JP2011102207A - 溶融ガラスの供給装置及び供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ノズルが、その周囲の温度変化による影響を受けにくいようにしてノズル温度を安定化し、流出ガラスの失透やガラス塊への脈理の発生を抑え、ガラス塊の質量バラツキを小さくすることができるガラスの供給装置及び供給方法を提供する。
【解決手段】ガラス材料を加熱して溶融ガラスとするガラス溶融炉２と、該ガラス溶融炉２の底部に接続され、前記溶融ガラスを導出する白金又は白金合金製のガラス流出管３と、ガラス流出管３を通電加熱する通電加熱手段４と、ガラス流出管３の先端に設けられ、溶融ガラスを流出させるノズル５と、を有するガラスの供給装置であって、ノズル５の外周を囲うようにして配置された白金又は白金合金製の円筒形状のマッフル６と、該マッフル６を加熱するためのマッフル加熱手段７と、マッフル６の温度を熱電対８により検出しながら制御する温度制御手段９と、を有するガラスの供給装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶融させたガラス材料を、流出管を介して供給する溶融ガラスの供給装置及び供給方法に係り、特に、流出管先端に設けられたノズルの加熱状態を安定化させた溶融ガラスの供給装置及び供給方法に関する。

ガラス塊やガラス製品を製造するには、ガラス溶融炉で溶融した溶融ガラスが、白金又は白金合金製のガラス流出管を介して成形型、鋳型等に供給される。このとき、溶融ガラスが流通するガラス流出管には、直接通電してガラス流出管自体を加熱し、流通する溶融ガラスの温度を所定の温度に維持して、ガラスが結晶化することにより失透（以下、失透と言う）しないように温度制御が行われる。

しかし、このように流出管のみを温度制御するだけでは、流出管の最先端の外部に露出しているノズル部分は、温度の低下が起きやすい。ここで溶融ガラスの温度が下がってしまうと、ガラスが失透してしまうおそれがあり、それに伴い、ガラスの流出開始が困難になったり、１回のガラス流出量が制限されたりする問題があった。

このようなノズル周辺でガラスが失透する問題に対しては、ノズル部分を加熱してガラスを失透させないようにすればよく、このようなノズル加熱の手段として、例えば、ノズルの周囲に円筒状のカバーを設け、このカバーの周囲にリングバーナーを配設してカバーを加熱し、その輻射熱によりノズル部を均一に加熱する方法（特許文献１参照）、ノズル部分を通電してノズルを通電加熱する方法、ノズル部分を高周波により誘導加熱する方法（特許文献２参照）、ノズル部分の周囲にコイルを配置し誘導加熱する方法（特許文献３参照）等が提案されている。

特開平１０−１３１８号公報 特開平８−２１７４６３号公報 特許第４３１３７５３号公報

しかしながら、特許文献１記載の装置は、カバーの温度やノズル部分の温度は制御されておらず、多少のノズル温度のバラツキが生じることは免れない。また、バーナー炎を用いているため、その周囲で空気が激しく動いて乱流が生じ、この外乱の影響により燃焼が安定せず、ノズル周囲の温度が安定しないという問題がある。

また、特許文献２記載の装置は、通電加熱にしろ、高周波加熱にしろ、ノズルはむき出しとなっているため、その周辺の温度変化等による外乱の影響を受けやすく、短周期で温度変化してしまい、温度制御側も常に温度調整する必要があり多少の温度のオーバーシュートが免れず、結果として温度が安定しないという問題がある。また、通電加熱による場合には、ノズルの通電される断面積が異なることで部分的に電流密度が異なることとなり、ノズル温度にムラが生じやすいという問題がある。

そして、特許文献３記載の装置は、誘導加熱によるものであるが、ノズルは外乱の影響を受けやすく、短周期で温度変化するため、温度制御側も常に温度調整する必要があり多少の温度のオーバーシュートが免れず、温度バラツキが発生してしまう。また、高周波コイルのコイル幅やノズルとの隙間のバラツキなどにより、ノズル表面への加熱状況も均一ではなくノズル表面温度にムラが生じやすいものであった。なお、特許文献３では、熱電対を直接パイプに接続しており、温度変化に敏感でありオーバーシュートしやすいものでもある。

