JP2007131474A - 加熱炉、及びワークの加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで炉内の雰囲気を維持して炉内材質の酸化劣化を防止することができる加熱炉、及びワークの加熱方法を提供する。
【解決手段】本発明の加熱炉１１は、入口２０及び出口２２の少なくとも一方に、開口度可変のシャッター２１を有し、シャッター２１のシャッター部材３０には、その移動平面内における開口部３３の内側へ向けてガスを噴出する内側ガス噴出口３４と、シャッター部材３０をその移動平面内における開口部３３の外側へ向けてガスを噴出する外側ガス噴出口３５が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、入口及び出口の少なくとも一方にシャッターが設けられた加熱炉、及びその加熱炉を用いたワークの加熱方法に関する。

抵抗加熱方式や誘導加熱方式でワークの加熱を行う加熱炉に関する技術として、例えば光ファイバの線引き炉や光ファイバ母材の焼結炉、延伸炉などがある。

この種の加熱炉を構成する炉心管や発熱体としては、カーボンが広く用いられているが、炉内材質の酸化劣化を防止するために、炉内は不活性ガス雰囲気とする必要がある。一方、光ファイバや光ファイバ母材の長手方向の均一性を確保するために、光ファイバ母材であるワークの表面は清浄に保つ必要がある。この２点を満たすために、加熱炉の炉心管と光ファイバ母材の間には一定の隙間を設け、その隙間に不活性ガスを注入することで炉内の酸化を防止するガスシール構造を採用する場合が多い。

上記のようなガスシールを良好に行うためには、炉の入口及び出口の少なくとも何れか一方で、ワークとの隙間を適正に調節する必要がある。このため、ワークの外径を非接触式の外径測定器で検出し、この外径測定器の検出結果に基づいて、加熱炉の上部のシールリングの開口度を変える技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１６１５４５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたような技術では、加熱炉の入口や出口でワークの外径をモニタしている。

本発明は、ワークの外径をモニタしなくても炉内の雰囲気を維持して炉内材質の酸化劣化を防止することができる加熱炉、及びワークの加熱方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決することのできる本発明に係る加熱炉は、入口及び出口の少なくとも一方に、開口度可変のシャッターを有する加熱炉であって、前記シャッターには、その移動平面内における開口の内側へ向けてガスを噴出する内側ガス噴出口と、当該シャッターをその移動平面内における開口の内側へ向けて付勢する付勢手段とが設けられていることを特徴としている。

本発明に係る加熱炉において、前記付勢手段は、前記シャッターの移動平面内における開口の外側へ向けてガスを噴出する外側ガス噴出口であることが好ましい。

また、本発明に係る加熱炉において、前記付勢手段は、前記シャッターの移動平面内における開口の内側へ向けて前記シャッターを弾性的に付勢するバネであることが好ましい。

また、上記課題を解決することのできる本発明に係るワークの加熱方法は、棒状のワークを加熱炉で加熱する方法であって、加熱炉の入口及び出口の少なくとも一方にシャッターを設け、前記シャッターから前記ワークに向けてガスを噴出するとともに前記シャッターを前記ワークに向けて付勢して、前記シャッターと前記ワークとの距離を調整することを特徴としている。

本発明によれば、シャッターから開口内のワークに向けてガスを噴出するとともにシャッターをワークに向けて付勢することにより、ワークの外径の変化に応じてシャッターとワークとの間のガスからシャッターが受ける力が変化して、シャッターが移動する。したがって、ワークの外径を測定してそれにシャッターの開口度をあわせる操作をしなくても良好にシャッターとワークとの距離を調整することができ、炉内の雰囲気を維持して炉内材質の酸化劣化を防止することができる。

以下、本発明に係る加熱炉、及びワークの加熱方法の実施形態の例について説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明に係る加熱炉の第１実施形態を示す全体構成図であり、図２は図１の入口シャッターを示す正面図である。
この加熱炉１１では一方側（図１における右側から）からインゴット（ワーク）１２が挿入される。

