JP5757193B2 - 加熱炉 - Google Patents

Description

本発明は素材を加熱する加熱炉に関し、特に省エネ効果の高い加熱炉に関する。

ガラス材や半導体などの素材を加熱炉で加熱する際は、加熱部が高温となるため、通常は加熱するヒータの周囲に断熱材を配置し、加熱炉外部への放熱を抑制し、熱効率を高めている。
加熱炉の一つの例として、光ファイバの線引き炉がある。光ファイバの製造においては、石英等の材料で製造された光ファイバ用母材を、線引き炉（加熱炉）内に挿入し、石英ガラスが溶融する２０００ ℃ 前後に線引き炉内を加熱して光ファイバ用母材の先端を溶融させ、この溶融したガラスを引き取りながら、その周囲に樹脂を被覆してボビンに巻き取っている。

線引き炉の構造としては、例えば、特許文献１に開示されているように、光ファイバ用母材を挿入する炉心管の外周に黒鉛からなるヒータを設け、さらに、ヒータの周囲に、均熱分布を得るために多孔質状に形成された黒鉛からなる断熱材を設けたものがある。このような線引き炉においては、ヒータの軸方向長さを確保して光ファイバ用母材を加熱できるようにしている。

また、線引き炉のエネルギーロスを抑える必要があるため、例えば、特許文献２に開示されている線引き炉では、線引き炉のヒータの周囲を炭素を含有する耐熱性断熱材から形成し、その嵩密度を径方向内端部で最も高くすることにより、熱輻射効果を高めている。また、径方向外側に行くにしたがって順次嵩密度を低くすることにより断熱効果を高めている。さらに、内端面を黒鉛または熱分解カーボンで被覆することで熱輻射効果をより高めている。また、ヒータの周囲にタングステン・モリブデン合金製の円筒体からなる反射板を炉心管と同心状に複数設けている。

特開２００４−２２４５８７号公報 特開平７−８１９６７号公報

特許文献２に開示された線引き炉では、嵩密度を順次異ならせた耐熱性断熱材を用いているが、嵩密度を設計通りに傾斜させて断熱材を製造することは難しく高価なものとなる。また、断熱剤の内周面に被覆した黒鉛の放射率は通常０．７以上となるため、ヒータからの輻射熱の大部分を吸収し線引き炉の熱効率を十分に高めることは期待できない。

このため、特許文献２の線引き炉では、ヒータの周囲にタングステン・モリブデン合金からなる反射板を複数設けているが、タングステン・モリブデン合金は高価であるとともに、これらの反射板を炉心管に同心上に位置決めして固定するための構造が必要となる。さらに、特許文献２に開示された線引き炉では、ヒータの軸方向両端部の熱輻射については考慮されていない。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、加熱炉のヒータを囲むように放射率の低いカーボン反射材を配置することにより、簡単な構成でヒータからの熱を炉心管側へ集めるとともに、断熱材側への放熱を防ぐことができる加熱炉を提供することをその目的とするものである。

本発明の加熱炉は、素材をその内部に挿入する炉心管と、炉心管の外部から炉心管及び素材を加熱するヒータと、ヒータの炉心管側以外の面を囲む断熱材を備え、断熱材のヒータ側表面に、放射率０．６以下のカーボン反射材を配置し、断熱材としてカーボン反射材より放射率の高い黒鉛を用いたことを特徴とする。

断熱材は上下部に配置される２つの円筒形状の断熱材と、中央部に配置されかつ上下部に配置する２つの断熱材より内径の大きな円筒形状からなる断熱材の３分割構造からなっている。また、カーボン反射材は、中央部の断熱材と前記上下部に配置される円筒形状の断熱材との間にそれぞれに配置される２つの中空円盤状のカーボン反射材と、中央部の断熱材の内面に配置される円筒形状のカーボン反射材とからなっている。

本発明によれば、ヒータの周囲に放射率の低いカーボン反射材を配置したため、通常のカーボン材に比べ輻射熱をより反射して炉心管側に熱を集め、断熱材への放熱を防ぐことができ、炉電力の省エネ化を図ることが可能となる。また、円盤形状のカーボン反射材は断熱材の間に挟みこんで固定し、円筒状のカーボン反射部材は断熱材の内側に置くだけで固定できるため、簡便な構造で加熱炉を組み立てることができる。

