JPWO2009005067A1 - ガラス溶解窯及びガラス製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

ガラス溶解窯であって、ガラス溶解窯の内部の最深部の途中から溶融ガラス導出方向に沿って昇段し、前記溶融ガラス導出方向に対して直交する幅方向に横断する複数のステップと、ステップの最上段から前記溶融ガラス導出方向に延伸し、前記幅方向に横断するステージ部と、ステージ部のステップ側で前記幅方向に横断する敷居体と、ステップの最下段のステップ上から敷居体との間で前記幅方向に横断するバブラーと、を有する。上記の全ステップの代わりにスロープを有していてもよい。

Description

本発明は、ガラスの溶融技術に関し、より詳細にはガラス溶解窯の構造に関する。

従来、ガラス製品を製造する方法は、主に原材料を溶融して溶融ガラスを得る溶解工程、溶融ガラスを所定のガラス製品の形状に成形する成形工程及びガラス製品の内部歪みを除去しつつ徐々に冷却する徐冷工程により構成される。なお、ここでは溶融ガラスから泡を取除くことと均質化することは溶解工程に含める。
建築用ガラスシート、自動車ガラスシート、ＣＲＴ用ガラス成形品、ディスプレイ用ガラスシートなどのガラス製品の製造工程において、より一層の高品質化と低コスト化が求められている。高品質化を妨げる要因はいくつかあるが、溶融ガラスから発生する気泡の残存と溶融ガラスの不均質性が問題となることが多い。気泡の混入しない高品質なガラス製品を製造するためには、上記の工程中の溶解工程が重要である。溶解工程は、珪砂、石灰石やソーダ灰等の原材料をガラス製品の組成に合わせて調合、混合されたバッチをガラス溶解窯に投入し、ガラスの種類に応じて約１４００℃以上に加熱溶融して溶融ガラスを得る工程である。例えば、公知のガラス溶解窯内にガラス溶解窯の一端からバッチを投入し、重油を燃焼して得られる火炎をこの投入したバッチに吹きつけて、また、天然ガスを空気と混合して燃焼して得られる火炎を吹きつけて、約１５５０℃以上に加熱してバッチを溶かすことによって溶融ガラスを得る。また、場合によっては、公知の電気溶解窯を用いて溶融ガラスを得る。

高品質化のために、溶解工程での溶融ガラスから気泡を除去する方法の一つとしては、単位時間当たりの溶解量（プル）を下げて、気泡が溶融ガラスから排出する時間を確保する方法がある。しかしながら、プルを下げると当然ながら、生産性が低下しコストアップの要因となる。プルをある程度維持して、気泡の排出（清澄）と均質化との効果を同時に得るために、ガラス溶解窯の構造によって溶融ガラスの対流の特性（対流構造、対流各部の温度、対流各部の流速）を変えることが行われている。

例えば、特許文献１には、ガラス溶解窯の原料投入部から溶融ガラス導出部までを長手方向、それに直交する方向を幅方向とし、ガラス溶解窯の内部の最深部の幅方向に横断して最深部から溶融ガラス内に泡を発生させ主に上向きの対流を形成するためのバブラーと、敷居体を設けた場合の対流について開示されている。特許文献２には、ガラス溶解窯の内部の最深部の途中から溶融ガラス導出部までに、幅方向を横断する複数のステップとステージ部を設けた場合の対流について開示されている。特許文献３には、バブラー、敷居体、及び一段のステップとステージ部を設けた場合の対流について開示されている。

実開昭５３− ５１４５１号公報 特開平 ４−２２８４３３号公報 特開平 ９−１２４３２３号公報

ここで、図６〜９を利用して、上記のバブラー、敷居体、ステップ、及びステージ部を有する従来のガラス溶解窯での対流の特徴について説明する。図は、ガラス溶解窯の長手方向の断面での溶融ガラス内の対流を矢印で示すもので、各図の左が原料投入側（後部側）で、右が溶融ガラス導出側（前部側）である。

図６は、バブラー６のみを設けた場合（以降フラット窯と呼ぶ）の対流を示す。フラット窯は、構造上対流を遮蔽するものが無いため、溶融ガラス２が停滞し難いガラス溶解窯構造である。後部循環流Ｂと前部循環流Ａの分かれ目であり、かつ活発に清澄が起こる領域であるホットスプリングが、後部循環流Ｂと前部循環流Ａの強さのバランスで決定されることより、対流の変動に伴って泡とリームの品質が変化しやすい。

