JP4908157B2 - 溶融ガラス攪拌棒、及び該溶融ガラス攪拌棒を含む溶融ガラス攪拌装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス製品の製造工程において、溶融ガラスを攪拌することで均質化するための攪拌棒に関する。詳細には、溶融ガラスの組成を均質化する攪拌翼付き溶融ガラス攪拌棒、及び攪拌翼付き溶融ガラス攪拌棒を含む溶融ガラス攪拌装置に関する。

ガラス業界では、ガラス製造中のガラス組成の変動を原因として、ガラス製品に不具合が生じることが従来から知られている。例えば、スジ状の脈理や平面層状に形成されるリーム等の現象に係る不具合である。かかる不具合は、ユーザからのガラス製品の要求品質、製造コスト等を鑑み、ガラス製造工程で適宜解消される。

例えば、当該スジのように脈理等の組成変動に基づく不具合を解消すべく、ガラスの均質化促進のための諸操作が、ガラス製造中の溶融工程で一般に行われている。特に、高い透明度等の高品位が要求されるガラス製品群を製造する際のガラス溶融工程では、所定の槽内で、溶融ガラスを機械撹拌し、ガラスの均質化を促進している。

このとき、溶融ガラスの機械攪拌のため、しばしば、螺旋状、クランプ状、プロペラ状、ヘリカルリボン状、又は棒状の攪拌翼を、棒状部材（回転軸）に取り付けた溶融ガラス攪拌棒が用いられている。これらの中で、螺旋状のものがガラス溶融槽の溶融ガラスの攪拌に有用である（本願では、回転軸の周りに形成された螺旋状の攪拌翼を単に攪拌翼といい、この攪拌翼を備えた溶融ガラス攪拌棒を、単に攪拌翼付き溶融ガラス攪拌棒という。）。

攪拌翼付き溶融ガラス攪拌棒は、溶融ガラスを攪拌翼の翼面で受け止めつつ棒の中心軸の周りを回転し溶融ガラスを攪拌する。このとき、一定の回転方向によれば、攪拌翼で重力と逆らうように渦巻流が創出される。そして、渦巻流が、溶融ガラスの上面に達したら、溶融ガラス槽の壁面に沿って下方に流れる。このようにして溶融ガラスが槽内を循環するため良好な攪拌が行われる（特許文献１参照）。

特開２００３−３４５３９号公報

ところで、近年、ユーザが要請する、ガラス製品の品質レベルの差別化、ガラス製品の高品位化に対応するため、さらなる攪拌技術が必要となった。
そこで、攪拌は流体の乱雑さ（ランダムさ）をより増大する操作であると考えるとすれば、よりランダムな攪拌技術を追求する必要がある。
本発明は、以上の要請を鑑みてなされたものであり、溶融ガラス攪拌棒の攪拌翼にさらに攪拌手段を加え、溶融ガラス組成をより均質化し、脈理等の現象に係るガラス製品に起こりうる不具合発生をさらに防ぎ、より高品位ガラス製品の供給を可能とする、攪拌翼付き攪拌棒、及び該攪拌翼付き攪拌棒を含む溶融ガラス攪拌装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者は、以下に述べる溶融ガラス攪拌棒、及び攪拌棒を含む溶融ガラス攪拌装置の技術的思想に想到した。

まず、本発明は、回転軸と、前記回転軸の周りに螺旋状に形成されるように固定された攪拌翼と、からなる溶融ガラス攪拌棒であって、前記攪拌翼に、前記攪拌翼を貫通する開口部が設けられていることを特徴とする溶融ガラス攪拌棒を提供する。この本発明によれば、溶融ガラス攪拌棒が持つ攪拌翼に、前記溶融ガラス流を前記回転軸に対して略垂直方向に剪断することができるので新たな流れが創出され、溶融ガラスの均質化をさらに進めることができる。

さらに、本発明は、前記開口部が、前記回転軸を中心として放射状方向に配されていることを特徴とする上記本発明の溶融ガラス攪拌棒を提供する。この本発明によれば、攪拌翼を貫通する開口部が、溶融ガラス攪拌棒の回転軸を中心として放射状に配されているため、複数個所で段階的に溶融ガラス流れを剪断していく。もって、溶融ガラスのさらなる均一化のため、従来の螺旋流の流体のベクトルの向きとは異なる流れを、開口部による剪断で創出することができる。

