JP7140654B2 - Quartz glass molded body manufacturing method and quartz glass molded body manufacturing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、石英ガラス成型体の製造方法および石英ガラス成型体の製造装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a molded quartz glass body and an apparatus for manufacturing a molded quartz glass body.
石英ガラスは、シリカガラスなどともよばれ、古くから活用されてきたガラス素材である。一方、近年の半導体製造技術や光通信技術、さらには画像表示・撮像技術の急激な進展を受け、光学特性や熱的特性、耐薬品性を高い次元で実現する石英ガラスにますます注目が集まっている。これに対して、製造技術の観点からは、高品位の石英ガラス製品を供給することはもとより、より安価で、多品種の生産にも好適に対応することができる技術の開発が望まれている。 Silica glass, also called silica glass, is a glass material that has been used for a long time. On the other hand, due to the rapid progress in semiconductor manufacturing technology, optical communication technology, image display and imaging technology in recent years, quartz glass, which achieves high levels of optical properties, thermal properties, and chemical resistance, is attracting more and more attention. ing. On the other hand, from the viewpoint of manufacturing technology, it is desired to develop a technology that can supply high-quality quartz glass products at a lower cost and can be suitable for the production of a wide variety of products. .
特許文献1は、るつぼ内部に供給された原料を加熱して溶融ガラスとする第1の加熱手段と、上記第1の加熱手段により形成された溶融ガラスを第1の加熱手段よりも高い温度で加熱する第2の加熱手段と、上記るつぼ内部に設けられた抵抗体(バッフル)と、上記第1、第2の加熱手段による溶融ガラスの加熱温度および滞留時間を制御する制御手段とを具備する石英ガラスの成型装置を開示する。本文献では、これにより、るつぼ内部の温度差を適宜の値に調整可能となり、抵抗体(バッフル)がるつぼ内部に設けられたことにより、上記るつぼ内部での溶融ガラスの滞留時間を延長させることができるとされている。
特許文献2では、シリカを所望の形状へと融解するための炉であって、当該炉は融解域と引抜き域とを有する本体を含んでおり、融解域は、非反応性遮断材の実質的に気密な内側ライニングを有する耐火材壁からなる、炉が開示されている。融解域を実質的に気密のレニウム、イリジウム、白金及び/又はオスミウムで内張りした炉は、融液中の耐火金属の含量が格段に低い製品を製造できる等の利点を有するとされている。 US Pat. No. 5,300,000 discloses a furnace for melting silica into a desired shape, the furnace including a body having a melting zone and a drawing zone, the melting zone substantially containing a non-reactive barrier material. A furnace is disclosed comprising a refractory wall with an airtight inner lining. Furnaces with substantially gas-tight rhenium, iridium, platinum and/or osmium linings in the melting zone are claimed to have advantages such as the ability to produce products with much lower refractory metal content in the melt.
特許文献3では、特定の構造を有する、石英ガラスシリンダを引き抜くための装置が開示されている。これにより、石英ガラスシリンダの側方の寸法が、汎用の溶融るつぼの内径のサイズオーダにある場合にも、より均質な石英ガラスシリンダを簡単に製造することができるとされる。 US Pat. No. 6,300,003 discloses a device for extracting quartz glass cylinders, which has a specific structure. It is said that this makes it possible to easily manufacture a more homogeneous quartz glass cylinder even when the lateral dimension of the quartz glass cylinder is on the order of the size of the inner diameter of a general-purpose melting crucible.
上記特許文献1および特許文献2のるつぼないし炉(るつぼ等)の加熱は、誘導加熱方式のヒーターによるものである。特許文献3のるつぼの加熱は抵抗加熱方式のヒーターによるものである。このように、従来、石英ガラスの溶融はヒーターでるつぼ等を加熱することにより行われている。石英ガラスの溶融温度は2000℃を超える。そのため、ヒーターによる場合、るつぼ等をその温度あるいはそれ以上の温度に加熱しなければならない。これに耐えうる材料として、るつぼ等に耐火金属が通常用いられる。一方、耐火金属性のるつぼ等を用いるときには、これが劣化することを防ぐために、装置内を水素雰囲気とすることが必要である。耐火金属はそれ自体モリブデンやタングステン等のレアメタルが用いられ安価なものではなく、さらに水素雰囲気下での運転を余儀なくされ、石英ガラスの製造コストを高める大きな要因となっていた。
The heating of the crucible or furnace (crucible or the like) in
