JP2006056743A

JP2006056743A - ガラス母材の加熱方法

Info

Publication number: JP2006056743A
Application number: JP2004239992A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Kubo; 祐介久保; Yuji Takahashi; 祐司高橋; Yoshio Yokoyama; 佳生横山; Yoshiteru Nakaura; 美輝中浦
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】酸素用ポートを複数有するマルチノズル型バーナを用いて、良好な水素の燃焼効率を実現して加熱時間の短縮を図るとともに、酸素及び水素の使用量を少なくすることのできるガラス母材の加熱方法を提供する。
【解決手段】本発明のガラス母材の加熱方法は、酸素用ポート３ａを複数有するマルチノズル型バーナ１を使用してガラス母材Ｇを加熱して火炎研磨する際に、酸素用ポート３ａの出口断面積の合計に対する水素用ポート２ａの出口断面積の合計の比が、２〜２４の範囲内である。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素用ポートを複数有するマルチノズル型バーナを使用してガラス母材を加熱する方法に関する。

ガラス母材を加熱して加工する方法として、火炎研磨と呼ばれる工程がある。この火炎研磨は、ガラス母材の表面を酸水素バーナの火炎で炙ることにより、ガラス母材の表面層を気化させて、表面の傷や歪みを除去したり表面に付着した異物を除去したりして、高品質のガラス母材を得る工程である。また、この他にガラス母材を加熱して加工する方法として、ガラス母材を酸水素バーナで加熱して軟化させて延伸する工程、ガラス母材を酸水素バーナで加熱して軟化させて切断する工程、切断した箇所を再成形する工程、円筒状のガラス母材の内側にガラス層を形成する内付け工程、等がある。

このようなガラス母材の加熱工程の際に用いられる酸水素バーナは、例えば、図９に示すように、二重管構造のものが挙げられる。このバーナ５０は、円筒管形状のバーナ本体５１の内側に細径の管５２が設けられている。この管５２は、酸素供給管５４に接続されており、供給された酸素を管５２の内側の空間である酸素用ポート５２ａの出口から吹き出す構造となっている。また、バーナ本体５１と管５２との間は水素用ポート５１ａとなっており、バーナ本体５１の後端側に接続された水素供給管５３から供給された水素をこの水素用ポート５１ａの出口から吹き出す。そして、水素用ポート５１ａから吹き出された水素が酸素用ポート５２ａから吹き出された酸素と酸化反応して燃焼することにより酸水素火炎を生じる。

このような二重管構造のバーナを用いて火炎研磨を行う場合には、酸素及び水素の流量を上げても十分な火力が得られにくい。そのため、従来は多数のバーナを用いてそれぞれの酸水素火炎をガラス母材の被加熱部分に集中させ、加熱を行っている。

また、この他に、酸素用ポートを複数有するマルチノズル型バーナを用いてガラスを加熱加工することが知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。

特開２００１−３９７２７号公報特開平４−２９２４３２号公報特開平１−２８２３９号公報特開平７−２３２９２９号公報

ところで、二重管構造のバーナを用いて火炎研磨等の加熱を行う場合には、上述したように十分な火力が得られにくく加熱時間が長くなりやすい。また、多数のバーナを用いた場合には酸素及び水素の使用量が膨大となってしまい、コスト面で好ましくない。また、酸素用ポートを複数有するマルチノズル型バーナを用いても、水素の燃焼効率を十分に得ることが困難であった。

本発明は、酸素用ポートを複数有するマルチノズル型バーナを用いて、良好な水素の燃焼効率を実現して加熱時間の短縮を図るとともに、酸素及び水素の使用量を少なくすることのできるガラス母材の加熱方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成することのできる本発明のガラス母材の加熱方法は、酸素用ポートを複数有するマルチノズル型バーナを使用してガラス母材を加熱する方法であって、前記酸素用ポートの出口断面積の合計に対する水素用ポートの出口断面積の合計の比が、２〜２４の範囲内であることを特徴としている。
このうち、前記比は、４〜８の範囲内であることが好ましい。

また、前記酸素用ポートの各ポートの出口内径が、それぞれ直径０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲内であることが好ましい。

また、前記バーナの出口平面内における前記酸素用ポートの配列が、横／縦本数比で１．５を超えて１５未満の範囲内であることが好ましい。

また、前記酸素用ポートの各ポートの酸素流量を、それぞれ０．１ＳＬＭ〜１０ＳＬＭの範囲内とすることが好ましい。

また、前記バーナの出口と前記ガラス母材の外周面との距離を、５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲内とすることが好ましい。

