JP2005162573A - ガラス母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガラス母材を製造する反応容器から排気ガスを排出する際、プラスチック含有ダクトの温度上昇を防ぐことのできるガラス母材の製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明のガラス母材の製造方法は、火炎を用いて多孔質ガラス母材Ｇを作製する反応容器１０から、金属ダクト２０と金属ダクト２０より下流側のプラスチック含有ダクト２１とを通して排気ガスを排出する際、排気ガスの温度を測定し、プラスチック含有ダクト２１に導入される排気ガスの温度がプラスチック含有ダクト２１の使用許容温度を超えないように、空気（冷却用ガス）を金属ダクト２０内に導入し、その導入量を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、火炎を用いてガラス母材を製造する際に、その反応容器からダクトを通して排気ガスを排出するガラス母材の製造方法に関する。

一般に、ガラス体の光ファイバは、多孔質ガラス母材を加熱して透明化（焼結）させたガラス母材を、線引きすることにより製造される。多孔質ガラス母材を製造する方法として、ＶＡＤ法（Vapor phase Axial Deposition：軸付け法）やＯＶＤ法（Outer Vapor phase Deposition：外付け法）等の気相合成法が知られている。

このような気相合成法では、例えば、複数のポートを有するバーナに、酸素、水素、及びガラスの原料ガスを導入して、加水分解反応によりガラス微粒子を生成し、ガラスロッドの径方向の外側または軸方向に堆積させて多孔質ガラス母材とする。
ガラス微粒子を生成する原料ガスは、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）、四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ₄）等が用いられ、この原料ガスの加水分解反応により二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）等のガラス微粒子が生成される。
したがって、このような気相合成法、あるいは多孔質ガラス母材の透明化処理を行った反応容器から排出される排気ガスには、二酸化ケイ素、二酸化ゲルマニウム等のガラス微粒子や、塩化水素（ＨＣｌ）、塩素（Ｃｌ₂）等の塩素化合物等が含まれている。

そして、上記のような排気ガスを処理するために、様々な処理装置や処理方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、特許文献２には、ガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス母材を製造する際の非堆積ガラス微粒子が、反応容器から排気ガス処理装置へ排気ガスを導入するダクト内に付着することを防止するために、ダクト内の排気ガス速度を１５ｍ／以上とする技術が開示されている。

特開２００１−６２２４９号公報 特開平６−２３５８２９号公報

ところで、上記のような火炎を用いたガラス母材の製造工程では、反応容器から排出される排気ガスは非常に高温となる。そのため、反応容器から排出された排気ガスをダクトに通すことで、排気ガス処理装置に導入される排気ガスの温度を下げ、排気ガス処理装置が劣化することを防いでいる。このように、反応容器から直接に高温の排気ガスが導入されるダクトには、高温の環境条件においても塩素ガス等による腐食が極めて起こりにくいことが要求される。

ダクトを構成する耐熱、耐腐食性の材料としては、ニッケル、ニッケル合金等の金属が用いられるが、これらの金属は高価であるため、ダクトの設置コストが高くなってしまう。
そのため、従来、排気ガスの温度が所望の温度まで低下されるまでの上流側区間は、その高温に耐え得るように、ニッケル、ニッケル合金等の金属によりダクトを形成し、下流側区間はガラスＦＲＰ等のプラスチック含有材料でダクトを形成していた。

しかしながら、ガラス母材の製造中に、反応容器内が通常の稼動状態より高温となることがあり、ガラスＦＲＰ等で形成されたダクト内の温度が、その使用許容温度以上となってしまうことがあった。使用許容温度以上となった場合、例えば、ガラスＦＲＰに含まれるプラスチックから揮発成分が発生して、ダクトの寿命が短くなったり、その強度が低下してしまったりするおそれがある。また、使用許容温度を大きく超えた場合には、プラスチックが発火して火災を引き起こすおそれがある。

本発明は、ガラス母材を製造する反応容器から排気ガスを排出する際、プラスチック含有ダクトの温度上昇を防ぐことのできるガラス母材の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成することのできる本発明のガラス母材の製造方法は、火炎を用いてガラス微粒子を堆積してガラス母材を製造する反応容器から、金属ダクトと前記金属ダクトより下流側のプラスチック含有ダクトとを通して前記反応容器内の排気ガスを排出する際、前記排気ガスの温度を測定し、前記プラスチック含有ダクトに導入される前記排気ガスの温度が前記プラスチック含有ダクトの使用許容温度を超えないように、冷却用ガスを前記金属ダクト内に導入する量を制御するものである。
なお、プラスチック含有ダクトの使用許容温度は、そのプラスチック材料により異なるものであり、適宜作業者の判断で設定することが好ましい。

