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TWI391335B - 製造玻璃製程中雜質最少化之方法及設備 - Google Patents

製造玻璃製程中雜質最少化之方法及設備 Download PDF

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TWI391335B
TWI391335B TW097118300A TW97118300A TWI391335B TW I391335 B TWI391335 B TW I391335B TW 097118300 A TW097118300 A TW 097118300A TW 97118300 A TW97118300 A TW 97118300A TW I391335 B TWI391335 B TW I391335B
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heating elements
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V Filippov Andrey
C He Chunhong
Kocatulum Bulent
Elizabeth Morse Kathleen
Wang Liming
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Corning Inc
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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
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    • C03B17/00—Forming molten glass by flowing-out, pushing-out, extruding or drawing downwardly or laterally from forming slits or by overflowing over lips
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Description

製造玻璃製程中雜質最少化之方法及設備
本發明是關於生產玻璃片的融合處理過程，尤其是使用晶體陶瓷隔離管的融合處理過程。甚至更明確地說，本發明是關於控制以融合處理過程生產的玻璃片內晶體缺陷的形成。當使用融合處理過程產生的玻璃片時，作為譬如AMLCDs的液晶顯示器基板時，本發明的技術就特別有用。
融合處理過程是用在生產玻璃片的玻璃製造的一種基本技術。和其他已知的處理方式比起來，譬如浮式和細縫抽拉處理，融合處理所生產的玻璃片有絕佳的扁平和平滑度。於是，融合處理在生產玻璃基板上便顯得特別重要，可用在製造液晶顯示器(LCDs)的製造上。
融合處理明確地說溢流下拉融合處理是本公司Stuart M.Dockerty之美國第3338696和3682609號專利的主題。如其中所敘述的，供應熔融玻璃到被稱為「等靜壓管(isopipe)」的耐火性物體中成形溝槽。
在Dockerty專利所描述範例的融合下拉處理中，一旦達到穩定狀態的運作，熔融玻璃從槽的頂部溢流到兩邊，因而形成向下流，然後沿著隔離管外表面向內流的兩片玻璃。兩片玻璃在隔離管的底部或根部會合，熔融 在一起成單片玻璃。然後將單片玻璃送至抽拉裝置，藉由玻璃片抽離根部的速度來控制玻璃片的厚度。抽拉裝置置放在離根部夠遠的下游處，使得單片玻璃在接觸裝置之前就冷卻。
在任何處理過程的期間，成品玻璃片的外測表面並沒有接觸隔離管外測表面的任何部分。而且，這些表面只接觸到大氣。形成成品玻璃片的兩半片內表面是會接觸隔離管，但那些內表面在隔離管的根部熔融在一起，因而被埋入成品玻璃片的體內。就是以這種方式，可達到成品玻璃片外測表面卓越的品質。
當熔融玻璃流入溝槽並溢出其外測表面時，融合處理使用的等靜壓管受制於高溫和實質的機械負載。為了抵抗這種需求條件，等靜壓管通常而且最好是從耐火材料的均壓壓製的塊狀物製成。尤其是，等靜壓管最好從均壓的鋯耐火材料製成，亦即主要由ZrO2 和SiO2 所組成的耐火材料製成。例如，等靜壓管可以由包含至少95%重量比的ZrO2 和SiO2 的耐火材料製成，理論上材料的組成份是ZrO2 ‧SiO2 ，或ZrSiO4 。在製造用來作為LCD基板玻璃片的損耗來源是在玻璃內出現鋯晶體雜質(其中稱為「次要鋯晶體」或「次要鋯缺陷」)，這是由於在製造處理過程，玻璃流入和經過鋯等靜壓管的緣故。次要鋯晶體的問題在需要高溫形成而且對去玻璃化作用敏感的玻璃更是明顯。
