アイソパイプの加熱方法

专利摘要:
本発明による態様は、アイソパイプの加熱中に閾値温度が達せられた後にだけ実質的に不均一な熱歪勾配を可能にする工程と、最大熱応力が材料の破損強度に決して近づきすぎないように前記実質的に不均一な熱歪勾配をゆっくりと増加させる工程と、ガラスの製造が不必要に遅らせられないように加熱時間を最小にする工程とに、提案された加熱計画が適合するかどうかを一切の加熱が始まる前に予想するコンピュータ化された応力の分析と測定された材料特性とに基づいた方法、制御システムおよびコンピュータプログラム製品を提供する。
公开号:JP2011505327A
申请号:JP2010535984
申请日:2008-11-24
公开日:2011-02-24
发明作者:アール パウウェル，ウィリアム；ピー レッディー，カムジュラ
申请人:コーニング インコーポレイテッド；
IPC主号:C03B17-06

专利说明:

[0001] 本願は、２００７年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６１／００４８９４号の優先権の利点を主張する。]
技術分野

[0002] 本発明は一般に、ガラスを製造する方法に関し、より詳しくはガラス板を製造するための溶融プロセスに関する。]
背景技術

[0003] ガラスの製造は、原材料を高温において均質な溶融体に変換し、次に、仕上げ前に製品に提供する適した成形プロセスに送る方法として説明することができる。ガラスの製造のための典型的な方法の１つは、共に発明者がＳｔｕａｒｔ Ｍ．Ｄｏｃｋｅｒｔｙである１９６７年８月２９日に発行された特許文献１、“Ｓｈｅｅｔ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ａｐｐａｒａｔｕｓ”、および１９７２年８月８日に発行された特許文献２、“Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ Ｎｅｗｌｙ Ｄｒａｗｎ Ｇｌａｓｓ Ｓｈｅｅｔ”（共に参照によって本願明細書に完全に組み入れられ、その一部にされる）にさらに記載された溶融方法である。]
[0004] 溶融方法の１つの構成要素はトラフであり、一般にアイソパイプ（ｉｓｏｐｉｐｅ）と呼ばれ、そこで溶融ガラスが側面の上に流れてガラス板を形成する。アイソパイプはさらに、例えば、２００５年１２月１３日に発行されたＨｅｌｆｉｎｓｔｉｎｅらに対する特許文献３、“Ｓａｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｉｓｏｐｉｐｅｓ Ｕｓｅｄ Ｉｎ Ｍａｋｉｎｇ Ｓｈｅｅｔ Ｇｌａｓｓ Ｂｙ Ｔｈｅ Ｆｕｓｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ”（同じく参照によって本願明細書に完全に組み入れられ、その一部にされる）に記載されている。]
[0005] 板ガラスを製造するために溶融法またはオーバーフロー法において使用された耐火アイソパイプまたはガラス形成トラフが垂直温度勾配で作用して、ガラス板の形成を容易にする（温度が低下されるときにガラス粘度が増加する）。アイソパイプの上部は、溶融ガラスが満杯まで充填された薄壁トラフであり、それは一方の端から入るガラスの温度において作用する。下部は、ガラスが外側に流れ出して冷却する耐火物の三角形固体部分である。従って、アイソパイプは、様々な垂直温度プロフィールを有する。新しいアイソパイプが最初に使用されるときにガラスの流れ問題を防ぐために、アイソパイプは、溶融ガラスが入る前にその熱プロフィールまで加熱される。このタイプの温度プロフィールは、耐火材料に非常に大きな熱応力を生じる。これらの応力は、材料に亀裂または破壊ｉを生じさせることがある。アイソパイプの亀裂は、製造されている板ガラスの品質に悪影響を与え、破壊されたアイソパイプは取り換えられなければならず、それは一般に時間と費用のかかるプロセスである。]
先行技術

[0006] 米国特許第３，３３８，６９６号明細書
米国特許第３，６８２，６０９号明細書
米国特許第６，７９４，７８６号明細書]
発明が解決しようとする課題

[0007] 従って、いくつかが上に記載されている本技術分野に見出された課題の多くを克服するアイソパイプの加熱プロセスを制御する方法が必要とされている。]
課題を解決するための手段

[0008] 記載された課題のいくつかを克服する方法は、熱応力がアイソパイプに損傷を与えるほど大きくなる前に、材料の高温度クリープ挙動がそれらを減じることができるように所定の温度プロフィールを課す加熱計画を設計することである。アイソパイプの熱応力破壊に対して適時かつ安全である方法で熱プロフィールが生じるように開発された加熱方法の実施形態が本明細書に記載される。]
[0009] 本発明による１つの態様は、アイソパイプを加熱する方法である。この方法は、アイソパイプの最大熱応力を決定する工程と、アイソパイプの閾値温度（Ｔｔ）を決定する工程とを含む。Ｔｔは、アイソパイプの高温クリープ機構が熱応力をアイソパイプから除去し始める温度である。アイソパイプは、アイソパイプが約Ｔｔまで実質的に均一な熱歪勾配を与えられ、実質的に均一な熱歪勾配が、最大熱応力より小さい熱応力をアイソパイプに生じさせるような第１の速度において加熱される。温度Ｔｔを超える温度で、アイソパイプは、プロセスの良好な性能のために必要な垂直熱勾配を生じさせるように加熱される。Ｔｔを超える加熱速度のために、実質的に不均一な熱歪勾配によってアイソパイプに生じた熱応力は材料の高温度クリープによって除去される。加熱の間のアイソパイプの熱応力は、アイソパイプの破壊を避けるために最大許容熱応力よりも実質的に小さい。所望の垂直勾配が達成されると、アイソパイプの全ての位置において温度を均一に減少させることによって付加的な応力を生じないので（ガラス組成物に応じて）アイソパイプの全体的な温度をプロセスの目標に調節することができる。]
