KR20080012993A - 용융 유리에서의 기포 생성 - Google Patents
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Abstract
헬륨과 같은 가스의 0.5 내지 4cm의 균일한 직경의 비유착 기포가 형성되어, 제어된 유동 속도로 유동 제한부(12; 112)를 통해 주입부(11) 지점의 공간(13; 113) 상류부로 들어가는 가스의 충분한 체적을 축적함으로 용융 유리와 같은 액체에 주입된다.
비유착 기포, 유체 연통, 삽입부, 제한부, 용융 유리
Description
본 발명은 유용한 제품을 제조할 수 있는 용융 유리와 같은 액체의 처리법에 관한 것이다.
액체로의 가스 주입은 화학적 및 야금술적 용도의 넓은 범위에서 사용된다. 예를 들어, 양어 또는 호기성 폐수 처리용으로 산소를 용해시키기 위해 산소 가스가 물에 주입된다. 아르곤 또는 질소 가스가 용해된 수소를 제거하거나 "분해해서" 정제하기 위해 용융 알루미늄에 주입된다. 산소 가스가 용해된 탄소와 반응하고 이를 제거해서 정제하기 위해 용융 강철에 주입된다.
액체 내 침지된 작은 노즐로부터 가스를 주입함으로 가스 기포가 액체에 형성될 수 있다. 가스 유동 속도가 매우 느릴 때, 일반적으로 일련의 작은 기포가 균일한 크기로 잘 분리되어 생성된다. 가스 유동 속도가 증가함에 따라, 단위 시간당 더 많은 기포가 형성되며 기포가 유착되기 시작된다. 본원에 사용되는 "유착(coalescing)"은 하나의 기포를 형성하기 위해 두 개 이상의 기포가 함께 결합하는 것과, 하나 이상의 작은 종속 기포를 합체하여 형성하는 것을 의미하며, 기포가 액체에서 결합하지 않고 분리된 상태로 남아 있다면, 기포는 "비유착"으로 간주한다. 일반적으로, 침지된 노즐을 통해 가스 유동 속도가 더 증가하면, 더 빈번한 유착이 발생된다(예를 들어, 하나의 큰 기포를 형성하기 위해 네 개의 기포가 함께 결합한다). 가스 유동 속도가 더 증가함에 따라, 무질서한 기포 형성 거동이 관찰되며, 다양한 크기 및 형상의 많은 기포가 난류 형태로 형성된다.
이러한 대부분의 용도에서, 중량 이동 공정을 가속하기 위해 액체 내에 잘 분산된 다수의 작은 가스 기포를 생성하는 것이 소망된다. 액체 내에 작은 기포를 발생시키기 위해 많은 기술이 진보되어 왔다. 이들은 침지된 작은 노즐로부터 고속으로 가스를 주입하는 것과, 큰 가스 기포를 붕괴하기 위해 가스-액체 혼합물을 기계적으로 교반하는 것과, 회전 디스크 및 고정 디스크 사이의 협소한 공간으로부터 가스를 주입하는 것을 포함한다. 이러한 공정에서는, 액체의 점성이 상대적으로 낮아서 잔여 가스 기포가 액체 표면으로 빠르게 증가하며, 완제품에 포획되지 않고 제거된다.
병과 같은 유리 제품의 대량 생산 규모의 제조에서, 고상의 피드 재료와 같은 창 유리가 거대한 노에서 용융된다. 피드 재료는 통상적으로 재활용된 유리 제품, 및/또는 통상적인 유리 제조 원료(예를 들어, 모래, 석회암 및 소다회)를 포함하는 유리 조각을 포함할 수 있다.
피드 재료를 녹이기 위해 1300°C를 초과한 온도에 피드 재료가 노출될 때, 고상의 유리 제조 피드 재료가 유리 용융 노의 일 단부나, 또는 피드 포트로 유입된다. 생성된 용융 유리는 유리 용융 노의 출구 포트로부터 인출되어 소정의 유용한 제품이 형성되는 형성 위치로 이송된다. 유리 용융 노로부터 인출된 용융 유리는 형성 위치로 이송되기 전에 선택적으로 용융 상태로 보유되는 보유 탱크로 이송 될 수 있다.
통상적으로 다수의 작은 기포를 내장하는 이러한 단계에서 형성되는 용융 유리를 "결정핵(seeds)"이라 명명한다. 이러한 결정핵은 최종 고상 유리 생산품에서는 거의 요구되지 않기 때문에, 유리가 아직 용융되어 있는 동안 결정핵은 유리로부터 제거되는 것이 소망된다. 용융 유리로부터 작은 기포를 제거하는 공정을 통상적으로 "청칭(fining)"이라 명명한다. 작은 기포는 스스로 용융 유리 표면으로 증가될 수 있지만, 통상적으로 너무 길어서 작업자가 경제적으로 수용할 수 없는 시간 주기 동안에만 나타난다. 따라서, 용융 유리로부터 원치 않는 기포 제거를 가속하기 위한 다른 방법이 사용될 필요가 있다. 황산나트륨 및 산화안티몬과 같은 화학적 청징제는 고온에서 해리될 때 통상적으로 작은 결점 기포, 또는 결정핵으로 확산시키고, 그들이 용융 유리 표면으로 빠르게 증가될 수 있도록 크기를 성장시키는 청칭 가스를 발생시키는데 사용된다.
