(57)【要約】【課題】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の提供を第１の目的とする。【解決手段】本発明の気中溶融バーナー１０は、ガラス原料粒子を気相雰囲気中で溶融する気中溶融法に用いられるバーナーであって、複数のノズルの少なくとも一部が同心円状に配置された多重管構造であり、これら複数のノズルにより隣接するノズル間又は各ノズルの内部にガラス原料粒子供給路２、燃焼ガス供給路３、４および燃料ガス供給路１が形成され、ガラス原料粒子供給路２を形成するノズル１１、１２の先端部が、他のノズルの先端部よりも先方に突出していることを特徴とする。【選択図】図１
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【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、
複数のノズルの少なくとも一部が同心円状に配置された多重管構造であり、これら複数のノズルにより隣接するノズル間又は各ノズルの内部にガラス原料粒子供給路、燃焼ガス供給路および燃料ガス供給路が形成され、前記ガラス原料粒子供給路を形成するノズルの先端部が、他のノズルの先端部よりも先方に突出していることを特徴とする気中溶融バーナー。
【請求項２】
前記ガラス原料粒子供給路に隣接するガス供給路の先端部に、該ガス供給路から噴出されるガスの流れの一部を、前記ガラス原料粒子供給路側に向ける方向制御手段が形成されてなる請求項１に記載の気中溶融バーナー。
【請求項３】
前記方向制御手段が、ガス供給路を形成するノズルの先端部の内面又は外面に形成されたテーパー部である請求項２に記載の気中溶融バーナー。
【請求項４】
バーナー中心から外側に向かって、前記燃料ガス供給路前記、前記ガラス原料粒子供給路、燃焼ガス供給路がこの順に同心円状に形成されてなる請求項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】
バーナー中心から外側に向かって、前記ガラス原料粒子供給路、前記燃料ガス供給路、前記燃焼ガス供給路がこの順に同心円状に形成されてなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の気中溶融バーナー。
【請求項６】
バーナー中心から外側に向かって、前記燃料ガス供給路、前記燃焼ガス供給路、前記ガラス原料粒子供給路がこの順に同心円状に形成されてなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の気中溶融バーナー。
【請求項７】
前記ガラス原料粒子供給路を形成するノズルの先端部が、他のノズルの先端部よりも３〜１０ｍｍ突出している請求項１〜６のいずれか一項に記載の気中溶融バーナー。
【請求項８】
請求項１〜７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９】
請求項８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１０】
請求項８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１１】
請求項８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１２】
請求項１１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１３】
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１〜７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１４】
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１３に記載の気中溶融装置。
【請求項１５】
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１３に記載の気中溶融装置。
【請求項１６】
請求項１３または１４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による酸素燃焼炎（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。よって、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。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は、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は、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では、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。図１３に示す酸素バーナー４００において、中心管４０１、内管４０２および外管４０３のそれぞれの先端４０１ａ、４０２ａ、４０３ａは、同一平面となるように形成されている。
【０００９】
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る。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に記載の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第１の管５０１、第２の管５０２、第３の管５０３、第４の管５０４、第５の管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重構造に構成されている。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。中心部の原料粉体供給路５０１Ａの噴出口５０１ａは、燃料ガス供給路５０２Ａおよび酸素供給路５０３Ａの噴出口５０２ａ、５０３ａより、バーナー内部側に位置するように設定されている。
【００１０】
