JP6874761B2 - ガラス微粒子の合成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガラス微粒子の合成方法に関する。
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。
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。
特許文献１には、複数のガスポートを有する多重管バーナにガラス原料ガスと火炎形成用ガス（可燃ガス、助燃ガス、シールガスなど）を供給し、多重管バーナが形成する火炎内で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が開示されている。
本開示の一態様に係るガラス微粒子の合成方法は、
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。
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。
［本開示が解決しようとする課題］
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。
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。
ところが、上記突出し部において、その内壁にガラス微粒子が堆積し多重管バーナの目詰まりが生じてしまう。目詰まりが生じると、ガラス微粒子の合成に支障をきたすので、多重管バーナの清掃を行う必要がある。このため、例えば特許文献１の場合は、所定のガスポート管部の先端を交換可能にして、取り外して清掃または交換することで多重管バーナの目詰まりを防いでいる。
しかしながら、多重管バーナの清掃または交換を行うメンテナンス作業が必要であり、そのメンテナンス作業の間は、ガラス合成を停止するため、ガラス製造の機会損失となってしまう。また、ガラス合成装置内は狭いため、多重管バーナのメンテナンス作業は困難な作業である。
そこで、本開示の目的は、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可能なガラス微粒子の合成方法を提供することにある。
［本開示の効果］
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。
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。
［本発明の実施形態の説明］
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。
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。
（２）前記中心のガスポートのガス流速Ｖ１は、５ｍ／秒以上２０ｍ／秒以下であり、
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。
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。
（本発明の実施形態の詳細）
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。
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。
以下に示すガラス微粒子の合成方法としては、ＶＡＤ（Vapor Phase Axial Deposition）法を例に説明するが、本発明はＶＡＤ法に限定されるものではない。ＶＡＤ法と同様にガラス原料からガラスを堆積させる方法、例えば、ＯＶＤ（Outside Vapor Deposition）法に本発明を適用することも可能である。
本実施形態に係るガラス微粒子の合成方法の具体例として、ガラス微粒子堆積体Ｍを製造する製造装置の一例について、図１を参照しつつ説明する。
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。
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。
反応容器２は、ガラス微粒子堆積体Ｍが形成される容器であり、反応容器２の側面に取り付けられた排気管２１を備えている。排気管２１は、ガラス微粒子堆積体Ｍとして付着されなかったガラス微粒子１０を反応容器２の外部に排出する管である。
昇降回転装置３は、支持棒３１および出発ロッド３２を介してガラス微粒子堆積体Ｍを回転させながら昇降させうる装置である。昇降回転装置３は、制御部６から送信されてくる制御信号に基づいて支持棒３１の動作を制御している。
支持棒３１は、反応容器２の上壁に形成された貫通穴を挿通して配置されており、反応容器２内に配置される一方の端部には出発ロッド３２が取り付けられている。支持棒３１は、出発ロッド３２が取り付けられている端部とは反対側の端部が昇降回転装置３により把持されている。出発ロッド３２は、ガラス微粒子１０が堆積されるロッドであり、支持棒３１に取り付けられている。
ガス供給装置４は、ガラス原料４１を気化させたガラス原料ガスを多重管バーナ５に供給する装置である。ガス供給装置４は、ガラス原料４１を貯留する原料容器４２と、ガラス原料ガスの供給流量を制御するＭＦＣ（Mass Flow Controller）４３と、ガラス原料ガスを多重管バーナ５へ導く供給配管４４とを有している。また、ガス供給装置４は、原料容器４２とＭＦＣ４３と供給配管４４の一部とを所定温度に保つ温調ブース４５を有している。
