JP5018476B2 - ガラス製造装置およびその構成要素、ならびに該構成要素を通電加熱する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス製造装置の溶融ガラスの導管として好適な、白金または白金合金製の中空管を有する中空管体に関する。
また、本発明は、該中空管体を用いたガラス製造装置に関する。
また、本発明は、該中空管体を通電加熱する方法に関する。

ガラス製造装置において、その内部を高温の溶融ガラスが通過する導管には、白金、または白金−金合金、白金−ロジウム合金のような白金合金製の中空管が使用されている。
特許文献１に記載のガラス素地流出装置を例にとると、ガラス溶融槽下部の溶融ガラス出口に白金または白金合金製のパイプが接続されている。また、溶融ガラスが通過する導管の他の例としては、ガラス製造装置から不純物を除去するために設けられた流出管、ガラス製造装置からレンズ、プリズム等の光学部品を成形する場合に成形用の型に溶融ガラスを流出させるための流出管等が挙げられる。

ガラス製造装置では、内部を通過する溶融ガラスの温度を調整するため、溶融ガラスが通過する導管は加熱される。導管の加熱は、ヒータ等の熱源により、導管を外部から加熱する場合もあるが、白金または白金合金製の中空管の場合、該中空管に通電用の電極を設けて、通電加熱することが広く行われている。特許文献２には、溶融ガラスの導管として使用可能な白金製の加熱装置が開示されている。図５は、特許文献２に開示された加熱装置の斜視図である。図５において、１００は加熱体となる白金製の加熱管、２００ａ，２００ｂは白金製の円環状電極、３００ａ，３００ｂは電極引き出し部である。図５に示す加熱装置を使用する際、円環状電極２００ａ，２００ｂの一端に接合された電極引き出し部３００ａ，３００ｂを外部電源（図示していない）と接続して外部電源から通電することにより、加熱管１００を通電加熱する。

特開平６−２２７８２２号公報 特開平１１−３４９３３４号公報

本発明者は、図５に示す加熱装置を通電加熱した際、加熱管１００の特定の部位に電流が集中し、当該部位が局部過加熱されることを見出した。このような局部過加熱が発生した場合、加熱管１００が熱応力によって破損したり、該加熱管１００内を流通する溶融ガラスが変質するおそれがある。

本発明は、この知見に基づくものであり、通電加熱時における局部過加熱が軽減された白金または白金合金製の中空管を有する中空管体を提供することを目的とする。本発明の中空管体は、ガラス製造装置の溶融ガラスの導管として好適である。
また、本発明は、該中空管体を溶融ガラスの導管として用いた溶融ガラスの製造装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、該中空管体を通電加熱する方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、通電加熱される用途に用いられる、白金または白金合金製の中空管を有する中空管体であって、
前記中空管の外周には、白金または白金合金製のリング状の電極が接合されており、
前記リング状の電極の外縁には、１またはそれ以上の引き出し電極が接合されており、 前記中空管において、前記リング状の電極との接合部のうち、少なくとも前記引き出し電極の直近に位置する前記接合部およびその近傍には厚肉部が設けられていることを特徴とする中空管体を提供する。

また、本発明は、通電加熱される用途に用いられる、白金または白金合金製の中空管を有する中空管体であって、
前記中空管の外周には、白金または白金合金製のリング状の電極が接合されており、
前記リング状の電極の外縁には、１またはそれ以上の引き出し電極が接合されており、 前記中空管において、前記リング状の電極との接合部には、該中空管の全周にわたって厚肉部が設けられていることを特徴とする中空管体を提供する。

本発明の中空管体において、前記厚肉部は下記式（１）、（２）を満たすことが好ましい。
０．４ｄ≦Ｌ≦１．２ｄ・・・（１）
１．２ｔ₀≦ｔ≦１．７ｔ₀・・・（２）
Ｌ：電極との接合部を除いた厚肉部の長さ（ｍｍ）
ｄ：中空管の外径（ｍｍ）
ｔ：厚肉部の肉厚（ｍｍ）
ｔ₀：厚肉部以外の中空管の肉厚（ｍｍ）

