JP2010215432A

JP2010215432A - シリカガラスの加熱成形装置及び加熱成形方法

Info

Publication number: JP2010215432A
Application number: JP2009061619A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Yokogawa; 知行横川; Kazuya Kuwabara; 一也桑原; Taku Yamazaki; 卓山崎
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】シリカガラスを破損させずに高品質なシリカガラスを成形することができるシリカガラスの加熱成形装置および加熱成形方法を提供する。
【解決手段】シリカガラスの加熱成形装置１０は、シリカガラス１を収納するカーボン容器１１と、このシリカガラス１をカーボン容器１１内で溶融させて加熱加工させる真空加熱炉１２と、を備えている。そして、カーボン容器１１は、その内側に緩衝材１４を設置し、さらに緩衝材１４の内側に密度０．５ｇ／ｃｍ^３〜２．０ｇ／ｃｍ^３のカーボンホイル１５を内設している。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリカガラスのインゴットなどを加熱成形するシリカガラスの加熱成形装置及び加熱成形方法に関する。

従来のシリカガラスの成形方法およびその成形装置の一例として、図３に示すように、グラファイト製成形容器１０１の内側にカーボン繊維からなるフェルト材１０２を配置し、この成形容器１０１と合成石英ガラス１０３との熱膨張率差に起因する応力を緩和するようにした合成石英ガラスの成形装置１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の石英ガラスの成形方法およびその成形装置の他の一例として、グラファイト製成形容器の外側にクッション性のあるカーボン繊維やカーボンホイルを配置したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−５３３３０号公報特開昭６１−８３６３８号公報

ところが、特許文献１に開示された従来の合成石英ガラスの成形装置１００では、グラファイト製成形容器１０１の内側にフェルト材１０２を配置してはいるものの、成形中の高温下で合成石英ガラス１０３が溶融してフェルト材１０２に接触してしまう。このため、合成石英ガラス１０３とフェルト材１０２とが、ＳｉＯ_２＋Ｃ→ＳｉＯ_２−ｘ＋ＣＯのように化学反応してフェルト材１０２を劣化させてしまう。
これにより、フェルト材１０２がクッション性を持たなくなり、冷却時のグラファイト製成形容器１０１の収縮がフェルト材１０２で吸収できなくなって、シリカガラス１０３を破損させる虞があった。

また、特許文献２に開示された従来の石英ガラスの成形方法では、クッション材であるカーボン繊維やカーボンホイルをグラファイト製成形容器の外側に配置しているため、特許文献１と同様に、内部の石英ガラスとグラファイト製成形容器とが接触してしまう状況に変わりはなく、石英ガラスを破損させる虞があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シリカガラスを破損させずに、高品質なシリカガラスを成形することができるシリカガラスの加熱成形装置および加熱成形方法を提供することにある。

上記課題を解決することができる本発明に係るシリカガラスの加熱成形装置は、柱形状のシリカガラスが収納されるカーボン容器と、該カーボン容器を内部に設置して加熱する加熱炉と、を備え、該加熱炉内で前記シリカガラスを潰して断面積が大きくなるように加熱加工するシリカガラスの加熱成形装置であって、前記カーボン容器は、その内側に緩衝材を設置し、さらに該緩衝材の内側に密度０．５ｇ／ｃｍ^３〜２．０ｇ／ｃｍ^３のカーボンホイルを内設することを特徴としている。

このように構成されたシリカガラスの加熱成形装置によれば、シリカガラスは、加熱炉内で高温に加熱されて溶融しながら加熱加工される際に、カーボンホイルに接触するためカーボンフェルト等の緩衝材に直接接触することはない。これにより、緩衝材の劣化を防止することができる。
また、緩衝材が劣化していないので、冷却時にカーボン容器が収縮する際に、これを緩衝材が吸収することができる。これにより、シリカガラスの破損が防止され、高品質なシリカガラスを成形することができる。
なお、カーボンホイルの密度が下限値０．５ｇ/ｃｍ^３を下回ると、加熱溶融したシリカガラスと接触した際に、劣化して消滅してしまい易くなる。カーボンホイルが消滅してしまうと、緩衝材にシリカガラスが直接接触する形になってしまうため、緩衝材の劣化が始まってしまう。逆に、密度が上限値２．０ｇ/ｃｍ^３を超えると、可撓性が乏しくなる。これにより、緩衝材内側ヘの内設が困難になったり、セット中にカーボンホイル自体に亀裂が入ってしまう。

また、本発明に係るシリカガラスの加熱成形装置は、前記カーボンホイルの厚みが、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであることが好ましい。

