JP2006076861A - 加熱炉及びそれを用いたガラス加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定性が高くかつ耐久性に優れた低コストな炉心管を備えた加熱炉及びそれを用いたガラス加工方法を提供する。
【解決手段】 本発明の加熱炉１０は、複数の分割体１４ａ〜ｅを軸方向へ積層した筒状の炉心管１３と、炉心管１３の外周に設けられたヒータ１６ａ〜ｃとを備え、炉心管１３内で多孔質ガラス母材を加熱加工する加熱炉であって、分割体１４ａ〜ｅは、リング状のスペーサ１５ａ〜ｄを介して互いに積層され、スペーサ１５ａ〜ｄは、分割体１４ａ〜ｅの端面同士の間に配置されるスペーサ部と、分割体１４ａ〜ｅの外周側または内周側の少なくとも一方で分割体１４ａ〜ｅの軸方向へ延在して分割体１４ａ〜ｅに接触する壁部１９とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガラス材料を加熱する加熱炉及びそれを用いたガラス加工方法に関する。

ＶＡＤ法やＯＶＤ法等の気相合成法では、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）等のガラス原料を酸水素火炎中で加水分解反応させることにより二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を生成し、これを出発棒に堆積させて多孔質ガラス母材を製造する。このような多孔質ガラス母材は、好ましくは真空に近い減圧雰囲気で加熱することで、焼結されて透明化される。この多孔質ガラス母材の加熱透明化は、加熱炉の炉心管内に多孔質ガラス母材を保持し、炉心管を収容した圧力容器内を減圧に保ちながら、多孔質ガラス母材を加熱することで行われる。

長尺の多孔質ガラス母材を処理する大型の炉心管にあっては、炉心管を複数分割してパッキンを介して積み上げた構造としている（例えば、特許文献１参照）。

また、炉心管を複数に分割した分割体の端面同士を嵌め合わせ構造として積み上げたものも知られている（例えば、特許文献２，３参照）。

例えば、図７に示すように、分割体５１の積層端部に径方向に交差する突条部５２，５３を形成して嵌め込み構造とすれば、単なる平面の端面同士を積層する場合と比較して、安定性の向上が図れる。

特開平６−３４５４６９号公報 特開平３−２４７５３１号公報 特開平３−１８３６３３号公報

しかし、嵌め込み構造を採用した場合には、嵌め込み構造を形成する加工費が嵩んでしまうだけでなく、積層端部における突条部５２，５３の厚みが少なくなるため、熱による耐久性が低下して劣化が起こり易くなり、長期間の使用に耐えにくい。

本発明は、安定性が高くかつ耐久性に優れた低コストな炉心管を備えた加熱炉及びそれを用いたガラス加工方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決することのできる本発明の加熱炉は、複数の筒状の分割体を軸方向へ積層した炉心管と、前記炉心管の外周に設けられたヒータとを備え、前記炉心管内で被加熱物を加熱加工する加熱炉であって、前記複数の分割体は、端面同士は結合構造を有さず、前記分割体の端面同士の間にリング状のスペーサを配置していることを特徴としている。

また、本発明の加熱炉において、前記スペーサは、前記分割体の端面同士の間に配置されるスペーサ部と、前記分割体の外周側及び内周側の少なくとも一方で前記分割体の軸方向へ延在して前記分割体に接触する壁部とを有することが好ましい。
その場合、前記スペーサは、前記壁部における前記分割体の軸方向への長さ寸法が、前記分割体の厚さ寸法の０.５倍以上であると良い。
さらに、前記分割体及び前記スペーサはカーボンから形成されていると良い。

また、本発明の加熱炉において、スペーサを形成するカーボンは、嵩密度が２.５〜０.５ｇ／ｃｍ^３の範囲内であることが好ましい。
その場合、前記スペーサは、その表面に、１５００℃の温度で酸素により分解されない材質のコーティングが施されていると良い。

また、上記課題を解決することのできる本発明のガラス加工方法は、上記加熱炉の炉心管内に被加熱物としての多孔質ガラス母材を入れてヒータにより加熱することにより、前記多孔質ガラス母材を焼結して透明ガラス化することを特徴としている。

