JP2007269509A - 溶解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単位時間当たりの溶融ガラスの流出量の少ないガラスプリフォームの製造過程において、均一性の高い溶融ガラスを供給するための溶解装置を提供すること。
【解決手段】溶融槽１２内部においては、攪拌羽根１４４が回転し、溶融ガラスＡの液中に対流を引き起こす。これにより、溶融ガラスＡの一部に滞留している成分が溶融ガラスＡの全体に広がり、均一な溶融ガラスＡが得られる。しかしながら、一旦均一になった溶融ガラスＡにおいても、長時間溶解した状態に置かれることによって、脈理が発生する。脈理を含む溶融ガラスＡの一部は、せん断攪拌室１２４に送られ、せん断攪拌により攪拌される。これにより、脈理などの不均一な部分を含む一部の溶融ガラスＡが細かくせん断され、全体として均一な溶融ガラスＡが得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶融ガラスを均質に攪拌する攪拌手段を有する溶解装置に関する。

光学素子などに利用されるガラスプリフォーム（ガラスゴブ）は、原料を溶解装置で溶解し、得られた溶融ガラスを適当な大きさのガラス塊に成形することにより得られる。ここで、ガラスプリフォームの製造過程で用いられる溶解方法としては、連続溶解、及びバッチ溶解が知られている。連続溶解においては、原料の投入、溶解、清澄、及び攪拌をそれぞれの機能のための個別の層で連続的に行うことができるため、ガラスプリフォームを大量に生産する場合などに適している。一方、バッチ溶解においては、原料の投入、溶解、清澄、及び攪拌を単一の槽で回分にて行うため、総生産量の少ないガラスプリフォームを生産する場合などに適している。

ガラスプリフォームの製造においては、高精度に均質で一定の光学特性を有するガラスプリフォームを製造することが重要である。このためには、適切な原料の選択のほか、原料ガラスの溶解、清澄、及び攪拌の段階でも、さまざまに配慮を行う必要があった。特にバッチ溶解により溶融ガラスを供給する場合においては、原料投入が複数回に分けて行われることによる加熱履歴のばらつきや、溶解容器内での場所による加熱履歴のばらつきが発生しやすく、ガラスプリフォームの光学特性が不安定になる原因の一つとなっていた。このような問題を解決するため、従来、攪拌羽根を有する攪拌器具を用いて、溶融ガラスに対流を起こし、攪拌するなどの方法がとられてきた（特許文献１参照）。
特開平２−２５２６２６号公報

しかしながら、近年、口径の小さいガラスプリフォームの製造が可能になると、従来においては、見られなかった問題が発生するようになった。即ち、口径の小さいガラスプリフォームの生産のように、単位時間当たりの溶融ガラスの流出量が少ないガラス製造過程においては、いったん溶解した溶融ガラスを長時間かけて成形するため、溶融槽内の溶融ガラスが局部的に長時間、溶解した状態に置かれる場合があり、溶融ガラスに脈理などが生じて、溶融ガラスの均質性が損なわれるといった問題が生じていた。これは、溶融ガラスの組成物の比重の違いや、溶融ガラスの一部成分の揮発が原因であった。これらの原因により生じた溶融ガラス中の脈理は局部的に発生する傾向にあり、対流攪拌のみでは除去しきれなかった。この結果、脈理がそのまま、ガラス成形装置に送られ、成形されることにより、脈理を取り込んだガラスプリフォームが成形され、屈折率などの光学特性に異常をきたしたガラスプリフォームが生産される結果となっていた。

本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、単位時間当たりの溶融ガラスの流出量の少ないガラスプリフォームの製造過程において、均一性の高い溶融ガラスを供給するための溶解装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、溶解装置において、対流攪拌に加えて、せん断攪拌を行うことにより、均質な溶融ガラスを供給できることを見出し、本発明を完成するに至った。

