JP2009132550A - 合成シリカガラスの製造装置及び合成シリカガラスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造することができる合成シリカガラス製造装置および合成シリカガラス製造方法を提供する。
【解決手段】密閉された炉体２と、前記炉体の上部に設けられた複数の吸気口４ａと、前記炉体の下部に設けたられた排気口５ａと、前記炉体内部に回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲット６と、シリカガラス合成用のバーナー７とを備え、前記吸気口４ａは前記インゴットの溶融シリカ付着面よりも常に低い位置に設けられ、吸気口４ａから供給されるガスが前記インゴットに直接当たらないような方向かつ水平に対して下方に傾斜して設置された合成シリカガラス製造装置であって、前記吸気口４ａから供給されたガスが、インゴット形成用のターゲット６の回転方向と同方向に旋回する旋回下降流として形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は合成シリカガラスの製造装置に係わり、特に密閉された炉体を備えた密閉系の合成シリカガラスの製造装置及び合成シリカガラスの製造方法に関する。

現在、紫外線透過材料として２５０ｎｍ以下の波長の光透過性がよく、不純物含有量の極めて少ない合成シリカガラスが用いられている。
この合成シリカガラスは、一般的には紫外線（４００ｎｍ以下）傾城の波長を吸収してしまう原因となりうる金属不純物の混入を避ける目的で、高純度のケイ素化合物、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）などの気体を、酸水素炎中に導入し、火炎加水分解させてシリカ微粒子を直接回転する耐熱性ターゲット上に堆積・溶融ガラス化させ、透明なガラスとして製造される。

合成シリカガラスを製造する製造装置は、大きく分けて、炉体の一部が大気に解放された開放系の製造装置と、炉体内を大気と遮断した密閉系の製造装置とがある。これらは、それぞれ用途によって使い分けられる。たとえば、シリカガラスにＳｉＯ₂以外の成分をドープするような場合、反応により生成する有毒ガスが炉体外に流出しないように密閉系の製造装置を使用する。
また、大口径の光学部材用のシリカガラスを製造するにはインゴットも大口径化するが、この場合には炉体内の雰囲気を均一に保つことが容易な開放系の製造装置を使用する。

前記開放系の製造装置は、下部が大気に常時開放されている炉体と、この炉体内部に設置された耐火物と、この耐火物内部に設置されたインゴット形成用のバーナーと、ターゲットに堆積されなかったシリカ微粒子を排気する排気手段とからなっている。
この装置を用いて、火炎加水分解法によりターゲットを、鉛直軸を中心に回転させながらこの上にシリカ微粒子を堆積させ、堆積速度に合わせてバーナーからインゴット上部の合成面までの距離を一定に保つように引き下げながら合成シリカガラスの製造を行う。

前記密閉系の製造装置は、密閉された炉体内に設けられたバーナーが炉体の上部からターゲットにその先端部を向けて設置されており、排気手段は排気口、除害装置、排気ファンを排気ラインで連設して構成されている。
この装置を用いて、火炎加水分解法によりターゲットを、鉛直軸を中心に回転させながらこの上にシリカ微粒子を堆積させ、排気手段により排気しながら合成シリカガラスの製造を行う。

一方、ターゲット上に堆積せず浮遊するシリカ微粒子は、排気設備により炉体外に排出されるが、製造が繰り返されるにつれて炉体内壁面、炉体内構造物壁面、排気口部、バーナー等に堆積していく。炉体内や部材に堆積したシリカが剥離し、落下あるいは炉壁面に沿った気流に従い、インゴット溶融面に落下すると、インゴット内部に欠陥として残存するという問題点がある。

この問題を解決する方策として、開放系において、炉内壁面へのシリカの付着を防止するために、インゴットの溶融シリカ付着面より上方から炉内壁面に沿って下方に常温の不活性ガスを流すシリカガラス製造装置が提案され（特許文献１）、また、合成炉の内壁面に沿った火炎流を形成する方法が提案されている（特許文献２）。

また、密閉系において、屈折率の均質性に最適な排気状態を安定して得るために、密閉された炉体内からの排気ガス量を変えることなく、排気ラインにガスを導入することで、見かけ上排気ガス量を増加させる合成シリカガラスの製造装置が提案されている（特許文献３）。

しかし、特許文献１のものはインゴットの溶融シリカ付着面より上方から炉内壁面に常温の不活性ガスを流した場合には溶融シリカ付着面近傍の温度を低下させてシリカガラスの合成条件が変化してしまうという欠点があった。また、常温の不活性ガスを炉体内へ流出するためのバーナーの温度が低くなるため、バーナーの周辺にシリカ微粒子が溶融面へ付着する可能性があった。

