JP2012232868A - ガラス溶融炉、溶融ガラスの製造方法、ガラスビーズの製造方法およびガラス物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、バーナー先端部へのつらら状の付着物の形成を抑制できるガラス溶融炉などの提供を目的とする。
【解決手段】本発明のガラス溶融炉３０は、溶融ガラスを収容する炉体１と、炉体１に下向きに配置され炉体の内側でガラス原料粒子ＧＭを加熱溶融して溶融ガラス粒子Ｕにするための加熱気相雰囲気Ｋを形成する原料加熱部と、炉体１に配置され加熱気相雰囲気Ｋにガラス原料粒子ＧＭを供給する原料供給部と、を備える気中溶融バーナー１０と、気中溶融バーナー１０の周囲に配置され、気中溶融バーナー１０の先端部１０Ａを加熱する加熱手段２０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス溶融炉、溶融ガラスの製造方法、ガラスビーズの製造方法およびガラス物品の製造方法に関する。

現在、板ガラス、瓶ガラス、繊維ガラスを始めとして表示装置用ガラスに至るまで、量産規模のガラスの多くはガラス原料をガラス溶融炉（以下、単に溶融炉とも呼ぶ。）にて溶融するシーメンス型の溶融炉に基づき生産されている。シーメンス型の溶融炉による溶融法では、粉末状ガラス原料の混合物を、溶融炉で先に溶融したガラス融液面上に投入し、それが塊（バッチともいう。）となったものをバーナーなどによって加熱してその表面から融解を進行させ、徐々にガラス融液とする。このとき、融液上のバッチは、反応あるいは溶融しやすい物質から順次溶け出るため、原料層内に難溶融性物質が形成されやすい。また、同様の理由で、融液形成の初期状態においては、局所的に見るとバッチと組成が異なったガラス融液が生じ、融液の不均一化が生じやすい。さらに、シーメンス型の溶融炉は大量のエネルギーを必要とするため、溶融炉の消費エネルギー削減が望まれている。最近では、表示装置用途のガラス板として高品質、高付加価値化ガラスの需要が増大の一途にあり、エネルギー消費も増大しており、ガラスの製造にかかる省エネルギー技術の開発は重要かつ緊急の課題とされている。

このような背景から、省エネルギー型のガラス製造技術の一例として、ガラス原料の混合物からなる微細粒子（造粒体）を高温の気相雰囲気中で加熱し溶かして溶融ガラス粒子とし、次いで溶融ガラス粒子を集積して液体相（ガラス融液）を形成する気中溶融法と呼ばれるガラス物品の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。気中溶融法によれば、従来のシーメンス型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、ＣＯ_２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。

図１１は特許文献１に記載の溶融炉を示す断面模式図である。特許文献１の溶融炉１００は、高温の気相雰囲気Ｋ_１００を形成する加熱手段として、複数本のアーク電極１０２と酸素燃焼ノズル１０３を備えている。これら複数のアーク電極１０２が形成する熱プラズマアークまたは酸素燃焼ノズル１０３による酸素燃焼炎（フレーム）Ｆ_１００によって炉体１０１内に約１６００℃以上の高温の気相雰囲気Ｋ_１００が形成されている。この高温の気相雰囲気Ｋ_１００中に、ガラス原料粒子Ｒ_１００を投入することにより、高温の気相雰囲気Ｋ_１００内でガラス原料粒子Ｒ_１００を液状ガラス粒子Ｕ_１００に変化させる。液状ガラス粒子Ｕ_１００は落下して炉体１０１の炉底部１０１Ａに溜まり、ガラス融液Ｇ_１００となる。

気中溶融法において、加熱手段として酸素バーナーを用いる場合、図１１に示すように、酸素バーナーの燃焼火炎中にガラス原料粒子を投入して、火炎中で液状ガラス粒子を形成している。そのため、ガラス原料粒子を供給する原料供給路と、燃焼ガスおよび燃料ガスをそれぞれ供給するガス供給路を備える酸素バーナーが使用される。
例えば、特許文献２に記載の溶融炉は、溶融炉の天井壁に下向きに取り付けられた酸素バーナーを備えており、この酸素バーナーには、酸素を含む支燃ガスと燃料ガスを供給するガス供給系と、ガラス原料粒子を供給する原料供給系とが接続されている。この溶融炉では、酸素バーナーを燃焼させ下向きに火炎を形成するとともに、酸素バーナーからガラス原料粒子をその火炎中に下向きに供給し、火炎中で液状ガラス粒子を生成させ、生成した液状ガラス粒子を火炎直下の炉底部に集積させてガラス融液を形成している。

特開２００７−２９７２３９号公報 特開２００８−２９０９２１号公報

本発明者らが、上記のような構成のバーナーを用いてガラスの気中溶融法の研究を行ったところ、バーナーの先端部に付着物が付いて徐々に肥大化してつらら状となり、火炎が不安定になるだけでなく、ガラス原料粒子の吐出口が徐々に閉塞するという問題が明らかとなった。この付着物は、ホウ酸などのガラス融液中の成分が揮散してバーナーに付着すること、および、直径数１０〜数１００μｍ程度の微細なガラス原料粒子がバーナー先端部に付着することにより形成される。このようなつらら状物がバーナー先端部に形成されると、前述の火炎の不安定化や吐出口の閉塞を引き起こすだけでなく、大きくなったつらら状物がバーナー下方のガラス融液へと落下する場合がある。その結果、落下したつらら状物とガラス融液との組成差に起因して、製造される溶融ガラスおよびガラスが不均質になり、ガラスの品質が低下するおそれがある。