[0010] 本発明による別の態様は、１つ以上の材料を含み所定の構成を有するアイソパイプを提供することによってアイソパイプを加熱する方法である。アイソパイプの最大熱応力が決定される。少なくとも一部は、アイソパイプを形成する１つ以上の材料およびアイソパイプの所定の構成によって最大熱応力が決定される。アイソパイプの閾値温度（Ｔｔ）が決定される。Ｔｔは、アイソパイプを形成する１つ以上の材料の高温クリープ機構が熱応力をアイソパイプから除去し始める温度である。アイソパイプは、アイソパイプが実質的に均一な熱歪勾配を与えられるように約Ｔｔまで加熱される。実質的に均一な熱歪勾配が最大許容熱応力よりも小さい熱応力をアイソパイプに生じさせる。アイソパイプは、アイソパイプが実質的に不均一な熱歪勾配を与えられるようにＴｔを超える温度に加熱される。Ｔｔを超える加熱は、アイソパイプが同時に、加熱の間に応力除去を受けるような速度で行われ、その結果、実質的に不均一な熱歪勾配によってアイソパイプに生じた熱応力が応力除去によって低減され、最大許容熱応力より小さい熱応力がアイソパイプに生じる。]
[0011] 本発明による別の態様は、アイソパイプを加熱するための制御システムである。制御システムは、１つ以上の材料を含み所定の構成を有するアイソパイプについて有限要素分析プログラム（例えばＡＮＳＹＳ Ｉｎｃ．（Ｃａｎｏｎｓｂｕｒｇ、ＰＡ １５３１７）によって開発されたプログラム）を用いて最大熱応力を決定し、閾値温度を決定する（材料のクリープ測定から決定された）１つ以上のプロセッサ上で作動する第１の制御モジュールを含む。閾値温度は、アイソパイプを形成する１つ以上の材料の高温クリープ機構が熱応力をアイソパイプから除去し始める温度である。システムは、アイソパイプを加熱するための加熱デバイスを制御する１つ以上のプロセッサ上で作動する第２の制御モジュールをさらに含む。加熱デバイスは、アイソパイプが約Ｔｔまで加熱するときにアイソパイプが実質的に均一な熱歪を与えられるように制御され、加熱は、実質的に均一な熱歪勾配が最大許容熱応力よりも小さい熱応力をアイソパイプに生じさせるように制御される。制御システムはさらに、アイソパイプがＴｔ以上の温度に達してアイソパイプが実質的に不均一な熱歪勾配を与えられた後に加熱デバイスを制御する１つ以上のプロセッサ上で作動する第３の制御モジュールを含む。アイソパイプが同時に、加熱の間に応力除去を受け、その結果、実質的に不均一な熱歪勾配によってアイソパイプに生じた応力が応力除去によって低減され、最大許容熱応力より小さい熱応力がアイソパイプに生じるように加熱が制御される。]
[0012] 本発明によるさらに別の態様は、アイソパイプの加熱を制御するためのタスクを処理するためのコンピューティング装置のプロセッサによって実行可能であるコードを含むコンピュータプログラム製品である。コンピュータプログラム製品は、アイソパイプの閾値温度（Ｔｔ）および最大許容熱応力を決定するように構成された第１の実行可能コード部分を含む。Ｔｔは、アイソパイプを形成する１つ以上の材料の高温クリープ機構が熱応力をアイソパイプから除去し始める温度であり、最大許容熱応力は、アイソパイプに損傷が生じる場合がある熱誘起応力のレベルである。コンピュータプログラム製品はさらに、アイソパイプが約Ｔｔまで実質的に均一な熱歪勾配を与えられるようにアイソパイプの加熱を制御するための第２の実行可能コード部分からなる。実質的に均一な熱歪勾配が、最大許容熱応力よりも小さい熱応力をアイソパイプに生じさせる。コンピュータプログラム製品はさらに、アイソパイプがＴｔ以上の温度に達した後にアイソパイプが実質的に不均一な熱歪勾配を与えられるようにアイソパイプの加熱を制御するための第３の実行可能コード部分を含む。アイソパイプが同時に、加熱の間に応力除去を受け、その結果、実質的に不均一な熱歪勾配によってアイソパイプに生じた応力が応力除去によって低減され、最大許容熱応力より小さい熱応力がアイソパイプに生じるような速度においてＴｔを超える加熱が行われる。]
[0013] 本発明のさらに別の利点は、一部は以下の説明において示され、一部は説明から明白であり、または本発明の実施から得られる場合がある。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方が例示および説明のためであるにすぎず、本発明を制限するものではないことは理解されるはずである。]
図面の簡単な説明

[0014] 添付した図面は、本願明細書に組み込まれ、その一部を構成し、本発明の特定の態様を説明し、説明とともに、制限することなく本発明の原理を説明するのに役立ち、本明細書において使用された同じ参照符号は、いくつかの図面の全体にわたり同じ部分を示す。
好ましい実施形態の態様を実施するために使用することができる典型的なコンピューティング装置の図である。
本発明による実施形態において使用することができる図１Ａにおいて示されたデバイスの処理システムの別の実施形態である。
本発明の実施形態によって加熱されうる典型的なアイソパイプの側面図である。
線ＡＡに沿って切断されたときの図２Ａに示されたアイソパイプの断面図である。
アイソパイプを含む典型的な溶融プロセスの一部の図である。
本発明による実施形態のアイソパイプを予備加熱するための典型的なプロセスを示すフローチャートである。
本発明による実施形態のアイソパイプを予備加熱するための別の典型的なプロセスを示すフローチャートである。
本発明による実施形態の典型的な提案された加熱プロフィールを示す。
本発明の実施形態によって加熱する間に典型的なアイソパイプが受ける応力を示す図表である。
本発明による典型的なアイソパイプを加熱するための制御システムの実施形態を示す。] 図１Ａ 図２Ａ
実施例

[0015] 本発明は、本発明の以下の詳細な説明、本明細書に含まれる例、および図面、およびそれらの上述および以下の説明を参照することによってより容易に理解することができる。]
[0016] 本システム、物品、デバイス、および／または方法が開示および説明される前に、本発明は特定のシステム、特定のデバイス、または特定の方法に制限されず、それ故にもちろん異なることができることは理解されるはずである。また、本明細書に用いられた用語は特定の実施形態を説明するためにすぎず、制限的であることを意図しないことは理解されるはずである。]
