JPWO2013125541A1 - ガラス溶融炉、溶融ガラスの製造方法、ガラス製品の製造装置、およびガラス製品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
気中溶融法を用いたガラス溶融炉、前記ガラス溶融炉を用いた溶融ガラスの製造方法、前記ガラス溶融炉を備えたガラス製品の製造装置、および前記ガラス製品の製造装置を用いたガラス製品の製造方法において、ガラス原料粒子たる造粒体の炉内投入時の崩れを抑える。炉体１が、気相雰囲気Ｋを収める溶融部５０よりも上方に焼結部６０を有し、焼結部６０が、溶融部５０よりも水平断面が小さく、かつ溶融部５０と連通することで、気相雰囲気Ｋの熱の一部を用いてガラス原料粒子ＧＭを焼結する雰囲気Ｋ’を形成し、原料粒子投入装置５が、焼結部６０にガラス原料粒子ＧＭを投入し、雰囲気Ｋ’を経て気相雰囲気Ｋにガラス原料粒子ＧＭを至らしめる。
Description
本発明は、炉内の高温雰囲気中で原料を溶融した後にこれを集積して溶融ガラスとするガラス溶融炉、前記ガラス溶融炉を用いた溶融ガラスの製造方法、前記ガラス溶融炉を備えたガラス製品の製造装置、および前記ガラス製品の製造装置を用いたガラス製品の製造方法に関する。
下記特許文献１には、炉内の高温の気相雰囲気中でガラス原料粒子を溶融して溶融ガラス粒子とし、前記溶融ガラス粒子を集積して溶融ガラスとする、いわゆる気中溶融法（In-flight glass melting method）を用いたガラス溶融炉が開示されている。炉体の上壁部にはガラス原料粒子投入部が下向きに設置され、炉体における前記ガラス原料粒子投入部の下方にはガラス原料粒子を溶融して溶融ガラス粒子とする気相雰囲気を形成する加熱装置としてバーナーが設置される。
前記気中溶融法によれば、従来のシーメンス型（Siemens type furnace）の溶融炉による溶融法と比較して、ガラス溶融工程の消費エネルギーを１／３程度まで低減できると言われており、短時間で溶融が可能になり、溶融炉の小型化、蓄熱室の省略、品質の向上、ＣＯ２の削減、ガラス品種の変更時間の短縮化を図ることができる技術として注目されている。
前記気中溶融法によれば、従来のシーメンス型（Siemens type furnace）の溶融炉による溶融法と比較して、ガラス溶融工程の消費エネルギーを１／３程度まで低減できると言われており、短時間で溶融が可能になり、溶融炉の小型化、蓄熱室の省略、品質の向上、ＣＯ２の削減、ガラス品種の変更時間の短縮化を図ることができる技術として注目されている。
ところで、気中溶融法において、ガラス原料粒子である造粒体をガラス原料粒子投入部から直接バーナーの火炎中に投入すると、火炎噴射流の勢いや原料の急速な熱分解によるガス放出により造粒体が崩れ、ガラス製品の均質化および煤塵の低減に影響を与えるという問題がある。
そこで本発明は、気中溶融法を用いたガラス溶融炉、そのガラス溶融炉を用いた溶融ガラスの製造方法、そのガラス溶融炉を備えたガラス製品の製造装置、およびそのガラス製品の製造装置を用いたガラス製品の製造方法において、造粒体の炉内投入時の崩れを抑えることを目的とする。
上記課題の解決手段として、本発明は、炉内の高温雰囲気中でガラス原料粒子を溶融した後にこれを集積して溶融ガラスとするガラス溶融炉において、中空の炉体と、前記炉体内に前記ガラス原料粒子を溶融する気相雰囲気を形成する加熱装置と、前記加熱装置のエネルギー放出部よりも上方に位置する原料投入口から前記炉体内に前記ガラス原料粒子を投入する原料粒子投入部と、を備え、前記炉体が、前記気相雰囲気を収める溶融部と、該溶融部よりも上方に位置し、該溶融部よりも水平断面が小さく、かつ該溶融部と連通することで、前記気相雰囲気の熱の一部を用いて前記ガラス原料粒子を焼結する雰囲気を形成する、前記原料投入口を臨む位置に設けられた焼結部と、を有することを特徴とする。
本発明は、前記焼結部が前記炉体の上壁部を上方に突出させて構成され、該焼結部の上部に前記原料投入口が配置される構成でもよい。
また、前記焼結部が前記炉体の平面方向の中央部に位置し、該焼結部の周囲に前記加熱装置が配置される構成でもよい。
また、前記加熱装置が複数設けられる構成でもよい。
また、前記加熱装置が、前記焼結部の下方に投下された前記ガラス原料粒子に向けて、斜め下向きに配置される構成でもよい。
また、前記焼結部が前記炉体の平面方向の中央部に位置し、該焼結部の周囲に前記加熱装置が配置される構成でもよい。
また、前記加熱装置が複数設けられる構成でもよい。
また、前記加熱装置が、前記焼結部の下方に投下された前記ガラス原料粒子に向けて、斜め下向きに配置される構成でもよい。
本発明は、前記加熱装置が前記炉体の平面方向の中央部に位置し、該加熱装置の周囲に前記焼結部及び前記原料投入口が配置される構成でもよい。
また、前記焼結部及び前記原料投入口が複数設けられる構成でもよい。
また、前記焼結部が下側ほど広い水平断面を形成する構成でもよい。
また、前記原料投入口が、斜め下向きに配置される構成でもよい。
また、前記焼結部及び前記原料投入口が複数設けられる構成でもよい。
また、前記焼結部が下側ほど広い水平断面を形成する構成でもよい。
また、前記原料投入口が、斜め下向きに配置される構成でもよい。
本発明は、炉内の高温雰囲気中でガラス原料粒子を溶融した後にこれを集積して溶融ガラスとするガラス溶融炉を用いた溶融ガラスの製造方法において、前記ガラス溶融炉の炉体内に前記ガラス原料粒子を溶融する気相雰囲気を形成し、該気相雰囲気を収める溶融部で前記ガラス原料粒子を溶融する溶融ステップと、前記溶融ステップ前に、前記溶融部よりも上方に位置すると共に該溶融部よりも水平断面が小さくかつ該溶融部と連通する焼結部にて、前記気相雰囲気の熱の一部を用いて形成された焼結処理雰囲気で前記ガラス原料粒子を焼結する焼結ステップと、前記焼結ステップ前に、前記焼結部に臨む原料投入口から該焼結部に前記ガラス原料粒子を投入する投入ステップと、を含むことを特徴とする。
また、本発明は、炉内の高温雰囲気中でガラス原料粒子を溶融した後にこれを集積して溶融ガラスとするガラス溶融炉を用いた溶融ガラスの製造方法において、前記ガラス溶融炉内に前記ガラス原料粒子を投入する投入ステップと、前記ガラス原料粒子を炉内の気相雰囲気を通過させて溶融する溶融ステップと、前記投入ステップ後から前記溶融ステップ前の前記ガラス原料粒子を前記気相雰囲気の熱の一部によって形成された焼結処理雰囲気によって焼結させる焼結ステップと、前記溶融ステップで溶融したガラス原料粒子を前記ガラス溶融炉の底部に集積して溶融ガラスとする集積ステップと、を含むことを特徴とする。
また、前記投入ステップが、前記焼結ステップが行われる空間領域の上方で行われることが好ましい。
また、前記溶融ステップが、前記焼結ステップが行われる空間領域の下方で行われることが好ましい。
また、前記溶融ガラスが、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２の含有量が５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３の含有量が７〜６０％、ＣａＯの含有量が７〜６０％を含み、これらの総和が９０％以上で構成されてもよい。
また、本発明は、炉内の高温雰囲気中でガラス原料粒子を溶融した後にこれを集積して溶融ガラスとするガラス溶融炉を用いた溶融ガラスの製造方法において、前記ガラス溶融炉内に前記ガラス原料粒子を投入する投入ステップと、前記ガラス原料粒子を炉内の気相雰囲気を通過させて溶融する溶融ステップと、前記投入ステップ後から前記溶融ステップ前の前記ガラス原料粒子を前記気相雰囲気の熱の一部によって形成された焼結処理雰囲気によって焼結させる焼結ステップと、前記溶融ステップで溶融したガラス原料粒子を前記ガラス溶融炉の底部に集積して溶融ガラスとする集積ステップと、を含むことを特徴とする。
また、前記投入ステップが、前記焼結ステップが行われる空間領域の上方で行われることが好ましい。
また、前記溶融ステップが、前記焼結ステップが行われる空間領域の下方で行われることが好ましい。
また、前記溶融ガラスが、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２の含有量が５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３の含有量が７〜６０％、ＣａＯの含有量が７〜６０％を含み、これらの総和が９０％以上で構成されてもよい。