従来のシーメンス型の溶融炉では、バーナーは横向きまたは下向きに設置されるが、バーナーから燃焼炎のみを噴射する構成であるため、上記のようなバーナーの先端にガラス原料粒子が付着する問題は起こらない。このような問題は、本発明者らが気中溶融法を検討する過程で見出されたものである。
また、通常、気中溶融法は長期間の連続稼働で行われるため、気中溶融用バーナーも長期間連続使用される。バーナーにつらら状物が形成されると、バーナーを停止してバーナーの清掃または交換を行う必要があるため、生産性の面においてもバーナーにつらら状の付着物が形成されない技術の開発は重要である。

以上のような背景から本発明は、バーナー先端部へのつらら状の付着物の形成を抑制できるガラス溶融炉、および溶融ガラスの製造方法の提供を目的とする。
また、本発明は、上述の溶融ガラスの製造方法を用いるガラスビーズの製造方法およびガラス物品の製造方法の提供を目的とする。

本発明は、溶融ガラスを収容する炉体と、前記炉体に下向きに配置され前記炉体の内側でガラス原料粒子を加熱溶融して溶融ガラス粒子にするための加熱気相雰囲気を形成する原料加熱部と、前記炉体に配置され前記加熱気相雰囲気に前記ガラス原料粒子を供給する原料供給部と、を備える気中溶融バーナーと、前記気中溶融バーナーの周囲に配置され、前記気中溶融バーナーの先端部を加熱する加熱手段と、を有するガラス溶融炉を提供する。
本発明のガラス溶融炉においては、前記気中溶融バーナーが前記炉体の上部に下向きに設置されていることが好ましい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記加熱手段が、抵抗発熱装置、高周波誘導加熱装置および熱風導入装置のいずれかであってもよい。

本発明のガラス溶融炉においては、前記気中溶融バーナーの先端部の周囲に、前記加熱手段である抵抗発熱体または高周波誘導コイルが配置されてもよい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記抵抗発熱体が、前記気中溶融バーナーの先端部に接していてもよい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記加熱手段と前記気中溶融バーナーとの間に、均熱部材が設けられてもよい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記熱風導入装置が、前記気中溶融バーナーの先端部に向けて熱風を噴出する熱風導入チューブを備えてもよい。

本発明のガラス溶融炉においては、前記原料加熱部が、酸素燃焼炎を発生することが好ましい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記炉体の下部に、前記溶融ガラス粒子を集積してガラス融液とする貯留部が設けられてもよい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記炉体の下部に、前記溶融ガラス粒子を冷却してガラスビーズとし、該ガラスビーズを集積する貯留部が設けられてもよい。

本発明は、前記のいずれかに記載のガラス溶融炉を用い、前記加熱手段により前記気中溶融バーナーの先端部を加熱しながら、前記気中溶融バーナーの前記原料加熱部により加熱気相雰囲気を形成し、前記加熱気相雰囲気中に前記原料供給部からガラス原料粒子を送ることにより該ガラス原料粒子を溶融させて溶融ガラス粒子とする溶融ガラスの製造方法を提供する。
本発明は、ガラス原料粒子を加熱気相雰囲気中で溶融ガラス粒子とする溶融ガラスの製造方法であって、前記ガラス原料粒子を供給する原料供給部と前記加熱気相雰囲気を形成する原料加熱部とを有する気中溶融バーナーの先端部を、前記加熱気相雰囲気を形成する際に加熱しながら、前記溶融ガラス粒子を形成する溶融ガラスの製造方法を提供する。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記気中溶融バーナーの先端部が３００〜１２００℃となるように加熱することが好ましい。

本発明は、前記のいずれかに記載の溶融ガラスの製造方法により得られた溶融ガラス粒子を冷却することによりガラスビーズを形成するガラスビーズの製造方法を提供する。
本発明は、前記のいずれかに記載の溶融ガラスの製造方法を用いて溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを成形する工程と、成形後のガラスを徐冷する工程と、を含むガラス物品の製造方法を提供する。

本発明のガラス溶融炉は、気中溶融バーナーの先端部を加熱する加熱手段を備えることにより、溶融ガラスから揮散した成分がバーナー先端部で凝縮することを抑止するとともに、付着物を熱により溶融してつらら状物が形成される前に下方に垂れ落とすことができる。従って、本発明のガラス溶融炉によれば、バーナー先端部へのつらら状の付着物の形成を抑制できる。
本発明の溶融ガラスの製造方法は、加熱手段により気中溶融バーナーの先端部を加熱しながらガラス原料粒子を溶融することにより、均質な溶融ガラスを製造することができる。
また、本発明のガラスビーズの製造方法およびガラス物品の製造方法は、上述の溶融ガラスの製造方法を用いることにより、均質で高品質なガラスビーズおよびガラス物品を提供できる。

