JP2011502934A - ガラスの清澄化方法およびシステム - Google Patents

Abstract

ガラス製造プロセスおよびガラス清澄化システムであって、上記ガラス製造プロセスは、溶融ガラスに直接的には接触しない頂部壁部分、および溶融ガラスに直接的に接触する側部壁部分を備えた清澄化槽内における溶融ガラスの清澄化ステップを含み、上記頂部壁部分が温度Ｔ（頂部）を有し、上記側部壁部分が温度Ｔ（側部）を有し、かつ、Ｔ（頂部）−Ｔ（側部）≦１０℃である。本発明は、Ｐｔおよび／またはＰｔ・Ｒｈ合金等の貴金属から作製された金属製ガラス清澄化槽を備えたガラス清澄化システムに特に有用である。

Description

関連出願の説明

本願は、その開示内容がここに引用される、２００７年１１月８日付けで提出された米国仮特許出願第６１／００２４２５号に優先権を主張した出願である。

本発明は、溶融ガラスの清澄化方法およびシステムに関する。特に本発明は、ガラスの清澄化方法および金属製清澄化槽を備えたシステムに関するものである。本発明は、例えば、ＬＣＤガラス基板を作製するための直熱式白金清澄化システムに有用である。

ガラス物品の製造のための具体的なプロセスは、溶融ガラスを形成するために、金属酸化物等の原材料を融解することから始まる。この融解プロセスは、ガラスを形成させるのみでなく、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、二酸化硫黄、三酸化硫黄、アルゴン、窒素および水等の種々のガスを含む種々の不要な副産物をも発生させる。これらのガスは、取り除かない限り、製造プロセス全体に亘って存続し、最後には、完成したガラス製品中の小さい、時には顕微鏡的なガス状異物または気泡となる。

ガラス製品によっては、小さいガス状異物の存在は必ずしも有害ではない。しかしながら、他の製品の製造に関しては、５０μｍ程の小さいガス状異物でも許容することができない。このような製品の一つに、液晶表示装置および有機発光ダイオード表示装置の製造に用いられるガラスシートがある。このような用途に関しては、並外れた清澄性と、歪みも異物もない清純な表面とをガラスが備えていなければならない。

溶融ガラスからガス状異物を取り除くために、通常は供給された材料に清澄化剤が添加される。清澄化剤としてはＡｓ_２Ｏ_３等の多価の酸化物を用いることができる。Ａｓ_２Ｏ_３は、ガラス融解プロセスにおいてＡｓ_２Ｏ_５に転化される。清澄化段階においては、下記の反応が生じる。すなわち、
Ａｓ_２Ｏ_５→Ａｓ_２Ｏ_３＋Ｏ_２（ガス）
放出された酸素は、溶融ガラス中で気泡を形成する。これらの気泡は、他の溶解されたガスを集めて溶融ガラスの表面まで上昇し、そこでプロセスから取り除かれる。高温の清澄化槽においては一般に加熱が行なわれる。

ディスプレイ・グレードのガラスに関する一般的な清澄化温度は１７００℃と高い。このような高い温度は、槽の破壊を防止するために、貴金属または貴金属合金を必要とする。白金、または白金ロジウム等の白金合金が一般に用いられる。白金は高い溶融温度を有し、ガラス内で容易に溶けることはない。それでもなお、このような高い温度においては、白金または白金合金が容易に酸化してしまう。したがって、高温の白金清澄化槽と大気中の酸素との接触を阻止するステップが設けられなければならない。ガラスの清澄化および配送の間にＰｔの酸化を軽減する対策ための他の対策も同様に高く望まれる。

清澄化槽内における与えられた滞留時間内で、より高い品質のガラスを得るためには、溶融ガラスの清澄化温度がより高いことが望ましい。しかしながら、金属または金属合金を用いて作製された清澄化システムを形成する材料は、最大動作温度を有する。したがって、金属の最高動作温度を超えることなしに、溶融ガラスに高い清澄化温度を提供するガラス清澄化システムが望まれる。

