JP2016064954A - ガラス微粒子堆積用バーナおよびガラス微粒子堆積体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バーナ詰まりの発生を抑制しつつ、ガラス微粒子の堆積速度（デポジションレート）を上げる。【解決手段】、原料ガス供給ポートＰ１は、ガラス微粒子堆積用バーナ１の中心に、軸線Ｃ方向に平行に配置され、内側火炎形成部４は、原料ガス供給ポートＰ１の外側に配置され火炎形成ガスが内側に向けられて噴射される複数の火炎形成ガス噴射ポートを有し、外側火炎形成部５は、軸線Ｃ方向に平行に火炎形成ガスが噴射される多重管を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、ガラス微粒子堆積用バーナおよびガラス微粒子堆積体の製造方法に関する。

火炎加水分解反応を利用してガラス微粒子を堆積させる方法として、例えばＶＡＤ（Vapor Phase Axial Deposition）法、ＭＭＤ（Multiburner Multilayer Deposition）法などが知られている。ＶＡＤ法において用いられるバーナとして、多重管バーナが知られている（例えば、特許文献１）。また、ＭＭＤ法で用いられるバーナとして、焦点型ノズルバーナが知られている（例えば、特許文献２）。

特開２００４−３２３３１９号公報 特開２００４−３３１４４０号公報

ＶＡＤ法では、例えば特許文献１に開示されているような多重管バーナを用い、中央の管から原料ガスを流し、外側の管から火炎形成ガスを流し、火炎加水分解反応により、ガラス微粒子を堆積させている。多重管バーナで作られる火炎は拡がるため、ＶＡＤ法のようにほぼ静止している物体にガラス微粒子を堆積させる際には、滑らかな母材形状とすることができる。このとき、原料ガスの反応によって得られたＳｉＯ_２ガスを狭い空間内に閉じ込めることで、ガラス微粒子の成長を促し、大きなガラス微粒子が得られる。したがって、多重管バーナを用いた場合にガラス微粒子の堆積速度（デポジションレート：deposition rate）を上げるためには、上記のようなＳｉＯ_２ガスを閉じ込める狭い空間を作るために、特許文献１に開示されているように、原料ガスを噴射する中央の管の周囲の外側の管を内側の管より突出させて段差部を設けている。しかしながら、堆積速度を上げるために、原料流量を増やしていくと、上記段差部の内側にガラス微粒子が堆積し、バーナ詰まりが発生しやすくなる。
一方、ＭＭＤ法の場合、対象が上下に動くため火炎が広がらなくても良いので、例えば特許文献２に開示されているような焦点型ノズルバーナを用い、原料流量を多く流して堆積速度を上げている。しかしながら、ＶＡＤ法では、上記したように火炎を拡げてガラス微粒子を堆積させる必要があるため、焦点型ノズルバーナは適していない。

そこで、本発明の目的は、ＶＡＤ法において、バーナ詰まりの発生を抑制しつつ、ガラス微粒子の堆積速度（デポジションレート）を上げることができるガラス微粒子堆積用バーナおよびガラス微粒子堆積体の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様に係るガラス微粒子堆積用バーナは、原料ガス供給ポートと、内側火炎形成部と、外側火炎形成部とを有するガラス微粒子堆積用バーナであって、
前記原料ガス供給ポートは、前記ガラス微粒子堆積用バーナの中心に、軸線方向に平行に配置され、
前記内側火炎形成部は、前記原料ガス供給ポートの外側に配置され火炎形成ガスが内側に向けられて噴射される複数の火炎形成ガス噴射ポートを有し、
前記外側火炎形成部は、軸線方向に平行に火炎形成ガスが噴射される多重管を有する。

本発明の一態様に係るガラス微粒子堆積体の製造方法は、上記ガラス微粒子堆積用バーナを用い、
前記内側火炎形成部と前記外側火炎形成部とにより形成される火炎内で、前記原料ガス供給ポートから噴射する原料ガスを火炎加水分解させてガラス微粒子を生成し、生成した前記ガラス微粒子をターゲットに堆積させてガラス微粒子堆積体を製造する。