本発明は、前記ガラス溶融炉と、前記ガラス溶融炉により製造された溶融ガラスを成形する成形手段と、前記成形後のガラス製品を冷却する冷却手段とを備えるガラス製品の製造装置でもある。
本発明は、前記溶融ガラスの製造方法を用いて前記ガラス原料粒子を焼結後に溶融ガラスを製造する工程と、前記溶融ガラスを成形する工程と、前記成形後のガラス製品を冷却する工程とを含むガラス製品の製造方法でもある。
本発明は、前記溶融ガラスの製造方法を用いて前記ガラス原料粒子を焼結後に溶融ガラスを製造する工程と、前記溶融ガラスを成形する工程と、前記成形後のガラス製品を冷却する工程とを含むガラス製品の製造方法でもある。
本発明によれば、ガラス原料粒子に造粒体を用いる場合でも、炉体内に投入されて飛翔中のガラス原料粒子（造粒体）を焼結部の雰囲気で焼結した後に、気相雰囲気に至らしめることができる。このため、燃焼バーナーの火炎及びその周辺の高温部等からなる気相雰囲気中に達したガラス原料粒子（造粒体）の崩壊が抑えられ、ガラス製品の均質化および煤塵の低減に対する影響を抑制できる。
また、溶融部よりも上方に溶融部と連通する焼結部を設けることで、焼結部内に気相雰囲気の熱の一部を用いた焼結用の雰囲気を容易に形成でき、消費エネルギーの増加を抑えた上でガラス原料粒子を焼結できる。しかも、溶融部よりも水平断面が小さい焼結部にガラス原料粒子を投入することで、ガラス原料粒子の水平方向の広がりを抑えて効率よく焼結できる。
また、溶融部よりも上方に溶融部と連通する焼結部を設けることで、焼結部内に気相雰囲気の熱の一部を用いた焼結用の雰囲気を容易に形成でき、消費エネルギーの増加を抑えた上でガラス原料粒子を焼結できる。しかも、溶融部よりも水平断面が小さい焼結部にガラス原料粒子を投入することで、ガラス原料粒子の水平方向の広がりを抑えて効率よく焼結できる。
＜第一実施形態＞
以下、本発明のガラス溶融炉を中心として、溶融ガラスの製造方法、ガラス製品の製造装置およびガラス製品の製造方法の第一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態のガラス溶融炉１０は、いわゆる気中溶融法により溶融ガラスＧを製造する。ガラス溶融炉１０は、例えば目的とするガラスの組成に合わせてガラスの各成分の原料粉末を混合して集合させたガラス原料粒子（造粒体）ＧＭを、炉体１内の高温の気相雰囲気中に投入して溶融させることで溶融ガラス粒子Ｕとする。溶融ガラス粒子Ｕは、炉体１の底部に集積して液相の溶融ガラスＧを形成する。ガラス溶融炉１０は、成形装置２０を含むガラス製品の製造装置３０の一部を構成する。
「気相雰囲気」とは、気中溶融法において燃焼バーナーなどの加熱装置によって炉内に形成される高温の雰囲気であって、炉内のその他の領域の雰囲気とは区別されるものである。例えば、加熱装置が燃焼バーナーの場合には、火炎を含む高温の領域をいう。加熱装置が熱プラズマの場合には、プラズマが発生している高温の領域をいう。
以下、本発明のガラス溶融炉を中心として、溶融ガラスの製造方法、ガラス製品の製造装置およびガラス製品の製造方法の第一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態のガラス溶融炉１０は、いわゆる気中溶融法により溶融ガラスＧを製造する。ガラス溶融炉１０は、例えば目的とするガラスの組成に合わせてガラスの各成分の原料粉末を混合して集合させたガラス原料粒子（造粒体）ＧＭを、炉体１内の高温の気相雰囲気中に投入して溶融させることで溶融ガラス粒子Ｕとする。溶融ガラス粒子Ｕは、炉体１の底部に集積して液相の溶融ガラスＧを形成する。ガラス溶融炉１０は、成形装置２０を含むガラス製品の製造装置３０の一部を構成する。
「気相雰囲気」とは、気中溶融法において燃焼バーナーなどの加熱装置によって炉内に形成される高温の雰囲気であって、炉内のその他の領域の雰囲気とは区別されるものである。例えば、加熱装置が燃焼バーナーの場合には、火炎を含む高温の領域をいう。加熱装置が熱プラズマの場合には、プラズマが発生している高温の領域をいう。
ガラス溶融炉１０は、例えば直方体形状の中空箱型の炉体１と、炉体１の後述する上方突出部１ｃの上端部（底部１ｄ）に設置された原料粒子投入装置５（以下、本明細書において、「原料粒子投入装置」を「原料粒子投入部」とも称する。）と、上方突出部１ｃの下端部の周囲に設置された複数（図１では二基）の燃焼バーナー７（加熱装置）とを備える。
炉体１は、耐火レンガ等の耐火材で壁部を構成するもので、その内部に高温の気相雰囲気を収容すると共に、下部内に高温の溶融ガラスＧを貯留する。
炉体１の下部における溶融ガラスＧを貯留する貯留部１ｂは、燃焼バーナー７からの加熱や、必要に応じて不図示の加熱ヒータにより、貯留した溶融ガラスＧを所定温度（例えば１４００℃程度）の溶融状態に維持する。
炉体１の下部における溶融ガラスＧを貯留する貯留部１ｂは、燃焼バーナー７からの加熱や、必要に応じて不図示の加熱ヒータにより、貯留した溶融ガラスＧを所定温度（例えば１４００℃程度）の溶融状態に維持する。
炉体１の図中左側の側壁部には、排気口２および排気管２ａを介して排ガス処理装置３が接続される。炉体１（貯留部１ｂ）の図中右側の側壁部には、導出口４及び導出路４ａを介して成形装置２０が接続される。
貯留部１ｂ内の溶融ガラスＧは、導出口４から炉外に導出され、導出路４ａを経て成形装置２０に送られる。ガラス製品の製造装置３０および製造方法については後述する。
貯留部１ｂ内の溶融ガラスＧは、導出口４から炉外に導出され、導出路４ａを経て成形装置２０に送られる。ガラス製品の製造装置３０および製造方法については後述する。
炉体１は、上壁部１ａの一部（例えば平面方向の中央部）を上方に変位させるように形成された上方突出部１ｃを有する。上方突出部１ｃは、鉛直方向に沿う中心軸線（以下、単に軸線という。）Ｃ１を有する有底筒状をなし、底部１ｄを上側にして下方（炉内）に開放するように設けられる。上方突出部１ｃの軸線Ｃ１は、第一実施形態では炉体１の中心軸線（以下、単に軸線という。）Ｃ２と同軸である。
上方突出部１ｃは、水平方向の幅よりも上下長さが長く形成される。上方突出部１ｃの底部１ｄ（上端部）には、上方突出部１ｃ内（炉内）に向けて鉛直方向下向きに原料投入口５ａを開口させる筒状の原料粒子投入装置５が設けられる。
原料粒子投入装置５は、例えば金属またはセラミック等からなる単管構造をなし、その中心軸線（以下、単に軸線という。）Ｃ１’を上方突出部１ｃの軸線Ｃ１と同軸にして配置される。原料粒子投入装置５の下端には原料投入口５ａが開口する。原料粒子投入装置５の下端部は上方突出部１ｃの底部１ｄを貫通し、上方突出部１ｃ内に向けて原料投入口５ａを開口させる。原料投入口５ａからは、上方突出部１ｃ内へ軸線Ｃ１，Ｃ１’に沿ってガラス原料粒子ＧＭが噴出される。軸線Ｃ１，Ｃ１’はガラス原料粒子ＧＭの投入方向に沿う直線でもある。上方突出部１ｃの上端部に原料投入口５ａが配置されることで、縦長の上方突出部１ｃ内のガラス原料粒子ＧＭの通過時間を長くすることができる。
上方突出部１ｃは、その内部の雰囲気Ｋ’（気相雰囲気以外の雰囲気。すなわち、この雰囲気Ｋ’はガラス原料粒子ＧＭの焼結化を進行させる雰囲気であり、「焼結処理雰囲気」とも称する。）中でガラス原料粒子ＧＭを焼結処理する焼結部６０を構成する。焼結部６０は、上壁部１ａの下方で燃焼バーナー７による気相雰囲気Ｋを収容する溶融部５０よりも小さい水平断面を有する。原料投入口５ａから焼結部６０に投入されたガラス原料粒子ＧＭは、雰囲気Ｋ’中を通過しつつ焼結処理がなされた後、続けて溶融部５０内の気相雰囲気Ｋ中に投入される。
焼結部６０は、溶融部５０よりも上方に位置し、溶融部５０よりも水平断面が小さく、かつその溶融部と連通することで、気相雰囲気の熱の一部を用いてガラス原料粒子を焼結する雰囲気が形成されるように、原料投入口５ａを臨む位置に、すなわち原料投入口５ａと面し、かつ原料投入口５ａ連通するように、設けられている。
焼結部６０は、溶融部５０よりも上方に位置し、溶融部５０よりも水平断面が小さく、かつその溶融部と連通することで、気相雰囲気の熱の一部を用いてガラス原料粒子を焼結する雰囲気が形成されるように、原料投入口５ａを臨む位置に、すなわち原料投入口５ａと面し、かつ原料投入口５ａ連通するように、設けられている。
溶融部５０よりも水平断面が小さい焼結部６０を用いることで、ガラス原料粒子ＧＭの拡散が抑えられて効率よく焼結処理が行われる。
ガラス原料粒子ＧＭは、溶融部５０で燃焼バーナー７の噴射方向に形成された気相雰囲気Ｋによって溶融して溶融ガラス粒子Ｕとなり、炉体１の貯留部１ｂに集積されて溶融ガラスＧとなる。