図１は本発明に係るガラス溶融炉の第１実施形態を模式的に示す断面図である。 図２は本発明に係るガラス溶融炉が備える気中溶融バーナーの一例構造を示す断面図である。 図３は図１に示すガラス溶融炉の炉体の天井部の要部を模式的に示す断面図である。 図４は本発明に係るガラス溶融炉が備える加熱手段の第２実施形態を模式的に示す断面図である。 図５は本発明に係るガラス溶融炉が備える加熱手段の第３実施形態を模式的に示す断面図である。 図６は図５に示す加熱手段の上面図である。 図７は本発明に係るガラス溶融炉が備える加熱手段の第４実施形態を模式的に示す断面図である。 図８は本発明に係るガラス原料の溶融方法を用いてガラス物品を製造する方法の一例を示すフロー図である。 図９は本発明に係るガラス原料の溶融方法を用いて溶融ガラスおよびガラス物品を製造する装置の他の例を示す構成図である。 図１０は本発明に係るガラス原料の溶融方法を実施してガラスビーズを製造する装置の一実施形態を示す構成図である。 図１１は特許文献１に記載のガラス溶融炉を示す断面模式図である。

以下、本発明に係るガラス溶融炉、ガラス原料の溶融方法、溶融ガラスの製造方法、ガラスビーズの製造方法、ガラス物品の製造方法の一実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。

図１は本発明に係るガラス溶融炉の第１実施形態を模式的に示す断面図である。図１に示すガラス溶融炉は、本発明に係る溶融ガラスの製造方法およびガラス物品の製造方法に用いられる。

図１に示すガラス溶融炉３０は、中空箱型の炉体１と、ガラス原料粒子ＧＭを噴出するとともに酸素燃焼炎Ｆを形成するために炉体１の上部の天井部１Ａを貫通して下向きに配置された気中溶融バーナー１０と、気中溶融バーナー１０の先端部１０Ａを加熱するために気中溶融バーナー１０の先端側１０Ａの周囲の炉体１の天井部１Ａに配置された加熱手段２０と、炉体１の底部に形成された溶融ガラスＧの貯留部１Ｂとを備える。気中溶融バーナー１０は、ガラス原料粒子ＧＭを供給する原料供給部を備えるとともに、その噴射方向先端側（図１では下方側）に加熱気相雰囲気Ｋを形成するための酸素燃焼炎Ｆを噴射する原料加熱部を備える。なお、以下の説明において気中溶融バーナー１０をバーナー１０と略称する。

本発明において、炉体１の上部とは、炉体１の天井部１Ａおよび側壁１Ｃの上部を含む範囲を意味する。
なお、炉体１の形状は図１に示す箱型の直方体形状に限定されるものではなく、円筒状に構成されたものであってもよい。また、バーナー１０を鉛直方向下向きに設置しているが、これに限らず、下向きであれば傾斜して設置してもよい。さらに、炉体１の天井部１Ａをフラットな形状としたが、これに限らず、アーチ形状、ドーム形状等の形状であってもよい。

加熱気相雰囲気Ｋにガラス原料粒子ＧＭを供給するための原料供給部は、バーナー１０に一体形成されており、バーナー１０の出口付近で燃焼ガスを供給する管と酸素を供給する管（原料加熱部）と、ガラス原料粒子ＧＭを供給する管（原料供給部）が同軸で構成されている。
加熱気相雰囲気Ｋは、バーナー１０から噴射される酸素燃焼炎Ｆおよび酸素燃焼炎Ｆ近傍の高温部から構成される。

バーナー１０は、無機粉体加熱用バーナーとして公知な、原料、燃料ガス、燃焼ガス供給ノズルが適切に配置された酸素燃焼バーナーである。図２に本実施形態のガラス溶融炉３０が備えるバーナー１０の一例構造を示す。なお、本発明における酸素燃焼バーナーの構造は、以下に示す例に限定されるものではない。
図２に示すバーナー１０は、複数の管状の鋼材からなるノズル１１、１２、１３、１４および外管１５が同心円状に配置された多重管構造とされ、中央部に配置された第１ノズル１１と、この第１ノズル１１の外方に第１ノズル１１を取り囲むように順次配置された第２ノズル１２と第３ノズル１３と第４ノズル１４と外管１５とから構成されている。
第１ノズル１１の内部に燃料ガスを通過させるための燃料ガス供給路１１Ａが形成され、第１ノズル１１と第２ノズル１２との間にガラス原料粒子ＧＭを通過させるための原料供給部である原料供給路１２Ａが形成されている。また、第２ノズル１２と第３ノズル１３との間に燃焼ガスを通過させるための１次燃焼ガス供給路１３Ａが形成され、第３ノズル１３と第４ノズル１４との間に燃焼ガスを通過させるための２次燃焼ガス供給路１４Ａが形成され、第４ノズル１４と外管１５との間に冷却水などの冷媒を流通させるための冷媒流路１５Ａが形成されている。
第４ノズル１４と外管１５は、それらの先端部において接続部１６により接続されており、冷媒流路１５Ａの先端側はこの接続部１６により閉じられている。冷媒流路１５Ａは各ノズル１１〜１４を十分に冷却できるように、各ノズル１１〜１４の先端部近傍にまで設けられている。これにより、各ノズル１１〜１４が過熱状態になることを防止できる。なお、冷媒流路１５Ａは省略することもできる。

バーナー１０の上部側には供給管９を介してガラス原料粒子ＧＭを収容したホッパからなる原料供給器８が接続されており、供給管９にはガラス原料粒子ＧＭをバーナー１０の原料供給部である原料供給路１２Ａへと搬送するためのキャリアガスを供給するキャリアガス供給源（図示略）が接続されている。また、バーナー１０の原料加熱部である燃料ガス供給路１１Ａ、１次燃焼ガス供給路１３Ａおよび２次燃焼ガス供給路１４Ａは、それぞれ、供給管７ａ、７ｂ、７ｃを介してガス供給装置６に接続されている。

