TWI565670B - 用以直接電阻加熱含鉑容器的設備 - Google Patents

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Description

用以直接電阻加熱含鉑容器的設備 【相關申請資料之交叉引用】
本申請案主張申請於2012年7月11日之美國專利申請案第13/546461號的優先權，該案之內容係以引用方式將其全部內容併入本文。
本發明關於玻璃製造，尤其是含鉑容器的直接電阻加熱，其中含鉑容器用於容納或輸送熔化的玻璃(容器例如為熔化器、精煉器(finer)、攪拌室、成形器、連接管及類似物)。
在玻璃板(例如用作電子顯示器(例如液晶顯示器(LCDs))基板的玻璃板)製造中的基礎步驟包括：(1)熔化原料，(2)精煉(再精煉)熔化物以移除氣態夾雜物，(3)攪拌所精煉的熔化玻璃以達到化學與熱的均勻，(4)熱調節均勻的玻璃以降低玻璃的溫度且因此增加玻璃的黏性，(5)將冷卻的熔化玻璃形成為玻璃扁帶(ribbon)，以及(6)將個別的玻璃板從玻璃扁帶分離。在下引熔合製程(downdraw fusion process)的情況中，玻璃扁帶係使用稱為「溢流槽(isopipe)」的形成體來形成，同時在漂浮製程(float process)中，熔融錫浴(molten tin bath)係為此目的而使用。也可使用其他如已知於玻璃製造工藝的方法。
需要高溫以成功的精煉熔化玻璃，因為通過熔化玻璃的氣泡之上升率同玻璃的黏度成反比地變化。也就是說，黏度越低，上升率越快。玻璃黏度同溫度成反比地變化，據此，溫度越高，黏度越低。因為熔化玻璃只在限量的時間位於用於精煉的裝置中，達成通過熔化物的氣泡之快速上升是很重要的。因此，精煉器通常在盡可能高的溫度操作，因而熔化玻璃處於低黏度。然而，要將熔化玻璃形成為扁帶需要比在精煉期間所使用還要高得多的黏度。因此，存在著在精煉與形成步驟之間熱調節(冷卻)熔化玻璃的需求。
歷史上，熱調節已藉由將熔化玻璃傳遞過具有圓形剖面的導管來執行。導管已藉由陶瓷材料包圍且藉由金屬支架來支持，且熔化玻璃的熱損失率已通過使用直接或間接加熱來控制以便避免將顯著的熱與流動的不均勻引進玻璃，其中顯著的熱與流動的不均勻就如同冷卻製程的結果。因為熔化玻璃的高溫以及避免熔化玻璃汙染的需求，導管壁經常以貴金屬形成，例如鉑族金屬。
在含鉑材料中有價值的特性是他們通電時產生熱的能力。其結果是，流過含鉑容器(或容納於含鉑容器中)的熔化玻璃可藉由在沿容器之玻璃接觸壁之長的一或更多位置之間傳導電流來加熱。這樣的加熱步驟在發明所屬技藝中稱 為「直接加熱」或「直接電阻加熱」(於本文所使用的名詞)。在這種用法中，「直接」指的是從容器本身加熱，而不是通過外部施加的間接電阻或火焰加熱。
在直接電阻加熱中的一個主要的挑戰就是從容器壁引入及移除電流。這不僅是電的問題，也是熱的問題，因為導電路徑可導致不平衡的電流密度，其中不平衡的電流密度在導電路徑中產生熱點(hot spot)。這些熱點可導致(例如通過所涉及的金屬之加速氧化或者藉由達到金屬的熔點)過早的材料故障。
將電流引進容器壁的一種方式是通過使用導電金屬翼緣(flange)。如此翼緣的範例可例如在美國專利第6,076,375及7,013,677號中找到。本發明係關注於用於將電流引進含鉑容器壁的翼緣，且尤其是確保在翼緣及裝載熔化玻璃容器中的單一電流密度。
為了改善流過翼緣電流密度的均勻性，係揭露提供關於容器的角度不對稱的質量分佈(mass distribution)之方法與裝置，其中為了加熱流過容器之熔化材料的目的，翼緣係經設計以將電流輸送至金屬容器。
一態樣中，揭露了用於輸送熔化材料的裝置，包括：具有導電外壁部的容器，其中容器的橫截面具有長軸La及短軸Sa；金屬翼緣在容器周界附近接合至容器，翼緣包括複數個環，環包括了含鉑較內環以及環繞含鉑環的最外的環，且其中環繞含鉑環的最外的環包括體部以及從體部延伸的電極 部；且其中沿容器長軸La之最外的環之體部寬度係不同於沿容器短軸Sa之最外的環之體部寬度且其中含鉑環包括凹口。最外的環可例如包括鎳。金屬翼緣可包括平行於短軸Sa或長軸La其中之一的單一對稱軸。
在一些示例中，含鉑環的寬度(除凹口之外)並不實質變化。含鉑環可包括複數個含鉑環，而該等複數個含鉑環至少其中之一的厚度係不同於含鉑環之另一之厚度。在一些實施例中，含鉑環包括複數個含鉑環，且該等複數個含鉑環的最外含鉑環包括凹口。在一些實施例中，最外的環之體部並不包括冷卻部件，其中該冷卻部件係經配置以在冷卻部件的通道中承載冷卻流體。
