JP5739900B2 - ガラス製造工程における凝縮物に関連する欠陥を減少させるための方法および装置 - Google Patents
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Description
本出願は、２００９年１１月３０日に出願された米国特許出願第６１／２６５，０６０号の優先権の利益を主張する。本明細書の内容、並びに公開公報、特許および本明細書で言及する特許文献の全体の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、概してガラス溶融物内の異物を減少させる方法に関し、とくに詳細にはガラス撹拌工程中の凝縮形成異物を減少させる方法に関する。
化学的および熱的な均質性は、良好なガラス成形操作の極めて重要な部分である。ガラス溶融操作の機能は、一般に、ガス状または固体の含有物が許容レベルにあるガラスを製造することにあるが、このガラスには通常、化学的に異なる相の脈理(cord)（または縞(striae)または透しむら(ream)）がある。ガラスのこれらの不均質成分は、耐火物の融解、溶融による層化、ガラス表面の気化、および温度差を含む、溶融プロセス中の様々な通常の出来事に起因する。その結果として生じた脈理は、色および／または屈折率差のために、ガラスにおいて目に見える。
ガラスの均質性を改善する手法の１つは、溶融装置の下流に位置する、垂直方向に延びる撹拌チャンバに溶融ガラスを通すことである。そのような撹拌チャンバは、適切なモータにより回転される中心シャフトを有する撹拌器を備えている。複数の翼がそのシャフトから延在し、溶融ガラスが撹拌チャンバの上部から底部に通過するときに、この溶融ガラスを混合する働きをする。本発明は、得られるガラス中にさらなる欠陥、とくに、凝縮酸化物から発生する欠陥を導入しない、そのような撹拌チャンバの操作に関する。
ガラス撹拌チャンバ内の揮発性酸化物は、ガラスおよび撹拌チャンバ内に存在するあらゆる成分から形成されうる。最も気化しやすく、かつ損害を与える酸化物は、Ｐｔ、Ａｓ、Ｓｂ、ＢおよびＳｎ（白金、ヒ素、アンチモン、ホウ素および錫）から形成される。ガラス溶解液に凝縮される酸化物の一時的供給物は、ＰｔＯ2のための高温の白金表面、およびＢ2Ｏ3、Ａｓ4Ｏ6、Ｓｂ4Ｏ6およびＳｎＯ2のためのガラス自由面を含む。ガラス自由面とは、撹拌チャンバ内において雰囲気に晒されるガラスの表面を意味する。ガラス自由面上方の雰囲気、およびその雰囲気に含まれる可能性がある上述したいくつかのもしくは全ての物質、または他の揮発性物質は、撹拌チャンバの外部よりも高温であるため、ガラス自由面上方の雰囲気は、撹拌器シャフトと撹拌チャンバカバーとの間の環状のスペースを経由する等、任意の開口を経由して、自然に上方へ流れやすい傾向がある。撹拌器シャフトとガラス自由面との距離が大きくなるほど、撹拌チャンバシャフトの温度は低くなるため、撹拌チャンバ雰囲気中に含まれる揮発性酸化物は、シャフトおよび／またはカバーの温度が酸化物の露点未満であると、シャフトの表面で凝縮するであろう。その結果生じる凝縮物が臨界のサイズに達すると、それらは、離脱し、ガラスに落下して、ガラス製品に含有物または気泡の欠陥を引き起こしうる。
ガラス自由面上方でシャフトを加熱することは、ガラス溶融物内の微粒子状異物を減少させるという点において部分的にしか成功せず、凝縮物が層化されたという結果にしかならないことが実証された。
