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Hintergrund
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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungsvorrichtung zum Einwirkenlassen einer Wärmebehandlung auf ein poröses Glasgrundmaterial für optische Fasern, um ein Grundmaterial für optische Fasern herzustellen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Ofenkernrohr, das in der Wärmebehandlungsvorrichtung verwendet wird.
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Verwandte Technik
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Zu Beispielen für ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Glasgrundmaterials für optische Fasern zählen Verfahren, die als VAD-Verfahren und OVD-Verfahren bezeichnet werden. In diesen Verfahren wird zunächst ein Glasrohmaterial in einer Flamme verbrannt, um Glasmikroteilchen zu erzeugen. Die erzeugten Glasmikroteilchen werden auf einem rotierenden Substrat- bzw. Zielstab in Axialrichtung oder Radialrichtung abgeschieden, um ein poröses Glasgrundmaterial herzustellen.
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Als Wärmebehandlungsvorrichtung zum Verglasen eines porösen Glasgrundmaterials kommt eine Wärmebehandlungsvorrichtung
1 gemäß
1 zum Einsatz. Die Wärmebehandlungsvorrichtung
1 verfügt über eine Heizung
2, einen die Heizung
2 abdeckenden Ofenkörper
3 und ein Ofenkernrohr
4, das auf der Innenseite der Heizung eingebaut ist, wobei das Ofenkernrohr aus Quarzglas hergestellt ist. Eine ähnliche Vorrichtung ist beispielsweise in der
JP-A-2014-065642 u. ä. beschrieben.
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Das obere Ende des Ofenkernrohrs 4 ist durch einen oberen Deckel 5 verschlossen, in dem ein Durchgangsloch geöffnet ist. Ein Träger- bzw. Stützstab 6, der ein poröses Glasgrundmaterial 10 stützt, ist am oberen Deckel 5 durch das Durchgangsloch hindurch angebracht. Ein Gaseinleitungsanschluss 7 zum Zuführen eines Prozessgases, z. B. eines Helium-(He)Gases oder eines Chlor-(Cl2)Gases, ist im unteren Teil des Ofenkernrohrs vorgesehen. Ein Gasabfuhranschluss 8, der ein Gas abführt, ist im oberen Deckel vorgesehen.
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Wird das poröse Glasgrundmaterial 10 wiederholt einer Wärmebehandlung unterzogen, so wird das Ofenkernrohr 4 durch das während der Wärmebehandlung eingeleitete Prozessgas angeätzt, was eine Glasdickenabnahme bewirkt, durch die es zu Rissen im Ofenkernrohr 4 kommt. Andererseits kann die lange Nutzungsdauer des Ofenkernrohrs 4 erreicht werden, indem die Dicke des Glases des Ofenkernrohrs 4 erhöht wird.
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Ein Abschnitt, der in einem durch die Heizung 2 im Ofenkernrohr 4 erwärmten Heizbereich 20 liegt, wird vorab einer Wärmebehandlung (Alterungsbehandlung) mit Hilfe der Heizung 2 unterzogen, bevor die Wärmebehandlung des porösen Glasgrundmaterials 10 beginnt, um das Glas zu kristallisieren, was verhindern kann, dass das Ofenkernrohr 4 während der Wärmebehandlung des porösen Glasgrundmaterials 10 verformt wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Bei der Behandlung des porösen Glasgrundmaterials mit Hilfe der o. g. Wärmebehandlungsvorrichtung wird das am Stützstab angebrachte poröse Glasgrundmaterial sukzessive nach unten bewegt, um das poröse Glasgrundmaterial den Heizbereich durchlaufen zu lassen, wodurch das poröse Glasgrundmaterial vom unteren Ende des porösen Glasgrundmaterials sukzessive erwärmt wird, um transparentes Glas zu erhalten. Wird das so erwärmte poröse Glasgrundmaterial wiederholt zur Unterseite des Heizbereichs bewegt, kommt es teilweise zur Glaskristallisation auf der Unterseite des Heizbereichs im Ofenkernrohr. Im Abschnitt, in dem das Glas kristallisiert, treten dadurch leicht Rohrrisse auf. Nachteilig bewirkt dies den Austausch des Ofenkernrohrs, wenn das poröse Glasgrundmaterial etwa einige Dutzend Mal wiederholter Wärmebehandlung unterzogen wird.
