JP5579759B2 - 溶融シリカ本体における硝子質状の内層の生成装置及びその動作方法 - Google Patents

Description

本発明は溶融シリカ本体における硝子質状の内層の生成装置及びその動作方法に関する。

［連邦支援のリサーチに関する陳述］
本発明の明細書は政府契約番号５ＢＲＳ２９０６０８７００に関する。米国政府は本発明に置いてある権利を有している。
溶融シリカセラミック本体は多数の種々の応用で実用的であり有効である。このような本体は湿気及び他の流体が本体の壁を貫通することを防止するためにこのような本体の内面上に薄い硝子質層を自動的に生成することによって一層有用にされている。硝子質化された層を有するこのような溶融シリカ本体の最適な性能は、硝子質化された層が比較的薄く、均一であり、比較的厳しい許容度内で一定の厚さであることを必要とされる。層全体にわたる層特性の所望の一貫性と、このような本体の異なる製造装置にわたる再現性は高価であり、手作業の硝子質化プロセスで実現するのは困難である。
米国特許第４，９４９，０９５号明細書 米国特許第６，０９１，３７５号明細書 "Ceramic Systems for Missile Structural Applications"、ジョージア工科大学技術実験場、海軍、海軍兵器局による製造、契約番号w-63-0143-d、概略報告書No.1、（四半期報告書No.4を含める）1962年11月１日〜1963年10月31日、ジョージア州アトランタ、47頁

硝子質化されたシリカ層を有するこのような溶融シリカ本体の製造の均一性の所望レベルは正確で反復可能な自動化された装置を使用することにより実現されることができる。本発明のある実施形態によるこのような装置は制御され反復可能な方法で、本体及び層の所望の特性に妥協せずに、溶融シリカ本体の内面、エッジおよび／またはその他の表面上で薄く均一な硝子質化されたシリカ層を生成するために全ての必要なプロセスを行う。

ある実施形態によれば、本発明は溶融シリカ本体の内面の少なくとも一部分に隣接して硝子質状のシリカの層を生成する装置に関し、その装置は内面の前記少なくとも一部の層を硝子質化させるのに十分な熱を内面の少なくとも一部へ与えるために配置された熱源を具備している。これらのある実施形態では、熱源は内面の比較的小さい面積を一度に加熱するように構成されており、その装置は内面に関して熱源を移動するための位置付け機構を具備し、これらのある実施形態では、熱源は少なくとも１つのトーチを具備し、それらのある実施形態では、トーチは表面ミックス、低速度、酸素−水素燃料のトーチである。

ある実施形態では、トーチは水晶硝子で構成されている。ある実施形態では、トーチから発生する熱のパターンは別の方向よりも一方向で長く、その長い方向はトーチの移動方向に直交して位置される。別の実施形態では、トーチに供給する少なくとも１つのガスの流れは質量流制御装置により調整される。別の実施形態では、少なくとも１つの位置付け機構はＣＮＣ運動制御装置であり、その装置は予め規定された方法で運動制御装置に熱源を内面に関して移動させる計算装置を具備している。別の実施形態では、装置は溶融シリカ本体の少なくとも一部を加熱するように構成され、内面に隣接して熱源を位置させることを許容するように位置されているキルンを有する。別の実施形態では、装置は溶融シリカ本体をアニールするように構成されているオーブンを有する。別の実施形態では、少なくとも１つの位置付け機構は本体の回転軸に沿って本体に関して熱源を移動させることができる。別の実施形態では、少なくとも１つの位置付け機構は本体の回転軸を中心に本体に関して熱源を回転することができる。別の実施形態では、少なくとも１つの位置付け機構は本体の回転軸に直交する軸を中心に本体に関して熱源を回転することができる。別の実施形態では、装置は本体を回転できる位置付け機構を具備する。別の実施形態では、装置は本体上に硝子質状シリカの層の少なくとも一部を生成するのにそれぞれ使用可能な複数のトーチを具備している。

