JP4563022B2 - 板状発熱体からなる薄型高温電気加熱炉 - Google Patents

Description

本発明は、線、管、板又は棒状の被加熱体の一部を高温に加熱できる薄型高温電気炉、特に光ファイバの融着、延伸、コア拡大等の加熱加工を行うに際し、光ファイバの一部を高温に加熱し、短時間に加熱を行うことができる板状発熱体を備えた薄型高温電気炉に関する。

従来、光ファイバの融着、延伸、コア拡大等の加熱加工を行うに際し、光ファイバの一部を短時間かつ高温に加熱することが要求されている。初期にはガスバーナーや放電加工加熱が用いられていたが、十分な加熱ができず、また加熱むらができるため、最近では電気炉が用いられるようになってきた。

電気炉では、発熱材料の選択により１５００°Ｃ以上の加熱が可能となっている。光ファイバの加熱加工する場合に特に問題となるのは、加熱部位が光ファイバの自重により垂れ下がり変形することである。
このような変形を防止するためには、光ファイバの高温に加熱される部位をできるだけ小幅にし、加熱加工の中央部と光ファイバの支持部の距離をなるべく小さくしなければならない。

しかし、光ファイバの支持部は、精巧な位置決め等の制御が要求されるため、支持部を構成する材料が膨張、熱変形あるいは酸化の影響を受けにくいように、５００°Ｃ以下の低温に配置させる必要があり、１５００°Ｃ以上に加熱される電気炉に支持部を近接させるにも限界があった。
そのため、加熱加工の中央部と光ファイバの支持部の距離を縮めるためには、高温に加熱する電気炉の幅をできるだけ小さくする必要があった。
このようなことからセラミックス管状体全体を発熱部とし、その外周に耐火断熱材を配置し、さらに管状の発熱部と耐火断熱材との間に空間を形成すると共に、両端部に耐火断熱材を配置し、かつ管状の発熱部と耐火断熱材に光ファイバの出し入れのためのスリットを設け、発熱体の電極と端子を固定した光ファイバ加工用電気炉が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような炉の構造は、それ以前の炉と比較すると、電気炉全体の短尺化及び高温化が可能となった。しかし、このような管状体構造では、発熱部となるセラミックス管状体の長さは、試験例に示されているように５５ｍｍになり、同文献１の段落番号［００４４］において「光ファイバの種類に応じて任意に設計可能」とあるが、通常は長さ２５〜８０ｍｍと記載されており、２５ｍｍより幅をさらに小さくすることは構造的に困難であった。
これは、光ファイバ加工用小型電気炉の同一炉内に電極部と発熱部の両方が含まれ、且つ挿入する光ファイバの長手方向にそれらが形成される構造になっているためである。つまり、管状発熱体の長手方向と光ファイバーの長手方向が平行な関係になっている。
また、試験例にあるように発熱部を１５５０°Ｃに加熱しても、電極部の温度は高くても１３２０°Ｃに降下している。たとえ高温用電極を用いたとしても、電極部の特性上、発熱部より低温になるのは避けられない。そのため、高温の温度帯域を確保するには、発熱部の長さをより長くすることが必要であった。これは、光ファイバ加工用電気炉としては、著しく不都合な問題である。
特許第３１２８３２５号

本発明は、線、管、板又は棒状の被加熱体の一部を局所的に高温に加熱できる薄型高温電気炉、特に光ファイバの融着、延伸、コア拡大等の加熱加工を行うに際し、光ファイバの一部を短時間に高温に加熱することができ、かつ光ファイバの加工部と支持部の距離を短くして加工精度を高めた薄型高温電気炉を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を行った結果、薄型の板状発熱体を使用し、そこにスリット（開口部）を形成し、発熱体の長手方向に対し、垂直に被加熱体を挿入できるという加熱炉の構造を改善することにより、高温帯域の幅をできるだけ小さくできるとの知見を得た。
本発明は、この知見に基づき、１）線、管、板又は棒状の被加熱体を挿入できるスリットを有する電気炉であって、挿入する被加熱体の長手方向における加熱を受ける部分の炉壁の長さが１５ｍｍ以下であることを特徴とする薄型高温電気炉、２）１枚の板状発熱体を備える電気炉であって、被加熱体の長手方向と板状発熱体の板厚が平行になる向きに設置され、被加熱体が電気炉を貫通して加熱されることを特徴とする薄型高温電気炉、３）１枚の板状発熱体を備える電気炉であって、被加熱体の長手方向と板状発熱体の板厚が平行になる向きに設置され、被加熱体が電気炉を貫通して加熱されることを特徴とする１記載の薄型高温電気炉、４）両端部に給電部を設けた板状発熱体に、該発熱体の幅方向に３又は５本のスリットを交互に形成することにより、発熱体の中央域に、発熱体の側面から見てＵ字形又はＵ字形が連続したＭ形状の、狭小な幅の高温発熱部を設け、中央に位置するスリットに、線、管、板又は棒状の被加熱体を、板状発熱体に対し垂直に挿入して加熱を行うことを特徴とする板状発熱体を備えた薄型高温電気炉を提供する。

