(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス原料粒子を気相雰囲気中で溶融し溶融ガラス粒子を形成する気中溶融法に用いられるバーナーであって、複数のノズル管が配置された多重管構造のバーナー本体部を備えてなり、複数のノズル管の流路と、複数のノズル管によりノズル管の間に形成される複数の流路のうち、１つがガラス原料粒子供給路、１つが燃焼ガス供給路、１つが燃料ガス供給路にされるとともに、前記複数のノズル管のうち、ガラス原料粒子供給路を構成する１つ以上のノズル管の後端部が他のノズル管の後端部よりも後方側に突出させて設けられ、前記ノズル管後端部の突出された部分に振動付与手段が設置され、前記バーナー本体部の先端側が噴射口とされ、
前記バーナー本体部が前記振動付与手段により共振される長さに形成されてなり、
前記振動付与手段が前記バーナー本体部に与える振動の波長をλとして、
前記振動付与手段が設置された前記ノズル管の後端部からλ／４の奇数倍の位置である振動の節の位置に、燃料ガスの送入口とガラス原料粒子の送入口と燃焼ガスの送入口と前記バーナー本体部の支持部の少なくとも１つが設けられてなる気中溶融バーナー。
【請求項２】
前記複数のノズル管により形成される複数の流路のうち、隣接する一対の流路が冷媒流路とされ、前記振動の節の位置に、前記冷媒流路の出入口が形成された請求項１に記載の気中溶融バーナー。
【請求項３】
前記各ノズル管の後端部にそれら後端部を閉じる端面壁が形成され、前記ノズル管の後端部よりも後方側に突出された他のノズル管の後端部が前記端面壁を貫通して後方側に突出され、前記端面壁を貫通し後方側に突出された複数のノズル管後端部のうち、ガラス原料供給部を構成する少なくとも１本のノズル管が他のノズル管に対し抜き取り自在に構成された請求項１または請求項２に記載の気中溶融バーナー。
【請求項４】
前記抜き取り自在に構成されたノズル管は前記他のノズル管の端面壁に形成した貫通孔に対し遊挿され、前記遊挿部分を気密にシールするシール機構が形成され、他のノズル管は前記端面壁の貫通部分においてノズル管同士一体化された請求項１〜３のいずれか一項に記載の気中溶融バーナー。
【請求項５】
前記抜き取り自在に構成されたノズル管の先端側に該ノズル管とその外側のノズル管の間隔を保持するスペーサーが設けられ、該スペーサーが前記バーナー本体部の先端位置からｎλ／２（ｎは整数）の位置である振動の腹の位置に形成されてなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の気中溶融バーナー。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の気中溶融バーナー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ガラス原料粒子を送ることにより該ガラス原料粒子を溶融させ、該ガラス原料粒子を溶融ガラス粒子とするガラス原料の溶融方法。
【請求項７】
請求項６に記載の前記溶融ガラス粒子を貯留する溶融ガラスの製造方法。
【請求項８】
請求項６に記載の前記溶融ガラス粒子を、冷却することによりガラスビーズとするガラスビーズの製造方法。
【請求項９】
請求項６に記載のガラス原料の溶融方法を用いて前記ガラス原料粒子を加熱して溶融ガラス粒子とするガラス溶融工程と、前記溶融ガラス粒子からなる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、を含むガラス製品の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のガラス原料粒子を溶融ガラス粒子とする工程が、前記溶融ガラス粒子を貯留してガラス融液とする工程、を含むガラス製品の製造方法。
【請求項１１】
ガラス原料粒子を気相雰囲気中で加熱溶融して溶融ガラス粒子にする気中溶融装置であって、
前記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原料加熱部と、
前記加熱気相雰囲気に前記ガラス原料粒子を供給するための原料供給部と、
を備える気中溶融バーナーが、請求項１〜５のいずれか一項に記載の気中溶融バーナーである気中溶融装置。
【請求項１２】
前記原料加熱部に連通するように溶融ガラス粒子の貯留部が設けられる請求項１１に記載の気中溶融装置。
【請求項１３】
前記原料加熱部に連通するように冷却部とガラスビーズの貯留部が設けられる請求項１１に記載の気中溶融装置。
【請求項１４】
請求項１１または１２に記載の気中溶融装置と、該気中溶融装置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製品の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気中溶融バーナー、ガラス原料の溶融方法、溶融ガラスの製造方法、ガラスビーズの製造方法、ガラス製品の製造方法、気中溶融装置およびガラス製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溶融炉にて溶融するというＦ．シーメンスが開発したシーメンス窯に基づき生産されている。シーメンス窯による溶融法では、粉末状ガラス原料の混合物を、シーメンス窯で先に溶融したガラス融液面上に投入し、それが塊（バッチ山、ｂａｔｃｈ  ｐｉｌｅともいう。）となったものをバーナーなどによって加熱し、その塊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、融点あるいは粘性の高い珪砂あるいは珪砂分を多く含む粒子が取り残され、また、それらが相互に結合するなどして原料層内に難溶融性物質が形成されやすい。さらに、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。さらにまた、シーメンス窯によるガラス溶融炉は大量のエネルギーを必要とするため、産業エネルギー消費構造改革の面からガラス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、高付加価値化ガラス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）を形成する気中溶融法と呼ばれるガラス製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。）。
【０００４】
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。特許文献１に記載のガラス溶融炉１００は、高温気相雰囲気１０１を形成する加熱手段として、複数本のアーク電極１０２および／または酸素燃焼ノズル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および／または酸素燃焼ノズル１０３が形成する酸素燃焼炎（フレーム）１０５によって炉体１０６内に約１６００℃以上の高温気相雰囲気１０１が形成されている。この高温気相雰囲気１０１中に、ガラス原料粒子１０４を投入することにより、高温気相雰囲気１０１内でガラス原料粒子１０４を液状ガラス粒子１０７に変化させる。液状ガラス粒子１０７は落下して炉体１０６の炉底部１０６Ａに溜まり、ガラス融液Ｇ１００となる。
【０００５】
特許文献２に記載のガラス溶融炉は、加熱手段として、ガラス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いる。この酸素バーナーには、酸素濃度９０容量％以上の支燃ガスとガラス原料が供給されるように、ガス供給系と燃料供給系とが接続されている。このガラス溶融炉によれば、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。
