JP2021042096A - 光ファイバの製造方法および光ファイバ冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入線するガラスファイバに牽引されて冷却筒内に混入する外気を遮断することができ、少ない冷却ガスで効率的にガラスファイバを冷却する。【解決手段】ガラス母材から線引きされた直後のガラスファイバＧ１を冷却装置２０に通過させ、冷却ガスにより冷却する。冷却装置２０は、冷却ガスによりガラスファイバＧ１を冷却する冷却筒２１，２１’と、冷却筒２１，２１’を覆うチャンバ２５と、チャンバ２５の上部に設けたパージ室２７を備えている。冷却筒２１，２１’に設けた冷媒通路に所定温度以下の冷媒を通し、チャンバ２５の筐体ガス導入口から露点が冷媒の温度以下のガスを導入し、パージ室２７のパージ室ガス導入口から露点が冷媒の温度以下のガスを導入するとともに、パージ室２７の圧力をチャンバ２５内の圧力より高くしている。【選択図】図２

Description

本開示は、光ファイバの製造方法および光ファイバ冷却装置に関する。

光ファイバは、一般にガラス母材から線引きされた後に、他の固形物に接触する前に樹脂被覆が施される。線引きされた直後のガラスファイバは、高温であるため直ちに樹脂被覆を施すことができない。このため、通常、線引きされた直後の光ファイバを冷却し、樹脂塗布に適した温度まで冷却している。この冷却を効率よく行うことで光ファイバの製造線速を高めることが可能となる。

例えば、特許文献１には、光ファイバ冷却装置が開示されている。この冷却装置では、ガラスファイバが通るファイバ通路（冷却通路）に熱伝導効率の高いＨｅ（ヘリウム）ガスを供給し、ファイバ通路を形成する冷却筒を冷却するために、冷媒として、例えば−７０℃から少なくとも室温程度までの範囲で液相となるパーフルオロポリエーテルなどを−２０℃に冷却して供給している。このため、冷却装置のケーシングと冷却筒を取り囲む断熱材との空間を、冷媒の温度よりも低い露点を有する乾燥雰囲気で保持することによって、ファイバ通路で結露が発生しないように配慮している。

特開平１０−２５９０３６号公報

特許文献１に開示されている光ファイバ冷却装置では、−２０℃の冷媒を循環させて冷却したファイバ通路の霜付きを防ぐため、乾燥空気で満たしたケーシングの中に冷却筒を配置しているが、光ファイバの線引きの線速が上がると、外気がガラスファイバに牽引されて、冷却筒の中に混入する。これにより、外気に含まれる水蒸気がファイバ通路内で結露し、零度以下で氷結するため、ガラスファイバの断線のおそれがあった。これを防止するために、冷媒温度を常温付近の温度に設定すれば、結露や霜の問題は解消するが、冷却効率が低下する。さらに、冷却筒の長さを長くするか冷却筒内に供給するヘリウム流量を増やすことが必要となるが、線引装置の高さが高くなったり、製造コストが増加したりするといった問題がある。

本開示は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、入線するガラスファイバに牽引されて冷却筒内に混入する外気を遮断することができ、少ない冷却ガスで効率的にガラスファイバを冷却することができる光ファイバの製造方法および光ファイバ冷却装置を提供することをその目的とする。

本開示の光ファイバの製造方法は、ガラス母材から線引きされた直後のガラスファイバを冷却装置に通過させ、冷却ガスにより冷却する光ファイバの製造方法であって、前記冷却装置は、前記冷却ガスにより前記ガラスファイバを冷却する冷却筒と、前記冷却筒を覆った筐体と、該筐体の上部に設けたパージ室を備え、前記冷却筒に設けた冷媒通路に所定温度以下の冷媒を通し、前記筐体内に露点が前記冷媒の温度以下の第１のガスを導入し、前記パージ室内に露点が前記冷媒の温度以下の第２のガスを導入するとともに、前記パージ室内の圧力を前記筐体内の圧力より高くしている。