このように構成されたシリカガラスの加熱成形装置によれば、カーボンホイルの厚みが、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであることにより、薄過ぎて熱劣化で消滅したり、厚過ぎて可撓性が悪化したりすることはない。特に、カーボンホイルが厚過ぎると、シリカガラスのセット中にカーボンホイルに接触してカーボンホイルが破断したり、緩衝材に対して内設し難くなったりする。したがって、カーボンホイルの厚みを適切に設定することで、これらを解消することができる。

また、本発明に係るシリカガラスの加熱成形装置は、前記カーボンホイルの密度ρと厚みｔの積が、０．０１≦ρ×ｔ≦０．２ｇ／ｃｍ^２を満たすことが好ましい。

カーボンホイルは、密度ρと厚みｔがいずれも小さいと耐熱性を十分に確保できなくなる。これとは逆に、密度ρと厚みｔがいずれも大きいと可撓性が悪化する。そのため、０．０１≦ρ×ｔ≦０．２ｇ／ｃｍ^２を満たす密度ρおよび厚みｔを選択することで、カーボンホイルの良好な耐熱性および可撓性を確保した加熱成形を行うことができる。

また、上記課題を解決することができる本発明に係るシリカガラスの加熱成形方法は、
内側に緩衝材を設置し、さらに該緩衝材の内側に密度０．５ｇ／ｃｍ^３〜２．０ｇ／ｃｍ^３のカーボンホイルを内設したカーボン容器内に柱形状のシリカガラスを収納し、該カーボン容器を加熱炉内に設置して、前記シリカガラスを潰して断面積が大きくなるように加熱加工することを特徴としている。

このように構成されたシリカガラスの加熱成形方法によれば、加熱炉内で高温に加熱して溶融しながらシリカガラスを加熱加工させる際に、シリカガラスにカーボンホイルが接触するため、カーボンフェルト等の緩衝材に溶融したシリカガラスが直接接触しないようにして加熱成形を行うことができ、緩衝材の劣化を防止することができる。
緩衝材の劣化を防止することができるため、シリカガラス冷却時にカーボン容器が収縮する際に、これを緩衝材が吸収することができ、シリカガラスの破損が防止され、高品質なシリカガラスを成形することができる。

本発明に係るシリカガラスの加熱成形装置及び加熱成形方法によれば、シリカガラスは、加熱炉内で高温に加熱されて溶融しながら加熱加工される際に、カーボンホイルに接触してカーボンフェルト等の緩衝材に直接接触することはない。これにより、緩衝材の劣化を防止することができる。
また、緩衝材が劣化しないので、冷却時にカーボン容器が収縮する際に、これを緩衝材が吸収することができる。これにより、シリカガラスの破損が防止され、高品質なシリカガラスを成形することができる。

本発明の一実施形態に係るシリカガラスの加熱成形装置の成形前の断面図である。図１の加熱成形後の断面図である。従来のシリカガラスの加熱成形装置の断面図である。

以下、図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るシリカガラスの加熱成形方法を適用する成形前の加熱成形装置の断面図、図２は図１の成形後の断面図である。

本発明の一実施形態であるシリカガラスの加熱成形装置１０は、シリカガラス１を収納する型枠であるカーボン容器１１と、シリカガラス１を収納したカーボン容器１１を内部に設置して、シリカガラス１を溶融させながら加熱加工を行う真空加熱炉１２とを備えている。さらに、加熱成形装置１０は、シリカガラス１に押圧力を加える押圧機構１３と、カーボン容器１１の内側に内設させた緩衝材１４と、緩衝材の内側に内設させたカーボンホイル１５と、を備えている。

図１に示すように、カーボン容器１１は、カーボン材料を用いて有底の円筒形状に形成されており、周板１６と底板１７を有している。カーボン容器１１は、例えば、外径寸法が３５０ｍｍ、内径寸法が３３０ｍｍに形成されている。

真空加熱炉１２は、カーボン容器１１を収納する外形寸法を有し、シリカガラス１を溶融させる不図示のヒータを備えている。そして、この真空加熱炉１２は、シリカガラス１を収納したカーボン容器１１が内設され、シリカガラス１の上部には押圧機構１３の一部を構成する押圧板１８が当接される。この状態でヒータを駆動させ、例えば、１８００℃で１時間真空加熱が行われる。

押圧機構１３は、カーボン容器１１の周板１６に内接される円板形状の押圧板１８と、例えば、６．５ｋｇの錘１９とを備えている。この押圧機構１３は、真空加熱炉１２内で、カーボン容器１１に収納されているシリカガラス１を上方から押圧する。なお、錘１９に代えて、押圧板１８を押圧する荷重発生手段を用いても良い。

緩衝材１４は、例えば、かさ密度が０．０５ｇ／ｃｍ^３、厚さ寸法ｔ１が１０ｍｍである環状形のカーボンフェルトである。この緩衝材１４は、カーボン容器１１の底板１７上で周板１６に内接するように組み付けられている。

