JP2017154946A - 熱処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】多孔質ガラス母材の熱処理装置に用いられる炉心管を長期間の使用可能とする。
【解決手段】熱処理装置は、シリカガラス製の炉心管と、炉心管に隣接して設けられ、加熱領域を加熱する加熱ヒータと、多孔質ガラス母材を支持するとともに、加熱ヒータにより加熱領域を加熱した状態で、炉心管の内部において多孔質ガラス母材を加熱ヒータに対し相対的に移動させて加熱領域を通過させる移動機構とを備え、炉心管における、加熱領域に位置する部分に隣接する領域に、加熱領域に位置する部分のガラスの肉厚よりも薄肉である薄肉部を有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、光ファイバ用多孔質ガラス母材を熱処理して光ファイバ母材を製造するための熱処理装置に関し、特に当該熱処理装置で使用する炉心管に関する。
光ファイバ用多孔質ガラス母材の製造方法として、ＶＡＤ法やＯＶＤ法と呼ばれる方法がある。これらの方法では、まず火炎中でガラス原料を燃焼してガラス微粒子を生成し、これを回転するターゲット棒の軸方向もしくは径方向に付着させて多孔質ガラス母材を製造する。
多孔質ガラス母材をガラス化するための熱処理装置としては、図１に示すような熱処理装置１が用いられる。熱処理装置１は、加熱ヒータ２とそれを覆う炉体３と加熱ヒータ内側に設置されるシリカガラス製の炉心管４で構成される。同様の装置は例えば特許文献１等に記載されている。
炉心管４の上端は、貫通穴があいた上蓋５により塞がれており、貫通穴を通して、多孔質ガラス母材１０を支持する支持棒６が取り付けられる。炉心管の下部には、ヘリウム（Ｈｅ）ガスや塩素（Ｃｌ２）ガスの様なプロセスガスを供給するためのガス導入口７が設けられる。上蓋にはガスを排出するガス排出口８が設けられる。
炉心管４は、多孔質ガラス母材１０の熱処理が繰り返し行われると、熱処理時に導入するプロセスガスによりエッチングされ、ガラスの厚さが薄くなり、炉心管４に割れが発生する。これに対し、炉心管４のガラスの厚さを厚くすることにより、炉心管４の長寿命化を図ることができる。
また、炉心管４における加熱ヒータ２が加熱する加熱領域２０に位置する部分は、多孔質ガラス母材１０の加熱処理を開始する前に、予め加熱ヒータ２を用いて加熱処理（エージング処理）をすることにより、ガラスの結晶化を行うことで、多孔質ガラス母材１０の加熱処理時における炉心管４の変形を防止できる。
特開２０１４−０６５６４２号公報
上述のような熱処理装置を用いて多孔質ガラス母材を処理する際には、支持棒に取り付けられた多孔質ガラス母材を順次下方に移動させて加熱領域を通過させることにより、多孔質ガラス母材を下端から順に加熱して透明ガラス化を行う。このように加熱した多孔質ガラス母材を加熱領域の下方に移動させる処理を繰り返すうち、炉心管の加熱領域の下方でガラスの結晶化が部分的に生じるようになる。このようにガラスが結晶化した部分では、管割れが発生しやすくなり、多孔質ガラス母材の熱処理を数十回程度繰り返しただけで炉心管を交換しなければならなくなるという問題が発生する。
上記の課題を解決すべく、本発明の熱処理装置は、シリカガラス製の炉心管と、前記炉心管に隣接して設けられ、加熱領域を加熱する加熱ヒータと、多孔質ガラス母材を支持するとともに、前記加熱ヒータにより前記加熱領域を加熱した状態で、前記炉心管の内部において前記多孔質ガラス母材を前記加熱ヒータに対し相対的に移動させて前記加熱領域を通過させる移動機構とを備える。そして、前記炉心管における、前記加熱領域に位置する部分に隣接する領域に、前記加熱領域に位置する部分のガラスの肉厚よりも薄肉である薄肉部を有することを特徴とする。
