KR101546640B1 - 유리 용해물에 음향 에너지를 제공하기 위한 도파관 어셈블리 및 방법 - Google Patents

Abstract

도파관 어셈블리(10)는 용융 유리를 혼합하기 위해 용해물에서 음파 유동을 만들기에 충분한 크기로 유리 용해물(12)에 초음파 에너지를 제공한다. 유리 용해물(12)은 예를 들면, 내열성 금속 용기(14)를 통해 흐를 것이다. 도파관 어셈블리(10)는 하나의 단부(22)에서는 변환기(16)와 다른 단부(20)에서는 도파관(18)과 음향적으로 결합되는 도파관(18)을 포함한다. 상기 도파관(18)은 용기(14)의 외면에 부착된 나사형 피팅(32, 34)을 거쳐 용기(14)에 물리적으로 결합된다.

Description

유리 용해물에 음향 에너지를 제공하기 위한 도파관 어셈블리 및 방법{Waveguide Assembly for Imparting Acoustic Energy to a Glass Melt and Method for Imparting Acoustic Energy to the Glass Melt}

본 발명은 용융 유리(Molten glass) 혼합에 관한 것으로, 특히 유리 용해물(galss melt)내에서 균일성을 증가시키기에 충분한 음향 에너지를 제공하기 위한 도파관 어셈블리에 관한 것이다.

현재의 제조 기술들은 높은 광학 품질(optical qulity) 뿐만 아니라 회로기판의 기능이 있는 유리 시트들을 형성할 수 있다. 유리 시트들이 사용되는 일 예가 액정디스플레이(Liquid Crystal Display; LCD)이다. LCD 기판으로 사용될 때 상기 유리는 유리 시트를 형성하는 유리 용해물(glass melt)에 의존하는 특성을 나타낸다.

일반적으로, LCD에서 사용되는 유리는 알칼리-프리 알루미노-붕규산염(alkali-free alumino-borosilicate) 화학적 조성물(chemical composition)이다. LCD에서 사용되는 유리 시트 또는 패널은 유리 용해물이라 일컬어지는 액체 유리(liquid glass)의 제어냉각(controlled cooling)으로 형성된다. 그러나, 상기 유리 용해물은 종종 의도된 목적에 만족스럽지 않은 유리 시트가 될 수 있는 이질성들(inhomogeneities)을 포함한다. 그런 이질성들의 예로는 기체 또는 고체 함유물(inclusion), 밀도를 벗어나는 작은 크기 및 유리 용해물 내에서의 화학적 조성물이 있다. 최후에 현상들은 일반적으로 코드(cord)로 일컬어진다. 코드의 불규칙한 분포는 유용한 유리 시트를 줄일 수 있다. 예를 들어, 액정표시장치에서 코드는 디스플레이에서 시각적인 매력이 없는 이상 현상을 초래할 수 있다. 특히, 코드는 다른 굴절률들(refractive indices)을 갖는 특정 영역이 된다. 다른 굴절률의 특정 영역들은 다수의 정밀한 기능에 적합하지 않은 유리가 될 수 있다.

이에 앞서, 기계적 교반기(mechanical stirrers)는 유리 용해물의 기계적 교반을 직접 제공하기 위해 사용되어져 왔다. 그러나, 높은 유리 용해물 온도와 유리 조성물의 공격적인 성질(aggressive nature)은 기계적 교반을 직접 수행하기 어렵게 할 수 있다. 교반부재(stirring element)들은 고온의 환경을 견디기 위해 백금(platinum) 또는 백금-로듐 합금과 같은 값비싼 내열성 금속 성분으로 제조된다. 더욱이, 높은 전단응력(shear stress)은 교반부재와 용기를 포함하는 유리를 모두 부식시킬 수 있고, 용융 유리로 원치 않은 미립자의 방출을 초래할 수 있다.

일반적으로 초음파 에너지 형태인 진동 에너지는 다양한 분야에서 사용되어져 왔다. 가장 흔하게 초음파 에너지는 보석의 초음파 세정과 같은 세정 공정에서 유체를 흔드는 방법으로 사용되었다. 또한, 산업분야에서 초음파 에너지는 종종 액체에서 가스를 제거하기 위해 사용되었다. 그것은 액체에서 가스 함유물(gaseous inclusion)(기포(bubble))의 제거를 용이하게 한다.

미국 등록특허번호 제4,316,734호에서, 음향 에너지는 유리 제조 공정 시 용해물의 점성 변화 없이 빠른 비율로 뜨기 쉽도록 작은 시드(기포)들을 보다 큰 기포들로 합체시킨다. 그 결과, 유리 용해물의 점성은 온도 감소로 인해 용해물 내에서 적어도 더욱 큰 기포들이 부어오르는 곳에서 지나치게 영향을 미치지 않도록 증가될 수 있다. 용해물 온도의 감소는 중요한 에너지 저장을 이끌 수 있다.

