Journal of the Ceramic Society of Japan 110 [4] 299-303 (2002) Paper

2.0mm厚 風冷強化ガラスに関する実験

玉 井 弘 二 ・荒 谷 眞 一 ・小 島 英 則*・ 高 山 和 喜*

セン トラル硝子(株), 515-0001松 阪市大 口町1521-2

東北大学流体科学研究所9980-8577仙 台市青葉区片平2-1-1

Experimental Investigation for 2.0mm Tempered Glass Produced by

Air Quenching Method

Koji TAMAI, Shin'ichi ARATANI, Hidenori OJIMA* and Kazuyoshi TAKAYAMA*

Central Glass Co., Ltd,, 1521-2, Ohkuchi-cho,Matsusaka-shi 515-0001Institute for Fluid Science, Tohoku University, 2-1-1, Katahira, Aoba-ku, Sendai-shi 980-8577

A method for the production of 2.0mm thick tempered glass plates by using the impingement of air jets and its subsequent heat transfer was studied experimentally. Tempering degree of glass plate specimen was estimated by measuring the fragment density. It was found that 2.0mm thick tempered glass plates produced by lack-expansion flow had favorable tempering degree and also good surface condition for practical use. Heat transfer coefficient was approximately calculated by Reynolds number and nozzle stand-off distance in the condition of the lack-expansion flow instead of subsonic flow.

[Received October 19, 2001; Accepted February 15, 2002]

Key-words: 2.0mm thick tempered glass, Impingement of air jets, Fragment density, Heat transfer coefficient, Reynolds number, Nozzle stand-off distance, Lack-expansion flow

1.　 緒 言

熱 強化 ガ ラス は,徐 冷 され た板 ガ ラス の3～5倍 の強 度 を持

ち,破 壊時 に はその 断片 が角 のな い細 片状 とな るた め,建 築用

や 自動 車用 の安 全ガ ラス として用 い られて い る.一 般 に,熱 強

化 ガ ラス は軟化 点温度 付近 まで加熱 された後,ガ ラス表面 を急

冷 す る こ とに よ り作 られ る.急 冷用 の冷 却媒 体 として衝突 空気

噴 流 を用 い る場 合,作 製 され た熱 強化 ガ ラスは風 冷強 化 ガ ラス

とも呼ば れて い る.

熱強 化 ガ ラスの破壊 特 性,す な わち熱 強化 ガ ラス の き裂 伝 ぱ

現 象 と細片 化現 象 に関す る研 究 は数 多 く報告 されて い る1)～5).一 方

,省 資 源 ・省 エネル ギー の観 点か らガ ラス の薄板 化 が望 ま

れ,特 に,軽 量 化,燃 費 の 向上 を 目指 す 自動 車 に用 い られ る熱

強化 ガ ラス につい ては,過 去 に大半 を占 めた6mm厚 か ら薄板

化 が進 み,近 年 の 自動 車用 窓 ガ ラス で は2.5mm厚 に達 して い

る例 もあ る.し か し,熱 強化 ガ ラス を薄板化 す る技術 開発 は難

し く,板 厚 が4mm以 下 とな って か らは,数 年 な い し十年 で

0.3～0.5mの 薄板 化 が進 む程 度 であ る.実 験的 に その可 能性

が見 いだ さ れた6)2.5mm厚 熱 強 化 ガ ラ スの 場 合,そ の 技術 が

実用化 され るまで に約10年 の年 月 を要 して い る.

2.5mm厚 未 満 で は,過 去 に"Ten-Twenty"と 名 付 け られ

た2.3mm厚 の 液冷 強化 ガ ラ ス が製造 され たが,こ れ は破 壊時

に細 片化 を示 さな か った の で,所 定 の 強化 度 を満 足 で きる もの

で は な か っ た.ま た, 1.8mm～8.2mm厚 強 化 に 関 して は,

Akeyoshiら2)に よ る実 験報 告 例 があ る.し か し, 3.0mm厚 以

下 は固体接 触法 で のみ強 化 され ていて お り,固 体 接触 法 では光

学的 品質 を満足 させ るこ とは非常 に難 しいので,今 の ところ,

自動車 用窓 ガ ラス として 使用 す る こ とはで きな い.こ れ まで,

細片化 現象 を有 す る強化 度 と厳 しい光 学的 品質 が要 求 され る 自

動 車 用 強化 ガ ラス に対 し,い ず れの 強化 方 法 で も2.0mm厚 強

化 ガ ラス が実用 化 され た例 はな い.

