多孔質ガラス母材製造用バーナー
【課題】各ガス噴出ポート出口において均一な線速が得られ、反応が均一となり、安定した火炎が得られ、堆積効率が向上する、小口径ガス噴出ポートを有する多孔質ガラス母材製造用バーナーを提供する。
【解決手段】本発明による多孔質ガラス母材製造用バーナーは、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径が、前記所定の長さＬの位置よりバーナー根元側の位置からバーナー先端側に向かって縮小され、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポート及び当該ガス噴出ポートより径方向外側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径が、前記所定の長さＬの位置よりバーナー先端側の位置からバーナー先端側に向かって縮小されていることを特徴とする。
【解決手段】本発明による多孔質ガラス母材製造用バーナーは、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径が、前記所定の長さＬの位置よりバーナー根元側の位置からバーナー先端側に向かって縮小され、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポート及び当該ガス噴出ポートより径方向外側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径が、前記所定の長さＬの位置よりバーナー先端側の位置からバーナー先端側に向かって縮小されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、堆積効率に優れた多孔質ガラス母材製造用バーナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバ母材を製造するために、各種方法が提案されている。それらの方法のなかでも、バーナー火炎中で生成したガラス微粒子を、バーナーもしくは出発部材を相対往復運動させて、回転する出発部材上に付着堆積させて多孔質母材を合成し、これを電気炉内で脱水、焼結する外付け法（ＯＶＤ：Outside Vapor Phase Deposition法）は、比較的任意の屈折率分布のものが得られ、しかも、大口径の光ファイバ母材を量産できることから汎用されている。
【０００３】
図１は、外付け法（ＯＶＤ法）による多孔質ガラス母材の製造装置の一例を示す概略図である。図１において、ガラス微粒子（スート）が堆積される出発部材は、コアロッド１の両端部にダミーロッド２を溶着したものであり、その両端がインゴットチャック機構４により軸回りに回転自在に支持されている。この出発部材に向かって配設された、往復移動自在のバーナー３から、光ファイバ用原料、例えばSiCl4等の蒸気と燃焼ガス（水素ガス及び酸素ガス）とを出発部材に向けて吹き付け、酸水素火炎中での加水分解によって生成したスートを出発部材上に堆積させることにより、光ファイバ用多孔質母材が形成される。なお、符号５は排気フードである。
【０００４】
バーナー３は、不図示のバーナーガイド機構により出発部材の長手方向に沿って往復移動自在に支持されている。そして、出発部材を軸回りに回転させながら、出発部材に向けて火炎を噴射し、火炎中での原料ガスの加水分解によって生成したガラス微粒子を堆積させることで多孔質母材が製造される。次いで、不図示の加熱炉のヒータ部を通過させることにより、脱水ガラス化され、光ファイバ母材とされる。
【０００５】
ガラス微粒子を合成し出発部材上にスートを堆積させるために、従来、同心多重管バーナーが用いられてきた。しかし、このような同心多重管構造のバーナーは、ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスの混合が充分に行われないため、ガラス微粒子の生成が充分でなかった。その結果、収率が伸びず、高速合成が困難であった。
【０００６】
この問題を解決するために、特許文献１には、可燃性ガス噴出ポート内に、中心の原料ガス噴出ポートを取り囲むように小口径助燃性ガス噴出ポートを形成するノズルを複数配置したマルチノズル型バーナーが提案されている。このタイプのバーナーに関しては、さらに堆積効率を向上させる方法が幾つか提案されている。例えば、小口径助燃性ガス噴出ポートの構成について特許文献２ないし５等が提案されている。また、小口径助燃性ガス噴出ポートの焦点距離の適正化について、特許文献６ないし８等が提案されている。さらに、ガス流量及びガス線速の適正化について、特許文献９ないし１２等が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特公平０３−９０４７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０６１５４号公報
【特許文献３】特開２００４−３３１４４０号公報
【特許文献４】特開２００６−１８２６２４号公報
【特許文献５】特許第３７４４３５０号公報
【特許文献６】特開平０５−３２３１３０号公報
【特許文献７】特許第３５４３５３７号公報
【特許文献８】特開２００３−２２６５４４号公報
【特許文献９】特許第３５９１３３０号公報
【特許文献１０】特開２００３−１６５７３７号公報
【特許文献１１】特開２００３−２１２５５５号公報
【特許文献１２】特許第３６５３９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者は、かかる小口径助燃性ガス噴出ポート（ノズル）を有する多孔質ガラス母材製造用バーナーについて、鋭意検討した結果、前記の小口径助燃性ガス噴出ポートの構成や焦点距離、ガス流量、ガス線速が堆積効率に大きく関わっていることを確認した。しかし、それ以前に、各ガス噴出ポート出口においてガス線速にばらつきが存在することに起因して、反応が不均一になるといった問題や、ガス流に乱れが生じて火炎が乱れるといった問題があり、これらが堆積効率の向上を妨げていることを見い出した。
【０００９】
通常、バーナーへの反応ガスの供給は、バーナーの各ガス噴出ポートを形成する管の根元の一箇所にガス導入管を取り付け、これにガス供給チューブを繋いで各ガス噴出ポートに反応ガスを供給している。なお、各ガス噴出ポートへのガスは、バーナーの構造上、中心に配設されたガス噴出ポート以外は、リング（環）状の流路に直交する方向の一箇所で連結されたガス導入管から供給される。ここで、バーナーは同心多重管構造を有しているため、外方の管ほど管径が太くなり、ガス導入管からリング状の流路に供給されたガスは、外方の管ほど、内部に位置する内管の反対側には回り込み難くなる。この結果、ガス噴出ポートの流路断面内での線速が不均一になり易い。
【００１０】
特に、小口径助燃性ガス噴出ポートを有するバーナーは、小口径助燃性ガス噴出ポート群がガス噴出ポートの一つ内に配置されるので、従来使用されてきた小口径助燃性ガス噴出ポートを有さない同心多重管バーナーと比較して、管径が大きくなる傾向がある。そのために、従来の同心多重管バーナーに比べて、各ガス噴出ポート出口でのガス線速のばらつきが存在し易い。そこで、各ガス噴出ポートを形成する管に対しガス導入管を複数取り付けることで、ガス噴出ポート内の線速のばらつきを減少させる方法が考えられるが、ガス導入管の数が非常に多くなり、構造が極めて複雑になり、現実的な方法ではない。
【００１１】
本発明は、各ガス噴出ポート出口において均一な線速のばらつきが得られ、反応が均一となり、安定した火炎が得られ、堆積効率を向上させることのできる、小口径ガス噴出ポートを有する多孔質ガラス母材製造用バーナーを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の一形態による多孔質ガラス母材製造用バーナーは、中心に配置され、原料ガス噴出ポートを形成する中心管と、該中心管に対して同心に配置され、隣接する管との間に環状のガス噴出ポートを形成する複数の管と、前記中心の原料ガス噴出ポート以外のいずれかのガス噴出ポート内に、前記中心管に対して同心円上に１列又は複数列配置され、小口径ガス噴出ポートを形成する複数のノズルであって、該ノズルの先端から所定の長さＬの位置で、該ノズルが配置されたガス噴出ポートを形成する一対の管の間に配置された１本の主管から分岐されて構成されている複数の小口径ガス噴出ポートノズルと、を備える。そして、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、前記所定の長さＬの位置よりバーナー根元側の位置からバーナー先端側に向かって縮小され、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポート及び当該ガス噴出ポートより径方向外側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、前記所定の長さＬの位置よりバーナー先端側の位置からバーナー先端側に向かって縮小されている。
【００１３】
