JP3831151B2 - 多孔質ＳｉＯ２予備成形体の製造方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長軸に関して回転する円筒状担体の外被表面へのＳｉＯ₂粒子の堆積による長く伸びた多孔質ＳｉＯ₂予備成形体の製造方法に関するものである。該ＳｉＯ₂粒子は互いに距離をおいて配列された多数の堆積バーナにより形成され、少なくとも１つのバーナ列は該担体の長軸と平行に伸びている。バーナはまた、形成される予備成形体に沿って、運動が反転する転換ポイントの間で、前後に繰り返しサイクルで動く。該転換ポイント領域で、形成されつつある予備成形体が過熱されるのを防止しまたは軽減する手段がとられる。
【０００２】
さらに、本発明は、長軸に関して回転する円筒状担体、互いに距離をおいて配列され、互いに連結された多数の堆積バーナで少なくとも１つのバーナ列は該担体の長軸と平行に伸び、このバーナによりＳｉＯ₂粒子が担体上に堆積し予備成形体を形成するバーナ、および、これらのバーナを担体に沿って運動の方向が反転する転換ポイントの間で前後に動かす揺動装置（jog device）、を備えた製造装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
前記のような種類の装置は、EP A1 476 218 により知られている。ここには、火炎加水分解バーナにより長軸に関して回転するように水平に配列された基体ロッドの上にＳｉＯ₂粒子を層状に堆積することにより、ＳｉＯ₂粒子から長く伸びた多孔質予備成形体を形成することが記述されている。バーナは、１０cm 離してバーナブロック上に等距離に配列され、このブロックは基体ロッドの長軸に対して平行に伸びている。このバーナブロックは調節可能な揺動装置により、形成される多孔質円筒状予備成形体に沿って左と右の転換ポイントの間を前後に動く。このバーナブロックの移動運動の振幅は予備成形体の長さよりも小さい。転換ポイントにおける運動の反転によるバーナブロックの移動運動が遅くなることから、予備成形体表面の過熱が起こり、そして予備成形体における軸方向の局部的密度変動が惹起される。これは予備成形体に異なった反応性の領域をもたらし、とくにこの予備成形体の後に続く化学反応の際に明白になり、たとえば焼結（sintering）の後に石英ガラス本体中に非均質性を生ずる。このことを防止するために、EP A1 476 218 ではそれぞれのバーナのパス毎に、左と右の転換ポイントの両方を数ミリメートルだけ設定し直すことを提案している。このことにより転換ポイントにおける予備成形体中の局部的密度変動は等しく分布されるが、これを防止することはできない。
【０００４】
このことを解決するために、DE A1 196 28 958 ではこの種のプロセスが提案され、ここでは形成される予備成形体の周速度を増加させたり、または堆積バーナの火炎温度を下げたり、または堆積バーナと予備成形体の表面との距離を増加させたりして、転換ポイントにおける予備成形体の過熱を防止または軽減されている。これらの手段のいずれかの結合により、転換ポイントにおける予備成形体の温度上昇を完全にまたは部分的に補償することができる。そのため、時間および空間の観点からは、予備成形体はその全表面にわたって、できるだけ均一な温度衝撃を受ける。そして予備成形体の軸方向の密度傾斜は大きく防止される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
転換ポイントの空間的配置は、EP A1 476 218 によれば、高度の装置と制御コストを必要とする。転換ポイントにおける局部的過熱を防止するためのDE A1 196 28 958 で提案される手段は、ガス流、転換ポイントの距離や相対速度の時間的変更を必要とする。そしてこれらの手段は、堆積速度の望ましくない変更をもたらす。
そこで本発明の目的は、上記のような欠点を避けながら、密度変動の少ない予備成形体を製造するための簡単なプロセスを提供し、併せてそれを実施するために適した装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
