(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流を複数の部分ガス流に分割するための装置であって、
均等化室と、
ガスを前記均等化室に流入させるため、該均等化室に設けられた第１複数のガス入口開口を備えるガス入口手段と、
前記均等化室から第２複数のガス流をそれぞれ流出させるため、該均等化室に設けられた第２複数のガス出口開口と、
該第２複数のガス流の各々を受ける第２複数のガス消費体と、
前記ガス出口開口の各々を各ガス消費体に接続すると共に、該ガス出口開口及び該ガス消費体の間において最小開放断面を有し且つ前記第２複数のガス流をほぼ等しくするよう調整し得る最大流れ抵抗手段を有するガス管路とを備え、
前記最大流れ抵抗手段の各々は、各ガス管路に取り替え可能に挿入され且つ長時間にわたる流れ抵抗の均一性を示すスリーブ状のガス出口ノズルの形状をしている
ガス流の分割装置。
【請求項２】
前記最大流れ抵抗手段の各々は金属製要素である請求項１に記載の分割装置。
【請求項３】
前記均等化室は円筒形の室であり、前記第１複数のガス入口開口は軸方向に一様な間隔で分散されている請求項１に記載の分割装置。
【請求項４】
前記第１複数は前記第２複数と同数である請求項１に記載の分割装置。
【請求項５】
前記ガス入口開口の各々は、少なくとも１つの前記ガス出口開口と関係すると共に、該関係したガス出口開口から、関係する各ガス入口開口及び出口開口毎に等しい距離だけ離間している請求項１に記載の分割装置。
【請求項６】
前記均等化室は加熱されるように設計されている請求項１に記載の分割装置。
【請求項７】
前記均等化室は円筒形であり、隣接する前記ガス入口開口は１０〜５０ｃｍ離れている請求項１に記載の分割装置。
【請求項８】
前記ガス入口手段は、前記ガス入口開口にそれぞれ供給される第１複数のガス流を個々に制御するための制御手段を更に備える請求項１に記載の分割装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス流を幾つかの部分ガス流に分割するために、該ガス流のためのガス入口と、部分ガス流のための幾つかの出口開口とを備えた均等化室を有する分割装置に関するものである。これらの出口開口の各々は、ガス管路によりガス消費体に接続されており、各部分ガス流の最大流れ抵抗は、該部分ガス流の流れ方向において見てガス出口の下方にある領域において与えられる。
【０００２】
【従来の技術】
以下の説明において“分流器”と呼ぶ上述のような装置は、米国特許第５，１１６，４００号明細書から既知である。同米国特許明細書に記載された分流器は、多重バーナーアセンブリにバーナーガスを供給するために用いられている。該多重バーナーアセンブリは、長手方向の軸心回りに回転される細長い支持体上にシリカスートを付着させるために用いられる。この目的のため、該バーナーは、支持体に沿って短い距離だけ前後に軸方向に案内され、この距離は個々のバーナー間の距離にほぼ等しい。
【０００３】
均質なスート体を造るためには、各バーナーが、他のバーナーと同じ速度で付着層を形成することが重要である。個々のバーナーが異なる形成速度を有すると、スート体の外側形状が不規則になる。個々のバーナーの形成速度に不均等が生ずるのは、ガス供給量の変動や、製造に関連して理想的なバーナー配列から変位することによる。多重バーナーアセンブリの全バーナーについて同一の形成速度を保証するために、上記米国特許明細書は、ガス供給系統に、ガス入口と、バーナーの数に対応する多数のガス出口とを備えた均等化タンクを設けることを提案している。ガス入口の開口は、種々のガス出口の横断面よりも大きな横断面を有する。従って、圧力降下が最大になる領域は、各バーナーが互いにできるだけ同じであるバーナー部分に位置していなければならない。そうすれば、この部分は同時に、ガス供給系統の最大流れ抵抗に対応する。
【０００４】
