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用于使用等离子体热源进行材料处理的方法和装置制造方法及图纸

技术编号:14685337 阅读:81 留言:0更新日期:2017-02-22 19:18
提供用于以下操作的方法和装置:使得玻璃批料进料到等离子体密闭容器中,以使所述玻璃批料被分配为一层玻璃批料颗粒;将一或多个等离子体气源导向到所述等离子体密闭容器的内部容积中,以使所述等离子体气体作为至少一层等离子体气体进入所述等离子体密闭容器;以及施加交变电场,以便促进等离子体羽流在所述等离子体密闭容器的所述内部容积内的产生,其中所述等离子体羽流为足以包封所述层的玻璃批料颗粒的尺寸,并且所述等离子体羽流具有足够热能使所述玻璃批料热反应和熔融,由此形成基本上均质的球形玻璃中间物颗粒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请根据35U.S.C.§120要求2014年3月31日申请的美国申请序列号14/231008的优先权益,所述申请的内容为本文的基础并以全文引用方式并入本文。
本公开涉及了用于使用等离子体热源进行材料处理的方法和装置
技术介绍
玻璃基板可以用于各种应用,包括窗户、高性能的显示设备和任何数量其他应用。对玻璃基板的质量要求已随对提高的分辨率、透明度和性能的需求的增加而更为严格。然而,玻璃质量会不利地受到从形成玻璃熔体至最终封装玻璃产品等的各种处理步骤影响。可能造成玻璃质量降低的一个处理步骤为熔融工艺,其中玻璃批料在熔融装置中混合和加热。在这项工艺期间,玻璃批料会熔融并反应,从而释出反应气体,所述反应气体在熔融玻璃中产生气泡。另外,熔融工艺可能产生非均质的玻璃熔体,所述非均质的玻璃熔体具有不同的化学组成的区域。要形成的第一熔体常常具有与耐火材料的高反应性,从而可能导致装置过度磨损和/或玻璃熔体存在缺陷。该熔体的较致密的部分还会沉至熔融装置底部,从而导致淤渣层,所述淤渣层具有与熔体剩余部分不同的光学性质,并且难以完全回混到总体熔体中。因此,淤渣层产生该熔体的非均质的部分,在这项技术中和本文中,这被称为起筋(chord)。最后,由于通常大的处理体积,因此可能的是,各种玻璃批料可能不完全地熔融。任何未熔融或部分熔融材料在整个熔融工艺中都会存在,并且之后可能变成玻璃产品中的缺陷。用于产生高质量光学玻璃的当前熔融工艺利用高温和搅拌从玻璃熔体移除气泡。然而,此类工艺可受成本限制,因为它们需要昂贵金属和经特殊设计的高温耐火材料以用于处理设备。此外,此类昂贵熔融系统需要长处理时间和高能消耗,因为反应气体必须行进长距离才逸出玻璃熔体,并且淤渣层必须从熔融器槽的底部来混合到槽中玻璃熔体的剩余部分中,从而需要穿过高粘稠性流体的跨长距离的混合运动。用于防止玻璃熔体中的玻璃气泡和非均质的部分的替代方法包括以较小批料来处理熔体。以此方式,气泡必须行进较短距离逸出熔体,并且淤渣层可更易于并入熔体的剩余部分中。然而,如同许多小规模的工艺一样,此类方法具有各种缺点,诸如增加的处理时间和费用。因此,在本领域存在对改进用于产生高质量光学玻璃的玻璃批料熔融工艺的技术的需要。
技术实现思路
本公开涉及了借助大气压热等离子体进行材料(例如,玻璃批料)的材料处理的领域,其中将处理的材料作为平面片状材料颗粒形式分配至呈平面片状构造的等离子体羽流中。为了产生等离子体羽流,电磁场提供至等离子体气体,以使等离子体羽流获得至少9,000K的电子温度,例如11,603K(其为1.602×10-19J或1eV)的电子温度。等离子体气体的带电颗粒由电磁场加速,以便产生离子化并且将动量和动能赋予在等离子体气体中的离子和电子。当离子和电子与材料(例如,呈粉末形式的玻璃批料)碰撞时,动能被传递至材料。动能传递使材料的内部温度升高达它们热反应(例如,部分熔融、完全熔融和/或引起一些其他或另外的反应)的点。出于商业目的,重要的是,大气压热等离子体工艺展现高生产量和足够热能以达成所需的热反应。感应耦合等离子体(Inductivelycoupledplasma;ICP)系统已经用于基板上的低压溅射和蚀刻系统。感应耦合大气压等离子体材料处理系统通常利用小直径线圈或微波波导构造,所述小直径线圈或微波波导将等离子体限制于小体积的柱体(直径典型地为约5mm)中。因而,仅低速率的颗粒材料可在任何给定时间引入等离子体中。电容耦合等离子体(Capacitivelycoupledplasma;CCP)系统已经用于其中处理固体基板的低压反应处理、溅射、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺、薄膜物理气相沉积(PVD)等等。