特許 5725556 ガラス製造装置及びガラス製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5725556

(24)【登録日】2015年4月10日

(45)【発行日】2015年5月27日

(54)【発明の名称】ガラス製造装置及びガラス製造方法

(51)【国際特許分類】

   C03B 3/02 20060101AFI20150507BHJP

   F27B 3/20 20060101ALI20150507BHJP

   F27D 11/08 20060101ALI20150507BHJP

【ＦＩ】

   C03B3/02

   F27B3/20

   F27D11/08 E

【請求項の数】7

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2011-224444(P2011-224444)

(22)【出願日】2011年10月12日

(65)【公開番号】特開2013-82591(P2013-82591A)

(43)【公開日】2013年5月9日

【審査請求日】2014年8月8日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、エネルギーイノベーションプログラム／革新的ガラス溶融プロセス技術開発、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100064414

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 道造

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 隆行

(72)【発明者】

【氏名】松浦 次雄

(72)【発明者】

【氏名】田中 学

(72)【発明者】

【氏名】市橋 利夫

【審査官】 大工原 大二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２９８３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２８０３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０１３５９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 田中学等，ハイブリッドプラズマを用いたガラス原料のインフライト溶融，化学工学会秋季大会研究発表講演要旨集，２０１１年 ９月２６日，43rd，G302

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０３Ｂ １／００− ５／４４

Ｃ０３Ｂ ８／００− ８／０４

Ｃ０３Ｂ １９／１２−２０／００

Ｆ２７Ｂ １／００− ３／２８

Ｆ２７Ｄ ７／００−１５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

粉状のガラス原料をインフライトで加熱溶融してガラス化することでガラスを製造するガラス製造装置であって、
前記ガラス原料をガラス化処理する空間である断熱材で囲まれたガラス化処理空間を有する炉と、
前記ガラス化処理空間の上面に設けられ、下方に向けて燃焼炎を発生する燃焼管と、
複数の柱状のアーク電極に対して互いに位相の異なる多相交流を印加して前記ガラス化処理空間内にアークプラズマを発生するアークプラズマ発生手段と、
前記アーク電極のアーク放電する先端にシールドガスを供給するシールドガス供給手段と、
前記燃焼炎中に、前記アークプラズマの発生領域よりも上方から前記ガラス原料を供給するガラス原料供給手段と、
少なくとも前記アークプラズマの発生領域よりも上方から前記アークプラズマの発生領域の下方にかけて、前記ガラス化処理空間の内壁に沿って回転しながら下降する旋回流を発生させる旋回流発生手段と、
を備え、
前記複数のアーク電極は、上下２段に設置され、それぞれ複数のアーク電極からなる上段に配置された上側電極と下段に配置された下側電極とからなり、前記上側電極は前記アーク放電する先端が下向きに設置され、前記下側電極は前記アーク放電する先端が水平乃至水平に対して上向きに設置され、
前記アーク電極に印加される多相交流は、上面視において、前記アーク電極のアーク放電する先端が取り囲む領域である放電領域の中心を挟んで互いに対向する前記アーク電極に印加される交流の位相差が１８０度とならないように位相が定められ、
前記燃焼管は、前記燃焼炎が前記放電領域の中心を貫通するように設定され、
前記ガラス原料供給手段は、前記アークプラズマ発生手段によって発生するアークプラズマの高温領域の広がりの変化に同期して、当該高温領域が広がったときに前記ガラス原料が前記アークプラズマの発生領域に到達するように、予め定められたタイミングで間欠的に前記ガラス原料を前記燃焼炎中に供給する、
ことを特徴とするガラス製造装置。

【請求項2】

前記燃焼管は、酸素バーナーであることを特徴とする請求項１に記載のガラス製造装置。

【請求項3】

前記上側電極は、水平に対して前記アーク放電する先端が下向きに１５度以上かつ４５度以下の角度で設置され、前記下側電極は、水平に対して前記アーク放電する先端が上向きに０度以上かつ１０度以下の角度で設置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガラス製造装置。

【請求項4】

前記上側電極及び前記下側電極は、それぞれ前記アーク放電する先端が、それぞれ前記ガラス処理空間内における所定の直径の同心円上に位置するように放射状に配置され、前記上側電極のアーク放電する先端が位置する同心円の直径が、前記下側電極のアーク放電する先端が位置する同心円の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のガラス製造装置。

【請求項5】

前記上側電極及び前記下側電極はそれぞれ６本のアーク電極を有し、上面視で、それぞれ６０度の角度を空けて放射状に配置され、互いに隣接する前記上側電極と前記下側電極とは、上面視で３０度の角度を空けて配置され、
前記多相交流は１２相交流であり、上面視で３０度の角度を空けて配置された１２本の前記アーク電極において、一のアーク電極に印加される交流の位相と、上面視で前記一のアーク電極と２番目乃至４番目に隣接する何れか１つのアーク電極に印加される交流の位相との差が１８０度となるように前記１２相交流を前記アーク電極に印加する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のガラス製造装置。

【請求項6】

平面視における、前記アークプラズマの回転方向と、前記燃焼炎の回転方向と、前記旋回流の回転方向とは、同じ向きであることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のガラス製造装置。

【請求項7】

粉状のガラス原料をインフライトで加熱溶融してガラス化することでガラスを製造する請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のガラス製造装置を用いたガラス製造方法であって、
前記ガラス原料を前記燃焼炎中に供給する工程と、
前記燃焼炎によって前記ガラス原料を加熱する工程と、
前記アークプラズマによって前記燃焼炎により加熱された前記ガラス原料を加熱する工程と、
を含むことを特徴とするガラス製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インフライトでガラス原料を加熱溶融してガラス化するガラス製造装置及びガラス製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ガラス原料を溶融する技術として、化石燃料を燃焼させてガラス原料を加熱するのではなく、インフライト（In Flight；気中）技術を適用し高温熱源として熱プラズマを利用する技術が開発されている。具体的には、移送式プラズマ溶融によって石英ガラスを製造しようとするものである。逆の極性をもった一対の電極（アノードとカソード）が形成するプラズマアークの間に生ずる熱プラズマにより原料を加熱して溶融する方法である（例えば、特許文献１の請求項１、図１及び図５参照）。

【0003】

しかし、この方法は、電極が熱蒸発して、溶融した石英に電極を構成する物質が混入し、汚染が生じるという問題がある。
この問題を解決するために、高周波電場による誘導結合熱プラズマを利用することが提案されている（例えば、特許文献２の請求項１及び図１参照）が、熱効率および生産性の点で問題がある。また、高温熱源として高周波熱プラズマや多相交流アークプラズマを利用する技術も開発されている（特許文献３参照）。

【0004】

そして、インフライトでガラス原料をガラス化する技術においては、短時間にガラス原料に十分なエネルギーを供給する方法として、多相交流アークが形成するプラズマの高温が適していることが示されている（特許文献３、非特許文献１〜６参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００２−３５６３３７号公報

【特許文献2】特開２０００−１６９１６２号公報

【特許文献3】特開２００６−１９９５４９号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】山根正之ほか編「ガラス工学ハンドブック」朝倉書店(1999) 第３０３頁〜第３０８頁

【非特許文献2】Takayuki Watanabe, Kazuyuki Yatsuda, Yao Yaochun, Tetsuji Yano, and Tsugio Matsuura: Innovative In-Flight Glass Melting Technology Using Thermal Plasmas, Pure and Applied Chemistry, accepted.

【非特許文献3】Yao Yaochun, Kazuyuki Yatsuda, Takayuki Watanabe, and Tetsuji Yano:Effect of Injection Position on In-Flight Melting Behavior of Granular Alkali-Free Glass Raw Material in 12-Phase AC Arc Plasma, Plasma Science and Technology, 11 (6), p.699-703 (2009.12).

【非特許文献4】Yao Yaochun, Kazuyuki Yatsuda, Takayuki Watanabe, Tsugio Matsuura, and Tetsuji Yano:Characteristics of Multi-Phase Alternating Current Arc for Glass In-Flight Melting, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 29 (5), p.333-346 (2009.10).