ガラス原料粒子ＧＭは、溶融部５０で燃焼バーナー７の噴射方向に形成された気相雰囲気Ｋによって溶融して溶融ガラス粒子Ｕとなり、炉体１の貯留部１ｂに集積されて溶融ガラスＧとなる。
原料粒子投入装置５の上部側（すなわち、軸方向で原料投入口５ａと反対側）には、供給管９を介して原料供給器８が接続される。原料供給器８は、ガラス原料粒子ＧＭを収容したホッパを有する。供給管９には、例えば不図示のキャリアガス供給源からキャリアガスが供給される。このキャリアガスによって、ガラス原料粒子ＧＭがホッパ側から原料粒子投入装置５側へ搬送される。
原料粒子投入装置５は、キャリアガスと共にガラス原料粒子ＧＭを上方突出部１ｃ内へ噴出する。なお、キャリアガスによらず原料粒子投入装置５から自由落下によりガラス原料粒子ＧＭを投入する構成でもよい。原料粒子投入装置５を燃焼バーナー７と別に設けることで、燃焼バーナー７の燃焼条件によらず種々のガスを利用でき、炉内雰囲気の成分調整が容易である。原料粒子投入装置５は水冷構造を備えてもよい。
燃焼バーナー７は、例えば燃料供給ノズルおよび酸素供給ノズルが適切に配置された既存の酸素燃焼バーナーであり、上方突出部１ｃの周囲で炉体１の上壁部１ａに設けられる。燃焼バーナー７は筒状をなし、その中心軸線（以下、単に軸線という。）Ｃ３を下側ほど原料粒子投入装置５の軸線Ｃ１に近付けるように鉛直方向に対して傾斜して配置される。燃焼バーナー７の下端には火炎噴射口７ａ（すなわち、エネルギー放出部）が開口する。エネルギー放出部とは、加熱装置において気相雰囲気を形成するためにエネルギーである熱やプラズマなどを放出する出口をいう。軸線Ｃ３は燃焼炎Ｆの噴射方向に沿う直線でもある。燃焼バーナー７の下端部は上壁部１ａを貫通し、上壁部１ａ下方の炉内に向けて斜め下向きに火炎噴射口７ａを開口させ、軸線Ｃ３に沿って燃焼炎Ｆを噴射する。
各燃焼バーナー７は、例えば炉体１の軸線Ｃ２に関して回転対称に配置される。各燃焼バーナー７は、例えば互いの軸線Ｃ３が炉体１の軸線Ｃ２及び原料粒子投入装置５の軸線Ｃ１’上で交差するように配置される。なお、各燃焼バーナー７は、図１の側面視での傾斜のみならず、軸線Ｃ２を中心とした回転方向でも傾斜してよい。燃焼バーナー７の設置数は二基に限定されず、三基以上であることも好ましい。燃焼バーナー７は、気相雰囲気の温度の対称性（すなわち、均一性）を向上させる観点から、軸線Ｃ２を中心とした回転方向で等間隔に複数配置することが好ましい。燃焼バーナー７に加え、気相雰囲気を形成する加熱装置として、熱プラズマを発生させる一対以上の電極で構成される多相アークプラズマ発生装置をさらに備えてもよい。
各燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａは、原料粒子投入装置５の原料導入口とは離隔して配置される。各燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａと原料粒子投入装置５の原料導入口との距離の詳細は後述する。
燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａと原料粒子投入装置５の原料導入口とが離隔することで、燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａへのガラス原料粒子ＧＭの付着が抑えられ、燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆが不安定になったり火炎噴射口７ａが閉塞したりすることがない。また、火炎噴射口７ａへの付着物が炉内の溶融ガラスＧに落下することもなく、付着物とガラス融液との組成差によるガラスの不均質化が抑えられ、高品質の溶融ガラスＧが得られる。
また、原料粒子投入装置５が燃焼バーナー７とは別の単管構造をなすことで、ガラス原料粒子ＧＭの粒子径の制約が小さく、所定の粒子径以上のガラス原料粒子ＧＭを用いることが可能となり、ガラス溶融炉１０内での煤塵（粉塵）の発生が抑制される。ガラス原料粒子ＧＭの煤塵が少ないと排ガスと共に排出され難く、原料の回収率も高くなる。
燃焼バーナー７は、燃焼炎Ｆの噴射方向先端側（図１では下方側）に気相雰囲気Ｋを形成する。気相雰囲気Ｋは、燃焼バーナー７が噴射する燃焼炎Ｆおよび燃焼炎Ｆ近傍の高温部からなる。燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａは、ガラス溶融炉１０の上壁部１ａの下面近傍に配置される。ガラス溶融炉１０内における火炎噴射口７ａおよび上壁部１ａよりも上方の上方突出部１ｃ内（すなわち、焼結部６０内）には、燃焼炎Ｆの熱の対流や輻射を受けて、ガラス原料粒子ＧＭの焼結化を進行させる雰囲気Ｋ’が形成される。
燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆの温度は、ガラス原料粒子ＧＭに含まれる気体成分を迅速にガス化散逸させてガラス化反応を進行させるために、珪砂の溶融温度以上である１６００℃以上に設定することが好ましい。
燃焼バーナー７から噴射される燃焼炎Ｆが形成する気相雰囲気Ｋの中心部の温度は、燃焼炎Ｆが例えば酸素燃焼炎の場合、約２０００℃であり、熱プラズマの場合には５０００〜２００００℃に達する。一方、上方突出部１ｃ内に形成される雰囲気Ｋ’の中心部の温度は、約１０００〜１３００℃である。
燃焼バーナー７から噴射される燃焼炎Ｆが形成する気相雰囲気Ｋの中心部の温度は、燃焼炎Ｆが例えば酸素燃焼炎の場合、約２０００℃であり、熱プラズマの場合には５０００〜２００００℃に達する。一方、上方突出部１ｃ内に形成される雰囲気Ｋ’の中心部の温度は、約１０００〜１３００℃である。
原料粒子投入装置５の上方突出部１ｃの軸線Ｃ１と燃焼バーナー７の軸線Ｃ３とが形成する、側面視で上方に向けて開放する角度αは、１０〜５０°の範囲の角度、例えば４５°程度の角度とされる。これにより、焼結部６０から気相雰囲気Ｋ中に投下されたガラス原料粒子ＧＭは、各燃焼バーナー７から斜め下向きに噴射された燃焼炎Ｆ内を比較的長時間に渡って通過し、効率よく溶融ガラス粒子Ｕとなる。
本実施形態のガラス溶融炉１０を用いて製造する溶融ガラスＧは、気中溶融法により製造されるガラスである限り、組成的には特に制限されない。
建築用または車両用の板ガラスに使用されるソーダライムガラスの場合には、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２：６５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３：０〜３％、ＣａＯ：５〜１５％、ＭｇＯ：０〜１５％、Ｎａ２Ｏ：１０〜２０％、Ｋ２Ｏ：０〜３％、Ｌｉ２Ｏ：０〜５％、Ｆｅ２Ｏ３：０〜３％、ＴｉＯ２：０〜５％、ＣｅＯ２：０〜３％、ＢａＯ：０〜５％、ＳｒＯ：０〜５％、Ｂ２Ｏ３：０〜５％、ＺｎＯ：０〜５％、ＺｒＯ２：０〜５％、ＳｎＯ２：０〜３％、ＳＯ３：０〜０．５％、という組成を有することが好ましい。
上記した数値範囲を示す「〜」とは、その前後に記載された数値を下限値および上限値として含む意味で使用され、特段の定めがない限り、以下本明細書において「〜」は、同様の意味をもって使用される。
上記した数値範囲を示す「〜」とは、その前後に記載された数値を下限値および上限値として含む意味で使用され、特段の定めがない限り、以下本明細書において「〜」は、同様の意味をもって使用される。
液晶ディスプレイ用または有機ＥＬディスプレイ用の基板に使用される無アルカリガラスの場合には、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２：３９〜７５％、Ａｌ２Ｏ３：３〜２７％、Ｂ２Ｏ３：０〜２０％、ＭｇＯ：０〜１３％、ＣａＯ：０〜１７％、ＳｒＯ：０〜２０％、ＢａＯ：０〜３０％、という組成を有することが好ましい。
プラズマディスプレイ用の基板に使用される混合アルカリ系ガラスの場合には、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２：５０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３：０〜１５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ：６〜２４％、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ：６〜２４％、という組成を有することが好ましい。
