JP2013203621A - 光ファイバ用線引炉および線引方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炉心管内の圧力を所定値以上の陽圧に維持して外気の巻き込みを抑制すると共に、炉心管から剥がれ落ちたススが、光ファイバに接触したり付着しないようにした光ファイバの線引装置と製造方法を提供する。
【解決手段】ガラス母材１１が挿入される炉心管１３と、該炉心管を外側から加熱するヒータ１５を収納する炉筐体１４とを備え、炉心管内に不活性ガスを上方から下方に向けて流し、炉心管１３の下方のファイバ導出口から線引きされたガラスファイバ１２を外部に導出すると共に、不活性ガスを外部に放出する。そして、上記の炉心管１３の下部に、炉心管の内径より小さい外径で、内径５ｍｍ〜１５ｍｍ、長さが３０ｍｍ〜５００ｍｍの筒状のシャッター管１９を配し、該シャッター管の上部をシャッター管を支持する支持部の上面より上方に所定量突き出るようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材を加熱溶融して、光ファイバを線引きする光ファイバ用線引炉と線引方法に関する。

線引炉による光ファイバの線引きは、ヒータで光ファイバ用ガラス母材（以下、ガラス母材という）を加熱溶融することにより行われる。線引炉の炉内の温度が大よそ２２００℃位と、非常に高温となることから、ガラス母材を囲う炉心管等の材質には、通常カーボンが用いられるが、このカーボンは、高温の酸素含有雰囲気中では、酸化して消耗する。これを防止するために、炉心管内には、アルゴンガスやヘリウムガス等の希ガスや窒素ガス（以下、不活性ガス等という）が送り込まれる。

炉心管内に送り込まれた不活性ガス等の多くは、炉心管の上方から下方に向かって流れ、光ファイバ母材の下端から垂下して線引きされたガラスファイバと共に、ファイバ導出口から外部に放出される。この場合、ファイバ導出口が大きく開いていると外気が炉心管内に入りやすく、炉心管等カーボン部品の劣化につながる。炉心管内への外気の浸入を抑制するには多くの不活性ガス等を流す必要があるが、線引炉に用いる不活性ガス等は製造コストに影響するため、できるだけその使用を抑制することが要望されている。

このため、例えば、特許文献１には、ファイバ導出口にシャッターを設けること、また、光ファイバ母材の下端から垂下して線引きされた軟化状態にあるガラスファイバが、線引炉の外に出るまではある程度温度を下げて硬化された状態とするために、炉心管下端に円筒状の隔壁（下煙突とも言う）を設け、この隔壁の下端にシャッターを設けることが開示されている。
また、特許文献２には、光ファイバ母材の下端の軟化形状に沿うように、炉心管の形状をテーパ状に縮径して、ガラス母材の下端部のガスの流れを安定させ、ガラスファイバの外径変動を抑制すると共に、テーパ状の延長筒（下煙突とも言う）のファイバ導出口に、さらに細径の口金を設けることが開示されている。

特許第２７８７９８３号公報 特開平８−９１８６２号公報

線引炉に用いる不活性ガス等の使用を抑制する方法として、上記の特許文献１，２に示すように、ファイバ導出口を細くしてガスの流出を抑制することは有効であるが、単にファイバ導出口を細めると、線引きされたガラスファイバが接触して断線する虞がある。また、光ファイバの製造線速が高速化すると、光ファイバの導出口の内圧、光ファイバの線速等の条件によっては、外気の巻き込みが生じることがある。

また、このカーボン炉心管の内壁にスス（ＳｉＣ，Ｃ，ＳｉＯ_２等）が付着することが知られている。これらのススは、ガラス母材の主成分であるＳｉＯ_２、カーボンＣ、ＳｉＯ_２とＣが反応して生成されるＳｉＣなどの粒子であり、これらは、炉心管の内壁面に付着成長する。これらのススの粒子が炉心管の内壁面に付着し成長すると、炉心管の内壁面から剥がれ落ち、その破片がガラス母材やガラスファイバに接触または付着し、光ファイバの外径変動や断線を引き起こすことになる。特に、径が縮小されたファイバ導出口では、上記のススが舞ってガラスファイバと接触しやすい状態となる。

