JP5737241B2 - Fine glass particle deposit and method for producing glass matrix - Google Patents

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Description

本発明は、VAD法(気相軸付け法)、OVD法(外付け法)、MMD法(多バーナー多層付け法)などによりガラス微粒子を出発ロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体を製造するガラス微粒子堆積体の製造方法及びこのガラス微粒子堆積体を加熱して透明化するガラス母材の製造方法に関する。   The present invention is a glass for producing a glass fine particle deposit by depositing glass fine particles on a starting rod by VAD method (vapor phase axis attaching method), OVD method (external attaching method), MMD method (multi-burner multilayer attaching method) or the like. The present invention relates to a method for producing a fine particle deposit and a method for producing a glass base material by heating the glass fine particle deposit to make it transparent.

従来のガラス母材の製造方法としては、OVD法やVAD法等によりガラス微粒子堆積体を作製する堆積工程と、このガラス微粒子堆積体を加熱して透明なガラス母材を作製する透明化工程とを含む製造方法が知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。   As a conventional method for producing a glass base material, there are a deposition step for producing a glass particulate deposit by an OVD method, a VAD method or the like, and a transparency step for producing a transparent glass preform by heating the glass particulate deposit. (For example, refer patent documents 1-3).

特許文献1の製造方法は、ガラス原料を加熱し気化させてガラス原料ガスを減圧下で配管によりガラス微粒子形成用バーナーまで導くことで、例えば、配管の温度を55℃として、耐熱温度70℃程度の塩化ビニル系の材料からなる配管の使用を可能とするものである。   In the manufacturing method of Patent Document 1, glass raw material gas is heated and vaporized, and the glass raw material gas is guided to a glass fine particle forming burner by piping under reduced pressure. For example, the temperature of the piping is 55 ° C., and the heat resistance temperature is about 70 ° C. This makes it possible to use piping made of a vinyl chloride material.

特許文献2の製造方法は、ガラス微粒子堆積の開始に先立って所定時間だけガラス原料ガスを廃棄した後にガラス微粒子の堆積を開始し、その原料ガス廃棄量、配管の容積、配管内の圧力および配管の温度が所定の関係を満たすようにすることで、ガラス母材中の気泡や白濁の発生の回避を図るものである。配管温度は、82℃または85℃とされている。   The manufacturing method of Patent Document 2 starts the deposition of glass fine particles after discarding the glass raw material gas for a predetermined time prior to the start of the deposition of the fine glass particles, and then discards the raw material gas, the volume of the piping, the pressure in the piping, and the piping. By satisfying the predetermined temperature, the occurrence of bubbles and cloudiness in the glass base material is avoided. The piping temperature is 82 ° C. or 85 ° C.

特許文献3の製造方法は、ガラス微粒子堆積体の表面に発生する凹凸を抑制する手段として、原料ガスを供給する原料ガス発生装置からバーナーまでの導管をヒータおよび断熱材を用いて全長にわたって90℃以上に保持することが記載されているが、配管内を流れる原料ガスのレイノルズ数に関する記載はない。   In the manufacturing method of Patent Document 3, as a means for suppressing irregularities generated on the surface of the glass fine particle deposit, a conduit from a source gas generator for supplying source gas to a burner is formed at 90 ° C. over the entire length using a heater and a heat insulating material. Although it is described that it is held as described above, there is no description regarding the Reynolds number of the source gas flowing in the pipe.

また、特許文献4には、原料収率を挙げる手段として、バーナー火炎の先端に設置するフードの内周にガスを導入し、火炎の広がりを抑える手法が記載されている。   Patent Document 4 describes a method for suppressing the spread of the flame by introducing gas into the inner periphery of the hood installed at the tip of the burner flame as a means for increasing the raw material yield.

特開2004−161555号公報JP 2004-161555 A 特開2006−342031号公報JP 2006-342031 A 特開2003−165737号公報JP 2003-165737 A 特開平7−144927号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-144927

しかしながら、上記特許文献1〜4に記載のガラス母材の製造方法では、生成されたガラス微粒子を出発ロッドやガラス微粒子堆積体に効率良く付着させることが難しかった。すなわち、ガラス原料ガス供給量に対するガラス微粒子堆積量の割合には限界があった。   However, in the method for producing a glass base material described in Patent Documents 1 to 4, it is difficult to efficiently attach the generated glass fine particles to the starting rod or the glass fine particle deposit. That is, there is a limit to the ratio of the amount of glass fine particles deposited to the amount of glass raw material gas supplied.

本発明の目的は、生成されたガラス微粒子の出発ロッドやガラス微粒子堆積体への付着効率を向上させることができるガラス微粒子堆積体及びガラス母材の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method for producing a glass fine particle deposit and a glass base material that can improve the efficiency of adhesion of the produced glass fine particles to a starting rod and a glass fine particle deposit.

上記課題を解決することができる本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法は、原料容器内に容れられた液体のガラス原料を加熱し気化させてガラス原料ガスとし、該ガラス原料ガスを前記原料容器から配管によりガラス微粒子生成用バーナーまで導き、該ガラス微粒子生成用バーナーから前記ガラス原料ガスを噴出させ、該ガラス原料ガスの火炎分解反応(熱分解反応、火炎加水分解反応、熱酸化反応など)により生成したガラス微粒子を反応容器内の出発ロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体とする堆積工程を含むガラス微粒子堆積体の製造方法において、前記堆積工程における前記原料容器から前記ガラス微粒子生成用バーナーまでの前記配管の少なくとも一部を発熱体により100℃以上の温度に制御すると共に、前記原料容器から前記ガラス微粒子生成用バーナーまでの前記配管内を流れるガラス原料ガスのレイノルズ数を2000以上とすることを特徴としている。   The method for producing a glass fine particle deposit according to the present invention capable of solving the above-mentioned problems is a method of heating and vaporizing a liquid glass raw material contained in a raw material container to form a glass raw material gas, and using the glass raw material gas as the raw material. The glass raw material gas is burned from the vessel to the glass fine particle producing burner, and the glass raw material gas is ejected from the glass fine particle producing burner, and a flame decomposition reaction (thermal decomposition reaction, flame hydrolysis reaction, thermal oxidation reaction, etc.) of the glass raw material gas. In the method for producing a glass particulate deposit including the deposition step of depositing the glass particulate generated by the above on a starting rod in a reaction vessel to form a glass particulate deposit, from the raw material container to the glass particulate generation burner in the deposition step And controlling at least a part of the piping to a temperature of 100 ° C. or higher by a heating element, The Reynolds number of the glass material gas flowing through the inside pipe et until the glass particles produced burners are characterized by a more than 2000.

