TWI564256B - 用於玻璃製作製程中熱脫離形成主體的設備 - Google Patents

Description

用於玻璃製作製程中熱脫離形成主體的設備

本申請案依據專利法法規主張西元2012年3月27日申請的美國專利申請案第13/431340號的優先權權益，本申請案依賴該申請案全文內容且該申請案全文內容以引用方式併入本文中。

本發明係關於製造玻璃片的融合製程，且特別係關於採用置於封閉區內的耐火形成主體的融合製程。

融合製程係用於玻璃製作領域來製造玻璃片的基礎技術之一。相較於此領域已知其他製程，例如浮式與開縫抽拉製程，融合製程所製造的玻璃片表面有較佳的平坦度和平滑度，因而不需後形成表面研磨或拋光。是以融合製程在製造用於液晶顯示器(LCD)的玻璃基板製造方面變得特別重要。

在示例性融合下拉製程中，一旦達到穩態操作，熔融玻璃即溢出形成主體的凹槽頂部兩側而形成二熔融玻璃串流，熔融玻璃串流往下及向內沿著形成主體的外漸縮表面流 動。二串流於形成主體的底部或根部會合，其中二串流一起融合成單一玻璃帶。玻璃帶接著供送到抽拉裝備，以從形成主體根部抽拉玻璃帶。抽拉帶的速率會影響帶的最後厚度。要將熔融玻璃從形成主體抽拉成具平坦、平滑表面的連續帶需要在供應及從形成主體抽拉玻璃時，精確控制熔融玻璃的溫度。此溫度控制一般係利用設於氣室內的加熱元件提供，氣室由圍繞形成主體的封閉區構成。設在加熱元件與形成主體間的封閉區內壁通常係良好的熱導體，以將熱能有效地從加熱元件傳送到形成主體。封閉區內壁亦用於平分熱能及消除熱點。然內壁的傳熱性也會向上傳熱，以致下加熱元件中的功率變化將造成封閉區頂部的溫度提高，使得上面溫度與下封閉區中的變化息息相關。故很難在不影響形成主體頂部的玻璃溫度的情況下控制根部的溫度。

在一態樣中，揭示用於形成玻璃片的設備，設備包含：封閉區，封閉區包含上內壁部分、下內壁部分和外壁，外壁隔開上與下內壁部分而於其間形成氣室；形成主體，形成主體包含設於封閉區內的凹槽和漸縮形成表面；複數個加熱元件，加熱元件設於氣室內；熱障，熱障延伸橫越氣室並設在最低的加熱元件與垂直鄰接的加熱元件之間，熱障包含隔熱層和結構構件；及隔熱塊，隔熱塊設在上內壁部分與下內壁部分之間並分隔二者。在一些實施例中，隔熱層等於或大於約2.5公分(cm)。在一些實例中，隔熱塊的底部設在結構構件的上表面上。在其他實例中，結構構件由隔熱塊支 撐。在又一些其他實例中，隔熱塊的上表面設在結構構件底下。下內壁部分由耐火隔熱構件支撐。

在另一態樣中，描述用於形成玻璃片的設備，設備包含：封閉區，封閉區包含上內壁部分、下內壁部分和外壁，外壁隔開上與下內壁部分而於其間形成氣室；形成主體，形成主體包含設於封閉區內的凹槽和漸縮形成表面；複數個加熱元件，加熱元件設於氣室內；熱障，熱障延伸橫越氣室並設在最低的加熱元件與垂直鄰接的加熱元件之間，熱障包含隔熱層和結構構件；隔熱塊，隔熱塊設在上內壁部分與下內壁部分之間並分隔二者；及耐火隔熱構件，耐火隔熱構件支撐下內壁部分。

應理解以上概要說明和下述詳細說明均描述本發明的實施例，及擬提供概觀或架構以對本發明主張的本質和特性有所瞭解。所含附圖提供對本發明的進一步瞭解，故當併入及構成說明書的一部分。圖式描繪本發明的示例性實施例，並連同實施方式說明來解釋本發明的原理和操作。

