JP5705783B2 - ガラス微粒子堆積用バーナおよびガラス微粒子堆積体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス微粒子堆積用バーナおよびガラス微粒子堆積体の製造方法に関する。

従来、光ファイバの製造に関して、ガラス原料ガス、可燃性ガス、助燃性ガス及びシールガスをバーナから噴出させ、原料ガスを可燃性ガス及び助燃性ガスからなる火炎によりガラス微粒子を生成し、ガラス微粒子を基体に堆積させて光ファイバ用母材を製造する方法がある。図８は、ガラス微粒子堆積体１０５を堆積させる方法を示す図である。光ファイバの製造の際に、大型の光ファイバ母材を効率よく製造するためには、バーナ１０１に多量のガラス原料と熱を供給して短時間に反応させ、生成した多量のガラス微粒子をガラス微粒子堆積体１０５として基体１０３に堆積させる必要がある。

バーナ１０１として用いられるものには、複数の管が同軸に多重に配置されている多重管式バーナ（例えば、特許文献１参照）や、可燃性ガスの流出路の中に設けられた原料ガス流路口を取り囲むように複数の小口径助燃ガス流出口が環状に配置されているマルチノズルバーナ（例えば、特許文献２参照）がある。また、ガラス微粒子の堆積効率を向上させる手法として、マルチノズルバーナの小口径助燃ガス流出口を何重にも環状配置して各々の環状配置に焦点を持たせて其々の焦点を変えることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。多数の合成用バーナを並べる方法も提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００２−２９７５９号公報 特開２００３−１６５７３７号公報 特開平５−３２３１３０号公報 特開平３−２２８８４５号公報

しかしながら、堆積速度向上の為に、多量のガラス原料と多量の熱をバーナ１０１に供給し、高速で多量のガラス微粒子を生成させると、ガラス粒子がバーナ１０１の先端や内壁付近に沈着・堆積し、バーナ１０１のガス流を乱して火炎が不安定となることがある。安定性を欠いた火炎で堆積を続けると、堆積中或いは堆積後のガラス微粒子堆積体１０５に亀裂が発生することがある。また、ガラス微粒子堆積体は問題なく製造できたとしても、ガラス微粒子堆積体を加熱炉で透明化して形成される透明ガラス体に亀裂が発生する等の問題が生じることがある。また、バーナ１０１内へのガラス微粒子の堆積が進行すると、バーナ１０１が閉塞状態となって破損に至るという問題もある。さらに、バーナ１０１の先端や内壁付近に沈着、堆積していたガラス微粒子がガス流で吹き飛び、ガラス微粒子堆積体１０５に付着することも問題となっている。

バーナ１０１内へのガラス微粒子の堆積の抑制については、特開平２−２７５７２５に２重火炎バーナにおいて内壁の支燃性ガスを１５０℃以上に加熱して流す方法が提案されている。しかし、こうした手法で多量のガスを供給する場合、加熱機器が大きくなり、反応容器内或いは反応容器近傍に配置する事が困難となる。加熱機器の設置位置が反応容器から遠くなると、配管系統を保温、加熱する必要があるため、装置の構成が複雑になる。また、配管温度管理をする必要があるため、製造手順も複雑になってしまう。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、バーナへのガラス微粒子の堆積を抑制し、ガラス微粒子堆積体の亀裂、バーナ破損を抑制できるガラス微粒子堆積用バーナおよびガラス微粒子堆積体の製造方法を提供することである。

前述した目的を達成するために、第１の発明は、光ファイバ用多孔質ガラス微粒子堆積体を製造する際にガスを噴出させるガラス微粒子堆積用バーナであって、バーナの中心部を含み、石英ガラス原料ガス、可燃性ガス、助燃性ガスおよびシールガスを噴出させることが可能な第１の流出部群と、前記第１の流出部群の外側に隣接して位置し、流出口が前記第１の流出部群の最外層の流出口よりもガス流出方向前方に位置する還元性ガス流出部と、を有し、前記還元性ガス流出部は１層からなり、内部に空洞を含まず、前記還元性ガス流出部には、石英ガラスに対して還元方向に作用して酸素と反応する還元性ガス、または前記還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスを流すことを特徴とするガラス微粒子堆積用バーナである。

第１の発明では、例えば、前記第１の流出部群の最外層に、酸素または酸素を含むガスが流され、前記還元性ガス流出部に、前記還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスが流される。このとき、前記還元性ガスの濃度を２％以上５０％以下とし、前記混合ガスの流速を２ｍ／ｓｅｃ以上とする。

第１の発明のガラス微粒子堆積用バーナでは、前記還元性ガス流出部の外側に位置し、流出口が前記第１の流出部群の流出口および前記還元性ガス流出部の流出口よりもガス流出方向前方に位置する第２の流出部群をさらに設けてもよい。

第１の発明では、流出口が第１の流出部群の最外層の流出口よりもガス流出方向前方に位置する還元性ガス流出部に還元性ガスを流す。これにより、バーナ先端やバーナ内壁付近のガラス微粒子が堆積する部分での酸素濃度を低減するとともに、再生成したＳｉＯ_２を更に還元して、還元されたＳｉＯを気相の状態で排出することができるため、ガラス微粒子の生成を抑制し、バーナ先端や内壁部への沈着や堆積を低減できる。

