(57)【要約】      （修正有）【課題】溶融ガラスに含まれる気泡を除去して高品質なガラスを製造することができる溶融ガラスの撹拌装置及び溶融ガラスの撹拌方法を提供する。【解決手段】溶融ガラスＧを収容する容器１１０と、容器１１０内に挿入される回転軸１３０と、回転軸１３０に取り付けられ、回転軸１３０に沿って溶融ガラスＧに上昇流又は下降流を発生させる撹拌翼１４０と、撹拌翼１４０よりも上側もしくは撹拌翼１４０と同じ高さに取り付けられた整流体１５０と、を備えることを特徴とする溶融ガラスの撹拌装置。【選択図】図１
2014237554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融ガラスを収容する容器と、
前記容器内に挿入される回転軸と、
前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸に沿って前記溶融ガラスに上昇流又は下降流を発生させる撹拌翼と、
前記撹拌翼よりも上側もしくは前記撹拌翼と同じ高さに取り付けられた整流体と、
を備えることを特徴とする溶融ガラスの撹拌装置。
【請求項２】
前記整流体は、
前記溶融ガラスを撹拌する際に、上端が前記溶融ガラスの液面より下となるように前記回転軸に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の溶融ガラスの撹拌装置。
【請求項３】
前記整流体は、錐台形または円筒であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の溶融ガラスの撹拌装置。
【請求項４】
前記容器は、ポット炉であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の溶融ガラスの撹拌装置。
【請求項５】
容器に収容された溶融ガラスを、
前記容器内に挿入される回転軸と、前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸に沿って前記溶融ガラスに上昇流又は下降流を発生させる撹拌翼と、前記撹拌翼よりも上側もしくは前記撹拌翼と同じ高さに取り付けられた整流体と、を備える撹拌装置により撹拌することを特徴とする溶融ガラスの撹拌方法。
【請求項６】
前記整流体の上端が前記溶融ガラスの液面より下となる状態で、前記容器に収容されている溶融ガラスを撹拌することを特徴とする請求項５に記載の溶融ガラスの撹拌方法。
【請求項７】
前記整流体は、錐台形であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の溶融ガラスの撹拌方法
【請求項８】
前記容器は、ポット炉であることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の溶融ガラスの撹拌方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融ガラスの撹拌装置及び溶融ガラスの撹拌方法に関し、特に、半導体分野や光学ガラスに使用される高品質なガラスを製造することができる溶融ガラスの撹拌装置及び溶融ガラスの撹拌方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラのレンズや液晶ディスプレイ、半導体分野等に用いられる光学ガラスでは、高品質なガラスが求められる。ここで、高品質とは、一般に、均質性が高く、気泡の少ないことをいう。均質性が低いと、局所的にガラスの組成が他の箇所と異なる脈理（ストリエ、コード、パネリングと称されることもある）が発生する。このように、局所的にガラスの組成が他の箇所と異なるとガラスの屈折率にも差が生じる。このため、光学ガラスに適さなくなる。また、気泡が含まれていると、気泡の屈折率がガラスと異なるため光学ガラスに適さない。
【０００３】
