TWI530464B - Molten glass guide - Google Patents

Description

熔融玻璃導引裝置

本發明係有關於熔融玻璃之導引裝置，用於將熔融玻璃自玻璃熔爐之熔融區域與精煉(conditioning)區域導引至浮床(float bath)，以製作平板玻璃。藉由玻璃質量流率(mass flow rate)低於每日100噸的小型浮流裝置，即所謂的迷你浮流(mini-float)裝置或微型浮流(micro-float)裝置，本發明所提出之裝置尤其適合生產特殊玻璃，例如顯示器玻璃或薄層太陽能玻璃等。

對於應用在顯示器之平板玻璃的製作，除了諸如溢流下拉(overflow down draw)或噴口下拉(slot down draw)等製程外，浮流(float)製程的使用也日益增加。用於製作汽車玻璃或建築物玻璃的習知製程主要是為了大量生產而設計，通常使用鹼金屬鈉鈣玻璃(alkali-soda-lime glass)，其中所生產之平板玻璃的厚度至少為1mm，且通常為3.5mm以上。

然而，只有特殊的玻璃組成，才能具備適合顯示技術之平板玻璃所須的特性。

為了維持較低的重量，特別是對於可攜式設備而言，玻璃基板的較佳厚度為小於1mm。除了減少密度以實現輕量化，尚須在低密度之外提高楊氏模數(Young’s Modules)，以提高所生產之玻璃板的強度。

適於液晶顯示器(LCD)的玻璃組成大多不含鹼金屬氧化物，以避免因擴散而影響附著膜層之電晶體功能。這種特殊的玻璃組成大多是不含鹼金屬的硼鋁矽玻璃(boron aluminum silicate glass)，如同在DE19840113 A1號專利案之說明書中所述，其具有高化學耐久性。相較於傳統的鹼金屬鈉鈣玻璃，上述玻璃需要增加200度的溫度以進行熔融及精煉，而其中包含之組成如硼化合物則具有揮發的傾向。此種玻璃所要求的品質相當於光學玻璃之品質。

在諸如汽車或建築物玻璃的大量生產中，熔融玻璃會被導引至一液態錫床，亦即在例如US 3695859 A號專利中所謂的浮床(float bath)。為了滿足不同於大量玻璃製程的需求，已有所謂迷你浮流或微型浮流製程的作法，主要差異在於明顯地降低玻璃的流率。對於應用在太陽能玻璃、防火玻璃、顯示器(例如TFT-LCD)玻璃或保護覆蓋玻璃之較薄的玻璃板而言，較低的玻璃流率是有其必要的。

在迷你浮流製程中，玻璃在一玻璃熔爐或玻璃熔槽中被熔化後進行精煉。精煉係指設定一定之黏度及確保熔融玻璃有足夠的材料均勻性與熱均勻性。透過使用例如JP H0333020(A)號專利案中所述之真空精煉(vacuum refine)方式，可消除在熔化過程中玻璃內殘留之氣泡。另一種自熔融玻璃中消除氣泡的方法，可以藉由如DE 10253222 B4號專利中所述之高溫精煉設備來實現。上述兩種精煉裝置均設置在本發明之供料系統的上游。

DE 102005019646 B4號專利說明書中描述一種供料系統，係藉由導通電流穿過一裝置而直接加熱之型式。該裝置具有一供料管、一在流動方向呈漏斗狀擴大之連接管、及一個供料斜 道。其中，熔融玻璃的液面高於浮床而藉由上述裝置將之引至浮床的表面，並在浮床的熔融金屬表面上擴展開來。所輸送的玻璃熔體之供給量(dosage)是由一滑動閘(slider)或例如在US 3445217 A號專利或WO 2011136148 A1號專利案中描述之所謂的閘門(tweel)控制之。

WO 2011059096 A1號公開案中提出的解決方案是使用唇塊(Lip-Block)〔亦稱為溢流石(overflow stone)〕取代溢流斜道。這種唇塊的詳細說明可參考US 3492107 A號專利或DE 10308031 B4號專利。熔融玻璃離開溢流斜道或唇塊之後便進入浮床，亦即玻璃板成型的階段。

