(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給源から供給された原料化合物を気化させる気化器と、気化した原料化合物を燃焼させてＳｉＯ２を生成するバーナとを備えた供給系を用い、
前記原料化合物は、有機ケイ素化合物を含み、
前記供給系において前記原料化合物の流れ方向の位置が異なる複数の添加箇所において前記原料化合物に酸素含有ガスを添加して混合原料とし、
前記複数の添加箇所は、前記気化器またはその上流側に位置する上流添加箇所と、前記気化器の下流側に位置する下流添加箇所とを含み、
前記上流添加箇所においては、前記気化器の出口での前記混合原料の酸素濃度または原料化合物濃度が前記混合原料の燃焼可能範囲外となるように前記酸素含有ガスを添加することを特徴とするガラスインゴットの製造方法。
【請求項２】
前記上流添加箇所において添加される前記酸素含有ガスの流量は少なくとも３ｓｌｍであり、かつ前記混合原料は、前記気化器の出口での酸素ｍｏｌ濃度が９％以下または原料化合物ｍｏｌ濃度が２４％以上であることを特徴とする請求項１に記載のガラスインゴットの製造方法。
【請求項３】
前記下流添加箇所においては、前記バーナの出口での標準状態換算の前記混合原料の流速と酸素ｍｏｌ濃度との比（流速／酸素濃度）が３．０ｍ／ｓ・％以下となるように前記酸素含有ガスを添加することを特徴とする請求項１または２に記載のガラスインゴットの製造方法。
【請求項４】
前記バーナの出口における前記混合原料の酸素濃度は、前記原料化合物が完全燃焼するために必要な酸素濃度より低いことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載のガラスインゴットの製造方法。
【請求項５】
前記ガラスインゴットは、光ファイバ母材であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載のガラスインゴットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガラスインゴットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ用母材などのガラスインゴットを製造する方法としては、例えば、ＳｉＯ２微粒子を堆積させることでスート堆積体を作製し、これを加熱してガラスインゴットを得る方法がある（例えば、特許文献１を参照）。
前記ガラスインゴットの製造には、原料ガスを燃焼させてＳｉＯ２を生成するバーナを有する供給系を備えた製造装置を用いることができる。ＳｉＯ２微粒子を堆積させる工程（堆積工程）においては、ケイ素を含む原料ガスをバーナに供給し、バーナの出口に生じる火炎中で生成したＳｉＯ２微粒子をターゲットに堆積させる。
【０００３】
堆積工程においては、原料ガスの流量を大きくすると、不完全燃焼によってスートの炭素スス含有量が多くなりやすいため、生産速度を高めるのは容易ではない。炭素を含まないスートを得るには、助燃性ガスとしての酸素（Ｏ２）を原料ガスに添加することが有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１５８００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記製造方法では、原料ガスに酸素（Ｏ２）が添加されるため、供給系の通常稼働時および原料ガス流の停止時に、供給系に逆火が起きないようにする必要がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、生産速度を高めることができ、かつ供給系に逆火が起きないガラスインゴットの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、供給源から供給された原料化合物を気化させる気化器と、気化した原料化合物を燃焼させてＳｉＯ２を生成するバーナとを備えた供給系を用い、前記原料化合物は、有機ケイ素化合物を含み、前記供給系において前記原料化合物の流れ方向の位置が異なる複数の添加箇所において前記原料化合物に酸素含有ガスを添加して混合原料とし、前記複数の添加箇所は、前記気化器またはその上流側に位置する上流添加箇所と、前記気化器の下流側に位置する下流添加箇所とを含み、前記上流添加箇所においては、前記気化器の出口での前記混合原料の酸素濃度または原料化合物濃度が前記混合原料の燃焼可能範囲外となるように前記酸素含有ガスを添加するガラスインゴットの製造方法を提供する。
