JP5414611B2 - 多孔質ガラス母材製造用バーナ - Google Patents

Description

本発明は、複数のガス噴出ポートが同心円状に配置されたマルチノズル型同芯多重管構造を有する多孔質ガラス母材製造用バーナに関する。

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、回転する出発部材にバーナの火炎中で生成したガラス微粒子をバーナもしくは出発部材を相対往復運動させ、付着堆積させてガラス微粒子堆積体（以下、スートと称する）を合成し、これを電気炉内で脱水、焼結して透明ガラス体とする外付け法（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を合成するバーナには、同芯多重管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、ガラス微粒子の生成が充分に行われなかった。その結果、収率が伸びずに、高速での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を配置したマルチノズル型バーナが提案されている。
また、このタイプのバーナで、さらに堆積効率を向上させる方法が以下のように提案されている。

小口径助燃性ガス噴出ポートの構成に関して、特許文献２〜５等が提案され、小口径助燃性ガス噴出ポートの焦点距離の適正化に関して、特許文献６〜８等が提案され、ガス流量及びガス線速の適正化に関して、特許文献９〜12等が提案されている。

特公平03-9047号公報

多孔質ガラス母材を製造するバーナは、不純物の混入を防止するため、一般的に石英ガラス製のものが使用され、ガラス職人による手作業で製作されている。なかでもマルチノズル型バーナは、従来の同芯多重管バーナと比較して構造が複雑で、特に、小口径ガス噴出ポートより外側に、複数のガス噴出ポートを有し、その先端側を縮径させた構成のマルチノズル型バーナは、製作が非常に困難である。

このように構造が複雑なマルチノズル型バーナは、熟練したガラス職人が、充分に精度に注意を払って製作しても、各部の公差の積み重ねの結果として生じるバーナ毎の個体差が、従来の同芯多重管バーナと比較して、大きくなる傾向にある。
個体差があることによる問題点は、同一条件で堆積させても、堆積効率にバラツキが生じたり、バーナ先端が焼けて損傷を生じたりするといった問題がある。

本発明は、マルチノズル型バーナの同芯多重管部分に軸ずれがあった場合においても、バーナ先端が焼けることなく、堆積効率のバラツキの小さな多孔質ガラス母材製造用バーナの提供を目的としている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の多孔質ガラス母材製造用バーナは、中心のガラス原料ガス噴出ポートの外側に、複数のガス噴出ポートが同心円状に配置された同芯多重管構造を有し、中心と最外側のガス噴出ポートを除く１つのガス噴出ポート内に、ガラス原料ガス噴出ポートに対し同心円状に１列または複数列に配置され、同一列の噴出ポートは同一の焦点距離を有する小口径ガス噴出ポートを内包する多孔質ガラス母材製造用バーナであって、前記小口径ガス噴出ポートを内包するガス噴出ポートより外側に配置された各ガス噴出ポートを構成する複数の管がバーナ先端方向に向けて縮径されるとともに、バーナ先端からの縮径開始位置を、前記小口径ガス噴出ポートを内包するガス噴出ポートの外側を区切る管より、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、・・・Ｌｎの長さ位置とするとき、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞・・・＞Ｌｎの関係を満たし、外側の管ほど縮径開始位置がバーナ先端寄りであることを特徴としている。
また、本発明の多孔質ガラス母材の製造方法は、該多孔質ガラス母材製造用バーナを用いて製造することを特徴としている。

上記構成とすることで、バーナは、内側の管から先端に向けて順次縮径が始まるため、縮径位置が順次ズレることになり、ガスが通る流路のクリアランスが極端に小さくなるのを防止できる。

光ファイバ母材の製造装置の一例を示す概略図である。 小口径ガス噴出ポートを有するガラス微粒子合成用バーナの横断面図である。 本発明のガラス微粒子合成用バーナの一例を示す概略縦断面図である。 実施例で使用した軸ずれバーナの軸ずれ方向を示す模式図である。 比較例で使用したガラス微粒子合成用バーナの一例を示す概略縦断面図である。 バーナの線速分布測定位置を示す概略図である。 第４管の線速分布図である。 第５管の線速分布図である。

