CN107207307B - 用于将热能添加到玻璃熔体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本文公开用于向玻璃熔体添加热能的方法和设备。本文所公开的用于生成热等离子体的设备包括：电极；接地电极；介电等离子体约束容器，在所述两个电极之间延伸；以及磁场发生器，围绕所述介电等离子体约束容器延伸。本文还公开了用于澄清熔融玻璃的方法，包括：使用本文所公开的设备生成热等离子体；以及使所述熔融玻璃与所述热等离子体接触。本文还公开了根据这些方法而产生的玻璃结构。

Description

用于将热能添加到玻璃熔体的方法和设备
本申请根据专利法要求2015年1月8日提交的美国专利申请序列号14/592452的优先权益，所述申请的内容是本文的基础并且据此以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本公开大体涉及用于处理玻璃批料的方法和设备，并且更具体地涉及用于在澄清过程期间使用RF等离子体将热能添加到玻璃熔体的方法和设备。
背景技术
可以在各种应用使用玻璃基板，所述应用的范围为从窗户到高性能显示装置。由于对改善的分辨率、清晰度和性能的需求增加，因此对玻璃基板的质量要求已经变得更加严格。然而，玻璃质量可能受到各种加工步骤(从形成玻璃熔体到该玻璃产品的最终包装)的不利影响。具体地讲，玻璃片材可能并不适于在存在气泡(并且在某些情况下，甚至玻璃片材中的单个气泡)的情况下使用。
在熔融过程期间，将玻璃前体批料混合在一起并且在熔化器中进行加热。批料熔化和反应，从而散出在熔融玻璃中产生气泡的反应气体。然后，熔融玻璃经历澄清步骤以便移除被捕获在熔体中的气泡。然而，这种澄清步骤通常需要较长处理时间、高能量消耗和/或增加的费用，这是因为反应气体为了逸出玻璃熔体而行进了较长距离。为了促进气泡从玻璃熔体逸出，通常使用由诸如铂的材料构成的长管(例如，若干米长)执行澄清，这可具有相当大的占地面积和费用。
除了消耗空间、能源和/或资本之外，当前澄清过程也会限制可有效地融化和澄清的玻璃组合物。例如，为了驱动气泡从玻璃熔体逸出，通常使用超过熔化温度的澄清温度(至少约50℃并且有时至少约100℃)。因此，可获得的澄清温度的上限可以对具有较高玻璃化转变温度(诸如超过约1600℃或更高的温度)的玻璃组合物施加限制。
澄清可以通过两个过程促进气泡移除。当玻璃温度的增加导致玻璃熔体的较低粘度时，发生斯托克斯澄清化。然后，气泡可以通过较不粘稠的玻璃熔体更快地上升。当玻璃温度的增加对化学澄清剂(诸如锡)进行化学还原时发生化学澄清，从而将氧气释放到玻璃中，氧气之后可以并入气泡。当气泡吸收过多氧气时，它的尺寸增加并且更容易地上升通过玻璃熔体，有时与其他气泡合并和/或崩溃。澄清剂可以包括锡、砷和锑(仅举数例)。砷和锑是较强的澄清剂，但是可能会造成安全和环境危害，并且因此不太常用。氧化锡是相对更安全的，但另外具有相对较弱的澄清能力。此外，因为升高的锡水平可导致在下游处理期间(例如，在成形体或溢流槽上)形成二次晶体，所以可以作为澄清剂并入玻璃批料中的锡的量通常受到限制。
因此，本申请人已经对用于促进澄清的各种方法进行研究，诸如真空澄清、离心澄清、以及通过深熔池重新吸收气泡。然而，这些方法仍然受制于一或多个缺点，包括在较高澄清温度下的高成本和/或减小的有效性。申请人也已经对热点澄清、或在流动玻璃流内生产温度升高的局部区进行研究。例如，使用传统的燃烧器、微波、超声波等等可以实现热点澄清。微波和超声波澄清可提供超越传统澄清过程的成本优势，但可能受制于较差的穿透深度和/或可能实际上难以实现。使用火焰燃烧来创建热点的传统燃烧器也可能具有一或多个缺点，诸如无法精确控制热点温度。如果火焰不够热，那么将不生成热点并且因此将不会驱动和/或增强澄清。如果火焰过热，或者如果热点中心过热，那么熔体中的较不稳定的氧化物(例如硼)可能挥发，从而对最终产品的组合产生负面影响。
因此，提供具有更高生产量和/或更低成本、同时还最小化与玻璃质量相关的问题(诸如熔体中气泡引起的缺陷)的玻璃澄清方法将是有利的。提供适于熔化特种玻璃材料(诸如具有较高玻璃化转变温度的玻璃)的玻璃澄清过程和设备也将是有利的。
发明内容
在各种实施方式中，本公开涉及用于生成热等离子体的设备，所述设备包括：电极；接地电极；介电等离子体约束容器，在电极与接地电极之间延伸；磁场发生器，围绕介电等离子体约束容器延伸；入口，用于将气体递送到介电等离子体约束容器中；RF电流源，被耦合到电极和接地电极以用于将气体转换成热等离子体；以及出口，用于递送热等离子体。在本文中也公开了包含这种设备的用于澄清熔融玻璃的系统。本文进一步公开了玻璃结构(诸如玻璃片材)，玻璃结构具有大于约1650℃的玻璃化转变温度(Tg)并且小于约0.001个气泡/磅的气泡浓度。玻璃结构可以包括至少约45重量％(例如约45至约95重量％)的氧化铝和/或二氧化硅、以及小于约55重量％(例如5至55重量％)的钡、硼、镁、钙、钠、锶、锡和/或钛的氧化物中的至少一种。
