合成シリカガラスの製造装置
【課題】脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造することができる合成シリカガラス製造装置を提供する。
【解決手段】炉体２と、前記炉体２に設けたられた排気口５ａと、前記排気口に接続された排気手段９と、前記炉体内部に回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲット６と、前記ターゲット６に先端が対向して設けられたシリカガラス合成用のバーナー７とを備えた合成シリカガラス製造装置１であって、前記炉体２は、前記シリカガラス合成用のバーナー７が頂部に設置された耐火物製のマッフル３と、前記マッフル３の下方に設けられた、前記マッフル３の内径よりも大径の第１の炉部４と、前記第１の炉部４の下方に設けられた、前記第１の炉部４の内径よりも大径の第２の炉部５とを備え、更に前記第２の炉部５側壁に前記排気口５ａを備える。
【解決手段】炉体２と、前記炉体２に設けたられた排気口５ａと、前記排気口に接続された排気手段９と、前記炉体内部に回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲット６と、前記ターゲット６に先端が対向して設けられたシリカガラス合成用のバーナー７とを備えた合成シリカガラス製造装置１であって、前記炉体２は、前記シリカガラス合成用のバーナー７が頂部に設置された耐火物製のマッフル３と、前記マッフル３の下方に設けられた、前記マッフル３の内径よりも大径の第１の炉部４と、前記第１の炉部４の下方に設けられた、前記第１の炉部４の内径よりも大径の第２の炉部５とを備え、更に前記第２の炉部５側壁に前記排気口５ａを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は合成シリカガラスの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫外線透過材料として２５０ｎｍ以下の波長の光透過性がよく、不純物含有量の極めて少ない合成シリカガラスが用いられている。
この合成シリカガラスは、一般的には紫外線（４００ｎｍ以下）領域の波長を吸収してしまう原因となりうる金属不純物の混入を避ける目的で、高純度のケイ素化合物、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などの気体を、酸水素炎中に導入し、火炎加水分解させて、シリカ微粒子を直接回転する耐熱性ターゲット上に堆積・溶融ガラス化させ、透明なガラスとして製造されている。
【０００３】
一方、ターゲット上に堆積せず、浮遊するシリカ微粒子や反応生成ガス等を排気するために、排気口を有した合成炉（炉体）が用いられるが、合成炉の形状によっては合成炉内のガス流れが引き起こす気流によって、浮遊シリカ微粒子がインゴット合成面（溶融シリカ付着面）に飛来し、欠陥（気泡、インクルージョン）を招く原因となっていた。
【０００４】
この問題を解決する方策として、特開平２−１８４５３０号（特許文献１）では、インゴット形状を保持するために冷却気体を使用しているが、この場合、炉壁等に付着したシリカ微粒子を巻き上げ、欠陥の原因となっていた。
【０００５】
また、炉内壁面へのシリカ微粒子付着を防止するために、壁面に沿って常温の不活性ガスを流す石英ガラス製造装置が特開平７−１０９１３４号（特許文献２）で提案されている。
しかし、常温の不活性ガスを流した場合には、炉内温度を低下させるため、石英ガラスの合成条件が変化し、脈理等の欠陥が生じやすいという欠点があった。また、常温の不活性ガスを炉内へ流すためのノズルの温度が低く、このノズルの周辺にシリカ微粒子が付着しやすく、ノズルを詰まらせる虞れがあり、付着したシリカ微粒子がインゴット合成面に飛来し、欠陥（気泡、インクルージョン）を招く原因となっていた。
【０００６】
更に、特開２０００−２６１２６（特許文献３）に記載されているように、合成炉の内壁面に沿った火炎流を形成する方法があるが、合成バーナーからの火炎と前記火炎とが緩衝する虞れがあり、このため合成シリカガラスに脈理等の欠陥が生じやすいという欠点があった。
更にまた、特開２００６−１１７４７６（特許文献４）に記載されているように、炉の耐火壁をドーム状とし、インゴット合成面（溶融シリカ付着面）より上方で排気する方法では、インゴット合成面（溶融シリカ付着面）の温度を保つために、必要とするガス量が非常に多量となり、製造コストが嵩むという欠点があった。
【０００７】
また、特開２００６−２４０９２６（特許文献５）に記載されているように、バーナーを傾斜させて設置する方法は、炉内のガス流れに偏流や炉内壁面に沿った上昇気流を生じさせ、この結果、炉内や部材に堆積したシリカがインゴット合成面（溶融シリカ付着面）に到達し易く、インゴット内部に欠陥として残存するという欠点がった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平２−１８４５３０号公報
【特許文献２】特開平７−１０９１３４号公報
【特許文献３】特開２０００−２６１２６号公報
【特許文献４】特開２００６−１１７４７６号公報
【特許文献５】特開２００６−２４０９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造することができる合成シリカガラス製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するため、本発明に係る合成シリカガラス製造装置は、炉体と、前記炉体に設けたられた排気口と、前記排気口に接続された排気手段と、前記炉体内部に回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲットと、前記ターゲットに先端が対向して設けられたシリカガラス合成用のバーナーとを備えた合成シリカガラス製造装置であって、前記炉体は、前記シリカガラス合成用のバーナーが頂部に設置された耐火物製のマッフルと、前記マッフルの下方に設けられた、前記マッフルの内径よりも大径の第１の炉部と、前記第１の炉部の下方に設けられた、前記第１の炉部の内径よりも大径の第２の炉部とを備え、前記第２の炉部側壁に前記排気口を備えることを特徴としている。
【００１１】
このように、本発明にかかる合成シリカガラス製造装置にあっては、マッフル内径に対して、第１の炉部の内径を大きく形成することによって、マッフル内の圧力に対して第１の炉部の圧力を低下させ、上昇気流を防止し、シリカ微粒子の巻き上げに起因するインゴット内部の欠陥の発生を抑制することができる。
更に、第１の炉部の内径に対して第２の炉部の内径を大きく形成することで圧力勾配を持たせ、即ち、下方ほど圧力を低下させることで上昇気流を抑制することができ、スムーズな排気を行うことができる。
尚、２段構造で第１の炉部から排気を行った場合、微少な排気量変動であってもインゴット合成面（インゴット溶融シリカ面）への影響が大きく、合成したインゴットの品質にばらつきが生じる。また、微少な排気量変動により上昇気流が生じてしまい、炉内壁に付着したシリカを巻き上げられ、インゴットに欠陥を生じさせるため、マッフル、第１の炉部、第２の炉部の３段構造であって、前記第２の炉部側壁に前記排気口を備えることが望ましい。
【００１２】
ここで、前記炉体を構成するマッフルの水平断面、前記マッフルの下方に設けられた第１の炉部の水平断面、前記第１の炉部の下方に設けられた第２の炉部の水平断面のいずれもが円形であることが望ましい。
【００１３】
尚、前記マッフルの内径が、前記インゴットの外径をｒとした場合に１．３ｒ以上２．５ｒ以下であって、マッフル内の高さが３００ｍｍ以上８００ｍｍ以下であり、前記第１の炉部の内径が、前記マッフルの内径をａとした場合に１．２ａ以上２．０ａ以下であって、第１の炉部内の高さが１５０ｍｍ以上６００ｍｍ以下であり、前記第２の炉部の内径が、前記第１の炉部の内径をｂとした場合に１．２ｂ以上３．０ｂ以下であって、第２の炉炉部内の高さが３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることが望ましい。
前記炉体が、このような寸法形状を有する場合には、脈理、欠陥のより抑制され、物性や品質がより均一な合成シリカガラスを得ることができる。
【００１４】
更に、前記炉体が密閉されると共に、前記排気手段は、前記排気口より下方の前記第２の炉部側壁に設けられた、炉内圧力と炉外圧力差を測定する差圧センサと、前記第２の炉部に形成された排気口に接続された排気管と、前記排気管に接続された外気導入管と、外気導入管の開度を制御する回動弁とを備え、 前記差圧センサの差圧が一定になるように、回動弁の開度を制御し、総排気量を変化させることなく、第２の炉部からの排気量と外気導入管からの外気導入量の配分を可変するように構成することが望ましい。
【００１５】
このように、総排気量が変化することなく、第２の炉部からの排気量と外気導入管からの外気導入量の配分が可変するため、安定した排気を行なうことができ、炉内の雰囲気を安定させるができる。