在另一態樣，描述了用於形成玻璃板的裝置，包括：有具長橢圓形橫截形狀之導電外壁部的容器；包括複數個環的金屬翼緣，該等環至少包括：具有包括鉑之第一成分的第一環，且該第一環係在容器周界附近接合至容器，第一環有具長橢圓形橫截形狀之較外周界；以及具有不同於第一成分之第二成分的第二環，該第二環包括體部及從體部延伸的電極部；且其中第二環的寬度以相對於容器的角度位置為函數而變動。
裝置可進一步包括形成體，該形成體包括收斂的形成面。在一些示例中，第一環包括凹口。在一些實施例中，第一環的寬度並不實質變動。第一環例如可包括複數個含鉑環，且該等複數個含鉑環至少其中之一的厚度係不同於該等複數個含鉑環之另一的厚度。在一些實施例中，第一環包括 複數個含鉑環，以及該等複數個含鉑環的最外含鉑環包括凹口。最外的環的體部在一些實施例中並不包括冷卻部件，該冷卻部件係經配置以在冷卻部件的通道中承載冷卻流體。
仍於另一態樣，揭露了用於加熱熔化材料的電翼緣，包括：複數個金屬環，該等金屬環至少包括：具有包括鉑之第一成分的第一環，且該第一環有具長橢圓形的較外周界；以及具有不同於第一成分之第二成分的第二環，且該第二環包括體部及從體部延伸之電極部；且其中體部的寬度以相對於容器的角度位置為函數而變動。在一些示例中，第一環包括凹口。第一環可包括複數個含鉑環，且該等複數個含鉑環的最外含鉑環包括凹口。第一或第二環至少其中之一的寬度可以相對於容器的角度位置為函數而變化。
又於另一態樣，描述了製造玻璃板的方法，包括：熔化批料以形成熔化玻璃；將熔化玻璃流過包含鉑的金屬容器，金屬容器具有長橢圓形周界形狀；將電流供給至第一導電翼緣，其中容器延伸過且沿容器的周界接觸第一導電翼緣，導電翼緣包括：複數個環，該等環包括含鉑較內環及環繞含鉑環的最外的環，且其中環繞含鉑環的最外的還包括體部及從體部延伸的電極部；且其中沿容器長軸La之最外的環之體部寬度係不同於沿容器短軸Sa之最外的環之體部寬度且其中含鉑環包括凹口。
本發明額外的特徵及優點係闡述於之後的詳細說明中，且該等額外特徵及優點部分對於出自該說明之領域具有技藝者將是顯而易見的，或者藉由施行如本文所描述的發明 而認清。附隨的圖示係經包括以提供發明的進一步理解，且經併入及構成此說明書的一部分。要了解的是，揭露於此說明書以及圖示中的發明之多種特徵可用於任何或所有組合中。
10‧‧‧示例性裝置
12‧‧‧批料
14‧‧‧熔爐/熔化器
16‧‧‧熔化玻璃
18‧‧‧連接導管
20‧‧‧精煉器/精煉器導管
22‧‧‧攪拌容器
24‧‧‧連接導管
26‧‧‧連接導管
28‧‧‧輸送容器
30‧‧‧降液管
32‧‧‧形成體
34‧‧‧入口
36‧‧‧玻璃扁帶
38‧‧‧橫截面
40‧‧‧入口端
42‧‧‧內道
44‧‧‧出口端
46‧‧‧外壁
48‧‧‧翼緣組件
48a‧‧‧翼緣體部分
50‧‧‧電源
52‧‧‧環
52a‧‧‧含鉑環
52b‧‧‧含鉑環
52c‧‧‧含鉑環
54‧‧‧環
56‧‧‧電極
56a‧‧‧電極
56b‧‧‧電極
60‧‧‧凹口
62‧‧‧冷卻區塊
64‧‧‧匯流排棒
65‧‧‧入口
66‧‧‧對稱軸
67‧‧‧出口
68‧‧‧冷卻流體
70‧‧‧對稱軸
Sa‧‧‧短軸
La‧‧‧長軸
A‧‧‧寬
B‧‧‧高
L‧‧‧長
W1‧‧‧寬度
W2‧‧‧寬度
W3‧‧‧寬度
W3a‧‧‧寬度
W3b‧‧‧寬度
W3c‧‧‧寬度
t52‧‧‧環52的厚度
t54‧‧‧環54的厚度
t52a‧‧‧含鉑環52a的厚度
t52b‧‧‧含鉑環52b的厚度
t52c‧‧‧含鉑環52c的厚度
圖1為用於製造玻璃板的示例性熔合下引製程示意圖；圖2A為用於裝載熔化玻璃的導管透視圖；圖2B為圖2A導管的橫截面側視圖，圖2B包含了依據用於將電流輸送至導管的本揭露實施例的翼緣組件；圖3為圖2B的示例翼緣組件之前視圖；圖4為圖3的翼緣組件之橫截面側視圖；圖5為依據本揭露實施例的另一示例翼緣組件之前視圖；圖6為圖5之翼緣組件的橫截面側視圖；圖7為依據本揭露實施例的另一示例翼緣組件前視圖；圖8為圖7之翼緣組件的橫截面側視圖；圖9為依據本揭露實施例的另一示例翼緣組件前視圖；圖10為依據本揭露實施例的另一示例翼緣前視圖，該翼緣具有兩個電極以將電源提供至翼緣組件。
於下的詳細說明中，為了解釋而非限制的目的，揭 露特定細節的示例實施例係經闡述以提供本發明的完整理解。然而，本發明可施行於其他脫離本文所揭露之特定細節的實施例中，這對於本發明所屬領域具有通常技藝者(已受惠於本揭露)將是明顯的。此外，眾所周知的裝置、方法及材料之描述可被忽略以便不模糊本發明的描述。最後，在任何適用的情況下，類似的參考標號係指類似的元件。
