JP2005314184A - ガラス部材の加熱装置及び加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炉心管の分割部にＯリング等のシール部材により密封可能とするガラス部材の加熱装置を提供する。
【解決手段】石英製の炉心管１１の外周部に加熱部材１３を配して炉体壁１４で取り囲み、炉心管１１内に収納されたガラス部材を熱処理する加熱装置であって、炉体壁１４から外部に露出する炉心管の少なくとも一方の端部に設けたフランジ部１１ａの近傍に、屈曲形状で形成された光の伝搬を遮蔽する部分１６を設け、フランジ部１１ａに耐熱樹脂系のリング等のシール部材１７を介して蓋部材１２を連結するようにしたものである。光の伝搬を遮蔽する部分は、不透明石英１５で形成してもよい。また、フランジ部１１ａの近傍に放熱フィン或いは冷媒による冷却手段を追加的に設けるようにしてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ母材等のガラス部材の脱水・焼結等の熱処理を行なうのに用いられるガラス部材の加熱装置及び光ファイバ母材の加熱方法に関する。

光ファイバの製造に用いる光ファイバ母材は、通常、ガラス微粒子を堆積させて多孔質のガラス部材を製造した後、このガラス部材を脱水・焼結等の加熱処理を行なって透明ガラス化して作製される。また、透明ガラス化されたガラス部材をさらに加熱軟化させて、所定の外径となるように延伸する場合もある。このようなガラス部材等の加熱処理では、ガラス部材を気密性のよい石英製の炉心管内に入れ、炉心管内にヘリウムや塩素ガスを入れて１０００℃以上の高温の加熱処理が行なわれる。

炉心管内にガラス部材を収納し取出すためには、少なとも炉心管の一方の端部にガラス部材の出入口となる部分が必要とされる。この出入口としては、通常、炉心管の端部を分離可能な部材で閉じるようにし、両者の接合部にフランジを一体に設けて、このフランジを固定部材で互いに接合する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。図４は、前記特許文献１に開示の炉心管の構成を示す図で、図４（Ａ）は反応管の断面図、図４（Ｂ）はフランジ部分の拡大図である。図中、１は反応管、２ａは反応管中央部、２ｂは反応管上部、２ｃは反応管下部、３，４はフランジ、５ａはガス排出口、５ｂはガス導入口、６は加熱ヒータ、７はシールガス通路、８はフランジ固定部材を示す。

反応管１は、上下端部に分割部を設け、反応管中央部２ａの上下端に反応管上部２ｂと反応管下部２ｃを分離可能に接合するように構成されている。反応管上部２ｂには上端壁部に光ファイバ母材Ｇを吊下げ支持するガラスロッドを挿通させる貫通孔を有し、側壁には反応管内に導入されたガスを排出するガス排出口５ａを有している。また、反応管下部２ｃも反応管上部２ｂと同じような形状で、ガス導入口５ｂを有している。

反応管１の分割部である反応管中央部２ａの両端には、フランジ３が一体に設けられ、反応管上部２ｂ及び反応管下部２ｃにも、フランジ４が一体に設けられる。通常、フランジ３と４を高精度に研磨し、研磨されたフランジ面を互いに接合して、フランジ固定部材８で反応管中央部２ａと反応管上下部２ｂ，２ｃを固定している。しかし、単にフランジ面を物理的に接合させるだけでは十分な気密性は得られず、或いは、フランジ４が熱により変形して接合面に隙間が生じて、反応管内にヘリウムガスや塩素ガスを導入して熱処理を行なう場合は反応管内の圧力により導入ガスが外部に漏出したり、また大気が反応管内に侵入することがある。

反応管１から有害な塩素ガス等が外部に漏出すると人体等に悪影響を及ぼし、反応管１内に大気が流れ込むと大気に混入された金属イオン等が光ファイバ母材内に侵入して光ファイバの伝送特性に悪影響を及ぼす。上記特許文献１では、例えば、フランジ３又は４のいずれかに環状の溝を形成して、フランジ接合面にシールガス通路７を周回するように設けている。このシールガス通路７に不活性ガス等のシールガスを封入又は流すことにより、反応管内部の雰囲気ガスがフランジ３，４の接合面から外部に漏れたり、外部の大気がフランジ３，４の接合面から反応管内に侵入するのを防止している。
特開２００２−２１１９４３号公報

