KR20140067074A - 허니콤 구조를 갖는 세라믹 성형 장치 및 방법 - Google Patents

허니콤 구조를 갖는 세라믹 성형 장치 및 방법 Download PDF

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이반 에이. 코르네호
토마드 데일 케참
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Abstract

유리 리본을 퓨전 드로잉하기 위한 세라믹 성형 장치는 허니콤 구조를 포함한다. 다른 예들에 있어서, 유리 리본을 퓨전 드로잉하는 방법은 허니콤 구조를 갖는 세라믹 성형 장치를 제공하는 단계를 포함한다. 유리 리본을 퓨전 드로잉하기 위한 세라믹 성형 장치를 제조하는 방법은 성형체에 걸쳐 확장하는 다수의 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽들을 포함하는 허니콤 구조를 갖는 상기 성형체를 형성하도록 다이 부재를 통해 세라믹-성형 배치 재료를 압출하는 단계를 포함한다. 각각의 다수의 벽들은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm의 대응하는 한 쌍의 채널들간 규정된 두께를 갖는다. 상기 방법은 허니콤 구조를 갖는 소성 세라믹 바디를 형성하기 위해 성형체를 소성하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 웨지 및 트로프를 갖는 세라믹 성형 장치를 제공하는 단계를 포함하며, 허니콤 구조는 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 형성한다.

Description

허니콤 구조를 갖는 세라믹 성형 장치 및 방법{CERAMIC FORMING DEVICES WITH A HONEYCOMB STRUCTURE AND METHODS}
본 출원은 35 U.S.C.§119 하에 2011년 8월 31일 출원된 미국 가출원 제61/529,504호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.
본 발명은 통상 세라믹 성형 장치에 관한 것으로, 특히 허니콤 구조를 포함하는 세라믹 성형 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상 유리 제조 장치는 LCD 시트 유리와 같은 다양한 유리 제품을 형성하는데 사용된다. 세라믹 성형 장치를 통해 용융 유리를 하향 유동시켜 그 세라믹 성형 장치로부터 유리 리본을 퓨전 드로잉(fusion drawing)함으로써 시트 유리를 제조하는 것이 공지되어 있다.
본 발명은 허니콤 구조를 포함하는 세라믹 성형 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
이하 상세한 설명에 기술된 몇몇 예시 형태들의 기본적인 이해를 돕기 위해 본 발명 개시의 간단한 요약을 제공한다.
본 발명 개시의 일 예의 형태에 있어서, 유리 리본을 퓨전 드로잉하기 위한 세라믹 성형 장치가 제공된다. 상기 세라믹 성형 장치는 성형 웨지의 대향 단부들간 확장하는 한 쌍의 하향 경사진 성형 표면부들을 포함하는 상기 성형 웨지를 포함한다. 상기 한 쌍의 하향 경사진 성형 표면부들은 각각 상기 성형 웨지의 루트를 형성하기 위해 하류 방향을 따라 수렴된다. 허니콤 구조는 다수의 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽들을 포함하는 상기 허니콤 구조를 갖는 상기 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 형성한다.
상기 형태의 일 실시에 있어서, 세라믹 성형 장치는 트로프의 대향 측면들을 규정하는 제1위어 및 제2위어를 포함하는 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 상기 트로프를 더 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 상기 트로프는 상기 한 쌍의 위어들 중 적어도 하나의 상부와 세라믹 성형 장치의 축을 따라 변화하는 트로프의 하부간 깊이를 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 상기 허니콤 구조는 한 쌍의 위어들의 적어도 일부를 형성한다.
상기 형태의 또 다른 실시에 있어서, 상기 허니콤 구조는 성형 웨지의 적어도 일부를 형성한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 상기 허니콤 구조의 각각의 다수의 벽들은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm, 소정 실시예들에서 최대 25 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 20 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 15 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 10 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 8 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 5 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 3 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 2 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 1 mm의 대응하는 한 쌍의 채널들간 규정된 두께를 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 상기 허니콤 구조는 약 1/25 채널/cm2 내지 약 20 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/20 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/15 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/10 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/5 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/2 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 2 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 5 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 10 채널/cm2, 소정의 실시예드에서 적어도 15 채널/cm2의 채널 밀도를 갖는다.
상기 형태의 또 다른 실시에 있어서, 세라믹 성형 장치는 허니콤 구조의 둘레면에 걸쳐 위치된 내화성 재료의 외층을 더 포함한다.
상기 형태의 일 실시에 있어서, 상기 내화성 재료의 외층은 세라믹 재료를 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 상기 외층의 세라믹 재료는 폐쇄된-셀 다공성 구조를 포함한다.
본 발명 개시의 다른 예시의 형태에 있어서, 유리 리본을 퓨전 드로잉하는 방법은 (I) 트로프의 대향 측면들을 규정하는 제1위어 및 제2위어를 포함하는 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 상기 트로프를 포함하는 세라믹 성형 장치를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 세라믹 성형 장치는 성형 웨지의 대향 단부들간 확장하는 한 쌍의 하향 경사진 성형 표면부들을 포함하는 성형 웨지를 더 포함한다. 상기 한 쌍의 하향 경사진 성형 표면부들은 각각 상기 성형 웨지의 루트를 형성하기 위해 하류 방향을 따라 수렴된다. 허니콤 구조는 다수의 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽들을 포함하는 상기 허니콤 구조를 갖는 상기 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 형성한다. 상기 방법은 (II) 상기 세라믹 성형 장치의 트로프 내에 유리 용융물을 도입하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한 (III) 대응하는 용융 유리 시트들이 각각의 안쪽으로 경사진 성형 표면부들 아래로 이동되도록 트로프로부터의 용융 유리가 한 쌍의 위어들의 상부 에지들을 넘쳐 흐르게 하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한 (IV) 성형 웨지의 루트를 빠져나가는 유리 리본으로서 상기 용융 유리 시트들을 함께 퓨전 드로잉하는 단계를 포함한다.
상기 형태의 일 실시에 있어서, 단계 (I)은 한 쌍의 위어들의 적어도 일부를 형성하는 허니콤 구조를 제공한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 단계 (I)은 성형 웨지의 적어도 일부를 형성하는 허니콤 구조를 제공한다.
상기 형태의 또 다른 실시에 있어서, 단계 (I)은 거의 전체 성형 웨지를 형성하는 허니콤 구조를 제공한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 단계 (I)은 성형 웨지를 형성하는 허니콤 구조의 둘레면에 걸쳐 위치된 내화성 재료의 외층을 제공한다.
상기 형태의 또 다른 실시에 있어서, 단계 (I)은 허니콤 구조의 둘레면에 걸쳐 위치된 내화성 재료의 외층을 제공한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 단계 (I)은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm, 소정 실시예들에서 최대 25 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 20 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 15 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 10 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 8 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 5 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 3 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 2 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 1 mm의 대응하는 한 쌍의 채널들간 규정된 두께를 갖는 허니콤 구조의 각각의 다수의 벽들을 제공한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 단계 (I)는 약 1/25 채널/cm2 내지 약 20 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/20 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/15 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/10 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/5 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/2 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 2 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 5 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 10 채널/cm2, 소정의 실시예드에서 적어도 15 채널/cm2의 채널 밀도를 갖는 허니콤 구조를 제공한다.
본 발명 개시의 또 다른 예시의 형태에 있어서, 유리 리본을 퓨전 드로잉하기 위한 세라믹 성형 장치를 제조하는 방법은 (I) 성형체에 걸쳐 확장하는 다수의 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽들을 포함하는 허니콤 구조를 갖는 상기 성형체를 형성하기 위해 다이 부재를 통해 세라믹-성형 배치 재료를 압출하는 단계를 포함한다. 각각의 다수의 벽들은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm, 소정 실시예들에서 최대 25 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 20 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 15 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 10 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 8 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 5 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 3 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 2 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 1 mm의 대응하는 한 쌍의 채널들간 규정된 두께를 갖는다. 상기 방법은 (II) 허니콤 구조를 갖는 소성 세라믹 바디를 형성하기 위해 성형체를 소성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 (III) 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 웨지 및 트로프를 갖는 세라믹 성형 장치를 제공하는 단계를 더 포함하며, 상기 허니콤 구조는 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 형성한다.
상기 형태의 일 실시에 있어서, 단계 (III)은 세라믹 성형 장치를 제공하기 위해 기계 가공 공정을 이용하는 단계를 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 단계 (III)의 기계 가공 공정은 단계 (II) 전에 성형체를 기계 가공하는 단계를 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 단계 (III)의 기계 가공 공정은 단계 (II) 이후 소성 세라믹 바디를 기계 가공하는 단계를 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 단계 (I)은 약 1/25 채널/cm2 내지 약 20 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/20 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/15 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/10 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/5 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/2 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 2 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 5 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 10 채널/cm2, 소정의 실시예드에서 적어도 15 채널/cm2의 채널 밀도를 갖는 허니콤 구조를 형성한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 허니콤 구조는 세라믹 성형 장치의 웨지의 적어도 일부를 형성한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 세라믹 바디는 폐쇄된-셀 다공성 구조를 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 제1평균 입자 크기를 갖는 제1수량의 입자들을 상기 제1평균 입자 크기보다 큰 제2평균 입자 크기를 갖는 제2수량의 입자들과 혼합함으로써 세라믹-성형 재료를 준비하는 단계를 더 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 제1 및 제2수량의 입자들은 알루미나 입자를 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 제1수량의 알루미나 입자들의 제1평균 입자 크기는 약 0.6 μ이고, 제2수량의 알루미나 입자들의 제2평균 입자 크기는 약 2.7 μ이다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 제1수량의 알루미나 입자 대 제2수량의 알루미나 입자의 비율은 약 3:1이다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 제1 및 제2수량의 입자들은 지르콘 입자를 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 제1수량의 지르콘 입자들의 제1평균 입자 크기는 약 1 μ이고, 제2수량의 지르콘 입자들의 제2평균 입자 크기는 약 7 μ이다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 제1수량의 지로콘 입자 대 제2수량의 지르콘 입자의 비율은 약 1:1이다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 상기 방법은 허니콤 구조의 둘레면에 내화성 재료의 외층을 제공하는 단계를 더 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 상기 방법은 단계 (II) 동안 소성 챔버 내 대기 중의 산소 레벨을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 상기 방법은 단계 (II) 동안 다수의 채널들을 통해 유체를 강제로 안내하는 단계를 더 포함한다.
