JP5229957B2 - 光ファイバ用ガラス母材製造用バーナ - Google Patents

Description

本発明は、ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子を生成し、このガラス微粒子を回転する出発部材上に堆積させて光ファイバ用ガラス母材を製造する際に用いるバーナに関する。

従来、光ファイバ用母材を製造するために、各種方法が提案されている。それらの方法のなかでも、回転する出発部材上にバーナ火炎中で生成したガラス微粒子を、バーナと出発部材とを相対往復移動させて付着堆積させて多孔質母材を合成し、これを電気炉内で脱水、焼結する外付け法（ＯＶＤ：Outside Vapor Phase Deposition法）は、任意の屈折率分布のものが比較的容易に得られ、しかも、大径の光ファイバ用母材を量産できることから汎用されている。

特許１７７３３５９号公報 特開２００３−２０６１５４号公報、 特開２００４−３３１４４０号公報 特開２００６−１８２６２４号公報 特許３７４４３５０号公報 特開平０５−３２３１３０号公報 特許３５４３５３７号公報 特開２００３−２２６５４４号公報 特許３５９１３３０号公報 特開２００３−１６５７３７号公報 特開２００３−２１２５５５号公報 特許３６５３９０２号公報

図１は、光ファイバ用母材の製造装置の一例を概略的に示している。図１において、ガラス微粒子を堆積させる出発ロッドは、コアロッド１の両端部にダミーロッド２を溶着したものである。出発ロッドの両端が回転チャック機構４に保持されている。各回転チャック機構４は、支持部材７に設けられ、出発ロッドを軸線回りに回転させる。バーナ３は、バーナ移動機構６により長手方向に往復移動されながら、光ファイバ用原料、例えばSiCl4等の蒸気と燃焼ガス（水素ガス及び酸素ガス）とを軸線回りに回転する出発部材に向けて吹き付ける。この結果、酸水素火炎中で加水分解によって生成したガラス微粒子が出発部材上に堆積され、光ファイバ用多孔質母材が形成される。
符号５は、蒸気と燃焼ガスのための排気フードを示している。

ガラス微粒子を合成して出発部材上に堆積させるには、従来、同芯多重管構造のバーナが用いられてきたが、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、充分なガラス微粒子の生成効率が得られない。その結果、収率が伸びず、光ファイバ用多孔質母材の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には、可燃性ガスポート内に、中心の原料ガスポートを取り囲むように小口径助燃性ガスノズル（以下、小口径ノズルと略称する）を配置したマルチノズル型バーナが提案されている。

このタイプのバーナには、さらに堆積効率を向上させる方法が幾つか提案されている。例えば、小口径ノズルの構成については、特許文献２〜特許文献５等に開示され、小口径ノズルの焦点距離の適正化については、特許文献６〜８等に開示され、ガス流量及びガス線速の適正化については、特許文献９〜１２等に開示されている。

従来、ガラス原料ガスポートの外側に位置する噴出ポートの先端は、ガス流の乱れによって浮遊したガラス微粒子が付着し易く、付着が進行すると、バーナ先端が閉塞するという問題があった。特に、小口径ノズルを備えたバーナは、中心のガラス原料ガスポートに近い位置に、複数の小口径ノズルが配置されているために、この小口径ノズルの先端にガラス微粒子が付着し易い構造となっている。

この問題を回避するために、中心のガラス原料ガスポートの先端と小口径ノズルの先端とを径方向に離すと、ガラス微粒子の付着を回避することができるが、小口径ノズルを覆う可燃性ガスポートの口径を大きくする必要があり、これは流路面積の拡大につながり、可燃性ガスの必要流量が増大するという新たな問題が発生する。加えて、バーナが大型化し、堆積装置内への設置が困難になる。

本発明は、バーナ口径を大きくすることなく、バーナ先端へのガラス微粒子の付着、堆積を抑制できる光ファイバガラス母材製造用バーナを提供することを目的としている。

本発明は、ガラス原料ガスを噴出するガラス原料ガス噴出ポートを画定する先端部を備える第１の管と、前記第１の管の外側に同心状に配置され、前記第１の管の先端部と共にシールガスを噴出するシールガスポートを画定する先端部を備える第２の管と、前記第２の管の外側に同心状に配置され、前記第２の管の先端部と共に可燃性ガスを噴出する可燃性ガスポートを画定する先端部を備える第３の管と、前記第２の管と前記第３の管との間に形成される空間に配置された複数の小径ノズルであって、前記複数の小径ノズルの各々は、前記ガラス原料ガスポートと同心円上に配置され、助燃性ガスを噴出する助燃性ガスポートを画定する先端部を備える複数の小径ノズルとを有し、前記第２の管の先端部は、ガス噴出方向において前記第１の管の先端部よりも前方に突出し、前記第３の管の先端部は、ガス噴出方向において前記第２の管の先端部及び前記小径ノズルの先端部よりも前方に突出している、ことを特徴とする光ファイバ用ガラス母材製造用バーナを提供する。