さらに、本発明は、前記開口が、細長矩形状であって、この細長矩形状の長手方向が前記放射状方向に略一致していることを特徴とする上記本発明の溶融ガラス攪拌棒を提供する。本発明によれば、開口が細長矩形状であるので、溶融ガラス流の本来の螺旋流の流速を弱めることがない。しかも、溶融ガラス攪拌棒の軸方向に沿って段階的に開口が存在することから、平均的に溶融ガラスを剪断することができる。また、開口を細長矩形形状としたのは、幅広の矩形形状では、本来の螺旋流の流速を弱めてしまうこと、さらには、攪拌翼の強度を低下させ、ひいては溶融ガラス攪拌棒の耐久性を弱めてしまうこと、を防止するためである。

さらに、本発明は、前記開口が、線対称のブーメラン形状であって、このブーメラン形状の対称軸が、前記放射状方向に対する垂直方向に略一致していることを特徴とする、上記本発明の溶融ガラス攪拌棒を提供する。本発明によれば、開口が線対称のブーメラン形状であるので、溶融ガラス流の本来の螺旋流の流速を弱めることがない。しかも、ブーメランの形状の開口が溶融ガラス流を剪断していくため、本発明によれば、開口が細長矩形状と同様に溶融ガラス流を有効に剪断する。

さらに、本発明は、前記攪拌翼を持つ溶融ガラス攪拌棒が、白金、又は白金とロジウムとの合金を含むことを特徴とする、上記発明の溶融ガラス攪拌棒を提供する。白金又は白金とロジウムとの合金は、耐熱性や強度を持つため溶融ガラス攪拌棒の構成材料（金属材料）として好ましい。また、酸化物分散強化白金合金を用いてもよい。他に好適な金属材料としては、金、白金と金との合金等が挙げられる。

さらに、本発明は、上記発明の溶融ガラス攪拌棒と、溶融ガラスを溶融状態に維持可能な加熱部を持ち、該溶融ガラスを溶融状態に保ちながら一定量保持することができる、底付き円筒器状の溶融ガラス槽と、を備え、前記溶融ガラス攪拌棒の回転軸が前記溶融ガラス槽の鉛直中心軸に沿って配されていることを特徴とする溶融ガラス攪拌装置を提供する。

本発明の溶融ガラス攪拌棒は、特にガラス製造工場の、るつぼ炉、タンク炉、電気炉等の溶融炉、すなわち本願記載の溶融ガラス攪拌槽において使用される。具体的には当該溶融ガラス槽内の溶融ガラス中に少なくとも上記攪拌翼が十分に浸漬されるように設置される。この溶融ガラス攪拌槽は、好ましくは、密閉底部を持つ円筒状の槽であり、溶融ガラス攪拌棒の回転軸はこの円筒状の槽の中心軸に配されることが好ましい。溶融ガラスの均質化を図るために対称性が望まれるからである。また、回転軸がこの円筒状の槽の中心軸から離れるほど、溶融ガラス攪拌棒に負荷がかかり、強度、電力消費、安全性等の観点から好ましくないからである。

また、溶融ガラス攪拌棒は、溶融ガラス攪拌装置の溶融ガラス攪拌槽の上部位置で回転可能、かつ、回転軸が溶融ガラス攪拌槽の中央の鉛直方向に配されるように固定されていることが好ましい。通常、この溶融ガラス攪拌棒の回転軸はモータと連動し回転制御されている。

さらにまた、溶融ガラス攪拌装置においては、溶融ガラスが接する部分は、すべて溶融ガラスの溶融点より高い融点を持つ材料であることを要する。また、塑性加工の容易さから融点の高い金属材料であることが好ましい。

本発明の溶融ガラス攪拌装置によれば、本発明の溶融ガラス攪拌棒を用いることで、溶融ガラスのさらなる均質化を達成することができ、ひいてはユーザからの要請に応えるべく高品位のガラス製品を供給することができる。