また、複数の前記バーナを用いて前記ガラス母材を加熱し、その際、前記ガラス母材の外周面に対して最も出口の近いバーナと最も出口の遠いバーナとの前記ガラス母材の外周面に対する距離の差を５ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、複数の前記バーナを用いて前記ガラス母材を加熱し、その際、複数の前記バーナの出口の位置を、前記ガラス母材の軸直交断面内において前記ガラス母材の軸を頂点とする複数の前記バーナの出口がなす角度を１０°〜１７０°の範囲内となるように配置することが好ましい。

本発明のガラス母材の加熱方法によれば、水素を効率良く燃焼させて高い温度の酸水素火炎を発生させ、短い時間で良好な加熱加工を行うことができる。また、酸素及び水素の使用量を少なく抑えることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るガラス母材の加熱方法に用いるマルチノズル型バーナの概略構成斜視図である。また、図２は、図１に示したマルチノズル型バーナの出口を示す上面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。

図１から図３に示すマルチノズル型バーナ１は、全体が石英ガラスで形成されており、角筒状のバーナ本体２の内側に酸素用ポート３ａを形成する複数の円筒管３が設けられている。また、バーナ本体２の内側には軸方向に直交する平面を有する隔板６が設けられており、円筒管３は、この隔板６に取り付けられている。円筒管３の内側の空間である酸素用ポート３ａは、隔板６を介してバーナ本体２の後端側の内部空間７と連通しており、内部空間７はバーナ本体２の後端に設けられた酸素供給管４と連通している。このような構成により、酸素供給管４からバーナ本体２内に供給された酸素は、内側空間７を経て酸素用ポート３ａの出口から吹き出される。

また、バーナ本体２と円筒管３との間は水素用ポート２ａとして形成されており、この水素用ポート２ａにはバーナ本体２の側面に接続された水素供給管５から水素が供給される。供給された水素は水素用ポート２ａの出口から吹き出す。また、酸素用ポート３ａと水素用ポート２ａとは、上記の隔板６によってバーナ本体２の軸方向に区分されている。
水素用ポート２ａから吹き出された水素は、酸素用ポート３ａから吹き出された酸素と酸化反応して燃焼する。これにより、酸水素火炎が発生する。

また、このバーナ１は、水素の燃焼効率を良くするために、酸素用ポート３ａの出口断面積の合計に対する水素用ポート２ａの出口断面積の合計の比が、２〜２４の範囲内となるように設定されている。このうち、水素の燃焼効率を良くするためにより好ましい比の範囲は、４〜８である。

また、バーナ１は、このような断面積比となるように、円筒管３の径、本数及び配置が適宜設定されている。
円筒管３の出口内径はそれぞれ直径０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では１．０ｍｍである。円筒管３の出口内径が５．０ｍｍを超えると、酸素用ポート３ａから吹き出す酸素が水素用ポート２ａから吹き出す水素と混ざりにくくなり、水素の燃焼効率が低くなってしまう。

また、円筒管３の配列は、バーナ本体２で各円筒管３が略均一に配置されるように、横／縦の本数比で１．５を超えて１５未満の範囲内に設定されている。本実施形態では、円筒管３は合計１７本設けられており、その配列は、横方向に５本ないし６本並べられた行が縦方向に３行並んだ形態である。

次に、図１から図３に示したマルチノズル型バーナ１を用いてガラス母材を加熱する装置について一例を説明する。
図４に、ガラス母材の火炎研磨を行うことのできる加熱装置１０を示す。図４に示す加熱装置１０は、両端付近に支持部１１が立設された基台１２を有している。支持部１１は、それぞれ回動可能なチャック１３を有しており、これらチャック１３は、ガラス母材Ｇの端部をそれぞれ把持し、ガラス母材Ｇを水平に支持する。なお、ガラス母材Ｇは、純シリカ、もしくは屈折率調整用添加物を添加したシリカで形成されたものを用いると良い。

チャック１３によって支持されるガラス母材Ｇの下方には、ガラス母材を加熱するためのバーナ１が設けられている。このバーナ１には、図１から図３を参照して説明した上記のマルチノズル型バーナ１を用いることができる。
バーナ１は、支持レール１７に装着された移動台１８上に支持され、移動台１８は、ラック・ピニオン機構により支持レール１７の長手方向に沿って移動することができる。支持レール１７と、ガラス母材Ｇとは、それぞれの長手方向が平行になるように配設されている。また、バーナ１の出口とガラス母材Ｇの外周面との距離を、５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲内となるように設定しておく。このような距離であると、バーナ１から発生した酸水素火炎のうち特に温度の高い箇所を適切にガラス母材Ｇに当てることができる。この距離が５０ｍｍ未満であると、酸素と水素の反応距離が短くなりすぎて酸水素火炎の温度が上がりにくい。また、この距離が３００ｍｍを超えると、酸水素火炎がガラス母材Ｇまで届かずガラス母材Ｇの温度が上がりにくい。