미국 등록특허번호 제4,316,734호는 유리에서 상당한 비율의 기포들이 위쪽으로 이동하는 동작모드를 제공하기 위해 음향 에너지원과 유리 사이의 인터페이스에서 유리의 점성률과 음향 임피던스에 반응하는 주파수와 에너지 원단위(energy intensity)가 선택된다.

또한, 미국 등록특허번호 제2,635,388호는 용융 유리에서 가스 혼합물을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 미국 등록특허번호 제2,635,388호는 용융 유리에 담궈져 초음파적으로 진동하는 가열부재(heated element)의 사용이 개시된다. 가열부재는 기포들을 모으는데 도움을 주고 유리에서 그들의 이탈을 용이하게 하는 진동부재(vibrating element)에 의해 생성된 교반과 함께 결합될 때 용해 시 낮은 점성 역역에 국부적인 고온을 발생시킨다. 가열로 인해 생성되는 대류전류들(convection current)은 결국 국부적인 고온 영역을 통과하는 유리 전체에 발생한다.

이들과 다른 방법들이 음향 에너지의 응용으로 유리에서 기포를 제거하는 몇가지 효능을 보여주었다 할지라도, 그들은 유리를 균질화하기 위해(예를 들어, 화학적인 불균일성을 제거하는) 용융 유리를 효과적으로 혼합하는 것을 보여주지는 않았다. 더욱이, 미국등록특허번호 제2,635,388호에 개시된 방법은 유리 용해물에 가열된 진동부재의 삽입을 요구한다. 화학적으로 유리 용해물의 지나친 환경인 고온은 시간이 지남에 따라 유동 파괴(flow disruption)와 가열된 진동부재의 분해를 초래할 수 있고, 부재의 재질에 따라 유리 용해물의 오염 또는 부재의 주기적인 교환을 최소화 할 수 있다. 따라서, 남아 있는 유리 혼합 방법은 용해물에 추가적인 부재의 삽입으로 인한 결점 없이 유리 용해물에서 코드를 효과적으로 제거할 수 있다.

본 발명은 도파관 어셈블리가 유리 용해물에 연속적인 파형 또는 긴(다중 싸이클(multi-cycle)) 폭발의 형태 중 어느 하나로 주어진 주파수와 파워 레벨에서의 초음파를 도입하기 위해 사용될 수 있는 방법을 기술한다. 첫째로, 여자 신호(excitation signal) 파형들은 사인파 모양으로 변하나, 용해물에서의 중요한 비선형성 때문에 음장(sound field)에서의 파형은 다를 것이다. 수행 및 이론상의 설명의 목적을 위해 다중 싸이클 폭발은 동등하게 연속적인 웨이브 신호(wave signal)로 취급될 것이다. 따라서, 여자 장치(excitation apparatus)에서 음장들은 기본적으로 단색(단일 주파수)으로 취급될 수 있다.

무선 주파수 전력원으로부터의 전기 입력 에너지를 용해물 내에 음향 출력 에너지로 변환시키는 여자 장치는 일련의 구성요소들의 연쇄결합(daisy-chained)으로 이루어진다.

1. 전방 및 후방 크기에 의해 보충된 하나 또는 그 이상의 능동(압전기) 구성요소들로 적절히 구성되는 변환기

2. 불연속적 또는 점진적인 직경 등급(diameter step)을 포함하는 고체 물질인 광학 정합 링크(matching ink)

3. 보통 일정한 직경의 원통형 로드인 로드 도파관.

이러한 체인(chain)을 통해 효과적으로 전송하기 위해, 각각의 구성요소들은 목표 주파수에서 공진되도록 설계된다. 공진 장치에서의 손실을 무시할 수 있고, 무한한 임피던스 대조(무한하게 단단하거나 무한하게 유연한)를 갖는 구성요소들에 의해 종결되는 경우 그 크기들은 정확히 반파장의 수와 동일하다.

주어진 모드 형태의 도파관은 재질에서의 소리 속도와 동일하고, 주파수에 의해 분할된 문제의 파형과 동일하다. 따라서, 특정 주파수에서 파장은 매우 다양한 재질로 구성된 체인의 다양한 구성요소들 사이에서 다르다. 더욱이, 단면과 구성요소의 단면 변화에 어느 정도 의존하는 파형은 어느 정도 적은 범위에서 파장에 영향을 미친다.

효과적인 여자 체인(excitation chain)을 만들기 위해, 모든 구성요소들은 동일한 주파수로 조정될 수 있다. 단순한 가정으로부터의 편차는 구성요소마다 다르기 때문에 이러한 차이는 구성요소마다 다른 조정을 요구한다. 예를 들어, 정합 링크에서 직경 등급은 무한하게 가파르지 않는다. 이는 동작하는 동안 링크에서 스트레스 발생을 제한하기 위해 제한된 필터링 반경을 이용하기 때문이다. 이러한 필터링은 최적의 길이에 어느 정도 영향을 미친다.