前記上流添加箇所において添加される前記酸素含有ガスの流量は少なくとも３ｓｌｍであり、かつ前記混合原料は、前記気化器の出口での酸素ｍｏｌ濃度が９％以下または原料化合物ｍｏｌ濃度が２４％以上であることが好ましい。
前記下流添加箇所においては、前記バーナの出口での標準状態換算の前記混合原料の流速と酸素ｍｏｌ濃度との比（流速／酸素濃度）が３．０ｍ／ｓ・％以下となるように前記酸素含有ガスを添加することが好ましい。
前記バーナの出口における前記混合原料の酸素濃度は、前記原料化合物が完全燃焼するために必要な酸素濃度より低いことが好ましい。
前記ガラスインゴットは、例えば光ファイバ母材である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、上流添加流路および下流添加流路によって酸素（Ｏ２）が原料化合物に添加されるため、酸素を含む混合原料はバーナから放出される時点で十分に混合されて均一化されており、原料化合物の酸化・燃焼反応は遅滞なく進行する。そのため、混合原料の流速を高めても不完全燃焼が生じにくい。したがって、酸素を添加しない製造方法に比べて、混合原料の流速を高くし、生産速度を高めることができる。
【０００９】
本発明の一態様によれば、上流添加流路によって酸素含有ガスを添加するにあたり、気化器の出口における混合原料の酸素濃度または原料濃度が燃焼可能範囲外となるようにする。そのため、何らかの原因で混合原料の流れが停止し、逆火（例えば流路内での燃焼）が生じたとしても、逆火が気化器またはそれより上流側に及ぶことはない。また、供給系の通常稼働時においても同様に、逆火が気化器またはそれより上流側に及ぶことはない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（Ａ）実施形態のガラスインゴットの製造方法に使用可能な製造装置の供給系を模式的に示す図である。（Ｂ）（Ａ）の製造装置のバーナの構造を模式的に示す図である。
【図２】混合ガスの一次酸素濃度および一次原料濃度の例を示す図である。
【図３】混合ガスの二次酸素濃度および二次原料濃度の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
［ガラス母材（ガラスインゴット）の製造装置］
図１（Ａ）は、実施形態のガラス母材（ガラスインゴット）の製造方法に使用可能な製造装置１０の供給系１を模式的に示す図である。図１（Ｂ）は製造装置１０のバーナ７の構造を模式的に示す図である。
図１（Ａ）に示すように、供給系１は、液体容器２（供給源）と、主流路３と、脱気部４と、マスフローコントローラ５と、気化器６と、バーナ７と、上流添加流路８と、下流添加流路９と、燃料ガス流路１１とを備えている。液体容器２と、主流路３と、脱気部４と、マスフローコントローラ５と、気化器６と、バーナ７とは、原料化合物１３の流れ方向の上流側から下流側にかけて、この順に並んでいる。
【００１３】
液体容器２は、液体の原料化合物１３を貯留可能である。液体容器２は密閉構造であり、ガス供給部１４を通して加圧用ガス１５を導入することにより内部空間２ａを加圧することができる。なお、以下、原料化合物を単に原料ということがある。
【００１４】
主流路３は、液体容器２内の原料化合物１３を、脱気部４、マスフローコントローラ５、気化器６を経てバーナ７に導くことができる。
主流路３は、液体容器２内の原料化合物１３を脱気部４に導く第１流路３ａと、脱気部４を経た原料化合物１３をマスフローコントローラ５に導く第２流路３ｂと、マスフローコントローラ５を経た原料化合物１３を気化器６に導く第３流路３ｃと、気化器６を経た原料化合物１３をバーナ７に導く第４流路３ｄと、を有する。