しかも、総排気量が変化せず、所定の流量を流すことができるため、排気管における石英ガラス粉の付着を抑制できる。また、炉内を安定した排気を行なうことができるため、インゴット内に気泡、異物の混入がより抑制され、屈折率がより均質な石英ガラスを得ることができる。
【００１６】
また、前記排気管には除害装置が接続され、更に前記除害装置に排気ファンが接続されていることが望ましい。
【００１７】
更に、前記インゴット形成用のターゲットの下方には、下方向に延びる鍔部を有する風向変更板が設置されていることが望ましい。この風向変更板を用いることによりインゴット昇降軸に沿った上昇気流を遮断し、インゴット内部の欠陥の発生を抑制することができる。
【００１８】
また前記風向変更板の直径が、インゴットの直径に対して−１０ｍｍ以上＋１０ｍｍ以下の範囲にあり、前記鍔部の下方の長さが５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係わる合成シリカガラス製造装置によれば、脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造することができる合成シリカガラス製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る合成シリカガラス製造装置の概略構成図。
【図２】本発明の他の実施形態に係る合成シリカガラス製造装置の概略構成図。
【図３】図２に示した風向変更板を示す斜視図。
【図４】風向変更板が設置されていない場合の炉内のガス流れを示す概略図。
【図５】風向変更板が設置された場合の炉内のガス流れを示す概略図。
【図６】比較試験における比較例に用いられる炉体を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、炉体を、シリカガラス合成用のバーナーが頂部に設置された耐火物製のマッフルと、前記マッフルの下方に設けられた、前記マッフルの内径よりも大径の第１の炉部と、前記第１の炉部の下方に設けられた、前記第１の炉部の内径よりも大径の第２の炉部との３段構造に構成した点に特徴がある。
【００２２】
ここで、合成シリカガラス製造装置は、大きく分けて、炉体の一部が大気に解放された開放系の製造装置と、炉体内を大気と遮断した密閉系の製造装置とがある。これらは、それぞれ用途によって使い分けられる。たとえば、シリカガラスにＳｉＯ2以外の成分をドープするような場合、反応により生成する有毒ガスが炉体外に流出しないように密閉系の製造装置が用いられる。また、大口径の光学部材用のシリカガラスを製造するにはインゴットも大口径化するが、この場合には炉体内の雰囲気を均一に保つことが容易な開放系の製造装置が用いられる。
【００２３】
先ず、本発明の一実施形態として、開放系の炉体を備える合成シリカガラス製造装置について、図１に基づいて説明する。尚、図１は開放系の炉体を備える合成シリカガラス製造装置の概略構成図である。
前記開放系の製造装置１は、下部が大気に常時開放されている３段構造の炉体２を備えている。この炉体２は、前記したようにシリカガラス合成用のバーナー７が頂部に設置された耐火物製のマッフル３と、前記マッフル３の下方に設けられた、前記マッフル３の内径よりも大径の第１の炉部４と、前記第１の炉部４の下方に設けられた、前記第１の炉部４の内径よりも大径の第２の炉部５とから構成されている。
【００２４】
また、前記炉体２を構成するマッフル３の水平断面、前記マッフル３の下方に設けられた第１の炉部４の水平断面、前記第１の炉部４の下方に設けられた複数の排気口５ａを有する第２の炉部５の水平断面のいずれもが円形に形成されている。
【００２５】
また、前記炉体２の内部には、回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲット６と、前記ターゲット６を回転及び昇降するインゴット昇降軸６ａが設けられている。
更に、炉体２の下部（第２の炉部５）には、ターゲット６に堆積されなかったシリカ微粒子を排気する排気口５ａが設けられている。そしてまた、前記排気口５ａに接続された排気管１１、排気ファン１０からなる排気手段９が設けられている。
【００２６】
更に、前記マッフル３の内壁の内径ａは、前記インゴット８の外径をｒとした場合に１．３ｒ以上２．５ｒ以下に形成されている。
前記マッフル３の内径が１．３ｒ未満の場合には、排気ガスの流速が速く、乱流となり易く、マッフル３内に堆積したシリカ微粒子を巻き上げ、インゴット８の内部に欠陥を生じさせる。また、マッフル３の内部の温度が上昇し、インゴット８を所定の外径寸法に維持できず、所定の外径寸法に対し大きく形成される。これにより、バーナー７とターゲット６間の距離に変化が生じ、合成部（溶融シリカ付着面８ａ）の温度分布が変化し、また加水分解反応により生成されたシリカ微粒子が反応が促進された状態で合成面（溶融シリカ付着面８ａ）に堆積するため、合成した石英ガラスの物性や品質にバラツキを生じさせる。更に、インゴット８の外径寸法が大きくなると、マッフル３内のガスが下方向に抜けにくくなり、マッフル３の内壁やバーナー７等に堆積するシリカ微粒子量が増加し、これが合成面（溶融シリカ付着面８ａ）へ飛来し、インゴット８に欠陥を生じさせる。
【００２７】
一方、マッフル３の内壁の内径が２．５ｒを超える場合には、マッフル３の内壁の高温維持が困難であり、熱量不足によりインゴット合成面（溶融シリカ付着面８ａ）にしわが発生し、脈理の原因となる。また、マッフル３の内部を高温になるようにガス量を増加させることが必要となり、製造コストが嵩む。更に、前記ガス量を増加させると、合成面（溶融シリカ付着面８ａ）の温度分布が変化するため、品質にバラツキが生じる。
【００２８】
また、このマッフル３の内の高さｈ１が３００ｍｍ以上８００ｍｍ以下に形成されている。
このマッフル３の高さｈ１が８００ｍｍを超える場合には、マッフル３内の温度を高温維持するためにバーナー７からのガス量を多くしなければならず、製造コストが嵩み、好ましくない。
一方、マッフル３内の高さｈ１が３００ｍｍ未満の場合には、マッフル３内部の温度が上昇し、インゴット８の形状維持（外径維持）が困難になり、好ましくない。またマッフル３内のガスの排気が悪化し、マッフル３の内壁面にシリカ微粒子が付着し、これが落下することによりインゴット８の合成面（溶融シリカ付着面８ａ）へシリカ微粒子が飛来し、欠陥等が生じ、好ましくない。
【００２９】
このマッフル３の下段に設置された第１の炉部４は、マッフル３内とこの炉部４の圧力に勾配を付け、上昇気流を防止し、かつインゴット８の形状を保持し、更に排気量変動を抑制する、いわゆるバッファ機能を果たしている。
【００３０】
この第１の炉部４内壁の内径ｂは、前記マッフル３の内壁の内径をａとした場合に１．２ａ以上２．０ａ以下に形成されている。
第１の炉部４の内壁の内径が１．２ａ未満の場合には、マッフル３内と第１の炉部４の圧力勾配が不十分であり、上昇気流が生じやすく、インゴット８の内部に欠陥を生じさせる原因となる。また、第１の炉部４の内部温度が上昇しすぎるため、インゴット８の所定の外径寸法が保持できず、所定の外径に対し大きく形成される。また、インゴット８と第１の炉部４の内壁が近接するため、内壁面に付着したシリカ微粒子によって排気経路が狭まり、排気流速の変動を引き起こす。そのため、合成面（溶融シリカ付着面８ａ）の温度分布が変化し、屈折率分布が悪化し、また排気流が乱流となり上昇気流を生じさせ、シリカ微粒子が合成面へ達し、欠陥の原因となる。
【００３１】
一方、第１の炉部４の内径が２．０ａを超える場合には、合成時間に応じて合成されたインゴットが第２の炉部５に降下してくるが、このときにインゴット８からの放熱量が大きくなるため、インゴット８の温度が極端に低下することで外径変動が生じる。その結果、バーナー７とターゲット６との間の距離に変動が生じ、合成した石英ガラスの物性や品質にバラツキが生じる。また、第２の炉部５の上部壁面にシリカ微粒子が堆積し易く、浮遊シリカ微粒子の飛来により、インゴット８に欠陥が生じる。
【００３２】
また、第１の炉部４内の高さｈ２が１５０ｍｍ以上６００ｍｍ以下に形成されている。
第１の炉部４の高さ（長さ）ｈ２が１５０ｍｍ未満の場合、排気口５ａと合成面（溶融シリカ付着面８ａ）の距離が近く、微少な排気変動でもインゴット合成面（溶融シリカ付着面８ａ）近傍のガス流れ、温度分布に影響を与えやすく、合成した石英ガラスの物性や品質にバラツキが生じる。
また、第１の炉部４の高さ（長さ）ｈ２が６００ｍｍを越えると、６００ｍｍ以上であると、排気口５ａとの距離が遠く、圧損を受け、排気効率が低下するため、好ましくない。
【００３３】
前記第２の炉部５の内壁の内径ｃは、前記第１の炉部４の内径をｂとした場合に１．２ｂ以上３．０ｂ以下に形成されている。
