JP6756982B2 - 撹拌スターラー及びガラス板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、撹拌槽内で溶融ガラスを撹拌するための撹拌スターラーと、当該撹拌スターラーを用いたガラス板の製造方法に関する。

周知のように、ガラス板の製造工程においては、ガラス板の元となる溶融ガラスを円筒状に形成された撹拌槽内で撹拌して均質化させる撹拌工程が実行される。撹拌工程の実行には、軸と、当該軸の回転に伴って軸周りを旋回する撹拌翼とを備えた撹拌スターラーが使用される。この撹拌スターラーにより、溶融ガラスは撹拌槽内を軸の長手方向に沿って流れながら撹拌されていく。

ここで、特許文献１および特許文献２には、それぞれ撹拌スターラーの具体的な構成の一例が開示されている。特許文献１には、軸と、当該軸に沿って互いに間隔を空けて配置された複数の撹拌翼とを備え、各撹拌翼が櫂形状に形成された撹拌スターラー（以下、第一の撹拌スターラーと表記）が開示されている。また、特許文献２には、軸と、当該軸の周りで螺旋状に形成された撹拌翼とを備え、撹拌翼に該翼を貫通する貫通開口部が形成された撹拌スターラー（以下、第二の撹拌スターラーと表記）が開示されている。

特開２０１１−１７８６５６号公報 特開２００８−１２０６３０号公報

しかしながら、上記の第一及び第二の撹拌スターラーのいずれにおいても、下記のとおり、溶融ガラスの撹拌性能が未だ十分でないという問題があった。

詳述すると、第一の撹拌スターラーでは、撹拌槽内で溶融ガラスと撹拌翼とが同じ方向に旋回してしまい、撹拌翼から溶融ガラスにせん断力（撹拌翼の旋回方向に沿って作用するせん断力であり、以下において「せん断力」とは同方向に沿って作用するせん断力を意味する）を作用させ難いことから、溶融ガラスを十分に撹拌することが困難であった。一方、第二の撹拌スターラーでは、撹拌槽の内周壁付近において、撹拌翼から溶融ガラスに作用させ得るせん断力が極めて小さく、内周壁付近の溶融ガラスを十分に撹拌することが不可能であった。

このような事情に鑑みなされた本発明は、撹拌スターラーを改良して溶融ガラスの撹拌性能の向上を図ることを技術的な課題とする。

上記の課題を解決するために創案された本発明は、軸と、軸の長手方向に沿って取り付けられた複数の撹拌翼とを備え、軸の回転に伴って複数の撹拌翼を軸周りで旋回させて撹拌槽内の溶融ガラスを撹拌するための撹拌スターラーであって、撹拌翼が貫通開口部を有し、撹拌翼における先端部が軸の長手方向に沿って延び、軸周りの旋回時に、軸の一端側の撹拌翼ほど、他端側の撹拌翼に対して、軸周りでの位相が遅れるように複数の撹拌翼が取り付けられていることに特徴付けられる。

本発明に係る撹拌スターラーを、軸の一端側から他端側に向かって溶融ガラスが流れる撹拌槽に使用すれば、下記のような効果が得られる。すなわち、撹拌翼が貫通開口部を有するので、溶融ガラスが旋回中の撹拌翼の貫通開口部を通過することが可能となり、撹拌槽内で溶融ガラスと撹拌翼とが同じ方向に旋回してしまうような事態の発生を回避できる。その上、貫通開口部の通過に伴って溶融ガラスにせん断力を作用させることも可能となる。また、撹拌翼における先端部が軸の長手方向に沿って延びていることから、撹拌槽の内周壁付近において、撹拌翼から溶融ガラスにせん断力を好適に作用させることができる。さらに、この撹拌スターラーでは、軸周りの旋回時に、軸の一端側の撹拌翼ほど、他端側の撹拌翼に対して、軸周りでの位相が遅れるように複数の撹拌翼が取り付けられている。これにより、これらの撹拌翼が軸周りを旋回するのに伴い、軸近傍において他端側から一端側に向かう溶融ガラスの流れを形成できる。そして、当該流れが、撹拌槽内での本来的な流れである軸の一端側から他端側に向かう溶融ガラスの流れと、撹拌翼が旋回することにより生じる円周方向の旋回流れと合わさることで、軸の半径方向に沿った流れが生じる。この半径方向に沿った流れにより、軸近傍の溶融ガラスと内周壁際の溶融ガラスとが置換される。それゆえ本発明に係る撹拌スターラーを使用すれば、溶融ガラスがせん断力を受ける機会が増すことから、溶融ガラスの撹拌を促進することができる。以上のように、本発明に係る撹拌スターラーによれば、溶融ガラスの撹拌性能を向上させることが可能となる。