また、本発明のガラス母材の製造方法において、前記測定した温度が冷却基準温度以下であるときには、前記冷却用ガスの導入を行わず、前記測定した温度が前記冷却基準温度を超えたときには、前記冷却用ガスを前記金属ダクト内に導入することが好ましい。

また、本発明のガラス母材の製造方法において、前記測定した温度の変動に応じて、前記冷却用ガスの導入量を制御することが好ましい。

また、本発明のガラス母材の製造方法において、複数の前記反応容器から個々の前記金属ダクトに導入されたそれぞれの前記排気ガスの温度と、前記個々の金属ダクトから合流された排気ガスの温度とを測定し、前記合流された排気ガスの温度が警告温度を超えたときに、前記合流する前の測定温度が最も高い前記排気ガスを排出する前記反応容器のガラス母材の製造を停止することが好ましい。

以下、本発明を実施するための最良の形態の例を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態のガラス母材の製造方法を実施できる装置を示す概略構成図である。
図１に示すように、ガラス母材の製造装置１は、反応容器１０と、排気ガス処理部３０とを有し、反応容器１０から排気される排気ガスを、金属ダクト２０とプラスチック含有ダクト２１とを通して排気ガス処理部３０に導入し、排ガス処理する構成となっている。

反応容器１０は、上方から、出発棒１１が昇降可能に収容され、内側の空間内で出発棒１１に対してガラス微粒子を堆積させるものである。また、反応容器１０は、多孔質ガラス母材Ｇを形成する際の高温の環境条件においても塩素ガス等による腐食が極めて起こりにくい材料、例えば、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、ニッケル、ニッケル合金等を用いて形成されている。

反応容器１０には、ガラス微粒子を生成するバーナ１２が設けられている。バーナ１２は、ガスを吹き出す複数のポートを有しており、そのポートから二酸化ケイ素等のガラス原料ガスと、酸素及び水素を吹き出し、酸水素火炎中においてガラス原料を加水分解反応させて、ガラス微粒子を生成するものである。また、バーナ１２は、生成したガラス微粒子を出発棒１１に堆積させるように、出発棒１１に向けて配置されている。
また、反応容器１０には、多孔質ガラス母材Ｇの製造中に反応容器１０内の圧力変化を検知できるように、内側の空間の圧力を測定する圧力計１４が設けられている。圧力計１４は、排気量制御部１５と接続されており、測定した値が適宜この排気量制御部１５に送られる。

さらに、反応容器１０は、排気口１３を備えており、出発棒１１に堆積されなかった余剰のガラス微粒子を含む内部の排気ガスが排気口１３から送り出される。
排気口１３には、金属ダクト２０が接続されており、この金属ダクト２０には反応容器１０から排気される高温の排気ガスが導入される。金属ダクト２０は、ニッケルやニッケル合金から形成されている。また、金属ダクト２０には、その管路の途中に排気量調整弁２３が設けられている。この排気量調整弁２３は、上記の圧力計１４に接続された排気量制御部１５によりその動作が制御されるものであり、圧力計１４により測定した値の変化に伴って弁の開閉を制御できる。

また、排気量調整弁２３の下流側には、金属ダクト２０と連通するように接続された空気導入ダクト２４が設けられている。この空気導入ダクト２４は、金属ダクト２０内に冷却用ガスを導入するためのものである。冷却用ガスは、金属ダクト２０に導入された排気ガスの温度を低下させるものであれば良く、例えば室温の空気を好適に用いることができる。
本実施形態では、このガラス母材の製造装置１の外側に存在する空気を冷却用ガスとして用いる。そのため、空気導入ダクト２４はその開放端側が導入口２８として形成されており、さらにその導入量を調節すべく、空気導入ダクト２４の途中に空気調整弁２５が設けられている。また、空気調整弁２５には、その開閉を調整する導入量制御部２７が接続されている。

金属ダクト２０の下流側には、接続部２２を介してプラスチック含有ダクト２１が接続されており、プラスチック含有ダクト２１の下流側には、排気ガス処理部３０が接続されている。プラスチック含有ダクト２１の材質は、ガラス繊維の集合体にマトリックス樹脂を含侵させて硬化させた、所謂ガラスＦＲＰを好適に用いることができる。ガラスＦＲＰは、ガラス繊維が非常に耐熱性に優れたものであるため、１５０℃程度までの温度環境下では劣化しにくい。また安価に製造できるため、ダクトの材質として好適である。ただし、ガラスＦＲＰに含まれるプラスチック、すなわちマトリックス樹脂は、例えば２００℃程度の高温下では揮発成分が発生して、強度劣化が起こることがあり、また、ダクトとしての寿命が短くなってしまう場合もある。