도파관 어셈블리는 유리 용해물 내에서 혼합이 강화되도록 유리 용해물에 충분한 음향 파워를 제공하기 위해 적당한 공진 주파수 예를 들면, 20㎑ 내지 40㎑로 구동될 수 있다. 바람직하게, 유리 용해물에 결합된 음향 파워는 5W보다 크고, 바람직하게 적어도 30W, 보다 바람직하게 적어도 40W, 보다 더 바람직하게 적어도 50W이다. 본 발명의 실시예에 따라서, 충분한 음향 파워는 비선형적인 음향 효과를 초래하기 위해 유리 혼합에 제공될 수 있다.

하나의 실시예에서, 유리 용해물의 혼합 방법은 음파(acoustic wave)를 생성하는 단계; 및 도파관을 통해 유리 용해물에 음파를 결합하는 단계를 포함하고, 음파는 유리 용해물에서 음향 흐름(acoustic streaming)을 만들기 위해 유리 용해물에 충분한 음향 파워를 제공한다.

유리 용해물에 도파관을 음향적으로 연결하고, 도파관의 길이면을 따라 정상파를 만드는 동안 초음파 에너지와 같은 충분한 음파 에너지가 유리 용해물 내에 균등성을 증가시키기 위해 유리 용해물에 제공될 수 있다.

다른 실시예에서, 용기에서 유리 용해물에 음파 에너지를 제공하기 위한 장치는 음파를 생성하는 변환기, 변환기에 음향적으로 결합된 도파관 및 유리 용해물을 포함하고, 도파관은 음파의 주파수에서 도파관 내에 정상파(standing wave)를 생성하고, 유리 용해물에서 음향 흐름을 만들도록 구성된다.

상술한 일반적인 설명과 다음에 오는 상세한 설명들은 모두 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐 청구된 것과 같이 본 발명의 특징 및 특성을 이해하기 위한 개요나 구성을 제공한다는 것을 알 수 있을 것이다.

첨부하는 도면들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 포함되었고, 본 발명에서 결합되어 본 발명을 구성한다. 상기 도면들은 반드시 일정한 비율은 아니고, 다양한 구성요소들의 크기들은 명료성을 위해 왜곡된다. 상기 도면들은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들을 나타내고, 본 발명의 원리 및 동작을 설명하기 위해 설명과 함께 제공한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형 용기에 용융 유리를 혼합하기 위한 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 도파관이 임피던스 정합부를 포함하는 유리 혼합 장치의 다른 실시예의 단면도이다.
도 3 및 도 4는 나사형 소켓과 나사형 스터브를 이용하는 용기에 도파관을 음향적으로 연결하는 방법의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 두 개의 도파관들이 용기에 음향적으로 연결된 장치의 다른 실시예의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예를 이용한 바람직한 용해 유리 제조 공정의 개념도이다.

소리는 액체나 기체 같은 매질(medium)을 통해 이동하거나 퍼지는 진동이다. 이러한 진동의 근원은 매질의 반복적인 섭동이다. 예를 들어, 종(bell)은 때릴 때 진동한다. 종의 측면은 그 주변의 공기에 대해 움직이는 데, 측면이 밖으로 이동할 때 공기에 고압 영역을 형성하고, 측면이 안으로 이동할 때 공기에 저압 영역을 형성한다. 고압 및 저압 영역은 각각 압축 및 희박 상태의 영역으로 알려져 있고, 그들은 인접한 공기 분자에 영향을 미치는 파동처럼 매질을 통해 전해진다. 공기 분자는 번갈아 일어나는 고압 및 저압에 응답하여 앞뒤로 이동하고, 인접한 분자에 따라 교대로 행동한다. 그러므로, 고압 및 저압 영역들은 설정된 진폭과 파장을 갖는 파동처럼 매질을 통해 전해진다. 그것이 전해질 때, 전파하는 파동은 공간에서 분기되고, 흡수에 의해 에너지를 잃는다. 이러한, 두 개의 효과들은 이동 거리를 감소시키는 압력을 발생한다. 또한, 전파하는 파동은 구조적으로나 파괴적으로 다른 파동들에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 파동은 파동(예를 들면, 물체의 표면으로부터)의 반사로 중복될 수 있고, 그 결과 두 개의 파동들은 서로 강화되어 정상파를 생성한다. 이는 두 개의 파동들이 서로 동조할 때 발생한다. 정상파들은 각각 최소 압력과 최대 압력의 영역에 응답하도록 설정된 정지점(node)과 파복(antinode)을 갖는다. 정상파들은 적당한 수의 반파장에 전파하는 파동의 파장(주파수)을 조절하여 반사하는 환경에서 생성되고, 그 결과 상기 반사파들은 구조적으로 중복된다.

