JP5323833B2 - ガラス製造システムにおいて溶融材料の液面レベルを制御するための方法及び装置 - Google Patents

ガラス製造システムにおいて溶融材料の液面レベルを制御するための方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、ガラス製造システムにおいて溶融材料の液面レベルを維持するための、特に、前駆体材料の送込速度及び溶融速度を溶融材料の液面レベルの関数として制御するための、方法及び装置に関する。
一般的なガラス製造システムにおいては、一般に粉末状態にある、様々な原成分すなわちバッチ材料が溶融炉に導入、すなわち「投入」される。粉末バッチ材料は溶融されて、システムの作製部分に流すことができる、粘性溶融材料になる。粘性溶融材料は、冷却されると、ガラスになる。限定ではなく議論の目的のため、粘性溶融材料は以降、溶融ガラスまたはガラスメルトと称される。
溶融プロセス過程の間、溶融炉内のガラスメルトの液面レベルは終始一貫したレベルに維持されることが望ましい。メルトの液面レベルが過剰に変動すると、ガラスメルトは溶融炉の壁面の異なる領域を「洗う」ことができる。これは、炉の壁は一般に時間の経過にともなってメルトに溶け込む耐火煉瓦で内張りされ、したがって壁を形成している耐火煉瓦の異なる領域間の組成の変動がメルトに反映され得るから、当然問題になる。さらに、溶融キャンペインが経過するにつれて、様々な溶融副生成物が耐火壁上に蓄積し得る。例えば、メルトの表面は一般に溶融していないバッチ材料及び溶融で生じる泡で覆われる。液面レベル変動の結果、メルトの化学組成は一貫しないことになり得るか、あるいはメルトに固体の耐火性混雑物またはバッチ混雑物が導入されることになり得る。最後に、液面レベル変動及びその補償行為はメルトに熱的不安定性をもたらし得る。
歴史的に、ガラスシート用ガラス製造のかなりは、初めに前駆体材料が溶融炉内で溶融され、気体混雑物を除去するために清澄化され、一般にはスズの、第２の溶融媒質の表面上に流される、フロートシステムにおいて実施されてきた。
近年、光ディスプレイ製造に有用な、極無欠陥ガラスシートを生産するため、初めに前駆体材料が溶融炉内で溶融され、次いでチューブまたはパイプ及び液槽からなるシステムを通して成形パイプに流される、融合プロセスが用いられている。成形パイプは収斂する成形表面を有する上面開放液槽からなる。溶融ガラスは液槽の上端から溢れて、収斂成形面を含む、成形液槽の両側面を流下する。次いで、それぞれの溶融ガラス流は収斂成形面が合わさる線において合体する。したがって、成形パイプの耐火面と接触していた溶融ガラスは合体して形成されたシートの内部に入り、シートの外表面は成形面に接触していない。溶融炉と成形パイプの間のチューブ及び液槽は一般に、白金または白金−ロジウム合金のような、耐火金属で形成され、総括して白金システムと称される。
白金システムを通して生じる圧力降下は白金システム内の温度変動により変化し、この結果、溶融炉に遡行波及する液面レベル変動が生じ、融合タイプガラス作製プロセスでは他のプロセスより液面レベル変動が起こり易くなり得る。一般に、溶融炉内のガラスの液面レベルの直接測定は、上述した溶融副生成物により困難である。溶融炉内の溶融ガラスが明確な液面を表すことはない。したがって間接的な方法が用いられることになる。一般に、液面レベル制御は炉へのバッチ材料の送込速度を変えることによって実施される。しかし、代表的なスクリュー式バッチフィーダーは一般に、目標レベルをオーバーシュートせずに十分な液面レベル制御を維持するに必要な細密制御性を欠き、したがって液面レベル変動をさらに生じさせる、大容量装置である。
溶融ガラス生産のための溶融炉内の液面レベルを実質的に一定に維持する方法が開示される。本方法では、大容量バルクバッチフィーダーによって投入されるバッチ材料の量に比較して小率でしかない粉末バッチ材料を炉に投入する、調整バッチフィーダーが導入される。少容量フィーダーの使用により、総送込速度の細密調節が可能になる。本発明の一実施形態にしたがえば、１基ないしさらに多くのバルクバッチフィーダーが定送込量で運転され、バッチ送込速度の変化は小容量調整フィーダーの送込量を変えることによって達成される。しかし、総送込速度に大きな変化が必要であれば、１基(ないしさらに多く)のバルクフィーダーの送込量も変えることができる。
