JP2015218069A - 光ファイバ冷却装置及び光ファイバ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ガスの最適な供給位置を決定できる光ファイバ冷却装置及び光ファイバ製造方法を提供する。【解決手段】冷却ガスの供給位置は、冷却管部の上端で引き込まれた空気及び冷却ガスを含む内部ガスが、下向きの流れを正とした時、光ファイバの周囲で下向きに流れる流量Ｑ1、下向きの流量Ｑ1の周囲で上向きに流れる流量Ｑ2とし、上端から冷却ガス投入口までの距離Ｌにおける下向きの流量Ｑ1に含まれる空気の体積分率をＣ1(Ｌ)とし、式を最小とするＬをＬidealとしたとき、ＬをＬideal近傍とする。但し、上端から冷却ガスの供給位置までの距離Ｌ、下向きの流量Ｑ1から上向きの流量Ｑ2に流れの向きが変わる境界位置における冷却管部の半径方向の距離Ｒreverse、空気の拡散係数Ｄ、空気の拡散距離lengthとする。【選択図】図４

Description

本発明は、光ファイバガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバ冷却装置及び光ファイバ製造方法に関する。

光ファイバは、光ファイバガラス母材（以下、ガラス母材という）を光ファイバ用線引炉（以下、線引炉という）で加熱溶融し、線引炉の下方から線引きして製造される。ガラス母材から線引きされた光ファイバは、例えば、紫外線硬化樹脂を塗布、硬化して被膜されるが、線引き直後の光ファイバは高温であるため、樹脂を直ちに塗布することができない。このため、線引炉と樹脂塗布装置との間に光ファイバ冷却装置を設け、線引き直後の光ファイバを強制的に冷却している。

この光ファイバ冷却装置に関し、例えば、特許文献１には、ヘリウムガスなどの冷却ガスで光ファイバを冷却する技術が開示されている。詳しくは、上下に開口を有した冷却管部が設置され、冷却管部の途中には冷却ガスを供給する通路が形成されている。光ファイバは冷却管部の上端から導入され、この上端で引き込まれた空気と共に下方に移動する。通路から供給された冷却ガスは冷却管部内を上向きや下向きに流れて光ファイバを冷却する。冷却された光ファイバは冷却ガスや空気と共に冷却管部の下端から導出される。

特許第４２１４３８９号公報

ところで、上記ヘリウムガスは、アルゴンガスや窒素ガスに比べて非常に高価であるので、少量のヘリウムガスで光ファイバの温度を下げることが望まれる。この場合、光ファイバと冷却ガスとの接触時間を長くするために、冷却ガスを冷却管部の上端付近から供給するのが望ましいと考えられていた。
しかしながら、冷却管部の上端から冷却ガスの供給位置までの距離が短い場合、光ファイバの周りに牽引されている空気が拡散しにくく、冷却ガスが光ファイバの周囲に拡散されにくい。このため、空気の体積濃度（空気の体積分率ともいう）が低くならず、光ファイバの温度を下げ難くなるという問題がある。

このように、冷却ガスを冷却管部の上端付近から供給するのが望ましいが、冷却管部の上端からの供給位置までの距離が短いと、光ファイバの温度が却って下がり難くなるので、冷却ガスの最適な供給位置が存在するはずである。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、冷却ガスの最適な供給位置を決定できる光ファイバ冷却装置及び光ファイバ製造方法の提供を目的とする。

本発明による光ファイバ冷却装置は、光ファイバガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバ冷却装置であって、前記光ファイバが導入される上端、冷却された前記光ファイバが導出される下端、及び前記上端と前記下端との間で前記冷却ガスを供給する通路を有した冷却管部を備え、前記冷却ガスの供給位置は、前記上端で引き込まれた空気及び前記冷却ガスを含む内部ガスが、下向きの流れを正とした時、前記光ファイバの周囲で下向きに流れる流量をＱ₁、該下向きの流量Ｑ₁の周囲で上向きに流れる流量をＱ₂とし、前記上端から冷却ガス投入口までの距離Ｌにおける前記下向きの流量Ｑ₁に含まれる前記空気の体積分率をＣ₁(Ｌ)とし、下記数１３を最小とするＬをＬ_idealとしたとき、ＬをＬ_ideal近傍とする。但し、Ｌ＝上端から冷却ガスの供給位置までの距離、Ｒ_reverse＝下向きの流量Ｑ₁から上向きの流量Ｑ₂に流れの向きが変わる境界位置における冷却管部の半径方向の距離、Ｄ＝空気の拡散係数、length＝空気の拡散距離とする。

