JPH055772B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガラスを融解及び精製する方法に関す
る。

物質をコイル搬送交流内に置いて誘導電流で加
熱することは周知である。この種の加熱の利点は
加熱されつつある物質が電源と接触することがな
いということ、たとえば、電極を溶融体内に浸漬
する必要がないということにある。ガラスを誘導
加熱する一般的な概念は多くの特許、たとえば、
米国特許第1830481号、同第1906594号、同第
3205292号、同第3244495号に開示されている。従
来技術は多く小規模の実施例に限られており、誘
導加熱によつて大規模にガラスの融解を行なう技
術が営利的に受け入れられたという事実は実質的
になかつた。燃料の燃焼から得られる熱エネルギ
はガラス融解の場合には電気エネルギよりも一般
的に経済的であつた。さらに、時には、誘導加熱
が電力を熱エネルギに変換するときに効率が悪い
と考えられたこともある。また、ガラスの大規模
誘導加熱が到底許容できないほど大きな誘導コイ
ルを必要とするであろうというのがこの分野の一
部の考えであつた。

米国特許第4610711号（Matesa等）に開示され
ているより経済的な方法では、ガラス製造過程に
おいて誘導加熱を用いているが、この誘導加熱は
ガラス製造過程の下流部分でガラスの温度をピー
ク精製温度まで高めることに限られている。ガラ
ス製造過程の他のステージでも誘導加熱を効果的
に利用するのが望ましい。

誘導加熱は非常に高い出力密度を生じさせるこ
とができ、非常に高いエネルギ伝達率を可能とす
る。誘導融解では溶融体を保持する容器を必要と
し、この容器も電界で加熱する。加熱率が高い場
合、容器の保全性を維持したり、容器の腐蝕によ
る溶融体の汚染を防いだりするために容器の冷却
も必要であるかも知れない。しかしながら、冷却
するということは加熱過程の効率を低下させるこ
とである。効率を犠性にして溶融体の純度を最高
にする高める配置が米国特許第3461215号
（Reboux）に示されている。ここでは、冷却要
素は容器を含み、融解されつつある材料と直接接
触しており、冷却率を未溶融材料の層を維持する
程度にしている。汚染の防止の点でこの配置は高
品質ガラスを製造するためには魅力的であるが、
営利的な大量生産という点ではエネルギ損失が大
きくて経済的に受け入れることはできない。

本発明によれば、ガラスを融解及び精製する方
法であつて、第１ステージで未精製のガラスの溶
融体を準備する段階と、この溶融体をこの方法に
おける他のステージに用いる容器に対して小容量
の金属製容器を含む第２ステージに移送する段階
と、この方法における１日の処理量の0.1倍未満
の量の溶融体を前記金属製容器内に保持する段階
と、該金属製容器の内側に溶融体の凝固層を維持
するように該金属製容器に接触させて冷却液を循
環させることによつて該金属製容器を冷却する段
階と、該金属製容器のまわりのコイルに高周波電
流を流すことによつて少なくとも100キロワツ
ト／立方フイート（3.5キロワツト／リツトル）
の電流を誘導するように前記金属製容器内の溶融
体に電流を電磁誘導して溶融体の温度を精製温度
まで急速に上昇させる段階と、溶融体を十分に精
製するのには十分でないだけの第２ステージにお
ける滞留時間の後に、加熱された溶融体をそれが
精製される第３ステージに移送する段階とを含む
方法が提供される。たとえば、ガラス材料は、最
初、米国特許第4381934号（Kunkle等）に開示さ
れているように輻射熱伝達を用いる予備ステージ
において液化、すなわち、部分的に流体状態に融
解し、この状態から液化材料を所望の全体的なピ
ーク処理温度より幾分低い温度で放出する。この
場合、本発明の誘導加熱ステージは溶融体の温度
を溶融体を精製する、すなわち、溶融体のガラス
状成分を追い出すのに望ましい温度まで上昇させ
るように作用する。その後に溶融体は精製ステー
ジに入る。誘導加熱が他のいかなる処理機能から
も分離しているので、誘導加熱ステージでの溶融
体の滞留時間は所望の温度上昇を行なうに必要な
時間に限ることができる。誘導加熱によつて達成
され得る高い熱伝達のために、所望の温度上昇は
短時間で行なわれ得る。その結果、本発明の誘導
加熱容器は比較的小型でよく、それ相当に溶融体
と接触する内側表面積も小さくなる。小さい表面
積が冷却式容器への熱損失の量を制限するため、
溶融体と容器の間の温度差が大きくても、誘導加
熱ステージのために冷却式容器を大きな効率低下
なしに使用することができる。同時に、冷却式容
器は容器内の溶融体に非常に高い誘導レベルを生
じさせ得、しかも、容器の劣化あるいは溶融体の
汚染もない。