また、本開示の光ファイバ製造装置は、ガラス母材から線引きされた直後のガラスファイバを冷却ガスによって冷却する光ファイバ冷却装置であって、前記冷却ガスにより前記ガラスファイバを冷却する冷却筒と、該冷却筒を覆った筐体と、該筐体の上部に設けたパージ室からなり、前記冷却筒は、所定温度以下の冷媒を通す冷媒通路を備え、前記筐体は、該筐体内に露点が前記冷媒の温度以下の第１のガスを導入する筐体ガス導入口を備え、前記パージ室は、該パージ室内に露点が前記冷媒の温度以下の第２のガスを導入するパージ室ガス導入口を備え、前記パージ室内の圧力を前記筐体内の圧力より高くしたものである。

本開示によれば、入線するガラスファイバに牽引されて冷却筒内に混入する外気を遮断することができ、結露によるガラスファイバの断線を防止できる。また、少ない冷却ガスで効率的にガラスファイバを冷却することができる。

本開示に係る光ファイバの製造装置の概略を説明するための図である。 本開示に係る光ファイバ冷却装置の一例を示す図である。 図２のIII−III線の矢視断面図である。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。
本開示に係る光ファイバの製造装置は、（１）ガラス母材から線引きされた直後のガラスファイバを冷却装置に通過させ、冷却ガスにより冷却する光ファイバの製造方法であって、前記冷却装置は、前記冷却ガスにより前記ガラスファイバを冷却する冷却筒と、前記冷却筒を覆った筐体と、該筐体の上部に設けたパージ室を備え、前記冷却筒に設けた冷媒通路に所定温度以下の冷媒を通し、前記筐体内に露点が前記冷媒の温度以下の第１のガスを導入し、前記パージ室内に露点が前記冷媒の温度以下の第２のガスを導入するとともに、前記パージ室内の圧力を前記筐体内の圧力より高くしている。

この構成により、露点が前記冷媒の温度以下のガスで満たされた筐体におけるガラスファイバの入り口に、露点が前記冷媒の温度以下のガスをパージすることによって、筐体内への外気の巻きこみを防ぐことができる。よって、入線するガラスファイバに牽引されて冷却筒内に混入する外気を遮断することができ、結露によるガラスファイバの断線を防止できる。また、少ない冷却ガスで効率的にガラスファイバを冷却することができる。

（２）前記ガラスファイバの線引速度が１０００ｍ／分以上であってもよい。線引速度が大きい場合は、ファイバ入線口から大気がより混入しやすくなるが、本開示では、線引速度が１０００？／分以上の高速の場合であっても、入線するガラスファイバに牽引されて冷却筒内に混入する外気を遮断することができ、少ない冷却ガスで効率的にガラスファイバを冷却することができる。

（３）前記冷却筒内の冷却ガスの圧力を前記筐体内の前記第１のガスの圧力より高くすることが望ましい。これにより、冷却筒内への外気の巻きこみをより確実に防ぐことができる。

（４）前記冷却筒下部の冷媒温度は前記冷却筒上部の冷媒温度より低いことが望ましい。仮に大気が筐体内に混入した場合、冷却筒上部側は大気濃度が高く、下部側は大気濃度が低くなる。この分布に対応して、冷却筒下部の方の冷媒温度を低くすることによって、効果的にガラスファイバを冷却できるとともに霜の発生を抑制できる。

（５）前記冷却ガスはヘリウムガスであり、前記冷却筒全体のヘリウム流量が５リットル／分以下であってもよい。本開示では、少ない冷却ガスで効率的にガラスファイバを冷却することができるため、冷却ガスの流量を削減できる。

本開示に係る光ファイバ冷却装置は、（６）ガラス母材から線引きされた直後のガラスファイバを冷却ガスによって冷却する光ファイバ冷却装置であって、前記冷却ガスにより前記ガラスファイバを冷却する冷却筒と、該冷却筒を覆った筐体と、該筐体の上部に設けたパージ室からなり、前記冷却筒は、所定温度以下の冷媒を通す冷媒通路を備え、前記筐体は、該筐体内に露点が前記冷媒の温度以下の第１のガスを導入する筐体ガス導入口を備え、前記パージ室は、該パージ室内に露点が前記冷媒の温度以下の第２のガスを導入するパージ室ガス導入口を備え、前記パージ室内の圧力を前記筐体内の圧力より高くしたものである。