また、本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法は、前記堆積工程における前記原料容器から前記ガラス微粒子生成用バーナーまでの前記配管内を流れる前記ガラス原料ガスのレイノルズ数を4000以上、更に好ましくは8000以上とすることを特徴としている。   Further, in the method for producing a glass fine particle deposit according to the present invention, the Reynolds number of the glass raw material gas flowing in the pipe from the raw material container to the glass fine particle generating burner in the deposition step is 4000 or more, more preferably It is characterized by being 8000 or more.

また、本発明に係るガラス母材の製造方法は、上記ガラス微粒子堆積体の製造方法において製造したガラス微粒子堆積体を、加熱して透明化する透明化工程を経てガラス母材にすることを特徴としている。   Further, the method for producing a glass base material according to the present invention is characterized in that the glass fine particle deposit produced in the method for producing a glass fine particle deposit is heated to become a glass preform through a transparentizing step. It is said.

また、本発明に係るガラス母材の製造方法は、前記堆積工程において、VAD法、OVD法、またはMMD法のいずれかによりガラス微粒子堆積体を製造し、前記透明化工程を経てガラス母材を製造することを特徴としている。   Further, the method for producing a glass base material according to the present invention comprises producing a glass fine particle deposit by any one of the VAD method, the OVD method, and the MMD method in the deposition step, and passing through the transparency step to obtain the glass base material. It is characterized by manufacturing.

本発明に係るガラス微粒子堆積体及びガラス母材の製造方法によれば、原料容器からガラス微粒子生成用バーナーまでの配管の少なくとも一部を発熱体により100℃以上の温度に制御すると共に、原料容器からガラス微粒子生成用バーナーまでの配管内を流れるガラス原料ガスのレイノルズ数を2000以上とすることで、配管内でのガラス原料ガスの流れを乱流化し、配管内を流れる原料ガスを配管長より長い経路長を辿るようにして原料ガスの加熱時間を長くし、原料ガスの温度を上昇し易くすることができる。   According to the method for producing a glass fine particle deposit and a glass base material according to the present invention, at least a part of piping from the raw material container to the glass fine particle generating burner is controlled to a temperature of 100 ° C. or higher by the heating element, and the raw material container The glass material gas flowing through the pipe from the glass particle burner to 2000 or more, the Reynolds number of the glass raw material gas is 2000 or more, turbulent the flow of the glass raw material gas in the pipe, the raw material gas flowing in the pipe from the pipe length The heating time of the source gas can be lengthened by following a long path length, and the temperature of the source gas can be easily increased.

原料ガスの温度を高温化することにより、バーナー火炎内で火炎加水分解反応が促進され、火炎内で生成されるガラス微粒子数が多くなり、ガラス微粒子の外径も大きくなる。また、粒子径が大きくなることで乱流拡散による凝集(粒子間の結合)が促進される。これらの効果により、ガラス微粒子の慣性力が増加し、ガラス微粒子が火炎ガスの流れから離脱し易くなり、出発ロッドやガラス微粒子堆積体へのガラス微粒子の付着効率を向上させることができる。   By increasing the temperature of the raw material gas, the flame hydrolysis reaction is promoted in the burner flame, the number of glass fine particles generated in the flame is increased, and the outer diameter of the glass fine particles is also increased. In addition, the increase in particle diameter promotes aggregation (bonding between particles) due to turbulent diffusion. By these effects, the inertial force of the glass fine particles is increased, the glass fine particles are easily detached from the flow of the flame gas, and the adhesion efficiency of the glass fine particles to the starting rod and the glass fine particle deposit can be improved.

本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法を説明する製造装置の構成図である。It is a block diagram of the manufacturing apparatus explaining the manufacturing method of the glass fine particle deposit body which concerns on this invention. ガラス微粒子がガラス微粒子堆積体に堆積する際の挙動を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the behavior at the time of glass particulates depositing on a glass particulate deposit. ガス供給配管内の長手方向の一部における原料ガスの温度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature change of the raw material gas in a part of longitudinal direction in gas supply piping.

以下、本発明の一実施形態であるガラス微粒子堆積体及びガラス母材の製造方法について図面を参照して説明する。なお、以下ではVAD法を例に説明するが、本発明は、VAD法には限定されない。OVD法やMMD法などの他のガラス微粒子堆積体の製造方法に対しても、適用できる。   Hereinafter, a method for producing a glass fine particle deposit and a glass base material according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the VAD method will be described as an example, but the present invention is not limited to the VAD method. The present invention can also be applied to other methods for producing a glass fine particle deposit such as an OVD method and an MMD method.

図1に示すように、本実施形態のガラス微粒子堆積体の製造方法を実施する製造装置10は、VAD法によりガラス微粒子の堆積を行うものであり、反応容器11の上方から内部に支持棒12を吊り下げ、支持棒12の下端に出発ロッド13を取り付けている。反応容器11の側面には、排気管21が取り付けられている。   As shown in FIG. 1, a manufacturing apparatus 10 that performs the method for manufacturing a glass fine particle deposit according to the present embodiment deposits glass fine particles by the VAD method. The starting rod 13 is attached to the lower end of the support rod 12. An exhaust pipe 21 is attached to the side surface of the reaction vessel 11.