図７は、バブラー６と敷居体７を設けた場合（以降ダム窯と呼ぶ）の対流を示す。この構造は、特許文献１で開示されているバブラーと敷居体の配置に類似した場合である。敷居体７により後部循環流Ｂと前部循環流Ａを明確に分断できるため、後部循環領域においてバブラー６を多用して後部循環流Ｂを旺盛化できる。これによって、溶融ガラス２の均質性が良化する。また、敷居体７により後部循環領域から前部循環領域へ移動する溶融ガラス２の対流速度を低減でき、良い清澄性を得られる。一方で、敷居体７の近傍においては、溶融ガラス２が淀み、泡とリームを析出する場合がある。

図８は、バブラー６、ステップ９及び１０、並びにステージ部８を設けた場合の対流を示す（以降ステップ窯と呼ぶ）。この構造は、特許文献２で開示の構造に類似した場合である。ステップ窯は構造上、後部循環領域の流路断面が前部循環領域に比べ広いため後部での循環及び均質性に優れているが、後部循環流Ｂを過度に旺盛化すると一部の不均一な溶融ガラス２がすり抜けし、また清澄のための時間が短くなり清澄性が悪くなる。

図９は、バブラー６、敷居体７、ステップ１０（１段のみ）、及びステージ部８を設けた特許文献３に類似の場合（以降ダム＆ステップ窯と呼ぶ）の対流を示す。ダム＆ステップ窯は、構造上ステップ１０の後部側の端部近傍で滞留域Ｅ（ステップ後部）を形成し、泡やリームを析出する場合がある。

以上のように種々のガラス溶解窯の対流の特性については、個別に説明ができるものの、ガラス溶解窯内の溶融ガラスの対流は複雑であり、ガラス溶解窯の入口から出口に至るまで多様の対流経路が存在し、どのようなガラス溶解窯の構造を基本構造として設計すればよいか、前記したバブラー、敷居体、ステップ、及びステージ部などの構成要素をどのように配置すればよいかは必ずしも明らかになっていない。この原因として、例えば線形の力学問題では複数の外力が作用した場合に、各外力により発生する応力分布の重ね合わせにより複数の外力に対する応力分布が把握できるが、対流現象では対流が溶融ガラスの各部温度によっても複雑に変化し、構成要素ごとの現象（対流）の重ね合わせでは全体の対流を簡単には予測できない点もある。

本発明は、以上に鑑みてなされたもので、溶融ガラスの対流の特性を変えて、高い清澄性と高い均質性とを実現可能なガラス溶解窯と、これを利用したガラス製品の製造方法とを提供することを目的とする。

本発明者らは、溶解工程でのガラス溶解窯内の溶融ガラスの後部、前部及び中間部に大きな対流（循環流）を形成し、さらにそれぞれの対流に適した循環性を狙って、後部循環流における溶解を活発化できかつ滞留域を生じないこと、前部循環流において清澄を促進すること、ステップの最上段において滞留域を生じないこと、さらに最上段でのステップ領域での対流を阻害しないことを同時に満足できる、バブラー、敷居体、ステップ、及びステージ部の位置関係を見出した。

即ち、本発明は、ガラス溶解窯であって、ガラス溶解窯の内部の最深部の途中から溶融ガラス導出方向に沿って昇段し、該溶融ガラス導出方向に対して直交する幅方向に横断する複数のステップと、前記ステップの最上段から前記溶融ガラス導出方向に延伸し、前記幅方向に横断するステージ部と、前記ステージ部のステップ側で前記幅方向に横断する敷居体と、前記ステップの最下段のステップ上から前記敷居体との間で前記幅方向に横断するバブラーと、を有することを特徴とする。

上記本発明によれば、後部循環流の旺盛化が可能なことによる均質性の向上と、敷居体前後の滞留域の削減に加えて、特に敷居体をステージ部上に設けることによって前部循環流の後進流が前進流と同程度の流速を有し、さらにステージ部上に敷居体があり敷居体の高さがダム窯に比べて低いので、敷居体上部の清澄性の高い領域を通って中間領域や後部へ遡上しやすく、その結果として他のガラス溶解窯で見られない再溶融、再加熱、再清澄による高い均質化と清澄が可能になる。

また本発明は、上記発明における全ステップ部分をスロープに代える構成としてもよい。または全ステップ部分を実質的にスロープとみなしうる多数のステップにより構成してもよい。即ち、本発明は、ガラス溶解窯であって、ガラス溶解窯の内部の最深部の途中から溶融ガラス導出方向に沿って上昇し、該導出方向に対して直交する幅方向に横断するスロープと、前記スロープの最上部から前記溶融ガラス導出方向に延伸し、前記直交する幅方向に横断するステージ部と、前記ステージ部のスロープ側で前記幅方向に横断する敷居体と、前記スロープの上昇開始位置から前記敷居体との間で前記幅方向に横断するバブラーと、を有する構成としてもよい。

