JP2012036063A - 溶融ガラスの撹拌装置及び撹拌方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に撹拌を行うことができ、均質性の高い溶融ガラスを成形装置に供給できる撹拌装置及び撹拌方法を提供する。
【解決手段】撹拌槽４０３と、撹拌槽４０３の互いに異なる位置に接続され、溶融窯で溶解された溶融ガラスを清澄槽から撹拌槽４０３内へ導入する第１，第２の輸送管４０４，４０５と、撹拌槽４０３内へ導入される溶融ガラスを撹拌する撹拌翼４０２と、を具備し、第３の輸送管４０６から成形装置へと供給される。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶融ガラスを撹拌する撹拌装置及び撹拌方法に関し、特に、欠陥の少ない高品質なガラスを製造する撹拌装置及び撹拌方法に関する。

ガラスを製造する際に、溶融ガラスがよく撹拌されずに溶融ガラスの組成、すなわち溶融ガラスを構成する成分及びその量の割合が他の箇所と異なる部分が生じていると、この部分の屈折率等の特性が他の部分と異なる脈理と呼ばれる不良が生ずる。この脈理は、ストリエ、コード、パネリングと称されることもある。脈理の発生原因としては、メルティングセグリゲーション等のガラス化反応の制御不足、ガラスの原料を溶融する溶融窯や溶融ガラスの撹拌容器等を構成する耐火物（ＺｒＯ_２を含んだ電鋳耐火物が一般的である）から溶出する成分の混入、溶融ガラスの表面部における特定成分の揮発や温度制御の不備等、多岐に渡る。

近年、液晶ディスプレイや半導体分野等で使用されるガラスには高い均質性、すなわちガラスの組成が均質であることが求められていることから、ガラスの品質や歩留まりを低下させる上記脈理の発生を抑制することが早急の課題となっている。そこで、ガラスの製造は、溶融ガラスを均質化して脈理の発生を抑制するために機械的に溶融ガラスを撹拌する工程を設けている。

撹拌は、撹拌槽と呼ばれる円筒状の耐火物内で行われる。撹拌槽内には、撹拌翼が設けられ、この撹拌翼が所定の回転数で回転することで、溶融ガラスにせん断力を加え、撹拌槽内の溶融ガラスを撹拌して均質化している。溶融ガラスに撹拌翼によるせん断力が加わると、不均質ガラスがせん断されて他の溶融ガラスと撹拌され均質化される。このせん断力、すなわち撹拌性能を向上させるために、リード角を２２°〜５８°とした螺旋翼を回転軸に設けたもの（特許文献１参照）、回転軸に設けられた複数の撹拌翼における溶融ガラスの流れの方向を撹拌翼毎に異ならせるようにしたもの（特許文献２参照）、撹拌槽内の中心部領域（翼の回転軸近傍）に存在する溶融ガラスを、強いせん断力が発生する外周部領域（撹拌翼の外側方向）に誘導するもの（特許文献３参照）など種々の手法が提案されている。

特開２００３−３４５３９号公報 特開２００９−２９７０４号公報 特開２０１０−１００４６２号公報

しかしながら、上記従来の撹拌翼では、撹拌槽の内壁近傍において十分なせん断力が生じず、溶融ガラスを十分に撹拌しきれず溶融ガラスに不均質な部分が残存してしまう。このため、近年の液晶ディスプレイや半導体分野等で使用されるガラスに求められる高い均質性に対応できないという問題が生じている。この原因として、撹拌槽の内壁近傍では、撹拌翼から距離が離れているため撹拌翼によるせん断力が十分に確保できないことが考えられる。

さらに、溶融ガラスの粘性が高い場合、レイノルズ数が低いため撹拌翼による撹拌効率が低いという問題もある。レイノルズ数が低いことは、溶融ガラスの慣性力が低くなることを意味しており、慣性力が低くなるとある部分における振動が伝播しない性質が顕著となる。このため、撹拌翼から離れた部分、例えば、撹拌翼の届かない撹拌槽内壁近傍等では、撹拌翼によるせん断力が伝達せずに撹拌されない状態となる虞が高くなる。

さらに、粘性の高い流体である溶融ガラスの撹拌槽内における流れは、ほぼ層流となる。このため、撹拌槽内の中央近傍の流速が最も早く、撹拌槽内の内壁近傍では流速が非常に遅く、略ゼロの状態であり、撹拌翼によるせん断力が伝達されない。このように、上述した慣性力の低さに加えて、撹拌槽内の内壁近傍の流速がほとんどゼロの状態であるため、撹拌槽内の内壁近傍における撹拌の効率は低いものとなっている。

ここで、撹拌の効率を高めるため撹拌翼の回転数を上げることが考えられる。しかしながら、撹拌翼の回転数を上げると溶融ガラスが撹拌翼と共に周方向に回転する共回りと呼ばれる状態となり撹拌翼によるせん断力が発生しにくい状態となる。また、撹拌槽や撹拌翼の材質には、耐熱性、耐腐食性を考慮し、白金もしくは白金合金が用いられているが、撹拌翼の回転数を上げた場合、強いせん断力が発生する撹拌翼の先端部において、これら白金もしくは白金合金がはがれてしまい、溶融ガラス中に混入する可能性がある。溶融ガラスに混入した白金もしくは白金合金は、溶融ガラスに対する不純物もしくは異物であるためガラスの品質が低下するトラブルが生じる。

