JP2002524381A - ガラスファイバ先細領域への冷却空気配送システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 連続的なガラスファイバを形成するための方法及び装置１０。本方法は、ブッシング１４から溶融ガラス１６の複数の流れを供給する工程と、複数の流れを複数の連続的なガラスフィラメント２０に引き出す工程と、ガラスフィラメント２０が引き出される速度によって決定される量の冷却空気１２が伴送されるように、複数の連続的なガラスフィラメント２０の引出しの方向に平行な一つの冷却空気１２の流れをブッシング１４の少なくとも前面及び後面に提供する工程と、その後に連続的なフィラメント２０を収集する工程と、を有する。複数のブッシングチップ１８を有する一つのブッシングチッププレート１４を具備するブッシング１４のガラス引出しプロセスの先細領域へ非浸透性の冷却空気１２を配流する装置は、複数の放出口３０へ圧力をもって、選択された流量で冷却空気１２が供給される入口２８を含む少なくとも二つのチャンバ２８を有する。放出口３０は、ブッシングチッププレート１４の長手方向にある長さだけ延びており、それによって、チッププレート１４の前面及び後面に冷却空気１２が提供される。冷却空気１２の伴送量はガラスフィラメント２０が引き出される速度の関数である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、ガラスファイバを機械的に引き出すプロセスのガラスファイバ先細
(attenuation)領域へ冷却空気を配送システムに関する。より具体的には、本発
明は、ガラスファイバを引き出すプロセスの先細部へ非浸透性(non-intrusive)
の冷却空気を配送するための方法及び装置に関するものであって、そのプロセス
での冷却空気の流れは、ガラスフィラメントが引き出される速度で決まるもので
ある。ファイバの動きによって局所的に真空が形成され、公称(nominal)速度の
空気流れを引き起こし、それによって、ガラスファイバは、ファイバの直径を変
化させること無しに、必要な冷却空気を伴送(entrain)することができる。この
装置は、ガラスを引き出すのに使用されるブッシングの、少なくとも前面及び後
面(front and rear)に、好ましくは、チッププレートの全周に、必要な冷却空気
の供給を提供する。

【０００２】

【従来の技術】

本発明は、ガラスフィラメントの形成に関し、より具体的には、加熱されたガ
ラスファイバ形成ブッシングに付いている複数のオリフィス付きフィラメント形
成チップの下方の先細領域に均一な熱的環境を提供する装置及び方法に関する。

【０００３】 加熱されたブッシングの底に取り付けられた複数のオリフィスチップから溶融
材料を流すことによって、ガラスから複数のフィラメントを作ることは、従来か
らよく知られている。それらの流れは通常、機械的手段によって先細にフィラメ
ントに絞られる。複数のフィラメントは集められて撚り糸となされ、その後、種
々の商品に加工されうる。より具体的には、ガラスファイバ撚り糸の製造におい
ては、溶融ガラスは、適当な源から加熱されたブッシング組立体に流れる。この
ブッシングは一般に、細長いチャンネルであって、側壁と端部壁と一般に平坦な
底部を有している。この底部には、溶融ガラスが通る多数のノズル即ちチップが
取り付けられている。これらのチップの直下の領域で、溶融ガラスが複数のフィ
ラメントに形成される。この領域は先細領域であって、ここで、ガラスファイバ
が冷却され、ファイバに適用される寸法決めがなされ、寄り集まって１本の撚り
糸(strand)になる。最後に撚り糸はスプールの上に巻かれてガラスパッケージに
なる。これらのチップの直下の領域の環境は、フィラメントの形成にとって極め
て重要である。そのときに溶融ガラスが冷却される領域だからである。撚り糸フ
ィラメントが冷却されるとき、それらの機械的特性や物理的寸法が確立する。

【０００４】 フィラメントの製造のための方法及び／又は装置のより詳細な説明はについて
は、米国特許第4,118,210号、第3,040,377号、第2,300,736号、第4,018,586号、
第4,646,234号、第4,622,054号、第4,325,722号、第4,866,536号に開示されてい
る。これらの内容は、この引用によってこの明細書に組み入れられる。

