專利名稱：同時加熱和冷卻玻璃以生產回火玻璃的系統和方法
技術領域：
本發明總體上涉及回火玻璃，特別涉及一種用于同時加熱和冷卻玻璃以生產回火玻璃的系統和方法。
背景技術：
經回火或熱處理的玻璃通常被定義為預應力玻璃(例如，退火玻璃或普通玻璃)，它們通過被加熱到基本達到或高于玻璃軟化點的溫度，并且在仔細控制的條件下強制突然并快速地急冷從而被施加預應力。回火工藝可生產具有非常理想的誘發應力條件的回火玻璃，所述誘發應力可導致回火玻璃比退火玻璃或者普通玻璃具有附加的強度、耐熱性及抗沖擊力。
回火工藝中采用的基本原理是創造玻璃表面及邊緣壓縮的初始條件。通過首先加熱玻璃接著快速冷卻玻璃表面來獲得這個條件。這種加熱和冷卻的結果是玻璃的中央層相對于玻璃表面而言較熱。隨著中央層冷卻，表面被迫壓縮。風壓、射體沖擊、熱應力或其它作用的負載必須首先克服這種壓縮，才能實現玻璃斷裂的任何可能性。
關于加熱步驟，已知可使用爐床或退火爐加熱要被回火的玻璃板。退火爐是一種爐子，其可以是連續輥式、固定輥式或氣體式。例如，氣體式退火爐具有排列在多個輻射加熱器下方的多個區段。典型地，一塊玻璃板放置在所述退火爐內，其中玻璃板通過傳統的輻射、對流和傳導加熱方法而被加熱。所述玻璃板沿著各區段按預定速率移動以達到玻璃板成形范圍內的溫度。所述預定速率取決于玻璃板的導熱率。當達到這個溫度時(例如，大約1200°F)，玻璃板被形成為具有所述區段的預定形狀。
一旦成形，玻璃板典型地通過一股氣流作用到其上而被快速空氣急冷。所述氣流可由固定式、往復式或旋轉式噴嘴陣列形成。重要的是從玻璃板的兩個表面均勻地吸取熱量(不均勻的熱量吸取可產生弓面或翹曲)并且持續足夠長時間的急冷以防止玻璃表面被依然熱的玻璃板中央再加熱。當玻璃板被降低到大約400°F到600°F的溫度時，急冷狀態變得穩定。
盡管上述的退火爐工作性能良好，但是其有些缺點，即退火爐必須在長度上足夠大，以容許玻璃板按預定速率被加熱。這個長度需要大量的地面空間、能量消耗及成本。
一種克服這個缺點的最新方法是采用微波能(頻率在2吉兆赫(GHz)到40吉兆赫(GHz)的范圍內)快速高效地加熱已通過傳統方法被預熱到基本等于或高于玻璃軟化點的溫度的玻璃板。這種方法被比較充分地描述在Boaz的美國專利5,782,947和5,827,345中，其公開的內容結合在此作為參考。
Boaz的美國專利5,782,947公開了一種用于加熱玻璃板的方法，其包括將玻璃板加熱到第一預定溫度的步驟和對玻璃板施加微波能以將其加熱到至少為第二預定溫度以使玻璃板成形的步驟。Boaz的美國專利5,782,947中描述的方法的一個優點是減小了退火爐的長度，這就導致較少的地面空間并且增加了玻璃板成形的生產能力(速度和產量)。
Boaz的美國專利5,827,345公開了一種用于加熱、成形和回火玻璃板的方法，其包括將玻璃板加熱到至少為第一預定溫度，對玻璃板施加微波能以將其加熱到至少為第二預定溫度，使玻璃板成形為預定形狀，以及將玻璃板的至少一個外表面冷卻到至少為第三預定溫度以將玻璃板回火的步驟。Boaz的美國專利5,827,345中描述的方法的一個優點是可回火相對薄的玻璃板(例如，厚度小于0.125英寸)。具體地講，當玻璃板的中央通過微波能被加熱時，玻璃板的外表面被冷卻，由此在玻璃板的中央和外表面之間產生所需的溫差或溫度梯度。
盡管Boaz的美國專利5,782,947和5,827,345中描述的方法代表了在玻璃回火技術上的顯著進步，但是這些方法有些缺點，即所公開的微波能的等級(即，具有2GHz到40GHz范圍內的頻率)在產生和維持長期的生產周期方面相對昂貴。另外，在傳統的生產設備中這種高頻微波能等級的使用會出現操作問題。由此，本領域需要一種系統和一種方法，用于在回火工藝的加熱部分過程中快速、高效和低廉的加熱玻璃，而同時維持玻璃板的中央和外表面之間所需的溫差或溫度梯度以便于生產回火玻璃，特別是相對薄的回火玻璃。

發明內容
因此，本發明是一種用于加熱、成形和回火玻璃板的系統和方法，其包括將玻璃板預熱到至少為第一預定溫度。所述系統和方法也包括對玻璃板施加射頻能量以將其加熱到至少為第二預定溫度，并且將玻璃板的至少一個外表面冷卻到至少為第三預定溫度以將玻璃板回火。