ここで、複数の前記小口径ガス噴出ポートノズルは、焦点距離を同一とすることが好ましい。また、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径、及び、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポート及び当該ガス噴出ポートより径方向外側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、所定の縮小比Ｘを満たすようにバーナー根元側からバーナー先端側に向かって縮小され、該縮小比が、Ｘ≦０．８３であることが好ましい。
【００１４】
また、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートを形成する外側の管の開口径をＤとするとき、該開口径Ｄと前記所定の長さＬとの関係が、式Ｌ／Ｄ≧２．０を満たすのが好ましい。また、少なくとも前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管は、内径の縮小部において、バーナー先端側に向けて肉厚が薄くなるのが好ましい。さらに、バーナー最外管の外側に、バーナー最外管とクリアランスを一定に保つように形成されたバーナーカバーが設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一形態によれば、バーナーから噴出されるガス流は、各ガス噴出ポート出口において均一な線速が得られ、安定した火炎となり、生成したガラス微粒子の堆積効率が向上する等、極めて優れた効果を奏する。
【００１６】
通常、各ガス導入管からガス噴出ポートに導入されたガスは、その環状流路内で線速のばらつきを有する。ガス噴出ポートの軸線に直交する方向から導入されたガスは、内部に配設されている内管の壁に衝突して方向を変えてバーナー先端側に向かうため、内管の裏側つまり背後側には回り込みづらい。そのため、ガス導入管側の線速が大きくなり、内管の背後側の線速が小さくなる傾向がある。しかし、本発明の一形態のように、ガス噴出ポート出口までの間の途中で管の内径を縮小する構成を採用すれば、内管が存在していても、環状流路内で導入ガスの流れが軸方向に対して傾いた内壁に当たって拡散され、導入ガスが内管の背後側に回りこみ易くなることにより、環状流路内での線速のバラツキを抑制できる。
【００１７】
また、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートの外側に位置するガス噴出ポートについては、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートと同じ位置で流路を縮小することで、バーナーを大型化させることなく、該ガス噴出ポート内の線速を均一化することができる。他方、小口径ガス噴出ポートノズルより内側に位置するガス噴出ポートは、小口径ガス噴出ポートノズルに分岐する前の主管部分、つまり、分岐位置よりもバーナー根元側で管の内径を縮小することで、流路内のガスの流れを拡散することができ、線速のバラツキを抑制することができるのに加えて、前記分岐部を通る内管の管径を小さくすることができる。これにより分岐された小口径ガス噴出ポートノズル相互の間隔を詰めることができ、バーナー全体をコンパクトに収めることができる。
【００１８】
逆に、小口径ガス噴出ポートノズルより内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の縮小を、分岐箇所よりもバーナー先端側で行った場合は、縮小部でガスの流れが拡散され、線速のバラツキが抑制されるのは同じであるが、内管の管径が太いままであるので、分岐後の小口径ガス噴出ポートノズル相互の間隔を詰めることができず、必然的に間隔は広くなる。その結果、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートに加え、その外管も太くなるため、バーナーが巨大になり好ましくない。
【００１９】
また、複数の小口径ガス噴出ポートノズルにおいて、同一列の小口径ガス噴出ポートの焦点距離を同一にしたことで、当該ガス噴出ポートから噴出されたガスを対象物上の一点に集中させて噴き付けることができ、ガスの反応性を向上させることができる。よって、多孔質ガラスの堆積効率を向上させることができる。
【００２０】
ここで、ガス噴出ポートを形成する管の内径の縮小比は重要であり、多孔質ガラス母材を製造するのに使用されるガスでは、バーナー根元側の管の内径をＡ、バーナー先端側の管の内径をＢとするとき、その縮小比Ｘが、Ｘ＝Ｂ/Ａ≦０．８３を満たすことで、線速がより均一になる。なお、環状流路に導入されるガスの流速が大きくなるほど、線速のバラツキが小さくなる傾向にあるので、流速が大きくなるほど、縮小比Ｘを小さくすればよい。 また、ガス噴出ポートを形成する管が円筒状である場合には、軸方向の断面における直径が一律となるので、縮小比Ｘは、バーナー根元側の管の直径Ａとバーナー先端側での管の直径Ｂとの比となる。一方で、ガス噴出ポートを形成する管が断面楕円状の筒体、断面多角形状の筒体である場合には、軸方向の断面における直径が軸心の周りの位置によって異なる。この場合、管の軸心の周りの任意の位置における直径を、バーナー根元側（Ａ）とバーナー先端側（Ｂ）とで比較した値を、縮小比Ｘとする。
【００２１】
なお、導入ガスの流量及びガスの種類によっては、管の内径を縮小しても小口径ガス噴出ポートノズルの長さＬが短いと、小口径ガス噴出ポートノズルの周りを流れるガスは、流路内の内管よりと外管よりで線速に差が生じ、線速のばらつきを生じる場合がある（図１１参照）。これは、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートの開口径に対して、小口径ガス噴出ポートノズルの長さＬが不足しているためである。
【００２２】
複数の小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートの開口径に対して、小口径ガス噴出ポートノズルの長さＬが充分にある場合は、バーナー先端に達するまでに小口径ガス噴出ポートノズルの径方向内側にガスが回りこんで、小口径ガス噴出ポートノズル周囲の線速の差は小さくなる（図９参照）。他方、上記したように、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートの開口径に対して、小口径ガス噴出ポートノズルの長さＬが不足している場合は、バーナー先端に達するまでに小口径ガス噴出ポートノズルの径方向内側にガスが回り込めないために、小口径ガス噴出ポートノズル内側での線速は小さく、全体の線速の差が大きくなる。
【００２３】
そこで、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートの開口径をＤとするとき、分岐箇所からバーナー先端までの長さＬを、Ｌ/Ｄ≧2.0を満たすように設定することで、小口径ガス噴出ポートノズルの長さＬを充分取ることができるので、小口径ガス噴出ポートノズルの周囲を流れるガス流の線速の均一化が可能となる。
【００２４】
なお、バーナー根元側は、バーナーを保持装置に固定するために強度が必要であり、逆にバーナー先端側は、管の内径を縮小する必要がある。そこで、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートより内側に位置する管は、管の内径の縮小部からバーナー先端にかけての管の肉厚を薄くすることが好ましい。
【００２５】
また、バーナー最外管のバーナー先端側は、管の内径の縮小によってテーパー形状をしている。このため、バーナーカバーは、バーナーの最外管とクリアランスを一定に保つように縮径されている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】外付け法（ＯＶＤ法）による多孔質ガラス母材の製造装置を示す概略図である。
【図２】従来の、小口径ガス噴出ポートを有するガラス微粒子合成用バーナーの先端を示す概略図である。
【図３】従来の、小口径ガス噴出ポートを有するバーナーを示す概略断面図である。
【図４】バーナー先端での、ガス導入管の位置を基準とするガスの線速のばらつきの測定位置を説明するための概略図である。
【図５】小口径ガス噴出ポートを内包するガス噴出ポートの線速のばらつきの測定位置を説明するための概略図である。
【図６】従来の小口径ガス噴出ポートを有するバーナーの線速のばらつきを示す図である。
【図７】実施例１で使用した、本発明による小口径ガス噴出ポートを有するバーナーの実施形態の断面構造を示す概略断面図である。
【図８】実施例１で使用したバーナーの線速のばらつきを示す図である。
【図９】実施例１で使用したバーナーの、第３管内のガス流の状態を示す概略図である。
【図１０】管の内径の縮小比Ｘ(Ｂ/Ａ)と堆積効率との関係を示す図である。
【図１１】Ｌ/Ｄが小さい場合の、第３管内のガス流の状態を示す概略図である。
【図１２】Ｌ/Ｄが小さい場合の、バーナーの線速のばらつきを示す図である。
【図１３】Ｌ/Ｄと堆積効率との関係を示す図である。