상기 형태의 다른 실시에 있어서, 상기 방법은 단계 (II) 동안 다수의 채널들을 통해 수증기를 강제로 안내하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 예의 형태에 있어서, 유리 리본을 퓨전 드로잉하기 위한 세라믹 성형 장치를 제조하는 방법은 성형체에 걸쳐 확장하는 다수의 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽들을 포함하는 허니콤 구조를 갖는 상기 성형체를 형성하기 위해 다이 부재를 통해 세라믹-성형 배치 재료를 압출하는 단계를 포함하며, 상기 각각의 다수의 벽들은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm, 소정 실시예들에서 최대 25 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 20 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 15 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 10 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 8 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 5 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 3 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 2 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 1 mm의 대응하는 한 쌍의 채널들간 규정된 두께를 갖고, 상기 허니콤 구조는 약 1/25 채널/cm2 내지 약 20 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/20 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/15 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/10 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/5 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/2 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 2 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 5 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 10 채널/cm2, 소정의 실시예드에서 적어도 15 채널/cm2의 채널 밀도를 갖는다. 상기 방법은 세라믹 성형 장치에 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 웨지 및 트로프가 제공되도록 성형체를 기계 가공하는 단계를 더 포함하며, 상기 허니콤 구조는 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 형성한다. 상기 방법은 허니콤 구조를 갖는 소성 세라믹 성형 장치를 형성하도록 성형체를 소성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명 개시의 또 다른 예의 형태에 있어서, 유리 리본을 퓨전 드로잉하기 위한 세라믹 성형 장치를 제조하는 방법은 성형체에 걸쳐 확장하는 다수의 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽들을 포함하는 허니콤 구조를 갖는 상기 성형체를 형성하기 위해 다이 부재를 통해 세라믹-성형 배치 재료를 압출하는 단계를 포함한다. 상기 각각의 다수의 벽들은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm, 소정 실시예들에서 최대 25 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 20 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 15 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 10 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 8 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 5 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 3 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 2 mm, 소정 다른 실시예들에서 최대 1 mm의 대응하는 한 쌍의 채널들간 규정된 두께를 갖고, 상기 허니콤 구조는 약 1/25 채널/cm2 내지 약 20 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/20 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/15 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/10 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/5 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1/2 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 1 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 2 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 5 채널/cm2, 소정의 실시예들에서 적어도 10 채널/cm2, 소정의 실시예드에서 적어도 15 채널/cm2의 채널 밀도를 갖는다. 상기 방법은 허니콤 구조를 갖는 소성 세라믹 성형 장치를 형성하도록 성형체를 소성하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 세라믹 성형 장치에 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 웨지 및 트로프가 제공되도록 성형체를 기계 가공하는 단계를 더 포함하며, 상기 허니콤 구조는 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 형성한다.
이들 및 다른 형태들은 수반되는 도면들을 참조하여 이하의 상세한 설명을 이해하며 읽을 때 좀더 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 발명 개시의 형태에 따른 세라믹 성형 장치를 포함하는 퓨전 드로우 장치의 개략도이고;
도 2는 도 1의 세라믹 성형 장치의 단면 확대 사시도이고;
도 3은 도 2의 허니콤 구조 및 외층의 확대도이고;
도 4는 소성 세라믹 재료의 폐쇄 다공성 구조의 확대도이고;
도 5는 성형체(green body)를 형성하기 위해 다이 부재(die member)를 통해 세라믹-성형 배치 재료를 압출하기 위한 압출 공정을 나타내는 개략도이고;
도 6은 제1수량의 알루미나 입자 및 제2수량의 알루미나 입자의 예시의 입자 분포를 나타내고;
도 7은 도 6의 제1수량의 알루미나 입자 및 제2수량의 알루미나 입자 조합의 산출 분포 및 실제 분포를 나타내고;
도 8은 도 5의 다이 부재의 일부의 확대 부분 단면도이고;
도 9는 도 5의 라인 9-9에 따른 구획된 성형체의 단면도이고;
도 10은 소성 세라믹 바디를 형성하기 위해 성형체를 소성하는 방법을 나타내고;
도 11은 소성 세라믹 바디를 형성하기 위해 성형체를 소성하기 위한 예시의 소성 사이클을 나타내고;
도 12는 세라믹 성형 웨지의 위어(weir), 트로프(trough) 및 성형 웨지(forming wedge)의 외주 형태와 유사한 외형을 갖는 허니콤 구조를 제공하는 기계 가공 공정을 개략적으로 나타내며;
도 13은 허니콤 구조의 기계 가공된 표면에 제공된 내화성 재료의 외층을 나타낸다.
예시의 실시예들을 나타낸 수반되는 도면들을 참조하여 이하 실시예들에 대해 좀더 충분히 기술한다. 가능하면, 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분에 대해 동일한 참조부호를 사용한다. 그러나, 형태들에 있어 많은 다른 형태들이 실시될 수 있으며, 본원에 기술된 실시예들로 한정하려는 것은 아니다.
도 1은 유리 시트로 다음 처리하기 위한 유리 리본(103)을 퓨전 드로잉하기 위한 퓨전 드로우 장치(101)의 개략도를 나타낸다. 상기 퓨전 드로우 장치(101)는 저장통(109)으로부터 배치 재료(107)를 수용하도록 구성된 용융 용기(105)를 포함할 수 있다. 상기 배치 재료(107)는 모터(113)에 의해 구동된 배치 전달 장치(111)에 의해 도입될 수 있다. 선택의 콘트롤러(115)는 화살표 117로 나타낸 바와 같이 원하는 양의 배치 재료(107)를 용융 용기(105)로 도입하도록 모터(113)를 작동시키도록 구성될 수 있다. 유리 금속 프로브(119; glass metal probe)는 스탠드파이프(123; standpipe) 내의 유리 용융물(121) 레벨을 측정하여 그 측정된 정보를 통신 라인(125)에 의해 상기 콘트롤러(115)로 전송하는데 사용될 수 있다.
또한, 상기 퓨전 드로우 장치(101)는 용융 용기(105) 하류에 위치되고 제1연결 튜브(129)에 의해 상기 용융 용기(105)에 결합된 정제 튜브와 같은 정제 용기(127)를 포함할 수 있다. 교반 챔버와 같은 혼합 용기(131)는 상기 정제 용기(127) 하류에 위치될 수 있으며, 보울과 같은 전달 용기(133)는 상기 혼합 용기(131) 하류에 위치될 것이다. 나타낸 바와 같이, 제2연결 튜브(135)는 상기 혼합 용기(131)에 상기 정제 용기(127)를 결합할 수 있고, 제3연결 튜브(137)는 상기 혼합 용기(131)를 상기 전달 용기(133)에 결합할 수 있다. 더 기술하는 바와 같이, 다운커머(139; downcomer)는 유리 용융물(121)을 상기 전달 용기(133)에서 세라믹 성형 장치(143)의 유입구(141)로 전달하도록 배치될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 용융 용기(105), 정제 용기(127), 혼합 용기(131), 전달 용기(133), 및 세라믹 성형 장치(143)는 퓨전 드로우 장치(101)를 따라 직렬로 위치되는 유리 용융물 스테이션의 예들이다.
통상 상기 용융 용기(105)는 내화(예컨대, 세라믹) 벽돌과 같은 내화성 재료로 이루어진다. 상기 퓨전 드로우 장치(101)는 통상 플래티넘 또는 플래티넘-로듐, 플래티넘-이리듐 및 그 조합물과 같은 플래티넘-함유 금속들로 이루어진 요소들을 더 포함하나, 몰리브덴, 팔라듐, 레늄, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 루테늄, 오스뮴, 지르코늄, 및 그 합금 및/또는 이산화 지르코늄과 같은 내화성 금속을 포함할 수도 있다. 상기 플래티넘-함유 요소들은 하나 또는 그 이상의 제1연결 튜브(129), 정제 용기(127; 예컨대 정제 튜브), 제2연결 튜브(135), 스탠드파이프(123), 혼합 용기(131; 예컨대, 교반 챔버), 제3연결 튜브(137), 전달 용기(133; 예컨대 보울), 다운커머(139) 및 유입구(141)를 포함할 수 있다. 상기 세라믹 성형 장치(143)는 세라믹 재료로 이루어지며 유리 리본(103)을 형성하도록 디자인된다.
도 2는 도 1의 라인 2-2에 따른 퓨전 드로우 장치(101)의 횡단면 사시도이다. 나타낸 바와 같이, 그러한 세라믹 성형 장치(143)는 트로프(201)의 대향 측면들을 규정하는 제1위어(203) 및 제2위어(205)를 포함하는 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 상기 트로프(201)를 포함할 수 있다. 좀더 나타낸 바와 같이, 상기 트로프는 또한 바닥 벽(207)에 의해 적어도 부분적으로 규정될 것이다. 나타낸 바와 같이, 상기 위어(203, 205)들 및 바닥 벽(207)의 내면들은 서로에 대해 거의 90°위치된 표면들에 의해 거의 U 형태를 형성한다. 다른 예들에 있어서, 그러한 U 형태는 둥근 코너를 가질 수 있다. 또 다른 예들에 있어서, 상기 트로프는 그러한 위어(203, 205)들 내면들의 교차에 의해 규정된 바닥 표면을 가질 것이다. 예컨대, 상기 트로프는 V-형 프로파일을 가질 수 있다. 비록 나타내진 않았지만, 상기 트로프는 추가 예들에 있어서 다른 구성들을 포함할 수 있다.
