JP2005035884A

JP2005035884A - 光ファイバーの製造方法

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Publication number: JP2005035884A
Application number: JP2004208415A
Authority: JP
Inventors: Arthur I Shirley; アーサー・アイ・シャーリー
Original assignee: BOC Group Inc
Current assignee: Messer LLC
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2005-02-10
Also published as: US7261763B2; TW200510256A; DE602004000554T2; EP1498393A1; MY138399A; US20050011353A1; ATE321739T1; DK1498393T3; KR20050009231A; CN100387537C; CN1576249A; DE602004000554D1; EP1498393B1

Abstract

【課題】光ファイバーを製造するプロセスからヘリウムと未反応の塩素を回収して再循環させる方法を提供する。
【解決手段】プレフォームから光ファイバーを製造するための改良された方法を提供し、この方法は乾燥工程と圧縮固化する工程を含み、光ファイバーを製造する間に形成される排ガス流の中にヘリウムと塩素が存在し、特徴点は、排ガス流からヘリウムと塩素を回収することである。ヘリウム富化ガス流と塩素富化ガス流が団結炉から回収され、そして分離される。ヘリウム富化ガス流は乾燥されて補給用のヘリウムと混合され、塩素富化ガス流は浄化されて補給用の塩素と混合される。それによって、各々のガス流を光ファイバー製造プロセスにおいて再使用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバーのプレフォーム（予備成形物）を乾燥して圧縮固化する工程からヘリウムと未反応の塩素を回収して再循環させるための方法を提供する。

光ファイバーの製造は基本的に、プレフォームと呼ばれる特別に構成されたガラス棒を成形加工し、次いでプレフォームを溶融させてこれを細い繊維に引き抜く工程を含む二段階のプロセスからなる。プレフォームの成形加工は通常、沈積（deposition）と圧縮固化（consolidation）の二つの工程を含み、これらは一つの連続した操作として組み合わせるか、あるいは二つの個別の工程に分けても良い。

ヘリウムガスは光ファイバーの製造において三つの主要な用途を有する。すなわち、プレフォームの沈積におけるキャリヤーガス、プレフォームの圧縮固化における掃引ガスおよび繊維の引き抜きのための熱伝達媒体である。これら三つの加工処理工程の各々は、ヘリウムガスに異なる不純物、汚染レベルおよび／または温度レベルを導入する。光ファイバーの製造プロセスにおいて用いられる慣用の単流（once-through）のヘリウムの流れ（すなわち一般廃ガス流の中に入ること）は不経済であり、過剰な消費と不必要に高いコストをもたらす。

ガラスプレフォームを製造するための他の圧縮固化プロセス（例えば米国特許第５,０５５,１２１号に開示されているもの）は、光ファイバーのための被覆に選択的に転化されるフッ素を用いる。これは、光ファイバーの伝送特性に影響を及ぼすことなく石英ガラスの屈折率を低下させることができる。ガラスプレフォームは、パイプ上での石英ガラスのすすの沈積、脱水、およびガラス化とフッ素の添加の工程によって製造される。

脱水ガスとしては塩素および塩素含有化合物（例えばＳＯＣｌ₂ やＣＣｌ₄）がある。ガラス化とフッ素添加の工程において、フッ素含有ガス（例えばＳＦ₆、ＣＣｌ₂Ｆ₂、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆ およびＳｉＦ₄）が用いられる。残留の泡を含まない透明なガラスプレフォームを得るために、脱水工程とフッ素添加工程の両者において、ガラス中に容易に溶解するヘリウムが好ましいキャリヤーガスである。米国特許第５,０５５,１２１号の実施例に関してガラスプレフォームの製造において用いられるガスの流量と濃度を下の表１に示す。
表１
脱水フッ素の添加
Ｃｌ₂ ０.６リットル/分（６％）ＳｉＦ₄ ０.３リットル/分（３％）
Ｈｅ１０リットル/分（９４％）Ｈｅ１０リットル/分（９７％）

塩素ガスとフッ素含有ガスのかなりの部分が、処理されずにこのプロセスから出るであろう。そしてこれらは現在、アルカリ性溶液でスクラビングすることによって排除されている。プロセスを出るヘリウムは大気中に放出される。ヘリウムは再生不能なガスであり、また高価である。従って、光ガラスファイバーの製造コストを下げるために、ヘリウムを回収して再循環させることが強く望まれる。塩素を回収することはコストと環境の両面から望ましい。
米国特許第５,０５５,１２１号明細書

