(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融ガラスを収容する炉体と、前記炉体の上部に配置され、ガラス原料粒子を前記炉体の内側に投入する原料粒子投入部と、前記原料粒子投入部と離隔して設けられ、かつ前記ガラス原料粒子を加熱溶融して溶融ガラス粒子にするための加熱気相雰囲気を前記原料粒子投入部の下方に形成する燃焼バーナーと、を備え、前記原料粒子投入部が、原料粒子投入管と、該原料粒子投入管の周囲に配置された気体供給管とを備えるガラス溶融炉。
【請求項２】
前記燃焼バーナーの先端部が、前記原料粒子投入部の投入口と少なくとも水平方向に離隔しかつ別体で設けられている請求項１に記載のガラス溶融炉。
【請求項３】
前記燃焼バーナーの先端部が、前記原料粒子投入部の投入口の周囲に下向きに設置されている請求項１または２に記載のガラス溶融炉。
【請求項４】
前記ガラス原料粒子が前記原料粒子投入部に入る手前および前記原料粒子投入部のうち少なくとも一箇所に、前記ガラス原料粒子を予熱する原料粒子予熱手段を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
【請求項５】
前記燃焼バーナーを複数備え、これら複数の燃焼バーナーの先端部が前記原料粒子投入部の投入口の周囲に、該原料粒子投入部を中心とする円周上に配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
【請求項６】
前記原料粒子投入部が、さらに前記ガラス原料粒子の投入位置とは別の位置にカレット片を投入するガラスカレット投入部を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
【請求項７】
前記気体供給管が前記原料粒子投入管の先端部の外周に気体を吹き付ける気体供給管である請求項１〜６のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
【請求項８】
前記燃焼バーナーが、前記原料粒子投入部での鉛直下向きの原料粒子投入軸に対して、当該燃焼バーナーによる燃焼炎のなす角度αが０度≦α≦４５度となるように設置されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
【請求項９】
燃焼バーナーの燃焼炎により加熱気相雰囲気を形成し、該加熱気相雰囲気の上方に前記燃焼バーナーとは別体で設けた原料粒子投入部から、目的のガラスの組成に合わせて原料粉末を混合したガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気中に送ることによって、前記ガラス原料粒子を溶融させて溶融ガラス粒子とする際に、原料粒子投入管と、該原料粒子投入管の周囲に配置された気体供給管とを備える前記原料粒子投入部から前記ガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気中に送る溶融ガラスの製造方法。
【請求項１０】
前記原料粒子投入部の投入口が前記燃焼バーナーの先端部と少なくとも水平方向に離隔しかつ別体で設けられることによって、前記ガラス原料粒子が前記原料粒子投入部の投入口から離れたところで燃焼炎と接触する請求項９に記載の溶融ガラスの製造方法。
【請求項１１】
前記ガラス原料粒子は、重量平均粒径が３０〜１０００μｍの範囲である請求項９または１０に記載の溶融ガラスの製造方法。
【請求項１２】
前記ガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気に送る前に、該ガラス原料粒子を予め加熱する請求項９または１０に記載の溶融ガラスの製造方法。
【請求項１３】
前記ガラス原料粒子は、重量平均粒径が５０〜３０００μｍの範囲である請求項１２に記載の溶融ガラスの製造方法。
【請求項１４】
前記原料粒子投入部の投入口の周囲に、該投入口を中心とする円周上に配置した前記燃焼バーナーの先端部から燃焼炎を噴出する請求項９〜１３のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法。
【請求項１５】
前記原料粒子投入部の一部から、前記ガラス原料粒子の投入位置とは別の位置でガラスカレット片を投入する請求項９〜１４のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法。
【請求項１６】
前記原料粒子投入管の先端の外周から前記気体供給管により下方に気体を噴出する請求項９〜１５のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法。
【請求項１７】
前記原料粒子投入部での鉛直下向きの原料粒子投入軸に対して、燃焼炎のなす角度αが０度≦α≦４５度となるように、前記燃焼バーナーから下向きに燃焼炎を噴出する請求項９〜１６のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法。
【請求項１８】
請求項９〜１７のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法を用いて溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを成形する工程と、成形後のガラスを徐冷する工程と、を含むガラス物品の製造方法。
【請求項１９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のガラス溶融炉と、該ガラス溶融炉により製造された溶融ガラスを成形する成形手段と、成形後のガラスを徐冷する徐冷手段とを備えるガラス物品の製造装置。
【請求項２０】
請求項９〜１７のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法を用いて溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを冷却する工程と、を含むガラスビーズの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス溶融炉、溶融ガラスの製造方法、ガラス物品の製造方法およびガラス物品の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、板ガラス、瓶ガラス、繊維ガラスを始めとして表示装置用ガラスに至るまで、量産規模のガラスの多くはガラス原料をガラス溶融炉（以下、単に「溶融炉」とも呼ぶ。）にて溶融するシーメンス型の溶融炉（Siemens type furnace）に基づき生産されている。シーメンス型の溶融炉による溶融法では、粉末状ガラス原料の混合物を、溶融炉で先に溶融したガラス融液面上に投入し、それが塊（以下「バッチ」ともいう。）となったものをバーナーなどにより加熱してその表面から融解を進行させ、徐々にガラス融液とする。このとき、融液上のバッチは、反応あるいは溶融しやすい物質から順次溶け出るため、原料層内に難溶融性物質が形成されやすい。また、同様の理由で、融液形成の初期状態においては、局所的に見るとバッチと組成が異なったガラス融液が生じ、融液の不均一化が生じやすい。さらに、シーメンス型の溶融炉は大量のエネルギーを必要とするため、溶融炉の消費エネルギー削減が望まれている。最近では、表示装置用途のガラス板として高品質、高付加価値のガラス物品の需要が増大の一途にあり、エネルギー消費も増大しており、ガラス物品の製造にかかる省エネルギー技術の開発は重要かつ緊急の課題とされている。【０００３】