スート付着プロセスによる石英ガラスの製造の際に、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）のような腐食性媒質がしばしば必要とされる。金属製のバーナーはこれらの媒質により化学的攻撃を受け、或いは同バーナーは高温度により歪む。従って、バーナーは通常石英ガラスにより造られる。しかし、石英ガラス管の場合、正確に所望の内径にすることが困難であり、従って、正確に所望の最大流れ抵抗にすることが困難である。
【０００５】
しかし、全てのバーナーが同一の形状寸法を有すると仮定した場合でさえ、既知の装置は、スート付着プロセスのどの時点でも全てのバーナーが互いにほぼ等しい形成速度を有することを保証していない。即ち、均等化タンクの内部に圧力差が生じ、その結果、ガス出口のところに異なる圧力が到達することが分かった。これにより、形状寸法的に理想的なバーナーの場合、必然的に、形成速度が互いに異なることになる。
【０００６】
また、全てのバーナーの絶対形成速度については、ガス入口を介して供給されるガス量の変動の結果として、スート体形成の過程を通して、変えることが可能である。バーナーガスの送りを制御するための従来の方法は、ロタメーター又は質量流量制御器（ＭＦＣ）を使用する。質量流量制御の原理は、計測すべきガス流量を介する熱の伝導に基づいている。例えば四塩化珪素のような攻撃的な媒質による腐食の結果としてのＭＦＣの変化又はＭＦＣの領域における温度変化は、例えば、制御機能に長時間にわたるドリフトを生じさせうる。ＭＦＣにより供給されているガスの制御された流速における上述のようなドリフトは、全てのバーナーの付着速度に変化を生じさせると共に、スート体の顕微鏡組織に軸方向の不均質性を生じさせる。
【０００７】
従って、本発明は、容易にかつ低コストで製造しうると共に、ガス消費体へのガスの送りの一様性と再現性とを、可能な最も高い程度に保証する装置を提供する技術に基づいている。
【０００８】
【発明の概要】
本発明によると、ガス入口は、幾つか又は数個のガス入口開口を備え、各部分ガス流についての最大流れ抵抗は、ガス出口開口とガス消費体との間のガス管路において与えられる。
【０００９】
“ガス入口”（ガス入口手段）という用語は、均等化室へ導入すべきガス流の案内に必要な全ての構成要素を指しており、均等化室の壁体にあるガス入口開口を含む。ガス入口は数個のガス入口開口を備えているので、均等化室に入るガス流を数個の小さな部分ガス流に分けることが可能であり、この部分ガス流を互いに独立して制御することができる。その結果、部分ガス流の制御の一時的な変動又は不正確性が平均化される。少なくとも、個々の部分ガス流における不正確性又は長時間にわたる変動は、唯一つのガス流が存在する時の不正確性又は変動ほどには厳しくない。幾つかのガス入口開口を有するように均等化室を設計することによって、同均等化室内に生じる圧力勾配が多分最小になるような態様でガス入口開口を分布させることが可能になる。ガス入口開口とガス出口開口との間の距離が長くなればなるほど、圧力勾配は大きくなる。従って、大きな圧力勾配を避けたい時には、特に、細長い円筒形の均等化室の場合、中央の１つのガス入口を設けるのではなく、どちらかと言えば、数個のガス入口開口を部分ガス流のために設ける必要がある。
【００１０】
“均等化室”という用語は、ガス入口開口及びガス出口開口間の全相互連絡中空スペースを意味するために使用されており、該中空スペース内では、流入する部分ガス流の圧力、質量及び容積の差が均等化できる。
【００１１】
各部分ガス流毎に最大流れ抵抗がガス出口開口とガス消費体との間のガス管路において与えられるので、この最大流れ抵抗は、ガス消費体の外部のガス管路における任意の箇所に、特に、熱的及び化学的負荷が低い箇所に設定することができる。また、ガス消費体からの最大流れ抵抗の箇所の計画的分離により、ガス消費体から進行することがある汚染が排除される。従って、流れ抵抗は一定のままである。また、流れ抵抗体は製造が容易な材料から造ることができる。問題の流れ抵抗を石英ガラスの外部に生じさせる必要はなく、従って、該流れ抵抗は精確に調整でき、また、それはガス管路に容易に受け入れられる。
【００１２】