本発明によれば、組成の偏りをより少なくでき、ガラス組成のさらなる均質化を達成することができる。

以下、図１〜５を参照して、本発明に係る好適な実施形態について説明する。
第１実施形態：図１は、攪拌翼１６（図２の符号１６）の材料部材となる、金属製のドーナツ型円板１０（以下、円板１０とする。）の上面図である。円板１０の厚さや半径等のサイズは、攪拌すべき溶融ガラスの容量（溶融ガラス槽の容積（半径や高さ））、攪拌回転数等の諸条件によって好適に定められる。例えば、溶融ガラス攪拌槽１００（図３）を形成する底付き円筒形状が、内径２５０ｍｍ、高さ３００ｍｍのときは、円板１０は、厚さ１．０〜２．０ｍｍ、半径１００〜１１０ｍｍであることが好ましい。また、円板１０の中心開孔部３０の内径は攪拌棒４５の軸径に応じて好適に定められる。

さらに、円板１０の大きさが上記サイズのとき、細長矩形状開口部２０A、２０B、２０C、２０Dは、幅５〜２０ｍｍ、長さ５０〜８０ｍｍであることが好ましく、さらには長さ１０〜１５ｍｍとしてもよい。狭すぎると剪断効果が薄まり、広すぎると螺旋流が弱まってしまい、また、長さが、短すぎると剪断効果が薄まり、長尺すぎると円周部あたりの材料強さが弱まることを考慮する。

円板１０の金属材料は、ガラス溶融温度よりも高い融点を持つことを要し、白金を用いることが好ましいが、白金にロジウムを添加した合金等も使用することができる。この場合の白金とロジウムの比率は、白金：ロジウム＝７０〜９５：３０〜５が好適である（白金とロジウムの合計を１００とする。）。他の金属例として使用可能なものとして、例えば、金、白金と金との合金、酸化物分散強化白金等の強化白金が挙げられる。なお、溶融ガラス攪拌装置１００（図３参照）の金属材料も同様である。

図１に戻り説明すると、円板１０の中心には、溶融ガラス攪拌棒４５（図２参照）の回転軸嵌合孔３０が設けられており、また円板１０の円周部端部から円板１０の中心に向けて直線的に切断加工された切断部４１が設けられている。そして、４個の細長矩形状開口部２０A、２０B、２０C、２０Dが、円板１０の厚さ方向に、溶融ガラス攪拌棒４５の攪拌回転軸の中心から放射方向に向けて隣同士互いに９０度の角度をもって配されている。

さらに均質なガラス組成を創出するためには、細長矩形状孔（２０A、２０B、２０C、２０D）を４個より多くすることもできる。しかし、不要にその個数を多くすべきではない。攪拌翼１６（図２参照）による必要な攪拌用の螺旋流の強さが弱まり、不具合発生の要因となる気泡の発生等のおそれが多くなるからである。さらに同様に攪拌翼１６の強度が弱まるからである。

図２は、溶融ガラス攪拌棒４０を横方向（水平方向）から見た概念図である。
図２に示された攪拌翼１６は、一枚の円板１０を塑性加工したものであり、螺旋の１周期内に１条の攪拌翼を持っている。

もちろん、溶融ガラス組成の均質化の要請に応じて、溶融ガラス攪拌槽５４の高さ、円形状蓋部５６の径、円形状底部５７の径、又はその容積に合わせて、攪拌翼１６の条数（螺旋階数）をさらに追加することもでき、さらに円板１０の半径を大きくすることで螺旋半径をさらに大きくすることもできる。

次に、この溶融ガラス攪拌棒４５の作成法は以下のようである。まず、図１で示された円板１０の円周の一部から中心に向かって切り込まれた切断部４１の両端を互いに異なる方向に曲げる。変曲箇所は、図１の開口部２０Ａと２０Ｂの中間部と開口部２０Ｃと２０Ｄの中間部である。ただし攪拌翼１６の面に折り曲げ部が発生しないようにする。そして、溶融ガラス攪拌棒４０の回転軸４５を取り囲みつつ、回転軸嵌合孔３０を介し円板１０を嵌め込む。そして回転軸嵌合孔３０の円周縁を回転軸４５に溶接やレーザービームで固着する。そして、円板１０が攪拌翼１６を形成するように螺旋状に円板１０を曲げ加工しながら、回転軸４５に巻きつけ、同様に溶接やレーザービームで固着する。このとき、回転軸嵌合孔３０の円周縁と、回転軸４５との接触部と、回転軸４５に巻きつける接触部と対応する回転軸４５側の面に螺旋状凹部を形成し、この凹部に円板１０を嵌め込みながら攪拌翼１６を形成されるようにしてもよい。この場合も溶接やレーザービームで固着する。この後者の方法を採用すると、攪拌翼１を絶えず一定の形状に製造しやすくなる。

