JP5598541B2 - ガラス溶解炉及びガラス溶解方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス原料を溶解するガラス溶解炉、及びガラス溶解方法に関する。

ガラス製品を製造する方法は、一般的に、ガラス原料を溶解して溶融ガラスを得る溶解工程と、溶融ガラスの気泡を除去して溶融ガラスを清澄する清澄工程と、清澄後の溶融ガラスを所定の形状に成形する成形工程とにより構成される。

これらの工程のうち、溶解工程は、複数種の原料をガラス製品の組成に合わせて秤量し混合したガラス原料を溶解炉に投入し、ガラスの種類に応じた温度に加熱して溶解する工程である。

溶解炉は、ガラス原料を溶解する溶解室の前壁に原料投入口を備え、溶解室の後壁に取出口を備え、原料投入口から取出口に至る流路の側壁に複数のバーナーを備え、複数のバーナーが火炎を溶解室内に噴出して溶解室内のガラスを加熱し溶解するものである。バーナーは、天然ガスや重油等の燃料をガスと混合して燃焼させた火炎を噴出する。

一般的に、燃料に混合されるガスとしては、空気及び酸素ガスのいずれかが用いられる。空気を用いた空気燃焼の場合、空気の約７８体積％を占める窒素ガスが燃焼に寄与することなく炉外に排気される。酸素ガスを用いた酸素燃焼の場合、空気燃焼の場合に比較して、排気量が少ないので、熱効率が高く、ＣＯ_２排出量やＮＯ_ｘ排出量が少ない。

燃料に混合されるガスとして、空気と酸素ガスとを混合した混合ガスを用いることも可能である（例えば、特許文献１参照）。この場合、混合ガスに占める酸素ガスの割合が高いほど、燃焼後のガスに含まれる水分濃度が高いので、溶解室内の溶融ガラスに溶存する水分量が多くなる。溶融ガラスに溶存した水分は、清澄工程において、気泡となって浮上する。そこで、溶融ガラスに溶存する水分量を最適化することによって、清澄工程において、溶融ガラス内の気泡の成長を促進し、気泡の浮上を促進することができ、欠陥の少ないガラス製品を製造することができる。

しかし、燃料に混合されるガスとして、空気と酸素ガスとを混合した混合ガスを用いる場合、空気燃焼の場合と比較しても、ＮＯ_ｘ排出量が多くなることがある（例えば、非特許文献１参照）。詳細には、混合ガス中の酸素濃度が９３体積％未満であって２５体積％を超える場合に、空気燃焼の場合と比較して、ＮＯ_ｘ排出量が多くなる。

日本国特開２０００−１２８５４９号公報

Ｒ＆Ｄ神戸製鋼技報、Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．２（Ｓｅｐ．２００１）、ｐ．８〜１２、「酸素富化空気による省エネルギと低ＮＯｘ燃焼に関する研究」

そこで、本発明では、ＣＯ_２やＮＯ_ｘの排出量の増加を抑制しつつ、溶解室内の溶融ガラスに溶存する水分量を調節することを目的として、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーの両方を溶解炉に設置することを検討した。

しかし、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーの両方を単に溶解炉に設置しただけでは、溶解室の側壁に設けられる排気口の影響によって、溶解室内の燃焼後のガスに含まれる水分濃度を十分に調節するのが困難な場合がある。その結果、溶解室内の溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節するのが困難となる場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、ＣＯ_２やＮＯ_ｘの排出量の増加を抑制しつつ、溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節することができるガラス溶解炉を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、
ガラス原料を溶解する溶解室と、該溶解室の前壁から後壁に至る流路の側壁に設けられる複数のバーナーとを備え、前記複数のバーナーが火炎を前記溶解室内に噴出して前記溶解室内のガラスを加熱し溶解するガラス溶解炉において、
前記複数のバーナーには、燃料を酸素ガスと混合して燃焼させた火炎を噴出する酸素燃焼バーナーと、燃料を空気と混合して燃焼させた火炎を噴出する空気燃焼バーナーとの両方が用いられており、
前記複数のバーナーの１時間当たりの総燃焼熱量の３０％以上９０％以下が前記酸素燃焼バーナーによるものであって、
前記溶解室は、前後方向に平行な両側壁、前後方向に垂直な前記前壁、および前後方向に垂直な前記後壁によって囲まれ、天井壁によって上方を覆われ、
前記溶解室内の燃焼後のガスを外部に排気するための排気口が、前記溶解室の両側壁のそれぞれに１つのみ対向して配置され、又は、前記溶解室の両側壁の一方のみに且つ１つのみ配置され、
前記排気口の前端と前記前壁との間の前後方向における距離及び前記排気口の後端と前記後壁との間の前後方向における距離のうち最大距離をＬとすると、前記排気口の前端から前方向に０．６Ｌ以上離れた領域、及び／又は前記排気口の後端から後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に、前記酸素燃焼バーナー及び前記空気燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられ、
該領域に設けられる前記バーナーの１時間当たりの総燃焼熱量のうち５％以上９５％以下が前記空気燃焼バーナーによるものであるガラス溶解炉が提供される。

本発明によれば、ＮＯ_ｘ排出量の増加を抑制しつつ、溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節することができるガラス溶解炉を提供することができる。このガラス溶解炉は、溶融ガラスに対して十分な加熱を行いつつ、水分量を低減させる場合に特に有効である。

