JP2011178581A - ガラス棒の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高屈折率の光学ガラス等のように粘度が低く失透し易いガラス材を用いた場合でも、型成形時の失透を防いで高品質のガラス棒を製造することができるガラス棒の製造装置と製造方法を提供すること。
【解決手段】供給パイプ１から流下する溶融ガラスＭを筒状の鋳型２の上端の入口２１に流し込み、棒状に型成形したガラス棒Ｒを鋳型２の下端の出口２２から引き出すガラス棒Ｒの製造装置及び製造方法において、供給パイプ１の周囲に供給パイプ１の供給口１１及び鋳型２の入口２１を誘導加熱する誘導加熱手段３を設け、鋳型２に誘導加熱手段３の誘導加熱による鋳型２の入口２１の過熱を防ぐ冷却手段４を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス棒の製造装置とガラス棒の製造方法に関する。

従来、ガラス棒の製造方法として、溶融ガラスを筒状の鋳型の入口に流し込み、棒状に型成形したガラス棒を鋳型の出口から引き出してガラス棒を連続的に製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法で製造されたガラス棒はその後、輪切り分割され、例えば光学素子をプレス成形するためのガラス素材として用いられる。

ところで、溶融ガラスをガラス棒に型成形する際には、ガラス棒の脈理欠陥等の原因となる溶融ガラスの失透を防ぐことが重要である。そこで、従来では、溶融ガラスを鋳型に供給する供給パイプに加熱手段を設けて供給パイプの温度調節を行ったり（例えば、特許文献２参照）、鋳型に加熱手段を設けて鋳型の温度調節を行ったりしている（上記特許文献１参照）。

特開２００６−５２１０９号公報（図２参照） 特開２００６−１４３５６３号公報

しかしながら、これら従来の方法によれば、失透現象をある程度抑制することができるものの、例えば高屈折率の光学ガラス等のように成形時の粘度が低く失透し易いガラス材を用いる場合、その失透を十分に抑制することができない難点があり、失透や脈理等の欠陥の少ないより高品質なガラス棒が求められている。

本発明は、従来のガラス棒の製造方法に上記のような難点があったことに鑑みて為されたもので、たとえ高屈折率の光学ガラス等のように粘度が低く失透し易いガラス材を用いた場合でも、失透を防いで高品質のガラス棒を製造することができる、ガラス棒の製造装置と製造方法を提供することを課題とする。

本発明者は、溶融ガラスの失透が、鋳型内における溶融ガラスの冷却速度に起因する他に、鋳型の入口に供給された溶融ガラスが、溶融ガラスと鋳型面と雰囲気との境界部で冷却されることによっても発生し成長することに注目し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、供給パイプから流下する溶融ガラスを筒状の鋳型の上端の入口に流し込み、棒状に型成形したガラス棒を該鋳型の下端の出口から引き出すガラス棒の製造装置であって、
前記供給パイプの周囲に設けられ、該供給パイプの供給口及び前記鋳型の入口を誘導加熱する誘導加熱手段と、前記鋳型に設けられ、該鋳型を冷却し、前記誘導加熱手段の誘導加熱による該鋳型の入口の過熱を防ぐ冷却手段と、を備えることを特徴としている。

また、本発明は、前記冷却手段が、前記鋳型の外周面に接触する冷却部材を備え、前記冷却部材の上端が前記鋳型の上端寄りに位置することを特徴としている。

また、本発明は、前記鋳型の上端と前記冷却部材の上端との間隔（Ｄ）が、該鋳型の上端の肉厚（Ｔ）の半分よりも大きく、該鋳型の全長（Ｌ）の半分よりも小さいことを特徴としている。

また、本発明は、供給パイプから流下する溶融ガラスを筒状の鋳型の上端の入口に流し込み、棒状に型成形したガラス棒を該鋳型の下端の出口から引き出すガラス棒の製造方法であって、
前記供給パイプの周囲に設けた誘導加熱手段により該供給パイプの供給口及び前記鋳型の入口を誘導加熱しながら、溶融ガラスを該鋳型の入口に流し込み、
前記鋳型に設けた冷却手段により該鋳型を冷却し、前記誘導加熱手段の誘導加熱による該鋳型の入口の過熱を防ぎながら、ガラス棒の型成形を行うことを特徴としている。

