JP2003508336A - 火炎加水分解によってガラス・プリフォームを製造する装置 - Google Patents

火炎加水分解によってガラス・プリフォームを製造する装置

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Abstract

(57)【要約】 火炎加水分解によってガラス・プリフォームを製造する装置が記述されている。この装置は、２つ以上のスート生成反応物流および火炎ガス流を、回転する支持マンドレルの方向に向けて堆積チャンバ内へ導くように構成したメイン堆積バーナを含み、火炎加水分解によってマンドレル上にガラス・プリフォームを形成する。スート生成反応物流を含まない火炎ガス流を、メイン堆積バーナの両側からガラス・プリフォームに向かってさらに導入するために、１対または複数対の補助バーナを含むこともでき、プリフォームが所定のサイズに達したとき追加の熱を加え、これによって効率を高める。メイン堆積バーナは、２つ以上のスート生成反応物流をマンドレルの方へ準接線方向に衝突するように導き、さらに、火炎ガス流を２つ以上のスート生成反応物流に向かって斜め内方向に導くように構成されており、２つの直交軸の１つまたは両方に沿って火炎の幅を狭める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） これは１９９９年９月３日出願の米国仮出願Ｎｏ．６０／１５２，２９３の一
部継続出願である。
【０００２】 本発明は、一般的には火炎加水分解によるガラス・プリフォームを製造するた
めの装置に関し、より詳細には高堆積速度および改善された効率でガラス・プリ
フォームを製造するための装置に関する。
【０００３】 過去２０年にわたり、光ファイバの製造に使用する円筒形ガラス・プリフォー
ムは、火炎加水分解によるスートの堆積および焼結の２ステップ法を用いて合成
ガラス質シリカを製造することによって生産されてきた。この火炎加水分解法を
用いる２つの主要な光ファイバ製造法は、気相外付け堆積法（ＯＶＤ）および気
相軸付け堆積法（ＶＡＤ）と呼ばれる。火炎加水分解を使用しない、他の２つの
工業的な光ファイバ製造法は、変形化学気相堆積法（ＭＣＶＤ）およびプラズマ
化学気相堆積法（ＰＣＶＤ）と呼ばれる。
【０００４】 火炎加水分解の基本的なプロセスは、５０年以上前に発明された。このプロセ
スは、１ステップの堆積プロセスとして工業化され、堆積した材料を中間密度の
クリア・ガラスの状態とするため、堆積温度は十分高温に保持された。最初にか
なり低い温度で多孔質プリフォームを堆積し、次いでクリア・ガラスに焼結する
２ステップの堆積プロセスは、光ファイバの出現に伴って後で工業化された。こ
の２ステップのプロセスは、水酸基イオン混入の少ない材料を製造できる理由で
、他の用途にも適用されてきた。
【０００５】 このような火炎加水分解プロセスにおいては、シリコンを含む種々の前駆体材
料が蒸気化され、次いで反応ガスと共に、堆積チャンバ内で酸水素または酸ガス
火炎を生成するバーナに送られる。火炎内の反応でサブ・ミクロンのシリカ・ス
ート微粒子が生成し、この微粒子は、円筒形マンドレル上に画定される円筒形の
堆積面の長さに沿って集積される。マンドレルが回転する一方、バーナと堆積面
間には相対的な軸方向の運動が与えられる。スート微粒子は、熱泳動と呼ばれる
現象、すなわち熱勾配の中にある粒子が、より冷たい面に向かって動く現象によ
って堆積面上に集まる。
【０００６】 堆積速度およびスート集積効率はプロセスの経済性に影響を及ぼす２つの主要
なパラメータである。これらのパラメータは、バーナおよび堆積チャンバの構造
によって大部分支配される。これらの構成要素を設計するには、堆積が広範囲の
形状に起き得ることを理解すべきであり、その１つは円筒形ロッドである。円筒
形堆積の場合、出発マンドレルの直径は１ｃｍ未満にすることができ、最終の直
径は４０ｃｍ超にすることができる。加えて、スートの密度を高くし、クラッキ
ングを防止するために、堆積面の温度を十分高く保持することが重要である。し
かし、部分的な焼結が起きて、焼結したガラス中に気泡が生じるほど高くてはな
らない。堆積した材料の直径は均一でなければならず、堆積した材料の端部は、
剥離を防止するため十分高温に保持されねばならない。
【０００７】 上で概述した火炎加水分解プロセスの効率は、多くの要素、すなわち反応物の
選択、火炎ガスの選択、堆積材料の出発直径および最終直径の選択、バーナの設
計、および堆積チャンバの設計に依存している。
【０００８】 数年にわたり、光ファイバ工業に用いるバーナ構造が多数開発されてきた。最
も一般的なものは、同心管バーナおよびアパーチャ・バーナと呼ばれる。これら
のバーナの概念図をそれぞれ図１および図２に示す。他の一般的なバーナのタイ
プは、融解シリカ製品工業に用いられており、同心管バーナおよびアパーチャ・
バーナの特徴が結合されている。このバーナのフェースの概念図を図３に示す。
バーナは酸水素または酸ガス火炎を用い、表面混合および予備混合バーナとして
機能する。これらのバーナは、一般的に融解シリカ・ガラス、または、アルミニ
ウムあるいはステンレス・スチールなどの金属で構成されている。
