JP2011173787A - 白金含有容器の直接抵抗加熱に使用するための装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 溶融材料を加熱するための装置において、容器の壁に電流を導入するために使用されるフランジおよび容器内の電流密度を確実に均一にする。
【解決手段】 この装置は、導電性外壁部分を有する容器と；容器の外周でこの容器に接続された導電性フランジ３６であって、第１の組成を有する第１の環４０および第１の組成とは異なる第２の組成を有する第２の環３８を含む複数の環を備えたフランジ３６と；フランジ３６から延在する電極４２と；を有してなる。第１の環４０またはの幅が、容器に対する角度位置の関数として変動する。第２の環３８は、少なくとも８０質量％の白金を含み、残りは、もしあれば、ロジウムまたはイリジウムの内の１つ以上である高温抵抗金属から形成されている。
【選択図】図３
【解決手段】 この装置は、導電性外壁部分を有する容器と；容器の外周でこの容器に接続された導電性フランジ３６であって、第１の組成を有する第１の環４０および第１の組成とは異なる第２の組成を有する第２の環３８を含む複数の環を備えたフランジ３６と；フランジ３６から延在する電極４２と；を有してなる。第１の環４０またはの幅が、容器に対する角度位置の関数として変動する。第２の環３８は、少なくとも８０質量％の白金を含み、残りは、もしあれば、ロジウムまたはイリジウムの内の１つ以上である高温抵抗金属から形成されている。
【選択図】図３
Description
本発明は、ガラス製造に関し、特に、溶融ガラスを保持するまたは搬送するのに使用される白金含有容器、例えば、溶融装置、清澄装置、撹拌室、成形装置、接続管などの容器の直接抵抗加熱に関する。
白金含有材料、例えば、少なくとも８０質量％の白金を含有する材料が、その高い溶融温度、高温での低い酸化レベル、ガラス溶融物による腐食に対する抵抗性、および溶融ガラスの低い汚染レベルのために、ガラスおよびガラス製品の製造に広く使用されている。白金含有材料は高価なことでも有名である。したがって、ガラス製造設備に使用される白金含有材料の量をたとえわずかでも減少させることによって、資本コストを相当減少させることができる。
中でも、白金含有材料の有益な特徴は、電気を伝導するときに熱を発生する能力である。その結果、白金含有容器中を流通する、またはその中に保持される溶融ガラスは、容器のガラス接触壁の長手方向に沿った１つ以上の位置で電流を流すことによって加熱することができる。そのような加熱は、当該技術分野において、「直接加熱」または「直接抵抗加熱」として知られており、この用語をここに使用する。この使用法において、「直接」とは、外的に印加される間接的な抵抗加熱によるよりもむしろ、容器自体からの加熱を意味する。
直接抵抗加熱における重大な課題は、容器の壁からの電流の導入と除去である。このことは、電気的な問題であるだけでなく、熱的な問題でもある。何故ならば、導電経路により、その導電経路に過熱点を生じる不均一な電流密度がもたらされ得るからである。この過熱点は、関与する金属の加速された酸化、または金属の融点への到達などにより、材料を早まって破損させ得る。
電流を容器の壁に導入する方法の一つは、導電性金属フランジの使用によるものである。そのようなフランジの例が、特許文献１および２に見られる。
本発明は、白金含有容器の壁に電流を導入するために使用されるフランジに関し、特に、溶融ガラスを変化させる、フランジおよび容器内の電流密度を確実に均一にすることに関する。
金属容器を流通する溶融材料を加熱する目的のためにその容器に電流を送達するように設計されたフランジを通る電流の密度の均一性を改善するために、その容器の周りの角度非対称の質量分布を提供する方法および装置が開示されている。すなわち、フランジ、またはその部分の幅が、ある角度位置から別の角度位置で異なる。例えば、０度の角度位置（０度の半径位置は、任意に選択されてもよいが、フランジに電流を供給する電極を通過する対称軸上に位置することが好ましい）でのフランジのある部分の幅は、０度の位置に対して１８０度の角度位置に位置する同様のフランジ部分の幅とは異なる。
ここに開示された実施の形態によれば、フランジは、環が、容器から外側に移動するにつれて、次々に外側に配置されるような連続配置で接続された環に略分割される。これらの入れ子式の環の最も内側の環は、加熱すべき容器に接続されている。これらの環は、上述したフランジ部分を表す。
いくつかの実施の形態において、材料が均質であるフランジの部分が参照される。ここに用いたように、材料が均質であるとは、１つ以上の環の組成構造を称する。例えば、以下に詳しく説明するように、１つ以上の環は、白金合金（例えば、白金・ロジウム合金）、または純粋な白金（例えば、９９．８％より多い白金）のいずれかとして、白金を含むであろう。ある実施の形態において、２つ以上の環は実質的に組成が均一であろう（すなわち、意図せずに不純物が存在するために、組成にわずかしか差がなく、組成が均一である）が、それでも寸法が異なる（幅または厚さが異なる）。
ここに開示された実施の形態よれば、容器の周りのフランジの質量分布を変えることによって、フランジを通る、また最終的には容器の壁の電流密度をより均一にすることができる。すなわち、ここに開示された実施の形態よれば、電流は、電極を通じてフランジに流れる。全電流は、フランジを流れるときに、最初にこの電極を通過するので、電極に隣接したところの従来のフランジ内の電流密度は、フランジの他の部分よりも大きい。電流密度のこのばらつきにより、フランジの耐用期間において過熱点が発生し、容器とこの容器の中を流れる溶融材料が不均一に加熱され得る。ここに記載された非対称の様々な質量分布は、電流をより均一に分布させるように働く。すなわち、容器を加熱するのに使用されるフランジの構造が非対称にされる。
