JP2008064387A

JP2008064387A - 加熱炉及び被加熱物の加熱方法

Info

Publication number: JP2008064387A
Application number: JP2006242941A
Authority: JP
Inventors: Taku Yamazaki; 卓山崎; Tomomi Moriya; 知巳守屋
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】ヒータの酸化を抑えることで石英の炉心管の長寿命化を図ることができる加熱炉、及び被加熱物を加熱する加熱方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る加熱炉１は、中空の炉体２と、炉体２を貫通する石英の炉心管３と、炉体２内における炉心管３の周囲に配置されたカーボンのヒータ２１と、ヒータ２１の周囲に配置されたセラミクス系の断熱材２２と、炉体２の上端側に接続されたパージガス供給装置４２と、炉体２の下端側に設けられたパージガス排出部３４と、炉体２内におけるパージガス排出部３４近傍に設けられた酸素消費材２３と、酸素消費材２３とパージガス排出部３４との間における酸素濃度を測定する酸素濃度計４５とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、石英の炉心管を有する加熱炉及びその加熱炉によって被加熱物を加熱する加熱方法に関する。

例えば、ガラス微粒子堆積体を焼結して透明ガラス化する場合、ガラス体を延伸する場合、あるいは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る。
この種の加熱炉では、石英の炉心管の外周にカーボンヒータが設けられ、さらに、このヒータの外周側が断熱材によって覆われている。そして、これらヒータ及び断熱材の周囲が炉体によって囲われており、この炉体内に不活性ガスからなるパージガスを導入することにより、高温となったヒータや断熱材の酸化による劣化を防いでいる。

また、石英製の炉心管を有し、炉体内に外気中の酸素が侵入すること（逆拡散）によるヒータや断熱材の酸化を防ぐために、炉体下蓋下に、酸化消耗材で形成された環状体が炉心管外壁と間隙を持って配設されている加熱炉が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３０８６３８号公報

ところで、炉心管が石英製である場合には、一旦加熱炉を稼動させて温度を上げると石英がクリストバライト化し、３５０℃以下に温度を下げると割れてしまうため、ヒータを使用し続けて炉心管の温度を下げないことが好ましい。ヒータの温度が高温に維持された状態ではヒータが酸化しやすいため、炉心管の温度を下げない場合にはヒータの酸化による劣化を抑えて当該ヒータの寿命をできるだけ長くすることが要求される。
しかし、炉心管の外径のばらつきなどにより、炉体と炉心管とのシール状態にばらつきが生じていると、排出部における酸素の逆拡散を酸素消費材（酸化消耗材）によって抑えても、炉体内の酸素濃度を所望の目標値以下に適切に抑えることは難しい。また、逆拡散の程度が変動することにより、酸素消費材の消耗速度も変動するため、この酸素消費材の交換時期も安定せず、早期に酸素消費材が消耗した場合にはヒータも酸化して劣化してしまう。

本発明は、ヒータの酸化を抑えることで石英の炉心管の長寿命化を図ることができる加熱炉、及び被加熱物を加熱する加熱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加熱炉は、中空の炉体と、前記炉体を貫通する石英の炉心管と、前記炉体内における前記炉心管の周囲に配置されたカーボンヒータと、前記炉体内における前記カーボンヒータの周囲に配置されたセラミクス系の断熱材と、前記炉体の一端側に設けられたパージガス供給部と、前記炉体の他端側に設けられたパージガス排出部と、前記炉体内における前記パージガス排出部と前記カーボンヒータとの間に設けられた酸素消費材と、前記酸素消費材と前記パージガス排出部との間における酸素濃度を測定する酸素濃度計とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る加熱炉において、前記酸素濃度計における測定結果に基づいて前記パージガス供給部から前記炉体内へ供給するパージガスの流量を調整する制御部を備えていることが好ましい。

上記課題を解決することのできる本発明に係る被加熱物の加熱方法は、中空の炉体と、前記炉体を貫通する石英の炉心管と、前記炉体内における前記炉心管の周囲に配置されたカーボンヒータと、前記炉体内における前記カーボンヒータの周囲に配置されたセラミクス系の断熱材とを備えた加熱炉の前記炉心管内に被加熱物を導入し、前記炉体の一端側から前記炉体内にパージガスを供給して前記炉体の他端側のパージガス排出部から前記パージガスを排出させながら前記炉心管内の被加熱物を加熱する加熱方法であって、前記炉体内における前記パージガス排出部と前記カーボンヒータとの間に酸素消費材を設けておき、前記酸素消費材と前記パージガス排出部との間における酸素濃度を測定することを特徴とする。