本発明の課題は、光ファイバーのプレフォームを乾燥して圧縮固化する工程からヘリウムと未反応の塩素を回収するための方法を提供することである。

一つまたは二つ以上の団結炉（consolidation furnace）からの排ガスが集められ、ＨＣｌ副生物の大部分を除去するために水洗され、そして選択的に透過性の膜または他のガス分離手段を用いて塩素富化流とヘリウム富化流に分離される。塩素富化流は補給用の低純度工業用塩素とともに蒸留処理ユニットに送られ、団結炉で再使用するために蒸留処理ユニットで高純度に浄化される。ヘリウム富化流は膜または吸着乾燥器を用いて乾燥され、そして団結炉または光ファイバーの製造における別のプロセスで再使用するために補給用のヘリウムとブレンドされる。

一つの態様において、本発明はプレフォームから光ファイバーを製造するための改良された方法を提供し、この方法は乾燥工程と圧縮固化する工程を含み、光ファイバーを製造する間に形成される排ガス流の中にヘリウムと塩素が存在し、特徴点は、排ガス流からヘリウムと塩素を回収することである。

別の態様において、本発明は光ファイバーを製造するための方法であって、この方法において、ファイバーは、ファイバーを製造する間にヘリウムと塩素を含むガス流によって冷却され、ヘリウムと塩素はそのガス流から回収される。

あるいは、本発明は光ファイバーを製造するプロセスにおける団結炉からヘリウムと塩素を回収するための方法であって、下記の工程を含む：
（ａ）団結炉からファイバーを引き出し；
（ｂ）団結炉にヘリウムを添加し；
（ｃ）団結炉に塩素を添加し；
（ｄ）団結炉の頂部から排ガスを取り出し、このとき排ガスはヘリウムと塩素を含み；
（ｅ）排ガスを水洗塔に供給して塩酸を除去し；そして
（ｆ）排ガスを分離装置に供給し、それによってヘリウム富化流と塩素富化流を形成する。

本発明はまた、光ファイバーを製造するプロセスにおける団結炉から塩素を回収して再循環させるための方法であって、下記の工程を含む：
（ａ）団結炉からファイバーを引き出し；
（ｂ）団結炉にヘリウムを添加し；
（ｃ）団結炉に塩素を添加し；
（ｄ）団結炉の頂部から排ガスを取り出し、このとき排ガスはヘリウムと塩素を含み；
（ｅ）排ガスを水洗塔に供給して塩酸を除去し；
（ｆ）排ガスを分離装置に供給し、それによってヘリウム富化流と塩素富化流を形成し；そして
（ｇ）塩素富化流を団結炉の中に供給する。

本発明は、光ファイバーの製造において用いられる光ファイバープレフォームを乾燥して圧縮固化する工程からヘリウムと未反応の塩素を回収するための方法を提供する。

光ファイバーの圧縮固化プロセスにおける工程には、窒素を用いるパージ、塩素／ヘリウムガスを用いる脱水、窒素／ヘリウムガス混合物を用いるガラス化、およびヘリウム／フッ素含有ガス混合物を用いるフッ素の添加が含まれる。

プレフォームを乾燥して圧縮固化する工程からヘリウムを回収するための典型的なプロセスにおいて、団結炉を出る排ガス混合物にはＨｅ、Ｃｌ₂、ＨＣｌ、Ｎ₂、Ｏ₂、Ｈ₂Ｏおよびフッ素含有ガスが含まれる。

典型的には、団結炉の中での上記の各工程によりプレフォームは完成する。炉の頂部が部分的に開かれ、上記のプロセスガスが底部において炉内に入り、そして頂部の近くから出る。ブロワーまたは真空ポンプに送られる排ガス流の中に大量の空気が吸引される。

本発明の一つの態様において、工業用塩素のような低純度の塩素源から蒸留処理ユニットによって高純度の塩素が製造される。蒸留ユニットからのガス状超高純度（ＵＨＰ）塩素（９９.９９９９％）はヘリウムと約１：１０〜約１：１００のＣｌ₂：Ｈｅの比率（重量）で混合され、そしてガラス沈積プレフォームを収容している団結炉に供給される。

Ｃｌ₂ は未だ圧縮固化していないプレフォームに浸透し、ガラス中に同伴しているＯＨ基と反応してＨＣｌを形成し、これはガラスマトリックスからヘリウムガスによって運ばれる。塩素の少量の部分（おそらく７５〜８０％）だけが反応し、従って団結炉からの排出物または排ガスは大部分がヘリウムと塩素であり、少量のＨＣｌと水分、およびさらに少量のＳｉＣｌ₄、ＳｉＯ₂、Ｏ₂、Ｎ₂ および痕跡量の他の化合物を含む。