보통 정상파들은 꽤 강렬할 수 있다. 그러나, 극도로 강렬한 소리는 그들이 전파하는 곳을 통해 매질에서 비선형 응답을 초래한다. 이러한 비선형 응답들은 충격파(shock wave), 음향 포화(상기 매질이 추가적인 음향 에너지를 흡수 할 수 없다) 및 음향 유동을 포함하거나 음파가 전파 결과인 매질의 순흐름(net flow) 과정을 포함할 수 있다. 상술한 진동 분자는 중간 위치에 대한 "공간 이동" 뿐만 아니라 모든 위치에서 순액(net change)한다. 음향 유동 중 분자의 중간 위치는 변한다.

음향 유동은 예를 들면, 움직이는 비교적 낮은 온도의 유체, 움직이는 기포 및 작은 방울로 배출하는 유체 등과 같은 유체의 성질을 조절하기 위해 사용되어져 왔다. 또한, 음향 유동은 매우 작은 유체의 국부적인 혼합(예를 들면, 미세유체 혼합)에 사용되어져 왔다. 훨씬 어려운 일은 유리를 효과적이고 경제적으로 혼합 또는 균일하게 하기 위한 많은 유리 제조 공정에서 용융 유리와 같이 고점성, 고온 벌크 액체로 음향 유동을 초래하는 것이다.

"유리 용해물"이란 용어는 상술한 그들 각각의 연화점(softening point)이 다양한 유리 구성을 포함한다. 일반적으로, 유리 용해물은 대략 1200℃ 내지 1700℃이다. "유리"란 용어는 임의의 액체 같은(투명하지 않은) 분자 구조로 구성된 물질을 포함한다. 유리의 제조공정은 완전히 용해된 용해물을 생산하기에 충분한 온도로 가열되고 냉각 시 결정화되지 않고 굳어지는 원자재(raw material)가 필요하다. 유리와 이에 따른 유리 용해물은 소다 석회 유리(soda lime glass)에 제한되지 않고, 납유리(lead glass), 붕규산 유리(borosilicate glass), 알루미노 규산화 유리(aluminosilicate glass), 96% 석영 유리(silica glass), 용해된 석영 유리 및 알루미노 규산화 규산염(aluminoborosilicate silicate)을 포함하는 다양한 구성 중 하나일 수 있다. "음파"란 용어는 매질을 통해 전달된 기계적 진동을 포함하는 것을 의미한다. 하나의 실시예로 음파는 일반적으로 20㎑ 내지 40㎑의 목적 주파수를 갖는 초음파 범위에 있다.

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 용기(vessel)(14)에 포함된 유리 용해물(12)에 음파에 의한 음향 에너지를 제공하여 유리 용해물을 혼합하는 도파관 어셈블리(waveguide assembly)(10)를 포함한다.

용기(14)는 다양한 형태 중 어느 하나가 될 수 있다. 하나의 실시예에 있어, 용기(14)는 유체 통로(flow path) 단면의 주어진 비율내에서 혼합을 허용하기 위해 도파관 어셈블리(10)와 함께 선택된 용융 유리에 대한 유체 통로를 설정한다. 그러므로, 용기(14)는 상부지점(upstream position)에서 하부지점(downstream position)으로 흐르는 용융 유리의 흐름과 유리 용해물을 허용할 수 있다. 예를 들면, 용기(14)는 용융 유리가 순환하는 배관일 수 있다. 하나의 실시예에서, 용기(14)는 유리 용해물에 접근하여 접촉하기 위해 도파관 어셈블리(10)를 허용하는 오픈탑(open top)을 포함한다. 용기(14)는 도파관 어셈블리(10)의 일부가 도파관 어셈블리(10)와 유리 용해물에 결합되기 위해 배치되는 유리 용해물의 레벨(level) 아래에 있는 포트(port) 또는 구멍을 포함할 수 있다. 또다른 구조에서, 상기 도파관 어셈블리는 상술한 종래 기술에 따른 혼합방법의 단점을 피하기 위해 용기의 외면에서 용기에 음향적으로 결합될 수 있다. 음향적 결합은 음파가 최소한의 진폭 손실로 제 1 부재에서 제 2 부재까지 전달될 수 있는 방법과 동일한 방법으로 제 1 부재가 제 2 부재에 결합되어 있는 것이다.

용기(14)는 백금(platinum) 또는 백금-로듐 합금(예를 들면, 80%의 백금과 20%의 로듐 합금)과 같은 내열성 금속으로 구성된다. 용기(14)는 유입구(inlet opening)와 방출구(outlet opening)를 포함하고, 용융 유리는 연속적 또는 반연속적인 유리 제조 공정에서 용기를 통해 흐른다. 그러나, 본 발명의 방법들은 흐르지 않는 용융 유리에서 동작되는 것을 알 수 있다.