この構成により、露点が冷媒の温度以下のガスで満たされた筐体におけるガラスファイバの入り口に、露点が冷媒の温度以下のガスをパージすることによって、筐体内への外気の巻きこみを防ぐことができる。入線するガラスファイバに牽引されて冷却筒内に混入する外気を遮断することができ、結露によるガラスファイバの断線を防止できる。また、少ない冷却ガスで効率的にガラスファイバを冷却することができる。

（７）前記パージ室に前記ガラスファイバが入線する入線口の内径が、前記パージ室から前記ガラスファイバが出線する出線口の内径より大きくてよい。これにより、入線部のパージガスの流れが上向きになり、パージ室への大気の混入を防ぐことができる。そのため、筐体内への外気の混入を防止できる。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、図面を参照しながら、本開示の光ファイバの製造方法および光ファイバ冷却装置に係る好適な実施形態について説明する。以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。なお、本発明はこれらの実施形態での例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内および均等の範囲内におけるすべての変更を含む。また、複数の実施形態について組み合わせが可能である限り、本発明は任意の実施形態を組み合わせたものを含む。

（光ファイバ線引装置の概要）
まず、図１を用いて、本開示の実施形態に係る光ファイバ製造装置１の概要を説明する。図１は、本開示に係る光ファイバの製造装置の概略を説明するための図である。

図１に示すように光ファイバ製造装置１は、光ファイバ用のガラス母材Ｇを加熱し軟化させる線引炉１０を最上流に備えている。線引炉１０は、内側にガラス母材Ｇが供給される円筒状の炉心管１１と、この炉心管１１を取り囲む発熱体１２と、炉心管１１内にパージガスを供給するガス供給部１３とを有している。ガラス母材Ｇは、母材送り装置Ｆによってその上部が把持されている。この母材送り装置Ｆは、ガラス母材Ｇの下端部分を線引炉１０の炉心管１１まで送ることができる。

光ファイバ製造装置１は、線引炉１０の下方（下流側）に、ガラスファイバＧ１を冷却する冷却装置２０を備えている。冷却装置２０は、線引きされた直後の高温のガラスファイバＧ１を樹脂塗布に適した温度まで冷却するためのものである。冷却装置２０の詳細については後述する。冷却装置２０の下方（下流側）には、ガラスファイバＧ１の外径を測定する外径測定装置４０が設けられている。外径測定装置４０としては、例えば、光学的にガラスファイバＧ１の外径を測定するものが用いられ、ガラスファイバＧ１の長手方向に垂直な平面で、直交する２軸の径を計測している。外径測定装置４０としては、ガラスファイバＧ１の外径を非接触で測定できるものであれば、光学式以外の外径測定装置であってもよい。ガラスファイバＧ１の外径は略１２５μｍになるように制御される。

光ファイバ製造装置１は、外径測定装置４０の下方（下流側）に、ガラスファイバＧ１に樹脂層を被覆して光ファイバＧ２を形成する被覆装置５０を備えている。本実施形態においては、被覆装置５０は、外径が測定されたガラスファイバＧ１に紫外線硬化型樹脂であるウレタンアクリレート樹脂を塗布し、このウレタンアクリレート樹脂に紫外線を照射することでウレタンアクリレート樹脂を硬化させている。なお、紫外線硬化性樹脂としては、ウレタンアクリレート樹脂以外の樹脂であってもよい。ガラスファイバＧ１は樹脂層が被覆されて、外径が略２５０μｍの光ファイバＧ２となる。