その他の用途として、耐熱容器または理化学用器具等に使用されるホウケイ酸ガラスの場合には、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２：６０〜８５％、Ａｌ２Ｏ３：０〜５％、Ｂ２Ｏ３：５〜２０％、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ：２〜１０％、という組成を有することが好ましい。
その他のガラス組成としては、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２の含有量が５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３の含有量が７〜６０％、ＣａＯの含有量が７〜６０％を含み、これらの総和が９０％以上で構成されてもよい。この組成のガラスにおいては、造粒体の製造において、原料粉末粒子から造粒体を形成する際の結合剤のような働きをする成分が少なくなりやすいが、本実施形態の方法によれば、ガラス溶融炉内の焼結部で造粒体が焼結するため、前記組成のガラスを造粒体として使用して溶融ガラスの製造ができる。
その他のガラス組成としては、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２の含有量が５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３の含有量が７〜６０％、ＣａＯの含有量が７〜６０％を含み、これらの総和が９０％以上で構成されてもよい。この組成のガラスにおいては、造粒体の製造において、原料粉末粒子から造粒体を形成する際の結合剤のような働きをする成分が少なくなりやすいが、本実施形態の方法によれば、ガラス溶融炉内の焼結部で造粒体が焼結するため、前記組成のガラスを造粒体として使用して溶融ガラスの製造ができる。
ガラス原料粒子ＧＭが造粒体である場合で、その一例として無アルカリガラスを適用する場合には、珪砂、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）２）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）などの原料粉末粒子を目的のガラスの組成比に合致するように調合し、例えばスプレードライ造粒法により集合することにより３０〜１０００μｍ程度の造粒体として、ガラス原料粒子ＧＭを得る。
また、この造粒体は目的とするガラスの成分組成に対応する混合比の原料のみで構成してもよいが、その造粒体に更に同一組成のガラスカレット微粉を混合して、これをガラス原料粒子ＧＭとして用いることもできる。
また、この造粒体は目的とするガラスの成分組成に対応する混合比の原料のみで構成してもよいが、その造粒体に更に同一組成のガラスカレット微粉を混合して、これをガラス原料粒子ＧＭとして用いることもできる。
スプレードライ造粒によりガラス原料粒子ＧＭを得るための一例方法として、上述の各成分のガラス原料粉末粒子として２〜５００μｍの範囲のガラス原料粉末粒子と蒸留水などの溶媒とをボールミルなどの攪拌装置で所定時間攪拌し、混合し、粉砕してスリラーにしたのちにスプレードライ造粒することで、上述の各成分のガラス原料粉末粒子がほぼ均一に分散されたガラス原料粒子ＧＭが得られる。
なお、前述のスラリーを攪拌装置で攪拌する際、原料粉末粒子の均一分散の目的で２−アミノエタノールなどの分散剤を、造粒原料の強度を向上させる目的で、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）などのバインダーを混合してから攪拌してもよい。
本実施形態において用いるガラス原料粒子ＧＭは、上述のスプレードライ造粒法の他に、転動造粒法、攪拌造粒法などの乾式造粒法により形成することもできる。
本実施形態において用いるガラス原料粒子ＧＭは、上述のスプレードライ造粒法の他に、転動造粒法、攪拌造粒法などの乾式造粒法により形成することもできる。
ガラス原料粒子ＧＭの平均粒径（重量平均）は、３０〜１０００μｍの範囲が好ましい。より好ましくは、平均粒径（重量平均）が５０〜５００μｍの範囲内のガラス原料粒子ＧＭが使用され、さらに７０〜３００μｍの範囲内のガラス原料粒子ＧＭが好ましい。このガラス原料粒子ＧＭの一例を拡大して図１に示すが、１つのガラス原料粒子ＧＭにおいて最終目的とするガラスの組成比にほぼ合致するか近似した組成比となっていることが好ましい。
ガラス原料粒子ＧＭが溶融した溶融ガラス粒子Ｕの平均粒径（重量平均）は、通常ガラス原料粒子ＧＭの平均粒径の８０％程度となることが多い。ガラス原料粒子ＧＭの粒径は、短時間で加熱でき、発生ガスの放散が容易である点、および粒子間の組成変動の低減の点から、前述の範囲を選択することが好ましい。
また、これらのガラス原料粒子ＧＭは、必要に応じて、副原料として清澄剤、着色剤、溶融助剤、乳白剤等を含むことができる。また、これらのガラス原料粒子ＧＭ中のホウ酸などは、高温時の蒸気圧が比較的高いため加熱により蒸発しやすいことから、最終製品であるガラスの組成よりも余分に混合しておくことができる。
本実施形態において、副原料として清澄剤を含有する場合、塩素（Ｃｌ）、硫黄（Ｓ）、フッ素（Ｆ）の中から１種または２種以上の元素を選択して含む清澄剤を必要量添加することができる。その他の清澄剤として、酸化スズ（ＳｎＯ２）を用いることができる。
また、従来から用いられているＳｂ、Ａｓ酸化物などの清澄剤は、泡削減効果が生じたとしても、これら清澄剤の元素は環境負荷低減の面で望ましくない元素であり、それらの利用は環境負荷低減の方向性から見て削減することが好ましい。
また、従来から用いられているＳｂ、Ａｓ酸化物などの清澄剤は、泡削減効果が生じたとしても、これら清澄剤の元素は環境負荷低減の面で望ましくない元素であり、それらの利用は環境負荷低減の方向性から見て削減することが好ましい。
図１に示すように、本実施形態のガラス溶融炉１０を備えたガラス製品の製造装置３０は、ガラス溶融炉１０で製造した溶融ガラスＧを所定の速度で導出口４から導出し、必要に応じ不図示の脱泡装置に導入してさらに脱泡した後、成形装置２０に移送して目的の形状に成形する。成形後のワーク（成形品）は、冷却後に切断等の機械加工を経て、所定のガラス製品となる。このガラス製品は、ガラス溶融炉１０で製造した高品質の溶融ガラスＧにより形成されるため、均質で高い品質が得られる。
前述した本発明のガラス溶融炉を用い、炉内の高温雰囲気中でガラス原料粒子を溶融した後にこれを集積して溶融ガラスとする第１の実施形態の溶融ガラスの製造方法は、以下の各ステップを有する。
（１−１）ガラス溶融炉の炉体内にガラス原料粒子を溶融する気相雰囲気を形成し、その気相雰囲気を収める溶融部でガラス原料粒子を溶融する溶融ステップ。
（２−１）溶融ステップ前に、溶融部よりも上方に位置すると共にその溶融部よりも水平断面が小さくかつその溶融部と連通する焼結部にて、気相雰囲気の熱の一部を用いて形成される焼結処理雰囲気でガラス原料粒子を焼結する焼結ステップ。
（３−１）焼結ステップ前に、焼結部に臨む原料投入口からその焼結部にガラス原料粒子を投入する投入ステップ。
（１−１）ガラス溶融炉の炉体内にガラス原料粒子を溶融する気相雰囲気を形成し、その気相雰囲気を収める溶融部でガラス原料粒子を溶融する溶融ステップ。
（２−１）溶融ステップ前に、溶融部よりも上方に位置すると共にその溶融部よりも水平断面が小さくかつその溶融部と連通する焼結部にて、気相雰囲気の熱の一部を用いて形成される焼結処理雰囲気でガラス原料粒子を焼結する焼結ステップ。
（３−１）焼結ステップ前に、焼結部に臨む原料投入口からその焼結部にガラス原料粒子を投入する投入ステップ。
また、前述した本発明のガラス溶融炉を用い、炉内の高温雰囲気中でガラス原料粒子を溶融した後にこれを集積して溶融ガラスとする第２の実施形態の溶融ガラスの製造方法は、以下の各ステップを有する。
（１−２）ガラス溶融炉内にガラス原料粒子を投入する投入ステップ。
（２−２）ガラス原料粒子を炉内の気相雰囲気を通過させて溶融する溶融ステップ。
（３−２）投入ステップ後から溶融ステップ前のガラス原料粒子を気相雰囲気による熱の一部によって形成された焼結処理雰囲気によって焼結させる焼結ステップ。
（４−２）溶融ステップで溶融したガラス原料粒子をガラス溶融炉の底部に集積して溶融ガラスとする集積ステップ。
上記した第１の実施形態および第２の実施態様に係る溶融ガラスの製造方法においては、投入ステップは、焼結ステップが行われる空間領域の上方で行われることが好ましい。
また、溶融ステップは、焼結ステップが行われる空間領域の下方で行われることが好ましい。