支持棒12は、上端部が昇降回転装置15により把持されており、昇降回転装置15によって回転と共に昇降する。昇降回転装置15は、ガラス微粒子堆積体14の外径が均一となるように制御装置16によって上昇速度を制御される。反応容器11の下方にはガラス微粒子生成用バーナーであるクラッド用バーナー18を配置し、出発ロッド13に向けてガラス微粒子20を噴出し、ガラス微粒子堆積体14を形成する。また、出発ロッド13やガラス微粒子堆積体14に付着しなかった反応容器11内のガラス微粒子20は排気管21を通じて排気される。   The upper end of the support bar 12 is gripped by the lifting / lowering rotation device 15 and is lifted / lowered by the lifting / lowering rotation device 15 together with the rotation. The raising / lowering rotation device 15 is controlled by the control device 16 so that the outer diameter of the glass fine particle deposit 14 is uniform. A cladding burner 18 which is a burner for generating glass particles is disposed below the reaction vessel 11, and glass particles 20 are ejected toward the starting rod 13 to form a glass particle deposit 14. Further, the glass fine particles 20 in the reaction vessel 11 that have not adhered to the starting rod 13 or the glass fine particle deposit 14 are exhausted through the exhaust pipe 21.

クラッド用バーナー18には、原料ガス及び火炎形成用ガスをガス供給装置により供給する。このクラッド用バーナー18は、例えば8重管などの多重管バーナーである。なお、図1中において、火炎形成用ガスを供給するガス供給装置は省略している。   A raw material gas and a flame forming gas are supplied to the cladding burner 18 by a gas supply device. The cladding burner 18 is a multi-tube burner such as an eight-fold tube. In FIG. 1, a gas supply device for supplying the flame forming gas is omitted.

クラッド用バーナー18には、原料ガスとしてSiCl、火炎形成ガスとしてH、O、バーナーシールガスとしてNなどを投入する。このクラッド用バーナー18の酸水素火炎内で、火炎加水分解反応によりガラス微粒子20を生成し、ガラス微粒子20を出発ロッド13に堆積させて、所定外径のガラス微粒子堆積体14を作製する。 The cladding burner 18 is charged with SiCl 4 as a source gas, H 2 and O 2 as a flame forming gas, and N 2 as a burner seal gas. In the oxyhydrogen flame of the cladding burner 18, glass fine particles 20 are generated by a flame hydrolysis reaction, and the glass fine particles 20 are deposited on the starting rod 13 to produce a glass fine particle deposit 14 having a predetermined outer diameter.

ガス供給装置19は、液体原料28を貯留する原料容器22、原料ガスの供給流量を制御するMFC23、原料ガスをクラッド用バーナー18へ導くガス供給配管25、原料容器22及びMFC23及びガス供給配管25の一部を所定温度以上に保つ温調ブース24からなる。   The gas supply device 19 includes a raw material container 22 for storing the liquid raw material 28, an MFC 23 for controlling the supply flow rate of the raw material gas, a gas supply pipe 25 for guiding the raw material gas to the cladding burner 18, a raw material container 22, the MFC 23, and a gas supply pipe 25. The temperature control booth 24 keeps a part of the temperature above a predetermined temperature.

原料容器22内の液体原料28は、温調ブース24内で沸点以上の温度に制御され、原料容器22内で気化し、MFC23によりクラッド用バーナー18へ供給される原料ガスの供給量が制御される。なお、MFC23による原料ガス供給量の制御は、制御装置16からの指令値に基づき行われる。   The liquid raw material 28 in the raw material container 22 is controlled to a temperature equal to or higher than the boiling point in the temperature control booth 24, vaporized in the raw material container 22, and the supply amount of the raw material gas supplied to the cladding burner 18 by the MFC 23 is controlled. The Note that the control of the raw material gas supply amount by the MFC 23 is performed based on a command value from the control device 16.

本実施形態のガラス母材の製造方法は、温調ブース24からクラッド用バーナー18までのガス供給配管25の少なくとも一部を発熱体であるテープヒータ26により100℃以上の温度に制御すると共に、原料容器22からクラッド用バーナー18までのガス供給配管25内を流れる原料ガスのレイノルズ数Reを2000以上とする。一般的に、配管内を流れるガス流は、レイノルズ数2000未満では層流であり、2000から4000の間は遷移領域であり、4000以上になると乱流となる。なお、バーナー火炎内での原料ガスの火炎加水分解反応を促進するためには、ガス供給配管25の少なくとも一部を100℃以上に制御すれば良いが、配管の全体を100℃以上に制御しても良い。   The glass base material manufacturing method of the present embodiment controls at least a part of the gas supply pipe 25 from the temperature control booth 24 to the cladding burner 18 to a temperature of 100 ° C. or more by a tape heater 26 as a heating element, The Reynolds number Re of the source gas flowing in the gas supply pipe 25 from the source container 22 to the cladding burner 18 is set to 2000 or more. In general, the gas flow flowing in the pipe is laminar when the Reynolds number is less than 2000, is a transition region between 2000 and 4000, and becomes turbulent when 4000 or more. In order to promote the flame hydrolysis reaction of the raw material gas in the burner flame, at least a part of the gas supply pipe 25 may be controlled to 100 ° C. or higher, but the entire pipe is controlled to 100 ° C. or higher. May be.

