TWI486319B - 用於熱調節熔融玻璃之方法與設備 - Google Patents

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TWI486319B
TWI486319B TW099138701A TW99138701A TWI486319B TW I486319 B TWI486319 B TW I486319B TW 099138701 A TW099138701 A TW 099138701A TW 99138701 A TW99138701 A TW 99138701A TW I486319 B TWI486319 B TW I486319B
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John Jerry Kersting
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Description

用於熱調節熔融玻璃之方法與設備
本揭露係關於熱調節熔融玻璃之方法與設備。
製造玻璃片(例如，作為顯示器(例如，LCD顯示器)之基板的玻璃片)的基本步驟包括：(1)熔化原料，(2)澄清(精煉)熔化物以移除氣態內含物，(3)攪拌澄清化之熔融玻璃以達成化學與熱學同質性，(4)熱調節同質化玻璃以降低其之溫度並因此提高其之黏性，(5)將冷卻之熔融玻璃塑形成玻璃帶狀物，及(6)自帶狀物分隔出各個玻璃片。下拉融流處理之實例中，利用通稱「封閉式隔熱管(isopipe)」之成形結構形成玻璃帶狀物，而在浮式處理中，為達成此目的而利用熔融錫浴槽。
由於氣態氣泡通過熔融玻璃的上升速率與玻璃黏性呈相反變化(即，黏性越低、上升速率越快)且黏性與溫度呈相反變化(即，溫度越高、黏性越低)，需要高溫以完全地澄清(fine)熔融玻璃。由於熔融玻璃在澄清器中僅存在有限時間，達成快速上升氣泡通過熔化物係相當重要的。因此，通常盡可能在高溫下操作澄清器。然而，將熔融玻璃形成帶狀物需要遠高於澄清過程中之黏性。因此，澄清與成形之間需要熱調節(冷卻)熔融玻璃。
過去，已經藉由讓熔融玻璃通過具有圓形橫剖面之管道來執行熱調節。已經藉由陶質材料圍繞並在金屬框架中固持管道，並已經透過利用直接或間接加熱來控制熔融玻璃之熱損速率，以避免由於冷卻處理而將實質熱與流動非同質性導入玻璃。由於熔融玻璃之高溫以及避免污染熔融玻璃之需求，已經以貴重金屬來製造管道壁。
過去應用之圓形橫剖面已經提供本質上機械穩定之管道。上述穩定性係重要的，因為貴重金屬係昂貴的且因此需要盡可能讓調節管道之壁越薄越好。雖然根據本揭露而言，圓形橫剖面具有良好的機械穩定性，但已經發現圓形橫剖面在熱傳輸上不是最好的。明確地說，已經發現不同應用中，由於其之熱傳輸特性，需要長於可用空間之具有圓形橫剖面的調節管道。雖然有可能延伸用於熱調節之空間，但上述延伸增加總體尺寸以及玻璃製造設備的成本。此外，增加圓形調節管道長度便增加製造管道所需之貴重金屬數量，因此會縮減上述管道之薄壁相關的經濟利益。
本揭露解決此圓形調節管道問題並提供管道(明確地說，橢圓形管道)，其達成高速度熱損而不損害通過管道之熔融玻璃的橫向熱流同質性(橫向熱均勻性)。此外，本揭露通過管道之熔融玻璃的流動梯度與頭損(head losses)係小的，這為橢圓形管道之額外優點。
根據第一態樣，揭露熱調節熔融玻璃的方法，方法包括：
(A)流動熔融玻璃通過管道(13)，管道具有：
(i)貴重金屬製成之壁(23)；
(ii)進入面(15)與離開面(17)；
(iii)具有長軸與短軸之橢圓形橫剖面(9)，長軸係實質水平而短軸係與垂直面相夾銳角；及
