TWI501930B - 以玻璃之熱調節處理平坦玻璃表面的單元與方法 - Google Patents

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Description

以玻璃之熱調節處理平坦玻璃表面的單元與方法
本發明係關於一種用於處理平坦玻璃表面的單元，其係以用於將玻璃的面中之一者之溫度在獲得其表面之有效處理所必要的時期期間增加至所需溫度之玻璃的熱調節，特別藉由改質化學、光學或機械性質，或沈積一或多個薄層來處理，特別呈帶或板之形式的平坦玻璃表面。
此玻璃調節係在藉由浮式玻璃方法、輥軋方法或拉伸方法連續製備之玻璃帶上進行。其亦應用於用於處理平坦玻璃之製程期間(藉由連續或分批饋送)。玻璃可已被預先處理，例如，藉由錫浴中製備之層之沈積。
本發明更特定言之，但未排他性地，係關於一種用於製造意欲用於建築、汽車或太陽能應用之平坦玻璃的處理單元。
據回想下文所描述之應用中之一些日益需要藉由沈積常常由複數個連續層組成的薄層而對玻璃進行的表面處理。此等層用以(例如)獲得太陽光反射、低發射率、電導率、著色、防汙及其他性質。
為簡化描述，以下認為表面處理係在上部面(upper face)上進行。然而，根據本發明，待處理之面可同等地為上部面或下部面或兩者。
可藉由用於在玻璃帶之面中之一者上使用刻花滾筒製備結構的方法獲得玻璃表面之光學或機械性質之改質。
其他應用需要藉由用於在玻璃之有限深度中改變化學及結構組成之方法轉換玻璃的機械、化學或光學性質。
在大氣壓力下用於薄層沈積之主要方法為CVD(化學氣相沈積)、火焰CVD、大氣電漿、SP(噴霧熱裂解法)。此等方法可將玻璃表面加熱或冷卻至不同之度數。熱裂解方法需要高玻璃溫度以獲得反應物之分解及層之形成，且因此當平坦玻璃在其製造期間或在其加工(例如，玻璃回火)期間仍處於高溫時特別適合。
浮式玻璃之製造暗示，就鈉鈣玻璃而言，在自1000℃之溫度至約620℃的溫度之熔融錫浴上形成玻璃帶。該帶之以恆定厚度及寬度之形成停止於約800℃。低於此溫度時，帶幾何形狀保持穩定且錫上之帶之受控制之冷卻持續進行。在620℃之最大溫度下，藉由機械滾筒將帶略微提出該浴以傳遞至玻璃退火爐(lehr)中。在此玻璃退火爐中，帶在被切割為面板之前自620℃冷卻至約50℃。
約620℃最大溫度(等效於約2.3×1010 dPas之黏度)用以獲得滿足EN或ASTM標準之品質。就關於由玻璃支撐構件產生之記號或平坦度缺陷之較低品質要求而言，浴出口溫度可較高。
就不同於標準鈉鈣玻璃之玻璃組合物之玻璃組合物而言，浴出口處的最大溫度亦可不同。
CVD製程之部件安裝於錫浴中以便受益於對沈積有利之玻璃高溫，儘管帶表面相對難以處理。錫浴係藉由由N2 +H2 混合物組成之還原大氣保護以防止熔融錫之氧化。此大氣促進諸如金屬層之需要還原大氣之層的沈積。其他方法(例如，SP)不能用於錫浴中因為其會污染浴上方之大氣。
在諸如玻璃退火爐之退火隧道中，大氣由空氣組成且帶通常在滾筒上傳輸。因此對於沈積製程，玻璃表面更易於達到。所有SP系統及CVD製程之部件因此安裝於玻璃退火爐之初始區段中，其中玻璃溫度限於620℃之最大值。
帶表面之溫度在熱裂解沈積及表面轉換製程(例如，藉由擴散)之效率及品質中起到至關重要的作用。
舉例而言，標準熱裂解CVD處理由在建築中沈積用作反射層之非晶Si之薄層組成。沈積係藉由氣體矽烷之分解進行。矽烷之熱裂解分解運動在小於650℃之溫度下緩慢且在低於610℃的溫度下僅為部分的。玻璃退火爐中玻璃之受限溫度大大地降低了沈積製程之效率。因為冷卻之反應器極接近玻璃，所以其亦使玻璃失熱。
SP處理比CVD製程更多地冷卻玻璃帶，藉此對於鈉鈣玻璃在溫度局部地降至約570℃以下時引發玻璃變形之問題。此低溫亦引發反應物分解效率之下降及層之不良黏著。
用於處理玻璃表面之方法(例如，藉由玻璃中著色離子之擴散以獲得著色，或藉由氧化鋁之擴散的化學或機械硬化)需要高玻璃溫度。
亦可施加電場以便促進沈積層及/或玻璃中之離子擴散。可藉由諸如火焰中奈米顆粒之產生或CVD反應器中存在之反應物的分解之各種方法進行玻璃表面上之化學物質的沈積。玻璃中元素之擴散速率直接取決於溫度。溫度在玻璃退火爐中受限，使得對於鈉鈣玻璃，玻璃保持在約620℃以下。
