JP2019507088A - 液体伝導を使用してガラスを熱的にテンパリングするための装置 - Google Patents

Abstract

ガラスシートを熱強化するための装置は、第１のヒートシンク表面、距離ｇのヒートシンク表面間の間隙だけその第１のヒートシンク表面から隔てられた第２のヒートシンク表面、および液体をその間隙に供給できるように配置された液体供給構造を備え、その距離ｇは、厚さｔのシートが距離ｇの間隙内に配置されたときに、第１のヒートシンク表面に面するシートの第一面からの熱伝達が、そのシートの第一面から液体を通じた第１のヒートシンク表面への伝導の２０％、３０％、４０％超、または５０％以上であるように、処理すべきガラスシートの厚さｔに対して十分に小さい。

Description

優先権

本出願は、その内容が依拠され、ここに全て引用される、２０１６年１月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／２８８１７７号；２０１６年１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／２８８６１５号；２０１６年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／４２８１４２号；および２０１６年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／４２８１６８号の米国法典第３５編第１１９条の下での優先権の恩恵を主張するものである。

本出願は、以下の出願に関連し、それらをここに完全に含む：２０１６年１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／２８８８５１号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４２３２号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４１８１号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４２７４号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４２９３号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４３０３号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４３６３号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４３１９号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４３３５号；２０１４年７月３１日に出願された米国仮特許出願第６２／０３１８５６号；２０１４年１１月４日に出願された米国仮特許出願第６２／０７４８３８号；２０１５年４月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／０３１８５６号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４２３２号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４１８１号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４２７４号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４２９３号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４３０３号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４３６３号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４３１９号；２０１５年７月３０日に出願された米国特許出願第１４／８１４３３５号；２０１５年１０月２日に出願された米国仮特許出願第６２／２３６２９６号；２０１６年１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／２８８５４９号；２０１６年１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／２８８５６６号；２０１６年１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／２８８６１５号；２０１６年１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／２８８６９５号；２０１６年１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／２８８７５５号。

本出願は、概して、ガラスおよびガラスセラミック並びにガラスを含む材料を含むと定義されるガラスの熱処理に関し、特に、液体媒介熱伝導を使用して、ガラスを熱強化または熱処理するための装置およびシステムに関する。

ガラスから作られたシートの熱（または「物理的」）強化において、ガラスシートは、そのガラスのガラス転移温度より高い高温に加熱され、次に、シートの表面は急激に冷却（「急冷」）され、一方でシートの内部領域はより遅い速度で冷める。その内部領域は、ガラスの厚さおよびかなり低い熱伝導率によって断熱されているので、より遅く冷める。差別的冷却により、シートの表面領域に残留圧縮応力が生じ、これは、シートの中央領域の残留引張応力により釣り合わされる。

ガラスの熱強化は、表面圧縮応力が、イオン拡散などの過程によって表面近くの領域のガラスの化学組成が変わることにより生じるガラスの化学強化とは区別される。あるイオン拡散に基づく過程において、ガラスの外側部分は、ガラス表面近くのより小さいイオンをより大きいイオンと交換して、表面にまたはその近くに圧縮応力（負の引張応力とも呼ばれる）を与えることによって、強化されるであろう。

ガラスの熱強化は、ガラスの外側部分が、２つのタイプのガラスを組み合わせることによって強化されるまたは構成される過程によって強化されたガラスとも区別される。そのような過程において、異なる熱膨張係数を有する複数のガラス組成物の層が、熱い間に組み合わされるまたは積層される。例えば、より低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する溶融ガラスの複数の層の間により高いＣＴＥを有する溶融ガラスを挟むことによって、ガラスが冷めるときに、内側のガラスの正の張力が、外側の層を圧縮し、この場合もやはり、正の引張応力と釣り合うために、表面に圧縮応力を形成する。

熱強化されたガラスには、強化されていないガラスに対して利点がある。強化ガラスの表面圧縮は、非強化ガラスよりも大きい耐破壊性を与える。強度の増加は、概して、表面圧縮応力の量に比例する。シートがその厚さに対して十分なレベルの熱強化を有する場合、ひいては、シートが割れると、一般に、エッジが鋭い大きいまたは細長い破片よりもむしろ、小さい破片に分かれる。十分に小さい破片、または様々な確立した基準により定義されるような「ダイス」に割れるガラスは、安全ガラス、または「完全強化(fully tempered)」ガラス、もしくはときには単に「強化(tempered)」ガラスとして知られているであろう。

強化の程度は、急冷中のガラスシートの表面と中央との間の温度差に依存するので、より薄いガラスには、所定の応力を達成するために、より速い冷却速度が必要である。また、より薄いガラスには、一般に、割れる際の小さい粒子へのダイス形成(dicing)を達成するために、表面圧縮応力および中央引張応力の値がより大きい必要がある。

本開示の態様は、概して、その外側部分を強化するための応力プロファイルを有するガラスにも関する。ガラスのシートなどのガラスが、幅広い用途に使用されているであろう。そのような用途の例に、窓、カウンター、容器（例えば、食品、化学薬品）における使用、バックプレーン、フロントプレーン、カバーガラスなどとしての使用、ディスプレイ装置（例えば、タブレット、携帯電話、テレビ）用、高温基板または支持構造としての使用、または他の用途がある。

実施の形態によれば、ガラスシートを熱強化するための装置は、第１のヒートシンク表面、距離ｇのヒートシンク表面間の間隙だけその第１のヒートシンク表面から隔てられた第２のヒートシンク表面、および液体をその間隙に供給できるように配置された液体供給構造を備え、その距離ｇは、厚さｔのシートが距離ｇの間隙内に配置されたときに、第１のヒートシンク表面に面するシートの第一面からの熱伝達が、そのシートの第一面から液体を通じた第１のヒートシンク表面への伝導の２０％、３０％、４０％超、または５０％以上であるように、処理すべきガラスシートの厚さｔに対して十分に小さい。

