(57)【要約】      （修正有）【課題】中空円筒を高い寸法安定性を有する大外径のガラス管に形成する方法の提供。【解決手段】ガラスから外径外径Ｄ１を有する中空円筒２を形成し、中空円筒２を、回転軸６周りに回転させながら、相対供給速度Ｖａで移動する加熱領域中の部分において軟化させ、変形領域３０を形成するように遠心力及び／又は中空円筒の孔内にかかる内部過圧の作用下で軟化された部分を径方向に膨張させ、中空円筒の外径Ｄ１より大きい外径Ｄ２を有する管を連続的に成形する方法であって、軟化された部分の径方向の膨張は、位置に依存する径方向の膨張速度Ｖｒで行われ、変形領域３０に沿った径方向の膨張速度のプロファイルは、供給速度Ｖａの２倍未満である最大値Ｖｒ，ｍａｘを有する。【選択図】図３
2016135734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスから外径Ｄ１を有する中空円筒（２）を形成し、前記円筒を、回転軸（６）周りに回転させながら、相対供給速度Ｖａで移動する加熱領域（２０）中の部分において軟化させ、変形領域（３０）を形成するように遠心力及び／又は前記中空円筒の孔内にかかる内部過圧の作用下で前記軟化された部分を径方向に膨張させ、Ｄ１より大きい外径Ｄ２を有する管（２２）を連続的に成形して、ガラス管（２２）を製造する方法であって、前記軟化された部分の径方向の膨張は、位置に依存する径方向の膨張速度Ｖｒで行われ、前記変形領域に沿った前記径方向の膨張速度のプロファイルは、前記供給速度Ｖａの２倍未満である最大値Ｖｒ，ｍａｘを有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記径方向の膨張速度の最大値Ｖｒ，ｍａｘは、前記供給速度Ｖａの１．５倍未満、好ましくは１倍未満、特に好ましくは０．７倍未満であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加熱領域（２０）において、前記変形領域（３０）の一部の長さに少なくとも沿った、それと同じ一部の長さに沿った接線方向の張力のプロファイルと反対の推移を有する温度プロファイルを生成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記変形領域（３０）の終わりの温度は、前記変形領域の始まりの温度より低いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱領域（２０）は、前記変形領域（３０）の始まりに割り当てられた前方加熱部分と、前記変形領域（３０）の終わりに割り当てられた後方加熱部分とを有し、前記前方加熱部分によって前記変形領域（３０）の表面に与えられる温度が、前記後方加熱部分によって与えられる温度よりも高いことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記形成方法は、前記中空円筒（２）が前記加熱領域（２０）に入る時の速度と前記管（２２）が前記加熱領域（２０）から出る時の速度の比が１未満である少なくとも一つの圧縮段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記径方向の膨張速度の最大値Ｖｒ，ｍａｘは、２０ｃｍ／分未満、好ましくは１０ｃｍ／分未満であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
ブロー圧力を２０ｍｂａｒ未満、好ましくは１０ｍｂａｒ未満に設定することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記管（２２）は、Ｄ１より少なくとも４０ｍｍ、好ましくは少なくとも７０ｍｍ、特に好ましくは少なくとも１００ｍｍ大きい外径Ｄ２を有するように製造されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
ガラスから外径Ｄ１を有する中空円筒（２）を形成し、前記円筒を、回転軸（６）周りに回転させながら、相対供給速度Ｖａで移動する加熱領域（２０）中の部分において軟化させ、変形領域（３０）を形成するように遠心力及び／又は前記中空円筒の孔内にかかる内部過圧の作用下で前記軟化された部分を径方向に膨張させ、Ｄ１より大きい外径Ｄ２を有する管（２２）を連続的に成形して、ガラス管（２２）を製造する方法であって、前記軟化された部分の径方向の膨張は、位置に依存する径方向の膨張速度Ｖｒで行われ、前記変形領域に沿った前記径方向の膨張速度のプロファイルは最大値Ｖｒ，ｍａｘを有し、Ｖｒ，ｍａｘが２０ｃｍ／分未満であり、前記管（２２）がＤ１より少なくとも７０ｍｍ大きい外径Ｄ２を伴って製造されるように前記軟化された部分の径方向の膨張が行われることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記管（２２）が、Ｄ１より少なくとも１００ｍｍ大きい外径Ｄ２を伴って製造されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスから外径Ｄ１を有する中空円筒を形成し、上記円筒を、回転軸周りに回転させながら、相対供給速度Ｖａで移動する加熱領域中の部分において軟化させ、変形領域を形成するように遠心力及び／又は中空円筒の孔内にかかる内部過圧の作用下で軟化された部分を径方向に膨張させ、Ｄ１より大きい外径Ｄ２を有する管を連続的に成形して、ガラスの、特に石英ガラスの管を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような方法及び装置により、一つ又は複数の熱形成工程で、ガラス、特に石英ガラスの中空円筒が、中空円筒の径方向の寸法又は断面プロファイルに対して径方向の寸法が変化した管に形成される。このプロセスにおいて、長手軸周りを回転する初期中空円筒は、領域ごとに軟化され、管の長手軸に対して一定の径方向の距離で配置された成形器具に向かって（径方向外側に向く力により）膨張するか、又は器具を用いずに形成される。径方向外側に向く力は、遠心力及び／又は中空円筒の内部孔にかかる内部過圧（「ブロー圧力」とも呼ばれる）に基づく。
【０００３】
ここで、引き延ばされた管ストランドの寸法安定性に特に注意が払われる。この安定性を確保するため、管ストランドの径方向の寸法、例えば、外径、内径、又は壁厚等の一定した検出と連続的な制御が不可欠である。ブロー圧力、中空円筒と加熱領域間の相対供給速度、及び加熱領域の温度は、このような制御の制御変数として一般的である。
【０００４】
最初の中空円筒に既に存在する寸法の偏りは、形成プロセスの間、引き延ばされたガラス管にも伝播する傾向にあり、更には、プロセス中に増大することさえある。ここで、不利なことに、径方向の断面プロファイル中の変化、又は壁の偏り、即ち、専門家の間では「偏肉」と呼ばれる径方向に不規則な管の壁厚のプロファイルが特に認められる。成形器具を使用すると外径は比較的一定の寸法になるため、管壁の偏りは管の内径の変動を伴う。
【０００５】
形成プロセスにおいて、出発円筒にみられた壁厚の偏りは直径と共に指数関数的に増大するため、これらの問題は管の端直径が増大するにつれて大きくなる。そのため、結局、仕様による容認可能な偏肉の最大値（例えば、１ｍｍ）が、実際に達成可能な管の端直径を制限する。この効果はブロー圧力の程度にも依存するため、この圧力を任意に高くすることはできない。その代わりに、商業的に許容しうる形成速度を達成するために、ガラスをより高温に、且つより軟化されるように加熱しなければならない。これによって、今度は、ガラス壁に更に縞が入ったり、別の欠陥が生じたり、特に、体積が大きいために非常に速く冷える大体積の管（以下、「大型管」とも呼ばれる）の場合には、必要なエネルギーが増えたりする。
【０００６】
そのため、管の端直径が大きいほど、寸法的に安定した大型管の製造はより困難且つ高コストになる。この問題を緩和するため、特開２００４−１４９３２５号公報では、形成プロセスを、直径の連続的な増大を伴う複数の形成工程に分割することが提案されている。この目的のため、直径２５０ｍｍの形成される石英ガラスの中空円筒は、旋盤で締められ、円筒表面に沿って一定の供給速度Ｖａで移動するリング状に配列された加熱バーナーによって加熱され、領域ごとに軟化されながら、水平方向に延びる長手軸周りを回転する。直径は、軟化された部分に働く遠心力によって増大される。変形領域は、一旦円筒が全て膨張するまで、出発円筒全体に沿って移動する。ここで、管の外径は、器具を用いずにレーザー光によって連続して取得される。この形成工程は、管の公称直径が４４０ｍｍに到達するまで繰り返される。各形成工程で、管の直径は１５ｍｍずつ増大する。
【０００７】
中国公開特許公報第１０２８８７６２６（Ａ）号には、各形成段階で６０ｍｍずつ増大させ、５２０ｍｍより大きい外径を有する石英ガラス管を製造する多段階形成方法が記載されている。
【技術的課題】
【０００８】
この形成プロセスでは、各個別の形成段階での形成度合いが比較的小さく、管の径方向の寸法の公称値からの偏差が小さい。また、各形成段階は、それぞれの出発円筒にみられる寸法の偏りを検討及び修正することを可能にする。
【０００９】
一方、この手順では、特に、連続する形成段階の間に管が冷えてしまうため、多くの時間とエネルギーを必要とすることが分かっている。
【００１０】
形成工程の数を可能な限り少なく維持するために、それぞれの変形度合い、即ち直径の変動を可能な限り大きくする試みがなされている。しかしながら、直径が非常に大きく変化する場合、形成プロセスは不安定となり、それが、長手軸方向に延びる波形構造を形成する直径のばらつきに現れることが分かっている。
【００１１】
従って、本発明の目的は、一つの形成工程又はできるだけ少ない形成工程で、中空円筒を、高い寸法安定性を有する大外径のガラス管に形成することを可能にする方法を提供することである。
