(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心に原料ガス噴出口、その周囲に同心円状に第１可燃性ガス噴出口、及び、第２可燃性ガス噴出口を有し、前記原料ガス噴出口、前記第１可燃性ガス噴出口及び前記第２可燃性ガス噴出口はその順に隣合っており、前記第２可燃性ガス噴出口内に複数の小口径支燃性ガス噴出口を同心円状に配置し、前記小口径支燃性ガス噴出口は、バーナ中心軸上の点を指向する焦点型構造であり、前記第１可燃性ガス噴出口から噴出する可燃性ガスの流速は、１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ以下、前記第２可燃性ガス噴出口から噴出する可燃性ガスの流速は１ｍ／ｓ以上８ｍ／ｓ以下であることを特徴とするガラス母材合成用バーナ。
【請求項２】
前記第２可燃性ガス噴出口の周囲に、同心円状にシールガス噴出口、または、支燃性ガス噴出口を有していることを特徴とする請求項１に記載のガラス母材合成用バーナ。
【請求項３】
前記小口径支燃性ガス噴出口が同心円状に複数列配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガラス母材合成用バーナ。
【請求項４】
原料ガスが可燃性ガスを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガラス母材合成用バーナ。
【請求項５】
中心ガス噴出口、その周囲に同心円状に第１ガス噴出口及び第２ガス噴出口を有し、それらのガス噴出口が中心からその順に隣合っており、前記第２ガス噴出口内に複数の小口径ガス噴出口が同心円状に配置され、かつ前記小口径ガス噴出口はバーナ中心軸上の点を指向する焦点型構造であるガラス母材合成用バーナを用いたガラス母材の製造方法であって、前記中心ガス噴出口から原料ガスを噴出し、前記第１ガス噴出口から可燃性ガスを１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ以下の流速で噴出し、前記第２ガス噴出口から可燃性ガスを１ｍ／ｓ以上８ｍ／ｓ以下の流速で噴出し、かつ前記小口径ガス噴出口から支燃性ガスを噴出することを特徴とするガラス母材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＯＶＤ法、ＶＡＤ法によりガラス母材を製造するために用いられるバーナの構造、及び、前記バーナを用いたガラス母材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ用ガラス母材を製造する手段として、ガラス合成速度が大きく、大型のガラス母材が得られる、ＯＶＤ法、ＶＡＤ法が広く採用されている。ここでの光ファイバ用ガラス母材とは、“光ファイバと相似な構造を持つガラス”に加え、その一部分を含めて呼ぶこととする。
【０００３】
周知の通り、ＯＶＤ法、ＶＡＤ法では、ガラス微粒子合成用のバーナを用い、これに原料ガス、可燃性ガス、支燃性ガス、シールガスを供給し、前記バーナを介した火炎加水分解反応によりスート状のガラス微粒子を生成し、そのガラス微粒子を所望の形状に堆積する。ＯＶＤ法、ＶＡＤ法におけるガラス微粒子の堆積原理は基本的に同じであるが、ＯＶＤ法では、水平状態で回転するターゲットの外周にガラス微粒子を堆積し、ＶＡＤ法では回転しながら引き上げられる棒状のターゲットの下端又は周囲にガラス微粒子を堆積する。堆積形成された多孔質ガラス母材は、熱処理により脱水ならびに透明ガラス化され、気泡のない透明なガラス母材となる。
【０００４】