10‧‧‧形成主體

12‧‧‧凹槽

14‧‧‧壁面

16‧‧‧形成表面

18‧‧‧根部

20‧‧‧熔融玻璃

22‧‧‧流

24‧‧‧帶

26‧‧‧軋輥

28‧‧‧抽拉方向

30‧‧‧玻璃製作設備

32‧‧‧封閉區

34‧‧‧內壁

36‧‧‧外壁

38‧‧‧氣室

40‧‧‧支撐構件

42、42a‧‧‧加熱元件

50‧‧‧熱障

52‧‧‧結構構件

54‧‧‧隔熱層

60‧‧‧隔熱塊

62、64‧‧‧內壁部分

70‧‧‧隔熱基腳

第1圖係形成主體的截面端視圖，形成主體用於示例性融合下拉製程來製作玻璃片；第2圖係本發明一實施例的截面端視圖，其中隔熱塊設在上內壁部分與下內壁部分之間，以解除(decouple)下加熱元件中的功率變化與上封閉區溫度中的溫度變化的關聯性，隔熱塊位於熱障上，熱障延伸橫越內壁與外壁間的氣室；第3圖係本發明另一實施例的截面端視圖，其中隔 熱塊設在上內壁部分與下內壁部分之間，以解除下加熱元件中的功率變化與上封閉區溫度中的溫度變化的關聯性，熱障延伸橫越內壁與外壁間的氣室，熱障由隔熱塊支撐；及第4圖係本發明又一實施例的截面端視圖，其中隔熱塊設在上內壁部分與下內壁部分之間，以解除下加熱元件中的功率變化與上封閉區溫度中的溫度變化的關聯性，隔熱塊位於熱障底下，熱障延伸橫越內壁與外壁間的氣室。

以下詳細說明提及揭示特定細節的示例性實施例，以對本發明有更徹底的瞭解，但本發明不以此為限。然一般技術人士將明白，利用本發明的優勢，本發明當可以脫離本文所揭示特定細節的其他實施例實行。再者，在此將省略已知裝置、方法和材料的敘述，以免本發明變得晦澀難懂。最後，盡可能以相同的元件符號表示相仿的元件。

如第1圖所示，圖呈現示例性玻璃製作設備30，設備30包含用於典型融合製程的形成主體10。形成主體10包含凹槽12，凹槽12形成於形成主體的上表面並以壁面14為界，漸縮的形成外表面16於形成主體下端沿線會合(以下稱作根部18)。熔融玻璃20供應到凹槽12及溢出壁面14而形成分離的熔融玻璃流22，熔融玻璃流22向下流過形成主體的外表面，包括漸縮形成表面16。分離的熔融玻璃流於根部合併或融合而形成連續的熔融玻璃帶24，當帶24由根部18下降時，帶24從黏性液體冷卻成彈性固體。對置的逆轉軋輥26嚙合下降帶的邊緣部分，以助於從形成主體朝抽拉方向28抽 拉帶。抽拉方向28通常係垂直方向，但在一些實施例中，抽拉方向可轉成非垂直方向。

能否由流過形成主體10的熔融玻璃來製造特別平坦又表面平滑的玻璃片取決於控制一些不同的製程變數，包括抽拉速率、溫度與熔融玻璃的黏度。例如，為能成功地從根部抽拉熔融玻璃，熔融玻璃應有最低黏度。若黏度太低，則帶可能無法支撐施加的抽拉力。例如，典型最低黏度為約100000泊，但在一些配置下，可抽拉黏度低至50000泊的玻璃。

一些玻璃組成例如在特定抽拉溫度下具低黏度，且在形成主體根部需要更冷的溫度，以將玻璃黏度提高至適當抽拉黏度。反之，其他玻璃組成在特定抽拉溫度下具較高黏度，且需要較高根部溫度來達到適當抽拉黏度。無一玻璃組成可通用所有應用。故需控制形成主體的熱環境，特別係實質獨立於形成主體頂部的溫度，個別控制形成主體根部的溫度。