加熱炉１１は、略円筒状の炉体１５の内側に円筒形のカーボンからなる炉心管１６が設けられており、この炉心管１６と炉体１５との間には抵抗加熱式の発熱体１７が設けられている。発熱体１７の発熱により炉心管１６が昇温し、その内側に配置されたインゴット１２が炉心管１６の熱により加熱される。

また、加熱炉１１の入口２０には、この加熱炉１１に供給されるインゴット１２との隙間を調整して加熱炉１１の内部をガスシールするための入口シャッター（シャッター）２１が設けられている。炉心管１６における入口シャッター２１よりも下流側（図中左側）には、炉心管１６の内側の空間にアルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガスを供給するガスシール用のガス供給部（図示省略）が設けられている。
さらに、加熱炉１１の出口２２には、入口シャッター２１と対を成す出口シャッター（シャッター）２３が設けられている。

図２に示すように、入口シャッター２１は、略矩形板状の一対のシャッター部材３０を有しており、これらシャッター部材３０は、板厚方向に直交する方向であって互いに近接または離間する方向に、共通の上下一対のガイド３１によってスライド可能に支持されている。各シャッター部材３０の対向側には、略半円形状をなして板厚方向と直交する方向に凹む半割開口部３２がそれぞれ形成されている。

各シャッター部材３０の両半割開口部３２で形成される略円形状の開口部３３の内側に、径の太い棒状のインゴット１２が挿通される。これにより、各シャッター部材３０は、相互に近接または離間するように厚さ方向と直交する方向にスライド移動することでインゴット１２との間に形成される加熱炉１１の入口２０の開口度を変えるようになっている。

また、各シャッター部材３０には、その移動平面内における開口部３３の内側へ向けてガスを噴出する内側ガス噴出口３４と、その移動平面内における開口部３３の外側へ向けてガスを噴出する外側ガス噴出口３５がそれぞれ設けられている。そして、各シャッター部材３０には、半割開口部３２の中央位置に内側ガス噴出口３４を開口させて内側にガスを噴出するための内側ガス噴出流路３６がそれぞれ形成されており、また、この内側ガス噴出口３４とは略１８０度反対方向に向けられた外側ガス噴出口３５を開口させて外側にガスを噴出するための外側ガス噴出流路３７がそれぞれ形成されている。

各シャッター部材３０において、内側ガス噴出流路３６及び外側ガス噴出流路３７には、何れもガスが導入されるようになっており、各シャッター部材３０にガスが導入されると、各シャッター部材３０は、それぞれ、内側ガス噴出口３４からシャッター部材３０の移動平面内における開口部３３の内側へ向けて、すなわちインゴット１２の側にガスを噴出するとともに、外側ガス噴出口３５からシャッター部材３０の移動平面内における開口部３３の外側へ向けて、すなわちインゴット１２とは反対側にガスを噴出することになる。

ここで、各シャッター部材３０に導入されるガスとしては、上記のガスシール用のガス供給部と同様に、炉心管１６の酸化防止のため、酸素を含まない例えばアルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガスが用いられることになり、好ましくはガスシール用のガス供給部と同じ種類のガスが用いられる。

このような入口シャッター２１は、インゴット１２に向かう内向きのガスとその略１８０度反対方向に向かう外向きのガスとを各シャッター部材３０から噴出させる。このとき、両ガスによりシャッター部材３０が受ける力の釣り合いで、各シャッター部材３０は止まっている。つまり、外側ガス噴出口３５は各シャッター部材３０をその移動平面内における開口部３３の外側へ向けて付勢する付勢手段として機能する。