[0017] 本発明の以下の説明は、その最良の現在公知の実施形態において本発明の教示を可能にするものとして提供される。このために、当業者は、本発明の有益な結果を得ながら、本明細書に記載された本発明の様々な態様に多くの変更を加えることができることを認識および理解するだろう。また、本発明の特徴のいくつかを選択することによって他の特徴を利用せずに本発明の所望の利点のいくつかを得ることができることも明らかであろう。したがって、当業者は、本発明に対する多くの修正および改作が可能であり、特定の状況において望ましい場合もあり本発明の一部であることを認識するだろう。従って、以下の説明は本発明の原理の例示として提供され、それを制限するものではない。]
[0018] 本明細書および添付された特許請求の範囲において用いられるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈がはっきりと他に指示しない限り、複数の対象を含める。従って、例えば、「ａ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ」への言及は、２つ以上のこのようなｒｅｆｌｅｃｔｏｒ等を含める。]
[0019] 範囲は、「約」１つの特定の値から、および／または「約」別の特定の値までとして本明細書中で表され得る。そのような範囲が表される場合、別の実施形態は、１つの特定の値から、および／または他の特定の値までを含める。同様に、先行の「約」の使用によって、値が近似として表される場合、特定の値が別の実施形態を形成すると理解される。さらに、各々の範囲の終点は、もう一方の終点に関連して有意であること、およびもう一方の終点とは無関係に有意であると理解される。また、本明細書に開示された多数の値があり、また、各々の値は、値それ自体に加えてその特定の値の「約」として本明細書において開示されることは理解される。例えば、値「１０」が開示される場合、「約１０」もまた開示される。また、値が開示されるとき、当業者によって適切に理解されるように、その値「以下」、その値「以上」および値の間の可能な範囲もまた開示されることが理解される。例えば、値「１０」が開示される場合、「１０以下」ならびに「１０以上」もまた開示される。また、本出願の全体にわたって、データは多数の異なった書式で提供され、これらのデータは終点および出発点、およびデータの点のいかなる組合せの範囲をも示すことが理解される。例えば、特定のデータの点「１０」および特定のデータ点１５が開示される場合、１０および１５超、以上、未満、以下、等しい値、ならびに１０〜１５が開示されると考えられることが理解される。また、２つの特定の単位量の間の各々の単位量もまた開示されることが理解される。例えば、１０および１５が開示される場合、１１、１２、１３、および１４もまた開示される。]
[0020] 「任意の」または「場合により」とは、続いて記載される事象または状況が、起こっても、または起こらなくてもよいことを意味し、そしてその説明は、その事象または状況が起こる場合、およびそれが起こらない場合を含めることを意味する。]
[0021] 当業者によって理解されるように、本発明による実施形態は、方法、データ処理システム、またはコンピュータプログラム製品として実施されてもよい。したがって、実施形態は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態、またはソフトウェアおよびハードウェアの態様を組み合わせる実施形態の形態をとってもよい。さらに、好ましい実施形態の実施は、記憶媒体に具体化されたコンピュータによって読み取り可能なプログラムの指示（例えば、コンピュータソフトウェア）を有するコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体上のコンピュータプログラム製品の形態をとってもよい。より詳しくは、実施形態の実施は、ウェブ実行コンピュータソフトウェアの形態をとってもよい。ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、光記憶デバイス、または磁気記憶デバイスなど、いかなる適したコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を利用してもよい。]
[0022] 本発明による実施形態は、本発明の実施形態による方法、装置（すなわち、システム）およびコンピュータプログラム製品のブロック図およびフローチャート図を参照して以下に説明される。ブロック図およびフローチャート図の各々のブロック、およびブロック図およびフローチャート図のブロックの組合せは、それぞれ、コンピュータプログラムの指示によって実行されうることは理解されよう。これらのコンピュータプログラムの指示を汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または他のプログラム可能データ処理装置にロードして機械を製造することができ、その結果、コンピュータまたは他のプログラム可能データ処理装置上で実行する指示は、フローチャートのブロックに明記された機能を実行するための手段をつくる。]
[0023] また、これらのコンピュータプログラムの指示はコンピュータによって読み取り可能なメモリに記憶されてもよく、コンピュータまたは他のプログラム可能データ処理装置を特定の方法で機能するようにすることができ、その結果、コンピュータによって読み取り可能なメモリに記憶された指示は、フローチャートのブロックに明記された機能を実行するためのコンピュータによって読み取り可能な指示などの製品を製造する。また、コンピュータプログラムの指示をコンピュータまたは他のプログラム可能データ処理装置にロードして、一連の作業工程をコンピュータまたは他のプログラム可能装置上で実施させてコンピュータ実行プロセスを生じさせてもよく、その結果、コンピュータまたは他のプログラム可能装置上で実行する指示が、フローチャートのブロックに明記された機能を実行するための工程を提供する。]
[0024] したがって、ブロック図およびフローチャート図のブロックは、特定の機能を実行するための手段の組合せ、特定の機能を実行するための工程と特定の機能を実行するためのプログラムの指示手段との組合せに対応している。また、ブロック図およびフローチャート図の各々のブロック、およびブロック図およびフローチャート図のブロックの組合せが、特定の機能または工程、または専用ハードウェアおよびコンピュータの指示の組合せを実行する専用ハードウェアに基づくコンピュータシステムによって実行されうることは理解されよう。]
