JP4818380B2

JP4818380B2 - ガラス微粒子合成用バーナ及びこれを用いた多孔質ガラス母材の製造方法

Info

Publication number: JP4818380B2
Application number: JP2009046109A
Authority: JP
Inventors: 真吉田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: CN101817631B; US20100218554A1; JP2010195667A; US8312744B2; EP2223899A1; EP2223899B1; CN101817631A

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材の製造に用いられるガラス微粒子合成用バーナ（以下、単にバーナと称する）及びこれを用いた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、太さ約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的に往復移動させて、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（以下、単に小口径ガス噴出ポートと称する）を配置したマルチノズル型バーナを提案している。

一般に、小口径ガス噴出ポートは、バーナのガス導入口に接続された主管から数本〜数十本の小口径管に分岐され、かなりの重量を有する。このためバーナは、高温下において管自体の自重のために撓みが生じ、バーナ先端で偏芯が発生する。これを防止する方法として、特許文献２は、小口径ガス噴出ポートを隣接する内管または外管と固定し、撓みや振動を防止する方法を提案している。

特公平3-9047号公報特開平10-95623号公報

しかしながら、特許文献２に記載のマルチノズル型バーナは、多数の小口径管から構成されているため、これらの小口径管を固定している固定部の構造は極めて複雑なものとなっている。
このようにマルチノズル型バーナは複雑な構造をしているため、1本ずつ手作業で製作されている。このためバーナ間の個体差が大きく、バーナによって、小口径ガス噴出ポート先端にガラス微粒子が付着し易いものがあったり、堆積効率に差が生じるといった問題が発生していた。

本発明は、構造が複雑なマルチノズル型バーナにおいて、バーナ間の個体差が小さく、かつガラス微粒子の合成効率の良いガラス微粒子合成用バーナ及びこれを用いた多孔質ガラス母材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のバーナは、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配設された１列または複数列の小口径ガス噴出ポートを有し、同一列に配設された小口径ガス噴出ポートが同一の焦点距離を有するガラス微粒子合成用バーナであって、前記小口径ガス噴出ポートはバーナのガス導入口に接続された主管から分岐され、該分岐部と小口径ガス噴出ポート先端との間で、同一列の小口径ガス噴出ポートがリング状に固定され、該固定部での小口径ガス噴出ポートの内径をＤ₁、分岐部における小口径ガス噴出ポートの内径をＤ₂、固定部及び分岐部以外での小口径ガス噴出ポートの内径をＤ₃とするとき、Ｄ₃＜Ｄ₁かつＤ₃＜Ｄ₂を満たすことを特徴としている。

前記同一列に配設された小口径ガス噴出ポートは、前記分岐部と小口径ガス噴出ポート先端との間の一箇所で、隣り合う小口径ガス噴出ポート間のみをそれぞれ固定して、同一列の小口径ガス噴出ポートがリング状に固定されている。また、隣り合う小口径ガス噴出ポートは、該小口径ガス噴出ポートと同材質のもので固定するのが好ましい。
本発明の多孔質ガラス母材の製造方法は、上記バーナを用いて多孔質ガラス母材の製造を行うことを特徴としている。

本発明によれば、性能のバーナ個体差が小さく、かつガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスの混合が充分に行われ、高い収率でのガラス微粒子の合成を可能とする。

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。本発明になるバーナの、同心円状１列に配設された小口径ガス噴出ポートがリング状に固定された状態を示すバーナ先端部の概略横断面図である。本発明になるバーナの、同心円状２列に配設された小口径ガス噴出ポートがリング状に固定された状態を示すバーナ先端部の概略横断面図である。図２に示したバーナの概略縦断面図である。（ａ）,（ｂ），（ｃ）は、小口径ガス噴出ポートの固定状態について説明する概略図である。小口径ガス噴出ポート先端での流速と固定部内径との関係を示すグラフである。

