JP4181321B2 - ガラスとガラスセラミックスを連続的に溶融して清澄濾過する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、ガラスまたはガラスセラミックスを連続的に溶融して清澄濾過する装置に関する。しかしまた、他の物質も考慮される。
【０００２】
（背景技術）
上記の材料を溶融または清澄濾過することのできる、多数の装置が知られている。たとえばＤＥ３３１６５４６Ｃ１を参照。その装置は、冷却される坩堝壁と誘導コイルとを有する、いわゆるスカル坩堝であって、その誘導コイルが坩堝を包囲しており、かつその誘導コイルを介して高周波エネルギを坩堝の内容物に結合することができる。それによって坩堝の中身は、３０００℃まで達する、極めて高い温度にされる。
【０００３】
高周波加熱の利点は、坩堝壁を、ガラス溶融物よりもずっと冷たくすることができることにある。坩堝壁の冷却は、熱放出を介して、あるいはアクティブな空冷または水冷を介して行うことができる。スカル坩堝においては、壁領域内に、その種固有の材料からなる冷たい外皮が形成される。この外皮は、温度が低いことにより、極めてわずかな伝導性を有する。従ってそれは高周波エネルギを吸収せず、安定したその種固有の坩堝を形成する。従って、ほぼ任意の高さの溶融温度を達成することが可能である。ただ、十分な冷却によって、その種に固有の壁が維持されるようにするだけでよい。たとえばＥＰ００７９２６６を参照。
【０００４】
通常、溶融プロセスに清澄濾過プロセスが続く。その場合に清澄濾過は、溶融されたガラスを物理的および化学的に結合されたガスから解放する、という課題を有している。清澄濾過プロセスは、たとえばＮａＣｌのような、特別な清澄濾過剤によって支援される。清澄濾過剤は、十分に大きい気泡が形成されて、その中へ溶融物から残留ガスが拡散できることを支援する。
【０００５】
最近では、だんだんと増加する程度において、溶融のプロセスと清澄濾過のプロセスを連続的に駆動する、ということが要請される。ＷＯ９２１５５３１は、ある装置を記述しており、その装置においては溶融と清澄濾過は、同じ１つの坩堝内で行われる。２つのプロセスは、互いに独立して制御することはできず、それはガラス品質にとって害がある。
【０００６】
装置は、品質に対する比較的低い要請を有するガラスを形成するためにだけ使用される。さらに、清澄濾過は、この装置においては効果的ではない。というのは、常に冷たい原料が溶融物の表面領域へ補充されて、表面は常に坩堝内で最も冷たい部分となるからである。
【０００７】
ＵＳ４７８０１２１に記載されている装置においては、フリットがその中で溶融される、第１の容器と、溶融されたガラス材料の清澄濾過がその中で実施される第２の容器が設けられている。溶融坩堝内で形成されたガラス溶融物は、上方から清澄濾過容器へ供給される。その場合にセラミックの清澄濾過容器は誘導コイルによって包囲されており、その誘導コイルによって高周波エネルギが清澄濾過容器内へ結合可能である。セラミックの清澄濾過容器によって、清澄濾過容器内の高い温度の形成は制限されている。この装置における清澄濾過結果は、満足のゆくものではない。清澄濾過後も、まだガスがガラス溶融物内に、特に最終製品の品質を受け入れられないように損なう程度に、残留する。
【０００８】
この装置の他の欠点は、次のことにある：装置を連続的に駆動できるようにするために、溶融容器を通る流量が、清澄濾過容器を通る流量と正確に同じ大きさでなければならない。しかし、２つの容器内でのプロセスの遂行は、異なるパラメータの元にある。すなわち、清澄濾過容器内の温度は、清澄濾過プロセスに適合可能でなければならない。従ってそれは自由に選択することはできない。この装置によって実施可能な方法は、ガラス流の制御が不可能である、という欠点を有している。溶融ユニット内の流出開口部を変化させることによってのみ、ガラス液位に影響を与えることができる。清澄濾過温度と関係なく、ＨＦ−領域から調整槽へのガラス流を閉ループ制御または開ループ制御することは、不可能である。流出速度は、ＨＦ−坩堝領域内の温度に依存する。ＨＦ−領域内の温度が変化した場合には、溶融物の粘性が低いことにより流出が増大する。従って温度バリエーションの可能性に関する著しい制限が予め与えられている。清澄濾過領域における、より高い温度は、せいぜい流量上昇との組合せにおいて調節することができる程度である。従って温度上昇により改良された清澄濾過の利点は、滞留時間がより少ないことにより破壊されてしまう。さらに、ＨＦ−清澄濾過部分へガラスが自由に落下する場合には、その際に気泡が包み込まれる可能性がある、という欠点がある。この種の包み込まれた気泡は、高い窒素割合を有し、従って清澄濾過することは、極めて困難である。この問題は、ＨＦ−領域から均質化領域へ移行する場合に、さらに増強されて当てはまる。その場合に包み込まれた気泡は、もはや清澄濾過は行われないので、もはや溶融物から出てゆくことはない。