【発明の概要】
【００１２】
この方法に関して、上記目的は、上述の方法から出発して、本発明によって達成される。本発明において、軟化された部分の径方向の膨張は、位置に依存する径方向の膨張速度Ｖｒで行われ、変形領域に沿った径方向の膨張速度のプロファイルは、供給速度Ｖａの２倍未満である最大値Ｖｒ，ｍａｘを有する。
【００１３】
変形部（ここでは「変形領域」とも呼ばれる）において、軟化されたガラスストランドの直径は、壁厚及び粘度によって特に決定されるガラスの変形耐性に応じて中空円筒から管に向かって連続的に増大する。長手軸断面において、変形部は、全体から見て漏斗形状を有しており、部分的に見ると円筒と管の間にＳ字型の移行部（以下、「肩」とも呼ばれる）を有する。
【００１４】
径方向のガラスの変形速度（ここでは「径方向の膨張速度」とも呼ばれる）が径方向の変形の始まりでの初期値と比べて過剰に大きくなる場合は常に、上記のプロセスの不安定性が生じ、波形構造が形成される。径方向の膨張速度は、管の壁厚に対する管の外径の比に比例する。これは、膨張速度が大きいほど、管の外径は大きく、壁厚は小さいことを意味する。外径は、変形部の始まりから終わりまで増大していき、壁厚は通常減少するが、ほとんど同じに保たれることもある。これが、特に対策がなく同じ温度の場合、変形部の始まりから終わりまで径方向の膨張速度が増加していく理由である。加熱領域と中空円筒間の相対速度が一定だと、「肩」の部分の傾きはますます急勾配になるという結果になる。しかしながら、これによって半径方向からガラスに入る対流熱が減少し、これが相対的な局所冷却に、ひいては局所的な径方向の膨張速度の減少に影響を与える。これにより、「肩」が再びより平坦になり、径方向の熱放射がガラスに入り、局所的な温度が再び高くなるため、局所的な径方向の膨張速度が再び増加し、このメカニズムが新たに開始される。この系が振動することで、循環する波が生じる。
【００１５】
このプロセスの不安定性を避けるための基本的な考えは、変形部における過剰な径方向の膨張速度の発生を防止することである。
【００１６】
変形領域も高速度で移動する場合、即ち、軸方向の供給速度Ｖａが高い場合、高い径方向の膨張速度Ｖｒは害にならない。供給速度は、通常、形成プロセスの間中、一定に保たれる。従って、所定の供給速度での、径方向の膨張速度の度合いの尺度は、変形領域の「肩」の傾きである。この肩が急勾配であるほど、径方向の膨張速度と軸方向の供給速度の比が大きくなる。即ち、肩の傾きは、速度比Ｖｒ／Ｖａから得られる。ここで、Ｖｒは半径、即ち直径の半分の膨張を示す。
【００１７】
プロセスの揺らぎは、この比が２未満であるとき、又はより良くは１．５未満、好ましくは１未満、特に好ましくは０．７未満であるときに避けられることが分かった。ここで、径方向の膨張速度の最大値Ｖｒ，ｍａｘは、好ましくは２０ｃｍ／分未満、特に好ましくは１０ｃｍ／分未満である。
【００１８】
中空円筒の形成は、ブロー圧力もしくは回転（遠心法）の際の遠心力、又はその両方の効果に基づく。管に作用する接線方向の張力σＴは以下の２つの構成要素、一つ目はブロー圧力の効果、二つ目は遠心力の効果からなる。
σＴ＝ｐ・ｒ／ＷＤ＋ρω２ｒ２              （１）
式中、ｐは圧力、ｒは形成部の半径、ＷＤは壁厚、ρはガラスの密度、ωは角速度である。
【００１９】
管壁に作用する接線方向の張力（遠心力なし、ブロー圧力のみ）は、変形領域における径方向の膨張を生じさせる。即ち、
2016135734.tif 000003
である。
【００２０】
従って、径方向における（半径に基づく）ガラスの膨張速度には下記式が適用される。
2016135734.tif 000004
【００２１】
このように、変形速度は粘度に反比例し、粘度はガラスの温度に依存するため、ガラスの粘度は局所的な変形速度を変化させるのに適したパラメータである。このため、問題の解決のため、また径方向の膨張速度Ｖｒの最大値を変化させるための適切な手段として、始まりと終わりの径方向の変形速度（径方向の膨張速度）の差ができる限り小さく保たれるように、管ストランドに作用する変形部に沿った温度プロファイルを適合することが提案される。理想的には、増加は温度プロファイルによって完全に補償される。
【００２２】
これに関して、加熱領域において、変形領域の一部の長さに少なくとも沿った、それと同じ一部の長さに沿った接線方向の張力のプロファイルと反対の推移を有する温度プロファイルを生成することが有利であることが明らかとなった。
【００２３】