そして、インゴット１２の径が変化（例えば径が漸減／漸増）すると、各シャッター部材３０とインゴット１２との間の隙間が変化し、それにより開口部３３の気圧が変化する。インゴット１２の径が減ると気圧が下がり、インゴット１２の径が増えると気圧が上がる。これにより、インゴット１２と各シャッター部材３０との間の気体からシャッター部材３０が受ける力が変化して各シャッター部材３０が自ら移動する。気圧が上がると外向きに移動する一方、気圧が下がると内向きつまりインゴット１２の向きに移動する。外向きのガスの反力があるので各シャッター部材３０は、力が釣り合ったある位置で止まる。このようにインゴットの径の変化に追随してシャッターが開閉する。

つまり、棒状のインゴット１２を加熱炉１１で加熱する際に、加熱炉１１の入口２０に設けた入口シャッター２１の各シャッター部材３０からガスをインゴット１２に向けて噴出させるとともに、逆方向にも噴出させることで各シャッター部材３０をインゴット１２に向けて付勢して、入口シャッター２１の各シャッター部材３０とインゴット１２との距離を調整する。
図２では開口部３３が半円に近いものを示したが、縦に長い半長円とするとインゴットの径が太い箇所がシャッター部材３０を通過するときのシャッター部材３０間の隙間を小さくすることができる。

ここで、より詳細に説明すると、仮にシャッター部材３０とインゴット１２との間の空間の容積を密閉度ｓと定義し、この密閉度の関数として供給するガスの圧力を力Ｅｐとして伝達する圧力伝達効率をＥｐ（ｓ）と定義して、供給するガスによりシャッター部材３０が受ける力をＦｐ＝ＰＥｐ（ｓ）とすると、シャッター部材３０の内側ガス噴出口３４から噴出するガスの圧力がＰ１、外側ガス噴出口３５から噴出するガスの圧力がＰ２の場合、Ｐ１Ｅｐ（ｓ１）＝Ｐ２Ｅｐ（ｓ２）となるように密閉度ｓ１が決まるが、シャッター部材３０の外側ガス噴出口３５の前面に障害物がなければ、これは一定と考えられるため、密閉度ｓ１が一定となるように動作する。つまり、インゴット１２とシャッター部材３０との間の距離が一定に保たれる。

ここで、上記したシャッター部材３０を案内するガイド３１としては、滑り抵抗の少ないものを採用することによって、わずかな力の変化でも各シャッター部材３０が移動可能であるようにするのが良い。例えば、各シャッター部材３０の重力による摩擦抵抗を少なくするために、下側のガイド３１からガスを噴出させて少しシャッター部材３０を浮き上がらせる構造とすることもできる。

また、出口シャッター２３についても入口シャッター２１と同様の開口度可変の構造とされている。なお、入口シャッター２１及び出口シャッター２３のうちの何れか一方に上記構造を適用することも可能である。

このように、第１実施形態の加熱炉１１によれば、入口２０に開口度を可変にするために設けられた入口シャッター２１の各シャッター部材３０に、その移動平面内の開口部３３の内側へ向けてガスを噴出する内側ガス噴出口３４と、移動平面内における開口部３３の外側へ向けてガスを噴出する外側ガス噴出口３５とが設けられており、ガスの噴出のバランスでインゴット１２とシャッター部材３０との間の距離を一定に保つことができる。よって、ガスを噴出させるようにすればインゴット１２の外径を測定する外径測定器及びその検出結果に基づいてシャッター開口度を調節する機構等が不要となり、低コストで良好にガスシールを行うことができる。また、出口シャッター２３も同様の構造であるため同様の効果を奏することができる。

なお、上記した実施形態では、炉心管１６が水平方向に配置された横型の加熱炉を例に挙げて説明したが、炉心管１６が鉛直方向に配置された縦型の加熱炉にも適用可能である。この場合、ガスを噴出させてシャッター部材を炉体に対し少し浮き上がらせる構造とすることもできる。

また、内側ガス噴出口３４及び外側ガス噴出口３５からシャッター部材３０の移動平面内の内側と外側に向けてガスを噴出させるというのは、移動平面内方向と全く同じでなくても、移動方向に推力を発生可能な方向にガスを噴出させれば良い。

