JPS5835938B2 - ジユンガラスノコウシユウハチヨウセイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はバッチ材料からのガラスの調製に関し、とく
に、オプチカルファイバー製造に要求される低光学損ガ
ラスおよびレーザー製造用のホスト（ｈｏｓｔ）ガラス
として要求されるガラスのような高純度ガラスの調製に
関するものである。

ガラスが電気炉あるいはフレーム（ｆｌａｍｅ）炉内で
加熱することによって通常の方法で調製されるときは、
３つの主な汚染源から汚染されやすい。

すなわち、炉の熱い耐火物ライニングからの汚染加熱エ
レメントあるいはフレームからの汚染、および溶融体を
収容するるつぼからの汚染。

汚染量に影響を及ぼす要因のうちの２つは温度と持続時
間である。

したがってバッチ材料を融合させるために必要な初期加
熱中に起こる汚染は、ガラスを清澄化しかつ均質化する
ために必要なより長い、より高い温度における加熱中に
起こる汚染より通常少ない。

純ガラスを調製するために高周波を使用しかつ汚染を低
減するためにガスでるつぼを冷却する既知システムの記
載は、１９７４年６月１３日に出願されかつ本出願と同
じ譲受人に譲渡された米国特許出願第４７９，００４号
に見い出される。

室温においてはほとんどのガラスかつまたそのバッチ成
分のａ、ｃ、導電率はひじように低いから、室温からの
高周波（ｒ、ｆ、）誘導加熱は実施不可能であり、した
がって別の加熱方法を使用して、チャージが印加電界と
容易に結合する温度までチャージを加熱する。

あるガラスの場合には、導電率は溶融状態においてさえ
もひじように低いから、ｒ、ｆ、誘電加熱を使用し、誘
電損を利用することが好ましい。

典型的にはＩＭＨｚから数千ＭＨ２までの範囲内にある
適正な周波数の選択は、調製される特定組成のガラスの
電気的性質に依存する。

したがって、ｒ、ｆ、電力を適用する方法は、ａ、Ｃ０
導電率と誘電損の絶対値およびこれらの温度による変化
率に依存し、これらのパラメ−ターは主として温度と周
波数に依存する。

かくして、たとえば、間型的なソーダライムガラスは約
１，０００℃において２−５ＭＨｚの電界と結合されう
ろことが知られている。

この場合には、結合は主として誘導性であり、このガラ
スの比較的高い導電率はナトリウムイオンの移動度に帰
せられる。

これに対し、シリカと酸化鉛のみからなるガラスは、溶
融状態においても低い導電率を有し、間型的には数千Ｍ
Ｈｚのはるかに高い周波数における誘電加熱を必要とす
る。

この目的に適したインダクターとキャパシタープレート
の組合せ（他の材料の加熱用に設計された）は文献に記
載されている。

ガラス調製の清澄化および均質化段階中溶融体の汚染は
比較的小さい。

その理由は、熱源が非汚染性であり、るつぼによる汚染
はそれを冷却することによって効果的に除去され、かつ
溶融体は清浄な環境内に収容されるからである。

ｒ、ｆ、電解を溶融体内に結合するために必要な予熱段
階においては非汚染性熱源を使用しなければならない。

予熱がバッチ材料のチャージの上方あるいは内部に置か
れた高周波電力を受けて発熱するサセプター（５ｕｓｃ
ｅｐｔｏｒ ）からの放射および熱伝導によって行われ
るときには、汚染を許容限界内に維持することが可能で
ある。

サセプターは導電性の物体（板状体、ブロック体等）で
構成され、高周波電界中に置かれると渦電流が流れて発
熱し、その熱をガラスに幅射或は伝導によって与えてガ
ラスを予熱する。

サセプターを構成する材料として代表的なものはグラフ
ァイトであるが、グラファイト単体を使用すると高温に
加熱された時に不純物でガラスを汚染するおそれがある
。

このようなグラファイトによる汚染はシリコン、シリカ
、シリコンカーバイド等の汚染を生じない物質で表面を
覆ってカプセル化することによって回避することができ
る。

シリコンはそれ自体サセプター材料として使用可能であ
り、この場合にはシリコンからの汚染は問題にならない
からカプセル化の必要はない。

このようなサセプターを使用し、それにｒ、ｆ。

電界を結合させて加熱し予熱を行えばガラスを汚染せず
に予熱することができる。

しかしながら、サセプターを使用してガラスを予熱する
場合には、予熱によりガラスが溶融した後は、速やかに
このサセプターを除去することが望ましい。

サセプターを除去することによってｒ、ｆ、電界をガラ
ス溶融体のみと結合させることができるため、サセプタ
ーに結合して無駄に消費される電力が節約され、消費電
力を減少させることができる。

