JP2022190523A - ブッシング、ガラス繊維製造装置、及びガラス繊維製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の形状のガラス繊維を多数にかつ安定して製造することを課題とする。
【解決手段】所定の一方向に延び、溶融ガラスを冷却可能に構成された冷却部材を配置可能な複数の冷却領域を具備するベースプレートと、前記ベースプレートに設けられてなり、前記冷却領域に沿った領域である第１の領域に配置された複数の第１のノズルと、前記ベースプレートに設けられてなり、前記冷却領域に沿った領域である第２の領域に配置された複数の第２のノズルと、を備えるブッシングであって、前記冷却領域と前記第１の領域間の平均距離は、前記冷却領域と前記第２の領域間の平均距離よりも短く、前記第１のノズルのノズル孔の径は、前記第２のノズルのノズル孔の径よりも大きいを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス繊維の製造技術の改良に関するものである。

断面が真円である円形断面ガラス繊維や、断面が長円形や楕円形のような扁平形状などの非円形断面を有する異形断面ガラス繊維は、樹脂と混合して複合化した場合に高い補強効果を実現できることから、さまざまな分野で利用されている。

この種のガラス繊維は、ブッシングのノズルから溶融ガラスを引き出しながら冷却することにより製造されるのが一般的である。この際、製造されるガラス繊維の断面形状は、ノズル先端部のノズル孔の形状に加えて、溶融ガラスの冷却状態に依存する。

例えば、異形断面ガラス繊維を製造するために、扁平状のノズル孔を有するノズルを使用したとしても、ノズルから引き出される溶融ガラスの粘度が低すぎれば、ノズル先端部の直下で表面張力により溶融ガラスの断面が丸くなるように形成されやすく、所望の異形断面ガラス繊維を製造することができなくなる。また、円形断面ガラス繊維を製造する場合においても、溶融ガラスを適切に冷却することにより、ガラス繊維が切れてしまうことを抑制できる。

そこで、例えば、特許文献１のガラス繊維製造装置は、溶融ガラスの冷却部材として、内層材が熱伝導率１００Ｗ・ｍ^－１・ｋ^－１以上の材料よりなり、最外層材がニッケル及び／又はクロムを含有する材料よりなる中空状長尺体及び／ 又は中実状長尺体を有している。これにより、効率的に溶融ガラスを冷却することができる。

特開２０１０－１８４８５８号公報

近年、１つのブッシングから引き出されるガラス繊維を増やすことにより、生産性を向上させることや、大きな番手のストランドを製造することが検討されている。そのため、ブッシングに備えられている冷却部材の個数を減らし、その領域にノズルを設けることが検討されている。

特許文献１に記載の冷却部材を用いることにより、ノズルから引き出される溶融ガラスの冷却効率は良くなるものの、冷却部材を減らすことで、１個の冷却部材が冷却する範囲が広がるため、全てのノズルから引き出される溶融ガラスを適切に冷却できないことがあった。

以上の実情に鑑み、本発明は、所望の形状のガラス繊維を多数にかつ安定して製造することを課題とする。

本発明に係るブッシングは、所定の一方向に延び、溶融ガラスを冷却可能に構成された冷却部材を配置可能な複数の冷却領域を具備するベースプレートと、前記ベースプレートに設けられてなり、前記冷却領域に沿った領域である第１の領域に配置された複数の第１のノズルと、前記ベースプレートに設けられてなり、前記冷却領域に沿った領域である第２の領域に配置された複数の第２のノズルと、を備えるブッシングであって、前記冷却領域と前記第１の領域間の平均距離は、前記冷却領域と前記第２の領域間の平均距離よりも短く、前記第１のノズルのノズル孔の平均径は、前記第２のノズル孔の平均径よりも大きいことを特徴とする。

