JP5161074B2

JP5161074B2 - 溶融ガラス等の液中における気泡形成

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Publication number: JP5161074B2
Application number: JP2008513569A
Authority: JP
Inventors: ペルトン、ジョン、エフ．
Original assignee: プラクスエア・テクノロジー・インコーポレイテッド
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2026-05-19
Also published as: CN101208273B; KR20080012993A; US7451621B2; WO2006127532A1; JP2008542167A; CN101208273A; KR101325312B1; US20060266080A1

Description

本発明は、有用な製品を製造することができる溶融ガラス等の液体の処理に関するものである。

液体中への気体吹込みは、広範囲の化学および冶金用途で利用されている。例えば、魚貝の養殖や好気性処理廃水の処理で酸素を溶解させるために水中に酸素ガスが吹き込まれる。精錬する溶融アルミニウム中にアルゴンまたは窒素ガスを吹き込んで溶存水素の除去または取り除きを行う。精錬する溶鋼中に酸素ガスを吹き込んで溶存炭素と反応させ、それを除去する。

気泡は、液体中に沈めた小さなノズルから気体を吹き込むことによって液体中に形成可能である。気体の流量がごく少ない時は、一般に一連の小気泡が発生するが、その大きさは均一であり、十分に分離している。気体の流量が増すと、単位時間あたりに形成される気泡は増え、気泡の合体が起こるようになる。ここで言う「合体」とは、２つ以上の気泡が一緒になって１つの気泡を形成することをいう。その時、１つ以上のより小さな随伴気泡の形成を伴うこともあれば、伴わないこともある。また、気泡が一緒にならず、液体中で分離したままである場合の気泡は「非合体性」である。一般に、液中ノズルを通る気体の流量をより多くすると、合体の起こる頻度が高くなる（例えば、４つの気泡が一緒になって１つの大きな気泡を形成すること等）。気体の流量をさらに多くすると、無秩序な気泡形成作用が現れ、その場合、種々の大きさ、形状の多数の気泡が乱雑に形成される。

これらの用途の大半では、液体内によく分散した多数の小気泡を作り出して、物質移動過程が促進されるようにすることが望ましい。これまで、液体中に小気泡を生成するための技法が数多く開発されてきた。その中には、小さな液中ノズルから高速で気体を吹き込むものや、大きな気泡を細かく分割するために気液混合物を機械的に撹拌するもの、回転円盤と固定円盤の間の細い隙間から気体を吹き込むもの等が含まれる。これらの方法では、液体の粘性は比較的低く、残存する気泡は速やかに液面に浮き上がって取り除かれるため、最終製品に取り込まれることはない。

瓶や窓ガラス等のガラス製品の商業規模での製造においては、固体の供給材料が大型炉で溶解される。供給材料には、リサイクルしたガラス製品を典型的に含むガラス片、および／または、砂、石灰石、ソーダ灰など、ガラス製造のための従来からの材料を含めることができる。

固体のガラス製造用供給材料はガラス溶融炉の一端または投入口から投入され、そこで供給材料は１３００℃超の温度にさらされて溶融される。得られた溶融ガラスは、ガラス溶融炉の排出口から取り出された後、成形設備に移送され、そこで有用な製品に成形されることができる。ガラス溶融炉から取り出された溶融ガラスは、任意選択で保持タンクに移送することも可能であり、成形設備に移送するまでの間、そこでそのまま溶融状態で保持することができる。

これらの段階を経て成形される溶融ガラスは典型的にはシード（種）と呼ばれる小気泡を多数含む。これらのシードが最終的な固体ガラス製品において望ましいものであることはまずないため、かかるシードをガラスから取り除くこと、それもガラスがまだ溶融状態にある間に行うことが極めて望ましい。溶融ガラスから小気泡を取り除く工程は典型的には「清澄」と呼ばれる。小気泡は自ら溶融ガラスの表面に浮き上がることができるが、それに要する時間は、通常、事業者にとっては長過ぎ、経済的に受け入れられない。そこで、溶融ガラスからのかかる望ましくない気泡の除去を促進するために他の方法を用いる必要がある。一般に用いられるのは、清澄ガスを発生させる硫酸ナトリウムや酸化アンチモン等の化学的な清澄剤である。清澄ガスは、高温で解離すると、小さな欠陥気泡（シード）に拡散してそのサイズを成長させ、より速く溶融ガラス表面に浮き上がることができるようにする。