前記中空管の周方向の一部にのみ厚肉部が設けられている場合、前記厚肉部は、前記リング状の電極の中心と前記引き出し電極との接合部の中点とを結ぶ直線を中心とした角度２０度以上の範囲に位置することが好ましい。

また、本発明は、溶融ガラスの導管として、上記した中空管体を用いたガラス製造装置を提供する。
また、本発明は、溶融ガラスの導管として、上記した中空管体を用いた減圧脱泡装置を提供する。
また、本発明は、上記した中空管体を通電加熱する方法を提供する。

本発明の白金または白金合金製の中空管を有する中空管体は、通電加熱時における局部過加熱が軽減されている。このため、中空管が使用時に熱応力によって破損することを防止できる。
本発明のガラス製造装置は、溶融ガラスの導管として本発明の中空管体を用いているため、通電加熱時に導管で局部過加熱が生じない。このため、導管を流通する溶融ガラスが変質するおそれがない。
本発明の減圧脱泡装置は、減圧脱泡槽、上昇管または下降管といった、溶融ガラスの導管として本発明の中空管体を用いているため、通電加熱時にこれら導管で局部過加熱が生じない。この結果、減圧下での過加熱による泡の発生が防止される。また、減圧環境下に置かれている減圧脱泡槽、上昇管および下降管の場合、クラック等の発生が特に問題となるが、本発明の減圧脱泡装置の場合、通電加熱時にこれら溶融ガラスの導管で局部過加熱が生じないため、クラックが発生するおそれが低減されている。

図１は、本発明の白金または白金合金製の中空管を有する中空管体の１実施形態を示した斜視図である。 図２は、図１に示す中空管体を線Ｘ−Ｘ′に沿って切断した断面図である。 図３は、図２と同様の断面図である。但し、電極が接合されている部位および接合されている電極の数が図２とは異なっている。 図４は、図１に示す中空管体を上から見た平面図である。 図５は、特許文献２に開示された加熱装置の斜視図である。

符号の説明

１，１′：中空管
２ａ，２ｂ，２′：電極
３ａ，３ｂ，３′：引き出し電極
１１，１１ａ，１１′：接合部位
１２，１２′：厚肉部
１００：中空管
２００ａ，２００ｂ：電極
３００：引き出し電極

以下、図面を参照して本発明を説明する。図１は、本発明の白金または白金合金製の中空管を有する中空管体の１実施形態を示した斜視図である。
図１において、中空管１は円筒管形状の中空管である。中空管１の外周には、白金または白金合金製の電極２ａ，２ｂが接合されている。電極２ａ，２ｂは、該中空管１を挿入するための孔を有するリング状の電極であり、その外形は円形である。図１において、電極２ａは中空管１の上端部に接合されており、電極２ｂは中空管１の下端部に接合されている。
電極２ａ，２ｂの外縁の一端には外部電源（図示していない）と接続するための引き出し電極３ａ，３ｂが接合されている。引き出し電極３ａ，３ｂは、電極２ａ，２ｂとの接合部付近の幅が広がった扇形形状となっている。
図２は、図１に示す中空管１を線Ｘ−Ｘ′に沿って切断した断面図である。図２に示すように、中空管１には、電極２ａ，２ｂとの接合部１１およびその近傍に該中空管１の全周にわたって厚肉部１２が設けられている。

図１において、引き出し電極３ａ，３ｂを外部電源と接続して通電すると、電流は引き出し電極３ａからリング状の電極２ａを介して中空管１へと流れる。リング状の電極２ａは、中空管１の全周にわたって接合しており、中空管１全体に均一に電流を流すことを意図したものである。しかしながら、引き出し電極３ａが電極２ａの外縁の一端に接合されているため、電極２ａから中空管１に流れる電流は中空管１の特定の部位に集中する。

電流はその特性上最短経路を流れようとする。このため、図１および図２に示す中空管１の場合、電極２ａとの接合部１１の中でも、引き出し電極３ａから直近の接合部１１ａに電流が集中する。図１および図２において、電流の最短経路を矢印で示した。電流の集中は、電流が中空管１を通過する過程で徐々に解消されるが、電極２ａとの接合部１１およびその近傍では、特定の部位、具体的には、引き出し電極３ａから直近の接合部１１ａおよびその近傍に電流が集中する。電流が中空管１から電極２ｂへと流れる下流側においても、引き出し電極３ｂが電極２ｂの外縁の一端に接合されているため、引き出し電極３ｂから直近の接合部１１ａに電流が集中する。これらの部位は電流の集中により、局部過加熱される。