したがって、ｒ、ｆ。

電界により加熱する場合には予熱装置を除去する時期を
適確に決定することが、加熱エネルギーの節約のため重
要である。

本発明はｒ、ｆ、電界を監視し、その電力分布の変化を
検出してガラスが溶融状態になったことを確認し、予熱
装置を除去することにより無駄に予熱装置め加熱を行わ
ず加熱エネルギーを節約するようにしたものである。

ガラスを汚染しない予熱手段としては他にもｒ、ｆ、励
起プラズマフレームや赤外線ランプの使用があるが、こ
れらを使用する場合には予熱の終了時期を確認すること
が困難であり、したがって熱効率の劣る予熱装置による
加熱が不必要に長くなる欠点がある。

この発明によればガラスが溶融して高周波電界で加熱で
きる状態になれば直ちにそれを検出して予熱装置を除去
できるから、加熱エネルギーの節減効果がすぐれている
。

もちろん上記のようなサセプター以外の予熱装置も本発
明のサセプターと並用して予熱に使用する場合には正確
に予熱終了時点を検出することができるから、サセプタ
ーの除去と同時に他の予熱装置の加熱を停止させればよ
い。

本発明により、水ジヤケツト付誘電性るつぼ内に置かれ
たバッチ材料からガラスを調製する改良方法が提供され
る。

ガラスを清澄化しかつ均質化するための加熱は溶融体の
高周波加熱によって与えられる。

この方法によりるつぼはより低い温度に維持される。

好適には、るつぼはシリカで作られる。

るつぼの水冷却は溶融体がるつぼをぬらすことを防止し
、汚染を避ける。

つぎにこの発明の実施態様を添付図面に関連して記載す
る。

２〜６ＭＨｚで作動し、適当な負荷に２５にＷのｒ、ｆ
、電力を送入する能力のあるｒ、ｆ。

誘導ヒーターの水冷ワークコイル１０はシリカチューブ
１１を取り囲んでいる。

チューブ１１内にはシリカるつぼ１２が配置され、その
口部はチューブの壁にシールされている。

このようにしてるつぼ用の水ジャケットが形成されてい
る。

冷却水はるつぼの下から上方に流れ、パイプ１３を通っ
て流出する。

チューブ１１はるつぼのベースのまわりの水流を改良す
るためにしぼり部１４を備えている。

ワークコイル１０もまた水冷され、４巻きの鋼管からな
り、コイルは約１０ｃＩｆｔの軸方向長さと約７ｃＩｒ
Ｌの内径を有する。

るつぼは高さが約８ｃＩＩＬであり、約５．５ ｃｍの
内径を有する。

下記の範囲の組成を有する多数のソーダーライム−シリ
カガラスが、３．５〜４ＭＨｚの周波数と毎時１８０１
Ｊットル以上の流量のるつぼ冷却水を使用してこの装置
内で調製される。

Ｎａ２Ｏ２０〜２５重量饅 Ｃａ０ ３〜６ 重量多 ８１０２ ７０〜７５重量俸 ソーダおよびライム含量を与えるために炭酸塩を使用し
て、各組成ごとに５００グラムの粉末バッチ材料のチャ
ージが調製された。

るつぼはチャージの一部分で約２ｃＩＩＬの深さまで充
填され、ついでシリカでカプセル化したグラファイトサ
セプター１５が、るつぼ内の材料の表面上方の位置まで
ワークコイル内に下げられた。

サセプターはバッチ材料を加熱し、それによって材料は
反応し、ガスを発生し、合体し始める。

この段階において溶融体の温度は約８００〜１０００℃
であり、抵抗率は約５０ ｈｍ （ｍ以下であり、ｒ
ｍ ｆ ａ電力は溶融体内に直接に結合し始める。

この電力分布の変化は負荷の変化を発生し、この変化は
ｒ、ｆ、電力供給源と監視することによって知られる。

つぎにサセプターはるつぼから除去され、ついでバッチ
材料のチャージの残部が溶融体に添加される。

これは一度に小量ずつ行なわれ、ガスの発生によってバ
ッチ材料がるつぼから噴出することのないようにする。

典型的には材料は約４０〜５０グラムの分量で添加され
る。

この追加材料の添加中ｒ、ｆ、条件を少し調整する必要
があるかもしれない。

全バッチ材料が溶融体に添加されたのち、るつぼの口部
の上にふた（図示せず）が置かれ、溶融体内の温度勾配
を低減して清澄化を助長する。

溶融体を清澄化しかつ均質化するために、溶融体ははじ
めに温度を約１，６００℃まで上げて２時間加熱し、つ
いで温度を約１，５００℃に下げてさらに約３時間加熱
する。

