JP2002526363A - Burner for producing boules of fused silica glass - Google Patents
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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。 (57) [Summary] A burner (14) is used to produce a glass body (19) from OMCTS. The burner has six concentric regions. By passing gases in those areas, thicker glass bodies are produced with improved efficiency than can be achieved with current techniques.
Description
【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。 Description of the Related Provisional Patent Application This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 60 / 101,403, filed September 22, 1998, under 35 USC 119 (e). I do. The contents are quoted here.
【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。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to halogen-free, silicon-containing (HF-SC) starting materials, such as octamethylcyclotetrasiloxane (OMCTS), from high purity fused silica glass (HPFS glass) and ultra-low It relates to a burner for producing a boule of fused silica glass, such as expanded glass.
【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。 [0003] fused silica glass of the invention, herein incorporated by reference, commercially manufactured by the assignee of the present invention using a furnace generally commonly assigned PCT type shown in patent application publication WO97 / 10182 Have been. FIG. 7 of the present application is a copy of FIG. 4 of WO 97/10182. Generally, this type of furnace uses flame hydrolysis to produce fine silica particles (silica soot) and deposit the particles on a flat surface (eg, a layer of bait sand). The particles are then consolidated into a solid glass boule. More specifically, this type of furnace
The operation is at a sufficiently high temperature that the consolidation takes place substantially simultaneously with the deposition of the silica soot.
【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。As shown in FIG. 7, a furnace 100 typically carries about 5 feet (about 1 foot) carrying a plurality of burners 14 that produce silica soot that is integrated to form a boule 19.
.5 m). The present invention relates to the structure and operation of the burner 14.
【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。[0005] In the past, burners 14 have not been able to adequately deposit soot at distances greater than 6 inches (about 15 cm) from the burner surface. This means that the maximum boule thickness is 6 inches. To meet the requirements for fused silica products, especially HPFS glass, boules thicker than 6 inches, for example, 8-10 inches (about 20-25 cm)
It would be desirable to produce boules of thickness). The invention relates to the provision of a burner capable of producing such a boule.
【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。[0006] US Pat. No. 5,599,371, assigned to the assignee of the present application, describes a burner suitable for use in the manufacture of optical fiber preforms from HF-SC starting materials. As described in this patent, conventional burners used to make preforms from starting materials containing halide (hereinafter "halide burners") include five concentric gases. There was an emission area:
1) a central region (fume tube) that emits a mixture of a halide-containing / silicon-containing starting material (eg, SiCl 4 ) and an inert gas; 2) an inner shield region that emits oxygen; 3) a mixture of combustion gas and oxygen. A third region that releases (premix),
4) a fourth zone for releasing a mixture (premix) of combustion gases and oxygen, and 5).
Outer shield area that releases oxygen.
【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。[0007] As described in US Pat. No. 5,599,371, the halide-containing / silicon-containing starting materials previously used to make preforms were replaced with HF-SC
It has been found that if replaced by starting material, the gases released from the various areas of the burner must be changed. In particular, instead of the gas described above, U.S. Pat.
The five concentric gas emission areas of the 599,371 burner emitted the following gases: 1) The fume tube emitted a mixture of HF-SC starting material and oxygen, optionally with an inert gas, 2 ) The inner shield area released inert gas, 3) the third area released oxygen, 4) the fourth area released oxygen, 5) the outer shield area a mixture of combustion gas and oxygen (premix). Was released.
【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。In the course of developing the burner of the present invention, an attempt was made to use a burner having the gas arrangement of US Pat. No. 5,599,371. Surprisingly, such a burner
It has been found to work well for making optical waveguide preforms from HF-SC starting materials, but not particularly well for making boules from such materials. In particular, it does not work well for the production of thick boules from such starting materials.
【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。Rather, according to the present invention, it has been found that in order to successfully produce a thick boule from HF-SC starting material, the burner must have the following concentric regions that emit the following gases: 1) a central region (fume tube) that releases a mixture of HF-SC starting material and inert gas; 2) an inner shield region that releases oxygen; 3) a third that releases a mixture of combustion gas and oxygen (premix). Areas, 4) a fourth area for emitting a mixture of combustion gases and oxygen (premix), 5) a fifth area for emitting a mixture of combustion gases and oxygen (premix), and 6) an outer shield area for emitting oxygen. .