具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。

（１） 溶融ガラスが対流する対流攪拌室と、前記溶融ガラスをせん断するせん断攪拌室とを含んで成ることを特徴とする溶解装置。

（２） （１）に記載の対流攪拌室とせん断攪拌室とが連続して成ることを特徴とする溶解装置。

（３） （１）又は（２）に記載の対流攪拌室は、前記せん断攪拌室よりも上流に配置されることを特徴とする溶解装置。

（４） 前記対流攪拌室は前記せん断攪拌室と直列に接して形成されるものである（１）から（３）のいずれかに記載の溶解装置。

（５） 前記溶解装置に設けられ、一定方向に回転する回転軸と、前記対流攪拌室内において前記回転軸と一体形成された螺旋状の攪拌羽根と、前記回転軸と略平行に又は前記回転軸から一定の角度を有して前記回転軸と連結し、前記溶融ガラスをせん断するために前記せん断攪拌室内に設けられるせん断板状部と、を備える（１）から（４）のいずれかに記載の溶解装置。

従来の溶融槽のような対流攪拌のみを行う溶融槽においては、全体として攪拌が不十分になるという傾向があった。対流攪拌におけるこのような傾向は、特に単位時間当たりのガラス流出量の少ない生産過程においては、脈理発生の原因となり、ガラスプリフォームの光学特性に異常をきたす原因となっていた。

そこで、（１）から（５）の発明においては、溶融槽内で対流攪拌に加えてせん断攪拌を行う。せん断攪拌においては、せん断板状部の回転に伴い、せん断攪拌室内の溶融ガラスがせん断により分断され、さらにこれが混合される。これが繰り返されることにより、大きな脈理が細かくせん断されるため、全体として均一な溶融ガラスが得られる。

対流攪拌室とせん断攪拌室とが連続して成ることにより、溶融ガラスに対して、対流攪拌とせん断攪拌の両方の攪拌を連続して施すことができる。これにより、より均質な溶融ガラスを提供することが可能となる。

対流攪拌室がせん断攪拌室の上流に配置されることにより、せん断攪拌室は溶融槽の最下流に位置するため、溶融槽から、せん断攪拌された溶融ガラスのみを供給することができる。せん断攪拌によれば、対流攪拌により均質化されなかった溶融ガラスも均質化することができるので、結果として、均質な溶融ガラスを供給することが可能となる。

対流攪拌室とせん断攪拌室とが直列に接して形成されることにより、少ない設置面積の下で、対流攪拌とせん断攪拌とを行うことができる。また、対流攪拌室とせん断攪拌室が直列に接していることにより、１の回転軸に付属する攪拌羽根とせん断板状部により、対流攪拌とせん断攪拌を行うことができる。これにより、少ない動力で、高い攪拌効果を得ることが可能となる。

（６） 水平面における前記せん断攪拌室の室内断面積は、水平面における前記対流攪拌室の室内断面積よりも小さいものであることを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の溶解装置。

（６）の発明によれば、せん断攪拌室の室内断面積が、対流攪拌室の室内断面積よりも小さいことにより、せん断攪拌室に含まれる溶融ガラスの体積を小さくすることが出来る。このため、せん断攪拌によって溶融ガラスを小さく分断することができ、さらに、分断された溶融ガラスの混合も容易になるから、大きな脈理を小さく分断し均一化することができる。

ここで、「水平面」とは、鉛直方向に垂直な面を言う。

（７） 前記せん断板状部の高さは、前記せん断攪拌室の高さの４分の１以上、２倍以下である（５）又は（６）に記載の溶解装置。

（７）の発明によれば、せん断攪拌室の垂直方向の大部分に亘って、せん断攪拌を行うことができる。これにより、せん断攪拌室内でせん断されない溶融ガラスの体積が減少するから、せん断攪拌を効率的に行うことができる。

（８） 前記せん断板状部の幅は、前記せん断攪拌室の半径の１０分の１以上、２分の１以下である（５）から（７）のいずれかに記載の溶解装置。

（８）の発明によれば、せん断板状部の幅が、せん断攪拌室の半径の１０分の１以上であるので、せん断板状部の強度を、粘度の高い溶融ガラス中でせん断攪拌を行っても十分に耐えられるほどに保つことができる。さらに、せん断板状部の幅が、せん断攪拌室の半径の２分の１以下であるので、溶融ガラスの分断や混合を効率的に行うことができ、せん断攪拌を効率的に行うことができる。