电容耦合等离子体系统也已经与充当分离电容器板的同心管一起使用,这产生了小的柱状等离子体体积(直径又为约5mm)并造成低颗粒材料处理速率。大气压均匀的辉光放电等离子体系统已经用于平行电容器板布置产生大气压等离子体的情形,然而,基本没有作为工艺的部分的加热。本文所公开的实施方式克服现有系统的低颗粒材料处理速率,以便提供工业规模应用。实施方式在大气压力下提供大量等离子体,并且在等离子体羽流内产生足够动能以加热材料并达成所需反应,包括熔融和/或其他以热为基础的工艺。本领域的技术人员将从结合附图的本文描述来清楚其他方面、特征和优势。附图简述出于例示目的,在附图中示出目前优选形式,然而,应当理解,本文公开和描述的实施方式不受限于所示出的精确的布置和器械。图1为根据本公开的一或多个实施方式的用于熔融玻璃批料的系统的示意图;图2为可用于图1的系统和/或其他实施方式的等离子体密闭容器的一或多个实施方式的示意性透视图;图3为图2的等离子体密闭容器的侧视图;图4为适用于实现图2的等离子体密闭容器和/或其他实施方式的入口结构的透视、部分透明的示意图;图5为适用于实现图1的系统和/或其他实施方式的磁性系统的示意性顶视图;图6为图5的磁性系统的示意性侧视图;图7和图8为多个图2的等离子体密闭容器呈串联连接以达成制造可扩展性的示意图;以及图9为采用多个图7的等离子体密闭容器的系统的示意性电路图。具体实施方式参考附图,附图中的相同元件符号指示相同元件,在图1中示出用于使用等离子体热源来处理材料的系统100。材料可呈大体颗粒形式,并且可为任何适合材料,例如玻璃批料。词组“玻璃批料”和其变化形式在本文中用于表示玻璃前驱物颗粒的混合物,这些颗粒在熔融、反应和/或其他动作时组合形成玻璃材料。玻璃批料可通过用于将玻璃前驱物颗粒组合的任何已知方法来制备和/或混合。例如,在某些非限制性实施方式中,玻璃批料包括玻璃前驱物颗粒的干燥或基本上干燥的混合物,例如,无任何溶剂或液体。在其他实施方式中,玻璃批料可呈浆料形式,例如,玻璃前驱物颗粒在液体或溶剂存在时的混合物。根据各种实施方式,玻璃批料可以包括玻璃前驱物材料,诸如硅石、氧化铝,以及各种其他氧化物,诸如氧化硼、氧化镁、氧化钙、氧化钠、氧化锶、氧化锡或氧化钛。例如,玻璃批料可为硅石和/或氧化铝与一或多种其他氧化物的混合物。本领域的技术人员将会了解,玻璃批料可采取化合物和物质的多种特定组合。现将参考图1-4提供对系统100的详细论述。图2为等离子体密闭容器200的一或多个实施方式的示意性透视图,其中图3为图2的侧视图。图4为等离子体密闭容器200的入口结构的透视、部分透明的示意图。参考图1,玻璃前驱物颗粒可引入分批进料器和/或混合器102中,颗粒在其中被混合;接着,将混合颗粒进料至分批筛料器104,在其中使任何团聚物破碎。玻璃批料10可以具有范围为从约5微米至约1,000微米的平均粒度。玻璃批料10(其流动由标记为10的箭头来例示)离开分批筛料器104,并且进入等离子体密闭容器200。玻璃批料10暴露于等离子体密闭容器200内的等离子体羽流220下,由此等离子体羽流220具有足够热能以便至少引起玻璃批料10的热反应,从而产生热反应的玻璃批料12。本文所涵盖的热反应类型的实例包括以下至少一者:(i)至少部分地熔融玻璃批料10以产生热反应的玻璃批料12,(ii)至少部分地熔融玻璃批料和一或多种另外材料中的至少一者,由此形成经涂布的玻璃批料颗本文档来自技高网
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用于使用等离子体热源进行材料处理的方法和装置

【技术保护点】
一种装置,所述装置包括:等离子体密闭容器,所述等离子体密闭容器具有:相对的至少第一壁构件和第二壁构件,它们界定具有X、Y、Z正交维度和方向的内部容积;入口端部;以及在所述Y方向上与所述入口端部分离的相反出口端部;入口结构,所述入口结构被设置在所述等离子体密闭容器的所述入口端部处,并且包括:(i)用于接收玻璃批料的材料入口、以及相反材料出口,其中所述材料入口和所述材料出口在所述X方向上为细长的,以使所述玻璃批料作为基本上平面的玻璃批料颗粒片层来分配到所述等离子体密闭容器的所述内部容积中,以及(ii)用于接收一或多个等离子体气源的至少一个气体入口、以及设置成接近所述材料出口的多个气体出口,所述气体出口用于将所述等离子体气体导向到所述等离子体密闭容器的所述内部容积中;以及第一电极板和第二电极板,所述第一电极板和所述第二电极板覆盖所述等离子体密闭容器的所述第一壁构件和第二壁构件的相应的外表面的部分,其中:所述第一电极和所述第二电极可操作来接收交流(AC)功率源,所述交流(AC)功率源具有的特征为足以在所述Z方向上产生交变电场,并且促进等离子体羽流在所述等离子体密闭容器内产生,所述等离子体羽流具有基本上平面的片层形状,所述基本上平面的片层形状呈足以包封所述玻璃批料颗粒平面片层的尺寸,并且所述等离子体羽流具有足够热能使所述玻璃批料热反应。