CN101805118A - 密封构件 - Google Patents

Abstract

本发明是一种加热炉的密封构件，且在具有供作为加热对象的棒材的一端插入的插入口的加热炉中，将插入到插入口中的棒材的表面和插入口之间气密性密封，所述密封构件具有多个薄板状密封片，此密封片沿内周相互气密性排列，一端被固持在插入口的内周，而另一端朝插入口的内侧延伸，且，多个密封片分别在棒材未插入到插入口中时相对棒材的插入方向呈斜向角度，且在棒材插入到插入口中因弹性变形而使另一端抵住棒材的表面。

Description

密封构件

技术领域

本发明涉及一种加热炉的密封构件。

背景技术

光纤可通过将称为光纤预制棒(以下仅称作「预型体」)的石英玻璃棒悬吊在加热炉内，使其一端熔融后拉制此石英玻璃棒来制造。如此工序被称为拉丝。进行拉丝时加热炉温度为2000℃左右。另一方面，在加热用加热器中使用的是碳。由于碳在高温含氧环境中会被氧化，所以，加热炉内保持为Ar、He等惰性气体环境。

进行拉丝的预型体的一端悬垂在所述惰性气体环境中，而光纤预型体的另一端则位于加热炉之外。由此，出于维持惰性气体环境的目的，而要求将炉壁和光纤预型体的表面之间气密性密封。然而，经由VAD(Vapour phase Axial Deposition，气相轴向沉积)法或OVD(Outside Vapour Deposition，外气相沉积)法之类的烧结工序的光纤预型体的制造中，在多孔玻璃烧结时，因作用于软化熔融部的重力和多孔玻璃的收缩力的平衡在长度方向上不同之故，一般会沿长度方向产生外径偏差。

专利文献1中，记载了一种对预型体烧结中的伸缩量进行监控从而控制烧结条件的方法。然而，此方法必须预先考虑预型体纤芯的伸缩，使外径沿长度方向变化。而且，当芯棒周围沾上粉尘时，要求沿长度方向按照芯棒直径调整粉尘量。所以，极其繁琐。

进而，即便将粉尘堆积及烧结后制成的外径出现变动的预型体一度拉伸成纤细的预型体后进行拉丝，有时也尤其在拉伸开始及临近结束时，导致最终外径中产生大的变动。如此部分将无法用于拉丝，而不得不废弃。因此，需要一种对外径出现变动的预型体进行处理时，也能有效地密封加热炉和预型体的间隙的方法。

专利文献2中，记载了一种由多个环片连结而成的内侧密封环和外侧密封环组合而形成的密封环。通过配置在外侧密封环外周的伸缩弹簧，而将密封环推到预型体表面。

然而，此构造需要对密封环片及其周围进行精密加工，以使密封环片随外径变动进行均衡运动。而且，为进行组合动作而要求密封环片具有一定程度的高度。

进而，如果为提高密封性而进行多段配置，那么，会使密封环的重量变得相当大。在进行拉丝时，为将光纤调整为外径测定机的中心而使预型体沿水平方向移动，但如果预型体的重量较大，那么，将无法使密封环顺利随动，从而难以控制移动量以及移动方向。

专利文献3中，记载了碳光纤制环状电刷的密封方法。此方法因无需所述精密加工而属于轻量型，通常能够获得良好的密封，但构成电刷的碳光纤有时会脱落而附着在预型体表面上，导致光纤强度下降。

专利文献4中，记载了本发明人先前提议的密封构件。此密封构件由耐热性弹性体构成，其通过使从中心孔沿径向切出多个切口的开孔圆盘叠层而形成。密封构件配置在加热炉上端的预型体穿透口。此密封构件在使棒材下降时，环形圆盘叠片的内周面将顺畅地沿棒材的插入方向弯曲而和棒材表面贴合，所以加热炉内的气体得到良好密封。

然而，当使棒材上升运动时，有时密封构件的内缘会被棒材表面阻挡，而使棒材的表面产生间隙。而且，有时会使密封构件弯折。所以，气体密封状态可能出现变化而导致炉内气流产生变化。而且，有时密封会遭到破坏而使外部气体混入加热炉内。

【专利文献】

【专利文献1】日本专利特开2005-8452号公报

【专利文献2】日本专利特开2006-342030号公报

【专利文献3】日本专利特开2007-70189号公报

【专利文献4】日本专利特愿2007-191694号

发明内容

[发明所要解决的问题]