本発明では、前記薄肉部のガラスの厚さを、加熱領域の炉心管のガラスの厚さの７５％以下とするとよい。また、薄肉部のガラスの肉厚を、４ｍｍ〜６ｍｍとするとよい。
また、本発明では、前記加熱領域を通過する際の前記多孔質ガラス母材の移動方向に関し前記加熱領域の下流に隣接する領域である下流領域に、前記薄肉部を有するとよい。
前記炉心管における前記加熱領域に位置する部分は、予め加熱ヒータより加熱されてガラスが結晶化されているとよい。
本発明によって、炉心管に割れが発生することを防ぎ、長期間の炉心管使用が可能となる。
熱処理装置１の構成を示す模式図である。 従来の熱処理装置における加熱領域２０及びその周辺を模式的に示す拡大図である。 本発明の熱処理装置における加熱領域２０及びその周辺を模式的に示す拡大図である。 本発明の熱処理装置における、加熱処理（エージング処理）後の加熱領域２０及びその周辺を模式的に示す拡大図である。 本発明の熱処理装置において、多孔質ガラス母材１０の熱処理を繰り返した後の加熱領域２０及びその周辺を模式的に示す拡大図である。 従来の熱処理装置における、加熱処理（エージング処理）後の加熱領域２０及びその周辺を模式的に示す拡大図である。
上述のように多孔質ガラス母材１０を加熱領域２０で加熱して透明ガラス化を行いつつ、加熱領域２０の下方に移動させる処理を繰り返すうち、炉心管４の加熱領域２０の下方の部分でも処理後に高温となった多孔質ガラス母材１０からの輻射熱により、炉心管４の内側から加熱される。この様にして高温の多孔質ガラス母材１０からの輻射熱によって加熱領域２０の下方に隣接する領域（つまり、熱処理時の多孔質ガラス母材１０の移動方向に関し加熱領域２０の下流に隣接する領域。以下、単に「下流領域」という）２１が繰り返し加熱されるうちに、下流領域２１における炉心管４のガラスが結晶化される。図２に示したように、結晶化が生じる部分４Ｃは、多孔質ガラス母材１０からの輻射熱を多く受ける炉心管４の内側から徐々に形成され（ガラス厚み方向の不均一）、かつ炉心管４の周方向に斑状に形成される（周方向の不均一）。
熱処理後の多孔質ガラス母材１０が通過する際に、下流領域２１における炉心管４の結晶化の進行が斑となっている部分が加熱されると、結晶化した部分と結晶化していない部分とでは熱膨張率が違うため、炉心管４の変形の度合いに差が生じる。この熱膨張率の差によって、炉心管４におけるガラスの結晶化が不均一に生じた部分で管割れが発生していることが判明した。
下流領域２１における炉心管４の肉厚が厚い場合、不均一な結晶化が特に顕著となる。これは、加熱領域２０を加熱するヒータに比べて、多孔質ガラス母材１０からの輻射熱の熱量が小さいためにガラスの結晶化が一気に起こらず徐々に進行してしまうのが一因と考えられる。このため、下流領域２１における炉心管４の肉厚が厚い場合には、炉心管割れが発生しやすくなる。そこで、この下流領域２１における炉心管４の炉心管厚みを加熱領域２０における炉心管厚みよりも薄くすることにより、下流領域２１の均一な結晶化を図れることを見出して本発明に至った。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱処理装置１を説明する。熱処理装置１は、図１に示した熱処理装置と同様に、加熱領域を加熱する加熱ヒータ２とそれを覆う炉体３と加熱ヒータ２の内側に隣接して設置されるシリカガラス製の炉心管４で構成される。
炉心管４の上端は、貫通穴があいた上蓋５により塞がれており、貫通穴を通して、多孔質ガラス母材１０を支持する支持棒６が取り付けられる。支持棒６は、多孔質ガラス母材１０を支持するとともに、加熱ヒータ２により加熱領域を加熱した状態で、炉心管４の内部において多孔質ガラス母材１０を加熱ヒータ２に対し一方向に相対的に移動させる移動機構として機能する。支持棒６に支持された多孔質ガラス母材１０の移動は、図示されぬモータによる駆動力によって実現される。熱処理を行う際の多孔質ガラス母材１０の移動方向は上方から下方に向かう方向であり、加熱ヒータ２によって加熱領域２０が過熱された状態で、多孔質ガラス母材１０がその下端から順に上端まで順次通過するよう移動させる。炉心管４の下部には、ヘリウムガスや塩素ガスの様なプロセスガスを供給するためのガス導入口７が設けられる。また、上蓋５にはガスを排出するガス排出口８が設けられる。