上記のように、従来のノズルを直接加熱するものは、ノズルがむき出しであるため周囲の外乱の影響を受けやすく、また、カバーを用いたものもバーナー炎自体が乱流の影響を受けやすいためカバー温度が安定せず、いずれもノズルの設定温度に対して温度バラツキが発生し、流出ガラスの失透や、ガラス塊への脈理の発生、ガラス塊の質量バラツキが生じる等の問題があった。

そこで、本発明は、ノズルが、その周囲の温度変化による影響を受けにくいようにしてノズル温度を安定化し、流出ガラスの失透やガラス塊への脈理の発生を抑え、ガラス塊の質量バラツキを小さくすることができるガラスの供給装置及び供給方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、ガラスの供給装置のノズルについて、熱電対により温度制御したマッフルを用いて加熱することにより、ノズルの温度ムラを解消することができることを見出し、本発明を完成したものである。

すなわち、本発明のガラスの供給装置は、ガラス材料を加熱して溶融ガラスとするガラス溶融炉と、該ガラス溶融炉の底部に接続され、前記溶融ガラスを前記ガラス溶融炉から導出させる白金又は白金合金製のガラス流出管と、ガラス流出管を通電加熱する通電加熱手段と、ガラス流出管の先端に設けられ、溶融ガラスを流出させるノズルと、を有するガラスの供給装置であって、ノズルの外周を囲うようにして配置された白金又は白金合金製の円筒形状のマッフルと、該マッフルを加熱するためのマッフル加熱手段と、前記マッフルの温度を熱電対により検出しながら制御する温度制御手段と、を有することを特徴とするものである。

また、本発明のガラスの供給方法は、ガラス溶融炉でガラス材料を溶融する溶融工程と、得られた溶融ガラスを、ガラス溶融炉の底部に接続され通電加熱されている白金又は白金合金製のガラス流出管に導出させる溶融ガラス導出工程と、ガラス流出管に導出された溶融ガラスを、ガラス流出管の先端に設けられたノズルから成形型又は鋳型へ流出させる流出工程と、を有するガラスの供給方法であって、ノズルが、白金又は白金合金製のマッフルで外周を囲われ、該マッフルが所定の温度範囲に維持されるよう加熱手段により温度制御されていることを特徴とするものである。

本発明のガラスの供給装置及び供給方法によれば、ノズル周辺に設けた円筒状のマッフルにより、ノズル周辺の温度を安定化させて乱流や外気温変化等の外乱による影響を受けにくくすることで、また、マッフルに設けた熱電対によりマッフル温度を制御することでノズル周辺の外乱による温度変化の影響を受けにくくなりマッフルの加熱源の出力変動が少なくなるため、ノズル温度のオーバーシュートや温度バラツキを小さくすることができる。

このように、円筒状のマッフルとマッフル上部の測温制御により、ノズルの温度バラツキが少なくなり、温度ムラも発生しなくなったことで、流出ガラスの失透や脈理の発生頻度を低下させ、流出ガラスの質量バラツキを小さくすることができ、歩留を向上させることができる。

本発明の一実施形態であるガラスの供給装置の構成断面図である。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。
まず、図１は本発明の一実施形態であるガラスの供給装置の構成断面図である。

図１に示したように、本発明のガラスの供給装置１は、内部にガラス材料を収容して溶融するガラス溶融炉２と、ガラス溶融炉２から溶融したガラス材料を導出させるガラス流出管３と、ガラス流出管３を通電加熱するための加熱手段４と、ガラス流出管３を流通してきた溶融ガラスを流出させるためのノズル５と、ノズル５の周囲を囲う、ノズルを加熱するためのマッフル６と、該マッフル６を加熱するためのマッフル加熱手段７と、マッフル６の温度を熱電対８により検出しながら制御する温度制御手段９と、から構成されるものである。