さらに、内側ガス噴出口３４及び外側ガス噴出口３５がガスを噴出する方向を互いに反対方向に向けている構成は、厳密に１８０度反対方向でなくても良く、両者のガスにより作用する力が釣り合うことができれば良い。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る加熱炉、及びワークの加熱方法の第２実施形態について説明する。
図３は、第２実施形態における入口シャッターを示す正面図である。なお、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付しその説明は省略する。

第２実施形態では、第１実施形態における加熱炉１１の入口シャッター２１の構造を図３に示す入口シャッター２１ａのように変更している。入口シャッター２１ａは、各シャッター部材３０ａに付勢手段としての外側ガス噴出口を含む外側ガス噴出流路が設けられておらず、その代わりにバネ４０が、各シャッター部材３０ａの半割開口部３２とは反対側にそれぞれ設けられている。つまり、各シャッター部材３０ａの半割開口部３２とは反対の後面と後面に対向する位置固定のベース壁部４１との間にバネ４０がそれぞれ介装されている。バネ４０はシャッター部材３０ａの内側ガス噴出口３４のガス噴出方向に沿ってこの噴出方向と同じ方向に付勢力を発生させ、シャッター部材３０ａをその移動平面内における開口の内側へ向けて弾性的に付勢する。

このような入口シャッター２１ａは、インゴット１２に向かう内向きのガスを各シャッター部材３０ａから噴出させると、互いに略１８０度異なるガスの力とバネ４０の付勢力との釣り合いで各シャッター部材３０は止まっている。

そして、インゴット１２の径が変化（例えば径が漸減／漸増）すると、各シャッター部材３０ａとインゴット１２との間の隙間が変化し、それにより第１実施形態と同様に気圧が変化して、インゴット１２と各シャッター部材３０ａとの間の気体からシャッター部材３０ａが受ける力が変化して各シャッター部材３０ａが自ら移動する。このとき、バネ４０の付勢力があるので各シャッター部材３０ａは、力が釣り合ったある位置で止まる。このように各シャッター部材３０ａが停止する位置において、各シャッター部材３０ａとインゴット１２との隙間は常にほぼ一定となる。このようにして、インゴット１２の径の変化により自動的にシャッター部材３０ａが隙間をほぼ一定にするように開閉される。

つまり、棒状のインゴット１２を加熱炉１１で加熱する際に、加熱炉１１の入口２０に設けた入口シャッター２１ａの各シャッター部材３０ａからガスをインゴット１２に向けて噴出させるとともに各シャッター部材３０ａに向けてバネ４０の付勢力を発生させることで、これらのバランスによって入口シャッター２１ａの各シャッター部材３０ａとインゴット１２との距離を調整する。

ここで、より詳細に説明すると、第１実施形態と同様に、密閉度をｓ、圧力伝達効率をＥｐ（ｓ）、ガスによる力をＦｐ＝ＰＥｐ（ｓ）とすると、これと変位ｘによりバネ定数ｋのバネ４０から生じる力とが釣り合って、ｋｘ＝ＰＥｐ（ｓ）となる。この場合、バネ４０から受ける力は一定ではないが、例えばバネ４０の変位を測定しこれに合わせてガスの供給圧力を変えることで適切な調整が可能となる。

ここで、上記したシャッター部材３０ａを案内するガイド３１としては、第１実施形態と同様に滑り抵抗の少ないものを用いるのが良いが、シャッター部材３０ａをバネ４０で浮かせるように支持しても良い。

また、第２実施形態の加熱炉１１において、出口シャッター２３についても入口シャッター２１ａと同様に開口度可変の構造とされるが、入口シャッター２１ａ及び出口シャッター２３のうちの何れか一方に上記構造を適用することも可能である。