附加的特征和优点将在以下详细描述中阐述，并且部分地由本领域的技术人员从描述中显而易见，或者通过实践本文所述本发明来识别，包括以下详细描述、权利要求、以及附图。
应当了解，以上概述与以下详述二者均呈现了各种实施方式，并且意图提供用于理解所要求保护的本发明的性质和特征的综述或框架。包括附图提供进一步的理解并且所述附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明各种实施方式并与描述一起用于解释本发明的原理和操作。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可最好地理解以下详细描述，其中相同结构用相同参考数字指示，并且其中：
图1是根据本公开的一个实施方式的用于澄清玻璃批料的设备的剖面图；
图2描绘了根据本公开的各种实施方式的用于澄清玻璃批料的设备；以及
图3A-B是根据本公开的各种实施方式的用于澄清玻璃批料的系统的剖面图。
具体实施方式
设备
本文中公开了用于生成热等离子体的设备，所述设备包括：电极；接地电极；介电等离子体约束容器，在电极与接地电极之间延伸；磁场发生器，围绕介电等离子体约束容器延伸；入口，用于将气体递送到介电等离子体约束容器中；RF电流源，被耦合到电极和接地电极以用于将气体转换成热等离子体；以及出口，其用于递送热等离子体。
如本文所使用，术语“热等离子体”、“大气热等离子体”和其变化旨在指示穿过入射高频电场的气体，诸如惰性气体(例如氩)。遇到电磁场产生气体原子的电离并且释放电子，所述电子被加速到高速度并且因此被加速到高动能。一些高速电子通过与其他原子最外面的电子碰撞而电离其他原子，并且那些释放的电子可以进而产生附加的电离，从而导致级联电离效应。由此产生的等离子体可能在流中流动，捕获在该流中的高能颗粒被投射朝向待加热的物体并撞击它，由此将其动能传递到物体(例如，熔融玻璃等)。
图1示出了可操作以用于执行根据本公开的实施方式的方法的示例性设备100的剖面图。在所示的实施方式中，热环耦合等离子体喷射设备100安装在澄清管112的壁上。设备包括电极101、接地电极102、以及在两个电极之间延伸的介电等离子体约束容器(或管)108。磁场发生器117围绕约束容器108延伸，以便诱导围绕设备所产生的磁场线处的回旋电子流。气体(例如，惰性气体)可以通过入口104来递送到等离子体约束容器108，并且可以作为等离子体羽流115离开约束容器108。
根据各种实施方式，电极(或第一电极)101可以是包括一或多种金属或金属合金的环。例如，电极可以包括银、铜、或具有低电阻率的其他合适金属(诸如铝、铂和金、以和其组合)。因为较高的电阻产生更多的热量并且降低热传递(Q)(这可能导致增加的功率损耗)，所以具有较低电阻的材料可以是有利的。环的厚度也可以取决于各种处理参数而变化。在一些情况下，因为额外的材料可以降低整体电阻率并且从而改善RF电流传导的效率，所以采用更厚的环可以是有利的。在一个非限制性实施方式中，电极101是厚度在约1cm至约3cm范围内(例如约2cm)的镀银铜环。取决于施加的功率和/或电极与澄清容器的接近程度，可以任选地使用水或任何其他合适流体来冷却电极。
接地电极(或第二电极)102也可以是包括如上公开的一或多种金属或金属合金(例如铂)的环，并且可以具有如上所述的厚度(例如约1cm至约3cm、或约2cm)。在某些实施方式中，接地电极102可包括等离子体羽流可通过其离开的安装凸缘。取决于施加的功率和/或电极与澄清容器的接近程度，可以任选地使用水或任何其他合适流体来冷却接地电极。与采用内部电弧电极的电弧等离子体射流相反，本文公开的设备可以采用不与等离子体羽流物理接触的外部电极。这种配置可以避免由于电极材料蒸发而导致的玻璃熔体污染。
可以使用RF电流源103在两个电极101与102之间建立RF场，所述RF电流源103通常可以包括RF发生器(未示出)和RF matchwork(未示出)。在一些实施方式中，RF电流的频率可在约3MHz至约100MHz的范围内，诸如约5MHz至约90MHz、约10MHz至约80MHz、约20MHz至约70MHz、约30MHz至约60MHz、或约40MHz至约50MHz，包括其间所有范围和子范围。例如，示例性RF频率包括6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz和40.68MHz。取决于要被澄清的玻璃熔体的体积，RF电流源103可以在约10kW至约100kw的功率范围内操作，例如功率可以在约20kW至约90kW、约30kW至约80kW、约40kW至约70kW、或约50kW至约60kW的范围内，包括其间所有范围和子范围。