ガス管路は、問題の部分ガス流の圧力降下が最大になる箇所で最大流れ抵抗（以下、単に“流れ抵抗”と言うこともある）を与える。これは、原則的に、最小の開放断面を有する箇所である。ガス管路の一部又は全ガス管路は、例えば、流れ抵抗体を形成することができる。また、流れ抵抗をガス管路に挿入することもできる。“ガス管路”という用語は、ガス出口開口とガス消費体との間に流れる時にガスが通ることができる任意の接続体の意味で使用されている。どのガス管路も１つ又はそれ以上の構成要素を有しうる。数個のガス管路を一緒に接続することもでき、その場合、問題の部分ガス流についての最大流れ抵抗を、流れの方向において見て接続点の下方に、位置させられる点で有利である。
【００１３】
流れ抵抗体が取り替え可能にガス管路に挿入される、以下の説明では再び“分流器”と呼ぶ、装置の実施形態が特に有利であることが分かった。この目的のため、金属製構成要素の形態の流れ抵抗体が特に信頼性があることが分かった。該構成要素は、そこにドリルで貫通穿孔された単一の通路を例えば有する。貫通通路は非常に精度良く容易に形成することができる。従って、流れ抵抗体は非常に再現性があることが保証される。必要なら、貫通通路は容易に拡大することもできる。分流器は、同分流器の各流れ抵抗を具体的な要求に適応させることにより容易に最適化することができる。これは、例えば、多重バーナーアセンブリによりシリカスートを付着させるため同多重バーナーアセンブリが使用されたり、ある個々のバーナーの付着速度が隣接するバーナーの付着速度よりも速いことが有利であると分かった時に特に有利である。
【００１４】
分流器の好適な実施形態においては、均等化室は円筒体として設計されており、ガス入口開口は、均等化室の長手方向軸心に沿って軸方向に一様に分散配置される。均等化室の長さは、ガス消費体の配置分布に応じて選択されている。ガス消費体が１列に配列されている場合、均等化室の長さは、例えば、ガス消費体の列の長さとほぼ同じであることが有利である。ガス入口開口を一様に分布させることは、均等化室の内部における圧力の均等な分布に寄与する。
【００１５】
ガス入口開口の数がガス消費体の数及び／又はガス出口開口の数に等しい分流器が特に有効であることが分かった。このようにして、個々のガス消費体の各々に供給されるべきガス流、即ち均等化室のガス出口開口から出るべきガス流が、制御されかつ限定された態様でガス入口開口のところで利用しうるようになる。
【００１６】
特に、均等化室の内部において可能な最大の圧力均等化と可能な最小の圧力差とを達成する目標に関しては、各ガス入口開口が、少なくとも１つのガス出口開口と関係し、また、ガス入口開口とガス出口開口（又は同ガス入口開口と関係する複数のガス出口開口）との間の距離が、他の全てのガス入口開口とそれらが関係するガス出口開口との間の距離にほぼ等しい、ことが有利であることが分かった。
【００１７】
均等化室を加熱できる分流器が特に好ましいことが分かった。加熱機能により、均等化室内に存在するガスが凝縮できないような温度にすることが可能になる。また、均等化室へのガス搬送管路や均等化室からのガス搬送管路に加熱機能を与えることが好ましい。均等化室の内部又はガス搬送管路における凝縮は、ガス消費体に供給される速度に変化をもたらしうる。
【００１８】
円筒形の均等化タンクを備えた分流器の実施形態においては、ガス入口開口間の距離は１０〜５０ｃｍの範囲内にあることが好ましいことが分かった。距離が５０ｃｍ以上であると、顕著な圧力勾配が均等化室の内部に生ずる。１０ｃｍ以下に距離が減少すると、圧力勾配の防止に目立つほど寄与しなくなる。
【００１９】
数個の別々の制御可能なガス流を各ガス入口開口を介して均等化室に同時に供給できる分流器の実施形態が、特に、装置のコストを低減する観点から、有利であることが分かった。均等化室にガス混合物が供給される場合、均等化室へのガス入口の前に、即ち各ガス入口開口の前に混合領域を設けることが好ましい。
【００２０】