鋭意検討した結果、小口径ガス噴出ポートの外側に複数のガス噴出ポートを有し、それらの噴出ポートの先端が縮径されているマルチノズル型バーナにおいては、小口径ガス噴出ポートより外側のガス噴出ポート出口での線速分布が、上記バーナの個体差に大きな影響を与えていることが判明した。
つまり、小口径ガス噴出ポートより外側の不活性ガス噴出ポートの線速分布が大きければ、その線速が小さい部分は、充分に不活性ガスが流れず、可燃性ガスと助燃性ガスのシールが完全になされない。結果として、その部分のバーナ先端部が焼かれ、失透が生じやすいバーナとなる。

また、小口径ガス噴出ポートより外側の可燃性ガスまたは助燃性ガスの噴出ポートの線速分布が大きければ、ガスの反応に偏りが生じ、その部分の堆積効率が低下するといった現象や、火炎が曲がり堆積面に垂直に当たらないといった現象が生じ、堆積効率の低いバーナとなる。
この線速分布の偏りは、噴出ポートの管同士の軸がずれていて、ガスが通る流路のクリアランスにバラツキが生じていることに起因する。クリアランスが大きい部分は、ガスが多く流れ、逆に、クリアランスが小さい部分は、ガスが流れにくい。当然、この軸ずれを抑えるようにガラス職人は努力するが、軸ずれ量をゼロとすることは、非常に困難である。

表１は、同一の内管、同一の外管軸ずれ量0.5mmに対して、クリアランスが大きいものと小さいものとのクリアランス比較を示している。同じ軸ずれ量であっても、クリアランスの絶対量が小さいほうが、クリアランス比(b/a)が大きくなる。逆に、クリアランスの絶対量が大きいほうが、クリアランス比(b/a)が小さくなり、軸ずれの影響は相対的に小さくなる。その結果、クリアランス絶対量が小さいものの方が線速分布は大きくなる。

このことから、バーナの個体差を小さくするには、線速分布を小さくしたい場合、バーナ設計時の設定クリアランスを小さくしすぎないことも重要であるが、それ以上に、そのクリアランスが、長手方向のある部分で、想定外に極端に小さくなる部分ができないようにすることが重要である。

ここで、小口径ガス噴出ポートより外側に複数のガス噴出ポートを有し、その先端側を縮径させたバーナでは、縮径を開始する位置にバラツキがあると、縮径開始部分において、設計クリアランスよりもクリアランス絶対量が小さくなり、線速分布が大きくなりやすいことが分った。
縮径開始部の位置やその縮径形状は、バーナ職人が手作業で管修正を行うため、バーナ間で完全に同一とすることは非常に困難である。
実際にクリアランスが小さくなっていた部分は、各管同じ位置で縮径していた筈が、内管と比べ微妙に外側の管の縮径開始位置が先端から遠ざかった部分で行われていた。このような場合、外側の管が先に縮んで内管側に接近してくるため、設計したクリアランス以上にクリアランスが小さくなっていた。

そこで、本発明者は、鋭意検討した結果、小口径ガス噴出ポートを内包するガス噴出ポートより外側に配置された各ガス噴出ポートを構成する複数の管が、バーナ先端方向に向けて縮径するに際し、バーナ先端からの縮径開始位置を、前記小口径ガス噴出ポートを内包するガス噴出ポートの外側を区切る管から順にＬ１、Ｌ２、Ｌ３、・・・Ｌｎの位置とするとき、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞・・・＞Ｌｎの関係を満たし、外側の管ほど縮径開始位置をバーナ先端よりとすることで、上記した管の縮径加工によって生じるガス流路のクリアランスのバラツキの問題を解決した。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１において、出発部材は、コアロッド１の両端部にダミーロッド２が溶着され、チャック機構４に軸回りに回転自在に支持されている。この出発部材に向かって、左右に移動自在とされたバーナ３が配置されている。ここで、出発部材に対してバーナ３か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）とを吹き付け、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。そして、出発部材の長手方向に沿って、バーナ３を不図示のバーナガイド機構によって往復移動させることにより堆積層を形成し、光ファイバ用多孔質母材が形成される。なお、図示していないが、バーナ３の移動に代えて、出発部材を長手方向に移動させる機構としてもよい。
さらに、光ファイバ用多孔質ガラス母材は、加熱炉で脱水処理後、透明ガラス化され光ファイバ用ガラス母材とされる。