本発明の一実施形態に係る加熱炉の要部断面図である。 断熱材とカーボン反射材からなる構造体の分解斜視図ある。 断熱材とカーボン反射材からなる構造体の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る加熱炉の要部断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の加熱炉に係る好適な実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る加熱炉の要部断面図であり、加熱炉として、線引き炉を例に説明する。
線引き炉１０は、その中心部に光ファイバ用母材１が挿入される円筒状の炉心管２を有している。炉心管２の外側には、この炉心管２の外部から炉心管２と光ファイバ母材１を加熱するヒータ３が設けられ、さらに、炉心管２の外周側およびヒータ３の外側に線引き炉１０の外に熱が散逸するのを防ぐための断熱材５が配されている。すなわち、断熱材５はヒータ３の炉心管２側以外の面を囲んでいる。また、断熱材５の外周側には、線引き炉１０ の外殻をなす筐体４が設けられている。なお、図１では、この筐体４を一体に図示しているが、内部にヒータ３、断熱材５等を配置するために、例えば、上部が取り外し可能な蓋体で構成されている。

線引き工程においては、ヒータ３によって炉心管２の内部を約２０００°Ｃの線引き温度に加熱し、光ファイバ用母材１を溶融させ、溶融先端部を引き取って線材１ａとし、図示しない一次被覆用のダイスを通すことにより線材１ａの周囲を紫外線硬化型樹脂で一次被覆している。

炉心管２の内部を均一な高温に保つ必要から、ヒータ３は、炉心管２の外周側にほぼ円筒状に形成されており、主に黒鉛からなる材料で形成されている。また、断熱材５も黒鉛で形成されており、断熱効果を得るために多孔質状に形成されている。そして、断熱材５のヒータ３側には、放射率の低いカーボン反射材６を配置している。このカーボン反射材６は膨張黒鉛シート（グラファイトシート）からなっており、その放射率の値は２０００℃で０．５程度である。

ここで、カーボン反射材６を設けない場合は、ヒータ３の周囲を断熱材５が取り囲むことになるが、断熱材５に用いられる一般的な黒鉛の放射率は通常０．７以上と大きいため、断熱材５はヒータ３からの輻射熱を吸収することになる。しかし、ヒータ３を放射率の低い部材で取り囲むことにより、炉心管２側に熱を集めることができ、断熱材５への放熱を防ぐことができる。したがって、線引き炉の電力の省エネ化を図ることが可能となる。

なお、炉心管２の内部には、光ファイバ母材１が挿入されるが、図示しないガス導入用配管から、窒素ガスや、ヘリウムガス、アルゴンガス等の水分を含まないドライな不活性ガスが炉心管２の内部に導入される。この不活性ガスの導入によって、炉心管２の内部圧力を炉外の外部圧力より高く保つようにし、外部のガスが内部に流入しないようにしている。また、ヒータ３の周囲にも不活性ガスを導入し、断熱材５の酸化を防止している。

図２は、断熱材とカーボン反射材からなる構造体の分解斜視図であり、図３は、断熱材とカーボン反射材からなる構造体の斜視図である。
図２で示すように、断熱材５は、上下部に配置する２つの円筒形状の断熱材５ａ，５ｃと、これら２つの円筒形上の間に配置される円筒形状の断熱材５ｂの３分割構造からなっている。ここで、断熱材５ａ、５ｂ、５ｃの外径は等しく、中央部の断熱材５ｂの内径は、ヒータ３を配置するために、上下部の断熱材５ａ，５ｃの内径より大きく形成されている。

また、カーボン反射材６についても、上下側に配置される２つの中空円盤状のカーボン反射材６ａ，６ｃと中央に配置されるリング状のカーボン反射材６ｂの３つからなっている。ここで、上下側に配置される中空円盤状のカーボン反射材６ａ，６ｃの大きさは、それぞれ上部の断熱材５ａの下端面および下部の断熱材５ｃの上端面の大きさと同じになるように形成されている。また、中央のカーボン反射材６ｂの外径は中央部の断熱材５ｂの内径と等しくなるように形成されている。

そして、筐体４内に、ヒータ３、断熱材５、および、カーボン反射材６を組み込む際には、まず、筐体４に下部の断熱材５ｃを配置し、次に、下部の断熱材５ｃの上に下側のカーボン反射材６ｃを配置する。そして、カーボン反射材６ｃの上に、内面にカーボン反射材６ｂを配設した中央部の断熱材５ｂを配置することにより、下側のカーボン反射材６ｃを、断熱材５ｃと５ｂとで挟み込んで固定する。次に、断熱材５ｂと炉心管２の間にヒータを配置し、その後、カーボン反射材６ａと断熱材５ａを順次配置することにより、断熱材５とカーボン反射材６からなる構造体を筐体４内に組み込むことができる。なお、カーボン反射材６は、断熱材５の表面付近に配置しても良いが、予め断熱材に接着しておいても良い。