ある実施形態によれば、本発明は溶融シリカ本体の内面の少なくとも一部分に隣接して硝子質状のシリカの層を生成する装置の動作方法に関し、その方法は内面の少なくとも一部を硝子質化させるのに十分な熱に対して十分に近接して溶融シリカ本体の内面の少なくとも一部にわたって少なくとも１つの点火されたトーチを運動制御装置に移動させるステップを含んでいる。これらのある実施形態では、その方法はトーチに最も近い内面上の１点から一定のスタンドオフ距離を維持するように少なくとも１つの点火されたトーチを少なくとも１つの運動制御装置に移動させるステップを含んでいる。ある実施形態では、その方法は内面の少なくとも一部に関して螺旋状に少なくとも１つのトーチを少なくとも１つの運動制御装置に移動させるステップを含んでおり、これらのある実施形態では、その方法はキルンに溶融シリカ本体を位置させ、運動制御装置が内面近くに少なくとも１つのトーチを位置させることを許容するようにキルンを位置付け、硝子質化を起こす温度よりも低い温度でキルンを加熱し、少なくとも１つのトーチが内面の少なくとも一部にわたって相対的に動きながら室温よりも高温にキルンを維持するステップを含み、これらのある実施形態では、その方法は運動制御装置に本体をキルン内で本体を回転させ、運動制御装置に本体の回転軸に沿って少なくとも１つのトーチを移動させるステップを含み、これらのある実施形態では、その方法は運動制御装置にキルン内の溶融シリカ本体の回転速度を変化させるステップを含んでいる。別の実施形態では、その方法は少なくとも１つの点火されたトーチを本体に関して移動することにおいて少なくとも１つの運動制御装置に一連の予め設定されたコマンドを実行させるステップを含んでいる。別の実施形態では、その方法は内面から少なくとも１つの所望されるスタンドオフ距離にトーチを位置するように放射軸に沿って本体に関して少なくとも１つのトーチを運動制御装置に移動させるステップを含んでいる。別の実施形態では、その方法は、ピースの回転軸及び放射軸により規定された平面においてトーチから発せられるフレームがトーチに最も近い内面上の１点に垂直であるように配置されるように接線軸を中心に本体に関して少なくとも１つのトーチを運動制御装置に回転させるステップを含んでいる。別の実施形態では、その方法は、内面の第１の部分にわたって本体に関して第１のトーチを少なくとも１つの運動制御装置によって移動させ、第２のトーチが本体に関するその運動を運動制御装置により制御させることを可能にし、内面の第２の部分にわたって本体に関して第２のトーチを運動制御装置により移動させるステップを含んでいる。別の実施形態では、その方法はキルンまたは別のオーブンに溶融シリカ本体をアニールさせるステップを含んでいる。

溶融シリカ本体内を移動しその内面を硝子質化するトーチの断側面図である。 溶融シリカ本体内を移動しその内面を硝子質化する多面積の熱源がたどる螺旋状のパスの透明な側面から見た概略図である。 溶融シリカ本体の内面上に硝子質化された層を生成するのに使用可能な装置を示す図である。 溶融シリカ本体の異なる部分を硝子質化するために使用可能な種々のトーチを示す一連の断面の側面図である。 溶融シリカ本体の内面上に硝子質化された層を生成するために装置を動作するのに使用可能な方法のフローチャートである。

本発明による実施形態の装置及び方法は内面の少なくとも一部に硝子質状シリカ層を備えた溶融シリカ本体の製造に関するものであり、これは航空宇宙および製薬のような応用に有効である。このような本体はその製造方法と共に、さらにおよび特に同時係属の特許明細書（発明の名称“FUSED SILICA BODY WITH VITREOUS SILICA INNER LAYER, AND METHOD FOR MAKING SAME”、代理人整理番号R691/65509(09W002)）に記載されており、その内容全体はここで参考により組み込まれている。

前述の同時係属出願明細書に記載され、図１Ａに示されているように、溶融シリカ本体またはピース102の内面上に硝子質状シリカ層を生成する好ましい方法は、トーチ104のような過熱を行う局部域の熱源がスタンドオフ距離106においてピースの所望部分にわたって通過させることである。トーチからの熱またはフレーム108はそれが通過する区域の層を硝子質化し、溶融シリカ本体自体から自己生成的に均一で比較的薄い硝子質層を生成する。表面110はトーチが近づくにつれて溶解し、その後トーチが通過した後、冷却して硝子質状シリカ層112として再度固化する。好ましい実施形態では、トーチは溶解幅114を有し、点のフレームではなく線形を有する。

ピースに関する熱源の移動についての説明を容易にするため、図１Ａに示されているように３つの随意選択的な直交軸がここで規定されている。第１の軸はピースの回転軸116であり、これは対称ピースの先端チップ118とそのチップの反対側の後部空洞開口の中心とを通って延在する。処理期間中のピースの回転を含む本発明の実施形態では、ピースはほぼその回転軸の周りを回転する。処理されているピースの形状は典型的にこの軸を中心とする回転表面に近似し、処理される空洞もまたこの軸を中心にほぼ対称的である。しかしながら、ピースおよび／または空洞は不規則な構造を特徴とすることができるので、ピースは回転の真または正確な表面でなくてもよい。幾つかの実施形態ではピースは回転しており、結果としてその熱源に関して安定の状態である軸に関する熱源の運動を説明することがより簡単であるので、他の２つの軸はピース上の任意の特定点ではなく熱源に関して規定される。したがって第２の軸は放射軸120であり、これは回転軸に垂直であり、区域の熱源方向で回転軸から延在する。第３の軸は接線軸122であり、これはここで規定されている他の２つの軸に垂直であり、通常区域の熱源に最も近い点でピース表面に対して接して延在する。区域の熱源とピースの位置付け及び運動についての説明をさらに容易にするために、ピースがそのチップを下に向け、その後部エッジまたは空洞開口が上に向いているように、上方及び下方の概念がここで使用されている。これらは便宜的な参照のためのみに使用されているが、しかしながら１つの好ましい実施形態ではピースはその配向方向で処理され、本発明の他の実施形態はピースがその物理的配向または図面に示されている方向で処理されることを必要としない。