そこで、従来のガラスの製造では、溶融ガラスに含まれる泡を取り除く清澄と呼ばれる工程の後、溶融ガラスを撹拌してガラスを均質化している。しかしながら、清澄により、気泡を取り除いても、その後の撹拌工程において、溶融ガラスに気泡が生じることがある。このため、従来の撹拌装置には、溶融ガラスを撹拌する螺旋翼の傾斜角を最適化することにより、撹拌中に溶融ガラスに気泡が生じないようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３４５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、清澄後の溶融ガラスにも気泡が含まれていることがある。特に、小さな気泡は、浮上速度が熱対流による溶融ガラスの流れ速度よりも遅いため、清澄工程で取り除ききれない場合がある。特許文献１に開示される発明では、撹拌により溶融ガラスに気泡が新たに生じないようにすることについては言及されているものの、すでに溶融ガラスに含まれている気泡を除去することについては言及がない。このため、清澄後の溶融ガラスに気泡が含まれていた場合に気泡を取り除くことが困難である。
【０００６】
また、ポット炉では、撹拌工程と清澄工程を同じ炉内で実施する。撹拌工程では、撹拌翼を回転させるが、清澄工程では、溶融ガラスの対流が気泡の浮上を妨げないように、撹拌翼の回転を止めるか回転速度を遅くする必要がある。つまり、従来のポット炉では、撹拌工程と清澄工程を同時に実施することができず、製造に必要な時間（リードタイム）が長い。
【０００７】
本発明は、上記の事情に対処してなされたものであり、溶融ガラスに含まれる気泡を除去して高品質なガラスを製造することができる溶融ガラスの撹拌装置及び溶融ガラスの撹拌方法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】
【０００８】
本発明の溶融ガラスの撹拌装置は、溶融ガラスを収容する容器と、容器内に挿入される回転軸と、回転軸に取り付けられ、回転軸に沿って溶融ガラスに上昇流又は下降流を発生させる撹拌翼と、撹拌翼よりも上側もしくは撹拌翼と同じ高さに取り付けられた整流体と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、回転軸に沿って溶融ガラスに上昇流又は下降流を発生させる撹拌翼よりも上側もしくは撹拌翼と同じ高さに整流体を取り付けたので、溶融ガラスに含まれる気泡を除去して高品質なガラスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る溶融ガラスの撹拌装置の構成図である。
【図２】実施形態に係る溶融ガラスの撹拌装置における溶融ガラスの流れを示す模式図である。
【図３】比較例に係る溶融ガラスの撹拌装置における溶融ガラスの流れを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施形態）
【００１２】
図１は、実施形態に係る溶融ガラスの撹拌装置１００の構成図である。図１（ａ）は、溶融ガラスの撹拌装置１００の部分断面図、図１（ｂ）は、溶融ガラスの撹拌装置１００の平面図である。溶融ガラスの撹拌装置１００は、炉体１１０と、ヒータ１２０と、回転軸１３０と、撹拌翼１４０と、整流体１５０と、駆動装置１６０と、ノズル１７０とを備える。
【００１３】
炉体１１０は、ガラス原料（珪砂(けいしゃ)、ソーダ灰、石灰石など）を溶融して溶融ガラスを得るための容器である。炉体１１０は、耐熱性に優れる材料、例えば、白金（Ｐｔ）や白金（Ｐｔ）とロジウム（Ｒｈ）との合金で構成されている。ヒータ１２０は、炉体１１０及び炉体１１０内に収容されているガラス原料を加熱する。撹拌翼１４０及び整流体１５０は、回転軸１３０に取り付けられている。
【００１４】
撹拌翼１４０は、回転軸１３０とともに回転し、溶融ガラスＧを撹拌する。この時、撹拌翼１４０は、回転軸１３０に沿って溶融ガラスＧに上昇流又は下降流を発生させる。撹拌翼１４０の表面は、耐熱性に優れる材料、例えば、白金（Ｐｔ）や白金（Ｐｔ）とロジウム（Ｒｈ）との合金で被覆されている。
【００１５】
なお、撹拌翼１４０の形状は、溶融ガラスＧにせん断力を加えて均質化し、回転軸１３０に沿って溶融ガラスＧに上昇流又は下降流を発生させる構成であればよい。例えば、撹拌翼１４０を螺旋翼（スクリュー翼）としてもよい。また、この実施形態では、撹拌翼１４０を８枚備えている。しかし、溶融ガラスＧにせん断力を加えて均質化し、回転軸１３０に沿って溶融ガラスＧに上昇流又は下降流を発生させることができれば、撹拌翼１４０の枚数や形状は任意である。
【００１６】
