JP2013082591A - ガラス製造装置及びガラス製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガラス製造装置1は、粒子状に成形したガラス原料4を、燃焼管30によって発生させた燃焼炎3の中を通過させることによって均一に加熱昇温させ、更にアーク電極21,22に多相交流電圧を印加して発生させたアークプラズマ2で高温加熱してガラス化させる。ここで、ガラス製造装置1は、旋回流発生手段40によって、ガラス化処理空間11aの内壁に沿って回転しながら下降する旋回流を形成している。また、多相交流が印加されるアーク電極21,22は、対向する電極間の位相差が最大とならないように配置され、ガラス原料4は、ガラス原料供給手段50によって、アークプラズマ2の高温領域の変化に同期して間欠的にガラス化処理空間11aに投入される。
【選択図】図1
Description
この問題を解決するために、高周波電場による誘導結合熱プラズマを利用することが提案されている(例えば、特許文献2の請求項1及び図1参照)が、熱効率および生産性の点で問題がある。また、高温熱源として高周波熱プラズマや多相交流アークプラズマを利用する技術も開発されている(特許文献3参照)。
これらのことによって、ガラス製造装置は、燃焼炎によって均一に加熱昇温したガラス原料を、発散せず、安定し、流速が適度に緩和されたプラズマジェットを形成するアークプラズマによって、効果的にガラス原料を加熱溶融する。
請求項2に記載の発明は、高温の燃焼炎を発生する酸素バーナーを用いるため、よりガラス化状態が均一で、ガラス化率の高いガラスを製造することができる。
請求項3に記載の発明によれば、流速が好適に緩和されたプラズマジェットによってガラス原料を加熱するため、更にガラス化状態が均一で、ガラス化率の高いガラスを製造することができる。
請求項4に記載の発明によれば、ガラス原料が、アークプラズマにより、急激に加熱されると共に、長い時間に渡り加熱されるため、ガラス化率の高いガラスを製造することができる。
請求項5に記載の発明によれば、燃焼炎が貫通するアークプラズマが発生領域の中心部通るアーク放電を低減するため、安定してアークプラズマを発生することができる。その結果、ガラス化状態が均一なガラスを製造することができる。
請求項6に記載の発明によれば、アークプラズマを発散させることがなく、従って、プラズマジェットに乗って下降するガラス原料を発散させずに高温に加熱することができるため、更にガラス化状態が均一で、高いガラス化率でガラスを製造することができる。
請求項7に記載の発明によれば、請求項1乃至請求項6に記載の発明の効果を享受してガラスを製造することができる。
[ガラス製造装置の構成]
まず、図1〜図3を参照して、本発明の実施形態に係るガラス製造装置の構成について説明する。
図1に示した本発明の実施形態に係るガラス製造装置1は、アークプラズマ2と燃焼炎3とにより、インフライト(気中)で粉状のガラス原料4を加熱溶融してガラス化することによりガラスを製造する装置である。
アークプラズマ発生手段20は、上側アーク電極21及び下側アーク電極22(以降、適宜にアーク電極21,22という)に多相交流電源23から、それぞれ異なる位相の交流を印加して先端部21a及び先端部22a間にアーク放電させ、アーク電極21,222の先端部21a,22aの先端に取り囲まれた領域内にアークプラズマ2を発生させるものである。
なお、上側電極先端円21bの直径と、下側電極先端円22bの直径とは同じに設定してもよい。
ここで、上側アーク電極21は斜め下向きに配置され、下側アーク電極22は水平乃至水平に対してやや斜め上向きに配置されている。
なお、各アーク電極21,22に対して多相交流を印加するパターンについては後記する。
また、相数を3の倍数とすることで、多相交流を商用の3相交流を用いて比較的容易に生成することができて好ましい。このような多相交流電源としては、例えば、商用の3相交流から、30度ずつ位相をずらせた12相交流に変換する公知の電源装置(特許第3094217号公報参照)を用いることができる。
