JP4929243B2 - 加熱炉 - Google Patents

Description

本発明は、多孔質ガラスプリフォームの焼結透明ガラス化処理、又は、ガラスプリフォームの延伸細径化処理、もしくは、ガラスプリフォームの光ファイバ化処理等のための加熱に用いられる加熱炉に関する。

光ファイバは、幾つかの工程を経て製造される。先ず、出発部材としてのコアロッドにガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラスプリフォームを製造する。次いで、この多孔質ガラスプリフォームを加熱して焼結させることにより透明ガラス化されたガラスプリフォームを製造する。その後、このガラスプリフォームを加熱及び延伸して光ファイバの線引きに適した外径の細径化したガラスプリフォームを製造する。さらに、この外径が調整されたガラスプリフォームを加熱炉でその一端を加熱溶融してこれから光ファイバを引き取ることにより光ファイバを製造する。

従来の光ファイバの線引き方法を図１を参照して説明する。図１に示すように、ガラスプリフォーム１は、加熱炉２内において垂下された状態で加熱される。加熱炉２は、加熱方式として誘導加熱を用いている。すなわち、加熱炉２は、コイル３を巻回した炉芯管４を有し、コイル３に高周波電流を流すことにより誘導加熱される炉芯管４を、ガラスプリフォーム１を加熱するためのヒータとして用いている。ここで、コイル３と炉芯管４との間に断熱材５が配設されている。ガラスプリフォーム１の加熱温度は約２０００℃と非常に高温であるので、ヒーターとしての炉芯管４の材質には、一般的にカーボンが用いられている。カーボンが高温の酸素含有雰囲気中において酸化されて消耗することを防止するために、加熱炉２の内部は、アルゴンガスやヘリウムガス等の不活性ガス雰囲気に保たれている。
ガラスプリフォーム１は、炉芯管４の輻射熱を受けて加熱溶融され、光ファイバ６として下方へ引き取られる。引き取られた光ファイバ６は、樹脂コーティング装置２０によって樹脂被覆され、その後、巻き取り装置３０によってボビンに巻き取られる。

なお、加熱炉２の上端２ｔに設けられたガラスプリフォーム挿通口２ａとガラスプリフォーム１との空隙は、ガラスプリフォーム１の外径よりも僅かに大きな内径の穴７ａを持つ環状シール円盤７によってシールされている。一方、加熱炉２の下端部の光ファイバ６の挿通口２ｂと光ファイバ６との間の空隙は、内径を調整可能なアイリス８によりシールされている。

線引きされる光ファイバ６の外径は、通常、１２５±１μmに制御されるので、光ファイバ６とアイリス８との間の空隙は実質的に一定である。一方、加熱炉２の上端において、ガラスプリフォーム１と環状シール円盤７との間の空隙は、光ファイバ６の線引き中、ガラスプリフォーム１の外径変動によって大きく変化する。この空隙の大きさが変動すると、加熱炉２の内部に供給される不活性ガスの流れ方が変化して、光ファイバ６の外径制御が困難になる。さらに、この空隙が所定値以上になると外気が加熱炉２内に侵入して、高温状態にある炉芯管４等のカーボン製の部材が酸化により浸食される。その結果、加熱炉２内の部材の寿命が短くなるばかりでなく、浸食部分から発塵してこれがガラスプリフォーム１の溶融部分に付着することで、光ファイバ５の局所的な外径変動や脆化が起こる。

このような事態を防ぐために、ガラスプリフォーム１の外径は、長手方向において均一な径に精密に調整されている必要がある。しかしながら、ＶＡＤ（Ｖａｐｏｒ−ｐｈａｓｅ Ａｘｉａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＯＶＤ（Ｏｕｔｓｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの焼結工程を経由する光ファイバ用ガラスプリフォームの製造方法においては、多孔質ガラスプリフォームの焼結の際に、多孔質ガラスプリフォームの収縮力と自重による重力との間のバランスが長手方向において異なるため、一般に、多孔質ガラスプリフォームの長手方向において外径のばらつきが生じる。

