(57)【要約】      （修正有）【課題】ガラス溶融装置の、溶融ガラスに接触する構成部分を冷却する方法および冷却装置を提供する。【解決手段】開かれた管端部２０を有した管１６を少なくとも所定の管区分２１に沿って、構成部分１２における開かれた中空室１４内に、周方向に延在するリング室２２を形成しながら導入し、前記管１６を通して冷却媒体４０を前記中空室１４内に導入し、前記中空室の基部２８で変向させ、前記リング室２２内で逆流させ、前記中空室１４から流出させる方法において、前記管１６の前記中空室１４内に導入される前記管区分２１にくびれ３０を設け、前記くびれ３０の領域に管壁３６を貫通する開口部３５を設けることにより前記冷却媒体４０は、前記くびれ３０を通過する際に管内部３７で加速され、逆流する前記冷却媒体４０の一部が前記リング室２２から前記管内部３７内へ吸い込まれる冷却方法及び冷却装置。【選択図】図３
2018123049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス溶融装置（１３，１３’）の、溶融ガラス（１０）に接触し且つ少なくとも１つの開かれた中空室（１４，１４’，１４’’）を有する構成部分（１２）を冷却する方法であって、
開かれた管端部（２０，２０’）を有した管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）を、前記構成部分（１２）における前記中空室（１４，１４’，１４’’）内に、少なくとも所定の管区分（２１）に沿って、前記管（１６，１６’，１６’’）の外表面（２４）と前記中空室（１４，１４’，１４’’）の内表面（２６）との間に周方向に延在するリング室（２２，２２’）を形成しながら、前記管端部（２０）と前記中空室（１４，１４’，１４’’）の基部（２８）との間に軸方向の間隔Ｓを維持するように導入し、
前記ガラス溶融装置（１３，１３’，１３’’）の作動中、前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）を通して冷却媒体を前記中空室（１４，１４’，１４’’）内に導入し、前記中空室の前記基部（２８）で変向させ、前記リング室（２２，２２’）内で逆流させ、前記中空室（１４，１４’，１４’’）から流出させる方法において、
前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）は、前記中空室（１４，１４’，１４’’）内に導入される前記管区分（２１）でくびれ（３０，３０’）を有しており、前記くびれ（３０，３０’）の領域に管壁（３６）を貫通する開口部（３５，３５’）を有しており、これにより前記冷却媒体は、前記くびれ（３０，３０’）を通過する際に管内部（３７）で加速され、逆流する前記冷却媒体の一部が前記リング室（２２，２２’）から前記管内部（３７）内へ吸い込まれることを特徴とする、溶融ガラス（１０）に接触する構成部分（１２）を冷却する方法。
【請求項２】
前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）は、前記くびれ（３０）の領域以外で、内側横断面積ＡＩを有していて、前記中空室（１４，１４’，１４’’）は、前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）に対して垂直方向の横断面積ＡＨを有しており、ＡＨはＡＩの１．５倍〜４倍に相当する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）は、前記くびれ（３０）の領域以外で、内側横断面積ＡＩを有していて、前記くびれ（３０，３０’）の最も狭い個所（３４，３４’）で内側横断面積ＡＥを有しており、以下の条件、
ＡＥ≧０．０４＊ＡＩ
を満たす、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）は、前記くびれ（３０，３０’）の前記最も狭い個所（３４，３４’）で、直径
【数１】
2018123049.tif 000016
の円形横断面を有している、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記中空室（１４，１４’，１４’’）は、前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）に対して垂直方向の横断面積ＡＨと直径
【数２】
2018123049.tif 000017
とを有し、前記間隔Ｓは、前記中空室の直径ＤＨの０．１倍〜０．８倍に相当する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記中空室（１４，１４’，１４’’）は袋孔（３８）によって形成される、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）は、前記くびれ（３０，３０’）の領域以外で少なくとも部分的に円筒状に形成されており、前記円筒区分で内径ＤＩを有しており、前記袋孔（３８）は直径ＤＨを有しており、
【数３】
2018123049.tif 000018
があてはまる、請求項６記載の方法。
【請求項８】
ガラス溶融装置（１３，１３’）の、溶融ガラス（１０）に接触する構成部分（１２）を冷却する冷却装置であって、前記構成部分（１２）における開かれた中空室（１４，１４’，１４’’）内に所定の区分で導入可能な、開かれた管端部（２０，２０’）を備えた管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）と、
冷却媒体流を発生させるための、前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）に流体接続された流れ発生器と、を有しており、
前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）は、前記構成部分（１２）における前記中空室（１４，１４’，１４’’）内に、少なくとも所定の管区分（２１）に沿って、前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）の外表面（２４）と前記中空室（１４，１４’，１４’’）の内表面（２６）との間に周方向に延在するリング室（２２，２２’）を形成しながら、前記管端部（２０，２０’）と前記中空室（１４，１４’，１４’’）の基部（２８）との間に軸方向の間隔Ｓを維持するように導入可能である、冷却装置において、