【０００９】 図１〜３の基本的なバーナ構造は、共通して円形対称という設計の特徴がある
。どちらの場合にも、反応化学物質はバーナの中央から噴流として噴出され、周
囲の火炎から遮蔽するために、シールド・ガス流が化学物質流を取り囲む。この
方法では、反応はバーナ表面から離れたところで起こり、望ましくない反応物が
バーナ表面に堆積して機能に有害な影響を与えることを防止する。これらのバー
ナは全て、ガスおよび化学物質が噴出されるフェースが、実質上平坦であるよう
に作られている。バーナ構造には、熱プロファイル、各バーナが最適に作動する
レイノルド数、反応が起きるフェースからの距離、および火炎の長さを含む、互
いにいくつかの相違点がある。当業者であれば、堆積プロセスにおけるこれらの
パラメータの意味を理解するであろう。
【００１０】 他のバーナ構造は、図に示していないが、１）複数の化学物質フロー・ポート
および非円形の火炎形状を持つリボン・バーナ、２）オフセット化学物質管バー
ナ、３）バーナの異なった面から火炎が噴出するように構成された、多重火炎バ
ーナを含む。
【００１１】 光ファイバ・プリフォーム製造者の多くは、ガラスを形成する材料の塩化物を
反応物として使用し、反応生成物のひとつは塩酸である。加えて、ガラスを形成
する酸化物微粒子またはスートの全てが堆積面に集積される訳ではない。それゆ
え、堆積チャンバを密閉する必要があり、排気ガスを処理して、酸を中和し、堆
積しなかったスート微粒子を除去することが必要となる。
【００１２】 図４は円筒形状に堆積するための堆積チャンバの簡単な形状を示している。図
示されたチャンバは、チャンバの一側面に配置された固定バーナおよび対向の排
気ポートを組み込んでいる。スートが堆積してロッドを形成するマンドレルを、
チャック・アセンブリが垂直方向に保持する。チャック・アセンブリの上部に配
置されたモータがマンドレルを回転させ、この全体の機構はトラバース機構に搭
載され、ロッドの全長がバーナによって生成された火炎およびスート微粒子を横
切って上下に動くことができる。ロッドがバーナの火炎をトラバースする度にス
ート層がロッド上に堆積し、このプロセスは所望量のガラスが堆積されるまで続
けられる。
【００１３】 別法の設計として、ロッドを水平方向に配置することができ、この固定された
、しかし回転するロッドに沿ってバーナがトラバース運動を行い、スートを１層
ずつ堆積することができる。この設計では、排気ポートは固定にすることも、あ
るいはバーナと連動してトラバース運動させることもできる。バーナは水平方向
にも垂直方向にも配向することができる。
【００１４】 以上に概述したバーナの１つの限界は、これら全てのバーナが３つの明確な機
能、すなわち（１）スートを発生させること、（２）基体上にスートを効率よく
堆積させるために必要な熱泳動駆動力を持つこと、（３）堆積したスートの密度
を制御するために熱を供給すること、を備えるように構成しなければならないこ
とである。このことが、単一のバーナを用いて得られる堆積速度を制限してきた
。さらに、多重バーナを組み込んだシステムは、過度に複雑な制御機構を必要と
し、かつバーナ設計にもはるかに高度な精度が必要となることが考えられる。
【００１５】 スートを生成させること、および熱泳動駆動力を与えること双方のために単一
バーナを使用すると、効率良く製造できる堆積面のサイズが限定される。熱泳動
駆動力は、スート流が火炎のエンベロープと堆積面の間に閉じ込められたときに
のみ存在する。したがって、図５に示したように、火炎は堆積基体を完全に包み
込めるように十分な長さでなければならない。
【００１６】 円筒形ロッドに熱泳動で堆積すると、所与のバーナの堆積速度は一般的にロッ
ドの直径に比例する筈である。したがって、より直径の大きなプリフォームが、
より高い平均堆積速度を達成する。図６に示したように、直径５〜１２ｃｍの範
囲の堆積面では、理論的に予測できるように、従来のバーナの堆積速度は一般的
に直径に対して直線的に増加する。しかし、ロッドの直径が特定の値、例えば約
１２ｃｍに達した後、この種のバーナの堆積速度は増加を止める。
【００１７】 この直線性がない理由のひとつは、直径の大きなロッドでは、バーナの火炎の
長さが、ロッドの全周にわたって熱泳動駆動力を与えるには不十分であるためで
ある。また、基体の直径が増加すると、それに応じて表面の線速度が増加し、基
体から熱が失われる速度も増加する。それゆえ、追加の熱を加えること、または
ガス流を多くすることによってのみ堆積温度が保持できる。さらに、火炎長を長
くすると、バーナに供給する反応物の量を増加させる必要があり、これが堆積ゾ
ーンの乱流を増加させて、堆積効率が減少し、堆積速度が低下する。基体の成長
に従ってバーナを基体から後退させることによって、乱流を少なくすることがで
きるが、火炎の長さが不十分であると、火炎から基体へ移動する熱量を減少させ
、スートの密度を維持することがますます困難になる。妥協した最善の設計のス
ート集積効率はわずかに約５０％である。
【００１８】 火炎が回転軸に沿って、ある角度で堆積面に衝突するように火炎を配向すれば