如本文以及請求項中所使用的，名詞「貴金屬」意指鉑族金屬或鉑族金屬的合金。根據具體的愛好，亦包括鉑、顆粒穩定化的鉑(Pt)、鉑合金或顆粒穩定化的鉑(Pt)合金，而不受限於鉑族金屬。作為一非限制示例，該名詞包括鉑銠合金(例如重量百分比(wt.%)為80%的鉑以及重量百分比為20%的銠之合金)。
如在本文以及請求項中所使用的，名詞「長橢圓形橫截面(oblong cross-section)」意指具有橢圓形(ellipse)、卵形(oval)或賽道(racetrack)(也就是橫截面的周界(perimeter)具有藉由曲線連接每一端的平行直邊(例如半球形)，或藉由在每一端具有曲線的直截面(例如在每一端的四分之一圓形)連接每一端的平行直邊)的形狀橫截面。「長橢圓形導管」係為具有垂直該導管之長的長橢圓形橫截面之導管。長橢圓形導管包括長橫截軸以及短橫截軸，其中長橫截軸沿導管橫截面的最長尺度(dimension)對分(bisect)導管，而短橫截軸則沿最短橫截面對分導管。
於圖1的示例性裝置10中，批料(以箭頭12表示)係供給入熔爐或熔化器14且經熔化以於第一溫度T1形成熔 化玻璃16。T1取決於特殊的玻璃組成，但對於作為非限制示例的能夠用於LCD(LCD-capable)的玻璃而言，T1可超過1500℃。熔化玻璃通過連接導管18從熔化器14流至精煉器導管(或「精煉器」)20。玻璃通過連接導管24從精煉器20流至攪拌容器22以混和及均勻化，且玻璃通過連接導管26從攪拌容器22流至輸送容器28而此後流至降液管(downcomer)30。熔化玻璃可接著通過入口(inlet)34導至形成體32。在繪示於圖1中之熔合下引製程的情況中，輸送至形成體32的熔化玻璃流過形成體32的覆蓋形成表面(covering forming surface)，在形成體32的覆蓋形成表面，分離流係結合在一起(或熔合)以形成玻璃扁帶36。扁帶可接著冷卻及分離以形成單一玻璃板。
於精煉器20，熔化玻璃係經加熱至高於T1的第二溫度T2。舉例而言，T2可大於T1至少100℃，而作為一示例，T1可為1500℃。T2中相對高的溫度降低了熔化玻璃的黏性，因而允許熔化材料中的氣泡更容易被消除。此外，較高的溫度釋放包含於淨化劑(fining agent)(例如包含於熔化玻璃中的多價氧化物)中的氧氣，其中淨化劑是通過批料進入熔化玻璃。釋放的氧氣在實質上充當成核結晶處(nucleating site)的熔化玻璃中形成氣泡。也就是，熔化玻璃中的溶解氣體遷移進氧氣泡，使氣泡成長。氣泡成長所造成之增加的浮力加速了通過熔化玻璃的自由表面從熔化玻璃將氣泡移除。
當熔化器14典型地以耐火材料(例如陶瓷磚)形成，大部分的下游系統(包括多種用於輸送熔化玻璃的容器， 例如連接導管18、24、26、精煉器20、攪拌容器22、輸送容器28、降液管30以及入口34)皆典型地以導電貴金屬(通常為鉑或鉑合金(例如鉑銠合金))形成。如上所描述的，熔化玻璃相當熱，且因此需要能夠長時間承受超過至少1600℃溫度的高溫金屬。並且，該金屬應為抗氧化的，或經屏蔽以降低與氧氣的接觸，其中氧化可藉由貴金屬部件所經歷的高溫而加速。此外，熔化玻璃相當的有腐蝕性，所以該貴金屬應相對地能抵抗來自玻璃的攻擊，其中來自玻璃的攻擊可藉由容器材料導致玻璃的汙染。包括週期表鉑族(鉑、銠、銥、鈀、釕和鋨)的金屬對於此目的特別有用，且因為鉑比其他鉑族金屬更容易製作(work)，許多高溫製程利用鉑或鉑合金容器。然而，因為鉑是昂貴的，一切努力皆用以最小化這些容器的尺寸。
圖2A為連接導管(例如連接導管26)實施例的透視圖，其中連接導管具有藉由虛線38表示的長橢圓形橫截面，且特別在圖2A的情況中，連接導管具有「賽道」橫截形狀。賽道的意思是於長尺度之端具有藉由兩個直截面連接的兩個圓截面的形狀。於使用期間，如圖2B所示，熔化玻璃16通過導管的入口端40進入導管、行沿內道42並通過導管的出口端44離開。
在實際應用中，導管可具有各種各樣的尺度。舉例而言，導管之長L可約為數英尺(例如3-12英尺(約3.7公尺))，而導管可具有沿長橢圓形導管的長軸La的寬A以及沿長橢圓形容器的短軸Sa的高B，其中寬A約為15-30英寸 (約76公分)，而高B則為6-9英寸(約23公分)。寬A及高B表示導管的標稱外部尺度。為了促進建立，導管可以複數個長橢圓形段(例如每個具有1英尺(約0.3公尺)長的段)來組合。然而，應注意的是，前述的尺度僅為示例，而特定尺度(包括容量及熔化玻璃的流量需求)將取決於導管所安裝進的系統。