（１−２）ガラス溶融炉内にガラス原料粒子を投入する投入ステップ。
（２−２）ガラス原料粒子を炉内の気相雰囲気を通過させて溶融する溶融ステップ。
（３−２）投入ステップ後から溶融ステップ前のガラス原料粒子を気相雰囲気による熱の一部によって形成された焼結処理雰囲気によって焼結させる焼結ステップ。
（４−２）溶融ステップで溶融したガラス原料粒子をガラス溶融炉の底部に集積して溶融ガラスとする集積ステップ。
上記した第１の実施形態および第２の実施態様に係る溶融ガラスの製造方法においては、投入ステップは、焼結ステップが行われる空間領域の上方で行われることが好ましい。
また、溶融ステップは、焼結ステップが行われる空間領域の下方で行われることが好ましい。
図５は、本実施形態の溶融ガラスの製造方法を用いたガラス製品の製造方法の一実施形態を示すフロー図である。
本実施形態のガラス製品の製造方法は、ガラス溶融炉１０を用いた溶融ガラスの製造方法によるガラス溶融工程Ｓ１を経た後、ガラス溶融工程Ｓ１で得た溶融ガラスＧを成形装置２０に送って目的の形状に成形する成形工程Ｓ２を実施する。成形工程Ｓ２で得た成形品は、例えば空冷の徐冷装置２１による徐冷工程Ｓ３で冷却した後、切断工程Ｓ４で必要な長さに切断することで、所定のガラス製品Ｇ５となる。
本実施形態のガラス製品の製造方法は、ガラス溶融炉１０を用いた溶融ガラスの製造方法によるガラス溶融工程Ｓ１を経た後、ガラス溶融工程Ｓ１で得た溶融ガラスＧを成形装置２０に送って目的の形状に成形する成形工程Ｓ２を実施する。成形工程Ｓ２で得た成形品は、例えば空冷の徐冷装置２１による徐冷工程Ｓ３で冷却した後、切断工程Ｓ４で必要な長さに切断することで、所定のガラス製品Ｇ５となる。
なお、前述したガラス製品の製造方法（およびガラス製品の製造装置３０）は、必要に応じて、成形工程Ｓ２で得た成形品、徐冷工程Ｓ３で得た徐冷品、あるいは切断工程Ｓ３で得た切断品を、研磨する研磨工程（および研磨装置）を有してもよい。また、ガラス製品Ｇ５の泡品質に応じて、例えば導出路４ａで溶融ガラスＧの脱泡を行う脱泡工程（および脱泡装置）を有してもよい。
ここで、ガラス原料粒子ＧＭが造粒体からなる場合、その一粒一粒が溶融して溶融ガラス粒子Ｕとなるが、燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆ（フレーム）中に造粒体が直接投入されると、火炎噴射流の勢いや原料の急速な熱分解によるガス放出により溶融ガラス粒子Ｕになる前に造粒体が崩壊することがある。造粒体の崩壊は、ガラス製品の均質化および煤塵（粉塵）の低減に影響を及ぼす。ガラス原料粒子ＧＭの煤塵が多いと、この煤塵が排ガスと共に排出され易く、原料の回収率も低くなる。
そこで本実施形態では、造粒体が燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆに至る前に、造粒体を、炉内の上方突出部１ｃ内の焼結部６０の雰囲気Ｋ’中に投入し、造粒体の焼結による高強度化を図った上で、燃焼バーナー７の火炎噴射方向に形成された気相雰囲気Ｋ中に投入する。これにより、燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆ（フレーム）中に造粒体が投入されてもその崩壊が抑えられ、ガラス製品の均質化および煤塵の低減が図られる。ガラス原料粒子ＧＭの煤塵も少なくなり、原料が排ガスと共に排出され難くなって原料の回収率も高くなる。
雰囲気Ｋ’は、ガラス溶融炉１０の炉体１内で燃焼炎Ｆの熱の対流や輻射を利用して形成される。このため、別途加熱源を有する場合や、炉体１の外で焼結する場合と比べて、消費エネルギーの増加が抑えられる。
なお、ガラス原料粒子ＧＭの焼結化のために、炉体１の外で造粒体を静置して造粒体の焼結温度にとって好ましい１０００℃程度の温度に加熱し焼結させる方法も考えられるが、この場合、複数の造粒体が結合した塊が生じ易いため、回転キルンや高温雰囲気中に噴霧して焼結させる必要があり、手間もかかる。また、ガラス溶融炉の排ガスを利用する方法で１０００℃程度の温度の焼結の雰囲気を形成するには、温度的に困難である。また、別途加熱源を設定すると、エネルギー負荷が増加して気中溶融法のメリットが相対的には薄れる。
なお、ガラス原料粒子ＧＭの焼結化のために、炉体１の外で造粒体を静置して造粒体の焼結温度にとって好ましい１０００℃程度の温度に加熱し焼結させる方法も考えられるが、この場合、複数の造粒体が結合した塊が生じ易いため、回転キルンや高温雰囲気中に噴霧して焼結させる必要があり、手間もかかる。また、ガラス溶融炉の排ガスを利用する方法で１０００℃程度の温度の焼結の雰囲気を形成するには、温度的に困難である。また、別途加熱源を設定すると、エネルギー負荷が増加して気中溶融法のメリットが相対的には薄れる。
そこで本実施形態では、燃焼バーナー７の下向きの火炎噴射流が至らない炉体１の上端部内（すなわち、上方突出部１ｃ内の焼結部６０内）に、炉内の比較的高温の気相雰囲気Ｋのエネルギーを利用した雰囲気Ｋ’を形成する。炉内に投入された造粒体は、上方突出部１ｃ内を飛翔中に焼結処理がなされた後、燃焼バーナー７が形成する気相雰囲気Ｋ中に至る。造粒体は、酸素燃料バーナー７のフレームに至るまでの間に、炉内の雰囲気Ｋ’に可及的に長時間さらされることで、焼結による高強度化が図られる。上方突出部１ｃの外部は、断熱をすることが好ましい。
これにより、焼結がなされない造粒体が燃焼バーナー７の火炎噴射流に直接投入される場合と比べて、造粒体の崩壊が抑えられる。炉内のエネルギーを利用して雰囲気Ｋ’を形成することで、別途加熱源を設定する場合と比べて消費エネルギーの増加が抑えられる。造粒体がその形態を保つことで、ガラス化反応が促進されてガラス製品が良好に均質化される。雰囲気Ｋ’を形成する上方突出部１ｃが炉体１の上壁部１ａから部分的に突出することで、炉体１の上壁部１ａの高さが抑えられる。
なお、雰囲気Ｋ’の温度が不足する場合のために、焼結部６０での焼結を補助するための加熱源を設けてもよい。例えば、高周波誘導加熱装置の一例である高周波誘導コイルを利用できる。この場合には、この加熱源によって消費エネルギーが増加するものの、少なくとも炉体１の外で造粒体を焼結する場合に比べて消費エネルギーが低くメリットがある。
なお、雰囲気Ｋ’の温度が不足する場合のために、焼結部６０での焼結を補助するための加熱源を設けてもよい。例えば、高周波誘導加熱装置の一例である高周波誘導コイルを利用できる。この場合には、この加熱源によって消費エネルギーが増加するものの、少なくとも炉体１の外で造粒体を焼結する場合に比べて消費エネルギーが低くメリットがある。
本発明者らは、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系組成（ＣＡＳ系ガラスという）の造粒体を前述のスプレードライ造粒法により造粒し、未熱処理のものと１０００℃で５時間の熱処理（焼結処理）を施したものとで、気中溶融法によってガラス化させた粒子の比較を行った。なお、焼結時間を長くしているのは、比較を行った造粒体の量が多かったため、造粒体を十分に焼結させるためであり、焼結部で造粒体の焼結のために必要な時間とは無関係である。
その結果、未熱処理の造粒体を用いた場合には、前記した無アルカリ系ガラスの造粒体に比べて原料粉末粒子同士をつなぐ結合剤のような働きをする成分が少ないため溶融後のガラスの回収率は５０〜６０％と低く、煤塵として排出された割合が多かった。一方、焼結処理後の造粒体を用いた場合には、原料粉末粒子同士をつなぐ結合剤のような働きをする成分が少ないにも関わらず回収率は８０〜９０％と高く、煤塵として排出された割合が少なかった。
その結果、未熱処理の造粒体を用いた場合には、前記した無アルカリ系ガラスの造粒体に比べて原料粉末粒子同士をつなぐ結合剤のような働きをする成分が少ないため溶融後のガラスの回収率は５０〜６０％と低く、煤塵として排出された割合が多かった。一方、焼結処理後の造粒体を用いた場合には、原料粉末粒子同士をつなぐ結合剤のような働きをする成分が少ないにも関わらず回収率は８０〜９０％と高く、煤塵として排出された割合が少なかった。
表１は、前記ＣＡＳ系ガラスの組成を示す。以下、ＣＡＳ系ガラスのベースとなる表１の組成の造粒体を本実施形態の装置及び方法に使用した際の検討を行った。
図６は、例えば焼結前の造粒体の嵩密度１ｇ／ｃｍ３で直径１ｍｍの造粒体を熱処理した際の造粒体の直径及び嵩密度の変化を示すグラフである。本図より、嵩密度１ｇ／ｃｍ３で大きさ１ｍｍの造粒体を焼結させると、嵩密度約２ｇ／ｃｍ３で直径約０．８ｍｍの造粒体に変化することがわかる。但し、焼結した造粒体の嵩密度は目的のガラスの密度を超えることはない。