第２の発明は、光ファイバ用多孔質ガラス微粒子堆積体を製造する際にガスを噴出させるガラス微粒子堆積用バーナであって、バーナの中心部を含み、石英ガラス原料ガス、可燃性ガス、助燃性ガスおよびシールガスを噴出させることが可能な第１の流出部群と、前記第１の流出部群の外側に位置し、流出口が前記第１の流出部群の流出口よりもガス流出方向前方に位置する第２の流出部群と、を有し、前記第１の流出部群の最外層には、可燃性ガスを流し、前記第２の流出部群の最内層は、石英ガラスに対して還元方向に作用して酸素と反応する還元性ガスまたは前記還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスを流すことが可能な還元性ガス流出部であることを特徴とするガラス微粒子堆積用バーナである。

第２の発明では、例えば、前記第２の流出部群の前記還元性ガス流出部の外周側の流出部に、シールガスが流される。このとき、前記還元性ガスの濃度を１５％以上とする。

第２の発明では、第２の流出部群の最内層である還元性ガス流出部に還元性ガスまたは還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスを流す。これにより、バーナ先端やバーナ内壁付近のガラス微粒子が堆積する部分での酸素濃度を低減するとともに、再生成したＳｉＯ_２を更に還元して、還元されたＳｉＯを気相の状態で排出することができるため、ガラス微粒子の生成を抑制し、バーナ先端や内壁部への沈着や堆積を低減できる。

第３の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載のガラス微粒子堆積用バーナを用いた光ファイバ用多孔質ガラス微粒子堆積体を製造する方法であって、前記還元性ガス流出部から、前記還元性ガスまたは前記還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスを流しつつ、前記第１の流出部群から原料ガス、可燃性ガス、助燃性ガスおよびシールガスを噴出して、ガラス微粒子をターゲットに堆積させる。

第３の発明では、還元性ガス流出部から、還元性ガスまたは還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスを流す。これにより、バーナ先端やバーナ内壁付近のガラス微粒子が堆積する部分での酸素濃度を低減するとともに、再生成したＳｉＯ_２を更に還元して、還元されたＳｉＯを気相の状態で排出することができるため、ガラス微粒子の生成を抑制できる。ガラス微粒子の生成を抑制すれば、バーナ先端や内壁部への沈着や堆積を低減でき、ガラス微粒子堆積体の亀裂の発生や、バーナの破損を回避できる。

本発明によれば、バーナへのガラス微粒子の堆積を抑制し、ガラス微粒子堆積体の亀裂、バーナ破損を抑制できるガラス微粒子堆積用バーナおよびガラス微粒子堆積体の製造方法を提供できる。

堆積用バーナ１の概要図 製造条件および観察結果を示す表 堆積用バーナ１ａの概要図 堆積用バーナ２１の概要図 製造条件および観察結果を示す表 堆積用バーナ２１ａの概要図 製造条件および観察結果を示す表 ガラス微粒子堆積体１０５を堆積させる方法を示す図

以下、図面に基づいて、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。図１は、堆積用バーナ１の概要図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）に示す矢印Ｂの方向から堆積用バーナ１を見た図、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す矢印Ａ−Ａによる堆積用バーナ１の断面図である。ただし、図１（ｂ）においては、堆積用バーナ１にバーナフード９を装着した状態を示している。

図１に示すように、堆積用バーナ１は、第１の流出部群３、還元性ガス流出部５、第２の流出部群７等からなる。堆積用バーナ１は、例えば、石英ガラス製の多重管である。第１の流出部群３は、バーナの中心部を含み、中心部の流出部３−１、２層目の流出部３−２、３層目の流出部３−３、最外層の流出部３−４からなる。還元性ガス流出部５は、第１の流出部群の外側に位置する。第２の流出部群７は、還元性ガス流出部５の外側に位置し、最内層の流出部７−１、２層目の流出部７−２、３層目の流出部７−３、最外層の流出部７−４からなる。

第１の流出部群３の流出部３−１、３−２、３−３、３−４の流出口１１−１、１１−２、１１−３、１１−４は、同一面上に位置する。還元性ガス流出部５の流出口１３は、第１の流出部群３の最外層である流出部３−４の流出口１１−４よりも、ガス流出方向前方、すなわちバーナフード９に近い方向に位置する。第２の流出部群７の流出部７−１、７−２、７−３、７−４の流出口１５−１、１５−２、１５−３、１５−４は、還元性ガス流出部５の流出口１３よりも、ガス流出方向前方に位置する。

バーナフード９は、第２の流出部群７の流出部７−４の外周に沿って配置される。バーナフード９の端部１０は、流出部７−４の流出口１５−４よりも、ガス流出方向前方に位置する。

バーナフード９は、例えば、石英ガラス製であり、バーナ火炎周辺を流れる風の流れの影響を低減して火炎の指向性を向上させる目的で適宜堆積用バーナ１に装着されて用いられる。なお、バーナフード９は、堆積用バーナ１に着脱可能に構成されており、バーナフード９と堆積用バーナ１の嵌合部分は、例えば、テーパ状の摺り合わせ嵌合構造になっている。また、図１（ｂ）に示すように、バーナフード９の内径を堆積用バーナ１の外径よりも大きくすることでバーナフード９先端の熱による損耗を抑制する効果が得られる。

