(57)【要約】【課題】ＯＶＤ法及びＶＡＤ法等による多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法であって、ガラス合成用バーナへの可燃性ガスの供給量をできるだけ少なくしながらも、良好な各種特性を有する多孔質ガラス微粒子堆積体を製造する方法及びその方法に用いるガラス合成用バーナを提供する。【解決手段】多重管が配置され、さらに前記多重管の外側であってかつ多重管を取り囲む１以上の略円周上に、１つの略円周上あたり、多重管構造を有する火炎噴射ノズルが２つ以上配置されたバーナを用い、多重管からガラス原料をバーナ火炎中に供給するとともに、火炎噴射ノズルに可燃性ガス及び助燃性ガスを供給し、ガラス微粒子を含む火炎を出発材に向けて噴射することにより、出発材上にガラス微粒子を堆積させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重管が配置され、さらに前記多重管の外側であってかつ前記多重管を取り囲む１以上の略円周上に、１つの前記略円周上あたり、多重管構造を有する火炎噴射ノズルが２つ以上配置されたバーナを用い、前記多重管からガラス原料をバーナ火炎中に供給するとともに、前記火炎噴射ノズルに可燃性ガス及び助燃性ガスを供給し、ガラス微粒子を含む火炎を出発材に向けて噴射することにより、前記出発材上に前記ガラス微粒子を堆積させることを特徴とする多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法。
【請求項２】
前記ガラス原料として化学反応によってガラス微粒子を生成可能なガラス原料を用いるとともに、前記ガラス原料、前記ガラス原料が供給されるポートに供給されるガラス原料以外のガス、及び前記ガラス原料が供給されるポートに隣接したポートに供給されるガスからなる群から選ばれる２種以上がバーナ火炎中で反応することによりガラス化反応が生じないように組み合わせて選択された前記ガラス原料及び前記各ガスを、前記ガラス原料が供給されるポート及び前記ポートに隣接するポートに供給することを特徴とする請求項１に記載の多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法。
【請求項３】
２本以上の前記バーナを用い、前記バーナと出発材とを相対的に往復移動させるとともに、前記出発材上に前記ガラス微粒子を堆積させることを特徴とする請求項１又は２に記載の多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法。
【請求項４】
前記火炎噴射ノズルよりも前記バーナ中央近くに配置された多重管の外壁と前記火炎噴射ノズルよりも前記バーナ外側に配置された管の内壁とによって囲まれる範囲において、前記火炎噴射ノズルのみから可燃性ガスを噴射させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法。
【請求項５】
前記火炎噴射ノズルよりも前記バーナ中央近くに配置された多重管の外壁と前記火炎噴射ノズルよりも前記バーナ外側に配置された管の内壁とによって囲まれる範囲に仕切管を配置し、かつ前記火炎噴射ノズルよりも前記バーナ中央近くに配置された前記多重管の外壁と前記仕切管とによって囲まれる範囲に助燃性ガスを供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法。
【請求項６】
多重管が配置され、さらに前記多重管の外側であってかつ前記多重管を取り囲む１以上の略円周上に、１つの前記略円周上あたり、多重管構造を有する火炎噴射ノズルが２つ以上配置されていることを特徴とするガラス合成用バーナ。
【請求項７】
前記火炎噴射ノズルが中心ノズル及び中心ノズルの外側に配置された１以上の外側ノズルを有し、かつ前記外側ノズルの先端面よりも前記中心ノズルの先端面がバーナ先端方向に向かって前方に出ていることを特徴とする請求項６に記載のガラス合成用バーナ。
【請求項８】
前記略円周上に配置された火炎噴射ノズルごとに、前記火炎噴射ノズルの中心軸の延長線が、前記バーナに配置された多重管の中心軸の略延長線上において交点を有するように前記各火炎噴射ノズルの中心軸が傾けられており、かつ前記各火炎噴射ノズルが配置された前記円の直径が６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６又は７に記載のガラス合成用バーナ。
【請求項９】
前記火炎噴射ノズルよりもバーナ中央近くに配置された多重管の外壁と前記火炎噴射ノズルよりもバーナ外側に配置された管の内壁とによって囲まれる範囲において、前記火炎噴射ノズルのみから可燃性ガスを噴射させることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のガラス合成用バーナ。
【請求項１０】
前記火炎噴射ノズルよりもバーナ中央近くに配置された多重管の外壁と前記火炎噴射ノズルよりもバーナ外側に配置された管の内壁とによって囲まれる範囲に仕切管を配置し、かつ前記火炎噴射ノズルよりもバーナ中央近くに配置された多重管の外壁と前記仕切管とによって囲まれる範囲に助燃性ガスを供給することを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載のガラス合成用バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多孔質ガラス微粒子堆積体を製造するために用いるガラス合成用バーナ、及びそのバーナを用いる多孔質ガラス堆積体の製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