送込速度の変化の結果、バッチブランケット及びブランケット下の溶融ガラスの温度の変化も生じ得る。したがって、本発明ではさらに、小増量時にメルトの温度を変える目的のための調整ヒーターの使用を考えることができる。メルトを加熱する方法は、燃料−酸化剤ヒーター(例：メルト上方のガスジェット)及び、メルトの表面下に浸漬される電極を備える、電流ヒーターのいずれをも含む。
本発明の一実施形態において、
バッチ材料をバルクバッチフィーダーからバルク送込速度で炉に送り込む工程、
バッチ材料をバッチ調整フィーダーから総バッチ送込速度の１０％以下の調整送込速度で炉に送り込む工程、ここで総バッチ送込速度はバルク送込速度と調整送込速度の和である、
ガラスメルトを形成するために炉内のバッチ材料を加熱する工程、
ガラスメルトの液面レベルを検知する工程、及び
バルク送込速度を一定に維持しながら、ガラスメルトの液面レベルに応答して調整送込速度を変える工程、
を含むガラスメルトを形成する方法が開示される。
上述の全般的説明及び以下の詳細な説明はいずれも、本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は本発明の例示実施形態を示し、記述とともに、本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
図１は本発明の一実施形態にしたがう例示的なガラス作製プロセスの側断面図である。 図２は図１の溶融炉の側断面図である。 図３は炉冠が取り外されている図１の溶融炉の上から見た断面図である。 図４は、本発明の別の実施形態にしたがう、炉冠が取り外されており、第２のバルクバッチフィーダーが装着されている、溶融炉の上から見た断面図である。
以下の詳細な説明においては、限定ではなく説明の目的のため、本発明の完全な理解を提供するために特定の詳細を開示する実施形態例が述べられる。しかし、本開示の恩恵を有している当業者には、本発明が本明細書に開示される特定の詳細に拘泥しない別の実施形態で実施され得ることが明らかであろう。さらに、周知のデバイス、方法及び材料の説明は本発明の説明を曖昧にしないために省略されることがある。最後に、適用できる場合は必ず、同様の参照数字は同様の要素を指す。
図１に、ガラスシート生産のための融合ガラス作製プロセスに用いられ得るであろうような、溶融炉、すなわち「プリメルター」１２を有する、本発明にしたがうガラス作製装置１０の一実施形態の断面図が示される。溶融炉１２は一般に、アルミナまたはジルコニアの煉瓦のような耐火材料でつくられる。溶融炉１０に加えて、装置１０は、メルター−清澄化器連結チューブ(ＭＦＣ)１４，清澄化器１６，清澄化器−撹拌機連結チューブ(ＦＳＣ)１８，撹拌機２０，撹拌機−ボウル連結チューブ(ＳＢＣ)２２，ボウル２４，ダウンカマー２６，成形パイプ流入管２８及び成形パイプ３０を有する。炉投入口３４を通してバッチ材料３２が溶融炉１２に投入され、そこでバッチ材料は溶融されて、溶融ガラスすなわちガラスメルト３６になる。ガラスメルト３６は次いでＭＦＣ１４を流過して、メルトを脱ガスすなわち「清澄化する」ための、清澄化器１６に流入する。清澄化器１６からガラスメルト１６はＦＳＣ１８を流過して撹拌機２０に流入し、そこで溶融ガラスは均質化される。撹拌機２０は、例えば、溶融ガラスを引き伸ばし、カットして、不均質性を低減する回転撹拌機ブレードを有する。溶融ガラスは撹拌機からボウルに流入し、ダウンカマーを流過して、成形パイプ３０に流入する。成形パイプ３０は、成形パイプ３０に流入した溶融ガラスがパイプから溢れて収斂成形側面を２つの独立溶融ガラス流として流下するような、収斂側面を有する上面開放液槽である。収斂側面の底において２つの独立溶融ガラス流は合体して、清浄な外表面を有するガラスシート３１になる。融合ガラス作製プロセスのより完全な説明は、ドカーティ(Dockerty)の米国特許第３３３８６９６号明細書に見ることができる。この明細書の内容は本明細書に参照として含まれる。
融合タイプガラス作製プロセスにおいて、溶融炉１２と成形パイプ３０の間の流路系(例：ＭＦＣ１４，清澄化器１６，ＦＳＣ１８，撹拌機２０，ＳＢＣ２２，ボウル２４及びダウンカマー２６)は一般に耐火金属、例えば白金または、白金−ロジウムのような、白金合金で形成される。他方で、成形パイプ３０は一般にジルコニアのような材料でつくられたモノリシック耐火ブロックである。