さらに、撹拌翼の回転数を上げると、撹拌翼の回転方向に対して裏面となる部分の圧力が他の部分よりも低くなる（陰圧となる）ため、溶融ガラスに対する溶存気体の溶解度が低下し、再沸泡を生じる。

また、撹拌翼によるせん断力が伝達しにくく、撹拌効率の低い撹拌槽内壁近傍に存在する溶融ガラスを撹拌するために、従来よりも撹拌翼を大きくして、撹拌翼と撹拌槽内壁との隙間を小さくすることが考えられる。しかしながら、回転軸の一端に取り付けられるモータに対する溶融ガラスの熱（通常、１０００度を超える）による影響を避けるため、撹拌翼の回転軸（シャフト）は通常撹拌槽とモータとが一定距離離間する長さとなっている。このため、撹拌翼が取り付けられる回転軸に芯振れが生じる。また、室温下で芯振れが生じないように回転軸を調整したとしても、１０００度を超える高温下では、撹拌翼等が熱膨張するため芯振れを完全に無くすことは困難である。

さらに、撹拌槽の内壁に突起物等を設け、撹拌槽の内壁近傍を流れる溶融ガラスを、撹拌翼によるせん断力が働く領域へ誘導することも考えられるが実用的ではない。なぜなら、撹拌槽の内壁に突起物等を設けたとしても、撹拌槽の内壁近傍を流れる溶融ガラスは、突起物の表面近傍を這うようにして流れ、撹拌翼によるせん断力が働く領域へ誘導することができないからである。

以上のような理由から、撹拌効率を向上させるために、撹拌翼の回転数を上げる、撹拌翼と撹拌槽内壁との隙間を小さくする、撹拌槽の内壁に突起物等を設ける、といったアプローチは採用することができない。

なお、上述したように、脈理の発生原因となる組成が他の部分と異なるガラスは、ガラスの原料（珪砂(けいしゃ)、ソーダ灰、石灰石など）を溶融する溶融窯を構成する耐火物から溶出する成分の混入や、溶融窯において発生する溶融ガラスの表面部から特定の成分が揮発することによって発生するが、この組成が他の部分と異なるガラスは、上流から下流まで耐火物表面、すなわち撹拌槽の内壁近傍を流れるため、均質性の高い高品質なガラスの製造には重大な問題となる。

本発明は、上記の事情に対処してなされたものであり、効率的に撹拌を行うことができ、均質性の高い溶融ガラスを供給できる撹拌装置及び撹拌方法を提供することを目的とする。

本発明の撹拌装置は、第１の撹拌槽と、第１の撹拌槽の互いに異なる位置に接続され、溶融ガラスを第１の撹拌槽内へ導入する第１，第２の輸送管と、第１の撹拌槽内へ導入される溶融ガラスを撹拌する第１の撹拌翼と、を具備する。

本発明の撹拌方法は、撹拌槽の互いに異なる第１，第２の位置に溶融ガラスを導入するステップと、撹拌槽内へ導入される溶融ガラスを撹拌するステップと、を具備する。

本発明の撹拌装置によれば、溶融ガラスを撹拌槽へ導入する少なくとも２つの輸送管を備え、この２つの輸送管を撹拌槽の互いに異なる位置に接続するように構成しているので、撹拌槽内壁の表面近傍を流れる溶融ガラスを撹拌翼によるせん断力が働く領域へ誘導することができ、溶融ガラスを効率的に撹拌して、均質性の高い溶融ガラスを供給できる。

第１の実施形態に係る板ガラス製造装置の構成図である。 第１の実施形態に係る撹拌装置の断面図である。 撹拌槽内における溶融ガラスの流れを示す断面図である。 第２の実施形態に係る撹拌装置の断面図である。 第３の実施形態に係る撹拌装置の断面図である。 第３の実施形態に係る撹拌装置の他の例である。 第４の実施形態に係る撹拌装置の断面図である。 第５の実施形態に係る撹拌装置の構成図である。 実施例１に係る実験系の概略構成図である。 実施例１に係る撹拌槽内の流体の挙動を示した図である、 実施例２に係る実験系の概略構成図である。 比較例１に係る実験系の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施形態）

図１は、第１の形態に係る光学ガラス製造装置１の構成図である。光学ガラス製造装置１は、最上流に配置され、ガラスの原料（珪砂(けいしゃ)、ソーダ灰、石灰石など）を加熱して溶融する溶融窯１０と、溶融したガラス（以下、溶融ガラスと称する）を高所へ輸送するライザ２０と、ガラス化反応により発生するＨ_２Ｏ、ＣＯ_２、Ｏ_２などの気体あるいは溶融時に巻き込まれた空気が原因で溶融ガラス中に生じた気泡を溶融ガラスから取り除く清澄槽（リファイナ）３０と、溶融ガラスを撹拌して均質化する撹拌装置４０と、撹拌装置４０から供給される撹拌後の溶融ガラスを成形する成形装置５０とを具備する。