종종 용융 유리의 대류 흐름을 강화하기 위해 가스 기포기들이 유리 용융 노에 사용된다. 가스 기포기는 통상적으로 유리 탱크의 밑바닥에 배치되며, 증가하는 가스 기포는 점성의 용융 유리를 들어올리고 용융 유리의 유동을 강화시킨다. 미국 특허 제2,890,548호는 기포 노즐을 통해 가스를 주입함으로 용융 유리의 대류 흐름을 제어하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 대류 흐름을 강화하기 위해 거대한 기포를 생성하는 것이 유리하다. 고압 가스의 펄스 주입은 기포 크기를 증가시킨다. 미국 특허 제3,874,865호에는 고압 및 저압 가스 공급선 및 공기 로직 요소를 사용하여 다중 주입기 노즐로부터 다중 기포를 생성하기 위한 자기 제어 기상 기포기 시스템이 개시된다.
기술 분야에서 최근 진보된 유리 청칭은 청칭을 가속하기 위해 용융 유리에 헬륨 가스를 주입한다. 헬륨 기포로부터 일부 헬륨 가스가 확산되어 나오고, 용융 유리를 통해 결정핵으로 이동하며, 결정핵의 성장을 가속화한다. 헬륨 기포로부터 헬륨 가스가 확산되어 나오는 동안, 질소, 이산화탄소, 산소 및 이산화황 등 다른 가스가 용융 유리에 용해되어 헬륨 기포로 확산된다. 그러므로 헬륨 기포는 결정핵의 성장을 가속화시키는 동시에 용융 유리에 용해된 다른 원치 않는 가스를 "분해시킨다." 헬륨 기포의 최초 크기가 클 때, 즉, 직경이 4cm보다 클 때, 기포는 표면으로 빠르게 증가하며, 기포에 내장된 작은 비율의 헬륨 가스만이 결정핵으로 확산될 수 있고, 청칭 동작을 유발할 수 있다. 그러므로 대부분의 헬륨 가스가 낭비된다. 헬륨 기포의 최초 크기가 매우 작을 때, 즉, 0.5cm보다 작을 때, 헬륨 기포의 크기가 헬륨 가스의 확산과 함께 수축되고 기포의 증가 속도가 매우 느려져서 유리 생산품에 헬륨의 작은 결점 기포가 생성될 위험이 있다.
매우 다양한 크기의 기포가 각각의 기포의 크기 함수로 나타내지는 다양한 속도로 용융 유리를 통해 상향으로 유동해서 작은 기포의 제거 속도 및 제거에서, 서로 충돌하고 유착하려는 경향으로 만족스럽지 못한 수행을 유도할 것이기 때문에, 탱크의 바닥에서 또는 바닥을 통해 유도되는 기포의 직경이 비교적 균일하다면, 소정의 작은 기포를 제거할 때 탱크의 바닥으로부터 용융 유리를 통해 상향으로 기포를 통과시키는 것이 더욱더 효과적이라는 것이 본 발명의 발명자에 의해 판단되었다. 또한, 0.5 내지 4cm 범위의, 바람직하게는 0.5 내지 2cm범위의 균일한 직경을 갖는 기포가 소정의 작은 기포를 제거하는데 이롭게 수행된다는 것이 판단되었다.
종전 기술은 거대한 기포를 제조하기 위해 고압 가스를 다중 주입기에 펄스 주입하는 것을 사용하지만, 주입 시스템은 복잡하며 고가이다. 본 기술 분야에의 신뢰적인 기술을 위해, 용융 유리를 내장한 탱크의 바닥으로부터의 기포 형성이 요구되며, 형성된 기포의 직경은 0.5 내지 4cm 범위의 협소한 직경 범위 내에서 균일하다.