別の好ましい実施形態では、先に参照した係属出願明細書に記載され図１Ｂに示されているように、熱源がたどるパスはピース126の内面にわたる螺旋形のラスタリング124であり、このパスは凹面または凸面の内面上に層を生成することに非常に効率的である（説明を明白にし簡潔にするため、近接して位置され、オーバーラップするスワスおよび平坦な先頭及び末尾のスワスのような本発明の実施形態によるある特徴及び特性は図１Ｂには示されていない）。このような螺旋形運動を実現する１方法は、ピースの回転軸に沿ってトーチのような熱源を移動し、またピースの回転軸から異なる距離においてピースと表面の種々の部分間に一定のスタンドオフ距離を維持するため必要に応じて放射軸に沿ってトーチを移動しながらピースを回転することである。ここで説明したように、異なるトーチは図１Ｂで128、130、132として示されているようなピースの種々の部分を処理するために使用されることができる。内面は硝子質化されていない図１Ｂで134として示されているようなピースの一部分も存在できる。

本発明のある実施形態は溶融シリカ本体の内部層の少なくとも一部を硝子質化し、内部の硝子質状のシリカ層を自己発生的に生成する装置を具備している。このような装置は幾つかの市場で入手可能なコンポーネントを使用できる。このような装置は、内部層の局部的区域の加熱、熱源とピース間の螺旋状の相対運動の発生、熱衝撃を避けるための局部的な加熱期間中のピースのバイアス加熱、およびピースの任意の応力を軽減するための後のピースのアニールとを含めた、溶融シリカ本体またはピースを処理するのに必要な全てのプロセスを供給できる。

本発明による実施形態では、図２に示されているように装置はその過熱する熱源について、キルンに取り付けられているようにピースのこれらの領域にトーチが到達することを許容するのに十分に長いブルーム上に取り付けられたトーチ202を具備しており、そのキルンによって特定のトーチが使用される。線形の熱源は好ましくは線形のフレームジェットを発生するトーチを使用して構成されるが、ポイントフレームジェットの線形構成を有するトーチはそれほど好ましくはない。フレームの化学的純度、およびトーチが硝子質化プロセス期間中に露出される過熱された環境に対する耐性の目的で、トーチは好ましくは全体的に水晶硝子から構成されるが、金属のトーチが使用されることができる。好ましい実施形態では、トーチは低速度で表面ミックスユニットである。

好ましい実施形態では、トーチは産業標準のタンクまたはボトル204及び供給ライン206から供給される燃料としての水素と、産業標準のタンクまたはボトル208及び供給ライン210から供給される酸化剤としての酸素を使用する。水素の使用は多くの理由で、有機化合物のような他の燃料よりも優れている。そのフレームは２６００−２８００℃の範囲で燃焼し、これはシリカの薄い表面層に粘着性を与えるのに最適である。水素の使用は硝子質化された表面の炭素汚染を防止し、より低いフレーム速度を発生し、それは表面の変形を最小にする。水素トーチの表面ミックス技術は容易に利用可能であり、水素の必要とする酸素全体はより少なく、反応物がガス混合物の比較的緩和された許容度を可能にするので水素及び酸素の好ましい化学量論である。しかしながら他の燃料及び酸化剤ガス、或いはアーク−プラズマのような他のタイプのトーチも使用可能である。

硝子質化プロセス期間中、トーチは多量のガスを消費し、プロセス期間中の大きな圧力損失はピースを回収不能にする可能性がある。それ故、最小の圧力低下でトーチに十分なガス量を供給するために、液体酸素の大きなタンクが既製のマニホルドシステムを介して共に配管された水素の多数のボトルと共に使用されることができる。両ガスの圧力はそれらの流速が既製の電子質量流制御装置212を使用してさらに正確にさらに調整される前に、典型的に１平方インチ当り５０ポンドに最初に調整される。典型的に酸素の流動制御装置は毎分１乃至１００標準リットルの範囲で動作し、水素の流動制御装置は毎分２．５乃至２５０標準リットルの範囲で動作し、１平方インチ当り１２５ポンドの最大圧力である。ガスの流速は流動制御装置の製造業者により供給される簡単なグラフィカルユーザインターフェースを介して制御されることができ、あるいはこれらはピースの表面にわたってトーチの動きを誘導するプログラムによって制御され、調節されることができる。ガスの流速は使用されている特定のトーチの所望の熱出力の発生を支援するために調節または変化されることができる。

１実施形態では、フレームトーチはＣＮＣ運動制御装置214上に取り付けられ、これはトーチに対する移動及び回転的な多自由度を与える。運動制御装置は処理されているピースに関してフレームが数次元で移動され回転されることを許容する。典型的にこれは標準的な既製のＣＮＣ運動制御装置製品であることができる。運動制御装置は移動動作について「オープンループ」ステッパモーターシステムを使用でき、ステッパモーターは典型的にトルクの少なくとも１０００オンス−インチを出力でき、１回転当り２０００のステップで変化することができ、移動速度は毎分０乃至３００インチ（７．６２ｃｍ）の範囲である。１実施形態では移動モーターは少なくとも放射軸と接線軸に沿った区域熱源の移動を許容する。回転動作のための駆動モーターは典型的に１回転当り２０，０００ステップを変化でき、回転速度は毎分０乃至３０００度の範囲である。