図１は、本発明の実施形態におけるガラス製品の製造方法の工程図である。 図２は、第１実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の側面図である。 図３は、第１実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の上面図である。 図４は、第２実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の側面図である。 図５は、第２実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の上面図である。 図６は、第３実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の側面図である。 図７は、第３実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の上面図である。 図８は、ガラス溶解炉の内部構造の変形例の上面図である。 図９は、ガラス溶解炉の内部構造の別の変形例の上面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。尚、各図において、同一構成には同一符号を付して説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態におけるガラス製品の製造方法の工程図である。図２は、第１実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の側面図である。図３は、第１実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の上面図である。図３において、各バーナーの燃焼領域（各バーナーの火炎の外縁）を点線で囲んで示している。

ガラス製品の製造方法は、図１に示すように、ガラス原料を溶解して溶融ガラスを得る溶解工程（Ｓ１００）と、溶融ガラスの気泡を除去して溶融ガラスを清澄する清澄工程（Ｓ１０２）と、清澄後の溶融ガラスを所定形状に成形する成形工程（Ｓ１０４）とを備える。

これらの工程のうち、清澄工程（Ｓ１０２）は、溶解工程で得られた溶融ガラスを清澄槽に供給し、溶融ガラス内の気泡を浮上させて除去する工程である。気泡の浮上を促進させる方法としては、例えば清澄槽内を減圧して脱泡する方法などがある。

成形工程（Ｓ１０４）は、清澄後の溶融ガラスを所定の板厚の板状に成形する工程である。板状に成形する方法としては、例えば周知のフロート法や、フュージョン法がある。

溶解工程（Ｓ１００）は、複数種の原料をガラス製品の組成に合わせて秤量し混合したガラス原料を溶解炉に投入し、ガラスの種類に応じた温度に加熱して溶解する工程である。

溶解炉１は、図２、図３に示すように、ガラス原料を溶解する溶解室１０の上流側の前壁１１に原料投入口２１を備え、溶解室１０の下流側の後壁１２に取出口２２を備え、原料投入口２１から取出口２２に至る流路２３の両側壁１３、１４に複数のバーナー３１〜５０及び１対の排気口２４、２５を備える。両側壁１３、１４は前後方向に延びている。

この溶解炉１では、原料投入口２１から投入されたガラス原料Ｇ１は、溶解室１０内の溶融ガラスＧ２と共に、複数のバーナー３１〜５０の火炎からの輻射熱等によって加熱され、溶融ガラスＧ２に徐々に溶け込む。このようにして得られた溶融ガラスＧ２は、後方に流れた後、取出口２２から取り出され、清澄槽に供給される。

溶解室１０は、ガラス原料を溶解して得た溶融ガラスを容れる溶解槽１５、及び溶解槽１５内の上部空間を覆う天井１６により形成される。溶解槽１５や天井１６は、煉瓦等の耐火物で構成される。

溶解室１０の大きさは、特に限定されないが、例えば、溶解室１０の前後方向寸法Ｘ１は、１０〜３０ｍであり、好ましくは１０〜２５ｍである。また、溶解室１０の幅方向寸法Ｙ１は、５〜１０ｍである。さらに、溶解室１０の高さ方向寸法Ｚ１は、３〜８ｍである。

１対の排気口２４、２５は、溶解室１０内の燃焼後のガスを外部に排気するためのものである。１対の排気口２４、２５は、両側壁１３、１４の前後方向一端部に配置されており、前壁１１の近傍に配置されている。

左側壁１３に配置される排気口２４と、右側壁１４に配置される排気口２５とは、流路２３を挟んで対向配置される。１対の排気口２４、２５が前後方向にずれて配置されると、排気が流路２３を挟んで左右非対称に行われるので、溶融ガラスの温度分布を制御するのが難しい。

排気口２４、２５の大きさは、特に限定されないが、例えば排気口２４、２５の前後方向寸法Ｘ２は１ｍ程度であり、排気口２４、２５の高さ方向寸法Ｚ２は、１ｍ程度である。

複数のバーナー３１〜５０は、火炎を溶解室１０内に噴出して、溶解室１０内のガラスを加熱し溶解する。複数のバーナー３１〜５０は、火炎を連続的に噴出しても良いし、火炎を断続的に噴出しても良い。火炎を断続的に噴出する場合、複数のバーナー３１〜５０は、火炎を同時に噴出しても良いし、火炎を異なるタイミングで噴出しても良い。

複数のバーナー３１〜５０は、互いの火炎が干渉しないように、両側壁１３、１４に配置される。例えば、左側壁１３に配置される複数のバーナー３１〜４０と、右側壁１４に配置される複数のバーナー４１〜５０とは、流路２３を挟んで対向配置されている。即ち、複数のバーナー３１〜５０は、流路２３を挟んで対称に配置されている。なお、複数のバーナー３１〜５０は、流路２３を挟んで千鳥配置されても良い。

左側壁１３に配置される複数のバーナー３１〜４０は、流路２３に沿って前後方向に不等ピッチで配列されても良いし、等ピッチで配列されても良い。右側壁１４に配置される複数のバーナー４１〜５０についても同様である。

複数のバーナー３１〜５０は、燃料をガスと混合して燃焼させた火炎を噴出する。バーナー３１〜５０に使用される燃料としては、例えば天然ガスや都市ガス等の気体燃料、重油等の液体燃料が用いられる。液体燃料を用いる場合、液体燃焼を霧状に噴霧して使用する。複数のバーナー３１〜５０において、同種の燃料を使用しても良いし、異種の燃料を使用しても良い。

一般的に、燃料に混合されるガスとしては、空気及び酸素ガスのいずれかが用いられる。空気を用いた空気燃焼の場合、空気の約７８体積％を占める窒素ガスが燃焼に寄与することなく炉外に排気される。酸素ガスを用いた酸素燃焼の場合、空気燃焼の場合に比較して、排気量が少ないので、熱効率が高く、ＣＯ_２排出量やＮＯ_ｘ排出量が少ない。