前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）は、前記中空室（１４，１４’，１４’’）内に導入可能な前記管区分（２１）でくびれ（３０，３０’）を有しており、前記くびれの領域に管壁（３６）を貫通する開口部（３５，３５’）を有していることを特徴とする、溶融ガラス（１０）に接触する構成部分（１２）を冷却する冷却装置。
【請求項９】
前記冷却媒体はガス、特に空気であり、前記流れ発生器は送風機である、請求項８記載の冷却装置。
【請求項１０】
前記くびれ（３０，３０’）の領域は、前記管端部（２０，２０’）に隣接して配置されている、請求項８または９記載の冷却装置。
【請求項１１】
ガラス溶融装置（１３，１３’）の、溶融ガラス（１０）に接触する構成部分（１２）であって、前記構成部分は少なくとも１つの中空室（１４，１４’，１４’’）を有している構成部分（１２）と、請求項８から１０までのいずれか１項記載の冷却装置とから成るシステムにおいて、
前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）は、前記中空室（１４，１４’，１４’’）内に導入可能な管区分（２１）で、前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）の外表面（２４）と前記中空室（１４，１４’，１４’’）の内表面（２６）との間に周方向に延在するリング室（２２，２２’）を形成しながら、前記管端部（２０，２０’）と前記中空室（１４，１４’，１４’’）の基部（２８）との間に軸方向の間隔Ｓを維持するように導入されていることを特徴とする、システム。
【請求項１２】
前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）は、くびれ（３０，３０’）の領域以外で、内側横断面積ＡＩを有していて、前記中空室（１４，１４’，１４’’）は、前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）に対して垂直方向の横断面積ＡＨを有しており、ＡＨはＡＩの１．５倍〜４倍に相当する、請求項１１記載のシステム（１２，１２’，１２’’）。
【請求項１３】
前記中空室（１４，１４’，１４’’）は直径
【数４】
2018123049.tif 000019
を有しており、前記間隔Ｓは前記中空室の直径ＤＨの０．１倍〜０．８倍に相当する、請求項１１または１２記載のシステム（１２，１２’，１２’）。
【請求項１４】
前記間隔Ｓ≦３５ｍｍ、好適にはＳ≦２５ｍｍである、請求項１１から１３までのいずれか１項記載のシステム（１２，１２’，１２’’）。
【請求項１５】
前記中空室（１４，１４’，１４’’）は袋孔（３８）によって形成される、請求項１１から１４までのいずれか１項記載のシステム（１２，１２’，１２’’）。
【請求項１６】
前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）は、前記くびれ（３０，３０’）の領域以外で少なくとも部分的に円筒状に形成されており、前記円筒区分で内径ＤＩを有しており、前記袋孔（３８）は直径ＤＨを有しており、
【数５】
2018123049.tif 000020
があてはまる、請求項１５記載のシステム（１２，１２’，１２’’）。
【請求項１７】
前記袋孔（３８）は、４０〜８０ｍｍの直径ＤＨを有している、請求項１５または１６記載のシステム（１２，１２’，１２’’）。
【請求項１８】
前記管（１６，１６’，１６’’，１６’’’）は、前記袋孔（３８）内に導入可能な管区分（２１）において、前記くびれ（３０）の領域以外で、３０〜６０ｍｍの内径ＤＩを有している、請求項１７記載のシステム（１２，１２’，１２’’）。
【請求項１９】
前記構成部分（１２）は耐火性材料から形成されている、請求項１１から１８までのいずれか１項記載のシステム（１２，１２’，１２’’）。
【請求項２０】
前記構成部分（１２）は溢流壁（１００）またはブリッジ壁（１１０）である、請求項１１から１９までのいずれか１項記載のシステム（１２，１２’，１２’’）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス溶融装置の、溶融ガラスに接触する、または溶融ガラスを案内する構成部分を冷却する方法、相応の冷却装置、ならびにこの冷却装置と冷却される構成部分自体とから成るシステムに関する。
【０００２】
ガラス溶融装置の構成部分は通常、耐火性材料から成る１つ以上のブロックから成っている。耐火性材料は、溶融ガラスの高温および化学的に攻撃的な雰囲気に対して耐性があることが知られている。とはいえ、経時的に、溶融ガラスにおける耐火性材料の溶解により摩耗が生じ、このような摩耗は、同時に構成部分もさらされている熱負荷が高くなるほど、著しく生じる。
【０００３】
例えば、溶融ガラス内の所定の層の流れを目標通りに抑制し、他の層のガラス流出を促進し、一般的には溶融槽／清澄槽における溶融物の滞留時間に影響を与える、溶融槽／清澄槽における溢流壁およびブリッジ壁が公知である。このような構成部分の露出個所では通常、溶融ガラスの流速が規則的に上昇するので、このような個所では、腐食の原因となる搬送プロセスも加速される。所定の作動時間経過後、このような構成部分の腐食が過度になると、規定通りの機能をもはや満たすことはできないので、このような構成部分を交換しなければならなくなる。溢流壁およびブリッジ壁はこの場合、単なる例として挙げたもので、槽底面または槽壁を含む、流れに影響を与える別の構成部分にも、上述した問題があてはまる可能性がある。
【０００４】
このような構成部分の交換は、ガラス溶融装置の作動中はもちろん不可能である。必要な修理措置を実施できるように、まずは装置を停止させなければならない。これはコストのかかる手続であるので、このようなガラス溶融装置の耐用期間、およびその個々の構成部分の耐用期間をできるだけ長くする努力がなされている。
【０００５】