另一要考慮的玻璃屬性為玻璃的液相溫度，液相溫度係維持或低於該溫度一段可觀時間後，玻璃開始結晶的溫度。

最後，由於形成主體通常係由耐火陶瓷材料組成，熔融玻璃於熔融態時具腐蝕性，故組成形成主體的陶瓷材料將溶於流過形成主體表面的熔融玻璃，接著往往於形成主體根部或其他下表面析出。析出材料會中斷熔融玻璃流動，以致影響帶表面的平滑度。因此，各種因素都要求控制遍及形 成主體高度的溫度剖面。例如，如上所述，也許有必要提高根部的熔融玻璃黏度來融合抽拉玻璃。此需提高設在根部附近的加熱元件的功率，以提高根部鄰近溫度。然熱氣會上升，提高形成主體底部的溫度亦會不當提高形成主體頂部的溫度，因而增加溶於熔融玻璃的形成主體材料量。

第1圖進一步圖示設於封閉區32內的形成主體10。封閉區32係多壁結構，多壁結構包含內壁34和隔開內壁34的外壁36，使孔洞或氣室38得存於內壁與外壁之間。外壁36可為磚材，例如耐火磚。內壁34可為燒結的碳化矽材料，例如Hexaloy或任何其他具良好傳熱性的適合耐高溫材料。在第1圖所示實施例中，內壁34與外壁36由支撐構件40支撐。支撐構件40例如係在操作溫度下至少能支撐內壁與外壁重量而不致變形的結構鋼件。

封閉區32有助於在形成主體10周圍形成可控制環境，以盡可能隔絕熔融玻璃和外在影響。為加熱形成主體和內含熔融玻璃，封閉區32通常含有加熱元件42，加熱元件42設在氣室38內。加熱元件42通常係利用線圈或更常為金屬棒的電阻式加熱器。多個加熱元件例如可排成垂直陣列，在一些實施例中，可進一步包含沿著封閉區長度延伸的水平陣列。較佳地，複數個加熱元件各自利用適當的已知加熱控制方法和裝備來個別控制。加熱元件42例如可以手動控制、恆溫控制或較佳以電腦控制，使封閉區32內更易維持適當溫度剖面。加熱元件亦可分組或分區控制，其中係一起控制加熱元件群組。即，加熱元件群組的所有加熱元件接收相同的 電流強度。在一些實施例中，導電棒用作加熱元件，截面直徑或其他截面屬性可沿著棒長變化，以提供適合特定溫度分布的預定剖面。由於加熱元件的電阻和特定電流所能達到的溫度取決於導體的截面積，故藉由適當形成加熱元件的截面形狀來產生隨加熱元件長度變化的不同溫度，可提供水平沿著形成主體長度的特定溫度剖面。

在暢通的共用氣室38中，氣室上部和封閉區32係由共用氣室內的所有加熱元件利用輻射與對流加熱。暢通意指氣室未被完全阻擋，使氣室底部不敞開到氣室頂部。由最低的加熱元件42a引向形成主體10的漸縮形成表面16(特別係向根部18)的熱能反而經由共用氣室損失於封閉區32和形成主體10的上部。因此，形成主體上部和溢出上部的熔融玻璃將接收比預期多的熱，形成主體下部則接收比預期少的熱。故為達到預定根部溫度，形成主體上部(和內含熔融玻璃)可能超過預定溫度。此加熱偏差會造成形成主體的上部與下部間有不能接受的大溫差△T。

形成主體頂部的玻璃與形成主體底部的玻璃間的溫差應最小化，以減少熔融玻璃的溫度太低時，形成主體材料溶於流過形成主體表面的熔融玻璃及結晶的量。

就特定玻璃條件而言，在熔融玻璃的溫度下，當溶解的形成主體材料量超過飽和位準時，熔融玻璃內會產生夾雜物。例如，若形成主體由鋯組成，則會促進形成主體底部的鋯晶體成長。溶解材料將跑出溶液，並於形成主體表面沉積為晶體。若成長得太大，則該等晶體會斷裂而夾帶於玻璃 流中。此從品質觀點看來係不能接受的。

