JP5260042B2 - ガラス溶融液均質化方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明はガラス溶融液の均質化、特に高品質で含有物及び／または欠陥密度の低いディスプレイガラス等のガラス製品あるいはガラスセラミック製品の製造に用いられるガラス溶融液の均質化に関する。

ガラス溶融液の均質化は、製品要求に従ってガラス溶融液化学組成に空間的及び時間的変化が起こることを防止するために行われる。化学組成が不均質であると、屈折率が不均質となって例えば光学的描写が損なわれ、また粘度が不均質となって例えば熱仕上げ処理あるいは熱処理中に制御不能な形状バラツキが生ずる可能性がある。そのため、不均質はマクロな不均質、すなわち例えば小さな空間的勾配をもつ数ｃｍ程度の相対的に大きな空間規模での化学組成変化と、ミクロな不均質（脈理とも呼ばれる）、すなわち例えば部分的に大きな空間的勾配をもつ０．１〜２ｍｍ程度の小さな空間規模での化学組成変化に分けられる。均質化処理の最終的な目的はこれらマクロな不均質及びミクロな不均質を可能な限り取り除いて、例えば屈折率が滑らかに移行するようにすることである。

ガラス溶融液は、一般的に用いられる攪拌システムにおいて、ガラス溶融液の薄い層流（レイノルズ数＜１）を生ずる１〜２００Ｐａ・ｓの範囲内の粘度をもつこと、及び拡散係数が通常１０^−１２ｍ^２／ｓ未満であり、そのため拡散によって得られる均質化はごく僅かであることを特徴としている。ガラス溶融液の均質化は、一般的には局部の不均質及び／または脈理を拡張し、再分散し、チョップすることによってのみ達成可能である。かかる均質化処理には、ガラス溶融液を一時的に受け取る溶融液貯槽と、この溶融液貯槽中においてガラス溶融液を攪拌するための攪拌装置を少なくとも１台備える攪拌システムが用いられる。

特に粘度が高く、かつ化学的拡散係数の低い上記条件の下で適切な均質化を達成するため、攪拌装置のスターラーブレードと溶融液貯槽壁との間の間隙は従来最小とされてきた。しかしながら、スターラーブレードと溶融液貯槽壁間の間隙が狭過ぎると、スターラーが溶融液貯槽壁と接触してスターラー及び／またはスターラー容器が破損する危険性がある。ここで、スターラーはこれまで溶融液貯槽が冷えた状態にある場合にのみ調整可能であったことを思い起こされねばならない。何故なら、スターラーあるいは攪拌システムの熱によって起こる変形は操作温度まで加熱を行う際に回避できないため、操作温度では構成部分の調整を適正に行うことができないからである。そのため、スターラーブレードと溶融液貯槽壁間の間隙が狭くなり過ぎてそれらが直接接触し、最終的に攪拌システムが壊れる可能性がある。

相対外縁間隙幅、すなわち（攪拌装置直径または溶融液貯槽直径）に対する（攪拌装置直径あるいは溶融液貯槽直径からスターラー直径を引いた値）の比０．５は、通常溶融液貯槽直径あるいは攪拌装置直径のおよそ５％未満であり、またおよそ１％未満であることもある。攪拌装置を操作温度まで加熱する際に起こる構成部分の熱変形により、前記間隙幅を一定に保持することは不可能であるため、一般的には大きめの外縁間隙が特定されることになる。かかる理由により、最新技術では、特に高粘度ガラス溶融液に関しては不十分な均質化しか得ることができない。

狭い外縁間隙に起因するスターラーブレードと溶融液貯槽壁間の高剪断応力は攪拌システムの寿命を大きく損なう可能性がある。さらに、攪拌間隙が狭すぎると、溶融液貯槽壁に付着した気泡が取れて製品中へ混入する可能性もある。また、剪断応力が高いと溶融液貯槽あるいはスターラー容器の壁材が摩耗し、ガラスあるいはガラスセラミック中へ微量混入する可能性もある。かかる混入はとりわけディスプレイガラス製品にとっては望ましくない。

ＵＳ２００３／０１０１７５０Ａ１には、ディスプレイガラス製造に用いるガラス溶融液の均質化方法及び装置が開示されている。スターラーの直径によって決まる所定の攪拌効率ごとに所定の剪断速度が選定されている。外縁間隙は比較的狭く、スターラー容器直径のほぼ６〜９％に相当する。

また、均質化の向上は実際に用いるスターラーブレードの形状によっても達成可能である。スターラーブレードの傾き、従ってスターラーの送り動作は、好ましくはブレードがガラス溶融液貯槽中においてガラスの流れに逆らって作動するようにセットされる。この場合、軸に沿った送り動作は、スターラーブレードの角度、スターラーブレードの形状、及び／またはスターラーシャフト上へのスターラーブレードの螺旋状配置の選定によって得ることが可能である。例えばＪＰ１０２６５２２６には、内側スターラーブレードによって下方へ送り、他方外側スターラーブレードによって上方へ送ることにより均質化を向上させる構成が開示されている。またＪＰ６３００８２２６Ａには、スターラーブレードの傾き、従ってスターラーの送り動作を調整してガラスの流れに逆らうようにブレードを作動させることが可能な構成が開示されている。この方式によれば、ガラス溶融液貯槽中にデッドスペースができることが回避される。