このような構成によれば、冷却部材の間に、ノズル領域が複数配されるため、従来と比較してより多くのノズルを配置することができる。そのため、ガラス繊維の生産性を向上させることができるとともに、一度に多数のガラス繊維を得ることができるため、大きな番手のストランドを製造することができる。
また、冷却領域から近い位置であるため冷却されやすい第１のノズルのノズル孔の径を、第２のノズルのノズル孔の径よりも大きくして、冷却部材に近いノズル孔から引き出される溶融ガラスの量を多くしているため、冷却部材からの距離が異なることに起因する溶融ガラスの冷却効率のばらつきを減らすことができる。従って、成形時の溶融ガラスの粘度を適正に調整し、ガラス繊維を安定的に成形することができる。

本発明においては、前記ベースプレートに設けられてなり、前記冷却領域に沿った領域である第３の領域に配置された複数の第３のノズルを更に備え、前記冷却領域と前記第２の領域間の平均距離は、前記冷却領域と前記第３の領域間の平均距離よりも短く、前記第２のノズルのノズル孔の平均径は、前記第３のノズルのノズル孔の平均径よりも大きいことが好ましい。

このような構成によれば、より多くのノズルを配置した場合でも、溶融ガラスの冷却効率のばらつきを減らすことができる。

本発明においては、前記第1のノズル及び前記第２のノズルは、前記溶融ガラスが流出する先端部において、扁平形状をなすノズル孔を備えることが好ましい。

このような構成によれば、番手の大きい異形断面ガラス繊維を容易に製造することができる。

本発明に係るガラス繊維製造装置は、上述のブッシングと、前記冷却領域に設けられた冷却部材とを備えることを特徴としている。

このような構成によれば、既に述べた構成と同様の効果を得ることができる。

本発明においては、前記冷却部材の、前記ベースプレートからの長さは、前記第１のノズル及び前記第２のノズルよりも長いことが好ましい。

これにより、第２ノズルから引き出される溶融ガラスも効率的に冷却可能となる。

本発明に係るガラス繊維製造方法ガラス繊維製造装置を用いてガラス繊維を製造することを特徴としている。このような構成によれば、既に述べた構成と同様の効果を得ることができる。

本発明においては、前記溶融ガラスがＥガラスであることが好ましい。

Ｅガラスは失透しにくいガラスであるため、ガラス繊維の生産性が向上する。

本発明においては、成形温度において、溶融ガラスは、１０^２．０～１０^３・５ｄＰａ・ｓの粘度を有することが好ましい。

１０^３・５ｄＰａ・ｓ以下であれば、溶融ガラスの粘度が高くなりすぎないため、ガラス繊維の成形性を良好に維持することができる。また、１０^２．０ｄＰａ・ｓ以上であれば、溶融ガラスの粘度が低くなりすぎないため、異形断面ガラス繊維を製造する際において、溶融ガラスが表面表力によって円形断面に戻ろうとする力が弱められ、ガラス繊維の扁平比（長径寸法／短径寸法）を高めることができる。

本発明によれば、 所望の形状のガラス繊維を多数にかつ安定して製造することができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係るガラス繊維製造装置を示す断面図である。 図２は、図１のブッシングのノズル周辺を拡大して示す断面図である。 図３は、図１のブッシングのノズル周辺を拡大して示す底面図である。 図４は、本発明の第二実施形態に係るガラス繊維製造装置のブッシングのノズル周辺を拡大して示す底面図である。 図５は、本発明の第三実施形態に係るガラス繊維製造装置のブッシングのノズル周辺を拡大して示す断面図である。 図６は、本発明の第三実施形態に係るガラス繊維製造装置のブッシングのノズル周辺を拡大して示す底面図である。 図７は、本発明の第四実施形態に係るガラス繊維製造装置のブッシングのノズル周辺を拡大して示す断面図である。 図８は、本発明の第四実施形態に係るガラス繊維製造装置のブッシングのノズル周辺を拡大して示す底面図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

（ガラス繊維の製造装置及び製造方法の第一実施形態）
図１に示すように、本実施形態に係るガラス繊維製造装置１０は、円形断面ガラス繊維の製造装置であり、ガラス溶融炉１と、ガラス溶融炉１に接続されたフォアハース２と、フォアハース２に接続されたフィーダー３とを備えている。ここで、図１に示すＸＹＺからなる直交座標系において、Ｘ方向及びＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向が鉛直方向である（以下、同様）。

