JP4078528B2 - ガラス物品の加熱方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、誘導加熱炉を用いてガラス物品を加熱加工する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガラス物品を加熱する方法の一例として、酸水素バーナを用いてガラス物品を加熱し加工する方法がある。この酸水素バーナを用いて、例えば、ガラス物品としてガラスパイプとガラスロッドとを用い、ガラスパイプ内にガラスロッドを挿入し、両者を加熱して一体化させている。
【０００３】
上述の酸水素バーナを用いたガラス物品の加熱加工では、直径の大きいガラス物品を加熱し加工するときに、酸水素バーナの火力を強くしている。しかしながら、火力の強い酸水素バーナにより直径の大きいガラス物品を加熱しても、ガラス物品の内部では、充分に加熱されず、良好に加工が行われないことがある。また、酸水素バーナの火力を大きくしてガラス物品を加熱すると、酸水素バーナの火炎からガラス物品の表面に水素が添加されることがあり、ガラス物品の［Ｓｉ（硅素）―Ｏ（酸素）―Ｓｉ（硅素）］というガラスの網目構造中にＨ（水素）が侵入し、ガラス物品の表面が［Ｓｉ（硅素）―Ｏ（酸素）―Ｈ（水素）］となってしまい、ガラスの網目構造が切断され、ガラス表面に欠陥が生じることがある。そのため、大型のガラス物品を加工するときに、酸水素バーナの使用が適さない場合がある。
【０００４】
そこで、特開２０００−１２８５５８号公報に示されているように、ガラス物品の一例として光ファイバ母材用石英ガラス管に光ファイバ母材用コアガラスロッドを挿入し、抵抗炉や誘導炉等の加熱炉内で加熱し溶着一体化する光ファイバ用石英ガラス母材の加熱方法が提案されている。
【０００５】
上述した公報には、加熱炉の内径と母材用石英ガラス管との比率が１．５〜２．０の範囲となるように設定された誘導炉を用いた加熱方法が開示されているが、誘導加熱炉の具体的構成が示されていない。一般的に、図５に示すように、誘導加熱炉１０１は、誘導コイル１０３が巻回されており、この誘導コイル１０３の内側に導電性発熱物であるサセプター１０５が断熱材１０７を介して本体１０９に取付けられている。サセプター１０５の内側には加熱加工部１１１が設けられており、サセプター１０５が誘導電流で発熱させられることにより加熱加工部１１１を昇温させている。このような誘導加熱炉１０１を用いて、例えば、ガラスパイプ１１３と、このガラスパイプ１１３内に挿入されたガラスロッド１１７とからなるガラス物品１１５を加熱加工して一体化させることができる。
【０００６】
上述した誘導加熱炉１０１において、図６にその要部を示すように、誘導コイル１０３の内径をＤ、誘導コイル１０３を長手方向で見た場合の一端部から他端部までの長さ（以下、「コイルの全体の長さ」という）をＬｃとした場合、例えば、Ｄ＝１７０ｍｍ、Ｌｃ＝２５０mmの寸法を有する誘導コイル１０３が用いられていた。その誘導コイル１０３の寸法比率Ｄ／Ｌｃは０．６８となる。あるいは、Ｄ＝２５０ｍｍ、Ｌｃ＝１００mmの誘導コイル１０３を用いており、その比率Ｄ／Ｌｃ＝２．５となっていた。
【０００７】
誘導加熱炉１０１の加熱に際し、誘導加熱炉に印加する電圧Ｅは、並列共振回路に関する式Ｅ＝ＩＬ／ＲＣより求められていた。ここで、Ｉは誘導コイル１０３に流れる電流、Ｌは誘導コイル１０３のインダクタンス、Ｒは誘導コイル１０３の抵抗値Ｒｃと発熱体であるサセプター１０５の抵抗値Ｒｓとの合計の抵抗値である。
この式で求めた電圧Ｅを誘導加熱炉に印加して、例えば、直径４０ｍｍ程度の直径の小さいガラス物品は良好に加熱加工することができた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
直径の大きなガラス物品を加熱加工するために、加熱加工部の内径を大きくすると、その周囲のコイルの直径も大きくなる。直径の大きな誘導コイルを使用した誘導加熱炉で、上記の式にて計算した電圧Ｅを印加して、例えば、直径７０ｍｍ程度の直径の大きいガラス物品を加熱加工しても、良好に加工することができなかった。例えば、ガラス物品として、ガラスパイプとガラスロッドを用い、ガラスパイプ内にガラスロッドを挿入して両者を一体化加熱したが、一体化できなかった。