出発材にガラス微粒子を堆積させて製造される多孔質ガラス微粒子堆積体は、例えば光ファイバ等を製造するための母材として用いることができる。多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法として、いわゆる外付け法（ＯＶＤ法）及び軸付け法（ＶＡＤ法）が知られている。これらはいずれもガラス合成用バーナを用いて合成されたガラス微粒子を出発材上に堆積させることによって多孔質ガラス微粒子堆積体を製造する方法である。ＯＶＤ法は一般に、軸まわりに回転させられた円柱または円筒状の出発材に対して、ガラス合成用バーナを相対的往復移動させながら、ガラス合成用バーナからガラス微粒子を含む火炎を出発材表面又は出発材表面にガラス微粒子が堆積されて形成されつつある多孔質ガラス微粒子堆積体の表面（以下、あわせて「ガラス微粒子堆積面」ともいう）に吹き付けることによって、ガラス微粒子を出発材上に堆積させる方法である。また、ＶＡＤ法は一般に、回転させられた出発材下側のガラス微粒子堆積面にガラス合成用バーナからガラス微粒子を含む火炎を吹き付けることにより、ガラス微粒子を出発材下方に堆積させるとともに、出発材を上方向へ移動させて出発材の下方向に多孔質ガラス微粒子堆積体を成長させる方法である。
【０００３】
多孔質ガラス微粒子堆積体を製造する場合に用いられるガラス合成用バーナには、一般にＳｉＣｌ４等のガラス原料ガス、Ｈ２等の可燃性ガス、Ｏ２等の助燃性ガス、さらに必要に応じてＡｒ等のシールガスが供給される。この可燃性ガス及び助燃性ガスの燃焼反応によって生じる水によってガラス原料ガスが加水分解され、または助燃性ガスによってガラス原料ガスが酸化されることなどによってガラス合成反応が起こり、ガラス合成用バーナの火炎中でガラス微粒子が合成される。
【０００４】
上記方法に用いられるガラス合成用バーナとしては、バーナ中央部にガラス原料ガスを供給するための流路が配置され、その流路を取り囲んで環状の可燃ガス噴射流路が配置され、さらにその可燃ガス噴射流路の中に小口径助燃ガス噴射流路が環状に配置され、さらにバーナの外周に環状の助燃ガス噴射流路が配置された構成を有するバーナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、ガラス原料ガスを供給するための流路がバーナ中央部に配置され、その流路を中心とする２以上の同心円周上ごとに複数の小口径助燃ガス噴射流路が配置され、さらにこの小口径助燃ガス噴射流路を取り囲む周囲に、可燃ガスを供給する流路が配置されるとともに、前記各同心円ごとにその上に配置された小口径助燃ガス噴射流路が焦点を結び、かつ外側の同心円上に配置された小口径助燃ガス噴射流路が結ぶ焦点ほどバーナ先端から遠くになるように調整されたバーナが知られている（例えば、特許文献２参照。）。また、バーナ中心に多重管構造を有するガス吹出孔を有し、さらにその周囲に小口径のガス吹出孔が配置されたガラス合成用バーナが知られている（例えば、特許文献３及び特許文献４参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６２−１８７１３５号公報
【特許文献２】
特開平５−３２３１３０号公報
【特許文献３】
特開平９−１００１３３号公報（図４）
【特許文献４】
特開平６−２４７７２２号公報（図５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の公知のガラス合成用バーナ（以下、単に「バーナ」ともいう）においては、通常、バーナの中心に配置されたガス噴出口（以下、「ノズル」ともいう）からガラスの原料となるガラス原料ガスがバーナ火炎中に供給されるとともに、中央のノズルの外側に配置された小口径ノズルから助燃性ガスがバーナ火炎中に供給される。上記公知のバーナにおいては、バーナ中央部から噴射される原料ガスの流れの中心軸に向かって、助燃性ガスが収束するようにバーナが設計されており、指向性をもって噴射される助燃性ガスがつくるガス流によって、バーナから噴射される火炎が安定化され、かつ火炎が広がりすぎることがない。それにより、バーナから噴射される火炎によってガラス微粒子堆積面が効率良く加熱され、ガラス微粒子堆積面へのガラス微粒子の堆積効率及び堆積されたガラス微粒子どうしの結合を強くすることができる。
【０００７】
しかしながら、上記公知の構造を有するバーナにおいては、助燃性ガスノズルが小口径であるために助燃性ガスのガス流は強い指向性を有するのに対し、可燃性ガスは、助燃性ガスノズルを取り囲む広い開口部から噴射されるために強い指向性を有していない。可燃性ガスのガス流の指向性が弱いことにより、可燃性ガスの燃焼によって発生する高い熱エネルギーを有するガス流の流れの指向性が強くないため、発生した熱エネルギーの多くがガラス微粒子堆積面を加熱することなく拡散している。可燃性ガスの燃焼によって発生した水分がガスの流れの中に引き込まれてガラス原料ガスのガラス生成反応に供されるが、その量は充分とはいえない。
【０００８】
また、上記のとおり、従来はバーナから噴射される可燃性ガス流の指向性が良くないため、ガラス微粒子堆積面を充分に加熱するためには、バーナへの単位時間あたりの可燃性ガス供給量（以下、単に「可燃性ガスの供給量」ともいう）を多くする必要があった。可燃性ガスの供給量を多くした場合、ガラス微粒子堆積体を製造するための反応容器内で発生する熱量の合計量が増加するために反応容器内の温度が高くなり、それにより反応容器自体の変形や、高温での加熱及び冷却によるヒートサイクルによって、反応容器に亀裂が生じる等の問題が生じる場合があった。また、可燃性ガスの供給量を多くすることによって、発生する熱量が増加するため、反応容器内において生じる上昇気流が強くなり、それによりバーナ火炎が乱されることによって、製造される多孔質ガラス微粒子堆積体の外径変動が大きくなるという問題が生じる場合があった。さらに、可燃性ガスの供給量を多くすることは、製造コストを上昇させることにもなる。
【０００９】
