JP4467788B2 - ガラスブッシング内のガラス流を混合するための多スクリーン装置 - Google Patents

ガラスブッシング内のガラス流を混合するための多スクリーン装置 Download PDF

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Description

【0001】
(本発明の技術分野及び産業上の利用可能性)
本発明は、一般的には、ガラス繊維製造用の繊維形成ブッシング内のガラス流を混合するための装置の使用に関する。更に詳細には、本発明は、ガラスが、繊維が引かれる先端プレートに達するときにガラスが等温であるようにする、ブッシング内に配置可能な多スクリーン混合装置に向けられる。本発明は、有利なことには、形成工程中のヤード数制御の改善をもたらす。
【0002】
(発明の背景)
ガラス繊維の生産では、溶融機がしばしば使用され、該溶融機では、その上からガラスカレット(glass cullet)が加えられ、ガラスカレットが溶融温度まで加熱されて、溶融ガラスを形成する。溶融ガラスは溶融機の中を下方に移動し、次いで、ブッシングに流れ込む。溶融ガラスはガラス繊維又はフィラメントの形態で先端プレートを通り抜けてブッシングから出る。先端プレートは複数の非常に小さいオリフィス又は先端を有する装置であり、複数のガラス繊維は溶融状態のまま前記オリフィス又は先端から引かれる。その後、繊維は、典型的には、加熱急冷され、繊細化され、サイジング組成物で被覆され、次いで、後の使用のためにスプールに集められ或いは巻かれる。
【0003】
ガラス繊維を生産するのに普通使用される別の装置では、ガラスカレット又はバッチは大きな炉の中で溶融され、出来た溶融ガラスはチャンネルを通って前炉に流れる。前炉は底に孔を有し、この孔から溶融ガラスは流れる。各孔の下には、流れブロック、ブッシングブロック、ブッシング及び先端プレートがあり、この先端プレートから溶融ガラスが引かれて、ガラス繊維又はフィラメントを形成する。次いで、出来た繊維は上記の仕方で処理される。
【0004】
ガラス繊維の市場が大きくなるにつれて、繊維生産用のより大きな容量の設備が開発された。現代のガラス繊維生産設備では、単一のブッシングから1800本のガラス繊維、或いはそれを超えるガラス繊維を同時に引くように試みることは珍しくない。しかしながら、より多くの繊維に順応させるためにブッシングの先端プレートの寸法を増大させることが不測の問題を導いた。例えば、ガラス繊維の適切な繊細化を得るために、ガラス繊維をブッシングの先端プレートから引くとき、ガラス繊維は実質的に等しい温度のものであることが絶対必要である。従って、先端プレートのすぐ上の溶融ガラスの層は実質的に均一な温度にあるべきことが重要である。
【0005】
しかしながら、ブッシングは、それらの本来の性質によって、ブッシングの表面にわたって変化する温度帯域を有する傾向がある。一般的には、ブッシングの中央部はブッシングの壁に沿うような外側領域よりも、例えば100°F(37.7778°C)ほど、高温である。加えて、先端プレートの寸法が増すにつれて、このような温度差はしばしば増す。従って、良好な繊維の繊細化を得るためにブッシングの先端プレートにわたって実質的に均一なガラス温度を得ることは、先端プレートの寸法が増すにつれ、もっと困難になる。
【0006】
又、繊維が先端プレートから引張かれるときに繊維が異なる温度のものであるならば、ヤード数(出力)制御を減少させる。先端プレートにわたる繊維は先端プレートから均一な速度で引かれる。しかしながら、もし先端プレートにわたる溶融ガラスの温度が100°F(37.7778℃)ほどでも変化するならば、引く速度は低温の領域から出てくる繊維には早すぎて、損傷を生じさせることがある。他方、引く速度が遅すぎるならば、高温の領域から出てくる繊維はたるむことがある。かくして、先端プレートにわたる温度差の存在は、引くべき繊維のヤード数(出力)制御を著しく複雑にする。その上、上述した破損のため、所定の先端プレートから引かれるガラス繊維の数は、しばしば、最大にならない。