ＭＦＣ４３は、制御部６から送信されてくる制御信号に基づいて、多重管バーナ５に供給するガラス原料ガスの供給量を制御するとともに、多重管バーナ５から噴射されるガラス原料ガスの流量を制御している。
多重管バーナ５は、ガラス微粒子１０を生成するためのものであり、例えば、金属材料あるいは石英ガラス等で構成されている。金属材料としては、例えば、耐腐食性が特に優れたステンレス（ＳＵＳ：Steel Special Use Stainless）を用いることが好ましい。多重管バーナ５には、ガラス原料ガスと、火炎形成用ガス（燃焼ガス、助燃ガス、シールガスなど）とが供給される。ガラス原料ガスとしては、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）やシロキサン等が供給され、火炎形成用ガスとしては、例えば、水素（Ｈ２）等の燃焼ガス、酸素（Ｏ２）等の助燃ガス、窒素（Ｎ２）等のシールガス、などが供給される。
多重管バーナ５は、気化されたガラス原料ガスを酸水素火炎中において火炎分解反応させることでガラス微粒子１０を生成する。多重管バーナ５は、生成されたガラス微粒子１０を出発ロッド３２に噴きつけて堆積させ、所定外径のガラス微粒子堆積体Ｍを作製する。なお、図１では、火炎形成用ガスを供給するためのガス供給装置は省略されている。
制御部６は、昇降回転装置３、ガス供給装置４等の動作を制御する。制御部６は、昇降回転装置３に対して、ガラス微粒子堆積体Ｍの昇降速度および回転速度を制御する制御信号を送信する。また、制御部６は、ガス供給装置４のＭＦＣ４３に対して、多重管バーナ５から噴霧するガラス原料ガスの流量を制御する制御信号を送信する。
図２Ａは、多重管バーナ５を軸方向に切断した縦断面図であり、図２Ｂは、多重管バーナ５の中心軸Ｂに近い一部分を軸方向に対して垂直方向に切断した横断面図である。図２Ａに示すように、多重管バーナ５としては、例えば１２重管などの多重管バーナ構造のものが用いられる。なお、図２Ａにおいて上方が、多重管バーナ５のガス噴射側である先端方向を示す。
多重管バーナ５の中央部には、ガラス原料ガスが噴射される原料ガスポート５０が設けられている。原料ガスポート５０にはガラス原料ガスのみを供給することも、ガラス原料ガスに他のガス、例えばＨ２ガスを混合して供給することもできる。
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。
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。
原料ガスポート５０は、多重管バーナ５の軸方向へ沿って延びる管部で形成されており、多重管バーナ５の中心部に設けられている。また、他の火炎形成用ガスポート６１〜７１は、原料ガスポート５０と同心円状に配置された管部間の隙間として形成されている（図２Ｂ参照）。これら複数の管部の各々の厚さＴ１は、例えば１ｍｍ程度である。また、原料ガスポート５０，火炎形成用ガスポート６１〜７１の開口厚Ｔ２は、例えば２ｍｍ程度である。なお、必ずしも全ての管部の厚さＴ１、および全てのガスポートの開口厚Ｔ２がそれぞれ一律である必要はない。
多重管バーナ５の先端側の部分において、例えば原料ガスポート５０，火炎形成用ガスポート６１，６２を構成する３つの管部５０Ａ，６１Ａ，６２Ａは同一の長さであって、原料ガスポート５０，火炎形成用ガスポート６１〜７１を構成する管部のなかで最も短い長さに形成されている。また、例えば火炎形成用ガスポート６３の外周側を構成する管部６３Ａから火炎形成用ガスポート６６を構成する管部６６Ａまでの４つの管部は同一の長さであって、上記管部５０Ａ，６１Ａ，６２Ａよりも長くなるように形成されている。また、例えば火炎形成用ガスポート６７の外周側を構成する管部６７Ａから火炎形成用ガスポート７１を構成する管部７１Ａまでの５つの管部は同一の長さであって、上記管部６３Ａ〜６６Ａよりも長くなるように形成されている。
このように、多重管バーナ５の先端部では、多重管バーナ５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ように、所定の領域ごとに管部の長さが設定されている。この長さの設定により、多重管バーナ５内には、管部５０Ａ，６１Ａ，６２Ａと管部６３Ａ〜６６Ａとの間の段差部と、管部６３Ａ〜６６Ａと管部６７Ａ〜７１Ａとの間の段差部とが形成されている。
管部５０Ａ，６１Ａ，６２Ａと管部６３Ａ〜６６Ａとの間の段差部において、管部５０Ａ，６１Ａ，６２Ａのガス噴射側の端面よりも多重管バーナ５の下流側（先端方向側）に突き出した部分を突出し部８０と定義し、その長さを突出し長Ｌとする。なお、図２Ａおよび図２Ｂに示す多重管バーナ５では、管部６３Ａ〜６６Ａのガス噴射側の端面よりも多重管バーナ５の下流側にさらに突き出した第二の突出し部９０が形成されている。多重管バーナ５は、このような突出し部８０，９０が設けられることにより、原料ガスポート５０から噴射されるガラス原料ガスが多重管バーナ５の径方向へ過度に拡散しないようにすることができる。
ところが、従来は、突出し部を有する多重管バーナを用いてガラス微粒子を生成する場合、突出し部においてその内壁にガラス微粒子が堆積し多重管バーナの目詰まりが生じる問題があった。
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。
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。
突出し部の長さを単純に短くして突出し部へのガラス微粒子の堆積を防ぐことが考えられる。しかしながら、突出し長を変えると多重管バーナによって形成される火炎が変化し、ガラス微粒子の合成速度や合成量なども変化してしまうため、突出し部の長さを単純に短くすることは困難である。また、ガラス微粒子堆積体の製造設備ごとに原料ガスポートに投入されるガラス原料ガスの流量は異なるため、ガラス原料ガスの流量に応じて突出し部に対するガラス微粒子が堆積する領域も変化する。