【０００６】
上述のガラス溶融炉は、ガラス原料粒子を高温気相雰囲気中で溶融して溶融ガラス粒子を形成し、溶融ガラス粒子をガラス溶融炉底部に集積させて溶融ガラスを形成する装置である。この気中溶融法によれば、従来のシーメンス窯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。
【０００７】
ところで、従来のシーメンス窯を用いたガラス溶融炉として、例えば、図１１に示すように、ガラス溶融炉２００の側壁２０１に火炎噴出方向を水平方向とするように酸素バーナー２０２が横向きに設置されたものが知られている（例えば、特許文献３参照。）。この例のガラス溶融炉２００では、炉２００内のガラス融液Ｇ２００の上面に堆積したバッチＢ２００が、酸素バーナー２０２から噴出される燃焼炎２０２Ａの輻射熱により溶融される。
また、シーメンス窯を用いたガラス溶融炉の他の例として、例えば、図１２に示すように、ガラス溶融炉３００の天井壁３０１に、火炎噴出方向を下向きとするように酸素バーナー３０２が鉛直下向き方向に設置されたものが知られている（例えば、特許文献４参照。）。この例のガラス溶融炉３００は、炉３００内のガラス融液Ｇ３００の表面に、酸素バーナー３０２からの燃焼炎３０２Ａを噴き付けることにより、ガラス融液Ｇ３００の上面に堆積したバッチＢ３００が溶融される。
【０００８】
図１３に、従来のガラス溶融炉に使用される酸素バーナーの一例構造を示す（特許文献３参照）。図１３に示す酸素バーナー４００は、中心管４０１と、この中心管４０１の外側に配置される内管４０２と、この内管４０２の外側に配置される外管４０３とを同心状に重ねた三重管構造のバーナーである。中心管４０１の内部が一次酸素流路４０６、中心管４０１と内管４０２との間が燃料ガス流路４０７、内管４０２と外管４０３との間が二次酸素流路４０８とされている。また、燃料ガス流路４０７および二次酸素流路４０８には、多数の小通孔を有する多孔板４０４、４０５がそれぞれ設けられている。
上述した特許文献１および２に記載の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、この酸素バーナーの燃焼火炎中にガラス原料粒子を投入して、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ている。
【０００９】
図１４に、気中溶融法で使用される酸素バーナーの一例構造として、特許文献５に記載されたバーナーの断面図を示す。
図１４に示すバーナー５００は、中心側から順に配置されたノズル管５０１、ノズル管５０２、ノズル管５０３、ノズル管５０４、ノズル管５０５からなる５重管構造とされ、中心から順に、原料粉体を供給する原料粉体供給路５０１Ａと、この原料粉体供給路５０１Ａの外周に配置された燃料ガス供給路５０２Ａと、この燃料ガス供給路５０２Ａの外周に配置された酸素供給路５０３Ａと、この酸素供給路５０３Ａの外周に設けられた冷却水通路５０４Ａ、５０５Ａとを有する同心５重管構造にされている。バーナー５００の先端部には、原料粉体供給路５０１Ａ、燃料ガス供給路５０２Ａおよび酸素供給路５０３Ａにそれぞれ噴出口５０１ａ、５０２ａ、５０３ａを介して接続する燃焼室５０６が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２９７２３９号公報
【特許文献２】特開２００８−２９０９２１号公報
【特許文献３】特開平９−２４３０２８号公報
【特許文献４】特開２００２−３５６３３１号公報
【特許文献５】特開平７−４８１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、本発明者らがガラスの気中溶融法の研究を進める過程において、上述した従来構造のバーナーを気中溶融法に適用すると、製造されるガラスの品質が不均一になってしまう場合があることが明らかとなった。
これら従来構造のバーナーを気中溶融法に適用すると、直径数１０μｍ〜数１００μｍ程度の微細なガラス原料粒子が、原料の噴出口先端部付近で発生する渦流の影響により、バーナー先端部付近に部分的に付着することがある。そして、バーナー先端部に付着したガラス原料が徐々に肥大化して大きな塊となることがあると、この塊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、落下した塊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が不均質になり、ガラスの品質が低下するおそれがある。
また、特許文献５に記載のバーナーのように、原料供給路の噴出口がバーナー内部側に位置している場合、火炎中における原料の滞留時間を長くすることはできるが、その反面、バーナー先端部に原料が滞留するため、ノズル先端部にガラスが付着しやすい問題がある。
【００１２】
従来のシーメンス窯によるガラス溶融炉では、バーナーは横向きまたは下向きに設置されるが、バーナーから燃焼炎のみを噴射する構成であるため、上記のようなバーナーの先端にガラス原料が滞留、付着する問題は起こっていない。このような問題は、本発明者らが気中溶融法を検討する過程で新たに見出されたものである。
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、気中溶融用バーナーも長期間連続使用される。そのため、バーナーにガラス原料粒子が付着して肥大化するようであると、バーナーを停止して清掃を行う必要があるため、生産性の面においてもバーナーへの付着物の低減が望まれる。
【００１３】
以上のような背景から本発明は、ガラス原料粒子の付着を抑制できる気中溶融バーナー、および該バーナーを用いるガラス原料の溶融方法の提供を目的とする。
また、本発明は、上述のガラス原料の溶融方法を用いる溶融ガラスの製造方法、ガラスビーズの製造方法およびガラス製品の製造方法の提供を目的とする。
さらに、本発明は、上述の気中溶融バーナーを用いる気中溶融装置およびガラス製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】
【００１４】
本発明の気中溶融バーナーは、ガラス原料粒子を気相雰囲気中で溶融し溶融ガラス粒子を形成する気中溶融法に用いられるバーナーであって、複数のノズル管が配置された多重管構造のバーナー本体部を備えてなり、複数のノズル管の流路と、複数のノズル管によりノズル管の間に形成される複数の流路のうち、１つがガラス原料粒子供給路に、１つが燃焼ガス供給路に、１つが燃料ガス供給路にされるとともに、前記複数のノズル管のうち、ガラス原料粒子供給路を構成する１つ以上のノズル管の後端部が他のノズル管の後端部よりも後方側に突出させて設けられ、前記ノズル管後端部の突出された部分に振動付与手段が設置され、前記バーナー本体部の先端側が噴射口とされ、前記バーナー本体部が前記振動付与手段により共振される長さに形成されてなり、前記振動付与手段が前記バーナー本体部に与える振動の波長をλとして、前記振動付与手段が設置された前記ノズル管の後端部からλ／４の奇数倍の位置である振動の節の位置に、燃料ガスの送入口とガラス原料粒子の送入口と燃焼ガスの送入口と前記バーナー本体部の支持部の少なくとも１つが設けられてなる。
【００１５】
本発明の気中溶融バーナーにおいて、前記複数のノズル管により形成される複数の流路のうち、隣接する一対の流路が冷媒流路とされ、前記振動の節の位置に、前記冷媒流路の出入口が形成された構成を採用できる。  
【００１７】