本発明は、この要求を満足させるものである。

したがって、本発明の第１の態様は、清澄化槽内における溶融ガラスの清澄化ステップを含むガラス製造プロセスであり、上記清澄化槽は、溶融ガラスに直接的には接触しない頂部壁部分と、溶融ガラスに直接的に接触する側部壁部分とを備え、上記頂部壁部分が温度Ｔ（頂部）を有し、上記側部壁部分が温度Ｔ（側部）を有し、かつ、Ｔ（頂部）−Ｔ（側部）≦１０℃である。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、Ｔ（頂部）−Ｔ（側部）≦５℃である。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、上記清澄化槽の上記壁部分は金属である。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、上記清澄化槽は、上記壁部分を通過する電流によって加熱される。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、上記清澄化槽の壁部分がＰｔを含む。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、Ｔ（側部）≧１６００℃であり、いくつかの実施の形態において、Ｔ（側部）≧１６３０℃であり、いくつかの実施の形態において、Ｔ（側部）≧１６５０℃であり、いくつかの実施の形態において、Ｔ（側部）≧１６６０℃であり、いくつかの実施の形態において、Ｔ（側部）≧１６７０℃であり、いくつかの実施の形態において、Ｔ（側部）≧１６８０℃であり、いくつかの実施の形態において、Ｔ（側部）≧１６９０℃であり、いくつかの実施の形態において、Ｔ（側部）≧１７００℃である。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、上記溶融ガラスが硼珪酸ガラスであり、いくつかの実施の形態においてアルミノ硼珪酸ガラスである。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、上記清澄化槽は、この清澄化槽が内部に配置されている架台によって支持されている。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、上記清澄化槽は、断熱材からなる多数の層によって取り囲まれている。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、上記清澄化槽は、１６５０℃の動作温度に格付けされた少なくとも１層の断熱材からなる層によって取り囲まれている。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、上記清澄化槽は、少なくとも１層の耐火ボードによって囲まれている。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、上記清澄化槽の上記側部壁部分が、Ｐｔ加熱システムまたはその他の直接的金属加熱システムに電流を通すことによる等の補助的加熱によってさらに区別して加熱される。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、冷却フィンまたはヒートシンクが上記清澄化槽の上記頂部壁部分の外側に取り付けられている。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、上記清澄化槽の上記頂部壁部分が、上記側部壁部分よりも厚い厚さを有する。

本発明の第１の態様のいくつかの実施の形態において、上記清澄化槽の上記壁部分が金属からなり、かつＴ（頂部）−Ｔ（側部）≧３０℃である場合に比較して、上記金属の酸化が軽減される。

本発明の第２の態様は、ガラス清澄化システムであり、このシステムは、
ガラス清澄化プロセス中において、溶融ガラスに直接的には接触しない頂部壁部分と、溶融ガラスに直接的に接触する側部壁部分とを有する、溶融ガラスが内部で清澄化するのを許容するように動作する金属槽と、
上記頂部壁部分の温度を検出するように動作し得る第１の温度センサ、および上記側部壁部分の温度を検出するように動作し得る第２の温度センサと、
前記金属槽の壁部分を通る電流を供給して、上記清澄化槽の頂部壁部分および上記側部壁部分を加熱するように動作する電流供給源と、
上記金属槽を支持する架台と、
上記金属槽を収容する断熱性囲い込みと、
を備え、
上記清澄化システムは、上記清澄化動作中の上記頂部壁部分の温度Ｔ（頂部）と上記側部壁部分の温度Ｔ（側部）との間の温度差を、Ｔ（頂部）−Ｔ（側部）≦１０℃に維持するように動作することが可能である。

本発明の第２の態様のいくつかの実施の形態において、このシステムは、白金直熱システムまたは他の金属直熱システム等の、上記金属槽の側部壁部分を区別して加熱するように動作し得る加熱手段をさらに備えている。

本発明の第２の態様のいくつかの実施の形態において、冷却フィンまたはヒートシンクが上記金属槽の上記頂部壁部分の外側に取り付けられている。

本発明の第２の態様のいくつかの実施の形態において、上記清澄化槽の上記頂部壁部分が、上記側部壁部分よりも厚い厚さを有する。

本発明の第２の態様のいくつかの実施の形態において、上記断熱性囲い込みが、少なくとも１層の耐火ボードを備えている。

本発明の第２の態様のいくつかの実施の形態において、上記金属槽がＰｔおよび／またはその合金を含む。

本発明の一つまたはそれ以上の実施の形態は、下記の効果の一つまたはそれ以上を有する。すなわち、（イ）より少ない欠陥を備えた高品質のガラスを製造することができ、（ロ）清澄化槽の構築に用いられる、貴金属等の金属の酸化を軽減して、システムの耐用年数を伸ばすことができ、（ハ）システムの優れた断熱性を達成することができ、（ニ）本発明を利用することによって、溶融ガラスの温度の理想的な一様性を得ることができ、（ホ）製造されたガラスのより高度な選択が可能になる。

本発明の一実施の形態による金属製清澄化槽の概略的断面図である。 本発明の一実施の形態による清澄化システムの概略的断面図である。 種々の温度および温度勾配におけるＰｔ・Ｒｈ合金の酸化（重量損失で示されている）を示すグラフである。