本実施形態では、排気ガスの温度を測定するために、金属ダクト２０内に温度計２６が設けられており、この温度計２６には導入量制御部２７が接続されている。導入量制御部２７は、空気調整弁２５の開閉の程度を調節して、金属ダクト２０内に導入される空気（冷却用ガス）の量を制御することができる。すなわち、温度計２６により測定した排気ガスの温度を基に、金属ダクト２０内に適宜空気を導入して、プラスチック含有ダクト２１内をその使用許容温度以下に保つことができる。プラスチック含有ダクト２１がガラスＦＲＰである場合、例えばその使用許容温度は２００℃である。

ここで、排気ガス処理部３０について説明する。ただし、本発明において、排気ガス処理部３０は様々な形態をとることができる。以下に示す構成は一例である。
図２に示すように、本実施形態の排気ガス処理部３０は、その処理工程順に構成を示すと、冷却塔３１と、集塵装置３２と、排風機３４と、ガス吸着装置３８とを備えている。

図１に示したガラス母材製造装置から出た排気ガスは、まず冷却塔３１に入り、冷却塔３１内の散水雰囲気中を通過することによって冷却及び調湿がなされて、次の集塵装置３２に入る。
集塵装置３２内で、排気ガス中のガラス微粒子は、高電圧に荷電された放電電極で発生したイオンによって帯電され、林立する板状又はパイプ状の導電性樹脂等からなる集塵電極３３によって捕集される。なお、集塵電極３３で捕集された固形微粒子は、集塵電極面を散水によって洗い流すことによって集められ、スラリー状の廃液となって下方から収集される。また、この廃液の一部は散水用に循環して使用する。

排風機３４では、モータ３７によって羽根車３６を回転させて、集塵装置３２側から集塵処理が終わった排気ガスを吸引し、ガス吸着装置３８側にその排気ガスを送り込む。排風機３４内では、運転中の必要時点で散水ノズル３５から水を散水させ、排風機３４内を通過する排気ガス中の塩素、塩化水素等の酸性ガスをその水に溶かし込んで酸性水とし、それによって排風機３４内の羽根車３６、排風機室の内壁等の部品を酸洗浄する。

排風機３４からガス吸着装置３８に入った排気ガスは散布されたカセイソーダ液４１等と充填部３９にて気液接触し、排気ガス中の塩素、塩化水素等の酸性ガスはカセイソーダ液４１に溶け込み吸着除去される。なお、カセイソーダ液４１はポンプで循環させて使用し、一部を廃液として排出し、新たにカセイソーダ液を補給してガス吸着装置３８内のカセイソーダ液４１のｐＨを一定に保つ。
ガス吸着装置３８の充填部３９を通過した排気ガスはその後、ガス吸着装置３８内のミストセパレータ４０にてカセイソーダ液等の水滴が除去される。そして、ガス吸着装置３８を出た排気ガスは、ガラス微粒子及び有害な酸性ガスが除かれた処理済みガスとして、スタック（図示せず）等を通して空中に放出する。

次に、上記構成のガラス母材製造装置１によってガラス母材を製造する方法について説明する。
まず、反応容器１０内のバーナ１２の近傍位置まで吊り下げた出発棒１１を軸回りに回転させる。そして、この回転させている出発棒１１に向かって、バーナ１２から酸水素火炎を発生させる。酸水素火炎中では、加水分解反応によりガラス微粒子が生成される。生成されたガラス微粒子は、出発棒１１に付着して徐々に出発棒１１の周囲に堆積していく。
さらに、出発棒１１を、軸回りに回転させながら、ガラス微粒子の堆積の状態に応じて徐々に引き上げていくことで、ガラス微粒子が堆積したガラスの多孔質堆積体が出発棒１１の軸方向に成長していき、所望の多孔質ガラス母材Ｇを形成することができる。
その際、反応容器１０内は、バーナ１２の酸水素火炎により、例えば１０００℃以上の高温となる。

そして、反応容器１０の排気口１３から金属ダクト２０へ、塩素、塩化水素、堆積しなかったガラス微粒子等を含む高温の排気ガスが排出される。また、圧力計１４によって反応容器１０内の圧力が看視され、その圧力の変動に伴い排気量制御部１５により排気量調整弁２３の開閉動作を制御して、反応容器１０内の圧力を一定に保つ。
反応容器１０内の圧力を一定に維持することで、ガラス微粒子の堆積を安定して行うことができ、良好な品質のガラス母材を製造することができる。

