专利名称：用于传送熔融玻璃的设备的制作方法
技术领域：
用于传送熔融玻璃的设备优先权声明本申请要求2009年4月27日提交的美国申请序列第12/430334号的优先权。这个文献的内容以及本文提到的出版物、专利和专利文献的全部揭示内容都通过参考结合。发明领域本实用新型涉及在例如下拉玻璃制造法(如熔合下拉法)中用于控制玻璃流的方法和设备。所述方法和设备特别适合用于制造玻璃板，例如用作显示装置(如液晶显示器 (LCD))中的基板的玻璃板。技术背景显示装置有许多用途。例如，薄膜晶体管液晶显示器(TFT-IXD)用于笔记本电脑、 平板桌面监视器、IXD电视机、和各种通讯装置等中。TFT-IXD平板和有机发光二极管(OLED)平板之类的许多显示装置直接在玻璃平板(玻璃基板)上制成。为了提高生产率和降低成本，典型的平板制造法在单独一个基板上同时生产多个平板。为了利用规模经济，显示器制造商要求越来越大的基板，由此可以在独立的基板上制造更多的显示器和/或更大的显示器。已经证明较大的基板的生产对于玻璃制造工业而言是很有挑战性的，尤其是考虑到基板厚度通常小于1毫米，例如0. 7毫米。特别具有挑战性的是对用于生产基板的成形设备(如溢流槽(isopipe))上的熔融玻璃的行为进行管理的问题。本实用新型解决了这个问题以及其他问题，提供了在熔融玻璃到达成形设备之前对其进行热调节的方法和设备，从而改进了成形设备表面上的玻璃质量、厚度和/或温度分布。发明概述根据第一方面，揭示了对溢流下拉法的成形设备表面上的熔融玻璃的质量、厚度和/或温度分布进行管理的方法，所述方法包括(A)在区域⑴和(ii)之间构建流管图(stream-tube mapping)，其中(i)将熔融玻璃供应至成形设备的导管的横截面区域，( )在成形设备外表面上的区域；(B)使用该流管图为该横截面选择温度分布，从而在该成形设备表面上获得所需的熔融玻璃质量、厚度和/或温度分布；和(C)对该导管进行加热和/或绝热，从而为该横截面产生温度分布，该温度分布等同于或至少近似于步骤(B)中选择的分布。根据第二方面，揭示了一种传送熔融玻璃的方法，所述方法包括(A)使熔融玻璃通过具有进口、出口、周边和长度的导管；和(B)通过以下方式，在沿该导管长度的至少一个位置，使该熔融玻璃产生不均勻的传执·(i)对该导管周边进行不均勻的绝热；或(ii)对该导管周边进行不均勻的加热；或[0020](iii)对该导管周边进行不均勻的绝热以及不均勻的加热；其中绝热和/或加热的不均勻性是方位角的不均勻性。根据第三方面，揭示一种传送熔融玻璃的方法，所述方法包括使熔融玻璃通过具有进口和出口的导管，其中(A)该导管包括⑴进口段，(ii)中间段，和(iii)出口段;(B)该进口段和出口段是基本平直的；(C)该中间段是成角度的或弯曲的；和(D)向该中间段施加的热量大于向该进口段或出口段施加的热量，或该进口段和出口段的绝热程度都小于该中间段的绝热程度，或向该中间段施加的热量大于向该进口段或出口段施加的热量并且该进口段和出口段的绝热程度都小于该中间段的绝热程度。根据第四方面，揭示一种传送熔融玻璃的设备，所述设备包括(a)具有进口、出口、周边和长度的导管；(b)用于控制从该周边的热量损失的绝热装置；和(c)用于向该周边施加热量的热源；其中，在沿该导管长度的一个或多个位置(i)对该热源进行设置，从而围绕该导管周边不均勻地施加热量；或(ii)对该绝热装置进行设置，从而产生从该导管周边不均勻的热量损失；或(iii)对该热源进行设置从而围绕该导管周边不均勻地施加热量并且对该绝热装置进行设置从而产生从该导管周边不均勻的热量损失。在以下详细说明中提出了本实用新型的其他特征和优点，这些特征和优点中的一部分对于阅读了该详细说明的本领域普通技术人员而言将是显而易见的，或者能通过按本文所述实施本实用新型而了解。应当理解，以上一般说明和以下详细说明都仅仅是对本实用新型的示例，意在为理解本实用新型要求权利的性质和特性提供概述或框架。包括附图以提供对本实用新型的进一步理解，附图结合在本说明书中并构成说明书的一部分。应当理解，本说明书和附图中揭示的本实用新型的各方面和特征可以以任何和所有的组合形式利用。附图简要描述