図２に示す中空管１において、電極２ａ，２ｂとの接合部１１およびその近傍に設けられた厚肉部１２は、中空管１の他の部分に比べて肉厚が大きいため、電流が通過する際の電流密度が低くなっている。このため、電極２ａ，２ｂとの接合部１１およびその近傍において、特定の部位に電流が集中した場合であっても、電流集中による局部過加熱が軽減される。なお、厚肉部は、ｔ₀からｔへ徐々に肉厚を厚くするような構成であってもよい。

厚肉部１２の長さおよび肉厚は、中空管の長さ、径、肉厚もしくは材質、電極の径、肉厚もしくは材質、または通電する電流の大きさ等に応じて適宜選択することができる。但し、厚肉部１２は、下記式（１）および（２）を満たすことが好ましい。
０．４ｄ≦Ｌ≦１．２ｄ・・・（１）
１．２ｔ₀≦ｔ≦１．７ｔ₀・・・（２）
上式（１），（２）において、Ｌは電極２ａ，２ｂとの接合部１１を除いた厚肉部１２の長さ（ｍｍ）である。したがって、厚肉部１２の長さは、Ｌ＋ｔ_e（ｔ_e＝電極２ａ，２ｂの肉厚（ｍｍ））である。ｄは中空管１の外径（ｍｍ）である。ｔは厚肉部１２の肉厚（ｍｍ）である。ｔ₀は厚肉部１２以外の中空管１の肉厚（ｍｍ）である。
特に好ましくは、０．６ｄ≦Ｌ≦１．０ｄ、１．２ｔ₀≦ｔ≦１．５ｔ₀である。
上記式において、特徴的なのはＬ：つまりｔ_eを除く厚肉部１２の長さがその中空管１の外径によって規定できるという点である。本発明のような特殊な構造を有する中空管体において局部加熱を軽減するためには、その電流密度等について詳細に検討した結果、中空管のある特定の場所に厚肉部を設けることが必要であることのみならず、その厚肉部の長さが中空管１の外径に影響されることを見出したものである。

厚肉部１２の長さおよび肉厚が上記式を満たしていれば、通電加熱時における局部過加熱を十分軽減することができる。中空管の構成材料である白金または白金合金は高価であるため、中空管１の肉厚はできる限り薄くすることがコスト面から好ましい。

図３は、図２と同様の図である。但し、図３に示す中空管１′は、その長手方向の中央部に電極２′が接合されている。図３に示す中空管１′において、厚肉部１２′は電極２′との接合部１１′を中心に、上下方向にそれぞれ長さＬにわたって設けられている。したがって、厚肉部１２′の長さは２Ｌ＋ｔ_e（ｔ_e＝電極２′の肉厚（ｍｍ））である。
図１〜図３に示すように、本発明の中空管１，１′は、電極２ａ，２ｂ，２′との接合部１１，１１′およびその近傍に厚肉部１２，１２′が設けられていればよく、電極２ａ，２ｂ，２′を接合する位置、および接合する電極２ａ，２ｂ，２′の数は特に限定されない。

また、図１において、中空管１として中空円筒管が示されているが、中空管の形状はこれに限定されない。例えば、断面形状が楕円形状のものや、四角形、六角形、八角形等、多角形形状のものであってもよい。
引き出し電極の数は、一つであっても、それ以上であってもよい。
また、図１において、電極２ａ，２ｂとして外形が円形のものが示されているが、電極の形状はこれに限定されない。例えば、外径が楕円形状のものや、四角形、六角形、八角形等、多角形形状のものであってもよい。なお、リング状の電極とは、中央部が打ち抜かれたドーナツ形状の電極を意味する。