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.31 US 14/231,0081.一种装置,所述装置包括:等离子体密闭容器,所述等离子体密闭容器具有:相对的至少第一壁构件和第二壁构件,它们界定具有X、Y、Z正交维度和方向的内部容积;入口端部;以及在所述Y方向上与所述入口端部分离的相反出口端部;入口结构,所述入口结构被设置在所述等离子体密闭容器的所述入口端部处,并且包括:(i)用于接收玻璃批料的材料入口、以及相反材料出口,其中所述材料入口和所述材料出口在所述X方向上为细长的,以使所述玻璃批料作为基本上平面的玻璃批料颗粒片层来分配到所述等离子体密闭容器的所述内部容积中,以及(ii)用于接收一或多个等离子体气源的至少一个气体入口、以及设置成接近所述材料出口的多个气体出口,所述气体出口用于将所述等离子体气体导向到所述等离子体密闭容器的所述内部容积中;以及第一电极板和第二电极板,所述第一电极板和所述第二电极板覆盖所述等离子体密闭容器的所述第一壁构件和第二壁构件的相应的外表面的部分,其中:所述第一电极和所述第二电极可操作来接收交流(AC)功率源,所述交流(AC)功率源具有的特征为足以在所述Z方向上产生交变电场,并且促进等离子体羽流在所述等离子体密闭容器内产生,所述等离子体羽流具有基本上平面的片层形状,所述基本上平面的片层形状呈足以包封所述玻璃批料颗粒平面片层的尺寸,并且所述等离子体羽流具有足够热能使所述玻璃批料热反应。2.如权利要求1所述的装置,其中存在以下至少一者:所述热反应包括至少部分地熔融所述玻璃批料,所述热反应包括至少部分地熔融所述玻璃批料和一或多种另外材料中的至少一者,由此形成经涂布的玻璃批料颗粒,以及所述热反应包括至少部分地熔融所述玻璃批料,以便形成基本上均质的球形玻璃中间物颗粒。3.如权利要求1所述的装置,其中:所述细长材料出口包括在所述X方向上延伸的至少第一周缘和第二周缘;以及所述多个气体出口沿所述材料出口的相对的所述第一周缘和所述第二周缘中的至少一者按间隔地设置,并且可操作来将所述等离子体气体作为至少一个等离子体气体平面片层导向到所述等离子体密闭容器的所述内部容积中。4.如权利要求3所述的装置,其中所述多个气体出口沿所述材料出口的相对的所述第一周缘和所述第二周缘中的两者按间隔地设置,并且可操作来将所述等离子体气体作为两个等离子体气体平面片层导向到所述等离子体密闭容器的所述内部容积中。5.如权利要求4所述的装置,其中所述多个气体出口以相对于所述Y方向成角度地导向,以使所述两个等离子体气体平面片层均沿所述Y方向并朝彼此导向,以便包封所述玻璃批料颗粒平面片层。6.如权利要求1所述的装置,其进一步包括:磁源,所述磁源操作用以产生磁场,所述磁场被表征为多个磁通量线,所述多个磁通量线在所述X方向上被导向穿过所述等离子体密闭容器的所述内部容积,其中所述第一电极和所述第二电极定向在平行于在所述X方向和所述Y方向上延伸的参考X-Y平面的相应平面中,并且所述多个磁通量线沿所述X方向被导向并平行于所述参考X-Y平面。7.如权利要求6所述的装置,其中:在周期性的时刻上,所述第一电极和所述第二电极产生相应电场,每个电场被表征为电通量线,所述电通量线在所述Z方向上从所述第一电极和所述第二电极中的一者向所述第一电极和所述第二电极的另一者发出,并且所述电通量和所述磁通量的相互作用使得产生电子绕所述磁通量的电子回旋频率,所述电子回旋频率具有足够量值以产生具有足够热能的所述等离子体羽流使所述玻璃批料热反应。8.如权利要求6所述的装置,其中所述磁场为以下之一:(i)至少约2.0×10-3特士拉、(ii)至少约3.0×10-3特士拉,以及(iii)至少约4.0×10-3特士拉。9.如权利要求6所述的装置,其中所述电子回旋频率为以下之一:(i)至少约2.0×108弧度/秒、(ii)至少约3.0×108...

【专利技术属性】
技术研发人员:丹尼尔·罗伯特·鲍顿
申请(专利权)人:康宁公司
类型:发明
国别省市:美国;US

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