プロセスに関する限り、この目的は、転換ポイント領域からの局部的熱除去からなり、その手段は運動サイクル内で時間的にコンスタントに行われる一般的プロセスを基にして達成される。
堆積バーナは成形される予備成形体の表面に沿って温度模様（temperature profile）を生じさせる。この模様は表面付近の火炎温度およびバーナ列の揺動動作によりもたらされる。この温度模様は転換ポイント領域においてピークを有する。このピークは本発明により、局部冷却（冷却手段）により除去される、これにより熱は転換ポイント領域で除去される。この局部熱除去による冷却手段は、以下「積極的冷却（active cooling）」と称する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
予備成形体の積極的冷却の作用は、とくに、それぞれの転換ポイント領域の局部に限定される。この作用はこれらの領域の熱を予備成形体の表面から導出することによっている。冷却手段は予備成形体表面温度の均一化に寄与する。理想的なケースでは熱除去の程度は正確であり、バーナ運動に由来する転換ポイント領域での温度上昇が正確に補償される。この方法で予備成形体の密度傾斜は除去され、または軽減される。
この冷却手段は、バーナ運動の転換ポイントに置かれる。転換ポイントが空間的に一定である場合には冷却手段の効果も空間的に一定である。さもなければ、転換ポイントの移動につれてそれも空間的に変動し得る。
【０００８】
本発明によるプロセスの特徴は、冷却手段は、少なくともバーナ列の１運動サイクルの間、時間的には一定に維持されるということである。これにより意味するものは、冷却手段のパラメータの制御されたまたは調節された変化、例えばバーナ列の運動サイクルによる変化、は必要でないということである。それに相応する制御のための出費はしたがって必要でないということである。
冷却手段の時間的な一定さはその効果とは関連しない。後者は、時間に関連して変化する。なぜなら、積極的冷却の効果は、転換ポイント領域における除去された熱量の増加に比例するからである。そこでそれぞれの冷却手段は、堆積バーナによる予備成形体の加熱がとくに大きいとき、すなわちバーナが転換ポイント領域を掃引するとき最も効果的である。
運動的に逆の態様としては、転換ポイントの間を前後に移動するのは担体である。
【０００９】
積極的冷却では、転換ポイント領域において熱は予備成形体の表面から除去される。熱は、例えば冷却要素、例えば転換ポイント領域において作用する流体またはガス冷却装置で除去され、または転換ポイント領域において予備成形体の表面に向けられた冷却ガスの流れにより除去される。代わりに、熱は熱伝導により、対流により、または熱流により転換ポイント領域から除去されることができる。転換ポイント領域で作用する流体装置は効果的な熱の対流や流れを生じるようにされていなければならない。
【００１０】
一つの方法として、好適な熱伝導、対流または熱流をもたらすものとして、とくに効果的なものは、形成される予備成形体に沿って伸びる熱遮蔽である。この熱遮蔽は転換ポイント領域に除熱器（heat sink）を備えており、熱はこの除熱器により局部的に除去される。この熱遮蔽は、転換ポイントの間の熱損失を軽減する。このようにして、転換ポイントの間の予備成形体の表面には熱が蓄積し、一方、転換ポイント領域では熱はこの除熱器により除去される。このようにして、一方では転換ポイントの間では熱遮蔽の効果があり、他方では転換ポイント領域での除熱器による積極冷却があり、これらが互いに強化し、補足しあっている。
【００１１】
最もシンプルなケースでは、熱遮蔽板の開口の形態の除熱器により熱は局部的に除去される。この熱遮蔽板は予備成形体に沿って延びており、熱は遮蔽板のスリットから外部に熱流または対流により移動することができる。スリットは、たとえば、遮蔽板に等間隔に設けられることができる。このスリットの代わりに、またはそれに加えて、赤外線放射を吸収する表面の形式の除熱器も転換ポイント領域に設けることもできる。熱は予備成形体の表面から、赤外線放射吸収表面を通って外部に出される。