気泡発生装置は、ガラス溶融炉内で溶融ガラスの対流を促進するためにしばしば利用される。気泡発生装置は典型的にはガラス・タンクの床面に設けられてあり、浮き上がる気泡が粘性のある溶融ガラスを押し上げ、溶融ガラスの流れを促進する。米国特許第２８９０５４８号は、気泡発生ノズルから気体を吹き込むことによって溶融ガラスの対流を制御するための方法と装置を教えている。対流を促進するためには大きな気泡を作るのが有利である。高圧気体をパルス状に吹き込むことで気泡を大きくできることが教えられている。米国特許第３８７４８６５号には、高圧、低圧それぞれの気体供給ラインと空圧論理素子を利用し、複数の吹込みノズルから複数の気泡を作り出す自己制御式気泡発生システムが説明されている。

ガラス清澄技術における最近の成果の１つは、ヘリウム・ガスを溶融ガラスに吹き込んで清澄を促進するというものである。ヘリウム・ガスの一部はヘリウムの気泡から拡散し、溶融ガラスの中を移動してシードに入り込み、シードの成長を促進する。ヘリウムの気泡からヘリウム・ガスが拡散していく一方、窒素、二酸化炭素、酸素、二酸化硫黄等、溶融ガラス中に溶けているその他の気体はヘリウムの気泡の中に拡散する。そのため、ヘリウムの気泡はシードの成長を促進し、同時に溶融ガラス中に溶存するその他の望ましくない気体の除去も行う。ヘリウムの気泡の当初のサイズが、例えば直径４ｃｍ超というように大きい場合には、気泡は素速く表面へと上昇してしまい、シード中に拡散して清澄作用を促進することができるのは気泡に含まれるヘリウム・ガスのごく一部だけということになる。そのため、ヘリウム・ガスの大半は空費される。ヘリウムの気泡の当初のサイズが、例えば０．５ｃｍ未満というように小さすぎると、ヘリウム・ガスの拡散に伴ってヘリウムの気泡が小さくなり、気泡の上昇速度が極端に遅くなるため、ガラス製品にヘリウムの小さな欠陥気泡を生じる恐れが出てくる。ヘリウムの気泡の当初のサイズが、例えば０．５ｃｍというように小さすぎると、ヘリウム・ガスの拡散に伴ってヘリウムの気泡が小さくなり、気泡の上昇速度が極端に遅くなるため、ガラス製品にヘリウムの小さな欠陥気泡を生じる恐れが出てくる。

本発明者は、タンクの底から上方に向かって溶融ガラスに気泡を通す場合、タンクの底に、または底から導入される気泡が比較的均一な直径を有していると、望ましくない小気泡を取り除く上で著しく効果を増すことを突き止めた。これは、気泡の大小の差がありすぎると、それぞれの気泡がそのサイズの関数である様々な速度で溶融ガラス中を上方に移動することになるためで、その場合、気泡が衝突して互いに合体しやすくなり、とりわけ小さな気泡の除去および除去ペースに関して不満足な成果をもたらす。さらに、０．５〜４ｃｍの範囲、好ましくは０．５〜２ｃｍの範囲の均一な直径を持つ気泡は、望ましくない小気泡の除去に関して有利に機能することが突き止められた。

従来技術は、大きな気泡を作る方法として、複数の吹込みノズルに高圧気体をパルス状に注入することを教えてきたが、この注入システムは複雑であり、高価である。この分野では、溶融ガラスが入ったタンクの底から気泡が形成され、形成される気泡の直径が０．５〜４ｃｍの範囲で狭い範囲の直径寸法に均一な形で収まるものとなるための信頼性のある技術に対する需要が相変わらず存在する。

本発明の１つの特徴は、以下の方法である。
非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法であって、所定流中の各気泡が事実上同一サイズである前記方法において、
（Ａ）溶融ガラスを入れるタンクを設ける段階と、
（Ｂ）前記タンクを貫通する２以上の通路を設ける段階であって、前記通路の各々が、前記タンク中の前記溶融ガラスの上面よりも下位で前記溶融ガラスと流体連通する上向きの開口で終わる、前記段階と、
（Ｃ）共通の気体供給ライン、および、加圧された気体ヘリウムを前記共通の気体供給ラインに供給するヘリウム源を設ける段階と、
（Ｄ）複数の気体注入ラインを設け、かつ、各気体注入ラインに気体透過性制限手段を設ける段階であり、前記気体注入ラインの各々が、前記気体供給ラインおよび前記通路の異なる１つと流体連通し、また、前記気体供給ラインから通路に抜けるヘリウムが気体透過性制限手段を通り抜けて該制限手段と前記通路の終端にある開口との間の空間に至るものでなければならず、前記制限手段の前後での圧力低下が十分に大きく、また前記空間の容積が十分に大きいことで前記通路の終端から前記溶融ガラスの中に非合体性ヘリウム気泡が作り出されるようにする前記段階と、
（Ｅ）前記ヘリウム源から前記気体供給ラインにヘリウムを供給する段階であって、ヘリウムが前記気体注入ラインに入り込む際にそれに組み付けられた制限手段を通り抜け、前記通路の終端の開口からそのサイズが前記空間の容積の関数である気泡として間欠的に出現する前記段階と、該気泡の間に少なくとも気泡の直径の半分の間隔があくように前記気体供給ラインの圧力を調整する段階とを含む、非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。