本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、炉心管内の圧力を所定値以上の陽圧に維持して外気の巻き込みを抑制すると共に、炉心管から剥がれ落ちたススが、光ファイバに接触したり付着しないようにした光ファイバの線引装置と製造方法を提供することを目的とする。

本発明による光ファイバ用線引炉および線引方法は、光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管と、該炉心管を外側から加熱するヒータを収納する炉筐体とを備え、炉心管内に不活性ガス等を上方から下方に向けて流し、炉心管の下方のファイバ導出口から線引きされたガラスファイバを外部に導出すると共に、不活性ガス等を外部に放出する光ファイバの線引炉および線引方法である。そして、上記の炉心管の下部に、炉心管の内径より小さい外径で、内径５ｍｍ〜１５ｍｍ、長さが３０ｍｍ〜５００ｍｍの筒状のシャッター管を配し、該シャッター管の上部をシャッター管を支持する支持部の上面より上方に所定量突き出るようにし、炉心管から落下したススがガラスファイバに接触または付着するのを抑制することを特徴する。
なお、上記の炉心管の下部に下部延長管を設け、シャッター管の外径が下部延長管の内径よりも小さくするようにしてもよい。また、シャッター管の上部が上記炉心管側に突き出る量は、２５ｍｍ以上とするのが好ましい。

本発明によれば、シャッター管により炉心管内の圧力を所定値以上の陽圧に維持して外気の巻き込みを抑制すると共に、シャッター管の支持面上に溜まったススが舞って、ガラスファイバに接触したり付着したりするのを防止することができる。この結果、光ファイバのスクリーニングでの断線頻度を減少させることができる。

本発明による光ファイバ用線引炉の実施形態の一例を説明する図である。 図１の実施形態の他の例を説明する図である。 本発明による光ファイバ用線引炉の他の実施形態の例を説明する図である。 ガス流量ごとによるシャッター管の内径と圧損勾配との関係を示す図である。 シャッター管の長さごとによるガス流量と圧損との関係を示す図である。 シャッター管の内径ごとによるガス流量と圧損勾配との関係を示す図である。

図１，２により本発明の光ファイバ用線引炉の概略を説明する。図において、１０は光ファイバ線引炉、１１は光ファイバ用ガラス母材（ガラス母材）、１２はガラスファイバ、１３は炉心管、１３ａは炉心管の内壁面、１４は炉筐体、１４ａは下壁、１５はヒータ、１６は断熱材、１７は下部延長管、１８は炉心管受け部材、１９，２０はシャッター管、１９ａ，２０ａは突き出し部、２１は支持部、２２は間隙を示す。

光ファイバの線引きは、図１に示すように、吊下げ支持されるガラス母材１１の下部を加熱し、溶融された下端部からガラスファイバ１２を溶融垂下させて所定の外径となるように線引きして行われる。このための光ファイバ線引炉１０は、ガラス母材１１が挿入供給される炉心管１３を囲むようにして、加熱用のヒータ１５を配し、このヒータ１５の熱が外部に放散されないように断熱材１６で囲い、その外側全体を炉筐体１４で囲って構成される。

ガラス母材１１は、母材吊り機構（図示省略）により吊り下げ支持され、光ファイバの線引きの進行にしたがって下方に順次移動制御される。炉筐体１４は、ステンレス等の耐食性に優れた金属で形成され、中心部に高純度のカーボンで形成された円筒状の炉心管１３が配される。炉心管１３の酸化・劣化を防ぐために、炉心管１３内にはアルゴンガスやヘリウムガス等の希ガスや窒素ガス（以下、不活性ガス等という）が導入される。この不活性ガス等は、ガラス母材１１と炉心管１３の隙間を通って、その大部分は炉心管１３の下方から下部延長管１７を経て外部に放出される。

下部延長管１７は、加熱軟化しているガラスファイバ１２の急冷を緩和すると同時に、ある程度冷却硬化させて外径変動を抑える機能を有している。なお、下部延長管１７の下端にシャッター等が設けられる場合もある。この下部延長管１７は、メンテナンス等の面から炉心管１３とは分割可能に形成され、炉心管１３と連通するように炉筐体１４の下壁１４ａに取外し可能に取付けられる。なお、炉心管１３は、炉心管受け部材１８を介して炉筐体１４の下壁１４ａ上に載置する形で支持される。