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Zur Lösung obiger Probleme weist eine Wärmebehandlungsvorrichtung der Erfindung auf: ein Ofenkernrohr, das aus Quarzglas hergestellt ist; eine Heizung, die benachbart zum Ofenkernrohr vorgesehen ist, wobei die Heizung einen Heizbereich erwärmt; und einen Bewegungsmechanismus, der ein poröses Glasgrundmaterial stützt und das poröse Glasgrundmaterial im Hinblick auf die Heizung im Ofenkernrohr in einem Zustand relativ bewegt, in dem der Heizbereich durch die Heizung erwärmt wird, um das poröse Glasgrundmaterial den Heizbereich durchlaufen zu lassen. Die Wärmebehandlungsvorrichtung weist ein dünnwandiges Teil auf, das in einem Bereich benachbart zu einem Abschnitt vorgesehen ist, der im Heizbereich im Ofenkernrohr liegt, wobei das dünnwandige Teil eine Glasdicke hat, die kleiner als die des Abschnitts ist, der im Heizbereich liegt.
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In der Erfindung kann die Dicke des Glases des dünnwandigen Teils 75% oder weniger als die des Ofenkernrohrs im Heizbereich betragen. Die Dicke des Glases des dünnwandigen Teils kann 4 mm bis 6 mm betragen.
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In der Erfindung kann die Wärmebehandlungsvorrichtung das dünnwandige Teil aufweisen, das in einem nachgeschalteten Bereich benachbart zum Heizbereich auf einer nachgeschalteten Seite bezüglich einer Bewegungsrichtung des porösen Glasgrundmaterials beim Durchlauf durch den Heizbereich vorgesehen ist.
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Der im Heizbereich im Ofenkernrohr liegende Abschnitt kann durch die Heizung vorab erwärmt sein, um das Glas zu kristallisieren.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Die Erfindung verhindert, dass Risse in einem Ofenkernrohr auftreten, damit das Ofenkernrohr über eine lange Zeitspanne verwendet werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus einer Wärmebehandlungsvorrichtung 1;
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2 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Heizbereich 20 und seinen Umfang in einer herkömmlichen Wärmebehandlungsvorrichtung schematisch zeigt;
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3A und 3B sind eine vergrößerte Ansicht, die einen Heizbereich 20 und seinen Umfang in einer Wärmebehandlungsvorrichtung der Erfindung schematisch zeigen;
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4 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Heizbereich 20 und seinen Umfang nach einer Wärmebehandlung (Alterungsbehandlung) in der Wärmebehandlungsvorrichtung der Erfindung schematisch zeigt;
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5 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Heizbereich 20 und seinen Umfang nach wiederholtem Einwirkenlassen einer Wärmebehandlung auf ein poröses Glasgrundmaterial 10 in der Wärmebehandlungsvorrichtung der Erfindung schematisch zeigt; und
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6 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Heizbereich 20 und seinen Umfang nach einer Wärmebehandlung (Alterungsbehandlung) in der herkömmlichen Wärmebehandlungsvorrichtung schematisch zeigt.
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Nähere Beschreibung der Ausführungsformen
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Wie zuvor beschrieben, wird bei wiederholter Durchführung einer Behandlung zum Bewegen eines porösen Glasgrundmaterials 10 zur Unterseite eines Heizbereichs 20, während das poröse Glasgrundmaterial 10 im Heizbereich 20 erwärmt wird, um transparentes Glas zu erhalten, ein auf der Unterseite des Heizbereichs 20 liegender Abschnitt in einem Ofenkernrohr 4 auch von der Innenseite des Ofenkernrohrs 4 durch Strahlungswärme vom porösen Glasgrundmaterial 10 erwärmt, das eine hohe Temperatur nach der Behandlung hat. Dadurch wird bei wiederholter Erwärmung eines Bereichs 21 benachbart zum Heizbereich 20 in einer Unterseite (d. h. einem Bereich benachbart zum Heizbereich 20 auf einer nachgeschalteten Seite bezüglich der Bewegungsrichtung des porösen Glasgrundmaterials 10 während einer Wärmebehandlung (nachstehend nur „nachgeschalteter Bereich” genannt)) durch die Strahlungswärme vom porösen Glasgrundmaterial 10 mit einer hohen Temperatur das Glas des Ofenkernrohrs 4 im nachgeschalteten Bereich 21 kristallisiert. Gemäß 2 sind Abschnitte 4C, in denen es zu Kristallisation kommt, von der Innenseite des Ofenkernrohrs 4 allmählich gebildet, die die Strahlungswärme vom porösen Glasgrundmaterial 10 stark aufnimmt (ungleichmäßig in Glasdickenrichtung), und auf unregelmäßig verteilte Weise in Umfangsrichtung des Ofenkernrohrs 4 (ungleichmäßig in Umfangsrichtung) gebildet.