本発明に係るガラス棒の製造装置と製造方法によれば、誘導加熱手段によって供給パイプの供給口を誘導加熱すると同時に、鋳型の上端の入口を誘導加熱することができるので、鋳型の入口に供給された溶融ガラスが、溶融ガラスと鋳型面と雰囲気との境界部で冷却されて失透が起きるのを未然に防ぐことができる。したがって、たとえ高屈折率の光学ガラス等のように粘度が低く失透し易いガラス材を用いた場合でも、失透を防いで高品質のガラス棒を製造することができる。

しかも、冷却手段により鋳型の入口を冷却することができるので、誘導加熱手段の誘導加熱による鋳型の入口の過熱を防ぐことができる。したがって、加熱され過ぎた鋳型面にガラス皮膜が融着してガラス欠陥となる問題も未然に防ぐことができる。

また、誘導加熱手段によって供給パイプ及び鋳型の入口を同時に誘導加熱することができるので、装置構成を簡素化することができる。また、供給パイプの温度調節に応じて、鋳型の入口の温度調節を行うことができる。

本実施形態のガラス棒の製造装置の要部縦断面図である。 本実施形態のガラス棒の製造装置の部分拡大縦断面図である。

本実施形態のガラス棒の製造装置１０は主として、図１に示すように、溶融ガラスＭを流下させる供給パイプ１と、供給パイプ１から流下した溶融ガラスＭを型成形する筒状の鋳型２と、供給パイプ１の周囲に設けられた誘導加熱手段３と、鋳型２に設けられた冷却手段４とを備えている。

供給パイプ１は、円筒状の白金パイプから成り、鉛直姿勢を保ってフレームに支持されている。供給パイプ１の上端側は、不図示のガラス溶融槽に接続され、溶融槽に貯留された溶融ガラスＭをパイプ下端の供給口１１から鉛直下方へ流下させる。また、供給パイプ１の供給口１１寄りには、熱電対から成る温度測定器１２が設けられている。

鋳型２は、円筒状の所謂カーボン型から成り、上記供給パイプ１の下方に、供給パイプ１と軸心を一致させ、鉛直姿勢を保って設けられている。鋳型２の上端２１１には、供給パイプ１から流下する溶融ガラスＭを鋳型内に流し込むための入口２１を有し、鋳型２の下端２２１には、鋳型内で型成形されたガラス棒Ｒを引き出すための出口２２を有している。また、鋳型２の上端２１１寄り、中程部、及び下端２２１寄りには、熱電対から成る温度測定器２３、２４、２５がそれぞれ差し込まれている。

誘導加熱手段３は、円形螺旋状のコイル３１から成り、供給パイプ１の周囲に、供給パイプ１と軸心を一致させて配設されている。コイル３１には不図示の高周波電源が接続されており、コイル３１の内側に位置する供給パイプ１を誘導加熱すると同時に、コイル３１に近接する鋳型２の上端２１１を誘導加熱する。本実施形態では、図２に示すように、鋳型２の外径Ｄｍよりも大きい直径Ｄｃを有するコイル３１を配設しており、鋳型２の上端２１１をより効率的に加熱することができる。

冷却手段４は、図１に示すように、上記鋳型２の外周面に接触して設けられたステンレス鋼から成る円筒状の冷却部材４１と、冷却部材４１の外周面を取り囲んで円環状の媒体流路Ｃを形成する周壁部材４２と、媒体流路Ｃに冷却媒体を流入出させるための流入管４３及び流出管４４とを備えている。この媒体流路Ｃに冷却水等の冷却媒体を流通させることによって、冷却部材４１を介して鋳型２の外周面を冷却する。このことで、冷却部材４１の接触部にほぼ対応する部位の型内面が冷却されると同時に、上記誘導加熱手段３により誘導加熱された鋳型２の上端２１１の入口２１が冷却される。

図２に示すように、冷却部材４１の上端４１１は、鋳型２の上端２１１寄りに位置している。即ち、本実施形態では、鋳型２の上端２１１と冷却部材４１の上端４１１との間に間隔Ｄを設け、この間隔Ｄを、鋳型２の上端２１１の肉厚Ｔに対して０．９Ｔとしている（Ｄ／Ｔ＝０．９）。

