JP2007145671A - 加熱炉、ガラスの加熱方法及び加熱炉の維持方法 - Google Patents

Abstract

【課題】石英製の炉心管に失透部分が形成されても、低コストで損傷を抑えて炉心管を長期的に用いることができ、設備費の削減を図ることが可能な加熱炉、ガラスの加熱方法及び加熱炉の維持方法を提供する。
【解決手段】本発明の加熱炉１は、石英製の炉心管２とその昇温部２ａの外周に配置したヒータ３を有し、炉心管２の昇温部２ａと同軸上に並んで設けられた延長部８の上端から被加熱物であるガラス体Ｇ１を炉心管２内に出し入れ可能であり、ヒータ３の延長部８側の端部から延長部８の上端までの長さＬを、昇温部２ａの内径Ｄの５倍以上としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、石英製の炉心管を有する加熱炉、それを用いたガラスの加熱方法、及び加熱炉の維持方法に関する。

ガラス体を製造する際にガラス微粒子堆積体を焼結して透明ガラス化する場合や、ガラス体を延伸する場合、ガラス体を線引きして光ファイバを製造する場合などには、一般に筒状の炉心管を備えた加熱炉が用いられている。
ガラスに対する不純物を発生させない材質として、石英ガラスにより形成された炉心管を使用することが知られているが、炉心管をヒータにより昇温させた後、ヒータ付近の炉心管のガラスが失透（クリストバライト化）し、以後の降温（２５０℃〜３５０℃以下）による相変化により亀裂等の損傷が生じることがある。炉心管が損傷した場合は、その炉心管を新たなものに交換する必要がある。そのため、炉心管の内周面に向かって冷却媒体を吹き出すノズルを、炉心管内で回転させながら移動させることにより、炉心管を強制的に急速冷却することにより失透の発生を抑える技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１３２３号公報

ガラスのクリストバライト化による失透は、一旦加熱されたガラスが徐冷されることにより起こるだけでなく、１５００℃〜１６００℃に昇温した場合にも起こる。上記特許文献１に記載された技術では、徐冷による失透を防ぐことができたとしても、昇温による失透を防ぐことはできない。

本発明は、石英製の炉心管に失透部分が形成されても、低コストで損傷を抑えて炉心管を長期的に用いることができ、設備費の削減を図ることが可能な加熱炉、ガラスの加熱方法及び加熱炉の維持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に係る第１の加熱炉は、石英製の炉心管とその外周側に配置した加熱源とを有し、前記加熱源の内側に位置する前記炉心管と同軸上に設けられた延長部の前記炉心管とは逆側の端部から被加熱物を前記炉心管内に出し入れ可能である加熱炉であって、前記加熱源の前記延長部側の端部から前記延長部の前記炉心管とは逆側の端部までの長さが、前記炉心管の内径の５倍以上であることを特徴とする。

また、上記課題を解決することのできる本発明に係る第２の加熱炉は、石英製の炉心管とその外周側に配置した加熱源とを有し、前記炉心管の端部から被加熱物を前記炉心管内に出し入れ可能である加熱炉であって、前記加熱源の前記被加熱物の出し入れ側の端部から前記炉心管の前記被加熱物の出し入れ側の端部までの長さが、前記炉心管の内径の５倍以上であることを特徴とする。

また、上記課題を解決することのできる本発明に係るガラスの加熱方法は、本発明に係る上記加熱炉を使用してガラスを加熱することを特徴とする。

また、上記課題を解決することのできる本発明に係る加熱炉の維持方法は、本発明に係る上記第１の加熱炉を使用してガラスを加熱した後、前記延長部の外周に断熱材を配置した状態として、前記炉心管内部の待機温度を３５０℃以上かつ５００℃以下とすることを特徴とする。

また、上記課題を解決することのできる本発明に係る加熱炉の維持方法は、本発明に係る上記第２の加熱炉を使用してガラスを加熱した後、前記炉心管の外周の前記加熱源のない部分に断熱材を配置した状態として、前記炉心管内部の待機温度を３５０℃以上かつ５００℃以下とすることを特徴とする。

本発明によれば、石英製の炉心管に失透部分が形成されたとしても、外気の流入によって炉心管が急激に冷却されることがなく、その失透部分の破損を抑えて継続して使用することができる。そのため、設備費の削減を図ることができる。

以下、本発明に係る加熱炉、ガラスの加熱方法及び加熱炉の維持方法の実施形態の例について図面を参照して説明する。
図１は、加熱炉の構造を示す概略断面図である。
図１に示すように、この加熱炉１は、縦型に配置された円筒形状の炉心管２と、炉心管２の外周側に配置された加熱源であるヒータ３とを備えている。ヒータ３の周囲は断熱材４で覆われている。炉心管２は、石英により形成されており、ヒータ３の発熱により炉心管２のうちヒータ３の内側に位置する昇温部２ａを中心に昇温させられる。そして、炉心管２の内側の加熱空間５に被加熱物（例えばガラス体Ｇ１）を挿入して加熱することができる。