本実施形態では、図３（ａ）及び（ｂ）に示したように、炉心管４における、加熱領域２０に隣接する領域に、加熱領域２０に位置する部分のガラスの肉厚よりも薄肉である薄肉部４１が設けられる。炉心管４の加熱領域２０における厚さをＸｍｍ、薄肉部４１の厚さをＹｍｍとしたときにＹ／Ｘ≦０．７５（つまり薄肉部４１の厚さは、加熱領域２０の炉心管４のガラスの厚さの７５％以下）とするとよく、具体的には、４ｍｍ〜６ｍｍとするとよい。
薄肉部４１は、炉心管４における、加熱領域２０の下方に隣接する領域（つまり、加熱領域２０を通過する際の多孔質ガラス母材１０の移動方向に関し加熱領域２０の下流に隣接する領域である下流領域）２１に設けられるとよい。このようにすれば、炉心管４の下流領域２１に位置する部分で炉心管４に割れが発生するのを抑制することができる。また、下流領域２１ではなく、炉心管４における、加熱領域２０の上方に隣接する領域（つまり、加熱領域２０を通過する際の多孔質ガラス母材１０の移動方向に関し加熱領域２０の上流に隣接する領域。以下、「上流領域」という）２２に薄肉部４１を設けてもよい。熱処理の済んだガラス母材１０を炉心管４の上部から取り出すために上方に移動させる際に、加熱領域の上流領域２２においても輻射熱により炉心管４のガラス化が起こり得るため、炉心管４の上流領域２２に位置する部分についても薄肉とすることにより上流領域２２で炉心管４に割れが発生するのを抑制することができる。
炉心管４における、下流領域２１及び上流領域２２に位置する部分の一方のみに薄肉部４１を設けてもよいが、両方に薄肉部４１を設けてもよい。
下流領域２１及び／又は上流領域２２に設けられる薄肉部４１は、図３（ａ）及び（ｂ）に示したように、加熱領域２０における炉心管４よりも内径を大きくすることによって薄肉とすることが好ましい。このようにすることで、加熱された多孔質ガラス母材１０から薄肉とした部分までの距離を離すことができ、加熱された多孔質ガラス母材１０からの輻射熱の影響を抑制することができる。
加熱領域２０から十分に離れ、加熱された多孔質ガラス母材１０による輻射熱の影響でガラスの結晶化が生じることのない領域に位置する炉心管４の部分については、薄肉部４１と同様の厚みとしてもよいし、強度を確保すべく加熱領域２０における炉心管４のガラスの厚みと同様の厚みとしてもよい。
上述のような構造の炉心管４は、内径の異なるシリカガラス製の管を熱加工により接合して作製してもよいし、一定の内径のシリカガラス製の管の一部の領域を研削又は研磨によって薄肉に加工することによって作製してもよい。
炉心管４における加熱領域２０に位置する部分は、予め加熱ヒータ２より加熱してガラスの結晶化を行っておくことが好ましい。
以上で説明した炉心管４を熱処理装置１に設置して用いると、従来と比べ炉心管４に割れが発生しにくくなり、長期間、繰り返して炉心管４を使用することが可能となる。
（実施例）
内径３７４ｍｍ、加熱ヒータ２の下端位置より上部のガラス厚８ｍｍ、下端位置より下のガラス厚４ｍｍである、新しい炉心管４をガラス母材熱処理装置１に取り付けた。炉心管４の内圧を大気圧に保った状態で、加熱ヒータ２で加熱処理（エージング処理）を行った。加熱処理は、加熱温度１３００℃、加熱時間２４０時間実施した。加熱処理後、炉心管４は、図４に示した加熱ヒータ２の内側の加熱領域２０でガラスが結晶化した（図４中の参照番号４２）。