本发明的目的在于解决所述课题，使加热炉中，无论预型体直径是否出现变动均使惰性气体环境密封。

[解决问题的技术手段]

为解决所述课题而提供一种密封构件，所述密封构件是在具有供作为加热对象的棒材的一端插入的插入口的加热炉中，将插入到插入口中的棒材的表面和插入口之间气密性密封，且，所述密封构件具有多个薄板状密封片，此密封片沿内周相互气密性排列，一端被固持在插入口的内周，而另一端朝插入口的内侧延伸，且多个密封片分别在棒材未插入到插入口中时相对棒材的插入方向呈斜向角度，而在棒材插入到插入口中因弹性变形而使另一端抵住棒材的表面。

可通过使用所述加热炉密封构件，而获得良好的密封状态，使加热炉内保持稳定。在用于光纤拉丝炉时，能获得外径变动极小的光纤。而且，由此也有利于在拉丝过程中防止断裂，以及防止经拉丝的光纤在验证试验中断裂。

附图说明

图1是示意性表示加热炉2的构造的截面图。

图2是表示本发明的加热炉密封构件的透视图。

图3是说明密封叠片和棒材的接触状态的截面图。

图4是说明密封叠片和棒材的接触状态的截面图。

图5是说明密封叠片和棒材的接触状态的截面图。

图6是表示密封片配置角θ₁及密封片接触角θ₂的示意图。

图7是表示密封片配置角θ₁及密封片最大顶端接触角θ₂的关系的图表。

图8是表示密封片配置角θ₁及密封片最大顶端接触角θ₂的关系的图表。

图9是表示密封片配置角θ₁及密封片最大顶端接触角θ₂的关系的图表。

图10是表示密封片配置角θ₁及密封片最大顶端接触角θ₂的关系的图表。

图11是说明其他拉丝方法的概略纵向截面图。

图12是说明其他密封方法的概略纵向截面图。

图13是说明其他密封构件的透视图。

图14是说明环形圆盘叠片和棒材的接触状态的概略纵向截面图。

图15是说明环形圆盘叠片和棒材的接触状态的概略纵向截面图。

图16是说明环形圆盘叠片和棒材的接触状态的概略纵向截面图。

[符号的说明]

1    预型体

2    加热炉

3    盘管

4    炉芯管

5    隔热材

6     光纤

7     圆盘

8     隔片

9     环形圆盘叠片

10    固持件

12    间隙

13    弯折部分

14    密封叠片

15    密封片

具体实施方式

图1是示意性表示加热炉2的构造的截面图。加热炉2包括盘管3、炉芯管4、隔热材5、隔片8、固持件10以及密封片15。炉芯管4以及隔热材5围绕着加热炉2的中心轴而同轴配置。盘管3隔着隔热材5而围绕炉芯管4配置。当对盘管3施加高频电流时，例如碳制炉芯管4将会通过感应加热而被加热。

预型体1穿透炉芯管1的内侧，并通过经加热的炉芯管4的辐射热而被加热。经加热的预型体1迅速熔融，向下拉制成光纤6。拉制后的光纤6，通过未图示的树脂涂层装置而被树脂包覆，并通过未图示的收线装置而收绕在线盘上。

在加热炉2的下端配有隔片8。隔片8是将预型体1的表面以及加热炉2的内面之间大致气密性密封。

在加热炉2的上端配有由固持件10固持的密封片15。密封片15是将预型体1的表面以及加热炉2的内面之间大致气密性密封。

图2是表示安装在所述加热炉2中的密封片15所构成的密封叠片14的透视图。如图所示，密封片15配置成包围自加热炉2上部的棒材穿透口插入的棒材。

密封叠片14是将铺设多个密封片15所形成的圆锥截体侧面状曲面叠层而形成，且所述曲面是以不和棒材插入轴正交的角度配置。相邻密封片彼此之间的分界线，优选以不和上下邻层的密封片彼此之间的分界线重合的方式配置。由此，便可将来自密封构件面的气体泄漏抑制到最小限度。

这里，密封片15分别具备角度使由耐热性弹性体铂构成的多个密封片15不和棒材插入轴正交，且以密封片15间不产生间隙的方式排列。多个密封片15例如通过利用多个密封片15形成圆锥截体侧面状曲面，而和预型体1之间不产生间隙。如果在此状态下预型体1插入到密封叠片14中，那么，密封片15的顶端部附近将沿棒材侧面弯曲，从而达到稳定良好的密封状态。

