(57)【要約】【課題】ヘリウムを効率良く溶融ガラスに含有させることによりガラス中の泡欠陥を減じ、高い泡品位を有するガラス製品を得ることが可能なガラス溶融方法およびガラスの溶融装置を提供する。【解決手段】ヘリウムを含有する混合ガスを溶融ガラスの上部雰囲気に供給する工程を含むガラス溶融方法であって、混合ガスの平均分子量が２１以上であることを特徴とするガラス溶融方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘリウムを含有する混合ガスを溶融ガラスの上部雰囲気に供給する工程を含むガラス溶融方法であって、混合ガスの平均分子量が２１以上であることを特徴とするガラス溶融方法。
【請求項２】
混合ガスにおけるヘリウム含有量が１０体積％以上であることを特徴とする請求項１に記載のガラス溶融方法。
【請求項３】
ヘリウムを含有する混合ガスを溶融ガラスの上部雰囲気に供給するための混合ガス供給手段を具備してなるガラス溶融装置であって、混合ガスの平均分子量が２１以上であることを特徴とするガラス溶融装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス原料を加熱して溶融ガラスを得るためのガラス溶融方法およびガラス溶融装置に関する。より詳細には、本発明は、溶融ガラスに清澄ガスを含有させることにより泡欠陥を減じ、高い泡品位を有するガラス製品を得るためガラス溶融方法およびガラス溶融装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無機原料粉末を加熱して融液状態に保持した後、得られた溶融ガラスを所定形状に成形して冷却することで過冷却液体状態とし、ガラス物品を得るという手法は、古くから利用されてきた基本的なガラス製造方法である。ガラス製造業にとって、溶融時における異物や泡等の発生を抑制し、市場の要求に見合う均質なガラス製品を高い効率で製造することは、種々のガラス製品について長年取り組まれてきた重要な課題である。しかしながら、ガラス溶融工程において、ガラス中のブツ、脈理、異質結晶の析出といった問題を克服できたとしても、溶融ガラスから泡を完全に除去することは、依然として困難な課題として残っている。
【０００３】
溶融ガラスから泡を除去する手段は化学的手法と物理的手法とに大別される。前者の代表的な方法として、ガラス原料中に清澄剤と呼ばれる微量添加物を含有させる方法がある。一方、後者の代表的な方法として、減圧または真空脱気を行いながらガラスを溶融する方法がある。
【０００４】
具体的に言うと、化学的手法については、多種多様なガラス製品の製造工程で高い清澄効果を発揮するＡｓ２Ｏ３が頻繁に使用されてきた。しかしながら、Ａｓ２Ｏ３は環境負荷の点で問題視されており、他の清澄剤への転換が急務となっている。そこで、これまで提案されてきた他の清澄剤の見直しや新たな清澄剤の開発が行われてきた。例として、Ｓｂ２Ｏ３、ＳｎＯ２等の金属酸化物、ＮａＣｌ等のハロゲン化物、Ｎａ２ＳＯ４等の硫酸塩などが検討されてきた。また、これらの固体清澄剤とは別に、ヘリウム等の希ガスを溶融ガラス中に含有させることで泡品位を向上させる方法についても検討が行われてきた。
【０００５】
特許文献１はガラスの清澄方法として初めてヘリウムに着目したものである。特許文献１には、ホウケイ酸ガラスに対してヘリウムを塩化ナトリウムとともに作用させることによって、溶融ガラスに対して清澄効果をもたらすことが示されている。特許文献２〜６には、ヘリウムが種々の組成のガラスに対して清澄効果を発揮することが示されている。
【０００６】
ヘリウムを溶融ガラス中に含有させる方法としては、ヘリウムを高濃度で含有する物質、あるいはヘリウムを含有するガラスカレットを原料として利用する方法や、溶融ガラスにヘリウムガスを接触させる方法などが挙げられる。
【０００７】
溶融ガラスにヘリウムガスを接触させる方法としては、ガラス溶融槽の上部雰囲気にヘリウムガスを導入する方法、ガス透過性を有する溶融槽でガラスを溶融し、溶融槽周囲をヘリウム雰囲気にする方法、あるいは耐火性ノズルを用いてヘリウムガスを溶融ガラス中にバブリングする方法などが挙げられる。溶融ガラスの上部雰囲気にヘリウムガスを導入する方法については、特許文献７に具体的な方法が記載されている。
【特許文献１】米国特許第３６２２２９６号公報
【特許文献２】特開２００３−３００７５０号公報
【特許文献３】特開２００４−２６９３４７号公報
【特許文献４】特開２００５−５３７０８号公報
【特許文献５】特開２００５−５３７１１号公報
【特許文献６】特開２００５−５３７１２号公報
