JP5348191B2 - 光ファイバの線引装置および線引方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ用のガラス母材を加熱溶融して、光ファイバを線引きする光ファイバの線引装置および線引方法に関する。

光ファイバは、専用の線引炉を用いて光ファイバ用のガラス母材（以下、光ファイバ母材という）を加熱溶融してガラスファイバを線引きし、その外面に保護被覆を施して製造される。ガラスファイバの線引きに際しては、光ファイバ母材が挿入される炉心管に耐熱性のあるカーボンが用いられるが、炉心管の酸化を防ぐ、等のために炉心管内には不活性ガスが送り込まれる。また、炉心管を加熱するヒータを収納した炉筐体内にも、カーボンで形成されるヒータや断熱材の酸化を防ぐためや、加熱状態を監視する窓部の曇りを抑制する、等のために、不活性ガスが送り込まれている。上記の不活性ガスとしては、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などのガスが用いられる。

また、光ファイバ母材の下端から垂下して線引きされた軟化状態にあるガラスファイバが、線引炉の外に出るまでにある程度温度を下げて硬化された状態とするために、例えば、特許文献１に、炉心管の下端に円筒状の隔壁（下煙突または延長管とも言う）を設けることが開示されている。また、特許文献２には、光ファイバ母材の下端の軟化形状（ネックダウン形状）に沿うように、炉心管の形状をテーパ状に縮径して、ガラス母材の下端部の不活性ガスの流れを安定させ、ガラスファイバの外径変動をより抑制すると共に、縮径された炉心管の下方に延長筒（下煙突または延長管とも言う）を設けることが開示されている。

特許第２７８７９８３号公報 特開平８−９１８６２号公報

線引炉に用いる不活性ガスは製造コストに影響するため、できるだけその使用を抑制することが要望されている。このため、炉筐体内に送り込まれた不活性ガスを、そのまま排出せずに炉心管内に送り込み、炉心管内の不活性ガスの使用量を少なくすることが提案されている。また、特許文献１，２に開示の炉心管と延長管等との接合部には隙間が存在するため、この隙間部分から炉筐体側のガスが炉心管内に漏出する場合がある。

炉心管と延長管等との接合部は、ヒータ位置から離れた下方位置にあるので、ある程度温度が低下している。また、炉心管の上方から不活性ガスを流すため、接合部から下方の管内壁には溶融した光ファイバ用母材から生成されたＳｉＯ_２等の滓であるススが付着しやすい状態となっている。この状態で、炉心管の上方から流れてくる炉心管内のガス流と、炉筐体側から水平方向に流れ込んでくるガス流とが衝突すると、ススが管内壁に一様に付着するのではなく、内径方向にススが堆積して突き出してくることがある。この場合、ガラスファイバにこの堆積したススが接触してガラスファイバの強度が低下し、断線するなど、光ファイバの特性低下の一因となる虞がある。

本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、炉心管下端の接合部近傍の隙間から炉筐体内のガスを炉心管内に流入させても、内径方向にススが堆積しない光ファイバの線引装置と線引方法を提供することを目的とする。

本発明による光ファイバ線引装置および線引方法は、光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管内と、炉心管を外側から加熱するヒータとヒータの外側に配設される断熱材とを収納する炉筐体内とに、不活性ガスを個別に流し込み、炉心管下端の接合部の間隙から炉筐体内に流し込まれた不活性ガスが炉心管内に漏出する光ファイバの線引装置と線引方法である。
そして、炉心管内に流し込まれ下向きに流れる不活性ガスの体積流量をＱ_１、炉筐体内から炉心管内に漏出する不活性ガスの体積流量をＱ_２、炉心管の内径を２Ｄ、炉心管下端の接合部のガス漏出口の出口部分の間隙幅をＨとし、体積流量Ｑ_１とＱ_２とが交わる壁面でのＱ_１とＱ_２とのせん断力の比をＲとしたとき、
「Ｒ＝（３Ｄ^２Ｑ_２）／（４Ｈ^２Ｑ_１）≦３」
を満足するように前記接合部のガス漏出口の出口部分の間隙幅Ｈが設定され、ガス漏出口の間隙幅Ｈが径方向途中から広げられて形成されている。