本発明の広い態様において、ガラス溶融物およびガラス製造システム内の撹拌器チャンバの撹拌ロッドに取り付ける、凝縮物収集容器が提供される。凝縮物収集容器は環状底部を備え、この環状底部に対して所定の角度で円筒壁が環状底部に取り付けられている。凝縮物収集容器は、溶融ガラスを保持するように構成された円筒撹拌チャンバ内に設けられる。撹拌チャンバは、自身を通る流路を規定するカバー、カバーを通って撹拌チャンバ内に延在するシャフトであって、これにより、カバーとシャフトとの間に環状ギャップが形成されるシャフトを有する撹拌器を備える。シャフトには、チャンバ内において溶融ガラスを効果的に撹拌するために使用される、翼が取り付けられている。
本発明は、添付の図面を参照して、決して制限を意図せずに、与えられる以下の説明の過程でより明らかになる、他の目的、特徴、詳細およびその利点をより容易に理解されるであろう。
図１は、ガラス溶融物を均質化する方法を実行するための装置の例を示す図である。図１に示す撹拌チャンバ１０は、入口パイプ１２および出口パイプ１４を有する。図示の実施形態において、溶融ガラスは、矢印１３に示すように、入口パイプ１２を経由して撹拌チャンバに流れ込み、矢印１５に示すように、出口パイプ１４を経由してチャンバから流れ出る。撹拌チャンバ１０は、楕円形または六角形等の他の形状でもよいが、好ましくは円筒形状を有し、かつ垂直に延びる少なくとも１つの璧部１６を有する。好ましくは、撹拌チャンバ壁は、白金、白金合金、または分散強化された白金もしくは白金合金（例えば、ジルコニア強化白金合金）から構成される内側ライニング１８を有する。伝導率に加えて耐腐食性を含む同様の耐火特性を有する他のライニング材料を代わりに用いてもよい。ガラス入口パイプ１２は、撹拌チャンバ１０の底部または底部の近傍に位置し、その一方でガラス出口パイプ１４は、撹拌チャンバの上部近傍に位置している。しかしながら、溶融ガラスが上部から撹拌チャンバに流れ込み、撹拌チャンバの底部を経由して流れ出るように、入口パイプ１２および出口パイプ１４が逆であってもよいことは当業者に理解できるであろう。適切な撹拌（すなわち、所望の均質化量）が達成されるのであれば、入口および出口パイプは、中間位置に配置してもよい。ポンピング効果を実現するためには、一般に、許容できないほど高いレベルの剪断応力を必要とするため、撹拌器は、撹拌チャンバを経由して必ずしもガラスを大きくくみ上げないことが好ましい。好ましくは、撹拌器および撹拌チャンバ壁部は、白金、白金合金、または分散強化された白金もしくは白金合金（例えば、ジルコニア強化白金合金）からなる。
撹拌チャンバ１０は、シャフト２２およびシャフトから撹拌チャンバの璧部１６へ向かって外側へ延在する複数の翼２４を備えた撹拌器２０をさらに有する。シャフト２２は、シャフトの下部から延在する翼２４が、少なくとも部分的に溶融ガラスの自由面２６よりも下に沈んだ状態で撹拌チャンバ内において回転するように、一般的に実質的に垂直方向に延び、かつ回転可能に取り付けられている。溶融ガラスの表面の温度は、通常１４００℃から１６００℃の範囲にあるが、ガラスの配合法に応じて、高くても低くてもよい。撹拌器２０は、好ましくは白金からなるが、白金合金、または分散強化された白金もしくは白金合金（例えば、ジルコニア強化白金合金）であってもよい。
図１に示すように、撹拌チャンバ１０は、例えばシステムの停止中に、撹拌チャンバからガラスを取り除くためのドレイン管２８を有していてもよい。これに加えて（またはこれに代えて）、撹拌チャンバは、任意のサンプ（sump）３０を有していてもよい。撹拌器２０は、適切な駆動源により回転される。例えば、撹拌器２０は、適切な歯車装置を経由しての電気モータ（不図示）により、またはベルトドライブにより回転されてもよい。