本発明の誘導加熱容器における滞留時間が非常
に短いが故に、引続いてガラスの融解を完全に行
なつたりあるいはガラスの精製を行なつたりする
ステージが設けられる。この精製ステージは溶融
体からガラス状含有物を逃がせるようになつてい
る従来の任意の配置からなるものであつてもよ
い。最も簡単な形態では、精製ステージは普通の
水平耐火ボツクスを構成し、この中に精製のため
の受動的滞留時間を設けたものである。好ましい
精製技術は1986年８月７日に出願された米国特許
出願通し番号第894143号に開示されているもので
ある。ここでは、真空を用いて精製を助けてい
る。

本発明のこれらおよび他の目的は図面および好
ましい実施例についての以下の説明からさらに理
解されよう。

第１図に示す構成要素の列は好ましい組み合わ
せであり、誘導加熱は液化ステージと精製ステー
ジの間で行なわれる。誘導加熱は液化ステージの
後になる。これはバツチ原料を誘導電流を受け入
れやすくなる温度まで誘導加熱以外の手段で加熱
した方が効果的だからである。ガラスバツチの場
合、融解が始まつた後に誘導電流を受け入れやす
くなる。ここで用いる「液化」なる用語は融解が
始まつて（すなわち、液相が存在して）いるが必
ずしも完了していない状態を意味する。液化段階
はこの分野で公知の任意の手段、たとえば、燃焼
加熱あるいは電気加熱によつて加熱した普通の融
解炉によつて実施し得るが、好ましい実施例は米
国特許第4381934号、現在は再発行特許第32317号
（Kunkle等）に開示されている技術である。ここ
では、輻射熱（好ましくは燃焼からの輻射熱）が
傾斜面上でガラスバツチ材料を液化し、完全に融
解する前に液化した材料が液化容器から自由に流
出するようになつている。第１図では、このタイ
プの液化容器１０が概略的に示してある。容器１
０は垂直軸線まわりに回転できるように装着して
もよく、そうすれば、バツチ材料のライニングが
容器の内側面に保持されることになり、これは液
化が生じる表面として作用する。液化材料の流れ
１１は容器１０の底部開口から出る。

上述した好ましいタイプの液化ステージから流
出する液化材料１１は一般的には泡立つた状態で
あり、固形粒子を含むこともある。この部分溶融
状態の流体は誘導加熱ステージに直接導入しても
よいが、液化ステージと誘導加熱ステージの間に
受け容器１２を設けて誘導加熱ステージへの流量
を調節するサージ溜めとして作用させると好まし
い。受け容器１２は液化材料内の残留固体粒子の
一部あるいは全部が溶解する或る滞留時間も与え
ることができる。受け容器１２からの出口はドレ
ン・チユーブ１３を包含していてもよく、このド
レン・チユーブを通る流体の流量を弁手段、たと
えば、第１図に示すように垂直方向に移動して出
口開度を変えるようになつている普通のプランジ
ヤ１４によつて調節してもよい。ドレン・チユー
ブ１３は容器１２の底を貫いて垂直方向に延びる
ものとして示したが、出口を側壁を貫いて設け、
他の弁配置を用いても、まつたく弁を用いなくて
もよいことは了解されたい。