燃料に混合されるガスとして、空気と酸素ガスとを混合した混合ガスを用いることも可能である。この場合、混合ガスに占める酸素ガスの割合が高いほど、燃焼後のガスに含まれる水分濃度が高いので、溶解室内の溶融ガラスに溶存する水分量が多くなる。溶融ガラスに溶存した水分は、清澄工程において、気泡となって浮上する。そこで、溶融ガラスに溶存する水分量を最適化することによって、清澄工程において、溶融ガラス内の気泡の成長を促進し、気泡の浮上を促進することができ、欠陥の少ないガラス製品を製造することができる。

しかし、燃料に混合されるガスとして、空気と酸素ガスとを混合した混合ガスを用いる場合、空気燃焼の場合と比較しても、ＮＯ_ｘ排出量が多くなることがある。詳細には、混合ガス中の酸素濃度が９３体積％未満であって２５体積％を超える場合に、空気燃焼の場合と比較して、ＮＯ_ｘ排出量が多くなる。

これに対し、本実施形態では、バーナー３１〜５０には、燃料を空気と混合して燃焼させた火炎を噴出する空気燃焼バーナー、及び燃料を酸素ガスと混合して燃焼させた火炎を噴出する酸素燃焼バーナーが用いられる。ここで、酸素ガスとは、酸素濃度が９３体積％以上のガスをいう。このように、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーとを用いることにより、ＮＯ_ｘ排出量の増加を抑制することができる。

また、本実施形態では、複数のバーナー３１〜５０の１時間当たりの総燃焼熱量Ｑａの３０％以上（好ましくは３５％以上）９０％以下（好ましくは８７％以下）が酸素燃焼バーナーによるものである。もしくは、溶解室１０内のガラスの加熱に使用される１時間当たりの総加熱量Ｑｂの６０％以上（好ましくは、６８％以上）９７％以下（好ましくは、９５％以下）が酸素燃焼バーナーによるものである。

ここで、溶解室１０内のガラスの加熱に使用される１時間当たりの総加熱量Ｑｂとは、複数のバーナー３１〜５０の１時間当たりの総燃焼熱量Ｑａと、溶解室１０内の燃焼後のガスが排気口２４、２５を介して溶解室１０の外部に持ち出す１時間当たりの総排気熱量Ｑｃとの差分（Ｑａ−Ｑｃ）を意味する。この１時間当たりの総排気熱量Ｑｃは、１時間当たりの排気量や排気ガスの温度等に基づいて算出される。

総燃焼熱量Ｑａに対する酸素燃焼バーナーの寄与率を上記のように設定することによって、空気燃焼バーナーを用いることによる熱効率の低下やＣＯ_２排出量の増加、ＮＯ_ｘ排出量の増加を抑制することができる。また、熱効率の低下を抑制することができるので、溶解室１０内の温度を比較的高温に保持し易い。このため、ソーダライムガラス製品の他、特に高融点のガラス製品の製造に適している。そのような高融点のガラス製品としては、例えば、液晶ディスプレイ用ガラス基板（所謂、無アルカリガラス基板）が挙げられる。無アルカリガラスは、一般的なソーダライムガラスに比べて融点が１００℃以上高くなっている。

しかし、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーの両方を単に溶解炉に設置しただけでは、溶解室１０の側壁１３、１４に設けられる排気口２４、２５の影響によって、溶解室１０内の燃焼後のガスに含まれる水分濃度を十分に調節するのが困難な場合がある。その結果、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節するのが困難となる場合がある。

溶融ガラスに溶存する水分量が少なすぎると、清澄工程において、溶融ガラス内の気泡の浮上を十分に促進することができない。一方、溶融ガラスに溶存する水分量が多すぎると、清澄工程において、溶融ガラス内に気泡が残存することがある。また、溶融ガラスに溶存する水分量が多すぎると、清澄工程などにおいて、溶融ガラスの流路の内壁面が白金で覆われている場合、溶融ガラスと白金との界面に気泡が発生することが一般的に知られている。

ところで、溶解室１０内において燃焼後のガスは、排気口２４、２５に向かって移動する傾向がある。
そこで、本実施形態では、排気口２４、２５から後方向に０．６Ｌ以上（好ましくは、０．７Ｌ以上）離れた領域に、空気燃焼バーナー及び酸素燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられている。ここで、Ｌは、排気口２４、２５と前壁１１との間の前後方向における距離Ｌ１及び排気口２４、２５と後壁１２との間の前後方向における距離Ｌ２のうち最大距離（図２、図３に示す例では、Ｌ２）を表す。

このように、排気口２４、２５から後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に空気燃焼バーナー及び酸素燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられるので、空気燃焼後のガスと酸素燃焼後のガスとが混じる領域を十分に確保することができる。よって、燃焼後のガスに含まれる水分濃度を調節可能な領域を十分に確保することができ、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量を広い範囲で可変とすることができる。その結果、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節することができ、清澄工程において、溶融ガラス内の気泡の成長を促進し、気泡の浮上を促進することができ、欠陥の少ないガラス製品を製造することができる。

尚、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量は、ガラス製品の組成や種類の変更に応じて適宜調節されることはもちろん、炉壁の劣化、ガラス原料のロットの変更、燃料のロットの変更等に応じて適宜調節されてもよい。

溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量の調節は、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーとの１時間当たりの燃焼熱量比を調節することにより行われる。この調節の対象となるのは、主に、排気口２４、２５から後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に設けられるバーナー３７〜４０、４７〜５０である。酸素燃焼バーナーに対する空気燃焼バーナーの燃焼熱量比が高くなるほど、溶解室１０内の燃焼後のガスに含まれる水分濃度が低くなるので、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量が少なくなる。

