JP6296892B2 - ガラス繊維製造用スピナー - Google Patents

Description

本発明は、廃ガラスからガラス繊維を製造するために使用するスピナーとその周辺構造に関するものである。

一般的なガラス繊維の製造方法は、廃ガラスと原料を混ぜ合せ溶解させた後、ガラス繊維製造用スピナーで製造される。通常、ガラス繊維製造用スピナーは側面にφ1.0ｍｍ以
下の穴が開けられており、スピナーを高速で回転させることにより、遠心力で溶けたガラスがこの側面の穴から飛び出すことと、スピナー外周から噴き出される高速のガス流に押されることにより繊維化される。このような一般的なスピナーの構造は特許文献１に記載されている。
また、特許文献２には、遠心分離ブッシュの孔を通り遠心分離ブッシュの回りに放出されて繊維を形成するフェノール樹脂繊維の製造方法が示されている。
また、特許文献３には、誘引空気を使用する環状ブロワにより、スピナーで作る１次繊維を引っ張って、更に細い２次ガラス繊維にするものが示されている。
また、特許文献４には、スピナーの熱変形を防止してクリープ寿命を改善するため、シャフト部分から外周部分へ延在する放射状の壁の上面と下面を連通する第１の流れ孔と、上面の内周部分と外周部分を連通する第２の流れ孔をもつスピナーが記載されている。
さらに、特許文献５には、スピナー寿命を延ばすため、溶融ガラスを底部で受け、この底部に連なる側壁にオリフィスを設けたスピナー本体と、底部に断熱保温部を設けた溶融ガラス繊維化用スピナーが示されている。

特開平８−１５８１３８号公報 特開昭５９−１７９８１１号公報 特開平７−３３１５２３号公報 特表２００１−５０１１６４号公報 特許第３７１４４９３号公報

特許文献１に開示されている例では、スピナー側面の穴から飛び出した溶融ガラス繊維に、１０ｍ／ｓ以上の速度を有する高速ガス（以下同様に、「高速ガス」とは１０ｍ／ｓ以上の速度を有する高速ガスを意味する）を吹き付けて繊維化するためのノズルをスピナーの上下に配置しており、スピナーを回転させる軸と垂直となる放射面とノズルから噴き出す高速ガスの噴き出し方向が４５°以下となるように構成されている。
そして、上記先行技術では、スピナーから放射方向に溶融ガラスは飛散し高速ガスによって延伸されると記載されているが、一般的にはスピナーは２０００〜３０００ｒｐｍで回転しており、スピナーから出た溶融ガラスはスピナー側面に対して垂直方向よりも、接線方向に飛び出す速度の方が大きくなるため、先行技術のように、溶融ガラスの飛び出す放射面と高速ガスの噴き出し角度を４５°以下としてしまうと、スピナーから飛び出した溶融ガラスが高速ガスに衝突するまでには、スピナーの表面から数ミリ以上の距離を設けることが必要となる。つまり、スピナーから数ミリ離れた位置に高速ガスを吹き付けても、どこか別の穴から飛び出した冷え切った溶融ガラス繊維が高速ガスの中を横切るだけとなり、繊維を延伸する効果が見られないという課題があった。

上記課題を解決するため、本発明に係るガラス繊維製造用スピナーは、回転体であるスピナーホイールの中心面の上下から吐出する高速ガスを、ガラス繊維の延伸化に効果的に利用するためのガラス繊維製造用スピナーを提供することを目的とする。

本発明のガラス繊維製造用スピナーは、溶融したガラスを高速回転による遠心力によって繊維化するスピナーホイール、前記スピナーホイールの周囲に設けられ、高速ガスを所定の方向に噴出する高速ガス噴出器、および前記スピナーホイール内に溶融ガラスを供給する溶融ガラス供給部、を備えたガラス繊維製造用スピナーであって、前記スピナーホイールは、高速回転により前記溶融ガラスを外部に吐出させるため傾斜した側面に複数列設けられ、内面側の穴直径を穴長さが最も短い基準の穴径と同一にし前記側面に近づくにつれ穴直径を少しずつ大きくしたテーパ穴と、前記側面から吐出された前記溶融ガラスに前記高速ガスを吹き付けるため前記高速ガス噴出器から噴出した前記高速ガスを前記スピナーホイールの中央軸の軸方向断面においては所定の方向に、かつ前記中央軸に直交する面内方向においては前記スピナーホイールから溶融ガラス繊維が吐出される方向と同一の合成速度成分の方向に噴き出す傾斜面と、を有しているものである。