また、特許文献２のものは、合成炉の内壁面に沿った火炎流を形成する方法があるが、合成バーナーからの火炎と干渉する恐れがあり、このため、脈理等の欠陥が生じやすいという欠点があった。

さらに、特許文献３のものは、吸気口が設けられておらず、また、吸気口の数、傾き、空気の吸気方向などが規制されていないため、浮遊するシリカ微粒子を確実に排出できず、シリカ微粒子がインゴット溶融面に付着して内部に欠陥が生じる問題があった。
特開平７−１０９１３４号公報 特開２０００−２６１２６号公報 特開平８−１６５１３０号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造することができる合成シリカガラス製造装置を提供することを目的とする。
また、脈理が無く、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造することができる合成シリカガラス製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る合成シリカガラス製造装置は、密閉された炉体と、前記炉体の上部に設けられた複数の吸気口と、前記炉体の下部に設けたられた排気口と、前記排気口に接続された排気設備と、前記炉体内部に回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲットと、前記ターゲットに先端が対向して設けられたシリカガラス合成用のバーナーとを備え、前記吸気口は前記インゴットの溶融シリカ付着面よりも常に低い位置に設けられ、吸気口から供給されるガスが前記インゴットに直接当たらないような方向かつ水平に対して下方に傾斜して設置された合成シリカガラス製造装置であって、前記吸気口から供給されたガスが、インゴット形成用のターゲットの回転方向と同方向に旋回する旋回下降流として形成されることを特徴としている。

このように、本発明にかかる前記合成シリカガラス製造装置にあっては、炉内のガスの流れは、インゴットの回転方向に沿った旋回下降流となる。しかも、吸気口から導入される吸気ガスの流れをインゴット回転方向と同方向に導入することによって、排気ガスは吸気ガスとの合流で流れが加速され、炉内に上昇気流を発生させることなく、炉外に排出することができる。
前記排気ガス中には、インゴットとして堆積しなかった浮遊シリカ粒子なども含まれており、そのシリカ粒子がインゴット合成堆積面（溶融シリカ付着面）に付着するのを抑制でき、インゴット内部の欠陥（泡、インクルージョン）を抑制することができる。

ここで、前記炉体は、前記シリカガラス合成用のバーナーが頂部に設置された耐火物製のマッフルと、前記マッフルの下方に設けられた複数の吸気口を有する吸気炉部と、前記吸気炉部の下方に設けられた複数の排気口を有する排気炉部とを備えることが望ましい。

また、前記マッフルの内径が、前記インゴットの外径をrとした場合に１．３ｒ以上２．５ｒ以下であって、マッフル内の高さが３００ｍｍ以上８００ｍｍ以下であり、前記吸気炉部の内径が、前記マッフルの内径をａとした場合に１．２ａ以上２．０ａ以下であって、吸気炉部内の高さが１５０ｍｍ以上６００ｍｍ以下であり、前記排気炉部の内径が、前記吸気炉部の内径をｂとした場合に１．２ｂ以上３．０ｂ以下であって、排気炉部内の高さが３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることが望ましい。
前記炉体が、このような寸法形状を有する場合には、脈理、欠陥のより抑制され、物性や品質がより均一な合成シリカガラスを得ることができる。

更に、前記インゴット形成用のターゲットの下方には、下方向に延びる鍔部を有する風向変更板が設置されていることが望ましい。
この風向変更板を用いることによりインゴット昇降軸に沿った上昇気流を遮断し、インゴット内部の欠陥の発生を抑制することができる。

また前記風向変更板の直径が、インゴットの直径に対して−１０ｍｍ以上＋１０ｍｍ以下の範囲にあり、前記鍔部の下方の長さが５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることが望ましい。

更にまた、前記排気設備は、前記排気炉部に設けられた炉内圧力と炉外圧力差を測定する差圧センサと、前記排気炉部に形成された排気口に接続された排気管と、前記排気管に接続された外気導入管と、外気導入管の開度を制御する回動弁とを備え、前記差圧センサの差圧が一定になるように、回動弁の開度を制御し、総排気量を変化させることなく、排気炉部からの排気量と外気導入管からの外気導入量の配分を可変するように構成したことが望ましい。