本発明の中空管体に関して、厚肉部１２が中空管１の全周にわたって設けられた態様について、図面を用いて説明したが、本発明の中空管体は、中空管１の周方向の一部にのみ厚肉部が設けられたものであってもよい。但し、厚肉部は全周にわたって設けられることが製造上好ましい。
また、肉厚部１２を中空管１の内側に設ける態様について説明したが、肉厚部１２は中空管１の外側に設けてもよい。

上記したように、図１に示す中空管に通電した際、電流が集中するのは、引き出し電極３ａ，３ｂから直近の接合部１１ａである。したがって、少なくとも該接合部１１ａおよびその近傍に厚肉部を設ければ、本発明による効果が発揮される。
中空管の周方向の一部にのみ厚肉部を設ける場合、その設ける部位は、少なくとも引き出し電極の直近に位置する前記接合部およびその近傍となることが好ましいが、具体的には、以下に説明する部位に設けることがさらに好ましい。図４は、図１に示す中空管１を上から見た平面図である。図４において、直近の接合部１１ａ、すなわち、中空管１に厚肉部を設ける部位は、電極２ａの中心０と引き出し電極３ａとの接合部の中点１１ｂとを結ぶ直線を中心とした角度αの範囲であることが好ましい。角度αは、２０度以上であり、好ましくは５０度以上であり、より好ましくは９０度以上であり、１８０度以上であることがさらに好ましい。
厚肉部の長さおよび肉厚は、中空管の全周にわたって厚肉部を設ける場合についても上記したのと同様である。また、引き出し電極が複数の場合は、引き出し電極が設けられている複数の箇所において、角度αが上記のような範囲にあることが好ましい。

本発明において、中空管および電極の寸法も特に限定されない。例えば、図１，２に示す中空管１、および図３に示す中空管１′を例にとると、中空管１，１′および電極２ａ，２ｂ，２′の寸法は各々以下の範囲であることが好ましい。
（中空管１，１′）
外径ｄ：５０〜８００ｍｍ、より好ましくは１００〜６００ｍｍ
長さ：２００〜６０００ｍｍ、より好ましくは４００〜２０００ｍｍ
厚肉部１２以外の部分の肉厚ｔ₀：０．４〜５ｍｍ、より好ましくは０．６〜３ｍｍ
厚肉部１２，１２′の長さ（Ｌ＋ｔ_e）：３０〜８００ｍｍ、より好ましくは５０〜３００ｍｍ
厚肉部１２，１２′の肉厚ｔ：０．５〜８ｍｍ、より好ましくは０．７〜５ｍｍ
（電極２ａ，２ｂ，２′）
外径：８０〜１２００ｍｍ、より好ましくは１００〜９００ｍｍ
内径：５０〜８００ｍｍ、より好ましくは１００〜６００ｍｍ
肉厚ｔ_e：０．５〜８ｍｍ、より好ましくは１〜５ｍｍ

本発明において、中空管１，１′および電極２ａ，２ｂ，２′は白金を主たる構成材料とする。したがって、白金のみを構成材料とするものに限定されず、白金合金を構成材料とするものであってもよい。白金合金の具体例としては、白金−金合金、白金−ロジウム合金が挙げられる。また、白金または白金合金に金属酸化物を分散させてなる強化白金であってもよい。分散される金属酸化物としては、Ａｌ₂Ｏ₃、またはＺｒＯ₂若しくはＹ₂Ｏ₃に代表される周期表における３族、４族若しくは１３族の金属酸化物が挙げられる。
本発明において、リング状の電極２ａ，２ｂ，２′全体が白金または白金合金製ではなくてもよい。例えば、白金または白金合金製の電極の外縁に白金または白金合金以外の金属材料製の部位が設けられていてもよい。このような金属材料としては、モリブデン、タングステン、ニッケル、パラジウム、銅、およびこれらの合金等が挙げられる。
引き出し電極３ａ，３ｂ，３′についても、白金を主たる構成材料とすることが好ましい。但し、これに限定されず上記した白金または白金合金以外の金属材料製であってもよい。