【０００９】
この発明の目的は、前述のごとき、直径の大きいガラス物品であっても、ガラス物品の内部まで充分に加熱でき、かつ、ガラス表面を必要以上に加熱することなく、良好なガラス物品の加熱加工を行なうことができるガラス物品の加熱方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係るガラス物品の加熱方法は、請求項１に記載したように、ガラス物品を相対的に誘導加熱炉内に送り込み、誘導コイルにより発熱体を発熱させてガラス物品を加熱するガラス物品の加熱方法において、前記誘導コイルの直径をＤ、前記発熱体の長さをＬｓ、前記誘導コイルの全体の長さをＬｃとするとき、Ｌｃ≦Ｌｓ且つＤ／Ｌｃ＞３の条件を満たす発熱体および誘導コイルを用い、かつ、誘導加熱炉に印加する電圧をＥ、電圧前記誘導コイルに流れる電流をＩ、前記誘導コイルに並列な回路として配置されるコンデンサの容量をＣ、前記誘導コイルのインダクタンスをＬ、前記誘導コイルの抵抗値をＲｃ、前記発熱体の抵抗値をＲｓとするときに、Ｒ＝Ｒｃ＋Ｒｓ×Ｌｃ／Ｌｓとし、Ｅ＝（Ｉ×Ｌ）／（Ｒ×Ｃ）の計算式で算出された電圧Ｅを前記誘導加熱炉に印加して前記発熱体を発熱させて前記ガラス物品を加熱することである。
【００１１】
このように構成されたガラス物品の加熱方法を用いることで、発熱体の長さＬｓが誘導コイルの長さＬｃよりも長いものを用いて、誘導加熱炉に印加する電圧を求める計算式Ｅ＝（Ｉ×Ｌ）／（（Ｒｃ＋Ｒｓ）×Ｃ）のＲｓに対し、補正係数α＝Ｌｃ／Ｌｓを掛け合わせることで、最良の印加電圧が計算により求められ、発熱体を充分に発熱させることができる。このため、直径の大きいガラス物品でも内部まで充分に加熱させられて、かつ、ガラス表面が必要以上に加熱することなく、良好に加工することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガラス物品の加熱方法の実施形態の一例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
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を加熱加工部に挿入したり、排出させたりすることができる。
【００１４】
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が挿入されていく方法を用いてもよい。
【００１５】
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。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、一体化できる。ガラスパイプ５とガラスロッド７は回転させてもよい。
【００１６】
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されるのを抑制して、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、銅管（丸、角、矩形）を螺旋状に巻回した誘導コイル１９が配置されている。
【００１７】
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の近傍に高周波磁束が発生する。この高周波磁束の中におかれたサセプター１５に、誘導電圧が生じ、表層部に誘導電流が流れることで、ジュール熱が発生する。つまり、電磁誘導作用によって、サセプター１５が加熱する。尚、誘導コイル１９に長時間電流を流し続けると、誘導コイル１９の銅損、さらに、サセプター１５からの輻射も受けるため、断面が中空形状の誘導コイル１９を用い、その中空部内に冷却媒体を循環させている。
【００１８】
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内には窒素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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