ここで、１対の排気口２４、２５から後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に設けられるバーナー３７〜４０、４７〜５０の１時間当たりの燃焼熱量Ｑｄの５％以上９５％以下（好ましくは１０％以上９０％以下、より好ましくは１５％以上９０％以下）が空気燃焼バーナーによるものである。

５％未満である場合、溶解室１０内の燃焼後のガスに含まれる水分濃度が高過ぎ、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量が多すぎる。一方、９５％を超える場合、溶解室１０内の燃焼後のガスに含まれる水分濃度が低過ぎ、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量が少なすぎる。

溶融ガラスに溶存する水分量は、製造されたガラス中の水分量と同等であると考えられ、製造されたガラス中のβ−ＯＨの値（単位：／ｍｍ）によって表される。β−ＯＨの値が大きいほど、ガラス中の水分量が多いことを意味する。β−ＯＨの値Ｂは、ガラスの板厚Ｃおよび透過率Ｔを測定し、該測定結果を下記式に代入して算出される。なお、ガラスの透過率の測定には、一般的なフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）が用いられる。Ｂ＝（１／Ｃ）ｌｏｇ_１０（Ｔ１／Ｔ２）Ｔ１：参照波数４０００／ｃｍにおけるガラスの透過率（単位：％）Ｔ２：水酸基吸収波数３５７０／ｃｍ付近におけるガラスの最小透過率（単位：％）
例えば、無アルカリガラスの場合、β−ＯＨは、０．２５〜０．５２／ｍｍが好ましく、０．３〜０．５／ｍｍがより好ましく、０．３５〜０．４８／ｍｍがさらに好ましい。

ところで、２つの空気燃焼バーナー（例えば、バーナー３８、４０）の間には、少なくとも１つの酸素燃焼バーナー（例えば、バーナー３９）が設けられることが好ましい。

２つの空気燃焼バーナーを隣同士に配置すると、上述の如く空気燃焼では酸素燃焼に比較して熱効率が低いので、低温領域が部分的に発生しやすい。

なお、本実施形態では、排気口２４、２５が流路２３の両側壁１３、１４のそれぞれに１つのみ対向して配置される構成としたが、排気口が流路の両側壁の一方のみに且つ１つのみ配置される構成であっても良い。

また、本実施形態では、排気口２４、２５が側壁１３、１４の前後方向一端部に配置され、前壁１１の近傍に配置されるが、排気口の位置に制限はない。例えば、排気口が後壁の近傍に配置されても良い。また、排気口が側壁の前後方向一端と前後方向中央との中間に設けられても良い。

（第２実施形態）
第２実施形態は、本発明に係るガラス溶解炉に関するものである。具体的には、１対の排気口が側壁の前後方向中央に配置される構成のものである。即ち、１対の排気口が前壁と後壁との間の中央に配置される構成のものである。

図４は、第２実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の側面図である。図５は、第２実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の上面図である。図５において、各バーナーの火炎の外縁を点線で囲んで示している。尚、図４、図５において、図２、図３と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。

溶解炉１Ａは、図４、図５に示すように、溶解室１０の前壁１１に原料投入口２１を備え、溶解室１０の後壁１２に取出口２２を備え、原料投入口２１から取出口２２に至る流路２３の側壁１３、１４に複数のバーナー３１Ａ〜５０Ａ及び１対の排気口２４Ａ、２５Ａを備える。

１対の排気口２４Ａ、２５Ａは、両側壁１３、１４の前後方向中央に配置されており、前壁１１と後壁１２との間の中央に配置されている。左側壁１３に配置される排気口２４Ａと、右側壁１４に配置される排気口２５Ａとは、流路２３を挟んで対向配置されている。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、バーナー３１Ａ〜５０Ａには、空気燃焼バーナー、及び酸素燃焼バーナーが用いられる。従って、第１実施形態と同様に、ＮＯ_ｘ排出量の増加を抑制することができる。

また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、複数のバーナー３１Ａ〜５０Ａの１時間当たりの総燃焼熱量Ｑａの３０％以上（好ましくは、３５％以上）９０％以下（好ましくは、８７％以下）が酸素燃焼バーナーによるものである。もしくは、溶解室１０内のガラスの加熱に使用される１時間当たりの総加熱量Ｑｂの６０％以上（好ましくは、６８％以上）９７％以下（好ましくは、９５％以下）が酸素燃焼バーナーによるものである。

従って、第１実施形態と同様に、空気燃焼バーナーを用いることによる熱効率の低下やＣＯ_２排出量の増加、ＮＯ_ｘ排出量の増加を抑制することができる。また、熱効率の低下を抑制することができるので、溶解室１０内の温度を比較的高温に保持し易い。

さらに、本実施形態では、第１実施形態と同様に、排気口２４Ａ、２５Ａから後方向に０．６Ｌ以上（好ましくは、０．７Ｌ以上）離れた領域に、空気燃焼バーナー及び酸素燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられている。ここで、Ｌは、排気口２４Ａ、２５Ａと前壁１１との間の前後方向における距離Ｌ３及び排気口２４Ａ、２５Ａと後壁１２との間の前後方向における距離Ｌ４のうち最大距離（図５に示す例では、Ｌ３＝Ｌ４）を表す。従って、第１実施形態と同様に、燃焼後のガスに含まれる水分濃度を調節可能な領域を十分に確保することができ、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量を広い範囲で可変とすることができる。その結果、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節することができ、清澄工程において、溶融ガラス内の気泡の成長を促進し、気泡の浮上を促進することができ、欠陥の少ないガラス製品を製造することができる。

溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量の調節は、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーとの１時間当たりの燃焼熱量比を調節することにより行われる。この調節の対象となるのは、主に、排気口２４Ａ、２５Ａから後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に設けられるバーナー３９Ａ〜４０Ａ、４９Ａ〜５０Ａである。酸素燃焼バーナーに対する空気燃焼バーナーの燃焼熱量比が高くなるほど、溶解室１０内の燃焼後のガスに含まれる水分濃度が低くなるので、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量が少なくなる。

ここで、排気口２４Ａ、２５Ａから後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に設けられるバーナー３９Ａ〜４０Ａ、４９Ａ〜５０Ａの１時間当たりの燃焼熱量Ｑｄの５％以上９５％以下（好ましくは１０％以上９０％以下、より好ましくは１５％以上９０％以下）が空気燃焼バーナーによるものである。

５％未満である場合、溶解室１０内の燃焼後のガスに含まれる水分濃度が高過ぎ、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量が多すぎる。一方、９５％を超える場合、溶解室１０内の燃焼後のガスに含まれる水分濃度が低過ぎ、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量が少なすぎる。

なお、本実施形態では、排気口２４Ａ、２５Ａが流路２３の両側壁１３、１４のそれぞれに１つのみ対向して配置される構成としたが、排気口が流路の両側壁の一方のみに且つ１つのみ配置される構成であっても良い。

また、本実施形態では、排気口２４Ａ、２５Ａから後方向に０．６Ｌ以上（好ましくは、０．７Ｌ以上）離れた領域に、空気燃焼バーナー及び酸素燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられる構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、排気口２４Ａ、２５Ａから前方向に０．６Ｌ以上（好ましくは、０．７Ｌ以上）離れた領域に、空気燃焼バーナー及び酸素燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられる構成であっても良いし、両構成を組み合わせても良い。

（第３実施形態）
第３実施形態は、本発明に係るガラス溶解炉に関するものである。具体的には、複数のバーナーが、流路を挟んで千鳥状に配置される構成のものである。

図６は、第３実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の側面図である。図７は、第３実施形態におけるガラス溶解炉の内部構造の上面図である。図７において、各バーナーの火炎の外縁を点線で囲んで示している。尚、図６、図７において、図２、図３と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。

溶解炉１Ｂは、図６、図７に示すように、溶解室１０Ｂの前壁１１Ｂに原料投入口２１Ｂを備え、溶解室１０Ｂの後壁１２Ｂに取出口２２Ｂを備え、原料投入口２１Ｂから取出口２２Ｂに至る流路２３Ｂの側壁１３Ｂ、１４Ｂに複数のバーナー３１Ｂ〜３３Ｂ、４１Ｂ〜４２Ｂ及び１対の排気口２４Ｂ、２５Ｂを備える。

溶解室１０Ｂの大きさは、特に限定されないが、例えば溶解室１０Ｂの前後方向寸法Ｘ３は２〜５ｍであり、溶解室１０Ｂの幅方向寸法Ｙ３は１〜３ｍであり、溶解室１０Ｂの高さ方向寸法Ｚ３は１〜３ｍである。

１対の排気口２４Ｂ、２５Ｂは、両側壁１３Ｂ、１４Ｂの前後方向一端部に配置され、前壁１１Ｂの近傍に配置されている。左側壁１３Ｂに配置される排気口２４Ｂと、右側壁１４Ｂに配置される排気口２５Ｂとは、流路２３Ｂを挟んで対向配置されている。

排気口２４Ｂ、２５Ｂの大きさは、特に限定されないが、例えば排気口２４Ｂ、２５Ｂの前後方向寸法Ｘ４は０．３ｍ程度であり、排気口２４Ｂ、２５Ｂの高さ方向寸法Ｚ４は、０．２ｍ程度である。

複数のバーナー３１Ｂ〜３３Ｂ、４１Ｂ〜４２Ｂは、流路２３Ｂを挟んで千鳥状に配置されている。左側壁１３Ｂに配置される複数のバーナー３１Ｂ〜３３Ｂは、流路２３Ｂに沿って前後方向に配列されている。同様に、右側壁１４Ｂに配置される複数のバーナー４１Ｂ〜４２Ｂは、流路２３Ｂに沿って前後方向に配列されている。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、バーナー３１Ｂ〜３３Ｂ、４１Ｂ〜４２Ｂには、空気燃焼バーナー、及び酸素燃焼バーナーが用いられる。従って、第１実施形態と同様に、ＣＯ_２やＮＯ_ｘの排出量の増加を抑制することができる。

また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、複数のバーナー３１Ｂ〜３３Ｂ、４１Ｂ〜４２Ｂの１時間当たりの総燃焼熱量Ｑａの３０％以上（好ましくは、３５％以上）９０％以下（好ましくは、８７％以下）が酸素燃焼バーナーによるものである。もしくは、溶解室１０Ｂ内のガラスの加熱に使用される１時間当たりの総加熱量Ｑｂの６０％以上（好ましくは、６８％以上）９７％以下（好ましくは、９５％以下）が酸素燃焼バーナーによるものである。

従って、第１実施形態と同様に、空気燃焼バーナーを用いることによる熱効率の低下やＣＯ_２排出量の増加、ＮＯ_ｘ排出量の増加を抑制することができる。また、熱効率の低下を抑制することができるので、溶解室１０Ｂ内の温度を比較的高温に保持し易い。このため、高融点のガラス製品の製造に適している。