このような背景から、省エネルギー型のガラス製造技術の一例として、ガラス原料の混合物からなる微細粒子（造粒体）を高温の気相雰囲気中で加熱し溶かして溶融ガラス粒子とし、次いで溶融ガラス粒子を集積して液体相（ガラス融液）を形成するガラス物品の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。なお、以下では、この溶融ガラスの製造方法を、気中溶融法（in-flight glass melting method）と呼ぶこととする。この気中溶融法によれば、従来のシーメンス型の溶融炉による溶融法と比較して、ガラス溶融工程の消費エネルギーを１／３程度まで低減できると言われており、短時間で溶融が可能になり、溶融炉の小型化、蓄熱室の省略、品質の向上、ＣＯ２の削減、ガラス品種の変更時間の短縮化を図ることができる技術として注目されている。【０００４】
図１０は特許文献１に記載の溶融炉を示す断面模式図である。特許文献１の溶融炉１００は、高温の気相雰囲気Ｋ１００を形成する加熱手段として、複数本のアーク電極１０２と酸素燃焼ノズル１０３を備えている。これら複数のアーク電極１０２が形成する熱プラズマアークまたは酸素燃焼ノズル１０３による酸素燃焼炎（フレーム）Ｆ１００によって炉体１０１内に約１６００℃以上の高温の気相雰囲気Ｋ１００を形成する。この高温の気相雰囲気Ｋ１００中に、ガラス原料粒子Ｒ１００を投入することにより、高温の気相雰囲気Ｋ１００内でガラス原料粒子Ｒ１００を液状ガラス粒子Ｕ１００（以下「溶融ガラス粒子」ともいう。）に変化させる。液状ガラス粒子Ｕ１００は落下して炉体１０１の炉底部１０１Ａに溜まり、ガラス融液Ｇ１００となる。【０００５】
気中溶融法において、加熱手段として酸素バーナーを用いる場合、図１０に示すように、酸素バーナーの燃焼火炎中にガラス原料粒子を投入し、火炎中で液状ガラス粒子を形成している。そのため、ガラス原料粒子を供給する原料供給路と、燃焼ガスおよび燃料ガスをそれぞれ供給するガス供給路を備える酸素バーナーが使用される。
例えば、特許文献２に記載の溶融炉は、溶融炉の天井壁に下向きに取り付けられた酸素バーナーを備えており、この酸素バーナーには、酸素を含む支燃ガスと燃料ガスを供給するガス供給系と、ガラス原料粒子を供給する原料供給系とが接続されている。この溶融炉では、酸素バーナーを燃焼させ下向きに火炎を形成するとともに、酸素バーナーからガラス原料粒子をその火炎中に下向きに供給し、火炎中で液状ガラス粒子を生成させ、生成した液状ガラス粒子を火炎直下の炉底部に集積させてガラス融液を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】日本特開２００７−２９７２３９号公報
【特許文献２】日本特開２００８−２９０９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、気中溶融法に用いられる従来の酸素バーナーは、バーナーの先端部に原料の吐出口と燃料ガスや燃焼ガスの吐出口を一体として備えている。このようなバーナーは、火炎の形成とともに粉体をその火炎中に導入でき、溶融手段と溶融する材料の供給手段とを一体化しているため利用しやすく、装置全体のスペースも小さくできるメリットがあり一般的に利用されている。しかしながら、本発明者らが、このような構成のバーナーを用いてガラスの気中溶融法の研究を行ったところ、直径数μｍ〜数１０μｍの微細なガラス原料粒子が、バーナー先端部の原料の吐出口付近に部分的に滞留して、バーナー先端部に付着しやすいことが判明した。さらに、バーナーの先端部にガラス原料粒子およびそれからの飛散物・揮発物が付着して徐々に肥大化してつらら状となると、火炎が不安定になるだけでなく、ガラス原料粒子が通過する吐出口が徐々に閉塞するという問題が明らかとなった。このようなつらら状物がバーナー先端部に形成されると、前述の火炎の不安定化や吐出口の閉塞を引き起こすだけでなく、肥大化したつらら状物がバーナー下方のガラス融液へと落下する場合がある。その結果、落下したつらら状物とガラス融液との組成差に起因して、製造される溶融ガラスおよびガラス物品が不均質になり、ガラス物品の品質が低下するおそれがある。【０００８】
また、通常、気中溶融法は長期間の連続稼働で行われるため、バーナーも長期間連続使用される。バーナーの先端部にガラス原料粒子が付着してつらら状物が形成されると、バーナーを停止してバーナーの清掃または交換を行う必要があるため、生産性の面においてバーナー先端部へガラス原料粒子が付着し難く、つらら状の付着物が形成されない技術の開発は重要である。
さらに、ガラス原料粒子の粒子径が小さいことは、ガラス溶融炉内での粉塵、つらら状物の原因となることがある。ガラス原料粒子は、高温の気相雰囲気中でガラス原料粒子が溶融できる範囲で、粒子径が大きい方がよい。他方、従来のガラス原料粒子を供給する原料供給路と、燃焼ガスおよび燃料ガスをそれぞれ供給するガス供給路とを一体に備える燃料バーナーの場合、その構造上、ガラス原料粒子の粒子径が限定される。このため、ガラス原料粒子の粒子径に制限がない方法が望まれる。【０００９】
以上のような背景から本発明は、バーナー先端部へのガラス原料の付着を抑制でき、またガラス原料粒子の大きさの制約が少ない、ガラス溶融炉および溶融ガラスの製造方法の提供を目的とする。
また、本発明は、上述の溶融ガラスの製造方法を用いるガラス物品の製造方法の提供を目的とする。
さらに、本発明は、上述のガラス溶融炉を備えたガラス物品の製造装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、溶融ガラスを収容する炉体と、前記炉体の上部に配置され、ガラス原料粒子を前記炉体の内側に投入する原料粒子投入部と、前記原料粒子投入部と離隔して設けられ、かつ前記ガラス原料粒子を加熱溶融して溶融ガラス粒子にするための加熱気相雰囲気を前記原料粒子投入部の下方に形成する燃焼バーナーと、を備え、前記原料粒子投入部が、原料粒子投入管と、該原料粒子投入管の周囲に配置された気体供給管とを備えるガラス溶融炉を提供する。
本発明のガラス溶融炉においては、前記燃焼バーナーの先端部が、前記原料粒子投入部の投入口と少なくとも水平方向に離隔しかつ別体で設けられていることが好ましい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記燃焼バーナーの先端部が、前記原料粒子投入部の投入口の周囲に下向きに設置されていることが好ましい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記ガラス原料粒子が前記原料粒子投入部に入る手前および前記原料粒子投入部のうち少なくとも一箇所に、前記ガラス原料粒子を予熱する原料粒子予熱手段を有することが好ましい。
【００１１】
本発明のガラス溶融炉においては、前記燃焼バーナーを複数備え、これら複数の燃焼バーナーの先端部が前記原料粒子投入部の投入口の周囲に、該原料粒子投入部を中心とする円周上に配置されてもよい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記原料粒子投入部が、さらに前記ガラス原料粒子の投入位置とは別の位置にカレット片を投入するガラスカレット投入部を有してもよい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記気体供給管が前記原料粒子投入管の先端部の外周に気体を吹き付ける気体供給管であることが好ましい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記燃焼バーナーが前記原料粒子投入部での鉛直下向きの原料粒子投入軸に対して、当該燃焼バーナーによる燃焼炎のなす角度αが０度≦α≦４５度となるように設置されていることが好ましい。