図７は、造粒体が１３００℃の雰囲気中（Ｔｇ）を通過する際に１０００℃に加熱（Ｔｐ）されて焼結するまでに必要な造粒体の移動距離を示すグラフである。造粒体の移動距離は、各燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａの中心と原料粒子投入装置５の原料導入口の中心との間を造粒体が飛翔する距離に相当する。図中、実線は嵩密度１ｇ／ｃｍ３の造粒体の特性を、図中、点線は嵩密度１．５ｇ／ｃｍ３の造粒体の特性を、図中、一点鎖線は嵩密度２．０ｇ／ｃｍ３の造粒体の特性をそれぞれ示す。例えば、図７の実線上の点Ｐは、嵩密度１ｇ／ｃｍ３で直径１ｍｍの造粒体が１３００℃の雰囲気中を０．８ｍ進むと１０００℃になることを示す。
以下、前記移動距離を求めた式を数１に、数１に用いるパラメータを表２にそれぞれ示す。具体的には、火炎中の粒子速度ｖを時間ｔについて所定時間積分して移動距離を求め、粒子の温度はＴｐのｔに所定時間を代入して求めた。
以下、前記移動距離を求めた式を数１に、数１に用いるパラメータを表２にそれぞれ示す。具体的には、火炎中の粒子速度ｖを時間ｔについて所定時間積分して移動距離を求め、粒子の温度はＴｐのｔに所定時間を代入して求めた。
以上の結果を参照して、ガラス原料粒子ＧＭの直径と雰囲気Ｋ’の移動距離とを設定することで、造粒体の焼結により高強度化を図った上で、造粒体を燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆによる気相雰囲気Ｋ中に投入可能となり、造粒体の崩壊を抑えることができる。
以上説明したように、上記実施形態におけるガラス溶融炉１０は、炉内の高温雰囲気中でガラス原料粒子ＧＭを溶融した後にこれを集積して溶融ガラスＧとするものにおいて、中空の炉体１と、前記炉体１内に火炎を噴射して前記ガラス原料粒子ＧＭを溶融する気相雰囲気Ｋを形成する燃焼バーナー７と、前記燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａよりも上方に位置する原料投入口５ａから前記炉体１内に前記ガラス原料粒子ＧＭを投入する原料粒子投入装置５とを備え、前記炉体１が、前記気相雰囲気Ｋを収める溶融部５０よりも上方に焼結部６０を有し、前記焼結部６０が、前記溶融部５０よりも水平断面が小さく、かつ前記溶融部５０と連通することで、前記気相雰囲気Ｋの熱の一部を用いて前記ガラス原料粒子ＧＭを焼結する雰囲気Ｋ’を形成し、前記原料粒子投入装置５が、前記焼結部６０に前記ガラス原料粒子ＧＭを投入し、前記雰囲気Ｋ’を経て前記気相雰囲気Ｋに前記ガラス原料粒子ＧＭを至らしめるものである。
この構成によれば、ガラス原料粒子ＧＭに造粒体を用いる場合でも、炉体１内に投入されて飛翔中のガラス原料粒子ＧＭ（造粒体）を雰囲気Ｋ’で焼結した後に、気相雰囲気Ｋに至らしめることができる。このため、燃焼バーナー７の火炎及びその周辺の高温部からなる気相雰囲気Ｋ中に達したガラス原料粒子ＧＭ（造粒体）の崩壊が抑えられ、ガラス製品の均質化および煤塵の低減に対する影響を抑制できる。
また、溶融部５０よりも上方に溶融部５０と連通する焼結部６０を設けることで、焼結部６０内に気相雰囲気Ｋの熱の一部を用いた雰囲気Ｋ’を容易に形成でき、消費エネルギーの増加を抑えた上でガラス原料粒子ＧＭを焼結できる。しかも、溶融部５０よりも水平断面が小さい焼結部６０にガラス原料粒子ＧＭを投入することで、ガラス原料粒子ＧＭの水平方向の広がりを抑えて効率よく焼結できる。
また、溶融部５０よりも上方に溶融部５０と連通する焼結部６０を設けることで、焼結部６０内に気相雰囲気Ｋの熱の一部を用いた雰囲気Ｋ’を容易に形成でき、消費エネルギーの増加を抑えた上でガラス原料粒子ＧＭを焼結できる。しかも、溶融部５０よりも水平断面が小さい焼結部６０にガラス原料粒子ＧＭを投入することで、ガラス原料粒子ＧＭの水平方向の広がりを抑えて効率よく焼結できる。
＜第二実施形態＞
次に、本発明のガラス溶融炉を中心として、溶融ガラスの製造方法、ガラス製品の製造装置およびガラス製品の製造方法の第二実施形態について、図１を援用し図２を参照して説明する。
第二実施形態は、第一実施形態に対して異なるガラス溶融炉１１０を備えるもので、その他の第一実施形態と同一構成には同一符号を付して詳細説明は省略する。
次に、本発明のガラス溶融炉を中心として、溶融ガラスの製造方法、ガラス製品の製造装置およびガラス製品の製造方法の第二実施形態について、図１を援用し図２を参照して説明する。
第二実施形態は、第一実施形態に対して異なるガラス溶融炉１１０を備えるもので、その他の第一実施形態と同一構成には同一符号を付して詳細説明は省略する。
図２に示すガラス溶融炉１１０も、気中溶融法により溶融ガラスＧを形成するもので、例えば直方体形状の中空箱型の炉体１と、炉体１の上壁部１ａの中央部に設置された一基の燃焼バーナー７と、炉体１の一対の上方突出部１ｃの上端部（底部１ｄ）にそれぞれ設置された原料粒子投入装置５とを備える。ガラス溶融炉１１０は、前記成形装置２０を含むガラス製品の製造装置１３０の一部を構成する。
各上方突出部１ｃは、例えば燃焼バーナー７を挟んだ両側に設けられ、それぞれの軸線１Ｃを鉛直方向に沿わせて配置される。各上方突出部１ｃの底部１ｄには、各上方突出部１ｃ内（炉内）に向けて鉛直方向下向きに原料投入口５ａを開口させる筒状の原料粒子投入装置５がそれぞれ設けられる。
各原料粒子投入装置５は、それぞれの軸線Ｃ１’を対応する上方突出部１ｃの軸線Ｃ１と同軸にして配置され、原料投入口５ａから軸線Ｃ１，Ｃ１’に沿ってガラス原料粒子ＧＭを噴出する。
各原料粒子投入装置５は、それぞれの軸線Ｃ１’を対応する上方突出部１ｃの軸線Ｃ１と同軸にして配置され、原料投入口５ａから軸線Ｃ１，Ｃ１’に沿ってガラス原料粒子ＧＭを噴出する。
各原料粒子投入装置５は、例えば炉体１の軸線Ｃ２に関して回転対称に配置される。なお、各原料粒子投入装置５の設置数は一対に限らず三つ以上としてもよい。各原料粒子投入装置５は、ガラス原料粒子ＧＭの投入の対称性（均一性）を向上させる観点から、軸線Ｃ２を中心とした回転方向で等間隔に複数配置することが好ましい。
燃焼バーナー７は、鉛直方向に沿う軸線Ｃ３を有し、各上方突出部１ｃ間で上壁部１ａに設けられ、火炎噴射口７ａから軸線Ｃ３に沿って燃焼炎Ｆを噴射する。
燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａは、各原料粒子投入装置５の原料投入口５ａとは離隔して配置される。燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａと各原料粒子投入装置５の原料投入口５ａとの距離の詳細は第一実施形態に準ずる。
燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａは、各原料粒子投入装置５の原料投入口５ａとは離隔して配置される。燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａと各原料粒子投入装置５の原料投入口５ａとの距離の詳細は第一実施形態に準ずる。
原料粒子投入装置５から炉体１内（各上方突出部１ｃ内）に投下されたガラス原料粒子ＧＭは、各上方突出部１ｃ内の焼結部６０に形成された雰囲気Ｋ’よって焼結処理がなされた後、燃焼バーナー７の火炎噴射方向に形成された気相雰囲気Ｋによって溶融して溶融ガラス粒子Ｕとなり、炉体１の貯留部１ｂに集積されて溶融ガラスＧとなる。
ガラス原料粒子ＧＭは、燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆに沿うように投下されることで、火炎周辺の高温雰囲気内を比較的長時間に渡って通過し、効率よく溶融ガラス粒子Ｕとなる。燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆの両側にガラス原料粒子ＧＭを投下することで、単一の燃焼バーナー７で一対の原料粒子投入装置５からのガラス原料粒子ＧＭを効率よく溶融できる。
ガラス原料粒子ＧＭは、燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆに沿うように投下されることで、火炎周辺の高温雰囲気内を比較的長時間に渡って通過し、効率よく溶融ガラス粒子Ｕとなる。燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆの両側にガラス原料粒子ＧＭを投下することで、単一の燃焼バーナー７で一対の原料粒子投入装置５からのガラス原料粒子ＧＭを効率よく溶融できる。
