向玻璃管200施加压力的作用，还使得一致化工具100与玻璃管200分开，从而使得当玻璃管200处于成形温度时(其中玻璃管200通常会是软的)，玻璃管200与一致化工具100没有物理接触。加压气体的薄膜的厚度通常分别是60-70μm，但是在一些实施方式中，可以高至120μm。当一致化工具100沿着玻璃管200的长度前进时，加压气体的薄膜沿着玻璃管200的长度移动。加压气体的薄膜构成气体轴承。会决定膜厚度的气体轴承间隙的宽度会取决于玻璃粘度、一致化速度(即，一致化工具100沿着玻璃管前进的速度)以及喷嘴120的凹陷区域中的排出通量。
图12显示成形过程的端视图。通过下喷嘴区段120b的倾斜表面132a、132b排放气体，其中排放的气体在倾斜表面132a、132b和玻璃管200之间形成两个气体轴承。这些气体轴承向玻璃管200施加相对作用力，使得玻璃管200以相反方向横向膨胀。在玻璃管200与倾斜表面132a、132b的相对关系的部分施加了相对作用力。虽然玻璃管200朝向倾斜表面132a、132b的部分是横向膨胀的，但是玻璃管200朝向网表面134a、134b的部分会是平坦的。此外，由于网表面134a、134b中的凹陷区域138a、138b的排出通量，不会在网表面134a、134b和玻璃管200之间明显形成可以向玻璃管200施加压力的加压气体的膜。可用于玻璃管202的横向膨胀的作用力会取决于相对气体轴承的压力，这进而会取决于供给到喷嘴120的进料室的气体的压力、向倾斜表面132a、132b分配气体的喷嘴120的边缘室的构造以及喷嘴120的孔结构。玻璃管200相对于网表面134a、134b的部分的平坦化也会取决于网表面134a、134b的排出通量。
通常，可以对边缘室142a、142b、146a、146b、148a、148b(参见图1)的直径和长度，网表面134a、134b的凹陷，边缘室相对于倾斜表面132a、132b的定位，以及供给到边缘室的气体的压力进行适当选择，以提供绕着喷嘴120的所需的气体轴承压力分布，以在玻璃管200中形成所需的椭圆形截面形状。例如，为了形成6mm x 65mm的椭圆形内部截面形状，边缘室可以是直径3mm且与相邻的倾斜表面距离1.5mm。网表面的凹陷区域可以是深0.5-1.5mm。可以使用诸如氮气或者空气的气体作为供给气体。凹陷区域中的排出通量可以是0.5-1.5m3/小时，在780℃测量。采用该配置，可以在玻璃管相对于网表面的部分获得平坦面。倾斜表面处的局部化气体轴承也会确保横向张力以帮助平坦面的平坦度控制。但是，应明确的是，需要基于待形成的形状以及需要形成形状的压力分布来设定一致化工具100和供给气体的性质，并且它们不应限于上文给出的具体例子。
可以具有无排出流通点位的网表面134a、134b，使得可以在网表面134a、134b和玻璃管200之间形成气体轴承，例如如果希望的是具有齿条侧而不是平坦侧的椭圆形截面形状的话。在此情况下，喷嘴120的几何形貌可以是使得在网表面134a、134b和玻璃管200之间形成的气体轴承相比于在倾斜表面132a、132b和玻璃管200之间形成的气体轴承是不同的，从而可以以不同量、双轴地向玻璃管200施加横向膨胀作用力。通常来说，玻璃管200中希望较大横向膨胀的部分会具有比玻璃管200中希望较低或者没有横向膨胀的部分低高的气体轴承压力。
在一个或多个实施方式中，对玻璃管200的初始圆周(即，将玻璃管200一致化至最终截面轮廓之前的圆周)进行选择，使其小于玻璃管200的最终圆周(即，将玻璃管200一致化至最终截面轮廓之后的圆周)。换言之，在再成形过程中，玻璃管200的壁会具有部分几何横向拉伸。初始圆周与最终圆周之间的比例小于1。优选地，初始圆周与最终圆周之间的比例小于0.96。更优选地，比例为0.7-0.95，这会导致玻璃管壁被拉伸5-30％。当希望伴随着一致化使得玻璃管200的壁发生有意薄化时，可以使用0.7-0.95的比例。