特に指定されない限り、本明細書および請求項に用いられている、成分の重量％、寸法および物理的特性値を表す全ての数字は、全ての場合において「約」が付されることを理解すべきである。また、本明細書および請求項に用いられている正確な数値は、本発明のさらなる実施の形態を形成することも理解すべきである。実施例中に開示された数値の正確性を保証する努力が払われて来た。しかしながら、何れの測定値も、それぞれの測定技術に見られる標準偏差に起因する若干の誤差を本質的に含んでいる可能性がある。

本発明の説明および請求項に用いられているように、不定冠詞は少なくとも一つを意味し、特にそうではないと指定されない限り、「一つのみ」に限定されるべきではない。したがって、例えば、不定冠詞が付された「１個の」清澄化槽を引用すると、そうではないと指定されない限り、２個またはそれ以上の清澄化槽を有する実施の形態をも含むものである。

典型的なガラス清澄化システムは、溶融ガラスが若干の滞留時間内で収容されている１個の清澄化槽を備えており、この清澄化槽において、溶融ガラス内部の気泡は、溶融ガラスの内部から表面まで上昇するのを許容される。他の全ての条件が等しい場合に、溶融ガラスの粘度が低い程、気泡の形成および溶融ガラス中における上昇が容易になる。清澄化槽内の溶融ガラスを十分に低い粘度にするためには、溶融ガラスが十分に高い温度に熱せられることが望ましい。溶融ガラスが到達することができる最高温度は、清澄化槽の材料によって或る程度決定される。Ｐｔ清澄化槽を備えた清澄化システムを例に取ると、溶融ガラスの温度は、Ｐｔの融点を超えることはできない。純粋のＰｔは１７６８℃の融点を有する。Ｐｔの融点に接近した温度まで熱せられた場合には、Ｐｔ清澄化槽の機械的完全性が著しく損なわれる。

上述のように、清澄化システムの清澄化槽の部位が異なると、それらの一部が異なる環境に曝されるので、清澄化処理プロセス中に温度差が生じる。清澄化槽の下部は溶融ガラスの運搬手段および支持手段として機能し、したがって、ガラスと直接に接触する。しかしながら、上部は、逃すべきガスのために用意され、清澄化ステップ中は一般にガラスと直接接触することはない。ガラスとガスとの熱伝導度の相違により、清澄化槽の頂部と側部／底部との間に無視できない温度勾配を発生させる。本願においては頂部の温度は、清澄化槽の頂点において測定される。この領域の温度は、清澄化槽の最高温度になる傾向がある。清澄化槽の側部の温度は、溶融ガラスの表面ラインより下の清澄化槽の側部において測定される。この領域の温度は、その領域に直接に接触する溶融ガラスの温度に極めて近い。

本発明者等は、清澄化槽の頂部と側部／底部との間の温度勾配を低く保つことにより、溶融ガラスの清澄化温度をかなり高めて、清澄化効率および効果を高め、かつガラス品質を改善することができることを発見した。

これに加えて、清澄化槽の頂部と側部／底部との間の温度勾配を小さくすることにより、金属の酸化を軽減することができ、これにより、清澄化システムの寿命が伸びることも判明している。

いくつかの清澄化システムは、槽の壁に電流を通すことによる清澄化槽の直接的加熱法を採用している。別のいくつかの清澄化システムは、清澄化槽を加熱するために、金属巻線、ＳｉＣロッド等の、別個の間接的、独立的加熱装置を用いている。別のいくつかの清澄化システムは、直接的加熱手段と間接的加熱手段との組合せを用いている。本発明は、これらの全ての清澄化システムに適用可能である。

以下、直熱式白金清澄化システム（ＤＨＰＳ）に関して本発明を説明する。ＤＨＰＳは本発明の一実施の形態に過ぎず、本発明は、他のガラス製造システムにも同様に実施可能であることに注目すべきである。

図１は、溶融ガラス１１１を収容した金属槽の断面図を概略的に示す。１０３は、溶融ガラス１１１に直接的には接触していない金属槽の上部壁部分、１０５は、溶融ガラス１１１に直接的に接触している金属槽の側部壁部分、１０７は、上部壁部分の温度を検出するように動作し得る第１の温度センサ（熱電対等）、そして１０９は、側部壁部分の温度を検出するように動作し得る第２の温度センサである。２個の温度センサを用いることにより、清澄化槽の頂部と側部／底部との間の温度勾配がモニターされる。ＤＨＰＳの場合、清澄化槽へ供給される電流は、所望の範囲内の温度勾配を保つために、頂部と側部／底部とが区別をつけて加熱されるように変調されかつ調節される。