ガス供給配管25内を流れる原料ガスのレイノルズ数Reは、配管内径をD、配管内の平均ガス流速をV、配管内ガスの動粘性係数をνとすると、次式で表される。
Re=DV/ν
なお、温度100℃でのSiClの動粘性係数νは約3.1×10−6(m/s)である。
The Reynolds number Re of the raw material gas flowing in the gas supply pipe 25 is expressed by the following equation, where D is the inner diameter of the pipe, V is the average gas flow velocity in the pipe, and v is the kinematic viscosity coefficient of the gas in the pipe.
Re = DV / ν
The kinematic viscosity coefficient ν of SiCl 4 at a temperature of 100 ° C. is about 3.1 × 10 −6 (m 2 / s).

上記レイノルズ数Reは、好ましくは4000以上、更に好ましくは8000以上にする。このようにすることで、原料容器22から出てクラッド用バーナー18に入るまでのガス供給配管25内を流れる原料ガスは、より乱流化する。ガス供給配管25内を流れる原料ガスの乱流強度が高まることで、原料ガスは配管長より長い経路長を辿って、クラッド用バーナー18に投入される。   The Reynolds number Re is preferably 4000 or more, more preferably 8000 or more. By doing in this way, the source gas flowing in the gas supply pipe 25 from the source container 22 to the cladding burner 18 becomes more turbulent. By increasing the turbulent strength of the raw material gas flowing in the gas supply pipe 25, the raw material gas is introduced into the cladding burner 18 along a path length longer than the pipe length.

そのため、原料ガスは、テープヒータ26によりガス供給配管25内で十分加熱されて温度が上昇する。これにより、バーナーから噴出される原料ガスはバーナー火炎内で火炎加水分解反応が促進される。   Therefore, the source gas is sufficiently heated in the gas supply pipe 25 by the tape heater 26 and the temperature rises. As a result, the raw material gas ejected from the burner is accelerated in the flame hydrolysis reaction in the burner flame.

バーナー火炎内で火炎加水分解反応が促進されると、火炎内で生成されるガラス微粒子の数が多くなる。また、ガラス微粒子の成長が進むため、ガラス微粒子の外径も大きくなる。さらに、粒子径が大きくなると、乱流拡散による凝集(粒子間の結合)が促進される。これらの効果により、バーナー火炎内におけるガラス微粒子の慣性力が増加し、ガラス微粒子が火炎ガスの流れから離脱し易くなり(図2参照)、出発ロッド13やガラス微粒子堆積体14へのガラス微粒子20の付着効率を向上させることができる。   When the flame hydrolysis reaction is promoted in the burner flame, the number of glass fine particles generated in the flame increases. Further, since the growth of the glass fine particles proceeds, the outer diameter of the glass fine particles also increases. Furthermore, when the particle diameter increases, aggregation (bonding between particles) due to turbulent diffusion is promoted. Due to these effects, the inertial force of the glass fine particles in the burner flame is increased, and the glass fine particles are easily detached from the flow of the flame gas (see FIG. 2), and the glass fine particles 20 to the starting rod 13 and the glass fine particle deposit 14 are obtained. The adhesion efficiency of can be improved.

ガス供給配管25の材質については、ガス供給配管25を200℃未満の温度で保持する場合は、ガス供給配管25の材質はフッ素樹脂(テフロン(登録商標))などでもよいが、200℃以上の温度で保持する場合は、ガス供給配管25の材質は耐熱性に優れたSUS等の金属製のものが好ましい。また、温調ブース24からクラッド用バーナー18までのガス供給配管25の外周には発熱体であるテープヒータ26が巻き付けられている。テープヒータ26は、金属発熱体やカーボン製繊維状面発熱体の極細撚線を保護材で覆ったフレキシブルなヒータである。このテープヒータ26が通電されることでガス供給配管25が加熱される。   As for the material of the gas supply pipe 25, when the gas supply pipe 25 is held at a temperature of less than 200 ° C., the material of the gas supply pipe 25 may be fluororesin (Teflon (registered trademark)), but it is 200 ° C. or more. When the temperature is maintained, the material of the gas supply pipe 25 is preferably a metal such as SUS having excellent heat resistance. A tape heater 26 as a heating element is wound around the outer periphery of the gas supply pipe 25 from the temperature control booth 24 to the cladding burner 18. The tape heater 26 is a flexible heater in which an ultra fine stranded wire of a metal heating element or a carbon fibrous surface heating element is covered with a protective material. When the tape heater 26 is energized, the gas supply pipe 25 is heated.

なお、テープヒータ26の外周には、断熱材である断熱テープ27が巻回されている方が好ましい。断熱テープ27が巻回されているとテープヒータ26の消費電力を低く抑えることができる。   In addition, it is preferable that the heat insulation tape 27 which is a heat insulating material is wound around the outer periphery of the tape heater 26. When the heat insulating tape 27 is wound, the power consumption of the tape heater 26 can be kept low.

また、ガス供給配管25の長手方向における温度分布は、原料容器22側からクラッド用バーナー18側に向かって温度が高くなるように制御することが好ましい。これにより、配管内を流れる原料ガスの流速が加速するため、火炎内で生成されるガラス微粒子20は乱流拡散により凝集(粒子間結合)し、結合した粒子群は火炎ガスの流れから離脱し易くなり、出発ロッド13やガラス微粒子堆積体14へのガラス微粒子20の付着効率をさらに向上させることができる。具体的には、ガス供給配管25の温度勾配を5℃/m以上、好ましくは15℃/m以上、更に好ましくは25℃/m以上とすることで、ガラス微粒子20の付着効率を高めることができる。   In addition, the temperature distribution in the longitudinal direction of the gas supply pipe 25 is preferably controlled so that the temperature increases from the raw material container 22 side toward the cladding burner 18 side. As a result, the flow velocity of the raw material gas flowing in the piping is accelerated, so that the glass fine particles 20 generated in the flame are aggregated (bonded between particles) by turbulent diffusion, and the bonded particles are separated from the flow of the flame gas. It becomes easy, and the adhesion efficiency of the glass fine particles 20 to the starting rod 13 and the glass fine particle deposit 14 can be further improved. Specifically, the deposition efficiency of the glass fine particles 20 can be increased by setting the temperature gradient of the gas supply pipe 25 to 5 ° C./m or more, preferably 15 ° C./m or more, more preferably 25 ° C./m or more. it can.