ここで、「せん断攪拌室の半径」とは、せん断攪拌室を、これに外接する円筒に置き換えたときの半径を指す。

（９） 前記対流攪拌室と前記せん断攪拌室の境界部に、略水平の板状の障壁を有し、前記障壁の水平面における面積は、水平面における前記せん断攪拌室内の断面積の５分の１以上、１未満である（１）から（８）のいずれかに記載の溶解装置。

（９）の発明によれば、障壁の水平面における面積を水平面におけるせん断攪拌室内の断面積の５分の１以上に保つことにより、対流攪拌室に存在する、脈理などを含む不均一な溶融ガラスが、せん断攪拌室に大量に流入することを防ぐことができる。このため、せん断攪拌室内の溶融ガラスを均質に保つことができる。一方、障壁の水平面における面積を水平面におけるせん断攪拌室内の断面積に対して１未満に保つことにより、対流攪拌室からせん断攪拌室への流入部分の面積を一定の面積以上に保つことができる。このため、対流攪拌室からせん断攪拌室への溶融ガラスの流入が完全に遮断されず、溶融ガラスの滞留が起こることを防ぐことができる。

（１０） 前記溶解装置の材質が、白金、白金合金、金、金合金のいずれかからなる（１）から（９）のいずれかに記載の溶解装置。

（１０）の発明によれば、溶融槽、回転軸、攪拌羽根及びせん断板状部の材質が、溶融ガラス中に金属イオンを溶出しにくい金属である、白金、白金合金、金、金合金のいずれかからなるので、溶融ガラス中に金属イオンが溶出せず、夾雑物の少ない溶融ガラスを得ることができる。さらに、溶融槽、回転軸、攪拌羽根及びせん断板状部の腐食を防止することができる。

（１１） 原料を溶融して溶融ガラスにする溶融槽と、この溶融槽に接続され、前記溶融ガラスを前記溶融槽から排出する誘導路と、を有する溶解装置と、前記誘導路を介して排出された前記溶融ガラスを流下させる流下装置と、流下された溶融ガラスを成形する成形型を有する成形装置と、を備えるガラス成形品製造装置であって、前記溶解装置が（１）から（１０）のいずれかに記載の溶解装置であるガラス成形品製造装置。

（１１）の発明によれば、まず溶融槽において原料を溶融して溶融ガラスを製造し、溶融ガラスを、誘導路を介して溶融槽から排出し、排出された溶融ガラスを流下装置によって成形型に流下する。成形型に流下された溶融ガラス塊は成形、冷却されてガラス成形品が製造される。ここで、溶解装置が（１）から（１０）のいずれかに記載の溶解装置であるので、溶融槽から排出される溶融ガラスの品質が均一に保たれ、均質性の高いガラス成形品を製造することができる。

本発明によれば、対流攪拌にせん断攪拌を組み合わせることにより、溶融ガラスを成形する直前に、溶融ガラスを十分にせん断攪拌し、脈理を低減化することができるから、均質な溶融ガラスを供給することが可能になる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

＜ガラス成形品製造装置の構成＞
本発明に係る、ガラス成形品製造装置は、原料を溶解、攪拌し、溶融ガラスＡを製造する溶解装置１０と、溶解装置１０で製造された溶融ガラスＡを成形、冷却する成形装置３０と、からなる。

（溶解装置）
まず、図１を用いて、溶解装置１０について説明する。図１は本発明に係る溶解装置１０の断面の概略を示した図である。図１に示すように、本発明に係る溶解装置１０は、原料の投入、溶解、清澄、及び攪拌を行うための溶融槽１２と、通電により発熱し、溶融槽１２に熱を供給するための発熱体１６と、一端を溶融槽１２の最下部に接続し、流下装置２２に溶融ガラスＡを排出する誘導路２０と、排出された溶融ガラスＡを成形装置３０に流下する流下装置２２と、溶融槽１２の内部の溶融ガラスＡを攪拌するための攪拌器具１４と、からなる。

