JP2010195614A - 多孔質ガラス母材製造用バーナ及び多孔質ガラス母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 助燃性ガス可燃性ガス噴出ポートと小口径助燃性ガス噴出ポートがシールガス無しに隣接するマルチノズルバーナにおいて、小口径ガス噴出ポートの流速が小さい領域においても、小口径ガス噴出ポート先端に焼けが生じない多孔質ガラス母材製造用バーナ及び多孔質ガラス母材の製造方法を提供する。
【解決手段】 中心のガラス原料ガス噴出ポートの外側に可燃性ガス噴出ポートを有し、該可燃性ガス噴出ポート内に、前記ガラス原料ガス噴出ポートに対し同心円状に１列または複数列の小口径助燃性ガス噴出ポートが配設され、同一列の噴出ポートは同一の焦点距離を有し、該小口径助燃性ガス噴出ポート先端面に凹みを有することを特徴としている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、可燃性ガス噴出ポート内に小口径助燃性ガス噴出ポートを有するマルチノズル型の多孔質ガラス母材製造用バーナ及び多孔質ガラス母材の製造方法に関する。

従来、光ファイバ母材を製造するために、各種方法が提案されている。それらの方法の中でも、約50mmφ程度の回転する出発部材に、バーナ又は出発部材を相対往復移動させて、バーナ火炎中で生成したガラス微粒子を付着堆積させて太さ約250〜350mmφ程度のスートを合成し、これを電気炉内で脱水、焼結させる外付け法（OVD法）は、比較的任意の屈折率分布のものが得られ、しかも、大口径の光ファイバ母材を量産できることから汎用されている。

従来、ガラス微粒子堆積体の合成には同芯多重管バーナが用いられているが、このような構造のバーナは、ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスの混合が充分に行われないため、ガラス微粒子の生成が充分に行われなかった。その結果、収率が伸びず高速合成が困難であった。
この問題を解決するために、特許文献１では、可燃性ガス噴出ポート内に、中心の原料ガス噴出ポートを取り囲むように小口径助燃性ガス噴出ポートを配置したマルチノズル型バーナが提案されている。また、特許文献２には、小口径ガス噴出ポートの肉薄化や、噴出ガス流を20m/s以上の高速とする方法が提案されている。また、特許文献３は、多重管バーナのガス流路間の隔壁先端を鋭角、鈍角またはアールにすることを提案している。

特許1773359号公報 特開平6−247722号公報 特開平11-21136号公報

しかしながら、特許文献１が提案しているようなマルチノズル型バーナは、可燃性ガス噴出ポートに内包された小口径ガス噴出ポートから噴出される助燃性ガスと、小口径ガス噴出ポートの周囲を流れる可燃性ガスが隣接しているため、助燃性ガスの流速が小さい場合に、小口径ガス噴出ポートの先端が非常に焼けやすく、また焼けの進行にともなってガラス微粒子の堆積密度が経時的に変化したり、堆積形状の不整が大きくなるといった問題があった。さらに、先端が焼けると、先端に付着したガラス微粒子が結晶化して飛散し、多孔質ガラス母材に取り込まれ、ガラス化後に気泡を生じる。

小口径ガス噴出ポートの肉薄化や、噴出ガス流を20m/s以上の高速とする特許文献２の方法は、ＯＶＤ法では、堆積が進むとともに対象径が大きくなっていくため、一般的に、堆積後半になるほど、ガス流量を増やしていかなければならない。ここで、対象径が太くなる堆積後半において、堆積効率が最適になるようなガス流量及びガス流速でバーナ寸法を決定した場合、対象径が細い堆積初期においては、ガス流量が少ないためにガス流速が小さくなりすぎ、小口径ガス噴出ポートの先端（出口端）が焼けやすいという問題があった。
また、特許文献３の方法は、リング状同心多重管バーナのガス流路間の隔壁先端を鋭角、鈍角またはアールとすることにより、ガス流に局所的な低圧部や渦の発生を抑制している。しかしながら、限られた管肉厚の中での面取りだけでは、渦発生の頻度及び程度を低減する事は出来ても、完全に渦の発生を抑えるところまでは困難であった。特に、可燃性ガスと助燃性ガスが隣接している場合には、渦の発生が、管先端の焼けに直結してしまい、先端部形状が経時的に変化してしまうという問題が生じやすい。

本発明は、可燃性ガス噴出ポートと小口径助燃性ガス噴出ポートがシールガス無しに隣接するマルチノズルバーナにおいて、小口径ガス噴出ポートの流速が小さい領域においても、小口径ガス噴出ポート先端に焼けが生じない多孔質ガラス母材製造用バーナ及び多孔質ガラス母材の製造方法を提供することを目的としている。