熱 強化 ガ ラスの薄 板化 で は,冷 却 す る媒 体の 熱伝達 の解 明は

重要 な研究 課題 で あ り,冷 却 媒体 の熱伝 達 増加 に関 して は多 く

の報 告 が な され てい る2),7),8).冷却 媒体 として衝 突 空気 噴 流 を

用 い る風 冷強化 の場 合,冷 却 空気 の速 度 は主 に亜音 速 までで,

そ の冷却速 度 に は限界 があ った.ま た,こ れ まで の強化 ガ ラス

の冷却 理論 は亜 音速 の空 気流 が対 象 で,吐 出空 気 の流速 が超音

速 で複雑 な 波動 を伴 う不 足膨 張 噴流 の場 合9)に は対 象 とな って

い なか った.

超音 速流 れ で は,急 冷用 ノズ ルの形 状 に よ り,そ の吐 出噴流

の 形 状 及 び 壁 面 衝 突 の 状 態 が 大 き く異 な る との 報 告 が あ

る6),10),11).しか し,超 音速 の複 雑 な流 れ が平板 と衝 突 した と

きの熱 的 挙動 に ついて の研 究は未 成熟 で,特 に熱伝 達係数 をノ

ズ ル 出 口の 流速 とノズ ル径 で のみ 表示 す る こ とは容 易 で は な

い11).

平板 に超 音 速域 の空気 噴流 を衝 突 させ た場合 の熱伝 達 を考 察

し, 2.0mnm厚 ガ ラ スの風 冷 強化 を検 討 した.そ の結 果,不 足

膨 張 噴流 を利 用 した風冷 法 に よ り,自 動車 用窓 ガ ラス に使 用 可

能 な2.0mm厚 の熱強 化 ガ ラスを製 造 す るこ とがで きた.

2.　 実 験

2.1　 ノズル衝突 噴流 の熱 挙動 測定 実験

実 際 の熱強 化ガ ラ スの製造 を模 擬 す るため に,図1に 示 す よ

うに4本 の ノ ズル を 正 方配 置 して,中 心 部 の 熱 流束 を測 定 し

た.不 足 膨 張 噴流 を用 い て 冷却 す る場 合,噴 流 の挙 動 は 複 雑

で,ま た衝撃 波や膨 張波 な どの波 動 と干渉 す るの で,噴 流 の衝

突 であ らわ れ る平板 の 熱伝達 係数 は 時間 と場所 で複 雑 に変化 す

る.そ こで,平 均 的 な熱 伝達 係数 の 時間変 化 を測定 す るた めに

4本 の ノズル で噴 流 を発 生 させ て評 価 した.こ こで, dは ノズ

ル 間 隔 であ る.ノ ズル と熱流 束 セン サ ー まで の 距離 を15, 30,

60mm,貯 気槽 圧 を0.2, 0.3, 0.5MPa,正 方 配置 とした ノズ ル

間 隔を25, 30, 40, 80mmと それ ぞれ変 えて実験 を繰 り返 し

た.そ の ときの測 定条 件 を表1に 示 す.な お,各 条 件 にお け る

測定 は最 低 で も3回 は行 った.