前述の一部の長さに沿った接線方向の張力のプロファイルの差、ひいては径方向の膨張速度の差は、その一部の長さに沿った径方向の膨張速度を可能な限り一定にする目的で、温度プロファイルによって完全に又は少なくとも部分的に補償される。通常、この目的がより完全に達成されるほど、それに対応する、温度プロファイルと接線方向の張力のプロファイルが互いに反対となる変形領域の一部の長さは大きくなる。そのため、理想的には、この一部の長さは変形領域の全長である。しかしながら、変形領域の中央辺りの特に重要な部分、例えば変形領域の中間部３分の１に集中するだけでも十分である。加熱領域内の温度プロファイルは、例えば、操作中に公称熱出力曲線に基づいて得られるか、あるいは形成される管の表面温度を測定することで決定される。
【００２４】
接線方向の張力のプロファイルを完全に補償する「逆」温度プロファイルの計算は、上記の式（１）〜（３）に基づいて行われる。
【００２５】
径方向の膨張速度Ｖｒは、接線方向の張力／粘度の比に比例する。即ち、ｄε／ｄｔ＝σ／η＝２・π・Ｖｒである。
【００２６】
接線方向の張力は、以下の式で表される。
σＴ＝（ｐ・ｒ）／ＷＤ＋ρω２ｒ２
【００２７】
粘度及びその温度依存性は、ガラス固有のものである。石英ガラスの粘度ηには、以下の相関関係η（Ｔ）が適用される。
ｌｇη＝１．６＋８４８７／（Ｔ［℃］−３９０）  （単位：Ｐａｓ）
【００２８】
従って、一定の膨張速度Ｖｒの状況下では、以下の「逆」温度プロファイルが得られる。
2016135734.tif 000005
【００２９】
実際には、異なる径方向の膨張速度間の完全な補償は、多くの時間を必要としない。温度プロファイルと接線方向の張力のプロファイルは、正確な鏡像関係である必要はなく、互いに逆又は反対である必要はない。単純な例では、プロファイルの逆転に関する要求は、以下の場合に満たされる。接線方向の張力が管のある方向に増加するプロファイルの場合、温度が同じ方向に減少する。あるいは、対象としている変形領域の一部の長さに沿った接線方向の張力がある軸方向の位置において最大値を有するプロファイルの場合、温度プロファイルが同じ軸方向の位置において最小値を有する。
【００３０】
変形領域に沿った温度プロファイルがその終わりで均質である場合、壁厚の減少により、径方向の膨張速度が特に高くなることが予想される。図３の略図は、中空円筒２と管２２の間の変形領域３０の部分を図式で概略的に示す。ここで、直径Ｄは縦軸にプロットされ、長手軸上の位置ｘは横軸にプロットされている。径方向の膨張速度における望ましくない大きな差の効果を説明する目的で、長手軸６周りを回転する中空円筒２は、引き延ばされた管２２よりも大きな壁厚を有しており、その結果、変形領域３０に沿って壁厚は減少している。ここで、変形領域３０は灰色の陰によって示される。
【００３１】
変形領域３０の「始まり」は、位置に依存する変形領域の外径Ｄｖに式：Ｄｖ１＝Ｄ１＋１／１０×（Ｄ２−Ｄ１）を適用した際のｘ位置として定義される。また、変形領域の「終わり」は、位置に依存する変形領域の外径Ｄｖに式：Ｄｖ２＝Ｄ２−１／１０×（Ｄ２−Ｄ１）を適用した際のｘ位置を示す。
【００３２】
比較的大きな壁厚ＷＤを有する変形領域３０の前方部では、ベクトルＶｒ１で示される径方向の膨張速度は、式（１）〜（３）に基づいて得られる。一方、比較的高い径方向の膨張速度は、より長いベクトルＶｒ２で示されるように、一定の供給速度Ｖａで、より薄い壁厚ＷＤを有する変形領域３０の後方部で得られる。
【００３３】
これを防ぐため、変形領域の終わりの温度は、変形領域の始まりの温度よりも低いことが好ましい。ここで、変形領域の終わりと始まりの温度差は、少なくとも２０℃である。
【００３４】
変形領域に沿った不均質な温度プロファイルを生成するため、加熱領域が、互いに独立して加熱可能な２つ以上の加熱部に分割される。特に好ましい実施形態では、加熱領域は、変形領域の始まりに割り当てられた前方加熱部分と変形領域の終わりに割り当てられた後方加熱部分とを有し、前方加熱部分によって変形領域の表面に発生させられる温度が、後方加熱部分によって発生させられる温度よりも高いことが意図される。
【００３５】
理想的には、径方向の膨張速度は、変形領域の始まり（Ｄｖ１）と終わり（Ｄｖ２）の間で一定である。実際には、これらの位置における径方向の膨張速度の差が（２つの値のうち小さいほうを基準として）５０％以下である時に有用であることが分かった。
【００３６】
局所的な径方向の膨張速度を変える更なるパラメータは、引き伸ばされたガラスストランドの壁厚である。壁厚が厚いほど、同じ粘度での径方向の膨張に対する変形耐性が大きい。径方向の膨張速度は、壁厚と反比例する。これは、中空円筒が加熱領域に入る時の速度と管が加熱領域から出る時の速度の比によって決定される。この速度比が１未満である場合、石英ガラス管は延伸せず、圧縮される。これによって、軟らかく薄い壁の部分、即ち、径方向の膨張速度が高い壁の部分が主に厚くなる。理想的には、変形領域全体に亘る壁厚は、概ね一定に保たれ、これによって形成プロセスが安定化され、外径を正確に設定することが可能になる。
【００３７】
