JP4019255B2 - ガラス物品の加工方法および加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガラス物品の加工方法および加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガラス物品を加工する方法の一例として、酸水素バーナを用いた加熱加工が行われている。
酸水素バーナを用いて、直径の大きなガラス物品を加熱加工するときに、酸水素バーナの火力を強くしてもガラス物品の内部の温度を充分に上げることができないもとがある。また、酸水素バーナの火力を強くした場合に、ガラス物品の表面に水素が添加されてしまい、−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−というガラスの網目構造が切れてしまうという問題もある。
【０００３】
加熱炉を用いて、ガラス物品を加工する方法は、特開２０００−１２８５５８号公報に記載されている。同公報には、加熱装置である誘導炉の具体的構成が示されていない。一般的に、図７に示すように、加熱誘導炉１０７には、誘導コイル１０９が巻回されており、この誘導コイル１０９の内側に発熱体であるサセプター１１１が取り付けられている。サセプター１１１の内側は、ガラス物品１１９を挿入して加工するための加工部１１７が形成されており、この加工部１１７にガラス物品１１９を挿入してサセプター１１１の加熱によりガラス物品１１９が加工される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ガラス物品１１９としてガラスパイプ１２１とガラスロッド１２２とを用い、ガラスパイプ１２１内にガラスロッド１２２を挿入して、加熱加工して一体化させるため、抵抗炉または酸水素バーナを用いて実験を行い、その時の温度分布を図３に示す。
図４は、ガラス物品の加熱装置の発熱体の中央部からの距離と温度関係を表したものである。
【０００５】
酸水素バーナは、その火炎の幅が目に見える部分で約２４ｍｍのものを使用し、ガラスパイプ１０３のその内側の温度を熱電対で測定すると、加熱装置の加工部の最高温度が１３００℃であり、ガラス物品を加工加工する加工部の加工領域において、１０００℃以上の領域が１２０ｍｍであった。この１０００℃以上の範囲の温度勾配は、図５（ａ）に示すように、３００℃／６０ｍｍ＝５℃／ｍｍとなり、急峻な温度勾配となっている。この温度勾配の状態で最高温度を上げていくと、図６に示すように、酸水素バーナ１０１により、ガラスパイプ１０３とガラスロッド１０５とを一体化することができた。
【０００６】
次に、抵抗炉を用いて、ガラスパイプ１０３とガラスロッド１０５とを一体化することを試みた。同様の測定系で、この抵抗炉の加工部の最高温度は、１３８０℃、１０００℃以上の加熱領域は５００ｍｍと長くなっている。そのため、この抵抗炉の温度勾配は、図５（ｂ）に示すように、３８０℃／２５０ｍｍ＝１．５２℃／ｍｍと、なだらかな温度勾配となっている。この温度勾配をもった抵抗炉を使用して、ガラスパイプ１０３とガラスロッド１０５とを一体化させようとしたが、気泡があり、一体化できない部分が残った。
【０００７】
今度は、誘導炉を用いて、ガラスパイプ１０３とガラスロッド１０５とを一体化すべく実験してみた。同様の測定系で、加工部の最高温度は１４４０℃となっており、加工部内の１０００℃以上の加熱領域は４００ｍｍであった。この誘導炉の温度勾配は、図５（ｃ）に示すように、４４０℃／２００ｍｍ＝２．２℃／ｍｍであり、上述の抵抗炉と比べ、温度勾配が僅かにおおきくなっている。しかしながら、この誘導炉を用いて、ガラスパイプ１０３と、ガラスロッド１０５との一体化を試みたが、一体化がうまくできなかった。この実験に用いたガラスパイプ１０３の外径は９０ｍｍのものを使用し、サセプター（発熱体）は長さ１１０ｍｍのものを用いていた。