このような構成の誘導加熱炉１において、例えば、直径７０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の直径の大きいガラス物品４を良好に加熱加工するための加熱炉の設計、検討を行った。
直径７０ｍｍ〜１００ｍｍの直径の大きいガラス物品の加熱加工のために、加熱加工部１１の内径および誘導コイル１９の内径を大きくしていくに従い、ガラスロッド７とガラスパイプ５とからなるガラス物品４が一体化できなくなっていった。この原因を探すべく、誘導加熱炉１を検討したところ、サセプター１５の温度が十分に上昇していなかったことがわかった。
【００２２】
サセプター１５は、電圧Ｅを印加することで、図２に示すように、誘導コイル１９のごく近辺３０の磁界のみにより発熱させられる。このため、長さＬｓのサセプター１５を用いて発熱させても、サセプター１５は、発熱領域Ａのみが発熱させられる。誘導コイル１９の内径Ｄが小さい場合、この発熱領域Ａは、誘導コイル１９の全体の長さＬｃとほぼ一致している。
【００２３】
図３に示すように、誘導コイル１９の内径Ｄを大きくすると、誘導コイル１９のごく近辺の磁界３０のみならず、周辺の磁界３１、３２、３３（図３では、磁界を模式的に示してある）をも、サセプター１５の発熱に寄与させることができる。これらの磁界３０、３１、３２、３３により、サセプター１５は発熱領域Ｂまで発熱させられる。この場合、発熱領域Ｂと誘導コイル１９の全体の長さＬとの関係は、Ｂ＞Ｌｃとなる。
従来の誘導コイル１９の寸法比率Ｄ／Ｌｃは２．５であったのに対し、今回用いた誘導コイルの寸法比率Ｄ／Ｌｃは４であった。ここでも、サセプター１５の長さＬｓは、誘導コイル１９の全体の長さＬｃよりも長いものを用いている。
【００２４】
誘導コイルに電圧を印加するときの電気回路図を図４に示す。
本発明に係る電気回路では、誘導コイル１９のリアクタンスＬselfと、サセプター１５のリアクタンスΔＬと、サセプター１５の抵抗Ｒsと、誘導コイルの抵抗Ｒcとが、直列に配列されている。また、これらの誘導コイル１９のリアクタンスＬselfと、サセプター１５のリアクタンスΔＬと、サセプター１５の抵抗Ｒsと、誘導コイルの抵抗Ｒcは、コンデンサＣと並列に配列している。電圧（Ｅ）を求める計算式において、抵抗値Ｒは、サセプター１５の抵抗値Ｒsと誘導コイル１９の抵抗値Ｒcとの和である。
【００２５】
誘導コイル１９の寸法比率Ｄ／Ｌｃが２．５のものを用いた場合、図２に示すように、サセプター１５は発熱領域Ａで発熱させられる。ここで、発熱領域Ａと誘導コイル全体の長さＬｃを、Ａ≒Ｌｃと考えれば、その比率はＬｃ／Ａ≒１である。
【００２６】
これに対し、誘導コイル１９の寸法比率Ｄ／Ｌｃが４の場合、図３に示すように、サセプター１５の発熱領域Ｂは、Ｂ≒Ｌsと考えることができ、Ｂ≒Ｌcと考えることはできない。すなわち、Ｄ／Ｌｃが小さい場合（例えば、Ｄ／Ｌｃ＝２．５）は、Ｒ＝Ｒｃ＋Ｒｓとなり、Ｄ／Ｌｃが大きい場合（例えば、Ｄ／Ｌｃ＝４）は、補正係数としてＬｃ／ＬｓをＲｓに掛け合わせれば、誘導加熱炉１に印加する最良の電圧が計算により求められると考えた。
【００２７】
誘導加熱炉１のサセプター１５の長さＬｓが誘導コイル１９の長さＬｃよりも長く、かつ、Ｄ／Ｌｃが３以上の場合、誘導加熱炉１に印加する電圧はＥ＝（Ｉ×Ｌ）／（Ｒｃ＋（Ｒｓ×Ｌｃ／Ｌｓ）×Ｃ）により求められる。求められた大きな電圧を印加したところ、サセプター１５を充分に発熱させることができた。この条件に基づいて、誘導加熱炉１の加熱加工部１１に直径の大きなガラス物品４を挿入して加熱加工を行ってみたところ、ガラスロッド７とガラスパイプ５とからなるガラス物品４は、その内部まで充分に加熱させられて、かつ、ガラス表面を必要以上に加熱させることなく、一体化させることができた。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