可以通过入口104将气体引入等离子体约束管108中。入口104可以包括由金属(例如黄铜)、金属合金(例如不锈钢)、或陶瓷材料构成的凸缘。入口可以包括气体流动通过的中心喷嘴114、以及喷嘴外环带113。喷嘴外环带可以包括如特定应用所需的任何数量的较小喷嘴(例如，多达16个喷嘴或更多喷嘴)。从喷嘴环带113向下的流可以用于朝向等离子体约束管108的中心引导工作气流。根据各种实施方式，气体可以选自惰性气体，诸如氦气、氖气、氩气、氪气和氙气。例如，来自中心喷嘴114和喷嘴环带113的气流流速可以在约1slpm至约30slpm的范围内，诸如约2slpm至约28slpm、约5slpm至约24slpm、约8slpm至约20slpm、或约10slpm至约15slpm，包括其间所有范围和子范围。在一些实施方式中，来自中心喷嘴的气流流速可以在约1至约24slpm的范围内，并且来自喷嘴环带的气流流速可独立地在约1至约24slpm的范围内。
可以使用水或任何其他合适流体对凸缘进行冷却。冷却入口105和冷却出口106可以被设置并且可以连接到冷冻机(未示出)，以便将水或其他冷却剂维持在期望的温度(例如室温)。在一些情况下，因为较冷的温度可能在设备外部产生冷凝(这在玻璃生产环境中可能是不期望的)，所以将等离子体约束容器108保持在约室温或更高可以是有利的。等离子体约束容器108可以具有任何形状或尺寸，并且在某些情况下可以是管状的形状。
冷却容纳容器(或冷却套)107可以设置在等离子体约束容器108周围，以用于容纳冷却水或其他冷却液。容纳容器107和约束容器108都可以由介电材料构成，诸如高温陶瓷材料(例如，氮化硅、高纯度氧化铝、以和其组合)。容纳容器107可以提供空间110和111，以用于使循环冷却剂围绕约束容器108流动以便均匀地冷却它。可以设置环密封件109以便密封冷却套并且使空间110和111基本上防水。环密封件109也可以由陶瓷材料构造，并且在一些实施方式中可以使用例如热环氧树脂来密封在两个容器之间。任选地，空间110和111还可以包括陶瓷棒(未示出)，以用于围绕整个约束容器108均匀地偏转水流。这些棒可以改善水循环，并且确保等离子体约束容器的下部和上部的适当冷却。
磁场发生器117可以放置在等离子体约束容器108(和冷却套107)周围(例如与约束容器同心)，并且可以用于提供期望的等离子体流动模式。例如，通过致使离子和电子围绕磁场线螺旋运动，磁体可以向内夹紧等离子体，从而产生回旋流。由于在等离子体约束容器108中存在电场和磁场两者而引起的洛伦兹力可以产生电子回旋共振(ECR)效应，其取决于磁场的强度。ECR也可能取决于电子碰撞率，其可能进而取决于其他因素(诸如压力)。例如，由于有限的自由空间(例如，数量级为约68nm的平均自由空间)，电子碰撞速率可能在大气压下更高，使得电子限制了在与其他颗粒碰撞之前围绕磁场线螺旋运动的时间。电子进行螺旋运动的程度致使其能够拾取附加动能，然后它们可以将所述附加动能传递到与其碰撞的颗粒，颗粒非弹性地吸收动能并且然后被具有初始较高能量的磁场线捕获，随后旋转几次，并且然后与另一个颗粒碰撞。在较低压的等离子体中，平均自由空间可能是较大的(例如，数量级为几厘米)，使得电子可以在较长距离内螺旋运动而不被阻碍。
当发生回旋共振时，电子可能具有与离子和中性颗粒碰撞的附加机会，由此传递其动能(从围绕磁场线加速获得)。离子和中性颗粒可以吸收这种动能，所述动能然后被转换成热量，从而致使离子和中性颗粒更强烈地振动。中性颗粒由于与电子的碰撞还可能被电离，所述中性颗粒从其轨道中弹出价电子并且由于汤森效应增加自由电子数。因此，ECR效应可用于将等离子体温度显着提高到足以在等离子体熔体中创建热点的水平。
例如，产生ECR所需的磁场取决于RF电流的频率。可以使用以下公式来计算所需的磁场强度(B)(对于非相对论性速度)：
Figure BDA0001370739130000061
其中ω是角频率(2π·频率)，m是电子的静止质量9.11x 10-31kg)，并且e是基本电子电荷(1.602x 10-19C)。因此，为了以13.56MHz的示例性频率产生ECR，所需的最小磁场强度(B)可以如下计算：
Figure BDA0001370739130000062
或T，特斯拉
因此，用于以13.56MHz频率操作的设备的周围磁场发生器117应具有至少约4.8x10-4T的场强度。当然，本领域技术人员能够针对其他操作频率计算磁场强度、并且相应地选择或修改磁体。
