KR101546640B1 - Waveguide Assembly for Imparting Acoustic Energy to a Glass Melt and Method for Imparting Acoustic Energy to the Glass Melt - Google Patents

Waveguide Assembly for Imparting Acoustic Energy to a Glass Melt and Method for Imparting Acoustic Energy to the Glass Melt Download PDF

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Abstract

도파관 어셈블리(10)는 용융 유리를 혼합하기 위해 용해물에서 음파 유동을 만들기에 충분한 크기로 유리 용해물(12)에 초음파 에너지를 제공한다. 유리 용해물(12)은 예를 들면, 내열성 금속 용기(14)를 통해 흐를 것이다. 도파관 어셈블리(10)는 하나의 단부(22)에서는 변환기(16)와 다른 단부(20)에서는 도파관(18)과 음향적으로 결합되는 도파관(18)을 포함한다. 상기 도파관(18)은 용기(14)의 외면에 부착된 나사형 피팅(32, 34)을 거쳐 용기(14)에 물리적으로 결합된다.The waveguide assembly 10 provides ultrasonic energy to the glass melt 12 in a size sufficient to create a sonic flow in the melt to mix the molten glass. The glass melt 12 will flow, for example, through the refractory metal container 14. The waveguide assembly 10 includes a waveguide 18 that is acoustically coupled to the waveguide 18 at the other end 20 and at the transducer 16 at one end 22. The waveguide 18 is physically coupled to the vessel 14 via threaded fittings 32, 34 attached to the outer surface of the vessel 14.

Figure R1020147026502
Figure R1020147026502

Description

유리 용해물에 음향 에너지를 제공하기 위한 도파관 어셈블리 및 방법{Waveguide Assembly for Imparting Acoustic Energy to a Glass Melt and Method for Imparting Acoustic Energy to the Glass Melt}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a waveguide assembly for providing acoustic energy to a glass melt, and a waveguide assembly and method for providing acoustic energy to a glass melt.

본 발명은 용융 유리(Molten glass) 혼합에 관한 것으로, 특히 유리 용해물(galss melt)내에서 균일성을 증가시키기에 충분한 음향 에너지를 제공하기 위한 도파관 어셈블리에 관한 것이다.The present invention relates to molten glass mixing, and more particularly to a waveguide assembly for providing acoustic energy sufficient to increase uniformity in a gals melt.

현재의 제조 기술들은 높은 광학 품질(optical qulity) 뿐만 아니라 회로기판의 기능이 있는 유리 시트들을 형성할 수 있다. 유리 시트들이 사용되는 일 예가 액정디스플레이(Liquid Crystal Display; LCD)이다. LCD 기판으로 사용될 때 상기 유리는 유리 시트를 형성하는 유리 용해물(glass melt)에 의존하는 특성을 나타낸다.Current manufacturing techniques are capable of forming glass sheets with the functionality of a circuit board as well as high optical quality. One example in which glass sheets are used is a liquid crystal display (LCD). When used as an LCD substrate, the glass exhibits properties dependent on the glass melt forming the glass sheet.

일반적으로, LCD에서 사용되는 유리는 알칼리-프리 알루미노-붕규산염(alkali-free alumino-borosilicate) 화학적 조성물(chemical composition)이다. LCD에서 사용되는 유리 시트 또는 패널은 유리 용해물이라 일컬어지는 액체 유리(liquid glass)의 제어냉각(controlled cooling)으로 형성된다. 그러나, 상기 유리 용해물은 종종 의도된 목적에 만족스럽지 않은 유리 시트가 될 수 있는 이질성들(inhomogeneities)을 포함한다. 그런 이질성들의 예로는 기체 또는 고체 함유물(inclusion), 밀도를 벗어나는 작은 크기 및 유리 용해물 내에서의 화학적 조성물이 있다. 최후에 현상들은 일반적으로 코드(cord)로 일컬어진다. 코드의 불규칙한 분포는 유용한 유리 시트를 줄일 수 있다. 예를 들어, 액정표시장치에서 코드는 디스플레이에서 시각적인 매력이 없는 이상 현상을 초래할 수 있다. 특히, 코드는 다른 굴절률들(refractive indices)을 갖는 특정 영역이 된다. 다른 굴절률의 특정 영역들은 다수의 정밀한 기능에 적합하지 않은 유리가 될 수 있다.Generally, the glass used in the LCD is an alkali-free alumino-borosilicate chemical composition. The glass sheet or panel used in the LCD is formed by controlled cooling of the liquid glass referred to as glass melt. However, such glass melts often contain inhomogeneities that can result in glass sheets that are unsatisfactory for the intended purpose. Examples of such heterogeneities include gas or solid inclusions, small sizes outside the density, and chemical compositions in the glass melt. Finally, phenomena are generally referred to as cords. Irregular distribution of the cord can reduce useful glass sheets. For example, in a liquid crystal display, a code may cause an anomaly that is not visually appealing in a display. In particular, the code is a specific region having different refractive indices. Certain regions of different refractive index can be glasses that are not suitable for a number of precise functions.

이에 앞서, 기계적 교반기(mechanical stirrers)는 유리 용해물의 기계적 교반을 직접 제공하기 위해 사용되어져 왔다. 그러나, 높은 유리 용해물 온도와 유리 조성물의 공격적인 성질(aggressive nature)은 기계적 교반을 직접 수행하기 어렵게 할 수 있다. 교반부재(stirring element)들은 고온의 환경을 견디기 위해 백금(platinum) 또는 백금-로듐 합금과 같은 값비싼 내열성 금속 성분으로 제조된다. 더욱이, 높은 전단응력(shear stress)은 교반부재와 용기를 포함하는 유리를 모두 부식시킬 수 있고, 용융 유리로 원치 않은 미립자의 방출을 초래할 수 있다.Prior to this, mechanical stirrers have been used to directly provide mechanical agitation of the glass melt. However, high glass melt temperatures and the aggressive nature of the glass composition can make it difficult to directly perform mechanical agitation. The stirring elements are made of expensive refractory metal components such as platinum or platinum-rhodium alloy to withstand the high temperature environment. Moreover, a high shear stress can corrode both the glass containing the agitating member and the vessel, and can lead to the release of unwanted particulates into the molten glass.

일반적으로 초음파 에너지 형태인 진동 에너지는 다양한 분야에서 사용되어져 왔다. 가장 흔하게 초음파 에너지는 보석의 초음파 세정과 같은 세정 공정에서 유체를 흔드는 방법으로 사용되었다. 또한, 산업분야에서 초음파 에너지는 종종 액체에서 가스를 제거하기 위해 사용되었다. 그것은 액체에서 가스 함유물(gaseous inclusion)(기포(bubble))의 제거를 용이하게 한다.Generally, ultrasonic energy, vibration energy, has been used in various fields. Ultrasonic energy is most commonly used to shake fluids in cleaning processes such as ultrasonic cleaning of gemstones. In addition, in the industry, ultrasonic energy has often been used to remove gases from liquids. It facilitates the removal of gaseous inclusions (bubbles) from the liquid.

미국 등록특허번호 제4,316,734호에서, 음향 에너지는 유리 제조 공정 시 용해물의 점성 변화 없이 빠른 비율로 뜨기 쉽도록 작은 시드(기포)들을 보다 큰 기포들로 합체시킨다. 그 결과, 유리 용해물의 점성은 온도 감소로 인해 용해물 내에서 적어도 더욱 큰 기포들이 부어오르는 곳에서 지나치게 영향을 미치지 않도록 증가될 수 있다. 용해물 온도의 감소는 중요한 에너지 저장을 이끌 수 있다.In U.S. Pat. No. 4,316,734, acoustic energy incorporates small seeds (bubbles) into larger bubbles so that they can be flashed at a rapid rate without changing the viscosity of the melt during the glass manufacturing process. As a result, the viscosity of the glass melt can be increased so that it does not over-affect at least the larger bubbles in the melt due to temperature reduction. Decreasing the melt temperature can lead to significant energy storage.