【図１４】バーナーの最外管の外側に、バーナーカバーが取り付けられたバーナーの外観を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
そこで、本発明に係る多孔質ガラス母材製造用バーナーの一実施形態につき、図７を参照してより詳細に説明する。
【００２８】
本実施形態のバーナー１００は、中心の原料ガス噴出ポート１０１Ｐを形成する第１管１０１と、これに同心の複数（第２ないし第５）の環状のガス噴出ポート１０２Ｐ，１０３Ｐ，１０４Ｐ，１０５Ｐを形成する複数（第２ないし第５）の管１０２，１０３，１０４，１０５を含む同心多重管構造を有している。第１ないし第５の管１０２、１０３、１０４、１０５は、軸方向の断面が円状の管である。
【００２９】
本実施の形態では、中心軸線Ｃを有し中心の原料ガス噴出ポート（以下、第１ガス噴出ポートとも云う）１０１Ｐを形成する第１管１０１に対して、同軸に第１ガス導入管１０９１が取り付けられている。そして、この第１管１０１に関して、同心に、順に配置された第２管１０２、第３管１０３、第４管１０４及び第５管１０５に対しては、バーナー１００の根元側で、中心軸線Ｃに直交する方向に、第２ガス導入管１０９２、第３ガス導入管１０９３、第４ガス導入管１０９４及び第５ガス導入管１０９５が、それぞれ、取り付けられている。
【００３０】
さらに、第２管１０２と第３管１０３との間には、根元側からバーナー１００の先端から所定の長さＬの位置まで、１本の主管１０８が配置されている。この主管１０８は、第２管１０２に内周部が連結されている隔壁１０８Ａで長さＬの位置で閉鎖され、そして、主管１０８に対しては、その根元側で、中心軸線Ｃに直交する方向に、第６ガス導入管１０９６が取り付けられている。また、主管１０８の隔壁１０８Ａからは、所定の長さＬの位置で複数の小口径ガス噴出ポート１０６Ｐを形成するノズル１０６Ｎが分岐されている。これらの複数の小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎは、本実施形態では、第２管１０２と第３管１０３との間に形成される第３ガス噴出ポート１０３Ｐに内包されて、原料ガス噴出ポート１０１Ｐを形成する第１管１０１ないしは中心軸線Ｃ回りの円上に、等間隔で１列に配置されている（本実施形態では８本）。そして、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの各々は、中心軸線Ｃ上に結ぶ焦点距離が同一となるように、途中で径方向内方に向けて折り曲げられている。なお、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎは、中心軸線Ｃ回りの同心円上に、等間隔で２列に配置されてもよい。
【００３１】
そして、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎを内包する第３ガス噴出ポート１０３Ｐより径方向内側に位置する第１ガス噴出ポート１０１Ｐ及び第２ガス噴出ポート１０２Ｐは、途中の、上記先端からの長さＬの位置よりバーナー根元側の長さＬｘの位置で、各ポートを形成する管の内径の縮小が開始され、長さＬの位置より先端側では管の内径が一定になるようにされている。換言すると、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎを内包する第３ガス噴出ポート１０３Ｐより内側の第１管１０１及び第２管１０２は、長さＬｘの位置から長さＬの位置まで管径が連続して縮小されている。そして、これらの第１及び第２のガス噴出ポートは、これらのポートを形成する管の内径が、ガス導入管１０９１及び１０９２が取り付けられたバーナー１００の根元側の管の内径をそれぞれＡ、バーナー１００の先端側の管の内径をそれぞれＢとするとき、それらの縮小比ＸがＸ＝Ｂ/Ａ≦０．８３を満たすように、途中で縮小されて形成されている。
【００３２】
一方、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎを内包する第３ガス噴出ポート１０３Ｐ及びそれより径方向外側に位置する第４ガス噴出ポート１０４Ｐ及び第５ガス噴出ポート１０５Ｐは、上記先端からの長さＬの位置よりバーナー先端側の長さＬｙの位置で、各ポートを形成する管の内径が縮小されている。換言すると、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎより外側の第３〜５管１０３〜１０５は、長さＬｙの位置からバーナー１００の先端にかけて管径が連続して縮小されている。そして、これらの第３ないし第５のガス噴出ポート１０３Ｐ〜１０５Ｐは、これらのポートを形成する管の内径が、上記長さＬの位置から長さＬｙの位置までの管の内径をそれぞれＡ、バーナー１００の先端の管の内径をそれぞれＢとするとき、それらの縮小比ＸがＸ＝Ｂ/Ａ≦０．８３を満たすように、途中で縮小されて形成されている。
【００３３】
また、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎが配置された第３のガス噴出ポート１０３Ｐを形成する外側の管、すなわち、第３管１０３の開口径をＤとするとき、この開口径Ｄと所定の長さＬとの関係が、式Ｌ/Ｄ≧２．０を満たすようにされている。かくて、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さＬを充分取ることで、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの周囲を流れるガス流の線速の均一化を可能としている。
【００３４】
また、本実施の形態では、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎが配置された第３のガス噴出ポート１０３Ｐより径方向内側に位置する第１及び第２のガス噴出ポート１０１Ｐ及び１０２Ｐをそれぞれ形成する第１及び第２の管１０１及び１０２は、それぞれ、縮小が開始される長さＬｘの位置から長さＬの位置までの管の内径の縮小部において、バーナー１００の先端に向け肉厚が次第に薄くされ、そして、長さＬの位置からバーナー１００の先端までにおいてこの薄くされた肉厚が維持されている。さらに、第５のガス噴出ポート１０５Ｐを形成する第５の管１０５は、長さＬｙの位置からバーナー１００の先端までの管の内径の縮小部において、バーナー先端に向け肉厚が薄くされている。このようにして、バーナー１００全体のコンパクト化が図られている。
【００３５】
さらに、図１４に示すように、バーナー１００の最外管である第５管１０５の外側には、第５管１０５とのクリアランスを一定に保つように形成されたバーナーカバー１１０が設けられている。このように形成したバーナーカバー１１０を設けることにより、バーナー１００全体をコンパクトにすることができる。
【００３６】
以下、本発明の実施例及び比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【００３７】
予備調査；
【００３８】
まず、予備調査として、図２及び図３に概略的に示すような従来のバーナーを用いて各ガス噴出ポートについて、バーナー先端での線速のばらつきを測定した。
【００３９】
このバーナーは、同心５重管構造を有し、第３管１３内に８本の小口径ガス噴出ポートノズル１６を内包し、これらの小口径ガス噴出ポートノズル１６は中心管１１に対し同一円上に等間隔で配設されている。そして、図３に示すように、バーナーバーナー主管１８から、符号１７で示す、バーナーの先端からＬ＝８０mmの位置で分岐され、小口径ガス噴出ポートノズル１６が形成されている。
【００４０】
このバーナーの中心管１１以外に多孔質ガラス母材製造用ガスを供給し、常温における、バーナー先端での線速のばらつきを、熱線風速計を用いて測定した。ガスは、第２管１２にシールガスとしてN2を４L/min、第３管１３に可燃性ガスとしてH2を170L/min、第４管１４にシールガスとしてN2を5L/min、第５管１５に助燃性ガスとしてO2を40L/min供給した。
【００４１】
線速のばらつきの測定は、図４に示すように、ガス導入管１９が取り付けられている方向を０時方向とし、９０度刻みで３時方向、６時方向、９時方向の４箇所で測定した。小口径ガス噴出ポートノズル１６を内包する第３管１３のガス噴出ポート１３Ｐについては、各方向に対して図５に示すように、小口径ガス噴出ポートノズル１６の上側と下側（径方向外側と内側）の２箇所ずつ測定した。その結果を図６に示した。
【００４２】
図６から、各ガス噴出ポートにおいて、ガス導入管１９の側（０時方向）のガス線速が大きく、内管を隔てた裏側（６時方向）のガス線速が小さいことが認められる。
【００４３】
実施例１；
【００４４】
図７を参照して説明した本発明の実施形態に係る同心５重管構造を有するバーナー１００を使用した。このバーナー１００は、第３管１０３内に８本の小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎを内包し、これらの小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎは、図７に示すように、バーナー１００の先端からＬ＝80mmの位置で主管１０８から分岐されており、第３管１０３の開口径Ｄは40mmで、Ｌ/Ｄ＝2.0となっている。