根据各种实施方式，可以使用螺线管来产生磁场。例如，通过改变DC电流，可以在螺线管中控制场强度。在某些实施方式中，螺线管可以用水或任何其他合适的流体来冷却以便最大化效率。当然，也可以使用其他磁场发生器，并且设想其在本公开的范围内。
在各种实施方式中，设备100可以安装在澄清管112的壁上。等离子体羽流115因此可以离开等离子体约束管108，并且在澄清管内撞击玻璃熔体116的表面。等离子体羽流115可以被设想为具有基本圆柱形或稍微圆锥形的形状，具有给定长度和圆形剖面。圆形剖面由中心或核心以及各种同心环或护套限定。因此，等离子体羽流的温度可以被描述为剖面梯度，其中等离子体羽流的核心可以具有高达约11,000K的温度，并且等离子体羽流的外护套或外边缘可以具有至少约300K的相对较低温度。例如，核心的温度可以在约9,000K至约11,000K的范围内，并且外护套的温度可以在约300K至约1,000K的范围内，诸如约300K至约500K。多个设备100可以安装在沿澄清管的各种位置处，以便在玻璃熔体流动通过澄清管时在玻璃溶体中创建热点。根据各种实施方式，设备可以在足以产生局部温度可高达2000℃的热点的温度下操作。例如，该设备可将玻璃熔体加热到约500℃至约1900℃范围内的温度，例如约800℃至约1800℃、约1000℃至约1700℃、约1200℃至约1600℃、或约1400℃至约1500℃，包括其间所有范围和子范围。
图2提供了用于执行本文公开的各种方法的设备100的另一个图示。如图1所示，设备包括电极101、接地电极102、以及在两个电极之间的介电等离子体约束容器108。气体118通过入口104进入约束容器108并且作为等离子体羽流115离开。两个电极连接到提供电极之间的电流ic的RF源103。在正弦周期的前半部分中，电极101带正电并且接地电极102带负电。在操作期间，接地电极102保持接地电势，但是电极101可以从高于地电势的正电势摆动到相对地电势的负电势。磁场线B被示为与气流和等离子体羽流的方向正交。电场线E从正电荷行进到负电荷，并且可以在该方向上向最外面的电子施加力。第二磁场由磁场发生器(未示出)生成，其中场线平行于气流方向行进。磁场可以将电子拉入圆周运动，从而在气体中形成可以随RF场的正弦方向改变而改变方向的螺旋路径。
在一些实施方式中，本文公开的设备可以被设想为以类似于介电阻挡放电等离子体射流的方式起作用，尽管此类设备缺乏产生如本文所公开的热等离子体所需的形式和功能。例如，介电阻挡放电装置使用低得多的频率(例如，小于500kHz)，并且从而产生具有非常小的等离子体体积的非热等离子体。由于低电子密度和低温，电离水平是非常弱的。因此，通过这种羽流产生的等离子体在体积或温度上不足以将玻璃熔体加热到高澄清温度，特别是鉴于玻璃熔体的潜在大表面积。相比之下，本文公开的设备在高得多的频率(例如，3MHz或更大)、高功率(例如，10kW或更大)、以及等离子体中的高循环电流(例如，高达14Amp)下起作用。此外，使用磁场发生器来诱导ECR将等离子体羽流的温度提高到足以驱动和/或增强玻璃澄清的水平。
这样，本文公开的用于生成热等离子体的设备可用于玻璃澄清过程，例如用于通过电子轰击而不是火焰燃烧将熔融玻璃加热到较高温度。这个特征和其他特征允许与常规澄清设备相比是灵活、可调谐和便宜的设备。特别地，在一些实施方式中，本文所公开的用于生成热等离子体的设备可以被精确地控制和调谐到期望的温度，由此避免过冷或过热的热点以及与其相关的相应缺点。
方法
本文中公开了用于澄清熔融玻璃的方法，所述方法包括：使用本文所述设备来生成热等离子体，将熔融玻璃引入澄清容器中，以及使熔融玻璃与热等离子体接触。根据本文所公开的各种实施方式，熔融玻璃批料与等离子体羽流接触并且由其加热。如本文所用，术语“接触”和“已接触的”和其变化旨在指示熔融玻璃与等离子体的物理和/或热相互作用。例如，玻璃可与等离子体物理接触、和/或玻璃可与等离子体进行热接触，例如由热等离子体产生的热量。熔融玻璃可以被等离子体直接加热，或通过与被等离子体加热的材料或表面接触来间接加热。
还应理解，通过与热等离子体接触来加热熔融玻璃可以是熔融玻璃的整体加热或玻璃熔体的选定区的局部加热(例如，创建“热点”)。与整体加热相反，局部加热向一或多个预定区(例如，在澄清容器中)提供热量，使得玻璃行进通过相对于彼此是相对热和冷的离散区，这些区任选地沿澄清器长度交替。图3A-B描绘了用于执行根据本文公开的各种实施方式的方法的替代性系统配置。图3A-B都描绘了用于局部加热的配置，并且将在下面更详细地讨论。