装置に関しては、上記の目的は冒頭に記述した除熱器を転換ポイント領域に設けた装置を基礎にして、達成することができる。
【００１２】
堆積バーナは形成される予備成形体に沿って温度模様を生成する。この模様は、表面の火炎温度およびバーナ列の揺動運動により生成する。この温度模様は、転換ポイント領域にピークを有する。このピークを除去するために、本発明の装置では転換ポイント領域−実質的に転換ポイント領域の局所に限定された領域−に除熱器を設けた。この除熱器により、予備成形体の表面から熱は除去される。この方法により除熱器は予備成形体の表面温度の均一化に寄与する。理想的な場合には、除熱器の効果は非常に正確であり、バーナ列の運動による転換ポイント領域での温度上昇を補償する。予備成形体における密度傾斜はこれにより防止され、または軽減される。
【００１３】
除熱器はバーナ列の転換ポイントに設けられる。この転換ポイントが空間的に一定に保たれるならば除熱器も同様に空間的に一定に保たれる。動的な変法としては、転換ポイントの間を動くのは予備成形体であってもよい。このような場合、除熱器は予備成形体とともに移動する。
【００１４】
本発明の装置の特徴は、バーナ列の運動の中で除熱器は時間的に一定に維持されているということである。これで意味するものは、除熱器のパラメータ、たとえばバーナ列の運動サイクルに依存するようなものの、制御されまたは調節された変化の必要はないということである。これから明瞭なことは、除熱器の有効性であり、これが転換ポイント領域の熱量が増加するにつれて比例的に増加する。この除熱器はしたがってとくに有効で、とくに予備成形体が堆積バーナで特に強く加熱される場合、すなわちバーナが転換ポイント領域を掃引する場合に有効である。
【００１５】
本発明の装置のさらに好ましい態様において、除熱器が形成された少なくとも１つの熱遮蔽板が、形成される予備成形体に沿って延びる。通常はこの熱遮蔽板は、少なくとも予備成形体の使用可能な長さ全体に沿って延びる（これは、存在するいかなる傾斜した端部より少ない予備成形体の長さを意味する）。転換ポイントの間の熱損失は熱遮蔽板により軽減される。転換ポイントの間の領域では熱は蓄積し、転換ポイント領域では除熱器により熱は除去される。このようにして熱遮蔽板と除熱器とは互いに補償し、強化し合う。この熱遮蔽の効果と機能により、予備成形体との関係におけるその形、程度、および配列は、所与の環境条件に従い、当業者により最適化され得るのである。予備成形体の円周の一部のみの上に延びる熱遮蔽で十分であり、いろいろの形状が有り得る。たとえば、担体の長軸に平行なフラットな板や、担体の長軸の周りの殻状に湾曲したもの等がある。
【００１６】
とくに単純な本発明の装置は、転換ポイント領域で熱遮蔽板にスリットを設けたものを除熱器としたものである。最も単純なものでは、熱遮蔽板は平板として予備成形体に沿って延び、熱はスリットから熱流または対流として外部に出ることができる。例えばスリットは、転換ポイント領域に等しい間隔で開けることができる。
そのようなスリットに代わり、または加えて、予備成形体に沿って延びる熱遮蔽板に、転換ポイント領域の位置で赤外線放射を吸収する表面を設ける。熱は予備成形体の表面から赤外線放射吸収表面により導出される。
【００１７】
冷却要素として設計された除熱器は、とくに好適なものである。これらの冷却要素は容易に構成することができ、例えばペルチエ素子（Peltier element）または液体、またはガス冷却装置、または転換ポイント領域の予備成形体の表面に向けた冷却ガスジェット等である。
本発明の装置の好ましい態様において、除熱器とバーナ列は担体の同じ側に配列し、バーナ列は担体と熱遮蔽板の間に延びる。この配列で、熱遮蔽板はまたバーナの熱からバーナ列の背後（予備成形体から見て）、たとえばハウジング壁を保護する。
【００１８】
以下、本発明を図によりより詳細に説明する。
図１：本発明による装置の一例の前面図。
図２：本発明の装置に使用される遮蔽板の一例の前面図。