図２は、本発明の一実施の形態による清澄化システムの概略的断面図である。２０５は、溶融ガラス２０９が内部に収容されかつ清澄化される金属槽である。２０１ａ，２０１ｂおよび２０１ｃは、金属槽２０５を収容する深さのある架台の第１側壁、基部および第２側壁である。２０３は、架台の壁と金属槽との間の枕材料である。２０７ａおよび２０７ｂは、金属槽および枕材料を覆うカバープレートである。２１１および２１３は、架台および金属槽を取り囲む断熱層である。２１３は耐火ボード（セラミック繊維から作製された耐熱性繊維ボード等）である。この実施の形態においては、完全に断熱された清澄化槽に加えて深さのある架台を用いているので、清澄化プロセスにおける熱損失を最少にし、かつ清澄化槽の温度勾配を所望の範囲内に維持する。

アルミナ断熱耐火煉瓦等の高熱伝導性材料で構築された一般的な直熱式清澄化システムは、清澄化槽の頂部とその下方のパイプ部分との間に本質的に大きな温度勾配を発生させる。この理由は、ガラスの線が清澄化槽の頂部の高さよりも下方にあり、気泡が逃れる空気空間または自由ガラス表面が残るからである。ガラスには接触しない清澄化槽の頂部領域は、ガラス内への熱損失がないために、より高温である。その結果、得られる最高ガラス温度は、清澄化槽の材料の融点によって決定される清澄化槽の頂部の温度によって制限される。温度勾配（ΔＴ）が大きい程、ガラスの温度が低くなり、清澄化能力が低下する。

清澄化槽の頂部部分と側部部分との間の温度勾配（ΔＴ）を小さくするのには、種々の対策が用いられる。澄化槽の頂部部分と下方部分との間の温度勾配（ΔＴ）を小さくする対策例は下記のものを含むが、これらに限定されるものではない。すなわち、（ａ）白金またはKanthal（登録商標）巻線を通じた補助的加熱、（ｂ）断熱耐火煉瓦または耐火ボードによる断熱性パッケージ、（ｃ）清澄化槽の「熱い」部分に配置される冷却フィンまたはヒートシンク、（ｄ）２ピース構造化または厚さを増大させた頂部構造、およびこれらの組合せである。対策（ａ）および／または（ｃ）等の積極的な加熱および冷却が採用されるいくつかの実施の形態においては、フィードバックループを用いることによって加熱および／または冷却が制御されることが望ましい。したがって、清澄化槽の頂部部分と側部部分との間の温度勾配が検出かつモニターされ、直熱式加熱システムと併せて、補助的加熱手段および／または外部的冷却手段が調整かつ制御されて、共に頂部と側部との間に所望の温度勾配が得られるように動作する。頂部が厚い清澄化槽を用いると、側部よりも頂部が高温に加熱された場合においても、清澄化槽の頂部の機械的完全性を増大させることができる。この対策は、特にＰｔおよび／またはＰｔ・Ｒｈ合金等の貴金属が耐熱性清澄化槽の構築に用いられ多場合に、清澄化槽の価格を著しく増大させる。

他の方法では、巻線の場合における追加のエネルギーおよび電力装置を必要とするので、好ましい実施の形態は、断熱性耐火煉瓦および耐火ボードを用いるものである。冷却フィンおよびヒートシンクは、白金混在物を生じさせ得る、ＰｔＯ_２に関する局部的凝縮点を生成させるかも知れない。さらに、断熱機能を増大させると、低い電力を用いながら同等またはより高いガラス温度を可能にする。

清澄化能力を改善するためのガラス温度を高める能力
架台を断熱するための多層の耐火ボードを用いた、本発明による清澄化システムがＴ（頂部）−Ｔ（側部）≒１０℃であることをデータが示した。ところが、清澄化槽の断熱が十分でない、実質的に同一寸法、同一形状を有する比較用清澄化槽においては、（頂部）−Ｔ（側部）≒４０℃の温度差が観測された。

本発明の清澄化システムの電力消費量は著しく少ないことをデータが示している。深さのある架台および多層の耐火ボードを備えた本発明による清澄化システムは、深さのない架台を備えかつ多層の耐火ボードを備えていない比較用清澄化槽の約６０〜８０％の電力しか消費しない。

本発明による清澄化システムを用いることによって清澄化されたガラスの品質は、比較用清澄化システムによって清澄化されたガラスの品質よりも著しく高かった。比較用清澄化システムによって清澄化されたガラスは、本発明による清澄化システムによって清澄化されたガラスの約１．７〜６倍もの気泡を含んでいた。特定の理論に縛られるつもりはないが、このことは、より高温の溶融ガラスが清澄化槽内で得られることによると思われる。

