JP2002526363A

JP2002526363A - 溶融シリカガラスのブールを製造するためのバーナ

Info

Publication number: JP2002526363A
Application number: JP2000574032A
Authority: JP
Inventors: ジェイボール，ローラ; イーリンドナー，レイモンド; クマーミスラ，マヘンドラ; アールパワーズ，デイル; エイチワジルースキー，マイケル
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2002-08-20
Also published as: EP1140715A1; KR20010079889A; WO2000017115A1; EP1140715A4

Abstract

(57)【要約】ＯＭＣＴＳからガラス体(19)を製造するために、バーナ(14)が用いられる。バーナには６つの同心領域がある。それらの領域中にあるガスを通すことにより、現状の技法により達成できるよりも厚いガラス体が改善された効率で製造される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】関連する仮特許出願の説明本出願は、米国特許法第119条(e)の元で、1998年9月22日に出願された米国仮
特許出願第60/101,403号の恩恵を主張する。その内容をここに引用する。

【０００２】発明の分野本発明は、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）のような、ハ
ロゲンを含まない、ケイ素含有（ＨＦ−ＳＣ）出発材料から、高純度溶融シリカ
ガラス（ＨＰＦＳガラス）および超低膨張ガラスのような溶融シリカガラスのブ
ール（boule）を製造するためのバーナに関する。

【０００３】発明の背景溶融シリカガラスは、ここに引用する、一般的に譲渡されたＰＣＴ特許出願公
開WO97/10182号に示された型の炉を用いて本発明の譲受人により商業的に製造さ
れている。本願の図７は、WO97/10182号の図４のコピーである。概して、この型
の炉では、微細なシリカ粒子（シリカスート）を生成し、平面（例えば、ベイト
サンドの層）上にその粒子を堆積させるのに火炎加水分解が用いられる。その粒
子は、次いで固体のガラスブールに固結される。より詳しくは、この型の炉は、
固結がシリカスートの堆積と実質的に同時に行われるように十分に高い温度で運
転している。

【０００４】図７に示されているように、炉100は、ブール19を形成するように集積される
シリカスートを生成する複数のバーナ14を担持する、一般的に約5フィート（約1
.5メートル）の直径を有するクラウン12を備えている。本発明は、バーナ14の構
造および運転に関する。

【０００５】過去において、バーナ14は、バーナ面から6インチ（約15ｃｍ）よりも離れた
距離では十分にスートを堆積できなかった。このことは、最大ブール厚が6イン
チであることを意味する。溶融シリカ生成物、特にＨＰＦＳガラスに関する要求
を満たすために、6インチよりも厚いブール、例えば、8-10インチ（約20-25ｃｍ
）の厚さのブールを製造することが望ましいであろう。本発明は、そのようなブ
ールを製造できるバーナの提供に関する。

【０００６】本出願の譲受人に譲渡された米国特許第5,599,371号には、ＨＦ−ＳＣ出発材
料からの光導波路ファイバ用プレフォームの製造に使用するのに適しているバー
ナが記載されている。この特許に説明されているように、ハロゲン化物を含有す
る出発材料からプレフォームを製造するのに用いられていた従来のバーナ（以下
、「ハロゲン化物バーナ」と称する）には、５つの同心ガス放出領域があった：
1)ハロゲン化物含有／ケイ素含有出発材料（例えば、ＳｉＣｌ₄）および不活性
ガスの混合物を放出する中央領域（ヒューム管）、2)酸素を放出する内側シール
ド領域、3)燃焼ガスおよび酸素の混合物（プレミックス）を放出する第３領域、
4)燃焼ガスおよび酸素の混合物（プレミックス）を放出する第４領域、および5)
酸素を放出する外側シールド領域。

【０００７】米国特許第5,599,371号に説明されているように、プレフォームを製造するの
に以前に用いられていたハロゲン化物含有／ケイ素含有出発材料を、ＨＦ−ＳＣ
出発材料で置き換えた場合、バーナの様々な領域から放出されるガスを変更しな
ければならないことが分かった。特に、上述したガスの代わりに、米国特許第5,
599,371号のバーナの５つの同心ガス放出領域では以下のガスを放出した：1)ヒ
ューム管は、ＨＦ−ＳＣ出発材料および酸素に、必要に応じて不活性ガスを加え
た混合物を放出した、2)内側シールド領域は不活性ガスを放出した、3)第３領域
は酸素を放出した、4)第４領域は酸素を放出した、5)外側シールド領域は燃焼ガ
スおよび酸素の混合物（プレミックス）を放出した。

【０００８】本発明のバーナを開発する過程において、米国特許第5,599,371号のガス配置
を有するバーナを使用することを試みた。意外なことに、そのようなバーナは、
ＨＦ−ＳＣ出発材料から光導波路プレフォームを製造するのにはうまく機能する
が、そのような材料からブールを製造するのには特に良好には機能しないことが
分かった。特に、そのような出発材料からの厚いブールの製造には、うまく機能
しない。

