(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスまたはガラスセラミックを溶解または精製するためのスカルポットであって、該スカルポットは
坩堝壁（１）と、坩堝底部と、誘導コイル（３）とを有して成り、
該誘導コイルは前記坩堝壁（１）を囲み、前記誘導コイルを介して高周波エネルギーが坩堝の内容物に伝達可能であり、
前記坩堝壁（１）は冠状に設けられた金属管（１．１）から形成され、該金属管は冷却剤に接続可能であり、互いに隣接する金属管（１．１）の間にはスリット状の中間空間が設けられ、
前記底部は溶湯のための排出口を有し、
前記金属管（１．１）は互いに短絡回路で接続されているスカルポット。
【請求項２】
前記短絡回路が前記金属管（１．１）の上方端部領域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスカルポット。
【請求項３】
前記短絡回路が前記底部領域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスカルポット。
【請求項４】
前記短絡回路が前記金属管の上方端部領域および前記底部領域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスカルポット。
【請求項５】
前記短絡回路は、特に２つの短絡回路が設けられている場合、高さを変更可能であることを特徴とする請求項４に記載のスカルポット。
【請求項６】
前記短絡回路は冷却剤に接続可能である金属管（１．１）によって形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスカルポット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラスまたはガラスセラミックを溶解（溶融、融解）または精製するためのいわゆるスカルポット（スカル型坩堝）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような坩堝は坩堝壁を有する。坩堝壁は通常円柱形である。坩堝壁は垂直な金属管を環状に設けて構成される。互いに隣接する管と管の間にはスリットが設けられている。坩堝の底部も金属管から構成することができるが、耐火性の材料から成る場合もある。
【０００３】
加熱は坩堝壁の周囲に設けられた誘導コイルによって行われ、この誘導コイルを介して高周波エネルギーを坩堝内の材料に結合させることができる。
【０００４】
このようなスカルポットは例えば欧州特許公報第０５２８０２５号から周知となっている。
【０００５】
スカルポットの作用は以下の通りである。
坩堝は団塊または破片またはそれらの混合物によって充填される。一定の最小導電特性を得るために、ガラスまたは溶湯はまず予熱しなければならない。予熱は燃焼器を用いた加熱によって行われることが多い。結合温度に達すると、高周波エネルギーの照射によってさらなるエネルギーが供給される。運転中においても溶湯を高周波エネルギーを用いた加熱に加えて燃焼器によって加熱することができる。燃焼器は上方から溶湯に作用を及ぼす。溶湯の表面の追加の加熱は電気的な加熱部材を介しても行うことができる。
【０００６】
冷却された、金属管から成る坩堝壁には、運転中に固化した溶湯から成る境界層が形成されている。この境界層によって坩堝壁は刺激の強い、または熱い溶湯によって腐食しないように保護される。このような冷たい境界層は溶融ガラスに応じてガラス質であったり結晶質であったりする。
【０００７】
底部も円周壁と同様に冷却されるので、基底層も冷たい。底部にも同様にガラス質または結晶化された冷たい基底層が形成される。このような基底層は底部の排出口を介して溶湯を排出するためには不利である。底部の排出口を介して溶湯を排出させるには、文字通り固まった基底層を突き破るか、さらなる加熱によって熱的に溶解させなければならない。このとき結晶質の層があると流れてゆく溶湯に対して結晶核を形成させるものとして作用するので、望ましくない。
【０００８】
高周波エネルギーはスカルポットの内部空間を加熱するためにのみ使用されるものであって、冷却された底部領域を集中的に加熱するために用いることはできない。すなわち誘導加熱によって底部に近い層も加熱しようとするならば、これらの層からは底部を冷却することによって再び熱が奪われてしまう。これは溶湯の冷却されない熱い中央領域に比べると、エネルギーの取り込みを悪化させることにもなりかねない。
【０００９】