ある実施の形態において、溶融材料を加熱するための装置において、導電性の外壁部分を有する容器と、この容器の外周に亘り容器に接続された導電性フランジであって、少なくとも、第１の組成を有する第１の環および第１の組成とは異なる第２の組成を有する第２の環を含む複数の環を備えたフランジと、フランジから延在する電極とを有してなり、第１または第２の環の内の少なくとも一方の幅が、容器に対する角度位置の関数として変動するものである装置が開示されている。第１の環は、例えば、ニッケルを含んでよい。第２の環は、白金族の金属を含み、好ましくは白金または白金合金を含む。
ある実施の形態において、第１の環は最も外側の環であり、電極を含まないこの最も外側の環の幅は、容器の周りの角度位置の関数として変動する。すなわち、環の周りを時計方向または反時計方向に進むにつれて、最も外側の環の幅は変動する。例えば、フランジを二等分し、電極に隣接した対称軸上の位置にある最も外側の環の幅は、電極から最も離れた対称軸上の位置での最も外側の環の幅よりも大きい。ある実施の形態において、第２の環は、容器に接続された最も内側の環であり、この最も内側の環の幅は、容器の周りの角度位置の関数として均一である。第２の環の幅は、容器の周りの角度位置の関数として変動してもよい。
ある実施の形態において、第１の環は最も外側の環であり、第２の環の幅は、容器の周りの角度位置の関数として変動する。第２の環は、好ましくは均一な厚さの、複数の環または１つの環からなる。第２の環が複数の環からなる実施の形態において、第２の環を構成する複数の環の各々の幅は、容器の周りの角度位置の関数として変動する。
さらに他の実施の形態において、第１の環の厚さは、第１の環の周りの角度位置の関数として変動する。第１の環は、容器の周りに配置された複数の区画からなっていてもよく、この区画は、端と端を接して、並べられ、接続されており、これらの複数の区画の厚さは、容器の周りの角度位置の関数として変動する。すなわち、ある区画の厚さは、環の全厚が、環の周りで時計方向または反時計方向に動くときに変動するように、別の区画の厚さとは異なる。ある例において、複数の区画の各区画は均一な厚さを有する。第１の環は、電極の近くで最も厚く、電極から最も遠い環の地点で最も薄くなるように、この環は、容器に対する第１の角度位置から１８０度に配置された第２の角度位置よりも、第１の角度位置のほうが厚いことが好ましい。ある例において、第２の環は１つの環であり、第２の環の厚さは、容器に対する角度位置の関数として変動する。他の構成において、第２の環は複数の環からなり、第２の環を構成する複数の環の少なくとも１つの環について、この少なくとも１つの環の厚さは、容器に対する角度位置の関数として変動する。
さらに別の実施の形態において、第２の環は１つ以上の環からなり、第２の環を構成する１つ以上の環の内の少なくとも１つの厚さは、容器に対する角度位置の関数として変動する。第１の環の厚さも、容器に対する角度位置の関数として変動してもよい。
別の実施の形態において、溶融材料を加熱するための装置において、導電性の外壁部分を有する容器と、少なくとも、第１の組成を有する第１の環および第１の組成と異なる第２の組成を有する第２の環を含む複数の環を備えた導電性フランジであって、第２の環が容器の外周に亘り接続されているフランジとを有してなり、第１または第２の環の内の少なくとも一方の幅は、容器に対する角度位置の関数として変動するものである装置が開示されている。第１または第２の環の内の少なくとも一方の厚さは、容器に対する角度位置の関数として変動してもよい。
さらに別の実施の形態において、溶融材料を加熱するための装置において、導電性の外壁部分を有する容器と、少なくとも、第１の組成を有する第１の環および第１の組成と異なる第２の組成を有する第２の環を含む複数の環を備えた導電性フランジであって、第２の環が容器の外周に亘り接続されているフランジとを有してなり、第１または第２の環の内の少なくとも一方の厚さは、容器に対する角度位置の関数として変動するものである装置が開示されている。第１または第２の環の内の少なくとも一方の幅は、容器に対する角度位置の関数として変動してもよい。
本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者には容易に明白であるか、またはここに記載された発明を実施することによって認識されるであろう。添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれており、本明細書に包含され、その一部を構成する。本明細書および図面に開示された発明の様々な特徴は、任意の組合せと全ての組合せにおいて使用できることが理解されよう。
以下の詳細な説明において、限定ではなく説明の目的で、本発明を完全に理解するために、特定の詳細を開示した例示の実施の形態が述べられている。しかしながら、この開示の恩恵を受けた当業者には、本発明は、ここに開示された特定の詳細から逸脱した他の実施の形態において実施してもよいことが理解されよう。さらに、よく知られた装置、方法および材料の説明は、本発明の説明を分かりにくくしないように、省かれているであろう。最後に、適用できるところはどこでも、同様の参照番号は同様の要素を称する。
図１の例示の装置１０において、矢印１１により表されるバッチ材料が炉または溶融装置１２内で溶融されて、第１の温度Ｔ1で溶融ガラス１４を形成する。Ｔ1は特定のガラス組成に依存するが、ＬＣＤに使用できるガラスについて、Ｔ1は１５００℃を超えて差し支えない。溶融ガラスは、溶融装置１２から接続管１６を通って清澄管（または「清澄装置」）１８まで流動する。ガラスは、清澄装置１８から接続管２２を通って撹拌室２０まで流動し、混合され、均質化され、撹拌室２０から接続管２３を通ってボウル２４まで流動し、次いで、下降管２６まで流動する。次いで、溶融ガラスは、入口３０を通って成形体２８に向けることができる。図１に示されるようなフュージョン・ダウン・ドロー法の場合には、成形体２８に供給された溶融ガラスは、成形体２８の収束する成形面上を流れ、ここで、別個の流れが互いに接合し、または融着して、ガラスのリボン３２を形成する。このリボンは、次いで、冷却され、分割されて、個々のガラス板が形成される。
