本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)是國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮閜ct/us2013/050033，國(guó)際申請(qǐng)日為2013年7月11日，進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段的申請(qǐng)?zhí)枮?01380036288.1，發(fā)明名稱(chēng)為“用于含鉑容器的直接電阻加熱的設(shè)備”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

本申請(qǐng)要求2012年7月11日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第13/546461號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其全文通過(guò)引用結(jié)合入本文。

領(lǐng)域

本發(fā)明涉及玻璃制造，具體地，涉及對(duì)用于裝納或傳輸熔融玻璃的含鉑容器(例如，諸如熔化器、澄清爐、攪拌室、成形器以及連接管之類(lèi)的容器)進(jìn)行直接電阻加熱。

發(fā)明背景

用于制造片材玻璃，例如用作電子顯示器(例如，液晶顯示器(lcd))的基材的片材玻璃的基本步驟包括：(1)使得原材料熔化；(2)對(duì)熔體進(jìn)行澄清(精煉)以去除氣態(tài)內(nèi)含物；(3)對(duì)經(jīng)澄清的熔融玻璃進(jìn)行攪拌以實(shí)現(xiàn)化學(xué)和熱均勻性；(4)對(duì)均勻的玻璃進(jìn)行熱調(diào)節(jié)以降低其溫度并從而增加其粘度；(5)將經(jīng)冷卻的熔融玻璃成形為玻璃帶；以及(6)從玻璃帶分離單獨(dú)的玻璃片。在下拉熔合法的情況下，采用稱(chēng)作“等壓槽”的成形體來(lái)形成玻璃帶，而在浮法中，為此使用的是熔錫浴。也可使用玻璃制造領(lǐng)域已知的其他方法。

由于氣泡上升通過(guò)熔融玻璃的速率隨著玻璃的粘度相反地變化，所以需要高溫來(lái)對(duì)熔融玻璃進(jìn)行成功澄清。也就是說(shuō)，粘度越低，上升速率越快。玻璃粘度隨著溫度相反地變化，因此，溫度越高，粘度越低。由于熔融玻璃在用于澄清的設(shè)備中僅僅是有限量的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)氣泡的快速上升通過(guò)熔體是至關(guān)重要的。因此，通常在盡可能高的溫度下進(jìn)行操作，因此熔融玻璃處于低粘度。但是，為了使得熔融玻璃成形為帶，需要使得粘度遠(yuǎn)高于在進(jìn)行澄清過(guò)程中所用的粘度。因此，需要在澄清和成形之間對(duì)熔融玻璃進(jìn)行熱調(diào)節(jié)(冷卻)。

歷史上，通過(guò)使得熔融玻璃經(jīng)過(guò)具有圓形截面的管道來(lái)進(jìn)行熱調(diào)節(jié)。管道被陶瓷材料環(huán)繞并且被金屬框架支撐，通過(guò)使用直接或間接加熱來(lái)控制從熔融玻璃的熱損耗速率，從而避免作為冷卻過(guò)程的結(jié)果向玻璃引入明顯的熱和流動(dòng)不均勻性。由于熔融玻璃的高溫以及避免污染熔融玻璃的需求，管道壁通常是由貴金屬(例如，鉑族金屬)形成的。

含鉑材料的有價(jià)值的特性在于它們?cè)趯?dǎo)電時(shí)產(chǎn)生熱的能力。作為結(jié)果，流過(guò)或者保持在含鉑容器中的熔融玻璃可以被通過(guò)的電流加熱，所述電流在沿著容器的玻璃接觸壁的長(zhǎng)度的一個(gè)或多個(gè)位置之間。此類(lèi)加熱是本領(lǐng)域已知的，在本文中用作術(shù)語(yǔ)“直接加熱”或者“直接電阻加熱”。在該用法中，“直接”指的是加熱來(lái)自容器本身，而不是通過(guò)外部施加的間接電阻或火焰加熱。

直接電阻加熱的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是向容器壁引入和去除電流。這不僅是電學(xué)問(wèn)題，也是熱學(xué)問(wèn)題，因?yàn)閭鲗?dǎo)路徑會(huì)導(dǎo)致不平衡的電流密度，這在傳導(dǎo)路徑中產(chǎn)生了熱點(diǎn)。這些熱點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致過(guò)早的材料失效，例如通過(guò)涉及或達(dá)到金屬的熔點(diǎn)的加熱氧化。

向容器壁引入電流的一個(gè)方法是通過(guò)使用導(dǎo)電金屬凸緣。此類(lèi)凸緣的例子可以參見(jiàn)例如，美國(guó)專(zhuān)利第6,076,375號(hào)和第7,013,677號(hào)。本發(fā)明涉及用于向含鉑容器壁引入電流的凸緣，具體地，涉及確保凸緣和運(yùn)載熔融玻璃的容器內(nèi)的均勻電流密度。

發(fā)明概述

為了改進(jìn)流過(guò)凸緣的電流密度的均勻性，所述凸緣設(shè)計(jì)成向?yàn)榱藢?duì)流過(guò)容器的熔融材料進(jìn)行加熱的目的的金屬容器傳遞電流，揭示了提供繞著容器的角度不對(duì)稱(chēng)質(zhì)量分布的方法和設(shè)備。

在一個(gè)方面，揭示了用于傳遞熔融材料的設(shè)備，該設(shè)備包括：具有導(dǎo)電外壁部分的容器，其中所述容器的截面具有長(zhǎng)軸la和短軸sa；繞著所述容器的周界與容器接合的金屬凸緣，所述凸緣包括多個(gè)環(huán)，所述環(huán)包含含鉑內(nèi)環(huán)以及繞著含鉑環(huán)的最外環(huán)，并且其中所述繞著含鉑環(huán)的最外環(huán)包括主體部分和從其延伸的電極部分；并且其中所述最外環(huán)的主體部分沿著容器長(zhǎng)軸la的寬度不同于最外環(huán)的主體部分沿著容器短軸sa的寬度，并且其中所述含鉑環(huán)包含槽口。最外環(huán)可以包含例如鎳。金屬凸緣可以包含平行于短軸sa或者長(zhǎng)軸la中的一個(gè)的對(duì)稱(chēng)單軸。