（溶融槽）
溶融槽１２は、溶融ガラスＡが対流する対流攪拌室１２２と、対流攪拌室１２２の下部に位置し、対流攪拌室１２２と直列に接して形成され、溶融ガラスＡがせん断されるせん断攪拌室１２４と、からなる。溶融槽１２の材質は、白金、白金合金、金、金合金など、溶融ガラス中に金属イオンを溶出しにくい金属からなることが好ましい。

（攪拌器具）
図１に示すように、攪拌器具１４は、せん断攪拌室１２４の略垂直中心線上に垂直に設けられた回転軸１４２と、対流攪拌室１２２において回転軸１４２と一体形成され、回転軸１４２上に中心線を持つ、螺旋状の攪拌羽根１４４と、せん断攪拌室１２４において回転軸１４２と略平行に形成され、回転軸１４２を中心に対称に設けられたせん断板状部である、２枚のせん断攪拌板１４８と、対流攪拌室１２２とせん断攪拌室１２４の境界部、及びせん断攪拌室１２４の最下部に設けられ、回転軸１４２を中心として、回転軸１４２上に略水平に設けられた円盤である障壁１４６と、からなる。攪拌器具１４の材質は、白金、白金合金、金、金合金など、溶融ガラス中に金属イオンを溶出しにくい金属からなることが好ましい。

せん断攪拌板１４８の高さは、せん断攪拌をせん断攪拌室１２４の大部分にわたって行うという点から、せん断攪拌室１２４の高さの４分の１以上であることが好ましく、３分の１以上であることがさらに好ましい。さらに、せん断攪拌板１４８の高さは、せん断攪拌室１２４の高さの２以下であることが好ましく、１以下であることがさらに好ましい。また、せん断攪拌板１４８の幅は、せん断攪拌板１４８の強度を十分に保つために、せん断攪拌室１２４の室半径の１０分の１以上であることが好ましく、５分の１以上であることがさらに好ましい。さらに、せん断攪拌板１４８の幅は、溶融ガラスＡを効率的にせん断するという点から、せん断攪拌室１２４の室半径の２分の１以下であることが好ましい。

障壁１４６の回転軌跡面積は、脈理を含む溶融ガラスＡが、せん断攪拌室１２４に大量に流入することを防止するという点から、せん断攪拌室１２４の水平方向の断面積の５分の１以上であることが好ましく、４分の１以上であることがさらに好ましい。また、障壁１４６の回転軌跡面積は、溶融ガラスＡのせん断攪拌室１２４への流入を一定以上に保つという点から、せん断攪拌室１２４の水平方向の断面積の１未満であることが好ましく、２分の１以下であることがさらに好ましい。

（誘導路、流下装置）
図２に本発明に係るガラス成形品製造装置の概略を示す。誘導路２０は、一端を溶融槽１２の最下部に接続している。誘導路２０から排出した溶融ガラスＡは、流下装置２２に到達し、流下装置２２の成形装置３０側の末端から成形装置３０に流下される。誘導路２０、流下装置２２の材質は、白金、白金合金、金、金合金など、溶融ガラス中に金属イオンを溶出しにくい金属からなることが好ましい。

（成形装置）
成形装置３０は、回転自在に支承された略円形成形型支持部材３２と、略円形成形型支持部材３２の周縁部の同心位置上に配置され、上記流下装置２２から流下された溶融ガラスＡを受け入れ可能な複数の成形型３６と、を有する。

略円形成形型支持部材３２は、動力伝達部材３４と連設されており、動力伝達部材３４に更に連接された動力源であるモータ（図示せず）が駆動又は停止することによって、一定方向に（例えば、時計回りに）所定速度で回転し、又は停止する。

成形型３６は、凹状成形面３６ａが形成されている。この凹状成形面３６ａは、流下装置２２から流出された溶融ガラスＡを受け入れる面である。凹状成形面３６ａに受け入れられた溶融ガラス塊は、徐々に冷却・固化され、ガラス成形品となる。なお、凹状成形面３６ａは、気体を噴出可能な細孔（図示せず）を有し、この細孔から噴出するものであってもよい。この場合、細孔から噴出された気体により、溶融ガラス塊を凹状成形面３６ａから浮遊して非接触状態に保ち、さらに球状に成形して、ガラス成形品とすることができる。