【０００９】むしろ、本発明によれば、ＨＦ−ＳＣ出発材料から厚いブールをうまく製造す
るためには、バーナは以下のガスを放出する以下の同心領域を有さなければなら
ないことが分かった：1)ＨＦ−ＳＣ出発材料および不活性ガスの混合物を放出す
る中心領域（ヒューム管）、2)酸素を放出する内側シールド領域、3)燃焼ガスお
よび酸素の混合物（プレミックス）を放出する第３領域、4)燃焼ガスおよび酸素
の混合物（プレミックス）を放出する第４領域、5)燃焼ガスおよび酸素の混合物
（プレミックス）を放出する第５領域、および6)酸素を放出する外側シールド領
域。

【００１０】前述のバーナの歴史は、特定の製品（すなわち、光導波路プレフォーム対厚い
ブール）を製造するために、特定のガス配置が特定の出発材料（すなわち、ハロ
ゲン化物含有出発材料対ハロゲン化物を含まない材料）に機能するか否かを予測
することの難しさを表している。このように、ハロゲン化物含有原料を運搬する
ヒューム管を囲む酸素／プレミックス／プレミックス／酸素の配置は、上述した
ハロゲン化物バーナにおいてプレフォームを製造するのには機能したが、原料が
ハロゲン化物を含まないときには機能しなかった。同様に、ハロゲン化物を含ま
ない原料を運搬するヒューム管を囲む不活性ガス／酸素／酸素／プレミックスの
配置は、米国特許第5,599,371号に開示されたように、プレフォームを製造する
のには機能したが、本発明のバーナを開発する過程において、厚いブールの製造
には機能しないことが分かった。以下に詳しく記載されるように、厚いブールを
製造するために、ハロゲン化物を含まない原料を運搬するヒューム管を囲む酸素
／プレミックス／プレミックス／プレミックス／酸素の配置を使用する必要があ
る。

【００１１】発明の概要前述したことを鑑みて、本発明の目的は、より厚いブールを製造し、したがっ
て、図７に示した一般的な型の炉内で製造される、溶融シリカガラス、特に、高
純度溶融シリカガラスおよび超低膨張ガラスの収率を増加させるスート製造バー
ナを提供することにある。本発明のさらなる目的は、非常に高い光学品質を示し
、断面積および厚さの大きい溶融シリカを製造するシリカスート堆積技法を提供
することにある。

【００１２】これらと他の目的を達成するために、本発明は、ある態様によれば、シリカ含
有ブール(19)を形成する方法であって： (a) (i) キャビティ(26)、 (ii) スート粒子の流れを生成する少なくとも１つのバーナ(14)、および (iii) 前記スート粒子を集積して、ブールを形成するための、前記キャビ
ティ(26)内の実質的に平らな表面(24)、を備えた炉(100)を提供し； (b) 前記少なくとも１つのバーナにハロゲン化物を含まないケイ素含有材料
を提供し； (c) 前記スート粒子を集積して、前記ブールを形成する、各工程を含み、前記スート粒子の流れの幅が工程(c)の効率を向上させるように制御されるこ
とを特徴とする方法を提供する。

【００１３】特に、スート粒子の流れの幅は、図６に示したように、幅を減少させると、工
程(c)の効率を向上するという発見にしたがって制御される。幅の減少にこの効
果があるということは、以前には、その流れを狭くするというよりもむしろ広く
すると、より多くのスート粒子がレイダウン(laydown)されると考えられていた
ので、直感に反している。

【００１４】量的な観点から、作業距離（すなわち、バーナ面とブールの表面との間の距離
）が少なくとも150ミリメートル、好ましくは少なくとも200ミリメートルまたは
それ以上の場合には、作業距離での流れの幅は、好ましくは25ミリメートル未満
、最も好ましくは12ミリメートル未満である。

【００１５】他の態様によれば、本発明は、シリカ含有ブール(19)を形成する方法であって
、 (a) 実質的に平らな表面(24)を提供し； (b) 第１(1)、第２(2)、第３(3)、第４(4)、第５(5)、および第６(6)のガス
放出領域であって、第２領域が第１領域を囲み、第３領域が第２領域を囲み、第
４領域が第３領域を囲み、第５領域が第４領域を囲み、第６領域が第５領域を囲
んでいる領域を含むバーナ面(13)を有するスート製造バーナを提供し； (c) 不活性ガスおよびハロゲン化物を含まないケイ素含有材料から構成され
る混合物を第１領域に提供し； (d) 酸素を第２領域に提供し； (e) 燃焼ガスおよび酸素の混合物を第３領域に提供し； (f) 燃焼ガスおよび酸素の混合物を第４領域に提供し； (g) 燃焼ガスおよび酸素の混合物を第５領域に提供し； (h) 酸素を第６領域に提供し； (i) 前記実質的に平らな表面上にシリカ含有スートを集積して、前記ブール
を形成する；各工程を含むことを特徴とする方法を提供する。

【００１６】他の態様によれば、本発明は、第１(1)、第２(2)、第３(3)、第４(4)、第５(5
)、および第６(6)のガス放出領域であって、第２領域が第１領域を囲み、第３領
域が第２領域を囲み、第４領域が第３領域を囲み、第５領域が第４領域を囲み、
第６領域が第５領域を囲んでいる領域を含むバーナ面を備えたスート製造バーナ
において、 (a) 第１領域がハロゲン化物を含まないケイ素含有材料および不活性ガスの
混合物を放出し； (b) 第２領域が酸素を放出し； (c) 第３領域が燃焼ガスおよび酸素の混合物を放出し； (d) 第４領域が燃焼ガスおよび酸素の混合物を放出し； (e) 第５領域が燃焼ガスおよび酸素の混合物を放出し； (f) 第６領域が酸素を放出する；バーナを提供する。