ガラス微粒子堆積体及びガラス母材の製造手順を説明する。
(堆積工程)
図1に示すように、支持棒12を昇降回転装置15に取り付け、支持棒12の先端に取り付けられている出発ロッド13を反応容器11内に納める。次に、昇降回転装置15によって出発ロッド13を回転させながら、クラッド用バーナー18により形成した酸水素火炎内で原料ガスを火炎加水分解反応によりガラス微粒子20に化学変化させて、出発ロッド13にガラス微粒子20を堆積させる。
The manufacturing procedure of the glass fine particle deposit and the glass base material will be described.
(Deposition process)
As shown in FIG. 1, the support rod 12 is attached to the lifting / lowering rotation device 15, and the starting rod 13 attached to the tip of the support rod 12 is placed in the reaction vessel 11. Next, while the starting rod 13 is rotated by the elevating and rotating device 15, the raw material gas is chemically changed into the glass fine particles 20 by the flame hydrolysis reaction in the oxyhydrogen flame formed by the cladding burner 18, and the starting rod 13 is made of glass. Fine particles 20 are deposited.

このとき、クラッド用バーナー18へ原料ガスを供給するガス供給配管25は、所望のレイノルズ数Reが得られるよう配管内径Dを設計する。また、ガス供給配管25の外周に巻き付けられたテープヒータ26に通電して、ガス供給配管25の少なくとも一部を100℃以上の温度に制御する。これにより配管内を流れる原料ガスの平均流速を制御して、所望のレイノルズ数Reが得られるようにする。   At this time, the gas supply pipe 25 for supplying the raw material gas to the cladding burner 18 has a pipe inner diameter D designed so as to obtain a desired Reynolds number Re. Further, the tape heater 26 wound around the outer periphery of the gas supply pipe 25 is energized to control at least a part of the gas supply pipe 25 to a temperature of 100 ° C. or higher. Thereby, the average flow velocity of the raw material gas flowing in the pipe is controlled so that a desired Reynolds number Re can be obtained.

即ち、ガス供給配管25内を流れる原料ガスの流量を一定にした場合、ガス供給配管25の配管内径Dやガス供給配管25の温度を変えることで、配管内を流れる原料ガスのレイノルズ数Reを制御することができる。また、ガス供給配管25内を流れる原料ガスの温度が変わると原料ガスの動粘性係数も変化する。   That is, when the flow rate of the source gas flowing in the gas supply pipe 25 is constant, the Reynolds number Re of the source gas flowing in the pipe is changed by changing the pipe inner diameter D of the gas supply pipe 25 and the temperature of the gas supply pipe 25. Can be controlled. Further, when the temperature of the source gas flowing through the gas supply pipe 25 changes, the kinematic viscosity coefficient of the source gas also changes.

出発ロッド13上にガラス微粒子20の堆積したガラス微粒子堆積体14は、昇降回転装置15によってガラス微粒子堆積体14の下端部の成長速度に合わせて、引き上げられる。   The glass fine particle deposit 14 in which the glass fine particles 20 are deposited on the starting rod 13 is pulled up by the elevating and rotating device 15 in accordance with the growth rate of the lower end of the glass fine particle deposit 14.

(透明化工程)
次に、得られるガラス微粒子堆積体14を不活性ガスと塩素ガスの混合雰囲気中で1100℃に加熱した後、He雰囲気中にて1550℃に加熱して透明ガラス化を行う。このようなガラス母材の製造を繰り返し行う。
(Transparent process)
Next, the obtained glass fine particle deposit 14 is heated to 1100 ° C. in a mixed atmosphere of an inert gas and a chlorine gas, and then heated to 1550 ° C. in a He atmosphere to perform transparent vitrification. Such a glass base material is repeatedly manufactured.

火炎ガス流の中でのガラス微粒子20の挙動について簡単に説明する。
図2に示すように、クラッド用バーナー18で形成される、SiCl等の原料ガスを含んだ火炎ガス流Gは、ガラス微粒子堆積体14に当って、流れる方向が急激にガラス微粒子堆積体14の外周方向に曲がることになる。
The behavior of the glass fine particles 20 in the flame gas flow will be briefly described.
As shown in FIG. 2, the flame gas flow G containing a source gas such as SiCl 4 formed by the cladding burner 18 strikes the glass particulate deposit 14 and the flowing direction abruptly becomes the glass particulate deposit 14. It will bend in the outer peripheral direction.

一方、火炎ガス流G内で生成されるガラス微粒子20は、火炎ガス流Gに沿って流れ、その慣性力はガラス微粒子20のストークス数で決定する。ストークス数は粒子径の2乗及び粒子の流速に比例し、ストークス数が高くなると、ガラス微粒子20の慣性力が上がり、ガラス微粒子20の直進性が向上する。   On the other hand, the glass fine particles 20 generated in the flame gas flow G flow along the flame gas flow G, and the inertial force thereof is determined by the Stokes number of the glass fine particles 20. The Stokes number is proportional to the square of the particle diameter and the flow velocity of the particle. As the Stokes number increases, the inertial force of the glass fine particle 20 increases and the straightness of the glass fine particle 20 improves.

火炎ガス流Gがガラス微粒子堆積体14に当たって、その流れる方向がガラス微粒子堆積体14の外周方向に急変すると、慣性力の大きいガラス微粒子20Aは直進性が高いため、そのままガラス微粒子堆積体14に衝突する。しかし、慣性力の小さいガラス微粒子20Bは火炎ガス流Gに沿って流れるため、ガラス微粒子堆積体14の外周方向を流れ去る。従って、如何にしてガラス微粒子20の慣性力を高めるかが肝要となる。   When the flame gas flow G hits the glass fine particle deposit 14 and its flow direction suddenly changes in the outer peripheral direction of the glass fine particle deposit 14, the glass fine particle 20A having a large inertia force has high straightness, and thus directly collides with the glass fine particle deposit 14. To do. However, since the glass fine particles 20B having a small inertia force flow along the flame gas flow G, they flow away in the outer peripheral direction of the glass fine particle deposit 14. Accordingly, it is important how to increase the inertial force of the glass fine particles 20.