本発明によれば、冷却ガスの使用量を減らしつつ光ファイバの温度を最も下げられる冷却ガスの最適な供給位置を決定できる。

本発明が適用される光ファイバ冷却装置を含む製造装置の概略構成例を示す図である。 冷却管部の構成例を示す図である。 冷却管部内の速度分布の一例を示す図である。 冷却管部内の流量を説明するための図である。 冷却ガスの供給位置と、冷却管部出口におけるファイバ温度や空気の体積分率との関係を説明するための図である。 本発明の第２実施形態を説明するための図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願の光ファイバ冷却装置発明は、（１）光ファイバガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバ冷却装置であって、前記光ファイバが導入される上端、冷却された前記光ファイバが導出される下端、及び前記上端と前記下端との間で前記冷却ガスを供給する通路を有した冷却管部を備え、前記冷却ガスの供給位置は、前記上端で引き込まれた空気及び前記冷却ガスを含む内部ガスが、下向きの流れを正とした時、前記光ファイバの周囲で下向きに流れる流量をＱ₁、該下向きの流量Ｑ₁の周囲で上向きに流れる流量をＱ₂とし、前記上端から冷却ガス投入口までの距離Ｌにおける前記下向きの流量Ｑ₁に含まれる前記空気の体積分率をＣ₁(Ｌ)とし、下記数１３を最小とするＬをＬ_idealとしたとき、ＬをＬ_ideal近傍とする。但し、Ｌ＝上端から冷却ガスの供給位置までの距離、Ｒ_reverse＝下向きの流量Ｑ₁から上向きの流量Ｑ₂に流れの向きが変わる境界位置における冷却管部の半径方向の距離、Ｄ＝空気の拡散係数、length＝空気の拡散距離とする。数１３による空気の体積分率Ｃ₁(Ｌ)が最小になれば、冷却ガスの体積分率が最大になるので、光ファイバを最も冷却できる。よって、冷却ガスの使用量を減らしつつ、光ファイバの温度を最も下げられる冷却ガスの最適な供給位置までの距離を決定できる。

（２）前記冷却ガスの供給位置が前記冷却管部の上下方向に沿ってＮ個形成され、各供給位置までの上端からの距離をＬｉ、各供給位置における冷却ガスの供給量をＱ（Ｈｅ）ｉとした場合、仮想的な上端から冷却ガスの供給位置までの距離を、数１４とし、Ｌ_aveが前記Ｃ₁(Ｌ) を最小とするＬ_idealの近傍となる。冷却ガスの最適な供給位置までの距離を数１４で決定すれば、冷却ガスの最適な供給位置までの距離を効率よく決定できる。
（３）上記の光ファイバ冷却装置を用いた光ファイバ製造方法である。上記光ファイバ冷却装置を用いることにより、冷却ガスの使用量を減らしつつ光ファイバの温度を最も下げることができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施形態に係る光ファイバ冷却装置及び該冷却装置を用いた光ファイバ製造方法の具体例を、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
図１は、本発明が適用される光ファイバ冷却装置を含む製造装置の概略構成例を示す図である。光ファイバ製造装置は、光ファイバ用線引炉（以下、単に線引炉という）１０、光ファイバ冷却装置（以下、単に冷却装置という）２０、樹脂塗布装置４０、樹脂硬化装置５０、ガイドローラ６０、及び巻き取り装置７０を備える。

光ファイバ１２は、光ファイバガラス母材（以下、単にガラス母材という）１１を線引炉１０で加熱溶融し、線引炉１０の下方から線引きされている。ガラス母材１１から線引きされた光ファイバ１２は、冷却装置２０で強制冷却された後、樹脂塗布装置４０で紫外線硬化樹脂が塗布され、樹脂硬化装置５０でこの樹脂を硬化させる。続いて、樹脂塗布後の光ファイバ１３は、ガイドローラ６０を経て巻き取り装置７０により巻き取られる。

本発明の主たる目的は、光ファイバを冷却ガスで冷却する場合、冷却ガスの供給位置までの距離Ｌにおける空気の体積分率Ｃ₁(Ｌ)を所定の拡散方程式（数１２）から求め（数１３）、Ｃ₁(Ｌ)が最小となる、冷却ガスの最適な供給位置までの距離Ｌ_idealを決定することにある。このための構成として、冷却装置２０は、冷却ガスＧの供給通路が形成された冷却管部２１を有している。

