用于對玻璃熔體施加超聲波聲能的超聲波換能器組件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了包括超聲波換能器、超聲波放大器、超聲波探針和放大器冷卻單元的超聲波換能器組件。所述超聲波放大器與超聲波換能器相連以放大由超聲波換能器產(chǎn)生的聲能，并將放大的聲能傳輸?shù)匠暡ㄌ结?。超聲波探針的固定端放置在超聲放大器的探針座中。設(shè)置所述放大器冷卻單元以調(diào)節(jié)超聲波放大器探針座的溫度，使得組件支持超聲波探針的固定端與超聲波放大器的探針座的依賴溫度的壓配接合。所述依賴溫度的壓配接合使得超聲波探針的固定端可以在升高的溫度T熱下可逆地從探針座移入和移出，并在室溫T冷下在探針座中固定。提供了一種向玻璃熔體施加超聲波聲能的方法，該方法監(jiān)測玻璃熔體的溫度TY，并以控制器功率PC和控制器頻率νC通過位于玻璃熔體中的超聲波探針從超聲波換能器向玻璃熔體傳輸超聲波聲能。還提供了用于向玻璃熔體施加超聲波聲能的系統(tǒng)。
【專利說明】用于對玻璃熔體施加超聲波聲能的超聲波換能器組件
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請根據(jù)35U.S.C.§ 120，要求2011年2月28日提交的美國申請系列第13/036, 568號以及2011年2月28日提交的美國申請系列第13/036，668號的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請為基礎(chǔ)并將其全文通過引用結(jié)合于此。
[0003]發(fā)明背景
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明涉及玻璃制造方法和系統(tǒng)，包括但不限于，玻璃混合、均質(zhì)化、澄清，或者向玻璃熔體引入機(jī)械能可能是有益的任意方法和系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0005]常采用機(jī)械攪拌器向玻璃熔體引入機(jī)械能。我們已經(jīng)意識到在一些情況下，機(jī)械攪拌器會(huì)是玻璃熔體的污染源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種向玻璃熔體施加超聲波聲能的方法，該方法監(jiān)測玻璃熔體的溫度Τgamma，并以控制器功率P。和控制器頻率V c通過位于玻璃熔體中的超聲波探針從超聲波換能器向玻璃熔體傳輸超聲波聲能。根據(jù)所述方法，至少響應(yīng)(i)監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty和(ii)參比玻璃熔體溫度Τr，對控制器功率P。進(jìn)行控制。至少響應(yīng)以下幾點(diǎn)對控制器頻率^進(jìn)行控制:(i)來自表征玻璃熔體的溫度-粘度曲線的一個(gè)或多個(gè)輸入?yún)?shù)，(ii)來自一個(gè)或多個(gè)玻璃熔體的溫度依賴性阻抗響應(yīng)模型的一個(gè)或多個(gè)輸入?yún)?shù)，以及(iii) ΔZ，其中所述Δ Z代表當(dāng)在玻璃熔體中放置超聲波探針時(shí)，超聲波探針的阻抗?fàn)顟B(tài)Zy與參比阻抗Zk的差異程度。還考慮了用于向玻璃熔體施加超聲波聲能的系統(tǒng)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種超聲波換能器組件，其包括超聲波換能器、超聲波放大器、超聲波探針以及放大器冷卻單元。所述超聲波放大器與超聲波換能器相連以放大由超聲波換能器產(chǎn)生的聲能，并將放大的聲能傳輸?shù)匠暡ㄌ结?。超聲波探針的固定端放置在超聲波放大器的探針座中。設(shè)置所述放大器冷卻單元以調(diào)節(jié)超聲波放大器探針座的溫度，使得組件支持超聲波探針的固定端與超聲波放大器的探針座的依賴溫度的壓配接合。所述依賴溫度的壓配接合使得超聲波探針的固定端可以在升高的溫度Ts下可逆地從探針座移入和移出，并在室溫T 冷下在探針座中固定。
[0008]我們預(yù)期本文所揭示的超聲波方法和系統(tǒng)能幫助解決已知的機(jī)械攪拌器引入的潛在污染源的問題。此外，我們已經(jīng)意識到在玻璃澄清操作中采用超聲波能可能是有益的，因?yàn)槌暡軙?huì)鼓勵(lì)氣泡聚結(jié)，允許Stokes澄清，并且會(huì)鼓勵(lì)聲流，在其中氣泡向玻璃空氣界面移動(dòng)。最后，我們預(yù)期本文所揭示的超聲波方法和系統(tǒng)將能夠適用于寬范圍的采用玻璃熔體的額外的制備、診斷和開發(fā)方法。雖然本發(fā)明的方法可用于各種玻璃組合物，但是我們意識到在特種玻璃，例如光伏玻璃、LCD玻璃、消費(fèi)者電子器件玻璃、高純度熔融二氧化娃玻璃以及康寧公司(Corning Incorporated)制造和銷售的商品名為Eagle XG?玻璃