[0025] 本明細書において参照された実施形態において、「コンピュータ」、「コンピューティング装置」、「制御装置」、または「サーバ」を参照してもよい。このようなコンピュータは、例えば、メインフレーム、デスクトップ、ノートブックまたはラップトップ、ハンドヘルドデバイス、例えばデータ取得デバイスおよび記憶デバイスであってもよく、またはそれは、制御システムの一部として例えば制御装置など、別の装置内に具体化された処理装置であってもよい。いくつかの場合、コンピュータは、ネットワーク上のデータまたはプロセッサにアクセスするために使用された「ダム（ｄｕｍｂ）」端末、または制御装置などの限られた処理能力を有するデバイスであってもよい。図１Ａを参照して、本発明による実施形態の態様を実施するために使用することができるコンピューティング装置の１つの実施形態が示される。図１Ａにおいて、マイクロプロセッサなどのプロセッサ１を用いて、定義された工程を実施するためのソフトウェアの指示を実行する。プロセッサは、必要に応じて他の構成要素に同様に電力を提供する電源１７からの電力を受容する。プロセッサ１は、（例えば、並列の）典型的に幅１６または３２ビットであるデータバス５を用いて通信する。データバス５を用いて、典型的に、プロセッサとメモリとの間でデータおよびプログラムの指示を搬送する。当該実施形態において、メモリは、ＲＡＭまたは作動中にだけ内容を保持する他の形式である主メモリ２であると考えられ、またはそれは、不揮発性メモリ３、例えばＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ、または常にメモリの内容を保持する他のタイプのメモリであってもよい。また、メモリは、二次メモリ４、例えば、大きな量のデータを記憶するディスク記憶装置でありうる。いくつかの実施形態において、ディスク記憶装置は、代わりにＩ／Ｏバス６または専用バス（例示せず）を用いてプロセッサと通信してもよい。二次メモリは、フロッピィディスク、ハードディスク、コンパクトディスク、ＤＶＤ、またはコンピュータ技術の当業者に公知の大容量記憶タイプのいかなる他のタイプであってもよい。] 図１Ａ
[0026] また、プロセッサ１は、Ｉ／Ｏバス６を用いて様々な周辺機器または外部デバイスと通信する。本実施形態において、Ｉ／Ｏ周辺制御装置７を用いて標準インターフェース、例えばＲＳ−２３２、ＲＳ４２２、ＤＩＮ、ＵＳＢ、または様々な入力／出力デバイスに接続するために適切な他のインターフェースを提供する。典型的な入力／出力デバイスには、ローカルプリンタ１８、モニタ８、キイボード９、およびマウス１０または他の典型的なポインティングデバイス（例えば、ローラボール、トラックパッド、ジョイスティック等）がある。]
[0027] また、プロセッサ１は典型的に、Ｉ／Ｏ通信制御装置１１を用いて外部通信ネットワークと通信し、Ｘ．２５、ＩＳＤＮ、ＤＳＬ、ケーブルモデム等のデータ通信指向プロトコル１２など、様々なインターフェースを使用してもよい。また、通信制御装置１１は、標準電話線１３と接続および通信するためのモデム（例示せず）を導入してもよい。最後に、Ｉ／Ｏ通信制御装置は、ＬＡＮで通信するためのイーサネット（登録商標）インターフェース１４を導入してもよい。これらのインターフェースのいずれかを用いてインターネットＷＷＷ、イントラネット、ＬＡＮ、または他のデータ通信設備などの広域ネットワークにアクセスしてもよい。]
[0028] 最後に、プロセッサ１は、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１プロトコル、８０２．１５．４プロトコル、または標準３Ｇ無線電気通信プロトコル、例えばＣＤＭＡ２０００ １ｘＥＶ−ＤＯ、ＧＰＲＳ、Ｗ−ＣＤＭＡ、または他のプロトコルの一つを用いて、アンテナ１５に動作可能に接続される無線インターフェース１６と通信し、別のデバイスと無線通信してもよい。]
[0029] 使用してもよい処理システムの別の実施形態が図１Ｂに示される。この実施形態において、ローカルクライアントコンピュータ２６ａまたはリモートクライアントコンピュータ２６ｂのどちらかと通信するサーバ２０を必要とする分散型通信および処理アーキテクチャが示される。サーバ２０は典型的に、二次メモリ、ならびに主メモリ２４の形態と考えうる、データベース２２と通信するプロセッサ２１を含む。また、プロセッサは、典型的にＬＡＮ２５と接続するＩ／Ｏ制御装置２３を用いて外部デバイスと通信する。ＬＡＮは、ネットワーク接続されたプリンタ２８およびローカルクライアントコンピュータ２６ａへのローカル接続性を提供することができる。これらは、必ずしも同じ部屋においてではないが、サーバと同じ設備内に配置されてもよい。遠隔のデバイスとの通信は典型的に、通信設備でＬＡＮ２５からデータを広域ネットワーク２７、例えばインターネットに送ることによって達成される。リモートクライアントコンピュータ２６ｂは、ウェブブラウザを実行することができ、その結果、リモートクライアント２６ｂは、広域ネットワーク２７を通して、ＬＡＮ２５でサーバ２０に送信されたデータによって必要に応じてサーバと相互にやりとりすることができる。] 図１Ｂ
[0030] データネットワーク通信の当業者は、多くの他の代替物およびアーキテクチャが可能であり、本発明による実施形態を実施するために使用できることを理解する。図１Ａおよび１Ｂに示された実施形態は異なった方法で修正されてもよく、特許請求された本発明の範囲内でありうる。] 図１Ａ