これらの各方法で用いられる従来のバーナの構造として、特開昭６２−１８７１３５号公報に示すものが知られている。図３（Ａ）は、前記従来のバーナ構造の一例で、バーナ中心部に原料ガス噴出口１が設けられ、その外周には前記原料ガス噴出口を囲むようにして複数の互いに独立した小口径支燃性ガス噴出口４が配置され、これらの各小口径支燃性ガス噴出口の周囲には、可燃性ガス噴射口７が設けられ、この可燃性ガス噴出口の外側に、環状の支燃性ガス噴出口６を設けた構造である。図３（Ｂ）は、他の従来例のバーナ構造を示し、原料ガス噴出口１と可燃性ガス噴出口７との間には、シールガス噴出口３１を設けており、又、可燃性ガス噴出口７の外周に、第２シールガス噴出口５、及び、支燃性ガス噴出口６を設けた構造である。さらに、前記小口径支燃性ガス噴射口４を、バーナ中心線上の点を指向する焦点型構造とし、燃焼温度を上げる方法も開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の構造を持つガラス母材合成用バーナでは、原料ガス噴出口１の周囲に配置された複数の小口径支燃性ガス噴出口４を取り囲むように可燃性ガス噴出口７を設置しているので、前記可燃性ガスの噴出口の断面積は大きくならざるを得ない。そのため、可燃性ガスの噴出流速が低下し、燃焼反応がバーナの近くで起こり、スート堆積面の温度を上げることが困難であった。スート堆積面の温度を上げ、スートの堆積効率を高く保つためには、可燃性ガス流量を大幅に増量する必要があり、その結果、可燃性ガス使用量が増え、ガラス母材を低コストで製造することを妨げていた。
【０００６】
さらに、上述の図３（Ａ）の構造を持つガラス母材合成用バーナでは、原料ガス噴出口１の周囲に配置された複数の小口径支燃性ガス噴出口４を取り囲むように可燃性ガス噴出口７を設置しているので、可燃性ガスと支燃性ガスとの反応によって生じるＨ２Ｏガスと原料ガスとの加水分解反応が、バーナ先端付近でもおきる。そのため、原料ガス噴出口１の先端にガラス微粒子が付着堆積し、安定に製造を続けることが困難であった。その対策として、図３（Ｂ）に示すように、原料ガス噴出口１と可燃性ガス噴出口７との間にシールガス噴出口３１を設ける構造が、前記特開昭６２−１８７１３５号公報で開示されているが、シールガスによりＨ２Ｏガスと原料ガスとの反応が阻害され堆積効率が低下してしまうという問題が生じてしまう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるガラス母材合成用バーナは、中心に原料ガス噴出口、その周囲に同心円状に第１可燃性ガス噴出口、及び、第２可燃性ガス噴出口を有し、前記原料ガス噴出口、前記第１可燃性ガス噴出口及び前記第２可燃性ガス噴出口はその順に隣合っており、前記第２可燃性ガス噴出口内に複数の小口径支燃性ガス噴出口を同心円状に配置し、前記小口径支燃性ガス噴出口は、バーナ中心軸上の点を指向するように構成し、前記第１可燃性ガス噴出口から噴出する可燃性ガスの流速は、１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ以下、前記第２可燃性ガス噴出口から噴出する可燃性ガスの流速は１ｍ／ｓ以上８ｍ／ｓ以下であることすることを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、第１可燃性ガス噴出口の断面性は小さくでき、これより噴出する可燃性ガスの噴出流速は大きくできる。これにより、バーナ先端付近での原料ガスとＨ２Ｏガスとの混合が抑制され、バーナ先端での加水分解反応が生じないようにすることができる。したがって、原料ガス噴出口先端にガラス微粒子が付着堆積することを防ぐことができる。又、シールガス噴出口を設ける構造に比べて温度が上がりやすいので、可燃性ガス総流量を削減できるとともに、堆積効率を改善でき、得られる多孔質母材にクラックが入ることがない。
【０００９】
原料ガス噴出口へは、 ＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３等のガラス原料ガスを加熱、気化させて導入するか、不活性ガスからなるキャリヤガスを使い導入する。第１可燃性ガス噴出口へは、Ｈ２、ＣＨ４等の可燃性ガスを導入し、前記可燃性ガスが噴出する流速は、１〜１０ｍ／ｓが好ましく、３〜５ｍ／ｓが特に好ましい。第２可燃性ガス噴出口へは、Ｈ２、ＣＨ４等の可燃性ガスを導入し、前記可燃性ガスが噴出する流速は、１〜８ｍ／ｓが好ましく、２〜４ｍ／ｓが特に好ましい。小口径支燃性ガス噴出口が指向する焦点は、バーナ先端より１００〜２００ｍｍ離れた点に設定される。
【００１０】