以下、図１に示す堆積用バーナ１を用いて、１２種の条件でガラス微粒子堆積体を試験的に製造し、観察した結果について説明する。図２は、製造条件および観察結果を示す表である。

ガラス微粒子堆積体を製造する際、第１の流出部群３に流したガスの構成および流速は、全ての試験において共通である。中心部の流出部３−１からは、石英ガラス原料ガスであるＳｉＣｌ_４を５ｌ／ｍｉｎで流した。流出部３−２からは、可燃性ガスであるＨ_２を１５ｌ／ｍｉｎで流した。流出部３−３からは、シールガスであるＮ_２を３ｌ／ｍｉｎで流した。流出部３−４からは、助燃性ガスであるＯ_２を３０ｌ／ｍｉｎで流した。

還元性ガス流出部５からは、各試験毎に、構成および流速の異なるガスを流した。各試験におけるガスの構成、水素濃度およびガス流速は、図２に示す通りである。還元性ガス流出部５からは、不活性ガスであるＮ_２、還元性ガスであるＨ_２、助燃性ガスであるＯ_２を単独或いは混合して流した。

第２の流出部群７に流したガスの構成および流速は、全ての試験において共通である。流出部７−１からは、シールガスであるＮ_２を３ｌ／ｍｉｎで流した。流出部７−２からは、可燃性ガスであるＨ_２を６０ｌ／ｍｉｎで流した。流出部７−３からは、シールガスであるＮ_２を１５ｌ／ｍｉｎで流した。流出部７−４からは、助燃性ガスであるＯ_２を５０ｌ／ｍｉｎで流した。

第１の実施の形態では、上述した製造条件で、試験Ｎｏ．１から試験Ｎｏ．１２について計３００時間の微粒子堆積を行った。そして、計３００時間堆積後の流出部７−１の内壁先端部１７の状況および還元性ガス流出部５の内壁先端部１９の状況、計３００時間堆積経過後のガラス微粒子堆積体を加熱して透明化した後のガラス微粒子堆積体（透明ガラス体）の状況を観察した。

図２に示すように、試験Ｎｏ．１、試験Ｎｏ．２、試験Ｎｏ．３、試験Ｎｏ．７、試験Ｎｏ．９では、還元性ガス流出部５から、Ｎ_２とＨ_２の混合ガスを流した。水素濃度とガス流速は、それぞれ、２．４％と２．１ｍ／ｓｅｃ、４．８％と２．１ｍ／ｓｅｃ、２．０％と５．１ｍ／ｓｅｃ、５０％と４．１ｍ／ｓｅｃ、２２％と８ｍ／ｓｅｃである。これらの試験では、還元性ガス流出部５から還元性ガスであるＨ_２を流すことにより、ガラス微粒子の生成が抑制されたため、内壁先端部１７の状況、内壁先端部１９の状況、透明化後のガラス微粒子堆積体の状況とも良好であった。

試験Ｎｏ．４では、還元性ガス流出部５にＮ_２とＨ_２の混合ガスを流した。試験Ｎｏ．４では、混合ガスの水素濃度が７１％と高いため、Ｈ_２とＯ_２との反応が生じ、熱による内壁先端部１９の結晶化と損傷が認められた。また、透明化後のガラス微粒子堆積体に僅かに気泡が認められた。

試験Ｎｏ．５では、還元性ガス流出部５にＮ_２とＨ_２の混合ガスを流した。試験Ｎｏ．５では、水素濃度が１・０％と低く、ガス流速が１ｍ／ｓｅｃと遅いため、ガラス微粒子の生成が抑制されず、内壁先端部１７への微粒子堆積が認められた。また、透明化後のガラス微粒子堆積体に僅かに気泡が認められた。

試験Ｎｏ．６では、還元性ガス流出部５にＨ_２のみを流した。試験Ｎｏ．６では、Ｈ_２とＯ_２との反応が生じ、内壁先端部１７への微粒子堆積、熱による内壁先端部１９の損傷が認められた。また、透明化後のガラス微粒子堆積体に多数の気泡が認められた。

試験Ｎｏ．８では、還元性ガス流出部５にＮ_２とＨ_２の混合ガスを流した。試験Ｎｏ．８では、ガス流速が１ｍ／ｓｅｃと遅いため、ガラス微粒子の生成が抑制されず、内壁先端部１７への微粒子堆積、熱による内壁先端部１９の損傷が認められた。また、透明化後のガラス微粒子堆積体に多数の気泡が認められた。

試験Ｎｏ．１０では、還元性ガス流出部５にＮ_２のみを、試験Ｎｏ．１１ではＯ_２のみを、試験Ｎｏ．１２ではＮ_２およびＯ_２を流した。これらではガラス微粒子の生成が抑制されず、内壁先端部１７および内壁先端部１９に微粒子の堆積が認められた。また、透明化後のガラス微粒子堆積体に気泡が認められた。

なお、計３００時間経過後、条件によっては堆積用バーナ１の内壁先端部１７に微粒子の堆積が認められたが、何れの条件もバーナ閉塞には至らなかった。透明化後のガラス微粒子堆積体の気泡は、堆積物によりガスの流れが乱れ、火炎が不安定になったために発生したと考える。

