JP5036193B2 - 石英ガラス製バーナの火炎調整方法 - Google Patents

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Description

火炎加工や合成石英ガラスの製造に好適に用いられる石英ガラス製バーナの火炎調整方法に関する。
石英ガラス製バーナは、外管に燃焼ガスを流し、内管ノズルから助燃性ガスを流して燃焼させることにより高温が得られることから、様々な火炎加工に使用されている。また、外管内に複数のノズルとなる細管を挿通したバーナを使用し、外管に燃焼ガスを流し、ノズルから助燃性ガスを流すとともに、任意の細管にガラス原料ガスを流し、火炎加水分解させることによって石英ガラス微粒子の合成が行われている。
従来、この種の石英ガラス製バーナは、火炎加工時の火力向上やガラス微粒子の堆積効率の向上を目的として、助燃性ガスを流すノズルの配置の仕方やノズルの数が検討されている。
例えば、特許文献１では、ガラス微粒子の合成効率及び堆積効率を向上させるために、ノズルの配置と数を規定している。また、特許文献２では、ノズルの径と線速を規定している。
しかしながら、火炎加工効率の向上や堆積効率の向上には、ノズルから供給されるガスの最適化だけではなく、外管から供給されるガスの最適化が重要である。外管から供給されるガスは、通常、流路面積が大きいため、バーナ先端部において流速が一様とならず、流速分布を生じやすい。このために温度ムラを生じ、火炎加工効率や堆積効率を低下させている。特に、火炎を大きくしようと外管径を大きくした場合に顕著である。
特開2003-206154 特開2003-165737
本発明は、バーナ先端部において、外管から供給されるガスの流速分布を均一にすることによって、火炎加工時の火力向上及びガラス微粒子の堆積効率を向上し得る石英ガラス製バーナの火炎調整方法を提供することを目的としている。
本発明の石英ガラス製バーナの火炎調整方法は、石英ガラス製外管内に、複数の細管からなる多分岐管型の石英ガラス製ノズルを配し、外管先端の内径が外管直胴部内径の0.65倍以上0.90倍以下となるように縮径し、外管先端での燃焼ガスの流速分布を均一にすることを特徴としている。
なお、前記ノズルは、細管分岐部からその先端までが外管内に収納されている構造とし、細管を収納する外管部の長さは、外管先端内径の1.5倍以上とするのが好ましい。
本発明の石英ガラス製バーナの火炎調整方法は、バーナの外管先端部において、燃焼ガスの流速分布が均一になり、火炎加工及び堆積体表面の温度ムラが低減され、火炎加工時の火力向上あるいはガラス微粒子の堆積効率が向上する、等の優れた効果を奏する。
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ず様々な態様が可能である。
図１は、本発明による石英ガラス製バーナの一例を示すバーナの軸線に沿った概略縦断面図であり、図２は、その横断面図である。
この石英ガラス製バーナは、合成石英ガラスの火炎加工用として設計されたものであり、外管１内に、細管分岐部２に複数の細管が取り付けられた多分岐管型のノズル３が収容されている。外管１には、燃焼ガスである水素ガスを導入する水素ガス導管４が接続され、複数の細管が取り付けられた細管分岐部２には、助燃ガスである酸素ガスを導入する酸素ガス導管５が接続されている。
なお、このバーナは、いずれかの細管にガラス原料導管（不図示）を接続することにより、ガラス微粒子の合成・堆積用バーナとして使用することもできる。
図１に示すように、外管１は、先端の縮径部６において、内径がＢからＡに縮径されている。具体的には、外管先端は、内径で外管直胴部の0.65倍以上0.90倍以下に縮径される。なお、縮径比が0.90よりも大きい場合には、噴出時に充分な圧力がかからず、外管先端部での流速分布が不均一になり、火炎加工効率が低下する。また、任意の細管にガラス原料を供給できるようにしてガラス微粒子の合成に使用する場合には、堆積面の温度が低下し、合成されたガラス微粒子の付着効率が低下する。他方、縮径比が0.65よりも小さい場合には、すでに圧力が充分にかかっているため、さらなる火炎加工効率もしくは付着効率の向上が望めないばかりか、外管直胴部の外径が大きなものとなり、装置設置上より大きなスペースが必要となる。
このように、外管の先端部が縮径してあれば、外管先端部の径を大きくした場合においても、縮径部で圧力がかかるようになる。その結果、外管先端部において、燃焼ガスの流速分布が均一になり、火炎加工面及び堆積表面の温度ムラが低減され、火炎加工時の火力向上、あるいはガラス微粒子の堆積効率向上といった効果が得られる。
また、外管の長さを外管先端内径の1.5倍以上とすることで、より均一な流速分布が得られる。
図２に示したように、外管内に助燃ガス用のノズルを中心に１本、その周囲に６本配置し、外管の先端内径を25mmφとし、外管直胴部の内径を変えることで、様々な縮径比の石英ガラス製バーナを作製した。
これらの縮径比を変化させた石英ガラス製バーナを用いて、外径60 mmφの石英ガラス棒の火炎加工を行った。なお、ノズルを構成する７本の各細管は、バーナの中心軸線に平行に設けるか、あるいは中心軸延長線上の所望の位置で焦点を結ぶように、外管内に取り付けるとよい。
各バーナについて、火炎加工部の表面温度を放射温度計にて測定しながら、表面温度が最高になるように、外管とノズルに流すガス量をそれぞれ調整し、得られた縮径比と最高温度との関係を図３に示した。
図３において、縮径比（Ａ／Ｂ）が0.90より大きい場合には、表面温度が低くなり、加熱効率が低下しているのが認められるが、これは縮径が不足しているために、外管先端部での燃焼ガスの流速分布が大きくなっているためである。一方、縮径比が0.65以下になると、充分に縮径されているために、これ以上の効率の向上は見込めないばかりか、縮径比0.65の場合、縮径部の先端内径を25mmφとすると、外管直胴部での内径は38mmφとなり、そのために装置設置上より大きなスペースが必要となり、好ましくない。
本発明で用いた石英ガラス製バーナは、合成石英ガラスの製造用あるいは火炎加工用として優れており、製造コストの低減及び品質向上に寄与する。
本発明の石英ガラス製バーナの一例を示すバーナの軸線に沿った概略縦断面図である。 図１に示した石英ガラス製バーナの横断面図である。 バーナの縮径比と、加熱した石英ガラス棒表面の最高温度との関係を示すグラフである。 従来の石英ガラス製バーナの軸線に沿った概略縦断面図である。
１ 外管（外管直胴部）、
２ 細管分岐部、
３ ノズル、
４ 燃焼ガス導管、
５ 助燃ガス導管、
６ 縮径部。
Ａ 外管先端部の内径、
Ｂ 外管直胴部の内径。

Claims (3)

  1. 石英ガラス製外管内に、複数の細管からなる多分岐管型の石英ガラス製ノズルを配し、外管先端の内径が外管直胴部内径の0.65倍以上0.90倍以下となるように縮径し、外管先端での燃焼ガスの流速分布を均一にすることを特徴とする石英ガラス製バーナの火炎調整方法。
  2. 前記ノズルは、細管分岐部からその先端までが外管内に収納されている請求項１に記載の石英ガラス製バーナの火炎調整方法。
  3. 細管を収納する外管部の長さが、外管先端内径の1.5倍以上である請求項１又は２に記載の石英ガラス製バーナの火炎調整方法。
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