JP2015505291A - 合成石英ガラスの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、液体のＳｉＯ2出発材料（１０５）であるポリアルキルシロキサンの蒸発、ＳｉＯ2出発蒸気（１０７）のＳｉＯ2粒子への変換、スート体（２００）の形成下でのＳｉＯ2粒子の堆積、およびスート体（２００）のガラス化による合成石英ガラスの製造方法に関する。本発明によれば、加熱されたＳｉＯ2出発材料（１０５）の蒸発は、膨張チャンバー（１２５）での射出段階を含んでいて、この段階では、ＳｉＯ2出発材料（１０５）は、微細な液滴に噴霧化され、ここで、この液滴は、５μｍ未満の平均直径を有している、およびこの液滴の噴霧化は、１８０℃超の温度を有する、あらかじめ温められたキャリアガス流中で行われる。

Description

本発明は、合成石英ガラスの製造方法に関する。

商業的な適用のための合成石英ガラスを製造するため、無塩素の出発材料が試験される。例として、モノシラン、アルコキシシランおよびシロキサンが挙げられる。無塩素の出発材料の特に興味深い群は、例えばＥＰ４６３０４５Ａ１から公知の、ポリアルキルシロキサン（略して「シロキサン」とも呼ばれる）である。このシロキサンの物質群は、開鎖ポリアルキルシロキサンと閉鎖ポリアルキルシロキサンとに区分できる。ポリアルキルシロキサンは、一般的な実験式Ｓｉ_pＯ_p（Ｒ）２_p［式中、Ｐは、２以上の整数である］を有している。「Ｒ」基は、アルキル基であり、最も簡単な場合にはメチル基である。

ポリアルキルシロキサンは、１質量割合あたりのケイ素の割合が特に高いことを特徴としていて、このことは、合成石英ガラスの製造においてその使用の経済性に寄与する。高純度で大規模工業的に入手しやすいため、現在、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）が使用されるのが好ましい。この物質は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｃ．社によって導入された表記法によれば「Ｄ４」とも呼ばれ、ここで、「Ｄ」は、［（ＣＨ₃）₂Ｓｉ］−０−基を表している。

ケイ素を含む出発材料は、消費者、例えば、堆積バーナー（Ａｂｓｃｈｅｉｄｅｂｒｅｎｎｅｒ）に、液体の形態で供給することができる。しかし、一般に、液体の出発材料は、蒸発器を用いて気相または蒸気相に変換されて、消費者に連続的なガス流が供給される。公知の蒸発装置では、蒸発する液体を、高温の表面と接触させる。高温の表面は、特に有機の出発材料の場合、不測の変化、例えば、分解または重合をもたらすことがある。

分解生成物もしくは重合体は、導管系において堆積物をひき起こし、最終的にほとんど制御不可能かつ再現不可能なプロセス条件をもたらす。このことから、粒子形成プロセスでの欠陥およびスート（Ｓｏｏｔ）構成での不均一性をもたらすことがある、プロセス実施におけるある程度の可変性および非再現性が結果として生じる。

本発明の課題は、前述の欠点が回避される、材料均一性の高いＳｉＯ₂スート体（Ｓｏｏｔｋｏｅｒｐｅｒ）の製造方法を提供することである。

前記課題を解決するため、特許請求項１の特徴を有する方法が提案される。本発明による合成石英ガラスの製造方法は、以下の方法工程を含んでいる：
（Ａ）ポリアルキルシロキサンＤ４を７０質量％超有する、液体のＳｉＯ₂出発材料を準備する工程、
（Ｂ）前記液体のＳｉＯ₂出発材料を蒸発させて、気体のＳｉＯ₂出発蒸気にする工程、
（Ｃ）前記ＳｉＯ₂出発蒸気をＳｉＯ₂粒子に変換する工程、
（Ｄ）前記ＳｉＯ₂粒子を、ＳｉＯ₂スート体の形成下に堆積面に堆積させる工程、
（Ｅ）ＳｉＯ₂スート体を、合成石英ガラスの形成下にガラス化する工程。