和Gori 11 a?玻璃的特種玻璃中，對于有效玻璃混合和澄清過程的需求是特別敏銳的。
[0009]附圖簡要說明
[0010]當(dāng)結(jié)合以下附圖閱讀下面對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的詳細(xì)描述時(shí)，可對其形成最好的理解，附圖中相同的結(jié)構(gòu)用相同的附圖標(biāo)記表示，其中:
[0011]圖1是本文所揭示的用于向玻璃熔體施加超聲波聲能的系統(tǒng)和方法的示意圖；
[0012]圖2是本文所揭示的當(dāng)向玻璃熔體施加超聲波聲能時(shí)用于控制超聲波頻率的方法的示意圖；
[0013]圖3是本文所揭示的當(dāng)向玻璃熔體施加超聲波聲能時(shí)用于控制聲功率的方法的示意圖；
[0014]圖4是玻璃熔體的模擬溫度依賴性阻抗響應(yīng)；
[0015]圖5所示是包括本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)特征的超聲波探針組件；
[0016]圖6是根據(jù)本發(fā)明的放大器冷卻單元的截面圖；
[0017]圖7是圖5所示的一部分超聲波探針組件的部分分解視圖；以及
[0018]圖8所示是包括本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)特征的另一種超聲波探針組件。
[0019]發(fā)明詳述
[0020]最初可以參考圖1描述本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，其是用于向玻璃熔體10施加超聲波聲能的系統(tǒng)的示意圖。所述系統(tǒng)包括超聲波電源20、超聲波換能器30以及超聲波探針40。對超聲波電源進(jìn)行編程，在一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器50的幫助下監(jiān)測玻璃熔體溫度Ty，并以控制器功率P。和控制器頻率V c’從超聲波換能器30通過超聲波探針40向玻璃熔體10傳輸超聲波聲能。以下描述解決了對控制器功率P。和控制器頻率^進(jìn)行控制的方式。以下描述還引入了可用于本文所述系統(tǒng)和方法的超聲波探針組件的例子。應(yīng)注意的是，本文所考慮的功率和頻率控制方案并不限于采用任意具體的硬件類型。
[0021]根據(jù)本發(fā)明所述方法，至少響應(yīng)⑴監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty和(ii)參比玻璃熔體溫度Τκ，對控制器功率P。進(jìn)行控制?？梢越Y(jié)合圖1來解讀圖3 (下文進(jìn)一步詳述)，來說明本文所考慮的功率控制的各個(gè)方面。應(yīng)注意的是，本文提到的“受控制的”參數(shù)旨在涵蓋各種參數(shù)控制狀態(tài)，包括但不限于，建立、確定、調(diào)節(jié)、維持參數(shù)等狀態(tài)。此外，提到的“響應(yīng)”特定數(shù)據(jù)控制參數(shù)旨在涵蓋數(shù)據(jù)的各種用途，包括但不限于，參數(shù)是數(shù)據(jù)的直接或間接函數(shù)的情況，或者更廣泛地，參數(shù)以某種方式受到數(shù)據(jù)的影響。
[0022]可以結(jié)合圖2來解讀圖1，以說明本文所考慮的頻率控制的各個(gè)方面。更具體地，至少響應(yīng)以下幾點(diǎn)對控制器頻率V。進(jìn)行控制:(i)來自表征玻璃熔體10的溫度-粘度曲線(Τ，μ e)的一個(gè)或多個(gè)輸入?yún)?shù)，(ii)來自一個(gè)或多個(gè)玻璃熔體10的溫度依賴性阻抗響應(yīng)模型的一個(gè)或多個(gè)輸入?yún)?shù)，以及(iii) Λ Z，其中所述Λ Z代表當(dāng)在玻璃熔體10中放置超聲波探針40時(shí)，超聲波探針40的阻抗?fàn)顟B(tài)Zy與參比阻抗Zk的差異程度。選擇狀態(tài)-特定玻璃熔體處理的控制器頻率V。，其通常位于約15-30kHz之間。來自表征玻璃熔體的溫度-粘度曲線的輸入?yún)?shù)可以包括，單個(gè)粘度值、多個(gè)粘度值、粘度范圍或其組合。應(yīng)注意的是，本文所引入的術(shù)語“狀態(tài)-特定玻璃熔體處理”指的是采用所述系統(tǒng)建立最佳工藝基準(zhǔn)的處理狀態(tài)。