すなわち、本発明は、上記問題点を解決し、バーナに供給されるガラス原料の量に対してガラス微粒子堆積面に堆積されるガラス微粒子の量の割合を増加させることにより、出発材へのガラス微粒子の堆積効率を高めた多孔質ガラス微粒子堆積体の製造方法を提供しようとするものである。さらに本発明は、バーナへの可燃性ガスの供給量を従来よりも少なくしてもバーナ火炎によってガラス微粒子堆積面を充分に加熱することができ、それにより得られるガラス微粒子堆積体に割れ等が発生しにくく、しかもガラス微粒子堆積体の外径変動が小さいことを実現できる多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法を提供しようとするものである。さらに本発明は本発明の多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法に用いるためのバーナを提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法は、多重管が配置され、さらに前記多重管の外側であってかつ多重管を取り囲む１以上の略円周上に、１つの前記略円周上あたり、多重管構造を有する火炎噴射ノズルが２つ以上配置されたバーナを用い、前記多重管からガラス原料をバーナ火炎中に供給するとともに、前記火炎噴射ノズルに可燃性ガス及び助燃性ガスを供給し、ガラス微粒子を含む火炎を出発材に向けて噴射することにより、前記出発材上に前記ガラス微粒子を堆積させることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法は、上記製造法において、ガラス原料として化学反応によってガラス微粒子を生成可能なガラス原料を用いるとともに、ガラス原料、ガラス原料が供給されるポートに供給されるガラス原料以外のガス、及びガラス原料が供給されるポートに隣接したポートに供給されるガスからなる群から選ばれる２種以上がバーナ火炎中で反応することによりガラス化反応しないように組み合わせて選択されたガラス原料及び各ガスを、ガラス原料が供給されるポート及びそのポートに隣接するポートに供給することを特徴とするものである。
【００１２】
さらに本発明の多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法は、上記製造法において、２本以上のバーナを用い、バーナと出発材とを相対的に往復移動させるとともに、出発材上にガラス微粒子を堆積させることを特徴とするものである。
【００１３】
さらに本発明の多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法は、上記製造法において、火炎噴射ノズルよりもバーナ中央近くに配置された多重管の外壁と火炎噴射ノズルよりもバーナ外側に配置された管の内壁とによって囲まれる範囲において、火炎噴射ノズルのみから可燃性ガスを噴射させることを特徴とするものである。
【００１４】
さらに本発明の多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法は、上記製造法において、火炎噴射ノズルよりもバーナ中央近くに配置された多重管の外壁と火炎噴射ノズルよりもバーナ外側に配置された管の内壁とによって囲まれる範囲に仕切管を配置し、かつ火炎噴射ノズルよりもバーナ中央近くに配置された多重管の外壁と仕切管とによって囲まれる範囲に助燃性ガスを供給することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明のガラス合成用バーナは、多重管が配置され、さらにこの多重管の外側であってかつこの多重管を取り囲む１以上の略円周上に、１つの略円周上あたり、多重管構造を有する火炎噴射ノズルが２つ以上配置されていることを特徴とするものである。
【００１６】
さらに本発明のガラス合成用バーナは、上記バーナにおいて、火炎噴射ノズルが、中心ノズル及び中心ノズルの外側に配置された１以上の外側ノズルを有し、かつ外側ノズルの先端面よりも中心ノズルの先端面がバーナ先端方向に向かって前方に出ていることを特徴とするものである。
【００１７】
さらに本発明のガラス合成用バーナは、上記バーナにおいて、略同心円周上に配置された火炎噴射ノズルごとに、火炎噴射ノズルの中心軸の延長線が、バーナに配置された多重管の中心軸の略延長線上において交点を有するように各火炎噴射ノズルの中心軸が傾けられており、かつ各火炎噴射ノズルが配置された同心円の直径が６ｍｍ以上であることを特徴とするものである。
【００１８】
さらに本発明のガラス合成用バーナは、上記バーナにおいて、火炎噴射ノズルよりもバーナ中央近くに配置された多重管の外壁と前記火炎噴射ノズルよりもバーナ外側に配置された管の内壁とによって囲まれる範囲において、火炎噴射ノズルのみから可燃性ガスを噴射させることを特徴とするものである。
【００１９】
さらに本発明のガラス合成用バーナは、上記バーナにおいて、火炎噴射ノズルよりもバーナ中央近くに配置された多重管の外壁と火炎噴射ノズルよりもバーナ外側に配置された管の内壁とによって囲まれる範囲に仕切管を配置し、かつ火炎噴射ノズルよりもバーナ中央近くに配置された多重管の外壁と仕切管とによって囲まれる範囲に助燃性ガスを供給することを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、多重管が配置され、さらにその外側であってかつ多重管を取り囲む１以上の略円周上に、１つの略円周上あたり、多重管構造を有する２以上の火炎噴射ノズルが配置されたガラス合成用バーナを用い、多重管からガラス原料をバーナ火炎中に供給するとともに、火炎噴射ノズルから可燃性ガス及び助燃性ガスを供給し、ガラス微粒子を含む火炎を出発材に向けて噴射して出発材上にガラス微粒子を堆積させることにより、バーナへの可燃性ガス供給量を従来より少なくしてもガラス微粒子堆積面の加熱を充分に行うことができ、充分なガラス微粒子どうしの結合強度を保つことができ、かつ外径変動も少ない多孔質ガラス微粒子堆積体を製造することができるとともに、反応容器内の温度を従来より低くできること等を見いだし、本発明を完成させたものである。なお本明細書において上記多重管とは、一般に中心ノズルを構成する管のまわりを中心ノズルより径の大きな１以上の管が取り囲んで順次配置されて構成された管であって、中心ノズル及び各管の間からガス等を噴射できるものをいい、本発明に用いる多重管としては、略円形の管を、管の長手方向に垂直に切ったときの断面が略同心円となるように各管を配置した多重管が特に好ましい。ただし、本発明の多重管は、断面が同心円形状のものに限定されるものではない。