光ファイバ製造装置１は、被覆装置５０の下方（下流側）であって、線引炉１０の直下に、光ファイバＧ２の走行方向を変更する直下ローラ６０Ａを備えている。本実施形態では、直下ローラ６０Ａは、光ファイバＧ２の走行方向を鉛直方向から水平方向へと変更している。直下ローラ６０Ａの下流側には、樹脂層の状態を検査する検査装置７０が設けられている。検査装置７０は、気泡検出器、外径測定器あるいはコブ（凹凸）検出器等の検出装置であり、樹脂層における気泡の有無、樹脂層の外径あるいは樹脂層におけるコブの有無を光学的（例えば、レーザ光式）に検出し、光ファイバＧ２の不良発生を監視している。

光ファイバ製造装置１は、検査装置７０下流側に、光ファイバＧ２走行方向を変更するガイドローラ６０Ｂを備えている。ガイドローラ６０Ｂは、光ファイバＧ２の走行方向を水平方向から斜め上方へと変更している。

光ファイバ製造装置１は、さらに、光ファイバＧ２を所定の張力で引き取るキャプスタン８０、光ファイバＧ２に張力を与えるスクリーニング装置９０、および、ダンサローラ１００を備えている。光ファイバＧ２は、キャプスタン８０、スクリーニング装置９０、および、ダンサローラ１００を介してボビンＢに巻き取られる。

（冷却装置）
次に、本開示に係る光ファイバ冷却装置について説明する。図２は、本開示に係る光ファイバ冷却装置の一例を示す図であり、図３は、図２のIII−III線の矢視断面図である。
本実施形態では、冷却装置２０は、チャンバ２５内に、上下２段の冷却筒２１，２１’と、チャンバ２５の上部に設けたパージ室２７を有している。冷却装置２０は、装置入口２０ａで例えば１２００℃程度の高温で通過したガラスファイバＧ１を、装置出口２０ｃで例えば５０℃程度にまで冷却するように構成されている。チャンバ２５は、本開示の筐体に相当する。

冷却筒２１，２１’は、金属からなり、それぞれ中央部分にファイバ通路２２,２２’が、冷却筒２１，２１’を上下方向に貫通して形成されている。ファイバ通路入口２２ａはチャンバ入口２０ｂに対向し、ファイバ通路出口２２ｂはファイバ通路入口２２ａ’に対向し、さらに、ファイバ通路出口２２ｂ’はチャンバ２５の装置出口２０ｃにそれぞれ対向している。

冷却筒２１と冷却筒２１’とは、同様の構成をしているため、以下の説明では、冷却筒２１について説明する。冷却筒２１のファイバ通路２２は、ファイバ通路入口２２ａとファイバ通路出口２２ｂとの間でガラスファイバＧ１を通過させる。ファイバ通路２２は、その長手方向中央位置で、冷却ガス導入路３１に連通している。冷却ガス導入路３１には、冷媒の温度をガラスファイバＧ１に伝える冷却ガスの役割を果たすヘリウムガスが導入される。図３に示すように、冷却ガス導入路３１は、例えば、ファイバ通路２２を挟んで対向した位置に設けられている。なお、冷却ガス導入路３１は、ファイバ通路２２の周方向に沿って放射状に設けられていてもよい。冷却ガス導入路３１に導入されたヘリウムガスはファイバ通路２２内へ供給され、ガラスファイバＧ１からの熱を冷却された冷却筒２１，２１’へ伝える媒体として機能する。

冷却筒２１は冷媒通路２３を有する。冷媒通路２３は、図３で示すように、冷却筒２１のファイバ通路２２の周囲に例えば計４本設けられ、ファイバ通路２２と同様に、冷却筒２１を上下方向に貫通して形成されている。冷媒通路２３は、その長手方向下端位置で冷媒導入路３２に連通し、その長手方向上端位置で冷媒導出路３３に連通している。なお、冷媒通路２３の他、この冷媒通路２３に連通する冷媒導入路３２や冷媒導出路３３も、本開示の冷却筒２１を構成する部材である。

冷媒導入路３２には、例えば、−４０℃に冷却したパーフルオロポリエーテルなどの媒体が供給される。パーフルオロポリエーテルは、ファイバ通路２２での冷却ガスを介した熱交換によってガラスファイバＧ１を冷却する冷媒として機能する。パーフルオロポリエーテルは、冷媒通路２３内を例えば−４０℃にまで下げた後、例えばポンプを用いて排出され、冷媒導出路３３を介して図示しない貯留槽に戻される。冷媒通路２３内を媒体が循環可能となるように形成すれば、ファイバ通路２２を常に同じ状態で冷却することが可能になる。なお、媒体として液体窒素を用いてもよい。また、冷却筒２１は断熱材２４で覆われており、冷却筒２１の温度上昇を防いでいる。