【００１７】他の好ましい実施の形態によれば、第１、第２、第３、第４、第５、および第
６の領域は、バーナの面で以下の形態を有する：第１領域は開放ディスクまたは
管の形態にあり、第２領域は環であり、第３、第４、第５、および第６の領域は
各々オリフィスのリングである。

【００１８】図面の簡単な説明図１は、バーナのガス放出領域を示す、従来技術のバーナ面の平面図である。

【００１９】図２および３は、ここに報告した実験データを収集するのに用いたバーナ面の
平面図である。

【００２０】図４は、本発明により構成したバーナの底部の断面図である。図７に示したよ
うな方向に配置した場合、バーナの底部は炉のキャビティに最も近い部分である
。

【００２１】図５は、本発明により構成したバーナの頂部のキャビティに面する表面の平面
図である。図７に示したような方向に配置した場合、バーナの頂部は炉のキャビ
ティから最も遠い部分である。

【００２２】図６は、効率対粒子の流れの幅のプロットである。

【００２３】図７は、本発明のバーナに使用できる一般的な種類の炉を示す概略図である。

【００２４】図８は、３つのプレミックス領域を有するバーナに関するバッフルの使用を説
明する図である。

【００２５】本明細書に含まれ、その一部を構成する以上の図面は、本発明の好ましい実施
の形態を示し、その記載と共に、本発明の原理を説明するように機能する。もち
ろん、図面および記載の両方は、説明のためだけであって、本発明を制限するも
のではないことが理解されよう。図面は、その中に示された要素の縮尺または相
対的な比率を示すことを意図したものではない。

【００２６】図面に使用した参照番号は以下に対応する：１バーナＣおよびＤの第１ガス放出領域（ヒューム管）２バーナＣおよびＤの第２ガス放出領域（内側シールド）３バーナＣおよびＤの第３ガス放出領域４バーナＣおよびＤの第４ガス放出領域５バーナＣおよびＤの第５ガス放出領域６バーナＣおよびＤの第６ガス放出領域（外側シールド） 12 炉のクラウン 13 バーナ面 14 バーナ 15 バーナの底部 16 バーナの頂部 17 バッフル 19 ブール 20 バーナの底部にある内側シールド通路 21 バーナの底部にあるプレミックス通路 22 バーナの底部にある外側シールド通路 24 スート粒子を集積するための実質的に平らな表面 26 炉のキャビティ 27 Ｏ−リング 28 Ｏ−リング 29 Ｏ−リング 30 Ｏ−リング 31 バーナの頂部にあるヒューム管通路 32 バーナの頂部にある内側シールド通路 33 バーナの頂部にあるプレミックス通路 34 バーナの頂部にある外側シールド通路 41 バーナの底部に開けられたヒューム管孔 42 バーナの底部にある内側シールド環 43 バーナの底部に開けられたプレミックス孔 44 バーナの底部に開けられたプレミックス孔 45 バーナの底部に開けられたプレミックス孔 46 バーナの底部に開けられた外側シールド孔 50 ＣＨ₄供給源 51 Ｏ₂供給源 52 ミキサ 53 ＣＨ₄供給源からミキサまでの導管 54 Ｏ₂供給源からミキサまでの導管 55 ミキサからバーナ内のバッフルまでの導管 56 バッフルからバーナ面の第３ガス放出領域までの導管 57 バッフルからバーナ面の第４ガス放出領域までの導管 58 バッフルからバーナ面の第５ガス放出領域までの導管 100 炉 101 図１の従来技術のバーナ並びにバーナＡ、Ｂ、Ｅ、およびＦの第１ガス
放出領域（ヒューム管） 102 図１の従来技術のバーナ並びにバーナＡ、Ｂ、Ｅ、およびＦの第２ガス
放出領域（内側シールド） 103 図１の従来技術のバーナ並びにバーナＡ、Ｂ、Ｅ、およびＦの第３ガス
放出領域 104 図１の従来技術のバーナ並びにバーナＡ、Ｂ、Ｅ、およびＦの第４ガス
放出領域 105 図１の従来技術のバーナ並びにバーナＡ、Ｂ、Ｅ、およびＦの第５ガス
放出領域（外側シールド）発明の詳細な説明上記のごとく論じたように、本発明は、ハロゲン化物を含有しないケイ素含有
出発材料からの溶融シリカのブールの製造に使用するためのバーナに関する。適
切なハロゲン化物を含まないケイ素含有出発材料は、ドビンス（Dobbins）等の
米国特許第5,043,002号およびブラックウェル（Blackwell）等の米国特許第5,15
2,819号に開示されているものである。これらの特許の関連する部分をここに引
用する。特に好ましい出発材料はオクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣ
ＴＳ）である。

【００２７】図４および５は、本発明のバーナの適切な構造を示す。ここに示されているよ
うに、バーナは底部15（図４参照）および頂部16（図５参照）を含む。「底」お
よび「頂」という名称は、図７に示した型の炉における使用中のバーナの方向を
称する。

