KR20210005656A - 유리 제조 공정에서 산소를 함유하는 분위기를 제어하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents
유리 제조 공정에서 산소를 함유하는 분위기를 제어하기 위한 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
용융 유리가 유동하는 백금-함유 용기를 포함하는 인클로져 내 산소 농도를 감소시키기 위한 방법들이 개시된다. 상기 방법들은 상기 인클로져와 반응 챔버 사이에 유동하는 산소-함유 분위기 내로 수소 가스를 주입하는 단계를 포함한다. 상기 분위기는 상기 반응 챔버 내의 가열 요소로 가열되며, 그 결과 상기 산소-함유 분위기 내의 산소는 상기 수소와 반응한다. 다른 실시예들에서, 상기 수소 가스와 산소-함유 분위기는 상기 반응 챔버 내에 위치된 백금을 포함하는 촉매에 노출될 수 있다.
Description
[0001] 본 출원은 2018년 4월 20일 출원된 미국 가출원 제62/660,323호의 우선권의 이익을 주장하며, 그 내용은 마치 그 전문이 아래 완전히 제시된 것처럼 참조에 의해 의존되며 본 명세서에 결합된다.
[0002] 본 개시는 유리의 제조 및 특히 유리 제조 장치를 포함하는 백금-함유 용기들을 둘러싸는 분위기 내의 산소의 제어에 관한 것이다.
[0003] 수소는 백금 경계를 가로지르는 것으로 알려져 있다. 상기 백금 경계를 가로지르는 수소 불균형은 수소가 최저 수소 분압을 향하는 방향으로 상기 백금 경계를 투과하게할 것 이다.
[0004] 예컨대 디스플레이 패널들의 제조에 사용되는 유리 시트들과 같은 광학 품질 유리 물품들의 제조는 일반적으로 용융 유리를 백금 또는 백금 합금 용기들을 통해 유동시키는 것을 포함한다. 상기 용기들 내로 유동하는 상기 용융 유리에 함유된 물은 일반적으로 안정적인 수소 분압을 나타낸다. 백금 함유 용기들의 외표면들 상의 수소 분압이 상기 용융 유리 내의 수소의 분압보다 낮은 경우, 상기 물의 분해로부터 야기되는 상기 용융 유리 내에 함유된 수소가 상기 외부 분위기로 상기 백금 용기를 통해 투과될 것이다. 상기 용융 유리 내에 남겨진 산소는 상기 용융 유리-백금 계면에서 기포들을 형성할 수 있으며, 이러한 기포들은 상기 용융 유리로 방출될 수 있으며, 최종 유리 물품들 내에 바람직하지 않은 결함들(블리스터들(blisters))을 생성한다.
[0005] 수소 투과를 완화시키기 위해, 상기 백금-함유 용기들은 일반적으로 제어된 분위기를 가지는 인클로져 내에 위치된다. 상기 인클로져 분위기는 상기 인클로져를 통해 순환되며 일반적으로 상기 인클로져 분위기 내로 수증기를 주입함으로써 상기 인클로져 분위기 내의 소정의 수소 분압이 유지된다. 상기 인클로져 분위기는 용기 고장을 야기할 수 있는 상기 용기의 부식(예를 들어, 산화)를 방지하기 위해 감소된 산소 함량을 포함한다. 블로어들(blowers)은 상기 백금-함유 용기를 냉각시키기 위해 상기 분위기를 순환시킨다.
[0006] 블로어들은 백금-함유 용기들의 과도한 가열을 방지하는데 효과적일 수 있으나, 기밀 시스템을 만드는것이 어려우므로, 이러한 블로어들은 또한 주위 공기의 침투를 야기하는 상기 시스템 내의 저압 영역들을 생성할 수 있다. 상기 분위기의 산소 함량을 최대한 감소시키기 위하여, 질소(N2)가 상기 산소를 희석하기 위하여 주입될 수 있다. 또한, 인클로져 누출은 회피하기 어려우므로 얼마나 낮게 산소 함량이 드라이브될 수 있는지에 대한 실용적인 한계가 존재하며, 질소 가스 추가를 통한 상기 용융 운반 시스템 내의 높은 압력은 상기 용융 유리로 들어갈 수 있는 백금의 자유 표면들 상의 백금 입자 결함들을 야기할 수 있다.
[0007] 이 해결책에 대한 대안은 팬을 사용하지 않는 비-순환 시스템이다. 그러나, 비-순환 시스템은 공정의 냉각 구역들 내에서 달성될 수 있는 냉각의 양을 제한할 수 있다. 예를 들어 생산을 증가시키기 위해 용융 유리의 유량을 증가시키는 것은 운반 시스템의 온도를 증가시키고 상기 용융 유리의 목표 온도(예를 들어, 점도)를 충족하기 위해 더 많은 냉각을 요구한다. 따라서, 냉각을 촉진하기 위해 상기 시스템으로의 가열 전력이 감소될 수 있다. 그러나, 극한에서, 용융 유리의 유동은 상기 가열 전력이 0으로 감소된 유량까지 증가될 수 있으며, 이는 제어 파라미터로서 가열의 손실을 야기한다. 제어 파라미터로서 가열은 추가적인 냉각을 촉진하기 위해 상기 시스템을 통한 가스 유동을 증가시킴으로써 다시 얻어질 수 있다. 상기 증가된 가스 유동(팬 속도에 의해 증가됨)은 동일한 온도 타겟을 유지하기 위해 필요한 전력을 증가시킨다. 따라서, 실제로는, 0이 아닌 최소 가열 전력이 상기 냉각 구역들에 필요하다. 상기 최소값을 초과하는 임의의 추가적인 가열 전력은 상기 시스템을 통한 상기 유리 유동을 더 증가시키기 위해 이용가능하다. 따라서, 가열과 냉각의 조합은 공정 내의 "브레이크들"로서(즉 필요에 따라 유리 유동을 늦추거나 정지시키기 위해) 상기 냉각 구역들 내에서 사용될 수 있다. 상기 최소 전력을 초과하는 예비 또는 추가적인 가열 전력이 증가된 생산으로 이어질 수 있는 유동 증가를 가능하게하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 팬 속도를 낮춤으로써 더 낮은 산소 함량이 이론적으로 달성될 수 있으나, 이 대안에는 현실적인 비용이 존재할 수 있으며, 이는 재정적으로 매력적이지 않다.
[0008] 다른 대안은 연소 버너를 사용하여 과잉의 산소를 연소시키는 것이다. 이 방법은 산소 함량을 상당히 낮출 수 있으나, 추가적인 문제를 부가할 수 있다. 이러한 문제 중 하나는 O2를 연소하기 위한 반응을 관리하는 것 및 버너의 열 및 화염 길이를 다루는 것이다. 상기 산소 함량을 일정하게 유지하는 것은 가스의 유효 이슬점을 유지하기 위해 사용되며, 연소는 O2 함량의 더 큰 변동성을 제공할 수 있다. 다른 문제는 결과적인 연소 가스들이 상기 백금-함유 용기들 주위를 순환하는 것이다. 따라서, 상기 연료 및 연소 생성물들은 상기 유리 내에 결함들을 생성하지 않고 상기 금속을 열화시키지 않으며 상기 백금-함유 용기들 및 상기 용융 유리와 호환 가능해야 한다. 예를 들어, 탄소-기반 연료들의 경우, 상기 백금 시스템을 통한 탄소의 투과는 블리스터 결함들을 생성할 수 있다. 따라서, 바람직하지 않은 반응들 및 화염의 능동적인 관리는 이 대안이 가능하나 매력적이지 않게 만든다.
[0009] 산소를 제거하는 다른 방법들은 화학적 흡착을 사용할 수 있다. 그러나, 다시, 이 방법은 환경에 추가적인 화학 물질들을 추가하고, 유지를 요구하고, 운용 비용을 증가시키므로 실용적이지 않다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유리 제조 장치 내에 산호 농도를 감소시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
[0010] 본 개시에 따르면, 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키는 방법이 개시된다. 이 방법은 인클로져 내에 위치된 백금-함유 용기를 통해 용융 유리를 유동시키는 단계, 상기 인클로져와 상기 백금-함유 용기 사이에 산소를 포함하는 분위기를 유동시키는 단계, 상기 인클로져와 유체 연통된 반응 챔버를 통해 상기 분위기를 지향시키는 단계, 상기 인클로져 분위기 내로 수소 가스를 포함하는 반응 가스를 주입하는 단계, 및 상기 반응 챔버 내에 상기 산소와 상기 수소 가스를 반응시키는 단계를 포함한다.
