JP2008511538A - 溶融ガラスの均質化方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、攪拌室の内表面上、特に攪拌シャフト上に凝固して溶融ガラス内に落下するおそれのある酸化白金等の酸化物微粒子による溶融ガラスの汚染を軽減する方法に関する。この方法は、攪拌シャフトと攪拌室カバーとの間の環状空間を通じて気体を流すことを含む。一つの実施の形態においては、環状空間を通る気体の流れは、攪拌室の排気によって発生する。この方法を実施する装置も提供される。

Description

本発明は概して溶融ガラス中の汚染物質を減らす方法に関し、特にガラス焼成工程中の凝固物による汚染を軽減する方法に関するものである。

化学的および熱的均質性は、良質のガラス作製工程の重要な部分である。ガラス溶融工程の機能は一般に、気体状または固体状の含有物質を許容レベル以下に抑えてガラスを製造することにあるが、このガラスは通常化学的に相の異なる脈理を含んでいる。これらのガラスの不均質成分は、高熱溶解、溶融成層、ガラス表面気化、および温度差を含む溶融工程中の種々の正常な現象から発生する。ガラス内に発生した脈理は、色彩および／または屈折率に差があることから肉眼でも見える。

ガラスの均質性を改善するための一つの対策は、溶融機の下流に配置された垂直方向を向いた攪拌室に溶融ガラスを通過させることである。このような攪拌室は、適当なモータによって回転される中心シャフトを有する攪拌機を備えている。上記シャフトからは複数の攪拌ブレードが延び、溶融ガラスが攪拌室の上部から下部へ通過するときに溶融ガラスを混合する機能を有する。本発明は、得られるガラス中にさらなる欠陥、特に凝固した酸化物から生じる欠陥が導入されないように上述の攪拌室を作動させる方法に関するものである。

ガラス攪拌室内で気化した酸化物は、ガラスおよび攪拌室内に存在するいかなる元素からも形成される可能性がある。最も有害な気化した酸化物は、Ｐｔ，Ａｓ，Ｓｂ，ＢおよびＳｎから形成される。溶融ガラス中の凝固可能な酸化物の主な発生源は、ＰｔＯ_２に関しては高温の白金の表面であり、Ｂ_２Ｏ_３，Ａｓ_４Ｏ_６，Ｓｂ_４Ｏ_６，およびＳｎＯ_２に関してはガラスの自由表面である。ガラスの自由表面とは、攪拌室内の雰囲気に曝されたガラスの表面を意味する。ガラスの自由表面の上方の、上述の酸化物の何れかまたは全てを含む、またはその他の気化した酸化物を含む雰囲気は、攪拌室の外部の雰囲気よりも高温であることにより、ガラスの自由表面上の雰囲気が攪拌機シャフトと攪拌室カバーとの間の環状空間等の何れかの開口部を通って自然に上方へ流れる傾向がある。攪拌機シャフトは、ガラスの自由表面との間の距離が離れる程低温になるために、もし上記シャフトおよび／またはカバーの温度が上記酸化物の露点よりも低ければ、攪拌室の雰囲気に含まれる気化した酸化物はシャフトの表面に凝固する。この発生した凝固物が臨界サイズに達すると、脱落してガラス中に落下し、ガラス製品中の異物欠陥または泡欠陥の原因となる。

ガラスの自由表面よりも上方のシャフトを加熱しても、溶融ガラス中の微粒子汚染を軽減するのに中途半端な効果のみしか得られない。

凝固による溶融ガラスの汚染を軽減するための従来の一つの方法は、ガラスに自由表面と攪拌室の上部との間にディスク状のシールドを配置することである。しかしながらこのような方法は、ガラスの上方の攪拌室カバーを加熱することによる等のガラスの自由表面の温度のコントロールを困難にする。これに加えて、上記シールドと攪拌機シャフトとの間の接続箇所が新たな凝固汚染源となる可能性があった。