可以从采用一致化工具100以及如上文所述过程进行成形的玻璃管切割玻璃套筒。在一个实施方式中，玻璃套筒具有无缝壁和椭圆形截面形状，长宽比大于5:1。优选地，长宽比大于10:1。在一个实施方式中，玻璃套筒的绝对厚度(参见图13的182)小于12mm。绝对厚度包括玻璃厚度。在一个实施方式中，玻璃套筒的绝对宽度(参见图13的184)高至70mm。绝对宽度包括玻璃厚度。在一个实施方式中，玻璃套筒的内表面粗糙度小于1μm，优选为0.2-10nm。在一个实施方式中，玻璃套筒的外表面粗糙度小于1μm，优选为0.2-10nm。在一个实施方式中，玻璃套筒的壁具有相对平坦区段。各个平坦区段中的平坦度优于50x 90mm2上的50μm，通过共焦显微镜或者机械度量系统测得。优选地，各个平坦区段中的平坦度优于70x 120mm2上的30μm，通过共焦显微镜或者机械度量系统测得。平坦度测量为相对于完美平坦表面的偏移。因此，偏移越小，平坦度越好。切割了玻璃套筒的玻璃管可以由可离子交换材料制造，从而玻璃套筒可以经受离子交换过程进行化学强化。
图13显示从采用一致化工具100以及如上文所述过程进行成形的玻璃管切割，并且符合上文所述要求的玻璃套筒。可以类似地形成具有不同截面轮廓的其他玻璃套筒。玻璃套筒180具有0.18mm的平均表面粗糙度(用Zygo干涉仪测得)，其与未通过一致化工具100进行成形的原始玻璃管的平均表面是相当的。这意味着如上文所述的那样，在再成形过程中保留了玻璃管的表面质量。此外，玻璃套筒180的平坦侧符合上文所述的要求。玻璃套筒180可以作为电子器件的外壳。可以将电子器件的组件布置在玻璃套筒180的隔室内，使得电子器件的任意平坦显示器与玻璃套筒180的平坦侧(或者表面)相邻。然后可以用合适的塞(其可以是由除了玻璃之外的材料制得)密封玻璃套筒180的开放端。还可以在玻璃套筒中布置电子器件的组件之前，对玻璃套筒180的一端进行火焰密封。在玻璃套筒180中布置了电子器件的组件之后，可以用塞密封套筒180的余下开放端。组装的产品会具有无缝、相同质量的顶表面和底表面。
一致化工具100可有利地用于玻璃管加工中，以实现玻璃异形管的连续生产。图14显示结合了一致化工具100的玻璃管加工的例子。图14中的玻璃管设备配置成通过Vello工艺形成玻璃管。但是，一致化工具100不限于Vello工艺。其他玻璃管加工，例如Danner工艺或者下拉工艺也可利用一致化工具100来连续地产生具有所需的截面形状和壁厚的玻璃异形管。在图14所示的过程中，熔融玻璃500从罐502流过绕着钟形物506的孔504。空气吹过钟形物506的空心尖端508以形成玻璃管510。在空心尖端518下方是一致化工具100。玻璃管510通过一致化工具100(160)，同时一致化工具100(160)将玻璃管510成形为最终截面轮廓512。在一致化工具100之后，玻璃管510逐渐地从高粘度状态至低于软化点的凝固状态(约108泊)，有利地低于1011泊，以用于精确尺寸控制。
在一个实施方式中，玻璃管510在非常高粘度的时候从垂直转向水平。这会实现周期性地对玻璃管510的水平部分进行切割，显示为514、516，而不扰动靠近罐和一致化工具的工艺的上部分。该转变在非常高粘度状态是可能的，部分是因为玻璃管的相对薄度(例如小于12mm)以及大转向半径(例如2-4m)。在一个替代实施方式中，玻璃管没有从垂直转向水平，并且是垂直地操作玻璃管的周期切割。可以在一致化工具之后布置牵拉装置(例如，辊或者带牵引机)，以支撑玻璃管，并且可以在牵拉装置之后进行垂直切割。
在玻璃管的水平和垂直切割中都可使用精细金刚石锯片切割。精细金刚石锯片切割可实现竖直和无接近碎片切割(close-to-chip free cutting)，这会仅仅需要最终斜切和抛光操作以确保预期的美观和机械性能。也可使用其他切割方法，例如激光切割。可以从连续的玻璃异形管初始地切割大的异形管。然后，可以从大的异形管切割较小的套筒，例如具有适用于装纳小的电子器件的尺寸。套筒可以经受离子交换过程用于改进强度。
尽管已经参考有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于本公开的本领域技术人员可以理解能够在不背离本发明所揭示的范围的前提下进行其他的实施方式。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种用于制造异形管的设备，所述设备包括：