本発明の気中溶融バーナーは、前記各ノズル管の後端部にそれら後端部を閉じる端面壁が形成され、前記ノズル管の後端部よりも後方側に突出された他のノズル管の後端部が前記端面壁を貫通して後方側に突出され、前記端面壁を貫通し後方側に突出された複数のノズル管後端部のうち、ガラス原料供給部を構成する少なくとも１本のノズル管が他のノズル管に対し抜き取り自在に構成されてなる。
本発明の気中溶融バーナーは、前記抜き取り自在に構成されたノズル管は前記他のノズル管の端面壁に形成した貫通孔に対し遊挿され、前記遊挿部分を気密にシールするシール機構が形成され、他のノズル管は前記端面壁の貫通部分においてノズル管同士一体化されてなる。
本発明の気中溶融バーナーは、前記抜き取り自在に構成されたノズル管の先端側に該ノズル管とその外側のノズル管の間隔を保持するスペーサーが設けられ、該スペーサーが前記バーナー本体部の先端位置からｎλ／２（ｎは整数）の位置である振動の腹の位置に形成されてなる。
【００１８】
本発明のガラス原料の溶融方法は、先のいずれか一項に記載の気中溶融バーナー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ガラス原料粒子を送ることにより該ガラス原料粒子を溶融させ、該ガラス原料粒子を溶融ガラス粒子とする方法に関する。
本発明の溶融ガラスの製造方法は、先に記載の前記溶融ガラス粒子を貯留する方法に関する。
【００１９】
本発明のガラスビーズの製造方法は、先に記載の前記溶融ガラス粒子を、冷却することによりガラスビーズとする方法に関する。
本発明のガラス製品の製造方法は、先に記載のガラス原料の溶融方法を用いて前記ガラス原料粒子を加熱して溶融ガラス粒子とするガラス溶融工程と、前記溶融ガラス粒子からなる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、を含む方法に関する。
本発明のガラス製品の製造方法は、先に記載のガラス原料粒子を溶融ガラス粒子とする工程が、前記溶融ガラス粒子を貯留してガラス融液とする工程、を含む方法に関する。
【００２０】
本発明の気中溶融装置は、ガラス原料粒子を気相雰囲気中で加熱溶融して溶融ガラス粒子にする気中溶融装置であって、前記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原料加熱部と、前記加熱気相雰囲気に前記ガラス原料粒子を供給するための原料供給部と、を備える気中溶融バーナーが、先のいずれかに記載の気中溶融バーナーである。
本発明の気中溶融装置は、前記原料加熱部に連通するように溶融ガラス粒子の貯留部が設けられる。
本発明の気中溶融装置は、前記原料加熱部に連通するように冷却部とガラスビーズの貯留部が設けられる。
本発明のガラス製品の製造装置は、先に記載の気中溶融装置と、該気中溶融装置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。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の気中溶融バーナーは、複数のノズル管からなる多重管構造を採用し、ガラス原料粒子供給路を構成する少なくとも１つ以上のノズル管の後端部を他のノズル管の後端部よりも突出させ、該後端部に振動付与手段を設けたので、ガラス原料粒子を噴出させるノズル先端部に強力な超音波振動が付与され、供給路を構成するノズル管の先端側からガラス原料粒子を噴出させて気中溶融法に従い溶融ガラス粒子を形成する際、ノズル管の先端側にガラス原料粒子が付着しても散逸して溶融物からなる塊を生じ難くできるとともに、塊が大きくなる前にノズル管の先端から加熱気相雰囲気に噴出できる。よって、加熱気相雰囲気に目的のガラス原料粒子を供給できるとともに、組成ずれを起こしている塊については小さい内に加熱気相雰囲気に出して他のガラス原料粒子とともに気中溶融できるので、組成ずれを起こしていない均一な組成の溶融ガラス粒子を製造できる。
【００２２】
バーナー本体部を振動付与手段により共振する構成とし、燃料ガスの送入口、ガラス原料粒子の送入口、燃焼ガスの送入口、バーナー本体部の支持部の少なくとも１つを前記共振の節の位置に設けることにより、振動付与手段による超音波振動がノズル先端部に効率よく伝搬されるとともに、これらの部分の振動を抑制し、各送入口へ配管を行う場合などに接続部分の安全性を高めるとともに、バーナー本体部を支持する場合の安定支持を図ることができる。また、冷媒流路の出入口を振動の節の位置に設けるならば、冷媒流路を構成する配管などの接続部分に印加される振動を抑制できる。
複数のノズル管のうち、ガラス原料粒子を供給するノズル管を他のノズル管に対し抜き取り自在な構成としておくならば、ノズル管の交換や補修、清掃などのメンテナンスが可能となる。
【００２３】
本発明のガラス原料の溶融方法は、上述の気中溶融バーナーを用いてガラス原料粒子を溶融することにより、均質な溶融ガラス粒子を製造できる。
また、本発明の溶融ガラスの製造方法、ガラスビーズの製造方法およびガラス製品の製造方法は、上述のガラス原料の溶融方法を用いることにより、均質で高品質な溶融ガラス、ガラスビーズおよびガラス製品を提供できる。
本発明の気中溶融装置およびガラス製品の製造装置は、上述の気中溶融バーナーを備えることにより、均質で高品質な溶融ガラス粒子、溶融ガラス、ガラスビーズおよびガラス製品を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は本発明に係る気中溶融バーナーの一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は図１に示すバーナーに備えられる振動付与手段の一例を示す構成図である。
【図３】図３は図１に示す気中溶融バーナーの変形例を示す略図である。
【図４】図４は本発明に係るガラス原料の溶融方法、溶融ガラスの製造方法およびガラス製品の製造方法を実施するために使用される製造装置の一例構造を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は本発明に係るガラス原料の溶融方法を用いてガラス製品を製造する方法の一例を示すフロー図である。
【図６】図６は本発明に係るガラス原料の溶融方法を用いて溶融ガラスおよびガラス製品を製造する装置の他の例を示す構成図である。
【図７】図７は本発明に係るガラス原料の溶融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８】図８は本発明に係るガラスビーズの製造装置の他の例を示す構成図である。
【図９】図９（ａ）は本発明に係る気中溶融バーナーの変形例を示す断面斜視図、図９（ｂ）は同バーナーの断面図である。
【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。
【図１１】図１１は従来のシーメンス窯を用いたガラス溶融炉の一例を示す部分断面模式図である。
【図１２】図１２はシーメンス窯を用いたガラス溶融炉の他の例を示す断面模式図である。
【図１３】図１３はシーメンス窯を用いたガラス溶融炉に使用される酸素バーナーの一例構造を示す断面模式図である。
【図１４】図１４は特許文献５に記載のバーナーの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る気中溶融バーナー、ガラス原料の溶融方法、溶融ガラスの製造方法、ガラスビーズの製造方法、ガラス製品の製造方法、気中溶融装置およびガラス製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は本発明に係る気中溶融バーナーの一実施形態を模式的に示す断面斜視図である。
【００２６】
