TW202323205A - 用於在玻璃製造製程中控制含氧氣氛的設備及方法 - Google Patents

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梅根歐若拉 迪拉米留
克里斯坦 史文克喬治
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Abstract

本發明揭示用於降低外殼中之氧濃度之方法，該外殼包括含鉑容器，熔融玻璃流過該含鉑容器。該方法包括將氫氣注入含氧氣氛中，該含氧氣氛在該外殼與反應腔室之間流動。該氣氛在該反應腔室中以加熱元件加熱，因此該含氧氣氛中之氧與該氫反應。在其他實施例中，該氫氣及含氧氣氛可暴露於包含鉑之催化劑，該包含鉑之催化劑定位於該反應腔室中。

Description

用於在玻璃製造製程中控制含氧氣氛的設備及方法
相關申請案之交互參照：本申請案主張2018年4月20日申請之美國臨時申請案第62/660,323號之優先權權益，本申請案依賴該美國臨時申請案之內容且該等內容以引用之方式整體併入本文，如同下文充分地闡述。
本發明係關於玻璃之製造，及具體而言包圍包含玻璃製造設備的含鉑容器的氣氛中之氧之控制。
已知氫交叉鉑界限。跨於鉑界限的氫之不平衡將使氫在朝向最低氫分壓之方向上滲透鉑界限。
例如在顯示面板之製造中使用的玻璃薄片的光學品質玻璃製品之製造通常包含使熔融玻璃流過鉑或鉑合金容器。含於流動至容器中的熔融玻璃中的水表示大體上穩定的氫分壓。若含鉑容器之外部表面上的氫分壓低於熔融玻璃中之氫分壓，則由水之分解產生的含於熔融玻璃中的氫將藉由鉑容器滲透至外部氣氛中。留在熔融玻璃中的氧可在熔融玻璃-鉑界面處形成氣泡，且此等氣泡可經釋放至熔融玻璃中，從而在完成的玻璃製品中產生不合需要的缺陷(起泡)。
為緩和氫滲透，通常將含鉑容器定位於具有受控氣氛之外殼內。外殼氣氛循環穿過外殼且外殼氣氛中之預定氫分壓通常藉由將水蒸氣注入外殼氣氛中加以維持。外殼氣氛包含降低的氧含量以防止可導致容器故障的容器之腐蝕(例如，氧化)。鼓風機使氣氛循環以冷卻含鉑容器。
儘管鼓風機可有效防止含鉑容器之過度加熱，但該等鼓風機亦可引起系統中之低壓區部，該等低壓區部引起環境空氣之滲入，因為難以使系統為氣密的。為盡可能地降低氣氛之氧含量，可注入氮(N 2)以稀釋氧。但是，存在可將氧含量驅動成多低的實際限制，因為外殼洩漏難以避免，且藉由氮氣添加的熔化輸送系統中之高壓可引起鉑之自由表面上之鉑微粒缺陷，該等鉑微粒缺陷隨後可轉向熔融玻璃。
此解決方案之一替代性方案為不使用風扇的非循環系統。然而，非循環系統將限制可在製程之冷卻帶中達成的冷卻量。增加熔融玻璃之流動速率，例如以增加產量，增加運輸系統之溫度且需要更多冷卻以滿足用於熔融玻璃之目標溫度(例如，黏度)。因此，可降低至系統之加熱功率以促進冷卻。然而，在極端情況下，熔融玻璃之流動可增加至加熱功率降低至零的速率，從而導致作為控制參數的加熱損失。作為控制參數的加熱可藉由增加穿過系統的氣體流動以促進額外冷卻重新獲得。增加的氣體流動(藉由風扇速度助力)增加需來保持相同溫度目標的功率。因此，在實踐中，需要非零最小加熱功率用於冷卻帶。超過最小的任何額外加熱功率變得可利用來進一步增加穿過系統的玻璃流動。因而，加熱及冷卻之組合在冷卻帶中經用作製程中之「制動器」(亦即，用以在需要時使玻璃流動緩慢或停止)。超過最小功率的保留或額外加熱功率可用來致能流動增加，該等流動增加可轉換成增加之產量。因此，儘管較低氧含量理論上可藉由降低風扇速度達成，但此替代性方案成本高昂，並不具有經濟上的吸引力。
另一替代性方案將使用燃燒燈燃燒過量氧。此方法可顯著地降低氧含量，但將強加額外的複雜化。一個此複雜化為管理反應以燒掉O 2且處理熱及燈之火焰長度。使氧含量保持恆定經利用來維持氣體之有效露點且燃燒可提供O 2含量之更多可變性。另一複雜化在於所得燃燒氣體在含鉑容器周圍循環。因此，燃料及燃燒產物應與含鉑容器及該等含鉑容器內之熔融玻璃相容，從而不產生玻璃中之缺陷或使金屬降級。例如，在碳基燃料之狀況下，碳穿過鉑系統之滲透可產生起泡缺陷。因此，不合需要的反應及火焰之積極管理使此替代性方案為可能的，但並非吸引人的。
移除氧之其他方法可使用化學吸附。然而，再次，此方法係不切實際的，因為其將使額外化學品添加至環境，需要維護，且增加操作成本。
根據本發明，揭示一種降低玻璃製造設備中之氧濃度之方法，該方法包含使熔融玻璃流過含鉑容器，該含鉑容器定位於外殼內，使包含氧之氣氛在該外殼與該含鉑容器之間流動，導向該氣氛穿過與該外殼形成流體連通的反應腔室，將包含氫氣之反應氣體注入該外殼氣氛中，及使該氫氣與該氧在該反應腔室中反應。
該反應氣體中之該氫氣之濃度可相對於該反應氣體之總體積在自約1%至100%體積比之範圍內。在一些實施例中，該反應氣體可包含惰性氣體，例如氮或稀有氣體。
