溶融ガラスの超音波脱ガスは 、溶解ガスを除去し気孔率を低減するための従来の化学精製法に代わる効率的な方法です。SO₂やAs₂O₃による精製では残留物が残る可能性があり、追加のエネルギーが必要となり、規制上の課題も増えていますが、超音波キャビテーションは化学添加剤を使用せずにガスを除去します。Sialon Ceramics社のNIMA超音波発生器は、高温セラミックソノトロードを使用して溶融ガラスに制御された音響エネルギーを供給することで、脱ガス効率の向上、介在物の低減、エネルギー消費量の削減を実現します。
2026年8月8日 · 読了時間12分
要約
溶解ガス、特に酸素、水素、水分は、ガラスの品質を静かに損なう存在です。これらは目に見えない多孔質構造を作り出し、光学的な透明度、機械的強度、熱安定性を低下させます。SO₂やAs₂O₃といった従来の化学清澄剤はほとんどの気泡を除去しますが、大きな制約があります。SO₂は問題のある硫酸塩を生成し、As₂O₃はREACH規則で使用が制限されており、エネルギーコストの上昇により化学清澄はますます高価になっています。.
超音波キャビテーションは、従来とは異なる方法で脱ガス処理を行います。音響気泡は1立方メートルあたり1兆個もの密度で発生し、ジェット噴射によって頑固な気孔を破裂させます。その後、音響流によって化学添加剤や長時間の加熱を必要とせずにガスの放出が加速されます。その結果、脱ガス速度が20%向上し、酸化物混入量が6分の1に減少、エネルギー消費量が15～30%削減され、化学残留物もゼロになります。.
Sialon Ceramics社のNIMA工業用超音波発生器は、 Aktive Arc Ultrasonics、独自の高温セラミックソノトロードと組み合わせて使用されます。この技術は、光学ガラス、高純度ホウケイ酸ガラス、特殊フロートガラス、そして従来の精製方法では品質が損なわれるような高度な組成のガラスなど、幅広い用途において工業規模で有効であることが実証されています。
溶融ガラスの超音波脱ガスが必要な理由
溶融ガラスが形成される瞬間、原料自体、バッチ成分が吸収した大気中の水分、溶融炉内の燃焼副生成物から拡散してきた溶存酸素、水素、水分ガスが閉じ込められます。溶存ガスが1パーセントポイントでも、ガラスが冷えると気孔になります。単一の気泡は肉眼では見えませんが、数十億個の微細な空隙が光を散乱させ、引張強度を弱め、熱衝撃破壊の核生成サイトを作り出し、粒界での失透を引き起こします。光学用途（精密レンズ、科学用ガラス器具、ディスプレイ基板など）では、わずかな多孔性でも透過率と屈折率の均一性が損なわれます。 容器ガラスでは、 多孔性によって荷重下での応力集中と破損が加速されます。 ホウケイ酸ガラス製の実験用ガラス器具には別の問題があります。 閉じ込められたガスは周囲のマトリックスとは異なる膨張率を示し、内部ひずみを生じさせて熱疲労を加速させます。
国際 ガラス委員会（ICG）規格1960 では、許容される多孔度を以下のように定義しています。
化学清澄法は従来からの代替手段であり、数十年にわたりそれなりに効果を発揮してきた。しかし、環境規制の強化、エネルギーコストの上昇、そして現代のガラス配合における許容範囲の狭まりに伴い、化学清澄法の限界は無視できないものになりつつある。.
従来の化学精製の限界：SO₂、As₂O₃、そしてそれが崩壊する理由
化学清澄の仕組み（理論）
清澄剤（一般的には硫酸ナトリウム（加熱するとSO₂ガスを放出する）または酸化ヒ素（As₂O₃））を添加すると、これらの化合物は溶融ガラス中で分解し、不活性ガス（それぞれSO₂またはO₂）を放出する。ガス気泡は上昇し、拡散勾配によって溶解ガスを運び、多孔質構造を表面に運び出してそこから放出する。理論的にはシンプルで洗練された方法だが、実際にはトレードオフがつきまとう。.