在一些例子中，含鉑環(huán)的寬度(排除槽口)基本不發(fā)生變化。含鉑環(huán)可包括多個(gè)含鉑環(huán)，并且多個(gè)含鉑環(huán)的至少一個(gè)的厚度不同于其他含鉑環(huán)的厚度。在一些實(shí)施方式中，含鉑環(huán)包括多個(gè)含鉑環(huán)，并且所述多個(gè)含鉑環(huán)的最外含鉑環(huán)包含槽口。在一些實(shí)施方式中，最外環(huán)的主體部分不包含冷卻元件，所述冷卻元件構(gòu)造成在冷卻元件的通道內(nèi)運(yùn)載冷卻流體。

在另一個(gè)方面，描述了用于形成玻璃片的設(shè)備，該設(shè)備包括：具有導(dǎo)電外壁部分的容器，所述容器具有橢圓截面形狀；金屬凸緣，所述金屬凸緣包括多個(gè)環(huán)，所述多個(gè)環(huán)至少包含：第一環(huán)，所述第一環(huán)具有包含鉑的第一組成并且繞著容器的周界與容器接合，所述第一環(huán)具有橢圓截面形狀的外周，以及第二環(huán)，所述第二環(huán)具有不同于第一組成的第二組成并且包含主體部分和從其延伸的電極部分；并且其中所述第二環(huán)的寬度隨著相對(duì)于容器的角度位置變化。

所述設(shè)備還包括具有會(huì)聚成形表面的成形體。在一些例子中，所述第一環(huán)包含槽口。在一些實(shí)施方式中，所述第一環(huán)的寬度不發(fā)生明顯變化。所述第一環(huán)可以例如包括多個(gè)含鉑環(huán)，并且所述多個(gè)含鉑環(huán)的至少一個(gè)的厚度不同于其他多個(gè)含鉑環(huán)的厚度。在一些實(shí)施方式中，第一環(huán)包括多個(gè)含鉑環(huán)，并且所述多個(gè)含鉑環(huán)的最外含鉑環(huán)包含槽口。在一些實(shí)施方式中，最外環(huán)的主體部分不包含冷卻元件，所述冷卻元件構(gòu)造成在冷卻元件的通道內(nèi)運(yùn)載冷卻流體。

在另一個(gè)方面，揭示了一種用于對(duì)熔融材料進(jìn)行加熱的電凸緣，其包括：多個(gè)金屬環(huán)，所述多個(gè)金屬化包括：第一環(huán)，所述第一環(huán)具有包含鉑的第一組成并具有橢圓形外周；以及第二環(huán)，所述第二環(huán)具有不同于第一組成的第二組成并且包含主體部分和從其延伸的電極部分；以及所述主體部分的寬度隨著相對(duì)于容器的角度位置而變化。在一些例子中，所述第一環(huán)包含槽口。第一環(huán)可包括多個(gè)含鉑環(huán)，并且所述多個(gè)含鉑環(huán)的最外含鉑環(huán)包含槽口。第一或第二環(huán)的至少一個(gè)的寬度可隨著相對(duì)于容器的角度位置而變化。

在另一個(gè)方面，描述了一種制造玻璃片的方法，該方法包括：使得批料材料熔融以形成熔融玻璃；使得熔融玻璃流動(dòng)通過(guò)包含鉑的金屬容器，所述金屬容器具有橢圓形周界形狀；向第一導(dǎo)電凸緣提供電流，其中所述容器延伸通過(guò)所述第一導(dǎo)電凸緣并沿著容器的周界與其接觸，所述導(dǎo)電凸緣包含：多個(gè)環(huán)，所述多個(gè)環(huán)包含含鉑內(nèi)環(huán)和圍繞著含鉑環(huán)的最外環(huán)，并且繞著含鉑環(huán)的最外環(huán)包含主體部分和從其延伸的電極部分；并且其中所述最外環(huán)的主體部分沿著容器長(zhǎng)軸la的寬度不同于最外環(huán)的主體部分沿著容器短軸sa的寬度，并且其中所述含鉑環(huán)包含槽口。

在以下的詳細(xì)描述中提出了本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，由所述內(nèi)容或通過(guò)按照本文所述實(shí)施本發(fā)明而了解，其中的部分特性和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見(jiàn)的。所包含的附圖供進(jìn)一步理解本發(fā)明，附圖被結(jié)合在本說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分。應(yīng)理解，在本說(shuō)明書(shū)和附圖中揭示的本發(fā)明的各種特征可以任意和所有的組合方式使用。

附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是用于制造玻璃片的示例性熔合下拉法的示意圖；

圖2a是用于運(yùn)輸熔融玻璃的管道的透視圖；

圖2b是圖2a的管道的截面?zhèn)纫晥D，其包含根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于向管道傳遞電流的凸緣組件；

圖3是圖2b的示例性凸緣組件的前視圖；

圖4是圖3的凸緣組件的截面?zhèn)纫晥D；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的另一個(gè)示例性凸緣組件的前視圖；

圖6是圖5的凸緣組件的截面?zhèn)纫晥D；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的另一個(gè)示例性凸緣組件的前視圖；

圖8是圖7的凸緣組件的截面?zhèn)纫晥D；

圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的另一個(gè)示例性凸緣組件的前視圖；

圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的另一個(gè)示例性凸緣的前視圖，其具有兩個(gè)電極以向凸緣組件提供電能。