【非特許文献5】Yaochun Yao, Kazuyuki Yatsuda, Takayuki Watanabe, Fuji Funabiki, and Tetsuji Yano:Investigation on In-Flight Melting Behavior of Granulated Alkali-Free Glass Raw Material in 12-Phase AC Arc, Chemical Engineering Journal, 144 (2), p.317-323 (2008.10).

【非特許文献6】Yaochun Yao, Takayuki Watanabe, Tetsuji Yano, Toru Iseda, Osamu Sakamoto, Masanori Iwamoto, and Satoru Inoue:An Innovative Energy-Saving In-Flight Glass Melting Technology and Its Application in Glass Production, Science and Technology of Advanced Materials, 9 (2), 025013 (2008.4-6).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、このような技術を用いてもガラス化状態が均一で、かつガラス化率の高いガラスが得られていないのが現状である。この原因として、インフライトでの酸素バーナーなどによる燃焼炎を用いたガラス化処理では、加熱温度が低く、ガラス化の状態は均一であっても、高いガラス化率を得ることができなかった。また、インフライトでのプラズマを用いたガラス化処理では、ガラス化状態が均一なガラスを得ることができなかった。

【0008】

更にまた、燃焼炎とアークプラズマとを用いたハイブリッド型のガラス化処理でも、製造されるガラス化状態の均一性とガラス化率の高さが十分ではなかった。これは、燃焼炎によって加熱されたガラス原料が、アークプラズマの持つ高い粘性によってアークプラズマの高温領域への進入を阻害しているためであると考えられている。すなわち、ガラス原料をアークプラズマ中へ投入するためには、ガラス原料にある程度の速度が必要であるが、投入速度が速いとアークプラズマが不安定となり、逆に投入速度を低くするとガラス原料がアークプラズマに弾き返されてしまうという問題があった。

【0009】

このように、従来技術では、燃焼炎とアークプラズマとを用いたハイブリッド型のガラス製造装置においては、アークプラズマ中におけるガラス原料への効率的な熱移動を実現するための技術が実現されていないのが現状である。

【0010】

そこで本発明は、ガラス化状態が均一でガラス化率の高いガラスを製造する、燃焼炎とアークプラズマとを用いたハイブリッド型のガラス製造装置及びガラス製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、前記課題を解決するために創案されたものであり、請求項１に記載のガラス製造装置は、粉状のガラス原料をインフライトで加熱溶融してガラス化することでガラスを製造するガラス製造装置であって、前記ガラス原料をガラス化処理する空間である断熱材で囲まれたガラス化処理空間を有する炉と、前記ガラス化処理空間の上面に設けられ、下方に向けて燃焼炎を発生する燃焼管と、複数の柱状のアーク電極に対して互いに位相の異なる多相交流を印加して前記ガラス化処理空間内にアークプラズマを発生するアークプラズマ発生手段と、前記アーク電極のアーク放電する先端にシールドガスを供給するシールドガス供給手段と、前記燃焼炎中に、前記アークプラズマの発生領域よりも上方から前記ガラス原料を供給するガラス原料供給手段と、少なくとも前記アークプラズマの発生領域よりも上方から前記アークプラズマの発生領域の下方にかけて、前記ガラス化処理空間の内壁に沿って回転しながら下降する旋回流を発生させる旋回流発生手段と、を備え、前記複数のアーク電極は、上下２段に設置され、それぞれ複数のアーク電極からなる上段に配置された上側電極と下段に配置された下側電極とからなり、前記上側電極は前記アーク放電する先端が下向きに設置され、前記下側電極は前記アーク放電する先端が水平乃至水平に対して上向きに設置され、前記アーク電極に印加される多相交流は、上面視において、前記アーク電極のアーク放電する先端に取り囲まれた領域である放電領域の中心を挟んで互いに対向する前記アーク電極に印加される交流の位相差が１８０度とならないように位相が定められ、前記燃焼管は、前記燃焼炎が前記放電領域の中心を貫通するように設定され、前記ガラス原料供給手段は、前記アークプラズマ発生手段によって発生するアークプラズマの高温領域の広がりの変化に同期して、当該高温領域が広がったときに前記ガラス原料が前記アークプラズマの発生領域に到達するように、予め定められたタイミングで前記ガラス原料を前記燃焼炎中に供給するように構成した。

【0012】

かかる構成によれば、ガラス製造装置は、ガラス処理空間内に、アークプラズマ発生手段の、アーク放電する先端が下向きに配置された上側電極によって、下向きに流れるプラズマジェットを発生し、アーク放電する先端が水平乃至水平に対して上向きに配置された下側電極によってプラズマジェットの流速を緩和する。ここで、ガラス製造装置は、多相交流が印加された複数のアーク電極よって回転磁界を生じ、この回転磁界から受けるローレンツ力によって、アークプラズマを中心方向に収縮させる誘導ピンチ効果を生じる。

【0013】

また、ガラス製造装置は、シールドガス供給手段によって、アーク電極の先端部にシールドガスを供給し、先端部をシールドガス雰囲気に置くことで先端部の酸化を防止すると共に、発生したアークプラズマの外側をシールドガスで囲むことで、アークプラズマの外側を冷却するため、アークプラズマを中心方向に収縮させる熱ピンチ効果を生じる。

【0014】

また、ガラス製造装置は、燃焼管によって、アークプラズマの中心部を貫通する燃焼炎を発生する。ここで、ガラス製造装置は、アークプラズマ発生手段によって、上面視で、アーク電極の先端に取り囲まれた領域である放電領域の中心を挟んで対向するアーク電極に印加する交流の位相差が１８０度、すなわち最大位相差とならないように多相交流を各アーク電極に印加する。このため、燃焼炎がこの放電領域の中心部を貫通するにも関わらず、中心部を通るアーク放電が低減されるため、アークプラズマは安定して形成される。

【0015】

また、ガラス製造装置は、旋回流発生手段によって、ガラス処理空間の内壁に沿って回転しながら下降する旋回流を発生することにより、アークプラズマが発生する領域とその外周であるガラス処理空間の内壁近傍との間に圧力差を生じ、その結果アークプラズマを中心に向かって収縮させる旋回流効果を生じる。

【0016】

また、ガラス製造装置は、ガラス原料供給手段によって、燃焼炎中に粉状のガラス原料を供給する。このとき、ガラス原料は燃焼炎によって均一に昇温されながらアークプラズマに進入する。そして、ガラス原料は、アークプラズマのプラズマジェットに乗って下降する。このようにして、ガラス製造装置は、燃焼炎によって均一に昇温したガラス原料を、アークプラズマ中で更に高温に加熱溶融してガラス化させる。

【0017】

ここで、アークプラズマは、誘導ピンチ効果と熱ピンチ効果と旋回流効果とによる収縮力を受けるとともに、燃焼炎により不安定となることがないため、プラズマジェットに乗って下降するガラス原料は、発散することなくアークプラズマによって加熱される。

【0018】

更に、ガラス製造装置は、ガラス原料供給手段によって、アークプラズマの高温領域の広がりの変化に同期して、高温領域が広がったときにガラス原料がアークプラズマに到達するように間欠的にガラス原料を供給する。
これらのことによって、ガラス製造装置は、燃焼炎によって均一に加熱昇温したガラス原料を、発散せず、安定し、流速が適度に緩和されたプラズマジェットを形成するアークプラズマによって、効果的にガラス原料を加熱溶融する。

【0019】

請求項２に記載のガラス製造装置は、請求項１に記載のガラス製造装置において、前記燃焼管は、酸素バーナーとした。

【0020】

かかる構成によれば、ガラス製造装置は、酸素バーナーによって、通常バーナーより高温の燃焼炎を発生し、ガラス原料をこの燃焼炎によって、より高温に昇温してアークプラズマに進入させ、アークプラズマによって加熱溶融してガラス化させる。

【0021】

請求項３に記載のガラス製造装置は、請求項１又は請求項２に記載のガラス製造装置において、前記上側電極は、水平に対して前記アーク放電する先端が下向きに１５度以上かつ４５度以下の角度で設置され、前記下側電極は、水平に対して前記アーク放電する先端が上向きに０度以上かつ１０度以下の角度で設置されるように構成した。