【０００５】 形成領域でファイバ形成に影響する主な要因は四つある。それらは、空気と、
ファイバと、フィンと、チッププレートである。チッププレート温度分布は各チ
ップのガラス生産量（スループット）を左右する。ガラスは重力によってチップ
を通り抜け、張力を保持した巻取り部によって最終的直径にまで細くなる。ガラ
スの噴流が、初めの直径から最終的な直径まで細くなっていくとき、ガラスは放
射によってフィンに熱を失い、その周囲の空気に対流で熱を失う。又、空気の引
き(drag)によって、周囲からファイバファン(fan)内に空気が引き込まれる。空
気は、チッププレートの端部からファイバを貫通し始めて途中まで到達する。こ
のプロセスの間に、空気とチッププレートの間のみならず、空気とフィンとの間
でも熱交換が行なわれる。空気は、チッププレートの中間に向けて次第に熱くな
る。更に、チッププレートに平行な速度成分は、伴送される空気がファイバによ
って下方に引かれるにつれて小さくなり（チッププレートの端部で最大である）
、最後はファイバファンから「絞り出される(squeezed out)」。空気の伴送を支
配するのは、各ファイバの細くなるときの履歴（局所的な直径、速さ及び温度）
である。

【０００６】 伴送された冷却空気は、チッププレートを冷却する。空気の温度及び速さの変
化の結果、チッププレートの下方の熱伝達係数は、局所的位置の関数となりうる
。これは、空気が、チッププレート温度の傾きに寄与する可能性を意味し、それ
は、ガラスの流れの、チップによる違いを意味する。更に、空気は、ファイバが
細くなる履歴（細くなる方向の位置の関数としてのファイバの直径、速さ及び温
度）に影響を与える。伴送される空気は、チッププレート周辺では比較的低温で
、チッププレートの中央では比較的熱く、速度変化を伴うので、空気はフィンの
一部を冷却する一方でフィンの他の部分を加熱しているかもしれない。

【０００７】 これまで観察されているように、ファイバが細くなっていくことは、フィンの
熱負荷に寄与し、空気温度及び伴送に影響を与える。ファイバが細くなっていく
ことは、ガラスの物理的特性に強く影響される。これらの物理的特性には、粘性
、表面張力、密度、比熱、放射率（半球の合計）、熱伝導率が含まれる。ガラス
は吸収・放出媒体であるから、半球全放射率（これはファイバからの放射熱損失
を決定する）及び熱伝導率（これはファイバ内の熱伝導を決定する）は、吸収率
と波長の関係のデータに依存する。これらのデータは温度に依存する。更に、半
球全放射率及び熱伝導率は、光学的厚さ（吸収率と距離の積）及び温度に支配さ
れる。

【０００８】 フィンは、チッププレート及び細くなっていくファイバとの間で放射熱を交換
する。フィンは更に、空気との間で対流及び伝導による熱交換も行なう。チップ
プレートの下方のフィンの位置及び向きは、極めて重要となりうる。空気の流れ
のみならず放射熱交換形態係数も影響を受けるからである。フィンマニホルド内
の熱伝達係数は、フィンの熱除去に影響を与え、ファイバ形成プロセスに影響を
与える。

【０００９】 チッププレートはチップ出口のガラス条件を決定し、フィンとの間で放射熱を
交換し、空気との間で対流及び伝導の熱伝達を行なう。空気の流れ及び温度の場
は、チッププレートの各点の温度の違いを作り出しうる。

【００１０】 伴送される空気の流れ及び温度の場によって、各ファイバは異なる熱的環境を
経験し、そのために、それらの細くなる履歴が異なることが理解できる。これは
、最初の円錐角が各ファイバごとに異なることがありうることを意味し、それに
よって、ガラススループットが異なる。スループットは、他の量と同様に、最初
の円錐角に依存するからである。この領域の温度の変動は、撚り糸の直径の変動
の原因になる。更に、ブッシングチップの直下の領域の環境が過度に冷却される
と、ブッシングによって形成されるフィラメントは、比較的大きな直径となり、
それらを集めて巻き取る力に耐えられなくなって、フィラメントの破損を起こさ
せる可能性がある。逆に、冷却不足のフィラメントは、不安定によって破損する
可能性がある。

【００１１】 更に、乱れた空気の流れは、好ましくない物質を先細領域に運び込む可能性が
あり、これによってフィラメントが破損したり、生産効率が下がる可能性がある
。生産効率は、破損(break)率即ち短期ヤーデッジ(yardage)で測定される。生産
効率は更に、同じ破損率を達成するために必要なインプット即ち材料、エネルギ
、時間及び機械の削減量で測定することもできる。更に、空気を先細領域に、フ
ァイバの流れに垂直に強制的に流すことによって、ファイバが、秩序あるフィラ
メントに比べて、バラバラな方向に広がる可能性があることもよく知られている
。バラバラな流れは、その後回転ドラムの上で集められ、ステープルテクスタイ
ルファイバ(staple textile fiber)として使用される。強制的な空気の流れのな
い、適切に管理された環境では、秩序正しい複数のフィラメントが組み合わされ
て質の高い撚り糸になり、ガラスパッケージとしてスプールに巻き取られてもよ
い。