清澄装置１８で溶融ガラスがＴ1より高い第２の温度Ｔ2に加熱される。例えば、Ｔ1が１５００℃であってよいのに対し、Ｔ2はＴ1より少なくとも１００℃高くて差し支えない。Ｔ2の温度が比較的高いために溶融ガラスの粘度が減少し、それによって、溶融ガラス中の気泡をより容易に除去することができる。さらに、このより高い温度により、バッチ材料を通じてガラスに入った清澄剤（例えば、多価酸化物材料）に含まれる酸素が放出される。放出された酸素は溶融ガラス中で気泡を形成し、この気泡は実質的に核形成剤として働く。すなわち、溶融ガラス中に溶解したガスは、酸素の気泡中に移動し、気泡を成長させる。気泡の成長から生じる増加した浮力により、自由表面を通じての溶融ガラスからの気泡の除去が加速する。
溶融装置１２は典型的に耐火材料（例えば、セラミックレンガ）から形成されるのに対し、接続管１６，２２，２３、清澄装置１８、撹拌室２０、ボウル２４および下降管２６などの、溶融ガラスを搬送するための様々な容器を含むその下流のシステムのほとんどは、典型的に全て、導電性金属、通常は、白金または白金・ロジウム合金などの白金合金から形成される。上述したように、溶融ガラスは極めて熱く、したがって、長期間に亘り少なくとも１６００℃を超える温度に耐えることのできる高温材料が必要とされる。さらに、その材料は、高温によって加速され得る酸化に対して耐性であるべきである。その上、溶融ガラスはかなり腐食性であり、よって、その材料は、容器の材料によるガラスの汚染をもたらし得るガラスからの攻撃に対して比較的耐性であるべきである。周期表の白金族（白金、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ルテニウムおよびオスミウム）を含む金属はこの目的にとって特に有用である。白金は、他の白金族の金属よりもより加工され易いので、多くの高温プロセスでは白金または白金合金製容器が利用される。しかしながら、白金は高価であるので、これらの容器のサイズを最小にするためにあらゆる努力が行われている。一例は、溶融装置から清澄装置への接続管１６に関する。
溶融装置と清澄装置との間の非加熱搬送において（すなわち、溶融装置１２の後に溶融ガラス材料に熱エネルギーが加えられないところ）、溶融ガラスは、溶融装置１２から接続管１６に進入する際に直ちに冷め始める。しかしながら、清澄プロセスから最大の効率を引き出すために、溶融ガラスは、このガラスが清澄装置に入るときに清澄温度（Ｔ2）にあるべきである。それゆえ、接続管１６は、接続管内のガラスの冷却を防ぐため、実際には、ガラスが清澄装置に入る前に溶融ガラスの温度を清澄温度まで上昇させるために、加熱されることが好ましい。この加熱は通常、先に要約したような直接加熱法によって行われるが、外部熱源を使用しても差し支えない。溶融ガラスの流れが増加した場合、加熱の要件も増える。すなわち、清澄装置内に収容される溶融ガラスが、清澄操作のために適切な時間に亘り適切な温度であることを確実にするために、清澄装置の長さを増加させなければならないか、または溶融ガラスが、清澄装置に入る前に適切な温度であることを確実にするために、接続管１６の長さを増加させなければならない。いずれの場合にも、使用される白金の量が増加するので、加工費が増加する。さらに、典型的な製造環境において、追加の床面積の利用可能性はしばしば限られ、材料費にかかわらず、構成部材を長くするという選択肢は問題になる。
別の手法は、接続管に供給される熱エネルギーを増加させることである。直接加熱された接続管に関して、このことは、直接加熱される構成部材を流れる電流を増加させることを意味する。この電流は、交流（ＡＣ）であっても、直流（ＤＣ）であっても差し支えないが、ＡＣ電流であることが多い。しかしながら、電流が増加すると、容器に電流を給電する導電性フランジが容器の壁と出会う地点およびフランジ自体の内部の両方で過熱点が生じることが分かった。フランジと容器の接続部での過熱点は、溶融ガラスの不均一な加熱および不十分な清澄性能をもたらし得、フランジ内の過熱点は、酸化または溶融を加速させることなどにより、フランジの健全性を損ない、フランジの破損を早めたりさせ得る。さらに、電気フランジは、時期尚早の破損を防ぐために積極的に冷却されるかもしれないが、フランジの未冷却温度が、使用される材料のある閾値を超えた場合、冷却システムの破損が壊滅的となり得る。
フランジに過熱点が生じる原因の１つは、フランジを電流源に接続する電極とのライン上のある位置でのフランジの高い電流密度から生じる。すなわち、フランジは典型的に、フランジから延在し、フランジに電流を給電するケーブルまたはバスバーに接続するタブまたは電極を備えている。その結果、電極がフランジに接続する位置に近い電流密度は、典型的に、フランジの他の位置でよりもずっと高い。フランジに供給される電流が、より大きい加熱需要に対処するために増加させられた場合、電極近くの領域（電流が電極からフランジに分配されるところ）におけるフランジの高い電流密度により、フランジを構成する材料の急激な酸化により、フランジの時期尚早の破損を生じるのに十分に高い温度をフランジに生じ得る。もしくは、いずれの場合にも、その電流の流れは、電極および／またはフランジを加熱し溶融するのに十分であろう。
図２は、直接抵抗加熱システムの一部を例示しており、電流を外壁３４に供給する２つのフランジ３６が取り付けられた外壁３４を有する例示の金属容器（例えば、管）、ここでは、溶融装置から清澄装置への接続管１６を示している。管１６は、直接加熱の例示の使用を表しており、フランジ３６は、清澄装置１８などの、溶融ガラスを保持または搬送するのに利用される任意の他の導電性金属容器に使用しても差し支えないことが理解されよう。
２つしかフランジが示されていないが、実際には、容器の外壁の異なる区画に電流を供給するために、任意の特定の容器に、２つより多くのフランジを使用しても差し支えない。最後に、図２の外壁は円形であるものと示されているが、この壁は、楕円形、卵形、正方形、矩形などの様々な他の形状を有しても差し支えない。次に、容器が延在するフランジの中央開口は相補的な形状を有する。