シールドガス供給手段24は、適宜な流量でシールドガスを供給するために、圧力レギュレータを備えるようにすることが好ましい。
なお、熱ピンチ効果とは、プラズマが冷却を受けたときに、熱エネルギーの損失が大きくなるのを防ぐため、表面積を小さくしようと収縮する効果をいうものである。
なお、燃料ガスとしては、プロパンガス、水素ガスなどを用いることができる。
燃焼炎3を用いたインフライトでのガラス化処理では、粉状のガラス原料4の粒子は、燃焼炎3の出口から燃焼炎3の中心までの位置において供給される。このとき、アークプラズマ2による加熱に比較すると、ガラス化に必要な温度に対しては必ずしも十分ではないものの、ガラス原料4の粒子が縦長の燃焼炎3内を落下する長い時間において加熱できるため、投入されるガラス原料4のすべての粒子を均一に昇温させることが可能である。
なお、燃焼炎3の回転方向は、燃焼管30のノズルの形状等により定まる燃料ガス若しくは酸素ガス、又は燃料ガス及び酸素ガスの噴出方向に応じて定められる。
本実施形態では、図3に示すように、4本のガス供給管42のガス噴出口が、上面視で、円形のガラス化処理空間11aの内壁11bの円周上に等間隔になるように配置されている。また、ガス供給管42は、各ガス供給管42の噴出口から内壁11bの接線方向に噴出する気流が、ガラス化処理空間11aの内壁11bに沿って、互いに同じ回転方向となるように配置されている。なお、この回転方向は、アークプラズマ2及び燃焼炎3の回転方向と同じにすることが好ましい。これによって、それぞれ互いに乱されることなく安定した回転流を形成することができ、アークプラズマ2及び燃焼炎3を発散させることがない。このため、アークプラズマ2の回転流であるプラズマジェットに乗って下降するガラス原料4は、発散することなく効率的に加熱される。
5[m/秒]以上とすることで、高い粘性を有するアークプラズマ2の高温領域内への進入を容易にし、10[m/秒]以下とすることで、ガラス原料4の進入によりアークプラズマ2を不安定にすることを抑制することができる。
多相交流(本実施形態では12相交流)を用いて発生するアークプラズマ2は、アーク放電が12本のアーク電極21,22を移動していくことにより、アークプラズマ2の内部の温度分布、すなわち高温領域の広がりが時間変化する。アークプラズマ2の温度分布の変化の時定数は、ガラス原料4がアークプラズマ2の内部に滞留する時間と比較可能なオーダーにある。
例えば、50Hzの12相交流電源を用いた場合は、温度分布の変化は20[ms]程度である。また、ガラス原料4が、高さ数十[mm]程度のアークプラズマ2の内部に滞留する時間は数十[ms]である。
次に、図4及び図5(適宜図1及び図2参照)して、本実施形態に係るアークプラズマ発生手段20において、アーク電極21,22に印加される多相交流の電極配置パターンについて説明する。
図5に示した例では、印加される交流電圧の位相が180度ずれた(すなわち位相差が最大となる)電極同士(例えば、1番と7番、3番と9番、5番と11番など)が、隣接する2本の電極(上側アーク電極21か下側アーク電極22かには関係なく、上面視での位置関係)を隔てて位置するように、すなわち互いに3番目に隣接するアーク電極21,22となるように配置したものである。
この電極配置Dは、燃焼炎3と多相交流アークが形成するアークプラズマ2と組み合わせても、安定したアーク放電を継続して維持することを可能とするものである。
本実施形態のようなハイブリッド型の加熱システムにおいては、放電領域である上側電極先端円21b及び下側電極先端円22bの中心に燃焼炎3が吹き付けられ、当該放電領域の中心を挟んで対向する電極間のアーク放電によって生成するアークプラズマ2は不安定となる。
12本のアーク電極21,22には、多相交流電源23によって、それぞれ位相の異なる交流電圧が印加されており、アーク電極21,22に流れる電流によって、回転磁界が発生している。回転磁界の回転方向は、アーク電極21,22と、多相交流電源23との結線方法である電極配置によって、変えることができる。電極配置を前記した電極配置Dとした場合は、この回転磁界の回転方向は、上面視で右回転である。