【００２８】図５に示したように、バーナの頂部は、バーナの使用中に、それぞれ、ハロゲ
ン化物を含まないケイ素含有出発材料、酸素、燃焼ガスと酸素との混合物、およ
び酸素を運搬する、ヒューム管通路31、内側シールド通路32、プレミックス通路
33、および外側シールド通路34を含む。プレミックス通路33は、好ましくは、以
下に説明されるように、バーナ面13の領域３からの均一なガス放出を確実にする
のを助けるバッフル17を含む。頂部16は、組み立てられたバーナにおいて頂部と
底部とを互いにシールするように機能するＯリング27、28、29、および30も備え
る。

【００２９】使用中に、通路31、32、33、および34には、適切なガス供給システム、例えば
、調節されたガス供給源、供給ライン、ガスミキサ、計量ポンプ、流量計、加熱
器およびＯＭＣＴＳの気化器等を用いて、バーナにより用いられるガス（例えば
、それぞれ、Ｎ₂と混合されたＯＭＣＴＳ、Ｏ₂、Ｏ₂と混合されたＣＨ₄、および
Ｏ₂）が供給される。これらの材料の適切な流量は以下のとおりである：ＯＭＣ
ＴＳ−−6.0-6.5グラム／分；Ｎ₂−−4.6-6.4リットル毎分（ｓｌｐｍ）；内側
シールドＯ₂−−7-8リットル毎分；プレミックス（１：１のＯ₂：ＣＨ₄）−−22
リットル毎分；および外側シールド酸素−−15.0-17.5リットル毎分。

【００３０】図４に示したように、底部15は、組み立てられたバーナにおいて、それぞれ、
通路31、32、33、および34と整合する通路41、20、21、および22を含む。通路41
は、底部15の本体を通り、バーナ面13でバーナの第１ガス放出領域１を形成する
。通路20は、バーナ面13でバーナの第２ガス放出領域２を形成する環42と連絡す
る。通路21は、貫通孔43、44、および45と連絡し、それらは、バーナ面13でバー
ナの第３、第４、および第５のガス放出領域を形成する。通路22は、バーナ面13
でバーナの第６ガス放出領域を形成する貫通孔46と連絡する。貫通孔43から46ま
では、ガス放出領域３から６までを形成するための好ましい手段であるが、所望
であれば、他の手段、例えば、連続環を用いても差し支えない。反対に、環42は
、所望であれば、貫通孔の形態であっても差し支えない。

【００３１】本発明のバーナ構造の利点は、図１−３および表１−２を参照して最もよく理
解できる。図１は、ＯＭＣＴＳがキャリヤガスとしての窒素と共にヒューム管10
1から流出し、内側シールド102と外側シールド105がそこから酸素を流出させ、
酸素とメタンの混合物がプレミックス孔103および104から排出されている、従来
技術のバーナの概略図である。

【００３２】このバーナにおいて、ヒューム管101はバーナ面13と同一平面にあるかまたは
そこからからわずかに窪んでおり、内側シールド102は環の形態にある。孔のリ
ングというよりもむしろ環が内側シールドに用いられる。これは、孔のリングが
用いられた場合には、ＯＭＣＴＳの重合によりバーナ上に蓄積してしまうからで
ある。ＯＭＣＴＳの代わりにＳｉＣｌ₄が出発材料である場合、突出したヒュー
ム管が用いられ、内側シールドが孔のリングである場合にも、バーナ上の蓄積は
観察されなかった。

【００３３】図１のバーナは、約6インチ（約15ｃｍ）の厚さを有するブールを製造するの
にうまく機能するが、バーナからレイダウンまでの距離が長いと、ガラスを製造
できない。厚いブールを製造するために、バーナは、長いバーナからレイダウン
までの距離（例えば、12インチ（約30ｃｍ）よりも長い）でガラスを製造できる
火炎を生成する必要がある。

【００３４】より長いバーナからレイダウンまでの距離を達成するために研究された設計の
改良点は以下のとおりであった：焦点、内側シールド酸素の減少した速度、プレ
ミックスの減少した速度、およびヒューム管の寸法。焦点、すなわち、バーナの
様々なガス放出領域を互いに近くすることは、通路21および22の位置を一定に維
持し、出発位置および貫通孔43から46までの角度を変更することにより達成され
た。これにより、同一の頂部16を各々のバーナ設計に使用できた。実際には、孔
43から46までの角度の変化により生じるガスベクトルの変化には、バーナの性能
に対して間接的な影響しかない。

【００３５】６つの実験用バーナを設計し、構築し、試験した。表Ｉには、設計の改良点お
よび各々のバーナ設計の意図が与えられている。各々のバーナについて、評価し
た重要なプロセスの変数は、粒径、粒子の数、粒子の質量、および粒子の流れの
幅であった。これらの重要なプロセスの変数およびレイダウンの効率と速度の間
の関係を定量化した。バーナにより生じる火炎は、光拡散測定、数学的モデル化
、１つのバーナ開発炉の試行、および実物大品製造炉を用いて評価した。光拡散
測定、すなわち、火炎中のスート粒子により様々な方向に拡散したレーザ光の量
の測定を用いて、バーナにより生成されたスート粒子の流れの幅を決定した。あ
るいは、その幅は、写真または目視により決定しても差し支えない。

