JP4391821B2 - 溶融物の均質化方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、局所濃度差、すなわち溶融物内の不均質性を除去するか又は最小にすることによって、誘電型の溶融物、たとえばガラスを均質化する方法に関する。
本発明はこの方法を実行するための装置にも関する。

気泡が表面に上がり浴の内容物を混合している時にガスを発生する成分を溶融ガラス内に挿入するという伝統的な方法が、たとえばガラスの均質な溶融物を得るために、依然として使用されている。

均質化の現代的な方法は、攪拌機を回転することによる機械的攪拌である。厳密な層流については、それは帯（ｃｏｒｄ）の伸びのみを引き起こす。機械的回転攪拌の主な欠点は、攪拌機の動作が、帯が位置する底まで届かないことである。攪拌機を、帯の高さ、すなわち底から１ｍｍ上方まで下げることはできない。

主として溶融ガラス内の溶融物の不均質性が、主として帯として、すなわち寸法で厚さ０．００１〜１ｍｍの薄い層又は帯の形状をした溶融物の一部が、可視光の拡散を生じさせる。帯を有するガラス溶融物は異なる化学成分を持ち、故に異なる物理的特性も持つ：
屈折率、そのうえ帯をガラス内で見ることができ、視覚的に乱れさせ、光の拡散を増加させ、よってスペクトル透過率を減少させ、ガラスの光沢（ｂｒｉｌｌｉａｎｃｙ）を低下させる。
熱膨張は、製品の強度を減らす。
粘度と表面張力は、形成プロセスにおいて悪影響を有するこれらの特性を通じて、帯の減少に影響する。
そして、帯は、通常より高い比重も有する。すなわち、それらは底に凝集し、そこで最終製品に特に危険な厚い帯を生成する。

炭化物、ホウ化物、又は窒化物の群から選んだ不活性の添加物が、ガラス材料の混合物に、ガラス材料１ｋｇに対して量５〜５０ｇが加えられ、周波数２４５０ＭＨｚのマイクロ波放射を用いて溶融される、という方法のマイクロ波加熱の記述が、チェコ共和国特許第２８９，１９１号と第２８９，１９３号とにある。この装置は、少なくとも１つの発生器を有するマイクロ波加熱炉からなる。それは、冷えた状態からガラス材料を溶融する、すなわちマイクロ波エネルギ加熱を用いたガラス浴（ｂａｔｈ）の現代的な方法である。

添加剤は、ガラスを溶融するために用いられる必要のある添加物である。
チェコ共和国特許第２８９，１９１号 チェコ共和国特許第２８９，１９３号

本発明の目的は、添加物なしの溶融領域内の溶融粘度よりも高い粘度を有する、すでに溶融されたガラスの均質化である。

この目標は、溶融物、望ましくはガラスを均質化する新しい方法によって到達される。それは、前炉の耐火性チャネルの空間内での均質化、あるいは溶融粘度が溶融領域でよりも常に高い作業端の耐火性の湯だまり内で行なわれ、本発明によれば、これの基礎は、静止した又は流れる状態での粘度が１０⁴〜１０¹ Ｐａ．ｓの範囲内にある誘電性の溶融物に対して、任意の方向からの、すなわち溶融物収容空間の上部、底部、又は側部、若しくはこれらのすべての方向の組合せの中からの、周波数０．１〜２０ＧＨｚのマイクロ波放射の適用にある。

溶融物の均質化のこの新しい方法の主な長所は、均質化するのが本来難しい、底にある溶融物又は非常に高い粘度を有する溶融物の均質化を可能にすることである。

マイクロ波放射導波管出口が位置する、溶融物を収容する空間の外側が冷却される時には、耐火性のれんが積みの誘電率に対する溶融物の誘電率の好ましい高い比率が到達される。