本発明によれば、加熱されたＳｉＯ₂出発材料の蒸発は、膨張チャンバーにおける射出段階を含んでいて、この段階において、前記ＳｉＯ₂出発材料は微細な液滴に噴霧化され、ここで、この液滴は、５μｍ未満、好ましくは２μｍ未満の平均直径を有していて、この液滴の噴霧化は、１８０℃超の温度を有する、あらかじめ温められたキャリアガス流中で行われる。

本発明による方法の範囲では、液体のＳｉＯ₂出発材料は、ＳｉＯ₂出発蒸気に変えられる。ここで、このＳｉＯ₂出発蒸気は、優先的にポリアルキルシロキサンを有していて、好ましくは、このＳｉＯ₂出発蒸気はポリアルキルシクロシロキサンからなっていて、特に好ましくは、このＳｉＯ₂出発蒸気は、主成分としてＤ４を含んでいる。均一のスート体を得るために、ポリアルキルシロキサンの重合を、蒸発の範囲において阻止する必要がある。これは、本発明による方法により達成することができる。

特に、１０時間超の時間にわたる、バッチ運転で、２０ｋｇ／ｈ超の高い蒸発率での、ポリアルキルシロキサン、特にＯＭＣＴＳ（＝Ｄ４）の連続的な蒸発の場合、妨げになるポリマーの反応生成物が形成されることなく、蒸発器内に残留物がほぼ含まれない蒸発を可能にする蒸発方法が示される。ここで極めて重要なのは、蒸発する液体もしくは液滴が、蒸発の間、その蒸発温度を上回らずに加熱されることである。そのためには、一方で、熱伝達のためのできる限り大きい表面積を作るために、前記液体を、高い表面積を有する極めて小さい液滴に霧化することが達成されなければならない。他方、蒸発器におけるシロキサンのできる限り短い反応時間を有するために、蒸発反応器（蒸発器とも呼ばれる）における前記ＳｉＯ₂出発材料の極めて短い滞留時間が実現されなければならない。蒸発反応器での極めて短い平均滞留時間（２秒未満）の場合、前記条件下では、この蒸発反応器内のキャリアガス温度および表面温度は、蒸発する液体の沸点を上回っていてもよい、それというのは、前記液滴が、相転移（液体−蒸気状）で同時に冷却されるからである。

主要な考えは、この蒸発する液体を極めて微細な液滴に変えて（＝霧状にする（ｖｅｒｎｅｂｅｌｔ）または霧化する（ｚｅｒｓｔａｅｕｂｔ）または噴霧化するとも呼ばれる）、いわば「ｉｎ ｓｉｔｕ」で、噴霧化の間に過度にあらかじめ温められた（１８０℃超、特に２３０℃超の温度を有する）キャリアガス流と、キャリアガスのシロキサンに対するモル比１．５以上（好ましくは、モル比２．５超、特に３超）で混合することである。前記極めて微細な液滴（１０ミクロン未満）は、あらかじめ加熱されたキャリアガスからの熱を外側の表面で吸収し、この液滴の外側の表面の第１の層を蒸発させて、この液滴の周囲に薄い蒸気膜を形成する。この蒸気膜に囲まれている液滴は、直接、蒸発反応器に運ばれて、そこで完全に蒸発する。液滴が高い蒸気濃度を有する薄い蒸気膜に囲まれていることにより、この液滴の液体相（＝この液滴の内部の、まだ蒸発していない領域）は、熱交換器の蒸発器の内壁と直接接触することは決してない。それによって、この液滴の液体相が、前記蒸発反応器の金属表面と直接接触することが阻止される。