[0011] 상기 반응 가스 내의 상기 수소 가스의 농도는 반응 가스의 총 부피에 대한 부피로 약 1% 내지 100% 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 반응 가스는 비활성 가스, 예를 들어 질소 또는 희가스(noble gas)를 포함할 수 있다.
[0012] 다양한 실시예들에 따르면, 상기 분위기는 순환 경로를 따라 상기 인클로져와 상기 반응 챔버 사이에 유동할 수 있으며, 상기 반응 가스는 상기 반응 챔버의 상류에서 상기 순한 경로 내로 예를 들어 상기 반응 챔버의 상류에서 상기 반응 챔버를 캡슐에 연결하는 배관 내로 주입될 수 있다.
[0013] 상기 방법은 상기 반응 챔버의 상류에서 상기 순환 경로 내의 산소 농도를 감지하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 반응 챔버의 상류에서 상기 순환 경로 내의 상기 산소 농도는 부피로 약 0.5% 이상이다.
[0014] 상기 방법은 상기 반응 챔버의 하류에서 상기 순환 경로 내의 산소의 농도를 감지하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 반응 챔버의 하류에서 상기 순환 경로 내의 상기 산소 농도는 부피로 약 0.2% 미만, 예를 들어 약 0.1% 미만, 0.05% 미만, 또는 심지어 약 0.01% 미만일 수 있다.
[0015] 일부 실시예들에서, 제어기는 상기 감지된 하류 산소 농도에 반응하여 수소 가스의 유량을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 상기 방법은 상기 반응하는 단계 동안 상기 반응 챔버 내로 추가적인 산소를 주입함으로써 상기 반응 챔버의 하류에서 상기 분위기 내의 상기 산소의 농도를 소정의 값으로 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0016] 상기 인클로져 내의 상기 분위기의 압력은 약 38Pa 미만일 수 있다.
[0017] 추가적인 실시예들에서, 상기 방법은 상기 반응 챔버 내에서 상기 분위기를 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 가열하는 단계는 예컨대 전기 가열 요소와 같은 가열 요소로 상기 분위기를 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 가열 동안 상기 가열 요소의 온도는 적어도 500℃일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 가열 요소는 백금을 포함할 수 있다.
[0018] 추가적인 실시예들에서, 상기 방법은 상기 반응 챔버 내에서 백금-함유 촉매에 상기 분위기 및 상기 반응 가스를 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 상기 가열 요소는 백금을 포함할 수 있고, 상기 가열 요소는 촉매로서 기능한다.
[0019] 다른 실시예들에서, 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키는 방법이 설명된다. 이 방법은 백금-함유 용기를 통해 용융 유리를 유동시키는 단계로서, 상기 백금 함유 용기는 인클로져와 상기 백금-함유 용기 사이에 유동하는 산소를 포함하는 분위기를 포함하는 상기 인클로져 내에 위치되는, 유동시키는 단계, 상기 반응 챔버의 상류의 배관 및 상기 반응 챔버의 하류의 배관을 통해 상기 인클로져와 유체 연통된 반응 챔버를 통해 상기 분기를 지향시키는 단계를 포함하고, 상기 인클로져, 상기 상류 배관, 상기 반응 챔버, 및 상기 하류 배관은 순환 경로를 포함한다. 상기 방법은 상기 반응 챔버의 상류에서 상기 순환 경로 내로 수소 가스를 주입하는 단계 및 상기 반응 챔버 내에서 상기 산소와 상기 수소 가스를 반응시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0020] 상기 방법은 예를 들어 가열 요소, 예를 들어 전기 가열 요소로 상기 캡슐 분위기 및 상기 반응 챔버 내 상기 수소 가스를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0021] 상기 가열하는 단계 동안 상기 가열 요소의 온도는 적어도 약 500℃일 수 있다.
[0022] 일부 실시예들에서, 상기 가열 요소는 백금을 포함할 수 있다.
[0023] 일부 실시예들에서, 상기 주입하는 단계는 상기 수소 가스와 함께 비활성 가스를 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0024] 다른 실시예들에서, 유리 제조 공정에서 분위기를 함유하는 산소를 제어하기 위한 장치가 개시된다. 상기 장치는 용융 물질을 운반하도록 구성된 백금-함유 용기, 상기 백금-함유 용기를 포함하는 인클로져, 상기 인클로져와 유체 연통되며 상기 인클로져를 통해 분위기를 순환시키도록 구성된 환경 제어 시스템을 포함하고, 상기 환경 제어 시스템은 반응 챔버, 수소 가스의 저장소와 유체 연통되고 상기 분위기의 유동 방향에 대하여 상기 반응 챔버의 상류에서 상기 환경 제어 시스템에 상기 수소 가스를 제공하도록 구성된 가스 주입 벨브, 및 상기 반응 챔버 내에 위치된 백금-함유 촉매를 포함한다.
[0025] 상기 장치는 상기 반응 챔버 내에 위치된 가열 요소를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 가열 요소는 백금을 포함하고 촉매로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 요소는 전기 가열 요소일 수 있다.
[0026] 일부 실시예들에서, 상기 환경 제어 시스템은 산소-함유 가스의 저장소와 유체 연통되며 상기 반응 챔버로 산소-함유 가스를 제공하도록 구성된 주입 벨브를 더 포함할 수 있다.
[0027] 본 명세서에 개시된 실시예들의 추가적인 특징들 및 장점들이 다음의 상세한 설명에 제시될 것이며, 부분적으로 그 설명으로부터 당업계의 통상의 기술자들에게 명백하거나 청구항들, 및 첨부된 도면들이 뒤따르는 상세한 설명을 포함하여 본 명세서에 설명된 바와 같이 본 발명을 수행함으로써 인식될 것이다.
[0028] 전술한 개괄적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 본 명세서에 개시된 실시예들의 속성 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀을 제공하도록 의도된 실시예들을 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 첨부된 도면들은 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 결합되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면들은 본 개시의 다양한 실시예들을 도시하며 설명과 함께 그 원리들 및 작동들을 설명한다.
[0029] 도 1은 하나 이상의 백금-함유 용기들을 포함하는 인클로져로부터 산소를 제거하기 위한 반응 챔버를 포함하는 예시적인 유리 제조 장치의 개략도이다.
[0030] 도 2는 예시적인 반응 챔버의 단면도이다.
[0030] 도 2는 예시적인 반응 챔버의 단면도이다.
[0031] 이제 본 개시의 실시예들에 상세히 참조가 이루어질 것이며, 그 예들은 첨부된 도면들에 도시된다. 가능할 때마다, 도면들에 걸쳐 동일한 참조 번호들은 동일하거나 유사한 부분들을 참조하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 본 개시는 많은 다른 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 제시된 실시예들로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다.
[0032] 범위들은 "약" 하나의 특정 값, 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 본 명세서에 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 다른 실시예는 상기 하나의 특정 값 내지 상기 다른 특정 값을 포함한다. 유사하게, 값들이 선행사 "약"의 사용에 의해 근사치들로서 표현된 경우, 상기 특정한 값은 다른 실시예를 형성한다는 것이 이해될 것이다. 상기 범위들 각각의 끝점들은 다른 끝점과 관련하여서도 상기 다른 끝점과 독립적으로도 모두 의미있다는 것이 더 이해될 것이다.
[0033] 본 명세서에 사용된 바와 같은 방향적 용어들 - 예를 들어, 위, 아래, 좌, 우, 전, 후, 상, 하 - 는 도시된 도면들을 참조하여서만 이루어지며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
[0034] 달리 명시적으로 언급되지 않는한, 본 명세서에 제시된 임의의 방법이 그 단계들이 특정 순서로 수행되는 것을 요구하는 것으로 여겨지도록 또는 임의의 장치에서, 특정한 방향들이 요구되는 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 방법 청구항이 그 단계들이 따라야할 순서를 실제로 언급하지 않거나 임의의 장치 청구항이 개별 컴포넌트들에 대한 순서 또는 방향을 실제로 언급하지 않거나, 또는 단계들이 특정 순서로 제한된다고 청구항들 또는 설명에 구체적으로 언급되지 않는 경우 또는 장치의 컴포넌트들에 대한 특정 순서 또는 방향이 언급되지 않는 경우, 어떠한 측면에서도 순서 또는 방향이 암시되는 것으로 의도되지 않는다. 이는 단계들의 배치, 동작 흐름, 컴포넌트들의 순서, 또는 컴포넌트들의 방향과 관련된 논리의 문제; 문법적인 구성 또는 구두법으로부터 유도된 평범한 의미, 및; 본 명세서에 설명된 실시예들의 수 또는 종류를 포함하는 해석을 위한 임의의 가능한 비-표현 기반에 적용된다.