为了使密封叠片14的圆周方向上相邻的密封片15彼此之间的分界线中不产生间隙，可使由多个密封片形成的圆锥截体侧面状曲面错位配置成同一层内的密封片彼此之间的分界线不和上下邻层的密封片彼此之间的分界线重合。

图3、图4及图5表示插入预型体1时及棒材上升时密封叠片14运动的情况。密封叠片14由固持件10固持，且在中心孔插入有预型体(棒材)1。

在使预型体1下降时，如图3到图4所示，密封叠片14的内周面将被预型体1的顶端扩张而沿插入方向弯曲。由此，密封叠片14的上表面而并非内周面将顺着贴附棒材表面。因此，加热炉内的气体得到良好密封。

在使预型体1上升时，如图4到图5所示，密封叠片14的上表面将接触预型体1的表面而扩张，因此，密封叠片14易于相对上升的预型体1滑动。所以，预型体1将使密封叠片14平滑上升而非弯折。

其次，对以上所述的效果即在预型体1上升时，密封片顶端不被棒材阻挡的角度范围进行分析。也就是说，在图6中，以相对棒材插入轴具备角度的方式配置密封片15，并对密封片面和棒材插入轴所成的角度(配置角θ₁)与密封片15的顶端和预型体(棒材)1接触而挠曲部分所成的角(接触角θ₂)进行测定，分析棒材上升后是否产生阻挡。

所用的预型体1是(1)利用VAD法制造的最终烧结的预型体，(2)进而利用氢氧焰对该预型体进行回火抛光处理者，所用的密封片是(a)长度60mm×宽度35mm×厚度0.05mm的钽铂，(b)长度60mm×宽度35mm×厚度0.1mm的石墨板。

在使棒材上升时，如果接触角θ₂超过某一角度，那么，将会产生阻挡使密封片顶端上升最终扭曲。因此，使棒材上升时，测定相对于密封片的配置角θ₁的密封片顶端受阻1mm以上未能上升时的最大密封片接触角θ₂。测定结果示于图7、图8、图9及图10。

另外，纵轴是上升时未产生阻挡的最大顶端接触角(接触角θ₂)，横轴是密封片配置角度(配置角θ₁)。另外，图7是利用最终烧结预型体(棒材)和钽铂(密封片)的组合进行测定之结果，图8是经回火抛光的预型体和钽铂的组合，图9是最终烧结预型体和石墨板的组合，图10是利用经回火抛光的预型体和石墨板的组合进行测定之结果。

由图可知，偏离θ₁＝θ₂关系的部分中密封片受阻而上升。而且，对图7和图8或者图9和图10加以比较，棒材中最终烧结状态者比回火抛光处理品易于引起阻挡，对图7和图9或者图8和图10加以比较，密封片中，钽制密封片比石墨制密封片易于产生阻挡。根据最终烧结预型体和钽制密封片组合的图7可知，如果将配置角θ₁设定为60°以下，那么将不会产生阻挡。

根据以上结果，优选密封片和棒材插入轴所成的角度为60°以下，如果在此状态下插入棒材，那么，密封片的顶端部将沿着棒材侧面弯曲，从而获得稳定良好的密封状态。另外，如果所述角度不足60°，那么，密封片的顶端部将可能弯折或扭曲，从而可能无法获得稳定良好的密封状态。

另外，密封叠片14如图2所示，具有截锥体侧面状排列叠层的多个密封片15。此处，如果预型体1插入到密封叠片14的中央孔，那么，密封片将挠曲扩张，使得平面内相邻密封片彼此之间产生间隙。进而，如果密封叠片14以相邻密封片15彼此之间的分界线上下层重叠的方式配置，则将成为所产生的间隙贯穿密封叠片，导致由炉外可看见炉内的状态。

因此，优选以密封叠片14中不会产生密封片15面内贯穿垂直方向的间隙的方式配置密封片15。换句话说，优选以叠层面中密封片彼此之间的分界线位置，不和上下邻层中密封片彼此之间的分界线位置重合的方式配置密封片。更具体来说，如果使上下邻层的分界线出现在各密封片的中央，便可发挥出最高的密封性能。

那么，如图7、图8、图9及图10所示，石墨制密封片15因在预型体1上升时比金属(钽)制密封片15更难以被阻挡而较为良好。但是，石墨板尤其像CC复合材料(Carbon/Carbon Composite，碳/碳复合材料)或膨胀石墨板那样的晶粒小的石墨，会因长期使用而自顶端或侧面产生粉化，其可能附着在棒材表面而引起问题发生。而且，CC复合材料或膨胀石墨板制密封片15极脆，如果想要利用吸尘器将进入密封片15彼此间隙中的灰尘有效吸出去除，则极易破损。