有利な実施態様では、本発明による方法は、蒸発器において実施される。この蒸発器（蒸発チャンバーとも呼ばれる）は、２つの区域を有している。第１区域は、噴霧化区域であって、ここで、液体のＳｉＯ₂出発材料は、微細な液滴に変えられる。噴霧化とも呼ばれるこの工程には、液体の液滴への霧化が含まれ、この液滴の直径は、２μｍ未満（１μｍは１ミクロンである）、好ましくは０．５μｍ未満である。さらに、第１区域では、前記液滴とキャリアガスとの混合が行われる。本発明による方法の特徴は、このキャリアガスがあらかじめ加熱されていることにある。先行技術では、室温（約１０℃〜約４０℃）を有するキャリアガスを利用することが公知である。これとは異なり、本発明による方法では、噴霧化を促進するために、１８０℃超、好ましくは２３０℃超の温度を有する、過度に加熱されたキャリアガスが利用される。したがって、このキャリアガスは、一方では液滴の担体それ自体として用いられる。同時に、このキャリアガスは、使用されるＳｉＯ₂出発材料の露点を低下させ、このようにして液相から気相への比較的迅速な転移をもたらす。さらに、この過度に加熱されたキャリアガスは、短い時間間隔で、液体のＳｉＯ₂出発材料への最初のエネルギー入力を保証するのに用いられる。非常に過度に加熱されたキャリアガスの利用は、先行技術で公知の常温のキャリアガスの利用と比べて、多数の利点がある。一つには、液体のＳｉＯ₂出発材料を予加熱する必要がないことである。前記材料は、貯蔵容器から直接、および常温で（加熱されていないものとして）取り出すことができる。それにより、前記蒸発器に添加されたＳｉＯ₂出発材料の量を測定するために、液体流量計を利用することが可能である。この種の液体流量計は、最大８０℃の温度まで機能する。最大で、最大６０℃、好ましくは５０℃未満、特に好ましくは４０℃未満の温度を有する液体のＳｉＯ₂出発材料を利用することにより、前記蒸発器に添加された液体の量を、前記液体流量計を用いて正確に測定することができる。これは、再現可能なプロセス条件に好都合である。このようにして生じたゲルは、ここで開示された方法で遂行される通りの高い流量では、導管を詰まらせる、もしくは導管の断面を狭くするなどすることがある。これは、さらにまた、蒸気導管における圧力比および気流比に影響を及ぼす。ここで開示されている方法では、ＳｉＯ₂出発材料（特にポリアルキルシロキサン）が、導管内で液体の状態で、好ましくは４０℃未満に加熱される、特に好ましくは室温に保たれるため、重合はもはや起こらない。したがって、導管の詰まり、および／または液体流量計での詰まりが結果として生じない。

前記蒸発器の第１区域において、前記ＳｉＯ₂出発材料の噴霧化および高温のキャリアガスとの混合が行われた後、この混合物は、前記蒸発器の第２区域に流れ込む。第２区域（熱交換器区域および／または熱交換器とも呼ばれる）は、さらなるエネルギー供給およびそれに伴うさらなる蒸発に用いられる。高温のキャリアガスを利用することにより、第２区域で必要となるエネルギー供給は、先行技術よりも少ない。さらに、噴霧化器（Ａｔｏｍｉｓｉｅｒｅｒ）（噴霧器（Ａｔｏｍｉｓａｔｏｒ）とも呼ばれる）での急激な蒸発で生じる、液滴を取り囲む蒸気保護層は、液滴内の液体と、第２区域の内壁および／または内部経路との直接的な接触に対するある種の保護物として役立つものである。それにより、液滴内での液体のＳｉＯ₂出発材料の重合が阻止される。

前記蒸気保護層は、液滴内の液体のＳｉＯ₂出発材料を被覆する。外的影響からの前記液体の保護として作用する。エネルギー入力が、この蒸気層を通して、特に迅速に液体のＳｉＯ₂出発材料に入り込めることが有利に判明した。したがって、前記蒸気保護層は、液滴内の液体のＳｉＯ₂出発材料の蒸発を促進する。この認識は、なぜ第２区域の加熱された内壁に液滴が接近する場合に、液体のＳｉＯ₂材料と第２区域との間に直接的な接触が生じないのかを理由づけるものである。むしろ、第２区域で放射される熱は、前記蒸気保護層によって吸収されて、迅速な蒸発が行われるほどに液体のＳｉＯ₂出発材料に集中する。それゆえ、液体のＳｉＯ₂出発材料と第２区域の内壁または経路との間で、直接的な接触は行われない。それにより、ポリアルキルシロキサンの重合への傾向が明らかに低下する。総じて、つまり、前記蒸発器の内側面ならびに前記蒸発器から出ているすべての経路は、先行技術におけるよりもポリアルキルシロキサンの重合された基による影響が明らかに少ない。

前記液体のＳｉＯ₂出発材料と熱交換器（つまり、第２区域）の内壁または経路との直接的な接触の機会を減らすには、この液体のＳｉＯ₂出発材料の噴霧器への供給から、気体のＳｉＯ₂出発蒸気の出口までの時間ができる限り短い場合に有利であることが判明した。平均滞留時間は、１秒未満であるのが有利である。