、堆積ゾーンの乱流は制御できる。これによってスートの集積効率は約７０％に
改善されるが、バーナの数は１個だけに制限される。加えて、この単一バーナの
火炎長さは、プリフォームの直径を限定する。
【００１９】 火炎長を長くする方法のひとつは、多重火炎バーナを使用することであり、２
個以上の火炎が化学物質管の周りに同心状に形成される。最初の火炎はバーナか
らの化学物質の出口面に生じ、他の火炎は堆積ターゲットにより近く生じる。こ
の設計の問題は、火炎の幅が増加して、スート微粒子が堆積するまでの行程が長
くなることである。火炎長を長くすることにもやはり限界がある。
【００２０】 もうひとつのアプローチは、多重バーナをターゲット・ロッドに沿って軸の方
向に分離して使用する方法であり、スート流は、堆積面へ垂直に向けられる。こ
のアプローチにおいては、バーナが軸方向に分離しており、堆積面の端部のサイ
ズが増加して不均一となる。使用可能なスートの有効集積効率はわずか約３０％
に低下する。
【００２１】 バーナがターゲット・ロッドの周りに同心状に配置された多重バーナ装置は、
一般的に堆積速度を増加させない。その理由は、最初のバーナからの火炎が、残
るバーナからのスート流が堆積面上に堆積することを効果的に妨げるからである
。既存のバーナの根本的な制約を克服するためには、非常に複雑な多重バーナ堆
積装置が開発されねばならなかった。
【００２２】 火炎加水分解によってガラス・プリフォームを効率良く製造するためには、堆
積装置の改良が必要であることが理解されよう。本発明はこの要求をかなえるも
のであり、さらに関連した利点を提供するものである。
【００２３】 （発明の概要） 本発明は火炎加水分解によって、効率良くガラス・プリフォームを製造する堆
積装置に関する。この装置は堆積チャンバ内に搭載された、縦軸の周りを回転す
るための支持マンドレルと、スート生成反応物流および火炎ガス流を支持マンド
レルの方に導くように構成されたメイン堆積バーナを含み、火炎加水分解によっ
てガラス・プリフォームがマンドレル上に形成される。スート生成反応物流を含
まない火炎ガス流を、ガラス・プリフォームの方へ導入するように構成された、
１個または複数の補助バーナが、メイン堆積バーナからの火炎ガス流では十分に
熱せられないプリフォームの部分を加熱する。支持マンドレル上に形成されたガ
ラス・プリフォームが所定のサイズに達した後、１個または複数の補助バーナを
制御して運転するように、制御装置が構成されている。補助バーナは、メイン堆
積バーナの両側に、支持マンドレルの周囲に間隔を置いて配置することができる
。
【００２４】 本発明のさらに詳細な特徴では、メイン堆積バーナが、支持マンドレル上に形
成されるガラス・プリフォームの準接線方向へスート生成反応物流を導くように
構成されている。さらに、この装置は、プリフォームのサイズが成長するに従っ
て、メイン堆積バーナをガラス・プリフォームから退かせるように構成したマウ
ントを含むことができる。これらの特徴のどちらもプリフォームのところのスー
トを生成する反応物流の乱れを低減させ、これによってスート集積効率が向上す
る。
【００２５】 メイン堆積バーナは、スート生成反応物流を形成するように、中心軸に位置を
合わせた反応物ポートを含み、さらに、スート生成反応物流の周りに同心状に火
炎を形成するように、反応物ポートの周りに同心状に配置された複数の火炎ポー
トを含む。さらにメイン堆積バーナは、スート生成反応物流と火炎の間に内部ガ
ス・シールド流を形成するように、反応物ポートの周りに同心状に、反応物ポー
トと複数の火炎ポート間に配置された第１の複数のシールド・ガス・ポートと、
火炎の外側で動径方向に外部ガス・シールド流を形成するように、反応物ポート
の周りに同心状に、複数の火炎ポートの外側で動径方向に配置された第２の複数
のシールド・ガス・ポートを含むことができる。
【００２６】 複数の火炎ポートは、火炎をメイン堆積バーナの中心軸に向かって斜め内方向
に導くように構成することができる。これらの火炎ポートは、火炎が、横断軸の
１つに沿って、メイン堆積バーナの中心軸に向かって斜め内方向に配向されるが
、直交する横断軸に沿っては、中心軸に対して実質上平行して配向されるように
非対称的に構成することができる。
【００２７】 本発明の一形態では、メイン堆積バーナは、支持マンドレル上に形成されるガ
ラス・プリフォーム上に実質上動径方向に衝突するスート生成反応物の中央の流
れを形成するように、バーナの中心軸に位置合わせされた中央反応物ポートを含
むことができる。さらに、ガラス・プリフォーム上に準接線方向に衝突するスー
ト生成反応物の補足的な流れを形成するように、中央反応物ポートの両側に配置
された１対の補足反応物ポートを含むことができる。中央ポートおよび１対の補
足ポートへの反応物ガスの供給は、支持マンドレル上に形成されているガラス・
プリフォームのサイズに応じて、バルブによって制御することができる。
【００２８】 メイン堆積バーナは、酸素と天然ガスの混合物、または酸素と水素の混合物の
いずれも燃焼するように構成することができる。
【００２９】 本発明の他の特徴および利点は、添付の図面と関連付けながら、一例として本