このように、総排気量が変化することなく、排気炉部からの排気量と外気導入管からの外気導入量の配分が可変するため、安定した排気を行なうことができ、炉内の雰囲気を安定させるができる。しかも、総排気量が変化しないため、排気管における石英ガラス粉の付着を抑制できる。また、炉内を安定した排気を行なうことができるため、インゴット内に気泡、異物の混入がより抑制され、屈折率がより均質な石英ガラスを得ることができる。

また、前記排気管には除害装置が接続され、更に前記除害装置に排気ファンが接続されていることが望ましい。

更に、前記炉体を構成するマッフルの水平断面、前記マッフルの下方に設けられた複数の吸気口を有する吸気炉部の水平断面、前記吸気炉部の下方に設けられた複数の排気口を有する排気炉部の水平断面のいずれもが円形であることが望ましい。

また上述した目的を達成するため、本発明に係る合成シリカガラス製造方法は、シリカガラス合成用バーナーを用いて炉体内に設けられたターゲットに溶融シリカを付着させる合成シリカガラス製造方法において、炉体上部に設けられた複数の吸気口からガスを吸気し、前記吸気したガスによって、インゴットに直接当たらないような方向及び水平に対して下方に傾斜し、更にターゲットの回転方向と同方向に旋回するガス流れを形成し、かつインゴットの溶融シリカ付着面より常に低い位置から吸気されるようにターゲット上面位置を調整すると共に、炉体下部近傍から排気しながら、ターゲットに溶融シリカを付着させることを特徴としている。

このように、本発明にかかる前記合成シリカガラス製造方法にあっては、炉内のガスの流れは、インゴットの回転方向に沿った旋回下降流を形成する。しかも、吸気口から導入される吸気ガスの流れをインゴット回転方向と同方向に導入することによって、排気ガスは吸気ガスとの合流で流れが加速され、炉内に上昇気流を発生させることなく、炉外に排出することができる。
前記排気ガス中には、インゴットとして堆積しなかった浮遊シリカ粒子なども含まれており、そのシリカ粒子がインゴット合成堆積面（溶融シリカ付着面）に付着するのを抑制でき、インゴット内部の欠陥（泡、インクルージョン）抑制することができる。

本発明に係わる合成シリカガラス製造装置によれば、脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造することができる合成シリカガラス製造装置を提供することができる。また、本発明に係わる合成シリカガラス製造方法によれば、脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造することができる合成シリカガラス製造方法を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態に係わる合成シリカガラス製造装置について添付図面を参照して説明する。尚、図１は本発明の一実施形態に係わる合成シリカガラス製造装置の概略構成図、図２はその吸気口の配置状態を示す平面図、図３は風向変更板を示す斜視図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係わる合成シリカガラス製造装置１は、密閉系の製造装置である。この製造装置１に設けられた炉体２は密閉されており、この炉体２は、耐火物製のマッフル３と、この炉体２の上部に設けられた、複数の吸気口４ａを有する吸気炉部４と、前記炉体２の下部に設けられた、排気口５ａを有する排気炉部５とから構成されている。
なお、ここでいう密閉系とは完全密閉状態及び設計上不可避的開放状態を含む実質的な密閉状態を含む。

また、前記炉体２を構成するマッフル３の水平断面、前記マッフル３の下方に設けられた複数の吸気口４ａを有する吸気炉部４の水平断面、前記吸気炉部４の下方に設けられた複数の排気口５ａを有する排気炉部５の水平断面のいずれもが円形に形成されている。

また、前記炉体２の内部には、回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲット６と、前記ターゲット６を回転及び昇降するインゴット昇降軸６ａが設けられている。更に、前記マッフル３の頂部には、ターゲット６に先端が対向してシリカガラス合成用のバーナー７が設けられている。

前記吸気口４ａは、図２に示すように、複数例えば４個等間隔（９０°毎）で設けられ、ターゲット６上に形成されたインゴット８の溶融シリカ付着面８ａよりも常に低い位置に設けられている。また、前記吸気口４ａから供給されるガス例えば空気がインゴット８に直接当たらないような方向（図２において、インゴット８の径方向から４５度ずれた方向）かつ水平に対して下方に傾斜して設置されている。
尚、この吸気口４ａの傾斜は水平に対して５〜６０°の角度（図１では、１５度下方に傾斜しや状態を図示）をもって形成されているのが好ましい。また、前記排気口５ａは炉体２及びインゴット昇降軸６ａに対して軸対称に少なくとも２個設けられている。