發(fā)明詳述

在以下的詳述中，為了說(shuō)明而非限制的目的，給出了說(shuō)明具體細(xì)節(jié)的示例性實(shí)施方式，以提供對(duì)本發(fā)明的充分理解。但是，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，在從本說(shuō)明書(shū)獲益后，可以按照不同于本文所述具體細(xì)節(jié)的其他實(shí)施方式實(shí)施本發(fā)明。另外，本文會(huì)省去對(duì)于眾所周知的裝置、方法和材料的描述，以免干擾對(duì)本發(fā)明的描述。最后，在任何適用的情況下，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。

本文以及權(quán)利要求書(shū)中所用術(shù)語(yǔ)“貴金屬”表示鉑族金屬或其合金。特別感興趣的包括鉑、顆粒穩(wěn)定化的鉑、鉑合金或者顆粒穩(wěn)定化的鉑合金，但對(duì)于其他鉑族金屬也沒(méi)有限制。作為非限制性例子，該術(shù)語(yǔ)可包括鉑銠合金，例如80重量％的鉑和20重量％的銠的合金。

本文以及權(quán)利要求書(shū)中所用術(shù)語(yǔ)“橢圓形截面”表示具有橢圓、卵形或者跑道形的形狀的截面(即截面的周界具有在各端通過(guò)曲線(xiàn)(例如半球)或者通過(guò)直截面(所述直截面在各端具有曲線(xiàn)，例如各端具有四分之一的圓)相連的平行直側(cè))。“橢圓形管道”是在垂直于管道的長(zhǎng)度上具有橢圓形截面的管道。橢圓形管道包括截面長(zhǎng)軸和截面短軸，其中所述截面長(zhǎng)軸沿著管道截面的最長(zhǎng)尺寸將管道平分，而所述截面短軸沿著最短截面將管道平分。

在圖1的示例性設(shè)備10中，將(箭頭12表示的)批料材料進(jìn)料到爐或者熔化器14中，并在第一溫度t1熔化以形成熔融玻璃16。t1取決于具體玻璃組成，但是對(duì)于作為非限制性例子的可用于lcd的玻璃，t1可以超過(guò)1500℃。熔融玻璃從熔化器14通過(guò)連接管道18流向澄清器管道(或者“澄清器”)20。玻璃通過(guò)連接管道24從澄清器20流向攪拌容器22，以混合和均勻化，并且通過(guò)連接管道26從攪拌容器22流向傳遞容器28，之后流向下導(dǎo)管30。然后可以將熔融玻璃通過(guò)入口34導(dǎo)向成形體32。在圖1所示的熔合下拉法的情況下，傳遞到成形體32的熔融玻璃流過(guò)成形體32的會(huì)聚成形表面，在該位置分開(kāi)的流會(huì)聚到一起或者熔合，以形成玻璃帶36。然后可以對(duì)帶進(jìn)行冷卻并分離，以形成單個(gè)玻璃片。

在澄清器20，將熔融玻璃加熱至高于t1的第二溫度t2。例如，作為例子，當(dāng)t1可以是1500℃時(shí)，t2可以比t1高至少100℃。t2中的較高溫度降低了熔融玻璃的粘度，從而能夠更容易地消除熔融材料中的氣泡。此外，較高的溫度釋放了通過(guò)批料材料進(jìn)入熔融玻璃的澄清劑中所含的氧(例如，熔融玻璃中所含的多價(jià)氧化物材料)。釋放的氧在熔融玻璃中形成氣泡，其基本上作為成核位點(diǎn)。也就是說(shuō)，熔融玻璃中溶解的氣體遷移進(jìn)入氧氣泡，使得氣泡生長(zhǎng)。氣泡生長(zhǎng)所導(dǎo)致的浮力增加，加速了氣泡通過(guò)熔融玻璃的自由表面離開(kāi)的速度。

雖然熔化器14通常是由難熔材料(例如陶瓷磚塊)形成的，但是大多數(shù)的下游系統(tǒng)，包括用于傳遞熔融玻璃的各種容器，例如連接管道18、24、26，澄清器20，攪拌容器22，傳遞容器28，下導(dǎo)管30和入口34通常都是由導(dǎo)電貴金屬(通常是鉑或者鉑合金，例如鉑銠合金)形成的。如上文所述，熔融玻璃是相當(dāng)熱的，因此需要能夠在延長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)耐受超過(guò)至少1600℃的溫度的高溫金屬。此外，金屬應(yīng)該是抗氧化的，或者被屏蔽以減少與氧接觸，貴金屬組分經(jīng)受的高溫會(huì)加速氧化。除此之外，熔融玻璃是相當(dāng)腐蝕性的，因此貴金屬應(yīng)該較為耐受玻璃的侵襲，所述侵襲會(huì)導(dǎo)致玻璃被容器材料污染。包含元素周期表鉑族(鉑、銠、銥、鈀、釕和鋨)的金屬特別適用于該目的，并且由于鉑比其他鉑族金屬更容易進(jìn)行加工，因此許多高溫工藝采用鉑或者鉑合金容器。但是，由于鉑是昂貴的，盡一切努力來(lái)使得這些容器的尺寸最小化。

圖2a是連接管道(例如連接管道26)的一個(gè)實(shí)施方式的透視圖，其具有虛線(xiàn)38表示的橢圓形截面，并且具體地在圖2a的情況下，是“跑道形”截面形狀。跑道形指的是這樣一種形狀，其具有在長(zhǎng)尺寸的端部被兩個(gè)直截面連接的兩個(gè)圓形截面。在使用期間，熔融玻璃16通過(guò)其進(jìn)口端40進(jìn)入管道，沿著內(nèi)部通道42移動(dòng)，并通過(guò)其出口端44離開(kāi)，如圖2b所示。