なお、炉心管下端の内径が、炉心管の上部内径より小さい径で形成されていることが好ましい。また、ガス漏出口の間隙幅Ｈの径方向途中から広げられた位置から出口部分までの径方向の距離Ｌが、出口部分の間隙幅Ｈの１／２以上で形成されていることが好ましい。また、炉心管下端の接合部では、炉心管と石英またはカーボンからなる環状部材とが接合するようにしてもよい。

上記の本発明によれば、炉心管下端の接合部近傍の間隙から炉筐体内のガスを炉心管内に送り込んでも、漏出口に内径方向に突き出るようにしてススが堆積するのを抑制することができる。この結果、ガラスファイバに堆積したススが付着せず、光ファイバの特性低下が生じない。

本発明で用いる光ファイバ線引炉の概略を説明する図である。 不活性ガスの流れについて説明する図である。 図２の間隙幅Ｈを変えたときのせん断力比Ｒ、ススの堆積状態などを示す図である。 図３Ａのケース１，２のガス流をシミュレーションした図である。 図３Ａのケース３〜５のガス流をシミュレーションした図である。 本発明におけるガス漏出口の間隙幅Ｈと径方向距離Ｌによるガスの流れを説明する図である。 本発明における炉心管下部の接合部の実施形態を説明する図である。 本発明における炉心管下部の接合部の他の実施形態を説明する図である。

図１，２により本発明の光ファイバ線引装置の概略と不活性ガスの流れを説明する。図において、１０は光ファイバ線引炉、１１は光ファイバ母材、１１ａは光ファイバ母材の下端部、１２はガラスファイバ、１３は炉心管、１３ａは縮径部、１３ｂは縮径管部、１３ｃは炉心管下端、１４は炉筐体、１５はヒータ、１６は断熱材、１７は延長管、１８は環状部材、１９はガス漏出口を示す。

光ファイバの線引は、図１に示すように、吊下げ支持される光ファイバ母材１１の下部を加熱し、加熱溶融によりネックダウン形状となった下端部１１ａからガラスファイバ１２を溶融垂下させて所定の外径となるように線引きして行われる。このための光ファイバ線引炉１０は、光ファイバ母材１１が挿入供給される炉心管１３を囲むようにして、加熱用のヒータ１５を配し、このヒータ１５の熱が外部に放散されないように断熱材１６で囲い、その外側全体を炉筐体１４で囲って構成される。

光ファイバ母材１１は、母材吊り機構（図示省略）により吊り下げ支持され、光ファイバの線引き進行にしたがって下方に順次移動制御される。炉筐体１４は、ステンレス等の耐食性に優れた金属で形成され、中心部に高純度のカーボンで形成された後述する円筒状の炉心管１３が配される。炉心管１３の酸化・劣化を防ぐために、炉心管１３内には窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスが流し込まれ、この不活性ガスは、光ファイバ母材と炉心管１３の隙間を通って、その大部分は炉心管１３の下方から延長管１７を介して外部に放出される。

また、炉筐体１４にも、カーボン製のヒータ１５や断熱材１６の酸化・劣化を防ぐために、同様に窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスが流し込まれる。炉筐体１４に流し込まれるガスは、炉心管１３内に流し込まれるガスと別に制御されるが、通常、同じガスが用いられる。なお、炉筐体１４の下方には、下煙突とも言われている延長管１７が、炉心管１３の下端に連結される。