長橢圓形導管的寬高比(A/B比)可設於2至6的範圍中。當熔化玻璃通過導管時，此範圍也導致熔化玻璃的低壓頭損失(head loss)。重要的是，為了相等的熱傳輸率以及相等的溫度及流量梯度，具有圓形橫截面的導管會需要比具有3.3A/B比的長橢圓導管還要長2.5倍。此外，這樣的圓形導管會具有大於長橢圓形導管16倍的壓頭損失。如具技藝之工作者所知的，在管理貴金屬系統的熱膨脹以及最小化建造底盤空間中，長度是重要的。又，壓頭損失在維持均勻玻璃流量中是重要的變數，其中壓頭損失係相關於幾乎所有的形成方法且特別相關於下引熔合形成製程。
依據示例性實施例，長橢圓形導管為至少3公尺長，且當執行熱調節(例如熔化玻璃的受控制冷卻)時，長橢圓形導管係以熔化玻璃填充，其中熔化玻璃(1)以至少800公斤/小時(約1800磅/小時)的率流動且(2)在導管的入口及出口面之間以至少每公尺30℃的平均率冷卻。藉由沿導管的長橫截面軸施加比沿導管的短橫截面軸更多熱能至導管壁，可使得在(a)導管中心與(b)導管短軸與導管壁的交點之間於出口面處的熔化玻璃所計算的溫差低於或等於約15℃(假設 在入口面均勻的溫度分布)。
在通過貴金屬連接導管的第一容器與第二容器之間的不加熱轉移(unheated transfer)(也就是說，於該處熱能並不加至熔化玻璃材料)中，當熔化玻璃進入連接導管時，熔化玻璃立刻開始冷卻。然而，理想的是控制熔化玻璃所冷卻的率所以熔化玻璃在沿流動路徑的特定點不冷卻低於預定的最小溫度。因此，連接導管最好加熱以補償過量的熱損失。在某些情況中(例如在熔化器與精煉器之間的連接導管情況中)，流至精煉器的熔化玻璃溫度在玻璃進入精煉器之前係藉由將比通過傳導和對流的導管損失更多的熱能供給至導管來增加。雖然可使用外部熱源，此加熱步驟通常藉由如先前所概述的直接加熱方法來完成。若熔化玻璃的流量增加超過初始流量，加熱需求便提高一預定的溫度。這可需要(例如)增加連接導管的長度以允許更多時間加熱及將熔化玻璃確保於適當的溫度。當在形成較長的導管中所使用的鉑的量增加時，製程成本可因此而增加。並且，在典型製造環境中，額外底盤空間的可用性經常受限，致使加長元件的選擇是有問題的(不論材料成本)。
替代性方法是增加供給至連接導管的熱能。對於經直接加熱的連接導管，這意味著提高通過經直接加熱元件的電流流量。電流可為交流電流(alternating current,AC)或直流電流(direct current,DC)，但經常為AC電流。然而，所提高的電流流量已被發現在將電流饋至容器的電翼緣組件交切(meet)容器壁的點以及在翼緣組件本身中的點皆產生熱 點。在翼緣組件及導管交切位置的熱點可導致熔化玻璃不均勻的加熱，且在翼緣組件中的熱點可折中翼緣組件的完整性(例如藉由包括加速的氧化或熔化)以及翼緣組件的過早故障(premature failure)。並且，雖然電翼緣組件可經積極地冷卻以防止過早故障，但若翼緣未經冷卻的溫度超過所使用材料的某些閥值，冷卻系統的失效可為災難性的。
一個翼緣組件中熱點的起因肇因於在同電極呈直線上的位置之翼緣組件中的高電流密度，其中該電極將翼緣組件連接至電流源。也就是說，翼緣組件典型地包括從翼緣體延伸且連接至電纜或匯流排棒的舌片(tab)或電極，其中該電纜或匯流排棒將電流饋至翼緣組件。其結果是，接近電極同翼緣體會合位置之電流密度典型地遠高於翼緣組件上的其他位置。假如供給至翼緣組件的電流係經提升以處理更大的加熱需求，在接近電極的區域(電流從電極分布至翼緣體之處)中之翼緣體中較高的電流密度可在翼緣體中產生足夠大的溫度以通過包含於翼緣體之材料的快速氧化來造成翼緣體的過早故障。或者，在極限的情況中，電流流量可充足到加熱並熔化電極及/或翼緣體。
圖2B繪示直接電阻加熱系統之部分及描繪示例性金屬容器(例如導管)，攪拌容器於此處至輸送容器，具有外壁46的連接導管26附接將電流施加至外壁46的兩個翼緣組件48。應注意的是導管26表示直接加熱的示例性使用，而翼緣組件48可同任何其他導電金屬容器或用以容納或輸送熔化玻璃的導管採用。
雖然僅繪示兩個翼緣組件，在實際運用中可將多於兩個翼緣組件使用於任何特殊容器或導管以將電流提供至外壁的不同區段，其中翼緣組件係在該等不同區段中同該等不同區段電連通。翼緣體的中央口孔(aperture)(容器或導管係通過該中央口孔延伸)將具有迎合容器或導管橫截面形狀的形狀(也就是容器或導管周界的形狀)。