【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。[0010] The history of the aforementioned burners is based on the fact that a particular gas configuration requires a particular starting material (ie, a halide-containing starting material versus a halide) to produce a particular product (ie, an optical waveguide preform versus a thick boule). (A material that does not contain). Thus, the oxygen / premix / premix / oxygen arrangement surrounding the fume tube carrying the halide-containing raw material worked to produce a preform in the above-described halide burner, but the raw material was halide-containing. Did not work when not included. Similarly, an inert gas / oxygen / oxygen / premix arrangement surrounding a fume tube carrying halide-free feedstock, as disclosed in U.S. Pat. No. 5,599,371, is not suitable for producing preforms. It worked, but in the course of developing the burner of the present invention, it was found that it did not work for the production of thick boules. As described in detail below, it is necessary to use an oxygen / premix / premix / premix / oxygen arrangement surrounding a fume tube carrying halide-free feedstock to produce a thick boule. .
【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。[0011] In view of the fact that the outline of the invention described above, an object of the present invention is to produce a thicker Boolean, therefore, be produced by a general type of furnace shown in FIG. 7, fused silica glass, especially To provide a soot making burner that increases the yield of high purity fused silica glass and ultra low expansion glass. It is a further object of the present invention to provide a silica soot deposition technique that exhibits very high optical quality and produces high cross-sectional area and thickness fused silica.
【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。To achieve these and other objects, the present invention provides, in one aspect, a method of forming a silica-containing boule (19), comprising: (a) (i) a cavity (26); ii) at least one burner (14) for producing a flow of soot particles, and (iii) a substantially flat surface (50) in the cavity (26) for accumulating the soot particles to form a boule. 24) providing a furnace (100) comprising: (b) providing a halide-free silicon-containing material to the at least one burner; (c) accumulating the soot particles to form the boule. A method wherein the width of the soot particle flow is controlled to enhance the efficiency of step (c).
【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。In particular, the width of the soot particle stream is controlled according to the finding that reducing the width increases the efficiency of step (c), as shown in FIG. The effect of this reduction in width is counter-intuitive, as it was previously thought that widening rather than narrowing the flow would lay down more soot particles. ing.
【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。[0014] From a quantitative point of view, if the working distance (ie the distance between the burner surface and the boule surface) is at least 150 mm, preferably at least 200 mm or more, the flow at the working distance The width is preferably less than 25 millimeters, most preferably less than 12 millimeters.
【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。According to another aspect, the present invention is a method of forming a silica-containing boule (19), comprising: (a) providing a substantially flat surface (24); 1), 2 (2), 3 (3), 4 (4), 5 (5), and 6 (6) outgassing regions, wherein the second region surrounds the first region. A third area surrounding the second area, a fourth area surrounding the third area, a fifth area surrounding the fourth area, and a sixth area including the area surrounding the fifth area; (C) providing a mixture comprising an inert gas and a halide-free silicon-containing material to a first region; (d) providing oxygen to a second region; e) providing a mixture of combustion gas and oxygen to a third region; (f) providing a mixture of combustion gas and oxygen to a fourth region; (g) providing a mixture of combustion gas and oxygen to a fifth region; (h) oxygen Provides the 6 regions; (i) by integrating the silica-containing soot on the substantially planar surface to form the boule; a method which comprises the steps.
【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。According to another aspect, the present invention relates to the first (1), second (2), third (3), fourth (4), fifth (5)
) And a sixth (6) outgassing region, wherein the second region surrounds the first region, the third region surrounds the second region, the fourth region surrounds the third region, and the fifth region surrounds the third region. Surround the fourth area,
A soot making burner having a burner surface including a region wherein the sixth region surrounds the fifth region, wherein: (a) the first region emits a mixture of a halide-free silicon-containing material and an inert gas; b) the second zone releases oxygen; (c) the third zone emits a mixture of combustion gas and oxygen; (d) the fourth zone emits a mixture of combustion gas and oxygen; (e) the fifth zone. Zone emits a mixture of combustion gases and oxygen; (f) zone 6 emits oxygen; providing a burner.