バーナー１０において、プロパン、ブタン、メタン、ＬＰＧ（液化石油ガス）、水素、重油、軽油、灯油などの燃料ガスがガス供給装置６から供給管７ａを介して燃料ガス供給路１１Ａに導入され、酸素や酸素富化ガスなどの燃焼ガスがガス供給装置６から供給管７ｂおよび７ｃを介して１次燃焼ガス供給路１３Ａおよび２次燃焼ガス供給路１４Ａに導入される。また、後述するガラス原料粒子ＧＭが供給装置８から供給管９を介して原料供給部である原料供給路１２Ａに供給される。これにより、バーナー１０の先端から酸素燃焼炎Ｆを噴射するとともに、ガラス原料粒子ＧＭを酸素燃焼炎Ｆに向けて吹き出すことができる。バーナー１０により噴射される酸素燃焼炎により形成される加熱気相雰囲気Ｋの中心部の温度は、燃焼炎が例えば水素酸素燃焼炎の場合約２０００〜３０００℃である。

炉体１の底部側は溶融ガラスＧの貯留部１Ｂとされており、炉体１の側壁底部側に形成された排出口４を介して炉体１から溶融ガラスＧを外部に排出できるように構成されている。なお、本実施形態のガラス溶融炉３０を備えてガラス物品の製造装置を構成する場合は、炉体１の排出口４から溶融ガラスＧを排出する方向の下流側に、一例として、成形装置５などが接続され、形成した溶融ガラスＧを成形装置５により目的の形状に成形してガラス物品を得ることができるように構成されている。なお、泡品質によっては、成形装置の前に減圧脱泡装置を設けてもよい。

炉体１は耐火レンガなどの耐火材からなり、高温の溶融ガラスＧを貯留できるように構成されている。炉体１の下部の貯留部１Ｂには図示していないが加熱ヒータが設置され、必要に応じて貯留部１Ｂに貯留されている溶融ガラスＧを目的の温度（たとえば１４００℃程度）に溶融状態で保持できるように構成されている。貯留部１Ｂの側壁部に排気口２および排気管２ａを介し排ガス処理装置３が接続されている。

炉体１の天井部１Ａには、バーナー１０の先端部１０Ａを取り囲むように、加熱手段２０が設置されている。図３は本実施形態のガラス溶融炉３０が備える加熱手段２０の第１実施形態を模式的に示す断面図である。
図３に示す加熱手段２０は、炉体１の天井部１Ａにバーナー１０の先端部１０Ａを取り囲むように配置された、高周波誘導加熱装置の一例である高周波誘導コイル２１であり、バーナー１０の先端部１０Ａの周囲を取り囲むように設けられた円筒の耐火材２２の外周に設置されている。高周波誘導コイル２１は、高周波変流器(図示略)を介して高周波発振器（高周波電源、図示略）に接続されており、高周波発振器より高周波誘電コイル２１に高周波電流を印加することにより、誘導加熱により高周波誘導コイル２１の内側に配置されたバーナー１０の先端部１０Ａを自己発熱させて加熱することができるように構成されている。

高周波誘導コイル２１は、例えば、銅パイプによりコイル状に構成されている。耐火材２２の材質としては、例えば、アルミナ、ムライト、ジルコン、窒化珪素、窒化ホウ素などのセラミックスが挙げられる。

このように、本実施形態のガラス溶融炉３０は、バーナー１０の先端部１０Ａを加熱するための高周波誘導コイル２１が配置されている構成である。そのため、高周波発振器（図示略）より高周波誘電コイル２１に高周波電流を印加することにより、誘導加熱により高周波誘導コイル２１の内側に配置されたバーナー１０の先端部１０Ａを自己発熱させて加熱することができる。加熱手段である高周波誘導コイル２１によりバーナー１０の先端部１０Ａを加熱する際、バーナー１０の先端部１０Ａの温度が３００〜１２００℃の範囲内となるように加熱することが好ましい。バーナー１０の先端部１０Ａの温度が３００℃以上になることにより、ガラス原料粒子、溶融ガラス粒子、およびガラス融液からの揮発物が凝固しにくくなる。バーナー１０の先端部１０Ａの温度が１２００℃以下になることにより、バーナー１０の先端の劣化のおそれが少なくなる。バーナー１０の先端部１０Ａの温度が８００〜１１００℃の範囲内となるように加熱することがより好ましい。バーナー１０の先端部１０Ａの温度が８００℃以上になることにより、ガラス原料粒子、溶融ガラス粒子、その他揮発物のわずかな凝縮、付着があったとしても軟化流動して堆積しにくくなり、つららの発生を防ぐことができる。バーナー１０の先端部１０Ａの温度が１１００℃以下になることにより、バーナー１０の先端の劣化のおそれがさらに少なくなる。
本実施形態のガラス溶融炉３０においては、高周波誘導コイル２１によりバーナー１０の先端部１０Ａを加熱しながら、バーナー１０から酸素燃焼炎Ｆを下向きで噴射させて、この酸素燃焼炎Ｆ（すなわち、加熱気相雰囲気Ｋ）中にガラス原料粒子ＧＭをバーナー１０の原料供給部である原料供給路１２Ａから供給する。ガラス原料粒子ＧＭは、加熱気相雰囲気Ｋ中を通過して加熱され、溶融ガラス粒子Ｕを形成し、貯留部１Ｂに貯留された溶融ガラスＧ上に降下する。