【0022】

かかる構成によれば、ガラス製造装置は、アークプラズマ発生手段によって、上側電極と下側電極とを用いて、流速が好適に緩和されたプラズマジェットを形成するアークプラズマによって、ガラス原料を加熱する。

【0023】

請求項４に記載のガラス製造装置は、請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のガラス製造装置において、前記上側電極及び前記下側電極は、それぞれ前記アーク放電する先端が、それぞれ前記ガラス処理空間内における所定の直径の同心円上に位置するように放射状に配置され、前記上側電極のアーク放電する先端が位置する同心円の直径が、前記下側電極のアーク放電する先端が位置する同心円の直径よりも小さいように構成した。

【0024】

かかる構成によれば、ガラス製造装置は、アークプラズマ発生手段によって、先端が位置する円の直径が小さくなるように配置された上側電極を用いて、燃焼炎で昇温されたガラス原料を急激に加熱すると共に、速い流速のプラズマジェットを生じることで、ガラス原料を発散させることがない。また、ガラス製造装置は、アークプラズマ発生装置によって、先端が位置する円の直径が相対的に大きくなるように配置された下側電極を用いて、上側電極によって生じたプラズマジェットの流速を緩和し、ガラス原料のアークプラズマ内における滞留時間を長くする。これによって、ガラス製造装置は、ガラス原料をアークプラズマによって長時間加熱する。

【0025】

請求項５に記載のガラス製造装置は、請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のガラス製造装置において、前記上側電極及び前記下側電極はそれぞれ６本のアーク電極を有し、上面視で、それぞれ６０度の角度を空けて放射状に配置され、互いに隣接する前記上側電極と前記下側電極とは、上面視で３０度の角度を空けて配置され、前記多相交流は１２相交流であり、上面視で３０度の角度を空けて配置された１２本の前記アーク電極において、一のアーク電極に印加される交流の位相と、上面視で前記一のアーク電極と２番目乃至４番目に隣接する何れか１つのアーク電極に印加される交流の位相との差が１８０度となるように前記１２相交流を前記アーク電極に印加するように構成した。

【0026】

かかる構成によれば、ガラス製造装置は、アークプラズマ発生手段によって、燃焼炎が貫通する放電領域の中心部を通るアーク放電を低減しながらアークプラズマを発生する。これによって、ガラス製造装置は、ガラス原料を、安定して形成されるアークプラズマによって加熱する。

【0027】

請求項６に記載のガラス製造装置は、請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のガラス製造装置において、平面視における、前記アークプラズマの回転方向と、前記燃焼炎の回転方向と、前記旋回流の回転方向とは、同じ向きであるように構成した。

【0028】

かかる構成によれば、ガラス製造装置は、各部の回転流の回転方向を揃えるため、気流を乱してアークプラズマを発散させることがない。これによって、ガラス製造装置は、プラズマジェットに乗って下降するガラス原料を、発散させずに加熱する。

【0029】

請求項７に記載のガラス製造方法は、粉状のガラス原料をインフライトで加熱溶融してガラス化することでガラスを製造する請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のガラス製造装置を用いたガラス製造方法であって、ガラス原料を燃焼炎中に供給する工程と、ガラス原料を燃焼炎によって加熱する工程と、燃焼炎によって加熱されたガラス原料をアークプラズマによって加熱する工程と、を含むこととした。

【0030】

かかる手順によれば、ガラス原料を供給する工程において、ガラス製造装置は、ガラス原料供給手段によって、ガラス原料を燃焼炎中に供給する。次に、ガラス原料を燃焼炎で加熱する工程において、ガラス製造装置は、燃焼管によって発生する燃焼炎によって、ガラス原料を均一に加熱昇温する。そして、ガラス原料をアークプラズマによって加熱する工程において、ガラス製造装置は、燃焼炎によって均一に加熱昇温されたガラス原料を、アークプラズマによって高温に加熱溶融してガラス化させる。

【0031】

このとき、アークプラズマは、各ピンチ効果によって発散せず、また、中心部を貫通する燃焼炎によって不安定になることなく、更に適度な流速のプラズマジェットが生じるように形成される。そして、ガラス製造装置は、ガラス原料供給手段によって、アークプラズマの高温領域の広がりの変化に同期して、この高温領域が広がったときにガラス原料がアークプラズマに到達するように、ガラス原料を燃焼炎中に供給して効率的にガラス化させる。

【発明の効果】

【0032】

請求項１に記載の発明によれば、燃焼炎によって均一に昇温されたガラス原料が、発散せず、安定し、流速が緩和され、高温領域が広がったアークプラズマによって効率的に加熱されるため、ガラス化状態が均一でガラス化率の高いガラスを製造することができる。
請求項２に記載の発明は、高温の燃焼炎を発生する酸素バーナーを用いるため、よりガラス化状態が均一で、ガラス化率の高いガラスを製造することができる。
請求項３に記載の発明によれば、流速が好適に緩和されたプラズマジェットによってガラス原料を加熱するため、更にガラス化状態が均一で、ガラス化率の高いガラスを製造することができる。
請求項４に記載の発明によれば、ガラス原料が、アークプラズマにより、急激に加熱されると共に、長い時間に渡り加熱されるため、ガラス化率の高いガラスを製造することができる。
請求項５に記載の発明によれば、燃焼炎が貫通するアークプラズマが発生領域の中心部通るアーク放電を低減するため、安定してアークプラズマを発生することができる。その結果、ガラス化状態が均一なガラスを製造することができる。
請求項６に記載の発明によれば、アークプラズマを発散させることがなく、従って、プラズマジェットに乗って下降するガラス原料を発散させずに高温に加熱することができるため、更にガラス化状態が均一で、高いガラス化率でガラスを製造することができる。
請求項７に記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６に記載の発明の効果を享受してガラスを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】本発明の実施形態に係るガラス製造装置の構成を示す正面からみた模式的部分断面図である。

【図2】本発明の実施形態に係るガラス製造装置におけるアーク電極の構成を示す模式的上面図である。

【図3】本発明の実施形態に係るガラス製造装置における旋回流発生のためのガス供給管の構成を示す模式的上面図である。

【図4】本発明の実施形態に係るガラス製造装置におけるアーク電極に印加する交流電圧の位相を説明する図である。

【図5】本発明の実施形態に係るガラス製造装置におけるアーク電極の電極配置の例を示す模式的上面図である。

【図6】本発明の実施形態に係るガラス製造装置の処理の流れを示すフローチャートである。

【図7】本発明の実施例に係るガラス製造装置の構造を示す正面からみた模式的部分断面図である。

【図8】本発明の実施例に係るガラス製造装置の運転状況の一例を示すタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0034】

本発明の実施形態について、適宜図面を参照して詳細に説明する。
［ガラス製造装置の構成］
まず、図１〜図３を参照して、本発明の実施形態に係るガラス製造装置の構成について説明する。
図１に示した本発明の実施形態に係るガラス製造装置１は、アークプラズマ２と燃焼炎３とにより、インフライト（気中）で粉状のガラス原料４を加熱溶融してガラス化することによりガラスを製造する装置である。

【0035】

ガラス製造装置１は、炉１０と、アークプラズマ発生手段２０と、燃焼管３０と、旋回流発生手段４０と、ガラス原料供給手段５０とを備えて構成される。

【0036】

炉１０は、円筒形状であり、断熱材１１と、冷却ジャケット１２と、回収ポット１３とを備えて構成されている。また、炉１０の側面下部には、ガラス化処理空間１１ａと連通する排気口１０ａが設けられている。排気口１０ａは、不図示の排気ガス処理装置に接続され、適切にガラス化処理により発生した排ガスの処理が行われる。

【0037】

断熱材１１は、炉１０の本体を構成するものであり、中央に内壁１１ｂで囲まれた、円柱状のガラス化処理空間１１ａが形成されている。なお、ガラス化処理空間１１ａは、ガラス原料４をインフライトでガラス化するための空間である。また、断熱材１１は、各所に貫通孔が設けられ、上側アーク電極２１と下側アーク電極２２と、燃焼管３０と、ガス供給管４２とが配設されている。炉１０の内部は、アークプラズマ２と燃焼炎３とによって高温に加熱されるため、断熱材１１としては、例えば、耐火煉瓦を用いることができる。