前記第２の炉部５の内径ｃが、１．２ｂ未満の場合には、第１の炉部４との圧力勾配が十分ではなく、上昇気流が生じる原因となる。また、第２の炉部５内壁の内径ｃが３．０ｂを超える場合には、第２の炉部５の排気ガス流速が遅く、第２の炉部５の内面へシリカ微粒子が堆積し易く、排気効率が低下する。
【００３４】
第２の炉部５内の高さｈ３が３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下に形成されている。
前記第２の炉部５の高さｈ３が３００ｍｍ未満であると、第２の炉部５内の排気ガス流速が速いため、第２炉部５を循環するガス成分が多くなり、インゴット８内部の欠陥を生じさせる。
一方、第２の炉部５の高さｈ３が２０００ｍｍを越えると、排気口５ａの距離が遠く、圧損を受け排気効率が低下する。
このように、炉体２を三段構造とすることで上昇気流を防止し、安定した品質のインゴットが得られる。
【００３５】
次に、本発明の他の実施形態として、密閉系の炉を備える合成シリカガラス製造装置について、図２乃至図５に基づいて説明する。尚、図２は密閉系の炉体を備える合成シリカガラス製造装置の概略構成図、図３は風向変更板を示す斜視図、図４、図５はガス流を模式的に示した図である。
【００３６】
この密閉系の製造装置２０にあっては、図２に示すように、密閉されている３段構造の炉体２１を備えている。この炉体２１は、前記したようにシリカガラス合成用のバーナー２７が頂部に設置された耐火物製のマッフル２３と、前記マッフル２３の下方に設けられた、前記マッフル２３の内径よりも大径の第１の炉部２４と、前記第１の炉部２４の下方に設けられた、前記第１の炉部２４の内径よりも大径の第２の炉部２５とから構成されている。
なお、ここでいう密閉系とは完全密閉状態及び設計上不可避的開放状態を含む実質的な密閉状態を含む。また、炉体２が密閉されていることを除き、マッフル２３、第１の炉部２４と、第２の炉部２５の寸法、形状は、図１に示した実施形態と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
また、前記炉体２１の内部には、回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲット２６と、前記ターゲット２６を回転及び昇降するインゴット昇降軸２６ａが設けられている。更に、前記マッフル２３の頂部には、ターゲット２６に先端が対向してシリカガラス合成用のバーナー２７が設けられている。
【００３８】
更に、第２の炉部２５は排気口２５ａを有した炉部である。第１の炉部２４から降りてくるガス流れは第２の炉部２５の内壁に沿って下降し、排気口２５ａより排気されるが、排気口２５ａに到達しなかった気流が一部存在し、この流れは第２の炉部２５を滞留する。この流れは、インゴット昇降軸２６ａに沿って上昇し、第１の炉部２４の下面で上部から降りてくる流れと衝突する。十分に排気口２５ａから排気させる為には、第２の炉部２５の流速をある程度低下させることが必要である。
【００３９】
この第２の炉部５の内壁の内径ｃは、前記し開放系の炉と同様に、前記第１の炉部４の内径をｂとした場合に１．２ｂ以上３．０ｂ以下に形成されているが、特に、密閉系の炉体２１において、第２の炉部５の内壁の内径ｃを１．２ｂ以上３．０ｂ以下に形成するのが好ましい。
【００４０】
前記第２の炉部２５の内径ｃが、１．２ｂ未満の場合には、第２の炉部２５の排気ガス流速が速いため、排気口２５ａから排気される効率が悪く、第２の炉部２５内を滞留するガス成分が多くなる、この場合、第１の炉部２４から降りてくる流れと衝突する頻度が高く、この部分でガス流れが乱流となり、インゴット昇降軸２６ａに沿った上昇気流が生じる。これは、インゴット合成面（溶融シリカ付着面８ａ）まで影響し、インゴット内部に欠陥を生じさせる原因となる。
また、第２の炉部２５内壁の内径ｃが３．０ｂを超える場合には、第２の炉部２５の排気ガス流速が遅く、第２の炉部内面へシリカ微粒子が堆積し易く、排気効率が低下する。
【００４１】
この第２の炉部２５内の高さｈ３は、前記し開放系の炉と同様に、３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下に形成されているが、特に、密閉系の炉体２１において、第２の炉部２５内の高さｈ３が３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることが望ましい。
前記第２の炉部２５の高さｈ３が３００ｍｍ未満であると、第２の炉部２５内の排気ガス流速が速く、第２の炉部２５内を循環するガス成分が多くなりインゴット８の内部に欠陥を生じさせる原因となる。
一方、第２の炉部５の高さｈ３が２０００ｍｍを越えると、２０００ｍｍ以上であると、排気口２５ａの距離が遠く、圧損を受け排気効率が低下する。
【００４２】
また、前記インゴット形成用のターゲット６の下方には、図２，３に示すように、下方向に延びる鍔部２９ｃを有する風向変更板２９が設置されている。
この風向変更板２９は天井部２９ａを有する円筒状に形成され、前記天井部２９ａには、インゴット昇降軸２６ａが貫通する貫通孔２９ｂが形成されている。また、この風向変更板２９の外周壁（鍔部２９ｃ）は、前記インゴット昇降軸２６ａに沿って下方に延設されている。
【００４３】
前記第１の炉部２４から降りてくる流れは第２の炉部２５の内壁に沿って下降し排気口２５ａより排気されるが、排気口２５ａに到達しなかった気流が一部存在し、この流れは第２の炉部２５の内部を循環する。
【００４４】
この流れは、図４に矢印で示すように、インゴット昇降軸２６ａに沿って上昇し、第１の炉部２４の下面で上部から降りてくるガス流と衝突する流れとなる。第１の炉部２４から降りてくるガス流と衝突する頻度が高くなると、この部分でガス流れが乱流となり、インゴット昇降軸２６ａに沿った上昇気流が生じる。これは、インゴット２８の合成面（溶融シリカ付着面２８ａ）まで影響し、インゴット２８の内部の欠陥を生じさせる原因となる。
【００４５】
これに対して、図５に示すように風向変更板２９が設置されている場合には、前記風向変更板２９の鍔部２９ｃによって、インゴット昇降軸２６ａに沿った上昇気流は遮断されるため、前記したインゴット８の内部の欠陥の発生が抑制される。
【００４６】
また、前記風向変更板２９の直径がインゴット２８の直径に対して−１０ｍｍ以上＋１０ｍｍ以下であり、前記鍔部の下方の長さが５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることが望ましい。
【００４７】
この風向変更板２９の直径は、所望のインゴット２８の直径と同等にすることが望ましいが、インゴット２８の直径に対し±１０ｍｍ以内であれば、上記した効果は得られる。しかしながら、前記風向変更板２９の直径がインゴット８の直径よりも１０ｍｍを超える場合には、第１の炉部２４からの排気ガスが風向変更板２９の上面（天井部外面）に衝突し、上昇流を発生させる。逆に、前記風向変更板２９の直径がインゴット２８の直径よりも１０ｍｍを下回る場合には、上昇流を十分に遮断することができない。
【００４８】
また、前記鍔部２９ｃの下方の長さが５０ｍｍ以上であれば、風向変更板２９の内部で上昇流を受け止め、その上昇流を風向変更板２９の内部で十分に対流（下降流に変更）させることによって、流速を低下させ、第１の炉部２４方向へ向かう上昇流を弱める効果が得られる。
【００４９】
一方、前記鍔部２９ｃの下方の長さが５０ｍｍ以下の場合、風向変更板２９の内部での対流（下降流に変更）が不足し、流速低下が十分でなく、風向変更板２９から上昇流が漏れ出し、第１の炉部２４に向かう上昇流を形成することになる。
逆に、風向変更板２９の鍔部２９ｃの下方の長さが１００ｍｍを超える場合には、鍔部２９ｃの外部で発生した上昇流を受け止めることができない範囲が大きくなり、結果として上昇流を抑制することができない。
【００５０】
更に、この製造装置２０には、図２に示すように、前記排気口２５ａに排気手段３０が接続されている。
この排気手段３０は、前記第２の炉部２５に形成された排気口２５ａに接続された排気管３１と、前記排気管３１に接続された外気導入管３２と、外気導入管３２の開度を制御する回動弁３３と，前記第２の炉部２５に設けられた炉内圧力と炉外圧力差を測定する差圧センサ３５と、前記排気管３１に接続された除害装置３７、排気ファン３８とを備えている。
尚、排気ガス中のシリカ微粒子の付着によって差圧の測定が不能になるのを防止するため、差圧センサ３４は排気口３５ａより下部に設置されている。図２にあっては、左側の排気管３１に接続された除害装置３７、排気ファン３８を省略して図示している。
【００５１】
前記回動弁（ダンパ）３２は、前記差圧センサ３４からの測定データに基づいて、制御装置３５によってステッピングモータ３４を制御することによって回動される。即ち、前記差圧センサ３４からの測定データが、制御装置３５にフィードバックされ、この制御装置３５によりステッピングモータ３４は制御（Ｐ．Ｉ．Ｄ制御）され、回動弁３３の開度が調整されるように構成されている。
【００５２】