溶融物内の反射性金属エレメントによって、溶融物内と溶融物の外側のマイクロ波放射は、マイクロ波放射が溶融物に入る場所に戻るように反射かつ方向付けすることができ、それによって、均質化されていない溶融物が通常位置している場所である溶融物の底部内の吸収されたエネルギの割合を増加させ、溶融物の上部は余剰エネルギによって不必要に過熱されることはない。

溶融物内と溶融物の外側のマイクロ波放射は、溶融物上にマイクロ波フィールド（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｆｉｅｌｄ）を集中させることと、マイクロ波放射を周囲へ逃がすことを防止することを目的として、金属エレメントシールドにより周囲から遮蔽されている。

均質化のこの新しい方法を実行するために、本発明に係る装置によると、すでに溶融された材料が役割を果たし、その原理は、任意の方向へのマイクロ波放射源導波管の少なくとも１つの出口にある。すなわち溶融物の外面への、すなわちたとえばその空間の底及び／又は側壁及び／又は溶融物の表面の上方へであり、たとえば、前炉の耐火性チャネル内又は作業端の湯だまり内の、１０⁴〜１０¹ Ｐａ．ｓの粘度範囲内の溶融物を有する空間内へである。導波管を表面上方、又は覆い若しくは屋根板の上方に置くことによって、少なくとも１つの導波管が、前炉のチャネルの底の外面に、あるいは前炉のチャネルの金属製ケーシングの外面に、前炉のチャネルの底の外面に、又は作業端の側面の前炉の壁に続くことができる。

本設計の主な長所は、供給されたマイクロ波のエネルギが、低い誘電率を有しているが、この行なわれている伝達の効果を減ずる成分のない環境内で、最も直接的な方法によって溶融物に向けられているということである。

冷却する要素、たとえば冷却空気が、導波管の出口へ、溶融物がある空間内に誘導されると、耐火壁の温度が下がり、故に、その誘電率と、溶融物と壁の誘電率との比率も増加し、溶融物内のエネルギと壁内の失われたエネルギとの比率を向上させる。

導波管出口が適切な絶縁層を備えている場合には、冷却に対して感応性のあるセラミック材料も使用することができる。

遮蔽された反射性金属エレメント、たとえば、マイクロ波エネルギを溶融物の底に反射かつ集中させて戻し、よって溶融物の底部内のエネルギ濃度を増加させるモリブデンの棒が、便利な配置で空間内に作られている。

耐火性の前炉又は湯だまりの作業端の金属製ケーシングが、シールドの一部として役割を果たしている。

本発明を、添付の図面で明らかにされた実施例中で詳細に説明する。

（実施例１）
（図１）前炉の耐火性チャネル１は、チャネル１の縦軸に垂直な鉛直断面に、矩形部を有する。誘電性の溶融物、たとえばガラス溶融物８は、チャネル１を通って流れる。チャネル１は、鋼鉄のケーシング３内の断熱材２によって囲まれている。チャネル１は、電気抵抗素子４又は同じ位置にある図示されていないバーナによって、ガラス溶融物８の上方で加熱される。チャネル１は、上部の絶縁材６によって覆われた屋根５によって、溶融ガラス８の表面の上方が覆われている。ガラスの表面は、サブマージ定盤１９によって覆われている。チャネル１の上部の構造は、チャネル１内の金属製ケーシング６に接続された、シールド金属シート７によって覆われている。金属製の棒９、たとえば、モリブデンは、溶融ガラス８の中に浸漬されている。マイクロ波フィールドが、チャネル１の底に位置し、チャネル１の底部１３の外面まで金属ケーシング３の開口、底部断熱材２を貫通する導波管１１によってマイクロ波放射源１０から、溶融ガラス８内に導入される。

溶融ガラス８は、１０⁴〜１０¹ Ｐａ．ｓの範囲の粘度を有しており、周波数０．１〜２０ＧＨｚのマイクロ波放射を受ける。溶融物は、たとえば、ほう珪酸塩のガラスであり、前炉のチャネル内で１０⁴ Ｐａ．ｓまでの粘度を有し、２．４５ＧＨｚまでの周波数の放射を受ける。