依據圖2B，第一及第二翼緣組件48係連接至電源50，其中電流在翼緣組件間流動且流過容器(例如導管)。電流行過第一翼緣組件，進入容器壁，且通過與第一翼緣組件間隔開的第二翼緣組件撤出。翼緣組件之間的距離係藉由容器所放的加熱需求來決定，且藉由所屬領域具有通常技藝者是輕易地被決定的。行過容器外壁46的電流加熱容器而熔化玻璃在容器中輸送。雖然未繪示於圖2B中，在使用期間容器壁及翼緣組件的至少一部分一般將藉由絕緣耐火材料的薄層而包圍以控制出於容器或導管的熱損失。
圖3更詳細地繪示圖2單一翼緣組件48實施例的建立。如可見的，翼緣組件48包括了包含兩個環52及54的翼緣體部分48a，其中最內的環52係以包含鉑族金屬的抗高溫金屬(也就是如本文中所使用的，能夠在高於至少1400℃(最好至少1500℃且更好地最少1600℃)的溫度運作之金屬)所形成。舉例而言，最內的環52可包含重量百分比至少80%的鉑，其中最內的環52具有為銠或銥之一或更多的餘料(若有的話)。作為一個例子，最內的環52可包含重量百分比90%的鉑及重量百分比10%的銠。
因為翼緣體部分48a的溫度呈距熔化玻璃輸送導管的增加距離函數而降低，最外的環之材料所需要的溫抗不如最內的環之材料所需要的那麼高。因此，為節省成本，最外的環54可以一般具有高熔點的材料形成，但較內環52的含鉑材料相當便宜。
依據某些實施例，翼緣體部分48a最外的環54係以鎳形成。舉例而言，最外的環54可以市售純鎳(例如重量百分比至少99.0%的鎳)形成，例如鎳200或鎳201，當相較於鉑及鉑合金時，鎳200或鎳201是很容易以低成本提供的。當用於電能源翼緣組件中時，鎳提供極佳的電阻、熱傳導、抗氧化、同鉑及銠的可解決性、可加工性、價格以及許多型態及形狀的可用性之組合，其他高溫材料要匹配該組合可為困難的。翼緣組件48進一步包括頸部(也就是電極56)，其中頸部從將翼緣體部分48a連接至通往電源50的匯流排的環54延伸。
在圖3的實施例中，翼緣組件48僅包括單一電極56使得電源連接是不對稱的。其結果是，最內的環52周圍的電流密度可為非均勻的。據此，翼緣體部分48a可進一步在最內的環52中包括凹口(notch)60，其中凹口60用以增加最內的環52周圍之電流密度的均勻性。然而如之後的實施例將顯示的，這樣的不對稱並非必須的，並可不呈現凹口。
如繪示圖3翼緣組件橫截面的圖4中所顯示的，環52及54分別具有不同厚度t52及t54。這些厚度係經選擇以將電流密度控制為徑向位置的函數。也就是說，當以向外方向 移動遠離導管26時，翼緣體的厚度就改變。一些考慮因素在選擇這些厚度時開始發揮作用。第一，如上所討論的，直接電阻加熱的主要目標是在容器或導管中將熱能供給至熔化玻璃，而非加熱將電流供給至容器壁的翼緣。據此，翼緣中的電流密度應小於容器壁中的電流密度以最小化能量損失。第二，電流密度應經控制使得翼緣之部分不變得過熱且因此損壞。對於在使用期間經歷較高環境溫度的翼緣組件的那些部分，這是特殊的問題。
作為一個選擇環厚度的起點，可注意的是由具有恆定厚度單一材料構成的翼緣組件將具有隨距導管的降低距離線性增加的電流密度(也就是電流密度在翼緣體的較外緣將最小而在翼緣體的較內緣將最大)。為抵消此效應，當距導管壁的距離變小時，翼緣體的厚度應增加。在溫度方面，當從導管26向外移動時，環境溫度一般下降，且因此朝向翼緣外側的電流密度可較高，其中翼緣外側因為過熱造成的損壞機會較小。這導致了一翼緣體，當距導管壁的距離增加時，該翼緣體的厚度變小。在遠離導管壁之翼緣較外區域中降低的厚度也最好最小化用於建立翼緣組件的材料量，特別是在昂貴含鉑材料的情況中。
進一步的因素涉及了製造翼緣組件材料的電阻，尤其是使用了多於一個類型的材料之處。電阻越高，相同電流密度的直接加熱效應越高。此外，翼緣體最外的環最好具有顯著的厚度使得最外的環對於周邊電流具有低電阻。更具體地，在某些實施例中，圍繞最外的環之周界所計算電流密度 之變化(也就是經模組化的電流密度變化)係小於50%。
除了這些電性考慮因素之外，翼緣組件的含鎳部件上之運作溫度效應也需要被考慮。總體而言，對於翼緣組件含鎳部件合適的溫度係為：(1)在具有翼緣組件本身之水冷卻的一般運作中小於約600℃、(2)具有氣冷卻則小於約800℃以及(3)未冷卻(僅被動冷卻)則小於約1000℃。在約600℃及以下，鎳具有充分低的氧化率使得可達到三年或更久的翼緣組件壽命。在約1000℃，可用壽命係小於30天。在約800℃的壽命係於這些值之間，且對於某些應用可為可接受的，尤其是若將鎳暴露於這些溫度允許了使用氣冷卻，其中氣冷卻對於水冷卻可經常是較不複雜的。