本発明はさらに、上記ガラス溶解窯によってガラス原料を溶解することを特徴とする溶融ガラスの製造方法、および、上記ガラス溶解窯によってガラス原料を溶解する溶解工程を含むことを特徴とするガラス製品の製造方法、である。

本発明によれば、ガラス溶解窯内に配置した構成要素が一体となって溶融ガラスの対流の特性を変え、従来の各窯の問題点を解決することによって高い清澄性と高い均質性が得られる。また、本発明に係るガラス溶解窯による溶解工程からなるガラス製品の製造方法によって、高い清澄性と高い均質性を有するガラス製品が得られる。

実施の形態のガラス溶解窯の長手方向の概略断面での溶融ガラス内の対流を示す窯断面図である。 実施の別形態のガラス溶解窯の長手方向の概略断面での溶融ガラス内の対流を示す窯断面図である。 実施の別形態のガラス溶解窯の長手方向の概略断面での溶融ガラス内の対流を示す窯断面図である。 実施の形態の形状に関するパラメータを示す窯断面図である。 実施の形態のガラス溶解窯を特徴とするガラス製品の製造方法の工程を示す図である。 背景技術としてのフラット窯の長手方向の概略断面での溶融ガラス内の対流を示す窯断面図である。 背景技術としてのダム窯の長手方向の概略断面での溶融ガラス内の対流を示す窯断面図である。 背景技術としてのステップ窯の長手方向の概略断面での溶融ガラス内の対流を示す窯断面図である。 背景技術としてのダム＆ステップ窯の長手方向の概略断面での溶融ガラス内の対流を示す窯断面図である。

符号の説明

１…ガラス溶解窯
２…溶融ガラス
３…原料投入部
４…溶融ガラス導出部
５…最深部
６…バブラー
７…敷居体
８…ステージ部
９…ステップ
１０…ステップの最上段
１１…スロープ
Ａ…前部循環流
Ａ２…前部遡上流
Ｂ…後部循環流
Ｃ…中間部循環流
Ｄ…滞留域（敷居体前部）
Ｅ…滞留域（ステップ後部）
Ｆ…滞留域（敷居体後部）
Ｌ…ガラス溶解窯の内面全長
Ｌ_Ｓ…原料投入部から１段目のステップ迄の距離
Ｌ_Ｂ…原料投入部からバブラー迄の距離
Ｌ_Ｄ…原料投入部から敷居体迄の距離
Ｌ_１…１段目のステップの奥行
Ｌ_２…２段目のステップの奥行
Ｌ_３…３段目のステップの奥行
Ｌ_４…最上段のステップの平坦部の長さ
Ｈ…最深部から溶融ガラス液面迄の高さ
Ｈ_Ｓ…最深部から最上段迄のステップ高さ
Ｈ_Ｄ…最深部から敷居体上端迄の高さ
Ｈ_１…最深部から１段目迄のステップの高さ
Ｈ_２…１段目から２段目迄のステップの高さ
Ｈ_３…２段目から３段目迄のステップの高さ
Ｈ_４…３段目から最上段迄のステップの高さ

以下、図面（図１〜５）に従って、本発明に係るガラス溶解窯について、その構造を中心に説明する。図１は、実施の形態のガラス溶解窯の長手方向の概略断面での溶融ガラス内の対流を示す。図２は、実施の別形態のガラス溶解窯の長手方向の概略断面での溶融ガラス内の対流を示す。図３は、実施の別形態のガラス溶解窯の長手方向の概略断面での溶融ガラス内の対流を示す。図４は、実施の形態の形状に関するパラメータを示す。図５は、ガラス製品の製造方法での工程を示す。なお、以下の説明において、ガラスとして建築用ガラスシートや自動車ガラスシートの材料であるソーダライムガラスを例として挙げるが、本発明におけるガラスはこのソーダライムガラスに限られるものではない。溶融ガラスの温度などの条件はガラスの種類により変わりうるものであり、下記の条件に限られるものではない。