本発明の一つの広い態様においては、攪拌室を通って溶融ガラスを流動させることを含む溶融ガラスの攪拌方法が提供され、上記攪拌室は少なくとも一つの壁およびカバーを備え、このカバーはそれを貫通する通路を備えている。上記攪拌室はさらに、上記カバーの通路を貫通するシャフトを備え、これにより、上記シャフトと上記カバーとの間に環状ギャップを形成する。上記環状ギャップを通じて気体が少なくとも約１００ｓｃｃｍ（標準立方センチメトル／分）の流量をもって流される。上記気体は、少なくとも約４００ｓｃｃｍの流量をもって流すのが好ましく、少なくとも約９００ｓｃｃｍがより好ましく、少なくとも約１２００ｓｃｃｍが最も好ましい。この気体流は、何れの場所においても上記環状ギャップを下方へ向かって流通するのが好ましい。上記気体は、約０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）の環状ギャップに対して少なくとも約０．３５ｍ／ｓの速度で流れるのが好ましい。上記気体は、必要に応じて他の気体を用いることも可能であるが、空気であることが好ましい。この方法によれば、攪拌機シャフトに沿って効果的に気体を流すことができ、これにより、後に脱落して溶融ガラスを汚染するおそれのある気化した酸化物が上記シャフトに沿って凝固するのを所定の割合で軽減することができる。

ここには上記方法を実施するための好ましい装置（すなわち溶融ガラス攪拌装置）も開示されており、この装置は、溶融ガラスを保持するように構成されかつ貫通通路を画成するカバーを備えた１個の攪拌室と、上記通路を通って上記攪拌室内に延びる１本のシャフトとを備えこれにより上記カバーと上記シャフトとの間に環状ギャップを画成する１個の攪拌機と、上記攪拌室を排気するための１本または複数本の気体流管とを備えており、これら気体流管は攪拌室内に端部を有し、この気体流管の端部は上記溶融ガラスの表面の上方には突出していない。

この装置の別の実施の形態においては、上記カバーと上記攪拌室の壁との間に環状のスペーサプレートが配置されており、このスペーサプレートは、上記攪拌室を排気または加圧するための複数の気体流路を備えている。これら気体流路は、１個のマニホールドに連結されている。このマニホールドは、上記攪拌室を排気すべきか、あるいは気体で加圧すべきかに応じて、減圧装置または加圧装置に流体連結される。

本発明は、添付図面を参照した、何らの限定をも加えるものではない下記の詳細な説明により、さらに容易に理解され、かつその目的、特徴、細部および利点がより明らかになるであろう。

図１は、本発明の一実施の形態による溶融ガラスの均質化方法を実施するための装置を示す。図１の攪拌室１０は、流入パイプ１２および流出パイプ１４を備えている。図示の実施の形態においては、矢印１３で示されているように、流入パイプ１２を通って溶融ガラスが攪拌室１０内に流入し、矢印１５で示されているように、流出パイプ１４を通って攪拌室１０から外部へ流出する。攪拌室１０は、ほぼ垂直方向を向いた円筒形であることが好ましい少なくとも一つの壁１６を備えているが、攪拌室は楕円形または六角形等の他の形状を有するものでもよい。この攪拌室は、白金または白金合金からなる内張り１８を備えているのが好ましい。内張り材料は、導電性とともに耐食性を含む同様の耐熱性を備えた他の材料に代えてもよい。ガラス流入パイプ１２は、攪拌室１０の底部またはその近傍に配置され、ガラス流出パイプ１４は攪拌室１０の頂部近傍に配置されている。しかしながら、溶融ガラスが頂部から攪拌室内に流入し、攪拌室の底部から流出するように、流入パイプ１２および流出パイプ１４を反対にしてもよいことは、当業者であれば認識するであろう。流入・流出パイプの中間位置で、適当な攪拌（すなわち所望の程度の均質化）も行なわれる。