图1是根据一种示例实施方式的熔合玻璃制造设备的示意图。图2是说明由拉制法形成的玻璃带的玻璃厚度分布的示意图。图3是说明流管的示意图。图4是说明具有平直的进口段、成角度的中间段和平直的出口段的递送管的部分解剖示意图。[0050]图5是说明从递送导管的出口端(图5A)至溢流槽表面(图5B)的流管图的示意图。图6A显示在递送管的进口端的计算温度分布。图6B是沿图6A的水平线的温度与径向距离的关系图。图7显示在具有图4结构的递送管的出口端的计算温度分布。用于这种计算的加热和绝热元件是方位角对称的。图8说明方位角不均勻的加热和/或绝热元件。发明详述以下就熔合下拉法(也称为熔合法、溢流下拉法或溢流法)进行讨论，应当理解， 本文揭示和要求权利的方法和设备也适用于其他玻璃制造法，包括其他下拉法如狭缝拉制法。由于熔合设备是本领域已知的，所以为了不与示例实施方式的说明发生混淆，省略了关于熔合设备的细节情况。如
图1中所示，典型的熔合设备10采用成形结构(溢流槽)60，其包括由堰50限定的槽30，用于接受熔融玻璃40。通过递送管或导管20将熔融玻璃供应至溢流槽，递送管或导管20使熔融玻璃的流动方向从基本垂直变成基本水平。通过基本垂直的管道(未显示)将熔融玻璃提供至递送管20，该基本垂直的管道通常在递送管的进口端内相接。该垂直管(称为“下导管”)的直径小于递送管进口端的直径，因此在该进口端附近产生自由玻璃表面。随着熔融玻璃通过递送管，玻璃温度降低而玻璃粘度增加。对温度降低的量进行控制，使得溢流槽接受的熔融玻璃的粘度适合于生产玻璃带90。图4中更详细地显示递送管20 (重新编号为400)，其中用箭头410表示熔融玻璃流入该管，用箭头420表示熔融玻璃流出该管。该附图中的附图标记430、440、450、460和 470表示能通过独立加热元件(线圈)单独加热的管区。具体来说，区430、440和450组成该管的基本平直的进口段，区470构成该管的基本平直的出口段，区460构成该管的成角度的中间段。对于这些段中的每一个，可以使用更多或更少的区，需要时中间段可以是弯曲的。如以下讨论的，通过对向各区的线圈施加的能量的量进行选择，可以控制该管出口面上的温度分布，从而控制该溢流槽表面上的熔融玻璃的质量、厚度和/或温度分布。同样参见
图1，离开递送管20之后，熔融玻璃流进槽30中，溢过堰50，然后沿该溢流槽的外表面向下直至其到达该管的根部70。这时，来自溢流槽的两个会聚侧面的两个熔融玻璃板结合在一起形成单独一个带90。离开根部之后，该带首先横越边缘辊80，然后是一组或多组牵拉辊(未显示)。边缘辊的温度低于玻璃的温度，例如，边缘辊是水冷或气冷的。这种较低的温度的结果是，边缘辊使玻璃温度局部降低。这种冷却减轻了该带的稀薄化，即，局部冷却有助于控制拉制过程中(例如通过牵拉辊的作用)发生的带宽度的减小。使用熔合法生产玻璃基板依赖于溢流槽60上每单位宽度熔融玻璃的大致均勻流动(也称为“流体密度(flow density)”)，以确保玻璃带90的品质区域部分95(参见图 2)的厚度是可接受的产品规格内的均勻厚度。在溢流槽的任一端，所谓“末端效应”要为流体密度增大负责，最终由玻璃带两个垂直边界100的厚度增大而证明。厚度增大在与垂直边界相邻的一些有限宽度(称为“珠链”区域)上发生；这种玻璃不能用于制造显示器，在将基板装船之前要除去。但是，珠链区域起到非常有用的功能， 它为牵拉辊提供可以接触玻璃带从而以稳定方式“牵拉”玻璃离开溢流槽同时确保边缘稳定的表面积。这种做法使得品质区域不会接触任何可能导致原始玻璃损坏的机械表面。可通过各种方式(例如通过使溢流槽倾斜)对溢流槽上每单位宽度包括的品质区域95和两个端部区域100的流动进行控制。由于典型的工艺变量以及溢流槽性能的老化相关漂移(即，随时间流逝发生的溢流槽物理形状因为机械蠕变而产生的变化)，需要对溢流槽的机械条件和热条件进行调节，以保持所需的流体密度。还可以调节溢流槽上游递送系统中的总体热条件，从而在溢流槽上实现所需的流动行为。(用于熔融玻璃的递送系统通常是填充有流动玻璃、连接于陶瓷溢流槽的进口区域的钼管。)除了工艺变量和/或老化相关漂移所必需的调节之外，如果通过增大该工艺的基本流速来增加制造效率，则经常需要对溢流槽和/或其近上游递送系统进行类似的机械/热变化，以确保溢流槽上的所需流体