【００１２】
本発明は、燃焼バーナーの燃焼炎により加熱気相雰囲気を形成し、該加熱気相雰囲気の上方に前記燃焼バーナーとは別体で設けた原料粒子投入部から、目的のガラスの組成に合わせて原料粉末を混合したガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気中に送ることによって、前記ガラス原料粒子を溶融させて溶融ガラス粒子とする際に、原料粒子投入管と、該原料粒子投入管の周囲に配置された気体供給管とを備える前記原料粒子投入部から前記ガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気中に送る溶融ガラスの製造方法を提供する。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記原料粒子投入部の投入口が前記燃焼バーナーの先端部と少なくとも水平方向に離隔しかつ別体で設けられることによって、前記ガラス原料粒子が前記原料粒子投入部の投入口から離れたところで燃焼炎と接触することが好ましい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記ガラス原料粒子は、重量平均粒径が３０〜１０００μｍの範囲であることが好ましい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記ガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気に送る前に、該ガラス原料粒子を予め加熱することが好ましい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記ガラス原料粒子は、重量平均粒径が５０〜３０００μｍの範囲であることが好ましい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記原料粒子投入部の投入口の周囲に、該投入口を中心とする円周上に配置した前記燃焼バーナーの先端部から燃焼炎を噴出してもよい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記原料粒子投入部の一部から、前記ガラス原料粒子の投入位置とは別の位置でガラスカレット片を投入してもよい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記原料粒子投入管の先端の外周から前記気体供給管により下方に気体を噴出してもよい。
本発明の溶融ガラスの製造方法において、前記原料粒子投入部での鉛直下向きの原料粒子投入軸に対して、燃焼炎のなす角度αが０度≦α≦４５度となるように、前記燃焼バーナーから下向きに燃焼炎を噴出することが好ましい。
【００１３】
本発明は、前記のいずれかに記載の溶融ガラスの製造方法を用いて溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを成形する工程と、成形後のガラスを徐冷する工程と、を含むガラス物品の製造方法を提供する。
本発明は、前記のいずれかに記載のガラス溶融炉と、該ガラス溶融炉により製造された溶融ガラスを成形する成形手段と、成形後のガラスを徐冷する徐冷手段とを備えるガラス物品の製造装置を提供する。
本発明は、前記のいずれかに記載の溶融ガラスの製造方法を用いて溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを冷却する工程と、を含むガラスビーズの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のガラス溶融炉は、ガラス原料粒子を投入する原料粒子投入部と、ガラス原料粒子を加熱溶融する加熱気相雰囲気を形成するための燃焼バーナーとを離隔して別体で備えることにより、ガラス原料粒子や溶融ガラス粒子などがバーナー先端部に付着することを抑制できる。また、本発明のガラス溶融炉は、ガラス原料粒子の粒子径の制約が小さいため、所定の粒子径以上のガラス原料粒子を用いることによってガラス溶融炉内での粉塵の抑制ができる。
本発明の溶融ガラスの製造方法は、燃焼バーナーの燃焼炎により加熱気相雰囲気を形成し、この加熱気相雰囲気中に燃焼バーナーとは別体で設けた原料粒子投入部よりガラス原料粒子を投入して、ガラス原料粒子を加熱溶融して溶融ガラス粒子とする構成である。そのため、ガラス原料粒子や溶融ガラス粒子などがバーナー先端部に付着して肥大化することを抑制でき、肥大化した付着物のガラス融液への落下を抑止でき、また所定の粒子径以上のガラス原料粒子を用いることによってガラス溶融炉内での粉塵の抑制ができるので、均質な溶融ガラスを製造できる。
また、本発明のガラス物品の製造方法は、上述の溶融ガラスの製造方法を用いることにより、均質で高品質なガラス物品を提供できる。
さらに、本発明のガラス物品の製造装置は、上述のガラス溶融炉を備えることにより、均質で高品質なガラス物品を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明に係るガラス溶融炉の第１実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は本発明に係るガラス溶融炉が備える原料粒子投入部の第１の例を示す断面図である。
【図３】図３は本発明に係るガラス溶融炉が備える原料粒子投入部の第２の例を示す断面図である。
【図４】図４は図１に示すガラス溶融炉における酸素燃焼バーナーと原料粒子投入部の配置を示す模式図である。
【図５】図５は本発明に係るガラス溶融炉における酸素燃焼バーナーと原料粒子投入部の配置の第２の例を示す模式図である。
【図６】図６は本発明に係るガラス溶融炉における酸素燃焼バーナーの配置の第３の例を示す模式図である。
【図７】図７は本発明に係るガラス溶融炉における酸素燃焼バーナーの配置の第４の例を示す模式図である。
【図８】図８は本発明に係る溶融ガラスの製造方法を用いてガラス物品を製造する方法の一例を示すフロー図である。
【図９】図９は本発明に係る溶融ガラスの製造方法を実施してガラスビーズを製造する装置の一実施形態を示す構成図である。
【図１０】図１０は特許文献１に記載のガラス溶融炉を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るガラス溶融炉、溶融ガラスの製造方法、ガラスビーズの製造方法、ガラス物品の製造方法およびガラス物品の製造装置の一実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。
図１は本発明に係るガラス溶融炉の第１実施形態を模式的に示す断面図である。図１に示すガラス溶融炉は、本発明に係る溶融ガラスの製造方法およびガラス物品の製造方法に用いられる。
【００１７】
図１に示す本実施形態のガラス溶融炉１０は、炉体１内の加熱気相雰囲気Ｋ中で、ガラス原料の混合物からなるガラス原料粒子ＧＭを加熱溶融して溶融ガラス粒子Ｕとする装置である。