したがって、本発明に関しては全体のガラスの不良率がずっと少ない。

断熱により貴金属の酸化を軽減してガラスの漏れを制御する
直熱式白金システムは，金属に、いくつかの実施の形態においては白金または白金合金に電圧をかけることを含み、これによって金属が加熱される。この方法は、ＬＣＤガラス配送システムの貴金属部品の加熱に用いられる。その結果、貴金属が周囲環境または周囲の要素よりも著しく高い温度に達する。高温と、白金と周囲環境との間の温度勾配（ΔＴ）との組合せにより、白金の酸化速度が増大する。この条件は、白金が直接的に加熱されない場合よりも白金の酸化速度を増大させる。図３に示されているデータは、直接に加熱された貴金属の酸化速度が、直接的に加熱されない場合の酸化速度よりもずっと高く、かつ温度勾配に左右されることを示している。本図の縦軸には、Ｐｔ・２０Ｒｈ板の１６７０℃における重量損失（平方インチ・月当たり）が示されている。横軸には、Ｐｔ・２０Ｒｈテスト板が曝される周囲温度が示されている。したがって、温度勾配が小さくなるように対策する程、貴金属の酸化速度を著しく遅くすることができる。したがって本発明は、金属槽の壁の酸化を軽減する筈である。

より良い断熱性パッケージを用いると、理想的な動作に必要な電力量を少なくすることができ、このことは、白金の表面、特に頂部の壁部分が、より低い温度で動作することができることを意味する。より低い電力は、より低い酸化速度を意味し、このことは貴金属がその完全性をより永く維持することを意味する。それ故に、ガラス清澄化槽等の要素の直接的加熱に関しては、ガラスの漏洩または構造の脆弱化により破損する時がより後になる筈である。

本発明の精神および範囲から離れることなしに、種々の変形および変更が可能なことは、当業者には明らかであろう。したがって本発明は、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲内で行なわれた本発明の変形および変更をカバーすることを意図するものである。

１０３ 金属槽の頂部壁部分
１０５ 金属槽の側部壁部分
１０７ 第１の温度センサ
１０９ 第２の温度センサ
１１１，２０９ 溶融ガラス
２０１ａ 架台の第１側壁
２０１ｂ 架台の基部
２０１ｃ 架台の第２側壁
２０３ 枕材料
２０５ 金属槽
２０７ａ，２０７ｂ カバープレート
２１１，２１３ 断熱材層

Claims (12)

1. 溶融ガラスに直接的には接触しない頂部壁部分と、溶融ガラスに直接的に接触する側部壁部分とを備えた清澄化槽内における溶融ガラスの清澄化ステップを含むガラス製造プロセスにおいて、
   前記頂部壁部分が温度Ｔ（頂部）を有し、前記側部壁部分が温度Ｔ（側部）を有し、かつ、Ｔ（頂部）−Ｔ（側部）≦１０℃であることを特徴とするガラス製造プロセス。
2. 前記清澄化槽は、前記壁部分を通過する電流によって加熱されることを特徴とする請求項１記載のガラス製造プロセス。
3. 前記清澄化槽の前記壁部分がＰｔを含むことを特徴とする請求項１または２記載のガラス製造プロセス。
4. Ｔ（側部）≧１６００℃であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のガラス製造プロセス。
5. 前記溶融ガラスが硼珪酸ガラスであることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載のガラス製造プロセス。
6. 前記清澄化槽は、該清澄化槽が内部に配置されている架台によって支持されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載のガラス製造プロセス。
7. 前記清澄化槽は、断熱材からなる多数の層によって囲まれていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載のガラス製造プロセス。
8. 前記清澄化槽は、１６５０℃の動作温度に格付けされた少なくとも１層の断熱材層によって囲まれていることを特徴とする請求項７記載のガラス製造プロセス。
9. 前記清澄化槽の前記側部壁部分が、補助的加熱によってさらに区別して加熱されることを特徴とする請求項１から８の何れか１項記載のガラス製造プロセス。
10. 冷却フィンまたはヒートシンクが前記清澄化槽の前記頂部壁部分の外側に取り付けられていることを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載のガラス製造プロセス。
11. 前記清澄化槽の前記頂部壁部分が、前記側部壁部分よりも厚い厚さを有することを特徴とする請求項１から１０の何れか１項記載のガラス製造プロセス。
12. 前記清澄化槽の前記壁部分が金属からなり、かつＴ（頂部）−Ｔ（側部）≧３０℃である場合に比較して、前記金属の酸化が軽減されることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項記載のガラス製造プロセス。

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