본 발명의 일 태양은 각각의 기포가 주어진 기류에서 사실상 동일한 크기로 있는 용융 유리에서 헬륨의 복수의 비유착 기포 기류를 형성하기 위한 방법이며,
(a) 용융 유리를 수납하는 탱크를 제공하는 단계와,
(b) 상기 용융 유리의 상부면 아래에, 탱크의 바닥을 통과해 각각이 상기 탱크의 상기 용융 유리와 유체 연통하는 상향의 개방부까지 이어지는 두 개 이상의 통로를 제공하는 단계와,
(c) 공통 가스 공급선 및 상기 공통 가스 공급선에 압력하에서 기상의 헬륨을 공급하는 헬륨 소스를 제공하는 단계와,
(d) 상기 가스 공급선 및 상기 통로 중 다른 하나와 각각 유체 연통하는 가스 피드선을 제공하는 단계와, 상기 가스 공급선으로부터 통로로 통과되는 헬륨이 가스 투과성 제한부를 통과해야 상기 통로 단부의 개방부와 제한부 사이의 공간으로 들어갈 수 있도록, 각각의 가스 피드선에 가스 투과성 제한부를 제공하는 단계로서, 헬륨의 비유착 기포가 상기 통로의 단부로부터 상기 용융 유리로 발생될 정도로 상기 제한부를 가로지르는 압력 강하가 충분히 높고 상기 공간의 체적은 충분히 큰 단계와,
(e) 상기 소스로부터 상기 가스 공급선으로 헬륨을 제공하는 단계로서, 상기 헬륨이 가스 공급선과 연관된 제한부를 통해 상기 가스 공급선 내로 통과하고 상기 공간의 체적의 함수인 크기를 갖는 기포로서 상기 통로 단부의 개방부로부터 간헐적으로 발생하는 단계와, 상기 기포들이 기포 직경의 적어도 1/2 만큼 이격되도록 상기 가스 공급선의 압력을 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 태양은, 각각의 기포가 주어진 기류에서 사실상 동일한 크기로 있는 용융 유리에서 헬륨의 복수의 비유착 기포를 형성하기 위한 유용한 장치이며,
(a) 용융 유리를 수납하는 탱크와,
(b) 탱크를 통과해 각각이 상기 탱크의 내부와 유체 연통하는 상향의 개방부까지 이어지는 두 개 이상의 통로와,
(c) 공통 가스 공급선 및 상기 공통 가스 공급선에 압력하에서 기상의 헬륨을 공급하는 헬륨 소스와,
(d) 상기 통로 중 다른 하나 및 상기 가스 공급선과 각각 유체 연통하는 가스 피드선을 포함하는 장치로, 상기 가스 공급선으로부터 임의의 통로로 통과되는 가스가, 가스 투과성 제한부를 통과해야 상기 통로 단부의 개방부와 제한부 사이의 공간으로 들어갈 수 있도록 각각의 가스 피드선은 가스 투과성 제한부를 내장하고, 헬륨의 비유착 기포가 상기 통로의 단부로부터 상기 용융 유리로 발생될 정도로 상기 제한부를 가로지르는 압력 강하가 충분히 높고, 상기 공간의 체적은 충분히 크며,
헬륨이 상기 헬륨 소스로부터 상기 가스 공급선에 제공될 때, 상기 헬륨은 가스 공급선과 연관된 제한부를 통해 상기 가스 공급선 내로 통과하고 상기 공간의 체적의 함수인 크기를 갖는 기포로서 상기 통로 단부의 개방부로부터 간헐적으로 발생한다.
본원에 참조된 기포의 직경은 구형 기포의 직경을 의미하고, 비구형 기포의 경우는 비구형 기포와 동일한 체적을 갖는 구의 직경을 의미한다.
도1은 본 발명을 실시할 수 있는 용융 유리와 같은 액체를 보유하기 위한 통상적인 탱크의 사시도이다.
도2는 도1의 탱크 일부의 측 단면도로서, 본 발명을 실시하기 위한 장치의 실시예를 도시한다.
도3은 기포가 성장해서 분리되는 시간의 주기에 따른 피드선 단부에서의 압력 변화를 나타낸 그래프인다.
도4a 내지 도4e는 피드선의 단부를 크게 확대한 측 단면도로서, 기포의 점진적인 형성을 도시하였다.
유리 용융 노(furnace)에 본 발명을 적용한 것이 설명될 것이다. 이는 유리 제조 재료를 녹이는 노에서 실시될 수 있으며, 유리 용융 노에 용융 유리의 하류부(downstream)를 보유하기 위해 보유 탱크 내에서 실시될 수 있다.
가장 먼저 도1을 참조하면, 탱크(1)는 일반적으로 용융 유리를 보유하기 위해 챔버를 형성하는 바닥(2)과 측면(3)들을 포함한다. 일반적인 실시예에서, 바닥(2)의 적어도 일부분은 평면이며 탱크(1)를 통한 용융 유리의 유동 방향으로 평평하거나 경사진 것이 바람직하지만, 바닥(2)의 특정 형상은 중요하지 않다. 다르게는 바닥(2)의 일부 또는 전체는 만곡될 수 있다. 측면이 용융 유리의 소정량을 보유할 정도로 충분히 높다면 측면(3)들로 형성된 탱크의 특정 형상 역시 중요하지 않다. 또한 탱크(1)는 피드 재료 또는 용융 유리가 탱크(1) 내부로 유동하여 들어오는 입구(7) 및 액체가 탱크(1) 내부로부터 유동하여 나갈 수 있는 출구(8)를 갖는다. 또한 탱크(1)는 일반적으로 지붕(도시되지 않음)을 가질 것이다. 탱크의 바닥, 측면 및 지붕은 통상적으로 1300 내지 1700°C 온도에 노출되어서 고상의 구조적 통합을 유지할 수 있는 내화 재료로부터 제조된다. 이러한 재료는 고온 장치의 구조 분야에 널리 공지되어 있다.
도면 부호 4는 주 공급선(5)에 압력을 가해 가스를 공급할 수 있는 가스 소스를 나타낸다. 유리 제조 작업에서, 양호한 가스는 헬륨을, 바람직하게는 적어도 80 체적%의 헬륨을, 더 바람직하게는 적어도 99 체적%의 헬륨을 포함한다.
가스 피드선(6)은 주 공급선(5)으로부터 연장하여 후술되는 바와 같이 탱크에 연결된다. 바람직하게 소스(4)는 밸브와, 압력 조절기와, 하나 이상의 압축기 및 압력 조절기와, 합체된 제어기와 함께 액체 또는 기체 상태로 가스를 내장하는 탱크를 포함하며, 이들 모두는, 작업자가 저장 탱크로부터 주 공급선(5)으로 가스가 공급되었는지를 제어하게 하고, 주 공급선(5)으로 가스가 제공될 때 압력 및 속도(질량 유동 속도)를 제어하게 한다.