本発明において、ガラス原料粒子ＧＭとは、最終目的とするガラスの組成に合わせた、目的のガラスの各成分の粒子状の原料粉末、あるいはそれらの原料粉末を混合して集合させた造粒体、あるいは原料粉末と造粒体が混合されたものである。また、これらにはガラス原料として、ガラスカレット片を含んでもよい。本発明のガラス原料粒子の粒子径は、従来の気中溶融バーナーで利用するものよりも大きくできる。これによって、ガラス溶融炉１０の炉体１内の気流によって舞い上がるガラス原料粒子ＧＭを少なくできるので粉塵の抑制ができる。ガラス原料粒子ＧＭの一例を拡大して図１に示すが、原料粉末を混合して集合させた造粒体である一つのガラス原料粒子ＧＭにおいて最終目的とするガラスの組成にほぼ合致するか近似した組成となっていてもよい。なお、ガラス原料粒子ＧＭの詳細については、後述する。
【００１８】
基本的に気中溶融法は、複数（通常３成分以上）の成分から成るガラスを製造するために造粒体を溶融してガラスを製造する方法であるが、本発明において、ガラス原料粒子ＧＭは、前記のとおり造粒体である場合に限定されず、造粒されていなくてもよい。ガラス原料粒子ＧＭは、加熱気相雰囲気Ｋ中で、ガラス原料の熱分解（たとえば、金属炭酸塩から金属酸化物への熱分解など）、ガラス化反応と呼ばれるガラスとなる成分の反応と融解、などの化学反応により液状のガラス粒子（溶融ガラス粒子Ｕ）となる。炉体１内に投入されたガラス原料粒子ＧＭは、高温の加熱気相雰囲気Ｋを通過する間に、溶融されて溶融ガラス粒子Ｕとなり、この溶融ガラス粒子Ｕは下方に落下して炉体１の底部に集積し、溶融ガラスＧを形成する。ガラス原料粒子ＧＭが造粒体からなる場合は、その一粒一粒が溶融されて溶融ガラス粒子Ｕとなるが、造粒体の中には、溶融が終了しないで溶融ガラスＧ上に落下するものが一部あってもよい。また、造粒体の中には、造粒体が溶融ガラス粒子Ｕになる前に崩れたものが一部あってもよい。
【００１９】
図１に示すガラス溶融炉１０は、中空箱型の炉体１と、炉体１の上部の炉壁部１Ａに下向きに設置されたガラス原料粒子ＧＭを下方に投入するための原料粒子投入部５と、原料粒子投入部５と離隔して設けられ、かつ原料粒子投入部５の下方に向けて酸素燃焼炎Ｆを形成するために炉体１の上部の炉壁部１Ａを貫通して、原料粒子投入部５の周囲に斜め下向きに設置された複数の酸素燃焼バーナー７（図１に示す例では２基）と、炉体１の底部に形成された溶融ガラスＧの貯留部１Ｂとを備える。原料粒子投入部５の噴出口と酸素バーナー７の噴出口との位置関係は、それらの噴出口の外周部間の水平方向の最低距離が、１ｃｍ以上又は酸素バーナー７の最大外周径の１０％以上のいずれか大きい値となることが好ましい。また、原料粒子投入部５と酸素バーナー７との位置関係は、それらの噴出口の外周部間の水平方向の最低距離が、３ｃｍ以上又は酸素バーナー７の最大外周径の２０％以上のいずれか大きい値となることがより好ましい。さらに、原料粒子投入部５と酸素バーナー７との位置関係は、それらの噴出口の外周部間の水平方向の最低距離が、５ｃｍ以上又は酸素バーナー７の最大外周径の３０％以上のいずれか大きい値となることがさらに好ましい。ここで、酸素バーナー７は、酸素バーナー自体を冷却するための水冷管を酸素バーナーの外周に有する場合がある。この場合の酸素バーナーの噴出口の最大外周径とは、水冷管を含めた最大外周径をいう。なお、以下では、原料粒子投入部５の噴出口を投入口５Ａと、酸素バーナー７の噴出口を先端部７Ａと表す。
酸素燃焼バーナー７は、その燃焼炎の噴射方向先端側（図１では下方側）に加熱気相雰囲気Ｋを形成できるようになっている。加熱気相雰囲気Ｋは、酸素燃焼バーナー７から噴射される酸素燃焼炎Ｆおよび酸素燃焼炎Ｆ近傍の高温部から構成される。
このような構成のガラス溶融炉において、燃焼バーナーの燃焼炎により加熱気相雰囲気を形成し、該加熱気相雰囲気の上方に前記燃焼バーナーとは別体で設けた原料粒子投入部より、目的のガラスの組成に合わせて原料粉末を混合したガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気中に送ることで、前記ガラス原料粒子を溶融させて溶融ガラス粒子とし、溶融ガラスを得ることができる。
【００２０】
本発明において、炉体１の上部とは、炉体１の炉壁部１Ａおよび側壁１Ｃの上部を含む範囲を意味する。なお、炉体１の形状は図１に示す箱型の直方体形状に限定されるものではなく、円筒状に構成されたものであってもよい。また、原料粒子投入部５を鉛直方向下向きに設置しているが、これに限らず、下向きであれば傾斜して設置してもよい。さらに、炉体１の炉壁部１Ａをフラットな形状としたが、これに限らず、アーチ形状、ドーム形状等の形状であってもよい。
【００２１】
炉体１の底部側は溶融ガラスＧの貯留部１Ｂとされており、炉体１の側壁１Ｃの底部側に形成された排出口４を介して炉体１から溶融ガラスＧを外部に排出できるように構成されている。なお、本実施形態のガラス溶融炉１０を備えたガラス物品の製造装置は、炉体１から溶融ガラスＧを排出する方向の下流側に、一例として、成形装置２０などが接続され、形成した溶融ガラスＧを成形装置２０により目的の形状に成形してガラス物品を得ることができるように構成されている。なお、泡品質によっては、成形装置２０の前に減圧脱泡装置を設けてもよい。
【００２２】
炉体１は耐火レンガなどの耐火材からなり、高温の溶融ガラスＧを貯留できるように構成されている。炉体１の貯留部１Ｂには図示していないが加熱ヒータが設置され、必要に応じて貯留部１Ｂに貯留されている溶融ガラスＧを目的の温度（たとえば１４００℃程度）に溶融状態で保持できるように構成されている。炉体１の側壁部１Ｃに排気口２および排気管２ａを介し排ガス処理装置３が接続されている。
【００２３】
原料粒子投入部５は、筒状の原料粒子投入管を備えており、原料粒子投入部５の上部側には供給管９を介してガラス原料粒子ＧＭを収容したホッパからなる原料供給器８が接続されており、供給管９にはガラス原料粒子ＧＭを原料粒子投入部５の原料粒子投入管へと搬送するためのキャリアガスを供給するキャリアガス供給源（図示略）が接続されている。これにより、原料粒子投入部５の下端に形成された投入口５Ａからガラス原料粒子ＧＭが投下される。なお、ここではキャリアガスを供給する場合について説明しているが、キャリアガスによらず、ガラス原料粒子ＧＭを機械的手段によって自由落下させて加熱気相雰囲気Ｋに投入する方法でもよい。
【００２４】
また、本発明では、ガラス原料粒子ＧＭの粒子径を大きくする場合には、そのガラス原料粒子ＧＭを溶融するために、加熱気相雰囲気Ｋで与えるエネルギーが大きくなる。本発明では、原料粒子投入部５に予めガラス原料粒子ＧＭを加熱する原料粒子予熱手段６０、６１を設け、ガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気に送る前に、ガラス原料粒子を予め加熱することが好ましい。このように予めガラス原料粒子ＧＭを加熱する原料粒子予熱手段６０、６１を設けることにより、加熱気相雰囲気Ｋでガラス原料粒子ＧＭに与えるエネルギーを少なくできる。原料粒子予熱手段６０、６１での加熱は、ガラス原料粒子ＧＭを溶融するためではない。原料粒子投入部５の構造が簡単なため、原料粒子予熱手段６０、６１を設置することは容易で、特に原料粒子投入部５の原料粒子投入管に設けられた原料粒子予熱手段６０でその効果が高い。また、この原料粒子予熱手段６０、６１を設けることは、ガラス原料粒子ＧＭがガラスカレット片を含む場合に、ガラスカレット片も含めて予熱できるので、加熱気相雰囲気Ｋでガラス原料粒子ＧＭに与えるエネルギーを少なくすることができるという効果がある。さらに、ガラス原料粒子ＧＭの粒子径を従来よりも大きくできることは、ガラス溶融炉１０の炉体１内での粉塵の抑制に非常に大きな効果を奏する。なお、ガラス原料粒子ＧＭが比較的小さい場合においても、ガラス溶融炉１０の炉体１内に投入する前に予熱することは、エネルギー節減の効果がある。
