專利名稱：向玻璃熔體傳遞聲能的波導(dǎo)組裝件的制作方法
向玻璃熔體傳遞聲能的波導(dǎo)組裝件
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及熔融玻璃混合，尤其涉及用于傳遞充分的聲能來提高玻璃熔體內(nèi) 的均一性的波導(dǎo)組裝件。
相關(guān)技術(shù)說明
制造技術(shù)如今能形成不僅光學(xué)品質(zhì)高而且還能作為電路系統(tǒng)基底的玻璃板。
玻璃板的此類用途的一個(gè)示例是用在液晶顯示器(LCD)中。當(dāng)在LCD中用作基 底時(shí)，玻璃必須顯現(xiàn)出某些特性，其中這些特性取決于最終形成該玻璃板的玻璃熔 體。
通常，用在LCD中的玻璃是不含堿的硅酸硼鋁化學(xué)組合物。用在LCD中的 玻璃板或玻璃面板是由稱為玻璃熔體的液態(tài)玻璃的受控冷卻而形成的。然而，玻璃 熔體常常包含非均一性，其可能導(dǎo)致結(jié)果所得的玻璃板無法滿足目標(biāo)用途所需。此 類非均一性的示例是玻璃熔體內(nèi)的氣態(tài)或固態(tài)內(nèi)含物、以及密度和化學(xué)組分有偏差 的小體。后一類現(xiàn)象通常稱為棱痕(cord)。棱痕的不均勻分布可能降低結(jié)果所得 的玻璃板的有用性。例如，在液晶顯示設(shè)備中，棱痕會(huì)導(dǎo)致在顯示器中有視覺上令 人不快的異常。具體而言，棱痕會(huì)導(dǎo)致各局部區(qū)域具有不同的折射率。折射率不同 的這些局部區(qū)域會(huì)使得結(jié)果所得的玻璃不適合用于許多精密用途。
原先是使用機(jī)械攪拌器來提供對玻璃熔體的直接機(jī)械攪拌。然而，玻璃熔體 的高溫以及玻璃組合物的侵蝕性可能使得直接機(jī)械攪拌難以實(shí)現(xiàn)。攪拌元件必須 要由昂貴的耐熔金屬組分，通常是鉑或鉑銠合金來制造才能承受高溫環(huán)境。此 外，高的剪應(yīng)力既會(huì)消蝕攪拌元件又會(huì)消蝕容納玻璃的器皿，結(jié)果導(dǎo)致不合需 微粒被釋放到熔融的玻璃中。
通常為超聲能形式的振動(dòng)能已經(jīng)在各種應(yīng)用中使用。最常經(jīng)歷的是將超聲能 用作在清洗操作中攪動(dòng)流體的方法，比如珠寶的超聲清洗之類。在工業(yè)應(yīng)用中，也時(shí)常采用超聲能來將液體除氣。S卩，促使從液體中去除氣態(tài)內(nèi)含物(氣泡)。
在美國專利No. 4,316,734中，在玻璃制作工藝中采用聲能來無需改變玻璃熔 體的粘度地來致使小泡(氣泡)聚結(jié)成以更快速率浮起的較大氣泡。結(jié)果，諸如通 過降低溫度之類，就能提高玻璃熔體的粘度，而不會(huì)過度影響至少這些較大氣泡在 熔體內(nèi)上升的速率。熔體溫度的降低能夠得到有意義的能量節(jié)省。
美國專利4,316,734針對的是響應(yīng)于玻璃的動(dòng)態(tài)粘度以及聲能源與玻璃之間的 界面處的聲學(xué)阻抗來選擇頻率和能量強(qiáng)度，以提供令玻璃中有實(shí)質(zhì)性比例的氣泡向 上遷移的工作模式。
美國專利No. 2,635,388也是針對一種從熔融玻璃體中去除氣態(tài)內(nèi)含物的方 法。美國專利No. 2,635,388披露了浸在熔融玻璃中并被超聲振動(dòng)的受加熱元件的 用法。該受加熱元件導(dǎo)致在熔體中有局部化的高溫低粘度區(qū)，其在與由振動(dòng)元件提 供的攪動(dòng)相結(jié)合時(shí)幫助"聚集"氣泡并促使它們從玻璃中逸出。因加熱產(chǎn)生的對流 致使整個(gè)玻璃體最終經(jīng)過該局部化高溫區(qū)。
雖然這些以及其他方法已示出通過應(yīng)用聲能來從玻璃中去除氣泡的某些功 效，但并未證明它們能為使玻璃均一化(例如，消除化學(xué)非均一性)的目的有效地 混合熔融玻璃。事實(shí)上，美國專利No. 2,635,388中所公開的方法要求在玻璃熔體 中插入受加熱的振動(dòng)元件。玻璃熔體的高溫、化學(xué)侵蝕性環(huán)境可能導(dǎo)致擾流、該受 加熱振動(dòng)元件取決于該元件的材料隨時(shí)間推移而溶解以及還可能對玻璃熔體造成 污染、或者至少要定期替換該元件。由此，仍需要一種能有效地從玻璃熔體中去 除棱痕而又沒有因向該熔體中插入附加元件所遭遇的那些缺點(diǎn)的混合玻璃的 方法。