适合于靠近管表面放置的心轴，所述心轴具有喷嘴区段，该喷嘴区段具有会限定管的最终截面轮廓的选择的截面轮廓，所述喷嘴区段具有用于接收气体的进料室和多孔圆周表面，气体能够通过所述多孔圆周表面排放到心轴的外部，其中当气体排放到心轴外部时，其在多孔圆周表面和管之间形成加压气体的膜。
2.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括用于形成管的管形成设备，其中心轴布置成与管形成设备同轴。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，喷嘴区段是穿孔的，或者是由孔隙率为10-20％且平均孔径小于或等于10μm的多孔材料制造的。
4.如权利要求1-3中任一项所述的设备，其特征在于，多孔圆周表面包括一对边缘表面，它们是相对关系并且相对于工具轴倾斜，心轴沿着所述工具轴对准。
5.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，多孔圆周表面还包括一对侧表面，它们是相对关系并且在所述边缘表面对之间形成网。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述侧表面对分别具有凹陷区域。
7.如权利要求4所述的设备，所述设备还包括至少一对边缘室，其形成在喷嘴区段中并且与进料室相连，所述边缘室对分别与所述边缘表面对的一个相邻并且与其基本平行。
8.如权利要求4所述的设备，所述设备还包括一对室组，其形成在喷嘴区段中，所述室组分别包括与进料室相连的至少两个边缘室，所述室组分别与所述边缘表面对的一个相邻并且与其基本平行。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，各个室组的至少两个边缘室与相邻边缘表面是等距离的。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，各个室组的至少两个边缘室具有不同长度。
11.一种形成异形管的方法，所述方法包括：
将心轴布置在与由玻璃材料制造的管的表面相邻，所述心轴具有喷嘴区段，该喷嘴区段具有会限定管的最终截面轮廓的选择的截面轮廓；
从喷嘴区段的多孔圆周表面排放气体，以在喷嘴区段和管表面之间产生加压气体的膜，所述加压气体的膜向管表面施加压力，其足以使得管局部变形成与喷嘴区段一致；
使得加压气体的膜沿着管的长度前进；以及
对管进行加热，从而在加压气体的膜施加压力的管的任意局部区段中，所述管的局部区段的粘度是使得所述管的局部区段能够通过压力发生变形。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，管在与喷嘴区段一致之前具有初始圆周，并且在与喷嘴区段一致之后具有最终圆周，并且所述方法还包括对管进行选择，使得初始圆周与最终圆周的比例为0.7-0.95。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，管变形成与喷嘴区段一致包括使得管壁伸长5-30％。
14.如权利要求11-13中任一项所述的方法，所述方法还包括以1-10atm的压力将气体递送到喷嘴区段中的进料室。
15.如权利要求11-14中任一项所述的方法，其特征在于，加压气体的膜的厚度为60-70μm。
16.如权利要求11-15中任一项所述的方法，所述方法还包括将心轴布置成与形成管的管形成设备同轴。
17.如权利要求11-16中任一项所述的方法，所述方法还包括从已经变形成与喷嘴区段一致的管的区段切割至少一个套筒。
18.如权利要求11-17中任一项所述的方法，其特征在于，排放气体包括从多孔圆周表面排放气体以及从多孔圆周表面的凹陷区域排出气体的组合，从而使得在管和喷嘴区段之间局部地产生加压气体的膜。
19.一种由玻璃材料制造的套筒，所述套筒具有无缝壁，所述壁的内表面的表面粗糙度小于1μm且外表面的表面粗糙度小于1μm，所述壁具有相对平坦区段，所述平坦区段分别具有70x 120mm2的区域上的优于50μm的平坦度。
20.如权利要求19所述的套筒，所述套筒具有椭圆形截面形状。
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