由於形成主體溶解的兩個關鍵貢獻因素為時間和溫度，故消除形成主體組成材料再成長的一方式為降低玻璃於形成主體內或上的最高溫度，特別係較熱的上部。同時，流動玻璃於形成主體下端(根部區)的溫度必須維持在玻璃的液相溫度以上，以免玻璃反玻化。故期提高形成主體底部的玻璃溫度，同時降低流過形成主體頂部的玻璃溫度：換言之，減少形成主體頂部與形成主體底部間的溫差或梯度。

控制遍及形成主體高度的溫差的另一理由為協助設備啟動。即，例如在維修關機後，加熱形成主體達適當操作溫度。形成主體通常係單塊耐火(陶瓷)材料，若未實質均勻加熱，則加熱期間，材料會從熱應力破裂。在習知融合製程中，增加供應到最低加熱元件的功率以提高根部區的溫度亦會提高形成主體頂部的溫度，因而可能增加形成主體頂部與形成主體底部間的溫差。故加熱形成主體期間，形成主體頂部的溫度將成為控制因素。藉由降低形成主體頂部溫度與形成主體底部溫度的關聯性，可減少形成主體頂部與底部間的溫差和不均等加熱引起的應力。關聯性在此係指某一位置(例如形成主體底部)的溫度對另一位置(例如形成主體頂部)的溫度的影響。

如前所述，試圖減少形成主體頂部與根部間的溫差十分困難，因為增加供給最低加熱元件的功率以提高根部溫度通常也會提高形成主體頂部的溫度。即，根部的溫度與形成主體頂部的溫度息息相關，其中某一位置的溫度變化會造 成另一位置的溫度變化。

在一些情況下，熱障50提供在封閉區32內且延伸橫越氣室38，以隔離最低的加熱元件42a與氣室38內封閉區32的其餘加熱元件，從而控制熱障上方的氣室輻射加熱。

熱障50可包含一或更多層。例如，一層可為提供熱障結構完整性或強度的層，一或更多附加層可提供熱障主要的隔熱性。茲發現SiC熱障例如提供所需強度與耐高溫降解性的同時，本質上不足以提供所需熱性質。故在一些實施例中，熱障50包含結構構件52(例如SiC)和一或更多隔熱層54。隔熱層例如包含高溫陶磁纖維板，例如Duraboard® 2600。結構構件52支撐隔熱層54。故熱障50有助於解除形成主體頂部的溫度與形成主體底部的溫度的關聯性。此外，由於加熱元件偶爾會折斷及倒下，故結構構件52有益於提供最低的加熱元件42a和熱障50底下的融合設備部件機械保護。

雖然上述設在相鄰加熱元件間的熱障能有效減少封閉區內的輻射加熱，但對減少封閉區的傳導加熱而言只有最小效用。即，內壁34特意由良好熱導體材料組成，使加熱元件42能有效加熱封閉區32的內部。然此保證內壁亦會將熱從內壁下部有效傳導到形成主體頂部附近的內壁上部。

因此，如第2圖所示，隔熱塊60設在上內壁部分62與下內壁部分64之間，以進一步解除封閉區頂部的溫度與封閉區底部的溫度的關聯性。隔熱塊60隔開上內壁部分62和下內壁部分64，使上、下壁部分不會互相接觸，以於內壁 內有效插入熱中斷而顯著減少內壁部分間的熱傳導。隔熱塊60可由陶瓷耐火材料組成，例如鋯(例如Zircon 1390)。在第2圖所示實施例中，每一隔熱塊設在結構構件52上。此外，在一些實施例中，支撐下內壁部分64的隔熱基腳70設在下內壁部分64與支撐構件40之間，以隔絕下內壁部分與支撐構件的熱。

為更清楚瞭解各種隔熱選項的影響，乃進行數學模型化。就下表所列六種條件，評估該等選項的效用。模型研究在最低加熱元件42(加熱元件42a)的熱輸出產生步級變化後，形成主體根部的溫度變化與上內壁部分的上面區域面對形成主體(MSU)處的預定位置的溫度變化比率。