ノ ズ ル は,衝 撃 波 の 顕 著 な 発 生 が確 認 で きた10),11)外径8

mm,内 径4mm,長 さ200mmの 形 状 の もの を,本 研 究 で は

一 貫 して 用 い た .銅 円板(φ200mm, t=10mm)を363Kま

299

300　 2.0mm厚 風冷強化ガラスに関する実験

で 加熱 し,中 央 に置 い た熱 流 束 セン サ ー(VATTELL社 製,

Heat Flux Micro-sensor HFM 7E/L)を 用 い て,冷 却 速 度 を測

定 した.こ の セ ン サ ー の受 感 部 直 径 は φ6.35mmで4本 の ノ

ズ ルの作 用面 積 に比 して小 さ く,熱 流 束 と温度 を高速(最 高 サ

ン プ リン グス ピー ド: 2μs)で 測定 で き る.ま た,噴 流 の衝 突

に よる熱 伝達 変化 を直 接測 定で きるので,他 の熱伝導 法 で用 い

られ る ことの多 い補正 は不 必要 とい う特徴 が あ る.更 に,ノ ズ

ル噴 流 固有 の熱 的挙 動 を明 らか にす るた め に, 1本 の ノズル噴

流 にお け る よどみ点近傍 の熱 流束 も測 定 した.

Table 1. Experimental Condition for Measurement of Heat Flux (4 Nozzles)

Fig. 1. Configuration for 4 nozzles.

2.2　 ガラ スの風 冷強 化

2.1節 の ノ ズル を実 際 の生 産設 備 に配置 して,風 冷 強 化 法 に

よる2.0mm厚 強 化 ガ ラスの 作製 実験 を行 った.供 試 フ ロー ト

ガ ラス4)は 寸 法300×300mmで あ る.用 い た ノズ ル の配 置 と

フ ロー トガ ラス板 の位置 関係 を 図2に 示す.上 下 の ノズル 群 か

らそ れぞ れ 約30mmの 位置 とな る ように,加 熱 した板 ガ ラ ス

を機 械的 に挿 入 した.ま た,ノ ズル群 は図示 の ように千 鳥状 に

配置 した.ノ ズル 間隔 を20, 28, 40, 45mmn,ノ ズル数 を441～

97本,貯 気槽 圧 を0.4MPa,冷 却 時間 を2.0sと した.そ の冷

却条 件 を表2に 示 す.

なお,強 化 ガ ラスの強 化度 は断 片密度 か ら推定 した.断 片密

度 の破 砕 試 験 はJIS-R3212に 準 じ,ガ ラス の 四隅 か ら対 角 線

上 に20mm内 側 に入 った ところ を破 砕始 点 とし,ガ ラス 中央

部 の50mm×50mm内 の破 片数 で評 価 した.

Fig. 2. Glass quenching device.

3.　 結果 と考察

3.1　 ノ ズル衝突 噴流 の熱 的挙 動

Table 2. Quenching Condition for Producing 2.0mm Thick Tempemed Glass

4本 ノズ ル を正 方 に配 置 した ときに おけ る中心 部 の熱流 束測

定 結果 を図3に 示 す.縦 軸 は熱 流束,横 軸 は ノズル 間 隔 で あ

る.ノ ズ ル の 熱 流 束 セ ン サ ー ま で の距 離 は そ れ ぞ れ(a)15

mm, (b)30mm, (c)60mmで あ り,貯 気 槽 圧 を0.2, 0.3, 0.5

MPaと した結 果 も比 較 した.図 中の記 号 は(平 均値)±(標 準

偏差)で 示 してあ る.な お,標 準偏 差(1σ)が 明記 され て い

な いデー タは,そ れぞ れの記 号 の中 に隠れ て しま う程 度 の小 さ

なば らつ きで あ った こ とを意 味 して い る.い ず れの貯 気槽 圧 で

も,熱 流束 は ノズ ル間 隔 が40mmの 場 合 に極 大値 を とる傾 向

に あ った.こ の こ とは,ノ ズル 間 隔 が40mmよ り も小 さ くな

る と熱 流束 が下 が る こ とを意 味 して いる.ま た,距 離 の増 大 と

玉井弘二 他　 Journal of the Ceramic Society of Japan 110 [4] 2002 301

ともにそれぞれの極値は減少する傾向も見られた.

Fig. 3. Relation of heat flux with nozzle stand-off distance.