さらに、本発明では、酸素バーナー７と別に原料粒子投入部５を有するので、酸素バーナー７の燃焼条件に影響されず種々のガスを噴出させることができる。これにより、例えば、ガラス溶融の初期において、ガラス溶融炉１０の炉体１内の雰囲気の成分調整が容易にできる効果がある。
【００２５】
図２は原料粒子投入部５の第１の例を示す断面図であり、図３は原料粒子投入部５の第２の例を示す断面図である。
図２に示す原料粒子投入部５は、筒状の原料粒子投入管５１からなる単管構造である。本発明では、このような単純な構造を採用できるので、ガラス原料粒子ＧＭの粒子径の自由度が高く、また、粒子径のばらつきの許容範囲を広くできる。このため、前述したようにガラス原料粒子ＧＭなどに、ガラスカレット片を含ませてもよく、ガラスカレット片の粒度のばらつきも一定条件下存在してもよい。なお、ガラスカレット片の大きさは、加熱気相雰囲気Ｋで溶融可能なサイズを限度として、酸素燃焼バーナー７の出力に応じて決定される。原料粒子投入管５１の材質は、金属またはセラミックスなどが例示できる。原料粒子投入管５１は水冷構造を備えていてもよい。本実施形態のガラス溶融炉１０が備える原料粒子投入部５は、図２に示すように原料粒子投入管５１より構成される単管構造であってもよいが、図３に示す構造であることが好ましい。
【００２６】
図３に示す原料粒子投入部５０は、原料粒子投入管５１を中心に備え、この原料粒子投入管５１の外側に原料粒子投入管５１と同心円状に配置された筒状の気体供給管５２を備える二重管構造である。気体供給管５２の材質は、前記した原料粒子投入管５１の材質と同じものが例示できる。気体供給管５２には気体供給装置（図示略）が接続されている。この例の原料粒子投入部５０は、原料粒子投入管５１からガラス原料粒子ＧＭを炉体１内に投下するとともに、空気、酸素のほか、窒素やアルゴンなどの不活性ガスなどの気体を気体供給管５２から原料粒子投入部５０の投入口５Ａを取り囲むように下向きに噴出することができる。なお、当該気体は、燃焼ガスを除くものである。これにより、原料粒子投入管５１の先端部の外周に、気体供給管５２から気体を吹きつけることができる。そのため、ガラス原料粒子ＧＭが原料粒子投入部５０の投入口５Ａに付着し難くなる。すなわち、ガラス原料粒子ＧＭが原料粒子投入管５１の噴出口の外周および気体供給管５２の噴出口に付着し難くなる。したがって、原料粒子投入部５０にてガラス原料粒子ＧＭの付着物の肥大化が起こらず、つらら状物が生成しないので、投入口５Ａの閉塞を抑制し、その他、外周からの気体供給は原料送入管を冷却する効果、湿潤雰囲気から遮断して結露防止効果を有する。気体供給管５２から吹き付ける気体は、ガラス溶融炉１０の炉体１から発生する熱との交換によって加熱してもよい。
【００２７】
原料粒子投入部５、５０の原料粒子予熱手段６０は、例えば、原料粒子投入管５１を誘導加熱する方法、ラジアントヒーターによって加熱する方法、電気ヒータによって加熱する方法、ガラス溶融炉１０の炉体１で発生する熱を利用する方法などがある。原料粒子予熱手段６０は、図１に示すように原料粒子投入部５の外部側に設けられていてもよく、原料粒子投入部５の原料粒子投入管５１の内部側に設けられていてもよい。本発明では、酸素バーナー７と別に原料粒子投入部５を有するので、原料粒子投入部５の大きさに自由度があり、原料粒子予熱手段６０を原料粒子投入部５の外または内に設けることができる。その他、図１に示すように供給管９の途中に原料粒子予熱手段６１を設けるなど、原料粒子投入管５１の手前に加熱領域を設けて予熱する方法もある。また、原料粒子予熱手段は、図１に示す原料粒子予熱手段６０、６１のように、原料粒子投入部５と、供給管９の途中の両方にあってもよい。
ガラス原料粒子ＧＭが、後述するスプレードライ造粒法ではなく、特に転動造粒法、攪拌造粒法などの乾式造粒法による造粒体の場合には、造粒後に乾燥する必要がある。よって、ガラス原料粒子ＧＭが乾式造粒法による造粒体の場合には、特に原料粒子予熱手段６０、６１によって、ガラス溶融炉１０の炉体１に投入する前に造粒体を乾燥し、より低い水分含有の状態でガラス溶融炉１０の炉体１に投入することが好ましい。ガラス原料粒子ＧＭが特に大きい場合は、原料粒子予熱手段６１の方が適する。
【００２８】
酸素燃焼バーナー７は、酸素燃焼バーナーとして公知の、燃料、酸素供給ノズルが適切に配置された酸素燃焼バーナーである。酸素燃焼バーナー７には、燃料を燃料供給ノズルに供給する燃料供給装置（図示略）、および酸素を含む燃焼ガスを燃焼ガス供給ノズルに供給するガス供給装置（図示略）が接続されている。
酸素燃焼バーナー７の酸素燃焼炎Ｆの温度は、ガラス原料粒子ＧＭに含まれる気体成分を迅速にガス化散逸させ、ガラス化反応を進行させるために、ガラス原料の珪砂の溶融温度以上である１６００℃以上に設定することが好ましい。これにより、原料粒子投下部５から炉体１内に投下されたガラス原料粒子ＧＭは、酸素燃焼炎Ｆにより形成される加熱気相雰囲気Ｋによって、迅速にガス化散逸されるとともに、高温で加熱されることにより溶融ガラス粒子Ｕとなり、炉体１の底部に着地して溶融ガラスＧとなる。
酸素燃焼バーナー７から噴射される酸素燃焼炎Ｆにより形成される加熱気相雰囲気Ｋの中心部の温度は、酸素燃焼炎Ｆが例えば水素酸素燃焼炎の場合約２０００〜３０００℃である。
【００２９】
酸素燃焼バーナー７の先端部７Ａは、原料粒子投入部５の投入口５Ａの周囲に複数配置されていることが好ましい。図１に示す例では、２基の酸素燃焼バーナー７、７の先端部７Ａが炉体１の上部の炉壁部１Ａに原料粒子投入部５の投入口５Ａを挟んで左右対称に斜め下向き、かつ内向きに、具体的には酸素燃焼バーナー７、７の先端部７Ａと原料粒子投入部５の投入口５Ａとが所定の間隔を持って直線状に並ぶように配置されている。このように原料粒子投入部５の投入口５Ａを中心として左右対称に酸素燃焼バーナー７、７の先端部７Ａを配置することにより、酸素燃焼バーナー７、７の酸素燃焼炎Ｆにより形成される加熱気相雰囲気Ｋを良好な対称性で形成でき、原料粒子投入部５から投入されるガラス原料粒子ＧＭを均一に加熱できる。
【００３０】
図４は、図１に示すガラス溶融炉１０における酸素燃焼バーナー７、７と原料粒子投入部５の配置を示す模式図であり、図５はガラス溶融炉１０における酸素燃焼バーナー７、７と原料粒子投入部５の配置の第２の例を示す模式図である。
図４に示すように、酸素燃焼バーナー７、７は、原料粒子投入部５によるガラス原料粒子ＧＭの投入軸（図４に符号Ａで示す。）に対して、その酸素燃焼炎Ｆの噴射方向（図４に符号Ｂで示す。）のなす角度αが０度≦α≦４５度となるように傾斜して配置されていることが好ましい。すなわち、酸素燃焼バーナー７、７が、原料粒子投入部５での鉛直下向きの原料粒子投入軸Ａに対して、その酸素燃焼炎Ｆのなす角度αが０度≦α≦４５度となるように設置されていることが好ましい。ここで、ガラス原料粒子ＧＭの投入軸Ａとは、原料粒子投入部５から投下されたガラス原料粒子ＧＭの中心軸を示す。また、酸素燃焼炎Ｆの噴射方向Ｂとは、酸素燃焼バーナー７より噴射される酸素燃焼炎Ｆの中心軸を示す。このような範囲の角度αで酸素燃焼バーナー７、７が設置されることにより、酸素燃焼バーナー７、７は、鉛直軸であるガラス原料粒子ＧＭの投入軸Ａに向かって、原料粒子投入部５の下方に酸素燃焼炎Ｆ、Ｆを吹き付けることができる。これにより、原料粒子投入部５の投入口５Ａから投入軸Ａに沿って落下中のガラス原料粒子ＧＭは、その酸素燃焼炎Ｆ、Ｆにより形成される加熱気相雰囲気Ｋを効率よく通過できる。
