JP5869806B2 - 加熱された耐熱セラミック体の応力を制御するための方法 - Google Patents
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Description
本発明は応力上昇イベントにかけられている加熱された耐熱セラミック体内の応力レベルを管理するための方法に関する。さらに詳しくは、本発明はフュージョンダウンドロープロセス中の耐熱セラミックフュージョンアイソパイプ内の応力レベルを管理するための方法に関する。本発明は、例えば液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)のためのガラスシートの作製に、有用である。
ガラスシートは、(１９６７年８月２９日に公開された)特許文献１(ドカーティ(Dockerty)-Ｉ)及び(１９７２年８月８日に公開された)特許文献２(ドカーティ-II)に説明されているような、フュージョンダウンドロープロセスを用いて溶融ガラスから作製することができる。図１はガラスシートを作製するための代表的なフュージョンダウンドロー装置を示す。図１において、溶融ガラス１は耐熱セラミック材料でつくられた、アイソパイプ５と呼ばれる、成形トラフに送り込まれる。溶融ガラス１は堰３の上面を溢流して、フュージョンアイソパイプ５の収斂する両側壁１１，１３を流下する、２つの分岐流７及び９を形成する。フュージョンアイソパイプ５のルート１５，すなわち底において分岐溶融ガラス流７，９が合体して単一溶融ガラス流１７になり、続いてガラス流１７は下方に引かれてガラスシートになる。このプロセスの重要な利点は、単一流１７の外表面１２，１４がフュージョンアイソパイプ５の側壁１１，１３と接触しないことである。この結果、単一流１７から引かれるガラスシートの外表面は清純であり、ファイアポリッシュ級の品質を有する。
図２はフュージョンダウンドロープロセスによりガラスシートを製造するためのシステムを示す。システム１９は、原材料を受け取り、原材料を融解して溶融ガラス２５にする、融解槽２１を備える。システム１９は、融解槽２１から溶融ガラス２５を受け取り、溶融ガラス２５を処理して原材料の融解中に溶融ガラス２５に取り込まれていることがあり得る気泡を除去する、清澄化槽２７を備えることができる。システム１９は、清澄化槽２７から溶融ガラス２５を受け取り、その中で溶融ガラス２５を撹拌して溶融ガラス２５の均質性を向上させる、撹拌槽２９を備えることができる。システム１９は、撹拌槽２９から溶融ガラス２５を受け取る、送出槽３１を備える。下降管３３が送出槽３１の下に備えられ、送出槽３１から溶融ガラス２５を受け取る。溶融ガラス２５は続いて下降管３３から、フュージョンアイソパイプ５の開口３７に連結された、インレットパイプ２５に流入し、よって溶融ガラス２５がアイソパイプ５に送られる。図２には示されていないが、フュージョンアイソパイプ５は一般に、フュージョンアイソパイプ５の様々な領域の温度制御を可能にするための、断熱材、加熱素子及び空気管を備えることができる、マッフルに収められる。
フュージョンダウンドロープロセスの開始時に、インレットパイプ３５は下降管３３に連結されていない。この時点において、フュージョンアイソパイプ５は溶融ガラス２５を受け取るための準備として制御可能な態様でガラス製造温度に加熱され、原材料が融解槽２１に受け取られ、融解されて、溶融ガラス２５になる。制御された加熱後、フュージョンアイソパイプ５は多くのイベントにかけられ、その内の少なくともいくつかは、主パワー再分布（major power redistributions）、ガラス組成転換、断熱材交換及びガラスシートの製造を可能にするに必要な臨時の装備の装着及び取外しのような、応力上昇イベントである。応力上昇イベントの結果、フュージョンアイソパイプ内の応力レベルがかなり上昇する。このフュージョンアイソパイプ内の応力レベル上昇は、フュージョンアイソパイプにかかる温度勾配が短時間内に大きく変化することによる。ある温度におけるフュージョンアイソパイプ内の応力レベルがその温度でフュージョンアイソパイプが耐え得る最大応力をこえると、フュージョンアイソパイプは構造破壊をおこすであろう。亀裂発生がフュージョンアイソパイプの一般的な破壊形態である。
本発明の課題は、フュージョンダウンドロープロセスにおいてフュージョンアイソパイプに発生する応力によるフュージョンアイソパイプの構造破壊を抑制する手段を提供することである。
本発明のいくつかの態様が本明細書に開示される。これらの態様が相互に重なり合うこともあれば重なり合わないこともあることは当然である。すなわち、ある態様の一部が別の態様の範囲内に入ることがあり、逆も同様である。