本発明の別の特徴は、以下の装置である。
非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作るために有用な装置であって、所定流中の各気泡が事実上同一サイズである前記装置において、
（Ａ）溶融ガラスを入れることができるタンクと、
（Ｂ）該タンクの底を貫通し、終端には該タンクの内部と流体連絡する上向きの開口をそれぞれ有する２つ以上の通路と、
（Ｃ）共通の気体供給ラインおよび圧力をかけて気体ヘリウムを該共通の気体供給ラインに供給するヘリウム源と、
（Ｄ）各々が前記通路の異なる１つおよび前記気体供給ラインと流体連絡する複数の気体注入ラインであって、各々の気体注入ラインが気体透過性制限手段を備えており、前記気体供給ラインから何れかの通路に抜ける気体が気体透過性制限手段を通り抜けて該制限手段と該通路の終端にある開口との間の空間に至るものでなければならないようになっており、さらに、前記制限手段の前後での圧力低下が十分に大きく、また前記空間の容積が十分に大きいことで前記通路の終端から前記溶融ガラスの中に非合体性ヘリウム気泡が作り出されるようにした気体注入ラインとを含み、
前記ヘリウム源から前記気体供給ラインにヘリウムが供給されると、該ヘリウムが前記気体注入ラインをそれに組み付けられた制限手段を貫いて通り、前記通路の終端の開口からそのサイズが前記空間の容積の関数である気泡として間欠的に出現するようになっている、非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作るために有用な装置。

ここで気泡の直径についていう時は球形の気泡の直径を意味し、球形でない気泡の場合には、その球形でない気泡と同じ体積を持つ球体の直径を意味する。

本発明について、ガラス溶融炉へのその適用に即して説明する。これはガラス製造原料を溶融する炉において実施可能であり、また、これはガラス溶融炉の下流側で溶融ガラスを保持する保持タンクにおいて実施可能である。

まず、図１で、一般にタンク１は、溶融ガラスを保持するチャンバを規定する底面２および側面３を備える。底面２のこの場合の形状は決定的なものではないが、一般的慣行では、底面２の少なくとも一部は平面であって、水平であるか、またはタンク１内に溶融ガラスが流れ込む方向に傾斜していることが好ましい。代替的には底面２のすべて又は一部は湾曲していることができる。側面３によって規定されるタンクのこの場合の形状も、側面が所望する量の溶融ガラスを保持するのに十分な高さである限り、決定的なものではない。タンク１には、さらに、フィード材料ないし溶融ガラスがタンク１内に流れ込むための入口７と、液体がタンク１内から流れ出ることができる出口８とが備えられている。タンク１は一般に屋根（図示しない）も備える。タンクの底面、側面および屋根は、タンクがさらされる温度、即ち典型的には１３００〜１７００℃でその堅固な構造健全性を保つことができる耐火材料で作られる必要がある。かかる材料は高温設備の製作の分野では公知のものである。

符号４は、そこから圧力をかけて気体を主供給ライン５に供給することができる気体源を示す。ガラス製造作業において好ましい気体にはヘリウムが含まれ、好ましくは８０体積％以上のヘリウムが含まれ、より好ましくは９９体積％以上のヘリウムが含まれる。

気体注入ライン６は主供給ライン５から伸び、以下に説明するようにしてタンクに接続される。気体源４は、好ましくは、当該の気体を液体または気体の状態で収めたタンクを含んでおり、さらに、弁、圧力調整装置、１つ又はそれ以上の圧縮機および圧力調整装置、並びに関連の制御機器を含んでおり、それらすべてが相まって、貯蔵タンクから主供給ライン５への気体の供給の有無の制御並びに気体を主供給ライン５に供給する圧力および速度（質量流量）の制御を作業者が行うことができるようになっている。

気体は、加圧ボンベまたは圧縮機につないだ圧力調整装置の吐出し口からライン５に送り込むなどの方法によって、１０〜２００ｐｓｉｇ（６．８９５×１０^−２〜１３７．９×１０^−２ＭＰａ）などの基本的に一定の圧力で主供給ライン５に供給することができる。或いは、源４と何れかのライン６との間のライン５に弁を挿入することが可能で、該弁は開閉式の動作をする形式のものであることができる。溶融ガラスのタンク１つに対して２つ以上の主気体供給ラインを付属させることができる。