【００１５】
脱気部４は、減圧等により原料化合物１３から溶存ガスを脱気することができる。
マスフローコントローラ５は、原料化合物１３の流量を制御することができる。
気化器６は、加熱等により、液体の原料化合物１３を気化させることができる。気化器６の一方の端部である導入端１９ａには第３流路３ｃが接続されている。気化器６の他方の端部である導出端１９ｂには第４流路３ｄが接続されている。
【００１６】
バーナ７は、ノズル１６を有する。図１（Ｂ）に示すように、ノズル１６は、主流路３から供給された混合ガスが流れる原料流路１６ａと、燃料ガス流路１１から供給された燃料ガスが流れる複数の燃料流路１６ｂと、を有する。原料流路１６ａと燃料流路１６ｂとは互いに独立に形成されている。燃料流路１６ｂは、例えば原料流路１６ａの外周側に位置する。
【００１７】
上流添加流路８は、気化器６に接続されており、酸素含有ガスを気化器６内の原料化合物１３に添加することができる。上流添加流路８が接続された箇所を上流添加箇所２１という。酸素含有ガスは、酸素（Ｏ２）を含有するガスである。上流添加流路８は、気化器６の上流側部分６ａに接続されるのが好ましい。上流側部分６ａは、原料化合物１３の流れ方向の中央より上流側の部分をいう。気化器６の、原料化合物１３の流れ方向の下流側の部分を下流側部分６ｂという。
【００１８】
なお、図１（Ａ）に示す製造装置１０では、上流添加流路８は気化器６に接続されているが、上流添加流路８の接続箇所は、気化器６、または気化器６より上流側に位置する箇所であればよい。例えば、上流添加流路８の接続箇所は気化器６の下流側部分６ｂでもよいし、第２流路３ｂ、第３流路３ｃ等であってもよい。
また、上流添加流路の数は１に限らず、複数であってもよい。例えば、第１の上流添加流路が第３流路３ｃに接続され、第２の上流添加流路が気化器６に接続されていてもよい。
【００１９】
下流添加流路９は、第４流路３ｄに接続されており、酸素含有ガスを第４流路３ｄ内の混合ガスに添加することができる。下流添加流路９が第４流路３ｄに接続された箇所を下流添加箇所２２という。
【００２０】
なお、図１（Ａ）に示す製造装置１０では、下流添加流路９は第４流路３ｄに接続されているが、下流添加流路９の接続箇所は、気化器６より下流側に位置する箇所であればよい。例えば、下流添加流路９の接続箇所は、バーナ７であってもよい。
また、下流添加流路の数は１に限らず、複数であってもよい。例えば、第１の下流添加流路が第４流路３ｄに接続され、第２の下流添加流路がバーナ７に接続されていてもよい。
【００２１】
［ガラス母材（ガラスインゴット）の製造方法］
次に、図１（Ａ）に示す製造装置１０を用いた場合を例として、実施形態のガラス母材（ガラスインゴット）の製造方法を説明する。
液体容器２に貯留される原料化合物１３としては、アルキルシラン、アルコキシシラン、アルキルシロキサン、アルキルシクロシロキサン等の有機ケイ素化合物が挙げられる。
アルキルシランとしては、テトラアルキルシランが挙げられる。
アルコキシシランとしては、例えば、テトラメトキシシラン等のテトラアルコキシシラン；メチルトリメトキシシラン等のアルキルアルコキシシランが挙げられる。
アルキルシロキサンとしては、ヘキサメチルジシロキサンが挙げられる。
アルキルシクロシロキサンとしては、ヘキサメチルシクロトリシロキサン、テトラメチルシクロトリシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、デカメチルシクロペンタシロキサンが挙げられる。
なかでも特に、ＯＭＣＴＳが好ましい。液体容器２に貯留される原料化合物１３は液体である。
【００２２】
ガス供給部１４を通して加圧用ガス１５（例えば窒素（Ｎ２））を液体容器２に導入することによって液体容器２の内部空間２ａを加圧する。これによって、原料化合物１３は、主流路３（第１流路３ａ）を通して液体容器２から導出され、脱気部４に導入される。脱気部４では、原料化合物１３から溶存ガスを脱気する。