図１に示す気中溶融バーナー１０は、内側から順に第１ノズル管１１と第２ノズル管１２と第３ノズル管１３と第４ノズル管１４と第５ノズル管１５と第６ノズル管１６とが同心円状に間隔をあけて配置された６重管構造とされている。
第１ノズル管１１の内部に燃料ガスを通過させるための燃料ガス供給路Ａが形成され、第１ノズル管１１と第２ノズル管１２との間にガラス原料粒子を通過させるためのガラス原料粒子の供給路Ｂが形成されている。第２ノズル管１２と第３ノズル管１３との間に燃焼ガスを通過させるための１次燃焼ガス供給路Ｃが形成され、第３ノズル管１３と第４ノズル管１４との間に燃焼ガスを通過させるための２次燃焼ガス供給路Ｄが形成されている。また、第４ノズル管１４と第５ノズル管１５との間に冷却水などの冷媒を流通させるための第１冷媒流路Ｅが形成され、第５ノズル管１５と第６ノズル管１６との間に冷却水などの冷媒を流通させるための第２冷媒流路Ｆが形成されている。なお、第５ノズル管１５の先端部と第６ノズル管１６の先端部は閉塞部材１７、１８により閉じられているとともに第５ノズル管１５の先端部近くの部分に流通孔１５ａが形成されていて、第４ノズル管１４、第５ノズル管１５、第６ノズル管１６が構成する第１冷媒流路Ｅと第２冷媒流路Ｆは冷媒の循環流路を構成できるように連通されている。
【００２７】
本実施形態の気中溶融バーナー１０において、バーナー中心部から外側に向かって、燃料ガス供給路Ａ、ガラス原料粒子の供給路Ｂ、１次燃焼ガス供給路Ｃ、２次燃焼ガス供給路Ｄ、第１冷媒流路Ｅ、第２冷媒流路Ｆがこの順に同心円状に形成されている。なお、以下の説明において、気中溶融バーナー１０をバーナー１０と略称することがある。
バーナー１０において、第１ノズル管１１が最も長く、それから順に第１ノズル管１２、第３ノズル管１３、第４ノズル管１４、第５ノズル管１５、第６ノズル管１６の順に各ノズル管が若干短くなるように形成され、中央側に位置するノズル管がそれよりも外側に位置する他のノズル管の後端部を順次貫通して後方側に突出するようにして組み立てられている。
【００２８】
すなわち、一番短く径が大きく形成された第６ノズル管１６の後端部を閉塞するように端面壁１６Ａが設けられ、この端面壁１６Ａを貫通して後部側に突出するように第５ノズル管１５の後端部１５ｂが設けられ、この後端部１５ｂの後端は端面壁１５Ａにより閉塞されている。この端面壁１５Ａを貫通して後部側に突出するように第４ノズル管１４の後端部１４ｂが設けられ、この後端部１４ｂの後端は端面壁１４Ａにより閉塞されている。この端面壁１４Ａを貫通して後部側に突出するように第３ノズル管１３の後端部１３ｂが設けられ、この後端部１３ｂの後端は端面壁１３Ａにより閉塞されている。この端面壁１３Ａを貫通して後部側に突出するように第２ノズル管１２の後端部１２ｂが設けられ、この後端部１２ｂの後端にはフランジ型の端面壁１２Ａが設けられている。この端面壁１２Ａの中央部に貫通孔１２ｃが形成され、この貫通孔１２ｃを遊挿して後方側に突出するように第１ノズル管１１の後端部１１ｂおよびフランジ板１１Ａが設けられ、この第１ノズル管１１の後端部１１ｂがキャップ型の閉塞部材２０により閉じられている。
【００２９】
前記第１ノズル管１１の後端部１１ｂを閉じている閉塞部材２０の側面側に燃料ガス供給路Ａに接続する送入口１１ｄが形成され、この送入口１１ｄに接続された第１配管２２を介して燃料供給装置２１が接続されていて、この燃料供給装置２１から後述する燃料を第１ノズル管１１に送ることができるようになっている。また、前記第２ノズル管１２の後端部１２ｂに形成された送入口１２ｄに第２配管２３を介しガラス原料粒子の供給装置２４が接続され、第３ノズル管１３の後端部１３ｂに形成された送入口１３ｄに第３配管２５を介し１次燃焼ガス供給源２６が接続され、第４ノズル管１４の後端部１４ｂに形成された送入口１４ｄに第４配管２７を介し２次燃焼ガス供給源２８が接続されている。また、第５ノズル管１５の後端部１５ｂに形成された接続口１５ｄに第５配管２９を介し冷媒供給装置３０が接続され、第６ノズル管１６の側面に形成された接続口１６ｄに第６配管３１を介し冷媒供給装置３０が接続されている。
【００３０】
以上の構成により、燃料ガス供給路Ａに燃料ガスを供給し、ガラス原料粒子供給路Ｂにガラス原料粒子を供給し、燃焼ガス供給路Ｃ、Ｄに燃焼ガスを供給し、冷媒流路Ｅ、Ｆに冷媒を循環できるように構成されている。なお、冷媒流路Ｅ、Ｆはノズル管１５、１６を十分に冷却できるように、ノズル管１５、１６の先端部近傍まで延在されている。これにより、ノズル管１５、１６およびそれらの内側のノズル管１１〜１４が過熱状態になることを防止できる。
【００３１】
前記バーナー１０において、第２ノズル管１２の端面壁１２Ａを第１ノズル管１１が貫通した部分に、端面壁１２Ａに沿うようにフランジ板１１Ａが取り付けられ、フランジ板１１Ａと端面壁１２Ａとの間に円環状のシール部材３２が介在され、端面壁１２Ａの貫通孔１２ｃを第１ノズル管１１が遊挿した部分を気密にシールできる構造とされている。
そして、端面壁１２Ａの外周部分に、バーナー１０に振動を付与するための圧電振動子などの振動付与手段３５が取り付けられている。また、第１ノズル管１１の後端を閉じる閉塞部材２０の上にもバーナー１０に振動を付与するための圧電振動子などの振動付与手段３６が取り付けられ、第３ノズル管１３の後端部１３ｂの端面壁１３Ａの部分にも振動付与手段３４が取り付けられている。
【００３２】
前記振動付与手段３５は、一例として、図２に示す如く円環状のピエゾ素子などの圧電振動素子３５Ａ、３５Ｂとそれらを挟持するように配置されたホーン部材３５Ｃ、３５Ｄと、これら全体を貫通して一体化するボルト部材３８からなる。振動付与手段３５は、ホーン部材３５Ｃを前記端面壁１２Ａに接着あるいはボルト接続等の固定手段により一体的に固定することにより端面壁１２Ａの平面部に固定されている。振動付与手段３５は圧電振動素子３５Ａ、３５Ｂに交番電圧を印加し、この電圧印加に伴い圧電振動子３５Ａ、３５Ｂが発生する振動を端面壁１２Ａに伝達することにより端面壁１２Ａを備えた第２ノズル管１２に振動を付与する装置である。また、振動付与手段３６も振動付与手段３５と同等の構造とされ、電圧印加により振動を発生させてこの振動を第１ノズル管１１に付与する装置であり、振動付与手段３４は端面壁１３Ａの外周面に固定された以外は同様に構成され、第３ノズル管１３に振動を付与する。
なお、この実施形態において適用したピエゾ素子を用いたランジュバン型の振動素子は振動付与手段の一例であって、振動付与手段についてはその他の公知のいずれの振動装置を用いても差し支えない。また、振動付与手段を設ける位置についても、図１に示す構成に限らず、バーナー１０に必要な振動を印加するために必要な数の振動付与手段を設けることができる。
また、第１ノズル管１１の先端より若干後部側の部分と第２ノズル管１２の先端より若干後部側の部分には第１ノズル管１１の周面と第２ノズル管１２の内面との間に挟まってそれらの間隔を規制するためのスペーサー部材３７が介在されている。
【００３３】
本実施形態のバーナー１０において、プロパン、ブタン、メタン、ＬＰＧ（液化石油ガス）、水素、重油、軽油、灯油などの燃料ガスが燃料ガス供給路Ａに導入され、後述するガラス原料粒子がガラス原料粒子の供給路Ｂに供給され、酸素や酸素富化ガスなどの燃焼ガスが燃焼ガス供給路Ｃ、Ｄに導入されるとともに、バーナー１０の先端から酸素燃焼炎を噴射して加熱気相雰囲気を形成するとともに、その加熱気相雰囲気中に供給路Ｂの先端からガラス原料粒子を吹き出すことができる。本実施形態のバーナー１０により噴射される酸素燃焼炎により形成される加熱気相雰囲気の中心部の温度は、燃焼炎が例えば水素酸素燃焼炎の場合約２０００〜３０００℃である。
【００３４】