【００３６】図２および３は試験したバーナの概略図であり、表２はインチで示したそれら
の寸法を与える。表２に用いられている「BCの直径」は、様々なガス放出領域を
構成する孔により定義される「束の円」の直径を表す。図２は、２つのプレミッ
クス領域のみを含む、バーナＡ、Ｂ、Ｅ、およびＦの全体的な設計を示し、図３
は、３つのプレミックス領域を含む、バーナＣおよびＤの全体的な設計を示す。
従来技術のバーナの全体的な設計は図１に示されている。

【００３７】バーナＡおよびＢは、光導波路プレフォームを製造するのに用いられるバーナ
に似た、集束バーナが、バーナ孔を互いに近づけることにより形成された最初の
設計改良点を示す。バーナＡおよびＢは、バーナＢがより大きい内側シールドを
有することを除いて同じである。

【００３８】バーナＣおよびＤは、プレミックスの速度を減少させるプレミックス孔の追加
のリングを有する。バーナＣとＤとの間の差は、バーナＣがバーナＤよりも集束
されていることである。

【００３９】バーナＥおよびＦに関する設計の改良点は、ヒューム管の直径であった。ヒュ
ーム管の寸法は、0.085インチ（約0.2125ｃｍ）から0.106インチ（約0.265ｃｍ
）まで増加された。バーナＥは、より大きいヒューム管を除いて、従来技術のバ
ーナと同じ形状を有している。バーナＦは、より大きいヒューム管を除いて、バ
ーナＢと同じ設計を有している。

【００４０】大部分のバーナは、従来技術のバーナよりも、より長く、より薄層かつより集
束されたジェット流を生成するように設計された。例えば、同一のガス流に用い
た場合、バーナＡは、従来技術のバーナよりも、より長く、より薄層状の火炎を
生成した。しかしながら、表１に示したように、これだけでは、一貫して収率が
著しく上昇しなかった。

【００４１】むしろ、(1)粒子の流れの幅がレイダウンの速度と効率に逆比例し、(2)最高の
堆積速度を与えたバーナの設計は、プレミックスの速度が減少した、より集束さ
れたバーナであったことが分かった。

【００４２】これらの特徴を有するバーナは、バーナＤであった。このバーナの利点は、ス
ート流の幅と不安定さを減少させて、増加した効率により堆積速度を速くできる
ことである。製造炉において、このバーナは、より薄層状の火炎を生成し、堆積
速度が60％増加した。バーナＤにより生成された火炎は、バーナが2072ポンド（
約941ｋｇ）のブールを製造できるように15インチ（約37.5ｃｍ）の長さであっ
た。比較のために、従来技術のバーナに関する平均ブール重量は1200ポンド（約
545ｋｇ）であった。

【００４３】構造的特徴に関して、必要とされ、バーナＤが有する要素は以下のとおりであ
る：(1)バーナの孔が互いに近くに配置される、すなわち、バーナが集束される
；および(2)プレミックスの追加のリングが設けられる。これらのより近い孔に
より、小さな渦巻きと、より乱れた火炎を生じる再循環区域が減少する。プレミ
ックスの追加のリングにより、プレミックスの速度が減少し、表面積が増大して
、その結果、より安定でより長い火炎が得られる。別の見方をすると、プレミッ
クスの速度を減少させることは、シリカ粒子がより長くバーナの火炎中に留まり
、したがって、バーナ面からより遠い距離でブールを製造できる、すなわち、よ
り厚いブールを製造できるようにシリカ粒子の容器を製造することとしても考え
られる。

【００４４】向上した効率に加えて、バーナＤは以下の望ましい性能特徴も有する： (1) バーナＤはより薄層状の火炎を有するので、混合により火炎中に取り込
まれる酸素（外気から）が少なく、したがって、その火炎は一般的に望ましいよ
りも還元性である。

【００４５】 (2) バーナのスートがバーナ面にめったに蓄積しない。このことは、スート
の蓄積は、バーナを炉の運転中に停止させなければならず、これにより堆積速度
が低下することを意味するので重要な利点である。

【００４６】バーナ面にスートが蓄積する理由が２つある：(a)サーモフェーレシス(thermo
pheresis)、および(b)スート粒子の速度。速度および表面積を減少させるプレミ
ックスの第３のリングにより、バーナからのスートがバーナ面に堆積するのを防
ぐ火炎プロファイルが得られる。

【００４７】バーナ面に蓄積するスートがないと、「スナップバック(snapback)」の可能性
を減少させることによるスートのレイダウンプロセスの安全性が改善される。ス
ートがプレミックスの孔を覆ったり、ヒューム管を詰まらせたりする場合、「ス
ナップバック」として知られる小さな爆発が生じることがある。スートの蓄積が
減少したバーナＤは、これらの可能性が最小となる。

【００４８】蓄積するスートがないと、作業者が、バーナを洗浄し、ポートを解体する、す
なわち、炉のクラウン中のバーナ孔の解体にかける時間が少なくなるので、バー
ナＤを使用するのが一層容易になる。ポートの解体は、バーナがより効率的であ
るためにポート内のスートの堆積が少なくなるので減少する。