また、気中溶融法用ではないが、合成石英ガラス製造用のバーナーとして、５重管と、この５重管を囲む外殻管と、５重管と外殻管との間に設けられた複数のノズルとを備え、これらの管およびノズルから合成炉の内部に原料ガスおよび燃焼ガスを噴射する円筒形状のバーナーであって、これらの５重管、外殻管およびノズルのそれぞれの先端が同一平面上にそろえて設けられたバーナーが開示されている（特許文献６、７参照）。さらに、気相反応法による微粒子合成用のバーナーとして、微粒子原料ガス吹き出し口と、燃焼ガス吹き出し口と、不活性ガス吹き出し口と、燃焼支援ガス吹き出し口とを、バーナー中心部から外側に向かってこの順に備え、微粒子原料ガス吹き出し口の先端部の高さが、他の吹き出し口の先端の高さよりも低いものが開示されている（特許文献８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【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
【特許文献６】特開平１０−２３６８２８号公報
【特許文献７】特開平１０−２３６８３５号公報
【特許文献８】特開２００８−７４６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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そのまま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。特許文献６および７に記載のバーナーは、原料の噴出口と燃料ガスや燃焼ガスの噴出口とが同一平面上に揃えて設けられているが、このような構造のバーナーを気中溶融法に適用すると、直径数１０〜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滞留して、バーナー先端部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、８に記載のバーナーのように、原料供給路の噴出口が最もバーナー内部側に位置している場合、火炎中での原料の滞留時間を長くすることができるが、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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】
【００１５】
本発明は、ガラス原料粒子を気相雰囲気中で溶融する気中溶融法に用いられるバーナーであって、複数のノズルの少なくとも一部が同心円状に配置された多重管構造であり、これら複数のノズルにより隣接するノズル間又は各ノズルの内部にガラス原料粒子供給路、燃焼ガス供給路および燃料ガス供給路が形成され、前記ガラス原料粒子供給路を形成するノズルの先端部が、他のノズルの先端部よりも先方に突出していることを特徴とする気中溶融バーナーを提供する。
本発明の気中溶融バーナーにおいて、前記ガラス原料粒子供給路に隣接するガス供給路の先端部に、該ガス供給路から噴出されたガスの流れの一部を、前記ガラス原料粒子供給路側に向ける方向制御手段が形成されてなることが好ましい。
本発明の気中溶融バーナーにおいて、前記方向制御手段が、ガス供給路を形成するノズルの先端部の内面又は外面に形成されたテーパー部であることが好ましい。
本発明の気中溶融バーナーにおいて、バーナー中心から外側に向かって、前記燃料ガス供給路前記、前記ガラス原料粒子供給路、燃焼ガス供給路がこの順に同心円状に形成されてもよい。
本発明の気中溶融バーナーにおいて、バーナー中心から外側に向かって、前記ガラス原料粒子供給路、前記燃料ガス供給路、前記燃焼ガス供給路がこの順に同心円状に形成されてもよい。
本発明の気中溶融バーナーにおいて、バーナー中心から外側に向かって、前記燃料ガス供給路、前記燃焼ガス供給路、前記ガラス原料粒子供給路がこの順に同心円状に形成されてもよい。この場合、さらに外周に燃焼ガス供給路を設けることもできる。
本発明の気中溶融バーナーにおいて、前記ガラス原料粒子供給路を形成するノズルの先端部が、他のノズルの先端部よりも３〜１０ｍｍ突出していることも好ましい。
【００１６】
本発明は、上記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る気中溶融法により、ガラス原料を溶融ガラス粒子とするガラス原料の溶融方法を提供する。
また、本発明は、上記溶融ガラス粒子を貯留する溶融ガラスの製造方法を提供する。
さらに、本発明は、上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を提供する。
さらにまた、本発明は、上記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を提供する。
本発明のガラス製品の製造方法において、上記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、を含むことが好ましい。
【００１７】
本発明は、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、上記気中溶融バーナーである気中溶融装置を提供する。
本発明の気中溶融装置において、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てもよい。
本発明の気中溶融装置において、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てもよい。
また、本発明は、上記気中溶融装置と、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を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の気中溶融バーナーは、ガラス原料粒子供給路を形成するノズルの先端部が他のノズルの先端部よりも先方に突出して形成されていることにより、ガラス原料粒子供給路の噴出口周縁に渦流が発生することを抑止でき、ガラス原料粒子がバーナー先端部に滞留して付着することを抑制できる。したがって、本発明の気中溶融バーナーによれば、ガラス原料粒子がバーナー先端に付着後に肥大化して大きな塊となって溶融ガラスに落下することを抑止できるので、製造される溶融ガラスおよびガラス製品が不均質になることがない。また、ガラス原料粒子供給路を形成するノズルの先端にテーパー部（方向制御手段）を設けて、ガラス原料粒子供給路に隣接するガス供給路より噴出されるガスがガラス原料粒子供給路側へと流れるようにすることにより、ガラス原料粒子がバーナー先端付近に滞留して付着することをより効果的に抑止することができる。