本実施形態に係るバーナー１０の材質は、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼、ＳＵＳ３０８、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３０９Ｓ、ＳＵＳ３０９Ｃｂ、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１０Ｃｂ、ＳＵＳ３１０Ｍｏ等の耐熱性オーステナイト系ステンレス鋼、またはＦｅ基耐熱合金、Ｃｏ基耐熱性合金もしくはＮｉ基耐熱合金等の超耐熱合金、または石英ガラス、またはＣｒ、Ｎｂ、ＭｏもしくはＷと高融点金属との合金であることが好ましい。
燃料ガスとしては、プロパン、ブタン、メタン、ＬＰＧ（液化石油ガス）、水素、重油、軽油、灯油を使用することができる。燃焼ガスとしては、酸素や酸素富化ガスなど、酸素を含有するガスであればいかなるガスも使用することができる。なお、ガラス原料粒子については、後述する。
【００３５】
本実施形態のバーナー１０において、酸素などの燃焼ガス供給路を１次燃焼ガス供給路Ｃと２次燃焼ガス供給路Ｄとで構成し、各燃焼ガス供給路Ｃ、Ｄから供給する酸素量を個別に制御することにより、ガラス原料粒子を溶融するのに最適な酸素燃焼炎が得られる。例えば、１次燃焼ガス供給路Ｃから供給する１次酸素の比率を上げると、燃料ガスと酸素ガスの反応が早まるため酸素燃焼炎の直径は細くなりバーナーに近いところだけでなく全体にわたって温度が高い火炎が得られるが火炎の長さは短くなる。逆に１次燃焼ガス供給路Ｃからの酸素の比率を下げると燃料ガスと酸素ガスの反応が緩慢となるため酸素燃焼炎の直径は太くなるが長い火炎を得ることができる。なお、２次燃焼ガス供給路Ｄは省略してもよい。
【００３６】
本実施形態のバーナー１０において、ガラス原料粒子は、たとえば、フィーダー等の定量供給装置からなるガラス原料粒子の供給装置２４から供給され、酸素又は酸素富化空気などをキャリアガスとともにガラス原料粒子の供給路Ｂの先端の噴出口から噴出する。このときのキャリアガスの流量とガラス原料粒子との供給比率は、原料粉体の嵩比重、粒度分布などにより異なるが、一般的には、供給流路内にガラス原料粒子が滞留することなく流れ、かつ、バーナー１０から噴出する時点で不要な振動を生じない程度にキャリアガスの流量を調整すればよい。
【００３７】
本実施形態のバーナー１０において、燃料ガス供給路Ａの先端から燃料ガスを噴射し、１次燃焼ガス供給路Ｃと２次燃焼ガス供給路Ｄの先端から酸素ガスなどの燃焼ガスを噴射し、酸素燃焼炎を発生させて加熱気相雰囲気を生成し、そこにガラス原料粒子をキャリアガスとともに供給路Ｂの先端から噴出する際、振動付与手段３４、３５、３６に電圧印加してこれらを作動させ、供給路Ｂを形成する第１ノズル管１１と第２ノズル管１２を振動させることが好ましい。
この振動付与により、第１ノズル管１１と第２ノズル管１２の間の供給路Ｂを通過するガラス原料粒子の滞留を防止しつつ加熱気相雰囲気中に確実にガラス原料粒子を供給できる。
なお、振動付与手段３４、３５、３６による振動付与により、バーナー１０の第１ノズル管１１と第２ノズル管１２の間に形成される供給路Ｂの先端部に付着しやすいガラス塊を粗大化する前に落下させて加熱気相雰囲気中に供給できる。
【００３８】
本実施形態のバーナー１０にあっては、ガラス原料粒子を加熱気相雰囲気中に供給して溶融ガラス粒子とするが、バーナー１０の先端部を通過する際にガラス原料粒子の一部は溶融して液状になっているので、ガラス原料粒子の溶融し易い一部成分のみが液状となって供給路１０の先端部において塊となって付着し、この塊が成長して加熱気相雰囲気に落下すると、目的の組成と異なる溶融ガラス粒子が生成されるおそれがある。この点において振動付与手段３５、３６によりこのガラス塊が大きく成長する前に加熱気相雰囲気に向けて落下できることにより、目的の組成と異なる大きな溶融ガラス粒子を生成することがなくなり、大きなガラス塊を生成することによる弊害を防止できる。よって、目的の組成の溶融ガラス粒子を生成できる可能性が高くなり、気中溶融法により本来生成できる目的の組成の溶融ガラス粒子を生成できる。
【００３９】
なお、本実施形態のバーナー１０においては、振動付与手段３４、３５、３６によりバーナー１０に振動を付与する構造を採用しているので、バーナー１０の構造として、以下に説明する構造を採用することが好ましい。
まず、第１ノズル管１１〜第６ノズル管１６がそれらの先端部を揃えて接合され、それらの先端位置から第１ノズル管１１の後端側の閉塞部材２０の後端までに至るバーナー１０の全体に対し、振動付与手段３４、３５、３６が振動を付与する場合、バーナー１０の少なくともガラス原料粒子の供給路Ｂの内外壁を構成する第１ノズル管１１と第２ノズル管１２が振動により共振する構造とされることが好ましい。従って例えば、振動付与手段３４、３５、３６がバーナー１０に与える振動の波長をλとすると、バーナー１０の全長をｍλ／２（ｍは整数）とすることが好ましい。
【００４０】
バーナー１０において、第６ノズル管１６の先端部よりの部分にバーナー１０の支持部１６Ｅを設け、バーナー１０の全体の加重をこの支持部１６Ｅで支持する場合、この支持部１６Ｅの設置位置をバーナー１０の先端位置から（２ｋ＋１）λ／４の位置とすることが好ましい。
更に、バーナー１０において、スペーサー３７の取り付け位置をバーナー１０の先端位置からｎλ／２の位置（ｎは整数）とすることが好ましい。これにより、スペーサー３７はバーナー１０の振動の腹の位置に設置されることになるので、他の部分より振動の振幅が大きくなる結果、スペーサー３７の部分とその周りの部分においてガラス原料粒子の滞留を無くすることができる。
【００４１】
次に、バーナー１０において、振動付与手段３５が取り付けられた端面壁１２Ａの後端位置から、バーナー本体部１０の長さ方向に沿って第２ノズル管１２に対し第２配管２３を接続する送入口１２ｄ（送入口１２ｄの中心）までの位置をλ／４の奇数倍の位置とすることが好ましい。また、同様に、第３ノズル管１３に対し第３配管２５が接続される送入口１３ｄ（送入口１３ｄの中心）までの位置をλ／４の奇数倍の位置、第４ノズル管１４に対し第４配管２７が接続される送入口１４ｄ（送入口１４ｄの中心）までの位置をλ／４の奇数倍の位置とすることが好ましい。更に、振動付与手段３６が取り付けられている閉塞部材２０の外表面（後端面）から端面壁１２Ａの後端位置までの距離をｎλ／２の位置（ｎは整数）とすることが好ましい。
一例として、図１に示す如く、端面壁１２Ａの後端位置から、第２ノズル管１２に対し第２配管２３を接続する位置（送入口１２ｄの中心）までの長さをλ／４とし、端面壁１２Ａの後端位置から、第３ノズル管１３に対し第３配管２５を接続する位置（送入口１３ｄの中心）までの長さを３λ／４とすることができる。また、端面壁１２Ａの後端位置から、第４ノズル管１４に対し第４配管２７を接続する位置（送入口１４ｄの中心）までの長さを５λ／４に設定することができる。
これらの位置に第２配管２３、第３配管２５、第４配管２７を接続することで、バーナー１０の振動の節の位置にこれらの配管を取り付けたことになるので、振動付与手段による超音波振動がノズル先端部に効率よく伝搬されるとともに、これらの接続部分に作用する負荷が小さくなる。また、同様に、第５配管２９を第５ノズル管１５の側面に取り付ける位置（接続口１５ｄの中心）、第６配管３１を第６ノズル管１６の側面に取り付ける位置（接続口１６ｄの中心）についてもバーナー１０の振動の節に設定することが好ましい。すなわち、これらの取り付け位置についても、端面壁１２Ａの後端位置からλ／４の奇数倍の位置に設定することが好ましい。このように振動の節の位置に各接続口１２ｄ、１３ｄ、１４ｄを設けておくことでこれらに接続する配管の接続部分に不要な振動を印加するおそれをできるだけ少なくできる。