【００４５】
小口径ガス噴出ポート１０６Ｐより内側の第１管１０１及び第２管１０２は、バーナー１００の先端からの距離、すなわち、長さＬｘ＝120mmの位置で管の内径が０．８３倍になるように縮小が開始されており、小口径ガス噴出ポート１０６Ｐより外側の第３〜５管は、バーナー１００の先端からの距離すなわち、長さＬｙ＝40mmの位置で管の内径が０．８３倍になるように縮小が開始されている。各ガス噴出ポート１０１Ｐないし１０６Ｐに供給したガスの種類及びガス流量は予備調査と同様にして、常温で線速のばらつきの測定を行った。
【００４６】
その結果、図８に示すように、予備調査の図６と比較して、各ガス噴出ポートにおいて、線速のばらつきがより均一化されているのが認められた。さらに、図９に太矢印で示すように、第３管１０３内を流れるガスは、バーナー１００の先端に到達するまでに小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの裏側にまで充分回り込んでいるのが確認された。
【００４７】
次に、この線速のばらつきの測定を行ったバーナー１００の、管の内径の縮小位置及びバーナー１００の先端側の管の内径は変えずに、バーナー１００の根元側の管の内径を変えることで、管の内径の縮小比Ｘ（Ｂ/Ａ）を０．７〜１．０の範囲で変化させてガラス微粒子の堆積を行い、堆積効率を求めた。
【００４８】
なお、バーナー１００には、第１管１０１にガラス原料ガスとしてSiCl410L/minと助燃性ガスとしてO220L/minを供給し、第２管１０２にシールガスとしてN2を４L/min、第３管１０３に可燃性ガスとしてH2を170L/min、第４管１０４にシールガスとしてN2を5L/min、第５管１０５に助燃性ガスとしてO2を40L/min供給し、さらに、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの主管１０８には助燃性ガスとしてO2を16L/min供給し、外径50mm、長さ2000mmのコアロッドの両端部に外径50mmのダミーロッドを溶着した出発部材上にガラス微粒子を100kg堆積させた。
【００４９】
その結果、図１０に示すように、縮小比が０．８３以下になると、ガスの線速が均一化され、火炎が安定し、堆積効率が高く安定しているのが確認された。
【００５０】
比較例１；
【００５１】
実施例１で線速測定したＬ/Ｄが2.0のバーナー１００とその根元径、先端径、及び絞り位置が同じで、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さＬを60mmとしてＬ/Ｄ比を1.5に変更したバーナー１００'を使用し、各ガス噴出ポートに供給したガスの種類及びガス流量は予備調査と同様にして、常温で線速のばらつきの測定を行った。
【００５２】
その結果、このＬ/Ｄ＝1.5のバーナー１００'は、Ｌ/Ｄ＝２のバーナー１００の線速のばらつきを示した図８のバーナー１００と比較して、図１１及び図１２に示すように、第３管１０３内の内側と外側（小口径ガス噴出ポートの上側と下側）での線速の差が大きくなっていた。これは、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎを内包するガス噴出ポート１０３Ｐの開口径Ｄに対して、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さＬが不足していたために、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの内側にガスが回りこまないうちに、ガスがバーナー１００'の先端に達してしまっていることによると推定される。
【００５３】
実施例２；
【００５４】
次に、比較例１で使用したＬ/Ｄ＝1.5のバーナー１００'の、バーナー根元径、バーナー先端径及び絞り位置を変えずに、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さＬを変えることで、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さＬと第３管１０３の開口径Ｄとの比Ｌ/Ｄを変化させたバーナー１００"を用いた。そして、外径50mm、長さ2000mmのコアロッドの両端部に外径50mmのダミーロッドを溶着した出発部材上にガラス微粒子を100kg堆積した。図１３に、Ｌ/Ｄと堆積効率の関係を示した。
【００５５】
なお、バーナー１００"には、第１管１０１にガラス原料ガスとしてSiCl410L/minと助燃性ガスとしてO220L/minを供給し、第２管１０２にシールガスとしてN2を４L/min、第３管１０３に可燃性ガスとしてH2を170L/min、第４管１０４にシールガスとしてN2を5L/min、第５管１０５に助燃性ガスとしてO2を40L/min供給し、さらに、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの主管１０８には助燃性ガスとしてO2を16L/min供給した。
【００５６】
その結果、図１３に示すように、Ｌ/Ｄ≧2.0を満たしていれば、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さが充分となるために、安定した堆積効率が得られることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によるバーナーは、安定した火炎が得られ、ガラス微粒子の堆積効率が向上し、多孔質ガラス母材の生産性向上に大きく寄与する。
【符号の説明】
【００５８】
１００ バーナー
１０１ 第１管
１０１Ｐ 原料ガス（第１ガス）噴出ポート
１０２ 第２管
１０２Ｐ 第２ガス噴出ポート
１０３ 第３管
１０３Ｐ 第３ガス噴出ポート
１０４ 第４管
１０４Ｐ 第４ガス噴出ポート
１０５ 第５管
１０５Ｐ 第５ガス噴出ポート
１０６Ｐ 小口径ガス噴出ポート
１０６Ｎ 小口径ガス噴出ポートノズル
１０８ 主管
１０８Ａ 隔壁
１０９１〜１０９６ 第１〜第６ガス導入管
１１０ バーナーカバー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、堆積効率に優れた多孔質ガラス母材製造用バーナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバ母材を製造するために、各種方法が提案されている。それらの方法のなかでも、バーナー火炎中で生成したガラス微粒子を、バーナーもしくは出発部材を相対往復運動させて、回転する出発部材上に付着堆積させて多孔質母材を合成し、これを電気炉内で脱水、焼結する外付け法（ＯＶＤ：Outside Vapor Phase Deposition法）は、比較的任意の屈折率分布のものが得られ、しかも、大口径の光ファイバ母材を量産できることから汎用されている。
【０００３】
図１は、外付け法（ＯＶＤ法）による多孔質ガラス母材の製造装置の一例を示す概略図である。図１において、ガラス微粒子（スート）が堆積される出発部材は、コアロッド１の両端部にダミーロッド２を溶着したものであり、その両端がインゴットチャック機構４により軸回りに回転自在に支持されている。この出発部材に向かって配設された、往復移動自在のバーナー３から、光ファイバ用原料、例えばSiCl4等の蒸気と燃焼ガス（水素ガス及び酸素ガス）とを出発部材に向けて吹き付け、酸水素火炎中での加水分解によって生成したスートを出発部材上に堆積させることにより、光ファイバ用多孔質母材が形成される。なお、符号５は排気フードである。
【０００４】
バーナー３は、不図示のバーナーガイド機構により出発部材の長手方向に沿って往復移動自在に支持されている。そして、出発部材を軸回りに回転させながら、出発部材に向けて火炎を噴射し、火炎中での原料ガスの加水分解によって生成したガラス微粒子を堆積させることで多孔質母材が製造される。次いで、不図示の加熱炉のヒータ部を通過させることにより、脱水ガラス化され、光ファイバ母材とされる。
【０００５】
ガラス微粒子を合成し出発部材上にスートを堆積させるために、従来、同心多重管バーナーが用いられてきた。しかし、このような同心多重管構造のバーナーは、ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスの混合が充分に行われないため、ガラス微粒子の生成が充分でなかった。その結果、収率が伸びず、高速合成が困難であった。
【０００６】
この問題を解決するために、特許文献１には、可燃性ガス噴出ポート内に、中心の原料ガス噴出ポートを取り囲むように小口径助燃性ガス噴出ポートを形成するノズルを複数配置したマルチノズル型バーナーが提案されている。このタイプのバーナーに関しては、さらに堆積効率を向上させる方法が幾つか提案されている。例えば、小口径助燃性ガス噴出ポートの構成について特許文献２ないし５等が提案されている。また、小口径助燃性ガス噴出ポートの焦点距離の適正化について、特許文献６ないし８等が提案されている。さらに、ガス流量及びガス線速の適正化について、特許文献９ないし１２等が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特公平０３−９０４７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０６１５４号公報