[0031] ガラスの製造は、原材料を高温において均質な溶融体に変換し、次に、仕上げ前に製品に提供する適した成形プロセスに送るプロセスとして説明することができる。１つの実施形態において、ガラスの製造プロセスは、当業者に公知である溶融プロセスを含む。溶融プロセスの１つの構成要素は、アイソパイプと呼ばれる略トラフ型デバイスである。垂直軸２０８および水平軸２１０を有する典型的なアイソパイプ２００が図２Ａおよび２Ｂに示されている。ガラス製造の溶融プロセスにおいて、溶融ガラスは、アイソパイプ２００の壁２０２の上に流れ、底部（ｒｏｏｔ）２０４を流れ落ち、次に下部で再び溶融してガラス板を形成する。アイソパイプ２００を必要とする典型的な溶融プロセスの一部が図３に示される。アイソパイプ２００の上部は、溶融ガラスが満杯まで充填された薄壁トラフ２０６（堰（ｗｅｉｒ）と呼ばれる）であり、それはトラフ２０６に入るガラスの温度において作用する。下部、すなわち底部は、ガラスが外側に流れ出して冷却する耐火物の三角形固体部分２０４である。堰２０６から底部２０４への移行部分２１２は遷移部（ｂｒｅａｋ）と呼ばれる。従って、運転においてアイソパイプは、溶融ガラスが堰から溢れ出て底部に向かって冷却するときに（堰から底部への）様々な（不均一な）垂直温度プロフィールを有する。新しいアイソパイプが最初に使用されるときにガラスの流れ問題を軽減するために、アイソパイプは、溶融ガラスが入る前に課せられるその熱プロフィールまで加熱される。このタイプの不均一な温度プロフィールは、耐火材料に熱応力を生じる。これらの応力は、より安全な許容応力まで十分に除去されなければ材料に亀裂または破壊を生じさせることがある。アイソパイプの亀裂は、製造されている板ガラスの品質に悪影響を与え、破壊されたアイソパイプは取り換えられなければならず、それは一般に時間と費用のかかるプロセスである。] 図２Ａ 図３
[0032] 実質的に不均一な熱歪勾配が材料に適用されるとき、熱応力が材料に生じる。不均一な加熱をアイソパイプ２００に堰２０６から底部２０４まで適用することによって不均一な熱歪勾配がアイソパイプ２００に誘起される。換言すれば、プロフィールされた不均一な垂直加熱がアイソパイプに適用される。]
[0033] 対照的に、均一な熱歪勾配は一般に熱応力を生じさせない。均一な熱歪勾配は、アイソパイプ２００が（堰２０６から底部２０４まで）均一に加熱されるときに生じる。アイソパイプの場合、運転において熱誘起歪勾配が非常に大きくなりうるとき、それらは材料の静的疲れ強さを超えることがある。従って、本発明による実施形態は、アイソパイプを予備過熱するための提案された加熱計画によってアイソパイプが熱歪勾配によって生じた損傷のリスクを生じるかどうか評価する方法を提供する。加熱計画は、例えば、アイソパイプを（均一にまたは不均一にのどちらかで）特定の温度レベルにおいて特定の時間の間加熱することを含めることができる工程を含む。例えば、加熱計画は、アイソパイプの加熱中に閾値温度が達せられた後にだけ実質的に不均一な熱歪勾配を可能にする第１の工程を含むことができる。この閾値は、耐火材料の高温度クリープ機構が熱応力を除去することができる温度である−一般に応力除去として説明されるプロセスである。第２の工程は、最大熱応力が材料の破損強度に決して近づきすぎないように実質的に不均一な熱歪勾配をゆっくりと増加させる工程である。実質的に不均一な熱歪勾配が増加される速度を遅くすることによって最大熱応力が低減される。なぜなら、非直線熱勾配の増加のために熱応力が増加するとき、耐火物のクリープのために熱応力が同時に除去され、総合的効果としては、増加がゆっくりになるとクリープのために応力除去の時間が長くなり、従って、達せられる最大熱応力を低減するためである。第３の工程は、ガラスの製造が不必要に遅らせられないように加熱時間を最小にする工程である。]
[0034] アイソパイプの加熱中に閾値温度が達せられた後にだけ実質的に不均一な熱歪勾配を可能にする工程と、最大熱応力が材料の破損強度に決して近づきすぎないように実質的に不均一な熱歪勾配をゆっくりと増加させる工程と、ガラスの製造が不必要に遅らせられないように加熱時間を最小にする工程とに、提案された加熱計画が適合するかどうかを予想するコンピュータ化された応力の分析と、測定された材料特性とに基づいた典型的な方法が本明細書において説明される。この予想は、アイソパイプの一切の加熱の前に行われる。アイソパイプを形成する材料のクリープ機構はより低い温度において非常に緩慢であるので、アイソパイプを損傷することがありクリープ機構によって除去され得ない熱応力を誘起するのを避けるために加熱は実質的に均一な方法で行われる。例えば、実質的に均一な加熱は、約３０℃以下の堰と底部との間の温度差（ΔＴ）を有することができる。アイソパイプの閾値温度（Ｔｔ）が決定されるが、それはアイソパイプを構成する材料に関連している。Ｔｔは、加熱プロセスにおいて生じた熱歪がアイソパイプの実質的に不均一な（垂直）加熱を可能にする速度において除去されうる速度に、アイソパイプを構成する材料のクリープ機構が達する近似温度である。例えば、実質的に不均一な加熱は、約１００℃以上の堰と底部との間のΔＴを有することができる。本発明による１つの実施形態は、ガラスの製造プロセスにおいてアイソパイプを予備加熱するためのプロセスを制御する制御システム、方法およびコンピュータプログラム製品を提供するが、このプロセスが他の予備加熱シナリオに適用されてもよいことは本発明の範囲内であると考えられる。]
[0035] アイソパイプの組成およびサイズはその熱プロフィールに影響を与える。アイソパイプは、例えば、ジルコンなどの１つ以上の耐火材料を含んでもよい。例えば、２００５年６月１６日に公開された米国特許出願公開第２００５／０１３０８３０号明細書、“Ｃｒｅｅｐ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｚｉｒｃｏｎ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｕｓｅｄ Ｉｎ Ａ Ｇｌａｓｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ”、米国特許出願第１０／７３８，４２５号明細書（同じく参照によって本願明細書に完全に組み入れられ、その一部にされる）には、ジルコン耐火材料を含むアイソパイプが記載されている。さらに、アイソパイプの形状はその熱プロフィールに影響を与えることがある。]
[0036] 図４は、本発明による実施形態のアイソパイプを予備加熱するための典型的なプロセスを示すフローチャートである。この図において、参照符号および記号は、以下の意味を有する。] 図４