【００３１】
ここで、酸素燃焼バーナー７の先端部７Ａの中心と、原料粒子投入部５の投入口５Ａの中心との水平距離は、落下中のガラス原料粒子ＧＭを酸素燃焼炎Ｆにより形成される加熱気相雰囲気Ｋを効率よく通過させるという目的と、酸素燃焼バーナー７の能力とに応じて適宜設定される。たとえば、ガラス原料粒子ＧＭの落下高さｄ（原料粒子投入部５の投入口５Ａから、酸素燃焼炎Ｆ、Ｆの接点までの距離）が０．２〜０．７ｍの場合には、酸素燃焼バーナー７が投入軸Ａに対して１０度≦α≦３０度の角度をもって設置されることが好ましい。これにより、酸素燃焼バーナー７による酸素燃焼炎Ｆとガラス原料粒子ＧＭの接触時間をより長時間とすることができ、より効率的にガラス原料粒子ＧＭを加熱溶融して溶融ガラス粒子Ｕとすることができる。なお、酸素燃焼炎Ｆ、Ｆの接点は、加熱気相雰囲気Ｋにおいて、サーモグラフィー（たとえばＪｅｎｏｐｔｉｋ社製、Ｖａｒｉｏ  ＴＨＥＲＭＯ  ＩｎＳｂ）により測定されるガス温度が１７００℃を超えた領域の上端位置とする。
【００３２】
また、ガラス原料粒子ＧＭの落下高さｄが０．２〜０．７ｍである場合、原料粒子投入部５によるガラス原料粒子ＧＭの投入軸Ａと、原料粒子投入部５の投入口５Ａから投下されるガラス原料粒子ＧＭの拡散軸（図４に符号Ｃで示す。）と、がなす角度βを０度≦β≦１５度の範囲に設定することが好ましい。これにより、原料粒子投下部５の投入口５Ａから投下されたガラス原料粒子ＧＭを、酸素燃焼バーナー７による酸素燃焼炎Ｆ中に効果的に分散でき、効率的にガラス原料粒子ＧＭを加熱溶融して溶融ガラス粒子Ｕとすることができる。ここで、ガラス原料粒子ＧＭの拡散軸Ｃとは、原料粒子投入部５から投下されたガラス原料粒子ＧＭの広がる範囲の外縁をなぞる線を示す。
【００３３】
酸素燃焼バーナー７、７は、図５に示すように鉛直下向き（角度α＝０度）で、原料粒子投入部５と略平行に設置されていてもよい。この場合、酸素燃焼バーナー７の先端部７Ａの中心と原料粒子投入部５の投入口５Ａの中心との水平距離と、酸素燃焼バーナー７の能力とに応じて、原料粒子投入部５によるガラス原料粒子ＧＭの投入軸Ａと、原料粒子投入部５の投入口５Ａから投下されるガラス原料粒子ＧＭの拡散軸Ｃとがなす角度βを調整する必要がある。図５に示すように酸素燃焼バーナー７、７が鉛直下向きで設置される場合、たとえば、ガラス原料粒子ＧＭの落下高さｄが０．２〜０．７ｍである場合には、角度βを０度≦β≦１５度の範囲に設定することが好ましい。これにより、原料粒子投下部５の投入口５Ａから投下されたガラス原料粒子ＧＭを、酸素燃焼バーナー７による酸素燃焼炎Ｆ中に効果的に分散でき、効率的にガラス原料粒子ＧＭを加熱溶融して溶融ガラス粒子Ｕとすることができる。
【００３４】
本実施形態のガラス溶融炉１０における酸素燃焼バーナー７の設置数は、２基に限定されず、３基以上であることも好ましい。
図６は、図１に示すガラス溶融炉１０における酸素燃焼バーナー７の配置の第３の例を示す模式図であり、図７は、図１に示すガラス溶融炉１０における酸素燃焼バーナー７の配置の第４の例を示す模式図である。図６および図７において、酸素燃焼バーナー７の配置をわかりやすくするために、ガラス溶融炉１０の炉壁部１Ａを除き、ガラス溶融炉１０の上方から、酸素燃焼バーナー７、酸素燃焼炎Ｆ、原料粒子投入部５から投下されたガラス原料粒子ＧＭの様子を模式的に示している。
【００３５】
図６に示す実施形態では、３基の酸素燃焼バーナー７が、原料粒子投入部５の周囲に、原料粒子投入部５を中心とする円周上に等間隔で、下向きに配置されている。また、図７に示す実施形態では、６基の酸素燃焼バーナー７が、原料粒子投入部５の周囲に、原料粒子投入部５を中心とする円周上に等間隔で、下向きに配置されている。図６および図７に示す各酸素燃焼バーナー７の設置角度αは図４または図５に示した場合と同じである。
このように、複数の酸素燃焼バーナー７を、原料粒子投入部５を中心とする円周上に等間隔で配置することにより、複数の酸素燃焼バーナー７の酸素燃焼炎Ｆにより形成される加熱気相雰囲気Ｋの対称性をより高めることができ、原料粒子投入部５から投入されるガラス原料粒子ＧＭをより均一に加熱できる。
【００３６】
なお、本発明において、酸素燃焼バーナー７の設置数は、上記した２基、３基、６基に限定されず、１基、４基、５基、７基以上のいずれでもよいが、酸素燃焼バーナー７の酸素燃焼炎Ｆより形成される加熱気相雰囲気Ｋの対称性を向上させる観点から、２基以上の酸素燃焼バーナー７を、原料粒子投入部５を中心とする円周上に等間隔で配置することが好ましい。
【００３７】
本実施形態のガラス溶融炉１０は、ガラス原料粒子ＧＭを投入する原料粒子投入部５と、ガラス原料粒子ＧＭを加熱溶融する加熱気相雰囲気Ｋを形成するための酸素燃焼炎Ｆを噴出する酸素燃焼バーナー７とを少なくとも水平方向に分離してかつ別体として備えることにより、ガラス原料粒子が前記原料粒子投入部の投入口から離れたところで燃焼炎と接触するようにすることができる。このようにすることにより、ガラス原料粒子ＧＭが酸素燃焼バーナー７の先端部に付着することを抑え、この付着物の肥大化を無くし、つらら状物の形成を抑止できる。したがって、酸素燃焼バーナー７の燃焼炎が不安定になることがなく、また、酸素燃焼バーナー７の吐出口が閉塞することがない。また、つらら状物が形成されないので、つらら状物が酸素燃焼バーナー７下方の溶融ガラスＧへと落下することがなく、落下したつらら状物とガラス融液との組成差によりガラスが不均質化することがなく、高品質の溶融ガラスＧを得ることができる。
さらに、原料粒子投入部５０を図３に示す二重管構造とすることにより、原料粒子投入部５の投入口５Ａ付近にも、ガラス原料粒子ＧＭが付着することを低減でき、この付着物の肥大化を無くし、つらら状物の形成を抑止できる。
【００３８】
本実施形態のガラス溶融炉１０を用いて製造する溶融ガラスＧは、気中溶融法により製造されるガラスである限り、組成的には制限されない。したがって、ソーダライムガラス、混合アルカリ系ガラス、あるいは、無アルカリガラスのいずれであってもよい。また、製造されるガラス物品の用途は、建築用や車両用に限定されず、フラットパネルディスプレイ用、その他の各種用途が挙げられる。
【００３９】
建築用または車両用の板ガラスに使用されるソーダライムガラスの場合には、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２：６５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３：０〜３％、ＣａＯ：５〜１５％、ＭｇＯ：０〜１５％、Ｎａ２Ｏ：１０〜２０％、Ｋ２Ｏ：０〜３％、Ｌｉ２Ｏ：０〜５％、Ｆｅ２Ｏ３：０〜３％、ＴｉＯ２：０〜５％、ＣｅＯ２：０〜３％、ＢａＯ：０〜５％、ＳｒＯ：０〜５％、Ｂ２Ｏ３：０〜５％、ＺｎＯ：０〜５％、ＺｒＯ２：０〜５％、ＳｎＯ２：０〜３％、ＳＯ３：０〜０．５％、という組成を有することが好ましい。
【００４０】
液晶ディスプレイ用または有機ＥＬディスプレイ用の基板に使用される無アルカリガラスの場合には、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２：３９〜７５％、Ａｌ２Ｏ３：３〜２７％、Ｂ２Ｏ３：０〜２０％、ＭｇＯ：０〜１３％、ＣａＯ：０〜１７％、ＳｒＯ：０〜２０％、ＢａＯ：０〜３０％、という組成を有することが好ましい。