【特許文献３】特開２００４−３３１４４０号公報
【特許文献４】特開２００６−１８２６２４号公報
【特許文献５】特許第３７４４３５０号公報
【特許文献６】特開平０５−３２３１３０号公報
【特許文献７】特許第３５４３５３７号公報
【特許文献８】特開２００３−２２６５４４号公報
【特許文献９】特許第３５９１３３０号公報
【特許文献１０】特開２００３−１６５７３７号公報
【特許文献１１】特開２００３−２１２５５５号公報
【特許文献１２】特許第３６５３９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者は、かかる小口径助燃性ガス噴出ポート（ノズル）を有する多孔質ガラス母材製造用バーナーについて、鋭意検討した結果、前記の小口径助燃性ガス噴出ポートの構成や焦点距離、ガス流量、ガス線速が堆積効率に大きく関わっていることを確認した。しかし、それ以前に、各ガス噴出ポート出口においてガス線速にばらつきが存在することに起因して、反応が不均一になるといった問題や、ガス流に乱れが生じて火炎が乱れるといった問題があり、これらが堆積効率の向上を妨げていることを見い出した。
【０００９】
通常、バーナーへの反応ガスの供給は、バーナーの各ガス噴出ポートを形成する管の根元の一箇所にガス導入管を取り付け、これにガス供給チューブを繋いで各ガス噴出ポートに反応ガスを供給している。なお、各ガス噴出ポートへのガスは、バーナーの構造上、中心に配設されたガス噴出ポート以外は、リング（環）状の流路に直交する方向の一箇所で連結されたガス導入管から供給される。ここで、バーナーは同心多重管構造を有しているため、外方の管ほど管径が太くなり、ガス導入管からリング状の流路に供給されたガスは、外方の管ほど、内部に位置する内管の反対側には回り込み難くなる。この結果、ガス噴出ポートの流路断面内での線速が不均一になり易い。
【００１０】
特に、小口径助燃性ガス噴出ポートを有するバーナーは、小口径助燃性ガス噴出ポート群がガス噴出ポートの一つ内に配置されるので、従来使用されてきた小口径助燃性ガス噴出ポートを有さない同心多重管バーナーと比較して、管径が大きくなる傾向がある。そのために、従来の同心多重管バーナーに比べて、各ガス噴出ポート出口でのガス線速のばらつきが存在し易い。そこで、各ガス噴出ポートを形成する管に対しガス導入管を複数取り付けることで、ガス噴出ポート内の線速のばらつきを減少させる方法が考えられるが、ガス導入管の数が非常に多くなり、構造が極めて複雑になり、現実的な方法ではない。
【００１１】
本発明は、各ガス噴出ポート出口において均一な線速のばらつきが得られ、反応が均一となり、安定した火炎が得られ、堆積効率を向上させることのできる、小口径ガス噴出ポートを有する多孔質ガラス母材製造用バーナーを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の一形態による多孔質ガラス母材製造用バーナーは、中心に配置され、原料ガス噴出ポートを形成する中心管と、該中心管に対して同心に配置され、隣接する管との間に環状のガス噴出ポートを形成する複数の管と、前記中心の原料ガス噴出ポート以外のいずれかのガス噴出ポート内に、前記中心管に対して同心円上に１列又は複数列配置され、小口径ガス噴出ポートを形成する複数のノズルであって、該ノズルの先端から所定の長さＬの位置で、該ノズルが配置されたガス噴出ポートを形成する一対の管の間に配置された１本の主管から分岐されて構成されている複数の小口径ガス噴出ポートノズルと、を備える。そして、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、前記所定の長さＬの位置よりバーナー根元側の位置からバーナー先端側に向かって縮小され、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポート及び当該ガス噴出ポートより径方向外側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、前記所定の長さＬの位置よりバーナー先端側の位置からバーナー先端側に向かって縮小されている。
【００１３】
ここで、複数の前記小口径ガス噴出ポートノズルは、焦点距離を同一とすることが好ましい。また、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径、及び、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポート及び当該ガス噴出ポートより径方向外側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、所定の縮小比Ｘを満たすようにバーナー根元側からバーナー先端側に向かって縮小され、該縮小比が、Ｘ≦０．８３であることが好ましい。
【００１４】
また、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートを形成する外側の管の開口径をＤとするとき、該開口径Ｄと前記所定の長さＬとの関係が、式Ｌ／Ｄ≧２．０を満たすのが好ましい。また、少なくとも前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管は、内径の縮小部において、バーナー先端側に向けて肉厚が薄くなるのが好ましい。さらに、バーナー最外管の外側に、バーナー最外管とクリアランスを一定に保つように形成されたバーナーカバーが設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一形態によれば、バーナーから噴出されるガス流は、各ガス噴出ポート出口において均一な線速が得られ、安定した火炎となり、生成したガラス微粒子の堆積効率が向上する等、極めて優れた効果を奏する。
【００１６】
通常、各ガス導入管からガス噴出ポートに導入されたガスは、その環状流路内で線速のばらつきを有する。ガス噴出ポートの軸線に直交する方向から導入されたガスは、内部に配設されている内管の壁に衝突して方向を変えてバーナー先端側に向かうため、内管の裏側つまり背後側には回り込みづらい。そのため、ガス導入管側の線速が大きくなり、内管の背後側の線速が小さくなる傾向がある。しかし、本発明の一形態のように、ガス噴出ポート出口までの間の途中で管の内径を縮小する構成を採用すれば、内管が存在していても、環状流路内で導入ガスの流れが軸方向に対して傾いた内壁に当たって拡散され、導入ガスが内管の背後側に回りこみ易くなることにより、環状流路内での線速のバラツキを抑制できる。
【００１７】
また、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートの外側に位置するガス噴出ポートについては、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートと同じ位置で流路を縮小することで、バーナーを大型化させることなく、該ガス噴出ポート内の線速を均一化することができる。他方、小口径ガス噴出ポートノズルより内側に位置するガス噴出ポートは、小口径ガス噴出ポートノズルに分岐する前の主管部分、つまり、分岐位置よりもバーナー根元側で管の内径を縮小することで、流路内のガスの流れを拡散することができ、線速のバラツキを抑制することができるのに加えて、前記分岐部を通る内管の管径を小さくすることができる。これにより分岐された小口径ガス噴出ポートノズル相互の間隔を詰めることができ、バーナー全体をコンパクトに収めることができる。
【００１８】
逆に、小口径ガス噴出ポートノズルより内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の縮小を、分岐箇所よりもバーナー先端側で行った場合は、縮小部でガスの流れが拡散され、線速のバラツキが抑制されるのは同じであるが、内管の管径が太いままであるので、分岐後の小口径ガス噴出ポートノズル相互の間隔を詰めることができず、必然的に間隔は広くなる。その結果、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートに加え、その外管も太くなるため、バーナーが巨大になり好ましくない。
【００１９】
また、複数の小口径ガス噴出ポートノズルにおいて、同一列の小口径ガス噴出ポートの焦点距離を同一にしたことで、当該ガス噴出ポートから噴出されたガスを対象物上の一点に集中させて噴き付けることができ、ガスの反応性を向上させることができる。よって、多孔質ガラスの堆積効率を向上させることができる。
【００２０】