本実施形態のガラス溶融炉３０は、バーナー１０の先端部１０Ａを加熱する加熱手段２０として、高周波により誘導加熱する高周波誘導コイル２１を備え、バーナー１０の先端部１０Ａを自己発熱させることにより、溶融ガラスＧから揮散した成分がバーナー１０の先端部１０Ａで凝縮することを抑止できる。また、付着物を熱により溶融してつらら状物が形成される前に自重で下方に垂れ落とすことができる。従って、本実施形態のガラス溶融炉３０によれば、バーナー１０の先端部１０Ａへのつらら状の付着物の形成を抑制できる。
本実施形態のガラス溶融炉３０は、バーナー１０の先端部１０Ａへのつらら状の付着物の形成を抑制できるので、バーナー１０の火炎が不安定化することがなく、また、バーナー１０の吐出口が閉塞することがない。さらに、つらら状物が形成されないので、つらら状物がバーナー１０下方の溶融ガラスＧへと落下することがなく、落下したつらら状物とガラス融液との組成差によりガラスが不均質化することがなく、均一な組成の高品質の溶融ガラスＧおよびガラスを製造できる。

本発明に係るガラス溶融炉が備える加熱手段は、上述した図１および図３に示す高周波誘導コイル２１に限定されない。以下、本発明に係るガラス溶融炉が備える加熱手段の他の形態を図４〜７に基づき説明する。なお、図４〜７において、図１に示すガラス溶融炉３０と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の構成要素については説明を省略する。

図４は本発明に係るガラス溶融炉が備える加熱手段の第２実施形態を模式的に示す断面図である。
本実施形態の加熱手段２０Ｂは、炉体１の天井部１Ａにバーナー１０の先端部１０Ａを取り囲むように配置された、抵抗発熱装置の一例である抵抗発熱体２３であり、バーナー１０の先端部１０Ａの周囲に設けられた耐火材２４に埋め込まれている。耐火材２４はバーナー１０の先端部１０Ａの周囲を取り囲むように筒型に設けられており、その内周面近くの部分に抵抗発熱体２３がコイル型に内蔵されている。抵抗発熱体２３とバーナー１０との間には、バーナー１０を取り囲むように均熱部材２５が配置されている。抵抗発熱体２３は電源装置（図示略）に接続されており、電源装置より電流を抵抗発熱体２３に印加することにより、抵抗発熱により抵抗発熱体２３が発熱する構成となっている。

抵抗発熱体２３は、電流を印加することにより抵抗発熱する材料より構成され、たとえば、Ｎｉ−Ｃｒ合金、白金または白金合金、２珪化モリブデン等よりコイル状に構成されている。
均熱部材２５は、円筒形の耐火物であり、抵抗発熱体２３からの熱を均等にする目的、および、抵抗発熱体２３の保護の目的で設置されている。均熱部材２５の材質は、耐熱性、および、溶融ガラスＧからの揮発物への耐食性を考慮して適宜選択され、アルミナ、ムライト、ジルコンなどのセラミックスが好ましい。
耐火材２４の材質としては、図３に示す耐火材２２と同じものが挙げられる。
なお、図４に示す例では、抵抗発熱体２３が耐火材２４に埋め込まれている例を示しているが、耐火材２４は省略して抵抗発熱体２３を均熱部材２５の外周部に単独で配置することもできる。
本発明に係るガラス溶融炉が本実施形態の加熱手段２０Ｂを備える場合、電源装置（図示略）から抵抗発熱体２３に電流を印加することにより、抵抗発熱により抵抗発熱体２３が発熱し、この熱を、均熱部材２５を介してバーナー１０の先端部１０Ａに伝熱することで、バーナー先端部１０Ａを加熱し、つらら状物の生成と成長を防止できる。

図５は本発明に係るガラス溶融炉が備える加熱手段の第３実施形態を模式的に示す断面図であり、図６は図５に示す加熱手段の上面図である。
本実施形態の加熱手段２０Ｃは、バーナー１０と一体となるように、バーナー１０の先端部１０Ａの周囲に配置された抵抗発熱体３５、３６である。加熱手段２０Ｃにおいて、バーナー１０の先端部１０Ａ側の周囲を取り囲むように断熱材２７ａを介して二つあるうちの一つ目の内側の円筒状の抵抗発熱体３５および電極フランジ２６Ａが配置されている。さらに、その内側の抵抗発熱体３５の周囲を取り囲むように断熱材２７ｂを介して、二つ目の外側の円筒状の抵抗発熱体３６および電極フランジ２６Ｂが配置されている。抵抗発熱体３５と抵抗発熱体３６はバーナー１０の先端部１０Ａ側の端部同士が接続部２６Ｓで接続されており、接続部２６Ｓはバーナー１０側に向かって延設されてその端部２６Ｅがバーナー先端部１０Ａと接触している。電極フランジ２６Ａおよび電極フランジ２６Ｂは、電源装置（図示略）に接続されている。電極フランジ２６Ａ、電極フランジ２６Ｂ、抵抗発熱体３５、３６および接続部２６Ｓは同一の材質により構成されることが好ましく、その材質としては、白金または白金合金が好ましい。断熱材２７ａ、２７ｂの材質としては、たとえば、アルミナ質ファイバー材、アルミナ粉等が挙げられる。