注入ライン６は主供給ライン５から分岐し、供給を受ける。１つの注入ライン６は各々の通路１０につながれている。注入ライン６および通路１０の数は、タンク底面２の大きさ、処理する溶融ガラスの体積、および溶融ガラス内での気泡形成に求められるペースによって異なる。ライン６内における制限手段の互いに代替的な実施例である制限手段１２および１１２については、以下に図２に即して説明する。

図２には、主供給ライン５、２つの注入ライン６、および炉の底面２が何れも断面図で示されている。通路１０はタンクを貫いて（この場合は、タンク底面２を貫いて）伸び、液体上面より下方のタンク内部と流体連絡する開口１１で終わる。注入ライン６（実地では多数）は主供給ライン５から伸び、各々に付随する通路１０に接続する。開口１１はタンク底面２と面一であるか、または、図示されているように、通路がタンク１の内部へ若干距離だけ突き出ていることができる。各々の開口１１は単一の穴であり、好ましくは直径が０．１から１．０ミリメートルまでの間であり、より好ましくは０．２から０．５ミリメートルまでの間である。

通路１０がタンク底面の表面よりさらに液体の中まで伸びている場合、通路または少なくとも液体の中まで伸びる部分は、液体の温度に耐えられる材料で作られている必要がある。液体が溶融ガラスである時は、当該部分の製作用に好ましい材料は白金または白金被覆を施したアルミナである。注入ライン６が通路１０と流体連絡されてありさえすれば、注入ライン６の端部が通路１０の外側端で通路１０に接続されているのか、または通路１０の中へ一定距離入り込んでいるのか、または通路１０を完全に貫いて伸びているのかは重要ではない。

各々の注入ライン６は、開口１１に向けて気体が通り抜けることを許容しつつ、気体が通過するペースを制限する制限手段を備える。制限手段は、オリフィスを持つ物体１２のような機械的な付加物の追加によって、または気体がその中を拡散する微孔構造の多数の通路を含んだ物体である金属製若しくはガラス製の多孔性インサート１１２によって設けることができる。代替的には、制限手段は、付加物を追加することなく、通路に襞を付けたり、通路を絞り込んだりすることによって、その絞り込んだ通路の上流側および下流側の注入ライン６の内径よりも小さい内径を持つ通路を得ることで確保できるが、これは達成困難な方法であり、実用的でない可能性がある。何れの制限手段も、気体がそれを通り抜けることができるという意味においては気体透過性であると考えられる。ここにその重要性を説明するその目的は、制限手段の直前と直後の間の圧力低下を確保することにある。好ましい実施例では、制限手段は微孔構造の円盤または円筒１１２である。以下でより完全な形で説明するように、制限手段は、制限手段直前における圧力と協働することによって、気泡の形成中に下流側で圧力変化が起こる間、制限手段の下流側の空間に比較的一定の流量をもたらすものであり、さらに制限手段はタンク底に開く各々の開口にほぼ同じ流量が与えられるようにするものであることが望ましい。上述したように、１２および１１２はこの目的を達成するための互いに代替的な実施例を示すものである。本発明は、物体１２のみ、微孔構造インサート１１２のみ、若しくはその他の技法のみ、またはそれらの何れかの組み合わせを用いることによって実施することができる。

本発明の満足すべき実施のためには、開口１１とそれに付随する制限手段の間の空間の内部容積が、形成され、脱離する各々の気泡に適正量の気体を提供するのに十分な大きさでなければならないことが本発明者によって突き止められた。所望の容積を得るためには、注入ライン６よりも大きく、所望の合計容積を得るのに十分な内部寸法を持つ貯蔵室を注入ラインに含めればよい。貯蔵室は、図２に示す貯蔵室１３のようにライン上にあることもできれば、図２の貯蔵室１１３のように注入ラインの側方に開口を介して取り付けることもできる。制限手段と開口１１の間に所望の合計容積が用意されるものであれば、その他の構成も利用することができる。或いは、十分な長さおよび直径の注入ライン６が用いられるのであれば、貯蔵室１３または１１３を別途設ける必要はない。本発明のこの態様で、気体が開口１１に到達するために通過しなければならない開口と制限手段の間の空間に関して有用な容積は典型的には１０〜１０００００ｃｃである。