專利US 4 536 204描述帶在塗布之前在上部表面上之加熱以便減少越過帶之寬度的溫度不勻性。採用輻射加熱構件。然而，注入至玻璃中之熱通量必需保持受限，以便避免超過最大可允許溫度。上部面上達到之溫度位準及溫度保持時期因此受限。
專利US 4 022 601描述一種置於錫浴與玻璃退火爐之間的SP塗布器件。所製備之玻璃及所需品質等級之最大可允許溫度為浴出口處的649℃。因為塗布器件引發玻璃之顯著冷卻，所以加熱器件剛好安裝於塗布器件之上游的上部面處，以便補償此冷卻且將玻璃恢復至其初始溫度。置於塗布器件處之下部面處之第二加熱構件用以補償由塗布製程引發的冷卻以便防止由玻璃之初期凝結導致之變形。本發明不允許將玻璃加熱至高於其在浴出口處所具有之溫度的溫度。
本發明最重要的目標為針對上文所描述之方法之更大效率提高待處理的玻璃面之溫度，而不藉由置於經處理面之相反面上的支撐構件(詳言之，支撐滾筒)引發玻璃之變形及/或記號。
本發明主要由以下組成：一種用於處理平坦玻璃表面之單元，其特別藉由改質化學、光學或機械性質，或藉由沈積一或多個薄層而處理，特別呈帶或板之形式之平坦玻璃表面，該單元特徵為其包含用於在玻璃厚度中產生一受控制之熱梯度的加熱及冷卻構件、用於加熱待處理之面使得在獲得其表面之有效處理所必要之時期期間該待處理之面一直處於必需之溫度的構件，及用於冷卻相反面使得此相反面具有一介於1013 dPas與2.3×1010 dPas之間，較佳大約1.9×1012 dPas之黏度的構件。
有利地，該單元連續地包含：-一初始化區，其具有用於加熱待處理之面的構件及用於冷卻相反面的構件，以達到待處理之該面處及該相反面處之目標溫度，-一處理區，其具有用於加熱的構件及用於處理待處理之面的構件，及用於冷卻該經處理之面之相反面的構件，-一均勻化區，其具有冷卻構件，-及置於該處理單元之入口及出口處以限制熱損耗及大氣之交換的器件。
判定用於達到待處理之面處及相反面處之目標溫度的初始化區之長度，使得貝克勒(Peclet)數Pe
在0.5與15之間，較佳在3與5之間：-t diff =深處熱擴散之特性時間，t diff 由t diff =(厚度/2)2 /熱擴散率給出，-t conv =初始化區中之帶之水平傳輸之特性時間，t conv 由t conv =區長度/帶速度給出。
該單元可整合置於該玻璃之相同面上或該等相反面上之一或多個連續處理器件。
該平坦玻璃表面處理單元包含冷卻構件，其用以將該相反面維持於一溫度以防止該玻璃之藉由該支撐構件產生之記號及/或該玻璃的由於機械強度不足產生之變形，同時防止由過度冷卻導致之玻璃的凝結。
本發明亦係關於一種用於處理平坦玻璃表面之方法，其特別藉由改質化學、光學或機械性質，或藉由沈積一或多個薄層來處理，特別呈帶或板之形式之平坦玻璃表面，該方法特徵為藉由用於加熱待處理之面使得在獲得其表面之有效處理所必要的時期期間該待處理之面一直處於必需之溫度的構件，藉由用於冷卻相反面使得此相反面具有一介於1013 dPas與2.3×1010 dPas之間，較佳大約1.9×1012 dPas之黏度的構件在玻璃厚度中產生一受控制之熱梯度。
有利地，根據該方法：-在一初始化區中，待處理之面經加熱且相反面經冷卻以達到待處理之該面及該相反面處的目標溫度，-在一處理區中，待處理之該面經加熱且經歷一處理，同時該經處理之面之該相反面經冷卻，-在一均勻化區中，與該經處理之面相反之面經冷卻。
較佳地，在該初始化區中，該兩個面上之正熱通量及負熱通量未經平衡，藉此用以略微地增加該帶之平均溫度。
在該處理區中，可平衡兩個面上之加熱及冷卻，藉此用以維持一越過該玻璃帶之穩定熱梯度。
在該均勻化區中，可停止加熱同時維持冷卻。
根據該方法，將該相反面維持於一溫度，用以防止該玻璃之藉由該支撐構件產生之記號及/或該玻璃的由於機械強度不足產生之變形，同時防止由過度冷卻導致之玻璃的凝結。
本發明之實施用以增加進行表面處理之溫度以便改良其效能。當有必要進行短期處理時可簡短地獲得此溫度增加或可在如表面處理所要求之一較長時期中維持此溫度增加。
根據本發明，藉由在待處理之面之相反面上獲得的同時冷卻而使得此溫度增加為可能的。此同時冷卻用以限制相反面之溫度以便限制玻璃之記號及破裂。此冷卻必須加以控制以便避免由玻璃之部分凝結引發之平坦度缺陷。
本發明之方法之特徵亦為玻璃的熱調節係在處理器件之前及/或之後進行。其亦可應用於處理期間。在熱調節係在處理期間進行之狀況下，處理器件可整合加熱及/或冷卻構件。