また、炉心管２の上方には、円筒形状の延長部８が炉心管２と同軸上に設けられている。この延長部８は、上端の開口部９から炉心管２の加熱空間５にガラス体Ｇ１を出し入れする部分である。なお、延長部８の上端には、開口部９を開閉するための上蓋１４を着脱することができる。
また、炉心管２の下方には、円筒形状の下筒６が炉心管２と同軸上に設けられている。なお、下筒６の下端には、着脱可能な下蓋７が装着されている。
これらの延長部８及び下筒６も、炉心管２と同様に石英により形成されている。

また、本実施形態では、延長部８及び下筒６の内径は炉心管２と等しくされているが、炉の用途によってはそれらの内径が一致しなくても良い。
また、延長部８または下筒６は、炉心管２と一体的に形成されていても良い。その場合、ガラス体Ｇ１は炉心管２の端部から出し入れすることになる。

また、下筒６には、炉内に所望のガスを供給するガス導入部１１が設けられている。このガス導入部１１は、シールガスを供給するガスコントロールパネル（図示せず）等に接続されており、ガスコントロールパネルから供給されたシールガスを、炉内の空間（加熱空間５や延長部８及び下筒６の内側空間）に向けて吹き出すことができるように構成されている。

また、上蓋１４には、炉内のガスを炉外へ排出するためのガス排出部１２が設けられており、上蓋１４を延長部８の上端に取り付けた際には、ガス導入部１１から炉内に供給されたシールガスを排出するようになっている。

加熱炉１は、その延長部８の内径Ｄに対して、ヒータ３の上端から延長部８の上端までの突出長さＬが十分に長い、５倍以上の寸法とされている。ここで、延長部８の内径Ｄとヒータ３の上端から延長部８の上端までの突出長さＬとの関係を示すグラフを図２に示す。

次に、上記加熱炉１を使用したガラスの加熱方法について、光ファイバ用のガラス母材を形成する場合を例に挙げて説明する。
まず、炉心管２の開口部９からガラス微粒子堆積体である多孔質のガラス体Ｇ１を導入し、図３に示すように、このガラス体Ｇ１を昇温部２ａの内側に配置させ、蓋１４によって開口部９を閉じる。

この状態で、ヒータ３の温度を上げて、炉心管２内の温度を上げるとともに、塩素ガス（Ｃｌ₂）とヘリウムガス（Ｈｅ）との混合ガスを、ガス導入部１１から炉内に吹き出す。
そして、延長部８内、炉心管２内、下筒６内を上記混合ガスの雰囲気とした状態で、昇温部２ａ内（加熱空間５）の温度を１０００℃〜１３５０℃（好ましくは、１１００℃〜１２５０℃）の温度範囲に保持し、数十分程度の所定時間の間加熱して脱水処理を行う。

このとき、ガラス体Ｇ１がヒータ３の軸方向の長さ（すなわち昇温部２ａの長さ）よりも短い場合は、ガラス体Ｇ１の位置を保持したままその全体を加熱するが、ガラス体Ｇ１がヒータ３の軸方向の長さよりも長い場合は、ガラス体Ｇ１を軸方向に（例えば上から下方向へ）移動させていき、ガラス体Ｇ１の一端から他端まで全長にわたって加熱する。

次いで、昇温部２ａ内（加熱空間５）の温度をヒータ３によって、１４００℃〜１６００℃に昇温させると同時に、特定比率の塩素ガス（Ｃｌ₂）とヘリウムガス（Ｈｅ）、または、ヘリウムガス（Ｈｅ）のみをガス導入部１１から導入し、ガラス体Ｇ１を所定時間加熱して、透明なガラス母材Ｇ２とする。

図４は、ガラス体Ｇ１を下方に移動し終わった後の、加熱炉１内とガラス母材Ｇ２の様子を表す図であり、この時点でガラス体Ｇ１は透明化されて透明なガラス母材Ｇ２となっている。

次に、蓋１４を外し、延長部８の開口部９から透明化したガラス母材Ｇ２を取り出す。

ここで、炉心管２には、ガラス体Ｇ１の加熱時におけるヒータ３の昇温により、クリストバライト化した失透部分が形成されることがある。その失透部分は、炉心管２の昇温部２ａ及びその近傍に形成される。場合によっては、延長部８及び下筒６にも形成される。そして、この失透部分では、開口部９からの外気の流入などによる急激な降温により亀裂などの破損が生じるおそれがある。

しかしながら、本実施形態の加熱炉１では、延長部８の内径Ｄに対して、ヒータ３の上端から延長部８の上端までの突出長さＬが５倍以上の寸法とされているので、開口部９から失透部分までの容積が従来に比べ大きく確保され、蓋１４を取り外して開口部９を開口したときの内部へ流入する外気による影響が従来に比べ小さくされ、失透部分の急激な降温が抑えられる。これにより、炉心管２に形成された失透部分における急冷による破損を確実に防ぐことができる。