また、成形型３６としては、溶融ガラスＡを受け入れる下型（成形型３６の一例）と、下型の移動経路上に配置される上型（成形型３６の一例）とを備え、下型に受け入れられた溶融ガラス塊を上型でプレスするものであってもよい。

＜ガラス成形品製造装置の動作＞
（原料の投入、溶解）
ガラスプリフォーム（ガラスゴブ）の製造に際しては、公知の方法により原料を溶解する。即ち、原料を溶融槽１２内に投入し、発熱体１６で加熱することにより溶融ガラスＡを製造することが出来る。

（溶融ガラスの清澄、攪拌、脱泡）
次に、溶融ガラスＡを清澄、攪拌、脱泡することにより溶融ガラスＡを均一化する。溶融ガラスＡの清澄、攪拌、脱泡は公知の方法で行うことができる。

しかしながら、均一化された溶融ガラスＡは、長時間均一な状態を保つことができない。特に、外径の小さいガラスプリフォームの製造過程においては、単位時間当たりのガラス流出量が少ないため、溶融ガラスＡが長時間溶解した状態に置かれることになり、溶融ガラスＡの組成物の比重の違いや溶融ガラスＡの一部の成分の揮発により、溶融ガラスＡの組成が不均一になり、脈理が発生する。

脈理を含む溶融ガラスＡの一部は、せん断攪拌室１２４に送られる。対流攪拌室１２２とせん断攪拌室１２４の境界に障壁１４６が存在することにより、せん断攪拌室１２４へ、脈理を含む溶融ガラスＡが大量に流入することを防止することができる。せん断攪拌室１２４に送られた溶融ガラスＡは、せん断攪拌により攪拌される。すなわち、せん断攪拌板１４８により、せん断攪拌室１２４に含まれる溶融ガラスＡが分断され、さらにこれが攪拌される。これが繰り返されることにより、大きな脈理も細かくせん断され、全体として均一な溶融ガラスＡが得られる。

（溶融ガラスの排出、流下）
せん断攪拌室１２４でせん断攪拌され、均一になった溶融ガラスＡは誘導路２０から排出され、排出された溶融ガラスＡは流下装置２２から成形装置３０流下される。

（動力伝達部材）
成形装置３０が備える動力伝達部材３４は図示しない動力源の回転に連動して、一定の速度で回転する。動力伝達部材３４が回転することにより、動力伝達部材３４が支承する略円形成形型支持部材３２が回転する。動力源には、図示しない制御装置が付設され、ガラス成形品の製造にかかる各工程の進行状況に応じて、動力源を制御することができる。これにより、各工程の進行に応じて制御された、ガラス成形品の製造が可能となる。

（略円形成形型支持部材）
略円形成形型支持部材３２に配置された成形型３６は、略円形成形型支持部材３２が回転することにより、流下装置２２の直下に移動する。流下装置２２から成形型３６に溶融ガラスＡが滴下されると、成形型３６の凹状成形面３６ａに受け入れられた溶融ガラス塊は徐々に冷却・固化される。成形装置３０で、溶融ガラス塊が成形、冷却されることにより、脈理がなく、均一な光学特性を持つガラスプリフォームが製造される。

（ガラス塊の回収）
流下装置２２が成形型３６に溶融ガラスＡを滴下すると、図示しないセンサーが溶融ガラス塊を検知して略円形成形型支持部材３２が回転し、溶融ガラス塊を受け入れた成形型３６が略円形成形型支持部材３２の回転に伴って移動する。略円形成形型支持部材３２の回転に伴い、成形型３６が流下装置２２の直下から図示しない移載装置の直下に移動する。この間に溶融ガラス塊は成形・冷却され、ガラス成形品（ガラスプリフォーム、ガラスコブ）となり、ガラス成形品を移載装置が回収する。