そこで本発明は、石英ガラスの溶融部に耐火金属を用いる必要がなく、そのための水素雰囲気によらずに石英ガラスを溶融して成型することができる石英ガラス成型体の製造方法およびその製造装置の提供を目的とする。 Accordingly, the present invention provides a method and apparatus for manufacturing a quartz glass molded body that does not require the use of a refractory metal in the melting portion of the quartz glass, and that allows the quartz glass to be melted and molded without using a hydrogen atmosphere. for the purpose of providing
上記の課題は以下の手段によって解決することができる。
<1>石英ガラスの原料粉を酸水素火炎で溶融させて、溶融したガラスを溶融部内に堆積させる溶融過程(但し、溶融部内に堆積させた溶融ガラスの一部は溶融部内の側壁と接触し、側壁近傍の溶融ガラスは流動性が低いか、または流動性を有さない)と、
溶融部内の側壁近傍以外の溶融ガラスを予備成型部内で流下させて、予備成型部の下流の成型部での流出に適した粘度の溶融ガラスを得る粘度調整過程(但し、予備成型部での溶融ガラスの流下は外気と遮断した状態で、かつ加熱下で自重により行う)と、
粘度調整された溶融ガラスを成型部内で流下させ、かつ成型口から流出させる成型過程と、次いで、
流出した石英ガラスの成型部材を冷却部で冷却する冷却過程と、
冷却された石英ガラスの成型部材を切断部で切断して成型体を得る切断過程とを有する、石英ガラス成型体の製造方法。
<2>溶融部内の側壁は、外部から加熱されない、<1>に記載の製造方法。
<3>予備成型部入口近傍の溶融部内の溶融ガラスは、自重により予備成型部に流下する、<1>または<2>に記載の製造方法。
<4>予備成型部における溶融ガラスの滞留時間は、溶融ガラスの気泡が消滅するに十分な時間とする、<1>~<3>のいずれか1つに記載の製造方法。
<5>酸水素火炎用の酸素ガス及び水素ガスは高純度品を用いる、<1>~<4>のいずれか1つに記載の製造方法。
<6>石英ガラス成型体は管状であり、
予備成型部の溶融ガラスが流下する部分は円筒形であり、成型部の水平断面形状はリング状であり、
予備成型部の溶融ガラスの流下する円筒形部分の水平断面形状はリング状であり、
予備成型部のリング状水平断面の内径は、成型部のリング状水平断面の内径より小さく、
予備成型部のリング状水平断面の外径は、成型部のリング状水平断面の外径より大きい、<1>~<5>のいずれか1つに記載の製造方法。
<7>石英ガラス成型体は棒状であり、
予備成型部の溶融ガラスが流下する部分は円筒形であり、成型部の溶融ガラスが流下する部分も円筒形であり、
予備成型部の溶融ガラスが流下する部分の水平断面の径は成型部の水平断面の径より大きい、<1>~<5>のいずれか1つに記載の製造方法。
<8>成型部から流出させた、成型された石英ガラスは、成型形状を維持できる粘度を有する<1>~<7>のいずれか1つに記載の製造方法。
<9>冷却して得た成型体は、冷却部の下流で所定長さ毎に切断して、成型体を得る、<1>~<8>のいずれか1つに記載の製造方法。
<10>上部に石英ガラスの原料粉の供給口及び酸水素火炎用バーナーを有し、酸水素火炎で溶融した石英ガラスを堆積させる溶融部と、
縦方向に溶融ガラスを流下させるための空洞を有し、加熱機能を有する予備成型部と、
溶融ガラスを流下させ、成型するための成型口を有する成型部と、
成型した溶融ガラスを冷却するための冷却部を具備し、
溶融部内の側壁は耐火レンガ製であり、
溶融部底部と予備成型部頂部とに溶融ガラスを流下させるための連結口を有し、
予備成型部底部と成型部頂部とに溶融ガラスを流下させるための連結口を有する、石英ガラス成型体の製造装置。
<11>前記冷却部の下流に冷却した溶融ガラスを切断するための切断部をさらに具備する、<10>に記載の製造装置。
<12>前記溶融部の酸水素火炎と接触し得る面に耐火レンガを敷設した、<10>または<11>に記載の製造装置。
<13>前記成型部にヒーターを配設し、成型過程における石英ガラスの温度を調節して成型体の形状を制御する、<10>~<12>のいずれか1つに記載の製造装置。
The above problems can be solved by the following means.
<1> A melting process in which raw material powder of quartz glass is melted with an oxyhydrogen flame and the melted glass is deposited in the melting zone (however, part of the molten glass deposited in the melting zone is in contact with the sidewall of the melting zone). , the molten glass near the sidewall has low or no fluidity) and
A viscosity adjustment process in which the molten glass outside the vicinity of the side wall in the melting section is allowed to flow down in the preforming section to obtain molten glass with a viscosity suitable for flowing out in the forming section downstream of the preforming section (however, melting in the preforming section The flow of the glass is carried out by its own weight while being isolated from the outside air and under heating),
A molding process in which the molten glass whose viscosity is adjusted is allowed to flow down in the molding part and out of the molding opening, and then,
a cooling process in which the outflowing quartz glass molded member is cooled in a cooling unit;
A method for producing a quartz glass molded body, comprising: a cutting step for obtaining a molded body by cutting a cooled quartz glass molded member at a cutting portion.
<2> The manufacturing method according to <1>, wherein the side walls in the fusion zone are not heated from the outside.
<3> The manufacturing method according to <1> or <2>, wherein the molten glass in the melting section near the inlet of the preforming section flows down to the preforming section due to its own weight.