在實(shí)踐中，管道可具有各種尺寸。例如，管道的長(zhǎng)度l可以是約數(shù)英尺，例如3-12英尺(約3.7米)，沿著橢圓形管道長(zhǎng)軸la的管道寬度a可以約為15-30英寸(約76厘米)，沿著橢圓形容器短軸sa的高度b可以是6-9英寸(約23厘米)。寬度a和高度b表示管道的標(biāo)稱(chēng)外部尺寸。為了幫助構(gòu)造，管道可以由多個(gè)橢圓形區(qū)段(例如，每個(gè)區(qū)段可分別具有1英尺(約0.3米)的長(zhǎng)度)組裝。但是，應(yīng)注意的是，前述尺寸僅僅是示例性的，并且具體尺寸會(huì)取決于安裝管道的系統(tǒng)，包括對(duì)于熔融玻璃的體積和流動(dòng)要求。

橢圓形管道的寬高比(a/b比)可設(shè)定為2-6的范圍。該范圍還導(dǎo)致當(dāng)熔融玻璃通過(guò)管道時(shí)的低頭部損失。重要的是，對(duì)于相同的熱傳輸速率以及相同的溫度和流動(dòng)梯度，具有圓形截面的管道的時(shí)間會(huì)需要比具有3.3的a/b比的橢圓形管道的時(shí)間長(zhǎng)2.5倍。此外，這種圓形管道的頭部損失會(huì)比橢圓形管道大16倍。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的是，長(zhǎng)度對(duì)于管理貴金屬系統(tǒng)的熱膨脹以及使得建筑面積最小化是重要的。此外，頭部損失對(duì)于維持均勻玻璃流動(dòng)是重要的變量，這與實(shí)際上所有的成形方法，特別是下拉熔合成形法是相關(guān)的。

根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，橢圓形管道至少長(zhǎng)3米，并且當(dāng)對(duì)熔融玻璃進(jìn)行熱調(diào)節(jié)例如受控冷卻時(shí)，所述橢圓形管道填充了滿(mǎn)足如下要求的熔融玻璃：(1)以至少800kg/h(約1800磅/小時(shí))的速率流動(dòng)，以及(2)在管道的入口面和出口面之間，以至少30℃/m的平均速率冷卻。通過(guò)向沿著管道的截面長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度的管道壁施加比沿其截面短軸的長(zhǎng)度的管道壁施加更多的熱，可以使得在出口面的熔融玻璃在(a)管道中心和(b)管道短軸與管道壁的相交處的計(jì)算的溫差小于或等于約15℃，假定在入口面具有均勻的溫度分布。

在通過(guò)貴金屬連接管道的第一容器和第二容器之間的未加熱的傳輸中(即沒(méi)有向熔融玻璃材料添加熱能)，熔融玻璃在進(jìn)入連接管道之后立即開(kāi)始冷卻。但是，希望控制熔融玻璃冷卻的速率，從而不使得熔融玻璃在沿著流動(dòng)路徑的具體點(diǎn)冷卻到低于預(yù)定最小溫度。因此，優(yōu)選對(duì)連接管道進(jìn)行加熱以彌補(bǔ)過(guò)度的熱損失。在一些情況下，例如在熔化器和澄清器之間的連接管道的情況下，通過(guò)如下方式使得在玻璃進(jìn)入澄清器之前，增加流到澄清器的熔融玻璃的溫度：通過(guò)向管道施加比傳導(dǎo)和對(duì)流的管道損失更多的熱能。通常通過(guò)上文所述的直接加熱法來(lái)完成該加熱，但是也可以使用外部熱源。如果熔融玻璃的流動(dòng)增加到超過(guò)初始流動(dòng)，則對(duì)于預(yù)定的溫度增加加熱要求。這可能需要，例如，增加連接管道的長(zhǎng)度，以允許更多的時(shí)間來(lái)加熱，并確保熔融玻璃處于合適的溫度。作為結(jié)果會(huì)增加工藝成本，因?yàn)橛糜谛纬筛L(zhǎng)的管道的鉑的用量增加。此外，在典型制造環(huán)境中，可用的額外建筑面積通常是受限的，使得組件的變長(zhǎng)選項(xiàng)是有問(wèn)題的，無(wú)論材料成本如何。

一種替代方法是增加施加到連接管道的熱能。對(duì)于直接加熱的連接管道，這意味著增加流過(guò)直接加熱組件的電流。電流可以是交流(ac)或者直流(dc)，但是其通常是ac電流。但是，發(fā)現(xiàn)增加電流在如下點(diǎn)位產(chǎn)生熱點(diǎn)：向容器提供電流的電凸緣組件與容器壁的相遇處以及凸緣組件自身內(nèi)部。凸緣組件與管道相遇的位置處的熱點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致熔融玻璃的不均勻加熱，而凸緣組件內(nèi)的熱點(diǎn)會(huì)危害凸緣組件的完整性，例如引發(fā)凸緣組件的加速氧化或熔化以及過(guò)早失效。此外，雖然可以對(duì)電凸緣組件進(jìn)行主動(dòng)冷卻來(lái)防止過(guò)早失效，但是如果凸緣的未冷卻溫度超過(guò)所用材料的某個(gè)閾值，冷卻系統(tǒng)的失效會(huì)是災(zāi)難性的。

引起凸緣組件中的熱點(diǎn)的一個(gè)原因是由于凸緣組件在使得凸緣組件與電流源相連的電極的線(xiàn)上的位置的凸緣組件中的高電流密度。也就是說(shuō)，凸緣組件通常包括從凸緣體延伸出來(lái)的突出件或者電極，并且與向凸緣組件提供電流的電線(xiàn)或母線(xiàn)相連。作為結(jié)果，靠近電極與凸緣體接合處的位置的電流密度通常遠(yuǎn)高于凸緣組件的其他位置。如果增加供給到凸緣組件的電流來(lái)解決更大的加熱需求的問(wèn)題，在靠近電極的區(qū)域中的凸緣體(電流從電極分配到凸緣體的位置)的較高電流密度會(huì)在凸緣體內(nèi)產(chǎn)生足夠高的溫度，通過(guò)使得構(gòu)成凸緣體的材料的快速氧化導(dǎo)致凸緣體的過(guò)早失效?；蛘?，在極端情況下，電流可能足以加熱并熔化電極和/或凸緣體。