[0035] 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수형들 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명백히 달리 지시하지 않는한 복수의 참조물들을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "a" 컴포넌트에 대한 참조는 문맥이 달리 명백히 지시하지 않는한, 둘 이상의 이러한 컴포넌트들을 가지는 양상들을 포함한다.
[0036] 단어 "예시적인", "예", 또는 그 다양한 형태들은 예, 또는 예시로서 역할 하는 것을 의미하도록 본 명세서에서 사용된다. "예시적인" 또는 "예"로서 본 명세서에 설명된 임의의 양상 또는 설계는 반드시 다른 양상들 또는 설계들보다 선호되거나 유리한 것으로 해석될 필요는 없다. 또한, 예들은 오로지 명확성 및 이해의 목적들을 위해서만 제공되며 어떠한 방식으로든 본 개시의 개시된 주제 또는 관련된 부분들을 제한하거나 한정하려는 의미하는 아니다. 다양한 범위의 무수한 추가적이거나 대안적인 예들이 제시될 수 있었으나, 간결성의 목적상 생략되었다는 것이 인식될 것이다.
[0037] 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "용기"는 용융 유리를 담거나, 포함하거나, 운반하도록 구성된 임의의 구조를 포함하는 것으로 해석 되어야 하며, 제한 없이 컨디셔닝 용기들, 용융 용기들, 및 한 위치로부터 다른 위치로 용융 유리를 운반하는 도관들을 포함한다.
[0038] 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "용융 유리"는 적절히 열적으로 컨디셔닝된 경우(냉각에 의해), 유리 상태를 취할 수 있는 용융 물질을 의미하며, "유리 용융물" 또는 간단히 "용융물"과 동의어이다.
[0039] 도 1에 도시된 것은 예시적인 유리 제조 장치(10)이다. 일부 실시예들에서, 상기 유리 제조 장치(10)는 용융 용기(14)를 포함할 수 있는 유리 용융 퍼니스(12)를 포함할 수 있다. 용융 용기(14)에 더하여, 유리 용융 퍼니스(12)는 선택적으로 하나 이상의 추가적인 컴포넌트들, 예컨대 원재료를 가열하여 상기 원재료를 용융 유리를 변환하도록 구성된 가열 요소들(예를 들어, 연소 버너들 및/또는 전극들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 용융 용기(14)는 전기적으로-부스팅된 용융 용기일 수 있으며, 여기서 연소 버너들를 통해 및 직접 가열에 의해 상기 원재료에 에너지가 가해진다(전류가 상기 원재료를 통해 형성되어 줄(Joule) 가열을 통해 상기 원재료를 가열).
[0040] 추가적인 실시예들에서, 유리 용융 퍼니스(12)는 상기 용융 용기로부터 열 손실을 감소시키는 열 관리 장치들(예를 들어, 단열 컴포넌트들)을 포함할 수 있다. 또 추가적인 실시예들에서, 유리 용융 퍼니스(12)는 유리 용융물로 상기 원재료의 용융을 용이하게하는 전자 장치들 및/또는 전기기계 장치들을 포함할 수 있다. 또한, 유리 용융 퍼니스(12)는 지지 구조들(예를 들어, 지지 샤시들, 지지 부재, 등) 또는 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
[0041] 용융 용기(14)는 일반적으로 내화 재료, 예컨대 내화 세라믹 재료, 예를 들어 알루미나 또는 지르코니아를 포함하는 내화 세라믹 재료로 형성되나, 상기 내화 세라믹 재료는 다른 내화 재료, 예컨대 대안적으로 또는 임의의 조합으로 사용되는 이트륨(예를 들어, 이트리아, 이트리아 안정화된 지르코니아, 이트륨 포스페이트), 지르콘(ZrSiO4) 또는 알루미나-지르코니아-실리카 또는 심지어 크롬 산화물을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 용융 용기(14)는 내화 세라믹 벽돌들로 구성될 수 있다.
[0042] 일부 실시예들에서, 유리 용융 퍼니스(12)는 유리 물품, 예를 들어 다양한 길이의 예시적인 유리 리본을 제조하도록 구성된 유리 제조 장치의 컴포넌트로서 포함될 수 있으나, 추가적인 실시예들에서, 상기 유리 제조 장치는 제한 없이 다른 유리 물품들, 예컨대 유리 막대들, 유리 튜브들, 유리 엔빌로프들(envelopes)(예를 들어, 전구와 같은 조명 장치들을 위한 유리 엔빌로프들), 및 유리 렌즈들을 형성하도록 구성될 수 있으나, 많은 다른 유리 물품들이 구상된다. 일부 예들에서, 상기 용융 퍼니스는 슬롯 드로우(slot draw) 장치, 플로트 배쓰(float bath) 장치, 다운 드로우(down draw) 장치(예를 들어, 퓨전 다운 드로우(fusion down draw) 장치), 업 드로우(up draw) 장치, 프레싱 장치, 롤링 장치, 튜브 드로잉 장치, 또는 본 개시로부터 이익을 얻을 수 있는 임의의 다른 유리 제조 장치를 포함하는 유리 제조 장치의 컴포넌트로서 포함될 수 있다. 예로서, 도 1은 이후 개별적인 유리 시트들로 가공하거나 스풀 상으로 유리 리본을 롤링하기 위한 유리 리본을 퓨전 드로잉하기 위한 퓨전 다운 드로우 유리 제조 장치(10)의 컴포넌트로서 유리 용융 퍼니스(12)를 개략적으로 도시한다.
[0043] 유리 제조 장치(10)(예를 들어, 퓨전 다운 드로우 장치(10))는 선택적으로 유리 용융 용기(14)에 대하여 상류에 위치된 상류 유리 제조 장치(16)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 상기 상류 유리 제조 장치(16)의 일부 또는 전부는 상기 유리 용융 퍼니스(12)의 일부로서 포함될 수 있다.
[0044] 도 1에 도시된 실시예에 도시된 바와 같이, 상기 상류 유리 제조 장치(16)는 원재료 저장 통(18), 원재료 운반 장치(20) 및 상기 원재료 운반 장치에 연결된 모터(22)를 포함할 수 있다. 원재료 저장 통(18)은 화살표(26)에 의해 표시된 바와 같이 하나 이상의 공급 포트들을 통해 유리 용융 퍼니스(12)의 용융 용기(14) 내로 공급될 수 있는 다량의 원재료(24)를 저장하도록 구성될 수 있다. 원재료(24)는 일반적으로 하나 이상의 유리 형성 금속 산화물들 및 하나 이상의 개질제들을 포함한다. 일부 예들에서, 원재료 운반 장치(20)가 상기 저장 통(18)으로부터 용융 용기(14)로 소정의 양의 원재료(24)를 운반하도록 원재료 운반 장치(20)는 모터(22)에 의해 구동될 수 있다. 추가적인 예들에서, 모터(22)는 상기 용융 유리의 유동 방향에 대하여 용융 용기(14)로부터 하류에서 감지된 용융 유리의 레벨에 기초하여 제어된 속도로 원재료(24)를 투입하도록 원재료 운반 장치(20)를 구동할 수 있다. 용융 용기(14) 내 원재료(24)는 이후 용융 유리(28)를 형성하도록 가열될 수 있다. 일반적으로, 초기 용융 단계에서, 원재료는 예를 들어 다양한 "모래들"을 포함하는 입자들로서 상기 용융 용기에 추가된다. 원재료는 또한 이전의 용융 및/또는 형성 작업들로부터 조각 유리(즉, 파유리(cullet))를 포함할 수 있다. 연소 버너들은 일반적으로 상기 용융 공정을 시작하는데 사용된다. 전기적으로 부스팅된 용융 공정에서, 상기 원재료의 전기 저항이 충분히 감소되면(예를 들어, 상기 원재료들이 액화되기 시작할 때), 전기 부스트는 상기 원재료들과 접촉하여 위치된 전극들 사이에 전위를 형성함으로써 시작되며, 이로써 상기 원재료를 통해 전류를 형성하고, 상기 원재료는 일반적으로 이 시점에 용융 상태로 들어가거나 용융 상태에 있다.