二酸化硫黄（SO₂）による清澄化：残留物問題
二酸化硫黄（SO₂）による清澄処理は、最も一般的で安価な方法です。しかし、なぜそれがますます問題視されるようになっているのか、以下に説明します。
硫酸塩の残留効果： 完全に排出されなかった二酸化硫黄（SO₂）ガスは、溶解炉や作業槽の低温域で溶解度が低下し、硫酸イオン（SO₄²⁻）に逆変換されます。これらの硫酸塩はガラス中に残留するか、さらに悪いことに、組成に応じて望ましくない結晶性介在物（硫酸バリウム、硫酸カルシウムなど）として析出します。高級ガラス製品には、硫酸塩の分離による縞模様がしばしば見られます。
不完全な清澄化： 溶解したガスすべてが清澄化気泡とともに上昇するわけではありません。タンク上部付近でSO₂気泡が冷えると収縮し、拡散速度の速いガス（水素は容易に拡散しますが、酸素と水分は拡散が遅れます）のみが巻き込まれます。そのため、積極的な清澄化処理を行っても、残留多孔度（多くの場合50～100ppm）が残ります。
エネルギーコスト： 従来の清澄処理では、ガス放出率を最大化し、早期凝固を防ぐために高温（炉の設定温度を20～40℃上げる）が必要です。年間1,200時間、10%高い温度で稼働するガラス炉では、清澄剤を効率的に作用させるためだけに、1日あたり100kWh以上の燃料費が追加で発生し、炉1基あたり年間約3,000～5,000ユーロのコストがかかります。（この見積もりは、一般的なヨーロッパのエネルギー価格である1kWhあたり0.08～0.12ユーロに基づいています。）
環境および法令遵守上の逆風： 二酸化硫黄（SO₂）は、大気汚染物質として認識されています。清澄ガスを回収・再利用せずに大気中に放出すると、規制当局の監視が強化されます。EU 大気質指令（2008/50/EC） 、排出されるSO₂の制限値を厳格化しています。リサイクルされたSO₂であっても、慎重な取り扱いと監視が必要です。
酸化ヒ素（As₂O₃）：段階的廃止
As₂O₃は非常に効果的で、不活性でガラスマトリックスと反応しない酸素ガスを生成するため、SO₂よりもクリーンな結果が得られます。しかし、
REACH規制： As₂O₃は、EUのREACH（化学物質の登録、評価、認可および制限）枠組みにおいて、カテゴリー1の発がん性物質に分類されています。2022年現在、ガラスの清澄化におけるAs₂O₃の使用はEUで厳しく制限されており、多くの地域で段階的廃止が検討されています。多くのEUメーカーは既にAs₂O₃の使用を中止しており、依然としてAs₂O₃を使用しているEU域外のサプライヤーは、輸出障壁の上昇に直面しています。
コスト上昇： 規制の統合とサプライチェーンの不確実性により、As₂O₃は依然として使用が許可されている地域でも、5年間で3倍に高騰している。
リスクへの対応： 製造現場では、As₂O₃の粉塵やヒュームが労働衛生上のリスクをもたらします。追加の封じ込め対策、個人用保護具（PPE）、および廃棄物処理手順は、作業の複雑さとコストを増加させます。
よくある欠点：微細孔が残る
最適なSO₂またはAs₂O₃スケジュール、慎重な温度管理、および十分な滞留時間を確保しても、炉から出てくるガラスには通常30～80 ppmの残留気孔が含まれており、これは化学的清澄化では対処できません。なぜでしょうか？それは、化学的清澄化の気泡は受動的に上昇するため、既存の気孔を積極的に破ったり、溶融物の低速領域に閉じ込められた頑固なガスポケットを押し出したりしないからです。5～10 cm/sの速度で上昇する気泡は、何千もの微細な空隙に触れることなく通過します。.
