JP6874761B2 - ガラス微粒子の合成方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年4月26日出願の日本出願第2016−087695号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
複数のガスポートを有する多重管バーナの中心のガスポートからガラス原料ガスを噴射すると共に前記中心のガスポートの外側の複数のガスポートから火炎形成用ガスを噴射し、前記火炎形成用ガスにより形成される火炎内で前記ガラス原料ガスを火炎分解反応させてガラス微粒子を合成するガラス微粒子の合成方法であって、
前記多重管バーナは、そのガス噴射側端面に前記中心のガスポートより下流側に突き出した突出し部が形成されており、
前記突出し部より内側にあるガスポートのうちの少なくとも1つのガスポートから、前記中心のガスポートから噴射するガス流速V1の0.3倍以上1.0倍以下の流速V2となるように前記火炎形成用ガスを噴射してガラス微粒子の合成を行う。
特許文献1のようなガラス微粒子の合成方法に用いられる多重管バーナは、火炎分解反応の調整などのため、多重管バーナの径方向における内側のガスポートより外側のガスポートの方が長くなる突出し部が形成されている。特許文献1の場合は、突出し部を段差部と称してその段差部が二段設けられている。このような突出し部により、中心のガスポートから噴射される原料ガスが過度に散らばらないようにできる。
本開示によれば、ガラス製造の機会損失を抑制し、多重管バーナの清掃(または交換)作業の必要性をほぼ無くすることができる。
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。
本発明の一態様に係るガラス微粒子の合成方法は、
(1)複数のガスポートを有する多重管バーナの中心のガスポートからガラス原料ガスを噴射すると共に前記中心のガスポートの外側の複数のガスポートから火炎形成用ガスを噴射し、前記火炎形成用ガスにより形成される火炎内で前記ガラス原料ガスを火炎分解反応させてガラス微粒子を合成するガラス微粒子の合成方法であって、
前記多重管バーナは、そのガス噴射側端面に前記中心のガスポートより下流側に突き出した突出し部が形成されており、
前記突出し部より内側にあるガスポートのうちの少なくとも1つのガスポートから、前記中心のガスポートから噴射するガス流速V1の0.3倍以上1.0倍以下の流速V2となるように前記火炎形成用ガスを噴射してガラス微粒子の合成を行う。
この方法によれば、多重管バーナの突出し部より内側にあるガスポートのうちの少なくとも1つのガスポートから、中心のガスポートから噴射するガス流速V1の0.3倍以上1.0倍以下の流速V2となるように火炎形成用ガスを噴射するので、中心のガスポートから噴射するガラス原料ガスが、流速V2の火炎形成用ガスに阻まれて、突出し部の内壁にはほとんどガラス微粒子が堆積しない。このため、多重管バーナの目詰まりが生じないので、ガラス製造の機会損失を抑制し、多重管バーナのメンテナンス作業の必要性をほぼ無くすることができる。
前記突き出し部の突出し長さがV1×0.01秒以下であることが好ましい。
上記条件下で、ガラス微粒子の合成を行うことにより、より確実にガラス製造の機会損失を抑制し、多重管バーナの清掃(または交換)作業の必要性をほぼ無くすることができる。
本発明の実施形態に係るガラス微粒子の合成方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。
なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図1に示すように、製造装置1は、反応容器2と、昇降回転装置3と、ガス供給装置4と、多重管バーナ5と、各部の動作を制御する制御部6とを備えている。
原料ガスポート50の外周には、火炎形成用ガスとして例えばH2等の燃焼ガスが供給される第一の火炎形成用ガスポート61,65,69と、同じく火炎形成用ガスとして例えばO2等の助燃ガスが供給される第二の火炎形成用ガスポート63,67,71とが交互に設けられている。交互に設けられた第一の火炎形成用ガスポート61,65,69と第二の火炎形成用ガスポート63,67,71との間には、火炎形成用ガスとして例えばN2等のシールガスが供給される第三の火炎形成用ガスポート62,64,66,68,70が設けられている。
この問題が生じる仕組みを図3の模式図を参照して説明する。図3に示すように、原料ガスポートから噴射されたガラス原料ガスの一部は、例えば矢印Cの方向へ勢いよく一気に拡散する。このため、拡散したガラス微粒子が突出し部の内壁に堆積する。
図4に示すように、図2Aおよび図2Bで示した多重管バーナ5の原料ガスポート50と突出し部80との間に設けられている火炎形成用ガスポート61,62,63に着目し、これらのガスポートから噴射されるガスを用いて、突出し部80へのガラス原料ガスの拡散を抑制する方法および条件について検討した。
なお、ガスの流速Vは、ガスポートを流れるガスの流量Q(m3/秒)と、ガスポートの断面積S(m2)とから、次の式1で算出することができる。