本発明の多孔質ガラス母材製造用バーナは、中心のガラス原料ガス噴出ポートの外側に可燃性ガス噴出ポートを有し、該可燃性ガス噴出ポート内に、前記ガラス原料ガス噴出ポートに対し同心円状に１列または複数列の小口径助燃性ガス噴出ポートが配設され、同一列の噴出ポートは同一の焦点距離を有し、該小口径助燃性ガス噴出ポート先端面に凹みを有することを特徴としている。
なお、小口径助燃性ガス噴出ポート先端面の凹みは、管壁先端面の厚さ方向中央部に設け、小口径助燃性ガス噴出ポート先端の管厚Ｄと凹みの最大深さＨとの比がＤ／Ｈ≦2.5の関係にあるように設けるのが好ましい。

本発明の多孔質ガラス母材の製造方法は、中心のガラス原料ガス噴出ポートの外側に可燃性ガス噴出ポートを有し、該可燃性ガス噴出ポート内に、前記ガラス原料ガス噴出ポートに対し同心円状に１列または複数列の小口径助燃性ガス噴出ポートが配設され、同一列の噴出ポートは同一の焦点距離を有し、該小口径助燃性ガス噴出ポート先端面に凹みを有する、多孔質ガラス母材製造用バーナを用いてガラス微粒子の堆積を行うことを特徴とている。
なお、小口径助燃性ガス噴出ポート先端面の凹みは、管壁先端面の厚さ方向中央部に設け、小口径助燃性ガス噴出ポート先端の管厚Ｄと凹みの最大深さＨとの比がＤ／Ｈ≦2.5の関係にあるように設けるのが好ましい。

本発明は、可燃性ガス噴出ポートに内包された小口径ガス噴出ポート先端面の一部、特には先端面の厚さ方向中央部に凹みを設けたことで、先端部の反応による高温領域を避けることができ、焼けを防ぐことが可能となる。これにより先端形状が変化しないために、堆積状態及び堆積形状の経時変化が起きることなく、バーナ先端の失透劣化によるガラスの飛散も発生しないため、母材中に気泡の発生を防ぐことが可能となる。

多孔質ガラス母材の製造装置の一例を示す概略図である。 小口径ガス噴出ポートを有するガラス微粒子合成用バーナ先端部の概略横断面図である。 小口径ガス噴出ポートを有するガラス微粒子合成用バーナ先端部の概略縦断面図である。 従来の小口径ガス噴出ポート先端部を拡大して示した概略断面図である。 本発明の小口径ガス噴出ポート先端部を拡大して示した概略断面図である。 小口径ガス噴出ポート先端部付近のガス流を説明する模式図である。 実施例と従来例の多孔質ガラス母材の密度変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の光ファイバ母材の製造方法及び装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、多孔質ガラス母材製造装置の一例を示す概略図であり、出発部材はコアロッド１の両端部にそれぞれダミーロッド２が溶着されており、インゴットチャック機構４によって装置に回転自在に支持されている。バーナ３からＳｉＣｌ₄等のファイバ用原料と燃焼ガス（水素ガス及び酸素ガス）を噴射し、バーナ３をバーナガイド機構により出発部材に沿って往復移動させて、酸水素火炎中で加水分解して生成したガラス微粒子（スート）を出発部材上に堆積させることにより、光ファイバ用多孔質母材が得られる。未付着のガラス微粒子は排気フード５から系外に排出される。得られた多孔質ガラス母材を加熱炉中を通過させて脱水ガラス化し、光ファイバ母材とされる。

図２は、バーナ先端部の概略横断面図であり、図３はその概略縦断面図である。図において、ガラス原料ガス噴出ポート６の外側に、ガラス原料ガス噴出ポート６に対し小口径助燃性ガス噴出ポート７が同心円状に１列または複数列配置された状態で、可燃性ガス噴出ポート８に内包されている。なお、符号９はシールガス噴出ポート、符号10は小口径助燃性ガス噴出ポート先端である。
図４は、従来の小口径ガス噴出ポートの先端部を拡大して示した概略断面図であり、小口径助燃性ガス噴出ポート先端10の管壁先端面が平坦となっている。

図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の小口径ガス噴出ポート先端部を拡大して示した概略断面図であり、（ａ）、（ｂ）いずれにも管壁先端面の厚さ方向中央部に凹みが設けられている。
なお、先端面の凹みは、小口径助燃性ガス噴出ポート先端の管厚Ｄと先端面の凹みの最大深さＨとの比がＤ／Ｈ≦2.5の関係を満たすように設けられている。Ｄ／Ｈ＞2.5となる場合は、バーナから噴出されたガス流に渦流が生じ、先端面が焼けるため好ましくない。

小口径助燃性ガスの流速が小さい場合には、図６（a）に示すように、小口径ガス噴出ポートの管壁14の内外を流れる助燃性ガスと可燃性ガスの一部が先端面側に巻き込まれ、助燃性ガスの渦流11と可燃性ガスの渦流12を生じ、両渦流が小口径助燃性ガス噴出ポート先端中央部付近で衝突反応し、その付近の雰囲気温度が上昇し高温領域13が生じる。その結果、小口径助燃性ガス噴出ポート先端の中央部に焼けが発生し、徐々に、この焼けが進行していく。
次に、図６（ｂ）に示すように、小口径助燃性ガス噴出ポートの管壁先端面の厚さ方向中央部に凹みを設けると、先端面に向けて巻き込まれた渦流11,12が衝突して 高温領域13を生じるが、凹みの設けられたところに生じるため、流速が小さい場合でも先端が焼けることはない。