이를 테면, 압축된 실린더 또는 압축기에 연결된 압력 조절기의 배출구로부터 선(5)으로 가스를 공급함으로 가스가 10 내지 200psig의 본질상 일정한 압력으로 주 공급선(5)에 공급될 수 있다. 대안적으로, 밸브는 소스(4)와 임의의 선(6) 사이의 선(5)에 개재될 수 있으며, 개방 또는 폐쇄 모드에서 작업하는 형태일 수 있다. 용융 유리의 일 탱크와 합체된 주 가스 공급선은 하나 이상일 수 있다.
피드선(6)은 주 가스 공급선(5)에 의해 공급되며 이로부터 갈라진다. 하나의 피드선(6)은 각각의 통로(10)로 연결된다. 피드선(6) 및 통로(10)의 수는 탱그 바닥(2)의 크기, 처리될 용융 유리의 체적, 및 용융 유리에서 기포가 형성되는 소정의 속도에 의존한다. 선(6) 내의 제한부의 다른 실시예인 제한부(12, 112)가 도2와 함께 하기에 기재된다.
도2에서는, 주 공급선(5), 두 개의 피드선(6), 및 노의 바닥(2)이 모두 단면도로 도시된다. 통로(10)는 탱크를 통과해서(이 경우, 탱크 바닥(2)을 통과해서) 액체 상부면 아래의 탱크 내부와 유체 연통하는 개방부(11)까지 이어지게 연장된다. (실제 작업에서는 다수인) 피드선(6)은 주 공급선(5)으로부터 연장해서 합체된 통로(10)에 연결된다. 도시된 바와 같이, 개방부(11)는 탱크 바닥(2)과 동일 평면상에 있을 수 있거나, 탱크의 내부(1)로 약간의 거리로 연장될 수 있다. 각각의 개방부(11)는 단일 홀로서, 바람직하게는 0.1 내지 1.0mm 사이의, 더 바람직하 게 0.2 내지 0.5mm 사이의 직경을 갖는다.
통로(10)가 탱크 바닥면을 넘어 액체로 연장될 때, 통로 또는 액체로 연장된 적어도 일부는 액체의 온도에 저항할 수 있는 재료로 제조된다. 액체가 용융 유리일 때, 이러한 부분 구조의 양호한 재료는 플래티늄, 또는 플래티늄으로 코팅된 알루미나이다. 피드선(6)이 통로(10)와 유체 연통하는 한, 피드선(6)의 단부가 통로(10)의 외부 단부에서 통로(10)와 연결되었는지, 일정 거리로 통로(10)에 연장되었는지, 또는 통로(10)를 통해 완전히 연장되었는지는 중요하지 않다.
각각의 피드선(6)은 이를 통해 가스가 개방부(11)를 향해 유동하게 하고 이를 통한 가스의 유동 속도를 제한하는 제한부를 내장한다. 제한부는 오리피스를 내장한 물체(12)와 같이, 부가된 기계적 부속물에 의해, 또는 가스가 확산되는 수많은 미공성 통로를 내장한 물체인 다공성 금속 또는 유리 삽입부(112)에 의해 형성될 수 있다. 다르게, 제한부는 피드선(6) 상류부 및 하류부의 수축된 통로의 내부 직경보다 작은 내부 직경을 갖는 주름지거나 수축된 통로를 구비함으로, 부가적인 부속물 없이 형성될 수 있으나, 이는 달성하기 어렵고 실제적이지 않다. 각각의 제한부는 가스가 통과될 수 있는 가스 투과성 정도를 고려한다. 본원의 중요한 목적은, 제한부의 정확한 상류부 및 하류부 지점 사이에 압력 강하를 형성하는 것이다. 작업의 양호한 모드에서, 제한부는 미공성 디스크 또는 실린더(112)이다. 이하에 더 자세히 기재된 바와 같이, 제한부의 정확한 상류부 지점에서의 압력과 연결하여, 제한부는 기포가 형성될 동안 발생되는 하류부의 압력 변화 동안 제한부 공간의 하류부에 상대적으로 일정한 유동 속도를 제공하고, 대략적으로 동일한 유 동 속도를 탱크 바닥 각각의 개방부에 제공하도록 허용하는 것이 소망된다. 전술된 바와 같이, 도면 부호(12, 112)는 물체를 완성하기 위한 다른 실시예를 나타낸다. 본 발명은 물체(12)만을, 미공성 삽입부(112)만을, 또는 다른 기술만을 또는 전술한 것의 임의의 조합을 사용하여 실시될 수 있다.
발명자에 의해 본 발명의 만족스러운 작업이 결정되며, 형성되고 분리된 각각의 기포에 적절한 가스 양을 제공하도록 개방부(11)와 이에 합체된 제한부 사이 공간의 내부 체적이 충분히 커져야한다. 피드선에 피드선(6)의 치수보다 큰 내부 치수를 갖고 원하는 최종 체적을 제공하기 충분한 저장소를 포함함으로 소정된 체적이 갖춰진다. 저장소는 도2에 도시된 저장소(13)와 같이 선으로 존재할 수 있거나, 또는 도2에 도시된 저장소(113)와 같이 피드선 측면의 개방부를 통해 부착될 수 있다. 제한부와 개방부(11) 사이에 소정의 집합적 체적이 제공되는 한, 다른 배열체가 사용될 수 있다. 다르게, 피드선(6)의 충분한 길이 및 직경이 사용된다면, 특정 저장소(13 또는 113)는 필요하지 않다. 본 발명의 이러한 태양에서, 가스가 개방부에 이르는데 통과되어야 하는 제한부와 개방부(11) 사이의 공간의 통상의 유용 체적은 10 내지 100,000cc이다.