미국 등록특허번호 제4,316,734호는 유리에서 상당한 비율의 기포들이 위쪽으로 이동하는 동작모드를 제공하기 위해 음향 에너지원과 유리 사이의 인터페이스에서 유리의 점성률과 음향 임피던스에 반응하는 주파수와 에너지 원단위(energy intensity)가 선택된다.U.S. Pat. No. 4,316,734 discloses a method for determining the frequency and energy responsive to acoustic impedance and the glass viscosity at the interface between the acoustic energy source and the glass to provide a mode of operation in which a significant proportion of bubbles move up in the glass, intensity is selected.

또한, 미국 등록특허번호 제2,635,388호는 용융 유리에서 가스 혼합물을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 미국 등록특허번호 제2,635,388호는 용융 유리에 담궈져 초음파적으로 진동하는 가열부재(heated element)의 사용이 개시된다. 가열부재는 기포들을 모으는데 도움을 주고 유리에서 그들의 이탈을 용이하게 하는 진동부재(vibrating element)에 의해 생성된 교반과 함께 결합될 때 용해 시 낮은 점성 역역에 국부적인 고온을 발생시킨다. 가열로 인해 생성되는 대류전류들(convection current)은 결국 국부적인 고온 영역을 통과하는 유리 전체에 발생한다.Also, U.S. Patent No. 2,635,388 discloses a method for removing a gas mixture from a molten glass. U.S. Patent No. 2,635,388 discloses the use of a heated element that is dipped in molten glass to ultrasonically vibrate. The heating element helps to collect the bubbles and when combined with agitation generated by a vibrating element that facilitates their removal from the glass, generates a localized high temperature at low viscous areas upon melting. The convection currents generated by the heating eventually occur throughout the glass passing through the local high temperature region.

이들과 다른 방법들이 음향 에너지의 응용으로 유리에서 기포를 제거하는 몇가지 효능을 보여주었다 할지라도, 그들은 유리를 균질화하기 위해(예를 들어, 화학적인 불균일성을 제거하는) 용융 유리를 효과적으로 혼합하는 것을 보여주지는 않았다. 더욱이, 미국등록특허번호 제2,635,388호에 개시된 방법은 유리 용해물에 가열된 진동부재의 삽입을 요구한다. 화학적으로 유리 용해물의 지나친 환경인 고온은 시간이 지남에 따라 유동 파괴(flow disruption)와 가열된 진동부재의 분해를 초래할 수 있고, 부재의 재질에 따라 유리 용해물의 오염 또는 부재의 주기적인 교환을 최소화 할 수 있다. 따라서, 남아 있는 유리 혼합 방법은 용해물에 추가적인 부재의 삽입으로 인한 결점 없이 유리 용해물에서 코드를 효과적으로 제거할 수 있다.Although these and other methods have shown some efficacy in removing air bubbles from glass as an application of acoustic energy, they show the effective mixing of molten glass (for example, to eliminate chemical non-uniformity) to homogenize the glass I did not give it. Moreover, the method disclosed in U.S. Patent No. 2,635,388 requires the insertion of a heated oscillating member in a glass melt. Chemically high temperatures, which are too much of the environment of glass melt, can cause flow disruption and decomposition of heated vibrating members over time, and can result in periodic exchange of contamination or absence of glass melt, depending on the material of the member Can be minimized. Thus, the remaining glass mixing method can effectively remove the cord from the glass melt without the drawbacks of inserting additional members into the melt.

본 발명은 도파관 어셈블리가 유리 용해물에 연속적인 파형 또는 긴(다중 싸이클(multi-cycle)) 폭발의 형태 중 어느 하나로 주어진 주파수와 파워 레벨에서의 초음파를 도입하기 위해 사용될 수 있는 방법을 기술한다. 첫째로, 여자 신호(excitation signal) 파형들은 사인파 모양으로 변하나, 용해물에서의 중요한 비선형성 때문에 음장(sound field)에서의 파형은 다를 것이다. 수행 및 이론상의 설명의 목적을 위해 다중 싸이클 폭발은 동등하게 연속적인 웨이브 신호(wave signal)로 취급될 것이다. 따라서, 여자 장치(excitation apparatus)에서 음장들은 기본적으로 단색(단일 주파수)으로 취급될 수 있다.The present invention describes how a waveguide assembly can be used to introduce ultrasonic waves at a given frequency and power level into either a continuous wave form in a glass melt or in the form of a long (multi-cycle) explosion. First, excitation signal waveforms change to a sine wave shape, but waveforms in the sound field will be different because of the significant nonlinearity in the melt. For purposes of performance and theoretical discussion, a multi-cycle explosion will be treated as an equally successive wave signal. Thus, sound fields in an excitation apparatus can basically be treated as monochromatic (single frequency).

무선 주파수 전력원으로부터의 전기 입력 에너지를 용해물 내에 음향 출력 에너지로 변환시키는 여자 장치는 일련의 구성요소들의 연쇄결합(daisy-chained)으로 이루어진다.An excitation device for converting electrical input energy from a radio frequency power source into acoustic output energy in the melt is made up of a series of daisy-chained components.

1. 전방 및 후방 크기에 의해 보충된 하나 또는 그 이상의 능동(압전기) 구성요소들로 적절히 구성되는 변환기1. Transducer (s) suitably configured with one or more active (piezoelectric) components complemented by front and rear dimensions

2. 불연속적 또는 점진적인 직경 등급(diameter step)을 포함하는 고체 물질인 광학 정합 링크(matching ink)2. Optical matching, a solid material containing a discontinuous or progressive diameter step,

3. 보통 일정한 직경의 원통형 로드인 로드 도파관.3. A rod waveguide that is a cylindrical rod of usually constant diameter.

이러한 체인(chain)을 통해 효과적으로 전송하기 위해, 각각의 구성요소들은 목표 주파수에서 공진되도록 설계된다. 공진 장치에서의 손실을 무시할 수 있고, 무한한 임피던스 대조(무한하게 단단하거나 무한하게 유연한)를 갖는 구성요소들에 의해 종결되는 경우 그 크기들은 정확히 반파장의 수와 동일하다.To effectively transmit through such a chain, each of the components is designed to resonate at a target frequency. The losses in the resonator can be neglected and their magnitudes are exactly equal to the number of half waves when terminated by components with infinite impedance matching (infinitely rigid or infinitely flexible).

주어진 모드 형태의 도파관은 재질에서의 소리 속도와 동일하고, 주파수에 의해 분할된 문제의 파형과 동일하다. 따라서, 특정 주파수에서 파장은 매우 다양한 재질로 구성된 체인의 다양한 구성요소들 사이에서 다르다. 더욱이, 단면과 구성요소의 단면 변화에 어느 정도 의존하는 파형은 어느 정도 적은 범위에서 파장에 영향을 미친다.The waveguide of the given mode type is equal to the sound velocity in the material and is the same as the waveform of the problem divided by frequency. Thus, at a particular frequency, wavelengths are different among the various components of a chain made up of a wide variety of materials. Moreover, the waveforms which depend to some extent on the cross-section and on the cross-sectional variation of the components affect the wavelength to a lesser extent.

효과적인 여자 체인(excitation chain)을 만들기 위해, 모든 구성요소들은 동일한 주파수로 조정될 수 있다. 단순한 가정으로부터의 편차는 구성요소마다 다르기 때문에 이러한 차이는 구성요소마다 다른 조정을 요구한다. 예를 들어, 정합 링크에서 직경 등급은 무한하게 가파르지 않는다. 이는 동작하는 동안 링크에서 스트레스 발생을 제한하기 위해 제한된 필터링 반경을 이용하기 때문이다. 이러한 필터링은 최적의 길이에 어느 정도 영향을 미친다.To make an effective excitation chain, all components can be tuned to the same frequency. Since the deviations from simple assumptions vary from component to component, these differences require different adjustments for each component. For example, the diameter grades in a matched link are not infinitely steep. This is because it uses a limited filtering radius to limit the occurrence of stress in the link during operation. This filtering has some effect on the optimal length.