나타낸 바와 같이, 상기 트로프(201)는 깊이가 축(209)을 따라 거의 동일할 지라도 축(209)을 따라 변화하는 상기 트로프(201)의 하부와 상기 위어의 상부간 깊이 "D"를 가질 수 있다. 그러한 트로프(201)의 깊이 "D"의 변화는 유리 리본의 폭을 가로지르는 유리 리본의 일관성을 용이하게 한다. 단지 일 예에 있어서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 세라믹 성형 장치(143)의 유입구 근처의 깊이 "D1"은 상기 트로프(201)의 유입구 하류 위치에 상기 트로프(201)의 깊이 "D2"보다 클 수 있다. 점선(210)으로 나타낸 바와 같이, 상기 바닥 벽(207)은 유입구 단부에서 그 대향 단부까지 그 세라믹 성형 장치(143)의 길이를 따라 깊이에 있어 거의 연속 감소를 제공하도록 축(209)에 대해 예각으로 확장할 것이다.
상기 세라믹 성형 장치(143)는 성형 웨지(211)의 대향 단부들간 확장하는 한 쌍의 하향 경사진 성형 표면부(213, 215)들을 포함하는 성형 웨지(211)를 더 포함한다. 상기 한 쌍의 하향 경사진 성형 표면부(213, 215)들은 각각 루트(219)를 형성하기 위해 하류 방향(217)을 따라 수렴된다. 드로우 평면(221; draw plane)은 유리 리본(103)이 그 드로우 평면(221)을 따라 하류 방향(217)으로 드로우되는 루트(219)에 걸쳐 확장한다. 나타낸 바와 같이, 상기 드로우 평면(221)은 이 드로우 평면(221)이 루트(219)에 대해 다른 방향들로 확장할 지라도 상기 루트(219)를 양분할 수 있다.
상기 세라믹 성형 장치(143)는 상기 한 쌍의 하향 경사진 성형 표면부(213, 215)들 중 적어도 하나와 교차하는 하나 또는 그 이상의 에지 디렉터(223; edge director)가 선택적으로 제공될 것이다. 다른 예들에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 에지 디렉터들은 하향 경사진 성형 표면부(213, 215) 모두와 교차할 수 있다. 다른 예들에 있어서, 에지 디렉터는 유리 리본(103)이 에지 디렉터를 유동하는 용융 유리에 의해 형성되는 성형 웨지(211)의 각각의 대향 단부에 위치될 수 있다. 예컨대, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 에지 디렉터(223)는 제1대향 단부(225a)에 위치될 수 있으며, 동일한 제2에지 디렉터(도시하지 않음)는 제2대향 단부(도 1의 225b 참조)에 위치될 수 있다. 각각의 에지 디렉터는 상기 하향 경사진 성형 표면부(213, 215) 모두와 교차하도록 구성될 수 있다. 각각의 에지 디렉터(223)는 비록 이들 에지 디렉터가 다른 예들에서 각기 다른 특성을 가질지라도 서로 거의 동일해질 수 있다. 다양한 성형 웨지 및 에지 디렉터 구성이 본 발명 개시의 형태들에 따라 사용될 것이다. 예컨대, 본 발명 개시의 형태들은 그 모든 내용이 참조에 의해 본원에 반영되는 2009년 2월 26일 출원된 미국 가 특허출원 제61/155,669호 및/또는 미국 특허 제3,451,798호, 미국 특허 제3,537,834호, 미국 특허 제7,409,839호에 개시된 성형 웨지 및 에지 디렉터가 사용될 수 있다.
상기 세라믹 성형 장치(143)는 용융 유리를 유리 리본으로 퓨전 드로잉하는데 적합한 재료 특성을 갖는 광범위한 세라믹 요소들을 포함할 수 있다. 통상의 재료 특성들은 용융 유리를 오염시키지 않고 높은 온도에 견디는 고온 내성, 강도, 크리프(creep)를 피하는 능력, 내마모성 및/또는 다른 특성들을 포함할 수 있다. 몇몇 예들에 있어서, 상기 세라믹 성형 장치는 지르콘, 알루미나, 제노타임(xenotime), 또는 다른 세라믹 재료들로 형성된다. 다른 예들에 있어서, 그러한 세라믹 구성은 코디어라이트 바디(cordierite body)로 소성될 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 그러한 세라믹 성형 장치(143)의 적어도 일부는 다수의 채널(231)들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽(229)들을 구비한 허니콤 구조(227)를 포함할 수 있다. 나타낸 바와 같이, 상기 허니콤 구조(227)는 채널들의 허니콤 네트워크를 형성하는 격자의 교차 벽들을 포함할 수 있다. 일 예에 있어서, 상기 채널들은 상기 드로우 평면(221)에 포함되는 축(209)을 따라 실질적으로 확장할 수 있다. 나타낸 바와 같이, 상기 채널(231)들은 비록 이 채널(231)들이 다른 예들에서 상기 축(209)을 따라 나선형으로 트위스트(twist)될 지라도 상기 드로우 평면(221)에 거의 평행한 방향으로 상기 축(209)을 따라 확장할 수 있다. 더욱이, 추가의 예들은 다른 방향으로 확장하는 채널(231)들을 포함할 것이다. 예컨대, 그러한 채널들은 축(209)에 대해 각지게 확장할 것이다. 다른 예들에 있어서, 상기 채널(231)들은 비록 이들 채널이 다른 예들에서 다른 각으로 확장할 지라도 상기 드로우 평면(221)에 거의 수직으로 확장할 것이다.
예로서, 도 3은 서로 거의 동일하면서 서로 일정하게 간격된 채널(231)들을 구비한 예시의 허니콤 구조(227)를 나타낸다. 다른 예들에 있어서, 상기 채널(231)들은 서로 다르게 간격되며 그리고/또 다른 크기 및/또는 형태들을 가질 수 있다. 나타낸 바와 같이, 그러한 채널(231)들의 형태는 비록 그 셀들이 3개 또는 그 이상의 측면들을 갖는 각기 다른 다각형 형태(예컨대, 3각형, 4각형, 5각형, 6각형, 7각형, 8각형 등), 원형, 타원형 또는 다른 형태 구성을 포함할 지라도 거의 정사각형일 수 있다. 도 3이 비교적 날카로운 코너를 갖는 채널들을 나타내지만, 허니콤의 강도를 증가시키기 위해 이들 코너들을 필렛(fillet)할 수도 있다.
또한 도 3에 나타낸 바와 같이, 그러한 허니콤 구조(227)는 상기 축(209)과 드로우 평면(221)에 수직 취해진 횡단 평면에 의해 교차되는 허니콤 구조의 평균 개수의 채널이 고려될 수 있는 채널 밀도를 포함할 수 있다. 또한 상기 허니콤 구조의 다수의 벽(229)들은 각각의 대응하는 채널(231) 쌍들간 채널들의 평균 두께를 고려한 두께 "T"를 갖는다. 나타낸 바와 같이, 그러한 벽(229)들의 두께 "T"는 거의 동일하나, 다른 예들에 있어서 하나 또는 그 이상의 벽들이 각기 다른 두께를 가질 수 있다.
광범위한 이점들을 제공하기 위해 그러한 채널 밀도 및 두께 "T"가 조절될 수 있다. 예컨대, 그러한 채널 밀도 및 두께 "T"는 소성 공정 동안 세라믹 바디로 성형체를 소성하기 위한 시간을 감소시키도록 조절될 수 있다. 게다가, 상기 채널들은 상기 성형체의 내부 영역으로 신속한 열 전달을 향상시킬 수 있다. 따라서, 그 온도는 소성 공정 동안 성형 장치를 균열(crack)시키는 원하지 않는 열 구배(thermal gradient)를 야기하지 않고 보다 빠르게 온도를 상승시킬 수 있다. 더욱이, 이하 기술하는 바와 같이, 그러한 채널의 크기 및 채널 밀도는 그 채널을 통한 효과적인 유체의 이동을 허용하도록 선택될 수 있다. 더욱이, 상기 채널 밀도 및 두께는 최적의 크리프 저항, 강도, 기계 가공의 용이성 및 다른 요소들을 제공하도록 조절될 수 있다. 다른 예들에 있어서, 그러한 채널 밀도 및 두께 "T"는 상기 세라믹 성형 장치(143)의 중량을 감소시키도록 조절될 수 있다. 감소된 중량은 퓨전 드로우 장치(101)의 위치로 상기 세라믹 성형 장치(143)의 조작을 간단하게 할 뿐만 아니라, 세라믹 성형 장치(143)의 이송을 용이하게 하여, 현장의 정확한 위치로 상기 세라믹 성형 장치를 이송하는 노력과 재원을 감소시킬 수 있게 한다. 또한, 세라믹 성형 장치(143)의 중량을 감소시키는 것은 사용 중 그러한 세라믹 성형 장치(143)의 변형을 야기하는 굽힘 모멘트를 감소시킬 수 있게 한다. 또한, 그러한 감소된 중량은 상기 세라믹 성형 장치(143)가 원하지 않는 열적 변형(예컨대, 열적 크리프)을 견딜 수 있게 한다. 더욱이, 그러한 채널 밀도 및 두께 "T"는 사용 중 변형을 피하는데 충분한 강도를 갖는 세라믹 성형 장치(143)를 제공하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 그러한 격자의 교차 벽들은 허니콤 구조(227)의 감소된 소성 시간, 감소된 중량 및 다른 유효한 특징들의 장점을 갖게하는 한편 충분한 강도를 갖는 세라믹 성형 장치(143)를 구성할 수 있게 한다. 또한, 그러한 허니콤 횡단면을 가로질러 일정하지 않은 채널 벽 두께 "T"를 만드는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 증가된 스킨(skin) 강도 및 열전도성을 위해 그 경계 근처에 큰 채널 벽 두께 "T"를 만드는 것이 중요할 수 있다. 선택적으로, 수평-지향의 벽들보다 두꺼운 수직-지향의 벽들을 위한 보다 더 두꺼운 채널 벽들을 만드는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 접근방식은 사용 중 세라믹 성형 장치의 변형을 야기할 수 있는 굽힘 모멘트를 감소시키면서 장치의 총 중량을 최소화하는데 사용될 수 있다. 또한 그러한 접근방식은 열처리 공정 동안 그러한 장치의 안과 밖으로 열을 절달하기 위한 바람직한 방향을 확립하는데 사용될 수도 있다. 예컨대, 바인더 번아웃(binder burnout) 동안 2차 및 3차 열 구배가 수축 균열을 야기하는 기판 코너 근처에 야기될 수 있다. 그러한 기판 내에 열 전달을 위한 바람직한 방향을 확립함으로써, 단일 축을 따라 바인더 번아웃 동안 기판 내에 열 구배가 확립되어, 기판 재료가 균열 없이 그러한 축 방향으로 따라 수축할 수 있게 한다. 이러한 바인더 번아웃 동안 1차 열 구배를 유지하도록 기판 주위에 외부 내화성 절연 재료가 필요할 수 있다.