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することができる。
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。
さらに、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】
【００１９】
【図１】図１（ａ）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り、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す気中溶融バーナーの断面図である。
【図２】図２は図１に示す気中溶融バーナーの変形例を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）は本発明に係る気中溶融バーナーの第２実施形態を模式的に示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す気中溶融バーナーの変形例を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）は本発明に係る気中溶融バーナーの第３実施形態を模式的に示す断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す気中溶融バーナーの変形例を示す断面図である。
【図５】図５は本発明に係るガラス原料の溶融方法、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６】図６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７】図７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例を示す構成図である。
【図８】図８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９】図９は本発明に係るガラスビーズの製造装置の他例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。
【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】
【００２０】
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（ａ）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り、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す気中溶融バーナーの断面図である。
【００２１】
図１に示す気中溶融バーナー１０は、複数の管状のノズル１１、１２、１３、１４および外管１５が同心円状に配置された多重管構造とされ、中央部に配置された第１ノズル１１と、この第１ノズル１１の外方に第１ノズル１１を取り囲むように順次配置された第２ノズル１２と第３ノズル１３と第４ノズル１４と外管１５とから構成されている。
第１ノズル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１が形成され、第１ノズル１１と第２ノズル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供給路２が形成されている。また、第２ノズル１２と第３ノズル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３が形成され、第３ノズル１３と第４ノズル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４が形成され、第４ノズル１４と外管１５との間に冷却水などの冷媒を流通させるための冷媒流路５が形成されている。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１、ガラス原料粒子供給路２、１次燃焼ガス供給路３、２次燃焼ガス供給路４、冷媒流路５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。
【００２２】
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図１（ｂ）の矢印ＦＧに示す如く燃料ガス供給路１に導入され、酸素や酸素富化ガスなどの燃焼ガスが図１（ｂ）の矢印ＢＧ１およびＢＧ２に示す如く１次燃焼ガス供給路３および２次燃焼ガス供給路４に導入され、後述するガラス原料粒子が図１（ｂ）の矢印ＧＭに示す如くガラス原料粒子供給路２に供給され、バーナー１０の先端から酸素燃焼炎を噴射するとともに、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。
【００２３】
第４ノズル１４と外管１５は、それらの先端部において接続部１６により接続されており、冷媒流路５の先端側はこの接続部１６により閉じられている。冷媒流路５は各ノズル１１〜１４を十分に冷却できるように、各ノズル１１〜１４の先端部近傍にまで設けられている。これにより、各ノズル１１〜１４が過熱状態になることを防止できる。
【００２４】
ガラス原料供給路２を形成する第１ノズル１１の先端部１１ａおよび第２ノズル１２の先端部１２ａは、第３ノズル１３の先端部１３ａおよび第４ノズル１４と外管１５の接続部１６の先端部１６ａよりも先方に突出するように形成されており、ガラス原料供給路２の噴出口２ａは、１次燃焼ガス供給路３の噴出口３ａおよび２次燃焼ガス供給路４の噴出口４ａよりもバーナーの先方側に位置するように形成されている。第３ノズル１３の先端部１３ａの位置と、第４ノズル１４と外管１５の接続部１６の先端部１６ａの位置は揃えられ、第１ノズル１１の先端部１１ａの位置と、第２ノズル１２の先端部１２ａの位置も揃えられている。