도파관 어셈블리는 유리 용해물 내에서 혼합이 강화되도록 유리 용해물에 충분한 음향 파워를 제공하기 위해 적당한 공진 주파수 예를 들면, 20㎑ 내지 40㎑로 구동될 수 있다. 바람직하게, 유리 용해물에 결합된 음향 파워는 5W보다 크고, 바람직하게 적어도 30W, 보다 바람직하게 적어도 40W, 보다 더 바람직하게 적어도 50W이다. 본 발명의 실시예에 따라서, 충분한 음향 파워는 비선형적인 음향 효과를 초래하기 위해 유리 혼합에 제공될 수 있다.The waveguide assembly may be driven at a suitable resonant frequency, e.g., 20 kHz to 40 kHz, to provide sufficient acoustic power to the glass melt to enhance mixing within the glass melt. Preferably, the acoustic power coupled to the glass melt is greater than 5W, preferably at least 30W, more preferably at least 40W, even more preferably at least 50W. According to an embodiment of the present invention, sufficient acoustic power can be provided to the glass mix to effect a non-linear acoustic effect.

하나의 실시예에서, 유리 용해물의 혼합 방법은 음파(acoustic wave)를 생성하는 단계; 및 도파관을 통해 유리 용해물에 음파를 결합하는 단계를 포함하고, 음파는 유리 용해물에서 음향 흐름(acoustic streaming)을 만들기 위해 유리 용해물에 충분한 음향 파워를 제공한다.In one embodiment, a method of mixing a glass melt comprises: generating an acoustic wave; And coupling the sound waves to the glass melt through a waveguide, wherein the sound waves provide sufficient acoustic power to the glass melt to create acoustic streaming in the glass melt.

유리 용해물에 도파관을 음향적으로 연결하고, 도파관의 길이면을 따라 정상파를 만드는 동안 초음파 에너지와 같은 충분한 음파 에너지가 유리 용해물 내에 균등성을 증가시키기 위해 유리 용해물에 제공될 수 있다.Sufficient acoustic energy, such as ultrasonic energy, can be provided to the glass melt to increase the uniformity in the glass melt while acoustically connecting the waveguide to the glass melt and making standing waves along the waveguide's length.

다른 실시예에서, 용기에서 유리 용해물에 음파 에너지를 제공하기 위한 장치는 음파를 생성하는 변환기, 변환기에 음향적으로 결합된 도파관 및 유리 용해물을 포함하고, 도파관은 음파의 주파수에서 도파관 내에 정상파(standing wave)를 생성하고, 유리 용해물에서 음향 흐름을 만들도록 구성된다.In another embodiment, an apparatus for providing sonic energy to a glass melt in a vessel includes a transducer for generating a sound wave, a waveguide acoustically coupled to the transducer, and a glass melt, wherein the waveguide is a standing wave to create a standing wave, and to create an acoustic flow in the glass melt.

상술한 일반적인 설명과 다음에 오는 상세한 설명들은 모두 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐 청구된 것과 같이 본 발명의 특징 및 특성을 이해하기 위한 개요나 구성을 제공한다는 것을 알 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not restrictive of the invention, as claimed.

첨부하는 도면들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 포함되었고, 본 발명에서 결합되어 본 발명을 구성한다. 상기 도면들은 반드시 일정한 비율은 아니고, 다양한 구성요소들의 크기들은 명료성을 위해 왜곡된다. 상기 도면들은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들을 나타내고, 본 발명의 원리 및 동작을 설명하기 위해 설명과 함께 제공한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings are included to provide a further understanding of the invention, and are incorporated in and constitute a part of this invention. The figures are not necessarily to scale, and the sizes of the various components are distorted for clarity. The drawings illustrate one or more embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles and operation of the invention.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형 용기에 용융 유리를 혼합하기 위한 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 도파관이 임피던스 정합부를 포함하는 유리 혼합 장치의 다른 실시예의 단면도이다.
도 3 및 도 4는 나사형 소켓과 나사형 스터브를 이용하는 용기에 도파관을 음향적으로 연결하는 방법의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 두 개의 도파관들이 용기에 음향적으로 연결된 장치의 다른 실시예의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예를 이용한 바람직한 용해 유리 제조 공정의 개념도이다.
1 is a cross-sectional view of a device for mixing molten glass in a cylindrical container according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of another embodiment of a glass mixing apparatus in which a waveguide includes an impedance matching section according to an embodiment of the present invention.
Figures 3 and 4 are cross-sectional views of a method of acoustically connecting a waveguide to a vessel using a threaded socket and a threaded stub.
5 is a cross-sectional view of another embodiment of an apparatus in which two waveguides are acoustically connected to a vessel in accordance with an embodiment of the present invention.
Fig. 6 is a conceptual diagram of a preferable process for producing a molten glass using the embodiment of the present invention.

소리는 액체나 기체 같은 매질(medium)을 통해 이동하거나 퍼지는 진동이다. 이러한 진동의 근원은 매질의 반복적인 섭동이다. 예를 들어, 종(bell)은 때릴 때 진동한다. 종의 측면은 그 주변의 공기에 대해 움직이는 데, 측면이 밖으로 이동할 때 공기에 고압 영역을 형성하고, 측면이 안으로 이동할 때 공기에 저압 영역을 형성한다. 고압 및 저압 영역은 각각 압축 및 희박 상태의 영역으로 알려져 있고, 그들은 인접한 공기 분자에 영향을 미치는 파동처럼 매질을 통해 전해진다. 공기 분자는 번갈아 일어나는 고압 및 저압에 응답하여 앞뒤로 이동하고, 인접한 분자에 따라 교대로 행동한다. 그러므로, 고압 및 저압 영역들은 설정된 진폭과 파장을 갖는 파동처럼 매질을 통해 전해진다. 그것이 전해질 때, 전파하는 파동은 공간에서 분기되고, 흡수에 의해 에너지를 잃는다. 이러한, 두 개의 효과들은 이동 거리를 감소시키는 압력을 발생한다. 또한, 전파하는 파동은 구조적으로나 파괴적으로 다른 파동들에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 파동은 파동(예를 들면, 물체의 표면으로부터)의 반사로 중복될 수 있고, 그 결과 두 개의 파동들은 서로 강화되어 정상파를 생성한다. 이는 두 개의 파동들이 서로 동조할 때 발생한다. 정상파들은 각각 최소 압력과 최대 압력의 영역에 응답하도록 설정된 정지점(node)과 파복(antinode)을 갖는다. 정상파들은 적당한 수의 반파장에 전파하는 파동의 파장(주파수)을 조절하여 반사하는 환경에서 생성되고, 그 결과 상기 반사파들은 구조적으로 중복된다.Sound is vibration that moves or spreads through a medium such as a liquid or gas. The source of this vibration is the repetitive perturbation of the medium. For example, a bell vibrates when hit. The side of the species moves against the surrounding air, forming a high pressure area in the air as the side moves out and a low pressure area in the air as the side moves in. The high and low pressure regions are known as compressed and lean regions, respectively, and they are transmitted through the medium as waves that affect adjacent air molecules. Air molecules move back and forth in response to alternating high and low pressures, and behave alternately according to adjacent molecules. Hence, the high and low pressure regions are transmitted through the medium as a wave with a set amplitude and wavelength. When it is transmitted, the propagating waves diverge from space and lose energy by absorption. These two effects produce a pressure that reduces the travel distance. Also, propagating waves can affect other waves, either structurally or destructively. For example, a wave can be overlapped with the reflection of a wave (for example, from the surface of an object), so that the two waves are strengthened with each other to generate a standing wave. This occurs when two waves synchronize with each other. Standing waves have a setpoint and an antinode set to respond to the region of minimum pressure and maximum pressure, respectively. Standing waves are generated in an environment in which a wavelength (frequency) of a wave propagating in an appropriate number of half wavelengths is adjusted to be reflected, so that the reflected waves are structurally overlapped.