上記構成において、前記小径ノズルの先端部は、ガス噴出方向において前記第２の管の先端部とほぼ同じ位置にある、構成を採用できる。

上記構成において、前記小径ノズルの先端部は、ガス噴出方向において前記第２の管の先端部よりも前方に突出している、構成を採用できる。

上記構成において、前記第３の管の先端部は、前記第１の管の先端部に対して、ガラス微粒子の堆積によってバーナ先端が閉塞せず、かつ、バーナ先端が過熱されない位置に配置されている、構成を採用できる。

本発明によれば、バーナ口径を大きくすることなく、バーナの先端部へのガラス微粒子の付着及び堆積を抑制できる。

外付け法（ＯＶＤ法）による多孔質ガラス母材の製造装置を示す概略図である。 複数の小径ノズルを備える同心多重管構造のバーナの先端部の構造を示す概略図である。 従来技術によるバーナ先端部におけるガス流の状態を説明する図である。 本発明の一実施形態に係るバーナの構造及びバーナ先端部におけるガス流の状態を示す概略断面図である。

通常、ガラス微粒子の堆積は、図２及び図３に示すような構造のバーナにより行われる。このバーナは、第１の管１０、第１の管１０の外側に同心状に配置された第２の管２０、第２の管２０の外側に同心状に配置された第３の管３０、及び、第２の管２０と第３の管３０との間に形成される空間に配置された複数の小径ノズル４０とを有する。そして、第１の管１０の先端部１０ｔにより、ガラス原料ガス噴出ポートＰＡが画定され、第１の管１０の先端部１０ｔと第２の管２０の先端部２０ｔとにより、シールガスを噴出するシールガス噴出ポートＰＢが画定され、第２の管２０の先端部２０ｔと第３の管３０の先端部３０ｔとにより、可燃性ガス噴出ポートＰＣが画定され、小径ノズル４０の先端部４０ｔにより、助燃性ガス噴出ポートＰＤが画定されている。複数の助燃性ガス噴出ポートＰＤは、それぞれ同一の焦点距離を有し、かつ、ガラス原料ガス噴出ポートＰＡに対する同心円上に一列に配列されている。なお、複数の助燃性ガス噴出ポートＰＤを一列ではなく、２列以上の複数列に配列することも可能である。

上記のバーナにおいて、ガラス原料ガス噴出ポートＰＡからSiCl4などのガラス原料ガス及び助燃性ガスＯ2の混合ガスＭＧＳ噴出し、シールガス噴出ポートＰＢよりシールガスＮ2を噴出し、可燃性ガス噴出ポートＰＣから可燃性ガスＨ2を噴出し、助燃性ガス噴出ポートＰＤから助燃性ガスＯ2を噴出する。

各反応ガスは各噴出ポートＰＡ〜ＰＤから噴出された後、圧力が一気に開放されて、乱れながら拡散していくが、火炎中での加水分解反応で生成したガラス微粒子がガス流の乱れの増大及び拡散とともに、ガラス原料ガス噴出ポートＰＡの外側に位置する第２の管２０の先端部２０ｔ及び小径ノズル４０の先端部４０ｔに付着し堆積し易くなっている。

本発明は、図４に示すように、第２の管２０の先端部２０ｔを第１の管１０の先端部１０ｔよりも前方に突出させ、第３の管３０の先端部３０ｔは、第２の管２０の先端部２０ｔ及び小径ノズル４０の先端部４０ｔよりも前方に突出させることで上記問題を解決したものである。

本発明によるバーナは、ガラス原料ガスがガラス原料ガス噴出ポートＰＡから噴出された後もその外側に位置するガス噴出ポートＰＢ，ＰＣ，ＰＤからのガスによって、ある程度、圧力が掛けられた状態を維持することができるので、ガラス微粒子流の乱れや拡散の抑制が可能となる。これにより、ガラス原料ガス噴出ポートＰＡの外側に配設された第２の管２０の先端部２０ｔ及び小径ノズル４０の先端部４０ｔへのガラス微粒子の接近を抑制することができる。この結果、第２の管２０の先端部２０ｔ及び小径ノズル４０の先端部４０ｔへのガラス微粒子の付着、堆積を抑制することが可能となる。

図１に示した装置を用いてＯＶＤ法により、外径50mm、長さ2000mm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ロッド上に、図２に示したような、同芯３重管構造を有するバーナを用いてガラス微粒子を堆積し、光ファイバ用母材を製造した。

使用したバーナは、図４に示した構造のものであり、小径ノズル４０を８本有し、各小径ノズル４０の助燃性ガス噴出ポートＰＤの焦点距離は、150mmとした。

なお、バーナの第１管１０には、ガラス原料ガスとしてSiCl4を１０Ｌ／ｍｉｎの流量、及び、助燃性ガスO2を２０Ｌ／ｍｉｎの流量で供給し、第１管１０と第２管２０との間に形成される通路には、シールガスN2を４L/minの流量で供給し、第２管２０と第３管３０との間に形成される通路には、可燃性ガスH2を170L/minの流量で供給し、さらに、各小径ノズル４０には、助燃性ガスO2を16L/minの流量で供給し、出発ロッド上にガラス微粒子を100kg堆積させた。バーナに供給したガスの種類、供給量を表１にまとめて示した。