そのため、好ましい方法の変更例では、形成プロセスは、中空円筒が加熱領域に入る時の速度と管が加熱領域から出る時の速度の比が１未満である圧縮段階を少なくとも一時的に含むことが意図される。
【００３８】
ここで、支持体が、形成される中空円筒にその正面側で溶接され、ガラス旋盤のチャックで締められ、同時に回転する。熱源は、領域ごとに中空円筒に沿って移動する。この円筒の内部孔には決められた内圧をかけることができる。回転と遠心力及び内圧による駆動力により、この目的のためにチャックを引き離すことなく内部孔は拡張される。形成プロセスでは中空ガラス円筒を回転軸の方向に圧縮することもでき、圧縮後の管の壁厚は、圧縮前の壁厚の７０％から１００％以下になる。ここでの目的は、壁厚を大きく維持しながらガラス管の直径を増大することである。壁厚を（１００％より）増加させる圧縮工程も可能であるが、これは望ましくない変形を生じさせる。
【００３９】
ブロー圧力を生むためのガス消費はブロー圧力の程度に依存する。低いブロー圧力より高いブロー圧力の方がガス消費は少ない。そのため、高いブロー圧力が望まれる。しかしながら、寸法正確性と方法安定性が高度に要求される場合は、ブロー圧力を２０ｍｂａｒ未満、好ましくは１０ｍｂａｒ未満に設定することが好ましい。
【００４０】
ここで、高いブロー圧力はプロセス安定性を損ないかねないことが分かった。管壁に作用する接線方向の張力σＴは、式（１）に基づき数学的に表される。この式の第１項は、石英ガラス管の壁厚ＷＤに依存するブロー圧力の効果を示す。壁が薄いほど、この項はより重要になる。これは図４の図によって示される。縦軸には、製造される石英ガラス管の外径Ｄ（ｍ）に対する接線方向の張力σＴ（Ｎ／ｍ２）がプロットされる。起点は外径１９７ｍｍ、壁厚７．５ｍｍの初期管である。曲線Ａは、ブロー圧力が管の拡大に実質的に用いられる場合の、即ち、回転速度が０に近似する場合の、管の端直径の増加に伴う接線方向の張力の増加を示している。曲線Ｂは、直径が遠心力のみによって増大される場合の、即ち、回転速度９０ｒｐｍでの、管の端直径の増加に伴う接線方向の張力の増加を示している。一方、曲線Ｃも遠心力のみによる直径の増大を示しているが、回転速度はより低く、２５ｒｐｍである。
【００４１】
形成プロセスにおいて、石英ガラス管の壁に作用する接線方向の張力がブロー圧力に強く依存することが明らかとなった。厚い壁よりも薄い壁の方に高い接線方向の張力が働くため、変形過程において、出発円筒にみられる壁厚の偏りが、ブロー圧力の作用下で増大するという結果になる。これに対して、純粋に遠心力を用いた形成プロセスでは、曲線Ｂと曲線Ｃの比較によって示されるように、回転速度が増加すると若干影響するが、壁厚は接線方向の張力の増大に影響しないため、この増大効果がより小さい。
【００４２】
既知の形成プロセスによると、直径の差（Ｄ２−Ｄ１）が４０ｍｍより大きいと、キズの形成を許容せずに石英ガラスの中空円筒を形成することは不可能である。このような直径の変化は本発明の方法によって問題なく制御することができ、１つの形成工程で１２０ｍｍの直径の変化があったとしても、引き延ばされた管ストランドの不均質性やプロセス手順の不安定性は生じない。従って、本発明の方法では、一つの形成工程で７０ｍｍ以上、更には１００ｍｍ以上、直径を大きく変化させることが好ましい。
【００４３】
従って、上記の技術的課題は、上述の種類の方法から出発して、Ｖｒ，ｍａｘが２０ｃｍ／分未満であり、管がＤ１より少なくとも７０ｍｍ大きい外径Ｄ２を伴って製造されるように軟化された部分の径方向の膨張が行われる発明によっても達成される。
【００４４】
形成プロセスの高い安定性は、２０ｃｍ／分未満、好ましくは１０ｃｍ／分未満の小さい径方向の膨張速度が観察される場合に達成可能である。これによって、一つの形成工程で、直径の変化を７０ｍｍ以上、好ましくは１００ｍｍ超にすることが可能となるため、直径の変化が大きい場合も、少ない形成工程を有する、理想的には一つのみの形成工程を必要とする、特に経済的な形成プロセスが可能となる。具体的には、これによって、許容可能なエネルギー消費で、縞が顕著に現われることや相応の偏肉を伴わずに、５００ｍｍより大きい外径を有する石英ガラス大型管を製造することが可能となる。
【００４５】
好ましいプロセスの変更例では、加熱領域において、変形領域の一部の長さに少なくとも沿った、それと同じ一部の長さに沿った接線方向の張力のプロファイルと反対の推移を有する温度プロファイルが生成される。
【００４６】
この手順の更なる好ましい発展例は、上記で記載及び説明された、位置に依存する径方向の膨張速度の最大値Ｖｒ，ｍａｘと供給速度ＶａにＶｒ，ｍａｘ＜２Ｖａの関係が適用される手順の発展例と同様である。
【実施の形態】
【００４７】
以下、実施形態及び図面を参照し、本発明をより詳細に説明する。図面には以下のことが詳細に示される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】石英ガラスの中空円筒をガラス管に形成する装置の実施形態を側面概略図で示す。