根據各種實施例，該氣氛可沿著循環路徑在該外殼與該反應腔室之間流動，且該反應氣體可經注入該反應腔室上游之該循環路徑中，例如注入該反應腔室上游且將該反應腔室連接至封囊的管道中。
該方法可進一步包含感測該反應腔室上游之該循環路徑中之氧濃度，其中該反應腔室上游之該循環路徑中之該氧濃度等於或大於約0.5%體積比。
該方法可更進一步包含感測該反應腔室下游之該循環路徑中之氧濃度。在一些實施例中，該反應腔室下游之該循環路徑中之該氧濃度可小於約0.2%體積比，例如小於約0.1%，小於0.05%，或甚至小於約0.01%。
在一些實施例中，控制器可回應於所感測下游氧濃度而增加或減少氫氣流動速率。該方法可進一步包含藉由在該反應期間將額外氧注入該反應腔室中將該反應腔室下游的該氣氛中之氧濃度控制至預定值。
外殼中之氣氛之壓力可小於約38 Pa。
在進一步實施例中，該方法可包含加熱該反應腔室中之該氣氛。例如，該加熱可包含以加熱元件，諸如電加熱元件加熱該氣氛。加熱元件在該加熱期間之溫度可為至少500℃。在一些實施例中，該加熱元件可包含鉑。
在更進一步實施例中，該方法可包含使該氣氛及該反應氣體暴露於該反應腔室中之含鉑催化劑。例如，在某些實施例中，該加熱元件可包含鉑，其中該加熱元件充當催化劑。
在其他實施例中，描述一種降低玻璃製造設備中之氧濃度之方法，該方法包含使熔融玻璃流過含鉑容器，該含鉑容器定位於外殼內，該外殼含有包含氧之氣氛，該氣氛在該外殼與該含鉑容器之間流動，藉由該反應腔室上游之管道及該反應腔室下游之管道導向該氣氛穿過與該外殼形成流體連通的反應腔室，其中該外殼、該上游管道、該反應腔室及該下游管道包含循環路徑。該方法可進一步包括將氫氣注入該反應腔室上游之該循環路徑中及使該氫氣與該氧在該反應腔室中反應。
該方法可進一步包含例如以加熱元件，例如電加熱元件加熱該反應腔室中之該封囊氣氛及該氫氣。
加熱元件在該加熱期間之溫度可為至少約500℃。
在一些實施例中，該加熱元件可包含鉑。
在一些實施例中，該注入可進一步包含與該氫氣一起注入惰性氣體。
在另一實施例中，揭示一種用於在玻璃製造製程中控制含氧氣氛的設備，該設備包含：含鉑容器，該含鉑容器經設置以運輸熔融物料穿過該含鉑容器；外殼，該外殼含有該含鉑容器；環境控制系統，該環境控制系統與該外殼形成流體連通且經設置以循環氣氛穿過該外殼，該環境控制系統包含：反應腔室；氣體注入閥，該氣體注入閥與氫氣儲器形成流體連通且經設置以將該氫氣提供至相對於該氣氛之流動方向在該反應腔室上游的該環境控制系統；以及包含鉑之催化劑，該包含鉑之催化劑定位於該反應腔室中。
該設備可進一步包含加熱元件，該加熱元件定位於該反應腔室內。在一些實施例中，該加熱元件可包含鉑且充當催化劑。例如，該加熱元件可為電加熱元件。
在一些實施例中，該環境控制系統可進一步包含注入閥，該注入閥與包含氧之氣體之儲器形成流體連通且經設置以將包含氧之氣體提供至該反應腔室。
本文所揭示之實施例之額外特徵及優點將在以下詳細描述中闡述，且熟習此項技藝者將自彼描述部分地顯而易見或藉由實踐如本文所描述之本發明，包括以下詳細描述、申請專利範圍，以及所附圖式認識。
應理解，先前一般描述及以下詳細描述呈現意欲提供用於理解本文所揭示之實施例之性質及特性的概述或框架的實施例。包括伴隨圖式以提供進一步理解並且該等伴隨圖式併入本說明書中且構成本說明書之一部分。圖式例示本發明之各種實施例，且與描述一起解釋本發明之原理及操作。
現將詳細參考本發明之實施例，該等實施例之實例例示於伴隨圖式中。在任何可能的情況下，相同元件附號在整個圖式中將用來指代相同或相似部分。然而，本發明可體現於許多不同形式，且不應解釋為限於本文闡述之實施例。
在本文中，範圍可經表達為自「約」一個特定值及/或至「約」另一特定值。當表達此範圍時，另一實施例包括自該一個特定值至該另一特定值。類似地，當藉由使用先行詞「約」將值表達為近似值時，應理解，特定值形成另一實施例。應進一步理解，範圍中之每一個之端點相對於另一端點且獨立於另一端點皆為有意義的。
如本文中所使用之定向術語——例如上、下、右、左、前、後、頂部、底部——僅參考如所繪製的各圖進行，且不欲暗示絕對方位。
除非另有明確陳述，否則本文闡述之任何方法決不欲解釋為要求該方法之步驟以特定順序執行，亦不欲在任何設備的情況下，要求特定取向。因此，在方法請求項未實際上敘述將由該方法請求項之步驟遵循之順序，或任何設備請求項未實際上敘述單獨組件之順序或取向，或在申請專利範圍或描述中未另外具體陳述步驟將限於特定順序，或設備之組件之特定順序或取向未經敘述的情況下，決不欲在任何方面推斷順序或取向。此適用於任何可能的未表達解釋基礎，包括：關於步驟之配置、操作流程、組件之順序，或組件之取向的邏輯實質；得自語法組織或標點的普通含義；以及說明書中所描述之實施例之數目或類型。