本実施形態によれば、撹拌チャンバ１０は、チャンバカバー３２により覆われる。チャンバカバー３２は、璧部１６に直接置かれてもよく、あるいは璧部とカバーとの間に、高温シール材が配置されてもよく、璧部とカバーとの間のシールは、どのような場合であっても、カバーと壁部との間のかなりのガス流を妨げる。カバー３２は、チャンバカバーを加熱し、したがって、撹拌チャンバを流れるガラス溶融流の自由面温度を制御するのを補助するために、カバーヒータ３４を有していてもよい。カバーヒータ３４は、通常は白金からなり、チャンバカバー耐火材料内に埋め込まれた抵抗コイルを通常有する。抵抗コイルは、直流であってもよいが、好ましくは交流電流が供給され、これにより、チャンバカバーが加熱される。チャンバカバーは、通常はガラス溶融物の自由面から約２インチ （約５．０８ｃｍ）から３インチ （約７．６２ｃｍ）の間にあるが、必要であればこれよりも大きくてもよい。したがって、容積３５は、撹拌チャンバカバー３２、撹拌璧部１６およびガラス自由面２６の間で定義される。
チャンバカバー３２は、撹拌器シャフト２２が通過する通路を含む。この通路の内面は、ケーシング３６を形成するライニングを有していてもよい。撹拌チャンバの他の構成部品と同様に、ケーシングは高温および腐食性ガスによる腐食、並びに溶融ガラスから発生する凝縮物に対して耐久性を有することが好ましい。ケーシング３６は、通常白金、または白金合金からなる。チャンバカバー通路を通過するシャフト２２は、シャフト２２の外表面と通路との間に環状のギャップ３８を形成するか、またはケーシング３６が用いられている場合には、環状ギャップは、シャフトの外表面とケーシングの内面との間に形成される。説明を簡単にするために、以降の説明においては、参照はケーシングの内面のみとするが、どちらが適用されても双方の例を意味するよう解釈すべきである。それは、凝縮物 （例えば白金）が形成される環状ギャップ３８を規定する表面にある。凝縮物が所定サイズに達すると、凝縮物は離脱し、ガラス溶融物２６に落下し、これにより最終的なガラス製品に欠陥が生成される。チャンバカバー３２上方のシャフト２２の部分は、シャフトヒータ４６を含む耐火材料により囲まれている。カバーヒータ３４の場合と同様に、シャフトヒータ４６は、好ましくは抵抗加熱要素を備える。加熱要素は、好ましくは白金からなるが、白金合金であってもよい。
断熱層４２が、チャンバカバー３２の上方に配置される。前縁層４４は、同様にシャフトヒータ４６を囲む。環状ギャップ３８は、回転するシャフトとケーシング、ヒータ、絶縁層およびカバーとの間の接触をなくする。
少なくとも１本のフロー管５０が、撹拌チャンバ１０内の外側から撹拌チャンバ１０の内側、すなわち容積３５に延在していてもよい。フロー管は、撹拌シャフトに沿ってガス流を引き起こすように用いられてもよく、これにより、シャフトに沿った揮発性酸化物の凝縮を低減する。
撹拌器シャフト上の、カバー３２の下方かつガラス溶融物２６の上方には、凝縮物収集容器４０が配置されている。その容器は、撹拌シャフト２２に対してほぼ直交して配される環状平坦底部４１を有する。凝縮物収集容器は、外縁部の周囲において垂直方向に延びる側壁部４３を備える。底部４１および側壁部の組み合わせは、環状ギャップ３８の内面に形成され、その後落下してしまう可能性がある、あらゆる白金または他の凝縮物を収容するのに役立つ。一実施形態において、底部の面積は、環状ギャップ３８の断面積より大きい。他の実施形態において、シャフトの外表面から凝縮物収集容器の側壁部までの距離は、０．５〜２インチ（約１．２７〜約５．０４ｃｍ）の間にある。側壁部の高さは任意の値をとりうるが、一実施形態においては、０．２５インチ（約０．６３５ｃｍ）から１インチ（約２．５４ｃｍ）の範囲にある。