【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。According to another preferred embodiment, the first, second, third, fourth, fifth and sixth regions have the following form in the face of the burner: the first region is open In the form of a disc or tube, the second region is a ring, and the third, fourth, fifth, and sixth regions are each rings of orifices.
【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。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG . 1 is a plan view of a burner surface of the prior art showing the gas discharge area of the burner.
【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。FIGS. 2 and 3 are plan views of the burner surface used to collect the experimental data reported here.
【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
。FIG. 4 is a sectional view of the bottom of a burner constructed according to the present invention. When arranged in the direction shown in FIG. 7, the bottom of the burner is the part closest to the furnace cavity.
【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。FIG. 5 is a plan view of the top cavity-facing surface of a burner constructed in accordance with the present invention. When arranged in the orientation as shown in FIG. 7, the top of the burner is the part furthest from the furnace cavity.
【００２２】 図６は、効率対粒子の流れの幅のプロットである。FIG. 6 is a plot of efficiency versus width of particle flow.
【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。FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a general type of furnace that can be used in the burner of the present invention.
【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。FIG. 8 illustrates the use of a baffle for a burner with three premix areas.
【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。The foregoing drawings, which are included in and constitute a part of this specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. Of course, it will be understood that both the drawings and the description are for the purpose of illustration only and are not limiting of the invention. The drawings are not intended to represent scale or relative proportions of the elements shown therein.
【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。The reference numbers used in the figures correspond to: 1 the first outgassing area of the burners C and D (fume tube) 2 the second outgassing area of the burners C and D (inner shield) 3 the burners C and D 4th gas emission area of burners C and D 5 fifth gas emission area of burners C and D 6 sixth gas emission area of burners C and D (outer shield) 12 Furnace crown 13 Burner surface 14 Burner 15 Burner bottom 16 Burner top 17 Baffle 19 Boule 20 Inner shield passage at bottom of burner 21 Premix passage at bottom of burner 22 Outer shield passage at bottom of burner 24 Substrate for collecting soot particles Flat surface 26 Furnace cavity 27 O-ring 28 O-ring 29 O-ring 30 O-ring 31 Fume tube passage at top of burner 32 Inner shield passage at the top of the burner 33 Premix passage at the top of the burner 34 Outer shield passage at the top of the burner 41 Hume bore hole opened at the bottom of the burner 42 Inner shield ring at the bottom of the burner 43 Bottom of the burner Premix hole drilled at the bottom of burner 45 Premix hole drilled at the bottom of burner 45 Premix hole drilled at the bottom of burner 46 Outer shield hole drilled at the bottom of burner 50 CH 4 supply source 51 O 2 supply source 52 mixer 53 CH 4 burners from the conduit 57 baffle from the source through conduit 56 baffle from conduit 55 mixer from conduit 54 O 2 source to a mixer to mixer until baffles in the burner up to the third gas-emitting region of the burner surface Conduit from the baffle to the fifth outgassing area on the burner side 100 Furnace 101 Prior art bar of FIG. FIG. 1 shows the prior art burner of FIG. 1 and the second outgassing region (inner shield) of burners A, B, E and F. One prior art burner and third outgassing region 104 of burners A, B, E, and F 104 Prior art burner and fourth outgassing region of burners A, B, E, and F 105 of FIG. Prior Art Burners and Fifth Outgassing Region (Outer Shield) of Burners A, B, E and F Detailed Description of the Invention As discussed above, the present invention provides a halide-free, silicon-containing starting material. A burner for use in the production of boules of fused silica. Suitable halide-free silicon-containing starting materials are described in US Pat. No. 5,043,002 to Dobbins et al. And US Pat.
No. 2,819. The relevant portions of these patents are cited here. A particularly preferred starting material is octamethylcyclotetrasiloxane (OMC
TS).
【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。FIGS. 4 and 5 show a suitable construction of the burner according to the invention. As shown, the burner includes a bottom 15 (see FIG. 4) and a top 16 (see FIG. 5). The designations "bottom" and "top" refer to the direction of the burner in use in a furnace of the type shown in FIG.
【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。As shown in FIG. 5, the tops of the burners carry a halide-free silicon-containing starting material, oxygen, a mixture of combustion gas and oxygen, and oxygen, respectively, during use of the burner. Hume pipe passage 31, inner shield passage 32, premix passage
33, and an outer shield passage 34. The premix passage 33 preferably includes a baffle 17 that helps to ensure uniform outgassing from the area 3 of the burner surface 13, as described below. Top 16 also includes O-rings 27, 28, 29, and 30 that function to seal the top and bottom together in the assembled burner.