如本文所用，除非上下文另外明確規定，否則單數形式「一(a/an)」、及「該/該等(the)」包括複數指示物。因此，例如，除非上下文另有明確地指示，否則對「一」部件之引用包括具有二或更多個此類部件的態樣。
字語「示範性」、「示例性」或該等字語之各種形式在本文中用來意味充當實例、情況，或說明。本文描述為「示範性」或描述為「示例性」的任何態樣或設計不一定解釋為優於其他態樣或設計而為較佳的或有利的。此外，實例經提供來僅用於清晰及理解之目的且並非意味以任何方式限制或約束本發明之所揭示的主題或相關部分。應瞭解，變化範疇之大量額外或替代實例可經呈現，但已出於簡潔之目的而經省略。
如本文所使用，術語「容器」應解釋為涵蓋經設置以保持、含有，或運輸熔融玻璃穿過的任何結構，且無限制地包括調節容器、熔化容器，及將熔融玻璃自一個位置運輸至另一位置的導管。
如本文所使用，術語「熔融玻璃」意味當適當地熱調節(例如，藉由冷卻)時可呈現玻璃狀態的熔融材料，且與「玻璃熔體」或簡單地「熔體」同義。
第1圖中所示的是示範性玻璃製造設備10。在一些實施例中，玻璃製造設備10可包含玻璃熔化爐12，該玻璃熔化爐可包括熔化容器14。除熔化容器14之外，玻璃熔化爐12可任擇地包括一或多個額外部件，諸如加熱元件(例如，燃燒燈及/或電極)，該等加熱元件經設置以加熱原材料且將原材料轉換成熔融玻璃。例如，熔化容器14可為電助力熔化容器，其中能量藉由燃燒燈且藉由直接加熱兩者添加至原材料(其中藉由原材料建立電流以藉由焦耳加熱來加熱原材料)。
在進一步實施例中，玻璃熔化爐12可包括熱管理裝置(例如，絕緣部件)，該熱管理裝置降低來自熔化容器之熱損失。在更進一步實施例中，玻璃熔化爐12可包括電子裝置及/或機電裝置，該等電子裝置及/或機電裝置促進原材料熔化成玻璃熔體。更進一步，玻璃熔化爐12可包括支撐結構(例如，支撐底盤、支撐構件等)或其他部件。
熔化容器14通常由諸如耐火陶瓷材料的耐火材料形成，該耐火陶瓷材料例如包含氧化鋁或氧化鋯的耐火陶瓷材料，但是耐火陶瓷材料可包含替代地或以組合方式使用的其他耐火材料，諸如釔(例如，氧化釔、氧化釔穩定的氧化鋯)、鋯石(ZrSiO 4)或氧化鋁-氧化鋯-二氧化矽或甚至氧化鉻。在一些實例中，熔化容器14可由耐火陶瓷磚構造。
在一些實施例中，玻璃熔化爐12可經併入作為經設置以製造玻璃製品例如各種長度之玻璃條帶的玻璃製造設備之部件，但是在進一步實施例中，玻璃製造設備可經設置以無限制地形成其他玻璃製品，諸如玻璃棒、玻璃管、玻璃包封(例如，用於照明裝置例如燈泡之玻璃包封)及玻璃透鏡，然而涵蓋許多其他玻璃製品。在一些實例中，熔化爐可經併入作為玻璃製造設備之部件，該玻璃製造設備包含狹槽拉製設備、浮法浴設備、下拉設備(例如，融合下引設備)、上引設備、壓製設備、輥軋設備、拔管設備或將受益於本發明的任何其他玻璃製造設備。藉由實例之方式，第1圖示意性地例示作為用於熔合拉製用於後續處理成單獨玻璃薄片的玻璃條帶或將玻璃條帶輥軋至捲軸上的融合下拉玻璃製造設備10之部件的玻璃熔化爐12。
玻璃製造設備10 (例如，融合下拉設備10)可任擇地包括相對於玻璃熔化容器14定位在上游的上游玻璃製造設備16。在一些實例中，上游玻璃製造設備16之一部分，或整個該上游玻璃製造設備可經併入作為玻璃熔化爐12之部分。
如第1圖中所例示之實施例中所示，上游玻璃製造設備16可包括原材料儲存箱18、原材料輸送裝置20及連接至原材料輸送裝置的馬達22。原材料儲存箱18可經設置以儲存一定量的原材料24，該原材料可藉由一或多個進料埠進料至玻璃熔化爐12之熔化容器14中，如藉由箭頭26所指示。原材料24通常包含形成金屬氧化物的一或多個玻璃及一或多個改質劑。在一些實例中，原材料輸送裝置20可藉由馬達22供以動力，使得原材料輸送裝置20將預定量的原材料24自儲存箱18輸送至熔化容器14。在進一步實例中，馬達22可對原材料輸送裝置20供以動力以基於相對於熔融玻璃之流動方向在熔化容器14下游感測的熔融玻璃之水平而以受控制的速率引入原材料24。熔化容器14內之原材料24此後可經加熱以形成熔融玻璃28。通常，在初始熔化步驟中，原材料經添加至熔化容器作為微粒，例如作為包含各種「砂」。原材料亦可包括來自先前熔化及/或形成操作之廢料玻璃(亦即玻璃屑)。燃燒燈通常用來開始熔化製程。在電助力熔化製程中，一旦原材料之電阻充分地降低(例如，當原材料開始液化時)，電助力藉由使定位成與原材料接觸的電極之間的電勢顯現開始，藉此建立穿過原材料之電流，原材料在此時通常進入熔融狀態或處於熔融狀態中。
玻璃製造設備10亦可任擇地包括相對於熔融玻璃28之流動方向定位於玻璃熔化爐12下游的下游玻璃製造設備30。在一些實例中，下游玻璃製造設備30之一部分可經併入作為玻璃熔化爐12之部分。然而，在一些情況下，以下所論述之第一連接導管32，或下游玻璃製造設備30之其他部分可經併入作為玻璃熔化爐12之部分。下游玻璃製造設備之元件包括第一連接導管32可由貴金屬形成。適合的貴金屬包括選自由鉑、銥、銠、鋨、釕及鈀，或上述各者之合金組成之群組的鉑族金屬。例如，玻璃製造設備之下游部件可由鉑-銠合金形成，該鉑-銠合金包括自約70%至約90%重量比的鉑及約10%至約30%重量比的銠。然而，用於形成玻璃製造設備之下游部件的其他適合的金屬可包括鉬、錸、鉭、鈦、鎢及上述各者之合金。