図２によれば、電流は第１のフランジに供給される。この電流は、第１のフランジを通り、容器の壁に入り、第１のフランジから間隔がおかれた第２のフランジを通して出る。フランジ間の距離は、容器に与えられる加熱要件により決まり、当業者によって容易に決定される。管の壁を流れる電流により、管とその中を搬送される溶融ガラスが加熱される。図２に示されていないが、使用中に、容器の壁とフランジは、通常、容器からの熱損失を制御するために断熱性耐火材料の厚い層によって取り囲まれている。
図３は、図２の１つのフランジ３６の実施の形態の構造をより詳しく示している。図に示すように、フランジ３６は２つの環３８，４０を備えており、ここで、最も内側の環３８は、少なくとも８０質量％の白金を含み、残りは、もしあれば、ロジウムまたはイリジウムの内の１つ以上である高温抵抗金属（すなわち、ここに用いたように、少なくとも１４００℃、好ましくは少なくとも１５００℃、より好ましくは少なくとも１６００℃より高い温度で動作できる金属）から形成されている。一例として、最も内側の環３８は９０質量％の白金および１０質量％のロジウムからなっていて差し支えない。
フランジ３６の温度は溶融ガラス搬送管から増加する半径位置の関数として減少するので、最も外側の環の材料に要求される温度抵抗は、最も内側の環の材料に要求されるものほど高くない。それゆえ、費用を節約するために、最も外側の環４０は、一般に、高い溶融温度を有するが、フランジの内側環の白金含有材料よりも著しく安い材料から製造される。ある実施の形態によれば、フランジ３６の最も外側の環４０は、白金および白金合金と比較して低コストで容易に入手できる、ニッケル２００またはニッケル２０１などの工業的に純粋なニッケル（例えば、少なくとも９９．０質量％のニッケル）から形成される。電力フランジに使用される場合、ニッケルは、他の高温材料では対抗できない、電気抵抗、熱伝導性、酸化抵抗、白金とロジウムとの可溶性、加工性、価格、および多くの形状と形態での入手可能性の優れた組合せを提供する。
図３のフランジの断面図を示す図４に示されるように、環３８と４０は、それぞれ、異なる厚さｔ38およびｔ40を有する。これらの厚さは、半径方向位置の関数として電流密度を制御するように選択される。すなわち、フランジの厚さは、容器から外側への半径方向で動くにつれて変動する。これらの厚さの選択に数多くの検討事項が関与する。第１に、上述したように、直接抵抗加熱の主要目的は、管１６内の溶融ガラスを加熱することであって、電流を容器の壁に供給するフランジを加熱することではない。したがって、フランジにおける電流密度は、エネルギー損失を最小にするために、容器の壁における電流密度よりも小さいべきである。第２に、電流密度は、フランジの部分が過熱されそれによって損傷しないように制御されるべきである。このことは、使用中により高い周囲温度を経験するフランジの部分にとって問題である。
環の厚さを選択する出発地点として、一定の厚さを有する単一材料から構成された円形フランジは、減少する半径と線形に増加する電流密度を有する、すなわち、電流密度は、フランジの外縁で最小であり、内縁で最大であることに留意されよう。この影響を相殺するために、フランジの厚さは、半径が小さくなるにつれて、増加させるべきである。温度に関して、周囲温度は通常、管１６から外側に動くにつれて、低下し、それゆえ、電流密度は、過熱による損傷の機会が少なくなるフランジの外部に向かって高くて差し支えない。これにより、半径が増加するにつれて、厚さが小さくなるフランジがもたらされる。フランジの外側領域において減少した厚さは、特に、高価な白金含有材料の場合、フランジを構成するために使用される材料の量を最小にする上でも望ましい。
さらに別の要因としては、特に、２種類以上の材料が用いられる場合、フランジを構成する材料の抵抗が挙げられる。抵抗が高いほど、同じ電流密度の直接加熱の効果が大きくなる。また、フランジの最も外側の環が、外周の電流の流れに対する抵抗が低くなるように、その環が相当な厚さを有することが望ましいこともあり得る。より詳しくは、ある実施の形態において、最も外側の環の外周の計算された半径方向の電流密度における変動（すなわち、モデル化された電流密度の変動）は、５０％未満である。
これらの電気的な検討事項に加え、フランジのニッケル含有構成部材への動作温度の影響も考慮する必要がある。一般論として、フランジのニッケル含有構成部材に適切な温度は：（１）水冷による通常動作において約６００℃未満；（２）空冷では約８００℃未満；および（３）冷却されないと約１０００℃未満である。約６００℃以下では、ニッケルは、フランジに３年以上の耐用期間が達成できるほど十分に低い酸化速度を有する。約１０００℃では、未使用の耐用期間は３０日未満である。約８００℃での耐用期間は、これらの値の間であり、特に、これらの温度にニッケルが暴露されたときに、水冷よりも複雑ではないことが多い空冷を使用できる場合、いくつかの用途にとって許容されるであろう。
より一般に、温度は、ガラス収容容器の軸からの半径方向の位置が増加するにつれて、耐火断熱において減少する。同様に、温度は、フランジの半径が増加するにつれて、減少する。フランジのある半径方向位置で、温度は約１０００℃未満に降下する。この半径方向位置を超えると、ニッケルは、フランジ材料として安全に使用できる。ニッケルの温度限界、例えば、長い耐用期間については約６００℃、中くらいの耐用期間については約８００℃、または短い耐用期間については約１０００℃が、任意の条件下で超えられた場合、フランジの内部に使用される高温金属とニッケルとの間の接合部を、より大きい半径まで移動させなければならない。もちろん、接合部の外側への移動は、高温、それゆえ、高コストの金属がより大きい半径まで延在しなければならないので、増加した材料費に対してバランスをとるべきである。