更一般地說，當距導管壁的距離增加時，溫度在耐火絕緣體中降低。溫度隨翼緣體遠離導管方向增加的規模(例如較大直徑的翼緣體)同樣地下降。在某些距導管壁的距離，翼緣體的溫度下降至約1000℃的溫度以下。在這個位置以外，鎳可安全地用於翼緣體材料。若鎳的溫度限制(例如長壽命約600℃、中等壽命約800℃或短時間約1000℃)在任何狀況下被超過，鎳與用於翼緣體部分48a較內部分的高溫金屬之接合處必須被移動至距導管壁較遠的距離。接合處向外的移動對於因高溫所增加的材料成本當然應被平衡，且因此，高成本金屬必須接著延伸至較大的半徑。
在實際應用中，電腦模擬將典型地用以考慮到涉及選擇翼緣體遠離(垂直於)導管壁方向尺寸以及製造翼緣體之環厚度的多種因素。這樣的模擬可使用計算特定導體特性 及幾何形狀之電流流量的市售或客製化軟體套件來執行，以及使用模擬熱流及計算特定材料特性及熱源/散熱體位置之溫度分布的套件來執行。舉例而言，藉由使用這樣的分析，圖4的環厚度(t's)之合適關係係經發現為：t54>t52，其中內環52係以重量百分比為90%的鉑以及重量百分比為10%的銠來製造，且外環54以及電極56係以鎳200/201來製造。當然可使用其他的關係。
用以建立翼緣組件48的環與電極將典型地由扁平金屬板(例如對於電極56及外環54則為鎳200、鎳201、鎳600或鎳601，而對於內環52則為鉑銠合金板(例如重量百分比為90%的鉑以及重量百分比為10%的銠))製造。環之間的接合處典型地係經焊接。焊縫可經修邊(fillet)以避免內凹角(re-entrant corner)，其中內凹角可製造造成接合處過熱及故障的局部高電流密度。最內的環52係接合(通常藉由焊接)至導管26的外壁46。再一次地，修邊步驟可用以避免內凹角。雖然若需要的話可使用其他厚度(例如最內的環之厚度可等於或小於外壁46之厚度)，最內的環52的厚度係典型地大於外壁46的厚度。
除了環52及54之外，圖3及4的翼緣組件可包括一或更多的冷卻區塊(cooling block)62。冷卻區塊62可由如外環54相同之材料製造，雖然若預期的溫度限制允許的話，冷卻區塊也可由不同材料所形成。在某些實施例中，如圖4所繪示的，電極56及將電流供給至電極的匯流排棒64之接合處可包括冷卻區塊62。圖4繪示電極56、匯流排棒64 以及冷卻區塊62，且顯示了用於將冷卻流體(cooling fluid)68供給至冷卻區塊62內部中通道的入口65及出口67。冷卻流體可為液體(例如水)或氣體(例如空氣)且可通過區塊中的冷卻通道而循環以將區塊(及匯流排棒之連接)保持在低於那些區塊(及匯流排棒之連接)將快速氧化及/或熔化的溫度。當導管26中熔化玻璃的溫度可超過1400℃時，可能需要大幅冷卻以防止匯流排組件的快速氧化。作為替代方案，冷卻管可經附接至冷卻區塊62的外部。
對電源翼緣組件之上述元件的鎳之使用已經發現當在高溫運作時，會展現抗氧化性的高水準。含鎳翼緣組件也可需要較(例如)經常用在較低溫系統中的含銅翼緣組件為少的冷卻。據此，一般而言，當使用含鎳翼緣時，需要較少的直接電阻加熱。這個直接電阻加熱的降低反過來降低了電力運作成本以及需要用以催動直接加熱系統之電源容量方面的資金成本。
除了這些功能性效益之外，一或更多包括鎳之環的使用顯著地降低翼緣組件的成本，因為鎳係用在鉑或鉑合金反之可能使用於含銅翼緣組件中的位置。也就是說，較低之銅的抗溫性意指鉑銅翼緣需要將鉑從所加熱的導管延伸出較遠以對銅提供安全的運作環境。雖然鎳與鉑的價格隨時間而變動，根據經驗，鉑至少比鎳貴400倍而有時可比鎳貴1800倍。
如圖3及4中所繪示的，較內的含鉑環52係佈置於連接導管26附近且在連接導管26周界的附近接合。較內的 含鉑環52可擁有具實質相同於通過環的導管26橫截面形狀38之形狀的較外周界。因此，若導管的橫截面形狀為長橢圓形，最內的環52的較外周界也可為長橢圓形。舉例而言，最內的環52可具有相對於導管橫截尺度按比例放大的尺度。
依據圖3，虛線66表示通過電極56及對分翼緣組件48的對稱軸。在圖3的實施例中，對稱軸66同導管26的短橫截軸Sa重合。在典型的已安裝翼緣方向中，對稱軸66表示垂直軸。然而，翼緣組件不需經導向使得電極56是垂直導向的，而對稱軸66因此不需為垂直的。如所繪示的，躺在導管26長橫截軸La上的最外的環54的整體寬度W1係較在對立於電極56之連接導管26之底側上的最外的環54之整體寬度W2為寬，其中W2係為對寬度W1呈90度角的寬度。也就是說，顯示於圖3與4中的W1係寬於W2。圖4顯示了圖3翼緣組件的橫截面圖。應注意的是尺度W2係為外環54的底部一般的及整體的寬度，且其中為了決定尺度W2的目的，係忽略凹口60(W2係因此為對W1呈90度的最外的環54的最窄寬度)。