【図２】図１の装置の断面の構造の更なる詳細を概略図で示す。
【図３】形成プロセスのパラメータを説明する図である。
【図４】形成プロセス中の管壁における接線方向の力へのブロー圧力と遠心力の影響を説明する図である。
【図５】変形領域の幾何学的形状のパワー密度入力に対する相関関係を説明する図である。
【００４９】
図１は、石英ガラスの中空円筒２を大型ガラス管２２に形成する装置を概略的に示す。形成プロセスは、それぞれの初期中空円筒を、外径９６０ｍｍ、壁厚７．５ｍｍの所望の大型管２２に連続して形成するいくつかの形成工程を含む。
【００５０】
保持管３は形成される石英ガラス中空円筒２の両正面に溶接されている。保持管３は水平なガラス旋盤５のチャック４に締められ、これらの管は回転軸６周りを同時に回転する。いくつかのバーナーが中空円筒２の外周の周りにリング状に分配されているバーナー運搬体２１（図２参照）は、一つの中空円筒の端から端に移動し、これによって、石英ガラスの中空円筒２を領域ごとにその円周全体に亘って加熱する。図１では、バーナー運搬体２１は、加熱領域を示す一点鎖の外周線２０によって記号化されており、図２にはその詳細が概略的に示されている。中空円筒２及び大型管２２の内部孔７を、ガス供給口９を通じてガスでフラッシュすることができ、決められた内圧を設定することができる。遠心力や内圧によって駆動すると、管の外壁は、バーナー運搬体２１と一緒に移動する黒鉛製の成形具８に支えられる。
【００５１】
方向矢印２３で示されるように、左から右に初期中空円筒２に沿って移動するバーナー運搬体２１は、図２に示される詳細から見ることができる。回転軸６周りを平行に回り、初期円筒２を加熱及び軟化する２つのバーナーリング２５ａ、２５ｂは、一つずつバーナー運搬体２１に取り付けられている。２つのバーナーリング２５ａ、２５ｂは、軸方向（６）に５０ｍｍの間隔を空けており、互いに独立して加熱出力を調整することができる。各バーナーリング２５ａ、２５ｂは、円筒の長手軸６周りに均等に分配された５つのバーナーからなり、円周方向で見ると、バーナー列５ａ、２５ｂの個別のバーナーは互いに補い合うように配列される。
【実施例】
【００５２】
速度４ｃｍ／分でのバーナー運搬体２１の前進運動により、中空円筒２は、速度６０ｒｐｍでその長手軸６（回転軸に相当）周りを回転しながら、バーナーリング２５ａ、２５ｂの作用下で連続的に加熱され、約２１００℃の高温となる。後部バーナーリング２５ｂでは、前部バーナーリング２５ａより小さい加熱出力が生成され、その結果、図５を参照して後でより詳細に説明される全体の加熱出力密度が得られる。変形領域に沿って可能な限り一定の径方向の膨張速度を達成するため、ここで加熱出力曲線の軸方向のプロファイルが（むしろ絶対値よりも）重要となる。
【００５３】
ここで、内部孔７をガスでフラッシュすることが可能であり、約１００ｍｂａｒまでの範囲で定められ、制御された内圧が内部孔７内において設定される。本実施形態では、１５ｍｂａｒのブロー圧力が適用される。
【００５４】
バーナーリング２５ａ、２５ｂでの加熱によって、石英ガラスは低粘度となり、成形器具を用いずに、遠心力及び内圧の作用だけで管２２に変形される。このように、この形成プロセスは器具を用いない。補助的に、管の外壁は黒鉛製の成形具８に支えられる。
【００５５】
壁厚の測定のため、カメラ２６が出発円筒２の部分と引き延ばされた石英ガラス管２２の部分に配置される。カメラ２６は、壁厚制御手段を含むコンピュータ２７に接続される。管ストランドが回転すると同時に、カメラ２６は、壁の偏り量（壁厚の最大値から最小値を引いた値）と外周の最小壁厚と最大壁厚の外周位置を決定するように、コンピュータ２７で評価される壁厚プロファイルを連続して生成することが可能である。
【００５６】
本形成プロセスでは、付加的な延伸は自動では起こらない。出発円筒は、膨張した石英ガラス管２２が中空円筒２と大体同じ壁厚になるようにしばしば圧縮される。本実施形態では、１５％圧縮される。即ち、管２２の断面積が、中空円筒２の断面積より１５％大きい。
【００５７】
径方向の膨張速度は式（１）〜（３）に基づいて決定され、最大値においても８ｃｍ／分未満となるように設定される。石英ガラスの密度については、２２００ｋｇ／ｍ３の値が用いられ、石英ガラスの粘度ηについては、以下の式が与えられる。
2016135734.tif 000006
【００５８】
このようにして得られた石英ガラス管２２は、更なる形成プロセスにおける初期中空円筒として用いることができる。これにより、最初の中空円筒２は、いくつかの工程で膨張させられ、各形成工程で１２０ｍｍの直径の拡大がなされ、石英ガラスの大型管となる。ここで、バーナーリング２５ａ、２５ｂの外径及び成形器具８のワーク距離は、形成工程のそれぞれの外径に適合される。
【００５９】