在图3A中，多个等离子体喷枪300可附接或以其他方式耦合到澄清容器320、和/或可以放在容器附近。例如，等离子体喷枪300可以刚好位于澄清容器的外部，诸如在澄清器的耐火部分的壁内。如箭头所指示的，玻璃熔体G从入口330流到出口340。在所示的实施方式中，等离子体喷枪300可以朝向玻璃-空气界面350，从而在表面处创建一或多个局部热点360，其可以辐射到玻璃熔体G中并且局部地增加玻璃温度。升高的温度可以促进斯托克斯澄清化并且激活玻璃熔体中的化学澄清，使得玻璃熔体中的气泡370可以升高到表面和/或崩溃。此外，等离子体羽流可以在玻璃熔体中引入对流，其可能破坏玻璃熔体的层流并且促进澄清容器中的混合，这可以进一步促进澄清和/或减少对下游混合的需要。根据各种实施方式，图3A中描绘的在玻璃-空气界面处提供热点的系统配置可以有利于浅层澄清建立。
图3B描绘了替代性配置，其中等离子体喷枪300位于澄清容器320的下方。在所示实施方式中，在玻璃下面创建一或多个局部热点360，它可能随着热玻璃从澄清器底部上升而促进斯托克斯澄清化。等离子体喷枪朝向与玻璃接触的表面380并且撞击在其上。然后通过来自表面380的热传递390对玻璃熔体G进行加热。根据某些实施方式，与图3A的配置相比，图3B所描绘的系统配置可以提供增强的澄清(例如，斯托克斯澄清化)，但是如果喷枪撞击的材料(表面380)不能有效地将热量传递到玻璃熔体，则这种构造可能效率较低。此外，在此配置中，与等离子体接触的材料应当被选择为承受来自等离子体喷枪的热量而不被损坏。
本文所公开的方法可具有优于现有技术的澄清方法的各种优点。例如，通过使用热等离子体加热熔融玻璃，可以减少澄清设备的占地面积(例如，缩短澄清容器长度)。减少用于构造此类澄清容器的贵重材料(例如Pt)的量(即使减少一小部分)的能力可转化为显着资本节省。可替代地，对于预先存在的澄清系统和容器，可能增加熔融玻璃的生产量，由此改善效率并且生成增加的收入。此外，使用作为目标的可调谐的等离子体来加热熔融玻璃可能导致在设备寿命期间的磨损减少。例如，即使在一年时间内铂金氧化量降低2％也可导致显着降低成本。
另外，本文所公开的方法可有利地与其他玻璃熔化技术(诸如浸没式燃烧熔化(SCM))组合。SCM是一种具有较小占地面积小和相对较低成本的高产量熔化技术，其通过将气体-氧气火焰直接注入玻璃熔体中来熔化玻璃。SCM具有有利的高熔化速率，但是具有生成泡沫湿玻璃(例如高达约30％空隙率)的缺点。使用热等离子体来澄清这种玻璃熔体可以是有利的，因为它可以有效地破裂熔体中的泡沫，并且可以生成与用于SCM的熔化温度兼容的较高温度，可能需要所述较高温度来促进化学澄清。另外，通过热等离子体的澄清是相对干燥的过程，并且因此可用于从SCM玻璃熔体移除水分，特别是在下游处理步骤中通过离子交换来化学强化的玻璃的情况下，这可以是有利的。此外，SCM熔化设备可以包括将SCM连接到澄清容器的中间腔室，并且这个腔室可容易地被改装成包括等离子体澄清设备。
玻璃结构
术语“玻璃批料”和其变体在本文中用于指示玻璃前体颗粒的混合物，在熔化时，反应和/或组合以便形成玻璃。可通过用于组合玻璃前体颗粒的任何已知方法来制备和/或混合玻璃批料。例如，在某些非限制性实施方式中，玻璃批料可以包括玻璃前体颗粒的干燥或基本上干燥的混合物，例如没有任何溶剂或液体。在其他实施方式中，玻璃批料可能以浆料的形式，例如，在存在液体或溶剂下的玻璃前体颗粒的混合物。
根据各种实施方式，玻璃批料可以包括玻璃前体材料，诸如二氧化硅、氧化铝和各种附加氧化物(诸如钡、硼、镁、钙、钠、锶、锡或钛的氧化物)。例如，玻璃批料可以是二氧化硅和/或氧化铝与一或多种附加氧化物的混合物。在各种实施方式中，玻璃批料包括总共约45至约95重量％的氧化铝和/或二氧化硅、以及总共约5至约55重量％的钡、硼、镁、钙、钠、锶、锡和/或钛的氧化物中的至少一种。
各种特种或“非常规”的玻璃组合物可能因极高熔点而面临挑战，特别是鉴于在显著高于熔化器的温度下操作澄清器的趋势。例如，包含氧化钡和氧化铝的混合物或氧化钙和氧化铝的混合物的玻璃批料可以具有极高熔化温度(例如高于2100℃)，这使熔化过程复杂化并且使常规澄清变得困难(如果不是不可能的话)。包括高水平的二氧化硅和低水平的二氧化钛的超低膨胀
Figure BDA0001370739130000101
玻璃在使用传统过程来熔化和澄清时也可能面临困难。
特种玻璃也可以由包括相对高量的氧化铝的批料生产，例如大于约20wt％的氧化铝。可使用本文所公开的方法和设备来澄清的特种玻璃组合物可包括氧化铝和氧化钡的混合物，诸如包括至少约50重量％的氧化铝和小于约50重量％的氧化钡的混合物、例如包括约50至约75重量％的氧化铝和约25至约50重量％的氧化钡的混合物、或约67重量％的氧化铝和约33重量％的氧化钡的混合物。包含氧化铝和氧化钙的类似混合物也可以用作玻璃批料，例如包括约70至约80重量％的氧化铝和约20至约30重量％的氧化钙的混合物。