高周波エネルギーを全体として増大させ、底部領域の温度が上限の結晶化温度を超えるようにすることも考えられる。このようにすれば排出の問題は解決されるかもしれないが、スカルポットの中央領域における溶湯は過熱されるであろう。それによって個々のガラス成分を選択的に気化させて行う合成がずれることも考えられ、それに付随して屈折率の変動や縞の形成が起こる。
【００１０】
従って従来周知の坩堝においては底部領域の温度を比較的低くすると不利であることが確認される。
【００１１】
しかしながら精製容器内の溶湯の表面領域が比較的冷たい場合も同様に不利であると考えられる。溶湯の冷たい表面層によって泡の上昇および破裂が妨げられるからである。
【００１２】
しかしながら精製時だけでなく、溶解時も溶湯の表面領域の温度は高いのが望ましい。表面領域の温度が高いと溶融の速度にとって有利である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、運転中に一定のエネルギーを供給された場合に、測地学的に異なる高さの様々な領域の溶湯の温度が調節されるスカルポットを形成する手段を講じることである。このような発明により、例えば坩堝の下部領域、中央領域、上部領域における溶湯の温度を殊更大きく増大させることができる。また同様に坩堝の高さ全体にわたって温度がより均一になるように調節することも可能である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような課題は請求項１に記載の特徴によって解決される。
【００１５】
発明者は以下のような点を認めた。
高周波照射は少量ではあるが金属製の冷却フィンガーに吸収される。これによって電気的に互いに絶縁された冷却フィンガーの間に電圧が誘導される。このとき個々の冷却フィンガー同士の間にアーク放電が行われる。
【００１６】
アーク放電は壁部領域に生成する、種に固有の材料から成る凝固した冷却層が高い溶解温度において非常に薄くなる場合に、特に発生しやすい。
【００１７】
このような場合にはこれらの冷却層に完全な誘導電圧がかかるのである。なぜなら熱い溶湯の伝導性も冷却フィンガーの伝導性も、冷却された種に固有の境界層の伝導性よりもはるかに大きいからである。境界層の厚みが小さいと電磁場の強さが大きくなりすぎ、従って前記のようなアーク放電あるいはフラッシュオーバーが起こる。フラッシュオーバーが起こると金属製の冷却フィンガーが破損することになり、長期的には坩堝が破壊されることになる。
【００１８】
本発明、すなわち短絡回路リングを設けることによってフラッシュオーバーが回避される。それによってスカルポットの寿命が延びる。
【００１９】
長い冷却フィンガーを有する大きなスカルポットにおいては、上部のみならず下部にも短絡回路リングを設ける必要がある。高周波電圧を消滅させるためには短絡回路リングが１つのみでは十分とはいえない。
【００２０】
上部のみならず下部にも短絡回路リングを設ける点は特に、溶湯と坩堝壁との間に安定した結晶質の電気的に絶縁された境界層を形成しない溶湯に当てはまる。２重短絡回路リングを用いる場合には、溶湯の中心からの短絡回路距離を異なるように選択することにより、電磁場の配分を意図的に調節することができ、それとともに温度配分も意図的に調節可能である。
【００２１】
例えばスカルの冷却フィンガーを互いに直接的に連結せず、冷却フィンガーをネジ付きロッドを介して下方に延長させ、これらのネジ付きロッドに調整可能な短絡回路リングを設けることにより、坩堝の底部領域における短絡回路を変更可能に構成することができる。
このような坩堝を用いると溶融の段階に応じて（溶かし込み、精製または鋳込み）最適な短絡回路位置を選択することができる。このような構成に匹敵する高さ調節可能な短絡回路の変更は、坩堝の上方縁部においても当然ながら行うことができる。
【００２２】
坩堝の高さが非常に大きいとき、場合によっては第２の短絡回路を設けなければならないが、短絡回路が２つある場合にも２つの短絡回路のうちの一方をずっと外側に移すことも当然可能である。溶解温度を比較的低く設定し、境界上にあるガラス系においても通常は冷たいガラス境界層が形成されるとすれば、この点は特に鋳造の溶解段階に当てはまる。
【００２３】
発明者はさらに以下の点を認識した。
金属製の冷却フィンガーを互いに短絡させると、この短絡回路の位置に応じて高周波電磁場は上方または下方に押しやられる。短絡回路がスカルポットの底部に設けられている場合は、高周波電磁場は上方に向かって押される。短絡回路が上部領域にある場合は、電磁場の排除は下方に向かって行われる。高周波電磁場の排除が上方に向かって行われる場合、溶湯の表面領域がより熱くなる。高周波電磁場の排除が下方に向かって行われる場合、溶湯の底部領域がより熱くなる。従って短絡回路の配置に応じて溶湯の特定の領域を一定程度加熱したり、温度の均一な配分を実現したりすることが自由にできる。