攪拌室１０はさらに、シャフト２２と、このシャフトから攪拌室の壁１６に向かって外方へ延びる複数のブレード２４とを備えた攪拌機２０を有する。シャフト２２は、一般に垂直方向を向き、かつこのシャフト２２の下部から延びている複数のブレード２４が、溶融ガラスの自由表面２６の下方に少なくとも部分的に沈んだ状態で攪拌室内において回転するように、回転可能に取り付けられている。溶融ガラスの表面温度は一般に約１４００℃と１６００℃の間の範囲にあるが、この温度はガラスの組成に応じて上下する。攪拌機２０は白金で構成されているのが好ましいが、白金合金、または拡散強化された白金または白金合金（例えばジルコニアで強化された白金合金）でもよい。

図１に示されているように、攪拌室１０は、例えばシステムの操業停止時に攪拌室からガラスを抜き取るためのドレーンチューブ２８を備えていてもよい。それに加えて（またはそれに代えて）、攪拌室１０はオプションとしてのガラス溜め３０を備えていてもよい。攪拌機２０は適当な駆動手段によって回転される。例えば攪拌機２０は、電動モータ（図示せず）によって、適当な歯車装置または伝導ベルトを介して回転される。

本実施の形態によれば、攪拌室１０は攪拌室カバー３２によって覆われている。攪拌室カバー３２は壁１６に直接取り付けられていても、あるいは高温シール材料が壁とカバーとの間に配置されていてもよいが、壁とカバーの間のシールは、いずれにしても、カバーと壁との間に気体が流れるのを防止するのに十分なものでなければならない。また、カバー３２は、このカバーを加熱するためのカバーヒータ３４を備えていてもよく、したがってカバーヒータ３４は、攪拌室１０を通過する溶融ガラスの自由表面の温度をコントロールするのに役立つ。カバーヒータ３４は一般に、攪拌室カバーの耐熱性材料内に埋め込まれた、一般に白金からなる抵抗コイルを含む。この抵抗コイルには、直流を流してもよいが、交流電流が供給されることが好ましい。攪拌室カバーは一般に、溶融ガラスの自由表面から約５．０８ｃｍ（２インチ）と約７．６２ｃｍ（３インチ）の間の距離だけ離れているが、この距離は必要に応じてより長くしてもよい。このようにして、攪拌室カバー３２と、攪拌室の壁１６と、ガラスの自由表面２６との間に容積３５が画成されている。

攪拌室カバー３２はまた、攪拌機シャフト２２が貫通する通路を備えている。この通路の内表面には、ケーシング３６を形成する内張りが設けられている。高温と、溶融ガラスから発生する腐食性気体および凝固物質のために、ケーシング３６は、攪拌室の他の部品と同様に耐食性であることが望ましい。ケーシング３６は一般に白金または白金合金からなる。攪拌室カバー３２の通路を貫通するシャフト２２は、シャフト２２の外表面と通路の内表面との間、またはケーシング３６が備えるべき内表面との間に環状ギャップ３８を形成し、この環状ギャップ３８は、シャフト２２の外表面とケーシング３６の内表面との間に形成されている。混乱を無くすために、以後ケーシングの内表面とのみ呼ぶが、どちらが適用されても、双方の場合を意味すると解釈される。シャフト２２の攪拌室カバー３２よりも上方の部分は、シャフトヒータ４０を内蔵した耐熱材料で囲まれている。シャフトヒータ４０はカバーヒータ３４と同様に、抵抗加熱素子を備えていることが好ましい。この加熱素子は白金からなることが好ましいが、白金合金でもよい。

絶縁層４２が攪拌室カバー３２の上に配置されている。絶縁層４４が同様にシャフトヒータ４０を取り囲んでいる。環状ギャップ３８は回転するシャフトとケーシング、ヒータ、絶縁層およびカバーとの間の接触を無くしている。ケーシング３６の内周縁の中心、すなわち環状空間に囲まれた中心が、約０．３８１ｃｍ（０．１５インチ）以内だけ、より好ましくは約０．３０５ｃｍ（０．１２インチ）以内だけ、最も好ましくは約０．１０２ｃｍ（０．０４インチ）以内だけシャフトの中心からオフセットされているのが好ましい。このことは、シャフトの中心と環状ギャップの中心との間のオフセットαとして図２に示されている。環状ギャップ３８の幅Ｌは少なくとも約０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）、多くとも約１．２７ｃｍ（０．５インチ）であることが好ましい。