發(fā)明簡要
本公開描述了一種方法，藉此方法可將波導(dǎo)組裝件用來將給定頻率和給定功 率水平的超聲或者作為連續(xù)波或者以長(多周)陣發(fā)的形式引入到玻璃熔體中。大 致而言，激發(fā)信號(hào)波形是正弦曲線，然而由于熔體中顯著的非線性性，結(jié)果所得的 聲場中的波形可能有所不同。為了實(shí)現(xiàn)及理論描述的目的，可將多周陣發(fā)等同于連 續(xù)波信號(hào)來處理。因此，激發(fā)裝置中的聲場可以作為本質(zhì)上是單色(單頻)的來對 待。
將來自射頻功率源的輸入電能轉(zhuǎn)換成進(jìn)入熔體的輸出聲能的激發(fā)設(shè)備包括菊 花鏈?zhǔn)竭B鎖的一系列元件
51. 換能器本身，其本質(zhì)上由一個(gè)或更多個(gè)有源(壓電)元件組成，補(bǔ)以前、 后質(zhì)量塊；
2. 可任選的匹配鏈節(jié)，其為納入離散或逐漸的直徑階變的實(shí)心物體；
3. 桿狀波導(dǎo)，通常為直徑恒定的圓柱桿。
為確保整條鏈上的有效傳輸，這些元件中的每一個(gè)都被設(shè)計(jì)成在目標(biāo)頻率上 諧振。如若在諧振器件中的損耗是可忽略的，并且其由具有無限阻抗反差(無限剛 性或無限軟性)的元件終接，則其維度應(yīng)恰好等于半波長的倍數(shù)。
給定振型的波長等于所討論的材料和波類型的聲速除以頻率。由此，對于特 定頻率，波長在該鏈中由截然不同的材料構(gòu)造成的各種元件之間顯著不同。進(jìn)一步， 波類型在一定程度上取決于這些元件的橫截面和橫截面變動(dòng)，其影響波長的程度小 些。最后，由于在實(shí)際材料中的聲速是溫度相關(guān)的，因此波長亦然。
為創(chuàng)生有效的激勵(lì)鏈，所有元件應(yīng)被調(diào)諧到相同的頻率。由于從這些簡化假 定偏離的情況可能每元件有所不同，此差別可能要求要對每元件進(jìn)行不同的調(diào)整。 例如，在匹配鏈節(jié)中，直徑階變不是無限陡峭的其使用有限的倒角半徑來限制工 作期間該鏈節(jié)中結(jié)果所得的應(yīng)力。此倒角一定程度上影響最優(yōu)長度。
可以在例如20 kHz與40 kHz之間之類的恰適諧振頻率上驅(qū)動(dòng)該波導(dǎo)組裝件以 向玻璃熔體傳遞充分的聲功率，從而增強(qiáng)玻璃熔體內(nèi)的混合。優(yōu)選地，耦合到玻璃 熔體中的聲功率大于約5瓦特(W)，優(yōu)選為至少約30瓦特(W)，更優(yōu)選為至 少約40W，并且最優(yōu)選為至少約50W。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，能向玻璃混合體傳 遞足以誘發(fā)非線性聲效應(yīng)——具體而言為聲沖流的聲功率。
在一個(gè)實(shí)施例中，公開了一種混合玻璃熔體的方法，包括產(chǎn)生聲波、將該聲 波通過波導(dǎo)耦合到玻璃熔體中，其中該聲波向玻璃熔體傳遞足以在玻璃熔體中產(chǎn)生 聲沖流的聲功率。
通過聲學(xué)地將波導(dǎo)耦合至玻璃熔體并且產(chǎn)生沿波導(dǎo)縱維的駐波，就能向玻璃 熔體傳遞充分的諸如超聲能之類的聲能，以提高玻璃熔體內(nèi)的均一性。
在另一實(shí)施例中，公開了一種用于向器皿中的玻璃熔體傳遞聲能的裝置，包 括產(chǎn)生聲波的換能器、聲學(xué)地耦合至換能器和玻璃熔體的波導(dǎo)，并且其中該波導(dǎo)被 配置成以該聲波的頻率在波導(dǎo)中創(chuàng)生駐波，并且在玻璃熔體中產(chǎn)生聲沖流。
應(yīng)理解前面的一般性描述和接下來的詳細(xì)描述都只是示例了本發(fā)明，并且旨 在提供用于理解如主張權(quán)利的本發(fā)明的本質(zhì)和特性的綜覽或框架。
包括附圖是為了提供了對本發(fā)明進(jìn)一步的理解，附圖被納入在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖不一定是按比例繪制的，并且各種要素的大小為清楚起 見可能被改變。附解本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例，并且與本說明一起用于解 釋本發(fā)明的原理和操作。