さらに、本実施形態では、第１実施形態と同様に、排気口２４Ｂ、２５Ｂから後方向に０．６Ｌ以上（好ましくは、０．７Ｌ以上）離れた領域に、空気燃焼バーナー及び酸素燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられている。ここで、Ｌは、排気口２４Ｂ、２５Ｂと前壁１１Ｂとの間の前後方向における距離Ｌ５及び排気口２４Ｂ、２５Ｂと後壁１２Ｂとの間の前後方向における距離Ｌ６のうち最大距離（図７に示す例では、Ｌ６）を表す。従って、第１実施形態と同様に、燃焼後のガスに含まれる水分濃度を調節可能な領域を十分に確保することができ、溶解室１０Ｂ内の溶融ガラスに溶存する水分量を広い範囲で可変とすることができる。その結果、溶解室１０Ｂ内の溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節することができ、清澄工程において、溶融ガラス内の気泡の成長を促進し、気泡の浮上を促進することができ、欠陥の少ないガラス製品を製造することができる。

溶解室１０Ｂ内の溶融ガラスに溶存する水分量の調節は、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーとの１時間当たりの燃焼熱量比を調節することにより行われる。この調節の対象となるのは、主に、排気口２４Ｂ、２５Ｂから後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に設けられるバーナー３３Ｂ、４２Ｂである。酸素燃焼バーナーに対する空気燃焼バーナーの燃焼熱量比が高くなるほど、溶解室１０Ｂ内の燃焼後のガスに含まれる水分濃度が低くなるので、溶解室１０Ｂ内の溶融ガラスに溶存する水分量が少なくなる。

ここで、排気口２４Ｂ、２５Ｂから後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に設けられるバーナー３３Ｂ、４２Ｂの１時間当たりの燃焼熱量Ｑｄの５％以上９５％以下（好ましくは１０％以上９０％以下、より好ましくは１５％以上９０％以下）が空気燃焼バーナーによるものである。

５％未満である場合、溶解室１０Ｂ内の燃焼後のガスに含まれる水分濃度が高過ぎ、溶解室１０Ｂ内の溶融ガラスに溶存する水分量が多すぎる。一方、９５％を超える場合、溶解室１０Ｂ内の燃焼後のガスに含まれる水分濃度が低過ぎ、溶解室１０Ｂ内の溶融ガラスに溶存する水分量が少なすぎる。

以上、本発明の第１〜第３実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述の実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、図８に示すガラス溶解炉１Ｃのように、溶解室１０Ｃの両側壁１３Ｃ、１４Ｃには、溶解室１０Ｃを２つの部屋１７、１８に区画するくびれ部１９が設けられても良い。この場合、後側の部屋１８は溶融ガラスの温度を調整するための部屋であって、後側の部屋１８の側壁にはバーナーが設けられない。

また、図９に示すガラス溶解炉１Ｄのように、溶解室１０Ｄの両側壁１３Ｄ、１４Ｄに原料投入口２１Ｄが設けられ、排気口２４Ｄが前壁１１Ｄに設けられても良い。なお、排気口２４Ｄは前壁１１Ｄ、及び／又は、後壁１２Ｄに設けられても良い。

また、溶融ガラスを加熱する方法として、上記バーナーが噴出する火炎の輻射熱を利用する方法に加えて、溶融ガラスを直接通電加熱する方法を併用しても良い。
また、本発明における空気燃焼バーナーの燃料に混合されるガスは、空気であることが好ましいが、前述のようにＮＯｘ排出量が多くならない程度、具体的には燃料に混合されるガス中の酸素が２５体積％以下であれば、空気のほかに酸素ガスを混合させることができる。
なお、溶解室の側壁には、ガラス溶融状況確認のための観察用窓が設けられていることが好ましく（不図示）、観察用窓の扉は、上下開閉時の密閉性向上のためにやや傾斜して設けられていると好ましい。

以下に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。

（例１〜１０）
例１〜１０（表１、２）では、図２、図３に示すガラス溶解炉を用いて製造されるガラス中のβ−ＯＨ（単位：／ｍｍ）を計算により求めた。β−ＯＨは、ガラス中の水分量を示す指標であり、β−ＯＨが大きいほど、ガラス中の水分量が多いことを意味する。例２、４〜６、１０は実施例であり、例１、３、７〜９は比較例である。

ここで、β−ＯＨの計算方法について簡単に説明する。まず、各バーナーによって燃焼される燃料およびガスの組成などに基づいて、燃焼後のガスに含まれる水分濃度などを算出した。次に、燃焼後のガスが排気口に向かって流れることを考慮して、溶解室内の雰囲気中の水分濃度の分布を算出した。そして、水分濃度の分布と、溶融ガラスの平均流速とに基づいて、溶融ガラス中に最終的に拡散する水分量を算出し、製造後のガラス中に含まれるβ−ＯＨに換算した。

各例１〜１０において、溶解室１０の前後方向寸法Ｘ１を２５ｍに、溶解室１０の幅方向寸法Ｙ１を１０ｍに、溶解室１０の高さ方向寸法Ｚ１を８ｍにそれぞれ設定した。また、溶解室１０内の溶融ガラスの体積を３００ｍ^３に設定し、溶解室１０内に１時間当たりに投入されるガラス原料（即ち、溶解室１０から１時間当たりに取り出される溶融ガラス）の体積を１．２５ｍ^３に設定した。さらに、排気口２４、２５の前後方向寸法Ｘ２を１ｍに、排気口２４、２５の高さ方向寸法Ｚ２を１ｍにそれぞれ設定した。また、左側壁１３において、前壁１１と排気口２４との間の前後方向における距離Ｌ１を２ｍに、排気口２４から各バーナー３１〜４０までのそれぞれの前後方向の距離を２ｍ×Ｎ（Ｎは１〜１０の自然数）に設定し、排気口２４とバーナー４０との間の前後方向における距離を２０ｍに設定した。同様に、右側壁１４においても、排気口２５および複数のバーナー４１〜５０の配置を設定した。