ここで、ガラス溶融炉２は、ガラス材料を溶融するものであれば特に限定されるものではなく、通常、ガラス材料に直接触れてガラス材料を溶融する溶融容器と、この溶融容器を加熱するための加熱手段と、を有するものである。このようなガラス溶融炉としては、例えば、溶融槽、清澄槽、均一槽をそれぞれ溶融容器として備えた連続炉や、金や白金又はそれらの合金からなるるつぼを溶融容器として用いることができる。

ガラス流出管３は、上記したようなガラス溶融炉２の底部に接続されており、ガラス溶融炉２で溶融されたガラス材料がその内部を流通することで所定の位置まで移動させるものである。なお、このガラス流出管３は、ガラス材料へ不純物が移行することによる汚染を防止し、溶融ガラスを流通させる際に十分な強度を有し、かつ、溶融ガラスの流出管内部での失透を防止するための加熱が容易な熱伝導性の良好な白金又は白金合金が適している。

通電加熱手段４は、上記ガラス流出管３を加熱して、溶融ガラスがガラス流出管３中で失透しないようにするためのものであり、ガラス流出管３全体を加熱することができるようになっている。

この通電加熱手段４としては、典型的にはガラス流出管の両端に設けた２つの電極（図１の電極４ａ及び４ｂ）間に交流電圧を印加してガラス流出管３に電流を流して加熱するものである。このように加熱されたガラス流出管３は、その熱により内部に流通する溶融ガラスを所定の温度に維持することができる。

ここで、通電加熱に用いられる電極は、その間の距離が長くなると必要な電圧が大きくなるため、適当な距離で複数組設けることでガラス流出管３の全体が所定の温度になるようにしている。このとき、ガラス流出管３の位置によって温度を制御する回路を複数設け、制御される電圧、電流値を調整する事で、それぞれ独立に温度制御を行うことができる。複数の制御回路により溶融炉からノズルまでの温度差を徐々に下げることができ、上部のガラス流出管では温度を流量調整、下部のガラス流出管及びノズルではガラス粘性調整が可能となる。例えば、ガラス流出管３を流通する間に、溶融炉の導出時からノズルで流出させるまでの間に、順次５〜１０℃程度温度を下げていき、ノズル流出時に、所望の流出量、温度、粘性にするように構成することもできる。

次に、ノズル５は、ガラス流出管３の先端部に設けられ、ガラス流出管３を流通してきた溶融ガラスを外部に流出させて下方に配置された成形型、鋳型等に供給する。このノズル５は、白金又は白金合金で形成されるものである。ノズル５の先端では、流出する溶融ガラスが外気と接触するため、空気と接触する領域の温度差や溶融ガラスの動きの影響で空気の乱れが生じ、このため溶融ガラスの温度が不安定になりやすい。そこで、本発明においては、このノズル５の周囲には、次に説明するようなマッフルが設けられている。

マッフル６は、白金又は白金合金により円筒形状に形成されており、ノズル５の外周を囲うように配設される。このマッフル６は、ノズル５の外周を覆っているだけではなく、その上面も閉じられている。このように形成することで、ノズル５の周囲の空気の流れを生じにくくしてノズル５の温度変化を小さくすることができる。

このように円筒状で、その上面が閉じられているマッフルでは、例えば、その上面の中心を流出管３又はノズル５が貫通し、流出管３又はノズル５とマッフル６間は、溶接等により一体的に固定されている。なお、マッフルの下面は、ノズル５から流出される溶融ガラスを、例えば下方に配置された成形型、鋳型等に供給（滴下）できるように開放されている。

そして、このマッフル６は、それ自身がマッフル加熱手段７により全体が加熱され、その輻射熱によりノズル５の周囲の空気を温めることで間接的にノズル５を加熱することができるようになっている。このとき、マッフル６は、上記したように下面のみが開放されている構成であるために、温められた空気はマッフル内部に留まり、空気の流れが生じにくくなっており、ノズル５の温度を低下させないようになっている。