周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が前炉の導波管１１からチャネル１まで入る。導波管１１と、導波管１１の位置にあるチャネル１の断熱されていない底とは、空気によって冷却される。よって、前炉のチャネル１の耐火材の誘電率と溶融ガラス８の誘電率との十分に低い比率が維持される。これにより、エネルギの大部分が溶融ガラス８の中に入る。エネルギは、底１３を通ってチャネル１に入る。危険な帯の元である重い腐食性の溶融物（ｃｏｒｒｏｓｉｖｅ ｍｅｌｔ）１２は、底の上に蓄積される。これは、先に加熱され、よって、帯と基礎（ｂａｓｅ）の溶融ガラス８との間の温度差を上げ、帯の粘度を下げ、これによって、対流と拡散とによってガラス内でより容易に攪拌される。この過熱は、チャネル１の底１３へマイクロ波エネルギを反射する、溶融ガラス８内に挿入された金属製の棒９によっても促進される。これはまた、帯内と基本（ｂａｓｉｃ）の溶融ガラス８内との吸収エネルギの比率を向上する。そのため、マイクロ波源１０の高い出力を使う必要はない。シールドシート７の位置が、共振空間の寸法を変え、故に、アンチノードループの位置及び結節点（ｎｏｄａｌ ｐｏｉｎｔ）の位置を変える。抵抗の位置と同様に、加熱素子４は、溶融ガラス８に戻ったマイクロ波の反射に影響を及ぼし、よって溶融物内の温度フィールドの形状と必要な入力にも影響を及ぼす。水平な加熱素子４が十分に密集して巻かれている場合、すなわち使われている放射の波長の４分の１未満の距離の場合には、反射はほとんど完全である。

廃熱の量は、マイクロ波放射源上で測定でき、この量によって、上部の反射する金属エレメントの高さの理想的な寸法形状が、溶融物の表面のレベルと、溶融物を有する空間の外壁についての導波管出口の距離と、に関し設定でき、その結果、マイクロ波放射源上の廃熱の量が最小になる。

たとえば溶融ガラス８のような溶融物の均質性の向上に関して、前炉のチャネル１内という模擬条件で、次のモデル測定が行なわれた。マイクロ波、すなわち周波数０．１〜１５ＧＨｚの電磁放射が、分極のための低い誘電率と磁気分極のための透過率とを有する物質を通過する。誘電加熱が高い誘電率を有する物質内で発生しており、閉ざされた反射性の空間内で溶融物に影響しているならば、電場の多数の定常波が生成される。このようにして、アンチノードループと結節点とがその空間内に生成される。最も頻繁に用いられる周波数２．４５ＧＨｚを使用する場合には、波長は１２．２ｃｍである。均質でない電場が溶融物の中に生成されている間に、
シールド反射性金属ケースからの反射により生じた定常波のおかげで、距離２〜４ｃｍを有する温度ピークが生成された、
吸収している物質（溶融物）の開始点から、距離とともに吸収された出力の超過電圧降下（ｅｘｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｒｏｐ）の結果。
非均質な環境、すなわち浴の異なる温度の結果すべての点で誘電率が同じでないことによる、一様でない化学成分。
反射性の金属又はセラミック導体の結果。これらは、エネルギを元の場所に反射し、吸収はこれらと壁との間の空間内で数倍高い。