前記マッフル３の内壁の内径ａは、前記インゴット８の外径をrとした場合に１．３ｒ以上２．５ｒ以下に形成されている。
前記マッフル内径が１．３ｒ未満の場合には、マッフル３内部の過度の蓄熱によりインゴット８の形状維持が困難となる。その結果、インゴット８の形状が変化することによって合成位置（溶融シリカ付着面８ａ位置）が変化し、合成面（溶融シリカ付着面８ａ）の温度分布が変化し、また加水分解反応により生成されるシリカ微粒子の反応状態が変化し、合成シリカガラスの物性や品質にバラツキを生じさせるため、好ましくない。
また、マッフル３の内壁とインゴット８間の距離が小さくなるため、排気ガスがマッフル３の下方外部（吸気炉部４）に抜けにくくなり、マッフル３の内壁やバーナー７等に堆積するシリカガラス粉の量が増加し、これがインゴット８の合成面（溶融シリカ付着面８ａ）への飛来し欠陥等が生じるため、好ましくない。

一方、マッフル３の内壁の内径が２．５ｒを超える場合には、マッフル３内の高温維持が困難となり、熱量不足によりインゴット８の合成面（溶融シリカ付着面８ａ）にしわが発生し、脈理が発生するため好ましくない。
また、高温となるようにバーナー７からのガス量を増加させることが必要となり、製造コストが嵩み、好ましくない。更に、バーナー７からのガス量を増加させると、インゴットの合成面（溶融シリカ付着面８ａ）の温度分布が変化するため、品質にバラツキを生じ、好ましくない。

また、マッフル３の内の高さｈ１が３００ｍｍ以上８００ｍｍ以下に形成されている。
このマッフル３の高さｈ１が８００ｍｍを超える場合には、マッフル３内温度を高温維持するために必要なバーナー７からのガス量が多くなり，製造コストが嵩み好ましくない。
一方、マッフル３内の高さｈ１が３００ｍｍ未満の場合には、マッフル３内部の温度が上昇しすぎるため、インゴット８の形状維持が困難になり、好ましくない。またマッフル３内のガスの排気が悪化し、マッフル３の内壁面にシリカガラス粉が付着し、これが落下することによりインゴット８の合成面（溶融シリカ付着面８ａ）への飛来し、欠陥等が生じるため好ましくない。

また、前記吸気炉部４内壁の内径ｂは、前記マッフル３の内壁の内径をａとした場合に１．２ａ以上２．０ａ以下に形成されている。
吸気炉部４の内壁の内径が１．２ａ未満の場合には、吸気炉部４内温度が上昇しすぎるため、インゴット８の外径維持が困難となり、インゴット８の形状が変化することによって、合成位置（溶融シリカ付着面８ａ）が変化し、合成面（溶融シリカ付着面８ａ）の温度分布が変化し、また加水分解反応により生成されるシリカ微粒子の反応状態が変化し、合成シリカガラスの物性や品質にバラツキを生じるため、好ましくない。また、吸気炉部４内温度が高い場合、内部圧力が上昇し吸気ガスを安定的に供給することが困難となるため、好ましくない。

一方、吸気炉部４の内径が２．０ａを超える場合には、流速の低下した大きな旋回流となるため、吸気炉部４の上面付近にシリカガラス粉が堆積しやすくなり、またにインゴット８の近傍の旋回流速が低下し排気効率が悪化し、部分的に上昇気流を生じさせ、これによりインゴット８の内部に欠陥を生じさせるため、好ましくない。

また、吸気炉部４内の高さｈ２が１５０ｍｍ以上６００ｍｍ以下に形成されている。
吸気炉部４の高さ（長さ）ｈ２が１５０ｍｍ未満の場合、吸気炉部４内で全周域に渡る旋回流を形成することができず、排気ガスの上昇流を発生させ、この上昇流によって、インゴット８の溶融シリカ付着面８ａに浮遊シリカガラス粉などが付着し、インゴット８の内部に欠陥を生じさせるため、好ましくない。

また、吸気炉部４の高さ（長さ）ｈ２が６００ｍｍを越えると、吸気口４ａと排気口５ａの距離が遠く、圧損を受け、排気効率が低下するため、好ましくない。また旋回流は下方向に向かう程、流速が低下するため排気ガス中に含まれるシリカガラス粉が吸気炉部４の内壁面に付着するため、好ましくない。