このように、回動弁３３の開度が調整されることにより、外気導入管３２から排気管３１内に導入される外気量が調整され、第２の炉部３５からの排気量と外気導入管３２からの外気導入量の総排気量を変化させることなく、第２の炉部３５からの排気量と外気導入管３２からの外気導入量の配分を可変する制御がなされる。
【００５３】
この排気手段３０がこのように構成されているため、排気管３１の排気量の制御は、排気部３５に設けられた差圧センサ３４の値を、排気管３０に設けられた外気導入管３１の開度を調節する回動弁３２（制御装置３５）にフィードバックし、回動弁３２の開閉度によって、炉内外の差圧が一定になるように排気量の制御を行うことができる。
【００５４】
そのため、第２の炉部２５からの排気量が大きい場合には、外気導入管３２の開度を小さくし、外気の導入量を小さくする。一方、第２の炉部２５からの排気量が小さい場合には、外気導入管３２の開度を大きくし、外気の導入量を大きくする。しかも、第２の炉部２５からの排気量と外気導入管３２からの外気導入量を合わせた総排気量は変化しないように制御する。
【００５５】
その結果、第２の炉部２５から安定した排気を行うことができ、マッフル３内の雰囲気を安定させることができる。しかも、総排気量が変化しないため、排気管３１におけるシリカ微粒子の付着を抑制できる。
更に、この合成石英ガラスの製造装置の排気管３１の総排気量が変化しないため、一基の除害装置３７、排気ファン３８に多数の炉体２１を連結させることが可能となり経済的である。
【００５６】
そして、本発明の合成石英ガラスの製造装置を用いて製造することにより、合成石英ガラスインゴット８内に気泡、異物の混入が抑制され、屈折率が均質な合成石英ガラスを得ることができる。
【００５７】
次に本発明に係わる合成シリカガラス製造方法について説明する。
図１に示すように、高純度のケイ素化合物、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4）などの気体を約６００℃のマッフル３内に開口するバーナー７を用いて酸水素炎中に導入し、火炎加水分解させてガラス微粒子を直接回転するターゲット６上に堆積・溶融ガラス化させ、堆積速度に合わせてバーナー７からインゴット８の溶融シリカ付着面８ａまでの距離を一定に保つように引き下げながら合成シリカガラスの製造を行う。
【００５８】
インゴット８の周囲に沿って上方から下方に流れ、排気口５ａから炉体２外に排気される。炉内空気は常に上方から下方に流れるので、浮遊するシリカは空気と共に速やかかつ確実に炉体２外に排気され、逆流して溶融シリカ付着面８ａに付着することがなく、インゴット８の内部に欠陥として残存することがない。
【００５９】
尚、図２に示す製造装置にあっては、風向変更板２９により、インゴット昇降軸２６ａに沿った上昇気流は遮断されるため、前記したインゴット８の内部の欠陥の発生をより抑制することができる。
【実施例】
【００６０】
（実施例１）
図１に示す合成シリカガラス製造装置を用いて、インゴットを合成した。この装置は、図１に示すように、バーナー７がマッフル３上部からターゲット６にその先端を向けて設置されており、マッフル３の下段に第１の炉部４を設け、更にその下段に、排気口５ａを有した第２の炉部５を設置した。
前記マッフル３は高アルミナ質耐火物を用い、内径φ６００ｍｍ，長さは５００ｍｍとした。第１の炉部４の内径はφ９００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。第２の炉部５の内径はφ１４００ｍｍ、長さは１０００ｍｍとした。
そして、けい素化合物として四塩化けい素を６０ｇ／ｍｍを導入し、キャリアガス支燃性ガスとして酸素、可燃性ガスとして水素を用い、酸素／水素比は０．５として外径φ４００ｍｍ、５００ｋｇの合成石英ガラスインゴットを製造した。
この結果、合成されたインゴットの外径変動量は２ｍｍであった。また、インゴット内部の欠陥は１点も検出されなかった。
【００６１】
（比較例１）
図６に示すように、バーナー７がマッフル３上部からターゲット６にその先端を向けて設置されており、マッフル３の下段に排気口５ａを有した第１の炉部４を設置した。
前記マッフル３は高アルミナ質耐火物を用い、内径φ６００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。第１の炉部４の内径はφ９００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。
本装置を用い、けい素化合物として四塩化けい素を６０ｇ／ｍｍ導入し、キャリアガス支燃性ガスとして酸素、可燃性ガスとして水素を用い、酸素／水素比は０．５として外径φ４００、５００ｋｇの合成石英ガラスインゴットを製造した。
この結果、合成されたインゴットの外径変動量は２ｍｍであったが、インゴット内部の欠陥は１０点検出された。
【００６２】
（比較例２）
実施例１と同様な装置で、以下の寸法形状の装置を用いて、インゴットを製作した。
前記マッフル３は、内径φ６００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。第２の炉部５の内径はφ７００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。第２の炉部５の内径はφ１４００ｍｍ、長さは１０００ｍｍとした。
そして、実施例１と同条件で、同寸法のインゴット合成を試みたが、合成中にインゴット外径の制御ができず、φ５００ｍｍ〜φ２００ｍｍのインゴットとなった。また、インゴット内部の欠陥も１０点検出された。
【００６３】
（比較例３）
実施例１と同様な装置で、以下の寸法形状の装置を用いて、インゴットを製作した。
前記マッフル３は、内径φ６００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。第２の炉部５の内径はφ９００ｍｍ，長さは５００ｍｍとした。第２の炉部５の内径はφ１０５０ｍｍ、長さは１０００ｍｍとした。
そして、実施例１と同じ条件で、外径φ４００ｍｍ、５００ｋｇの合成石英ガラスインゴットを製造した。
この結果、インゴットの外径変動量は２ｍｍであったが、インゴット内部の欠陥は１０点検出された。
【符号の説明】
【００６４】
１，２０ 合成シリカガラス製造装置
２，２１ 炉体
３，２３ マッフル
４，２４ 第１の炉部
５，２５ 第２の炉部
５ａ、２５ａ 排気口
６，２６ ターゲット
７，２７ バーナー
８，２８ インゴット
８ａ，２８ａ 溶融シリカ付着面
９ 排気手段
１０ 排気ファン
１１ 排気管
２９ 風向変更板
３０ 排気手段
３１ 排気管
３２ 外気導入管
３３ 回動弁
３４ ステッピングモータ
３５ 差圧センサ
３６ 制御装置
３７ 除外装置
３８ 排気ファン
【技術分野】
【０００１】
本発明は合成シリカガラスの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫外線透過材料として２５０ｎｍ以下の波長の光透過性がよく、不純物含有量の極めて少ない合成シリカガラスが用いられている。
この合成シリカガラスは、一般的には紫外線（４００ｎｍ以下）領域の波長を吸収してしまう原因となりうる金属不純物の混入を避ける目的で、高純度のケイ素化合物、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などの気体を、酸水素炎中に導入し、火炎加水分解させて、シリカ微粒子を直接回転する耐熱性ターゲット上に堆積・溶融ガラス化させ、透明なガラスとして製造されている。
【０００３】
一方、ターゲット上に堆積せず、浮遊するシリカ微粒子や反応生成ガス等を排気するために、排気口を有した合成炉（炉体）が用いられるが、合成炉の形状によっては合成炉内のガス流れが引き起こす気流によって、浮遊シリカ微粒子がインゴット合成面（溶融シリカ付着面）に飛来し、欠陥（気泡、インクルージョン）を招く原因となっていた。
【０００４】
この問題を解決する方策として、特開平２−１８４５３０号（特許文献１）では、インゴット形状を保持するために冷却気体を使用しているが、この場合、炉壁等に付着したシリカ微粒子を巻き上げ、欠陥の原因となっていた。
【０００５】
また、炉内壁面へのシリカ微粒子付着を防止するために、壁面に沿って常温の不活性ガスを流す石英ガラス製造装置が特開平７−１０９１３４号（特許文献２）で提案されている。
しかし、常温の不活性ガスを流した場合には、炉内温度を低下させるため、石英ガラスの合成条件が変化し、脈理等の欠陥が生じやすいという欠点があった。また、常温の不活性ガスを炉内へ流すためのノズルの温度が低く、このノズルの周辺にシリカ微粒子が付着しやすく、ノズルを詰まらせる虞れがあり、付着したシリカ微粒子がインゴット合成面に飛来し、欠陥（気泡、インクルージョン）を招く原因となっていた。
【０００６】