図１において、引き出し電極３ａ，３ｂは、電極２ａ，２ｂとの接合部付近の幅が広がった扇形形状である。引き出し電極３ａ，３ｂの形状を扇形形状とすることは、本発明にあるような厚肉部を設けることによって、さらに電極２ａ，２ｂと引き出し電極３ａ，３ｂとの接合部における局部過加熱を軽減できることから好ましい。
白金または白金合金のような金属材料に通電した際、該材料の断面積が急激に変化する部位では、電流が集中するため局部過加熱が発生する。
電極２ａ，２ｂと引き出し電極３ａ，３ｂとの接合部、特に電極２ａ，２ｂと引き出し電極３ａ，３ｂとの接合端部は断面積が変化する部位である。引き出し電極３ａ，３ｂの形状を扇形形状とした場合、接合端部における断面積の変化が穏やかであるため、接合端部における局部過加熱の発生が軽減される。
同様の理由から、電極２ａ，２ｂと引き出し電極３ａ，３ｂとの接合部は、断面積が急激に変化しないような構造にすることが好ましい。そのため、接合部において、電極２ａ，２ｂの肉厚と、引き出し電極３ａ，３ｂの肉厚と、の差はできるだけ小さくすることが好ましく、実質的に同一であることが好ましい。したがって、引き出し電極３ａ，３ｂの肉厚は、０．５〜８ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．７〜５ｍｍである。

本発明において、中空管１，１′と電極２ａ，２ｂ，２′との接合、電極２ａ，２ｂ，２′と引き出し電極３ａ，３ｂ，３′との接合は、公知の方法を実施することができる。
具体的には、中空管１，１′と電極２ａ，２ｂ，２′とは、溶接により接合することができる。この場合、電極２ａ，２ｂ，２′は中空管１，１′の外周に直接溶接してもよいし、両者の間に他の部材、例えば、白金または白金合金製のリング状の部材を配置して、該他の部材に電極２ａ，２ｂ，２′を溶接してもよい。一方、電極２ａ，２ｂ，２′と引き出し電極３ａ，３ｂ，３′とは、溶接により接合してもよいし、ボルト、ビス等の固定治具により接合してもよい。

本発明のガラス製造装置では、高温の溶融ガラスが通過する溶融ガラスの導管として、本発明の中空管体が用いられている。本発明のガラス製造装置において、本発明の中空管体を使用する個所の具体例としては、ガラス製造装置から不純物を除去するために設けられた流出管、レンズ、プリズム等の光学部品を成形する場合にガラス製造装置から成形用の型に溶融ガラスを流出させるための流出管等としても使用可能である。
本発明のガラス製造装置では、通電加熱した際に溶融ガラスの導管で局部過加熱が生じないため、導管を流通する溶融ガラスが変質するおそれがない。

本発明の減圧脱泡装置では、高温の溶融ガラスが通過する溶融ガラスの導管として、本発明の中空管体が用いられている。本発明の減圧脱泡装置において、本発明の中空管体を使用する個所の具体例としては、減圧脱泡槽、上昇管および下降管が挙げられる。
本発明の減圧脱泡装置は、減圧脱泡槽、上昇管または下降管といった、溶融ガラスの導管として本発明の中空管体を用いているため、通電加熱時にこれら導管で局部過加熱が生じない。この結果、減圧下での過加熱による泡の発生が防止される。また、減圧環境下に置かれている減圧脱泡槽、上昇管および下降管の場合、クラック等の発生が特に問題となるが、本発明の減圧脱泡装置の場合、通電加熱時にこれら溶融ガラスの導管で局部過加熱が生じないため、クラックが発生するおそれが低減されている。

以下、実施例により本発明をさらに説明する。
（実施例１）
本実施例では、図１および図２に示す中空管体を作製した。各構成要素同士は溶接により接合した。なお、肉厚部は中空管１の全周にわたって設けた。各構成要素の寸法および構成材料は以下の通りである。
（中空管１）
外径ｄ：３００ｍｍ
長さ：１５００ｍｍ
肉厚ｔ₀：１．５ｍｍ
厚肉部１２の長さ（Ｌ＋ｔ_e）：２００ｍｍ
厚肉部１２の肉厚ｔ：２ｍｍ
構成材料：白金−ロジウム合金（白金９０質量％、ロジウム１０質量％）
（電極２ａ，２ｂ）
外径：６００ｍｍ
内径：３００ｍｍ
肉厚ｔ_e：３ｍｍ
構成材料：白金−ロジウム合金（白金９０質量％、ロジウム１０質量％）
（引き出し電極３ａ,３ｂ）
肉厚：４ｍｍ
構成材料：白金−ロジウム合金（白金９０質量％、ロジウム１０質量％）