この方法により、経済的な方法で、全体的に高い寸法安定性を有する合成石英ガラス製の又は天然原料の石英ガラス製の大型管が生産される。これによって製造された石英ガラスの大型管の壁厚の偏りは、管の長さメートル辺り１ｍｍ未満となる。
【００６０】
図４の図は、壁厚の偏りへのブロー圧力の影響を説明している。縦軸には、製造される石英ガラス管の外径Ｄ（ｍ）に対する接線方向の張力σ（Ｎ／ｍ２）がプロットされている。外径１９７ｍｍ、壁厚７．５ｍｍの初期管から出発する。曲線Ａは、ブロー圧力が管の拡大に実質的に用いられる場合の、即ち、回転速度が０に近似する場合の、管の端直径の増加に伴う接線方向の張力の増加を示している。曲線Ｂは、直径が遠心力のみによって増大される場合の、即ち、回転速度９０ｒｐｍでの、管の端直径の増加に伴う接線方向の張力の増加を示している。一方、曲線Ｃも遠心力のみによる直径の増大を示しているが、回転速度はより低く、２５ｒｐｍである。
【００６１】
形成プロセスにおいて、石英ガラス管の壁に作用する接線方向の張力がブロー圧力に大きく依存することは明らかである。これにより、厚い壁よりも薄い壁の方が高い接線方向の張力に曝されるため、変形過程において、出発円筒にみられる壁厚の偏りが、ブロー圧力下で増大するという結果になる。これに対して、純粋に遠心力を用いた形成プロセスでは、曲線Ｂと曲線Ｃの比較によって示されるように、回転速度が増加すると若干影響するが、壁厚は接線方向の張力の増大に影響しないため、この増大効果がより小さくなることが判明した。
【００６２】
図５は、変形領域の部分の温度の幾何学的設計への影響を説明する図を示す。左の縦軸には、長手軸上の位置ｘ［ｍｍ］に対する「肩」の半径Ｒ［ｍ］がプロットされ、右の縦軸には、パワー密度Ｌ（Ｗ／ｍ］がプロットされている。
【００６３】
この図には、２組の曲線が比較して示される。１組の曲線Ｌ１／Ｒ１において、肩の半径の推移Ｒ１は、従来のパワー密度の分布Ｌ１に基づいて決定されたものである。もう１組の曲線Ｌ２／Ｒ２は、本発明によるパワー密度の分布Ｌ２に適合した際の肩の半径の推移Ｒ２への効果を示す。
【００６４】
ここで注意すべきことは、ガラスの熱は更に運ばれ、言うなれば合計されるため、パワー入力のプロファイルは温度プロファイルとは一致しないことである。これが、パワー入力が常に概ね肩の曲り目、即ち、最も急勾配な点で終わる理由である。図示されたパワープロファイルＬ２は、変形領域内の径方向の変形速度がほぼ一定となるように、関連する温度プロファイルが適合された場合に得られる。この適合により、パワー密度の分布はより広くなる。
【００６５】
１組の曲線Ｌ２／Ｒ２における適合は、軸方向の温度分布と関連し、変形領域（３０）全体に沿って可能な限り一定な径方向の膨張速度が得られるように変形領域（３０）に沿った接線方向の張力の変化を補償することを意図している。このとき、上記の径方向の膨張速度はいずれにしろ上記最大値８ｃｍ／分を超えることはない。
【００６６】
対応する軸方向の温度プロファイルの計算は、式（４）に基づいて行われる。これによって、変形領域に沿った温度プロファイルがある軸方向の位置で最小値を有する際に、接線方向の張力のプロファイルが最大値を有することが保証される。
【００６７】
また、パワー密度Ｌ２の比較的広い分布は、最大値が非常に小さい（Ｌ１の約２６０．００Ｗ／ｍと比較して約２３０．００Ｗ／ｍ）にもかかわらず、非常に大きな端半径Ｒ２（Ｒ１の約０．１２５ｍと比較して約０．１６０ｍ）をもたらすことが分かった。また、Ｒ２の肩形状内の傾斜が長距離に亘ってほぼ一定であること、端半径がより大きいにもかかわらず、最大の傾きがＲ１とほとんど変わらないことも見て取れる。肩の傾きが一定であることは、安定した形成プロセスの証である。
【比較例】
【００６８】
別の形成プロセスでは、回転速度、加熱温度、及び温度プロファイルは、上記の実施形態に従って設定されるが、バーナー運搬体１１の供給速度Ｖａは、約３ｃｍ／分の速度に減少される。
【００６９】
この減少された供給速度により、変形領域２０において比較的高い径方向の膨張速度Ｖｒが得られる。上記式（１）〜（３）に基づき、約６ｃｍ／分より大きい最大値Ｖｒ，ｍａｘが得られる。
【００７０】
最初の中空円筒２は、いくつかの工程で膨張させられ、各形成工程で１２０ｍｍの直径の拡大がなされ、石英ガラスの大型管となる。これによって、製造された石英ガラスの大型管の壁厚の偏りは、管の長さメートル辺り１ｍｍより大きくなり、寸法安定性が高度に要求される用途には不適当となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年1月26日(2016.1.