したがって、第２区域内の蒸発反応器の表面温度は、前記混合ガスの露点を少なくとも１０℃上回っていてよい。前記液滴を取り囲む保護する蒸気膜により、液体相の直接的な内壁接触およびそれに伴う液体相の過熱も回避される。したがって、前記蒸発器の第２区域におけるシロキサンの部分的な重合に対する恐れが回避される。

さらに、前記蒸発器の蒸発器容量における蒸発分子の平均滞留時間は、２秒未満、好ましくは１秒未満、さらに好ましくは０．５秒未満であってよい。

前記方法の有利な実施態様は、前記蒸発器が、第１区域および第２区域を有していることを特徴としている。ここで、第１区域は霧化装置を、第２区域は熱交換器を有している。

前記方法の有利な実施態様は、前記霧化装置（噴霧化装置）において、前記液体のＳｉＯ₂出発材料から、１０ミクロン未満、好ましくは５ミクロン未満、特に好ましくは２ミクロン未満の平均液滴粒径を有する、微細な液滴が作り出される（例えば、ノズル、超音波霧化）ことを特徴としている。

前記方法の有利な実施態様は、前記液滴の噴霧化が、あらかじめ温められたキャリアガス流中で行われることを特徴としている。このキャリアガスは、特に窒素またはアルゴンまたはヘリウムを有していて、１８０℃超の温度、好ましくは２００℃超の温度、特に好ましくは２３０℃超〜最大３５０℃の温度を有している。

前記方法の有利な実施態様は、前記噴霧化された液滴を取り囲むキャリアガスのエネルギー入力により、前記液滴の表面で部分的な液滴蒸発が始まり、このようにして前記液滴の表面の周りに蒸気膜が形成することを特徴としている。

前記方法の有利な実施態様は、前記蒸気膜に囲まれている前記液滴の液体相が、この蒸気膜があることにより、第２区域および／または熱交換器装置の加熱された部材と直接接触させられないため、前記蒸発器内の壁面上での液滴の湿潤が不可能であることを特徴としている。

前記方法の有利な実施態様は、前記キャリアガスによる、入力されたエネルギーの少なくとも７．５％が、シロキサンの蒸発に寄与していることを特徴としている。

前記方法の有利な実施態様は、前記熱交換器の表面温度が、蒸発するシロキサンの沸点を上回っていることを特徴としている。

前記方法の有利な実施態様は、前記蒸発器におけるシロキサンの平均滞留時間が、５秒未満、好ましくは１秒未満であることを特徴としている。

前記方法の有利な実施態様は、１秒あたりの発生した蒸気容量（蒸気出口温度でのＯＭＣＴＳ＋キャリアガス）の蒸発チャンバーの内部容量に対する比が、０．５より大、好ましくは１より大であることを特徴としている。

前記蒸発器は、垂直にも水平にも配列されていてよい。前記蒸発器の原理は、極めて小さい液滴粒径のゆえに、高い熱伝達、高い気流速度との組合せで、また短い滞留時間との組合せでも、すぐに液体の不飽和蒸気圧（露点の超過）に達することである。それにより、妨げとなる凝縮液滴は形成しない。したがって、前記蒸発器を好ましい配列にする必要はない。

ＳｉＯ₂スート体の製造のための本発明による方法を実施するための装置を図式的に示す図 本発明による石英ガラス製造装置の種々の部材を図式的に示す図 蒸発チャンバーのさらなる図式的な図

実施例
本発明のさらなる利点、特徴および詳細は、図面に関して本発明の実施例が詳細に記載されている以下の記載から明らかである。ここで、請求項および本願記載で言及される特徴は、それぞれ、それ自体単独で、または任意の組合せで本発明に必須でありうる。