実施の形態によれば、その装置は、第１の熱源表面、距離ｇｈの熱源表面間の熱源間隙だけその第１の熱源表面から隔てられた第２の熱源表面、および加熱液体をその熱源間隙に供給できるように配置された加熱液体供給構造を備え、その距離ｇｈは、厚さｔのシートが距離ｇｈの熱源間隙内に配置されたときに、第１の熱源表面からシートのそれに面する第一面への熱伝達が、その第１の熱源表面から加熱液体を通じたシートの第一面への伝導の２０％、３０％、４０％超、または５０％以上であるように、処理すべきガラスシートの厚さｔに対して十分に小さい。

本開示による熱的テンパリングプロセスを行う、本開示による熱的テンパリング装置の断面図 本開示による熱的テンパリングプロセスの別の態様を実施できる、本開示による熱的テンパリング装置の別の実施の形態または態様の断面図 本開示による熱的テンパリングプロセスのさらに別の態様を実施できる、本開示による熱的テンパリング装置のさらに別の実施の形態または態様の断面図 本開示により使用できるような、両面流体ベアリングにより与えられる圧力を示すグラフ

実施の形態において、それによって、ガラス物品（ここでは、「ガラス」という用語はガラスセラミックを含む）が、対向する液体ベアリングの間に配置され、ある区域から、主に流体間隙に亘る熱伝導によって物品の表面を加熱または冷却するために、異なる温度にある隣接区域に搬送される方法が提供される。その液体ベアリングは、補償リストリクターの追加の有無にかかわらずに個別孔タイプのものであっても、またはバルク多孔質媒体タイプのものであってもよい。例示の液体は、溶融塩および溶融金属である。液体ベアリングの間隙は、設定中、または実際の熱伝達過程中（例えば、ガラスがある区域中に搬送され、次に、間隙が、時間の関数としての所望の熱伝達プロファイルを達成するために規定の速度で開閉されることがある）のいずれかに、変えられる。

それに加え、実施の形態は、主に液体間隙に亘る熱伝導による加熱または冷却を物品の表面に生じるために、熱伝達ランドを含む熱交換領域を通じて規定の速度で移動する液体ベアリングによって支持された物品を含む。

実施の形態は、物品を、液体浴（撹拌されているか、または他にかき混ぜられているか、または流されているか、もしくはそうではない）中の浸漬により、もしくは噴霧されているか、または移動する液体と他のように接触されていることによって達成できるよりも、より高く、より均一で、より決定的で、より制御可能な熱伝達（加熱または冷却）の速度で熱的に処理することを可能にする。熱処理の異なる段階中に、歪んだり、沿ったりする傾向にあるガラス物品の場合、実施の形態により、物品を固体形態（ローラ、グリッドなど）に接触させずに熱処理を行いつつ、それでもその間、その物品を液体ベアリングの中央配置作用の剛性によって所望の形状に制約できる。

実施の形態は、定量的にモデル化でき、概して、イオン交換より単純なプロセスおよび装置を使用した、薄いガラスシート（シート）の強化（熱的テンパリング）を含む。他の熱的テンパリング方法と比べて、実施の形態は、シートまたは物品からの熱伝達をより速い速度で冷却でき、それによって、より高度の熱的テンパリングが可能になる。その実施の形態により、従来のガラスのテンパリングに使用される対流噴射空気により達成できるよりも高度のテンパリングの均一性も提示される。

図１は、対向する加熱液体ベアリング２０ａおよび２０ｂの対応する第一面２２ａと第二面２２ｂとの間、並びに冷却液体ベアリング３０ａおよび３０ｂの対向する第一面２６ａと第二面２６ｂとの間に配置されたシートまたは物品１００の概略図を示している。ベアリング２０ａ、２０ｂ、３０ａ、３０ｂの各々に、適切な手段によって−この実施の形態においては、液体４１を貯蔵器４０から導管４４を通じてそれぞれのプレナム２５ａ、２５ｂ、２９ａ、２９ｂに送るポンプ４２によって−液体が供給される。シート１００が、対向するベアリングからの対向する液体圧によって、それぞれのベアリング面の間の中心に置かれることが望ましい。その液体ベアリングは、補償リストリクターの追加の有無にかかわらずに個別孔タイプのものであっても、またはバルク多孔質媒体タイプのものであってもよい。

熱強化に関して、シート１００は、最初に、加熱液体ベアリング２０ａ、２０ｂの間で、そのシートを構成するガラスのガラス転移温度より高い温度に加熱され、次に、冷却液体ベアリング３０ａ、３０ｂの間でガラス転移温度より低い温度に冷却されるように、図面に示されるように矢印Ａの方向に搬送されることがある。

図示された実施の形態に代わる実施の形態として、液体が、４つのベアリング部材の各々について同じでなくてもよい。

溶融塩または金属がベアリング液体として使用される実施の形態において、二対の液体ベアリング２０ａと２０ｂ、３０ａと３０ｂを（それぞれの）ベアリング液体の融点より高い異なる定値温度に制御するために、液体ベアリング２０ａ、２０ｂ、３０ａ、３０ｂに埋め込まれた、カートリッジヒータ２４、２８などの加熱素子が使用される。必要に応じて、加熱液体ベアリング２０ａ、２０ｂに至る導管４４に沿った位置に追加のヒータ５０を用いてもよい。ベアリング液体の固化を防ぐために加熱が必要ない場合、概して、所望の熱処理に最も有益な温度を達成するのに必要なように、いずれのベアリングを加熱または冷却してよい。この場合、代わりの実施の形態として、図１の参照文字２８は、例えば、冷却液体ベアリング３０ａ、３０ｂを冷却するために、カートリッジヒータではなく、冷却剤の流路を示すことがある。