下游玻璃製造設備30可包括澄清容器34，該澄清容器位於熔化容器14下游且藉由上文涉及之第一連接導管32耦接至熔化容器14。在一些實例中，熔融玻璃28可藉由第一連接導管32自熔化容器14重力進料至澄清容器34。例如，重力可藉由第一連接導管32之內部路徑將熔融玻璃28自熔化容器14驅動至澄清容器34。然而，應理解，其他調節容器可定位在熔化容器14下游，例如在熔化容器14與澄清容器34之間。在一些實施例中，調節容器可使用在熔化容器與澄清容器之間，其中來自主熔化容器之熔融玻璃在輔容器中進一步加熱以繼續熔化製程，或在進入澄清容器之前冷卻至低於主熔化容器中之熔融玻璃之溫度的溫度。澄清容器34可例如由鉑-銠合金形成，該鉑-銠合金包括自約70%至約90%重量比的鉑及約10%至約30%重量比的銠。
如先前所描述，可藉由各種技術自熔融玻璃28移除氣泡。例如，原材料24可包括多價化合物(亦即澄清劑)諸如氧化錫，該等多價化合物當加熱時經歷化學還原反應且釋放氧。其他適合的澄清劑無限制地包括砷、銻、鐵及鈰，但是砷及銻之使用在一些應用中可出於環境原因而令人失望。澄清容器34經加熱至大於熔化容器溫度的溫度，藉此加熱澄清劑。藉由包括於熔體中的一或多個澄清劑之溫度誘發化學還原產生的氧氣泡穿過澄清容器內之熔融玻璃上升，其中熔化爐中產生的熔融玻璃中之氣體可聚結或擴散至藉由澄清劑產生的氧氣泡中。具有增加之浮力之放大的氣體氣泡隨後可上升至澄清容器內之熔融玻璃之自由表面且此後排出澄清容器。氧氣泡在其穿過熔融玻璃上升時可進一步誘發澄清容器中之熔融玻璃之機械混合。
下游玻璃製造設備30可進一步包括用於混合在澄清容器34下游流動的熔融玻璃的另一調節容器，諸如混合容器36，例如攪拌容器。混合容器36可用來提供均質玻璃熔體組合物，藉此降低否則可存在於退出澄清容器的澄清熔融玻璃內的化學或熱非均質性。如所示，澄清容器34可藉由第二連接導管38耦接至混合容器36。在一些實施例中，熔融玻璃28可藉由第二連接導管38自澄清容器34重力進料至混合容器36。例如，重力可藉由第二連接導管38之內部路徑將熔融玻璃28自澄清容器34驅動至混合容器36。通常，混合容器36內之熔融玻璃包括自由表面，其中自由體積在自由表面與混合設備之頂部之間延伸。應注意，儘管混合容器36示出為相對於熔融玻璃之流動方向在澄清容器34之下游，但在其他實施例中混合容器36可定位在澄清容器34上游。在一些實施例中，混合容器36可由鉑-銠合金形成，該鉑-銠合金包括自約70%至約90%重量比的鉑及約10%至約30%重量比的銠。
在一些實施例中，下游玻璃製造設備30可包括多個混合容器，例如在澄清容器34上游的混合容器及在澄清容器34下游的混合容器。此等多個混合容器可具有相同設計，或該等混合容器可具有彼此不同的設計。在一些實施例中，容器及/或導管中之一或多個可包括定位於其中以促進熔融材料之混合及後續均質化的靜態混合葉片。
下游玻璃製造設備30可進一步包括輸送容器40，該輸送容器可位於混合容器36下游。輸送容器40可調節將要進料至下游成形裝置中的熔融玻璃28。例如，輸送容器40可充當累積器及/或流動控制器以調整且藉由出口導管44將熔融玻璃28之一致流動提供至成形主體42。在一些實施例中，輸送容器40內之熔融玻璃可包括自由表面，其中自由體積自自由表面向上延伸至輸送容器之頂部。如所示，混合容器36可藉由第三連接導管46耦接至輸送容器40。在一些實例中，熔融玻璃28可藉由第三連接導管46自混合容器36重力進料至輸送容器40。例如，重力可藉由第三連接導管46之內部路徑將熔融玻璃28自混合容器36驅動至輸送容器40。輸送容器40可例如由鉑-銠合金形成，該鉑-銠合金包括自約70%至約90%重量比的鉑及約10%至約30%重量比的銠。
下游玻璃製造設備30可進一步包括成形設備48，該成形設備包含上文涉及之成形主體42，該成形主體包括入口導管50。出口導管44可經定位以將熔融玻璃28自輸送容器40輸送至成形設備48之入口導管50。例如，入口導管50可由鉑-銠合金形成，該鉑-銠合金包括自約70%至約90%重量比的鉑及約10%至約30%重量比的銠。