在成品玻璃片找到產生鋯晶體的鋯，其起源於鋯等靜 壓管的上端部分。尤其，最後產生這些缺陷是因為鋯土(亦即ZrO2 和/或Zr+4 +2O-2 )在等靜壓管溝槽和沿著等靜壓管外面的上壁板(堰)的溫度和黏滯係數下熔解成熔融玻璃。在等靜壓管的這些部分比等靜壓管的下端部分之玻璃溫度較高，而黏滯係數較低，這是因為玻璃從等靜壓管向下流時會冷卻並變得較粘稠。
熔融玻璃中鋯的溶解度和擴散度是玻璃溫度和黏滯係數的函數(亦即當玻璃的溫度減少，黏滯係數增加時，溶液中就有較少的鋯，而且擴散率減低)。當玻璃接近等靜壓管的底部(根部)時，可能變得使鋯土為超飽和。於是，鋯晶體(次要鋯晶體)晶核形成，並在鋯等靜壓管的底部部分(例如根部)上增長。最後這些晶體增長夠長，掉入玻璃流體變成在或接近玻璃融合線的缺陷。更者，假使玻璃在等靜壓管根部的溫度太低，就可能發生玻璃的去玻璃化作用。因而，有需要增加接近等靜壓管根部的等靜壓管溫度。非常不幸地，提高接近等靜壓管根部的等靜壓管溫度也有令人討厭的效應，會增加等靜壓管溝槽內熔融玻璃的溫度，減少玻璃黏滯係數，因而衝擊到整個玻璃流的分佈。這種整個玻璃流分佈的改變可藉由傾斜等靜壓管來補救，但只能以很小範圍的角度。在隔離管頂部加熱，因為一般用來修正玻璃沿著等靜壓管邊向下流溫度的加熱元件包含在共同充氣室之內。如圖1所示，現在一般使用的等靜壓管10包含多個加熱元件12a-12d和14a-14d，從根部14沿著等靜壓管的兩邊向上 分佈。加熱元件12a-12d和14a-14d包含於外殼16的結構內，更明確是在共同充氣室18內。於是，最底部加熱元件的溫度增加，對隔離管10頂部的溫度有明顯的影響。
依據本發明特定實施例中，所說明形成玻璃片的設備包括一個成形楔形體，包含成形楔形體頂部的堰和匯集到楔形體底部處的成形表面，置放在根部和堰之間的加熱元件組位於成形楔形體周圍的外殼，此外殼包含分隔成形楔形體和加熱元件的內壁，熱阻率(RSI)大於約0.0004K＊ m2 /W的隔熱層置於加熱元件組最底部加熱元件和最底部加熱元件上方相鄰的加熱元件之間，其中的K單位是指克耳文(Kelvin)度數，而W單位是瓦特(watt)。
依據本發明另一實施例中，所說明的形成玻璃片的設備包括一個成形楔形體，包含在成形楔形體頂部的堰和匯集到楔形體底部處根部的成形表面，置放在根部和堰之間的加熱元件組，置放在成形楔形體周圍的外殼，此外殼包含分隔形成楔形體和溫度修正元件的內壁，熱阻率(RSI)大於約0.0004K＊ m2 /W的隔熱層，置於溫度修正元件組的最底部溫度修正元件和最底部溫度修正元件上方相鄰的溫度修正元件之間，其中的K單位是指克耳文(Kelvin)度數，而W單位是瓦特(watt)。
在另一實施例中，說明製造玻璃片的方法，該方法包括在匯集成形表面的成形體上方，流入熔融玻璃，在成形體頂部的溫度T1 和成形體底部的溫度T2 之間形成垂直的溫度梯度，從成形體底部抽拉熔融玻璃以形成玻璃片，其中成形體底部的溫度T2 與成形體頂部的溫度T1 去除關連，使得T2 的改變不會造成T1 實質的改變。
人們了解先前一般性說明以及下列詳細說明只作為本發明之範例，以及預期提供一個架構或概念以了解申請專利範圍所界定本發明之原理及特徵。所包含附圖在於提供更進一步了解本發明，以及在此加入以及構成說明書之一部份。附圖顯示出本發明範例性實施例，以及連同說明書作為解釋本發明之原理及精神。
在下列詳細說明中，為了說明目的以及並非作為限制用，揭示出特定細節之範例性實施例提供作為完全了解本發明。不過，熟知此技術者能夠受益於本發明揭示內容而實施於其他實施例，其並不會脫離在此所揭示之內容。除此，為人所熟知此之裝置，方法及材料之說明可加以省略以避免模糊本發明之說明。最後，儘可能地相同的參考數目表示相同的元件。
如同前面對圖1的說明，先前技術融合玻璃成形機器的外殼設計一般是併入了加熱元件12a-12d和14a-14d， 互連充氣室18。因為溫度升高，充氣室18和外殼16的上面部分藉由輻射和對流作用，會因所有充氣室內的加熱元件而加熱。熱能可能朝向邊或藉著最底部的加熱元件12a、14a匯集到等靜壓管10的成形表面，而不是經過共同充氣室18消失在等靜壓管10的上方部份。因此，等靜壓管10的上方部份和熔融玻璃溢流的上方部份接收最多的熱量，而等靜壓管的下方部份接收較少的熱量。當事實上發現小的△T時，該熱差異可能導致等靜壓管的上方和下方部份令人無法接受的大的溫度差值△T。