ＣＮＣ運動制御で潜在的に利用可能な移動及び回転の自由度が、全てコンピュータの制御下でモーターまたはアクチュエイタにより駆動されることを必要とするわけではない。典型的に、既製の４軸ＣＮＣ運動制御システムが使用される場合、２つの移動軸が使用され、１つは回転軸に沿ったトーチの移動のためのものであり、１つは放射軸に沿ったトーチの移動のためのものであり、２つの回転軸が使用され、１つは接線軸を中心とするトーチの回転のためのものであり、１つは回転軸を中心とするピースの回転のためのものである。このような実施形態では、回転軸に平行な軸と放射軸を中心とするトーチの配向方向は典型的に固定可能な調節により設定される。

本発明の実施形態では、ピースのバイアス加熱とアニールはキルン216により行われる。随意選択的に、アニールはキルン以外のオーブンで行われることができる。キルンは標準的な既製のトップローディングキルンであることができる。随意選択的に、キルンは迅速な熱上昇を発生し、室温から約１２００℃の範囲のピース全体の環境温度を与えることができる。温度設定点と加熱及び冷却上昇速度等のようなキルンパラメータはキルン制御装置218により制御されることができる。これは標準的な既製の制御装置であることができ、グラフィックユーザインターフェースを特徴とする制御装置の製造業者からの標準的なプログラムにより制御されることができる。代わりに、これらのパラメータはピース表面にわたってトーチの移動を誘導するプログラムにより制御され調節される。

キルンは典型的に取外し可能なキルンカバー220を特徴とする。２つの異なるキルンカバーが典型的に使用され、１つはピースにわたるトーチの硝子質化のための通過期間中に、ピースへのトーチのアクセスを可能にするための開口を有し、１つは開口をもたずさらに効率的にキルン内に熱を含むように予備加熱または再加熱サイクル期間中に使用される。ある実施形態では、処理される溶融シリカピース222は硝子質化処理期間中にキルン内のピースホルダ224中に配置される。ピースホルダは好ましくは処理されるピースに整合する熱膨張係数を有するか、またはピースの熱膨張係数とは異なるならば少なくともそれを考慮に入れた耐熱材料から作られる固定具である。ある実施形態では、ピースホルダは処理期間中にピースホルダとピースを回転する回転台226上に取り付けられ、したがって螺旋形のラスタリング運動の回転コンポーネントを与える。回転台は典型的に運動制御装置に接続され、その回転はプログラムされ、運動制御装置の回転軸の１つとして駆動される。ピースホルダはさらにキルンの底部を回転可能に密封し、回転台機構が室温環境でキルン外に配置されることを可能にする（キルン、キルンカバー、ピース、ピースホルダ、回転台は断面図で図１に示されている）。

ピース回転速度は典型的に０．２乃至６ｒｐｍの範囲であり、例えば過熱されているピースの一部の伝導表面域が増加または減少するときに伝達される熱量を変化するために所望されるように変化されることができる。低速度の回転はより多くの熱が処理されている特定のゾーンに与えられることを可能にする。円錐空洞の点近くのより小さい直径の領域のようなよりコンパクトな領域は必要とする熱の供給が少なくてもよい。これは領域にわたって熱源をより迅速に通過することにより実現されることができ、これを実現する１方法はピースをより迅速に回転することである。トーチがピースの内部空洞のさらに大きな部分へ上昇されるとき、回転速度は減少され、より多くの熱がその領域に含まれるより大きな伝導表面域へ与えられることを可能にする。回転速度は典型的にチップから後部エッジへ連続的に増加する直径を特徴とするピースを処理するとき、その補償として連続的に変化される。

１実施形態では、運動制御装置はコンピュータ228とユーザインターフェース装置230により制御される。コンピュータは運動制御装置を制御するためのＧ−コードのような産業標準のプログラミング言語と、典型的にグラフィカルユーザインターフェースを特徴とする既製のソフトウェアを使用してプログラムされることができる。コンピュータはキルン制御装置および質量流制御装置と結合されることができ、例えばそれらの動作をより緊密に内面に沿ったトーチの動作へ統合するために同様にそれらの動作を間接的または直接的に制御する。

空洞内のトーチの貫通を異ならせることは図３に示されているように多数のトーチの使用により実現されることができる。例えば空洞の最低点近くの領域はトーチが空洞をアクセスする開口から最も遠く、また面積においてさらに小さくより限定されたスペースであり、それ故過熱を避けるために、このような領域はさらに小さいトーチヘッド302とさらに長いブルーム304で硝子質化される。典型的に、このようなさらに小さいトーチは少なくとも毎時１０，０００ＢＴＵの熱出力を特徴とする。反対に、空洞の開口に近い領域は面積においてさらに大きく、トーチのアクセス点に近く、それによってこのような領域の加熱に使用されるトーチはより大きなトーチヘッド306とより短いブルーム308を特徴とすることができる。典型的にこのようなさらに大きいトーチは少なくとも毎時１００，０００ＢＴＵの熱出力を特徴とすることができる。ピースの後部エッジは典型的により小さい表面を提示し、ピースが典型的にキルン内で配向されている方法で、通常は運動制御装置の近くに位置され、それ故このようなエッジはより小さいトーチヘッド310とより小さいブルーム312を使用して最適に硝子質化されることができる。処理されているピースが平坦な下部を有するか全体的に平坦である場合、底部の硝子質化はフレームを下部および長いブルーム316方向へ向けるように角度を付けられたトーチヘッド314を使用できる。ある実施形態では、硝子質化プロセスは中断されることができ、異なるトーチが手作業で交換されるか、異なるブルーム長を有する多数のトーチが運動制御装置上に結合して取り付けられ、プロセスが進行するとき自動的に引き出され挿入されることができる。多数のトーチの使用により、典型的に図１Ｂの領域128、130、132により示されているように、表面にわたる異なる部分の螺旋形走査が異なるトーチにより行われる。