この間隔Ｄは、棒状成形すべきガラス材の材質等を考慮して適宜変更することができ、上端２１１の肉厚Ｔの半分（０．５Ｔ）より大きく、鋳型２の全長Ｌの半分（０．５Ｌ）より小さいことが好ましい（０．５Ｔ＜Ｄ＜０．５Ｌ）。間隔Ｄが、０．５Ｔ以下であると、誘導加熱手段３による冷却手段４自体の加熱が大きくなり、その冷却能力が損なわれる。他方、間隔Ｄが０．５Ｌ以上であると、冷却手段４による鋳型２の入口２１の冷却効果が不十分となる。また、間隔Ｄは、０．７Ｔよりも大きく、３．０Ｔよりも小さいことが更に好ましい（０．７Ｔ＜Ｄ＜３．０Ｔ）。

また、冷却部材４１の下端４１２は、鋳型２の中央寄りに位置している。冷却部材４１の下端４１２の位置は、例えば鋳型内における溶融ガラスＭの冷却速度やガラス材の材質等を考慮して適宜変更することができる。必要に応じて冷却部材４１の下端４１２を鋳型２の下端２２１と一致させてもよい。さらに、図１に示すように、鋳型２の外周面の中央部から下端２２１にかけて断熱材５を配設してもよい。

次に、本実施形態のガラス棒の製造装置１０を適用したガラス棒の製造方法について説明する。

溶融ガラスＭを型成形するにあたり、誘導加熱手段３のコイル３１に高周波電流を流し、供給パイプ１を誘導加熱すると同時に、鋳型２の上端２１１を誘導加熱する。そして、冷却手段４の媒体流路Ｃに冷却媒体を流通させ、鋳型２の型内面を冷却すると同時に、鋳型２の上端２１１の入口２１を冷却する。この状態で、供給パイプ１から溶融ガラスＭを流下させ、鋳型２の入口２１に流し込む。そして、鋳型２の型内面で溶融ガラスＭを冷却しながら棒状に型成形し、型成形したガラス棒Ｒを鋳型２の出口２２から引き出す。こうして、ガラス棒Ｒが連続的に製造される。

このように本実施形態のガラス棒の製造装置１０とその製造方法によれば、誘導加熱手段３によって供給パイプ１の供給口１１を誘導加熱すると同時に、鋳型２の上端２１１の入口２１を誘導加熱することができるので、図２に示すように、鋳型２の入口２１に供給された溶融ガラスＭが、溶融ガラスと鋳型面と雰囲気との境界部Ａ（以下、単に境界部という。）で冷却されて失透が起きるのを未然に防ぐことができる。したがって、たとえ高屈折率の光学ガラス等のように粘度が低く失透し易いガラス材を用いた場合でも、失透を防いで高品質のガラス棒を製造することができる。

しかも、本実施形態のガラス棒の製造装置１０とその製造方法によれば、冷却手段４により鋳型２の型内面を冷却すると同時に、鋳型２の入口２１を冷却することができるので、誘導加熱手段３の誘導加熱による鋳型２の入口２１の過熱を防ぐことができる。したがって、境界部Ａにおいて、加熱され過ぎた鋳型面にガラス皮膜が融着してガラス欠陥となる問題も未然に防ぐことができる。

さらに、冷却手段４により境界部Ａの直下で鋳型２の型内面を冷却することができるので、鋳型２内で溶融ガラスＭを急冷することができ、このことによっても、溶融ガラスの失透を防いで高品質のガラス棒を製造することができる。

また、誘導加熱手段３によって同時に供給パイプ１及び鋳型２の入口２１を誘導加熱することができるので、装置構成を簡素化することができる。また、供給パイプ１の温度調節に応じて、鋳型２の入口２１の温度調節を行うことができる。

以上、本実施形態のガラス棒の製造装置とその製造方法について説明したが、本発明は他の実施形態でも実施することができる。

例えば、上記実施形態では、冷却手段４として、冷却部材４１の周囲に周壁部材４２を設けて媒体流路Ｃを形成し、この媒体流路Ｃに冷却水を流通させているが、冷却水の代わりに他の液体や気体を冷却媒体として流通させてもよい。また、鋳型２の外周面に直接、或いは、冷却部材を介して間接的に気体を吹き付けることにより鋳型２の入口２１を冷却してもよい。

また、冷却手段４は、誘導加熱手段３の誘導加熱による鋳型２の入口２１の過熱を防ぐことができれば足り、必ずしも同時に鋳型２の入口２１以外の部分を冷却することができる必要はない。鋳型２の入口２１の過熱を防ぐ冷却手段とは別に、鋳型２の型内面を冷却する他の冷却手段を設けるようにしてもよい。