整流体１５０は、撹拌翼１４０により溶融ガラスＧに発生した上昇流又は下降流を整流し、溶融ガラスＧを液面Ｓ近くまで循環させる。このため、整流体１５０は、撹拌翼１４０よりも上側もしくは撹拌翼１４０と同じ高さに取り付けることが好ましく、溶融ガラスＧを撹拌する際に、上端１５０ａが溶融ガラスＧの液面Ｓより下となるように回転軸１３０に取り付けることがより好ましい。なお、整流体１５０は、回転軸１３０でなく炉体１１０やその他の支持機構に取り付けてもよい。
【００１７】
駆動装置１６０は、例えば、モータであり、回転軸１３０を回転動作させる。ノズル１７０は、撹拌後の溶融ガラスＧを後工程（成型工程）へ流出させる。
【００１８】
（整流体１５０の効果）
次に、図２を参照して、整流体１５０の効果について説明する。上述したように、撹拌翼１４０が回転すると、回転軸１３０に沿って溶融ガラスＧに上昇流又は下降流が発生する。図２には、回転軸１３０に沿って上昇流が発生する場合を示した。なお、図２では、溶融ガラスＧの流れを表すために整流体１５０を断面図とした。
【００１９】
図２に示すように、回転軸１３０に沿って溶融ガラスＧに生じた上昇流は、整流体１５０により整流され液面Ｓ近くまで到達する。そして、溶融ガラスＧは、整流体１５０の上端１５０ａを乗り越えて、整流体１５０の内周側から外周側に向けて流れ、整流体１５０と炉体１１０との間を下降する流れとなる。つまり、整流体１５０により液面Ｓ近くまで溶融ガラスＧを撹拌することができる。このため、炉体１１０内の溶融ガラスＧ全体を効率的に撹拌することができる。また、溶融ガラスＧ全体を効率的に撹拌することができるので、局所的にガラスの組成が他の箇所と異なる、いわゆる脈理が発生することを抑制することができる。
【００２０】
また、溶融ガラスＧが液面Ｓ近くまで上昇するため、溶融ガラスＧ内に含まれている気泡が除去されやすい。このため、成形後のガラス内に気泡が残るのを抑制することができる。この結果、脈理や気泡の少ない高品質なガラスを得ることができる。
【００２１】
なお、整流体１５０の高さＨ１が高すぎると、溶融ガラスＧが整流体１５０の上端１５０ａを乗り越える際の圧力損失が大きくなるため、撹拌翼１４０により溶融ガラスＧに生じる上昇流又は下降流が液面Ｓまで伝達されにくくなる。このため、整流体１５０の高さＨ１は、溶融ガラスＧの深さＨ２（溶融ガラスＧの液面Ｓから炉体１１０の底１１０Ｂまで）の半分以下であることが好ましく、３分の１（１／３）以下であることがより好ましい。
【００２２】
また、整流体１５０の内径Ｄ１が小さすぎると、溶融ガラスＧが整流体１５０内を通り抜ける際の圧力損失が大きくなるため、撹拌翼１４０により溶融ガラスＧに生じる上昇流又は下降流が液面Ｓまで伝達されにくくなる。このため、整流体１５０の内径Ｄ１は、炉体１１０の内径Ｄ２の３分の１（１／３）以上であることが好ましい。
【００２３】
さらに、整流体１５０と炉体１１０の内壁との隙間（クリアランス）Ｗが小さいと、溶融ガラスＧが整流体１５０内を通り抜ける際の圧力損失が大きくなるため、撹拌翼１４０により溶融ガラスＧに生じる上昇流又は下降流が液面Ｓまで伝達されにくくなる。このため、整流体１５０と炉体１１０の内壁との隙間（クリアランス）Ｗは、３０ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２４】
なお、図１〜図２では、整流体１５０の形状を円筒形としているが、回転軸１３０に沿って溶融ガラスＧに生じた上昇流又は下降流を液面Ｓ近くまで伝達することができれば、他の形状であってもよい。他の形状としては、例えば、四角形や五角形等、多角形の筒状体や、錐台形（円錐台形及び多角錐台形を含む）が考えられる。
【００２５】
また、複数の板を筒状に並べることで整流体を構成してもよい。この場合、複数の板は、回転軸１３０と平行または垂直な方向に間隔を備えていてもよい。溶融ガラスＧは粘性を有するため、整流体１５０に多少の隙間があったとしても、整流する機能に支障がないためである。また、整流体１５０は、上下方向に複数個を備えてもよい。
【００２６】
次に、比較例の撹拌装置１００Ａについて、図３を参照して説明する。なお、図１〜図２を参照して説明した構成と同じ構成には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２７】
図３に示すように、比較例の撹拌装置１００Ａは、整流体１５０を備えていない。このため、撹拌翼１４０により溶融ガラスＧに発生する上昇流又は下降流は、炉体１１０の内表面近傍に位置する前記上昇流又は下降流に対向する流れに引っ張られることですぐに拡散してしまい、液面Ｓまで上昇流又は下降流が伝達されない。