【0038】

冷却ジャケット１２は、断熱材１１の外周（側面及び上面）を覆い、熱を外部に放射しないための冷却装置である。本実施形態における冷却ジャケット１２は、下部に設けられた冷却水供給口１２ａから冷却水を供給することにより、ジャケット全体を冷却した後、上部に設けられた冷却水排出口１２ｂから冷却水を排出するように構成された金属製の水冷式の冷却装置である。

【0039】

また、冷却ジャケット１２の各所には、断熱材１１の各所に設けられた前記した貫通孔と連通する貫通孔が設けられ、上側アーク電極２１と下側アーク電極２２と、燃焼管３０と、ガス供給管４２とが配設されている。

【0040】

回収ポット１３は、炉１０の下部に設けられ、ガラス原料４がガラス化処理空間１１ａでガラス化されて、落下してくるガラス粒子を回収する容器である。高温のガラス粒子を回収するため、回収ポット１３としては、例えば、鉄製やステンレス製の容器を用いることができる。

【0041】

アークプラズマ発生手段２０は、上側アーク電極２１と、下側アーク電極２２と、多相交流電源２３と、シールドガス供給手段２４とから構成される。
アークプラズマ発生手段２０は、上側アーク電極２１及び下側アーク電極２２（以降、適宜にアーク電極２１，２２という）に多相交流電源２３から、それぞれ異なる位相の交流を印加して先端部２１ａ及び先端部２２ａ間にアーク放電させ、アーク電極２１，２２２の先端部２１ａ，２２ａの先端に取り囲まれた領域内にアークプラズマ２を発生させるものである。

【0042】

本実施形態におけるアークプラズマ発生手段２０は、柱状の６本の上側アーク電極２１と、同じく柱状の６本の下側アーク電極２２とを有し、図２に示すように、上面視で、それぞれ６０度の角度を空けて、ガラス化処理空間１１ａの中心の周りに、放射状に配置されている。また、上側アーク電極２１と下側アーク電極２２とは、上面視で、互いに３０度ずつ間を空けて配置されている。従って、合計で１２本のアーク電極２１，２２は、上面視で、３０度の角度を空けて等間隔に配置されている。そして、上側アーク電極２１の先端部２１ａ及び下側アーク電極２２の先端部２２ａの先端は、上面視で、それぞれガラス化処理空間１１ａの同心円上に位置するように配置されている。以下、この同心円を適宜に、それぞれ上側電極先端円２１ｂ、下側電極先端円２２ｂと呼ぶこととする。なお、図２に示した例では、上側アーク電極についての同心円である上側電極先端円２１ｂの直径は、下側アーク電極２２についての同心円である下側電極先端円２２ｂの直径より小さくなっている。
なお、上側電極先端円２１ｂの直径と、下側電極先端円２２ｂの直径とは同じに設定してもよい。

【0043】

また、図１に示したように、アーク電極２１，２２は、炉１０の側面に設けられた断熱材１１及び冷却ジャケット１２の貫通孔に配設されている。
ここで、上側アーク電極２１は斜め下向きに配置され、下側アーク電極２２は水平乃至水平に対してやや斜め上向きに配置されている。

【0044】

上側アーク電極２１の配置角度は、水平に対して下向きに１５度以上かつ４５度以下に設定することが好ましく、３０度程度とすることがより好ましい。これによって、下方に向かうプラズマジェットを発生することができる。

【0045】

また、下側アーク電極２２の配置角度は、水平乃至水平に対してやや上向きとすることが好ましい。具体的には、水平に対して上向きに０度以上かつ１０度以下とすることが好ましく、５度程度とすることがより好ましい。これによって、上側アーク電極２１によって発生するプラズマジェットの下方に向かう流速を緩和し、ガラス原料４のアークプラズマ２内での滞留時間を長くすることができる。このため、ガラス原料４をアークプラズマ２によって長時間加熱し、ガラス化状態のムラの少ない均一で、ガラス化率の高いガラス化処理を行うことができる。

【0046】

また、アーク電極２１，２２は、それぞれがモータ駆動（不図示）によって、軸方向に自在に移動可能に構成されており、上側アーク電極２１の先端部２１ａの先端が接する円である上側電極先端円２１ｂの直径及び下側アーク電極２２の先端部２２ａの先端が接する円である下側電極先端円２２ｂの直径を、それぞれ調整することができる。

【0047】

そこで、本実施形態では、上側電極先端円２１ｂの直径は、下側電極先端円２２ｂの直径よりも小さくなるように、アーク電極２１，２２が配置されている。これによって、上側電極先端円２１ｂの直径が小さく調整された上側アーク電極２１は、先端部２１ａが互いに近接しており、燃焼炎３によって加熱昇温されたガラス原料４を急激に加熱溶融することができると共に、速い流速のプラズマジェットにガラス原料４を乗せるため、ガラス原料４が発散することを抑制しつつ加熱することができる。

【0048】

また、下側電極先端円２２ｂの直径が相対的に大きく調整された下側アーク電極２２は、先端部２２ａが互いにやや離れており、上側アーク電極２１によって形成されたプラズマジェットの流速を緩和し、ガラス原料４の高温のアークプラズマ２内での滞留時間を長くすることができる。これによって、ガラス化率を向上することができる。

【0049】

なお、上側電極先端円２１ｂ及び下側電極先端円２２ｂの直径は、安定したアーク放電が可能な範囲で設定することができ、例えば、直径１００［ｍｍ］程度まで離すことができる。また、上側アーク電極２１の先端部２１ａの先端と下側アーク電極２２の先端部２２ａの先端との高さ方向の距離は、２０［ｍｍ］程度まで広げることができる。これによって、ガラス化処理のために、十分な体積を有するアークプラズマ２を形成することができる。

【0050】

また、前記したように、上側電極先端円２１ｂの直径を、下側電極先端円２２ｂの直径よりも小さくなるように、アーク電極２１，２２を配置する場合は、例えば、下側電極先端円２２ｂの直径を１００［ｍｍ］とした場合、上側電極先端円２１ｂの直径を７０〜９０［ｍｍ］程度とすることが好ましい。

【0051】

また、上側アーク電極２１の先端部２１ａ及び下側アーク電極２２の先端部２２ａは、何れも燃焼管３０の下方に設けられ、燃焼管３０によって発生され、下方に延伸する燃焼炎３が、放電領域である上側電極先端円２１ｂ及び下側電極先端円２２ｂの中を貫通するように配置されている。これによって、アークプラズマ２による加熱領域と燃焼炎３による加熱領域とが重なる領域が形成され、燃焼管３０の中心部から落下するガラス原料を効率的に高温に加熱することができる。

【0052】

なお、アーク電極２１，２２の先端部２１ａ，２２ａは、アーク放電により高温となるため、融点の高いタングステンやタングステンの合金並びにハフニウムなどを用いることが好ましい。

【0053】

また、アーク電極２１，２２は、多重管構造を有しており、内側の層を通してシールドガス供給手段２４によってシールドガスが供給され、先端部２１ａ，２２ａが当該シールドガスの雰囲気となるように構成されている。これによって、アーク放電に伴って高温になる先端部２１ａ，２２ａの酸化を防止すること、及び冷却することができる。

【0054】

更に、アーク電極２１，２２の多重管構造の外側の２層には冷却水を流すように構成されており、アーク電極２１，２２の過熱を防止するようになっている。

【0055】

多相交流電源２３は、アーク電極２１，２２に、電極ごとに所定の位相差を設けた多相交流を印加して、アーク電極間にアーク放電させるための電力を供給するものである。本実施形態では、多相交流電源２３は、多相交流として１２相交流を供給する。
なお、各アーク電極２１，２２に対して多相交流を印加するパターンについては後記する。

