JP4707303B2 - ガラスを清澄するための方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カレットないしバッチによるガラス製造一般に関する。製造工程の基本的な三つの段階は、溶融、次いで清澄、そして最後に均質化を有してなる。
【０００２】
【従来の技術】
高品質の特殊ガラスの製造には、残留する泡を溶融物から取り除くために、溶融後に清澄の工程段階が必要である。従来技術によるガラスの清澄は、レドックス（酸化還元）泡切剤ないし蒸発式泡切剤（Verdampfungslaeutermittel）といった泡切剤によるものである。この場合、化学的清澄ということが言われている。というのも、存在する小さな泡を膨らませてそれにより泡の上昇を容易にするために、溶融物からガスを解放することが利用されるためである。
【０００３】
化学的清澄による方法以外にも、泡を追い出すため、そしてそれによって清澄を行なうために、例えば遠心力（米国特許第３８９３８３６号明細書）、あるいは槽の深さを浅くして泡が溶融物面に昇るのを容易にする（独国特許発明第１９７１０３５１号明細書）といった物理的な作用も、文献中では代替的ないし補足的に用いられている。
【０００４】
溶融物の温度を上げることによって清澄を促進することが知られている。しかしながら、これに対しては、清澄用タンクに耐火材料を用いるという点で限界がある。ジルコンをかなり多く含んだセラミックが用いられれば、最高１６５０℃の温度が実現可能である。
【０００５】
いわゆるスカル型ポットの原理（Skull-Prinzip）で動作する装置の中で清澄を行なうことも知られている。欧州特許第０５２８０２５号明細書を参照されたい。斯かる装置は、複数の金属管からなる冠型の環状体によって内壁が形成されかつ隣り合うこれらの金属管の間に間隙（スリット）を有する坩堝を備えており、このとき、上記金属管は、冷却媒体に接続できるようになっている。この装置は、さらに誘導コイルを備えており、この誘導コイルは、坩堝の内壁を取り囲み、これを介して坩堝内容物に高周波エネルギーを結合させて投入できるようになっている。この高周波エネルギーによる溶融ガラスの直接加熱は、１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚのパワーで行なわれる。
【０００６】
このような坩堝は、耐火材料からなる容器に比べてはるかに高い温度を実現する。高温坩堝が他のあらゆる物理的な清澄方法に対して優れているのは、この坩堝が高温の故に非常に効果的で速やかである点である。高温ではプロセスが明らかに素早く進行するので、非常に小形で速やかな清澄工程用のユニットモジュールを用意することが可能なのである。
【０００７】
独国特許出願公開第２０３３０７４号明細書には、ガラスの連続的な溶融と清澄のための設備（Lage）が記載されている。この例では、スカル型ポットの原理によって動作する清澄装置が設けられている。ここで、溶融物は、溶融容器の底部から接続径路を介して清澄容器に至る。この清澄容器において、溶融物は、容器の底部に入る。このため、清澄容器内のガラス流は、下から上へと上昇する。これには、上記の流れが泡を吹き上げる力と同じ方向を有しているという長所がある。除去対象の泡は、熱い溶融物面に達してこの表面から出て行く。
【０００８】
上記構成の欠点は、溶融槽と高周波清澄装置との間の接続径路が、速い流速のために激しい摩耗にさらされることにある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、溶融ガラスの上昇流による優れた清澄効果を維持しながらも、泡の出て行く部分の表面で溶融物を高温に保ち、その結果、全ての泡を表面ではじけさせることができ、しかも溶融槽と清澄装置との間の問題の多い接続径路を省くことができる機構を開発することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本課題は、独立請求項によって解決される。
【００１１】
本発明者らは、高周波坩堝の供給部だけでなく取出部をも、これらが互いに対向して位置するように上部に設けると、非常に良好かつ効果的な清澄が得られるということを認識するに至った。このような構成にすれば誰しも、溶融物の大半が加熱もされず清澄もされないまま供給部から表面をつたってそのまま取出部へと達すると予期せざるを得なかったであろう。ところが、これが当てはまらないのである。それどころか、異なる溶融領域の密度差によって或る特定の流れが生まれる。側方に供給された低温のガラスは、溶融物の体膨張率が十分大きくて、坩堝内で溶融物が加熱されることが相応に保証されていれば、短絡的な流れによって坩堝出口にそのまま達するのではなく、むしろ、最初に坩堝底部へと引き込まれ、対流のローラによって多かれ少なかれ周回運動を行なった後に表面へ、そして取出部へと導かれる。