脱気部４を経た原料化合物１３を、主流路３（第２流路３ｂ）を通してマスフローコントローラ５に導入する。原料化合物１３は、マスフローコントローラ５によって流量が制御された後、主流路３（第３流路３ｃ）を通して気化器６に導入される。原料化合物１３は気化器６において加熱等により気化される。以下、気化された原料化合物１３を原料ガスということがある。
【００２３】
気化器６においては、上流添加流路８を通して、酸素（Ｏ２）を含む酸素含有ガスが原料化合物１３に添加される。酸素含有ガスが添加されることにより、原料化合物１３は酸素（Ｏ２）を含む混合ガス（混合原料）となる。
上流添加流路８によって添加される酸素含有ガスの流量は少なくとも３ｓｌｍであることが好ましい。酸素含有ガスの流量が３ｓｌｍ以上であると、バーナ７の原料流路１６ａから放出される混合ガスの流速を高めることができるため、逆火を起こりにくくすることができる。逆火とは、バーナ７の火炎１７が供給系１の内部に入り込んで燃焼することであり、例えば流路内で燃焼することである。
【００２４】
酸素含有ガスは、酸素（Ｏ２）ガスであってもよいし、酸素（Ｏ２）と他のガスを含む混合ガスであってもよい。前記他のガスは、例えばＡｒ、窒素（Ｎ２）などの不活性ガスであり、このガスがキャリアガスの役割をすることによって原料ガスの流量を安定化させることができる。
【００２５】
上流添加流路８によって添加される酸素含有ガスの量は、気化器６の導出端１９ｂ（出口）において、混合ガスの酸素濃度または原料濃度が燃焼可能範囲外となるように定められる。本願発明者は、混合ガスの燃焼に関する検討を重ねた結果、混合ガスの酸素ｍｏｌ濃度が９％以下または原料ｍｏｌ濃度（原料化合物のｍｏｌ濃度）が２４％以上であると、混合ガスが燃焼可能範囲外となることを見出した。
混合ガスの酸素ｍｏｌ濃度が９％以下であると、酸素が不足となり、混合ガスは熱源に接触しても燃焼しない。混合ガスの原料ｍｏｌ濃度が２４％以上であると、原料濃度が燃焼可能な範囲を越えるため、混合ガスは熱源に接触しても燃焼しない。よって、混合ガスの酸素ｍｏｌ濃度が９％以下または原料ｍｏｌ濃度が２４％以上であると、逆火を防ぐことができる。なお、ＯＭＣＴＳの燃焼可能なｍｏｌ濃度は０．５〜２４％である。
【００２６】
上流添加流路８によって添加される酸素含有ガスは、ガラス母材（ガラスインゴット）の生産速度を高めるためには、キャリアガス（例えばＡｒ、窒素（Ｎ２））の濃度は低いことが好ましい。そのため、酸素含有ガスの酸素（Ｏ２）濃度は、ある程度高いことが望ましい。酸素含有ガスの酸素（Ｏ２）濃度は、気化器６の導出端１９ｂ（出口）において、混合ガスの酸素ｍｏｌ濃度が例えば０．１％以上となるように定めることができる。これによって、原料ガスの流速を安定化し、かつ、混合ガスの原料濃度を相対的に高め、生産速度を向上させることができる。
混合ガスの原料ｍｏｌ濃度は、８５％未満が好ましい。
【００２７】
気化器６内の混合ガスの酸素濃度および原料濃度の例を、図２および表１に示す。混合ガスの酸素ｍｏｌ濃度を一次酸素濃度といい、原料ｍｏｌ濃度を一次原料濃度という。なお、気化器６内の混合ガスの酸素濃度および原料濃度は、気化器６の導出端１９ｂ（出口）における混合ガスの酸素濃度および原料濃度と同じである。
【００２８】
【表１】
0006650820.tif 000002
【００２９】
図２および表１より、例１では、一次酸素濃度が９％を越え、一次原料濃度が２４％未満であるため、混合ガスは燃焼可能範囲にある。例２は、一次原料濃度が２４％未満であるが、一次酸素濃度が９％以下であるから、混合ガスは燃焼しない。例３は、一次酸素濃度が９％以下であり、一次原料濃度が２４％以上であるから、混合ガスは燃焼しない。例４，５は、一次酸素濃度が９％を越えるが、一次原料濃度が２４％以上であるから、混合ガスは燃焼しない。
【００３０】
気化器６を経た混合ガスを、主流路３（第４流路３ｄ）を通してバーナ７の原料流路１６ａから放出させる（図１（Ｂ）参照）。
第４流路３ｄにおいては、下流添加流路９を通して酸素含有ガスが混合ガスに添加される。酸素含有ガスが添加されることにより、混合ガスの酸素濃度は高くなる。酸素含有ガスは、酸素（Ｏ２）ガスであってもよいし、酸素（Ｏ２）と前述のキャリアガスとを含むガスであってもよい。