[0023]從廣闊的角度來看，來自玻璃熔體的阻抗響應(yīng)模型的輸入?yún)?shù)代表玻璃熔體中的超聲波探針的選定的共振，并用于對控制器頻率^進(jìn)行較粗的控制。例如，圖4顯示了玻璃熔體中的超聲波探針在室溫T1和依次更高的溫度T2、T3、T4下的一組溫度依賴性阻抗響應(yīng)模型。我們已經(jīng)意識到此類阻抗響應(yīng)模型可用于鑒定隨著溫度增加相對高阻尼的共振槽(參見槽Α)，以及隨著溫度增加相對最小阻尼的共振槽(參見槽B)。為了優(yōu)化性能，溫度依賴性阻抗響應(yīng)模型可用于產(chǎn)生用于控制器頻率^的輸入?yún)?shù)，其鑒定了相對最小阻尼共振槽的頻率特性。例如，參見如圖4所示的具體模型，模擬阻抗響應(yīng)顯示玻璃熔體中的超聲波探針的主低阻抗共振槽A和次級低阻抗共振槽B。因?yàn)榇渭壊劬哂凶钚囟纫蕾囆宰枘?，用于控制器頻率V。的輸入?yún)?shù)能鑒定次級低阻尼共振槽B的頻率特性。輸入?yún)?shù)可鑒定頻率范圍的原因是它們可用于粗控，但是考慮輸入?yún)?shù)可以包括單個(gè)超聲波頻率值、多個(gè)超聲波頻率值、超聲波頻率范圍或其組合。[0024]具體回到圖1和2，對于控制器頻率V。的精細(xì)控制，可以參照Λ Ζ，其表示當(dāng)在玻璃熔體10中放置超聲波探針40時(shí)，超聲波探針40的阻抗?fàn)顟B(tài)Zy與參比阻抗Zk的差異程度。Λ Z還可用于代表玻璃熔體10中的超聲波探針40的功率因子，因?yàn)閾Q能器阻抗代表超聲波探針的控制電壓與電流之間的相差。更具體來說，測量流過換能器組件的電流I和換能器組件上的壓降V來確定超聲波探針40的阻抗?fàn)顟B(tài)Ζy。Λ Z可以是當(dāng)在玻璃熔體中放置超聲波探針時(shí)，超聲波探針的阻抗?fàn)顟B(tài)Zy與參比阻抗Zk的直接對比。為了最優(yōu)化玻璃熔體處理，參比阻抗Zk盡可能選擇鋒利的共振，并且通常對應(yīng)特定的頻率范圍(這取決于溫度和玻璃粘度)。通常的頻率范圍會(huì)落在約15-30kHz之間。
[0025]通常來說，與控制頻率V c相關(guān)的控制目標(biāo)是在可變系統(tǒng)阻抗條件下，傳送到玻璃熔體的最大或特定最佳功率狀態(tài)。在一些實(shí)施方式中，該目標(biāo)是啟動(dòng)/預(yù)熱熔融工藝過程中的最為重要的。由于玻璃熔體的性質(zhì)取決于玻璃組成發(fā)生明顯變化，所以可由表征玻璃熔體的溫度-粘度曲線來得到狀態(tài)-特定最佳功率。在許多情況下，特定最佳功率狀態(tài)高于約200W。應(yīng)注意的是，本文所引入的術(shù)語“狀態(tài)-特定最佳功率”涵蓋了對控制器頻率V。進(jìn)行控制，以向玻璃熔體傳送最佳功率量的情形，應(yīng)理解在系統(tǒng)的使用者制定規(guī)格的情況下，所述最佳功率可以是或者不是最大功率。
[0026]預(yù)期可以響應(yīng)熱損耗參數(shù)Qsys或者過程干擾參數(shù)dz來進(jìn)一步對控制器頻率V c進(jìn)行控制，所述熱損耗參數(shù)Qsys表示玻璃熔體中的熱損耗量，所述過程干擾參數(shù)dz表示直接或間接影響Λ Z的過程擾動(dòng)。這些參數(shù)如圖1和2示意性所示。
[0027]對控制器功率P。進(jìn)行控制相關(guān)的控制目標(biāo)是，在可變系統(tǒng)熱狀態(tài)下，將玻璃溫度維持在狀態(tài)-特定最佳水平。在一些實(shí)施方式中，該目標(biāo)是啟動(dòng)/預(yù)熱熔融工藝之后最為重要的。例如，可以對控制器功率P。進(jìn)行控制，將玻璃溫度維持在玻璃澄清過程的最佳水平，例如高于約1000°c。因?yàn)椴Ａ垠w的性質(zhì)取決于玻璃組成發(fā)生明顯變化，所以可由表征玻璃熔體的溫度-粘度曲線來得到玻璃溫度的最佳水平。
[0028]具體參見圖1和圖3，考慮可以響應(yīng)Λ T來對控制器功率P。進(jìn)行控制，其中所述Δ T表示監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty與參比玻璃熔體溫度Tk的差異程度?？梢皂憫?yīng)來自一個(gè)或多個(gè)玻璃熔體溫度模型的一個(gè)或多數(shù)輸入?yún)?shù)來對控制器功率P。進(jìn)行額外的控制。創(chuàng)建的溫度模型具有各種形式，但是通常表示輸入功率和玻璃溫度之間的關(guān)系。