また、本発明は、５）両端部に給電部を設けた板状発熱体に、該発熱体の幅方向に３又は５本のスリットを交互に形成することにより、発熱体の中央域に、発熱体の側面から見てＵ字形又はＵ字形が連続したＭ形状の、狭小な幅の高温発熱部を設け、中央に位置するスリットに、線、管、板又は棒状の被加熱体を、板状発熱体に対し垂直に挿入して加熱を行うことを特徴とする１又は２記載の板状発熱体を備えた薄型高温電気炉、６）被加熱体を挿入する位置のスリットのクリアランスが１０ｍｍ以下であることを特徴とする１〜５のいずれかに記載の板状発熱体を備えた薄型高温電気炉、７）発熱体の板厚が１〜１０ｍｍ、発熱体全体の板幅が６〜２０ｍｍであり、発熱体の側面から見た高温発熱部の板幅が１〜５ｍｍであることを特徴とする１〜６のいずれかに記載の板状発熱体を備えた薄型高温電気炉、８）発熱体の高温発熱部及びその近傍を囲む耐火断熱材を配置したことを特徴とする１〜７のいずれかに記載の板状発熱体を備えた薄型高温電気炉、９）耐火断熱材の中央位置に、発熱体の中央に位置するスリットに整列したＵ字形の溝を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の板状発熱体を備えた薄型高温電気炉を提供する。

また、本発明は、１０）線、管、板又は棒状の被加熱体を発熱体の長手方向に垂直に挿入して加熱による融着、延伸、拡大を行うことを特徴とする１〜９のいずれかに記載の板状発熱体を備えた薄型高温電気炉、１１）光ファイバの融着、延伸、コア拡大等の加熱加工を行うことを特徴とする１０記載の板状発熱体を備えた薄型高温電気炉、１２）板状発熱体が、ＭｏＳｉ_２系、ＳｉＣ系又はランタンクロマイト系セラミックスからなることを特徴とする１〜１１のいずれかに記載の板状発熱体を備えた薄型高温電気炉、１３）板状発熱体が、高純度ＭｏＳｉ_２系又はＳｉＣ系セラミックスからなり、該セラミックスに含まれる不純物の、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒの含有量がそれぞれ２００ｐｐｍ以下、Ｎａ、Ｋの含有量がそれぞれ２０ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする１〜１２のいずれかに記載の板状発熱体を備えた薄型高温電気炉、１４）被加熱体を３方向から５ｍｍ以下の至近距離で加熱できる１枚の板状発熱体を備えていることを特徴とする１〜１３のいずれかに記載の板状発熱体を備えた薄型高温電気炉を提供する。

本発明は、線、管、板又は棒状の被加熱体の一部を高温に加熱できる薄型高温電気炉、特に光ファイバの融着、延伸、コア拡大等の加熱加工を行うに際し、光ファイバの一部を短時間に高温に加熱することができ、かつ高温帯域の幅をできるだけ小さくすることができると共に、安定した加熱が可能であり、加熱部の垂れ下がり等の変形を防止できるという著しい効果を有する。

次に、本発明を図面に基づいて具体的に説明する。
本発明は、線、管、板又は棒状の被加熱体を挿入できるスリットを有する電気炉であり、挿入する被加熱体の長手方向における加熱を受ける部分の炉壁の長さが１５ｍｍ以下である薄型高温電気炉及び１枚の板状発熱体を備える電気炉であり、被加熱体の長手方向と板状発熱体１の板厚が平行になる向きに設置され、被加熱体４が電気炉を貫通して加熱される薄型高温電気炉を基本構造とする。
その具体例を図１に示す。薄型の板状発熱体１に、三本のスリット（開口部）２を幅方向に交互に形成した薄型高温電気炉の構造を示したものである。他方、図２は薄型の板状発熱体１に、五本のスリット２を幅方向に交互に形成した薄型高温電気炉の構造を示したものである。