二対の液体ベアリングの間隙ｇ、ｇｈのサイズは、等しくても異なっても（図示されたように）差し支えなく、設定中または実際の熱伝達過程中（例えば、ガラスがある区域中に搬送され、次に、間隙が、時間内に所望の熱伝達プロファイルを達成するために規定の速度で開閉されることがある）のいずれで独立して変えられてもよい。シート１００は、所望の熱伝達率で温度変化を生じさせるために、一対のベアリングから次の対に搬送することができる。

図１によれば、シート１００（挿入図に示されるような）は、厚さｔおよび第一と第二（主）面１０１と１０２を有する。ガラスシート（１００）を熱強化するのに有用な装置（１０）の特徴は、第１のヒートシンク表面（２６ａ）、ヒートシンク表面間の間隙ｇだけ第１のヒートシンク表面（２６ａ）から隔てられた第２のヒートシンク表面（２６ｂ）、および液体を間隙ｇに供給できるように配置された液体供給構造（４０、４２、４４、２９ａ、２９ｂ）を含む。厚さｔのシート（１００）が間隙ｇ内に配置されたときに、第１のヒートシンク表面（２６ａ）に面するシート（１００）の第一面（１０１）からの熱移動が、シート（１００）の第一面（１０１）から液体を通じた第１のヒートシンク表面（２６ａ）への伝導の２０％超であるように、間隙ｇは、ガラスシート（１００）の厚さｔに対して十分に小さいサイズである。熱伝導により行われるその第一面からの熱移動の割合は、熱伝導の３０％超、４０％超、５０％超、６０％超、７０％超、８０％超、およびさらには９０％超などのようにさらに高いことが望ましいであろう。間隙ｇと、シート１００の厚さｔとの間のサイズの差ｇ−ｔが、４００μｍ未満、３００μｍ未満、２００μｍ未満、１００μｍ未満、９０μｍ未満、８０μｍ未満、７０μｍ未満、６０μｍ未満、５０μｍ未満、およびさらには４０μｍ未満などのように、５００μｍ未満またはさらに小さいことが望ましいであろう。

実施の形態において、前記液体供給構造は、図１に示されるように、第１のヒートシンク表面２６ａにおける１つ以上の液体供給開口２３をさらに備える。図３を参照して下記に記載されたものなどの代わりの実施の形態において、第１のヒートシンク（および／または第１の熱源）表面は、液体供給開口を備えない。さらに代わりの実施の形態によれば、第１と第２のヒートシンク表面２６ａ、２６ｂは、平らであっても、または各々が１つの曲率軸を持って湾曲していても、または各々が２つの曲率軸を持って湾曲していてもよい。

さらに、図１に示されるような実施の形態によれば、装置１０は、第１の熱源表面（２２ａ）、熱源間隙ｇｈだけ第１の熱源表面（２２ａ）から隔てられた第２の熱源表面（２２ｂ）、および液体を熱源間隙に供給できるように配置された液体供給構造（４０、４２、４４、２５ａ、２５ｂ）（図１の実施の形態において、第１と第２の熱源表面の液体供給構造は、それらの熱源表面に関して実質的に同じ構造であるが、これはその必要がない）。厚さｔのシート（１００）が熱源間隙ｇｈ内に配置されたときに、第１の熱源表面（２２ａ）からシート（１００）のそれに面する第一面（１０１）への熱移動が、第１の熱源表面（２２ａ）から液体を通じたシート（１００）の第一面（１０１）への伝導の２０％超、望ましくは３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％超、およびさらには９０％超であるように、熱源間隙ｇｈは、ガラスシート（１００）の厚さｔに対して十分に小さい。

シート１００の形態にある物品が、材料を処理するための有利な熱条件を作り出すのに望ましいであろう速度で、ある区域から次に搬送されることがある。例えば、移行中の材料の温度状態の変化が、次の区域に一旦十分に曝されたときの温度状態の変化と比べて取るに足らないほど大きい速度を使用してもよい；あるいは、そのシステム内に位置している場所に対応するシートの温度状態に明白な差異があるように、遅い速度を使用してもよい；これらの２つの極端な状態の間のどの所望の速度を用いてもよい。

図２は、処理すべき物品またはシート１００が、ガスベアリング６０ａ、６０ｂから中央の液体ベアリング７０ａ、７０ｂへと、次に、第二対のガスベアリング８０ａ、８０ｂへと搬送される装置１０を含む、本開示のさらに別の実施の形態の概略図を示す。ガスプレナム６５ａ、６５ｂは、気体Ｇをガスベアリング６０ａ、６０ｂに分配するのを支援する。同様に、ガスプレナム８５ａ、８５ｂは、気体Ｇをガスベアリング８０ａ、８０ｂに分配するのを支援する。液体プレナム７５ａ、７５ｂは、液体Ｌを液体ベアリング７０ａ、７０ｂに分配するのを支援する。通路Ｃ（その内の４つが、各ベアリング内に示されている）が、各ベアリング６０ａ、６０ｂ、７０ａ、７０ｂ、８０ａ、８０ｂに含まれることがあり、熱交換流体の流路として、またはカートリッジヒータの位置などとして、温度制御のために使用されることがある。

記載された実施の形態と同様に、液体およびガスベアリングのいずれも、補償リストリクターの追加の有無にかかわらずに個別孔タイプのものであっても、またはバルク多孔質媒体タイプのものであってもよい。各組のベアリングの温度および間隙は異なってよい。