V=Q/S(m/秒)・・・(式1)
本実験では、原料ガスポート50と突出し部80との間に設けられている火炎形成用ガスポート61,62,63のうち最も外側に配置されている火炎形成用ガスポート63(燃焼ガスである酸素(O2)が供給される第二の火炎形成用ガスポート)から流速V2のガスを噴射させた。原料ガスポート50には原料ガスとH2ガスを混合したガスを噴射した。
また、原料ガスポート50の流量をQ1、断面積をS1とし、火炎形成用ガスポート63の流量をQ2、断面積をS2とした。また、原料ガスポート50の半径をr1、多重管バーナ5の中心軸Bから管部62Aまでの距離をr2、多重管バーナ5の中心軸Bから管部63Aまでの距離をr3とした(図4参照)。なお、突出し部80の突出し長Lは0.15(m)とした。
S1=π×r12=π×0.0032(m2)
Q2=0.000372(m3/秒)
S2=π×(r32−r22)=π×(0.0112−0.0092)(m2)の条件でガラス微粒子の合成を行い、管部63Aの内壁へのガラス微粒子10の堆積を観察した。
このときの、ガラス原料ガスの流速V1=Q1/S1=15.0(m/秒)、火炎形成用ガスの流速V2=Q2/S2=3.0(m/秒)であり、V2=0.2V1であった。すなわち、火炎形成用ガスポート63から噴射される火炎形成用ガスの流速V2は、原料ガスポート50から噴射されるガラス原料ガスの流速V1の0.2倍であった。
このときの、火炎形成用ガスの流速V2=Q2/S2=4.5(m/秒)であり、V2=0.3V1であった。すなわち、火炎形成用ガスポート63から噴射される火炎形成用ガスの流速V2は、原料ガスポート50から噴射されるガラス原料ガスの流速V1の0.3倍であった。
このときの、火炎形成用ガスの流速V2=Q2/S2=15.0(m/秒)であり、V2=1.0V1であった。すなわち、火炎形成用ガスポート63から噴射される火炎形成用ガスの流速V2は、原料ガスポート50から噴射されるガラス原料ガスの流速V1の1.0倍であった。
このときの、火炎形成用ガスの流速V2=Q2/S2=18.0(m/秒)であり、V2=1.2V1であった。すなわち、火炎形成用ガスポート63から噴射される火炎形成用ガスの流速V2は、原料ガスポート50から噴射されるガラス原料ガスの流速V1の1.2倍であった。
シミュレーションは、市販の熱流体解析ソフトでおこなった。上記実験における突出し長L、V1、V2で計算した管部63Aの内壁付近のガラス微粒子濃度と、上記実験で観察した堆積量を対応させることで、突出し長L、V1、V2を変えた場合をシミュレーションした。
各表の結果では、ガラス微粒子10の堆積量を、「有」、「有(A)」(清掃により容易に除去可能な量)、「無」の3つの水準に分けて表記している。
また、上記実験では火炎形成用ガスの流速V2=1.2V1の場合、管部63Aの内壁へのガラス微粒子10の堆積はまったく生じなかったものの、ガラス微粒子堆積体Mの表面温度が低下して、ガラス微粒子堆積体Mの製造ができなかったことから、表1〜表3におけるV2が1.2×V1の場合は、同様にガラス微粒子堆積体Mの表面温度が低下すると考えられる。このため、V2が1.2×V1の場合は、ガラス微粒子10の堆積量にかかわらず、「温度低下」と表記している。
なお、原料ガスポート50の半径r1が大きいほど、原料ガスポートから噴射されたガラス原料ガスが拡散しやすいため、原料ガスポート50の半径r1が大きい多重管バーナを用いる場合が特に好ましい。
2 反応容器
3 昇降回転装置
4 ガス供給装置
5 多重管バーナ
6 制御部
10 ガラス微粒子
31 支持棒
32 出発ロッド
41 ガラス原料
43 MFC
44 供給配管
50 原料ガスポート
61,65,69 (第一の)火炎形成用ガスポート
63,67,71 (第二の)火炎形成用ガスポート
62,64,66,68,70 (第三の)火炎形成用ガスポート
50A,61A〜71A 管部
80 突出し部
L 突出し長
M ガラス微粒子堆積体
T1 厚さ
T2 開口厚
Claims (1)
- 複数のガスポートを有する多重管バーナの中心のガスポートからガラス原料ガスを噴射すると共に前記中心のガスポートの外側の複数のガスポートから火炎形成用ガスを噴射し、前記火炎形成用ガスにより形成される火炎内で前記ガラス原料ガスを火炎分解反応させてガラス微粒子を合成するガラス微粒子の合成方法であって、
前記多重管バーナは、そのガス噴射側端面に前記中心のガスポートより下流側に突き出した突出し部が形成されており、
前記中心のガスポートのガス流速V1を5m/秒以上20m/秒以下に設定し、
前記突出し部の突出し長さをV1×0.01秒以下に設定して、
前記突出し部より内側にあるガスポートのうちの少なくとも1つのガスポートから、前記ガス流速V1の0.3倍以上1.0倍以下の流速V2となるように前記火炎形成用ガスを噴射してガラス微粒子の合成を行う、ガラス微粒子の合成方法。
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