도1 및 도2에 도시된 시스템의 작업이 이제 도3 및 도4에도 참조되어 기재될 것이다. 통상적으로 10 내지 200psig의 압력에서 가스가 소스(4)로부터 피드선(6)으로, 각각의 피드선 제한부의 상류부 지점으로 공급된다. 가스가 제한부를 통과해서 각각의 제한부와 이에 합체된 개방부(11) 사이 공간으로 들어간다. 개방부 윗부분 탱크의 유리 깊이와, 용융 유리의 비중과, 개방부(11)에서의 용융 유리의 표면 장력에 의존하는 용융 유리의 정압이 가스가 작동하는 이러한 지점에서 용융 유리로 넘어가는 것을 막을 정도로 충분히 높기 때문에, 제한부와 개방부(11) 사이 공간으로 넘어가는 가스는, 압력하에 있어도, 용융 유리로 즉시 넘어가지 않는다.
제한부와 합체된 개방부 사이 공간으로 유입되는 가스는 공간에 축적되며 압력하에서 증가된다. 결국, 가스가 제한부와 개방부 사이 공간으로 지속적으로 공급됨에 따라, 압력은 개방부(11)에서 기포 형성을 시작할 정도로 충분하게 높아진다. 기포가 형성되기 시작하면, 개방부(11)에서의 압력이 증가해서, 용융된 유리-가스 계면 반경의 감소로 인한 표면 장력의 증가가 나타난다. 도4a, 도4b, 도4c 및 도4d는 가스 기포가 개방부(11)에서 형성되기 시작함에 따른, 용융된 유리-가스 계면 영역 형상의 변화를 도시한다. 제한부를 통과한 가스 유동은 대부분 압력을 증가시키는데 사용되므로, 기포 형성 공정의 이러한 부분은 상대적으로 느린 공정이다. 도3과 관련하여, 도4a로부터 도4b, 도4c 및 도4d로의 진행은 시간에 따른 압력 증가를 도시한 선의 일부(또한 이 부분은 t1으로 표시된 시간의 증가부를 도시)로서, 도3에 도시된 증가하는 압력 주기 동안의 형상을 나타낸다. 이러한 시간 간격에서, 개방부(11)에서의 압력은 (개방부에서의 가스-액체 계면이 도4a에 도시된 평평한 계면을 초과하기 시작할 때의) 기포 형성의 시작부에서의 절대 압력(P1)으로부터 반구의 가스 액체 계면이 도4d에 도시된 바와 같이 형성될 때의 절대 압력(P2)으로 DP만큼 증가한다. 이 지점에서 기포의 반경은 개방부(11)의 반경에 대하여 최소가 되고 압력은 최대가 된다. 이 지점을 지난 후에는, 기포 반경의 증가 로 인해 개방부(11)의 압력이 감소하며 제한부와 개방부 사이 공간으로부터 새롭게 형성되는 기포로 가스 유동이 매우 빨라진다. 빠른 가스 유동의 이러한 짧은 시간 주기는 도3에서 t2로 표시되고, 이는 기포 성장 주기(t1)보다 훨씬 짧은 주기이다. 용융 유리의 비교적 높은 점도는 기포가 도4e에 도시된 크기의 수 배일 수 있는 0.5 내지 4cm의 소정의 직경으로 성장할 때까지 기포의 이탈 및 분리를 지연시키며, 그 후 기포는 분리되어 용융 유리를 통해 상향으로 통과되기 시작한다.
본 발명으로 달성될 소정의 두 가지 목표는, 본 발명의 개방부(11)로부터 나오는 기포가, 도면 부호(12 또는 112)와 같은 임의의 제한부 및 저장소(13)와 같은 공간의 임의의 확장부 없는 주 공급선(5) 또는 피드선(6)이 개방부(11)에 간단하게 직접 연결되어 있는 경우의 개방부에서 나오는 기포보다 커지는 것이며, 기포가 균일한 크기로 균일하게 이격되는 것이다. 본 발명의 이러한 목표는, 균일한 기포 유동이 소망되는 각각의 피드선(6)에, 피드선과 합체된 제한부를 가로지르는 압력 강하가 기포가 형성될 동안의 압력 변동(DP)보다 현저하게 크게, 바람직하게는 5배보다 크게, 더 바람직하게는 10배보다 크게, 가장 바람직하게는 100배의 DP보다 크게 제공됨으로 달성된다. 또한, 개방부(11)와 이와 합체된 제한부 사이에서 사용되는 저장소(13)를 포함한 공간의 체적이 충분히 커서, 기포가 생성되기 시작할 때, 기포로의 가스 유동이 합체된 개방부(11)와 제한부 사이 공간의 이미 축적된 가스로부터 대부분 나오며, 도4d의 대략적인 반구 형상으로부터 완전히 분리되는 기포로 실제로 성장하는 시간 주기(t2) 동안, 제한부를 통과해 공간으로 들어가는 최소량의 가스를 보급하게 한다.
