KR100573054B1 - 용융파이프의 처짐 제어 방법 - Google Patents
용융파이프의 처짐 제어 방법 Download PDFInfo
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Abstract
용융 파이프의 처짐률(오버플로우 다운드로우 용융공정에 사용되는 균등 파이프(13))은 파이프의 끝단 영역(23)에 축힘(F)의 적용에 의해 감소된다. 축힘은 벤딩 모멘트가 파이프의 중간영역의 중력에 의한 처짐을 방지하기위해 발생되도록 파이프의 중심축(19) 아래의 끝 영역에 적용된다. 그러한 처짐 제어 축힘의 사용은 적어도 1/3 정도의 파이프 수명을 증가시킨다.
용융 파이프, 벤딩, 모델링, 컴퓨터, 축힘
Description
도1은 평평한 유리 시트를 제조하기 위한 오버플로우 다운드로우 용융공정에 사용되는 용융파이프의 대표적 구조를 설명하기 위한 개략도이며,
도2는 본 발명에 있어서, 처짐을 제어 하기 위해 사용되는 오프 센터(off-center)된 축 힘을 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명은 유리 시트의 제조에 사용되는 용융 파이프(fusion pipe)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유리시트의 생산 공정에 있어 파이프에 나타나는 처짐(sag)을 제어하는 기술에 관한 것이다.
용융공법은 유리시트 제조 분야에서 사용되는 기본적인 기술들 중의 하나이다. 예를 들면, 바쉬네야 아른 케이(Varshneya Arun K) 저 "Flat Glass"의 chapter 제20의 section 제4.2 의 제534면 내지 제540면에 개시되어 있다.
플로우트(float) 및 슬롯(slot) 인발 공정등과 같은 공법과 비교할 때, 상기 용융공법은 보다 더 평평하고 부드러운 표면을 구비한 유리시트를 생산할 수 있다.따라서, 용융공법은 LCD에 이용되는 유리기판을 생산하는 데 있어 매우 유용하다.
용융공법, 구체적으로, 오버플로우(overflow) 다운드로우(downdraw) 용용공법은 스튜어트 엠 도커티의 미국 특허 제3,338,696호 및 제3,682,609호에 개시되어 있는 바, 이를 참조하기 위해 도1은 상기 특허 인발공법을 개략적으로 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 상기 시스템은 오버 플로우 다운드로우 용융파이프, 보다 간단하게는 용융 파이프로 잘 알려진 내화성체(13)내에 형성된 홈통(11)에 용융유리를 제공하는 공급 파이프(9)를 포함한다.
정상상태의 작용을 살펴보면, 용융유리는 공급 파이프로부터 홈통을 유동한 후, 홈통 상부의 양측로부터 흘러내린다. 그 후 용융유리는 하향 유동한 후 용융파이프의 외면을 따라 내측으로 유동하게 되어, 두 장의 유리시트가 형성된다.
두장의 유리시트는 파이프의 바닥 또는 루트(15)에서 만나 서로 융용되어 단일시트로 용융된다. 그 후, 단일 시트는 인발장치(화살표17)로 공급된다. 상기 인발장치는 유리 시트가 루트에서 인발되는 률에 따라 시트의 두께를 제어한다. 상기 인발장치는 단일시트가 냉각된 후 인발장치와 접촉하기 전에 단단하게 되도록 루트의 하류부분에 위치한다.
도1에 도시된 바와 같이, 최종 유리시트의 외면은 상기 어느 공정에서도 용융파이프의 어느 외면과도 접촉하지 않으며, 오히려 상기 외면은 주위의 대기와 접촉하게 된다. 최종 판을 형성하는 두 장의 판의 내면은 파이프와 접촉하나, 이러한 내면은 파이프의 루트에서 서로 용융되어 최종유리시트를 형성하도록 한다. 이런 방식으로 최종유리판 외부에서 뛰어난 표면 특성이 성취된다.
이상에서 서술한 바와 같이, 용융 파이프(13)는 용융의 연속공정에 있어서 매우 중요하다. 특히 파이프 형태의 변화는 전공정에 영향을 미치기 때문에, 용융 파이프의 디멘셔널(dimensional) 안정이 매우 중요하다. 그러나, 불행하게도 용융 파이프가 사용되는 조건은 디멘셔널 변화에 민감하다.