【０００９】
本発明の課題は、溶融と清澄濾過がそれぞれ専用の容器内で実施され、それらがさらに連続的な駆動で行うことができ、かつその場合に特に清澄濾過が完璧な結果を、すなわち大幅なガス除去をもたらすような装置を提供することである。
【００１０】
この課題は、請求項１の特徴によって解決される。
【００１１】
本発明は、次のことを認識している：
上述したように、ＵＳ４７８０１２１に記載の装置においては清澄濾過容器が溶融容器の後段に接続されており、かつその場合にこの溶融容器の下方に配置されている。従って液状の溶融物は清澄濾過容器内へ自由落下して供給される。供給される溶融物は、比較的冷たい。従って清澄濾過容器の内容物の表面は、常に後から流入する冷たい溶融物によって形成される。冷たく、従って重いガラス溶融物の大部分は、清澄濾過坩堝の中央で迅速にその出口へ流れる。それに対してガス除去は、清澄濾過容器の底領域で行われる。というのは、そこでは表面よりも誘導コイルによる加熱がずっと強く作用することができるからである。従って気泡は、底領域で形成される。気泡は、上へ上昇する。しかし液面領域における冷たい層の比較的高い粘性に基づいて、気泡はそこで上昇して溶融物を離れることを阻止される。これは、ガスが望ましくないことに、清澄濾過容器内にある溶融物内に残留することを意味している。
【００１２】
本発明によって、この欠点が除去される。比較的冷たい溶融物は、溶融容器の下方の領域において溶融容器から出て、清澄濾過容器の底領域においてこの清澄濾過容器内へ導入されて、そこでＨＦ−エネルギによって加熱される。その場合に溶融物内に含まれているガスから泡が形成される。泡は上方へ登る。溶融物の上方の層は比較的熱く、従ってわずかな粘性を有するので、気泡は溶融物から問題なく出てゆく。
【００１３】
本発明を使用することによって、高周波加熱すべき、セラミックの内側坩堝なしのスカル坩堝の内容物を、２４００℃から２６００℃、特に３０００℃の桁の温度にすることが、可能である。これは、清澄濾過の際に特に重要である。その場合にガラスは、物理的および化学的に結合されたガスから解放される。清澄濾過プロセスは、従来のガラス溶融においてはＮａ_２ＳＯ_４、Ａｓ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３またはＮａＣｌのような清澄濾過剤によって支援される。これらの清澄濾過剤は、分解し、あるいは清澄濾過温度において蒸発して、泡を形成し、溶融物から残留ガスがその泡内へ拡散することができる。清澄濾過泡は、経済的に支持し得るタイムスパンでガラス溶融物内で表面へ上昇させて、そこで破裂させるためには、十分に大きくなければならない。上述の、本発明によって達成される高い温度においては、上昇速度は極めて高い速度である。すなわち、たとえば１６００℃から２４００℃へ温度を上昇させた場合に、上昇速度は係数１００だけ増大する。従って０．１ｍｍの直径を有する泡は、２４００℃においては１６００℃の温度における１ｍｍの直径を有する泡と同様に迅速に上昇する。
【００１４】
清澄濾過温度の上昇によって、ほとんどのガスにおいて物理的および化学的可溶性は低下され、従って高温清澄濾過がさらに支援される。
【００１５】
泡の上昇速度を増大させて、それによって清澄濾過時間を低下させる代わりに、清澄濾過剤の添加をある程度大幅に省くことができる。しかし、上昇するガスが表面へ達することができ、表面にきた泡がはじけて、発泡しないことが前提である。
【００１６】
しかし、本発明に基づく原理は、溶融物が下方から底領域において清澄濾過容器へ流入することによって、清澄濾過容器の表面にはほとんど接続端が設けられていない、という他の利点を有している。従って誘導コイルを妨げられずに、かつそれぞれ空間的な考慮なしで、その誘導コイルが清澄濾過容器の外表面を、高周波エネルギの最適な結合の視点から望ましいように、任意に包囲するように配置することができる。
【００１７】
本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
【００１８】
図には、溶融容器１が図示されている。これは、セラミック材料からなる壁で囲まれた槽として形成されている。接続導管２は、溶融容器１内で形成されたガラス溶融物を清澄濾過容器３へ供給するために用いられる。清澄濾過容器３には、誘導コイル５が付設されている。誘導コイル５は、清澄濾過容器３を、コイル５の巻き線が清澄濾過容器３の垂直の軸線をほぼ同心に包囲するようにして、包囲している。
【００１９】