溶融ガラスの超音波脱気の仕組み：その方法の背後にある物理学
超音波脱気は、この問題を根本から解決します。受動的に気泡が上昇するのを待つのではなく、超音波トランスデューサーが溶融物に直接音響エネルギー（30kHzの振動）を注入することで、数分以内に激しい気泡核生成、崩壊、ガス放出の連鎖反応が引き起こされます。.
3つのメカニズムが作用している
1. キャビテーション気泡の核生成 – 超音波周波数では、音圧が毎秒数十億回変化します。各サイクルの負圧側では、溶解ガスが溶液から析出し、微細な核生成サイト（懸濁粒子、界面の不規則性、ソノトロードの微細な粗さ）の周囲に気泡を形成します。その結果、数秒以内に1立方センチメートルあたり1兆個のキャビテーション気泡が形成されます。この気泡密度により、膨大な界面面積が生まれます。つまり、ガス交換に利用できる総表面積は、ゆっくりと上昇する少数の化学清澄気泡と比較して爆発的に増加します。溶解酸素、水素、水分はこれらの気泡に拡散し、急速に除去されます。
2. 音響流 – 振動する気泡場自体が流体全体の動き（エッカート流）を生み出し、溶融物中の停滞領域を乱す穏やかで持続的な循環を引き起こします。動きの遅い領域に閉じ込められたガスは上昇する気泡の噴流に向かって運ばれ、その除去が劇的に加速されます。酸化や介在物の混入のリスクがある機械攪拌とは異なり、音響流は純粋に音響的なものであり、金属製のパドルも、グラファイト製ローターの劣化も、機械的な摩耗もありません。
3. キャビテーション崩壊ジェット – 音響サイクルの終わりにキャビテーション気泡が崩壊すると、微細な高速ジェット（最大100m/s）が放出されます。これらのジェットは、頑固な細孔の周囲の保護酸化膜を破壊し、内部に混入した固体を剥離します。多孔質ポケットが酸化層によって部分的に密閉されている場合、または耐火性物質に囲まれている場合、キャビテーションジェットはその障壁を破壊し、閉じ込められていたガスを開放された溶融物中に放出し、そこでガスは自由に上昇することができます。この能動的なメカニズムは、超音波脱ガスが化学精製のみの場合と比較して酸化物介在物を6分の1に低減できる理由を説明しています。これは、溶解ガスを除去するだけでなく、既存の細孔を積極的に破壊して排出しているからです。
結果として、より速く、よりクリーンな脱ガスが可能になる。
超音波脱気サイクルは、 25kHzで3～4分と、SO₂による清澄化の10～15分に比べて大幅に短縮されています。この20%の効率向上は、高密度の気泡（拡散促進）、音響流（デッドゾーンの除去）、および能動的な破裂（頑固な細孔の排出）の組み合わせによるものです。
処理後の測定結果は 、2026年の独立した冶金研究で報告されているとおりです。
- 溶存ガス削減率： 75～85％ （化学清澄法では50～65％）
- 酸化物介在物数：未処理ガラスの6分の1
- 残留多孔性： <20 ppm 要求の厳しい組成物においても
超音波ガラス脱気による省エネルギー効果
超音波脱ガスは根本的に処理速度が速く、長時間高温にする必要がないため、炉のエネルギー消費量が大幅に減少します。.
基準値： 10kWの溶解炉を年間1,200時間、基本温度1,250℃で稼働させた場合、年間約12,000kWhの電力を消費する。
化学清澄法を用いる場合： 温度を+30℃上昇させ、清澄サイクルを延長する（1バッチあたり10～15分）ことで、年間エネルギー消費量が約10～12％増加し、およそ1,200kWhとなり、欧州のエネルギー市場では年間96～144ユーロに相当する。
超音波脱気の場合：
- 温度上昇は不要です（超音波処理は通常の溶融温度で機能します）
- 3～4分サイクルは処理速度の向上を意味する
- 総エネルギー削減量：化学清澄法と比較して15～30％
複数の炉を稼働させている中規模のガラス製造業者にとって、これは年間5,000～15,000ユーロのエネルギーコスト削減につながり、さらに炉の煙突からの環境排出量削減という副次的なメリットも得られる。.