しかしながら、フランジ接合面をシールガスで封止するとしても、シールガス自体が反応管（以下、炉心管という）内に侵入したり、外部に漏出しないようにする必要がある。炉心管内にヘリウムガスを導入する場合には、シールガスにヘリウムを用いれば、炉心管内への侵入は問題ないとしても、ヘリウムは価格的に高価であるので、シールガスとして多量のヘリウムガスが必要となりランニングコストがかさんでしまう。したがって、シールガスを用いたシールでは、接合面の研磨は依然として高精度仕上げを要する上に、完全な密閉構造とはならず、また、シールガスの供給によるコスト増が生じるという問題がある。

一般に、管状体の接合部の密封には、ゴムや合成樹脂からなるＯリング等のシール部材を用いることで高度な気密封止を得ている。しかし、上述のような用途の炉心管においては、加熱作用部の加熱温度が１０００℃を越える高温となり、シール部材使用可能な温度（例えば、２５０℃以下）とするには、炉心管の分割部を加熱部から相当離れた位置に形成しなければならず、実質的に不可能である。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、炉心管の分割部にＯリング等のシール部材により密封可能とするガラス部材の加熱装置及び光ファイバ母材の加熱方法の提供を課題とする。

本発明によるガラス部材の加熱装置は、石英製の炉心管の外周部に加熱部材を配して炉体壁で取り囲み、炉心管内に収納されたガラス部材を熱処理する加熱装置であって、炉体壁から外部に露出する炉心管の少なくとも一方の端部に設けたフランジ部の近傍に、屈曲形状で形成された光の伝搬を遮蔽する部分を設け、フランジ部に耐熱樹脂系のリング等のシール部材を介して蓋部材を連結するようにしたものである。光の伝搬を遮蔽する部分は、不透明石英で形成してもよい。また、フランジ部の近傍に放熱フィン或いは冷媒による冷却手段を追加的に設けるようにしてもよい。

本発明によれば、加熱装置の炉体壁から外部に突き出る炉心管端部の温度を、２５０℃以下とすることができ、炉心管端部にＯリング等のシール部材を用いて蓋部材を連結することが可能となる。この結果、炉心管と蓋部材の連結部分から有害ガスが漏出するのを確実に防止し、また、連結部分から大気が炉心管内に侵入するのを確実に防止することができる。また、そのコストも低廉である。

図１により本発明の実施の形態を説明する。図１（Ａ）は炉心管のフランジ部近傍を屈曲形状とした例を示す図、図１（Ｂ）は炉心管のフランジ部近傍を不透明石英で屈曲形状とした例を示す図である。図中、１０は加熱装置、１１は炉心管、１１ａ，１１ｂはフランジ、１２は蓋部材、１２ａはフランジ、１３は加熱ヒータ、１４は炉体壁、１５は不透明石英、１６は屈曲形状部、１７はシール部材を示す。

加熱装置１０は、石英製の炉心管１１の少なくとも一方の端部（例えば、上部側）を分離可能な蓋部材１２で閉塞し、炉心管１１の外周部に加熱部材としての加熱ヒータを配し、炉体壁１４で取り囲んで構成される。また、炉心管１１の上端部は、炉体壁１４の上壁面から外部に露出されていて、分離可能な蓋部材１２を介して、炉心管内へ光ファイバ母材等のガラス部材を収納し、取出せるようにされる。

炉体壁１４から露出された炉心管１１の上端部には、蓋部材１２を連結固定するためのフランジ１１ａ及び炉体壁１４への取付固定を行なうためのフランジ１１ｂが一体に設けられる。蓋部材１２は、炉心管１１と同様な石英で形成されているのが望ましいが、必ずしも同じ材質の石英である必要はなく、また、耐熱性のある他の材料で形成されていてもよい。また、蓋部材１２には、図１では省略しているが図４で示したような光ファイバ母材を移動可能に挿通させる貫通孔及び炉心管内のガスを排出するガス排出口が設けられている。なお、炉心管１１の下端側については図示を省略しているが、分離しない閉塞構造としてもよく、図４で示されるのと同様に分離可能な下部蓋部材を用いた開放構造とするようにしてもよい。