＜第三実施形態＞
次に、本発明のガラス溶融炉を中心として、溶融ガラスの製造方法、ガラス製品の製造装置およびガラス製品の製造方法の第三実施形態について、図１を援用し図３を参照して説明する。
第三実施形態は、第一実施形態に対して異なるガラス溶融炉２１０を備えるもので、その他の第一実施形態と同一構成には同一符号を付して詳細説明は省略する。
次に、本発明のガラス溶融炉を中心として、溶融ガラスの製造方法、ガラス製品の製造装置およびガラス製品の製造方法の第三実施形態について、図１を援用し図３を参照して説明する。
第三実施形態は、第一実施形態に対して異なるガラス溶融炉２１０を備えるもので、その他の第一実施形態と同一構成には同一符号を付して詳細説明は省略する。
図３に示すガラス溶融炉２１０も、気中溶融法により溶融ガラスＧを形成するもので、例えば直方体形状の中空箱型の炉体１と、炉体１の上方膨出部１ｅの中央部に設置された一基の燃焼バーナー７と、炉体１の上方膨出部１ｅの上端部１ｆに鉛直方向に沿って設置された一対の原料粒子投入装置５とを備える。ガラス溶融炉２１０は、前記成形装置２０を含むガラス製品の製造装置２３０の一部を構成する。
炉体１は、前記上壁部１ａ（図３では鎖線で示す）の一部または全部を上方に膨出させるように形成された上方膨出部１ｅを有する。上方膨出部１ｅは、例えば炉体１と同軸の角錐台形状をなし、その上端部１ｆの中央部には、下方（炉内）に延びる下方延出部１ｈが設けられる。下方延出部１ｈは鉛直方向に沿う筒状をなし、炉体１と同軸に配置される。下方延出部１ｈ内には、炉内に向けて鉛直方向下向きに火炎噴射口７ａを開口させる筒状の燃焼バーナー７が保持される。
上方膨出部１ｅは、その内部に形成された雰囲気Ｋ’中でガラス原料粒子ＧＭを焼結処理する焼結部６０を構成する。焼結部６０の水平断面は、その下端部で最大となり、上壁部１ａ下方の溶融部５０の水平断面と同等の大きさとなる。焼結部６０の水平断面は上側ほど小さくなるように変化する。
燃焼バーナー７は、鉛直方向に沿う軸線Ｃ３を有して下方延出部１ｈ内に同軸に保持され、火炎噴射口７ａから軸線Ｃ３に沿って燃焼炎を噴射する。
燃焼バーナー７は、鉛直方向に沿う軸線Ｃ３を有して下方延出部１ｈ内に同軸に保持され、火炎噴射口７ａから軸線Ｃ３に沿って燃焼炎を噴射する。
各原料粒子投入装置５は、例えば燃焼バーナー７を挟んだ両側に設けられ、それぞれの軸線Ｃ１’を鉛直方向に沿わせて配置される。各原料粒子投入装置５は、上方膨出部１ｅの上端部１ｆに、炉内に向けて鉛直下向きに原料投入口５ａを開口させるように設けられる。各原料粒子投入装置５は、それぞれ原料投入口５ａから軸線Ｃ１’に沿ってガラス原料粒子ＧＭを噴出する。
各原料粒子投入装置５は、例えば炉体１の軸線Ｃ２に関して回転対称に配置される。なお、各原料粒子投入装置５の設置数は一対に限らず三つ以上としてもよい。各原料粒子投入装置５は、ガラス原料粒子ＧＭの投入の対称性（均一性）を向上させる観点から、軸線Ｃ２を中心とした回転方向で等間隔に複数配置することが好ましい。
燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａは、各原料粒子投入装置５の原料投入口５ａとは離隔して配置される。燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａと各原料粒子投入装置５の原料投入口５ａとの距離の詳細は第一実施形態に準ずる。
原料粒子投入装置５から炉体１内（上方膨出部１ｅ内）に投下されたガラス原料粒子ＧＭは、上方膨出部１ｅ内の焼結部６０に形成された雰囲気Ｋ’によって焼結処理がなされた後、燃焼バーナー７の火炎噴射方向に形成された気相雰囲気Ｋによって溶融して溶融ガラス粒子Ｕとなり、炉体１の貯留部１ｂに集積されて溶融ガラスＧとなる。
ガラス原料粒子ＧＭは、燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆに沿うように投下されることで、火炎周辺の高温雰囲気内を比較的長時間に渡って通過し、効率よく溶融ガラス粒子Ｕとなる。燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆの両側にガラス原料粒子ＧＭを投下することで、単一の燃焼バーナー７で一対の原料粒子投入装置５からのガラス原料粒子ＧＭを効率よく溶融できる。上方膨出部１ｅが下側ほど広い水平断面を形成することで、溶融部５０の熱を効率よく利用できる。
なお、本実施形態では、上方膨出部１ｅが下方延出部１ｈで仕切られた一対の焼結部を形成するともいえる。すなわち、各原料粒子投入装置５に対応して一対の焼結部が設けられる。この場合も、各焼結部の水平断面は下側ほど広がっており、溶融部５０の熱を効率よく利用できる。
＜第四実施形態＞
次に、本発明のガラス溶融炉を中心として、溶融ガラスの製造方法、ガラス製品の製造装置およびガラス製品の製造方法の第四実施形態について、図１を援用し図４を参照して説明する。
第四実施形態は、第一及び第三実施形態に対して異なるガラス溶融炉３１０を備えるもので、その他の第一及び第三実施形態と同一構成には同一符号を付して詳細説明は省略する。
次に、本発明のガラス溶融炉を中心として、溶融ガラスの製造方法、ガラス製品の製造装置およびガラス製品の製造方法の第四実施形態について、図１を援用し図４を参照して説明する。
第四実施形態は、第一及び第三実施形態に対して異なるガラス溶融炉３１０を備えるもので、その他の第一及び第三実施形態と同一構成には同一符号を付して詳細説明は省略する。
図４に示すガラス溶融炉３１０も、気中溶融法により溶融ガラスを形成するもので、例えば直方体形状の中空箱型の炉体１と、炉体１の上方膨出部１ｅの中央部に設置された一基の燃焼バーナー７と、炉体１の上方膨出部１ｅの上部に鉛直方向に対して傾斜して設置された一対の原料粒子投入装置５とを備える。ガラス溶融炉３１０は、前記成形装置２０を含むガラス製品の製造装置３３０の一部を構成する。
各原料粒子投入装置５は、例えば燃焼バーナー７を挟んだ両側に設けられ、それぞれの軸線Ｃ１’を下側ほど燃焼バーナー７の軸線Ｃ３に近付けるように鉛直方向に対して傾斜して配置される。原料粒子投入装置５の下端には原料投入口５ａが開口する。軸線Ｃ１’はガラス原料粒子ＧＭの投入方向に沿う直線でもある。原料粒子投入装置５の下端部は上方膨出部１ｅの傾斜部１ｇを貫通し、上方膨出部１ｅ内（すなわち、焼結部６０内）に向けて斜め下向きに原料投入口５ａを開口させ、軸線Ｃ１’に沿ってガラス原料粒子ＧＭを噴出する。
各原料粒子投入装置５は、例えば炉体１の軸線Ｃ２に関して回転対称に配置される。各原料粒子投入装置５は、例えば互いの軸線Ｃ１’が炉体１及び燃焼バーナー７の軸線Ｃ２，Ｃ３上で交差するように配置される。なお、各原料粒子投入装置５は、図４の側面視での傾斜のみならず、軸線Ｃ２を中心とした回転方向でも傾斜してよい。各原料粒子投入装置５の設置数は一対に限らず三つ以上としてもよい。各原料粒子投入装置５は、ガラス原料粒子ＧＭの投入の対称性（すなわち、均一性）を向上させる観点から、軸線Ｃ２を中心とした回転方向で等間隔に複数配置することが好ましい。
燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａは、各原料粒子投入装置５の原料投入口５ａとは離隔して配置される。燃焼バーナー７の火炎噴射口７ａと各原料粒子投入装置５の原料投入口５ａとの距離の詳細は第一実施形態に準ずる。
原料粒子投入装置５から炉体１内（上方膨出部１ｅ内）に投下されたガラス原料粒子ＧＭは、上方膨出部１ｅ内の焼結部６０に形成された雰囲気Ｋ’によって焼結処理がなされた後、燃焼バーナー７の火炎噴射方向に形成された気相雰囲気Ｋによって溶融して溶融ガラス粒子Ｕとなり、炉体１の貯留部１ｂに集積されて溶融ガラスＧとなる。
原料粒子投入装置５の軸線Ｃ１’と燃焼バーナー７の軸線Ｃ３とが形成する、側面視で上方に向けて開放する角度α’は、１０〜５０°の範囲の角度、例えば、４５°程度の角度とされる。これにより、気相雰囲気Ｋ中に投下されたガラス原料粒子ＧＭは、各燃焼バーナー７から噴射された燃焼炎内を比較的長時間に渡って通過し、効率よく溶融ガラス粒子Ｕとなる。燃焼バーナー７の燃焼炎Ｆの両側にガラス原料粒子ＧＭを投下することで、単一の燃焼バーナー７で一対の原料粒子投入装置５からのガラス原料粒子ＧＭを効率よく溶融できる。上方膨出部１ｅが下側ほど広い水平断面を形成することで、溶融部５０の熱を効率よく利用できる。