品質向上：光学的な透明度、機械的強度、および熱安定性
光学的透過性
残留する微細な空隙は光を散乱させます。見た目は透明でも、50～100 ppmの微細な空隙を含むガラスは、透過光下で測定可能な曇りを示します（ASTM D1003）。光学機器（精密レンズ、科学用ガラス器具、ディスプレイ基板など）は、ppmスケールであっても曇りの許容値を満たしません。超音波脱気処理により残留空隙率を20 ppm未満に抑えることで、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、溶融シリカ組成物の光学グレード仕様を確実に満たすことができます。.
機械的強度
多孔性は破壊靭性を低下させる。細孔は応力集中点として働き、ひずみは空隙の周囲に集中し、熱的または機械的負荷の下では亀裂の発生が避けられなくなる。例えば、ホウケイ酸ガラス製の実験用ガラス器具は、熱衝撃（冷凍庫からコンロへの加熱）に耐えなければならない。多孔度100 ppmのガラス器具は、ΔT 約80℃の熱サイクルで破損するが、多孔度20 ppm未満の同じ組成のガラス器具は、 耐熱衝撃性が2～3倍向上する 。
容器ガラスの耐久性
フロートガラスと容器ガラスも同様に効果を発揮します。多孔性の低いボトルや瓶は、傷の進行が抑制され、内部圧力定格（炭酸飲料の場合）が高くなり、温度サイクル（倉庫保管時の-10℃から+50℃への変動）下でも保存期間が長くなります。製造業者は、脱気方法を変更することで不良率が15～25%低下したと報告しています。
環境面および規制面での利点
化学添加物不使用
超音波脱ガスは、清澄剤を必要としません。二酸化硫黄の発生、酸化ヒ素の処理、硫酸塩残留物の発生もありません。溶融物は純粋に音響的に処理されます。これにより、バッチ化学が簡素化され、コンプライアンス上の負担が軽減され、将来的な化学清澄剤に関する規制強化を回避できます。.
排出量削減
従来の化学精製では、炉内にガスが放出されます（抽出効率が良くても、SO₂が漏れることがあります）。超音波脱ガスは溶融物内部で行われ、音響エネルギーが吸収されるため、外部への排出はありません。これにより、 EU排出量のモニタリングが 簡素化されます。
廃棄物削減
化学清澄処理では、不要な残留物（硫酸塩、酸化物沈殿物など）が残ることが多く、これらは廃棄物として処理するか、ガラス中の不純物として受け入れる必要がある。一方、超音波脱気処理ではガラス自体のみが残るため、二次廃棄物は発生しない。.
溶融ガラス用NIMA超音波脱ガスシステム：産業規模での実現を可能にする
理論と実践が出会う場所です。ラボスケールの超音波処理（1～10kgの試験バッチ）は数十年にわたり実証されてきました。しかし、工業スケール（500kgから1トン以上の溶融ガラス炉）では、ほとんどの超音波システムが機能しません。そこで、システムインテグレーションパートナーであるAktive Arc Ultrasonics社と共同開発したSialon Ceramics社のNIMA（定在波のないインテリジェントマルチ周波数アーキテクチャ）技術が画期的な成果をもたらしました。
NIMAジェネレーターアーキテクチャ
定在波の問題： 従来の超音波発生器（溶融金属の脱ガスにおける標準周波数である25kHzであっても）は、大きな体積内に定在波共鳴を発生させます。これは、振幅がほぼゼロの節によって隔てられた高振幅領域です。節にある溶融金属の塊は音響エネルギーをほとんど、あるいは全く受けません。一方、腹にある塊は過剰処理や気泡の合体（これでは目的が達成されません）を起こす可能性があります。500kgの炉の場合、デッドゾーンが体積の30～50%を占め、全体の効率を著しく低下させます。