[0029]可以由玻璃熔體中的單次或多次同時(shí)溫度測量來確定監(jiān)測的玻璃熔體溫度Τy。Δ T可以是監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty與參比玻璃熔體溫度Tk之間的直接對比。因?yàn)椴煌ＡЫM成的玻璃性質(zhì)和處理要求變化明顯，所以可以根據(jù)狀態(tài)-特定玻璃熔體處理來選擇參比玻璃熔體溫度Tk，在一些實(shí)施方式中，其位于約800-1700°C之間，應(yīng)理解的是，更可能的溫度范圍落在約1000-1650°C之間。在任意情況下，監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty與參比玻璃熔體溫度Tk可以包括單個(gè)溫度值、范圍溫度值或者表現(xiàn)為溫度曲線 。
[0030]預(yù)期可以響應(yīng)過程干擾參數(shù)dT來進(jìn)一步對控制器功率P。進(jìn)行控制，所述過程干擾參數(shù)dT表示直接或間接影響Λ T的過程擾動(dòng)。該參數(shù)如圖1和3示意性所示。
[0031]如上所述，可以采用各種換能器和探針構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。然而，圖5-7顯示了一類合適的超聲波換能器組件的設(shè)計(jì)要素。在圖5-7中，組件包括超聲波換能器100、超聲波放大器110、超聲波探針120以及放大器冷卻單元130。所述超聲波換能器100以高于約15kHz的頻率產(chǎn)生聲能。所述超聲波放大器110放大由超聲波換能器100產(chǎn)生的聲能并將放大的聲能傳輸?shù)匠暡ㄌ结?20。
[0032]超聲波探針120的固定端122放置在超聲波放大器110的探針座112中。所述超聲波探針120的固定端122可以具有比探針表面余下部分略低的圓周，以幫助探針固定操作。設(shè)置所述放大器冷卻單元130以調(diào)節(jié)超聲波放大器110的探針座112的溫度，使得組件支持超聲波探針120的固定端122與超聲波放大器110的探針座112的依賴溫度的壓配接合。所述依賴溫度的壓配接合使得當(dāng)超聲波放大器110的探針座112在升高的溫度Ts時(shí)，超聲波探針120的固定端122可以可逆地從探針座112移入和移出。在室溫IV時(shí)，超聲波探針120的固定端122可以固定在探針座112中，所述室溫Ta在本文中寬泛地定義為約0-100°C之間的任意溫度，原因在于與玻璃熔體相關(guān)的顯著更高的溫度。升高的溫度Ts和室溫IV適用于以下關(guān)系:
[0033]T冷≤100℃[0034]T熱-T冷≤ 300O。
[0035]在操作中，放大器冷卻單元130幫助維持探針座112的溫度充分低于Ts，例如比它低約50°C，以確保探針120的固定端122保持固定在超聲波放大器110的探針座112中。所得組件牢固的足以避免在組件中使用螺紋元件和粘合劑。本文提及的超聲波探針120的固定端122 “可逆的”從探針座112移入和移出旨在包括探針120的暢通或通暢地移動(dòng)，排除會(huì)損壞探針120或者其他任意方式影響其功能的移動(dòng)。
[0036]更具體來說，如圖7所示，超聲波放大器110包括限定了探針座尺寸d的探針座，并且超聲波探針120的固定端122的幾何形貌使得超聲波探針限定了互補(bǔ)座尺寸d’，其支持了超聲波探針120的固定端122與超聲波放大器110的探針座112的壓配接合。在所示情況下，所述尺寸是直徑，但是預(yù)期探針120和放大器110可限定各種替代幾何形貌。還應(yīng)注意的是，取決于具體玻璃熔體操作的要求，不同實(shí)施方式的具體尺寸規(guī)格可發(fā)生變化。
[0037]超聲波放大器110的特征在于如下熱膨脹系數(shù)，該熱膨脹系數(shù)足以使得探針座尺寸d從室溫IV(小于100°C)時(shí)的座尺寸膨脹至升高的溫度Ts時(shí)的座尺寸ds。超聲波放大器的探針座尺寸d以及超聲波探針120的固定端122的互補(bǔ)座尺寸d’可以配置成近似為如下關(guān)系，以幫助確保上文所述的可逆性和牢固固定:
[0038]d冷≤d≤d熱。
[0039]應(yīng)注意的是，關(guān)系“近似為”的意義在于，互補(bǔ)座尺寸d’可略小于座尺寸或者略大于座尺寸ds，只要實(shí)現(xiàn)上文所述的室溫Ta時(shí)的牢固固定以及升高的溫度1^時(shí)的可逆的移動(dòng)即可。