本発明のガラス溶解窯１は、図左から原料投入部３、ステップ９、１０、バブラー６、ステージ部８、敷居体７、溶融ガラス導出部４を有する。本発明に係るガラス溶解窯１を利用したガラス製品の製造方法は、ガラス溶解窯１を用いて原料を原料投入部３から投入し溶解して溶融ガラス２にする溶解工程、溶解後に溶融ガラス導出部４から出た溶融ガラス２を製品形状にする成形工程、成形後のガラス製品中に歪を残留させないための徐冷工程を有する（図５参照）。

成形工程は、公知技術としてフロート法、ロールアウト法があるがいずれか、あるいはその他の方法であってもよい。以下、フロート法を例に説明すると、成形工程では、溶融錫浴に溶融ガラスをガラス溶解窯１下流部から導入し、溶融錫上に溶融ガラスを浮かせて進行させガラスリボンに成形する。成形工程では、溶融ガラスの平衡厚みよりも薄いガラスリボンを成形するために、進行方向に対して直交する幅方向の両端部に、トップロールと呼ばれる回転するロールを押圧し、幅方向に張力を印加して、溶融錫上のガラスリボンが縮幅するのを抑制しつつ進行方向にも引き伸ばす。続く徐冷工程は、成形後にリフトアウトロールによって、ガラスリボンを溶融錫から引き出した後の工程である。徐冷は、ガラスリボンの搬送機構としての金属ロールと、ガラスリボンの温度を徐々に下げるための機構を備える徐冷炉で行う。徐々に温度を下げる機構は、燃焼ガスまたは電気ヒータにより、その出力が制御された熱量を、炉内の必要位置に供給してガラスリボンを常温に近い温度域までゆっくり冷却する。これによって、ガラスリボンに内在する残留応力をなくすことができる。溶解工程以外の工程は、本発明のガラス溶解窯１を使用することによって製造条件に特別の影響を受けない。

原料投入部３はガラス溶解窯１の後部に配され、溶融ガラス２の上部領域に設けた開口を有し、ここから原料を先に溶融している溶融ガラス２の上層に投入する。溶融ガラス導出部４はガラス溶解窯１の前部に配され、溶融ガラス２の上層部がガラス溶解窯から導出可能に開口している。なお、原料投入部３の位置は、図１にあるように溶融ガラス導出方向の反対側のガラス溶解窯端部の内壁である。これらの構造については、原料が投入でき、溶融ガラス２が導出できれば、どのような構造でもよい。

溶解にあたっては、図示しないが原料を溶解するために、ガラス溶解窯１の内部の原料投入部３に近い溶融ガラス２上方の空間に設置したバーナーによって、溶融ガラス２を１４００℃以上に加熱する。また、溶融のためにガラス溶解窯１の側面上方にも、図示しないがバーナーなどを配置して加熱してもよい。溶融ガラス２の温度は、原料投入部から溶融ガラス導出部の間で１６５０℃から１０００℃程度まで低下する。溶融ガラス２は、原料投入部３から対流と循環によって溶融ガラス導出部４まで移動し、ガラス溶解窯１から排出される。ガラス溶解窯１の最深部５、側面の内壁は、溶融ガラスによる侵食を少なくし、長寿命とするために、耐火煉瓦などを組み立て構築する。耐火煉瓦は、耐熱性、長寿命だけでなく、煉瓦から発生する気泡を低減する観点から、アルミナ系電鋳煉瓦、ジルコニア系電鋳煉瓦、緻密質クロム系煉瓦などの材料からなる。

１段目のステップの位置は、図４に示したガラス溶解窯の内壁の導出方向の全長をＬ、原料投入部である溶融ガラス導出方向の反対側のガラス溶解窯端部の内壁から１段目のステップまでの距離をＬ_Ｓとした場合に、主に後部領域での溶解性と前部領域での清澄性とのバランスの観点から、０．１５≦Ｌ_Ｓ／Ｌ≦０．２５が好ましく、０．１６≦Ｌ_Ｓ／Ｌ≦０．２３がより好ましく、０．１７≦Ｌ_Ｓ／Ｌ≦０．２１が特に好ましい。各ステップにおいて、ステップの高さは同じである必要はないが、煉瓦で構成することを考慮すると、最上段のステップ１０を除く各ステップ９の奥行も含めて、同じ長さが好ましい。ステップの傾斜として、最下段を除くステップ各段の高さの合計（Ｈ_２＋Ｈ_３＋Ｈ_４）を、ステップ各段の奥行き（溶融ガラス導出方向の長さ）の合計（最上段は除く。Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３）で除算した値とすると、急激な圧力損失を低減する観点から、０．０２以上かつ０．０７以下が好ましく、０．０３以上かつ０．０６５がより好ましく、０．０４以上かつ０．０６が特に好ましい。図１と図２のステップは４段であるが、炉材の組み立てとステップの傾斜の観点から、ステップ９は複数であればよく、２〜８段がより好ましく、特に３〜６段が好ましい。また、全ステップ部分を実質的にスロープとみなしうるさらに多数のステップにより構成することもでき、さらに全ステップ部分を滑らかなスロープに代えてもよい。