[0045] 유리 제조 장치(10)는 또한 상기 용융 유리(28)의 유동 방향에 대하여 유리 용융 퍼니스(12)의 하류에 위치된 하류 유리 제조 장치(30)를 선택적으로 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 하류 유리 제조 장치(30)의 일부는 유리 용융 퍼니스(12)의 일부로서 포함될 수 있다. 그러나, 일부 경우들에서, 아래 논의된 제1 연결 도관(32) 또는 상기 하류 유리 제조 장치(30)의 다른 부분들은 상기 유리 용융 퍼니스(12)의 일부로서 포함될 수 있다. 제1 연결 도관(32)을 포함하는 상기 하류 유리 제조 장치의 요소들은 귀금속으로부터 형성될 수 있다. 적합한 귀금속들을 백금, 이리듐, 로듐, 오스뮴, 루테늄, 및 팔라듐, 또는 이들의 합금들로 구성된 그룹으로부터 선택된 백금 그룹 금속들을 포함한다. 예를 들어, 상기 유리 제조 장치의 하류 컴포넌트들은 약 70 질량% 내지 약 90 질량% 백금 및 약 10 질량% 내지 약 30 질량% 로듐을 포함하는 백금-로듐 합금으로부터 형성될 수 있다. 그러나, 상기 유리 제조 장치의 하류 컴포넌트들을 형성하기에 적합한 다른 금속들은 몰리브덴, 레늄, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 및 이들의 합금들을 포함할 수 있다.
[0046] 하류 유리 제조 장치(30)는 용융 용기(14)로부터 하류에 위치되고 상기 제1 연결 도관(32)을 통해 용융 용기(14)에 결합된 청징(fining) 용기(34)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 용융 유리(28)는 용융 용기(14)로부터 청징 용기(34)로 제1 연결 도관(32)을 통해 중력 공급될 수 있다. 예를 들어, 중력은 용융 유리(28)를 용융 용기(14)로부터 청징 용기(34)로 제1 연결 도관(32)의 내부 경로를 통해 몰아갈 수 있다. 그러나 다른 컨디셔닝 용기들이 용융 용기(14)의 하류에, 예를 들어 용융 용기(14)와 청징 용기(34) 사이에 위치될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 일부 실시예들에서, 컨디셔닝 용기는 상기 용융 용기와 상기 청징 용기 사이에 사용될 수 있으며, 주 용융 용기로부터의 용융 유리가 상기 청징 용기로 들어가기 전에 보조 용기에서 상기 용융 공정을 지속하도록 더 가열되거나 상기 주 용융 용기 내의 용융 유리의 온도보다 낮은 온도로 냉각된다. 청징 용기(34)는 예를 들어 약 70 질량% 내지 약 90 질량% 백금 및 약 10 질량% 내지 약 30 질량% 로듐을 포함하는 백금-로듐 합금으로부터 형성될 수 있다.
[0047] 이전에 설명된 바와 같이, 다양한 기술들에 의해 용융 유리(28)로부터 기포들이 제거될 수 있다. 예를 들어, 원재료(24)는 가열되는 경우 화학적 환원 반응을 겪고 산소를 방출하는 예컨대 주석 산화물과 같은 다가 화합물들(즉, 청징제들)을 포함할 수 있다. 다른 적합한 청징제들은 제한 없이 비소, 안티모니, 철, 및 세륨을 포함하나, 비소 및 안티모니의 사용은 일부 응용들에서 환경적인 이유들로 인하여 바람직하지 않을 수 있다. 청징 용기(34)는 상기 용융 용기 온도보다 높은 온도로 가열되어, 이로써 상기 청징제를 가열한다. 상기 용융물 내에 포함된 하나 이상의 청징제들의 상기 온도-유도된 화학적 환원에 의해 생산된 산소 기포들은 상기 청징 용기 내의 상기 용융 유리를 통해 상승하며, 상기 용융 퍼니스 내에서 생산된 상기 용융 유리 내의 가스들은 상기 청징제에 의해 생산된 산소 기포들로 뭉치거나 확산할 수 있다. 향상된 부력을 가지는 상기 확대된 가스 버블들은 이후 상기 청징 용기 내의 상기 용융 유리의 자유 표면으로 상승할 수 있으며 이후 상기 청징 용기 밖으로 배기될 수 있다. 상기 산소 기포들은 또한 상기 용융 유리를 통해 상승함에 따라 상기 청징 용기 내의 상기 용융 유리의 기계적 혼합을 더 유도할 수 있다.
[0048] 상기 하류 유리 제조 장치(30)는 청징 용기(34)로부터 하류에 유동하는 상기 용융 유리를 혼합하기 위한 다른 컨디셔닝 용기, 예컨대 혼합 용기(36), 예를 들어 교반 용기를 더 포함할 수 있다. 혼합 용기(36)는 균질한 유리 용융물 조성물을 제공하하기 위해 사용될 수 있으며, 이로써 상기 청징 용기를 빠져나가는 상기 청징된 용융 유리 내에 존재할 수 있는 화학적 또는 열적 불균질성들을 감소시킨다. 도시된 바와 같이, 청징 용기(34)는 제2 연결 도관(38)을 통해 혼합 용기(36)에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 용융 유리(28)는 제2 연결 도관(38)을 통해 상기 청징 용기(34)로부터 혼합 용기(36)로 중력 공급될 수 있다. 예를 들어, 중력은 용융 유리(28)를 청징 용기(34)로부터 혼합 용기(36)로 제2 연결 도관(38)의 내부 경로를 통해 용융 유리(28)를 몰아갈 수 있다. 일반적으로, 혼합 용기(36) 내의 용융 유리는 자유 표면과 상기 자유 표면과 상기 혼합 장치의 상단 사이에 연장되는 자유 부피를 포함한다. 혼합 용기(36)가 상기 용융 유리의 흐름 방향에 대하여 청징 용기(34)의 하류에 도시되나, 혼합 용기(36)는 다른 실시예들에서 청징 용기(34)로부터 상류에 위치될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 일부 실시예들에서, 혼합 용기(36)는 약 70 질량% 내지 약 90 질량% 백금 및 약 10 질량% 내지 약 30 질량% 로듐을 포함하는 백금-로듐 합금으로부터 형성될 수 있다.
[0049] 일부 실시예들에서, 하류 유리 제조 장치(30)는 다수의 혼합 용기들, 예를 들어 청징 용기(34)로부터 상류의 혼합 용기 및 청징 용기(34)로부터 하류의 혼합 용기를 포함할 수 있다. 이러한 다수의 혼합 용기들은 동일한 설계일 수 있거나 서로 상이한 설계일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 용기들 및/또는 도관들 중 하나 이상은 상기 용융 재료의 혼합 및 이후의 균질화를 촉진하도록 그 안에 배치된 정적 혼합 날개들을 포함할 수 있다.
[0050] 하류 유리 제조 장치(30)는 혼합 용기(36)로부터 하류에 위치될 수 있는 운반 용기(40)를 더 포함할 수 있다. 운반 용기(40)는 하류 성형 장치 내로 공급될 용융 유리(28)를 컨디셔닝할 수 있다. 예를 들어, 운반 용기(40)는 출구 도관(44)을 통해 성형체(42)로 용융 유리(28)의 일관된 흐름을 제어 및 제공하도록 축적기 및/또는 유동 제어기로서 역할 할 수 있다. 운반 용기(40) 내 용융 유리는, 일부 실시예들에서, 자유 표면을 포함할 수 있으며, 자유 부피는 상기 자유 표면으로부터 상기 운반 용기의 상단까지 위로 연장된다. 도시된 바와 같이, 혼합 용기(36)는 제3 연결 도관(46)을 통해 운반 용기(40)에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 용융 유리(28)는 제3 연결 도관(46)을 통해 혼합 용기(36)로부터 운반 용기(40)로 중력 공급될 수 있다. 예를 들어, 중력은 용융 유리(28)를 혼합 용기(36)로부터 운반 용기(40)로 제3 연결 도관(46)의 내부 경로를 통해 몰아갈 수 있다. 운반 용기(40)는 예를 들어 백금 질량으로 약 70 질량% 내지 약 90 질량% 백금 및 약 10 질량% 내지 약 30 질량% 로듐을 포함하는 백금-로듐 합금으로 형성될 수 있다.