【００１２】 そのような撚り糸の一つの典型的な用途は、ガラス織物(fabrics)の形成であ
る。満足のいく編まれた織物を作るためには、各ガラス撚り糸の直径が均一であ
る必要がある。ガラス撚り糸の直径が長さ方向で変動すると、織物が平にならず
、「皺になる」。そのような織物は受け入れられない。

【００１３】 従来の冷却装置に関する問題には、例えば、高い破損率による低い生産性、各
チップへの溶融材料の不均等な分配、ガラス撚り糸の直径の変動による低い品質
の織物、高い処理コストによる非効率性、そして、高い設備投資による非効率性
が含まれる。従来知られている冷却空気をファイバに吹き付ける方法に比べて、
本発明による空気のカーテンは、非透過性であって、一つずつの位置を空気力学
的に孤立させる(isolate)可能性を有している。

【００１４】 前述の事情を鑑みて、本発明の一つの目的は、高品質のガラスファイバを製造
する装置を提供することにある。本発明のもう一つの目的は、破損率の低いガラ
スファイバを製造する装置を提供することにある。更にもう一つの目的は、単純
化された設計で、従来の同タイプの装置に比べて一般に低コストのガラスファイ
バを製造する装置を提供することにある。本発明の更にもう一つの目的は、冷却
空気を効率的に利用するガラスファイバを製造する装置を提供することにある。
本発明の更にもう一つの目的は、開示された装置を利用したガラスファイバの製
造方法を提供することにある。

【００１５】

【発明の概要】

簡単に言うと、連続的なガラスファイバを形成するための方法及び装置が提供
される。本方法は、ブッシングから溶融ガラスの複数の流れを供給する工程と、
前記複数の流れを複数の連続的なガラスフィラメントに引き出す工程と、前記ガ
ラスフィラメントが引き出される速度によって決定される量の冷却空気が伴送さ
れるように、前記複数の連続的なガラスフィラメントの引出しの方向に平行な一
つの冷却空気の流れを前記ブッシングの少なくとも前面及び後面に提供する工程
と、その後に前記連続的なフィラメントを収集する工程と、を有する。

【００１６】 複数のブッシングチップを有する一つのブッシングチッププレートを具備する
ブッシングのガラス引出しプロセスの先細領域へ非浸透性の冷却空気を配流する
装置は、複数の放出口へ圧力をもって、選択された流量で冷却空気が供給される
入口を含む少なくとも二つのチャンバを有する。前記放出口は、前記ブッシング
チッププレートの長手方向にある長さだけ延びており、それによって、前記チッ
ププレートの前面及び後面に冷却空気が提供される。前記冷却空気の伴送量は前
記ガラスフィラメントが引き出される速度の関数である。

【００１７】

【発明の実施の形態】

図面において、同じ符号は類似の要素を表すものとする。図には、ブッシング
１４のガラスファイバ先細領域に対流冷却空気１２を配送するシステム及び装置
１０が示されている。周知のように、溶融したガラス１６がブッシング１４のブ
ッシングチップ１８を通して引き出される。ブッシングチッププレート上に複数
のブッシングチップ１８が配列されている。溶融ガラス１６は、ブッシングチッ
プ１８を通るときに細く絞られるので、円錐形のガラスが形成される。これらの
円錐は更に細く絞られてフィラメント２０に形成され、その後それらが集められ
て、合成の撚り糸になる。

【００１８】 図面では、本発明を単一の底部のブッシングと協動するものとして示している
が、本発明は、二つの底部のブッシングを有する、即ち、ギャップで分離された
二つのチッププレートを有する同等の周知の装置とともに使用してもよい。