Figure BDA0001370739130000111
玻璃可以包含高水平的二氧化硅，例如约85至约95重量％的二氧化硅和约5至约15重量％的氧化钛、或大于约90重量％的二氧化硅和小于约10重量％的氧化钛。这些
Figure BDA0001370739130000112
玻璃可以包括羟基(-OH)和各种附加元素，诸如Nb、Ta、F和Al。例如，
Figure BDA0001370739130000113
玻璃可以包括小于约5重量％的这种附加元素。在某些实施方式中，
Figure BDA0001370739130000114
玻璃可以包括在约0.1至约5重量％的范围内的这种元素，诸如约0.5至约3重量％、或约1至约2重量％。
在某些非限制性实施方式中，批料包括小于约55重量％的钡、硼、镁、钙、钠、锶、锡和/或钛的氧化物中的至少一种，例如小于约50重量％、小于约45重量％、小于约40重量％、小于约35重量％、小于约30重量％、小于约35重量％、小于约20重量％、小于约15重量％、小于约10重量％或小于约5重量％(相对于玻璃批料的总重量)，包括其间所有范围和子范围。在不希望受理论束缚的情况下，据信在这种改性剂中低处的玻璃可能具有较高的玻璃化转变温度，并且因此可能更难以使用常规方法来熔化和/或澄清。
作为非限制性示例，玻璃批料可以包括小于约55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5重量％的氧化钡，包括其间所有范围和子范围。作为非限制性示例，玻璃批料可以包括小于约55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5重量％的氧化硼，包括其间所有范围和子范围。可替代地，玻璃批料可以包括小于约55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5重量％的氧化镁，包括其间所有范围和子范围。在其他实施方式中，玻璃批料可以包括小于约55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5重量％的氧化钙，包括其间所有范围和子范围。根据另外的实施方式，玻璃批料可以包括小于约55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5重量％的氧化钠，包括其间所有范围和子范围。在另外实施方式中，玻璃批料可以包括小于约55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5重量％的氧化锶，包括其间所有范围和子范围。在再进一步的实施方式中，玻璃批料可以包括小于约55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5重量％的氧化锶，包括其间所有范围和子范围。根据其他实施方式，玻璃批料可以包括小于约55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5重量％的氧化钛，包括其间所有范围和子范围。应当理解，可以使用上述氧化物的各种混合物，其中所述至少一种氧化物的总量小于约55重量％。作为非限制性示例，可以使用氧化钠和氧化钙的混合物，或者可以使用氧化钛和氧化钠的组合，或者可以使用氧化镁、氧化钠和氧化钙的组合等。
二氧化硅和/或氧化铝可能以至少约45重量％的玻璃批料的总和量存在，例如至少约50重量％、至少约55重量％、至少约60重量％、至少约65重量％、至少约70重量％、至少约75重量％、至少约80重量％、至少约85重量％、至少约90重量％，或至少约95重量％。根据某些实施方式，玻璃批料可以包含至少约45、50、55、60、65、70、75、80、85、90或95重量％的二氧化硅。在其他实施方式中，玻璃批料可以包含至少约45、50、55、60、65、70、75、80、85、90或95重量％的氧化铝。
应当理解，也可以使用以上指示量的二氧化硅和氧化铝的混合物，其中二氧化硅和氧化铝的总和量大于约45重量％。
还可以设想附加玻璃批料组合物可用作以本文所述方法中处理的玻璃批料，所述附加玻璃批料组合物可能需要升高的熔化温度和/或可能具有与上述那些类似的其他处理困难。例如，包括氮化硅、碳化硅、氧化锆和其他具有高熔化温度的氧化物的玻璃批料可适用于根据本文所述方法的处理。也可以根据本文所述的方法处理高性能光学玻璃(诸如来自Corning Incorporated的EAGLE
Figure BDA0001370739130000121
和LotusTMXP)。
