JP5968262B2 - 光ファイバ用ガラス母材の焼結装置および焼結方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材の焼結装置において、炉芯管内ガスの漏洩を防止するとともに、炉芯管内への外気の侵入を防止し、さらに炉芯管の寿命をのばしてコストを低減する方法に関する。

光ファイバ用ガラス母材の製造方法として、ＶＡＤ法やＯＶＤ法と呼ばれる方法がある。これらの方法では、まず火炎中でガラス原料を燃焼してガラス微粒子を生成し、これを回転するターゲット棒の軸方向もしくは径方向に付着させて多孔質ガラス母材を製造する。

このようにしてできた多孔質ガラス母材はヘリウムを主成分としてガラス中のＯＨ基を低減するための塩素等の脱水ガスやガラス中の結合欠陥を低減するための酸素が必要に応じて添加された雰囲気において、１４００〜１６００℃に加熱される。ヘリウムを用いる理由は、熱伝導率が高く、しかもガラスへの溶解度が高いためガラス中に気泡が残留しにくいためである。透明ガラス化に先立ち、１０００〜１２５０℃で脱水処理が行われる場合もある。多孔質ガラス母材は、１４００〜１６００℃に加熱され、透明なガラス母材となる。

多孔質ガラス母材の加熱は、焼結炉と呼ばれる装置において、炉芯管と呼ばれる石英ガラス製の容器内で行われ、炉芯管中央部の周囲には加熱炉が配置されている。炉芯管の上端部には多孔質ガラス母材を吊り下げるためのシャフトが貫通している。多孔質ガラス母材は回転しつつ上昇または下降して加熱ゾーンを通ることにより、端部より順次加熱処理される。

炉心管の中央部でガラス母材が加熱される一方、ガラス母材の上部または下部に空間があるために、炉芯管の内部では対流が起こりやすく、炉芯管の内圧は変動してしまう。

シャフトは回転および上下動しつつ炉心管上端の貫通部分を通過するため、完全なガスシールは困難であり、炉芯管の内圧が負圧となった場合、貫通部分から炉芯管内に外気を吸い込んでしまう。炉芯管内に外気が吸い込まれると、外気中の水蒸気が取り込まれるためガラス中のＯＨ基濃度が増大して光ファイバの伝送特性が悪化するほか、ヘリウムよりも分子量の大きい窒素ガスが取り込まれるためガラス中に気泡が残留しやすくなり、製品の歩留まりが低下する。

逆に炉芯管の内圧が陽圧となった場合、炉芯管内の雰囲気ガスの成分である塩素が外気中に放出される。塩素は毒性および腐食性のあるガスであり、作業環境上好ましくなく、また装置を錆びさせて寿命を短くし、装置の錆が発塵源となって製品の特性および歩留まりを悪化させる。

また、炉芯管の平均内圧が加熱炉内の圧力から乖離した場合、石英ガラス製の炉芯管が圧力差により潰れたり膨れたりしてしまう。炉芯管が潰れた場合、処理できる多孔質ガラス母材の外径が制限されてしまう。また、炉芯管が膨れて加熱炉に張り付いた場合、炉芯管の寿命が短くなってしまう。

これらの問題を解決するために、特許文献１では、上蓋部分に圧力調整ガス導入部・排気室およびシール室と呼ばれる３つの部屋を備え、炉芯管内の圧力変動に応じて供給する雰囲気ガスの流量を制御し、排気室の圧力変動に応じて圧力調整ガスとして供給されるヘリウムの流量を制御し、シール室にはシールガスとして窒素を供給している。

特許４７３７０３１号

特許文献１の方法により、炉芯管内の圧力変動をおさえつつ、大気への炉芯管内ガスの放出および、炉芯管内への外気の混入をふせぐことはできるが、この方法では常に圧力計による炉芯管内圧および排気室内圧を監視しながらガス流量を制御しなければならない。このため装置コストが高くなる問題があるのと、圧力調整ガスとして高価なヘリウムを用いるため、ランニングコストが高くなる問題がある。さらに、炉芯管内は脱水ガスとして用いられる塩素等の腐食性雰囲気であるため、常時圧力監視が必要なこの方法では、圧力計の寿命が短いという欠点もあった。

この他に、圧力変動を抑えるために導入する雰囲気ガスの流量および排気流量をともに増やす方法があるが、この場合にも高価なヘリウムを大量に用いなければならず、ランニングコストが高くなる問題があった。

上記課題を解決するべく、本願発明に係る焼結装置は、光ファイバ用ガラス母材をシャフトに吊り下げ支持しながら炉心管の内部に収納し、雰囲気ガス中で加熱処理する焼結装置において、炉心管の上端に設けられ、シャフトが挿通される第一のガスシールと、第一のガスシールの上部に設けられ、シャフトを覆う緩衝室と、緩衝室の上端に設けられ、シャフトが挿通される第二のガスシールと、緩衝室に炉心管から排出した雰囲気ガスを導入する手段とを備えることを特徴とする。