本發明所提出之供料系統具有上述先前技術所無之優點，例如藉由整合一垂直導引管，可在其內部配置不同之特定組件，從而在成型區域前對例如玻璃熔體之特性及流率進行控制。

本發明之一態樣為一種熔融玻璃導引裝置，包含：一導引管，其係圓柱狀、大致垂直地配置並直接電加熱；一供料管，其係水平地連接至該導引管並直接電加熱；以及一供料通道，其係大致水平地或略向下傾斜地配置並直接及/或間接電加熱，其中該供料管用以導引來自一熔融或精煉區域之熔融玻璃進入該導引管，該供料通道用以導引該導引管中之熔融玻璃至一浮床，且在該熔融或精煉區域中之熔融玻璃之液面高於該浮床之平面。其中，在該導引管中可進一步包含以下之至少一者或其組合：一用以改善均勻性之攪拌器、一用以改變流速之強制輸送器、或一用以調整供給量之柱塞。又該供料通道之截面可為矩形、圓角矩形或橢圓形，該導引管 之側面在高於該供料管之高度具有一出口，使得被導引在垂直方向的圓柱狀熔融玻璃轉向為大致水平方向而進入該供料通道。該供料通道之截面積在熔融玻璃流動方向上可維持不變，其相對最大變化量約為0.5。

其次，在上述之熔融玻璃導引裝置中，該導引管、該供料管及該供料通道之材料包含鉑系金屬或其合金，並可配置電力供應法蘭(flange)而以釋放焦耳熱之方式進行直接加熱。相對地，間接加熱可藉由燃料或藉由在該供料通道之周圍配置電加熱元件。關於該導引管，可進一步配置一上引流管，以排出靠近液面之熔融玻璃而避免揮發所導致的局部組成改變；並可具有一用於密封頂部之蓋板，該蓋板之位置可低於熔融玻璃之液面。關於該供料通道，其頂部及側壁外可進一步裝設鉑或鉑合金製成之穩定金屬板以增加穩定性；並可進一步包含支承該供料通道之支承元件，該支承元件為剛玉(fused corundum)製成之棒、管、或板之至少一者或其組合；更可進一步包含一環繞該供料通道之馬弗爐，該馬弗爐可具有一陶瓷纖維之隔絕本體及二個面向以上之輻射加熱元件，或是具有一耐熱材料之隔絕本體及使用石化燃料之燃燒器。此外，若該供料通道之出口端具有一經過設計之適當截面積尺寸，則可不需設置一滑動閘。

在本發明提出之熔融玻璃導引裝置中，被導引之熔融玻璃可用於製作太陽能或顯示器元件之玻璃、防火玻璃、或防護玻璃。基於上述之發明意旨，本發明之具體實施方式將詳述於後。

1‧‧‧供料管

2‧‧‧導引管

3‧‧‧供料通道

4‧‧‧法蘭

5‧‧‧下引流管

6a‧‧‧攪拌器

6b‧‧‧強制輸送器

6c‧‧‧柱塞

7‧‧‧熔融玻璃液面

8‧‧‧加熱元件

9‧‧‧唇塊

10‧‧‧滑動閘

11‧‧‧浮床

12‧‧‧液態錫

13‧‧‧上引流管

圖1係本發明之熔融玻璃導引裝置的配置示意圖。

圖2係在本發明之導引管中安裝攪拌器之一具體例的示意圖。

圖3係在本發明之導引管中安裝強制輸送器之一具體例的示意圖。

圖4係在本發明之導引管中安裝柱塞之一具體例的示意圖。

圖5係在本發明之導引管中安裝柱塞之另一具體例的示意圖。

圖6(a)係本發明之供料通道之一具體例的側視示意圖，圖6(b)為圖6(a)中沿A-A線段之剖面示意圖。

圖7(a)係本發明之供料通道之另一具體例的側視示意圖，圖7(b)為圖7(a)中沿B-B線段之剖面示意圖。

依據前述之發明內容，以下配合圖式說明本發明之具體實施方式之例示。各圖式中所繪之裝置僅用於輔助理解文字說明，不應被用於限定實際裝置之尺寸、比例或其中所包含的構成元件。

圖1為本發明之熔融玻璃導引裝置的配置示意圖，其中主要包含供料管(1)、導引管(2)及供料通道(3)，分別說明如下。

供料管(1)