[0037] ４０２：アイソパイプを構成する材料の固有特性についての情報を受け取る
４０４：提案された加熱計画の間に与えられたアイソパイプの応力のモデルを形成する
４０６：提案された加熱計画の間の予想された最大応力が、アイソパイプの材料の測定された破損強度と比較される
４０８：提案された加熱計画は許容範囲であるか？
４１０：終了
Ｙ：はい（Ｙｅｓ）
Ｎ：いいえ（Ｎｏ）
アイソパイプの許容範囲の加熱計画を決定するプロセスは、工程４０２においてアイソパイプを構成する材料の破損強度ならびにこれらの材料の高温度クリープ速度などのアイソパイプの固有特性についての情報を受け取ることを含む。工程４０４において、提案された加熱計画の間に付与されるアイソパイプの応力のモデルは、コンピュータ化された応力の分析のための有限要素分析（ＦＥＡ）技術を用いて形成される。モデルは、材料の線形弾性挙動および材料の高温度クリープ挙動の両方の予想を含める。いかなる特定の加熱計画についても、ＦＥＡモデルは、高温度クリープ機構による温度、材料の膨張データおよび応力除去に基づいてアイソパイプの最大応力を予想する。工程４０６において、次に、予想された最大応力を、材料の測定された破損強度と比較して、その加熱計画の安全性を決定する。ここで定義される安全性は、予想された最大応力が加熱計画にわたって材料の破損強度より小さいことを確実にすることを意味する。工程４０８において、評価された提案された加熱計画が許容範囲であるかどうか確認される。提案された加熱計画が許容範囲でない場合、複数の加熱速度を評価することができ、新しい装置を急速に使用することと、工程４０４に戻ることによって必要な熱勾配を安全な方法で適用することとの間の適度の妥協条件を提供する加熱速度を選択することができる。工程４０８において、提案された加熱計画が許容範囲である場合、プロセスは工程４１０において終了する。一般に、加熱計画を達成するために、アイソパイプが所定の速度、例えば、１０℃／時間、５℃／時間、４℃／時間、３℃／時間、２℃／時間等において加熱されるときにアイソパイプに誘起された応力をアイソパイプの許容範囲の最大応力と比較する。許容範囲の最大応力は一般に、アイソパイプの破損を引き起こすように実験的に決定された量の応力である。例えば、典型的なアイソパイプは、約２００時間１５００〜１６００ｐｓｉの熱誘起応力を与えられる場合に、または約１５０時間１６００〜１７００ｐｓｉの熱誘起応力を与えられる場合などに破損することがあると判断されたことがある。このようにして、許容範囲の最大応力を超えない加熱計画を達成することができる。]
[0038] 図５は、本発明による実施形態のアイソパイプを予備加熱するための別の典型的なプロセスを示すフローチャートである。この図の参照符号は、以下の意味を有する。] 図５
[0039] ５０２：典型的なアイソパイプの最大熱応力を決定する
５０４：典型的なアイソパイプの閾値温度範囲（Ｔｔ）を決定する
５０６：アイソパイプが最大熱応力を超える熱歪勾配を与えられないようにアイソパイプを約Ｔｔまで均一に加熱する
５０８：加熱によってアイソパイプに生じた熱応力が最大熱応力より小さいように、アイソパイプの温度が約Ｔｔを超えた後にアイソパイプを不均一に加熱する
５１０：終了
工程５０２において、典型的なアイソパイプの最大熱応力が決定される。工程５０４において、アイソパイプの閾値温度（Ｔｔ）が決定される。Ｔｔは、アイソパイプを加熱する速度によって誘起された応力を相殺することができる速度においてアイソパイプの高温クリープ機構が熱応力をアイソパイプから除去し始める温度範囲である。工程５０６において、アイソパイプは、例えば１０℃／時間、５℃／時間、４℃／時間、３℃／時間、２℃／時間等の速度において均一に加熱される。この加熱の段階の間、堰および底部がほぼ同じ温度であるように（すなわち、ΔＴが約３０℃以下である）、およびアイソパイプが、決定された最大応力レベルを超える熱歪勾配を与えられないようにアイソパイプは実質的に均一に加熱される。]
[0040] 図６は、アイソパイプの３つの典型的な提案された加熱計画を示す。この図において、６．１は上部の曲線であり、６．２は中間の曲線であり、６．３は下部の曲線である。図６に示されるように、限定されないが１つの実施形態において、典型的なアイソパイプの温度は、第１の速度において加熱されている間に約３℃／時間の速度において約Ｔｔまで実質的に線形に（および均一に）増加するが、他の速度も本発明の範囲内であると考えられる。] 図６
[0041] 図７は、時間の関数としてアイソパイプの最大応力の曲線（曲線７．１）を示す。図の上部の破線（曲線７．２）は、１０時間の静的破壊応力を示す。また、図７に示されるように、限定されないが１つの実施形態において、図６によってアイソパイプが加熱するときに典型的なアイソパイプに誘起された予想応力は、第１の速度において加熱されている間に約３．２ｐｓｉ／時間の速度においてＴｔまで実質的に線形に増加するが、他の速度も本発明の範囲内であると考えられる。実質的に均一な熱歪勾配が、最大熱応力より小さい熱応力をアイソパイプに生じさせる。そして、工程５０８においてアイソパイプは不均一に加熱される（すなわち、堰と底部との間のΔＴは約１００℃以上変化することができる）。これが可能であるのは、アイソパイプを構成する材料の高温クリープ機構が不均一な加熱によって誘起された応力の一部を除去するような速い速度において起こり、従って、アイソパイプに誘起された応力を最大熱応力よりも低く維持するからである。Ｔｔは、アイソパイプの加熱によって誘起された応力の一部の除去を可能にする速度に、アイソパイプを構成する材料のクリープ機構が達する温度範囲である。プロセスは工程５１０において終了する。] 図６ 図７
[0042] 図６は、本発明による実施形態の典型的な提案された加熱プロフィールを示す。図６において、提案されたアイソパイプ加熱計画は、典型的なアイソパイプの上部、中間（およそ半分下方）および下部（底部）の温度を示す。図６の典型的なアイソパイプにおいて、閾値温度（Ｔｔ）を決定すると約８００℃である。従って、図６に示されるように、アイソパイプが約８００℃に達した後に不均一な加熱速度が使用される。Ｔｔの値はアイソパイプ材料の組成に依存する。] 図６