더 구체적으로, 축적된 가스의 양, 즉 종전 기포의 분리로부터 시작하여 개방부(11)로부터 분리될 때까지의 제한부와 이와 합체된 개방부(11) 사이의 공간에 축적된 가스의 양은, 공간의 체적(V) 및 종전 기포가 분리된 직후의 공간의 개방부(11)에서의 압력(DP)과 다음 기포가 반구 형상이 될 때(이 시간에서 공간 압력은 최대, 즉, P2)의 공간의 압력 차이에 비례한다. 기포가 반구 형상을 넘어 성장하기 시작할 때, 가스의 증가량이 제한부를 통과해서 제한부와 개방부(11) 사이 공간으로 들어가고, 새로 형성된 기포를 유입하는 공간에 가스가 보급된다. 본 발명의 목적을 이루기 위해, 반구를 넘어 성장하는 가스-액체 계면의 지점으로부터 기포가 개방부(11)로부터 분리되는 지점까지, 반구 형상을 넘어 기포가 성장하기 시작될 때 공간에서 축적된 가스 양 대 공간에 유입되는 가스의 증가량 비율은 적어도 5 대 1이고, 바람직하게는 적어도 10 대 1이고, 더 바람직하게는 적어도 20 대 1이며, 가장 바람직하게는 적어도 100 대 1이다. DP 대 절대 압력(P1)의 비율은 1:10 이하이고, 바람직하게는 1:100 이하이며, 더 바람직하게는 1:1000 이하이다. 이러한 관계는 합체된 개방부(11)와 제한부 사이의 공간에 충분히 큰 체적을 제공함으로 달성될 수 있다.
일부 실시예에서는, 제한부와 제한부로부터 개방부 하류부 사이 각 공간의 체적이 모두 동일한 반면, 다른 실시예에서는, (바스 모서리에서 기포를 형성하는 것과는 다르게 액체 바스의 중심 영역에서 기포를 형성하는 것과 같이) 액체의 상 이한 영역의 기포 형성 특성이 구별되는 곳에서의 체적이 서로 모두 동일하지는 않다.
그러므로 형성된 기포의 크기는 제한부와 이와 합체된 개방부(11) 사이의 공간에 새로운 기포를 형성하기 시작하는데 요구되는, 축적 가스에 의해 가해지는 압력(P1)의 양 및 제한부와 개방부(11) 사이 공간의 체적에 의해서 대부분 결정된다. 새로운 기포 시작에 요구되는 압력의 양은 개방부(11)에서의 용융 유리의 정수압 및 개방부(11)의 직경에 의해, 또한 용융 유리의 표면 장력에 의해 차례로 결정된다. 그러므로, 주어진 정수압에 있어서, 개방부(11)의 직경 및 개방부(11)에서의 용융 유리의 표면 장력과, 기포 크기는 각각, 제한부와 개방부(11) 사이에 여러 체적의 공간을 제공함으로 커지거나 줄어든다. 이런 방식의 기포 형성 속도는 높은 기포 형성 속도를 발생시키는 높은 유동 속도 및 낮은 기포 형성 속도를 발생시키는 낮은 유동 속도의 가스 유동 속도에 의해 제어된다. 기포의 직경은 가스 유동 속도를 증가시킴으로 증가되는 기포 형성 속도에 따라 매우 조금만 증가한다. 가스 유동 속도는 제한부의 가스 상류부 압력의 조합에 의해, 또한 제한부를 통해 가스 유동을 제한하는 정도에 의해 차례로 제어된다. 그 후, 제한부의 크기가 고정되는 이러한 실시예에서, 기포 형성의 속도는 높은 속도를 발생시키는 높은 압력과 낮은 속도를 발생시키는 낮은 압력의 제한부에 공급되는 가스의 압력을 제어함으로 제어된다. 그러나, 압력이 기포 직경의 적어도 반부 거리로 이격된 기포 기류를 발생시키기에 충분히 높아서 비유착 기포가 유지된다.
유리 탱크에서는, 뜨거운 용융 유리에 의해 기포의 가스가 가열됨으로, 또한 용융 유리 표면을 향해서 기포가 증가함에 따라 정수압이 감소됨으로 개방부(11)로부터 분리된 후의 가스 기포의 직경이 증가한다. 액체에서 기포가 형성되는 상황에서, 분리 및 움직임은 선(6)에서의 가스 온도와는 다른 온도에서 발생하며, 기포 크기에 대한 액체 온도의 영향은, 이상 가스 법칙에 기초한 관계식에 의해, 기포가 분리되고 다음 기포가 형성되어 분리될 때 공간에서 획득되는 압력 및 제한부와 이에 합체된 개방부(11) 사이 공간에서 형성되는 적절한 체적(V)이 고려되어야 한다. 즉, 기포에서의 가스의 양은,
((P1)X(기포 압력))/((액체의 절대 온도)X(R, 이상 가스 상수))
여기서, P1은 기포가 막 분리될 때 개방부(11)에서의 절대 압력이다.