更に、前記排気炉部５の内壁の内径ｃは、前記吸気炉部４の内径をｂとした場合に１．２ｂ以上３．０ｂ以下に形成されている。
前記吸気炉部５から旋回して降りてくる流れは排気炉部５の内壁に沿って下降し排気口５ａより排気されるが、排気口５ａに到達しなかった気流が一部存在し、この流れは排気炉部５内を循環する。この流れは、インゴット昇降軸６ａに沿って上昇し、吸気炉部５下面で上部から降りてくる旋回流と衝突する流れとなる。このような流れの衝突を回避するには排気炉部５内を循環するガスを排気口５ａから充分排気し、排気炉部５内の流速をある程度低下させることが必要である。そのため、排気炉部５の内径ｃは、吸気炉部４の内径をｂとすると１．２ｂ〜３．０ｂであることが必要である。

前記排気炉部５の内径ｃが、１．２ｂ未満の場合には、排気炉部５内の排気ガス流速が速いため、排気口５から排気される効率が悪く、排気炉部５内を循環するガス成分（ガス流れ）が多くなる。
この場合、吸気炉部４から降りてくる旋回流と衝突する頻度が高くなり、この部分でガス流れが乱流となり、インゴット昇降軸６ａに沿った上昇気流が生じる。これは、インゴット８の合成面（溶融シリカ付着面８ａ）まで影響し、インゴット８の内部の欠陥を生じさせる原因となるため、好ましくない。また、排気炉部５が非常に高温となり、部材の劣化が激しくなり、製造コストが嵩み、好ましくない。
また、排気炉部５内壁の内径ｃが３．０ｂを超える場合には、排気炉部５内の排気ガスの流速が遅いため、排気炉部５の内壁面へシリカガラス粉が堆積しやすく、排気効率が低下するため、好ましくない。

排気炉部５内の高さｈ３が３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることが望ましい。
前記排気炉部５の高さｈ３が３００ｍｍ未満であると、排気炉部５内の流速が速いため、排気炉部５内を循環するガス成分が多くなる。この場合、吸気炉部４から降りてくる旋回流と衝突する頻度が高くなり、この部分でガス流れが乱流となり、インゴット昇降軸６ａに沿った上昇気流が生じる。これは、インゴット８合成面（溶融シリカ付着面８ａ）まで影響し、インゴット８の内部の欠陥を生じさせるため、好ましくない。

一方、排気炉部５の高さｈ３が２０００ｍｍを越えると、吸気口４ａと排気口５ａの距離が遠いため、圧損を受け排気効率が低下するため、好ましくない。また吸気炉部４内を旋回する気流の速度が遅くなるため、昇気流が発生し易くなり、インゴット８の内部の欠陥を生じさせる原因となるため、好ましくない。

更に、前記インゴット形成用のターゲット６の下方には、図１，３に示すように、下方向に延びる鍔部６ｃを有する風向変更板９が設置されている。
この風向変更板９は天井部９ａを有する円筒状に形成され、前記天井部９ａには、インゴット昇降軸６ａが貫通する貫通孔９ｂが形成されている。また、この風向変更板９の外周壁（鍔部９ｃ）は、前記インゴット昇降軸６ａに沿って下方に延設されている。

前記吸気炉部４から旋回して降りてくる流れは排気炉部５の内壁に沿って下降し排気口５ａより排気されるが、排気口５ａに到達しなかった気流が一部存在し、この流れは排気炉部５の内部を循環する。

この流れは、図４に矢印で示すように、インゴット昇降軸６ａに沿って上昇し、吸気炉部４の下面で上部から降りてくる旋回流と衝突する流れとなる。吸気炉部４から降りてくる旋回流と衝突する頻度が高くなると、この部分でガス流れが乱流となり、インゴット昇降軸６ａに沿った上昇気流が生じる。これは、インゴット８の合成面（溶融シリカ付着面８ａ）まで影響し、インゴット８の内部の欠陥を生じさせる原因となる。

これに対して、図５に示すように風向変更板９が設置されている場合には、前記風向変更板９の鍔部９ｃによって、インゴット昇降軸６ａに沿った上昇気流は遮断されるため、前記したインゴット８の内部の欠陥の発生が抑制される。