也/又。虽然以上种类的手段一般能够控制流体密度，但是结果并不总是完全令人满意的。尤其是对溢流槽端部每单位宽度的流动进行控制时。如果没有对这种流动进行很好地控制，则工艺和产品都会受到不利影响。关于工艺方面，端部流体倾向于产生流动不稳定性，在玻璃带的整体宽度中导致不规则性。人们认为足够严重的不稳定性事实上会促使工艺发生灾难性故障，例如玻璃带在移动离开溢流槽时在其边缘发生断裂。关于产品方面，如果不能很好地控制珠链区域的流体密度(即，并非在可接受距离上从高值逐渐变化至品质区域所需的较低值)，则珠链区域可能侵入品质区域，从而使带上能够切割成板用于制造显示器的部分缩小。图2说明这种效果，其中曲线200显示所需的玻璃厚度，曲线210显示两种示例类型的可能缩小品质区域95的尺寸的厚度分布。在该图中，垂直轴和水平轴分别表示玻璃厚度和玻璃带上的距离。本实用新型提供对溢流槽上的质量流动分布控制进行改进的方法和设备，重点是溢流槽端部的流体密度。溢流槽上每单位宽度的流动变化在很大程度上源自限定流动分布的流管的不同热历程。改变特定流管的热历程一般会导致该流管的流体密度发生变化。因此，根据一些实施方式，通过对向溢流槽进料的递送系统中的玻璃进行局部热控制，能够对特定流管的热历程产生正面影响。虽然之前已经在递送系统中采用总体玻璃热控制，但是之前的做法不允许改变局部热行为。根据本实用新型，对局部热行为进行控制，从而对溢流槽的流体密度进行管理。在一些实施方式中，将分立的加热元件(例如线圈)放置在溢流槽进口上游的溢流槽递送系统的壁附近，进行独立控制。这种分立加热提供限制玻璃对递送管内整个体积的玻璃的一些部分作出热响应的优点。从而使受到影响的区域的流体密度发生变化，来控制溢流槽上的质量流动分布以及其他分布。或者，将围绕递送系统的绝热装置分成分立的元件，在最初构建时或在玻璃制造工艺运行时，可以就这些元件的种类和/或绝热厚度进行独立选择。这种局部热控制提供以下优点(1)提供一种方式来更精细地改变/控制沿溢流槽宽度的质量流体比密度；( 提供一种方式来确保玻璃带端部(即珠链)每单位宽度的质量流动保持稳定的所需值；和( 提高工艺稳定性。由流体动力学分析已知，可以将管道中的稳定的不可压缩(即恒定或接近恒定的密度)的流体再分成许多流管。图3显示这种流管300，其中箭头310、330表示稳态条件下的管道的流动，箭头350、360分别是横截面320、340的外法线。如该图所示，流管是一种流体力学描述法或概念，其由与局部流动方向垂直的横截面面积和一些总体路径长度的乘积构成的流体体积表征。流管的形状由其横截面面积限定，该横截面必须保持与局部流动方向垂直，但是尺寸可以变化以确保质量守恒(即局部速度、横截面面积和流体密度的乘积)。在稳态条件下，流管内的质量流动是恒定的，这简单地意味着质量流体不会跨过流管的边界进入任何相邻流管中。流管特别适合用于开发与从指定流管的路径长度开始至其端点空间相关的流管图。事实上，如果流管以流动方向前行，则描绘出一种平直或曲折的路径，每单位时间将有固定量的质量经过。就溢流槽与其递送系统之间的关系而言，这种绘图技术可应用于任意选择数量的玻璃流管，这些流管从溢流槽上游的递送管之内(例如在递送管的出口面上) 开始，在沿溢流槽宽度的位置处结束。可以通过物理建模(例如使用适当比例的液体粘度代表熔融玻璃，例如油，对实际几何结构进行适当比例建模)和/或数学建模(例如根据质量、动量和能量的守恒原理进行数字模拟)实现绘图。在后一种情况中，可使用用户化的软件或优选使用市售软件包进行建模，例如对于 3-D CAD :AUT0CAD、PRO/ENGINEER或 S0LIDW0RKS，对于建网GAMBIT OR ICEMCFD,对于计算流量、温度等FLUENT、FL0W3-D、ACUSOLVE、FIDAP 或 P0LYFL0W。