[0051] 하류 유리 제조 장치(30)는 입구 도관(50)을 포함하는 상기 성형체(42)를 포함하는 성형 장치(48)를 더 포함할 수 있다. 출구 도관(44)은 운반 용기(40)로부터 성형 장치(48)의 입구 도관(50)으로 용융 유리(28)를 운반하도록 위치될 수 있다. 입구 도관(50)은 예를 들어 약 70 질량% 내지 약 90 질량% 백금 및 약 10 질량% 내지 약 30 질량% 로듐을 포함하는 백금-로듐 합금으로부터 형성될 수 있다.
[0052] 퓨전 다운 드로우 유리 제조 장치 내의 성형체(42)는 상기 성형체의 상부 표면 내에 위치된 위치된 홈통(52) 및 상기 성형체의 바닥 엣지(루트)(56)를 따라 드로우 방향으로 수렴하는 수렴하는 수렴 성형 표면들(54)(오직 하나의 표면이 도시됨)을 포함할 수 있다. 운반 용기(40), 출구 도관(44) 및 입구 도관(50)을 통해 상기 성형체 홈통(52)으로 운반된 용융 유리는 홈통(52)의 벽들을 넘쳐 흐르고, 용융 유리의 분리된 흐름들로서 상기 수렴하는 성형 표면들(54)을 따라 하강한다. 상기 용융 유리의 분리된 흐름들은 상기 루트(56) 아래에서 상기 루트(56)를 따라 결합하여 상기 용융 유리가 냉각되고 상기 재료의 점도가 증가함에 따라 유리 리본의 치수들을 제어하기 위해 예컨대 중력, 엣지 롤들 및 당김 롤 어셈블리들에 의해 유리 리본에 아래로 장력을 인가함으로써 루트(56)로부터 드로우 방향(60)으로 드로우 평면(59)을 따라 드로우된 용융 유리의 단일한 리본(58)을 생산한다. 따라서, 유리 리본(58)은 점-탄성 전이를 겪으며, 유리 리본(58)에 안정한 치수 특성을 제공하는 기계적 성질들을 획득한다. 유리 리본(58)은 일부 실시예들에서 상기 유리 리본의 탄성 영역 내에서 유리 분리 장치(64)에 의해 개별적인 유리 시트들(62)로 분리될 수 있으나, 추가적인 실시예들에서, 상기 유리 리본은 스풀들로 감겨질 수 있으며 추가적인 가공을 위해 저장될 수 있다.
[0053] 용융 유리를 담고 및/또는 용융 용기(14)로부터 성형체(42)로 운반하기위해 사용된 하류 유리 제조 장치(30)의 다양한 컴포넌트들이 백금 또는 그 합금으로 형성될 수 있다는 것이 전술한 설명으로부터 명백해야 한다. 이러한 백금-함유 용융 유리 운반 및 컨디셔닝 컴포넌트들을 괴롭히는 현상은 수소 투과이다. 이에 의한 공정에서 상기 용융 유리 내의 산소(예를 들어, 하이드록시 이온들, OH-, 일반적으로 "물"로 명명됨)에 결합된 수소는 고온에서 산소로부터 분해되어 상기 용융 유리가 유동하는 상기 다양한 용기들의 백금-함유 벽들을 통해 투과하여, 상기 용융 유리-벽 경계에 산소를 남긴다. 상기 산소는 상기 용융 유리 내에 포함되는 산소들의 기포(블리스터들)로서 상기 용융 유리로 들어가고 상기 성형 장치에 의해 생산되는 최종 유리 제품들, 예를 들어 성형체(42)에 의해 형성된 유리 리본들 내로 혼입될 수 있다.
[0054] 수소 투과 속도는 상기 용융 유리와 상기 백금-함유 용기 밖의 분위기 사이에 경계를 형성하는 백금-함유 용기 벽의 반대 표면들에서 각각의 수소 농도들의 함수라는 것이 명백해야 한다. 상기 용기 밖의 상기 수소 농도가 증가함에 따라, 상기 용기 내(즉, 상기 용융 유리 내)의 수소가 상기 용기 벽을 통해 상기 용기 밖으로 투과하는 경향성이 감소한다. 그러나, 상기 용융 유리의 상기 물 함량이 상기 제조 공정 동안 대체적으로 안정하게 유지되나, 유리 제조 장치를 둘러싸는 상기 분위기의 수분 함량은 습도 및 온도에 따라 상당히 변동할 수 있으며, 이는 수소 투과의 제어를 어렵게 만든다.
[0055] 블리스터 발생을 제어하고 완화하기 위해, 현대 유리 제조 공정들은 상기 하류 유리 제조 장치의 적어도 상기 백금-함유 컴포넌트들(예를 들어, 용기들)을 둘러싸는 제2 인클로져, 이하에서 "캡슐"을 더 포함할 수 있다. 상기 캡슐 내의 분위기는 상기 캡슐 분위기 내의 수소 분압을 제어함으로써 수소 투과의 효과를 감소시키도록 제어될 수 있다. 여러 상이한 유형들의 이러한 습도 제어된 인클로져들이 미국 특허 제5,785,726호 및 미국 특허 제7,628,039호에 논의된다.
[0056] 상기 유리 제조 장치가 포함될 수 있는 상기 제조 공간(예를 들어, 공장)에 반하여, 캡슐(100)은 포함된 분위기의 더 나은 제어를 용이하게 하는 상기 용기와 상기 캡슐 사이의 작은 자켓 부피(102)를 포함하는 작은 인클로져이다. 예를 들어, 상기 캡슐 벽은 상기 백금-함유 용기 벽으로부터 1 미터 이하로 이격될 수 있다. 따라서, 캡슐(100) 내의 상기 자켓 부피가 상기 공장의 부피보다 훨씬 작으므로, 상기 캡슐 및 관련된 장비를 위한 센서 눈금값들, 예컨대 상대 습도 또는 이슬점은 전체 공장에 대한 것이 아니라 상기 유리 가공 장치의 외부 금속 표면들에서 조건들의 대표값들일 가능성이 높다. 따라서, 블리스터 발생의 제어는 상기 유리 제조 장치가 포함된 방 또는 제조 공간 내의 더 큰 환경 내의 분위기를 제어할 필요 없이 수행될 수 있다. 예를 들어, 수소 투과를 제어 및 완화하기 위해 필요한 조건들은 작은 부피 내에 유도하기 더 쉬우며, 작업 공간에 적용된 경우, 그 공간 내의 인력에게 불편하거나 견디기 어려울 것이다.
[0057] 자켓 부피(102)는 캡슐(100)의 내벽들과 하류 유리 제조 장치(30) 내의 용기들(32, 34, 36, 38, 40, 44, 및, 46) 중 하나 이상의 외벽들 사이에 정의된다. 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 캡슐(100)은 하류 유리 제조 장치(30)의 상기 백금-함유 용기들의 길이의 전부 또는 일부를 둘러싸는 하나의 구역으로서 마련될 수 있다. 대안적으로, 도시되지 않았으나, 다수의 캡슐들(100)이 용기들(32, 34, 46, 38, 40, 44 및 46) 중 하나 이상을 둘러싸는 다수의 구역들로서 구성될 수 있다. 다수의 캡슐들(100)을 사용하는 것의 장점은 상기 하류 유리 제조 장치의 한 영역 내의 분위기를 하류 유리 제조 장치의 다른 영역에 독립적으로 제어하는 능력이다.