なお、上記数１３の空気の体積分率Ｃ₁(Ｌ)に示された半径Ｒ_reverseは、下向きの流れを正とした時、冷却管部２１の長手方向の距離ｚ＝Ｌの位置において、下向きの流量Ｑ₁から上向きの流量Ｑ₂に流れの向きが変わる境界位置までの冷却管部の半径方向の距離であり、冷却管部２１内の流速分布Ｖｚの式（数８）から求められる。また、空気の体積分率Ｃ₁(Ｌ) に示された下向き、上向きに流れる内部ガスの体積流量Ｑ₁、Ｑ₂は、半径Ｒ_reverseに関する体積流量Ｑ₁、Ｑ₂の式（数１０、数１１）から求められる。

図２は、冷却管部の構成例を示す図である。冷却管部２１は、その長手方向を上下に向けて配置されており、光ファイバ１２が導入される開口を有した上端２２と、冷却された光ファイバ１２が導出される開口を有した下端２３とを備えている。また、冷却管部２１の途中には、例えばヘリウムガスなどの冷却ガスを供給する冷却ガス供給路２４が形成され、冷却ガスを冷却管部２１内に供給できる。

これにより、線引き直後の光ファイバ１２は、上端２２の開口から導入され、この上端２２の開口で引き込まれた空気と共に下方に移動する。冷却ガス供給路２４から供給された冷却ガスは冷却管部２１内を上向きや下向きに流れて光ファイバ１２を冷却する。そして、冷却された光ファイバ１２は冷却ガスや空気と共に下端２３の開口から導出される。

この図２において、冷却管部２１内に供給される冷却ガスの流量をＱ(He)、冷却ガスの供給位置よりも上方での内部ガスの流量をＱ(UP)、冷却ガスの供給位置よりも下方での内部ガスの流量をＱ(DOWN) とすれば、内部ガスは上端２２の開口からの空気及び冷却ガス供給路２４から供給された冷却ガスが、下端２２から排出されるので、下向きの流れを正とすると、質量保存則から数１が成立する。

また、冷却管部２１の中心からの半径方向の距離をｒ、冷却管部２１の長手方向の距離をｚ、冷却管部２１内の冷却ガスの粘性係数をμ、冷却管部２１内の圧力をＰとし、円管内を流れる定常な層流（ハーゲン・ポアズイユ流れともいう）と仮定すると、冷却管部２１の内部ガスの速度分布Ｖｚは数１で示される。なお、冷却ガスの粘性係数μは、ガス温度が２３０[Ｋ]以上１０００[Ｋ]以下のときの粘性係数であり、ヘリウムガスの場合、μ＝１.９×１０^-5［Ｐａ・ｓ］となる。

数２において、光ファイバの半径をｒ₁とし、この半径ｒ₁における速度分布、つまり、光ファイバの線引速度をＶ₁とすると、ｒ＝ｒ₁のときＶｚ＝Ｖ₁となる。また、冷却管部２１の内径をｒ₂（＞ｒ₁）とすると、ｒ＝ｒ₂のときＶｚ＝０となり、数２のＡは数３で示され、数２のＢは数４で示される。なお、ｒ₂は０.５［ｍｍ］以上５［ｍｍ］以下であることが望ましい。

冷却管部２１の全流量をＱ（Ｑ(UP)またはＱ(DOWN)）とすると、全流量Ｑは数５で示すことができる。そして、下向きの流れを正とし、数５の右辺のＶｚに数２を、この数２のＡ，Ｂに数３，数４を代入し、ｄＰ/ｄｚを求めると、圧力損失の理論式は数６で示される。

図２に示すように、冷却管部２１の上端２２から冷却ガスＧの冷却ガス供給路２４までの距離をＬ、冷却ガス供給路２４から冷却管部２１の下端２３までの距離をＬ’とし、冷却管部２１の半径をｒ₂とすると、上端２２に対するゲージ圧ρ_air（Ｌ＋Ｌ’）ｇは、数１、数６から数７で示される。

そして、冷却ガスの流量Ｑ(He)が分かれば、数１、数７の連立方程式から、冷却ガス供給路２４よりも上方での内部ガスの流量Ｑ(UP)、冷却ガス供給路２４よりも下方での内部ガスの流量Ｑ(DOWN)を求めることができる。なお、冷却ガスの流量Ｑ(He)は３.３３×１０^-4［ｍ³／ｓ］（＝２０［Ｌ／ｍｉｎ］）以下であることが望ましい。