本發明的一個優點是提供了一種系統和方法用于同時加熱和冷卻玻璃以生產出回火玻璃。本發明的另一個優點是所提供的系統和方法對生產相對薄的回火玻璃特別有效。本發明進一步的優點是所述系統和方法使用射頻能量以將已通過傳統方法預熱過的玻璃快速、高效和低廉加熱到基本等于或高于玻璃軟化溫度的溫度。同時，加熱過的玻璃被冷卻以利用中央具有比外表面更高的溫度維持玻璃中央和外表面之間所需的溫差或溫度梯度。接著，處理后的玻璃板被急冷以生產出回火玻璃。本發明還具有一個優點是通過使用較少的用于對加熱了的玻璃進行急冷的壓縮空氣來對普通厚度的玻璃例如0.1875英寸厚的玻璃進行回火。
在閱讀完以下結合附圖所作的說明之后，本發明的其它特征和優點可以被更好地理解，從而更容易了解它們。


圖1是依據本發明成形回火玻璃板的方法的流程圖。
圖2是依據本發明成形回火玻璃板的系統的局部正視圖。
圖3是按照現有技術的傳統回火技術加熱的相對薄的玻璃板的中央和一個外表面之間溫差的曲線圖。
圖4是按照本發明的系統和方法同時加熱和冷卻相對薄的玻璃板的中央和一個外表面之間溫差的曲線圖。
圖5是依據本發明圖2的用于成形回火玻璃板的系統的另一個實施例的局部正視圖。
具體實施例方式
參見圖1，示出了依據本發明的用于加熱、成形和回火玻璃板的方法的一個實施例。盡管圖中示出的和下面描述的方法用于玻璃板，但是應理解為本方法可用于任何適合的玻璃物體。
本方法包括第一步驟10將玻璃板預熱到基本等于或高于其軟化溫度的溫度，其通常在大約900°F至大約950°F的溫度范圍內。這種預熱可在許多傳統方法下完成，包括利用紅外線能量加熱。
本方法還包括第二步驟20利用射頻能量加熱預熱后的玻璃板，而同時冷卻玻璃板的至少一個外表面以處理玻璃板。例如，使用一股或多股氣流直接作用到玻璃板上以冷卻至少一個外表面。優選地，冷卻玻璃板的兩個主外表面。或者優選地，射頻能量加熱預熱的玻璃板到成形溫度，其在大約1150°F至大約1250°F的范圍內。另外，射頻能量維持在大約0.1GHz至大約小于2.0GHz的頻率范圍內，優選的頻率是0.4GHz。
玻璃板表面冷卻的目的是，通過使玻璃板中央具有比表面高的溫度，來維持玻璃板中央和表面之間所需的溫差或溫度梯度。
本方法包括第三步驟30可用許多傳統方法急冷所述處理(加熱)過的玻璃板以生產出回火玻璃板。一種這樣的方法是對處理后的玻璃板作用一股或多股氣流，優選地，對準玻璃板的兩個主外表面。或者優選地，在急冷工序中，處理后的玻璃板的溫度被降低到大約400°F至大約600°F或以下的范圍內。在急冷工序之后，回火玻璃板被進一步冷卻，例如，降到室溫。
參見圖2，示出了依據本發明的系統100的一個實施例，該系統與本發明的方法結合使用，用于加熱、成形和回火玻璃板102。系統100主要包括三個工位，一個預熱工位104，一個加熱/冷卻工位106和一個急冷工位108。雖然工位104、106和108是以緊鄰的關系示出，但是應理解為工位104、106和108也可以被過道、隧道、管道、地道和/或其它適合的結構分開。
預熱工位104(例如，退火爐、窯爐、烤爐或其它適合的裝置)的目的是增加玻璃板102的溫度，使之基本達到或高于玻璃板102軟化溫度，其典型地是在大約900°F至大約950°F的范圍內。優選地，當玻璃板102在一連串選擇性操作的輥子112上被導入預熱工位102內時，至少有一個熱源110(例如，一個紅外加熱燈)放置在玻璃板102的上方和/或下方，所述輥子在預期方向上旋轉以沿特定方向移動玻璃板102。隨著玻璃板前進通過加熱工位104，熱源110優選均勻地加熱玻璃板102。應該理解預熱玻璃板102a可成形許多種形狀和結構，如汽車擋風玻璃(未示出)，但不限于此。
所述預熱工位104也可設有一個第一選裝門系統114a，在玻璃板102將要進入到預熱工位104時和一旦玻璃板102已經進入到預熱工位104時，其可選擇性地操作以打開和關閉以致保持預熱工位104內的溫度級別。此外，預熱工位104還可設有第二選裝門系統114b，在預熱過的玻璃板102a將要進入到加熱/冷卻工位106時，其可選擇性地操作以打開，并且一旦預熱過的玻璃板已經進入到加熱/冷卻工位106時，其關閉以致保持預熱工位104內的溫度級別。