ガスベアリング６０ａ、６０ｂ、８０ａ、８０ｂから放出される加圧ガスが、液体Ｌがガスベアリング間の間隙に入るのを防ぎ、またシートが液体ベアリング領域を去るときにシートから液体を取り去る働きもする。同様に、液体ベアリング７０ａ、７０ｂから放出される液体は、気体が液体ベアリングの間隙に入るのを防ぐ。

異なるタイプのベアリング間の移行で生じる液体／気体混合物は、異なるタイプのベアリング間に配置されたチャンバ６２内に集められ、流路６４を通じて排出物Ｅとしてチャンバ６２から放出されるまたは取り出されるであろう。排出された気体と液体の混合物は、貯蔵器（図示せず）に戻すことができ、そこで、気体を分離し、次に、液体を温度制御して、再循環させてもよい。

前記シートは、規定の熱伝達率で温度変化を生じるために、矢印Ａにより示される方向などのように、一対のベアリングから次の対に搬送することができる。先に記載された実施の形態におけるようなこの実施の形態において、処理中の材料またはシート１００は、材料を処理するための有利な熱条件を作り出すのに望ましいであろう速度で、ある区域から次の区域に搬送することができる。例えば、移行中の材料の温度状態の変化が、次の区域に一旦十分に曝されたときの温度状態の変化と比べて取るに足らないほど速い速度；そのシステム内に位置している場所に対応する材料の温度状態に明白な差異があるように、遅い速度；およびこれらの２つの極端な状態の間の任意の所望の速度。

図３は、さらに別の代わりの実施の形態の概略図を示す。図３の装置１０において、シート１００は、処理されるときに（例えば、矢印Ａにより示される方向に）、最初に、対向するガスベアリング６０ａ、６０ｂの間で中心に配置され、次に、領域Ｒを通して搬送され、そこで、導管６７からチャンバ６２に供給される液体Ｌが熱伝達ランド９０に行き渡る。次に、シート１００は、シートが矢印Ａの方向に前進するにつれて、対向するガスベアリング８０ａ、８０ｂにより受け入れられる。（図示された実施の形態において２つのサイズの）通路Ｃが、熱制御のためにガスベアリング６０ａ、６０ｂ、８０ａ、８０ｂに含まれることがある。同様に、通路Ｃは、熱伝達ランド９０からの熱を除去するために（または、ある用途においては、それに熱を与えるために）ランド９０に近接して含まれることもあり、含まれることが望ましい。

様々な他の実施の形態と同様に、ガスベアリングは、補償リストリクターの追加の有無にかかわらずに個別孔タイプのものであっても、またはバルク多孔質媒体タイプのものであってもよい。ガスベアリング６０ａ、６０ｂ、８０ａ、８０ｂから放出されるガスが、液体Ｌがガスベアリング間の間隙に入るのを防ぐ。同様に、領域Ｒを去る液体は、気体が熱伝達ランド９０間の間隙に入るのを防ぐ。結果として生じる液体／気体混合物は、チャンバ６２内に集められ、流路６４を通じて排出物Ｅの形態で放出されるまたは取り出され得る。図２の実施の形態におけるように、排出物Ｅの気体と液体の混合物は、貯蔵器（図示せず）に戻されることがあり、そこで、気体を分離し、次に、液体を温度制御して、再循環させることができる。

この実施の形態において、液体熱伝達が生じる領域は、シート１００が中心から外れて動く場合にシート１００を積極的に中心に配置する能力を有するという意味でベアリングではないので、シート１００が、中心配置のために、第一対の空気ベアリング６０ａ、６０ｂと、第二対の空気ベアリング８０ａ、８０ｂとの間に亘るように矢印Ａの方向に十分に長いことが好ましい。

先に記載された実施の形態において、シートは、固定長の個別片であっても、またはその代わりに、提供されるベアリングシステムよりも長い連続シートの形態にあってもよい。

先に記載された様々な装置の実施の形態および代替例が、図１および２を参照してここに記載されたガラスシートを強化する方法を可能にする。その方法は、ガラスシート１００の少なくとも一部をその第一面１０１で、少なくとも一部は、その第一面１０１と、固体から作られた第１のヒートシンク表面２６ａ、７６ａとの間の第１の間隙１０４に送達された液体（４１またはＬ）の流れまたは圧力によって支持する工程であって、そのシート１００は、ガラス転移温度を有するガラスを含むまたはからなり、そのシート１００は、そのガラスのガラス転移温度より高い温度にある工程、およびそのシート１００の第一面１０１を冷却する工程であって、その冷却の２０％超が、シート１００の第一面１０１から液体を通じて第１の間隙１０４に亘り第１のヒートシンク表面２６ａ、７６ａへの熱伝導による工程を含む。

その方法は、ガラスシート１００の少なくとも一部をその第二面１０２で、少なくとも一部は、その第二面１０２と、固体から作られた第２のヒートシンク表面２６ｂ、７６ｂとの間の第２の間隙１０６に送達された液体４１、Ｌの流れまたは圧力と接触させる工程、およびそのシート１００の第二面１０２を冷却する工程であって、その冷却の２０％超が、シート１００の第二面１０２から液体を通じて第２の間隙１０６に亘り第２のヒートシンク表面２６ｂ、７６ｂへの熱伝導による工程を追加に含むことがある。