更に、特開２０００−２６１２６（特許文献３）に記載されているように、合成炉の内壁面に沿った火炎流を形成する方法があるが、合成バーナーからの火炎と前記火炎とが緩衝する虞れがあり、このため合成シリカガラスに脈理等の欠陥が生じやすいという欠点があった。
更にまた、特開２００６−１１７４７６（特許文献４）に記載されているように、炉の耐火壁をドーム状とし、インゴット合成面（溶融シリカ付着面）より上方で排気する方法では、インゴット合成面（溶融シリカ付着面）の温度を保つために、必要とするガス量が非常に多量となり、製造コストが嵩むという欠点があった。
【０００７】
また、特開２００６−２４０９２６（特許文献５）に記載されているように、バーナーを傾斜させて設置する方法は、炉内のガス流れに偏流や炉内壁面に沿った上昇気流を生じさせ、この結果、炉内や部材に堆積したシリカがインゴット合成面（溶融シリカ付着面）に到達し易く、インゴット内部に欠陥として残存するという欠点がった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平２−１８４５３０号公報
【特許文献２】特開平７−１０９１３４号公報
【特許文献３】特開２０００−２６１２６号公報
【特許文献４】特開２００６−１１７４７６号公報
【特許文献５】特開２００６−２４０９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造することができる合成シリカガラス製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するため、本発明に係る合成シリカガラス製造装置は、炉体と、前記炉体に設けたられた排気口と、前記排気口に接続された排気手段と、前記炉体内部に回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲットと、前記ターゲットに先端が対向して設けられたシリカガラス合成用のバーナーとを備えた合成シリカガラス製造装置であって、前記炉体は、前記シリカガラス合成用のバーナーが頂部に設置された耐火物製のマッフルと、前記マッフルの下方に設けられた、前記マッフルの内径よりも大径の第１の炉部と、前記第１の炉部の下方に設けられた、前記第１の炉部の内径よりも大径の第２の炉部とを備え、前記第２の炉部側壁に前記排気口を備えることを特徴としている。
【００１１】
このように、本発明にかかる合成シリカガラス製造装置にあっては、マッフル内径に対して、第１の炉部の内径を大きく形成することによって、マッフル内の圧力に対して第１の炉部の圧力を低下させ、上昇気流を防止し、シリカ微粒子の巻き上げに起因するインゴット内部の欠陥の発生を抑制することができる。
更に、第１の炉部の内径に対して第２の炉部の内径を大きく形成することで圧力勾配を持たせ、即ち、下方ほど圧力を低下させることで上昇気流を抑制することができ、スムーズな排気を行うことができる。
尚、２段構造で第１の炉部から排気を行った場合、微少な排気量変動であってもインゴット合成面（インゴット溶融シリカ面）への影響が大きく、合成したインゴットの品質にばらつきが生じる。また、微少な排気量変動により上昇気流が生じてしまい、炉内壁に付着したシリカを巻き上げられ、インゴットに欠陥を生じさせるため、マッフル、第１の炉部、第２の炉部の３段構造であって、前記第２の炉部側壁に前記排気口を備えることが望ましい。
【００１２】
ここで、前記炉体を構成するマッフルの水平断面、前記マッフルの下方に設けられた第１の炉部の水平断面、前記第１の炉部の下方に設けられた第２の炉部の水平断面のいずれもが円形であることが望ましい。
【００１３】
尚、前記マッフルの内径が、前記インゴットの外径をｒとした場合に１．３ｒ以上２．５ｒ以下であって、マッフル内の高さが３００ｍｍ以上８００ｍｍ以下であり、前記第１の炉部の内径が、前記マッフルの内径をａとした場合に１．２ａ以上２．０ａ以下であって、第１の炉部内の高さが１５０ｍｍ以上６００ｍｍ以下であり、前記第２の炉部の内径が、前記第１の炉部の内径をｂとした場合に１．２ｂ以上３．０ｂ以下であって、第２の炉炉部内の高さが３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることが望ましい。
前記炉体が、このような寸法形状を有する場合には、脈理、欠陥のより抑制され、物性や品質がより均一な合成シリカガラスを得ることができる。
【００１４】
更に、前記炉体が密閉されると共に、前記排気手段は、前記排気口より下方の前記第２の炉部側壁に設けられた、炉内圧力と炉外圧力差を測定する差圧センサと、前記第２の炉部に形成された排気口に接続された排気管と、前記排気管に接続された外気導入管と、外気導入管の開度を制御する回動弁とを備え、 前記差圧センサの差圧が一定になるように、回動弁の開度を制御し、総排気量を変化させることなく、第２の炉部からの排気量と外気導入管からの外気導入量の配分を可変するように構成することが望ましい。
【００１５】
このように、総排気量が変化することなく、第２の炉部からの排気量と外気導入管からの外気導入量の配分が可変するため、安定した排気を行なうことができ、炉内の雰囲気を安定させるができる。
しかも、総排気量が変化せず、所定の流量を流すことができるため、排気管における石英ガラス粉の付着を抑制できる。また、炉内を安定した排気を行なうことができるため、インゴット内に気泡、異物の混入がより抑制され、屈折率がより均質な石英ガラスを得ることができる。
【００１６】
また、前記排気管には除害装置が接続され、更に前記除害装置に排気ファンが接続されていることが望ましい。
【００１７】
更に、前記インゴット形成用のターゲットの下方には、下方向に延びる鍔部を有する風向変更板が設置されていることが望ましい。この風向変更板を用いることによりインゴット昇降軸に沿った上昇気流を遮断し、インゴット内部の欠陥の発生を抑制することができる。
【００１８】
また前記風向変更板の直径が、インゴットの直径に対して−１０ｍｍ以上＋１０ｍｍ以下の範囲にあり、前記鍔部の下方の長さが５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係わる合成シリカガラス製造装置によれば、脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造することができる合成シリカガラス製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る合成シリカガラス製造装置の概略構成図。
【図２】本発明の他の実施形態に係る合成シリカガラス製造装置の概略構成図。
【図３】図２に示した風向変更板を示す斜視図。
【図４】風向変更板が設置されていない場合の炉内のガス流れを示す概略図。
【図５】風向変更板が設置された場合の炉内のガス流れを示す概略図。
【図６】比較試験における比較例に用いられる炉体を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、炉体を、シリカガラス合成用のバーナーが頂部に設置された耐火物製のマッフルと、前記マッフルの下方に設けられた、前記マッフルの内径よりも大径の第１の炉部と、前記第１の炉部の下方に設けられた、前記第１の炉部の内径よりも大径の第２の炉部との３段構造に構成した点に特徴がある。
【００２２】
ここで、合成シリカガラス製造装置は、大きく分けて、炉体の一部が大気に解放された開放系の製造装置と、炉体内を大気と遮断した密閉系の製造装置とがある。これらは、それぞれ用途によって使い分けられる。たとえば、シリカガラスにＳｉＯ2以外の成分をドープするような場合、反応により生成する有毒ガスが炉体外に流出しないように密閉系の製造装置が用いられる。また、大口径の光学部材用のシリカガラスを製造するにはインゴットも大口径化するが、この場合には炉体内の雰囲気を均一に保つことが容易な開放系の製造装置が用いられる。
【００２３】
先ず、本発明の一実施形態として、開放系の炉体を備える合成シリカガラス製造装置について、図１に基づいて説明する。尚、図１は開放系の炉体を備える合成シリカガラス製造装置の概略構成図である。
前記開放系の製造装置１は、下部が大気に常時開放されている３段構造の炉体２を備えている。この炉体２は、前記したようにシリカガラス合成用のバーナー７が頂部に設置された耐火物製のマッフル３と、前記マッフル３の下方に設けられた、前記マッフル３の内径よりも大径の第１の炉部４と、前記第１の炉部４の下方に設けられた、前記第１の炉部４の内径よりも大径の第２の炉部５とから構成されている。
【００２４】
また、前記炉体２を構成するマッフル３の水平断面、前記マッフル３の下方に設けられた第１の炉部４の水平断面、前記第１の炉部４の下方に設けられた複数の排気口５ａを有する第２の炉部５の水平断面のいずれもが円形に形成されている。
【００２５】
また、前記炉体２の内部には、回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲット６と、前記ターゲット６を回転及び昇降するインゴット昇降軸６ａが設けられている。
