JP2015514658A - 物理的バブラーを用いたガラス清澄方法 - Google Patents

Abstract

ガラス溶融物を清澄する方法が、溶解槽内にガラス溶融物を提供するステップ、第１通路を介して清澄槽にガラス溶融物を移動させるステップ、および清澄されたガラスを形成するために、清澄槽内でガラス溶融物に気泡を物理的に導入するステップを含み、溶解槽と清澄槽とが互いに水平な向きを成していることを特徴とする。

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる２０１３年２月５日に出願された米国特許出願第１３／７５９５７８号の優先権の利益を米国特許法第１２０条の下で主張し、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる２０１２年２月２７日に出願された米国仮特許出願第６１／６０３５８１号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張するものである。

本開示は一般にガラス清澄方法に関し、より具体的には、低コストのガラス製造に使用可能なバブリングを含む、ガラス清澄方法に関する。

通常ガラスの溶解時には、加熱下での原材料の反応によってガス状含有物が生成される。ガス状含有物はその後、種々のやり方で除去することができる。４つの一般的な泡除去の様式としては、大型の溶解槽であって、槽の後方でバッチ材料が加えられ、槽の前方に近くなると自由表面が存在し、そしてガラス内の泡がガラス表面に上昇して破裂するときに除去されるもの、または、バッチが溶解槽の後方に供給され、そのガラスが溶解槽よりも高温の清澄槽に移動され、そして泡が表面に上昇して破裂するもの、または、バッチが溶解槽の後方に供給され、そのガラスが溶解槽よりも高温の清澄槽に移動され、またバッチには化学的清澄剤が加えられていて、その結果高温で、すなわちガラスが清澄槽に到達すると清澄剤がガスを放出し、存在している泡のサイズを増加させて上昇速度を高めることにより清澄を高めるもの、または、バッチが溶解槽の後方に供給され、そのガラスが溶解槽よりも高温の清澄槽に移動され、そして清澄槽内のガラス表面の上方を真空に引くことにより、これに応じて泡が成長して表面に上昇し破裂するものが挙げられる。

上記方法を使用すると多くのガス状含有物を除去することができるが、設備、ガラス組成、および作業設定の詳細次第で効果は変化する。低コストであり、および／またはガス状含有物を最小にする、清澄方法が必要である。

例えばガラスを溶解槽から清澄槽に移動させるガラス製造方法では、例えば、泡の最小化または排除などの清澄を高めるために、強制バブリング（単一のバブラー、１列のバブラー、または多数の列のバブラーでもよい）を清澄槽内に設けてもよい。

一実施の形態はガラス溶融物を清澄する方法であり、この方法は、溶解槽内にガラス溶融物を提供するステップ、第１通路を介して清澄槽にガラス溶融物を移動させるステップ、および清澄されたガラスを形成するために、清澄槽内でガラス溶融物に気泡を物理的に導入するステップを含み、溶解槽と清澄槽とが互いに水平な向きを成していることを特徴とする。

さらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中に明記され、ある程度はその説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは書かれている説明およびその請求項の他、添付の図面で説明される実施形態を実施することにより認識されるであろう。

前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は単なる例示であり、請求項の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供することを意図したものであることを理解されたい。

添付の図面は、さらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は１以上の実施形態を示し、その説明とともに種々の実施形態の原理および動作の説明に役立つ。

一実施の形態による方法を示した概略図 ブリスタ（ガス状含有物）が排除される距離を示している、数学モデリングの結果のグラフ 清澄槽内にバブリングを含まない場合のガラスの流れと温度を示した図 清澄槽内にバブリングを有する場合のガラスの流れと温度を示した図

実施形態は、バブラーを備えていない既存のプロセスの場合と同等の品質を得るべく清澄槽に通して清澄される、ガラスの処理量を増加させ、これにより既存設備の占有面積からの総売上高を増加させてコスト／ユニットを削減することができるなど、１以上の利点を提供することができる。これにより、新たなプロセスの場合には正味の資本の節約のために、より小さく、より安価な清澄槽を構築することも可能になるであろう。さらにこれにより、清澄槽から除去することができる最小のガス状含有物のサイズを減少させることも可能になり得、これを用いることでガラス製品の許容できるガス状含有物のサイズが減少し、損失を増加させることなく優れた品質を実現することができる。またこれにより、清澄によって除去できるガス状含有物の総数を増加させることも可能になり得、従ってこれを用いると、溶解槽の占有面積を減らすことで清澄槽に導入される泡が増加しても、損失を増加させたり、あるいは品質を悪化させたりしないようにすることができる。

図１に示されている一実施の形態は、ガラス溶融物を清澄する方法１００であり、この方法は、溶解槽１２内にガラス溶融物１０を提供するステップ、第１通路１６を介して清澄槽１４にガラス溶融物を移動させるステップ、および清澄されたガラス１１を形成するために、清澄槽内でガラス溶融物に気泡１８を物理的に導入するステップを含み、溶解槽と清澄槽とが互いに水平な向きを成していることを特徴とする。