次に、図6を参照(適宜図1乃至図3参照)して、本発明の実施形態に係るガラス製造装置1の動作について説明する。
なお、このとき同時に、各アーク電極21,22及び冷却ジャケット12には、冷却水の供給が開始され、排気口10aに接続された排気ガス処理装置(不図示)の運転も開始される。
なお、ガラス化したガラス粒子は、回収ポット13に落下し、回収される。
また、排気ガス処理装置(不図示)の運転も停止する。なお、各冷却系の動作は、ガラス製造装置1の温度が十分に低下してから停止することが好ましい。
その結果、ガラス原料のガラス化処理が秒のオーダーに短縮でき、設備の大幅な縮小、エネルギー消費量の大幅な低減を図ることができる。
また、本発明によれば、均一な品質でガラスが製造されるため、ガラス製造における歩留まりの向上、ガラス製品品質の向上、更に、ガラス製造コストの低減が可能となる。
また、本発明は、ガラス製造装置の大幅な小型化が可能になるために、少量多品種のガラス生産において、組成変更に伴う無駄な原料とエネルギーの消費を大幅に低減することができる。
まず、図7を参照して、本実施例におけるガラス製造装置1の構造について説明する。
炉10は円筒形をしており、内径は600[mm]で、その外側は水冷式の冷却ジャケット12で覆われている。また、炉10の内面は厚さ200[mm]の断熱材11が巻き付けられており、炉10の本体の内径、すなわち円柱状のガラス化処理空間11aの直径は200[mm]である。炉10の蓋(上部)も冷却ジャケット12の一部とする構造となっており、この蓋の下部には中心部に直径100[mm]の円筒状の燃焼管30を差し込む空間を残して燃焼管30の出口まで燃焼管30を囲むように断熱材11が設けられている。燃焼管30の出口部分から下は直径200[mm]の円柱状の空間(ガラス化処理空間11a)が下部まで続き、ガラス化反応を進行させる炉10の本体部分を構成している。
多相交流として、12相交流を用いて12相交流アークプラズマを発生させた。このとき、何れのアーク電極21,22も略100[A]の電流が流れるように設定し、互いに対向するアーク電極21,22の先端の間隔は100[mm]とした。
なお、本明細書において、流量単位[NL/分]における体積[NL]は、基準状態(1気圧、0℃)における体積(リットル)を示すものとする。
原料供給量は30〜80[g/分]とし、キャリアガスとして乾燥空気を20[NL/分]で供給した。
2 アークプラズマ
3 燃焼炎
4 ガラス原料
10 炉
11 断熱材
11a ガラス化処理空間
11b 内壁
12 冷却ジャケット
12a 冷却水供給口
12b 冷却水排出口
13 回収ポット
20 アークプラズマ発生手段
21 上側アーク電極(アーク電極、上側電極)
21a 先端部
21b 上側電極先端円
22 下側アーク電極(アーク電極、下側電極)
22a 先端部
22b 下側電極先端円
23 シールドガス供給手段
24 多相交流電源
30 燃焼管
30a ガラス原料供給口
30b 燃料ガス供給口
30c 一次酸素供給口
30d 二次酸素供給口
30e 冷却水供給口
30f 冷却水排出口
40 旋回流発生手段
41 ガス供給源
42 ガス供給管
50 ガラス原料供給手段
51 キャリアガス供給部
52 ガラス原料供給制御手段
53 ガラス原料供給器
Claims (7)
- 粉状のガラス原料をインフライトで加熱溶融してガラス化することでガラスを製造するガラス製造装置であって、
前記ガラス原料をガラス化処理する空間である断熱材で囲まれたガラス化処理空間を有する炉と、
前記ガラス化処理空間の上面に設けられ、下方に向けて燃焼炎を発生する燃焼管と、
複数の柱状のアーク電極に対して互いに位相の異なる多相交流を印加して前記ガラス化処理空間内にアークプラズマを発生するアークプラズマ発生手段と、