本実施の形態によれば、少なくとも１本の気体流管５０が攪拌室１０の外部から攪拌室１０の内部、すなわち容積３５内まで延びている。各気体流管は、凝固した酸化物が接触しても実質的な劣化を伴わずに攪拌室内の一般に１４００℃を超える高温に耐えることが可能な材料から構成されていなければならない。各流管は、少なくとも約１，２７ｃｍ（０．５インチ）の内径を有し、白金合金等の他の材料も使用可能であるが、苛酷な攪拌室内の環境から生じ得る腐食またはその他の劣化（ひび割れ等）に対して耐性を示す白金からなることが好ましい。

気体流管５０の攪拌室１０内にある端部５２は、攪拌室内のガラスの自由表面上には直接延びていないことが効果的である。図１には２本の気体流管５０が示されている。図１に示されているように、気体流管の端部５２は、溶融ガラスの自由表面２６上に位置してはおらず、攪拌室の壁の頂面の環状領域内で終端している。したがって、本実施の形態は、気体流管の端部５２に堆積され、次いで端部５２から剥がれる凝固物が溶融ガラスの自由表面２６上に落下するのを防止し得る利点がある。溶融ガラスの自由表面２６上に落下する凝固物は溶融ガラスを汚染するおそれがあり、溶融体から生成されたガラスの内部の異物またはその他の欠陥となること明らかである。

攪拌シャフトとカバーケーシングとの間の環状ギャップを通る拡散による上向きの流れを、対流により上記環状ギャップを通る気化した酸化物の下向きの流れで克服するために、下式で定義されるペクレ数は１の値よりも大きいことが好ましい。すなわち、
Ｐｅ＝Ｕ・Ｌ／Ｄ
上式において、Ｐｅはペクレ数、Ｕは下向きの気体の速度（ｍ／ｓ）、Ｌはカバーケーシングと攪拌シャフト２２の外表面との間の環状ギャップの幅（ｍ）、Ｄは酸化物の拡散率（ｍ^２／ｓ）である。攪拌シャフトに沿った、特に攪拌シャフトを囲む環状ギャップ３８の内部および上部における気化した酸化物の凝固は、適当に高い速度Ｕの下向きの気体によって排除することができる。同時に、ガラスの自由表面２６からの蒸発を可能な限り低減するために、かつ環状ギャップ３８を通る気体流によるガラスの自由表面２６の冷却を制限するために、気体の速度は低くすることも望ましい。これらの競合する要求を合理的にバランスさせる必要がある。

対立する温度勾配からの不安定性により別の気体速度の制限が存在する。攪拌シャフト２２は、攪拌室カバー３２の下方よりも攪拌室カバー３２の上方の方が低温（一般に少なくとも８００℃）のために、環状ギャップ３８を通る気体流が十分でないときに環状ギャップ３８を通る気体流に浮力による不安定性が発生する可能性がある。環状ギャップ３８内には対流セルが、環状ギャップの或る領域では気体流が上を向き、他の領域では下を向くように発生する。このような対流セルは、気化した酸化物を環状ギャップ３８内へ運び、環状ギャップ３８を通る気体流を分裂させる。しかしながら、もし下向きの気体速度Ｕが十分に大きければ、浮力による不安定性は克服される。