第１図に示した誘導加熱器２０の好ましい具体
例は米国特許第3461215号（Reboux）に示すも
のに類似しており、この米国特許の開示内容を参
考資料としてここに援用する。容器２０の側壁部
分は複数の中空で垂直方向に細長いスラツト２１
からなり、これらのスラツトは耐火スペーサ２２
によつて互いに電気的に絶縁されている。これら
の耐火スペーサは融解されつつある材料を汚染し
ない材料、たとえば、シリカであると好ましい。
容器を複数の電気的に絶縁されたセグメントに分
割することによつて、導電材料の誘導電流経路が
短くなり、それによつて、電圧レベルを制限して
損失を最小限に抑える。スラツト２１を必要な構
造強度内でできる限り薄い壁で作ることによつて
も損失は減る。或る一定の寸法の容器においてス
ラツトの数を増やすと容器内の誘導電流による損
失が減るが、装置の複雑さや製作コストが高まる
ことになる。したがつて、スラツトの数は誘導加
熱システムの効率の相対的な重要性に依存した選
択事項である。液化材料の流れ２５を容器に導入
するオリフイス２４を備えた耐火蓋２３を融導加
熱解容器の頂部に設けて熱損失を減らすとよい。
容器の底は、迷走誘電電流を減らすために、スラ
ツト２１と同様に中空の分割した導電性部分２６
で形成するとよい。これらの底部分２６は耐火絶
縁層２７によつて互いに電気的に絶縁し、また、
環状の絶縁層２８によつてスラツト２１の底から
電気的に絶縁してある。容器底には開口３０が設
けてあり、この開口を通して加熱材料の流れ３１
が流出することができる。スラツト２１と底部分
２６は、共に、それらの中空内部を通して作動状
態の下での構造保全性を維持するに充分な流量で
冷却流体（好ましくは、水）を流すことによつて
冷却されている。

誘導加熱容器２０および導電性材料の構造の冷
却は溶融体の層２９を容器の内部で凝固させる。
凝固層は容器壁面から溶融体を隔離し、それによ
つて、容器壁面の腐蝕を防ぎ、溶融体の汚染を防
ぐ。この層の温度は冷却作用によつて充分に低く
保たれ、層はほとんど誘電電流を受けることがな
いが、容器の内部にある溶融材料は充分に誘導電
流を受け入れることができる。

多数の捲回部を有するコイル３２が容器２０を
構成しているスラツト２１の環状配列を間隔を置
いて取り囲んでいる。コイルは導電性のチユーブ
（たとえば、銅製）で形成してあり、このチユー
ブを通して冷却材が流れて高温環境にあるコイル
を保護する。底部分２６およびそれに関係した構
造支持部材に過剰に無駄な電流を誘導させないた
めに、コイル３２は容器２０の底から少なくとも
コイル直径１つ分隔たつていると好ましい。コイ
ルはアーク放電を防ぐためにスラツト２１から隔
たつているが、容器内に電磁束を集中させるため
に直径をできるだけ小さくすると好ましい。

誘導コイル３２はコンデンサと並列に変圧器の
二次側を横切つて接続してある。コンデンサおよ
びコイルは高い周波数および高いアンペア数を有
する共振分路を設定し、少数の誘導コイル捲回
部、たとえば、１〜５の捲回部を用いるのを可能
としている。高いアンペア数はコイル捲回部が少
数であるにもかかわらず強い磁束を生じさせ、し
たがつて、かなり誘導能力を持つたコイルを得る
ことができる。あるいは、磁束を強化するには、
コイル捲回部の数を増やしてもよいが、電圧を高
くしなければならず、使用できる電気機器の種類
が制限されるという不利がある。代表的には、互
いに並列に接続した複数のコンデンサを用いて所
望の全キヤパシタンスを得る。共振分路の周波数
およびキヤパシタンスは次の式によつて説明でき
る。