【特許文献７】特開２００４−９１３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の溶融ガラスにヘリウムを接触させる方法のうち、溶融ガラスの上部雰囲気にヘリウムガスを導入する方法は、当該上部雰囲気におけるガラス溶融槽の壁面にヘリウムガス導入管を設置するという比較的簡便な方法で実施することができる。しかしながら、ヘリウムガスは通常、溶融ガラスの上部雰囲気中に存在するＮ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｏ２等の気体と比べて密度が小さいため、浮力により浮上してしまう。このため、ヘリウムガスは溶融ガラス表面に到達しにくいという問題がある。
【０００９】
特に、ガラス原料を連続的に投入して溶融を行う装置においては、溶融初期のガラス化反応によってＣＯ２等の分解ガスが大量に発生する。さらに、上方から溶融ガラスを燃焼火炎により加熱する場合は、当該燃焼火炎により発生する燃焼ガスも供給されることとなる。これらの分解ガスや燃焼ガスは、溶融ガラスの上部雰囲気中に設置された排気口より排出される。したがって、このような大量のガスが発生する溶融ガラス上部雰囲気にヘリウムガスを導入しても、当該上部雰囲気の上方に浮上するとともに希釈され、溶融ガラスとほとんど接触することなく排出口より排出されてしまう。
【００１０】
なお、大量のヘリウムを長時間連続的に供給し続けることができれば、溶融ガラスの上部雰囲気をヘリウムで完全に置換することも可能であるが、コストが非常に高くなってしまう。
【００１１】
以上のような従来技術の有する問題点に鑑み、本発明は、ヘリウムを効率良く溶融ガラスに含有させることによりガラス中の泡欠陥を減じ、高い泡品位を有するガラス製品を得ることが可能なガラス溶融方法およびガラスの溶融装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者等は、鋭意検討した結果、ガラス原料を溶融槽に投入し、加熱により溶融を行うガラス溶融方法において、ヘリウムを含有する特定の混合ガスを溶融ガラスの上部雰囲気に供給することにより、前記課題を解決できることを見出し、本発明として提案するものである。
【００１３】
すなわち、本発明は、ヘリウムを含有する混合ガスを溶融ガラスの上部雰囲気に供給する工程を含むガラス溶融方法であって、混合ガスの平均分子量が２１以上であることを特徴とするガラス溶融方法に関する。
【００１４】
このように、ヘリウム以外の他のガスを含有させて平均分子量を２１以上と大きくした混合ガスは、上部雰囲気中に存在する分解ガスや燃焼ガスと比較して、密度が同程度かそれ以上となる。そのため、溶融ガラスの上部雰囲気に導入された当該混合ガスは、純ヘリウムのように上方に浮上することがなく、効率良く溶融ガラス表面に接触するようになる。したがって、溶融ガラスに対する清澄効果を大きくすることができ、結果として、高い泡品位を有するガラス製品を得ることが可能となる。
【００１５】
第二に、本発明のガラス溶融方法において、混合ガスにおけるヘリウム含有量が１０体積％以上であることが好ましい。
【００１６】
溶融ガラスを効果的に清澄するためには、より多くのヘリウムを溶融ガラス表面に接触させることが好ましい。よって、混合ガスにおけるヘリウム含有量を１０体積％以上と大きくすることにより、清澄効果を高めることが可能となる。
【００１７】
第三に、本発明は、ヘリウムを含有する混合ガスを溶融ガラスの上部雰囲気に供給するための混合ガス供給手段を具備してなるガラス溶融装置であって、混合ガスの平均分子量が２１以上であることを特徴とするガラス溶融装置に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明のガラス溶融方法およびガラス溶融装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
本発明を大型の連続溶融装置に適用した実施形態を図１に示す。図１のガラス溶融装置は、ガラス原料をガラス化する溶融槽１と清澄を行う第一清澄槽２および第二清澄槽３を含んでなるものである。ガラス溶融装置の炉壁や天井部は耐火物Ｒで構成されている。なお、耐火物Ｒの材料は特に限定されず、公知の材料を使用することができる。また、耐火物成分の溶融ガラス中への汚染（溶出）が原因となって生じる脈理、異物などの発生を抑制するために、炉内の耐火物表面を白金で覆うことも可能である。
【００２０】