本発明によれば、バーナ詰まりの発生を抑制しつつ、ガラス微粒子の堆積速度（デポジションレート）を上げることができる。

本発明の実施形態に係るガラス微粒子堆積体の製造方法を説明する概略図である。 第１の実施形態のバーナを噴射口側から見た正面図である。 第１の実施形態のバーナのＡ−Ａ断面図である。 第２の実施形態のバーナを噴射口側から見た正面図である。 第２の実施形態のバーナの原料ガス供給ポートに用いられるノズルキャップの一例である。 流速比（ｖ１／ｖ２）と、反応完了位置との関係を示すグラフである。

［本発明の実施形態の説明］
本発明の実施形態に係るガラス微粒子堆積用バーナは、
（１） 原料ガス供給ポートと、内側火炎形成部と、外側火炎形成部とを有するガラス微粒子堆積用バーナであって、
前記原料ガス供給ポートは、前記ガラス微粒子堆積用バーナの中心に、軸線方向に平行に配置され、
前記内側火炎形成部は、前記原料ガス供給ポートの外側に配置され火炎形成ガスが内側に向けられて噴射される複数の火炎形成ガス噴射ポートを有し、
前記外側火炎形成部は、軸線方向に平行に火炎形成ガスが噴射される多重管を有する。
段差部を無くしているため、外側火炎形成部を構成する多重管の内側にはガラス微粒子が堆積しにくい。また、内側火炎形成部の火炎形成ガス噴射ポートは、内側に向けられて火炎形成ガスが噴射されるので、その流れによってＳｉＯ_２ガスを狭い空間に閉じ込め、ガラス微粒子の成長を促進させることができる。

（２） 前記原料ガス供給ポートは、ガスの噴射口が複数設けられている。
原料ガス供給ポートの噴射口が複数あることにより、噴射される原料ガスの流速が速くなるとともに、原料ガスと火炎形成ガスとが混ざりやすくなり、火炎加水分解反応の反応効率が上がる。

本発明の実施形態に係るガラス微粒子堆積体の製造方法は、
（３） 上記（１）または（２）に記載のガラス微粒子堆積用バーナを用い、
前記内側火炎形成部と前記外側火炎形成部とにより形成される火炎内で、前記原料ガス供給ポートから噴射する原料ガスを火炎加水分解させてガラス微粒子を生成し、生成した前記ガラス微粒子をターゲットに堆積させてガラス微粒子堆積体を製造する。
バーナ詰まりの発生を抑制しつつ、火炎を広げてガラス微粒子を堆積させることができ、且つ、ガラス微粒子の堆積速度（デポジションレート）を上げることができる。また、原料ガス供給ポートの噴射口が複数ある場合は、噴射される原料ガスの流速が速くなるとともに、原料ガスと火炎形成ガスとが混ざりやすくなり、火炎加水分解反応の反応効率が上がる。

（４） 前記原料ガスと前記原料ガス以外のガスとを予め混合して前記原料ガス供給ポートから噴射する。
原料ガス供給ポートから噴射するガス量を多くすることができるので、原料ガス供給ポートから噴射するガスの流速を速くすることができる。