上述したように温調ブース24からクラッド用バーナー18までのガス供給配管25の少なくとも一部を発熱体であるテープヒータ26により100℃以上の温度に制御すると共に、原料容器22からクラッド用バーナー18までのガス供給配管25内を流れる原料ガスのレイノルズ数を2000以上、好ましくは4000以上、更に好ましくは8000以上とする。   As described above, at least a part of the gas supply pipe 25 from the temperature control booth 24 to the cladding burner 18 is controlled to a temperature of 100 ° C. or more by the tape heater 26 as a heating element, and from the raw material container 22 to the cladding burner 18. The Reynolds number of the raw material gas flowing through the gas supply pipe 25 is 2000 or more, preferably 4000 or more, and more preferably 8000 or more.

これにより、ガス供給配管25内での原料ガスの流れが乱流化し、原料ガスはテープヒータ26によりガス供給配管25内で十分加熱されて温度が上昇する。その結果、バーナーから噴出される原料ガスはバーナー火炎内で火炎加水分解反応が促進される。   Thereby, the flow of the raw material gas in the gas supply pipe 25 becomes turbulent, and the raw material gas is sufficiently heated in the gas supply pipe 25 by the tape heater 26 and the temperature rises. As a result, the raw material gas ejected from the burner is accelerated in the flame hydrolysis reaction in the burner flame.

バーナー火炎内で火炎加水分解反応が促進されると、火炎内で生成されるガラス微粒子の数が多くなる。また、ガラス微粒子の成長が進むため、ガラス微粒子の外径も大きくなる。さらに、粒子径が大きくなることで乱流拡散による凝集(粒子間の結合)が促進される。これらの効果により、バーナー火炎内におけるガラス微粒子の慣性力が増加し、ガラス微粒子が火炎ガスの流れから離脱し易くなり、出発ロッド13やガラス微粒子堆積体14へのガラス微粒子20の付着効率を向上させることができる。   When the flame hydrolysis reaction is promoted in the burner flame, the number of glass fine particles generated in the flame increases. Further, since the growth of the glass fine particles proceeds, the outer diameter of the glass fine particles also increases. Furthermore, the increase in particle diameter promotes aggregation (bonding between particles) due to turbulent diffusion. By these effects, the inertial force of the glass fine particles in the burner flame is increased, the glass fine particles are easily detached from the flow of the flame gas, and the adhesion efficiency of the glass fine particles 20 to the starting rod 13 and the glass fine particle deposit 14 is improved. Can be made.

また、ガス供給配管25内を流れる原料ガス温度が上昇すると、原料ガスの体積が膨張し、バーナー火炎内で生成されるガラス微粒子20の流速も上昇する。上述したように、火炎ガス流Gに沿って流れるガラス微粒子20の慣性力はストークス数で決定する。ストークス数は粒子の流速に比例するため、ガス供給配管25内の原料ガス温度が上昇し、ガラス微粒子20の流速が上がると、ガラス微粒子20の慣性力が増加する。これらの効果により、出発ロッド13やガラス微粒子堆積体14へのガラス微粒子20の付着効率を向上させることができる。   Further, when the temperature of the raw material gas flowing through the gas supply pipe 25 is increased, the volume of the raw material gas is expanded, and the flow rate of the glass fine particles 20 generated in the burner flame is also increased. As described above, the inertial force of the glass fine particles 20 flowing along the flame gas flow G is determined by the Stokes number. Since the Stokes number is proportional to the flow velocity of the particles, when the raw material gas temperature in the gas supply pipe 25 rises and the flow velocity of the glass fine particles 20 rises, the inertial force of the glass fine particles 20 increases. With these effects, the adhesion efficiency of the glass fine particles 20 to the starting rod 13 and the glass fine particle deposit 14 can be improved.

次に、本発明のガラス微粒子堆積体及びガラス母材の製造方法の一実施例を説明する。実施例、比較例とも、下記のような材料を使用してガラス微粒子堆積体を製造する。
・出発ロッド;直径20mm、長さ1000mmの石英ガラス
・クラッド用バーナーへの投入ガス;原料ガス…SiCl(1〜3SLM)、火炎形成ガス…H(40〜70SLM)、O(40〜70SLM)、バーナーシールガス…N(8〜14SLM)
・原料容器とクラッド用バーナー間のガス供給配管;配管温度100℃、150℃、260℃、270℃、配管内径2.7〜19mm
Next, an embodiment of the method for producing a glass fine particle deposit and a glass base material according to the present invention will be described. In both Examples and Comparative Examples, a glass fine particle deposit is manufactured using the following materials.
・ Starting rod: quartz glass with a diameter of 20 mm and a length of 1000 mm ・ Input gas to a cladding burner: raw material gas: SiCl 4 (1-3 SLM), flame forming gas: H 2 (40-70 SLM), O 2 (40- 70 SLM), burner seal gas ... N 2 (8-14 SLM)
・ Gas supply pipe between raw material container and clad burner; pipe temperature 100 ° C., 150 ° C., 260 ° C., 270 ° C., pipe inner diameter 2.7-19 mm

VAD法によりガラス微粒子の堆積を行う。得られるガラス微粒子堆積体を不活性ガスと塩素ガスとの混合雰囲気中で1100℃に加熱した後、He雰囲気中で1550℃に加熱して透明ガラス化を行う。   Glass fine particles are deposited by the VAD method. The obtained glass fine particle deposit is heated to 1100 ° C. in a mixed atmosphere of an inert gas and a chlorine gas, and then heated to 1550 ° C. in a He atmosphere to perform transparent vitrification.