上記方法は、シート１００を冷却する前に、そのシート１００の第一面１０１を加熱する工程であって、その加熱の２０％超が、第１の熱源表面２２ａ、６６ａから流体４１、Ｌを通じて第３の間隙１０８に亘りシート１００の第一面１０１への熱伝導による工程、並びに、シート１００を冷却する前に、そのシート１００の第二面１０２を加熱する工程であって、その加熱の２０％超が、第２の熱源表面２２ｂ、６６ｂから熱伝導流体４１、Ｇを通じて第４の間隙１１０に亘りシート１００の第二面１０２への熱伝導による工程を追加に含むことがある。その流体は、図１の実施の形態におけるような液体４１、または図２の実施の形態におけるような気体Ｇであってよい。

図１、２および３に関する方法の実施の形態によれば、開示された方法は、℃の単位で表してＴのガラス転移温度を有するガラスを含むまたはからなるシート１００を冷却する工程であって、その冷却は、（ａ）Ｔより高い温度にあるシートで開始され、（ｂ）その冷却中のある時点で、冷却の２０％超が、液体４１、Ｌを通じての固体から作られたヒートシンク表面２６ａ、６６ａ、９０への熱伝導によるものである工程も含むことがある。図１、２および３に関する方法は、シート１００を冷却する前に、シート１００を加熱する工程であって、その加熱中のある時点で、加熱の２０％超が、熱源表面２２ａ、６６ａから流体４１、Ｇを通じてシート１００への熱伝導による工程をさらに含むことがある。

これも図１、２および３に関する実施の形態によれば、物品を熱処理する方法において、物品を加熱または冷却する工程であって、その加熱または冷却の少なくともある期間の最中に、加熱または冷却の少なくとも５０％が、液体を通じて固体から作られたヒートシンク表面への熱伝導により行われる工程を含む方法が提供される。

上述した方法のいずれにおいても、冷却は、Ｔ±０．２０・Ｔ℃、またはＴ±０．１０・Ｔ℃、Ｔ±０．０５・Ｔ℃、またはＴ℃の温度未満まで行われることが望ましい。さらに、上述した方法のいずれにおいても、熱伝導による冷却の割合は、熱伝導の３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％超、またさらには９０％超、またさらには９９％以上ほど高いなどの、２０％超よりさらに高いことが望ましい。同様に、上述した方法のいずれにおいても、熱伝導による加熱の割合は、熱伝導の３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％超、またさらには９０％超、またさらには９９％以上ほど高いなどの、２０％超よりさらに高いことが望ましい。

本開示の方法および装置の実施の形態では、熱を材料に、または材料から、望ましくはガラスシートの形態にあるガラス材料に、またはガラス材料から伝達させるために、流体が充填された狭い間隙に亘る伝導を使用する。流体ベアリングにおいて生じるような流体間隙に関して、熱伝達率の伝導成分は、間隙中の流体の熱伝導率、間隙のサイズ、および間隙中の材料とベアリングの温度によって決まる：

式中、Ｑ_{ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ}は熱伝達率であり、Ａｇは部品の投影面積（長さ×幅）であり、Ｔｇは材料の表面の温度であり、Ｔｂはベアリングの表面の温度であり、ｋは間隙中の流体の熱伝導率である。ほとんどの流体は温度依存性の熱伝導率を有するので、より一般的な関係は以下である：

いくつかの一般的な気体に関する温度の関数としての熱伝導率が、参考のために下記に示されている。

ほとんどの気体の熱伝導率は温度に対して非常に線形であるので、非常に良好な近似は、式１および平均温度（Ｔｂ＋Ｔｇ）／２で評価した気体の伝導率を使用することである。おおよそ室温でのベアリングによるいくつかの一般的なガラス組成物の処理について、この平均温度は約３７７℃である。この温度で評価した様々な気体の平均熱伝導率、並びに空気を使用して達成できる伝導率に対する比較が、下記に示されている。

表から分かるように、ヘリウムまたは水素を使用することに強い動機がある。（水素とは異なり）ヘリウムは、不活性かつ不燃性であるので、この過程に非常に望ましい気体である。しかしながら、ヘリウムは高価であり、供給が不確かであろう。したがって、高伝導率の気体の使用を最小にするかまたは避けるための装置を設計する動機がある。

本開示は、間隙を満たす熱伝達流体としての液体の使用を提供する。この液体に関するいくつかの要件および望ましいことは、その液体が、経済的であり、健康に優しく、環境に優しく、所望の作動温度で安定していることである。その液体は高い熱伝導率を有し、よって、比較的大きい間隙を使用することができる、または比較的高い熱伝達率を生じることができる、もしくはその両方であることも望ましい。追加の望ましい品質は、所望の熱伝達率を送達する間隙で作動している場合、その液体は、ポンプ能力要件が低い従来のポンプシステムに対応できる妥当な流量の静圧ベアリング流体として使用できること、およびシートと液体との間の対流による熱伝達が、間隙に亘る伝導項に対して小さいことである。

この労力の特別な焦点は、ガラスの温度が典型的に６３０℃から９００℃に及ぶ過程である、ガラスを熱的にテンパリングすることである。相変化または劣化せずにこれらの温度で容易に使用できる液体に、溶融塩および溶融金属がある。例えば、関連する材料特性と共に列挙された溶融塩および金属が、表３に示されている。

加熱または冷却にかかわらず、伝導および対流の相対的寄与率に関して、間隙に亘る熱伝達率のＱ_ｃｏｎｖ成分は、

により与えられるであろう。式中、

は流体の質量流量であり、Ｃｐは流体の比熱容量であり、Ｔ_Ｓは材料の表面温度であり、Ｔ_ＨＳはヒートシンク（ベアリング）の表面温度であり、Ｔｉは、間隙中に流入するときの流体の入口温度であり、ｅは、間隙中に流入する気体とシート表面とヒートシンク／熱源の表面（間隙の「壁」）との間の熱交換の有効性である。ｅの値は、０（ゼロの表面対気体の熱交換を表す）から１（表面の温度に完全に到達した気体を表す）まで変化する。式（３）のｅの値が、熱伝達の当業者が理解するように、ｅ−ＮＴＵ法により計算されることが望ましい。