應注意的是在一些實施例中，最外的環54本身可包括多個環。舉例而言，最外的環54可為由複數個不同厚度的含鎳環所組成的含鎳環。鎳可同其他金屬共熔合金(alloy)，舉例而言，例如鉑。
圖5與6繪示包括含鎳最外的環54的翼緣組件48的另一實施例，但其中含鉑環52包括兩個佈置於連接導管26附近的含鉑環52a及52b，其中最內含鉑環52a係經接合至連 接導管(例如藉由焊接)。通過電極56沿對稱軸66最內的或第一個含鉑環52a的寬度W3在一些實施例中係實質相等。也就是說，最內的環52a的寬度W3在一些實施例中並不實質變動。在其他的實施例中，最內的環52a的寬度W3可被改變。除此之外，第二個及中間的含鉑環52b的寬度也可不實質變動，例外之處在於(如圖5實施例中所示)，在電極擺放為不對稱(例如，僅利用單一電極)的例子中，第二個及中間的含鉑環52b可包括凹口60以協助使通過環52b的電流密度更加均勻。
除此之外，如圖6中所示，最內含鉑環52a的厚度t52a最好大於第二個及中間的含鉑環52b的厚度t52b。較佳地，最外環54(例如含鎳環54)的厚度t54係大於最內含鉑環52a的厚度t52a且大於第二個及中間的含鉑環52b的厚度t52b，使得t54>t52a>t52b。
圖7及8又顯示了翼緣組件48的另一個實施例，其中含鉑環52包括了佈置於連接導管26附近的三個含鉑環52a、52b及52c，其中最內的第一個含鉑環52a係例如藉由焊接接合至連接導管26。第一個或最內的含鉑環52a係直接連接至導管26的壁。第二個及中間的含鉑環52b係位於最內含鉑環52a的附近且經接合至最內含鉑環52a之周界，而第三個及較外的含鉑環52c係佈置於第二個及中間的含鉑環52b附近且經接合至第二個及中間的含鉑環52b之周界。最內含鉑環52a的寬度W3a可經配置以不變動。類似地，第二個及中間的含鉑環52b的寬度W3b可經配置以不變動。寬度W3c 也可經配置以不實質變動，除了可選凹口60的影響之外。在圖7的實施例中，其中所繪示的翼緣組件48僅包括單一電極56，第三個及較外的含鉑環52c選擇性地包括凹口60以增進電流密度均勻性。含鉑環52的整體寬度(W3=W3a+W3b+W3c)可據此配置以不變動。此外，最外的環54的厚度t54係大於第一個或最內的含鉑環52a的t52a，厚度t52a係大於第一個及中間的含鉑環52b的厚度t52b，而第二個及中間的含鉑環52b的厚度t52c則大於第三個及較外的含鉑環52c的厚度t52c，使得t54>t52a>t52b>t52c。每個個別的含鉑環(也就是52a、52b及52c)可經配置以具有均勻的厚度。
基於本揭示之教示，以下應是明顯的：複數個個別的含鉑環可經採用以提供翼緣體部分48a含鉑部分之增加的厚度，其中該提高的厚度係為距連接導管26之壁減少的距離之函數。然而，前述實施例的共同特徵是最外的(例如含鎳的)環54相對於容器(例如連接導管)周圍角度位置的可變整體寬度，其中翼緣體係佈置於該容器附近。當在翼緣體周圍角度移動時，使用最外的一個或多個環的變動寬度提供了大量梯度，其中大量梯度起效用以使電流密度在連接導管至翼緣的接合處以及在翼緣組件本身中更均勻。
在繪示於圖9中的另一實施例中，翼緣組件48係同沿對稱軸66躺著的電極56而顯示。也就是說，電極56沿導管26的長橫截軸躺著。假設導管26係經導向而與短橫截軸Sa垂直，則電極56接著從導管26之側向外側向投射。應了解的是，含鉑最內環52可例如關於圖7及8所描述的，包括 複數個含鉑環。凹口60(若呈現的話)係對立於電極56而放置，且放置於對稱軸66之上。在圖9的實施例中，最內含鉑環52的寬度W3可經配置以不變動(例外之處為包括凹口60的最內含鉑環52部分)。另一方面，最外的環54係經配置使得最外的環之寬度角度地變動。因此，以平行於短橫截軸Sa方向跨越最外的環54的寬度W1可不同於垂直於短橫截軸Sa方向的最外的環54的寬度。