発明の原理を開示する、好ましい実施形態の以下の説明から明らかになろう。
【００３０】 （好ましい実施形態の説明） 例示的な図面、特に図７を参照して、火炎加水分解によって円筒形のガラス・
プリフォーム２０を製造するための、本発明によるシステムが示されている。プ
リフォームは、回転するように堆積チャンバ２４内に搭載された出発マンドレル
またはロッド２２上に形成される。メイン堆積バーナ２６は、スート微粒子流２
８および包囲する火炎３０の双方を、回転するロッドの方に導く。熱泳動の現象
によって、スート微粒子は火炎から離れて回転するロッドに向かって動き、ロッ
ド上に薄い層として堆積する。メイン・バーナは、可動台部（図には示されてい
ない）によって回転するロッドの軸方向に動く。ガラス・プリフォームは、これ
によって１層ずつ積層され、円筒形になる。
【００３１】 ロッド２２が水平軸の周りを回転するように図示され、また、メイン堆積バー
ナ２６がスート流２８をロッドに向かって上方に導いているように図示されてい
るが、別法の配向も採用できることを理解すべきである。堆積しなかったスート
微粒子および火炎３０からの排気ガスは、メイン・バーナの対向する側でロッド
の側部に配設された排気ポート３２を経由して堆積チャンバ２４から排出される
。
【００３２】 プリフォーム２０の直径が１層ずつ成長すると、ついにはメイン堆積バーナ２
４からの火炎３０の長さが、プリフォームの周囲全体を取り囲むには不十分にな
る程の直径に達する。このことが、スート流２８の、火炎で囲まれない部分での
熱泳動効果を制限して、堆積効率に不利な影響を及ぼすことになる。この問題を
回避するために、このシステムはさらに追加して、対の補助バーナ３４ａ、ｂお
よび３６ａ、ｂを、ロッド２２およびプリフォーム２０の周囲、メイン・バーナ
の両側に間隔を置いて組み込んでいる。プリフォームが所定のサイズに成長した
後、これらの補助バーナは、火炎３８をプリフォームの方へ導くように制御され
る。
【００３３】 補助火炎３８は、プリフォーム基体２０が最終の直径に近くなったときでも、
基体の周囲全体が火炎に囲まれることを確実にする。さらに、補助火炎は、プリ
フォーム上に斜めに衝突し、火炎の速度はプリフォームの堆積面上の乱流を最小
にするように制御される。さらに、追加の（または少ない）補助バーナを代わり
に用いることができ、この補助バーナの相対的な配置は、種々の要素、すなわち
火炎の長さおよびプリフォームの予期する最終直径によって変更することができ
る。
【００３４】 図８および図９を参照すれば、メイン堆積バーナ２６は３個の反応物供給管４
０ａ、ｂ、ｃを組み込んでおり、３つのスート流４２ａ、ｂ、ｃを発生する。中
央の供給管４０ｂは、回転ロッド２２およびプリフォーム２０の軸に対して動径
方向に配向されている。プリフォームの直径が比較的小さいときは、反応物の大
部分は中央管４０ｂを経てスート流４２ｂに供給される。しかし、プリフォーム
の直径が成長すると、化学物質の大部分は側部の供給管４０ａ、ｃを経て供給さ
れる。バルブ４４は反応物の供給管への搬送を制御する。側部の供給管によって
形成した側部のスート流４２ａ、ｃは、堆積基体上に準接線方向に衝突し、プリ
フォームの堆積面上の乱流を減少させる。
【００３５】 メイン堆積バーナ２６は、酸素と天然ガスの混合物または酸素と水素の混合物
を、供給管４０ａ、ｂ、ｃと同心でリング形状のガス・チャンバ４６に送ること
によって、火炎３０を生成する。ガス混合物は、供給管の周りにリングを形成す
るいくつかのポート４８を経由して、ガス・チャンバから放出される。ガス・チ
ャンバと同心に、リング形状の内側シールド・チャンバ５０およびリング形状の
外側シールド・チャンバ５２があり、窒素シールド・ガスを受容し、このシール
ド・ガスをそれぞれ出口ポート５４および５６に導く。これは、反応物流４２ａ
、ｂ、ｃと火炎の間に配置された内部のリング形状シールド・ガス流を、また、
火炎の外側に動径方向に配置された外部のリング形状シールド・ガス流を形成す
る。これらの２つのシールド・ガス流を形成するポートは、この流れがバーナの
中心軸と実質上平行で、集束しない流路を通るように配向されている。
【００３６】 プリフォーム２０上の堆積面のところの乱流をさらに少なくするために、メイ
ン堆積バーナ２６は架台５８に搭載され、プリフォームの直径が成長を続けるに
従ってバーナをプリフォームから退けることが可能である。出発ロッドの直径が
十分大きければ、中央供給管４０ｂを省き、２つの準接線方向のスート流を生成
する２個の側部供給管４０ａ、ｃのみを残しておくことも可能であることを理解
すべきである。
【００３７】 図１０および図１１は本発明によるメイン堆積バーナ２６’の別法の実施形態
を示す。このバーナは、図８および図９のバーナ２６とは異なり、火炎３０’を
生成するポート４８’および外側のリング形シールド・ガス流を生成するポート
５６’が、この２つの流れが中央スート流４２ｂに向かって集束するように配向
されている。この構成は火炎の幅を小さくする。これは、回転するロッドおよび
堆積基体の軸に沿って間隔を置いて配置された複数の堆積バーナを有する堆積装
置の要素として、特に有用である。