したがって、ガラス微粒子堆積体の製造設備ごとに突出し部の長さの異なる多重管バーナを使用することが望ましいが、設備ごとに異なる多重管バーナを用意する必要があり費用がかかる。また、同じ設備において、製造上の都合等でガラス原料ガスの流量が変更されたときに、多重管バーナの交換が必要になり、バーナ交換費用および交換作業中のガラス製造の機会損失が生じる。
そこで、本発明者は、ガラス原料ガスの流量が異なる場合であっても、突出し部の内壁にガラス微粒子が堆積しない方法およびその条件について以下のように検討を行った。
図４を用いて、多重管バーナ５の突出し部８０の内壁へのガラス微粒子の堆積を抑制する方法について説明する。
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。
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。
そして、検討の結果、火炎形成用ガスポート６１，６２，６３のうちの少なくとも１つのガスポートから、火炎形成用ガスを所定の範囲内の流速で噴射することにより、火炎形成用ガスの流れが突出し部８０方向へのガラス原料ガスの流れ（図４の破線矢印Ｄ参照）を抑制しうることを見出した。
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）
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）
検討の結果、火炎形成用ガスポート６１，６２，６３のうちの少なくとも１つのガスポートから噴射される火炎形成用ガスの流速（以下、Ｖ２とする）を、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（以下、Ｖ１とする）を基準として設定すると、突出し部８０方向へのガラス原料ガスの流れＤは、流速Ｖ２を０．３Ｖ１（ｍ／秒）以上とすることにより抑制できることがわかった。
ところが、流速Ｖ２が大きくなるほど、ガラス微粒子堆積体Ｍの表面温度が下がって微粒子堆積体Ｍへガラス微粒子１０が堆積しにくくなり製造上の問題が生じる。このため、製造上の問題が生じないようにガラス微粒子堆積体Ｍの表面温度の低下を抑制するための流速Ｖ２の上限値は、１．０Ｖ１（ｍ／秒）である。
以上の検討により、本実施形態に係るガラス微粒子の合成方法では、突出し部８０より内側にある火炎形成用ガスポート６１，６２，６３のうちの少なくとも1つのガスポートから、中心の原料ガスポート５０から噴射するガラス原料ガスの流速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してガラス微粒子の合成を行うこととする。
さらに、本発明者は、ガラス原料ガスの流量に応じて突出し部８０に対するガラス微粒子１０が堆積する領域が変化することと、ガラス原料ガスの流速Ｖ１が速いときほどガラス微粒子１０が突出し部８０に堆積しやすいことに着目した。そして、ガラス原料ガスの流速Ｖ１を遅くしていった場合の、例えば流速Ｖ１と突出し部８０の突出し長Ｌとの好ましい関係について検討した。
検討の結果、本発明者は、ガラス原料ガスの流速Ｖ１が、例えば５（ｍ／秒）以上２０（ｍ／秒）以下の場合に、突出し部８０の突出し長ＬをＶ１（ｍ／秒）×０．０１（秒）以下にすることにより、突出し部８０へのガラス微粒子１０の堆積を抑制するのに好ましいことを見出した。
本実施形態に係るガラス微粒子の合成方法によれば、ガラス微粒子１０の合成の際に、火炎形成用ガスポート６１，６２，６３のうちの少なくとも1つのガスポートから、０．３Ｖ１以上１．０Ｖ１以下（ｍ／秒）に設定された流速Ｖ２の火炎形成用ガスが噴射される。このため、原料ガスポート５０から噴射される流速Ｖ１のガラス原料ガスは、流速Ｖ２の火炎形成用ガス等の流れによって、突出し部８０方向への拡散が抑制される。そして、突出し部８０を構成する管部６３Ａの内壁にはほとんどガラス微粒子１０が堆積しなくなる。これにより、多重管バーナ５におけるガラス微粒子１０の目詰まりを減少させることができ、ガラス製造の機会損失を抑制して、多重管バーナの清掃または交換を行う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。
また、流速Ｖ２の上限値は、１．０Ｖ１（ｍ／秒）以下に設定されている。このため、火炎形成用ガス等が高速で噴射されることに伴うガラス微粒子堆積体Ｍの表面温度の低下を防ぐことができ、良好にガラス微粒子が付着されたガラス微粒子堆積体Ｍの製造を行うことができる。
また、ガラス原料ガスの流速Ｖ１が５（ｍ／秒）以上２０（ｍ／秒）以下に設定された場合には、突出し部８０の突出し長ＬがＶ１（ｍ／秒）×０．０１（秒）以下の長さに設定される。このため、管部６３Ａの内壁へのガラス微粒子１０の堆積をさらに抑制することができ、ガラス製造の機会損失を抑制するとともに、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。
図２Ａおよび図２Ｂに示す多重管バーナ５を使用してガラス微粒子を合成する実験を行った。
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。
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。
先ず、Ｑ１＝ ０．０００４２５（ｍ３／秒）