溶融ガラスＧは、ガラス溶融炉１からフォアハース２を通じてフィーダー３に供給されると共に、フィーダー３内に貯留される。図１では１つのガラス溶融炉１が１つのフィーダー３と接続した例を図示しているが、ガラス溶融炉１には複数のフィーダー３が接続されていてもよい。また、ガラス溶融炉１とフォアハース２との間に清澄炉を設けてもよい。

この実施形態では、溶融ガラスＧはＥガラスからなるが、Ｄガラス、Ｓガラス、ＡＲガラス、Ｃガラス等の他のガラス材質であってもよい。

フィーダー３の底部に、ブッシング４が配置されている。ブッシング４は、ブッシングブロック等を介してフィーダー３に取り付けつけられている。ブッシング４の底部は、図２に示すようにベースプレート４１により構成されており、ベースプレート４１には、複数のノズル５が設けられている。また、ベースプレート４１には、所定の一方向であるＹ方向に延び、冷却管６を配置可能な複数の冷却領域Ｓが設けられている。そして、冷却領域Ｓには、冷却部材としての冷却管６が設けられている。

ブッシング４のベースプレート４１に設けられた複数のノズル５からフィーダー３内に貯留された溶融ガラスＧが下方に引き出され、ガラス繊維（モノフィラメント）Ｇｍが製造される。この際、成形温度における溶融ガラスＧの粘度は、１０^２．０～１０^３・５ｄＰａ・ｓ（好ましくは１０^２．５～１０^３・３ｄＰａ・ｓ）の範囲内に設定される。なお、成形温度における溶融ガラスＧの粘度は、ノズル５に流入する位置における溶融ガラスＧの粘度とする。ガラス繊維Ｇｍの表面には、図示しないアプリケータにより集束剤が塗布されるとともに、１００～１００００本が１本のストランドＧｓに紡糸される。なお、ストランドＧｓの番手は、紡糸されるガラス繊維Ｇｍに依存し、ガラス繊維Ｇｍの本数が多いほど、ストランドＧｓの番手が大きくなる。紡糸されたストランドＧｓは、巻き取り装置のコレット７に繊維束Ｇｒとして巻き取られる。ストランドＧｓは、例えば、１～２０ｍｍ程度の所定長に切断され、チョップドストランドとして利用される。

ガラス溶融炉１、フォアハース２、フィーダー３、ブッシング４、ノズル５及び冷却管６は、少なくとも一部が、高価な材料である白金又は白金合金（例えば、白金ロジウム合金）により形成されている。

溶融ガラスＧの粘度を調整するために、フォアハース２、フィーダー３およびブッシング４の中から選ばれた一又は複数の要素を通電加熱などで加熱してもよい。

図２及び図３に示すように、ノズル５は、ノズル壁５１と、ノズル壁により区画形成された円状のノズル孔５２とを備えている。ノズル壁５１の厚さは０．１～１０ｍｍであり、ノズル孔５２の直径は０．５～１５ｍｍの範囲である。ノズル５は、Ｘ方向及びＹに沿って均等間隔で配置されている。ノズル５どうしの間隔は、例えば１～２０ｍｍ程度である。

ノズル５は、ベースプレート４１に２００～１００００個配置されていることが好ましい。ノズル５を上記の個数配置することにより、番手の大きなストランドＧｓを得ることができる。なお、ノズル５は、ベースプレート４１に１５００個以上配置されていることが好ましい。

冷却管６は、その内部に流体としての冷却水Ｆを循環させて冷却作用を及ぼすようになっている。冷却管６は、板状体であって、その板面が一定の方向（Ｙ方向）に沿うように複数配置されている。なお、冷却管６は、この実施形態では、ベースプレート４１の冷却領域Ｓとは別体的に設けられているが、ブッシング４の底部と一体として設けてもよい。また、冷却管６は、円管状体であってもよい。冷却管６の高さ位置は、溶融ガラスＧの冷却条件に応じて適宜調整することができる。例えば、冷却管６は、ノズル５から引き出された溶融ガラスＧに直接対面しないようにノズル５の先端よりも上方に配置されていてもよいし、ノズル５とノズル５から引き出された溶融ガラスＧの双方に跨るように配置されていてもよい。冷却部材は、冷却管６に限らず、空気流を誘導して冷却作用を及ぼす冷却フィンなどであってもよい。