보통 정상파들은 꽤 강렬할 수 있다. 그러나, 극도로 강렬한 소리는 그들이 전파하는 곳을 통해 매질에서 비선형 응답을 초래한다. 이러한 비선형 응답들은 충격파(shock wave), 음향 포화(상기 매질이 추가적인 음향 에너지를 흡수 할 수 없다) 및 음향 유동을 포함하거나 음파가 전파 결과인 매질의 순흐름(net flow) 과정을 포함할 수 있다. 상술한 진동 분자는 중간 위치에 대한 "공간 이동" 뿐만 아니라 모든 위치에서 순액(net change)한다. 음향 유동 중 분자의 중간 위치는 변한다.Normally standing waves can be quite intense. However, extremely intense sounds lead to nonlinear responses in the medium through where they propagate. These nonlinear responses can include a net flow process of the medium, which includes shock wave, acoustic saturation (the medium can not absorb additional acoustic energy) and acoustic flow, or the sound wave is a propagation result . The vibrating molecules described above are net changing at all locations as well as "spatial movement" The intermediate position of the molecules in the acoustic flow changes.

음향 유동은 예를 들면, 움직이는 비교적 낮은 온도의 유체, 움직이는 기포 및 작은 방울로 배출하는 유체 등과 같은 유체의 성질을 조절하기 위해 사용되어져 왔다. 또한, 음향 유동은 매우 작은 유체의 국부적인 혼합(예를 들면, 미세유체 혼합)에 사용되어져 왔다. 훨씬 어려운 일은 유리를 효과적이고 경제적으로 혼합 또는 균일하게 하기 위한 많은 유리 제조 공정에서 용융 유리와 같이 고점성, 고온 벌크 액체로 음향 유동을 초래하는 것이다.Acoustic flow has been used to control the properties of fluids such as, for example, moving relatively low temperature fluids, moving bubbles, and fluids discharging into small droplets. In addition, acoustic flow has been used for local mixing (e.g., microfluidic mixing) of very small fluids. A much more difficult task is to cause acoustic flow to high viscosity, high temperature bulk liquids, such as molten glass, in many glass manufacturing processes to effectively and economically mix or homogenize the glass.

"유리 용해물"이란 용어는 상술한 그들 각각의 연화점(softening point)이 다양한 유리 구성을 포함한다. 일반적으로, 유리 용해물은 대략 1200℃ 내지 1700℃이다. "유리"란 용어는 임의의 액체 같은(투명하지 않은) 분자 구조로 구성된 물질을 포함한다. 유리의 제조공정은 완전히 용해된 용해물을 생산하기에 충분한 온도로 가열되고 냉각 시 결정화되지 않고 굳어지는 원자재(raw material)가 필요하다. 유리와 이에 따른 유리 용해물은 소다 석회 유리(soda lime glass)에 제한되지 않고, 납유리(lead glass), 붕규산 유리(borosilicate glass), 알루미노 규산화 유리(aluminosilicate glass), 96% 석영 유리(silica glass), 용해된 석영 유리 및 알루미노 규산화 규산염(aluminoborosilicate silicate)을 포함하는 다양한 구성 중 하나일 수 있다. "음파"란 용어는 매질을 통해 전달된 기계적 진동을 포함하는 것을 의미한다. 하나의 실시예로 음파는 일반적으로 20㎑ 내지 40㎑의 목적 주파수를 갖는 초음파 범위에 있다.The term "glass melt" includes various glass constructions of the respective softening points described above. Generally, the glass melt is approximately 1200 ° C to 1700 ° C. The term "glass " includes materials composed of any liquid-like (non-transparent) molecular structure. The manufacturing process of the glass requires a raw material which is heated to a temperature sufficient to produce a fully dissolved melt and which solidifies without crystallization upon cooling. The glass and thus the glass melt are not limited to soda lime glass, but may be lead glass, borosilicate glass, aluminosilicate glass, 96% quartz glass (silica glass, molten quartz glass, and aluminoborosilicate silicate. The term "sound wave" means to include mechanical vibrations transmitted through the medium. In one embodiment, the sound waves are generally in the ultrasonic range with a target frequency of 20 kHz to 40 kHz.

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 용기(vessel)(14)에 포함된 유리 용해물(12)에 음파에 의한 음향 에너지를 제공하여 유리 용해물을 혼합하는 도파관 어셈블리(waveguide assembly)(10)를 포함한다.The present invention relates to a waveguide assembly 10 that mixes a glass melt by providing sonic acoustic energy to a glass melt 12 contained in a vessel 14 as shown in Figure 1, .

용기(14)는 다양한 형태 중 어느 하나가 될 수 있다. 하나의 실시예에 있어, 용기(14)는 유체 통로(flow path) 단면의 주어진 비율내에서 혼합을 허용하기 위해 도파관 어셈블리(10)와 함께 선택된 용융 유리에 대한 유체 통로를 설정한다. 그러므로, 용기(14)는 상부지점(upstream position)에서 하부지점(downstream position)으로 흐르는 용융 유리의 흐름과 유리 용해물을 허용할 수 있다. 예를 들면, 용기(14)는 용융 유리가 순환하는 배관일 수 있다. 하나의 실시예에서, 용기(14)는 유리 용해물에 접근하여 접촉하기 위해 도파관 어셈블리(10)를 허용하는 오픈탑(open top)을 포함한다. 용기(14)는 도파관 어셈블리(10)의 일부가 도파관 어셈블리(10)와 유리 용해물에 결합되기 위해 배치되는 유리 용해물의 레벨(level) 아래에 있는 포트(port) 또는 구멍을 포함할 수 있다. 또다른 구조에서, 상기 도파관 어셈블리는 상술한 종래 기술에 따른 혼합방법의 단점을 피하기 위해 용기의 외면에서 용기에 음향적으로 결합될 수 있다. 음향적 결합은 음파가 최소한의 진폭 손실로 제 1 부재에서 제 2 부재까지 전달될 수 있는 방법과 동일한 방법으로 제 1 부재가 제 2 부재에 결합되어 있는 것이다.The container 14 can be in any one of a variety of forms. In one embodiment, the vessel 14 establishes fluid passages for the selected molten glass along with the waveguide assembly 10 to permit mixing within a given ratio of the fluid path cross-section. Therefore, the vessel 14 can allow the flow of molten glass and glass melt flowing from the upstream position to the downstream position. For example, the container 14 may be a pipe through which the molten glass circulates. In one embodiment, the container 14 includes an open top that allows the waveguide assembly 10 to access and contact the glass melt. The vessel 14 may include a port or hole below a level of the glass melt where a portion of the waveguide assembly 10 is disposed to be coupled to the waveguide assembly 10 and the glass melt . In another construction, the waveguide assembly can be acoustically coupled to the vessel at the outer surface of the vessel to avoid the disadvantages of the prior art mixing methods described above. The acoustic coupling is that the first member is coupled to the second member in the same way that the sound waves can be transmitted from the first member to the second member with minimal amplitude loss.

용기(14)는 백금(platinum) 또는 백금-로듐 합금(예를 들면, 80%의 백금과 20%의 로듐 합금)과 같은 내열성 금속으로 구성된다. 용기(14)는 유입구(inlet opening)와 방출구(outlet opening)를 포함하고, 용융 유리는 연속적 또는 반연속적인 유리 제조 공정에서 용기를 통해 흐른다. 그러나, 본 발명의 방법들은 흐르지 않는 용융 유리에서 동작되는 것을 알 수 있다.The vessel 14 is comprised of a refractory metal such as platinum or a platinum-rhodium alloy (e.g., 80% platinum and 20% rhodium alloy). The container 14 includes an inlet opening and an outlet opening, and the molten glass flows through the container in a continuous or semi-continuous glass manufacturing process. However, it can be seen that the methods of the present invention operate on molten glass that does not flow.

