JP2011505319A - ガラス製造システムにおいて用いられる耐火性の耐クリープ性多重層 - Google Patents
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Abstract
ガラス製造システムにおいて用いられるアイソパイプをここに開示し、このアイソパイプは、その耐火性特性および耐クリープ性能により選択された耐火性材料で作られたコア部分と、その耐火性特性、およびフュージョンガラス成形プロセス中の溶融ガラスとの接触におけるその適合性（例えばガラス内での低溶解性）により選択された第２の耐火性材料から作られた最外層とを有する。さらに、１つの耐火性材料で作られたコアと、別の耐火性材料から作られた、このコアを覆う少なくとも１つの層とを有するアイソパイプを作製する方法が開示される。
Description
本出願は、２００７年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６１／００４，６５０号の利益を主張するものである。この文献の内容、および本書で触れる刊行物、特許、および特許文献の全開示が参照により組み込まれる。
本発明は、フュージョンプロセスによる板ガラスの製造において用いられる成形槽（アイソパイプ）を作製するために使用し得る多重層の耐火性材料に関する。本発明はまた、成形槽を作製する方法に関する。
コーニング社は、フラットパネルディスプレイのようなさまざまな装置に使用し得る高品質の薄いガラスシートを形成する、フュージョンプロセス（例えば、ダウンドロープロセス）として知られるプロセスを開発した。フュージョンプロセスにより製造されたガラスシートは、他の方法で製造されたガラスシートと比べて優れた平坦性および平滑性を備えた表面を有しているため、このプロセスはフラットパネルディスプレイに使用されるガラスシートの製造に好適な技術である。フュージョンプロセスについては、特許文献１および特許文献２に記述されており、その内容は参照により本書に組み込まれる。
フュージョンプロセスでは、アイソパイプ（例えば、成形層）と称される、特別に成形された耐火性のブロックが使用され、このアイソパイプを越えて溶融ガラスがその両側面を流れ落ち、その底部で合流して単一のガラスシートが形成される。アイソパイプはガラスシートの成形のために十分に機能しているが、アイソパイプは、その長さが断面に比べて長いため、フュージョンプロセスに伴う荷重や高温に起因して徐々にクリープや撓みを生じることがある。アイソパイプが過度にクリープしたり、撓みを生じたりすると、ガラスシートの品質や厚さの制御が非常に困難になる。特定の材料は、他の材料よりもクリープの影響を受け易い。しかし、ガラスと接触する耐火性材料は、この耐火性材料とガラス自体との反応が最小となるように慎重に選択しなければならない。例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）は、アイソパイプの製造に一般的に用いられている耐火性材料のジルコン（ＺｒＳｉＯ4）よりも、耐クリープ性を有する耐火性材料である。しかしながら、高温でガラスと接触していると、アルミナはガラスの中に溶け、ガラスの液相を生じ、さらにガラス中にムライトなどの高アルミナ相の望ましくない結晶化を引き起こす。ジルコンはガラス内でいくらか溶解性を示すが、アルミナよりはるかに溶け難く、そのため結晶形成に対しより耐性がある。さらに、アルミナの溶解性に起因して耐火性が分解される傾向にあるため、耐用期間がより短くなる。
本発明は、その耐火性特性および耐クリープ性能により選択された耐火性材料で作られたコア部分と、その耐火性特性、耐摩耗性、およびフュージョンガラス成形プロセス中の溶融ガラスとの接触におけるその適合性（例えば、ガラス内での低溶解性）により選択された第２の耐火性材料から作られた最外層とを有するアイソパイプを含む。さらに、コアおよび最外層用に選択された耐火性材料の潜在的な非適合性（例えば、ＣＴＥ）に対処するため、本発明は、コアと最外層の間に中間層をさらに提供する。この中間層もまた、ガラスの製造に伴う高温に適合する耐火性材料で作られる。一態様において、中間層は、コアの耐火性材料と最外層の耐火性材料との間に組成の勾配を作り出す。