回転軸４５は中空、中実のいずれでもよいが、材料コストと省力化を考えれば中空が、強度を考えれば中実が望ましい。ただし、中空とした場合は、溶融ガラスの侵入防止のために回転軸４５の開放端を密閉する必要がある。

なお、攪拌翼１６下端から溶融ガラス攪拌棒４０の回転軸４５が突出していることが好ましい（図２参照）。攪拌翼１６が底面５７に接触することと、回転軸４５に攪拌翼１６が固着していない部分が生じること等を回避するためである。

第２実施形態：図５は、第1実施形態と同様に溶融ガラス流７０を剪断するための開口部を持つ、第２実施形態の円板１１である（以下、第1の実施形態と重複する説明は省略する。）。図５に示されるように、第２実施形態の開口部２１A、２１B、２１C、２１Dの断面は線対称のブーメラン状である。すなわち、図１に示した細長矩形状孔の４つの開口部と同一の対応箇所においてブーメラン状開口部２１A、２１B、２１C、２１Dを配置した。

第２実施形態の開口部２１A、２１B、２１C、２１Dが溶融ガラス流を剪断する挙動は、第１実施形態の開口部と基本的には変わらないが、形状の特異性から第１実施形態の開口部より、第２実施形態の開口部の方が、溶融ガラス流７０の剪断後の流体の形状が略ブーメラン形状又は「への字」状になる点において相違する。同様に、第２実施形態によって、溶融ガラスのさらなる均質化が行われる。なお、開口部は、三角形状、菱形状等であってもよい。

図３は、溶融ガラス攪拌棒４０を溶融ガラスが注がれた溶融ガラス攪拌槽５４に配した、溶融ガラス攪拌装置１００を説明する概念図である。ここでは第1実施形態の場合について説明することとする（なお第2実施形態も同様である。）。

溶融ガラス攪拌槽１００は、円形状底部５７と、この円形状底部５７の円周部から垂直上方に延在（立直）した円筒状側面部５５と、溶融ガラス攪拌棒４０が挿入かつ回動されるように中心に開口部が開けられている円形状蓋部５６と、から構成されている。

また、本実施形態では、パイプ状の溶融ガラス導入管５０が、溶融ガラス攪拌装置１００の槽壁面５５の上部に具備され、さらに溶融ガラスをガラス成形化工程までの溶融ガラス供給管（不図示）に移送するためパイプ状の溶融ガラス導出管６０が、同装置１００の熔融ガラス攪拌槽５５の内部の底面５７に当該溶融ガラス導出管６０のパイプ内面の下端が一致するように具備されている。底面５７の溶融ガラス滞留の防止のためである。さらに、溶融ガラス供給管５０及び溶融ガラス導出管６０に耐熱性流量調整用制御弁等のバルブ手段を備えるようにしてもよい。

そして、溶融ガラス攪拌槽５４内に、溶融ガラス導入管５０から溶融ガラス７０が注がれ、溶融ガラス導出管６０からガラス成形装置（不図示）へ接続された溶融ガラス供給管（不図示）へと、溶融ガラス７０が移送されるようにされる。

さらに、溶融ガラス攪拌槽１００に、溶融ガラス攪拌棒４０が、円形状蓋部５６の中心にある開口部５８に挿入されている。溶融ガラス攪拌棒４０の上端近辺で、モータ（不図示）と連動されており、モータの回転に同期して時計回り又は反時計回り（矢A方向）のいずれかに回転可能かつ回転速度可変と制御されている。本実施形態では、矢A方向に溶融ガラス攪拌棒４０が回転するようにされ、好適な溶融ガラス７０の、螺旋流と、開口２０A、２０B、２０C、２０Dによる剪断流とが、溶融ガラス攪拌槽５５内で創出される。この結果ガラス組成の均質化が図れる。