冷却筒２１’の構成についても、冷却筒２１と同様の構成をしており、冷却ガス導入路３１’、冷媒通路２３’、冷媒導入路３２’、冷媒導出路３３’、および、断熱材２４’を備えている。冷却筒２１，２１’を収容するチャンバ２５の内壁と、冷却筒２１，２１’の断熱材２４，２４’との間に形成された空間２６には、冷却筒２１，２１’のより低い方の温度に比べて同程度、若しくは低い露点の例えばドライエア（乾燥雰囲気）で満たされる。空間２６はチャンバガス導入路３４に連通し、チャンバガス導入路３４のチャンバガス導入口からドライエアが供給される。空間２６に供給されたドライエアはチャンバ２５の装置出口２０ｃから外部へ排出される。チャンバガス導入口は本開示の筐体ガス導入口に相当する。

本実施形態では、空間２６を満たすガスとしてドライエアを用いているが、冷却筒２１，２１’のより低い方の温度以下の露点を有するガスであれば、ドライエアでなくてもよく、例えば窒素ガスを用いてもよい。これにより、冷却筒２１，２１’を冷却するための温度の低い冷媒を冷媒通路２３に供給しても、冷媒導入路３２や冷媒導出路３３等の表面に空間２６のドライエア中の水分が凝縮することはない。また、冷却筒２１，２１’内の冷却ガスの圧力をチャンバ２５内の空間２６圧力よりも高くしている。これにより、空間２６を満たすドライエアがガラスファイバＧ１に牽引されてファイバ通路２２，２２’内に入り込むことがなく、ファイバ通路２２，２２’内でドライエア中の水分が凝縮することがない。チャンバ２５内の空間２６に供給されるドライガスが本開示の第１のガスに相当する。

なお、本実施形態では、２段の冷却筒２１，２１’を備えているが、１段の冷却筒２１から構成されていてもよく、あるいは、３段以上の冷却筒から構成されていてもよい。２段の冷却筒２１，２１’は、下段の冷却筒２１’の方が上段の冷却筒２１よりも冷媒の温度が低くなるようにしている。例えば、上段の冷却筒２１の冷媒の温度を―２０℃以下とし、下段の冷却筒２１’の温度を−４０℃とすることができる。なお、１段の冷却筒で構成する場合は、冷媒は下方から上方に流れることによって温度が上がるため、冷却筒下部の冷媒温度が冷却筒上部の冷媒温度より低くなる。そして、ガラスファイバＧ１の製造速度が高速に設定されるに連れて冷却筒２１，２１’がより低温になるように調整し、装置出口２０ｃにおけるガラスファイバＧ１を常に樹脂塗布に適した温度、例えば５０℃程度に冷却している。

チャンバ２５の上部には、パージ室２７が設けられている。パージ室２７の空間２８にはパージ室ガス導入路３５に連通し、パージ室ガス導入路３５のパージ室ガス導入口からパージガスとしてドライエアが空間２８内に供給される。パージ室２７内の空間２８の圧力がチャンバ２５内の空間２６の圧力が高くなるように、ドライエアを供給している。そして、ガラスファイバＧ１の入線口となるパージ室２７の装置入口２０ａの内径を、ガラスファイバＧ１の出線口となるパージ室２７のチャンバ入口２０ｂの内径よりも大きくしている。これにより、パージ室ガス導入路３５から供給されたドライエアはその大部分が装置入口２０ａから外部に排出されるため、装置入口２０ａでのドライエアの流れは上向きとなる。パージ室２７の空間２８に供給されるドライガスが本開示の第２のガスに相当する。