(iv)沿著長軸之寬度W與沿著短軸之高度H，其中W與H符合下列關係：
2≦W/H≦6；及
(B)相對於沿著短軸之長度，沿著長軸之長度施加更多熱至管道(13)之壁(23)而不均勻地加熱管道。
根據第二態樣，揭露操作貴重金屬玻璃調節管道(13)之方法，管道(13)包括具有上表面(25)之壁(23)，方法包括提供具有複數個貴重金屬凸出部(29)之上表面(25)，並連接貴重金屬凸出部(29)至耐火支撐結構(27)，以減少管道(13)在高溫下且沒有填充玻璃時上表面(25)之下垂。
根據第三態樣，揭露之設備包括：
(A)耐火支撐結構(27)；
(B)玻璃調節管道(13)，具有：
(i)由貴重金屬構成之壁(23)，壁具有上表面(25)；
(ii)具有長軸與短軸之橢圓形橫剖面(9)，長軸係實質水平而短軸係與垂直面相夾銳角；及
(iii)沿著長軸之寬度W與沿著短軸之高度H，其中W與H符合下列關係：
2≦W/H≦6；及
(C)複數個貴重金屬凸出部(29)，連接壁(23)之上表面(25)至耐火支撐結構(27)。
用於上方本揭露不同態樣之摘要的元件符號僅方便讀者之用，而非意圖且不應理解成用來限制本發明之範圍。更普遍地說，可理解上方概要敘述與下方詳細敘述兩者僅為本發明之示範，且意圖用來提供理解本發明之本質與特色的概述或架構。
本發明之額外特徵結構與優點由下方之【實施方式】所提出，而熟悉技術人士可自敘述或藉由執行本文所述發明而輕易理解部分的特徵結構與優點。本說明書包含附圖以提供本發明進一步認識，且附圖係併入且組成本說明書之部分。可以理解可用任何與所有組合來應用本說明書與圖式中揭露之本發明不同特徵結構。
本文與申請專利範圍中所用之詞彙「貴重金屬」意指鉑、粒狀穩定化(grain-stabilized)鉑、鉑合金或粒狀穩定化鉑合金。非限制性實例中，詞彙包括例如80 wt.%鉑與20 wt.%銠之合金的鉑-銠合金。
本文與申請專利範圍中所用之詞彙「橢圓形橫剖面」意指橫剖面的形狀為橢圓、卵形或跑道(即，橫剖面周邊具有平行直線側邊，其藉由曲線(例如，半球)、或一在各個端點處具有曲線(例如，各個端點處的四分之一圓)之直線片段在各個端點處連接)。「橢圓形管道」為具有橢圓形橫剖面之管道。
第1圖係具有橢圓形橫剖面(明確地說，此實例為跑道形)之調節管道13之實施例的透視圖。使用過程中，玻璃透過調節管道13之進入面15進入管道並透過調節管道13之離開面17離開。
舉例而言，如第2-4圖所示，安裝時，管道係由多個絕緣層51(例如，陶質絕緣體)所圍繞，某些絕緣層51可具有溝槽以接收電加熱元件(參見例如下述第4圖之溝槽39)。如第2圖所示，組件可包括頂部加熱元件47、底部加熱元件48與兩個邊緣加熱元件49。絕緣體與電加熱可在熔融玻璃通過管道時控制其之冷卻速率。再者，如參照下表1更詳細描述，藉由沿著橢圓形管道之長軸與短軸差別地加熱橢圓形管道之壁，可降低管道之離開面處不同部分之熔融玻璃之間的溫度差異。
實施中，管道可具有不同的尺寸。舉例而言，其之長度可為12英尺(~3.7公尺)數量級，且其沿著橢圓形之長軸的寬度W為30英吋(~76公分)而其沿著橢圓形之短軸的高度H為9英吋(~23公分)。為了容易建構，管道可由複數個橢圓形片段(例如，各自長度為1英尺(~0.3公尺)之片段)所組成。上述片段之實例係顯示於第5圖中。
為了以低溫與流動梯度將玻璃輸送至成形結構時達成高速冷卻熔融玻璃，橢圓形管道之寬度與高度比例(W/H比)設定在2至6範圍中。此範圍亦在玻璃通過管道時造成玻璃低的頭損。重要的是，為了得到相等的熱傳輸速率與相等的溫度與流動梯度，圓形橫剖面之管道需要比W/H比為3.3之橢圓形管道長2.5倍。此外，上述圓形管道的頭損大於橢圓形管道的16倍。熟悉技術人士可知，長度在管理貴重金屬系統之熱膨脹以及最小化建築樓面空間中係重要的。再者，頭損在維持均勻玻璃流中係重要變數，均勻玻璃流對實際上所有成形方法為重要的，且對下拉融流成形處理特別重要。