加熱/冷卻工位106(例如，退火爐、窯爐、烤爐或其它適合的裝置)的目的是增加預熱過玻璃板102a的溫度，使之達到其成形溫度，該溫度在大約1150°F至大約1250°F的范圍內，而同時冷卻預熱過的玻璃板102a的至少一個表面。通過對預熱過的玻璃板102a施加射頻能量來完成加熱。
優選地，隨著預熱過的玻璃板102a在一連串選擇性操作的輥子112上被導入加熱/冷卻工位102內，至少一個被總體標示為116的射頻能量源設置在預熱過的玻璃板102a的上方和/或下方，所述輥子在預期方向上旋轉以沿特定方向移動預熱過的玻璃板102a。所述射頻能量源116包括一個母線118，其具有多個從其向預熱過的玻璃板102a延伸的電極120。每個電極120的一個終端部分122被設置成盡可能靠近但不接觸預熱過的玻璃板102a的一個主外表面。
當預熱過的玻璃板102a前進通過加熱/冷卻工位106時，射頻能量源116均勻加熱預熱過的玻璃板102a以形成一個處理(加熱)后的玻璃板102b。射頻能量的頻率被維持在大約0.1吉兆赫(GHz)至大約2.0吉兆赫(GHz)的范圍內，優選地是0.4吉兆赫(GHz)的頻率。
在預熱過的玻璃板102a通過射頻能量源116加熱以形成處理后的玻璃板102b時，預熱過的玻璃板102a/處理后的玻璃板102b的至少一個外表面，優選兩個主外表面，被同時冷卻以維持預熱過的玻璃板102a/處理后的玻璃板102b的中央和預熱過的玻璃板102a/處理后的玻璃板102b的兩個主外表面之間所需的溫差或溫度梯度。預熱過的玻璃板102a/處理后的玻璃板102b的中央比預熱過的玻璃板102a/處理后的玻璃板102b的外表面的溫度更高。通過對預熱過的玻璃板102a/處理后的玻璃板102b施加至少一股氣流129來完成冷卻。應該理解加熱和冷卻的結合形成處理后的玻璃板102b。
優選地，通過對預熱過的玻璃板102a/處理后的玻璃板102b施加至少一股氣流或壓縮空氣129來完成冷卻。具體地講，當預熱過的玻璃板102a/處理后的玻璃板102b前進通過加熱/冷卻工位106時，至少一個總體表示為124的冷卻系統設置在預熱過的玻璃板102a/處理后的玻璃板102b的上方和/或下方。冷卻系統124包括一個壓縮空氣129的氣源126，所述壓縮空氣129通過至少一個噴嘴、優選多個噴嘴128分送。噴嘴128可構成為一個或多個固定式、往復式或旋轉式噴嘴128的陣列。
在圖5示出的另一個實施例中，電極120可被制成管狀元件或部件121，它們具有至少一個開口123，以使壓縮空氣流過這些管狀部件121以產生同時冷卻的效果。管狀部件121被設置在輥子112之間并且在玻璃板102的上方和下方，以使空氣在此流過。
應該理解，系統100可用于回火相對薄的玻璃板102(例如，厚度小于0.125英寸)。也應該理解，系統100可被用于使用較少的急冷用壓縮空氣來回火的相對正常厚度的玻璃板(例如厚度及高度為0.375英寸)。還應進一步理解，一個或多個溫度測量裝置(未示出)可被用于測量預熱玻璃板102a/處理后的玻璃板102b的溫度。還應進一步理解，處理后的玻璃板102b可形成多種形狀和結構，如汽車擋風玻璃(未示出)，但不限于此。
所述加熱/冷卻工位106也可設有一個選裝門系統130，在處理后的玻璃板102b將要被從加熱/冷卻工位106推出時，其可選擇性地運轉以打開，并且一旦處理后的玻璃板102b已進入到急冷工位108時，其關閉，由此保持加熱/冷卻工位106內的溫度級別。
急冷工位108的目的是突然并快速急冷處理后的玻璃板102b以形成回火玻璃板102c。優選地，在急冷工序中所述處理后的玻璃板102b的溫度被降低到大約400°F至大約600°F或以下的范圍內以致形成回火玻璃板102c。在急冷工序后，回火玻璃板102c可被進一步冷卻，例如，冷卻到室溫。
急冷優選通過在處理后的玻璃板上作用至少一股氣流132來完成。具體地講，當處理后的玻璃板102b/回火玻璃板102c前進通過急冷工位108時，至少一個總體表示為134的冷卻系統設置在處理后的玻璃板102b/回火玻璃板102c的上方和/或下方。優選地，隨著處理后的玻璃板102b前進通過急冷工位108時，冷卻系統134均勻地冷卻處理后的玻璃板102b以形成回火玻璃板102c。