도파관 어셈블리(10)는 무선 주파수 파워를 음향 파워로 효과적으로 변환하기 위해 변환을 수행하는 변환기(transducer)(16)와 유리 용해물(12)에 음향 파워를 전달하기 위한 도파관(18)을 포함하도록 구성된다. 파워 전달을 향상시키기 위해, 도파관 어셈블리(10)는 어셈블리 내의 음향 임피던스를 정합시키고, 목표 주파수에서 공진할 수 있도록 구성된다. 그러므로, 어셈블리는 공진 시 손실을 무시할 수 있고, 도파관 어셈블리가 무한 임피던스 비(무한히 곧은 또는 무한히 유연한)를 갖는 구성요소에 의해 한정되며, 도파관 어셈블리의 세로 크기는 반파장의 수와 정확히 일치할 것이다.

일 실시예에서, 도파관(18)의 제 1 단부(20)는 용기(14)를 통해 음향적으로 유리 용해물(12)에 결합되고, 도파관(18)의 제 2 단부(22)는 변환기(16)에 결합된다. 도파관(18)(및 도파관 어셈블리(10))은 일반적으로 1200℃를 초과하는 즉, 1200℃ 내지 1700℃인 제 1 고온단부(hot end)(20)와 주변온도 또는 적어도 변환기의 동작에 도움이 되는 온도에서 상대적으로 찬 제 2 단부(22)를 구비한다. 종래의 초음파 변환기들은 거의 50℃까지 견뎌질 것이다. 더 높은 온도에서, 상기 변환기들은 열 팽창에 의해 발생된 내부 디본딩(debonding) 또는 탈분극(depolarization) 때문에 영구적인 손상을 받을 것이다. 일 실시예에서, 상기 변환기(16)의 온도는 100℃이하, 바람직하게는 50℃이하로 유지된다.

변환기(16)는 RF 파워를 진동운동으로 변환한다. 상기 변환기는 랑쥬방(Langevin) 또는 톤필쯔(Tonpilz) 타입의 초음파 변환기와 같이 상업적으로 사용가능한 다양한 변환기 중 어느 하나 일 수 있다. 상기 변환기는 알려진 바와 같이 신호 생성기(24)와 고주파 전력 증폭기(26)에 의해 구동된다. 신호 생성기(24)는 컴퓨터기판의 제어기와 같은 제어기에 의해 교대로 제어된다.

변환기에 입력되는 여자 신호 전압(excitation signal voltage) 및 주파수는 효율적인 초음파 생성을 위한 최적의 동작점(working point)에서 변환기(16)가 동작하도록 제어기(28)에 의해 제어된다. 도파관 어셈블리(10)는 공진 주파수에서 동작된다. 특히, 랑쥬방 타입의 변환기는 좁은 공진 주파수 대역폭과 매질에 의존하는 공진 특성들을 갖는 것으로 알려져 있다. 도파관 어셈블리 특히, 도파관은 온도 범위에 노출되어 있기 때문에 상기 공진 주파수는 온도에 의존한다.

변환기(16)와 도파관(18) 사이의 음향 임피던스를 정합시키기 위해, 도파관(18)은 정합 링크(30)의 부분을 포함한다. 일 실시예에서, 정합 링크(30)는 도 2에 도시된 바와 같이 정합 링크 내부에서 거의 목표 주파수의 반파장 길이를 갖도록 설계된다. 그러므로, 강철(steel)과 같은 호환성 재료의 길이는 강철 내에서 목표 신호의 거의 절반의 파장으로 선택된다. 비록 강철이 정합 링크(30)로 사용되더라도, 허용가능한 음향 특성 및 손실을 갖는 다른 물질들도 사용될 수 있고, 정합 링크의 최적의 크기는 도파관의 음향 입력 임피던스에 변환기의 음향 임피던스를 정합하기 위해 선택된다.

정합 링크(30)는 변환기와 정합 링크 사이의 인터페이스 및 정합 링크와 도파관의 잔류물(remainder) 사이의 인터페이스에서 신호 반사를 최소화하도록 형성된다. 그러므로, 각각의 인터페이스에서 반사된 파워 양은 최소화되고, 유리 용해물(12)에 전달된 전체 파워는 최대화된다.

상술한 바와 같이, 변환기(16)는 도파관 단부(22)에서 도파관(18)에 음향적으로 결합된다. 도파관(18)의 남은 단부(20)는 유리 용해물에 담궈지거나 바람직하게는 음향 파워가 용기(14)를 통해 유리 용해물에 전달되도록 용기(14)의 외면에 음향적으로 결합된다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에서 용기(14)에 도파관(16)을 음향적으로 연결하는 다양한 방법들을 나타내는 도면이다. 도 3은 용기(14)의 외면에 부착된 내부 나선 소켓(피팅)(32)을 나타내는 도면이다. 따라서, 도파관(18)의 단부(20)는 도파관(18)이 소켓(32) 속으로 감길 수 있는 외부 나사선을 포함한다. 도 4에 도시된 실시예에서, 도파관(18)은 용기(14)의 외면에 부착된 나사형 스터드(threaded stud)(피팅)(34)와 결합할 수 있는 크기로 만들어진 단부(20)에 내부 나선 홈들을 포함한다. 스터드(34)는 바람직하게 용기(14)에 접합된다. 바람직하게, 스터드(34)의 단부 표면(23)은 스터드(34)의 가로축(스터드(34)는 평탄한 단부 표면을 갖는다)에 수직이고, 음향 파워가 단지 나사 접촉면을 통해 결합되지 않도록 하기 위해 전체 단부 표면을 가로지르는 스터드(34)의 내부 홈들과 접촉시킨다.