これにより、ガラス原料粒子供給路２の噴出口２ａの周縁面に戻る渦流の発生を後に詳述する如く抑止できるため、ガラス原料粒子供給路２から噴出されたガラス原料粒子が噴出口２ａ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１０によれば、バーナー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。
【００２５】
ガラス原料粒子供給路２の噴出口２ａは、１次燃焼ガス供給路３、２次燃焼ガス供給路４および接続部１６の各先端部よりも、３〜１０ｍｍ突出するように設けられていることが好ましい。突出量が３ｍｍ以上の場合、ガラス原料粒子供給路２の噴出口２ａの周縁付近で渦流が発生しにくくなり、バーナーの先端部（ガラス原料粒子供給路２の噴出口２ａ近傍）にガラス原料粒子が滞留して付着するおそれが少ない。突出量が１０ｍｍ以下の場合、ガラス原料供給路２を形成する第１ノズル１１および第２ノズル１２が、冷媒流路５を流通する冷却水などの冷媒により充分に冷却され、過熱状態になるおそれが少ない。また、突出量が１０ｍｍ以下の場合、ガラス原料供給路２を形成する第１ノズル１１および第２ノズル１２自体が、バーナー１０より噴射される酸素燃焼炎により炙られにくいため、第１ノズル１１および第２ノズル１２の先端部にガラス原料粒子が付着しやすくなるおそれが少ない。
【００２６】
第１ノズル１１のガラス原料粒子供給路２側の面１１Ｐは先端部側ま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）１１Ｑ（燃料ガス供給路１側の面）の先端は、先端部手前側から先端部１１ａにかけて徐々に燃料ガス供給路１が拡径するようにテーパー部１１Ｔ（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１から噴出される燃料ガスが、隣接するガラス原料粒子供給路２側に流れるようになるため、ガラス原料供給路２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。
【００２７】
第２ノズル１２のガラス原料粒子供給路２側の面１２Ｐは先端部側ま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（外面）１２Ｑ（１次燃焼ガス供給路３側の面）の先端は、先端部手前側から先端部１２ａにかけて徐々に第２ノズル１２の肉厚が薄くなるようにテーパー部１２Ｔ（方向制御手段）が形成されている。これにより、燃焼ガス供給路３から噴出される燃焼ガスの流れが内向きに絞られて、隣接するガラス原料粒子供給路２側に流れるようになるため、ガラス原料供給路２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焼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。
【００２８】
ガラス原料粒子が溶融してノズルおよびバーナー先端付近に付着するメカニズムとしては、他に、ガラス原料粒子供給路２を形成する各ノズル１１、１２の壁面にガラス原料粒子が付着し、温度が高い各ノズル１１、１２の先端部に近い箇所で熱せられてガラス化し垂れ落ちることが考えられる。このような場合には、ガラス原料粒子供給路２の先端部２ａが溶融したガラスで塞がれることも起こり得るが、本実施形態のバーナー１０によれば、ガラス原料粒子供給路２の先端部２ａから垂れ落ちつつあるガラスを、隣接するガス流（燃料ガス流および燃焼ガス流）により吹き飛ばすことができ、付着したガラス塊が粗大化する前にノズル先端部から除去することができる。
【００２９】
本発明によるバーナーの材質は、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。
【００３０】
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次酸素供給路３と２次酸素供給路４とで構成し、各燃焼ガス供給路３、４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次酸素供給路３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４は省略してもよい。
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供給され、酸素又は酸素富化空気などをキャリアガスとしてガラス原料粒子供給路２から噴出口２ａを介して噴出される。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、バーナーから噴出する時点で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。
【００３１】
図１において、ガラス原料粒子供給路２を形成する第１ノズル１１および第２ノズル１２の先端にテーパー部１１Ｔ、１２Ｔが形成された例を示しているが、本発明はこの例に限定されない。図１に示す気中溶融バーナー１０のようにテーパー部１１Ｔ、１２Ｔが形成されることが好ましいが、図２に示す気中溶融バーナー１０Ｂのようにテーパー部が形成されていなくてもよい。図２は図１に示すバーナー１０の変形例を示す断面図である。この例のバーナー１０Ｂは、ガラス原料粒子供給路２を形成する第１ノズル１１Ｂおよび第２ノズル１２Ｂの先端部１１ｂ、１２ｂにテーパー部が形成されておらず、ガラス原料粒子供給路２および燃料ガス供給路１はその先端側まで縦断面ストレート形状である。図２に示すバーナー１０Ｂは、ガラス原料粒子供給路２の噴出口２ｂが１次燃焼ガス供給路３、２次燃焼ガス供給路４の噴出口３ｂ、４ｂよりも先方に突出しているため、図１に示すバーナー１０と同様に、ガラス原料供給路２の噴出口２ｂの周縁面に戻る渦流の発生を抑止できるため、ガラス原料粒子が噴出口２ｂ付近に滞留して付着することを抑止できる。したがって、ガラス原料粒子の付着物の塊が成長し難く、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。