それぞれの態様は多くの実施形態によって示され、それぞれの実施形態はさらに１つないしさらに多くの特定の実施形態を含むことができる。実施形態が相互に重なり合うこともあれば重なり合わないこともあることは当然である。したがって、ある実施形態またはその特定の実施形態の一部が別の実施形態またはその特定の実施形態の範囲内に入ることもあれば入らないこともあり、逆も同様である。
本発明の第１の態様において、フュージョンダウンドロープロセスを用いてガラスシートを作製する工程は、
(ａ)溶融ガラスを形成する工程、
(ｂ)耐熱セラミックでつくられたフュージョンアイソパイプを炉内でガラス製造温度に加熱する工程、
(ｃ)フュージョンアイドパイプをフュージョンアイソパイプ内の応力レベルがその間に上昇する第１の応力上昇イベントにかける工程、及び
(ｄ)工程(ｃ)に続いて、炉内の温度分布が安定に保たれる温度保持期間をフュージョンアイソパイプに適用し、この温度保持期間中にフュージョンアイソパイプの応力レベルを低下させる、工程、
を含む。
(ａ)溶融ガラスを形成する工程、
(ｂ)耐熱セラミックでつくられたフュージョンアイソパイプを炉内でガラス製造温度に加熱する工程、
(ｃ)フュージョンアイドパイプをフュージョンアイソパイプ内の応力レベルがその間に上昇する第１の応力上昇イベントにかける工程、及び
(ｄ)工程(ｃ)に続いて、炉内の温度分布が安定に保たれる温度保持期間をフュージョンアイソパイプに適用し、この温度保持期間中にフュージョンアイソパイプの応力レベルを低下させる、工程、
を含む。
本発明の第１の態様の一実施形態において、本方法はさらに、
工程(ｄ)に続いて、フュージョンアイソパイプをフュージョンアイソパイプ内の応力レベルがその間に上昇する第２の応力上昇イベントにかける工程、
を含む。
工程(ｄ)に続いて、フュージョンアイソパイプをフュージョンアイソパイプ内の応力レベルがその間に上昇する第２の応力上昇イベントにかける工程、
を含む。
本発明の第１の態様の一実施形態において、本方法はさらに、
工程(ａ)において形成された溶融ガラスをフュージョンアイソパイプのトラフに導入する工程、
溶融ガラスをアイソパイプの堰表面をこえて溢流させ、２つの分岐溶融ガラス流にしてフュージョンアイソパイプの両側面を流下させる工程、
フュージョンアイソパイプのルートにおいて２つの分岐溶融ガラス流を合体させて単一溶融ガラス流にする工程、及び
単一溶融ガラス流を引いてガラスシートにする工程、
を含む。
工程(ａ)において形成された溶融ガラスをフュージョンアイソパイプのトラフに導入する工程、
溶融ガラスをアイソパイプの堰表面をこえて溢流させ、２つの分岐溶融ガラス流にしてフュージョンアイソパイプの両側面を流下させる工程、
フュージョンアイソパイプのルートにおいて２つの分岐溶融ガラス流を合体させて単一溶融ガラス流にする工程、及び
単一溶融ガラス流を引いてガラスシートにする工程、
を含む。
本発明の第１の態様の一実施形態において、本方法はさらに、
予定外の応力上昇イベントに対してフュージョンアイソパイプをモニタする工程、及び予定外の応力上昇イベントが検出されると、その予定外の応力上昇イベント後に炉に温度保持期間を適用する工程、
を含む。
予定外の応力上昇イベントに対してフュージョンアイソパイプをモニタする工程、及び予定外の応力上昇イベントが検出されると、その予定外の応力上昇イベント後に炉に温度保持期間を適用する工程、
を含む。
本発明の第１の態様の一実施形態において、予定外の応力上昇イベントに対してフュージョンアイソパイプ及び／または炉をモニタする工程は、
フュージョンアイソパイプの堰の上面とルートの間の絶対温度差を測定する工程、及び時間の経過にともなう絶対温度差の変化率を推定する工程、
を含む。
フュージョンアイソパイプの堰の上面とルートの間の絶対温度差を測定する工程、及び時間の経過にともなう絶対温度差の変化率を推定する工程、
を含む。
本発明の第１の態様の一実施形態において、第１の応力上昇イベントには、１℃/時間より大きい、堰表面とルートの間の絶対温度差の変化率がともなう。
本発明の第１の態様の一実施形態において、第１の応力上昇イベントには、５℃/時間より大きい、堰表面とルートの間の絶対温度差の変化率がともなう。
本発明の第１の態様の一実施形態において、第１の応力上昇イベントには、１０℃/時間より大きい、堰表面とルートの間の絶対温度差の変化率がともなう。
本発明の第１の態様の一実施形態において、本方法はさらに、
温度保持期間工程(ｄ)の長さをフュージョンアイソパイプから解放されるべき応力の大きさに比例するように選ぶ工程、
を含む。
温度保持期間工程(ｄ)の長さをフュージョンアイソパイプから解放されるべき応力の大きさに比例するように選ぶ工程、
を含む。
本発明の第１の態様の一実施形態において、温度保持期間工程長を選ぶ工程は、