なお、本発明に係る撹拌スターラーによれば、副次的に下記のような効果も得ることができる。つまり、撹拌翼が貫通開口部を有するので、撹拌翼が軸周りを旋回する際に溶融ガラスから受ける抵抗を抑制することが可能である。このため、撹拌翼の破損や変形等を回避するために必要な撹拌翼の強度を低くでき、これに伴って、撹拌翼の軽量化を図ることが可能となる。その結果、軸を回転させるため（撹拌翼を旋回させるため）に要するトルクを小さくできる。また、この撹拌スターラーでは、溶融ガラスの撹拌性能が向上していることから、軸の回転数を減少させたとしても十分に溶融ガラスを撹拌することが可能である。これにより、回転数を減少させることで、白金や白金合金で構成される撹拌翼の表面から白金、或いは、白金合金が剥離する虞を低減させることができる。

上記の構成において、貫通開口部が、撹拌翼の旋回方向に沿って撹拌翼を貫通していることが好ましい。

このようにすれば、溶融ガラスが貫通開口部をより通過しやすくなるため、撹拌翼が溶融ガラスから受ける抵抗を更に抑制することが可能となる。従って、撹拌翼に必要な強度をより低くでき、撹拌翼の更なる軽量化を図ることが可能となるので、軸を回転させるために要するトルクをより小さくできる。

上記の構成において、撹拌翼が、軸を基準として対称に配置された一対の翼体を備え、一対の翼体のそれぞれが、貫通開口部および先端部を有することが好ましい。

このようにすれば、一対の翼体が軸を基準として対称に配置されているので、撹拌スターラー全体の重心を軸上に位置させることができる。これにより、回転中の軸に偏心が生じる等の不具合が発生し、撹拌翼の先端部と撹拌槽の内周壁とが衝突するような虞を的確に排除することが可能となる。

また、上記の撹拌スターラーを用いてガラス板を製造するガラス板の製造方法によれば、液晶ディスプレイ基板等に使用可能な高品質なガラス板を容易に得ることができる。

本発明に係る撹拌スターラーによれば、溶融ガラスの撹拌性能を向上させることが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る撹拌スターラーが組み込まれたガラス板の製造装置の概略を示す図である。 ガラス板の製造装置における撹拌槽を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る撹拌スターラーを示す斜視図である。 （ａ）は、本発明の第二実施形態に係る撹拌スターラーを示す正面図である。（ｂ）は、本発明の第二実施形態に係る撹拌スターラーを示す斜視図である。 （ａ）は、本発明の第三実施形態に係る撹拌スターラーを示す正面図である。（ｂ）は、本発明の第三実施形態に係る撹拌スターラーを示す斜視図である。 （ａ）は、本発明の第四実施形態に係る撹拌スターラーを示す正面図である。（ｂ）は、本発明の第四実施形態に係る撹拌スターラーを示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態に係る撹拌スターラーについて、添付の図面を参照しながら説明する。なお、以下に挙げる各実施形態では、上方から下方に向かって溶融ガラスが流れる撹拌槽で使用される撹拌スターラーを例示して説明する。

＜第一実施形態＞
本発明の第一実施形態に係る撹拌スターラーは、ガラス板の製造装置に組み込まれている。はじめに、ガラス板の製造装置、及び、当該製造装置を用いたガラス板の製造方法の概略について説明する。

図１に示すように、ガラス板の製造装置１は、上流端に配置された溶融窯２及びその下流側に連なった清澄室３から、下流端に配置された成形装置４に溶融ガラスを供給する供給経路５を備えている。

供給経路５は、清澄室３から流出した溶融ガラスを撹拌する撹拌槽６と、その下流側に連なり、主として溶融ガラスの粘度調整を行うポット７とを備え、更にポット７の下流側には、小径管８、及び、成形装置４と連結された大径管９を備えている。清澄室３と撹拌槽６、及び、撹拌槽６とポット７は、それぞれ溶融ガラスを流通させる流通管１０および流通管１１により接続されている。なお、本実施形態では、単一の撹拌槽６が配置されているが、複数が配置される場合もある。