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Bei Erwärmung eines Abschnitts, in dem die Kristallisation des Ofenkernrohrs 4 im nachgeschalteten Bereich 21 unregelmäßig verteilt fortschreitet, wenn das poröse Glasgrundmaterial 10 nach der Wärmebehandlung das Ofenkernrohr 4 durchläuft, unterscheiden sich Wärmeausdehnungskoeffizienten im kristallisierten Abschnitt und im nicht kristallisierten Abschnitt voneinander. Dies bewirkt eine Differenz zwischen den Verformungsgraden des Ofenkernrohrs 4. Festgestellt wurde, dass die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten Rohrrisse in einem Abschnitt verursacht, in dem es zu ungleichmäßiger Kristallisation des Glases im Ofenkernrohr 4 kommt.
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Ist das Ofenkernrohr 4 im nachgeschalteten Bereich 21 dick, tritt ungleichmäßige Kristallisation besonders stark auf. Als Grund dafür wird Folgendes angenommen: Die Wärmemenge der Strahlungswärme vom porösen Glasgrundmaterial 10 ist kleiner als die einer den Heizbereich 20 erwärmenden Heizung, was Fortschreiten der Kristallisation des Glases allmählich bewirkt, ohne die Kristallisation sofort zu verursachen. Ist das Ofenkernrohr 4 im nachgeschalteten Bereich 21 dick, kommt es aus diesem Grund leicht zu Rissen des Ofenkernrohrs. Zudem wurde festgestellt, dass die gleichmäßige Kristallisation des nachgeschalteten Bereichs 21 erreicht werden kann, indem die Dicke des Ofenkernrohrs 4 im nachgeschalteten Bereich 21 so festgelegt wird, dass sie kleiner als die Dicke des Ofenkernrohrs im Heizbereich 20 ist. Als Ergebnis wurde die vorliegende Erfindung vollendet.
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Anhand der Zeichnungen wird nachstehend eine Wärmebehandlungsvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 1 verfügt über eine Heizung 2, die einen Heizbereich erwärmt, einen Ofenkörper 3, der die Heizung 2 abdeckt, und ein Ofenkernrohr 4, das benachbart zur Heizung 2 auf einer Innenseite eingebaut und aus Quarzglas hergestellt ist, was der Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß 1 entspricht.
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Das obere Ende des Ofenkernrohrs 4 ist durch einen oberen Deckel 5 verschlossen, in dem ein Durchgangsloch geöffnet ist. Ein Träger- bzw. Stützstab 6, der ein poröses Glasgrundmaterial 10 stützt, ist am oberen Deckel 5 durch das Durchgangsloch hindurch angebracht. Der Stützstab 6 stützt das poröse Glasgrundmaterial 10 und fungiert als Bewegungsmechanismus, der das poröse Glasgrundmaterial 10 in einer einzelnen Richtung im Hinblick auf die Heizung 2 im Ofenkernrohr 4 in einem Zustand relativ bewegt, in dem der Heizbereich durch die Heizung 2 erwärmt wird. Die Bewegung des durch den Stützstab 6 gestützten porösen Glasgrundmaterials 10 kommt durch die Antriebskraft eines Motors zustande, der nicht gezeigt ist. Das poröse Glasgrundmaterial 10 wird von einer Oberseite zu einer Unterseite bewegt, wenn eine Wärmebehandlung durchgeführt wird. Das poröse Glasgrundmaterial 10 wird so bewegt, dass das poröse Glasgrundmaterial 10 den Heizbereich 20 vom unteren Ende des porösen Glasgrundmaterials 10 zu seinem oberen Ende in einem Zustand sukzessive durchlauft, in dem der Heizbereich 20 durch die Heizung 2 erwärmt wird. Ein Gaseinleitungsanschluss 7 zum Zuführen eines Prozessgases, z. B. eines Heliumgases oder eines Chlorgases, ist im unteren Teil des Ofenkernrohrs 4 vorgesehen. Ein Gasabfuhranschluss 8 zum Abführen eines Gases ist im oberen Deckel 5 vorgesehen.
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In dieser Ausführungsform ist gemäß 3A und 3B ein dünnwandiges Teil 41 mit einer kleineren Glasdicke als die eines Abschnitts, der im Heizbereich 20 liegt, in einem Bereich benachbart zum Heizbereich 20 im Ofenkernrohr 4 vorgesehen. Ist die Dicke des Ofenkernrohrs 4 im Heizbereich 20 als X mm definiert und ist die Dicke des dünnwandigen Teils 41 als Y mm definiert, kann Y/X ≤ 0,75 festgelegt sein (d. h., die Dicke des dünnwandigen Teils 41 beträgt 75% oder weniger als die Glasdicke des Ofenkernrohrs 4 des Heizbereichs 20) und kann insbesondere 4 mm bis 6 mm betragen.