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。
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。
次に、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量を増加させて、Ｑ２＝０．０００５６５（ｍ３／秒）として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。なお、Ｑ１，Ｓ１，Ｓ２は上記と同じ条件とした。
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＝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。
さらに、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量を増加させて、Ｑ２＝０．００１８８（ｍ３／秒）として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。なお、Ｑ１，Ｓ１，Ｓ２は上記と同じ条件とした。
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＝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。
最後に、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量をさらに増加させて、Ｑ２＝０．００２２６（ｍ３／秒）として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。なお、Ｑ１，Ｓ１，Ｓ２は上記と同じ条件とした。
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。
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。
上記実験の結果、火炎形成用ガスの流速Ｖ２＝０．２Ｖ１の場合、管部６３Ａの内壁へのガラス微粒子１０の堆積が観察され、清掃しても除去できなかった。これに対して、火炎形成用ガスの流速Ｖ２＝０．３Ｖ１の場合、火炎形成用ガスの流れにより、ガラス原料ガスの突出し部８０方向への拡散が抑制され、管部６３Ａの内壁へのガラス微粒子１０の堆積量が減少した。また、ガラス微粒子１０の堆積位置が多重管バーナ５の下流側へ変化した。管部６３Ａの内壁に堆積したガラス微粒子は清掃により容易に除去することができた。さらに、火炎形成用ガスの流速Ｖ２＝１．０Ｖ１の場合、ガラス原料ガスの突出し部８０方向への拡散がさらに抑制され、管部６３Ａの内壁へのガラス微粒子１０の堆積がまったく生じなかった。また、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の製造ができなかった。
以上の実験に加え、シミュレーションにより突出し長Ｌ、Ｖ１、Ｖ２を変えた場合の管部６３Ａの内壁へのガラス微粒子１０の堆積量を求めた。
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。
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。
表１は、突出し長Ｌ＝０．００７×Ｖ１とし、Ｖ１、Ｖ２を変えた場合である。表２は、突出し長Ｌ＝０．０１０×Ｖ１とし、Ｖ１、Ｖ２を変えた場合である。表３は、突出し長Ｌ＝０．０１３×Ｖ１とし、Ｖ１、Ｖ２を変えた場合である。
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。
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。
上記の表１〜表３に示す結果から、Ｖ２がＶ１の０．３倍から０．７倍の範囲であれば、上記シミュレーション結果の全ての突出し長Ｌ、Ｖ１の場合において、管部６３Ａの内壁へのガラス微粒子１０の堆積があっても清掃で容易に除去できるか、または、管部６３Ａの内壁へ全くガラス微粒子１０が堆積しないことが確認できる。また、突出し長ＬがＶ１×０．０１以下であれば、管部６３Ａの内壁へ全く堆積しない場合がみられることからより好ましいことがわかる。
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。
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。
以上、本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。また、上記説明した構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等に変更することができる。
例えば、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、本実施形態では、突出し部を２つ有する二段式構造の多重管バーナ５を用いているがこれに限定されない。突出し部は少なくとも１つ設けられていればよく、例えば図２Ａおよび図２Ｂにおいて突出し部８０のみを有した一段式構造の多重管バーナであっても良い。
１ 製造装置
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
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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