【００４２】
図３は、本発明に係る気中溶融バーナーの変形例を示すもので、この例のバーナー２は、先の第１実施形態のバーナー１０において、１次燃焼ガスの供給路Ｃの外壁を構成する第３ノズル管と２次燃焼ガスの供給路Ｄの外壁を構成する第４ノズル管を略し、これらの代わりに、１次燃焼ガスの供給路Ｃとなるノズル管５と２次燃焼ガスの供給路Ｄとなるノズル管６を小径配管としてバーナー１０の内部側において、第２ノズル管１２と第４ノズル管１４の間に同心円状に配置してなる構造を採用した。第２ノズル管と第４ノズル管の間の端面は小径配管の開口部を除き金属部材で閉塞されている。
図３に示す第２実施形態のバーナー２では、このように、燃焼ガス供給路を構成する複数の小径の配管５、６で代用し、これらから個別に１次燃焼ガスと２次燃焼ガスをノズル２の先端側に噴射できる構造として目的を達成することができる。
図３に示す多重管構造のバーナー２にあっても、第１実施形態と同様、第１ノズル管１１に振動付与手段３６が取り付けられ、第２ノズル管１２に振動付与手段３５が取り付けられている構造については同等であり、これら振動付与手段３５、３６によりノズル本体部に振動が付与され、第１実施形態のバーナー１０と同等の作用効果を得ることができるようになっている。
【００４３】
図４は先に説明したバーナー１０を用いて行う本発明に係るガラス原料の溶融方法、溶融ガラスの製造方法およびガラス製品の製造方法を実施するために使用される製造装置の一例構造を模式的に示す断面図である。
本実施形態の気中溶融装置４０は、中空型の炉体４１と、ガラス原料粒子ＧＭ２を噴出するとともに酸素燃焼炎Ｈを形成するために炉体４１の天井部４１Ａを貫通して下向きに配置された上述の気中溶融バーナー１０（原料加熱部）と、炉体４１ｂの底部に形成された溶融ガラスＧの貯留部４１Ｂとを備えてなり、バーナー１０の噴射方向先端側（図４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。
本実施形態の気中溶融装置４０において、加熱気相雰囲気Ｋを形成する加熱手段は本発明に係る気中溶融バーナーからなる。加熱気相雰囲気Ｋは、バーナー１０から噴射される酸素燃焼炎Ｈおよび酸素燃焼炎Ｈ近傍の高温部から構成される。なお、図４においては、気中溶融バーナーとして、図１に示すバーナー１０を用いているが、バーナーはこれに限定されず、図３に示すバーナー２、あるいは、本発明に係る気中溶融バーナーであればいずれの構造でも適用可能である。
【００４４】
バーナー１０には供給管４９を介してガラス原料粒子ＧＭ２を収容したホッパからなるガラス原料供給装置（原料供給器）４８が接続されており、供給管４９にはガラス原料粒子ＧＭ２をバーナー１０のガラス原料粒子の供給路Ｂ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。前記原料供給器４８と供給管４９とバーナー１０のガラス原料粒子供給路Ｂは原料供給部を構成している。また、バーナー１０は、供給管４７ａ、４７ｂ、４７ｃを介してガス供給源４６に接続されており、供給管４７ａを介して燃料ガス供給路Ａに燃料ガスが導入され、供給管４７ｂを介して１次燃焼ガス供給路Ｃに燃焼ガスが導入され、供給管４７ｃを介して２次燃焼ガス供給路Ｄに燃焼ガスが導入される。
【００４５】
炉体４１の底部側は溶融ガラスＧの貯留部４１Ｂとされており、炉体４１の側壁底部側に形成された排出口４４を介して炉体４１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、本実施形態の気中溶融装置４０を備えたガラス製品の製造装置は、炉体４１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４５などが接続され、形成した溶融ガラスＧを成形装置４５により目的の形状に成形してガラス製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、成形装置の前に減圧脱泡装置を設ける場合もありうる。
【００４６】
炉体４１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４１の貯留部４１Ｂ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４１Ｂ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。貯留部４１Ｂの側壁部に排気口４２および排気管４２ａを介し排ガス処理装置４３が接続されている。
【００４７】
本実施形態の気中溶融装置４０において、原料供給器４８から供給管４９を介して供給されるガラス原料粒子ＧＭ２は、バーナー１０から噴射された酸素燃焼炎Ｈにより形成される加熱気相雰囲気Ｋ中を通過し、加熱され、溶融ガラス粒子Ｕを形成し、貯留部４１Ｂに滞留する溶融ガラスＧ上に降下する。
本実施形態で使用される加熱気相雰囲気Ｋの中心部の温度は、酸素燃焼炎Ｈがたとえば水素燃焼炎の場合約２０００〜３０００℃である。
【００４８】
本実施形態の気中溶融装置４０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、ホウケイ酸ガラス、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、製造されるガラス製品の用途は、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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
本実施形態で行う気中溶融法においては、前記いずれかの組成のガラスの原料、たとえば上述の各成分の粒子状の原料粉末粒子を目的のガラスの組成比に合わせて混合し、造粒体としたガラス原料粒子ＧＭ２を用意する。
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ガラス原料粒子ＧＭ２を溶融してガラスを製造する方法である。
【００５４】
また、たとえば、前述のガラス原料粒子ＧＭ２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）などの原料粉末粒子を目的のガラスの組成比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３０〜１０００μｍ程度の造粒体として、ガラス原料粒子ＧＭ２を得ることができる。
【００５５】
前記ガラス原料粉末粒子からガラス原料粒子ＧＭ２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、ガラス原料を分散溶融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ＧＭ２として用いることもできる。
【００５６】
スプレードライ造粒によりガラス原料粒子ＧＭ２を得るための一例方法として、上述の各成分のガラス原料粉末粒子として２〜５００μｍの範囲のガラス原料粉末粒子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ガラス原料粉末粒子がほぼ均一に分散されたガラス原料粒子ＧＭ２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、原料粉末粒子の均一分散と造粒原料の強度を向上させる目的で２−アミノエタノール、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することが好ましい。