我們知道應該儘量減小等靜壓管頂部玻璃和等靜壓管底部玻璃之間的溫度差異，以減少溶入流經等靜壓管表面熔融玻璃的等靜壓管材料(通常是晶體陶瓷材料，譬如鋯)的量。例如參閱美國第2003/0121287號專利申請案，其內容也在此併入參考。當溶解的等靜壓管材料量超過特定玻璃條件的飽和值，熔融玻璃內就會出現雜質。例如，假使等靜壓管是從鋯形成，可能提升等靜壓管底部鋯晶體增長。來自溶液中的溶解材料，可能在等靜壓管的表面沈積成晶體。如果可以增長夠大，這些晶體會破裂進入玻璃流內。從品質控管的觀點來看，這是令人無法接受的。以下的描述假定是鋯等靜壓管，但令人了解的是本發明其中說明的各種實施例中也可應用在其他材料形成的等靜壓管。
由於等靜壓管溶解的兩個關鍵因素是時間和溫度，一 種方式是除去等靜壓管組成份材料的再增長，減少等靜壓管內或上面玻璃的最高溫度，尤其是在較熱的上方部份。同時，玻璃流的溫度必須維持在等靜壓管最低極限的玻璃液相溫度之上，即在根部區域避免玻璃的去玻璃化作用。因而最好增加等靜壓管底部的玻璃溫度，而同時減少玻璃流過等靜壓管頂部的溫度：換句話說減少等靜壓管頂部和等靜壓管底部之間的溫度差異或梯度。
另一種控制堰和根部之間溫度差異的理由是較容易啟動融合抽拉機器。也就是說，加熱等靜壓管到適當的運作溫度，譬如關機修護之後。等靜壓管通常是單塊的耐火材料，如果加熱不均勻，在加熱期間可能由於熱應力造成破裂。在傳統的融合抽拉機器，在增加最底部加熱元件的電力供應以提高根部區的溫度時，也會增加等靜壓管頂部的溫度，因而是增加堰和根部之間的溫度差異。因此，等靜壓管頂部的溫度成為隔離管加熱期間的控制因素。藉由減少等靜壓管頂部和底部的溫度耦合就可減少等靜壓管頂部和底部的溫度差異，以及因不平均加熱所引起的應力。
嘗試要減少堰和根部之間的溫度差異是很困難的，因為要增加最底部加熱元件的電力以提高根部的溫度時，也會增加前面提及堰的溫度。因此，等靜壓管根部的溫度有效地與等靜壓管堰的溫度關連。藉由圖2的幫助可看的更清楚，圖2顯示靠近範例等靜壓管兩個位置上的溫度為絕對時間的函數。曲線20顯示靠近等靜壓管10 頂部的外殼16頂板上的溫度，而曲線22顯示靠近等靜壓管底部的溫度。圖2左邊的溫度刻度對應曲線20，而圖2右邊的溫度刻度對應曲線22。在本項實驗中，上方加熱元件(譬如圖1的12b-12d和14b-14d)的電力在t0到t1的時間間隔維持固定，而在同樣的時間間隔則增加最底部加熱元件(譬如加熱元件12a、14a)的電力。如我們所期待的，等靜壓管靠近根部下方部份的溫度在t0到t1的時間間隔會增加；在約3小時期間總共是7℃。也很清楚顯示靠近等靜壓管頂部的溫度也在這段期間增加約4℃，證實了外殼這兩個區域之間的溫度耦合。本發明的方向就是要解耦合這些上下方的溫度。在進行本發明時，最好是在隔離管底部的溫度每小時增加1℃，會造成等靜壓管頂部的溫度每小時增加少於約0.5℃。
依據本發明的特定實施例中，如圖3所示的是範例玻璃形成設備，熔融玻璃供應到耐火性物體10(等靜壓管10)的堰所界定的溝槽26。熔融玻璃24從等靜壓管兩邊堰28的頂部溢流，向下流然後沿著等靜壓管的外部表面向內，形成兩片玻璃，包括匯集成形表面30、32和垂直成形表面31、33。在成形表面30、31和32、33之間的的交界線稱為中斷點B。匯集成形表面30、32在根部14會合。兩片熔融玻璃流過堰，成形表面在根部14會合，在其中融合一起成單一片玻璃36。然後玻璃片36被送入抽拉裝置(以圖3的滾輪38顯示)，藉著玻璃片抽離根部14的速度來控制玻璃片的厚度。抽拉裝置置放在根部 下游相當遠處以使玻璃片在和抽拉裝置接觸之前已經冷卻變硬。
以上所描述的玻璃形成過程就是已知的融合下拉處理。如我們從圖3所見的，流過等靜壓管邊的玻璃外測表面並沒有接觸等靜壓管外測表面的任何部分。換句話說，形成成品玻璃的兩半玻璃片內表面的確接觸到等靜壓管，但那些內表面在隔離管的根部熔融在一起，因而被埋入成品玻璃的體內。以這種方式使用融合處理就可達到成品玻璃片外測表面卓越的品質。
等靜壓管10更進一步置放在外殼40之內。外殼40實質上是圍繞著等靜壓管10以維持和控制等靜壓管和溢流的熔融玻璃24的溫度。外殼40包含內防護壁42，和分佈在等靜壓管上方垂直高度但是在內壁42後面的加熱元件44a-44d和46a-46d，使得內壁42可隔離加熱元件44a-44d和46a-46d和等靜壓管。雖然各有四個加熱元件顯示在等靜壓管的每邊，但每邊也可以有超過或少於四個加熱元件。其他的加熱元件也可以配置在根部以下。封閉的內壁42有時也被稱為內裡42。內壁或內裡42最好包含一種抗溫度但熱傳導的材料，用來擴散從加熱元件44a-44d和46a-46d吸收的熱量，並提供更多的熱量給等靜壓管10。例如，SiC或hexaloy是適合的內壁材料。例如，加熱元件44a-44d和46a-46d可以是電阻式加熱元件，其可包含沿著等靜壓管10寬度(從等靜壓管的一個縱向端點到等靜壓管的另一個縱向端點)水平延 伸的金屬棒(輝光棒)，並連接到一個適合的電力供應處。圖3所示，加熱元件組44a-44d和46a-46d的每一個最好是利用適當已知的加熱控制方法和裝置個別加以控制。例如加熱元件44a-44d和46a-46d可以人工加以控制，恆溫控制，或最好電腦控制，使其可以很容易在外殼40之內維持適當的溫度圖。