カーボンホイル１５は、例えば、厚さ寸法ｔ２が０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ、密度ρが０．５ｇ／ｃｍ^３〜２．０ｇ／ｃｍ^３である。この時、厚さ寸法ｔ２と密度ρとの積が、０．０１≦ρ×ｔ２≦０．２ｇ／ｃｍ^２を満たすものとして環状形に形成されている。カーボンホイル１５は、カーボン容器１１の底板１７上で緩衝材１４の内周面に接するように組み付けられている。

カーボンホイル１５は、高温処理中に消滅しない程度の厚みを予め用意しておくことにより、緩衝材１４とシリカガラス１との直接接触を回避できる。これにより、緩衝材１４を劣化させずにクッション性を保つことができる。即ち、カーボンホイル１５は、緩衝材１４とシリカガラス１との接触防止材として作用する。

カーボンホイル１５は、その密度ρが下限値０．５ｇ/ｃｍ^３を下回ると、加熱溶融したシリカガラス１と接触した際に、劣化して消滅してしまい易くなる。シリカガラス１が消滅してしまうと、緩衝材１４にシリカガラス１が直接接触することになってしまうため、緩衝材１４の劣化が始まってしまう。逆に、その密度ρが上限値２．０ｇ/ｃｍ^３を超えると、可撓性が乏しくなり、緩衝材１４内側ヘの内設が困難になったり、セット中にカーボンホイル１５自体に亀裂が入ってしまう。したがって、これらを考慮して、カーボンホイル１５の密度ρは、０．５ｇ／ｃｍ^３〜２．０ｇ／ｃｍ^３に設定されている。

また、カーボンホイル１５は、上記同様に、薄過ぎると消滅し易く、厚過ぎると緩衝材１４に内設し難くなる。したがって、その最適厚みとして、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内の厚みにより、耐熱性および取扱性に良好なことがわかった。

さらに、カーボンホイル１５は、密度ρと厚みｔ２の積（ρ×ｔ２）の最適範囲について、０．０１≦ρ×ｔ２≦０．２ｇ／ｃｍ^２の範囲内に収める組み合わせを選択することにより、耐熱性および取扱性に良好なことがわかった。

次に、図１、図２を参照して、本実施形態のシリカガラスの加熱成形方法について説明する。なお、シリカガラスとしては、Ｇｅ，Ｔｉ，Ｆ，Ｐ，Ａｌ，Ｙ，Ｋなどを添加させても良い。

先ず、例えば、外径１６０ｍｍ、高さ１７５ｍｍの円柱状のシリカガラス１をカーボン容器１１の中央部にセットし、押圧機構１３の押圧板１８をシリカガラス１の上部に置き、カーボン容器１１を真空加熱炉１２内に設置する。
なお、カーボン容器１１や緩衝材１４等のカーボン部品に含まれる灰分は、１０ｗｔｐｐｍ以下の高純度品が望ましい。灰分の割合が大きいと、カーボン部品に含まれる不純物がシリカガラス１に浸透してしまう。その結果、後工程でシリカガラス成形体２の表面を削る等して、不純物を除去する必要がある。

次に、図２に示すように、押圧機構１３の錘１９により、カーボン容器１１に収納されているシリカガラス１に上方から押圧力を加えながら、ヒータを駆動して１８００℃で１時間保持する。その後、ヒータを停止して１２００℃まで急冷し、１時間保持してから、再度プログラム運転により０．５℃／分の速度で１０００℃まで降温する。
これにより、熱処理されたシリカガラス１は、カーボンホイル１５の内側まで潰されながら塑性変形して、例えば、外径３０５ｍｍ、高さ４８ｍｍのシリカガラス成形体２が成形される。

（実施例）
次に、本発明に係るシリカガラスの加熱成形装置および加熱成形方法の作用効果を確認するために行う実施例について説明する。
具体的には、カーボンホイルの密度ρと厚みｔ２の積（ρ×ｔ２）の最適範囲について、密度ρが０．２ｇ／ｃｍ^３、０．５ｇ／ｃｍ^３、２．０ｇ／ｃｍ^３、２．２ｇ／ｃｍ^３の４種類に対して、厚みｔ２が０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍの５種類の各々組み合わせを選択した場合の緩衝材の加熱成形時の熱劣化の有無と、合成石英ガラス成形体のクラックの有無を目視で確認する。その結果を表１に示す。