<4> The manufacturing method according to any one of <1> to <3>, wherein the residence time of the molten glass in the preforming part is set to a time sufficient for bubbles in the molten glass to disappear.
<5> The production method according to any one of <1> to <4>, wherein high-purity oxygen gas and hydrogen gas are used for the oxyhydrogen flame.
<6> The quartz glass molded body is tubular,
The part of the preforming part where the molten glass flows down is cylindrical, and the horizontal cross-sectional shape of the forming part is ring-shaped,
The horizontal cross-sectional shape of the cylindrical portion of the preforming portion through which the molten glass flows is ring-shaped,
the inner diameter of the ring-shaped horizontal cross-section of the pre-molded portion is smaller than the inner diameter of the ring-shaped horizontal cross-section of the molded portion;
The manufacturing method according to any one of <1> to <5>, wherein the outer diameter of the ring-shaped horizontal cross section of the preformed part is larger than the outer diameter of the ring-shaped horizontal cross section of the molded part.
<7> The quartz glass molded body is rod-shaped,
The part of the preforming part where the molten glass flows down is cylindrical, and the part of the molding part where the molten glass flows down is also cylindrical,
The manufacturing method according to any one of <1> to <5>, wherein the horizontal cross-sectional diameter of the portion of the preforming portion where the molten glass flows down is larger than the horizontal cross-sectional diameter of the forming portion.
<8> The manufacturing method according to any one of <1> to <7>, wherein the molded quartz glass flowing out from the molding unit has a viscosity capable of maintaining the molded shape.
<9> The manufacturing method according to any one of <1> to <8>, wherein the molded body obtained by cooling is cut into predetermined lengths downstream of the cooling section to obtain molded bodies.
<10> a melting part having a supply port for raw material powder of quartz glass and an oxyhydrogen flame burner in the upper part, and depositing quartz glass melted by the oxyhydrogen flame;
a preforming section having a cavity for vertically flowing molten glass and having a heating function;
a molding unit having a molding opening for flowing molten glass and molding;
Equipped with a cooling unit for cooling the molded molten glass,
The side walls in the fusion zone are made of refractory bricks,
Having a connecting port for flowing molten glass to the bottom of the melting part and the top of the preforming part,
An apparatus for producing a quartz glass molded body having a connecting port for flowing molten glass to the bottom of the preforming section and the top of the molding section.
<11> The manufacturing apparatus according to <10>, further comprising a cutting section for cutting the cooled molten glass downstream of the cooling section.
<12> The manufacturing apparatus according to <10> or <11>, wherein refractory bricks are laid on the surface of the fusion zone that can come into contact with the oxyhydrogen flame.
<13> The manufacturing apparatus according to any one of <10> to <12>, wherein a heater is provided in the molding section to adjust the temperature of the quartz glass during the molding process to control the shape of the molded body.
本発明により、石英ガラスの溶融部に耐火金属を用いる必要がなく、またそのための水素雰囲気によらずに石英ガラスを溶融して成型することができる。さらには、上記の製造工程の改善により、石英ガラスの成型体の製造コストの低減に資する。 According to the present invention, it is not necessary to use a refractory metal in the melting portion of the quartz glass, and the quartz glass can be melted and molded without using a hydrogen atmosphere for that purpose. Furthermore, the improvement of the manufacturing process described above contributes to the reduction of the manufacturing cost of the quartz glass molded body.
以下、本発明を好ましい実施形態に基づいて更に詳細に説明する。但し、実施形態は図示したものを含めて本発明の例示であって、本発明はこの実施形態に限定される意図ではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on preferred embodiments. However, the embodiments, including the illustrated ones, are examples of the present invention, and the present invention is not intended to be limited to these embodiments.
本発明の好ましい実施形態に係る石英ガラス成型体の製造方法は、(1)石英ガラスの原料粉50を酸水素火炎で溶融させて、溶融したガラスを溶融部内10A内に堆積させる溶融過程(但し、溶融部内に堆積させた溶融ガラスの一部51aは溶融部内の側壁と接触し、側壁近傍の溶融ガラス51aは流動性が低いか、または流動性を有さない)と、(2)溶融部内10A内の側壁11近傍以外の溶融ガラス51を予備成型部20内を流下させて、予備成型部20の下流の成型部30での流出に適した粘度の溶融ガラス52を得る粘度調整過程(但し、予備成型部20での溶融ガラス52の流下は外気と遮断した状態で、かつ加熱下で自重により行う)と、(3)粘度調整された溶融ガラス52を成型部30内を流下させ、かつ成型口3から流出させる成型過程と、次いで、(4)流出した石英ガラス54の成型部材を冷却部で冷却する成型過程と、(5)冷却された石英ガラスの成型部材54を切断部で切断して成型体を得る切断過程とを有する。
The method for manufacturing a quartz glass molded body according to a preferred embodiment of the present invention includes (1) a melting process of melting
また、本発明の好ましい実施形態に係るガラス成型体の製造装置は、上部に石英ガラスの原料粉50の供給口1a及び酸水素火炎用バーナー1を有し、酸水素火炎で溶融した石英ガラス51を堆積させる溶融部内10Aと、縦方向に溶融ガラス52を流下させるための空洞21を有し、加熱機能を有する予備成型部20と、溶融ガラスを流下させ、成型するための成型口3を有する成型部30と、成型した溶融ガラスを冷却するための冷却部40を具備し、溶融部内10Aの側壁11は耐火レンガ製であり、溶融部内10A底部と予備成型部20頂部とに溶融ガラス52を流下させるための連結口14,24を有し、予備成型部20底部と成型部30頂部とに溶融ガラス52を流下させるための連結口(図中の符号は付していない)を有する。
Further, the apparatus for manufacturing a molded glass body according to a preferred embodiment of the present invention has a
以下、これらの製造過程について、本発明に好適に利用することができる製造装置を模式的に示した図面を参照しながら、詳細に説明する。 These manufacturing processes will be described in detail below with reference to the drawings schematically showing manufacturing apparatuses that can be suitably used in the present invention.