図３は、冷却管部内の速度分布の一例を示す図である。例えば半径αの冷却管部２１を用い、下向きに線引きした場合、上記数６のＱをＱ(UP)として求めたｄＰ/ｄｚを数２に代入すると、内部ガスの速度分布Ｖｚを求めることができる。図３に示すように、光ファイバの周辺、つまり、冷却管部２１の中心付近ではＶｚが正になり、下向きに流れているが、冷却管部２１の中心から離れるに連れて下向きの流れが弱まり、やがてＶｚが負になって上向きに流れる（逆流ともいう）ことが分かる。
この逆流が生じている冷却管部２１の中心からの距離をＲ_reverseとすると、Ｒ_reverseは、上記数２のＶｚ＝０とした数８で示すことができる。

なお、この数８のｄＰ/ｄｚは数９に示すように、上記数６のＱをＱ(UP)に置換して求めたものである。また、下向きの流れを正とした時、上記のように内部ガスの下向きの流量をＱ₁、上向きの流量をＱ₂とおけば、逆流が生じ始める距離Ｒ_reverseを用いて、下向きの流量Ｑ₁は数１０で、上向きの流量Ｑ₂は数１１で定義できる。

図４は、冷却管部内の流量を説明するための図であり、下向きの流れを正とした時、内部ガスの下向きの流量Ｑ₁に含まれる空気の体積分率をｃ₁、上向きの流量Ｑ₂に含まれる空気の体積分率をｃ₂とし、拡散方程式から空気の体積分率ｃ₁，ｃ₂を規定する。
ｃ₁，ｃ₂は数１２に示した拡散方程式を解くことにより求められる。数１２は質量流束の式（フィックの拡散の第１法則ともいう）といい、単位面積当たりを通過する質量流束ｍ_A［ｋｇ/ｓ・ｍ²］は、質量濃度ｃ_A［ｋｇ/ｍ³］と長さｎ［ｍ］との濃度勾配に比例したものとして表すことができる。そして、空気の拡散係数をＤ、空気の拡散距離をlengthとして、数１２を境界条件に基づいて解く。

ここで、境界条件を考えると、強制冷却装置上端のときには冷却ガスが０[％]、空気が１００[％]と考えられるので、ｃ₁(0)＝１となる。一方、上端からの距離がＬのときには、流入された冷却ガスは上下に分岐されるものの、Ｌの位置では上下の流れがないため、冷却ガスが１００％と考えられ、ｃ₂(Ｌ)＝０とできる。この境界条件に基づいて拡散方程式を解き、冷却ガス供給口位置Ｌでのｃ₁を求めると、ｃ₁(Ｌ)＝Ｃ₁(Ｌ)であり、 Ｃ₁(Ｌ)は数１３で示される。なお、拡散係数Ｄは、ガス温度が２３０[Ｋ]以上１０００[Ｋ]以下のときの拡散係数である。また、拡散距離lengthは上記ｒ₂以下でありｒ₂／２程度の値となる。

上端からの距離Ｌにおいて、上記数１３による空気の体積分率Ｃ₁(Ｌ)が最小になれば、冷却ガスの体積分率が最大になるので、光ファイバを最も冷却可能になる。よって、冷却ガスの最適な供給位置までの距離Ｌ_idealは、数１３を用いて決定できる。そして、この光ファイバ冷却装置を用いることにより、冷却ガスの使用量を減らしつつ光ファイバの温度を最も下げることができる。

図５は、冷却ガスの供給位置と、冷却管部出口におけるファイバ温度や空気の体積分率との関係を説明するための図である。この例では上端から下端まで同一径の冷却管部を用い、光ファイバ温度は流体解析ソフトのシミュレーション結果から求めている。
まず、所定量βのヘリウムガスを、その供給位置を変更して冷却管部に供給したところ、光ファイバ温度は図５に●印で示すような曲線を描いたのに対し、上記数１３による空気の体積分率Ｃ₁(Ｌ)は○印で示すような曲線を描いた。●印及び○印のいずれの曲線も上端からの距離３ａ〜４ａの間で最小になっていることがわかる。