【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。In use, passages 31, 32, 33, and 34 may be equipped with suitable gas supply systems, such as regulated gas supplies, supply lines, gas mixers, metering pumps, flow meters, heaters and OMCTS. with vaporizer, etc., the gas used by the burner (e.g., respectively, OMCTS was mixed with N 2, O 2, O 2 mixed with CH 4, and O 2) is supplied. Suitable flow rates for these materials are as follows: OMC
TS - 6.0-6.5 g / min; N 2 --4.6-6.4 liters per minute (slpm); inner shield O 2 --7-8 liters per minute; Premix (1: 1 O 2: CH 4) −−22
Liters per minute; and outer shield oxygen -15.0-17.5 liters per minute.
【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。As shown in FIG. 4, the bottom parts 15 are respectively provided on the assembled burners.
Includes passages 41, 20, 21, and 22 that are aligned with passages 31, 32, 33, and 34. Passage 41
Passes through the body of the bottom 15 and forms the first outgassing region 1 of the burner at the burner surface 13. The passage 20 communicates at the burner surface 13 with an annulus 42 which forms the second outgassing area 2 of the burner. The passage 21 communicates with the through holes 43, 44 and 45, which form the third, fourth and fifth outgassing areas of the burner at the burner surface 13. Passage 22 is burner surface 13
Communicates with the through hole 46 forming the sixth gas emission region of the burner. The through holes 43 to 46 are the preferred means for forming the gas discharge areas 3 to 6, but if desired, other means such as a continuous ring may be used. Conversely, the ring 42 can be in the form of a through hole if desired.
【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。The advantages of the burner structure of the present invention can best be understood with reference to FIGS. 1-3 and Table 1-2. FIG. 1 shows that the OMCTS has a fume tube with nitrogen as carrier gas.
Spilled from 1, the inner shield 102 and the outer shield 105 let out oxygen from there,
1 is a schematic view of a prior art burner in which a mixture of oxygen and methane has been exhausted from premix holes 103 and 104. FIG.
【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。In this burner, the fume tube 101 is flush with or slightly recessed from the burner surface 13 and the inner shield 102 is in the form of a ring. A ring rather than a ring of holes is used for the inner shield. This is because, if a ring of holes is used, OMCTS will accumulate on the burner due to polymerization. When SiCl 4 was the starting material instead of OMCTS, a protruding fume tube was used, and no accumulation on the burner was observed when the inner shield was a ring of holes.
【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。While the burner of FIG. 1 works well for producing boules having a thickness of about 6 inches (about 15 cm), glass cannot be produced if the distance from the burner to the laydown is long. To produce a thick boule, the burner must produce a flame that can produce glass at long burner to laydown distances (eg, greater than 12 inches (about 30 cm)).
【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。The design improvements studied to achieve longer burner to laydown distances were: focus, reduced inner shield oxygen speed, reduced premix speed, and fumes. Tube dimensions. The focus, i.e. bringing the various outgassing areas of the burner close to each other, was achieved by keeping the position of the passages 21 and 22 constant, and changing the starting position and the angles of the through holes 43 to 46. This allowed the same top 16 to be used for each burner design. In fact, the hole
The change in gas vector caused by the change in angle from 43 to 46 has only an indirect effect on burner performance.
【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。[0035] Six laboratory burners were designed, built, and tested. Table I gives design improvements and intent for each burner design. The key process variables evaluated for each burner were particle size, number of particles, particle mass, and width of particle flow. These important process variables and the relationship between laydown efficiency and speed were quantified. The flame produced by the burner was evaluated using light diffusion measurements, mathematical modeling, trials of one burner development furnace, and a full-scale production furnace. Light diffusion measurements, i.e. measurements of the amount of laser light diffused in various directions by the soot particles in the flame, were used to determine the width of the soot particle flow generated by the burner. Alternatively, the width may be determined photographically or visually.