【００２１】
以下、図に基づいて本発明を説明する。図１ａは、本発明のバーナの端部（ガス吹出口）における各ノズルの配置の一つの例を概念的に示した図である。さらに図１ｂ及び図１ｃは、それぞれ図１ａに示したバーナ先端部分のＡ−Ａ線断面図、及びＢ−Ｂ線断面図を概念的に示した図である。なお、本発明のバーナは、以下の図に具体的に示された構造を有するバーナに限定されるものではない。また、以下の図において、バーナを構成する管の隔壁等は実線で表す。また、以下の各図において実質的に同一の構成部分については同じ番号を付している。
【００２２】
図１ａに示したバーナにおいては、中央部にノズル１及びノズル２を含む二重管構造を有する多重管１０が配置される。さらにこの多重管１０を略中心として多重管１０を取り囲む略同心円上に８つの火炎噴射ノズル２０が配置される。この火炎噴射ノズル２０は、中心部に配置された助燃性ガスノズル３、及び助燃性ガスノズルの周囲を取り囲む可燃性ガスノズル４からなる二重管構造を有する。さらにバーナの最も外側に環状の助燃性ガス供給ポート６が配置される。なお、図１ａにおいて実線で表される隔壁は、一般には石英ガラスで作製される。
【００２３】
図１ａに示したバーナにおいて、中央部に配置された多重管１０からは、ガラス原料を含むガスがバーナ火炎中に供給される。例えば、ノズル１には、ガラス原料を含むガスが供給され、さらにノズル２には可燃性ガス、助燃性ガス、及びシールガスから選ばれる１種以上のガスを供給することができる。ガラス原料がガス状である場合は、ガラス原料ガスのみをノズル１から供給することも、またガラス原料ガスに可燃性ガス、助燃性ガス、及び不活性ガスなどから選ばれる１種以上のガスを混合して得られる混合ガスを供給することもできる。また、ガラス原料がガラス微粒子又は液体原料である場合は、ガラス原料とキャリアガスとの混合物、またはガラス原料を溶媒に分散もしくは溶解させた混合物とキャリアガスとの混合物としてバーナに供給することができる。
【００２４】
本発明のバーナのノズル１及びノズル２に供給されるガスの種類は、本発明の効果を損なわないかぎりいかなる種類のガスを用いることもでき、当業者は技術常識に基づいて用いるガスを容易に選択することができる。また、バーナに供給されるガラス原料も、ノズル１及びノズル２のいずれか一つ、又は両者からバーナ火炎中に供給されることができる。
【００２５】
本発明のバーナの火炎噴射ノズル２０においては、ノズル３及びノズル４から噴射されるガス全体の中に可燃性ガス及び助燃性ガスの両者が含まれるように、ノズル３及びノズル４にガスを供給する。例えば、ノズル３に可燃性ガスを供給し、かつノズル４に助燃性ガスを供給する方法、あるいは、ノズル３に助燃性ガスを供給し、かつノズル４に可燃性ガスを供給する方法を用いることができる。そのほか、可燃性ガスとしてメタン及びプロパンなどの炭化水素化合物から選ばれるガスを用いる場合は、この可燃性ガスと助燃性ガスとの混合ガスをノズル３またはノズル４のいずれか一つまたは両者に供給することもできる。この場合、可燃性ガス及び助燃性ガスの混合ガスが供給されないノズル３またはノズル４には、シールガス、可燃性ガス、または助燃性ガスのいずれか、またはこれらのガスをさらに不活性ガス等で希釈したガスを供給することができる。図１ａに示したバーナにおいては、さらに所望によりバーナの最外周に配置された助燃性ガス供給ポート６から助燃性ガスを供給することができる。本発明のバーナにおいては、火炎噴射ノズル２０の周囲の空間５からは、ガスの供給を行わないことが好ましい。
【００２６】
本発明においてバーナに供給されるガラス原料としては、ＳｉＣｌ４、ＧｅＣｌ４等の火炎加水分解反応及び／又は酸化反応によってガラスを生成する化合物、ガラス微粒子、シクロオクタメチルテトラシロキサン等の有機ケイ素化合物、及びアルコキシシラン類などからなる群から選ばれる１種以上の化合物を用いることができる。すなわち、本発明のバーナにおいては、予め合成されたガラス微粒子及びバーナ火炎中でガラス微粒子を生成する原料のいずれか一方又は両者をガラス原料として用いることができる。
【００２７】
本発明においてバーナに供給される可燃性ガスとしては、水素及び炭化水素化合物、例えばメタン、プロパン、ブタンからなる群から選ばれる１種以上を用いることが好ましく、水素を用いることが特に好ましい。また、本発明においてバーナに供給される可燃性ガスとしては、酸素及び／又は清浄な空気を用いることが好ましい。
【００２８】
一般に可燃性ガスとして水素を用い、助燃性ガスとして酸素又は空気を用いる場合、可燃性ガスと助燃性ガスとを予め混合した混合ガスをバーナのノズルから噴射することは安全性を高めるという観点から好ましくないが、可燃性ガスとして炭化水素化合物を用いる場合は、可燃性ガスと助燃性ガスとを予備混合して得られるガスをバーナのノズルから噴射することもできる。
【００２９】
さらに、所望によりバーナに供給されるガスとしてシールガスを用いることができる。シールガスとしてはＡｒ等の不活性ガス及び窒素から選ばれる１種以上のガスを用いることが好ましい。
【００３０】
上述のとおり、本発明においては火炎噴射ノズル２０から可燃性ガス及び助燃性ガスがバーナ火炎中に噴射されるが、バーナから噴射される火炎の安定性がよくなることから、ノズル３から助燃性ガスを噴射し、かつノズル４から可燃性ガスを噴射することがさらに好ましい。