本發明之方法之特徵亦為沿表面處理單元調整玻璃的上部面之溫度以便最佳化所進行之處理。
根據處理之類型，上部面被加熱至目標溫度且在進行處理所必要之時間期間維持於此溫度。
上部面處之加熱及相反面處之冷卻導致玻璃中的高熱梯度。在處理結束之後，(例如)借助於上部面之冷卻使玻璃厚度中之溫度均勻化為有利的，以便在處理單元出口及玻璃退火爐入口處恢復通常溫度狀況。
根據本發明之一替代性實施例，玻璃在處理單元出口處未達到其通常玻璃退火爐入口溫度。在此狀況下，有必要(例如)借助於增強之上部冷卻及/或藉由第一區之延長來調整玻璃退火爐的初始冷卻。
根據另一處理實例，沿熱調節單元調整將帶表面加熱至的溫度以便最佳化處理效率，待處理之面之溫度高於620℃同時確保相反面的溫度保持在推薦溫度範圍內，介於550℃與620℃之間(對於鈉鈣玻璃)。
就其他玻璃級別而言，藉由以黏度表述此等溫度位準來獲得此等溫度位準之等效值。待處理之面之黏度高於約2.3×1010 dPas，同時確保相反面的溫度保持在推薦黏度範圍內，在約1013 dPas與2.3×1010 dPas之間。
根據本發明之一例示性實施例，待處理之面的溫度在玻璃上之一點處在一平均溫度附近的一高值與一低值之間約交替改變，同時將相反面維持於約570℃的溫度(對於鈉鈣玻璃)，其對應於約1.9×1012 之黏度。此實施例用以增強玻璃厚度中之擴散處理(當此擴散遵循阿瑞尼斯(Arrhenius)型定律時)，因為溫度峰值比簡單保持於平均溫度產生更大之擴散。
本發明之方法之特徵亦為該處理單元整合一或多個連續玻璃處理器件(例如)以進行各種層之堆疊，以藉由一擴散方法組合一層，或產生單個極厚層。此等連續處理器件可具有諸如SP，接著CVD，接著火焰CVD之不同類型。根據本發明之此表面處理單元用以在該單元中進行通常在錫浴或玻璃退火爐中進行之處理。其亦用以藉由顛倒實施該等方法之次序來克服當前侷限性。實際上，可能首先進行SP處理接著進行高溫CVD處理(如在錫浴中進行)，而此情形迄今為不可能的，因為浴中使用SP為禁止的。
本發明之方法用以在玻璃之單個面或兩個面上置放處理器件。兩個面上處理之實施用以(例如)在一面上組合一功能(例如，抗反射)層，及在相反面上組合一導電透明層。
所實施之處理方法之類型及次序將適於該玻璃處理所意欲的結果。
各種處理之熱要求可為不同的，藉此需要調整施加在玻璃之該兩個面上之熱通量。對待處理之面上之通量的流動之調整用以獲得該等處理中之每一者所需要的溫度。有必要(例如)在SP之上游比在SP之下游更劇烈地進行加熱。
本發明之方法之特徵亦為沿熱調節單元調適玻璃的上部面之溫度以便最佳化每一連續處理。
本發明之方法之特徵亦為在藉由諸如滾筒的機械構件支撐之鈉鈣玻璃之狀況下，在熱調節單元中，待處理的玻璃面之溫度高於620℃，而玻璃之相反面之溫度介於550℃與620℃之間。
根據本發明之一例示性實施例，當高通量及高表面溫度對進行處理為必要時，亦在處理之後提供經處理之面的冷卻以便移除更多熱。
根據本發明之加熱構件用以獲得具有不同溫度位準之間的交替之橫向溫度分布。亦橫向地調整下部面之冷卻之強度。上部面處之此等不同溫度位準用以越過玻璃之寬度獲得沈積物的厚度之變化、擴散之規模的變化，或任何其他改質。舉例而言，就光電電池之製造而言，可能產生連續之金屬沈積帶以便接觸若干光電電池。
根據本發明，處理單元中之大氣之化學組成、壓力及溫度適於所實施的每一處理。
諸如金屬層之特定層之沈積需要還原大氣。出於安全原因，該單元中之壓力可根據該處理單元中所存在之物質而高於或低於大氣壓力。該處理單元可包含其中大氣不同之區段，以便適於每一區段中進行之處理。可在一可選過濾之後自該錫浴提供該處理單元中存在之該大氣。大體而言，該處理單元中之該大氣必須無塵，且此可需要對所注入氣體之過濾。
在該浮式玻璃製程之狀況下，根據本發明之該處理單元置於該浴出口與該玻璃退火爐之間或整合於該玻璃退火爐的開始部分中。其可與該錫浴及/或該玻璃退火爐分離或接合。
為了界定用於玻璃之熱調節之熱參數，有必要將以下納入考慮：‧待加熱至處理所需溫度之厚度，‧玻璃之速度，‧玻璃之熱擴散率，‧玻璃之熱焓，‧玻璃之發射率。