【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。FIGS. 2 and 3 are schematic diagrams of the burners tested, and Table 2 gives their dimensions in inches. As used in Table 2, "BC diameter" refers to the diameter of the "bundle circle" defined by the holes that make up the various outgassing regions. FIG. 2 shows the overall design of burners A, B, E, and F, including only two premix regions, and FIG.
Shows the overall design of burners C and D, including three premix regions.
The overall design of a prior art burner is shown in FIG.
【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。Burners A and B show the first design improvement in which a focused burner, similar to the burner used to make the optical waveguide preform, was formed by bringing the burner holes closer together. Burners A and B are the same except that burner B has a larger inner shield.
【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。Burners C and D have additional rings of premix holes to reduce the speed of the premix. The difference between burners C and D is that burner C is more focused than burner D.
【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。A design improvement for burners E and F was the fume tube diameter. The dimensions of the fume tube range from 0.085 inch (about 0.2125 cm) to 0.106 inch (about 0.265 cm)
A) was increased. Burner E has the same shape as the prior art burner, except for a larger fume tube. Burner F has the same design as burner B, except for a larger fume tube.
【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。Most burners have been designed to produce a longer, thinner, and more focused jet stream than prior art burners. For example, when used with the same gas flow, burner A produced a longer, thinner flame than prior art burners. However, as shown in Table 1, this alone did not consistently significantly increase the yield.
【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。Rather, the burner design that (1) the width of the particle stream is inversely proportional to the speed and efficiency of the laydown, and (2) provides the highest deposition rate, provides a more focused, reduced premix speed. Turned out to be a burner.
【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。The burner having these characteristics was burner D. The advantage of this burner is that it reduces the width and instability of the soot flow and allows for higher deposition rates with increased efficiency. In the production furnace, the burner produced a thinner flame, with a 60% increase in deposition rate. The flame generated by burner D was burner 2072 pounds (
It was 15 inches long so that a boule of about 941 kg could be manufactured. For comparison, the average boule weight for a prior art burner was 1200 pounds (approximately
545 kg).
【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。With respect to the structural features, the elements required and possessed by the burner D are: (1) the holes of the burner are arranged close to each other, ie the burner is focused; and (2) An additional ring of premix is provided. These closer holes reduce the area of recirculation that produces smaller swirls and more turbulent flames. The additional rings of the premix reduce the speed of the premix and increase the surface area, resulting in a more stable and longer flame. From another perspective, reducing the speed of the premix means that the silica particles stay in the burner flame longer and therefore can produce a boule at a greater distance from the burner surface, i.e., can produce a thicker boule. Thus, it is also conceivable to manufacture a container of silica particles.
【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。In addition to the improved efficiency, the burner D also has the following desirable performance characteristics: (1) Since the burner D has a thinner laminar flame, less oxygen (from outside air) is incorporated into the flame by mixing. Thus, the flame is generally more reducing than desired.
【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。(2) Burner soot rarely accumulates on the burner surface. This is an important advantage since soot accumulation means that the burner must be shut down during furnace operation, which means that the deposition rate is reduced.
【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。There are two reasons for the accumulation of soot on the burner surface: (a) thermopheresis
pheresis), and (b) soot particle velocity. The third ring of the premix, which reduces speed and surface area, provides a flame profile that prevents soot from the burner from depositing on the burner surface.
【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。The absence of soot accumulating on the burner surface improves the security of the soot laydown process by reducing the likelihood of “snapback”. If the soot covers the premix holes or clogs the fume tubes, a small explosion known as "snapback" may occur. Burner D with reduced soot accumulation minimizes these possibilities.
【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。[0048] Using burner D is a lesser time for workers to clean the burner and dismantle the ports, ie, dismantle the burner holes in the furnace crown, if there is no soot to build up. It becomes even easier. Port demolition is reduced because the burner is more efficient and less soot builds up in the port.
【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。For comparison, burner A, which is similar to burner D in that it has burner holes located closer together to produce a thinner flame, failed to improve the yield in the production furnace. . Unlike burner D, burner A does not have an additional ring of premix. The results show that an additional ring of premix is essential to increase the yield of high purity fused silica glass. Burners E and F also did not increase the yield. These burners have a larger fume tube that created a turbulent flame.