本発明にかかるガラス母材合成用バーナとして、第２可燃性ガス噴出口の周囲に、同心円状にシールガス噴出口、支燃性ガス噴出口を有すことができる。これにより、火炎を収束させることができるので、火炎を整流化して堆積効率を向上させることができる。
本発明にかかるガラス母材合成用バーナとして、小口径支燃性ガス噴出口を同心円状に複数列配置することができ、各列の小口径支燃性ガス噴出口が指向する点はすべて同一であってもよく、列毎に異なるものであってもよい。これにより、火炎の燃焼効率を向上させ、多孔質母材を効率的に加熱でき、その結果、堆積したガラス微粒子を強固に付着させることができるので、スス割れの発生頻度を低減できる。
さらに、本発明にかかるガラス母材合成用バーナとして、原料ガスに可燃性ガス（例えば水素ガス）を加えることで堆積効率を向上させることができる。
【００１１】
本発明にかかるガラス母材の製造方法は、中心ガス噴出口、その周囲に同心円状に第１ガス噴出口及び第２ガス噴出口を有し、それらのガス噴出口が中心からその順に隣り合っており、前記第２ガス噴出口内に複数の小口径ガス噴出口が同心円状に配置され、かつ前記小口径ガス噴出口はバーナ中心軸上の点を指向する焦点型構造であるガラス母材合成用バーナを用いたガラス母材の製造方法であって、前記中心ガス噴出口から原料ガスを噴出し、前記第１ガス噴出口から可燃性ガスを１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ以下の流速で噴出し、前記第２ガス噴出口から可燃性ガスを１ｍ／ｓ以上８ｍ／ｓ以下の流速で噴出し、かつ前記小口径ガス噴出口から支燃性ガスを噴出することを特徴とする。なお、多孔質ガラス母材を経由して透明ガラスを得るＯＶＤ法、ＶＡＤ法以外に、ガラス微粒子堆積と同時に緻密なガラスを得る、直接ガラス化法に応用することも可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明にかかるガラス母材合成用バーナは、図１（Ａ）に示すように、中心に原料ガス噴出口１、その周囲に同心円状に第１可燃性ガス噴出口２、第２可燃性ガス噴出口３を有し、前記第２可燃性ガス噴出口内に複数の小口径支燃性ガス噴出口４を同心円状に配置し、前記小口径支燃性ガス噴出口は、バーナ中心軸上の点を指向するように構成することを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、第１可燃性ガス噴出口２の断面積は小さくでき、これより噴出する可燃性ガスの噴出流速は大きくできる。これにより、バーナ先端付近での原料ガスとＨ２Ｏガスとの混合が抑制され、バーナ先端での加水分解反応が生じないようにすることができる。したがって、原料ガス噴出口１の先端にガラス微粒子が付着堆積することを防ぐことができる。又、図３（Ｂ）に示すような、シールガス噴出口３１を設ける構造に比べて温度が上がりやすいので、可燃性ガス総流量を削減できるとともに、堆積効率を改善でき、得られる多孔質母材にクラックが入ることがない。
【００１４】
原料ガス噴出口１へは、 ＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３等のガラス原料ガスを加熱、気化させて導入するか、不活性ガスからなるキャリヤガスを使い導入する。第１可燃性ガス噴出口２へは、Ｈ２、ＣＨ４等の可燃性ガスを導入し、前記可燃性ガスが噴出する流速は、１〜１０ｍ／ｓが好ましく、３〜５ｍ／ｓが特に好ましい。第２可燃性ガス噴出口３へは、Ｈ２、ＣＨ４等の可燃性ガスを導入し、前記可燃性ガスが噴出する流速は、１〜８ｍ／ｓが好ましく、２〜４ｍ／ｓが特に好ましい。小口径支燃性ガス噴出口４が指向する焦点は、バーナ先端より１００〜２００ｍｍ離れた点に設定される。
【００１５】
本発明にかかるガラス母材合成用バーナとして、図１（Ｂ）に示すように、第２可燃性ガス噴出口３の周囲に、同心円状にシールガス噴出口５、支燃性ガス噴出口６を有すことができる。これにより、火炎を収束させることができるので、火炎を整流化して堆積効率を向上させることができる。