図３：図２に示した遮蔽板の側面図。
図４：本発明の装置に使用される遮蔽板の他の例の前面図。
図５：図４に示した遮蔽板の側面図。
図６：本発明による装置の他の例の側面図。
図７：本発明による装置の他の例の側面図。
【００１９】
図１により系統的に示された装置において、酸化アルミニウムで作られた担体１は長軸３の周りに回転可能であり、この上にＳｉＯ₂粒子により予備成形体２が形成される。担体１の有利な回転方向は方向矢印１６により示される。ＳｉＯ₂粒子の堆積は、担体１の長軸３に平行に延びるバーナブロック４の上に１列に配置された石英ガラス堆積バーナ５によりなされる。前後運動の振幅は支持矢印６により示される。それは約２０ｃｍで堆積バーナ５の間の間隔の２倍に相当する。転換ポイント７の長さは予備成形体表面との関係で一定である。そこで、図１において個々の堆積バーナ５の前後運動の転換ポイント７は予備成形体の表面に斜線部分のセンターラインとして投影され、そしてこれらの領域はそれぞれ転換ポイント７の周りの領域８として示される。バーナブロック４は前後運動をする装置（図１には示されていない）に連結されている。
【００２０】
バーナ５の列の終わりには追加のバーナ９がある。この追加のバーナ９もまたバーナブロック４に付けられている。そして、隣のバーナ５との間隔は上記のバーナ間隔と同じである。追加のバーナ９の火炎温度はバーナ５のそれとほぼ同じに設定されている。これらの機能は端部の温度模様を中央部のそれと同様にするためである。堆積バーナ５にはそれぞれ酸素および水素が火炎ガスとして、そして液体ＳｉＣｌ₄がＳｉＯ₂の出発原料として供給される。両方の追加のバーナ９には火炎ガスだけが供給される。
【００２１】
予備成形体２の表面１０とバーナブロック４との距離は、堆積プロセスの間中一定に保たれる。この目的のためにバーナブロック４は担体１の長軸３と直角の方向に、矢印１１で示すように移動可能である。
本発明によれば、装置には転換ポイント７の周りの領域８に熱除去のための除熱器が設けられている。図１に示す態様の除熱器は、予備成形体２の使用可能な範囲の長さに延び固定されたクシ型の遮蔽板１３に幅３０ｍｍのスリット１２がある。クシ型の遮蔽板１３はステンレス鋼で出来ており、厚さ１．５ｍｍ、高さ３００ｍｍである。遮蔽板１３は担体１の円筒状外被に対し接線方向に、３５０ｍｍの距離で延び、そして遮蔽板１３の下端部は予備成形体２の中央軸３の下方約５０ｍｍからスタートする。遮蔽板１３のスリット１２と、転換ポイント７の領域で予備成形体の表面に投影された領域８との間の関係を強調するために、図１による図示は予備成形体２と遮蔽板１３の相互関係における配列の変形を示す。連続的なスリット１２により遮蔽板１３は同じ大きさのスクリーン１４に分割され、これらは共通の棒１５により支持される。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例と図１によって更に説明する。
堆積バーナ５によりＳｉＯ_２粒子は回転する予備成形体２の表面１０に堆積する。バーナ５は予備成形体の表面１０に沿って同じ運動サイクルで、空間的に一定な転換ポイント７間を前後に揺動する。予備成形体２の円周速度は堆積プロセスの間ずっと１０ｍ／分に一定に設定される。バーナブロック４の平均的移動速度は３５０ｍｍ／分であり、完全な移動サイクルでも、完全な堆積プロセスにおいても（速度が関係する限り）一定に保たれる；転換ポイントにおける減速および加速は考慮されていない。これらは平均の移動速度を出すには無視してよい。減速したり加速したりする距離は数ミリメ−トルの近傍である。