因為從等靜壓管抽拉的玻璃傾向於在玻璃片中央比玻璃片邊緣有較高的溫度，加熱元件端點的高溫最好也用來平均整個玻璃片寬度的溫度。這在減少玻璃內的應力，以及減少玻璃形狀或扭曲(譬如彎曲)引發的應力是有效的。為了此目的，一個或以上的加熱元件44a-44d和46a-46d的橫截面或外型可沿著加熱元件的長度變化，以使加熱元件端點的熱輻射大於加熱元件中央的熱輻射。例如，可以利用最底部的加熱元件44a、46a，使得在元件端點的加熱元件電阻比在元件中央的加熱元件電阻還高。有一種達到可變電阻的方式是沿著加熱元件的長度改變加熱元件的橫截面面積。圖4顯示加熱元件(44、46)的端點部份43是縮小的橫截面面積，而比較起來中央部份45有較大的橫截面面積。因而，假定是同質性的材料，以特定的電流通過加熱元件，加熱元件的端點加熱要比加熱元件的中央還多。或者，一個或多個加熱元件可以包含不同電阻的多種導電性材料。
再參考圖3，在外殼充氣室49之內提供絕緣隔離層48，熱隔離最底部的加熱元件44a、46a和外殼內其餘的 加熱元件。也就是說，分別熱隔離加熱元件44a、46a和加熱元件44b-44d和46b-46d，以及有助於將等靜壓管頂部部份和隔離管底部部份的溫度去除關連。於是，等靜壓管上方部份(譬如堰28)變得較冷，這是因其從最底部的加熱元件44a、46a接收較少的熱量，而等靜壓管下方部份(譬如匯集成形表面30、32和根部34)變得較熱，這是因其從最底部的加熱元件接收較多的功率。減少等靜壓管上方部份(譬如溝槽和堰)和等靜壓管下方部份(譬如匯集成形表面和等靜壓管根部)之間的溫度差異△T，因而是熔融玻璃流過的△T。一般而言，在等靜壓管上方部份(譬如溝槽和堰)，測得的玻璃溫度大約和等靜壓管外測表面的溫度一樣，而在等靜壓管下方部份(譬如匯集成形表面和根部)，玻璃的溫度通常是低於等靜壓管外測表面的溫度。
絕緣隔離層48可包括一層或多層。例如，一層可以是提供隔離層結構整合或強度的層，而另一層則是提供隔離層主要的絕緣特性。例如我們發現SiC隔離層本身不足以提供所需的熱學特性。因此，在某些實施例中，絕緣隔離層48包括結構層48a(譬如SiC)熱絕緣層48b。結構層最好可以支撐絕緣層。此外，因為加熱元件偶爾會破裂壞掉，結構層最好提供機械式保護最底部加熱元件，以及絕熱障壁48以下的融合抽拉機器元件。例如，絕緣層可包含高溫陶瓷纖維板，譬如Duraboard 2600。絕熱障壁48的熱阻率(RSI)最好是大於約0.0004 K＊ m2 /W，更好是大於約0.01 K＊ m2 /W，更更好是大於約0.09 K＊ m2 /W，其中的K單位是指克耳文(Kelvin)度數，而W單位是瓦特(watt)。藉由舉例，但不是限制，厚度大約是2.5cm的Duraboard 2600熱絕緣層顯示有至少約0.09 K＊ m2 /W的RSI。
進行本發明而降低的堰溫度會造成減少譬如鋯的等靜壓管組成份材料溶解到熔融玻璃，而等靜壓管根部增加的溫度會導致等靜壓管根部較少沉澱的材料，譬如鋯晶體。應該要注意雖然其中使用的範例通常是有關含鋯等靜壓管，但本發明在消除其他等靜壓管材料可能出現的溶解和沉澱，也是很有幫助的。成品玻璃內出現的沉澱汙染物/雜質要限制在每磅的成品玻璃小於約0.3的缺陷率，最好是每磅的成品玻璃小於約0.1的缺陷率，更好是每磅的成品玻璃小於約0.09的缺陷率。此外，將堰溫度和根部溫度去除關連有助於降低堰溫度，而不會減少根部溫度。例如，可以接著降低上方加熱元件的功率。因此有可能形成黏滯係數小於輸送到等靜壓管玻璃黏滯係數和玻璃液相黏滯係數之間範圍的玻璃。更者，藉著維持較低的溝槽/堰溫度，而同時維持較高的根部溫度就可減少等靜壓管材料的下垂或潛變，也因而延長等靜壓管的使用壽命。
外殼40也可以包括譬如管線的主動冷卻元件50，從譬如冷水源的冷卻流體源(未顯示出)，輸送冷卻流體經過外殼。冷卻元件可以是外加於加熱元件，或者取代一 個或多個加熱元件。如同加熱元件一樣，冷卻元件50也可個別控制。