【００２８】
これは、溶融ガラスＧに慣性力がほとんど働かないことに起因する。一般に、流体は、粘性が高くなると慣性力が弱くなり圧力の波が伝搬しにくくなる。溶融ガラスＧは、粘性が非常に高いため、圧力の波が伝搬せず、撹拌翼１４０から離れた場所の溶融ガラスＧを動かすことは難しい。特に、シリカ系の溶融ガラスは、リン酸系の溶融ガラスに比べて粘性が高いため、撹拌翼１４０から離れた場所の溶融ガラスＧを動かすことは困難である。
【００２９】
すなわち、整流体１５０を備えない撹拌装置１００Ａでは、液面Ｓ近くまで溶融ガラスＧを撹拌することができないため、局所的にガラスの組成が他の箇所と異なる、いわゆる脈理が発生しやすくなる。また、溶融ガラスＧが液面Ｓ近くまで上昇しないため、溶融ガラスＧ内に含まれている気泡が除去されにくい。このため、成形後のガラスに脈理や気泡が生じやすい。
【００３０】
以上のように、実施形態に係る溶融ガラスの撹拌装置１００は、整流体１５０を備えているので、回転軸１３０に沿って溶融ガラスＧに生じた上昇流が整流体１５０により液面Ｓ近くまで伝達される。そして、溶融ガラスＧは、整流体１５０の上端１５０ａを乗り越えて、整流体１５０の内周側から外周側に向けて流れ、整流体１５０と炉体１１０との間を下降する流れとなる（なお、下降流の場合は、逆の流れとなる）。このため、炉体１１０内の溶融ガラスＧ全体を効率的に撹拌することができる。この結果、局所的にガラスの組成が他の箇所と異なる、いわゆる脈理が発生することを抑制することができる。
【００３１】
また、溶融ガラスＧが液面Ｓ近くまで上昇するため、溶融ガラスＧ内に含まれている気泡が除去されやすい。このため、成形後のガラス内に気泡が残るのを抑制することができる。この結果、脈理や気泡の少ない高品質なガラスを得ることができる。
【００３２】
さらに、整流体１５０の高さＨ１を、溶融ガラスＧの深さＨ２（溶融ガラスＧの液面Ｓから炉体１１０の底１１０Ｂまで）の半分以下、より好ましくは、３分の１（１／３）以下としているので、溶融ガラスＧが整流体１５０の上端１５０ａを乗り越える際の圧力損失が小さく、撹拌翼１４０により溶融ガラスＧに生じる上昇流又は下降流が液面Ｓまで伝達されやすい。
【００３３】
また、整流体１５０の内径Ｄ１を、炉体１１０の内径Ｄ２の３分の１（１／３）以上としているので、溶融ガラスＧが整流体１５０内を通り抜ける際の圧力損失が小さく、撹拌翼１４０により溶融ガラスＧに生じる上昇流又は下降流が液面Ｓまで伝達されやすい。
【００３４】
また、整流体１５０と炉体１１０の内壁との隙間（クリアランス）Ｗを、３０ｍｍ以上としているので、溶融ガラスＧが整流体１５０内を通り抜ける際の圧力損失が小さく、溶融ガラスＧに生じる上昇流又は下降流が拡散しにくい。このため、撹拌翼１４０により溶融ガラスＧに生じる上昇流又は下降流が液面Ｓまで伝達されやすく、溶融ガラスＧを液面Ｓ近くまで循環させることができる。
【００３５】
なお、図２では、回転軸１３０に沿って上昇流が発生する場合を示したが、回転軸１３０に沿って下降流が発生するようにしてもよい。
この場合、回転軸１３０に沿って溶融ガラスＧに生じた下降流は、炉体１１０の底部に向けて降下し、炉体１１０の内面側壁に沿って上昇流となる。そして、炉体１１０の内面側壁に沿って溶融ガラスＧに生じた上昇流は、整流体１５０により整流されて液面Ｓ近くまで到達する。そして、溶融ガラスＧは、整流体１５０の上端１５０ａを乗り越えて、整流体１５０の外周側から内周側に向けて流れ、整流体１５０と回転軸１３０との間を下降する流れとなる。
【００３６】
つまり、整流体１５０により液面Ｓ近くまで溶融ガラスＧを撹拌することができる。このため、炉体１１０内の溶融ガラスＧ全体を効率的に撹拌することができる。また、溶融ガラスＧ全体を効率的に撹拌することができるので、局所的にガラスの組成が他の箇所と異なる、いわゆる脈理が発生することを抑制することができる。
【００３７】
なお、炉体１１０として、連続炉ではなく、ポット炉を用いる場合、溶融ガラスＧの液面Ｓ近くに存在する溶融ガラスの流出を抑制することができる。溶融ガラスＧを炉体１１０の底部に設けられたノズル１７０から流出すると、液面Ｓは徐々に降下する。液面Ｓが整流体１５０の上端１５０ａの近傍に達すると、撹拌翼１４０により生じた溶融ガラスＧの動きは、上端１５０ａを乗り越える際の圧損が大きくなるため、上端１５０ａを通過することなく、液面Ｓ整流体１５０の近傍に停滞する。そして、液面Ｓが整流体１５０の下端１５０ｂを通過するまでの間、液面Ｓ近傍の溶融ガラスＧは、溶融ガラスＧの流れに混ざり込むことがない。