図２に示されるように、炉１２は、炉底３８，側壁４０及び天蓋(炉冠)４２を有する。ホッパー４４からのバッチ材料はモーター４８で駆動されるスクリュー式フィーダーすなわちオーガー４６によって炉投入口３４を通して炉１２に投入され、炉内の溶融ガラス３６の表面の少なくとも一部を覆うバッチ材料のブランケットを形成する。バッチ材料は、検出された溶融ガラスの液面レベルに応答して、断続的に、または、さらに好ましくは連続的に、炉１２に投入することができる。例えば、溶融ガラス液面レベルは溶融炉１２の下流で流路系に挿入された溶融ガラス液面レベルプローブ５０によって検知することができる。液面レベルプローブ５０は、例えば液面プローブ５０の溶融ガラスで洗われる(溶融ガラスと接触する)領域の大きさによって電流が変化する抵抗型検出器とすることができる。しかし、マイクロ波センサまたは光センサを用いるような非接触法を含む、従来のいずれかの溶融ガラス液面レベル検出システムを用いることができる。
炉１２の側壁４０に沿って配置された炉冠バーナー５２が燃料−空気または燃料−酸素(すなわち、燃料−酸化剤)混合気を燃焼させて、溶融ガラスを覆っているバッチ材料と炉冠４２の間の空間を加熱する。さらに、図３に最善に示される、炉１２の側壁に沿って配置された電極５４が、溶融ガラスを通して一方の電極から他方の電極に電流を流すことによってガラスメルトの抵抗加熱すなわちジュール効果加熱を生じさせる。
溶融炉投入方法は、従来通りに、炉１２内の溶融ガラスの液面レベルが実質的に一定に維持されるように、炉から流出する溶融ガラス量を、例えばＭＦＣ１４により、維持することができなければならない。比較的小さな溶融炉であっても、液面レベルを一定に維持するに必要なバッチ材料の量は５００ポンド/時(約３.８ｋｇ/分)をこえ得る。一貫流を提供できるスクリュー式フィーダーでは一般に送込速度を小量だけ変えることができない。したがって、送込速度の修正はときに必要量をこえ得る増分でなされ、この結果、メルト液面レベルは新しい平衡レベルに達するまで目標レベルの周りで振動することになる。
したがって、本実施形態は、調整モーター５８で駆動され、かなり大きなフィーダー、すなわちバッチフィーダー４６で達成できる制御よりも細密な送込速度制御を提供できる、調整フィーダー５６をさらに備える。調整フィーダー５６は、総バッチ送込速度の約１０％以下、好ましくは総送込速度の約７％以下、さらに好ましくは総送込速度の約５％以下を与えるために、稼働することが好ましい。一実施形態において、調整フィーダー５６は総バッチ送込速度の約３％以下を与える。したがって、１５００ポンド/時(約１１.３ｋｇ/分)のバッチ送込速度が必要な溶融炉に対し、総バッチ送込速度の３％で稼働する調整フィーダー５６は約４５ポンド/時(約０.３４ｋｇ/分)をこえないバッチ送込速度を提供するべきである。総バッチ送込速度の残る９７％はスクリュー式フィーダー４６によって与えられる。単一ホッパーからフィーダー４６及び５６に送り込むことができ、または個々のホッパーからフィーダー４６及び５６に送り込むことができる。かなり小量の送込速度を提供することにより、調整フィーダー５６は溶融炉１２内の溶融ガラスの液面レベルへのより緩やかな調節を容易にし、よって、バルクバッチフィーダー４６だけを用いる従来の溶融炉においておこり得る振動すなわち「ハンチング」を最小限に抑える。
液面レベル制御は、液面レベルプローブ５０をコントローラ６０と組み合わせることによって達成することができ、コントローラ６０は、測定された液面レベルを所定の液面レベル設定点と比較し、レベル差信号を発生する。次いで、調整モーター５８及び調整フィーダー５６を駆動して溶融炉１２内の溶融ガラス液面レベルを実質的に一定に維持するために、レベル差信号を用いることができる。より精巧な手法においては、調整フィーダーモーター５８に与えられる所要駆動信号を決定するために、ファジー論理テーブルを従来態様で用いることができる。本発明は溶融炉１２内の溶融ガラス液面レベルを、液面レベル変動が、約０.２５インチ(約６.４ｍｍ)より小さく、さらに好ましくは約０.２０インチ(約５.１ｍｍ)より小さく、さらに一層好ましくは約０.１５インチ(約３.８ｍｍ)より小さく、さらになお一層好ましくは約０.１インチ(約２.５ｍｍ)より小さくなるように、制御するために用いることができる。
本開示の恩恵を有している当業者には、上述した手法を溶融ガラスの加熱方法に拡張できることが明らかなはずである。すなわち、溶融炉に投入されるバッチ材料の量に対する調節はメルト温度の望ましくない変動に寄与し得る。おこり得る温度変動を最小限に抑えるため、溶融炉１２はバッチブランケットと炉冠１２の間で側壁に装着された調整バーナー６２(図２)をさらに有することができる。溶融炉１２はガラスメルト液面レベルより下で側壁４０に装着された１つないしさらに多くの調整電極６４も有することができる。この１つないしさらに多くの調整電極６４は調整フィーダー５６の近傍に装着されることが好ましい。例えば、１つないしさらに多くの調整電極は調整バッチフィーダーの下及び／または脇に配置することができる。例えば、図４は調整フィーダー５６の両脇に配置された２つの調整電極６４ａ及び６４ｂを示す。