ここで、ガス噴出ポートを形成する管の内径の縮小比は重要であり、多孔質ガラス母材を製造するのに使用されるガスでは、バーナー根元側の管の内径をＡ、バーナー先端側の管の内径をＢとするとき、その縮小比Ｘが、Ｘ＝Ｂ/Ａ≦０．８３を満たすことで、線速がより均一になる。なお、環状流路に導入されるガスの流速が大きくなるほど、線速のバラツキが小さくなる傾向にあるので、流速が大きくなるほど、縮小比Ｘを小さくすればよい。 また、ガス噴出ポートを形成する管が円筒状である場合には、軸方向の断面における直径が一律となるので、縮小比Ｘは、バーナー根元側の管の直径Ａとバーナー先端側での管の直径Ｂとの比となる。一方で、ガス噴出ポートを形成する管が断面楕円状の筒体、断面多角形状の筒体である場合には、軸方向の断面における直径が軸心の周りの位置によって異なる。この場合、管の軸心の周りの任意の位置における直径を、バーナー根元側（Ａ）とバーナー先端側（Ｂ）とで比較した値を、縮小比Ｘとする。
【００２１】
なお、導入ガスの流量及びガスの種類によっては、管の内径を縮小しても小口径ガス噴出ポートノズルの長さＬが短いと、小口径ガス噴出ポートノズルの周りを流れるガスは、流路内の内管よりと外管よりで線速に差が生じ、線速のばらつきを生じる場合がある（図１１参照）。これは、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートの開口径に対して、小口径ガス噴出ポートノズルの長さＬが不足しているためである。
【００２２】
複数の小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートの開口径に対して、小口径ガス噴出ポートノズルの長さＬが充分にある場合は、バーナー先端に達するまでに小口径ガス噴出ポートノズルの径方向内側にガスが回りこんで、小口径ガス噴出ポートノズル周囲の線速の差は小さくなる（図９参照）。他方、上記したように、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートの開口径に対して、小口径ガス噴出ポートノズルの長さＬが不足している場合は、バーナー先端に達するまでに小口径ガス噴出ポートノズルの径方向内側にガスが回り込めないために、小口径ガス噴出ポートノズル内側での線速は小さく、全体の線速の差が大きくなる。
【００２３】
そこで、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートの開口径をＤとするとき、分岐箇所からバーナー先端までの長さＬを、Ｌ/Ｄ≧2.0を満たすように設定することで、小口径ガス噴出ポートノズルの長さＬを充分取ることができるので、小口径ガス噴出ポートノズルの周囲を流れるガス流の線速の均一化が可能となる。
【００２４】
なお、バーナー根元側は、バーナーを保持装置に固定するために強度が必要であり、逆にバーナー先端側は、管の内径を縮小する必要がある。そこで、小口径ガス噴出ポートノズルを内包するガス噴出ポートより内側に位置する管は、管の内径の縮小部からバーナー先端にかけての管の肉厚を薄くすることが好ましい。
【００２５】
また、バーナー最外管のバーナー先端側は、管の内径の縮小によってテーパー形状をしている。このため、バーナーカバーは、バーナーの最外管とクリアランスを一定に保つように縮径されている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】外付け法（ＯＶＤ法）による多孔質ガラス母材の製造装置を示す概略図である。
【図２】従来の、小口径ガス噴出ポートを有するガラス微粒子合成用バーナーの先端を示す概略図である。
【図３】従来の、小口径ガス噴出ポートを有するバーナーを示す概略断面図である。
【図４】バーナー先端での、ガス導入管の位置を基準とするガスの線速のばらつきの測定位置を説明するための概略図である。
【図５】小口径ガス噴出ポートを内包するガス噴出ポートの線速のばらつきの測定位置を説明するための概略図である。
【図６】従来の小口径ガス噴出ポートを有するバーナーの線速のばらつきを示す図である。
【図７】実施例１で使用した、本発明による小口径ガス噴出ポートを有するバーナーの実施形態の断面構造を示す概略断面図である。
【図８】実施例１で使用したバーナーの線速のばらつきを示す図である。
【図９】実施例１で使用したバーナーの、第３管内のガス流の状態を示す概略図である。
【図１０】管の内径の縮小比Ｘ(Ｂ/Ａ)と堆積効率との関係を示す図である。
【図１１】Ｌ/Ｄが小さい場合の、第３管内のガス流の状態を示す概略図である。
【図１２】Ｌ/Ｄが小さい場合の、バーナーの線速のばらつきを示す図である。
【図１３】Ｌ/Ｄと堆積効率との関係を示す図である。
【図１４】バーナーの最外管の外側に、バーナーカバーが取り付けられたバーナーの外観を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
そこで、本発明に係る多孔質ガラス母材製造用バーナーの一実施形態につき、図７を参照してより詳細に説明する。
【００２８】
本実施形態のバーナー１００は、中心の原料ガス噴出ポート１０１Ｐを形成する第１管１０１と、これに同心の複数（第２ないし第５）の環状のガス噴出ポート１０２Ｐ，１０３Ｐ，１０４Ｐ，１０５Ｐを形成する複数（第２ないし第５）の管１０２，１０３，１０４，１０５を含む同心多重管構造を有している。第１ないし第５の管１０２、１０３、１０４、１０５は、軸方向の断面が円状の管である。
【００２９】
本実施の形態では、中心軸線Ｃを有し中心の原料ガス噴出ポート（以下、第１ガス噴出ポートとも云う）１０１Ｐを形成する第１管１０１に対して、同軸に第１ガス導入管１０９１が取り付けられている。そして、この第１管１０１に関して、同心に、順に配置された第２管１０２、第３管１０３、第４管１０４及び第５管１０５に対しては、バーナー１００の根元側で、中心軸線Ｃに直交する方向に、第２ガス導入管１０９２、第３ガス導入管１０９３、第４ガス導入管１０９４及び第５ガス導入管１０９５が、それぞれ、取り付けられている。
【００３０】
さらに、第２管１０２と第３管１０３との間には、根元側からバーナー１００の先端から所定の長さＬの位置まで、１本の主管１０８が配置されている。この主管１０８は、第２管１０２に内周部が連結されている隔壁１０８Ａで長さＬの位置で閉鎖され、そして、主管１０８に対しては、その根元側で、中心軸線Ｃに直交する方向に、第６ガス導入管１０９６が取り付けられている。また、主管１０８の隔壁１０８Ａからは、所定の長さＬの位置で複数の小口径ガス噴出ポート１０６Ｐを形成するノズル１０６Ｎが分岐されている。これらの複数の小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎは、本実施形態では、第２管１０２と第３管１０３との間に形成される第３ガス噴出ポート１０３Ｐに内包されて、原料ガス噴出ポート１０１Ｐを形成する第１管１０１ないしは中心軸線Ｃ回りの円上に、等間隔で１列に配置されている（本実施形態では８本）。そして、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの各々は、中心軸線Ｃ上に結ぶ焦点距離が同一となるように、途中で径方向内方に向けて折り曲げられている。なお、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎは、中心軸線Ｃ回りの同心円上に、等間隔で２列に配置されてもよい。
【００３１】
そして、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎを内包する第３ガス噴出ポート１０３Ｐより径方向内側に位置する第１ガス噴出ポート１０１Ｐ及び第２ガス噴出ポート１０２Ｐは、途中の、上記先端からの長さＬの位置よりバーナー根元側の長さＬｘの位置で、各ポートを形成する管の内径の縮小が開始され、長さＬの位置より先端側では管の内径が一定になるようにされている。換言すると、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎを内包する第３ガス噴出ポート１０３Ｐより内側の第１管１０１及び第２管１０２は、長さＬｘの位置から長さＬの位置まで管径が連続して縮小されている。そして、これらの第１及び第２のガス噴出ポートは、これらのポートを形成する管の内径が、ガス導入管１０９１及び１０９２が取り付けられたバーナー１００の根元側の管の内径をそれぞれＡ、バーナー１００の先端側の管の内径をそれぞれＢとするとき、それらの縮小比ＸがＸ＝Ｂ/Ａ≦０．８３を満たすように、途中で縮小されて形成されている。
【００３２】
一方、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎを内包する第３ガス噴出ポート１０３Ｐ及びそれより径方向外側に位置する第４ガス噴出ポート１０４Ｐ及び第５ガス噴出ポート１０５Ｐは、上記先端からの長さＬの位置よりバーナー先端側の長さＬｙの位置で、各ポートを形成する管の内径が縮小されている。換言すると、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎより外側の第３〜５管１０３〜１０５は、長さＬｙの位置からバーナー１００の先端にかけて管径が連続して縮小されている。そして、これらの第３ないし第５のガス噴出ポート１０３Ｐ〜１０５Ｐは、これらのポートを形成する管の内径が、上記長さＬの位置から長さＬｙの位置までの管の内径をそれぞれＡ、バーナー１００の先端の管の内径をそれぞれＢとするとき、それらの縮小比ＸがＸ＝Ｂ/Ａ≦０．８３を満たすように、途中で縮小されて形成されている。