在一些實施例中，內壁本身可以分段，使得內壁的一部分藉著絕緣隔離層和內壁的另一部分隔開，如圖5所示。圖5所示的設備100包括外殼140，內防護壁142，和置放在外殼140內的等靜壓管10。外殼140也包括置放在加熱元件144a(和146a)和加熱元件144b(和146b)之間的絕熱障壁148。延伸絕熱障壁148將內壁142劃分成下方部份142a和上方部份142b。如同先前的實施例中，絕熱障壁148可包含多層，包括結構層和絕緣層。絕熱障壁148的熱阻率(RSI)最好是大於約0.0004K＊ m2 /W，更好為大於約0.01K＊ m2 /W，最佳是大於約0.09K ＊ m2 /W。
圖5所示的加熱元件組144a-144d和146a-146d，最好每一個是利用適當的已知加熱控制方法和裝置個別加以控制。如先前所描述的，可以採用一個或以上的加熱元件144a-144d和146a-146d以使加熱元件的端點(對應玻璃片邊緣)比加熱元件的中央部份(對應玻璃片中央或品質區)輻射出更多的熱量。雖然未顯示出，設備100也可使用前面實施範例中的主動冷卻元件。
在圖6顯示的另一實施例中，所示的設備200包括外殼240，內防護壁242，和置放在外殼240內的等靜壓管10。外殼240也包括置放在鄰近加熱元件之間的絕熱障壁248。絕緣隔熱層248可包含多層，包括絕緣層和選 擇性的結構層。
圖6所示的加熱元件組244a-244d和246a-246d，最好每一個是利用適當已知的加熱控制方法和裝置個別加以控制。可以採用一個或多個加熱元件244a-244d和246a-246d以使加熱元件的端點(對應玻璃片邊緣)比加熱元件的中央部份(對應玻璃片中央或品質區域)輻射出更多的熱量。雖然未顯示出，設備200也可使用前面實施範例中的主動冷卻元件。
在圖7顯示的另一個實施例中，所示的設備300包括外殼340，下方內防護壁342a，上方內防護壁342b，和置放在外殼340內的等靜壓管10。外殼340也包括置放在加熱元件344a(和346a)和加熱元件344b(和346b)之間的絕熱障壁348。絕熱障壁348可包含多層，包括絕緣層和結構層。最好絕熱障壁348具有熱阻率(RSI)大於0.0004K＊ m2 /W，更好為大於約0.01K＊ m2 /W，最佳是大於約0.09K＊ m2 /W。
上方內壁部分342b是加熱元件344a-344d和346a-346d被動式導熱器，而下方內壁部分342a本身則是主動式的加熱元件。主動式下方內壁部分342a可藉著通過電流經過壁部分以直接加熱，或者主動式壁部分之內可以有內嵌的加熱元件，或附加到壁部分。主動式加熱壁部分342a和加熱元件344a、346a可以互相連結使用，或是停用壁部分342a或加熱元件344a、346a的其中之一。
而在本發明的另一個實施例中，可以橫跨等靜壓管的高度和寬度，垂直和水平延伸加熱元件組，如圖8所示，其中以參考編號444表示的每個分段加熱元件，藉由一組垂直和水平的熱防護板448和鄰近的加熱元件作熱隔離，因而建立格狀的熱隔離加熱元件。藉由個別控制每個加熱元件444，可以使等靜壓管10有較佳的溫度分佈在整個等靜壓管的寬度和高度上。例如，不同段的等靜壓管可以加熱到比等靜壓管其他段較高或較低的溫度。使用分段的加熱元件可不必用心設計出在單一加熱元件不同區域產生變化加熱量的方法。譬如，不使用有變化橫截面形狀的加熱元件，而是在整個所需的地方使用多個加熱元件來達到相同的目的。
圖9顯示模式的玻璃表面溫度資料作為使用依據本發明實施範例方法和設備的範例鋯等靜壓管，其為根部以上垂直距離的函數。資料顯示四種個別情況(1)來自傳統等靜壓管的基準資料顯示範例等靜壓管堰和根部之間的溫度差異，在中斷處最大的溫度值是57℃；(2)包含非絕緣隔離層的等靜壓管資料；(3)依據本發明特定實施例中，在最底部加熱元件和其上方垂直相鄰的加熱元件之間絕熱障壁；(4)鄰近加熱元件之間的絕熱障壁。這些資料顯示當和共同充氣室(即沒有隔離層)比較，具有非絕緣隔離層(2)和絕熱障壁(3、4)的隔離管上方部份溫度的減少。然而非絕緣隔離層的資料(2)顯示等靜壓管上方部份的溫度只有減少約2℃-3℃；而絕熱障壁(3)的溫度減 少比非絕緣隔離層改善了7℃-9℃。最後，雖然顯示改善(即等靜壓管上方部份的較低溫度)，但是多層絕緣隔熱層(4)產生的結果比單層絕熱障壁(3)還差一些。資料是採自具有hexaloy內殼壁的鋯等靜壓管中段。非絕緣隔離層是大約10mm厚的hexaloy板。絕緣隔離層是厚度2.54cm的Duraboard層，結合以上的hexaloy隔離層。這四種情況中提供加熱元件的電力是一樣的。以上範例溫度結果的數值包含在下列表中。溫度全部以℃為單位。
在圖10所示的另一個範例，採用整個等靜壓管寬度的溫度有兩種案例：沒有絕熱障壁的案例，和在最底部加熱元件和其旁邊垂直相鄰的加熱元件之間有絕熱障壁48的第二種案例。此模型檢查等靜壓管玻璃輸入端，等靜壓管中點和等靜壓管和輸入端相反那端(壓縮端)的溫度。圖10顯示中斷線溫度和根部溫度的結果。曲線500和502分別顯示主要案例和第二種案例在中斷線上整個等靜壓管的溫度。如圖10所示，加上絕緣熱防護層的整個等靜壓管在中斷處溫度降低。