図１および２に示したシステムの動作について、図３および４も参照しながら説明する。気体は源４から注入ライン６に供給され、各注入ラインの制限手段の上流側に典型的には１０〜２００ｐｓｉｇの圧力で供給される。気体は制限手段を通り抜け、各制限手段とそれに付随する開口１１の間の空間へと至る。制限手段と開口１１の間の空間に入り込んだ気体は、気体に圧力はかかっていても、直ちに溶融ガラスの中に出ていくわけではない。これは、開口の上のタンク内のガラスの深さおよび溶融ガラスの比重に依存する溶融ガラスの静圧、並びに開口１１における溶融ガラスの表面張力の方が十分に高く、過程のこの時点では気体が溶融ガラスの中に出ていくのを妨げるためである。

制限手段とそれに付随する開口の間の空間に入った気体は、その空間で蓄積し、圧力を高める。気体が制限手段と開口の間の空間に供給され続けると、遂には開口１１で気泡の形成が始まるのに十分な高さの圧力となる。気泡の形成が始まると、溶融ガラス−気体界面の半径が小さくなることによって表面張力が増大し、その結果、開口１１における圧力が高まる。図４Ａ、４Ｂ、４Ｃおよび４Ｄは、開口１１で気泡の形成が始まる時の溶融ガラス−気体界面の形状の変化を示したものである。制限手段を通過する気体の流れは大半が圧力上昇に使われるため、気泡形成過程のこの部分は比較的緩慢な過程となる。図３を見ると、図４Ａから図４Ｂ、４Ｃおよび４Ｄへの進行は、図３に時間とともに上昇する圧力を示すグラフの一部分として示されている（当該部分はｔ_１と表示した時間増分の間に生起することとしても示されている）。この時間に、開口１１における圧力は、気泡形成の当初の時点での絶対圧力Ｐ_１（開口における気液界面が図４Ａに示す平らな界面を超え始める態勢にあるところ）から、図４Ｄに示されるように半球形の気液界面が形成される時の絶対圧力Ｐ_２まで、ＤＰだけ上昇する。この時点で気泡の半径は最小となって開口１１の半径に相当するものとなる一方、圧力は最高となる。この時点を過ぎると、気泡の半径が増大するために開口１１における圧力は低下し、制限手段と開口の間の空間から新たに形成されつつある気泡に極めて急速に気体が流れ込む。この短時間の急速な気体の流入は図３にｔ_２として示されているもので、気泡の成長時間ｔ_１よりもはるかに短い。溶融ガラスの比較的高い粘性は、望ましいとされる０．５〜４ｃｍの直径（図４Ｅに示すサイズの数倍に達する可能性がある）に気泡が成長するまで気泡の分離および脱離を遅らせ、その後、気泡は脱離して溶融ガラス中を上方に移動し始める。

本発明によって果たされる所期の目的のうちの２つは、主供給ライン５または注入ライン６が１２または１１２のような制限手段も伴わず、貯蔵室１３によって与えられるような空間の拡大も伴わずに単に開口１１に直接つながれている場合と比べて、開口１１から生じる気泡が大きいということであり、該気泡のサイズが均一で、その間隔が均一であるということである。本発明者は、均一な気泡の流れを生じることが望まれる注入ライン６の各々において、該注入ラインに付随した制限手段の前後における圧力の低下が気泡生成時の圧力変動ＤＰよりも著しく大きく、好ましくはＤＰの５倍以上、より好ましくは１０倍以上、最も好ましくは１００倍以上大きくなるようにすることによってこれらの目的が果たされることを発見した。さらに、開口１１とそれに付随する制限手段の間の空間（貯蔵室１３を使用する場合はそれを含む）の容積が十分に大きく、そのために、気泡の形成が始まった時に気泡に流れ込む気体の大半が制限手段とそれに付随する開口１１の間の空間に既に蓄積していた気体に由来するものとなり、気泡が図４Ｄのほぼ半球の形状から完全に脱離した気泡に実際に成長するまでの時間ｔ_２に制限手段を通り抜けて該空間に入り込む少量の気体がそれに加わる。

より具体的には、蓄積した気体の量、即ち、開口１１からの前の気泡の脱離以降に制限手段とそれに付随する開口１１の間の空間に蓄積する気体の量は、該空間の容積Ｖ、および前の気泡が脱離した直後の該空間の圧力と次の気泡が開口１１で半球形を取り始める直前（その時点で該空間の圧力は最大Ｐ_２となる）の該空間の圧力との差ＤＰに比例する。気泡が半球形以上に成長し始めると、増分量の気体が制限手段を通り抜けて制限手段と開口１１の間の空間に入り、新たに形成されつつある気泡に入り込む該空間内の気体に加わる。本発明の目的を果たすためには、半球形以上への気泡の成長が始まる時点で該空間内に蓄積している気体の量と、気液界面が半球形以上に成長する時点から気泡が開口１１から脱離する時点までの間に該空間に入り込む気体の増分量との比率が少なくとも５対１、好ましくは少なくとも１０対１、より好ましくは少なくとも２０対１、最も好ましくは少なくとも１００対１である必要がある。絶対圧力Ｐ_１に対するＤＰの比率は１：１０以下、好ましくは１：１００以下、より好ましくは１：１０００以下であるべきである。この関係は、制限手段とそれに付随する開口１１の間の空間に十分に大きな容積を与えることによって実現することができる。