도파관 어셈블리(10)는 무선 주파수 파워를 음향 파워로 효과적으로 변환하기 위해 변환을 수행하는 변환기(transducer)(16)와 유리 용해물(12)에 음향 파워를 전달하기 위한 도파관(18)을 포함하도록 구성된다. 파워 전달을 향상시키기 위해, 도파관 어셈블리(10)는 어셈블리 내의 음향 임피던스를 정합시키고, 목표 주파수에서 공진할 수 있도록 구성된다. 그러므로, 어셈블리는 공진 시 손실을 무시할 수 있고, 도파관 어셈블리가 무한 임피던스 비(무한히 곧은 또는 무한히 유연한)를 갖는 구성요소에 의해 한정되며, 도파관 어셈블리의 세로 크기는 반파장의 수와 정확히 일치할 것이다.The waveguide assembly 10 is configured to include a transducer 16 that performs a transformation to effectively convert radio frequency power to acoustic power and a waveguide 18 for delivering acoustic power to the glass melt 12 do. To improve power transfer, the waveguide assembly 10 is configured to match the acoustic impedance within the assembly and resonate at a target frequency. Therefore, the assembly can be neglected in resonance loss and the waveguide assembly is defined by the component with an infinite impedance ratio (infinitely straight or infinitely flexible), and the vertical dimension of the waveguide assembly will exactly match the number of half waves.

일 실시예에서, 도파관(18)의 제 1 단부(20)는 용기(14)를 통해 음향적으로 유리 용해물(12)에 결합되고, 도파관(18)의 제 2 단부(22)는 변환기(16)에 결합된다. 도파관(18)(및 도파관 어셈블리(10))은 일반적으로 1200℃를 초과하는 즉, 1200℃ 내지 1700℃인 제 1 고온단부(hot end)(20)와 주변온도 또는 적어도 변환기의 동작에 도움이 되는 온도에서 상대적으로 찬 제 2 단부(22)를 구비한다. 종래의 초음파 변환기들은 거의 50℃까지 견뎌질 것이다. 더 높은 온도에서, 상기 변환기들은 열 팽창에 의해 발생된 내부 디본딩(debonding) 또는 탈분극(depolarization) 때문에 영구적인 손상을 받을 것이다. 일 실시예에서, 상기 변환기(16)의 온도는 100℃이하, 바람직하게는 50℃이하로 유지된다.In one embodiment, the first end 20 of the waveguide 18 is acoustically coupled to the glass melt 12 through the vessel 14 and the second end 22 of the waveguide 18 is coupled to the transducer 16). The waveguide 18 (and the waveguide assembly 10) may be used to assist in the operation of the first hot end 20 and ambient temperature, or at least the transducer, generally above 1200 ° C, i.e. 1200 ° C to 1700 ° C. Lt; RTI ID = 0.0 > 22 < / RTI > Conventional ultrasonic transducers will end up to nearly 50 ° C. At higher temperatures, the transducers will suffer permanent damage due to internal debonding or depolarization caused by thermal expansion. In one embodiment, the temperature of the transducer 16 is kept below 100 ° C, preferably below 50 ° C.

변환기(16)는 RF 파워를 진동운동으로 변환한다. 상기 변환기는 랑쥬방(Langevin) 또는 톤필쯔(Tonpilz) 타입의 초음파 변환기와 같이 상업적으로 사용가능한 다양한 변환기 중 어느 하나 일 수 있다. 상기 변환기는 알려진 바와 같이 신호 생성기(24)와 고주파 전력 증폭기(26)에 의해 구동된다. 신호 생성기(24)는 컴퓨터기판의 제어기와 같은 제어기에 의해 교대로 제어된다.The transducer 16 converts the RF power into oscillatory motion. The transducer may be any of a variety of commercially available transducers, such as a Langevin or Tonpilz type ultrasonic transducer. The transducer is driven by a signal generator 24 and a high-frequency power amplifier 26 as is known. The signal generator 24 is alternately controlled by a controller such as a controller of a computer board.

변환기에 입력되는 여자 신호 전압(excitation signal voltage) 및 주파수는 효율적인 초음파 생성을 위한 최적의 동작점(working point)에서 변환기(16)가 동작하도록 제어기(28)에 의해 제어된다. 도파관 어셈블리(10)는 공진 주파수에서 동작된다. 특히, 랑쥬방 타입의 변환기는 좁은 공진 주파수 대역폭과 매질에 의존하는 공진 특성들을 갖는 것으로 알려져 있다. 도파관 어셈블리 특히, 도파관은 온도 범위에 노출되어 있기 때문에 상기 공진 주파수는 온도에 의존한다.The excitation signal voltage and frequency input to the transducer are controlled by the controller 28 to enable the transducer 16 to operate at an optimal working point for efficient ultrasound generation. The waveguide assembly 10 is operated at a resonant frequency. In particular, the transducer type transducer is known to have resonant characteristics that depend on the narrow resonant frequency bandwidth and the medium. Since the waveguide assembly, in particular the waveguide, is exposed to a temperature range, the resonant frequency is temperature dependent.

변환기(16)와 도파관(18) 사이의 음향 임피던스를 정합시키기 위해, 도파관(18)은 정합 링크(30)의 부분을 포함한다. 일 실시예에서, 정합 링크(30)는 도 2에 도시된 바와 같이 정합 링크 내부에서 거의 목표 주파수의 반파장 길이를 갖도록 설계된다. 그러므로, 강철(steel)과 같은 호환성 재료의 길이는 강철 내에서 목표 신호의 거의 절반의 파장으로 선택된다. 비록 강철이 정합 링크(30)로 사용되더라도, 허용가능한 음향 특성 및 손실을 갖는 다른 물질들도 사용될 수 있고, 정합 링크의 최적의 크기는 도파관의 음향 입력 임피던스에 변환기의 음향 임피던스를 정합하기 위해 선택된다.To match the acoustic impedance between the transducer 16 and the waveguide 18, the waveguide 18 includes a portion of the matching link 30. In one embodiment, the mating link 30 is designed to have a half-wavelength length of the target frequency within the mating link as shown in Fig. Therefore, the length of an interchangeable material, such as steel, is chosen as the wavelength of almost half the target signal in steel. Although steel is used as the matching link 30, other materials with acceptable acoustic characteristics and losses may also be used, and the optimal size of the matching link may be selected to match the acoustical input impedance of the waveguide to the acoustic impedance of the transducer. do.

정합 링크(30)는 변환기와 정합 링크 사이의 인터페이스 및 정합 링크와 도파관의 잔류물(remainder) 사이의 인터페이스에서 신호 반사를 최소화하도록 형성된다. 그러므로, 각각의 인터페이스에서 반사된 파워 양은 최소화되고, 유리 용해물(12)에 전달된 전체 파워는 최대화된다.The matching link 30 is configured to minimize signal reflections at the interface between the transducer and the matching link and at the interface between the matching link and the remainder of the waveguide. Therefore, the amount of power reflected at each interface is minimized and the total power delivered to the glass melt 12 is maximized.

상술한 바와 같이, 변환기(16)는 도파관 단부(22)에서 도파관(18)에 음향적으로 결합된다. 도파관(18)의 남은 단부(20)는 유리 용해물에 담궈지거나 바람직하게는 음향 파워가 용기(14)를 통해 유리 용해물에 전달되도록 용기(14)의 외면에 음향적으로 결합된다.As described above, transducer 16 is acoustically coupled to waveguide 18 at waveguide end 22. The remaining end 20 of the waveguide 18 is dipped in a glass melt or is acoustically coupled to the outer surface of the vessel 14 so that preferably acoustic power is delivered to the glass melt through the vessel 14.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에서 용기(14)에 도파관(16)을 음향적으로 연결하는 다양한 방법들을 나타내는 도면이다. 도 3은 용기(14)의 외면에 부착된 내부 나선 소켓(피팅)(32)을 나타내는 도면이다. 따라서, 도파관(18)의 단부(20)는 도파관(18)이 소켓(32) 속으로 감길 수 있는 외부 나사선을 포함한다. 도 4에 도시된 실시예에서, 도파관(18)은 용기(14)의 외면에 부착된 나사형 스터드(threaded stud)(피팅)(34)와 결합할 수 있는 크기로 만들어진 단부(20)에 내부 나선 홈들을 포함한다. 스터드(34)는 바람직하게 용기(14)에 접합된다. 바람직하게, 스터드(34)의 단부 표면(23)은 스터드(34)의 가로축(스터드(34)는 평탄한 단부 표면을 갖는다)에 수직이고, 음향 파워가 단지 나사 접촉면을 통해 결합되지 않도록 하기 위해 전체 단부 표면을 가로지르는 스터드(34)의 내부 홈들과 접촉시킨다.3 and 4 are diagrams illustrating various methods of acoustically connecting waveguide 16 to vessel 14 in an embodiment of the present invention. 3 is a view showing an inner spiral socket (fitting) 32 attached to the outer surface of the container 14. As shown in Fig. Thus, the end 20 of the waveguide 18 includes an external thread that the waveguide 18 can wind into the socket 32. 4, the waveguide 18 includes an end portion 20, which is sized to engage with a threaded stud (fitting) 34 attached to the outer surface of the container 14, Spiral grooves. The studs 34 are preferably bonded to the container 14. Preferably the end surface 23 of the stud 34 is perpendicular to the transverse axis of the stud 34 (the stud 34 has a flat end surface) And contacts the inner grooves of the stud 34 across the end surface.