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Das dünnwandige Teil 41 kann in einem Bereich 21 benachbart zum Heizbereich 20 auf einer Unterseite im Ofenkernrohr 4 vorgesehen sein (d. h. einem nachgeschalteten Bereich benachbart zum Heizbereich 20 auf einer nachgeschalteten Seite bezüglich der Bewegungsrichtung des porösen Glasgrundmaterials 10 beim Durchlauf durch den Heizbereich 20). Dadurch lässt sich das Auftreten von Rissen im Ofenkernrohr 4 in dem Abschnitt unterdrücken, der im nachgeschalteten Bereich 21 im Ofenkernrohr 4 liegt. Das dünnwandige Teil 41 ist möglicherweise nicht im nachgeschalteten Bereich 21 vorgesehen, sondern in einem Bereich 22 benachbart zum Heizbereich 20 auf einer Oberseite im Ofenkernrohr 4 (d. h. einem Bereich benachbart zum Heizbereich 20 auf einer vorgeschalteten Seite bezüglich der Bewegungsrichtung des porösen Glasgrundmaterials 10 beim Durchlauf durch den Heizbereich 20 (nachstehend „vorgeschalteter Bereich” genannt)). Bei Bewegung des Glasgrundmaterials 10 nach oben, um das der Wärmebehandlung unterzogene Glasgrundmaterial 10 aus dem Oberteil des Ofenkernrohrs 4 zu entfernen, kann die Strahlungswärme die Verglasung des Ofenkernrohrs 4 auch im vorgeschalteten Bereich 22 des Heizbereichs verursachen. Dadurch ist die Dicke des Abschnitts verringert, der im vorgeschalteten Bereich 22 im Ofenkernrohr 4 liegt, was das Auftreten von Rissen im Ofenkernrohr 4 im vorgeschalteten Bereich 22 unterdrücken kann.
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Das dünnwandige Teil 41 kann nur in einem der Abschnitte vorgesehen sein, die im nachgeschalteten Bereich 21 und im vorgeschalteten Bereich 22 im Ofenkernrohr 4 liegen. Das dünnwandige Teil 41 kann in jedem der Abschnitte vorgesehen sein.
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Die Dicke des im nachgeschalteten Bereich 21 und/oder im vorgeschalteten Bereich 22 vorgesehenen dünnwandigen Teils 41 ist vorzugsweise verringert, indem der Innendurchmesser des dünnwandigen Teils 41 so festgelegt ist, dass er größer als der Innendurchmesser des Ofenkernrohrs 4 im Heizbereich 20 gemäß 3A und 3B ist. Dadurch kann der Abstand zwischen dem erwärmten porösen Glasgrundmaterial 10 und dem dünnwandigen Abschnitt vergrößert sein, was den Einfluss der Strahlungswärme vom erwärmten porösen Glasgrundmaterial 10 unterdrücken kann.
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Die Dicke eines Abschnitts des Ofenkernrohrs 4, der vom Heizbereich 20 ausreichend getrennt ist und in einem Bereich liegt, in dem es nicht zu Kristallisation des Glases unter dem Einfluss der Strahlungswärme kommt, die durch das erwärmte poröse Glasgrundmaterial 10 verursacht wird, kann die gleiche wie die Dicke des dünnwandigen Teils 41 sein oder kann die gleiche wie die Dicke des Glases des Ofenkernrohrs 4 im Heizbereich 20 sein, um die Festigkeit zu gewährleisten.
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Das Ofenkernrohr 4 mit dem vorstehenden Aufbau kann durch Verbinden von Quarzglasrohren mit unterschiedlichen Innendurchmessern mittels thermischer Bearbeitung hergestellt werden. Das Ofenkernrohr 4 kann hergestellt werden, indem die Dicke eines Teilbereichs eines Quarzglasrohrs mit einem konstanten Innendurchmesser mittels Schleifen oder Polieren verringert wird.
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Bevorzugt ist, dass der Abschnitt, der im Heizbereich 20 im Ofenkernrohr 4 liegt, vorab durch die Heizung 2 erwärmt ist, um das Glas zu kristallisieren.
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Bei Verwendung des zuvor beschriebenen Ofenkernrohrs 4 in einem Zustand, in dem es in der Wärmebehandlungsvorrichtung 1 eingebaut ist, treten Risse im Ofenkernrohr 4 mit geringerer Wahrscheinlichkeit verglichen mit dem herkömmlichen auf, wodurch das Ofenkernrohr 4 im Langzeiteinsatz wiederholt verwendet werden kann.