一部の実施例では、制限手段と該制限手段の下流側の開口の間の各々の空間の容積は互いにすべて同一であるが、他の実施例では、液体の異なる区域で気泡形成の特徴に差を付けることが望まれる場合など（液浴の中央部分では浴の縁部分における気泡形成とは異なる気泡形成が行われるようにすることなど）、該容積は必ずしも互いに同一ではないことに留意する必要がある。

こうして形成される気泡のサイズを概ね決定づけるのは、新しい気泡の形成が開始されるために必要とされ、制限手段とそれに付随する開口１１の間の空間に蓄積する気体によってもたらされるべき圧力の大きさＰ_１、および、制限手段と開口１１の間の空間の容積である。新しい気泡の形成開始に必要とされる圧力の大きさは、開口１１における溶融ガラスの静水圧、開口１１の直径および溶融ガラスの表面張力によって決定される。そのため、静水圧、開口１１の直径および開口１１における溶融ガラスの表面張力が与えられていれば、気泡のサイズは、制限手段と開口１１の間の空間の容積を増やすか、または減らすことによって、それぞれ大きくするか、または小さくすることができる。こうして気泡が形成されるペースは気体の流量によって制御され、その場合、流量を多くすると気泡形成のペースは速まり、流量を少なくすると気泡形成のペースは遅くなる。気体の流量を多くして気泡形成のペースを速めると、気泡の直径がごくわずかながら増大する。気体の流量は、制限手段上流側の気体の圧力の組み合わせにより、また、制限手段が通過気体の流れを抑制する程度によって制御される。抑制のサイズが固定されている実施例では、気泡形成のペースは気体が制限手段に供給される圧力を制御することによって制御され、その場合、圧力を高くするとペースは速まり、圧力を低くするとペースは遅くなる。しかし、圧力は、少なくとも気泡の直径の半分に当たる距離の間隔をあけた気泡の流れを作り出し、それによって気泡を非合体性の状態に保つのに十分な高さである必要がある。

ガラス・タンク内では、気泡は、開口１１から脱離した後、その直径が大きくなる。これは、気泡内の気体が高温の溶融ガラスによって熱せられるためであり、また、気泡が溶融ガラス表面に向けて上昇するに従って静水圧が低下するためである。気泡がその中で形成され、脱離し、移行する液体の温度がライン６内の気体の温度と異なる場合には、制限手段とそれに付随する開口１１の間の空間の適当な容積Ｖを定めるに当たり、また、気泡が脱離する時、および次の気泡が形成され、脱離する直前の状態の時に該空間で得られるべき圧力を定めるに当たり、液体温度が気泡のサイズに及ぼす効果が理想気体の法則に基づく関係によって考慮に入れられなければならない。即ち、気泡中の気体の量は以下のそれぞれの式によって表すことができる。

（（Ｐ_１）×（気泡の体積））／（（液体の絶対温度）×（Ｒ、理想気体定数）））

ここで、Ｐ_１は、気泡が脱離した直後の開口１１における絶対圧力である。

（（Ｐ_２−Ｐ_１）×（Ｖ）／（ライン６の気体の絶対温度）×（Ｒ）＋（気泡が半球形以上に成長して脱離に至るまでの間に制限手段を通過してライン６に入る気体の量）

ここで、Ｐ_２は、気泡の形状が半球形となる時の開口１１におけるピーク圧力である。Ｐ_１、Ｐ_２、気体および液体の温度、並びに気泡形成中に制限手段を通り抜ける気体の流れが所与の系に関して確定されている場合、気泡の体積、従ってその直径は、制限手段とそれに付随する開口１１の間の空間の容積Ｖを適当に調整することによって定めることができる。

「実施例１」
溶融ガラスにおける本発明の実施を、１４５０℃の溶融ガラスとほぼ同じ粘性を持つものと判定された室温の蜂蜜を満たしたジャーでシミュレーションした。ジャーの底に設けた４つの開口には、それぞれ直径１．５ｍｍの単一の穴で終わるノズルを取り付けた。各ノズルの反対端は、内径４．８ｍｍの銅管を介して容積約１３０ｃｃのタンクに接続した。これらのタンクはそれぞれ、共通ヘッダにつながれた内径３ｍｍのゴム管区間に銅管（内径約２ｍｍ）を介して接続された。多孔質の焼結金属である制限手段が各々のゴム管区間の中に設置された。この制限手段は、上流側圧力が約２７ｐｓｉｇで、下流側圧力が大気圧の時、毎分約２０ｃｃの流量を許容した。

