JP2007176728A - バーナー装置及びそれを用いた合成石英ガラスの製造方法 - Google Patents

バーナー装置及びそれを用いた合成石英ガラスの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
合成石英ガラスの製造の際、使用する原料ガス、水素などの可燃性ガス、酸素などの支燃性ガス、ドーピングガス、不活性ガス等を多重管バーナーへ供給するにあたって、各バーナーへのガス流量を調整するための調整装置を用いることなく、各バーナーへ均一にガスを供給することができるようしたバーナー装置及びそれを用いた合成石英ガラスの製造方法を提供する。
【解決手段】
合成石英ガラスを製造するのに用いられるバーナー装置であって、
ガスを導入するためのガス導入口と前記導入されたガスを分流するための多数のガス分流口とを有し前記ガス導入口から導入されたガスを分流するためのガス分流装置と、
前記ガス分流口に接続手段を介してそれぞれ接続された多本数のバーナー本体と、
所定の寸法精度の穴径で開穿され前記ガスが通過するためのガス通過孔を有し前記接続手段に取り付けられたガス流量規制プレートと、からなるようにした。
【選択図】 図1

Description

本発明は、合成石英ガラスの製造の際、使用する原料ガス、水素などの可燃性ガス、酸素などの支燃性ガス、ドーピングガス、不活性ガス等を多重管バーナーへ供給し、酸水素火炎等で加水分解して、ガラス微粒子体が集合してなる多孔質体を加熱して透明化する方法や、直接透明化する直接溶融法などに用いられるバーナー装置及びそれを用いた合成石英ガラスの製造方法に関する。
一般にOVD法、VAD法等により合成石英ガラスを製造する際、多本数の多重管バーナー(以下、多数本バーナーという。)へ原料ガス、水素、酸素、ドーピングガス、不活性ガス等を供給して、ガラス微粒子多孔質体を一旦製造する。その際、多本数バーナーには、各管にそれぞれ流量計やマスフロコントローラーを使用して個々のガス流量を調整し供給している。
例えば、特許文献1では、実施例として同心円筒状四重管バーナー6本に対しマスフロコントローラーを1〜n台使用し、更に元栓にはバーナー系列全体のガス量をコントロールする大型のマスフロコントローラーを使用するとしている。
すなわち、従来の技術では、例えば、OVD法により合成石英ガラスを製造する場合には、図6に示すように、多本数バーナー100を用いて、出発部材101にガラス微粒子を堆積して多孔質母材102を作製するにあたって、例えば原料ガス、水素、酸素をそれぞれのガス導入管104a〜104cに導入しこのそれぞれのガス導入管104a〜104c毎にガス流量を調整するためのマスフロコントローラー106a〜106cを設置し、このマスフロコントローラー106a〜106cによって流量調整されたそれぞれのガスが各バーナー本体108へと供給され、それにより多孔質母材102の作製を行う手法が行われていた。なお、図6において符号110はバーナーの炎を示す。
このような方法では、高価なマスフロコントローラー及びそのコントロール装置をガスライン毎に複数台用意する必要があり、初期投資が大幅にかかるという問題がある。また、マスフロコントローラーは、定期的なメンテナンスも必要である。
また、特許文献2では、分流装置を用いて分流装置内の圧力を平均化し、更に出口には、流量調整バルブを設けて各バーナーに対する圧力損失を調整するとしている。しかし、この方法では、バルブ調整による各バーナーに流れているガス流量自体が判らないだけでなく、一カ所の出口流量を調整すると、その部分の圧力抵抗が変化し、他の分流装置各出口へ流れるガスのバランスが崩れ、各出口のガス流量の調整が難しいという問題がある。
そこで本発明者ら上記した問題点を解消すべく鋭意研究を重ねた結果、ガス分流装置の各出口にそれぞれガス流量規制プレートを用い、その各ガス流量規制プレートの穴径を均一とすることで、上記したガス流量の調整するための装置を各バーナー毎に用いることなく、ガス分流装置から常に安定したガス流量を均一に供給できるという知見を得た。