(溶融過程-溶融部)
本発明の好ましい実施形態に係る石英ガラスの成型体の製造装置を図1に示す。
(Melting process - melting part)
FIG. 1 shows an apparatus for manufacturing a quartz glass molding according to a preferred embodiment of the present invention.
本実施形態の溶融過程では石英ガラスの原料粉50を酸素と水素の気流に乗せて供給し、該原料粉を酸水素火炎Fで包むようにして接触させ溶融する。採用することができる石英ガラス材料は特に限定されず、この種の石英ガラスに適用しうるものを適宜採用することができる。天然原料としては、水晶片やけい石の精製粉が挙げられる。例えば、水晶片ラスカを用いることができるが、コストの観点からは石英の微結晶の集合体であるけい石を用いることが好ましい。けい石は十分に選鉱し化学処理することによって精製することが好ましい。鉄やアルカリ金属の濃度は0.1ppm以下とすることが、高品質の石英ガラス成型体とする観点で好ましい。アルミニウムについては、数ppmで含有されていることが一般的である。
In the melting process of the present embodiment, the
石英ガラスの原料としては、合成原料を用いることもできる。例えば、シリコンアルコキシドをゾル・ゲル法でガラス粉末とした合成原料が石英ガラス原料として実用化されている。その他にも、水ガラス(ケイ酸アルカリ)をゲル化させ純化した材料や、シリコンを溶融し、噴霧・直接酸化する方法で得た材料などを用いてもよい。 Synthetic raw materials can also be used as raw materials for quartz glass. For example, synthetic raw materials obtained by converting silicon alkoxide into glass powder by a sol-gel method have been put to practical use as quartz glass raw materials. In addition, a material obtained by gelling and purifying water glass (alkali silicate), or a material obtained by melting silicon and spraying or directly oxidizing it may be used.
本発明においては、石英ガラスの原料粉50に酸水素火炎Fを接触させて加熱溶融し、溶融部10に溶融した石英ガラスを堆積させる(図1、堆積した石英ガラス51)。このとき本実施形態においては、石英ガラスの原料粉50を水素ガス(H2)と酸素ガス(O2)とともにバーナーに供給する。石英ガラスの原料粉50は、原料供給装置70から、原料粉ライン71を通じて送られる。本実施形態において、バーナー1は溶融部10において溶融部内10Aの上部に設けられている。バーナー1の火炎吹き出し口1aからは酸水素火炎Fが吹き付けられる。この火炎吹き出し口1aは原料粉50の供給口も兼ねており、石英ガラスの原料粉50は火炎Fに包み込まれるようにして溶融部の溶融室V内に送られる。
In the present invention, the
酸水素火炎Fを発生させる方法は特に限定されず、常法を用いることができる。酸水素ガスとしては、酸素と水素との体積比率が1:2となるように混合して供給することが好ましい。酸水素火炎F用の酸素ガス及び水素ガスは高純度品を用いることが好ましい。 A method for generating the oxyhydrogen flame F is not particularly limited, and a conventional method can be used. As the oxyhydrogen gas, it is preferable to mix and supply oxygen and hydrogen so that the volume ratio is 1:2. As the oxygen gas and hydrogen gas for the oxyhydrogen flame F, it is preferable to use high-purity products.
火炎温度は必要以上に高くする必要はなく、後述する耐火レンガの保全性を考慮すると、溶融に必要な程度で低めに設定することが好ましい。かかる観点から、溶融温度は2000℃未満とすることが好ましく、1800~1900℃とすることがより好ましい。 It is not necessary to set the flame temperature higher than necessary, and considering the integrity of the refractory bricks, which will be described later, it is preferable to set the flame temperature as low as necessary for melting. From this point of view, the melting temperature is preferably less than 2000.degree. C., more preferably 1800 to 1900.degree.