気体は約２５〜２７ｐｓｉｇの圧力で各々の制限手段に供給された。各々の開口から毎分気泡約３０個の割合で定常的かつ均一な気泡の流れが認められた。気泡は、直径が１ｃｍ前後であるものと見られた。これら各注入ラインの気体タンクの容積を約４００ｃｃに増やし、さらに抑制度の低い制限手段１１２としての微孔構造の円筒と高めの供給圧力との組み合わせによって各ノズルへの気体の流量を増やすと、形成される気泡は均一で、十分な間隔があき、約２ｃｍの直径のものとなった。

本発明を実施するために用いることができる溶融ガラス等の液体を保持する典型的なタンクの斜視図である。図１のタンクの一部の横断面図であって、本発明を実施するための装置の実施例を示す横断面図である。気泡が成長し、脱離するまでの間の注入ラインの終端における圧力の変化を示すグラフである。気泡が漸進的に形成される様子を示すために注入ラインの終端を大きく拡大した横断面図である。気泡が漸進的に形成される様子を示すために注入ラインの終端を大きく拡大した横断面図である。気泡が漸進的に形成される様子を示すために注入ラインの終端を大きく拡大した横断面図である。気泡が漸進的に形成される様子を示すために注入ラインの終端を大きく拡大した横断面図である。気泡が漸進的に形成される様子を示すために注入ラインの終端を大きく拡大した横断面図である。