Gardon12)は ノズル 配 列 と冷 却 能 に関 し,以 下 の 関係 式 を 実

験 的 に求 め てい る.

hav=0.286・Re0.625・λa/xn (1)

こ こで, havは 衝 突噴 流 と物体 間 の平 均熱 伝達 係 数, Reは レ イ

ノルズ数(u・xn/v),λaは 空 気 の熱 伝 導率, xnは ノズル 間隔,

uは 流速, vは 空 気 の動 粘 性 係数 であ る. (1)式 は,ノ ズル 間

隔 を縮 め る と冷却 能が 向上 す る こ とを意 味 してい る.し か し,

本 実験 では ノズル 間 隔 が40mmの 配 列 で 極 大値 を示 し,こ れ

以 下で は冷却 能 が低下 す る現 象 が認 め られた.す なわ ち,熱 流

束 とノズ ル間 距離 の 関係 が(1)式 を必 ず しも満 足 してい な い結

果 とな った.こ れは,ノ ズ ル 間 隔が40mmよ りも小 さ くな る

と,噴 流 衝突 で空 気 が よどみ,空 気 の排 出が妨 げ られ たた め と

考 え られ る.一 方,ノ ズル 間隔 が疎 に なる と流 量 が減少 して十

分 な冷却 効果 が損 な われ る こ とは 当然 の予 想 で,本 実験 で冷 却

効果 が極 大値 を示 す ノズル 配置 を得 た こ とは評 価 で き よう.た

だ し,ノ ズ ル 間隔 が40mmの 場 合 に得 られ た熱 流 束 の最 大 値

は今回 の ノズル条 件 に よる もの で あ り,最 大値 を示 す ノズ ル間

隔 は普 遍 的 では な い.ま た, (1)式 で の ノズ ル間 隔 は本 実験 で

の ノ ズ ル 間 隔 の な って い る の で,注 意 す る必 要 が あ

る.

Fig. 4. Heat flux vs distance from nozzle exit to sensor in copper

plate. Chamber pressure=0.4MPa

Fig. 5. Impact point and counting area for fragment density measurement.

単一 ノズ ル噴流 の よどみ点近 傍 の熱流束 測 定結 果を 図4に 示

す.縦 軸は 熱流束,横 軸 は ノズル 出 口か らセ ンサ ー までの距 離

であ る.ノ ズル 出 口位 置 が0mmで,よ どみ 点位 置は それ ぞれ

4, 8, 10, 20, 30, 40mm,貯 気槽 圧 は0.4MPaで あ る.図 か ら明

らかの ように,熱 流東 とノズル か らの距離 の 関係 は一定 とな ら

ず,不 足膨 張噴流 の複 雑 な挙動 を示 した.す なわ ち,本 実験 の

超 音速 の流 れで は,不 足膨 張噴 流 の圧 力や密 度 と同様,流 れの

圧 縮 域 と膨 張 域 の 影響13)を 受 け,距 離 と熱 流 束 の 関 係 は単 純

では ない こ とが確 認 で きた.

3.2　 ガラ スの 風冷 強化 実験

3.1節 と同様 の ノズ ル を用 い,貯 気槽 圧 を0.4MPaと して強

化 ガ ラス を作製 した.破 砕 試験 時 の始発 点及 び断 片密 度の 測定

場 所 を図5に 示 す.ま た,そ の破砕 パ ター ンの一 例 を図6に 示

302　 2.0mm厚 風冷強化ガラスに関する実験

す.図6(1)は ノズル 間隔 が20mm, (2)は ノズ ル 間隔 が28mm,

(3)は ノズ ル 間隔 が40mm, (4)は ノズ ル 間隔 が45mmで 作製

した結 果 で あ る.な お,図 中 のfdは 断 片 密度 の値 を示 して い

る,図6の 結果 は,こ れ ま で所 定 の強 化 度 を得 る こ とが 難 し

い とされ てい た2.0mm厚 の 強化 ガ ラ スで も十 分 な断片 密 度 が

得 られ た こ とを示 して い る.た とえば,図6(3)で 得 られた120

とい う数 値 は,自 動 車 用 安 全 ガ ラ スの 品質 規 格 のJIS-R3212

で定 め られ た強 化 ガ ラス として の最 小値 の40を 大 き く越 え て

お り,強 化ガ ラ スの強化 度 を満足 してい る.一 方,光 学的 品質

に つい て も問題 は認 め られ なか った.こ の こ とは,こ れ まで不

可能 とさ れて いた 強化 度 と光 学 的品 質 を両立 す る2.0mm厚 の

風 冷強 化 ガ ラスの作 製 が可能 とな った こ とを示 して い る.