所以，密封片15在预型体1上下升降时，不仅要求耐热性，而且要求高温下的韧度，以使棒材不被划伤且和棒材之间不会产生间隙。作为如此材料，可列举钽、镍合金(例如，大同特殊钢株式会社制INCONEL601)及不锈钢合金(例如，SUS310)等。通过使用这些材质，可使构件的氧化腐蚀或粉化得到抑制，从而进行良好制造。

其他方面，密封片15中也可使用结晶尺寸极大且粉化性低的高定向性热解石墨板(例如，松下公司制PGS石墨板)。高定向性热解石墨板，由于弯折后也不会破损，且弯折部位不会产生粉化，所以，和膨胀石墨板或CC复合材料相比，耐久性和可靠性高，附着灰尘后也易于清除。

而且，也可以形成隔开距离上下2段配置密封叠片14，并使惰性气体流通于其间的配置构成。此时，接近下段炉会达到高温，但因无氧环境之故，而可使用耐氧化性弱但耐热性优异的钽，上段接触空气一侧的密封叠片，可使用高温下耐氧化性优异的INCONEL601或SUS310等合金。高定向性热解石墨板可用于上下任一段。

[制作例1]

作为样品a是将长度60mm、顶端宽度约8.7mm且厚度0.05mm的钽铂制密封片39片，以和棒材插入轴呈46.2°的方式铺设成圆锥截体侧面状后重叠5层，制成密封叠片14。此密封叠片14具有图2所示的构造，且具备内径108mm的棒材插入孔。

样品a中配置成同一层内密封片15彼此之间的分界线，不和上下邻层的密封片15彼此之间的分界线重合。密封片15利用石英玻璃制固持件10将其外周固定。

而且，作为样品b是将长度60mm、顶端宽度约8.7mm且厚度0.05mm的INCONEL601制密封片39片，以和棒材插入轴呈46.2°的方式铺设成圆锥截体侧面状后重叠5层，制成密封叠片14。此密封叠片14具有图2所示的构造，且具备内径108mm的棒材插入孔。

样品b中配置成同一层内密封片彼此之间的分界线，不和上下邻层的密封片彼此之间的分界线重合。密封片15利用石英玻璃制固持件10将其外周固定。

在加热炉2上部，首先配置样品a，并在其上方配置样品b，分别作为密封叠片14。使氩气流入样品a以及样品b之间，以防止样品a氧化。

从加热炉2的上方，插入直体部外径沿长度方向在160mm到172mm范围内变动的长度2000mm的预型体1，一面进行加热一面进行拉丝。将此预型体1的大约一半拉制成丝，在拉丝后的光纤6的全长中，外径变动在±0.2μm以内，且拉丝中未出现断裂。

进而，对所得光纤6进行1％×1秒的验证试验，平均残存长度达到552km故较为良好。另外，所谓1％×1秒的验证试验是指在光纤6的全长中，进行1秒钟达到1％伸长率的拉伸负载的试验，验证试验后的光纤中如存在低强度部则会断裂。未断裂的光纤的长度称为残存长度，未断裂的光纤总长度的平均值称为平均残存长度。

[实施例2]

进而，将密封片15的材料，变更为厚度0.1mm的PGS石墨板，并以相同方式进行预型体1的剩余一半的加热拉丝处理后，拉丝后光纤6的全长中，外径变动收敛在±0.2μm以内，拉丝中未出现断裂。对所得光纤进行1％×1秒的验证试验，平均残存长度未601km故较为良好。

[比较例1]

图11是具有其他构造的加热炉2的示意性截面图。此加热炉2除了以下说明的部分，具有和图1所示加热炉2相同的构造。因此，对于共通的要素标注相同参照编号并省略重复说明。

加热炉2中替换固持件10以及密封片15而具备圆盘7，且具有固有的构造。圆盘7配置在加热炉2的上部，且以相对插入到加热炉2中的预型体1的中心轴呈直角也就是水平方式安装。在圆盘7的中央，形成有内径和预型体1的外径大致相同的插入孔，以密封加热炉2和预型体1的间隙。