[0058] 또한 하류 유리 제조 장치 내에 포힘된 것은 캡슐 자켓 부피(102) 내의 상기 분위기를 제어하고 용기들(32, 34, 36, 38, 40, 44, 및 46) 중 임의의 하나 이상 또는 용융 유리가 유동하고 캡슐(100) 내에 포함되는 임의의 다른 백금-함유 용기들 내의 금속-유리 계면에서 문제적인 산화 반응들이 발생하는 것을 방지하는 캡슐(100)과 유체 연통된 폐루프 제어 시스템(104)이다. 폐루프 제어 시스템(104)은 상기 백금-함유 용기 벽을 통한 수소 투과를 감소, 제거, 또는 역전시킴으로써 상기 용융 유리-금속 계면에서의 바람직하지 않은 산화 반응들을 억제하도록 캡슐(100) 내의 상기 분위기를 제어한다. 상기 용융 유리 내로 상기 유리-금속 계면을 통한 제어된 레벨의 수소 투과는 용융 유리(28) 내에 바람직하지 않은 종들, 예컨대 산소의 생산을 감소시키며, 이는 상기 용융 유리 내의 바람직하지 않은 가스 함유물들의 형성을 방지한다. 상기 용융 유리-금속 계면 내로의 수소 투과는 내부 용융 유리-금속 계면들에 비해 하류 유리 제조 장치(30) 내의 외표면들(비-유리 접촉 표면들)에 더 높은 수소 분압을 공급함으로써 달성된다. 이를 달성하기 위해, 습한, 낮은 산소 분위기가 캡슐(100) 내에 유지된다.
[0059] 예시적인 폐루프 제어 시스템(104)은 환경 제어 시스템(environmental control system, ECS)(148) 및 캡슐(100) 내 및 상기 캡슐 대기를 순환시키는 캡슐(100)로 향하며 캡슐(100)로부터 나오는 배관 시스템들 내의 하나 이상의 위치들로부터 센서 측정값들을 얻는 제어기(150)를 포함할 수 있다. 제어기(150)는 캡슐 공급 센서들(152), 캡슐 센서들(154), 및 캡슐 출구 센서들(156)로부터의 센서 측정값들을 얻을 수 있다. 이 예에서, 캡슐 공급 센서들(152)은 유동 센서(152a), 이슬점 또는 습도 센서(152b), 온도 센서(152c), 산소 센서(152d), 및 압력 센서(152e)를 포함할 수 있다. 캡슐 센서(154)는 유동 센서(154a), 이슬점 또는 습도 센서(154b), 온도 센서(154c), 산소 센서(154d), 및 압력 센서(154e)를 포함할 수 있다. 캡슐 출구 센서들(156)은 유동 센서(156a), 이슬점 또는 습도 센서(156b), 온도 센서(156c), 산소 센서(156d), 및 압력 센서(156e)를 포함할 수 있다.
[0060] 제어기(150)는 상기 센서 측정값들을 처리하여 예컨대 습도 공급 시스템(158), 가열 및/또는 냉각 제어 시스템(160), 공기 핸들러(들)(162) 및 O2 및/또는 N2 공급 시스템(164)과 같은 ECS(148)를 포함하는 상이한 장치들을 제어하는데 결과적인 데이터를 사용한다. 공기 핸들러(들)(162)은 캡슐(100)에 공급될 수 있는 예를 들어, 습도 공급 시스템(158)을 통해 공기 및 수증기(스팀)에 대한 접근을 가진다. 모든 장치들(158, 160, 162, 및 164)은 파이프들(166)의 네트워크를 통해 캡슐(100)과 유체 연통한다. 작동 시, 제어기(150)는 상기 캡슐(100) 내의 수증기의 분해에 의해 생성되는 수소가 상기 용기들의 비-유리 접촉 표면들에 주변 분위기가 존재했을 경우 발생했을 용기들(32, 34, 36, 38, 40, 44, 및 46)의 금속 벽들을 통한 외부 수소 투과의 속도 이상의 속도로 발생하는 캡슐(100) 내의 분위기를 생성하기 위해 장치들(158, 160, 162, 및 164)을 제어한다. 그리고, 상기 용기들의 외표면들에서 더 높은 수소 분압이 존재하는 경우, 상기 용융 유리(28) 내의 산소와 같은 바람직하지 않은 종들의 감소는 그 안에 바람직하지 않은 가스 함유물들의 형성을 방지한다.
[0061] 또한, 상기 캡슐(100) 내의 별도로 제어가능한 분위기는 상기 백금-함유 용기들(32, 34, 36, 38, 40, 44, 및 46)의 산화 속도를 크게 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 상기 하류 유리 제조 장치의 상기 백금-함유 용기들이 고온에서(위치 및 기능에 따라 약 1200℃ 내지 약 1700℃ 범위) 작동되므로, 상기 백금-함유 용기들은 높은 산소 농도, 예를 들어 통기성 공기에서 일반적으로 발견되는 산소 함량의 존재 하에서 빠르게 산화할 수 있다. 별도로 제어 가능한 분위기, 예를 들어, 상기 캡슐 분위기 내에 상기 하류 유리 제조 장치의 상기 백금-함유 용기들을 배치함으로써, 산소 농도는 신뢰성 있게 낮게, 예를 들어 약 5 부피% 미만, 예를 들어 약 3 부피% 미만, 예컨대 약 2% 내지 약 0.5% 범위로 유지될 수 있다.
[0062] 위에서 설명된 바와 같이, 상기 캡슐 내의 상기 분위기, 수증기와 비활성 가스(예를 들어, 질소)의 조합은 다음과 같이 여러 목적들을 가진다: 이는 상기 하류 유리 제조 장치의 상기 백금-함유 용기들 밖의 수소 분압을 제어함으로써 수소 투과을 제어 및 완화를 제공하고, 이는 이러한 용기들과 접촉하는 산소의 농도를 제한함으로서 상기 하류 유리 제조 장치의 상기 백금-함유 용기들의 산화 및 붕괴를 방지한다. 또한, 상기 캡슐 분위기는 상기 하류 유리 제조 장치의 상기 백금-함유 용기들 내에 유동하는 상기 용융 유리의 점도를 제어하는 것을 돕기위한 냉각 매체로서 역할한다.
[0063] 유리 물품들, 예를 들어 디스플레이 패널들의 제조에 사용하기에 적합한 유리 시트들의 제조는 상기 용융 유리의 조심스러운 점도 제어를 요구한다. 상기 청징 용기 내의 상기 용융 유리는 기포들이 상기 용융 유리를 탈출하도록 충분히 낮은 점도에 있고 상기 청징제를 환원시키기에 충분히 뜨거워야 하며, 상기 교반 부재가 회전하고 상기 용융 유리를 균질화하도록 복사 냉각 후에도 상기 하류 혼합 용기에서 충분히 낮은 점도를 포함해야 한다. 그러나 상기 용융 유리가 특정 구조를 취하도록 상기 용융 유리는 상기 성형체에서 충분히 높은 점도를 가져야 한다. 이러한 점도 제어를 달성하기 위해, 가열 요소들(선택된 용기들의 직접적인 가열을 포함), 상기 캡슐 내의 상기 백금-함유 용기들 주위에 배치된 다양한 열 전도도들, 두께들, 및 층들의 단열, 및 캡슐 분위기의 유동에 의해 가열 및 냉각의 조합이 수행된다.
[0064] 캡슐(100) 내에 위치된 백금-함유 용기들(32, 34, 36, 38, 40, 44, 및 46) 주위의 캡슐 공기의 흐름은 주로 대류를 통해 상기 백금-함유 용기들로부터 열을 끌어 당긴다. 공기 핸들링 유닛(162) 내의 블로어들은 배관 네트워크(166)를 통해 및 상기 캡슐 자켓 부피(102)를 통해 ECS(148)로부터 상기 캡슐 분위기를 순환시켜, 따라서 상기 백금-함유 용기들을 통해 유동하는 상기 용융 유리를 냉각시킨다. 상기 캡슐 내의 다양한 온도 및 습도 감지 장치들은 다양한 감지 장치들(152, 154, 및 156)로부터 제어기(150)로 온도 및 습도 정보를 전송한다. 제어기(150)는 상기 캡슐 분위기의 온도 및 습도(예를 들어, 이슬점)를 제어하기 위하여 가열기들 및/또는 냉각기들을 제어한다.