上述した理由から、最新技術に基づいて可能な最も高い均質性を得るためには、常に可能な限り外縁間隙を小さくすることが望まれる。

ＵＳ２，８３１，６６４には、互いに軸に対して片寄った複数のスターラーブレードを有する攪拌装置から成るガラス溶融液の均質化方法及び均質化装置が開示されている。この攪拌装置は円筒形のスターラーポット中に配置され、このスターラーポットには上端にガラス溶融液流入口、下端にガラス溶融液流出口が設けられている。このスターラーポットの内壁とスターラーブレードとの間の外縁間隙には、スターラーブレードによって放射状かつ縦方向にガラスが流れる複数の領域が形成される。攪拌装置の寸法によって極めて狭い外縁間隙が形成され、加えられる剪断速度が極めて高ければ、装置素材に対し極めて高い応力が生ずる。

ＪＰ２００１−７２４２６Ａ及びその英文アブストラクトには、ガラス溶融液の均質化装置が開示されている。この攪拌装置は円筒形のスターラーポット中に配置され、該スターラーポットには上端にガラス溶融液流入口、下端にガラス溶融液流出口が設けられている。ガラスはスターラーポット内壁とスターラーブレードとの間の外縁間隙中を流れ、スターラー巡回路中において重なり合うスループット流と同方向にガラス流が流れている。この装置において得られる均質化の程度は比較的低度である。

ＵＳ２００２／００２３４６４Ａ１には、特に混合シャフト内側上に設けられるセンターライン再循環チャネル、あるいは分離型の外部再循環チャネルを含むガラス溶融液均質化装置が開示されている。この装置においては、本発明によって画成される様な外縁間隙中へのガラス溶融液の逆流はない。スターラーポット内壁と混合ブレードとの間の間隙はきわめて狭く、この間隙によってスターラー及びスターラー容器に対して極めて高い機械的負荷が生ずる。

ＵＳ２００３／０１０１７５０Ａ１には前記ＵＳ２，８３１，６６４の変形となる方法が開示されており、ここでは増量された塊状スループットの均質性を確保するために必要なスケールまでスターラー装置を大型化することによって極めて狭い外縁間隙に起因して生ずる欠点が軽減されている。この方法は回転速度を高くするか、あるいはスターラー容量を増加させることによって達成される。しかしながら、回転速度を高くすると剪断速度が増大するため、スターラー容器中に望ましくない貴金属粒子の生成が起こることを含めて、貴金属の露出レベルがさらに高くまる難点がある。またスターラー容量の増加には使用材料の増量とコスト増大が伴う。

上記解決方法はいずれも攪拌装置の均質化性能を定める非次元的均質度数Ｈを用いて数理的に定義される。一定の均質度数Ｈ及び所定のスループットにおいて、攪拌装置の回転速度が一次方式で考慮され、また攪拌システムのサイズが形状類似性に関して逆立方根（三乗根）で考慮されることは明白である。それゆえ、特に回転速度の上昇によって剪断力及び外縁間隙における材料応力あるいは粒子摩擦が増大することから、回転速度を上げるのではなく攪拌システムを一定規模まで拡張することにより所望の均質化レベルをより容易に達成することが可能となる。

最新技術における種々努力にも拘わらず、ガラス溶融液をさらに効率的に均質化させる方法及び装置が猶求められている。本発明は、特に装置の構成部分に対する応力を低く抑える共に高い均質性を達成することができ、装置の調整を容易かつ正確に行うことができ、さらに摩耗を最小限にとどめ気泡剪断速度を低く保持できるガラス溶融液の均質化方法及び装置を提供することを目的とする。

それゆえ、本発明は、スターラーシャフト及び、スターラーシャフトから突出状に形成され、かつ該シャフトによって移動される複数のスターラーブレードから成る少なくとも１個の攪拌装置が溶融液貯槽中に設置され、溶融液貯槽の壁部分と複数のスターラーブレードとの間に間隙あるいは攪拌間隙が形成されることを特徴とする、円筒形の容器あるいは溶融液チャネル等のスターラー容器として機能する溶融液貯槽中におけるガラス溶融液の均質化方法に関する。

本発明によれば、前記攪拌装置は、スターラーシャフトとスターラーブレードの間にあたる該攪拌装置の内部攪拌部域において、軸に沿った送り作用力を加えることにより、内部攪拌部域中のガラス溶融液がスターラーシャフトに沿って送り出されるように構成される。攪拌装置を適切に構成することにより、さらに本発明に従って、前記軸に沿った送り作用力が加えることにより、該軸に沿った送り作用力によって生ずる溶融液の流れによって溶融液貯槽の壁部分とスターラーブレードとの間の間隙がシールされ、それによってガラス溶融液が該間隙内に直接流入することが防止される。