特定流管中的玻璃流量量级受到玻璃粘度的强烈影响，而玻璃粘度本身强烈取决于温度。对于由管道中的恒定压差决定的指定总体流速，可以限定简单地因为有效粘度不同而具有明显不同于其他流管的独立流速的流管。例如，在平均玻璃温度较高的流管中，平均粘度将较低，使流动阻抗降低，产生较大的质量流速。图4显示钼递送管的简化透视图，该递送管可用于将熔融玻璃从熔合法的熔融/ 澄清/搅拌段传送至溢流槽。在该管的设计中提供了电加热线圈和围绕式绝热装置，用以对玻璃进行调节，例如在管道出口处建立所需的温度或温度场。然后将这种温度场与流管图组合，从而在溢流槽表面上确定熔融玻璃的质量、厚度和/或温度分布。图5说明一种这样的流管图，其中图5A显示递送管出口面的横截面，玻璃流动方向垂直于该横截面。面积510a_510j中的每一个都垂直于流管，流管中有占总体质量流速固定百分比(在图5的情况中为10% )的玻璃流过。图5B显示溢流槽500表面的这些流管图。事实上，可以向后进行绘图，将溢流槽表面上的玻璃分成相等宽度的流管，然后用于确定将产生这些相等宽度的递送管处的流管横截面形状。在构建图5时使用了这种手段。图6-8说明可与图5的绘图结合使用的热调节的例子。具体来说，图6A显示递送管进口面的温度表面图，图6B显示沿图6A的水平线，温度-进口面上管中心径向距离的关系图。由于温度分布是方位角对称的，所以图6B的图适用于通过进口面中心的任何半径。 这些图中描绘的温度曲线可以在随后的绘图计算中用作递送管进口的规定边界条件。图7显示具有方位角对称的加热和绝热装置的递送管出口面上的计算温度分布， 图7中用附图标记700表示递送管。对于这个系统，递送管的任何指定段的电线圈和绝热装置都完全围绕该段的圆周。因此，围绕其周边均勻地调节例如线圈功率设定以控制热量损失/增益。这种排列不会导致玻璃温度产生受控的局部差异，因此玻璃粘度也不会产生受控的局部差异。事实上，这些线圈/绝热装置不允许对流管流速进行独立(或接近独立) 的调节，限制了对溢流槽上的所需流动分布进行指挥的能力。与图7的温度分布相比，图6A的温度分布显示最高温度在该面的上部出现，而不是在中间出现。图8示意性说明使用方位角不对称(方位角不均勻)的加热和/或绝热装置800代替图7的方位角对称(方位角均勻)的加热和绝热装置700。独立的元件810-850 表示局部性差异的加热元件、加热功率、绝热装置种类和/或绝热厚度。虽然图8的方位角不对称性保留了中平面对称性，但是事实上这种对称性是不需要的。通过对独立的元件810-850的值进行选择，可以例如调节图7的温度分布以近似于图6A的温度分布。或者，可以利用选择的值来近似于通过绘图、以及/或者对溢流槽表面上的所需质量、厚度和/或温度分布进行的实验来显示的不同的温度分布。由此，通过针对指定的玻璃总体流速适当选择绝缘材料和功率耗散，例如通过对玻璃进行受控的冷却(或可能是加热)，实现热调节，从而在溢流槽表面上改进玻璃流动管理。更一般来说，图8中显示的方位角不均勻的加热和/或绝热说明独立性大于现有技术中之前所用的对玻璃温度场、进而对流动图的控制。通过在对进入溢流槽的玻璃进行热调节所用的各区中使用多个线圈元件和/或多个绝热水平，可以以一种方式对熔融玻璃进行热调节，从而允许就质量分布图对流速进行调节。例如，对于已知的质量分布图，可以改变特定线圈的功率设定，使得有较多或较少的质量流体到达溢流槽上的特定位置(例如进口珠链区域)。应当将在溢流槽上游进行的热调节与随后玻璃从溢流槽进口端流至溢流槽远端时经历的热调节组合。与进入溢流槽然后在进口附近离开的玻璃相比，路径长度终点远离溢流槽进口的流管中的玻璃将具有较长的停留时间，由此其与相邻管和周围环境进行热交换的时间也较长。正是出于这个原因，可以通过在各流管开始其对应路径时对其初始热条件进行控制，来改进溢流槽流动。通过以下实施例说明本实用新型，而不是以任何方式进行限制。 实施例本实施例说明沿导管长度使用不均勻的加热装置来影响导管出口面上的温度分布。