本発明の加熱炉及びそれを用いたガラス加工方法によれば、分割体は嵌め込み構造ではないために損傷が起こりにくく、分割体の間に配置されるスペーサをその劣化状態に応じて交換すれば良い。そのため、低コストで炉心管の耐久性及び安定性を向上させることができ、被加熱物の加熱を長期間にわたり良好に行うことができる。また、炉心管の交換頻度を少なくすることができ、被加熱物の加熱加工を行うためのコストを低く抑えることができる。

以下、本発明に係る加熱炉及びそれを用いたガラス加工方法の実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る加熱炉の実施形態の一例を示す概略構成図であり、図２は、図１の炉心管の積層部分における断面図である。
図１に示すように、本実施形態で用いられる加熱炉１０は、加工を施す被加熱物である多孔質ガラス母材Ｇが配置される加熱空間１２を形成する円筒状の炉心管１３を備えている。この炉心管１３は、軸方向に複数分割された複数の分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅから構成されており、これら分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅは、リング状のスペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを介して互いに積層されている。

炉心管１３の外周側には、円筒状のヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃが設けられ、さらに、これらヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの外周側には、断熱材１７が設けられている。
炉心管１３を構成する分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ、スペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ及びヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、カーボンで形成されている。また、断熱材１７もカーボンで形成されているが、断熱材１７は、断熱効果を得るために多孔質状に形成されている。

ここで、分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ同士の積層箇所に設けられたスペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄについて、最上部のスペーサ１５ａを例にとって詳述する。
図２に示すように、このスペーサ１５ａは、分割体１４ａ，１４ｂの端面間に配設されるスペーサ部１８と、分割体１４ａ，１４ｂの外周側（図中左側）で分割体１４ａ，１４ｂの軸方向へ延在する壁部１９とを有した断面Ｔ字状に形成されている。そして、この壁部１９が分割体１４ａ，１４ｂの外周面に接触している。

このスペーサ１５ａは、壁部１９における分割体１４ａ，１４ｂの軸方向への長さ寸法Ｙと、分割体１４ａ，１４ｂの厚さ寸法Ｔとが次式（１）の関係となっている。
Ｙ≧０.５Ｔ ・・・（１）

また、このスペーサ１５ａは、多孔質構造とされており、その嵩密度は、２.５〜０.５ｇ／ｃｍ^３とされている。
さらに、このスペーサ１５ａには、表面に１５００℃の温度で酸素により分解されない材質、例えば熱分解炭素のコーティングが施されている。なお、このスペーサ１５ａのコーティングとしては炭化ケイ素（ＳｉＣ）あるいは炭化チタン（ＴｉＣ）であっても良い。

また、断熱材１７の外周側には、加熱炉１０の外殻をなす圧力容器２１が設けられている。さらに、圧力容器２１には、加熱加工時に容器内部を減圧にするためのガス排出管２２と真空ポンプ２３が設けられている。

また、炉心管１３を構成する分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅは、高純度カーボンに熱分解炭素を被覆したものである。ここでいう高純度カーボンとは、鉄（Ｆｅ）の含有量が３ｐｐｍ以下であり、全灰分が１００ｐｐｍ以下のものである。また、高純度カーボンの嵩密度は１.７ｇ／ｃｍ^３以上である。さらに、鉄の含有量が１.２ｐｐｍ以下であり、全灰分が２０ｐｐｍ以下であると、より好ましい。

なお、全灰分とは、カーボンに含まれる無機物（例えば、ケイ素、鉄、チタン、ホウ素、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム等）の合計量を指す。
また、被覆するコーティング材としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）であっても良い。

この加熱炉１０を用いて多孔質ガラス母材Ｇの透明化を行うには、まず、多孔質ガラス母材Ｇを炉心管１３の内側の加熱空間１２に保持し、真空ポンプ２３を駆動させてガス排出管２２から圧力容器２１の内部を排気して減圧環境にする。ここで、好ましい減圧環境とは、０.１Ｐａから２０Ｐａ程度の範囲内の気圧状態であることを指す。

そして、この減圧環境を保ちながら、ヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃにより炉心管１３を昇温させ、加熱空間１２の最高温度が１５００℃から１６００℃程度となるようにして多孔質ガラス母材Ｇを加熱する。
加熱された多孔質ガラス母材Ｇは、ガラス微粒子間の微細な空間が埋まって焼結し、透明化する。その際、酸素、水及び塩化水素や空気が母材の外に放出される。放出されたこれらの物質は、ガス排出管２２から排出される。