したがって、ガラスファイバＧ１の線速が大きくなっても、ガラスファイバＧ１に牽引されてパージ室２７内に牽引される外気の量が少なくなる。これにより、ガラスファイバＧ１に牽引されて冷却筒２１，２１’内に混入する外気を遮断することができる。このように、パージ室２７を設け、ガラスファイバＧ１の入線口で上向きにドライエアを流すことによって、ガラスファイバＧ１の線引速度が１０００ｍ／分以上であっても、冷却筒２１，２１’のファイバ通路２２，２２’内に結露や霜が発生することがなかった。また、ガラスファイバＧ１を５０℃まで冷却するために必要な冷却ガスとしてのヘリウムガスは、冷却筒２１，２１’全体で毎分５リットル以下であった。

１…光ファイバ製造装置、１０…線引炉、１１…炉心管、１２…発熱体、１３…ガス供給部、２０…冷却装置、２０ａ…装置入口、２０ｂ…チャンバ入口、２０ｃ…装置出口、２１，２１'…冷却筒、２２，２２'…ファイバ通路、２２ａ，２２ａ'…ファイバ通路入口、２２ｂ，２２ｂ'…ファイバ通路出口、２３，２３'…冷媒通路、２４，２４'…断熱材、２５…チャンバ、２６…空間、２７…パージ室、２８…空間、３１，３１’…冷却ガス導入路、３２，３２'…冷媒導入路、３３，３３'…冷媒導出路、３４…チャンバガス導入路、３５…パージ室ガス導入路、４０…外径測定装置、５０…被覆装置、６０Ａ…直下ローラ、６０Ｂ…ガイドローラ、７０…検査装置、８０…キャプスタン、９０…スクリーニング装置、１００…ダンサローラ、Ｂ…ボビン、Ｆ…母材送り装置、Ｇ…ガラス母材、Ｇ１…ガラスファイバ、Ｇ２…光ファイバ。

Claims (7)

1. ガラス母材から線引きされた直後のガラスファイバを冷却装置に通過させ、冷却ガスにより冷却する光ファイバの製造方法であって、
   前記冷却装置は、前記冷却ガスにより前記ガラスファイバを冷却する冷却筒と、前記冷却筒を覆った筐体と、該筐体の上部に設けたパージ室を備え、
   前記冷却筒に設けた冷媒通路に所定温度以下の冷媒を通し、
   前記筐体内に露点が前記冷媒の温度以下の第１のガスを導入し、
   前記パージ室内に露点が前記冷媒の温度以下の第２のガスを導入するとともに、前記パージ室内の圧力を前記筐体内の圧力より高くした、
   光ファイバの製造方法。
2. 前記ガラスファイバの線引速度が１０００ｍ／分以上である請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
3. 前記冷却筒内の前記冷却ガスの圧力を前記筐体内の前記第１のガスの圧力より高くした、請求項１または請求項２に記載の光ファイバの製造方法。
4. 前記冷却筒下部の冷媒温度は前記冷却筒上部の冷媒温度より低い、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光ファイバの製造方法。
5. 前記冷却ガスはヘリウムガスであり、前記冷却筒全体のヘリウム流量が５リットル／分以下である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光ファイバの製造方法。
6. ガラス母材から線引きされた直後のガラスファイバを冷却ガスによって冷却する光ファイバ冷却装置であって、
   前記冷却ガスにより前記ガラスファイバを冷却する冷却筒と、該冷却筒を覆った筐体と、該筐体の上部に設けたパージ室からなり、
   前記冷却筒は、所定温度以下の冷媒を通す冷媒通路を備え、
   前記筐体は、該筐体内に露点が前記冷媒の温度以下の第１のガスを導入する筐体ガス導入口を備え、
   前記パージ室は、該パージ室内に露点が前記冷媒の温度以下の第２のガスを導入するパージ室ガス導入口を備え、
   前記パージ室内の圧力を前記筐体内の圧力より高くした、
   光ファイバ冷却装置。
7. 前記パージ室に前記ガラスファイバが入線する入線口の内径が、前記パージ室から前記ガラスファイバが出線する出線口の内径より大きい、請求項６に記載の光ファイバ冷却装置。