さらに、図４を参照して、上記剪断流について説明を付加する。図４の矢印Rの方向に、溶融ガラス攪拌棒４０が回転しているとすると、攪拌翼１６に設けられた細長矩形状開口部２０A、２０B、２０C、２０D（又は、２１A、２１B、２１C、２１D）の４箇所で、溶融ガラス攪拌棒４０が回転している限り、回転軸に対する略垂直方向（又は略水平方向）に、溶融ガラス流αが剪断される。その結果、従来の溶融ガラスの螺旋流βとは異なる流れの剪断流γを創出することができ、もって新たな溶融ガラス均質化手段が追加される。その結果、ガラス製品に発生するおそれがある脈理等の不具合の防止がさらに万全となり、最終的に高品位なガラス製品を製造することができるようになる。

なお、図４で示されているように、開口部２０A（２０B、２０C、２０D）は、両端部が図４紙面に対して垂直方向からみて半円状に加工され、さらに縁部がR加工されていることが好ましい。これは、縁部で、気泡発生、又は金属疲労（破壊）発生等の不具合発生を防止するためである。

本実施例は、図１〜３を用いて示した実施形態１による。
１．評価条件：
１）溶融ガラス７０の温度：１５００℃
２）溶融ガラス攪拌棒４０（酸化物分散強化白金合金製）：軸部４５は、８００ｍｍ長、１．８ｍｍ径、０．２ｍｍ厚の中空構造とした。翼部１６は、８０ｍｍ高の螺旋構造体とした。加工前材料の円板１０は、２００ｍｍ径、１ｍｍ厚、内径２．５ｍｍの円形孔（回転軸嵌合孔３０）を、さらに7０ｍｍ長、５ｍｍ幅の細長矩形状開口部であって０．５ｍｍRの半円状端部を持つようにし、エッジ部にR加工をした（図４参照）。
３）溶融ガラス槽５４（酸化物分散強化白金合金製）：３００ｍｍ高、５００ｍｍ径、１ｍｍ厚の底付円筒構造(カップ構造)とした。
４）溶融ガラス７０は、溶融ガラス槽５４の容積の７０％相当投入し、攪拌回転数３０ｒｐｍで６０分間攪拌した。

２．評価方法及びその結果：上記条件下、常法のガラス品質検査に従い、得られたガラスに対し暗室で光照射し、ガラス断面の目視観察を行った。その結果、ガラス中に、脈理、リーム、スジ、泡等は観察されなかった。よって攪拌が良好に行われたと考えることができる。

以上説明したように、本発明の溶融ガラス攪拌装置１００によれば、溶融ガラス流を、さらに万遍に均質化することが可能となり、ガラス製品に発生することがある脈理、平面層状に形成されるリーム、若しくはスジ等の不具合（現象）を、従来よりもさらに確実に解消することができ、より高品質なガラス製品を安定的に供給することができる。

本発明の第１実施形態の攪拌翼となるドーナツ型円板の上面図。 本発明の第１実施形態の攪拌翼を持つ溶融ガラス攪拌棒の概略図。 本発明の溶融ガラス攪拌装置の概略図。 本発明の攪拌翼の一部断面図であって、特に開口部を含む部分における溶融ガラスの挙動を説明するための概略図。 本発明の第２実施形態の攪拌翼となるドーナツ型円板の平面図。

符号の説明

１０、１１ ドーナツ型円板
１６ 攪拌翼
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ 細長矩形状開口部
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ ブーメラン状開口部
３０、３１ 回転軸嵌合孔
４０ 溶融ガラス攪拌棒
４１、４２ 切断部
４５ 回転軸
１００ 溶融ガラス攪拌装置

Claims (3)

1. 回転軸と、前記回転軸の周りに固定された攪拌翼と、からなる溶融ガラス攪拌棒であって、
   前記攪拌翼に、前記攪拌翼を貫通する開口部が設けられており、
   前記開口部は、線対称のブーメラン形状であって、このブーメラン形状の対称軸が、前記放射状方向に対する垂直方向に略一致しており、
   前記開口部が、前記回転軸を中心として放射状方向に配されている溶融ガラス攪拌棒。
2. 前記攪拌翼を持つ溶融ガラス攪拌棒が、白金、又は白金とロジウムとの合金を含む請求項１に記載の溶融ガラス攪拌棒。
3. 請求項１又は請求項２に記載の溶融ガラス攪拌棒と、
   底付き円筒状の溶融ガラス槽と、を備え、
   前記回転軸が前記溶融ガラス槽の鉛直中心軸に配されている溶融ガラス攪拌装置。
   
   

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