さらに、耐火性材料の摩耗は、異物が溶融ガラス内に浸入し、しばしば気泡を形成しながら溶融物内に溶解することも意味する。このことはガラス品質に悪影響を与える恐れがある。このような理由から、耐火性材料の腐食を最小限にする努力がなされている。
【０００６】
腐食は、構成部分の冷却により減じることができることがわかっている。したがって例えば、米国特許第３２４４４９８号明細書には、溶融槽の清澄ゾーンから溶融槽の溶融ゾーンを分離するブリッジ壁が記載されている。この場合、ブリッジ壁はガラスを一方のゾーンから他方のゾーンへと、所定の２つの開口を通して流すことができる。このブリッジ壁は、耐火性材料から成る複数のブロックから構成されていて、溶融槽の下面からアクセス可能な（開かれた）中空室を形成している。この中空室内には複数の管路が位置していて、この管路から、冷却媒体としての空気が中空室内に流入し、このようにしてブリッジ壁を下面から能動的に冷却している。
【０００７】
このような技術を起点として、本発明の課題は、材料摩耗の原因となる、上述した問題を減じるように、溶融ガラスに接触する構成部分、または溶融ガラスを案内する構成部分を冷却する方法、および相応の冷却装置、およびこの冷却装置と冷却される構成部分自体とから成るシステムを改良することにある。
【０００８】
この課題は、請求項１記載の特徴を有した方法、請求項８記載の冷却装置、ならびに請求項１１記載のシステムにより解決される。
【０００９】
ガラス溶融装置の、溶融ガラスに接触する構成部分または溶融ガラスを案内する構成部分を冷却する方法であって、前記構成部分は少なくとも１つの開かれた中空室を有している方法では、開かれた管端部を有した管を、前記構成部分における前記中空室内に、少なくとも所定の管区分に沿って、前記管の外表面と前記中空室の内表面との間に周方向に延在するリング室を形成しながら、前記管端部と前記中空室の基部との間に軸方向の間隔Ｓを維持するように導入し、前記ガラス溶融装置の作動中、前記管を通して冷却媒体を前記中空室内に導入し、前記中空室の前記基部で変向させ、前記リング室内で逆流させ、前記中空室から流出させる。この方法は本発明によれば、前記管が、前記中空室内に導入される前記管区分でくびれを有しており、前記くびれの領域に管壁を貫通する開口部を有しており、これにより前記冷却媒体は、前記くびれを通過する際に管内部で加速され、逆流する前記冷却媒体の一部が前記リング室から前記管内部内へ吸い込まれることにより、さらに発展される。
【００１０】
本発明による、ガラス溶融装置の、溶融ガラスに接触する、または溶融ガラスを案内する構成部分を冷却する冷却装置はしたがって、前記構成部分における開かれた中空室内に所定の区分で導入可能な、開かれた管端部を備えた管と、冷却媒体流を発生させるための、前記管に流体接続された流れ発生器とを有しており、前記管は、前記構成部分における前記中空室内に、少なくとも所定の管区分に沿って、前記管の外表面と前記中空室の内表面との間に周方向に延在するリング室を形成しながら、前記管端部と前記中空室の基部との間に軸方向の間隔Ｓを維持するように導入可能であって、前記管は、前記中空室内に導入可能な前記管区分でくびれを有しており、前記くびれの領域に管壁を貫通する開口部を有している。
【００１１】
本発明によるシステムは、前記冷却装置を、ガラス溶融装置の、溶融ガラスを案内する構成部分によって補完しており、前記構成部分は少なくとも１つの開かれた中空室を有しており、前記冷却装置の管は、前記中空室内に導入可能な管区分で、前記管の外表面と前記中空室の内表面との間に周方向に延在するリング室を形成しながら、前記管端部と前記中空室の基部との間に軸方向の間隔Ｓを維持するように導入されている。
【００１２】
概念規定
「開かれた中空室」は、少なくとも１つの側から開口部を通ってアクセスできる、構成部分に設けられた中空室を意味する。この開口部はもちろん、ガラス溶融装置の作動中、溶融ガラスとは反対の構成部分の側に位置している。「くびれ」は、極めて一般的に、管の横断面が局所的に減少している部分を言う。くびれは、全周にわたって、または周の１つ以上の部分領域（角度区分）にわたって延在していてよい。くびれは例えば、管の内側で壁厚さを高めることにより、または凹状の胴形状（ネック形成）を得るように管壁を変形させることにより形成することができる。「くびれの領域」は、管の一様の初期横断面に対して横断面が減少している、管の全ての長さ区分を意味している。一様の初期横断面と、所定の挿入状態で構成部分によって半径方向で取り囲まれた「導入可能な」または「導入された」管区分とは区別される。「管端部」は、導入可能な／導入された管区分の開かれた端面を意味する。くびれの領域は、通常、導入可能な／導入された管区分の一区分であり、軸方向で好適には管端部に隣接している、または少なくとも中空室の開口よりは、管端部の近くに配置されている。「管」は、所定の横断面形状に限定されるものではないが、好適には円形である。この場合、管は、最も単純な構成では、くびれの領域以外は円筒状に形成されていて、好適にはくびれの領域でもほぼ円形の横断面を有している。特に好適には、管は、くびれの最も狭い個所でも円形の横断面を有している。同様のことは、米国特許第３２４４４９８号明細書により公知であるように、中空室が例えば袋孔として形成されている場合、その横断面が例えば多角形、または好適には円形であってよい中空室にもあてはまる。したがって、管の外表面と中空室の内表面との間に形成される周方向に延在するリング室は、必須ではないが好適には円形である。本発明は偏心的な配置を排除するものではないが、この管は、中空室において好適には中央に、特に円筒状の管は、このような袋孔内に同心的に配置されている。
【００１３】
溶融ガラスを案内する構成部分は通常、耐火性材料から形成されていて、例えば溢流壁またはブリッジ壁または貫通孔またはその他のガラス溶融装置の壁または底面区分を成す。
【００１４】
公知であるように、媒体が流過する管の減径領域では流速が上昇し、速度上昇の二乗に比例して同じ個所における定常圧は減少する（ベルヌーイの式）。このような物理的な法則は、例えば、様々な媒体を混合するためのベンチュリ管またはベンチュリノズルで利用される。様々な媒体のうちの第１の媒体は管を貫流し、第２の媒体は、減径部の領域で側方に付け足された取り出し管を通って供給される、もしくは吸い込まれる。
【００１５】