【００３３】
また、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎが配置された第３のガス噴出ポート１０３Ｐを形成する外側の管、すなわち、第３管１０３の開口径をＤとするとき、この開口径Ｄと所定の長さＬとの関係が、式Ｌ/Ｄ≧２．０を満たすようにされている。かくて、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さＬを充分取ることで、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの周囲を流れるガス流の線速の均一化を可能としている。
【００３４】
また、本実施の形態では、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎが配置された第３のガス噴出ポート１０３Ｐより径方向内側に位置する第１及び第２のガス噴出ポート１０１Ｐ及び１０２Ｐをそれぞれ形成する第１及び第２の管１０１及び１０２は、それぞれ、縮小が開始される長さＬｘの位置から長さＬの位置までの管の内径の縮小部において、バーナー１００の先端に向け肉厚が次第に薄くされ、そして、長さＬの位置からバーナー１００の先端までにおいてこの薄くされた肉厚が維持されている。さらに、第５のガス噴出ポート１０５Ｐを形成する第５の管１０５は、長さＬｙの位置からバーナー１００の先端までの管の内径の縮小部において、バーナー先端に向け肉厚が薄くされている。このようにして、バーナー１００全体のコンパクト化が図られている。
【００３５】
さらに、図１４に示すように、バーナー１００の最外管である第５管１０５の外側には、第５管１０５とのクリアランスを一定に保つように形成されたバーナーカバー１１０が設けられている。このように形成したバーナーカバー１１０を設けることにより、バーナー１００全体をコンパクトにすることができる。
【００３６】
以下、本発明の実施例及び比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【００３７】
予備調査；
【００３８】
まず、予備調査として、図２及び図３に概略的に示すような従来のバーナーを用いて各ガス噴出ポートについて、バーナー先端での線速のばらつきを測定した。
【００３９】
このバーナーは、同心５重管構造を有し、第３管１３内に８本の小口径ガス噴出ポートノズル１６を内包し、これらの小口径ガス噴出ポートノズル１６は中心管１１に対し同一円上に等間隔で配設されている。そして、図３に示すように、バーナーバーナー主管１８から、符号１７で示す、バーナーの先端からＬ＝８０mmの位置で分岐され、小口径ガス噴出ポートノズル１６が形成されている。
【００４０】
このバーナーの中心管１１以外に多孔質ガラス母材製造用ガスを供給し、常温における、バーナー先端での線速のばらつきを、熱線風速計を用いて測定した。ガスは、第２管１２にシールガスとしてN2を４L/min、第３管１３に可燃性ガスとしてH2を170L/min、第４管１４にシールガスとしてN2を5L/min、第５管１５に助燃性ガスとしてO2を40L/min供給した。
【００４１】
線速のばらつきの測定は、図４に示すように、ガス導入管１９が取り付けられている方向を０時方向とし、９０度刻みで３時方向、６時方向、９時方向の４箇所で測定した。小口径ガス噴出ポートノズル１６を内包する第３管１３のガス噴出ポート１３Ｐについては、各方向に対して図５に示すように、小口径ガス噴出ポートノズル１６の上側と下側（径方向外側と内側）の２箇所ずつ測定した。その結果を図６に示した。
【００４２】
図６から、各ガス噴出ポートにおいて、ガス導入管１９の側（０時方向）のガス線速が大きく、内管を隔てた裏側（６時方向）のガス線速が小さいことが認められる。
【００４３】
実施例１；
【００４４】
図７を参照して説明した本発明の実施形態に係る同心５重管構造を有するバーナー１００を使用した。このバーナー１００は、第３管１０３内に８本の小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎを内包し、これらの小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎは、図７に示すように、バーナー１００の先端からＬ＝80mmの位置で主管１０８から分岐されており、第３管１０３の開口径Ｄは40mmで、Ｌ/Ｄ＝2.0となっている。
【００４５】
小口径ガス噴出ポート１０６Ｐより内側の第１管１０１及び第２管１０２は、バーナー１００の先端からの距離、すなわち、長さＬｘ＝120mmの位置で管の内径が０．８３倍になるように縮小が開始されており、小口径ガス噴出ポート１０６Ｐより外側の第３〜５管は、バーナー１００の先端からの距離すなわち、長さＬｙ＝40mmの位置で管の内径が０．８３倍になるように縮小が開始されている。各ガス噴出ポート１０１Ｐないし１０６Ｐに供給したガスの種類及びガス流量は予備調査と同様にして、常温で線速のばらつきの測定を行った。
【００４６】
その結果、図８に示すように、予備調査の図６と比較して、各ガス噴出ポートにおいて、線速のばらつきがより均一化されているのが認められた。さらに、図９に太矢印で示すように、第３管１０３内を流れるガスは、バーナー１００の先端に到達するまでに小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの裏側にまで充分回り込んでいるのが確認された。
【００４７】
次に、この線速のばらつきの測定を行ったバーナー１００の、管の内径の縮小位置及びバーナー１００の先端側の管の内径は変えずに、バーナー１００の根元側の管の内径を変えることで、管の内径の縮小比Ｘ（Ｂ/Ａ）を０．７〜１．０の範囲で変化させてガラス微粒子の堆積を行い、堆積効率を求めた。
【００４８】
なお、バーナー１００には、第１管１０１にガラス原料ガスとしてSiCl410L/minと助燃性ガスとしてO220L/minを供給し、第２管１０２にシールガスとしてN2を４L/min、第３管１０３に可燃性ガスとしてH2を170L/min、第４管１０４にシールガスとしてN2を5L/min、第５管１０５に助燃性ガスとしてO2を40L/min供給し、さらに、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの主管１０８には助燃性ガスとしてO2を16L/min供給し、外径50mm、長さ2000mmのコアロッドの両端部に外径50mmのダミーロッドを溶着した出発部材上にガラス微粒子を100kg堆積させた。
【００４９】
その結果、図１０に示すように、縮小比が０．８３以下になると、ガスの線速が均一化され、火炎が安定し、堆積効率が高く安定しているのが確認された。
【００５０】
比較例１；
【００５１】
実施例１で線速測定したＬ/Ｄが2.0のバーナー１００とその根元径、先端径、及び絞り位置が同じで、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さＬを60mmとしてＬ/Ｄ比を1.5に変更したバーナー１００'を使用し、各ガス噴出ポートに供給したガスの種類及びガス流量は予備調査と同様にして、常温で線速のばらつきの測定を行った。
【００５２】
その結果、このＬ/Ｄ＝1.5のバーナー１００'は、Ｌ/Ｄ＝２のバーナー１００の線速のばらつきを示した図８のバーナー１００と比較して、図１１及び図１２に示すように、第３管１０３内の内側と外側（小口径ガス噴出ポートの上側と下側）での線速の差が大きくなっていた。これは、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎを内包するガス噴出ポート１０３Ｐの開口径Ｄに対して、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さＬが不足していたために、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの内側にガスが回りこまないうちに、ガスがバーナー１００'の先端に達してしまっていることによると推定される。
【００５３】
実施例２；
【００５４】
次に、比較例１で使用したＬ/Ｄ＝1.5のバーナー１００'の、バーナー根元径、バーナー先端径及び絞り位置を変えずに、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さＬを変えることで、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さＬと第３管１０３の開口径Ｄとの比Ｌ/Ｄを変化させたバーナー１００"を用いた。そして、外径50mm、長さ2000mmのコアロッドの両端部に外径50mmのダミーロッドを溶着した出発部材上にガラス微粒子を100kg堆積した。図１３に、Ｌ/Ｄと堆積効率の関係を示した。
【００５５】