フュージョンアイソパイプが構造的に破壊せずに、フュージョンアイソパイプ内のどれだけの応力に及びある温度においてどれだけ長い間、耐えることができるかを指定する破壊条件を決定する工程
を含む。
フュージョンアイソパイプが構造的に破壊せずに、フュージョンアイソパイプ内のどれだけの応力に及びある温度においてどれだけ長い間、耐えることができるかを指定する破壊条件を決定する工程
を含む。
本発明の第２の態様において、加熱された耐熱セラミック体内の応力の制御方法は、
加熱された耐熱セラミック体を一連の応力上昇イベントにかける工程、
を含み、加熱された耐熱セラミック体内の応力レベルはそれぞれの応力上昇イベント中に上昇する。一連の応力上昇イベント中の各連続する２つのイベント間に、炉内温度分布が安定に保たれる温度保持期間が、フュージョンアイソパイプに適用される。温度保持期間中にフュージョンアイソパイプ内の応力レベルが低下する。
加熱された耐熱セラミック体を一連の応力上昇イベントにかける工程、
を含み、加熱された耐熱セラミック体内の応力レベルはそれぞれの応力上昇イベント中に上昇する。一連の応力上昇イベント中の各連続する２つのイベント間に、炉内温度分布が安定に保たれる温度保持期間が、フュージョンアイソパイプに適用される。温度保持期間中にフュージョンアイソパイプ内の応力レベルが低下する。
本発明の第２の態様の一実施形態において、応力上昇イベントの少なくとも１つには、１℃/時間より大きい、耐熱セラミック体上の２つの基準点の間の絶対温度差の変化率がともなう。
本発明の第２の態様の一実施形態において、応力上昇イベントの少なくとも１つには、５℃/時間より大きい、耐熱セラミック体上の２つの基準点の間の絶対温度差の変化率がともなう。
本発明の第２の態様の一実施形態において、応力上昇イベントの少なくとも１つには、１０℃/時間より大きい、耐熱セラミック体上の２つの基準点の間の絶対温度差の変化率がともなう。
本発明の第２の態様の一実施形態において、本方法はさらに、
耐熱セラミック体が構造的に破壊せずに、耐熱セラミック体内のどれだけの応力に及びある温度においてどれだけ長い間、耐えることができるかを指定する破壊条件を決定する工程
を含む。
耐熱セラミック体が構造的に破壊せずに、耐熱セラミック体内のどれだけの応力に及びある温度においてどれだけ長い間、耐えることができるかを指定する破壊条件を決定する工程
を含む。
本発明の第２の態様の一実施形態において、本方法はさらに、
耐熱セラミック体に対する、破壊条件を侵犯しない、イベントのスケジュールを指定する工程、
を含み、イベントのスケジュールは、一連の応力上昇イベント及びその一連の応力上昇イベント内の各連続する２つの応力上昇イベント間の温度保持期間を含む。
耐熱セラミック体に対する、破壊条件を侵犯しない、イベントのスケジュールを指定する工程、
を含み、イベントのスケジュールは、一連の応力上昇イベント及びその一連の応力上昇イベント内の各連続する２つの応力上昇イベント間の温度保持期間を含む。
本発明の第２の態様の一実施形態において、破壊条件を決定する工程は、一連の応力上昇イベントにかけられるベースライン耐熱セラミック体内の応力をモデル化する工程を含む。
本発明の第２の態様の一実施形態において、ベースライン耐熱セラミック体は、一連の応力上昇イベントにかけられたときに破壊した耐熱セラミック体である。
本発明の第２の態様の一実施形態において、本方法はさらに、
予定外の応力上昇イベントに対して耐熱セラミック体をモニタする工程、及び、予定外の応力上昇イベントがおこった場合はその応力上昇イベントの後に、耐熱セラミック体に温度保持期間を適用する工程、
を含む。
予定外の応力上昇イベントに対して耐熱セラミック体をモニタする工程、及び、予定外の応力上昇イベントがおこった場合はその応力上昇イベントの後に、耐熱セラミック体に温度保持期間を適用する工程、
を含む。
１つないしさらに多くの実施形態において、本発明の方法は意図的な応力上昇イベントの存在におけるフュージョンアイソパイプ破壊のリスクを防止または低減する。
１つないしさらに多くの実施形態において、本発明の方法はフュージョンアイソパイプがいかなる時にも管理可能な応力レベルにあることを保証する。
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは記述及び添付される特許請求の範囲に説明され、また添付図面にも示されるように、本発明を実施することによって認められるであろう。
上記の全般的説明及び以下の詳細な説明が本発明の例示に過ぎず、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。
以下は添付図面の図の説明である。図は必ずしも比例尺で描かれておらず、図のいくつかの特徴及びいくつかの様相は、明解さ及び簡潔さのために、規模が誇張されるかまたは簡略に示されることがある。