【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。Burner D shares the following common features with prior art burners: both use the same top of the burner, all connections to the furnace, all gases, and all flow rates are the same And the burners are made of the same material (aluminum) and of the same size. Furthermore, the soot particle size and particle size range are the same for the two burners.
【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。The differences between burner D and prior art burners are as follows: (1) Burner D
Are located close to each other such that the radial distance is substantially the same between all the gas emission regions of the burner; and (2) there is an additional ring of premix gas. These differences result in longer, thinner flames, which reduce the width of the flow of particles. Further, burner D produces less soot particles per unit time than prior art burners.
【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。FIG. 6 is a plot of deposition efficiency versus width of the particle stream at a distance of 12 inches from the burner surface. As can be seen from this figure, the smaller the width of the particle stream, the higher the efficiency of the OMCTS and, therefore, the higher the deposition rate.
【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。As can be seen from FIG. 6, the deposition efficiency of burner C is even higher than that of burner D. However, the outgassing regions of burner C are so close to each other that mass production of this burner is difficult, and for this reason burner D is preferred. Although FIG. 6 shows the improved efficiency for burners A and B, it should also be noted that this improvement is reduced for some OMCTS flows actually used.
In contrast, burners C and D show improved efficiency over the full range of practically commonly used OMCTS flow rates.
【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。The relationship between efficiency and particle flow width shown in FIG. 6 is due to the boundary layer phenomenon that allows more soot particles to be trapped in the boule by a thinner, focused flow. It is considered. That is, if the flame spreads over a flat surface, the boundary layer is thinner and contains more particles, resulting in an increased deposition rate, as a narrower flame captures less of the furnace gas. In addition, flames having a reduced width of the particle stream are less disturbed.
【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。Of all the parameters studied (particle size, particle size range, number of particles, mass of particle flow, and width of particle flow), the width of particle flow depends on deposition rate and OMCT
S had the greatest effect on efficiency. From the viewpoint of controlling the width of the particle flow, the burner A-
For D, this parameter is controlled by adjusting the outer shield flow (
Fluctuations). By reducing the flow rate of the outer shield, the flame will be longer and less turbulent, thereby capturing more particles.
For example, for burner D, if the flow of outer shielding gas was reduced by 13%, the efficiency increased from 60% to 68%. This condition provided substantially the same particle stream size and OMCTS efficiency as shown for burner C in FIG.
【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。As mentioned above, the passage 33 in the top 16 of the burner comprises the baffle 17 (see FIG. 5),
This functions to produce a uniform premix flame. This baffle is preferably located at the top of the burner so that the gas / oxygen flow in passage 33 widens its flow before entering the bottom. However, if desired, the baffle can be located at the bottom of the burner.
【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。During testing of burner D, a heterogeneous gas-oxygen flame was observed in the ring inside the premix holes (ie, outgassing area 3 shown in FIG. 4). This non-uniformity
At low gas flow rates (<10 liters per minute methane, 10 liters per minute oxygen), they are only slightly noticeable, but become more apparent as the flow rate increases. At the deposition rate (18 liters per minute methane, 20 liters per minute oxygen), one side of the flame extends about 1/16 inch (about 0.16 cm) from the burner surface and the other side about 1/4 inch (about 0.16 cm). About 0.63cm
), Which was considered unacceptable for use in a production furnace.
【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。The non-uniform flame is believed to be the result of the addition of a third ring of holes for gas / oxygen flow, which results in a total hole area greater than 60%. As a result, the flow characteristics between the passage 33 in the top 16 and the gas outlet at the burner surface change, resulting in a non-uniform gas flow through the outlet hole. Neither the second ring nor the third ring of holes used for gas / oxygen flow, located towards the outer shield, showed flame variability.
【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。According to the present invention, baffles are used to reduce this variability in the burner flame. The overall arrangement of the baffles in the furnace system is shown in FIG. As shown here, the CH 4 source 50 and the O 2 source 51 are:
It is connected to the mixer 52 by conduits 53 and 54. Conduit 55 connects mixer 52 to the burner. In particular, the CH 4 / O 2 mixture produced by mixer 52 is supplied to baffle 17. This baffle, in the preferred embodiment of the invention, is located in a passage 33 on the top 16 of the burner (see FIG. 5). From the baffle 17, the CH 4 / O 2 mixture is conveyed to the areas 3, 4, and 5 of the burner surface 13 by conduits 56, 57 and 58, respectively. As shown in FIG. 4, in a preferred embodiment of the present invention,
Conduits 56, 57, and 58 include passageway 21 and through holes 42, 43, and 44, respectively.