根據示範性實施例，橢圓形管道至少3公尺長，且在執行熱調節時充滿熔融玻璃，熔融玻璃(1)在至少800公斤/時(~1800磅/時)的速率下流動，以及(2)管道之進入面與離開面之間的平均冷卻速率至少每公尺30℃。相對於沿著管道之短軸的長度，沿著管道之長軸的長度施加更多熱至管道壁，可使得熔融玻璃在離開面之(a)管道中心以及(b)管道之短軸與管道之壁的交叉點(參見第2圖之位置53)之間的計算溫度差異小於或等於15℃，假定進入面處呈現均勻的溫度分佈。
在離開面處產生實質均勻溫度分佈的能力描述於表1與第6圖。明確地說，表1之最初六列顯示提供給具有上述尺寸之橢圓形管道的電腦模式的輸入數據，而後四列提出利用模式得到之管道離開面處的計算溫度值。假定接觸管道壁之絕緣體(參見表1第5列)具有ZEDCOR98礬土的性質。第6圖顯示利用此數據得到之管道離開面處的溫度分佈。由此圖與表1之最後兩列可知，針對多種典型玻璃流、功率輸出與絕緣體厚度，具有差別加熱之橢圓形管道可產生小於15℃的橫跨管道離開面之計算熱梯度。
利用可商業取得之FLUENT牌CFD模式化軟體(ANSYS,Inc.,Canonsburg,Pennsylvania)來執行表1與第6圖中所示之計算。可利用其他商業取得程式以及定作軟體封裝來取代或搭配FLUENT程式來進行這些計算。
由上述可知，達成所欲熱調節程度的設計處理包括下列五個步驟：
第一，基於所欲玻璃流率，針對管道計算出沿著管道長度之溫度下降、輸入控制功率之水平、熱傳輸負載(BTU/時)。針對初步試用而言，已經發現玻璃熱傳輸量之10%的控制功率可成功地運作。
第二，利用管道壁之材料的適當熱傳輸速率計算貴重金屬表面區域，例如80-20的鉑-銠合金之熱傳輸速率在3,000與5,000 BTU/S.F./時(14648與24413 kcal/m2 /時)之間。
第三，選擇提供計算之表面區域的橢圓形管道橫剖面與管長度，橢圓形橫剖面之W/H比在2至6範圍中。
第四，利用CFD軟體，計算管道離開面處的熱分佈、流動分佈與溫度梯度。
第五，若需要的話，修正管道之橫剖面形狀與/或長度以達成所欲之溫度下降以及熱與流動同質性水平。
應用與執行管道13之熱調節功能時，管道13完全填滿熔融玻璃。這些條件下，玻璃抵靠固定其之管道壁施加流體靜力學壓力。然而有時候(例如，開始過程或系統需要排空玻璃以進行維修時)，管道13可處於高溫下且未填滿玻璃達一段長期時間，例如14天等級的時期。這些條件下，壁23之上表面25會下垂，因此危及管道之完整性，當再度將熔融玻璃導入系統時特別危險。
可藉由提高壁之厚度解決此下垂問題，提高壁之厚度導致即便熔融玻璃不存在，上表面25仍將固持其之結構。然而，由於貴重金屬成本之故，提高壁之厚度解決下垂問題係昂貴的方法。
如第1-5圖所示，根據一實施例，可藉由提供具有複數個沿著管道長度配置於一或多列之貴重金屬凸出部29的管道壁上表面25來解決下垂問題。如第4圖所示，凸出部可由軸43與頭45所構成。若想要的話可應用第4圖所示結構以外的其他結構。舉例而言，可藉由焊接將凸出部附接至管道之上表面。對於片段構成之管道而言，可如同第1圖所示般，一凸出部或一組橫向凸出部附接至各個片段，或者可如同第5圖所示般，多個凸出部或多組橫向凸出部可用於各個片段。
調節系統組裝過程中，藉由形成於支撐結構中之通道31將貴重金屬凸出部連接至耐火支撐結構27。通道係長於凸出部之頭部分，以在調節元件被加熱至其之操作溫度時容許管道與耐火支撐件之差別擴張。除了在管道未填滿玻璃時候提供支撐給管道，支撐結構亦可限制管道之上表面不會因為管道填滿熔融玻璃時之流體靜力學壓力而向外凸出。