更に、炉体２の下部（第２の炉部５）には、ターゲット６に堆積されなかったシリカ微粒子を排気する排気口５ａが設けられている。そしてまた、前記排気口５ａに接続された排気管１１、排気ファン１０からなる排気手段９が設けられている。
【００２６】
更に、前記マッフル３の内壁の内径ａは、前記インゴット８の外径をｒとした場合に１．３ｒ以上２．５ｒ以下に形成されている。
前記マッフル３の内径が１．３ｒ未満の場合には、排気ガスの流速が速く、乱流となり易く、マッフル３内に堆積したシリカ微粒子を巻き上げ、インゴット８の内部に欠陥を生じさせる。また、マッフル３の内部の温度が上昇し、インゴット８を所定の外径寸法に維持できず、所定の外径寸法に対し大きく形成される。これにより、バーナー７とターゲット６間の距離に変化が生じ、合成部（溶融シリカ付着面８ａ）の温度分布が変化し、また加水分解反応により生成されたシリカ微粒子が反応が促進された状態で合成面（溶融シリカ付着面８ａ）に堆積するため、合成した石英ガラスの物性や品質にバラツキを生じさせる。更に、インゴット８の外径寸法が大きくなると、マッフル３内のガスが下方向に抜けにくくなり、マッフル３の内壁やバーナー７等に堆積するシリカ微粒子量が増加し、これが合成面（溶融シリカ付着面８ａ）へ飛来し、インゴット８に欠陥を生じさせる。
【００２７】
一方、マッフル３の内壁の内径が２．５ｒを超える場合には、マッフル３の内壁の高温維持が困難であり、熱量不足によりインゴット合成面（溶融シリカ付着面８ａ）にしわが発生し、脈理の原因となる。また、マッフル３の内部を高温になるようにガス量を増加させることが必要となり、製造コストが嵩む。更に、前記ガス量を増加させると、合成面（溶融シリカ付着面８ａ）の温度分布が変化するため、品質にバラツキが生じる。
【００２８】
また、このマッフル３の内の高さｈ１が３００ｍｍ以上８００ｍｍ以下に形成されている。
このマッフル３の高さｈ１が８００ｍｍを超える場合には、マッフル３内の温度を高温維持するためにバーナー７からのガス量を多くしなければならず、製造コストが嵩み、好ましくない。
一方、マッフル３内の高さｈ１が３００ｍｍ未満の場合には、マッフル３内部の温度が上昇し、インゴット８の形状維持（外径維持）が困難になり、好ましくない。またマッフル３内のガスの排気が悪化し、マッフル３の内壁面にシリカ微粒子が付着し、これが落下することによりインゴット８の合成面（溶融シリカ付着面８ａ）へシリカ微粒子が飛来し、欠陥等が生じ、好ましくない。
【００２９】
このマッフル３の下段に設置された第１の炉部４は、マッフル３内とこの炉部４の圧力に勾配を付け、上昇気流を防止し、かつインゴット８の形状を保持し、更に排気量変動を抑制する、いわゆるバッファ機能を果たしている。
【００３０】
この第１の炉部４内壁の内径ｂは、前記マッフル３の内壁の内径をａとした場合に１．２ａ以上２．０ａ以下に形成されている。
第１の炉部４の内壁の内径が１．２ａ未満の場合には、マッフル３内と第１の炉部４の圧力勾配が不十分であり、上昇気流が生じやすく、インゴット８の内部に欠陥を生じさせる原因となる。また、第１の炉部４の内部温度が上昇しすぎるため、インゴット８の所定の外径寸法が保持できず、所定の外径に対し大きく形成される。また、インゴット８と第１の炉部４の内壁が近接するため、内壁面に付着したシリカ微粒子によって排気経路が狭まり、排気流速の変動を引き起こす。そのため、合成面（溶融シリカ付着面８ａ）の温度分布が変化し、屈折率分布が悪化し、また排気流が乱流となり上昇気流を生じさせ、シリカ微粒子が合成面へ達し、欠陥の原因となる。
【００３１】
一方、第１の炉部４の内径が２．０ａを超える場合には、合成時間に応じて合成されたインゴットが第２の炉部５に降下してくるが、このときにインゴット８からの放熱量が大きくなるため、インゴット８の温度が極端に低下することで外径変動が生じる。その結果、バーナー７とターゲット６との間の距離に変動が生じ、合成した石英ガラスの物性や品質にバラツキが生じる。また、第２の炉部５の上部壁面にシリカ微粒子が堆積し易く、浮遊シリカ微粒子の飛来により、インゴット８に欠陥が生じる。
【００３２】
また、第１の炉部４内の高さｈ２が１５０ｍｍ以上６００ｍｍ以下に形成されている。
第１の炉部４の高さ（長さ）ｈ２が１５０ｍｍ未満の場合、排気口５ａと合成面（溶融シリカ付着面８ａ）の距離が近く、微少な排気変動でもインゴット合成面（溶融シリカ付着面８ａ）近傍のガス流れ、温度分布に影響を与えやすく、合成した石英ガラスの物性や品質にバラツキが生じる。
また、第１の炉部４の高さ（長さ）ｈ２が６００ｍｍを越えると、６００ｍｍ以上であると、排気口５ａとの距離が遠く、圧損を受け、排気効率が低下するため、好ましくない。
【００３３】
前記第２の炉部５の内壁の内径ｃは、前記第１の炉部４の内径をｂとした場合に１．２ｂ以上３．０ｂ以下に形成されている。
前記第２の炉部５の内径ｃが、１．２ｂ未満の場合には、第１の炉部４との圧力勾配が十分ではなく、上昇気流が生じる原因となる。また、第２の炉部５内壁の内径ｃが３．０ｂを超える場合には、第２の炉部５の排気ガス流速が遅く、第２の炉部５の内面へシリカ微粒子が堆積し易く、排気効率が低下する。
【００３４】
第２の炉部５内の高さｈ３が３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下に形成されている。
前記第２の炉部５の高さｈ３が３００ｍｍ未満であると、第２の炉部５内の排気ガス流速が速いため、第２炉部５を循環するガス成分が多くなり、インゴット８内部の欠陥を生じさせる。
一方、第２の炉部５の高さｈ３が２０００ｍｍを越えると、排気口５ａの距離が遠く、圧損を受け排気効率が低下する。
このように、炉体２を三段構造とすることで上昇気流を防止し、安定した品質のインゴットが得られる。
【００３５】
次に、本発明の他の実施形態として、密閉系の炉を備える合成シリカガラス製造装置について、図２乃至図５に基づいて説明する。尚、図２は密閉系の炉体を備える合成シリカガラス製造装置の概略構成図、図３は風向変更板を示す斜視図、図４、図５はガス流を模式的に示した図である。
【００３６】
この密閉系の製造装置２０にあっては、図２に示すように、密閉されている３段構造の炉体２１を備えている。この炉体２１は、前記したようにシリカガラス合成用のバーナー２７が頂部に設置された耐火物製のマッフル２３と、前記マッフル２３の下方に設けられた、前記マッフル２３の内径よりも大径の第１の炉部２４と、前記第１の炉部２４の下方に設けられた、前記第１の炉部２４の内径よりも大径の第２の炉部２５とから構成されている。
なお、ここでいう密閉系とは完全密閉状態及び設計上不可避的開放状態を含む実質的な密閉状態を含む。また、炉体２が密閉されていることを除き、マッフル２３、第１の炉部２４と、第２の炉部２５の寸法、形状は、図１に示した実施形態と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
また、前記炉体２１の内部には、回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲット２６と、前記ターゲット２６を回転及び昇降するインゴット昇降軸２６ａが設けられている。更に、前記マッフル２３の頂部には、ターゲット２６に先端が対向してシリカガラス合成用のバーナー２７が設けられている。
【００３８】
更に、第２の炉部２５は排気口２５ａを有した炉部である。第１の炉部２４から降りてくるガス流れは第２の炉部２５の内壁に沿って下降し、排気口２５ａより排気されるが、排気口２５ａに到達しなかった気流が一部存在し、この流れは第２の炉部２５を滞留する。この流れは、インゴット昇降軸２６ａに沿って上昇し、第１の炉部２４の下面で上部から降りてくる流れと衝突する。十分に排気口２５ａから排気させる為には、第２の炉部２５の流速をある程度低下させることが必要である。
【００３９】
この第２の炉部５の内壁の内径ｃは、前記し開放系の炉と同様に、前記第１の炉部４の内径をｂとした場合に１．２ｂ以上３．０ｂ以下に形成されているが、特に、密閉系の炉体２１において、第２の炉部５の内壁の内径ｃを１．２ｂ以上３．０ｂ以下に形成するのが好ましい。
【００４０】
前記第２の炉部２５の内径ｃが、１．２ｂ未満の場合には、第２の炉部２５の排気ガス流速が速いため、排気口２５ａから排気される効率が悪く、第２の炉部２５内を滞留するガス成分が多くなる、この場合、第１の炉部２４から降りてくる流れと衝突する頻度が高く、この部分でガス流れが乱流となり、インゴット昇降軸２６ａに沿った上昇気流が生じる。これは、インゴット合成面（溶融シリカ付着面８ａ）まで影響し、インゴット内部に欠陥を生じさせる原因となる。
また、第２の炉部２５内壁の内径ｃが３．０ｂを超える場合には、第２の炉部２５の排気ガス流速が遅く、第２の炉部内面へシリカ微粒子が堆積し易く、排気効率が低下する。
【００４１】