前述した堆積工程において、ガス供給配管の配管内径D及び配管温度を適宜選択し、レイノルズ数Reを変化させ、原料ガス流量が3SLMになるときの配管内を流れる原料ガスのレイノルズ数Reと、ガラス微粒子の原料収率X(%)を評価する。なお、原料収率Xは、投入するSiClガスが100%SiOに化学反応する場合のSiO質量に対し、実際に出発ロッド及びガラス微粒子堆積体に堆積するガラス微粒子の質量比とする。
その結果、表1に示すような結果を得る。
In the above-described deposition process, the pipe inner diameter D and pipe temperature of the gas supply pipe are appropriately selected, the Reynolds number Re is changed, and the Reynolds number Re of the source gas flowing in the pipe when the source gas flow rate becomes 3 SLM, and the glass The raw material yield X (%) of the fine particles is evaluated. The raw material yield X is the mass ratio of the glass fine particles actually deposited on the starting rod and the glass fine particle deposit to the SiO 2 mass in the case where the SiCl 4 gas to be added chemically reacts with 100% SiO 2 .
As a result, the results shown in Table 1 are obtained.

Figure 0005737241
Figure 0005737241

表1から明らかなように、レイノルズ数Reが2000以上となる実施例1〜6では、原料収率Xが28%以上となり、Reが大きいほど原料収率Xが高くなる。特にRe4008の場合は、原料収率Xが30%となり、Re8253の場合は、原料収率Xが31%となる。また、実施例4はガス供給配管温度が150℃、つまりガス供給配管温度が原料ガスであるSiClの標準沸点より92.4℃高い例であるが、Re数は10408となり、原料収率Xが32%まで向上する。さらに実施例5はガス供給配管温度が260℃、つまり配管温度が原料ガスであるSiClの標準沸点より202.4℃高い例であるが、Re数は11546となり、原料収率Xは35%まで上がる。さらに実施例6は、ガス供給配管の温度勾配を原料容器からバーナーに向かって50℃/mの傾きで上げて、バーナー近傍のガス供給配管の温度を270℃、つまりガス供給配管温度が原料ガスであるSiClの標準沸点より212.4℃高い例である。レイノルズ数Reは11554となり、ガス供給配管の長手方向で温度勾配を付ける効果で、ガラス微粒子の火炎内における乱流拡散が促進されて、原料収率Xは37%まで跳ね上がる。
これに対して、レイノルズ数Reが2000未満となる比較例1〜3では、原料収率Xが25%以下と低く、特にReが1500未満となる比較例3では、原料収率Xが23%であり、比較例1〜3では投入するSiClガスの約4分の1しか付着しないことが分かる。
As is clear from Table 1, in Examples 1 to 6 in which the Reynolds number Re is 2000 or more, the raw material yield X is 28% or higher, and the higher the Re, the higher the raw material yield X. In particular, in the case of Re4008, the raw material yield X is 30%, and in the case of Re8253, the raw material yield X is 31%. Example 4 is an example in which the gas supply pipe temperature is 150 ° C., that is, the gas supply pipe temperature is 92.4 ° C. higher than the standard boiling point of SiCl 4 as the raw material gas, but the Re number is 10408, and the raw material yield X Is improved to 32%. Further, Example 5 is an example in which the gas supply pipe temperature is 260 ° C., that is, the pipe temperature is 202.4 ° C. higher than the standard boiling point of SiCl 4 as the raw material gas, but the Re number is 11546 and the raw material yield X is 35%. Go up. Further, in Example 6, the temperature gradient of the gas supply pipe is increased from the raw material container toward the burner with a slope of 50 ° C./m, and the temperature of the gas supply pipe near the burner is 270 ° C., that is, the gas supply pipe temperature is the source gas. This is an example of 212.4 ° C. higher than the normal boiling point of SiCl 4 . The Reynolds number Re is 11554, and the effect of providing a temperature gradient in the longitudinal direction of the gas supply pipe promotes the turbulent diffusion of the glass particles in the flame, and the raw material yield X jumps up to 37%.
On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3 in which the Reynolds number Re is less than 2000, the raw material yield X is as low as 25% or less, and in Comparative Example 3 in which Re is less than 1500, the raw material yield X is 23%. In Comparative Examples 1 to 3, it can be seen that only about one-fourth of the SiCl 4 gas to be introduced adheres.

なお、図3は、ガス供給配管の全長を140℃の一定値に加熱した場合のガス供給配管内を流れる原料ガスの温度を示したものである。この図から、レイノルズ数Reが1870(図中破線)の層流状態では、配管の長手方向に沿って緩やかに温度が上昇するが、レイノルズ数Reが2000(図中一点鎖線)や4000(図中二点鎖線)の乱流状態では、配管の上流側で急激に温度が上昇することが分かる。実施例1〜6はレイノルズ数Reが2000以上となっているので、実施例1〜5ではバーナーに投入される原料ガスの温度はガス供給配管の温度と等しくなり、実施例6ではバーナーに投入される原料ガスの温度はバーナー近傍のガス供給配管の温度と等しくなっている。   FIG. 3 shows the temperature of the raw material gas flowing in the gas supply pipe when the entire length of the gas supply pipe is heated to a constant value of 140 ° C. From this figure, in the laminar flow state where the Reynolds number Re is 1870 (broken line in the figure), the temperature rises gradually along the longitudinal direction of the pipe, but the Reynolds number Re is 2000 (dashed line in the figure) or 4000 (shown in the figure). In the turbulent state of the middle two-dot chain line), it can be seen that the temperature rises rapidly on the upstream side of the pipe. In Examples 1 to 6, the Reynolds number Re is 2000 or more. Therefore, in Examples 1 to 5, the temperature of the raw material gas supplied to the burner is equal to the temperature of the gas supply pipe. In Example 6, the Reynolds number Re is input to the burner. The temperature of the raw material gas is equal to the temperature of the gas supply pipe near the burner.