なお、バーナー１００"には、第１管１０１にガラス原料ガスとしてSiCl410L/minと助燃性ガスとしてO220L/minを供給し、第２管１０２にシールガスとしてN2を４L/min、第３管１０３に可燃性ガスとしてH2を170L/min、第４管１０４にシールガスとしてN2を5L/min、第５管１０５に助燃性ガスとしてO2を40L/min供給し、さらに、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの主管１０８には助燃性ガスとしてO2を16L/min供給した。
【００５６】
その結果、図１３に示すように、Ｌ/Ｄ≧2.0を満たしていれば、小口径ガス噴出ポートノズル１０６Ｎの長さが充分となるために、安定した堆積効率が得られることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によるバーナーは、安定した火炎が得られ、ガラス微粒子の堆積効率が向上し、多孔質ガラス母材の生産性向上に大きく寄与する。
【符号の説明】
【００５８】
１００ バーナー
１０１ 第１管
１０１Ｐ 原料ガス（第１ガス）噴出ポート
１０２ 第２管
１０２Ｐ 第２ガス噴出ポート
１０３ 第３管
１０３Ｐ 第３ガス噴出ポート
１０４ 第４管
１０４Ｐ 第４ガス噴出ポート
１０５ 第５管
１０５Ｐ 第５ガス噴出ポート
１０６Ｐ 小口径ガス噴出ポート
１０６Ｎ 小口径ガス噴出ポートノズル
１０８ 主管
１０８Ａ 隔壁
１０９１〜１０９６ 第１〜第６ガス導入管
１１０ バーナーカバー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心に配置され、原料ガス噴出ポートを形成する中心管と、
該中心管に対して同心に配置され、隣接する管との間に環状のガス噴出ポートを形成する複数の管と、
前記中心の原料ガス噴出ポート以外のいずれかのガス噴出ポート内に、前記中心管に対して同心円上に１列又は複数列配置され、小口径ガス噴出ポートを形成する複数のノズルであって、該ノズルの先端から所定の長さＬの位置で、該ノズルが配置されたガス噴出ポートを形成する一対の管の間に配置された１本の主管から分岐されて構成されている複数の小口径ガス噴出ポートノズルと、
を備える多孔質ガラス母材製造用バーナーであって、
前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、前記所定の長さＬの位置よりバーナー根元側の位置からバーナー先端側に向かって縮小され、
前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポート及び当該ガス噴出ポートより径方向外側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、前記所定の長さＬの位置よりバーナー先端側の位置からバーナー先端側に向かって縮小されていることを特徴とする多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【請求項２】
複数の前記小口径ガス噴出ポートノズルにおいて、同一列の小口径ガス噴出ポートは、焦点距離を同一とする請求項１に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【請求項３】
前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径、及び、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポート及び当該ガス噴出ポートより径方向外側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、所定の縮小比Ｘを満たすようにバーナー根元側からバーナー先端側に向かって縮小され、該縮小比が、Ｘ≦０．８３である請求項１又は請求項２に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【請求項４】
前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートを形成する外側の管の開口径をＤとするとき、該開口径Ｄと前記所定の長さＬとの関係が、式Ｌ／Ｄ≧２．０を満たす請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【請求項５】
少なくとも前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管は、内径の縮小部において、バーナー先端側に向けて肉厚が薄くなる請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【請求項６】
バーナー最外管の外側に、バーナー最外管とクリアランスを一定に保つように形成されたバーナーカバーが設けられている請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【請求項１】
中心に配置され、原料ガス噴出ポートを形成する中心管と、
該中心管に対して同心に配置され、隣接する管との間に環状のガス噴出ポートを形成する複数の管と、
前記中心の原料ガス噴出ポート以外のいずれかのガス噴出ポート内に、前記中心管に対して同心円上に１列又は複数列配置され、小口径ガス噴出ポートを形成する複数のノズルであって、該ノズルの先端から所定の長さＬの位置で、該ノズルが配置されたガス噴出ポートを形成する一対の管の間に配置された１本の主管から分岐されて構成されている複数の小口径ガス噴出ポートノズルと、
を備える多孔質ガラス母材製造用バーナーであって、
前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、前記所定の長さＬの位置よりバーナー根元側の位置からバーナー先端側に向かって縮小され、
前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポート及び当該ガス噴出ポートより径方向外側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、前記所定の長さＬの位置よりバーナー先端側の位置からバーナー先端側に向かって縮小されていることを特徴とする多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【請求項２】
複数の前記小口径ガス噴出ポートノズルにおいて、同一列の小口径ガス噴出ポートは、焦点距離を同一とする請求項１に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【請求項３】
前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径、及び、前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポート及び当該ガス噴出ポートより径方向外側に位置するガス噴出ポートを形成する管の内径は、所定の縮小比Ｘを満たすようにバーナー根元側からバーナー先端側に向かって縮小され、該縮小比が、Ｘ≦０．８３である請求項１又は請求項２に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【請求項４】
前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートを形成する外側の管の開口径をＤとするとき、該開口径Ｄと前記所定の長さＬとの関係が、式Ｌ／Ｄ≧２．０を満たす請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【請求項５】
少なくとも前記小口径ガス噴出ポートノズルが配置されたガス噴出ポートより径方向内側に位置するガス噴出ポートを形成する管は、内径の縮小部において、バーナー先端側に向けて肉厚が薄くなる請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【請求項６】
バーナー最外管の外側に、バーナー最外管とクリアランスを一定に保つように形成されたバーナーカバーが設けられている請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の多孔質ガラス母材製造用バーナー。
【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】
【公開番号】特開２０１０−２１５４１５（Ｐ２０１０−２１５４１５Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４２２９６（Ｐ２００９−４２２９６）
【出願日】平成２１年２月２５日（２００９．２．２５）
【出願人】（０００００２０６０）信越化学工業株式会社 (3,361)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２５日（２００９．２．２５）
【出願人】（０００００２０６０）信越化学工業株式会社 (3,361)
【Ｆターム（参考）】
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