複数の小口径ガス噴出ポートを有するバーナについて、鋭意検討した結果、小口径ガス噴出ポート毎のガス流量のバラツキによって、マルチノズル型バーナに個体差が生じていることが分かった。
例えば、ある小口径ガス噴出ポートのガス流量が極端に少なければ、そのポートのガス流速は小さくなり、ポート先端にガラス微粒子が付着しやすくなる。さらに、噴出ポート間でガス流量にバラツキがあると、ガス流量が少ない噴出ポート側とそれ以外の噴出ポート側で反応にバラツキが生じるため、均等なガス流量で、バランスよく反応しているバーナと比較して、堆積効率が低下する。
このような小口径ガス噴出ポート毎のガス流量のバラツキは、精度が出ている小口径管の直管部分が原因ではなく、図４に示した主管からの分岐部及び固定部の加熱加工時に、図５の（a）に示すように、縮径部分が形成され、その縮径の程度が原因となって発生していることを究明した。そこで上記課題の解決には、複数の小口径ガス噴出ポートの加熱加工時に、縮径部分が生じないように小口径ガス噴出ポートを固定すればよいことを見出し、本発明を達成した。

具体的には、分岐部から小口径ガス噴出ポート先端まで間で、同一列の噴出ポートをリング状に固定することにある。例えば、分岐部から小口径ガス噴出ポート先端までの一箇所で、隣り合う小口径ガス噴出ポート間をそれぞれ固定して、同一列の噴出ポートをリング状に固定するものである。さらに、固定部における小口径ガス噴出ポートの内径をＤ₁、分岐部における小口径ガス噴出ポートの内径をＤ₂、固定部及び分岐部以外の小口径ガス噴出ポートの内径をＤ₃とするとき、Ｄ₃＜Ｄ₁かつＤ₃＜Ｄ₂となるように加工することにある。換言すると、小口径ガス噴出ポートの固定部及び分岐部での内径を、精度が出ている直管部分の内径よりも小さくならないように加工することにある。

理想的には、図５の（b）に示すようにＤ₃＝Ｄ₁、Ｄ₃＝Ｄ₂であるが、手作業によるバーナの火炎加熱でガラス加工することを考えると不可能である。そこで、図５の（c）に示すように、分岐部と固定部を拡径して、Ｄ₃＜Ｄ₁かつＤ₃＜Ｄ₂とする。
ただし、拡径しすぎて管厚が薄くなると強度不足となるため、拡径比は、1.0≦Ｄ₁/Ｄ₃かつ1.0≦Ｄ₂/Ｄ₃の範囲で、なるべく小さいことが望ましい。
このように分岐部及び固定部において、それ以外の直管部分よりも、縮径によって圧損が増さないようにすることで、各ポートの圧力損失を同程度に抑えることができ、ガス流量分布を小さくすることができる。

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。
本発明の多孔質ガラス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によって軸回り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（図示を省略）により出発部材に沿って往復移動させ、酸水素火炎中での加水分解で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ガラス母材が得られる。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は、加熱炉を通して脱水ガラス化され、光ファイバ用母材とされる。

図２は、本発明になるバーナの概略横断面図であり、ガラス原料ガス噴出ポート６の外側に、シールガス噴出ポート９を介して、ガラス原料ガス噴出ポート６に対し同心円状１列に８本の小口径ガス噴出ポート７が可燃性ガス噴出ポート８内に配設されている。小口径ガス噴出ポート７は、隣り合う噴出ポート間のみがそれぞれ同材質のもので固定され、同心同一列の噴出ポートがリング状に固定されている。
なお、隣り合う噴出ポートの固定には、該ガス噴出ポートと同材質の石英ガラスが好ましい。
図３は、同様に、可燃性ガス噴出ポート８内に、小口径ガス噴出ポートが同心円状２列に配設され、各列の噴出ポートは、分岐部から噴出ポート先端までの一箇所で、それぞれリング状に固定されている。

図４は、図２に示したバーナの、長手方向中心軸線に沿った概略縦断面図であり、小口径ガス噴出ポート７が可燃性ガス噴出ポート８内に、ガラス原料ガス噴出ポート６に対して同心円状１列に配設されている。小口径ガス噴出ポート７は、主管12から分岐部11で複数の小口径管に分岐され、分岐部11から噴出ポート先端までの一箇所で、同一列の隣り合う噴出ポート間がそれぞれ固定部10で固定され、同一列の噴出ポート7がリング状に固定されている。
この小口径ガス噴出ポート７は、図５（ｃ）に示すように、分岐部11及び固定部10では多少拡張された状態で分岐、固定され、噴出ポート７の固定部10での内径Ｄ₁及び分岐部での内径Ｄ₂は、それ以外の箇所での内径Ｄ₃よりも大きく、Ｄ₃＜Ｄ₁かつＤ₃＜Ｄ₂を満たすように加工されている。
以下、実施例、比較例を挙げてさらに詳細に説明する。