この第２の炉部２５内の高さｈ３は、前記し開放系の炉と同様に、３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下に形成されているが、特に、密閉系の炉体２１において、第２の炉部２５内の高さｈ３が３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることが望ましい。
前記第２の炉部２５の高さｈ３が３００ｍｍ未満であると、第２の炉部２５内の排気ガス流速が速く、第２の炉部２５内を循環するガス成分が多くなりインゴット８の内部に欠陥を生じさせる原因となる。
一方、第２の炉部５の高さｈ３が２０００ｍｍを越えると、２０００ｍｍ以上であると、排気口２５ａの距離が遠く、圧損を受け排気効率が低下する。
【００４２】
また、前記インゴット形成用のターゲット６の下方には、図２，３に示すように、下方向に延びる鍔部２９ｃを有する風向変更板２９が設置されている。
この風向変更板２９は天井部２９ａを有する円筒状に形成され、前記天井部２９ａには、インゴット昇降軸２６ａが貫通する貫通孔２９ｂが形成されている。また、この風向変更板２９の外周壁（鍔部２９ｃ）は、前記インゴット昇降軸２６ａに沿って下方に延設されている。
【００４３】
前記第１の炉部２４から降りてくる流れは第２の炉部２５の内壁に沿って下降し排気口２５ａより排気されるが、排気口２５ａに到達しなかった気流が一部存在し、この流れは第２の炉部２５の内部を循環する。
【００４４】
この流れは、図４に矢印で示すように、インゴット昇降軸２６ａに沿って上昇し、第１の炉部２４の下面で上部から降りてくるガス流と衝突する流れとなる。第１の炉部２４から降りてくるガス流と衝突する頻度が高くなると、この部分でガス流れが乱流となり、インゴット昇降軸２６ａに沿った上昇気流が生じる。これは、インゴット２８の合成面（溶融シリカ付着面２８ａ）まで影響し、インゴット２８の内部の欠陥を生じさせる原因となる。
【００４５】
これに対して、図５に示すように風向変更板２９が設置されている場合には、前記風向変更板２９の鍔部２９ｃによって、インゴット昇降軸２６ａに沿った上昇気流は遮断されるため、前記したインゴット８の内部の欠陥の発生が抑制される。
【００４６】
また、前記風向変更板２９の直径がインゴット２８の直径に対して−１０ｍｍ以上＋１０ｍｍ以下であり、前記鍔部の下方の長さが５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることが望ましい。
【００４７】
この風向変更板２９の直径は、所望のインゴット２８の直径と同等にすることが望ましいが、インゴット２８の直径に対し±１０ｍｍ以内であれば、上記した効果は得られる。しかしながら、前記風向変更板２９の直径がインゴット８の直径よりも１０ｍｍを超える場合には、第１の炉部２４からの排気ガスが風向変更板２９の上面（天井部外面）に衝突し、上昇流を発生させる。逆に、前記風向変更板２９の直径がインゴット２８の直径よりも１０ｍｍを下回る場合には、上昇流を十分に遮断することができない。
【００４８】
また、前記鍔部２９ｃの下方の長さが５０ｍｍ以上であれば、風向変更板２９の内部で上昇流を受け止め、その上昇流を風向変更板２９の内部で十分に対流（下降流に変更）させることによって、流速を低下させ、第１の炉部２４方向へ向かう上昇流を弱める効果が得られる。
【００４９】
一方、前記鍔部２９ｃの下方の長さが５０ｍｍ以下の場合、風向変更板２９の内部での対流（下降流に変更）が不足し、流速低下が十分でなく、風向変更板２９から上昇流が漏れ出し、第１の炉部２４に向かう上昇流を形成することになる。
逆に、風向変更板２９の鍔部２９ｃの下方の長さが１００ｍｍを超える場合には、鍔部２９ｃの外部で発生した上昇流を受け止めることができない範囲が大きくなり、結果として上昇流を抑制することができない。
【００５０】
更に、この製造装置２０には、図２に示すように、前記排気口２５ａに排気手段３０が接続されている。
この排気手段３０は、前記第２の炉部２５に形成された排気口２５ａに接続された排気管３１と、前記排気管３１に接続された外気導入管３２と、外気導入管３２の開度を制御する回動弁３３と，前記第２の炉部２５に設けられた炉内圧力と炉外圧力差を測定する差圧センサ３５と、前記排気管３１に接続された除害装置３７、排気ファン３８とを備えている。
尚、排気ガス中のシリカ微粒子の付着によって差圧の測定が不能になるのを防止するため、差圧センサ３４は排気口３５ａより下部に設置されている。図２にあっては、左側の排気管３１に接続された除害装置３７、排気ファン３８を省略して図示している。
【００５１】
前記回動弁（ダンパ）３２は、前記差圧センサ３４からの測定データに基づいて、制御装置３５によってステッピングモータ３４を制御することによって回動される。即ち、前記差圧センサ３４からの測定データが、制御装置３５にフィードバックされ、この制御装置３５によりステッピングモータ３４は制御（Ｐ．Ｉ．Ｄ制御）され、回動弁３３の開度が調整されるように構成されている。
【００５２】
このように、回動弁３３の開度が調整されることにより、外気導入管３２から排気管３１内に導入される外気量が調整され、第２の炉部３５からの排気量と外気導入管３２からの外気導入量の総排気量を変化させることなく、第２の炉部３５からの排気量と外気導入管３２からの外気導入量の配分を可変する制御がなされる。
【００５３】
この排気手段３０がこのように構成されているため、排気管３１の排気量の制御は、排気部３５に設けられた差圧センサ３４の値を、排気管３０に設けられた外気導入管３１の開度を調節する回動弁３２（制御装置３５）にフィードバックし、回動弁３２の開閉度によって、炉内外の差圧が一定になるように排気量の制御を行うことができる。
【００５４】
そのため、第２の炉部２５からの排気量が大きい場合には、外気導入管３２の開度を小さくし、外気の導入量を小さくする。一方、第２の炉部２５からの排気量が小さい場合には、外気導入管３２の開度を大きくし、外気の導入量を大きくする。しかも、第２の炉部２５からの排気量と外気導入管３２からの外気導入量を合わせた総排気量は変化しないように制御する。
【００５５】
その結果、第２の炉部２５から安定した排気を行うことができ、マッフル３内の雰囲気を安定させることができる。しかも、総排気量が変化しないため、排気管３１におけるシリカ微粒子の付着を抑制できる。
更に、この合成石英ガラスの製造装置の排気管３１の総排気量が変化しないため、一基の除害装置３７、排気ファン３８に多数の炉体２１を連結させることが可能となり経済的である。
【００５６】
そして、本発明の合成石英ガラスの製造装置を用いて製造することにより、合成石英ガラスインゴット８内に気泡、異物の混入が抑制され、屈折率が均質な合成石英ガラスを得ることができる。
【００５７】
次に本発明に係わる合成シリカガラス製造方法について説明する。
図１に示すように、高純度のケイ素化合物、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4）などの気体を約６００℃のマッフル３内に開口するバーナー７を用いて酸水素炎中に導入し、火炎加水分解させてガラス微粒子を直接回転するターゲット６上に堆積・溶融ガラス化させ、堆積速度に合わせてバーナー７からインゴット８の溶融シリカ付着面８ａまでの距離を一定に保つように引き下げながら合成シリカガラスの製造を行う。
【００５８】
インゴット８の周囲に沿って上方から下方に流れ、排気口５ａから炉体２外に排気される。炉内空気は常に上方から下方に流れるので、浮遊するシリカは空気と共に速やかかつ確実に炉体２外に排気され、逆流して溶融シリカ付着面８ａに付着することがなく、インゴット８の内部に欠陥として残存することがない。
【００５９】
尚、図２に示す製造装置にあっては、風向変更板２９により、インゴット昇降軸２６ａに沿った上昇気流は遮断されるため、前記したインゴット８の内部の欠陥の発生をより抑制することができる。
【実施例】
【００６０】
（実施例１）
図１に示す合成シリカガラス製造装置を用いて、インゴットを合成した。この装置は、図１に示すように、バーナー７がマッフル３上部からターゲット６にその先端を向けて設置されており、マッフル３の下段に第１の炉部４を設け、更にその下段に、排気口５ａを有した第２の炉部５を設置した。
前記マッフル３は高アルミナ質耐火物を用い、内径φ６００ｍｍ，長さは５００ｍｍとした。第１の炉部４の内径はφ９００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。第２の炉部５の内径はφ１４００ｍｍ、長さは１０００ｍｍとした。
そして、けい素化合物として四塩化けい素を６０ｇ／ｍｍを導入し、キャリアガス支燃性ガスとして酸素、可燃性ガスとして水素を用い、酸素／水素比は０．５として外径φ４００ｍｍ、５００ｋｇの合成石英ガラスインゴットを製造した。
この結果、合成されたインゴットの外径変動量は２ｍｍであった。また、インゴット内部の欠陥は１点も検出されなかった。
【００６１】
（比較例１）