本実施形態において用いるガラス原料粒子ＧＭ２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。
【００５７】
ガラス原料粒子ＧＭ２の平均粒径（重量平均）は３０〜１０００μｍの範囲が好ましい。より好ましくは、平均粒径（重量平均）が５０〜５００μｍの範囲内のガラス原料粒子ＧＭ２が使用され、さらに７０〜３００μｍの範囲内のガラス原料粒子ＧＭ２が好ましい。このガラス原料粒子ＧＭ２の一例を拡大して図４に示すが、１つのガラス原料粒子ＧＭ２において最終目的とするガラスの組成比にほぼ合致するか近似した組成比となっていることが好ましい。
ガラス原料粒子ＧＭ２が溶融した溶融ガラス粒子Ｕの平均粒径（重量平均）は、通常ガラス原料粒子ＧＭ２の平均粒径の８０％程度となることが多い。ガラス原料粒子ＧＭ２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。
【００５８】
また、これらのガラス原料粒子ＧＭ２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ＧＭ２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。
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。
【００５９】
図４に示す製造装置（気中溶融装置）４０によれば、ガラス原料粒子ＧＭ２を気中溶融バーナー１０の酸素燃焼炎Ｈにより形成された加熱気相雰囲気Ｋに投入することで、ガラス原料粒子ＧＭ２を気相雰囲気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を耐火レンガ製の炉体４１の貯留部４１Ｂ方向に落下させて溶融ガラスＧとして貯留することができる。本実施形態の製造装置４０は、前述の本発明に係る気中溶融バーナーを備えた構成であるため、バーナーの先端部にガラス原料粒子ＧＭ２が滞留することがなく、塊として付着し難く、塊として成長し難く、大きな塊として溶融ガラスＧに落下することがないため、ガラスの組成が不均質になることがなく、高品質の溶融ガラスＧを得ることができる。
この溶融ガラスＧを所定の速度で排出口４４から排出し、必要に応じ減圧脱泡装置に導入し、減圧状態で強制的にさらに脱泡した後、成形装置４５に移送して目的の形状に成形し、ガラス製品を製造できる。
以上のように製造されたガラス製品は、上述の如く高品質の溶融ガラスＧより形成されているため、高い品質のガラス製品を得ることができる。
【００６０】
図５は本発明に係るガラス原料の溶融方法を用いてガラス製品を製造する方法の一例を示すフロー図である。
図５に示す方法に従い、ガラス製品を製造するには、上述の気中溶融装置４０を用いた上述のガラス溶融工程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４５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製品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、ガラス製品を製造できる。
【００６１】
本発明の気中溶融装置およびガラス製品の製造装置は図４に示す例に限定されない。たとえば、加熱気相雰囲気を形成する加熱手段として、本発明に係る気中溶融バーナーと、他の加熱手段を併用することもできる。
図６は本発明に係るガラス原料の溶融方法を用いて溶融ガラスおよびガラス製品を製造する装置の他の例を示すもので、本実施形態の製造装置５０は、加熱手段として気中溶融バーナー１０に加えて、熱プラズマ発生装置を備える点、溶融ガラスを貯留する炉体の天井部の形状が異なる点で、図４に示す装置とは相違している。
【００６２】
本実施形態の製造装置５０において、高周波プラズマ発生装置（熱プラズマ発生装置）５７は、プラズマ発生コイル５２と枠５４と供給源５３とプラズマ発振器５５と操作盤５６とを具備して構成され、高周波プラズマ発生装置５７を作動させること、すなわち、プラズマ発振器５５からプラズマ発生コイル４１に高周波を印加することで枠５４の内部に高周波熱プラズマを生成できるように構成されている。
プラズマ発生コイル５２は、縦筒型の枠５４の外周部に沿って配置され、この枠５４の上部側にバーナー１０が鉛直に支持され、バーナー１０がその下端を枠５４の上部側の中心部を望むように下向きに配置されている。
【００６３】
枠５４の下部側は下向きラッパ型の接続壁５８を介し炉体５１の天井部５１Ａの開口部に接続され、枠５４の内部空間が炉体５１の内部空間に連通されている。また、プラズマ発生コイル５２を備えた枠５４とその下の接続壁５８とその下の炉体５１は、一体に連続形成されていて、供給源５３から枠５４の内側にアルゴンガス等の作動ガスを供給し、プラズマ発生コイル５２から高周波を印加し、作動ガスを電離してプラズマ点火することで、枠５４の中心側に熱プラズマフレームを発生できるように構成されている。
【００６４】
図６に示す製造装置５０は、必要に応じバーナー１０から発生させる酸素燃焼炎Ｈに加えて、プラズマ発生コイル４１で発生させる高周波熱プラズマを使い、酸素燃焼炎Ｈまたは酸素燃焼炎Ｈと高周波熱プラズマからなる加熱気相雰囲気を用いてガラス原料粒子ＧＭ２を溶融し、溶融ガラス粒子とすることができるように構成されている。この例の製造装置５０もバーナー１０を備えているので、前述の製造装置４０と同様の効果を奏することができる。また、熱プラズマ発生装置としては高周波プラズマ発生装置の代わりに多相プラズマアーク発生装置などが使用できる。
【００６５】
図７は本発明に係るガラス原料の溶融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６０は、収容部６４と、収容部６４の天井部６４Ａを貫通するように酸素燃焼炎が下向きに噴射されるように配置された気中溶融バーナー１０とを備えて構成されている。図７に示す製造装置６０は、先の実施形態の製造装置４０と類似の構造であり、先の装置の炉体４１を収容部６４に変更した点が異なる。その他の構成は先の図４に示す製造装置４０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。
【００６６】
本実施形態の製造装置６０において、収容部６４の内部には、ステンレス製のバケツ状の貯留部６１を備えた搬送台車６２が収容されている。また、図示されていないが収容部６４の筐体表面は冷却水で冷却されている。さらに、収容部６４の側壁部に排気管６３を介し排ガス装置６５が接続されている。
なお、図７では略しているが、収容部６４の側壁部には収容部６４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６２は開閉扉を開けることで収容部６４の外部に移動できるようになっている。
【００６７】
先に説明した実施形態の場合と同様に、ガラス原料粒子ＧＭ２をバーナー１０が発生させる酸素燃焼炎Ｈからなる加熱気相雰囲気に投入することで、ガラス原料粒子ＧＭ２を気相雰囲気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をステンレス製の貯留部６１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、貯留部６１が本実施形態の装置６０において溶融ガラス粒子を冷却する冷却部とされている。なお、本実施形態の装置６０において、貯留部６１と搬送台車６２は必須ではなく、これらを略して収容部６４の床部６４Ｂにおいて溶融ガラス粒子を受ける構造としてもよく、その場合は収容部６４の内部空間と床部６４Ｂが溶融ガラス粒子を冷却する冷却部を構成する。