附圖簡要說明


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于混合示例性圓筒形器皿中的熔融玻璃的裝置 的橫截面視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于混合玻璃的裝置的另一實(shí)施例的橫截面視圖， 其中波導(dǎo)包括阻抗匹配部分。
圖3和4是利用螺孔(圖3)和螺栓(圖4)聲學(xué)地將波導(dǎo)耦合至該器皿的方 法的橫截面視圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的裝置的另一實(shí)施例的橫截面視圖，其中有兩個(gè)波 導(dǎo)聲學(xué)地耦合至器皿。
圖6是利用本發(fā)明實(shí)施例的示例性熔凝玻璃制作工藝的示意視圖。
發(fā)明詳細(xì)說明
聲音是經(jīng)諸如液體或氣體之類的介質(zhì)行進(jìn)或傳播的振動(dòng)。此振動(dòng)的源是對該 介質(zhì)重復(fù)性的攝動(dòng)。例如，鐘在被擊打時(shí)會(huì)振動(dòng)。鐘的各側(cè)面相對于圍繞它的空 氣移動(dòng)，從而首先隨著側(cè)面朝外移動(dòng)而在空氣中創(chuàng)生高壓區(qū)，隨后隨著該側(cè)面朝內(nèi) 運(yùn)動(dòng)而創(chuàng)生低壓區(qū)。這些高壓和低壓區(qū)分別被稱為緊縮區(qū)和稀疏區(qū)，并且它們藉由 如下影響空氣中的毗鄰分子而作為波來經(jīng)介質(zhì)傳播空氣中的分子響應(yīng)于該交替的 高低壓來回移動(dòng)，并且進(jìn)而對毗鄰分子起作用，該毗鄰分子隨后對毗鄰于其的分子 起作用，依此類推。由此，這些高壓和低壓區(qū)作為具有確定振幅和波長的波經(jīng)該介 質(zhì)傳播。隨著其傳播，正在傳播的波在空間中發(fā)散并因吸收而損耗能量。這兩種效 應(yīng)導(dǎo)致壓力振幅隨著行進(jìn)的距離而減小。該正在傳播的波還可能與其他波相長或相 消地相互作用。例如，波可能會(huì)與該波的反射(例如，從物體的表面)交迭，如此 使得這兩個(gè)波彼此加強(qiáng)，從而創(chuàng)生駐波。此情形在這兩個(gè)波彼此同相時(shí)發(fā)生。駐波 具有確定的分別對應(yīng)于最小壓力區(qū)和最大壓力區(qū)的波節(jié)和波腹。可以在反射環(huán)境中 創(chuàng)生駐波，例如通過將正在傳播的波的波長(頻率)調(diào)整到半波長的恰適倍數(shù)，如 此使得諸反射波相長地交迭。
普通駐波能夠非常強(qiáng)大。然而，極強(qiáng)的聲音會(huì)在它們傳播經(jīng)過的介質(zhì)中結(jié)果得到非線性響應(yīng)。這樣的非線性響應(yīng)可能包括沖擊波、聲飽和(該介質(zhì)不能吸收更 多的聲能)、以及聲沖流，或即藉此導(dǎo)致該聲波經(jīng)其傳播的介質(zhì)有凈流量的過程。 即，以上所描述的正在振動(dòng)的分子不再單單是在位置上沒有總凈變地關(guān)于平均位置 "原地移動(dòng)"。在聲沖流期間，該分子的平均位置實(shí)際上發(fā)生改變。
已經(jīng)使用聲沖流來操縱液體的行為，諸如舉例而言，移動(dòng)溫度相對較低的液 體、移動(dòng)氣泡以及以液滴形式來噴射液體。聲沖流還已經(jīng)被應(yīng)用于對非常小的液 體體量進(jìn)行局部化混合(即，微流體混合)。困難得多的任務(wù)是要在高粘度高溫的 大體積液體中一諸如在大體量玻璃制造操作中的熔融玻璃中——引起聲沖流以 有效并經(jīng)濟(jì)地混合玻璃或使其均一化。
術(shù)語"玻璃熔體"涵蓋高于其各自的軟化點(diǎn)的各種玻璃組合物之中的任何哪
種。典型地，玻璃熔體在i2oo°c到noo。c的量級上。術(shù)語"玻璃"包括具有隨