本発明はこの原理を初めて、溶融ガラスを案内する構成部分の冷却を改善するために利用した。この場合、中空室には、冷却媒体が外部から管を通して供給されるだけではなく、冷却媒体はベンチュリ原理に基づき中空室の内側で循環されていて、これにより管の空気流出部における、すなわち開かれた管端部における冷却成果を従来の管よりも改善している。冷却媒体の循環、およびこれに伴う対流係数の上昇による流速の上昇の結果、冷却成果は改善される。管端部が、中空室の基部に対して軸方向の間隔Ｓまで近付いていることにより、構成部分のこの領域は最も冷却される。通常、これは、熱的に、または機械的に最も負荷がかかる構成部分の個所に最も近く位置している場所でもあり、例えば、溢流壁またはブリッジ壁の頂部である。まさにここで、改善された冷却効果により、材料の腐食が効果的に防止される。
【００１６】
管および中空室の寸法設定、およびこれにより生じる壁の間隔、ならびに中空室の数、および装着される管区分の数は、一方では取り出したい熱量、他方では溶融装置のできるだけ僅かな運転コストをもとに決定される。運転コストに関しては、できるだけ僅かな圧力のもとで所要冷却剤（ガス／空気）の量が僅かであると有利である。したがって、本発明による冷却装置もしくは本発明によるシステムの流れ横断面は、冷却が行われる必要のない区分で好適には、運転コストを低く維持するために、運転時にできるだけ僅かな圧力損失が生じるように選択される。しかしながら冷却が行われるべき流れ横断面や、溶融装置もしくはその組み込み部から局所的に熱を排出すべき流れ横断面においては、意図的に、高められた流速が発生され、より高い圧力損失が許容される。過剰に高い流速の領域は、ここに記載された中空室の壁である。以下に記載する寸法は、このような観点から、本発明による方法、装置、およびシステムにとって有利であることがわかっている。
【００１７】
好適には、管は、くびれの領域以外では内側横断面積ＡＩを有していて、中空室は、管に対して、すなわち管軸線に対して垂直方向の横断面積ＡＨを有しており、ＡＨはＡＩの１．５倍〜４倍に相当する。液圧直径が一定であることは流体力学的に最適であり、これにより、円形の横断面を有した中空室および円形の管には、ＡＨ＝４＊ＡＩの比が生じる。これに対して面積比を、ＡＨ＝２＊ＡＩとなるように半分にすることにより、中空室壁における流速は２倍になり、これは、冷却の運転コストと得られる冷却効率との間の良好な妥協点となる。ＡＨ＝１．５＊ＡＩの面積比までは、許容可能な運転条件のもと良好な冷却効果が得られる。横断面積のこのような関係は、管および中空室の横断面形状には関係ない。
【００１８】
したがって、くびれの領域以外で管が少なくとも所定の区分で円筒状に構成されていて、この管がこの円筒区分に沿って内径ＤＩを有していて、中空室は、直径ＤＨの袋孔として形成されている場合、好適には、
【数１】
2018123049.tif 000003
であり、最適値は
【数２】
2018123049.tif 000004
である。
【００１９】
さらに好適には、管はくびれの領域以外で内側横断面ＡＩを有していて、くびれの最も狭い個所で内側横断面ＡＥを有しており、以下の条件、すなわちＡＥ≧０．０４＊ＡＩを満たす。
【００２０】
ＡＥ＝０．０４＊ＡＩである、くびれの最も狭い個所における管の最小横断面積により、実際にはくびれに基づく圧力損失が許容可能な範囲内にとどまることが保証されるので、冷却はさらに経済的に行われることができる。
【００２１】
好適には、中空室は、管に対して垂直な横断面積ＡＨと直径
【数３】
2018123049.tif 000005
とを有し、この場合、間隔Ｓは、中空室の直径ＤＨの０．１倍〜０．８倍に相当する。最適な比Ｓ＝０．３５＊ＤＨは、管端部から、管端部と中空室基部との間の高さＳを有するギャップまでの移行部、およびこのギャップからリング室（ＡＨ＝２＊ＡＩ）への移行部における好適には一定の流れ横断面の必要性から生じる。この場合、流れの各変向点では、管の延長された周面の形態で、軸方向の間隔Ｓの高さを有する流れ横断面積が仮定される。しかしながら、０．１＊ＤＨ〜０．８＊ＤＨの範囲全体において、許容可能な運転条件のもと良好な冷却効果が得られる。
【００２２】
このような条件も一般的なものであり、すなわち管軸線に対して垂直方向の中空室の横断面形状とは関係なくあてはまる。すなわちＤＨは、中空室が円形の横断面を有していない場合は、一般的には直径に等価のものを示す。例えば中空室が袋孔として形成されていることにより、横断面が円形である場合はもちろん、ＤＨは実際の直径である。他のことが記載されていない限り、同じことが管の横断面ついてあてはまる。
【００２３】
冷却装置は、流れ発生器が送風機であることにより、好適に構成される。
【００２４】
システムは、間隔Ｓ≦３５ｍｍ、好適にはＳ≦２５ｍｍであることにより、好適に構成される。
【００２５】
袋孔が、４０〜８０ｍｍの、特に好適には５０〜７５ｍｍの直径ＤＨを有しているとさらに好適であることがわかった。
【００２６】
管は、好適には、くびれの領域以外の、袋孔内に導入可能な管区分で、３０〜６０ｍｍの、特に好適には４０〜５０ｍｍの内径ＤＩを有している。
【００２７】
図面の説明
本発明のさらなる利点および特徴は、以下に図示した実施例につき詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１Ａおよび図１Ｂは、冷却される溢流壁の形態で本発明によるシステムの第１の実施形態を示す図である。
【図２】図２Ａおよび図２Ｂは、冷却されるブリッジ壁の形態でシステムの第２の実施形態を示す図である。
【図３】管の第１の実施形態を有したシステムの詳細を示す図である。
【図４】管および中空室における圧力比を説明するための、図３と同様の視点の図である。
【図５】管の第２の実施形態を有したシステムの詳細を示す図である。
【図６】冷却成果を検出するためのテスト用石材を示す断面図である。
【図７】図６のテスト用石材の第１の位置で検出された、送風機流量に依存する温度測定のグラフである。
【図８】図６のテスト用石材の第２の位置で検出された、送風機流量に依存する温度測定のグラフである。
【図９】図６のテスト用石材の第４の位置で検出された、送風機流量に依存する温度測定のグラフである。
【００２９】