しかしながら、一般に、シートの表面とヒートシンク／熱源の表面との間の間隙が小さい場合、および／または流体の流量×熱容量が小さい場合、ｅの値は１に非常に近くなり、流体が、間隙から出る前に−平均で、両側の２つの表面の温度の平均に等しく−ほぼ完全に加熱することを意味する。ｅ＝１（対流熱伝達率のわずかな過大評価のみ）、および流体がヒートシンク／熱源の表面を通って間隙に供給されると仮定すると、間隙中の流体の初期温度は、ヒートシンク／熱源の表面の温度と同じである（Ｔｉ＝Ｔ_ＨＳ）と仮定できる。ひいては、対流による熱伝達率は：

と簡約できるであろう。

それゆえ、間隙の区域において、シートを主に伝導により冷却（または、加熱が高すぎない場合の熱源からの放射の量を仮定すると、加熱）することには：

が必要とされる。

（１７）を式（１３）および（１６）と組み合わせると、以下の条件：

が得られ、その条件が維持された場合、シートが、問題の間隙の区域において、主に伝導により冷却（または加熱）されることが本質的に確実になる。したがって、流体の質量流量

は、２ｋＡｇ／ｇＣｐ未満、または間隙区域の平方メートル当たり２ｋ／ｇＣｐ未満であるべきである。ある実施の形態において、

式中、Ｂは、伝導冷却に対する対流冷却の比である。ここに用いたように、Ｂは、１未満かつゼロ超の正の定数である。

ほとんどの場合、ベアリングへの流体の流量を最小にすることが望ましい。全ての場合、ポンプ能力要件は、ポンプユニットのサイズとその動力供給要件と共に、流量に対応する。ベアリングの流量は、処理されているシートの横寸法に亘り空間的に十分には均一ではないであろうから、熱伝達の対流部分を最小にすることもしばしば望ましい；ベアリングの間隙を非常に均一にし、対流項を取るに足らなくすることによって、熱伝達率の均一性を非常に良好にすることができる。

ほとんどの場合、薄い材料に生じ得る座屈誘発重力荷重の最小化および運搬に関連する実際的な理由に関して、物品は、その最も薄い寸法が水平であるように処理される。この場合、流体ベアリングに対して要求される流量の有益な基準は、重力が生じたときに、部品がわずかな比率内で流体ベアリングの中心平面にとどまり、それによって、材料の両面にほぼ等しい熱伝達率が生じることを確実にするように、十分な中央配置剛性を提供することである。例えば、その物品は、ベアリング間隙の５％しか中心から外れて動けないことがある。

バルク多孔質タイプの流体ベアリングにより支持されているシートを考える。そのシートの中心平面に対して対称性がある。間隙中の圧力および流量は、流体ベアリング設計の当業者が計算することができる。多孔質媒体を通る流体は、大抵、ダルシーフローとしてモデル化することができる。流動力学が、多孔質媒体の微小隙間を通る粘性効果により支配される、多孔質媒体を通る一次元気体流について、ダルシーの法則を使用して、局所流速を計算できる：

式中、ｋは多孔質媒体の透過性であり、μは気体の動的粘度であり、ｄｐ／ｄｘは流れ方向における局所圧力勾配である。この式は、積分に適した形態で再構成することができる：

局所速度ｕは、質量流量から計算できる：

式中、

は質量流量であり、ρは気体密度であり、Ａは気体流の面積である。気体の質量流量は、多孔質媒体内で圧力が減少するときに、一定のままでなければならない。式（９）を式（８）に代入すると：

理想気体について、ρ＝ｐ／ＲＴであり、式中、Ｒは気体定数であり、Ｔは気体の温度である。式（１０）に代入すると：

この式を積分し、圧力が入口でｐ１に、出口でｐ２に等しいという境界条件を留意すると、下式が得られる：

式中、Ｈは多孔質媒体の高さまたは厚さである。この式を再構成して、質量流量について解くと、下式が得られる：

これは、粘性効果が気体流における圧力の摩擦損失を支配する多孔質媒体を通る一次元の圧縮性理想気体にとっての一般解である。

図４は、ベアリングの剛性を最大にするほぼ最適な設計を作り出すために、多孔質媒体の性質（厚さおよび透過性）およびベアリング間隙が選択された、代表的な流体ベアリングの計算結果を示す。この場合、ｐは間隙中の流体のゲージ圧であり、Ｐｏはプレナムへのゲージ供給圧である。図から分かるように、ベアリングに負荷がない（重力がない）場合、中心圧力はプレナム圧力の約０．７８倍である。シートをベアリング間隙の５％だけ中心から外すのに十分に、ベアリングに重力がかけられているので、底部間隙の圧力が増し、上部間隙の圧力が低下する。部品の質量を釣り合わせる正味の力を計算するために使用されるのが、ベアリング面積に亘るこの圧力差の積分である。

図４は、典型的な動作条件に関して計算された、シートと多孔質媒体の流体ベアリングとの間の間隙内の正規化圧力の代表的なグラフである。ｐが間隙中のゲージ圧であり、Ｐｏはプレナムのゲージ圧であることに留意のこと。中央のトレース２０２は、上部と底部の間隙圧力のプロットであり、ベアリングに負荷がかけられていない（ベアリング内の重さのないシートと等しい）。底部のトレース２０１は、上部間隙圧力のプロットであり、上部のトレース２０３は、下部間隙圧力のプロットであり、ベアリングは、重力が掛けられている。