本発明のガラス繊維製造用スピナーによれば、スピナーホイール側面から所定の方向に吐出す溶融ガラス繊維の後方から高速ガスを吹き付けることにより、ガラス繊維がスピナーホイールから引き離される作用を受けるため、従来よりも細い繊維径のガラス繊維を得ることが可能となる。また、スピナーホイールの中心面の上下に配置した傾斜面に穴を設けたことにより、スピナーホイールから吐出する溶融ガラス繊維の軌跡を遮ることなく、溶融ガラス繊維がスピナーホイールから吐出された後、高速ガスの流れの影響を受けることが可能となる。さらに、前記穴の穴長さによらず、均一直径かつ均一量のガラス繊維が吐出される。

本発明の実施の形態１に係るガラス繊維製造用スピナーを示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係るガラス繊維製造用スピナーの回転する部分であるスピナーホイールの主要部の概略側面図である。 本発明の実施の形態１に係るガラス繊維製造用スピナーのスピナーホイールの傾斜面に設けた１つの穴から噴出する溶融ガラス繊維の速度成分を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係るスピナーホイールの傾斜面の全周における溶融ガラス繊維の合成速度成分を示す図である。

実施の形態１．
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお以下に述べる実施の形態は本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限りこれらの形態に限られるものではない。

図１は本発明にかかるガラス繊維製造用スピナー１０１および、高速ガス噴出器上部２と高速ガス噴出器下部３を正面から見た場合の断面図である。図1においてガラス繊維製造用スピナー１０１の中央軸近傍（回転中心軸とその近傍領域）には、ガラス繊維製造用スピナーの回転用モーターと連結されたシャフト４が通っており、ガラス繊維製造用スピナー１０１の回転部分であるスピナーホイール１は、このシャフト４と連結される。そして、この回転用モーターの回転と同期してスピナーホイール１は高速回転する構造となっている。スピナーホイール１の内部の空間は中心面（スピナーホイール１の上下方向の中心の中心面のこと）で仕切られており、内部の空間がこの中心面を基準にして上下に分割されている。なお、この分割された内部の容積は、上記中心面を基準としてその上下で均等であってもよく、また、異なっていてもよいが、本発明では便宜上、等分割とした。
また、スピナーホイール１の上下の各構成部分の側面（スピナーホイールに穴加工した面）は、所定の角度（ここでは、上記中心面を基準として、４５°〜８５°の範囲で設定される角度）に傾斜しており、円錐形状のうち、頂点を含む上半分を切り取った形状を成している。このスピナーホイール１の上下の各構成部分の傾斜面は、上記中心面を対象にして、上下の各構成部分が同一傾斜角であってもよく、また上下の各構成部分で傾斜角が異なっていてもよい。この側面の傾斜面には、微小な穴が、それぞれの傾斜面に１列以上設けられている。