【００３８】 図１２〜１４は、本発明によるメイン堆積バーナ２６”の、もう１つの別法の
実施形態を示す。このバーナは、図８および図９のバーナ２６、ならびに図１０
および図１１のバーナ２６’とは異なり、非対称である。火炎ガス用のポート４
８”は、火炎３０”が２つの直交軸の中の１つ、すなわち図１３に示した軸に沿
ってのみ、バーナのスート流４２ｂに向かって集束するように配向されている。
通常、この軸は回転ロッドおよび堆積基体の軸と平行に位置合わせされ、これに
よってこの軸に沿った火炎の幅を減少させる。この火炎は直交軸（図１４）に沿
っては集束せず、そのかわりバーナのフェースと直角に配向される。このことが
堆積基体の周囲で準接線方向の流れを促進する。このバーナ構成は、大きな直径
の基体上へスートを堆積させることに特に適している。
【００３９】 補助バーナ３４ａ、ｂおよび３６ａ、ｂは、従来技術の同心管バーナまたはア
パーチャ・バーナと同じ形で、中央の化学物質流のない構成とすることができる
。
【００４０】 酸素／ガス混合物を受容するバーナにとって好ましいバーナの設計は、図８お
よび図９のアパーチャ・バーナ２６であり、適当な金属材料で作られる。表面混
合バーナもまた適しており、本発明の全ての特徴は表面混合バーナの形に設計す
ることができる。酸素／水素混合物を受け取るバーナにとって好ましいバーナの
設計は、ガラス管で作られた同心管バーナである。当業者ならば、本発明による
設計の適切な同心管バーナを容易に設計することができよう。
【００４１】 本発明は、以下でさらに詳細に開示する、本発明による堆積装置の例示的な３
実施形態から良く理解できるであろう。
【００４２】 （実施例１） 図１５は、本発明によるメイン堆積バーナ６０の、好ましい第４の実施形態の
フェースを示す。図１２〜１４のバーナ２６”のように、このバーナのフェース
は非対称である。しかし、図１２〜１４のバーナと違って、このバーナ６０は外
部シールド・ガス流を形成するポートを組み込んでいない。このバーナは化学管
アパーチャ・タイプであって、特に酸素／天然ガス予備混合物を燃焼するのに適
している。以下に記述するパラメータは、図１５のバーナ６０を組み込んだ堆積
装置に適していると考えられる。
【００４３】 堆積バーナの構成 化学管： 中央管の内径：６ｍｍ 中央管の外径：８ｍｍ 準接線管の内径：８ｍｍ 準接線管の外径：１０ｍｍ 準接線管の角度：１０° 内部シールド： 非対称チャンバ：小軸１５ｍｍ 大軸３５ｍｍ アパーチャの数：１０〜２０ アパーチャ内径１ｍｍ 酸素／ガス予備混合：軸テーパ角度：１５° 小軸幅：３５ｍｍ 大軸幅：５５ｍｍ アパーチャ・リングの数：２ アパーチャの数：３０〜９０ 外部シールド： 推奨できないため指定しない。 ガス・フロー： 火炎：酸素／天然ガス 内部シールド：アルゴン 化学管：酸素／四塩化シリコン（ＳｉＣｌ4）気体 流速： 酸素／天然ガス：４０ｓｌｐｍ（一定） 内部シールド：酸素／天然ガスと同じ ＳｉＣｌ4：最初の投入 １ｇ／分、 直径５ｃｍまで １０から２０ｇ／分に増加 最終直径まで ２０から１２０ｇ／分に増加 化学管中の酸素：１ｓｌｐｍ（任意）
【００４４】 堆積チャンバおよびロッド ロッド回転速度： ６０回転／分 火炎方向： 上方へ垂直 構造材料： ３１６ステンレス・スチール バーナ・シールド： バーナ・フェースから上方へ５０ｍｍ突出したシリカ管 バーナ・トラバース：３０ｃｍ／分 バーナと堆積面間の距離：出発から直径５ｃｍまで、１５ｃｍ 直径５ｃｍから終わりまで、２０ｃｍに増加 補助バーナ： バーナの数：２ 方向：上方へ垂直 出発ロッド面からの距離：１５ｃｍ バーナ軸間の距離：１０ｃｍ 火炎幅：２５ｍｍ（概略） 流体：酸素／天然ガス 流速：密度制御に必要な量
【００４５】 中央の化学物質流は、レイノルド数２０００を超えがちである。また、バーナ
６０のフェースで流れが乱れることもあるだろう。この流れの速度は、流れが堆
積面の方に流れると遅くなるし、流れがその面に到達するまでに層流になる限り
、プロセスの効率は維持される。補助バーナは、プリフォームの直径が所定値に
達した後だけ運転し、その発生する熱は、プリフォームの直径が増加するに従っ
て徐々に大きくすべきである。
【００４６】 （実施例２） 図１６は、本発明によるメイン堆積バーナ６２の、第５の実施形態のフェース
を示す。このバーナは、図１５のバーナ６０と同様に非対称であるが、石英管型
である。これは特に酸素／水素混合物を燃焼するのに適している。以下に記述す
るパラメータは、図１６のバーナ６２を組み込んだ堆積装置に適していると考え
られる。
【００４７】 堆積バーナの構成 化学管： 中央管の内径：６ｍｍ 中央管の外径：８ｍｍ 準接線管の内径：８ｍｍ 準接線管の外径：１０ｍｍ 準接線管の角度：１０° 内側シールド： 非対称チャンバ 小軸内径：１２ｍｍ 壁の厚さ：１ｍｍ 大軸：管アセンブリの長さより２ｍｍ大きい 火炎水素管： 軸テーパ角度：１５° １〜３ｍｍの隙間を有する小軸 壁の厚さ：１ｍｍ １〜３ｍｍの隙間を有する大軸 壁の厚さ：１ｍｍ 火炎酸素管： 軸テーパ角度：１５° １〜３ｍｍの隙間を有する小軸 壁の厚さ：１ｍｍ １〜３ｍｍの隙間を有する大軸 壁の厚さ：１ｍｍ レイノルド数：１５００ ガス・フロー： 火炎水素：６０ｓｌｐｍ 火炎酸素：４０ｓｌｐｍ（一定） 内部シールド：バーナへの堆積を防ぐために必要な量 ＳｉＣｌ4：最初の投入１ｇ／分 直径５ｃｍまで、１０から２０ｇ／分に増加 最終直径まで、２０から１２０ｇ／分に増加 化学管内の酸素：１ｓｌｐｍ（任意）