도파관(18)은 목표 주파수에서 공진(정상파를 지지하는)하도록 선택된다. 그러므로, 도파관(18)은 도파관에서 목표 주파수의 정수배의 반파장과 동일한 길이를 갖는다. 여러가지 실시예에서, 도파관(18)은 도파관의 담궈지지 않은 길이가 변환기(16)와 유리 용해물(12) 사이의 열적버퍼(thermal buffer)로 동작하도록 부분적으로 유리 용해물(12)에 담궈질 수 있다. 담궈지지 않은 실시예에서, 도파관(18)의 전체 길이는 열적버퍼로 동작한다.

도파관(18)은 유리 제조 공정(1600℃를 초과할 수 있는)에서 사용되는 고온을 견디기에 충분한 재질로 구성된다. 이는 도파관(18)이 용융 유리에 접촉하거나 용기(14)에 접촉하더라도 사실이다. 만족할만한 재료들로는 알루미나, 산화지르코늄(zirconia) 및 백금-로듐 합금들과 같이 고온에서 고탄성률을 유지하는 고밀도 알루미나(dense alumina), 세라믹 또는 내열성 금속 합금들을 포함하는 것으로 알려졌다.

비록 도파관(18)이 일반적으로 원통형이나 계단형 뿔형태일지라도, 도파관(18)은 종 형태, 블럭(block) 형태, 또는 두루마리 형태(홈이 파인 또는 홈이 파이지 않은)를 갖을 수 있다. 도파관(18)은 솔리드 로드(solid rod) 또는 튜브 또는 솔리드 로드와 유사한 직경을 갖는 속이 빈 원통형일 수 있다.

일 실시예에서, 냉각 흐름(36)은 변환기(16)에 적당한 동작온도를 제공하기 위해 도파관(18)의 일부(또는 정합 링크(30)가 사용된)를 넘어 유도된다. 냉각 흐름은 즉시 얻을 수 있는 유량(flow rate) 중 주변(또는 실내)온도에서의 공기일 수 있다. 그러나, 냉각 흐름(36)이 냉각된 유체일 수도 있다는 것을 알 수 있다. 더욱이, 더 짧은 도파관은 더 큰 필수 냉각과 더 높은 유량에서 차가운 냉각 흐름을 포함한다는 것을 알 수 있다. 주변 공기의 냉각 흐름은 파장 길이의 도파관에 적합한 것을 알 수 있다. 일반적으로 냉각 흐름은 변환기에 인접한 도파관(또는 정합 링크)을 넘어 유도된다. 평형 상태에 도달하도록 도파관을 허용하기 때문에 정상 상태(steady state)에 있는 게 냉각 흐름에 이득이 된다.

도파관(18)은 고온 단부와 저온 단부를 포함하기 때문에, 도파관(18)을 통해 전파하는 음파의 속도가 변하도록 열 변화가 도파관의 길이면을 따라 존재한다. 변환기(16)에 의해 생성된 음파의 주파수는 유리 용해물(12)에 충분한 음향 파워를 제공하기 위해 도파관 어셈블리(10) 안에서 공진을 유지할 수 있도록 조절된다. 또한, 결합된 온도 차이들은 용해물의 초음파 손실들과 초음파 특성들에서 변한다. 그러므로, 상기 도파관이 주파수 조절에 의해 공진을 유지한다 하더라도 공진에서 변환기의 전기 입력 임피던스는 다양할 것이다. 유리 용해물(12)과 실온 변환기(16) 사이의 도파관 어셈블리(10)에 따른 온도변화는 첫째로 도파관 어셈블리의 길이면에 따라 음파 속도의 변화를 가져오고, 둘째로 열팽창을 가져오며, 그 결과 밀도가 변하게 된다. 두 개의 효과들은 모두 도파관 어셈블리의 길이에 따른 음량 속도(volume velocity)에 의해 분배된 음향 압력으로 설정된 음향 임피던스에서의 변화에 응답할 것이다. 따라서, 도파관 어셈블리의 길이면에 따른 음향 임피던스에서의 온도 감소 변화는 도파관 재질, 길이 및 단면 등의 장치에 대한 구성요소를 선택할 때 중요하다.