【００４１】
プラズマディスプレイ用の基板に使用される混合アルカリ系ガラスの場合には、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２：５０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３：０〜１５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ：６〜２４％、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ：６〜２４％、という組成を有することが好ましい。
【００４２】
その他の用途として、耐熱容器または理化学用器具等に使用されるホウケイ酸ガラスの場合には、酸化物基準の質量百分率表示で、ＳｉＯ２：６０〜８５％、Ａｌ２Ｏ３：０〜５％、Ｂ２Ｏ３：５〜２０％、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ：２〜１０％、という組成を有することが好ましい。
【００４３】
本実施形態においては、前記いずれかの用途のガラスの原料の各成分の粒子状の原料粉末、またはそれらの原料粉末を目的のガラスの組成に合わせて混合して集合させた造粒体、あるいは原料粉末と造粒体が混合されたもの、のいずれかであるガラス原料粒子ＧＭを用意する。また、これらのガラス原料粒子ＧＭには、ガラス原料として、ガラスカレット片を含ませてよい。これが可能になるのは、従来の気中溶融用のいわゆる粉体バーナーと異なり、原料粒子投入部５と酸素燃焼バーナー７を別体として設けているためである。なお、通常のガラス原料では、ガラス原料粒子とガラスカレット片とをミキサーなどで混合して投入することが多い。しかしながら、本発明の原料粒子投入部５においては、ガラス原料粒子ＧＭとガラスカレット片とを混合しておく必要はなく、原料粒子投入部５において、ガラス原料粒子ＧＭとガラスカレット片を別の位置から投入することができる。具体的には、ガラス原料粒子ＧＭの投入管とガラスカレット片の投入管とを別に設ければよい。これは、原料粒子投入管５１などの筒状の原料粒子投入部５から自由落下させることによって、加熱気相雰囲気Ｋ中に投入できるからである。このことは、ガラス原料粒子ＧＭとガラスカレット片とをミキサーなどで混合する必要がないので、ガラス原料粒子ＧＭがさらに細片化しない効果がある。特に造粒体の場合に、造粒体がミキシングによって壊れて微粉となることがないので、一層の効果がある。
【００４４】
以下では、ガラス原料粒子ＧＭが造粒体である場合について説明する。たとえば、ガラス原料粒子ＧＭが造粒体の場合の一例として、無アルカリガラスの一例を適用する場合、珪砂、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）２）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）などの原料粉末を目的のガラスの組成に合致するように調合し、たとえばスプレードライ造粒法により集合することにより、重量平均粒径３０〜１０００μｍの造粒体として、ガラス原料粒子ＧＭを得ることができる。
【００４５】
原料粉末から造粒体としてのガラス原料粒子ＧＭを調製する方法としては、スプレードライ造粒法などの方法が使用でき、原料粉末を分散溶解させた水溶液を高温雰囲気中に噴霧させて乾燥固化させる造粒法が好ましい。また、この造粒体は目的とするガラスの成分組成に対応する混合比の原料のみで構成してもよいが、その造粒体に更に同一組成のガラスカレット微粉を混合して、これをガラス原料粒子ＧＭとして用いることもできる。
【００４６】
スプレードライ造粒によりガラス原料粒子ＧＭを得るための一例方法として、上述の各成分の原料粉末として２〜５００μｍの範囲の原料粉末を蒸留水などの溶媒中に分散してスラリーを構成し、このスラリーをボールミルなどの攪拌装置で所定時間攪拌し、混合し、粉砕したのちにスプレードライ造粒することで上述の各成分の原料粉末がほぼ均一に分散されたガラス原料粒子ＧＭが得られる。
なお、前述のスラリーを攪拌装置で攪拌する際、原料粉末の均一分散の目的で２−アミノエタノールなどの分散剤を、造粒原料の強度を向上させる目的で、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）などのバインダーを混合してから攪拌してもよい。
本実施形態において用いるガラス原料粒子ＧＭは、上述のスプレードライ造粒法の他に、転動造粒法、攪拌造粒法などの乾式造粒法により形成することもできる。
【００４７】
ガラス原料粒子ＧＭの重量平均粒径は、原料粒子予熱手段６０、６１を設けない場合には、３０〜１０００μｍの範囲が好ましい。より好ましくは、重量平均粒径が５０〜５００μｍの範囲内のガラス原料粒子ＧＭが使用され、さらに７０〜３００μｍの範囲内のガラス原料粒子ＧＭが好ましい。このガラス原料粒子ＧＭの一例を拡大して図１に示すが、１つのガラス原料粒子ＧＭにおいて最終目的とするガラスの組成にほぼ合致するか近似した組成となっていることが好ましい。
【００４８】
原料粒子予熱手段６０を設ける場合には、ガラス原料粒子ＧＭは、上記よりも大きな原料粉末、造粒体、あるいはこれらの混合物でもよい。大きめの造粒体を利用する場合には、上記のスプレードライ造粒法よりも、混合攪拌造粒法、圧縮造粒法などの乾式造粒法の方が一般的には製造しやすい。原料粒子投入部５からガラス原料粒子ＧＭを連続的に投下しながら予熱することを考慮すると、原料の予熱に必要な熱量は粒子径の２乗に比例するため、ガラス原料粒子ＧＭの重量平均粒径は、原料粒子予熱手段６０を設ける場合には、５０〜３０００μｍの範囲が好ましい。より好ましくは、重量平均粒径が５０〜１５００μｍの範囲内のガラス原料粒子ＧＭが使用され、さらに７０〜１０００μｍの範囲内のガラス原料粒子ＧＭが好ましい。
【００４９】
原料粒子予熱手段６１を設ける場合には、ガラス原料粒子ＧＭは、上記よりもさらに大きな原料粉末、造粒体、あるいはこれらの混合物でもよい。原料粒子予熱手段６１としてロータリーキルン、流動層加熱などの方法を考慮すると、必要に応じた加熱時間が設定できるが、粉体の取扱性、原料粒子投入管５１での流動性を考えると、ガラス原料粒子ＧＭの重量平均粒径は、原料粒子予熱手段６１を設ける場合には、５０〜５００００μｍの範囲が好ましい。より好ましくは、重量平均粒径が５０〜１００００μｍの範囲内のガラス原料粒子ＧＭが使用され、さらに５０〜３０００μｍの範囲内のガラス原料粒子ＧＭが好ましい。
このように、原料粒子予熱手段６０、６１を用いることは、造粒コストがスプレードライ造粒法に比べて低い乾式造粒法による造粒体で、しかも大きめの造粒体を利用できるため、ガラス溶融炉１０の炉体１内の粉塵が少なくなり、かつ溶融ガラスＧを製造する上での材料コスト、エネルギーコストを含むトータルの製造コストを低減できる点でも効果がある。
ガラス原料粒子ＧＭが溶融した溶融ガラス粒子Ｕの重量平均粒径は、通常ガラス原料粒子ＧＭの重量平均粒径の８０％程度となることが多い。ガラス原料粒子ＧＭの粒径は、短時間で加熱でき、発生ガスの放散が容易である点、および粒子間の組成変動の低減の点から、前述の範囲を選択することが好ましい。
【００５０】