この排ガスから塩素とヘリウムを回収するために、流れが（あるいは真空ポンプによって）集められ、次いで水洗塔を通してスパージング（sparging）されてＨＣｌが除去される。水洗塔の蒸気がガス分離装置（例えば選択的に透過性の膜）に供給され、この装置によってＣｌ₂ 富化流からＨｅ富化流が分離される。（あるいは少量の水分を含んでいる）このＨｅ富化流は圧縮されて乾燥器に供給され、そこでガスは（特に水分について）高純度に復される。この再生された流れに補給用のヘリウムが添加され、（一つまたは複数の）団結炉に再循環される。

９５％以上のＣｌ₂ を含むＣｌ₂ 富化流は蒸留ユニットに戻され、ここで工業用塩素からなる補給用の流れが添加され、その混合物は浄化のために蒸留ユニットに供給される。このようにして、塩素とヘリウムの両者は光ファイバー製造プロセスの中で再使用される。

図面を参照すれば、工業用濃度の塩素がライン１０に供給され、ライン１５を通して第一の蒸留塔Ａに入る。塔から底部の物質がライン１２に出て、熱交換器１３を通ってライン１４に進み、そして第二の蒸留塔Ｂの底部に入る。この塔の頂部の物質がライン１６から出て、熱交換器１８を通り、そしてライン１７から塔Ｂに戻る。

蒸留塔Ａの中に存在する塩素はライン２５を通して塔の頂部から出る。９９.９９９９重量％塩素まで浄化されているこの塩素はライン７５に進み、団結炉Ｃに入る。塔Ａを出るガス流の一部はライン１９に迂回して熱交換器２０を通り、そしてライン１１から塔Ａの頂部に再び入る。

ライン７５に移動した塩素ガスは、団結炉Ｃに流入させるヘリウムガスと混合する。プレフォームは塔の頂部に認められ、Ｃ１で示されている。塩素はライン３０から団結炉Ｃを出る。典型的には、団結炉からガスを取り出すのにブロワーまたは真空ポンプ（図示せず）が用いられる。このとき塩素ガスは、ヘリウム、塩素、水、窒素、酸素および塩酸からなる多くのものの混合物の一部であり、これらの全ては光ファイバー製造プロセスからの排ガスを構成する。これら他のガス、特に水、窒素、酸素および塩酸は不純物であり、団結炉に入ってくるものであるかあるいは光ファイバー製造プロセスの副生物である。

この排ガス流は水洗塔Ｅに入る。水洗塔Ｅにはライン３５から新しい水が供給される。水洗塔は、排ガス流の中に存在する塩酸と反応してこれを除去するように設計されている。排ガス流から洗い落された特定の不純物を含む洗浄水はライン４５を通して水洗塔から取り出されて洗い落し用ユニット（scrubber unit）に送られ、そこで水は浄化されて他のプロセスに使用することができる。

主としてヘリウム、塩素、水、窒素および酸素を含む排ガス流はライン４０から水洗塔Ｅを出て、膜ユニットＦに送られる。温度スイング吸着（ＴＳＡ）や圧力スイング吸着（ＰＳＡ）のような他のガス分離システムを用いることもできるが、好ましいガス分離システムは膜ユニットである。膜ユニットは選択的に透過性の膜を含み、その膜は特定のガスを通過させ、他のガスの通過を止める。この場合、排ガス流からのヘリウムと水がライン５５から膜ユニットを出て、乾燥器Ｇに入る。乾燥器はこの混合物から水を選択的に除去し、幾分かのヘリウムとこの混合物はライン６５（これは大気への通気口にすることができる）から出る。

ヘリウムの大部分はライン６０から乾燥器Ｇを出て、ライン８０からの補給用の純粋なヘリウムと合流し、そしてライン７０を通って圧縮機Ｄに入る。次いで、この再循環するヘリウムと補給用のヘリウムを合わせたものはライン７５を通して団結炉に戻され、それによって光ファイバー製造プロセスの定常運転が可能になる。

塩素、幾分かの塩酸、窒素および酸素からなる排ガス流の残りの部分はライン５０から膜ユニットＦを出て、工業用濃度の塩素が蒸留塔Ａに導入される箇所に戻され、両者の流れはライン１５から塔に入り、それによって塩素は浄化されて団結炉に供給される。

上述したように、ガス分離ユニットは圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムのようないかなる適当なガス浄化ユニットであっても良い。それは、単一の吸着ユニット、同時に運転される一組の吸着ユニット、複数の吸着ユニットあるいは非同時的に運転される一組の吸着ユニットなど、所望されるいずれのものでも良い。全てが同時に運転される単一吸着ユニットからなるシステムまたは一組のユニットが用いられる場合、吸着工程を周期的に停止して吸着床を再生させなければならず、一方、複数の吸着ユニットが並列して用いられてかつ非同時的に運転される場合、一つまたは二つ以上のユニットを不純物を吸着する吸着段階におき、一つまたは二つ以上の他のユニットを不純物を脱着させる再生段階におくことができる。本発明の吸着システムの運転は周期的に行われる。好ましい吸着プロセスにおいては、浄化されたヘリウムの生成が実質的に連続して行われるようなやり方でサイクルが繰り返し実施される。