【００６８】
図７に示す製造装置６０により製造したガラスビーズＧＢは、前述の本発明に係る気中溶融バーナーを備えた構成であるため、バーナーの先端部にガラス原料粒子ＧＭ２が滞留して、付着し、この付着物が塊として肥大化した後に落下することがないため、均一な品質のガラスビーズＧＢが得られる。
このようにして得られたガラスビーズは、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利用されたりする。
本発明のガラスビーズの製造装置は図７に示す例に限定されない。例えば、先の製造装置と同様に、加熱気相雰囲気を形成する加熱手段として、本発明に係る気中溶融バーナーと、他の加熱手段を併用することもできる。
【００６９】
図８は本発明に係るガラスビーズの製造装置の他の例を示すもので、本実施形態の製造装置７０は、加熱手段として本発明に係る気中溶融バーナーに加えて、高周波プラズマ発生装置を備える点で、図７に示す装置とは相違している。図８に示す製造装置７０の高周波プラズマ発生装置５７の構成は、図６に示す製造装置５０と同様である。本実施形態の製造装置７０において、高周波プラズマ発生装置５７の枠５４の下部側は下向きラッパ型の接続壁５８を介し収容部６４の天井部６４Ａの開口部に接続され、枠５４の内部空間が収容部６４の内部空間に連通されている。
【００７０】
図８に示す製造装置７０は、必要に応じバーナー１０から発生させる酸素燃焼炎Ｈに加えて、プラズマ発生コイル４１で発生させる高周波熱プラズマを使い、酸素燃焼炎Ｈまたは酸素燃焼炎Ｈと高周波熱プラズマからなる加熱気相雰囲気を用いてガラス原料粒子ＧＭ２を溶融して溶融ガラス粒子とした後、この溶融ガラス粒子を冷却することによりガラスビーズとすることができるように構成されている。この例の製造装置７０もバーナー１０を備えているので、図７に示す製造装置６０と同様の効果を奏することができる。
【００７１】
図９（ａ）は本発明に係る気中溶融バーナーの変形例を示す断面斜視図、図９（ｂ）は同バーナーの断面図である。
図９は本実施形態のバーナー８０の先端部分を示すもので、この形態のバーナー８０は、第１実施形態のバーナー１０の先端部が平坦形状であったのに対し、バーナー先端部の一部分を突出させて形成した態様を示す。  
図９に示す気中溶融バーナー８０は、複数のノズル管８１、８２、８３、８４、８５が同心円状に配置された多重管構造とされ、それらの内部側にバーナー中心部から外側に向かって、燃料ガス供給路Ａ、ガラス原料粒子の供給路Ｂ、１次燃焼ガス供給路Ｃ、２次燃焼ガス供給路Ｄ、第１冷媒流路Ｅ、第２冷媒流路Ｆがこの順に同心円状に形成されている点、第１ノズル管８１の後端側と第２ノズル管８２の後端側に振動付与手段が設けられている点については図１に示した第１実施形態のバーナー１０と同等である。
【００７２】
本実施形態のバーナー８０において、ガラス原料粒子の供給路Ｂを形成する第１ノズル管８１の先端部８１ａおよび第２ノズル管８２の先端部８２ａは、第３ノズル管８３の先端部８３ａおよび第４ノズル管８４と第５ノズル管８５の接続部の先端部８５ａよりも先方に突出するように形成されており、ガラス原料粒子の供給路Ｂの先端部８２ａは、１次燃焼ガス供給路Ｃの噴出口および２次燃焼ガス供給路Ｄの噴出口よりもバーナーの先方側に突出するように形成されている。第３ノズル管８３の先端部８３ａの位置と、第４ノズル管８４と第５ノズル管８５の接続部の先端部８５ａの位置は揃えられ、第１ノズル管８１の先端部８１ａの位置と、第２ノズル管８２の先端部８２ａの位置も揃えられている。
【００７３】
上述の構造により、ガラス原料粒子の供給路Ｂの噴出口である先端部８２ａの周縁面に戻る渦流ガスの発生を抑止できるため、ガラス原料粒子の供給路Ｂから噴出されたガラス原料粒子が先端部８２ａ付近に滞留することを抑止できる。したがって、本実施形態の気中溶融バーナー８０によれば、バーナー８０の先端部にガラス原料粒子が滞留して付着することを抑止することができる。このため、ガラス原料粒子の付着物の塊が大きく成長することがなく、大きな塊としてバーナー下方のガラス融液に落下することを防ぎ、付着物の塊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、均一な組成の高品質のガラスを製造することができる作用効果を奏する。
【００７４】
更に図９に示すバーナー８０においては、第１ノズル管８１においてガラス原料粒子の供給路Ｂ側の面８１Ｐは先端部側まで均一な厚さで縦断面ストレート形状となるように形成されており、他方の面（内面）８１Ｑ（燃料ガス供給路側の面）の先端は、先端部手前側から先端部８１ａにかけて徐々に燃料ガス供給路Ａが拡径するようにテーパー部８１Ｔ（方向制御手段）が形成されている。これにより、燃料ガス供給路Ａから噴出される燃料ガスが、隣接するガラス原料粒子の供給路Ｂ側に流れるようになるため、ガラス原料粒子の供給路Ｂから噴出される相対的に飛翔速度の遅いガラス原料粒子を、相対的に飛翔速度の速い燃料ガス流により吹き飛ばし、ノズル先端付近にガラス原料粒子が滞留することをより効果的に抑制できる。
【００７５】
図９に示す構造のバーナー８０を用いてもバーナー８０の先端側に生成しようとするガラス原料粒子の溶融物の塊を防止できる。
なお、図９では略しているが第１ノズル管８１の後端側と第２ノズル管８２の後端側に第１実施形態と同等の振動付与手段が設けられているので、前記のノズル形状により溶融物の塊の生成を抑制できる作用と相まって、振動付与により溶融物の塊の生成を更に抑制できる効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
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製品の製造に広く適用できる。
【符号の説明】
【００７７】
Ａ…燃料ガス供給路、Ｂ…ガラス原料粒子の供給路、Ｃ…１次燃焼ガス供給路、Ｄ…２次燃焼ガス供給路、Ｅ、Ｆ…冷媒流路、１０…気中溶融バーナー、１１…第１ノズル管、１１ｂ…後端部、１２…第２ノズル管、１２Ａ…フランジ板、１２ｂ…後端部、１２ｃ…貫通孔、１３…第３ノズル管、１３ｂ…後端部、１４…第４ノズル管、１４ｂ…後端部、１５…第５ノズル管、１５ｂ…後端部、１６…第６ノズル管、２０…閉塞部材、２１…燃料供給装置、２２…第１配管、２３…第２配管、２４…ガラス原料粒子の供給装置、２５…第３配管、２６…１次燃焼ガス供給源、２７…第４配管、２８…２次燃焼ガス供給源、２９…第５配管、３０…冷媒供給装置、３１…第６配管、３２…シールリング、３４、３５、３６…振動付与手段、
４０…気中溶融装置（製造装置）、４１…炉体、４２…排気口、４２ａ…排気管、４３…排ガス処理装置、４４…排出口、４５…成形装置、４６…ガス供給源、４７ａ、４７ｂ、４７ｃ…供給管、４８…原料供給器、４９…供給管、５０…気中溶融装置（製造装置）、５１…炉体、５２…プラズマ発生コイル、５７…高周波プラズマ発生装置（熱プラズマ発生装置）、６０…気中溶融装置（製造装置）、６１…貯留部（冷却部）、６３…排気管、６４…収容部、６５…排ガス処理装置、７０…気中溶融装置（製造装置）、Ｋ…加熱気相雰囲気、Ｇ…溶融ガラス、ＧＭ２…ガラス原料粒子、Ｕ…溶融ガラス粒子、Ｈ…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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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