ステージ部８は、最深部５にガラス溶解窯１の幅方向を横断する最上段のステップ１０から延伸して配される。ステージ部８（ステップの最上段）の高さは、図４に示したガラス溶解窯の最深部から溶融ガラスの液面までの深さをＨ、ガラス溶解窯の最深部からステップの最上段までの高さ、即ちステージ部８の高さをＨ_Ｓとした場合、前部循環流Ａでの対流速度を確保すると共にプルの低下を防ぐ観点から、０．１０≦Ｈ_Ｓ／Ｈ≦０．５０が好ましく、０．２０≦Ｈ_Ｓ／Ｈ≦０．４０がより好ましく、０．２５≦Ｈ_Ｓ／Ｈ≦０．３５が特に好ましい。なお、Ｈは０．５ｍから２ｍの範囲が好ましい。ステージ部８は、ガラス溶解窯１の溶融ガラス導出端まで同じ高さで、対流を乱す突起物などは設けないことが好ましい。ステージ部８は、ガラス溶解窯１の内面の他の部分と同じく耐火煉瓦を組み立てて構築する。耐火煉瓦の材料は、その他の部分と同じもので構成すればよい。

敷居体７は、前部と後部の循環流を分けるためにガラス溶解窯１の幅方向を横断して、ステージ部８のステップの最上段１０側に配される。ただし、敷居体７はステップ側でバブラー６よりも前部側である。その位置は、図４に示した原料投入部から、敷居体７までの距離をＬ_Ｄとした場合、前部循環領域を確保する観点から、０．３０≦Ｌ_Ｄ／Ｌ≦０．５０が好ましく、０．３３≦Ｌ_Ｄ／Ｌ≦０．４５がより好ましく、０．３６≦Ｌ_Ｄ／Ｌ≦０．４０が特に好ましい。また、敷居体７の高さは、図４に示した窯の最深部から、敷居体７の上端部までの高さをＨ_Ｄとした場合、後部循環流Ｂと前部循環流Ａを分ける観点から、０．６０≦Ｈ_Ｄ／Ｈ≦０．７５が好ましく、０．６０≦Ｈ_Ｄ／Ｈ≦０．７０がより好ましく、０．６０≦Ｈ_Ｄ／Ｈ≦０．６５が特に好ましい。なお、Ｈは０．５ｍから２ｍの範囲が好ましい。さらに、前部遡上流Ａ２を形成させる観点から、０．３５≦（Ｈ_Ｄ−Ｈ_Ｓ）／（Ｈ−Ｈ_Ｓ）≦０．６５が好ましく、０．３６≦（Ｈ_Ｄ−Ｈ_Ｓ）／（Ｈ−Ｈ_Ｓ）≦０．５５がより好ましく、０．３７≦（Ｈ_Ｄ−Ｈ_Ｓ）／（Ｈ−Ｈ_Ｓ）≦０．５０が特に好ましい。敷居体７は、その他の部分と同じく耐火煉瓦を組み立てて構築すればよい。敷居体７の材料は、その他の部分と同じもので構成すればよい。敷居体７の奥行き（窯の長手方向の長さ）は、循環流を分けられればよいので、長手方向の長さＬに対する比を０．０１５〜０．０３３とすることが好ましく、０．０１６〜０．０２５とすることがより好ましく、０．０１７〜０．０２３とすることが特に好ましい。

バブラー６は、ステップの段上にガラス溶解窯１の幅方向を横断して設け、窯の底面から気泡を発生させて、溶融ガラス２に主に上向きの対流を発生させるものである。バブラー６を設ける段のステップは複数のステップ９のいずれであってもよい。また、バブラー６は、ステップの最上段１０で敷居体７の後部側にあってもよい。バブラー６がこの範囲にあれば、後述するように効果に顕著な違いはない。バブラーの位置は、図４に示した原料投入部から、バブラーまでの距離をＬ_Ｂとした場合、後部循環流Ｂと前部循環流Ａとの間の中間部循環流Ｃを形成する観点から、０．２０≦Ｌ_Ｂ／Ｌ≦０．４０が好ましく、０．２２≦Ｌ_Ｂ／Ｌ≦０．３８がより好ましく、０．２４≦Ｌ_Ｂ／Ｌ≦０．３６が特に好ましい。泡の排出量は、窯の構造によって異なる。