ここで、本発明による方法の出発点は、主成分としてＤ４を含んでいるＳｉＯ₂出発蒸気１０７からのガス流の形成である。このガス流は、反応区域に供給され、ここで、ＳｉＯ₂出発蒸気は、非晶質のＳｉＯ₂粒子の形成下に、熱分解、酸化、または加水分解によりＳｉＯ₂に変換される。引き続く、非晶質のＳｉＯ₂粒子の堆積面１６０での堆積は、多孔性のＳｉＯ₂スート体２００の形成をもたらし、このスート体は、ガラス化により合成石英ガラスを形成する。ここで、改善された材料均一性を有する、外径３００ｍｍ超の、大容量の円筒状のスート体２００の製造を可能にするため、本発明は、加熱されたＳｉＯ₂出発材料の蒸発が、（特に液体の形態での）ＳｉＯ₂出発材料が微細な液滴に霧化される膨張チャンバーでの射出段階を含んでいることを開示していて、ここで、前記液滴は、５μｍ未満、好ましくは２μｍ未満の平均直径を有している。

図１に示された装置は、ＳｉＯ₂スート体２００の製造に用いられる。酸化アルミニウム製の担体チューブ１６０に沿って、一列に配置された多数の火炎加水分解バーナー１４０が配置されている。比較的高い生産性を目標にしている方法の変更態様では、１つだけのバーナー１４０の代わりに、多数の堆積バーナーが使用され、これらのバーナーは、スート堆積のために、一緒にしたバーナーの列で、回転する担体に沿って逆向きに行ったり来たり動き、ここで、バーナーの炎それぞれは、担体チューブ１６０の１つの部分長さだけをなでる。

ＳｉＯ₂出発材料１０５は、ポリアルキルシロキサンＤ４を好ましくは９５質量％超、好ましくは９８質量％超、特に９９．５質量％超有しており、反応区域に気体の形態で供給されて、ここで、酸化および／または加水分解および／または熱分解によって変換されてＳｉＯ₂になる。この反応区域は、例えば、バーナーの炎またはプラズマである。この反応区域では、ＳｉＯ₂スート体２００の形成下に堆積面１６０上で層状に堆積するＳｉＯ₂粒子１４８が生じる。ＳｉＯ₂粒子１４８それ自体は、ナノメートル範囲の粒径を有するＳｉＯ₂一次粒子のアグロメレートまたはアグリゲートの形態で存在している。

火炎加水分解バーナー１４０は、まとめてバーナーブロック１４１に取り付けられていて、このブロックは、担体チューブ１６０の長軸１６１に平行に、長軸１６１に対して固定の２つの転回点の間を行き来して動き、かつさらに、方向矢印１４２が示す通りに、垂直に移動可能である。バーナー１４０は、石英ガラスからなっている；その中心間隔は、互いに１５ｃｍである。

火炎加水分解バーナー１４０には、それぞれバーナーの炎１４３があり、この炎は、本発明の範囲では反応区域である。この炎中で、ＳｉＯ₂粒子が形成され、長軸１６１を回転する担体チューブ１６０のシリンダージャケット上に堆積して、その結果、外径３５０ｍｍのスート体２００が層状に形成される。この堆積プロセスの間、スート体表面２００上では、約１２００℃の温度が調整される。火炎加水分解バーナー１４０には、それぞれバーナーガスとして酸素および水素が供給され、ならびにＳｉＯ₂粒子の形成のための出発材料として、ＳｉＯ₂出発蒸気１０７が供給される。本発明の範囲では、ポリアルキルシロキサンという概念は、ポリアルキルシクロシロキサンも、その直鎖の同族体も含んでいる。

ポリアルキルシロキサンＤ４ ９５質量％超、好ましくは９８質量％超、特に９９．５質量％超からのＳｉＯ₂出発蒸気１０７の製造は、蒸発装置１２０を用いて行われ、この装置は、液体の混合物のための貯蔵容器１１０、脈動なしの液体ポンプ１２２、液体のための流量計１２３、窒素キャリアガス流１５２を調整して供給するためのＭＦＣ（ｍａｓｓ ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１２４、および霧化器ノズル１２８を有する加熱可能な蒸発チャンバー１２５（同じく膨張チャンバー）を含んでいる。貯蔵容器１１０、ポンプ１２２および霧化器ノズル１２８は、金属の導管を用いて互いに連結されている。貯蔵容器１１０は、３０〜４０℃の温度に加温されて（同じく室温に保たれ）、液体は、ポンプ１２２を用いて、流量計１２３を介して正確な計量供給で霧化器ノズル１２８に供給される。この霧化器ノズルの中で、およびこれを用いて、ＳｉＯ₂出発材料１０５は、微細な液滴（ＳｉＯ₂液滴とも呼ばれる）に霧化（噴霧化とも呼ばれる）され、ここで、このＳｉＯ₂液滴は、５μｍ未満、好ましくは２μｍ未満の平均直径を有している。ここで、流量計１２３と霧化器１２８との間の連結導管内には、ＳｉＯ₂出発材料１０５および／またはＳｉＯ₂出発蒸気１０７および／またはＳｉＯ₂液滴の組成を監視するための濃度検出器が設けられていてよい。