도파관(18)의 최적 길이는 그 중 도파관의 재질 선택 및 동작 시 도파관의 온도에 의존한다. 목표 음파 주파수에 대한 단일 파장의 파장 길이는 변환기(16)가 100℃보다 적은 온도에서 동작하도록 하기 위해 도파관의 길이에 따라 충분한 온도 변화를 허용하고, 공진 주파수에서 동작하기 위해 신호 주파수를 거쳐 조절되도록 도파관 어셈블리(10)를 허용하는 것과 같이 여러 실시예에서 도파관(18)의 길이로 충분하다는 것을 알 수 있다.

도파관(18)이 유리 용해물(12)에 음향적으로 결합될 때, 도파관은 용기(14)를 통해 유리 용해물에 초음파 진동 형태의 음향 파워를 전달한다. 유리 용해물에 충분한 파워를 전함에 따라, 유리 용해물의 균등성을 증가시키기에 충분하게 혼합한 유리 용해물의 움직임이 유도될 수 있다. 코딩(cording)은 감소될 수 있고, 유리 용해물 전체에 균일하게 분포될 수 있다. 여러가지 실시예에서, 유리 용해물에 결합된 음향 파워는 용해물에서 높은 유동 속도를 이끌 수 있는 용해물과 함께 공동현상(cavitation)을 만든다. 공동현상은 용해된 가스들이 하나로 합체될 수 있고 유리 용해물의 표면으로 올라갈 수 있는 진공 기포 위치를 생성함으로써 유리의 청징(fining)(가스 함유물 제거)을 촉진할 수 있다.

특정 실시예에서, 하나 이상의 도파관은 용융 유리의 혼합을 강화하기 위해 사용된다. 도 5는 두 개의 도파관들이 용기(14)에 물리적으로 결합된 실시예를 나타내는 도면이다. 바람직하게, 두 개의 도파관들의 길이축들은 직각이다. 둘 이상의 도파관들이 사용되는 것을 알 수 있다. 도 6은 유리 시트들을 제조하기 위해 용해 공정(fusion process)을 사용하는 본 발명의 실시예에 따른 바람직한 유리 제조 시스템(42)을 나타내는 개략도이다. 용해 공정은 미국 등록특허번호 제3,338,696호에 기술되었다. 바람직한 용해 유리 제조 시스템(42)은 원자재(raw feed material)들이 화살표(46)와 같이 삽입되어 용융 유리(12)를 형성하기 위해 용해되는 용해로(melting furnace)(44)(용해장치(melter))를 포함한다. 유리 제조 시스템(42)은 일반적으로 몰리브덴(molybdenum), 팔라듐(palladium), 레늄(rhenium), 탄탈(tantalum), 티타늄(titanium), 텅스텐(tungsten) 또는 그들의 함금들과 같은 내열성 금속을 포함하는 것을 제외한 백금 또는 백금 함유 금속 예를 들면, 백금-로듐, 백금-이리듐 및 그들의 결합물로 만들어진 구성요소들을 더 포함한다. 백금 함유 구성요소들은 청징 용기(50)(예를 들면, 미세관(finer tube)(50)), 미세관과 용해장치를 연결하는 배관(52), 혼합 용기(54)(예를 들면, 교반챔버(stir chamber)(54)), 교반챔버와 미세관을 연결하는 배관(56), 운반용기(delivery vessel)(58)(주발(bowl)(58)), 주발과 교반챔버를 연결하는 배관(60) 및 강수관(downcomer)(62)을 포함한다. 용융 유리는 성형 용기(forming vessel)(66)(예를 들면, 용해관(fusion pipe)(66))에 결합된 유입구(inlet)(64)에 제공된다. 유입구(64)를 통해 성형 용기(66)에 제공된 용융 유리는 성형 용기(66)에서 넘쳐 흐르고, 모여있는 성형 용기(66)의 외면 아래로 흐르는 두 개의 분리된 유리 유동으로 분리된다. 두 개의 분리된 유리 유동은 모여있는 성형면들이 단일 유리 시트(68)를 형성하기 위해 만나는 선에서 재결합한다. 성형 용기(66)는 세라믹 또는 유리-세라믹 내열 재질로 형성된다.

모여있는 성형 용기(66)의 성형면을 하향하는 분리된 유리 유동의 외부면이 성형면에 접촉하지 않기 때문에, 최초 외면을 갖는 결합된 유리시트는 액정표시장치의 제조에 적합하다.

본 발명의 실시예에 따라서, 장치(10)는 유리 제조 시스템(42)의 백금 함유 일부분으로 사용될 것이다. 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 장치(10)는 용융 유리를 혼합(균일)하기 위해 교반기(stirrer)와 미세관을 연결하는 배관(56) 또는 교반 챔버(54)에 음향적으로 연결된다. 종래의 교반 챔버에서, 교반기(70)는 유리를 균일하게 하기 위해 용융 유리에서 회전된다. 장치(10)는 교반기가 회전하는 동안 유리 용해물에 초음파 에너지를 동시에 제공하기 위해 교반기(70) 보충용으로 사용되거나 교반기(70) 대신 사용된다.