【0056】

多相交流の相数としては、１２相に限定されるものではないが、３相以上とすることが好ましい。これによって、体積の大きなプラズマアーク２を発生することができる。
また、相数を３の倍数とすることで、多相交流を商用の３相交流を用いて比較的容易に生成することができて好ましい。このような多相交流電源としては、例えば、商用の３相交流から、３０度ずつ位相をずらせた１２相交流に変換する公知の電源装置（特許第３０９４２１７号公報参照）を用いることができる。

【0057】

シールドガス供給手段２４は、管状のアーク電極２１，２２の管内を通して、先端部２１ａ，２２ａにシールドガスを供給するものである。シールドガスとしては、例えば、アルゴンガスなどの希ガスや、アルゴンガスに、例えば１０ｍｏｌ％程度の水素ガスを加えた混合ガスを用いることができる。
シールドガス供給手段２４は、適宜な流量でシールドガスを供給するために、圧力レギュレータを備えるようにすることが好ましい。

【0058】

ここで、シールドガスは、アーク電極２１，２２の先端部２１ａ，２２ａの酸化を防止することを目的として用いられるものであるが、シールドガスはアークプラズマ２の電気伝導度と熱伝導度とに大きな影響を与えるものである。すなわち、シールドガスの供給量を制御することにより、電気伝導度を調整してアークプラズマ２に流れる環状電流の大きさを制御することができ、また、熱伝導度を調整してアークプラズマ２からガラス原料４への熱移動量を制御することができる。

【0059】

更に、シールドガスによってアークプラズマ２の外側を冷却することにより、熱ピンチ効果が生じて、アークプラズマ２の発散を防ぐと共に、ガラス原料４をアークプラズマ２と共にガラス化処理空間１１ａの中央部に閉じ込めることができる。
なお、熱ピンチ効果とは、プラズマが冷却を受けたときに、熱エネルギーの損失が大きくなるのを防ぐため、表面積を小さくしようと収縮する効果をいうものである。

【0060】

燃焼管３０は、炉１０の上面の中央に設けられた断熱材１１及び冷却ジャケット１２の貫通孔に配設され、下方に延伸する燃焼炎３を発生させるとともに、粉状のガラス原料４を、キャリアガスを用いて燃焼炎３の中心部に投入するガラス原料供給管の機能を有するものである。

【0061】

本実施形態においては、燃焼管３０として酸素バーナーを用いている。この燃焼管３０は、６重管構造を有しており、燃焼管３０には、６重管構造の各層と連通するガラス原料供給口３０ａ、燃料ガス供給口３０ｂ、一次酸素供給口３０ｃ、二次酸素供給口３０ｄ、冷却水供給口３０ｅ及び冷却水排出口３０ｆが設けられている。この６重管は、内側から順に、ガラス原料投入、燃料ガス供給、一次酸素供給、二次酸素供給、冷却水供給及び冷却水排出のために用いられる。
なお、燃料ガスとしては、プロパンガス、水素ガスなどを用いることができる。

【0062】

ここで、燃焼炎３のガラス化に対する貢献について簡単に説明する。
燃焼炎３を用いたインフライトでのガラス化処理では、粉状のガラス原料４の粒子は、燃焼炎３の出口から燃焼炎３の中心までの位置において供給される。このとき、アークプラズマ２による加熱に比較すると、ガラス化に必要な温度に対しては必ずしも十分ではないものの、ガラス原料４の粒子が縦長の燃焼炎３内を落下する長い時間において加熱できるため、投入されるガラス原料４のすべての粒子を均一に昇温させることが可能である。

【0063】

なお、本実施形態のように、燃焼管３０として酸素バーナーを用いることにより、通常のバーナーよりも高温の燃焼炎３を発生することができる。このため、ガラス原料４を、通常バーナーより高温に昇温することができ、ガラス化率向上のために好ましい。

【0064】

アークプラズマ２と組み合わせたハイブリッド型の加熱システムでは、燃焼炎３によって均一に昇温されたガラス原料４が、高温のアークプラズマ２によって加熱溶融され、ムラなくガラス化されることとなる。

【0065】

ここで、燃焼管３０によって発生する燃焼炎３は、延伸方向を中心軸として回転しているが、この回転方向と、アークプラズマ２の回転方向と、旋回流発生手段４０で発生する旋回流の回転方向とを、一致させることが好ましい。
なお、燃焼炎３の回転方向は、燃焼管３０のノズルの形状等により定まる燃料ガス若しくは酸素ガス、又は燃料ガス及び酸素ガスの噴出方向に応じて定められる。

【0066】

旋回流発生手段４０は、炉１０の内壁である断熱材１１の内壁１１ｂに沿って回転しながら、ガラス化処理空間１１ａの上部から下方に向けて下降するらせん状の気流である旋回流を発生させるものである。旋回流発生手段４０は、ガス供給源４１と、ガス供給管４２とを備えて構成される。

【0067】

この旋回流によって、ガラス化処理空間１１ａの内壁１１ｂ側と中心部との間に圧力差を生じさせることができる。このとき、内壁１１ｂ側の圧力が高くなるため、この旋回流の内側に発生するアークプラズマ２を中心部に閉じ込めるように収縮させ、発散しないようにすることができる。この旋回流効果により収縮したアークプラズマ２によって、ガラス原料４を効率的に高温に加熱することができる。

【0068】

ガス供給源４１は、旋回流を発生させるためのガスを供給するものであり、このようなガスとしては、例えば、窒素ガスや空気を用いることができる。また、ガス供給源４１は、適宜な流量でガスを供給するために、圧力レギュレータを備えるようにすることが好ましい。

【0069】

ガス供給管４２は、炉１０の側面に設けられた断熱材１１と冷却ジャケット１２とを貫通する貫通孔に配設される。
本実施形態では、図３に示すように、４本のガス供給管４２のガス噴出口が、上面視で、円形のガラス化処理空間１１ａの内壁１１ｂの円周上に等間隔になるように配置されている。また、ガス供給管４２は、各ガス供給管４２の噴出口から内壁１１ｂの接線方向に噴出する気流が、ガラス化処理空間１１ａの内壁１１ｂに沿って、互いに同じ回転方向となるように配置されている。なお、この回転方向は、アークプラズマ２及び燃焼炎３の回転方向と同じにすることが好ましい。これによって、それぞれ互いに乱されることなく安定した回転流を形成することができ、アークプラズマ２及び燃焼炎３を発散させることがない。このため、アークプラズマ２の回転流であるプラズマジェットに乗って下降するガラス原料４は、発散することなく効率的に加熱される。

【0070】

また、ガス供給管４２は、図１に示すように、正面視で、水平から下向きに角度を有するように配置されている。この配置角度は、１５度以上かつ４５度以下とすることが好ましく、３０度程度とすることがより好ましい。これによって、ガス供給管４２から噴出するガスは、らせん状に旋回する下降気流を形成する。

【0071】

また、本実施形態では、ガス供給管４２の噴出口は、ガラス化処理空間１１ａの上部に設けられているが、少なくとも、アークプラズマ２が発生する領域の上端よりも上部に設けることが好ましい。また、少なくとも、アークプラズマ２が発生する領域の下端よりも下部まで旋回流が形成されることが好ましい。これによって、アークプラズマ２の発生領域を囲む旋回流を発生させることができる。

【0072】

なお、本実施形態では、ガス供給管４２は４本としたが、これに限定されず、例えば、１〜数本としてもよい。また噴出口の形状は円形に限定されず、多角形、楕円形、長方形などとしてもよい。

【0073】

ガラス原料供給手段５０は、粉状のガラス原料４を、キャリアガスを用いて燃焼管３０のガラス原料供給口３０ａに供給するものである。本実施形態におけるガラス原料供給手段５０は、図１に示すように、キャリアガス供給源５１と、ガラス原料供給器５２と、原料供給量制御手段５３とから構成される。

【0074】

キャリアガス供給源５１は、粉状のガラス原料４を搬送するためのキャリアガスをガラス原料供給器５２に供給するものであり、圧力ボンベやポンプを用いることができる。キャリアガスとしては、空気、窒素ガス、希ガスなどを用いることができる。なお、キャリアガス供給手段５１は、圧力レギュレータを備えて供給するキャリアガスの圧力を調整するように構成してもよい。