相對地，曲線504和506之間的比較顯示在等靜壓管入口端根部溫度的增加，而中點和壓縮端的溫度是沒有改變的。因而在中斷處溫度和根部溫度之間的整個溫度 差減少了。較低的中斷處溫度(譬如較低的上方等靜壓管的溫度)，較少的隔離管材料溶解。同時，至少維持根部溫度，假使不稍微增加根部溫度，就可降低玻化作用發生的可能。
範例1：
圖11所示是另外的模擬資料，其顯示形成沉澱的鋯在沒有隔離層的主要案例(曲線600)，和在最底部加熱元件和其旁邊垂直相鄰的加熱元件之間有絕熱障壁的案例(曲線602)所預期的差異。玻璃流假定每小時約1500磅。曲線600顯示主要案例的等靜壓管在堰，中斷處和根部的溫度，分別是1232℃、1213℃和1153℃。由曲線602所顯示，有絕緣熱防護層的同樣溫度(堰，中斷處和根部)分別是1228℃、1205℃和1159℃。當玻璃熔體流過等靜壓管時，由於等靜壓管-玻璃介面處ZrO2 的超飽和，在等靜壓管上形成沉澱的鋯晶體(次要鋯)。為了決定超飽和呈現，我們需要知道玻璃熔體中的ZrO2 濃度圖，並且和玻璃內真正的ZrO2 濃度比較。因此，圖的左邊刻度(y軸)顯示玻璃內的ZrO2 濃度減去玻璃化內的ZrO2 超飽和濃度。水平或x軸以深入玻璃熔體的方向顯示等靜壓管表面的垂直距離。圖11顯示在最底部加熱元件(元件44a)和其旁邊垂直相鄰的加熱元件(元件44b)之間置放絕熱障壁時，次要鋯在玻璃內形成的距離就會減少，因此限制了次要鋯在隔離管上的增長。
範例2：
圖12所示的圖，左邊的軸是供應到加熱元件以kW為單位的電力，右邊的軸是堰和根部之間的溫度差異，而沿著底邊軸(x軸)是傳統等靜壓管和外殼以小時為單位的時間。顯示了四條曲線：三條曲線代表供應到三個加熱區域的電力；一個在根部以下的加熱區域(轉移區域)，一個靠近根部下方內裡加熱區域(如其中所用最底部加熱元件，譬如12a)，和上方內裡加熱區域(最底部加熱元件之上的加熱器，譬如12b、c和d)。這些曲線分別以曲線700、702和704表示。第四條曲線706則表示堰和根部之間的溫度差異。
圖13所示的圖，左邊的軸是供應到加熱元件以kW為單位的電力，右邊的軸是堰和根部之間的溫度差異，而沿著底邊軸(x軸)是依據本發明一個實施範例的等靜壓管和外殼以小時為單位的時間。顯示了四條曲線：三條曲線代表供應到三個加熱區域的電力；一個在根部以下的加熱區域(轉移區域)，一個靠近根部下方內裡加熱區域(如其中所用最底部加熱元件，譬如44a)，和上方內裡加熱區域(最底部加熱元件之上的加熱器，譬如44b、c和d)。這些曲線分別以曲線800、802和804表示。第四條曲線806則表示堰和根部之間的溫度差異。在圖13的融合抽拉機器中，外殼(譬如外殼16)最頂層的絕緣層被移除。
圖12和圖13背後的融合抽拉機器之間個別等靜壓管加熱的比較顯示，雖然各加熱區域之間電力的平衡會隨 著移除外殼頂部絕緣層而改變，但堰和根部之間的溫度差異並沒有顯著的變化。
圖14所示的圖，左邊的軸是供應到加熱元件以kW為單位的電力，右邊的軸是堰和根部之間的溫度差異，而沿著底邊軸(x軸)是另一傳統等靜壓管和外殼(譬如外殼16)以小時為單位的時間。顯示了四條曲線：三條曲線代表供應到三個加熱區域的電力；一個在根部以下的加熱區域(轉移區域)，一個靠近根部下方內裡加熱區域(如其中所用最底部加熱元件，譬如12a)，和上方內裡加熱區域(最底部加熱元件之上的加熱器，譬如12b、c和d)。這些曲線分別以曲線900、902和904表示。第四條曲線906則表示堰和根部之間的溫度差異。圖14中的箭頭指出實驗期間曲線906中熱耦合破壞的位置。
圖15所示的圖，左邊的軸是供應到加熱元件以kW為單位的電力，左邊的軸是堰和根部之間的溫度差異，而沿著底邊軸(x軸)是依據本發明一個實施範例的等靜壓管和外殼(譬如外殼16)以小時為單位的時間。顯示了四條曲線：三條曲線代表供應到三個加熱區域的電力；一個在根部以下的加熱區域(轉移區域)，一個靠近根部下方內裡加熱區域(如其中所用最底部加熱元件，譬如44a)，和上方內裡加熱區域(最底部加熱元件之上的加熱器，譬如44b、c和d)。這些曲線分別以曲線1000、1002和1004表示。第四條曲線1006則表示堰和根部之間的溫度差異。在圖13背後的融合抽拉機器，依據本項發明 一個實施例中，在最底部加熱元件(譬如加熱器44a、46a)和相鄰的加熱元件(譬如加熱器44b、46b)之間安裝一個絕熱障壁。絕熱障壁包括結構層和絕緣層。非絕緣結構隔離層是厚度大約10mm的hexaloy板。絕熱障壁是厚度大約2.5cm的Duraboard層。絕緣層也從外殼的頂部移除，如同在圖13的融合抽拉機器。絕熱障壁的RSI大約是0.09K＊ m2 /W。
