JP4381512B2 - 多孔性グラファイトるつぼを使用するシリカ顆粒の処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相互に凝集したシリカスート粒子からなるシリカ顆粒を処理する方法に関し、シリカ顆粒は、塩素含有化合物と混合された不活性ガスを含む炉内のるつぼに配置され、温度は摂氏１０００度から１５００度の範囲内にある。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
シリカ顆粒は、光ファイバプリフォームの作成に、特に単一モード光ファイバの製作が望まれるときに、従来のやり方で使用されている。作成作業は、例えば、望ましい直径が作成されるまで、プリフォーム上に突出しているシリカ顆粒に供給されるプラズマトーチが備えられたベンチ上で行われる。
【０００３】
シリカスート粒子の凝集により得られた顆粒は、比較的密度が低く、スート粒子自体や凝集が行われた反応装置からの不純物を含むこともある。
【０００４】
プリフォームを作成するベンチで顆粒を使用する前に、顆粒を精製し、高密度化することは知られている。今日では、顆粒がるつぼによって汚染される危険を避けるために、非常に高純度のオパーク（ｏｐａｑｕｅ）シリカからなる高密度るつぼに顆粒を配置している。その後、るつぼは、塩素含有化合物と混合された不活性ガスの雰囲気を含み、温度が摂氏１０００度から１５００度の範囲内にある炉内に配置される。塩素含有化合物は顆粒に拡散し、ここで、アルカリ性又は金属性の不純物と反応し、例えば、その後炉から排気されるガス状の塩化物を形成する。温度作用によって、顆粒は、それ自体で高密度化される。高密度化は最小限にとどめるべきである顆粒が、お互いに高密度化し始めるのに対応した処理時間が過ぎると、るつぼを炉から取り外す。
【０００５】
シリカ顆粒を精製し高密度化するよく知られた方法にも欠点はある。
【０００６】
まず、塩素含有化合物は、るつぼの開放部分を通してしか顆粒と接触しない。これは、るつぼの高密度の壁がガスを透過しないためである。一般に、るつぼは、円筒形で、表面を形成する開放上端部をもつ。その表面を介して、塩素含有化合物が顆粒の中に拡散する。炉のガス状雰囲気内の塩素含有化合物の所定の分圧で、塩素含有化合物が、るつぼの全高にわたって顆粒の中に拡散するのに要する時間は、かなり長いことがわかる。
【０００７】
また、純シリカるつぼは、顆粒を汚染する危険はないものの、それが、シリカスート粒子からなる顆粒との化学親和力を有し、オーブンの高温条件下のために、顆粒をるつぼの壁に固着させる。現実には、固着が起こると顆粒を簡単に回収することが困難になり、機械的処置により、汚染を追加する危険をこうむる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、塩素含有雰囲気下の高温熱処理方法により、相互に凝集したシリカスート粒子からなる顆粒を処理することであり、使用されるるつぼが、塩素含有化合物の制限された拡散或いは顆粒のるつぼの壁への固着による障害を受けない。
【０００９】
この目的のため、本発明では、相互に凝集したシリカスート粒子からなるシリカ顆粒を処理する方法を提供する。この方法では、顆粒は、塩素含有化合物と混合された不活性ガスを含む炉内のるつぼに配置され、温度が摂氏１０００度から１５００度の範囲内にあり、この方法では、多孔性グラファイトからなるるつぼが使用されることを特徴とする。
【００１０】
多孔性グラファイトからなるるつぼを使用することによって、まず、塩素含有化合物を拡散するるつぼの表面積を増加させる。塩素含有化合物の所定の分圧で、顆粒とガスとの間で交換がより速く行われ、その結果、精製が改善される。
【００１１】
さらに、顆粒とるつぼの化学的性質の違いが、この二つの材料を相互に対して不活性にするため、顆粒がるつぼの壁に固着しない。
【００１２】
グラファイトるつぼが、優れた耐摩耗性を示し、このため、るつぼへの充填とるつぼからの取り出し操作の際に、顆粒が汚染される危険がないことが分かる。にもかかわらず、必要とあれば、通常のグラファイトからなるるつぼよりも高い耐摩耗性を示す、グラファイト−グラファイト複合物るつぼを使用してもよい。
【００１３】
本発明の他の特徴や利点については、単一図によって示された一実施形態の以下の記載を読めば明らかになろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