意外にも、本発明に従って外縁間隙を動的にシールすることにより、外縁間隙幅がかなり大きくても、ガラス溶融液、特に高粘度ガラス溶融液の均質化を極めて良好に実施できることが見出された。その結果、本発明によれば、従来可能であった間隙幅よりかなり大きな外縁間隙を用いることが可能となった。外縁間隙幅をかなり大きくすることにより、本発明に従って装置の構成部分に対して加わる応力を有意に減ずることが可能となる。本発明によれば、特に材料摩耗が殆どなくなり、気泡剪断速度を低下させることができるともに、装置構成部分の調整に要求される操作複雑性が低度に保持される。

ゆえに、本発明に従って、すべてのガラス不均質部分は、攪拌システムへの流入箇所に拘わらず、スターラーシャフトとスターラーブレード端部との間の内部攪拌部域へ達し、そこで拡張され、チョップされ、及び空間的に再分配されることによって減じられる。本発明に従った方法を用いれば、スターラーブレードと溶融液貯槽内壁との間にかなり大きな間隙幅を確保することが可能である。このようにして、摩擦等の高い剪断速度、腐食あるいは溶融液貯槽の内張り材及び／またはスターラーブレード材料の剥離による混入等によって引き起こされる障害を防止することが可能である。シール効果を得るために、各攪拌装置の軸に沿った送り作用力によって生ずる溶融液流が、流入するガラス溶融液に対して実際に逆方向に移動することは不可欠ではない。前記間隙がガラス溶融液材の蓄積によってできるガラス溶融液から成るいわばストッパーによって能動的あるいは動的にシールされれば十分である。しかしながら、前記間隙中に攪拌装置によって加えられる軸に沿った送り作用力と逆方向の流れがあり、それによって流入するガラス溶融液のすべてが外縁間隙中を上昇するガラス溶融液によって攪拌装置の上端へもたられることが好ましい。いずれにしても、流入するガラス溶融液が外縁間隙を通ってスターラー容器あるいは溶融液貯槽の流出口へと直接通過することは防止される。

別の実施態様においては、内部攪拌部域へのガラス溶融液の直接的流入は１または２以上のスターラーブレードによって能動的あるいは動的に防止される。この場合、特に流入ガラス流の例えば内部攪拌部域の軸末端へ向けられた再方向づけが行われ、流入したガラス溶融液は該軸末端から内部攪拌部域あるいはスターラーシャフトの対向側軸末端へと送られ、そこでガラス流は溶融液貯槽とスターラーブレードの間の間隙の能動的あるいは動的シーリングに寄与する。

別の実施態様においては、攪拌装置のスターラーブレードは溶融液貯槽の流入口断面の一部を横切って延びている。これにより、流入口を通して入る溶融液の流れの断面の一部はスターラーブレードで覆われるため内部攪拌部域へ流入するガラス溶融液の直接的流入が防止される。流入したガラス溶融液は、その流入箇所に拘わらず、攪拌装置の上端へと進路を変えられるが、ガラス溶融液が内部攪拌部域中へ入り込むのはこの部分においてだけである。流入ガラス溶融液の断面がスターラーブレードで覆われる割合は少なくとも５０％に達する。さらに別の実施態様において流入ガラス溶融液断面をスターラーブレードで２／３以上覆うことにより、ガラス溶融液の均質化をさらに向上させることも可能である。この場合、最新技術とは対照的に、スターラーブレードは流入口の下端を越えて突き出している。

別の実施態様において、攪拌装置の軸に沿った送り作用力を、例えばスターラー速度を適切に速めて内部攪拌部域を複数のガラス溶融液の流れが通過するように増加させることも可能である。言い換えれば、内部攪拌部域の軸端から出るガラス溶融液が溶融液貯槽の壁部分とスターラーブレードとの間の間隙を通って内部攪拌部域中の軸に沿った送り方向と逆方向に流れることにより前記間隙部分の能動的シールが果たされるのである。

前記軸に沿った送り作用力を得るため、以下に挙げるパラメータ、すなわちスターラーブレードの角度及び傾き、スターラーブレードの外形、スターラーシャフトの外縁に沿ったスターラーブレードの螺旋状配置、スターラーの回転速度、攪拌装置の直径、スターラーブレード数、スターラーブレードの送り作用力等のいずれか１または２以上を必要に応じて設定することが可能である。

上記パラメータは、ガラス溶融液貯槽中の流れ条件の数理的及び／または物理的なシミュレーシヨンを用い、そのシミュレーションに基づいて要求規格の関数として最適な攪拌結果が得られるように行い、そしてそれらパラメータを体系的に確立することが可能である。物理的シミュレーシヨンの実施に際しては同等あるいは規模を小さくした寸法及び粘度レベルをもつモデルシステムを用いて、流入する粘性流体中に色縞を加えることにより均質性を視覚的に観察し及び光学的に評価することが可能である。