図２は、撹拌装置４０の一例を示した断面図である。撹拌装置４０は、回転軸４０１と、溶融ガラスを撹拌する撹拌翼４０２と、撹拌翼４０２を収容し、溶融ガラスを撹拌する撹拌槽４０３と、撹拌槽４０３へ溶融ガラスを導入する第１，第２の輸送管４０４，４０５と、撹拌後の均質化された溶融ガラスを成形装置５０へ導出する第３の輸送管４０６とを備えている。図２中の矢印は、溶融ガラスの流れの向きを示している。

以下、撹拌装置４０の各構成について詳しく説明する。
回転軸４０１は、一端側が図示しないモータに接続され、他端側には撹拌翼４０２が設けられている。上記モータにより回転軸４０１が回転駆動されると、この回転軸４０１の他端側に設けられた撹拌翼４０２も回転し、撹拌槽４０内の溶融ガラスが撹拌される。

撹拌翼４０２は、溶融ガラスを撹拌するための複数のパドル４０２ａ〜４０２ｃを備える。撹拌翼４０２の表面は、耐熱性に優れる材料、例えば、白金（Ｐｔ）、白金とロジウム（Ｒｈ）との合金で被覆されている。なお、撹拌翼４０２の形状は、溶融ガラスにせん断力を加えて撹拌するものであればよく、パドル以外にも、例えば、螺旋翼（スクリュー翼）など種々の形状を使用できる。

撹拌槽４０３の内壁４０３ａは、回転により溶融ガラスを撹拌する撹拌翼４０２との隙間を一定とするため、その形状が円柱形となっている。また、撹拌槽４０３の内壁４０３ａは、撹拌翼４０２と同様、耐熱性に優れる材料、例えば、白金（Ｐｔ）、白金とロジウム（Ｒｈ）との合金で被覆されている。

撹拌槽４０３の内壁４０３ａと撹拌翼４０２のパドル４０２ａ〜４０２ｃとの隙間（クリアランス）は、５〜２０ｍｍ程度とするのがよい。クリアランスがあまりに小さいと、撹拌槽４０３の内壁４０３ａと撹拌翼４０２のパドル４０２ａ〜４０２ｃとが接触する虞があり、クリアランスが大きいと撹拌翼４０２による撹拌効果が低減するためである。

第１の輸送管４０４は、図示しない一端側が清澄槽３０に、他端側４０４ａが撹拌槽４０３に各々接続されており、清澄槽３０からの溶融ガラスを、撹拌翼４０２のうち最上段のパドル４０２ａの上部近傍へ導入する。

第２の輸送管４０５は、図示しない一端側が清澄槽３０に、他端側４０５ａが撹拌槽４０３に各々接続されており、清澄槽３０からの溶融ガラスを第１の輸送管４０４の他端側４０４ａが接続される位置よりも下の位置に導入する。なお、清澄槽３０に接続される第２の輸送管４０５の一端側は、清澄槽３０内の組成が他の部分と異なるガラスを含まないように接続する。具体的には、清澄槽３０の内壁近傍の溶融ガラスや空気層と接する表層の溶融ガラスは、ガラス組成が他の部分と異なる可能性があるため、第２の輸送管４０５にこれら溶融ガラスを取り込まないようにする。

また、第１，第２の輸送管４０４，４０５の内径は、撹拌槽４０３への溶融ガラスの供給量に依存するが、その形状は特に限定されない。

第３の輸送管４０６は、一端側が撹拌槽４０３の底部に接続され、他端側が成形装置５０に接続されており、撹拌後の均質化された溶融ガラスを成形装置５０へ導出する。

図３は、撹拌槽４０３内における溶融ガラスの流れを示す模式図である。
以下、図３を参照して、撹拌槽４０３内における溶融ガラスの流れについて詳しく説明する。なお、図３中の矢印は、溶融ガラスの流れの向きを示している。

撹拌槽４０３の内壁４０３ａ近傍の溶融ガラスは、組成が他の部分と異なるガラスであり、内壁４０３ａ表面を這うようにして流れることから、撹拌槽４０３の内壁４０３ａ近傍の溶融ガラスを効率良く撹拌するためには、内壁４０３ａ表面近傍を這うようにして流れる溶融ガラスを撹拌翼４０２によるせん断力が働く領域へ誘導することが必要となる。

しかしながら、内壁４０３ａ表面近傍を這うようにして流れる溶融ガラスを撹拌翼４０２によるせん断力が働く領域へ誘導するために（１）撹拌翼の回転数を上げる、（２）撹拌翼と撹拌槽内壁との隙間を小さくする、（３）撹拌槽の内壁に突起物等を設ける、といったアプローチを採用することができないのは既に述べた通りである。

そこで、この第１の実施形態に係る撹拌装置４０では、第２の輸送管４０５により、第１の輸送管４０４の他端側４０４ａが接続される位置よりも下の位置に溶融ガラスを導入し、この溶融ガラスの流れを利用して、内壁４０３ａ表面近傍を流れる溶融ガラスを撹拌翼４０２によるせん断力が働く領域へ誘導している。