根據本發明之處理單元適用於處理廣泛範圍之玻璃厚度，(例如)自2mm至25mm。可能之處理的多樣性因此需要恰當之熱量綱(thermal dimensioning)以獲得所要結果，同時防止玻璃的過度加熱、過大裝置或過多能量消耗。
根據本發明之方法用以簡單並快速地判定用於待印刷至廣泛範圍之浮式玻璃產品的各種深度之帶的加熱及冷卻的最佳化條件。其係針對例示性實施例來描述。
除上文所論述之配置之外，本發明由以下關於參考附加圖式所描述之用於鈉鈣玻璃之例示性實施例更明確提出的許多其他配置組成，但其並非限制性的。
高溫下的帶傳輸面對主要的問題，諸如藉由滾筒產生之記號或兩個滾筒之間的玻璃之破裂及變形。就鈉鈣玻璃而言，經驗顯示對於10至20m/min之典型行進速度，約620℃之溫度為防止藉由支撐滾筒而產生之帶的記號或滾筒之間的破裂之上限。對於較低速度而言，諸如在平板玻璃處理窯中，最大可允許溫度較低，約580℃。
就鈉鈣玻璃而言，經驗亦顯示約570℃之溫度為下限，低於該溫度，玻璃開始凝結。
在玻璃板或帶之冷卻期間，必須對稱地冷卻兩個面。就處於高於轉變溫度Tg之溫度的玻璃而言，對稱冷卻首先造成兩個面之對稱凝結，且接著體積之凝結。當凝結未對稱地發生於兩個面上時，這會引發玻璃之彎曲。若僅一個面開始凝結，則玻璃板或帶會變形。
為考慮到此等風險，本發明對於鈉鈣玻璃提供在550℃與620℃之間的溫度下維持相反面與滾筒接觸。
滾筒之間的破裂及變形視玻璃溫度而定。對於鈉鈣玻璃而言，約620℃之均勻溫度為對於500mm之滾筒間隔(玻璃退火爐中的標準距離)觀測到玻璃之顯著破裂的上限溫度。滾筒之間的過度破裂將有可能形成玻璃中之永久翹曲。就某些玻璃處理而言，如藉由CVD沈積薄層，歸因於玻璃表面與CVD反應器之間的減少之間隙，維持玻璃之極佳平坦度為必需的。
升降台亦用以傳輸玻璃。不存在機械接觸可允許略高於620℃之溫度。然而，黏度之下降快速地降低玻璃之機械強度。
約620℃之溫度因此為具有機械傳輸之用於平坦玻璃的熱調節系統中之鈉鈣玻璃之上限。
為了改良表面處理方法(例如，藉由CVD)之效能，本發明提供將待處理之面的溫度增加至(例如)650℃。剛好置於CVD反應器之上游之加熱器用以在未引發相反面的溫度之任何增加之情形下，增加玻璃上部面(通常待處理之面)的溫度。必須在CVD反應器之後快速移除此熱通量以便避免超過下部面處之最大可允許溫度。在反應器引發少量熱損耗之狀況下(此狀況對期望層之沈積為合乎需要的)，可在反應器之後進行經處理之面的冷卻。然而，此選擇對於具有3至5mm之通常厚度之玻璃為未令人滿意的，因為在加熱及沈積期間發生之熱擴散引發相反面的溫度之快速及過度增加，其容易引發玻璃之藉由滾筒產生之記號。在將連續CVD反應器用以產生層之堆疊之狀況下，帶厚度中的熱擴散問題甚至將更明顯。此組態亦將導致滾筒之間的帶之額外破裂，此對CVD處理為有害的。
本發明要求冷卻相反面以將其維持於一溫度以避免該玻璃之藉由該支撐構件產生的記號及/或該玻璃之由於機械強度不足產生的變形，同時防止由過度冷卻導致之玻璃的凝結。
諸圖之圖1藉由根據浮式玻璃製程之玻璃帶生產裝置的示意性表示顯示本發明之第一例示性實施例。
該裝置包含窯1，向其中引入用於玻璃之製造之玻璃材料、沙、助熔劑、玻璃屑等。處於糊狀之玻璃帶B離開窯1，在還原大氣(詳言之，氮氣及氫氣之大氣)下由佔據浮式腔室3的下部部分之熔融錫浴2支撐。玻璃形成於約1000℃與600℃之間的溫度的錫浴上。
在腔室3之出口端處，玻璃帶B被從錫浴提昇且傳遞至渣箱(drossbox)DB(或浴出口)中被稱為吊出滾筒之滾筒4上。帶B接著通過處於開放空氣中之空間5，長度為幾十公分。此空間有時為封閉的且具備用於自錫浴移除氣體之構件。
帶B接著進入根據本發明之表面處理單元A。此包含作為玻璃傳輸構件之滾筒6、位於玻璃之上部面處的加熱器件7及處理單元8，及與加熱器件7相對之位於下部面處之冷卻器件9。置於處理單元8之入口及出口處之器件E用以限制熱損耗及大氣的交換。
在處理單元之後，玻璃進入玻璃退火爐L。貫穿玻璃退火爐，玻璃帶由以帶饋送速度旋轉之滾筒10水平支撐。可調整之拉伸力F施加至帶B。拉伸力F之強度用以對錫浴3中帶B之形成起作用。冷卻器K提供於帶之上方及下方。
此例示性實施例所考慮之資料如下：
‧無薄層之具有3.7m之寬度、4mm的厚度及15m/min之行進速度之透明鈉鈣玻璃帶。
‧表面處理在LOR滾筒4之後但在帶之退火之開始之前進行，玻璃處於610℃的溫度。