【００２４】
一般に精製を行うためには底部領域に短絡回路を設ける。このような場合、高周波電磁場は上方に押しやられる。溶湯の表面領域が特に強く加熱される。溶湯に含まれている気泡はどんどん上方に上昇し、溶湯の上層を容易に貫通し、破裂する。
【００２５】
溶解に際しても底部領域に短絡回路を設けるのが好適である。この場合も生成する表面の領域に特別な加熱が起こり、溶解が加速される。
【００２６】
鋳込みの段階において排出流は結晶を有してはならない。溶湯は排出領域において１０4ｄＰａｓの粘度を有する必要があるが、坩堝の比較的高い領域にある溶湯の領域を精製温度に加熱する必要はない。そのような加熱は熱的に再沸騰させる結果を招くであろう。鋳込み段階において排出流が結晶を有さないようにするために、短絡回路は坩堝の上部領域に設ける必要がある。このようにすると高周波電磁場は下方に押しやられるので、排出領域は特に強く加熱される。
【００２７】
短絡回路は好適に金属リングによって実現される。金属リングは金属製の冷却フィンガーを電導するように互いに連結するものである。短絡回路はどんな形態のものであれ、冷却フィンガーの長手方向のいずれかの場所、すなわちスカルポットの底部と冷却フィンガーの上端部との間に設けなければならない。短絡回路をこの領域の外側に設けると、高周波電圧に対しては効果がなくなってしまう。なぜならこのようないわゆる「導体ループ」の誘導抵抗は大きすぎるからである。合衆国特許明細書第４０４９３８４号には２つのモジュールから構成されたスカルポットが記載されている。各モジュールは一連の冷却フィンガーを有し、これらの冷却フィンガーは半円形に配設され、金属製で同様に半円形の底板に固定されている。２つの底板は電気的な絶縁体を間に設けて接合されるので、モジュールの間には短絡回路が形成されない。この点が前記文献の眼目とされている。この発明は本発明の基本的な思想とは逆の、短絡回路は避けるべきものであるという従来の見解と一致している。
【００２８】
短絡回路によって高周波出力の大部分がスカルポット自体において消費されてしまうのではないか、あるいは高周波電磁場が坩堝の内部領域に進入できないのではないかという懸念が生じるかもしれないが、このような懸念は真実ではないことが判明した。高周波出力に関する燃料経済性の不利益は最小限のものである。従って本発明は大きな利点を有し、ほとんど不利点を有さない。
【００２９】
短絡回路リングを使用した本発明による構成のさらなる有利点は坩堝の機械的な安定化である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を図面に基づいてより詳細に説明する。図に示すのは以下の通りである。
【００３１】
図に示すスカルポットはガラスまたはガラスセラミック、特にガラス片またはいわゆる団塊状のガラスまたはそれら２つを溶解または精製するために用いられる。
【００３２】
スカルポットは壁１を有している。この壁は垂直に設けられた金属管を冠状に配設したものから形成されている。これらの金属管は互いに導体結合され、冷却剤、例えば水に接続されている。
【００３３】
スカルポットの底部１．１は融解石英プレートから構成されている。底部も冷却されるが、管から排出される空気によって冷却が行われる。
【００３４】
壁は誘導コイルに囲まれている。誘導コイルは高周波装置の構成部材であり、高周波装置によって高周波エネルギーがスカルポットに設けられた材料に結合される。
【００３５】
２つの矢印ＡおよびＢは短絡回路装置が設けられる位置を表している。
【００３６】
図２および３は短絡回路装置の構成を示している。短絡回路装置は２つの半円環セグメント２．１，２．２および２つの緊締装置２．３，２．４から成るリングを有している。図に示すように２つの緊締リングセグメント２．１，２．２は壁１を囲み、壁は冠状に配設され、冷却剤を導く多数の金属管１．１から構成されている。
【００３７】
図３では短絡回路装置が短絡されている。緊締装置２．３，２．４は締め付けられている。半円環セグメント２．１，２．２は金属管１．１に接触し、それによって電導的に当接している。半円環セグメント２．１，２．２および金属管１．１は、半円環セグメントがこのような状態において金属管１．１をあそびを有さずに包囲するように形成され、配設されている。
【００３８】