【００１２】
供給部および取出部は、互いに中心を挟んで対称な対蹠位置に対向して位置している必要がある。もっとも、必ずしもこのような配置でなければならないというものではなく、或る程度のズレがあっても許される。また、坩堝は正確に寸法が決められていなければならない。とは言えこれは、当業者であれば解決できる一種の最適化の問題にすぎない。
【００１３】
溶融槽と清澄坩堝との間にある従来技術から周知の接続径路は省略される。その代わり、溶融槽からの溶融物は、開放された溝部において清澄坩堝へと溢れ出て行くことができる。
【００１４】
ここで、清澄坩堝を独国特許出願公開第２０３３０７４号明細書のように構成することが適切である場合もある。この場合には、坩堝は、比較的小さな直径の下側部分（下部）と、比較的大きな直径の上側部分（上部）とを備えている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づき詳述する。
【００１６】
図１に示された設備は、投入装置１．１を持つ溶融槽を備えている。ここで、投入されるバッチ１．２は、仕切り防壁１．３（Brueckenwall）によって、後続の段階に向かって先に流れていかないように食い止められている。
【００１７】
溶融槽１には、オーバーフロー溝部２が接続されている。このオーバーフロー溝部は、上側が開いている。粗溶融物は、オーバーフロー溝部２を通って清澄装置３に至る。この清澄装置は、スカル型坩堝を備え、さらに、ここでは図示されぬ高周波コイルを備えている。清澄そのものは、ここでガラス合成（Glassynthese）ならびにガラス品質に対する要求に応じて１７５０〜３０００℃の温度において行なわれる。
【００１８】
清澄後、溶融物は泡の無い状態になっている。この溶融物は、従来通り加熱された溝機構４を介して、自らが攪拌坩堝と攪拌器とを備えてなる均質化装置５に達する。
【００１９】
スカル型坩堝の構造の詳細は、図２から分かる。このスカル型坩堝は、独国特許出願公開第２０３３０７４号明細書に記載のいわゆるキノコ形のスカル型坩堝とされている。このスカル型坩堝は、比較的小さな直径の下側坩堝部分３．１を備え、さらに、比較的大きな直径の上側坩堝部分３．２を備えている。上側の坩堝部分は、さらに溶融物用の注入口３．２と排出口３．３とを備えている。矢印は、溶融物の流れを示している。図に示されているように、注入口３．２を通って側方から供給された冷たい（低温の）ガラスは、最初に坩堝底部３．４に向けて降下し、続いて再び上昇し、それから引き続き、一種の流れのローラの中でもう一度下降し、そして再び上昇するようになる。図示されているように、スカル型坩堝の下側部分３．１は、高周波コイル３．５によって周りを取り囲まれている。
【００２０】
図３において示された設備の場合、清澄装置３は、冷却された仕切り防壁をさらに有して構成されている。この防壁ないし防止部（Wall）は、次のような役割を有している。すなわち、スカル型清澄ユニットに到達するガラスは、かなり泡の多い状態になっている場合、あるいは、温度の関数としての溶融物の体膨張率が非常に小さい場合に、溶融物の僅かな部分が表面をつたって引き出される恐れが生じる。この恐れは、スカル型モジュールにおける坩堝の中心部分（コア）における溶融物と流入溶融物との間の温度差を大きくすることによって回避することができるし、そうしない場合には、仕切り防壁３．６を組み込むことによって防止することができる。
【００２１】
上記仕切り防壁は、ガスないし液体で冷却されたセラミック材料か、あるいは水冷式の金属材料から構成することができる。セラミックで覆われた冷却された金属製部材からなる変形実施形態も可能である。溶融物面の上側に位置してバーナ雰囲気に触れるような金属製の部材を仕切り防壁が有している場合には、反応性の高いバーナ雰囲気による金属表面の腐食を抑えるために、仕切り防壁を薄いテフロン（登録商標）の層（１５０μｍ未満）でコーティングすることが有用となる場合がある。仕切り防壁は、清澄モジュールの真ん中に配置するか、又は注入口３．２に向けて側方にずらして配置することもできる。このうち後者の配置は、高温の泡上昇領域をできるだけ大きく選択できるという利点を有している。仕切り防壁が金属材料から構成されている場合、この仕切り防壁は、坩堝の金属コルセット（Metallkorsett）と防壁との間に誘導電圧が形成されないよう、金属製のスカル型坩堝と電気的に接続されていなければならない。というのも、誘導電圧が、アーク放電を発生させ、その結果、金属からなる壁部を破壊することになる恐れがあるためである。電気的な接続が無理というのであれば、あらゆる部材を電気的に浮かせて、接地しない状態で動作させなければならない。これができるのは特に、溶融物が非常に結晶化しやすい場合である。というのも、この場合には、放電に強い安定した中間層が形成され、この中間層がアーク放電の形成を確実に阻止するからである。