図２に示す結果から、第１の流出部群３の最外層の流出部３−４から助燃性ガスであるＯ_２を流した場合、流出部３−４の外側に隣接する還元性ガス流出部５に、還元性ガスであるＨ_２と不活性ガスであるＮ_２との混合ガスを、水素濃度を２％以上５０％以下、混合ガスの流速を２ｍ／ｓｅｃ以上として流すことにより、内壁先端部１７や内壁先端部１９へのガラス微粒子の堆積を防ぎ、透明化後のガラス微粒子堆積体を良好な状態に製造できることがわかる。

堆積用バーナ１を用いた場合との比較試験として、堆積用バーナ１ａを用いた場合について以下に説明する。図３は、堆積用バーナ１ａの概要図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）に示す矢印Ｄの方向から堆積用バーナ１ａを見た図、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す矢印Ｃ−Ｃによる堆積用バーナ１ａの断面図である。ただし、図３（ｂ）においては、堆積用バーナ１ａにバーナフード９を装着した状態を示している。

堆積用バーナ１ａは、堆積用バーナ１とほぼ同様の構成であるが、還元性ガス流出部５を有しない点が異なっている。

堆積用バーナ１ａを用いてガラス微粒子堆積体を製造する際には、第１の流出部群３の中心部の流出部３−１から、石英ガラス原料ガスであるＳｉＣｌ_４を５ｌ／ｍｉｎで流した。流出部３−２からは、可燃性ガスであるＨ_２を１４ｌ／ｍｉｎで流した。流出部３−３からは、シールガスであるＮ_２を流した。流出部３−４からは助燃性ガスであるＯ_２を３０ｌ／ｍｉｎで流した。

第２の流出部群７の流出部７−１からは、シールガスであるＮ_２を３ｌ／ｍｉｎで流した。流出部７−２からは、可燃性ガスであるＨ_２を６０ｌ／ｍｉｎで流した。流出部７−３からは、シールガスであるＮ_２を１５ｌ／ｍｉｎで流した。流出部７−４からは、助燃性ガスであるＯ_２を５０ｌ／ｍｉｎで流した。

堆積用バーナ１ａを用いた比較試験では、上述した条件で、計１００時間の微粒子堆積を行った。そして、堆積後の流出部７−１の内壁先端部１７ａの状況、計１００時間堆積経過時のガラス微粒子堆積体を加熱して透明化した後のガラス微粒子堆積体の状況を観察した。計１００時間堆積後、堆積用バーナ１ａは閉塞には至らなかったものの、内壁先端部１７ａに著しい微粒子の堆積が認められ、透明化後のガラス微粒子堆積体に気泡が多数見受けられた。

第１の実施の形態では、ガラス微粒子堆積体を製造する際に、図１に示すような、第１の流出部群３の外側に隣接する還元性ガス流出部５を有し、還元性ガス流出部５の流出口１３が第１の流出部群３の最外層の流出部３−４の流出口１１−４よりもガス流出方向前方に位置する堆積用バーナ１を用いる。そして、還元性ガス流出部５にＨ_２とＮ_２との混合ガスを流し、還元性ガス流出部５の内側に隣接する流出部３−４にＯ_２を流す。この時、還元性ガス流出部５に流す混合ガスの水素濃度を２％以上５０％以下、混合ガスの流速を２ｍ／ｓｅｃ以上に設定することにより、ガラス微粒子の生成を抑制することができる。ガラス微粒子の生成を抑制すれば、バーナ先端や内壁部への沈着や堆積を低減でき、ガラス微粒子堆積体の亀裂の発生や、バーナの破損を回避できる。

堆積用バーナの内壁先端部に微粒子が堆積する理由は、以下のように推定される。石英ガラスを合成する際に火炎内で合成された石英ガラスは、合成された後に更にバーナからの火炎等で強力に加熱されると、ＳｉＯ_２→ＳｉＯ＋１／２Ｏ_２という還元反応が起きる。この還元反応は、晒される温度が高くなるに従って、また、高温に晒される時間が長くなるに従って、より顕著となる。また、還元反応で生成したＳｉＯは原料の流れ或いは合成された微粒子に伴って流れるだけではなく、その流れから逸れる方向へも拡散し、雰囲気中のＯ_２と反応し、ＳｉＯ_２が再生成する。
高温雰囲気下で蒸気圧の高いＳｉＯが反応し蒸気圧の低いＳｉＯ_２が再生成した場合、ＳｉＯ_２が凝集して生成したガラス粒子がバーナの先端や内壁付近に沈着・堆積する。
したがって、還元性ガス流出部を設け、還元性ガス流出部に石英ガラスに対して還元方向に作用して酸素と反応する還元性ガスを流すことにより、堆積用バーナの内壁先端部に微粒子が堆積することを抑制できる。

なお、流出口１３の位置は、第１の流出部群３の最外層の流出部３−４の流出口１１−４と第２の流出部群７の流出部７−１、７−２、７−３、７−４の流出口１５−１、１５−２、１５−３、１５−４の間であればよいが、略半分の位置が最も好ましい。

なお、第１の実施の形態では、還元性ガス流出部に流す混合ガスの水素濃度を２％以上５０％以下としたが、水素濃度はこの限りでない。例えば、第１の流出部群の最外層にシールガスを流す場合には、還元性ガス流出部に流す混合ガスの水素濃度の上限を１００％としても、ガラス微粒子の生成抑制の効果が得られる。