光ファイバ用母材の製造に際しては、ガラス原料ガス噴出ポートＰＡを画定する第１の管１０の先端部１０ｔに対して、第２の管２０の先端部２０ｔ、第３の管３０の先端部３０ｔ及び小径ノズル４０の先端部４０ｔの突出量を変化させた５種類のバーナを用いて、ガラス微粒子の堆積を行った。突出条件とその堆積結果を表２にまとめて示した。

表２において、条件１では、第２の管２０の先端部２０ｔ及び小径ノズル４０の先端部４０ｔにガラス微粒子の付着が多く、ガラス微粒子が45kg堆積した時にバーナの先端が閉塞したので、ガラス微粒子の堆積を中断した。

第３管３０の先端部３０ｔの突出量を２mmとした条件２では、小径ノズル４０の先端部４０ｔへのガラス微粒子の付着は減少したが、第２管２０の先端部２０ｔへのガラス微粒子の付着が多く、２本目の光ファイバ用母材においてガラス微粒子を60kg堆積させた時にバーナ先端が閉塞したので、ガラス微粒子の堆積を中断した。

第１管１０の先端部１０ｔに対して、第２管２０、小径ノズル４０及び第３管３０の先端部の突出量をそれぞれ２mmとした条件３では、第２管２０へのガラス微粒子の付着は解消されたが、小径ノズル４０の先端への付着があり、１本目の光ファイバ用母材へガラス微粒子を90kg堆積させた時にバーナ先端が閉塞したので、ガラス微粒子の堆積を中断した。

条件４及び条件５は、第１管１０の先端部１０ｔに対して第２管２０の先端部２０ｔを前方に突出させ、第２管２０の先端部２０ｔ及び小径ノズル４０の先端部４０ｔに対して第３管３０の先端部３０ｔを前方に突出させている。なお、条件４では、第２管２０の先端部２０ｔ及び小径ノズル４０の先端部４０ｔは同じ突出量であり、条件５では、小径ノズル４０の先端部４０ｔが第２管２０の先端部２０ｔよりも前方に突出している。

これら条件４及び条件５においては、バーナ先端へのガラス微粒子の付着はなく、５本の光ファイバ用母材を問題無く製造することができた。

第３管３０の先端部の突出量を条件５よりもさらに大きくした条件６においては、１本目の光ファイバ用母材においてバーナの先端が火炎により過熱状態となり、光ファイバ用母材の製造ができなかった。すなわち、第３管３０の先端部の突出量を大きくしすぎると過熱により光ファイバー母材を製造することができないため、突出量を過熱を回避できる適切な範囲に収める必要がある。

本発明によれば、光ファイバ用母材を製造する際に、バーナの先端部が堆積物により閉塞されるのを抑制できるので、生産性が向上する。

１０…第１の管
１０ｔ…先端部
２０…第２の管
２０ｔ…先端部
３０…第３の管
３０ｔ…先端部
４０…小径ノズル
４０ｔ…先端部
ＰＡ…ガラス原料ガス噴出ポート
ＰＢ…シールガス噴出ポート
ＰＣ…可燃性ガス噴出ポート
ＰＤ…助燃性ガス噴出ポート

Claims (1)

1. ガラス原料ガスを噴出するガラス原料ガス噴出ポートを画定する先端部を備える第１の管と、
   前記第１の管の外側に同心状に配置され、前記第１の管の先端部と共にシールガスを噴出するシールガスポートを画定する先端部を備える第２の管と、
   前記第２の管の外側に同心状に配置され、前記第２の管の先端部と共に可燃性ガスを噴出する可燃性ガスポートを画定する先端部を備える第３の管と、
   前記第２の管と前記第３の管との間に形成される空間に配置された複数の小径ノズルであって、前記複数の小径ノズルの各々は、前記ガラス原料ガスポートと同心円上に配置され、助燃性ガスを噴出する助燃性ガスポートを画定する先端部を備える複数の小径ノズルとを有し、
   前記第２の管の先端部は、ガス噴出方向において前記第１の管の先端部よりも前方に突出し、
   前記第３の管の先端部は、ガス噴出方向において前記第２の管の先端部及び前記小径ノズルの先端部よりも前方に突出し、
   前記小径ノズルの先端部は、ガス噴出方向において前記第２の管の先端部と同じ位置にあり、
   前記第３の管の先端部は、前記第１の管の先端部に対して、ガラス微粒子の堆積によってバーナ先端が閉塞せず、かつ、バーナ先端が過熱されない位置に配置されている
   ことを特徴とする光ファイバ用ガラス母材製造用バーナ。

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