【００４９】比較のために、より薄層の火炎を生成するために互いに近くに配置されたバー
ナ孔を有するという点でバーナＤに類似のバーナＡは、製造炉における収率を改
善できなかった。バーナＤとは異なり、バーナＡは、プレミックスの追加のリン
グを有していない。この結果により、高純度溶融シリカガラスの収率を増加させ
るには、プレミックスの追加のリングが必須であることが示される。バーナＥお
よびＦもまた収率を増加させなかった。これらのバーナは、乱れた火炎を生成し
たより大きなヒューム管を有する。

【００５０】バーナＤは、従来技術のバーナと、以下の共通の特徴を共有している：両者と
もバーナの同一頂部を用い、炉への全ての接続、全てのガス、および全ての流量
が同一であり、バーナは、同一の材料（アルミニウム）から製造され、同一のサ
イズである。さらに、スート粒径および粒径の範囲が、２つのバーナにとって同
一である。

【００５１】バーナＤと従来技術のバーナとの間の差は以下のとおりである：(1)バーナＤ
のバーナ孔は、バーナの全てのガス放出領域の間で半径距離が実質的に同じとな
るように互いに近くに配置されている；および(2)プレミックスガスの追加のリ
ングがある。これらの差により、より長く、より薄層状の火炎が生じ、これによ
り、粒子の流れの幅が減少する。さらに、バーナＤは、単位時間当たりで、従来
技術のバーナよりも少ないスート粒子を生成する。

【００５２】図６は、堆積効率対バーナ面から12インチ（約30ｃｍ）の距離での粒子の流れ
の幅のプロットである。この図から分かるように、粒子の流れの幅が小さくなる
ほど、ＯＭＣＴＳの効率が高くなり、したがって、堆積速度が速くなる。

【００５３】図６から分かるように、バーナＣの堆積効率は、バーナＤの効率よりもさらに
高い。しかしながら、バーナＣのガス放出領域は、このバーナの大量製造が難し
いほど互いに近くにあり、この理由のために、バーナＤが好ましい。図６はバー
ナＡおよびＢについての改善された効率を示しているが、この改善は、実際に用
いられたいくつかのＯＭＣＴＳの流量については低下することも留意されたい。
これに対して、バーナＣおよびＤは、実際に一般的に用いられるＯＭＣＴＳの流
量の全範囲に亘り向上した効率を示す。

【００５４】図６に示した効率と粒子の流れの幅との間の関係は、より薄層状の集束された
流れによってより多くのスート粒子をブール内に捕捉できる境界層現象によるも
のであると考えられている。すなわち、火炎が平らな表面に亘り広がる場合、火
炎が狭いほど炉のガスを少なくしか捕捉しないので、境界層は薄く、より多くの
粒子を含み、これにより増加した堆積速度となる。さらに、減少した幅の粒子の
流れを有する火炎はそれほど乱れていない。

【００５５】実験した全てのパラメータ（粒径、粒径の範囲、粒子の数、粒子の流れの質量
、および粒子の流れの幅）の中で、粒子の流れの幅が、堆積速度およびＯＭＣＴ
Ｓの効率に最も影響があった。粒子の流れの幅を制御する観点から、バーナＡ−
Ｄに関して、このパラメータは、外側シールド流量を調節することにより制御（
変動）できることが分かった。外側シールドの流量を減少させることにより、火
炎はより長く、乱れが少なくなり、これによってより多くの粒子を捕捉できる。
例えば、バーナＤに関して、外側シールドガスの流動が13％減少した場合、効率
は60％から68％まで増加した。この条件により、図６におけるバーナＣに関して
示したものと実質的に同一の粒子の流れのサイズおよびＯＭＣＴＳの効率が得ら
れた。

【００５６】上述したように、バーナの頂部16の通路33はバッフル17（図５参照）を備え、
これは、均一なプレミックス火炎を生成するように機能する。このバッフルは好
ましくは、通路33中のガス／酸素の流動が底部に進入する前にその流動を広げる
ようにバーナの頂部に配置されている。しかしながら、所望であれば、バッフル
はバーナの底部に配置しても差し支えない。

【００５７】バーナＤの試験中に、プレミックス孔の内側のリング（すなわち、図４に示し
たガス放出領域３）内の不均一ガス−酸素火炎が観察された。この不均一性は、
低いガス流量（＜10リットル毎分のメタン、10リットル毎分の酸素）ではわずか
しか目立たないが、流量が増加すると、より明らかとなる。堆積流量（18リット
ル毎分のメタン、20リットル毎分の酸素）では、火炎の一方の側がバーナ面から
約1/16インチ（約0.16ｃｍ）だけ拡張し、他方の側が約1/4インチ（約0.63ｃｍ
）であり、これは、製造炉に使用するのには許容されないと考えられた。

【００５８】不均一火炎は、ガス／酸素流動用の第３の孔のリングを追加した結果であると
考えられ、これにより、全孔面積が60％よりも大きくなる。この結果、頂部16の
通路33とバーナ面でのガス出口との間の流動特徴が変化し、出口孔を通るガス流
が不均一になる。外側シールドに向かって位置する、ガス／酸素流動に用いられ
る孔の第２のリングも第３のリングも、火炎の変動性を示さなかった。