冷卻系統134優選包括至少一個壓縮空氣132的氣源136，所述壓縮空氣通過至少一個噴嘴138、優選通過多個噴嘴分送。所述噴嘴138可構成為一個或多個固定式、往復式或旋轉式噴嘴陣列。
所述急冷工位108也可設有一個選裝門系統140，在回火玻璃102c將要被從急冷工位108推出時，其可選擇性地運轉以打開，并且一旦回火玻璃板102c已被推出到大氣環境中時，其關閉，由此保持急冷工位108內的溫度級別。
參見圖3和4，其中分別示出了傳統回火系統和方法及本發明的回火系統和方法中相對薄的玻璃板102的中央溫度“a”和其一個外表面的溫度“b”之間的溫差(δt)的圖線對比。圖3示出了以傳統方式加熱的一塊普通急冷的相對薄玻璃板102在玻璃板的中央溫度“a”和一個外表面溫度“b”之間產生相對小的溫差(δt)。也就是，在玻璃板102的中央和外表面之間不會有非常大的溫差。在處理后的玻璃板102b急冷時，由于沒有顯著的溫差(δt)，將不可能在玻璃板102內形成誘發應力，因此這個溫差對回火相對薄玻璃板102非常不理想。
相反，圖4示出了按照本發明加熱的一塊普通急冷的相對薄玻璃板102在玻璃板中央溫度“a”和一個外表面溫度“b”之間產生的比傳統回火技術導致的溫差(δt)更大的溫差(δt)。也就是，在玻璃板102的中央和外表面之間產生一個比傳統回火技術導致的溫差更大的溫差。在處理后的玻璃板102b急冷時，由于呈現顯著的溫差(δt)將允許玻璃板102內形成誘發應力，因此這個溫差對回火相對薄的玻璃板102非常理想。
因此，本發明在回火工序的加熱或處理部分采用射頻能量以快速、高效和低廉地加熱預熱玻璃板。同時，在回火工序的處理過程中優先采用一股或多股氣流以維持玻璃板的中央和其至少一個外表面之間所需的溫差或溫度梯度。接著，處理后的玻璃板被急冷以生產出回火玻璃。
本發明已經被以示例的方式進行了說明。可以理解，使用的措詞僅僅是說明性的而不是限制性的。
按照上述的描述，本發明可有許多改進和變化。因此，在所附的權利要求的范圍內，本發明可以以不同于前述特定描述的方式實施。
權利要求
1.一種用于對玻璃板進行加熱、成形及回火的方法，包括下述步驟將玻璃板預熱到至少為第一預定溫度；對玻璃板施加射頻能量以將玻璃板加熱到至少為第二預定溫度；將玻璃板的至少一個外表面冷卻到至少為第三預定溫度以將玻璃板回火。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述射頻能量具有位于大約0.1GHz至大約2.0GHz范圍內的頻率。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述射頻能量具有大約0.4GHz的頻率。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷卻步驟包括將至少一股氣流引導到玻璃板的至少一個外表面上。
5.如權利要求1所述的方法，包括急冷玻璃板以生產出回火玻璃板的急冷步驟。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述急冷步驟包括對處理后的玻璃板的至少一個外表面施加至少一股氣流。
7.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述急冷步驟將處理后的玻璃板的溫度降低到大約400°F至大約600°F的溫度范圍內。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱和冷卻步驟包括設置至少一個中空電極，射頻能量從電極施加到玻璃板上，并且通過電極對玻璃板的至少一個外表面施加至少一股氣流。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一預定溫度是在大約900°F至大約950°F范圍內的溫度。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二預定溫度是在大約1150°F至大約1250°F范圍內的溫度。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述將玻璃板預熱到至少為第一預定溫度的步驟包括利用紅外線能量或對流能量加熱。