なお、第２の輸送管４０５の他端側４０５ａを接続する位置は、第１の輸送管４０４の他端側４０４ａよりも下流側で、かつ、撹拌翼４０２の回転作用が溶融ガラスに及んでいる範囲内となるようにすることが好ましく、第１の輸送管４０４の他端側４０４ａよりも下流側で、かつ、撹拌翼４０２のパドル４０２ｃよりも上流側とするのがより好ましい。撹拌翼４０２の回転作用が溶融ガラスに及んでない範囲、又は、第１の輸送管４０４の他端側４０４ａよりも上流側に接続すると、内壁４０３ａ表面近傍を流れる溶融ガラスを撹拌翼４０２によるせん断力が働く領域へ誘導することができなくなるためである。

なお、第２の輸送管４０５により導入された溶融ガラスにより、撹拌槽４０３の内壁近傍を流れる溶融ガラスを撹拌翼４０２によるせん断力が働く領域へ誘導するためには、第２の輸送管４０５により導入される溶融ガラスに一定以上の流量ｑを供給することが好ましく、具体的には、以下の（１）式を満たすことが好ましい。

１≦｛ｑ／π（ａ^２−ｂ^２）×Ｖ×ρ｝・・・（１）
以下、（１）式の各記号について説明する。なお、[]内の値は、単位（ＵＮＩＴ）である。
ｑ[kg/s]：第２の輸送管４０５により撹拌槽４０３内へ供給される溶融ガラスの流量。
ａ[m]：撹拌槽４０３の内径の半径。
ｂ[m]：撹拌翼４０２により溶融ガラスを脈理が生じないと認められるまで撹拌が可能な半径。
Ｖ[m/s]：撹拌槽４０３の中心からの距離がａからｂまでの間に存在する溶融ガラスの平均流速。
ρ[kg/m³]：溶融ガラスの比重。

（１）式について、図３を用いて詳しく説明する。前述したａとｂの差分を厚さとし、Ｖを高さとする円筒を考える。撹拌槽４０３内壁の溶融ガラスを撹拌翼４０２のせん断力が作用する領域へ誘導するには、少なくとも１秒毎に、円筒の体積分の溶融ガラスを第２の輸送管４０５から導入する溶融ガラスによって代替することが好ましい。よって、（１）式のとおり、下限値は１とすることが好ましい。

（１）式で示される供給量が１未満であった場合、撹拌槽４０３内壁の溶融ガラスの撹拌量が少なくなるためである。ただし、（１）式で示される供給量が１未満であっても、第２の輸送管４０５により溶融ガラスが導入されていれば従来に比べてガラスの品質は向上する。また、第２の輸送管４０５からの供給量が多くなると、第１輸送管４０４に対する圧損が高くなり、溶融ガラス全体の時間当たりの供給量が低下するため時間効率的な生産性に欠けることになる。よって、（１）式で表わされる供給量はオペレーションのばらつきを考慮して２程度が好ましい。

さらに、撹拌槽４０３内を流れる溶融ガラスの粘度は、１０〜２００Ｐａ・ｓであることが好ましい。溶融ガラスの粘度が１０Ｐａ・ｓ未満であると、撹拌槽４０３に第２の輸送管４０５を接続しなくとも撹拌翼４０２のみで撹拌槽４０３内の溶融ガラスが効率よく撹拌される。また、溶融ガラスの粘度が２００Ｐａ・ｓを超えると、溶融ガラスの粘度が高く撹拌装置４０を用いても撹拌して均質化することが難しい。

以上のように、この第１の実施形態に係る撹拌装置４０は、溶融ガラスを撹拌槽４０３の上部へ導入する第１の輸送管と、第１の輸送管４０４の他端側４０４ａが接続される位置よりも下の位置に溶融ガラスを導入する第２の輸送管４０５とを備え、第２の輸送管４０５により撹拌槽４０３に導入される溶融ガラスの流れを利用して、内壁４０３ａ表面近傍を這うようにして流れる溶融ガラスを撹拌翼４０２によるせん断力が働く領域へ誘導しているので、溶融ガラスを効率良く撹拌して均質化することができる。

特に、内壁４０３ａ表面近傍を流れる溶融ガラスは、組成が他の部分と異なり脈理の発生原因となるが、この第１の実施形態に係る撹拌装置４０では、この内壁４０３ａ表面近傍を這うようにして流れる溶融ガラスを効率良く撹拌できるので、高い均質性及び品質が求められる液晶ディスプレイや半導体分野等で使用されるガラスの製造に用いることができる。

また、撹拌翼の回転数を上げる必要がないので、撹拌槽４０３や撹拌翼４０２から白金もしくは白金合金がはがれてしまい溶融ガラス中に混入する虞がなく、また、溶融ガラスに対する溶存気体の溶解度が低下し再沸泡を生じる虞もない。

さらに、撹拌翼４０２と撹拌槽４０３の内壁４０３ａとのクリアランスを適度に保つことができるので芯振れを防止するために高度な調整を行う必要がなく、また、撹拌翼４０２と撹拌槽４０３の内壁４０３ａとが接触して破損するといった虞もない。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る撹拌装置４０Ａの断面図である。図４中の矢印は、溶融ガラスの流れの向きを示している。この第２の実施形態では、第２の輸送管４０５の一端側４０５ｂが、清澄槽３０ではなく、第１の輸送管４０４に接続されている点が第１の実施形態に係る撹拌装置４０と異なる。その他の構成については、第１の実施形態と同一であるため、同一の構成に同一の符号を付して他の説明を省略する。