도파관(18)은 목표 주파수에서 공진(정상파를 지지하는)하도록 선택된다. 그러므로, 도파관(18)은 도파관에서 목표 주파수의 정수배의 반파장과 동일한 길이를 갖는다. 여러가지 실시예에서, 도파관(18)은 도파관의 담궈지지 않은 길이가 변환기(16)와 유리 용해물(12) 사이의 열적버퍼(thermal buffer)로 동작하도록 부분적으로 유리 용해물(12)에 담궈질 수 있다. 담궈지지 않은 실시예에서, 도파관(18)의 전체 길이는 열적버퍼로 동작한다.The waveguide 18 is selected to resonate at a target frequency (supporting a standing wave). Therefore, the waveguide 18 has a length equal to an integral multiple of a half-wavelength of the target frequency in the waveguide. In various embodiments, the waveguide 18 is partially immersed in the glass melt 12 such that the undoped length of the waveguide operates as a thermal buffer between the transducer 16 and the glass melt 12 . In the non-soaked embodiment, the entire length of the waveguide 18 operates as a thermal buffer.

도파관(18)은 유리 제조 공정(1600℃를 초과할 수 있는)에서 사용되는 고온을 견디기에 충분한 재질로 구성된다. 이는 도파관(18)이 용융 유리에 접촉하거나 용기(14)에 접촉하더라도 사실이다. 만족할만한 재료들로는 알루미나, 산화지르코늄(zirconia) 및 백금-로듐 합금들과 같이 고온에서 고탄성률을 유지하는 고밀도 알루미나(dense alumina), 세라믹 또는 내열성 금속 합금들을 포함하는 것으로 알려졌다.The waveguide 18 is made of a material that is sufficient to withstand the high temperatures used in the glass manufacturing process (which may exceed 1600 占 폚). This is true even if the waveguide 18 contacts the molten glass or contacts the vessel 14. Satisfactory materials are known to include dense alumina, ceramics or refractory metal alloys that maintain high modulus at high temperatures, such as alumina, zirconia and platinum-rhodium alloys.

비록 도파관(18)이 일반적으로 원통형이나 계단형 뿔형태일지라도, 도파관(18)은 종 형태, 블럭(block) 형태, 또는 두루마리 형태(홈이 파인 또는 홈이 파이지 않은)를 갖을 수 있다. 도파관(18)은 솔리드 로드(solid rod) 또는 튜브 또는 솔리드 로드와 유사한 직경을 갖는 속이 빈 원통형일 수 있다.Although the waveguide 18 is generally cylindrical or a stepped conical shape, the waveguide 18 may have a longitudinal, block, or rolled shape (grooved or not grooved). The waveguide 18 may be a hollow solid having a diameter similar to a solid rod or tube or solid rod.

일 실시예에서, 냉각 흐름(36)은 변환기(16)에 적당한 동작온도를 제공하기 위해 도파관(18)의 일부(또는 정합 링크(30)가 사용된)를 넘어 유도된다. 냉각 흐름은 즉시 얻을 수 있는 유량(flow rate) 중 주변(또는 실내)온도에서의 공기일 수 있다. 그러나, 냉각 흐름(36)이 냉각된 유체일 수도 있다는 것을 알 수 있다. 더욱이, 더 짧은 도파관은 더 큰 필수 냉각과 더 높은 유량에서 차가운 냉각 흐름을 포함한다는 것을 알 수 있다. 주변 공기의 냉각 흐름은 파장 길이의 도파관에 적합한 것을 알 수 있다. 일반적으로 냉각 흐름은 변환기에 인접한 도파관(또는 정합 링크)을 넘어 유도된다. 평형 상태에 도달하도록 도파관을 허용하기 때문에 정상 상태(steady state)에 있는 게 냉각 흐름에 이득이 된다.In one embodiment, the cooling stream 36 is directed over a portion of the waveguide 18 (or where the matching link 30 is used) to provide an appropriate operating temperature to the transducer 16. The cooling flow can be air at ambient (or indoor) temperature among the instantly obtainable flow rate. However, it can be seen that the cooling flow 36 may be a cooled fluid. Furthermore, it can be seen that the shorter waveguide includes a larger required cooling and a cooler cooling flow at higher flow rates. It can be seen that the cooling flow of ambient air is suitable for waveguides of wavelength length. Generally, the cooling flow is directed beyond the waveguide (or matching link) adjacent to the transducer. The cooling flow is in the steady state because it allows the waveguide to reach equilibrium.

도파관(18)은 고온 단부와 저온 단부를 포함하기 때문에, 도파관(18)을 통해 전파하는 음파의 속도가 변하도록 열 변화가 도파관의 길이면을 따라 존재한다. 변환기(16)에 의해 생성된 음파의 주파수는 유리 용해물(12)에 충분한 음향 파워를 제공하기 위해 도파관 어셈블리(10) 안에서 공진을 유지할 수 있도록 조절된다. 또한, 결합된 온도 차이들은 용해물의 초음파 손실들과 초음파 특성들에서 변한다. 그러므로, 상기 도파관이 주파수 조절에 의해 공진을 유지한다 하더라도 공진에서 변환기의 전기 입력 임피던스는 다양할 것이다. 유리 용해물(12)과 실온 변환기(16) 사이의 도파관 어셈블리(10)에 따른 온도변화는 첫째로 도파관 어셈블리의 길이면에 따라 음파 속도의 변화를 가져오고, 둘째로 열팽창을 가져오며, 그 결과 밀도가 변하게 된다. 두 개의 효과들은 모두 도파관 어셈블리의 길이에 따른 음량 속도(volume velocity)에 의해 분배된 음향 압력으로 설정된 음향 임피던스에서의 변화에 응답할 것이다. 따라서, 도파관 어셈블리의 길이면에 따른 음향 임피던스에서의 온도 감소 변화는 도파관 재질, 길이 및 단면 등의 장치에 대한 구성요소를 선택할 때 중요하다.Because waveguide 18 includes a hot end and a cold end, there is a thermal change along the length of the waveguide so that the velocity of the sound wave propagating through waveguide 18 is changed. The frequency of the sound waves generated by the transducer 16 is adjusted to maintain resonance within the waveguide assembly 10 to provide sufficient acoustic power to the glass melt 12. [ In addition, the combined temperature differences vary in ultrasonic losses and ultrasound properties of the melt. Therefore, even if the waveguide maintains resonance by frequency control, the impedance of the electrical input of the transducer at resonance will vary. The temperature variation along the waveguide assembly 10 between the glass melt 12 and the room temperature transducer 16 leads first to a change in sound wave velocity along the length of the waveguide assembly and secondly to thermal expansion, The density is changed. Both effects will all respond to changes in the acoustic impedance set by the acoustic pressure distributed by the volume velocity along the length of the waveguide assembly. Thus, the temperature decrease change in acoustic impedance along the length of the waveguide assembly is important in selecting components for the device, such as waveguide material, length and cross section.