さらに別の実施態様においては、スターラー容器として機能する溶融液貯槽はチャネル形の貯槽であり、この貯槽中をガラス溶融液が持続的に流れる。さらに別の実施態様においては、前記溶融液貯槽中の流れは、例えば溶融液貯槽を断続的に満たすことによって不連続とされる。ガラス溶融液は次いでガラス溶融液貯槽中を通って所定のスループット方向へと流れる。さらに別の好ましい実施態様においては、各攪拌装置によって与えられる軸に沿った送り作用力がガラス溶融液のスループット方向に生ずる。

さらに別の実施態様においては、軸に沿った送り作用力下で溶融液貯槽中に上述した構成から成る実質上のスターラー容器が複数形成され、これら実質上のスターラー容器は連続状に接続され、上方流攪拌装置によって運ばれたガラス溶融液の下方流攪拌装置の内部攪拌部域への直接の流入が１または２以上のスターラーブレードによって能動的に防止されるように、下方流攪拌装置の内部攪拌部域中の上方流攪拌装置によって送られたガラス溶融液は軸端へ移行される。実質上のスターラー容器のそれぞれにおいて、ガラス溶融液はスターラー容器の選択された各パラメータの機能によって均質化され、全体として個々のスターラー容器の均質化レベルのｎ乗となる均質化レベルが得られる。このような実施態様は、特にガラス溶融液がチャネル中を所定方向へとりわけ持続的に流れる溶融液チャネルとして構成された溶融液貯槽に適するものである。

好ましい実施態様においては、スターラーブレード前端と溶融液貯槽あるいはスターラー容器の内面との間の外縁間隙幅は攪拌装置の直径よりもおよそ５％からおよそ２０％、好ましくはおよそ５％から最大でおよそ１５％の範囲内で大きい。その結果として外縁間隙は比較的広くなり、本発明に従って溶融液貯槽及び／または攪拌装置の壁材の摩耗あるいは腐食等の望ましくない障害を回避することが可能となる。

さらに別の実施態様においては、上述した攪拌装置を少なくとも１台用いて、ガラス溶融液の温度及び／または粘度に拘わらず溶融液貯槽中におけるガラス溶融液の塊状流を制御することが可能である。この目的を達成するために、特にスターラーの回転速度を適切に制御することが可能である。

発明を実施するための手段

以下において添付図面を参照しながら実施例を用いて、本発明の特徴、利点及び達成目的をさらに明らかにし、本発明についてさらに詳細に説明する。

添付図面において、同一符号で示された構成要素は同一あるいは実質的に同等な構成要素あるいは構成要素の一群を示す。

図1において、スターラー(以下において図２ａ及び図３ａに基づいてより詳細に説明)には複数のスターラーブレード１１が備えられ、全体として円筒形状を成すスターラー容器２中に点対称構造に設置されている。ガラス溶融液3は容器2中に受け取られる。ガラス溶融液3は特に流入口4から流出口5までスターラー容器2中を通って持続的あるいは不連続的に流れる。矢印12で示されるように、スターラーシャフト10とスターラーブレード11前端との間の内部攪拌部域において軸に沿った送り作用力が働き、この作用力によって流入したガラス溶融液3は内部攪拌部域12の軸側上端から軸側下端へと送られる。このような構成は、以下においてより詳細に説明するが、スターラーを適切に形状化することによって達成される。内部攪拌部域12の軸側下端に存在するガラス溶融液によってスターラーブレード11の前端と攪拌装置領域中の円筒状スターラー容器2内壁との間の間隙16が能動的にシールされることにより、流入したガラス溶融液、特に流入口4を通って流入してきたガラス溶融液は直接間隙16を通って内部攪拌部域12の軸側下端へ流れ込むことができなくなり、また直接スターラーシャフト10へ達することができなくなる。そしてそれに代わって、矢印で示すようにまず上方と内部攪拌部域12の軸側前端方向へ進路を変え、次いで内部攪拌部域12中へ流れ込む。かかる方式により、以下においてさらに詳細に説明するが、外縁間隙を過剰に狭くすることを必要とせず、スターラーブレード11前端と円筒状スターラー容器2内壁間の外縁間隙16を完全にシールすることができる。

このようにしてガラス溶融液中のすじ及び不均質部分が内部攪拌部域12に引き込まれ、そこで攪拌されることによりガラス溶融液の均質化が得られる。

図1に従った実施例においては、前記外縁間の間隙16中に矢印で示した上方流が生じ、この上方流によりすじ及び不均質部分の外縁間隙を通った下方への通過が遮断され、外縁間隙が動的にシールされる。しかしながら、原則として、このような軸に沿った上方流は絶対的に必要なものではない。内部攪拌部域12の下部軸部分に存在するガラス溶融液によって、ガラス溶融液あるいは素材の蓄積によって生成されるストッパーの形で外縁間隙16が十分にシールあるいは遮断されれば十分である。