第２の輸送管４０５の一端側４０５ｂは、第１の輸送管４０４の中央部を流れる溶融ガラスを取り出して撹拌槽４０３へ導入できるよう第１の輸送管４０４の内部中央付近まで延伸している。これは、上述したように、組成が他の部分と異なり脈理の発生原因となる溶融ガラスは主に第１の輸送管４０４の外周部を流れ、組成の均一な高品質な溶融ガラスは、主に第１の輸送管４０４の中央部を流れることに起因する。

すなわち、撹拌槽４０３の内壁４０３ａ表面近傍を流れる組成が他の部分と異なる溶融ガラスを、第２の輸送管４０５により導入された組成の均一な高品質な溶融ガラスの流れを利用して撹拌翼４０２によるせん断力が働く領域へ誘導することにより、組成が他の部分と異なる溶融ガラスと組成の均一な高品質な溶融ガラスとが同時に撹拌翼４０２によるせん断力が働く領域へ誘導されるため、より効率的に溶融ガラスを撹拌することが可能となる。その他の効果は、第１の実施形態に係る撹拌装置４０と同じである。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る撹拌装置４０Ｂの断面図である。図５中の矢印は、溶融ガラスの流れの向きを示している。この第３の実施形態では、第２の輸送管４０５は、他端側４０５ａの接続位置とは異なる位置に接続される分岐管４０５ｃをさらに備えている点が第２の実施形態に係る撹拌装置４０Ａと異なる。その他の構成については、第２の実施形態に係る撹拌装置４０Ａと同一であるため、同一の構成に同一の符号を付して他の説明を省略する。

第２の実施形態に係る撹拌装置４０Ａでは、一箇所でしか撹拌槽４０３の内壁４０３ａ表面近傍を流れる溶融ガラスを撹拌翼４０２によるせん断力が働く領域へ誘導できないのに比べ、この第３の実施形態では、二箇所で撹拌槽４０３の内壁４０３ａ表面近傍を流れる溶融ガラスを撹拌翼４０２によるせん断力が働く領域へ誘導できるので、溶融ガラスの撹拌効率が格段に向上する。

なお、分岐管４０５ｃの撹拌槽４０Ｂへの接続位置は、図５に示す位置（第２の輸送管４０５の他端側４０５ａの上部）に限られず、第２の輸送管４０５の他端側４０５ａの接続位置と異なる位置であり、第１の輸送管４０４の他端側４０４ａよりも下流側で、かつ、撹拌翼４０２によって、溶融ガラスが撹拌作用を受ける位置であればよい。例えば、図６に示すように、撹拌槽４０３の円周方向に対して異なる位置に接続するようにしてもよい。また、分岐管を２以上設けるようにしてもよい。その他の効果は、第２の実施形態に係る撹拌装置４０Ａと同じである。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に係る撹拌装置４０Ｃの断面図である。図７中の矢印は、溶融ガラスの流れの向きを示している。第１〜第３の実施形態では、撹拌槽４０３の上部から撹拌槽４０３内へ溶融ガラスを導入し、撹拌槽４０３の下部から撹拌槽４０３内で撹拌された溶融ガラスを導出しているが、この第４の実施形態では、撹拌槽４０３の下部から撹拌槽４０３内へ溶融ガラスを導入し、撹拌槽４０３内で撹拌された溶融ガラスを撹拌槽４０３の上部から導出する。

第４の実施形態の場合、撹拌槽４０３の下部から溶融ガラスが導入されるため第２の輸送管４０５の他端側４０５ａを撹拌槽４０３へ接続する位置は、第１の輸送管４０４の他端側４０４ａよりも下流側（上部）で、かつ、撹拌翼４０２のパドル４０２ａよりも上流側（下部）となる点に留意する。その他の構成については、第２の実施形態に係る撹拌装置４０Ａと同一であるため、同一の構成に同一の符号を付して他の説明を省略する。また、効果に関しても第２の実施形態に係る撹拌装置４０Ａと同一である。

（第５の実施形態）
図８は、第５の実施形態に係る撹拌装置４０Ｄの構成図である。この第５の実施形態に係る撹拌装置４０Ｄは、第２の実施形態に係る撹拌装置４０Ａの前段に更に撹拌槽を備えた構成を有する。以下、図８を参照して、第５の実施形態に係る撹拌装置４０Ｄの構成について説明する。

撹拌装置４０Ｄは、溶融ガラスを撹拌する第１の撹拌槽４０３Ａ及び第２の撹拌槽４０３Ｂを備えている。撹拌槽４０３Ａは、第４の輸送管４０７により導入される溶融ガラスを回転軸４０１Ａに設けられた撹拌翼４０２Ａで撹拌する。撹拌槽４０３Ａで撹拌された溶融ガラスは、第１の輸送管４０４により第２の撹拌槽４０３Ｂの上部へ導入される。

また、第１の輸送管４０４には、第１の輸送管４０４の中央部を流れる溶融ガラスを取り出して撹拌槽４０３へ導入できるよう、第２の輸送管４０５の一端側４０５がその内部中央付近まで延伸した状態で接続されている。以上のように撹拌槽を直列に２以上設けることにより溶融ガラスをより均質化することが可能となる。その他の効果は、第２の実施形態に係る撹拌装置４０Ａと同じである。