この対策として、特許文献１は、多孔質ガラスプリフォームの焼結中、多孔質ガラスプリフォームの伸縮量をモニタして焼結条件をコントロールしながら多孔質ガラスプリフォームを透明ガラス化する方法を開示している。
しかしながら、この方法では、多孔質ガラスプリフォームのコアとして、伸び縮みを予め考慮して長手方向において外径を変化させておいたコアロッドを使用する必要がある。加えて、コアロッドの周囲へのスートの堆積に際しても、長手方向の全域において、コアロッド径に応じて堆積させるスートの量を調整する必要がある。このため、この方法によるガラスプリフォームの製造は、非常に多くの工程を必要とする。

さらに、スートの堆積と、その後の焼結により製造された長手方向における外径変動を有するガラスプリフォームから延伸された細径のガラスプリフォームを光ファイバの線引きに用いる場合であっても、特に、ガラスプリフォームの延伸の初めと終了付近においては、ガラスプリフォームの仕上がり外径が長手方向において大きく変動することがある。このようなガラスプリフォームの外径が長手方向において大きく変動する部分は、光ファイバの線引きに供することができず、この部分を切断除去して廃棄せざるを得なかった。
このようなガラスプリフォームの無駄を減らすべく、長手方向において比較的大きな外径変動を有するガラスプリフォームであってもその使用を可能にするために、加熱炉とガラスプリフォームとの間の空隙を効果的にシールする方法が提案されている。

たとえば、特許文献２は、それぞれ複数のリング片を連結して構成された内側シールリングと外側シールリングとを組み合わせることにより形成されたシールリングを、外側シールリングの外周に配置された伸縮バネによって、ガラスプリフォーム表面に押し付けてシールする方法を開示している。
しかしながら、この方法においては、ガラスプリフォームの長手方向の外径変動に応じて各シールリング片が均等に動くようにするためには、シールリング片を精密に加工することが必要である。

さらにまた、内側シールリングと外側シールリングとを組み合わせて動作させた際に、十分なシール性能を得るには、一つのシールリングでは高さが足りない。シール性を向上させるためには、シールリングを多段に設置する必要がある。
しかしながら、シールリングを多段に設置すると、シールリング全体の重量がかなり大きくなる。線引きの際、光ファイバを外径測定機の中心に調整するためにガラスプリフォームをＸ及びＹ方向に移動する必要があるが、シールリング全体の重量が大きい場合、シールリングがガラスプリフォームの移動に対して滑らかに追従せず、ガラスプリフォームの位置を自在に制御するのが困難となる。

特許文献３は、カーボンファイバ製のドーナツ状ブラシによるシール方法を開示している。この方法によれば、上記のような精密加工を必要とせず、軽量でかつ常に良好なシール性が得られる。しかしながら、ブラシを構成するカーボンファイバが抜け落ち、これがガラスプリフォーム表面に付着して光ファイバの強度を低下させるおそれがある。

特開２００５−８４５２号公報 特開２００６−３４２０３０号公報 特開２００７−７０１８９号公報

上述したガラスプリフォームの長手方向における外径変動によって生じる加熱炉の上端でのプリフォーム挿通口と被処理プリフォームとの間の空隙のシールに関する問題は、ガラスプリフォームから光ファイバを線引きする際にのみ固有の問題でなく、多孔質ガラスプリフォームの焼結による透明ガラス化、ガラスプリフォームの加熱及び延伸による外径の調整の際にも生じる問題である。

本発明の目的は、多孔質ガラスプリフォーム、透明ガラス化されたガラスプリフォーム等の光ファイバ用プリフォームを加熱する加熱炉において、加熱される光ファイバ用プリフォームの外径が長手方向において変動する場合であっても、加熱炉の上端におけるプリフォーム挿通口と加熱される光ファイバ用プリフォームとの空隙を効果的にシールすることができるシール構造を有する加熱炉を提供することにある。

本発明の加熱炉は、挿通口から挿入される光ファイバ用プリフォームを加熱する加熱炉において、光ファイバ用プリフォームと挿通口との空隙をシールする環状シール体を備え、環状シール体は、光ファイバ用プリフォームを挿入するための挿入孔を中心部に有し、互いに積層された複数の環状円盤を有し、複数の環状円盤は、挿入孔の内縁から外周側に向けて形成された複数の切れ込みと、複数の切れ込みにより画定され、かつ、挿入孔に挿入される光ファイバ用プリフォームとの干渉によりたわむ複数の可撓性部分とを有することを特徴とする。