さらに詳しく説明すると、本発明に係るガラス繊維製造用スピナーでは、回転部分であるスピナーホイールの中心面の上下（ここで、上下とは、図２に示すように、スピナーの上下方向の形状対称中心である中心面を基準として、この面を含む水平面に対する上下を意味する）の側面であるスピナーホイールの傾斜面にφ１．０ｍｍ以下の微小穴を設けたことを特徴とする。
スピナーホイールの内部に貯留されたガラス繊維は、通常、ガラス繊維製造用スピナーの回転による遠心力によって、このスピナーホイールの側面に設けられた穴から飛び出し、穴径より細い径となり引き延ばされるが、本発明のように側面に設けられた穴のサイズをφ１．０ｍｍ以下の細径に設定すると、最終的には、遠心力と高速ガスによって引き延ばされることによって１０μｍ以下の微小サイズで、しかもサイズのばらつきが少ない繊維を得ることが可能となる。
そして、スピナーホイールの上下に配置した図１の高速ガスの噴き出し口７（上下面両方に噴き出し口がある）の形状中心の軸の軸方向は、スピナーホイールの傾斜した側面に沿うようにする、すなわち、高速ガスの噴き出し口の外周断面の外形線が、スピナーホイールの円錐状の外周面の傾斜した側面の断面の外形と上記水平面に対してほぼ同角度の傾斜になるように形成する（以下、「沿う」をここで示した意味と同様に用いる）と共に、高速ガスを吹き付ける（本発明では、高速ガスの噴き出し口７から噴き出された高速ガスを高速で回転するスピナーホイールの側面の穴から遠心力で飛び出したガラス繊維に吹き付ける）が、その吹き付ける角度を、図３に示すように、スピナーホイールを上面から見た場合に、高速ガスをスピナーホイールの接線方向に吹き付けるか、法線方向に吹き付けるか、のいずれかの角度になるよう、調整出来るようにしたことを特徴としている。
これにより、スピナーホイールから出た溶融ガラス繊維は、スピナーホイールの傾斜面の接線方向と遠心力との合成力方向に飛び出そうとすると共に、溶融ガラス繊維には高速ガスが斜め後方から吹き付けられる。

図２では、上記の上下の傾斜面に各１列の穴８を設置した例を示している。本発明では、この穴８は側面の法線方向に対して垂直に開けられるのではなく、スピナーホイール１を設置した際に、水平方向に穴８の中心軸が向くように開けられている。そして、スピナーホイール１の内部へ溶融されたガラスを供給する専用の溶融ガラス供給部であるノズルを介して、ガラスを溶融する溶解炉（図示せず）がスピナーホイール１の上部に設置されている。この溶解炉で溶融された１０００℃以上の高温の溶融ガラスが、上記専用の溶融ガラス供給部であるノズルを経由してスピナーホイール１供給されることとなる。

この溶融ガラスを溶融炉からスピナーホイール１に供給する上記２個の専用ノズルの一方は、スピナーホイール１の内部で上下に仕切られた部屋のうち下側の部屋に繋がる溶融ガラス供給部（下側用ノズル）５であり、他方は、スピナーホイール１の上側の部屋につながる溶融ガラス供給部（上側用ノズル）６である。そして、これら溶融ガラス供給部（ノズル）は、上述の各部屋に溶融ガラスを供給する役割を果たす。なお、これらの溶融ガラス供給部５、６は、スピナーホイール１の回転と同期して回転することはなく固定されている。一方、溶融炉内の溶融ガラスは溶融ガラス供給部（下側用ノズル）５の内部を流れて、スピナーホイール１が回転している間は、スピナーホイール１の内部へ一定量供給
される。

そして、このスピナーホイール１は周速度２０ｍ／ｓ以上の高速で一定方向に回転しているため、スピナーホイール１の内部に供給された溶融ガラスには遠心力が働き、溶融ガラスはスピナーホイール１内部の壁面に押しつけられる形となる。そして、壁面には上述のように、φ１．０ｍｍ以下の穴８が開いており、押しつけられている溶融ガラスは、これらの穴を通過し、スピナーホイール１の外に高速で吐出されることとなる。

上記φ１．０ｍｍ以下の穴は各傾斜面に対して１列が好ましい（穴が各傾斜面に対して複数列あると、列の位置によって遠心力が異なり生成される溶融ガラスの性状も変化することが考えられるため）が、複数列設置することも可能である。複数列設置した場合、スピナーホイール１が回転しているときには、溶融ガラスが均一にスピナーホイール１の内面で広がるために、スピナーホイール１の内面は穴の軸に対して垂直な面となっているほうが好ましい（内面も傾斜していると、遠心力の違いが生じ、生成される溶融ガラスの性状が変化することが考えられるため）。しかし、スピナーホイール１の側面は傾斜しているため、側面に開けられる穴８の長さは開けられる位置（スピナーの上下方向の中心にあり、かつ中心面と平行となる面からの距離）によって異なる。