このようにして、攪拌装置中への流入箇所に拘わらず、ガラスの不均質部分はスターラーシャフトとスターラーブレード端部との間の内部攪拌部域へ達し、そこで拡散、チョップ、空間的再分配によって十分に除去される。このような攪拌装置を2台以上接続することによって均質化がさらに改善され、残存するガラスの不均質部分がそのn乗減じられることは当業者には容易に明らかである。図1においては、ガラス全体流入口4から流出口5へと流れる方向に軸に沿った送り作用力が生ずる。

流入口4の断面部分がスターラー部分、すなわちスターラーブレード11で覆われているため、流入するガラス溶融液が内部攪拌部域12へ直接入ることが妨げられることが図1から明らかである。より正確に言えば、図1に従った実施例では流入口4の断面の50%以上がスターラーで覆われている。本願発明者がさらに分析したところによれば、少なくとも50%、より好ましくは少なくとも３分の２が覆われていれば、外縁間隙１６がかなり広くても満足される均質性を得ることが可能である。

図２ａに従来型スターラーの例を示す。図２ａに従って、スターラーは円筒状のスターラーシャフト１０から成り、その外縁部には正反対方向を向いた対の円形断面１３をもつ円筒形の放射状突起１１が設けられている。図２ａでは、全部で５対のスターラーブレード１１がスターラーシャフト１０の外縁上へ全体として螺旋状に配列されている。本発明において画成されている軸に沿った送り作用力及び外縁間隙のシールは従来型スターラーによって生じる軸に沿った送り作用力では得られない。

図２は、ガラス溶融液３のための流入口４及び流出口５をもつ円筒状スターラー容器中へ上記スターラーが配置される状態を示した図である。円筒状スターラー容器の内径をＤとし、スターラーブレードの直径をｄとすると、前記外縁間隙に関して次の式が成り立つ。
Ｓ＝（Ｄ−ｄ）／２
一定レベルの均質化を得ることができるようにこの外縁間隙を調整することが可能である。相対外縁間隙ｓ／Ｄを、本発明に従ったスターラーにおけるよりもかなり小さくしなければならないことが示されている。通例として、相対外縁間隙ｓ／Ｄは５％よりかなり小さい間隔に選定されなければならない。

図２ｂに示された線は、この種の攪拌装置が作動した時の物理的状態をシミュレーションとして模式的に示すものである。この目的のためには、透明な壁を備えた攪拌装置が設置され、この装置は同等な粘性をもつ透明な液体を用いて意図された作動条件において作動される。染料を用いて流入口４を通って流れ込む液中に色縞を生じさせる。これにより、溶融液の均質化状態を視覚的に観察し、視覚的に評価することが可能とされる。

図２ｂから明らかなように、流入液がスターラーの上方部分の方へ流れることはなく、流入液は流入口４から直接スターラーの内部攪拌部域へ入る。螺旋状の線で示されるように、色縞は一定角度で渦巻き状となる。流出口５の上端においてのみ相対的に狭い色縞が観察され、点密度によって示されるように中央部分の染料濃度が相対的に高くなるが、流出口５の断面のおよそ３分の１に亘って広がる色縞の縁部へ向かうにつれて濃度は減少する。総括すれば、液体中の不均質部分は流出口５の断面全体に亘って一様には分散されない。本願発明者がさらに分析を行った結果、前記色縞の位置及び濃度分布は色縞が流入口４へ入る箇所とは無関係であることが示された。従って得られた均質化レベルは不十分であった。流出口５中の縞状の線が示すように、流出口５において濃度分布に無秩序な影響が生じた。

図３ａはさらに別の実施態様に従ったスターラーを示した図であり、この態様ではスターラーブレード１１は斜めに折り曲げられた(傾けられた)板状体として形状化され、また別の実施態様ではほぼパドル形状に形状化されている。図３ａに従った実施例では、全部で６対のスターラーブレード１１がスターラーシャフト１０の外縁上に螺旋状に配列される。そのため、スターラーシャフト１０は傾斜した肩部１５からスターラーブレード１１が突出するスターラー前端の広がり部分へと移行している。

図３ｂは、図３ａに示したスターラーを円筒状のスターラー容器中へ配置した状態を示した図である。図３ｂにおいては、流入口４断面のおよそ５０％がスターラーのスターラーブレード１１で覆われている。この図に示された線は物理的シミュレーションの結果を示すものであり、このシミュレーションでは、流入口４下端において、色縞が意図された作動条件における粘性と同等の粘性をもつ透明液中へ導入される。この線から明らかなように、流入する液体はすべてまずスターラー上端の方へ進路を変える。次いで流入した液体はスターラーの内部攪拌部域中へ入って軸に沿って下方へ送られる。