【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。Various types of baffles can be used in the practice of the present invention. For example, an equally spaced aluminum ring containing 36 holes having a diameter of either 0.040 inches (about 1 mm) or 0.060 inches (about 1.5 mm) can be used. Inserts cut from SCOTCH BRIGHT pads can be used. Tests on both aluminum rings and Scotch bright pads have shown that these baffles eliminate flame non-uniformity. However, aluminum rings have severe gas / oxygen ratio limitations that produce loud, high-pitched sounds and render the burner unusable at the desired premix flow rates. The design of the Scotch bright pad did not have this limitation, but was made from a different material than the burner material. That is, it was not made from aluminum.
【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。A preferred baffle structure comprises a corrugated aluminum baffle of the type shown in FIG. The baffle cuts a narrow strip (eg, 3/16 inch (about 0.47 cm) wide) from a rolled aluminum sheet (eg, about 0.012 inch (about 0.03 cm) thick), and It can be prepared by pleating, wrapping the strips around a ring, and then sliding them into the passage 33. Preferably, after the strip has been cut to length, the ends of the strip are pleated and the sections in between are unpleated. The strip may be attached by hand or using a tool. The tool has, for example, a central tip aligned with the passage 31,
It may include an inner movable ring around which the strip is wrapped, and an outer securing ring that holds the strip in place prior to insertion. Moving the inner ring moves the baffle into the top 16 while holding the baffle in alignment with the passageway 33 by the outer ring.
【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。When properly installed, the pleated strip will be approximately 0.100 inches (
A baffle is formed having a number of openings that are about 2.5 mm wide and 3/16 inches long. The baffle produces a uniform laminar flow with little, if any, back pressure and eliminates flame non-uniformity problems. Furthermore, baffles are inexpensive and easy to install. Among its various advantages, the use of baffles minimizes the possibility of snapback as a result of non-uniformity in the premix cone (flame).
【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。While preferred and other embodiments of the invention have been described herein, further embodiments will occur to those skilled in the art without departing from the scope of the invention, which is defined by the appended claims. Will understand.
【００６４】[0064]
【表１】 [Table 1]
【表２】 [Table 2]
【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FIG. 1 is a plan view of a burner surface of the prior art showing the outgassing area of the burner.
【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FIG. 2 is a plan view of the burner surface used to collect the experimental data reported here.
【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FIG. 3 is a plan view of the burner surface used to collect the experimental data reported here.
【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FIG. 4 is a sectional view of the bottom of a burner constructed according to the present invention.
【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FIG. 5 is a plan view of a top-facing cavity facing surface of a burner constructed in accordance with the present invention.
【図６】 図６は、効率対粒子の流れの幅のプロットであるFIG. 6 is a plot of efficiency versus particle flow width.
【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FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a general type of furnace that can be used in the burner of the present invention.
【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FIG. 8 illustrates the use of baffles for a burner with three premix areas.
───────────────────────────────────────────────────── 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 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Misla, Mahendra Kumar United States 14845 Horseheads Burlington Road 11 (72) Inventor Powers, Dale Earl United States of America New York 14870 Painted Post Weston Lane 112 (72) Inventor Wadi Ruskey , Michael H. United States of America New York 14830 Corning Earl Dee Number 2 Riff Road 1617 F-term (reference) 4G014 AH16
Claims (22)
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。1. A method of forming a silica-containing boule comprising: (a) providing a substantially planar surface; (b) first, second, third, fourth, fifth, and sixth. Outgassing area,
The second region surrounds the first region, the third region surrounds the second region, the fourth region surrounds the third region, the fifth region surrounds the fourth region, and the sixth region surrounds the fifth region. Providing a soot-producing burner having a burner surface including a region comprising: (c) providing a mixture comprising an inert gas and a halide-free silicon-containing material to a first region; (d) providing oxygen to a second region. (E) providing a mixture of combustion gas and oxygen to a third region; (f) providing a mixture of combustion gas and oxygen to a fourth region; (g) providing a mixture of combustion gas and oxygen to a fourth region. (H) providing oxygen to a sixth region; (i) accumulating silica-containing soot on the substantially planar surface to form the boule; Features method.