石英製の炉心管を用いた場合、加熱ヒータによる熱はガラス部材の熱処理形態によって異なるが、例えば、光ファイバ母材の焼結には１０００℃以上必要とされ、炉心管１１の加熱部は赤熱状態となる。このため、通常の構成では、蓋部材１２との連結部分で５００℃位の高温度となる。熱の伝達は、一般に伝導、輻射、対流によって行なわれるが、石英を用いた炉心管における熱の伝達のメカニズムは、対流によるものは少なく、主として伝導と輻射によるものと考えられる。どちらの熱伝達形態が支配的となっているかは明らかでないが、炉心管１１の端部付近の光の伝搬（或いは透過）を遮蔽することで、蓋部材１２との連結部分の温度を低減できることが判明した。

本発明では、少なくとも炉心管１１が炉体壁１４から露出している部分、すなわち、フランジ１１ａと１１ｂの間に、加熱ヒータ１３の加熱による熱線（輻射熱）が蓋部材１２側に伝搬するのを遮蔽する遮蔽部分を設けている。この遮蔽部分を設けることにより、炉心管端部のフランジ１１ａの部分の温度を５００℃程度から２５０℃以下に下げることが可能となった。

炉心管１１の上端のフランジ１１ａの温度を２５０℃以下とすることで、蓋部材１２との連結でフランジ接合面に、例えば、フッ素樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂等の耐熱樹脂系のリングやパッキング等のシール部材１７の使用が可能となり、確実な気密封止することが可能となる。この結果、炉心管と蓋部材の連結部分から有害ガスが漏出するのを確実に防止し、また、連結部分から大気が炉心管内に侵入するのを確実に防止して、高品質の光ファイバ母材の製造と、製造環境の安全を保障することが可能となった。

光の伝搬・透過を遮蔽する手段として、図１（Ａ）に示すように、例えば、炉心管上端のフランジ１１ａの近傍の管部分を屈曲形状部１６で形成する。具体的には、端部のフランジ１１ａと炉体壁１４に固定されるフランジ１１ｂとの間の管部分を、光の直進を妨げるような光路とする。例えば、管壁の断面がコ字状、Ｕ字状、その他の種々の形状に屈曲させて、炉心管壁の長手方向に沿う直線状態を非直線状態とする。この屈曲形状部１６の光路の非直線性により、加熱ヒータ１３側からの熱線（輻射熱）はその直進を妨げられ、乱反射される形で連結部分のフランジ１１ａに達するのを遮蔽することができる。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の光の遮蔽部分に不透明石英１５を用いる例である。不透明石英１５は、石英材料内に微細な気泡を包含させることで得られ、熱源からの赤外線波長１０００〜２５００ｎｍを反射し輻射熱を遮蔽することが知られている。また、その遮蔽機能は、気泡径が小さく気泡数の密度が高い（気泡の表面積が大）ほど大きいとされている。この不透明石英１５としては、例えば、信越石英株式会社製のＯＭ−１００、東ソー・クォーツ株式会社製のＯＰ−１，ＯＰ−３等を用いることができる。

例えば、図１（Ｂ）に示すように、フランジ１１ａと１１ｂの間の管部分を上述した屈曲形状部１６とし、且つ不透明石英１５で形成する。これにより、屈曲形状の形状自体で輻射熱を反射させると同時に、不透明石英による遮蔽機能で、輻射熱が連結部分のフランジ１１ａに達するのをより効果的な遮蔽することができる。なお、図１（Ｂ）には、屈曲形状部１６を不透明石英１５で形成した例を示したが、屈曲形状部１６と不透明石英１５は別々（位置を異ならせる）であってもよい。

図２及び図３は他の実施形態を説明する図である。図２は図１の輻射熱を遮蔽する構成に加えて冷却フィンを用いる例を示す図、図３は図１の輻射熱を遮蔽する構成に加えて冷媒による冷却手段を用いる例を示す図である。図中、１８は放熱フィン、１８ａは金属円筒体、１９は冷媒からなる冷却手段、１９ａは冷却媒体通路を示し、その他の符号は図１で用いたのと同じ符号を用いることにより説明を省略する。