表４に示された様々な流体（気体および液体）に関する代表的な計算を考える。全ての場合、支持されているシートは、密度が２５００ｋｇ／ｍ^３であり、厚さが１ｍｍであり、横寸法が５８ｍｍと１１４ｍｍであるガラスである。流体ベアリングに入るときの初期のガラス温度は７００℃である。いずれの場合も、この部品をベアリング間隙の中心の５％以内に維持するために、流体のどれくらいの流量が要求されるかを決定するために、ベアリング計算を行った。各材料について、流体ベアリング内の部品の質量は、計算した浮力により増加した：

式中、Ｆ_ｎｅｔは、ベアリングが抵抗しなければならない正味の力であり、Ａはシートの投影面積であり、ρ_{ｓｈｅｅｔ}はシートの密度であり、ρ_{ｆｌｕｉｄ}は流体の密度であり、αは重力加速度（約９．８１ｍ／ｓ^２）であり、ｔはシートの厚さである。間隙から出る流体のレイノルズ数は：

により計算した。式中、ρ_{ｆｌｕｉｄ}は、間隙の出口で評価した流体密度であり、μは、間隙を出る流体の温度で評価した流体の動的粘度である。流体の水力直径として２ｇ（間隙の幅としてのｇ）の値を使用する；流れが約２３００のレイノルズ数で乱流となる平行板流が、流体力学の当業者により公知である。間隙中の流れが、決定的であり、単純な流体の式によりモデル化できるような層流形式に維持されることが望ましいが、その必要はない。非常に高い伝導率の液体金属の表４に示された場合のいくつかにおいて、ベアリングの間隙は、出口でのレイノルズ数を２３００未満に維持しながら、できるだけ大きくなるように選択した。示された結果は、１ｍｍ×５８ｍｍ×１１４ｍｍの寸法、２５００ｋｇ／ｍ^３の密度を有し、７００℃の初期開始温度から冷却されたガラスシートを浮遊させるために計算された流体ベアリングの設計パラメータである。

ある場合には、熱伝達の対流部分を、伝導項と比べて非常に低いレベルに減少させることが望ましいであろう。図３に示されるものなどの構成を使用して差し支えない。この場合、シートを支持する要件が除かれ、流量を、非常に低い値まで下げることができる。例示の計算が表５に示されている。全ての場合、流量は、対流が伝導の約１％であるように選択した。流動条件は、先の図３に関して図示され、記載されたような熱伝達ランドに亘り計算し、ここで、１ｍｍ厚×５８ｍｍ長の寸法（図の頁に入る方向）を有するガラスシートが７００℃の初期開始温度から冷却される。

本開示は、熱駆動対流の影響を避けながらまたは最小にしながら（用いた液体層の小さい厚さ寸法のため）、おそらくどの他の方法よりも高い、ガラステンパリング中の熱交換率（高い熱交換の有効係数）の特別な利点を提供する。この組合せにより、厚さの関数としての熱強化されたガラスシートにおけるより高い応力（結果としてのより高い強度）、およびそのような応力レベルでのより高い応力均一性の両方を生じさせることができる。また、Ｈｅ供給の潜在的な費用および不確実さを避けつつ、比較的高強度のガラス製品を製造することができる。他の態様および利点が、本明細書を全体として見直すことによって明白になるであろう。

様々な例示の実施の形態に示されたような装置、物品および材料の構成および配置は例示に過ぎない。本開示においていくつかの実施の形態しか詳しく記載していないが、ここに記載された主題の新規の教示および利点から実質的に逸脱せずに、多くの改変が可能である（例えば、様々な構成要素のサイズ、寸法、構造、形状、および比率、パラメータの値、取り付け方法、材料の使用、向きの変更）。例えば、平らなガラス物品と湾曲したガラス物品の両方が、ここに記載された方法にしたがってテンパリングできるであろう。一体形成されたと示されているいくつかの要素は、多数の部品または要素から構成されてもよく、要素の位置が逆にまたは他に変えられてもよく、個別の要素または位置の性質または数を変えても変更してもよい。どの過程、論理アルゴリズム、または方法の工程の順序または配列が、代わりの実施の形態にしたがって変えられても、または並べ直されてもよい。本発明の技術の範囲から逸脱せずに、様々な例示の実施の形態の設計、作動条件および構成に、他の置換、改変、変更および省略も行ってよい。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
ガラスシートを熱強化するための装置において、
第１のヒートシンク表面、
距離ｇのヒートシンク表面間の間隙だけ前記第１のヒートシンク表面から隔てられた第２のヒートシンク表面、および
液体を前記間隙に供給できるように配置された液体供給構造、
を備え、
前記距離ｇは、厚さｔのシートが距離ｇの前記間隙内に配置されたときに、前記第１のヒートシンク表面に面する前記シートの第一面からの熱伝達が、該シートの第一面から前記液体を通じた該第１のヒートシンク表面への伝導の２０％超であるように、処理すべきガラスシートの厚さｔに対して十分に小さい、装置。

実施形態２
前記距離ｇが、前記第１のヒートシンク表面に面する前記シートの第一面からの熱伝達が伝導の３０％超であるように、厚さｔに対して十分に小さい、実施形態１に記載の装置。

実施形態３
前記距離ｇが、前記第１のヒートシンク表面に面する前記シートの第一面からの熱伝達が伝導の４０％超であるように、厚さｔに対して十分に小さい、実施形態１に記載の装置。

実施形態４
前記距離ｇが、前記第１のヒートシンク表面に面する前記シートの第一面からの熱伝達が伝導の５０％超であるように、厚さｔに対して十分に小さい、実施形態１に記載の装置。