誘導加熱炉１に内径（Ｄ）＝２５０ｍｍ、全体の長さ（Ｌｃ）＝６０ｍｍの銅材料の誘導コイル１９を取付け、サセプター１５は内径１２０ｍｍ、外径１５０ｍｍ、長さ（Ｌｓ）＝１６０ｍｍのものを加熱加工部１１のまわりに配置した。この誘導コイルの寸法比率Ｄ／Ｌｃは４．２となり、補正係数はＬｃ／Ｌｓ＝０．３７５となった。使用したガラス物品４は直径１０ｍｍのガラスロッドと外径７０ｍｍのガラスパイプであった。誘導電流１７５Ａとし、電圧Ｅ＝（Ｉ×Ｌ）／（Ｒｃ＋０．３７５×Ｒｓ）×Ｃを計算したところ、最良の印加電圧が２３０Ｖであることが計算できた。このときの誘導加熱炉１の電力は４６ＫＷまで上昇されており、サセプター１５は２０００℃まで発熱されられており、ガラスパイプ５とガラスロッド７とからなるガラス物品４は良好に一体化することができた。
【００２９】
（比較例１）
実施例１の時に使用した誘導加熱炉１を用い、補正係数Ｌｃ／Ｌｓ＝１として印加電圧を求めた。補正係数が１であるため、計算により求められる電圧は、従来の計算式と同じであり、８６Ｖであった。使用したガラス物品４は直径１０ｍｍのガラスロッドと外径７０ｍｍのガラスパイプであった。この電圧で誘導コイルに１７５Ａの電流を流したところ、直径の大きいガラスパイプ５とガラスロッド７とは一体化することができなかった。この時の誘導加熱炉１の電力は１５ＫＷであり、サセプター１５の発熱温度は１３００℃でしかなかなく、一体化できなかった。
【００３０】
なお、本発明に係るガラス物品の加熱方法は、ガラス物品としてガラスパイプとガラスロッドとを一体化させるときの加熱方法について説明してきたが、ガラス物品として直径の大きいガラスロッドを延伸させる場合にも適用可能である。ガラスロッドを延伸させる場合においても、本発明の加熱方法を用いることで、サセプターを充分に発熱させる最良の電圧を計算により求めることができ、良好に延伸させることができる。
【００３１】
【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熱方法を用いれば、発熱体の長さＬｓが誘導コイルの長さＬｃよりも長いものを用いて、誘導加熱炉に印加する電圧を求める計算式Ｅ＝（Ｉ×Ｌ）／（（Ｒｃ＋Ｒｓ）×Ｃ）のＲｓに対し、補正係数α＝Ｌｃ／Ｌｓを掛け合わせることで最良の印加電圧を容易に求めることができる。そして、この求められた電圧を用いて、直径１００ｍｍ程度までの直径の大きいガラス物品の内部まで充分に加熱できるとともにガラス表面を必要以上に加熱させつことなく良好に加熱加工することが確認できている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係るガラス物品の加熱方法に使用する加熱装置の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、実施形態において、最初に用いた加熱装置の誘導コイルとサセプターの寸法関係を示す説明図である。
【図３】図３は、本発明のガラス物品の加熱方法に用いる加熱装置において、誘導コイルとサセプターの寸法関係を示す説明図である。
【図４】図４は、本発明に係る電気回路図である。
【図５】図５は、従来の誘導炉の一例を示す要部断面図である。
【図６】図６は、従来の誘導路の誘導コイルとサセプターの寸法関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 加熱装置
４ ガラス物品
５ ガラスパイプ
６ ダミーパイプ
７ ガラスパイプ
１５ サセプター
１９ 誘導コイル

Claims (1)

1. ガラス物品を相対的に誘導加熱炉内に送り込み、誘導コイルにより発熱体を発熱させてガラス物品を加熱するガラス物品の加熱方法において、
   前記誘導コイルの直径をＤ、前記発熱体の長さをＬｓ、前記誘導コイルの全体の長さをＬｃとするとき、Ｌｃ≦Ｌｓ且つＤ／Ｌｃ＞３の条件を満たす発熱体および誘導コイルを用い、かつ、
   誘導加熱炉に印加する電圧をＥ、電圧前記誘導コイルに流れる電流をＩ、前記誘導コイルに並列な回路として配置されるコンデンサの容量をＣ、前記誘導コイルのインダクタンスをＬ、前記誘導コイルの抵抗値をＲｃ、前記発熱体の抵抗値をＲｓとするときに、Ｒ＝Ｒｃ＋Ｒｓ×Ｌｃ／Ｌｓとし、Ｅ＝（Ｉ×Ｌ）／（Ｒ×Ｃ）の計算式で算出された電圧Ｅを前記誘導加熱炉に印加して前記発熱体を発熱させて前記ガラス物品を加熱することを特徴とするガラス物品の加熱方法。

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