機(jī)的類液體(非晶體)分子結(jié)構(gòu)的材料。玻璃的制造工藝要求將原料加熱到足以產(chǎn) 生完全融合的熔體的溫度，該熔體在冷卻時(shí)變成剛性但不結(jié)晶。玻璃、因此還有玻 璃熔體可以是各種組合物中的任何哪種，包括但不限于堿石灰玻璃、鉛玻璃、硅
酸硼玻璃、硅酸鋁玻璃、96%石英玻璃、熔凝石英玻璃以及硅酸硼鋁硅酸鹽。術(shù)語 "聲波"旨在涵蓋經(jīng)介質(zhì)傳送的機(jī)械振動(dòng)。在一種配置中，聲波落在超聲范圍內(nèi)， 其中目標(biāo)頻率典型地在約20 kHz到約40 kHz之間。
本發(fā)明包括在圖1中所示的波導(dǎo)組裝件IO，用于經(jīng)由聲波將聲能傳遞到器皿 14中所容納的玻璃熔體12中，并藉此來混合該玻璃熔體。
器皿14可以是各種配置之中的任何哪種。在一種配置中，器皿14限定聯(lián)合 波導(dǎo)組裝件10選擇的熔融玻璃流路，以允許能在該流路的橫截面積的給定百分比 內(nèi)進(jìn)行混合。由此，該器皿便能接收來自上游位置的熔融玻璃流并且允許該玻璃熔 體流向下游位置。例如，器皿14可以是熔融玻璃流經(jīng)的管道。在一種配置中，器 皿14包括允許波導(dǎo)組裝件接入并接觸玻璃熔體的敞開頂部。還構(gòu)想了該器皿可包 括低于玻璃熔體的水平面的端口或開口 ，波導(dǎo)組裝件的一部分被布置成通過該端口 或開口，從而將波導(dǎo)組裝件與玻璃熔體耦合。在又一種構(gòu)造中，可將波導(dǎo)組裝件在 器皿的外表面上聲學(xué)地耦合到該器皿，這避免了先前所描述的現(xiàn)有技術(shù)混合方法的 缺點(diǎn)。聲學(xué)地耦合意味著第一元件以如此的方式耦合至第二元件以使得聲波能從第 一元件傳播至第二元件，其中聲波優(yōu)選但非必需地是以最小限度的振幅損耗來傳播 的。
器皿14優(yōu)選地由耐熔金屬構(gòu)成，諸如鉑或鉑銠合金，并且包括例如有80%鉑-20%銠的合金。器皿14優(yōu)選地包括進(jìn)口和出口 ，如此使得熔融玻璃可流經(jīng)該器皿，
諸如在連續(xù)或半連續(xù)的玻璃制作操作中便是如此。然而，應(yīng)注意到，本發(fā)明的這些 方法可以對不在流動(dòng)的熔融玻璃執(zhí)行。
波導(dǎo)組裝件10被構(gòu)成為能高效地將射頻(rf)功率轉(zhuǎn)換成聲功率，并且包括 用于完成該轉(zhuǎn)換的換能器16、以及用于將結(jié)果所得的聲功率傳送到玻璃熔體12的 波導(dǎo)18。為提升功率傳輸?shù)男?，波?dǎo)組裝件10被構(gòu)成為能匹配該組裝件內(nèi)諸聲 學(xué)阻抗并且在目標(biāo)頻率上諧振。由此，假定諧振組裝件中的損耗可忽略，并且波導(dǎo) 組裝件由具有無限阻抗反差(無限剛性或無限軟性)的組件終接，則該波導(dǎo)組裝件 的縱維應(yīng)恰好等于半波長的倍數(shù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，波導(dǎo)18的第一端20通過器皿14聲學(xué)地耦合至玻璃熔體12， 并且波導(dǎo)18的第二端22耦合至換能器16。波導(dǎo)18 (以及波導(dǎo)組裝件10)具有第 一熱端20——溫度一般超過1200°C且更典型地在約1200°C到1,700°C之間，以 及相對較冷的第二端22，其優(yōu)選處于環(huán)境溫度或至少是有益于換能器工作的溫度。 常規(guī)的超聲換能器將典型地僅能耐受最高達(dá)大約50。C的溫度。在更高的溫度，換 能器最終將因由熱膨脹導(dǎo)致的內(nèi)部脫焊或因去極化而遭受永久損壞。在一種配置 中，將換能器16的溫度維持在小于100°C，并且在進(jìn)一步配置中維持在小于50°C。
換能器16用于將rf功率轉(zhuǎn)換成振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。換能器可以是各種市售換能器中的 任何哪種，諸如Langevin或Tonpilz型超聲換能器。換能器由信號(hào)發(fā)生器24和高 頻功率放大器26來驅(qū)動(dòng)，這在本領(lǐng)域中是眾所周知的。信號(hào)發(fā)生器24進(jìn)而由諸如 基于計(jì)算機(jī)的控制器之類的控制器28來控制。