また、前記風向変更板９の直径がインゴット８の直径に対して−１０ｍｍ以上＋１０ｍｍ以下であり、前記鍔部の下方の長さが５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることが望ましい。
この風向変更板９の直径は、所望のインゴット８の直径と同等にすることが望ましいが、インゴット８の直径に対し±１０ｍｍ以内であれば、上記した効果は得られる。しかしながら、前記風向変更板９の直径がインゴット８の直径よりも１０ｍｍを超える場合には、吸気炉部４からの排気ガスが風向変更板９の上面（天井部外面）に衝突し、上昇流を発生させる。逆に、前記風向変更板９の直径がインゴット８の直径よりも１０ｍｍを下回る場合には、上昇流を十分に遮断することができない。

また、前記鍔部の下方の長さが５０ｍｍ以上であれば、風向変更板９の内部で上昇流を受け止め、その上昇流を風向変更板９の内部で十分に対流（下降流に変更）させることによって、流速を低下させ、吸気炉部４方向へ向かう上昇流を弱める効果が得られる。
一方、前記鍔部９ｃの下方の長さが５０ｍｍ以下の場合、風向変更板９の内部での対流（下降流に変更）が不足し、流速低下が十分でなく、風向変更板９から上昇流が漏れ出し、吸気炉部４に向かう上昇流を形成することになる。
逆に、風向変更板９の鍔部９ｃの下方の長さが１００ｍｍを超える場合には、鍔部９ｃの外部で発生した上昇流を受け止めることができない範囲が大きくなり、結果として上昇流を抑制することができない。

更に、この製造装置１には、図１に示すように、前記排気口５ａに排気設備１０が接続されている。
この排気設備１０は、前記排気炉部５に形成された排気口５ａに接続された排気管１１と、前記排気管１１に接続された外気導入管１２と、外気導入管１２の開度を制御する回動弁１３と，前記排気炉部５に設けられた炉内圧力と炉外圧力差を測定する差圧センサ１５と、前記排気管１１に接続された除害装置１７、排気ファン１８とを備えている。
尚、排気ガス中のシリカガラス粉の付着によって差圧の測定が不能になるのを防止するため、差圧センサ１４は排気口５ａより下部に設置されている。図１にあっては、左側の排気管１１に接続された除害装置１７、排気ファン１８を省略して図示している。

前記回動弁（ダンパ）１２は、前記差圧センサ１４からの測定データに基づいて、制御装置１５によってステッピングモータ１４を制御することによって回動される。即ち、前記差圧センサ１４からの測定データが、制御装置１５にフィードバックされ、この制御装置１０によりステッピングモータ１４は制御（Ｐ．Ｉ．Ｄ制御）され、回動弁１３の開度が調整されるように構成されている。

このように、回動弁１３の開度が調整されることにより、外気導入管１２から排気管１１内に導入される外気量が調整され、排気炉部５からの排気量と外気導入管１２からの外気導入量の総排気量を変化させることなく、排気炉部５からの排気量と外気導入管１２からの外気導入量の配分を可変する制御がなされる。

この排気設備１０がこのように構成されているため、排気管１１の排気量の制御は、排気部５に設けられた差圧センサ１４の値を、排気管１０に設けられた外気導入管１１の開度を調節する回動弁１２（制御装置１５）にフィードバックし、回動弁１２の開閉度によって、炉内外の差圧が一定になるように排気量の制御を行うことができる。

そのため、排気炉部５からの排気量が大きい場合には、外気導入管１２の開度を小さくし、外気の導入量を小さくする。一方、排気部５からの排気量が小さい場合には、外気導入管１２の開度を大きくし、外気の導入量を大きくする。しかも、排気部５からの排気量と外気導入管１２からの外気導入量を合わせた総排気量は変化しないように制御する。
尚、総排気量はバーナー７より供給されるガス量で決定される炉体２からの排ガス量と、吸気口４ａからの導入ガス量の総量と、排気口下流側の２次ガス流入口（外気導入管１２）からのガス導入量を加えた量を総排気量とすることが必要である。

その結果、排気炉部５から安定した排気を行うことができ、マッフル３内の雰囲気を安定させることができる。しかも、総排気量が変化しないため、排気管１１におけるシリカガラス粉の付着を抑制できる。
更に、この合成石英ガラスの製造装置の排気管１１の総排気量が変化しないため、一基の除害装置１７、排気ファン１８に多数の炉体２を連結させることが可能となり経済的である。

そして、本発明の合成石英ガラスの製造装置を用いて製造することにより、合成石英ガラスインゴット８内に気泡、異物の混入が抑制され、屈折率が均質な合成石英ガラスを得ることができる。