可以通过本领域已知的用于混合和/或处理玻璃批料的任何方法来制备玻璃批料。例如，批料可以混合、碾磨、研磨和/或以其他方式处理，以便产生具有期望尺寸和/或形状的期望混合物。例如，玻璃批料可以具有小于约1,000微米的平均粒度，例如小于约900、800、700、600、500、400、300、200或100微米，以及其间所有范围和子范围。在各种实施方式中，玻璃批料可以具有约5微米至约1,000微米范围内的平均粒度，诸如约50微米至约900微米、约100微米至约800微米、约150微米至约700微米、约200微米至约600微米、或约250微米至500微米，以及其间所有范围和子范围。在另外的实施方式中，玻璃批料的平均粒度可以小于约100微米，诸如小于约50微米、小于约25微米、或小于约10微米。
本文所述的方法和设备提供用于熔化和澄清玻璃批料的方法，所述玻璃批料然后可以用于形成玻璃结构。如本文所使用的，术语“玻璃结构”和其变型旨在指示通过处理熔融玻璃制成的玻璃制品，例如在澄清过程之后生产的任何物品。玻璃结构的形状、尺寸、组成或微结构不受限制，并且可以是任何常规或非常规制品。例如，玻璃结构可以是已经冷却至例如室温的制品，或者可以是以熔融或半熔融状态存在的制品。在一些实施方式中，玻璃结构可以是诸如通过融合拉伸、槽拉伸或浮法过程产生的玻璃片材。具有不同组成和物理性质的各种其他玻璃形状被设想并且旨在落入本公开的范围内。
根据各种实施方式，本文公开的方法可以使得可对具有相对更高的玻璃化转变温度(Tg)的非常规玻璃组合物进行澄清，例如大于约1650℃、大于约1700℃、大于约1800℃、大于约1900℃或大于约2000℃，包括其间所有范围和子范围。在其他实施方式中，可以比现有技术废热方法更有效地对常规(和非常规)玻璃组合物进行澄清，例如以便产生具有较少气泡和/或水泡的熔融玻璃和玻璃结构。例如，用于澄清熔融玻璃的典型过程可以产生气泡浓度范围为每磅玻璃约0.001至约0.01个气泡的熔融玻璃或玻璃结构。相比之下，本文公开的方法可以提供具有至少更低数量级的气泡浓度的熔融玻璃和玻璃结构，例如小于约0.001个气泡/磅，小于约0.0009、0.0008、0.0007、0.0006、0.0005、0.0004、0.0003、0.0002或0.0001个气泡/磅。
应当理解，各种公开的实施方式可以涉及结合该特定实施方式描述的特定特征、元件或步骤。还应当理解，特定特征、元件或步骤(尽管关于一个特定实施方式描述)可以与替代性实施方式以各种未示出的组合或排列来进行互换或组合。
应当理解，如本文所使用的，术语“所述”、“一个”或“一种”是指“至少一个”，并且除非明确指出相反，否则不应限于“仅一个”。因此，例如，除非上下文另有明确指出，否则提及“喷枪”包括具有两个或更多个这种“喷枪”的示例。
在本文中，范围可表达为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值。当表达这样一个范围时，示例包括从一个特定值和/或至另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表达为近似值时，将理解的是特定值形成了另一方面。应进一步理解，该范围的每个端点相对于另一个端点以及独立于另一个端点都是有意义的。
各种范围在本文中表示为“大于约”一或多个特定值或“小于约”一或多个特定值和“其间所有范围和子范围”。当表达此类范围时，示例包括从任何一个特定值到任何其他特定值。例如，包含大于约45重量％(诸如大于约50、55、60、65、70、75、80、85或90重量％)的氧化铝的玻璃批料包括约45重量％至约90重量％、约65重量％至约80重量％的氧化铝范围、以及每个公开值之间的所有其他可能范围。类似地，包含小于约55重量％(诸如小于约50、45、40、35、30、25、20、15或10重量％)的至少一种氧化物的玻璃批料包括约10重量％至约55重量％、约15重量％至约40重量％的氧化物范围、以及每个公开值之间的所有其他可能范围。
本文所表达的所有数值应解释为包括“约”，无论是否如此陈述，除非另有明确说明。然而，还应当理解，也精确地考虑了所引用的每个数值，不管它是否被表达为“约”该值。因此，“大于1000℃的温度”和“大于约1000℃的温度”都包括“大于约1000℃的温度”以及“大于1000℃的温度”的实施方式。
除非另外明确说明，否则决不意图将本文陈述的任何方法解释为要求以特定顺序执行其步骤。因此，在方法权利要求项没有实际叙述其步骤所遵循的顺序或在权利要求书或描述中没有另外具体陈述各步骤将限于特定顺序的情况下，决不意图推断任何特定的顺序。