Fig. 6. Crack patterns of 2.0mm thick tempered glass.

また,風 冷 強 化 実験 で もノズ ル 間隔 が40mmの ときに最 も

大 きな 断片 密 度 の値 を示 した.こ の結 果 は3.1節 で 述べ た4本

ノズル の熱 流東 測定 の結 果 と一致 してお り,本 実験 での冷 却条

件 は安 定 して いた と考 え るこ とが で きる.

3.3　 風 冷強化 時 にお ける熱 伝達係 数

風冷 強 化 時 に おけ る熱伝 達 係 数 は3.1節 で測 定 した熱 流束 か

ら直接 求 め る方 法 の ほか, (1)式 か ら導 く方 法 もあ る.一 例 と

して, 120の 断片 密度 が得 られ た条件 を考 え る.こ の ときの作

製 条 件 は ノズル 先 端 とガ ラ ス間 の距 離 は約30mm,ノ ズル 間

隔 は40mmで あ った.

上述 条 件 で の熱 流 東 の値 は,図4か ら約13×104W・m-2で

あ る こ とが わ か る.な お,測 定用 セ ン サー の 代 表 温 度 は366

K,空 気 の温 度 は293Kで あ った の で,局 所 熱 伝 達 係 数 は 約

1780W・m-2・K-1と 計 算 され る.

次 に, (1)式 の妥 当性 に つ い て検 討 す る. (1)式 で は レイ ノ

ルズ 数 を求め るた めの流 速 の算 出が必要 とな る.一 般 的 に,流

速uは 一 様流 れ では,

(2)

とな る.一 方,音 速 近傍 に おけ る不足膨 張噴 流 の場合,

(3)

とな る14).こ こで,γ は比 熱比,ρ0は 噴流 の密 度 であ り,そ れ

ぞれ, 1.4, 1.18kg/m3で あ る15).ま た, pbは 大 気圧, p0は 貯

気 槽圧 で あ る.

熱流 束 か ら直接 求 めた 場 合 と同様, 120の 断片 密度 が得 られ

た条 件 の ノズ ル 間隔40mmを 考 え る.空 気 の流 れを一 様 流 れ

と考 えた場 合,そ の流速 は871m・s-1で あ る,一 方,音 速近 傍

にお け る不 足膨 張噴 流 と考 えた場 合 の流速 は628m・s-1と な っ

た.こ の 値 は, Kojimaら16)の 貯 気槽 圧0.25MPaで の 不 足 膨

張 噴流 の 流 速 が311～436m・s-1で あ った こ とか ら類 推 す る と

妥 当 な値 であ る.

これ らの 結果 を(1)式 に代 入 す る と, 4本 ノズ ルで の平 均 熱

伝 達 係 数 は一 様 流 れ と考 えた 場 合 が約1890W・m-2・K-1,音

速 近 傍 に おけ る不 足 膨 張噴 流 と考 えた 場 合 が約1540W・m-2・

K-1と な った.ノ ズル か らの噴 流 が 直接 衝 突 した場 所 での 局

所 熱 伝 達 係 数 が約1780W・m-2・K-1で あ り, 4本 ノズ ル に よ

る平 均熱 伝達 係数 は局 所熱 伝達 係数 よ りも低 い値 を示 す と推 察

され る こ とか ら,不 足 膨張 噴流 と考 え た場 合 の妥 当性 は高 い.

この こ とは,空 気 流 れを不 足膨 張噴流 と考 える こ とに よ り,レ

イノル ズ数 とノズル 間隔 か ら概 略 の熱 伝達 係数 の推 定 が可能 と

な る こ とを示 してい る.