【００３１】
なお、当業者は、バーナの各ノズルから噴射される各種ガスの単位時間あたりの流量（以下、単に「流量」という）として好ましい流量を適宜定めることができる。一般にＯＶＤ法などでは、ガラス微粒子の堆積によって堆積体の径が変化するのにともない、ガス流量を変化させることが行われるが、例えばノズル３にＯ２、ノズル４にＨ２を供給する場合、１本の火炎噴射ノズルについてみた場合にＨ２／Ｏ２流量比を０．５〜１５にすることで、効率良くガラス微粒子を出発材に堆積させることができる。
【００３２】
図１ａには、中心に配置された多重管１０を取り囲む１つの略同心円上に８つの火炎噴射ノズル２０を配置した例を示した。本発明における多重管１０は、中心ノズルのまわりに同心環状に外側ノズルが配置された、２以上のガス吹出口を有する多重管であることが好ましく、３以上のガス吹出口を有する３重以上の多重管を用いることもでき、多重管１０の一つ以上のガス吹出口からシールガスを噴射させることもできる。なお本発明の多重管１０は、構成する各管の断面が略円形以外の形状でも良く、また各管の断面が同心円状に配置されているものに限定されるものでもない。
【００３３】
また、本発明においてバーナに配置される火炎噴射ノズル２０の数は２以上であればよく、図１ａに示した例に限られない。さらに多重管１０の周りに２以上の直径の異なる略円周上にそれぞれ２以上の火炎噴射ノズル２０を配置することもできる。ここで、この２以上の円は直径の小さな円を直径の大きな円が取り囲むように配置されていることが好ましく、略同心円状に配置された２以上の円周上に火炎噴射ノズル２０が配置されていることが特に好ましい。直径の異なる２以上の略円周上に火炎噴射ノズル２０を配置する場合、本明細書中においては、一つの略円周上に配置された２以上の火炎噴射ノズル２０をひとまとまりとして「層」といい、さらにバーナ中央に配置された多重管１０に最も近い円周上の火炎噴射ノズル群から外側の円周上の火炎噴射ノズル群に向かって、第一層、第二層等という。
【００３４】
本発明のバーナにおいては、上記層の各層ごとに火炎噴射ノズルの各中心軸の延長線が、多重管１０の中心軸の延長線上の略一点で交差するように各火炎噴射ノズル２０を傾斜させることが好ましい。本明細書において、以下、前記の交差する点を「焦点」といい、交差することを「焦点を結ぶ」という。また、本明細書においては、一つの層の上に配置された火炎噴射ノズル群が結ぶ焦点を、その層の焦点ともいう場合がある。ただし、この焦点は多重管１０の延長線上の厳密な一点である必要はなく、各火炎噴射ノズル２０の中心軸の延長線がおおよそ一点に集まっていれば足り、この場合も含めて「焦点を結ぶ」という。また火炎噴射ノズルの一層あたりに配置された火炎噴射ノズル群が２以上の焦点を有すること、すなわち一つの層が２以上の焦点を有することもできる。
【００３５】
図２は、図１ａに示した構造と同様の構造を有し、さらにバーナ火炎噴射ノズル２０が２層に配置されたバーナの先端部の断面を模式的に示したものであり、断面はバーナの中心軸を含む面である。図２において、多重管１０の外側第一層の火炎噴射ノズル２０の各中心軸の延長線が、多重管１０の中心軸の延長線上のｆ１位置において焦点を結ぶように各火炎噴射ノズル２０がその中心軸を傾けられて配置される。さらに第二層の火炎噴射ノズル２０の各中心軸の延長線が、多重管１０の中心軸の延長線上のｆ２位置において焦点を結ぶように、各火炎噴射ノズル２０がその中心軸を傾けられて配置される。このとき、多重管１０の先端からｆ１までの距離（ｌ１）よりも、多重管１０の先端からｆ２までの距離（ｌ２）のほうが長いことが好ましい。なお、これらの距離（ｌ１及びｌ２）を本明細書中、焦点距離とよぶ。すなわち、一般に、本発明のバーナにおいて火炎噴射ノズル２０を２層以上に配置する場合、バーナの外側の層に配置された火炎噴射ノズル２０の中心軸の延長線が結ぶ焦点が、それより内側に配置された層の焦点よりも多重管１０の先端に近くならないようにすることが好ましい。このようにすることにより、異なる層に配置された火炎噴射ノズルから噴射されるガス流が互いに衝突して乱されることを抑えることができる。
【００３６】
各火炎噴射ノズル２０の中心軸を上記のように傾斜させることによって、特に上記焦点付近において、多重管１０から噴射されるガラス原料と火炎噴射ノズル２０から噴射される火炎及び／又はガスとの混合がよくなる。これにより、火炎に含まれる水分及びガス成分、並びにガラス原料が混合されやすくなるため、加水分解反応及び／又は酸化反応によってガラスを生成するガラス原料を用いた場合はガラス合成反応が進行しやすくなる。また、ガラス原料としてガラス微粒子を用いる場合でも、上記焦点付近に火炎が集中することによって、焦点付近において多重管１０から噴射されるガラス微粒子が加熱されやすくなるため、ガラス微粒子の温度を高くすることができ、それによって出発材へのガラス微粒子の堆積効率がよくなる。
【００３７】
本発明のバーナにおいては、さらに第一層の火炎噴射ノズル２０が配置される円の直径（例えば、図２のｄ）が６ｍｍ以上であることが好ましく、１０ｍｍ以上であることがさらに好ましい。上記円の直径が６ｍｍ未満である場合は、バーナの製造上、多重管１０の中心軸の延長線に対する火炎噴射ノズル２０の中心軸の延長線の入射角が大きくなる構造となる。この場合、第一層の火炎噴射ノズル２０の焦点において、多重管１０から噴射されるガスの流れに対して火炎噴射ノズル２０からの火炎及びガスの勢いが強すぎるためにガラス原料を含むガスの流れが乱れてしまい、むしろ出発材へのガラス微粒子の堆積効率が低下してしまう場合がある。火炎噴射ノズル２０から噴射される火炎及びガスによってガラス原料を含むガスの流れを乱す点については、火炎噴射ノズル２０の焦点距離（例えば、図２におけるｌ１及びｌ２）が短い場合も同じであるため、焦点距離は７０ｍｍ以上であることが好ましい。このように設計されたバーナを用いると、多重管１０から噴射されるガラス原料に対して、火炎噴射ノズル２０から噴射される火炎の熱を効率良く伝えることができ、かつ火炎に含まれる水分をガラス原料と効率よく混合することができるとともに、多重管１０から噴射されるガス流が大きく乱されることがないため、ガラス微粒子堆積面にガラス微粒子を効率よく堆積することができる。