本明細書及び特許請求の範囲に用いられる、成分の重量％及びモル％、寸法、及びいくつかの物理特性に対する値を表す数値のような、全ての数値は、別途に示されない限り、全ての場合において副詞「約」で修飾されていると理解されるべきである。本明細書及び特許請求の範囲に用いられる精確な値は本発明の別の実施形態をなすことも理解されるべきある。実施例に開示される数値の正確さを保証するために努力した。しかし、いかなる測定値にも、それぞれの測定法に見られる標準偏差によって生じるいくらかの誤差が本質的に含まれ得る。
本明細書に用いられるように、本発明の説明及び特許請求において、不定冠詞‘ａ’または‘ａｎ’は「少なくとも１つ」を意味し、そうではないことが明白に示されない限り、「ただ１つ」に限定されるべきではない。すなわち、例えば‘ａ ｈｏｌｄ’への言及は、そうではないことを文脈が明白に示していない限り、１つ、２つないしさらに多くのそのような‘ｈｏｌｄ’を有する実施形態を含む、
以下の詳細な説明においては、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために多くの特定の詳細が述べられるであろう。しかし、そのような特定の詳細のいくつかまたは全てを欠いても、本発明の実施形態が実施され得ることが当業者には明らかであろう。別の例において、周知の特徴またはプロセスは、本発明を不必要に曖昧にしないように、詳細に説明されることはないであろう。さらに、共通または同様の要素を識別するために同じかまたは同様の参照数字が用いられる。
以下の詳細な説明においては、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために多くの特定の詳細が述べられるであろう。しかし、そのような特定の詳細のいくつかまたは全てを欠いても、本発明の実施形態が実施され得ることが当業者には明らかであろう。別の例において、周知の特徴またはプロセスは、本発明を不必要に曖昧にしないように、詳細に説明されることはないであろう。さらに、共通または同様の要素を識別するために同じかまたは同様の参照数字が用いられる。
フュージョンダウンドロープロセスは現在、液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)を含むがこれには限定されない、多くのディスプレイデバイスを作製するための表面品質が高い薄いガラス基板を作製するための先進技術である。米国ニューヨーク州コーニング(Corning)のコーニング社(Corning Incorporated)によって最初に開発された、この成形技術は、堰と呼ばれる２つの実質的垂直な壁体を有する、「アイソパイプ」または「フュージョンアイソパイプ」と一般に呼ばれる、成形トラフに溶融ガラス流を送り込み、溶融ガラスに２つの堰の上面を溢流させ、２つの側面が収斂する底において融合して単一ガラスリボンになる、２つの分岐流としてアイソパイプの側壁に沿って流下させる工程を含む。単一ガラスリボンは次いで、所望の温度及び粘度及び速度で下方に引かれて所望の幅及び厚さにされ、冷却された弾性状態にされ、切断されて、複数枚のガラスシートにされる。ガラスリボンの２つの主表面はアイソパイプの固体表面に接触せず、周囲環境にしかさらされないから、ＬＣＤガラス基板に望ましい清純な表面品質を示す。有効で信頼性の高いガラス形成プロセス並びに一貫した満足できる製品品質のためには溶融ガラス及びアイソパイプの温度管理が極めて重要である。この目的のため、アイソパイプは製造キャンペインを通して、時に「マッフル」と呼ばれる、炉の内部に一般に収められる。炉内の温度場は絶えず測定され、制御される。
アイソパイプは一般に、大寸の、ジルコン、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、ゼノタイム、等を含む耐熱セラミックのような、耐熱材料体でつくられる。アイソパイプの寸法及び形状の安定性は有効で信頼性の高い製造プロセスのために重要である。アイソパイプ自体はガラスシート製造システムの非常に高価なコンポーネントである。したがって、アイソパイプの構造及び形状の完全性を維持し、寿命をのばすことが必ず必要とされる。
アイソパイプ体の異なる領域がさらされる温度差によって発生し得る、一般に大寸セラミック材料体を含む、アイソパイプ内部の熱応力が非常に多くの文献で論じられている。本発明は、とりわけ、初期始動、正常動作、臨時のプロセス中断、プロセス停止、緊急時対応、問題解決、等を含む、アイソパイプの寿命を通して、アイソパイプ内部の熱応力を管理するための手法を提供する。