【００１９】 ブッシングチップ１８は、典型的には、液体で冷却されるマニホルド２４に動
作可能に取り付けれた複数の冷却フィン２２によって冷却される。冷却フィン２
２は、ブッシングチップ１８周囲の領域から熱が除去されるように、動作可能に
マニホルド２４に取り付けられている。図１に示すように、冷却フィン２２は、
ブッシングチップ１８の列と列の間に配置されている。図１には更に、各冷却フ
ィン２２とマニホルド２４との接続部、及びマニホルド２４内での冷却材の流れ
の向きも示されている。熱は、冷却フィン２２を通して除去され、最終的には(u
ltimately)マニホルド２４内を流れる液体によって除去される。図示のように、
マニホルド２４は、例えば中空の管等であり、冷却フィン２２は、例えば中実の
フィン部材からできている。他の実施の形態としては、図５に示すように、第２
のマニホルド２４ａが冷却フィン２２の反対側に動作可能に接続されていてもよ
い。しかし、そのような冷却に具体的にどの手段を採用するかは、本発明の動作
にとって重要でなく、どれも周知の技術である。

【００２０】 図において、システム及び装置１０は少なくとも二つのプレナムチャンバ２６
を有し、それらのプレナムチャンバ２６の中に、適当な流量で圧力のかかった空
気等の冷却ガスが供給される。効率的な動作のためには、冷却空気は環境温度よ
り高くはない。しかし、冷却空気は所望により冷却されたものでもよい。冷却空
気は、入口２８を通ってプレナムチャンバ２６に入り、放出口３０を通ってシス
テムを出て行く。放出口３０は、チッププレート１４の両側に長手方向全長にわ
たって延びていて、充分な冷却空気でカバーを提供するようになっている。放出
口３０は、毎時約５０〜３００ポンドの生産量（スループット）の紡績糸(yarn)
型や補強(reinforcement)型ブッシングについて、毎分１５０〜３００立方フィ
ートの冷却空気を供給するように設計されている。しかし、冷却空気の量は、採
用されるブッシングの設計のタイプに合わせて所望により調整してもよい。放出
口３０の開口は、出口の全表面積の１％未満である。

【００２１】 図２〜図５は、チッププレート１４の少なくとも前面と後面の両方の先細領域
、好ましくは少なくともチッププレートの周囲全体に冷却空気を供給する装置の
他の実施の形態を示す。プレナムチャンバ２６は、長方形でもよく（図４、図５
）、また、プレナムチャンバは「長靴形」でもよい（図２、図３）。プレナムチ
ャンバ２６は、冷却空気の流れをチッププレート１４の垂直に向けるための翼３
２を有していてもよい。出口３０は、冷却フィン２２の平面より上方にあっても
よいし（図４）、冷却フィン２２の平面より下方にあってもよいし（図２、図３
、図５）、又、冷却フィン２２の平面と同レベル(parallel)でもよい（図５の想
像線で示す）。好ましい実施の形態では、プレナムチャンバ２６の放出口３０は
、チッププレート１４の水平端部から約０〜４インチの位置であって、チッププ
レートの底から３インチ以内の位置である。冷却空気は、出口３０をほぼ鉛直下
向きに出て、チップ１８に直ぐ隣接する先細ノズルに入り、ブッシングの少なく
とも前面及び後面に、好ましくはブッシング周囲全体に空気のカーテンを形成す
る。ファイバの動きによって局所的な真空が形成され、それによって、公称(nom
inal)速度の冷却空気流れが引き起こされ、ガラスファイバが、ファイバの直径
を変化させることなく、必要な冷却材を伴送(entrain)することができる。冷却
ガス内の乱れを減らし、いかなる粒子状物質も、形成されつつあるガラスファイ
バフィラメントに接触するのを防ぐフィルタとして作用する穴のあいたスクリー
ン（図示せず）を使用してもよい。更に、空気のカーテンが、少なくともチップ
プレート１４の前面及び後面で、好ましくはチッププレートの全周で、冷却空気
の大部分をほぼ鉛直下向きに配流し、それによって、先細になっていくファイバ
が、ファイバの動きに従って(dictated)、必要量の冷却空気を伴送していくこと
がわかる。冷却空気のうちの半分未満(minor)の部分は、先細領域を乱さないよ
うにガラスファイバに対して角度を持っていてもよい。従来から知られているフ
ァイバに冷却空気を吹き付けるやり方に比べて、空気のカーテンは非透過性で、
各位置が互いに空気力学的に孤立する(isolate)可能性を有している。更に、ガ
ラスファイバの流れの方向に平行にだけ、しかも、チッププレート１４の少なく
とも前面及び後面の両方に冷却空気を供給することによって、同じ効果を得るた
めに必要とされる冷却空気の量が、従来から知られているシステムに比べて少な
くなり、更に、短期的ヤーデッジが改善されることがわかった。