ここでマッフル加熱手段７は、マッフル全体を加熱することができるものであればよく、例えば、高周波加熱やランプヒーター加熱、炭化珪素や二桂化モリブデンヒーター加熱、ニクロム線、白金線ヒーター加熱等が挙げられる。このマッフル加熱手段７は、熱電対８によりマッフル６の温度を検出して、その検出した温度に応じて、その結果をフィードバックしてマッフル６を所定の温度範囲に維持することができる温度制御手段９に接続されている。

ここで、熱電対８は公知の熱電対を用いればよいが、この熱電対８は、マッフル６の上面に設けられることが好ましい。ノズル５の熱電対８をマッフル６の上面に設けることにより、この熱電対８の周囲における空気の流れはノズルの周囲に比べて生じにくくなっており、温度変化も生じにくくなっている。このようにして、微小な温度変化に敏感に反応せず、熱電対８の起電力の変動を小さくすることで、オーバーシュートを防止することができる。

温度制御手段９は、熱電対８で検出されるマッフル６の温度により、その検出結果をフィードバックしてマッフル６の温度を所定の範囲に維持するようにするものであり、例えば、検出結果により、マッフル加熱手段７のＰＩＤ制御やＯＮ−ＯＦＦを制御することができるもの等が挙げられる。

ここで、本発明は、マッフル６内側の輻射でノズル５を間接加熱しているため、ノズルの直接加熱で生じていたような入熱時に局所的に温度が高くなる温度ムラが生じることがなく、流出ガラスの失透や脈理の発生を抑え、流出ガラスの質量バラツキを小さくし、安定してガラスを供給することができる。

次に、本発明の溶融ガラスの流出方法について説明する。
このガラスの供給装置１を使用してガラスを流出させるには、まず、ガラス溶融炉２でガラス材料を溶融し、得られた溶融ガラスを、ガラス溶融炉２の底部に接続された白金又は白金合金製のガラス流出管３に、該ガラス流出管３を通電加熱しながら導出させる。

導出された溶融ガラスは、流出管を流通して先端に設けられたノズル５から流出させるが、その際、ノズル５の外周は温度制御された白金又は白金合金製のマッフル６で囲われており、このマッフル６により、ノズル５の周囲の温度を間接的に制御している。

このマッフル６の温度は、そのマッフル６を加熱するマッフル加熱手段７と、マッフル６の上部に配設された熱電対８と、熱電対８により検出された温度によりマッフル加熱手段７を動作させてマッフル６の温度を制御する温度制御手段９と、により所定の温度範囲になるように制御されている。

このようにして流出した溶融ガラスは、ガラス塊を製造する成形型や板状ガラス又は成形ガラスを成形するための鋳型等に供給するようにして、成形型又は鋳型上で固化させることでガラス製品とすることができる。

このとき、溶融ガラスの粘性は３〜２０ｄＰａ・ｓとなるような温度に加熱することがガラス流出管３を流通し、ノズル５から流出させることを円滑に行うことができ好ましい。また、その流量は、ガラス流出管３の径や供給先により適宜決定することができるが、例えば、ガラス塊を製造する際には、１．４〜６．９ｃｃ／分とすることが好ましい。そして、ガラス塊とする際には、得られるガラス塊の体積が０．０２〜５ｃｃの範囲となるようにすることが好ましい。

なお、上記説明した構成要素のみ、すなわち、ガラス材料を加熱して溶融ガラスとするガラス溶融炉と、該ガラス溶融炉の底部に接続され、ガラス溶融炉から溶融ガラスを導出させる白金又は白金合金製のガラス流出管と、ガラス流出管を通電加熱するための加熱手段と、ガラス流出管を流通してきた溶融ガラスを流出させるためのノズルと、ノズルの周囲を囲い、ノズルを加熱するためのマッフルと、該マッフルを加熱するためのマッフル加熱手段と、マッフルの温度を熱電対により検出しながら制御する温度制御手段と、から構成されるガラスの供給装置とすることで、簡便な装置構成でありながら、安定してガラスを溶融して供給することができる。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