ベースプレート４１は、冷却管６が配置される、Ｙ方向に亘って延びる冷却領域Ｓを複数有する。冷却領域Ｓは、Ｘ方向の所定間隔を置いて複数配置される。冷却領域Ｓは、冷却管６が配置可能となるように、平坦な状態となっている。そして、冷却領域Ｓの間に、複数のノズル５が配置される。

冷却領域Ｓの間には、冷却領域Ｓに近い側から、第１の領域Ｌ１及び第２の領域Ｌ２を有する。第１の領域Ｌ１及び第２の領域Ｌ２には、同数のノズル５（第１の領域Ｌ１には第１のノズル５ａ、第２の領域Ｌ２には第２のノズル５ｂ）が設けられている。第１のノズル５ａは、ノズル壁５１ａにより構成され、第２のノズル５ｂは、ノズル壁５１ｂにより構成されている。第１のノズル５ａのノズル孔５２ａの径Ｄ１は、第２のノズル５ｂのノズル孔５２ｂの径Ｄ２よりも大きい。

冷却管６に近い第１のノズル５１ａのノズル孔５２ａから引き出される溶融ガラスＧは、冷却管６により冷却されやすい。その一方、冷却管６から遠い位置にある第２のノズル５１ｂのノズル孔５２ｂから引き出される溶融ガラスＧは、冷却管６により冷却されにくい。本発明の発明者は、鋭意検討を重ねた結果、第２のノズル５１ｂのノズル孔５２ｂから引き出される溶融ガラスＧを冷却しやすくすることにより、冷却のばらつきを抑制できることを突き止めた。本発明の発明者は更なる検討を行った結果、ノズル孔５２から引き出される溶融ガラスＧの断面積が小さいほど、溶融ガラスＧの温度が低下しやすいことが分かった。そこで、冷却管６に近い第１のノズル５１ａのノズル孔５２ａの径Ｄ１を、第２のノズル５１ｂのノズル孔５２ｂの径Ｄ２よりも大きくすることにより、冷却効率のばらつきを減らすことができる。なお、溶融ガラスＧのノズル孔５２からの、単位時間当たりの引き出し量は、ノズル孔５２の径に加えて溶融ガラスの冷却度合いに依存するため、第１のノズル孔５２ａ及び第２のノズル孔５２ｂから引き出されるガラス繊維Ｇｍの径は均一になりやすい。

そのため、全てのノズル５１の隣に冷却管６を配置する必要が無くなり、その結果、ベースプレート４１により多くのノズル５を配置することが可能となる。

第１のノズル５ａの径Ｄ１と、第２のノズル５ｂの径Ｄ２の比（Ｄ１／Ｄ２）は、１．１～２．０とすることにより、冷却のばらつきやガラス繊維Ｇｍの径のばらつきを減らしつつ、ノズル５の製造コスト（白金の使用量）を下げることができる。

また、冷却管６の、ベースプレート４１からの長さＨ２は、第１のノズル５ａ及び第２のノズル５ｂの長さＨ１よりも長い。このようにすることで、第1のノズル５ａ及び第２のノズル５ｂより引き出される溶融ガラスＧが冷却管６により効率的に冷却することができる。

（ガラス繊維の製造装置及び製造方法の第二実施形態）
第二実施形態に係るガラス繊維製造装置について、第一実施形態にかかるガラス繊維製造装置１０と異なる点についてのみ説明する。

図４に示すように、ブッシング１４のベースプレート４２には、第一実施形態のベースプレート４１とは異なる配置でノズル５が配置されている。ノズル５は千鳥状に配置されている。このように配置されることにより、第２の領域Ｌ２に配置された第２のノズル５ｂ１は冷却管６によりより効率的に冷却される。第一実施形態の場合、第１のノズル５ａ１により遮られ、第２のノズル５ｂ１の冷却効率が僅かながら下がる場合がある。これに対して、本実施形態の場合、第２のノズル５ｂ１は第１のノズル５ａ１により遮られないため、より効率的に冷却される。