（５） 前記原料ガス供給ポートから噴射するガスの断面積平均流速ｖ１と、前記原料ガス供給ポート以外の前記内側火炎形成部を構成するポートから噴射するガスの断面積平均流速ｖ２との比であるｖ１／ｖ２を３以上として各ポートからガスを噴射する。
原料ガス供給ポートから噴射するガスの断面積平均流速ｖ１と、原料ガス供給ポート以外のポートから噴射するガスの断面積平均流速ｖ２との比ｖ１／ｖ２が大きいほど、原料ガス供給ポートから噴射するガスの速い流れによって、原料ガス供給ポート以外のポートから噴射するガスが引き寄せられ反応が促進するため、火炎加水分解反応の反応完了位置が、ガラス微粒子の堆積面よりもバーナ側（手前）になるので、ガラス微粒子の堆積面に効率よくガラス微粒子（ＳｉＯ_２）を堆積させることができる。特に、ｖ１／ｖ２が３以上であれば、反応完了位置が、一般的な装置におけるバーナから堆積面までの距離より小さくなるので、より好ましい。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るガラス微粒子堆積用バーナおよびガラス微粒子堆積体の製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。
なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、本発明の実施形態に係るガラス微粒子堆積体の製造方法を説明する概略図である。
本実施形態においては、光ファイバのコア部となるコアロッドに、クラッド部を形成する（ジャケット付けをする）クラッド部堆積用バーナを例に挙げて、ＶＡＤ法によりガラス微粒子堆積体を製造する方法の概略を説明する。なお、本実施形態のバーナは、コア部堆積用のバーナや、光ファイバ用以外の他のガラス微粒子堆積用バーナであってもよい。
図１に示すバーナ１（１０１）は、原料ガスを火炎中において火炎加水分解反応させることでガラス微粒子を生成し、生成されたガラス微粒子をターゲットであるコアロッド３に噴きつける。これにより、ガラス微粒子がコアロッド３の周囲に堆積してクラッドとなる層が形成され、ガラス微粒子堆積体２が形成される。
バーナ１（１０１）は、ガラス原料となる原料ガスや火炎形成ガス等を噴射口Ｎから噴射するために、複数の管が同心円状とされることにより層状にガス噴射ポートが配置された構造となっている。以下、第１の実施形態に係るバーナ１および第２の実施形態に係るバーナ１０１について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態のバーナ１を噴射口Ｎ側から見た正面図である。図３は、図２のバーナ１のＡ−Ａ断面図である。
本実施形態のバーナ１は、その中心に軸線Ｃ方向に平行に配置された原料ガス供給ポートＰ１と、原料ガス供給ポートＰ１の外側に配置され火炎形成ガスが内側に向けられて噴射される複数の火炎形成ガス噴射ポートを有する内側火炎形成部４と、軸線Ｃ方向に平行に火炎形成ガスが噴射される多重管を有する外側火炎形成部５とを有する。

原料ガス供給ポートＰ１は、バーナ１の中心に軸線Ｃ方向に平行に配置されているので、原料ガスは軸線Ｃに平行に噴射される。
火炎形成ガスは、水素ガス等の可燃性ガス、酸素ガス等の助燃性ガス、窒素ガス等のシールガスなどからなる。このため、内側火炎形成部４は、複数の火炎形成ガス噴射ポートとして、例えば図２に示すように、窒素ガス噴射ポートＰ２、酸素ガス噴射ポートＰ３ａ〜３ｈ、水素ガス噴射ポートＰ４、窒素ガス噴射ポートＰ５を有する。

そして、これらの火炎形成ガス噴射ポートＰ２〜Ｐ５の噴射口は、図３に示すように、原料ガス供給ポートＰ１側（内側）に向けられている。これにより、火炎形成ガス噴射ポートＰ２〜Ｐ５から火炎形成ガスが内側に向けて噴射される。このように内側に向けて噴射される火炎形成ガスにより火炎が形成され、火炎中でガラス原料が火炎加水分解反応をおこしてガラス微粒子が生成される。

外側火炎形成部５は、多重管構造となっており、複数の火炎形成ガス噴射ポートが軸線Ｃ方向に平行に配置されている。例えば図２および図３に示すように、外側火炎形成部５は、酸素ガス噴射ポートＰ６、窒素ガス噴射ポートＰ７、水素ガス噴射ポートＰ８、窒素ガス噴射ポートＰ９、酸素ガス噴射ポートＰ１０、窒素ガス噴射ポートＰ１１、水素ガス噴射ポートＰ１２、窒素ガス噴射ポートＰ１３、酸素ガス噴射ポートＰ１４を有する。