凝縮物収集容器４０の部分斜視図（図２）に示すように、環状底部はシャフトと同一面となりかつシャフトを囲んでいる。周囲の側壁部は、容器の外側境界線を規定する。上方から落下する凝縮物が着地し、環状底部４１および周囲の側壁部４３により規定される容器内に収容されるように、蓋はない。凝縮物収集容器４０は、様々な方法によりシャフトに取り付けられてもよいが、一実施形態においては、所定の長さに沿ってシャフト２２と接触するカラー４５が形成される。カラー４５は、シャフトに溶接されるか、そうでなければ、結合されていればよい。一実施形態において、凝縮物収集容器は、２つの半環状部品を組み合わせ、径方向の溶接線４７に沿ってこれらを溶接することにより、シャフトに取り付けられる。
図３は、凝縮物収集容器４０の断面図である。一実施形態において、底部と外周壁とがなす角度θＡは、９０〜１２０度であってもよい。好ましい実施形態において、底部と外周壁とがなす角度θＡは１００度である。カラー４５は撹拌器シャフト２２と一体となっているため、底部とカラーとがなす角度θＢは、シャフトの外壁の角度と一致するであろう。一実施形態において、この角度θＢは８５〜９０度である。
凝縮物収集容器は、撹拌チャンバの実際の温度のタイプに耐える能力が分かっている材料から作製されてもよい。例えば、凝縮物収集容器は、白金からなるものであってもよいが、白金合金、または分散強化された白金もしくは白金合金（例えば、ジルコニア強化白金合金）からなるものであってもよい。
動作において、凝縮物収集容器は、上述したように環状ギャップから離脱した凝縮白金凝縮物を徐々に収集する。ガラス製造システムがメンテナンス工程のために停止される際に、容器内の凝縮物は回収され、廃棄されるか再利用される。
本発明の範囲を外れることなく、本発明に対して変更および改良を加えることができることは、当業者に自明であろう。したがって、変更および改良が以下のクレームおよびその等価物の範囲内にある限り、本発明がその変更および改良を包含することが意図される。
１０ 撹拌チャンバ
１２ 入口パイプ
１４ 出口パイプ
２０ 撹拌器
２２ シャフト
２６ ガラス自由面
３２ チャンバカバー
４０ 凝縮物収集容器
１２ 入口パイプ
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４０ 凝縮物収集容器
Claims (4)
- ガラス製造システムの一部として、溶融ガラスの撹拌および収容に使用される撹拌チャンバであって、
少なくとも１つの壁部および自身を通る流路を有するカバーと、
前記カバーの流路を経由して延在するシャフトであって、これにより該シャフトと前記カバーとの間で環状ギャップを形成するシャフトを備えた撹拌器と、
前記溶融ガラスの自由面上方の容積と、
前記溶融ガラスの自由面の上方に設置され、前記撹拌器のシャフトに対してほぼ直交して配置された平坦環状底部を有する凝縮物収集容器であって、前記底部が縁部および該縁部に隣接して接続された垂直方向に延びる側壁部を有し、該底部と該側壁部とが９０〜１２０度の間の角度で交差し、該容器を前記シャフトに取り付ける環状カラーを備えた凝縮物収集容器と、
を備えたことを特徴とする撹拌チャンバ。 - 前記底部と前記側壁部との交差により生成される角度が、１００度であることを特徴とする請求項１記載の撹拌チャンバ。
- ガス流の前記チャンバ内への流入および前記容量の経由を許容する少なくとも１つのガス流管をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の撹拌チャンバ。
- 前記シャフトの外表面から前記凝縮物収集容器の前記側壁部までの距離が、０．５〜２インチ（約１．２７〜約５．０４ｃｍ）の間にあることを特徴とする請求項１記載の撹拌チャンバ。
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