以下に、本発明でのガラス溶解窯内の溶融ガラスの対流の特性とその効果について、図１を利用して説明する。図１に示すように、本発明のガラス溶解窯１の構造においては、ガラス溶解窯の内部最深部５の途中から幅方向を横断する複数のステップ９の中段にあるバブラー６と、複数ステップの最上段のステップ１０側に敷居体７を設けるので、前述の図７のダム窯の特徴である後部循環流Ｂのバブラー６の多用による循環の旺盛化と後部温度レベルの高温維持が可能であり溶融ガラス２の均質性が良化する。バブラー６は、図２のようにステップの最上段１０上で敷居体７の後部側にあれば、図１の場合での対流構造と顕著な違いがなく、同様の効果がある。図２のバブラーの位置の場合には、後部循環流Ｂを相対的に大きく出来る。ただし、後部循環流の大小は、各ガラス溶解窯で決定される事項である。

また、敷居体７の後部側で徐々に流路断面が狭くなるため急激な流路断面の縮小がなく、ダム窯及び図９のダム＆ステップ窯で懸念される敷居体７の後部近傍側での溶融ガラス２の滞留域（敷居体後部）Ｆがなくなる。さらに、バブラー６と敷居体７との間において、原料投入部３の領域及びバブラー６後部に比べて流路断面を狭くすることで、上下２つの中間部循環流Ｃを形成し、この領域での循環が抑制され、前部へ流れる溶融ガラス２の前部循環流Ａの速度が小さくなる。その結果、図６のフラット窯と異なり敷居体７の前部領域であるステップの上部領域の高温での滞在時間が長くなると共にダム窯で懸念される滞留域（敷居体前部）Ｄがなくなり、清澄性が向上する。特に、敷居体７前部付近の溶融ガラス２の上層領域は、清澄に対して重要な部分であり、ここの溶融ガラス２の温度を高温に維持することによって、高い脱泡（清澄）効果が得られる。

さらに、ステップの最上段１０及びステージ部８の前部循環領域で浅くなって且つ敷居体７があるので、溶融ガラス上方の燃焼空間や溶融ガラス上層からの赤外線透過によってステージ部底面が昇温し、また敷居体７近傍の溶融ガラス導出部４側の停滞部が小さくなるためリボイル、リームの発生が低減できる。また、敷居体７により前部循環流Ａの後進流が前進流と同程度の流速を有し、さらにステージ部８の上に敷居体７があり敷居体７の高さがダム窯に比べて低いので、前述した敷居体７上部の清澄性の高い領域を通って中間領域や後部へ遡上しやすく、各部の滞留もなくなり、その結果として他のガラス溶解窯で見られない再溶融、再加熱、再清澄による高い均質化と清澄が可能になる。
以上のステップ、バブラー、敷居体、及びステージ部の構成要素が一体となって高い効果を発現し、従来の窯の各問題点を解決して、プルの低下を起こすことなく高い清澄性と均質性とが得られる。

なお、説明では複数のステップからなる場合について説明したが、図３に示す実施の別形態として、図１の全ステップ部分がスロープ１１に代わった場合がある。さらに図１の４段のステップをさらに多数のステップから構成し、実質的にスロープと同様の構造とすることもできる。これらの場合もステップ状の場合と同様の効果が得られる。スロープ１１部分は、ステップ部分と同じく耐火煉瓦を組み立てることによって形成することが可能である。ただし、スロープ部の形成にあたってはステップの場合よりも作業上の手間がかかる。図２のステップ部分をスロープに代えた場合も、図３と同様の効果がある。

本発明に係るガラス溶解窯の断面構造での清澄性と均質性とに対する有効性を確認するために、本発明のガラス溶解窯及びその他の窯の対流について数値解析を行った。対流の解析は、差分法に基づくプログラムによって、溶融ガラスを非圧縮流体として温度と粘性との関係を考慮し、ガラス溶解窯操作条件、ガラス溶解窯形状、炉材構成を入力条件として行った。本プログラムは溶融ガラスの上部燃焼空間の伝熱解析と溶融ガラスの熱対流解析をしている。上部燃焼空間の伝熱解析においては輻射量の伝熱比率を決定する角関係（形態係数）、上部輻射、対流伝熱を算出し溶融ガラス表面に与える伝熱量を計算する。熱対流解析においては、速度と温度に関する連成方程式を解き、速度と温度を計算する。