実際には、フランジを構成する環の半径および厚さを選択する上で関与する様々な要因を考慮するために、典型的に、コンピュータモデリングが使用される。そのようなモデリングは、特定の導体特性および形状に関する電流の流れを計算する市販のまたはカスタマイズされたソフトウェアパッケージ、並びに特定の材料特性および熱源／ヒートシンクの位置について熱流量をモデル化し、温度分布を計算するパッケージを使用して、実施することができる。例えば、そのような分析を使用して、図４の環の厚さ（ｔ）に関する適切な関係が以下であることが分かった：ｔ40＞ｔ38、ここで、内側の環３８は９０質量％の白金および１０質量％のロジウムから製造され、外側の環４０並びに電極４２と冷却管４４は、ニッケル２００／２０１から製造された。もちろん、他の関係を使用しても差し支えなく、その特定の関係は、本開示から当業者により容易に決定される任意の特定の用途に適したものである。
フランジを構成するために使用される環および電極は、典型的に、平らな金属板、例えば、電極４２と外側の環４０についてはニッケル２００またはニッケル２０１、および内側の環３８については白金・ロジウム合金板（例えば、９０質量％の白金および１０質量％のロジウム）から製造される。複数の環の間の接合部は典型的に溶接される。溶接は、接合部を過熱し破損させ得る局部的な高電流密度を生じ得る凹角部を避けるために隅肉を設けても差し支えない。最も内側の環３８は、通常、溶接によって、管１６の外壁３４に接合される。重ねて、凹角部を避けるために、隅肉付けを使用して差し支えない。最も内側の環３８の厚さは、典型的に、容器の壁３４の厚さよりも大きいが、所望であれば、最も内側の環に他の厚さを使用しても差し支えなく、例えば、最も内側の環の厚さは、壁３４の厚さと等しくても、またはそれより小さくても差し支えない。
環３８および４０に加え、図３および４のフランジは、好ましは外側の環４０と同じ材料から製造された、管の形態にある冷却通路４４を備えているが、この冷却管は、異なる材料から製造されても差し支えない。ある実施の形態において、冷却管４４は、少なくとも９９．０質量％のニッケルを含む。この冷却管は、電流源（図示せず）に電気的に接続されており、典型的に、最も外側の環４０の外周で最も外側の環４０に接合されている。しかしながら、いくつかの実施の形態において、冷却通路は、最も外側の環４０内に形成されても差し支えなく、例えば、冷却通路は、最も外側の環に機械加工されても差し支えない。フランジが急激に酸化するおよび／または溶融する温度より低い温度に管（およびそれが接続されたフランジ）を維持するために、水などの液体または空気などの気体であって差し支えない冷却流体が、冷却通路を通じて循環される。管１６内の溶融ガラスの温度は１６００℃を超え得るので、フランジの急激な酸化を防ぐために、相当な冷却が要求されるであろう。
冷却機能に加え、冷却管４４は、最も外側の環４０の周辺に電流を分布させるためのバスバーとしても機能するであろう。
電力フランジの上述した構成部材にニッケルを使用すると、冷却水の流れにおける一時的な停止に耐えるフランジの能力が著しく改善されることが分かった。特に、フランジは、冷却流体の流れが中断された場合、フランジが数日間に亘り動作可能のままでいるほど高いレベルの酸化抵抗を示す。ニッケル含有フランジの優れた酸化抵抗は、白金部品を損失せずに、それゆえ、容器を通るガラスの流れを中断する必要なく、冷却流を復旧するための十分な時間を与える。
冷却流の一時的な中断に耐える能力に加え、ニッケル含有フランジは、例えば、より低い温度のシステムに使用されることが多い銅含有フランジよりも、冷却を必要としない。したがって、一般に、ニッケル含有フランジを使用した場合、直接抵抗加熱がそれほど必要ない。直接抵抗加熱がこのように減少すると、転じて、電気の運転費および直接加熱システムに電力を与えるのに必要な電源の容量に関する資本コストが減少する。
これらの機能的利益に加え、ニッケルを含む１つ以上の環を使用すると、銅含有フランジにおいてそうでなければ白金または白金合金が使用されであろう位置でニッケルが使用されるので、フランジのコストが著しく減少する。すなわち、銅のより低い耐温度性は、銅にとって安全な動作環境を提供するために、白金−銅フランジでは、白金がさらに遠くまで延在する必要があることを意味する。ニッケルと白金の価格は時間で変動するが、経験上、白金は、ニッケルよりも少なくとも４００倍高価であり、ときには、１８００倍より高価になり得る。
図３および４の実施の形態に示されるように、接続管（容器）１６は、最も外側の環４０、この例では、ニッケル含有環に対して同心に配置されていない。図示されるように、内側の白金含有環３８は、接続管１６の周りに同心に配置されており、その外周で接続されている。図３によれば、点線４６は、電極４２を対称に通過し、フランジ３６を二等分する軸を表す。典型的なフランジの取付方向において、対称軸４６は垂直軸を表す。図示したように、電極４２に隣接したところの最も外側の環４０の全幅Ｗ１は、接続管１６の反対側の最も外側の環４０の全幅Ｗ２（すなわち、Ｗ２は幅Ｗ１から１８０度の角度だけ離れている幅である）よりも広い。すなわち、図３および４に示されたＷ１はＷ２よりも広い。Ｗ１は電極４２を含まないことに留意のこと。図４は、電極４２と反対側の（すなわち、１８０度の角度で配置されている）最も外側の環４０の幅と比べた電極に隣接した最も外側の環４０の部分の増加した幅を示す図３のフランジの断面図を示している。
最も外側の環４０は、それ自体、ある実施の形態において、多数の環を備えてよいことに留意すべきである。例えば、最も外側の環４０は、異なる厚さの複数のニッケル含有環からなるニッケル含有環であってよい。ニッケルは、例えば、白金などの他の金属との合金であってもよい。
図５および６は、内側の白金含有環３８が接続管１６に対してずれており、対称軸４６に沿って測定した電極４２に隣接したところの白金含有環３８の幅Ｗ３が、Ｗ３から１８０度に位置する白金含有環３８の幅Ｗ４よりも広い別の実施の形態を示している。この実施の形態において、ニッケル含有環４０は実質的な均一な幅を有する。