このガラス溶融装置では、まず予め均質に混合調製されたガラス原料（またはガラスカレット）Ｂが溶融槽１のガラス原料投入口４に据え付けられた原料投入機から投入される。投入されたガラス原料Ｂは、溶融槽１の上部に設置されたバーナー５と下部に設置された板状電極６の両加熱手段によって加熱され、溶融ガラスＧが生成する。また、混合ガス供給手段として、溶融槽１の出口側に溶解槽ガス導入管７が設置されており、溶解槽ガス導入管７からヘリウムを含有する混合ガスＡが供給される。これにより、溶融槽出口付近において混合ガスＡが溶融ガラスＧ表面に接触し、ヘリウムが溶融ガラスＧ中に導入され、溶解、拡散する。なお、混合ガス供給手段は特に限定されず、ガス導入管のほかに多孔性耐火物などを用いることができる。
【００２１】
本実施形態では、溶融ガラスＧは溶融槽１に連結したスロート８を通過し第一清澄槽２に流入し、第一清澄槽２にてさらに清澄が行われる。このように、溶融槽１での清澄を経た後、別途設けられた第一清澄槽２にて清澄を行うことにより、より清澄効果を高めることが可能となる。
【００２２】
第一清澄槽２において、溶融ガラスＧは棒状電極９により加熱される。第一清澄槽２には第一清澄槽ガス導入管１０が設置されており、第一清澄槽ガス導入管１０よりヘリウムを含有する混合ガスＡが供給され、さらに清澄が促進される。また、必要に応じて、既述の他の清澄剤を併用することにより、清澄をさらに促進させることも可能である。ただし、Ａｓ２Ｏ３およびＳｂ２Ｏ３は環境負荷物質であるため、実質的に含有しない（例えば、ガラス組成中に０．１質量％以下）ことが好ましい。
【００２３】
第一清澄槽２における溶融ガラスＧの上部雰囲気にはガラス化反応による分解ガスやバーナー等の加熱手段から発生する燃焼ガスはほとんど存在しない。しかしながら、もともと雰囲気中に存在する空気や外部から混入する空気、あるいは溶融ガラス表面において発生する揮発成分等の影響を受けることとなる。よって、本発明の手法は、第一清澄層２においてもその効果は大きい。
【００２４】
なお、第一清澄槽２においては、外部からの混入ガスが少ない場合には、ヘリウムを含有する混合ガスではなく純ヘリウムを用いた方が有利な場合もある。よって、ガラス製品の泡欠陥の状態を見ながら、いずれのガスを使用するかを決定するのが好ましい。これによって、液晶用板ガラスのように、極めて厳しい泡品位が要求されるガラス製品にも対応することができる。
【００２５】
第一清澄槽２を経た溶融ガラスＧは、さらに第二清澄槽３で清澄が行われる。しかし、第一清澄槽２で十分な清澄が行われれば、第二清澄槽３を省くことも可能である。
【００２６】
次に、溶融ガラスＧは第二清澄槽３に連結したフィーダー１２において、スターラー１３にて撹拌することにより脈理等の不均質部分が除去される。その後、成形部（図示せず）でガラスの成形が連続的に行われる。
【００２７】
本発明において、清澄に用いられる混合ガスの分子量は２１以上、好ましくは３０以上、より好ましくは３５以上、さらに好ましくは４０以上である。混合ガスの分子量が２１未満であると、溶融槽あるいは清澄槽において上部雰囲気の上方に浮上してしまい、溶融ガラス表面に接触しにくくなる。その結果、十分な清澄効果が得られにくく、ガラス製品の泡品位に劣る傾向がある。混合ガスの分子量の上限は特に限定されないが、大きすぎると相対的にヘリウムガスの含有量が少なくなり清澄効果に劣る傾向があるため、好ましくは１１０以下、より好ましくは８０以下、さらに好ましくは６０以下である。
【００２８】
混合ガス中のヘリウムの含有量は、好ましくは１０体積％以上、より好ましくは３０体積％以上、さらに好ましくは５０体積％以上である。ヘリウムの含有量が１０体積％未満であると、十分な清澄効果が得られにくく、ガラス製品の泡品位に劣る傾向がある。
【００２９】
混合ガスにおいて、ヘリウムと混合するガスとしては、溶融ガラスの上部雰囲気にもともと存在するガスと同程度またはそれ以上の分子量を持ち、かつ高温で安定であることが好ましい。これらの条件に該当するガスの例としては、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガスのほかに、ＣＯ２、ＣＦ４、ＳＦ６等のガスが挙げられる。なかでも、分子量が十分に大きく、高温での安定性にも優れることから、ＫｒまたはＸｅを用いることが好ましい。
【００３０】
混合ガス供給手段の位置は、溶融ガラスの表面に近いほどヘリウムを溶融ガラスに接触させやすいため好ましい。具体的には、混合ガス供給手段の位置は、好ましくは溶融ガラス表面から高さ０．３ｍ以下、より好ましくは０．２ｍ以下、さらに好ましくは０．１ｍ以下である。清澄効果を向上させるため、混合ガス供給手段は複数設置してもよい。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の効果を数値流体解析を用いて検証した例を説明する。この解析では、ガスの密度差によってもたらされる対流と、各ガス成分間の相互拡散が考慮されており、実炉におけるガスの移動現象を十分理解できる程度に再現できるものである。