なお、本実施形態では、上方膨出部１ｅが下方延出部１ｈで仕切られた一対の焼結部を形成するともいえる。すなわち、各原料粒子投入装置５に対応して一対の焼結部が設けられる。この場合も、各焼結部の水平断面は下側ほど広がっており、溶融部５０の熱を効率よく利用できる。
なお、本発明は上記各実施形態に限られるものではなく、例えば第一実施形態で燃焼バーナー７が単一の構成も有り得る。例えば第二乃至第三実施形態で原料粒子投入装置５が単一の構成も有り得る。ガラス溶融炉１０の炉体１は直方体形状に限らず例えば円筒形状でもよい。焼結部６０内を加熱する補助ヒータを備えてもよい。
本発明は造粒体を用いた気中溶融法に好適であるが、使用するガラス原料粒子ＧＭとして、目的とする用途のガラスの原料の各成分の粒子状の原料粉末と造粒体とを混合したものや、さらにガラスカレット片を含むものでもよい。
そして、上記実施形態における構成は本発明の一例であり、当該発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
本発明のガラス製品の製造装置は、前記した第１〜４実施態様に係るガラス溶融炉と、ガラス溶融炉により製造された溶融ガラスを成形する成形手段と、成形後のガラス製品を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明のガラス製品の製造方法は、前記した第１及び第２の溶融ガラスの製造方法を用いてガラス原料粒子を焼結後に溶融ガラスを製造する工程と、溶融ガラスを成形する工程と、成形後のガラス製品を冷却する工程とを含むことを特徴とする。
そして、上記実施形態における構成は本発明の一例であり、当該発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
本発明のガラス製品の製造装置は、前記した第１〜４実施態様に係るガラス溶融炉と、ガラス溶融炉により製造された溶融ガラスを成形する成形手段と、成形後のガラス製品を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明のガラス製品の製造方法は、前記した第１及び第２の溶融ガラスの製造方法を用いてガラス原料粒子を焼結後に溶融ガラスを製造する工程と、溶融ガラスを成形する工程と、成形後のガラス製品を冷却する工程とを含むことを特徴とする。
本発明の技術は、建築用ガラス、車両用ガラス、光学用ガラス、医療用ガラス、表示装置用ガラス、ガラスビーズ、その他一般のガラス製品の製造に広く適用できる。
なお、２０１２年２月２０日に出願された日本特許出願２０１２−０３４２９６号の明細書、特許請求の範囲、図面および要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。
なお、２０１２年２月２０日に出願された日本特許出願２０１２−０３４２９６号の明細書、特許請求の範囲、図面および要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。
１ 炉体
１ａ 上壁部
５ 原料粒子投入装置（原料投入部）
５ａ 原料投入口
７ 燃焼バーナー（加熱装置）
７ａ 火炎噴射口
１０，１１０，２１０，３１０ ガラス溶融炉
２０ 成形装置（成形手段）
２１ 徐冷装置（徐冷手段）
３０，１３０，２３０，３３０ ガラス製品の製造装置
ＧＭ ガラス原料粒子
Ｕ 溶融ガラス粒子
Ｇ 溶融ガラス
Ｋ 気相雰囲気
Ｋ’ 雰囲気（焼結処理雰囲気）
５０ 溶融部
６０ 焼結部
Ｆ 燃焼炎（火炎）
Ｓ１ ガラス溶融工程
Ｓ２ 成形工程
Ｓ３ 徐冷工程
１ａ 上壁部
５ 原料粒子投入装置（原料投入部）
５ａ 原料投入口
７ 燃焼バーナー（加熱装置）
７ａ 火炎噴射口
１０，１１０，２１０，３１０ ガラス溶融炉
２０ 成形装置（成形手段）
２１ 徐冷装置（徐冷手段）
３０，１３０，２３０，３３０ ガラス製品の製造装置
ＧＭ ガラス原料粒子
Ｕ 溶融ガラス粒子
Ｇ 溶融ガラス
Ｋ 気相雰囲気
Ｋ’ 雰囲気（焼結処理雰囲気）
５０ 溶融部
６０ 焼結部
Ｆ 燃焼炎（火炎）
Ｓ１ ガラス溶融工程
Ｓ２ 成形工程
Ｓ３ 徐冷工程
Claims (16)
- 炉内の高温雰囲気中でガラス原料粒子を溶融した後にこれを集積して溶融ガラスとするガラス溶融炉において、
中空の炉体と、
前記炉体内に前記ガラス原料粒子を溶融する気相雰囲気を形成する加熱装置と、
前記加熱装置のエネルギー放出部よりも上方に位置する原料投入口から前記炉体内に前記ガラス原料粒子を投入する原料粒子投入部と、を備え、
前記炉体が、前記気相雰囲気を収める溶融部と、
該溶融部よりも上方に位置し、該溶融部よりも水平断面が小さく、かつ該溶融部と連通することで、前記気相雰囲気の熱の一部を用いて前記ガラス原料粒子を焼結する雰囲気を形成する、前記原料投入口を臨む位置に設けられた焼結部と、を有するガラス溶融炉。 - 前記焼結部が前記炉体の上壁部を上方に突出させて構成され、該焼結部の上部に前記原料投入口が配置される請求項１に記載のガラス溶融炉。
- 前記焼結部が前記炉体の平面方向の中央部に位置し、該焼結部の周囲に前記加熱装置が配置される請求項１又は２に記載のガラス溶融炉。
- 前記加熱装置が複数設けられる請求項３に記載のガラス溶融炉。
- 前記加熱装置が、前記焼結部の下方に投下された前記ガラス原料粒子に向けて、斜め下向きに配置される請求項３又は４に記載のガラス溶融炉。
- 前記加熱装置が前記炉体の平面方向の中央部に位置し、該加熱装置の周囲に前記焼結部及び前記原料投入口が配置される請求項１又は２に記載のガラス溶融炉。
- 前記焼結部及び前記原料投入口が複数設けられる請求項６に記載のガラス溶融炉。
- 前記焼結部が下側ほど広い水平断面を形成する請求項６又は７に記載のガラス溶融炉。
- 前記原料投入口が、前記気相雰囲気に向けて、斜め下向きに配置される請求項６から８の何れか一項に記載のガラス溶融炉。
- 炉内の高温雰囲気中でガラス原料粒子を溶融した後にこれを集積して溶融ガラスとするガラス溶融炉を用いた溶融ガラスの製造方法において、
前記ガラス溶融炉の炉体内に前記ガラス原料粒子を溶融する気相雰囲気を形成し、該気相雰囲気を収める溶融部で前記ガラス原料粒子を溶融する溶融ステップと、
前記溶融ステップ前に、前記溶融部よりも上方に位置すると共に該溶融部よりも水平断面が小さくかつ該溶融部と連通する焼結部にて、前記気相雰囲気の熱の一部を用いて形成された焼結処理雰囲気で前記ガラス原料粒子を焼結する焼結ステップと、
前記焼結ステップ前に、前記焼結部に臨む原料投入口から該焼結部に前記ガラス原料粒子を投入する投入ステップと、を含む溶融ガラスの製造方法。 - 炉内の高温雰囲気中でガラス原料粒子を溶融した後にこれを集積して溶融ガラスとするガラス溶融炉を用いた溶融ガラスの製造方法において、
前記ガラス溶融炉内に前記ガラス原料粒子を投入する投入ステップと、
前記ガラス原料粒子を炉内の気相雰囲気を通過させて溶融する溶融ステップと、
前記投入ステップ後から前記溶融ステップ前の前記ガラス原料粒子を前記気相雰囲気の熱の一部によって形成された焼結処理雰囲気によって焼結させる焼結ステップと、
前記溶融ステップで溶融したガラス原料粒子を前記ガラス溶融炉の底部に集積して溶融ガラスとする集積ステップと、を含む溶融ガラスの製造方法。 - 前記投入ステップは、前記焼結ステップが行われる空間領域の上方で行われる請求項１１に記載の溶融ガラスの製造方法。
- 前記溶融ステップが、前記焼結ステップが行われる空間領域の下方で行われる請求項１１又は１２に記載の溶融ガラスの製造方法。
- 前記溶融ガラスが、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２の含有量が５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３の含有量が７〜６０％、ＣａＯの含有量が７〜６０％を含み、これらの総和が９０％以上で構成される請求項１１から１３の何れか一項に記載の溶融ガラスの製造方法。
- 請求項１から９の何れか一項に記載のガラス溶融炉と、前記ガラス溶融炉により製造された溶融ガラスを成形する成形手段と、前記成形後のガラス製品を冷却する冷却手段とを備えるガラス製品の製造装置。
- 請求項１０から１４の何れか一項に記載の溶融ガラスの製造方法を用いて前記ガラス原料粒子を焼結後に溶融ガラスを製造する工程と、前記溶融ガラスを成形する工程と、前記成形後のガラス製品を冷却する工程とを含むガラス製品の製造方法。
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