なお、第２の実施形態に係る撹拌装置４０Ａを他の実施形態に係る撹拌装置に置き換えて第５の実施形態に係る撹拌装置４０Ｄを構成するようにしてもよく、前段の撹拌装置４０３Ａと後段の撹拌装置４０３Ｂを入れ替えて配置するようにしてもよい。

次に、実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。なお、以下の実施例１，２及び後述する比較例１では、実際の炉（以下、実炉と称する）ではなく、実炉を模した実験炉を使用している。この実験炉では、溶融ガラスの代わりに流体として水あめを使用している。溶融ガラスと水あめでは、粘性及び比重が異なるため、この実験炉では、以下の表１に示すように種々の物性値を設定し、実験炉におけるレイノルズ数を実炉と一致させた。これにより、実験炉における水あめの挙動が実炉における溶融ガラスの挙動と一致するようにしている。なお、表１は輸送管内におけるレイノルズ数のパラメータである。

表１の物性値について説明する。
１．粘度は、溶融ガラス（実炉）、水あめ（実験炉）の粘度である。
２．密度は、溶融ガラス（実炉）、水あめ（実験炉）の密度である。
３．代表速度は、第１の輸送管内における溶融ガラス（実炉）、水あめ（実験炉）の流速である。
４．代表径は、実炉及び実験炉における第１の輸送管の内径である。

表１から、実験炉におけるレイノルズ数が、実炉のレイノルズ数と一致していることがわかる。なお、実験炉の物性値を表１のように設定することにより、実験系の時間スケール、すなわち実験炉における流体（水あめ）の流速は、実炉の１／４（４分の１）程度となっている。また、流量[g/min]は、単位時間当たり重量が実炉の１５％となっている。

（実施例１）
図９は、実施例１に係る実験系の概略構成図である。以下、図９を参照して、この実施例１の構成について説明する。
この実施例１では、流体Ａを収容する溶液槽５０と、回転軸６０４、流体Ａを撹拌する撹拌翼６０５、撹拌翼６０５を収容し、流体Ａを撹拌する撹拌槽６０３、撹拌後の流体Ａを導出する第３の輸送管６０６を備える撹拌装置６０とを第１，第２の輸送管６０１，６０２により接続している。

溶液槽５０内の流体Ａは、第１，第２の輸送管６０１，６０２により撹拌槽６０３内へ導入されて、撹拌翼６０５により撹拌された後、第３の輸送管６０６から導出される。なお、図中の矢印は、流体Ａの流れの向きを示している。

以下、図９に示す各構成について詳しく説明する。
（溶液槽５０）
溶液槽５０は、実炉における清澄槽を模している。清澄槽としての溶液槽５０内には、流体Ａ（水あめ）が収容されている。なお、溶液槽５０の材質はアクリルである

（第１の輸送管６０１）
第１の輸送管６０１は、一端側６０１ｂが溶液槽５０に、他端側６０１ａが撹拌槽６０３に各々接続されており、溶液槽５０の流体Ａを撹拌翼６０５の最上部付近へ導入する。なお、第１の輸送管６０１の内径は５０ｍｍ、材質はアクリルである。

（第２の輸送管６０２）
第２の輸送管６０２の一端側６０２ｂが第１の輸送管６０１に、他端側６０２ａが撹拌槽６０３に各々接続されており、第１の輸送管６０１の略中央部を流れる流体Ａを取得して撹拌槽６０３へ導入する。撹拌槽６０３への導入位置は、撹拌翼６０５の略中央部付近である。なお、第２の輸送管６０２の内径は２６ｍｍ、材質はアクリルである。

（撹拌槽６０３）
撹拌槽６０３の高さは４６５ｍｍ、内径は１２０ｍｍである。材質はアクリルである。

（撹拌翼６０５）
撹拌翼６０５の回転数は、５ｒｐｍ(rotation per minute)である。なお、撹拌槽６０３の内壁６０３ａと撹拌翼６０５との隙間（クリアランス）Ｌは、１２．５ｍｍである。

次に、実験方法について説明する。
この実施例では、撹拌槽６０３内における流体Ａの流れを着色剤により観察した。図１０は、撹拌槽６０３内の流体の挙動を示した図である。この実施例では、第２の輸送管６０２の他端側６０２ａが接続される撹拌槽６０３の開口部の上端Ｐ１及び下端Ｐ２の位置から着色剤を流して撹拌槽６０３内の流体Ａの挙動を観察した。なお、この実施例１における（１）式で示される供給量は、２．０４であった。

図１０のＰ１の位置（第２の輸送管６０２の開口部上端）に着色剤を導入したところ、着色剤が図１０の矢印Ｂの様な曲線を描くことが確認された。これは、第２の輸送管６０２により導入される流体Ａにより撹拌槽６０３の中心部へ誘導されるためである。そして、撹拌槽６０３の中心部へ誘導された着色剤は、撹拌翼６０５により拡散されて散逸した。なお、着色剤が撹拌槽６０３の中心部へ誘導されて散逸するまでの時間は、実炉における時間スケールで１０分程度であった。