本発明にかかるガラス母材合成用バーナとして、図１（Ｃ）に示すように、小口径支燃性ガス噴出口４を同心円状に複数列配置することができ、各列の小口径支燃性ガス噴出口４が指向する点はすべて同一であってもよく、列毎に異なるものであってもよい。これにより、火炎の燃焼効率を向上させ、多孔質母材を効率的に加熱できる。その結果、堆積したガラス微粒子を強固に付着させることができるので、スス割れの発生頻度を低減できる。
さらに、本発明にかかるガラス母材合成用バーナとして、原料ガスに可燃性ガス（例えば水素ガス）を加えることで堆積効率を向上させることができる。
【００１６】
本発明にかかるガラス母材の製造方法は、前記のガラス母材合成用バーナを用いて気相合成することで多孔質ガラス母材を得、その後前記多孔質ガラス母材を熱処理により脱水ならびに透明化する。なお、多孔質ガラス母材を経由して透明ガラス母材を得るＯＶＤ法、ＶＡＤ法以外に、ガラス微粒子堆積と同時に緻密なガラスを得る、直接ガラス化法に応用することも可能である。
【００１７】
（実施例１）
図１（Ａ）に示すように、中心に原料ガス噴出口１、その周囲に同心円上に環状の第１可燃性ガス噴出口２、及び、第２可燃性ガス噴出口３を設け、第２可燃性ガス噴出口３内に複数の小口径支燃性ガス噴出口４を同心円状に配置し、前記小口径支燃性ガス噴出口４はバーナ先端より１５０ｍｍ離れたバーナ中心軸上の１点を指向しているバーナを使用し、図４に示されるＯＶＤ法でガラス母材を製造した。ガラス母材の出発材４１として、コアとその外周のクラッドとからなるガラスロッドを使用し、前記出発材の長さは８００ｍｍ、外径は２０ｍｍ、バーナ４３と出発材４１との間隔は１５０ｍｍである。各噴出口から流すガスの種類、流速は、表１に示したとおりで、Ｈ２の全流量は、１８０リットル／分である。
【００１８】
【表１】
0003653902.tif 000002
【００１９】
この時、投入ガラス原料の７０％を出発材４１上に堆積させることができた。多孔質ガラス母材４２にクラックが生じることはなく、原料ガス噴出口１の先端にガラス微粒子が付着堆積することはなかった。
【００２０】
（実施例２）
図１（Ｂ）に示すように、中心に原料ガス噴出口１、その周囲に同心円上に環状の第１可燃性ガス噴出口２、及び、第２可燃性ガス噴出口３を設け、第２可燃性ガス噴出口内に複数の小口径支燃性ガス噴出口４を同心円状に配置し、前記小口径支燃性ガス噴出口はバーナ先端より１５０ｍｍ離れたバーナ中心軸上の１点を指向しており、さらに、第２可燃性ガス噴出口３の周囲に同心円状に環状のシールガス噴出口５、及び、支燃性ガス噴出口６を設けたバーナを使用し、図４に示されるＯＶＤ法でガラス母材を製造した。出発材４１の大きさ、バーナと出発材との間隔は実施例１と同じである。各噴出口から流すガスの種類、流速は、表２に示したとおりで、Ｈ２の全流量は、１８０リットル／分である。
【００２１】
【表２】
0003653902.tif 000003
【００２２】
この時、投入ガラス原料の７５％を出発材４１上に堆積させることができた。多孔質ガラス母材４２にクラックが生じることはなく、原料ガス噴出口１の先端にガラス微粒子が付着堆積することはなかった。
【００２３】
（比較例１）
実施例１と同じバーナを使い第１可燃性ガス噴出口、第２噴出ガス噴出口から噴出するＨ２の流量のみ表３の条件Ａ〜Ｄのように変更して、多孔質母材を作成した。
【００２４】
【表３】
0003653902.tif 000004
【００２５】
条件Ａ：原料ガス噴出口先端に、ガラス微粒子が付着、堆積し、製造が継続できなかった。
条件Ｂ：投入ガラス原料の６０％しか堆積しなかった。
条件Ｃ：堆積面の加熱が不十分で、多孔質ガラス母材が軟らかく、製造中に母材が割れてしまった。
条件Ｄ：実施例１とほぼ同じ結果であり、Ｈ２を増やした効果は現れなかった。
【００２６】
（比較例２）