ここで説明されている装置を用いた本発明の方法の一実施の形態においては、真空ポンプおよびその配管等の適当な減圧装置（図示せず）によって、この装置の少なくとも１本の気体流管５０を通じてガラスの自由表面上の容積３５が減圧される。換言すれば、気体流管５０の一端は攪拌室内の容積３５内に延び、他端は適当な減圧装置に連結され、したがって、減圧装置は、気体流管５０を通じて攪拌室内部に連通している。真空ポンプとしては例えば圧縮空気で駆動されるベンチュリポンプを使用することができるが、従来から知られている他の真空ポンプを用いてもよい。気体流管５０を通じて攪拌室から排出される気化した酸化物が、シャフト２２上またはケーシング３６の内表面でなく気体流管内で凝固し得るように、気体流管の表面は、溶融ガラスの表面の温度よりも低温であることが好ましく、かつ容積３５内の気化した酸化物の露点よりも低いことが好ましい。ガラスの自由表面の上方の空間内の気化した酸化物の露点は、ガラスの組成および容積３５内に存在する表面の温度に左右される。シャフトに沿った酸化物の露点の計算は、シャフトに沿った温度輪郭、特定の酸化物の拡散率、環状ギャップ３８を通る気体流の速度Ｕ、およびその酸化物に関する濃度に対する露点曲線に基いて行なうことができる。一般の気化した酸化物に関する露点は、ＡＳ_４Ｏ_６に関する５５９℃という低いものからＰｔＯ_２に関する１４５５℃という高いものまである。

気体流の速度は、酸化物の露点がシャフトに沿った全ての点におけるシャフトの温度よりも低く保たれるように選択される。気化した酸化物はシャフトに沿ってではなく気体流管５０内で凝固するのが好ましいので、気体流管５０は、個々に交換可能であり、かつ凝固した酸化物が減圧装置を汚さないようにするためのフィルタをさらに備えるように構成される。フィルタは、例えば、ノーカル・プロダクツ社(Nor-Cal Products Inc.)から販売されている、ステンレススチール製の網、または気体がそこを通過して流れる適当な缶または容器に容れられたウールを含む。

減圧された容積３５の内部と、大気圧の攪拌室外部との圧力差により、攪拌室外部から大気が環状ギャップ３８を通って容積３５内に流入する。不安定にする温度勾配の存在にも拘わらず、この大気流の速度および容積は、（容積３５内が減圧されている場合は）この大気流が何れの場所においても環状ギャップ３８内を下方へ向かうように十分に大きい。さらに大気流の速度は、拡散による環状ギャップを通じた凝固物の上方への搬送を排除するように十分に大きくしなければならない。この環状ギャップ３８を通じた大気の流量は少なくとも約１００ｓｃｃｍであることが好ましく、流量が１６００ｓｃｃｍほど多くてもよいが、約４００ｓｃｃｍと約９００ｓｃｃｍとの間がより好ましい。

本発明の装置の別の実施の形態においては、図３に示されているように、スペーサプレート５６が攪拌室の壁１６とカバー３２との間に介装されている。スペーサプレート５６は、このスペーサプレート５６を貫通する、上述の実施の形態における気体流管と同様の機能を有する、少なくとも一つの気体流路５８を備えている。本実施の形態においては、気体流管５０は必要としない。スペーサプレート５６は、このプレートの周囲に配置された複数の気体流路５８を備えていることが好ましい。少なくとも一つの気体流路は、個別に減圧装置または加圧装置に連結される。しかしながら、マニホールド６０がスペーサプレート５６を取り囲んでおり、カバー３２、ガラス表面２６およびスペーサプレート５６の間に画成された容積３５内の雰囲気の圧力に関して正圧を必要とするか負圧を必要とするかに応じて、上記少なくとも一つの気体流路を減圧装置または加圧装置に連結する。多数の気体流路が用いられる場合にはマニホールドの使用が望ましい。前述のように、気体流路または下流の配管内に蓄積するおそれのある凝固物を取り除くためのフィルタ装置を設けることが望ましい。図３の装置は、気体流管５０を備えていないが、もし必要であれば気体流管５０を用いてもよい。図４はスペーサプレート５６およびマニホールド６０の断面平面図である。攪拌室を排気するためにマニホールド６０が減圧装置に連結されているか、あるいは攪拌室を加圧するためにマニホールド６０が加圧装置に連結されているかに応じて、マニホールドに対する気体の流入または流出するのを矢印６２が示している。