몇몇 예들에 있어서, 그러한 셀 밀도는 약 1/25 채널/cm2 내지 약 20 채널/cm2가 되고, 소정의 실시예들에서는 적어도 1/20 채널/cm2가 되고, 소정의 실시예들에서는 적어도 1/15 채널/cm2가 되고, 소정의 실시예들에서는 적어도 1/10 채널/cm2가 되고, 소정의 실시예들에서는 적어도 1/5 채널/cm2가 되고, 소정의 실시예들에서는 적어도 1/2 채널/cm2가 되고, 소정의 실시예들에서는 적어도 1 채널/cm2가 되고, 소정의 실시예들에서는 적어도 2 채널/cm2가 되고, 소정의 실시예들에서는 적어도 5 채널/cm2가 되고, 소정의 실시예들에서는 적어도 10 채널/cm2가 되고, 소정의 실시예드에서는 적어도 15 채널/cm2가 될 수 있다. 예로서, 도 3은 길이 "L"을 갖는 측면들을 구비한 허니콤 셀 구조(227)의 정사각형 영역의 일 예를 나타낸다. 일 예에 있어서, 그러한 길이 "L"은 비록 다른 예들에서 다른 길이들이 사용될 지라도 1 cm가 될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 16개의 채널이 1 cm2 내에 위치된다. 그와 같이, 만약 그러한 기술된 정사각형 영역이 허니콤 구조(227)의 전체 영역을 나타내면, 그 기술된 셀 밀도는 16 채널/cm2이다. 다른 예들에 있어서, 그러한 채널 밀도는 1 채널/cm2보다 크거나 19 채널/cm2 이하와 같이 애플리케이션에 따라 20 채널/cm2보다 작을 수 있다. 그 외에, 또는 선택적으로, 두께 "T"는, 다른 예들에서 다른 두께가 사용될 수 있을 지라도, 약 0.5 mm(즉, 약 0.02 inches) 내지 약 30 mm가 될 수 있으며, 소정 실시예들에서는 최대 25 mm가 되고, 소정 다른 실시예들에서는 최대 20 mm가 되고, 소정 다른 실시예들에서는 최대 15 mm가 되고, 소정 다른 실시예들에서는 최대 10 mm가 되고, 소정 다른 실시예들에서는 최대 8 mm가 되고, 소정 다른 실시예들에서는 최대 5 mm가 되고, 소정 다른 실시예들에서는 최대 3 mm가 되고, 소정 다른 실시예들에서는 최대 2 mm가 되고, 소정 다른 실시예들에서는 최대 1 mm가 될 수 있다.
다른 예들에서, 채널에 수직 취해진 평면에 따른 허니콤 구조(227)의 횡단면은 그러한 허니콤 구조의 총 풋프린트 영역("F")(즉, 벽 및 채널들의 총 횡단면 영역을 포함하는)에 대한 총 채널 영역("C")의 C/F 비율을 포함하는 허니콤 구조를 제공할 수 있다. 그와 같은 예들에 있어서, 그러한 C/F 비율은 비록 다른 예들에서 다른 비율이 사용될 지라도 약 0.25 내지 약 0.80이 될 수 있다.
도 2 및 3에 나타낸 바와 같이, 그러한 세라믹 성형 장치(143)는 또한 선택의 외층(233)을 포함할 수 있다. 도 3에 따르면, 만약 제공될 경우, 그러한 외층은 용융 유리가 방해없이 중단되지 않고 유동될 수 있도록 구성된 평탄면(301)을 제공하도록 적용될 수 있다. 그와 같이, 상기 외층(233)은 기계 가공 공정 동안 노출되는 일부 채널(307) 내에 그리고/또 벽(229)의 외부 기계 가공된 에지(305)들에 걸쳐 제공되도록 기계 가공된 외주(303)에 제공될 수 있다. 일 예에 있어서, 상기 외층(233)은 허니콤 구조(227)와 동일한 또는 유사한 재료로 형성될 수 있다. 그 외에, 또는 선택적으로, 상기 외층(233) 및 허니콤 구조(227)의 재료들은 유사한 또는 동일한 열팽창계수를 갖도록 선택될 수 있다.
도 4는 벽(229) 및/또는 외층(233)의 재료를 설명하기 위해 고려될 수 있는 소성 세라믹 재료(401)의 예시의 개략 내부 구조를 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 상기 소성 세라믹 재료(401)는 폐쇄된 구멍(403)들을 포함하는 다공성 재료를 포함한다. 그와 같이, 그러한 세라믹 재료는 거의 폐쇄된-셀 다공성 구조를 포함한다. 상기 소성 세라믹 재료(401)의 폐쇄된 다공성은 세라믹 성형 장치 내에 용융 유리의 원하지 않는 치환을 최소화할 수 있게 한다. 그러한 공정 파라미터 및/또는 그러한 세라믹-성형 재료의 배치(batch) 성분들은 그러한 구멍들이 예컨대 약 100 μ 이하, 약 50 μ 이하, 또는 약 25 μ 이하의 중간 구멍 크기를 갖도록 조절될 수 있다.
상기 허니콤 구조(227)는 성형 웨지(211) 및/또는 위어(203, 205)들의 적어도 일부를 형성하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 허니콤 구조는 성형 웨지(211)의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 그 외 또는 선택적으로, 상기 허니콤 구조(227)는 위어(203, 205)들의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 그와 같이, 상기 허니콤 구조는 그러한 세라믹 성형 장치(143)의 일부만을 형성하는데 사용될 것이다. 다른 예들에 있어서, 나타낸 바와 같이, 상기 허니콤 구조(227)는, 비록 다른 예들에서 그러한 허니콤 구조(227)가 모든 세라믹 성형 장치(143)를 형성할 지라도, 실질적으로 전체 세라믹 성형 장치(143)를 형성할 것이다. 게다가, 나타낸 바와 같이, 그러한 허니콤 구조는 실질적으로 그러한 전체 성형 웨지(211) 및 위어(203, 205)들을 형성한다.
이제 도 1을 참조하여 퓨전 드로우 장치(101)에 의한 유리 리본 제조방법에 대해 기술한다. 우선, 배치 재료(107)가 저장통(109)으로부터 도입될 수 있다. 콘트롤러(115)는 모터(113)를 작동시켜 상기 배치 재료(107)가 화살표 117로 표시한 바와 같이 용융 용기(105) 내로 운반한다. 다음에, 그 배치 재료는 용융 용기(105) 내에서 유리 용융물(121)로 용융된다. 다음에, 그러한 유리 용융물(121)은 제1연결 튜브(129)를 통해 유리 버블이 상기 유리 용융물(121)로부터 제거되는 정제 용기(127)로 들어간다. 다음에, 유리 용융물은 제2연결 튜브(135)를 통해 혼합 용기(131)로 들어간다. 상기 혼합 용기(131)는 균질의 혼합물을 제공하기 위해 유리 용융물(121)을 혼합하도록 작동한다. 다음에, 그러한 유리 용융물은 제3연결 튜브(137)를 통과하여 전달 용기(133) 내로 들어간 후 다운커머(139)에 의해 세라믹 성형 장치(143)의 유입구(141)로 전달된다.
도 2로 되돌아 가서, 유리 용융물(121)은 트로프(201) 내로 이동한 후 위어(203, 205)들의 상부 에지들을 넘쳐 흐른다. 다음에, 대응하는 용융 유리 시트들은 이 용융 유리 시트들이 성형 웨지(211)의 루트(219)로 이동함에 따라 결국 에지 디렉터(223)들을 걸쳐 유동되는 그러한 용융 유리 시트들의 에지를 갖는 성형 웨지(211)의 각각 안쪽으로 경사진 성형면(213, 215)들 아래로 이동한다. 다음에, 그러한 2개의 용융 유리 시트는 루트(219)에서 함께 융합되어 유리 리본(103)으로서 상기 루트(219)를 빠져나간다.
상기 세라믹 성형 장치(143)와 연합된 허니콤 구조(227)는 그러한 세라믹 성형 장치(143)의 전체 중량을 상당히 감소시킬 수 있다. 동시에, 그러한 허니콤 구조(227)의 벽(229)들은 트로프(201) 내에 용융 유리를 지지함과 더불어 하향 구비된 성형면(213, 215)들 아래로 상기 용융 유리를 유동시키는데 필요한 구조적 지지체를 제공하도록 디자인될 수 있다. 허니콤 구조(227)에 의한 중량의 감소는 높은 동작 온도로 인해 야기되는 바람직하지 않은 세라믹 성형 장치(143)의 굽힘을 방지할 수 있게 한다. 게다가, 그러한 세라믹 성형 장치(143)는 2개의 대향 단부(225a, 225b)들에 의해 부유되고, 여기서 상기 세라믹 성형 장치(143)의 중심부에서의 굽힘이 상기 세라믹 성형 장치(143)의 중량으로 인해 야기된다. 상기 허니콤 구조(227)는 그와 같은 굽힘에 견디기 위한 충분한 힘을 제공할 수 있고 또 그러한 감소된 중량은 상기 세라믹 성형 장치(143)가 그 자신의 중량으로 인해 굽혀지는 경향을 더 감소시킨다. 더욱이, 고온 조건 상태의 그러한 세라믹 성형 장치(143)의 크리프는 상기 허니콤 구조(227)에 의해 제공된 충분한 지지 형태를 갖는 상기 세라믹 성형 장치(143)의 중량의 감소로 인해 피해질 것이다.