[0065] 전술한 캡슐 장치는 수소 투과를 제어하고 완화시키고 상기 캡슐 내의 상기 백금-함유 용기들의 산화를 대체로 회피하는 것이 가능하나, 완전히 누출이 없는(예를 들어, 기밀) 용기 구조를 형성하기 어렵다. 또한, 공기 핸들링 시스템(162) 내의 블로어들은 캡슐(100)(및 배관 네트워크(166)) 내에 저압 영역들을 생성할 수 있다. 이러한 저압 영역들은 틈들, 예를 들어 누출되는 가스켓들, 불안전한 연결부들 등을 통해 상기 캡슐 밖의 공기(예를 들어, 산소)를 상기 캡슐 분위기 내로 끌어들일 수 있다. 상기 캡슐 내로의 외부 공기의 침투는 상기 캡슐 내의 산소 농도를 증가시킬 수 있으며, 이로써 상기 백금-함유 용기들의 산화의 위험성을 증가시키며 용기 수명을 감소시킨다.
[0066] 또한, 상기 제조 장치의 높은 자본 비용으로 인해, 생산 증가는 대부분 용융 유리 유량을 증가시킴으로써 얻어진다. 용융 유리 유량의 증가는 상기 용융 유리 운반 용기들 내의 더 높은 작동 온도를 야기할 수 있다. 더 높은 작동 온도는 점도 제어를 유지하기 위해 냉각을 증가시킴으로써 제한될 필요가 있을 수 있으며, 이는 더 높은 블로어 속도를 야기할 수 있고, 또한 상기 캡슐의 상기 저압력 영역들 내의 상기 분위기 압력을 감소시키며 외부 공기(예를 들어 산소)의 상기 캡슐 내로의 유입을 증가시키며, 이로써 상기 산소 농도를 증가시킨다. 따라서, 생산을 증가시키는 능력은 상기 캡슐 분위기 내의 산소 농도를 감소시키지지 못함에 의해 제한될 수 있다.
[0067] 본 개시에 따르면, 가스 컨디셔닝 및 주입 장치(gas conditioning and injection apparatus, GCI)(200)가 예를 들어 배관 네트워크(166)를 통해 캡슐(100)과 유체 연통되도록 마련된다. GCI(200)는 예를 들어 ECS(148)의 일부를 형성할 수 있다. 다양한 실시예들에서, GCI(200)는 적어도 하나의 공기 핸들링 시스템(162)의 하류에서 배관 네트워크(166)와 유체 연통하는 반응 챔버(202), 및 반응 챔버(202)의 상류에서 배관 네트워크(166)와 유체적으로 결합되고 순환 경로(208) 내로 수소를 포함하는 반응 가스(206)를 주입하도록 구성된 가스 주입 벨브(204)를 포함한다. 즉, 가스 주입 벨브(204)는 공기 핸들링 시스템(162)과 반응 챔버(202) 사이에 위치될 수 있으며 각각과 유체 연통할 수 있으나, 추가적인 실시예들에서, 가스 주입 벨브(204)는 반응 챔버(202) 내로 바로 반응 가스(206)를 주입하도록 구성될 수 있다. 캡슐(100), 배관 네트워크(166)(반응 챔버(202)에 대하여 각각 상류 및 하류 배관(166a, 166b)을 포함), ECS(148), 및 반응 챔버(202)는 순환 경로(208)를 형성한다. 산소 센서들은 반응 챔버(202) 내로 유입되는 산소의 농도 및 상기 반응 챔버에서 유출되는 산소의 농도를 측정하기 위해 반응 챔버(202)의 상류(예를 들어, 센서(156d)) 및/또는 하류(예를 들어, 센서(152d))에 위치될 수 있다. 가스 주입 벨브(204)는 가스 혼합 벨브일 수 있으며, 둘 이상의 가스들이 개별적인 개스 공급원들로부터 수용될 수 있으며, 상기 벨브에서 혼합될 수 있거나, 상기 가스 주입 벨브는 단일한 가스를 수용하도록 구성된 벨브일 수 있다.
[0068] 반응 가스(206)는 수소를 포함한다. 일부 실시예들에서, 반응 가스(206)는 비활성 가스, 예를 들어 질소 또는 희가스들(예를 들어, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논) 중 임의의 하나 이상, 또는 이들의 조합들을 더 포함할 수 있다. 반응 가스(206)는 상기 반응 가스의 총 부피에 대하여 약 1 부피% 내지 100 부피%의 양의, 예를 들어, 약 2 부피% 내지 약 90 부피% 범위, 약 4 부피% 내지 약 80 부피% 범위, 또는 약 5 부피% 내지 약 70 부피% 범위의 수소를 포함할 수 있으며, 그 사이의 모든 범위들 및 하위 범위들을 포함하며, 나머지는 비활성 가스를 포함한다. 예를 들어, 가스 주입 벨브(204)는 수소를 적합한 농도의 비활성 가스와 혼합함으로써 비폭발 농도에서 캡슐(100)과 반응 챔버(202) 사이의 상기 캡슐 분위기 내로 배관 네트워크(166)를 통해 수소를 도입하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 반응 가스(206)는, 일부 실시예들에서, 약 5 부피%의 수소 및 95 부피% 질소 농도를 가지는 상업적으로 입수가능한 형성 가스일 수 있다.
[0069] 도 2는 예시적인 반응 챔버(202)의 측단면도이다. 일부 실시예들에서, 반응 챔버(202)는 적어도 하나의 전기 저항 가열 요소(220)를 포함한다. 가열 요소(220)는 니켈-크롬 기반 합금, 예를 들어, Inconel® 가열 요소(예를 들어, Inconel 800)일 수 있으나, 다른 재료들, 예를 들어 백금 또는 백금 합금이 사용될 수도 있다. 반응 가스(206)가 캡슐(100)에 반응 챔버(202)를 연결하는 상류 배관(166a) 내로 가스 주입 벨브(204)를 통해 주입되면, 반응 가스(206)는 반응 챔버(202) 내로 유동하는 상기 산소-함유 캡슐 분위기(222)와 혼합된다. 전력이 전력원(미도시)로부터 가열 요소(220)에 예를 들어 리드들(A, B)을 통해 공급되며, 이는 반응 챔버(202) 내 반응 가스(206) 및 캡슐 분위기(222)를 반응 가스(206) 내의 상기 수소 가스가 상기 캡슐 분위기 내의 산소와 결합하는 온도 이상의 온도로 가열한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 상기 가열 요소 온도는 약 500℃ 이상, 예를 들어 약 500℃ 내지 약 600℃ 범위일 수 있다.
[0070] 일부 실시예들에서, 주입된 수소가 완전히 반응하도록 충분한 산소를 제공하도록 예를 들어 가스 주입 벨브(228)를 통해 상기 반응 챔버 내로 직접적으로 또는 상류 배관(166a) 내로 산소의 유동(226)이 제공될 수 있다. 즉, 일부 경우들에서, 주입된 양의 수소는 충분히 작아 수소의 양을 정확히 제어하기 어렵다. 이러한 경우들에서, 캡슐 분위기 내에 이미 존재하는 산소와 반응하는데 필요한 수소의 양보다 많은 양이 가스 주입 벨브(204)를 통해 주입될 수 있으며(가스 주입 벨브(204)를 통해 제어하기 쉬운 수소의 양), 이 경우 과잉의 추가된 수소와 반응하고 예를 들어 시스템 내에 가영성 또는 폭살성 수소 농도들의 축적을 피하기 위해 가스 주입 벨브(228)를 통해 추가적인 산소가 반응 챔버(202)에 추가될 수 있다. 주입된 산소는 예를 들어 공기의 형태일 수 있으며, 공기가 반응 챔버(202) 내로 주입된다.
[0071] GCI(200)는 순환 경로(208)(예를 들어, 상류 배관(166a))로의 반응 가스의 유동, 외부 캡슐(100)로부터 반응 챔버(202)로의 산소의 유동, 및 상기 반응 챔버를 통한 공기 유동 중 하나 이상을 제어하도록 구성된 제어기를 더 포함할 수 있다. 즉, 일부 실시예들에서, 가스 주입 벨브(204) 및/또는 가스 주입 벨브(228)는 원격으로 작동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 기능은 제어기(150)를 통해 다루어질 수 있으나, 추가적인 실시예들에서 추가적인 제어기가 사용될 수 있다.
[0072] 일부 실시예들에서, 반응 챔버(202)에는 촉매, 예를 들어 백금이 제공될 수 있으며, 상기 캡슐 분위기 내의 산소와 상기 주입된 수소 가스는 상기 촉매와 반응하여 물을 생성한다. 예를 들어, 반응 챔버(202)는 촉매로 코팅된 높은 표면적 바디(240), 예컨대 세라믹 벌집 플레이트, 하나 이상의 배플(baffles), 또는 다른 높은 표면적 구조들을 포함할 수 있다.