도파관(18)의 최적 길이는 그 중 도파관의 재질 선택 및 동작 시 도파관의 온도에 의존한다. 목표 음파 주파수에 대한 단일 파장의 파장 길이는 변환기(16)가 100℃보다 적은 온도에서 동작하도록 하기 위해 도파관의 길이에 따라 충분한 온도 변화를 허용하고, 공진 주파수에서 동작하기 위해 신호 주파수를 거쳐 조절되도록 도파관 어셈블리(10)를 허용하는 것과 같이 여러 실시예에서 도파관(18)의 길이로 충분하다는 것을 알 수 있다.The optimal length of the waveguide 18 depends on the temperature of the waveguide during material selection and operation of the waveguide. The wavelength length of the single wavelength for the target sonic frequency is set so that the transducer 16 allows a sufficient temperature variation along the length of the waveguide to operate at a temperature less than 100 DEG C and is adjusted over the signal frequency to operate at the resonant frequency It will be appreciated that in many embodiments the length of the waveguide 18 is sufficient, such as allowing the waveguide assembly 10.

도파관(18)이 유리 용해물(12)에 음향적으로 결합될 때, 도파관은 용기(14)를 통해 유리 용해물에 초음파 진동 형태의 음향 파워를 전달한다. 유리 용해물에 충분한 파워를 전함에 따라, 유리 용해물의 균등성을 증가시키기에 충분하게 혼합한 유리 용해물의 움직임이 유도될 수 있다. 코딩(cording)은 감소될 수 있고, 유리 용해물 전체에 균일하게 분포될 수 있다. 여러가지 실시예에서, 유리 용해물에 결합된 음향 파워는 용해물에서 높은 유동 속도를 이끌 수 있는 용해물과 함께 공동현상(cavitation)을 만든다. 공동현상은 용해된 가스들이 하나로 합체될 수 있고 유리 용해물의 표면으로 올라갈 수 있는 진공 기포 위치를 생성함으로써 유리의 청징(fining)(가스 함유물 제거)을 촉진할 수 있다.When the waveguide 18 is acoustically coupled to the glass melt 12, the waveguide delivers acoustic power in the form of ultrasonic vibrations through the vessel 14 to the glass melt. As the glass melt is supplied with sufficient power, the movement of the glass melt mixed sufficiently to increase the uniformity of the glass melt can be induced. The cording can be reduced and evenly distributed throughout the glass melt. In various embodiments, the acoustic power coupled to the glass melt makes cavitation with a melt that can lead to a high flow rate in the melt. The cavitation can promote fining (removal of gas inclusions) of the glass by creating a vacuum bubble position where the dissolved gases can be incorporated into one and can rise to the surface of the glass melt.

특정 실시예에서, 하나 이상의 도파관은 용융 유리의 혼합을 강화하기 위해 사용된다. 도 5는 두 개의 도파관들이 용기(14)에 물리적으로 결합된 실시예를 나타내는 도면이다. 바람직하게, 두 개의 도파관들의 길이축들은 직각이다. 둘 이상의 도파관들이 사용되는 것을 알 수 있다. 도 6은 유리 시트들을 제조하기 위해 용해 공정(fusion process)을 사용하는 본 발명의 실시예에 따른 바람직한 유리 제조 시스템(42)을 나타내는 개략도이다. 용해 공정은 미국 등록특허번호 제3,338,696호에 기술되었다. 바람직한 용해 유리 제조 시스템(42)은 원자재(raw feed material)들이 화살표(46)와 같이 삽입되어 용융 유리(12)를 형성하기 위해 용해되는 용해로(melting furnace)(44)(용해장치(melter))를 포함한다. 유리 제조 시스템(42)은 일반적으로 몰리브덴(molybdenum), 팔라듐(palladium), 레늄(rhenium), 탄탈(tantalum), 티타늄(titanium), 텅스텐(tungsten) 또는 그들의 함금들과 같은 내열성 금속을 포함하는 것을 제외한 백금 또는 백금 함유 금속 예를 들면, 백금-로듐, 백금-이리듐 및 그들의 결합물로 만들어진 구성요소들을 더 포함한다. 백금 함유 구성요소들은 청징 용기(50)(예를 들면, 미세관(finer tube)(50)), 미세관과 용해장치를 연결하는 배관(52), 혼합 용기(54)(예를 들면, 교반챔버(stir chamber)(54)), 교반챔버와 미세관을 연결하는 배관(56), 운반용기(delivery vessel)(58)(주발(bowl)(58)), 주발과 교반챔버를 연결하는 배관(60) 및 강수관(downcomer)(62)을 포함한다. 용융 유리는 성형 용기(forming vessel)(66)(예를 들면, 용해관(fusion pipe)(66))에 결합된 유입구(inlet)(64)에 제공된다. 유입구(64)를 통해 성형 용기(66)에 제공된 용융 유리는 성형 용기(66)에서 넘쳐 흐르고, 모여있는 성형 용기(66)의 외면 아래로 흐르는 두 개의 분리된 유리 유동으로 분리된다. 두 개의 분리된 유리 유동은 모여있는 성형면들이 단일 유리 시트(68)를 형성하기 위해 만나는 선에서 재결합한다. 성형 용기(66)는 세라믹 또는 유리-세라믹 내열 재질로 형성된다.In certain embodiments, one or more waveguides are used to enhance the mixing of the molten glass. 5 is an illustration of an embodiment in which two waveguides are physically coupled to the vessel 14. Preferably, the length axes of the two waveguides are at right angles. It can be seen that more than one waveguide is used. 6 is a schematic diagram illustrating a preferred glass manufacturing system 42 in accordance with an embodiment of the present invention using a fusion process to produce glass sheets. The dissolution process is described in U.S. Patent No. 3,338,696. A preferred molten glass manufacturing system 42 includes a melting furnace 44 (melter) in which raw feed materials are inserted such as arrows 46 to form molten glass 12, . The glass manufacturing system 42 generally comprises a refractory metal such as molybdenum, palladium, rhenium, tantalum, titanium, tungsten, or their alloys Platinum or platinum-containing metals, such as platinum-rhodium, platinum-iridium, and combinations thereof. The platinum-containing components may include a purifying vessel 50 (e.g., a finer tube 50), a pipe 52 connecting the microtubule and the dissolution apparatus, a mixing vessel 54 (e.g., A stir chamber 54), a pipe 56 connecting the stirring chamber and the micro tube, a delivery vessel 58 (bowl 58), a pipe connecting the main stem and the stirring chamber (60) and a downcomer (62). The molten glass is provided to an inlet 64 coupled to a forming vessel 66 (e.g., a fusion pipe 66). The molten glass provided in the molding container 66 through the inlet 64 overflows from the molding container 66 and is separated into two separate glass flows flowing under the outer surface of the molding container 66 which is gathered. The two separate glass flows recombine at a line where the gathered molding surfaces meet to form a single glass sheet 68. The molding container 66 is formed of a ceramic or glass-ceramic heat-resistant material.

모여있는 성형 용기(66)의 성형면을 하향하는 분리된 유리 유동의 외부면이 성형면에 접촉하지 않기 때문에, 최초 외면을 갖는 결합된 유리시트는 액정표시장치의 제조에 적합하다.The bonded glass sheet having the initial outer surface is suitable for manufacturing a liquid crystal display device because the outer surface of the separated glass flow downwardly facing the molding surface of the gathered molding container 66 does not contact the molding surface.

본 발명의 실시예에 따라서, 장치(10)는 유리 제조 시스템(42)의 백금 함유 일부분으로 사용될 것이다. 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 장치(10)는 용융 유리를 혼합(균일)하기 위해 교반기(stirrer)와 미세관을 연결하는 배관(56) 또는 교반 챔버(54)에 음향적으로 연결된다. 종래의 교반 챔버에서, 교반기(70)는 유리를 균일하게 하기 위해 용융 유리에서 회전된다. 장치(10)는 교반기가 회전하는 동안 유리 용해물에 초음파 에너지를 동시에 제공하기 위해 교반기(70) 보충용으로 사용되거나 교반기(70) 대신 사용된다.In accordance with an embodiment of the present invention, the apparatus 10 will be used as a platinum-containing portion of the glass manufacturing system 42. For example, the one or more devices 10 are acoustically connected to a piping 56 or agitating chamber 54 connecting a stirrer and a microtubule to mix (homogenize) the molten glass. In a conventional stirring chamber, the stirrer 70 is rotated in the molten glass to homogenize the glass. The apparatus 10 is used for replenishing the stirrer 70 or instead of the stirrer 70 to simultaneously provide ultrasonic energy to the glass melt while the stirrer is rotating.