一実施の形態によれば、ガラス溶融物に気泡を物理的に導入するステップは、少なくとも１つのバブラー２０によってガラス溶融物内に泡を発生させるステップを含む。単一のバブラー、１列のバブラー、または多数の列のバブラーを清澄槽の後方に設けて、清澄を高める、例えばガス状含有物を最小限に抑えることができる。

一実施の形態において、ガラス溶融物を移動させるステップは、ガラス溶融物を清澄槽内の、バブラーの上の部分２２に移動させるステップを含む。清澄槽の入口で泡が上向きの力を作り出すことにより、第１通路１６を介して溶解槽から清澄槽に入ってきたガス状含有物は、ストークスの法則（泡の上昇）単独によるものよりも速く、上向き方向に引き寄せられる。従ってガス状含有物は、バブリングを含まない場合よりも速くガラスの表面に到達し、より効率的に除去される。

一実施の形態において、バブラー、１列のバブラー、または多数の列のバブラーは、清澄槽の後方に設けられる。一実施の形態において、清澄槽は高アスペクト比のものであり、例えば、幅に対して長さが少なくとも１．５倍、例えば１．５倍長、例えば１．６倍長、例えば１．７倍長、例えば１．８倍長、例えば１．９倍長、例えば２．０倍長、例えば１．５倍から２．０倍長である。後方のバブリングが清澄槽の高アスペクト比と組み合わさることで、ガラスの熱対流がそれほど乱されないような条件が作り出される。

溶解槽はセラミック耐火ブロックから作製してもよく、また白金または白金合金で内張りしてもよいし、しなくてもよい。一実施の形態において、この方法は、ガラス溶融物を溶解槽内で加熱するステップをさらに含む。溶解槽はいくつもの方法で加熱され、側壁または底面の電極が、単独で、またはガラス溶融物の上方の側壁に設けられたガス／酸素バーナまたはガス／空気バーナと組み合わされて、使用されるものが含まれる。

一実施の形態では、セラミック耐火物から作製された第１通路、例えば管が、ガラスを溶解槽から清澄槽へと送出する。通路は、白金または白金合金を含み、強度のためにセラミック耐火物材料で裏打ちされたものでもよい。一実施の形態において、この方法は、第１通路内でガラス溶融物を加熱するステップをさらに含む。第１通路を、通路の設計に応じて、発熱体を用いて間接的に加熱しても、あるいは白金、例えば白金管の直接加熱を用いて加熱してもよい。耐火物の通路の場合には、ガラスの下の発熱体電極で、またはガラス上方のバーナで、あるいは両方を組み合わせたもので加熱される。

清澄槽はセラミック耐火物から作製してもよく、これを白金または白金合金で内張りしてもよいし、しなくてもよい。一実施の形態において、この方法は、ガラス溶融物を清澄槽内で加熱するステップをさらに含む。清澄槽はいくつもの方法で加熱され、側壁または底面の電極が、単独で、またはガラス溶融物の上方の側壁に設けられたガス／酸素バーナまたはガス／空気バーナと組み合わされて、使用されるものが含まれる。

バブラー要素は、清澄槽の後方に位置する１つのバブラー、清澄槽の後方に位置する１列のバブラー、または清澄槽の後方に位置する多数の列のバブラーを含む、いくつかの構成で作製することができる。

バブラーは、その効果が物理的であるため、様々なガス組成を同様の効果で気泡にすることができる。いくつかの気泡のガスの例として、Ｏ₂、空気、Ｎ₂、Ａｒ、またはこれらの混合物が挙げられる。槽に使用される材料やガラス組成に基づいて、あるガスが別のガスよりも好ましいことがあり、すなわちＯ₂および空気は、ガラスまたは耐火物材料を酸化させる可能性があり、またＮ₂またはＡｒは、ガラス内の清澄剤（ヒ素またはアンチモンなど）を減少させる可能性がある。従って、ガラス組成および材料の選択に合わせてガス組成を調整することになる可能性があり、つまり清澄槽内の強制バブリングによって清澄が高められることになる全ての組合せがカバーされると意図されている。

いくつかの実施形態において、バブリング速度は比較的低く、例えば１２〜３０気泡／分であり、それでもガラスを物理的に混合する効果がある。いくつかの実施形態では、バブリング速度は１２〜６０気泡／分である。６０気泡／分で清澄の改善度は低下し得るが、それでもバブリングがないものよりは優れている。

いくつかの実施形態において、泡の平均直径は０．５から３インチ（１．２７から７．６２ｃｍ）の範囲内であり、例えば１から３インチ（２．５４から７．６２ｃｍ）、例えば１から２．５インチ（２．５４から６．３５ｃｍ）、例えば１から２インチ（２．５４から５．０８ｃｍ）である。