虽然可以使用过渡短语“包括”来公开特定实施方式的各种特征、元件或步骤，应当理解隐含替代实施方式，包括使用过渡性短语“组成”或“基本上由...组成”描述的那些。因此，例如，包括A+B+C的设备的隐含替代性实施方式包括设备由A+B+C组成的实施方式、以及设备基本上由A+B+C组成的实施方式。
对本领域的技术人员将显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和变化。由于本领域的技术人员可以想到结合本发明的精神和实质所公开的实施方式的修改、组合、子组合和变型，本发明应当解释为包括在所附权利要求书和其等效物的范围内的所有内容。

Claims (17)

1.一种用于通过射频（RF）电磁场生成热等离子体的设备，包括：
电极，
接地电极，
介电等离子体约束容器，在所述电极与所述接地电极之间延伸，其中所述电极和所述接地电极在所述介电等离子体约束容器外部，
磁场发生器，围绕所述介电等离子体约束容器延伸，
入口，用于将气体递送到所述介电等离子体约束容器中，
RF电流源，被耦合到所述电极和所述接地电极并被配置为生成RF电流以创建RF电磁场以用于将所述气体转换成热等离子体，以及
出口，用于递送所述热等离子体，
其中所述RF电磁场足以在所述介电等离子体约束容器内产生电子回旋共振(ECR)效应。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述电极和所述接地电极包括金属环。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述入口包括中心喷嘴和外围环带，所述外围环带包括多个喷嘴。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述RF电流生成与所述介电等离子体约束管中的气流方向平行的电场线、以及与所述气流方向正交的磁场线。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述磁场发生器生成与所述介电等离子体约束管中的气流方向平行的磁场线。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述热等离子体包括具有在约9000K至约11000K的范围内的第一温度的核心区域、以及具有在约300K至约1000K范围内的第二温度的外围区域。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述RF电流具有在约3MHz至约100MHz范围内的频率。
8.一种用于澄清熔融玻璃的系统，包括至少一个如权利要求1-7中任一项所述的设备。
9.如权利要求8所述的系统，其还包括澄清容器，所述澄清容器容纳所述熔融玻璃。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个设备朝向所述澄清容器中的玻璃-空气界面。
11.如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个设备朝向所述澄清容器的外表面。
12.一种用于澄清熔融玻璃的方法，包括：
将气体引入到用于通过射频（RF）电磁场生成热等离子体的设备中，所述设备包括：
电极，
接地电极，
介电等离子体约束容器，在所述电极与所述接地电极之间延伸，其中所述电极和所述接地电极在所述介电等离子体约束容器外部，
磁场发生器，围绕所述介电等离子体约束容器延伸，
入口，用于将气体递送到所述介电等离子体约束容器中，
RF电流源，用于创建所述RF电磁场以用于将所述气体转换成热等离子体，其中所述RF电磁场足以在所述介电等离子体约束容器内产生电子回旋共振(ECR)效应，以及
出口，用于递送所述热等离子体，将熔融玻璃引入到澄清容器中；以及
使所述熔融玻璃与所述热等离子体接触。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述气体是选自氩、氦、氖、氪和氙的惰性气体。
14.如权利要求12所述的方法，其中使所述熔融玻璃与所述热等离子体接触包括：在所述澄清容器中的玻璃-空气界面处引导所述热等离子体。
15.如权利要求12所述的方法，其中使所述熔融玻璃与所述热等离子体接触包括：在所述澄清容器的外表面处引导所述热等离子体。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述热等离子体将所述熔融玻璃加热至大于或等于1700℃的温度。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述热等离子体局部加热所述澄清容器中的所述熔融玻璃所流动通过的至少一个预定区域。
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