排気量調整弁２３を通った排気ガスは、接続部２２の上流側近傍に設けられた温度計２６によって温度が測定される。そして、その測定した温度値が導入量制御部２７に送られる。導入量制御部２７では、排気ガスの温度がプラスチック含有ダクト２１の使用許容温度を超えることを未然に防ぐために、金属ダクト２０への空気の導入を開始する冷却基準温度が設定されている。この冷却基準温度は、使用許容温度より低く設定される。例えば、使用許容温度が２００℃である場合には、１６５℃を空気導入開始の冷却基準温度とし、温度計２６の温度がこの冷却基準温度を超えたときに空気調整弁２５を開いて、金属ダクト２０に空気を導入する。また、１５０℃でアラームを発するように設定しておき、排気ガスの温度が冷却基準温度に近づいたことを作業者に報知するようにしても良い。

このように、金属ダクト２０に空気を導入することで、プラスチック含有ダクト２１に導入される排気ガスの温度を、プラスチック含有ダクト２１の使用許容温度より低く保つことができる。また、空気の導入量が多いほど排気ガスの温度を低くすることができるが、排気ガス処理部３０へ導入する排気ガスの流量が、排気ガス処理部３０の処理能力を超えないように、空気の導入量はできるだけ少なく抑えたほうが良い。
そのため、金属ダクト２０への空気の導入開始後も、温度計２６により測定した温度の変動とともに空気調整弁２５の開閉を制御し、空気の導入量を増減させることで、必要以上に空気を導入することを防ぎ、排気ガスの温度を効率的に使用許容温度より低く保つことができる。

また、上記の実施形態の例では、冷却基準温度を設定し、この冷却基準温度を超えたときに空気の導入を開始するが、本発明においては、特に冷却基準温度は設定せず空気の導入を常に行っても良い。その場合には、温度計２６により測定した温度の変動とともに空気調整弁２５の開閉を制御して空気の導入量を増減させることで、プラスチック含有ダクト２１に導入される排気ガスの温度を、プラスチック含有ダクト２１の使用許容温度より低く保つことができる。

なお、空気導入ダクト２４から最大限に空気を導入して、プラスチック含有ダクト２１に導入される排気ガスを冷却してもその温度上昇が抑えられず、温度計２６によって測定した温度が使用許容温度に近い警告温度となった場合には、反応容器１０の稼動を停止させると良い。これにより、プラスチック含有ダクト２１の劣化を防止することができる。なお、警告温度はそのプラスチック含有ダクトの種類に合わせて、作業者が適宜設定しておくものであり、プラスチック含有ダクト２１がガラスＦＲＰで形成されている場合、例えば、２００℃とすることができる。

また、図１に示した形態は、温度計２６を接続部２２の上流側近傍に設け、プラスチック含有ダクト２１に導入される直前の排気ガスの温度を基準として空気の導入を行うものであるが、温度を測定する位置はこれに限られるものではない。
例えば、空気導入ダクト２４より上流側の位置で金属ダクト２０内に温度計２６を設けても良い。もしくは、温度計２６をプラスチック含有ダクト２１の内側に設けても良い。これらの場合には、温度計２６を設けた位置の排気ガスの温度とプラスチック含有ダクト２１内に導入される排気ガスの温度との関係を調べておき、排気ガスがプラスチック含有ダクト２１に導入されたときに使用許容温度以下となるように、上記の冷却基準温度とは別の基準温度を設定して空気の導入を行うと良い。

次に、図３を参照して、複数の反応容器の排気ガスを１つの排気ガス処理部により処理する形態について説明する。
図３に示すように、このガラス母材の製造装置２は、反応容器１０を３つ備えており、それぞれの反応容器１０に接続された個々の金属ダクト２０ａに、それぞれ排気ガスが排出される。個々の金属ダクト２０ａは、１本の金属ダクト２０ｂに合流するように接続されている。金属ダクト２０ｂは、プラスチック含有ダクト２１に接続されている。プラスチック含有ダクト２１は、図１に示した形態と同様に、１つの排気ガス処理部３０（図１参照）に接続されている。

個々の金属ダクト２０ａの途中には、それぞれ排気量調整弁２３ａが設けられており、図１に示した形態と同様に、反応容器１０の内圧を一定に保つように弁の開閉状態が制御される。また、金属ダクト２０ｂに接続する直前の位置の金属ダクト２０ａ内には、それぞれ温度計２６ａが備えられており、個々の反応容器１０から排出された合流前の排気ガスの温度が測定される。合流される金属ダクト２０ｂには、その上流側の端部に、図１に示した形態と同様の空気導入ダクト２４、空気調整弁２５及び導入口２８が設けられており、金属ダクト２０ｂ内に室温の空気を導入することができる。