なお、本発明のガラス微粒子堆積体及びガラス母材の製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。例えば、本実施形態では、堆積工程においてVAD法によりガラス微粒子堆積体を製造する場合を一例に説明したが、その他OVD法やMMD法などの火炎分解反応を利用する全てのガラス微粒子堆積体及びガラス母材の製造方法に有効である。   In addition, the manufacturing method of the glass fine particle deposit body and glass base material of this invention is not limited to embodiment mentioned above, A deformation | transformation, improvement, etc. are possible suitably. For example, in the present embodiment, the case where the glass fine particle deposit is manufactured by the VAD method in the deposition step has been described as an example, but all other glass fine particle deposits and glass using flame decomposition reaction such as the OVD method and the MMD method are used. It is effective for the manufacturing method of the base material.

また、本実施形態では原料ガスとして、SiClのみを使用したが、SiClとGeClを使用するコアガラス合成の場合も原料収率を向上させる効果がある。また、SiCl以外の原料ガスでも同様の効果がある。 In this embodiment, only SiCl 4 is used as the source gas. However, the core glass synthesis using SiCl 4 and GeCl 4 is also effective in improving the source yield. A similar effect can be obtained with a source gas other than SiCl 4 .

その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。   In addition, the material, shape, dimension, numerical value, form, number, arrangement location, and the like of each component in the above-described embodiment are arbitrary and are not limited as long as the present invention can be achieved.

10…製造装置、11…反応容器、12…支持棒、13…出発ロッド、14…ガラス微粒子堆積体、15…昇降回転装置、16…制御装置、18…クラッド用バーナー、19…ガス供給装置、20…ガラス微粒子、22…原料容器、23…MFC、24…温調ブース、25…ガス供給配管、26…テープヒータ(発熱体)、27…断熱テープ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Manufacturing apparatus, 11 ... Reaction container, 12 ... Support rod, 13 ... Departure rod, 14 ... Glass particulate deposit, 15 ... Elevating and rotating device, 16 ... Control device, 18 ... Burner for clad, 19 ... Gas supply device, 20 ... Glass fine particles, 22 ... Raw material container, 23 ... MFC, 24 ... Temperature control booth, 25 ... Gas supply piping, 26 ... Tape heater (heating element), 27 ... Heat insulation tape

Claims (5)

原料容器内に容れられた液体のガラス原料を加熱し気化させてガラス原料ガスとし、
該ガラス原料ガスを前記原料容器から配管によりガラス微粒子生成用バーナーまで導き、該ガラス微粒子生成用バーナーから前記ガラス原料ガスを噴出させ、
該ガラス原料ガスの火炎分解反応により生成したガラス微粒子を反応容器内の出発ロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体とする堆積工程を含むガラス微粒子堆積体の製造方法において、
前記堆積工程における前記原料容器から前記ガラス微粒子生成用バーナーまでの前記配管の少なくとも一部を発熱体により100℃以上の温度に制御すると共に、
前記原料容器から前記ガラス微粒子生成用バーナーまでの前記配管内を流れるガラス原料ガスのレイノルズ数を2000以上とすることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
The liquid glass raw material contained in the raw material container is heated and vaporized to form a glass raw material gas,
The glass raw material gas is led from the raw material container to a glass fine particle producing burner by piping, and the glass raw material gas is ejected from the glass fine particle producing burner,
In the method for producing a glass particulate deposit including a deposition step in which glass particulates generated by a flame decomposition reaction of the glass raw material gas are deposited on a starting rod in a reaction vessel to form a glass particulate deposit,
While controlling at least a part of the piping from the raw material container in the deposition step to the glass particulate generation burner to a temperature of 100 ° C. or higher by a heating element,
A method for producing a glass fine particle deposit, wherein the Reynolds number of a glass raw material gas flowing in the pipe from the raw material container to the glass fine particle producing burner is 2000 or more.
請求項1に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法において、
前記堆積工程における前記原料容器から前記ガラス微粒子生成用バーナーまでの前記配管内を流れる前記ガラス原料ガスのレイノルズ数を4000以上とすることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
In the manufacturing method of the glass fine particle deposit body according to claim 1,
A method for producing a glass particulate deposit, wherein the Reynolds number of the glass source gas flowing in the pipe from the source container to the glass particulate generation burner in the deposition step is 4000 or more.
請求項1に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法において、
前記堆積工程における前記原料容器から前記ガラス微粒子生成用バーナーまでの前記配管内を流れる前記ガラス原料ガスのレイノルズ数を8000以上とすることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
In the manufacturing method of the glass fine particle deposit body according to claim 1,
A method for producing a glass particulate deposit, wherein the Reynolds number of the glass source gas flowing in the pipe from the source container to the glass particulate generation burner in the deposition step is 8000 or more.
請求項1から3の何れか一項に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法において製造したガラス微粒子堆積体を、加熱して透明化する透明化工程を経てガラス母材にすることを特徴とするガラス母材の製造方法。   The glass fine particle deposit produced in the method for producing a glass fine particle deposit according to any one of claims 1 to 3 is made into a glass base material through a transparentization step of heating to make it transparent. Manufacturing method of glass base material. 請求項4に記載のガラス母材の製造方法において、
前記堆積工程におけるガラス微粒子堆積方法が、VAD法、OVD法、MMD法のいずれかであることを特徴とするガラス母材の製造方法。
In the manufacturing method of the glass base material of Claim 4,
The method for producing a glass base material, wherein the glass fine particle deposition method in the deposition step is any one of a VAD method, an OVD method, and an MMD method.
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