圖2b顯示一部分的直接電阻加熱系統(tǒng)，并且顯示了一個(gè)示例性金屬容器(例如管道)，此處是攪拌容器到傳遞容器的連接管道26，其具有附連了兩個(gè)凸緣組件48的外壁46，所述凸緣組件48向外壁46施加電流。應(yīng)注意的是，管道26表示直接加熱的示例性用途，凸緣組件48可用于任意其他用來(lái)裝納或傳遞熔融玻璃的導(dǎo)電金屬容器或者管道。

雖然僅顯示兩個(gè)凸緣組件，但是在實(shí)際中，對(duì)于任意具體容器或管道，可以使用不止兩個(gè)凸緣組件，來(lái)向與凸緣組件電連接的外壁的不同區(qū)段提供電流。容器或管道延伸通過(guò)的凸緣體的中心孔會(huì)具有與所述容器或管道的截面形狀(即所述容器或管道外周的形狀)互補(bǔ)的形狀。

根據(jù)圖2b，第一和第二凸緣組件48與電源50相連，其中電流在凸緣組件之間流動(dòng)并且流動(dòng)通過(guò)容器(例如管道)。移動(dòng)通過(guò)第一凸緣組件的電流進(jìn)入容器壁，并通過(guò)與第一凸緣組件間隔開(kāi)的第二凸緣組件撤回。凸緣組件之間的距離由容器上所需的加熱要求所確定，并且是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易地確定的。移動(dòng)通過(guò)容器的外壁46的電流對(duì)容器和在其內(nèi)傳遞的熔融玻璃進(jìn)行加熱。雖然圖2b中未示出，但是在使用過(guò)程中，容器壁以及至少一部分的凸緣組件通常會(huì)被厚的絕熱難熔材料層圍繞，以控制容器或管道的熱損失。

圖3更詳細(xì)地顯示圖2的單個(gè)凸緣組件48的一個(gè)實(shí)施方式的構(gòu)造。可以看出，凸緣組件48包括凸緣主體部分48a，所述凸緣主體部分48a包含兩個(gè)環(huán)52、54，其中最內(nèi)環(huán)52是由包含鉑族金屬的耐高溫材料(即，如本文所用，能夠在高于至少1400℃、優(yōu)選至少1500℃以及更優(yōu)選至少1600℃的溫度操作的金屬)形成。例如，最內(nèi)環(huán)52可包含至少80重量％的鉑，余量(如果有的話(huà))是銠或銥的一種或多種。例如，最內(nèi)環(huán)52可包含90重量％的鉑以及10重量％的銠。

由于凸緣主體部分48a的溫度隨著離開(kāi)熔融玻璃傳遞管道的距離的增加而減小，對(duì)于最外環(huán)材料的耐溫度的要求沒(méi)有對(duì)于最內(nèi)環(huán)材料的要求那么高。因此，為了節(jié)約成本，最外環(huán)54可由通常具有高熔化溫度但是明顯沒(méi)有內(nèi)環(huán)52的含鉑材料那么昂貴的材料形成。

根據(jù)某些實(shí)施方式，凸緣主體部分48a的最外環(huán)54由鎳形成。例如，最外環(huán)54可由市售可得的純鎳(例如，至少99.0重量％的鎳)，例如鎳200或者鎳201，形成，這相比于鉑和鉑合金容易以低成本獲得。當(dāng)用于電能凸緣組件中，鎳提供了如下特性的優(yōu)異組合：電阻、導(dǎo)熱性、抗氧化性、與鉑和銠的溶解度、可機(jī)械加工性、價(jià)格以及以其他高溫材料可能難以匹配的許多形式和形狀的可行性。凸緣組件48還包括從環(huán)54延伸的頸部分(即電極56)，其連接了凸緣主體部分48a和通向電源50的匯流條。

在圖3所示的實(shí)施方式中，凸緣組件48包括僅一個(gè)電極56，從而電能連接是不對(duì)稱(chēng)的。因此，繞著最外環(huán)52的電流密度可能是不均勻的。因此，凸緣主體部分48a還可在最內(nèi)環(huán)52中包含槽口，其起了增加繞著最內(nèi)環(huán)52的電流密度的均勻性的作用。但是，如下文實(shí)施方式所示，這種不對(duì)稱(chēng)是不需要的，可以不存在槽口。

如顯示了圖3的凸緣組件的截面圖的圖4所示，環(huán)52和54分別具有不同的厚度t52和t54。對(duì)這些厚度進(jìn)行選擇，以控制作為半徑位置的函數(shù)的電流密度。也就是說(shuō)，凸緣體的厚度隨著從管道26以向外方向移動(dòng)而變化。對(duì)于這些厚度的選擇，有許多考慮。首先，如上文所述，直接電阻加熱的主要目標(biāo)是向容器或管道中的熔融玻璃提供熱能，而不是對(duì)向容器壁提供電流的凸緣進(jìn)行加熱。因此，凸緣中的電流密度應(yīng)該小于容器壁中的電流密度，以使得能量損失最小化。其次，應(yīng)該對(duì)電流密度進(jìn)行控制從而凸緣的部件不會(huì)變得過(guò)熱并從而遭到破壞。這對(duì)于在使用期間凸緣組件經(jīng)受較高環(huán)境溫度的那些部分是一個(gè)特別的問(wèn)題。