また、本発明における堆積用バーナの構成は、図１に示すものに限らない。堆積用バーナは、第１の流出部群の外側に還元性ガス流出部を有し、還元性ガス流出部の流出口が第１の流出部群の最外層の流出口よりもガス流出方向前方に位置する構成であればよく、第２の流出部群は必須ではない。また、多重管式バーナでなく、マルチノズルバーナにも適用可能である。

次に、第２の実施の形態について説明する。図４は、堆積用バーナ２１の概要図である。図４（ａ）は、図４（ｂ）に示す矢印Ｆの方向から堆積用バーナ２１を見た図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す矢印Ｅ−Ｅによる堆積用バーナ２１の断面図である。ただし、図４（ｂ）においては、堆積用バーナ２１にバーナフード２９を装着した状態を示している。

図４に示すように、堆積用バーナ２１は、第１の流出部群２３、還元性ガス流出部２７−１を含む第２の流出部群２７等からなる。堆積用バーナ２１は、例えば、石英ガラス製のマルチノズルバーナである。第１の流出部群２３は、バーナの中心部を含み、中心部の流出部２３−１、２層目の流出部２３−２、３層目の流出部２３−３、流出部２３−３の内部に配置される複数の小径の流出部２３−４からなる。第２の流出部群２７は、第１の流出部群２３の外側に位置し、最内層の還元性ガス流出部２７−１、２層目の流出部２７−２、最外層の流出部２７−３からなる。

第１の流出部群２３の流出部２３−１、２３−２、２３−３、２３−４の流出口３１−１、３１−２、３１−３、３１−４は、同一面上に位置する。第２の流出部群２７の還元性ガス流出部２７−１の流出口３５−１、流出部２７−２、２７−３の流出口３５−２、３５−３は、第１の流出部群２３の流出口３１−１、３１−２、３１−３、３１−４よりも、ガス流出方向前方、すなわちバーナフード２９に近い方向に位置する。複数の小径の流出部２３−４は、流出部２３−１の流出口３１−１からガス流出方向前方に所定の長さ３３離れた所に焦点を持つように配置される。焦点の位置は、第２の流出部群より原料流出方向に対して前方にあることが好ましい。

バーナフード２９は、第２の流出部群２７の流出部２７−３の外周に沿って配置される。バーナフード２９の端部３０は、流出口３５−３よりも、ガス流出方向前方に位置する。バーナフード２９は、例えば、石英ガラス製であり、周りの気流影響を低減して火炎の指向性を向上させる目的で適宜堆積用バーナ２１に装着されて用いられる。なお、バーナフード２９は、堆積用バーナ２１に着脱可能に構成されており、バーナフード２９と堆積用バーナ２１の嵌合部分は、例えば、テーパ状の摺り合わせ嵌合構造になっている。また、図４（ｂ）に示すように、バーナフード２９の内径を堆積用バーナ２１の外径よりも大きくすることでバーナフード２９先端の熱による損耗を抑制するという効果が得られる。

以下、図４に示す堆積用バーナ２１を用いて、６種の条件でガラス微粒子堆積体を試験的に製造し、観察した結果について説明する。図５は、製造条件および観察結果を示す表である。

ガラス微粒子堆積体を製造する際、第１の流出部群２３に流したガスの構成および流速は、全ての試験において共通である。中心部の流出部２３−１からはガラス原料ガスであるＳｉＣｌ_４に加えて、助燃性ガスであるＯ_２をＳｉＣｌ_４と同量投入し、３０ｍ／ｓｅｃで流した。流出部２３−２からは、シールガスであるＮ_２を流した。流出部２３−３からは、可燃性ガスであるＣＨ_４を３０ｌ／ｍｉｎ流した。複数の小径の流出部２３−３からは、助燃性ガスであるＯ_２を４０ｍ／ｓｅｃで流した。

第２の流出部群２７の最内層の還元性ガス流出部２７−１からは、各試験毎に、構成および流速の異なるガスを流した。各試験におけるガスの構成、水素濃度およびガス流速は、図５に示す通りである。還元性ガス流出部２７−１からは、不活性ガスであるＮ_２、還元性ガスであるＨ_２、助燃性ガスであるＯ_２を単独或いは混合して流した。

第２の流出部群２７の流出部２７−２からは、シールガスであるＮ_２を１．２ｍ／ｓｅｃで流した。流出部２７−３からは、助燃性ガスであるＯ_２を４ｍ／ｓｅｃの流速で流した。

第２の実施の形態では、上述した条件で、試験Ｎｏ．１から試験Ｎｏ．６について計1０００時間の微粒子堆積を行った。そして、計１０００時間堆積後の流出部２７−１の内壁先端部３７の状況、計１０００時間堆積経過時のガラス微粒子堆積体を加熱して透明化した後のガラス微粒子堆積体の状況を観察した。

図５に示すように、試験Ｎｏ．１３では、還元性ガス流出部２７−１にＨ_２のみを流した。試験Ｎｏ．１４、試験Ｎｏ．１６では、Ｎ_２とＨ_２の混合ガスを、それぞれ水素濃度が５０％、２５％となるように流した。これらの試験では、還元性ガス流出部２７−１から還元性ガスであるＨ_２を流すことにより、ガラス微粒子の生成が抑制されたため、内壁先端部３７の状況、透明化後のガラス微粒子堆積体の状況とも良好であった。