本発明は、上述した構成の線引炉で、下部延長管１７の下端に板状のシャッター部材を設ける代わりに、図１または図２に示すような形状のシャッター管１９，２０を設け、該シャッター管の上部が該シャッター管を支持する支持部２１の上面から上方に突き出ていることを特徴としている。なお、シャッター管１９，２０は、例えば、耐食性に優れた金属で形成することができ、後述するように内径（Ｒ）が５ｍｍ〜１５ｍｍの均一径またはテーパ状の管で、長さ（Ｌｓ）が３０ｍｍ以上で形成される。また、シャッター管１９，２０の支持面から上方に突き出る突き出し部１９ａ，２０ａの突き出し量（Ｈ）は、２５ｍｍ以上とされる。

なお、図１に示すシャッター管１９は、内径が均一な直管形状で形成した例であり、図２に示すシャッター管２０は、テーパ状に形成した例である。テーパ状のシャッター管２０は、例えば、図２に示すように、均一径（ｒ_２）の太径部、テーパ部、均一径（ｒ_１）の細径部の３つの部分に分け、それぞれの長さを、シャッター管の全長（Ｌｓ）の１／３ずつとすることができる。また、均一径の太径部と細径部を有しないシャッター管の全長（Ｌｓ）をテーパ部とした形状であってもよい。

シャッター管１９，２０は、フランジ形状の支持部２１により、下部延長管１７の下端に着脱可能に取付けられる。シャッター管１９，２０は、支持部２１の上面（支持面）より上方に突き出る突き出し部１９ａ，２０ａを有し、下部延長管１７の下端に取付けた際に、上方の炉心管側に所定量突き出て線引中のガラスファイバ１２を囲み保護する。なお、突き出し部１９ａ，２０ａは、シャッター管１９，２０の一部として一体に形成してもよく、別体で形成したものを溶接等で接合して形成してもよい。

シャッター管１９，２０を下部延長管１７の下端に取付けると、下部延長管１７の内径よりシャッター管１９の外径が小さいことから、下部延長管１７の内壁とシャッター管１９，２０との間に間隙２２が生じる。この間隙２２の底壁（支持部２１の上面）には、炉心管１３の内壁面１３ａから剥がれ落ちたススが堆積して溜まるため、シャッター管の突き出し部１９ａ，２０ａが無いと、このススが管内のガス流等により舞いあがった際に、線引中のガラスファイバ１２に接触したり付着する虞がある。しかし、上記のシャッター管の突き出し部１９ａ，２０ａにより、ガラスファイバ１２に接触したり付着するのを防止することができる。

なお、突き出し部１９ａ，２０ａが無い場合は、支持部２１の上面（支持面）が下部延長管１７の内面に張出す台部となって、この台部に剥がれ落ちたススが堆積して溜まる。そして、この堆積したススは、炉心管内を流れる不活性ガス等の流れにより舞いあがり、また、シャッター管内に入り込んで、線引直後のガラスファイバに接触したり付着したりする。この結果、光ファイバのスクリーニングでの断線頻度が多くなる虞がある。

シャッター管の突き出し部１９ａ，２０ａは、支持部２１の上面からの突き出し量（Ｈ）が少なすぎると効果が小さく、逆に多すぎると、炉心管やガラス母材に近くなって、耐熱性の問題やガラス母材との衝突の問題などが生じる。実験的には、支持部２１の上面（支持面）より、２５ｍｍ以上突き出ていればよいことが判明している。
なお、上述したシャッター管を用いた光ファイバ線引炉で、１００万ｋｍの光ファイバの線引きを実施すると、突き出し部を設けない場合に比べてスクリーニングでの断線頻度が約３０％減少する。

また、シャッター管の突き出し部１９ａ，２０ａは、結果的にシャッター管１９，２０の一部を下部延長管１７内に設置するということになる。シャッター管の機能を果たすには、ある程度の長さが必要であるが、このようにシャッター管１９，２０の一部を下部延長管１７内に設置することにより、シャッター管１９，２０が下部延長管１７の下方に延びる長さを短くすることができ、線引炉の高さ方向の設備距離を全体的に縮小できるという効果もある。
なお、間隙２２内に落下して堆積したススは、線引炉の点検時等を利用して除去すればよい。この場合、シャッター管１９を下部延長管１７から外し、支持部２１上に堆積しているススを除去するという簡単な作業で行うことができる。