圖14和圖15顯示其個別等靜壓管的加熱。圖14和圖15之間曲線的比較顯示，加入絕熱障壁後，根部和堰之間的溫度差異減少了50%。移除絕緣並不被認為會導致這種明顯的改變，如圖12和圖13的資料所指示。大幅降低根部和堰之間的溫度差異，證實了在加熱處理期間，大幅減少熱應力的可能性，也降低等靜壓管產生裂隙的風險。
必需強調上述所說明本發明實施例，特別是任何「最好」實施例只是實施可能的範例，僅揭示作為清楚地了解本發明之原理。能夠對上述所說明實施例作許多變化及改變而實質上並不會脫離本發明之精神及原理。所有這些變化及改變預期包含於所揭示本發明之範圍內以及受到下列申請專利範圍之保護。
10‧‧‧等靜壓管
12a-12d、14a-14d‧‧‧加熱元件
14‧‧‧根部
16‧‧‧外殼
18‧‧‧充氣室
20、22‧‧‧曲線
24‧‧‧熔融玻璃
26‧‧‧溝槽
28‧‧‧堰
30、31、32、33‧‧‧成形表面
36‧‧‧玻璃片
38‧‧‧滾輪
40‧‧‧外殼
42‧‧‧內壁
43‧‧‧端點部份
45‧‧‧中央部份
44a-44d、46a-46d‧‧‧加熱元件
48‧‧‧絕熱障壁
48a‧‧‧結構層
48b‧‧‧熱絕緣層
49‧‧‧外殼充氣室
50‧‧‧冷卻元件
100‧‧‧設備
140‧‧‧外殼
142‧‧‧內壁
144a-144d、146a-146d‧‧‧加熱元件組
148‧‧‧絕熱障壁
200‧‧‧設備
240‧‧‧外殼
242‧‧‧內防護壁
244a-244d、246a-246d‧‧‧加熱元件組
248‧‧‧絕熱障壁
300‧‧‧設備
340‧‧‧外殼
342a‧‧‧下方內防護壁
342b‧‧‧上方內防護壁
344a-344d、346a-346d‧‧‧加熱元件
348‧‧‧絕熱障壁
444‧‧‧加熱元件
448‧‧‧熱防護板
500、502、504、506 600、602、700、702、704、706、800、802、804、806、900、902、904、906、1000、1002、1004、1006‧‧‧曲線
圖1為斷面圖，其顯示出傳統等靜壓管覆蓋於傳統外 殼中，在加熱元件之間並無絕熱障壁。
圖2為曲線圖，其顯示出圖1耦合於外殼內上側及下側位置間之溫度。
圖3為依據本發明實施例包含絕熱障壁之外殼斷面圖。
圖4為具有非均勻斷面形狀加熱元件(輝光條狀物)側視透視圖，使得輝光條狀物端部產生較多熱量，比輝光條狀物中央多。
圖5為依據本發明實施例另一包含絕熱障壁之外殼的斷面圖。
圖6為依據本發明另一實施例包含絕熱障壁之外殼的斷面圖。
圖7為依據本發明另一實施例包含絕熱障壁以及主動加熱內部遮蔽壁之外殼的斷面圖。
圖8為依據本發明實施例藉由絕熱障壁水平地及垂直地分隔之離散加熱元件的格狀側視圖。
圖9為依據本發明在下列條件下等靜壓管根部上方溫度為垂直距離之函數：(1)無絕熱障壁(2)只有結構層(3)依據本發明實施例之絕熱障壁(4)依據本發明實施例在相鄰加熱元件間之絕熱障壁。
圖10為曲線圖，其顯示出在堰以及等靜壓管根部處跨越無絕熱障壁情況以及在最底部加熱元件與下一個垂直地相鄰加熱元件之間絕熱障壁情況的等靜壓管寬度之溫度。
圖11為曲線圖，其顯示出與並不具有絕熱障壁情況作比較時存在於在最底部加熱元件與下一個垂直地相鄰加熱元件之間的絕熱障壁中次要鋯石預期數量減少，為溶解於玻璃中ZrO2 濃度減去玻璃ZrO2 飽和濃度與離等靜壓管界面垂直深入玻璃距離之函數曲線圖。
圖12為曲線圖，其顯示出在加熱等靜壓管過程中供應至範例性先前融合抽拉機械內三個區域之加熱器的能量曲線圖，以及在等靜壓管上測及下測部份間之溫度差異為時間函數之曲線圖。
圖13為曲線圖，其顯示出在加熱等靜壓管過程中在絕緣物由機械上測部份移除後供應至範例性先前融合抽拉機械內三個區域加熱器的能量曲線圖，以及在等靜壓管上測及下測部份間的溫度差異為時間函數之曲線圖。
圖14為曲線圖，其顯示出在加熱等靜壓管過程中供應至範例性另一融合抽拉機械內三個區域加熱器的能量曲線圖，以及在等靜壓管上測及下測部份間之溫度差異為時間函數的曲線圖。
圖15為曲線圖，其顯示出在加熱等靜壓管過程中以及在絕熱障壁按裝於最底下等靜壓管加熱器與相鄰加熱器之後供應至範例性融合抽拉機械內三個區域加熱器的能量曲線圖，以及在等靜壓管上測及下測部份間之溫度差異為時間函數的曲線圖。絕熱層亦由等靜壓管上方移除。
10‧‧‧等靜壓管
14‧‧‧根部
24‧‧‧熔融玻璃
26‧‧‧溝槽
28‧‧‧堰
30、31、32、33‧‧‧成形表面
36‧‧‧玻璃片
38‧‧‧滾輪
40‧‧‧外殼
42‧‧‧內壁
44a-44d、46a-46d‧‧‧加熱元件
48‧‧‧絕熱障壁
48a‧‧‧結構層