[0043] 図７は、本発明の実施形態によって加熱の間に典型的なアイソパイプが受けた応力を示す図表である。図７において、図６に示された提案された加熱計画についてアイソパイプの予想された最大応力が示される。図７に示された応力レベルは、図４に記載された方法を用いて予想された。また、図７には、３０００ｐｓｉの静的応力が、約１０時間超の間適用される場合に典型的なアイソパイプの材料の破損を引き起こすことが予想されることが示される。図６の提案された加熱計画は、応力が３０００ｐｓｉの応力レベルより低いので図７のグラフによって安全であることが明らかにされる。] 図４ 図６ 図７
[0044] 図８は、本発明による典型的なアイソパイプを加熱するための制御システムの実施形態を示す。この図の参照符号は、以下の意味を有する。] 図８
[0045] ８０１：アイソパイプ材料
８０２：加熱デバイス
８０３：アイソパイプの構成
８０４：アイソパイプ
８０６：温度要素
８０８：制御装置
８１０：制御モジュール１
８１２：制御モジュール２
８１４：制御モジュール３
図８において、１つ以上の加熱デバイス８０２が典型的なアイソパイプ８０４に取り付けられるかまたはそれに導入される。加熱デバイス８０２は、アイソパイプ８０４を加熱計画によっておよび均一または不均一のどちらかで加熱するように構成されたいかなる１つ以上のデバイスであってもよい。このような１つ以上の加熱デバイスは、例えば、１つ以上の電気素子、１つ以上のガスバーナー、またはアイソパイプ８０４を均一にまたは不均一に加熱計画によって加熱するように構成されたいかなる他のデバイスであってもよい。熱プロフィールは、１つ以上の温度要素８０６によってアイソパイプ８０４から得られ、それらはアイソパイプ８０４に導入、取り付けられるか、または近接していてもよい。典型的な温度要素には、例えば、熱電対デバイスおよび赤外線放射温度計などが挙げられる。] 図８
[0046] １つ以上の加熱デバイス８０２および１つ以上の温度要素８０６は、制御装置８０８と動作可能に接続される。制御装置８０８は、１つ以上の温度要素８０６から情報を受け取り、加熱計画によってアイソパイプ８０４の加熱を確実にし、加熱計画によって１つ以上の加熱デバイス８０２の運転を制御することができる。１つ以上の加熱デバイス８０２、１つ以上の温度要素８０６および制御装置は全て、１つ以上のコンピューティング装置上で作動する１つ以上の制御装置モジュールによって作動する。図８に示された実施形態は制御装置８０８、制御モジュール１ ８１０、制御モジュール２ ８１２、制御モジュール３ ８１４およびコンピューティング装置８１６の別個の構成要素を示すが、これらの構成要素の全てまたは１つ以上が組合せられて単一コンピューティング装置またはプロセッサ上で作動されてもよく、もしくは複数のプロセッサ上で作動する図８に示されたモジュールまたはデバイスよりも分散的なモジュールまたはデバイスであってもよいことは理解されるはずである。] 図８
[0047] 図８の制御システム８００の実施形態は、コンピューティング装置８１６の１つ以上のプロセッサ上で作動する制御モジュール１ ８１０を含む。制御モジュール１ ８１０は、入力情報またはアイソパイプを構成する材料およびその構成のどちらかに基づいてアイソパイプ８０４の最大熱応力および閾値温度（Ｔｔ）を決定する。Ｔｔは、不均一な加熱によってアイソパイプに誘起された熱応力の少なくとも一部を相殺するような速度において、アイソパイプ８０４を形成する１つ以上の材料の高温クリープ機構が熱応力をアイソパイプ８０４から除去し始める温度範囲である。制御システム８００はさらに、コンピューティング装置８１６の１つ以上のプロセッサ上で作動する制御モジュール２ ８１２を含む。制御モジュール２ ８１２は、アイソパイプが約Ｔｔまで加熱するときにアイソパイプ８０４が（実質的に均一な垂直加熱プロフィールによって生じた）実質的に均一な熱歪勾配を与えられるようにアイソパイプ８０４を加熱するための１つ以上の加熱デバイス８０２を制御する。さらに、加熱は、実質的に均一な熱歪勾配が、最大熱応力より小さい熱応力をアイソパイプ８０４に生じるように制御モジュール２ ８１２によって制御される。制御システム８００はさらに、コンピューティング装置８１６の１つ以上のプロセッサ上で作動する制御モジュール３ ８１４を含む。制御モジュール３は、アイソパイプ８０４が（実質的に不均一な垂直加熱プロフィールによって生じた）実質的に不均一な熱歪勾配を与えられるような速度においてアイソパイプ８０４がＴｔ以上の温度に達した後に１つ以上の加熱デバイス８０２を制御する。さらに、アイソパイプ８０４が同時に、アイソパイプを構成する材料の高温クリープ機構によって加熱の間に応力除去を受け、その結果、実質的に不均一な熱歪勾配によってアイソパイプ８０４に生じた応力が応力除去によって低減され、最大許容熱応力より小さい熱応力がアイソパイプに生じるようにアイソパイプ８０４の加熱が制御される。] 図８
[0048] 図８に示された典型的な制御システム８００を制御するための指示は、コンピュータプログラム製品の形態でプロセッサ上のコンピュータ実行可能コードにおいて具体化されうる。コンピュータプログラム製品は、アイソパイプの閾値温度範囲（Ｔｔ）および最大許容熱応力を決定するように構成された第１の実行可能コード部分を含むことができる。コンピュータプログラム製品は、アイソパイプが約Ｔｔまで実質的に均一な熱歪勾配を与えられ、実質的に均一な熱歪勾配が最大許容熱応力よりも小さい熱応力をアイソパイプに生じさせるようにアイソパイプの加熱を制御するための第２の実行可能コード部分を含むことができる。コンピュータプログラム製品はさらに、アイソパイプがＴｔ以上の温度に達した後にアイソパイプが実質的に不均一な熱歪勾配を与えられるようにアイソパイプの加熱を制御するための第３の実行可能コード部分を含むことができ、アイソパイプが同時に、加熱の間に応力除去を受け、その結果、実質的に不均一な熱歪勾配によってアイソパイプに生じた応力が応力除去によって低減され、最大許容熱応力より小さい熱応力がアイソパイプに生じるような速度でこのような加熱が行われる。] 図８