引き出し電極３ａ,３ｂを外部電源（交流）と接続して以下の条件で通電加熱した。
電圧：１０Ｖ
電流：６０００Ａ
加熱時間：１０時間
通電加熱時の中空管１の温度を熱電対を用いて観察したところ、顕著な局部過加熱は認められなかった。

（比較例１）
実施例１と同様に図１に示す中空管体を作製した。但し、中空管は厚肉部を持たず、肉厚は、中空管全体にわたって１．５ｍｍであった。実施例１と同様に通電加熱したところ、引き出し電極３ａ，３ｂから最も近い側の接合部１１ａ付近で顕著な局部過加熱が認められた。通電加熱終了後、局部過加熱が認められた部位でクラックの発生が認められた。

本発明の中空管体は、通電加熱時に局部過加熱が防止または軽減されるため、溶融ガラスの導管として使用したとき溶融ガラスを均一に加熱し、また熱応力による破損を防止できるので、減圧脱泡装置のようなガラス製造装置における溶融ガラスの導管に適用できる。

なお、２００５年６月６日に出願された日本特許出願２００５−１６５７３５号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (13)

1. 通電加熱される用途に用いられる、白金または白金合金製の中空管を有する中空管体であって、
   前記中空管の外周には、白金または白金合金製のリング状の電極が接合されており、
   前記リング状の電極の外縁には、１またはそれ以上の引き出し電極が接合されており、
   前記中空管において、前記リング状の電極との接合部のうち、少なくとも前記引き出し電極の直近に位置する前記接合部およびその近傍には厚肉部が設けられていることを特徴とする中空管体。
2. 通電加熱される用途に用いられる、白金または白金合金製の中空管を有する中空管体であって、
   前記中空管の外周には、白金または白金合金製のリング状の電極が接合されており、
   前記リング状の電極の外縁には、１またはそれ以上の引き出し電極が接合されており、
   前記中空管において、前記リング状の電極との接合部には、該中空管の全周にわたって厚肉部が設けられていることを特徴とする中空管体。
3. 前記厚肉部は、下記式（１）、（２）を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の中空管体。
   ０．４ｄ≦Ｌ≦１．２ｄ・・・（１）
   １．２ｔ₀≦ｔ≦１．７ｔ・・・（２）
   Ｌ：電極との接合部を除いた厚肉部の長さ（ｍｍ）
   ｄ：中空管の外径（ｍｍ）
   ｔ：厚肉部の肉厚（ｍｍ）
   ｔ₀：厚肉部以外の中空管の肉厚（ｍｍ）
4. 前記厚肉部は、前記リング状の電極の中心と前記引き出し電極との接合部の中点とを結ぶ直線を中心とした角度２０度以上の範囲に位置する請求項１または３に記載の中空管体。
5. 前記中空管体は、引き出し電極から中空管への直近の接合部の局部過加熱が軽減できる請求項１ないし４のいずれかに記載の中空管体。
6. 前記リング状の電極との接合部を除いた厚肉部の長さが３０〜８００ｍｍである請求項１ないし５のいずれかに記載の中空管体。
7. 前記中空管の外径が５０〜８００ｍｍである請求項１ないし６のいずれかに記載の中空管体。
8. 前記厚肉部の肉厚が０．５〜８ｍｍである請求項１ないし７のいずれかに記載の中空管体。
9. 前記厚肉部以外の中空管の肉厚が０．４〜５ｍｍである請求項１ないし８のいずれかに記載の中空管体。
10. 前記リング状の電極と前記引き出し電極との肉厚が実質的に同一である請求項１ないし９のいずれかに記載の中空管体。
11. 溶融ガラスの導管として、請求項１ないし１０のいずれかに記載の中空管体を用いたガラス製造装置。
12. 溶融ガラスの導管として、請求項１ないし１０のいずれかに記載の中空管体を用いた減圧脱泡装置。
13. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の中空管体を通電加熱する方法。

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