作為選擇環(huán)厚度的起始點(diǎn)，可以注意的是，由具有恒定厚度的單一材料構(gòu)造的凸緣組件會(huì)具有隨著距離管道的距離下降而線(xiàn)性增加的電流密度，即電流密度在凸緣體的最外邊緣最小并在最內(nèi)邊緣最大。為了抵消該效應(yīng)，隨著距離管道壁的距離變小，凸緣體的厚度應(yīng)該增加。對(duì)于溫度而言，隨著從管道26向外移動(dòng)，環(huán)境溫度通常下降，從而朝向凸緣的外部的電流密度可以更高，因?yàn)橛捎谶^(guò)熱導(dǎo)致的損壞的可能性較小。這導(dǎo)致凸緣體的厚度隨著距離管道壁的距離增加而變小。較為遠(yuǎn)離管道壁的凸緣的外部區(qū)域的厚度下降對(duì)于使得用于構(gòu)建凸緣組件的材料用量最小化也是合乎希望的，特別是在昂貴的含鉑材料的情況下。

另一個(gè)因素涉及構(gòu)建凸緣組件的材料的電阻率，特別是當(dāng)使用不止一種類(lèi)型的材料時(shí)。電阻率越高，對(duì)于相同的電流密度，直接加熱效果越好。此外，還希望凸緣體的最外環(huán)具有明顯的厚度，從而最外環(huán)對(duì)于圓周電流具有低電阻。更具體地，在某些實(shí)施方式中，繞著最外環(huán)的周界的計(jì)算的電流密度的變化(即，模擬電流密度變化)小于50％。

除了這些電考慮，還需要考慮凸緣組件的含鎳部件的操作溫度的影響。通常來(lái)說(shuō)，凸緣組件的含鎳部件的合適溫度如下：(1)在凸緣組件自身的水冷卻的標(biāo)準(zhǔn)操作中，小于約600℃；(2)空氣冷卻時(shí)小于約800℃；以及(3)未冷卻(僅被動(dòng)冷卻)時(shí)小于約1000℃。在小于約600℃時(shí)，鎳具有足夠低的氧化速率，從而可以實(shí)現(xiàn)大于或等于3年的凸緣組件壽命。在約1000℃，可用壽命小于30天。約800℃時(shí)的壽命在這些值之間，并且對(duì)于一些應(yīng)用是可接受的，特別是如果暴露于這些溫度的鎳允許使用空氣冷卻，其通?？梢詻](méi)有水冷卻那么復(fù)雜。

更通常地，隨著距離管道壁的距離增加，難熔絕緣材料中的溫度下降。隨著凸緣體的廣度在遠(yuǎn)離管道的方向上增加(例如，較大直徑的凸緣體)，溫度類(lèi)似地下降。在距離管道壁的一些距離上，凸緣體的溫度下降到低于約1000℃的溫度。超過(guò)該位置，鎳可以安全地用作凸緣體材料。如果在任意情況下超過(guò)了鎳的溫度限制，例如約600℃為長(zhǎng)壽命，約800℃為中等壽命，或者約1000℃為短時(shí)間，必須將鎳和用于凸緣主體部分48a的高溫金屬之間的接合移動(dòng)到距離管道壁更遠(yuǎn)的距離。當(dāng)然，接合的向外移動(dòng)應(yīng)該與材料成本的增加向平衡，因?yàn)楦邷?，進(jìn)而高成本金屬必須延伸到更大的半徑。

在實(shí)踐中，通常會(huì)采用計(jì)算機(jī)建模來(lái)考慮各種因素，包括在遠(yuǎn)離(垂直于)管道壁的方向上的凸緣體的尺寸的選擇，以及構(gòu)成凸緣體的環(huán)的厚度?？梢圆捎檬惺劭傻玫幕蛘哂?jì)算對(duì)于具體導(dǎo)體性質(zhì)和幾何形貌的電流流動(dòng)的定制化軟件包以及對(duì)具體材料性質(zhì)和加熱源/下沉位置的熱流動(dòng)和計(jì)算溫度分布進(jìn)行建模的軟件包來(lái)進(jìn)行此類(lèi)建模。例如，使用此類(lèi)分析，發(fā)現(xiàn)圖4的環(huán)的厚度(t’s)的合適關(guān)系：t54>t52，其中內(nèi)環(huán)52由90重量％的鉑和10重量％的銠制造，外環(huán)54以及電極56由鎳200/201制造。當(dāng)然也可以使用其他關(guān)系。

用于構(gòu)建凸緣組件48的環(huán)和電極通常會(huì)由平坦金屬片制造，例如，對(duì)于電極56和外環(huán)54是鎳200、鎳201、鎳600或者鎳601，對(duì)于內(nèi)環(huán)52是鉑銠合金片(例如90重量％的鉑和10重量％的銠)。環(huán)之間的接合通常是焊接。焊接可圓角化以避免凹角，這會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致接合過(guò)熱和失效的局部高電流密度。通常通過(guò)焊接使得最內(nèi)環(huán)52與管道26的外壁46接合。同樣，可以使用圓角化來(lái)避免凹角。最內(nèi)環(huán)52的厚度通常大于外壁46的厚度，雖然如果需要的話(huà)最內(nèi)環(huán)也可以使用其他厚度，例如最內(nèi)環(huán)的厚度可以小于或等于外壁46的厚度。

除了環(huán)52和54，圖3和4的凸緣組件可包含一個(gè)或多個(gè)冷卻塊62。冷卻塊62可以由與外環(huán)54相同的材料制造，雖然如果預(yù)期溫度約束允許的話(huà)，也可以由不同的材料形成冷卻塊。在一些實(shí)施方式中，電極56和向電極供給電流的匯流條(bussbar)64之間的連接可包含冷卻塊62，如圖4所示。圖4顯示電極56、匯流條64和冷卻塊62，并顯示用于向冷卻塊62內(nèi)部的通道供給冷卻流體68的入口65和出口67。冷卻流體可以是液體(例如水)或者氣體(例如空氣)，并且可循環(huán)通過(guò)塊內(nèi)的冷卻通道，以將塊(以及匯流條連接)保持在低于會(huì)快速氧化和/或熔化的溫度。可能需要明顯冷卻來(lái)防止匯流部件的快速氧化，因?yàn)楣艿?6中的熔融玻璃的溫度會(huì)超過(guò)1400℃。或者，冷卻塊62的外部可以連有冷卻管。