【0007】
種々の生産技術が、先端プレートの溶融ガラス温度を等しくしようとして使用されてきた。例えば、先端プレートに電流を流すことによって先端プレートを加熱することが知られている。しかしながら、これは先端プレート上のすべての溶融ガラスに熱を加える。かくして、高温と低温の両方の領域が同時に加熱されるので、先端プレートにわたる他の領域よりも初めから高温の溶融ガラス領域は、典型的には、他の低温の領域よりも比較的高温のままである。
【0008】
又、ブッシングブロック内のガラスを加熱することが知られている。しかしながら、これは、完全に満足のいくものであることを証明しなかった、というのは、ブッシングブロックの壁に沿って流れるガラスが流路の中央部のガラスよりも加熱されるからである。かくして、生じた追加の加熱は溶融ガラスのマス全体にわたって均等に分配されないが、前記加熱は、典型的には、溶融ガラスの不均一な加熱パターンを完全には除去しない。
【0009】
その上、米国特許第4,264,348号に開示されているような、多流路を有するブッシングブロックが、ガラスがブッシングブロックを流れるときにガラスの混合を高めるのに使用されてきた。しかしながら、この対策は、溶融ガラスのマスを先端プレートにわたって実質的に均一な温度で先端プレートに効果的に配送することが全くできなかった。従って、ガラス温度をブッシングにわたって均一にするための簡単で効果的な手段の要望が残っている。
【0010】
(発明の概要)
この要望に答えて、本発明は、ガラスが繊維に形成される前にガラスを確実に先端プレートにわたって実質的に均一な温度にするために、溶融ガラスを先端プレートのすぐ上流で混合する装置を提供する。装置は、流れが先端プレートに達する前にガラスを混合するために、溶融ガラスがブッシングの中を下方に流れるとき、溶融ガラスをブッシングの一方の領域から別の領域まで、又その逆に(例えば、中央即ち内側領域からブッシングの外壁に沿うような第2領域まで、又その逆に)非直線経路で強制的に流れさせる。これは、ブッシング内で、先端プレートのすぐ上で流れを分流させ、且つ混合する複数のスクリーンを設けることによって達成される。スクリーンは、下方に流れるガラスを、使用されるスクリーンの実際の数に応じて、先ずブッシングの一方の領域に強制的に流れさせ、次いで別の領域等に強制的に流れさせるように構成される。
【0011】
(発明の詳細な説明及び好ましい実施形態)
ガラス繊維の製造では、個々の繊維がブッシング先端プレートから引かれるとき、個々の繊維が実質的に等しい温度にあるべきことが重要である。先端プレートは寸法が異なり、典型的な幅は約1乃至約36インチ(2.54乃至約91.4400cm)の範囲にあり、長さは約4乃至約48インチ(10.1600乃至約121.9200cm)の範囲にある。実際には、ブッシング先端プレートは、普通、幅約3インチ(7.6200cm)で、長さ約15インチ(38.1000cm)である。このような例では、約45平方インチ(114.3000cm)の溶融ガラスのマスが先端プレートの上に達するとき、前記マスは等しい温度に維持されなければならない。
【0012】
図1は、前炉2を含むガラス繊維製造装置を示し、溶融ガラス3が前炉2から流れてブッシング5の先端プレート4から溶融ガラス繊維6として放出される。前炉とブッシングとの間で、溶融ガラスは流れブロック7及びブッシングブロック8の中を流れ、該ブロック7及び8は溶融ガラスを炉又は前炉からブッシング5の入口9まで差し向ける。ブッシングの入口9よりも下に且つブッシング5の中に、全体的に10で示す多スクリーン混合装置がある。
【0013】