また、これらのガラス原料粒子ＧＭは、必要に応じて、副原料として清澄剤、着色剤、溶融助剤、乳白剤等を含むことができる。また、これらのガラス原料粒子ＧＭ中のホウ酸などは、高温時の蒸気圧が比較的高いため加熱により蒸発しやすいことから、最終製品であるガラスの組成よりも余分に混合しておくことができる。
本実施形態において、副原料として清澄剤を含有する場合、塩素（Ｃｌ）、硫黄（Ｓ）、フッ素（Ｆ）の中から１種または２種以上の元素を選択して含む清澄剤を必要量添加することができる。その他の清澄剤として、酸化スズ（ＳｎＯ２）を用いることができる。
また、従来から用いられているＳｂ、Ａｓ酸化物などの清澄剤は、泡削減効果が生じたとしても、これら清澄剤の元素は環境負荷低減の面で望ましくない元素であり、それらの利用は環境負荷低減の方向性から見て削減することが好ましい。
【００５１】
本発明に係るガラス物品の製造装置は、上述した本発明のガラス溶融炉１０と、該溶融炉１０により製造された溶融ガラスを成形する成形手段と、成形後のガラスを徐冷する徐冷手段とを備えている。このガラス物品の製造装置においては、ガラス溶融炉１０で製造した溶融ガラスＧを所定の速度で排出口４から排出し、必要に応じ脱泡装置に導入し、さらに脱泡した後、成形装置２０に移送して目的の形状に成形し、ガラス物品を製造できる。
以上のように製造されたガラス物品は、上述のように高品質の溶融ガラスＧより形成されているため、高い品質のガラス物品を得ることができる。
【００５２】
また、本発明のガラス物品の製造方法は、上述した本発明のガラス溶融炉により溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを成形する工程と、成形後のガラスを徐冷する工程と、を含む。図８は本発明に係る溶融ガラスの製造方法を用いてガラス物品を製造する方法の一例を示すフロー図である。
図８に示す方法に従い、ガラス物品を製造するには、上述のガラス溶融炉１０を用いた上述の溶融ガラスの製造方法によるガラス溶融工程Ｓ１により溶融ガラスＧを得たならば、溶融ガラスＧを成形装置２０に送って目的の形状に成形する成形工程Ｓ２を経た後、徐冷工程Ｓ３にて徐冷し、切断工程Ｓ４において必要な長さに切断することでガラス物品Ｇ５を得ることができる。
なお、必要に応じて、成形後の溶融ガラスを研磨する工程を設けて、ガラス物品Ｇ５を製造できる。
【００５３】
本発明のガラス溶融炉およびガラス物品の製造装置は図１に示す例に限定せず、加熱気相雰囲気Ｋを形成する加熱手段として、酸素燃焼バーナー７に加えて、さらに、熱プラズマを発生させる、一対以上の電極で構成される多相アークプラズマ発生装置を備えていてもよい。なお、酸素燃焼炎Ｆの場合、その中心温度は酸素燃焼のケースで約２０００℃であり、熱プラズマの場合は５０００〜２００００℃である。
【００５４】
図９は本発明に係る溶融ガラスの製造方法を実施してガラスビーズ（ガラス粒体）を製造する装置の一実施形態を示すもので、本実施形態の製造装置３０は、収容部３４と、収容部３４の天井部３４Ａを貫通するように下向きに設置されたガラス原料粒子ＧＭを下方に投入するための原料粒子投入部５と、原料粒子投入部５の下方に向けて酸素燃焼炎Ｆを形成するために収容部３４の天井部３４Ａを貫通して、原料粒子投入部５の周囲に下向きに設置された複数の酸素燃焼バーナー７、７とを備えて構成されている。図９に示す製造装置３０は、先の実施形態のガラス溶融炉１０と類似の構造であり、先の装置の炉体１を収容部３４に変更した点が異なる。その他の構成は先の図１に示すガラス溶融炉１０の構成と同等であり、同一の要素には同一の符号を付し、同一要素の説明は省略する。なお、この場合には、ガラス原料粒子ＧＭとして、造粒体を用いることが好ましい。
【００５５】
本実施形態の製造装置３０において、収容部３４の内部には、ステンレス鋼製のバケツ状の貯留部３１を備えた搬送台車３２が収容されている。また、図示されていないが収容部３４の筐体表面は冷却水で冷却されている。さらに、収容部３４の側壁部に排気管３３を介し排ガス装置３５が接続されている。
なお、図９では略しているが、収容部３４の側壁部には収容部３４を密閉状態とすることが可能な開閉扉が形成されていて、搬送台車３２は開閉扉を開けることで収容部３４の外部に移動できるようになっている。
【００５６】
先に説明した実施形態の場合と同様に、酸素燃焼バーナー７の酸素燃焼炎Ｆからなる加熱気相雰囲気Ｋに、原料粒子投入部５からガラス原料粒子ＧＭを投入することで、ガラス原料粒子ＧＭを加熱気相雰囲気Ｋ中で溶融させて溶融ガラス粒子Ｕとすることができ、この溶融ガラス粒子Ｕをステンレス鋼製の貯留部３１に落下させて冷却することで、ガラスビーズＧＢを得ることができる。したがって、本実施形態の装置３０において貯留部３１は、溶融ガラス粒子Ｕを冷却してガラスビーズＧＢとし、ガラスビーズＧＢを集積する構成とされている。図示していないが、溶融ガラス粒子Ｕの生成直後に冷却するために、加熱気相雰囲気Ｋの先端よりも下方のところで、冷却気体を吹き付ける装置を付けてもよい。なお、本実施形態の装置３０において、貯留部３１と搬送台車３２は必須ではなく、これらを略して収容部３４の床部３４Ｂにおいて溶融ガラス粒子Ｕを受ける構造としてもよく、その場合は収容部３４の内部空間と床部３４Ｂが溶融ガラス粒子Ｕを冷却するように構成する。
【００５７】
図９に示す製造装置３０は、ガラス原料粒子ＧＭを投入する原料粒子投入部５と、ガラス原料粒子ＧＭを加熱溶融する加熱気相雰囲気Ｋを形成するための酸素燃焼炎Ｆを噴出する酸素燃焼バーナー７とを分離して別体として備える構成である。そのため、酸素燃焼バーナー７の先端部へのガラス原料粒子ＧＭの付着、および、この付着物が肥大化したつらら状物の形成を抑制できる。したがって、つらら状物が落下することがないため、均一な品質のガラスビーズＧＢを製造できる。
このようにして得られたガラスビーズＧＢは、ガラスビーズとしてそのまま利用されたり、他の原料と混合されて利用されたり、その他の溶融炉の中に投入されてガラス物品の製造に利用される。
本発明のガラスビーズの製造方法は、上述した本発明のガラス溶融炉により溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを冷却する工程と、を含む。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の技術は、建築用ガラス、車両用ガラス、光学用ガラス、医療用ガラス、表示装置用ガラス、ガラスビーズ、その他一般のガラス物品の製造に広く適用できる。
なお、２０１１年６月１７日に出願された日本特許出願２０１１−１３５１８２号の明細書、特許請求の範囲、図面および要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。
【符号の説明】
【００５９】
１…炉体、１Ａ…炉壁部、１Ｂ…貯留部、１Ｃ…側壁、２…排気口、２ａ…排気管、３…排ガス処理装置、４…排出口、５、５０…原料粒子投入部、５Ａ…投入口、７…酸素燃焼バーナー、７Ａ…先端部、８…原料供給器、９…供給管、１０…ガラス溶融炉、２０…成形装置、３０…製造装置、３１…貯留部、３３…排気管、３４…収容部、３５…排ガス処理装置、５１…原料粒子投入管、５２…気体供給管、６０、６１…原料粒子予熱手段、Ｋ…加熱気相雰囲気、Ｇ…溶融ガラス、ＧＭ…ガラス原料粒子、Ｕ…溶融ガラス粒子、Ｆ…酸素燃焼炎、ＧＢ…ガラスビーズ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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