幾つかの異なるガス流をガス消費体に供給すべき時には、均等化室の数を該異なるガス流の数と同じにすることが特に有利であることが分かった。通常、１つの部分ガス流が各均等化室により各ガス消費体に供給される。この種の分流器の実施形態は、各部分ガス流自体が再現性があり、且つ一定に制御されうることを保証する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１による分流器（分割装置）１の実施形態において、高品位鋼からなる管状の均等化タンク（均等化室）２が設けられている。均等化タンク２は、分流器１のガス入口側３に、１５ｃｍ離間した孔を有し、その中に、管状接続具（ガス入口開口）４が装着されている。（均等化タンク２に臨む管状接続具４の下縁は関連の孔とほぼ面一である。）各管状接続具４は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の接続ホース５によって、四塩化珪素ガスのための質量流量制御器（制御手段）６と、酸素ガスのための質量流量制御器（制御手段）７とに接続されている。方向を指示する矢印８は、前述したガスの流れ方向を示している。ガス入口側３で各ガス管路と均等化タンク２の対応のガス入口開口とに関連した構成要素４，５，６，７は、それら全体でガス入口（ガス入口手段）１５と呼ぶ。均等化タンク２に導入されている全ガス流の各部分流量が各ガス入口１５を介して均等化タンク２に供給されるが、この部分流量は質量流量制御器６，７により決定される。
【００２２】
均等化タンク２は、分流器１のガス出口側９に、ガス入口側３にあるものと同数の孔を有する。雄ネジ部を備えた管状接続具（ガス出口開口）１０は該孔内に溶接される。（均等化タンク２に臨む管状接続具１０の上縁は関連の孔とほぼ面一である。）各管状接続具１０に装備されているスリーブ状のガス出口ノズル（最大流れ抵抗手段）１１は、ユニオンナット１２により同管状接続具１０に気密に接続されている。該ユニオンナット１２は管状接続具にある雄ネジ部に係合する。ガス出口ノズル１１は高品位鋼からなる。このガス出口ノズルの内径は、±５μｍの範囲内に精確に加工されている。各ガス出口ノズル１１は、全て同じ長さのＰＴＦＥ製ホース１３によって、石英ガラススートのためのスート付着バーナー１４に気密に接続されている。ガス出口側９の各ガス管路に関連した構成要素１０，１１，１２，１３は全体としてガス管路１６と呼ぶ。
【００２３】
スート付着バーナー（ガス消費体）１４は石英ガラスからなる。ＰＴＦＥ製ホース１３に接続されたこのバーナーの中心にあるノズルの内径は、ガス出口ノズル１１の内径よりも約３０％大きい。各スート付着バーナー１４は、水素又は酸素のような他のバーナーガスのための追加の接続具（図１には図示せず）を有する。
【００２４】
以下に、本発明による分流器１が動作する方法を図１に基づいて詳細に説明する。シリカスートの多孔体を形成するため、四塩化珪素を蒸発させて、質量流量制御器６，７を経由し、搬送ガスとしての酸素と共に、制御された態様で所定の流量で均等化タンク２に供給する。円筒形の均等化タンク２内で圧力差が生じるのを防止するために、ガスが数個のガス入口もしくは管路１５を介して供給され、分流器１のガス入口側３に沿って軸方向に均等に分散される。ガス入口１５を介して均等化タンク２に入るガス流は、ほぼ等しい。ガス流に存在する差は均等化タンク２内で均等化することができる。従って、均等化タンク２の内部では圧力差は非常に小さい。そのため、ガス出口側９に沿って等間隔で離間した全ての管状接続具１０には、ほぼ同一のガス圧力が存在する。管状接続具１０の内径はその中に挿入されたガス出口ノズル１１の内径よりも大きいので、全てのガス出口ノズル１１のところにも同一の圧力が存在する。いずれにしても、ガス出口ノズル１１の内径は、均等化タンク２を多数のスート付着バーナー１４に接続するガス管路１６の最も狭い箇所である。従って、ガス出口ノズルはガス管路１６における最大流れ抵抗を表しており、これは、最大の圧力降下が生じる場所である。ガス出口ノズル１１の内径は非常に精度良く加工されていて全て同一である。その結果、全てのガス管路１６において流れ抵抗は等しく、また、ガス出口ノズル１１を出た後の全てのガス管路１６におけるガス流もほぼ等しい。従って、非常に精確に調整可能な高品位鋼の流れ抵抗は、ガス流を高い再現性で調整することを可能とし、従って、最終的に製造されたスート体が高い寸法精度をもつことを保証する。