そして、各例１、２、４、５、７〜１０において、複数のバーナー３１〜５０のそれぞれの１時間当たりの燃焼熱量を同一に設定した。一方、例３では、複数の酸素燃焼バーナーのそれぞれの１時間当たりの燃焼熱量を同一に設定し、複数の空気燃焼バーナーのそれぞれの１時間当たりの燃焼熱量を同一に設定すると共に、各空気燃焼バーナーの１時間当たりの燃焼熱量を各酸素燃焼バーナーの１時間当たりの燃焼熱量よりも小さく設定した。また、例６では、複数の酸素燃焼バーナーのそれぞれの１時間当たりの燃焼熱量を同一に設定し、複数の空気燃焼バーナーのそれぞれの１時間当たりの燃焼熱量を同一に設定すると共に、各空気燃焼バーナーの１時間当たりの燃焼熱量を各酸素燃焼バーナーの１時間当たりの燃焼熱量よりも大きく設定した。尚、例１、９のバーナー３１〜５０には、酸素燃焼バーナーのみを用い、例２〜８、１０のバーナー３１〜５０には、酸素燃焼バーナーと空気燃焼バーナーを用いた。

表１、２において、ＣＯ_２排出量の単位であるＮｍ^３は、標準状態（０℃、１気圧）における体積を表す（表３、表４も同様）。表１、２では、空気燃焼バーナーのＮｏ．を示すことによって、酸素燃焼バーナーのＮｏ．を省略してある（表３、表４も同様）。

表１、２から理解されるように、燃料が天然ガスである例１〜８において、例２、４〜６では、排気口２４、２５から後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に、空気燃焼バーナー及び酸素燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられており、例１の場合に比較して、ガラス中のβ−ＯＨが１０％以上低下している。また、燃料が重油である例９、１０において、例１０では、排気口２４、２５から後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に、空気燃焼バーナー及び酸素燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられており、例９の場合に比較して、ガラス中のβ−ＯＨが１０％以上低下している。１０％以上低下していると、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーとの１時間当たりの燃焼熱量比を変化させることで、β−ＯＨを十分に調整できる。よって、例２、４〜６、１０では、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーとの１時間当たりの燃焼熱量比を調節することにより、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節することができる。

一方、例７、８では、排気口２４、２５から後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に、空気燃焼バーナーが設けられていないので、例１に対して、β−ＯＨが１０％以上低下していない。よって、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーとの１時間当たりの燃焼熱量比を調節しても、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節するのが難しいことが判る。

また、例３では、例２と同様に、排気口２４、２５から後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に、空気燃焼バーナー及び酸素燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられているが、例２と異なり、溶解室内のガラスの加熱に使用される１時間当たりの総加熱量Ｑｂの９９％が酸素燃焼バーナーによるものである。このため、例３では、ガラス中のβ−ＯＨが、例１に対して、１０％以上低下していない。よって、例３では、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量を十分に低下するのが困難なことが判る。

（例１１〜１２）
例１１〜１２（表３）では、図４、図５に示すガラス溶解炉を用いて製造されるガラス中のβ−ＯＨ（単位：／ｍｍ）を上記計算により求めた。例１２は実施例であり、例１１は比較例である。

各例１１〜１２において、排気口２４Ａ、２５Ａを側壁１３、１４の前後方向中央に配置した以外、溶解室の大きさ、排気口の大きさ、排気口と各バーナーとの間の前後方向における距離などは、例１〜１０と同様に、設定した。各例１１〜１２において、複数のバーナー３１Ａ〜５０Ａのそれぞれの１時間当たりの燃焼熱量を同一に設定した。尚、例１１のバーナー３１Ａ〜５０Ａには、酸素燃焼バーナーのみを用い、例１２のバーナー３１Ａ〜５０Ａには、酸素燃焼バーナーと空気燃焼バーナーを用いた。

表３から理解されるように、例１２では、排気口２４Ａ、２５Ａから後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に、空気燃焼バーナー及び酸素燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられており、例１１の場合に比較して、ガラス中のβ−ＯＨが１０％以上低下している。よって、例１２では、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーとの１時間当たりの燃焼熱量比を調節することにより、溶解室１０内の溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節することができることが判る。

（例１３〜１４）
例１３〜１４（表４）では、図６、図７に示すガラス溶解炉を用いて製造されるガラス中のβ−ＯＨ（単位：／ｍｍ）を上記計算により求めた。例１４は実施例であり、例１３は比較例である。

各例１３〜１４において、溶解室１０Ｂの前後方向寸法Ｘ３を３ｍに、溶解室１０Ｂの幅方向寸法Ｙ３を２ｍに、溶解室１０Ｂの高さ方向寸法Ｚ３を２ｍにそれぞれ設定した。また、溶解室１０Ｂ内の溶融ガラスの体積を４．５ｍ^３に設定し、溶解室１０Ｂ内に１時間当たりに投入されるガラス原料（即ち、溶解室１０Ｂから１時間当たりに取り出される溶融ガラス）の体積を０．０４ｍ^３に設定した。さらに、排気口２４Ｂ、２５Ｂの前後方向寸法Ｘ４を０．３ｍに、排気口２４Ｂ、２５Ｂの高さ方向寸法Ｚ４を０．３ｍにそれぞれ設定した。また、左側壁１３Ｂにおいて、前壁１１Ｂと排気口２４Ｂとの間の前後方向における距離Ｌ５を０．２ｍに、排気口２４Ｂとバーナー３１Ｂとの間の前後方向における距離を０．３ｍに、排気口２４Ｂとバーナー３２Ｂとの間の前後方向における距離を１．０ｍに、排気口２４Ｂとバーナー３３Ｂとの間の前後方向における距離を２．０ｍにそれぞれ設定した。一方、右側壁１４Ｂにおいて、前壁１１Ｂと排気口２５Ｂとの間の前後方向における距離Ｌ５を０．２ｍに、排気口２５Ｂとバーナー４１Ｂとの間の前後方向における距離を０．５ｍに、排気口２５Ｂとバーナー４２Ｂとの間の前後方向における距離を１．５ｍにそれぞれ設定した。そして、各例１３〜１４において、複数のバーナー３１Ｂ〜３３Ｂ、４１Ｂ〜４２Ｂのそれぞれの１時間当たりの燃焼熱量を同一に設定した。尚、例１３のバーナー３１Ｂ〜３３Ｂ、４１Ｂ〜４２Ｂには、酸素燃焼バーナーのみを用い、例１４のバーナー３１Ｂ〜３３Ｂ、４１Ｂ〜４２Ｂには、酸素燃焼バーナーと空気燃焼バーナーを用いた。