（ガラス繊維の製造装置及び製造方法の第三実施形態）
第三実施形態に係るガラス繊維製造装置について、第一実施形態にかかるガラス繊維製造装置１０と異なる点についてのみ説明する。

図６に示すように、ブッシング２４のベースプレート４３には、第一実施形態のベースプレート４１とは異なる配置でノズル５が配置されている。冷却領域Ｓの間には、冷却領域Ｓに近い側から、第１の領域Ｌ１、第２の領域Ｌ２及び第３の領域Ｌ３を有する。第１の領域Ｌ１、第２の領域Ｌ２及び第３の領域Ｌ３には、同数のノズル５（第１の領域Ｌ１には第１のノズル５ａ、第２の領域Ｌ２には第２のノズル５ｂ、第３の領域Ｌ３には第３のノズル５ｃ）が設けられている。第１のノズル５ａは、ノズル壁５１ａにより構成され、第２のノズル５ｂは、ノズル壁５１ｂにより構成され、第２のノズル５ｂは、ノズル壁５１ｂにより構成されている。図５に示すように第１のノズル５ａのノズル孔５２ａの径Ｄ１は、第２のノズル５ｂのノズル孔５２ｂの径Ｄ２よりも大きく、第２のノズル５ｂのノズル孔５２ｃ径Ｄ２は、第３のノズル５ｃの径Ｄ３よりも大きい。

このように、冷却領域Ｓから遠くなるにつれてノズル５のノズル孔５２の径を小さくすることにより、ノズル５から引き出される溶融ガラスＧの冷却のばらつきを減らすことができる。

（ガラス繊維の製造装置及び製造方法の第四実施形態）
第四実施形態に係るガラス繊維製造装置について、第一実施形態にかかるガラス繊維製造装置１０と異なる点についてのみ説明する。

図７に及び図８示すように、ブッシング３４のベースプレート４４において、隣接する冷却領域Ｓの間に、複数のノズル領域Ｌ４，Ｌ５がＸ方向に間隔を置いて平行に配置されている。ノズル５は、扁平状（本実施形態では長円形）のノズル孔５１を備えている。この実施形態では、ノズル孔５１の長径方向はＹ方向と一致しており、ノズル孔５１の短径方向はＸ方向と一致している。また、ノズル孔５３の断面形状は、長円形以外にも、楕円形等の形状であってもよい。

冷却領域Ｓの間には、冷却領域Ｓに近い側から、第１の領域Ｌ４及び第２の領域Ｌ５を有する。第１の領域Ｌ４及び第２の領域Ｌ５には、同数のノズル５（第１の領域Ｌ４には第１のノズル５ｄ、第２の領域Ｌ５には第２のノズル５ｅ）が設けられている。第１のノズル５ｄは、ノズル壁５１ｄにより構成され、第２のノズル５ｅは、ノズル壁５１ｅにより構成されている。第１のノズル５ｄのノズル孔５１ｄの円相当径Ｄ４は、第２のノズル５ｅのノズル孔５１ｅの円相当径Ｄ５よりも大きい。

扁平状（本実施形態では長円形）のノズル孔５２を備えているブッシング３４は、異形断面ガラス繊維の製造に用いられる。このような形状のノズル孔５２から溶融ガラスＧを引き出した場合でも、表面張力によりガラス繊維の断面が真円形となりやすい。そのため、従来は、冷却部材６の数を多くする必要があった。そこで、ノズル孔５２の径を上述に示した通りにすることにより、第２の領域Ｌ５の第２のノズル５ｅも効率的に冷却できるため、冷却部材６の数を減らすことができる。

第１のノズル５ｄのノズル孔５２ｄの径Ｄ４と、第２のノズル５ｅのノズル孔５２ｅの径Ｄ５の比（Ｄ４／Ｄ５）は、１．１～２．０とすることにより、冷却のばらつきを減らしつつ、ノズル５の製造コスト（白金の使用量）を下げることができる。