このように、第２実施形態によれば、入口２０に開口度を可変にするために設けられた入口シャッター２１ａの各シャッター部材３０ａに、その移動平面内の開口部３３の内側へ向けてガスを噴出する内側ガス噴出口３４と、移動平面内における開口部３３の内側へ向けて付勢力を発生させるバネ４０がそれぞれに設けられており、ガスを噴出させるとガスの力とバネ４０の付勢力とのバランスでインゴット１２とシャッター部材３０ａとの間の距離を一定に保つことができる。そのため、インゴット１２の外径を測定する外径測定器及びその検出結果に基づいてシャッターの開口度を調節する機構等が不要となり、低コストで良好にガスシールを行うことができる。また、出口シャッター２３も同様の構造であるため同様の効果を奏することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る加熱炉、及びワークの加熱方法の第３実施形態について説明する。
図４は第３実施形態における入口シャッターを示す正面図であり、図５は入口シャッターを構成するシャッター片を示す正面図である。なお、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付しその説明は省略する。

第３実施形態では、上記した入口シャッター２１，２１ａに代えて、図４に示すようなアイリス絞り方式の入口シャッター４５が用いられている。この入口シャッター４５は、同形板状の複数のシャッター片４７が環状に並べられており、各シャッター片４７は、それぞれ一端近くに設けられた固定点４８を支点として板厚と直交する方向に回転移動可能となっている。これらシャッター片４７は、それぞれの環の内側形成部分が平面状の内面部４９とされており、各内面部４９を結んだ線が多角形状をなし、その内側にインゴット１２が挿通される。これにより、各シャッター片４７は、インゴット１２に対し近接または離間するように回転移動することでインゴット１２との間に形成される加熱炉１１の入口２０の開口度を変えるようになっている。

そして、各シャッター片４７には、図５に示すように、その移動平面内における開口の内側へ向けてガスを噴出する内側ガス噴出口５１と、その移動平面内における開口の外側へ向けてガスを噴出する外側ガス噴出口５２がそれぞれに設けられている。そして、各シャッター片４７には、内面部４９の固定点４８が設けられた側とは反対側に内側ガス噴出口５１を開口させて内側ガス噴出流路５３がそれぞれに形成されており、また、この内側ガス噴出口５１とは略１８０度反対方向に向けて外側ガス噴出口５２を開口させる外側ガス噴出流路５４がそれぞれに形成されている。

各シャッター片４７において、それぞれの内側ガス噴出流路５３及び外側ガス噴出流路５４にガスが導入されると、各シャッター片４７は、それぞれの内側ガス噴出口５１からその移動平面内のインゴット１２の側にガスを噴出するとともに、それぞれの外側のガス噴出口５２からこれが設けられたシャッター片４７の移動方向に沿って、インゴット１２とは反対側にガスを噴出することになる。つまり、各シャッター片４７には、ガスを噴出する方向を互いに反対方向に向けてガス噴出口５１，５２がそれぞれ設けられている。

このような入口シャッター４５は、インゴット１２に向かう内向きのガスとその略１８０度反対方向に向かう外向きのガスとを、各シャッター片４７から噴出させる。このとき、互いに略１８０度異なる方向に向かうガスの釣り合いで各シャッター片４７は止まっている。

そして、インゴット１２の径が変化（例えば径が漸減／漸増）すると、各シャッター片４７とインゴット１２との間の隙間が変化し、それにより気圧が変化することになり、これによって、第１実施形態と同様に、インゴット１２と各シャッター片４７との間の気体からシャッター片４７が受ける力が変化し各シャッター片４７が自ら移動して、力が釣り合ったある位置で止まる。このように各シャッター片４７が停止する位置において、各シャッター片４７とインゴット１２との隙間は常にほぼ一定となる。このようにして、インゴット１２の径の変化により自動的にシャッター片４７が開閉される。