[0073] 상기 촉매는 가열 요소(220)와 함께, 또는 반응 챔버(202)로 들어가는 캡슐 분위기(222)의 온도에 따라 가열 요소(220) 없이 사용될 수 있으나, 추가적인 실시예들에서, 상기 적어도 하나의 가열 요소(220)는 존재할 수 있으나 꺼져 있거나, 주기적으로 켜지고 꺼질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 적어도 하나의 가열 요소(220)는 반응 가스(206) 및 상기 캡슐 분위기(222)를 가열하며 또한 상기 수소-산소 반응을 용이하기하는 촉매로서 더 기능하는 백금 또는 백금 합금 가열 요소일 수있다.
예
[0074] 입구 및 출구를 가지는 반응 챔버 및 상기 반응 챔버를 통해 분위기를 이동시키기 위한 블로어 팬이 준비되었다. 기준 데이터를 달성하기 위해, 인클로져 내에 정상 상태 조건이 달성될 때까지 분당 850 표준 리터(slpm) 및 103.4 킬로파스칼(kPa)로 주입 벨브로 상기 반응 챔버의 상기 입구 내로 100% N2가 유동되었다. 상기 정상 상태 조건은 2.82% O2, 505℃ 가열 요소 온도, 37℃ 분위기 온도였다. 상기 블로어 팬은 10Hz 전력 공급 주파수로 설정되었다. 이슬점은 모니터링 또는 제어되지 않았다.
[0075] 상기 기준 조건을 달성한 직후, 상기 주입된 가스는 5% 형성 가스(5% 수소 및 95% 질소)로 변경되었다. 유동 조건들이 달성되었다: 감지된 산소는 ~0% (Novetech O2 센서 측정값이 2.92 X 10-16% O2), 508℃ 가열 요소 온도, 44℃ 공기 온도, 103.4kPa에서 793slpm 형성 가스, 10Hz에서 설정된 블로어 팬. 이슬점은 모니터링 또는 제어되지 않았다.
[0076] 상기 데이터는 산소-함유 가스와 가열된 반응 챔버 내로 수소 가스를 도입하는 것은 반응 챔버 내로 유동하는 산소 농도를 0.5 부피% 보다 현저히 낮은, 심지어 반응 챔버를 나가는 부피가 0.1% 미만의 수준까지 감소시킬 수 있다는 것을 보여준다. 본 명세서에 개시된 실시예들에 따르면, 약 2 부피% 이상, 예를 들어 약 2 부피% 내지 약 3 부피%의 유입 산소 농도는 약 0.2 부피% 이하, 예를 들어 약 0.1 부피% 이하, 예를 들어 약 0.05% 이하, 예를 들어 약 0.005% 이하, 예컨대 약 0.001% 이하의 유출 산소 농도로 감소될 수 있다.
[0077] 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 개시의 실시예들에 다양한 변형들 및 변경들이 이루어질 수 있다는 것이 당업계의 통상의 기술자들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 개시는 첨부된 청구항들 및 그 균등물들의 범위 내인한 이러한 변형들 및 변경들을 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (27)
- 백금-함유 용기를 통해 용융 유리를 유동시키는 단계로서, 상기 백금-함유 용기는 인클로져와 상기 백금-함유 용기 사이에 유동하는 산소를 포함하는 분위기를 포함하는 상기 인클로져 내에 위치되는, 유동시키는 단계;
반응 챔버의 상류의 배관 및 상기 반응 챔버의 하류의 배관을 통해 상기 인클로져와 유체 연통하는 상기 반응 챔버를 통해 상기 분위기를 지향시키는 단계로서, 상기 인클로져, 상기 상류 배관, 상기 반응 챔버, 및 상기 하류 배관은 순환 경로를 포함하는, 지향시키는 단계;
상기 반응 챔버의 상류에서 상기 순환 경로 내로 수소 가스를 주입하는 단계; 및
상기 반응 챔버 내에서 상기 산소와 상기 수소 가스를 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 반응시키는 단계는 상기 반응 챔버 내에서 상기 분위기 및 상기 수소 가스를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제2 항에 있어서,
상기 가열하는 단계는 가열 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 가열하는 단계 동안 상기 가열 요소의 온도는 적어도 약 500℃인 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 가열 요소는 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 반응시키는 단계는 상기 반응 챔버 내에서 백금-함유 촉매에 상기 수소 가스 및 상기 산소를 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 주입하는 단계는 상기 수소 가스와 함께 비활성 가스를 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 반응 챔버 내로 추가적인 산소를 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 인클로져 내에 위치된 백금-함유 용기를 통해 용융 유리를 유동시키는 단계;
상기 인클로져와 상기 백금-함유 용기 사이의 산소를 포함하는 분위기를 유동시키는 단계;
상기 인클로져와 유체 연통하는 반응 챔버를 통해 상기 분위기를 지향시키는 단계;
상기 분위기 내로 수소 가스를 포함하는 반응 가스를 주입하는 단계; 및
상기 반응 챔버 내에서 상기 산소와 상기 수소 가스를 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제9 항에 있어서,
상기 반응 가스 내의 수소 가스 농도는 상기 반응 가스의 총 부피에 대한 부피로 약 1% 내지 100% 범위인 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제10 항에 있어서,
상기 반응 가스는 비활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제9 항에 있어서,
상기 분위기는 순환 경로를 따라 상기 인클로져와 상기 반응 챔버 사이에 유동하고, 상기 반응 가스는 상기 반응 챔버의 상류에서 상기 순환 경로 내로 주입되는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제12 항에 있어서,
상기 반응 챔버의 상류에서 상기 순환 경로 내의 산소 농도를 감지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제13 항에 있어서,
상기 반응 챔버의 상류에서 상기 순환 경로 내의 상기 산소 농도는 약 0.5 부피% 이상인 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제12 항에 있어서,
상기 반응 챔버의 하류에서 상기 순환 경로 내의 산소 농도를 감지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 반응 챔버의 하류에서 상기 순환 경로 내의 상기 산소 농도는 약 0.2 부피% 미만인 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 반응시키는 단계 동안 상기 반응 챔버 내로 추가적인 산소를 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제9 항에 있어서,
상기 인클로져 내의 상기 분위기의 압력은 약 38Pa 미만인 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제9 항에 있어서,
상기 반응 챔버 내에서 상기 분위기를 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제19 항에 있어서,
상기 가열하는 단계는 가열 요소로 상기 분위기를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제20 항에 있어서,
상기 가열하는 단계 동안 상기 가열 요소의 온도는 적어도 500℃인 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제20 항에 있어서,
상기 가열 요소는 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 제9 항에 있어서,
상기 반응 챔버 내에서 백금-함유 촉매에 상기 분위기 및 상기 반응 가스를 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 장치 내의 산소 농도를 감소시키기 위한 방법. - 용융 재료를 운반하도록 구성된 백금-함유 용기;
상기 백금-함유 용기를 포함하는 인클로져; 및
상기 인클로져와 유체 연통하며 상기 인클로져를 통해 분위기를 순환시키도록 구성된 환경 제어 시스템을 포함하고,
상기 환경 제어 시스템은,
반응 챔버;
수소 가스의 저장소와 유체 연통하며 상기 분위기의 유동 방향에 대하여 상기 반응 챔버의 상류에서 상기 환경 제어 시스템에 상기 수소 가스를 제공하도록 구성된 가스 주입 벨브; 및
상기 반응 챔버 내에 위치된 가열 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 공정에서 산소 함유 분위기를 제어하기 위한 장치. - 제24 항에 있어서,
상기 반응 챔버 내에 위치된 백금-함유 촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 공정에서 산소 함유 분위기를 제어하기 위한 장치. - 제24 항에 있어서,
상기 가열 요소는 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 공정에서 산소 함유 분위기를 제어하기 위한 장치. - 제24 항에 있어서,
상기 환경 제어 시스템은, 산소 함유 가스의 저장소와 유체 연통하며 상기 반응 챔버에 상기 산소 함유 가스를 제공하도록 구성된, 주입 벨브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 공정에서 산소 함유 분위기를 제어하기 위한 장치.
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