【００４８】 堆積チャンバおよびロッド ロッド回転速度： ６０回転／分 火炎方向： 上方へ垂直 構造材料： 融解シリカ バーナ・シールド： バーナ・フェースから５０ｍｍ上方へ突出したシリカ管 バーナ・トラバース：３０ｃｍ／分 バーナと堆積面間の距離：出発から直径５ｃｍまで、１５ｃｍ 直径５ｃｍから最終まで、２０ｃｍに増加 補助バーナ： バーナの数：２ 方向：上方へ垂直 出発ロッド面からの距離：１５ｃｍ バーナ軸間の距離：１０ｃｍ 火炎幅：２５ｍｍ（概略） 流体：火炎水素および酸素 流速：密度制御に必要な量
【００４９】 中央の化学物質流は、レイノルド数２０００を超えがちである。また、バーナ
６２のフェースで流れが乱れることもあるだろう。この流れの速度は、流れが堆
積面の方に流れると遅くなるし、流れがその面に到達するまでに層流になる限り
、プロセスの効率は維持される。補助バーナは、プリフォームの直径が所定値に
達した後だけ運転し、その発生する熱は、プリフォームの直径が増加するに従っ
て徐々に大きくすべきである。
【００５０】 （実施例３） さらに、本発明による堆積システムの、他の好ましい実施形態は、図８および
図９のバーナ２６と同様、対称のメイン堆積バーナを使用する。これは石英管タ
イプであり、化学管は２個のみを有し、どちらもターゲット・ロッドに斜めに入
射する反応物流を形成するよう構成されている。このバーナは、特に酸素／水素
混合物を燃焼するのに適している。その目的は、気相軸付け堆積（ＶＡＤ）コア
を工程内でクラッドすることである。以下に示すパラメータは、このバーナを組
み込んだ堆積装置に適していると考えられる。
【００５１】 堆積バーナの構成 化学管： 準接線管の内径：６ｍｍ 準接線管の外径：８ｍｍ 準接線管の角度：５° 内部シールド： チャンバ直径：２５ｍｍ 火炎水素： 適切な速度となるよう直径を調節した円筒形 火炎酸素： 適切な速度となるよう直径を調節した円筒形 外部シールド： 推奨できないため指定しない ガス・フロー： 火炎水素：６０ｓｌｐｍ 火炎酸素：３０ｓｌｐｍ 内部シールド：バーナへの堆積を防止するために必要な量 ＳｉＣｌ4：所望のｔ／ａ率に調節
【００５２】 堆積チャンバおよびロッド ロッド回転速度： 従来のＶＡＤ法で実施された速度 火炎方向： 水平面から上方へ１５°の傾き 構造材料： 融解シリカ バーナ・シールド： バーナ・フェースから少なくとも５０ｍｍ突出した融解シ
リカ バーナと堆積面間の距離：１５ｃｍ 補助バーナ： バーナの数：２ 方向：上方へ１５°の傾き 出発ロッド面からの距離：１５ｃｍ バーナ軸間の距離：１０ｃｍ 火炎幅：２５ｍｍ（概略） 流体：火炎水素および酸素 流速：密度制御に必要な量
【００５３】 前述の説明から、本発明が、火炎加水分解によってガラス・プリフォームを製
造するための、改良された装置および関連する方法を提供することが理解される
はずである。この装置は、スート生成反応物流および火炎ガス流を、回転する支
持マンドレルの方向に向けて堆積チャンバ内へ導き、火炎加水分解によってマン
ドレル上にガラス・プリフォームを形成するように構成されたメイン堆積バーナ
を含む。さらに、スート生成反応物流を含まない火炎ガス流を、メイン堆積バー
ナの両側から、ガラス・プリフォームの方へ導入するための、１対の補助バーナ
を含み、プリフォームが所定のサイズに達した時に追加の熱を加え、これによっ
て効率が向上する。
【００５４】 本発明を、好ましい実施形態に則して詳細に記述したが、当業者であれば、本
発明から逸脱することなく、種々の修正が可能であることを理解するであろう。
したがって、本発明は、上記の特許請求の範囲によってのみ明確に定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術の同心管バーナの簡単な斜視図である。
【図２】 従来技術のアパーチャ・バーナの簡単な斜視図である。
【図３】 従来技術のアパーチャ／同心管を組み合わせたバーナ面の簡単な図である。
【図４】 火炎加水分解によって円筒形のガラス・プリフォームを製造するための、従来
技術の堆積システムの概略図である。
【図５】 図４の従来技術による堆積システムの端面図であって、円筒形プリフォームを
取り囲む火炎を示す。
【図６】 典型的な従来技術の単一バーナ堆積システムにおける、ターゲットの直径と堆
積速度の関係を示すグラフである。
【図７】 本発明による、火炎加水分解によって円筒形ガラス・プリフォームを製造する
ための、堆積システムの一実施形態を示す概略図である。
【図８】 本発明によるバーナ・アセンブリの、第１の実施形態のフェースの図である。
【図９】 図８中の矢印９−９方向に断面を取った、図８のバーナ・アセンブリの断面図
である。
【図１０】 本発明によるバーナ・アセンブリの、第２の実施形態のフェースの図であって
、この実施形態は図８および図９の実施形態とは異なり、火炎がバーナの中心軸