【００３８】
本発明のバーナにおいて用いられる火炎噴射ノズル２０は、中心のノズルの周囲に同心円状に外側のノズルが配置された２重以上の多重管構造を有することが特に好ましい。この場合、この多重管の外側のノズルの先端面よりも中央のノズルの先端面がバーナ先端方向に向かって前方に出ていることが好ましい。この状態を図３に模式的に示した。図の左方向がバーナ先端方向である。図３に示したように、ノズル３の先端面がノズル４の先端面よりもバーナ先端方向に出ていることが好ましい。これは、ノズル３がノズル４よりもバーナ先端方向前方に出ていると、ノズル４から噴射されたガスがノズル３の先端より先で混合されて燃焼反応が起こって熱が発生しても、ノズル３及び４がその熱によって変形されないことによる。さらにノズル３がノズル４よりもバーナ先端方向前方に出ていると、火炎噴射ノズル２０から噴射される火炎流の安定性が向上し、出発材へのガラス微粒子の堆積効率が向上するため好ましい。
【００３９】
本発明のバーナにおいては、上述のとおり、バーナ中心部に配置された多重管１０、及びその周囲に一層以上の火炎噴射ノズル２０が配置される。さらに所望によりバーナの最も外側には、バーナを保護するためのガイド管、環状の助燃性ガス供給ポート（図１における６）、並びに環状の助燃性ガス供給ポート及び環状の可燃性ガス供給ポートを有する多重管からなる群から選ばれる構造を設けることができる。
【００４０】
本発明のバーナにおいては、火炎噴射ノズル２０よりもバーナ中央近くに配置された多重管１０の外壁と火炎噴射ノズル２０よりもバーナ外側に配置された管の内壁とによって囲まれる範囲において、火炎噴射ノズル２０のみから可燃性ガスを供給することが好ましい。すなわち、この仕切られる範囲とは、例えば図１ａにおいては５で示される範囲である。この範囲から可燃性ガスを供給しないことが好ましい。さらに、この範囲からは助燃性ガスも供給しないほうが好ましい。ただし、火炎噴射ノズル２０の先端がバーナ中央部の多重管先端よりもバーナ前方に出ている場合は、上記範囲から助燃性ガスを供給してもよい。これは、火炎噴射ノズル２０から噴射される可燃性ガスと上記範囲から供給される助燃性ガスとの燃焼反応によってバーナ先端部が過熱されることによって軟化等されないようにするためである。
【００４１】
上記範囲から可燃性ガスを噴射しないことによって、火炎噴射ノズル２０から噴射される火炎及びガスの流れの収束性をいっそう高くすることができるため、バーナ全体としての火炎の収束性も高められ、２本以上のバーナを用いて多孔質ガラス微粒子堆積体を製造する場合に、バーナ相互の火炎が干渉することを抑えることができ、それにより出発材へのガラス微粒子の堆積効率を高めることができる。また、上記範囲から可燃性ガスを噴射しないことによってバーナが発生する熱量を少なくできる。これは、ガラス微粒子の堆積に寄与しない熱の発生を抑えるということになる。これにより、ガラス微粒子堆積体を製造するための反応容器を、不必要に加熱することがない。したがって、反応容器が過度に熱せされて損傷されることを防ぐことができ、反応容器の冷却コストも低減できる。
【００４２】
本発明のバーナにおいては、バーナ中央部に配置された多重管１０、その周囲に配置された火炎噴射ノズル２０のほかに、さらに単管ノズルを配置することもできる。この単管ノズルからは、たとえば、助燃性ガス、清浄空気、可燃性ガス等を噴射させることができる。さらに、本発明のバーナには、仕切管を配置することができる。仕切管としては、例えば、バーナの中心軸を中心とする略同心円筒形の管があげられる。具体例として、仕切管が一つ配置された本発明のバーナの一実施態様を図４に模式的に示した。以下、図４に基づいて本発明を説明する。
【００４３】
本発明の製造法に用いるバーナの仕切管は、バーナの火炎噴射ノズル２０よりもバーナ中央近くに配置された多重管１０の外壁と火炎噴射ノズル２０よりもバーナ外側に配置された管の内壁とによって囲まれる範囲配置されることが好ましい。ここで多重管１０の外壁とは、多重管１０を構成する最も外側の管のことをいう。また、バーナ外側に配置された管の内壁とは、火炎噴射ノズル２０の外側にバーナの保護用のガイド管が配置されている場合はそのガイド管をいい、また火炎噴射ノズル２０の外側に可燃性ガス等を噴射するために略同心管状の多重管が配置されている場合は、その多重管のうち最も火炎噴射ノズル２０に近い側の管のことをいう。
【００４４】
図４ａは、バーナのガス吹出口側からみたバーナの端面の構成を示す。バーナ３０には多重管１０が配置され、さらに多重管１０を取り囲む１つの略円周上に単管ノズル４０が８つ配置される。さらに単管ノズル４０の外側に仕切管４５が配置される。仕切管４５の外側に、多重管１０を取り囲む１つの略円周上に火炎噴射ノズル２０が８つ配置される。バーナの最も外側には環状のガス供給ポート６が配置される。なお、図４ａにおいて実線はいずれも隔壁を表し、一般には石英ガラスで作製される。また、図４ａに示したバーナをＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線で切断した切断面をそれぞれ図４ｂ及び図４ｃに示す。
【００４５】
図４ａに示されるバーナにおいて仕切管を配置する場合、仕切管は多重管１０の最も外側の管５５とバーナの最も外側に配置されたガイド管又は環状ノズルの内側の管５０の間に一つ以上配置できる。
【００４６】