但し、この図１に示すものは、有効な本発明の薄型電気炉の一例であるが、必ずしもこの例に限定されるものではない。すなわち、前記本発明の薄型高温電気炉の基本構造を備えている限り、本発明に含まれるものである。
図１及び図２における電気炉は、いずれも中央部のスリットに挿入する被熱処理体を効果的に加熱するのに有効であるが、熱勾配の関係から図２に示す構造は高さ（板状発熱体の幅）をより小さくできるので、全体構造としては図１に示す発熱体を装着した炉構造よりもコンパクトにできるメリットがある。
これによって、発熱体１の中央域に、発熱体の側面、すなわち板の幅広な面を垂直に見る向きから見てＵ字形又はＵ字形が連続したＭ形状の、狭小な幅の高温発熱部３が形成される。

本発明は、薄型の板状発熱体１を用い、この板状発熱体１に形成したスリット（開口部）２の中央部に、板状発熱体１に対して垂直に被加熱体４を挿入して加熱することが大きな特徴の一つである。これによって、被加熱体４は発熱体１より、三方向からの直接輻射熱を受けて加熱される。また、被加熱体４と発熱体からの距離を５ｍｍ以下とし、至近距離で被加熱体１を加熱することができる。
構造的に比較的単純であり、また板状又は帯状体から製作できるので製造が容易であるが、加熱帯域を最小幅とすることが可能であり、かつ１５００〜１９００°Ｃに急速高温加熱する薄型高温電気炉構造として極めて有効である。従来の円筒型加熱炉に比べて、効率が良く安定した高温加熱ができるという優れた特徴を有している。
加熱帯域の減少は、光ファイバを支える支点距離を短くできるため、高温加熱時に光ファイバの加熱部が自重で垂れ下がることがなくなり、精度の良い加工ができるという著しい特徴がある。

板状発熱体１の両端部には給電部（電極及び端子）を設け、電流を流すことにより発熱させる。発熱体１の材料としては、ＭｏＳｉ_２系、ＳｉＣ系又はランタンクロマイト系セラミックス等を使用することができる。
特に、ＭｏＳｉ_２を主成分（ＭｏＳｉ_２を７０ｗｔ％以上含有している）とする発熱体１は優れた耐酸化特性を有するため、大気又は酸化性雰囲気下で使用することが可能であり、また熱衝撃に強いため短時間に超高温に発熱させることができるので、望ましい材料である。加工温度までの急速昇温は、処理速度のアップとなり、生産速度を上げ、低コスト化が可能となる利点がある。
また、高純度なＭｏＳｉ_２系又は高純度なＳｉＣ系発熱体を用いた場合は、万が一、発熱体と光ファイバが接触した場合でも、同発熱体表面に形成された高純度の酸化皮膜（ＳｉＯ_２）が防御層となり、光ファイバとの接着が防止でき又は同光ファイバへの汚染が抑制できるという効果を有する。

薄型の板状発熱体１の側面から見て、スリット２及び狭小な幅の高温発熱部３は、板状発熱体１の中央を境として左右対称となる。
この溝は、図１又は図２に示すように通常、隅角部５をほぼ矩形にするが、なだらかな曲面にすることもできる。矩形の溝の場合には、内角にアール（Ｒ）を付けることにより、亀裂の発生を防止できる。
図３は、板状発熱体１を真上から見た図である。図３において、符号６は電極、符号７は端子部を示す。

板状発熱体１の板厚は約１〜１０ｍｍ、板幅は約６〜２０ｍｍ程度とする。これらは使用目的に応じて任意に設計可能である。一般に、薄肉の場合は２ｍｍ程度に、厚肉の場合は５ｍｍ程度にする場合が多い。
前記スリット２の形成により、発熱体１の中央域に狭小な高温発熱部が形成されるが、発熱体１の側面から見た高温発熱部３の板幅は１〜５ｍｍとなる。通電によって、中央域は高温に発熱する。

スリット２の深さは任意に設計できるが、板幅との関連から通常５〜１８ｍｍ程度とする。前記の通り、発熱体１の中央に位置するスリット２に、線、管、板又は棒状の被加熱体４を、該発熱体１のスリット２上部の空間から又は側部から、発熱体１の側面に対して垂直になるように挿入して加熱を行う。
被加熱体４を挿入する部位の、発熱体のスリット２の間隔、すなわちクリアランスは、光ファイバ等の被加熱体４の外径にもよるが、通常８ｍｍ以下とする。例えば、外径０．１２５ｍｍの光ファイバの加熱に際しては、０．５〜１．５ｍｍ程度とすることができる。