【００２２】
斯かる仕切り防壁の一実施形態が図４に示されている。このような防壁（Wall）の構造は、図５に示されている。この場合、防壁は、溶融物面の下側に配置されている。この構成は、炉の上部空間内に金属製の低温の部材が一切存在しないという長所を有している。ここで問題になるのは、特にバーナの排気ガスが低温の部材に凝縮することである。上記の類の構成における欠点は、防壁の上側を液状の溶融物が確実に流れないようにするために、ガラスレベル変動（ガラスの液面高さの変動）を余り大きさせてはならず、浸漬させる深さが溶融物面の下方に最大１ｃｍまでしか許されないということである。
【００２３】
金属製の防壁をテフロン（登録商標）ないしセラミック材料で覆うことによって、あるいは、工程の初期段階でガラスのレベルを比較的高め、すなわち防壁の上端より上に設定し、その後、運転中にガラスのレベルをまた元の通常の高さにまで下げるといったことをすることによって、防壁の上端をガラス浴の上端よりも上方にして防壁を取り付けることもできる。後者のやり方の場合には、バーナの排気ガスによる腐食から防壁を保護するように該防壁がガラス化される。ここで示された防壁の実施形態の他にも、例えば、簡易なセラミック製の石の防壁、あるいはまた坩堝を横断するように延在する冷却された金属製の棒等といった、一層簡単な実施形態も可能である。
【００２４】
図５から、坩堝３と防壁３．６との電気的接続部３．７、さらには坩堝の短絡リング３．８を詳細に見て取ることができる。
【００２５】
図５に示された設備の場合、段階式の清澄部が設けられている。この場合にも、投入されるバッチ６ならびに仕切り防壁８が示されている。この実施形態の場合、複数の清澄モジュールが順々に接続され、単に上側の部分でのみ互いに連結されている。結合部分は、従来通り例えばバーナで加熱することができる。このとき、複雑で故障に弱くかつエネルギーの浪費が多い接続径路は省くことができる。順番に接続された二つの清澄モジュールを有する一例が図６に示されている。もちろん、順番に接続されたさらにいくらでも多くの清澄モジュールも可能である。
【００２６】
形状、殊に直径に関連して、高周波の周波数および高周波電圧は、個々の溶融対象のガラスの伝導率に合わせられている。一つでしかも同じ槽の中で、完全に異なる電気伝導率を有する種々のガラスタイプを溶融しなければならないときには、改造処置（適合した周波数領域を有する他の発電機の接続、適合したコイルの接続、必要に応じた溶融槽直径の変更、高周波発電機内の容量合わせ）無しには済ませられない。ところが、図６におけるように、二つないし複数のユニットを順次接続することができる場合には、異なる電気的な溶融特性に、個々のユニットをそれぞれ適合させることができる。高周波エネルギーは、それぞれの溶融物に合わせられた高周波清澄モジュールに対してのみ供給される。これに対して、他のモジュールは、高周波では加熱されず、その代わりに、例えば上部炉空間内のバーナといった従来通りのエネルギーだけを用いて加熱される。溶融物は、スイッチの入れられていないモジュールを溢れ出て、高周波で加熱されたモジュールの中でだけ下方に引き込まれて加熱される。このようなユニット内でガラスをもっと容易に、もっと素早く交換するために、個々のモジュールがさらに床取出部９を有し、この床取出部がガラス交換の段階で短時間開放されるようになっていると有用である。このような床取出部は、一つだけの高周波モジュールを有するような簡単な構成の場合でも、槽の中のガラス交換が想定されている場合には特にそうだが、底に溜まった残りかすを一掃しなければならない場合にも有用と考えられる。
【００２７】
本発明のさらなる長所は、高周波部分の障害時における非常に優れた「緊急時稼動特性」である。何らかの理由で、高周波加熱が停止した場合、下方から供給される流通型坩堝（Durchlauftiegel）の場合には、ガラスの流れが中断されてしまうような、流通の停滞固化の恐れが生じる。こういった恐れは、本発明の場合、基本的には存在しない。というのも、いかなる場合であっても、バーナ上部加熱を用いることによってガラスの流れを確保することができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガラスを製造するための設備を示す図である。