前記アーク電極のアーク放電する先端にシールドガスを供給するシールドガス供給手段と、
前記燃焼炎中に、前記アークプラズマの発生領域よりも上方から前記ガラス原料を供給するガラス原料供給手段と、
少なくとも前記アークプラズマの発生領域よりも上方から前記アークプラズマの発生領域の下方にかけて、前記ガラス化処理空間の内壁に沿って回転しながら下降する旋回流を発生させる旋回流発生手段と、
を備え、
前記複数のアーク電極は、上下2段に設置され、それぞれ複数のアーク電極からなる上段に配置された上側電極と下段に配置された下側電極とからなり、前記上側電極は前記アーク放電する先端が下向きに設置され、前記下側電極は前記アーク放電する先端が水平乃至水平に対して上向きに設置され、
前記アーク電極に印加される多相交流は、上面視において、前記アーク電極のアーク放電する先端が取り囲む領域である放電領域の中心を挟んで互いに対向する前記アーク電極に印加される交流の位相差が180度とならないように位相が定められ、
前記燃焼管は、前記燃焼炎が前記放電領域の中心を貫通するように設定され、
前記ガラス原料供給手段は、前記アークプラズマ発生手段によって発生するアークプラズマの高温領域の広がりの変化に同期して、当該高温領域が広がったときに前記ガラス原料が前記アークプラズマの発生領域に到達するように、予め定められたタイミングで間欠的に前記ガラス原料を前記燃焼炎中に供給する、
ことを特徴とするガラス製造装置。 - 前記燃焼管は、酸素バーナーであることを特徴とする請求項1に記載のガラス製造装置。
- 前記上側電極は、水平に対して前記アーク放電する先端が下向きに15度以上かつ45度以下の角度で設置され、前記下側電極は、水平に対して前記アーク放電する先端が上向きに0度以上かつ10度以下の角度で設置されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のガラス製造装置。
- 前記上側電極及び前記下側電極は、それぞれ前記アーク放電する先端が、それぞれ前記ガラス処理空間内における所定の直径の同心円上に位置するように放射状に配置され、前記上側電極のアーク放電する先端が位置する同心円の直径が、前記下側電極のアーク放電する先端が位置する同心円の直径よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載のガラス製造装置。
- 前記上側電極及び前記下側電極はそれぞれ6本のアーク電極を有し、上面視で、それぞれ60度の角度を空けて放射状に配置され、互いに隣接する前記上側電極と前記下側電極とは、上面視で30度の角度を空けて配置され、
前記多相交流は12相交流であり、上面視で30度の角度を空けて配置された12本の前記アーク電極において、一のアーク電極に印加される交流の位相と、上面視で前記一のアーク電極と2番目乃至4番目に隣接する何れか1つのアーク電極に印加される交流の位相との差が180度となるように前記12相交流を前記アーク電極に印加する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載のガラス製造装置。 - 平面視における、前記アークプラズマの回転方向と、前記燃焼炎の回転方向と、前記旋回流の回転方向とは、同じ向きであることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載のガラス製造装置。
- 粉状のガラス原料をインフライトで加熱溶融してガラス化することでガラスを製造する請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載のガラス製造装置を用いたガラス製造方法であって、
前記ガラス原料を前記燃焼炎中に供給する工程と、
前記燃焼炎によって前記ガラス原料を加熱する工程と、
前記アークプラズマによって前記燃焼炎により加熱された前記ガラス原料を加熱する工程と、
を含むことを特徴とするガラス製造方法。
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