發(fā)現(xiàn)將鎳用于電源凸緣組件的上述部件展現(xiàn)出高溫操作時(shí)的高水平的抗氧化性。含鎳凸緣組件還會(huì)比例如通常用于較低溫系統(tǒng)的含銅凸緣組件需要更少的冷卻。因此，通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用含鎳凸緣時(shí)，需要較少的直接電阻加熱。該直接電阻加熱的下降，進(jìn)而降低了電力的操作成本和為直接加熱系統(tǒng)提供電力所需的電源容量的基建成本。

除了這些功能益處，使用包含鎳的一個(gè)或多個(gè)環(huán)顯著地降低了凸緣組件的成本，因?yàn)殒嚤挥糜谠诤~凸緣組件中以其他方式可能使用鉑或鉑合金的位置。也就是說(shuō)，銅的較低的耐溫度性意味著鉑銅凸緣要求鉑從加熱的管道向外延伸更遠(yuǎn)，來(lái)為銅提供安全的操作環(huán)境。雖然鎳和鉑的價(jià)格隨時(shí)間變化，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鉑至少比鎳貴400倍，有時(shí)可能貴1800倍。

如圖3和4的實(shí)施方式所示，含鉑內(nèi)環(huán)52繞著連接管道26布置，并且繞其周界接合。含鉑內(nèi)環(huán)52可以具有與通過(guò)環(huán)的管道26的截面形狀38基本相同的形狀。因此，如果管道的截面形狀是橢圓形的話(huà)，則最內(nèi)環(huán)52的外周也可是橢圓形的。例如，最內(nèi)環(huán)52可具有相對(duì)于管道的截面尺寸成比例放大的尺寸。

根據(jù)圖3，虛線(xiàn)66表示通過(guò)電極56并平分凸緣組件48的對(duì)稱(chēng)軸。在圖3的實(shí)施方式中，對(duì)稱(chēng)軸66與管道26的截面短軸sa重合。在典型安裝的凸緣朝向中，對(duì)稱(chēng)軸66表示垂直軸。但是，凸緣組件的朝向不必使得電極56是垂直朝向的，因此對(duì)稱(chēng)軸66不必是垂直的。如所示，管道26的截面長(zhǎng)軸la上的最外環(huán)54的總寬度w1寬于相對(duì)于電極56的連接管道26的底側(cè)上的最外環(huán)54總寬度w2，其中w2是與寬度w1呈90度角度變位的寬度。也就是說(shuō)，圖3和4中所示的w1寬于w2。圖4顯示圖3的凸緣組件的截面圖。應(yīng)注意的是，尺寸w2是外環(huán)54的底部部分的一般、整體寬度，并且其中出于確定尺寸w2的目的，忽略了槽口60(因此，w2是w1變位90度的最外環(huán)54的最窄寬度)。

應(yīng)注意的是，在一些實(shí)施方式中，最外環(huán)54自身可包含多環(huán)。例如，最外環(huán)54可以是由多個(gè)不同厚度的含鎳環(huán)構(gòu)成的含鎳環(huán)。鎳可以與其他金屬(例如鉑)合金化。

圖5和6顯示凸緣組件48的另一個(gè)實(shí)施方式，所述凸緣組件48包括含鎳最外環(huán)54，但是其中含鉑環(huán)52包括兩個(gè)繞著連接管道26布置的含鉑環(huán)52a和52b，其中通過(guò)例如焊接，使得最內(nèi)含鉑環(huán)52a與連接管道26接合。在一些實(shí)施方式中，最內(nèi)或第一含鉑環(huán)52a沿著通過(guò)電極56的對(duì)稱(chēng)軸66的寬度w3是基本相等的。也就是說(shuō)，在一些實(shí)施方式中，最內(nèi)環(huán)52a的寬度w3不發(fā)生明顯改變。在其他實(shí)施方式中，最內(nèi)環(huán)52a的寬度w3可以變化。此外，第二、中間含鉑環(huán)52b的寬度可以不發(fā)生明顯改變，例外的是如圖5的實(shí)施方式所示，在電極放置是不對(duì)稱(chēng)的情況下(例如，僅采用單電極)，第二、中間含鉑環(huán)52b可包含槽口60以幫助使得通過(guò)環(huán)52b的電流密度更均勻。

此外，如圖6所示，最內(nèi)含鉑環(huán)52a的厚度t52a優(yōu)選大于第二、中間含鉑環(huán)52b的厚度t52b。優(yōu)選地，最外環(huán)54(例如，含鎳環(huán)54)的厚度t54大于最內(nèi)含鉑環(huán)52a的厚度t52a，并且大于第二、中間含鉑環(huán)52b的厚度t52b，從而使得t54>t52a>t52b。

圖7和8顯示凸緣組件48的另一個(gè)實(shí)施方式，其中含鉑環(huán)52包括繞著連接管道26布置的3個(gè)含鉑環(huán)52a、52b和52c，其中第一最內(nèi)含鉑環(huán)52a通過(guò)例如焊接與連接管道26接合。第一或最內(nèi)含鉑環(huán)52a與管道26的壁直接相連。第二、中間含鉑環(huán)52b繞著最內(nèi)含鉑環(huán)52a布置并與其周界接合，并且第三、含鉑外環(huán)52c繞著第二、中間含鉑環(huán)52b布置并與其周界接合。最內(nèi)含鉑環(huán)52a的寬度w3a可以構(gòu)造成不發(fā)生變化。類(lèi)似地，第二、中間含鉑環(huán)52b的寬度w3b可以構(gòu)造成不發(fā)生變化。寬度w3c也可配置成基本不發(fā)生變化，排除任選的槽口60的影響。在圖7所示的實(shí)施方式中，其中所示的凸緣組件48僅包括單個(gè)電極56，第三、含鉑外環(huán)52c任選地包括槽口60以改善電流密度均勻性。因此，含鉑環(huán)52的總寬度(w3＝w3a+w3b+w3c)可配置成不發(fā)生變化。此外，最外環(huán)54的厚度t54大于第一或最內(nèi)含鉑環(huán)52a的t52a，厚度t52a大于第一、中間含鉑環(huán)52b的厚度t52b，并且第二、中間含鉑環(huán)52b的厚度t52c大于第三、含鉑外環(huán)52c的厚度t52c，從而t54>t52a>t52b>t52c。各個(gè)單獨(dú)的含鉑環(huán)(即52a、52b、52c)可配置成具有均勻厚度。