上記構成において、好適には、切れ込みは、環状円盤の周方向に等間隔に形成されている、構成を採用でき、さらに好適には、切れ込みは、前記環状円盤の挿入孔の内縁から半径方向に向けて形成されている構成を採用できる。
上記構成において、複数の環状円盤のうちの一の環状円盤における切れ込みの位置が、該一の環状円盤と隣り合う環状円盤の切れ込みの位置と異なる、構成を採用できる。
上記構成において、複数の環状円盤は、それぞれ同一構造を有し、複数の環状円盤のうちの一の環状円盤における切れ込みの位置が、該一の環状円盤と隣り合う環状円盤の切れ込みの位置と異なるように積層されている、構成を採用できる。
また、上記構成において、複数の環状シール体を同心状に配置し、複数の環状シール体の間に不活性ガスを満たすためのスペースを形成するためのスペーサを設ける構成を採用できる。
上記構成において、環状円盤は、カーボン／カーボンコンポジット、黒鉛シート、及び耐熱性金属のいずれかから構成されている、構成を採用できる。

本発明によれば、外径が長手方向で変化している光ファイバ用プリフォームを使用した場合でも、加熱炉上端でのプリフォーム挿通口と光ファイバ用プリフォームとの空隙を効果的にシールすることができ、カーボン製部材の酸化による浸食及び発塵を防止することができる。さらに、加熱炉内のガスの流れが抑制されるため、プリフォームや光ファイバの外径制御が容易となる。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、加熱炉で加熱される光ファイバ用プリフォームとしては、焼結により透明ガラス化される多孔質ガラスプリフォーム、光ファイバ化に先立って加熱及び延伸により外径が予備的に調整されるガラスプリフォーム、及び、加熱及び線引きにより光ファイバ化されるガラスプリフォームが挙げられる。以下では、加熱炉で加熱される光ファイバ用プリフォームとして、加熱及び線引きにより光ファイバ化されるガラスプリフォームを用いた場合を例に説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係るシール構造により、ガラスプリフォーム挿通口とガラスプリフォームとの間の空隙がシールされた状態の加熱炉の概略縦断面図である。なお、図２において、図１の加熱炉と同様の構成部分には同一の符号を使用している。

加熱炉２の上端２ｔには、環状シール体９が設置され、この環状シール体９によってガラスプリフォーム挿通口２ａとガラスプリフォーム１との間の環状の空隙をシールしている。

図３に、環状シール体９の構造の一例を示す。
環状シール体９は、ガラスプリフォーム１を挿入するための挿入孔１０ａを中心部に備えた複数の環状円盤１０を積層して構成されている。
この環状円盤１０は、挿入孔１０ａの内縁から外周側に向けて形成された複数の切れ込み１０ｂを備えている。また、環状円盤１０は、これら複数の切れ込み１０ｂにより画定されて可撓性が付与された複数の可撓性部分１０ｃを備える。

環状円盤１０の切れ込み１０ｂは、たとえば、挿入孔１０ａの内縁から半径方向に形成されている。切れ込み１０ｂは、たとえば、環状円盤１０の周方向において等間隔に形成されている。しかし、切れ込み１０ｂはこれら実施例にのみ限定されない。

環状円盤１０は、耐熱性を有する材料、例えば、カーボン／カーボンコンポジット、黒鉛シート、耐熱金属等から形成される。
環状円盤１０の形成材料として黒鉛シートを用いる場合には、高配向性熱分解黒鉛シートあるいは膨張黒鉛シートを用いるのが好ましい。また、環状円盤１０を形成する耐熱金属としては、例えば、タンタルが好ましい。

環状円盤１０は、図３に示す実施例では、それぞれ同一構造を有している。しかし、環状円盤１０は必ずしも同一構造でなくともよい。一の環状円盤１０の切れ込み１０ｂの位置が、これと隣り合う環状円盤１０の切れ込み１０ｂの位置と異なるように、すなわち、互いの切れ込み１０ｂが重ならないように、これら円盤１０を積層して、シール性を向上させる。