本実施形態においては、溶融槽１２の加熱手段として通電により発熱する発熱体１６を用いているが、これに限定されない。例えば、加熱手段は、燃料の燃焼により加熱する方法、溶融槽１２に直接通電して加熱する方法、及び高周波誘導により加熱する方法でもよい。即ち、加熱手段は、溶融槽１２を均一に加熱できるものであれば、どのようなものでもよい。

本実施形態においては、回転軸１４２を中心として略水平に設けられた円盤である障壁１４６を用いているが、これに限定されない。例えば、障壁の形状は、長方形、三角形、半円形、及び扇形であっても良く、回転軸１４２との連結部位も、障壁の重心部、及び障壁の周縁部であってもよい。また、障壁は、回転軸１４２に連結して設けられているものに限定されず、例えば溶融槽１２の壁面であって、対流攪拌室１２２とせん断攪拌室１２４との境界部の壁面に連結して設けられているものであってもよい。即ち、障壁は、対流攪拌室１２２からせん断攪拌室１２４へ、脈理を含む溶融ガラスＡが大量に流入するのを防止できるものであれば、どのようなものでもよい。

また、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明に係る溶解装置１０の断面の概略を示す図である。 本発明に係るガラス成形品製造装置の全体斜視図である。

符号の説明

１０ 溶解装置
１２ 溶融槽
１２２ 対流攪拌室
１２４ せん断攪拌室
１４ 攪拌器具
１４２ 回転軸
１４４ 攪拌羽根
１４６ 障壁
１４８ せん断攪拌板
１６ 発熱体
２０ 誘導路
２２ 流下装置
３０ 成形装置
３２ 略円形成形型支持部材
３４ 動力伝達部材
３６ 成形型
３６ａ 凹状成形面
Ａ 溶融ガラス

Claims (11)

1. 溶融ガラスが対流する対流攪拌室と、前記溶融ガラスをせん断するせん断攪拌室とを含んで成ることを特徴とする溶解装置。
2. 請求項１に記載の対流攪拌室とせん断攪拌室とが連続して成ることを特徴とする溶解装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の対流攪拌室は、前記せん断攪拌室よりも上流に配置されることを特徴とする溶解装置。
4. 前記対流攪拌室は前記せん断攪拌室と直列に接して形成されるものである請求項１から請求項３のいずれかに記載の溶解装置。
5. 前記溶解装置に設けられ、一定方向に回転する回転軸と、
   前記対流攪拌室内において前記回転軸と一体形成された螺旋状の攪拌羽根と、
   前記回転軸と略平行に又は前記回転軸から一定の角度を有して前記回転軸と連結し、前記溶融ガラスをせん断するために前記せん断攪拌室内に設けられるせん断板状部と、を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の溶解装置。
6. 水平面における前記せん断攪拌室の室内断面積は、水平面における前記対流攪拌室の室内断面積よりも小さいものであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の溶解装置。
7. 前記せん断板状部の高さは、前記せん断攪拌室の高さの４分の１以上、２倍以下である請求項５又は請求項６に記載の溶解装置。
8. 前記せん断板状部の幅は、前記せん断攪拌室の半径の１０分の１以上、２分の１以下である請求項５から請求項７のいずれかに記載の溶解装置。
9. 前記対流攪拌室と前記せん断攪拌室の境界部に、略水平の板状の障壁を有し、前記障壁の水平面における面積は、水平面における前記せん断攪拌室内の断面積の５分の１以上、１未満である請求項１から請求項８のいずれかに記載の溶解装置。
10. 前記溶解装置の材質が、白金、白金合金、金、金合金のいずれかからなる請求項１から請求項９のいずれかに記載の溶解装置。
11. 原料を溶融して溶融ガラスにする溶融槽と、この溶融槽に接続され、前記溶融ガラスを前記溶融槽から排出する誘導路と、を有する溶解装置と、
    前記誘導路を介して排出された前記溶融ガラスを流下させる流下装置と、
    流下された溶融ガラスを成形する成形型を有するガラス成形装置と、を備えるガラス成形品製造装置であって、前記溶解装置が請求項１から請求項１０のいずれかに記載の溶解装置であるガラス成形品製造装置。

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