特開平3−279234号公報 特開2004−26519号公報
本発明は、合成石英ガラスの製造の際、使用する原料ガス、水素などの可燃性ガス、酸素などの支燃性ガス、ドーピングガス、不活性ガス等を多重管バーナーへ供給するにあたって、各バーナーへのガス流量を調整するための調整装置を用いることなく、各バーナーへ均一にガスを供給することができるようにしたバーナー装置及びそれを用いた合成石英ガラスの製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のバーナー装置は、合成石英ガラスを製造するのに用いられるバーナー装置であって、ガスを導入するためのガス導入口と前記導入されたガスを分流するための多数のガス分流口とを有し前記ガス導入口から導入されたガスを分流するためのガス分流装置と、前記ガス分流口に接続手段を介してそれぞれ接続された多本数のバーナー本体と、所定の寸法精度の穴径で開穿され前記ガスが通過するためのガス通過孔を有し前記接続手段に取り付けられたガス流量規制プレートと、からなり、前記ガス分流装置から分流された前記ガスが前記ガス流量規制プレートを通過することにより前記多本数のバーナー本体に均一かつ同量で安定供給されるようにしたことを特徴とする。
このように所定の寸法精度の穴径で開穿されたガス通過孔を有するガス流量規制プレートを用いたのは、ガスを供給するにあたって、不均一な穴径を用いた場合には、穴径の大小によって、抵抗が変わり、大きい穴径のところにより多く流れてしまうからである。全体のガス量は決まっているため、その分、他の穴の流量が低下してしまい、均一なガス流量が得られないためである。
また、製造条件を変更した場合には、前記ガス流量規制プレートを交換することで、任意の流量に調整できる。
一般的に、合成石英ガラスを製造するに当たり、1バーナー当たりの水素、酸素、窒素などのガス流量は、最大でも200L/min程度であり、また通常でも10〜100L/min程度である。
また、前記ガス通過孔の穴径が5mm以下であり、かつ全てのガス通過孔における穴径の寸法精度の最大誤差が±5μm以下であるのが好適である。さらに好ましくは全てのガス通過孔間の寸法精度の最大誤差が±3μm以下であり、特に好ましくは全てのガス通過孔間の寸法精度の最大誤差が±2μm以下、そして最も好ましくは全てのガス通過孔間の寸法精度の最大誤差が±1μm以下である。なお、穴径の測定にあたっては、走査電子顕微鏡を使用することが可能であるが、その他にも種々の小径内径測定器の使用が可能である。
ガス通過孔の穴径が5mmを超えると、穴径が大きすぎて、分流装置内の圧力を維持することが困難となり、数百L/min程度のガス流量でも、ガス分流装置内の圧力を平均化することが難しくなるため、圧力を維持するには、ガス供給一次圧を非常に高くする必要がある。ガス通過孔の穴径の下限値については、ガスが通過する限り特別の限定はないが、ガスの流れを安定にするためには少なくとも1mm程度とする必要がある。
また、穴径の寸法精度を±5μm以上のものを用いても、穴径の大小によって、抵抗が変わり、大きい穴径のところに多く流れてしまい、各バーナーに均等にガスを供給することが困難となる。したがって、全てのガス通過孔間における寸法精度を一定にすることにより、より均一にガスを安定供給することが可能となる。
前記ガス流量規制プレートは、前記接続手段に着脱自在に取り付けられる構成とすることが好適である。前記ガス流量規制プレートの交換が容易となるからである。
ガス流量規制プレートの材質については、特別の限定はないが、一定の剛性を有すればよいもので、金属、鋼、合金又はガラス材等で作製することができる。例えば、ステンレス鋼、青銅、アルミニウム、タングステン、チタン、真鍮、高炭素鋼、ニッケル鋼、パイレックス(登録商標)ガラス、石英ガラスなどが好適に用いられる。ガス流量規制プレートの熱膨張率が30×10-6/℃(0〜100℃)以下となるのが特に好ましい。