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスから外径Ｄ１を有する中空円筒（２）を形成し、前記円筒を、回転軸（６）周りに回転させながら、相対供給速度Ｖａで移動する加熱領域（２０）中の部分において軟化させ、変形領域（３０）を形成するように遠心力及び／又は前記中空円筒の孔内にかかる内部過圧の作用下で前記軟化された部分を径方向に膨張させ、Ｄ１より大きい外径Ｄ２を有する管（２２）を連続的に成形して、ガラス管（２２）を製造する方法であって、前記軟化された部分の径方向の膨張は、位置に依存する径方向の膨張速度Ｖｒで行われ、前記変形領域に沿った前記径方向の膨張速度のプロファイルは、前記供給速度Ｖａの２倍未満である最大値Ｖｒ，ｍａｘを有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記径方向の膨張速度の最大値Ｖｒ，ｍａｘは、前記供給速度Ｖａの１．５倍未満であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加熱領域（２０）において、前記変形領域（３０）の一部の長さに少なくとも沿った、それと同じ一部の長さに沿った接線方向の張力のプロファイルと反対の推移を有する温度プロファイルを生成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記変形領域（３０）の終わりの温度は、前記変形領域の始まりの温度より低いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱領域（２０）は、前記変形領域（３０）の始まりに割り当てられた前方加熱部分と、前記変形領域（３０）の終わりに割り当てられた後方加熱部分とを有し、前記前方加熱部分によって前記変形領域（３０）の表面に与えられる温度が、前記後方加熱部分によって与えられる温度よりも高いことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記形成方法は、前記中空円筒（２）が前記加熱領域（２０）に入る時の速度と前記管（２２）が前記加熱領域（２０）から出る時の速度の比が１未満である少なくとも一つの圧縮段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記径方向の膨張速度の最大値Ｖｒ，ｍａｘは、２０ｃｍ／分未満であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
ブロー圧力を２０ｍｂａｒ未満に設定することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記管（２２）は、Ｄ１より少なくとも４０ｍｍ大きい外径Ｄ２を有するように製造されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
ガラスから外径Ｄ１を有する中空円筒（２）を形成し、前記円筒を、回転軸（６）周りに回転させながら、相対供給速度Ｖａで移動する加熱領域（２０）中の部分において軟化させ、変形領域（３０）を形成するように遠心力及び／又は前記中空円筒の孔内にかかる内部過圧の作用下で前記軟化された部分を径方向に膨張させ、Ｄ１より大きい外径Ｄ２を有する管（２２）を連続的に成形して、ガラス管（２２）を製造する方法であって、前記軟化された部分の径方向の膨張は、位置に依存する径方向の膨張速度Ｖｒで行われ、前記変形領域に沿った前記径方向の膨張速度のプロファイルは最大値Ｖｒ，ｍａｘを有し、Ｖｒ，ｍａｘが２０ｃｍ／分未満であり、前記管（２２）がＤ１より少なくとも７０ｍｍ大きい外径Ｄ２を伴って製造されるように前記軟化された部分の径方向の膨張が行われることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記管（２２）が、Ｄ１より少なくとも１００ｍｍ大きい外径Ｄ２を伴って製造されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
方向矢印２３で示されるように、左から右に初期中空円筒２に沿って移動するバーナー運搬体２１は、図２に示される詳細から見ることができる。回転軸６周りを平行に回り、初期円筒２を加熱及び軟化する２つのバーナーリング２５ａ、２５ｂは、一つずつバーナー運搬体２１に取り付けられている。２つのバーナーリング２５ａ、２５ｂは、軸方向（６）に５０ｍｍの間隔を空けており、互いに独立して加熱出力を調整することができる。各バーナーリング２５ａ、２５ｂは、円筒の長手軸６周りに均等に分配された５つのバーナーからなり、円周方向で見ると、バーナー列２５ａ、２５ｂの個別のバーナーは互いに補い合うように配列される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
別の形成プロセスでは、回転速度、加熱温度、及び温度プロファイルは、上記の実施形態に従って設定されるが、バーナー運搬体２１の供給速度Ｖａは、約３ｃｍ／分の速度に減少される。
【外国語明細書】
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