つまり、棒状のインゴット１２を加熱炉１１で加熱する際に、加熱炉１１の入口２０に設けた入口シャッター４５の各シャッター片４７からガスをインゴット１２に向けて噴出させるとともに逆方向にも噴出させることで入口シャッター４５の各シャッター片４７とインゴット１２との距離を調整する。

なお、出口シャッターについても入口シャッター４５と同様の開口度可変のアイリス構造とされている。入口シャッター及び出口シャッターのうちの何れか一方に上記構造を適用することも可能である。

このように、第３実施形態によれば、入口シャッター４５の各シャッター片４７に、それぞれの移動平面内の開口の内側へ向けてガスを噴出する内側ガス噴出口５１と、移動平面内の開口の外側へ向けてガスを噴出する外側ガス噴出口５２が設けられており、ガスの噴出のバランスでインゴット１２とシャッター片４７との間の距離を一定に保つことができる。よって、ガスを噴出させるようにすればインゴット１２の外径を測定する外径測定器及びその検出結果に基づいてシャッターの開口度を調節する機構等が不要となり、低コストで良好にガスシールを行うことができる。また、出口シャッターも同様の構造であるため同様の効果を奏することができる。

この場合も、内側ガス噴出口５１及び外側ガス噴出口５２からシャッター片４７の移動平面内の内側と外側に向けてガスを噴出させるというのは、移動平面内方向と全く同じでなくても、移動方向に推力を発生可能な方向にガスを噴出させれば良い。
さらに、内側ガス噴出口５１及び外側ガス噴出口５２がガスを噴出する方向を互いに反対方向に向けている構成は、厳密に１８０度反対方向でなくても良く、両者のガスにより作用する力が釣り合うことができれば良い。

なお、第１〜第３の何れの実施形態の場合も、シャッター２１，２１ａ，２３，４５とインゴット１２との間の空間の容積が大きくなるほど、インゴット１２の径が変化したときにその空間の圧力の変化量が大きくなりシャッター２１，２１ａ，２３，４５が動き易くなる。したがって、シャッター２１，２１ａ，２３，４５はある程度の厚さを有することが好ましい。ただし、それによる重量増加はシャッター２１，２１ａ，２３，４５が動きにくくなる原因となるため、厚くかつ軽くするのが好ましい。

本発明に係る加熱炉及びワークの加熱方法の第１実施形態を示す側断面図である。 第１実施形態の入口シャッターを示す正面図である。 第２実施形態における入口シャッターを示す正面図である。 第３実施形態における入口シャッターを示す正面図である。 第３実施形態における入口シャッターを構成するシャッター片を示す正面図である。

符号の説明

１１ 加熱炉
１２ インゴット（ワーク）
２０ 入口
２１，２１ａ，４５ 入口シャッター
２２ 出口
２３ 出口シャッター
３４，３５，５１，５２ ガス噴出口
４０ バネ

Claims (4)

1. 入口及び出口の少なくとも一方に、開口度可変のシャッターを有する加熱炉であって、
   前記シャッターには、その移動平面内における開口の内側へ向けてガスを噴出する内側ガス噴出口と、当該シャッターをその移動平面内における開口の内側へ向けて付勢する付勢手段とが設けられていることを特徴とする加熱炉。
2. 請求項１に記載の加熱炉であって、
   前記付勢手段は、前記シャッターの移動平面内における開口の外側へ向けてガスを噴出する外側ガス噴出口であることを特徴とする加熱炉。
3. 請求項１に記載の加熱炉であって、
   前記付勢手段は、前記シャッターの移動平面内における開口の内側へ向けて前記シャッターを弾性的に付勢するバネであることを特徴とする加熱炉。
4. 棒状のワークを加熱炉で加熱する方法であって、
   加熱炉の入口及び出口の少なくとも一方にシャッターを設け、
   前記シャッターから前記ワークに向けてガスを噴出するとともに前記シャッターを前記ワークに向けて付勢して、前記シャッターと前記ワークとの距離を調整することを特徴とするワークの加熱方法。

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