【0075】

ガラス原料供給器５２は、粉状のガラス原料４を蓄積し、蓄積されたガラス原料を、キャリアガス供給源５１から供給されるキャリアガスによって、粉体流として原料供給量制御手段５３を介して燃焼管３０のガラス原料供給口３０ａに供給するものである。

【0076】

原料供給量制御手段５３は、圧力レギュレータやバルブなどから構成され、ガラス原料供給器５２から流出するキャリアガス、すなわち粉体流の流出流量を制御することにより、ガラス原料供給口３０ａに投入されるガラス原料４の量を制御するものである。

【0077】

ここで、ガラス原料４を供給する際に、アークプラズマ２へのガラス原料４の進入速度が５［ｍ／秒］以上、１０［ｍ／秒］以下となるように、キャリアガス供給源５１及び原料供給制御手段５３によってキャリアガスの圧力及び流量を設定することが好ましい。
５［ｍ／秒］以上とすることで、高い粘性を有するアークプラズマ２の高温領域内への進入を容易にし、１０［ｍ／秒］以下とすることで、ガラス原料４の進入によりアークプラズマ２を不安定にすることを抑制することができる。

【0078】

なお、ガラス原料４としては、特に限定されるものではないが、例えば、珪砂、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、生石灰、酸化アルミニウム、硫酸ナトリウム、硼砂、長石などの微粉原料、およびガラスカレットなどを含む混合ガラス原料を粒子状に成形して用いられる。粒子状に成形して混合ガラス原料を調製する方法としては、スプレードライ法、ペレット加工などの方法を用いることができる。

【0079】

本実施形態におけるガラス原料４として用いる混合ガラス原料の粒径は、短時間で加熱でき発生ガスの放散が容易であるという点から、粒径が１ｍｍ以内のできる限り小径のものを使用することが好ましく、原料の微粉化によるコスト上昇と、粒子間の組成変動の低減の点から、粒径が０．１ｍｍ以上のものが好ましい。

【0080】

ここで、アークプラズマ２の温度分布の変化について説明する。
多相交流（本実施形態では１２相交流）を用いて発生するアークプラズマ２は、アーク放電が１２本のアーク電極２１，２２を移動していくことにより、アークプラズマ２の内部の温度分布、すなわち高温領域の広がりが時間変化する。アークプラズマ２の温度分布の変化の時定数は、ガラス原料４がアークプラズマ２の内部に滞留する時間と比較可能なオーダーにある。
例えば、５０Ｈｚの１２相交流電源を用いた場合は、温度分布の変化は２０［ｍｓ］程度である。また、ガラス原料４が、高さ数十［ｍｍ］程度のアークプラズマ２の内部に滞留する時間は数十［ｍｓ］である。

【0081】

従って、アークプラズマ２を通過するガラス原料４の粒子の中には、アークプラズマ２の高温に十分に曝される粒子と、アークプラズマ２の比較的低温の部分を通過してしまう粒子とが存在し、ガラス化状態の均一性やガラス化率に影響を及ぼすと考えられる。

【0082】

そこで、本実施形態では、原料供給量制御手段５３によって、アークプラズマ発生手段２０によって発生するアークプラズマ２の温度分布の変化と同期して、高温の領域が広いタイミングでガラス原料４がアークプラズマ２に到達するように、間欠的にキャリアガスの流量を制御する。

【0083】

原料供給量制御手段５３は、アークプラズマ２の温度分布の変化に同期して、不図示のバルブの開閉制御を行うことにより、流量を制御する。なお、アークプラズマ２の温度分布の変化の周期（周波数）は、アークプラズマ発生手段２０で用いる多相交流の相数と、交流の周波数と、多相交流の各相とアーク電極２１，２２との対応を定めた電極配置パターンと、によって定められるものである。例えば、アーク放電が、主として隣接するアーク電極間で生じる場合は高温領域が狭くなり、主として中心を挟んで対向するアーク電極間で生じる場合は高温領域が広くなる。従って、温度分布の変化は、前記した交流の周波数等の構成に応じて、周期的に生じるものである。

【0084】

従って、原料供給量制御手段５３は、多相交流電源２３から多相交流を、不図示の信号線を介して入力して同期信号として用いることができる。

【0085】

また、温度分布の変化の１周期内において、アークプラズマ２の温度分布で高温領域が最大となるタイミングで、ガラス原料４がアークプラズマ２に到達するようにする流量制御における位相条件は、予め実験的に求めておいて、タイミングを制御するようにする。

【0086】

なお、アークプラズマ２の温度分布は、例えば、アーク電極２１，２２が、各相が５０Ｈｚの１２相交流によって駆動した場合は、大きくは５０［Ｈｚ］で、細かくは５０［Ｈｚ］×１２＝６００［Ｈｚ］で、周期的に変化する。このため、本実施形態では、原料供給量制御手段５３は、この大きな変化の周波数である５０［Ｈｚ］の変化に同期するように、キャリアガスの流量を変化させる。

【0087】

また、原料供給量制御手段５３によるキャリアガスの流量制御は、温度変化の１周期内で、矩形パルス的に流量のオンとオフとを切り替えるようにしてもよいし、正弦波的に滑らかに流量を変化させるようにしてもよい。

【0088】

なお、本実施形態では、原料供給量制御手段５３は、ガラス原料供給器５２と燃焼管３０のガラス原料供給口３０ａとの間に配置したが、これに限定されるものではない。例えば、原料供給量制御手段５３を、キャリアガス供給源５１とガラス原料供給器５２との間に配置してもよいし、ガラス原料供給器５２の上流側と下流側とに圧力レギュレータやバルブなどの構成部材を分離して設けてもよい。

【0089】

［電極配置］
次に、図４及び図５（適宜図１及び図２参照）して、本実施形態に係るアークプラズマ発生手段２０において、アーク電極２１，２２に印加される多相交流の電極配置パターンについて説明する。

【0090】

図４は、１２本のアーク電極２１，２２のそれぞれに印加される交流電圧の位相差を示したものである。図４において、１周期分の交流電圧波形の１２箇所に示した数値は、アーク電極２１，２２に割当てた電極番号を示す。ここで、１２相の交流電圧は、３０度（１／１２周期）ずつ位相がずれており、電極番号１番から１２番まで、順に３０度ずつ位相が遅れるように設定されている。従って、１番の電極と７番の電極とに印加される交流電圧は位相が１８０度ずれており、１番の電極から見ると、７番の電極との間で電圧差が最大となる。すなわち、位相が１８０度ずれている電極間でアーク放電が最も強く起こることを意味するものである。

【0091】

図５は、１２本の各アーク電極２１，２２を上面視で示し、各アーク電極２１，２２に電極番号を割当てた様子、すなわち電極配置を示したものである。
図５に示した例では、印加される交流電圧の位相が１８０度ずれた（すなわち位相差が最大となる）電極同士（例えば、１番と７番、３番と９番、５番と１１番など）が、隣接する２本の電極（上側アーク電極２１か下側アーク電極２２かには関係なく、上面視での位置関係）を隔てて位置するように、すなわち互いに３番目に隣接するアーク電極２１，２２となるように配置したものである。

【0092】

また、放電の順序は、まず、ある電極が１番目に放電したとすると、次は対向する電極が２番目に放電し、そして１番目の電極の隣の電極が３番目に放電するというような電極配置（この電極配置を、電極配置Ｄということとする)となっている。
この電極配置Ｄは、燃焼炎３と多相交流アークが形成するアークプラズマ２と組み合わせても、安定したアーク放電を継続して維持することを可能とするものである。

【0093】

ここで、燃焼炎３と多相交流アーク放電によるアークプラズマ２とを用いたハイブリッド型の加熱システムにおいて、アーク電極２１，２２の電極配置と、アーク放電によって生成されるアークプラズマ２の安定性について説明する。
本実施形態のようなハイブリッド型の加熱システムにおいては、放電領域である上側電極先端円２１ｂ及び下側電極先端円２２ｂの中心に燃焼炎３が吹き付けられ、当該放電領域の中心を挟んで対向する電極間のアーク放電によって生成するアークプラズマ２は不安定となる。

