JP5349507B2

JP5349507B2 - ガラス旋盤

Info

Publication number: JP5349507B2
Application number: JP2011013794A
Authority: JP
Inventors: 哲也乙坂
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: JP2012153564A; CN102617024A; US20120186302A1; EP2481714A1; US8813523B2; EP2481714B1

Description

本発明は、光ファイバプリフォーム等のガラス部材を加熱加工するために用いられるガラス旋盤に関する。

ガラス旋盤は、回転するガラスロッドやガラスチューブ等のガラス部材をバーナー火炎で加熱し、溶着、溶断、延伸、ファイアポリッシュ等の加工を行うための装置であり、光ファイバプリフォーム等の加工に広く用いられている。ガラス旋盤によるガラス部材の加工には主に酸水素火炎が用いられ、特にガラス部材が石英ガラスである場合、その温度は2000℃前後に達する。

ガラス旋盤において、ガラス部材を加熱すると、バーナー火炎からガラス部材に対して対流伝熱により熱が加えられ、加熱されたガラス部材からは放射により熱が放出される。このときの放射熱量は、ガラス部材の温度が2000℃付近に達するため、極めて大きなものとなる。放射熱量の値は、シュテファン＝ボルツマンの法則により算出され、放射率を1.0、周囲温度を20℃とすると、単位面積あたりの放射によるエネルギー損失は1.5MW/m²に達する。例えば、直径80mmのガラスロッドで長さ80mmの加熱領域であると仮定すれば、側面積が約20,000mm²となるので、側面からのエネルギー損失は約30kWとなる。
即ち、2000℃の温度を保つためには、30kWの熱を常にガラスロッドに投入する必要があり、このために必要な水素ガスの流量は経験上およそ400L/minである。400L/minの水素が燃焼する際の発熱量は73kWであるので、熱効率はおよそ41％と算出される。

このように、ガラス部材の加工は大量のエネルギーを消費するため、環境負荷およびコストの面から、エネルギー消費量を低減することが求められている。特許文献１には、ガラス部材の加熱部周辺を高純度石英からなる包囲体で囲う方法が開示されている。包囲体の温度は、室温とガラス部材温度との中間的な温度となるため、包囲体からの室内への熱放射は、ガラス部材がむき出しになっている場合よりも低減される。また、燃焼により発生した熱がガラス部材へ伝達される効率も向上する。

特表2009-508789号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法で、包囲体を用いてガラス部材を加熱した場合、ガラス部材表面からガラスが蒸発し、より低い温度の包囲体内面にスス状に堆積し、このスス状堆積物が剥離してガラス部材に付着し、品質を損なってしまうという問題があった。
また、加工後に一度温度を下げてから再度加工を行う場合、包囲体内面に堆積したガラスのスス体が大量に剥離落下してガラスロッドに付着する。これを避けるには、再加工前に冷却・清掃が必須であり、設備稼働率が下がるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑み、バーナー火炎によるガラス部材の加熱加工に際し、スス等によるガラス部材汚染を発生させずに、加熱効率を向上させることのできるガラス旋盤を提供することを目的としている。

本発明のガラス旋盤は、ガラス部材をバーナーで加熱して加工するガラス旋盤において、ガラス部材の被加熱部の上方以外の周囲にリフレクタを配置したことを特徴としている。
前記リフレクタには、球面の一部を切り取った形状を有するものが好ましい。リフレクタの材質は、金属の鏡面仕上げ材が好ましく、SUS、アルミまたはアルミ合金等を用いることができる。また、リフレクタの内面を金、白金またはロジウムのいずれかで被覆し、リフレクタの外面には、熱放射率を向上させる加工、例えば赤外線放射塗装を施すとさらに好ましい。

本発明によれば、蒸発したスス状ガラスが堆積・剥離してガラスロッドを汚染することなく、ガラス旋盤の熱効率を向上することができ、加工速度の向上および使用ガス量の低減を図ることができる。

本発明のガラス旋盤の要部を説明する概略図であり、（Ａ）は、（Ｂ）のＩ−Ｉ線での断面図である。実施例及び比較例の各態様に対する、加工時間及びリフレクタ温度を示すグラフである。