（実施例１）
図１に示した、ガラス溶融炉（溶融槽、清澄槽、均一槽を別々に備える連続炉）と、その下方に出た通電加熱されるガラス流出管と、このガラス流出管の先端に設けられた溶融ガラスが流出させるノズルと、ノズルの周囲に設けられた温度制御されるマッフルと、を有するガラスの供給装置を用いた。

なお、ここで用いたノズルの外径はφ７ｍｍ、ノズル長は３０ｍｍである。ノズルの周囲を囲うマッフルは、円筒形状で、その上面は閉じられ、下面のみが開放されており、上面の中心はノズルが貫通するようにして溶接により固定されている。このマッフルの外径はφ３０ｍｍで、高さは３２ｍｍ、厚さは１ｍｍである。また、マッフルの下端はノズルの最先端部よりも１ｍｍ低くなるようにして固定され、ノズルはマッフル内部に完全に収容されている。そして、このマッフルには、その外周の上部に熱電対が配設され、その熱電対により検出された温度によりマッフル加熱手段を制御する温度制御手段も設けられている。

なお、本実施例では、流出したガラスを成形型に供給してガラス塊を形成するが、ここで用いたガラス塊の成形装置は、４０個の成形型をセットすることができるターンテーブルにより、成形型を順次移送しながら、ガラス塊を製造するものであり、ターンテーブル上には流出ガラスの受け部と、受けたガラスを冷却する冷却部と、成形型から冷却して固化したガラス塊を取り出す排出部とがある。成形型は流出ガラスの受け部の前段で高周波加熱され、接触式温度計で２５０℃程度に維持されるものである。

また、ここで成形型は、溶融ガラスの受け面が、曲率半径Ｒが８ｍｍでＲ部深さ４ｍｍの気孔材料から形成されたもので、Ｒ部からのみガスを噴出する構造である成形型を用い、Ｒ部からは均一な流量のＮ_２ガスを噴出させた。

まず、主成分としてＬａ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、ＺｎＯを有する硝材（１１００℃における粘度が５ｄＰ・ｓ）を、ガラス溶融炉で１２５０℃に加熱して溶融し、１３００℃で清澄、１１５０℃で均一化させてガラス溶融炉からガラス流出管に導出させた。このとき、ガラス流出管は、ガラス溶融炉からノズルに向かって５つの回路で、順番に、回路１：１１５０℃、回路２：１１４０℃、回路３：１１４０℃、回路４：１１３０℃、回路５：１１２５℃と、なるように温度制御を行った。

ガラス流出管を流通した溶融ガラスを、ノズルから流出させ、成形型上に供給するようにしてガラス塊を形成した。このとき、マッフルの温度が１１２０℃±１℃となるように調整し、溶融ガラスの流出量は４．２ｃｃ／分であった。

本実施例では、ノズル下端に成形型がくる様に成形装置はセットされており、成形型をガラス流が自然滴下しない高さまで上昇させて、ノズルから流出したガラスを受け面で受け止め、溜まっていくガラスがノズルに濡れあがらないようにゆっくり成形型を下げ、目標体積である０．４９ｃｃ近辺（０．４９ｃｃ±４％）になった所で成形型を素早く下げて表面張力によりガラス流を切断した。ターンテーブルをインデックス回転（間欠回転運動）させて溶融ガラスを受け止めた成形型を次の処理位置へ、新たに溶融ガラスを受け止める次の成形型をノズル下端に移動させ、今度は、次の成形型が上昇しガラス流を受け止め、同様に所定の体積となるように溶融ガラスを収容する。その間のサイクルタイムは７．０秒であった。