本発明に係る被加熱物の加熱方法において、酸素濃度の測定結果に基づいて、前記パージガスの供給量を調整することが好ましい。

本発明の加熱炉及び被加熱物の加熱方法によれば、酸素消費材とパージガス排出部との間における酸素濃度の測定値から、外気からの酸素の逆拡散量を求め、その測定結果に基づいて、酸素消費材の劣化状態を把握することができる。そのため、炉心管の外径のばらつき等により、パージガス排出部での酸素の逆拡散にばらつきが生じたとしても、適切な時期に酸素消費材を交換することで、カーボンヒータの酸化による劣化を防ぐことができる。したがって、カーボンヒータを長期にわたって使用し続けることが可能となり、石英の炉心管の温度を維持して長寿命化を図ることができる。

さらに、酸素濃度の測定結果に基づいて炉体内へのパージガスの供給量を制御することで、炉体内の酸素濃度を調節することができ、例えばパージガスの供給量を増加させれば、パージガス排出部から排出されるガス流速が増加して、逆拡散による炉体内への酸素侵入量を減らすことができる。したがって、酸素消費材の劣化を抑えて酸素消費材の交換頻度も少なくすることが可能となる。

以下、本発明に係る加熱炉及び被加熱物の加熱方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本実施形態に係る加熱炉の断面図である。
図１に示すように、加熱炉１は、中空円筒状の炉体２と、この炉体２の中央を貫通するように設けられた円筒状の炉心管３とを備えている。
炉体２は、その上端に上蓋部４が設けられ、下端に下蓋部５が設けられている。これら上蓋部４及び下蓋部５には、その中心部分に貫通孔４ａ，５ａがそれぞれ形成されており、これら貫通孔４ａ，５ａに、炉心管３が挿通されている。炉心管３は、石英により形成されたもので、その上端近傍部分に、全周にわたって外周側へ突出したフランジ部３ａが一体に形成され、このフランジ部３ａが炉体２の上蓋部４に密着されて支持されている。これにより、この炉体２の上蓋部４における貫通孔４ａと炉心管３との隙間が閉鎖されている。

炉体２は、その内部に、炉心管３の外周を覆うように、全周にわたって設けられたヒータ（カーボンヒータ）２１と、このヒータ２１を覆うように、全周にわたって設けられた断熱材２２とを有している。ここで、ヒータ２１は、カーボンから形成され、断熱材２２は、例えば、アルミナやシリカなどのセラミクス系材料から形成されている。断熱材２２はセラミクス系材料であるため、酸素による劣化が生じにくい。
さらに、炉体２には、下蓋部５の貫通孔５ａと炉心管３との隙間を塞ぐように、環状に形成された酸素消費材２３が設けられている。
この酸素消費材２３は、カーボンから形成するのが好ましいが、そのカーボンとしては、ヒータ２１などに用いる高純度なものでなくても良く、例えば、粒径０．１〜１．０ｍｍ程度の比較的粗い一般品を用いることができる。

この炉体２には、その下蓋部５の下面側に、円筒状のシールカバー３１が固定されている。このシールカバー３１の上端には、全周にわたって外周側へ突出する固定フランジ３１ａが形成され、下端には、挿通孔３１ｂを有する底板部３１ｃが形成されている。そして、このシールカバー３１は、固定フランジ３１ａを炉体２の下蓋部５に固定することにより、炉体２に取り付けられており、下端の底板部３１ｃに形成された挿通孔３１ｂに、炉心管３の下端部分が挿通されている。そして、この挿通孔３１ｂと炉心管３との隙間部分が、パージガス排出部３４とされている。加熱炉１において、炉体２内から外部へパージガスが排出される箇所は、このパージガス排出部３４のみである。
シールカバー３１には、その内部に、環状に形成されたシール材３５が設けられている。このシール材３５は、例えば、耐熱性に優れたフェルト材あるいは繊維材などから形成されている。