延長管１７は、加熱軟化しているガラスファイバ１２の急冷を緩和すると同時にある程度冷却硬化させて外径変動を抑える機能を有している。なお、延長管１７の下端にシャッター等が設けられる場合もある。この延長管１７は、製造コスト等の面から炉心管１３とは分割可能に形成され、炉心管の下端に接合するようにして連結される。炉心管１３と延長管１７との接合部は、耐熱性のある石英、カーボン等の環状部材１８を用いており、特に電気絶縁性のある石英を用いると、炉心管１３と炉筐体１４とを電気的に絶縁することができるので、大きな短絡事故に至らなくすることが可能である。しかし、環状部材１８を用いることなく、炉心管と延長管とを直接接合する場合もある。

いずれの場合においても、その接合部にはカーボンパッキン等を用いたりしているが、その接合部には多少の隙間が存在する。
上述した炉筐体１４に流し込まれる不活性ガスは、そのまま排出口を設けて排出する場合もあるが、不活性ガスは高価であるため、その使用量を少しでも少なくすることが好ましい。このため、炉筐体１４内の不活性ガスをそのまま排出するのではなく、炉心管内のガスとして使用したり、できるだけ炉筐体１４を密閉して外部に漏れるのを防いだりすることが考えられている。本発明においては、炉心管１３の下端に連結接合される延長管１７との上記の隙間から、炉心管１３内に不活性ガスが漏出する形態のものを対象とする。

なお、炉心管１３は、光ファイバ母材１１の下端部１１ａのネックダウン形状に沿うように縮径部１３ａを設けることで、下方に流れてくる不活性ガスの流れを安定にする以外に、ヒータ１５による加熱効率を高めることができる。すなわち、光ファイバ母材１１の下端部１１ａより下方の炉心管を縮径することで、下方に放射される熱を遮断して省エネ化を図ることができる。

また、縮径部１３ａの下方を炉心管１３の上方部の径より細くした縮径管部１３ｂとすることで、不活性ガスの流れを安定にすることができる。しかし、縮径管部１３ｂおよびこれと同径の延長管１７として温度を下げることにより、その内壁には光ファイバ用母材から生成されたＳｉＯ_２等の滓であるススが付着しやすい状態となる。このススが縮径管部１３ｂおよび延長管１７の内壁に、均一な厚さで一様に付着する場合は特に問題はないが、炉心管１３の上方から下向きに流れる不活性ガス（流量Ｑ_１）と、炉心管と延長管との接合部のガス漏出口１９から流れ込んでくる炉筐体１４内の不活性ガス（流量Ｑ_２）との関係によっては、ガス漏出口１９の近傍でススＳが、管の内壁から内径方向に突き出るように堆積する現象が生じることが判明した。

図２（Ａ）は、縮径管部１３ｂと延長管１７の内壁面と接合部のガス漏出口１９の壁面を模擬した図で、図２（Ｂ）は、ガス流体の流れを模擬した図である。
図において、炉心管の上方からのガス流体を本流とし、その粘度をη，体積流量をＱ_１、接合部のガス漏出口１９から流れ込んでくるガス流体を支流とし、その粘度をη，体積流量をＱ_２とする。そして本流の体積流量Ｑ_１によるせん断力をτ_１，圧力損失（圧損）をＰ_１、支流の体積流量Ｑ_２によるせん断力をτ_２，圧力損失（圧損）をＰ_２とし、体積流量Ｑ_１が流れる本流の管の内径を２Ｄ、体積流量Ｑ_２が流れる支流の環状のガス漏出口１９の間隙幅をＨとする。

本流の体積流量Ｑ_１と支流の体積流量Ｑ_２ とによる流れ方向のそれぞれの圧損Ｐ_１ 、Ｐ_２は、粘性流体における圧力損失に関する理論式から、
Ｐ_１＝（８ηＱ_１）／（πＤ^４）
Ｐ_２＝（６ηＱ_２）／（πＤＨ^３）
で表すことができる。
そして、本流と支流が接する壁面におけるそれぞれのせん断力τ_１とτ_２は、圧力損失とせん断力との釣り合いの式から、
τ_１＝（ＤＰ_１）／２＝（４ηＱ_１）／（πＤ^３）
τ_２＝（ＨＰ_２）／２＝（３ηＱ_２）／（πＤＨ^２）
となり、支流と本流のせん断力比をＲとすると、
Ｒ＝τ_２／τ_１＝（３Ｄ^２Ｑ_２）／（４Ｈ^２Ｑ_１）
が得られる。