ｆ＝１／［2π（LC）^1/2］ ここで、ｆ＝共振周波数（Hz）、 Ｌ＝コイルのインダクタンス（ヘンリー）、 Ｃ＝キヤパシタンス（フアラツド）。

誘導加熱コイルについての他のデザイン計算は
「American Institute of Electrical Engineers
Transactions」第76巻、パート２（1957年）、31
〜40頁にR.M.Bakerによつて記述されている。

溶融ガラスの抵抗率は温度によつて変るが、代
表的な値は約６〜14オーム・センチメートルであ
り、これは誘導加熱が普通に応用される材料に比
べて高い。これはガラスを融解するための誘導加
熱システムを設計する際に或る種の利点を与え
る。加熱されつつある材料の電流浸透深さは誘導
加熱システムの設計には重要なフアクタである。
普通は、加熱されつつある材料の直径が電流浸透
深さの約３倍であることが推奨されている（たと
えば、英国特許明細書第1430382号を参照された
い）。しかながら、溶融ガラスの場合には、直径
が電流浸透深さに等しいかあるいはそれより小さ
い溶融ガラス体に誘導加熱を行なう方が効果的で
あることがわかつた。電流浸透深さはガラスの場
合には次のように計算できる。

ｄ＝5033（ρ／ｆ）^1/2 ここで、ｄ＝電流浸透深さ（センチメートル）、 ρ＝抵抗率（オーム・センチメートル）、 ｆ＝周波数（Hz）。

溶融ガラスに応用されるような誘導加熱の或る
理論的な曲面が「Glass Technology」第14巻、
第５号（1973年10月）の第115〜124頁にB.Scott、
H.Rawsonによつて論議されている。

誘導コイルデザインにおける普通の利点はコイ
ルの長さがその直径に等しいかあるいはそれより
長いということにあり、この利点は本発明にも同
様に応用できることがわかつた。溶融体への電力
の効果的な転送はコイルの長さがその直径に等し
い場合に得られたが、一層効果的な電力転送はも
つと長いコイル長さで可能となるかも知れない。
誘導加熱容器２０の内径は予想される処理率およ
び残留時間の要件によつて決まる。容器の内径と
コイル直径の差を少なくすると、溶融体内の誘導
電流に対して磁束を一層有効に使用でき、実用上
のアンペア数要件に対して比較的小さいコイルの
使用が可能となるという利点がある。或る一定の
体積について、一般的には、容器の高さを抑えて
壁を通しての熱損失面積を最小限にすることが望
ましい。

本発明の一特徴は誘導加熱が小さい体積で強め
られ、容器の壁を通しての熱損失が小さい熱伝達
面積により比較的意味のないフアクタとなつてい
るという点にある。誘導加熱容器を通る材料の滞
留時間も比較的短く、数分のオーダーであり、代
表的には10分未満、好ましくは５分未満である。
誘導加熱容器内の出力密度は所望の加熱量および
処理率に依存する。本発明の好ましい用途では、
出力密度は少なくとも100キロワツト／立方フイ
ート（3.5キロワツト／リツトル）、代表的には、
150キロワツト／立方フイート（5.3キロワツト／
リツトル）のオーダーである。これらの出力レベ
ルでは、200〜500〓（100〜280℃）のオーダーの
溶融ガラスの温度上昇は誘導加熱容器内に保持さ
れた溶融材料の質量対24時間あたりの質量処理率
の比、0.1未満、好ましくは0.06未満で達成され
得る。たとえば、１日あたり12トン（10.9メート
ルトン）の処理量であれば約10立方フイート
（280リツトル）の誘導加熱容器が上記条件の下に
順応できるが、この場合、容器は内径1.5フイー
ト（0.45メートル）、高さ5.7フイート（1.7メート
ル）の円筒形であると便利である。上記の出力レ
ベルはコイルに供給される周波数が約100〜300キ
ロヘルツであると達成され得る。より大きい加熱
率を望む場合にはかなり高い出力密度を用いても
よい。