따라서, 용융파이프는 1000℃ 이상의 고온에서 작동되어야 한다. 게다가, 오버플로우 다운드로우 용융공정의 경우에, 파이프는 그 파이프 자중 뿐만 아니라 파이프의 측면 및 홈통(11)을 유동하는 용융 유리의 자중을 지지하는 동안 이러한 고온에서 작동되어야 하고, 용융유리가 인발됨에 따라 파이프로 재전달되는 인장력을 견뎌야 한다. 또한, 제조되는 유리의 폭과 관련할 때, 용융파이프는 융용유리의 길이 1.5m 또는 그 이상을 지지 할 수 없다.
상기 조건을 극복하기 위해, 용융 파이프(13)는 다양한 성능을 구비한 내화성 물질로부터 제조 되어야 한다. 따라서, 통상적으로 용융 파이프는 균등 압축된 내화성물질의 블록으로 제조된다. 그 때문에 융용 파이프는 아이소-파이프(iso-pipes)로서 언급된다. 구체적으로, 균등 압축된 내화성의 지르콘이 용융 공정을 위한 아이소 파이프를 형성하기 위해 사용되었다.
그러나, 비록 좋은 성능의 물질일지라도, 실제적으로 용융 파이프는 그 성능을 제한하는 디멘셔널 변화가 존재한다. 구체적으로, 상기 파이프는 파이프의 지지되지 않는 길이의 중간부분이 파이프 끝에 지지된 부분에 비해서 상대적으로 떨어지게 되는 처짐(sag)이 존재한다. 본 발명은 상기 처짐을 제어하는데 관계가 있다.
오버맨의 미국 특허 제3,437,470호는 지지봉을 수용하기 위해, 파이프의 몸체내에는 세로로 연장형성된 틈을 구비하는 용융 파이프를 개시하고 있다. 상기 지 지봉의 일측단은 상방향의 힘에 영향을 받는 레버로서 작동하고, 다른쪽 끝은 피봇(pivot)으로 작동한다. 지지봉은 용융파이프의 중간 주위의 틈 상측벽에 접촉하게 되며, 그러한 접촉은 파이프에 상방향의 힘을 제공한다.
일본 특허 공개 제11-246230호는 다시 세로로 연장된 틈이 지지봉을 받기위해 용융파이프의 몸체안에 형성되는 오버맨 특허의 변화를 나타낸다. 이경우에 지지봉은 피봇되지않고, 오히려, 맞물려지게되고, 본질적으로 그것의 전체길이를 따라 틈의 위쪽벽에 상방힘을 제공한다. 이 특허 공보에 있어서, 지지봉은 영률(young's modulus) 및 변형힘이 용융 파이프의 생산에 사용되는 영률(young's modulus) 및 변형힘보다 더 큰 물질로 만들어진다.
이런 두가지 접근 방법은 용융 파이프에서의 틈이 파이프를 약하게 만드는 근본적인 문제를 가지는데, 용융 파이프가 사용되도록 요구되는 환경조건하에서 그틈은 파이프가 더 처지게 하는 경향을 만들고, 또 다른 문제 즉 크랙crack) 형상과 같은 문제를 생기게 한다.
후술될 바 와 같이, 본 발명은 외부힘의 적용을 통해 처짐을 제어 할 수 있다. 따라서, 파이프의 인티그리티(integrity)를 포함하는 것을 요구하지 않는다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같이, 용융 파이프의 처짐을 제어하는 방법을 제공하는 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 목적은 용융 파이프의 처짐률을 감소시키는 방법을 제공하는 것이며, 또한, 일반적으로 처짐양이 가장 많은 파이프 중간영역에서의 처짐률을 감소시키는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 파이프 각 끝단 영역의 일점에 적용되는 반대방향의 동일한 축힘(F)에 의해 파이프의 중간 영역에 벤딩 모멘트를 발생시켜서 상기 중간 영역의 중력처짐을 방지하는 파이프의 처짐률을 감소시키는 방법을 제공함으로써 달성된다.
바람직하게, 축이 적용되는 각 끝단 영역의 지점은 (예를 들면, 파이프 형상에 따른 컴퓨터 모델링에 의해) 파이프의 중심축 또는 표면을 식별하고, 식별된 상기 중심축 또는 표면의 아래에 상기 지점을 위치시킴으로써 선택된다.