成形装置４は、溶融ガラスからガラス板（ガラスリボン）を連続的に成形する装置であり、例えば、オーバーフローダウンドロー法を実行する成形装置、スロットダウンドロー法を実行する成形装置等が例示される。なかでも表面品位がよく、無研磨でガラスを使用可能なオーバーフローダウンドロー法を実行する成形装置を採用することが好ましい。なお、成形装置４は、ガラス板以外のガラス製品を成形する装置であってもよく、一例として、ダンナー法によって溶融ガラスからガラス管、或いは、ガラス棒を連続的に成形する装置であってもよい。この場合には、ガラス板の製造装置１において、ポット７よりも下流側の構成が図示した構成とは相違することになるが、この場合の構成は既に公知となっているので説明は省略する。

上記の製造装置１を用いてガラス板を製造するにあたっては、まずガラス原料を溶融窯２に投入して溶融ガラスとする。次いで溶融ガラスを清澄室３で清澄し、続いて撹拌槽６内で、後述する撹拌スターラー１２により溶融ガラスを撹拌する。その後、溶融ガラスを、ポット７、小径管８、大径管９を経て成形装置４に供給し、溶融ガラスからガラス板を連続的に成形する。このようにしてガラス板を製造する。

次に、供給経路５に備わった撹拌槽６、及び、撹拌槽６内の溶融ガラスを撹拌する撹拌スターラー１２の詳細について説明する。

図２に示すように、撹拌槽６は、円筒中心線が上下方向に延びた円筒状に形成されると共に、その内周壁６ａの表面は、白金又は白金合金で構成されている。この撹拌槽６内に撹拌スターラー１２が配置されている。撹拌槽６の上部には、同図に白抜き矢印で示すように溶融ガラスを撹拌槽６内に流入させる流入口６ｂが形成されている。一方、撹拌槽６の下部には、同図に白抜き矢印で示すように撹拌スターラー１２で撹拌された溶融ガラスを撹拌槽６外に流出させる流出口６ｃが形成されている。

図２及び図３に示すように、撹拌スターラー１２は、軸１３と、軸１３の長手方向（上下方向）に沿って取り付けられた複数の撹拌翼１４とを備えている。軸１３及び各撹拌翼１４の表面は、白金又は白金合金で構成されている。この撹拌スターラー１２は、軸１３の回転に伴って複数の撹拌翼１４を軸１３周りで旋回させて撹拌槽６内の溶融ガラスを撹拌する構成となっている。なお、本実施形態では、軸１３に対して四枚の撹拌翼１４が取り付けられる形態となっているが、撹拌翼１４の枚数は適宜増減させてよい。

軸１３は、上下方向に延びた丸棒として形成されると共に、その上端部が図示省略の駆動源（例えば、モーター）と接続されている。この駆動源の稼働に伴って、軸１３が図２及び図３に矢印Ｒで示す方向に回転する。なお、軸１３の下端部は、上端部とは異なり自由端となっている。

複数の撹拌翼１４は、軸１３の長手方向に沿って等間隔で取り付けられている。また、軸１３周りの旋回時に、軸１３の上端側の撹拌翼１４ほど、下端側の撹拌翼１４に対して、軸１３周りでの位相が遅れるように取り付けられている。詳述すると、上下で隣り合う両撹拌翼１４，１４の間で、相対的に上方側の撹拌翼１４は、相対的に下方側の撹拌翼１４に対して、角度θの分だけ軸１３周りでの位相が遅れるようになっている。なお、最も位相が進む最下段の撹拌翼１４から最も位相が遅れる最上段の撹拌翼１４まで、同じ角度θの分ずつ順次に位相が遅れていく。

上記の位相の関係により、複数の撹拌翼１４が軸１３周りを旋回するのに伴い、軸１３近傍で下方から上方に向かう溶融ガラスの上昇流れが形成される。そして、当該上昇流れが、撹拌槽６内での本来的な流れである上方から下方に向かう溶融ガラスの下降流れと、撹拌翼１４の旋回に伴って生じる円周方向の旋回流れと合わさることで、軸１３の半径方向に沿った流れが生じる。これにより、図２に黒矢印で示すように、軸１３近傍の溶融ガラスと内周壁６ａ際の溶融ガラスとが置換される。

ここで、溶融ガラスの上昇流れを好適に形成するため、上記の角度θの値は、１０°〜８０°の範囲内とすることが好ましい。なお、本実施形態では、角度θの値を７０°としている。