ガス流量規制プレートにガス通過孔を開穿するにあたっては、種々の微小径穴加工技術が適用でき、例えばマイクロドリルを使用したマイクロドリル加工、レーザー加工、精密プレス加工、エッチング加工、微細放電加工、超音波加工、ワイヤ放電加工等が適用できる。
このように、流量規制プレートを用いることにより、構造が簡単で取り扱いが容易であり、ガス流量を校正することなく、常に安定した流量で分流できるという利点を有する。さらに、ガス流量規制プレートを用いるため、非常に安価に簡単な構造で、常に安定した流量でガスの分流ができ、さらに流量規制プレートの交換も容易に行うことができるという利点を有する。
ガス分流装置から多本数バーナーにガスを供給する場合、導入される一次ガス圧としては、0.15MPa以上が好ましい。これ以下であると各バーナー本体へ供給されるガス流量及び分流装置内のガス圧を均一に保てなくなるからである。更に、ガスの圧力変動に制御流量が大きく左右されないマスフロコントローラーを用いた場合には、分流装置内の内圧をきめ細かく制御する必要がないため、0.15MPa以上を維持すれば良い。
前記ガス分流装置は、15℃以上35℃以下の恒温下で使用されるのが好ましい。また、できるだけ輻射熱などの影響を受けない環境下で使用することが好ましい。
本発明の合成石英ガラスの製造方法は、上記したバーナー装置を用いて合成石英ガラス体を製造することを特徴とするものである。
本発明の合成石英ガラスの製造方法は、種々の方法に適用可能である。例えばOVD法(outside vapor deposition;生成するシリカガラス微粒子を水平方向に保持した基体上に層状に堆積してシリカガラス多孔質体を製造し、このシリカガラス多孔質体から基体を引き抜いた後、電気炉内で加熱溶融して中空シリンダ状の透明シリカガラス体を作製する方法)では、複数のバーナーを使用した場合、各分流管に最低限のマスフロコントローラーからガス分流装置を介して複数のバーナーに同量のガスを供給できる。したがって、各分流管毎にマスフロコントローラーをそれぞれ用意する必要がないし、また、複雑な配管等の設備も必要ない。
また、例えば、VAD法(vapor phase axial deposition;酸水素火炎中に原料を送り込み生成するシリカガラス微粒子を垂直方向に保持した回転する棒状基体上に堆積して、シリカガラス多孔質体を製造し、このシリカガラス多孔質体を電気炉内で加熱して棒状の透明シリカガラス体を作製する方法)や直接法(酸水素火炎中にシリカ原料を導入して火炎加水分解反応を生じせしめ、生成するシリカガラス微粒子を回転する皿状基体に下から上方向に層状に堆積させると同時に火炎の熱により溶融する方法)の場合でも、同時に同量のガスを供給できることとなる。
このようにして得られる前記合成石英ガラス体の長手方向中央部外径に対する外径変動率は、±5%以下であるのが好適である。
また、前記合成石英ガラス体を製造するにあたって予め多孔質母材を作製する合成石英ガラスの製造方法において、前記多孔質母材の長手方向中央部外径に対する外径変動率は、±5%以下であるのが好ましい。
なお、ここでいう長手方向中央部外径とは、合成石英ガラス体又は多孔質母材の長手方向の中心に位置する箇所の外径を指す。
また、本発明における外径変動率とは、合成石英ガラス体又は多孔質母材の長手方向の中央部の外径を基準として、合成石英ガラス体又は多孔質母材の長手方向の各ポジション(測定箇所)の外径の変動率を示したものである。この外径変動率は、下記式(1)から求められる。
外径変動率(%)=
((各ポジションの外径/長手方向中央部外径)−1)×100 ・・・・(1)
本発明によれば、合成石英ガラスの製造の際、使用する原料ガス、水素などの可燃性ガス、酸素などの支燃性ガス、ドーピングガス、不活性ガス等を多重管バーナーへ供給するにあたって、各バーナーへのガス流量を調整するための調整装置を各バーナー毎に用いることなく、各バーナーへ均一にガスを供給することができるようしたバーナー装置及びそれを用いた合成石英ガラスの製造方法を提供することができるという著大な効果を有する。