供料管(1)位於熔融玻璃之精煉區域(圖式中未繪出)與導引管(2)的入口之間，其材料較佳為鉑系金屬(platinum group metal；PGM)或其合金，例如鉑或其合金，周圍並包覆隔熱用陶瓷材料(圖式中未繪出)。此外，供料管(1)並具有電力供應法蘭(power supply flange)(4)，當電流通過時作為電阻而釋放焦耳熱，此一加熱方式以下稱之為「直接加熱」。

導引管(2)

如圖1所示，供料管(1)沿水平或維持一角度延伸而連接導引管(2)，導引管(2)較佳為沿垂直方向而設置。

導引管(2)的作用是導引熔融玻璃，將其內部大致呈圓柱形或多邊形之熔融玻璃體積流供給下游大致沿水平方向配置之供料通道(3)並轉換為具相當厚度的帶狀熔融玻璃。

如圖6(a)、(b)所示之側視圖及剖面圖，當供料通道(3)連接導引管(2)端之開口的水平寬度大於導引管(2)的內部直徑時，可在導引管(2)形成一錐形擴展部，使導引管(2)的內部直徑逐漸擴大至對應供料通道(3)之開口的水平寬度，並在垂直方向的另一側形成一錐形漸縮部，使導引管(2)的內部直徑逐漸縮小為原本的直徑。

導引管(2)之材料包含鉑系金屬或其合金，並裝設電力供應法蘭(4)，其配置方式為在導引管(2)的長度方向上至少有一個加熱系統，較佳為二個以上並可獨立控制的加熱系統，藉此進行直接加熱。由鉑系金屬及/或其合金構成之導引管(2)也被陶瓷絕緣材料環繞。

為了提高玻璃的品質，特別是為了消除因工廠上游設備之部件的耐火內襯(refractory lining)進入玻璃處理區域而進入終端產品所導致的不良產品，在導引管(2)之底部設有一鉑或其合金製成且施以電加熱的下引流管(5)，當生產線運作時該引流管(5) 可週期性地打開以排出被汙染的熔融玻璃。此外，當熔融玻璃在導引管(2)中有接觸外部空氣的開放液面(open surface)或自由液面(free surface)時，靠近玻璃液面之熔融玻璃可能因為揮發(例如硼氧化物)而導致局部組成的改變，並可能因熱的散逸而使熔融玻璃的溫度降低進而減緩其流速，甚至落入供料通道進入終端造成產品不良。故如圖2所示，可在導引管(2)之靠近頂部的側面設置一上引流管(13)，以便將組成可能發生改變之熔融玻璃排出。

導引管(2)之頂部可設置一蓋板(lid)，特別是在製程開始進行而熔融玻璃液面穩定之後，可將該蓋板覆蓋熔融玻璃上，例如可參見圖6(a)及圖7(a)，亦即使該蓋板之位置等於或低於熔融玻璃液面，避免因形成自由液面而使局部的熔融玻璃組成改變。然而，蓋板之設置方式或位置並不以此為限，亦可設置於高於熔融玻璃液面的位置。

相較於習知技術，此垂直配置之導引管(2)的優點尚包含其內部允許設置不同功能之特定組件。該特定組件可配置為使其在導引管(2)與供料通道(3)之接合區域或更低的區域中發揮作用。

圖2至圖5顯示不同類之特定組件之例。

圖2所示之特定組件為一用於均勻化之攪拌器(agitator)(6a)，攪拌器(6a)可以讓傳送至供料通道(3)的熔融玻璃在熱分布與化學性質上更為均勻。當熔融玻璃在一般圓形截面的管路中流動時，中心部分會形成流速最快的中心流。本發明之攪拌器(6a)可有效減少中心流，從而提高玻璃溫度的均勻性。由於溫度差造成之黏滯性的差異會導致所製造之玻璃產品的厚度不 均，欲成型薄而平整的玻璃板便需要較佳的溫度均勻性。對本發明所屬技術領域具有通常知識者而言，自可依不同需求選擇不同類型之攪拌器(6a)，例如葉片之形狀、大小、分布方式等。