向換能器輸入的激勵(lì)信號(hào)電壓和頻率可由控制器28控制以將換能器16維持 在高效率超聲發(fā)生的最優(yōu)工作點(diǎn)。即，以諧振頻率來驅(qū)動(dòng)波導(dǎo)組裝件10。具體而 言，Langevin型換能器以具有窄諧振頻率帶寬和取決于介質(zhì)的諧振特性而著稱。由 于波導(dǎo)組裝件，尤其是波導(dǎo)可能曝露于某溫度范圍，因此諧振頻率可能是溫度相關(guān) 的。
為了匹配換能器16與波導(dǎo)18之間的聲學(xué)阻抗，波導(dǎo)18可包括匹配鏈節(jié)部分 30。在圖2中所示的一種配置中，匹配鏈節(jié)30被設(shè)計(jì)成長度為該匹配鏈節(jié)內(nèi)的目 標(biāo)頻率的波長的大約一半。由此，諸如鋼材之類的相容材料的長度被選擇為是此鋼 材內(nèi)的目標(biāo)信號(hào)的波長的大約一半。盡管可以為匹配鏈節(jié)30采用鋼材，但也能使 用具有可接受的聲學(xué)性質(zhì)和損耗的其他材料，其中對于每一種這樣的材料，匹配鏈 節(jié)的最優(yōu)維被選擇成能將換能器的聲學(xué)阻抗匹配于波導(dǎo)的聲學(xué)輸入阻抗。匹配鏈節(jié)30被配置成使得在換能器與匹配鏈節(jié)的界面處以及類似地在匹配鏈 節(jié)與波導(dǎo)的其余部分的界面處的信號(hào)反射最小化。由此，在每一界面處的反射功率 量被最小化并且被遞送到玻璃熔體12的總功率就被最大化。
如所描述的，換能器16在波導(dǎo)端22處聲學(xué)地耦合至波導(dǎo)18。波導(dǎo)18剩下的 一端20浸在玻璃熔體中，或更優(yōu)選為聲學(xué)地耦合至器皿14的外表面如此使得聲學(xué) 功率通過器皿14被轉(zhuǎn)送到玻璃熔體。
圖3-4中示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的聲學(xué)地將波導(dǎo)16耦合至器皿14的若干方 法。圖3圖解附著于器皿14的外表面的內(nèi)螺紋孔(配件)32。相應(yīng)地，波導(dǎo)18 的端20包括外螺紋從而波導(dǎo)18能被擰進(jìn)孔32中。替換地，在圖4中所描繪的優(yōu) 選實(shí)施例中，波導(dǎo)18包括端20處的內(nèi)螺紋穴，其大小被設(shè)計(jì)成與附著于器皿14 的外表面的螺栓(配件)34配合。螺栓34優(yōu)選被焊接至器皿14。優(yōu)選地，螺栓 34的端面23垂直于螺栓的縱軸18垂直(螺栓34具有平坦的端面)，并且跨螺栓 34的整個(gè)端面與上述內(nèi)穴接觸，如此使得聲學(xué)功率不僅僅是通過螺紋接觸來耦合 的。
波導(dǎo)18被選擇成在目標(biāo)頻率上諧振(支持駐波)。由此，波導(dǎo)18的長度優(yōu) 選地等于該波導(dǎo)中的目標(biāo)頻率的整數(shù)倍半波長。在一些實(shí)施例中，波導(dǎo)18可部分 地浸在玻璃熔體12內(nèi)，其中該波導(dǎo)未被浸入的長度可充當(dāng)換能器16與玻璃熔體 12之間的熱緩沖。在不浸入的實(shí)施例中，波導(dǎo)18的整個(gè)長度可充當(dāng)熱緩沖。
期望波導(dǎo)18包括的材料足以耐受在玻璃制作操作中所經(jīng)歷的高溫，其在一些 情形中可能超過1600°C。無論波導(dǎo)18是與熔融玻璃接觸著還是僅與器皿14接觸 著都是如此。已發(fā)現(xiàn)滿意的材料包括致密氧化鋁、陶瓷或在高溫時(shí)維持高彈性模 量的耐熔金屬合金，諸如氧化鋁、氧化鋯和鉑-銠合金。
盡管波導(dǎo)18 —般為圓柱形或簡單的階形角筒，但是應(yīng)理解波導(dǎo)18可具有鐘 形、塊形、或巻筒形(開槽的或不開槽的)。波導(dǎo)18可以是實(shí)心桿或管，或是直 徑與實(shí)心桿相當(dāng)?shù)闹锌請A柱體。