‧表面處理需要將上部面加熱至650℃之溫度。
‧表面處理需要此溫度維持持續12秒，對應於15m/min速度下3m之長度。
‧表面處理系統對帶之熱轉移無影響，亦即，其未改變帶之溫度。
下文論述之其他例示性實施例將用以解決表面處理系統對帶之熱轉移具有影響的狀況。
吾人現將更詳細地考慮此例示性實施例。為了獲得所要溫度及持續時間，根據本發明如下圖2中所示設計加熱及冷卻系統：
‧60kW/m2 之正熱通量在0.7m之長度(初始化區11)上施加於上部面，詳言之，藉由燃燒加熱11a。
‧在相反面處，藉由-15kW/m2 之熱通量冷卻相同長度，詳言之，藉由對流冷卻器件11b以吹氣法冷卻。
‧接著藉由25kW/m2 之通量在3.1m之長度(固持區12)上加熱上部面，詳言之，以輻射加熱器件12a加熱。
‧在相反面處，自位置0.7m處，在4m之長度上以-25kW/m2 之通量提供冷卻。
‧均勻化區13在固持區12之後。
圖3顯示玻璃帶中之溫度分布，曲線Tsup用於上部表面溫度，Tinf用於下部表面溫度，Tcentre用於中心溫度。單位為℃之溫度繪製於y軸上，且單位為公尺之位置繪製於x軸上。
調節之開始處之增強加熱的熱通量用以在帶中更快速地產生熱梯度。兩個面上之正熱通量及負熱通量在此區段中未經平衡，藉此用以略微地增加帶之平均溫度。
快速獲得在帶表面處之650℃之所要溫度。此冷卻防止下部面之溫度免於上升高於620℃，其為帶藉由滾筒產生記號之臨界溫度。
下部面處之溫度降至約580℃。此溫度仍足以避免帶之具有變形之風險的初期凝結。
接著在0.7m與3.8m位置之間，在3.1m之距離上在兩個面上平衡加熱及冷卻，藉此用以維持跨過玻璃帶之穩定熱梯度。貫穿表面處理製程，由此在上部面處維持650℃之溫度且在下部面處維持580℃。
在圖3之圖表中在3.8m的位置處，上部面之加熱停止，同時維持冷卻以便在其厚度中均勻化帶溫度(均勻化區)。歸因於熱自帶之深擴散，上部面之溫度接著甚至在無上部面的冷卻之情形下快速下降。此上部面之冷卻將用以加速此溫度均勻化。冷卻在下部面上繼續直至4.8m位置。以此方式，帶之平均溫度降低，藉此用以在施加根據本發明之熱調節之前，在約7m位置處恢復初始帶溫度。
若玻璃退火爐之第一區經熱調適，則熱調節單元可在3.8m位置處終止。在此狀況下，藉由在有限距離上增強冷卻上部面來補償在玻璃退火爐之入口處的帶溫度差為重要的。
圖4之圖表顯示帶沿著熱調節區之垂直溫度分布。溫度繪製於y軸上，而厚度位置繪製於x軸上。實線對應於單元中之0.7m位置處之分布，而點線對應於1m位置處的分布，且虛線對應於3.8m位置。
以仍彎曲但快速線性化之分布達到650℃之溫度。在1m位置處，溫度分布仍略微彎曲。在3.8m位置處，分布為線性的。然而，玻璃之表面處理可已開始於0.7m位置處，因為達到了目標溫度。
為了判定帶之熱調節所需的熱通量，首先有必要判定玻璃之傳導率。玻璃具有同時藉由熱子及光子傳導之特定特徵：然而，僅在吸收光譜之「不透明」部分中發射之光子對「有效」傳導率有作用。
透明鈉鈣浮式玻璃之有效傳達率係藉由線性近似法在600至700℃範圍中判定：
λ (T )=(a 0+a 1‧T )[W/m ‧K ]
係數a0=0.9且a1=8.9*10-4 *K-1
文獻含有更詳細地涉及傳導率、熱擴散率，及其對其他玻璃級別之判定的論文，(例如)M. Lazard,S.,D. Maillet,Int. J. of Heat and Mass Transfer 47(2004)，第477至487頁。
在具有玻璃薄片之厚度(4mm)及處理所需表面溫度(650℃)及下部面之固定溫度(580℃)的情形下，就判定越過薄片施加的熱通量。
藉由上文所論述之實例之參數，獲得待產生於固持區中的25kW/m2 之通量。此通量用於圖3中所示之模擬中。有效地獲得接近目標溫度之溫度。
為了判定初始化區之長度，亦即，在上部面及下部面處達到目標溫度及產生或多或少線性梯度所需的時間，將另一方法用以判定用於各種玻璃速度、各種厚度或熱擴散率之初始化長度。
被稱為貝克勒數(Peclet number)之無量綱數用以判定與質量傳輸組合的熱擴散過程(如根據本發明所應用以加熱移動玻璃)之最佳化條件。在吾人之狀況下，溫度擴散方向垂直於對應於帶行進之質量傳輸方向。此特定特徵要求重新定義使用具有相同擴散及傳輸方向之一維方法的習知貝克勒數。