図４に示した加熱装置１０を用いてガラス母材Ｇの火炎研磨を行うには、まず、チャック１３によってガラス母材Ｇをその軸回りに回転させ、バーナ１を点火する。その際、各酸素用ポート３ａ（図１〜図３参照）に供給する酸素の流量を、それぞれ０．１ＳＬＭ〜１０ＳＬＭ（ＳＬＭ：Standard Litter per Minute）の範囲内とする。この酸素流量の範囲内では、水素の燃焼効率が良好であり、酸水素火炎の火力が強くなる。

そして、点火したバーナ１を支持レール１７に沿って移動させ、ガラス母材Ｇの表面を酸水素火炎で炙っていく。これにより、ガラス母材Ｇの表面層が長手方向に順次気化されていき、表面の傷や歪みを除去したり表面に付着した異物を除去したりできる。

また、この他にガラス母材を加熱して加工する方法として、ガラス母材を酸水素バーナで加熱して軟化させて延伸する工程、ガラス母材を酸水素バーナで加熱して軟化させて切断する工程、切断した箇所を再成形する工程、円筒状のガラス母材の内側にガラス層を形成する内付け工程、等がある。そして、これらの加工を行う際に、熱源として上記のマルチノズル型バーナ１を用いる。これによって、水素を効率良く燃焼させて高い温度の酸水素火炎を発生させることができ、従来の酸水素バーナを用いる場合より短い時間で良好な加熱加工を行うことができる。

また、上記のバーナ１を同時に複数用いてガラス母材を加熱しても良い。例えば、２つのバーナ１によってガラス母材Ｇを加熱する様子を図５に示す。なお、この図５はガラス母材Ｇをその軸方向に見た場合の模式図である。
図５に示すように、ガラス母材Ｇに対して出口を向けた２つのバーナ１ａ，１ｂは、出口とガラス母材Ｇとの距離がＬａ，Ｌｂとして設定されている。そして、ガラス母材Ｇを効率良く加熱するためには、上記のようにＬａ及びＬｂを５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲内とする。さらに、この距離ＬａとＬｂの差を小さくすることが望ましく、ＬａとＬｂの差が５ｍｍ以下であると良い。例えば、３つ以上のバーナ１を用いる際には、ガラス母材Ｇに対して最も距離の近いバーナと最も距離の遠いバーナとのガラス母材Ｇに対する距離の差を５ｍｍ以下とすると良い。

また、ガラス母材Ｇに向けられた２つのバーナ１ａ，１ｂは、鉛直線Ｂに対してそれぞれθａ，θｂの角度をなしており、角度θａとθｂの和が１８０°となって、ガラス母材Ｇを介して２つのバーナ１ａ，１ｂの出口が対向してしまうことを避けることが好ましい。そして、２つのバーナ１ａ，１ｂの出口の位置を、ガラス母材Ｇの軸直交断面内においてガラス母材Ｇの軸を頂点とするこれらのバーナ１ａ，１ｂの出口がなす角度、すなわちθａ＋θｂが１０°〜１７０°の範囲内となるように配置すると良い。また、より好ましくは、この角度θａとθｂの和が１００°以下であると良い。これにより、加熱する箇所に対して複数のバーナ１の酸水素火炎を重ねてあてて、ガラス母材Ｇの被加熱部分の温度を素早く所望の温度に昇温させることができる。なお、複数のバーナがガラス母材Ｇの軸方向にずれて配置されていても良い。

（ポートの断面積比）
図１から図３に示したような形態のバーナ１について、酸素用ポートの出口断面積の合計に対する水素用ポートの出口断面積の合計の比を、１から３０まで１刻みに変更して、それぞれガラス母材を火炎研磨する際のガラス母材の表面温度を測定した。なお、用いたガラス母材の外径は２５ｍｍ、バーナの出口とガラス母材表面との距離は８０ｍｍ、各酸素用ポートへの酸素の流量は９０ＳＬＭ、水素用ポートへの水素の流量は３００ＳＬＭ、とした。
この結果を、図６に示す。良好な火炎研磨を行うためのガラス母材の表面温度は１５００℃以上であり、水素用ポート／酸素用ポートの断面積比が２〜２４のときに素早く温度上昇して良好な火炎研磨を行うことができた。