予備成形体の表面１０の温度は連続的に測定される。高温温度計（Pyrometer）が予備成形体の表面１０に向けられ、その測定視野は中央堆積バーナ５の１つの火炎放射ゾーンに置かれる。この高温温度計はバーナブロック４に結合し、前後に動く。それはＩＭＰＡＣで製造された"Infratherm 4/5" 高温温度計であり、その測定波長は約５．１４μｍである。高温温度計と予備成形体の表面１０との距離は３０ｃｍであり、測定視野の直径は約５ｍｍである。堆積バーナ５の火炎放射範囲は直径約１５mmである。この測定で決定された値は、運動サイクル、すなわちバーナブロック４の前後運動中の最低温度として、表面温度の基準値となる。堆積プロセス中の予備成形体表面の基準温度は約１２５０℃であった。予備成形体２の円周が増加するにつれて熱放射が増加するので、表面１０は速く冷却されることは留意する必要がある。基準表面温度を約１２５０℃に維持するためには、この速い冷却に対抗する手段を必要とする。この目的のために、バーナ５の火炎温度は連続的に上昇される。
【００２３】
予備成形体２の円周速度とバーナブロック４の平均移動速度は比較的小さい。そこで堆積バーナ５と予備成形体の表面１０との間の相対速度は小さいので、バーナ放射ゾーンにおける予備成形体２の十分な加熱が行われる。この効果はクシ型遮蔽板１３の作用によってもさらに増加される。これはとくに堆積バーナ５が（図１に示すように）スクリーン１４の後にあると、スクリーン１４がバーナ５による熱が予備成形体表面１０から離れて熱の後方への流れを減少させる。一方、後方への熱の除去は堆積バーナ５が（図１に示すように）スリット１２の後、すなわち転換ポイント７の領域８に来ると直ちに可能になる。その結果、転換ポイント７の領域８における前後運動による予備成形体表面１０の二重加熱による温度上昇は大幅に避けられる。実施例による温度上昇（ Temperaturerhoung ）は、僅か３０℃とわかった。これは転換ポイント７間の温度カーブを比較的平坦にし、その結果この領域における予備成形体２の密度傾斜を少なくする。
【００２４】
本発明における上記した遮蔽板およびその配列のさらなる態様は、以下に図２−７として詳細に説明する。
本発明の装置における図２および３に示した遮蔽板２０は、厚さ１．５ｍｍのステンレス鋼スクリーン２１である。このスクリーンは下部にフラットな部分２２および上部に凹面をした部分２３を有する。曲がった上部の部分２３は予備成形体に相似した形状をしている。本発明による装置でスクリーン２１が使用される場合には、上部の自由端部２４は予備成形体の方に向かっている。スクリーン２１は共通棒２５に支持される。スクリーンの間には幅４０ｍｍの連続スリット２６がある。
【００２５】
図４および５の態様では、赤外放射を反射する表面４２と赤外放射を吸収する表面４３の交互の表面４２を有するフラットなステンレス鋼板４１がある。この遮蔽板は高さが３００ｍｍである。吸収表面４３の幅は５０ｍｍである。この吸収表面４３は、遮蔽板４２が本発明の装置に使用されるときは除熱器として作用する。それ故これらは転換ポイントの領域に使用される。ステンレス鋼板４１は共通棒４５に支持される。
【００２６】
図６に示される本発明の装置の他の態様の前面図は、ハウジング６０であり、ここには予備成形体６１、予備成形体に向けられたバーナ６２および熱遮蔽板６３を示す。この熱遮蔽板６３は予備成形体６１の形状に合った凹面をしており、バーナ６２の反対側に位置している。熱遮蔽板６３と予備成形体との間隔は、予備成形体を堆積プロセス中に矢印６４の方向に動かすことにより、常に１００ｍｍに設定してある。
【００２７】
図７に示される本発明の装置は、ハウジング７０内における予備成形体７１、堆積バーナ７２、および熱遮蔽板７３である。これらはより詳細には既に図１により記述されている。堆積バーナ７２は予備成形体７１と熱遮蔽板７３の間に位置する。本例においては、予備成形体の表面と熱遮蔽板との距離は２００ｍｍである。この距離は、熱遮蔽板７３を堆積プロセス中に矢印７４の方向に動かすことにより、常に一定に設定してある。
【００２８】
【発明の効果】
バーナ運動の転換ポイント領域における温度のピークは、本発明の方法により、装置や制御のための高いコストをかけることなく防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の一例の前面図。
【図２】本発明の装置に使用される遮蔽板の一例の前面図。
【図３】図２に示した遮蔽板の側面図。
【図４】本発明の装置に使用される遮蔽板の他の例の前面図。
【図５】図４に示した遮蔽板の側面図。