【００２２】 動作において、ブッシングに溶融ガラスが供給され、この溶融ガラスはチップ
１８を通過する。フィンプレート２２はチッププレート１４の下方に適当に配置
され、液体冷却材は、フィンプレートから熱を抽出するべく所望の流量でマニホ
ルドを通る。冷却空気はプレナムチャンバ２６内に導入され、ディフューズスク
リーンを通り、チッププレートの両側で、ガラスファイバの引出し方向に平行に
、乱れのない状態で流れる。フィラメントが均一な環境で先細に絞られるように
、冷却空気は先細領域に導入される。

【００２３】 ここに引用された特許及び文献は明細書の一部として組み入れられる。

【００２４】 以上、本発明の現時点での好ましい実施の形態を説明したが、本発明は、請求
の範囲に記載の範囲内で他の実施の形態もありうることが理解できるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る冷却空気配送装置を含むブッシングの底面図である
。

【図２】 図１のブッシングの２−２線に沿う断面図である。

【図３】 本発明に係る他の冷却空気配送装置を利用した図１のブッシング
の２−２線に沿う断面図である。

【図４】 本発明に係る他の冷却空気配送装置を利用した図１のブッシング
の２−２線に沿う断面図である。

【図５】 本発明に係る他の冷却空気配送装置を利用した図１のブッシング
の２−２線に沿う断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ (72)発明者 スリニヴァサン セシャドリ アメリカ合衆国 オハイオ州 43085 ウ ォーシントン オレンウッド アベニュー 490 (72)発明者 スニッデン アンドリュー アメリカ合衆国 オハイオ州 43760 マ ウント ペリー マルバリー ロード サ ウスイースト 9517 Ｆターム(参考） 4G021 MA03 【要約の続き】 はガラスフィラメント２０が引き出される速度の関数で ある。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続的なガラスファイバの製造方法において、 ブッシングから溶融ガラスの複数の流れを供給する工程と、 前記複数の流れを複数の連続的なガラスフィラメントに引き出す工程と、 前記ガラスフィラメントが引き出される速度によって決定される量の冷却空気
   が伴送されるように、前記複数の連続的なガラスフィラメントの引出しの方向に
   平行な一つの冷却空気の流れを前記ブッシングの少なくとも前面及び後面に提供
   する工程と、 前記連続的なフィラメントを収集する工程と、 を有すること、を特徴とする方法。
2. 【請求項２】 毎分１５０乃至３００立方フィートの冷却空気が提供される
   請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記冷却空気の流れが実質的に鉛直下向きである請求項１に
   記載の方法。
4. 【請求項４】 前記冷却空気の流れが環境温度である請求項１に記載の方法
   。
5. 【請求項５】 前記冷却空気の流れが、前記ブッシングの少なくとも前面及
   び後面で、ブッシングの全周で、前記連続的なガラスフィラメントの流れの引出
   し方向に平行に提供されること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】 複数のブッシングチップを有する一つのブッシングチッププ
   レートを具備するブッシングのガラス引出しプロセスの先細領域へ非浸透性の冷
   却空気を配流する装置において、 複数の放出口へ圧力をもって、選択された流量で冷却空気が供給される入口を
   含む少なくとも二つのチャンバを有し、前記放出口は、前記ブッシングチッププ
   レートの長手方向にある長さだけ延びており、それによって、前記チッププレー
   トの前面及び後面に冷却空気が提供され、前記冷却空気の伴送量は前記ガラスフ
   ィラメントが引き出される速度の関数であること、 を特徴とする装置。
7. 【請求項７】 前記放出口が、前記ブッシングチッププレートの下方に固定
   された複数の冷却フィンによって形成される平面の上方に位置していること、を
   特徴とする請求項６の装置。
8. 【請求項８】 前記放出口が、前記ブッシングチッププレートの下方に固定
   された複数の冷却フィンによって形成される平面の下方に位置していること、を
   特徴とする請求項６の装置。
9. 【請求項９】 前記放出口が、前記ブッシングチッププレートの下方に固定
   された複数の冷却フィンによって形成される平面に対してほぼ同平行に位置して
   いること、を特徴とする請求項６の装置。
10. 【請求項１０】 前記冷却空気が、前記複数のチップに直ぐ隣接して実質的
    に鉛直下方に出て前記ブッシングの前面及び後面に空気のカーテンを形成するも
    のであること、を特徴とする請求項６の装置。