スピナーホイール１の中心に近い場所では、内面と側面の距離が最も遠くなるため穴８の長さは長くなる。すべての穴位置で穴径が等しく穴形状が同一であれば、そうでない場合よりも溶融ガラスの穴からの排出抵抗が大きくなる。

そこで、本発明では、穴長さが最も短い箇所の穴長さを基準として、これより長くなる箇所については、スピナーホイール１の内面側の穴直径を小さくし、すなわち、スピナーホイール１の内面側の穴直径を、穴長さが最も短い基準の穴径と同一にし、側面に近づくにつれ穴直径を少しずつ大きくするテーパ穴加工を施す。このように設定することによって、溶融ガラスの排出抵抗の増加を防ぐことが出来るため、穴長さによらず、各穴から均一直径かつ均一量のガラス繊維が吐出されることとなる。

なお、上記のテーパ穴は、上記の説明とは逆に、スピナーホイール１の内面側の直径が大きく、側面に近づくに従って直径が小さくなる構成や、段付き穴としてもよい。

次に、スピナーホイール１の上下に設置する高速ガスの噴出器について説明する。この高速ガス噴出器上部２と高速ガス噴出器下部３はスピナーホイール１と同様に、外形が円形状であり、スピナーホイール１の上部に設置する噴出器の場合、高速ガスを送り込む高速ガスの配管９と連結されており、この高速ガスの配管９を通って、円形状の噴出器に圧縮ガスが供給される。供給されたガスは噴出器の高速ガス噴き出し口７の傾斜角を有する外周面からスピナーホイール１の側面に沿って均一に噴き出す構造となっている。

この高速ガス噴き出し口７はスピナーホイール１の上下傾斜面に開けられた穴８と極力近い位置（ここでは、両者の距離が１００ｍｍ以下であり、物理的に最も近い位置）に配置するのが好ましい。スピナーホイール１の上下に噴出器を設置することにより、高速ガスの噴き出し口７とスピナーホイール１の側面に開けられた穴８との距離を近くすることが出来るため、高速ガス噴き出し口７から出た高速ガスがガラス繊維と衝突するまでの間の高速ガスの速度低下を最小に抑えることが出来る。

現在、φ１０μｍ以下の細い直径のガラス繊維を作り出すためには、溶融ガラスの遠心力だけでは、限界があり高速ガスなどの外力を効果的に利用し、より大きさの均一な条件のガラス繊維を作り出すことが必要である。

また、スピナーホイール１の回転数は、周囲の気温、湿度、溶解するガラス原料の状況など周囲の環境の変化に応じて（ここで「応じて」とは、年間を通じて周囲温度、湿度の変化、繊維となるガラス原料の混合比率等が変化することによってガラス粘性が変化するが、その時のガラス粘性に応じての意味）調整する必要があり、回転数が異なるとガラス繊維の吐出される軌跡も異なってくる。よって、あらゆる回転数において、安定して一定の繊維径（ここではφ10μｍ以下の径の）のガラス繊維を得るためには、この回転数の違いによるガラス繊維の吐出される軌跡に応じた最適な高速ガスの噴き出し方向および噴き出し速度を設定する必要があり、任意に高速ガスの噴き出し方向が調整できるようにしておくことが必要である。

そこで、スピナーホイール１上のある一つの穴８を例に高速で回転するスピナーホイール１の穴８から吐出される溶融ガラス繊維の方向を図３に示す。スピナーホイール１が図示する矢印の回転方向１３にある一定値以上の高速で回転している場合、スピナーホイール１内から穴８を出た溶融ガラスは、スピナーホイール１の回転半径ｒ、回転速度ωとした場合、接線方向速度成分１０（接線方向速度の大きさＶ１は、Ｖ1＝ｒ×ωとなる）と、遠心力によって、溶融ガラスが穴８を通過する法線方向速度成分１１の合成速度成分１２の方向に吐出されることとなる。

このため、スピナーホイール１の上下に設置する高速ガスの流れを細繊維化のために最大限利用するには、高速ガスの噴き出し方向をスピナーホイール１から溶融ガラス繊維が吐出される方向と同一の合成速度成分１２の方向にすると共に、傾斜面に沿って流れるようにする。