ＰＳＡシステムにおいて、吸着容器は粒状の形態の適当な吸着剤で充填される。窒素と酸素の吸着のための適当な吸着剤としては、ゼオライト４Ａ、ゼオライト５Ａおよびゼオライト１３Ｘのようなゼオライトやカーボンモレキュラーシーブがある。特に、吸着プロセスで用いられる吸着剤は適宜選択するものであり、それは部分的には冷却ガス流の中に存在する不純物の性質によって決められるであろう。吸着容器は好ましくは予備浄化層を含み、それは大気中に含まれる水蒸気を除去するための活性アルミナやシリカゲルのような乾燥剤である。活性アルミナは好ましい乾燥剤である。というのは、それは空気から二酸化炭素を除去するようにも作用し、それによって主吸着剤による二酸化炭素の吸着を低減させるかあるいは無くするからである。あるいは、システムは、吸着容器に供給ガスを導入する前にこの供給ガスから水蒸気と二酸化炭素を除去するための分離した空気予備浄化ユニットを有していても良い。

ＰＳＡプロセスが実施される温度と圧力は適宜選択するものであり、重要なことではない。一般に、吸着プロセスを約−５０〜約１００℃の範囲の温度で実施することができるが、一般に約０〜約４０℃の範囲の温度で実施される。典型的に、吸着は約１bara以上の圧力で実施される。吸着工程が実施される最小の圧力は好ましくは約２baraであり、最も好ましくは約５baraである。圧力の上限は経済性と吸着システムの制限によって決められ、一般にそれは約５０baraであるのが望ましく、好ましくは約２０baraであり、最も好ましくは約１５baraである。

吸着剤の再生が実施される圧力も同様に適宜選択するものであり、最小の圧力は、これらの容器から吸着ガスを取り出すのに真空装置が用いられるか否かに依存する。典型的に、これらの容器の吸着剤の再生を行う間の圧力の下限は５０ミリbara程度であるが、好ましくは約１５０ミリbara以上、最も好ましくは約２００ミリbara以上である。吸着剤の再生は最大で５baraの圧力で実施することができるが、好ましくは約２bara以下、最も好ましくは約１bara以下の圧力で実施される。

本発明を特定の実施態様に関して記述したが、本発明の多くの他の形態や修正が当業者にとって自明であることは明らかである。本明細書に添付した特許請求の範囲がそのような自明の形態や修正の全てを包含していると一般的に解釈されるべきであり、そのように包含されているものが本発明の真の範囲である。

本発明に係る光ファイバーの製造方法を示す概略図である。

Claims

プレフォームから光ファイバーを製造するための改良された方法であって、この方法は乾燥工程と圧縮固化する工程を含み、光ファイバーを製造する間に形成される排ガス流の中にヘリウムと塩素が存在し、特徴点は、前記排ガス流からヘリウムと塩素を回収することにある、光ファイバーの製造方法。
排ガス流から塩酸を除去する工程を含む、請求項１に記載の方法。
前記排ガス流はヘリウム富化ガス流と塩素富化ガス流に分離される、請求項１に記載の方法。
前記の分離は、選択的に透過性の膜、温度スイング吸着ユニットおよび圧力スイング吸着ユニットからなる群から選択される分離装置を使用して行われる、請求項３に記載の方法。
前記製造は団結炉の中で行われる、請求項１に記載の方法。
前記ヘリウム富化ガス流と前記塩素富化ガス流を前記団結炉に再循環させる、請求項５に記載の方法。
前記再循環されるヘリウム富化ガス流に補給用のヘリウムが添加される、請求項６に記載の方法。
前記再循環される塩素富化ガス流に補給用の塩素が添加される、請求項６に記載の方法。
前記団結炉の中での塩素対ヘリウムの重量比率は約１対１０〜約１対１００である、請求項５に記載の方法。
請求項１〜９のいずれかに記載した光ファイバーを製造するプロセスにおいて団結炉からヘリウムと塩素を回収するための方法であって、
（ａ）団結炉からファイバーを引き出し、
（ｂ）団結炉にヘリウムを添加し、
（ｃ）団結炉に塩素を添加し、
（ｄ）団結炉の頂部から排ガスを取り出し、このとき排ガスはヘリウムと塩素を含み、
（ｅ）排ガスを水洗塔に供給して塩酸を除去し、そして
（ｆ）排ガスを分離装置に供給し、それによってヘリウム富化流と塩素富化流を形成する、
以上の工程を含む方法。