霧化器１２８（霧化器ノズルまたは噴霧化器とも呼ばれる）は、超音波霧化器または超音速霧化器（Ｕｅｂｅｒｓｃｈａｌｌｚｅｒｓｔａｅｕｂｅｒ）（「ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ」）であってよい。この霧化器１２８は、液体のＳｉＯ₂出発材料が、微細な液滴に霧化されることを保証していて、ここで、この液滴は、５μｍ未満、好ましくは２μｍ未満の平均直径を有している。実施態様に応じて、ＳｉＯ₂出発材料１０５および／または前記液滴には、窒素キャリアガス流が、ＭＦＣ１２３を介して、１．５ｂａｒ〜５ｂａｒの圧力で供給されてよい。

有利な実施態様では、霧化器ノズル１２８は、別個に供給された、２００℃超にあらかじめ温められたキャリアガスと一緒に、ＳｉＯ₂出発材料１０５を、５μｍの最大直径、および０．９μｍの平均直径（ｄ₅₀値）を有する幅狭の液滴粒度分布を有する微細な液滴に霧化し、その直後に、この液滴を射出段階において後続の蒸発器１２０の熱交換器区域２２０に噴霧する。蒸発器１２０は、３００℃までの内部温度を有しているため、前記微細な液滴は、すぐに蒸発し、この蒸気流は、流分配器（Ｆｌｕｓｓｔｅｉｌｅｒ）に供給されて、ここから、断熱性で可撓性の媒体供給導管（Ｍｅｄｉｅｎｚｕｆｕｈｒｌｅｉｔｕｎｇｅｎ）を介して個々の堆積バーナー１４０に分配される。前記キャリアガスは、予加熱器１５３において加熱される。ここで、このキャリアガスは、２００℃超の温度に加温される。

前記流分配器には、燃焼ガスの酸素および水素ならびに補助ガス（酸素）のための供給導管も通じていて、この補助ガスは、バーナーの炎１４３において前記出発材料の流と前記燃焼ガスの流との間で使用され、早期の混合を防止するものである。それゆえ、燃焼ガスとＳｉＯ₂出発蒸気１０７との混合は、バーナーの炎１４３の高温区域で初めて行われる。堆積プロセスの完了後、多孔性のＳｉＯ₂スートのチューブ（スートチューブ）が得られる。

図２および図３は、本発明による方法を利用する、石英ガラスを製造するための装置１００を示している。ここで、ＳｉＯ₂出発材料１０５の霧化は、霧化器ノズル１２８を用いて行われる（例えば、超音波霧化）。装置１００は、さらに、貯蔵タンク１１０を有していて、このタンクから、液体のＳｉＯ₂出発材料１０５が、ポンプ１２２を用いて霧化器ノズルに圧送される。膨張チャンバー１２５では、液体のＳｉＯ₂液滴の、気体のＳｉＯ₂出発蒸気１０７への転移が行われる。ここで、本発明によれば、膨張チャンバー１２５は、第１区域２１０および第２区域２２０を含んでいる。それゆえ、膨張チャンバー１２５は、前記蒸発器（つまり、噴霧化区域および熱交換器区域）の内部の容量全体を含んでいる。膨張チャンバー１２５の第１区域２１０では、液体の霧化（噴霧化とも呼ばれる）およびそれと同時の、過度にあらかじめ温められたキャリアガスとの混合、ならびに前記液滴の膨張チャンバー１２５の第２区域２２０への運搬が行われる。導管１３０を介して、ＳｉＯ₂出発蒸気１０７は、ＳｉＯ₂出発蒸気のＳｉＯ₂粒子への熱分解および／または加水分解による反応が行われるバーナー１４０まで流れる。