第一のガスシールにより炉心管内の内圧変動の緩衝室への伝搬が緩和されるうえ、炉芯管内圧が負圧となった場合に第一のガスシールを経由して炉芯管内に外気成分が混入するのを防ぐ。

緩衝室に炉心管から排出した雰囲気ガスを導入することにより緩衝室内のガス成分が炉心管内の雰囲気ガスに近くなり、炉芯管内圧が負圧となった場合に第一のガスシールを経由して炉芯管内に混入する外気成分を低減できる。

第二のガスシールにより、緩衝室内に導入された炉心管内雰囲気ガスの成分の外部への漏洩が抑制される。

前記炉心管から雰囲気ガス排気ポンプを介して前記雰囲気ガスを排出して前記緩衝室に導入することが好ましい。これにより、炉心管から排出された雰囲気ガスが効率的に緩衝室内へと導入される。また、炉心管からの雰囲気ガスの排出流量を排気ポンプの出力や排気ポンプに併設したバルブを調整することによって炉心管の内圧の調整が可能となる。

前記第二のガスシールの上部には前記シャフトを覆う形で外気室を設け、外気を導入することが好ましく、これにより、大気への雰囲気ガスの漏洩が大幅に低減される。

緩衝室の内圧は外気圧と略等しいことが好ましい。緩衝室の内圧が高すぎる場合には、外気への雰囲気ガスの漏洩が多くなり、逆に低すぎる場合には、緩衝室への外気の混入が起こり、炉芯管内圧が負圧となった場合に第一のガスシールを経由して炉芯管内に外気が混入する原因となる。

前記緩衝室排気管と主排気管とを結ぶ配管途中に外気吸入口を備えることが好ましい。緩衝室の内圧を複雑な装置を用いることなく容易に外気圧と略等しくすることができる。

前記外気吸入口は前記主排気管と配管との接続部に設けられた間隙であってもよく、配管との接続部を緊密な接続としないことで、除外設備等に導く排気性能を確保しつつ外気を吸入する性能も備えることとなる。

前記緩衝室排気管と前記外気吸入口とを結ぶ配管途中に緩衝ガス滞留容器を備えることも好ましい。緩衝ガス滞留容器内のガス成分の多くは炉心管内の雰囲気ガスであるため炉心管内が負圧になって外気が逆流した場合に炉心管内に外気が混入するのを防ぐ。

前記シャフトの下端付近に、前記シャフトの外周と前記炉心管の内周との空隙を狭める対流防止部材を備えることが好ましい。対流防止部材により、炉芯管の内圧変動を低減して、炉芯管内への大気の混入可能性を低減することが出来る。

前記第一のガスシールおよび前記第二のガスシールは、フェルト状シートおよび気密性シートの積層構造であることが好ましく、前記フェルト状シートはカーボンフェルトを用い、気密性シートにはフッ素樹脂シートを用いることが好ましい。カーボンフェルトおよびフッ素樹脂シートは、ともに耐熱性および耐塩素特性に優れているため、部材寿命を長くすることができる。

雰囲気ガス排気ポンプの流量を調整し、炉芯管内の１時間平均圧力を外気圧±２００Ｐａ以内とすることが好ましい。炉芯管内の平均圧力が外気圧から大きくずれると、炉芯管の高温部分が膨れたり潰れたりするためである。特に炉心管の高温部分がふくれた場合、炉心管と加熱炉とが接触し、炉心管の寿命を縮める原因となる。

本発明によれば、炉芯管内圧が一時的に負圧となった場合でも炉芯管の内部に外気を吸込むことを防止でき、光ファイバ母材の特性の劣化をおさえることができる。

本発明に係る光ファイバ用ガラス母材の焼結装置の一実施形態の概略図である。 従来の光ファイバ用ガラス母材の焼結装置の概略図である。

以下に、本発明に係る光ファイバ用ガラス母材の焼結装置について、図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る光ファイバ用ガラス母材の焼結装置の概略図である。

多孔質ガラス母材１は、石英ガラス製の炉芯管２の内部に収容され、ヒーター３、断熱材４、水冷チャンバー５等から構成される加熱炉６によって加熱処理される。

多孔質ガラス母材１の周囲は、炉芯管２の下端にある雰囲気ガス導入口７から導入される雰囲気ガスで満たされる。雰囲気ガスは、ヘリウム・塩素・酸素などからなる混合ガスである。炉芯管２内の圧力は、炉芯管２に備えられた圧力測定ノズル８に接続された圧力計により測定される。圧力計は、腐食性の塩素による劣化を防ぐため、常時測定ではなく測定と配管パージを繰り返す間欠測定としてもよい。

上部には昇降装置９およびシャフト１０が設けられ、シャフト１０は第一のガスシール１６を通って炉心管２内に延びる。多孔質ガラス母材１は昇降装置９によってシャフト１０を介して回転および下降させられ、加熱炉６内の加熱ゾーンへ導入される。