接続部２２の上流側近傍位置の金属ダクト２０ｂ内には、温度計２６が備えられており、３つの反応容器１０から排出された排気ガスが個々の金属ダクト２０ａから合流して、プラスチック含有ダクト２１に導入される直前の排気ガスの温度を測定することができる。この温度計２６と、空気調整弁２５は、図１に示した形態と同様に導入量制御部２７に接続されている。よって、上述した実施形態と同様の方法で、プラスチック含有ダクト２１に導入される排気ガスの温度を使用許容温度以下に保つことができる。

また、この図３に示した形態のように、複数の反応容器から１つの排気ガス処理部によって排ガス処理を行う場合には、例えば何れか１つの反応容器における温度が通常の稼動状態の温度より上昇した際に、個々の金属ダクト２０ａに設けられた温度計２６ａよってその温度上昇を検知することができる。したがって、空気導入ダクト２４から最大限に空気を導入して、プラスチック含有ダクト２１に導入される排気ガスを冷却してもその温度上昇が抑えられず、温度計２６によって測定した温度が警告温度となった場合には、３つの温度計２６ａのうち最も測定温度が高い箇所の反応容器１０の稼動を停止させると良い。
これにより、プラスチック含有ダクト２１に導入される排気ガスの温度が使用許容温度を超えそうな場合に、全ての反応容器におけるガラス母材の製造を停止する必要がなく、製造効率の低下を極力抑えることができる。

なお、上記の実施形態では、反応容器内で行われるガラス母材の製造がＶＡＤ法のものを示したが、ＯＶＤ法やその他の気相合成法を用いてガラス母材を製造しても良い。

以上説明したように、上記実施形態のガラス母材の製造方法によれば、プラスチック含有ダクトに導入される排気ガスの温度を使用許容温度以下に保つことができる。また、従来の方法より金属ダクト内の冷却効率が良いため、高価なニッケル等を用いた金属ダクトの長さを短くすることができ、ダクトの設備コストを少なく抑えることができる。また、冷却用ガスの導入によっても排気ガスの温度上昇が抑えられない場合には、ガラス母材の製造を停止して、ダクトの火災等を未然に防止することができる。

本発明に係るガラス母材の製造方法を実施できる製造装置を示す概略構成図である。 図１に示した排気ガス処理部の構成を示す模式図である。 図１の反応容器が複数設けられた場合の製造装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１，２ ガラス母材の製造装置
１０ 反応容器
１１ 出発棒
１２ バーナ
１３ 排気口
１４ 圧力計
１５ 排気量制御部
２０ 金属ダクト
２１ プラスチック含有ダクト
２２ 接続部
２３ 排気量調整弁
２４ 空気導入ダクト
２５ 空気調整弁
２６ 温度計
２７ 導入量制御部
２８ 導入口
３０ 排気ガス処理部
Ｇ 多孔質ガラス母材

Claims (4)

1. 火炎を用いてガラス微粒子を堆積してガラス母材を製造する反応容器から、金属ダクトと前記金属ダクトより下流側のプラスチック含有ダクトとを通して前記反応容器内の排気ガスを排出する際、
   前記排気ガスの温度を測定し、前記プラスチック含有ダクトに導入される前記排気ガスの温度が前記プラスチック含有ダクトの使用許容温度を超えないように、冷却用ガスを前記金属ダクト内に導入する量を制御するガラス母材の製造方法。
2. 前記測定した温度が冷却基準温度以下であるときには、前記冷却用ガスの導入を行わず、
   前記測定した温度が前記冷却基準温度を超えたときには、前記冷却用ガスを前記金属ダクト内に導入する請求項１に記載のガラス母材の製造方法。
3. 前記測定した温度の変動に応じて、前記冷却用ガスの導入量を制御する請求項１または２に記載のガラス母材の製造方法。
4. 複数の前記反応容器から個々の前記金属ダクトに導入されたそれぞれの前記排気ガスの温度と、前記個々の金属ダクトから合流された排気ガスの温度とを測定し、前記合流された排気ガスの温度が警告温度を超えたときに、
   前記合流する前の測定温度が最も高い前記排気ガスを排出する前記反応容器のガラス母材の製造を停止する請求項１から３の何れか１項に記載のガラス母材の製造方法。

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