また、本発明によれば、極めて均一な外径を有する多孔質母材又は合成石英ガラス体を製造することができるという著大な効果を有する。
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、図示例はあくまでも例示的なものであり、本発明の技術的思想から逸脱しない限り図示例以外にも種々の変形が可能なことはいうまでもない。
図1は、本発明のバーナー装置の実施の形態の一例を示す概略図である。図2は、図1のII部分の拡大概略断面図である。図3はガス流量規制プレートの一例を示す平面図である。図4は、図1の要部拡大概略図である。図5は、本発明のバーナー装置の実施の形態の別の例を示す概略図である。
図1〜図5において、符号10は本発明のバーナー装置を示す。バーナー装置10は、多本数の多重管バーナー(多本数バーナー)40にガスを供給して合成石英ガラス体を製造するのに用いられるバーナー装置である。バーナー装置10は、ガス(図示例では、原料ガス、水素ガス及び酸素ガス)を導入するためのガス導入口11と前記導入されたガスを分流するための多数のガス分流口12とを有しガス導入口11から導入されたガスを分流するためのガス分流装置14と、前記ガス分流口12に接続手段(図示例ではノズル16及び分流管18)を介してそれぞれ接続された多本数のバーナー本体20と、前記接続手段に取り付けられたガス流量規制プレート22と、から構成されている。
そして、ガス流量規制プレート22には、その中央部にガスが通過するためのガス通過孔24が所定の寸法精度で開穿されている(図2及び図3)。なお、ガス流量規制プレート22は、図示例ではノズル16に取り付けた例を示したが、ガス分流口12とバーナー本体20とを接続する接続手段のいずれかの位置に取り付けられればよいものである。ガス流量規制プレート22は、例えばガスケット継ぎ手などの接続部材を利用することで容易に取り付けが可能である。
図1のII部分を拡大すると、図2のようになる。図2において、符号16a,16bはそれぞれノズルであり、ノズル16a及びノズル16bはガス流量規制プレート22を挟むような形で雄接合部材32a及び雌接合部材32bによって接合されている。このようにしてガス流量規制プレート22がノズル16に着脱自在に取り付けられている。
ガス流量規制プレート22のガス通過孔24は、図3によく示されるように所定の寸法精度で開穿されている。このようにして、ガス分流装置14から分流された前記ガスがガス流量規制プレート22を通過することにより多本数のバーナー本体20全てに均一かつ同量で安定供給されるようにしてある。
多本数バーナー40は、出発部材25(図示例では石英ガラス棒)にガラス微粒子を堆積させるためのものであるが、バーナー本体20の本数及びガス分流装置14の寸法は、製造する多孔質体が必要とするバーナーの本数や供給先の数によって変動する。なお、図中、30はバーナー火炎である。図示例では、バーナー本体20を5本設けた例を示したが、後述する実施例ではこのバーナー本体20を10本設けたバーナー装置を用いた例を示す。例えば、ガス分流装置14の寸法としては後述する実施例に記載したようなものが適用できる。
このようにして、原料ガス、水素及び酸素を、各ガス毎に設けたガス分流装置14に供給する。導入されるガスは、各バーナー本体20に必要なガス流量の合計量がマスフロコントローラー28によって調整されて導入されており、そのガス圧は0.15MPa以上とされている。このようにマスフロコントローラーを用いてガスを導入すれば、ガス分流装置14内の内圧をきめ細かく制御する必要がないため、好適である。図4にガス分流装置14付近の拡大概略図を示す。
ガス分流装置14は、多孔質母材26の成長中でのバーナー火炎30からの熱や多孔質母材26からの輻射熱の影響を受けない様、図5に示すように、成長容器(反応容器)34の外に設置するのが好ましい。成長容器34の外といっても、空調設備の整った、25℃の室温に保たれた恒温室36に設けるのが好ましい。なお、図示の例では成長容器34を含めて大きく囲った恒温室36の例を示したが、ガス分流装置14、マスフロコントローラー28部分のみを恒温室に設ける構成とすることもできる。また、四塩化ケイ素ガスなどの原料ガスは単独でバーナーへ供給することも可能である。