[0049] 本発明のいくつかの態様が本明細書に開示されたが、本発明の多くの修正および他の態様が本発明の考えの範囲であり、前述の説明および関連図面に示された教示の利点を有することは当業者によって理解される。従って、本発明は本明細書に開示された特定の態様に限定されず、多くの修正および他の態様が、添付した特許請求の範囲に含まれることが意図されることは理解される。さらに、特定の用語が本明細書において、ならびに以下の特許請求の範囲において使用されるが、それらは一般的および説明的な意味においてのみ使用され、記載された本発明を限定することを目的としない。]

权利要求:

請求項1
アイソパイプを加熱する方法であって、（Ａ）アイソパイプの最大許容熱応力を決定する工程と、（Ｂ）前記アイソパイプの閾値温度範囲（Ｔｔ）を決定する工程であって、Ｔｔが、前記アイソパイプの熱誘起応力の少なくとも一部を相殺する速度において前記アイソパイプの高温クリープ機構が熱応力を前記アイソパイプから除去し始める温度範囲である工程と、（Ｃ）前記アイソパイプが約Ｔｔまで実質的に均一な熱歪勾配を与えられ、前記実質的に均一な熱歪勾配が前記最大許容熱応力よりも小さい熱応力を前記アイソパイプに生じさせるように、前記アイソパイプを均一に加熱する工程と、（Ｄ）前記アイソパイプが実質的に不均一な熱歪勾配を与えられるように、温度が約Ｔｔより高くなった後に前記アイソパイプを不均一に加熱し、第２の速度は、前記実質的に不均一な熱歪勾配によって前記アイソパイプに生じた熱応力が、少なくとも一部は前記高温クリープ機構によって低減され、前記最大許容熱応力より小さい熱応力が前記アイソパイプに生じるような速度である工程と、を有してなることを特徴とする方法。
請求項2
前記アイソパイプがジルコンから実質的になることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
請求項3
前記アイソパイプが堰、遷移部および底部を含み、工程（Ｃ）が、前記堰と前記底部との間の温度差が約３０℃以下であるように前記アイソパイプを加熱する工程を含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
請求項4
前記アイソパイプが堰、遷移部および底部を含み、工程（Ｄ）が、前記堰と前記底部との間の温度差が約１００℃以上であるように前記アイソパイプを加熱する工程を含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
請求項5
アイソパイプを加熱するための制御システムであって、１つ以上の材料を含み所定の構成を有するアイソパイプについて、前記アイソパイプの最大熱応力および閾値温度範囲Ｔｔを決定する１つ以上のプロセッサ上で作動する第１の制御モジュールであって、Ｔｔが、前記アイソパイプの熱誘起応力の少なくとも一部を相殺する速度において前記アイソパイプを形成する前記１つ以上の材料の高温クリープ機構が熱応力を前記アイソパイプから除去し始める温度範囲である、第１の制御モジュールと、前記アイソパイプを加熱するための１つ以上の加熱デバイスを制御する１つ以上のプロセッサ上で作動する第２の制御モジュールであって、前記加熱デバイスは、前記アイソパイプが実質的に均一に加熱され、前記アイソパイプが約Ｔｔまで加熱するときに実質的に均一な熱歪勾配を与えられるように制御され、前記加熱は、前記実質的に均一な熱歪勾配が最大許容熱応力よりも小さい熱応力を前記アイソパイプに生じさせるように制御される、第２の制御モジュールと、前記アイソパイプが約Ｔｔ以上の温度に達して前記アイソパイプが実質的に不均一な加熱および実質的に不均一な熱歪勾配を与えられた後に前記１つ以上の加熱デバイスを制御する１つ以上のプロセッサ上で作動する第３の制御モジュールであって、前記アイソパイプが同時に、加熱の間に応力除去を受け、その結果、前記実質的に不均一な熱歪勾配によって前記アイソパイプに生じた応力が前記応力除去によって低減され、前記最大許容熱応力より小さい熱応力が前記アイソパイプに生じるように前記加熱が制御される、第３の制御モジュールとを含むことを特徴とする制御システム。
請求項6
前記アイソパイプがジルコンから実質的になることを特徴とする、請求項５に記載の制御システム。
請求項7
前記アイソパイプが堰、遷移部および底部を含み、前記第２のモジュールが、前記堰と前記底部との間の温度差が約３０℃以下であるように前記アイソパイプの前記加熱を制御するように適合されていることを特徴とする、請求項６に記載の制御システム。
請求項8
前記アイソパイプが堰、遷移部および底部を含み、前記第３のモジュールが、前記堰と前記底部との間の温度差が約１００℃以上であるように前記アイソパイプの前記加熱を制御するように適合されていることを特徴とする、請求項６に記載の制御システム。
請求項9
アイソパイプの加熱を制御するためのタスクを処理するためのコンピューティング装置のプロセッサによって実行可能であるコードを含むコンピュータプログラム製品であって、アイソパイプの閾値温度範囲（Ｔｔ）および最大許容熱応力を決定するように構成された第１の実行可能コード部分であって、Ｔｔが、前記アイソパイプの熱誘起応力の少なくとも一部を相殺する速度において前記アイソパイプを形成する１つまたは材料の高温クリープ機構が熱応力を前記アイソパイプから除去し始める温度範囲であり、前記最大許容熱応力が、前記アイソパイプに損傷が生じる場合がある熱誘起応力のレベルである、第１の実行可能コード部分と、前記アイソパイプが約Ｔｔまで実質的に均一な熱歪勾配を与えられ、前記実質的に均一な熱歪勾配が前記最大許容熱応力よりも小さい熱応力を前記アイソパイプに生じさせるように前記アイソパイプの実質的に均一な加熱を制御するための第２の実行可能コード部分と、前記アイソパイプが約Ｔｔ以上の温度に達した後に前記アイソパイプが実質的に不均一な熱歪勾配を与えられ、前記アイソパイプが同時に、加熱の間に前記高温クリープ−機構によって応力除去を受けるような速度でこのような加熱が行われ、その結果、前記実質的に不均一な熱歪勾配によって前記アイソパイプに生じた応力が前記応力除去によって少なくとも部分的に除去され、前記最大許容熱応力より小さい熱応力が前記アイソパイプに生じるように前記アイソパイプの実質的に不均一な加熱を制御するための第３の実行可能コード部分とを含むことを特徴とするコンピュータプログラム製品。