好ましくは、調整バーナー６２及び調整電極６４は、メルトに与えられる熱量が調整フィーダー５６によって投入されるバッチ材料の送込速度の変化に比例するような大きさにつくられるべきである。すなわち、例えばガラスメルトの液面レベルを維持するために調整フィーダーのバッチ送込速度が高められれば、調整バーナー及び調整電極が与える熱量が比例して高められるべきである。この場合も、総バッチ送込速度を１５００ポンド/時(約１１.３ｋｇ/分)とすれば、調整フィーダーによって供給されるバッチ材料送込範囲を補償できる能力を確保するため、調整バーナー及び調整電極は約１５ｋＷの総正味熱量を供給できるべきである。４５ポンド/時(約０.３４ｋｇ/分)の調整送込速度に基づき、４５ポンド/時のバッチを溶融するのに、３４１３ＢＴＵ/時/ｋＷに等価な、１１００ＢＴＵ/ポンドが必要であるとすれば、これを計算すると１５ｋＷになる。すなわち、調整バーナー及び／または調整電極は約[１１００ＢＴＵ/ポンド]×[調整送込速度]/[３４１３ＢＴＵ/時/ｋＷ]の総正味熱量を供給できるべきである。調整バーナー及び／または調整電極の熱出力の変化は、約１ｋＷより小さく、好ましくは約０.５ｋＷより小さく、さらに好ましくは約０.１ｋＷより小さい増分で達成され得ることが好ましい。調整バーナー６２及び調整電極６４は、例えば、それぞれマスフローコントローラ及びリレー／電圧／電流／調節器(図示せず)のような適切な手段により、コントローラ６０で制御することもできる。
スクリュー式バルクフィーダー４６が実際上複数のスクリュー式バルクフィーダーからなり得ることは当然である。すなわち、図４に示されるように、溶融炉１２は、第１のスクリュー式バルクフィーダー４６ａ，第２のスクリュー式バルクフィーダー４６ｂ及び調整フィーダー５６を有することができる。上例にしたがい、総所要バッチ送込速度が１５００ポンド/時(約１１.３ｋｇ/分)であれば、スクリュー式フィーダー４６ａ及び４６ｂが、２基のフィーダーの間で等量に分割して、総送込速度の９７％を与え、総バッチ送込速度の残る３％を調整フィーダー５６が与えることが好ましい。すなわち、バルクバッチフィーダー４６ａ及び４６ｂがそれぞれバッチ流の４８.５％すなわち約７２８ポンド/時(約５.５ｋｇ/分)を与え、調整フィーダー５６が残るほぼ４５ポンド/時(約０.３４ｋｇ/分)を与える。
動作において、溶融炉内へのバッチ送込みを開始する実的用方法は調整フィーダー５６により炉内へのバッチ材料の送込みを始めることである。例えば、調整フィーダー５６は所定の総バッチ送込速度の１％の送込速度で送込みを開始することができる。次いで、１つないしさらに多くのバルクバッチフィーダー４６が送込みを開始し、所定の総バッチ送込速度の残る９９％を供給するように調節される。その後、１つないしさらに多くのバルクバッチフィーダーは、定ＲＰＭによるような、定送込量で稼働させることができ、溶融ガラスの液面レベルを実質的に一定に維持するに必要な送込速度のいかなる変化も、調整フィーダーだけを用いて実施することができる。ガラスメルト液面レベルを実質的に一定に維持するに必要な総バッチ送込速度が小容量調整フィーダーの能力をこえる場合は、もちろん１つないしさらに多くのバルクバッチフィーダーを用いることができ、その後、先に述べたようにバルクバッチフィーダーと調整バッチフィーダーの間に新しい平衡送込速度が確立されるべきである。
本発明の上述した実施形態が、特にいずれの「好ましい」実施形態も、可能な実施形態例に過ぎず、本発明の原理の明解な理解のために述べられているに過ぎないことは強調されねばならない。本発明の精神及び原理を実質的に逸脱せずに多くの変形及び改変が本発明の上述した実施形態になされ得る。そのような改変及び変形は全て、本開示及び本発明の範囲内で本明細書に含まれ、添付される特許請求の範囲によって保護されると目される。
１０ ガラス作製装置
１２ 溶融炉
１４ メルター−清澄化器連結チューブ(ＭＦＣ)
１６ 清澄化器
１８ 清澄化器−撹拌機連結チューブ(ＦＳＣ)
２０ 撹拌機
２２ 撹拌機−ボウル連結チューブ(ＳＢＣ)
２４ ボウル
２６ ダウンカマー
２８ 成形パイプ流入管
３０ 成形パイプ
３１ ガラスシート