실시예 1

알루미노 붕규산염 유리 조각은 1350℃ 내지 1535℃ 사이의 온도에서 변하는 용광로에 배치된 백금-로듐 도가니의 온도에서 다시 용해된다. 도파관은 알루미나부(alumina portion)를 포함하고, 강철 임피던스 정합은 유리 용해물에 알루마나부의 길이가 적셔지도록 유리 용해물에 대략 20㎑ 내지 25㎑ 사이로 동작하는 톤필쯔 타입의 초음파 변환기를 음향적으로 연결하기 위해 사용된다. 알루미나부는 22㎜의 직경과 43.2㎝의 길이를 갖는다. 중요한 공진 조건은 변환기의 전기임피던스가 최소 값(주파수는 도파관의 온도 의존성 때문에 공진을 유지하기 위해 상술한 범위로 조정된다)을 나타내는 21.1㎑ 내지 21.4㎑ 사이의 동작 주파수에서 이루어진다. 44W의 최대 입력 전력은 1350℃의 용광로 온도에서 얻어진다. 산화 코발트(cobalt oxide)는 음향 흐름의 시각적인 증거물을 제공하기 위해 대략 200ppm의 양이 유리 용해물에 첨가된다. 유리는 냉각되어 도가니에서 제거된다. 냉각된 유리의 시각적인 검토는 산화 코발트 "색조"와 유리의 혼합이 유도된 음향 흐름을 보여준다.

실시예 2

알루미노 붕규산염 유리는 용광로에 배치된 백금-로듐 도가니(용기)에서 1350℃ 내지 1400℃ 사이에서 녹고, 그 후 1450℃의 온도에서 유지된다. 도파관은 알루미나부를 포함하고, 강철 임피던스 정합부는 유리 용해물에 대략 20㎑ 내지 25㎑ 사이로 동작하는 톤필쯔 타입의 초음파 변환기를 음향적으로 연결하기 위해 사용된다. 알루미나부는 22㎜의 직경과 43.2㎝의 길이를 갖는다. 도파관의 알루미나부는 도가니의 외면에 용접된 나사형 스터드를 거쳐 도가니에 물리적으로 결합되고, 도파관의 알루미나부에서 나사형 홈에 내부적으로 결합된다. 임피던스 정합부는 부착력이 있는 보강된 나사를 거쳐 변환기에 결합된다. 중요한 공진 조건은 변환기의 전기임피던스가 최소 값(주파수는 도파관의 온도 의존성 때문에 공진을 유지하기 위해 상술한 범위로 조정된다)을 나타내는 22.5㎑ 내지 23㎑ 사이의 동작 주파수에서 이루어진다. 유리 용해물의 입력 파워는 40W 내지 50W이다.

본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명이 제공하는 발명의 변경 및 수정은 특허청구범위와 그들과 동등한 관점에서 이루어질 것이다.

Claims (5)

1. 음파를 생성하는 단계; 및
   도파관(18)을 통해 용기 내에 수용된 유리 용해물(12)에 음파를 결합하는 단계를 포함하고,
   상기 도파관은 상기 용기의 외면과 결합되고 그리고 상기 도파관과 변환기(16) 사이에 음향 임피던스를 정합하도록 정합 링크(30)를 포함하고;
   상기 음파의 주파수는 상기 도파관에서 정상파를 만들도록 조정되고; 그리고
   상기 음파는 상기 유리 용해물에 음향 유동을 생성하기 위해 상기 유리 용해물에 충분한 음향 파워를 제공하는 것을 특징으로 하는 유리 용해물 혼합 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 유리 용해물은 내열성 금속 용기(14)에 수용되는 것을 특징으로 하는 유리 용해물 혼합 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 도파관은 상기 용기의 표면에서 나사 피팅(32, 34)과 물리적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 유리 용해물 혼합 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 유리 용해물에 음파를 결합하는 단계는 상기 유리 용해물을 상기 도파관에 접촉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 용해물 혼합 방법.
5. 용기(14) 내의 유리 용해물에 음향 에너지를 제공하기 위한 장치에 있어서,
   음파를 생성하는 변환기(16); 및
   상기 변환기 및 상기 유리 용해물에 음파로 결합된 도파관(18)을 포함하고,
   상기 도파관(18)은 상기 용기의 외면과 결합되고, 그리고 음파의 주파수는 음파의 주파수에서 상기 도파관 내에 정상파를 생성하고 유리 용해물(12) 내에 음파 유동을 생성하도록 조정가능하고; 그리고
   상기 도파관(18)은 상기 변환기(16)와 상기 도파관 사이의 음향 임피던스를 정합하도록 매칭 링크(30)의 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 에너지 제공 장치.

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