試験Ｎｏ．１５では、還元性ガス流出部２７−１にＮ_２とＯ_２を流した。試験Ｎｏ．１７、試験Ｎｏ．１８ではＮ_２のみを流した。これらの試験では、ガラス微粒子の生成が抑制されず、内壁先端部３７に微粒子堆積、堆積物固化、固化物欠損が認められた。また、透明化後のガラス微粒子堆積体に気泡が認められた。

なお、計1０００時間経過後、条件によっては内壁先端部３７にガラス微粒子が堆積して固化した様子、更には堆積固化物の一部が欠損している様子が確認出来たが、いずれもガラス微粒子の固化または堆積固化物の欠損の量は僅かであり、何れの条件でもバーナ火炎は安定していた。

図５に示す結果から、還元性ガス流出部２７−１の内側に隣接する流出部２３−３から可燃性ガスであるＣＨ_４を流し、還元性ガス流出部２７−１の外側に隣接する流出部２７−２からシールガスであるＮ_２を流した場合、還元性ガス流出部２７−１に、還元性ガスであるＨ_２と不活性ガスであるＮ_２との混合ガスを、水素濃度を１５％以上として流すことにより、内壁先端部３７へのガラス微粒子の堆積を防ぎ、透明化後のガラス微粒子堆積体を良好な状態に製造できた。

一方、堆積用バーナ２１を用いた場合との比較試験として、堆積用バーナ２１ａを用いた場合について以下に説明する。図６は、堆積用バーナ２１ａの概要図である。図６（ａ）は、図６（ｂ）に示す矢印Ｈの方向から堆積用バーナ２１ａを見た図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す矢印Ｇ−Ｇによる堆積用バーナ２１ａの断面図である。ただし、図６（ｂ）においては、堆積用バーナ２１ａにバーナフード２９を装着した状態を示している。

堆積用バーナ２１ａは、堆積用バーナ２１とほぼ同様の構成であるが、第２の流出部群２７の代わりに第２の流出部群２７ａが設けられる。第２の流出部群２７ａは、流出部２７ａ−１、２７ａ−２からなり、還元性ガス流出部を有しない。また、複数の小径の流出部２３−４は、流出部２３−１の流出口３１−１からガス流出方向前方に所定の長さ３９離れた所に焦点を持つように配置される。

堆積用バーナ２１ａを用いてガラス微粒子堆積体を製造する際には、第１の流出部群２３の中心部の流出部２３−１から、ガラス原料ガスであるＳｉＣｌ_４に加えて、助燃性ガスであるＯ_２をＳｉＣｌ_４と同量投入した。流出部２３−２からはシールガスであるＮ_２を流した。流出部２３−３からは可燃性ガスであるＣＨ_４を３０ｌ／ｍｉｎで流した。小径の流出部２３−４には助燃性ガスであるＯ_２を４０ｍ／ｓｅｃの速さで流した。流出部２７ａ−１からは、シールガスであるＮ_２を１．２ｍ／ｓｅｃで流した。流出部２７ａ−２からは、助燃性ガスであるＯ_２を４ｍ／ｓｅｃで流した。

堆積用バーナ２１ａを用いた比較試験では、上述した条件で、計1０００時間の微粒子堆積を行った。そして、堆積後の流出部２７ａ−１の内壁先端部３７ａの状況、計１０００時間堆積経過時のガラス微粒子堆積体を加熱して透明化した後のガラス微粒子堆積体の状況を観察した。計１０００時間堆積後、内壁先端部３７ａに微粒子の堆積と堆積物の固化、更に固化物の欠損が多数認められ、計８００時間堆積以降は、透明化後のガラス微粒子堆積体に多くの気泡が認められた。

次に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態では、図４に示す堆積用バーナ２１を用いる。以下、堆積用バーナ２１を用いて、１２種の条件でガラス微粒子堆積体を試験的に製造し、観察した結果について説明する。図７は、製造条件および観察結果を示す表である。

ガラス微粒子堆積体を製造する際、第１の流出部群２３に流したガスの構成および流速は、全ての試験において共通である。中心部の流出部２３−１からはガラス原料ガスであるＳｉＣｌ_４に加えて、助燃性ガスであるＯ_２をＳｉＣｌ_４と同量投入し、３０ｍ／ｓｅｃで流した。流出部２３−２からは、シールガスであるＮ_２を流した。流出部２３−３からは、可燃性ガスであるＨ_２を流した。複数の小径の流出部２３−４からは、助燃性ガスであるＯ_２を３２ｍ／ｓｅｃで流した。

第２の流出部群２７の最内層の還元性ガス流出部２７−１からは、各試験毎に、構成および流速の異なるガスを流した。各試験におけるガスの構成、水素濃度およびガス流速は、図７に示す通りである。還元性ガス流出部２７−１からは、不活性ガスであるＮ_２、還元性ガスであるＨ_２、助燃性ガスであるＯ_２を単独或いは混合して流した。

第２の流出部群２７の流出部２７−２からは、シールガスであるＮ_２を１．２ｍ／ｓｅｃで流した。流出部２７−３からは、助燃性ガスであるＯ_２を４ｍ／ｓｅｃで流した。

第３の実施の形態では、上述した条件で、試験Ｎｏ．１から試験Ｎｏ．１２について計1０００時間の微粒子堆積を行った。そして、計１０００時間堆積後の流出部２７−１の内壁先端部３７の状況、計１０００時間堆積経過時のガラス微粒子堆積体を加熱して透明化した後のガラス微粒子堆積体の状況を観察した。