図３は最大フュージョンアイソパイプ応力対絶対温度差を様々なアイソパイプ３０１，３０３，３０５，３０７，３０９，３１０，３１１及び３１３について示す。フュージョンアイソパイプの大きさは、３０１＜３０３＜３０５＜３０７＜３０９＜３１０＜３１１＜３１３である。温度差はフュージョンアイソパイプの堰上面と底の間で測定される。図３の温度差軸上のドットは１時間印加時破壊応力条件を生じるに必要な温度差を示す。図３に、温度差が大きくなるにつれて、またフュージョンアイソパイプ寸法が大きくなるにつれて、最大フュージョンアイソパイプ応力が高くなることを見ることができる。(堰上面と底の間の)温度差が小さくとも大きな印加応力状態増大を生じ得ることも見ることができる。したがって、応力上昇イベントは大寸フュージョンアイソパイプに対して特に問題になり得る。応力上昇イベントの排除は、そうした応力上昇イベントの多くがフュージョンダウンドロープロセスの始動及び動作に必要であり、他は予定外であり得るから、実行可能な解決策ではない。
本発明の一態様において、加熱された耐熱セラミック体は一連の応力上昇イベントにかけられる。その一連の応力上昇イベントの各連続する２つの応力上昇イベントの間に、加熱された耐熱セラミック体に温度保持期間が適用される。ＳＥが応力上昇イベントを表し、ＴＥが温度保持期間を表すとする。そうすると、加熱された耐熱セラミック体に与えられるイベントのスケジュールは、ＳＥ(１)，ＴＥ(１)(２) ，ＳＥ(２) ，ＴＥ(２)(３) ，ＳＥ(３),・・・,ＴＥ(ｎ−１)(ｎ) ，ＳＥ(ｎ)の形態をとるであろう。ここでｎは応力上昇イベントの数であり、１よい大きい。本発明の別の態様において、加熱された耐熱セラミック体に応力上昇イベントスケジュールが与えられる。それぞれの応力上昇イベントの後、加熱された耐熱セラミック体に温度保持期間が適用される。この交互イベントスケジュールは、ＳＥ(１),ＴＥ(１),ＳＥ(２),ＴＥ(２)，ＳＥ(３)，，ＳＥ(ｎ) ，ＴＥ(ｎ)の形態をとるであろう。ここでｎは応力上昇イベントの数であり、少なくとも１である。本発明の態様により、予定外の応力上昇イベントに対して加熱された耐熱セラミック体をモニタすることが可能になる。予定外の応力上昇イベントがおこると、予定外の応力イベント後に温度保持期間が適用される。
応力上昇イベントの特徴は、耐熱セラミック体にかかる絶対温度勾配の短時間内のかなりの変化または耐熱セラミック体上の２つの基準点の間の絶対温度差の短時間内のかなりの変化である。一実施形態において、イベントはそのイベント中の耐熱セラミック体上の２つの基準点の間の絶対温度差の変化率が１℃/時間より大きければ応力上昇イベントと見なされる。別の実施形態において、イベントはそのイベント中の耐熱セラミック体上の２つの基準点の間の絶対温度差の変化率が５℃/時間より大きければ応力上昇イベントと見なされる。また別の実施形態において、イベントはそのイベント中の耐熱セラミック体上の２つの基準点の間の絶対温度差の変化率が１０℃/時間より大きければ応力上昇イベントと見なされる。基準点は耐熱セラミック体上の相互に隔てられた点である。耐熱セラミック体がフュージョンアイソパイプである場合、一方の基準点をフュージョンアイソパイプの堰の上面にとることができ、他方の基準点をフュージョンアイソパイプのルートにおくことができる。堰の上面の基準点の温度は２つの堰の上面の単一の点における温度としてとることができる。あるいは、いくつかの温度を２つの堰の２つの上面で測定することができ、そのようないくつかの温度の単一の代表値、例えばそれらいくつかの温度の平均値または中央値を堰の上面の基準点の温度として用いることができる。同様に、ルートにおける基準点の温度はルートの単一の点における温度としてとることができる。あるいは、いくつかの温度をルートにおいて、例えばルートの水平方向線に沿って、測定することができ、そのようないくつかの温度の単一の代表値、例えばそれらいくつかの温度の平均値または中央値をルートの基準点の温度として用いることができる。基準点の温度の決定に用いられるいかなる方式も、基準点間の絶対温度差が時間の経過とともに一貫して測定され得るように、一貫しているべきである。
一実施形態では、フュージョンダウンドロープロセスにおいて重要な応力上昇イベントはフュージョンアイソパイプが制御された態様でガラス製造温度に加熱された後におこる。そのような応力上昇イベントには、パワー再分布（power redistributions）、ガラス組成転換、断熱材変更、及びガラスシートの作製を可能にするに必要な臨時の装備の装着または取外しがあるが、これらには限定されない。フュージョンアイソパイプをガラス製造温度まで加熱した後におこり得る応力上昇イベントのさらに特定の例には、フュージョンアイソパイプの加熱に用いられる補助ヒーターのパワー低下、フュージョンアイソパイプからまたはフュージョンアイソパイプを収めているマッフルからの補助ヒーターの取り外し、及びフュージョンアイソパイプへの下降管の結合がある。フュージョンダウンドロープロセス中にはいつでも予定外の応力上昇イベントもおこり得る。予定外応力上昇プロセスの例には、補助ヒーターの突然の故障、フュージョンダウンドロー装置全体の停電、及びフュージョンアイソパイプ内の材料不足または応力集中がある。予定されていたかまたは予定外の応力上昇イベント後の、加熱されたフュージョンアイソパイプに適用される温度保持期間は、加熱されたフュージョンアイソパイプ内の応力レベルを安全レベルまで低下させるに役立つ。