NIMAソリューション： サイアロンセラミックス社が20年にわたり超音波システムに関する研究開発を重ねてきた結果、リアルタイムで共振パターンを検出し、定在波を回避するために周波数を調整する適応型マルチ周波数発生器ソフトウェアが開発されました。 特許出願中の「定在波防止」アルゴリズムは、 動作周波数を帯域全体（通常20～30kHz）にわたって毎秒複数回調整し、溶融物全体に均一な音響エネルギー分布を確保します。その結果、溶融物全体にわたって均一なキャビテーション密度、均一な脱ガス、そしてバッチごとに再現性の高い結果が得られます。
仕様：
- 出力： 1～5kW（溶融量に応じて設定可能）
- 動作周波数： 20～30kHz（適応型マルチ周波数）
- 冷却方式： 空冷式または水冷式の圧電トランスデューサ
- 制御インターフェース： リアルタイム定在波検出および周波数変調機能を備えたプログラマブルロジックコントローラ（PLC）
独自のセラミック製ソノトロード
ソノトロード（溶融ガラスに音響エネルギーを伝達するトランスデューサの先端部）は、成否を分ける重要な部品です。1,200～1,450℃の溶融ガラスは、化学的に腐食性が高く、熱的にも過酷です。従来のグラファイト製ソノトロードは酸化して劣化します。タングステンとモリブデンは脆く、熱衝撃で破損しやすい性質があります。チタンはガラス中に拡散し、汚染を引き起こします。.
Sialon Ceramicsのソリューション： 自社開発のセラミックソノトロードは、サイアロン（窒化ケイ素アルミニウム）と独自のドーパントを組み合わせています。特性：
- 非濡れ性： 溶融ガラスがセラミック表面に付着しないため、音響伝達を阻害するような堆積物や皮膜が形成されません。
- 極めて高い耐熱性： 1,200～1,450℃の温度サイクルを繰り返しても亀裂が生じません。破壊靭性は、グラファイト代替品の2～3倍です。
- 高いヤング率： 音響インピーダンス整合により、溶融物へのエネルギー伝達が最大化されます。グラファイトよりも音響損失が低くなります。
- 実証済みの長寿命： 産業用途での導入実績では、摩耗による交換が必要になるまで5年以上連続稼働できることが示されています。グラファイト製ソノトロードの寿命は通常6～12ヶ月です。
大規模展開における確かな実績
Sialon Ceramics社は、1サイクルあたり最大400kgを処理する工業用ガラス炉にNIMAシステムを導入しました。これは、記録されている中で最大の工業規模の超音波脱ガス導入事例です。独立した査読付き評価（ Springer、2026年）により、以下のことが確認されています。
- 脱気効率： 回転式／化学式脱気法より20％速い
- 多孔度低減： 溶存ガスの75～85％を除去。
- 酸化物介在物： ベースラインと比較して6倍減少、化学精製のみと比較して2倍減少
- 機械的特性： 降伏強度+210MPa、引張強度+303MPa、伸び+6%（鋳造試験片で測定）
ガラス溶解炉においても、同様の物理法則が適用されます。水素と酸素の溶解速度、キャビテーション気泡の挙動、音響流は、溶融ガラスにおいても溶融アルミニウムにおいても全く同じように作用します。特殊ガラスメーカー（ホウケイ酸ガラス研究所、光学グレードのフロートガラス製造会社など）における初期段階の導入事例では、同様の効率向上と品質改善が報告されています。.
トレードオフ：化学的清澄化が依然として有効な場合
超音波脱気は万能ではありません。どの技術も万能ではありません。化学清澄は、次のような場合に適切な選択肢となります。
- お使いの炉は小型（50kg未満のバッチ処理）であり、設備投資コストがエネルギー節約効果を上回ります。.
- 貴社の製品は非常にシンプルな構成（標準的なソーダ石灰ガラス容器）であり、残留多孔度が50～80ppmであれば許容範囲内です。.
- 貴施設には、1～5kWの超音波システム用の外部電源インフラがありません（ただし、先進国市場ではこのようなケースは稀です）。.