本実施形態においては、溶融部10の酸水素火炎Fと接触し得る面に耐火レンガを敷設している。具体的に本実施形態においては、溶融部本体(溶融部内)10Aの内壁11が耐火性のレンガで構成されている。これにより、図示したもののように溶融部の材料として耐火レンガで対応することができ、例えば従来求められていた耐火金属の使用が必須とはならない(ただし、本発明において溶融部における耐火金属の使用を妨げるものではない)。具体的には、2000℃以下の設定で耐火物の材料を選定することができ、けい石レンガ、アルミナ(α,β-アルミナ、β-アルミナ)レンガ、焼成AZS(アルミナージルコニアーシリカ)レンガ、ジルコニアレンガ、AZSC等のクロム含有レンガ、ムライトレンガ、スピネルレンガ、塩基性レンガ等が挙げられる。これらの材料は、コストと耐久性のバランスの観点から選定されることが好ましい。
In this embodiment, refractory bricks are laid on the surface of the
本実施形態の製造方法においては、溶融部内10A内に堆積させた溶融ガラス51の一部51aは溶融部内の側壁11と接触している。これにより、側壁11近傍の溶融ガラス51aは流動性が低いか、または流動性を有さないようにされている。換言すると、溶融部内10Aの側壁11の部分は加熱されていない。このように、溶融された石英ガラスの一部が加熱されていないことが本発明の好ましい実施形態に係る特徴である。つまり、側壁11近傍の溶融ガラス51aが流動性を失うことで、溶融して堆積した石英ガラス51に対して、そのガラス自体が堰となり側壁からの異物の混入を防ぐ効果がある。また、側壁からの加熱を必須としない点は、製造コストの点でも利点につながる。
In the manufacturing method of the present embodiment, a
溶融部の基部・外壁12は内壁11ほどは耐熱性を高める必要はなく、よりコストや強度、施工性を重視した材料の耐火物を選定することができる。例えば、高アルミナ材料や一般的な粘土系のレンガ、あるいは耐火モルタル材料(マグネシウム・クロム質モルタル、高アルミナモルタル、粘土質モルタル、アルミナ―ジルコニアモルタル、ジルコン質モルタル、けい石質モルタル等)を選定してもよい。なお、必要により、内壁のレンガを上述したモルタルで結合してもよい。
The base/
本発明によれば上述のように溶融部に耐火金属を用いることが必須ではなくなるため、耐火金属の酸化を防ぐために溶融部を水素雰囲気下におくことも必要がなくなる。ただし、本発明において溶融部を水素雰囲気とすることを妨げるものではない。 According to the present invention, it is no longer necessary to use a refractory metal in the fusion zone as described above, so there is no need to place the fusion zone in a hydrogen atmosphere to prevent oxidation of the refractory metal. However, in the present invention, this does not prevent the fusion zone from being in a hydrogen atmosphere.
本実施形態の装置においては、バーナー1はバーナーステージ15に設置され、溶融室V内に火炎吹き出し口1aを向け、火炎Fを原料粉50とともに同室内に吹き付けることができるようにされている。バーナーステージ15の材料は特に限定されないが、この部分は内壁11ほどは加熱を受けないため、基部・外壁12と同様の材料を適用してもよい。
In the apparatus of this embodiment, the
本実施形態の装置では、バーナー1を鉛直方向直上に1機設ける態様として示したが、本発明はこれに限定して解釈されるものではない。例えば、2機以上を面状に配置する態様であってもよい。あるいは、バーナー1を溶融部の側面に複数設けて火炎と原料粉を吹き付ける態様であってもよい。また、本実施形態では酸水素火炎Fと原料粉50とを共通の吹き出し口1aから供給する態様を示したが、これらを別々の供給口から供給しつつ原料粉50が酸水素火炎F中に包まれる態様としてもよい。
In the apparatus of the present embodiment, one
本実施形態の製造装置において溶融部の溶融部内10Aはその底部に、予備成型部20頂部に溶融ガラスを流下させるための連結口14を有する。他方、予備成型部20は、その頂部に、上記溶融部の連結口14に対応する位置と形で溶融ガラスを流下させるための連結口24を有する。これらの連結口の大きさや形の組合せを好適な条件にすることで、溶融部10から予備成型部20に自重により流入する石英ガラスの量を調節することができる。このように予備成型部20に流通する溶融したガラス52の量を適宜調節することは、製品である成型体の製造品質の管理において重要な点となる。
In the manufacturing apparatus of this embodiment, the inside 10A of the melting section of the melting section has a connecting
(粘度調整過程-予備成型部)
本実施形態の製造装置においては、溶融部で溶融された溶融ガラスを成型体とする前に、均質化し粘度を調整する目的で予備成型部20を設け流動処理を行っている。予備成型部20で溶融ガラス52を導く部材および機構としては任意のものを用いることができる。例えば一般的な電気炉の構造および材料を適用することができる。
(Viscosity adjustment process - preforming part)
In the manufacturing apparatus of the present embodiment, a preforming
予備成型部20での溶融ガラスの流下は外気を遮断した状態で、かつ加熱下で自重により流下させることが好ましい。このようにすることで、還元ガス等を反応器に流通させなくても、石英ガラスの酸化による品質劣化を抑えることができる。上述のとおり、本実施形態においては、予備成型部20入口近傍の溶融部内の溶融ガラスは、自重により予備成型部20に流下するようにされている。予備成型部20における溶融ガラスの滞留時間は、溶融ガラスの気泡が消滅するのに十分な時間とすることが好ましい。本実施形態においては、酸水素火炎Fを用い、これで石英ガラスの粉末50を包み込むようにして溶融させるので、水素の微小な気泡が溶融ガラス52に混入することがある。均質な石英ガラス成型体を得るには、それを予備成型部で消滅させることが好ましい。
It is preferable that the molten glass in the preforming
このような観点から、予備成型部は加熱されることが好ましい。予備成型部における加熱温度は石英ガラスの軟化点約1700℃以上であることが好ましく、1800℃以上であることがより好ましい。上限値としては、設備の制約などから1900℃以下が実際的である。 From this point of view, it is preferable that the preformed portion is heated. The heating temperature in the preforming part is preferably about 1700° C. or higher, more preferably 1800° C. or higher, which is the softening point of quartz glass. As for the upper limit, 1900° C. or less is practical due to restrictions on facilities and the like.