在一種配置中，在波導(dǎo)18的一部分(或匹配鏈節(jié)30——若采用)上引導(dǎo)冷卻 流36以輔助為換能器16提供恰適的工作溫度。冷卻流可以是環(huán)境(例如，室內(nèi)) 溫度和可現(xiàn)成獲得的流速下的空氣。然而，應(yīng)理解冷卻流36可以是經(jīng)冷卻的流。 還應(yīng)理解波導(dǎo)越短，所需的冷卻就可能越強(qiáng)，并且可包括更高流速下的經(jīng)速凍冷卻 流。已發(fā)現(xiàn)環(huán)境空氣冷卻流對于波長長度的波導(dǎo)而言是勝任的。典型地，在波導(dǎo)(或 匹配鏈節(jié))上毗鄰換能器處引導(dǎo)該冷卻流。令冷卻流處于穩(wěn)態(tài)從而允許波導(dǎo)18達(dá)到均衡狀態(tài)是有利的。
由于波導(dǎo)18包括熱端和冷端，因此存在沿波導(dǎo)18的縱維的熱梯度，其會(huì)改
變經(jīng)波導(dǎo)18傳播的聲波的速度。由換能器16產(chǎn)生的聲波的頻率可以視需要調(diào)整以 維持波導(dǎo)組裝件10內(nèi)的諧振，從而將充分的聲功率傳遞給玻璃熔體12。同樣與溫
差相關(guān)聯(lián)的還有超聲損耗和熔體的聲學(xué)性質(zhì)上的改變。由此，即使通過頻率調(diào)整來 保持波導(dǎo)處于諧振中，在諧振的換能器的輸入電阻抗也可能變動(dòng)。
沿處于玻璃熔體12與室溫?fù)Q能器16之間的波導(dǎo)組裝件10的溫度梯度結(jié)果主 要導(dǎo)致沿波導(dǎo)組裝件的縱維的聲波的速度的變動(dòng)，其次導(dǎo)致熱膨脹，以及由此在密 度上的改變。這兩種效應(yīng)一起結(jié)果可能導(dǎo)致沿波導(dǎo)組裝件的長度有聲學(xué)阻抗——其 被定義成聲壓除以結(jié)果所得的體積速度——上的相應(yīng)變化。結(jié)果，在為裝置10選 擇組件——例如波導(dǎo)材料、長度和橫截面——時(shí)應(yīng)計(jì)及由溫度誘發(fā)的沿波導(dǎo)組裝件 的縱維的聲學(xué)阻抗變動(dòng)。
波導(dǎo)18的最優(yōu)長度尤其取決于對用于波導(dǎo)的材料的選取和波導(dǎo)在工作期間的 溫度。已發(fā)現(xiàn)對于一些實(shí)施例，大約為目標(biāo)聲波頻率的一個(gè)波長的波導(dǎo)長度是波導(dǎo) 18的滿意長度，因?yàn)榇碎L度允許沿波導(dǎo)的長度有充分的溫度梯度，從而允許換能 器16能在低于100°C工作并容許經(jīng)由該信號(hào)頻率來將波導(dǎo)組裝件10調(diào)諧到在諧 振頻率上工作。
由于波導(dǎo)18是聲學(xué)地耦合至玻璃熔體12的，因此該波導(dǎo)是以超聲振動(dòng)的形 式通過器皿14向玻璃熔體遞送聲功率。 一旦向玻璃熔體引入了充分的功率，就能 誘發(fā)會(huì)促使足以提高玻璃熔體的均一性的混合的玻璃熔體運(yùn)動(dòng)。即，能減少棱痕化 并使之在整個(gè)玻璃熔體中均勻地分布。在一些實(shí)施例中，耦合到玻璃熔體中的聲功 率還可以與該熔體產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，其會(huì)導(dǎo)致該熔體中的局部高流速。氣穴現(xiàn)象還能 通過創(chuàng)生真空氣泡位點(diǎn)使得已溶解的氣體能在此聚結(jié)并上升到玻璃熔體的表面來 在玻璃澄清(氣態(tài)內(nèi)含物移除)中起到輔助作用。
在某些實(shí)施例中，可以采用一個(gè)以上波導(dǎo)來增強(qiáng)熔融玻璃的混合。圖5中所 示為其中有兩個(gè)波導(dǎo)物理地耦合至器皿14的實(shí)施例。優(yōu)選地，這兩個(gè)波導(dǎo)的縱軸
是正交的。應(yīng)理解可以采用兩個(gè)以上波導(dǎo)。參考圖6，示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使 用熔凝工藝來制作玻璃板的示例性玻璃制造系統(tǒng)42的示意視圖。該熔凝工藝在例 如美國專利No. 3,338,696 (案巻)中作了描述。示例性熔凝玻璃制造系統(tǒng)42包括 熔融爐44 (熔爐44)，在其中饋給原料如箭頭46所示地被引入并且隨后被熔融以 形成熔融玻璃12。玻璃制造系統(tǒng)42進(jìn)一步包括典型地由鉑或諸如鉑-銠、鉑-銥及其組合等含鉑金屬制成的組件，但其也可包括諸如鉬、鈀、錸、鉭、鈦、鉤、或其