次に、図１０のＰ２の位置（第２の輸送管６０２の開口部下端）に着色剤を導入したところ、図１０の矢印Ｃに示すように、着色剤が内壁６０３a近傍を流れる流体Ａと代替し、内壁６０３a近傍を螺旋を描きながら降下する様子が観察された。つまり、第２の輸送管６０２から撹拌槽６０３に供給された流体Ａが内壁６０３a近傍を流れる流体Ａと代替し、内壁６０３aの流体Ａは撹拌翼６０５の撹拌作用によって均質化されたことが分かる。

（実施例２）
図１１は、実施例２に係る実験系の概略構成図である。この実施例２では、第２の輸送管６０２Ａの内径を１８．３ｍｍとし、（１）式で示される供給量を０．８とした点が実施例１と異なる（なお、輸送管の内径を補足した場合、面積比による流量損失と圧損（圧力損失）との関係で、第２の輸送管６０２Ａと６０２Ａの面積比と、内部を流れる流量の比とは必ずしも一致しない）。第２の輸送管６０２Ａの材質は、実施例１と同様、アクリルである。その他の点については、実施例１と同じである。以下、図１１を参照して、比較例１について説明するが、実施例１と同一の構成には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

この実施例２では、実施例１と同様に、撹拌槽６０３内における流体Ａの流れを着色剤により観察した。この実施例では、第２の輸送管６０２Ａが接続される撹拌槽６０３の開口部の上端Ｐ５及び下端Ｐ６の位置から着色剤を流して撹拌槽６０３内の流体Ａの挙動を観察した。

図１１のＰ３の位置（第２の輸送管６０２Ａの開口部上端）に着色剤を導入したところ、図１１の矢印Ｄに示すように、着色剤は撹拌槽６０３の内壁６０３ａと撹拌翼６０５との間を、撹拌翼６０５の撹拌作用がおよぶ領域内の流体Ａよりもゆっくりとした速度で、螺旋を描きながらゆっくりと降下する様が観察された。この際、着色剤は、第２の輸送管６０２Ａから導入される流体Ａにより、撹拌槽６０３の中心部へ誘導され、撹拌翼６０５により撹拌されるが、第２の輸送管６０２Ａから導入される流体Ａの流量が少ないため、実施例１よりは拡散の効果は低かった。

次に、図１１のＰ４の位置（第２の輸送管６０２Ａの開口部下端）に着色剤を導入したところ、図１１の矢印Ｅに示すように、撹拌槽６０３の内壁６０３ａと撹拌翼６０５との間を、撹拌翼６０５の撹拌作用がおよぶ領域内の流体Ａよりもゆっくりとした速度で、螺旋を描きながらゆっくりと降下する様が観察された。つまり、第２の輸送管６０２から撹拌槽６０３に供給された流体Ａが内壁６０３a近傍を流れる流体Ａの一部と代替し、内壁６０３aの流体Ａは全てではないものの撹拌翼６０５の撹拌作用によって均質化されたことが分かる。

比較例

次に、本発明との対比のために比較例について説明する。
（比較例１）
図１２は、比較例１に係る実験系の概略構成図である。この比較例１は、第２の輸送管６０２を備えていない点以外は、図１０を参照して説明した実施例１と同じである。以下、図１２を参照して、比較例１について説明するが、実施例１と同一の構成には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

この比較例１では、実施例１と同様に、撹拌槽６０３内における流体Ａの流れを着色剤により観察した。この比較例１では、実施例１において着色剤を導入した位置と同じ位置（Ｐ５，Ｐ６）から着色剤を流して撹拌槽６０３内の流体Ａの挙動を観察した。

この比較例１では、図１２のＰ５，Ｐ６の位置から導入した着色剤は、図１２の矢印Ｆ，Ｇに示すように、どちらも撹拌槽６０３の内壁６０３ａと撹拌翼６０５との間を、撹拌翼６０５の撹拌作用がおよぶ領域内の流体Ａよりもゆっくりとした速度で、螺旋を描きながらゆっくりと降下する様が観察された。そして、着色剤は、撹拌翼６０５により拡散されることなく第３の輸送管６０６から導出された。つまり、撹拌槽６０３の内壁６０３ａの近傍を流れる流体Ａは、撹拌翼６０５の撹拌作用によって均質化されていないことが分かる。

（比較結果）
実施例１，２と比較例１との比較から、第２の輸送管を設けることにより、撹拌槽内壁の表面近傍を這うようにして流れる溶融ガラスを撹拌翼によるせん断力が働く領域へ誘導することができ、誘導された流体は、着色剤が散逸していることから比較例１（従来）に比してよく撹拌されていることがわかった。

また、実施例１と実施例２との比較から、第２の輸送管により撹拌槽内へ供給される流体Ａの流量が少ない場合（実施例２：（１）式で示される流量が１未満の場合）、撹拌槽内壁の表面近傍を這うようにして流れる溶融ガラスを撹拌翼によるせん断力が働く領域へ誘導する力が弱くなり、第２の輸送管により撹拌槽内へ供給される流体Ａの流量が多い場合（実施例１：（１）式で示される流量が１以上の場合）に比べて、撹拌されにくくなることがわかった。