上記構造の加熱炉１には、炉体２の上端（一端）側に、ガス供給管４１が設けられ、その開口端が炉体２内に配置されている。このガス供給管４１は、パージガス供給装置（パージガス供給部）４２に接続されており、このパージガス供給装置４２から送り出されるパージガスが、ガス供給管４１を通して炉体２内に、その上端側から供給される。なお、パージガス供給装置４２から送り出されるパージガスとしては、例えば、窒素あるいはアルゴンなどの不活性ガスが使用可能である。

また、炉体２には、その下端（他端）側に、ガス検出管４３が設けられ、その開口端が、酸素消費材２３とシール材３５が設けられたパージガス排出部３４との間における下蓋部５の貫通孔５ａと炉心管３との隙間に連通されている。このガス検出管４３は、酸素濃度計４５に接続されており、この酸素濃度計４５によって、酸素消費材２３とパージガス排出部３４との間のガス中における酸素濃度の測定が可能とされている。すなわち、パージガス排出部３４を通過した酸素が酸素消費材２３により消費される前の雰囲気の酸素濃度を測定することができる。
この酸素濃度計４５における測定結果は、制御部４４に送信され、この制御部４４によってパージガス供給装置４２から炉体２内へのパージガスの供給量が制御される。

上記加熱炉１では、パージガス供給装置４２から炉体２内へ、炉体２の上端側から供給されたパージガスは、この炉体２内を上端側から下端側へ向かって流れる。そして、この炉体２内を流れるパージガスは、酸素消費材２３を通過し、下蓋部５の貫通孔５ａと炉心管３との隙間を通過し、さらに、シール材３５を通過してシールカバー３１の挿通孔３１ｂと炉心管３との隙間部分からなるパージガス排出部３４から排出される。

そして、上記の加熱炉１によって各種のガラス体からなる被加熱物を加熱加工する場合は、被加熱物を炉心管３内に導入した状態で、ヒータ２１の発熱により昇温された炉心管３によって加熱する。ここで、例えば、光ファイバ母材となるガラス微粒子の堆積体を脱水及び焼結して透明ガラス化する場合は、約８００〜１７００℃程度の範囲で被加熱物を加熱させる。
このとき、炉体２内には、パージガスが上方から供給されて下方へ向かって流されているが、パージガス排出部３４から炉体２の内側に向かって外気に含まれる酸素が逆拡散する。しかし、本実施形態の加熱炉１では、炉体２の下蓋部５の貫通孔５ａと炉心管３との隙間を塞ぐように、環状に形成された酸素消費材２３が設けられているので、逆拡散する酸素が除去される。

ここで、ヒータ２１の劣化による交換時には、ヒータ２１への通電を停止するため、石英の炉心管３の温度が下がるが、石英の炉心管３は、一旦温度を上げた後は、約３５０℃以下に冷却されると割れを生じてしまうため、この炉心管３も交換する必要が生じ、設備費が嵩んでしまう。
ところが、本実施形態の加熱炉１では、前述したようにパージガス排出部３４で逆拡散する外気中の酸素を酸素消費材２３で除去することにより、ヒータ２１の劣化を極力抑えることができ、これにより、ヒータ２１の劣化による交換頻度を少なくすることができる。
つまり、炉心管３を冷却させて割れを発生させてしまうヒータ２１の交換作業の頻度を少なくすることにより、石英の炉心管３の長寿命化を図ることができる。

特に、本実施形態の加熱炉１では、酸素濃度計４５によって、酸素消費材２３とパージガス排出部３４との間における外気から逆拡散した酸素濃度を測定し、その測定結果に基づいて、酸素消費材２３の酸化の程度を予測して劣化状態を把握することができる。つまり、劣化してしまった酸素消費材２３の使用を続けて逆拡散して炉内に侵入する酸素を消費できずにヒータ２１を酸化させてしまうことを防止できる。したがって、ヒータ２１の劣化を抑えながらヒータ２１を長期にわたって使用し続けることが可能となるため、その使用期間内は炉心管３の温度を維持することができ、炉心管３の長寿命化を図ることができる。