【図６】本発明による装置の他の例の側面図。
【図７】本発明による装置の他の例の側面図。
【符号の説明】
１ 担体
２ 予備成形体
３ 長軸
４ バーナブロック
５ 堆積バーナ
６ 方向矢印
７ 転換ポイント
８ 転換ポイント領域
９ 追加のバーナ
１０ 予備成形体表面
１１ 方向矢印
１２ スリット
１３ 遮蔽板
１４ スクリーン
１５ ストリップ
１６ 回転方向
２０ 遮蔽板
２１ スクリーン
２２ 垂直部分
２３ 曲面部分
２４ 端部
２５ ストリップ
２６ スリット
４１ ステンレススチール板
４２ 反射板部分
４３ 吸収板部分
６０ ハウジング
６１ 予備成形体
６２ バーナ
６３ 熱遮蔽板
６４ 方向矢印
７０ ハウジング
７１ 予備成形体
７２ 堆積バーナ
７３ スクリーン
７４ 方向矢印

Claims (10)

1. 長軸に関して回転する円筒状担体の外被表面へのＳｉＯ_２粒子の堆積による多孔質で長く伸びたＳｉＯ_２予備成形体の製造方法において、該ＳｉＯ_２粒子は互いに距離をおいて配列された多数の堆積バーナにより形成され、少なくとも１つのバーナ列は該担体の長軸と平行に伸び、形成される予備成形体に沿って、運動が反転する転換ポイントの間で前後に繰り返しサイクルで動き、該転換ポイント領域で予備成形体が過熱されるのを防止しまたは軽減する手段がとられ、該手段は、転換ポイント（７）近傍の領域（８）から熱を局部的に除去すること、およびこれらの手段は運動サイクルにおいて時間的に一定に保たれていることを特徴とする製造方法。
2. 形成される予備成形体（２）に沿って、転換ポイント（７）の近傍の領域（８）に熱を局部的に除去する除熱器（heat sink）を備えた熱遮蔽板（１３）が伸びていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 熱遮蔽板（１３）にスリット（１２）を設けることにより形成された除熱器により熱を局部的に除去することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 表面（４３）に設けられた赤外線輻射を吸収する除熱器により熱を局部的に除去することを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 長軸に関して回転する円筒状担体の外被表面へのＳｉＯ_２粒子の堆積による多孔質で長く伸びたＳｉＯ_２予備成形体の製造装置において、該ＳｉＯ_２粒子は互いに距離をおいて配列された多数の堆積バーナにより形成され、少なくとも１つのバーナ列は該担体の長軸と平行に伸び、形成される予備成形体に沿って、運動が反転する転換ポイントの間で前後に繰り返しサイクルで動き、該転換ポイント領域で予備成形体が過熱されるのを防止しまたは軽減する手段がとられ、転換ポイント（７）近傍の領域（８）に除熱器が設けられていることを特徴とする製造装置。
6. 形成される予備成形体（２）に沿って、除熱器を備えた少なくとも１つの熱遮蔽板（１３）が伸びていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 除熱器は転換ポイント（７）の近傍の領域（８）で熱遮蔽板（１３）にスリット（１２）を設けるようにしたことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 除熱器は転換ポイント（７）の近傍の領域（８）で熱遮蔽板（１３）に赤外線輻射を吸収する表面（４３）に設けるようにしたことを特徴とする請求項６または７に記載の装置。
9. 除熱器は冷却素子として設計されていることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
10. 熱遮蔽板（１３）及びバーナ列（４）は担体（１）の同じ側に配置され、かつバーナ列（４）は担体（１）と熱遮蔽板（１３）との間に伸びていることを特徴とする請求項５から９のいずれかによる装置。

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