本発明に係るガラス溶融炉が本実施形態の加熱手段２０Ｃを備える場合、電源装置（図示略）から電極フランジ２６Ａおよび電極フランジ２６Ｂに電流を印加することにより、抵抗発熱により抵抗発熱体３５、３６およびその接続部２６Ｓが発熱する。接続部２６Ｓの端部２６Ｅはバーナー１０の先端部１０Ａに接触しているため、接続部２６Ｓの端部２６Ｅからバーナー１０の先端部１０Ａに伝熱し、バーナー先端部１０Ａおよび先端外周部を加熱でき、これにより、バーナー１０の先端部１０Ａにおいてつらら状物の生成と成長を防止できる。

図７は本発明に係るガラス溶融炉が備える加熱手段の第４実施形態を模式的に示す断面図である。
本実施形態の加熱手段２０Ｄは、熱風導入装置の一例であって、バーナー１０が設置された炉体１の天井部１Ａの上面にバーナー１０を取り囲むように配置された固定具２９により固定されてバーナー１０の先端部１０Ａ側に向けて熱風を噴出できるように斜め下向きに配置された熱風導入チューブ２８とで構成されている。熱風導入チューブ２８はその先端部２８Ａをバーナー１０の先端部１０Ａより若干上側に位置させ、先端部２８Ａをバーナー１０の先端部１０Ａの中心に向けるように、若干バーナー１０の先端部１０Ａの内側に向けて斜め下向きに配置されている。熱風導入チューブ２８は熱風供給装置（図示略）に接続されており、熱風供給装置より熱風導入チューブ２８に熱風を供給することにより、熱風導入チューブ２８の先端部２８Ａから熱風をバーナー１０の先端部１０Ａ側に向けて噴出できる構成となっている。
熱風導入チューブ２８は、鋼、ステンレス、アルミナ、白金または白金合金などの材質よりチューブ状に構成されている。

本発明に係るガラス溶融炉が本実施形態の加熱手段２０Ｄを備える場合、熱風導入チューブ２８からバーナー１０の先端部１０Ａ側に向けて熱風を噴出することにより、バーナー１０の先端部１０Ａを加熱することができる。なお、熱風導入装置の設置位置は図７に示す例に限定されず、バーナー１０の先端部１０Ａに熱風を吹き付けることができる位置であればよく、適宜調整可能である。また、熱風導入チューブ２８を固定する固定具２９の形態は特に制限されず、適宜選択可能である。

本発明に係るガラス溶融炉は、上記第２〜４実施形態の加熱手段２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄのいずれかを備える構成とすることにより、溶融ガラスＧから揮散した成分がバーナー１０の先端部１０Ａで凝縮することを抑止できる。また、付着物を熱により溶融してつらら状物が形成される前に自重で下方に垂れ落とすことができる。従って、本発明に係るガラス溶融炉によれば、バーナー１０の先端部１０Ａへのつらら状の付着物の形成を抑制できる。なお、上記第２〜４実施形態の加熱手段２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄのいずれかによりバーナー１０の先端部１０Ａを加熱する際、上記第１実施形態の加熱手段２０と同様に、バーナー１０の先端部１０Ａの温度が３００〜１２００℃の範囲内となるように加熱することが好ましい。
本発明に係るガラス溶融炉は、バーナー１０の先端部１０Ａへのつらら状の付着物の形成を抑制できるので、バーナー１０の火炎が不安定化することがなく、また、バーナー１０の吐出口が閉塞することがない。さらに、つらら状物が形成されないので、つらら状物がバーナー１０下方の溶融ガラスＧへと落下することがなく、落下したつらら状物とガラス融液との組成差によりガラスが不均質化することがなく、均一な組成の高品質の溶融ガラスＧおよびガラスを製造できる。

本実施形態のガラス溶融炉３０、および、上記第２〜４実施形態の加熱手段２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄのいずれかを備える本発明に係るガラス溶融炉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、組成的には制限されない。したがって、ソーダライムガラス、混合アルカリ系ガラス、ホウケイ酸ガラス、あるいは、無アルカリガラスのいずれであってもよい。また、製造されるガラス物品の用途は、建築用や車両用に限定されず、フラットパネルディスプレイ用、その他の各種用途が挙げられる。
たとえば、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、ＳｉＯ_２：３９〜７５％、Ａｌ_２Ｏ_３：３〜２７％、Ｂ_２Ｏ_３：０〜２０％、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。

本実施形態においては、前記いずれかの用途のガラスの原料の各成分の粒子状の原料粉末粒子を目的のガラスの組成比に合わせて混合し、造粒体としたガラス原料粒子ＧＭを用意する。
基本的に気中溶融法は、複数（通常３成分以上）の成分から成るガラスを製造するためにガラス原料粒子ＧＭを溶融してガラスを製造する方法である。

また、たとえば、ガラス原料粒子ＧＭの一例として、無アルカリガラスの一例を適用する場合、珪砂、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ_３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）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、たとえばスプレードライ造粒法により３０〜１０００μｍ程度の造粒体として、ガラス原料粒子ＧＭを得ることができる。