Claims

非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法であって、所定流中の各気泡が事実上同一サイズである前記方法において、
（Ａ）溶融ガラスを入れるタンクを設ける段階と、
（Ｂ）前記タンクを貫通する２以上の通路を設ける段階であって、前記通路の各々が、前記タンク中の前記溶融ガラスの上面よりも下位で前記溶融ガラスと流体連通する上向きの開口で終わる、前記段階
（Ｃ）共通の気体供給ライン、および、加圧された気体ヘリウムを前記共通の気体供給ラインに供給するヘリウム源を設ける段階と、
（Ｄ）複数の気体注入ラインを設け、かつ、各気体注入ラインに気体透過性制限手段を設ける段階であり、前記気体注入ラインの各々が、前記気体供給ラインおよび前記通路の異なる１つと流体連通し、また、前記気体供給ラインから通路に抜けるヘリウムが気体透過性制限手段を通り抜けて該制限手段と前記通路の終端にある開口との間の空間に至るものでなければならず、前記制限手段の前後での圧力低下が十分に大きく、また前記空間の容積が十分に大きいことで前記通路の終端から前記溶融ガラスの中に非合体性ヘリウム気泡が作り出されるようにする前記段階と、
（Ｅ）前記ヘリウム源から前記気体供給ラインにヘリウムを供給する段階であって、ヘリウムが前記気体注入ラインに入り込む際にそれに組み付けられた制限手段を通り抜け、前記通路の終端の開口においてヘリウムの気泡が形成し始める間、前記ヘリウムが前記空間に蓄積し、前記空間の圧力を高め、前記ヘリウムが、前記通路の終端の開口から、そのサイズが前記空間の容積の関数である気泡として間欠的に脱離する前記段階と、
（Ｆ）該気泡の間に少なくとも気泡の直径の半分の間隔があくように前記気体供給ラインの圧力を調整する段階とを含む、非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記制限手段と該制限手段の下流側の通路の終端にある開口との間の空間がすべて同じ容積を持つ請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記制限手段と該制限手段の下流側の通路の終端にある開口との間の空間がすべて同じ容積を持つわけではない請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
前記気体供給ラインの圧力が６．８９５×１０ ^−２〜１３７．９×１０ ^−２ＭＰａである請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
前記通路の終端にある開口の直径が０．１〜１．０ｍｍである請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
前記通路の終端にある開口の直径が０．２〜０．５ｍｍである請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
前記気泡の直径が０．５〜４ｃｍである請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
前記気泡の直径が０．５〜２ｃｍである請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記気体注入ラインにおける前記制限手段の前後の圧力低下が、該注入ラインと流体連絡する通路の終端にある開口における圧力が該開口における気泡生成の開始から該開口に半球形の気液界面が形成される時点にかけて増大する量の少なくとも５倍である請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記気体注入ラインにおける前記制限手段の前後の圧力低下が、該注入ラインと流体連絡する通路の終端にある開口における圧力が該開口における気泡生成の開始から該開口に半球形の気液界面が形成される時点にかけて増大する量の少なくとも１０倍である請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記気体注入ラインにおける前記制限手段の前後の圧力低下が、該注入ラインと流体連絡する通路の終端にある開口における圧力が該開口における気泡生成の開始から該開口に半球形の気液界面が形成される時点にかけて増大する量の少なくとも１００倍である請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記気体注入ラインで、該ラインの前記制限手段と該注入ラインに流体連絡する前記通路の末端との間の空間に該ラインの末端で気泡が半球形の気液界面以上に成長を始める時点で蓄積している気体の量と、その時点から気泡の脱離までの間に該空間に入り込む気体の量との比率が少なくとも５対１である請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記気体注入ラインで、該ラインの前記制限手段と該注入ラインに流体連絡する前記通路の末端との間の空間に該ラインの末端で気泡が半球形の気液界面以上に成長を始める時点で蓄積している気体の量と、その時点から気泡の脱離までの間に該空間に入り込む気体の量との比率が少なくとも１０対１である請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記気体注入ラインで、該ラインの前記制限手段と該注入ラインに流体連絡する前記通路の末端との間の空間に該ラインの末端で気泡が半球形の気液界面以上に成長を始める時点で蓄積している気体の量と、その時点から気泡の脱離までの間に該空間に入り込む気体の量との比率が少なくとも２０対１である請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記気体注入ラインで、該ラインの前記制限手段と該注入ラインに流体連絡する前記通路の末端との間の空間に該ラインの末端で気泡が半球形の気液界面以上に成長を始める時点で蓄積している気体の量と、その時点から気泡の脱離までの間に該空間に入り込む気体の量との比率が少なくとも１００対１である請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記通路の末端の開口における気泡形成の開始から該開口に半球形の気液界面が形成される時点までに該開口で圧力が増大する量が、最初に気泡の形成が始まる時の該開口における絶対圧力に対する比率で１：１０以下である請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記通路の末端の開口における気泡形成の開始から該開口に半球形の気液界面が形成される時点までに該開口で圧力が増大する量が、最初に気泡の形成が始まる時の該開口における絶対圧力に対する比率で１：１００以下である請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
任意の前記通路の末端の開口における気泡形成の開始から該開口に半球形の気液界面が形成される時点までに該開口で圧力が増大する量が、最初に気泡の形成が始まる時の該開口における絶対圧力に対する比率で１：１０００以下である請求項１に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作る方法。
非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作るために有用な装置であって、所定流中の各気泡が事実上同一サイズである前記装置において、
（Ａ）溶融ガラスを入れることができるタンクと、
（Ｂ）該タンクの底を貫通し、終端には該タンクの内部と流体連絡する上向きの開口をそれぞれ有する２つ以上の通路と、
（Ｃ）共通の気体供給ラインおよび圧力をかけて気体ヘリウムを該共通の気体供給ラインに供給するヘリウム源と、
（Ｄ）各々が前記通路の異なる１つおよび前記気体供給ラインと流体連絡する複数の気体注入ラインであって、各々の気体注入ラインが気体透過性制限手段を備えており、前記気体供給ラインから何れかの通路に抜ける気体が気体透過性制限手段を通り抜けて該制限手段と該通路の終端にある開口との間の空間に至るものでなければならないようになっており、さらに、前記制限手段の前後での圧力低下が十分に大きく、また前記空間の容積が十分に大きいことで前記通路の終端から前記溶融ガラスの中に非合体性ヘリウム気泡が作り出されるようにした気体注入ラインとを含み、
前記ヘリウム源から前記気体供給ラインにヘリウムが供給されると、該ヘリウムが前記気体注入ラインをそれに組み付けられた制限手段を貫いて通り、前記通路の終端の開口においてヘリウムの気泡が形成し始める間、前記ヘリウムが前記空間に蓄積し、前記空間の圧力を高め、前記ヘリウムが、前記通路の終端の開口から、そのサイズが前記空間の容積の関数である気泡として間欠的に脱離するようになっている、非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作るために有用な装置。
任意の前記制限手段と該制限手段の下流側の通路の終端にある開口との間の空間がすべて同じ容積を持つ請求項１９に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作るために有用な装置。
任意の前記制限手段と該制限手段の下流側の通路の終端にある開口との間の空間がすべて同じ容積を持つわけではない請求項１９に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作るために有用な装置。
前記通路の終端にある前記開口が直径０．１〜１．０ｍｍである請求項１９に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作るために有用な装置。
前記通路の終端にある前記開口が直径０．２〜０．５ｍｍである請求項１９に記載された非合体性のヘリウム気泡から成る複数の流れを溶融ガラス中に作るために有用な装置。