図３ｂでは、線及び点の密度で色濃度分布を示している。内部攪拌部域の上側１／３の部分では液体の強度の均質化が為されているので、流入した色縞は完全かつ均質に分散される。色濃度分布は流出口５の断面全体に亘って均質となる。このような結果は色縞の流入口４への流入箇所とは無関係に得られる。

本願発明者によるさらなる分析及び数理的シミュレーションにより、外縁間隙１６中に軸に沿った送り作用力とは反対の液流が発生してその液流によって外縁間隙がシールされることから、溶融液が流入口４を通って直接流出口５まで通過することが防止されることが示された。このようにして、すべての流入溶融液はスターラーの上端方向へと進路を変えられる。すべての流入溶融液はこのようにしてスターラーの内部攪拌部域へ達し、溶融液の徹底的均質化が成し遂げられる。

特に良好な均質化は、スターラー送り装置が流入口４から流出口５間でガラススループットの方向と一致している場合にのみ、及びガラス溶融液の攪拌装置への流入が１または２以上のスターラーブレード１１によってガラス溶融液の内部攪拌部域中への直接流入が防止されるように行われる場合にのみ達成可能である。

このように、実質的に流入箇所とは無関係に、すべてのすじ及びガラス不均質部分は内部攪拌部域、すなわちスターラーシャフト１０とスターラーブレード１１前端との間の領域を通過することになり、そこにおいて拡散され、空間的に再配分され、及びチョップされる。本発明によれば、このような機構によって、スターラー容器とスターラーブレード間の間隙を例えば５ｍｍ以下のように極めて狭く保持する必要なしに、ガラス溶融液の高度な均質性を得ることができる。

各攪拌作業に際し、物理的あるいは数理的シミュレーションを通して、スターラーブレード数、その形状、方位角、ブレード同士の間隔、さらにスターラー容器中への設置高さが最適化される。スターラー回転速度は、使用材料の再沸騰あるいは過剰腐食等の望ましくない副次的影響を伴うことなく、最良の均質化結果が得られるように調整される。

例えば高い大量スループット比を得るためなどの多くの場合、円筒状のスターラー容器を用いることは種々理由から望ましくない。以下に本発明の原理に基づいたチャネル攪拌システムについて図４ａ及び４ｂを参照しながら説明する。

図４ａにおいては、ガラス溶融液は流入口４を通してチャネル２中へ流入し、流出口５付近でチャネル２から流出する。図４ｂの上面図から明らかなように、スターラーブレード前端とチャネル２側壁との間に外縁間隙１６が生じ、この間隙の幅は本発明によれば各溶融液貯槽の直径のおよそ５％ないし最大１５％の範囲内である。

軸に沿った送り作用力が各スターラーによって引き起こされ、この作用力は矢印１２で示され、前述したとおりである。このようにしてガラス溶融液の各スターラーの内部攪拌部域への直接流入が回転しているスターラーブレード１１によって防止される。流入口４を通って流入するガラス溶融液はまず上方へ向けられ、次いで前方スターラーの上部軸端へと進路を変えられ、その後内部攪拌部域内へと向けられる。この実施例においては、スターラーの回転速度は、ガラス溶融液が各スターラー部分で複数回循環するように選定される。この循環は流れを示す矢印で表わされている。従って各スターラーによって本発明において定義された仮想上のスターラー容器が形成される。送られたガラス溶融液の一部だけが下流に配置された別の仮想上のスターラー容器へ送られるが、回転しているスターラーブレード１１によってガラス溶融液が内部攪拌部域内へ直接流入することが結果的に防止され、下流のスターラーの軸に沿った送り作用力によってガラス溶融液はまず上方へ向けられ、次いで下流のスターラーの軸端の方へ進路を変えられ、その後溶融液は内部攪拌部域内へ流入される。

図４ａに示した進行線及び／または点密度は図２ｂ及び３ｂにおいて説明した物理的シミュレーションの結果を模式的に示したものである。第一スターラーの上１／３の領域において溶融液のほぼ完全な均質化が達成されていることは明らかである。

本願発明者によるさらに別の数理的シミュレーションにおいては、チャネル形状のスターラー装置を用いる場合、軸に沿った送り作用力によって生ずる軸に沿った溶融液の流れはチャネルを通るスループットの流れよりも常に大きいことが示されている。

前記軸に沿った送り作用力によってすべての仮想上のスターラー容器が形成され、ガラス溶融液はスターラー回路へ入ることなく上部から底部へ、あるいは底部から上部へと送られる。その結果、不均質部分が間隙を通過することを許すことなく、溶融チャネル壁からのスターラーの間隔を広げることが可能となる。スターラー回転速度、直径、スターラーブレード数、スターラーブレードの送り作用力、スターラーシャフト上のブレードの螺旋状配列、及び同等なパラメータ、また数理的及び／または物理的シミュレーションを最適化することにより各用途について最適化された攪拌結果を得ることが可能となる。