３２ バッチ材料
３４ 炉投入口
３６ 溶融ガラス(メルト)
３８ 炉底
４０ 側壁
４２ 炉冠
４４ ホッパー
４６ バッチフィーダー
４８ モーター
５０ 溶融ガラス液面レベルプローブ
５２ 炉冠バーナー
５４ 電極
５６ 調整フィーダー
５８ 調整モーター
６０ コントローラ
６２ 調整バーナー
６４ 調整電極

Claims (10)

  1. ガラスメルトを形成する方法において、
    バッチ材料をバルクバッチフィーダーからバルクバッチ送込速度で炉内に送り込む工程、
    前記バッチ材料を調整バッチフィーダーから総バッチ送込速度の１０％以下の調整バッチ送込速度で前記炉内に送り込む工程であって、前記総バッチ送込速度は前記バルクバッチ送込速度と前記調整バッチ送込速度の和である工程、
    ガラスメルトを形成するために前記炉内の前記バッチ材料を加熱する工程、
    前記ガラスメルトの液面レベルを検知する工程、及び
    前記バルクバッチ送込速度を一定に維持しながら、前記ガラスメルトの前記液面レベルに応答して前記調整バッチ送込速度を変える工程、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. バルクバッチ送込速度で送り込む前記工程が、複数基のバルクバッチフィーダーから前記バッチ材料を送り込む工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記ガラスメルトの前記検知された液面レベルが所定の液面レベル値と比較され、前記検知された液面レベルと前記所定の液面レベル値の間の差が前記調整バッチ送込速度を変えるために用いられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記加熱する工程が加熱手段によって実施され、前記加熱手段の熱出力が調整バッチ送込速度の前記変化に比例して変えられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 炉内のガラスメルトの液面レベルを実質的に一定に維持する方法において、
    バッチ材料を第１のバッチフィーダーから第１のバッチ送込速度で前記炉内に送り込む工程、
    前記バッチ材料を第２のバッチフィーダーから、総バッチ送込速度の３％以下の、第２のバッチ送込速度で前記炉内に送り込む工程、
    前記ガラスメルトを形成するために前記炉内の前記バッチ材料を加熱する工程、
    前記ガラスメルトの液面レベルを検知する工程、及び
    前記ガラスメルトの前記液面レベルに応答して前記第２のバッチ送込速度を変える工程、
    を含むことを特徴とする方法。
  6. 前記加熱する工程が加熱手段によって実施され、前記加熱手段の熱出力が前記第２のバッチ送込速度の前記変化に比例して変えられることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 前記ガラスメルトの前記検知された液面レベルが所定の液面レベル値と比較され、前記検知された液面レベルと前記所定の液面レベル値の間の差が前記第２のバッチ送込速度を変えるために用いられることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  8. 前記第２のバッチ送込速度を変える工程中、前記第１のバッチ送込速度が実質的に一定に維持されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  9. ガラスメルトを形成するための装置において、
    前記ガラスメルトを形成するためにバッチ材料を溶融するための炉、
    前記バッチ材料を第１のバッチ送込速度で前記炉内に送り込むための少なくとも１基のバルクバッチフィーダー、及び
    前記バッチ材料を第２のバッチ送込速度で前記炉内に送り込むための調整バッチフィーダー、
    を有し、
    総バッチ送込速度が前記第１と第２のバッチ送込速度の和であり、前記第２のバッチ送込速度が前記総バッチ送込速度の１０％以下である、
    ことを特徴とする装置。
  10. コントローラと組み合わされた液面レベルプローブをさらに含み、前記コントローラが、測定された液面レベルを所定の液面レベル設定点と比較して、前記調整バッチフィーダーの駆動に用いるレベル差信号を発生することを特徴とする請求項９に記載の装置。
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