ここで、延長部８の内径Ｄに対して突出長さＬの異なる炉心管を用いた加熱炉１を比較した結果、小型（内径Ｄ＝φ１５０ｍｍ）の加熱炉の場合では、突出長さＬ＝５００ｍｍでは失透部分に破損が発生したが、突出長さＬ＝７５０ｍｍでは破損は発生しなかった。
また、中型（内径Ｄ＝φ３００ｍｍ）の加熱炉の場合、突出長さＬ＝１０００ｍｍでは失透部分に破損が発生したが、突出長さＬ＝１５００ｍｍでは破損は発生しなかった。
さらに、大型（内径Ｄ＝φ４００ｍｍ）の加熱炉の場合、突出長さＬ＝１５００ｍｍでは失透部分に破損が発生したが、突出長さＬ＝２０００ｍｍでは破損は発生しなかった。
このように、加熱炉の大きさによらず、図２に示したＬ＝５Ｄの関係を満たすことで、失透部分の破損を防げることがわかる。Ｌ＞５Ｄとなれば、開口部９を開口したときの内部へ流入する外気による影響がさらに小さくなるので、その条件であっても炉心管２に形成された失透部分における急冷による破損を確実に防ぐことができる。

つまり、Ｌ≧５Ｄの関係を満たす本実施形態の加熱炉１によれば、石英製の炉心管２に失透部分が形成されたとしても、その失透部分の破損による炉心管２の交換を行う必要がなくなり、炉心管２を継続して使用することができる。そのため、加熱炉にかかる設備費の削減を図ることができる。

また、延長部８の外周に断熱材１０を配置させて延長部８を覆ったままとしておき、ガラス母材Ｇ２を取り出した後の待機時に、昇温部２ａの待機温度を３５０℃以上かつ５００℃以下の範囲内に維持する。３５０℃より温度が低くなると炉心管２が割れるおそれがある。そのため、ヒータ３に通電して３５０℃以上かつ５００℃以下の範囲の温度にするとよい。ヒータ３に通電加熱したうえにその温度を維持するために炉心管２の外周のヒータ３がない部分を断熱材で覆ってもよい。

なお、上記実施形態では、縦型の加熱炉１を例に挙げて説明したが、横型の加熱炉の場合にも上記実施形態と同様な寸法とすることにより、失透部分における破損を抑えることができる。
また、上記実施形態では、多孔質のガラス体Ｇ１を加熱炉１によって加熱して光ファイバ用のガラス母材Ｇ２とする例を示したが、本発明の加熱炉はガラスの加熱加工の全般に使用できるものである。例えば、加工するガラスとしては多孔質のガラス体に限らず、透明なガラス体も使用できる。例えば、透明なガラス体を延伸する加工や、透明なガラス体（光ファイバ母材）を線引きして光ファイバとする際の加熱炉としても有効に使用できる。

本発明に係る加熱炉の一実施形態を示す概略断面図である。 延長部の内径と上端までの突出長さとの関係を示すグラフである。 ガラス体を加熱する際の状態を示す加熱炉の概略断面図である。 ガラス体を加熱した後の状態を示す加熱炉の概略断面図である。

符号の説明

１ 加熱炉
２ 炉心管
２ａ 昇温部
３ ヒータ（加熱源）
４，１０ 断熱材
８ 延長部
Ｇ１ ガラス体（被加熱物）
Ｇ２ ガラス母材

Claims (5)

1. 石英製の炉心管とその外周側に配置した加熱源とを有し、前記加熱源の内側に位置する前記炉心管と同軸上に設けられた延長部の前記炉心管とは逆側の端部から被加熱物を前記炉心管内に出し入れ可能である加熱炉であって、
   前記加熱源の前記延長部側の端部から前記延長部の前記炉心管とは逆側の端部までの長さが、前記炉心管の内径の５倍以上であることを特徴とする加熱炉。
2. 石英製の炉心管とその外周側に配置した加熱源とを有し、前記炉心管の端部から被加熱物を前記炉心管内に出し入れ可能である加熱炉であって、
   前記加熱源の前記被加熱物の出し入れ側の端部から前記炉心管の前記被加熱物の出し入れ側の端部までの長さが、前記炉心管の内径の５倍以上であることを特徴とする加熱炉。
3. 請求項１または２に記載の加熱炉を使用してガラスを加熱することを特徴とするガラスの加熱方法。
4. 請求項１に記載の加熱炉を使用してガラスを加熱した後、前記延長部の外周に断熱材を配置した状態として、前記炉心管内部の待機温度を３５０℃以上かつ５００℃以下とすることを特徴とする加熱炉の維持方法。
5. 請求項２に記載の加熱炉を使用してガラスを加熱した後、前記炉心管の外周の前記加熱源のない部分に断熱材を配置した状態として、前記炉心管内部の待機温度を３５０℃以上かつ５００℃以下とすることを特徴とする加熱炉の維持方法。

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