図１Ａおよび図１Ｂには、溶融ガラス１０に接触する、または溶融ガラス１０をガイドする構成部分１２を有した本発明によるシステムの第１の実施形態が２つの視点で示されている。図１Ａに示された部分側面図によれば、この構成部分１２が、１つの溶融槽またはガラス溶融装置１３を２つの区分１０２および１０４に分割する溢流壁１００を形成していることがわかる。溶融槽１３は、槽底面１０６と側壁１０８とにより画定されている。槽底面１０６および側壁１０８は、溢流壁１００と同様に溶融物１０に接触するので、通常は耐火性の石材から形成されている。槽底面１０６からは、溢流壁１００がちょうど液面の下方まで突出している。換言すると、溶融物１０は、溢流壁を、壁頂部と言われるその上面に沿ってカバーしている。溶融物はこの個所で、溶融槽内側で最大の流速を有しているので、壁頂部における耐火性材料は最大の摩耗にさらされる。したがって、まさにこの個所で最も効率的な冷却を得る努力がなされている。
【００３０】
この目的で、構成部分１２は、壁頂部とは反対側に位置する下面から開かれた全部で５つの中空室１４を有している。部分的に示された正面図１Ｂによりわかるように、中空室は、溢流壁１００の全幅にわたって等距離で分配されている。中空室１４にはそれぞれ、個別の管１６（図１Ａにのみ例示されている）が導入されていて、この管１６を通して、溶融ガラス装置１３の作動中、冷却媒体、特にガス、および特に好適には空気が、中空室１４内に導入される。この目的で全ての管１６は１つの供給管１７に接続されている。供給管１７は入口側で、好適には送風機の形の流れ発生器１８に接続されている。さらに供給管１７に沿って、例えば弁または絞りまたは類似のもののような制御エレメント（図示せず）が、供給空気流を制御するために設けられていてよい。
【００３１】
図２Ａおよび図２Ｂには、本発明によるシステムの別の実施形態が２つの部分図で示されている。この場合、構成部分１２は、溶融ガラス槽１３’をやはり２つの区分１０２’および１０４’に分割するブリッジ壁である。ブリッジ壁１１０は、２つの側方部分１１２，１１４と横方向ビーム１１６とで、槽底面１０６’と共に、貫流開口とも言われる窓１１８を形成している。この窓は完全にガラス液面の下方で溶融物１０内に沈められている。窓１１８は、槽横断面に対して横断面狭隘部を形成しており、これによりこの領域での流れ速度は高くなる。このような理由から、耐火性材料の著しい摩耗は、窓開口の４つ全ての側で、すなわち両側方部分１１２，１１４と、横方向ビーム１１６と、槽底面１０６’とで生じる。したがってこの場合、構成部分の４つ全ての側で冷却が行われる。
【００３２】
ブリッジ壁１１０の両側方部分１１２，１１４には、この目的でそれぞれ１つの中空室１４’が袋孔の形態で位置しており、この中空室１４’内にそれぞれ１つの管１６’が導入されている。全く同様に、底面壁１０６’に袋孔の形態の２つの開口１４’’が位置していて、これらの開口１４’’内にはそれぞれ１つの管１６’’が導入されている。これらの管１６’および１６’’にも管路１７’と流れ発生器１８’とを介して空気が供給される。
【００３３】
横方向ビーム１１６は、２つの連続した孔５４の形態の冷却の別の構造を有している。これらの孔５４は、槽配向に対して横方向に、一方の側から他方の側へと冷却媒体、好適には空気によって貫流される。
【００３４】
図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂとの関連で説明した両実施例は、中空室もしくは袋孔および管の形状、数、および配置に関して概略的なものとしてみなされるべきである。特に、必要な冷却に応じて、より多数のまたはより少ない中空室および管を、異なる形状およびサイズで、かつ別の配列で設けることもできる。中空室１４および管１６の詳細は、以下に図３〜図５につき説明する。
【００３５】
図３には、本発明によるシステムの一部が示されている。このシステムは構成部分１２を含み、袋孔３８として形成された中空室１４の横断面が示されている。この中空室１４内には管１６が挿入されており、これにより管区分２１に沿って、管１６の外表面２４と中空室１４の内表面との間にリング室２２が形成されている。構成部分１２は例えば、図１Ａ、図１Ｂに示した溢流壁１００であってよく、図２Ａ、図２Ｂに示したブリッジ壁１１０または槽底面１０６’であってよく、または溶融ガラスと接触する別の槽構成部分であってよい。図３の配置は単に概略的なものであり、正確な縮尺ではない。特に、袋孔および管１６の長さ対直径の比は正確な縮尺ではない。通常、袋孔３８と管１６とは、直径に対して図示したものよりもより深く、もしくは長く形成されている。深さもしくは長さは極めて様々であってよい。深さもしくは長さも、この場合構成部分の進入すべき厚さ、もしくは中空室の向きに依存している。
【００３６】
図４には、図３と同じ配列が、同じ向きで示されており、補足的には技術的記載のみを含む。とりわけ、この図には、導入された管１６の端面側の管端部２０と中空室１４もしくは袋孔３８の端面側の基部２８との間に維持される間隔Ｓが記入されている。この間隔を所要の精密さで維持することを簡単に保証するために、端面側の管端部２０と中空室１４の基部２８との間には好適にはスペーサ２９が設けられている。このスペーサは特に好適には、紛失しないように管１６に結合されている。
【００３７】
管１６は、管端部２０に隣接して周方向に延在するくびれ３０を有している。符号３０は、流れ方向で狭まる区分３１、その下流の円筒区分３２、およびさらに下流で流れ方向で拡大する端部区分３３により形成されるくびれ３０の領域全体を示す。方向の記載は、管１６内側における冷却媒体の流れ方向に関するものである。円筒区分３２は、このようなジオメトリにおいて、くびれ３０の最も狭い個所３４を形成している。この円筒区分３２において、管１６は、管壁３６を貫通する開口部または孔３５を有しており、この孔３５により、管内部３７とリング室２２とは流体接続される。
【００３８】