【００３１】
バーナ７の出口７ａ（原料流路１６ａの流出口）における混合ガスの酸素濃度は、原料が完全燃焼するために必要な酸素濃度（酸素充足率が１００％となる濃度）より低いことが好ましい。混合ガスの酸素濃度は、例えば、原料が完全燃焼するために必要な酸素濃度の３０〜４０％に相当する濃度であることが好ましい。
混合ガスの酸素濃度を、原料が完全燃焼するために必要な酸素濃度より低くすることによって、逆火を起こりにくくすることができる。
【００３２】
バーナ７の出口７ａ（原料流路１６ａの流出口）における標準状態（０℃、１ａｔｍ）換算の混合ガスの流速（ｍ／ｓ）と酸素ｍｏｌ濃度（％）との比（流速／酸素濃度）は３．０ｍ／ｓ・％以下であることが好ましい。前記比（流速／酸素濃度）を３．０ｍ／ｓ・％以下とすることによって、逆火を起こりにくくすることができる。
なお、１ａｔｍ＝１．０１３２５×１０５Ｐａである。
【００３３】
バーナ７の出口７ａ（原料流路１６ａの流出口）における混合ガスの酸素濃度および原料濃度の例を図３および表１に示す。混合ガスの酸素濃度を二次酸素濃度といい、原料濃度を二次原料濃度という。
図３および表１より、例１〜４では、二次原料濃度は燃焼可能範囲にあるが、二次酸素濃度が低いため、混合ガスは燃焼しない。例５では、二次酸素濃度が高く、二次原料濃度も燃焼可能範囲にあるため、混合ガスは燃焼可能である。
【００３４】
図１（Ｂ）に示すように、原料流路１６ａの流出口から放出された混合ガスには、燃料流路１６ｂの流出口から放出された、酸素（Ｏ２）を含む燃料ガスが混合される。これによって、酸素充足率は１００％以上となる。なお、放出された混合ガスの酸素濃度は、大気中の酸素によって酸素充足率が１００％以上となってもよい。
【００３５】
図１（Ａ）に示すように、バーナ７は、原料流路１６ａから放出された混合ガスは、燃料流路１６ｂからの放出された燃料ガスとともに燃焼し、バーナ７の出口７ａに生じた火炎１７はスート堆積体１８に向けられる。これによって、火炎１７中で生成したＳｉＯ２微粒子をスート堆積体１８の表面に堆積させ、加熱工程を経てガラス母材（ガラスインゴット）を得る。
【００３６】
本実施形態の製造方法では、上流添加流路８および下流添加流路９によって酸素（Ｏ２）が原料化合物１３に添加されるため、酸素を含む混合ガスはバーナ７から放出される時点で十分に混合されて均一化されており、原料化合物の酸化・燃焼反応は遅滞なく進行する。そのため、混合ガスの流速を高めても不完全燃焼が生じにくい。したがって、酸素を添加しない製造方法に比べて混合ガスの流速を高くし、生産速度を高めることができる。
【００３７】
本実施形態の製造方法では、上流添加流路８によって酸素含有ガスを添加するにあたり、気化器６の導出端１９ｂ（出口）における混合ガスの酸素濃度または原料濃度が燃焼可能範囲外となるようにする。そのため、何らかの原因で混合ガスの流れが停止し、逆火（例えば流路内での燃焼）が生じたとしても、逆火が気化器６またはそれより上流側に及ぶことはない。また、供給系１の通常稼働時においても同様に、逆火が気化器６またはそれより上流側に及ぶことはない。
【００３８】
以上、好ましい実施形態を説明したが、これらは本発明の例示であり、追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。
本実施形態の製造方法によって製造されるガラスインゴットは、例えば光ファイバ母材、レンズ、光学ガラス、光学部品等に適用できる。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・供給系、２・・・液体容器（供給源）、６・・・気化器、７・・・バーナ、７ａ・・・バーナの出口、１９ｂ・・・導出端（気化器の出口）、２１・・・上流添加箇所、２２・・・下流添加箇所。
【図１】
0006650820.tif 000003
【図２】
0006650820.tif 000004
【図３】
0006650820.tif 000005