図１は、本発明のガラス旋盤の要部を示している。図示しない回転機構によって回転するガラスロッド（ガラス部材）２がバーナー４によって加熱され、斜線で示された被加熱領域３を形成する。ガラスロッド２の被加熱領域３の周囲にはリフレクタ１が配置されている。ガラスロッド２の被加熱領域３から放射される赤外線および可視光はこのリフレクタ１により反射され、ガラスロッド２へ再吸収されるため、放射による熱損失を低減できる。

図１に示すようにリフレクタ１は、球面の一部を切り取った形状とするのが好ましい。球の中心とガラスロッド２の被加熱領域３の回転軸芯を概略一致させることにより、被加熱領域３から放射する赤外線及び可視光をリフレクタ１の表面で正反射し、ガラスロッド２の被加熱領域３へ再度戻すことができる。このリフレクタ１は、加工されるガラスロッド２の上方以外の位置、例えば下側に配置される。リフレクタ１がガラスロッド２の上方にないため、ガラスロッド２から蒸発したスス状ガラスがリフレクタ１に堆積しづらく、また例え堆積したとしても、剥離落下してガラスロッド２を汚染することはない。
なお、図１ではバーナー４がリフレクタ１の中央に配置されているが、ガラスロッド２が回転しているため、必ずしもバーナー４とリフレクタ１の中心を合わせて配置する必要はない。

リフレクタとしては、一般的に赤外線及び可視光の反射率が高い金属の鏡面仕上げ材が好ましく、該金属としては例えばSUSやアルミまたはアルミ合金を用いることができる。SUSは、反射率が50〜60％程度とあまり高くないが、堅牢であり、取り扱いが容易である。アルミまたはアルミ合金は、融点が低く酸化しやすいため、場合によっては水冷等の強制冷却手段が必要になるが、反射率が90％程度と比較的高く、熱効率の向上に有効である上、コストが安いという利点がある。また、鏡面仕上げにすることによって乱反射が抑えられ、受けた放射熱を効率よくガラス部材へ戻すことができる。

リフレクタ本体をSUS等の堅牢な材質で作製し、内面を高耐蝕・高反射率の材料で被覆することも有効である。被覆材として、金・白金・ロジウムなどが挙げられる。これらは貴金属であり、耐蝕性と反射率に優れているが高価であるため、メッキ等の被覆技術を用いることで、基材から貴金属で作成するよりも安価に作成することができる。

リフレクタは高温に晒されるため、表面の変質やそれに伴う反射率の低下が起こることがある。リフレクタは、高反射率の材料を用いているため放射率が低く、本質的に熱を逃がしにくい。このような場合、リフレクタ外面に熱放射率を向上させる加工を施すことで、リフレクタからの熱放射を促進し、温度の上昇を低減することができる。

リフレクタ外面の熱放射率を向上する手段として、リフレクタ外面に赤外線放射塗装、例えば、オキツモ社製B-600や、セラミックコート社製
B-KS-900、堀場製作所製黒体スプレー等を施す方法があり、これによりリフレクタの温度を低減することができる。
以下、本発明のガラス旋盤について、実施例１〜５、比較例１を挙げて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（比較例１）
太さ95mmφの石英ガラスロッドをガラス旋盤に装着し、水素 500L/min, 酸素 250L/minの酸水素火炎で加熱しつつ、200kgfの張力で石英ガラスロッドを引張り、30mmの伸びが観測されるまでの時間を計測した所、1360秒であった。

（実施例１）
図１に示すように、SUS304製内面研磨半球リフレクタ（直径300mm）を石英ガラスロッドの下側となる位置に、該リフレクタの球中心と石英ガラスロッドの回転軸芯とが概略一致するようにガラス旋盤に取り付けた。このガラス旋盤に、太さ95mmφの石英ガラスロッドを装着し、水素 500L/min, 酸素 250L/minの酸水素火炎で加熱しつつ、200kgfの張力で石英ガラスロッドを引張り、30mmの伸びが観測されるまでの時間を計測したところ、765秒であり、比較例１と比較して43.8％の時間およびガス量の低減を達成した。このときのリフレクタ外面温度は683℃であった。加工後のリフレクタの表面はススの付着が無く清浄であり、そのままで再使用可能であった。ただし、リフレクタの表面は焼けが発生して表面状態に変化が見られた。