故に、溶融物の誘電率とその温度との関係を知ることは重要である。高温での溶融物の測定では誘電率が複雑であるため、溶融物の測定されたサンプル中の吸収されたエネルギの測定方法が用いられる。これは、一定の比熱の通常充たされた条件の下で測定されたサンプルの温度変化の速度に等しい。これにより、溶融するホウ珪酸塩ガラスの実験が、マイクロ波の加熱炉内のるつぼ内で行なわれたのである。６６０ｇの重量のるつぼ内で、Ｎａ₂Ｏの質量４％を有する９４５ｇのホウ珪酸塩ガラスを１２５５°Ｃまで加熱し、０．
９２Ｋｓｅｃ^-1での加熱炉の一定の入力で温度上昇の安定化した後に、基本のガラスを溶融する生産炉の排液によって得られた、腐食溶融物１２―帯を示す、１４．７ｇのガラスがるつぼ内のガラスの中に入れられた。この腐食溶融物１２―帯は、基本の溶融したガラス８の熱膨張よりも実質的に高い。腐食溶融物１２のガラスカレットの最大寸法は２０ｍｍであった。温度を調節した後に、すなわち１０分後に、一定の入力と熱損失とで、１．３２Ｋｍｉｎ^-1の温度上昇が２５分の間に表示された。次に、１５分の間に、温度は１４５０°Ｃ、すなわち粘度３１０Ｐａ．ｓまで増加された。そしてこの値で３０分間維持された。るつぼを冷却した後に、ガラス内には、偏光中にさえ、帯が見られなかった。

（実施例２）
（図２）前炉の耐火性チャネル１が冷却できない場合には、図２による導波管１１の配置が便利である。すなわち、１つの導波管１１が金属性のケーシング３の底１４に位置しており、１つの導波管１１が溶融ガラス８の表面上方に位置している。底の導波管１１は、金属製ケーシング３の底１４、おそらくはそのアンカー１５を通る。上部の導波管１１は上部のシールド板７と、上部の絶縁材６と、屋根５とを通る。前炉の耐火性チャネル１が、非常に低い誘電率を有する材料、たとえばＡｌ₂Ｏ₃又はＳｉＯ₂の内容物で作られている場合には、この設計は適切である。上部からマイクロ波エネルギを導入することは、これも図２に示されているが、主として、加熱のためにガスバーナ２３を使用する時には便利である。

（実施例３）
（図３）溶融ガラス８がスロート２１を通って、加熱炉の溶融する領域から、加熱炉の作業端に入り、出口２２を通って出て、次の加工のために、たとえば前炉の耐火性チャネル１の中に入る。

導波管１１は、溶融ガラス８を収容している作業端の浴１６の耐火壁の外面に位置している。浴１６は、前炉の前述のチャネル１と比較して、より深くかつより広い。浴１６は、その縦軸に垂直な断面に、矩形部を有する。大量の腐食性の溶融物１２が、作業端の浴１６の底１７に蓄積され、それは浴１６内の基礎の溶融ガラス８と均質化されなければならない。導波管１１は、作業端の浴１６の底１７と、浴１６の側壁１８とに位置している。浴１６内の腐食性の溶融物１２へのマイクロ波の影響と、断熱材２０を有していることとの利点は、より高い熱と、このようなガラスのより高い誘電率である。加熱炉の作業端の浴１６のより大きな寸法については、より強力なマイクロ波フィールドと、このようにしてより大量の導波管１１を使用することが便利である。この場合には、金属製ケーシング３が共振する空間の境界として用いられている。

この解決策は、作業端の浴１６のより広い幅を意図しており、あるいは溶融物の誘電率が低い場合には、２．４５ＧＨｚよりも低い、たとえば周波数０．９１５ＧＨｚ、おそらくは０．８９５ＧＨｚのマイクロ波フィールドの周波数を用いるのが適切である。

図３による設計は、１０〜１００Ｐａ．sの範囲内の溶融ガラス８の粘度にも適切であり、これは非常に低い粘度であり、故に高い温度であり、継続的にばかりでなく、非継続的にも動作可能である。

本設計は、図示されていない、その高さが幅よりも大きい矩形部を有する、浴１６の代わりに用いられている、鉛直に延びるチャネルの方法にも適用できる。この場合には、マイクロ波フィールドが、腐食性の溶融物１２が、溶融の間、たとえば溶融ガラスが上昇している間に、チャネルの底まで分離することを妨げる。