다른 바람직한 실시예에서, 파이프의 일측 끝단에 적용되는 축힘은 엑티브한 힘(예를 들면, 공기 실린더, 하나이상의 스프링, 또는 유사한 장치 또는 장치의 조합)이고, 타측 끝단에 적용되는 힘은 반력(예로 그 끝의 고정으로 인한 힘)이다.
본 발명에 따른 용융파이프는 종래의 파이프에 비해 파이프의 처짐률이 적어도 25% 감소되며, 처짐이 감소됨에 따라 파이프의 수명은 적어도 33% 증가 될 수 있다.
본 발명의 특장점은 후술되는 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 전술한 설명 및 아래의 상세한 설명은 단순한 발명의 일 예시일 뿐이며, 청구범위에서 발명의 특성 및 본질을 이해하기 위한 개요가 제공되는 것으로 이해하여야 할 것이다.
도면은 본 발명의 더 나은 이해를 위하여 제공되며, 이 명세서의 일 부분을 구성하며, 명세서에 포함된다. 도면은 발명의 다양한 면을 도시하고, 상세한 설명과 함께 발명의 원칙 및 작용을 설명을 하는데 도움을 준다.
상술한 바와 같이, 유리시트를 제조 하기 위한 오버플로우 과정에서 고온의 용융 유리는 용융 파이프(13)에 형성된 홈통(11)내를 유동한 후 홈통의 상측(둑의 정상)에 넘쳐 흐르며, 유리시트가 인발되어지는 파이프의 루트(15)쪽으로 파이프의 측면을 따라 밑으로 흐른다.
공정이 진행되는 동안, 고온에 의해 파이프는 변형에 민감하게 된다. 따라서, 파이프는 중력의 영향으로 점차적으로 처진다. 결국 처짐은 최종 유리의 질 및/또는 크기가 설계 한도의 범위를 넘어서게 되며, 파이프는 교체되어야 할 것이다. 따라서 파이프의 처짐률을 감소시켜 파이프의 수명을 연장시키는 것이 바람직하다.
본 발명은 파이프의 끝단에 바람직한 모멘트를 발생시키는 축힘을 적용함으로써 중력 때문에 발생하는 파이프의 처짐을 감소시킬 수 있다. 도2는 파이프의 형상 및 상기 파이프에 적용되는 축힘을 개략적으로 도시하고 있다. 상기 도면에서, 파이프(13)는 지지부(21)에 의해 끝단에서 지지되며, 중심축(19)을 구비하고 있다. 중심축은 자중 분포, 온도 분포 및 온도 함수로서의 물질 특성에 기초하여 파이프(13)에 벤딩(bending)이 발생하더라도 수축되거나 신장되지 않는다. 다른 방식으로서, 중심축은 도2의 축힘F가 없고, 그외의 다른 조건은 같은 상황에서 파이프(13)가 벤딩을 갖더라도 수축되거나 신장되지 않는 축을 의미한다.
중심축은 실제적으로 중심 표면이다. 예를 들면, 스나이더(Snyder)외에 의해 저술된 기계공학에 관한 물질의 정력학(Engineering Mechanics: Statice and Strength of Materials)의 349면 내지 350면에서 알 수 있다. 그러나 용융 파이프(13)는 대개 또는 바람직하게 루트(15)를 횡단하는 세로의 수직평판( 이하에서는 정면 평판(frontal plane))에 대해 대칭적이고, 본 발명에 따른 처짐 제어 축힘은 정면 평판에 대하여 바람직하게 대칭이기 때문에, 본 발명은 정면 평판내에 위치한 중심축의 용어를 서술한다. 물론 상기 용어에 대한 발명의 서술은 어떤 방식으로든 본 발명을 한정하기 위해 해석되어서는 아니될 것이다.
도2에서 도시된 바와 같이, 축힘 F는 중심축(19) 아래의 거리 H 에서 용융파이프(13)에 적용된다. 따라서 축힘은 파이프의 끝단에 FH 만큼의 끝단 모멘트를 발생시킨다. 상기 모멘트는 중력의 영향으로 파이프가 처지게 되는 영향을 감소시키도록 한다. 축힘에 의해 발생되는 모멘트는 모든 파이프의 변형을 제거 할 수는 없고, 아래에 제공되는 비교적인 예에 의하여 설명되듯이 적절한 F 및 H의 선택은 파이프의 수명을 연장 시키는데 중요하다.