融合下拉玻璃製造設備中之成形主體42可包含定位於成形主體之上表面中的流槽52及沿著成形主體之底部邊緣(根部) 56在拉製方向上會聚的會聚成形表面54 (示出僅一個表面)。經由輸送容器40、出口導管44及入口導管50輸送至成形主體流槽52的熔融玻璃溢出流槽52之壁且作為熔融玻璃之分離流動沿著會聚成形表面54下降。熔融玻璃之分離流動在根部56下方且沿著該根部接合以產生熔融玻璃之單個條帶58，在熔融玻璃冷卻且材料之黏度增加時，該單個條帶藉由將向下張力施加至玻璃條帶，諸如藉由重力、邊緣輥及拉輥總成自根部56在拉製方向60上沿著拉製平面59拉製，以控制玻璃條帶之尺寸。因此，玻璃條帶58經受黏彈轉變且獲取給予玻璃條帶58穩定尺寸特性的機械性質。在一些實施例中，玻璃條帶58可在玻璃條帶之彈性帶中藉由玻璃分離設備64分離成單獨玻璃薄片62，而在進一步實施例中，玻璃條帶可經纏繞至捲軸上且儲存用於進一步處理。
自先前描述應顯而易見，用來含有且/或將熔融玻璃自熔化容器14運輸至成形主體42的下游玻璃製造設備30之各種組件可由鉑或其合金形成。困擾此類含鉑熔融玻璃運輸及調節組件的現象為氫滲透，鍵接至熔融玻璃中之氧(例如，羥基離子，OH -，通常稱為「水」)的氫藉以在高溫下與氧分離且穿過各種容器之含鉑壁滲透的製程，熔融玻璃流過該等含鉑壁，從而將氧留在熔融玻璃壁界限處。氧作為變得夾帶在熔融玻璃中的氧之氣泡(起泡)進入熔融玻璃流動，且可併入藉由成形設備產生的最終玻璃產品中，該等玻璃產品例如藉由成形主體42形成的玻璃條帶。
另外應顯而易見，氫滲透之速率隨含鉑容器壁之相對表面處的各別氫濃度而變，該含鉑容器壁形成熔融玻璃與含鉑容器外側的氣氛之間的界限。在容器外側的氫濃度增加時，容器內(亦即，熔融玻璃內)之氫穿過容器壁滲透且滲透出容器的趨勢降低。然而，儘管熔融玻璃之水含量在製造製程期間很大程度上保持穩定，但包圍玻璃製造設備的氣氛之濕氣含量可實質上取決於濕度及溫度而波動，從而使氫滲透之控制為困難的。
為控制且緩和起泡產生，現代玻璃製造製程可進一步包括輔外殼，在下文中「封囊」，該輔外殼封閉下游玻璃製造設備之至少含鉑組件(例如，容器)。封囊內的氣氛因此可藉由控制封囊氣氛中之氫分壓加以控制以降低氫滲透之效應。若干不同類型的此等濕度受控外殼論述於美國專利第5,785,726號及美國專利第7,628,039號中。
與玻璃製造設備可含於其中的製造空間(例如，工廠)相比，封囊100為小外殼，該小外殼包含介於容器與封囊之間的小夾套體積102，該小夾套體積促進對含於其中的氣氛之較好控制。例如，封囊壁可與含鉑容器壁分離一米或更小。因而，用於封囊及相關聯裝置之感測器讀數諸如例如相對濕度或露點溫度比用於整個工廠的更可能表示玻璃處理裝備之外部金屬表面處的條件，因為封囊100中之夾套體積比工廠之體積小得多。因此，可在不需要控制玻璃製造設備含於其中的房間或製造空間內之較大環境中之氣氛的情況練習對起泡產生之控制。例如，控制且緩和氫滲透所必需的條件在小體積中較容易誘發，且若強加於工作空間中，將對於彼空間內之人員為不舒服的或無法維持的。
夾套體積102限定在封囊100之內部壁與下游玻璃製造設備30中之容器32、34、36、38、40、44及46中之一或多個之外部壁之間。如所示，在一些實施例中，封囊100可經佈置為封閉下游玻璃製造設備30之含鉑容器之長度之全部或一部分的一個區帶。替代地，儘管未示出，多個封囊100可經構造為包圍容器32、34、36、38、40、44及46中之一或多個的多個區帶。利用多個封囊100之優點能夠獨立於下游玻璃製造設備之另一區域而控制下游玻璃製造設備之一個區域中之氣氛。
另外包括在下游玻璃製造設備中的是與封囊100形成流體連通的閉環控制系統104，該閉環控制系統控制封囊夾套體積102內之氣氛且防止成問題的氧化反應發生在容器32、34、36、38、40、44及46，或熔融玻璃流過且包含在封囊100內的任何其他含鉑容器中之任何一或多個內側的金屬-玻璃界面處。閉環控制系統104控制封囊100內側之氣氛以藉由減少、消除或使穿過含鉑容器壁之氫滲透反向抑制熔融玻璃-金屬界面處之不合需要的氧化反應。穿過玻璃金屬界面進入熔融玻璃中之氫滲透之受控水平減少熔融玻璃28中之不合需要的物種諸如自由氧之生產，此繼而防止熔融玻璃中之不合需要的氣體夾雜物之形成。至熔融玻璃-金屬界面中之氫滲透藉由相對於內部熔融玻璃-金屬界面將較高氫分壓供應至下游玻璃製造設備30中之外部表面(非玻璃接觸表面)達成。為實現此舉，在封囊100內側維持潤濕的低氧氣氛。
示範性閉環控制系統104可包括環境控制系統(ECS) 148及控制器150，該控制器自封囊100內及通向及來自封囊100的管道系統內之一或多個位置獲得感測器讀數，該等管道系統循環封囊氣氛。控制器150可自封囊供應感測器152、封囊感測器154及封囊出口感測器156獲得感測器讀數。在此實例中，封囊供應感測器152可包括流動感測器152a、露點或濕度感測器152b、溫度感測器152c、氧感測器152d，及壓力感測器152e。封囊感測器154可包括流動感測器154a、露點或濕度感測器154b、溫度感測器154c、氧感測器154d，及壓力感測器154e。封囊出口感測器156可包括流動感測器156a、露點或濕度感測器156b、溫度感測器156c、氧感測器156d，及壓力感測器156e。