（酸素用ポートの径）
図１から図３に示したような形態のバーナ１について、酸素用ポートの出口内径を、０．１ｍｍから１０ｍｍまで変更して、それぞれガラス母材を火炎研磨する際のガラス母材の表面温度を測定した。なお、用いたガラス母材の外径は２５ｍｍ、バーナの出口とガラス母材表面との距離は８０ｍｍ、各酸素用ポートへの酸素の流量は９０ＳＬＭ、水素用ポートへの水素の流量は３００ＳＬＭ、とした。また、水素用ポート／酸素用ポートの断面積比が４，６，８である３種の条件で測定を行った。
この結果を、図７に示す。良好な火炎研磨を行うためのガラス母材の表面温度は１５００℃以上であり、酸素用ポートの出口内径が０．１ｍｍ〜５ｍｍのときに素早く温度上昇して良好な火炎研磨を行うことができた。また、水素用ポート／酸素用ポートの断面積比が６であるときに最も加熱温度が高いことも判る。

（ガラス母材とバーナの距離）
図１から図３に示したような形態のバーナ１について、ガラス母材の表面とバーナの出口との距離を、０ｍｍから６００ｍｍまで５０ｍｍ刻みに変更して、それぞれガラス母材を火炎研磨する際のガラス母材の表面温度を測定した。なお、用いたガラス母材の外径は２５ｍｍ、各酸素用ポートへの酸素の流量は９０ＳＬＭ、水素用ポートへの水素の流量は３００ＳＬＭ、とした。また、水素用ポート／酸素用ポートの断面積比が４，６，８である３種の条件で測定を行った。
この結果を、図８に示す。良好な火炎研磨を行うためのガラス母材の表面温度は１５００℃以上であり、ガラス母材の表面とバーナの出口との距離が５０ｍｍ〜３００ｍｍのときに素早く温度上昇して良好な火炎研磨を行うことができた。また、水素用ポート／酸素用ポートの断面積比が６であるときに最も加熱温度が高いことも判る。

本発明の実施形態に係るガラス母材の加熱方法が適応可能なマルチノズル型バーナの概略構成図である。図１に示したマルチノズル型バーナの出口を示す上面図である。図２のＡ−Ａ断面図である。ガラス母材を火炎研磨する際に用いる加熱装置を示す既略構成図である。バーナを複数用いてガラス母材を加熱する様子を示す模式図である。ポートの断面積比を変更した際のガラス母材の表面温度を示すグラフである。酸素用ポートの径を変更した際のガラス母材の表面温度を示すグラフである。ガラス母材とバーナの距離を変更した際のガラス母材の表面温度を示すグラフである。従来の二重管バーナを示す模式図である。

符号の説明

１マルチノズル型バーナ
２バーナ本体
２ａ水素用ポート
３円筒管
３ａ酸素用ポート
１０加熱装置
Ｇガラス母材

Claims

酸素用ポートを複数有するマルチノズル型バーナを使用してガラス母材を加熱する方法であって、
前記酸素用ポートの出口断面積の合計に対する水素用ポートの出口断面積の合計の比が、２〜２４の範囲内であることを特徴とするガラス母材の加熱方法。
前記比が、４〜８の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のガラス母材の加熱方法。
前記酸素用ポートの各ポートの出口内径が、それぞれ直径０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス母材の加熱方法。
前記バーナの出口平面内における前記酸素用ポートの配列が、横／縦本数比で１．５を超えて１５未満の範囲内であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のガラス母材の加熱方法。
前記酸素用ポートの各ポートの酸素流量を、それぞれ０．１ＳＬＭ〜１０ＳＬＭの範囲内とすることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のガラス母材の加熱方法。
前記バーナの出口と前記ガラス母材の外周面との距離を、５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲内とすることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のガラス母材の加熱方法。
複数の前記バーナを用いて前記ガラス母材を加熱し、その際、前記ガラス母材の外周面に対して最も出口の近いバーナと最も出口の遠いバーナとの前記ガラス母材の外周面に対する距離の差を５ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のガラス母材の加熱方法。
複数の前記バーナを用いて前記ガラス母材を加熱し、その際、複数の前記バーナの出口の位置を、前記ガラス母材の軸直交断面内において前記ガラス母材の軸を頂点とする複数の前記バーナの出口がなす角度を１０°〜１７０°の範囲内となるように配置することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のガラス母材の加熱方法。