可通过以圆盘7和预型体1的间隙达到125±1μm左右的方式进行管理，来保持加热炉2内的惰性气体环境。然而，在预型体1的直径出现变动时，因加热炉2的内部和外部连通而导致大气侵入加热炉2内。此时，不仅光纤6的外径变得难以控制，而且高温状态下的炉芯管4等碳构件受到腐蚀，导致这些构件寿命缩短。进而，由腐蚀部分产生粉尘附着到预型体1的熔融部分时，会诱发光纤局部外径变动及强度下降等。

[比较例2]

图12是具有其他构造的加热炉2的示意性截面图。此加热炉2除了以下说明部分之外，具有和图1所示加热炉2相同的构造。因此，对于共通要素标注相同参照编号并省略重复说明。加热炉2中由固持件10固持水平环形圆盘叠片9而代替了密封片15，且具有固有的构造。

图13是以单体表示安装在所述加热炉2中的环形圆盘叠片9的透视图。如图所示，环形圆盘叠片9由耐热性弹性体构成，且通过将从中心孔沿径向切出多个切口的开孔圆盘叠层而形成。环形圆盘叠片9的中心孔内缘挠曲而贴附于预型体1。当利用如此的加热炉2对预型体1进行拉丝时，使预型体1相对加热炉2下降，便获得如上所述的良好密封，而使预型体1上升时，密封会劣化或开裂。

图14、图15及图16表示使预型体1插入或者上升时环形圆盘叠片9的状态。如图14到图15所示，环形圆盘叠片9的内周面顺畅地沿着预型体1的插入方向弯曲而贴合棒材表面，所以，加热炉2内的气体得到良好密封。

然而，当预型体1上升时，如图15到图16所示，出现了一部分环形圆盘的内缘被棒材表面阻挡而形成间隙12的情况。间隙12经过一段时间后可能突然返回原位，此时气体密封状态出现变化而导致炉内气流产生变化。

而且，出现了环形圆盘叠片9向上弯折而形成弯折部分13的情况。进而，也出现了固持件10整体上升导致外部气体混入加热炉2内的情况。或者，如果进而产生弯折部分13，则必须更换环形圆盘的一部分。

另外，当使用石墨制环形圆盘叠片9时，会因石墨自我润滑性而难以产生如此的阻挡。另一方面，像膨胀石墨板那样的晶粒相对较细的石墨，存在石墨自身粉化的问题，而从石墨端面产生粉化。

进而，出现了进入环形圆盘彼此之间之间的粉尘会附着在预型体上，导致光纤强度下降的情况。进而，因石墨性环形圆盘叠片较为脆弱之故，而难以喷附压缩空气或者难以进行吸尘器吸尘清扫，尤其在长期使用时存在问题。

Claims (9)

1.一种密封构件，所述密封构件是在具有供作为加热对象的棒材的一端插入的插入口的加热炉中，将插入到所述插入口中的所述棒材的表面和所述插入口之间气密性密封的密封构件，其特征在于：

所述密封构件具有多个薄板状密封片，此密封片沿所述插入口的内周相互气密性排列，一端被固持在所述插入口的内周，另一端朝所述插入口的内侧延伸，

所述多个密封片分别在所述棒材未插入到所述插入口中时相对所述棒材的插入方向呈斜向角度，且在所述棒材插入到所述插入口中因弹性变形而使所述另一端抵住所述棒材的表面。

2.根据权利要求1所述的密封构件，其特征在于：

当所述棒材未插入到所述插入口中时，所述多个密封片分别相对所述棒材的插入方向所成的角度为60°以下。

3.根据权利要求1所述的密封构件，其特征在于：

在所述密封构件中，所述多个密封片经相互叠层而形成多层，

所述多层中相邻之层是以使所述多个密封片相互的分界线沿所述插入口的圆周方向错开的方式配置。

4.根据权利要求3所述的密封构件，其特征在于：

所述多个密封片相互的分界线在所述棒材插入到所述插入口中时，也配置在维持所述多个密封片相互的分界线沿所述插入口的圆周方向偏移的状态的位置上。

5.根据权利要求3所述的密封构件，其特征在于：

在所述多层中邻层之间，具有使惰性气体流通的间隙。

6.根据权利要求1所述的密封构件，其特征在于：

所述多个密封片包含耐热性金属以及高定向性热解石墨中的至少其中一个。

7.根据权利要求1所述的密封构件，其特征在于：

所述多个密封片包含钽、镍合金以及不锈钢合金中的任一个。

8.根据权利要求1所述的密封构件，其特征在于：

所述棒材为光纤预型体，所述加热炉为拉丝炉。

9.一种加热炉，其特征在于具备：

权利要求1至权利要求7中任一项所述的密封构件。

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