根據進一步實施例，耐火支撐結構27可為至少兩個不同耐火材料構成之層的層壓件。上述層壓件特別有助於橫跨距離20英吋(~50公分)或更多的支撐結構，但亦可用於較短的橫跨距離。一實例中，層壓件可由具有較小粒狀結構之第一層33以及具有較大粒狀結構之第二層35所構成。較小粒狀結構可讓第一層進行加工，以致第一層可包含用於凸出部29之通道31以及用於接收加熱元件(未顯示)之溝槽39。雖然較小粒狀結構有助於加工，但其亦增加加熱至操作溫度時第一層斷裂的機率。將具有較大粒狀結構之第二層層壓至第一層可解決此問題，因為較大粒狀結構使得加熱時第二層較不可能斷裂。此外，如第7圖所示，可對層壓件之第一層施加壓縮力量以將該層壓縮。上述壓縮使得加熱與應用過程中第一層較不可能斷裂。再者，若真的斷裂的話，壓縮力量將有助於將層衍生之片段固持於原位。可應用多種機制來提供壓縮力量，一種方便的方法係透過應用一或多個透過夾持機構55作用之Belleville壂圈41。
層壓件的第一層與第二層可由不同的耐火材料所構成。舉例而言，兩層可為高耐火礬土，諸如ZEDCOR用於第一層而AN485用於第二層。同樣地，可應用不同的高溫黏著劑(水泥)於層壓件的黏著劑層37。黏著劑應具有良好的接合強度、高溫強度、高電阻率、良好的介電強度以及與接合材料相似的膨脹係數。一般而言，操作溫度高於或等於1650℃之黏著劑係合適的。舉例而言，已經發現Aremco Products,Inc.(Valley Cottage,N.Y.)所製造之CERAMABOND 503可成功地用於AN485與ZEDCOR平板。
即便利用凸出部29，但若管道壁太薄，且管道未以熔融玻璃填滿達一段長期時間，那麼壁之上部會在高溫下變形。上述變形係描述於第8圖。假設固持溫度為1400℃且管道具有上述尺寸且由80/20鉑-銠合金所構成，利用ANSYS應力分析軟體計算出此圖所示之管道結構。假設管道沿著其之中線裝設有支撐凸出部。(為了便於計算，假設支撐件沿著管道長度均勻地分散。)計算之壁厚度為0.040英吋(~1.0公釐)。此圖式可明顯看到管道之上表面呈現大規模的變形。
第9圖顯示以壁厚度為0.060英吋(~1.5公釐)執行的相同計算。如圖所示，管道壁仍然下垂，但下垂量明顯較小且在將熔融玻璃導入系統時不會危及管道之完整性。一般而言，已經發現在將管道維持在1400℃下達14天的週期時，1.2至1.9公釐範圍中之壁厚度將降低壁之上表面的最大下垂程度至低於管道高度10%(<0.1‧H)的可接受程度。
熟悉技術人士自上方揭露可理解多種不悖離本發明範圍與精神的修改。舉例而言，雖然上述討論為玻璃片的產生，但本揭露可適用於其他玻璃製造處理(例如，用於產生光學玻璃的那些處理)。下方之申請專利範圍意圖覆蓋本文提出之特定實施例以及這些實施例的修改、變化與等效物。
藉由非限制性實例，可組合下方態樣所提出之實施例的不同特徵結構。
根據第一態樣，提供熱調節熔融玻璃之方法，方法包括：
(A)流動熔融玻璃通過管道，管道具有：
(i)包含貴重金屬之壁；
(ii)進入面與離開面；
(iii)具有長軸與短軸之橢圓形橫剖面，長軸係實質水平而短軸係與垂直面相夾銳角；及
(iv)沿著長軸之寬度W與沿著短軸之高度H，其中W與H符合下列關係：
2≦W/H≦6；及
(B)相對於沿著短軸之長度，沿著長軸之長度施加更多熱至管道之壁而不均勻地加熱管道。
根據第二態樣，提供第一態樣之方法，其中：
(a)流動之熔融玻璃完全填滿管道；
(b)熔融玻璃通過管道之流率係至少800公斤/時；
(c)管道之長度係至少3公尺；