図７に示すように、試験Ｎｏ．１９、試験Ｎｏ．２２では、還元性ガス流出部２７−１からＨ_２のみを流した。試験Ｎｏ．２０、試験Ｎｏ．２１、試験Ｎｏ．２５、試験Ｎｏ．２８、試験Ｎｏ．３０では、Ｎ_２とＨ_２の混合ガスを流した。混合ガスの水素濃度は、それぞれ５０％、５０％、１７％、２５％、２０％である。これらの試験では、還元性ガス流出部２７−１から還元性ガスであるＨ_２を流すことにより、ガラス微粒子の生成が抑制されたため、内壁先端部３７の状況、透明化後のガラス微粒子堆積体の状況とも良好であった。

試験Ｎｏ．２３、試験Ｎｏ．２４では、還元性ガス流出部２７−１からＮ_２のみを低速で流した。試験Ｎｏ．２７、試験Ｎｏ．２８では、還元性ガス流出部２７−１からＮ_２とＯ_２との混合ガスを流した。これらの試験では、ガラス微粒子の生成が抑制されず、内壁先端部３７に微粒子堆積、堆積物固化、固化物欠損が認められた。また、透明化後のガラス微粒子堆積体に気泡が認められた。

試験Ｎｏ．２９では、還元性ガス流出部２７−１から、Ｎ_２とＨ_２の混合ガスを、水素濃度が１０％となるように流した。試験Ｎｏ．２９では、試験Ｎｏ．２０、試験Ｎｏ．２１、試験Ｎｏ．２５、試験Ｎｏ．２６、試験Ｎｏ．２９よりも混合ガスの水素濃度が低く、ガラス微粒子の生成抑制効果が低かったため、内壁先端部３７に若干の微粒子が堆積が発生し、堆積物の固化が認められた。但し、堆積物の量は僅かであり、固化物の欠損は認められなかった。また、透明化後のガラス微粒子堆積体は良好な状況であり、製品として全く問題のないものであった。

図７に示す結果から、還元性ガス流出部２７−１の内側に隣接する流出部２３−３から可燃性ガスであるＨ_２を流し、還元性ガス流出部２７−１の外側に隣接する流出部２７−２からシールガスであるＮ_２を流した場合、還元性ガス流出部２７−１に、還元性ガスであるＨ_２と不活性ガスであるＮ_２との混合ガスを、水素濃度を１５％以上として流すことにより、内壁先端部３７へのガラス微粒子の堆積を防ぎ、透明化後のガラス微粒子堆積体を良好な状態に製造できることがわかる。

一方、堆積用バーナ２１を用いた場合との比較試験として、図６に示す堆積用バーナ２１ａを用いた場合について以下に説明する。

堆積用バーナ２１ａを用いてガラス微粒子堆積体を製造する際には、第１の流出部群２３の中心部の流出部２３−１から、ガラス原料ガスであるＳｉＣｌ_４に加えて、助燃性ガスであるＯ_２をＳｉＣｌ_４と同量投入した。流出部２３−２からはシールガスであるＮ_２を投入した。流出部２３−３からは可燃性ガスであるＨ_２を５ｍ／ｓｅｃで流した。複数の小径の流出部２３−４には助燃性ガスであるＯ_２を３２ｍ／ｓｅｃの速さで流した。流出部２７ａ−１からは、シールガスであるＮ_２を１．２ｍ／ｓｅｃで流した。流出部２７ａ−２からは、助燃性ガスであるＯ_２を４ｍ／ｓｅｃで流した。

堆積用バーナ２１ａを用いた比較試験では、上述した条件で、計1０００時間の微粒子堆積を行った。そして、堆積後の流出部２７ａ−１の内壁先端部３７ａの状況、計１０００時間堆積経過時のガラス微粒子堆積体を加熱して透明化した後のガラス微粒子堆積体の状況を観察した。計１０００時間堆積後、内壁先端部３７ａに微粒子の堆積と堆積物の固化、更に固化物の欠損が認められ、計８００時間堆積以降は、透明化後のガラス微粒子堆積体に多くの気泡が認められた。

第２、第３の実施の形態では、ガラス微粒子堆積体を製造する際に、図４に示すような、第２の流出部群２７の最内層に還元性ガス流出部２７−１を有し、還元性ガス流出部２７−１の流出口３５−１が第１の流出部群２３の流出口よりもガス流出方向前方に位置する堆積用バーナ２１を用いる。そして、還元性ガス流出部２７−１に、Ｈ_２のみを、または、Ｈ_２とＮ_２との混合ガスを流し、還元性ガス流出部２７−１の内側に隣接する流出部２３−３に可燃性ガスを流し、還元性ガス流出部２７−１の外側に隣接する流出部２７−２にシールガスを流す。この時、混合ガスの水素濃度を１５％以上に設定することにより、バーナ先端やバーナ内壁付近のガラス微粒子が堆積する部分でのガラス微粒子の生成を抑制することができる。ガラス微粒子の生成を抑制すれば、バーナ先端や内壁部への沈着や堆積を低減でき、ガラス微粒子堆積体の亀裂の発生や、バーナの破損を回避できる。