表１中の太枠内の数値は、密度ρと厚みｔ２の積（ρ×ｔ２）を示す。密度と厚みを変えた２０種類のカーボンホイルについて、加熱中に緩衝材が熱劣化して完全に消滅したり、合成石英ガラス成形体にクラック（破断）が発生したりするものを、表１中に不良−１（ＮＧ−１）、緩衝材内側への内設が困難だったり、セット中にカーボンホイル自体に亀裂が入ったりするものを、表１中に不良−２（ＮＧ−２）と記した。

表１から明らかなように、密度ρと厚みｔ２の積（ρ×ｔ２）は、０．００２ｇ／ｃｍ^２、０．００４ｇ／ｃｍ^２、０．００５ｇ／ｃｍ^２、０．２２ｇ／ｃｍ^２、０．３ｇ／ｃｍ^２、０．３３ｇ／ｃｍ^２の６種類の時にＮＧとなる。
また、カーボンホイルの厚みｔ２は、０．１ｍｍと１．５ｍｍの時に複数のＮＧが発生し、密度ρでは、０．２ｇ／ｃｍ^３と２．２ｇ／ｃｍ^３の時に複数のＮＧが発生する。
したがって、カーボンホイルの最適密度ρは、０．５ｇ／ｃｍ^３〜２．０ｇ／ｃｍ^３であり、最適厚みｔ２は、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであり、密度ρと厚みｔ２の積（ρ×ｔ２）の最適範囲は、０．０１≦ρ×ｔ２≦０．２ｇ／ｃｍ^２であることが分かる。

以上説明したように、本発明の一実施形態のシリカガラスの加熱成形装置１０によれば、シリカガラス１は、真空加熱炉１２内で高温に加熱されて溶融しながら加熱加工される際、カーボンホイル１５に接触して緩衝材１４に直接接触することはない。これにより、緩衝材１４の劣化を防止することができる。緩衝材１４が劣化していないので、冷却時にカーボン容器が収縮する際に、これを緩衝材が吸収することができる。これにより、破損することなく高品質なシリカガラス成形体２を成形することができる。

また、カーボンホイル１５の厚みが、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであることにより、薄過ぎて熱劣化で消滅したり、厚過ぎて可撓性が悪化したりすることがない。カーボンホイルが厚過ぎると、加熱開始前にシリカガラスをセットしている際にカーボンホイルに接触してカーボンホイルが破断したり、可撓性が悪く緩衝材に内設し難くなったりする。カーボンホイル１５の厚みが適切に選択されることにより、これらを解消することができる。

また、カーボンホイル１５は、密度ρと厚みｔ２との積（ρ×ｔ２）が、０．０１≦ρ×ｔ２≦０．２ｇ／ｃｍ^２を満たすように、密度ρと厚みｔ２を適宜選択することにより、耐熱性および可撓性を良好にして加熱成形を行うことができる。なお、密度ρと厚みｔがいずれも小さいと耐熱性を十分に確保できなく、密度ρと厚みｔがいずれも大きいと可撓性が悪化する。

また、本発明の一実施形態のシリカガラスの加熱成形方法によれば、真空加熱炉１２内で高温に加熱して溶融しながらシリカガラス１を加熱加工させる際に、シリカガラス１をカーボンホイル１５に接触させて緩衝材１４に直接接触しないようにして加熱成形を行う。これにより、緩衝材１４の劣化を防止して、破損させずに高品質なシリカガラス成形体２を成形することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

１シリカガラス
２シリカガラス成形体
１０シリカガラスの加熱成形装置
１１カーボン容器
１２真空加熱炉
１３押圧機構
１４緩衝材
１５カーボンホイル
１８押圧板
１９錘

Claims

柱形状のシリカガラスが収納されるカーボン容器と、該カーボン容器を内部に設置して加熱する加熱炉と、を備え、該加熱炉内で前記シリカガラスを潰して断面積が大きくなるように加熱加工するシリカガラスの加熱成形装置であって、
前記カーボン容器の内側に緩衝材を設置し、さらに該緩衝材の内側に密度０．５ｇ／ｃｍ^３〜２．０ｇ／ｃｍ^３のカーボンホイルを内設することを特徴とするシリカガラスの加熱成形装置。
前記カーボンホイルは、その厚みが、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のシリカガラスの加熱成形装置。
前記カーボンホイルは、その密度ρと厚みｔの積が、０．０１≦ρ×ｔ≦０．２ｇ／ｃｍ^２を満たすことを特徴とする請求項１または２記載のシリカガラスの加熱成形装置。
内側に緩衝材を設置し、さらに該緩衝材の内側に密度０．５ｇ／ｃｍ^３〜２．０ｇ／ｃｍ^３のカーボンホイルを内設したカーボン容器内に柱形状のシリカガラスを収納し、該カーボン容器を加熱炉内に設置して、前記シリカガラスを潰して断面積が大きくなるように加熱加工することを特徴とするシリカガラスの加熱成形方法。