[0040]在所示實(shí)施方式中，放大器冷卻單元130包括流體冷卻夾套,該流體冷卻夾套圍繞著一部分超聲波放大器110或者與其熱連接的組件的部件(即一部分換能器100與放大器110相連)。放大器冷卻單元的截面如圖6所示，并且可配置成各種替代形式以調(diào)節(jié)超聲波放大器的溫度。如圖8所示，預(yù)期換能器組件可設(shè)置有額外的冷卻單元132、134，它們與超聲波探針120或超聲波換能器100熱連接，為整個(gè)組件提供溫度調(diào)節(jié)。
[0041]預(yù)期超聲波換能器100、超聲波放大器110、超聲波探針120以及放大器冷卻單元130可以作為剛性、機(jī)械連接的組件進(jìn)行常規(guī)組裝。在一些實(shí)施方式中，超聲波換能器組件配置成在高于200W和高于1000°C操作。
[0042]超聲波放大器可包括Ti合金超聲波放大器，超聲波探針可包括由氧化鋁或鑰制造的多波長探針或單波長探針。在鑰的情況下，在一些實(shí)施方式中，探針設(shè)置有內(nèi)氣體吹掃固定裝置以防止超聲波探針在玻璃熔體中的氧化。
[0043]例如但不限于，應(yīng)注意的是，換能器組件可包括與由鈦合金制造的改性超聲波放大器緊密配合的氧化鋁波導(dǎo)。緊密收縮匹配的一個(gè)例子是0D20mm棒和U7軸、h6容差孔。利用傳導(dǎo)加熱(即將放大器的底端加熱至200?300°C)將陶瓷棒插入放大器中。然后將棒與約I英寸的頂蓋壓配。然后將放大器的熱端冷卻至室溫會(huì)形成緊密匹配。相同的理念和設(shè)計(jì)可用于制造不同尺寸的探針-放大器對。
[0044]應(yīng)注意的是，本文中“至少一種”部件、元件等不應(yīng)認(rèn)為選擇性使用修飾語“一個(gè)”或“一種”限于單獨(dú)的部件、元件等。
[0045]應(yīng)注意的是，本文中的部件“配置”成特定的方式或者具有特定的性質(zhì)、或者以特定的方式發(fā)揮功能，是結(jié)構(gòu)性描述，而不是對預(yù)期的用途進(jìn)行限制。更具體來說，本文所述的對部件進(jìn)行“配置”的方式表示該部件現(xiàn)有的物理?xiàng)l件，因此可以將其看作該部件的結(jié)構(gòu)特征的限定性描述。
[0046]出于描述和限定本發(fā)明的目的，應(yīng)當(dāng)指出，詞語“基本上”和“約”在本文中用來表示可歸屬于任何定量比較、數(shù)值、測量或其他表達(dá)的固有不確定程度。
[0047]應(yīng)當(dāng)指出，本文所用的諸如“優(yōu)選”、“常用”和“通?！敝惖脑~語不是用來限制本發(fā)明要求保護(hù)的范圍，也不表示某些特征對本發(fā)明要求保護(hù)的結(jié)構(gòu)或者功能來說是重要的、關(guān)鍵的、或者甚至是必不可少的。相反地，這些詞語僅僅用來表明本發(fā)明實(shí)施方式的特定方面，或者強(qiáng)調(diào)可以用于或者可以不用于本發(fā)明特定實(shí)施方式的可選或附加的特征。
[0048]在結(jié)合【具體實(shí)施方式】詳細(xì)描述了本發(fā)明的主題之后，應(yīng)當(dāng)指出，本文披露的各種細(xì)節(jié)不應(yīng)理解為暗示著這些細(xì)節(jié)涉及屬于本文所述各種實(shí)施方式的實(shí)質(zhì)性組成的要素，即便在本文所附的每幅圖中都示出了特定要素的情況下也是如此。相反，本文所附權(quán)利要求書應(yīng)理解為唯一表達(dá)了本發(fā)明的廣度和本文所述各項(xiàng)發(fā)明的相應(yīng)范圍。此外，在不背離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍的前提下，顯然可以作出各種改變和變化。
[0049]應(yīng)注意，以下權(quán)利要求書中的一項(xiàng)或多項(xiàng)權(quán)利要求使用術(shù)語“其特征在于”作為過渡語。出于限定本發(fā)明的目的，應(yīng)當(dāng)指出，在權(quán)利要求中用該術(shù)語作為開放式過渡短語來引出對一系列結(jié)構(gòu)特征的描述，應(yīng)當(dāng)對其作出與更常用的開放式引導(dǎo)語“包含”類似的解釋。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲波換能器組件,其包括超聲波換能器、超聲波放大器、超聲波探針和放大器冷卻單元，其中: 所述超聲波換能器以高于約15kHZ的頻率產(chǎn)生聲能； 所述超聲波放大器與所述超聲波換能器相連以放大由超聲波換能器產(chǎn)生的聲能，并將放大的聲能傳輸?shù)匠暡ㄌ结槪? 所述超聲波探針的固定端放置在超聲放大器的探針座中； 設(shè)置所述放大器冷卻單元以調(diào)節(jié)超聲波放大器的探針座的溫度，使得組件支持超聲波探針的固定端與超聲波放大器的探針座的依賴溫度的壓配接合；以及 所述依賴溫度的壓配接合使得超聲波探針的固定端能夠在升高的溫度Ts下可逆地從探針座移入和移出，并在室溫T ；^下在探針座中固定，其中IV≤ 1OO0CT熱-T冷≤300。。。