【００３２】
本発明に係る気中溶融バーナーは、上述した図１に示すバーナー１０および図２に示すバーナー１０Ｂに限定されない。以下、本発明に係る気中溶融バーナーの他の形態を図３および図４に基づき説明する。なお、図３および図４に示す気中溶融バーナーにおいて、図１に示すバーナー１０と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。また、以下の説明においても「気中溶融バーナー」を「バーナー」と略称することがある。
【００３３】
図３（ａ）は本発明に係る気中溶融バーナーの第２実施形態を模式的に示す断面図である。
図３（ａ）に示す気中溶融バーナー２０は、中央部に配置された第１ノズル２１と、この第１ノズル２１の外方に第１ノズル２１を取り囲むように順次配置された第２ノズル２２と第３ノズル１３と第４ノズル１４と外管１５とから構成されている。本実施形態のバーナー２０は、第１ノズル２１の内部にガラス原料粒子供給路２が形成され、第１ノズル２１と第２ノズル２２との間に燃料ガス供給路１が形成されている。また、第２ノズル２２と第３ノズル１３との間に１次燃焼ガス供給路３が形成され、第３ノズル１３と第４ノズル１４との間に２次燃焼ガス供給路４が形成され、第４ノズル１４と外管１５との間に冷媒流路５が形成されている。気中溶融バーナー２０において、バーナー中心部から外側に向かって、ガラス原料粒子供給路２、燃料ガス供給路１、１次燃焼ガス供給路３、２次燃焼ガス供給路４、冷媒流路５がこの順に同心円状に形成されている。
【００３４】
本実施形態のバーナー２０において、ガラス原料供給路２を形成する第１ノズル２１の先端部２１ａは、それぞれ先端位置を揃えた第２ノズル２２の先端部２２ａ、第３ノズル１３の先端部１３ａおよび第４ノズル１４と外管１５の接続部１６の先端部１６ａよりも先方に突出するように形成されている。そして、ガラス原料供給路２の噴出口２ａは、燃焼ガス供給路１の噴出口１ａ、１次燃焼ガス供給路３の噴出口３ａおよび２次燃焼ガス供給路４の噴出口４ａよりもバーナーの先方側に位置するように形成されている。
これにより、ガラス原料粒子供給路２の噴出口２ａの周縁面に戻る渦流の発生を抑止できるため、ガラス原料粒子供給路２から噴出されたガラス原料粒子が噴出口２ａ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２０によれば、バーナー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ため、ガラス原料粒子の付着物の塊が成長し難く、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。
【００３５】
図３（ａ）に示すバーナー２０は、前述の第１実施形態のバーナー１０と同様に、ガラス原料供給路２を形成するノズルの先端にテーパー部（方向制御手段）が形成されていることが好ましい。図３（ｂ）は第２実施形態のバーナー２０の変形例を示す断面図である。
図３（ｂ）に示すバーナー２０Ｂにおいて、第１ノズル２１Ｂのガラス原料粒子供給路２側の面（内面）２１Ｐは先端部側ま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（外面）２１Ｑ（燃料ガス供給路１側の面）の先端は、先端部手前側から先端部２１ａにかけて徐々に第１ノズル２１の肉厚が薄くなるようにテーパー部２１Ｔ（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１から噴出される燃料ガスの流れが内向きに絞られて、隣接するガラス原料粒子供給路２側に流れるようになるため、ガラス原料供給路２から噴出されるガラス原料粒子を、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して付着することをより効果的に抑制できる。
【００３６】
図４（ａ）は本発明に係る気中溶融バーナーの第３実施形態を模式的に示す断面図である。
図４（ａ）に示す気中溶融バーナー３０は、中央部に配置された第１ノズル３１と、この第１ノズル３１の外方に第１ノズル３１を取り囲むように順次配置された第２ノズル３２と第３ノズル３３と第４ノズル１４と外管１５とから構成されている。本実施形態のバーナー３０は、第１ノズル３１の内部に燃料ガス供給路１が形成され、第１ノズル３１と第２ノズル３２との間に１次燃焼ガス供給路３が形成されている。また、第２ノズル３２と第３ノズル３３との間にガラス原料粒子供給路２が形成され、第３ノズル３３と第４ノズル１４との間に２次燃焼ガス供給路４が形成され、第４ノズル１４と外管１５との間に冷媒流路５が形成されている。気中溶融バーナー３０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１、１次燃焼ガス供給路３、ガラス原料粒子供給路２、２次燃焼ガス供給路４、冷媒流路５がこの順に同心円状に形成されている。
【００３７】
本実施形態のバーナー３０は、ガラス原料供給路２を形成する第２ノズル３２の先端部３２ａおよび第３ノズル３３の先端部３３ａは、第１ノズル３１の先端部３１ａおよび第４ノズル１４と外管１５の接続部１６の先端部１６ａよりも先方に突出するように形成されており、ガラス原料供給路２の噴出口２ａは、燃焼ガス供給路１の噴出口１ａ、１次燃焼ガス供給路３の噴出口３ａおよび２次燃焼ガス供給路４の噴出口４ａよりもバーナーの先方側に位置するように形成されている。これにより、ガラス原料粒子供給路２の噴出口２ａの周縁面に戻る渦流の発生を抑止できるため、ガラス原料粒子供給路２から噴出されたガラス原料粒子が噴出口２ａ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３０によれば、バーナー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ため、ガラス原料粒子の付着物の塊が成長しにくく、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。
【００３８】