図２は、図１（Ａ）で示した炉心管上端のフランジ１１ａの近傍の管部分を、屈曲形状部１６で形成することに加えて、その外周に放熱フィン１８を取付けた例である。放熱フィン１８は、熱伝導性のよい銅やアルミ等の金属フィンを金属円筒体１８ａにより放射状に配列し、金属円筒体１８ａを屈曲形状部１６の外周或いは近傍を囲むように密着させて取付ける。

放熱フィン１８を用いることにより、炉心管１１の加熱部から炉心管端部のフランジ１１ａに熱伝導により伝達される熱を効果的に放散させ、また、温度上昇したフランジ１１ａ部分の熱を効果的に放散させることができる。この結果、不透明石英１５或いは屈曲形状部１６の遮蔽による温度上昇を抑制することに加えて、さらに温度を低下させることが期待でき、連結部分の密封封止により安価なシール部材１７の使用が可能となる。

図３は、図１（Ａ）で示した炉心管上端のフランジ１１ａの近傍の管部分を、屈曲形状部１６で形成することに加えて、その外周に冷媒による冷却手段１９を配設した例である。冷却手段１９の冷却媒体としては、エア、不活性ガス、水等の各種の冷却流体を用いることができ、冷却媒体通路１９ａを屈曲形状部１６の外周或いは近傍に接触するように設ける。

冷媒による冷却手段１９を用いることにより、炉心管１１の加熱部分から炉心管上端のフランジ１１ａに熱伝導により伝達される熱を効果的に放散させ、また、温度上昇したフランジ１１ａ部分の熱を効果的に放散させることができる。この結果、不透明石英１５或いは屈曲形状部１６の遮蔽による温度上昇を抑制することに加えて、さらに温度を低下させることが期待でき、連結部分の密封封止により安価なシール部材１７の使用が可能となる。また、この構成は、炉心管１１内で熱処理する加熱温度に合わせて、冷媒の種類を選択したり、冷媒の流速を選定することにより、冷却温度を調整することもできる。

以上のように構成された加熱装置を用いて、光ファイバの製造に用いられる光ファイバ母材の脱水・焼結を行ない透明ガラス化する。これには、炉心管を通して光ファイバ母材を１０００℃以上に加熱する必要があるが、炉心管の分割部分における温度は、Ｏリング等のシール部材の使用が可能な２５０℃以下とされている。このため、炉心管の分割部分は、シール部材を用いた完全な密封構造とされ、炉心管内に分割部分を通しての大気の侵入がなく、所望のガス雰囲気下における熱処理で高品質の光ファイバ母材を製造することができる。

本発明の概略と実施形態を説明する図である。 本発明の他の実施形態を説明する図である。 本発明のその他の実施形態を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

符号の説明

１０…加熱装置、１１…炉心管、１１ａ，１１ｂ…フランジ、１２…蓋部材、１２ａ…フランジ、１３…加熱ヒータ、１４…炉体壁、１５…不透明石英、１６…屈曲形状部、１７…シール部材、１８…放熱フィン、１８ａ…金属円筒体、１９…冷却手段、１９ａ…冷却媒体通路。

Claims (7)

1. 石英製の炉心管の外周部に加熱部材を配して炉体壁で取り囲み、炉心管内に収納されたガラス部材を熱処理する加熱装置であって、
   前記炉体壁から外部に露出する少なくとも一方の炉心管端部に設けたフランジ部の近傍に、屈曲形状で形成された光の伝搬を遮蔽する部分を設け、前記フランジ部にシール部材を介して蓋部材を連結したことを特徴とするガラス部材の加熱装置。
2. 前記シール部材に耐熱樹脂系のリングを用いることを特徴とする請求項１に記載のガラス部材の加熱装置。
3. 前記屈曲形状で形成した部分又はその近傍を不透明石英で形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス部材の加熱装置。
4. 前記フランジ部の近傍に放熱フィンを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガラス部材の加熱装置。
5. 前記フランジ部の近傍に冷媒による冷却手段を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガラス部材の加熱装置。
6. 前記請求項１〜５のいずれか１項に記載のガラス部材の加熱装置を用いて、ガラス部材を熱処理することを特徴とするガラス部材の加熱方法。
7. 前記ガラス部材が光ファイバ用のガラス微粒子堆積体またはガラス母材であることを特徴とする請求項６に記載のガラス部材の加熱方法。

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