火炎形成ガス噴射ポートＰ６〜Ｐ１４の噴射口は、図３に示すように、軸線Ｃ方向に平行になっているので、外側火炎形成部５の多重管から噴射される火炎形成ガスは、軸線Ｃ方向に平行に噴射される。

そして、原料ガス供給ポートＰ１、内側火炎形成部４および外側火炎形成部５における全ての火炎形成ガス噴射ポートＰ２〜Ｐ１４は、図３に示すように噴射口の位置を揃えて、従来の多重管バーナに存在する段差部を無くしている。

本実施形態のバーナ１は、以上のような構成により、噴射口の位置を揃え、段差部を無くしているため、外側火炎形成部５を構成する多重管の内側にはガラス微粒子が堆積されにくい。また、内側火炎形成部４の火炎形成ガス噴射ポートＰ２〜Ｐ５は、内側に向けられて火炎形成ガスが噴射されるため、ＳｉＯ_２ガスを狭い空間に閉じ込め、ガラス微粒子の成長を促進させることができる。このようにして、バーナ詰まりの発生を抑制しつつ、ガラス微粒子の堆積速度（デポジションレート）を上げることができる。さらに、外側火炎形成部５は軸線Ｃ方向に平行に火炎形成ガスが噴射される多重管構造のバーナ（火炎形成ガス噴射ポートＰ６〜Ｐ１４）とすることにより、火炎を広げてガラス微粒子を堆積させることができる。

さらに、本実施形態のバーナ１を使用したガラス微粒子堆積体の製造方法においては、原料ガスと火炎形成ガスとが混合しやすいように、本発明者らは、ガスの流量条件も工夫している。

本発明者らは、内側から噴射されるガスの流速を外側から噴射されるガスの流速よりも速くすると、外側のガスの流れが内側の速いガスの流れに引き込まれて、内側と外側のガスが混合しやすくなることに着目した。内側と外側のガスが混合しやすくなると、火炎加水分解反応が促進される。なお、外側から噴射されるガスの流速を内側から噴射されるガスの流速よりも速くした場合は、内側のガスは外側のガスに引き込まれること無くそのまま流れるため、混合しやすくはならない。

以上の知見に基づいて、第１の実施形態のバーナ１を使用したガラス微粒子堆積体２の製造方法では、中心の原料ガス供給ポートＰ１のガスの流速を、その周囲の内側火炎形成部４の火炎形成ガス噴射ポートＰ２〜Ｐ５の流速よりも速くする。具体的には、原料ガス供給ポートＰ１の流速を上げるため、原料ガス以外のガス（例えば、水素、酸素、窒素ガス等のガス、あるいはこれらのガス等を組み合わせたもの）を混合して、原料ガス供給ポートＰ１から噴射するガス流量を多くする。
なお、原料ガス以外のガスを混合せずに、あるいは混合した上で、原料ガスの流量を多くしてもよい。

（第２の実施形態）
次に、図４及び図５を参照して、第２の実施形態に係るバーナ１０１の構造について説明する。図４は、第２の実施形態のバーナ１０１の噴射口Ｎの正面図である。図５は、原料ガス供給ポートＰ１のノズルキャップの一例を示す斜視図である。
第２の実施形態のバーナ１０１は、原料ガス供給ポートＰ１が異なる以外は、第１の実施形態に係るバーナ１の構造と同一であるので、同一部分には同一の符号を付けて説明を省略する。

第２の実施形態のバーナ１０１は、原料ガス供給ポートＰ１において、複数の噴射口を有する。例えば図４に示すように、３つの噴射口Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃを有する。
原料ガス供給ポートＰ１の噴射口を複数にするには、例えば図５に示すノズルキャップ等を原料ガス供給ポートＰ１の先端に取り付けるなどすればよい。噴射口を複数にするために、ノズルキャップ等の仕切り部分を設けたことで、実質的な噴射口の合計断面積は小さくなる。