48b‧‧‧熱絕緣層
49‧‧‧外殼充氣室
50‧‧‧冷卻元件

Claims (20)

  1. 一種形成一玻璃片之設備，包含：一成形楔形體，該成形楔形體包含數個堰以及數個成形表面，該數個堰位在該成形楔形體的頂部而該數個成形表面位在該些堰的下方，該些成形表面匯集到該成形楔形體的底部的一根部；多個加熱元件，該多個加熱元件位於鄰近該成形楔形體，該些加熱元件的至少一者包括一配置於數個端點部分之間的中央部分，其中該至少一加熱元件的該些端點部分的電阻高於該至少一加熱元件的該中央部分的電阻，且該至少一加熱元件的該些端點部分輻射的熱量大於該至少一加熱元件的該中央部分輻射的熱量；一外殼，該外殼位於該成形楔形體周圍，該外殼包含一內壁，該內壁將該成形楔形體與該多個加熱元件分隔；一絕熱障壁，該絕熱障壁位於一對相鄰的加熱元件之間。
  2. 依據申請專利範圍第1項之設備，其中該絕熱障壁的熱阻率(RSI)大於約0.0004K＊ m2 /W。
  3. 依據申請專利範圍第1項之設備，其中該絕熱障壁垂直地放置於一對相鄰的加熱元件之間。
  4. 依據申請專利範圍第1項之設備，其中該絕熱障壁水平地放置於一對相鄰的加熱元件之間。
  5. 依據申請專利範圍第1項之設備，進一步包含一冷卻元件，該冷卻元件放置於該根部及該些堰之間，且該冷卻元件藉由該內壁與該成形楔形體分隔。
  6. 依據申請專利範圍第1項之設備，進一步包含多個絕熱障壁，該多個絕熱障壁放置於一對相鄰的加熱元件之間。
  7. 依據申請專利範圍第1項之設備，其中該內壁包含數個由該絕熱障壁所分隔之區段。
  8. 依據申請專利範圍第7項之設備，其中該內壁的一區段包含一加熱元件。
  9. 依據申請專利範圍第1項之設備，其中該絕熱障壁包含多層。
  10. 依據申請專利範圍第9項之設備，其中該多層包含一結構層以及一絕緣層。
  11. 一種形成一玻璃片之設備，包含：一成形楔形體，該成形楔形體包含數個堰以及數個成形表面，該數個堰位在該成形楔形體的頂部，而該數個成形表面匯聚至該成形楔形體的底部的一根部；多個加熱元件，該多個加熱元件位於該根部的一上方處，該些加熱元件的至少一者包括一配置於數個端點部分之間的中央部分，其中該至少一加熱元件的該些端點部分的電阻高於該至少一加熱元件的該中央部分的電阻，且該至少一加熱元件的該些端點部分輻射的熱量大於該至少一加熱元件的該中央部分輻射的熱量；一外殼，該外殼位於該成形楔形體周圍，該外殼包含一內壁，該內壁將該成形楔形體與該些加熱元件分隔；一絕熱障壁，該絕熱障壁位於該多個加熱元件之一最底部加熱元件與一垂直相鄰的加熱元件之間。
  12. 依據申請專利範圍第11項之設備，其中該絕熱障壁的熱阻率(RSI)大於約0.0004K＊ m2 /W。
  13. 依據申請專利範圍第11項之設備，進一步包含多個絕熱障壁，該多個絕熱障壁放置於該些加熱元件之間。
  14. 依據申請專利範圍第11項之設備，其中該多個加熱元件包含多個水平對齊之加熱元件以及多個垂直對齊之加熱元件，且其中每一水平及垂直對齊加熱元件藉由一 絕熱障壁與一相鄰的加熱元件分隔。
  15. 一種形成一玻璃片之方法，包含：流動一熔融玻璃於一成形體上方，該成形體包含數個匯聚成形表面；用多個配置鄰近於該成形楔形體的加熱元件，在該成形體的頂部處的溫度T1 與在該成形體的底部處的溫度T2 之間形成一垂直溫度梯度；由該成形體的底部抽拉該熔融玻璃以形成一玻璃片；其中在該成形體的底部處的溫度T2 實質上與在該成形體的頂部處的溫度T1 去除關連，使得T2 之變化並不會引起T1 之實質變化；以及其中該些加熱元件的至少一者包括一配置於數個端點部分之間的中央部分，其中該至少一加熱元件的該些端點部分的電阻高於該至少一加熱元件的該中央部分的電阻，且該至少一加熱元件的該些端點部分輻射的熱量大於該至少一加熱元件的該中央部分輻射的熱量。
  16. 依據申請專利範圍第15項之方法，其中形成步驟包含利用該多個加熱元件對該熔融玻璃加熱，以及該多個加熱元件之一個加熱元件藉由一絕熱障壁與一相鄰的加熱元件分隔，該絕熱障壁之熱阻率(RSI)大於約0.004K＊ m2 /W。
  17. 依據申請專利範圍第16項之方法，其中該絕熱障壁之熱阻率(RSI)大於0.0004K＊ m2 /W。
  18. 依據申請專利範圍第15項之方法，其中T2 中1℃/小時變化導致T1 中小於0.5℃/小時變化。
  19. 依據申請專利範圍第15項之方法，其中該玻璃片包含每磅最終玻璃的雜質小於0.3。
  20. 依據申請專利範圍第15項之方法，其中該玻璃片包含每磅最終玻璃的雜質小於0.09。
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