図７および８に示された別の実施の形態において、接続管１６は、白金含有環３８内で同心に配置されていない。すなわち、白金含有環３８の外周と接続管１６の外壁の間の対称軸４６に沿った幅Ｗ３は、壁３４と環３８の外周との間の白金含有環３８の幅Ｗ４よりも広い。より簡単に言えば、白金含有環３８の幅は、環の周りで移動するにつれて（すなわち、環の周りの異なる角度位置で）変動する。この実施の形態による最大幅は、フランジに電流を供給する電極に直接隣接している（すなわち、電極４２に隣接した対称軸４６上にある）。電極近くにあるフランジの白金含有部分の第１の幅を、第１の幅から１８０度に位置する白金含有フランジの第２の幅より大きくすると、接続管の壁を、電極から入る電流の流れからより遠くに移動させる。それゆえ、電流が横切る材料の量は、電流密度が最高である場所でより大きくなる。逆に、電流が横切る白金含有材料の量は、電流密度が最低の場所でより小さくなる。その結果、白金含有環３８を通る、それゆえ、接続管１６に入る電流の流れの均一性が増加する。
白金含有環３８のずれに加え、ニッケルを含有する最も外側の環４０もずれている。すなわち、ニッケル含有環４０と白金含有環３８の両方が、接続管１６の反対側よりも電極４２に隣接する側のほうが広くなるように、ニッケル含有環４０の幅Ｗ１は幅Ｗ２より広く、白金含有環３８の幅Ｗ３は幅Ｗ４より広い。
図９および１０は、ニッケル含有環４０を含むが、白金含有環３８が、接続管１６の周りに配置された２つの白金含有環３８ａおよび３８ｂを備え、最も内側の白金含有環３８ａが、溶接などによって接続管１６に接合されているさらに別の実施の形態を示している。しかしながら、最も外側の環４０と接続管１６の壁３４との間の電極４２を通る対称軸４６に沿った白金含有環３８の全幅Ｗ３は、Ｗ３から１８０度に配置された軸４６に沿った全幅Ｗ４よりも広い。
その上、最も内側の白金含有環３８ａの厚さｔ38aは、第１の中間の白金含有環３８ｂの厚さｔ38bよりも広い。最も外側の環４０（例えば、ニッケル含有環４０）の厚さｔ40は、ｔ40＞ｔ38a＞ｔ38bとなるように、最も内側の白金含有環３８ａの厚さｔ38aよりも大きく、第１の中間の白金含有環３８ｂの厚さｔ38bよりも大きいことが好ましい。各白金含有環３８ａおよび／または３８ｂは、ずれており、または最も内側の白金含有環３８ａは接続管１６と同心であり、第１の中間の白金含有環３８ｂのみがずれていることが好ましい。外側の環４０は、前述したように、ずれていても、いなくてもよいことに留意すべきである。
図１１および１２は、白金含有環３８が、接続管１６の周りに配置された３つの白金含有環３８ａ，８３ｂおよび３８ｃを備え、最も内側の白金含有環３８ａが、溶接などにより接続管１６に接合されているさらに別の実施の形態を示している。第１の中間の白金含有環３８ｂは、最も内側の白金含有環３８ａの周りに配置され、その周囲に接合されており、第２の中間の白金含有環３８ｃは、第１の中間の白金含有環３８ｂの周りに配置され、その周囲に接合されている。最も外側の環４０と接続管１６の壁３４との間の電極４２を通る対称軸４６に沿った白金含有環３８の全幅Ｗ３は、Ｗ３から１８０度に位置する軸４６に沿った白金含有環３８の全幅Ｗ４よりも広い。その上、ｔ40＞ｔ38a＞ｔ38b＞ｔ38cとなるように、最も外側の環４０の厚さｔ40は最も内側の白金含有環３８ａの厚さｔ38aより大きく、厚さｔ38aは第１の中間の白金含有環３８ｂの厚さｔ38bより大きく、第１の中間の白金含有環３８ｂの厚さｔ38bは第２の中間の白金含有環３８ｃの厚さｔ38cより大きい。各個別の環は、均一な厚さを有すると仮定する。各個別の白金含有環３８ａ〜３８ｃは、接続管１６に対してずれていてもよい。あるいは、最も内側の白金含有環３８ａは、接続管１６と同心であり（すなわち、均一な幅を有する）、第１と第２の中間の白金含有環３８ｂおよび３８ｃは接続管１６に対してずれていてもよい。
本開示の教示に基づいて、複数の個別の白金含有環を用いて、減少する半径の関数としてフランジの白金含有部分の半径方向に増加する厚さを提供してもよいことが明らかであろう。しかしながら、軸４６に垂直な軸に沿ったフランジの白金含有部分の幅は、軸４６の周りに対称であるフランジについて同一であってよいことを除いて、先の実施の形態の共通する特徴は、フランジがその周りに配置される容器（例えば、接続管）の周りの角度位置に対して最も外側の（例えば、ニッケル含有）環の可変全幅および／またはフランジの白金含有部分の可変全幅である。フランジの周りで角度方向に動くにつれて変動する白金含有環の幅を使用すると、接続管／フランジの接合部およびフランジ自体の内部で電流密度をより均一にするように働く白金含有材料の質量勾配が提供される。
図１３の実施の形態は、先の実施例に記載された実質的に円形の環外周以外のものを有するフランジのより一般的な実施の形態を示している。それでも、電極４２を通る対称軸４６はフランジを二等分し、電極４２に隣接する白金含有環３８の全幅および／または電極４２に隣接する最も外側の環４０の幅のいずれかは、接続管１６の反対側に位置するそれぞれの環の部分の幅よりも広い。
図１４〜１５に示されたさらに別の実施の形態において、白金含有環３８の厚さは、接続管１６の周りに角度位置の関数として変動する。例えば、図１４は、それぞれ、時計方向に移動して、１２：００の時計位置、３：００の時計位置、６：００の時計位置、および９：００の時計位置に配置された４つの区画５０，５２，５４および５６に分割されて示された１つの白金含有環３８を有するフランジ３６を示している。この実施の形態によれば、１２：００の時計位置にある区画５０は、６：００の時計位置にある区画５４よりも厚く作られている。それぞれ、３：００の時計位置と９：００の時計位置にある区画５２および５６は、１２：００の時計位置の区画５０と６：００の時計位置の区画５４の間の中間の厚さを有する。例えば、区画５２および５６の厚さは同じであってもよい。それゆえ、１２：００の時計位置から環３８の周りを時計方向に移動すると、環の厚さｔ38は薄くなり、６：００の時計位置で最小の厚さに到達し、次いで、１２：００の時計位置に向かって再度厚くなる。もちろん、白金含有環３８が複数の環（例えば、前述したように、環３８ａ，３８ｂ・・・）を備える場合、それらは角度位置の関数として、厚さが変動してもよい。さらに、最も外側の環４０も、複数の区画が異なる厚さを有するように、同様に区画化されていてもよい。角度位置の関数としての厚さの変動は、機械加工の能力に応じて、上述したように段階的（様々な厚さの区画−くさび形−を溶接することなどによる）であっても、または漸進的（連続的）であってもよい。厚さの段階的な変化は一般に製造が容易であり、ここで、個々の区画は一緒に配置され、溶接される。