その後、外径３４０ｍｍの多孔質ガラス母材１０を炉心管４の中に挿入し、ヘリウムガス、及び塩素ガスを導入しながら、加熱温度１５００℃、引下げ速度１．５ｍｍ／ｍｉｎで多孔質ガラス母材１０の熱処理を実施した。図５に示すように、加熱ヒータ２に隣接する加熱領域２０中を通り熱処理された多孔質ガラス母材１０からの輻射熱により、加熱ヒータ２下端位置より下側（つまり加熱領域２０を通過する際の多孔質ガラス母材１０の移動方向に関し加熱領域２０の下流に隣接する下流領域）２１で徐々にガラスの結晶化が起った（図５中の参照番号４３）。多孔質ガラス母材１０の熱処理を繰り返すと、熱処理回数が１００回程度で結晶化の進行が止まり、その後、更に１００回以上の熱処理が可能だった。
（比較例）
内径３７４ｍｍ、ガラス厚８ｍｍである、新しい炉心管４をガラス母材熱処理装置１に取り付けた。炉心管４の内圧を大気圧に保った状態で、加熱ヒータ２で加熱処理（エージング処理）を行った。加熱処理は、加熱温度１３００℃、加熱時間２４０時間実施した。加熱処理後、炉心管４は、実施例と同様、図６に示した加熱ヒータ２の内側の加熱領域２０でガラスが結晶化した（図６中の参照番号４２）。
その後、外径３４０ｍｍの多孔質ガラス母材１０を炉心管４の中に挿入し、ヘリウムガス、及び塩素ガスを導入しながら、加熱温度１５００℃、引下げ速度１．５ｍｍ／ｍｉｎで多孔質ガラス母材１０の熱処理を実施した。加熱ヒータ２に隣接する加熱領域２０中を通り熱処理された多孔質ガラス母材からの輻射熱により、加熱ヒータ２下端位置の下側の領域（つまり加熱領域２０を通過する際の多孔質ガラス母材１０の移動方向に関し加熱領域２０の下流に隣接する下流領域）２１で徐々にガラスの結晶化が起こった。多孔質ガラス母材１０の熱処理を繰り返すと、熱処理回数が８０回程度で結晶化した部分と結晶化していない部分とにおける熱膨張率の差により、炉心管４に割れが発生した。
１…熱処理装置
２…加熱ヒータ
３…炉体
４…炉心管
５…上蓋
６…支持棒
７…ガス導入口
８…ガス排出口
１０…多孔質ガラス母材
２０…加熱領域
２１…下流領域
２２…上流領域
４１…薄肉部

Claims (5)

  1. シリカガラス製の炉心管と、
    前記炉心管に隣接して設けられ、加熱領域を加熱する加熱ヒータと、
    多孔質ガラス母材を支持するとともに、前記加熱ヒータにより前記加熱領域を加熱した状態で、前記炉心管の内部において前記多孔質ガラス母材を前記加熱ヒータに対し相対的に移動させて前記加熱領域を通過させる移動機構と
    を備える熱処理装置であって、
    前記炉心管における、前記加熱領域に位置する部分に隣接する領域に、前記加熱領域に位置する部分のガラスの肉厚よりも薄肉である薄肉部を有する
    ことを特徴とする熱処理装置。
  2. 前記薄肉部のガラスの厚さが、加熱領域の炉心管のガラスの厚さの７５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
  3. 前記薄肉部のガラスの肉厚が、４ｍｍ〜６ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱処理装置。
  4. 前記加熱領域を通過する際の前記多孔質ガラス母材の移動方向に関し前記加熱領域の下流に隣接する領域である下流領域に、前記薄肉部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱処理装置。
  5. 前記炉心管における前記加熱領域に位置する部分は、予め加熱ヒータより加熱されてガラスが結晶化されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の熱処理装置。
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