処理されている空洞の内面は均一なコーンまたは他の回転表面でなくてもよく、代わりにアーティキュレーションおよび不規則性を特徴とすることができる。ある実施形態では、放射軸に沿って出入りするトーチの能力はトーチが、出っ張り、および他の不規則性に適合するためにトーチが表面から退くことを許容する。また、付加的なコンピュータ制御された自由度、または回転軸および／または放射軸を中心とする回転のようなトーチの動作のアーティクレーションはフレームが向きを変えて内部壁から垂直に現われる「壁」に直面することを可能にする。表面の不規則性が走査される表面の長さを増加するならば、ピースの回転はトーチが不規則性の周囲をトレースする間、補償するために瞬間的に減少されることができる。幾つかの実施形態では、コンピュータの数値制御は全体的に通常の螺旋状の走査期間中にこのような不規則性に適合するために実質的に限定のない量の特別なフレームの角度決め及び位置付けを許容する。

本発明の１実施形態による典型的なプロセスでは、図４に示されているように、処理されるピース222は典型的に準備プロセスの一部として硝子質化プロセスを準備され（402）、典型的に準備処理の一部としてピースは光学的に検査されその内面と後部エッジから任意の汚染物質を除去するためにメタノール等で清浄され、その後後部エッジを上にしてキルン216内のピースホルダ224へ位置される。開口のないキルンカバーはキルンの上部に配置され、キルンとピースは典型的にキルン制御装置218の予備加熱プログラム、またはキルン制御装置を制御するように構成されているならばコンピュータ228を作動することにより予備加熱される（404）。バイアス加熱としても知られている予備加熱温度は典型的に６００℃乃至１０００℃の範囲であり、好ましくは予備加熱温度は可能な限り高温であるべきであり、それによってピースにおいて不所望な結晶化を促す温度域よりも低温に維持しながら、熱源下の区域と残りのピースとの間の温度差を最小にする。この範囲のさらに高い部分を使用することにより、熱衝撃の危険性を減少し、使用されるトーチのガスとピースのシリカがさらに純粋に近づく場合の結晶化の危険性を少なくできる。ピースは典型的に３０分間以上この温度で保持され、正確な時間期間はピースの壁の厚さにしたがって選択される。

ピースが適切に予備加熱されるとき、内面の前部（空洞のチップまたは中心に最も近く、ピースがキルン内に保持されるときに最低の点にある）で使用されるトーチは単一のトーチシステム中または多数のトーチシステム中の運動制御装置に取り付けられ、このトーチは最初、付勢されるようにプログラムされており、このトーチはその後点火される（406）。開口のないキルンカバーはキルンから取り除かれ、開口220を有するキルンカバーはキルン内部のピースの内面に対するトーチのアクセスを与えるためにキルンの上部を覆って配置され、トーチの動作プログラムが開始される（408）。（代わりに、開口を有するキルンカバーが常にキルン上に残されてもよく、開口のない「積み重ね可能な」キルンカバーは開口がないことが所望される時間期間にその上部に配置されることができる）。最適にはコンピュータ制御下の質量流制御装置は毎時少なくとも１０万ＢＴＵの熱エネルギを伝導する水素及び酸素の化学量論的燃焼を実現するように調節されるが、より低い伝導速度が取り付けられたトーチの寸法にしたがって実際に使用されることができる。

トーチはトーチの位置に最も近い表面からスタンドオフ距離に位置され、この距離は典型的に内面にわたるトーチの動作を通して一定に維持される。スタンドオフ距離はトーチから発する燃料及び酸化剤混合物が混合し、燃焼し、フレームが表面に接する点で最大の熱エネルギを実現することを許容する最適な寸法であるように選択される。トーチは典型的に回転軸と放射軸により規定される側面平面において、フレームの方向を処理される表面の点に対して垂直にするために接線軸を中心に回転され、それによって均等なスタンドオフ距離を維持し、線形フレームの長さに沿った熱の均等な分配を与える。トーチはこれが放射軸と接線軸により規定される上面平面において、表面に対して垂直になるように回転されることもできるが、これは代わりにトーチの移動方向の前方方向へ上面平面においてトーチを回転することが通常好ましく、これは表面線またはスワスが硝子質化のためにトーチに近づくときその予備加熱を可能にする。典型的にトーチはフレームをそのトーチに最も近い表面の点に対する垂線から前方向に１０乃至１５度の範囲にするため上面平面において回転される。