【０００８】
発明者らは、上述の実験について考察したところ、直径の大きなガラス物品を加熱した加工する際に、加工部の最高温度が良好にガラス物品を加熱加工する際の要件ではないことが判った。さらに、誘導炉を用いて、直径の大きなガラス物品を良好に加熱するには、酸水素バーナの温度勾配にみられるような、急峻な温度勾配が必要であることが判った。また、直径の大きいガラス物品を良好に加熱加工するためには、ガラス物品の寸法と誘導炉（サセプター）の寸法との間で関係あることが判明した。
【０００９】
この発明の目的は、急峻な温度勾配を安定して得ることにより、直径の大きなガラス物品を良好に加工することのできるガラス物品の加工方法および加工装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明に係るガラス物品の加工方法は、ガラス物品の直径をＤ、発熱体の長さをＬ、誘導コイルの幅をＬｃとするときに、Ｌｃ≦Ｌ、かつ、０．６≦Ｌ／Ｄ≦１の条件を満足する前記発熱体および前記誘導コイルを用いた誘導炉にガラスパイプ内にガラスロッドを挿入した構成のガラス物品を相対的に送り込み、この誘導炉内の発熱体により前記ガラス物品を加熱して前記ガラスパイプと前記ガラスロッドとを一体化させることである。
【００１１】
また、本発明に係るガラス物品の加工装置は、ガラスパイプ内にガラスロッドを挿入した構成のガラス物品を相対的に誘導炉に送り込んで、この誘導炉内の発熱体により前記ガラス物品を加熱して前記ガラスパイプと前記ガラスロッドとを一体化させるガラス物品の加工装置において、ガラス物品の直径をＤ、発熱体の長さをＬ、誘導コイルの幅をＬｃとするときに、Ｌｃ≦Ｌ、かつ、０．６≦Ｌ／Ｄ≦１の条件を満足する前記発熱体および前記誘導コイルを備えたことである。
【００１２】
このようなガラス物品の加工方法または加工装置においては、誘導炉の発熱体と誘導コイルとガラス物品との寸法関係が上述した所望範囲内にあればガラス物品に対し強力な加熱力を得られると共に急峻な温度勾配を実現することができる。従って、大型のガラス物品についても加熱不足や加熱のしすぎが解消されかつ温度勾配が大きく設定でき、良好な加熱加工を行なうことができる。
【００１４】
さらに、本発明に係るガラス物品の加工方法は、ガラスロッドのガラス物品を用いて、前記ガラスロッドを前記発熱体により加熱させて延伸させてもよい。
【００１５】
さらに、本発明に係るガラス物品の加工方法は、石英管のガラス物品を用いて、前記石英管の内周面にガラス微粒子を堆積させていってもよい。
【００１６】
さらに、本発明に係るガラス物品の加工方法は、前記ガラス物品を回転させながら、前記発熱体により加熱させてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガラス物品の加工方法および加工装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１には、ガラス物品の加熱装置１の断面図が示されている。この加熱装置１では、ケーシング３の内側の中央付近に、ガラス物品４を加熱して加工するために円筒状の加熱加工部１１が図１でみて左右方向にわたって設けられている。加熱加工部１１の長手方向の両端部には、開口部１３Ｆ、１３Ｒが形成されており、この開口部１３Ｆ、１３Ｒを通して、ガラス物品４を加熱加工部１１に挿入したり、排出させたりすることができる。
【００１９】