2.—種超聲波換能器組件,其包括超聲波換能器、超聲波放大器、超聲波探針和放大器冷卻單元，其中: 所述超聲波換能器以高于約15kHz的頻率產(chǎn)生聲能； 所述超聲波放大器放大由超聲波換能器產(chǎn)生的聲能并將放大的聲能傳輸?shù)匠暡ㄌ结槪? 所述超聲波放大器包括限定了探針座尺寸d的探針座； 設(shè)置所述放大器冷卻單元以調(diào)節(jié)超聲波放大器的探針座的溫度； 所述超聲波探針從位于超聲波放大器的探針座中的固定端延伸至超聲波探針的前端; 超聲波探針的固定端的幾何形貌使得超聲波探針限定了互補(bǔ)座尺寸d’，其支持了超聲波探針的固定端與超聲波放大器的探針座的壓配接合；以及 超聲波放大器的特征在于如下熱膨脹系數(shù)，該熱膨脹系數(shù)足以使得探針座尺寸d從室溫IV時(shí)的座尺寸膨脹至升高的溫度Ts時(shí)的座尺寸ds，其中所述座尺寸CU和座尺寸d?以及互補(bǔ)座尺寸d’近似具有如下關(guān)系 d冷< d，< d熱 并且它們各自的溫度近似具有如下關(guān)系 IV≤ IOO0C T熱-T冷≤300。。。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于，所述放大器冷卻單元包括流體冷卻夾套，該流體冷卻夾套圍繞著一部分超聲波放大器或者與其熱連接的所述組件的部件。
4.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于，所述換能器組件包括與超聲波探針熱連接的額外的冷卻單元。
5.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于，所述換能器組件包括與超聲波換能器熱連接的額外的冷卻單元。
6.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于，所述超聲波換能器、超聲波放大器、超聲波探針以及放大器冷卻單元作為剛性、機(jī)械連接的組件進(jìn)行組裝。
7.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于，所述超聲波換能器組件配置成在高于200W和高于1000°C操作。
8.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于，所述超聲波放大器包括Ti合金超聲波放大器。
9.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于，所述超聲波探針的固定端和所述超聲波放大器的探針座是無螺紋的。
10.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于，所述超聲波探針的固定端和所述超聲波放大器的探針座是無粘合劑的。
11.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于，所述超聲波探針包括單波長氧化鋁探針。
12.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于，所述超聲波探針包括多波長鑰探針。
13.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于，所述控制器頻率V。位于約15至約30kHz之間。
14.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其特征在于: 所述超聲波換能器組件還包括超聲波電源； 對所述超聲波電源進(jìn)行編程，以監(jiān)測玻璃熔體的玻璃熔體溫度Τgamma，并以控制器功率P。和控制器頻率V。，從超聲波換能器通過位于玻璃熔體中的超聲波探針向玻璃熔體傳輸超聲波聲能； 至少響應(yīng)(i)監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty和(ii)參比玻璃熔體溫度Tk，對所述控制器功率P。進(jìn)行控制； 至少響應(yīng)以下幾點(diǎn)對所述控制器頻率V。進(jìn)行控制:(i)來自表征玻璃熔體的溫度-粘度曲線的一個(gè)或多個(gè)輸入?yún)?shù)，(?)來自一個(gè)或多個(gè)玻璃熔體的溫度依賴性阻抗響應(yīng)模型的一個(gè)或多個(gè)輸入?yún)?shù)，以及(iii) Λ Z，其中所述Λ Z代表當(dāng)在玻璃熔體中放置超聲波探針時(shí)，超聲波探針的阻抗?fàn)顟B(tài)Zy與參比阻抗Zk的差異程度。