上表資料顯示，結合隔開上內壁部分與下內壁部分的隔熱塊60和設在最低加熱元件與垂直鄰接加熱元件間的熱 障50可提供有效解除上封閉區溫度與較低加熱元件造成的溫度變化的關聯性。

在第3圖所示的另一實施例中，隔熱塊60設置使各結構構件52由隔熱塊支撐。例如，結構構件52一側可嵌入隔熱塊60內，以隔絕結構構件與上內壁部分62和下內壁部分64的熱。

在第4圖所示的又一實施例中，隔熱塊60設在各結構構件52底下。故例如，上內壁部分62與下內壁部分64隔開且不接觸下內壁部分64。然由於結構構件52係良好的熱導體，比起第2圖和第3圖的實施例，有更多熱會從結構構件52傳送到上內壁部分62，故結構構件52可接觸上內壁部分62。因此，第4圖實施例的效用比第2圖和第3圖的實施例差。

應強調的是，本發明上述實施例，特別係任何「較佳」實施例，僅為舉例說明實施方式，以對本發明的原理有更清楚的理解。在未實質脫離本發明的精神和原理內，當可對本發明上述實施例作許多更動與潤飾。本發明的範圍擬涵蓋所有此類修改例與變化例，本發明的保護範圍以後附申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧形成主體

12‧‧‧凹槽

14‧‧‧壁面

16‧‧‧形成表面

18‧‧‧根部

20‧‧‧熔融玻璃

24‧‧‧帶

26‧‧‧軋輥

30‧‧‧玻璃製作設備

36‧‧‧外壁

38‧‧‧氣室

40‧‧‧支撐構件

42、42a‧‧‧加熱元件

50‧‧‧熱障

52‧‧‧結構構件

54‧‧‧隔熱層

60‧‧‧隔熱塊

62、64‧‧‧內壁部分

70‧‧‧隔熱基腳

Claims (7)

1. 一種用於形成玻璃片的設備，該設備包含：一封閉區，該封閉區包含一上內壁部分、一下內壁部分和一外壁，該外壁隔開該上內壁部分與該下內壁部分而於其間形成一氣室；一形成主體，該形成主體包含設於該封閉區內的一凹槽和漸縮形成表面；複數個加熱元件，該等加熱元件設於該氣室內；一熱障，該熱障延伸橫越該氣室並設在一最低的加熱元件與一垂直鄰接的加熱元件之間，該熱障包含一隔熱層和一結構構件；及一隔熱塊，該隔熱塊設在該上內壁部分與該下內壁部分之間並分隔該上內壁部分與該下內壁部分，其中該結構構件的一個側嵌入該隔熱塊內，使得該結構構件與該上內壁部分和該下內壁部分兩者熱隔絕。
2. 如請求項1所述之設備，其中該結構構件由該隔熱塊支撐。
3. 如請求項1所述之設備，其中該下內壁部分由一耐火隔熱構件支撐。
4. 如請求項1所述之設備，其中該熱障的隔熱層的一厚度等於或大於約2.5公分(cm)。
5. 一種用於形成玻璃片的設備，該設備包含：一封閉區，該封閉區包含一上內壁部分、一下內壁部分和一外壁，該外壁隔開該上內壁部分與該下內壁部分而於其間形成一氣室； 一形成主體，該形成主體包含設於該封閉區內的一凹槽和漸縮形成表面；複數個加熱元件，該等加熱元件設於該氣室內；一熱障，該熱障延伸橫越該氣室並設在該複數個加熱元件中一最低的加熱元件與一垂直鄰接的加熱元件之間，該熱障包含一隔熱層和一結構構件；一隔熱塊，該隔熱塊設在該上內壁部分與該下內壁部分之間並分隔該上內壁部分與該下內壁部分；及一耐火隔熱構件，該耐火隔熱構件設在該下內壁部分底下並支撐該下內壁部分，其中該結構構件的一個側嵌入該隔熱塊內，使得該結構構件與該上內壁部分和該下內壁部分兩者熱隔絕。
6. 如請求項5所述之設備，其中該隔熱塊直接接觸該下內壁部分。
7. 如請求項5所述之設備，其中該耐火隔熱構件直接接觸該下內壁部分。