合金這樣的耐熔金屬。這些含鉑組件可以包括澄清器皿50 (例如，澄清爐管50)、 熔爐至澄清爐連接管52、混合器皿54 (例如，攪拌室54)、澄清爐至攪拌室連接 管56、遞送器皿58 (例如，碗58)、攪拌室至碗連接管60、以及下導(dǎo)管62。向 耦合至形成器皿66 (例如，熔凝管66)的進(jìn)口64供應(yīng)熔融玻璃。通過進(jìn)口64向 形成器皿66供應(yīng)的熔融玻璃溢出形成器皿66，并分成兩束分開的在形成器皿66 諸會(huì)聚外表面上向下流動(dòng)的玻璃流。這兩束分開的玻璃流在這些會(huì)聚形成表面交會(huì) 的線處重新合并以形成單片玻璃板68。典型地，形成器皿66是由陶瓷或玻璃陶瓷 耐熔材料制成的。
由于從形成器皿66的這些會(huì)聚形成表面下來的這些分開玻璃流的外表面不接 觸這些形成表面，因此合并而成的具有原始外表面的玻璃板很適合供制造液晶顯示 器用。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以有利地在玻璃制造系統(tǒng)42的含鉑部分內(nèi)采用裝置10。 例如，可將一個(gè)或更多個(gè)裝置10聲學(xué)地耦合到澄清爐至攪拌器連接管56或攪拌室 54以混合(均一化)熔融玻璃。在常規(guī)攪拌室中，攪拌器70在熔融玻璃中旋轉(zhuǎn)以 使玻璃均一化?？刹捎醚b置10通過在攪拌器正在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向玻璃熔體施加超聲 能來補(bǔ)充攪拌器70的不足，或者可使用裝置10來代替攪拌器70。示例l 在放置于爐中的鉑-銠坩鍋(器皿)中以一定溫度重新熔融硅酸硼鋁碎玻璃， 其中爐的溫度在1350°C與1535°C之間變化。使用包括氧化鋁部分和鋼阻抗匹配 部分的波導(dǎo)通過將氧化鋁部分的長度浸在玻璃熔體中來把在大約20 kHz與25 kHz 之間工作的Tonpilz型超聲換能器聲學(xué)地耦合至該玻璃熔體。氧化鋁部分的直徑為 22mm，長度大約為43.2 cm。如由換能器電阻抗最小值所指示的那樣在21.1 kHz 與21.4 kHz之間工作頻率上達(dá)到顯效諧振條件(由于波導(dǎo)的溫度相關(guān)性之故，因 此在前述范圍上調(diào)諧該頻率以維持諧振)。在1350°C爐溫時(shí)達(dá)到最大輸入功率 44W。向玻璃熔體添加量大約在200 ppm的氧化鈷以便能提供對聲沖流的目視確 認(rèn)。將玻璃冷卻并從坩鍋移開。對經(jīng)冷卻玻璃的目視檢査即示出聲流誘發(fā)的對氧化 鈷"染料"與玻璃的混合。
示例2
在放置于爐中的鉑-銠坩鍋(器皿)中以1350。C與1400。C之間的溫度熔融硅 酸硼鋁玻璃，并隨后維持在1450。C的溫度。使用包括氧化鋁部分和鋼阻抗匹配部分的波導(dǎo)來把在大約20 kHz與25 kHz之間工作的Tonpilz型超聲換能器聲學(xué)地耦 合至該玻璃熔體。氧化鋁部分的直徑為22mm，長度大約為43.2 cm。波導(dǎo)的氧化 鋁部分經(jīng)由焊接至坩鍋外表面的螺栓和該波導(dǎo)的氧化鋁部分中的內(nèi)螺紋穴物理地 耦合至坩鍋。阻抗匹配部分經(jīng)由粘合劑加強(qiáng)的螺紋耦合至換能器。如由換能器電阻 抗最小值所指示的那樣在22.5 kHz與23 kHz之間的工作頻率上達(dá)到顯效諧振條件 (由于波導(dǎo)的溫度相關(guān)性之故，因此在前述范圍上調(diào)諧該頻率以維持諧振)。向玻 璃熔體輸入的功率在40 W與50 W之間。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員將明顯的是，可對本發(fā)明作出各種修改和變形而不會(huì)脫離 本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明旨在覆蓋對本發(fā)明的這些修改和變形，只要它 們落在所附權(quán)利要求書及其等效方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種混合玻璃熔體的方法，包括產(chǎn)生聲波以及將所述聲波通過波導(dǎo)(18)耦合到玻璃熔體(12)中，其特征在于，所述聲波向所述玻璃熔體傳遞充分的聲功率以在所述玻璃熔體中產(chǎn)生聲沖流。