シリカスート粒子を相互に凝集させて顆粒を製造するには、例えば、ゾル−ゲル法が用いられ、スートの水性懸濁液がステンレス鋼の反応装置内で作られ、懸濁液がゲル化され、こうしてできたゲルがマイクロ波で乾燥され、乾燥ゲルを破砕してシリカ顆粒にする。概して、こうして得られる顆粒のサイズは、１０ミクロンから１０００ミクロンの範囲内で、その見掛け密度は、１立方センチメートルあたり約０．５グラムから０．６グラムである。
【００１５】
高純度シリカスートは、この方法のできるだけはじめの段階で、不純物を取り除くために凝集される。しかし、顆粒をゾル−ゲル法で調製すると、ステンレス鋼の反応装置からくる金属性不純物によって汚染されるようになる。
【００１６】
既に得られた顆粒の精製と高密度化のためには、炉、例えばグラファイト炉が使用される。炉は、（図１に図示されるように、外側から内側に向かって順に）金属製外部エンクロージャ１、断熱機能をもちグラファイトフェルト製の中間エンクロージャ３、グラファイト製で炉の内側の空間を形成する内部エンクロージャ７の周りに配置されている発熱素子５を含む。顆粒１３で満たされた円筒形のるつぼ１１は、炉の内部エンクロージャ７の内のサンプルキャリヤ９上に配置される。
【００１７】
発熱素子５は、炉の内部エンクロージャ７の温度を１０００度から１５００度の範囲に維持する。体積で約５０％のヘリウム（Ｈｅ）と５０％の塩素（Ｃｌ２）からなるガス状の混合物が、金属製外部エンクロージャ１に固定している入口バルブ１５を介して内部エンクロージャ７へと注入される。内部エンクロージャ７の内のガス雰囲気は、ヘリウムと塩酸（ＨＣｌ）の混合物であってもよい。
【００１８】
本発明によると、炉内の顆粒を精製し高密度化するのに使われるつぼは、多孔性グラファイトからなる。上述したように、そのような多孔性グラファイトるつぼの使用は、まず、塩素が拡散できるるつぼの表面積を増やし、こうすることで、塩素の所定の分圧のために、顆粒とガスとの交換が促進させる。
【００１９】
次に、顆粒とグラファイトるつぼとの間の化学的性質の違いが、この二つの材料を相互に対して不活性にするため、顆粒がるつぼの壁に固着しない。このため、精製と高密度化処理の最後に、簡単に顆粒を回収できるようになる。
【００２０】
好適には、ガス状の混合物は、注入と同時に行なわれる抽出によって、一定の速度で炉を循環される。抽出は、金属製エンクロージャ１に固定された抽出バルブ１７を介して行われる。こうすることで、顆粒が精製されるよう、不純物塩素を除去するのに役立つ。
【００２１】
この材料の熱挙動を利用するため、内部エンクロージャ７がグラファイトからなることに注意すべきである。しかしながら、塩素を炉の内部エンクロージャ７から外へ拡散させてしまうため、こうした状況下では、グラファイトの多孔度は障害となる。ガス状の混合物をエンクロージャの内部に閉じこめるため、ヘリウムと塩素ガスの混合物の気圧Ｐ１よりも僅かに気圧の高いＰ２で、ヘリウムを金属製エンクロージャ７と断熱中間エンクロージャ３の間に注入する。
【００２２】
オパークシリカ高密度るつぼと多孔性グラファイトるつぼの比較テストから、鉄、ニッケル、クロム、モリブデンなどの遷移金属の０．１ｐｐｍ（一千万分の１）未満の不純物濃度に相当する、同じ顆粒精製の程度を達成するとき、塩素消費量が３分の１に減少することがわかった。
【００２３】
本発明の有利な点は、炉の内部エンクロージャの内のガス雰囲気が、塩素含有化合物Ｃｌ２またはＨＣｌの置き換えとしてかそれに加えて、ヘリウムを四フッ化珪素ＳｉＦ４と混合してつくられることである。塩素又は塩酸の場合と同様に、多孔性グラファイトからなる円筒形のるつぼを使うことによって、塩素含有化合物を拡散するるつぼの表面積を増やすことが可能となる。こうすることで、四フッ化珪素の所定の分圧のために、顆粒とガスの交換が促進される。こうすることで、顆粒にフッ素がより均一にドープされることが保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実現するための装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 外部エンクロージャ
３ 中間エンクロージャ
５ 発熱素子
７ 内部エンクロージャ
９ サンプルキャリア
１１ るつぼ
１３ 顆粒
１５ 入口バルブ
１７ 抽出バルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、相互に凝集したシリカスート粒子からなるシリカ顆粒を処理する方法に関し、シリカ顆粒は、塩素含有化合物と混合された不活性ガスを含む炉内のるつぼに配置され、温度は摂氏１０００度から１５００度の範囲内にある。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