次に本発明に係わる合成シリカガラス製造方法について説明する。
図１に示すように、高純度のケイ素化合物、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）などの気体を約６００℃のマッフル３内に開口するバーナー７を用いて酸水素炎中に導入し、火炎加水分解させてガラス微粒子を直接回転するターゲット６上に堆積・溶融ガラス化させ、堆積速度に合わせてバーナー７からインゴット８の溶融シリカ付着面８ａまでの距離を一定に保つように引き下げながら合成シリカガラスの製造を行う。

一方、図２に示すように、吸気口４ａは４個等間隔で設けられ、溶融シリカ付着面８ａよりも常に低い位置に設けられ、逆に言えば、インゴット８の溶融シリカ付着面８ａより常に低い位置に吸気ガスが導入されるようにターゲット６上面位置を調整し、かつ吸気口４ａから供給される空気がインゴット８に直接当たらないような方向かつ水平に対して５〜６０°の角度で下方に傾斜して導入している。

前記吸気口４ａから供給された空気は、インゴット８の周囲に沿って上方から下方に旋回流となって流れ、排気口５ａから炉体２外に排気される。しかも、前記吸気口５ａから供給されたガスが、インゴット形成用のターゲット６の回転方向と同方向に旋回する旋回下降流として形成される。

前記吸気口４ａは、４個等間隔で設けられているので、炉内雰囲気に偏りがなく、また、炉内空気は常に上方から下方に旋回流となって流れるので、浮遊するシリカは空気と共に速やかかつ確実に炉体２外に排気され、逆流して溶融シリカ付着面８ａに付着することがなく、インゴット８の内部に欠陥として残存することがない。
更に、風向変更板９により、インゴット昇降軸６ａに沿った上昇気流は遮断されるため、前記したインゴット８の内部の欠陥の発生をより抑制することができる。

更にまた、上記排気過程において吸気口４ａからのガス導入量は、必要以上に増加させると炉内壁に沿った溶融面方向への気流を助長させるため、理論上、合成に必要なガス量の２〜１０倍以下が好ましい。

さらに、吸気口４ａは、インゴット８の溶融シリカ付着面８ａよりも常に低い位置に設けられているので、溶融シリカ付着面８ａ近傍の温度を低下させることがなく、バーナー７の周囲にシリカガラス粉が付着せず、バーナー７を詰まらせることもなく、シリカガラス粉が溶融面へ付着することもない。
また、吸気口４ａは，この吸気口４ａから供給されるガスがインゴット８に直接当たらないような方向に向いて設置されているので、バーナー７からの火炎と干渉するおそれがなく、脈理等の欠陥が生じることもない。

さらに、吸気口４ａ３から供給されるガス温度は、３０℃以下、好ましくは２０℃以下でかつ、±５℃の範囲にするのが好ましい。これにより、高い直径制御が可能となる。

また、外気導入管１２から排気管１１に常温空気を取り入れ排気ガス温度を低下させることで、排気設備１０の保護を図り、また排気量を容易に一定になすことができる。

（実施例）
図１及び図２に示すような本発明に係る合成シリカガラス製造装置を用い、吸気口はこの吸気口と同高さ位置の合成炉中心軸とを結ぶ直線（直径）に対し４５°（好ましい範囲は、３０°〜５０°）の角度でかつ、インゴット回転方向にガスを導入するように設け、さらに、吸気口とインゴット昇降軸に対し水平に対して下方に１５°傾けた。排気口は吸気口よりも下方に設置し、インゴット昇降軸に対し対称となる位置で２ヶ所設けた（実施例）。

この実施例の装置を用い、吸気口からの導入ガス温度を２０℃とし、炉体からの排ガス量と、４ヶ所の吸気口からの導入ガス量の総量と、排気口下流側の２次ガス流入口からのガス導入量を加えた量を総排気量とし、吸気口からの導入ガス量を合成炉内から排出される排ガス量の５倍の流量を導入して、また、排気管には外気導入管を設け、空気を排気管内に導入することで合成シリカインゴットを溶融した。
この結果、インゴット内部の欠陥は検出されなかった。

（比較例）
図４に示すように炉体２に設けられた吸気口４ａの方向をインゴット昇降軸６ａに向けて設置し、他は実施例と同様にして合成シリカインゴットを溶融した。この結果インゴット内部に残存する欠陥が５点検出された。

本発明の一実施形態に係る合成シリカガラス製造装置の概略構成図。 本発明の一実施形態に係る合成シリカガラス製造装置に設けられた吸気口の配置状態を示す平面図。 図１に示した風向変更板を示す斜視図。 風向変更板が設置されていない場合の炉内のガス流れを示す概略図。 風向変更板が設置された場合の炉内のガス流れを示す概略図。 比較試験における比較例に用いられる吸気口の配置状態を示す平面図。