プログラムされたコンピュータの制御下で、運動制御装置は典型的にトーチをピースの空洞内の開始位置へ動かし、これはまだ回転を開始していない。（ここで説明した全ての位置付け移動と同様に、位置付けはトーチとピースとの間の相対的な位置付けであり、任意のこれらの移動はトーチの移動、本体の移動、またはその両者により実行されることができる。）開始位置はピース、内面、空洞の幾何学形状により決定され、空洞のチップまたは中心にあることができるが、幾つかの応用では、空洞の丁度中心は硝子質化される必要はなく、開始位置は内面の一層遠くおよび／またはその上で発見されることができる。開始位置で、トーチおよびピースは典型的には数秒の短い期間である最初の停滞期間に静止を維持され（410）、最初の粘性ゾーンが内面上に生成される。最初の停滞の最後に、トーチが回転軸に沿って固定された位置に保持されながらピースは回転するように設定され、ピースは最初の粘性ゾーンを最初の粘性及びその後の硝子質化されたバンドへ拡張するために最初のフラットパス（412）用に固定された角速度で１回のフル回転を受ける。

最初のフラットパスの終了時に、ピースは回転を継続し、トーチは回転軸に沿って上方に移動を開始し、第１の螺旋状のラスタリング走査（414）が開始し、回転軸に沿ったトーチの移動とピースの回転はそれぞれ螺旋状のラスタリング運動のコンポーネントに貢献する。

典型的に、トーチはピースの回転と結果的な螺旋状の走査が継続するように、回転軸に沿った上方へほぼ一定の線形運動を維持する。螺旋状のラスターは空洞全体、または異なるトーチが空洞の異なる部分に使用されるならば空洞の一部のみをカバーできる。トーチがカバーされる部分の最後に到達したとき、回転軸に沿ったトーチの移動は停止されるが、ピースは最終的なフラットパス（416）のためにピースのフル回転またはパスの終了に必要なピースの外周部分を通して回転を継続し、硝子質化の最終的なフラットバンドを生成する。トーチはその後、ピースおよびキルンから退かれ、消火される（418）。

トーチが凹面の後端部方向に移動するとき、放射軸に沿った空洞の直径は典型的に膨張し、回転軸及び放射軸により規定される側面における内面の最も近い点の接線である表面の「コーン角度」は典型的に回転軸方向に向きを変え、回転軸と平行に延在する。トーチの運動プログラムは典型的に、ピースの表面から一定のスタンドオフ距離を維持するために放射軸に沿ってトーチを移動するように運動制御装置に指令し、側面の平面において回転軸に垂直である方向に接線軸を中心にトーチを回転するように運動制御装置に指令することによって、空洞の幾何学形状におけるこれらの変化を補償する。さらに、ピースの回転速度はトーチが空洞の大きい直径部分へ移動するときに典型的に低速度にされ、それによってより大きな空洞からの対流及び放射的な熱損失と、トーチの連続的な通過のオーバーラップ間の増加された外周距離を補償する。

内部空洞の下部が平坦である状況では、トーチを回転軸に沿って上方向に移動するのではなく、典型的に運動制御装置は平坦な下部に沿ってスパイラルを生成するように放射軸に沿って外方向にトーチを移動する。内面の隆起部が平坦な下部の外部エッジで遭遇されるとき、トーチは平坦なスパイラルを螺旋へ延在するように回転角度に沿って上方向に移動を開始する。必要な熱供給の角度のために、平坦な下部表面を硝子質化するための特定の角度を付けられたトーチヘッドを使用することが必要である。

典型的に、多数のトーチがピースを処理するために使用され、または空洞全体で恐らく１つのトーチと全ての後部エッジで１つのトーチが使用される。トーチの変更期間に、開口を特徴とするキルンカバーは除去され、開口のないキルンカバーがキルン上で置換され（または開口のないカバーが開口のあるカバーの上部に積み重ねられる）、ピースは再度加熱される（420）。再加熱サイクルが終了したとき、第２のトーチは単一のトーチ取り付けシステムで取り付けられ、または多数のトーチ取り付けシステム中で付勢され、点火される（422）。開口を有するキルンカバーが再度設けられ、トーチ動作プログラムが開始する（424）。第１のトーチと同様に、第２のトーチは最初の停滞期間と最初のフラットパスを受け（426）、その後その螺旋状のラスタリングを通して走査され（428）、その後最終的なフラットパスを通って移動され、第２のトーチは引出され消火される（430）。

ピース全体の処理を終了するのに必要とする数の再加熱及びラスタリングサイクルの付加的な反復（432、434）が使用されることができる。例えば図１Ｂに示されているように、円錐ピースの３つの異なるゾーン128、130、132はそれぞれ異なるトーチで処理され、さらにそのピースの部分134は硝子質化されない。再加熱及びトーチ運動の類似の反復が後部エッジ、リップまたはピースの他の隣接表面の硝子質化に使用されることができる。典型的にこのエッジまたはリップの幅はトーチフレームの長さよりも小さく、それ故トーチの運動は最初の位置付けと、それに続くピースの単一のフル回転に限定されるが、エッジまたはリップがフレーム幅よりも厚いならば、ピースの回転及び放射状のトーチ移動により発生されるスパイラルパターンが行われることができる。

ピースのトーチ硝子質化プロセスが終了するとき、ピースは室温に冷却される（436）。ピースは外気中で冷却されることが可能にされ、硝子質化された層が適切に構成されているならば強打を与えるべきではない。