解析は、自社開発のプログラムで実施したが、溶融ガラスの対流の数値解析が可能なソフトウエア、例えば商標名ＧＦＭ（開発・販売：グラスサービス社、チェコ）や商標名ＧＴＭ−Ｘ（開発・販売：ＴＮＯ、オランダ）などによって、各窯の構造を反映しガラスの物性によれば同様の計算が可能で、定性的に同様の結果が得られる。

実施例１が本願発明によるガラス溶解窯（図１）、比較例１がフラット窯（図６）、比較例２がダム窯（図７）、比較例３がステップ窯（図８）に対するものである。なお、ダム＆ステップ窯（図９）は、清澄性と均質性に対する効果がダム窯と比べて顕著な違いはない。

表１と表２に、各窯に対する主要な解析条件を示す。なお、解析は、ソーダライムガラスを対象とし、すべてのガラス溶解窯でのプルを同じ（５００トン／日）にし、通常のガラス溶解窯のように長手方向の長さが幅方向の長さに対して十分長く、幅方向の対流に比べ長手方向の対流が支配的な条件で行った。また、ガラス溶解窯の長手方向の長さＬの溶融ガラス最深部深さＨに対する比を３０、敷居体の奥行きの長手方向の長さＬに対する比を０．０２、Ｈを１．５ｍとした。Ｈは、０．５ｍから２ｍの範囲であれば、ほぼ同様の効果が得られる。さらに、実施例と比較例によって効果の違いを明らかにするために、すべてのガラス溶解窯で清澄性に対する重要なパラメータである敷居体前部上層の溶融ガラスの温度を１５００℃、導出口の溶融ガラスの温度を１１００℃となるように、各ガラス溶解窯に与える熱量とバブラー流量とを設定した。バブラーによる泡の単位時間当たりの排出量は、実施例１の場合を１．０とすると、比較例１、比較例２、比較例３で、それぞれ０．１、１．０、０．３である。これによって、各ガラス溶解窯の比較的高い効果が得られる条件での比較ができる。

表３に、各ガラス溶解窯での清澄と均質性の度合いを示す品質予測指標を示す。指標ａは、ステップの最上段（前部）の溶融ガラスの下層部からの巻き上げに関するもので、下層部の対流（後進流中）での上昇ベクトルで定義する。この上昇ベクトルが小さい場合には、下層部の温度履歴の異なる素地が巻き上がらず、これによる泡欠点が少なく清澄性がよい。
指標ｂは、均質性に関わるもので、後部循環流のせん断力で定義する。このせん断力が大きい場合には、溶融ガラスがよく撹拌されて均質性がよい。
指標ｃは、清澄性に関わるもので、敷居体前部近傍の溶融ガラスの上層の高温域（１４５０℃以上）での滞留時間で定義する。この高温域での滞留時間が長いほど、清澄がよい。なお、指標ｃは、清澄性を示す指標として相対的に重要度が指標ａよりも高い。なお、各指標は、比較例１を１．０とした比を示した。

表３に示すように、指標ａにおいて実施例１は最も高い清澄性を示す。また、指標ｂにおいて、実施例１は、比較例２よりも指標値が小さいが、比較例１及び３に比べて大きく、良好な均質性を示す。指標ｃにおいて、実施例１は、最も高い清澄性を示す。実施例１では、前部後進流もこの高温領域に合流するため、より高い清澄性を示す。実施例１において、指標ａに加えて指標ｃの指標値が最も高いことは、本発明に係るガラス溶解窯の構造による清澄性が他のガラス溶解窯に比べて顕著に高いことを表す。これらの結果から、実施例１が清澄性と均質性とを両立する構造として効果があることがわかる。

別途、本発明に係るガラス溶解窯として、実施例１とほぼ同条件のガラス溶解窯を製作し、それによるガラス製品の清澄性と均質性について評価したところ、想定したとおり従来の窯に比べて高い品質が得られた。

以上より、本発明に係るガラス溶解窯の断面構造を特徴とする溶解工程からなるガラス製品の製造方法が、清澄性と均質性とに効果があることがわかった。得られる高い清澄性と均質性は、その分プルの増加も可能にして、生産性の向上も可能となる。

本発明は、種々の組成からなるガラスの溶解及びそのガラスからなるガラス製品の製造方法に好適である。

Claims (16)