以上のように、第２の実施形態のバーナ１０１は、原料ガス供給ポートＰ１の噴射口が複数あることにより、第１実施形態のバーナ１と同量の原料ガス流量であっても、噴射される原料ガスの流速を速くすることができるとともに、原料ガスと火炎形成ガスとが混ざりやすくなるので、火炎加水分解反応の反応効率が上がる。
なお、噴射される原料ガスの流速を速くするためには、原料ガス供給ポートＰ１の噴射口の外径を細く絞るようにしてもよく、この場合、噴射口は１つでもよい。

上記第１、２の実施形態のバーナを用いたガラス微粒子堆積体の製造方法において、原料ガスあるいは混合したガスの温度を上げてもよい。温度を上げることにより、ガラス微粒子の堆積効率がよくなりガラス微粒子堆積体２の成長速度が上がるので好ましい。

［実施例］
次に、第１の実施形態および第２の実施形態のバーナを使用したガラス微粒子堆積体の製造方法の実施例および比較例について説明する。

（実施例１）
第１の実施形態のバーナ１を使用して、原料ガスとして、原料ガス供給ポートＰ１から四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）を供給し、窒素ガス噴射ポートＰ２、Ｐ５、Ｐ７、Ｐ９から窒素ガス（Ｎ_２）を供給し、酸素ガス噴射ポートＰ３ａ〜Ｐ３ｈ、Ｐ６、Ｐ１０、Ｐ１４から酸素ガス（Ｏ_２）を供給し、水素ガス噴射ポートＰ４、Ｐ８、Ｐ１２から水素ガス（Ｈ_２）を供給した。そして、図１に示すように、酸水素火炎を形成して、原料ガスを火炎中において火炎加水分解反応させることでガラス微粒子を生成し、生成されたガラス微粒子をターゲットであるコアロッド３に噴きつけ、ガラス微粒子堆積体２を製造した。
そして、ガラス微粒子堆積体２が形成される時間を測定し、ガラス微粒子の堆積速度を求めた。

（実施例２）
第２の実施形態のバーナを使用して、上記実施例１と同様にして、ガラス微粒子堆積体２を製造した。

（比較例）
従来の多重管バーナを使用して、上記実施例１と同様にして、ガラス微粒子堆積体２を製造した。

（結果）
比較例では堆積速度を上げるため原料流量を増やすとスス詰まりを起こし、ガラス微粒子の堆積を続けることができなくなってしまったが、実施例１では問題なく堆積速度を上げることができ、比較例より５割以上速くなることを確認した。実施例２では、実施例１に比べ、堆積速度をさらに２割速くすることができた。

［実験例］
次に、実験例として、第１の実施形態のバーナを使用してガラス微粒子堆積体２を製造する際に、原料ガス供給ポートＰ１から噴射するガスの流速を変化させて、それぞれ火炎加水分解反応の反応完了位置を測定した。
具体的には、原料ガスとしてＳｉＣｌ_４を用い、バーナ１の噴射口（バーナ先端）からの各距離において、ガラス微粒子（ＳｉＯ_２）の生成割合（生成したＳｉＯ_２のモル量／投入したＳｉＣｌ_４のモル量）を測定した。

ＳｉＯ_２の生成割合は、バーナの噴射口から離れるほど高くなる。ここでは、ＳｉＯ_２の生成割合が０．９となった位置を反応完了位置と定義した。
そして、一定量のＳｉＣｌ_４に、混合する他のガス（水素（Ｈ_２）、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）の混合ガス）の量を変えて、原料ガス供給ポートから噴射させることにより、原料ガス供給ポートの断面積あたりのガスの平均流速を変化させた。