実施形態５
ｇ−ｔ≦５００μｍである、実施形態１に記載の装置。

実施形態６
ｇ−ｔ≦４００μｍである、実施形態１に記載の装置。

実施形態７
ｇ−ｔ≦３００μｍである、実施形態１に記載の装置。

実施形態８
ｇ−ｔ≦２００μｍである、実施形態１に記載の装置。

実施形態９
ｇ−ｔ≦１００μｍである、実施形態１に記載の装置。

実施形態１０
ｇ−ｔ≦８０μｍである、実施形態１に記載の装置。

実施形態１１
ｇ−ｔ≦７０μｍである、実施形態１に記載の装置。

実施形態１２
ｇ−ｔ≦６０μｍである、実施形態１に記載の装置。

実施形態１３
ｇ−ｔ≦５０μｍである、実施形態１に記載の装置。

実施形態１４
前記液体供給構造が、前記第１のヒートシンク表面に１つ以上の液体供給開口を備える、実施形態１から１３いずれか１つに記載の装置。

実施形態１５
前記第１のヒートシンク表面が液体供給開口を備えない、実施形態１から１３いずれか１つに記載の装置。

実施形態１６
前記第１のヒートシンク表面および前記第２のヒートシンク表面が平らである、実施形態１から１５いずれか１つに記載の装置。

実施形態１７
前記第１のヒートシンク表面および前記第２のヒートシンク表面が湾曲しており、各々の表面が１つの曲率軸を有する、実施形態１から１５いずれか１つに記載の装置。

実施形態１８
前記第１のヒートシンク表面および前記第２のヒートシンク表面が湾曲しており、各々の表面が２つの曲率軸を有する、実施形態１から１５いずれか１つに記載の装置。

実施形態１９
第１の熱源表面、
距離ｇｈの熱源表面間の熱源間隙だけ前記第１の熱源表面から隔てられた第２の熱源表面、および
加熱液体を前記熱源間隙に供給できるように配置された加熱液体供給構造、
をさらに備え、
前記距離ｇｈは、厚さｔのシートが距離ｇｈの前記熱源間隙内に配置されたときに、前記第１の熱源表面から前記シートのそれに面する第一面への熱伝達が、該第１の熱源表面から前記加熱液体を通じた該シートの第一面への伝導の２０％超であるように、処理すべきガラスシートの厚さｔに対して十分に小さい、実施形態１から１５いずれか１つに記載の装置。

実施形態２０
前記距離ｇｈが、前記第１の熱源表面から前記シートのそれに面する第一面への熱伝達が伝導の３０％超であるように、厚さｔに対して十分に小さい、実施形態１９に記載の装置。

実施形態２１
前記距離ｇｈが、前記第１の熱源表面から前記シートのそれに面する第一面への熱伝達が伝導の４０％超であるように、厚さｔに対して十分に小さい、実施形態１９に記載の装置。

実施形態２２
前記距離ｇｈが、前記第１の熱源表面から前記シートのそれに面する第一面への熱伝達が伝導の５０％超であるように、厚さｔに対して十分に小さい、実施形態１９に記載の装置。

１０ 熱強化装置
２０ａ、２０ｂ 加熱液体ベアリング
２３ 液体供給開口
２４、２８ カートリッジヒータ
３０ａ、３０ｂ 冷却液体ベアリング
４０ 貯蔵器
４１ 液体
４２ ポンプ
４４ 導管
５０ 追加のヒータ
６０ａ、６０ｂ、８０ａ、８０ｂ ガスベアリング
６２ チャンバ
６４ 流路
７５ａ、７５ｂ 液体プレナム
８５ａ、８５ｂ ガスプレナム
９０ 熱伝達ランド
１００ シート

Claims (10)

1. ガラスシートを熱強化するための装置において、
   第１のヒートシンク表面、
   距離ｇのヒートシンク表面間の間隙だけ前記第１のヒートシンク表面から隔てられた第２のヒートシンク表面、および
   液体を前記間隙に供給できるように配置された液体供給構造、
   を備え、
   前記距離ｇは、厚さｔのシートが距離ｇの前記間隙内に配置されたときに、前記第１のヒートシンク表面に面する前記シートの第一面からの熱伝達が、該シートの第一面から前記液体を通じた該第１のヒートシンク表面への伝導の２０％超であるように、処理すべきガラスシートの厚さｔに対して十分に小さい、装置。
2. 前記距離ｇが、前記第１のヒートシンク表面に面する前記シートの第一面からの熱伝達が伝導の３０％超であるように、厚さｔに対して十分に小さい、請求項１記載の装置。
3. 前記距離ｇが、前記第１のヒートシンク表面に面する前記シートの第一面からの熱伝達が伝導の４０％超であるように、厚さｔに対して十分に小さい、請求項１記載の装置。
4. 前記距離ｇが、前記第１のヒートシンク表面に面する前記シートの第一面からの熱伝達が伝導の５０％超であるように、厚さｔに対して十分に小さい、請求項１記載の装置。
5. ｇ−ｔ≦３００μｍである、請求項１記載の装置。
6. 前記液体供給構造が、前記第１のヒートシンク表面に１つ以上の液体供給開口を備える、請求項１記載の装置。
7. 前記第１のヒートシンク表面が液体供給開口を備えない、請求項１記載の装置。
8. 前記第１のヒートシンク表面および前記第２のヒートシンク表面が平らである、請求項１記載の装置。
9. 前記第１のヒートシンク表面および前記第２のヒートシンク表面が湾曲しており、各々の表面が１つの曲率軸を有する、請求項１記載の装置。
10. 前記第１のヒートシンク表面および前記第２のヒートシンク表面が湾曲しており、各々の表面が２つの曲率軸を有する、請求項１記載の装置。

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