図３は、他の実施形態を示す図である。図１，２で説明した実施形態は、炉心管の下方に下部延長管を配してシャッター管を設けるのに対し、本実施形態は、下部延長管を有しない場合の例である。線引炉１０の本体部分の構成は、図１，２の実施形態と同じであるので、詳細な説明を省略する。
なお、図３（Ａ）に示すシャッター管１９’は、図１と同様な内径が均一な直管形状で形成した例であり、図３（Ｂ）に示すシャッター管２０’は、図２と同様なテーパ状に形成した例である。

シャッター管１９’，２０’は、フランジ形状の支持部２１により、炉心管１３の下端を支える炉筐体１４の下壁１４ａに取外し可能に取付けられる。シャッター管１９’，２０’は、支持部２１の上面（支持面）より上方に突き出る突き出し部１９ａ’，２０ａ’を有し、下部延長管１７の下端に取付けた際に、上方の炉心管側に所定量突き出て線引中のガラスファイバ１２を囲み保護する。なお、突き出し部１９ａ’，２０ａ’は、シャッター管１９’，２０’の一部として一体に形成してもよく、別体で形成したものを溶接等で接合して形成してもよい。

シャッター管１９’，２０’を炉筐体１４の下壁１４ａに取付けると、シャッター管１９’，２０’の外径が炉心管１３の内径より小さいことから、炉心管１３とシャッター管１９’，２０’との間に間隙２２が生じる。この間隙２２の底壁（支持部２１の上面）には、炉心管１３の内壁面１３ａから剥がれ落ちたススが堆積して溜まるため、シャッター管の突き出し部１９ａ’，２０ａ’が無いと、このススが管内のガス流等により舞いあがった際に、線引中のガラスファイバ１２に接触したり付着する虞がある。しかし、上記のシャッター管の突き出し部１９ａ’，２０ａ’により、ガラスファイバ１２に接触したり付着するのを防止することができる。

なお、シャッター管に突き出し部１９ａ’，２０ａ’が無い場合の問題、突き出し部１９ａ’，２０ａ’の突き出し量、シャッター管に突き出し部１９ａ’，２０ａ’を設けたことによる効果についても、図１，２の実施形態で説明したのと同様である。

次に、シャッター管の効果について説明する。図１〜３で説明した線引炉において、光ファイバが所定の線速で移動し、そのときのシャッター管内を流れるガス流量が一定である場合、シャッター管の内径（Ｒ）を小さくすることにより、シャッター管内での圧力損失（圧損）を高め所定の陽圧を確保して、外気の浸入を防ぐことができる。
図４は、上述したシャッター管の内径とシャッター管内の圧損の関係を示すもので、横軸をシャッター管内径（ｍｍ）、縦軸を圧損勾配（Ｐａ／ｍ）とし、管内のガス流量を各々１０，２０，３０（Ｌ／min）としたときのグラフである。

この図からシャッター管の内径（Ｒ）が１５ｍｍ以下でないと、有効な圧損勾配は得られないことが判明した。また、シャッター管内の陽圧は、大気圧に対して、少なくとも５Ｐａ以上とするのが好ましく、この陽圧確保の観点からもシャッター管内径が１５ｍｍ以下とするのが望ましい。しかし、シャッター管内径は、小さいほど大きな圧損勾配を得られるが、あまり小さいと光ファイバと接触する虞があり、最小のシャッター管内径は、経験的に５ｍｍ以上とするのが望ましい。

また、シャッター管の内径（Ｒ）が一定で、ガス流量が一定なら、シャッター管の長さ（Ｌｓ）を増加させることで圧損を大きくすることができる。
図５は、横軸をガス流量（Ｌ／min）、縦軸を圧損（Ｐａ）とし、シャッター管の内径１０ｍｍを一定とし、長さ（Ｌｓ）を各々０，５０，１０，２００，５００（ｍｍ）としたときのグラフである。

この図５から、例えば、圧損１０Ｐａを得るのに、シャッター管無し（Ｌｓ＝０）の場合は、ガス流量を２４Ｌ／min必要とするのに対し、シャッター管有り（Ｌｓ＝５００ｍｍ）の場合は、ガス流量が７Ｌ／minでよいことがわかる。すなわち、この場合、シャッター管を付けることにより、１７Ｌ／minのガス流量を減らすことが可能となる。