図４ａに示されるバーナの各ノズルからは、適宜選択されたガスを噴射することができるが、例えば、多重管１０からガラス原料を含むガスを噴射し、さらに単管ノズル４０及び環状ポート６からは助燃性ガスを噴射し、火炎噴射ノズル２０からは可燃性ガス及び助燃性ガスを噴射することができる。前記ガラス原料を含むガスとしては、ガラス原料及び可燃性ガスの混合物、ガラス原料及び助燃性ガスの混合物、並びにガラス原料ガスを例示することができ、さらにこれらの各混合物又はガラス原料ガスにＡｒ等の不活性ガス及び／又は窒素ガスを混合した混合物を多重管１０からバーナ火炎中に噴射させることができる。
【００４７】
仕切管が配置されたバーナにおいては、多重管１０の最も外側の管５５と多重管１０の直近の外側に配置された仕切管４５とによって挟まれた領域内から助燃性ガスを噴射させることが好ましい。すなわち、図４ａに示したバーナにおいては、単管ノズル４０から助燃性ガスを噴射することが好ましい。ただし、これは、前記領域内から助燃性ガスのみを噴射させる場合に限るものではなく、少なくとも助燃性ガスを含むガスを前記領域内から噴射させることを意味するものである。例えば前記領域内に火炎噴射ノズル２０が配置され、火炎噴射ノズルから可燃性ガス及び助燃性ガスが噴射される場合も前記領域内から助燃性ガスを噴射する場合に含まれる。さらに、前記領域内に単管ノズル４０及び火炎噴射ノズル２０の両者が配置され、単管ノズル４０から助燃性ガスが噴射されるとともに、火炎噴射ノズル２０から可燃性ガス及び助燃性ガスが噴射される場合も前記領域内から助燃性ガスが噴射される場合に含まれる。すなわち、前記領域内から助燃性ガスを噴射させるとは、前記領域内から噴射されるガスが助燃性ガスを含むことをいう。
【００４８】
次に、本発明のバーナのガス供給ポートから噴射される２種以上のガスが有する好ましい相互の関係について、以下に説明する。なお、以下、ガスが噴射される開口部をすべてポートといい、小口径のノズルも含む。
本発明のバーナにおいて用いられるガラス原料として、化学反応によってガラス微粒子を生成することが可能なガラス原料を用いる場合、ガラス原料、ガラス原料が供給されるポートに供給されるガラス原料以外のガス、及びガラス原料が供給されるポートに隣接したポートに供給されるガスからなる群から選ばれる１種、または２種以上がバーナ火炎中で反応することによりガラス化反応が起こらないように組み合わせて選択された前記ガラス原料及び前記各ガスを、前記ガラス原料が供給されるポート及び前記ポートに隣接するポートに供給することが好ましい。ここで、ポートが「隣接する」とは、２つのガス供給ポートが一つの隔壁によって隔てられている場合をいう。各ポートに供給された原料及び／またはガスは、そのポートからバーナ火炎中に噴射される。
【００４９】
具体的には、化学反応によってガラス微粒子を生成することが可能なガラス原料としては、例えばＳｉＣｌ４、ＧｅＣｌ４、シロキサン類、及び金属アルコキシド類等があげられる。バーナ火炎中で反応することによりガラス化反応するガスの組み合わせとしては、（ｉ）加水分解及び／又は酸化反応によってガラスを生成可能な原料ガス、水素、及び酸素の組み合わせ、並びに（ｉｉ）炭化水素基を有するケイ素化合物及び酸素の組み合わせが例示できる。加水分解及び／又は酸化反応によってガラスを生成可能なガラス原料が供給されるポート、及びそれに隣接するポートに水素及び酸素が存在する場合、水素及び酸素が燃焼反応するとともにこれらのガスとガラス原料によってガラス化反応が可能である。水素及び酸素が燃焼することにより水が生成し、加水分解反応によってＳｉＣｌ４等からガラスが生成されうる。また炭化水素基を有するケイ素化合物、例えばシクロオクタメチルテトラシロキサンと酸素とが燃焼反応することによってもガラスが生成されうる。
【００５０】
図１に示した本発明の多重管１０のノズル１及びノズル２を例にとって説明する。具体的には、ガラス原料ガスとしてＳｉＣｌ４を用い、ノズル１にＳｉＣｌ４及び酸素の混合ガスを供給した場合、ノズル１に隣接したノズル２に水素を供給することは好ましくない。また、ガラス原料ガスとしてＳｉＣｌ４を用い、ノズル１にＳｉＣｌ４及び水素の混合ガスを供給した場合、ノズル２に酸素を供給することは好ましくない。これらの場合、いずれもガラス原料であるＳｉＣｌ４が供給されるポート及びそれに隣接したポートであるノズル１及びノズル２に存在するガスのみでガラスを生成することができるからである。さらに、ノズル１にシクロオクタメチルテトラシロキサン及び酸素の混合物を供給することは好ましくない。この場合は、オクタメチルテトラシロキサンが有するメチル基が酸素と反応するとともにガラスを生成することができるからである。同様にノズル１にシクロオクタメチルテトラシロキサンを供給する場合、ノズル２に酸素を供給することは好ましくない。この場合はノズル１に供給されるシクロオクタメチルテトラシロキサンとノズル２に供給される酸素のみでガラス化反応が完結されうるからである。また、可燃性ガスとして炭化水素ガス、例えばメタンを用い、ノズル１にＳｉＣｌ４及びメタンの混合物を供給する場合、ノズル２には酸素を供給することは好ましくない。この場合、メタンが酸素と燃焼反応するとともに、ＳｉＣｌ４のガラス化反応が完結されうるためである。またノズル１にＳｉＣｌ４を供給し、ノズル２にメタン及び酸素の混合ガスを供給することも好ましくない。この場合も、ガラス原料が供給されるポートに隣接したポートに供給されるメタン及び酸素が燃焼反応するとともに、ガラス原料のガラス化反応が完結しうるからである。なお、以上の例は、酸素の代わりに空気を用いる場合も同様である。
【００５１】