【図２】 本発明に係る清澄坩堝の垂直断面図である。
【図３】 ガラスを製造するための設備の他の実施形態を示す図である。
【図４】 スカル型坩堝内の冷却された仕切り防壁を概略的に示す図である。
【図５】 スカル型坩堝内に仕切り防壁が組み込まれた様子を示す図である。
【図６】 二つの清澄段階を有するガラス溶融用設備を示す図である。
【符号の説明】
１・・・溶融槽
２・・・オーバーフロー溝部（溝部）
３・・・スカル型坩堝を備えた清澄装置（スカル型坩堝）
３．２・・・注入口（供給部）
３．３・・・排出口（取出部）
３．４・・・坩堝底部
３．５・・・高周波コイル
３．６・・・仕切り防壁（防壁、防止部）
４・・・溝機構
５・・・均質化装置

Claims (7)

1. 高周波のエネルギーを入射することによって加熱されたスカル型坩堝（３）の中で高い温度を用いてガラスを清澄するための方法において、
   溶融ガラスを前記スカル型坩堝の上側部分における供給部（３．２）を通じて供給する段階と、
   前記溶融ガラスを加熱するために高周波コイル（３．５）を介して高周波エネルギーを前記スカル型坩堝の前記溶融ガラスに結合させる段階と、
   前記供給部の略反対側に対向するように位置する前記スカル型坩堝の上側部分における取出部（３．３）を通じて前記溶融ガラスを再び取り出す段階と、
   前記高周波コイルを介して、前記供給部を通じて前記スカル型坩堝に供給される前記溶融ガラスと、前記スカル型坩堝内の前記溶融ガラスと、の間の温度差を大きくすることによって、前記供給部と前記取出部との間の前記溶融ガラスの短絡する流れを防止する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 高周波のエネルギーを入射することによって加熱されたスカル型坩堝（３）の中で高い温度を用いてガラスを清澄するための方法において、
   溶融ガラスを前記スカル型坩堝の上側部分における供給部（３．２）を通じて供給する段階と、
   前記溶融ガラスを加熱するために高周波エネルギーを前記スカル型坩堝の前記溶融ガラスに結合させる段階と、
   前記供給部の略反対側に対向するように位置する前記スカル型坩堝の上側部分の取出部（３．３）を通じて前記溶融ガラスを再び取り出す段階と、
   高周波エネルギーを前記スカル型坩堝の前記溶融ガラスに結合させることによって、前記供給部を通じて前記スカル型坩堝に供給される前記溶融ガラスと、前記スカル型坩堝内の前記溶融ガラスと、の温度差を大きくすることによって、前記供給部と前記取出部との間の前記溶融ガラスの短絡する流れを防止する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の方法において、
   防止部（３．６）を冷却し、金属ないしセラミックからなる部材から構成することを特徴とする方法。
4. スカル型ポットの原理により高い温度で溶融ガラスを清澄するための装置であって、
   スカル型坩堝（３）を有して該坩堝の内壁が複数の冷却された管から形成されてなり、
   高周波コイル（３．５）を介して、供給部（３．２）を通じて前記スカル型坩堝に供給される前記溶融ガラスと、前記スカル型坩堝内の前記溶融ガラスと、の温度差を大きくすることによって前記供給部と取出部（３．３）との間の前記溶融ガラスの短絡する流れを防止するために電気的なエネルギーを前記坩堝内容物に結合投入するための高周波コイルを有し、
   溶融物面の部分に設けられた前記供給部と前記取出部とを有し、
   前記供給部と前記取出部とが概ね互いに対向する位置に配置されてなる装置。
5. 請求項４に記載の装置において、
   前記溶融物面の部分に、仕切り防壁（３．６）が設けられていることを特徴とする装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の装置において、
   前記スカル型坩堝は、キノコ形に形成されて比較的小さな直径の下側部分ならびに比較的大きな直径の上側部分を備え、
   前記供給部（３．２）と前記取出部（３．３）とは、前記スカル型坩堝の上側部分に接続されていることを特徴とする装置。
7. 請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の装置において、
   二つもしくは複数のスカル型坩堝が一列に接続されていることを特徴とする装置。

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