いくつかの実施の形態において、最も外側の環および白金含有環の内の一方または両方は、接続管１６に対してずれていてもよく、また前述のように角度位置の関数として変動する厚さを有する環（最も外側の環、白金含有環、または最も外側の環と白金含有環の両方）を含んでもよい。
前述したように、フランジ３６は、接続管１６に関連して記載してきたが、ここに記載されたフランジは、容器内を流動する材料を加熱するために直接抵抗加熱が適用される他の導電性容器に用いてもよい。
先の実施の形態の各々において、冷却管および／または通路の様々な構造を利用できることに留意すべきである。例えば、電極４２用の冷却管４４は、フランジ（すなわち、最も外側の環４０）用の冷却管４４とは分離され、よって、電極を、フランジの残りの部分とは別々に冷却できるようにしてもよい。これが必要な程度は、フランジと容器の特定の要件、例えば、温度、電流などに依存する。ある例において、環の温度が十分に低く、電極のみに冷却管４４が設けられている（または単に、冷却管の最も外側の環の部分を流動する冷却流体がない）場合、最も外側の環の冷却は必要ないであろう。いくつかの実施の形態において、最も外側のフランジまたは電極のいずれかの冷却は必要ないであろう。さらに他の実施の形態において、電極４２および電極に電流を供給するバスバー５８の間の接合部は、図１６に示されるような冷却ブロック６０を含んでもよい。図１６は、電極４２の一部、バスバー５８および冷却ブロック６０を描き、冷却ブロック６０の内部の通路に冷却流体を供給するための入口６２および出口６４を示している。もちろん、代わりとして、冷却ブロック６０の外部に冷却管を取り付けても差し支えない。
したがって、本発明の非限定的実施の形態として以下を挙げる：
Ｃ１． 溶融材料を加熱するための装置において、導電性外壁部分を有する容器と；前記容器の外周で該容器に接続された導電性フランジであって、少なくとも、第１の組成を有する第１の環および該第１の組成とは異なる第２の組成を有する第２の環を含む複数の環を備えたフランジと；前記フランジから延在する電極と；を有してなり、前記第１または第２の環の内の少なくとも一方の幅が、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とする装置。
Ｃ１． 溶融材料を加熱するための装置において、導電性外壁部分を有する容器と；前記容器の外周で該容器に接続された導電性フランジであって、少なくとも、第１の組成を有する第１の環および該第１の組成とは異なる第２の組成を有する第２の環を含む複数の環を備えたフランジと；前記フランジから延在する電極と；を有してなり、前記第１または第２の環の内の少なくとも一方の幅が、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とする装置。
Ｃ２． 前記第１の環がニッケルを含むことを特徴とするＣ１記載の装置。
Ｃ３． 前記第２の環が白金を含むことを特徴とするＣ１またはＣ２記載の装置。
Ｃ４． 前記第１の環が最も外側の環であり、前記電極を含まない該最も外側の環の幅が、前記容器の周りの角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ１からＣ３いずれか１つに記載の装置。
Ｃ５． 前記フランジを二等分する対称軸上の、前記電極に隣接する位置での前記最も外側の環の幅が、前記電極から最も遠い前記対称軸上の位置での該最も外側の環の幅よりも大きいことを特徴とするＣ４記載の装置。
Ｃ６． 前記第２の環が最も内側の環であり、該最も内側の環の幅が、前記容器の周りの角度位置の関数として均一であることを特徴とするＣ４またはＣ５記載の装置。
Ｃ７． 前記第２の環の幅が、前記容器の周りの角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ４またはＣ５記載の装置。
Ｃ８． 前記第１の環が最も外側の環であり、前記第２の環の幅が角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ１記載の装置。
Ｃ９． 前記第２の環が複数の環を含むことを特徴とするＣ８記載の装置。
Ｃ１０． 前記第２の環を構成する複数の環の各々の幅が、前記容器の周りの角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ９記載の装置。
Ｃ１１． 前記第１の環の厚さが、該第１の環の周りの角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ１記載の装置。
Ｃ１２． 前記第１の環が複数の区画からなり、該複数の区画の厚さが前記容器の周りの角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ１１記載の装置。
Ｃ１３． 前記複数の区画の各区画が均一な厚さを有することを特徴とするＣ１２記載の装置。
Ｃ１４． 前記第１の環が、前記容器に対する第１の角度位置で、該第１の角度位置から１８０度に配置された第２の角度位置でよりも厚いことを特徴とするＣ１１記載の装置。
Ｃ１５． 前記第２の環が単一の環であり、該第２の環の厚さが、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ１１記載の装置。
Ｃ１６． 前記第２の環が複数の環を含み、該第２の環を構成する該複数の環の内の少なくとも１つの環について、該少なくとも１つの環の厚さが、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ１１記載の装置。