이제 유리 리본(103)을 퓨전 드로잉하기 위한 세라믹 성형 장치(143)의 제조 방법이 기술될 것이다. 그러한 방법은 도 5의 단계(501)에 의해 나타낸 세라믹-성형 배치 재료를 준비하는 단계를 포함할 수 있다. 다양한 세라믹-성형 배치 재료 및/또는 성분들이 다양한 예들에 사용될 것이다. 일 예에 있어서, 그러한 배치 성분은 지르콘 또는 알루미나 입자를 포함할 수 있다. 일 예에 있어서, 입자는 원하는 입자의 패킹(packing)을 얻기 위해 각각 다른 평균 입자 크기를 갖는 각각 다른 수량으로 제공될 수 있다. 예컨대, 그러한 세라믹-성형 배치 재료의 배치를 준비하는 방법은 제1평균 입자 크기를 갖는 제1수량의 알루미나 입자를 상기 제1평균 입자 크기보다 큰 제2평균 입자 크기를 갖는 제2수량의 알루미나 입자를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 그와 같은 예들에 있어서, 보다 우수한 패킹은 서로 체결되는 상대적으로 작은 수량의 보다 큰 입자들간 형성되는 갭들에 채워지는 상대적으로 많은 수량의 보다 작은 입자들에 의해 달성될 수 있다.
일 예에 있어서, 알루미나 입자가 상기 세라믹-성형 배치 재료로 사용될 수 있다. 알루미나는, 예컨대 그 재료가 퓨전 드로우 공정 동안 유리 용융물이 상기 세라믹 성형 장치(143)를 걸쳐 통과될 때 그 유리 용융물을 오염시키지 않고 다수의 유리들과 적합하게 호환될 수 있기 때문에 바람직할 수 있다. 알루미나는 비교적 강한 세라믹 성형 장치(143)를 제공하여 확장된 시간 주기 동안 크리프 변형 없이 1200℃에서 작용할 수 있다. 알루미나 입자는 다수의 공급자들로부터 상업적으로 이용가능하며, 비교적 저렴하여 제조 비용을 감소시킨다.
그러한 알루미나 입자는 소성에 앞서 세라믹 성형 장치(143)로 세라믹-성형 재료의 압출에 따른 세라믹 성형 장치(143)의 만족스러운 성능을 제공하도록 선택될 수 있다. 그러한 알루미나 입자 분배는 유리가 바디를 쉽게 통과하지 못하도록 구멍이 폐쇄되는 미세구조를 생성하여 크리프 저항을 감소시키도록 제어될 수 있다. 그와 같이, 소결(sintering) 후 그러한 알갱이 크기는 최적의 강도를 위한 최소의 미세-균열 또는 최적의 단단함을 위한 미세-균열을 갖도록 제어될 수 있다.
도 6은 제1수량의 알루미나 입자(A)들의 입자 분포(601)와 제2수량의 알루미나 입자(B)들의 입자 분포(603)의 단지 하나의 예시의 입자 비교를 나타낸다. 도 6의 수평축은 마이크론(μ)의 입자들의 크기를 나타내고, 반면 수직축은 입자들의 볼륨 퍼센테이지를 나타낸다. 그러한 나타낸 입자 분포(601, 603)들은 광 산란 입자 크기 분석기에 의해 측정함으로써 얻어진다. 그러한 나타낸 제1수량의 알루미나 입자(A)들은 약 0.6 μ의 제1평균 입자 크기를 갖도록 결정되고, 제2수량의 알루미나 입자(B)들은 약 2.7 μ의 제2평균 입자 크기를 갖도록 결정된다.
Funk와 Dinger(D.R. Dinger, Dinger Ceramic Consulting Services, Clemson, SC)에 의해 기술된 방법을 이용한 입자 패킹의 계산은 제2수량의 입자(B)에 대한 제1수량의 입자(A)의 최적 비율이 도 7에 나타낸 조합된 최적의 입자 분포(701)를 야기하는 것으로 나타났다. 도 7의 수평축은 마이크론(μ)의 입자들의 크기를 나타내고, 반면 수직축은 입자들의 볼륨 퍼센테이지를 나타낸다. 제1수량의 입자(A)는 3:1의 비율로 제2수량의 입자(B)와 혼합되었다. 그러한 결과의 실제 조합된 입자 조합(703)이 검토되었다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 3:1의 실제 조합된 입자 분포(703)는 최적의 패킹 입자 분포(701)와 거의 매칭된다. 다음에, 소결 후 실질적으로 청결한 알루미나 성형 장치를 생산하기 위해 소성된 배치 성분이 준비되며, 이는 유리 용해에 대한 높은 회복력, 1200℃에서의 양호한 크리프 내성이 있고 높은 정적 피로 수명시간을 갖게 한다. 이하의 표 1의 배치 성분으로 나타낸 바와 같이, 무기 소결 조제가 그러한 배치에 포함되어 있지 않다. 또한, 여기에서는 압출에 앞서 소정의 큰 불순물들을 제거하기 위해 100 메쉬(mesh) 스크린을 통해 걸러진 제1수량의 입자(A) 및 제2수량의 입자(B)가 나타나 있다.
표 1 - 예시의 알루미나 배치 성분
Figure pct00001
다른 예들에 있어서, 오히려 알루미나보다 지르콘이 사용될 수 있다. 그와 같은 예들에서는, 7 μ의 중간 입자 크기를 갖는 지르콘 입자 중량 50%의 혼합물 및 1 μ의 중간 입자 크기를 갖는 지르콘 입자 중량 50%의 혼합물이 추가의 소결 조제 없이 매우 조밀한 바디로 적절하게 소결한다는 것을 알아냈다.
도 5는 성형체(505)를 압출하도록 구성된 압출 장치(503; 또는 압출기)의 개략도를 나타낸다. 그러한 압출 공정은 잠재적으로 길이의 한계가 없는 성형체를 생산하는데 바람직하며, 이에 따라 다른 기존의 기술들에 의해 생산하기 어려운 매우 큰 세라믹 성형 장치들의 형성을 가능하게 한다. 그러한 나타낸 압출기는 배치의 세라믹-성형 재료가 다이 부재(511) 쪽의 방향(509)을 따라 이동됨에 따라 그 배치의 세라믹-성형 재료를 혼합하고 압축하기 위해 모터에 의해 회전되도록 구성된 트윈 스크류(507a, 507b)를 포함하는 트윈-스크류 압출기를 나타낸다. 또한, 보다 큰 횡단면 치수를 갖는 성형체를 형성하기 위해 제휴 기술들을 채용할 수도 있다.
도 8은 본원 개시의 형태들에 따라 사용되는 예시의 다이 부재(511)의 확대 횡단면도이다. 나타낸 바와 같이, 상기 다이 부재(511)는 다수의 다이 핀(805)들 쪽의 방향(803)으로 배치 재료를 공급하도록 구성된 공급 홀(801)들을 포함한다. 상기 다이 핀들은 그러한 배치 재료가 성형체(505)로 드로우됨에 따라 허니콤 구조(227)의 벽(229)들을 형성하도록 디자인된 슬롯(807)들을 규정하기 위해 서로 이격된다. 도 8에 나타낸 다이 핀(805)들은 비록 다른 다이 핀 구성이 원하는 채널 구성에 따라 선택될 수 있을 지라도 정사각형의 채널(231)을 규정하도록 정사각형의 형태를 가질 수 있다. 더욱이, 몇몇 예들에 있어서, 상기 다이 핀들의 코너는 상기 채널(231)에서 둥근 코너를 형성하도록 둥글게 될 것이다. 그러한 둥근 코너는 성형체를 소성할 때 야기되는 균열을 감소시킬 수 있게 한다. 그렇게, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 세라믹-성형 배치 재료는 많은 선택의 길이의 연속하는 부재로서 다이 부재(511)를 통해 압출될 수 있다. 그와 같이, 그러한 압출 기술은 특정 애플리케이션에 따라 다양한 선택 길이들의 세라믹 성형 장치(143)를 생산하는데 효과적일 수 있다. 일단 원하는 길이가 달성되면, 커터(513; cutter)가 구획된 성형체(519)를 제공하도록 절단 위치에서 그 압출된 성형체(505)를 절단하기 위해 방향(515)으로 이동될 수 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 그러한 구획된 성형체(519)는 이 성형체에 걸쳐 확장하는 다수의 채널(231)들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽(229)들을 갖는 허니콤 구조(227)를 포함할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 방법은 상기 성형체(519)를 건조시킨 후 허니콤 구조(227)를 갖는 소성 세라믹 바디를 형성하기 위해 상기 성형체(519)를 소성하는 단계를 포함할 수 있다. 예컨대, 건조는 무선 주파수 드라이어("RF 드라이어") 또는 다른 건조 장치에 의해 달성될 수 있다. 도 10 및 11은 상기 소성 세라믹 바디로 상기 건조된 세라믹 성형체를 소성하는 단지 하나의 예를 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 그러한 건조된 성형체(519)는 가열 메카니즘(1003)을 갖춘 소성 챔버(1001) 내에 배치될 수 있다. 상기 건조된 성형체는 선택적으로 수평으로 지향된 채널(231)의 수평 방향으로 배치될 수 있다. 일 예에 있어서, 상기 건조된 성형체(519)는 소결 동안 수축됨에 따라 아이소파이프가 자유롭게 움직이도록 알루미나 샌드(1007; alumina sand) 또는 알루미나 비드(alumina bead)가 있는 내화성 크래들(1005; refractory cradle) 상에 배치될 수 있다.
다음에, 상기 성형체(519)는 허니콤 구조를 갖는 소성 세라믹 바디를 형성하기 위해 소성될 수 있다. 예시의 소성 사이클은 이하의 표 2에서 알 수 있으며, 이는 또한 도 11에 나타나 있고, 도 11의 수평축은 소성 시간(time)이고 수직축은 온도(℃)이다.