に向かって内方向へ導かれている。
【図１１】 図１０中の矢印１１−１１方向に断面を取った、図１０のバーナ・アセンブリ
の断面図である。
【図１２】 本発明によるバーナ・アセンブリの、第３の実施形態のフェースの図であって
、この実施形態は図８〜１１の実施形態とは異なり、火炎が、ターゲット・ロッ
ドの軸に沿った方向にのみバーナの中心軸に向かって内方向に導かれている。
【図１３】 図１２中の矢印１３−１３方向に断面を取った、図１２のバーナ・アセンブリ
の断面図である。
【図１４】 図１２中の矢印１４−１４方向に断面を取った、図１２のバーナ・アセンブリ
の断面図である。
【図１５】 本発明によるバーナ・アセンブリの、第４の実施形態のフェースの図である。
【図１６】 本発明によるバーナ・アセンブリの、第５の実施形態のフェースの図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年９月２９日（２００１．９．２９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 6/00 ３５６ Ｇ０２Ｂ 6/00 ３５６Ａ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ， ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 火炎加水分解によってガラス・プリフォームを製造する装置
    であって、 堆積チャンバを画定する筐体と、 長手軸の周りを回転するように、堆積チャンバ内に搭載された支持マンドレル
    と、 ２つ以上のスート生成反応物流および火炎ガス流を支持マンドレルの方へ導き
    、火炎加水分解によってマンドレル上にガラス・プリフォームを形成するように
    構成されたメイン堆積バーナとを含み、前記バーナが、長手軸の両側でガラス・
    プリフォームの準接線方向に衝突するように２つのスート生成反応物流を導き、
    プリフォームのところの乱流を低減するように構成された装置。
  2. 【請求項２】 スート生成反応物流を含まない１つまたは複数の火炎ガス流
    をガラス・プリフォームの方へ導入して、メイン堆積バーナによって導かれた火
    炎ガス流では十分に熱せられないプリフォームの部分を加熱するように構成され
    た１個または複数の補助バーナと、 支持マンドレル上に形成されたガラス・プリフォームが所定のサイズに達した
    後、１個または複数の補助バーナを制御して運転するように構成した制御装置と
    をさらに含む、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記装置が、メイン堆積バーナの両側に、支持マンドレルの
    周囲に間隔を置いて配置された１対または複数対の補助バーナを含む、請求項２
    に記載の装置。
  4. 【請求項４】 プリフォームのところで、１つまたは複数のスート生成反応
    物流の乱れを減少させるために、プリフォームのサイズが成長するに従って、メ
    イン堆積バーナをガラス・プリフォームから退かせるように構成した架台をさら
    に含む、請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記メイン堆積バーナが中心軸を有し、 １つまたは複数のスート生成反応物流を形成するための、中心軸に位置合わせ
    された反応物ポートと、 １つまたは複数のスート生成反応物流の周りに同心状に火炎を形成するための
    、反応物ポートの周りに同心状に配置された複数の火炎ポートとを含む、請求項
    １に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記メイン堆積バーナが、２つ以上のスート生成反応物流と
    火炎の間に内部シールド・ガス流を形成するように、反応物ポートと複数の火炎
    ポートの間に、反応物ポートの周りに同心状に配置された第１の複数のシールド
    ・ガス・ポートをさらに含む、請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記メイン堆積バーナが、火炎の外方へ動径方向に外部シー
    ルド・ガス流を形成するように、複数の火炎ポートの外方へ動径方向に、反応物
    ポートの周りに同心状に配置された第２の複数のシールド・ガス・ポートをさら
    に含む、請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記複数の火炎ポートが、火炎を、メイン堆積バーナの中心
    軸に向かって斜め内方向に導くように構成された、請求項５に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記複数の火炎ポートが、火炎を、１横断軸に沿ってメイン
    堆積バーナの中心軸へ斜め内方向に、しかし直交する横断軸に沿って中心軸とは