ガラス物品４の加熱加工部１１内への挿入方法としては、加熱装置１を固定した状態で、この誘導加熱炉２の加熱加工部１１内へガラス物品４移動させて挿入させる方法を用いることができる。他の挿入方法としては、ガラス物品４を固定させた状態で、加熱装置１をガラス物品４に向け移動させて加熱加工部１１内へガラス物品４が挿入していく方法を用いてもよい。
【００２０】
本実施形態では、ガラス物品４の例として、ガラスパイプ５と、このガラスパイプ５内に挿入されたガラスロッド７とを用い、この両者を加熱してい一体化させる場合について説明する。ガラスパイプ５の両端にはテーパ部５Ａ、５Ａが形成されており、これらのテーパ部５Ａ、５Ａの外側はダミーパイプ６、６が接合されている。
【００２１】
ダミーパイプ６、６には縮径部６Ａ、６Ａが形成されており、ガラスロッド７をガラスパイプ５、ダミーパイプ６、６内に挿入したときに、ガラスロッド７は縮径部６Ａ、６Ａのところでバーナ等により接合固定されている。そのため、ガラスパイプ５とガラスロッド７とは、所望の微少隙間を維持しながら互いに固定される共に、ガラスロッド７とガラスパイプ５との軸心を一致させることができる。そのため、互いに固定されたガラスパイプ５とガラスロッド７は、加熱加工部１１内に挿入して加熱させられる時は、軸心が一致した状態で、回転させながら一体化できる。
【００２２】
加熱加工部１１の長手方向でみて中央部の内面には、円筒状の発熱体であるサセプタ−１５が設けられており、このサセプタ−１５は高温耐久性を考慮してカーボン材料のものを用いている。サセプター１５の外側には、サセプター１５や加熱加工部１１を覆うように断熱材１７が配置され、サセプター１５の発熱が外部に放出するのを抑制して、加熱加工部１１を良好に加熱させている。断熱材１７の外周には、中空の銅線を螺旋状に巻回した誘導コイル１９が配置されている。
【００２３】
この誘導コイル１９は、電源電圧を印加して誘導コイル１９に高周波電流を流すと、この誘導コイル１９の表面に高周波磁束が発生する。この高周波磁束により、誘導作用が発生してサセプター１５が加熱させられるものである。尚、誘導コイル１７に長時間電流を流し続けると、誘導コイル１７が高温に加熱させられるため、断面が中空形状の誘導コイルを用い、その中空部内に冷却媒体を循環させている。
【００２４】
誘導コイル１９およびサセプター１５の両側には、配管２３、２３が設けられ、加熱加工部１１につながっている。さらに、この配管２３、２３の外側（図でみて左右方向）にも、同様に配管２３Ａ、２３Ａが設けられ、加熱加工部１１の開口部１３Ｆ、１３Ｒ付近まで伸びている。これらの配管２３、２３、２３Ａ、２３Ａ内にはアルゴン等の不活性ガスが供給され（図示せず）、噴出口２１、２１Ａから加熱加工部１１へ噴出させられる。
【００２５】
サセプター１５が高温（例えば、２０００℃程度）に発熱させられると、カーボン材料のサセプター１５が加熱加工部１１内に存在する空気中の酸素と接触して燃焼してしまう。このサセプター１５の燃焼による消耗を抑制するために、加熱加工部１１内を不活性ガスで充満させて、酸素濃度を低く保っている。更に、サセプター１５の両外側（図１において左右両側）には、酸素消費リング２５、２５が備えられている。この酸素消費リング２５、２５はカーボン材料でできているため、加工加熱部１１内に外部から空気が侵入してきた場合には、酸素と接触してカーボンが燃焼させられる。そのため、加熱加工部１１内は、常に、酸素濃度が低い良好な状態に維持されている。
【００２６】
加熱加工部１１の開口部１３Ｆ、１３Ｒ外側には、二重シャッター２７Ａ、２７Ｂが設けられている。これら二重シャッターは、ガラス物品４と誘導加熱炉１とが相対的に移動した場合、ガラス物品４の外径形状に応じて各々或いは同時に開閉制御している。そのため、ガラス物品４と二重シャッター２７Ａ、２７Ｂとの隙間を最小限に維持し、加熱開口部１１内に侵入してくる空気を最大限抑制している。特に、二重シャッター２７Ａ、２７Ｂは、ガラス物品４の外径形状がテーパ形状や曲線形状である場合に、その外径形状の変化に応じて、それぞれ開閉制御して、空気の侵入を抑制するのに適している。