此重新定義係基於2個特性時間，深處之熱擴散之特性時間及玻璃的水平傳輸之特性時間。
深處熱擴散之特性時間t diff 由t diff =(厚度/2)2 /熱擴散率給出。
初始化區中帶之水平傳輸之特性時間tconv 由tconv =區長度/帶速度給出。
tdiff /tconv 之間的比率定義貝克勒數Pe。
初始化區之長度使得貝克勒數在0.5與15之間且有利地在3與5之間。由此在深處充分產生溫度分布以確保下部面及上部面上之良好溫度穩定性。
在以上實例中，初始化區之長度係基於3之貝克勒數判定為0.7m。圖4顯示此長度在0.7m位置處產生具有良好深處熱擴散之玻璃厚度中之溫度分布。因此可能停止所希望之處理。
在已界定長度之後，易於估計待注入至初始化區中之熱通量。計算初始玻璃溫度與目標表面溫度之間的平均溫度。接著，在具有玻璃之速度、密度及比熱的情形下，計算達到此平均溫度所需能量通量。此通量除以初始化區長度給出待注入至玻璃中之熱通量密度。
將相同論點用以判定用於在初始化區中冷卻下部面之熱通量密度。相同方法接著用以設定處理單元之連續熱調節區之長度及通量的大小。
圖5中所示之本發明之以下例示性實施例顯示包含熱初始化區11、處理區12及熱均勻化區13的處理單元。初始化區11包含燃燒加熱器件11a。在處理區12中，若干連續單元用以獲得玻璃之化學轉換及/或層之堆疊。根據圖5中之實例，處理區12包含：-在由滾筒支撐之玻璃帶上方，連續的電漿處理單元12b1、CVD單元(或反應器)12b2及SP單元12b3、火焰CVD單元12b4，-接著，用於處理帶之下部面，且在帶下方，具有用於藉由在帶下吹氣以在不存在滾筒之情形下支撐該帶的提昇構件之CVD單元12b5，-加熱構件12a(例如)藉由紅外線或微波輻射。
詳言之，藉由吹氣法之冷卻器件11b提供於經處理之面的相反面上。均勻化區13包含具有絕緣之水冷卻器13b、接著是具有具備用於量測帶溫度之熱電偶構件的上橫樑及下橫樑之器件13c。
將經處理之面之表面溫度調整至適應於根據本發明的區之長度以最佳化每一處理，下部面之溫度維持於目標範圍中，對於鈉鈣玻璃為550℃與620℃之間。此溫度調整係根據依據先前處理之出口溫度及下一處理入口之目標溫度加熱、等化或冷卻玻璃的上部面之需要來藉由加熱、等化或冷卻構件進行。
圖5顯示(例如)藉由光學高溫計或使用建置於沈積設備中之熱電偶之溫度量測構件14。亦顯示用於自加熱(燃燒煙道)、沈積系統及冷卻器恢復氣體之器件15。可恢復由帶預加熱之冷卻空氣以用於熔爐之燃燒。根據帶處理氣體之類型，可藉由熔爐之燃燒過濾及/或恢復氣體。
吾人現將考慮加熱玻璃之各種可能性。加熱方法可分類為特別適用於經由表面注入熱之表面方法，及由按體積加熱材料之能力得名的體積方法。
1.表面方法：
輻射(藉由吸收玻璃之不透明光譜中之輻射進行加熱)，例如，電阻器、輻射火焰或雷射，熱空氣(玻璃表面處之對流及傳導)，熱氣體(燃燒之輻射、對流及傳導)，電漿(與玻璃薄片接觸之離子化氣體)
2.體積方法
微波(介電加熱)，感應(藉由電流之耗散加熱)，具有對應於根據玻璃類型及厚度之約1之光學厚度的波長之輻射。
大體而言，藉由微波或感應對薄玻璃板之加熱顯露兩個主要困難：‧不良吸收及不良良率(yield)，特別對於處於低溫之玻璃，‧進入體積之深滲入(而非有限深度)。
體積加熱構件具有以玻璃厚度中之非線性溫度分布在經處理之表面下提供熱「儲備」的優勢。此用以在冷卻處理期間限制經處理之面之表面溫度下降。同時，下部面之冷卻用以將其維持於目標溫度。
導電塗層、反射性塗層或低發射性塗層導致紅外線輻射之反射。因此不可能藉由越過經塗布面的紅外線輻射充分加熱玻璃。若輻射具有不同長度，(例如，微波或感應)，則玻璃或層可藉由輻射加熱。所採用之加熱構件亦可為對流的。
加熱構件亦可經選擇以便利用先前所沈積之層之性質。由此，感應加熱將主要用以加熱傳導層(例如，金屬)。
加熱構件可用以獲得特定橫向溫度分布(例如，兩個溫度位準之間的交替)以便沿玻璃之寬度產生具有可變強度之處理。
用於加熱該面之構件可包含燃燒器架，其越過帶之寬度橫向延伸且其火焰對準帶之待刻花的面。用於玻璃之上部面之加熱及冷卻構件可建置於處理單元中。
冷卻構件可為(例如)由越過玻璃之寬度橫向延伸且內部輸送冷卻流體(詳言之，空氣或水)之管形成的輻射構件，此管位於接近經處理之面處。冷卻構件亦可為藉由在玻璃上吹氣之對流構件。此氣體可與處理單元中存在之氣體不同或一致。