温度保持期間は、耐熱セラミック体内の温度分布を安定に(または一定に)維持するように耐熱セラミック体の温度環境が制御される期間である。そのような熱環境は、加熱素子、冷却素子、断熱材及びエアスペースのような、フュージョンアイソパイプ内の温度分布に影響する全ての構造からなる。熱環境は、例えば、耐熱セラミック体上の１つないしさらに多くの点において温度をモニタし、対応して、モニタされる温度が実質的に一定のままであるように、耐熱セラミック体への熱入力を調節することによって、制御することができる。温度保持期間中に、耐熱セラミック体内の応力レベルは低下する。応力レベルの低下は耐熱セラミック体の平均応力または最大応力が低下することを意味し得る。応力は、以下でさらに説明されるように、耐熱セラミック体のいくらかの粘弾性的性質によって、温度保持期間中に、耐熱セラミック体から解放される。温度保持期間中に、耐熱セラミック体内の最大応力は、耐熱セラミック体の構造破壊が生じ得るであろう閾応力より小さくなり得る。温度保持期間の長さは耐熱セラミック体からどれだけの応力が解放されるべきかに依存し、一般に数時間である。耐熱セラミック体から十分な応力を解放するには温度保持期間がどれだけ長くなければならないかの推定を得るために、１つないしさらに多くの応力上昇イベントの結果として耐熱セラミック体内で予想される応力上昇のモデル化を先験的に実施することができる。
フュージョンアイソパイプ温度保持期間を与える手段が効果を表すためには、耐熱セラミック材料が高温においてクリープ及び応力緩和を示すことが好ましい。クリープは、材料に印加された荷重を変えずに材料の時間依存変形を可能にする、粘弾性的挙動である。応力緩和：
は式(１)：
と表すことができる。ここでεは歪を表し、Ｔは温度を表し、Ｐは材料特性を表し、ｔは時間を表す。式(１)の関数ｆは、応力が時間とともに解放される粘弾性材料では、常に負である(０より小さい)。高温においてクリープ及び応力緩和を示す耐熱材料の例には、ジルコニア、アルミナ及びその他のセラミック材料がある。
以下の実施例は本発明の原理をさらに深く説明するに役立つ。
一実施例において、フュージョンダウンドロープロセスの始動段階中のフュージョンアイソパイプ内の応力をモデル化した。フュージョンアイソパイプはジルコンで作製した。フュージョンアイソパイプまたはフュージョンアイソパイプを収めたマッフルに補助ヒーターを備えた(すなわち、補助ヒーターがフュージョンアイソパイプに熱を送達できるように、補助ヒーターをフュージョンアイソパイプの直近に配置した)。モデル化の結果が図４に示され、以下で説明される。破線４０１はアイソパイプの堰の上面とルートの間の温度差を表し、実線４０３はフュージョンアイソパイプ内の応力レベルを表す。
代表的な加熱スケジュール４０５をフュージョンアイソパイプに与えた。加熱スケジュール４０５の終点において、フュージョンアイソパイプ内応力は約２４５ｐｓｉ(１.６９×１０６Ｐａ)であり、堰上面とルートの間の絶対温度差は約４９℃であった。次に、応力上昇イベント４０７において、補助ヒーターをフュージョンアイソパイプまたはマッフルから取り外した。応力上昇イベントの終点において、フュージョンアイソパイプ内応力は約２６７８ｐｓｉ(１.８５×１０７Ｐａ)まで上昇し(前応力レベルに比較して約９９３％の応力増大)、堰上面とルートの間の絶対温度差は約８８℃になった(約＋１０.７℃/時間の応力上昇イベント４０７中温度差上昇率)。次に、温度保持期間４０９をフュージョンアイソパイプに適用した。温度保持期間４０９の終点において、フュージョンアイソパイプ内応力は約１８８８ｐｓｉ(１.３０×１０７Ｐａ)まで低下し(前応力レベルに比較して約２９％の応力減少)、絶対温度差は温度保持によって８８℃のままであった。次に、応力上昇イベント４１１において、下降管をフュージョンアイソパイプに結合した。応力上昇イベント４１１の終点において、フュージョンアイソパイプ内応力は２４０８ｐｓｉ(１.６６×１０７Ｐａ)まで上昇し、堰上面とルートの間の絶対温度差は約８９℃になった。応力上昇イベント４１１中に約３５６６ｐｓｉ(２.４６×１０７Ｐａ)の応力スパイク及び約１１２℃の堰上面とルートの間の絶対温度差が見られた。理解され得るであろうように、温度保持期間４０９がなければ、応力上昇イベント４１１後のフュージョンアイソパイプ内応力レベルは３５６６ｐｓｉよりかなり大きくなり、フュージョンアイソパイプ破壊の危険が高まったであろう。