清澄濾過容器３には、水平の水路４が接続されている。その水路は、溶融物を冷却するために用いられる。ここでは冷却は、高い温度から、たとえば２４００から３０００℃の領域から、１６００℃の温度へと行われる。冷却水路は、空冷または水冷されるストーン水路またはセラミック水路からなるか、あるいは高周波加熱されるスカル水路からなる。冷却水路内で、再清澄濾過と残留気泡の再吸収を行うことができる。
【００２０】
水路の最後には、溶融物を均質化するために、攪拌器６．１を有する攪拌坩堝６が設けられている。溶融物は、フィーダ６．２を介して攪拌坩堝６から取り出されて、成形プロセスへ供給される。水路４には、ガラス液位測定器７が付設されており、そのガラス液位測定器によって水路４内のガラス溶融物の液面の測地学的高さを検出することができる。
【００２１】
溶融容器１内の溶融は、電気的にも、バーナーよっても、あるいは両手段の組合せによっても行うことができる。溶融容器の領域内で、いわゆる粗溶融が行われる。
【００２２】
接続導管２は、抵抗加熱される白金パイプから、あるいは耐火材料から形成されている。接続導管２が耐火材料からなる場合には、ガラス溶融物は電極の使用によって直接加熱される。あるいは、外部からの加熱を行うこともできる。
【００２３】
図から明らかなように、接続導管２は下方の領域において溶融容器１に接続されている。接続導管は、清澄濾過容器３の底３．１を通して清澄濾過容器内へ進入している。その場合に接続個所におけるガラス密性は、リング状に配置された水冷装置または空冷装置によって達成される。通常は白金からなるこのシールは、同時に、高周波シールドとしても用いられる。すなわちそのシールは、アース電位に接続されている。それによって、高周波散乱ビームが接続導管２を通して、かつ電極を通して高周波領域から導出され、そこで他の電気的要素の閉ループ制御および開ループ制御が乱されることが、防止される。必要な場合には、ガラス密性と電気的接地は、互いに分離して構築することも可能である。
【００２４】
清澄濾過容器３自体は、モジュラー状であって、従って極めてフレキシブルに構成されている。清澄濾過容器は、蛇行して案内される、水冷の銅パイプまたは特殊鋼パイプを有する多数のセグメントからなる。セグメントは、溶融温度が極めて高い場合に、セグメント間のアーク形成を防止するために、底領域において電気的に短絡されている。これはたとえば、種固有の材料の絶縁外皮が極めて薄い場合に生じる。短絡は、清澄濾過容器３の上方の領域においても考えられる。その場合に下方の清澄濾過容器領域内での高周波場の変化は、それが溶融物表面の冷却をもたらす恐れがあるので、欠点となる。
【００２５】
１６５０℃までの清澄濾過温度においては、清澄濾過容器をセラミック材料から形成することもできる。しかしセラミック材料へは高周波を結合してはならない。というのは、そうでないと容器が高周波によって溶けてしまうからである。セラミック容器は、熱放射によって容器と高周波コイルとの間の空気が、フラッシュオーバーをもたらすほど加熱される恐れがある、という欠点を有する。清澄濾過温度が１６５０℃を越える場合には、大体においてスカル坩堝が効果的である。というのは、その場合には坩堝壁を水冷または空冷される金属パイプによって強力に冷却することができるからである。スカル坩堝によって、ほぼ任意の高さの温度が達成される。というのは、最大の清澄濾過温度は、坩堝腐食によって制限されないからである。
【００２６】
清澄濾過容器３の溶融体積は、必要とされる清澄濾過結果にとって滞留長さがまさに十分であるように、選択される。エネルギの視点からは、どんな過大寸法も避けなければならない。すなわちそれと結びついた、より大きい壁損失の冷却を、付加的な高周波出力によって補償しなければならない。アルミノケイ酸塩ガラスについては、清澄濾過するためにたとえば２２００℃の清澄濾過温度において３０−６０分の滞留長さで十分であることが、明らかにされている。
【００２７】
溶融容器は、上述したように、耐火材料によって壁を築かれている。その代わりに、それをスカル坩堝として形成することも可能である。その場合にはスカル坩堝は、高周波エネルギを容器内容物へ結合するための誘導コイルを有する、ここで説明した清澄濾過容器と同一の構造を有する。
【００２８】
連通するパイプの原理に基づく構造によって、ガラス液位制御は極めて簡単である。ガラス液位の測定は、水路の従来の溶融領域内（攪拌器の直前）で行われる。従ってすべての要素は互いに接続されているので、全溶融ユニット内のガラス液位がわかる。容器端部の測定量を、−溶融容器から、ＨＦ−清澄濾過部分を介して水路までの−全ガラス液位の制御に使用することができる。
【００２９】
ガラス液位のこの簡単な制御は、ここで、ＨＦ−清澄濾過部分を容器のシステム内へ連通する構成部分として組み込むことに成功しているために、可能である。流量を、ＨＦ−清澄濾過温度および清澄濾過ユニット内の粘性とは関係なく制御することができる。