図２（Ｂ）は、上記の本流の体積流量Ｑ_１と支流の体積流量Ｑ_２の流れが合流する部分のガス流の状態の一例を示したものである。それぞれのガス流が接する壁面におけるせん断力τ_１とτ_２によりガス流の状態は変化し、上記の式で、Ｒ＜１であれば、支流のせん断力τ_２より、本流のせん断力τ_１ の方が強くなり、このため合流地点でのガスの流れは、本流の方が支配的となる。一方、支流のせん断力τ_２の方が強ければ、図２（Ｂ）の円内に示すように支流側のガスの流れが上方に盛り上がった状態となる場合がある。このように盛り上がった状態になると、この部分で流れが停滞するため、この部分の近傍の壁面にススが堆積しやすくなる。

実際は、Ｒ＝１の本流と支流のせん断力が釣合った状態で合流部の流れは下向き４５度となること、また、本流、すなわち、炉心管の上方から流れてくるガス温度が高く、さらに支流の炉筐体側から流れてくるガスは十分発達していない場合もあることから、Ｒ＞１であっても、合流部分（炉心管と延長管との接合部）において支流側のガスの流れが上方に盛り上がった状態にはならない。つまり、Ｒの値には、ススが堆積するか否か閾値が存在し、Ｒの値を調整することにより、ススの堆積を抑制することが可能である。

なお、上記のせん断力比Ｒは、本流の体積流量Ｑ_１と支流の体積流量Ｑ_２によっても変えることができるが、これらの値は、線引の設備仕様により決定され、また、炉心管の内径（２Ｄ）も光ファイバ母材の径、ネックダウンの形状などによって決定される。したがって、せん断力比Ｒは、環状のガス漏出口の間隙幅Ｈを変えて設定するのが望ましい。

図３Ａ〜図３Ｃは、せん断力比Ｒ、ススの堆積状態とガスの流れ等を検証した結果を示したもので、ケース１〜ケース５の５例について検証した。
いずれのケースも、図２で説明した炉心管の内半径Ｄを４５ｍｍ、炉心管内に流す不活性ガスの体積流量Ｑ_１を２０（リットル／分）、炉筐体から炉心管内に流入する体積流量Ｑ_２を４（リットル／分）とし、体積流量Ｑ_２が流れこむガス漏出口１９の間隙幅Ｈを１ｍｍ〜２６ｍｍまで変化させてせん断力比Ｒを変化させ、ススの堆積状態と、ガス流の状態をシミュレーションした。

ケース１は、ガス漏出口１９の間隙幅Ｈを１ｍｍとした場合で、せん断力比Ｒが３０４となり、図３Ｂのケース１で示すように、支流側の体積流量Ｑ_２の流れが、上方に盛り上がる流れとなっている。この結果、ススの内径方向への堆積が生じ、スス堆積状態は×であった。
ケース２は、ガス漏出口１９の間隙幅Ｈを７ｍｍとした場合で、せん断力比Ｒが６.２となり、図３Ｂのケース２で示すように、ケース１と比べて支流側の体積流量Ｑ_２による流れが弱くなるが、依然として支流側の体積流量Ｑ_２の流れが、上方に盛り上がる流れとなっている。この結果、ススの内径方向への堆積が生じ、スス堆積状態は×であった。

ケース３は、ガス漏出口１９の間隙幅Ｈを１０ｍｍとした場合で、せん断力比Ｒが３.０となり、図３Ｃのケース３で示すように、支流側の体積流量Ｑ_２による流れがさらに弱くなり、本流側の体積流量Ｑ_１による流れが支配的となり、支流側の体積流量Ｑ_２の合流点では上方に盛り上がる流れが無くなっている。この結果、ススの内径方向への堆積がなくなり、スス堆積状態は○であった。