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
(実施例1)
図5と同様のバーナー装置を用い、OVD法により、10本バーナーで出発部材25にガラス微粒子を堆積させて多孔質母材26の製造を室温(25℃)で行った(図示例では5本バーナーの例を示したが、本実施例では10本バーナーの装置を用いた)。このバーナー装置おけるガス分流装置14は、内径80mm、ガス導入管13は内径12.7mm、そしてノズル16は内径9.52mmのものを使用した。バーナー本体20は三重管バーナーを用い、最内側の第1管には、原料ガスとして四塩化ケイ素ガス、内側から2番目の第2管には酸素ガス、最外側の第3管には水素ガスを供給した。複数のガス流量規制プレート22はニッケル鋼製のものを用い、微細放電加工によりガス通過孔24を開穿した。ガス通過孔24の穴径は、全て5mmとし、その全てのガス通過孔24における複数の穴径の寸法精度の最大誤差は±5μmのものを用いた。この穴径は、走査電子顕微鏡を使用して測定した。
導入された各ガス流量は、水素ガス70L/min×10本=700L/min、酸素ガスは15L/min×10本=150L/min、四塩化ケイ素ガスは4L/min×10本=40L/minでガス分流装置に供給した。各一次ガス圧は、0.20Mpaとした。このようにして得られた多孔質母材26の外径をピッチ幅100mm毎に、赤外線半導体レーザ式変位センサを用いて10ポジション(10箇所)測定したところ、298〜304mmであった。多孔質母材26の長手方向中央部外径は301mmで、長手方向中央部外径に対する外径変動率は±1.0%であった。この多孔質母材26を1600℃にて透明ガラス化を行った。得られた合成石英ガラス体の外径をピッチ幅100mm毎に赤外線半導体レーザ式変位センサを用いて10ポジション(10箇所)測定したところ、158〜161mmであった。この合成石英ガラス体の中央部外径は161mmで、中央部外径に対する外径変動率は±1.9%となり、±5%以下で、非常に均一な外径の合成石英ガラスが得られた。
(実施例2)
ガス流量規制プレート22のガス通過孔24の穴径を2mm、その穴径の寸法精度は±1μmとした以外は実施例1と同様な条件で行った。このようにして得られた多孔質母材26の外径をピッチ幅100mm毎に、赤外線半導体レーザ式変位センサを用いて10ポジション(10箇所)測定したところ、298〜301mmであった。多孔質母材26の長手方向中央部外径は301mmで、長手方向中央部外径に対する外径変動率は±1.0%であった。この多孔質母材26を1600℃にて透明ガラス化を行った。得られた合成石英ガラス体の外径をピッチ幅100mm毎に赤外線半導体レーザ式変位センサを用いて10ポジション(10箇所)測定したところ、158〜160mmであった。この合成石英ガラス体の長手方向中央部外径は159mmで、長手方向中央部外径に対する外径変動率は±0.6%となり、非常に均一な外径の合成石英ガラスが得られた。
(比較例1)
ガス流量規制プレート22のガス通過孔24の穴径を8mm、その穴径の寸法精度は±5μmとした以外は実施例1と同様の条件で行った。しかし、得られた多孔質母材26の外径をピッチ幅100mm毎に、赤外線半導体レーザ式変位センサを用いて10ポジション(10箇所)測定したところ、287〜320mmであった。多孔質母材26の長手方向中央部外径は304mmで、長手方向中央部外径に対する外径変動率は±5.6%であった。この多孔質母材26を1600℃にて透明ガラス化を行った。得られた合成石英ガラス体の外径をピッチ幅100mm毎に赤外線半導体レーザ式変位センサを用いて10ポジション(10箇所)測定したところ、152〜170mmであった。この合成石英ガラス体の長手方向中央部外径は161mmで、長手方向中央部外径に対する外径変動率は±5.6%となり、不均一な外径のガラスが得られた。
