JP5425032B2

JP5425032B2 - 多孔質ガラス母材の製造装置及びこれを用いた製造方法

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Publication number: JP5425032B2
Application number: JP2010213678A
Authority: JP
Inventors: 真吉田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: CN102557427B; JP2012066973A; US8561432B2; CN102557427A; US20120073333A1

Description

本発明は、光ファイバの原料として線引きに使用されるガラス母材を製造するための多孔質ガラス母材の製造装置及び製造方法に関する。

光ファイバは、太径のガラス母材を線引きに適した径に縮径したガラスロッド、いわゆる光ファイバプリフォームを線引きして製造される。この太径のガラス母材は、軸付け法（VAD法）や外付け法（OVD法）で製造された多孔質ガラス母材を熱処理により、焼結し、透明ガラス化して得られる。

図１は、外付け法により多孔質ガラス母材を製造する装置の一例を示している。反応容器１内には、出発基材である基材ガラス棒２が、その両端を基材把持具３で支持された状態で配置されている。基材ガラス棒２へのガラス微粒子の堆積は、ガラス微粒子堆積用バーナ（以下、単にバーナという）４を用いて火炎反応させ、ガラス微粒子（スート）を生成させながら、基材ガラス棒２の周面にガラス微粒子を噴き付け、径方向に堆積させることによって行われ、スート体５が形成される。
これを所定の外径が得られるまで、基材ガラス棒２を回転機構６で回転させながら、基材ガラス棒２の長手方向に沿って、バーナ４をその移動機構７で往復運動させ、堆積を続ける。この間、スート体５とバーナ４との間の距離は、バーナ位置調整機構９により調整される。燃焼排ガスは、排気フード８により反応容器１外に排出される。

近年、多孔質ガラス母材の大型化に伴い、装置は大型化し、必要なガス量も増加している。装置の大型化は、より大きな設置面積を必要とし、かつコストアップとなる。装置を大きくしなければ、設備費や設置面積が小さくて済み、製造コストを抑えることができるが、増大する反応容器への熱負荷が問題となる。

多孔質ガラス母材の大型化に伴う熱量の増大は、反応容器の熱的ストレスの増大をもたらし、反応容器の破損を招き、反応容器のライフに大きな影響を与える。反応容器が破損すると、反応容器を構成している板材や断熱材の微細断片が雰囲気中に浮遊してスート体に混入し、最終製品である光ファイバの伝送損失の増大や断線の原因となる。
反応容器のライフを延ばすには、反応容器が受ける熱量を減らす必要があるが、そのために燃焼ガスを減らすと、スート体の密度が低下し、製造途中あるいは搬送時においてスート体の破損を招く。また、密度が低下すると、スート体の外径が太くなり、後工程も含め、さらに装置を大きくしなければならない、等の問題を生じる。

反応容器を大型化しないで、反応容器の破損を防止する方法として、特許文献１は、反応容器を水冷する方法を開示している。しかしながらこの方法は、新たに水冷機構が必要となり、付加される冷却水設備に伴うコストアップや、装置の大型化に伴うスペース増が問題である。
また、特許文献２には、反応容器自体に応力の集中を緩和する部分を設け、反応容器の破損を防止する方法が示されている。
その他、特許文献３には、床への固定は1箇所とし、他は滑動可能とすることで、装置の熱膨張に伴う応力の集中を緩和し、反応容器の破損を防止する方法が示されている。この方法は、溶接によって複数の部材を繋ぎあわさない反応容器においては効果的ではあるが、複数の金属部材を溶接した部材からなる反応容器の場合は、1箇所の固定でこのように大きく伸縮させると、１番弱い溶接部分に割れが生じるという問題が発生する。

特開2001-10823号公報特許3674315号公報特開2003-192356号公報

本発明は、多孔質ガラス母材の大型化に伴う反応容器への熱負荷の増大を、装置を大型化することなく、反応容器の破損を防止することのできる製造装置及び製造方法を提供することを課題としている。

本発明の多孔質ガラス母材の製造装置は、バーナを用いて火炎加水分解反応あるいは酸化反応により生成したガラス微粒子を堆積基材上に堆積させて多孔質ガラス母材を形成する装置において、多孔質ガラス母材の形成に用いる反応容器が、複数の金属部材が溶接された二重構造体内に互いに垂直に対向する金属フレームと断熱材が配設され、該二重構造体と該金属フレームが溶接またはネジ止めされてなる外側構造体を有し、該外側構造体の反応容器内面側に存在する溶接線を覆うように金属薄板が設置され、該金属薄板が前記溶接線から距離を置いて設置されていることを特徴としている。
前記金属薄板は、肉厚を0.5mm以下とするのが好ましい。また、断熱材は、Al_２O_３とSiO_２を主原料とし、密度80〜150kg/m^３とするのが好ましい。

本発明の多孔質ガラス母材の製造方法は、上記製造装置を用いて、反応容器内でバーナにより生成されたガラス微粒子を堆積基材上へ堆積させ、ガラス微粒子堆積体を製造することを特徴としている。

本発明によれば、多孔質ガラス母材の大型化に伴う反応容器への熱負荷の増大を、二重構造体の溶接線を覆うように金属薄板を設置することで、装置を大型化することなく、反応容器の破損を防止することができる。