ケース４は、ガス漏出口１９の間隙幅Ｈを１２ｍｍとした場合で、せん断力比Ｒが２.１となり、図３Ｃのケース４で示すように、支流側の体積流量Ｑ_２による流れがケース３よりさらに弱くなり、本流側の体積流量Ｑ_１による流れが支配的となり、支流側の体積流量Ｑ_２の合流点では上方に盛り上がる流れが無くなっている。また、ケース５は、ガス漏出口の間隙幅Ｈを２６ｍｍとした場合で、せん断力比Ｒが０.４５となり、図３Ｃのケース５で示すように、支流側の体積流量Ｑ_２による流れがかなり弱くなり、本流側の体積流量Ｑ_１による流れが圧倒的となり、支流側の体積流量Ｑ_２の合流点における上方への盛り上がる流れが全く無くなっている。この結果、ケース４，５とも、ススの内径方向への堆積がなくなり、スス堆積状態は○であった。

以上の検証結果から、実際は、せん断力の釣合い条件から多少支流が強くても良いこと、また炉心管の上方から下向きに流れる本流側のガス温度が高いこと、さらに炉筐体から漏出される支流側のガスが十分加熱されていない場合もあることから、せん断力比Ｒ≦３であっても、体積流量Ｑ_１と体積流量Ｑ_２の合流点となるガス漏出口近傍での内径方向へのススの堆積を抑制することが可能であると考えられる。

なお、図３Ａ〜図３Ｃでは、ガス漏出口１９の径方向距離を無限長としたが、図４に示すように、ガス漏出口１９の出口におけるガス流体の流れは、ある程度の距離Ｌを経て平行な層流となる。したがって、ガス漏出口１９の出口部分１９ａの間隙幅Ｈは、この距離Ｌが確保されることが望ましい。図４に示すガス流体の流れは、シミュレーションによるものであるが、距離Ｌは間隙幅Ｈの１／２以上あれば、十分であることが判明した。

図５及び図６は、上記のガス漏出口の間隙幅Ｈを確保するための具体例を示す図である。図５は、図１で説明した石英又はカーボン等の耐熱性の環状部材１８を用いて接合する場合に対応する例である。この場合、ガス漏出口１９は、環状部材１８と延長管上端１７ａとの間に形成されるとする。図６は、炉心管と延長管を直接接合する場合で、その接合面にガス漏出口１９が形成されるとする。

図５（Ａ）は、環状部材１８の内径を炉心管下端１３ｃと延長管上端１７ａの内径より大きくした例であり、ガスの出口部分１９ａを、径方向距離Ｌで、間隙幅Ｈが径方向に均一で広く形成した例である。
図５（Ｂ）は、環状部材１８の内径側下面を傾斜面とした例であり、ガスの出口部分１９ａを、径方向距離Ｌで、間隙幅Ｈがガスの出口側に向けて徐々に拡大するように形成した例である。

図５（Ｃ）は、延長管上端１７ａの内径側上面を傾斜面とした例であり、ガスの出口部分１９ａを、径方向距離Ｌで、間隙幅Ｈがガスの出口側に向けて徐々に拡大するように形成した例である。
図５（Ｄ）は、環状部材１８と延長管上端１７ａの向き合う面の双方の内径側を削り落した例であり、ガスの出口部分１９ａを、径方向距離Ｌで、間隙幅Ｈが径方向に均一で広く形成した例である。

図６（Ａ）は、本発明の参考例として示すもので、炉心管下端１３ｃと延長管上端１７ａの接合面の間隔を均一に広げた例であり、ガスの出口部分１９ａを、接合面のフランジ幅と同じ径方向距離Ｌで、間隙幅Ｈが径方向に均一で広く形成されているため、炉筐体内へのガス供給量を少なくする必要がある。
図６（Ｂ）は、本発明において、炉心管下端１３ｃと延長管上端１７ａの向き合う面の双方の内径側を、平坦に削り落した例であり、ガスの出口部分１９ａを、径方向距離Ｌで、間隙幅Ｈが径方向に均一で広く形成した例である。