(d)進入面與離開面之間的熔融玻璃平均冷卻速率係至少每公尺30℃；及(e)由於進入面處的均勻溫度分佈，離開面處的熔融玻璃在管道中心以及壁與短軸之交叉點之間的計算溫度差異係小於或等於15℃。
根據第三態樣，提供操作貴重金屬玻璃調節管道之方法，貴重金屬玻璃調節管道包括具有上表面的壁，方法包括提供具有複數個貴重金屬凸出部之上表面，並連接貴重金屬凸出部至耐火支撐結構，以便在管道處於高溫下且未由玻璃填滿的時候減少上表面之下垂。
根據第四態樣，提供第三態樣之方法，其中：(a)管道具有橢圓形橫剖面，橢圓形橫剖面具有長軸與短軸，長軸係實質水平而短軸係與垂直面相夾銳角；(b)管道具有沿著長軸之寬度W以及沿著短軸之高度H，其中W與H符合下列關係：2≦W/H≦6；(c)壁的厚度t(公釐)符合下列關係：1.2≦t≦1.9；以及(d)經歷1400℃的溫度達14天週期時，壁之上表面的最大下垂係小於0.1．H。
根據第五態樣，提供第三或第四態樣任一者之方法，其中貴重金屬凸出部係沿著壁之上表面之中線配置於直線中。
根據第六態樣，提供第三或第四態樣任一者之方法，其中貴重金屬凸出部係配置於三個直線中，其中一個直線沿著壁之上表面之中線，而其他兩個直線係平行於中線且位在中線之相對側邊。
根據第七態樣，提供第三態樣至第六態樣任一者之方法，其中連接貴重金屬凸出部至耐火支撐結構的步驟包括將凸出部嵌入支撐結構中形成之一或多個通道中。
根據第八態樣，提供第三態樣至第六態樣任一者之方法，包括利用耐火支撐結構施加壓力至壁之上表面，以限制上表面不會因為熔融玻璃流過管道施加於上表面之流體靜力學壓力而向外變形。
根據第九態樣，提供第三態樣至第八態樣任一者之方法，其中：
(a)耐火支撐結構包括層壓件，層壓件包括藉由黏附劑固定至第二層之第一層，第一層與第二層係由不同的耐火材料所構成，且第一層比第二層位置更接近管道；及
(b)方法包括施加壓縮力量至第一層。
根據第十態樣，提供之設備包括：
(A)耐火支撐結構；
(B)玻璃調節管道，具有：
(i)壁，具有上表面且包含貴重金屬；
(ii)具有長軸與短軸之橢圓形橫剖面，長軸係實質水平而短軸係與垂直面相夾銳角；及
(iii)沿著長軸之寬度W與沿著短軸之高度H，其中W與H符合下列關係：
2≦W/H≦6；及
(C)複數個貴重金屬凸出部，連接壁之上表面至耐火支撐結構。
根據第十一態樣，提供第十態樣之組件，其中貴重金屬凸出部係沿著壁之上表面之中線配置於直線中。
根據第十二態樣，提供第十態樣之組件，其中貴重金屬凸出部係配置於三個直線中，其中一個直線沿著壁之上表面之中線，而其他兩個直線係平行於中線且位在中線之相對側邊。
根據第十三態樣，提供第十態樣至第十二態樣任一者之組件，其中貴重金屬凸出部係焊接至管道。
根據第十四態樣，提供第十態樣至第十三態樣任一者之組件，其中耐火支撐結構包括一或多個容納貴重金屬凸出部之通道。
根據第十五態樣，提供第十態樣至第十四態樣任一者之組件，其中耐火支撐結構包括層壓件，層壓件包括藉由黏附劑固定至第二層之第一層，第一層與第二層係由不同的耐火材料所構成，且第一層比第二層位置更接近管道。
根據第十六態樣，提供第十五態樣之組件，其中第一層之耐火材料的粒狀結構小於第二層之耐火材料。
根據第十七態樣，提供第十五態樣至第十六態樣任一者之組件，其中黏著劑的操作溫度大於或等於1650℃。
根據第十八態樣，提供第十五態樣至第十七態樣任一者之組件，更包括至少一彈性件，其施加壓縮力量至第一層。
根據第十九態樣，提供第十八態樣之組件，其中至少一彈性件係Belleville壂圈。
根據第二十態樣，提供第十五態樣至第十八態樣任一者之組件，其中第一層包括用以容納加熱元件之加工溝槽。
9．．．橢圓形橫剖面
13．．．橢圓形管道