複数の撹拌翼１４の各々は、軸１３を基準として対称（軸１３の中心軸線を基準として軸対称）に配置された一対の翼体１４ａを備えている。これにより、本実施形態に係る撹拌スターラー１２においては、その全体の重心が軸１３上に位置している。一対の翼体１４ａの各々は、縦置き姿勢とされた矩形の板状体に二つの貫通開口部１４ａａが形成されてなる。各貫通開口部１４ａａは、相互に同一な矩形に形成されると共に、翼体１４ａの旋回方向（本実施形態では、翼体１４ａの厚み方向に等しい）に沿って翼体１４ａを貫通している。各翼体１４ａの先端部１４ａｂは、軸１３の長手方向に沿って延びている。先端部１４ａｂにおける軸１３の長手方向に沿った長さＬは、軸１３の径Ｄよりも長くなっている。なお、撹拌槽６の内周壁６ａと各翼体１４ａの先端部１４ａｂとの間には、隙間が形成される。

上記の先端部１４ａｂおよび貫通開口部１４ａａの形態により、複数の撹拌翼１４が軸１３周りを旋回するのに伴い、撹拌槽６の内周壁６ａ付近において、各翼体１４ａの先端部１４ａｂにより溶融ガラスにせん断力を作用させる。また、旋回中の翼体１４ａの貫通開口部１４ａａを溶融ガラスに通過させることで、撹拌槽６内で溶融ガラスと翼体１４ａとが同じ方向に旋回することを回避しつつ、貫通開口部１４ａａの通過に伴って溶融ガラスにせん断力を作用させる。

ここで、貫通開口部１４ａａを溶融ガラスに通過させやすくするため、各翼体１４ａにおける貫通開口部１４ａａの開口率は、３０％以上とすることが好ましい。ここで、「開口率」とは、翼体１４ａの元となる矩形の板状体（貫通開口部１４ａａが未形成の状態の板状体）の面積に対し、貫通開口部１４ａａの開口面積が占める割合を意味する。また、翼体１４ａの先端部１４ａｂにより溶融ガラスに対して好適にせん断力を作用させるため、上下で隣り合う両撹拌翼１４，１４の軸１３の長手方向に沿った相互間の間隔Ｓを基準として、先端部１４ａｂの長さＬが５０％〜１５０％の長さを有することが好ましい。

次に、上記の撹拌スターラー１２による主たる作用・効果について説明する。

この撹拌スターラー１２によれば、撹拌槽６内で溶融ガラスと撹拌翼１４（翼体１４ａ）とが同じ方向に旋回することを回避しつつ、撹拌翼１４（翼体１４ａ）に形成された貫通開口部１４ａａを通過する溶融ガラスにせん断力を作用させることが可能である。さらに、撹拌槽６の内周壁６ａ付近において、撹拌翼１４（翼体１４ａ）の先端部１４ａｂにより溶融ガラスにせん断力を好適に作用させることができる。加えて、軸１３近傍の溶融ガラスと内周壁６ａ際の溶融ガラスとを置換する溶融ガラスの流れの形成により、溶融ガラスの撹拌を更に促進させることができる。その結果、溶融ガラスの撹拌性能を向上させることが可能となる。

以下、本発明の他の実施形態に係る撹拌スターラーについて、添付の図面を参照しながら説明する。なお、他の実施形態の説明において、上記の第一実施形態で既に説明済みの要素については、他の実施形態についての説明文、又は、他の実施形態の説明で参照する図面に同一の符号を付すことで重複する説明を省略する。

＜第二実施形態〜第四実施形態＞
図４〜図６は、それぞれ本発明の第二〜第四実施形態に係る撹拌スターラー１２を示している。これら各実施形態に係る撹拌スターラー１２が、上記の第一実施形態に係る撹拌スターラー１２と相違している点は、（１）撹拌翼１４の枚数と、（２）翼体１４ａに形成された貫通開口部１４ａａの数や形状と、（３）上記の角度θの値との三点である。

図４に示すように、第二実施形態に係る撹拌スターラー１２では、撹拌翼１４の枚数が三枚となっている。また、翼体１４ａの一枚あたりに形成された貫通開口部１４ａａの数が四つとなっている。四つの貫通開口部１４ａａは、相互に同一な形状に形成されている。さらに、角度θの値が４５°となっている。図５に示すように、第三実施形態に係る撹拌スターラー１２では、撹拌翼１４の枚数が五枚となっている。また、翼体１４ａの一枚あたりに単一の貫通開口部１４ａａが形成されている。さらに、角度θの値が４５°となっている。図６に示すように、第四実施形態に係る撹拌スターラー１２では、撹拌翼１４の枚数が五枚となっている。また、翼体１４ａの一枚あたりに単一の貫通開口部１４ａａが形成されると共に、貫通開口部１４ａａが矩形ではなく楕円形に形成されている。さらに、角度θの値が４５°となっている。