【００５９】本発明によれば、バーナの火炎におけるこの変動性を減少させるためにバッフ
ルが用いられる。炉のシステムにおけるバッフルの全体的な配置が図８に示され
ている。ここに示したように、ＣＨ₄供給源50およびＯ₂供給源51が、それぞれ、
導管53および54によりミキサ52に接続されている。導管55はミキサ52をバーナに
接続する。特に、ミキサ52により生成されるＣＨ₄／Ｏ₂混合物がバッフル17に供
給される。このバッフルは、本発明の好ましい実施の形態において、バーナの頂
部16の通路33内に位置している（図５参照）。バッフル17から、ＣＨ₄／Ｏ₂混合
物が、それぞれ、導管56、57、および58によりバーナ面13の領域３、４、および
５に運搬される。図４に示したように、本発明の好ましい実施の形態において、
導管56、57、および58は、それぞれ、通路21並びに貫通孔42、43、および44を備
えている。

【００６０】様々な種類のバッフルを本発明の実施に用いることができる。例えば、等間隔
で0.040インチ（約1ｍｍ）または0.060インチ（約1.5ｍｍ）いずれかの直径を有
する36の孔を含有するアルミニウム製のリングを用いることができる。スコッチ
ブライト(SCOTCH BRIGHT)パッドから切断された挿入物を用いても差し支えない
。アルミニウム製リングおよびスコッチブライトパッド両方に関する試験により
、これらのバッフルが火炎の不均一性を除くことが示された。しかしながら、ア
ルミニウム製リングには厳しいガス／酸素比の制限があり、これにより、うるさ
くて、ピッチの高い音が生じ、所望のプレミックス流量でバーナを使用できなく
なった。スコッチブライトパッドの設計にはこの制限がなかったが、バーナの材
料とは異なる材料から作製された。すなわち、これはアルミニウムから製造され
たものではない。

【００６１】好ましいバッフル構造は、図５に示した種類の波形アルミニウム製バッフルか
ら構成される。このバッフルは、ロールに巻かれたアルミニウムシート（例えば
、約0.012インチ（約0.03ｃｍ）厚）から幅の狭いストリップ（例えば、3/16イ
ンチ（約0.47ｃｍ）幅）を切断し、このストリップにひだを付け、ストリップを
リングに巻き付け、次いで、それらを通路33中に滑り嵌めすることにより調製で
きる。好ましくは、ストリップを所定の長さに切り取った後、ストリップの端部
にひだを付け、その間の区画にはひだを付けずにおく。ストリップは手でまたは
工具を用いて取り付けてもよい。工具は、例えば、通路31と整合した中央先端、
ストリップがその周りに巻き付けられる内側の移動可能なリング、および挿入前
にストリップを適所に保持する外側固定リングを含むことができる。内側リング
を移動させることにより、バッフルを頂部16中に移動させ、一方で外側リングに
よりバッフルを通路33と整合するように保持する。

【００６２】適切に取り付けられた場合、ひだの付けられたストリップは約0.100インチ（
約2.5ｍｍ）の幅で3/16インチ（約0.47ｃｍ）の長さの多数の開口部を有するバ
ッフルを形成する。バッフルは、あったとしてもわずかな背圧で均一な薄層状流
動を生じ、火炎の不均一問題をなくす。さらに、バッフルは安価であり、取付け
が容易である。その様々な利点の中で、バッフルを使用することにより、プレミ
ックスコーン（火炎）における不均一性の結果としてのスナップバックが生じる
可能性が最小になる。

【００６３】本発明の好ましい実施の形態および他の実施の形態がここに記載されてきたが
、特許請求の範囲により定義された本発明の範囲から逸脱せずに、さらなる実施
の形態が当業者には理解されよう。

【００６４】

【表１】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、バーナのガス放出領域を示す、従来技術のバーナ面の平面図である