ガラスは高い温度でのみ（好ましくは14オー
ム・センチメートル未満の抵抗率で）誘導電流の
有意のサスセプタとなる。したがつて、本発明の
溶融体は誘導加熱容器に入る前に良感度温度まで
加熱される。それによつて、誘導加熱段階の仕事
は溶融体に比較的穏やかな温度上昇を与えること
に限られる。融解、精製のためのエネルギの大部
分は誘導加熱ステージに入る前に材料に与えるこ
とになる。よつて、比較的高い電力の需要が減
り、誘導加熱技術を最も効率良く、既に熱い材料
の温度を高めるために応用できる。これは効率が
温度差に大きく依存する輻射熱伝達とはまつたく
異なる。

伴なう温度は組成毎に異なるが、たとえば、標
準のソーダ・石灰・シリカ平板ガラス組成は約
2100〓（1150℃）〜2400〓（1315℃）の温度で液
化し、この温度では、溶融体は適度な電圧に意味
のある感度を有する。したがつて、ガラスは液化
装置１０または受容器１２から直接誘導加熱ステ
ージに送ることができ、しかも、付加的な熱入力
が不要である。この例のガラスの融解、精製を適
切に行なうためには、一般的に、約2500〓（1370
℃）あるいは約2800〓（1540℃）の高さまで温度
を上昇させることが望ましいと考えられる。した
がつて、誘導加熱ステージは温度を約100〜700〓
（55〜390℃）上昇させるように作用すればよい。
溶融体を加熱する特定の精製温度は引続く精製ス
テージで用いられる精製技術に一部依存する。本
発明は誘導加熱によつて別個の限られた温度上昇
を最も有利に行なうが、特別な状況に必要であれ
ばもつと大きな温度上昇を行なつてもよいことは
了解されたい。

本発明の誘導加熱容器において充分な滞留時間
を与えて精製を完了させる試みはなんらなされて
いないため、溶融体は誘導加熱ステージから別の
精製ステージに移送される。本発明はいかなる特
定の精製方法にも限定されないが、特別に精製の
ために適用される別個のステージである精製プロ
セスには特に役立つ。換言れば、精製に必要とさ
れる熱エネルギのほとんど全部が誘導加熱ステー
ジを去るときに溶融体に与えられているので、精
製ステージは特に溶融体からのガスの除去に適用
され得る。好ましい例が第１図に示してある。

本発明で用いて好ましい精製プロセスは減圧を
用いて溶融体からガスを除去する。真空精製室３
５（その上部が第１図に示してある）を設けて誘
導加熱容器２０から溶融体を受け取るようにして
もよい。誘導加熱容器と精製室の間にサージ・タ
ンク３６を設けて精製容器の減圧に溶融材料の安
定した流れを与えるようにしてもよい。非汚染材
料、たとえば、プラチナで作つたチユーブ３７で
溶融流をサージ・タンク３６から精製室３５まで
運んでもよい。望むならば、弁手段（図示せず）
をチユーブ３７と協働させて精製室への流量を調
節してもよい。真空精製容器はこの分野では公知
の種々の形態を採り得るが、好ましい具体例とし
てはほぼ円筒形の垂直方向に細長い容器であり、
この場合、溶融材料は上部に導入され、減圧ヘツ
ドスペースに入るにつれて発泡してからつぶれて
圧力均等化柱を形成する溶融材料体となり、ほぼ
大気圧で容器の下部から引き出される。真空精製
容器は耐火材で内張りされた気密冷却式金属さや
を包含するとよい。出口にも弁手段を設けて真空
精製室からの流量を制御してもよい。精製室内の
溶融材料はこれ以上加熱する必要はないが、冷却
式さやの場合には、精製室内に補助熱源を設ける
ことによつて壁を通しての熱損失を相殺するとよ
いかも知れない。一般には、ガラス融解・精製プ
ロセスでのピーク温度は精製領域で与えられて溶
融体粘度を低下させ、ガスの逃げを促進させてい
る。真空援助式精製プロセスは粘度の低下にはそ
れほど依存する必要はなく、ピーク温度が高い必
要はない。したがつて、真空精製は本発明の別個
の誘導加熱技術にとつては有利な補足手段であ
る。温度要件が低いので冷却式誘導加熱容器内で
の滞留時間が短くてよいからである。たとえば、
通常は約2800〓（1540℃）のピーク精製温度を必
要とするソーダ・石灰・シリカガラスでも真空下
では2600〓（1430℃）以下の温度で精製できる。
真空精製ステージでの圧力が低ければ、それだけ
必要なピーク精製温度は低くてもよい。