このように、本発明では、中央部の断熱材５ｂの上下端面にそれぞれに配置した中空円盤状のカーボン反射材６ａ，６ｃを、中央の断熱材５ｂと上下部に配置した断熱材５ａ，５ｃで挟み込み、円筒形状のカーボン反射材６ｂを中央部の断熱材５ｂの内面に配置することでカーボン反射材６を固定しているため、簡便な構造で線引き炉を組み立てることができる。

カーボン反射材６に用いる材料としては、不活性ガス雰囲気で２０００℃程度の温度に耐えることができ、放射率の低い材質である点から、膨張黒鉛シートを用いるのが好ましい。膨張黒鉛シートとしては、Ｇｒａｆｔｅｃ社製「ＧＲＡＦＯＩＬ（商標名）」、東洋炭素株式会社製「ＰＥＲＭＡ−ＦＯＩＬ（商標名）」、パナソニック株式会社製「ＰＧＳ（商標名）グラファイトシート」などを用いることができる。そして、上下側のカーボン反射材６ａ、６ｃの厚みは撓みを考慮して約１ｍｍ程度とし、中央のカーボン反射材６ｂの厚みは、丸めても割れることがないように０．５ｍｍ程度とすることが望ましい。

図４は本発明の他の実施形態に係る線引き炉の要部断面図である。
図１に示した線引き炉１０では、中央部の断熱材５ｂの上下端面にそれぞれに配置される２つの中空円盤状のカーボン反射材６ａ、６ｃの外径は、断熱材５ｂの外径とほぼ等しくなるようにしているが、図４に示した線引き炉１０’では、中央部の断熱材５ｂ’の上下端面にそれぞれに配置される２つの中空円盤状のカーボン反射材６ａ’、６ｃ’の外径を、断熱材５ｂ’の外径より小さくしている。

そして、中空円盤状のカーボン反射材６ａ’、６ｃ’の外径が小さくなった部分については、それぞれ中央部の断熱材５ｂ’と下部の断熱材５ｃ’の上端面外周部を突出させることにより、中空円盤状のカーボン反射材６ａ’、６ｃ’の位置決めが可能となるようにしている。

このような構成とすることにより、中空円盤状のカーボン反射材６ａ’、６ｃ’の外周部に断熱材５が配置されるため、中空円盤状のカーボン反射材６ａ’、６ｃ’を介して線引き炉１０’の外部に熱が伝導するのを防ぐことができる。

以上のように、本発明では、ヒータ３を取り囲むように放射率の低いカーボン反射材を配置し、ヒータ３を取り囲むいわゆる魔法瓶構造としたことにより、線引き炉１０に必要な炉電力は、カーボン反射材６を設けない場合に比べ約１０％減少することができた。

なお、上記では加熱炉として光ファイバの線引き炉を例に説明したが、延伸炉や焼結炉などのガラス母材用の加熱炉や、シリコンなどの半導体を加熱する加熱炉など、ヒータの周囲に断熱材を配置するような、いかなる加熱炉にも適用可能である。また、カーボン抵抗炉だけではなく、誘導炉などの加熱炉にも適用可能である。

１…光ファイバ用母材、２…炉心管、３…ヒータ、４…筐体、５…断熱材、６…カーボン反射材。

Claims (3)

1. 素材を加熱する加熱炉であって、
   前記加熱炉は、素材をその内部に挿入する炉心管と、該炉心管の外部から前記炉心管及び前記素材を加熱するヒータと、該ヒータの前記炉心管側以外の面を囲む断熱材を備え、
   該断熱材のヒータ側表面に、放射率０．６以下のカーボン反射材を配置し、前記断熱材として前記カーボン反射材より放射率の高い黒鉛を用いたことを特徴とする加熱炉。
2. 前記断熱材は、上下部に配置される２つの円筒形状の断熱材と、中央部に配置されかつ前記上下部に配置される２つの断熱材より内径の大きな円筒形状からなる断熱材の３分割構造からなり、前記カーボン反射材は、前記中央部の断熱材と前記上下部に配置される円筒形状の断熱材との間にそれぞれに配置される２つの中空円盤状のカーボン反射材と、前記中央部の断熱材の内面に配置される円筒形状のカーボン反射材からなることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
3. 前記カーボン反射材は膨張黒鉛シートであることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱炉。

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