積層された環状円盤１０はその外周部１０ｄにおいてクリップ留め等の固定手段により一体化されている。尚、積層された環状円盤１０は、必ずしも全周にわたって一体化されている必要はなく、円周方向の数箇所で固定された構造としても良い。

環状円盤１０の挿入孔１０ａは、その直径がガラスプリフォーム１の外径よりも小さくなるように形成されている。このため、積層された各環状円盤１０の挿入孔１０ａにガラスプリフォーム１が挿入されると、各可撓性部分１０ｃは、ガラスプリフォーム１との干渉によりたわむ。このとき、各可撓性部分１０ｃは、ガラスプリフォーム１の外径の変動に追随してその撓み量も変化する。これにより、ガラスプリフォーム１の表面には各可撓性部分１０ｃが常時安定的に接触した状態が維持され、ガラスプリフォーム挿通口２ａとガラスプリフォーム１との間の環状の空隙が効果的にシールされる。
ここで、環状シール体９を構成する環状円盤１０の枚数を増やすほどそのシール性は向上する。

図４に、本発明の他の実施形態に係るシール構造を示す。なお、図４において、図２と同様の構成部分には同一の符号を使用している。
図４に示すように、加熱炉２の上端２ｔには、２つの環状シール体９を加熱炉２の長手方向に沿って同心状に重ねて配置する。
これら２つの環状シール体９の間には、不活性ガスＧを満たすためのスペースＳ１を形成するためのスペーサ１１を配設する。
スペーサ１１には、不活性ガスＧを導入するためのガス導入口１２を設ける。

炉芯管４は、２,０００℃以上に加熱される。したがって、ガラスプリフォーム１と加熱炉２のプリリフォーム挿通口２ａとの間の空隙が大きいと、環状シール体９は、加熱炉２内の輻射熱を受けて高温に加熱される。これにより、環状シール体９を構成するカーボン製の環状円盤１０が外気中の酸素によって酸化、浸食される。

この問題を防ぐために、本実施形態では、環状シール体９を二段に配置し、その間に、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスＧをガス導入口１２から導入することにより、加熱炉２に侵入しようとする外気をより効果的に遮断することができる。これにより、下側に配置された環状シール体９のカーボン製の環状円盤１０が酸素によって浸食されるのを抑制できる。さらに、上側の環状シール体９は、下側の環状シール体９によって遮光および遮熱されるため、上側の環状シール体９が受ける輻射熱は低減され、従って、下側の環状シール体９を構成する環状円盤１０の浸食も抑えられる。
環状シール体９をさらに多段に設置することで、環状シール体９の耐浸食性およびシール性をさらに効果的に向上させることができる。

実施例１
平均外径が６４ｍｍ、外径変動が±２ｍｍの長さ１０００ｍｍの１０本のガラスプリフォーム１を、図４に示した加熱炉２を用いて加熱し、ガラスプリフォーム１の加熱溶融した一端から光ファイバを線引きした。
この加熱炉２のプリフォーム挿通口２ａには、以下に示す条件で作製した環状シール体９を二段に設置した。

環状円盤１０は、厚さ０.１ｍｍの高配向性熱分解黒鉛シートで形成し、環状円盤１０の挿通孔１０ａの直径は６０ｍｍとした。切れ込み１０ｂは、環状円盤１０の挿通孔１０ａの内縁から半径方向に長さ２０ｍｍ、円周方向に３０度の間隔で１２本形成した。また、この環状円盤１０の切れ込み１０ｂが互いに重ならないように、隣り合う環状円盤１０同士を１５度ずつずらして８枚積層し、環状シール体９を作製した。
不活性ガス導入口１２からアルゴンガスを３リットル／ｍｉｎで供給した。
線引き後、炉芯管４の最上部の厚さを測定したが、その厚さは減少しておらず、また、線引きされた光ファイバの外径変動は１２５±０.５μｍと精密に制御されていた。また、光ファイバの強度を所定のプルーフテストで確認したところ、破断はなかった。所定のプルーフテストは、１%の歪みが生じるように、光ファイバの全長にわたって荷重を１秒間かける。