前述の実施の形態の場合と同様に、攪拌室の容積３５内に開口している気体流路の開口部６４は、これら開口部の周囲に凝固するおそれのある気化した酸化物が攪拌室内の溶融ガラス内に落下しないように、攪拌室の壁１６の内表面から引っ込んでいることが好ましい。前述のようにフィルタ装置が、例えばマニホールド６０を減圧装置（図示せず）に連結するパイプ６６内に適当に取り付けられる。したがって本発明は、ここに示された特定の好ましい実施の形態に限定されるものではない。

本発明の精神および範囲から離れることなしに種々の変形、変更が可能なことは当業者には明らかであろう。本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内でなされた本発明の変形、変更をもカバーすることを意図するものである。

攪拌室カバーおよびガラスの自由表面の上方の攪拌室領域に入る気体流管を示す本発明の一実施の形態による例示的攪拌室の断面図 攪拌室カバーの内周面の中心と攪拌シャフトの中心との間のオフセットを示す図 攪拌室、攪拌室カバー、および攪拌室と攪拌室カバーとの間に配置されたスペーサプレートを示す本発明の別の実施の形態による例示的攪拌室の断面図 攪拌室壁と攪拌室カバーとの間に使用される気体マニホールドと、攪拌室を排気または加圧するための気体流路とを備えたスペーサプレートを示す断面平面図

符号の説明

１０ 攪拌室
１６ 攪拌室の壁
２０ 攪拌機
２２ 攪拌機のシャフト
２６ ガラスの自由表面
３２ 攪拌室カバー
３４ カバーヒータ
３５ 容積
３６ ケーシング
３８ 環状ギャップ
４０ シャフトヒータ
５０ 気体流管
５６ スペーサプレート
５８ 気体流路
６０ マニホールド

Claims (11)

1. 溶融ガラスの攪拌方法であって、
   攪拌室を通って溶融ガラスを流動させる工程であって、前記攪拌室は少なくとも一つの壁およびカバーを備え、該カバーはそれを貫通する１本の通路を備え、前記攪拌室はさらに、前記カバーの通路を貫通するシャフトを備え、これにより、該シャフトと前記カバーとの間に環状ギャップを形成しているステップ、および
   前記環状ギャップを通じて気体を流すステップ、
   を有してなり、
   前記気体が少なくとも約１００ｓｃｃｍの流量をもって前記環状ギャップを通って流れることを特徴とする溶融ガラスの攪拌方法。
2. 前記気体が空気であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記気体の流量が少なくとも約４００ｓｃｃｍであることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記気体を流すステップが、前記ガラスの表面上の前記攪拌室の内部を減圧状態にすることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記気体を流すステップが、前記攪拌室を加圧することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記気体流が、何れの場所においても前記環状ギャップを下方へ向かって通過することを特徴とする請求項４記載の方法。
7. 前記減圧状態が少なくとも１本の気体流管を通じて前記攪拌室を排気することによって形成され、前記気体流管が、前記攪拌室内の溶融ガラスの表面上には突出していない該攪拌室内の端部において終端していることを特徴とする請求項４記載の方法。
8. 前記攪拌室が少なくとも１本の気体流管を通じて加圧され、前記気体流管が、前記攪拌室内の溶融ガラスの表面上に突出していない該攪拌室内の端部において終端していることを特徴とする請求項５記載の方法。
9. 前記減圧状態が少なくとも１本の気体通路を通じて前記攪拌室を排気することによって形成され、該気体通路が前記攪拌室の壁と該攪拌室のカバーとの間のスペーサプレート内に配置されていることを特徴とする請求項４記載の方法。
10. 溶融ガラスの攪拌装置であって、
    溶融ガラスを保持するように構成されかつ貫通通路を画成するカバーを備えた１個の攪拌室と、
    前記通路を通って前記攪拌室内に延びる１本のシャフトを備え、前記カバーと前記シャフトとの間の空間が環状ギャップを画成する１個の攪拌機と、
    前記攪拌室を通って気体を流すための少なくとも１本の気体流管と、
    を備え、該気体流管が、前記攪拌室内に前記溶融ガラスの表面の上方に突出していない端部を有することを特徴とする溶融ガラスの攪拌装置。
11. 前記気体流管が減圧装置に連結されていることを特徴とする請求項１０記載の装置。

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