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Beispiel
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Ein neues Ofenkernrohr 4 mit 374 mm Innendurchmesser, 8 mm Glasdicke über der unteren Endposition einer Heizung 2 und 4 mm Glasdicke unter der unteren Endposition wurde an einer Wärmebehandlungsvorrichtung 1 für Glasgrundmaterial angebracht. In einem Zustand, in dem der Innendruck des Ofenkernrohrs 4 auf atmosphärischem Druck gehalten wurde, erfolgte eine Wärmebehandlung (Alterungsbehandlung) durch die Heizung 2. Die Wärmebehandlung wurde bei einer Heiztemperatur von 1300°C für eine Heizzeit von 240 Stunden durchgeführt. Im Ofenkernrohr 4 nach der Wärmebehandlung war Glas in einem Heizbereich 20 kristallisiert, der auf der Innenseite der Heizung 2 gemäß 4 lag (Bezugszeichen 42 in 4).
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Danach wurde in einem Zustand, in dem ein poröses Glasgrundmaterial 10 mit 340 mm Außendurchmesser in das Ofenkernrohr 4 eingeführt war, das poröse Glasgrundmaterial 10 einer Wärmebehandlung bei einer Heiztemperatur von 1500°C und einer Reduziergeschwindigkeit von 1,5 mm/min unterzogen, während ein Heliumgas und ein Chlorgas eingeleitet wurden. Gemäß 5 trat die Glaskristallisation allmählich auf der Unterseite 21 der unteren Endposition der Heizung 2 (d. h. einem nachgeschalteten Bereich benachbart zum Heizbereich 20 auf einer nachgeschalteten Seite bezüglich der Bewegungsrichtung des porösen Glasgrundmaterials 10 beim Durchlauf durch den Heizbereich 20) durch Strahlungswärme vom porösen Glasgrundmaterial 10 auf, das der Wärmebehandlung beim Durchlauf durch den Heizbereich 20 benachbart zur Heizung 2 unterzogen wurde (Bezugszeichen 43 in 5). Erreichte die Anzahl von Wiederholungen der Wärmebehandlung des porösen Glasgrundmaterials 10 etwa 100, stoppte der Fortschritt der Kristallisation, und die Wärmebehandlung konnte danach über 100 Mal weiter durchgeführt werden.
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Vergleichsbeispiel
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Ein neues Ofenkernrohr 4 mit 374 mm Innendurchmesser und 8 mm Glasdicke wurde an einer Wärmebehandlungsvorrichtung 1 für Glasgrundmaterial angebracht. In einem Zustand, in dem der Innendruck des Ofenkernrohrs 4 auf atmosphärischem Druck gehalten wurde, erfolgte eine Wärmebehandlung (Alterungsbehandlung) durch eine Heizung 2. Die Wärmebehandlung wurde bei einer Heiztemperatur von 1300°C für eine Heizzeit von 240 Stunden durchgeführt. Im Ofenkernrohr 4 nach der Wärmebehandlung war auf die gleiche Weise wie im Beispiel Glas in einem Heizbereich 20 kristallisiert, der auf der Innenseite der Heizung 2 gemäß 6 lag (Bezugszeichen 42 in 6).
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Danach wurde in einem Zustand, in dem ein poröses Glasgrundmaterial 10 mit 340 mm Außendurchmesser in das Ofenkernrohr 4 eingeführt war, das poröse Glasgrundmaterial 10 einer Wärmebehandlung bei einer Heiztemperatur von 1500°C und einer Reduziergeschwindigkeit von 1,5 mm/min unterzogen, während ein Heliumgas und ein Chlorgas eingeleitet wurden. Die Glaskristallisation trat allmählich in einem Bereich 21, der auf der Unterseite der unteren Endposition der Heizung 2 lag (d. h. einem nachgeschalteten Bereich benachbart zum Heizbereich 20 auf einer nachgeschalteten Seite bezüglich der Bewegungsrichtung des porösen Glasgrundmaterials 10 beim Durchlauf durch den Heizbereich 20) durch Strahlungswärme vom porösen Glasgrundmaterial auf, das einer Wärmebehandlung beim Durchlauf durch den Heizbereich 20 benachbart zur Heizung 2 unterzogen wurde. Erreichte die Anzahl von Wiederholungen der Wärmebehandlung des porösen Glasgrundmaterials 10 etwa 80, kam es zu Rissen im Ofenkernrohr 4 infolge der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem kristallisierten Abschnitt und dem nicht kristallisierten Abschnitt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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