표 2 - 알루미나 성형체에 대한 샘플 소성 사이클
Figure pct00002
도 11에 나타낸 바와 같이, 소성 사이클은 4개의 단계를 포함한다. 단계 1113은 약 20-600 ℃까지의 바인더 번아웃 단계이다. 그러한 단계 1113 동안, 바인더는 성형체로 번아웃된다. 단계 1115는 약 600-1300 ℃까지의 변화(경사) 단계이다. 그러한 변화 단계 동안, 성형체의 온도는 소결 온도가 된다. 단계 1117은 약 1300-1700 ℃까지의 소결 단계이다. 그러한 소결 단계 동안, 성형체는 소성 세라믹 바디로 소결된다. 단계 1119는 약 1700-20 ℃까지의 냉각 단계이다. 그러한 냉각 단계 동안, 소성 세라믹 바디는 실온으로 하강된다. 일단 그러한 소결 공정이 완료되면, 상기 소성 세라믹 바디는 도 4에 개략적으로 나타낸 바와 같은 폐쇄-다공성 알루미나 벽 구조를 포함할 수 있다.
상기 방법은 소성 챔버(1001) 내 대기 중의 산소 레벨을 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 도 10에 나타낸 바와 같이, 불활성 가스의 캐니스터(1008; canister)가 소성 챔버(1001) 내에 산소를 치환하는데 사용될 수 있다. 소성 챔버 내 대기 중의 산소 레벨을 감소시키는 것은 예컨대 바인더가 번아웃됨에 따른 온도 변동을 제어할 수 있게 한다.
그 외, 또는 선택적으로, 상기 방법은 소성 단계 동안 다수의 채널들을 통해 그러한 감소된 산소 대기와 같은 유체(1011)를 강제로 안내하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 예에 있어서, 그러한 산소 레벨은 통상 대기 레벨 이하로 감소되며, 다른 예들에에서는 성형체 요소의 통상 연소 이하 레벨로 감소된다. 일 예에 있어서, 상기 산소 레벨은 6%이거나 그 이하가 될 수 있다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 장치(1009)는 방향 화살표 1013으로 표시한 바와 같이 채널(231)을 통해 유체(1011)를 강제로 안내하는데 사용될 수 있다. 몇몇 예들에 있어서, 그러한 유체는 공기, N2, 공기+가스 가마 연소 생성물, H2O 등, 또는 다른 유체를 포함할 수 있다. 도 10에 물방울로 개략적으로 나타낸 바와 같이, 유체(1011)는, 비록 다른 예들에서 상기 유체(1011)가 거의 습기가 없는 가스를 포함할 지라도, 수증기를 포함할 수 있다. 유체로서 수증기의 사용은 공기 소결을 위한 소결 시간(예컨대, 4-6일)과 비교할 때 소결 시간(예컨대, 48시간)을 감소시킬 수 있게 한다. 더욱이, 수증기 소결 세라믹 성형 장치가 공기 소결 세라믹 성형 장치보다 적게 수축될 수 있다는 것을 알아냈다.
채널(231)들 자체 및, 제공될 경우 그러한 채널(231)들을 통해 유체를 강제로 안내하는 것과 같은 안내 단계는 비교적 빠르게 그러한 전체의 세라믹-성형 재료에 대해 열 전달을 촉진시킬 수 있다. 게다가, 열 및 가스의 확산 시간은 정사각형 바디의 두께에 따라 설정된다. 상기 바디 내에 채널이 많고, 더 얇을 수록 효과적으로 열 및 가스를 확산시킬 수 있다. 그와 같이, 채널들간 감소된 두께를 갖는 벽들을 함께 구비한 채널들(그리고 그러한 채널을 통해 선택적으로 유체를 안내하는)은 채널 없이 성형 장치를 소성하는 방법들과 비교하여 소성 사이클을 감소시킬 수 있다. 또한, 그러한 채널들은 좀더 균일한 소성 조건들을 이끌며, 이에 따라 비교적 큰 세라믹 성형 장치에서 조차 더 균일한 특성을 제공한다. 그러한 세라믹 성형 장치를 제조하는 방법은 상기 세라믹 성형 장치(143)의 적어도 일부를 성형하는 허니콤 구조를 더 포함한다. 광범위한 기술들은 상기 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 성형함으로써 그러한 허니콤 구조를 제공할 수 있다. 예컨대, 실질적인 기계 가공 없이 그러한 압출된 바디 자체가 세라믹 성형 장치(143)를 제조하는데 사용될 것이다. 예컨대, 상기 압출 바디는 세라믹 성형 장치(143)의 코어로서 압출될 수 있다. 그와 같은 예들에 있어서, 상기 세라믹 성형 장치(143)의 내부는 코어 허니콤 구조(227) 주위에 부설되는 세라믹 성형 장치의 외주를 갖는 허니콤 구조(227)로 형성될 것이다. 그와 같이, 압출된 허니콤 바디 자체를 더 처리하는 것이 피해질 수 있는 반면 그러한 구조는 세라믹 성형 장치(143)의 일부로서 통합된다.
다른 예들에 있어서, 상기 방법은 세라믹 성형 장치를 제공하기 위해 기계 가공 공정을 이용할 수 있다. 예컨대, 그러한 기계 가공 공정은 적어도 상기 세라믹 성형 장치의 일부의 일반적인 형태를 형성하데 사용될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 그러한 허니콤 구조는 성형 웨지(211)의 적어도 일부 및/또는 위어(203, 205)의 일부와 같은 세라믹 성형 장치(143)의 여려 부분들에 사용될 것이다.
채용될 경우, 그러한 기계 가공 공정은 세라믹 성형 장치를 제조하는 공정 동안 여러 선택적인 시간에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 상기 방법은 성형체를 소성하기 전에 그러한 기계 가공 공정을 수행할 수 있다. 예컨대, 원하는 형태 특성을 얻기 위해 허니콤 구조(227)의 일부를 제거하도록 절단 공정이 수행될 것이다. 일 예에 있어서, 상기 허니콤 구조는 상기 세라믹 성형 장치(143)의 적어도 일부의 외형과 거의 유사하거나 또는 그 외형을 따르는 외주를 갖도록 절단될 것이다. 오직 일 예로서, 상기 허니콤 구조는 성형 웨지(211)의 외주를 따름으로써 유사한 웨지 형태를 형성하도록 절단될 것이다. 그 외, 또는 선택적으로, 상기 허니콤 구조는 위어(203, 205)들의 외주를 따름으로써 유사하게 하기 위해 상기 위어(203, 205)들 중 적어도 하나 또는 그 모두를 형성하도록 절단될 것이다.
또한, 채용될 경우 그러한 기계 가공 공정은 성형체를 건조한 후 그리고 성형체를 소성하기 전 그러한 건조된 성형체를 기계 가공할 수 있다. 그와 같은 예들에 있어서, 상기 기계 가공 공정은 소성 세라믹 바디가 아닌 성형체에서 수행된다. 그 외, 또는 선택적으로, 채용될 경우 그러한 기계 가공 공정은 성형체를 소성하는 공정 후 그 소성 세라믹 바디를 세라믹 바디로 기계 가공할 수 있다. 예컨대, 원하는 형태 특성을 얻기 위해 상기 허니콤 구조(227)의 일부를 제거하도록 그라인딩 공정이 수행될 것이다. 일 예에 있어서, 그라인딩 공정은 세라믹 성형 장치(143)의 적어도 일부의 외형과 거의 유사하거나 또는 그 외형을 따르는 외주를 갖도록 허니콤 구조의 일부를 제거하는데 사용될 것이다. 오직 일 예로서, 상기 그라인딩 공정은 성형 웨지(211)의 외주를 따름으로써 유사한 웨지 형태를 형성하도록 허니콤 구조를 기계 가공할 것이다. 그 외, 또는 선택적으로, 그러한 그라인딩 공정은 위어(203, 205)들의 외주를 따름으로써 유사하게 하기 위해 상기 위어(203, 205)들 중 적어도 하나 또는 그 모두를 형성하도록 허니콤 구조를 기계 가공할 것이다.