(成型過程-成型部)
図2-1は、図1に示した製造装置における成型部の周辺を拡大して模式的に示した側断面図である。図2-2が図2-1のI-I線の矢視断面図であり、図2-3が図2-1のII―II線の矢視断面図である。本実施形態においては、同図に示されたように、予備成型部20と成型部30とが、外側を構成する外壁22,32と内壁23,33とで区画されている。その間には空間21,31が形成され、溶融した石英ガラスが流通する空洞を形成している。予備成型部20の空間21を上記で溶融した石英ガラス52が流通する。その後、溶融された石英ガラス52はその下部にある成型部30の空間31を経由して成型口3に到達し、その形にそって賦形される。これは、換言すると、予備成型部底部と成型部頂部とに溶融ガラスを流下させるための連結口を有する構造といえる。ただし、図示した態様においては特に連結口を符号を付して示してはいないが、予備成型部と成型部とが連続した構造として示している。
(Molding process - molding section)
FIG. 2-1 is a side sectional view schematically showing an enlarged periphery of a molding section in the manufacturing apparatus shown in FIG. 1. FIG. 2-2 is a cross-sectional view taken along line II in FIG. 2-1, and FIG. 2-3 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 2-1. In this embodiment, as shown in the figure, the preforming
本実施形態において、予備成型部20の溶融ガラスが流下する空間(空洞)21は外壁22により円筒形とされ、成型部30に行くにつれて、内壁23により、より幅の狭いリング状になるようにされている。具体的な形状と寸法についていうと、予備成型部20の溶融ガラスの流下する円筒形部分の水平断面形状はリング状とされ、その円筒形部分のリング状水平断面の空間内径D3は、成型部のリング状水平断面の空間内径D1より小さくされている。さらに本実施形態においては、予備成型部20の円筒形部分のリング状水平断面の空間外径D4は、成型部のリング状水平断面の空間外径D2より大きい。予備成型部と本成型部とをこのような寸法の関係にすることにより、ガラス管を安定かつ均質に製造しやすく好ましい。
In this embodiment, the space (cavity) 21 in which the molten glass of the preforming
図3は、本発明の別の好ましい実施形態として、棒状の成型体を製造する製造装置の成形部の周辺を拡大して模式的に示す側断面図である。図3-2が図3-1の予備成型部のIII-III線矢視の断面を模式的に示した断面図であり、図3-2が図3-1の成型部のIV-IV線矢視の断面を模式的に示した断面図である。本実施形態においては、予備成型部20の溶融ガラスが流下する部分(空洞)の水平断面の空間径D5は成形部の空間径D6より大きくなるようにされている。このような形態とすることにより、石英ガラスの棒状成型体を安定かつ均質に製造することができる。
FIG. 3 is a side cross-sectional view schematically showing an enlarged periphery of a molding section of a manufacturing apparatus for manufacturing rod-shaped moldings, as another preferred embodiment of the present invention. FIG. 3-2 is a cross-sectional view schematically showing a cross-section of the pre-molding portion of FIG. 3-1 taken along line III-III, and FIG. 3-2 is a line IV-IV of the molding portion of FIG. 3-1. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a cross section taken along an arrow. In this embodiment, the spatial diameter D5 of the horizontal cross section of the portion (cavity) of the preforming
(冷却過程-冷却部)
本実施形態においては、成形部30を通過した石英ガラスは冷却部40に送られ、そこで冷却される。成型部から流出した石英ガラスの部材は、ここで成型形状を維持できる粘度を有することが好ましい。このようにすることで、安定な生産性を維持しながら所望の形状にした良好な品質の石英ガラス成型部材54を得ることができる。
(Cooling process - cooling section)
In this embodiment, the quartz glass that has passed through the
上述のように、成型部30では、予備成型部20の底面に設けられた成型口3から溶融ガラスの部材(成型部材)が自重によって引き出される。引き出された溶融ガラスの成型部材54はシリンダー材8の管の形状とされている。このとき、溶融ガラスの自重のみに頼るのではなく、必要により、ローラー等を設置して引き出すようにしてもよい。すなわち、本発明において自重により流動するとは、自重のみで流動することのほか、外部からの引き出し力や押し出し力を組み合わせて流動することを含む意味である。
As described above, in the
本実施形態では、冷却部40に送られた成型部材54はその断面形状が成型口3の断面と一致する円形であるが、この部分で円錐台形にすぼまった形態等となってもよいし、棒状のものであってもよい。
In this embodiment, the molding