図４（ａ）に示すバーナー３０は、前述の第１実施形態のバーナー１０と同様に、ガラス原料供給路２を形成するノズルの先端にテーパー部（方向制御手段）が形成されていることが好ましい。図４（ｂ）は第２実施形態のバーナー３０の変形例を示す断面図である。
【００３９】
図４（ｂ）に示すバーナー３０Ｂにおいて、第２ノズル３２のガラス原料粒子供給路２側の面（外面）３２Ｐは先端部側ま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）３２Ｑ（１次燃焼ガス供給路３側の面）の先端は、先端部手前側から先端部３２ａにかけて徐々に１次燃焼ガス供給路３が拡径するようにテーパー部３２Ｔ（方向制御手段）が形成されている。また、図４（ｂ）に示すバーナー３０Ｂにおいて、第３ノズル３３Ｂのガラス原料粒子供給路２側の面（内面）３３Ｐは先端部側ま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（外面）３３Ｑ（２次燃焼ガス供給路４側の面）の先端は、先端部手前側から先端部３３ａにかけて徐々に第３ノズル３３Ｂの肉厚が薄くなるようにテーパー部３３Ｔが形成されている。これにより、１次燃焼ガス供給路３および２次燃焼ガス供給路４から噴出される燃焼ガスが内向きとなるか外向きとなって４、隣接するガラス原料粒子供給路２側に流れるようになるため、ガラス原料供給路２から噴出されるガラス原料粒子を、燃焼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して付着することをより効果的に抑制できる。
【００４０】
図５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。
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Ｆ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本発明に係る気中溶融バーナー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、このバーナー１０の噴射方向先端側（図５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Ｆおよび酸素燃焼炎Ｆ近傍の高温部から構成される。なお、図５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、本発明はこれに限定されず、前記した本発明に係る気中溶融バーナー１０Ｂ、２０、２０Ｂ、３０、３０Ｂのいずれかであれば好適である。
【００４１】
バーナー１０の上部側には供給管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のガラス原料粒子供給路２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。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２は原料供給部を成している。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１に燃料ガスが、供給管４７ｂを介して１次燃焼ガス供給路３に燃焼ガスが、供給管４７ｃを介して２次燃焼ガス供給路４に燃焼ガスが、導入される。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
本実施形態の気中溶融装置４０において、原料供給部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Ｆ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に貯留する溶融ガラス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Ｆがたとえば水素燃焼炎の場合約２０００〜３０００℃である。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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ＧＭ２として用いることもできる。
【００５３】
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。
【００５４】
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５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。
【００５５】
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。
【００５６】
図５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Ｆ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、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。
【００５７】
図６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Ｇ５を製造できる。
【００５８】
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５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１０、１０Ｂ、２０、２０Ｂ、３０、３０Ｂのいずれかと、他の加熱手段を併用することもできる。
図７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、加熱手段として本発明に係る気中溶融バーナーに加えて、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５に示す装置とは相違している。
【００５９】
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。
【００６０】