比較例１
平均外径が６４ｍｍ、外径変動が±２ｍｍの長さ１０００ｍｍの１０本のガラスプリフォーム１を、図５に示した加熱炉２を用いて加熱し、ガラスプリフォーム１の加熱溶融した一端から光ファイバを線引きした。なお、図５において、図２と同様の構成部分には同一の符号を使用している。
加熱炉２の上端２ｔのプリフォーム挿通口２ａとガラスプリフォーム１との間の空隙のシールには、環状円盤状ブラシ１３を用いた。
環状円盤状ブラシ１３は、リング部材の内周に毛長８ｍｍの毛材を径方向に植設して構成され、内径６０ｍｍのプリフォーム１の挿入口を備える。
不活性ガス導入口１２からは、アルゴンガスを３リットル／ｍｉｎで供給した。
線引き後、炉芯管４の最上部の厚さを測定したところ、その厚さは減少しておらず、光ファイバの外径変動は１２５±０.５μｍであった。
しかしながら、光ファイバの強度を１％×１秒のプルーフテストで確認したところ、平均１２０ｋｍに１回の破断が確認された。

上記した実施形態では、環状円盤の切り込みの形成方向を環状円盤の半径方向とした場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、環状円盤の切り込みを半径方向に対して所定角度傾斜した方向に形成することも可能である。この場合には、環状円盤の向きを交互に変えて積層することにより、環状円盤を互いに位置決めすることなく切れ込みが重なり合うのを防ぐことができる。
上記した実施形態では、複数の環状円盤を同一構造とした場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、各環状円盤の切り込みの形成位置や形成方向をそれぞれ異ならせることも可能である。

本発明によれば、長手方向で外径の変動している光ファイバ用プリフォームを使用することができ、生産性の向上に寄与する。

加熱炉の上端に環状円盤を設置した、従来技術によるシール構造を有する加熱炉を示す概略縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るシール構造を備える加熱炉の概略縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る環状シール体の構造を説明するための斜視図である。 実施例１で使用された、本発明の他の実施形態に係るシール構造を有する加熱炉を示す概略縦断面図である。 比較例１で使用された、加熱炉の上端にドーナツ円盤状ブラシを設置したシール構造を有する加熱炉を示す概略縦断面図である。

符号の説明

１…ガラスプリフォーム
２…加熱炉
２ａ…ガラスプリフォーム挿通口
３…コイル
４…炉芯管
５…断熱材
６…光ファイバ
７…環状シール円盤
７ａ…穴
８…アイリス
９…環状シール体
１０…環状円盤
１０ａ…挿入孔
１０ｂ…切り込み
１０ｃ…可撓性部分
１１…スペーサ
１２…ガス導入口

Claims (5)

1. 挿通口から挿入される光ファイバ用プリフォームを加熱する加熱炉において、
   前記光ファイバ用プリフォームと前記挿通口との空隙をシールする環状シール体を備え、
   前記環状シール体は、互いに積層された複数の環状円盤を有し、
   前記複数の環状円盤は、その中心部に形成された前記光ファイバ用プリフォームを挿入するための挿入孔と、前記挿入孔の内縁から外周側に向けて形成された複数の切れ込みと、前記複数の切れ込みにより画定され、かつ、前記挿入孔に挿入される前記光ファイバ用プリフォームとの干渉によりたわむ複数の可撓性部分とを有し、
   前記切れ込みは、前記環状円盤の周方向に等間隔に形成され、
   前記環状円盤は、黒鉛シート及び耐熱性金属のいずれかから構成されている
   ことを特徴とすることを特徴とする加熱炉。
2. 前記切れ込みは、前記環状円盤の挿入孔の内縁から半径方向に向けて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
3. 前記複数の環状円盤のうちの一の環状円盤における前記切れ込みの位置が、該一の環状円盤と隣り合う環状円盤の前記切れ込みの位置と異なることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
4. 前記複数の環状円盤は、それぞれ同一構造を有し、
   前記複数の環状円盤のうちの一の環状円盤における前記切れ込みの位置が、該一の環状円盤と隣り合う環状円盤の前記切れ込みの位置と異なるように積層されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
5. 複数の前記環状シール体を同心状に配置し、
   前記複数の環状シール体の間に不活性ガスを満たすためのスペースを形成するためのスペーサを設けたことを特徴とする
   請求項１に記載の加熱炉。

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