15.一種向玻璃熔體施加超聲波聲能的方法，該方法監(jiān)測玻璃熔體的溫度Τgamma，并以控制器功率P。和控制器頻率V c通過位于玻璃熔體中的超聲波探針從超聲波換能器向玻璃熔體傳輸超聲波聲能，其中: 至少響應(yīng)(i)監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty和(ii)參比玻璃熔體溫度Tk，對所述控制器功率P。進(jìn)行控制； 至少響應(yīng)以下幾點(diǎn)對所述控制器頻率V。進(jìn)行控制:(i)來自表征玻璃熔體的溫度-粘度曲線的一個(gè)或多個(gè)輸入?yún)?shù)，(?)來自一個(gè)或多個(gè)玻璃熔體的溫度依賴性阻抗響應(yīng)模型的一個(gè)或多個(gè)輸入?yún)?shù)，以及(iii) Λ Z，其中所述Λ Z代表當(dāng)在玻璃熔體中放置超聲波探針時(shí)，超聲波探針的阻抗?fàn)顟B(tài)Zy與參比阻抗Zk的差異程度。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于: 來自一個(gè)或多個(gè)玻璃熔體的溫度依賴性阻抗響應(yīng)模型的輸入?yún)?shù)代表玻璃熔體中的超聲波探針的選定的共振，并用于對控制器頻率^進(jìn)行較粗的控制；以及 Δ Z代表玻璃熔體中超聲波探針的功率因子，并用于對控制器頻率V c進(jìn)行較細(xì)的控制。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，對所述控制器頻率^進(jìn)行控制，以在可變系統(tǒng)阻抗條件下向玻璃熔體傳輸最大功率。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，對所述控制器頻率進(jìn)行控制，以在可變系統(tǒng)阻抗條件下向玻璃熔體傳輸狀態(tài)-特定最佳功率。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，從表征玻璃熔體的溫度-粘度曲線得到所述狀態(tài)-特定最佳功率。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，對控制器功率進(jìn)行控制，以在可變系統(tǒng)熱狀態(tài)下，將玻璃溫度維持在狀態(tài)-特定最佳水平。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，對控制器功率進(jìn)行控制，以將玻璃溫度維持在用于玻璃澄清過程的最佳水平。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，從表征玻璃熔體的溫度-粘度曲線得到玻璃溫度的最佳水平。
23.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于: 所述阻抗響應(yīng)模型配置成顯示玻璃熔體中的超聲波探針的相對高阻尼的共振槽和最小阻尼的共振槽；以及 來自所述溫度依賴性阻抗響應(yīng)模型的用于控制器頻率％的輸入?yún)?shù)鑒定了所述相對最小阻尼的共振槽的頻率特性。
24.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:` 所述阻抗響應(yīng)模型配置成顯示玻璃熔體中的超聲波探針的主低阻抗共振槽和次級低阻抗共振槽；以及 來自所述溫度依賴性阻抗響應(yīng)模型的用于控制器頻率^的輸入?yún)?shù)鑒定了所述次級低阻抗共振槽的頻率特性。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于: 測量流過換能器組件的電流I和換能器組件上的壓降V來確定超聲波探針的阻抗?fàn)顟B(tài)Zy-MR A Z是當(dāng)在玻璃熔體中放置超聲波探針時(shí)，超聲波探針的阻抗?fàn)顟B(tài)Zy與參比阻抗Zk的直接對比。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，來自表征玻璃熔體的溫度-粘度曲線的輸入?yún)?shù)包括:單個(gè)粘度值、多個(gè)粘度值、粘度范圍或其組合。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，響應(yīng)表示玻璃熔體中的熱損耗量的熱損耗參數(shù)Qsys來進(jìn)一步對控制器頻率V c進(jìn)行控制。