以下に、図面において矢印で示した、この配列を通る空気の流れを説明する。管１６内に導入された冷却媒体（通常は空気）４０は、矢印４１で示したように管内で軸方向上方に向かって流れる。くびれ３０の内側では、横断面減少により空気の流速が上がり、この速度は、最も狭い個所３４で最大に達するまで上昇する。同時に、管内の定常圧はこの個所で最小である。管端部２０に達するまでに、空気は再び初期速度となる。なぜならば、管端部では管直径が、くびれ３０の手前のその他の管の直径に相当するからである。管端部２０で、空気は端面側から流出し、向かい合って位置する袋孔３８の基部２８により、矢印４２で示したように変向させられる。空気はリング室２２において逆流し、まずはリング室２２の拡大された領域を通過する。管壁３６は管１６の全長にわたって同じ厚さであり、中空室１４は円筒状の袋孔３８であるので、リング室２２の拡大された領域は、くびれ３０の領域に一致し、くびれ３０の領域に対して補完的に形成されている。リング室２２の拡大された領域では空気の流れはさらに遅くなり、これにより、リング室における定常圧は、リング室２２の最も広い個所に隣接する、管１６の半径方向で最も狭い個所３４で最大となるまで高まる。ここでは、管内部３７とリング室２２との間で差圧が生じる。この差圧により、矢印４４で示したように、逆流する空気の一部がリング室２２から開口部または孔３５を通って管内部３７へと吸い込まれる。管端部２０の領域でこのように著しく循環する空気流により、局所的な熱伝達率が高められ、ひいては冷却効果が高められる。
【００３９】
その他の空気はリング室２２に再び逆流し、これは矢印４６で示されている。そして構成部分１２の下端部で、矢印４７で示したように中空室から出ていく。
【００４０】
図４につき、以下に、管内側と管外側の圧力比を質的に考察する。実施例は回転対称的なジオメトリの理想的な場合であるので、すなわちそれぞれ円形の横断面を有した管１６と袋孔３８とであるので、計算は、図示した実際の直径に直接基づいて行われる。回転対称的でない場合は、実際の直径の代わりに等価の直径を用いる。この等価の直径は、実際の横断面積Ａから、
【数４】
2018123049.tif 000006
のように計算することができる。
【００４１】
管１６は、くびれ３０の領域以外では円筒状に形成されていて、円筒区分において内径ＤＩを有している。袋孔は直径ＤＨを有する。冷却成果と圧力損失との間の妥協点として、横断面もしくは直径の最適な比は、
【数５】
2018123049.tif 000007
の範囲にあり、最適値は
【数６】
2018123049.tif 000008
であることがわかった。圧力損失に関しては、上述したように、管１６とリング室２２の液圧的直径を合わせることが有利であり、熱伝達に関しては、リングギャップ２２内のできるだけ高い流速が有利である。しかしながらこれは高い予備圧力につながり、したがって高い投資コストおよび運転コストに結び付く。管１６およびリング室２２の流れ横断面をほぼ同じにすることが有利であることがわかった。円横断面に関しては、管壁厚さは無視して、上記最適値を記載する。
【００４２】
管端部２０と袋孔３８の基部２８との間の間隔Ｓは好適には０．１・ＤＨ〜０．８ＤＨである。この場合、
【数７】
2018123049.tif 000009
であると仮定すると、最適値は約Ｓ＝０．３５ＤＨである。この比例式は、流れ変向部の領域における、すなわち管端部と袋孔基部との間の領域における圧力損失を最も小さくするという観点で最適とみなされる。上述したように、この寸法は流れ変向部の領域における類似の流れ横断面の選択の結果である。ギャップまたは間隔Ｓの選択が大きすぎると、端面における熱伝達は悪化し、ギャップの選択が狭すぎると、圧力損失が高くなり、ひいては必要な予備圧力が高くなり、これは冷却コストを高くする。
【００４３】
くびれ３０の寸法設定のために以下の考察が重要である。図４に示した、丸数字１〜６が示す点は、以下で記載する対応する指数を有した圧力値が生じる個所を示している。すなわち、ｐ１は、丸数字１の個所で生じる圧力を表す、等。隣接する２つの点の間の差圧は、対応する指数２つで示す。したがってｐ１２は、点１と点２との間の差圧であり、すなわちｐ１２＝ｐ１−ｐ２である、等。１から２へと圧力損失がある場合、すなわちｐ１２は正の数である。
【００４４】
特に本発明による効果を得るためには、上述した考察により、まずは以下の式を満たさなければならない。
ｐ５＞ｐ２
【００４５】
この関係は、差圧により
ｐ１−ｐ１２−ｐ２３−ｐ３４−ｐ４５  ＞  ｐ１−ｐ１２
と示すこともできる。等価のものを以下のように書き換えることができる。
−ｐ２３−ｐ３４−ｐ４５  ＞  ０
この場合、ｐ３４は、流れ変向による３から４への圧力損失である。これは、実験または流れシミュレーションにより実証的に求めることができ、以下ではΔｐｕとも記す。したがってすなわち、
−ｐ２３−ｐ４５＞Δｐｕ          （１）
差圧ｐ２３とｐ４５は、ベルヌーイの式に基づき
【数８】
2018123049.tif 000010
もしくは
【数９】
2018123049.tif 000011
に書き換えることができる。
【００４６】
この場合、ｖｘは、個所ｘにおける速度を示しており、これは周知のように、対応個所における流れ横断面ＡＸで割った体積流
【数１０】
2018123049.tif 000012
に比例する：
【数１１】
2018123049.tif 000013
これを式（２）および（３）に代入して、さらに式（１）にあてはめて、
【数１２】
2018123049.tif 000014
と書き換えられる。
【００４７】
この関係は、本発明の全ての対象に広く妥当性を有し、特に全ての好適な面積比ＡＨ＝１．５＊ＡＩからＡＨ＝４＊ＡＩに妥当性を有し、所与の管横断面積ＡＩ＝Ａ３、所与の中空室横断面積ＡＨ＝Ａ３＋Ａ４＋ＡＷの場合、その軸方向の個所における管の壁厚さＡＷを考慮して、くびれの最も狭い個所における管の最大横断面積ＡＥ＝Ａ２もしくは対応する軸方向の個所Ａ５におけるリング室の最小横断面積を求めることを可能にする。
【００４８】
関係（４）は、任意の小さい値ＡＥ＝Ａ２に関して常に満たされている。このことは、論理的な期待値にも相応し、横断面が小さくなるにつれ、ベルヌーイ効果は上昇する。しかしながらこれに対して、任意の狭いくびれは実際には、流路全体においていつしか圧力損失をもはや許容可能なものではなくすることが挙げられる。なぜならば冷却は、極めて高い初期圧力でしか行われず、ひいては経済的ではないからである。このような理由から、実際に関係する圧力比については、くびれの最も狭い個所における管の最小横断面積ＡＥ＝０．０４＊ＡＩもしくは相応の直径比ＤＥ＝０．２＊ＤＩを下限として記載することができる。
【００４９】