耐クリープ性のアイソパイプを作製する方法がさらに開示され、第１の耐火性材料から耐火性ブロックを形成する工程、このブロックを焼結する工程、焼結されたブロックからアイソパイプのコア構造を機械加工する工程、このコアを、第２の耐火性材料とバインダとを含むスラリーで被覆する工程、このスラリーを、気孔を除去し、バインダを燃焼除去し、かつ第２の耐火性材料を緻密化するために、適切な温度に加熱する工程、および、コア上に所望の数の層が作製されるまで、各層に対し異なる耐火性材料で被覆工程および加熱工程を繰返す工程、を含む。
以下の詳細な説明を添付の図面とともに参照することにより、本発明のより完全な理解が得られるであろう。
図１を参照すると、ダウンドローフュージョンプロセスを用いてガラスシート１０５を製造する、例示的なガラス製造システム１００の概略図が示されている。ガラス製造システム１００は、溶解槽１１０、清澄槽１１５、混合槽１２０（例えば、攪拌チャンバ１２０）、送出槽１２５（例えば、ボウル１２５）、および成形槽１３５（例えば、アイソパイプ１３５）を含む。本明細書および請求項において用いられる用語「アイソパイプ」は、平面ガラスを製造するフュージョンプロセスにおいて用いられる任意のシート成形送出システムを意味し、この送出システムの構造やこれを構成している部品の数には関係なく、送出システムの少なくとも一部が融合直前にガラスと接触するものである。溶解槽１１０では、ガラスのバッチ材料が矢印１１２で示すように導入され、溶解されて溶融ガラス１２６を形成する。清澄槽１１５（例えば、清澄管１１５）は、溶解槽１１０から溶融ガラス１２６（この時点では図示なし）を受け入れ、溶融ガラス１２６から気泡を除去する。清澄槽１１５は、清澄器−攪拌チャンバ接続管１２２を介して混合槽１２０（例えば、攪拌チャンバ１２０）と接続される。混合槽１２０は、攪拌チャンバ−ボウル接続管１２７を介して送出槽１２５と接続される。送出槽１２５は、降水管１３０を通って入口１３２へ、さらにガラスシート１０５を成形する成形槽１３５（例えば、アイソパイプ１３５）内へと溶融ガラス１２６を送出する。本発明により、耐火性材料で作られた成形槽１３５（例えば、アイソパイプ１３５）を、図２により詳細に図示する。
図２を参照すると、ガラス製造システム１００において用いられるアイソパイプ１３５の斜視図が示されている。アイソパイプ１３５は溶融ガラス１２６を受け入れる開口部２０２を含み、この溶融ガラス１２６はトラフ２０６内へと流れ込んで溢れ出し、両側面２０８ａおよび２０８ｂを下降した後に底部２１０として知られる位置で融合する。底部２１０では両側面２０８ａおよび２０８ｂが合流し、溢れ出た溶融ガラス１２６の２つの壁がそこで再合流し、その後下方に延伸され冷却されてガラスシート１０５が形成される。当然のことながら、アイソパイプ１３５およびガラス製造システム１００は、図１および２に示したものとは異なる構造および構成要素を有してもよく、その場合も依然本発明の範囲内であると見なされる。
図２に示すように、アイソパイプ１３５はその断面に比べて長いため、フュージョンプロセスに伴う荷重および高温により、アイソパイプ１３５が時間とともにクリープしないようにすることが重要である。アイソパイプ１３５が過度のクリープや撓みを生じると、ガラスシート１０５の品質や厚さを制御することが困難になる。
図３に示すように、アイソパイプ３００が確実に過度のクリープや撓みを生じないよう、アイソパイプ３００は、コア３０２と少なくとも１つの最外被覆層３０４とを含む。コアは、一般に耐クリープ性を有する耐火性材料から作られ、この材料の例としては例えば、ムライト、ジルコニア、アルミナ／ジルコニア混合物、イットリウムアルミニウムガーネット、リン酸イットリウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、および、その他の耐火性酸化物および／またはその混合物が挙げられる。コアを構成している耐火性材料は、さまざまな組成、粒径および／または焼結助剤の、個別のまたは複数のセラミック材料を含んでもよい。例えば一実施の形態において、アルミナ母材中に炭化ケイ素ファイバを用いたセラミック複合材料をコアの材料に採用してもよい。一態様において、コアを構成している耐火性材料は、従来のガラス成形または送出システムに適合し、また従来のガラス送出および成形システム内の典型的な温度、例えば、約１４００、１５００、１６００、１６５０、１７００℃またはそれ以上まで耐えることができる。上述の耐火性材料は市販されており、当業者は容易に特定のプロセスでの使用に適した材料を選択できるであろう。一態様において、コア部分の材料は、その材料のクリープや撓みに耐え得る能力に基づいて選択される。別の態様において、コア部分を構成する材料はセラミックである。