本発明は比較的大規模にガラスを連続生産する
ことに特別の用途を有し、１日あたり少なくとも
10トン（９メートルトン）の生産率を特徴とす
る。

当業者にとつて公知であろう他の変更、修正が
特許請求の範囲に定義した発明の範囲から逸脱す
ることなく行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は液化装置、受け容器、誘導加熱器、サ
ージ容器および精製装置の好ましい組み合わせの
側面図であり、受け容器および誘導加熱器を垂直
断面で示している図である。第２図は第１図の２
−２線に沿つた好ましい誘導加熱器の実施例の水
平断面図である。 図面において、１０……液化容器、１１……液
化材料、１２……受け容器、１３……ドレン・チ
ユーブ、１４……プランジヤ、２０……誘導加熱
器、２１……スラツト、２２……耐火スペーサ、
２３……耐火蓋、２４……オリフイス、２５……
液化材料流、２６……底部分、２７……耐火絶縁
層、２８……絶縁層、３０……開口、３１……加
熱材料流、３２……コイル、３５……精製室、３
６……サージ・タンク、３７……チユーブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガラスを融解及び精製する方法であつて、第
   １ステージで未精製のガラスの溶融体を準備する
   段階と、この溶融体をこの方法における他のステ
   ージに用いる容器に対して小容量の金属製容器を
   含む第２ステージに移送する段階と、この方法に
   おける１日の処理量の0.1倍未満の量の溶融体を
   前記金属製容器内に保持する段階と、該金属製容
   器の内側に溶融体の凝固層を維持するように該金
   属製容器に接触させて冷却液を循環させることに
   よつて該金属製容器を冷却する段階と、該金属製
   容器のまわりのコイルに高周波電流を流すことに
   よつて少なくとも100キロワツト／立方フイート
   （3.5キロワツト／リツトル）の電流を誘導するよ
   うに前記金属製容器内の溶融体に電流を電磁誘導
   して溶融体の温度を精製温度まで急速に上昇させ
   る段階と、溶融体を十分に精製するのには十分で
   ないだけの第２ステージにおける滞留時間の後
   に、加熱された溶融体をそれが精製される第３ス
   テージに移送する段階とを含む方法。 ２ 第２ステージの前記金属製容器に保持される
   溶融体の量が、この方法における１日の処理量の
   0.06倍未満である請求項第１項の方法。 ３ 第２ステージにおいて溶融体の温度が100〓
   （55℃）から700〓（390℃）まで上昇される請求
   項第１項記載の方法。 ４ 第２ステージにおける溶融体の平均滞留時間
   が10分未満である請求項第１項の記載方法。 ５ 第３ステージにおいて溶融体は大気圧より小
   さい圧力にさらされる請求項第１項記載の方法。 ６ ガラスが１日あたり少なくとも10トンの割合
   で融解され且つ精製される請求項第１項記載の方
   法。 ７ ガラスがソーダ・石灰・シリカガラスである
   請求項第６項記載の方法。 ８ 第２ステージにおける平均滞留時間が５分未
   満である請求項第１項記載の方法。