도 12는 세라믹 성형 장치(143)의 위어(203, 205), 트로프(201) 및 성형 웨지(211)의 외주 형태와 유사한 둘레 형태를 갖는 허니콤 구조(227)를 제공하는 기계 가공 공정을 개략적으로 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 나이프, 그라인딩 휠, 브로칭 장치(broaching device), 밀링 장치 또는 다른 기계 가공 장치와 같은 기계 가공 장치(1201)는 원하는 형태 구성을 제공하기 위해 허니콤 구조의 바깥 부분을 제공하는데 사용될 것이다. 또한, 그러한 허니콤 구조 내의 내부 채널들의 배열은 외부 기계 가공 공정을 단순화하거나 제거하기 위해 변경될 수도 있다. 예컨대, 채널들은 상기 허니콤 구조의 직사각형 영역(위어 쪽) 및 상기 허니콤 구조의 삼각형 웨지 영역 모두에서 상기 허니콤 구조의 외면에 평행하게 이어지는 열(row) 형태로 배열될 수 있다. 또한 이러한 영역에서의 채널들은 필요에 따라 삼각형으로 이루어질 수 있다. 그러한 직사각형 영역에서 삼각형 웨지 영역으로 바뀌는 어느 한 채널 구성에서 또 다른 채널 구성으로의 변이는 다수의 채널 열에 걸쳐 갑작스럽게 또는 점진적으로 있을 수 있다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 상기 방법은 상기 도 2와 관련하여 기술된 외층(233)을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 예에 있어서, 내화성 재료가 제공되고 이후 그러한 허니콤 구조의 둘레면에 소성될 수 있다. 그러한 내화성 재료는 성형체를 세라믹 바디로 소성하기 전에 제공될 수 있다. 그와 같은 예들에 있어서, 상기 외층이 기계 가공된 성형체에 제공되고 이후 단일의 소성 기술 동안 모두가 함께 소성될 수 있다. 다른 예에 있어서, 상기 성형체가 기계 가공되고 이후 세라믹 바디로 소성될 수 있다. 다음에, 상기 외층은 기계 가공된 세라믹 바디에 제공되고 그 외층(233)을 소결하기 위해 다시 소성될 수 있다. 또 다른 예들에 있어서, 상기 성형체는 세라믹 바디로 소성될 수 있다. 그러한 세라믹 바디를 기계 가공한 후, 상기 외층(233)은 기계 가공된 둘레에 제공되어 재소성될 수 있다. 예상될 수 있는 바와 같이, 소정의 실시예들에 있어서, 그러한 성형체 또는 소성된 바디의 허니콤 구조가 기계 가공될 때, 그 기계 가공된 바디의 가장 바깥 표면은 다수의 부분적인 셀들을 포함할 것이다. 다음에, 그러한 외층 재료가 상기 부분적인 셀 표면에 걸쳐 제공된다. 도 13에 나타낸 실시예는 외층과 거의 속이 빈 허니콤 구조간 인터페이스에 그러한 부분적인 셀들을 갖춘다. 그와 같은 구조는 의도된 애플리케이션을 위한 충분한 기계적 강도를 비교적 쉽게 만들어 제공할 수 있게 한다. 그러나, 소정의 실시예들에 있어서는 상기 외층과 허니콤 내부 구조간 인터페이스에 부분적인 셀들이 외층을 구성하는 세라믹 재료로 부분적으로 또는 완전히 채워지기를 크게 요구한다. 거의 완전하게 채워진 부분적인 셀(도면에는 나타내지 않음)을 갖는 이러한 후자의 구조가 도 13에 나타낸 실시예보다 더 복잡하지만, 이는 허니콤 내부 구조에 대한 외층의 보다 양호한 부착으로 인해 우수한 강도의 외층을 제공할 수 있다. 그러한 채워진 부분적인 셀의 경우, 아이소파이프 허니콤 바디는 그 부분적인 셀들에서의 낮은 응력 집중으로 인해 보다 높은 강도를 가지며, 표면 근처 셀에서의 형태적 변형을 방지하고, 표면/부분적인 셀 웹 교차부에서의 균열을 방지하고, 사용 중에 유리가 허니콤의 셀을 관통하게 하는 것을 방지할 것이다.
오직 일 예로서, 소성 및 기계 가공 후, 알루미나 그로그(grog) 및/또는 알루미나 분말 및 높은 점성의 성분들을 갖는 25 vol.% 이하의 유리가 세라믹 허니콤 구조(227)의 기계 가공된 표면에 제공될 수 있다. 다음에, 그러한 조합의 상기 허니콤 구조(227)가 1/2시간 내지 96시간 동안 1300-1750℃로 재가열되어 폐쇄된 다공성의 알루미나계 외층(233)이 얻어질 것이다.
다른 예에 있어서, 알루미나 허니콤 바디가 압출되고 이후 원하는 형태로 기계 가공될 수 있다. 소결하기 전에, 그러한 채널(231)의 내부는 저온 용융 폴리머 또는 왁스로 채워질 수 있다. 다음에, 그러한 허니콤 구조의 외부는 예컨대 아이소-프레싱(iso-pressing)에 의해 알루미나 배치의 층으로 덮여질 수 있다. 다음에, 원하는 형태의 세라믹 성형 장치(143)를 달성하기 위해 기계 가공이 수행될 수 있다. 다음에 그러한 폴리머 또는 왁스가 제거된 후 그 성형 장치가 세라믹 성형 장치(143)로 소성될 수 있다.
예시의 예(들) 및 모델링 결과
약 50 cm 폭 × 100 cm 높이 × 300 cm 길이의 직사각형 단면의 큰 아이소파이프 블랭크(isopipe blank)가 만들어진다. 상기 아이소파이프 블랭크는 그 아이소파이프 재료의 밀도가 3.8 g/cc(4.0 g·cm-3인 이론적인 밀도의 95% 가정)이면 5,700 kg의 질량을 가질 것이다. 25%의 개방 전면 면적(OFA; open frontal area)(즉, 25% 개방 채널 공간)을 갖는 아이소파이프 허니콤은 4,275 kg의 질량을 갖고, 50%의 개방 전면 면적을 갖는 아이소파이프 허니콤은 2,850의 질량을 가지며, 75%의 개방 전면 면적을 갖는 아이소파이프 허니콤은 1,425 kg의 질량을 가질 것이다. 루트 웨지가 아이소파이프 상에 놓여질 때, 그 루트 웨지가 루트로부터 1/3의 높이에서 시작되면, 그 질량은 각각 0%, 25%, 50% 및 75%의 개방 전면 면적에 대해 4,750 kg, 3,562.5 kg, 2,375 kg 및 1,187.5 kg이 될 것이다. 만약 그 루트 웨지가 루트로부터 1/2의 높이에서 시작되는 아이소파이프 상에 루트 웨지가 놓여지면, 그 질량은 각각 0%, 25%, 50% 및 75%의 개방 전면 면적에 대해 4,275 kg, 3,206.3 kg, 2,137.5 kg 및 1,068.8 kg이 될 것이다. 이들은 상당한 질량을 절감한다.
샘플들은 단일의 오거(auger; 즉 스크류) 압출기 및 큰 셀 다이들을 이용하여 압출된다. 그러한 허니콤은 정사각형 셀 디자인이 된다. 세라믹 배치는 앞선 예들에서 언급한 알루미나 입자 크기 분포, 물 레벨 및 메토셀(methocel) 양을 포함한다. 허니콤 아이소파이프는 1,000과 3,000 psi간 압출된다. 그러한 아이소파이프는 최고 온도에서 4 내지 48시간의 기간 동안 1550 내지 1750℃의 최고 온도에서 수평으로 소결된다. 그 소결된 웹 두께는 0.5 cm에서 3.0 cm까지 변하고 그 개방 전면 면적은 25%에서 75%까지 변한다.
셀 크기 및 셀 밀도가 이하의 표에 나타나 있다. 3.0 cm 웹 두께 및 50% 개방 전면 면적의 조합은 아이소파이프를 가로질러 단지 3개 이하의 셀을 주고, 75% 개방 전면 면적 및 3.0 또는 2.6 cm 웹 두께의 조합은 50 cm 아이소파이프의 폭을 가로질러 단지 ~2.23 및 2.58개의 셀을 준다. 그러한 아이소파이프의 폭을 가로질러 3개 이하의 셀이 주어지는 웹 두께 및 개방 전면 면적의 조합은 바람직하지 않다(밑줄친).
표 3: 허니콤 구조에 기초한 다양한 예시의 큰 아이소파이프
Figure pct00003
관통 구멍 없는 아이소파이프와 같은 큰 고체 블록의 부정형 내화물을 소결하기 위한 열사이클은 최소 블록 크기에 따라 몇 주일 행해질 수 있다. 허니콤 대 고체 블록 아이소파이프의 장점 중 하나를 기술하기 위해, 이제 소성 스트레스를 고려한다. 그러한 장점을 기술하기 위해 단순한 슬랩 스트레스(slab stress) 모델을 이용할 수 있다.
무한히 긴 그리고 무한히 높은 슬랩에서의 일시적인 열 구배에 의해 야기된 스트레스는 퓨리에 급수(Fourier series) 방식을 이용하여 해결될 수 있다. 압출된 바디의 탄성 계수가 전체 치밀한 밀도 바디의 1/10이고 그 열 확산계수가 전체 치밀한 바디의 1/10이라고 가정하면, 슬랩들에 대한 다양한 두께에 따른 상대적 소성 시간/가열 속도를 추정할 수 있다. 셀 벽 두께 및 최소 부정형 아이소파이프 크기가 조절가능한 두께가 된다는 것을 추론할 수 있다. 그러한 탄성 계수는 ~ 55×106 psi이고, 그 열 확산계수는 치밀한 알루미나에 있어 약 12×10-6 m2/sec이다. 그 하나는 이들 값을 10으로 나눔으로써 분말 바디에 가까워질 수 있다(동일한 압출된 분말의 두께와 비교하여, 주어진 스트레스 레벨에 대한 가열 속도의 비율은 특정 탄성 계수 및 열 확산계수에 있어 독립적이므로, 이들은 모두 동일한 계산이 되고 그 하나는 비율을 찾는다).
롤리(Raleigh)의 식은 하기와 같이 퓨리에 급수로 나타낼 수 있다:
Figure pct00004
여기서, σ는 스트레스이고, α는 열팽창계수이고, x는 슬랩에서의 위치, E는 탄성 계수이고, R-T는 그 모델에 대한 온도의 단계 변화이고(여기에서의 계산은 1℃), ν은 푸아종 비율(Poisson's ratio)이고, κ은 열 확산계수이고, t는 시간이며, h는 1/2 슬랩 두께이다.
상기한 확산 식이 모든 동일한 상수를 갖고, 그 유일한 변수가 시간 및 두께일 때, 동일한 온도차에 의한 동일한 스트레스가 1/10 두께인 바디에 1/100 시간에 도달되었다. 낮은 온도 가열 속도/확산계수 조건 외에, 상승 온도에서 그 소결 사이클은 소결 수축 비율 및 다른 요인들에 의해 제어될 수 있으며, 그러한 확산 계수 분석은 적용하지 않는다. 그러나, 조심스럽게, 그 하나는 50 cm 두께의 고체 부정형 블록 아이소파이프가 아니라 5 cm 웹 허니콤 또는 보다 얇은 웹 허니콤 아이소파이프를 만들 때 5-10개의 요인에 의해 느리게 가열되어 확산 제어된 영역에서의 소성 시간을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 고체 바디에 필요했던 몇 주일에 비해 한 주 내에 본 발명 개시에 따른 50 cm 폭×100 cm 높이×3000 mm 길이의 허니콤 아이소파이프 블랭크를 소결할 수 있다.
청구된 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게는 자명할 것이다.