개개의 값 F 및 H는 용융파이프의 형상, 파이프의 열적 분포, 온도함수로서의 물질 특성, 파이프에 부가되는 유리 하중 및 유리 시트의 인발에 의해 파이프에 반작용으로 전달되는 힘, 파이프가 지지되는 위치(21) 및 축힘이 적용되는 끝단의 영역(23)의 지점에 의해 결정된다. 실제적으로 F 및 H의 선택된 값은 공정을 수행하는 동안 경험할 수 있는 힘과 온도을 고려하여 용융 파이프의 제한요소에의한 컴퓨터 모델링에 의해 얻을 수 있다. 상기 컴퓨터 모델링은 미국, 펜실바니아 15317, 카논스버그, 테크놀러지 드라이브 275에 거주하는 앤시스(ANSYS)사에 의한 앤시스 소프트웨어(앤시스 소프트웨어는 복합적인 파이프형태의 중심축의 위치를 결정하기 위해 사용될 수 있다.)에 의해 얻을 수 있다.
여기서 T는 온도이고, ε는 적용된 응력이고, A, n 및 Q 는 물질 의존상수이다. 킨저리등의 공저에의한 1976년 뉴욕에서 세라믹에 관한 소개(Introduction to Ceramics)인 존 와일리앤 손즈(John Wiley & Sons)의 2판에서 플라스틱 변형, 점성흐름 및 크리프에 관해 볼 수 있다. 구체적으로 14.9절에 나와 있다.
용융 파이프의 처짐에 관한 모델링에 부가하여, 처짐 제어 축힘을 적용함으로써 발생하는 물질 변형에 기인하는 파이프의 축 수축을 모델링하는 것은 중요하다. 상기 축 수축은 용융 파이프 형상의 변화를 의미하기 때문에 이는, 최종유리의 크기 및 질에서의 역 효과를 가져올 수 있다. 초과적인 축수축이 발생되는 것 없이 처짐을 감소시키는 것 사이에 처짐 제어 축힘이 벨런스를 제공하기 위해 선택되도록 하는 것이 실제적으로 필요하다.
모델링 공정이 끝나고 나면, 선택된 F 및 H의 값은 파이프의 성능에 기초하여 적절하게 제조 조건하에서 실제파이프에 대해 실험 될 수 있다. 축은 다양한 힘 발생 수단을 사용하여 적용될 수 있고, 바람직하게는 파이프의 일측 끝단은 고정되어 있고 파이프의 타측 끝단은 공기 실린더를 통하여 적용될 수 있다. 또는 하나 또는 그 이상의 스프링이, 공기 실린더와 결합할 수 있으며, 또는 독자적으로 본 발명의 목적을 위해 사용될 수 있다.
비록, 본 발명을 수행하기 전에 컴퓨터 모델링이 바람직할지라도, 초과적인 축수축이 발생되는 것 없이 처짐을 감소시키는데 적절한 수직힘의 양과 위치는 실험적으로 결정하는 것이 바람직하다. 어떤 식으로 그것을 제한 하지않고 본 발명은 아래의 예에 의해 충분히 설명 될 것이다.
*비교예*
균등한 압력을 받고 있는 지르콘으로 구성된 오버플로우 다운드로우 용융 파이프는 처짐 조절 축힘을 구비한 경우와 구비하지 않은 경우하에서 테스트 된다. 상기 실험들에서, 용융파이프는 정면 평판에 대칭이며 처짐제어축힘은 그 평판에 대해 대칭이 된다. 구체적으로, 처짐 제어 축힘은 파이프의 끝단에서 대응되는 영역에서 실질적으로 균등하게 적용되는데, 그 지역의 중심은 정면 평판에 있다.
파이프의 일측은 에어실린더를 사용함으로서 힘이 적용되고, 파이프의 타측은 고정되어 있어 정적인 힘이 적용된다. 공기실린더에 의해 생산되는 힘은 약 33,000뉴톤이 되고, 힘의 중심은 중심축으로부터 약 12cm 아래에 위치한다. 파이프의 반대쪽 끝단의 고정 중심은 중심축 아래의 동일한 거리에 위치한다. 파이프의 끝단에 적용되는 모멘트는 각각 약 4,000 뉴턴-미터가 된다. 파이프에 적용되는 힘의 양은 로드셀(load cell)을 사용하여 조정 되어진다. 대체적으로, 힘은 공지된 스프링 상수의 스프링을 힘-적용 트레인(train)에 삽입하는 함으로써 조정되며, 또한 스프링의 길이는 LVDT(linear variable differential transformer)를 사용함으로써 결정된다. 그리하여 그 힘은 파이프에 적용된다.