圖3所示之特定組件為一用於調節玻璃質量流率之強制輸送器(forcer)(6b)。強制輸送器(6b)具有螺旋葉片的構造，除了提高玻璃均勻性的功能之外，更具有調節流量的功能。強制輸送器(6b)的運作方式係藉由提供機械能而形成特別的熔融玻璃導引區段，可造成導引管(2)內之玻璃液面(7)的升高或降低，使導引管(2)內的壓力隨之升高或降低，同時改變熔融玻璃的流速。換言之，藉由推送器之操作而影響流阻(flow resistance)，即可實現流速的控制。同樣地，本發明所屬技術領域具有通常知識者自可依不同需求設計不同規格之螺旋葉片，例如螺距或寬度等。

設置於導引管(2)內之特定組件亦可為一柱塞(plunger)(6c)，如圖4及圖5所示。該柱塞(6c)具有局部的直徑變化，可用於調節供給量或玻璃的質量流率。透過調整柱塞在導引管(2)中的高度，若柱塞從靠近頂部的較高位置(如圖4所示之狀態)移動至連接供料通道(3)之區域或更低的位置(如圖5所示之狀態)，即可藉之降低玻璃的質量流。換言之，藉由調整該柱塞在導引管(2)中的高度，即可實現流率的控制。圖4與圖5中之柱塞(6c)的直徑變化使其具有一半球形面，惟其亦可能為圓錐形面或其他形狀，或是不具有直徑變化之圓柱形。

除了上述之特定組件外，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可依不同需求與目的設置其他類型之特定組件，亦可結合不同類型之特定組件使其具有兩種以上之效果，例如結合柱塞與 攪拌器，使其可同時控制流率並提高熔融玻璃之溫度均勻性。

供料通道(3)

水平或略為傾斜設置之供料通道(3)具有大致矩形之截面，並連接於垂直設置之導引管(2)的圓柱面上。供料通道(3)之截面可為矩形或圓角矩形，亦可為橢圓形；其高與寬的比例(當截面為大致矩形)或短軸與長軸的比例(當截面為橢圓形)可在整段的供料通道(3)上維持一致或僅有些微的變化。用於形成玻璃帶(glass band)時，供料通道(3)之寬度大於高度(或橢圓形截面之長軸大於短軸)。此外，供料通道(3)在整段長度上的截面積比例可維持固定(亦即出口端與入口端截面積相同)或略有變化，例如最大變化量為50%(出口端截面積為入口處截面積之50%)或60%。需注意的是，供料通道(3)之截面積形狀可在長度方向上變化，假設維持固定截面積之矩形，可藉由逐漸增加寬度並降低高度，使其成為更扁平之矩形截面。換言之，以圖6(b)及圖7(b)之供料通道(3)剖面圖為例，二者之截面積均可維持固定或在長度方向上變小。

供料通道(3)之材料可包含鉑系金屬或其合金，並且可對其直接加熱。

此外，在供料通道(3)外部配置加熱元件(8)而對之進行間接加熱，將有其特別之益處。諸如加熱元件(8)之間接加熱設備可獨立設置，亦可在既有的直接加熱設備之外另外附加。

間接加熱是在包覆供料通道(3)的馬弗爐(muffle)中進行，較佳是透過由二矽化鉬(MoSi₂)製成之輻射加熱元件或藉由鉑金屬及其合金或類似的適合材料所製成的導線，可為板加熱 器或者通過特殊環繞式陶瓷載體與真空成型纖維(vacuum-formed fiber)的組合。由於透過馬弗爐的壁面對供料通道(3)獨立加熱，在供料通道(3)中玻璃的溫度分佈可以藉由改變高溫爐之頂部、底部、左側或右側之不同的熱輸出而加以調整。

為了增加鉑金屬及其合金製作之供料通道(3)在高溫下的機械強度，供料通道(3)可在外圍配置強化板或強化肋，較佳為配置在頂壁或側壁上。

此外，供料通道(3)可置於陶瓷底座上及/或以具有高熱傳導係數之緻密陶瓷(例如剛玉)所製作之馬弗爐將之包覆。陶瓷元件可用來作為陶瓷底座，特別是以Al₂O₃含量達99.7%之緻密純剛玉或混合Al₂O₃/ZrO₂形成之陶瓷材料所製作之管或棒。該等陶瓷材料具有良好的耐熱衝擊性、高機械強度與斷裂強度。