ジオメトリ条件ＡＨ＝２＊ＡＩを有したこの実施例では、式（４）がさらに簡単になる。条件ＡＨ＝２＊ＡＩは、ＡＩ＝Ａ１＝Ａ３およびＡＨ＝Ａ３＋Ａ４である指数３および４に書き換えられて、これは管の壁厚さを無視すると単にＡ３＝Ａ４である。これを式（４）に代入し、Ａ２＝ＡＥおよびＡ５＝ＡＨ−ＡＥ−ＡＷＥである最も狭いくびれの領域における管の壁厚さＡＷＥを考慮して指数ＥおよびＨに書き換えると、次の式となる。
【００５０】
【数１３】
2018123049.tif 000015
【００５１】
中空室の基部における変向に基づく圧力損失に関しては、装着深さＳ＝０．３５＊ＤＨを含む所与のジオメトリ条件のもとで、管流れの二重の９０°変向の見積もりで十分に正確であると言え、これにより項Δｐｕに関して５０ｍｂａｒの値が生じる。したがって、関係（５）に基づきこの例では、最も狭い個所２における最大横断面積ＡＥに関する見積もりを記載することができる。
【００５２】
上記全ての考察は、散逸効果を考慮しておらず、したがってくびれの設計のための近似値を成す。しかしながらこれは、どのような周辺条件下で基本原理が機能するのかを示している。くびれのジオメトリを最適にしようとする場合、すなわち効率をさらに上げようとする場合、実際の形状パラメータおよび表面効果を考慮することができる流れシミュレーションを実施することが推奨される。
【００５３】
くびれ３０の領域は、図３および図４に示した実施例では、円錐状に減径する領域３１と、円錐状に拡大する領域３３とが軸方向で同じ長さ、かつ鏡像対称的であるように構成されている。このようなジオメトリは、強制的ではないが極めて一般的であるように、くびれ、管の壁の延在、または例えば貫通孔の配置に比例する。重要であるのは、このジオメトリにより差圧ｐ５＞ｐ２が生じ、ひいてはその根底にある効果が生じることである。それでも、狭められたくびれ領域３０の内側および外側における管および／または中空室の詳細なジオメトリの変更により、すなわち例えば、狭められたくびれ領域３０’の長さ、および／または減径部または拡開部の一方または両方の傾斜角の変更により、冷却成果および圧力損失の最適化が行われる。
【００５４】
管の具体的な構成に関してどのような変更幅があるかを、以下に図５につき説明する。図５は、管１６’’’の選択的な実施形態を示しており、この選択的な実施形態は、図３および図４につき説明した構成の管１６とは、くびれ３０’の領域が変更されている点で異なっている。この領域３０’は、流れ方向で減径する区分３１’と、それに続く円筒区分３２’と、これに続いて急激に拡大する、管の初期横断面を再び有する円筒区分５０とを備えている。円筒区分３２’は最も狭いくびれ３４’の領域を形成していて、この領域では流れ速度は再び最大になり、定常圧力は最小である。円筒区分３２’では流れ方向に向いたスリット状の開口部３５’が、管１６’’’の壁３６’を貫通して設けられている。したがって円筒区分５０への移行部で、流れるガスは急に広がるのではなく、前述した実施例のようにほぼ均一に広がる。これらのスリットはこのためにさらに、円筒区分３２’の前端部で開かれている。
【００５５】
円筒区分３２’の一部のみが機能的に最も狭いくびれ３４’の領域を形成している。この円筒区分３２’の一部は、別の円筒区分５０によって半径方向で取り囲まれていない。スリットは、流れ方向で見て円筒区分５０の手前の最も狭いくびれ３４’のこの領域で既に始まっていて、ここでは同時に開口部３５’を形成している。この開口部３５’を通って冷却媒体は定常差圧に基づき、上述したようにリング室２２’から半径方向に管内部３７’内に流入することができる。
【００５６】
別の円筒区分５０をより狭い円筒区分３２’に機械的に取り付けるために、別の円筒区分５０とより狭い円筒区分３２’との間に半径方向で位置する、周方向で互いに間隔を置いて位置する複数の、この場合３つのスペーサエレメント５２が配置されていて、このスペーサエレメント５２が両区分３２’と５０とを互いに結合させている。
【００５７】
図６には、円筒状の形状を有したテスト用石材１２’の部分断面図が示されている。中央に、すなわち円筒軸線に一致するように、テスト用石材１２’内には袋孔３８の形態の中空室１４が位置している。外周側、および袋孔３８の基部２８に向かう端面側に、複数の測定孔６１，６２，６３，６４，６５，６６が位置している。
【００５８】
テスト用石材は外径２４０ｍｍであり、袋孔３８は直径６５ｍｍである。測定孔６１，６２，６４は、袋孔３８に対してそれぞれ１０ｍｍの間隔まで近付いている深い孔であり、そのうち２つは半径方向に、１つは軸方向に延在している。測定孔６３，６５，６６は扁平孔であり、外側からそれぞれ１０ｍｍしかテスト用石材内に入り込んでいない。そのうち２つは同じく半径方向であり、１つは端面側に配置されている。冷却成果の実際の算出のために、各テスト孔６１〜６６内にはそれぞれ１つの温度測定用サーモ素子が導入された。テスト孔６１〜６６に配属されたサーモ素子には、同じ順番で符号ＴＥ＿１，ＴＥ＿２，ＴＥ＿３，ＴＥ＿４，ＴＥ＿５，ＴＥ＿６が付与されている。別のサーモ素子ＴＥ＿Ａは、袋孔３８の下側の流出空気温度を測定するために位置７０に配置された。
【００５９】
図３に示した管が、テスト運転のために、下方からテスト用石材１２’の袋孔３８内に挿入され、ここで中央に保持された。装着深さ、すなわち管の上端部２０と基部２８との間の間隔Ｓは自由に調節可能であり、実験中に変化させられた。
【００６０】
管は送風機に接続されて、実験中、冷却媒体である空気の変化させられる体積流量がこの管に供給された。
【００６１】
比較のために、その他の寸法およびジオメトリは同じであるが、くびれを有さない一貫して円筒状の管が用いられた。この管を以下では標準管と記載する。この管も同様に、テスト用石材１２’の袋孔３８内に下方から挿入され、この内部で中央に保持され、同じ装着深さおよび体積流量で作動された。
【００６２】
以下の全てのグラフは、それぞれ３つの異なる装着深さ１５ｍｍ、２５ｍｍ、３５ｍｍにおける両管による測定結果を含む。
【００６３】
炉は、実験経過中、一定に１４８０℃に維持された。管には送風機により様々な体積流量の冷却空気が供給された。以下で説明するグラフには、送風機の体積流量が１００ｍ３／ｈ、１５０ｍ３／ｈ、２００ｍ３／ｈ、２５０ｍ３／ｈの場合の測定値が示されている。以下に記載する温度測定値は、温度均衡の達成後に検出された。