また、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内で、当業者の知識に基づいて種々の改良、修正、変形を加えた態様で実施し得る。同一の作用又は効果が生じる範囲内でいずれかの発明特定事項を他の技術に置換した形態で実施しても良く、また、一体に構成されている発明特定事項を複数の部材から構成したり、複数の部材から構成されている発明特定事項を一体に構成した形態で実施しても良い。

以下の条件で溶融ガラスからガラス棒を製造した。

供給パイプ１；外径５ｍｍ、内径３ｍｍ
鋳型２；外径４０ｍｍ、内径２０ｍｍ、肉厚（Ｔ）１０ｍｍ、全長（Ｌ）１０５ｍｍ
供給パイプ１の下端と鋳型２の上端２１１との鉛直間隔３ｍｍ
誘導加熱手段３のコイル３１；線径６ｍｍ、直径（Ｄｃ）５４ｍｍ
コイル３１の下端と供給パイプ１の下端との鉛直間隔０ｍｍ
冷却手段４の冷却部材４１；全長５０ｍｍ
冷却部材４１の上端４１１と鋳型２の上端２１１との鉛直間隔（Ｄ）９ｍｍ

上記条件のガラス棒の製造装置１０の供給パイプ１から、低粘性ガラス材の溶融ガラスＭを流下させ、鋳型２の入口２１に流し込んだ。溶融ガラスＭの流量は３０７６ｇ／ｈ、供給パイプ１の温度は１１８０℃、鋳型２の温度は４４０℃（上端２１１寄り）、２９２℃（中程部）、２９４℃（下端２２１寄り）であった。そして、ガラス棒Ｒを鋳型２の出口２２から、引出し速度０．５３ｍｍ／ｓで引き出した。こうして得られたガラス棒Ｒをアニール処理し、分割し、研磨後、目視観察したところ失透や脈理等の欠陥は認められなかった。

１０ ガラス棒の製造装置
１ 供給パイプ
１１ 供給口
２ 鋳型
２１ 入口
２２ 出口
２１１（鋳型の）上端
２２１（鋳型の）下端
３ 誘導加熱手段
４ 冷却手段
４１ 冷却部材
４１１（冷却部材の）上端
４１２（冷却部材の）下端
Ｍ 溶融ガラス
Ｒ ガラス棒
Ｄ 鋳型の上端と冷却部材の上端との間隔
Ｔ 鋳型の上端の肉厚
Ｌ 鋳型の全長

Claims (4)

1. 供給パイプから流下する溶融ガラスを筒状の鋳型の上端の入口に流し込み、棒状に型成形したガラス棒を該鋳型の下端の出口から引き出すガラス棒の製造装置であって、
   前記供給パイプの周囲に設けられ、該供給パイプの供給口及び前記鋳型の入口を誘導加熱する誘導加熱手段と、
   前記鋳型に設けられ、該鋳型を冷却し、前記誘導加熱手段の誘導加熱による該鋳型の入口の過熱を防ぐ冷却手段と、
   を備えることを特徴としたガラス棒の製造装置。
2. 前記冷却手段が、前記鋳型の外周面に接触する冷却部材を備え、
   前記冷却部材の上端が前記鋳型の上端寄りに位置することを特徴とした請求項１記載のガラス棒の製造装置。
3. 前記鋳型の上端と前記冷却部材の上端との間隔（Ｄ）が、該鋳型の上端の肉厚（Ｔ）の半分よりも大きく、該鋳型の全長（Ｌ）の半分よりも小さいことを特徴とした請求項２記載のガラス棒の製造装置。
4. 供給パイプから流下する溶融ガラスを筒状の鋳型の上端の入口に流し込み、棒状に型成形したガラス棒を該鋳型の下端の出口から引き出すガラス棒の製造方法であって、
   前記供給パイプの周囲に設けた誘導加熱手段により該供給パイプの供給口及び前記鋳型の入口を誘導加熱しながら、溶融ガラスを該鋳型の入口に流し込み、
   前記鋳型に設けた冷却手段により該鋳型を冷却し、前記誘導加熱手段の誘導加熱による該鋳型の入口の過熱を防ぎながら、ガラス棒の型成形を行うことを特徴としたガラス棒の製造方法。

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