21．．．片段
23．．．壁
25．．．上表面
27．．．耐火支撐結構
29．．．貴重金屬凸出部
31．．．通道
33．．．第一層
35．．．第二層
37．．．黏著劑
39．．．溝槽
41．．．Belleville壂圈
43．．．軸
45．．．頭
47．．．頂部加熱元件
48．．．底部加熱元件
49．．．邊緣加熱元件
51．．．絕緣層
53．．．位置
55．．．夾持機構
第1圖係橢圓形管道之透視圖。
第2圖係顯示橢圓形管道與相關之耐火支撐結構的橫剖面圖。
第3圖係更詳細顯示第2圖之左手邊貴重金屬凸出部的放大橫剖面圖。
第4圖係顯示貴重金屬凸出部以及耐火支撐結構中容納凸出部之溝槽的透視圖。
第5圖係橢圓形管道之片段的透視圖。
第6圖係橢圓形管道之離開面的計算溫度分佈。
第7圖效描述利用Belleville壂圈施加壓縮力量至形成耐火支撐結構部分之層壓件之第一層的示意圖。
第8圖係空的橢圓形管道維持在1400℃下達一段長期時間且壁的厚度為0.040"(~1.0公釐)的計算結構。
第9圖係第8圖之管道但壁的厚度為0.060"(~1.5公釐)的計算結構。
9．．．橢圓形橫剖面
13．．．橢圓形管道
21．．．片段
23．．．壁
25．．．上表面
29．．．貴重金屬凸出部

Claims (5)

  1. 一種熱調節熔融玻璃之方法，包括：(A)流動熔融玻璃通過一管道，該管道具有：(i)一壁，包括一貴重金屬；(ii)一進入面與一離開面；(iii)一具有一長軸與一短軸之橢圓形橫剖面，該長軸係實質水平而該短軸係與垂直面相夾一銳角；以及(iv)沿著該長軸之一寬度W以及沿著該短軸之一高度H，其中W與H符合下列關係：2≦W/H≦6；以及(B)相對於沿著該短軸之長度，藉由沿著該長軸之長度施加更多熱至該管道之壁而不均勻地加熱該管道，以允許該熔融玻璃冷卻。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中：(a)該流動之熔融玻璃完全填滿該管道；(b)該熔融玻璃通過該管道之流率係至少800公斤/時；(c)該管道之長度係至少3公尺；(d)該進入面與該離開面之間的該熔融玻璃之一平均冷卻速率係至少每公尺30℃；以及(e)由於該進入面處的一均勻溫度分佈，該離開面處的熔融玻璃在該管道之中心以及該壁與該短軸的交叉點之間的計算溫度差異係小於或等於15℃。
  3. 一種熱調節熔融玻璃的設備，包括：(A)一耐火支撐結構；(B)一玻璃調節管道，具有：(i)一壁，具有一上表面且包括一貴重金屬；(ii)一具有一長軸與一短軸之橢圓形橫剖面，該長軸係實質水平而該短軸係與垂直面相夾一銳角；以及(iii)沿著該長軸之一寬度W與沿著該短軸之一高度H，其中W與H符合下列關係：2≦W/H≦6；以及(C)複數個貴重金屬凸出部，連接該壁之上表面至該耐火支撐結構，以在該管道處於高溫下且沒有填充玻璃時減少該上表面朝向該管道之中心的下垂。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該耐火支撐結構包括一層壓件，該層壓件包括藉由一黏著劑固定至一第二層之一第一層，該第一層與該第二層係由不同的耐火材料所構成，且該第一層比該第二層位置更接近該管道。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之設備，更包括至少一彈性件，該彈性件施加一壓縮力量至該第一層。
TW099138701A 2009-11-17 2010-11-10 用於熱調節熔融玻璃之方法與設備 TWI486319B (zh)

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