図５は本発明の別の態様を示すフローチャートである。図５に概略が示される作業フローにおける耐熱セラミック体の例としてフュージョンアイソパイプが用いられる。ステップ４１において、ベースラインフュージョンアイソパイプへの第１のイベントスケジュールの適用中に収集されたデータが取得される。第１のイベントスケジュールは、ベースラインフュージョンアイソパイプが制御された態様でガラス製造温度に加熱された後に、ベースラインフュージョンアイソパイプに与えられる。第１のイベントスケジュールは１つないしさらに多くの応力上昇イベントを含む。第１のイベントスケジュールの下でベースラインアイソパイプの限界に関する有用な情報がデータから収集されるように、第１のイベントスケジュールの適用中に、ベースラインフュージョンアイソパイプが破壊することが、例えば亀裂が生じることが、好ましい。データは、第１のイベントスケジュール中のベースラインアイソパイプの熱履歴を含むことが好ましい。ステップ４３において、データに含まれる熱履歴及び、ベースラインフュージョンアイソパイプの形状寸法及び材料特性のような、ベースラインフュージョンアイソパイプに関する追加情報が、第１のイベントスケジュール中のベースラインフュージョンアイソパイプ内の熱応力のモデル化に用いられる。
一実施形態において、ノートン(Norton)モデルとして知られるクリープモデルがフュージョンアイソパイプ応力のモデル化に用いられる。クリープモデルにおいて、歪速度：
は式(２)：
と表される。ここで、σは応力を表し、Ｔは温度を表す。パラメータＡ,ｎ,Ｃは測定される材料パラメータである。式(２)から、応力σは式(３)：
と表すことができる。歪速度が時間に関して一定(すなわち二次クリープ)であるとすれば式(４)：
が得られる。すなわち、応力σは与えられた温度及び歪において時間の関数である。フュージョンアイソパイプ内応力をモデル化するため、式(４)は数値的に解かれる。
ステップ４５において、モデル化されたベースラインフュージョンアイソパイプ内応力及びベースラインフュージョンアイソパイプの材料に対する静疲労データから、ベースラインフュージョンアイソパイプと同じかまたは同様の構成のフュージョンアイソパイプに対する破壊条件が導き出される。静疲労データは、ベースラインフュージョンアイソパイプの材料に亀裂が生じるであろう条件を調べることによって先験的に集められる。これには、張力と温度のどのような組合せで材料亀裂が生じるであろうかを決定するために様々な温度において様々な張力を材料にかける作業を含めることができる。モデル化された応力は、ある温度における、時間に関するベースラインフュージョンアイソパイプ内応力を提供する。破壊条件は、ベースラインフュージョンアイソパイプと同じかまたは同様の構成のフュージョンアイソパイプがどれだけの応力に、及びある温度においてまたはある温度範囲内で破壊せずにどれだけ長い間、耐えることができるかを指定する。ステップ４７において、ベースラインフュージョンアイソパイプと同じかまたは同様の構成を有する、対象フュージョンアイソパイプに対して、破壊条件を侵犯しない新しいイベントスケジュールが構築され、規定される。
ステップ４９において、対象フュージョンアイソパイプをガラス製造温度に加熱した後、対象フュージョンアイソパイプに新しいイベントスケジュールが与えられる。新しいイベントスケジュールは１つないしさらに多くの応力上昇イベント及び、上で説明したように、１つないしさらに多くの温度保持期間を含む。図４はそのような新しいイベントスケジュールを示す。それぞれの温度保持期間の長さがどれだけであるべきかを決定するために破壊条件が用いられる。第２のフュージョンアイソパイプに新しいイベントスケジュールを与えた結果としてのフュージョンアイソパイプ内の累積応力レベルが破壊条件において指定される故障閾の下にとどまるように、それぞれの応力上昇イベント後にまたは連続する応力上昇イベントの間に、十分な応力が解放されることが重要である。