本実施形態の装置においては、鉛直方向に向けて自重により溶融したガラス管を引き出す態様として示したが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。例えば、成型部等にヒーターを設置して、成型過程における石英ガラスの管材ないし棒材の温度を調節して中間製品である成型部材や完成品である成型体の形状を制御することが好ましい。棒状のガラス成型体も、上記の加熱による成型体の形状制御の好ましい例として挙げることができる。あるいは、鉛直方向ではなく、これに対して斜めに向けて管材または棒材を引き出す態様としてもよい。鉛直方向または斜めに引き出したのちに、所定の位置で曲げて、例えば水平方向にローラー等で送るようにしてもよい。 In the apparatus of this embodiment, the mode of pulling out the molten glass tube by its own weight is shown in the vertical direction, but the present invention should not be construed as being limited to this. For example, it is preferable to install a heater in the molding section or the like to adjust the temperature of the quartz glass tube or bar during the molding process to control the shape of the molded member as an intermediate product or the molded product as a finished product. A rod-shaped glass molded body can also be given as a preferable example of the shape control of the molded body by heating as described above. Alternatively, a mode may be adopted in which the pipe or bar is pulled out not in the vertical direction but in an oblique direction. After pulling out vertically or obliquely, the sheet may be bent at a predetermined position and sent horizontally, for example, by rollers.
(製品化過程-切断部)
本実施形態においては、冷却して得た成型部材54が冷却部40の下流の切断部で所定長さ毎に切断され、成型体(製品)を得ることができる。成型部材の切断は公知の方法で実施できる。
(Production process - cutting part)
In the present embodiment, the molded
(従来の製造装置の一例)
図4は従来の製造装置90を模式的に示した断面図である。この従来の装置90では加熱ヒーター92をるつぼ91の周囲に配置し、るつぼ91のほぼ全体が石英ガラスの軟化温度まで上昇するようにされている。そのため、るつぼ91は耐火金属で構成されており、雰囲気ガスとして水素が供給され続けている。石英ガラスの原料粉50はヒーターによる加熱で融解し溶融ガラス52がるつぼ内に満たされている。るつぼの下部にモールド93とマンドレル94の空隙があり、そこを介して管状の溶融ガラス54が自重により引き出されている。これが徐冷され管材となり、切断されてガラス管となる。この方法では水素ガスを供給し続けなければならない。それでも耐火金属の腐食や損傷は避けられず製造コストを上昇させる要因となる。また、成型部(モールド)と溶融部(るつぼ)は分離が容易ではなく、製造設備のメンテナンスは難しくなる。
(Example of conventional manufacturing equipment)
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a
10 溶融部
10A 溶融部本体
1 バーナー
1a 火炎吹き出し口兼原料供給口
11 内壁(耐火レンガ)
12 基部・外壁
14 溶融部側連結口
15 バーナーステージ
20 予備成型部
21 予備成型部流動部(空洞)
22 予備成型部の流動部外壁
23 予備成型部の流動部内壁
24 予備成型部側連結口
30 成型部
3 成型口
31 成型部流動部(空洞)
32 成型部の流動部外壁
33 成型部の流動部内壁
40 冷却部
50 石英ガラスの原料粉
51 堆積した石英ガラス
52 溶融して流動する石英ガラス(溶融ガラス)
54 冷却過程における石英ガラス
59 石英ガラスの成型体
70 原料供給装置
71 原料粉ライン
8 シリンダー材
90 従来の装置
91 るつぼ
92 ヒーター
93 モールド
94 マンドレル
REFERENCE SIGNS
REFERENCE SIGNS
22 Flow portion outer wall of preforming
32 Flow portion outer wall of
54 Quartz glass in cooling process 59 Quartz glass molded
本発明は石英ガラスの成型体(特に管材または棒材)に関連する分野で有用である。石英ガラスの管材や棒材は、各種の半導体デバイスの製造プロセスや光学機器、通信機器等の材料として産業上利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful in fields related to quartz glass moldings (especially tubes or rods). Silica glass tubes and bars are industrially applicable as materials for manufacturing processes of various semiconductor devices, optical equipment, communication equipment, and the like.