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述耦合到玻璃熔體中的聲功率 至少為5 W。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述耦合到玻璃熔體中的聲功率 至少為50 W。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述聲波的頻率在約20 kHz與 40kHz之間。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述玻璃是由耐熔金屬器皿(14) 來容納的。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)是物理地耦合至所述器 皿的表面上的螺紋配件(32、 34)的。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述聲波在所述玻璃熔體中產(chǎn)生 氣穴現(xiàn)象。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述將聲波耦合到所述玻璃熔體 中的步驟包括使所述玻璃熔體與所述波導(dǎo)接觸。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括將所述玻璃熔體形成為玻 璃板(68)。
10. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述玻璃熔體流經(jīng)所述器皿(14)。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述聲波是駐波。
12. —種用于向器皿(14)中的玻璃熔體傳遞聲能的裝置，包括產(chǎn)生聲波的換 能器(16)以及聲學(xué)地耦合至所述換能器和所述玻璃熔體的波導(dǎo)(18)，其特征在 于，所述波導(dǎo)(18)被配置成以所述聲波的頻率在所述波導(dǎo)中創(chuàng)生駐波，并且在所 述玻璃熔體(12)中產(chǎn)生聲沖流。
13. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)(18)是物理地耦合 至所述器皿(14)的。
14. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)(18)的毗鄰所述換 能器(16)的部分的溫度低于100°C。
15. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述聲波的頻率在20 kHz與 40 kHz之間。
16. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)(18)包括耦合至所 述換能器(16)的阻抗匹配鏈節(jié)(30)。
17. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，還包括多個(gè)聲學(xué)地耦合至所述 玻璃熔體(12)的波導(dǎo)。
全文摘要
提供波導(dǎo)組裝件(10)，用于向玻璃熔體(12)傳遞振幅足以在該熔體中產(chǎn)生聲沖流的超聲能，藉此混合該熔融玻璃。該玻璃熔體(12)可以例如正在流經(jīng)耐熔金屬器皿(14)。在一種配置中，波導(dǎo)組裝件(10)包括波導(dǎo)(18)，其在一端(22)聲學(xué)地耦合至換能器(16)而在另一端(20)聲學(xué)地耦合至玻璃熔體(12)。波導(dǎo)(18)可以經(jīng)由附著于器皿(14)外表面的螺紋配件(32、34)物理地耦合至器皿(14)。
文檔編號(hào)C03B5/18GK101500953SQ200780029050
公開日2009年8月5日 申請日期2007年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月4日
發(fā)明者A·J·法伯特, R·布利威爾, W·W·約翰遜 申請人:康寧股份有限公司