ここで、本発明に係る撹拌スターラーは、上記の各実施形態で説明した構成に限定されるものではない。例えば、上記の各実施形態に係る撹拌スターラーは、上方から下方に向かって溶融ガラスが流れる撹拌槽で使用される形態となっている。しかしながら、本発明に係る撹拌スターラーは、下方から上方に向かって溶融ガラスが流れる撹拌槽での使用にも適用が可能である。この場合、複数の撹拌翼は、軸周りの旋回時に、軸の下端側の撹拌翼ほど、上端側の撹拌翼に対して、軸周りでの位相が遅れるように軸に取り付けられる。

また、上記の各実施形態に係る撹拌スターラーでは、各撹拌翼において、軸を挟んで一方側と他方側との各々に翼体が配置されているが、この限りではなく、一方側のみに翼体が配置されていてもよい。一方で、各撹拌翼が三枚以上の翼体を備える形態としてもよい。この場合においては、複数枚の翼体が軸周りで均等に配置されていることが好ましい。例えば、各撹拌翼が三枚の翼体を備えている場合には、軸周りで１２０°おきに翼体が配置されていることが好ましい。

また、上記の各実施形態に係る撹拌スターラーでは、撹拌翼に備わった翼体が、縦置き姿勢とされた矩形の板状体に貫通開口部が形成されてなる構成とされているが、これに限定されるものではない。例えば、上記の第一〜第三実施形態に係る撹拌スターラーでは、複数の角棒、或いは、丸棒等の棒体を縦横に連結して矩形の枠体を作製し、当該枠体を翼体として採用しても構わない。

また、上記の各実施形態に係る撹拌スターラーでは、全ての撹拌翼（翼体）が相互に同一の数及び形状の貫通開口部を有しているが、少なくとも一つの撹拌翼の貫通開口部の数や形状が、その他の撹拌翼と異なるものであっても構わない。

また、上記の各実施形態に係る撹拌スターラーに代えて、撹拌槽内での回転（旋回）方向が逆向きとなる撹拌スターラーを採用してもよい。なお、このような撹拌スターラーを採用する場合においても、相対的に上方側の撹拌翼は、相対的に下方側の撹拌翼に対して、軸周りでの位相が遅れるようにする必要がある。そのため、上記の各実施形態から各撹拌翼（各翼体）の配置を変更し、各実施形態とは位相の遅れが逆向きに生じるようにする。

また、上記の各実施形態に係る撹拌スターラーでは、複数枚の撹拌翼について、最も位相が進む撹拌翼から最も位相が遅れる撹拌翼まで、同じ分ずつ順次に位相が遅れていく形態となっているが、この限りではない。位相の遅れの量にバラつきがある形態としても構わない。

６ 撹拌槽
１２ 撹拌スターラー
１３ 軸
１４ 撹拌翼
１４ａ 翼体
１４ａａ 貫通開口部
１４ａｂ 先端部
θ 角度

Claims (3)

1. 軸と、該軸の長手方向に沿って取り付けられた複数の撹拌翼とを備え、
   前記軸の回転に伴って前記複数の撹拌翼を該軸周りで旋回させて撹拌槽内の溶融ガラスを撹拌するための撹拌スターラーであって、
   前記撹拌翼が貫通開口部を有し、且つ、白金又は白金合金で構成され、
   前記撹拌翼における先端部が前記軸の長手方向に沿って延び、
   前記軸周りの旋回時に、該軸の一端側の前記撹拌翼ほど、他端側の前記撹拌翼に対して、該軸周りでの位相が遅れるように前記複数の撹拌翼が取り付けられ、
   前記貫通開口部が、前記撹拌翼の旋回方向に沿って該撹拌翼を貫通し、
   前記撹拌翼における前記貫通開口部の開口率が、３０％以上であることを特徴とする撹拌スターラー。
2. 前記撹拌翼が、前記軸を基準として対称に配置された一対の翼体を備え、
   該一対の翼体のそれぞれが、前記貫通開口部および前記先端部を有することを特徴とする請求項１に記載の撹拌スターラー。
3. 請求項１又は２に記載の撹拌スターラーを用いてガラス板を製造することを特徴とするガラス板の製造方法。

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