整個供料通道(3)係位於導引管(2)的玻璃液面(7)之下，因此流經其中的熔融玻璃不會形成任何自由液面；自由液面是不良玻璃的潛在來源，例如揮發或汽化可能導致玻璃的局部組成發生變化。

供料通道(3)可連接至一般之溢流斜道或是如圖1所示之唇塊(9)。在供料通道(3)之後可如圖1所示使用一滑動閘(10)以避免熔融玻璃在供料裝置中形成自由液面，亦即可讓熔融玻璃在製程進行過程中持續地填滿供料通道(3)；然而，透過適當設計供料通道(3)的開口尺寸，例如較為扁平且截面積較小之矩形截面，亦可在未設置滑動閘(10)的情況下使熔融玻璃在供料裝置中不會形成自由液面。熔融玻璃流過唇塊(9)之後，便進入含有液態錫(12)之浮床(11)。

以上所述之各具體例，僅為本發明實施方式之例示，並非窮盡列舉所有可能之變化。申請人主張之權利範圍如後述申請專利範圍所載，其中各請求項之文義及均等範圍均為本專利之權利範圍所涵蓋，前述發明說明或圖式之內容自不得作為解釋申請專利範圍之限制。

1‧‧‧供料管

2‧‧‧導引管

3‧‧‧供料通道

4‧‧‧法蘭

5‧‧‧下引流管

6a‧‧‧攪拌器

7‧‧‧熔融玻璃液面

8‧‧‧加熱元件

9‧‧‧唇塊

10‧‧‧滑動閘

11‧‧‧浮床

12‧‧‧液態錫

Claims (14)

1. 一種熔融玻璃導引裝置，包含：一導引管，其係大致垂直地配置並直接電加熱；一供料管，其係水平地連接至該導引管並直接電加熱；以及一供料通道，其係大致水平地或略為傾斜地連接至該導引管並直接及/或間接電加熱，其中該供料管用以導引來自一熔融區域或精煉區域之熔融玻璃進入該導引管，該供料通道用以導引該導引管中之熔融玻璃至一浮床，在該熔融區域或精煉區域中之熔融玻璃液面高於該浮床之平面。
2. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，其中該供料通道之截面為矩形、圓角矩形或橢圓形，該導引管之側面在高於該供料管之高度具有一出口，使被導引在垂直方向的圓柱狀熔融玻璃轉向為大致水平方向而進入該供料通道。
3. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，其中該供料通道沿熔融玻璃流動方向之截面積維持固定，或該供料通道沿熔融玻璃流動方向之截面積變化率介於0.5至1之間。
4. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，其中該導引管、該供料管及該供料通道之材料包含鉑系金屬或其合金並配置電力供應法蘭，藉由焦耳熱的釋放進行直接加熱。
5. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，其中間接加熱係藉由燃料或藉由在該供料通道之周圍配置電加熱元件。
6. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，在該導引管中進一步包含以下之一者或其組合：一用以改善均勻性之攪拌器、一用 以改變流速之強制輸送器、或一用以調整供給量之柱塞。
7. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，其中該導引管配置一上引流管，用以排出液面之熔融玻璃使其免於因揮發而導致局部組成的改變。
8. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，其中該導引管具有一蓋板，用以密封該導引管之頂部。
9. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，在該供料通道之頂部及側壁外並裝設鉑或鉑合金製成之穩定金屬板以增強結構穩定性。
10. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，進一步包含支承該供料通道之支承元件，該支承元件為剛玉(fused corundum)製成之棒、管、或板之至少一者或其組合。
11. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，進一步包含一包覆該供料通道之馬弗爐，該馬弗爐具有一陶瓷纖維之隔絕本體及多面向之輻射加熱元件。
12. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，進一步包含一包覆該供料通道之馬弗爐，該馬弗爐具有一耐熱材料之隔絕本體及使用燃料之燃燒器。
13. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，其中，該供料通道之出口端具有一特定截面積尺寸，使該供料通道中之熔融玻璃不會形成自由表面，而不需於該供料通道之出口端設置一滑動閘。
14. 如申請專利範圍第1項之熔融玻璃導引裝置，其中，被導引之熔融玻璃係用於製作太陽能或顯示器元件之玻璃、防火玻璃、或保護玻璃。