別の態様において、溶融ガラスに曝される最外被覆層３０４は、製造されるガラス内での溶解性がコアを構成する材料よりも相対的に低い材料で作られる。別の態様において、最外層を構成する材料は、その材料の磨耗に耐え得る能力に基づいて選択される。最外被覆層に適した材料の例としては、ジルコン、ジルコニア、リン酸イットリウム、またはそれらの混合物などのセラミック、あるいは、白金、ロジウム、モリブデン、またはそれらの合金などの貴金属が挙げられる。最外層を構成している耐火性材料は、さまざまな組成、粒径および／または焼結助剤の、個別のまたは複数のセラミック材料を含むことができる。一態様において、最外被覆層を構成している耐火性材料は、従来のガラス成形または送出システムに適合し、また従来のガラス送出および成形システム内の典型的な温度、例えば、約１４００、１５００、１６００、１６５０、１７００℃またはそれ以上まで耐えることができる。最外層はコア全体を覆うものでもよいが、アイソパイプのうち、溶融ガラスと接触する可能性が最も高い部分を少なくとも覆うものであることが好ましい。
クリープはクリープ速度試験によって測定することができ、この試験では測定対象の棒状の耐火性材料に３点曲げ測定が施される。測定される棒状体を端部で支持し、その中心に荷重をかける。加えられる平方インチ当たりのポンド数（ｐｓｉ）は、ＡＳＴＭ Ｃ−１５８に説明されている従来の手順によって決定することができる。棒状体を加熱し、時間の関数としてその歪みを測定する。測定結果は、典型的には平均クリープ速度（ＭＣＲ）として記録される。一実施の形態において、コア領域は、最外層を構成している材料の平均クリープ速度よりも低い平均クリープ速度を有する材料で作られる。
コアと最外層との間には、任意の数の中間層を設置することができる。図４においてアイソパイプ４００は、コア４０２、最外層４０４、およびこれらの間に設置された中間層４０６から構成される。コア材料と最外層の熱膨張率（ＣＴＥ）に大きな相違がある場合には、ＣＴＥの勾配を作り出すため、コアと最外層との間に１以上の中間層を採用してもよい。こうすると、アイソパイプは、ガラス製造プロセスに伴って激しい温度に曝されたとき適切に膨張することができる。この積層による効果により、積層しなければコアと最外層が大きなＣＴＥずれを有している場合に生じ得る、最外層のひび割れや剥離を防ぐことができる可能性がある。一実施の形態において、コア材料４０２は、その上に形成される各連続層４０６、４０４よりも低いＣＴＥを有する。コアから最外層に向かうにつれて、各連続層は前の層よりも相対的に高いＣＴＥを有する。最外被覆層がコア基板層よりも相対的に高いＣＴＥを有していると、システムに熱が加えられたときに最外層の表面上に圧縮力が生じる。この圧縮力がアイソパイプの強度を増加させる。
アイソパイプは、その側面やトラフ２０６に溢れ出る溶融ガラスの重さの他、それ自体の重さ、さらに融合したガラスが延伸されるときにアイソパイプに逆に加わる少なくともいくらかの引張力を支持しながら、典型的には１４００℃を超える温度で動作しなければならない。製造されるガラスシートの幅によっては、アイソパイプは１．５メートル以上の長さの支持されていない部分を有することもある。
こういった厳しい条件に耐えるため、アイソパイプ１３５は、典型的には耐火性材料が平衡加圧された（isostatically pressed）ブロックから製造される。この発明において、アイソパイプのコア用に選択された材料（アルミナなど）は、最初に平衡加圧されてブロックとされる。この材料はその後、ブロックを緻密化するため、およびバッチプロセスにおいて通常用いられる有機バインダや分散材料を除去するために、焼成計画に従って焼結される。焼結はまた、構造体内での相結合や結晶成長を促進するのにも役立つ。焼結されたブロックは、その後既知のプロセスを用いて、最終的なアイソパイプのコアのために必要な特有の大きさに機械加工される。
コアの形成が完了したら、最外層および／または連続的中間層をコア上に形成してもよい。これを成し遂げる１つの手法は、コア表面に粉末の被覆層を適用することによるものである。一実施の形態において、この被覆は、溶融ガラスと接する可能性のある全ての領域を覆う。被覆層の耐火性材料は、その材料自体が適用されたときに均一に付着するよう、バインダや接着剤を含んでもよい。被覆材料の選択的加熱は、例えば、超高周波のマイクロ波での加熱により達成される。このような加熱概念は既知であり、コアを実質的に加熱することなく、被覆材料を選択的に加熱して圧縮する。熱の侵入深さは綿密に制御することができる。この加熱の最終効果は、適用された層が、より緻密になり、焼結物となり、さらに結合した粒成長を生じることである。被覆プロセスが完了したら、連続的な被覆および加熱工程を、所望の最外層が得られるまで行ってもよい。