図６に示すように、バーナー７がマッフル３上部からターゲット６にその先端を向けて設置されており、マッフル３の下段に排気口５ａを有した第１の炉部４を設置した。
前記マッフル３は高アルミナ質耐火物を用い、内径φ６００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。第１の炉部４の内径はφ９００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。
本装置を用い、けい素化合物として四塩化けい素を６０ｇ／ｍｍ導入し、キャリアガス支燃性ガスとして酸素、可燃性ガスとして水素を用い、酸素／水素比は０．５として外径φ４００、５００ｋｇの合成石英ガラスインゴットを製造した。
この結果、合成されたインゴットの外径変動量は２ｍｍであったが、インゴット内部の欠陥は１０点検出された。
【００６２】
（比較例２）
実施例１と同様な装置で、以下の寸法形状の装置を用いて、インゴットを製作した。
前記マッフル３は、内径φ６００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。第２の炉部５の内径はφ７００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。第２の炉部５の内径はφ１４００ｍｍ、長さは１０００ｍｍとした。
そして、実施例１と同条件で、同寸法のインゴット合成を試みたが、合成中にインゴット外径の制御ができず、φ５００ｍｍ〜φ２００ｍｍのインゴットとなった。また、インゴット内部の欠陥も１０点検出された。
【００６３】
（比較例３）
実施例１と同様な装置で、以下の寸法形状の装置を用いて、インゴットを製作した。
前記マッフル３は、内径φ６００ｍｍ、長さは５００ｍｍとした。第２の炉部５の内径はφ９００ｍｍ，長さは５００ｍｍとした。第２の炉部５の内径はφ１０５０ｍｍ、長さは１０００ｍｍとした。
そして、実施例１と同じ条件で、外径φ４００ｍｍ、５００ｋｇの合成石英ガラスインゴットを製造した。
この結果、インゴットの外径変動量は２ｍｍであったが、インゴット内部の欠陥は１０点検出された。
【符号の説明】
【００６４】
１，２０ 合成シリカガラス製造装置
２，２１ 炉体
３，２３ マッフル
４，２４ 第１の炉部
５，２５ 第２の炉部
５ａ、２５ａ 排気口
６，２６ ターゲット
７，２７ バーナー
８，２８ インゴット
８ａ，２８ａ 溶融シリカ付着面
９ 排気手段
１０ 排気ファン
１１ 排気管
２９ 風向変更板
３０ 排気手段
３１ 排気管
３２ 外気導入管
３３ 回動弁
３４ ステッピングモータ
３５ 差圧センサ
３６ 制御装置
３７ 除外装置
３８ 排気ファン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体と、前記炉体に設けたられた排気口と、前記排気口に接続された排気手段と、前記炉体内部に回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲットと、前記ターゲットに先端が対向して設けられたシリカガラス合成用のバーナーとを備えた合成シリカガラス製造装置であって、
前記炉体は、前記シリカガラス合成用のバーナーが頂部に設置された耐火物製のマッフルと、前記マッフルの下方に設けられた、前記マッフルの内径よりも大径の第１の炉部と、前記第１の炉部の下方に設けられた、前記第１の炉部の内径よりも大径の第２の炉部とを備え、
更に前記第２の炉部側壁に前記排気口を備えることを特徴とする合成シリカガラス製造装置。
【請求項２】
前記炉体を構成するマッフルの水平断面、前記マッフルの下方に設けられた第１の炉部の水平断面、前記第１の炉部の下方に設けられた第２の炉部の水平断面のいずれもが円形であることを特徴とする請求項１記載の合成シリカガラス製造装置。
【請求項３】
前記炉体が密閉されると共に、
前記排気手段は、前記排気口より下方の前記第２の炉部側壁に設けられた、炉内圧力と炉外圧力差を測定する差圧センサと、前記第２の炉部に形成された排気口に接続された排気管と、前記排気管に接続された外気導入管と、外気導入管の開度を制御する回動弁とを備え、
前記差圧センサの差圧が一定になるように、回動弁の開度を制御し、総排気量を変化させることなく、第２の炉部からの排気量と外気導入管からの外気導入量の配分を可変するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の合成石英ガラスの製造装置。
【請求項４】
前記排気管には除害装置が接続され、更に前記除害装置に排気ファンが接続されていることを特徴とする請求項３記載の合成石英ガラスの製造装置。
【請求項５】
前記インゴット形成用のターゲットの下方には、下方向に延びる鍔部を有する風向変更板が設置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の合成シリカガラス製造装置。
【請求項６】
前記風向変更板の直径が、インゴットの直径に対して−１０ｍｍ以上＋１０ｍｍ以下の範囲にあり、前記鍔部の下方の長さが５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５記載の合成シリカガラス製造装置。
【請求項１】
炉体と、前記炉体に設けたられた排気口と、前記排気口に接続された排気手段と、前記炉体内部に回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲットと、前記ターゲットに先端が対向して設けられたシリカガラス合成用のバーナーとを備えた合成シリカガラス製造装置であって、
前記炉体は、前記シリカガラス合成用のバーナーが頂部に設置された耐火物製のマッフルと、前記マッフルの下方に設けられた、前記マッフルの内径よりも大径の第１の炉部と、前記第１の炉部の下方に設けられた、前記第１の炉部の内径よりも大径の第２の炉部とを備え、
更に前記第２の炉部側壁に前記排気口を備えることを特徴とする合成シリカガラス製造装置。
【請求項２】
前記炉体を構成するマッフルの水平断面、前記マッフルの下方に設けられた第１の炉部の水平断面、前記第１の炉部の下方に設けられた第２の炉部の水平断面のいずれもが円形であることを特徴とする請求項１記載の合成シリカガラス製造装置。
【請求項３】
前記炉体が密閉されると共に、
前記排気手段は、前記排気口より下方の前記第２の炉部側壁に設けられた、炉内圧力と炉外圧力差を測定する差圧センサと、前記第２の炉部に形成された排気口に接続された排気管と、前記排気管に接続された外気導入管と、外気導入管の開度を制御する回動弁とを備え、
前記差圧センサの差圧が一定になるように、回動弁の開度を制御し、総排気量を変化させることなく、第２の炉部からの排気量と外気導入管からの外気導入量の配分を可変するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の合成石英ガラスの製造装置。
【請求項４】
前記排気管には除害装置が接続され、更に前記除害装置に排気ファンが接続されていることを特徴とする請求項３記載の合成石英ガラスの製造装置。
【請求項５】
前記インゴット形成用のターゲットの下方には、下方向に延びる鍔部を有する風向変更板が設置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の合成シリカガラス製造装置。
【請求項６】
前記風向変更板の直径が、インゴットの直径に対して−１０ｍｍ以上＋１０ｍｍ以下の範囲にあり、前記鍔部の下方の長さが５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５記載の合成シリカガラス製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５８５１６（Ｐ２０１２−１５８５１６Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−７３５９９（Ｐ２０１２−７３５９９）
【出願日】平成２４年３月２８日（２０１２．３．２８）
【分割の表示】特願２００７−３０９１４８（Ｐ２００７−３０９１４８）の分割
【原出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【出願人】（５９２１０４９４４）コバレントマテリアル徳山株式会社 (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月２８日（２０１２．３．２８）
【分割の表示】特願２００７−３０９１４８（Ｐ２００７−３０９１４８）の分割
【原出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【出願人】（５９２１０４９４４）コバレントマテリアル徳山株式会社 (24)
【Ｆターム（参考）】
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