【0094】

上側電極先端円２１ｂ及び下側電極先端円２２ｂの中心を挟んで対向する電極間で常に位相差が最大、すなわち最大電圧となるような電極配置で、放電の順序が各アーク電極２１，２２を時計回りまたは反時計回りで回転するような電極配置（この電極配置を、電極配置Ａということとする）とすると、アーク放電は常に上側電極先端円２１ｂ及び下側電極先端円２２ｂの中心に向けてアーク放電が走るような構成となり、アークプラズマ２は、常に対向する電極間の中心に存在することになる。

【0095】

電極配置Ａの場合は、燃焼炎３との組み合わせを考えると、常にアークプラズマ２が存在する対向する電極間の中心位置に燃焼炎３の火炎が吹き付けられることになる。燃焼炎３はアークプラズマ２と比較すればかなり低温であるが、この燃焼炎３のガスがアークプラズマ２に吹き付けられることによって、アーク放電が不安定になると考えられる。更に、ガラス化のプロセスでは、アークプラズマ２がそのような不安定な状態であることに加えて、ガラス原料４の粒子が、やはり低温のキャリアガスとともに送られてくるので、アークプラズマ２の不安定さは、更に増大することとなる。

【0096】

そこで、本実施形態は、安定したアーク放電を継続して維持するために、電極配置はアークプラズマ２の生成を、燃焼炎３が吹き付けられる、上側電極先端円２１ｂ及び下側電極先端円２２ｂの中心から外すようにしたものである。これによって、安定したアークプラズマ２を継続して維持することができる。

【0097】

このような電極配置は、前記した電極配置Ｄに限定されず、位相差が最大となる電極の配置を、各アーク電極２１，２２の先端が形成する円において、対向する位置以外となるようすることで実現できる。但し、位相差が最大となる電極の配置を、隣接する電極とする場合、アークプラズマ２が生成する高温領域が狭くなるため、適度な間隔とすることが好ましい。例えば、本実施形態のように１２相交流アークの場合は、隣接する１本〜３本のアーク電極２１，２２を隔てた電極（すなわち、２番目〜４番目に隣接する電極）に位相差が最大となる交流電圧が印加されるように電極配置することが好ましい。

【0098】

ここで、多相交流を用いて発生するアークプラズマ２の性質について説明する。
１２本のアーク電極２１，２２には、多相交流電源２３によって、それぞれ位相の異なる交流電圧が印加されており、アーク電極２１，２２に流れる電流によって、回転磁界が発生している。回転磁界の回転方向は、アーク電極２１，２２と、多相交流電源２３との結線方法である電極配置によって、変えることができる。電極配置を前記した電極配置Ｄとした場合は、この回転磁界の回転方向は、上面視で右回転である。

【0099】

また、アークプラズマ２は、導電性を有しているため、この回転磁界によって、アークプラズマ２内に環状の電流（渦電流）が生じる。この環状電流は、電圧が印加されているアーク電極２１，２２の先端部２１ａ，２２ａの先端に生じており、中心を挟んで対向するアーク電極２１，２２の先端部２１ａ，２２ａの先端では、その回転方向が逆になっている。また、これらの環状電流は回転磁界と共に回転し、アークプラズマ２は、上面視で右回転する大きな渦巻状の運動をする。このため、アークプラズマ２は、回転磁界からローレンツ力を受け、磁気ピンチ効果の一種である誘導ピンチ効果によって中心方向に収縮する。更に、この回転磁界は、ローレンツ力を受けるアークプラズマ２内の電子と荷電粒子に運動エネルギーを加え、ガラス原料４を、より高温に加熱することとなる。

【0100】

また、上側アーク電極２１が水平に対して下向きに角度を有して配置されているために、アークプラズマ２自身が下方へと押し出されるプラズマジェットとなっている。従って、アークプラズマ２は、上面視で右回転しながら下降するプラズマジェットを形成することとなる。

【0101】

そして、燃焼炎３によって加熱されたガラス原料４を上方からプラズマジェットとなっているアークプラズマ２の中心部に投入すると、ガラス原料４は、高温のアークプラズマ２によって加熱されながら、プラズマジェットの渦巻に沿って下方へ移動する。このとき、燃焼管３０の出口における燃焼炎３のガスの回転方向もアークプラズマ２の回転方向と一致していることが好ましい。

【0102】

これによって、アークプラズマ２及び燃焼炎３は、互いに回転を乱されないため、アークプラズマ２及び燃焼炎３は、共に発散せず安定した状態を維持することができる。そして、アークプラズマ２及び燃焼炎３によって、ガラス原料４は、効率的に加熱される。

【0103】

［ガラス製造装置の動作］
次に、図６を参照（適宜図１乃至図３参照）して、本発明の実施形態に係るガラス製造装置１の動作について説明する。

【0104】

図６に示したように、まず、ガラス製造装置１は、シールドガス供給手段２４によって、アーク電極２１，２２の先端部２１ａ，２２ａにシールドガスの供給を開始する（ステップＳ１０）。また、ガラス製造装置１は、旋回流発生手段４０によって、ガラス化処理空間１１ａの内壁１１ｂに沿って回転しながら下降する旋回流の発生を開始する（ステップＳ１１）。

【0105】

次に、ガラス製造装置１は、多相交流電源２３によって、アーク電極２１，２２に多相交流電圧を印加して、アーク放電を点弧し、多相交流アーク放電の運転を開始する（ステップＳ１２）。
なお、このとき同時に、各アーク電極２１，２２及び冷却ジャケット１２には、冷却水の供給が開始され、排気口１０ａに接続された排気ガス処理装置（不図示）の運転も開始される。

【0106】

ガラス製造装置１は、アーク放電を点弧した後、多相交流電源２３によって、アーク電極２１，２２に多相交流の電力を供給し、多相交流アーク放電によって発生するアークプラズマ２が安定するまでの期間、多相交流アーク放電のみの運転を継続する（ステップＳ１３）。なお、安定するまでの期間とは、例えば、１分〜２分程度である。

【0107】

次に、ガラス製造装置１は、燃焼管３０に、燃料ガス、一次酸素及び二次酸素を供給して点火し、燃焼炎３を発生させる（ステップＳ１４）。そして、燃焼炎３と、燃焼炎３の点火により乱れたアークプラズマ２とによるハイブリッド加熱の状態が安定するまでの期間、ハイブリッド運転を継続する（ステップＳ１５）。なお、ハイブリッド加熱の状態が安定するまでの期間とは、例えば、３０分〜１時間程度である。

【0108】

次に、ガラス製造装置１は、ハイブリッド運転を継続しながら、ガラス原料供給手段５０によって、アークプラズマ２の高温領域の変化に同期して、キャリアガス用いて粉状のガラス原料４を燃焼管３０のガラス原料供給口３０ａに搬送し、ガラス原料４をガラス化処理空間１１ａに投入する。投入されたガラス原料４は、燃焼炎３で均一に加熱昇温された後、更に高温のアークプラズマ２によって加熱溶融され、ガラス化される（ステップＳ１６）。
なお、ガラス化したガラス粒子は、回収ポット１３に落下し、回収される。

【0109】

所望のガラス原料４についてガラス化処理が終了すると、ガラス製造装置１は、多相交流電源２３からアーク電極２１，２２への多相交流の供給を停止してアーク放電を消弧するとともに、燃焼炎３を消火する（ステップＳ１７）。

【0110】

そして、ガラス製造装置１は、旋回流発生手段４０による旋回流の発生を停止し（ステップＳ１８）、シールドガス供給手段２４によるシールドガスの供給を停止する（ステップＳ１９）。
また、排気ガス処理装置（不図示）の運転も停止する。なお、各冷却系の動作は、ガラス製造装置１の温度が十分に低下してから停止することが好ましい。

【0111】

以上説明したように、本発明によるガラス製造装置及びガラス製造方法では、粒子状の小さい単位でガラス原料が溶融されることと、ガラス原料の粒子が燃焼炎により均一に昇温されて溶融し、更に多相交流アークが形成する高温のアークプラズマに曝すことで十分な熱伝達がなされるためにガラス化状態が均一で、かつ高いガラス化率でのガラス化が実現でき、未溶融原料の残存や組成の不均質化、反応生成ガスの残存などが抑制される。
その結果、ガラス原料のガラス化処理が秒のオーダーに短縮でき、設備の大幅な縮小、エネルギー消費量の大幅な低減を図ることができる。