硝子質化後に残留する可能性がある熱応力を軽減するためと、ピースはアニールされることができる（438）。これは硝子質化に使用された同じキルンまたは別のオーブンで行われることができる。このようなアニールは典型的に毎分２０℃乃至３０℃の速度でピースを約１１７５℃の温度へ加熱し、ピースをその温度に１５乃至３０分間浸し、その後毎分２０度乃至３０℃の速度でピースを室温まで冷却して戻すことにより行われる。例えば視覚的検査、漏洩検査、厚さ測定を含んだ、処理されたピースの非破壊最終検査が行われることができる。処理前と処理後のピース壁の厚さの差は硝子質化の程度と硝子質化された層の厚さを、例えばある基準ピースの破壊的検査から決定された壁の厚さと比較することにより、実験に基づいて決定することに使用されるが、製造ピースの破壊的検査の必要はない。層密度の統計は液体タンクの変位測定を使用して決定されることもできる。このような測定は溶融シリカが典型的に約９２％の密度である事実に較正されることができ、十分に硝子質化された層はほぼ１００％の密度であり、硝子質化された層と残りのピースとの間の推移層はこれらの２つの間で推移する密度値を仮定できる。

本発明の限定された実施形態を特別に示し説明したが、多くの変形、組み合わせ、変更が当業者に明白であろう。したがってここで特別に説明した以外の本発明の原理により構成された装置とこのような装置の動作方法が実施されることが理解される。本発明は請求項によって規定される。
以下に、本願出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１] 溶融シリカ本体の内面の少なくとも一部分に隣接して硝子質状のシリカの層を生成する装置において、前記内面の前記少なくとも一部の層を硝子質化させるのに十分な熱を前記内面の少なくとも一部へ与えるように配置された熱源を具備している装置。
[２] 前記熱源は前記内面の比較的小さい面積を一度に加熱するように構成されており、前記内面に関して前記熱源を移動するための位置付け機構を具備している前記[１]記載の装置。
[３] 前記熱源は少なくとも１つのトーチを具備している前記[２]記載の装置。
[４] 前記トーチは表面ミックス、低速度、酸素−水素燃料のトーチである前記[３]記載の装置。
[５] 前記トーチは水晶硝子で構成されている前記[３]記載の装置。
[６] トーチから発生する熱のパターンは一方方向で他の方向よりも長く、前記長い方向は前記トーチの移動方向を横断する方向に配置されている前記[３]記載の装置。
[７] トーチに供給する少なくとも１つのガスの流れは質量流制御装置によって調整される前記[３]記載の装置。
[８] 少なくとも１つの位置付け機構はＣＮＣ運動制御装置であり、予め規定された方法で前記運動制御装置に前記熱源を前記内面に関して移動させる計算装置を具備している前記[２]記載の装置。
[９] 前記本体の少なくとも一部を加熱するように構成され、前記内面に隣接して前記熱源を位置させることを許容するように位置されているキルンを具備している前記[２]記載の装置。
[１０] 前記本体をアニールするように構成されているオーブンを具備している前記[１]記載の装置。
[１１] 少なくとも１つの位置付け機構は、前記本体の回転軸に沿って前記本体に関して前記熱源を移動することが可能である前記[２]記載の装置。
[１２] 少なくとも１つの位置付け機構は、前記本体の回転軸に対して直交して前記本体に関して前記熱源を移動することが可能である前記[２]記載の装置。
[１３] 少なくとも１つの位置付け機構は、前記本体の回転軸を中心に前記本体に関して前記熱源を回転することが可能である前記[２]記載の装置。
[１４] 少なくとも１つの位置付け機構は、前記本体の回転軸に対して直交する軸を中心に前記本体に関して前記熱源を回転できる前記[２]記載の装置。
[１５] 前記本体を回転できる位置付け機構を具備している前記[２]記載の装置。
[１６] 前記本体上に硝子質状シリカの前記層の少なくとも一部を生成するのにそれぞれ使用可能な複数のトーチを具備している前記[３]記載の装置。
[１７] 溶融シリカ本体の内面の少なくとも一部分に隣接して硝子質状のシリカの層を生成する装置の動作方法において、
前記内面の少なくとも一部を硝子質化させるのに十分な熱を与えるために十分に近接して溶融シリカ本体の内面の少なくとも一部にわたって少なくとも１つの点火されたトーチを運動制御装置によって移動させるステップを含んでいる方法。
[１８] 前記トーチに最も近い前記内面上の１点から一定のスタンドオフ距離を維持するように少なくとも１つの点火されたトーチを少なくとも１つの運動制御装置によって移動させるステップを含んでいる前記[１７]記載の方法。
[１９] 前記内面の少なくとも一部に関して螺旋状に前記少なくとも１つのトーチを少なくとも１つの運動制御装置によって移動させるステップを含んでいる前記[１７]記載の方法。
[２０] キルン中に前記溶融シリカ本体を位置させ、前記運動制御装置が前記内面近くに少なくとも１つのトーチを位置させることを許容するように前記キルンを構成し、前記硝子質化を起こす温度よりも低い温度で前記キルンを加熱し、少なくとも１つのトーチが前記内面の少なくとも一部にわたって相対的に移動している間に室温よりも高い温度に前記キルンを維持するステップを含んでいる前記[１９]記載の方法。
[２１] 少なくとも１つのトーチを螺旋状に移動するステップは、運動制御装置により前記本体を前記キルン内で回転させ、運動制御装置により前記本体の回転軸に沿って前記少なくとも１つのトーチを移動させるステップを含んでいる前記[２０]記載の方法。
[２２] 運動制御装置により前記キルン内の前記本体の前記回転速度を変化させるステップを含んでいる前記[２１]記載の方法。
[２３] 少なくとも１つの点火されたトーチを前記本体に関して移動させるとき少なくとも１つの運動制御装置によって一連の予め設定されたコマンドを実行させるステップを含んでいる前記[１７]記載の方法。
[２４] 前記内面から少なくとも１つの所望されるスタンドオフ距離に前記トーチを位置させるように放射軸に沿って前記本体に関して前記少なくとも１つのトーチを運動制御装置によって移動させるステップを含んでいる前記[１７]記載の方法。
[２５] 前記本体の回転軸及び放射軸により規定された平面において前記トーチから発せられるフレームが前記トーチに最も近い前記内面上の１点に垂直であるように配置されるように接線軸を中心に前記本体に関して前記少なくとも１つのトーチを運動制御装置に回転させるステップを含んでいる前記[１７]記載の方法。
[２６] 前記内面の第１の部分にわたって前記本体に関して第１のトーチを少なくとも１つの運動制御装置によって移動させ、第２のトーチが前記本体に関するその運動を少なくとも１つの運動制御装置により制御させることを可能にし、前記内面の第２の部分にわたって前記本体に関して前記第２のトーチを少なくとも１つの運動制御装置によって移動させるステップを含んでいる前記[１７]記載の方法。
[２７] 前記キルンまたは別のオーブンによって前記本体をアニールさせるステップを含んでいる前記[２１]記載の方法。