【００３８】
そのため、ノズル１７０から流出される溶融ガラスＧは、溶融ガラスＧの液面Ｓ近くに存在する揮発により異質化された可能性のある溶融ガラスの流出を抑制され、液面Ｓより下方の均質性の高い溶融ガラスＧのみとなり、高品質のガラスを製造することができる。
【実施例】
【００３９】
次に、実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。なお、以下の実施例では、実際の溶融炉（以下、実炉と称する）ではなく、実炉を模した実験炉を使用している。この実験炉では、溶融ガラスの代わりに流体として水あめを使用した。なお、実施例では、実験炉における水あめと実炉における溶融ガラスの粘性が同一となるように調整済みである。
【００４０】
（実施例）
実施例では、図１〜図２を参照して説明した溶融ガラスの撹拌装置１００と略同じ構成の実験炉を用いた。溶融ガラスの撹拌装置１００と実験炉との違いについて説明する。実験炉は、ヒータ１２０を備えていない点、炉体１１０がアクリルからなる点、撹拌翼１４０がＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）からなる点、及びノズル１７０を備えていない点が溶融ガラスの撹拌装置１００と異なる。
【００４１】
また、炉体１１０は、内径Ｄ２が２７０ｍｍ、高さが３５０ｍｍである。整流体１５０は、内径Ｄ１が９３．６ｍｍ、高さＨ１が３０ｍｍ、液面Ｓから上端１５０ａまでの距離（クリアランス）が３３ｍｍである。
【００４２】
炉体１１０内に水あめ（無色透明）を入れ、撹拌翼１４０及び整流体１５０を水あめに浸漬した後、トレーサー（赤色に着色）を炉体１１０内の各所に投入した。その後、撹拌翼１４０を回転させた。なお、回転軸１３０の回転速度は、毎分２０回転（２０ｒｐｍ）とした。
【００４３】
撹拌開始後に、トレーサーを確認したところ、トレーサーが均質化されながら、つまり水あめと混ざりながら液面Ｓまで到達することが確認された。また、回転軸１３０に沿って水あめに生じた上昇流又は下降流が整流体１５０により液面Ｓ近くまで伝達されていることがわかった。このことから、炉体１１０内の水あめ全体が効率的に撹拌されていることがわかった。
【００４４】
（比較例）
次に、比較例について説明する。この比較例では、上記実施例で使用した撹拌装置から整流体１５０を取り外したものを使用した。その他の条件（寸法、材質、撹拌翼の回転速度等）は、上記実施例と同じである。
【００４５】
撹拌開始後に、トレーサーを確認したところ、回転軸１３０に沿って水あめに生じた上昇流又は下降流は、最上段の撹拌翼を離れるとすぐに上昇又は下降し、液面Ｓ近くまで伝達されていないことがわかった。このことから、炉体１１０内の水あめ全体が効率的に撹拌されていないことがわかった。
【００４６】
以上のように、本発明の溶融ガラスの撹拌装置及び撹拌方法によれば、局所的にガラスの組成が他の箇所と異なる、いわゆる脈理が発生することを抑制できることがわかった。また、溶融ガラスが液面近くまで上昇するため、溶融ガラス内に含まれている気泡が除去されやすい。このため、成形後のガラス内に気泡が残るのを抑制することができることがわかった。この結果、脈理や気泡の少ない高品質なガラスを得ることができるがわかった。なお、上記実施例では水あめを用いたが、実炉においても実施例と同様の結果を得られることは容易に推考される。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の溶融ガラスの撹拌装置及び溶融ガラスの撹拌方法は、ガラスの製造、特に、高い品質が求められる液晶ディスプレイや半導体分野等で使用される光学ガラスの製造に好適である。
【符号の説明】
【００４８】
１００，１００Ａ…撹拌装置、１１０…炉体、１１０Ｂ…底、１２０…ヒータ、１３０…回転軸、１４０…撹拌翼、１５０…整流体、１５０ａ…上端、１５０ｂ…下端、１６０…駆動装置、１７０…ノズル。
【図１】
2014237554.tif 000003
【図２】
2014237554.tif 000004
【図３】
2014237554.tif 000005