上で説明したように、フュージョンダウンドロープロセスを用いるガラスシートの製造は、加熱されたフュージョンアイソパイプに溶融ガラスを送り込む工程、溶融ガラスをして加熱されたフュージョンアイソパイプの堰の上面を越えて溢流させ、フュージョンアイソパイプの側面を流下させて２つの分岐溶融ガラス流にする工程、２つの分岐溶融ガラス流を合体させて単一溶融ガラス流を形成する工程、単一溶融ガラス流を引いてガラスシートにする工程を含む。始動段階中に、フュージョンアイソパイプがガラス製造温度に加熱される間、溶融ガラスが、原材料を融解することにより、形成される。ガラス製造温度は数１００℃であり、ガラスの組成に依存するであろう。フュージョンアイソパイプがガラス製造温度まで加熱された後、フュージョンダウンドローシステムにおいて多くのイベントが実行され、そのようなイベントの内のいくつかがフュージョンアイソパイプにおける応力上昇イベントと見なされ得る。加熱されたフュージョンアイソパイプ内の応力レベルは、上述したように、応力上昇イベント後にまたは各連続する応力上昇イベントの間に温度保持期間を計画的に適用することによって、制御される。次いで、加熱されたフュージョンアイソパイプに溶融ガラスが送られて、ガラスシートの形成が実行される。ガラスシート形成中、予定外のまたは意図しない応力上昇イベントに対して、加熱されたフュージョンアイソパイプをモニタすることができ、そのような予定外の応力上昇イベントが見いだされると、上述した、加熱されたフュージョンアイソパイプ内の応力レベルを低下させるための方式を用いることができる。一実施形態において、加熱されたフュージョンアイソパイプの堰上面とルートの間の絶対温度差がある期間にかけて測定される(絶対温度差をどのように決定するかに関する上記方式が適用される)。絶対温度差対時間のデータからその期間にわたる絶対温度差の変化率が決定される。フュージョンアイソパイプが応力上昇イベントを受けたかまたは受けているところであることを絶対温度差の変化率が示すと、フュージョンアイソパイプ内応力レベルを安全レベルにするために、応力上昇イベント後にフュージョンアイソパイプに温度保持期間を適用することができる。この手順は、フュージョンダウンドロープロセスの作業段階を通して反復することができる。
本発明を限られた数の実施形態に関して説明したが、本開示の恩恵を有する当業者には、本明細書に開示されるような本発明の範囲を逸脱しないその他の実施形態が容易に案出され得ることは当然であろう。したがって、本発明の範囲は添付される特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
１，２５ 溶融ガラス
３ 堰
５ アイソパイプ
７，９ 分岐(溶融ガラス)流
１１，１３ アイソパイプ側壁
１５ ルート
１７ 単一(溶融ガラス)流
１９ ガラスシート製造システム
２１ 融解槽
２７ 清澄化槽
２９ 撹拌層
３１ 送出槽
３３ 下降管
３５ インレットパイプ
３７ アイソパイプ開口
３ 堰
５ アイソパイプ
７，９ 分岐(溶融ガラス)流
１１，１３ アイソパイプ側壁
１５ ルート
１７ 単一(溶融ガラス)流
１９ ガラスシート製造システム
２１ 融解槽
２７ 清澄化槽
２９ 撹拌層
３１ 送出槽
３３ 下降管
３５ インレットパイプ
３７ アイソパイプ開口
Claims (5)
- フュージョンダウンドロープロセスを用いてガラスシートを作製する方法において、
(ａ)溶融ガラスを形成する工程、
(ｂ)耐熱セラミックでつくられたフュージョンアイソパイプを炉内でガラス製造温度に加熱する工程、
(ｃ)前記フュージョンアイソパイプを、そのフュージョンアイソパイプ内の応力レベルがその間に上昇する、一連の応力上昇イベントにかける工程、及び
(ｄ) 前記一連の応力上昇イベントの各応力上昇イベントの後、前記炉内の温度分布が安定に保たれる温度保持期間を前記フュージョンアイソパイプに適用し、その温度保持期間中に前記フュージョンアイソパイプの前記応力レベルを低下させる、工程、
を含むことを特徴とする方法。 - 予定外の応力上昇イベントに対して前記フュージョンアイソパイプをモニタする工程をさらに含み、予定外の応力上昇イベントが検出されると、該予定外の応力上昇イベントの後に前記フュージョンアイソパイプに温度保持期間を適用することを特徴とする請求項１記載の方法。
- １℃/時間より大きい堰上面とルートの間の絶対温度差の変化率が前記応力上昇イベントにともなうことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
- 前記工程(ｄ)の前記温度保持期間の長さを前記フュージョンアイソパイプから解放されるべき応力の大きさに比例するように選ぶ工程をさらに含むことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
- 前記温度保持期間の長さを選ぶ工程が、フュージョンアイソパイプが構造的に破壊せずに、フュージョンアイソパイプ内のどれだけの応力に及びある温度においてどれだけ長い間、耐えることができるかを指定する破壊条件を決定する工程を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
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