【0112】

また、本発明によるガラス製造装置は、大幅な小型化が可能となるため、建設費の削減やガラス製造装置が寿命を迎えたときの廃棄物の発生低減が可能となる。
また、本発明によれば、均一な品質でガラスが製造されるため、ガラス製造における歩留まりの向上、ガラス製品品質の向上、更に、ガラス製造コストの低減が可能となる。
また、本発明は、ガラス製造装置の大幅な小型化が可能になるために、少量多品種のガラス生産において、組成変更に伴う無駄な原料とエネルギーの消費を大幅に低減することができる。

【実施例】

【0113】

次に、本発明の実施形態の実施例について説明する。
まず、図７を参照して、本実施例におけるガラス製造装置１の構造について説明する。
炉１０は円筒形をしており、内径は６００［ｍｍ］で、その外側は水冷式の冷却ジャケット１２で覆われている。また、炉１０の内面は厚さ２００［ｍｍ］の断熱材１１が巻き付けられており、炉１０の本体の内径、すなわち円柱状のガラス化処理空間１１ａの直径は２００［ｍｍ］である。炉１０の蓋（上部）も冷却ジャケット１２の一部とする構造となっており、この蓋の下部には中心部に直径１００［ｍｍ］の円筒状の燃焼管３０を差し込む空間を残して燃焼管３０の出口まで燃焼管３０を囲むように断熱材１１が設けられている。燃焼管３０の出口部分から下は直径２００［ｍｍ］の円柱状の空間（ガラス化処理空間１１ａ）が下部まで続き、ガラス化反応を進行させる炉１０の本体部分を構成している。

【0114】

燃焼管３０の出口部分から下に３００［ｍｍ］の位置に、１２相交流が印加されるアーク電極２１，２２の内の６本の上側アーク電極２１の先端が位置している。また、上側アーク電極２１の先端から、更に約２０［ｍｍ］下に、６本の下側アーク電極２２の先端が位置している。上側アーク電極２１は水平に対して約３０度下向きの角度で炉１０に差し込まれており、下側アーク電極２２はほぼ水平に炉１０に差し込まれている。また、それぞれ６本の上側アーク電極２１と下側アーク電極２２とは、図２に示したように、上面視で、それぞれ６０度の角度を空けて放射状に配置され、上側アーク電極２１と下側アーク電極２２とは、上面視で、３０度の角度を空けて放射状に配置されている。

【0115】

また、炉１０の本体部分の内壁、すなわち断熱材１１の内壁に沿って、回転しながら下降する旋回流を発生させるために、燃焼管３０の出口部分から下に１００［ｍｍ］の位置に噴出口が位置するように、４本のガス供給管４２が、水平に対して約２０度の角度で炉１０に差し込まれている。また、この４本のガス供給管４２は、図３に示したように、上面視で、９０度の角度を空けて等間隔に配置され、炉１０の内壁の接線方向にガスが噴出するように噴出口が設置されている。

【0116】

炉１０のガラス化処理空間１１ａは、下側アーク電極２２の先端から更に４００［ｍｍ］下部へ伸びており、その下には、ガラス化処理空間１１ａで生成さたガラス粒子を回収（捕集）するための回収ポット１３が設けられている。ガラス化処理空間１１ａで発生した排ガスは炉１０の本体部分の下端より１００［ｍｍ］上方の、炉１０の外壁に設けられたノズル（排気口１０ａ）から外部へ吸引される。

【0117】

燃焼炎は燃料ガスとしてプロパンガスを６［ＮＬ／分］で供給し、一次酸素を６［ＮＬ／分］、二次酸素を２４［ＮＬ／分］で供給して燃焼させて発生させた。
多相交流として、１２相交流を用いて１２相交流アークプラズマを発生させた。このとき、何れのアーク電極２１，２２も略１００［Ａ］の電流が流れるように設定し、互いに対向するアーク電極２１，２２の先端の間隔は１００［ｍｍ］とした。
なお、本明細書において、流量単位［ＮＬ／分］における体積［ＮＬ］は、基準状態（１気圧、０℃）における体積（リットル）を示すものとする。

【0118】

１２相交流電圧を印加するアーク電極２１，２２の電極配置は、前記した電極配置Ｄとした。また、各アーク電極２１，２２へは電極の酸化による消耗を抑制するために、シールドガスとしてアルゴンガスを、１本につき５［ＮＬ／分］、１２本の全アーク電極２１，２２について総計で６０［ＮＬ／分］を供給した。

【0119】

また、各ガス供給管４２へは、旋回流を発生させるために、窒素ガスを、１本につき２５［ＮＬ／分］、４本のガス供給管４２について総計で１００［ＮＬ／分］で供給した。

【0120】

ガラス原料としては、粒径０．１ｍｍ程度に成形された珪砂（ＳｉＯ₂）７２ｍｏｌ％、炭酸ナトリウム（ソーダ灰）１３．５ｍｏｌ％、炭酸カルシウム（石灰石）１１ｍｏｌ％、アルミナ１．５ｍｏｌ％、炭酸カリウム１．５ｍｏｌ％、および硫酸ナトリウム（芒硝）０．５ｍｏｌ％の割合から成るソーダ石灰ガラス原料を用いた。
原料供給量は３０〜８０［ｇ／分］とし、キャリアガスとして乾燥空気を２０［ＮＬ／分］で供給した。

【0121】

また、ガラス原料投入のためのキャリアガスの供給量を、１２相交流アークの高温領域の変化に同期するように、ベースの交流と同じ５０Ｈｚで変動させ、ガラス原料をガラス化処理空間１１ａへ間欠的に投入するように制御した。

【0122】

以上の条件で、１２相交流アークの点弧から燃焼炎の点火によるハイブリッド運転、そして、粉状のガラス原料の供給によるガラス化処理の経過を、各アーク電極２１，２２への電力の供給状態の監視・記録結果から求めた供給電力の経時変化の一例を図８に示す。この結果では、ハイブリッド運転時の１２相交流アークの出力は約５０［ｋＷ］である。この電力の経時変化は１２相交流アークのみの電力であるが、燃焼炎の出力は９［ｋＷ］であり、ハイブリッド運転時には合計で約６０［ｋＷ］の出力となる。

【0123】

このような条件による１２相交流アークと燃焼炎とを組み合わせたハイブリッド型のガラス化処理は、同じエネルギー供給条件でも加熱手段が１２相交流アークのみの場合に比較して高いガラス化率を得ることができる。

【0124】

また、燃焼炎と１２相交流アークの出力の割合は、前記した実施例の条件では燃焼炎：１２相交流アークが約１：５であるが、この比を変えて、相対的に１２相アークの出力を小さくしても高いガラス化率の維持が可能である。

【符号の説明】

【0125】

１ ガラス製造装置
２ アークプラズマ
３ 燃焼炎
４ ガラス原料
１０ 炉
１１ 断熱材
１１ａ ガラス化処理空間
１１ｂ 内壁
１２ 冷却ジャケット
１２ａ 冷却水供給口
１２ｂ 冷却水排出口
１３ 回収ポット
２０ アークプラズマ発生手段
２１ 上側アーク電極（アーク電極、上側電極）
２１ａ 先端部
２１ｂ 上側電極先端円
２２ 下側アーク電極（アーク電極、下側電極）
２２ａ 先端部
２２ｂ 下側電極先端円
２３ シールドガス供給手段
２４ 多相交流電源
３０ 燃焼管
３０ａ ガラス原料供給口
３０ｂ 燃料ガス供給口
３０ｃ 一次酸素供給口
３０ｄ 二次酸素供給口
３０ｅ 冷却水供給口
３０ｆ 冷却水排出口
４０ 旋回流発生手段
４１ ガス供給源
４２ ガス供給管
５０ ガラス原料供給手段
５１ キャリアガス供給部
５２ ガラス原料供給制御手段
５３ ガラス原料供給器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】