以上のことから、撹拌翼の回転作用が流体Ａに及んでいる範囲内となるように第２の輸送管を撹拌槽に接続することで、撹拌槽内壁の表面近傍を這うようにして流れる流体Ａを撹拌翼によるせん断力が働く領域へ誘導し、撹拌槽内の流体Ａを従来に比して十分に撹拌できることがわかった。また、第２の輸送管により撹拌槽内へ供給される流体Ａの流量が多い場合（実施例１：（１）式で示される流量が１以上の場合）のほうが撹拌槽内壁の表面近傍を這うようにして流れる溶融ガラスをせん断力が働く領域へ誘導する力が強く流体Ａが撹拌されやすいことがわかった。

ここで、成形後のガラス（特に光学ガラス）の品質不良となる脈理は、溶融ガラスの撹拌が不十分であり、溶融ガラスを構成する成分及びその量の割合が他の箇所と異なる部分が生じていることに起因するが、本願発明の撹拌装置では、撹拌槽内の流体Ａを十分に撹拌できることから、本願発明の撹拌装置を実炉に用いた場合においても、溶融ガラスを十分に撹拌して脈理を低減できることが容易に推定できる。

以上のように、本発明の撹拌装置では、溶融ガラスを撹拌槽の上部へ導入する第１の輸送管と、第１の輸送管が接続される位置よりも下の位置に溶融ガラスを導入する第２の輸送管とを備え、第２の輸送管により撹拌槽に導入される溶融ガラスの流れを利用して、撹拌槽内壁の表面近傍を這うようにして流れる溶融ガラスを撹拌翼によるせん断力が働く領域へ誘導しているので、溶融ガラスを効率良く撹拌して均質化することができる。このため、本発明の撹拌装置を利用すると、均質性の高い溶融ガラスを供給することができ、成形ガラス（特に、光学ガラス）の品質を向上することができる。

本発明の撹拌装置及び撹拌方法は、溶融ガラスの撹拌に用いることができ、特に、高い品質が求められる液晶ディスプレイや半導体分野等で使用される溶融ガラスの撹拌に好適である。

１…光学ガラス製造装置、１０…溶融窯、２０…ライザ、３０…清澄槽（リファイナ）、４０…撹拌装置、５０…成形装置、４０１…回転軸、４０２…撹拌翼、４０３…撹拌槽、４０４…第１の輸送管、４０５…第２の輸送管、４０６…第３の輸送管、４０７…第４の輸送管、５０…流体槽、６０…撹拌装置、６０１…第１の輸送管、６０２…第２の輸送管、６０３…撹拌槽、６０４…回転軸、６０５…撹拌翼、６０６…第３の輸送管。

Claims (13)

1. 第１の撹拌槽と、
   前記第１の撹拌槽の互いに異なる位置に接続され、溶融ガラスを前記第１の撹拌槽内へ導入する第１，第２の輸送管と、
   前記第１の撹拌槽内へ導入される前記溶融ガラスを撹拌する第１の撹拌翼と、
   を具備することを特徴とする撹拌装置。
2. 前記第２の輸送管は、前記第１の撹拌槽内における前記溶融ガラスの流れに対し、前記第１の輸送管の接続位置よりも下流側に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の撹拌装置。
3. 前記第２の輸送管は、前記第１の撹拌翼の回転作用が前記溶融ガラスに及んでいる範囲内となるように前記第１の撹拌槽に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の撹拌装置。
4. 前記第２の輸送管は、前記第１の撹拌翼の上端から下端に対応する範囲内となるように前記第１の撹拌槽に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の撹拌装置。
5. 前記第２の輸送管は、前記第１の輸送管から分岐していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の撹拌装置。
6. 前記第２の輸送管は、前記第１の輸送管内の略中心部を流れる前記溶融ガラスを前記第１の撹拌槽内へ導入することを特徴とする請求項５に記載の撹拌装置。
7. 前記第２の輸送管から分岐し、前記第１の撹拌槽の前記第１，第２の輸送管とは異なる位置に接続された第３の輸送管をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の撹拌装置。
8. 第２の撹拌槽と、
   前記第２の撹拌槽内へ溶融ガラスを導入する第４の輸送管と、
   前記第２の撹拌槽内へ導入された溶融ガラスを撹拌する第２の撹拌翼と、
   を更に具備し、
   前記第１，第２の輸送管は、前記第２の撹拌槽内で撹拌された前記溶融ガラスを前記第１の撹拌槽内へ導入することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の撹拌装置。
9. 撹拌槽の互いに異なる第１，第２の位置に溶融ガラスを導入するステップと、
   前記撹拌槽内へ導入される前記溶融ガラスを撹拌するステップと、
   を具備することを特徴とする撹拌方法。
10. 前記２の位置は、前記撹拌槽内における前記溶融ガラスの流れに対し、前記第１の位置よりも下流側であることを特徴とする請求項９に記載の撹拌方法。
11. 前記第２の位置に導入される前記溶融ガラスは、前記第１の位置に導入される溶融ガラスから分離された溶融ガラスであることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の撹拌方法。
12. 前記第１，第２の位置とは異なる第３の位置に前記溶融ガラスを導入するステップをさらに具備することを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載の撹拌方法。
13. 前記撹拌槽へ導入する前の前記溶融ガラスを撹拌するステップをさらに具備することを特徴とする請求項９乃至請求項１２のいずれか１項に記載の撹拌方法。

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