いくつかの実施形態において、気泡を物理的に導入するステップは、バブリング速度が１分当たり１２から６０気泡の範囲内でありかつ泡の平均直径が０．５から３インチ（１．２７から７．６２ｃｍ）の範囲内である、泡を導入するステップを含む。

一実施の形態によれば、この方法はさらに、清澄されたガラスを、第２通路２４を介して成形プロセスに移動させるステップを含む。第２通路、例えば管は、セラミック耐火物から作製されたものでもよい。第２通路は、白金または白金合金を含み得、例えば強度のためにセラミック耐火物材料で裏打ちされたものでもよい。いくつかの実施形態によれば、この方法はさらに、第２通路内でガラス溶融物を加熱するステップを含む。第２通路は、通路の設計に応じて、発熱体、巻線、または白金例えば管の直接加熱を用いて加熱してもよい。

図２は、ブリスタ（ガス状含有物）が排除される距離が、清澄槽の後方でのバブリングによって減少することを示した数学モデリングの結果のグラフである。この例での最適なバブリング速度は、１分当たり３０気泡未満である。１分当たり１２気泡が、非常に優れた結果をさらに示している。この速度を超えると清澄の改善度は低下し始める。図２は、種々の事例でもたらされた清澄位置を、数学モデリングを用いて示したものであり、すなわち事例０はバブリングなし、事例１は１インチ（２．５４ｃｍ）の気泡で１２気泡／分のバブリング、事例２は２インチ（５．０８ｃｍ）の気泡で１２気泡／分のバブリング、そして事例３は２インチ（５．０８ｃｍ）の気泡で３０気泡／分のバブリングである。清澄位置（発生した泡が全て除去される、槽に沿った距離）が小さければ小さいほど、その槽の清澄は優れている。直線２６、２８、および３０は、同じタンク深さで、１時間当たりのポンドが増加していることを示している。従って、図２のグラフによって示される利点は、清澄はバブリングによって高められ、最適なバブリング速度が存在するということ、そして低速でのバブリングが清澄を高め、そのバブリング速度を増加させると最終的には清澄を悪化させることになるが、それでも清澄のないものよりは好ましい可能性があるということである。

図３Ａは、バブリングがない場合の清澄槽内のガラスの流れと温度を示している。グレーの影が明るくなるほど、温度が高いことを示している。

図３Ｂは、バブリングを有する清澄槽内のガラスの流れと温度を示している。グレーの影が明るくなるほど、温度が高いことを示している。バブリングを有する事例では、非常に顕著な上向きの力が槽の後方３２に存在する。この上向きの力によって、ガラスの表面へと向かう泡（またはブリスタの欠陥）の上向きの流れを増大させることができ、これにより泡に、清澄（溶融物の表面での破裂）のための時間をより多く与えることができる。

他に明確に述べられていなければ、本書に明記されるいずれの方法も、そのステップを特定の順序で実行する必要があると解釈されることを全く意図していない。したがって、方法の請求項においてこれらのステップが行われる順序が実際に述べられていない場合、あるいは請求項または説明の中でこれらのステップが特定の順序に限定されるべきであると具体的に述べられていない場合には、いかなる特定の順序をも推測させることは全く意図されていない。

本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の改変および変形が作製可能であることは当業者には明らかであろう。本発明の精神および本質を取り入れている開示された実施形態の、改変、コンビネーション、サブコンビネーション、および変形が、当業者には思い付き得るため、本発明は添付の請求項およびその同等物の範囲内の全てのものを含むと解釈されるべきである。

１０ ガラス溶融物
１１ 清澄されたガラス
１２ 溶解槽
１４ 清澄槽
１６ 第１通路
１８ 気泡
２０ バブラー
２４ 第２通路

Claims (5)

1. ガラス溶融物を清澄する方法であって、
   溶解槽内に前記ガラス溶融物を提供するステップ、
   第１通路を介して清澄槽に前記ガラス溶融物を移動させるステップ、および、
   清澄されたガラスを形成するために、前記清澄槽内で前記ガラス溶融物に気泡を物理的に導入するステップ、
   を含み、前記溶解槽と前記清澄槽とが互いに水平な向きを成していることを特徴とする方法。
2. 前記ガラス溶融物に気泡を物理的に導入するステップが、少なくとも１つのバブラーによって前記ガラス溶融物内に泡を発生させるステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ガラス溶融物を移動させるステップが、前記ガラス溶融物を前記清澄槽内の、前記バブラーの上の部分に移動させるステップを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 複数のバブラーによって前記ガラス溶融物内に泡を発生させるステップを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 前記バブラーが、１列のバブラー、または多数の列のバブラー、を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。

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