Claims (17)

1. 溶融シリカ本体の内面を硝子質化する装置において、
   前記装置は、
   前記内面の一部を硝子質化させるのに十分な熱を前記内面の全面ではなく前記一部へ一度に与えるように構成された局部的区域熱源と、
   計算装置によって制御され、前記局部的区域熱源がスキャン運動で前記内面に沿って移動する少なくとも１つの位置付け機構と、
   を具備しており、
   ここで、前記内面が加熱処理される場合に、前記少なくとも１つの位置付け機構は、前記局部的区域熱源に最も近い前記内面上の点において、前記溶融シリカ本体の前記内面に接する軸を中心に前記局部的区域熱源を回転させ、前記内面からスタンドオフ距離を維持するように構成されている、装置。
2. 前記局部的区域熱源は前記内面の比較的小さい面積を一度に加熱するように構成されている請求項１記載の装置。
3. 前記局部的区域熱源は少なくとも１つのトーチを具備している請求項２記載の装置。
4. 前記トーチは表面ミックス、低速度、酸素−水素燃料のトーチである請求項３記載の装置。
5. 前記トーチは水晶硝子で構成されている請求項３記載の装置。
6. トーチから発生する熱のパターンは一方の方向で他方の方向よりも長く、前記長い方向は前記トーチの移動方向を横断する方向に配置されている請求項３記載の装置。
7. トーチに供給する少なくとも１つのガスの流れは質量流制御装置によって調整される請求項３記載の装置。
8. 少なくとも１つの位置付け機構はＣＮＣ運動制御装置であり、前記計算装置は、予め規定された方法で前記ＣＮＣ運動制御装置に前記局部的区域熱源を前記内面に対して移動させるように構成されている請求項２記載の装置。
9. 前記溶融シリカ本体の少なくとも一部を加熱するように構成され、前記内面に隣接して前記局部的区域熱源を位置させることを許容するように位置されているキルンを、さらに具備している請求項２記載の装置。
10. 前記溶融シリカ本体をアニールするように構成されているオーブンを、さらに具備している請求項１記載の装置。
11. 前記少なくとも１つの位置付け機構は、前記溶融シリカ本体の回転軸に沿って前記溶融シリカ本体に対して前記局部的区域熱源を移動することが可能である請求項２記載の装置。
12. 前記少なくとも１つの位置付け機構は、前記溶融シリカ本体の回転軸に対して直交して前記溶融シリカ本体に対して前記局部的区域熱源を移動することが可能である請求項２記載の装置。
13. 前記少なくとも１つの位置付け機構は、前記溶融シリカ本体の回転軸を中心に前記溶融シリカ本体に対して前記局部的区域熱源を回転することが可能である請求項２記載の装置。
14. 前記少なくとも１つの位置付け機構は、前記溶融シリカ本体の回転軸に対して直交する軸を中心に前記溶融シリカ本体に対して前記局部的区域熱源を回転できる請求項２記載の装置。
15. 前記溶融シリカ本体を回転できる本体位置付け機構を、さらに具備している請求項２記載の装置。
16. 前記溶融シリカ本体上に硝子質状シリカの層の少なくとも一部を生成するのにそれぞれ使用可能な複数のトーチを、さらに具備している請求項３記載の装置。
17. 前記本体位置付け機構は、前記溶融シリカ本体の回転速度を変更できるように構成されている請求項１５記載の装置。

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