図４および５も金属管１．１を備えたスカルポットを示している。金属管１．１は高周波コイルの巻き３によって囲まれている。短絡装置２は図４の実施の形態では底部領域のスカルポットの底部のすぐ上に設けられている。図５に示す実施の形態では短絡装置は金属管１．１の上端部に設けられている。
【００３９】
図４に示す実施の形態は溶融ガラスを精製するのに特に好適である。短絡装置２によって高周波電磁場は溶解反射の領域により強く押される。溶解反射の領域はこれによりより強く加熱される。ガス気泡はこの領域にある溶湯を介して上方に向かって通過し、破裂する。
【００４０】
図５に示す実施の形態では均一な温度の配分が実現される。高周波電磁場は底部領域により強く押される。底部領域にある溶湯はそれによって反射の領域よりも強く加熱される。これにより熱い溶湯が底部領域から上昇して溶湯の対流が生じ、比較的熱い溶湯と比較的冷たい溶湯が混合することによって均一化される。さらに底部領域における結晶化が防止されるので、溶湯は底部領域に設けられた排出口を介して問題なく排出される。
【００４１】
図６はスカルポットに設けられた光学ガラスの溶湯の深さのプロファイルを２つの曲線によって示している。図において縦座標は摂氏温度を示し、横座標は温度が測定された溶湯の深さをｃｍで示す。
【００４２】
曲線Ｉは短絡リングを冷却フィンガーの上部開放端部に設けた場合の溶湯の深さに対する温度の経過を示している。曲線ＩＩは短絡リングを底部領域に設けた場合の温度の経過を示している。
【００４３】
図から分かるとおり、スカルポットを坩堝として使用する場合、短絡リングを上部領域に設けると、はるかに好適な結果が得られる。底部領域の溶湯の温度と溶解反射の領域の溶湯の温度にはそれほど大きな差がない。
【００４４】
スカルポットの上端部に電気短絡リングを配置することによって得られる温度均一化の原理は、光学ガラスに対してプラチナ排出口を有する改良されたスカルポットを用いて実験された。この光学ガラスは主に酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化カリウムおよび酸化ナトリウムから成るものである。
【００４５】
溶解するためには直径２０ｃｍで溶解高さが２２ｃｍのスカルポットが使用された。ガラスは燃焼器を用いて予熱され、およそ９００℃になると独りでに高周波電磁場に結合するので、燃焼器を停止することができる。高周波は１ＭＨｚである。必要とされる出力は溶湯の温度に応じて２０から４０ｋＷである。ガラスを鋳造するには溶解温度は１１００℃に調整され、そのためには２５ｋＷの出力が必要とされる。
【００４６】
スカルポットは下方に向かう短絡回路を有して標準的に構成したものと、上方に向かう短絡回路を有して構成したものとがある。底部には抵抗加熱されたプラチナ排出フランジが設けられ、この排出フランジを介して溶湯が鋳込まれ、ガラスの品質が判定される。
【００４７】
溶湯における温度配分は熱電対を用いて計測することができる。熱電対はフィードスルーコンデンサとホトカプラを介して高周波ゾーンから導き出される。フィルターされた熱信号は標準的な計測器具によって検出される。
【００４８】
坩堝中央部の垂直方向の温度配分を計測すると、短絡回路を上方に設けることが明らかに有利であることが分かる。標準的な構成に比べて温度の配分は明らかにより均一になる。温度配分が均一であると多くの有利点がある。
【００４９】
均一な温度配分は均一な光学ガラスを溶解するための前提条件であるとともに、均一な温度配分で短絡回路を上方に設け、底部の排出口を介して鋳造を行うと、結果が明らかに改善される。その理由は底部において妨げるように作用する結晶層がなく、結晶によって完成品が汚染されることがないためである。鋳造のためには、坩堝の下方領域を確実に流動させるために、坩堝の上部領域を過熱させる必要はない。本発明のように坩堝を改良することによって、はるかに低く適度な温度で鋳造を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スカルポットの中央部垂直断面図。
【図２】短絡装置の開放状態
【図３】短絡装置の閉鎖状態
【図４】短絡装置を下方に設けた図１のスカルポット
【図５】短絡装置を上方に設けた図１のスカルポット
【図６】溶湯の温度の経過を示すグラフ
【符号の説明】
１  坩堝壁
１．１  金属管
３  誘導コイル
【図１】
0004146123.tif 000002
【図２】
0004146123.tif 000003
【図３】
0004146123.tif 000004
【図４】
0004146123.tif 000005
【図５】
0004146123.tif 000006
【図６】
0004146123.tif 000007