【００２５】
更に、ガス出口ノズル１１の形態の流れ抵抗体をスート付着バーナー１４から計画的に分離しているので、いかなる汚染もスート付着バーナー１４から流れ抵抗体に到達できず、また、汚染を生じさせる流れ抵抗体の変化も防止される。従って、本発明による分流器１は、長時間にわたる流れ抵抗の均一性にも特徴があり、これは、最終的に製造されるスート体が軸方向に均質であることを意味している。この効果は、当該技術分野のレベルによる分流器と比較して一段と明白である。その理由は、欠陥のある又はドリフトしている質量流量制御器６，７に起因するガス送りの変動が複数のガス入口１６のために均等化できるという事実にある。
【００２６】
図２〜図４において使用されている参照数字は、図１の実施形態に基づいて上に説明した参照数字を有するものと同一又は対応する分流器１の諸構成要素もしくは部品を表している。図２に示した分流器１において、ガス入口開口の数は図１による分流器における入口開口の数のほぼ半分である。図２による実施形態では、必要とされる質量流量制御器６，７の数が半分に過ぎないので、低コストになる。しかし、隣接するガス入口開口間の距離が３０ｃｍであるため、均等化タンク２に流入する全ガス量によっては、該均等化タンク２の内部に圧力差が生じうる欠点がある。
【００２７】
図２による実施形態とは対照的に、図３に示した分流器の構造は、各ガス入口１５毎に、即ち四塩化珪素ガスの各流れ毎に１つの質量流量制御器を有するだけである。質量流量制御器６についてのコスト節約に関しては、この実施形態は図２による分流器１と同様の効果を有するが、ガス入口１５間の長さが１５ｃｍに過ぎないという点で、上述した欠点を解消している。このため、各ガス入口１５毎に、流れ方向８に沿って見て質量流量制御器６の下方の領域に、分岐部１８が設けられている。数個のＰＴＦＥ製の接続ホース５、即ちこの例示的な実施形態においては３個のホースがこの分岐部から分岐し、対応する多数の管状接続具４を介して、均等化タンク２に達している。酸素及び水素のような他のバーナーガスをスート付着バーナー１４に供給するために、例えば四塩化珪素ガスの流れについて図３において説明したものと、質量流量制御器が問題の特定のバーナーに対して調整される点を除いて同一の装置が使用される。
【００２８】
図４に示した本発明による分流器１の実施形態においては、実質的に矩形の均等化タンク２が半球形の延長部１７を有し、そこに数個のガス管路１６が接続されている。半球形の形状であるため、延長部１７の内壁上に、従って、そこに設けられたガス出口ノズル１１のところに、均等な圧力を最適に分布させることが保証される。四塩化珪素の凝縮を防止するため、均等化タンク２の外壁には加熱コイル１９が設けられていて、これにより、均等化タンク２の内部スペースを少なくとも６０℃の温度に維持することができる。同じ理由により、ガス入口１５及びガス管路もしくは出口１６は加熱テープ２０により被覆されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】同数のガス入口開口及びガス出口開口を有する分流器の実施形態を示す概略図である。
【図２】ガス入口開口の数が図１による実施形態における開口の数の半分である分流器の別の実施形態を示す図である。
【図３】同数のガス入口開口及びガス出口開口を有する分流器の更に別の実施形態を示す概略図である。
【図４】分流器の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１…分流器（分割装置）、２…均等化タンク（均等化室）、４…管状接続具（ガス入口開口）、６，７…質量流量制御器（制御手段）、１０…管状接続具（ガス出口開口）、１１…ガス出口ノズル（最大流れ抵抗手段）、１４…スート付着バーナー（ガス消費体）、１５…ガス入口（ガス入口手段）、１６…ガス管路、１９…加熱コイル、２０…加熱テープ。
【図１】
0003576300.tif 000002
【図２】
0003576300.tif 000003
【図３】
0003576300.tif 000004
【図４】
0003576300.tif 000005