なお、第２、第３の実施の形態では、還元性ガス流出部に流す混合ガスの水素濃度を１５％以上としたが、水素濃度の範囲はこの限りでない。水素濃度の範囲は、還元性ガス流出部の外周側に隣接する流出部に流されるガスの種類に応じて、適切に設定される。

また、本発明における堆積用バーナの構成は、図４に示すものに限らない。堆積用バーナは、第１の流出部群の外側に位置し、流出口が第１の流出部群の流出口よりもガス流出方向前方に位置する第２の流出部群を有し、第２の流出部群の最内層が還元性ガス流出部である構成であればよい。また、マルチノズルバーナでなく、多重管式バーナにも適用可能である。

第１の実施の形態は、第１の流出部群を流れるガスの流速と第２の流出部群を流れるガスの流速の差が小さい時に好適に用いられ、第２、第３の実施の形態は第１の流出部群を流れるガスの流速と第２の流出部群を流れるガスの流速の差が大きい時に好適に用いられる。すなわち、第１の実施の形態は、中心を同じとした複数の層からなる多重管バーナに好適に適用され、第２、第３の実施の形態は、第２の流出部群に複数の小径の流出部が配置されたマルチノズルバーナに好適に適用される。

第１から第３の実施の形態では、石英ガラス原料ガスとしてＳｉＣｌ_４、可燃性ガスとしてＨ_２やＣＨ_４、助燃性ガスとしてＯ_２、シールガスおよび不活性ガスとしてＮ_２、還元性ガスとしてＨ_２を用いたが、ガスの種類はこれらに限定されない。例えば、石英ガラス原料ガスとしてＴＥＯＳ、ＴＭＯＳ、ＯＭＣＴＳを、還元性ガスとしてＣＯを使う事も有効であり、本発明に含まれるものである。
また、バーナの材質も石英ガラスに限定されるものではない。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１ａ、２１、２１ａ………堆積用バーナ
３、７、２３、２７、２７ａ………流出部群
３−１、３−２、３−３、３−４、７−１、７−２、７−３、７−４、２３−１、２３−２、２３−３、２３−４、２７−２、２７−３、２７ａ−１、２７ａ−２………流出部
５、２７−１………還元性ガス流出部
１１−１、１１−２、１１−３、１１−４、１３、１５−１、１５−２、１５−３、１５−４、３１−１、３１−２、３１−３、３１−４、３５−１、３５−２、３５−３………流出口
１７、１７ａ、１９、３７、３７ａ………内壁先端部

Claims (6)

1. 光ファイバ用多孔質ガラス微粒子堆積体を製造する際にガスを噴出させるガラス微粒子堆積用バーナであって、
   バーナの中心部を含み、石英ガラス原料ガス、可燃性ガス、助燃性ガスおよびシールガスを噴出させることが可能な第１の流出部群と、
   前記第１の流出部群の外側に隣接して位置し、流出口が前記第１の流出部群の最外層の流出口よりもガス流出方向前方に位置する還元性ガス流出部と、
   を有し、
   前記還元性ガス流出部は１層からなり、内部に空洞を含まず、
   前記還元性ガス流出部には、石英ガラスに対して還元方向に作用して酸素と反応する還元性ガス、または前記還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスを流すことを特徴とするガラス微粒子堆積用バーナ。
2. 前記第１の流出部群の最外層には、酸素または酸素を含むガスが流され、
   前記還元性ガス流出部には、前記還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスが流され、
   前記還元性ガスの濃度が２％以上５０％以下であり、
   前記混合ガスの流速が２ｍ／ｓｅｃ以上であることを特徴とする請求項１記載のガラス微粒子堆積用バーナ。
3. 前記還元性ガス流出部の外側に位置し、流出口が前記第１の流出部群の流出口および前記還元性ガス流出部の流出口よりもガス流出方向前方に位置する第２の流出部群をさらに具備することを特徴とする請求項１または請求項２記載のガラス微粒子堆積用バーナ。
4. 光ファイバ用多孔質ガラス微粒子堆積体を製造する際にガスを噴出させるガラス微粒子堆積用バーナであって、
   バーナの中心部を含み、石英ガラス原料ガス、可燃性ガス、助燃性ガスおよびシールガスを噴出させることが可能な第１の流出部群と、
   前記第１の流出部群の外側に位置し、流出口が前記第１の流出部群の流出口よりもガス流出方向前方に位置する第２の流出部群と、
   を有し、
   前記第１の流出部群の最外層には、可燃性ガスを流し、
   前記第２の流出部群の最内層は、石英ガラスに対して還元方向に作用して酸素と反応する還元性ガスまたは前記還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスを流すことが可能な還元性ガス流出部であることを特徴とするガラス微粒子堆積用バーナ。
5. 前記第２の流出部群の前記還元性ガス流出部の外周側の流出部には、シールガスが流され、
   前記還元性ガスの濃度が１５％以上であることを特徴とする請求項４記載のガラス微粒子堆積用バーナ。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のガラス微粒子堆積用バーナを用いた光ファイバ用多孔質ガラス微粒子堆積体を製造する方法であって、
   前記還元性ガス流出部から、前記還元性ガスまたは前記還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスを流しつつ、前記第１の流出部群から原料ガス、可燃性ガス、助燃性ガスおよびシールガスを噴出して、ガラス微粒子をターゲットに堆積させることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。

Images