前記ガラス原料粉末粒子からガラス原料粒子ＧＭを調製する方法としては、スプレードライ造粒法などの方法が使用でき、ガラス原料を分散溶解させた水溶液を高温雰囲気中に噴霧させて乾燥固化させる造粒法が好ましい。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を蒸留水などの溶媒中に分散してスラリーを構成し、このスラリー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と造粒原料の強度を向上させる目的で２−アミノエタノール、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することが好ましい。
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。

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。
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。

この溶融ガラスＧを所定の速度で排出口４から排出し、必要に応じ減圧脱泡装置に導入し、減圧状態で強制的にさらに脱泡した後、成形装置５に移送して目的の形状に成形し、ガラス物品を製造できる。
以上のように製造されたガラス物品は、上述の如く高品質の溶融ガラスＧより形成されているため、高い品質のガラス物品を得ることができる。

図８は本発明に係るガラス原料の溶融方法を用いてガラス物品を製造する方法の一例を示すフロー図である。
図８に示す方法に従い、ガラス物品を製造するには、上述のガラス溶融炉３０を用いた上述の溶融ガラスの製造方法によるガラス溶融工程Ｓ１により溶融ガラスＧを得たならば、溶融ガラスＧを成形装置５に送って目的の形状に成形する成形工程Ｓ２を経た後、徐冷工程Ｓ３にて徐冷し、切断工程Ｓ４において必要な長さに切断することでガラス物品Ｇ５を得ることができる。
なお、必要に応じて、成形後の溶融ガラスを研磨する工程を設けて、ガラス物品Ｇ５を製造できる。

本発明のガラス溶融炉は図１に示す例に限定されない。図９に示すガラス溶融炉３０Ｂように、加熱気相雰囲気Ｋを形成する手段として、バーナー１０に加えて、さらに、熱プラズマを発生させる、一対以上の電極３１で構成される多相アークプラズマ発生装置を備えていてもよい。また、バーナー１０の酸素燃焼炎Ｆ、熱プラズマにより形成される加熱気相雰囲気Ｋの温度は、後述するガラス原料粒子ＧＭに含まれる気体成分を迅速にガス化散逸させ、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。これにより、炉体１内に投下されたガラス原料粒子ＧＭは、酸素燃焼炎Ｆまたは、酸素燃焼炎Ｆおよび熱プラズマによって、迅速にガス化散逸されるとともに、高温で加熱されることにより液状の目的組成物の溶融ガラスＵとなって降下し、炉体１の底部１Ｂの溶融ガラスＧに着地し、溶融ガラスＧとして貯留される。

図１０は本発明に係る溶融ガラスの製造方法を用いてガラスビーズ（ガラス粒体）を製造する装置の一実施形態を示すもので、本実施形態の製造装置４０は、収容部４４と、収容部４４の天井部４４Ａを貫通するように酸素燃焼炎Ｆが下向きに噴射されるように配置されたバーナー１０と、バーナー１０の先端部１０Ａを加熱するためにバーナー１０の先端側１０Ａの周囲の収容部４４の天井部４４Ａに配置された加熱手段２０とを備えて構成されている。図１０に示す製造装置４０は、先の実施形態のガラス溶融炉３０と類似の構造であり、先の装置の炉体１を収容部４４に変更した点が異なる。その他の構成は図１に示すガラス溶融炉３０の構成と同等であり、同一の要素には同一の符号を付し、同一要素の説明は省略する。なお、加熱手段２０としては、上述の第１〜４実施形態の加熱手段２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄのいずれを備えていてもよい。

本実施形態の製造装置４０において、収容部４４の内部には、ステンレス鋼製のバケツ状の貯留部４１を備えた搬送台車４２が収容されている。また、図示されていないが収容部４４の筐体表面は冷却水で冷却されている。さらに、収容部４４の側壁部に排気管４３を介し排ガス装置４５が接続されている。
なお、図１０では略しているが、収容部４４の側壁部には収容部４４を密閉状態とすることが可能な開閉扉が形成されていて、搬送台車４２は開閉扉を開けることで収容部４４の外部に移動できるようになっている。

先に説明した実施形態の場合と同様に、加熱手段２０によりバーナー１０の先端部１０Ａを加熱しながら、ガラス原料粒子ＧＭをバーナー１０の酸素燃焼炎Ｆからなる加熱気相雰囲気Ｋに投入することで、ガラス原料粒子ＧＭを加熱気相雰囲気Ｋ中で溶融させて溶融ガラス粒子Ｕとすることができ、この溶融ガラス粒子Ｕをステンレス鋼製の貯留部４１に落下させて冷却することで、ガラスビーズＧＢを得ることができる。したがって、本実施形態の装置４０において貯留部４１は、溶融ガラス粒子Ｕを冷却してガラスビーズＧＢとし、ガラスビーズＢＧを集積する構成とされている。なお、本実施形態の装置４０において、貯留部４１と搬送台車４２は必須ではなく、これらを略して収容部４４の床部４４Ｂにおいて溶融ガラス粒子を受ける構造としてもよく、その場合は収容部４４の内部空間と床部４４Ｂが溶融ガラス粒子を冷却するように構成する。

図１０に示す製造装置４０は、バーナー１０の先端部１０Ａを加熱する加熱手段２０を備える構成であるため、バーナー１０の先端部１０Ａに付着物が生じにくく、仮に付着物が生じても肥大化する前に落下させることができるので、肥大化したつらら状物が形成されることがなく、つらら状物を落下させることがないため、均一な品質のガラスビーズＧＢを製造できる。
このようにして得られたガラスビーズＧＢは、ガラスビーズとしてそのまま利用されたり、他の原料と混合されて利用されたり、その他の溶融炉の中に投入されてガラス物品の製造に利用される。