12.一種用于對玻璃板進行加熱、成形及回火的系統，包括預熱工位，其具有至少一個熱源，該熱源設置在玻璃板上方和/或下方，并且適于將玻璃板的溫度升高到基本等于或高于玻璃板軟化點的溫度；加熱/冷卻工位，其具有至少一個射頻能量源，該射頻能量源放置在玻璃板的上方和/或下方，并且適于將預熱的玻璃板的溫度升高到基本等于或高于預熱玻璃板成形溫度的溫度；冷卻工位，其用于使玻璃板的中央溫度高于一個外表面溫度，以維持玻璃板的中央和該外表面之間具有所需的溫差，從而通過加熱和冷卻的組合而形成回火玻璃板。
13.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述至少一個射頻能量源發射具有位于大約0.1GHz至大約2.0GHz范圍內的頻率的能量。
14.權利要求12所述的系統，其特征在于，所述至少一個射頻能量源發射具有大約0.4GHz頻率的能量。
15.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述至少一個射頻能量源包括一個母線，所述母線帶有從其向玻璃板延伸的多個電極，每個所述電極具有一個終端部分，其被設置成盡可能靠近玻璃板的一個外表面但保持不接觸關系，并且適于加熱玻璃板。
16.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述至少一個射頻能量源包括至少一個中空電極以使射頻能量施加到玻璃板上，并且其連接到壓縮空氣源上以通過所述至少一個中空電極使壓縮空氣施加到玻璃板上。
17.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述預熱工位包括一連串選擇性操作的輥子，它們在預期方向上旋轉，以將玻璃板導入到所述預熱工位，并且沿特定方向移動玻璃板通過所述預熱工位。
18.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述加熱工位包括一連串的選擇性操作的輥子，它們在預期方向上旋轉，以將玻璃板導入到所述加熱/冷卻工位，并且沿特定方向移動玻璃板通過所述加熱/冷卻工位。
19.如權利要求12所述的系統，包括急冷工位，其適于快速急冷玻璃板以形成回火玻璃板。
20.如權利要求19所述的系統，其特征在于，所述急冷工位包括一連串選擇性操作的輥子，它們在預期方向上旋轉，以將玻璃板導入到所述急冷工位，并且沿特定方向移動玻璃板通過所述急冷工位。
21.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述冷卻工位包括至少一個冷卻系統，其設置在預熱玻璃板的上方和/或下方，以便在玻璃板前進通過所述加熱工位時施加壓縮空氣。
22.一種用于對玻璃板進行加熱、成形及回火的系統，包括預熱工位，其具有至少一個加熱源，該加熱源設置在玻璃板的上方和/或下方，并且適于將玻璃板的溫度升高到基本等于或高于玻璃板軟化點的溫度；加熱/冷卻工位，其具有至少一個射頻能量源，該射頻能量源放置在玻璃板的上方和/或下方，適于將預熱的玻璃板的溫度升高到基本等于或高于預熱玻璃板成形溫度的溫度，并且使玻璃板的中央溫度高于一個外表面溫度，以維持玻璃板的中央和該外表面之間具有所需的溫差，從而通過加熱和冷卻的組合而形成回火玻璃板。
23.如權利要求22所述的系統，其特征在于，所述至少一個射頻能量源包括至少一個中空電極以使射頻能量施加到玻璃板上，并且其連接到壓縮空氣源上以通過所述至少一個中空電極使壓縮空氣施加到玻璃板上。
全文摘要
一種用于對玻璃板進行加熱、成形及回火的系統和方法，包括將玻璃板預熱到至少為第一預定溫度。所述系統和方法還包括將射頻能量施加到所述玻璃板上，以使其被加熱到至少為第二預定溫度，并且將玻璃板的至少一個外表面冷卻到第三預定溫度，以將玻璃板回火。
文檔編號C03B29/08GK1701043SQ03825276
公開日2005年11月23日 申請日期2003年9月18日 優先權日2002年9月19日
發明者普雷馬卡蘭·T·博阿茲 申請人:普雷馬卡蘭·T·博阿茲