アイソパイプは複数の連続的中間層を含んでもよく、中間層それぞれは、第１および第２の耐火性材料の複合混合物である、異なる耐火性組成を有するものであり、各中間連続層における第１の耐火性材料の濃度はコアから減少し、一方各中間連続層における第２の耐火性材料の濃度はコアから増加する。例えば一実施の形態において、コアはアルミナから成り、一方連続的中間層はアルミナとジルコンの複合材料である。コアに最も近接した中間層はジルコンよりもアルミナの量が多く、一方最外層に近づくにつれて、アルミナよりもジルコンの含有量が相対的に高くなる。この実施形態において、最外層は、材料の少なくとも９５％がＺｒＳｎＯ4であるような、主にＺｒＯ2およびＳｉＯ2から成る材料である。このような実施形態において、アイソパイプの総合的利益は、接触する溶融ガラスとはっきり反応しないようにガラスとの界面（ジルコン最外層）を維持しながら、アルミナコアにより有利な撓み条件を形成することである。
粉末被覆技術に加え、当業者に既知の他の方法を用いて、あらかじめ形成されたアイソパイプのコア上に１つの層または連続層を作製してもよい。これらの追加の処理方法には、溶液コーティング、スラリーコーティング、厚膜コーティング、プラズマスプレー、熱溶射、フレーム溶射、または任意の他の既知のコーティング技術が含まれる。この個別または連続の層は、各々次の層の適用と連続させて、またはこれに先立って、焼成してもよいし、あるいは多重層を全て一度に加熱してもよい。
層自体の熱処理や緻密化は、従来の焼成や有向のレーザ加熱を含む、いくつもの既知の技術により成し遂げることもできる。
別の実施形態において、コアは、焼結の前に耐火性のブロックから機械加工してもよいことにも留意されたい。中間および最外層に用いられる材料を、その後コア部分に順に適用し、装置全体を一度に焼結することもできる。
最外層および中間層はいかなる厚さでもよい。しかしながら、一実施の形態において、最外層は緻密化プロセスの後に０．５から１ｃｍの間の均一な厚さを有する。
本発明の具体的な実施形態について述べてきたが、本発明の範囲および精神から逸脱しない、これらの実施形態のさまざまな変形が、本書の開示から通常の当業者には明らかであろう。以下の請求項は、このような変形、改変および同等物の他、本書で説明された具体的な実施形態を含むと意図されている。
１３５ アイソパイプ
３００、４００ アイソパイプ
３０２、４０２ コア
３０４、４０４ 最外被覆層
４０６ 中間層
３００、４００ アイソパイプ
３０２、４０２ コア
３０４、４０４ 最外被覆層
４０６ 中間層
Claims (5)
- フュージョンプロセスでの使用に適した構造を有する本体部を備えたアイソパイプであって、前記本体部が、
第１の耐火性材料から作られたコア、
前記コアの少なくとも一部を覆う、第２の耐火性材料から作られた最外層、
を備えていることを特徴とするアイソパイプ。 - 前記コアと前記最外層との間に設けられた少なくとも１つの中間層をさらに備え、該中間層が第３の耐火性材料から作られたものであることを特徴とする請求項１記載のアイソパイプ。
- 前記第１の耐火性材料が、前記第２の耐火性材料よりも、前記フュージョンプロセスにより製造されるガラス内で溶け易いものであることを特徴とする請求項１記載のアイソパイプ。
- 複数の連続的中間層をさらに備え、中間層それぞれが、前記第１および第２の耐火性材料の複合混合物である、異なった耐火性組成を有するものであり、各中間連続層における前記第１の耐火性材料の濃度がコアから減少し、一方各中間連続層における前記第２の耐火性材料の濃度がコアから増加することを特徴とする請求項２記載のアイソパイプ。
- ガラスシートを製造するフュージョンプロセスにおいて用いられるアイソパイプの撓みを減少させる方法であって、
第１の耐火性材料のブロックを作製する工程、
前記ブロックからアイソパイプのコアを機械加工する工程、
前記コアを、第２の耐火性材料とバインダとを含むスラリーで被覆する工程、および
前記スラリーを、気孔を除去し、前記バインダを燃焼除去し、かつ前記第２の耐火性材料を緻密化するために、適切な温度に加熱する工程、
を含むことを特徴とする方法。
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