表４から理解されるように、例１４では、排気口２４Ｂ、２５Ｂから後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に、空気燃焼バーナー及び酸素燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられており、例１３の場合に比較して、ガラス板中のβ−ＯＨが１０％以上低下している。よって、例１４では、空気燃焼バーナーと酸素燃焼バーナーとの１時間当たりの燃焼熱量比を調節することにより、溶解室１０Ｂ内の溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節することができることが判る。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１０年４月２６日出願の日本特許出願２０１０−１０１３１２に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明によれば、ＮＯ_ｘ排出量の増加を抑制しつつ、溶融ガラスに溶存する水分量を十分に調節することができるガラス溶解炉を提供することができる。このガラス溶解炉は、溶融ガラスに対して十分な加熱を行いつつ、水分量を低減させる場合に特に有効である。

１ 溶解炉
１０ 溶解室
１１ 前壁
１２ 後壁
１３ 側壁（左側壁）
１４ 側壁（右側壁）
２１ 原料投入口
２２ 取出口
２３ 流路
２４ 排気口
２５ 排気口
３１〜５０ バーナー

Claims (5)

1. ガラス原料を溶解する溶解室と、該溶解室の前壁から後壁に至る流路の側壁に設けられる複数のバーナーとを備え、前記複数のバーナーが火炎を前記溶解室内に噴出して前記溶解室内のガラスを加熱し溶解するガラス溶解炉において、
   前記複数のバーナーには、燃料を酸素ガスと混合して燃焼させた火炎を噴出する酸素燃焼バーナーと、燃料を空気と混合して燃焼させた火炎を噴出する空気燃焼バーナーとの両方が用いられており、
   前記複数のバーナーの１時間当たりの総燃焼熱量の３０％以上９０％以下が前記酸素燃焼バーナーによるものであって、
   前記溶解室は、前後方向に平行な両側壁、前後方向に垂直な前記前壁、および前後方向に垂直な前記後壁によって囲まれ、天井壁によって上方を覆われ、
   前記溶解室内の燃焼後のガスを外部に排気するための排気口が、前記溶解室の両側壁のそれぞれに１つのみ対向して配置され、又は、前記溶解室の両側壁の一方のみに且つ１つのみ配置され、
   前記排気口の前端と前記前壁との間の前後方向における距離及び前記排気口の後端と前記後壁との間の前後方向における距離のうち最大距離をＬとすると、前記排気口の前端から前方向に０．６Ｌ以上離れた領域、及び／又は前記排気口の後端から後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に、前記酸素燃焼バーナー及び前記空気燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられ、
   該領域に設けられる前記バーナーの１時間当たりの総燃焼熱量のうち５％以上９５％以下が前記空気燃焼バーナーによるものであるガラス溶解炉。
2. ガラス原料を溶解する溶解室と、該溶解室の前壁から後壁に至る流路の側壁に設けられる複数のバーナーとを備え、前記複数のバーナーが火炎を前記溶解室内に噴出して前記溶解室内のガラスを加熱し溶解するガラス溶解炉において、
   前記複数のバーナーには、燃料を酸素ガスと混合して燃焼させた火炎を噴出する酸素燃焼バーナーと、燃料を空気と混合して燃焼させた火炎を噴出する空気燃焼バーナーとの両方が用いられており、
   前記複数のバーナーの１時間当たりの総燃焼熱量の３０％以上９０％以下が前記酸素燃焼バーナーによるものであって、
   前記溶解室は、前後方向に平行な両側壁、前後方向に垂直な前記前壁、および前後方向に垂直な前記後壁によって囲まれ、天井壁によって上方を覆われ、
   前記溶解室内の燃焼後のガスを外部に排気するための排気口が、前記前壁、又は、前記後壁に配置され、
   前記排気口が前記前壁に配置される場合には前記排気口と前記後壁との間の前後方向における距離をＬとすると前記排気口から後方向に０．６Ｌ以上離れた領域に、前記排気口が前記後壁に配置される場合には前記排気口と前記前壁との間の前後方向における距離をＬとすると前記排気口から前方向に０．６Ｌ以上離れた領域に、前記酸素燃焼バーナー及び前記空気燃焼バーナーが少なくとも１つずつ設けられ、
   該領域に設けられる前記バーナーの１時間当たりの総燃焼熱量のうち５％以上９５％以下が前記空気燃焼バーナーによるものであるガラス溶解炉。
3. 少なくとも２つの前記空気燃焼バーナーが前記溶解室の側壁に配列される場合、該２つの空気燃焼バーナーの間には、少なくとも１つの前記酸素燃焼バーナーが設けられる請求項１又は２に記載のガラス溶解炉。
4. 前記溶解室は、前記流路の途中にくびれ部を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガラス溶解炉。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のガラス溶解炉を用いたガラスの溶解方法。

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