【図２】図２は、ここに報告した実験データを収集するのに用いたバーナ面の平面図で
ある

【図３】図３は、ここに報告した実験データを収集するのに用いたバーナ面の平面図で
ある

【図４】図４は、本発明により構成したバーナの底部の断面図である

【図５】図５は、本発明により構成したバーナの頂部のキャビティに面する表面の平面
図である

【図６】図６は、効率対粒子の流れの幅のプロットである

【図７】図７は、本発明のバーナに使用できる一般的な種類の炉を示す概略図である

【図８】図８は、３つのプレミックス領域を有するバーナに関するバッフルの使用を説
明する図である

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ミスラ，マヘンドラクマーアメリカ合衆国ニューヨーク州 14845 ホースヘッズバーリントンロード 11 (72)発明者パワーズ，デイルアールアメリカ合衆国ニューヨーク州 14870 ペインテッドポストウェストンレイン 112 (72)発明者ワジルースキー，マイケルエイチアメリカ合衆国ニューヨーク州 14830 コーニングアールディーナンバー２リフロード 1617 Ｆターム(参考） 4G014 AH16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリカ含有ブールを形成する方法であって、 (a) 実質的に平らな表面を提供し； (b) 第１、第２、第３、第４、第５、および第６のガス放出領域であって、
第２領域が第１領域を囲み、第３領域が第２領域を囲み、第４領域が第３領域を
囲み、第５領域が第４領域を囲み、第６領域が第５領域を囲んでいる領域を含む
バーナ面を有するスート製造バーナを提供し； (c) 不活性ガスおよびハロゲン化物を含まないケイ素含有材料から構成され
る混合物を第１領域に提供し； (d) 酸素を第２領域に提供し； (e) 燃焼ガスおよび酸素の混合物を第３領域に提供し； (f) 燃焼ガスおよび酸素の混合物を第４領域に提供し； (g) 燃焼ガスおよび酸素の混合物を第５領域に提供し； (h) 酸素を第６領域に提供し； (i) 前記実質的に平らな表面上にシリカ含有スートを集積して、前記ブール
を形成する；各工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】前記バーナがスート粒子の流れを生成し、該スート粒子の流
れの幅が、工程(i)の効率を向上させるように制御されることを特徴とする請求
項１記載の方法。
【請求項３】前記スート粒子の流れの幅が、工程(i)の効率を向上させる
ように減少されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】前記スート粒子の流れの幅が、前記第６領域に供給される酸
素の量を制御することにより制御されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】前記燃焼ガスおよび酸素の混合物がバッフルを通して前記第
３領域に供給されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】前記燃焼ガスおよび酸素の混合物がバッフルを通して前記第
４および第５領域に供給されることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】前記第３、第４、第５、および第６領域が、実質的に同じ距
離だけ互いから半径方向に間隔が置かれていることを特徴とする請求項１記載の
方法。
【請求項８】前記ブールが6インチ（約15ｃｍ）よりも大きい厚さを有す
ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】前記シリカ含有スートが、工程(i)において集積されながら
固結されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】シリカ含有ブールを形成する方法であって： (a) (i) キャビティ、 (ii) スート粒子の流れを生成する少なくとも１つのバーナ、および (iii) 前記スート粒子を集積して、ブールを形成するための、前記キャビ
ティ内の実質的に平らな表面、を備えた炉を提供し； (b) 前記少なくとも１つのバーナにハロゲン化物を含まないケイ素含有材料
を提供し； (c) 前記スート粒子を集積して、前記ブールを形成する、各工程を含み、前記スート粒子の流れの幅が工程(c)の効率を向上させるように制御されるこ
とを特徴とする方法。
【請求項１１】前記スート粒子の流れの幅が、工程(c)の効率を向上させ
るように減少されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】前記少なくとも１つのバーナがバーナ面を有し、前記スー
ト粒子の流れの幅が、該面から150ミリメートルの距離で25ミリメートル未満で
あることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１３】前記スート粒子の流れの幅が、該面から150ミリメートル
の距離で12ミリメートル未満であることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】前記少なくとも１つのバーナがバーナ面を有し、前記スー
ト粒子の流れの幅が、該面から200ミリメートルの距離で25ミリメートル未満で
あることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１５】前記スート粒子の流れの幅が、該面から200ミリメートル
の距離で12ミリメートル未満であることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】前記ブールが6インチ（約15ｃｍ）よりも大きい厚さを有
することを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１７】前記スート粒子が、工程(c)において集積されるときに固
結されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１８】第１、第２、第３、第４、第５、および第６のガス放出領
域であって、第２領域が第１領域を囲み、第３領域が第２領域を囲み、第４領域
が第３領域を囲み、第５領域が第４領域を囲み、第６領域が第５領域を囲んでい
る領域を含むバーナ面を備えたスート製造バーナにおいて、 (a) 第１領域がハロゲン化物を含まないケイ素含有材料および不活性ガスの
混合物を放出し； (b) 第２領域が酸素を放出し； (c) 第３領域が燃焼ガスおよび酸素の混合物を放出し； (d) 第４領域が燃焼ガスおよび酸素の混合物を放出し； (e) 第５領域が燃焼ガスおよび酸素の混合物を放出し； (f) 第６領域が酸素を放出する；ことを特徴とするバーナ。
【請求項１９】前記第３、第４、第５、および第６領域が、実質的に同じ
距離だけ互いから半径方向に間隔が置かれていることを特徴とする請求項１８記
載のバーナ。
【請求項２０】前記バーナがバッフルを含み、前記第３領域により放出さ
れる前記燃焼ガスおよび酸素の混合物が、該バーナの面から放出される前に該バ
ッフルを通過することを特徴とする請求項１８記載のバーナ。
【請求項２１】前記第４および第５領域により放出される前記燃焼ガスお
よび酸素の混合物が、前記バーナの面から放出される前に前記バッフルを通過す
ることを特徴とする請求項２０記載のバーナ。
【請求項２２】 (a) 燃焼ガスおよび酸素の混合物の供給源、 (b) シリカ含有スートを製造するためのバーナ、および (c) 前記供給源からの前記燃焼ガスおよび酸素の混合物を該バーナに運搬す
るための供給源からバーナまでの導管を備えたシリカ含有スートを製造するための装置であって、前記バーナが、 (i) 各々が燃焼ガスおよび酸素の混合物を放出する、３つの同心のガス放出
領域を備えたバーナ面、 (ii) 前記３つのガス放出領域の各々に１つずつ接続された、３つのガス運搬
導管、および (iii) 前記供給源からバーナまでの導管と、前記３つのガス運搬導管との間
のバッフル、を備えたことを特徴とする装置。