混合装置10は、上で概略述べたように、溶融ガラスのマスを混合するのに役立ち、それにより、溶融ガラスのマスは、そのマス全体にわたって実質的に均一な即ち等しい温度で混合装置10のすぐ下のブッシングの先端プレート4の領域に入る。この目的のために、本発明の混合装置10は、互いに重ねられ且つ互いに間隔を隔てた少なくとも2枚のスクリーン又はプレートを有する。溶融ガラスを先端プレートを横切って完全に流れさせるために、いちばん下のスクリーンは、好ましくは、先端プレート4よりも上に少なくとも約0.5インチ(1.27000cm)間隔を隔てる。加えて、スクリーンは、好ましくは、スクリーンを横切る溶融ガラスの十分な流れを確保するのに十分な距離だけ互いに且つブッシングブロックの底から間隔を隔てられる。スクリーンは、以下に詳細に説明するように、溶融ガラスのマス全体がブッシングの中を下方に流れるときに通り抜けなければならない、特別に配置された開口を有する。開口がブッシングの中心軸線に対して異なる箇所にあるようにスクリーンを配向させることによって、溶融ガラスのマス全体がブッシングの中を鉛直方向に横断するとき、前記マスは、ガラスを混合し且つ温度を均一にする非直線経路に強制的に流される。
【0014】
スクリーンはブッシングの内寸法に基づいて寸法決めされ、ブッシングは、図1に示すように、その高さに沿って変化する横断面を有するので、スクリーンは異なる寸法を有する。良好な混合を得るために、好ましくは、少なくとも2つのスクリーンが縦に並んで使用される。好ましい2スクリーンの実施形態では、スクリーンを、一般的には、流出スクリーン及び流入スクリーンとして説明することができる。流出スクリーンはガラス流を、流れ孔又は開口を設けたブッシングの端部、即ち、壁領域に強制的に流す。流入スクリーンはガラス流を、流れ孔又は開口を設けたブッシングの中央部に強制的に流す。
【0015】
流れ孔又は開口はどんな横断面の幾何学的形状のものでも良い。一般的には、開口は円形、正方形又は矩形である。開口は、約0.001平方インチ(0.0025cm)からの複数の開口から、スクリーン面積の約50%と等しいスクリーンの幅にわたる全開口までの範囲にある。しかしながら、約0.25乃至0.5インチ(0.6350cm乃至1.2700cm)の約6乃至18個の孔が、しばしば、十分である。明らかに、ガラスが通過するスクリーンの開口の総面積は所望の流量に依存する。しかしながら、開口はそれほど大きくないはずなので、開口は望ましい乱流を生じさせない。流出スクリーンの中央部及び流入スクリーンの端部は、好ましくは、通気目的の直径約0.02乃至0.04インチ(0.0508乃至0.1016cm)の範囲の少数の孔以外、中実である。好ましくは、各スクリーンの中実部分は各スクリーンの表面積の50%以上からなる。
【0016】
スクリーンはブッシング5の幅にわたって平らでも、V形でも、W形(図6参照)でも、リップル付き(図7参照)でも、その他どんな幾何学的形状でも良い。図示していないけれども、同様に、ブッシングの長さにわたるスクリーンの幾何学的形状も、ブッシングの一方の領域から他方の領域へのガラスの流れを助けるように設計されるのが有利である。スクリーンの厚さは、好ましくは、約0.01乃至約0.1インチ(0.0254乃至約0.2540cm)の範囲にある。
【0017】
上で気付いたように、好ましくは、少なくとも2つのスクリーンがある。又、図8a及び図8bに示すように、ガラスがスクリーンを横切って流れるときにガラスの更なる混合を引き起こす流れ仕切り82がスクリーンの間に加えられ、それを以下に詳細に説明する。この流れ仕切りがスクリーン間で鉛直方向に延びるとき、流れ仕切りはスクリーンの構造支持体を構成するためにも使用される。
【0018】
流入スクリーン及び流出スクリーンを一組として使用されるものとして説明したが、2つの流出スクリーンを一組として使用することは本発明の範囲内である。この場合には、スクリーンは開口を一方の端部にのみ有し、且つ開口がスクリーンの反対側の端部にあるように互いに配向される。その上、流入/流出スクリーンが交互に積重ねられる限り、又は、流出スクリーンが上述したように配向される限り、3以上のスクリーンを使用しても良い。しかしながら、追加のスクリーンは混合をより増大させるが、ガラス流量を減少させ且つスクリーンのコストを増大させる。
【0019】