上記したように原料ガスに他のガスを混合することにより原料ガス供給ポートの断面積平均流速ｖ１を変化させて、内側火炎形成部４を構成する各ポートの断面積平均流速ｖ２との流速比に対する反応完了位置を測定した結果を図６に示す。図６の横軸は、上記断面積平均流速ｖ１と断面積平均流速ｖ２との比、すなわち流速比（ｖ１／ｖ２）である。縦軸は、火炎加水分解反応の反応完了位置を、バーナ１の噴射口Ｎからガラス微粒子の堆積面までの距離を１として比で表している。

図６から、流速比（ｖ１／ｖ２）が大きければ、火炎加水分解反応の反応完了位置が、ガラス微粒子の堆積面よりもバーナ側（手前）になるので、ガラス微粒子の堆積面に効率よくガラス微粒子（ＳｉＯ_２）を堆積させることができることがわかる。
そして、反応完了位置が１（ガラス微粒子の堆積面の位置）となるのは、流速比（ｖ１／ｖ２）が２から３の間である。このため、流速比（ｖ１／ｖ２）を３以上とすれば、反応完了位置をガラス微粒子の堆積面よりも確実にバーナ１側（手前側）にすることができる。

上記実験例の結果に鑑みて、流速比（ｖ１／ｖ２）を３以上として各ポートからガスを噴射させることにより、反応完了位置が一般的な装置におけるバーナから堆積面までの距離（例えば５００ｍｍ程度）より小さくなるので、より好ましい。

１、１０１ バーナ
２ ガラス微粒子堆積体
３ コアロッド
４ 内側火炎形成部
５ 外側火炎形成部
Ｎ 噴射口
Ｐ１、Ｐ１ａ〜Ｐ１ｃ 原料ガス供給ポート
Ｐ２ 窒素ガス噴射ポート
Ｐ３ａ〜Ｐ３ｈ 酸素ガス噴射ポート
Ｐ４ 水素ガス噴射ポート
Ｐ５ 窒素ガス噴射ポート
Ｐ６ 酸素ガス噴射ポート
Ｐ７ 窒素ガス噴射ポート
Ｐ８ 水素ガス噴射ポート
Ｐ９ 窒素ガス噴射ポート
Ｐ１０ 酸素ガス噴射ポート
Ｐ１１ 窒素ガス噴射ポート
Ｐ１２ 水素ガス噴射ポート
Ｐ１３ 窒素ガス噴射ポート
Ｐ１４ 酸素ガス噴射ポート

Claims (5)

1. 原料ガス供給ポートと、内側火炎形成部と、外側火炎形成部とを有するガラス微粒子堆積用バーナであって、
   前記原料ガス供給ポートは、前記ガラス微粒子堆積用バーナの中心に、軸線方向に平行に配置され、
   前記内側火炎形成部は、前記原料ガス供給ポートの外側に配置され火炎形成ガスが内側に向けられて噴射される複数の火炎形成ガス噴射ポートを有し、
   前記外側火炎形成部は、軸線方向に平行に火炎形成ガスが噴射される多重管を有する、ガラス微粒子堆積用バーナ。
2. 前記原料ガス供給ポートは、ガスの噴射口が複数設けられている、請求項１に記載のガラス微粒子堆積用バーナ。
3. 請求項１または請求項２に記載のガラス微粒子堆積用バーナを用い、
   前記内側火炎形成部と前記外側火炎形成部とにより形成される火炎内で、前記原料ガス供給ポートから噴射する原料ガスを火炎加水分解させてガラス微粒子を生成し、生成した前記ガラス微粒子をターゲットに堆積させてガラス微粒子堆積体を製造する、ガラス微粒子堆積体の製造方法。
4. 前記原料ガスと前記原料ガス以外のガスとを予め混合して前記原料ガス供給ポートから噴射する、請求項３に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
5. 前記原料ガス供給ポートから噴射するガスの断面積平均流速ｖ１と、前記原料ガス供給ポート以外の前記内側火炎形成部を構成するポートから噴射するガスの断面積平均流速ｖ２との比であるｖ１／ｖ２を３以上として各ポートからガスを噴射する、請求項３または請求項４に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。

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