図６（Ｃ）は、炉心管下端１３ｃの延長管上端１７ａに向き合う面の内径側を、平坦に削り落し、延長管上端１７ａの炉心管下端１３ｃに向き合う内径面を傾斜面とした例であり、ガスの出口部分１９ａを、径方向距離Ｌで、間隙幅Ｈがガスの出口側に向けて徐々に拡大するように形成した例である。
図６（Ｄ）は、炉心管下端１３ｃと延長管上端１７ａの向き合う面の双方の内径側を、傾斜面とした例であり、径方向距離Ｌで、ガスの出口側に向けて徐々に拡大された形状の間隙幅Ｈとした例である。

１０…光ファイバ線引炉、１１…光ファイバ母材、１１ａ…下端部、１２…ガラスファイバ、１３…炉心管、１３ａ…縮径部、１３ｂ…縮径管部、１３ｃ…炉心管下端、１４…炉筐体、１５…ヒータ、１６…断熱材、１７…延長管、１７ａ…延長管上端、１８…環状部材、１９…ガス漏出口、１９ａ…出口部分。

Claims (5)

1. 光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管内と、炉心管を外側から加熱するヒータと前記ヒータの外側に配設される断熱材とを収納する炉筐体内とに、不活性ガスを個別に流し込み、炉心管下端の接合部の間隙から前記炉筐体内に流し込まれた不活性ガスが前記炉心管内に漏出する光ファイバの線引装置であって、
   前記炉心管内に流し込まれ下向きに流れる不活性ガスの体積流量をＱ_１、前記炉筐体内から前記炉心管内に漏出する不活性ガスの体積流量をＱ_２、前記炉心管の内径を２Ｄ、前記炉心管下端の接合部のガス漏出口の出口部分の間隙幅をＨとし、前記体積流量Ｑ_１とＱ_２とが交わる壁面でのＱ_１とＱ_２とのせん断力の比をＲとしたとき、
   Ｒ＝（３Ｄ^２Ｑ_２）／（４Ｈ^２Ｑ_１）≦３
   を満足するように前記ガス漏出口の出口部分の間隙幅Ｈが設定され、前記ガス漏出口の間隙幅Ｈが径方向途中から広げられて形成されていることを特徴とする光ファイバの線引装置。
2. 前記炉心管下端の内径が、前記炉心管の上部内径より小さい径で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの線引装置。
3. 前記ガス漏出口の間隙幅Ｈの広げられた位置から出口部分までの径方向の距離Ｌが、前記出口部分の間隙幅Ｈの１／２以上で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバの線引装置。
4. 前記炉心管下端の接合部では、前記炉心管と石英またはカーボンからなる環状部材とが接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバの線引装置。
5. 光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管内と、炉心管を外側から加熱するヒータと前記ヒータの外側に配設される断熱材とを収納する炉筐体内とに、不活性ガスを個別に流し込み、炉心管下端の接合部の間隙から前記炉筐体内に流し込まれた不活性ガスが前記炉心管内に漏出する光ファイバの線引方法であって、
   前記炉心管内に流し込まれ下向きに流れる不活性ガスの体積流量をＱ_１、前記炉筐体内から前記炉心管内に漏出する不活性ガスの体積流量をＱ_２、前記炉心管の内径を２Ｄ、前記炉心管下端の接合部のガス漏出口の出口部分の間隙幅をＨとし、前記体積流量Ｑ_１とＱ_２とが交わる壁面でのＱ_１とＱ_２とのせん断力の比をＲとしたとき、
   Ｒ＝（３Ｄ^２Ｑ_２）／（４Ｈ^２Ｑ_１）≦３
   を満足するように前記ガス漏出口の出口部分の間隙幅Ｈを設定して、光ファイバを線引することを特徴とする光ファイバの線引方法。

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