本發明之方法之特徵亦為用於玻璃的下部面之冷卻構件未產生對機械玻璃支撐設備之過度冷卻。
當有必要冷卻一個面時，此可藉由冷卻器件或藉由與表面處理單元之腔室之設計相關聯的自然冷卻獲得。舉例而言，腔室之薄熱絕緣或艙口之開啟將用以有利於玻璃的自然冷卻。
吾人現將更詳細地檢查電加熱(亦即，藉由玻璃退火爐中通常使用之電阻器的輻射)之狀況。若僅要加熱玻璃之一表面，則必須考慮此加熱之光譜態樣。
圖6以實線顯示透明鈉鈣浮式玻璃(4mm厚)之吸收光譜，且以虛線顯示處於825℃之黑體的光譜。以微米表述之波長繪製於x軸上。光學厚度繪製於y軸上左手比例尺上，而以W/m2 μm表述之黑體輻射繪製於y軸上右手比例尺上。
此圖顯示對於2.7μm以上之波長，黑色發射體之輻射基本由玻璃表面吸收。2個無限板之間的輻射交換之計算用以判定用於傳輸根據第一例示性實施例之穩態條件下所需的25kW/m2 之淨熱輻射之必要條件。為此目的，黑色發射體必須具有825℃之表面溫度。在此溫度下，其亦在玻璃之光學窗中發射22kW/m2 。此輻射越過帶且加熱下方之滾筒及其他設備。黑色或灰色發射體因此僅部分適用於加熱玻璃表面。較佳使用低於2.7μm的發射減少之光譜發射體。另一解決方案為使用藉由空氣或低發射煙道氣之對流加熱。
圖7顯示根據本發明之另一例示性實施例之熱模擬，其具有置於上部面處的三個CVD反應器及置於下部面處之一個CVD反應器。浮式玻璃帶具有3mm之厚度及15m/min之速度。玻璃為透明鈉鈣類型。反應器具有800mm之長度且造成帶表面之熱損耗，其在反應器的開始處之25kW/m2 之間變化且以10kW/m2 結束。
在圖7中，沿處理單元以公尺表述之位置繪製於x軸上，其中單位為℃之溫度繪製於y軸上。實曲線對應於玻璃帶之上部面之溫度，而粗虛曲線對應於下部面的溫度，且中間的點曲線對應於帶之中心之溫度。
初始化區用以在玻璃厚度中產生熱梯度，如第一例示性實施例中所描述。接著，為了預見到CVD反應器之熱損耗，在每一反應器之上游施加短期加熱。此加熱用以將待處理之面加熱至約750℃之溫度，使得反應器的中央位置中之玻璃表面之溫度保持於650℃以上。第一反應器(長度0.8m)之位置位於如圖7中所示之1m(反應器之開始)與1.8m(反應器之末端)之間。其他反應器位於短期加熱之後的同等位置處。
在置於上部面上之第三反應器之後，新初始化區用以倒轉玻璃中之熱梯度。上部面現處於約580℃之溫度，且由此確保帶之機械穩定性。下部表面必須加熱至處理所需之約750℃且接著冷卻。兩個支撐滾筒之間可用之通常距離不足以用於玻璃之此加熱、處理及冷卻。由此亦設計CVD反應器以提昇該帶。反應器之上游加熱及下游冷卻器件亦對支撐玻璃起作用。在7m位置處，帶支撐由滾筒繼續。在此位置，溫度在厚度中接近均勻化且接近610℃(處理單元中之帶入口溫度)。
用於加熱待處理之面的構件用以加熱先前沈積之層。
用於加熱待處理之面的構件主要用以加熱先前沈積之層。
用於加熱待處理之面的構件使得所發射之大部分輻射在玻璃為不透明之波長中。
在處理單元中施加電場以便有利於離子在所沈積層及/或玻璃中之擴散。
1．．．窯
2．．．錫浴
3．．．腔室
4．．．滾筒
5．．．空間
6．．．滾筒
7．．．加熱器件
8．．．處理單元
9．．．冷卻器件
10．．．滾筒
11．．．初始化區
11a．．．燃燒加熱
11b．．．對流冷卻器件
12．．．固持區
12a．．．輻射加熱器件
12b1．．．電漿處理單元
12b2．．．CVD單元/CVD反應器
12b3．．．SP單元
12b4．．．火焰CVD單元
12b5．．．CVD單元
13．．．均勻化區
13b．．．水冷卻器
13c．．．器件
A．．．表面處理單元
B．．．帶
DB．．．渣箱
E．．．器件
F．．．拉伸力
K．．．冷卻器
L．．．玻璃退火爐
圖1為採用本發明之方法之浮式玻璃生產線的示意性縱剖面；
圖2為顯示熱調節單元之其他細節之圖1的部分之更大比例示意圖；
圖3為顯示在恆定處理溫度之狀況下作為x軸上之縱向位置的函數的y軸上之帶溫度之圖表；
圖4為一圖表，其顯示在恆定處理溫度之狀況下作為x軸上之厚度的位置之函數的y軸上之帶溫度；
圖5顯示根據本發明的處理單元之一縱剖面，其包含位於上部面處之四個連續處理器件；