28.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，響應(yīng)表示直接或間接影響ΛZ的過程擾動(dòng)的過程干擾參數(shù)dz來進(jìn)一步對控制器頻率^進(jìn)行控制。
29.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于: 至少響應(yīng)Λ T對控制器功率P。進(jìn)行控制，其中所述Λ T表示監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty與參比玻璃熔體溫度Tk的差異程度；以及 響應(yīng)來自一個(gè)或多個(gè)玻璃熔體溫度模型的一個(gè)或多數(shù)輸入?yún)?shù)來對控制器功率P。進(jìn)行額外的控制。
30.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于:由玻璃熔體中的單次或多次溫度測量來確定監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty ;以及 Δ T是當(dāng)在玻璃熔體中放置超聲波探針時(shí)，監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty與參比玻璃熔體溫度Tk的直接對比。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty與參比玻璃熔體溫度Tk包括單個(gè)溫度值、溫度值范圍或者表現(xiàn)為溫度曲線。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，響應(yīng)表示直接或間接影響ΛT的過程擾動(dòng)的過程干擾參數(shù)dT來進(jìn)一步對控制器功率P。進(jìn)行控制。
33.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于: 所述超聲波換能器和超聲波探針配置作為超聲波換能器組件，所述超聲波換能器組件包括超聲波換能器、超聲波放大器、超聲波探針以及放大器冷卻單元； 所述超聲波換能器以高于約15kHz的頻率產(chǎn)生聲能； 所述超聲波放大器放大由超聲波換能器產(chǎn)生的聲能并將放大的聲能傳輸?shù)匠暡ㄌ结槪? 所述超聲波探針的固定端放置在超聲放大器的探針座中； 設(shè)置所述放大器冷卻單元以調(diào)節(jié)超聲波放大器的探針座的溫度，使得組件支持超聲波探針的固定端與超聲波放大器的探針座的依賴溫度的壓配接合；以及 所述依賴溫度的壓配接合使得超聲波探針的固定端能夠在升高的溫度Ts下可逆地從探針座移入和移出，并在室溫T ；^下在探針座中固定，其中 IV≤ IOO0C T熱-T冷≤300。。。
34.—種用于向玻璃熔體施加超聲波聲能的系統(tǒng),該系統(tǒng)包括超聲波電源、超聲波換能器以及超聲波探針，其中: 對所述超聲波電源進(jìn)行編程，以監(jiān)測玻璃熔體溫度Ty，并以控制器功率P。和控制器頻率v。，從超聲波換能器通過位于玻璃熔體中的超聲波探針向玻璃熔體傳輸超聲波聲能； 至少響應(yīng)(i)監(jiān)測的玻璃熔體溫度Ty和(ii)參比玻璃熔體溫度Tk，對所述控制器功率P。進(jìn)行控制； 至少響應(yīng)以下幾點(diǎn)對所述控制器頻率V。進(jìn)行控制:(i)來自表征玻璃熔體的溫度-粘度曲線的一個(gè)或多個(gè)輸入?yún)?shù)，(?)來自一個(gè)或多個(gè)玻璃熔體的溫度依賴性阻抗響應(yīng)模型的一個(gè)或多個(gè)輸入?yún)?shù)，以及(iii) Λ Z，其中所述Λ Z代表當(dāng)在玻璃熔體中放置超聲波探針時(shí)，超聲波探針的阻抗?fàn)顟B(tài)Zy與參比阻抗Zk的差異程度。
【文檔編號】C03B5/18GK103517755SQ201280020771
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月28日
【發(fā)明者】D·R·鮑頓, S·M·賈維斯, 金鐘學(xué), 石志強(qiáng) 申請人:康寧股份有限公司