１本の多孔質ガラス母材Ｇの透明化処理を終えると、ヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの稼働を停止させて、得られたガラス母材を加熱空間１２から取り出す。そして、次の多孔質ガラス母材Ｇを加熱空間１２に導入し、圧力容器１２内を減圧環境とした後、加熱して透明化処理を行う。

本実施形態の加熱炉１０では、複数の分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ同士の間に設けたスペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが、分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅの端面間に配置されるスペーサ部１８と、分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅの外周面に接触する壁部１９とを有するので、分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅとスペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄとの径方向の位置が規制され、位置ずれを防止することができる。これにより、スペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを介して分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅを連結した炉心管１３の安定性を向上させることができる。また、分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅの厚さは変更する必要がないため、熱による耐久性も良好である。
そして、この加熱炉１０を用いれば、炉心管１３の交換頻度が少なくなり、効率的かつ低コストに多孔質ガラス母材Ｇの透明化処理を行うことができる。

特に、スペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの壁部１９における分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅの軸方向への長さ寸法Ｙを、分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅの厚さ寸法Ｔの０.５倍以上とすることにより、分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅへのスペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの安定性をより高めることができる。

また、スペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを、カーボンから形成することにより、例えば、１６００℃以上の高温環境にも耐え、しかも、急激な温度変化にも耐えるものとすることができる。しかも、嵩密度が２.５〜０.５ｇ／ｃｍ^３であるカーボンから形成することにより、装着時に若干弾性変形して分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅとの十分な密着力を得ることができ、安定性をさらに高めることができる。嵩密度が０.５ｇ／ｃｍ^３以上であると、スペーサとして要求される強度を備えることができる。また、嵩密度が２.５ｇ／ｃｍ^３以下であると、積層部分の気密性を発揮するパッキンとして機能させることができる。なお、気密性を確実に得るために、スペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄとは別のパッキンをさらに使用しても良い。

また、スペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの表面に、熱分解炭素、炭化ケイ素もしくは炭化チタンのコーティングを施すことにより、多孔質ガラス母材Ｇの透明化処理時に生じる酸素や水等との反応を抑制し、劣化を抑えることができ、長寿命化を図ることができる。さらに、スペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが上記のように多孔質である場合には劣化が進行しやすいため、このようなコーティングが特に有効である。

また、分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅは嵌合構造を有しないため劣化や損傷が起こりにくいが、スペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは分割体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅより劣化や損傷が起きやすいと考えられる。そのため、炉心管１３の使用回数に応じてスペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄのみを新規のものに交換することで、炉心管１３の品質を維持することができる。

なお、スペーサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの形状としては、上記の断面Ｔ字状のものに限らない。
ここで、他の形状のスペーサについて説明する。
図３に示すスペーサ１５ａは、スペーサ部１８の外周側（図中左側）及び内周側（図中右側）の両方に、分割体１４ａ，１４ｂの軸方向へ延在する壁部１９を有した断面Ｈ字状となっている。これら壁部１９は、分割体１４ａ，１４ｂの外周面及び内周面にそれぞれ接触する構造をなしている。

図４に示すスペーサ１５ａは、スペーサ部１８の外周側（図中左側）に、分割体１４ａ，１４ｂの軸方向へ延在する壁部１９を有し、内周側（図中右側）に、下方の分割体１４ｂの軸方向へ延在する壁部１９を有している。
また、図５に示すスペーサ１５ａは、スペーサ部１８の外周側に、上方の分割体１４ａの軸方向へ延在する壁部１９を有している。

図６に示すスペーサ１５ａは、スペーサ部１８の外周側（図中左側）及び内周側（図中右側）の両方に、分割体１４ａ，１４ｂの軸方向へ延在する壁部１９を有した断面視Ｈ字状とされ、壁部１９の外面が円弧状に形成されている。

なお、本発明において用いるスペーサは、上記のように一体構造である必要は無く、複数部材を組み合わせたものであっても良い。例えば別体構造のスペーサ部と壁部とを一体化したものであってもよい。
また、分割体同士を積層させる部分の固定にスペーサを用いず、分割体の外側から分割体同士を連結させたり固定したりする構成とすることもできる。