シャッター管の長さ（Ｌｓ）は、例え短くても、全く付けない場合（Ｌｓ＝０ｍｍ）よりは、圧損の増加を期待することができる。例えば、炉心管内の陽圧を、大気圧に対して＋５Ｐａ以上確保するには、図５のグラフからシャッター管の長さＬｓ＝３０ｍｍ程度であれば、ガス流量１２Ｌ／min以上流せばよく、これにより、Ｌｓ＝０ｍｍのガス流量に比べてガス流量を１／３程度削減することが期待される。したがって、シャッター管の長さ（Ｌｓ）は、少なくとも３０ｍｍ以上であればよい。

一方、シャッター管をあまり長くすると、設備や光ファイバに振動（例えば地震）などが生じた場合に、シャッター管と光ファイバとが接触する虞がある。また、長いシャッター管は線引装置の高さ方向の距離を必要とするため、設備的な面から制約を受ける。このため、シャッター管の長さは、経験的には５００ｍｍ以下とするのが望ましい。

図６は、横軸をガス流量（Ｌ／min）、縦軸を圧損勾配（Ｐａ／ｍ）とし、シャッター管の内径（Ｒ）を各々５，１０，１５（ｍｍ）としたときのグラフである。
図６は、図４において、望ましいシャッター管の内径が５ｍｍ〜１５ｍｍとなるため、これらの内径における圧損勾配とガス流量の関係を示したものであり、シャッター管の内径を一定とすると、圧損勾配はガス流量に比例して増加する。
なお、図２に示したテーパ部を有するシャッター管２０においては、例えば、テーパの細径側の内径（ｒ_１）を１０ｍｍ、太径側の内径（ｒ_２）を１５ｍｍとし、テーパ部の長さが全長の１／３とした場合、内径１０ｍｍ管と１５ｍｍ管の中間付近を通るグラフを、テーパ管の圧損勾配とすることができる。

１０…光ファイバ線引炉、１１…光ファイバ用ガラス母材（ガラス母材）、１２…ガラスファイバ、１３…炉心管、１３ａ…炉心管の内壁面、１４…炉筐体、１４ａ…下壁、１５…ヒータ、１６…断熱材、１７…下部延長管、１８…炉心管受け部材、１９，１９’，２０，２０’…シャッター管、１９ａ，１９ａ’，２０ａ，２０ａ’…突き出し部、２１…支持部、２２…間隙。

Claims (4)

1. 光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管と、前記炉心管を外側から加熱するヒータを収納する炉筐体とを備え、前記炉心管内に不活性ガスを上方から下方に向けて流し、前記炉心管の下方のファイバ導出口から線引きされたガラスファイバを外部に導出すると共に、前記不活性ガスを外部に放出する光ファイバの線引炉であって、
   前記炉心管の下部に、前記炉心管の内径より小さい外径で、内径５ｍｍ〜１５ｍｍ、長さが３０ｍｍ〜５００ｍｍの筒状のシャッター管を配し、該シャッター管の上部が該シャッター管を支持する支持部の上面より上方に所定量突き出ていることを特徴とする光ファイバ用線引炉。
2. 前記炉心管の下部に下部延長管を設け、前記シャッター管の外径が前記下部延長管の内径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ用線引炉。
3. 前記シャッター管の上部が上記炉心管側に突き出る量は、２５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ用線引炉。
4. 光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管と、前記炉心管を外側から加熱するヒータを収納する炉筐体とを備え、前記炉心管内に不活性ガスを上方から下方に向けて流し、前記炉心管の下方のファイバ導出口から線引きされたガラスファイバを外部に導出すると共に、前記不活性ガスを外部に放出する光ファイバの線引方法であって、
   前記炉心管の下部に、前記炉心管の内径より小さい外径で、内径５ｍｍ〜１５ｍｍ、長さが３０ｍｍ〜５００ｍｍの筒状のシャッター管を配し、該シャッター管の上部が該シャッター管を支持する支持部の上面より上方に所定量突き出るようにし、前記炉心管から落下したススがガラスファイバに接触または付着するのを抑制することを特徴とする光ファイバ線引方法。

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