スクリーンは、好ましくは、少なくとも長手方向の縁がブッシング壁に係合するようにブッシングに合わされる。一般的には、ブッシングは幅が約1乃至約36インチ(2.54乃至約91.4400cm)で、長さが約4乃至約48インチ(10.1600乃至約121.9200cm)であり、スクリーンはそれに従って寸法決めされる。スクリーンの縁は、スクリーンに剛性を加え且つスクリーンをブッシング壁に取付けるのを助ける上方に或いは下方に曲げられるのが良い。図1に示すように、上側スクリーンは、ブッシングの内側形状に依り、その下のスクリーンよりも小さいのが良い。加えて、スクリーン間の及び下スクリーンと先端プレートとの間の最小間隔は、ガラス流の考慮によって調整されるが、最大間隔は、主として、ブッシングの高さの関数である。先端プレートの上からブッシングブロックの下まで測った典型的な高さ、約1.5インチ(3.8100cm)のブッシングについては、上スクリーンは、好ましくは、先端プレートよりも約1インチ(2.54cm)上にあり、第2スクリーンは先端プレートと上スクリーンの中間にある。より高いブッシングは、より大きい間隔又は追加のスクリーンを見込む。
【0020】
スクリーン並びにブッシングは、好ましくは、溶融ガラスによる腐食に耐える材料で作られる。例えば、約2000°F(1093.3333°C)以上の溶融ガラス温度については、白金−ロジウム又は白金−金−ロジウム合金が適している。スクリーンはブッシング壁に溶接されるのが好ましいが、ボルトのようなその他の取付法を使用しても良い。
【0021】
先端プレート4より上の位置の本発明の好ましい実施形態を図2に示す。この実施形態は、端部に設けられた孔又は開口21を有する流出上側スクリーン20と、ほぼ中央に位置する孔又は開口23を有する流入下側スクリーン22とを含む。スクリーンの各々の中実部分はスクリーン面積の少なくとも50%以上を含む。しかしながら、各スクリーンの中実部分は、ガラス流を妨げないように空気又はガスをブッシング内で上方に移動させるのに十分大きいが、著しい量(好ましくは、全流量の約10%未満)の溶融ガラスを流通させるほど大きくない一連の小さい通気孔24を有するのが良い。
【0022】
図2の実施形態は、下側スクリーンに、孔23が配置され且つ僅かに隆起した中央部分25を含む。隆起した中央部分25は、上側スクリーンと下側スクリーンとの間隔を隔てるのに役立つ。矢印からわかるように、ガラスは上側スクリーンを横切って両端部に至り、孔21を通って下側スクリーン22へ流れる。次いで、溶融ガラスは下側スクリーン22の外縁部から中央領域まで流れ、孔23を通って先端プレート4の上に流れる。
【0023】
混合スクリーン20及び22は幅にわたってわずかにV形をなすように示されている。必要とされないが、スクリーンに形成されたリッジが剛性を加えるのに役立つので、V形状はスクリーンを強くするために設けられる。上述したように、その他の形状を使用しても良い。スクリーンの外縁を上又は下に曲げて、スクリーンに更なる剛性を加えても良い。スクリーンの外縁はブッシングの内部と接触しており、その結果、ガラスは孔21及び23の中を流れなければならない。好ましくは、スクリーンは、例えば溶接によって、ブッシングの壁に取付けられる。
【0024】
図3の実施形態は、下側のスクリーン32が上述した如き隆起した中央部分を有していない点で前の実施形態と異なる。隆起した外縁33は、上側スクリーンと下側スクリーンを互いに隔てるのに役立つ。スクリーンとブッシングの内壁との取付はスクリーン間に間隔を維持するのにも役立つ。
【0025】
図4は繊維形成ブッシング40の長手方向横断面を示し、3つの混合スクリーン41、43及び45が先端プレート4より上で繊維形成ブッシング40内に設けられている。矢印で示すように、ガラス流はブッシングに入り、(スクリーン部分41(a)及び41(b)で形成された)上スクリーン41の中央部に流れ、そこでガラス流は上スクリーン41によって設けられた開口42を通ってスクリーン43へ進む。次いで、溶融ガラスは中央スクリーン43の両端部に流れ、そこで中央スクリーン43によって設けられた開口44を通って、(スクリーン部分45(a)及び45(b)で形成された)下スクリーン45へ進む。次いで、ガラスは下スクリーン45に沿ってその中央部まで流れ、下スクリーン45によって設けられた開口46を通って先端プレート4へ流れる。