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。2. The method of claim 1, wherein said burner produces a flow of soot particles, and wherein the width of said soot particles is controlled to enhance the efficiency of step (i). .
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。3. The method of claim 2, wherein the width of the soot particle stream is reduced to enhance the efficiency of step (i).
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。4. The method of claim 2, wherein the width of the soot particle flow is controlled by controlling the amount of oxygen supplied to the sixth region.
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。5. The method of claim 1, wherein said mixture of combustion gases and oxygen is supplied to said third zone through a baffle.
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。6. The method of claim 5, wherein said mixture of combustion gases and oxygen is supplied to said fourth and fifth zones through baffles.
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。7. The method of claim 1, wherein said third, fourth, fifth, and sixth regions are radially spaced from each other by substantially the same distance.
ることを特徴とする請求項１記載の方法。8. The method of claim 1, wherein said boule has a thickness greater than 6 inches.
固結されることを特徴とする請求項１記載の方法。9. The method of claim 1, wherein the silica-containing soot is consolidated and consolidated in step (i).
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。10. A method of forming a silica-containing boule, comprising: (a) (i) a cavity, (ii) at least one burner for producing a flow of soot particles, and (iii) collecting the soot particles. Providing a furnace having a substantially flat surface within the cavity for forming a boule; (b) providing a halide-free silicon-containing material to the at least one burner; (c) A) collecting the soot particles to form the boule; and wherein the width of the soot particle flow is controlled to enhance the efficiency of step (c).
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。11. The method of claim 10, wherein the width of the soot particle stream is reduced to increase the efficiency of step (c).
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。12. The method of claim 10, wherein said at least one burner has a burner surface and a width of said soot particle flow is less than 25 millimeters at a distance of 150 millimeters from said surface. .
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。13. The method of claim 12, wherein the width of the soot particle stream is less than 12 millimeters at a distance of 150 millimeters from the surface.
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。14. The method of claim 10, wherein the at least one burner has a burner surface, and wherein the width of the soot particle flow is less than 25 millimeters at a distance of 200 millimeters from the surface. .
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。15. The method of claim 14, wherein the width of the soot particle stream is less than 12 millimeters at a distance of 200 millimeters from the surface.
することを特徴とする請求項１０記載の方法。16. The method of claim 10, wherein said boule has a thickness greater than 6 inches.
結されることを特徴とする請求項１０記載の方法。17. The method of claim 10, wherein the soot particles are consolidated when collected in step (c).
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。18. A first, second, third, fourth, fifth, and sixth outgassing region, wherein the second region surrounds the first region, and the third region surrounds the second region. Wherein the fourth region surrounds the third region, the fifth region surrounds the fourth region, and the sixth region includes a burner surface including a region surrounding the fifth region. (B) releasing a mixture of a halide-free silicon-containing material and an inert gas; (b) releasing a second region of oxygen; (c) releasing a mixture of a combustion gas and oxygen; d) a fourth zone emitting a mixture of combustion gases and oxygen; (e) a fifth zone emitting a mixture of combustion gases and oxygen; (f) a sixth zone emitting oxygen. Burner.
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。19. The burner according to claim 18, wherein said third, fourth, fifth, and sixth regions are radially spaced from each other by substantially the same distance.
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。20. The burner includes a baffle, and wherein the mixture of combustion gases and oxygen released by the third region passes through the baffle before being released from a surface of the burner. Item 18. The burner according to Item 18.
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。21. The combustion engine of claim 20, wherein the mixture of combustion gases and oxygen released by the fourth and fifth regions passes through the baffle before being released from the burner surface. Burner.
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。22. (a) a source of a mixture of combustion gases and oxygen, (b) a burner for producing silica-containing soot, and (c) a mixture of the combustion gas and oxygen from the source. An apparatus for producing silica-containing soot with a conduit from a source to a burner for transport to a burner, the burner comprising: (i) three concentric tubes each emitting a mixture of combustion gas and oxygen. (Ii) three gas carrying conduits, one each connected to each of the three gas releasing regions, and (iii) a conduit from the source to the burner; A baffle between the three gas-carrying conduits.
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