更具体来说，该实施例说明在两个基本平直段之间具有成角度的或弯曲的中间段的导管周边使用不均勻的加热装置。分析中使用的导管具有图4中所示的构造。对于区430-470的线圈功率P1-P5，分别计算导管出口面上的平均温度以及最高温度与最低温度之间的差值(范围)。计算时还假设在导管下游、在溢流槽的槽进口处存在两个额外的线圈P6和P7。计算结果显示在表1中。由该表可以看出，所有线圈的功率水平以相等的百分比增大能够使导管出口面上的温度范围获得一定程度的减小，例如从4. 5°C至3. 6°C，但是要以平均温度升高为代价，例如从1221. 8°C至12 . 0°C，这对于许多应用而言可能是不希望的。而且，温度范围的减小并不象通过重新分布功率水平从而使中间段的加热程度大于进口段或出口段的加热程度所实现的温度范围的减小那样显著。通过对该表的第一行和最后一行进行比较显示，对于后一种手段，温度范围从4. 5°C减小至1.6°C，即减小超过60%，而平均温度的升高程度较小，例如从1221. 8°C至1223. 6°C。通过使进口段和出口段的绝热程度小于中间段的绝热程度，或者通过将不均勻加热和不均勻绝热组合，可以获得类似的结果。同样，可以利用方位角不均勻的加热和/或绝热，来减小导管出口端的温度范围。更一般来说，可以利用这种纵向和/或方位角不均勻性，在导管出口端产生多种温度分布，从而在溢流槽或其他下拉结构的板成形表面上产生所需的质量、厚度和/或温度分布。对于阅读了以上揭示内容的本领域普通技术人员而言，不背离本实用新型范围和原理的多种改进形式将是显而易见的。例如，虽然本实用新型就具有圆形周边的导管进行了说明，但是也可以使用具有不同形状例如椭圆形周边的导管。以下权利要求旨在覆盖这些内容，以及本文提出的具体实施方式
的其他改进形式、变化形式和等同形式。表 权利要求1.一种用于传送熔融玻璃的设备，所述设备包括(a)具有进口、出口、周边和长度的导管；(b)用于控制从所述周边的热量损失的绝热装置；和(c)用于向所述周边施加热量的热源；其特征是，在沿所述导管长度的一个或多个位置 (i)对所述热源进行设置从而围绕所述导管周边不均勻地施加热量；或 ( )对所述绝热装置进行设置从而由所述导管周边产生不均勻的热量损失；或 (iii)对所述热源进行设置从而围绕所述导管周边不均勻地施加热量并且对所述绝热装置进行设置从而由所述导管周边产生不均勻的热量损失。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于(i)对所述热源进行设置从而沿所述导管长度不均勻地施加热量；或 ( )对所述绝热装置进行设置从而沿所述导管长度产生不均勻的热量损失；或 (iii)对所述热源进行设置从而围绕所述导管长度不均勻地施加热量并且对所述绝热装置进行设置从而沿所述导管长度产生不均勻的热量损失。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述导管的一部分是成角度的或弯曲
专利摘要提供用于控制例如下拉玻璃制造法(如熔合下拉法)中的玻璃流的方法和设备。在一些方面中，通过以下方式对成形设备(60)表面上的熔融玻璃(40)的质量、厚度和/或温度分布进行管理(A)在区域(i)和(ii)之间构建流管图，其中(i)将熔融玻璃(40)供应至成形设备(60)的导管(400)的横截面区域(510；图5A)，(ii)成形设备(60)的外表面上的区域(510；图5B)；(B)使用流管图为该横截面选择温度分布，从而在成形设备(60)的表面上获得所需的熔融玻璃(40)的质量、厚度和/或温度分布；和(C)对导管(400)进行加热和/或绝热，从而为该横截面产生等同于或至少接近于步骤(B)中所选择分布的温度分布。
文档编号C03B7/06GK202038965SQ20102018702
公开日2011年11月16日 申请日期2010年4月27日 优先权日2009年4月27日
发明者B·科卡图鲁姆, D·G·尼尔森, K·C·康, K·R·盖罗, O·N·伯拉塔瓦, S·M·马利罗 申请人:康宁股份有限公司