실시예Example 1 One

알루미노 붕규산염 유리 조각은 1350℃ 내지 1535℃ 사이의 온도에서 변하는 용광로에 배치된 백금-로듐 도가니의 온도에서 다시 용해된다. 도파관은 알루미나부(alumina portion)를 포함하고, 강철 임피던스 정합은 유리 용해물에 알루마나부의 길이가 적셔지도록 유리 용해물에 대략 20㎑ 내지 25㎑ 사이로 동작하는 톤필쯔 타입의 초음파 변환기를 음향적으로 연결하기 위해 사용된다. 알루미나부는 22㎜의 직경과 43.2㎝의 길이를 갖는다. 중요한 공진 조건은 변환기의 전기임피던스가 최소 값(주파수는 도파관의 온도 의존성 때문에 공진을 유지하기 위해 상술한 범위로 조정된다)을 나타내는 21.1㎑ 내지 21.4㎑ 사이의 동작 주파수에서 이루어진다. 44W의 최대 입력 전력은 1350℃의 용광로 온도에서 얻어진다. 산화 코발트(cobalt oxide)는 음향 흐름의 시각적인 증거물을 제공하기 위해 대략 200ppm의 양이 유리 용해물에 첨가된다. 유리는 냉각되어 도가니에서 제거된다. 냉각된 유리의 시각적인 검토는 산화 코발트 "색조"와 유리의 혼합이 유도된 음향 흐름을 보여준다.The aluminoborosilicate glass pieces are again dissolved at the temperature of the platinum-rhodium crucible placed in a furnace varying between 1350 ° C and 1535 ° C. The waveguide comprises an alumina portion and the steel impedance matching is acoustically converted to a glass melt by a Tone-Filitz type ultrasonic transducer operating between about 20 kHz and 25 kHz so that the length of the alumina part is saturated with the glass melt Used to connect. The alumina part has a diameter of 22 mm and a length of 43.2 cm. Significant resonance conditions occur at an operating frequency between 21.1 kHz and 21.4 kHz, which represents the transducer's electrical impedance at its minimum value (the frequency is adjusted to the above range to maintain resonance due to the temperature dependence of the waveguide). The maximum input power of 44 W is obtained at a furnace temperature of 1350 ° C. Cobalt oxide is added to the glass melt in an amount of approximately 200 ppm to provide visual evidence of acoustical flow. The glass is cooled and removed from the crucible. A visual review of the cooled glass shows the acoustic flow induced by mixing the cobalt oxide "hue" with the glass.

실시예Example 2 2

알루미노 붕규산염 유리는 용광로에 배치된 백금-로듐 도가니(용기)에서 1350℃ 내지 1400℃ 사이에서 녹고, 그 후 1450℃의 온도에서 유지된다. 도파관은 알루미나부를 포함하고, 강철 임피던스 정합부는 유리 용해물에 대략 20㎑ 내지 25㎑ 사이로 동작하는 톤필쯔 타입의 초음파 변환기를 음향적으로 연결하기 위해 사용된다. 알루미나부는 22㎜의 직경과 43.2㎝의 길이를 갖는다. 도파관의 알루미나부는 도가니의 외면에 용접된 나사형 스터드를 거쳐 도가니에 물리적으로 결합되고, 도파관의 알루미나부에서 나사형 홈에 내부적으로 결합된다. 임피던스 정합부는 부착력이 있는 보강된 나사를 거쳐 변환기에 결합된다. 중요한 공진 조건은 변환기의 전기임피던스가 최소 값(주파수는 도파관의 온도 의존성 때문에 공진을 유지하기 위해 상술한 범위로 조정된다)을 나타내는 22.5㎑ 내지 23㎑ 사이의 동작 주파수에서 이루어진다. 유리 용해물의 입력 파워는 40W 내지 50W이다.Aluminoborosilicate glass is melted in a platinum-rhodium crucible (vessel) placed in a furnace between 1350 ° C and 1400 ° C, and then maintained at a temperature of 1450 ° C. The waveguide includes an alumina portion and the steel impedance matching portion is used to acoustically connect a Tone-Fitz-type ultrasonic transducer operating between about 20 kHz and 25 kHz to the glass melt. The alumina part has a diameter of 22 mm and a length of 43.2 cm. The alumina portion of the waveguide is physically coupled to the crucible via a threaded stud welded to the outer surface of the crucible and internally joined to the threaded groove in the alumina portion of the waveguide. The impedance matching portion is coupled to the transducer via an attached, reinforced screw. Significant resonance conditions occur at an operating frequency between 22.5 kHz and 23 kHz, which represents the transducer's electrical impedance at its minimum value (the frequency is adjusted to the above range to maintain resonance due to the temperature dependence of the waveguide). The input power of the glass melt is 40W to 50W.

본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명이 제공하는 발명의 변경 및 수정은 특허청구범위와 그들과 동등한 관점에서 이루어질 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit of the invention. Accordingly, it is intended that the present invention cover the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents.

Claims (5)

음파를 생성하는 단계; 및
도파관(18)을 통해 용기 내에 수용된 유리 용해물(12)에 음파를 결합하는 단계를 포함하고,
상기 도파관은 상기 용기의 외면과 결합되고 그리고 상기 도파관과 변환기(16) 사이에 음향 임피던스를 정합하도록 정합 링크(30)를 포함하고;
상기 음파의 주파수는 상기 도파관에서 정상파를 만들도록 조정되고; 그리고
상기 음파는 상기 유리 용해물에 음향 유동을 생성하기 위해 상기 유리 용해물에 충분한 음향 파워를 제공하는 것을 특징으로 하는 유리 용해물 혼합 방법.
Generating a sound wave; And
And coupling the sound waves to the glass melt (12) contained in the vessel through the waveguide (18)
Wherein the waveguide is coupled to an outer surface of the vessel and includes a matching link (30) to match acoustical impedance between the waveguide and the transducer (16);
The frequency of the sound wave is adjusted to make a standing wave in the waveguide; And
Wherein the sound waves provide sufficient acoustical power to the glass melt to produce an acoustic flow in the glass melt.
제 1 항에 있어서,
상기 유리 용해물은 내열성 금속 용기(14)에 수용되는 것을 특징으로 하는 유리 용해물 혼합 방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the glass melt is contained in a refractory metal container (14).
제 2 항에 있어서,
상기 도파관은 상기 용기의 표면에서 나사 피팅(32, 34)과 물리적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 유리 용해물 혼합 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the waveguide is physically coupled to the screw fittings (32, 34) at the surface of the vessel.
제 1 항에 있어서,
상기 유리 용해물에 음파를 결합하는 단계는 상기 유리 용해물을 상기 도파관에 접촉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 용해물 혼합 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of bonding acoustic waves to the glass melt comprises contacting the glass melt with the waveguide.
용기(14) 내의 유리 용해물에 음향 에너지를 제공하기 위한 장치에 있어서,
음파를 생성하는 변환기(16); 및
상기 변환기 및 상기 유리 용해물에 음파로 결합된 도파관(18)을 포함하고,
상기 도파관(18)은 상기 용기의 외면과 결합되고, 그리고 음파의 주파수는 음파의 주파수에서 상기 도파관 내에 정상파를 생성하고 유리 용해물(12) 내에 음파 유동을 생성하도록 조정가능하고; 그리고
상기 도파관(18)은 상기 변환기(16)와 상기 도파관 사이의 음향 임피던스를 정합하도록 매칭 링크(30)의 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 에너지 제공 장치.
An apparatus for providing acoustic energy to a glass melt in a vessel (14)
A converter 16 for generating sound waves; And
And a waveguide (18) sonically coupled to the transducer and the glass melt,
The waveguide 18 is associated with the outer surface of the vessel and the frequency of the sound waves is adjustable to produce a standing wave within the waveguide at the frequency of the sound waves and to produce a sound wave flow in the glass melt 12; And
Characterized in that the waveguide (18) comprises a portion of the matching link (30) to match the acoustic impedance between the transducer (16) and the waveguide.
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