その後、受け型に次々と溶融ガラスを収容していき、それと同時に既に溶融ガラスを収容した成形型は、インデックス回転されながら、収容したガラスがターンテーブル上で冷却されていき、十分に冷却されたところで、吸引チップを成形型上のガラス塊上面に当たらないように下降させガラス塊を吸引して搬送し、回収コンベア上に移し、ガラス塊を得た。

得られたガラス塊について、抜取検査を行い、その結果、ガラス塊に脈理の発生は無く、体積バラツキも目標体積の±２％以内と目標規格である±４％をクリアしていた。製品÷投入カレットによる製品歩留はキャンペーン期間の７日間平均で９１．５％と高歩留となった。また、マッフルの制御温度は１１２０℃±１℃以内で維持されており、ノズルへの失透発生は、キャンペーン中には見られず、ガラス塊を安定生産することができた。

本発明のガラスの供給装置及びガラスの供給方法は、成形型や鋳型等に流し込んでガラス塊やガラス製品を成形するために、ガラス材料を溶融した溶融ガラスを安定して供給することができる。

１…ガラスの供給装置、２…ガラス溶融炉、３…流出管、４…加熱手段、５…ノズル、６…マッフル、７…マッフル加熱手段、８…熱電対、９…温度制御手段

Claims (9)

1. ガラス材料を加熱して溶融ガラスとするガラス溶融炉と、該ガラス溶融炉の底部に接続され、ガラス溶融炉から溶融ガラスを導出させる白金又は白金合金製のガラス流出管と、前記ガラス流出管を通電加熱する通電加熱手段と、前記ガラス流出管の先端に設けられ、前記溶融ガラスを流出させるノズルと、を有するガラスの供給装置であって、
   前記ノズルの外周を囲うようにして配置された白金又は白金合金製の円筒形状のマッフルと、該マッフルを加熱するためのマッフル加熱手段と、マッフルの温度を熱電対により検出しながら制御する温度制御手段と、を有することを特徴とするガラスの供給装置。
2. 前記円筒形状のマッフルは、その上面が閉じられており、下面が開口されていることを特徴とする請求項１記載のガラスの供給装置。
3. 前記マッフルの外径が直径２５〜３５ｍｍで、高さがノズル高さの±２ｍｍであることを特徴とする請求項２記載のガラスの供給装置。
4. 前記熱電対が、前記マッフルの上面部であって、ノズル外径から外周方向に＋１０ｍｍの間に溶接により固定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のガラスの供給装置。
5. 前記マッフルの加熱源として、高周波誘導加熱装置を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のガラスの供給装置。
6. 溶融容器の下方に設けた白金又は白金合金製のガラス流出管は、１回路以上の通電加熱手段と通電のための電極間に設けられた熱電対で温度制御される請求項１乃至５のいずれか１項記載のガラスの供給装置。
7. ガラス溶融炉でガラス材料を溶融する溶融工程と、得られた溶融ガラスを、ガラス溶融炉の底部に接続され通電加熱されている白金又は白金合金製のガラス流出管に導出させる溶融ガラス導出工程と、前記ガラス流出管に導出された溶融ガラスを、前記ガラス流出管の先端に設けられたノズルから成形型又は鋳型へ流出させる流出工程と、を有するガラスの供給方法であって、
   前記ノズルが、白金又は白金合金製のマッフルで外周を囲われ、該マッフルの温度を熱電対により検出しながら所定の温度範囲に維持されるよう加熱手段により温度制御されていることを特徴とする溶融ガラスの供給方法。
8. 前記溶融ガラスの粘性が、３〜２０ｄＰａ・ｓ、流量が１．４〜６．９ｃｃ／分の範囲にあることを特徴とする請求項７記載のガラスの供給方法。
9. 前記流出された溶融ガラスが、ガラス塊を形成する成形型に流出されるものであり、該溶融ガラスにより形成されるガラス塊の体積が、０．０２〜５ｃｃの範囲にあることを特徴とする請求項７又は８記載のガラスの供給方法。

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