【００２７】
このような加熱装置を用いて、大型のガラス物品を良好に加熱するための、ガラス物品の寸法、誘導コイルの寸法、および発熱体の寸法の関係を検討してみた。
【００２８】
図２は、ガラス物品と誘導コイルと発熱体との寸法関係をあらわしたものである。この加工装置１により加工されるガラスパイプ５の径をＤ、サセプター１５の幅をＬ、誘導コイル１９の投影長さをＬｃとすると、Ｌｃ≦Ｌ、かつ、０．６≦Ｌ／Ｄ≦１の関係を満足するようにする。
【００２９】
（実施例１）
ガラスパイプ５の直径（Ｄ）が７０ｍｍのものを用いて、そのガラスパイプ５内にガラスロッド７を挿入固定した後、サセプター１５を発熱させて一体化を試みた。この時のサセプター１５の長さ（Ｌ）は６２ｍｍであり、誘導コイル１９の長さ（Ｌｃ）は５５ｍｍであった。従ってサセプター１５の長さ（Ｌ）とガラスパイプ５の直径（Ｄ＝７０ｍｍ）との比率（Ｌ／Ｄ）は０．８８であった。
また、この時の加熱加工部１１内の温度は１３５０℃であり、加熱加工部１１での１０００℃以上の領域が２００ｍｍであった。従って温度勾配は、図３に示すように、３５０℃／１００ｍｍ＝３．５℃／ｍｍと急峻にすることができ、この温度勾配で最高温度を上げていくと、ガラスパイプとガラスロッドとを良好に一体化することができた。
【００３０】
（実施例２）
今度は、直径（Ｄ）＝９０ｍｍのガラスパイプ５を用い、このガラスパイプ５内にガラスロッド７を挿入固定した後、サセプター１５により加熱させて一体化させてみた。サセプター１５は上述の実施例１に用いたものと同様であり、長さ（Ｌ）が６２ｍｍであり、誘導コイル１９の長さは実施例１と同様に５５ｍｍであった。ここで用いたサセプター１５の長さ（Ｌ）とガラスパイプ５の直径（Ｄ＝９０ｍｍ）の比率（Ｌ／Ｄ）は０．６８であった、このときの加熱加工部の最高温度および温度勾配は図３に示す実施例１と同様であり、それぞれ、１３５０℃、３．５℃／ｍｍであった。この条件にて、ガラスパイプ５とガラスロッド７とを加熱したところ、一体化することができた。
【００３１】
（比較例）
ガラスパイプ５の直径（Ｄ）が７０ｍｍのものを用いて、長さ４０ｍｍのサセプター１５で加熱加工部１１を加熱してガラスパイプ５とガラスロッド７とを一体化させるよう試みた。サセプター１５の長さ（Ｌ）とガラスロッド５の直径（Ｄ）との比率（Ｌ／Ｄ）は０．５７であった。この比較例では、サセプター１５の長さが実施例１、２と比べ短いため、加熱加工部１１内の温度勾配は急峻にすることができた。しかし、サセプター１５の長さが４０ｍｍと短いため、絶対的な発熱量が不足してしまい、直径７０ｍｍのガラスパイプ５およびこのガラスパイプ５内に挿入固定されたガラスロッド７とを一体化することができなかった。
【００３２】
実施例１では、サセプター１５の長さ（Ｌ）とガラスパイプ５の直径（Ｄ）との比率（Ｌ／Ｄ）が０．８８であり、実施例２では、その比率（Ｌ／Ｄ）が０．６８で、これらの比率においては、ガラスパイプ５とガラスロッド７とを良好に一体化することができた。
一方、上述の比較例の比率（Ｌ／Ｄ）が０．５７の場合や、従来例に示される比率（Ｌ／Ｄ）が１．２２の場合には、ガラスパイプとガラスロッドは良好に一体化することができなかった。
このことより、サセプターの長さ（Ｌ）とガラスパイプの直径（Ｄ）との比率（Ｌ／Ｄ）は、０．６〜１の範囲が望ましいことが判明した。
【００３３】