Ｃ１７． 前記第２の環が１つ以上の環を含み、該第２の環を構成する該１つ以上の環の内の少なくとも１つの環の厚さが、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ１記載の装置。
Ｃ１８． 前記第１の環の厚さが、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ１７記載の装置。
Ｃ１９． 溶融材料を加熱するための装置において、導電性外壁部分を有する容器と；少なくとも、第１の組成を有する第１の環および該第１の組成とは異なる第２の組成を有する第２の環を含む複数の環を備えた導電性フランジであって、前記第２の環が前記容器の外周で該容器に接続されているフランジと；を有してなり、前記第１または第２の環の内の少なくとも一方の幅が、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とする装置。
Ｃ２０． 前記第１または第２の環の内の少なくとも一方の厚さが、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ１９記載の装置。
Ｃ２１． 溶融材料を加熱するための装置において、導電性外壁部分を有する容器と；少なくとも、第１の組成を有する第１の環および該第１の組成とは異なる第２の組成を有する第２の環を含む複数の環を備えた導電性フランジであって、前記第２の環が前記容器の外周で該容器に接続されているフランジと；を有してなり、前記第１または第２の環の内の少なくとも一方の厚さが、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とする装置。
Ｃ２２． 前記第１または第２の環の内の少なくとも一方の幅が、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とするＣ２１記載の装置。
本発明の上述した実施の形態、特に、任意の「好ましい」実施の形態は、実施の単なる可能な例であり、本発明の原理を明白に理解するために単に述べられていることを強調しておく。本発明の精神および原理から実質的に逸脱せずに、様々な変更および改変を本発明の上述した実施の形態に行ってよい。そのような変更および改変の全てが、この開示および本発明の範囲内でここに含まれ、以下の特許請求の範囲により保護されることが意図されている。
１２ 溶融装置
１４ 溶融ガラス
１６，２２，２３ 接続管
１８ 清澄装置
２０ 撹拌室
２４ ボウル
２６ 下降管
２８ 成形体
３２ ガラスリボン
３６ フランジ
３８ 最も内側の環
４０ 最も外側の環
４２ 電極
１４ 溶融ガラス
１６，２２，２３ 接続管
１８ 清澄装置
２０ 撹拌室
２４ ボウル
２６ 下降管
２８ 成形体
３２ ガラスリボン
３６ フランジ
３８ 最も内側の環
４０ 最も外側の環
４２ 電極
Claims (10)
- 溶融材料を加熱するための装置において、
導電性外壁部分を有する容器と；
前記容器の外周で該容器に接続された導電性フランジであって、少なくとも、第１の組成を有する第１の環および該第１の組成とは異なる第２の組成を有する第２の環を含む複数の環を備えたフランジと；
前記フランジから延在する電極と；
を有してなり、
前記第１または第２の環の内の少なくとも一方の幅が、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とする装置。 - 前記第１の環がニッケルを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
- 前記第２の環が白金を含むことを特徴とする請求項１または２記載の装置。
- 前記第１の環が最も外側の環であり、前記電極を含まない該最も外側の環の幅が、前記容器の周りの角度位置の関数として変動することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の装置。
- 前記フランジを二等分する対称軸上の、前記電極に隣接する位置での前記最も外側の環の幅が、前記電極から最も遠い前記対称軸上の位置での該最も外側の環の幅よりも大きいことを特徴とする請求項４記載の装置。
- 前記第１の環の厚さが、該第１の環の周りの角度位置の関数として変動することを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の装置。
- 溶融材料を加熱するための装置において、
導電性外壁部分を有する容器と；
少なくとも、第１の組成を有する第１の環および該第１の組成とは異なる第２の組成を有する第２の環を含む複数の環を備えた導電性フランジであって、前記第２の環が前記容器の外周で該容器に接続されているフランジと；
を有してなり、
前記第１または第２の環の内の少なくとも一方の幅が、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とする装置。 - 前記第１または第２の環の内の少なくとも一方の厚さが、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とする請求項７記載の装置。
- 溶融材料を加熱するための装置において、
導電性外壁部分を有する容器と；
少なくとも、第１の組成を有する第１の環および該第１の組成とは異なる第２の組成を有する第２の環を含む複数の環を備えた導電性フランジであって、前記第２の環が前記容器の外周で該容器に接続されているフランジと；
を有してなり、
前記第１または第２の環の内の少なくとも一方の厚さが、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とする装置。 - 前記第１または第２の環の内の少なくとも一方の幅が、前記容器に対する角度位置の関数として変動することを特徴とする請求項９記載の装置。
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