控制器150處理感測器量測且使用所得資料來控制包含ECS 148的不同裝置，諸如濕度進料系統158、加熱及/或冷卻控制系統160、空氣處置器(多個) 162及O 2及/或N 2補充系統164。空氣處置器(多個) 162例如藉由濕度進料系統158可使用可提供至封囊100的空氣及水蒸汽(水蒸汽)。所有裝置158、160、162及164藉由管道網路166與封囊100形成流體連通。在操作中，控制器150控制裝置158、160、162及164以產生封囊100內側之氣氛，其中藉由封囊內側之水蒸汽之分解產生的氫以等於或大於在環境氣氛存在於容器之非玻璃接觸表面處的情況下另外將發生的穿過容器32、34、36、38、40、44及46之金屬壁的向外氫滲透之速率的速率發生。且，當在容器之外側表面處存在較高氫分壓時，熔融玻璃28內不合需要的物種諸如氧之減少防止其中不合需要的氣體夾雜物之形成。
另外，封囊100內單獨可控制的氣氛可用來大大地降低含鉑容器32、34、36、38、40、44及46之氧化速率。因為下游玻璃製造設備之含鉑容器在高溫(在自關於1200℃至約1700℃之範圍內，取決於位置及功能)處操作，所以含鉑容器可在存在高氧濃度的情況下迅速地氧化，該高氧濃度例如通常見於可呼吸空氣中的氧含量。藉由將下游玻璃製造設備之含鉑容器置放於單獨可控制的氣氛，例如，封囊氣氛內，氧濃度可經保持為可靠低的，例如小於約5%體積比，例如小於約3%體積比，諸如在自約2%至約0.5%之範圍內。
如以上所描述，封囊內之氣氛，水蒸汽及惰性氣體(例如，氮)之組合用於若干目的：該氣氛藉由調節下游玻璃製造之含鉑容器外側的氫分壓提供對氫滲透之控制及緩和，且該氣氛藉由限制與此等容器接觸的氧之濃度防止下游玻璃製造設備之含鉑容器之氧化及崩解。另外，封囊氣氛充當冷卻介質以幫助控制在下游玻璃製造設備之含鉑容器內流動的熔融玻璃之黏度。
玻璃製品例如適合於在顯示面板之製造中使用的玻璃薄片之製造需要對熔融玻璃之精細黏度控制。澄清容器內之熔融玻璃應處於充分低的黏度處以允許氣泡逸出熔融玻璃，充分熱以減少澄清劑，且甚至在輻射冷卻之後在下游混合容器中包含充分低的黏度以允許攪拌構件使熔融玻璃旋轉且均質化。仍然，熔融玻璃應在成形主體處具有充分高的黏度以允許熔融玻璃呈現特定結構。為達成此黏度控制，藉由加熱元件(包括選定的容器之直接加熱)、各種熱傳導性之絕緣、厚度，及置放在封囊內之含鉑容器周圍的層，及封囊氣氛之流動執行加熱及冷卻之組合。
定位於封囊100內的含鉑容器32、34、36、38、40、44及46周圍的封囊空氣之流動主要藉由對流將熱自含鉑容器抽離。空氣處置單元162中之鼓風機使封囊氣氛自ECS 148循環穿過管道網路166且穿過封囊夾套體積102，因而冷卻流過含鉑容器的熔融玻璃。封囊內之各種溫度及濕度感測裝置將溫度及濕度訊息自各種感測裝置152、154及156傳輸至控制器150。控制器150繼而控制加熱器及/或冷卻以控制封囊氣氛之溫度及濕度(例如，露點)。
儘管先前封囊設備能夠控制且緩和氫滲透，且很大程度上避免封囊內含鉑容器之氧化，但該封囊設備難以形成完全不漏的(例如，氣密)圍阻結構。此外，空氣處置系統162內之鼓風機可在封囊100 (及管道網路166)內產生低壓區部。此等低壓區部可藉由洩漏，例如藉由洩漏墊圈、不牢固接頭等將封囊外側之空氣(例如，氧)抽吸至封囊氣氛中。外側空氣至封囊中之此滲入可使封囊內之氧濃度上升，藉此增加含鉑容器之氧化風險且減少容器壽命。
此外，由於製造設備之高投資成本，生產量增加很大程度上藉由增加熔融玻璃流動速率獲得。熔融玻璃流動速率之增加可導致熔融玻璃-運載容器中之較高操作溫度。較高操作溫度繼而可需要藉由增加冷卻以維持黏度控制加以限制，此舉可導致較高鼓風機速度，從而進一步降低封囊之低壓區部中之氣氛壓力且增加外側空氣(例如，氧)至封囊中之洩漏，藉此增加氧濃度。因此，增加生產量之能力可受不能降低封囊氣氛中之氧濃度限制。
根據本發明，氣體調節及注入設備(GCI) 200經佈置成例如藉由管道網路166與封囊100形成流體連通。GCI 200可例如形成ECS 148之部分。在各種實施例中，GCI 200包含與至少空氣處置系統162下游的管道網路166形成流體連通的反應腔室202，及氣體注入閥204，該氣體注入閥流體地耦接至反應腔室202上游的管道網路166且經設置以將包含氫的反應氣體206注入循環路徑208中。亦即，氣體注入閥204可定位在空氣處置系統162與反應腔室202之間且與每一個形成流體連通，但是在進一步實施例中，氣體注入閥204可經設置以將反應氣體206直接注入反應腔室202中。封囊100、管道網路166 (分別且關於反應腔室202包括上游管道166a及下游管道166b)、ECS 148，及反應腔室202形成循環路徑208。氧感測器可定位於反應腔室202上游(例如，感測器156d)及/或下游(例如，感測器152d)以量測流入反應腔室202中的氧之濃度及流出反應腔室的氧之濃度。氣體注入閥204可為氣體混合閥，其中二或更多個氣體自單獨氣體源接收且在閥處混合，或氣體注入閥可為經設置以接收單個氣體的閥。