【００６４】
図３および図４に示した本発明による管の測定結果は、以下で議論するグラフの説明では「ベンチュリ」と記載する。管による比較測定は、グラフの説明では「標準」と記載する。装着深さを、同じくグラフの説明では、末尾数字１５，２５，３５で示している。
【００６５】
図７のグラフでは、テスト用石材１２’の端面側の扁平孔６３においてサーモ素子ＴＥ＿３によって測定された、送風機流量（ｍ３／ｈ）に関する温度プロフィール（℃）が示されている。この測定点は、最大の摩耗を受ける露出した端面近くの構成部分の温度を示している。
【００６６】
グラフの曲線から、標準管により既に、空気流量が増加し、装着深さが深くなるほどそれぞれ高くなる冷却効果を得ることができることが読み取れる。しかしながら、周囲にくびれを有し、その他の点では円筒状の標準管と同じ配列を有する本発明による管の使用により得られる、テスト用石材１２’の端面の外表面における冷却は、装着深さおよび送風機流量にかかわらず平均して約５℃ほど高い。さらに、くびれの原理は、装着深さをさらに減じることや、空気流を増加させることとは異なり、実質的に付加的な圧力損失を伴わず、したがって明らかに改善された効率を有している。まさにこの個所で、構成部分の熱的および機械的負荷は最大であるので、冷却はこの点で正確に、構成部分の耐用寿命を高めるために貢献する。
【００６７】
図８のグラフでは、テスト用石材１２’の端面側の深い孔６４においてサーモ素子ＴＥ＿４によって測定された、送風機流量（ｍ３／ｈ）に関する温度プロフィール（℃）が示されている。この測定点は、石材内部における冷却空気流近くの構成部分の温度を示している。標準管を使用して測定された温度は、本発明による管を使用して測定された温度に対して、同じく装着深さおよび送風機流量にかかわらず、約５０〜７５ケルビン高い。したがって図８のグラフは、前記グラフによる検査結果を確認するのに適しており、この個所において絶対的により高くなっている温度差はもちろん、この測定点が冷却流近くに位置していることによるものである。
【００６８】
図９のグラフは、袋孔３８近くの深い測定孔６１においてサーモ素子ＴＥ＿１によって測定した温度を示している。この測定結果は、軸方向で最も下方に位置するこの測定個所では、本発明による管を使用しても明らかに改善された冷却は得られないことを示している。このことは、本発明による管の使用により冷却空気の強化された循環が生じるので、強化された冷却は管端部２０もしくは袋孔基部２８の領域でのみ生じるという仮定を裏付けている。すなわち冷却は、実際に最も必要とされるところで局所的にのみ強化されている。このことは特に、本発明による冷却の効果を裏付けている。
【００６９】
測定点７０における流出空気の温度も、サーモ素子ＴＥ＿Ａにより監視された。これにより、本発明による管の使用により強化された冷却が生じることが確認できた。すなわち本発明による管を使用した場合の流出空気温度は、その他は同じ条件のもとでの標準管の流出空気温度よりも再現可能に高いことが判明した。このことは熱の除去がより大きいことによると結論づけることができる。
【００７０】
全ての測定データから、基本的には装着間隔が小さい方が大きいよりも、冷却成果が上がることを読み取ることができる。このことはいずれにせよ、実際にはシステム全体の圧力損失が比例以上に増加し始める特定の最小間隔まであてはまることである。異なる装着深さを有する曲線間の間隔を考察すると、このシステム（ＤＨ＝６５）では、３５ｍｍから２５ｍｍまでの減少によっては、冷却成果の著しい向上が得られるが、１５ｍｍまでの減少によってはもはやこの向上は得られないことがわかる。したがって、熱の除去と圧力損失との間の良好な妥協点は、３５ｍｍ未満の装着深さである。より高い圧力損失を甘受しても冷却成果をさらに高めたい場合は、２５ｍｍ未満の装着深さも有利であるが、これにより場合によっては送風機の出力増大が必要となる恐れがある。さらに、装着深さが小さい場合には、管および袋孔の組み立ておよび製造における製造誤差偏差がより顕著になることを考慮しなければならない。
【符号の説明】
【００７１】
１０  溶融ガラス
１２  構成部分
１２’  テスト用石材
１３，１３’  溶融ガラス装置
１４，１４’，１４’’  中空室
１６，１６’，１６’’，１６’’’  管
１７，１７’  供給管
１８，１８’  流れ発生器／送風機
２０，２０’  開かれた管端部
２１  導入可能な／導入された管区分
２２，２２’  リング室
２４  管の外表面
２６  中空室の内表面
２８  中空室の基部
２９  スペーサ
３０，３０’  くびれ
３１，３１’  管の減径区分
３２，３２’  管の円筒区分
３３  管の拡大区分
３４，３４’  くびれの最も狭い個所
３５，３５’  開口部
３６，３６’  管壁
３７，３７’  管内部
３８  袋孔
４０  冷却媒体
４１  流れ矢印
４２  流れ矢印
４４  流れ矢印
４６  流れ矢印
４７  流れ矢印
５０  別の円筒区分
５２  スペーサエレメント
５４  孔
６１〜６６  測定孔
７０  温度測定点
１００  溢流壁
１０２，１０２’  溶融槽の区分
１０４，１０４’  溶融槽の区分
１０６，１０６’  槽底面
１０８  溶融槽の側壁
１１０  ブリッジ壁
１１２  側方部分
１１４  側方部分
１１６  横方向ビーム
１１８  窓
Ｓ  装着間隔
ＤＩ  管の内径
ＤＨ  袋孔の直径
ＤＥ  最も狭い個所における管の直径
ＴＥ＿１〜ＴＥ＿６  サーモ素子
ＴＥ＿Ａ  サーモ素子
【図１】
2018123049.tif 000021
【図２】
2018123049.tif 000022
【図３】
2018123049.tif 000023
【図４】
2018123049.tif 000024
【図５】
2018123049.tif 000025
【図６】
2018123049.tif 000026
【図７】
2018123049.tif 000027
【図８】
2018123049.tif 000028
【図９】
2018123049.tif 000029
【外国語明細書】
2018123049.tif 000030
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