この時期中水の不断の流れがシリカるつぼをはるかに低
い温度に維持する。

得られたガラスの大部分は実質的にシード（ｓｅｅｄ）
がないが、るつぼの軸に沿った溶融体のボディ中に小量
のシードが存在しやすい。

シードをより少なくする別の清澄化および均質化方法は
溶融体を機械的にかくはんすることである。

はじめにガラスはふたをしないで約１，６００℃まで加
熱される。

この段階で空冷された冷いフィンガーシリカかくはん器
（図示せず）が溶融体の実質的な底部までるつぼ内に浸
漬され、半時間にわたってかくはんを行なう。

この時期が終るとかくはん器は除去され、ふたが定位置
に置かれ、溶融体は約１，６００℃にさらに半時間維持
され、ついで温度を約１，５００℃に下げてさらに２時
間加熱される。

かくはん器は溶融体から除去されるとき小量の溶融体を
同伴し、これは冷却するときにかくはん器を破砕しやす
い。

かくはん器が水冷される場合には、溶融ガラスは冷却に
さいしてかくはん器から分離して落下し、かくはん器に
損傷を与えない。

しかしながら、水冷シリカかくはん器の使用は、かくは
ん器が溶融体に入るときに破砕した場合に水が溶融体中
に放出されるから危険である。

この理由により好適な態形かくはん器は水冷銀かくはん
器である。

これは簡単なＵ字管の形態でよい。その表面に汚染物が
ある場合には、かくはん器が溶融体に入るときにガラス
の層によって捕捉され、ただちにかくはん器のまわりに
固着し、この汚染物はかくはん器が除去されるときに溶
融体から除去される。

約１．５１１３１の壁厚を有するるつぼの冷却はひじよ
うに大きいから、溶融体はるつぼをぬらさない。

溶融体が固化し、ブロックとしてるつぼから除去される
ときに、その表面はるつぼ壁と接触した区域に曇り外観
を有することが見い出されよう。

これは未反応バッチ材料の存在によって起こる。

前述のｒ、ｆ、励起プラズマフレームを併用する場合に
はチューブ１１にトップ（図示せず）を取り付けること
によってチャージ上方にサイクロン型ガス流が設定され
、トップはチューブに対して実質的に接線方向のパイプ
と、軸方向のパイプとを有する。

ガスは前者から入り、後者から出る。プラズマはアルゴ
ン中で発生され、ついでガス流は窒素に変換される。

また前述の赤外線ランプを併用する場合にはるつぼ内の
チャージの一部分に赤外線を集光させればよい。

ある組成のガラスの場合には、ｒ、ｆａ電力の結合を促
進するために、バッチ材料の成分を実質的に未混合のま
まにし、他の成分より低い温度でｒ、ｆ、電力に結合し
うる選択成分に集光放射線を集中するようにする。

この発明の以上の実施例の記載は実施例としてのみなさ
れたものであり、その範囲の制限とみなされるべきでな
いことを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

図面はシリカでカプセル化した予熱用グラファイトサセ
プターを使用するｒ、ｆ、融導加熱によってバッチ材料
からガラスを調製する装置を示す。 １０：ワークコイル、１１：シリカチューフ゛、１２ニ
ジリカるつぼ、１３：パイプ、１４：絞り部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガラスのバッチ材料をるつぼ内に置き、高周波電界
   を印加し、高周波電界により発熱するサセプターにより
   ガラスを加熱し、この高周波電界を監視してガラス溶融
   時における電力分布の変化を検出し、この変化の検出に
   基づいて前記サセプターを除去し、かつ前記高周波電界
   を印加してガラス溶融体をさらに加熱してガラスを清澄
   化かつ均質化し、るつぼを液体で冷却して溶融体より低
   い温度を与え、溶融体がるつぼをぬらすことを防止する
   ことからなるガラス調製方法。