図３（Ａ）に示すように、中心に原料ガス噴出口１、その周囲に同心円状に可燃性ガス噴出口７を設け、可燃性ガス噴出口内に複数の小口径支燃性ガス噴出口４を同心円上に配置し、前記小口径支燃性ガス噴出口はバーナ先端より１５０ｍｍ離れたバーナ中心軸上の１点を指向しており、さらに、可燃性ガス噴出口の周囲に同心円状に支燃性ガス噴出口６を有しているバーナを使用し、図４に示されるＯＶＤ法でガラス母材を製造した。各噴出口から流すガスの種類、流速は、実施例２から第１可燃性ガス、及び、シールガスを除いたものとした。多孔質母材合成開始２時間後には、原料ガス噴出口先端にガラス微粒子が付着、堆積し、多孔質母材の合成が不可能になった。
【００２７】
（比較例３）
図３（Ｂ）に示すように、中心に原料ガス噴出口１、その周囲に同心円上に第１シールガス噴出口３１、可燃性ガス噴出口７を設け、可燃性ガス噴出口内に複数の小口径支燃性ガス噴出口４を同心円状に配置し、前記小口径支燃性ガス噴出口はバーナ先端より１５０ｍｍ離れたバーナ中心軸上の１点を指向しており、さらに、可燃性ガス噴出口の周囲に同心円状にシールガス噴出口５、支燃性ガス噴出口６を有しているバーナを使用し、図４に示されるＯＶＤ法でガラス母材を製造した。各噴出口から流すガスの種類、流速は、表４のとおりとした。
【００２８】
【表４】
0003653902.tif 000005
【００２９】
Ｈ２の全流量を２００リットル／分としたが、投入ガラス原料の６５％しか堆積しなかった。
【００３０】
（実施例３）
実施例２に示したバーナを使い、原料ガス噴出口にＨ2を混合して流し、多孔質母材を製造した。各噴出口から流すガスの種類、流速は、表５の通りである。
【００３１】
【表５】
0003653902.tif 000006
【００３２】
Ｈ２ガスの全流量を１０％削減したのにもかかわらず、投入原料の８０％が出発材４１上に堆積した。
【００３３】
（実施例４）
図１（Ｃ）に示すように、中心に原料ガス噴出口１、その周囲に同心円上に第１可燃性ガス噴出口２、第２可燃性ガス噴出口３を設け、第２可燃性ガス噴出口内に複数の小口径支燃性ガス噴出口４を同心円状に２列に配置し、図２に示すように、内側の小口径支燃性ガス噴出口２１はバーナ先端より１５０ｍｍ離れたバーナ中心軸上の１点を指向しており、外側の小口径支燃性ガス噴出口２２はバーナ先端より１８０ｍｍ離れたバーナ中心軸上の１点を指向しており、さらに、第２可燃性ガス噴出口３の周囲に同心円状にシールガス噴出口５、支燃性ガス噴出口６を有しているバーナを使用し、図４に示されるＯＶＤ法でガラス母材を製造した。各噴出口から流すガスの種類、流速は、表６の通りである。
【００３４】
【表６】
0003653902.tif 000007
【００３５】
小口径支燃性ガス噴出口を２列に増加させたところ、投入原料の８５％が出発材上に堆積するようになった。さらに、堆積面の加熱が十分に行われ、多孔質ガラス母材が一層強固になり、多孔質ガラス母材が割れる頻度が非常に低くなった。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本願の構成によれば、原料ガス噴出口の先端にガラス微粒子が付着堆積することを防ぐことができる。又、可燃性ガス総流量を削減できるとともに、堆積効率を改善でき、得られる多孔質母材にクラックが入ることがない。
さらに、具体構造によれば、火炎を整流化して堆積効率を向上させることができる。又、具体構造によれば、多孔質母材を効率的に加熱でき、スス割れの発生頻度を低減できる。さらに、具体構造によれば、堆積効率をさらに向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるガラス母材合成用バーナを示す模式図である。
【図２】本発明にかかるガラス母材合成用バーナの断面を示す模式図である。
【図３】従来のガラス母材合成用バーナを示す模式図である。
【図４】ＯＶＤ法におけるガラス母材製造を示す模式図である。
【符号の説明】
１：原料ガス噴出口
２：第１可燃性ガス噴出口
３：第２可燃性ガス噴出口
４：小口径支燃性ガス噴出口
５：シールガス噴出口
６：支燃性ガス噴出口
４１：出発材
４２：多孔質ガラス母材
４３：ガラス母材合成用バーナ
【図１】
0003653902.tif 000008
【図２】
0003653902.tif 000009
【図３】
0003653902.tif 000010
【図４】
0003653902.tif 000011