酸素消費材２３が劣化した場合は、それを交換することにより、より長期間炉心管の温度を維持して使用し続けることができる。特に、炉心管３の断面が真円でないなどの理由により貫通孔５ａの隙間の広さが周方向に異なる場合、パージガス排出部３４での酸素の逆拡散にばらつきが生じて酸素消費材２３の特定の箇所のみが早期に劣化してしまうが、このようなときに酸素濃度を測定することにより適切な時期に酸素消費材を交換することができる。酸素消費材２３を交換する場合は図２に示す加熱炉１ａのように、酸素消費材２３をホルダ３６に入れて炉体の外に設ければ交換容易である。酸素消費材２３を交換する間も、貫通孔５ａからはパージガスが吹き出されるので、交換に要する時間内に貫通孔５ａから炉内に逆拡散する酸素の量はほぼゼロとなる。したがって、酸素消費材２３の交換により炉心管３が劣化することはない。

さらに、本実施形態の加熱炉１では、酸素濃度計４５の測定結果に基づいて炉体２内へのパージガスの供給量を制御することで、炉体２内の酸素濃度を、所望の酸素濃度以下とすることができる。例えば、酸素濃度計４５により測定された酸素濃度が所望の目標値を超えた場合には、制御部４４はパージガス供給装置４２からのパージガスの供給量を増加させる。パージガスの供給量が増加するとパージガス排出部３４を通過するガス流速が増加して、外気からの逆拡散による酸素侵入量が減らされる。また、酸素濃度計４５により測定された酸素濃度が所望の目標値以下である場合には、制御部４４はパージガス供給装置４２からのパージガスの供給量を維持するか減少させる。なお、酸素濃度計４５による測定は、常時連続的に行っても良いし、ある期間毎に行なっても良い。

このように、パージガス排出部３４での酸素の逆拡散にばらつきが生じたとしても、パージガスの供給量を適切に制御することにより、炉体２内の酸素濃度を確実に所望の目標値以下に維持し、酸素消費材２３の劣化を抑えて酸素消費材２３の交換頻度を少なくすることが可能となる。したがって、ヒータ２１の劣化をより効果的に抑えることができ、石英の炉心管３の更なる長寿命化を図ることができる。

以上説明したように、本発明に係る加熱炉は、石英の炉心管を有し、ガラス等の被加熱物を千数百℃程度に加熱するためのものとして有用である。

本発明に係る加熱炉の一例を示す概略断面図である。本発明に係る加熱炉の他の例を示す概略断面図である。

符号の説明

１，１ａ加熱炉
２炉体
３炉心管
２１ヒータ（カーボンヒータ）
２２断熱材
２３酸素消費材
３４パージガス排出部
４２パージガス供給装置（パージガス供給部）
４５酸素濃度計

Claims

中空の炉体と、前記炉体を貫通する石英の炉心管と、前記炉体内における前記炉心管の周囲に配置されたカーボンヒータと、前記炉体内における前記カーボンヒータの周囲に配置されたセラミクス系の断熱材と、前記炉体の一端側に設けられたパージガス供給部と、前記炉体の他端側に設けられたパージガス排出部と、前記炉体内における前記パージガス排出部と前記カーボンヒータとの間に設けられた酸素消費材と、前記酸素消費材と前記パージガス排出部との間における酸素濃度を測定する酸素濃度計とを備えたことを特徴とする加熱炉。
請求項１に記載の加熱炉であって、
前記酸素濃度計における測定結果に基づいて前記パージガス供給部から前記炉体内へ供給するパージガスの流量を調整する制御部を備えたことを特徴とする加熱炉。
中空の炉体と、前記炉体を貫通する石英の炉心管と、前記炉体内における前記炉心管の周囲に配置されたカーボンヒータと、前記炉体内における前記カーボンヒータの周囲に配置されたセラミクス系の断熱材とを備えた加熱炉の前記炉心管内に被加熱物を導入し、前記炉体の一端側から前記炉体内にパージガスを供給して前記炉体の他端側のパージガス排出部から前記パージガスを排出させながら前記炉心管内の被加熱物を加熱する加熱方法であって、
前記炉体内における前記パージガス排出部と前記カーボンヒータとの間に酸素消費材を設けておき、前記酸素消費材と前記パージガス排出部との間における酸素濃度を測定することを特徴とする被加熱物の加熱方法。
請求項３に記載の被加熱物の加熱方法であって、
酸素濃度の測定結果に基づいて、前記パージガスの供給量を調整することを特徴とする被加熱物の加熱方法。