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の中心側に高周波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。
【００６１】
図７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、酸素燃焼炎または酸素燃焼炎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、本発明に係る気中溶融バーナー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。熱プラズマ発生装置は高周波プラズマ発生装置５７の代わりに多相プラズマアーク発生装置であっても良い。
【００６２】
図８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ガラス気中溶融バーナー１０とを備えて構成されている。図８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５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。
【００６３】
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８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。
【００６４】
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の酸素燃焼炎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。
【００６５】
図８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１０の先端部にガラス原料粒子ＧＭ２が滞留して付着することがなく、付着物が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利用される。
【００６６】
本発明のガラスビーズの製造装置は図８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１０、１０Ｂ、２０、２０Ｂ、３０、３０Ｂのいずれかと、他の加熱手段を併用することもできる。
【００６７】
図９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１０に加えて、高周波プラズマ発生装置（熱プラズマ発生装置）を備える点で、図８に示す装置とは相違している。図９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７に示す製造装置と同様である。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。
【００６８】
図９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、酸素燃焼炎または酸素燃焼炎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、本発明に係るガラス気中溶融バーナー１０を備えているので、前述の製造装置６０と同様の効果を奏することができる。
【００６９】
なお、上記実施形態の気中溶融バーナーとしては、バーナーを構成する複数のノズルが全て同心円状に配置された多重管構造の場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。たとえば、図１（ａ）に示すバーナー１０の場合、１次燃焼ガス供給路３および２次燃焼ガス供給路４を、第２ノズル１２と第４ノズル１４との間に、小径のノズルを円周上に複数配置することにより形成してもよい。すなわち、本発明のバーナーにおいて、ガラス原料粒子供給路を形成するノズルの先端部が、他のノズルの先端部よりも先方に突出している構成であれば、複数のノズルが同心円状に配置された多重管構造と、小径のノズルが円周上に複数配置された構造を組み合わせることもできる。また、同心円のスリット状のノズルは全周にわたって開口している必要は必ずしもなく、スリット間隙の確保と冷却の促進のため開口部を円周上断続的に構成することができる。
また、本発明の気中溶融バーナーにおいて、ガス供給路の先端部に形成される方向制御手段としては、乱流による粒子の付着が実質的に防止できれば良く、ガス供給路を形成するノズルの先端部の内面又は外面に形成されたテーパー部に限定されない。たとえば、テーパー面と先端が飛行機の翼のように乱流が生じにくい曲面となっているものなどが挙げられる。また、テーパー部などの方向制御手段は、当該ノズル先端部の全周に亘って形成されていてもよく、当該ノズル先端部の周縁の一部に形成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
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】
【００７１】
１…燃料ガス供給路、２…ガラス原料粒子供給路、３…１次燃焼ガス供給路、４…２次燃焼ガス供給路、５…冷媒流路、１１、１１Ｂ、２１、２１Ｂ、３１…第１ノズル、１２、１２Ｂ、２２、３２、３２Ｂ…第２ノズル、１３、３３、３３Ｂ…第３ノズル、１４…第４ノズル、１５…外管、１６…接続部、１０、１０Ｂ、２０、２０Ｂ、３０、３０Ｂ…気中溶融バーナー、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…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…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、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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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