1. ガラス溶解窯であって、
   ガラス溶解窯の内部の最深部の途中から溶融ガラス導出方向に沿って昇段し、該溶融ガラス導出方向に対して直交する幅方向に横断する複数のステップと、
   前記ステップの最上段から前記溶融ガラス導出方向に延伸し、前記幅方向に横断するステージ部と、
   前記ステージ部のステップ側で前記幅方向に横断する敷居体と、
   前記ステップの最下段のステップ上から前記敷居体との間で前記幅方向に横断するバブラーと、
   を有することを特徴とするガラス溶解窯。
2. 前記ステップの位置が、前記ガラス溶解窯の内壁の前記溶融ガラス導出方向の全長をＬ、該溶融ガラス導出方向の反対側のガラス溶解窯端部の内壁から前記ステップの１段目までの距離をＬ_Ｓとした場合に、０．１５≦Ｌ_Ｓ／Ｌ≦０．２５を満足する請求項１に記載のガラス溶解窯。
3. 前記ステップの最下段を除く各段の高さの合計を、最上段を除く各段の前記溶融ガラスの導出方向の長さの合計で除算した値が、０．０２〜０．０７である請求項１または２に記載のガラス溶解窯。
4. 前記ステップの高さが、前記ガラス溶解窯の最深部から溶融ガラスの液面までの深さをＨ、該ガラス溶解窯の最深部から該ステップの最上段までの高さをＨ_Ｓとした場合、０．５ｍ≦Ｈ≦２．０ｍ、かつ０．１０≦Ｈ_Ｓ／Ｈ≦０．５０を満足する請求項１から３のいずれかに記載のガラス溶解窯。
5. 前記ステップの段数が、３〜６である請求項１から４のいずれかに記載のガラス溶解窯。
6. ガラス溶解窯であって、
   ガラス溶解窯の内部の最深部の途中から溶融ガラス導出方向に沿って上昇し、該溶融ガラス導出方向に対して直交する幅方向に横断するスロープと、
   前記スロープの最上部から前記溶融ガラス導出方向に延伸し、前記幅方向に横断するステージ部と、
   前記ステージ部のスロープ側で前記幅方向に横断する敷居体と、
   前記スロープの上昇開始位置から前記敷居体との間で前記幅方向に横断するバブラーと、
   を有することを特徴とするガラス溶解窯。
7. 前記敷居体の位置が、前記ガラス溶解窯の内壁の前記溶融ガラス導出方向の全長をＬ、該溶融ガラス導出方向の反対側のガラス溶解窯端部の内壁から該敷居体までの距離をＬ_Ｄとした場合、０．３０≦Ｌ_Ｄ／Ｌ≦０．５０を満足する請求項１から６のいずれかに記載のガラス溶解窯。
8. 前記敷居体の高さが、前記ガラス溶解窯の最深部から溶融ガラスの液面までの深さをＨ、該ガラス溶解窯の最深部から該敷居体の上端部までの高さをＨ_Ｄとした場合、０．５ｍ≦Ｈ≦２．０ｍ、かつ０．６０≦Ｈ_Ｄ／Ｈ≦０．７５を満足する請求項１から７のいずれかに記載のガラス溶解窯。
9. 前記敷居体の高さが、さらに、０．３５≦（Ｈ_Ｄ−Ｈ_Ｓ）／（Ｈ−Ｈ_Ｓ）≦０．６５を満足する請求項８に記載のガラス溶解窯。
10. 前記敷居体の前記溶融ガラス導出方向の長さが、前記ガラス溶解窯の内壁の該導出方向の全長をＬに対して、０．０１５Ｌ〜０．０３３Ｌとなる請求項１から９のいずれかに記載のガラス溶解窯。
11. 前記バブラーの位置が、前記ガラス溶解窯の内壁の前記導出方向の全長をＬ、該溶融ガラス導出方向の反対側のガラス溶解窯端部の内壁から該バブラーまでの距離をＬ_Ｂとした場合、０．２０≦Ｌ_Ｂ／Ｌ≦０．４０を満足する請求項１から１０のいずれかに記載のガラス溶解窯。
12. 前記バブラーと前記敷居体とが、前記ステージ部にある請求項１から１１のいずれかに記載のガラス溶解窯。
13. 前記バブラーが、前記ステップの最上段を除く段上にある請求項１から５、及び７から１１のいずれか一項に記載のガラス溶解窯。
14. 前記バブラーが、前記スロープ上にある請求項６から１１のいずれかに記載のガラス溶解窯。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載のガラス溶解窯によってガラス原料を溶解することを特徴とする溶融ガラスの製造方法。
16. 請求項１から１４のいずれかに記載のガラス溶解窯によってガラス原料を溶解する溶解工程を含むことを特徴とするガラス製品の製造方法。

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