(比較例2)
ガス流量規制プレート22のガス通過孔24の穴径を2mm、その穴径の寸法精度は±10μmとした以外は実施例1と同様の条件で行った。しかし、得られた多孔質母材26の外径をピッチ幅100mm毎に、赤外線半導体レーザ式変位センサを用いて10ポジション(10箇所)測定したところ、280〜320mmであった。多孔質母材26の長手方向中央部外径は310mmで、長手方向中央部外径に対する外径変動率は±9.7%であった。この多孔質母材26を1600℃にて透明ガラス化を行った。得られた合成石英ガラス体の外径をピッチ幅100mm毎に赤外線半導体レーザ式変位センサを用いて10ポジション(10箇所)測定したところ、148〜170mmであった。この合成石英ガラス体の長手方向中央部外径は161mmで、長手方向中央部外径に対する外径変動率は±8.1%となり、不均一な外径のガラスが得られた。
このように、実施例1〜2における合成石英ガラスは、比較例1〜2における合成石英ガラスに比べてその外径が均一なガラスが得られることが確認できた。
本発明のバーナー装置の実施の形態の一例を示す概略図である。 図1のII部分の拡大概略断面図である。 ガス流量規制プレートの一例を示す平面図である。 図1の要部拡大概略図である。 本発明のバーナー装置の実施の形態の別の例を示す概略図である。 従来のバーナー装置を示す概略図である。
符号の説明
10:本発明のバーナー装置、11:ガス導入口、12:ガス分流口、13,104a〜104c:ガス導入管、14:ガス分流装置、16,16a,16b:ノズル、18:分流管、20,108:バーナー本体、22:ガス流量規制プレート、24:ガス通過孔、25,101:出発部材、26,102:多孔質母材、28,106a〜106c:マスフロコントローラー、30:バーナー火炎、32a:雄接合部材、32b:雌接合部材、34:成長容器、36:恒温室、40,100:多本数バーナー。

Claims (7)

  1. 合成石英ガラスを製造するのに用いられるバーナー装置であって、
    ガスを導入するためのガス導入口と前記導入されたガスを分流するための多数のガス分流口とを有し前記ガス導入口から導入されたガスを分流するためのガス分流装置と、
    前記ガス分流口に接続手段を介してそれぞれ接続された多本数のバーナー本体と、
    所定の寸法精度の穴径で開穿され前記ガスが通過するためのガス通過孔を有し前記接続手段に取り付けられたガス流量規制プレートと、からなり、
    前記ガス分流装置から分流された前記ガスが前記ガス流量規制プレートを通過することにより前記多本数のバーナー本体に均一かつ同量で安定供給されるようにしたことを特徴とするバーナー装置。
  2. 前記ガス通過孔の穴径が5mm以下であり、かつ全てのガス通過孔における穴径の寸法精度の最大誤差が±5μm以下であることを特徴とする請求項1記載のバーナー装置。
  3. 前記ガス流量規制プレートが、前記接続手段に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1又は2記載のバーナー装置。
  4. 前記ガス分流装置が、15℃以上35℃以下の恒温下で使用されることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載のバーナー装置。
  5. 請求項1〜4いずれか1項記載のバーナー装置を用いて合成石英ガラス体を製造することを特徴とする合成石英ガラスの製造方法。
  6. 前記合成石英ガラス体の長手方向中央部外径に対する外径変動率が、±5%以下であることを特徴とする請求項5記載の合成石英ガラスの製造方法。
  7. 前記合成石英ガラス体を製造するにあたって予め多孔質母材を作製する合成石英ガラスの製造方法において、前記多孔質母材の長手方向中央部外径に対する外径変動率が、±5%以下であることを特徴とする請求項5記載の合成石英ガラスの製造方法。
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