3.4　 風冷強 化時 にお け る急冷 時間

風 冷 強化 ガ ラス作製 時 におけ る冷却 は,数 ～十数 秒 かけて 行

わ れ るが,強 化 度 に大 き く寄 与 す るのは ガ ラス温度 が強 化初 期

温度 か ら歪点 近傍 ま で下が る極 めて短 い時 間 であ る.し た が っ

て,こ の急冷 時間 の算 出は 強化 ガ ラスの製 造設 備 を設 計 す る上

で,極 めて 重要 で あ る.今 回の 実験 で は これ を約2sと 設 定 し

た が,更 に詳 細 に検討 す る.

風 冷強化 時 のガ ラ スは,無 限平 板 にお け る両面 急 冷状 態で そ

の温 度 変 化 は1次 元 熱伝 導 と見 な せ る ので,次 式 で表 す こ と

が で きる.

方 程 式 (4)

初 期 条 件:ηi=0, T=1

境界条件:

(5)

ここ で, Tは 無 次元 温 度((θ-θf)/(θi-θf)),ζ は無 次 元距 離

(x/l),η はフ ー リエ数(κts/l2),β は ビオー数(hl/λg)で あ る.

また,θ は ガ ラス温度,θiは 急 冷 前の ガ ラス温 度,θfは 冷却 空

気の 温 度, xは 板 厚 内 の中 心 か らの距 離, lは 板 厚 の1/2,κ は

ガ ラスの熱 拡散 率, tsは 時間, hは 熱 伝達 係数,λgは ガ ラス の

熱伝導 率 であ る. (4)式 の解 は

(6)

との 形 で 表 す こ とが で き る17).な お, (6)式 中 の δnは δtanδ

玉井弘二 他 •@ Journal of the Ceramic Society of ,Japan 110 [4] 2002 303

=β のn目 の正 根 であ る.

Fig. 7. Non-dimensional temperature vs. non-dimensional time.

(6)式 は,ビ オー 数 を定 めれ ば,ガ ラス 内 の各 位 置 に お け る

無 次 元温 度 丁 と無 次 元時 間 鞭の関 係 が 求 ま る こ とを示 して い

る.ガ ラ ス表 面 と中心部 に おけ る無 次 元温 度 丁 と無 次 元 時間

ηの関 係 に つい て計 算 した結 果 を図7に 示 す.こ こで, 3.3節

で得 られ た不 足膨 張 噴 流 で の平 均 熱伝 達 係 数 の1540W・m-2・

K-1,ガ ラ ス板 厚 の1/2で あ る0.001m,ガ ラ スの熱 伝 導 率18)

の1.2W・m-1・K-1か らビオー数 は1.3と して計 算 した.

強 化初 期 温 度 を943K,除 歪 限 界 を歪 点 近 傍 の773K,空 気

温度 を293Kと して計 算 す る. 943Kで 急 冷 開始 された ガ ラス

の 中央 部(T(0,η))が773Kと な る無 次 元 冷却 時 間 理は0.50

で あ る か ら,ガ ラ ス の熱 拡 散 率(673K)19)を4.7×10-7mn2・

s-1と す れ ば, 1.1sが 得 られ る.す な わ ち, 1.1sの 空 気 噴 流

の衝 突 でガ ラス は歪 点 以下 にな る こ とを意 味 して い る.こ の値

は これ まで の実験 か ら妥 当な よ うにみ えるが,そ の信頼 性 と強

化 メ カニズ ム に関 す る検討 は今後 の研 究課 題 であ る.

4.　 結 論

ノズル 噴流 の冷 却 速度 を測定 し, 2.0mm厚 ガ ラスの 熱強 化

実 験 を行 い,以 下 の知 見 を得 た.

(1)　 不足 膨張 衝 突噴 流 を利 用 す る こ とに よ り,こ れま で不

可 能 とされ てい た強 化 度 と光学 的 品質 を両立 す る2.0mm厚 の

風冷強化ガラスを作製できた.

(2)　流れを不足膨張噴流とみなすことにより,レ イノルズ

数とノズル間隔から概略の熱伝達係数を推定することができ

た.

文 献

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