符号の説明

１ 合成シリカガラス製造装置
２ 炉体
３ マッフル
４ 吸気炉部
４ａ 吸気口
５ 排気炉部
５ａ 排気口
６ ターゲット
７ バーナー
８ インゴット
８ａ 溶融シリカ付着面
９ 風向変更板
１０ 排気設備
１１ 排気管
１２ 外気導入管
１３ 回動弁
１５ 差圧センサ
１６ 制御装置

Claims (9)

1. 密閉された炉体と、前記炉体の上部に設けられた複数の吸気口と、前記炉体の下部に設けたられた排気口と、前記排気口に接続された排気設備と、前記炉体内部に回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲットと、前記ターゲットに先端が対向して設けられたシリカガラス合成用のバーナーとを備え、
   前記吸気口は前記インゴットの溶融シリカ付着面よりも常に低い位置に設けられ、吸気口から供給されるガスが前記インゴットに直接当たらないような方向かつ水平に対して下方に傾斜して設置された合成シリカガラス製造装置であって、
   前記吸気口から供給されたガスが、インゴット形成用のターゲットの回転方向と同方向に旋回する旋回下降流として形成されることを特徴とする合成シリカガラス製造装置。
2. 前記炉体は、前記シリカガラス合成用のバーナーが頂部に設置された耐火物製のマッフルと、前記マッフルの下方に設けられた複数の吸気口を有する吸気炉部と、前記吸気炉部の下方に設けられた複数の排気口を有する排気炉部とを備えることを特徴とする請求項１記載の合成シリカガラス製造装置。
3. 前記マッフルの内径が、前記インゴットの外径をrとした場合に１．３ｒ以上２．５ｒ以下であって、マッフル内の高さが３００ｍｍ以上８００ｍｍ以下であり、
   前記吸気炉部の内径が、前記マッフルの内径をａとした場合に１．２ａ以上２．０ａ以下であって、吸気炉部内の高さが１５０ｍｍ以上６００ｍｍ以下であり、
   前記排気炉部の内径が、前記吸気炉部の内径をｂとした場合に１．２ｂ以上３．０ｂ以下であって、排気炉部内の高さが３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の合成シリカガラス製造装置。
4. 前記インゴット形成用のターゲットの下方には、下方向に延びる鍔部を有する風向変更板が設置されていることを特徴とする請求項１記載の合成シリカガラス製造装置。
5. 前記風向変更板の直径が、インゴットの直径に対して−１０ｍｍ以上＋１０ｍｍ以下の範囲にあり、前記鍔部の下方の長さが５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の合成シリカガラス製造装置。
6. 前記排気設備は、前記排気炉部に設けられた炉内圧力と炉外圧力差を測定する差圧センサと、前記排気炉部に形成された排気口に接続された排気管と、前記排気管に接続された外気導入管と、外気導入管の開度を制御する回動弁とを備え、
   前記差圧センサの差圧が一定になるように、回動弁の開度を制御し、総排気量を変化させることなく、排気炉部からの排気量と外気導入管からの外気導入量の配分を可変するように構成したことを特徴とする請求項２記載の合成石英ガラスの製造装置。
7. 前記排気管には除害装置が接続され、更に前記除害装置に排気ファンが接続されていることを特徴とする請求項６記載の合成石英ガラスの製造装置。
8. 前記炉体を構成するマッフルの水平断面、前記マッフルの下方に設けられた複数の吸気口を有する吸気炉部の水平断面、前記吸気炉部の下方に設けられた複数の排気口を有する排気炉部の水平断面のいずれもが円形であることを特徴とする請求項２記載の合成シリカガラス製造装置。
9. シリカガラス合成用バーナーを用いて炉体内に設けられたターゲットに溶融シリカを付着させる合成シリカガラス製造方法において、
   炉体上部に設けられた複数の吸気口からガスを吸気し、前記吸気したガスによって、インゴットに直接当たらないような方向及び水平に対して下方に傾斜し、更にターゲットの回転方向と同方向に旋回するガス流れを形成し、
   かつインゴットの溶融シリカ付着面より常に低い位置から吸気されるようにターゲット上面位置を調整すると共に、炉体下部近傍から排気しながら、ターゲットに溶融シリカを付着させることを特徴とする合成シリカガラス製造方法。

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