Claims (39)

  1. 유리 리본을 퓨전 드로잉하기 위한 세라믹 성형 장치로서,
    성형 웨지의 대향 단부들간 확장하는 한 쌍의 하향 경사진 성형 표면부들을 포함하는 상기 성형 웨지를 포함하며,
    상기 한 쌍의 하향 경사진 성형 표면부들은 각각 상기 성형 웨지의 루트를 형성하기 위해 하류 방향을 따라 수렴되고, 허니콤 구조는 다수의 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽들을 포함하는 상기 허니콤 구조를 갖는 상기 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹 성형 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    트로프의 대향 측면들을 규정하는 제1위어 및 제2위어를 포함하는 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 상기 트로프를 더 포함하는 세라믹 성형 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 트로프는 상기 한 쌍의 위어들 중 적어도 하나의 상부와 세라믹 성형 장치의 축을 따라 변화하는 트로프의 하부간 깊이를 포함하는 세라믹 성형 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 허니콤 구조는 한 쌍의 위어들의 적어도 일부를 형성하는 세라믹 성형 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 허니콤 구조는 성형 웨지의 적어도 일부를 형성하는 세라믹 성형 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 허니콤 구조는 성형 웨지의 적어도 일부를 형성하는 세라믹 성형 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 허니콤 구조의 각각의 다수의 벽들은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm의 대응하는 한 쌍의 채널들간 규정된 두께를 포함하는 세라믹 성형 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 허니콤 구조는 약 1/25 채널/cm2 내지 약 20 채널/cm2의 채널 밀도를 갖는 세라믹 성형 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 허니콤 구조의 둘레면에 걸쳐 위치된 내화성 재료의 외층을 더 포함하는 세라믹 성형 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 내화성 재료의 외층은 세라믹 재료를 포함하는 세라믹 성형 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 외층의 세라믹 재료는 폐쇄된-셀 다공성 구조를 포함하는 세라믹 성형 장치.
  12. 유리 리본을 퓨전 드로잉하는 방법으로서,
    (I) 트로프의 대향 측면들을 규정하는 제1위어 및 제2위어를 포함하는 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 상기 트로프를 포함하는 세라믹 성형 장치를 제공하는 단계;
    (II) 상기 세라믹 성형 장치의 트로프 내에 유리 용융물을 도입하는 단계;
    (III) 대응하는 용융 유리 시트들이 각각의 안쪽으로 경사진 성형 표면부들 아래로 이동되도록 트로프로부터의 용융 유리가 한 쌍의 위어들의 상부 에지들을 넘쳐 흐르게 하는 단계; 및
    (IV) 성형 웨지의 루트를 빠져나가는 유리 리본으로서 상기 용융 유리 시트들을 함께 퓨전 드로잉하는 단계를 포함하며,
    상기 세라믹 성형 장치는 성형 웨지의 대향 단부들간 확장하는 한 쌍의 하향 경사진 성형 표면부들을 포함하는 상기 성형 웨지를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 하향 경사진 성형 표면부들은 각각 상기 성형 웨지의 루트를 형성하기 위해 하류 방향을 따라 수렴되며, 허니콤 구조는 다수의 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽들을 포함하는 상기 허니콤 구조를 갖는 상기 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 유리 리본 퓨전 드로잉 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    단계 (I)은 한 쌍의 위어들의 적어도 일부를 형성하는 허니콤 구조를 제공하는 유리 리본 퓨전 드로잉 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    단계 (I)은 성형 웨지의 적어도 일부를 형성하는 허니콤 구조를 제공하는 유리 리본 퓨전 드로잉 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    단계 (I)은 전체 성형 웨지를 형성하는 허니콤 구조를 제공하는 유리 리본 퓨전 드로잉 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    단계 (I)은 성형 웨지를 형성하는 허니콤 구조의 둘레면에 걸쳐 위치된 내화성 재료의 외층을 제공하는 유리 리본 퓨전 드로잉 방법.
  17. 청구항 12에 있어서,
    단계 (I)은 허니콤 구조의 둘레면에 걸쳐 위치된 내화성 재료의 외층을 제공하는 유리 리본 퓨전 드로잉 방법.
  18. 청구항 12에 있어서,
    단계 (I)은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm의 대응하는 한 쌍의 채널들간 규정된 두께를 갖는 허니콤 구조의 각각의 다수의 벽들을 제공하는 유리 리본 퓨전 드로잉 방법.
  19. 청구항 12에 있어서,
    단계 (I)는 약 1/25 채널/cm2 내지 약 20 채널/cm2의 채널 밀도를 갖는 허니콤 구조를 제공하는 유리 리본 퓨전 드로잉 방법.
  20. 유리 리본을 퓨전 드로잉하기 위한 세라믹 성형 장치를 제조하는 방법으로서,
    (I) 성형체에 걸쳐 확장하는 다수의 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽들을 포함하는 허니콤 구조를 갖는 상기 성형체를 형성하기 위해 다이 부재를 통해 세라믹-성형 배치 재료를 압출하는 단계;
    (II) 허니콤 구조를 갖는 소성 세라믹 바디를 형성하기 위해 성형체를 소성하는 단계; 및
    (III) 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 웨지 및 트로프를 갖는 세라믹 성형 장치를 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 각각의 다수의 벽들은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm의 대응하는 한 쌍의 채널들간 규정된 두께를 갖고,
    상기 허니콤 구조는 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    단계 (III)은 세라믹 성형 장치를 제공하기 위해 기계 가공 공정을 이용하는 단계를 포함하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    단계 (III)의 기계 가공 공정은 단계 (II) 전에 성형체를 기계 가공하는 단계를 포함하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  23. 청구항 21에 있어서,
    단계 (III)의 기계 가공 공정은 단계 (II) 이후 소성 세라믹 바디를 기계 가공하는 단계를 포함하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  24. 청구항 20에 있어서,
    단계 (I)은 약 1/25 채널/cm2 내지 약 20 채널/cm2의 채널 밀도를 갖는 허니콤 구조를 형성하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  25. 청구항 20에 있어서,
    허니콤 구조는 세라믹 성형 장치의 웨지의 적어도 일부를 형성하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  26. 청구항 20에 있어서,
    세라믹 바디는 폐쇄된-셀 다공성 구조를 포함하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  27. 청구항 20에 있어서,
    제1평균 입자 크기를 갖는 제1수량의 입자들을 상기 제1평균 입자 크기보다 큰 제2평균 입자 크기를 갖는 제2수량의 입자들과 혼합함으로써 세라믹-성형 재료를 준비하는 단계를 더 포함하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  28. 청구항 27에 있어서,
    제1 및 제2수량의 입자들은 알루미나 입자를 포함하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  29. 청구항 28에 있어서,
    제1수량의 알루미나 입자들의 제1평균 입자 크기는 약 0.6 μ이고, 제2수량의 알루미나 입자들의 제2평균 입자 크기는 약 2.7 μ인 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  30. 청구항 28에 있어서,
    제1수량의 알루미나 입자 대 제2수량의 알루미나 입자의 비율은 약 3:1인 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  31. 청구항 27에 있어서,
    제1 및 제2수량의 입자들은 지르콘 입자를 포함하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  32. 청구항 31에 있어서,
    제1수량의 지르콘 입자들의 제1평균 입자 크기는 약 1 μ이고, 제2수량의 지르콘 입자들의 제2평균 입자 크기는 약 7 μ인 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  33. 청구항 31에 있어서,
    제1수량의 지로콘 입자 대 제2수량의 지르콘 입자의 비율은 약 1:1인 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  34. 청구항 20에 있어서,
    허니콤 구조의 둘레면에 내화성 재료의 외층을 제공하는 단계를 더 포함하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  35. 청구항 20에 있어서,
    단계 (II) 동안 소성 챔버 내 대기 중의 산소 레벨을 감소시키는 단계를 더 포함하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  36. 청구항 20에 있어서,
    단계 (II) 동안 다수의 채널들을 통해 유체를 강제로 안내하는 단계를 더 포함하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  37. 청구항 20에 있어서,
    단계 (II) 동안 다수의 채널들을 통해 수증기를 강제로 안내하는 단계를 더 포함하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  38. 유리 리본을 퓨전 드로잉하기 위한 세라믹 성형 장치를 제조하는 방법으로서,
    (I) 성형체에 걸쳐 확장하는 다수의 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽들을 포함하는 허니콤 구조를 갖는 상기 성형체를 형성하기 위해 다이 부재를 통해 세라믹-성형 배치 재료를 압출하는 단계;
    (II) 세라믹 성형 장치에 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 웨지 및 트로프가 제공되도록 성형체를 기계 가공하는 단계; 및
    (III) 허니콤 구조를 갖는 소성 세라믹 성형 장치를 형성하도록 성형체를 소성하는 단계를 포함하며,
    상기 각각의 다수의 벽들은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm의 대응하는 한 쌍의 채널들간 규정된 두께를 갖고, 상기 허니콤 구조는 약 1/25 채널/cm2 내지 약 20 채널/cm2의 채널 밀도를 포함하고,
    상기 허니콤 구조는 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
  39. 유리 리본을 퓨전 드로잉하기 위한 세라믹 성형 장치를 제조하는 방법으로서,
    (I) 성형체에 걸쳐 확장하는 다수의 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 다수의 벽들을 포함하는 허니콤 구조를 갖는 상기 성형체를 형성하기 위해 다이 부재를 통해 세라믹-성형 배치 재료를 압출하는 단계;
    (II) 허니콤 구조를 갖는 소성 세라믹 성형 장치를 형성하도록 성형체를 소성하는 단계; 및
    (III) 세라믹 성형 장치에 한 쌍의 위어들에 의해 적어도 부분적으로 규정된 웨지 및 트로프가 제공되도록 성형체를 기계 가공하는 단계를 포함하며,
    상기 각각의 다수의 벽들은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm의 대응하는 한 쌍의 채널들간 규정된 두께를 갖고, 상기 허니콤 구조는 약 1/25 채널/cm2 내지 약 20 채널/cm2의 채널 밀도를 포함하고,
    상기 허니콤 구조는 세라믹 성형 장치의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹 성형 장치 제조 방법.
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