圖6為一圖表，其顯示一透明鈉鈣浮式玻璃之吸收光譜及黑體之光譜；及
圖7為一圖表，其顯示在藉由使用包括位於上部面處之3個CVD反應器及位於下部面處之1個CVD反應器的4個CVD反應器調整處理溫度之狀況下作為x軸上的縱向位置之函數的y軸上之帶溫度。
1．．．窯
2．．．錫浴
3．．．腔室
4．．．滾筒
5．．．空間
6．．．滾筒
7．．．加熱器件
8．．．處理單元
9．．．冷卻器件
10．．．滾筒
A．．．表面處理單元
B．．．帶
DB．．．渣箱
E．．．器件
F．．．拉伸力
K．．．冷卻器
L．．．玻璃退火爐

Claims (15)

  1. 一種用於處理呈一帶或一板之形式的平坦玻璃之表面的方法，其藉由改質化學、光學或機械性質，或藉由沈積一或多個薄層來處理，其中藉由用於加熱待處理之面使得在獲得其表面之有效處理所必要的時期期間該待處理之面維持處於一目標溫度的構件，並藉由用於冷卻相反面使得此相反面具有一在1013 dPas與2.3×1010 dPas之間的黏度的構件而在玻璃厚度中建立一受控熱梯度，其中：在一初始化區(11)中，該待處理之面經該加熱構件加熱以到達該目標溫度並在該玻璃內建立該熱梯度，且該相反面經該冷卻構件冷卻，其中該帶之平均溫度增加，且其中判定用於達到該待處理之面及該相反面處之該等目標溫度的該初始化區之長度，使得如下所決定之貝克勒數Pe在0.5與15之間 其中：t diff =深處熱之擴散的特性時間，t diff 由t diff =(厚度/2)2 /熱擴散率而給出，此厚度為該帶之一厚度並且此熱擴散率為該玻璃之一熱擴散率，並且t conv =該初始化區中之該帶的水平傳輸之特性時間，t conv 由t conv =區長度/速度而給出，此區長度為該初始化區之長度並且此速度為該初始化區中之該帶的一傳輸速 度，在一處理區(12)中，該待處理之面經該加熱構件加熱經過一處理時期，同時該經處理之面的該相反面由該冷卻構件維持在一溫度Tinf 經過該處理時期，在一均勻化區(13)中，與該經處理面相反之該面經冷卻。
  2. 如請求項1之方法，其中，在該初始化區中，來自該加熱構件於該待處理之面上之一第一熱通量大於來自該冷卻構件於該相反面上之一第二熱通量，藉此用以增加該帶之平均溫度。
  3. 如請求項1之方法，其中在該處理區中，來自該加熱構件於該待處理之面上之一第一熱通量等於來自該冷卻構件之一第二熱通量，藉此用以維持越過該玻璃帶的一穩定熱梯度。
  4. 如請求項1之方法，其中在該均勻化區中，停止該加熱同時維持該冷卻。
  5. 如請求項1之方法，其中對該玻璃的一面之該冷卻係由一冷卻器件或一與該均勻化區的設計相關聯之自然冷卻產生。
  6. 如請求項1之方法，其中該玻璃的該待處理之面之溫度在該處理區中調整。
  7. 如請求項1之方法，其中在一由諸如滾筒的機械構件支撐之鈉鈣玻璃之狀況下，在該處理區中，該玻璃的該待處理之面之該溫度高於620℃，同時該玻璃的該相反面 之該溫度在550℃與620℃之間。
  8. 如請求項1之方法，其中在該處理區中，該加熱構件使該待處理之面的該溫度在該帶上之一點處在一高溫度值與一低溫度值之間交替改變。
  9. 如請求項1之方法，其中該加熱構件用以藉由越過該玻璃之一寬度施加不同溫度位準獲得一橫向溫度分布。
  10. 如請求項1之方法，其中對該待處理的面之該加熱係借助於一體積加熱來進行，該體積加熱用以在該待處理之面下產生一熱儲備，從而在該玻璃厚度中產生一非線性溫度分布。
  11. 如請求項1之方法，其中該待處理的面包含沈積於其上之一或多層，並且用於加熱該待處理的面之該構件用以加熱該一或多層。
  12. 如請求項1之方法，其中該待處理的面包含沈積於其上之一或多層，並且用於加熱該待處理的面之該構件用以加熱該一或多層之至少其中之一。
  13. 如請求項1之方法，其中用於加熱該待處理的面之該構件使得自其所發射之熱輻射在該玻璃為不透明的波長中。
  14. 如請求項1之方法，其中該待處理的面包含沈積於其上之一或多層，並且在該處理區中產生一電場以便促進離子在該一或多層或該玻璃中的擴散。
  15. 如請求項1之方法，其中該處理區中的大氣之化學組合物壓力及溫度適於所進行之每一處理。
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