反應氣體206包含氫。在一些實施例中，反應氣體206可進一步包含惰性氣體，例如氮或惰性氣體(例如，氦、氖、氬、氪、氙)中任何一或多個，或上述各者之組合。反應氣體206可以相對於反應氣體之總體積自約1%至100%體積比之量包含氫，例如，在自約2%至約90%體積比之範圍內、在自約4%至約80%體積比之範圍內，或在自約5%至約70%體積比之範圍內，包括介於其間之所有範圍及子範圍，其中剩餘部分包含惰性氣體。例如，氣體注入閥204可經設置以藉由將氫與適合濃度的惰性氣體混合來以非爆炸性濃度藉由管道網路166將氫引入封囊100與反應腔室202之間的封囊氣氛中。例如，在一些實施例中，反應氣體206可為具有約5%體積比之氫濃度及95%氮體積比之可商購獲得的成形氣體。
第2圖為示範性反應腔室202的橫截面側視圖。在一些實施例中，反應腔室202包含至少一個電阻式加熱元件220。加熱元件220可為基於鎳-鉻之合金，例如，Inconel®加熱元件(例如，Inconel 800)，但是可使用其他材料，例如，鉑或鉑合金。在反應氣體206藉由氣體注入閥204注入將反應腔室202連接至封囊100的上游管道166a中時，反應氣體206與流入反應腔室202中的含氧封囊氣氛222混合。例如藉由導線A及B將電功率自電源(未示出)供應至加熱元件220，此舉將反應腔室202內之反應氣體206及封囊氣氛222加熱至等於大於含於反應氣體206內之氫氣與封囊氣氛中之氧組合之溫度的溫度。例如，在一些實施例中，加熱元件溫度可等於或大於約500℃，例如在自約500℃至約600℃之範圍內。
在一些實施例中，氧流動226可經直接提供至反應腔室中或提供至上游管道166a中，例如，藉由氣體注入閥228，以提供充分的氧以確保所注入氫完全反應。亦即，在一些情況下，所注入氫之量可為充分小的，使得氫之量難以準確地控制。在此類情況下，可藉由氣體注入閥204注入多於與已存在於封囊氣氛中的氧反應所需要的氫之量(較容易藉由氣體注入閥204控制的氫之量)，在該情況下，可藉由氣體注入閥228將額外的氧添加至反應腔室202以與過量添加的氫反應且避免例如系統中氫之易燃或爆炸性濃度之積累。所注入氧可例如呈空氣之形式，其中空氣經注入反應腔室202中。
GCI 200可進一步包括控制器，該控制器經設置以控制至循環路徑208 (例如，上游管道166a)之反應氣體之流流、自封囊100外側至反應腔室202之氧之流動，及穿過反應腔室之空氣流動中之一或多個。亦即，在一些實施例中，可遠端地操作氣體注入閥204及/或氣體注入閥228。在一些實施例中，此功能可藉由控制器150處置，但是在進一步實施例中可使用額外控制器。
在一些實施例中，反應腔室202可具備催化劑，例如鉑，其中封囊氣氛中之氧及所注入氫氣與催化劑反應以產生水。例如，反應腔室202可包括以催化劑塗佈的高表面區域主體240，諸如陶瓷蜂巢板材、一或多個擋板，或其他高表面區域結構。
催化劑可與加熱元件220結合，或在沒有加熱元件220的情況下取決於進入反應腔室202的封囊氣氛222之溫度加以使用，但是在進一步實施例中，至少一個加熱元件220可存在但關閉，或循環地閉合及斷開。根據一些實施例，至少一個加熱元件220可為鉑或鉑合金加熱元件，該鉑或鉑合金加熱元件加熱反應氣體206及封囊氣氛222且進一步充當催化劑以促進氫-氧反應。 實例
以入口及出口以及鼓風機風扇準備反應腔室以移動氣氛穿過反應腔室。為達成基準資料，以注入閥使100% N 2以850標準升/分鐘(slpm)及103.4千帕(kPa)流入反應腔室之入口中，直至外殼內達成穩定狀態條件為止。穩定狀態條件為2.82% O 2、505℃加熱器元件溫度、37℃氣氛溫度。鼓風機風扇設定在10 Hz電源供應器頻率處。露點未經監視或控制。
直接在達成基準條件之後，將所注入氣體轉接至5%成形氣體(5%氫及95%氮)。流動條件經達成：感測氧為~ 0% (Novetech O 2感測器讀數為2.92 X 10 -16% O 2)，508℃加熱器元件溫度、44℃空氣溫度、103.4 kPa處之793 slpm成形氣體，鼓風機風扇設定在10 Hz處。露點未經監視或控制。
資料示出，將氫氣引入具有含氧氣體之加熱反應腔室中可使流入反應腔室中之氧濃度降低至流出反應腔室的顯著地小於0.5%體積比，甚至小於0.1%體積比的水平。根據本文揭示之實施例，等於或大於約2%體積比，例如在自約2%至約3%體積比之範圍內的流入氧濃度可經降低至等於或小於約0.2%體積比，例如等於或小於約0.1%，例如等於或小於0.05%，例如等於或小於約0.005%，諸如等於或小於約0.001%的流出氧濃度。