次に、所定量βの例えば７割程度のヘリウムガスを、その供給位置を変更して冷却管部に供給したところ、光ファイバ温度は図５に■印で示すような曲線を描き、上記数１３による空気の体積分率Ｃ₁(Ｌ)は□印で示すような曲線を描いた。■印及び□印のいずれの曲線も上端からの距離２ａ付近で最小になっている。
続いて、所定量βの例えば５.５割程度のヘリウムガスを、その供給位置を変更して冷却管部に供給してみると、光ファイバ温度は図５に◆印で示すような曲線を描き、上記数１３による空気の体積分率Ｃ₁(Ｌ)は◇印で示すような曲線を描いた。◆印及び◇印のいずれの曲線も上端からの距離０〜ａの間で最小になっている。

このように、光ファイバ温度と空気の体積分率が最小となる個所近傍で冷却ガスを供給すると、光ファイバ温度は最低になっており、空気の体積分率Ｃ₁(Ｌ)が最小となる冷却ガスの最適な供給位置までの距離Ｌ_idealを決定すれば、この距離Ｌ_idealの位置で冷却ガスを供給することで光ファイバの温度を最も下げられることが分かる。
なお、冷却ガスの供給位置は、上記空気の体積分率Ｃ₁(Ｌ)を最小にする供給位置までの距離Ｌ_idealの一点には限定されず、その近傍（例えば上下方向に冷却管部全長の±１０％程度）であってもよい。冷却ガスの供給位置を経験上求められる範囲内に決定すれば、光ファイバを効率よく冷却可能になる。また、上記の例では同一径の冷却管部を用いたが、下方に従って半径が小さくなる冷却管部を用いても上記と同様の結果を得られた。

図６は、本発明の第２実施形態を説明するための図である。上記の例では、冷却ガスの供給位置が冷却管部２１の上下方向に沿って１箇所の場合を例に挙げて説明したが、供給位置は冷却管部の上下方向に沿って複数形成することも可能である。仮想的な流入位置の重心位置として、

とし、Ｌ_aveがＣ₁(Ｌ) を最小とするＬ_idealの近傍となるようにすればよい。

上式のように、冷却ガスの供給位置までの距離Ｌ_aveを冷却ガスの供給位置Ｌ_i及び供給量Ｑ(He)_iで決定すれば、距離Ｌ_aveを効率よく決定できる。なお、単に重心位置で決定する他、冷却ガスの供給位置Ｌ_i、冷却ガスの供給量Ｑ(He)_i、内径ｒ₂に応じた所定の係数を乗じて決定することも可能である。

１０…光ファイバ用線引炉、１１…光ファイバガラス母材、１２…線引き直後の光ファイバ、１３…樹脂塗布後の光ファイバ、２０…光ファイバ冷却装置、２１…冷却管部、２２…上端、２３…下端、２４…冷却ガス供給路、４０…樹脂塗布装置、５０…樹脂硬化装置、６０…ガイドローラ、７０…巻き取り装置。

Claims (3)

1. 光ファイバガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバ冷却装置であって、
   前記光ファイバが導入される上端、冷却された前記光ファイバが導出される下端、及び前記上端と前記下端との間で前記冷却ガスを供給する通路を有した冷却管部を備え、
   前記冷却ガスの供給位置は、前記上端で引き込まれた空気及び前記冷却ガスを含む内部ガスが、下向きの流れを正とした時、前記光ファイバの周囲で下向きに流れる流量をＱ₁、該下向きの流量Ｑ₁の周囲で上向きに流れる流量をＱ₂とし、前記上端から冷却ガス投入口までの距離Ｌにおける前記下向きの流量Ｑ₁に含まれる前記空気の体積分率をＣ₁(Ｌ)とし、下記数１３を最小とするＬをＬ_idealとしたとき、ＬをＬ_ideal近傍とする、光ファイバ冷却装置。
   但し、Ｌ＝上端から冷却ガスの供給位置までの距離、Ｒ_reverse＝下向きの流量Ｑ₁から上向きの流量Ｑ₂に流れの向きが変わる境界位置における冷却管部の半径方向の距離、Ｄ＝空気の拡散係数、length＝空気の拡散距離とする。
   

   
2. 前記冷却ガスの供給位置が前記冷却管部の上下方向に沿ってＮ個形成され、各供給位置までの上端からの距離をＬｉ、各供給位置における冷却ガスの供給量をＱ（Ｈｅ）ｉとした場合、仮想的な上端から冷却ガスの供給位置までの距離を、
   

   

   とし、Ｌ_aveが前記Ｃ₁(Ｌ) を最小とするＬ_idealの近傍となる、請求項１に記載の光ファイバ冷却装置。
3. 請求項１又は２に記載の光ファイバ冷却装置を用いた光ファイバ製造方法。

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