実施例１；
図１に示したような装置を用いて、外付け法で多孔質ガラス母材の製造を行った。
使用したバーナは、図２、３に示すように、中心のガラス原料ガス噴出ポートの外側に、ガラス原料ガス噴出ポートに対し同心円状に複数の小口径助燃性ガス噴出ポートが可燃性ガス噴出ポート内に１列に配置され、同一の焦点距離150mmを有している。小口径ガス噴出ポートの先端は、図５の（a）のような形状とし、小口径ガス噴出ポートの管厚を1.5mm、凹み深さを0.3mmとした。
このバーナに表１に示すような種類のガスを流して、外径50mmのコアロッドの両端部に外径50mmのダミーロッドを溶着した出発部材上にガラス微粒子を堆積して、外径250mmの多孔質ガラス母材を３０本作製した。

小口径ガス噴出ポートから噴出させたO₂ガスは、その流量を堆積後半にかけて次第に増量させた。このガス流量の変化に伴って、ガス流速は、堆積開始時の３m/sから堆積終了時の32m/sまで変化した。
その結果、多孔質ガラス母材を30本製造した後においても、小口径助燃性ガス噴出ノズルの変形や失透といった変化は見られなかった。
作製した30本の密度を測定し、その結果を図７に示した。図からその密度が0.69g/cmで一定しているのが認められる。これを透明ガラス化したところ、気泡数は30本の平均で0.8個であった。

比較例１；
小口径ガス噴出ポートの先端が、図４に示すように平坦な形状を有するバーナを用いた以外は、実施例１と同じ条件で30本の多孔質ガラス母材を製造した。
その結果、1本目の終了後から、小口径ガス噴出ポート先端の中央部に焼けによる変形が見られ始め、30本製造後には、先端面に深さ約0.25mmの変形が生じた。
また、製造された多孔質ガラス母材の密度は、図７の従来例に示すように次第に小さくなっていった。これを透明ガラス化したところ、気泡数は30本平均で3.2個となり、実施例1の0.8個より極めて多いものであった。

実施例２；
小口径ガス噴出ポート先端の管厚Dと凹み深さHを変化させ、表２に示すような組み合わせで、実施例１と同様にして多孔質ガラス母材を30本作製した。

その結果、管厚0.75mmの場合はD/H≦2.5の範囲で、管厚1.00mmの場合はD/H≦3.3の範囲で、小口径ガス噴出ポート先端に焼けは発生しなかった。

１.コアロッド、２.ダミーロッド、３.バーナ、４.インゴットチャック機構、５.排気フード、６.ガラス原料ガス噴出ポート、７.小口径助燃性ガス噴出ポート、８.可燃性ガス噴出ポート、９.シールガス噴出ポート、１０.小口径助燃性ガス噴出ポート先端、１１.小口径助燃性ガスの渦流、１２.可燃性ガスの渦流、１３.高温領域、１４.管壁。

Claims (6)

1. 中心のガラス原料ガス噴出ポートの外側に可燃性ガス噴出ポートを有し、該可燃性ガス噴出ポート内に、前記ガラス原料ガス噴出ポートに対し同心円状に１列または複数列の小口径助燃性ガス噴出ポートが配設され、同一列の噴出ポートは同一の焦点距離を有し、該小口径助燃性ガス噴出ポート先端面に凹みを有することを特徴とする多孔質ガラス母材製造用バーナ。
2. 前記小口径助燃性ガス噴出ポート先端面の凹みが、管壁先端面の厚さ方向中央部に設けられている請求項１に記載の多孔質ガラス母材製造用のバーナ。
3. 小口径助燃性ガス噴出ポート先端の管厚Ｄと凹みの最大深さＨとの比がＤ／Ｈ≦2.5の関係にある請求項１又は２に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナ。
4. 中心のガラス原料ガス噴出ポートの外側に可燃性ガス噴出ポートを有し、該可燃性ガス噴出ポート内に、前記ガラス原料ガス噴出ポートに対し同心円状に１列または複数列の小口径助燃性ガス噴出ポートが配設され、同一列の噴出ポートは同一の焦点距離を有し、該小口径助燃性ガス噴出ポート先端面に凹みを有する、多孔質ガラス母材製造用バーナを用いてガラス微粒子の堆積を行うことを特徴とする多孔質ガラス母材の製造方法。
5. 前記小口径助燃性ガス噴出ポート先端面の凹みが、管壁先端面の厚さ方向中央部に設けられている請求項４に記載の多孔質ガラス母材の製造方法。
6. 小口径助燃性ガス噴出ポート先端の管厚Ｄと凹みの最大深さＨとの比がＤ／Ｈ≦2.5の関係にある請求項４に記載の多孔質ガラス母材の製造方法。

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