【0026】
ここではスクリーンを、中央部又は外縁部に開放隙間42、44及び46を作る平らなプレートとして示したが、図2及び3に示すように、前記スクリーンは、孔を形成した連続プレートでも良いことを理解すべきである。その上、スクリーンは、上述したように、V形でも良いし、その他の平らでない形状でも良い。
【0027】
図5は、本発明の更なる実施形態を含む繊維形成ブッシング40の長手方向横断面を示し、上側スクリーン50と下側スクリーン52の各々はそれぞれ、その一端だけに流れ孔を有する。これらのスクリーンは各々、上述したような流出スクリーンである。かくして、溶融ガラスはすべて、先端プレート4に着く前に、上側スクリーンに沿ってブッシングの一端まで流れ、上側スクリーン50の孔51を通り、次いで、下側スクリーン52を横切ってブッシングの反対側の端の孔53に流れなければならない。この実施形態では、上述した図2乃至4に示した孔よりも多くの複数のより小さい孔があるスクリーンの孔パターンを示す。例えば、直径が0.06インチの(0.1524cm)の400個の孔が設けられる。しかしながら、もっと少数のもっと大きな孔、もっと多数のもっと小さい孔、又は、図4のような開放隙間を本実施形態に使用しても良いことは本発明の範囲内である。加えて、スクリーン50及び52はV型で且つ上述したような隆起した外縁を有しても良く、好ましくは、流れ開口を有するスクリーンの端部への溶融ガラスの流れを容易にするように、水平方向からわずかに角度をつけてブッシングの中に取付けられる(図8(a)参照)。
【0028】
図8a及び8bに示すように、間隔を隔てた流れ仕切り82をスクリーンの間、例えば図5の50と52の間に加えるのが良く、その結果、ガラスが下側スクリーンの面を横切って流れるとき、ガラスは更に混合する。流れ仕切り82は、図8(a)に示すように、好ましくは、隣接したスクリーン間の鉛直方向の距離全体にわたり、そして隣接したスクリーンに取付けられて、スクリーンのための構造支持体をなす。加えて、ガラスをスクリーンの長さに移動させるために、流れ仕切りはそれに形成された流れ開口を有するか、或いは、スクリーンの幅全体よりも短くするかのいずれかでなければならない。しかしながら、ガラスの混合を高めるために、仕切りの流れ開口は、ガラスをスクリーンを横切る非直線経路に強制的に流れさせるために、隣接した仕切りの異なる箇所にあるべきである。好ましい実施形態では、図8(b)に示すように、流れ仕切りは、スクリーンの幅全体よりも短くし且つ隣接した仕切りがブッシングの反対側に当接するようにブッシングに取付けられる。仕切りのそのような配列によって、ガラスがその更なる混合を与える下側スクリーン52を移動するとき、ガラスを曲がりくねった経路に強制的に流れさせる。
【0029】
溶融ガラス流が、本発明の混合スクリーンを収容する繊維形成ブッシングを横切るために取らなければならない非直線経路により、熱分配を溶融ガラス全体にわたって均一にする。その結果、溶融ガラスのマス全体は実質的に同じ温度で先端プレートの頂へ入る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ガラス繊維を作るための装置の横断面図である。
【図2】 本発明の第1の実施形態の拡大斜視図である。
【図3】 本発明の第2の実施形態の拡大斜視図である。
【図4】 本発明の第3の実施形態を備えた繊維形成ブッシングの長手方向横断面の斜視図である。
【図5】 本発明の第4の実施形態を備えた繊維形成ブッシングの長手方向横断面の斜視図である。
【図6】 スクリーンの幾何学的形状の追加の実施形態の断面図である。
【図7】 スクリーンの幾何学的形状の更なる実施形態の断面図である。
【図8a】 本発明の更なる実施形態を備えた繊維形成ブッシングの横断面正面図である。
【図8b】 図8aの繊維形成ブッシングの線A−Aにおける上面図である。

Claims (18)

  1. ガラス繊維形成ブッシング内の溶融ガラス流を、先端プレートを貫通する通路の手前で混合するための多スクリーン装置であって、