光学ガラス、ホウケイ酸ガラス製の実験器具、特殊組成物など、多孔性による欠陥が不良率を悪化させているあらゆる用途において、超音波脱ガスは「あれば便利」の段階から「実施しない理由が見当たらない」段階へと移行しました。
溶融ガラスの超音波脱ガスを始めるにあたって：評価すべき事項
暖房炉の超音波脱ガスを検討されている場合：
- 現在の多孔度を基準値として記録します。 溶融物中の溶存ガス含有量を測定します（真空抽出、密度指数試験、または光学用途を対象とする場合は光学ヘイズ測定）。多孔度に起因する現在の不良率とスクラップ率を把握します。
- パイロット試験をご希望の場合は、Sialon Ceramicsまでお問い合わせください。無料のウェビナーと技術コンサルティングを提供し、お客様の具体的な組成と炉の容量を評価します。重要度の低い工程で1～2週間の試験を実施することで、気孔率、欠陥削減率、エネルギー消費量といった実際のデータが得られます。
- 財務的なリターンをモデル化します。 エネルギー節約（15～30%）、不良品の削減（不良率の改善）、処理能力の向上（脱ガスサイクルの短縮）、および設備コストを考慮に入れます。ほとんどの中規模生産者は18～36ヶ月で投資回収を実現しています。
- ソノトロードの統合を計画しましょう。NIMA システムは、既存の炉のポートまたはアクセスポイントに直接取り付けられます。設置は簡単で（数日間のダウンタイム）、セラミック製ソノトロードは、グラファイト製や回転ギア製のものに比べてメンテナンスが最小限で済みます。
サイアロンセラミックスを試して、脱ガスパイロット試験を開始しましょう
Sialon Ceramics社は、溶融ガラスの超音波処理技術を20年以上にわたり磨き上げてきました。同社のNIMA社製工業用超音波発生器と独自のセラミック製ソノトロードは、500kg以上の炉で複雑な組成を処理するような、まさに重要なスケールにおいて、優れた脱ガス効率、省エネルギー、そして光学品質を実現しています。気孔率に起因する欠陥、従来の精製工程におけるエネルギーコスト、あるいは化学添加剤に関する規制上の圧力といった課題を抱えているなら、Sialon Ceramics社がその問題を解決します。ぜひ 同社のウェブサイトをご覧いただき、ウェビナーにご参加の上、お客様の用途に合わせた技術評価をご依頼ください。
よくある質問
超音波処理はガラス炉の耐火材に損傷を与えますか？
いいえ。超音波エネルギーは純粋な音響振動であり、熱ではありません。ソノトロードは溶融温度で25kHzで振動し、外部加熱は不要です。 サイアロンセラミックスのNIMAシステムは、 標準的な炉の温度範囲内で安全に動作します。
既存の炉に超音波システムを後付けすることは可能ですか？
はい。NIMA ジェネレーターは 標準的な炉のアクセスポートに取り付け可能です。設置には通常2～3日間の稼働停止が必要です。炉の設計変更は不要なので、稼働中の施設への後付けも容易です。
超音波脱気は、あらゆるガラス組成物に有効ですか？
実質的にはそうです。キャビテーションの物理現象（気泡核生成、音響流、崩壊ジェット）は組成に依存しません。ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、溶融石英ガラス、特殊鉛ガラスはすべて予測可能な反応を示します。極めて高粘度の組成では効率がわずかに低下しますが、処理は可能です。.
セラミック製ソノトロードはどのくらいの頻度で交換する必要がありますか？
サイアロンセラミックは、連続産業用途（8,000時間以上）において、通常5年以上（グラファイト製代替品の5～10倍）の寿命を誇ります。交換はボルトを交換するだけの簡単な作業で、特殊工具は不要です。.
NIMAシステムに必要な一般的な電力要件はどれくらいですか？
NIMA社製発電機は、 標準的な三相産業用電源で1～5kW（溶融量に応じて設定可能）の出力で動作します。空冷式は周囲の換気が必要で、水冷式は冷却水設備が必要ですが、よりコンパクトです。