처짐 제어 축힘의 사용은 파이프 중간에서의 처짐 비율을 약 80% 감소시키는 결과를 가져온다. 약간의 파이프의 축 수축은 축의 적용의 결과로 관찰되지만 축 수축은 파이프의 수명에 중요한 영향을 끼치지 않는다. 오히려, 처짐 제어 축힘의 사용은 약 400%의 수명의 연장을 가져온다.
비록 본 발명의 구체적인 실시예가 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 청구범위를 변형시키지 않는 범위에서 다양한 변형 변경을 할 수 있다. 그 예로, 비록 용융파이프가 내부 지지봉(미국 특허번호 3,437,470 및 일본 특허 등록 번호11-246230)을 위한 틈을 갖지않는 것이 바람직하더라도, 그러한 틈을 구비한 용융 파이프는 처짐 조절 수직힘으로부터 이익이 될 수 있고, 그리하여 본 발명은 바람직하게는 그러한 파이프에 사용 될 수 있다.
유사하게, 비록 본 발명이 도1 및 도2 에서 도시되는 일반적인 타입의 배치를 갖는 단일의 용융파이프의 관점에서 서술되었다 할 지라도, 본 발명은 하나 이상의 구성 요소로 된 다른 다양한 배치를 갖는 용융 파이프에 사용 될 수 있다. 이와 같이 같은 라인을 따라, 비록 본 발명이 우선적으로 용융 파이프 및 정면도에 대해 대칭되어지는 처짐 조절힘의 관점에서 논의 될지라도, 여기서 논의되는 원칙을 사용하여, 본 발명은 그러한 대칭이 결핍되는 처짐 조절힘 및/또는 파이프를 구비하여 실행 될 수 있다.
본 발명에 따른 용융파이프는 종래의 파이프에 비해 파이프의 처짐률이 적어도 25% 감소되며, 처짐이 감소됨에 따라 파이프의 수명은 적어도 33% 증가 될 수 있다.
Claims (10)
- 세로축, 중간영역 및 끝단 영역을 구비하는 용융 파이프의 처짐률을 감소시키기 위한 방법에 있어서,상기 파이프의 각 끝단 영역을 통해 파이프를 지지하고상기 각 끝단 영역의 일점에 반대방향의 동일한 축힘을 적용하되,중간 영역의 중력처짐을 막기 위해 축힘이 파이프의 중간영역에 벤딩모멘트를 발생시키도록, 상기 각 끝단 영역의 일점이 선택되는 것을 특징으로 하는 용융 파이프의 처짐률을 감소시키기 위한 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 각 끝단 영역의 일점은파이프의 중심축 또는 표면을 식별하고, 상기 중심축 또는 표면 아래에 상기 일점을 위치시킴으로써 상기 소정의 지점이 선택되는 것을 특징으로 하는 용융 파이프의 처짐률을 감소시키는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 중심축 또는 표면은 파이프의 컴퓨터 모델링에 의해 식별되는 것을 특징으로하는 용융 파이프의 처짐률을 감소시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 축힘과 각 끝단영역의 일점은 컴퓨터 모델링에 의해 식별되는 것을 특징으로 하는 용융 파이프의 처짐률을 감소시키는 방법.
- 제4항에 있어서, 컴퓨터 모델링은 제한요소 컴퓨터 모델링인 것을 특징으로 하는 용융 파이프의 처짐률을 감소시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 일 끝단 영역의 일점에 적용되는 축힘은 엑티브한 힘이고, 타 끝단 영역의 일점에 적용되는 축힘은 리엑티브한 힘인 것을 특징으로 하는 용융 파이프의 처짐률을 감소시키는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 엑티브한 힘은 공기 실린더와 하나 이상의 스프링 또는 둘 중 어느 하나에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 용융 파이프의 처짐률을 감소시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 파이프에 적용되는 반대방향의 동일한 축힘은 조정가능한 것을 특징으로 하는 용융 파이프의 처짐률을 감소시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 축힘에 의해 파이프의 처짐률은 적어도 25% 감소되는 것을 특징으로 하는 용융 파이프의 처짐률을 감소시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 축힘에 의해 파이프 수명은 적어도 1/3 증가되는 것을 특징으로 하는 용융 파이프의 처짐률을 감소시키는 방법.
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