化学反応によってガラス微粒子を生成する原料をガラス原料として用いる場合、例えばバーナ中央に断面が同心円状構造を有する３重管を配置し、中心ノズルにはガラス原料及び水素の混合物を供給し、そのすぐ外側のノズルには不活性ガスまたは窒素をシールガスとして供給し、さらにその外側のノズルには酸素を供給するというように、ガラス原料が供給されるノズルを含む隣接した２つのノズルから供給されるガス全体でガラス化反応が完結されないようにすることが好ましい。また、化学反応によってガラス微粒子を生成する原料をガラス原料として用い、例えば、中央に２重管が配置されたバーナを用いる場合、中心ノズルにガラス原料及び水素の混合物を供給するのであれば、中央ノズルに隣接するノズルには、水素及び／または炭化水素等の可燃性ガス、あるいは不活性ガス等のシールガスを供給し、中心ノズルとそれに隣接するノズルから供給されるガラス原料及び各ガスのみによってガラス化反応が完結しないようにすることが好ましい。また、図１ａに示されたバーナにおいて、ノズル１にガラス原料として炭化水素基を含むケイ素化合物を供給する場合、ノズル２には、酸素または空気を供給せず、ノズル２には水素及び／または炭化水素等の可燃性ガスを供給するか、またはノズル２には不活性ガスまたは窒素等のシールガスを供給し、これらのみでガラス化反応が完結しないようにすることが好ましい。
【００５２】
このように、化学反応によってガラス微粒子を生成することができるガラス原料を用いる場合、ガラス原料を供給するポート及びそれに隣接するポートに供給される化合物及び／またはガスの間の反応のみでガラス化反応が完結しないようにすることによって、生成したガラスがガラス原料供給ポートの先端部に堆積し、それによってそのポートが閉塞されることを防ぐことができる。
【００５３】
本発明のバーナは従来公知のＯＶＤ法及びＶＡＤ法におけるガラス合成用バーナとして用いることができる。例えば、ＯＶＤ法においては、円柱状又は円筒状の出発材にバーナから噴射される火炎があたるように本発明のバーナを配置し、出発材とバーナとを相対的に往復移動させるとともに、バーナからガラス微粒子を含む火炎を出発材に向けて吹き付けて出発材の上にガラス微粒子を堆積させる。本発明のバーナをＯＶＤ法に用いる場合、本発明のバーナは従来公知のバーナと比較して火炎の指向性が強く、かつ火炎の広がりが小さいため、２本以上のバーナを並列させて用いても、各バーナから噴射される火炎が相互に干渉して火炎流が著しく乱されるということが起こりにくい。したがって、本発明のガラス合成用バーナを短い間隔で２本以上並べても、バーナからの火炎流が乱れることがなく、出発材へのガラス微粒子の堆積効率を向上させることができる。また、本発明のバーナはＶＡＤ法にも用いることができ、この場合も２本以上のバーナを並べて用いてもバーナから噴射される火炎が他のバーナからの火炎流によって乱されにくいために好ましい。
【００５４】
以上、本発明のガラス合成用バーナ及びそれを用いた多孔質ガラス微粒子堆積体の製造法を説明したが、本発明は上記実施態様に限定されるものではなく、当業者は適宜、必要な手段を付加等して本発明を実施することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明のバーナは、従来のバーナよりも火炎の指向性が高いため、バーナから噴射される可燃性ガス、例えば水素ガスの流量を従来のバーナで用いられていた流量より少なくしても、ガラス微粒子堆積面を充分に加熱することができるため、多孔質ガラス微粒子堆積体に割れが発生することを防止するために充分なガラスの結合強度を保つことができ、さらにバーナから噴射されるガラス原料のガラス合成反応を効率良く起こさせることができる。またガラス原料としてガラス微粒子を用いる場合は、本発明のバーナを用いることにより、バーナからの可燃性ガスの流量を少なくしても効率良くガラス微粒子を加熱することができる。これにより出発材へのガラス微粒子の堆積を効率良く行うことができるとともに、可燃性ガスの流量を少なくすることで反応容器内において発生する熱量を少なくすることができるため、たとえ複数本のバーナを用いた場合でも熱による反応容器の変形やヒートサイクルによる反応容器の割れを防止することもできる。さらに、上述のとおり反応容器内で発生する熱量を少なくできるため、反応容器内における上昇気流の発生を防止すること、または上昇気流を弱くすることができ、これによりバーナ火炎がさらに安定化されるため、本発明のバーナを用いて製造される多孔質ガラス微粒子堆積体の外径変動を小さくできるという効果が得られる。また、本発明のバーナから噴射される火炎は指向性が高いため、出発材を挟んでバーナの反対側の反応容器壁上であって、かつ火炎の延長方向上に排気口を配置すれば、バーナから噴射される火炎の流れにのって廃熱が排気口から効率良く排気されることができるため、反応容器内の温度が上昇することを抑えることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａは、本発明のガラス合成用バーナの一実施態様について、バーナのガス吹出口を模式的に表した図である。図１ｂは、図１ａで表されたバーナのＡ−Ａ線断面を模式的に表した図である。図１ｃは、図１ａで表されたバーナのＢ−Ｂ線断面を模式的に表した図である。
【図２】図２は、２層の火炎噴射ノズルを有するガラス合成用バーナの先端部における、バーナ中心軸を含む断面を模式的に表した図である。
【図３】図３は、火炎噴射ノズルの一実施態様について、その先端部を模式的に表した図である。
【図４】図４ａは、本発明のガラス合成用バーナの別の一実施態様について、バーナのガス吹出口を模式的に表した図である。図４ｂは、図４ａで表されたバーナのＡ−Ａ線断面を模式的に表した図である。図４ｃは、図４ａで表されたバーナのＢ−Ｂ線断面を模式的に表した図である。
【符号の説明】
１〜４…ノズル
６…ガス供給ポート
１０…多重管
２０…火炎噴射ノズル
３０…バーナ
４０…単管ノズル
４５…仕切管
【図１】
2004331440.tif 000003
【図２】
2004331440.tif 000004
【図３】
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【図４】
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