    実質上平行に配向するように非対称に構成された、請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記メイン堆積バーナが中心軸を有し、 支持マンドレル上に形成されるガラス・プリフォーム上へ実質上動径方向に衝
    突する中央のスート生成反応物流を形成するように、この中心軸と位置合わせさ
    れた中央反応物ポートと、 ガラス・プリフォーム上に準接線方向に衝突するスート生成反応物の補足流れ
    を形成するように、中央反応物ポートの両側に配置された１対の補足反応物ポー
    トと、 スート生成反応物流の周りに同心状に火炎を形成するように、反応物ポートの
    周りに同心状に配置された複数の火炎ポートとを含む、請求項１に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 さらに、支持マンドレル上に形成されるガラス・プリフォ
    ームのサイズに応じて、中央ポートおよび１対の補足ポートへの反応物ガスの供
    給を制御するバルブを含む、請求項１０に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記メイン堆積バーナが、酸素と天然ガスの混合物を燃焼
    するように構成された請求項１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記メイン堆積バーナが、酸素と水素の混合物を燃焼する
    ように構成された請求項１に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 火炎加水分解によってガラス・プリフォームを製造する装
    置であって、 堆積チャンバを画定する筐体と、 長手軸の周りを回転するように、堆積チャンバ内に搭載された支持マンドレル
    と、 １つまたは複数のスート生成反応物流および１つまたは複数の火炎ガス流を、
    支持マンドレルの方へ導き、支持マンドレル上に火炎加水分解によってガラス・
    プリフォームを形成するように構成されたメイン堆積バーナと、 スート生成反応物流を含まない１つまたは複数の火炎ガス流をガラス・プリフ
    ォームの方に導入して、メイン堆積バーナからの火炎ガス流では十分に熱せられ
    ないプリフォームの部分を加熱するように構成された、１個または複数の補助バ
    ーナと、 支持マンドレル上に形成されたガラス・プリフォームが所定のサイズに達した
    後、１個または複数の補助バーナを制御して運転するように構成された制御装置
    とを含む装置。
  15. 【請求項１５】 前記メイン堆積バーナが、１つまたは複数のスート生成反
    応物流を支持マンドレル上に形成されるガラス・プリフォームの方へ準接線方向
    に導き、プリフォームのところの乱流を減少するように構成された、請求項１４
    に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 火炎加水分解によってガラス・プリフォームを製造する装
    置に使用することに適した堆積バーナであって、 中心軸を経て進む中央のスート生成反応物流を形成する中央反応物ポートと、 中心軸から分岐するスート生成反応物の補足流れを形成するように、中央反応
    物ポートの両側に配置された１対の補足反応物ポートと、 スート生成反応物流の周りに同心状に火炎を形成するように、反応物ポートの
    周りに同心状に配置された複数の火炎ポートとを含む堆積バーナ。
  17. 【請求項１７】 スート生成反応物と火炎の間に内部シールド・ガス流を形
    成するように、反応物ポートと複数の火炎ポートの間に、反応物ポートの周りに
    同心状に配置された第１の複数のシールド・ガス・ポートをさらに含む、請求項
    １６に記載の堆積バーナ。
  18. 【請求項１８】 火炎の外方へ動径方向に外部シールド・ガス流を形成する
    ように、複数の火炎ポートの外方へ動径方向に、反応物ポートの周りに同心状に
    配置された第２の複数のシールド・ガス・ポートをさらに含む、請求項１７に記
    載の堆積バーナ。
  19. 【請求項１９】 前記複数の火炎ポートが、火炎を中心軸の内方へ斜めに導
    くように構成された、請求項１６に記載の堆積バーナ。
  20. 【請求項２０】 前記複数の火炎ポートが、火炎を１つの横断軸に沿ったメ
    イン堆積バーナの中心軸の内方へ斜めに配向するが、直交する横断軸に沿った中
    心軸とは実質上平行に配向するように非対称に構成された、請求項１８に記載の
    堆積バーナ。
  21. 【請求項２１】 形成されるガラス・プリフォームのサイズに応じて、中央
    ポートおよび１対の補足ポートへの反応物の供給を制御するバルブをさらに含む
    、請求項２０に記載の堆積バーナ。
  22. 【請求項２２】 前記バーナが、酸素と天然ガスの混合物を燃焼するように
    構成された、請求項１６に記載の堆積バーナ。
  23. 【請求項２３】 前記バーナが、酸素と水素の混合物を燃焼するように構成
    された、請求項１６に記載の堆積バーナ。
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