シリカ顆粒は、光ファイバプリフォームの作成に、特に単一モード光ファイバの製作が望まれるときに、従来のやり方で使用されている。作成作業は、例えば、望ましい直径が作成されるまで、プリフォーム上に突出しているシリカ顆粒に供給されるプラズマトーチが備えられたベンチ上で行われる。
【０００３】
シリカスート粒子の凝集により得られた顆粒は、比較的密度が低く、スート粒子自体や凝集が行われた反応装置からの不純物を含むこともある。
【０００４】
プリフォームを作成するベンチで顆粒を使用する前に、顆粒を精製し、高密度化することは知られている。今日では、顆粒がるつぼによって汚染される危険を避けるために、非常に高純度のオパーク（ｏｐａｑｕｅ）シリカからなる高密度るつぼに顆粒を配置している。その後、るつぼは、塩素含有化合物と混合された不活性ガスの雰囲気を含み、温度が摂氏１０００度から１５００度の範囲内にある炉内に配置される。塩素含有化合物は顆粒に拡散し、ここで、アルカリ性又は金属性の不純物と反応し、例えば、その後炉から排気されるガス状の塩化物を形成する。温度作用によって、顆粒は、それ自体で高密度化される。高密度化は最小限にとどめるべきである顆粒が、お互いに高密度化し始めるのに対応した処理時間が過ぎると、るつぼを炉から取り外す。
【０００５】
シリカ顆粒を精製し高密度化するよく知られた方法にも欠点はある。
【０００６】
まず、塩素含有化合物は、るつぼの開放部分を通してしか顆粒と接触しない。これは、るつぼの高密度の壁がガスを透過しないためである。一般に、るつぼは、円筒形で、表面を形成する開放上端部をもつ。その表面を介して、塩素含有化合物が顆粒の中に拡散する。炉のガス状雰囲気内の塩素含有化合物の所定の分圧で、塩素含有化合物が、るつぼの全高にわたって顆粒の中に拡散するのに要する時間は、かなり長いことがわかる。
【０００７】
また、純シリカるつぼは、顆粒を汚染する危険はないものの、それが、シリカスート粒子からなる顆粒との化学親和力を有し、オーブンの高温条件下のために、顆粒をるつぼの壁に固着させる。現実には、固着が起こると顆粒を簡単に回収することが困難になり、機械的処置により、汚染を追加する危険をこうむる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、塩素含有雰囲気下の高温熱処理方法により、相互に凝集したシリカスート粒子からなる顆粒を処理することであり、使用されるるつぼが、塩素含有化合物の制限された拡散或いは顆粒のるつぼの壁への固着による障害を受けない。
【０００９】
この目的のため、本発明では、相互に凝集したシリカスート粒子からなるシリカ顆粒を処理する方法を提供する。この方法では、顆粒は、塩素含有化合物と混合された不活性ガスを含む炉内のるつぼに配置され、温度が摂氏１０００度から１５００度の範囲内にあり、この方法では、多孔性グラファイトからなるるつぼが使用されることを特徴とする。
【００１０】
多孔性グラファイトからなるるつぼを使用することによって、まず、塩素含有化合物を拡散するるつぼの表面積を増加させる。塩素含有化合物の所定の分圧で、顆粒とガスとの間で交換がより速く行われ、その結果、精製が改善される。
【００１１】
さらに、顆粒とるつぼの化学的性質の違いが、この二つの材料を相互に対して不活性にするため、顆粒がるつぼの壁に固着しない。
【００１２】
グラファイトるつぼが、優れた耐摩耗性を示し、このため、るつぼへの充填とるつぼからの取り出し操作の際に、顆粒が汚染される危険がないことが分かる。にもかかわらず、必要とあれば、通常のグラファイトからなるるつぼよりも高い耐摩耗性を示す、グラファイト−グラファイト複合物るつぼを使用してもよい。
【００１３】
本発明の他の特徴や利点については、単一図によって示された一実施形態の以下の記載を読めば明らかになろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
シリカスート粒子を相互に凝集させて顆粒を製造するには、例えば、ゾル−ゲル法が用いられ、スートの水性懸濁液がステンレス鋼の反応装置内で作られ、懸濁液がゲル化され、こうしてできたゲルがマイクロ波で乾燥され、乾燥ゲルを破砕してシリカ顆粒にする。概して、こうして得られる顆粒のサイズは、１０ミクロンから１０００ミクロンの範囲内で、その見掛け密度は、１立方センチメートルあたり約０．５グラムから０．６グラムである。
【００１５】
高純度シリカスートは、この方法のできるだけはじめの段階で、不純物を取り除くために凝集される。しかし、顆粒をゾル−ゲル法で調製すると、ステンレス鋼の反応装置からくる金属性不純物によって汚染されるようになる。
【００１６】