なお、上記実施形態では、多孔質ガラス母材Ｇを加熱透明化する加熱炉１０を例にとって説明したが、本発明は、例えば、光ファイバ母材を加熱溶融して光ファイバを線引きする線引き炉としての加熱炉や、ガラスロッドを加熱溶融して延伸する加熱炉にも適応可能である。

図１に示した構成の加熱炉１０により、多孔質ガラス母材Ｇの加熱透明化処理を行った。
用いた多孔質ガラス母材Ｇは、ＶＡＤ法により製造したものであり、直径６０ｍｍ、長さ４００ｍｍである。また、炉心管は、図１に示すように、複数の分割体をスペーサを介して縦方向に重ねて設置し、各分割体は、内径１００ｍｍ、肉厚２０ｍｍの円筒形状で、上下の積層端面が平面状のカーボン製である。スペーサは、図２に示した断面Ｔ字状のものを用いた。

また、比較例として、分割体の連結端部に径方向に交差する突条部を形成して嵌め込み構造とした炉心管（図７参照）を備えた加熱炉により、上記多孔質ガラス母材の加熱透明化処理を行った。
その結果、嵌め込み構造の炉心管を備えた比較例の加熱炉では、積層部分における劣化により、約１００本の多孔質ガラス母材を透明化した時点で炉心管の交換が必要となった。

これに対して、本実施形態に係る断面Ｔ字状のスペーサを用いた炉心管の場合では、炉心管を交換するまでに、比較例の約２倍である２００本以上の多孔質ガラス母材を透明化することができた。
また、炉心管を交換する場合においてもスペーサの劣化はみられず、炉心管を３回交換しても、スペーサは十分使用可能であった。

また、表面を炭化ケイ素でコーティングしたスペーサを使用した場合には、表面処理を施さない場合と比較して、交換頻度を３分の１に低減させることができた。
このように、スペーサ部と壁部とを備えたスペーサを用いることにより、炉心管の分割体として積層端面が平面状のものを使用することができる。そして、この積層端面が平面状の分割体からなる炉心管によれば、熱による劣化を抑制することができ、炉心管の長寿命化を図れることがわかる。

本発明に係る加熱炉の一実施形態の概略構成図である。 分割体の積層部分における断面図である。 他の断面形状のスペーサを示す炉心管の積層部分における断面図である。 他の断面形状のスペーサを示す炉心管の積層部分における断面図である。 他の断面形状のスペーサを示す炉心管の積層部分における断面図である。 他の断面形状のスペーサを示す炉心管の積層部分における断面図である。 嵌め込み構造を有する炉心管の積層部分における断面図である。

符号の説明

１０ 加熱炉
１３ 炉心管
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ 分割体
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ スペーサ
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ ヒータ
１７ 断熱材
１８ スペーサ部
１９ 壁部
２１ 圧力容器
２２ ガス排出管
２３ 真空ポンプ
Ｇ 多孔質ガラス母材

Claims (7)

1. 複数の筒状の分割体を軸方向へ積層した炉心管と、前記炉心管の外周に設けられたヒータとを備え、前記炉心管内で被加熱物を加熱加工する加熱炉であって、
   前記複数の分割体は、端面同士は結合構造を有さず、前記分割体の端面同士の間にリング状のスペーサを配置していることを特徴とする加熱炉。
2. 前記スペーサは、前記分割体の端面同士の間に配置されるスペーサ部と、前記分割体の外周側及び内周側の少なくとも一方で前記分割体の軸方向へ延在して前記分割体に接触する壁部とを有することを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
3. 前記スペーサは、前記壁部における前記分割体の軸方向への長さ寸法が、前記分割体の厚さ寸法の０.５倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の加熱炉。
4. 前記分割体及び前記スペーサはカーボンから形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の加熱炉。
5. 前記スペーサを形成するカーボンは、嵩密度が２.５〜０.５ｇ／ｃｍ^３の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の加熱炉。
6. 前記スペーサは、その表面に、１５００℃の温度で酸素により分解されない材質のコーティングが施されていることを特徴とする請求項５に記載の加熱炉。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の加熱炉の炉心管内に被加熱物としての多孔質ガラス母材を入れてヒータにより加熱することにより、前記多孔質ガラス母材を焼結して透明ガラス化することを特徴とするガラス加工方法。

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