還在圖10中所繪示的另一個實施例中，翼緣組件48包括第一電極56a及對第一電極56a呈180度放置的第二電極56b。因為電流係對稱地從圖9的翼緣組件48注入且移除，含鉑環52並不包括凹口，因為電極56a及56b的對稱放置在含鉑環52附近提供了更均勻的電流密度。應了解的是，對於圖5及7的實施例存在類似的配置，其中多個電極的對稱放置省卻了含鉑環中凹口的需求。也應觀察到的是，圖10中兩個電極的對稱安排允許了兩電極間之中間含鉑環52之安排。也就是說，圖10的翼緣組件48包括兩個對稱軸66及70，其中兩個對稱軸係垂直的。應進一步了解的是，可使用額外的電極。例如，可採用四個電極的對稱安排，其中每個電極係沿對稱的翼緣軸放置。例如，電極可經放置使得兩個電極係沿第一對稱軸66(例如0度及180度)彼此對立地放置，同時其他兩個電極係沿第二對稱軸70(例如90度及270度)彼此對立地放置。最內含鉑環52的寬度W3可經配置以不變動。另一方面，最外的環54係經配置使得最外的環之寬度角度地變動。
如先前所指出的，雖然翼緣組件48已經參照連接導管26而描述，本文所描述的翼緣可經採用在其他具有非圓形橫截形狀(例如長橢圓形)的導電容器上，其中直接電阻加熱係經施加以加熱流動於容器中的材料。
應注意的是，在每個之前的實施例中，係不執行翼緣本身的直接主動冷卻。例如，如同在一些慣用的電翼緣上所使用的，並沒有施加於翼緣周界附近的主動冷卻。的確，不像一些翼緣組件的設計，本文中所描述的翼緣組件之屬性可經配置而不具放置於翼緣組件48(主動冷卻可藉由翼緣組件48來執行)周界附近的導管，從而消除了相關於高電流附近冷卻流體洩漏的危險。
應強調的是，本發明以上所描述的實施例(特別是任何「較佳的」實施例)僅為實施的可能示例，僅為發明原理的清楚理解而闡述。可對於發明之以上所描述的實施例作出許多變化及修改，而不實質脫離發明之精神與原理。意欲將所有這樣的修改及變化在本揭露及本發明的範圍中包括於本文中並且藉由以下請求項來保護。
26‧‧‧連接導管
42‧‧‧內道
44‧‧‧出口端
48‧‧‧翼緣組件
48a‧‧‧翼緣體部分
52‧‧‧環
54‧‧‧環
56‧‧‧電極
60‧‧‧凹口
64‧‧‧匯流排棒
66‧‧‧對稱軸
La‧‧‧長軸
W1‧‧‧寬度
W2‧‧‧寬度

Claims (13)

  1. 一種用以輸送一熔化材料的裝置，包括：一容器，具有一導電外壁部，其中該容器之一橫截面具有一長軸La及一短軸Sa；一金屬翼緣，係於該容器之一周界附近接合至該容器，該翼緣包括複數個環，其中該等環包括一含鉑內環及環繞該含鉑內環的一最外的環，且其中環繞於該含鉑內環的該最外的環包括一體部及從該體部延伸的一電極部；以及其中沿該容器之該長軸La的該最外環的該體部的一寬度係不同於沿該容器之該短軸Sa的該最外的環的一寬度，且其中該含鉑內環包括一凹口。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該最外的環包括鎳。
  3. 如請求項1所述之裝置，其中該金屬翼緣包括一單一對稱軸，該單一對稱軸係平行於該短軸Sa或該長軸La的其中之一。
  4. 如請求項1所述之裝置，其中除了該凹口以外，該含鉑內環的一寬度並不實質變動。
  5. 如請求項1所述之裝置，其中該含鉑內環包括複數個含鉑環，且該等含鉑環的至少其中之一者的一厚度係不同於該等含鉑環之另一者的一厚度。
  6. 如請求項4所述之裝置，其中該含鉑內環包括複數個含鉑環，且該等複數個含鉑環的一最外含鉑環包括該凹口。
  7. 如請求項1所述之裝置，其中該最外環並不包括一冷卻部件，該冷卻部件係經配置以在該冷卻部件的一通道中承載冷卻流體。
  8. 一種用以形成一玻璃板的裝置，包括：一容器，具有一導電外壁部，該導電外壁部具有一長橢圓形橫截形狀；一金屬翼緣，包括複數個環，該等環至少包括：一第一環，具有包括鉑的一第一成分，且在該容器之一周界附近接合至該容器，該第一環具有一較外周界，該較外周界具有一長橢圓橫截形狀及一凹口，該凹口增加該第一環周圍之一電流密度的均勻性；以及一第二環，係配置於該第一環的一周界附近，該第二環具有一第二成分，該第二成分不同於該第一成分，且該第二環包括從該第二環延伸的一電極部；以及其中該第二環的一寬度以相對於該容器角度位置的函數而變化。
  9. 如請求項8所述之裝置，其中該裝置進一步包括一形成體，該形成體包括收斂的形成面。
  10. 如請求項8所述之裝置，其中除了該凹口以外，該第一環的一寬度並不實質變動。
  11. 如請求項8所述之裝置，其中該第一環包括一複數個含鉑環，且該複數個含鉑環中之至少一者的一厚度不同於該複數個含鉑環中之另一者的一厚度。
  12. 如請求項8所述之裝置，其中該第一環包括複數個含鉑環，且該複數個含鉑環的一最外含鉑環包括該凹口。
  13. 如請求項8所述之裝置，其中該第二環並不包括一冷卻部件，該冷卻部件係經配置以在該冷卻部件的一通道內承載一冷卻流體。
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