熟習此項技藝者將顯見在不背離本發明之範疇的情況下，可對本發明之實施例做出各種修飾及變化。因而，預期本發明涵蓋此類修改及變化，只要該等修改及變化屬於所附申請專利範圍及其等效物之範疇內。
10:玻璃製造設備/融合下拉設備 12:玻璃熔化爐 14:熔化容器 16:上游玻璃製造設備 18:原材料儲存箱 20:原材料輸送裝置 22:馬達 24:原材料 26:箭頭 28:熔融玻璃 30:下游玻璃製造設備 32:第一連接導管/含鉑容器 34:澄清容器/含鉑容器 36:混合容器/含鉑容器 38:第二連接導管/含鉑容器 40:輸送容器/含鉑容器 42:成形主體 44:出口導管/含鉑容器 46:第三連接導管/含鉑容器 48:成形設備 50:入口導管 52:流槽 54:會聚成形表面 56:底部邊緣(根部) 58:條帶 60:拉製方向 62:玻璃薄片 64:玻璃分離設備 100:封囊 102:小夾套體積/封囊夾套體積 104:閉環控制系統 148:環境控制系統/ECS 150:控制器 152a:流動感測器 152b:露點或濕度感測器 152c:溫度感測器 152d:氧感測器 152e:壓力感測器 154a:流動感測器 154b:露點或濕度感測器 154c:溫度感測器 154d:氧感測器 154e:壓力感測器 156a:流動感測器 156b:露點或濕度感測器 156c:溫度感測器 156d:氧感測器 156e:壓力感測器 158:濕度進料系統 160:加熱及/或冷卻控制系統 162:空氣處置器(多個)/空氣處置單元 164:O 2及/或N 2補充系統 166:管道網路 166a:上游管道 166b:下游管道 200:氣體調節及注入設備/GCI 202:反應腔室 204:氣體注入閥 206:反應氣體 208:循環路徑 220:電阻式加熱元件 222:含氧封囊氣氛/封囊氣氛 226:氧流動 228:氣體注入閥 240:高表面區域主體
第1圖為示範性玻璃製造設備的示意圖，該示範性玻璃製造設備包括用於自外殼消除氧的反應腔室，該外殼含有一或多個含鉑容器；以及
第2圖為示範性反應腔室的橫截面視圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
166a:上游管道
166b:下游管道
200:氣體調節及注入設備/GCI
202:反應腔室
204:氣體注入閥
206:反應氣體
220:電阻式加熱元件
222:含氧封囊氣氛/封囊氣氛
226:氧流動
228:氣體注入閥
240:高表面區域主體

Claims (15)

  1. 一種用於在一玻璃製造製程中控制一含氧氣氛的設備，該設備包含： 一容器，包含鉑以及經設置以運輸一熔融材料穿過該容器；一外殼，封閉該容器以及在該容器與該外殼之間的該含氧之氣氛； 一反應腔室，與該外殼流體連通；一氣體注入閥，經設置以將該氫氣提供至該氣氛；以及一加熱元件，定位於該反應腔室內。
  2. 如請求項1所述之設備，其中該加熱元件包含鉑。
  3. 如請求項1所述之設備，其中該加熱元件包含鎳。
  4. 如請求項1所述之設備，其中該反應腔室包含定位於該反應腔室內的一催化劑，並經設置以促進氫-氧反應以及產生水。
  5. 如請求項4所述之設備，其中該催化劑包含鉑。
  6. 如請求項4所述之設備，其中該催化劑塗佈在該反應腔室內的一或多個擋板上。
  7. 如請求項4所述之設備，其中該催化劑塗佈在該反應腔室內的一蜂巢板材上。
  8. 如請求項4所述之設備，其中該催化劑包含該加熱元件。
  9. 如請求項1至8中任一項所述之設備，其中該設備包含一第二氣體注入閥，經設置以將該氧氣提供至該反應腔室。
  10. 一種降低一玻璃製造設備中之一氧濃度之方法，該方法包含以下步驟： 使熔融玻璃流過一含鉑容器，該含鉑容器定位於一外殼內；使一包含氧之氣氛在該外殼與該容器之間流動；導向該氣氛穿過與該外殼流體連通的一反應腔室；將氫氣注入該氣氛中；以及使該氫氣與該氧在該反應腔室中反應，以產生水。
  11. 如請求項10所述之方法，進一步包含以下步驟：在該反應期間加熱該反應腔室中的該氣氛。
  12. 如請求項11所述之方法，該加熱的步驟包含定位於該反應腔室內的一電加熱元件。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該電加熱元件在大於500℃的一溫度下操作。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該溫度介於500℃與600℃之間。
  15. 如請求項10至14中任一項所述之方法，其中該反應的步驟包含在加熱期間使該氫氣及氧暴露於該反應腔室中的一催化劑。
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