発熱体の高温発熱部４及びその近傍に、保温性を高め、炉の温度を均一化するために、図４に示すように、高温発熱部３及びその近傍を取り囲む耐火断熱材８を配置することができる。この耐火断熱材８は、加熱加工には必ずしも必須ではなく、使用目的に応じて任意に設置できる。
耐火断熱材８は、光ファイバ等の被加熱体４の保持を容易にするために小型が良く、その厚さは通常１５ｍｍ以下とし、高さを４０ｍｍ以下、全長２０〜６０ｍｍ程度とするのが望ましい。電気炉における前記給電部は、この耐火断熱材８の外側に配置し、また板状発熱体の発熱部を内部に設置させて電気炉する。耐火断熱材８の中央位置に、発熱体１の中央に位置するスリット２に整列したＵ字形のスリット９を形成し、光ファイバ等の被加熱体４の挿入を容易とする。

発熱体１の高温発熱部３及びその近傍に、耐火断熱材８を配置した薄型高温電気炉に、線、管、板又は棒状の被加熱体４を、該発熱体１に対して垂直に挿入し、加熱による融着、延伸、拡大を行うことができる。
上記においては、主として光ファイバの加熱による融着、延伸、拡大を行う場合について説明したが、それ以外に金属線等の接合においても同様に適用できることは言うまでもない。

本発明の板状発熱体を備えた薄型高温電気炉は、高温帯域の幅をできるだけ小さくすることができると共に、安定した加熱が可能であるため、線、管、板又は棒状の被加熱体の一部を高温に加熱できる薄型高温電気炉として有用であり、特に光ファイバの融着、延伸、コア拡大等の加熱加工を行うのに適している。そして、光ファイバの一部を短時間に高温に加熱することができ、かつ加熱部の垂れ下がり等の変形を防止できる。

薄型の板状発熱体に、三本のスリットを幅方向に交互に形成した薄型高温電気炉構造の概略を示した図である。 薄型の板状発熱体に、五本のスリットを幅方向に交互に形成した薄型高温電気炉構造の概略を示した図である。 板状発熱体を真上から見た図である。 高温発熱部及びその近傍を取り囲む耐火断熱材を配置した薄型高温電気炉構造を示す図である。

符号の説明

１ 発熱体
２ スリット（開口部）
３ 高温発熱部
４ 被加熱体
５ 隅角部
６ 電極
７ 端子部
８ 耐火断熱材
９ 耐火断熱材に設けたスリット

Claims (9)

1. 線、管、板又は棒状の被加熱体を挿入できるスリットを有する１枚の板状発熱体からなる電気加熱炉であって、発熱体の板厚が１〜１０ｍｍ、発熱体全体の板幅が６〜２０ｍｍ、発熱体の側面から見た高温発熱部の板幅が１〜５ｍｍであり、被加熱体の長手方向と板状発熱体の板厚が平行になる向きに設置され、該発熱体の幅方向にスリットを交互に形成することにより、発熱体の中央域に、発熱体の側面から見てＵ字形又はＵ字形が連続したＭ形状の、狭小な幅の高温発熱部を設け、中央に位置するスリットに、被加熱体が電気炉を貫通して加熱されることを特徴とする薄型高温電気加熱炉。
2. 被加熱体を挿入する位置のスリットのクリアランスが１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の板状発熱体からなる薄型高温電気加熱炉。
3. 発熱体の高温発熱部及びその近傍を囲む耐火断熱材を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の板状発熱体からなる薄型高温電気加熱炉。
4. 耐火断熱材の中央位置に、発熱体の中央に位置するスリットに整列したＵ字形の溝を備えていることを特徴とする請求項３記載の板状発熱体からなる薄型高温電気加熱炉。
5. 線、管、板又は棒状の被加熱体を発熱体の長手方向に垂直に挿入して加熱による融着、延伸、拡大を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の板状発熱体からなる薄型高温電気加熱炉。
6. 光ファイバの融着、延伸、コア拡大の加熱加工を行うことを特徴とする請求項５記載の板状発熱体からなる薄型高温電気加熱炉。
7. 板状発熱体が、ＭｏＳｉ_２系、ＳｉＣ系又はランタンクロマイト系セラミックスからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の板状発熱体からなる薄型高温電気加熱炉。
8. 板状発熱体が、高純度ＭｏＳｉ_２系又はＳｉＣ系セラミックスからなり、該セラミックスに含まれる不純物の、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒの含有量がそれぞれ２００ｗｔｐｐｍ以下、Ｎａ、Ｋの含有量がそれぞれ２０ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の板状発熱体からなる薄型高温電気加熱炉。
9. 被加熱体を３方向から５ｍｍ以下の至近距離で加熱できる１枚の板状発熱体を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の板状発熱体からなる薄型高温電気加熱炉。

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