貯蔵容器１１０の内部では、ＳｉＯ₂出発材料の沸点を明らかに下回る温度、好ましくは室温へのＳｉＯ₂出発材料１０５の加温が行われる。これは、熱油装置（Ｈｅｉｓｓｏｅｌｓｙｓｔｅｍ）または電気加熱エレメントの使用により、予加熱装置の内壁で行うことができる。液体のＳｉＯ₂出発材料１０５の均一な加熱を、高温範囲の回避下に達成するためには、貯蔵容器１１０が熱油経路（Ｈｅｉｓｓｏｅｌｋａｎａｅｌｅｎ）で囲まれている気流経路を有している場合に有利であることが判明した。このようにして実現可能な液体から液体への熱伝導は、液体のＳｉＯ₂出発材料１０５の均一な加熱を達成する。このような均一な加温の方法は、ポリアルキルシロキサンの温度に伴う化学反応が起こらないことを保証する。この加熱された液体のＳｉＯ₂出発材料１０５は、貯蔵容器１１０から膨張チャンバー１２５に、供給導管１４５を通って放出される。

膨張チャンバー１２５（蒸発チャンバーとも呼ばれる）は、ＳｉＯ₂出発蒸気の制約のない膨張に対する内部容量を定義している。ＳｉＯ₂液滴の、気体の出発蒸気への均一な蒸発を達成するには、貯蔵容器１１０において、液体のＳｉＯ₂出発材料の温度が、膨張チャンバーの運転圧力で、ＳｉＯ₂出発材料の沸点を越えて高められる場合に有利でないことが判明した。貯蔵容器１１０のための好ましい運転温度は、４０℃を下回っていて、理想的には室温（＝２２℃）である。大気圧でのＤ４の沸点は、約１７５℃である。それゆえ、ゲルまたは堆積物が、ＳｉＯ₂出発材料の重合により生じることが回避される。

図３が明らかにする通り、貯蔵容器１１０からの液体のＳｉＯ₂出発材料は、ＳｉＯ₂出発材料１０５が４０℃超の温度に加熱されることなく、供給導管１４５を通って膨張チャンバー１２５の内部空間に流れる。その後、ＳｉＯ₂出発材料の霧化が、霧化器ノズル１２８を用いて行われる。追加の熱入力は、例えば、同じく霧化器ノズル１２８により通されるキャリアガスにより行われる。

キャリアガス１５２（希釈剤とも呼ばれる）として、特に窒素が有利であることが判明した。別の希釈剤、例えば、アルゴンまたはヘリウムは、好都合である場合に使用してもよい。ポリアルキルシロキサンに関して不活性に挙動するガスである場合、液体とキャリアガスとの酸化反応、重合反応または分解反応（特に加圧下および比較的高い温度での）、ならびにそれに伴う前記出発材料の組成の非再現性の変化が回避される。希釈剤を通すことにより、液体のＳｉＯ₂出発材料（ここで、ＳｉＯ₂出発材料の液滴）の部分圧力は、膨張チャンバー１２５において低下し、このようにして前記材料の露点が下がる。ここで、前記ＳｉＯ₂出発材料の蒸発が射出段階を含んでいることが目的であり、この射出段階では、液体の形態の、第１区域の前記出発材料は、微細な液滴に霧化され、この微細な液滴は、第２区域で高温のキャリアガスとの接触後、前記液滴の液体の中心部分と膨張チャンバー１２５の内壁とが接触することなく、迅速かつ効率的に完全に蒸発される。

図３は、本発明による蒸発を説明している。加熱されたＳｉＯ₂出発材料１０５は、供給導管１４５を通って膨張チャンバー１２５に供給される。供給導管１４５は、膨張チャンバー１２５の内部の供給導管１４５の末端に、ノズル状の霧化器ノズル１２８を有している。霧化器ノズル１２８（超音波霧化器であるのが好ましい）を用いて、液体のＳｉＯ₂出発材料１０５は、５μｍ未満、好ましくは２μｍ未満、特に１μｍ未満の平均直径を有する微細な液滴に霧化される。平均粒度が、０．５μｍ未満である場合（ｄ₅₀値）、特に好ましい結果であることが明らかである。ここで、中央値またはｄ₅₀値は、平均粒径に対する基準として重要な特性値である。ｄ₅₀値は、液滴の５０パーセントがｄ₅₀よりも微細であり、残りの５０％がｄ₅₀よりも粗いという値を表している。