図２に示すような、ガラス原料ガス噴出ポート(6)を区切る中心の第１管、シールガス噴出ポート(7)の外側を区切る第２管、焦点距離が150mmに設定された８本の小口径助燃性ガス噴出ポート11を内包する可燃性ガス噴出ポート(8)の外側を区切る第３管、シールガス噴出ポート(9)の外側を区切る第４管、助燃性ガス噴出ポート(10)の外側を区切る第５管から構成され、第３管、第４管、第５管の先端を図３のように縮径させた多孔質ガラス母材製造用バーナにおいて、意図的に第３管目に対して第４管目を0.5mm、第４管目に対して第５管目を0.5mm軸ずれさせた。
軸ずれさせた方向は、図４に示すように、各ガス噴出ポートのガス導入管が配置されている方向側にクリアランスが小さくなるようにした。
このような構造は共通とし、縮径位置のみを表２のように変化させたバーナを用意し、常温におけるバーナ先端での線速分布を熱線風速計で測定した。

実施例１，２で使用したバーナは、図３に示すように小口径ガス噴出ポート11の外側に位置する管ほどバーナ先端側で縮径を開始させた構造（Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３）を有し、比較例１，２のバーナは、図５に示すように逆に外側に位置する管ほど、バーナ先端から遠い位置で縮径を開始させた構造（Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３）を有している。
使用したガスは、第４管にシールガスとしてN_２を５L/min、第５管に助燃性ガスとしてO_２を40L/minを供給した。

線速分布測定は、図６に示すように各ガス噴出ポートのガス導入管が配置されている方向を０時方向として、３時方向、６時方向、９時方向の９０度刻みで４箇所測定した。
その結果、図７に示す第４管の出口で測定した線速分布、及び図８に示す第５管の出口で測定した線速分布は、いずれも比較例のバーナでは測定方向による線速のバラツキが大きく、外側の管ほどバーナ先端側で縮径を開始した実施例のバーナでは、線速分布が非常に小さくなっていた。

次に、表２のバーナを用いて、実際に反応ガスを供給し、外径40mm、長さ2000mmのコアロッドの両端部に外径40mmのダミーロッドを溶着した出発部材上に多孔質ガラス微粒子を100kg堆積した。
ガスは、第１管にガラス原料ガスとしてSiCl_４10L/minと助燃性ガスとしてＯ_２20L/minを、第２管にシールガスとしてＮ_２を４L/min、第３管に可燃性ガスとしてＨ_２を170L/min、第４管にシールガスとしてＮ_２を５L/min、第５管に助燃性ガスとしてＯ_２を40L/min、小口径ガス噴出ポートに助燃性ガスとしてＯ_２を16L/min供給した。
その結果を、表３に示す。

比較例１，２においては、線速が小さかった０時方向の第４管目の先端が赤熱し、焼けた。これは、第３管目の可燃性ガスと第５管目の助燃性ガスが充分にシールされなかったためである。また、線速が小さかった０時方向の第５管目の助燃性ガスが少ないために、その部分の火炎が暗く観察された。
逆に、実施例１，２においては、バーナ先端の焼けや火炎の偏り等は観察されなかった。
結果として、実施例は、安定して高い堆積効率を示した。

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（第１管）、
７ シールガス噴出ポート（第２管）、
８ 可燃性ガス噴出ポート（第３管）、
９ シールガス噴出ポート（第４管）、
１０ 助燃性ガス噴出ポート（第５管）、
１１ 小口径助燃性ガス噴出ポート、
１２ ガス導入口。
Ｌ１；第３管目の縮径開始位置、
Ｌ２；第４管目の縮径開始位置、
Ｌ３；第５管目（最外管）の縮径開始位置。

Claims (2)

1. 中心のガラス原料ガス噴出ポートの外側に、複数のガス噴出ポートが同心円状に配置された同芯多重管構造を有し、中心と最外側のガス噴出ポートを除く１つのガス噴出ポート内に、ガラス原料ガス噴出ポートに対し同心円状に１列または複数列に配置され、同一列の噴出ポートは同一の焦点距離を有する小口径ガス噴出ポートを内包する多孔質ガラス母材製造用バーナであって、前記小口径ガス噴出ポートを内包するガス噴出ポートより外側に配置された各ガス噴出ポートを構成する複数の管がバーナ先端方向に向けて縮径されるとともに、バーナ先端からの縮径開始位置を、前記小口径ガス噴出ポートを内包するガス噴出ポートの外側を区切る管より、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、・・・Ｌｎの長さ位置とするとき、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞・・・＞Ｌｎの関係を満たし、外側の管ほど縮径開始位置がバーナ先端寄りであることを特徴とする多孔質ガラス母材製造用バーナ。
2. 請求項１に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナを用いて製造することを特徴とする多孔質ガラス母材の製造方法。

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