Claims (12)
溶融部内の側壁近傍以外の溶融ガラスを予備成型部内で流下させて、予備成型部の下流の成型部での流出に適した粘度の溶融ガラスを得る粘度調整過程、但し、予備成型部での溶融ガラスの流下は外気と遮断した状態で、かつ加熱下で自重により行う、と、
粘度調整された溶融ガラスを成型部内で流下させ、かつ成型口から流出させる成型過程と、
流出した石英ガラスの成型部材を冷却部で冷却する冷却過程と、
冷却された石英ガラスの成型部材を切断部で切断して成型体を得る切断過程とを有する、石英ガラス成型体の製造方法(但し、成型過程において用いられる成型部が成型口内に溶融ガラスの流出方向に突出した変位体が配置されたものである場合を除く)。 A melting process in which the raw material powder of quartz glass is melted with an oxyhydrogen flame and the molten glass is deposited in the melting zone. The molten glass of has lower fluidity or no fluidity than the molten glass outside the vicinity of the side wall in the melting part ,
A viscosity adjustment process in which the molten glass outside the vicinity of the side wall in the melting section is allowed to flow down within the preforming section to obtain molten glass having a viscosity suitable for flowing out of the forming section downstream of the preforming section , provided that the molten glass is melted in the preforming section. The flow of the glass is done by its own weight while being isolated from the outside air and under heat.
a molding process in which the molten glass with adjusted viscosity is allowed to flow down in the molding unit and out of the molding opening ;
a cooling process in which the outflowing quartz glass molded member is cooled in a cooling unit;
A method for producing a quartz glass molded body, comprising: a step of cutting a cooled quartz glass molding member at a cutting portion to obtain a molded body (provided that the molding portion used in the molding step causes molten glass to flow into the molding opening); (except when the displacement body projecting in the direction is arranged) .
予備成型部の溶融ガラスが流下する部分は円筒形であり、成型部の水平断面形状はリング状であり、
予備成型部の溶融ガラスの流下する円筒形部分の水平断面形状はリング状であり、
予備成型部のリング状水平断面の内径は、成型部のリング状水平断面の内径より小さく、
予備成型部のリング状水平断面の外径は、成型部のリング状水平断面の外径より大きい、請求項1~4のいずれか1項に記載の製造方法。 The quartz glass molded body is tubular,
The part of the preforming part where the molten glass flows down is cylindrical, and the horizontal cross-sectional shape of the forming part is ring-shaped,
The horizontal cross-sectional shape of the cylindrical portion of the preforming portion through which the molten glass flows is ring-shaped,
the inner diameter of the ring-shaped horizontal cross-section of the pre-molded portion is smaller than the inner diameter of the ring-shaped horizontal cross-section of the molded portion;
The manufacturing method according to any one of claims 1 to 4 , wherein the outer diameter of the ring-shaped horizontal cross section of the preformed part is larger than the outer diameter of the ring-shaped horizontal cross section of the molded part.
予備成型部の溶融ガラスが流下する部分は円筒形であり、成型部の溶融ガラスが流下する部分も円筒形であり、
予備成型部の溶融ガラスが流下する部分の水平断面の径は成型部の水平断面の径より大きい、請求項1~4のいずれか1項に記載の製造方法。 The quartz glass molded body is rod-shaped,
The part of the preforming part where the molten glass flows down is cylindrical, and the part of the molding part where the molten glass flows down is also cylindrical,
The manufacturing method according to any one of claims 1 to 4 , wherein the horizontal cross-sectional diameter of the portion of the preforming portion where the molten glass flows down is larger than the horizontal cross-sectional diameter of the forming portion.
縦方向に溶融ガラスを流下させるための空洞を有し、加熱機能を有する予備成型部と、
溶融ガラスを流下させ、成型するための成型口を有する成型部と、
成型した溶融ガラスを冷却するための冷却部を具備し、
溶融部内の側壁は耐火レンガ製であり、
溶融部内底部と予備成型部頂部とに溶融ガラスを流下させるための連結口を有し、
予備成型部底部と成型部頂部とに溶融ガラスを流下させるための連結口を有する、石英ガラス成型体の製造装置(但し、成型部が成型口内に溶融ガラスの流出方向に突出した変位体が配置されたものである場合を除く)。 a melting section having a supply port for the raw material powder of quartz glass and an oxyhydrogen flame burner in the upper part and depositing quartz glass melted by the oxyhydrogen flame;
a preforming section having a cavity for vertically flowing molten glass and having a heating function;
a molding unit having a molding opening for flowing molten glass and molding;
Equipped with a cooling unit for cooling the molded molten glass,
The side walls in the fusion zone are made of refractory bricks,
Having a connecting port for flowing molten glass to the inner bottom of the melting section and the top of the preforming section,
An apparatus for manufacturing a quartz glass molded body having a connecting port for flowing molten glass at the bottom of the preforming section and the top of the molding section (however, the molding section has a displacement body protruding in the molding port in the flow direction of the molten glass) (unless it has been modified) .
12. The manufacturing apparatus according to any one of claims 9 to 11 , wherein a heater is provided in said molding section to adjust the temperature of the quartz glass during the molding process to control the shape of the molding.
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