    前記先端プレートの上方において前記ブッシングに取付けられ且つ互いに間隔を隔てた少なくとも2つのスクリーンを有し、前記スクリーンのうちの第1スクリーンは、溶融ガラスが流れる少なくとも1つの開口を有し、前記スクリーンのうちの第2スクリーンは、前記第1スクリーンよりも下に配置され、溶融ガラスが流れる少なくとも1つの開口を有し、
    溶融ガラスは、前記ブッシングの中心軸線に対して垂直な長手方向に且つ前記第1スクリーンの少なくとも1つの開口に向かう第1の方向に前記第1スクリーンに沿って流れ、前記ブッシングの中心軸線に対して垂直な長手方向に且つ前記第2スクリーンの少なくとも1つの開口に向かう第2の方向に前記第2スクリーンに沿って流れ、それにより、溶融ガラスの温度の均一性を向上させるように溶融ガラスを混合する、多スクリーン装置。
  2. 前記第1スクリーンの開口の総面積は、前記第1スクリーンの表面積の50%以下であり、前記第2スクリーンの開口の総面積は、前記第2スクリーンの表面積の50%以下である、請求項1に記載の装置。
  3. 前記第1スクリーンは、その各々の端に隣接した少なくとも1つの開口を有し、前記第2スクリーンの少なくとも1つの開口は前記第2スクリーンの中央部の近くにある、請求項1に記載の装置。
  4. 前記第1スクリーンの開口は複数の孔であり、前記第2スクリーンの開口は複数の孔である、請求項3に記載の装置。
  5. 前記第1スクリーンはV形断面を有し、前記第2スクリーンはV形断面を有する、請求項4に記載の装置。
  6. 前記第1スクリーンの各孔及び前記第2スクリーンの各孔は、0.25インチ(0.6350cm)乃至0.50インチ(1.2700cm)の直径を有する、請求項5に記載の装置。
  7. 前記第1スクリーンの複数の孔の数は乃至18個の範囲にあり、前記第2スクリーンの複数の孔の数は、乃至18個の範囲にある、請求項6に記載の装置。
  8. 前記第1スクリーンの開口は前記第1スクリーンの一方の端の近くにあり、前記第2スクリーンの開口は前記第2スクリーンの反対側の端の近くにある、請求項1に記載の装置。
  9. 前記第1スクリーンの開口は複数の孔であり、前記第2スクリーンの開口は複数の孔である、請求項8に記載の装置。
  10. 前記第1スクリーンはV形断面を有し、前記第2スクリーンはV形断面を有する、請求項9に記載の装置。
  11. 前記第1スクリーンの各孔及び前記第2スクリーンの各孔は、0.25インチ(0.6350cm)乃至0.50インチ(1.2700cm)の直径を有する、請求項10に記載の装置。
  12. 前記第1スクリーンの複数の孔の数は、乃至18個の範囲にあり、前記第2スクリーンの複数の孔の数は、乃至18個の範囲にある、請求項11に記載の装置。
  13. 間隔を隔てた仕切りを前記第1スクリーンと前記第2スクリーンとの間に更に含む、請求項1に記載の装置。
  14. 前記仕切りは、前記第2スクリーンの長手方向軸線に関して異なる箇所に位置決めされた仕切り開口を構成し、それにより、非直線流路が形成される、請求項13に記載の装置。
  15. 前記仕切りは前記第2スクリーンの幅全体よりも短く、隣接した前記仕切りは前記ブッシングの向い合った側面に当接し、それにより、蛇行した流路が形成される、請求項14に記載の装置。
  16. 前記第1スクリーン及び前記第2スクリーンから間隔を隔てた第3スクリーンを更に有し、前記第3スクリーンは、前記第2スクリーンの長手方向に前記第2スクリーンの開口と間隔を隔てた少なくとも1つの開口を有する、請求項3に記載の装置。
  17. 前記第1スクリーン及び前記第2スクリーンから間隔を隔てた第3スクリーンを更に有し、前記第3スクリーンは、前記第2スクリーンの長手方向に前記第2スクリーンの開口間隔を隔てた少なくとも1つの開口を有する、請求項8に記載の装置。
  18. 溶融ガラスの流れの前記第1の方向は、溶融ガラスの流れの前記第2の方向と反対の方向である、請求項1に記載の装置。
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