【００３０】
水路の最後に、溶融物を均質化するために攪拌坩堝（６）が設けられている。フィーダ（７）を介してガラスが容器から取り出されて、成形プロセスへ供給される。
【００３１】
高周波装置によって形成される電磁場の放出から保護するために、溶融容器（１）および／または清澄濾過容器（３）を伝導性のケージ内部に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】

Claims (15)

1. 溶融容器（１）と；
   スカル溶融法に従って構成された、清澄濾過容器（３）と、
   溶融物を溶融容器（１）から清澄濾過容器（３）内へ移動させるために用いられる、接続導管（２）と、
   を有し、
   清澄濾過容器（３）には、誘導コイル（５）が付設されており、前記誘導コイルは高周波エネルギを容器内容物へ結合するために用いられ、かつ誘導コイルは清澄濾過容器（３）の壁を包囲しており；
   接続導管（２）は、溶融容器（１）の底領域（１．１）と、清澄濾過容器（３）の底領域（３．１）とを連通していることを特徴とするガラスまたはガラス セラミックスを連続的に溶融して清澄濾過する装置。
2. 接続導管（２）は、溶融容器（１）の底領域（１．１）から側方へ出て、清澄濾過容器（３）の底（３．１）を通して清澄濾過容器へ進入していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 清澄濾過容器（３）の後段に、冷却水路（４）が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置
4. 冷却水路（４）の後段に、攪拌坩堝（６）が接続されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 溶融容器（１）および／または清澄濾過容器（３）が、伝導性のシールドケージの内部に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の装置を駆動する方法において、
   溶融物が連続的に溶融容器（１）から清澄濾過容器（３）へ下方から供給されて、上方の領域において冷却水路（４）を介して攪拌坩堝（６）内へ流入することを特徴とする方法。
7. 溶融容器（１）内、清澄容器（３）内、冷却水路（４）内および攪拌坩堝（６）内の溶融物液位が、接続導管（２）によって同一の水準にあることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 溶融容器（１）は、セラミックストーン材料から、白金から、あるいは白金合金から形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. 溶融容器（１）が、スカル坩堝からなり、かつ
   溶融容器（１）内のガラス溶融物が高周波によって加熱されることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 溶融容器（１）と清澄濾過容器（３）との間の接続導管（２）は、加熱可能な白金パイプから、あるいは加熱可能なストーン水路から形成されていることを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 清澄濾過容器（３）が、セラミック坩堝からなり、かつ
    清澄濾過容器（３）内の溶融物が、高周波によって加熱されることを特徴とする請求項６から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 清澄濾過容器（３）が、スカル坩堝からなり、かつ
    清澄濾過容器（３）内の溶融物が、高周波によって加熱されることを特徴とする請求項６から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. スカル坩堝は、底領域において電気的に短絡されていることを特徴とする請求項９又は１２に記載の方法。
14. 冷却水路（４）内の溶融物の温度は、清澄濾過容器（３）内の清澄濾過温度から、調整部分（６）が白金からなる場合は１５００℃から１５５０℃に冷却され、調整部分（６）がセラミックからなる場合は１５００℃から１６５０℃に冷却されることを特徴とする請求項６から１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 清澄濾過すべきガラスが、Ａｓ_２Ｏ_３またはＳｂ_２Ｏ_３のような有毒の清澄濾過剤を有していないことを特徴とする請求項６から１４のいずれか１項に記載の方法。

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