【００３２】
（実施例１）
図２は、図１のガラス溶融装置における溶融槽１の溶融ガラス表面より上部の構造を示した模式図である。溶融槽上部構造２０の寸法は、長さ２ｍ、幅１ｍ、高さ１ｍとした。
【００３３】
溶融槽上部構造２０には、ガラス原料投入口２１からガラス原料Ｂが投入され、長さ１ｍの領域に渡って未溶解のガラス原料Ｂが溶融ガラスを覆っている。ここで、ガラス原料Ｂは、７２ＳｉＯ２−２Ａｌ２Ｏ３−４ＭｇＯ−８ＣａＯ−１４Ｎａ２Ｏの組成を含有する溶融ガラスが得られるように原料が調合されており、ガラス原料投入口２１から投入され、１５０ｋｇ／ｈの流量で溶融ガラスが生成する。このとき、２９．４ｋｇ／ｈの速度でＣＯ２ガスＣが未溶解のガラス原料Ｂから放出されるものとした。
【００３４】
加熱方法は、溶融ガラス中の直接通電および上部に設置したヒーター（いずれも図示せず）による間接加熱方式であり、上部雰囲気は１５００℃に保たれている。上部雰囲気に存在する主要なガスはＣＯ２である。ここで、ガラス原料投入口１５の反対側の側壁にて、溶融ガラス表面２４より高さ０．０５ｍの位置に設置されたガス導入管２２より、ヘリウムとキセノンの混合ガス（平均分子量６７．７、ヘリウムの含有量５０体積％）を３Ｎｍ３／ｈの流量で導入した。上部雰囲気における過剰なガスは、ガラス原料投入口２１の上方に取り付けられたガス排出管２３より排出される。溶融ガラス表面２４におけるヘリウムの濃度分布を図４に示す。
【００３５】
（比較例１）
混合ガスの代わりに純ヘリウム（平均分子量４）を用いた以外は、実施例１と同様に解析を行った。溶融ガラス表面２４におけるヘリウムの濃度分布を図４に示す。
【００３６】
（実施例２）
混合ガスとしてヘリウムとキセノンの混合ガス（平均分子量４２．２、ヘリウムの含有量７０体積％）を用い、実施例１と同様に解析を行った。なお、本実施例では、図３に示すように、ガス導入管２２の上部に、長さ０．８ｍ、幅１ｍの仕切り板２５を溶融ガラス表面２４より高さ０．１ｍの位置に設けた。仕切り板２５は、混合ガスの浮上を抑制し、溶融ガラス表面２４に接触しやすくするために設けるものである。溶融ガラス表面２４におけるヘリウムの濃度分布を図５に示す。
【００３７】
（比較例２）
混合ガスの代わりに純ヘリウムを用いた以外は、実施例２と同様に解析を行った。溶融ガラス表面２４におけるヘリウムの濃度分布を図５に示す。
【００３８】
図４および５から明らかなように、ヘリウムとキセノンの混合ガスを用いた実施例１および２は、純ヘリウムを用いた比較例１および２と比較して、溶融ガラス表面におけるヘリウム濃度を広範囲において高く維持できることがわかる。これにより、清澄効果の向上が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のガラス溶融方法およびガラス溶融装置は、例えば液晶表示素子の基板用板ガラスやプラズマディスプレイ用途の板ガラス、固体撮像素子収納パッケージのカバーガラス、液晶表示ディスプレイに搭載されるバックライト用管ガラス、高強度結晶化ガラス、光部品用途の各種レンズ部品、低融点粉末ガラス等のガラス製品の製造に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のガラス溶融装置の一実施形態を示す側断面図である。
【図２】図１のガラス溶融装置における溶融槽の溶融ガラス表面より上部の構造を示す模式図である。
【図３】図１のガラス溶融装置における溶融槽の溶融ガラス表面より上部の構造の別の形態を示す模式図である。
【図４】実施例１および比較例１における溶融ガラス表面のヘリウム濃度分布を示すグラフである。
【図５】実施例２および比較例２における溶融ガラス表面のヘリウム濃度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１    溶融槽
２    第一清澄槽
３    第二清澄槽
４    ガラス原料投入口
５    バーナー
６    板状電極
７    溶融槽ガス導入管
８    スロート
９    棒状電極
１０  第一清澄槽ガス導入管
１１  ガス排出管
１２  フィーダー
１３  スターラー
２０  溶融槽上部構造
２１  ガラス原料投入口
２２  ガス導入管
２３  ガス排出管
２４  溶融ガラス表面
２５  仕切り板
Ａ    ヘリウム含有混合ガス
Ｂ    ガラス原料
Ｃ    ＣＯ２ガス
Ｇ    溶融ガラス
Ｒ    耐火物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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