図５ａ及び５ｂは本発明に係るチャネル形攪拌装置の別の実施例を示した図である。この実施例ではスターラーはチャネルの通過方向に直列に接続されない代わりに、チャネルと直角方向の一軸に沿って整列される。

当業者には容易に明らかであるように、上述の攪拌装置を用いて、溶融液の温度及び／または粘度に関わりなく、溶融液貯槽中においてガラス溶融液の質量流を制御することが可能である。スターラー及び／またはスターラー容器の一部あるいは全体を貴金属あるいは１または２以上の他の耐熱性金属を用いて製造することが可能である。この場合、とりわけ高溶融温度を得るために特に好ましい金属は貴金属合金、特に白金・ロジウム合金である。

本発明の基礎を成すガラス溶融液の均質化原理を用いて、ディスプレイガラス、特にＬＣＤ、ＯＬＥＤあるいはプラズマディスプレイ用のガラスパネルの製造、ガラスセラミック、硼珪酸ガラスあるいは光学ガラスの製造を行うことが可能である。外縁間隙の動的シールが行われるため、本発明によればかなり大きな間隙幅であっても装置素材の摩耗を減ずることが可能である。このことは、本発明によれば、粒子の流出及び最新技術レベルにおけるガラス品質の減損が生じないことを意味している。

本発明の第一の実施態様に従った装置の略断面図である。 従来型の攪拌装置を示した図である。 本発明に従った方法の実施に本質的に適した円筒状のスターラー容器中に設置された図２ａに従った攪拌装置の構成を示した図である。 本発明の例示的実施態様に従った攪拌装置を示した図である。 円筒状のスターラー容器中に設置された図３ａに従った攪拌装置の配置を示した図である。 本発明のさらに別の例示的実施態様に従ったガラス溶融液チャネル中に仮想上の攪拌装置を形成するために本発明に従った複数の攪拌装置を直列に連結した状態の略側断面図である。 本発明のさらに別の例示的実施態様に従ったガラス溶融液チャネル中に仮想上の攪拌装置を形成するために本発明に従った複数の攪拌装置を直列に連結した状態の略上面図である。 本発明のさらに別の例示的実施態様に従ったガラス溶融液チャネル中に仮想上の攪拌装置を形成するために本発明に従った複数の攪拌装置を並列に連結した状態の略側断面図である。 本発明のさらに別の例示的実施態様に従ったガラス溶融液チャネル中に仮想上の攪拌装置を形成するために本発明に従った複数の攪拌装置を並列に連結した状態の略上面図である。

符号の説明

１：攪拌装置
２：溶融液貯槽
３：溶融液
４：流入口
５：流出口
１０：スターラーシャフト
１１：スターラーブレード
１２：軸に沿った送り作用力を有する攪拌部域
１３：スターラーブレード１１の各面
１４：回転軸
１５：セットアップ
１６：間隙／外縁間隙

Claims (28)