霧化器ノズル１２８からの出口で生じる圧力低下により、前記液滴の主要な部分は、気相に変換される。さらに、媒体導管（Ｍｅｄｉｅｎｌｅｉｔｕｎｇ）１５０を通って、約１８０℃〜約３００℃にあらかじめ温められた窒素流が、膨張チャンバー１２５および霧化器ノズル１２８に導入される。

液体のＳｉＯ₂出発材料１０５の部分（液滴）が、膨張チャンバー１２５の内壁に堆積する、および／またはそこで熱により蒸発することは企図されていない。導管１３０を通って、気体のＳｉＯ₂出発蒸気１０７の、バーナー１４０への流出が行われる。バーナー１４０において、ＳｉＯ₂出発蒸気１０７は、熱分解、酸化または加水分解によりＳｉＯ₂粒子１４８（ＳｉＯ₂またはスートまたはＳｉＯ₂スートとも呼ばれる）に変換される。

１００ 装置
１０５ ＳｉＯ₂出発材料
１０７ ＳｉＯ₂出発蒸気
１１０ 貯蔵タンク／貯蔵容器
１１７ 流出部
１２０ 蒸発器／蒸発装置
１２２ 液体ポンプ
１２３ 流量計
１２４ ＭＦＣ（ｍａｓｓ ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）
１２５ 膨張チャンバー／蒸発チャンバー
１２６ 導管
１２７ 流分配器
１２８ 霧化器ノズル
１３０ 導管
１４０ バーナー／火炎加水分解バーナー
１４１ バーナーブロック
１４２ １４０の動き
１４３ バーナーの炎
１４５ 供給導管
１４８ ＳｉＯ₂スート
１５０ 媒体導管
１５１ 貯蔵容器
１５２ 希釈剤
１５３ 予加熱器
１６０ 堆積面／担体チューブ
１６１ １６０の長軸
２００ スート体

霧化器１２８（霧化器ノズルまたは噴霧化器とも呼ばれる）は、超音波霧化器または超音速霧化器（Ｕｅｂｅｒｓｃｈａｌｌｚｅｒｓｔａｅｕｂｅｒ）（「ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ」）であってよい。この霧化器１２８は、液体のＳｉＯ₂出発材料が、微細な液滴に霧化されることを保証していて、ここで、この液滴は、５μｍ未満、好ましくは２μｍ未満の平均直径を有している。実施態様に応じて、ＳｉＯ₂出発材料１０５および／または前記液滴には、窒素キャリアガス流が、ＭＦＣ１２４を介して、１．５ｂａｒ〜５ｂａｒの圧力で供給されてよい。

Claims (2)

1. 合成石英ガラスの製造方法であって、以下の方法工程：
   （Ａ）ポリアルキルシロキサンＤ４を７０質量％超有する、液体のＳｉＯ₂出発材料（１０５）を準備する工程、
   （Ｂ）液体のＳｉＯ₂出発材料（１０５）を蒸発させて、気体のＳｉＯ₂出発蒸気（１０７）にする工程、
   （Ｃ）ＳｉＯ₂出発蒸気（１０７）をＳｉＯ₂粒子に変換する工程、
   （Ｄ）前記ＳｉＯ₂粒子を、ＳｉＯ₂スート体（２００）の形成下に堆積面（１６０）に堆積させる工程、
   （Ｅ）前記ＳｉＯ₂スート体を、合成石英ガラスの形成下にガラス化する工程、
   を含んでいる前記方法において、
   加熱されたＳｉＯ₂出発材料（１０５）の蒸発が、膨張チャンバー（１２５）での射出段階を含んでいて、この段階において、ＳｉＯ₂出発材料（１０５）が、微細な液滴に噴霧化され、ここで、該液滴が、５μｍ未満の平均直径を有している、および該液滴の噴霧化が、１８０℃超の温度を有する、あらかじめ温められたキャリアガス流中で行われることを特徴とする前記方法。
2. ＳｉＯ₂出発材料（１０５）が、微細な液滴に噴霧化され、ここで、該液滴が、２μｍ未満の平均直径を有していることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

Images