なお、本発明に係るガラス物品の加工方法および加工装置は、前述した実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形、改良等が可能である。
すなわち、前述した実施形態では、ガラスパイプ５にガラスロッド７を挿入して、加熱し一体化する加工について説明したが、この他の加工についても同様に適用することができる。
例えば、ガラス物品としてガラスロッドを用いて延伸加工する場合には、比率（Ｌ／Ｄ）が大きすぎると延伸の際にガラス物品が非円化してしまう。また、比率（Ｌ／Ｄ）が小さい場合には十分に加熱されないため、良好な加工を行なうことができないので、本発明の条件に基づいて延伸加工を行なうようにする。
【００３４】
また、ガラス物品として石英管を用い、この石英管を相対的に誘導炉に送り込んで誘導炉の発熱体により加熱すると共に石英管の内部に原料ガスを供給し、石英管の内周面にガラス微粒子を堆積させ、ガラス層を形成する、いわゆるＭＣＶＤ（内付け法）を実行することも可能である。
更に、本発明の条件に基づいて、ガラス物品を加熱加工する際に、加熱加工部内で、ガラス物品を回転させながら加熱加工を行うことができる、ガラス物品を回転させて加工することで、ガラス物品の外周面を均一に加熱することができ、ガラス物品の非円となることを防止することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係るガラス物品の加工方法および加工装置によれば、誘導炉により強力な加熱力を得ると共に急峻な温度勾配を実現することができるので、大型のガラス物品についても良好な加熱加工を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガラス物品の加工方法および加工装置の実施形態を示す要部断面図である。
【図２】発熱体と誘導コイルとガラス物品との寸法関係を説明した説明図である。
【図３】ガラス物品の加工装置の温度勾配を示す説明図である。
【図４】誘導炉、抵抗炉、酸水素の温度分布を示す説明図である。
【図５】各加熱装置の温度勾配を示す説明図であり、（ａ）は酸水素バーナ、（ｂ）は抵抗炉、（ｃ）は誘導炉である。
【図６】ガラスパイプとガラスロッドとの一体化を説明する説明図である。
【図７】従来の誘導炉の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 加工装置
４ ガラス物品
５ ガラスパイプ
７ ガラスロッド
１５サセプター（発熱体）
１９ コイル

Claims (3)

1. ガラス物品の直径をＤ、発熱体の長さをＬ、誘導コイルの幅をＬｃとするときに、Ｌｃ≦Ｌ、かつ、０．６≦Ｌ／Ｄ≦１の条件を満足する前記発熱体および前記誘導コイルを用いた誘導炉にガラスパイプ内にガラスロッドを挿入した構成のガラス物品を相対的に送り込み、この誘導炉内の発熱体により前記ガラス物品を加熱して前記ガラスパイプと前記ガラスロッドとを一体化させることを特徴とするガラス物品の加工方法。
2. 前記ガラス物品を回転させながら、前記発熱体により加熱することを特徴とする請求項１に記載のガラス物品の加工方法。
3. ガラスパイプ内にガラスロッドを挿入した構成のガラス物品を相対的に誘導炉に送り込んで、この誘導炉内の発熱体により前記ガラス物品を加熱して前記ガラスパイプと前記ガラスロッドとを一体化させるガラス物品の加工装置において、
   ガラス物品の直径をＤ、発熱体の長さをＬ、誘導コイルの幅をＬｃとするときに、Ｌｃ≦Ｌ、かつ、０．６≦Ｌ／Ｄ≦１の条件を満足する前記発熱体および前記誘導コイルを備えたことを特徴とするガラス物品の加工装置。

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