基于本發(fā)明的指導(dǎo)，顯然可采用多個(gè)單獨(dú)的含鉑環(huán)來(lái)提供作為距離連接管道26的壁的距離的下降的函數(shù)的凸緣主體部分48a的含鉑部分的增加厚度。但是，前述實(shí)施方式的共同特征是最外(例如含鎳)環(huán)54相對(duì)于繞著布置凸緣體的容器(例如連接管道)的角度位置的可變總厚度。當(dāng)使用繞著凸緣體的角度移動(dòng)而變化的一個(gè)或多個(gè)最外環(huán)的變化的厚度，提供了質(zhì)量梯度，該質(zhì)量梯度使得連接管道-凸緣接合處以及凸緣組件自身內(nèi)部的電流密度更均勻。

在如圖9所示的另一個(gè)實(shí)施方式中，顯示凸緣組件48具有沿對(duì)稱(chēng)軸66的電極56。也就是說(shuō)，電極56沿著管道26的截面長(zhǎng)軸。假定管道26的朝向使得截面短軸sa垂直，則電極56從管道26的一側(cè)橫向向外投射。應(yīng)理解的是，含鉑最內(nèi)環(huán)52可包含多個(gè)含鉑環(huán)，例如分別如圖7和8所示。槽口60(如果存在的話(huà))的位置相對(duì)于電極56在對(duì)稱(chēng)軸66上。在圖9的實(shí)施方式中，最內(nèi)含鉑環(huán)52a的厚度w3可配置成不發(fā)生變化(除了最內(nèi)含鉑環(huán)52包含槽口60的那個(gè)部分)。另一方面，最外環(huán)54配置成使得最外環(huán)的寬度隨角度變化。因此，以平行于截面短軸sa的方向穿過(guò)最外環(huán)54的寬度w1可不同于最外環(huán)54垂直于截面短軸sa的方向的寬度。

在圖10所示的另一個(gè)實(shí)施方式中，凸緣組件48包括第一電極56a以及與第一電極56a呈180度放置的第二電極56b。由于從圖9的凸緣組件48對(duì)稱(chēng)地注入和去除電流，含鉑環(huán)52不包含槽口，因?yàn)殡姌O56a、56b的對(duì)稱(chēng)放置提供了繞著含鉑環(huán)52更為均勻的電流密度。應(yīng)理解的是，對(duì)于圖5和7的實(shí)施方式存在類(lèi)似的構(gòu)造，其中多個(gè)電極的對(duì)稱(chēng)放置避免了對(duì)于含鉑環(huán)中槽口的需求。還應(yīng)觀(guān)察到的是，圖10中兩個(gè)電極的對(duì)稱(chēng)放置實(shí)現(xiàn)了將含鉑環(huán)52放置在兩個(gè)電極的中間。也就是說(shuō)，圖10的凸緣組件48包括兩個(gè)對(duì)稱(chēng)軸66和70，其中兩個(gè)對(duì)稱(chēng)軸是垂直的。還應(yīng)理解的是，可使用額外的電極。例如，可以采用4個(gè)電極的對(duì)稱(chēng)布置，其中每個(gè)電極沿著凸緣對(duì)稱(chēng)軸放置。例如，電極可以布置成使得兩個(gè)電極沿著第一對(duì)稱(chēng)軸66相對(duì)布置(例如，0°和180°)，而另兩個(gè)電極沿著第二對(duì)稱(chēng)軸70相對(duì)布置(例如，90°和270°)。最內(nèi)含鉑環(huán)52的寬度w3可以構(gòu)造成不發(fā)生變化。另一方面，最外環(huán)54配置成使得最外環(huán)的寬度隨角度變化。

如上文所述，雖然參考連接管道26對(duì)凸緣組件48進(jìn)行了描述，但是本文所述的凸緣可用于其他具有非圓形截面形狀(即橢圓形形狀)的導(dǎo)電容器，其中施加了直接電阻加熱以對(duì)容器中流動(dòng)的材料進(jìn)行加熱。

應(yīng)理解的是，在前述各個(gè)實(shí)施方式中，沒(méi)有進(jìn)行對(duì)凸緣自身的直接主動(dòng)冷卻。例如，沒(méi)有繞著凸緣的周界施加主動(dòng)冷卻(這常用于一些常規(guī)電凸緣)。事實(shí)上，不同于一些凸緣組件設(shè)計(jì)，可配置本文所述的凸緣組件的特性而沒(méi)有繞著凸緣組件48的周界放置的可進(jìn)行主動(dòng)冷卻的管道，從而消除了與高電流附近的冷卻液體泄漏相關(guān)的危險(xiǎn)。

應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明上述實(shí)施方式、特別是任意“優(yōu)選的”實(shí)施方式，僅僅是可能實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例，僅用來(lái)清楚理解本發(fā)明的原理?？梢栽诨旧喜黄x本發(fā)明的精神和原理的前提下，對(duì)本發(fā)明的上述實(shí)施方式進(jìn)行許多改變和調(diào)整。在本文中，所有這些調(diào)整和改變都包括在本說(shuō)明書(shū)和本發(fā)明的范圍之內(nèi)，并受所附權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)。