このようにすることによって、遠心力でスピナーホイール１から吐出される溶融ガラス繊維には、温度が高く、粘度が低い状態で、後方から高速ガスが吹き付けられるため、遠心力と高速ガスによって、一定時間の間に一定量のガラス繊維が、従来よりもスピナーホイールからさらに遠くへ引き延ばされる作用を受けることとなる。つまり、ガラス繊維の繊維直径を従来よりも細くすることが出来る。

実際のスピナーホイール１の傾斜面に空いている穴を考慮すると、同心円状に並んで設置された高速ガス噴き出し口７からは、図４に示すような噴き出し方向となる。また、スピナーホイール１の回転速度に応じて、上記の接線方向速度成分と垂直方向速度成分も変化するため、高速ガスの噴き出し口７には（図示しない）可動式のフラップを複数枚設置し、上記、速度成分間で最適な噴き出し方向（スピナーホイールから吐出される繊維の方向と水平な方向）に調整出来るようにする。この理由は、高速ガスが持っている速度成分を効果的に溶融ガラスに伝えるためであり、また、その際のエネルギー伝達のロスを最小にするためである。

また、一般的なスピナーの回転速度は２０００〜３０００ｒｐｍであると共に、スピナー径も決まっているため、スピナーホイール１の穴８からの溶融ガラス繊維の飛び出し速度は、自ずと決まる。また、φ１０μｍ以下の微小径の繊維を製造するためには、高速ガスの噴き出し機構部をスピナーと同様に回転させて、高速ガスの噴き出し速度を向上させてもよい。よって、本発明のガラス繊維製造用スピナーを用いると、高速ガスを効果的に利用し、従来より細いガラス繊維を得ることが出来る。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ スピナーホイール、２ 高速ガス噴出器上部、３ 高速ガス噴出器下部、４ シャフト、５ 溶融ガラス供給部（下側用ノズル）、６ 溶融ガラス供給部（上側用ノズル）、７ 高速ガス噴き出し口、８ 穴、９ 高速ガスの配管、１０ 接線方向速度成分、１１ 法線方向速度成分、１２ 合成速度成分、１３ 回転方向、１０１ ガラス繊維製造用スピナー。

Claims (4)

1. 溶融したガラスを高速回転による遠心力によって繊維化するスピナーホイール、
   前記スピナーホイールの周囲に設けられ、高速ガスを所定の方向に噴出する高速ガス噴出器、
   および前記スピナーホイール内に溶融ガラスを供給する溶融ガラス供給部、を備えたガラス繊維製造用スピナーであって、
   前記スピナーホイールは、
   高速回転により前記溶融ガラスを外部に吐出させるため傾斜した側面に複数列設けられ、内面側の穴直径を穴長さが最も短い基準の穴径と同一にし前記側面に近づくにつれ穴直径を少しずつ大きくしたテーパ穴と、前記側面から吐出された前記溶融ガラスに前記高速ガスを吹き付けるため前記高速ガス噴出器から噴出した前記高速ガスを前記スピナーホイールの中央軸の軸方向断面においては所定の方向に、かつ前記中央軸に直交する面内方向においては前記スピナーホイールから溶融ガラス繊維が吐出される方向と同一の合成速度成分の方向に噴き出す傾斜面と、を有していることを特徴とするガラス繊維製造用スピナー。
2. 前記テーパ穴のサイズは、前記側面においてφ１．０ｍｍ以下であり、前記高速ガスが噴き出す傾斜面の所定の方向は、前記スピナーホイールの上下方向の中心面を基準として４５°〜８５°であることを特徴とする請求項１に記載のガラス繊維製造用スピナー。
3. 前記高速ガス噴出器は、前記スピナーホイールの上下の位置にそれぞれ設けられ、前記側面から飛び出した溶融ガラスに向けて前記上下の方向から高速ガスが噴出されることを特徴とする請求項１に記載のガラス繊維製造用スピナー。
4. 前記高速ガス噴出器は、前記高速ガスが噴出する噴出口を有し、この噴出口に前記高速ガスの流れ方向を規制するフラップを複数設置することを特徴とする請求項１に記載のガラス繊維製造用スピナー。

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