もちろん、本発明の多くの他の変更及び修正が可能であり、本発明が本実施例で記述されたのと別の方法でも用いられることが可能であることが明らかである。

本解決策は、加熱炉のガラス供給装置と作業端との中にある、すでに溶融された材料、主として溶融ガラス８の化学的な均質化、おそらくは熱的な均質化に意図されている。これらの溶融物は熱可塑性の無機材料でも良い。

溶融物と、底から取り付けられたマイクロ波エネルギ源と、を有する前炉のチャネルを通して見た断面図である。 溶融物と、底及び上部から取り付けられたマイクロ波エネルギ源と、を有する前炉のチャネルを通して見た断面図である。 溶融物を有する作業端を通して見た断面図である；マイクロ波エネルギ源は、湯だまりの底及び側面から取り付けられている。

Claims (8)

1. 不均質成分を含む既に溶融されているガラスを均質化する方法であって、
   既に溶融されている材料を加熱炉の溶融領域から耐火性チャネル又は前記加熱炉の作業端へと導き；
   前記溶融材料をシールドケーシングの内側でシールドし；
   前記シールドケーシング内側の前記溶融材料を、少なくとも１つの導波管を通って前記耐火性チャネル又は前記加熱炉の作業端の下部へと向かう周波数０．１〜２０ＧＨｚのマイクロ波放射に曝して、前記溶融材料を１０⁴〜１０¹Ｐａ．ｓの範囲の粘度にし；
   前記溶融材料中の腐食性溶融物の形態にある不均質成分が溶解するまで前記粘度を維持し；
   前記導波管出口を断熱材によって断熱すること；
   を特徴とする、ガラスを均質化する方法。
2. 前記導波管がマイクロ波放射の出口を有し、そこにおいて溶融物を収容する空間の外側を冷却することを特徴とする、請求項１に記載の均質化する方法。
3. 前記溶融物内の反射性金属エレメントによって、前記溶融物内のマイクロ波放射を反射して、前記溶融物内に入る場所に戻すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 加熱炉の溶融領域から腐食性溶融物の形態にある不均質成分を含む既に溶融されているガラスを導き、均質化するガラス炉であって、
   上部、底部及び側壁を有する前記加熱炉の作業端又は耐火性チャネルと、
   底部、横壁及び屋根部を有し、前記加熱炉の作業端又は前記耐火性チャネルを覆う遮蔽用金属ケーシングと
   前記加熱炉の作業端又は前記耐火性チャネルの上部の上の前記金属ケーシングの内側に位置する加熱手段と、
   前記加熱炉の作業端又は前記耐火性チャネルの前記金属ケーシングと前記底部、側壁との間に配設される断熱部と、
   既に溶融していてる溶融材料中の前記不均質成分の溶解のためのマイクロ波放射源となる少なくとも１つの導波管であって、前記導波管は入口及び出口を備え、粘度が１０⁴〜１０¹Ｐａ．ｓの範囲にある前記溶融材料を収容する前記加熱炉の作業端又は前記耐火性チャネルの内側へと向けられ、前記出口に断熱材を備える前記導波管と、
   を備えることを特徴とするガラス炉。
5. 前記導波管の出口が前記加熱炉の作業端又は前記耐火性チャネルの前記底部に向けられていることを特徴とする請求項４に記載のガラス炉。
6. 前記導波管がマイクロ波放射源であって、その出口は前記加熱炉の作業端又は前記耐火性チャネルの上部に向けられることを特徴とする請求項４に記載のガラス炉。
7. 反射性金属エレメントが前記溶融材料を有する空間内に浸漬されることを特徴とする請求項４に記載のガラス炉。
8. 前記加熱炉の作業端又は前記耐火性チャネルが、１つの縦軸に垂直な方向に、正方形、矩形、円形、又は楕円形の断面を有することを特徴とする請求項４に記載のガラス炉。

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