((P2-P1)X(V)/(선(6)에서의 가스의 절대 압력)X(R)+(분리될 때까지 기포가 반구 형상을 넘어 성장할 동안 제한부를 통해 선(6)으로 유입되는 가스의 양))
여기서, P2는 기포 형상이 반구형이 될 때 개방부(11)에서의 최대 압력으로 표현될 수 있다. P1과, P2와, 가스 및 액체 온도와, 기포가 형성되는 동안의 제한부를 통한 가스의 유동은 주어진 시스템을 위해 설정되며, 그 후, 기포의 체적 및 이로부터의 직경은 제한부와 이에 합체된 개방부(11) 사이 공간의 체적(V)을 적절하게 조절함으로 형성될 수 있다.
예시
용융 유리에서의 본 발명의 작업은, 1450°C에서 용융 유리와 대략 동일한 점성을 갖게 되는 실온의 꿀로 채워지는 단지에서 실시된다. 단지 바닥의 네 개의 개방부는 각각 직경 1.5mm의 단일 홀로 종결되는 노즐에 끼워진다. 각각의 노즐의 다른 단부는 내측 직경 4.8mm의 구리관을 통해 내부 체적 약 130cc의 탱크에 연결된다. 각각의 이러한 탱크는 (내측 직경이 대략 2mm인) 구리관에 의해 통상의 헤더에 연결되는 내측 직경 3mm의 고무관의 섹션에 연결된다. 다공성 소결 금속의 제한부는 고무관의 각각의 섹션에 배치된다. 상류부 압력이 약 27psig이고 하류부 압력이 대기압일 때, 제한부는 분당 약 20cc의 유동을 허용한다.
가스는 약 25 내지 27psig의 압력에서 각각의 제한부에 공급된다. 각각의 개방부로부터 분당 약 30개의 기포 생성 속도로 기포의 안정되고 균일한 유동이 관찰된다. 기포는 약 1cm의 직경으로 나타난다. 이러한 각각의 피드선에서 가스 탱크의 체적이 약 400cc로 증가하고, 각각의 노즐로의 가스 유동이 제한부(112)와 같이 작게 제한된 미공성 실린더의 조합 및 증가된 피드 압력에 의해 증가할 때, 형성된 기포는 균일하고, 양호하게 이격되며, 약 2cm의 직경을 갖는다.
Claims (23)
- 각각의 기포가 주어진 기류에서 사실상 동일한 크기로 있는 용융 유리에서 헬륨의 복수의 비유착 기포 기류를 형성하기 위한 방법이며,(a) 용융 유리를 수납하는 탱크를 제공하는 단계와,(b) 상기 용융 유리의 상부면 아래에, 탱크를 통과해 각각이 상기 탱크의 상기 용융 유리와 유체 연통하는 상향의 개방부까지 이어지는 두 개 이상의 통로를 제공하는 단계와,(c) 공통 가스 공급선 및 상기 공통 가스 공급선에 압력하에서 기상의 헬륨을 공급하는 헬륨 소스를 제공하는 단계와,(d) 상기 가스 공급선 및 상기 통로 중 다른 하나와 각각 유체 연통하는 가스 피드선을 제공하는 단계와, 상기 가스 공급선으로부터 통로로 통과되는 헬륨이 가스 투과성 제한부를 통과해야 상기 통로 단부의 개방부와 제한부 사이의 공간으로 들어갈 수 있도록, 각각의 가스 피드선에 가스 투과성 제한부를 제공하는 단계로서, 헬륨의 비유착 기포가 상기 통로의 단부로부터 상기 용융 유리로 발생될 정도로 상기 제한부를 가로지르는 압력 강하가 충분히 높고 상기 공간의 체적은 충분히 큰 단계와,(e) 상기 소스로부터 상기 가스 공급선으로 헬륨을 제공하는 단계로서, 상기 헬륨이 가스 공급선과 연관된 제한부를 통해 상기 가스 공급선 내로 통과하고 상기 공간의 체적의 함수인 크기를 갖는 기포로서 상기 통로 단부의 개방부로부터 간헐 적으로 발생하는 단계와, 상기 기포들이 기포 직경의 적어도 1/2만큼 이격되도록 상기 가스 공급선의 압력을 조절하는 단계를 포함하는 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 제한부와 상기 제한부로부터 하류측의 통로 단부의 개방부 사이의 공간은 모두 동일한 체적을 갖는 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 제한부와 상기 제한부로부터 하류측의 통로 단부의 개방부 사이의 공간이 모두 동일한 체적을 갖지는 않는 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 가스 공급선의 압력은 10psig 내지 200psig인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 통로 단부의 개방부의 직경은 0.1mm 내지 1.0mm인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 통로 단부의 개방부의 직경은 0.2mm 내지 0.5mm인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기포의 직경은 0.5cm 내지 4cm인 비유착 기포 기류 형 성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기포의 직경은 0.5cm 내지 2cm인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 가스 피드선의 제한부를 가로지르는 압력 강하는, 상기 개방부의 기포 형성 시작부로부터 상기 개방부에 형성되는 반구형 가스-액체 계면 지점까지 증가하는, 상기 피드선과 유체 연통하는 통로 단부의 개방부에서의 압력 양의 적어도 5배인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 가스 피드선의 제한부를 가로지르는 압력 강하는 상기 개방부의 기포 형성 시작부로부터 상기 