また、冷却管６の、ベースプレート４４からの長さＨ４は、第１のノズル５ｄ及び第２のノズル５ｅの長さＨ３よりも長い。このようにすることで、第1のノズル５ｄ及び第２のノズル５ｅより引き出される溶融ガラスＧが冷却管６により効率的に冷却することができる。

なお、第１の領域Ｌ４及び第２の領域Ｌ５に含まれるノズル５の数は、１０～１００個以下であることが好ましい。また、ブースプレート４４に配置されるノズル５の総数は、４００～４０００個以下であることが好ましい。

以上のようにしてガラス繊維を製造する本実施形態によれば、以下に示すような作用効果が得られる。

本実施形態では、所定の一方向に延び、溶融ガラスを冷却可能に構成された冷却部材を配置可能な複数の冷却領域を具備するベースプレートと、ベースプレートに設けられてなり、冷却領域に沿った領域である第１の領域に配置された複数の第１のノズルと、ベースプレートに設けられてなり、冷却領域に沿った領域である第２の領域に配置された複数の第２のノズルとを備え、冷却領域と第１の領域間の平均距離は、冷却領域と第２の領域間の平均距離よりも短く、第１のノズルのノズル孔の径は、第２のノズルのノズル孔の径よりも大きい。

さらに、第１のノズルと第２のノズルのノズル孔の径の関係をこのようにすることにより、所望の形状のガラス繊維を多数にかつ安定して製造することができる。

以上、本発明の実施形態に係るガラス繊維の製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々のバリエーションが可能である。

１：ガラス溶融炉、４・１４・２４・３４：ブッシング、４１・４２・４３・４４：ベースプレート、５：ノズル、５１：ノズル壁、５２・５３：ノズル孔、６：冷却管、１０：ガラス繊維製造装置、Ｇ：溶融ガラス、Ｇｍ：ガラス繊維（モノフィラメント）、Ｇｓ：ストランド、Ｓ：冷却領域、Ｌ１：第１の領域、Ｌ２：第２の領域、Ｌ３：第３の領域

Claims (8)

1. 所定の一方向に延び、溶融ガラスを冷却可能に構成された冷却部材を配置可能な複数の冷却領域を具備するベースプレートと、
   前記ベースプレートに設けられてなり、前記冷却領域に沿った領域である第１の領域に配置された複数の第１のノズルと、
   前記ベースプレートに設けられてなり、前記冷却領域に沿った領域である第２の領域に配置された複数の第２のノズルと、
   を備えるブッシングであって、
   前記冷却領域と前記第１の領域間の平均距離は、前記冷却領域と前記第２の領域間の平均距離よりも短く、
   前記第１のノズルのノズル孔の平均径は、前記第２のノズル孔の平均径よりも大きいブッシング。
2. 前記ベースプレートに設けられてなり、前記冷却領域に沿った領域である第３の領域に配置された複数の第３のノズルを更に備え、
   前記冷却領域と前記第２の領域間の平均距離は、前記冷却領域と前記第３の領域間の平均距離よりも短く、
   前記第２のノズルのノズル孔の平均径は、前記第３のノズルのノズル孔の平均径よりも大きい請求項１に記載のブッシング。
3. 前記第1のノズル及び前記第２のノズルは、前記溶融ガラスが流出する先端部において、扁平形状をなすノズル孔を備える請求項１または２に記載のブッシング。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のブッシングと、
   前記冷却領域に設けられた冷却部材とを備えるガラス繊維製造装置。
5. 前記冷却部材の、前記ベースプレートからの長さは、前記第１のノズル及び前記第２のノズルよりも長い請求項４に記載のガラス繊維製造装置。
6. 請求項４または５に記載のガラス繊維製造装置を用いてガラス繊維を製造するガラス繊維製造方法。
7. 前記溶融ガラスがＥガラスであることを特徴とする請求項６に記載のガラス繊維製造方法。
8. 成形温度において、前記溶融ガラスは、１０^２．０～１０^３・５ｄＰａ・ｓの粘度を有することを特徴とする請求項６または７に記載のガラス繊維製造方法。

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