反応容器（製造装置）の一例を示す概略図である。反応容器の二重構造面を示す模式図である。互いに垂直に対向する金属フレームの組み付けを説明する模式図である。外側構造体の断面構造を示す概略断面図である。反応容器内面への遮熱を示す模式図である。反応容器内面への遮熱が施された外側構造体を示す概略断面図である。母材製造時の溶接線上の温度変化を示すグラフである。

反応容器内面の表面温度は、スート体からの輻射を受け、稼動当初、室温程度であったものが、製造時には300℃以上に達する。さらにバーナが堆積基材に沿って移動することにより、熱源が近づいたり遠ざかったりする熱サイクルを繰り返し受ける。反応容器は、このような温度変化によって伸縮を繰り返し、ついには、弱い部分で破断する。特に、金属部材を溶接した箇所で破断が発生し易い。
このような破断を防ぐためには、反応容器の二重構造壁を構成する金属部材を、垂直に対向させた強靭な金属フレームで固定することによって、溶接部分を含め壁全体の温度変化に伴う変形をなるべく抑えこむとともに、最も弱い溶接部分を単体の金属薄板で覆って遮熱することにより、反応容器の破損を防ぐことができ、本発明を完成させた。

反応容器の外側構造体は、反応容器の形状に応じて、複数の金属部材を溶接して製作する。このとき、外側構造体を二重構造とし、この内部に垂直に対向させた強靭な金属フレームを配設し、これに溶接またはネジ止めで固定することにより、熱による二重構造体の変形を抑えることができる。さらに、二重構造体の内部に断熱材を配設することによって、反応容器外（製造室内）への反応熱の放出を抑え、空調設備への負荷を下げることができる。
さらに、二重構造体の反応容器内面側に存在する溶接線への熱負荷を下げるために、この溶接線を覆うように金属薄板を設置し、遮熱する。この薄板は、熱で自在に変形するように、複数の部材を溶接したものではなく、なるべく薄い単体物とし、特に厚さ0.5mm以下のものが望ましい。

なお、金属薄板は、二重構造体の溶接線から離して設置することによって、遮熱効果をさらに高めることができる。
ここで、二重構造体内に埋設する断熱材としては、高い断熱性を有するシリカアルミナ系断熱材がよく、Al_２O_３とSiO_２を主原料とし、密度80〜150kg/m^３の部材が挙げられる。断熱材の密度が、80kg/m^３未満では十分な強度が得られず、また150kg/m^３を超えると熱伝導度が高くなり、断熱効果が小さくなるため好ましくない。
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１は、本発明の多孔質ガラス母材製造装置の一例を示す概略横断図である。
この製造装置の外側構造は、図２に示すように、金属部材として５mm厚のNi板が溶接線12の位置で溶接された外面10と内面11からなる二重構造となっている。
この二重構造の内部には、図３，４に示すような10mm厚の金属フレーム13が互いに垂直に300mm間隔で配置され、外面10及び内面11と溶接もしくはネジ止めで固定されている。また、外部への反応熱の放射を防ぐために、二重構造内に、図４に示すように断熱材14が埋設されている。

さらに、図５、６に示すように、内面11の溶接線を覆うように、0.3mm厚のNi薄板（遮熱板）15を溶接線から10mm離して設置した。
ここで、図４の遮熱部材の無い状態とNi薄板で遮熱した図６の状態での堆積時の溶接線上の温度変化を図７に示した。
図６に示すように、Ni薄板で覆って遮熱することにより、最高温度が400℃から２70℃に下がるとともに、製造中の温度変動幅が大幅に小さくなった。

次に、図４に示した、外側構造体の反応容器内面側に遮熱部材の設けられていない反応容器と、図６に示した、反応容器内面側に遮熱部材の設けられた反応容器を用いて、それぞれ150kgのガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス母材300本を製造した。
その結果、図４に示した反応容器では、100本を越えたあたりから、反応容器内面の溶接線上から割れ出し、300本終了後は、15箇所延べ２ｍの溶接線割れが発生していた。
それに対して、図６に示した反応容器では、300本製造後も溶接線の割れは、一切生じていなかった。

１反応容器
２基材ガラス棒
３基材把持具
４バーナ
５スート体
６回転機構
７移動機構
８排気フード
９バーナ位置調整機構
１０外面
１１内面
１２溶接線
１３金属フレーム
１４断熱材
１５ Ni薄板（遮熱板）

Claims

バーナを用いて火炎加水分解反応あるいは酸化反応により生成したガラス微粒子を堆積基材上に堆積させて多孔質ガラス母材を形成する装置において、多孔質ガラス母材の形成に用いる反応容器が、複数の金属部材が溶接された二重構造体内に互いに垂直に対向する金属フレームと断熱材が配設され、該二重構造体と該金属フレームが溶接またはネジ止めされてなる外側構造体を有し、該外側構造体の反応容器内面側に存在する溶接線を覆うように金属薄板が設置され、該金属薄板が前記溶接線から距離を置いて設置されていることを特徴とする多孔質ガラス母材の製造装置。
前記金属薄板の肉厚が0.5mm以下である請求項１に記載の多孔質ガラス母材の製造装置。
前記断熱材が、Al_２O_３とSiO_２を主原料とし、密度が80〜150kg/m^３である請求項１に記載の多孔質ガラス母材の製造装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の製造装置を用いて、反応容器内でバーナにより生成されたガラス微粒子を堆積基材上へ堆積させ、ガラス微粒子堆積体を製造することを特徴とする多孔質ガラス母材の製造方法。