개방부에 형성되는 반구형 가스-액체 계면 지점까지 증가하는, 상기 피드선과 유체 연통하는 통로 단부 개방부에서의 압력의 적어도 10배인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 가스 피드선의 제한부를 가로지르는 압력 강하는 상기 개방부의 기포 형성 시작부로부터 상기 개방부에 형성되는 반구형 가스-액체 계면 지점까지 증가하는, 상기 피드선과 유체 연통하는 통로 단부 개방부에서의 압력 양의 적어도 100배인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 피드선의 단부에서의 기포가 반구형 가스-액체 계면을 넘어 성장하기 시작할 때 상기 피드선과 유체 연통하는 통로 단부와 상기 선의 제한부 사이의 가스 피드선 공간에 축적된 가스의 양 대 그 시간과 기포가 분리되는 시간 사이에 상기 공간으로 유입되는 가스의 양의 비율은 적어도 5 대 1인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 피드선의 단부에서의 기포가 반구형 가스-액체 계면을 넘어 성장하기 시작할 때 상기 피드선과 유체 연통하는 통로 단부와 상기 선의 제한부 사이의 가스 피드선 공간에 축적된 가스의 양 대 그 시간과 기포가 분리되는 시간 사이에 상기 공간으로 유입되는 가스의 양의 비율은 적어도 10 대 1인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 피드선의 단부에서의 기포가 반구형 가스-액체 계면을 넘어 성장하기 시작할 때 상기 피드선과 유체 연통하는 통로 단부와 상기 선의 제한부 사이의 가스 피드선 공간에 축적된 가스의 양 대 그 시간과 기포가 분리되는 시간 사이에 상기 공간으로 유입되는 가스의 양의 비율은 적어도 20 대 1인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 피드선의 단부에서의 기포가 반구형 가스-액체 계면을 넘어 성장하기 시작할 때 상기 피드선과 유체 연통하는 통로 단부와 상기 선의 제 한부 사이의 가스 피드선 공간에 축적된 가스의 양 대 그 시간과 기포가 분리되는 시간 사이에 상기 공간으로 유입되는 가스의 양의 비율은 적어도 100 대 1인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 개방부의 기포 형성 시작부로부터 상기 개방부에 형성된 반구형 가스-액체 계면 지점까지 증가하는 통로 단부 개방부에서의 압력 양 대 기포가 가장 먼저 형성될 때의 개방부에서의 절대 압력의 비율은 1:10 이하인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 개방부의 기포 형성 시작부로부터 상기 개방부에 형성된 반구형 가스-액체 계면 지점까지 증가하는 통로 단부 개방부에서의 압력 양 대 기포가 가장 먼저 형성될 때의 개방부에서의 절대 압력의 비율은 1:100 이하인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 개방부의 기포 형성 시작부로부터 상기 개방부에 형성된 반구형 가스-액체 계면 지점까지 증가하는 통로 단부 개방부에서의 압력 양 대 기포가 가장 먼저 형성될 때의 개방부에서의 절대 압력의 비율은 1:1000 이하인 비유착 기포 기류 형성 방법.
- 각각의 기포가 주어진 기류에서 사실상 동일한 크기로 있는 용융 유리에서 헬륨의 복수의 비유착 기포를 형성하기 위한 장치이며,(a) 용융 유리를 수납하는 탱크와,(b) 탱크를 통과해 각각이 상기 탱크의 내부와 유체 연통하는 상향의 개방부까지 이어지는 두 개 이상의 통로와,(c) 공통 가스 공급선 및 상기 공통 가스 공급선에 압력하에서 기상의 헬륨을 공급하는 헬륨 소스와,(d) 상기 통로 중 다른 하나 및 상기 가스 공급선과 각각 유체 연통하는 가스 피드선을 포함하고,상기 가스 공급선으로부터 임의의 통로로 통과되는 가스가, 가스 투과성 제한부를 통과해야 상기 통로 단부의 개방부와 제한부 사이의 공간으로 들어갈 수 있도록 각각의 가스 피드선은 가스 투과성 제한부를 내장하고, 헬륨의 비유착 기포가 상기 통로의 단부로부터 상기 용융 유리로 발생될 정도로 상기 제한부를 가로지르는 압력 강하가 충분히 높고, 상기 공간의 체적은 충분히 크며,헬륨이 상기 헬륨 소스로부터 상기 가스 공급선에 제공될 때, 상기 헬륨은 가스 공급선과 연관된 제한부를 통해 상기 가스 공급선 내로 통과하고 상기 공간의 체적의 함수인 크기를 갖는 기포로서 상기 통로 단부의 개방부로부터 간헐적으로 발생하는 비유착 기포 형성 장치.
- 제19항에 있어서, 제한부와 상기 제한부로부터 하류측의 통로 단부의 개방부 사이의 공간은 모두 동일한 체적을 갖는 비유착 기포 형성 장치.
- 제19항에 있어서, 제한부와 상기 제한부로부터 하류측의 통로 단부의 개방부 사이의 공간이 모두 동일한 체적을 갖지는 않는 비유착 기포 형성 장치.
- 제19항에 있어서, 상기 통로 단부의 개방부의 직경은 0.1mm 내지 1.0mm인 비유착 기포 형성 장치.
- 제19항에 있어서, 상기 통로 단부의 개방부의 직경은 0.2mm 내지 0.5mm인 비유착 기포 형성 장치.
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