なお、本発明に係るガラス溶融炉が備える加熱手段は、上記第１〜４実施形態の加熱手段２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄに限定されず、気中溶融バーナーの先端部を加熱できるものであれば適用できる。また、加熱手段による気中溶融バーナーの先端部の加熱は、気中溶融バーナーに加熱手段が接触した状態で加熱する直接加熱、または、気中溶融バーナーに加熱手段が非接触で外部から加熱する間接加熱のいずれでもよい。

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物品の製造に広く適用できる。

１…炉体、１Ａ…天井部、１Ｂ…貯留部、１Ｃ…側壁、２…排気口、２ａ…排気管、３…排ガス処理装置、４…排出口、５…成形装置、６…ガス供給装置、７ａ、７ｂ、７ｃ…供給管、８…原料供給器、９…供給管、１０…気中溶融バーナー（バーナー）、先端部１０Ａ、１１…第１ノズル、１１Ａ…燃料ガス供給路、１２…第２ノズル、１２Ａ…原料供給路（原料供給部）、１３…第３ノズル、１３Ａ…１次燃焼ガス供給路、１４…第４ノズル、１４Ａ…２次燃焼ガス供給路、１５…外管、２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ…加熱手段、２１…高周波誘導コイル（高周波誘導加熱装置）、２２…耐火材、２３…抵抗発熱体（抵抗発熱装置）、２４…耐火材、２５…均熱部材、２６Ａ、２６Ｂ…電極フランジ、２６Ｓ…接続部、２６Ｅ…端部、２７ａ、２７ｂ…断熱材、２８…熱風導入チューブ（熱風導入装置）、２９…固定具、３０、３０Ｂ…ガラス溶融炉、３１…電極、３５、３６…抵抗発熱体（抵抗発熱装置）、４０…製造装置、４１…貯留部、４３…排気管、４４…収容部、４５…排ガス処理装置、Ｋ…加熱気相雰囲気、Ｇ…溶融ガラス、ＧＭ…ガラス原料粒子、Ｕ…溶融ガラス粒子、Ｆ…酸素燃焼炎、ＧＢ…ガラスビーズ。

Claims (15)

1. 溶融ガラスを収容する炉体と、
   前記炉体に下向きに配置され前記炉体の内側でガラス原料粒子を加熱溶融して溶融ガラス粒子にするための加熱気相雰囲気を形成する原料加熱部と、前記炉体に配置され前記加熱気相雰囲気に前記ガラス原料粒子を供給する原料供給部と、を備える気中溶融バーナーと、
   前記気中溶融バーナーの周囲に配置され、前記気中溶融バーナーの先端部を加熱する加熱手段と、
   を有するガラス溶融炉。
2. 前記気中溶融バーナーが、前記炉体の上部に下向きに設置されている請求項１に記載のガラス溶融炉。
3. 前記加熱手段が、抵抗発熱装置、高周波誘導加熱装置、および熱風導入装置のいずれかである請求項１または２に記載のガラス溶融炉。
4. 前記気中溶融バーナーの先端部の周囲に、前記加熱手段である抵抗発熱体または高周波誘導コイルが配置されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
5. 前記抵抗発熱体が、前記気中溶融バーナーの先端部に接している請求項４に記載のガラス溶融炉。
6. 前記加熱手段と前記気中溶融バーナーとの間に、均熱部材が設けられている請求項４に記載のガラス溶融炉。
7. 前記熱風導入装置が、前記気中溶融バーナーの先端部に向けて熱風を噴出する熱風導入チューブを備える請求項３に記載のガラス溶融炉。
8. 前記原料加熱部が、酸素燃焼炎を発生する請求項１〜７のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
9. 前記炉体の下部に、前記溶融ガラス粒子を集積してガラス融液とする貯留部が設けられている請求項１〜８のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
10. 前記炉体の下部に、前記溶融ガラス粒子を冷却してガラスビーズとし、該ガラスビーズを集積する貯留部が設けられている請求項１〜８のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
11. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のガラス溶融炉を用い、前記加熱手段により前記気中溶融バーナーの先端部を加熱しながら、前記気中溶融バーナーの前記原料加熱部により加熱気相雰囲気を形成し、前記加熱気相雰囲気中に前記原料供給部からガラス原料粒子を送ることにより該ガラス原料粒子を溶融させて溶融ガラス粒子とする溶融ガラスの製造方法。
12. ガラス原料粒子を加熱気相雰囲気中で溶融ガラス粒子とする溶融ガラスの製造方法であって、前記ガラス原料粒子を供給する原料供給部と前記加熱気相雰囲気を形成する原料加熱部とを有する気中溶融バーナーの先端部を、前記加熱気相雰囲気を形成する際に加熱しながら、前記溶融ガラス粒子を形成する溶融ガラスの製造方法。
13. 前記気中溶融バーナーの先端部が、３００〜１２００℃となるように加熱する請求項１１または１２に記載の溶融ガラスの製造方法。
14. 請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法により得られた溶融ガラス粒子を冷却することによりガラスビーズを形成するガラスビーズの製造方法。
15. 請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法を用いて溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを成形する工程と、成形後のガラスを徐冷する工程と、を含むガラス物品の製造方法。

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