既に得られた顆粒の精製と高密度化のためには、炉、例えばグラファイト炉が使用される。炉は、（図１に図示されるように、外側から内側に向かって順に）金属製外部エンクロージャ１、断熱機能をもちグラファイトフェルト製の中間エンクロージャ３、グラファイト製で炉の内側の空間を形成する内部エンクロージャ７の周りに配置されている発熱素子５を含む。顆粒１３で満たされた円筒形のるつぼ１１は、炉の内部エンクロージャ７の内のサンプルキャリヤ９上に配置される。
【００１７】
発熱素子５は、炉の内部エンクロージャ７の温度を１０００度から１５００度の範囲に維持する。体積で約５０％のヘリウム（Ｈｅ）と５０％の塩素（Ｃｌ２）からなるガス状の混合物が、金属製外部エンクロージャ１に固定している入口バルブ１５を介して内部エンクロージャ７へと注入される。内部エンクロージャ７の内のガス雰囲気は、ヘリウムと塩酸（ＨＣｌ）の混合物であってもよい。
【００１８】
本発明によると、炉内の顆粒を精製し高密度化するのに使われるつぼは、多孔性グラファイトからなる。上述したように、そのような多孔性グラファイトるつぼの使用は、まず、塩素が拡散できるるつぼの表面積を増やし、こうすることで、塩素の所定の分圧のために、顆粒とガスとの交換が促進させる。
【００１９】
次に、顆粒とグラファイトるつぼとの間の化学的性質の違いが、この二つの材料を相互に対して不活性にするため、顆粒がるつぼの壁に固着しない。このため、精製と高密度化処理の最後に、簡単に顆粒を回収できるようになる。
【００２０】
好適には、ガス状の混合物は、注入と同時に行なわれる抽出によって、一定の速度で炉を循環される。抽出は、金属製エンクロージャ１に固定された抽出バルブ１７を介して行われる。こうすることで、顆粒が精製されるよう、不純物塩素を除去するのに役立つ。
【００２１】
この材料の熱挙動を利用するため、内部エンクロージャ７がグラファイトからなることに注意すべきである。しかしながら、塩素を炉の内部エンクロージャ７から外へ拡散させてしまうため、こうした状況下では、グラファイトの多孔度は障害となる。ガス状の混合物をエンクロージャの内部に閉じこめるため、ヘリウムと塩素ガスの混合物の気圧Ｐ１よりも僅かに気圧の高いＰ２で、ヘリウムを金属製エンクロージャ７と断熱中間エンクロージャ３の間に注入する。
【００２２】
オパークシリカ高密度るつぼと多孔性グラファイトるつぼの比較テストから、鉄、ニッケル、クロム、モリブデンなどの遷移金属の０．１ｐｐｍ（一千万分の１）未満の不純物濃度に相当する、同じ顆粒精製の程度を達成するとき、塩素消費量が３分の１に減少することがわかった。
【００２３】
本発明の有利な点は、炉の内部エンクロージャの内のガス雰囲気が、塩素含有化合物Ｃｌ２またはＨＣｌの置き換えとしてかそれに加えて、ヘリウムを四フッ化珪素ＳｉＦ４と混合してつくられることである。塩素又は塩酸の場合と同様に、多孔性グラファイトからなる円筒形のるつぼを使うことによって、塩素含有化合物を拡散するるつぼの表面積を増やすことが可能となる。こうすることで、四フッ化珪素の所定の分圧のために、顆粒とガスの交換が促進される。こうすることで、顆粒にフッ素がより均一にドープされることが保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実現するための装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 外部エンクロージャ
３ 中間エンクロージャ
５ 発熱素子
７ 内部エンクロージャ
９ サンプルキャリア
１１ るつぼ
１３ 顆粒
１５ 入口バルブ
１７ 抽出バルブ
Claims (5)
- 相互に凝集したシリカスート粒子からなるシリカ顆粒を処理する方法であり、顆粒（１３）が、塩素含有化合物と混合された不活性ガスからなるガス状の混合物を含む炉（１）内のるつぼ（１１）に配置され、温度が摂氏１０００度から１５００度の範囲内にある方法であって、多孔性グラファイトからなるるつぼが使用されることを特徴とする方法。
- グラファイト−グラファイト複合物からなるるつぼが使用される、請求項１に記載の方法。
- ガス状の混合物が、塩素又は塩酸と混合されたヘリウムからなる、請求項１または２に記載の方法。
- ガス状の混合物の塩素含有化合物が、四フッ化珪素と置き換えられるか混合される、請求項１または２に記載の方法。
- ガス状の混合物が、一定の速度で同時に注入と抽出をされることで炉を循環する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
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