1. スターラーシャフト（１０）及び複数のスターラーブレード（１１）から成る少なくとも１台の攪拌装置が内部に配置された溶融液貯槽（２）であって、該溶融液貯槽（２）の内壁とスターラーブレード（１１）との間に間隙（１６）が形成された該溶融液貯槽中におけるガラス溶融液均質化方法であって、
   各撹拌装置は、スターラーシャフト（１０）とスターラーブレード（１１）との間の内部攪拌部域（１２）中に軸に沿った送り作用力を加えて溶融液をスターラーシャフト（１０）に沿って内部攪拌部域内で内部撹拌部域(１２)の上方軸端からその下方軸端まで送ること、及び
   前記軸に沿った送り作用力によって生ずる、及び前記軸に沿った送り作用と反対の溶融液流が前記間隙（１６）をシールすることから成ることを特徴とする前記方法。
2. 内部攪拌部域（１２）内への溶融液の直接通過が少なくとも１枚のスターラーブレード（１１）によって防止されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 攪拌装置のスターラーブレード（１１）が溶融液貯槽の流入口（４）の断面の一部を横切って延びていることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 攪拌装置のスターラーブレード（１１）により、軸に沿った送り作用力の方向から見て、流入口（４）の断面の少なくとも５０％が覆われていることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記スターラーシャフト（１０）のスターラーブレード（１１）が、軸に沿った送り作用の方向に見て、流入口（４）の少なくとも２／３の断面を覆っていることを特徴とする請求項３記載の方法。
6. 前記軸に沿った送り作用力が、斜めに傾斜されたスターラーブレード（１１）、スターラーブレード（１１）の幾何学的形状、及び／またはスターラーブレード（１１）の螺旋状配列によって生ずることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 溶融液が溶融液貯槽（２）を通る一スループット方向へ持続的に流れ、前記軸に沿った送り作用力が前記スループット方向に生ずることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 溶融液貯槽（２）中に複数の攪拌装置が直列に配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 溶融液貯槽（２）中の攪拌装置のそれぞれによって、溶融液貯槽（２）を通るスループット流よりも軸に沿った大きな送り作用力によって生じる軸に沿った質量流が形成されることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 溶融液貯槽（２）は、溶融液が中を所定方向へ流れるチャネルをなしていることを特徴とする請求項８または９記載の方法。
11. 前記間隙（１６）の幅が溶融液貯槽（２）の直径の５％ないし最大で１５％の範囲内であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 少なくとも１台の攪拌装置を用いて、溶融液の温度及び／または粘度とは無関係に、溶融液貯槽中における溶融液の質量流が制御されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. ディスプレイガラス、ガラスセラミック、硼珪酸ガラス、あるいは光学ガラスの製造のための請求項１〜１２のいずれかに記載のガラス溶融液均質化方法の使用。
14. 溶融液（３）を受け取るための溶融液貯槽（２）、及び前記溶融液貯槽中に配置され、かつスターラーシャフト（１０）及び複数のスターラーブレード（１１）から成る少なくとも１台の攪拌装置から構成されるガラス溶融液均質化装置であって、
    溶融液貯槽（２）の内壁と前記複数のスターラーブレード（１１）との間に間隙（１６）が形成され、
    各攪拌装置は、斜めに傾斜されたスターラーブレード（１１）、スターラーブレード（１１）の幾何学的形状、及び／またはスターラーブレード（１１）の螺旋状配列によりスターラーシャフト（１０）と複数のスターラーブレード（１１）との間の内部攪拌部域（１２）において軸に沿った内部撹拌部域(１２)の上方軸端から下方軸端への送り作用力を生じ、かつ溶融液をスターラーシャフト（１０）に沿って内部攪拌部域（１２）内へ送り込むように設計され、及び
    前記装置は、斜めに傾斜されたスターラーブレード（１１）、スターラーブレード（１１）の幾何学的形状、及び／またはスターラーブレード（１１）の螺旋状配列による軸に沿った送り作用力によって引き起こされ、かつ前記軸に沿った送り作用と反対の溶融液流によって前記間隙（１６）がシールされ、溶融液（３）が前記間隙（１６）を直接通過しないように構成されていることを特徴とする前記装置。
15. 溶融液の内部攪拌部域への直接流入が少なくとも１台のスターラーブレード（１１）によって防止されることを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 攪拌装置のスターラーブレード（１１）が溶融液貯槽の流入口（４）断面の一部を横切って延びていることを特徴とする請求項１４または１５記載の装置。
17. 攪拌装置のスターラーブレード（１１）によって、軸に沿った送り作用力の方向から見て、流入口（４）断面の少なくとも５０％が覆われていることを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. 攪拌装置（１）のスターラーブレード（１１）が、軸に沿った送り作用の方向に見て、流入口（４）の少なくとも２／３の断面を覆っていることを特徴とする請求項１６記載の装置。
19. 溶融液が持続的に溶融液貯槽（２）を通って一スループット方向へ流れ、及び軸に沿った送り作用力が前記スループット方向に生ずることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれかに記載の装置。
20. 複数の攪拌装置が溶融液貯槽（２）中に直列に配置されることを特徴とする請求項１４〜１９のいずれかに記載の装置。
21. 溶融液貯槽（２）中の攪拌装置のそれぞれによって、溶融液貯槽（２）を通るスループット流よりも軸に沿った大きな送り作用力によって引き起こされる軸に沿った質量流が形成されることを特徴とする請求項２０記載の装置。
22. 溶融液貯槽（２）は、溶融液が中を所定の方向へ流れるチャネルをなしていることを特徴とする請求項２０または２１記載の装置。
23. 前記間隙（１６）の幅が溶融液貯槽（２）の直径の５％ないし最大で１５％の範囲内であることを特徴とする請求項１４〜２２のいずれかに記載の装置。
24. 溶融液貯槽及び／または攪拌装置が貴金属あるいは貴金属合金から成ることを特徴とする請求項１４〜２３のいずれかに記載の装置。
25. 溶融液貯槽及び／又は撹拌装置は、貴金属あるいは貴金属合金で被覆されていることを特徴とする請求項１４〜２３のいずれかに記載の装置。
26. 溶融液貯槽及び／または攪拌装置がセラミック耐熱性材料から成るか、あるいは該材料でコーティングされることを特徴とする請求項１４〜２３のいずれかに記載の装置。
27. 溶融液貯槽中において溶融液の質量流を少なくとも１台の攪拌装置を用いて溶融液の温度及び／または粘度とは無関係に制御する制御装置をさらに含んで構成される請求項１４〜２６のいずれかに記載の装置。
28. ディスプレイガラス、ガラスセラミック、硼珪酸ガラス、あるいは光学ガラスの製造のための請求項１５〜２７のいずれかに記載の装置の使用。

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