（実施例２）
ガラス旋盤に、SUS304製内面金メッキ処理半球リフレクタ（直径300mm）を取り付けた以外は、実施例１と同様にして、太さ95mmφの石英ガラスロッドを装着し、30mmの伸びが観測されるまでの時間を計測した所、620秒であり、比較例１と比較して54.4％の時間およびガス量の低減を達成した。このときのリフレクタ外面温度は500℃であった。加工後のリフレクタの表面はススの付着が無く清浄であり、そのままで再使用可能であった。ただし、一部に金メッキが揮散して基材のSUS 304が露出している所が見られた。

（実施例３）
ガラス旋盤に、SUS304製内面金メッキ処理・外面赤外線放射塗装半球リフレクタ（直径300mm）を取り付けた以外は、実施例１と同様にして、太さ95mmφの石英ガラスロッドを装着し、30mmの伸びが観測されるまでの時間を計測したところ、630秒であり、比較例１と比較して53.7％の時間およびガス量の低減を達成した。このときのリフレクタ外面温度は380℃であり、実施例１と比較して大幅に低減できた。加工後のリフレクタの表面は、ススの付着及び変質が無く清浄であり、そのままで再使用可能であった。

（実施例４）
ガラス旋盤に、アルミ製内面研磨半球リフレクタ（直径500mm）を取り付けた以外は、実施例１と同様にして、太さ95mmφの石英ガラスロッドを装着し、30mmの伸びが観測されるまでの時間を計測したところ、645秒であり、比較例１と比較して52.6％の時間およびガス量の低減を達成した。このときのリフレクタ外面温度は470℃であった。加工後のリフレクタの表面は、ススの付着が無く清浄であり、そのままで再使用可能であった。ただし、表面の一部に酸化による白化が見られた。

（実施例５）
ガラス旋盤に、アルミ製内面研磨・外面赤外線放射塗装半球リフレクタ（直径300mm）を取り付けた以外は、実施例１と同様にして、太さ95mmφの石英ガラスロッドを装着し、30mmの伸びが観測されるまでの時間を計測したところ、645秒であり、比較例１と比較して52.6％の時間およびガス量の低減を達成した。このときのリフレクタ外面温度は430℃であった。加工後のリフレクタの表面は、ススの付着及び変質が無く清浄であり、そのままで再使用可能であった。

上記結果を図２にまとめて示した。このように石英ガラスロッドの下側に半球状のリフレクタをガラス旋盤に装着したことで、被加熱領域が発する放射熱はリフレクタで反射して戻され、石英ガラスロッドの引張り・延伸に要する時間は、リフレクタを装着しない比較例１のほぼ半分の時間で済み、燃焼ガス量もほぼ半分となり、かつ装置外への熱放射量も大きく低減された。さらに、リフレクタがガラスロッドの下側に配置されているため、蒸発したスス状ガラスが堆積・剥離してガラスロッドを汚染することもなかった。

１リフレクタ、
２ガラスロッド、
３被加熱領域、
４バーナー。

Claims

ガラス部材をバーナーで加熱して加工するガラス旋盤において、ガラス部材の被加熱部の上方以外の周囲にリフレクタを配置したことを特徴とするガラス旋盤。
前記リフレクタが、球面の一部を切り取った形状を有する請求項１に記載のガラス旋盤。
前記リフレクタ材質が、金属の鏡面仕上げ材からなる請求項１又は２に記載のガラス旋盤。
前記金属が、SUS、アルミまたはアルミ合金のいずれかである請求項３に記載のガラス旋盤。
前記リフレクタの内面が、金、白金またはロジウムのいずれかで被覆されている請求項１乃至４のいずれかに記載のガラス旋盤。
前記リフレクタの外面に、放射率を向上させる加工がなされている請求項１乃至５のいずれかに記載のガラス旋盤。
前記放射率を向上させる手段として、赤外線放射塗装が施されている請求項６に記載のガラス旋盤。