［実施例１］
図１に示したような装置を用いて、外付け法により多孔質ガラス母材を製造した。使用したバーナは、図２に示すような構造を有しており、中心のガラス原料ガス噴出ポート６の外側に、シールガス噴出ポート９を介して、ガラス原料ガス噴出ポート６に対し同心円状に１列に８本の助燃性ガスを噴出する小口径ガス噴出ポート７が、可燃性ガス噴出ポート８内に配設され、これらの小口径噴出ポート７はいずれも150mmの焦点距離を有している。小口径ガス噴出ポート７は内径1.5mmで、分岐部から先端まで200mmあり、先端から75mmのところで、8本の小口径噴出ポート７を1周リング状に固定した。分岐部及び固定部では内径1.6mmに拡径した。
ここで、助燃性ガスを導入して、８本（Ａ〜Ｈ）の小口径ガス噴出ポート先端のガス流速を熱線風速計で測定したところ、表１に示すように均等なガス流速であった。

次に、このバーナの第一管にSiCl₄とＯ₂、第二管にシールガス、第三管にＨ₂、第三管内に設置した小口径ガス噴出ポートにＯ₂をそれぞれ供給し、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100kg堆積した。
その結果、小口径ガス噴出ポート先端にガラス微粒子の付着は無く、堆積効率は64.2％であった。

［比較例１］
表２に示したような意図的に小口径ガス噴出ポートの固定部の径を変化させたバーナを製作し、実施例１と同条件で、小口径ガス噴出ポート先端での助燃性ガスの流速を熱線風速計で測定した。その結果は表２の通りであり、さらにこれを図６にグラフ化して示した。表２及び図６から、固定部の内径が小さいものほど先端の流速が小さくなっているのが認められる。

さらに、バーナを変えた以外は、実施例１と同じ条件で、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100kg堆積した。
その結果、固定部の内径を小さくした噴出ポートＡの先端にガラス微粒子の付着が見られた。また、堆積効率は、63.0％となり、実施例１の64.2％よりも低下した。

〔比較例２〕
意図的に小口径ガス噴出ポートの分岐部の径を変化させたバーナを製作し、実施例１と同条件で、小口径ガス噴出ポート先端での助燃性ガスの流速を測定した。その結果は表３に示す通りであり、比較例１と同じように、分岐部の内径が小さいものほど先端の流速は小さくなっていた。

さらに、バーナを変えた以外は、実施例１と同じ条件で、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100kg堆積した。
その結果、分岐部の内径を小さくした小口径ガス噴出ポートＡの先端にガラス微粒子の付着が見られた。また、堆積効率は、62.7％となり、実施例１の64.2％よりも低下した。

本発明によれば、ガラス微粒子の堆積効率が増し、多孔質ガラス母材の生産性向上に寄与する。

１．コア部、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．固定部、１１．分岐部、１２．主管。

Claims

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配設された１列または複数列の小口径助燃性ガス噴出ポートを有し、同一列に配設された小口径助燃性ガス噴出ポートが同一の焦点距離を有するガラス微粒子合成用バーナであって、前記小口径助燃性ガス噴出ポートはバーナのガス導入口に接続された主管から分岐され、該分岐部と小口径ガス噴出ポート先端との間で、同一列の小口径助燃性ガス噴出ポートがリング状に固定され、該固定部での小口径助燃性ガス噴出ポートの内径をＤ₁、分岐部における小口径助燃性ガス噴出ポートの内径をＤ₂、固定部及び分岐部以外での小口径助燃性ガス噴出ポートの内径をＤ₃とするとき、Ｄ₃＜Ｄ₁かつＤ₃＜Ｄ₂を満たすことを特徴とするガラス微粒子合成用バーナ。
前記同一列に配設された小口径助燃性ガス噴出ポートが、前記分岐部と小口径ガス噴出ポート先端との間の一箇所で、隣り合う小口径助燃性ガス噴出ポート間のみをそれぞれ固定して、同一列の小口径助燃性ガス噴出ポートがリング状に固定されている請求項１に記載のガラス微粒子合成用バーナ。
前記隣り合う小口径助燃性ガス噴出ポートが、該小口径助燃性ガス噴出ポートと同材質のもので固定されている請求項２に記載のガラス微粒子合成用バーナ。
請求項１乃至３のいずれかに記載のガラス微粒子合成用バーナを用いて多孔質ガラス母材の製造を行うことを特徴とする多孔質ガラス母材の製造方法。