炉芯管２の上部には雰囲気ガス排気管１２および雰囲気ガス排気ポンプ１３が設けられ、これによって炉芯管２内の雰囲気ガスが炉心管２外に排出される。雰囲気ガス排気ポンプ１３からの排気は、緩衝ガス導入管１４を経由して、第一のガスシール１６の上部にシャフトを覆う形で設けられた緩衝室１５へ導入される。緩衝室１５の上部にはシャフトが貫通する第二のガスシール１７がある。緩衝室１５は第一のガスシール１６、第二のガスシール１７によって、上下の空間とゆるやかに仕切られる。

緩衝室１５に導入された雰囲気ガスは、緩衝室排気管１８および緩衝ガス滞留容器１９を経由して主排気管２０へと接続される。主排気管２０は主排気ポンプ２１を経由してスクラバー等の除害設備２２に接続されており、除害設備において排気ガス内の有害な塩素等が除去される。

第二のガスシール１７の上部には外気室２３が設けられ、外気室２３は外気室排気管２４を経由して主排気管２０に接続される。外気室２３には大気吸込口２５が備えられており、外気室２３の内部は外気によって常時換気される。

緩衝ガス滞留容器１９から延びる緩衝ガス排出管２６と主排気管２０の接続部は、内径の大きな主排気管２０の中に、外径の小さな緩衝ガス排出管２６が空隙２７をもって挿入される構造を有し、この空隙２７が外気吸入口として作用して、主排気管２０には排気ガスとともに外気も吸入される。

シャフト１０の下端付近には対流防止部材２８が設けられ、焼結処理が進行して多孔質ガラス母材１が引き下げられて炉芯管２の上部空間が大きくなった時に起こる対流をある程度抑制することで、炉芯管２の内部が負圧になる程度を低減する。

第一のガスシール１６および第二のガスシール１７は、それぞれのガスシールの上下空間を仕切るために存在しているが、シャフト１０が回転および上下動をするため、完全なガスシールをすることは困難である。

雰囲気ガス排気管１２、雰囲気ガス排気ポンプ１３および緩衝ガス導入管１４を経由して排気された雰囲気ガスは、緩衝室１５および緩衝ガス滞留容器１９を充満し、緩衝ガス排出管の末端２６から放出される。緩衝ガス排出管の末端２６は主排気管２０の内部に挿入され、ゆるやかに接続されているために、緩衝室１５および緩衝ガス滞留容器１９の内部圧力は自動的に大気圧近傍に保たれる。

炉芯管２の内圧が変動して負圧になった場合、第一のガスシール１６を経由して緩衝室１５内のガスが炉芯管２内へ侵入するが、緩衝室１５内を満たすガスは炉芯管２内の雰囲気ガスとほぼ同一成分であるため、これによって多孔質ガラス母材１の特性は影響を受けない。負圧の程度および時間が長い場合には緩衝室１５の内部を満たすガスが全て炉芯管２内に吸込まれるが、十分な容量を持つ緩衝ガス滞留容器１９から雰囲気ガスとほぼ同成分のガスが供給されるため、炉芯管２内に外気が混入しない。

外気室２３は常時排気されており、外気圧に対して常に負圧の状態になっている。炉芯管２の内圧が陽圧になり、その影響で緩衝室１５内も陽圧になって排気ガスが第二のガスシール１７を経由して外気室２３に入ることがあっても、外気室排気管２４を経由してすみやかに排出され、大気中に漏洩しない。

第一のガスシール１６および第二のガスシール１７には、シャフト１０の回転上下動を抑制せずに、かつ可能な限り良好なガスシール性を保ち、さらに高温の塩素含有雰囲気に耐える材質および構造であることが求められ、これを達成するためにはドーナツ状のカーボンフェルトおよび、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素樹脂シートを積層した構造が好適である。

［実施例１］
図１に示した焼結装置を用いて多孔質ガラス母材の透明ガラス化処理を行った。導入ガス量はＨｅ＝１０Ｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ_２＝２Ｌ／ｍｉｎとし、炉芯管内圧の１時間平均値が外気圧±２００Ｐａ以内を保つように排気ポンプの流量を調整した。炉芯管内圧の瞬間値は外気圧±１０００Ｐａに達した。透明化したガラス母材の中に気泡の残留は見られず、炉芯管の変形も見られなかった。

［比較例１］
図２に示した焼結装置を用い、雰囲気ガス排気ポンプからの排出ガスを直接主排気管へ接続して多孔質ガラス母材の透明ガラス化処理を行った。図２中の符号は、図１と共通である。導入ガス量はＨｅ＝１０Ｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ_２＝２Ｌ／ｍｉｎとし、炉芯管内圧の１時間平均値が外気圧±２００Ｐａを保つように排気ポンプの流量を調整した。炉芯管内圧の瞬間値は外気圧±１０００Ｐａに達した。炉芯管の変形は見られなかったが、透明化したガラス母材の中に気泡の残留が確認された。

［比較例２］
図１に示した焼結装置を用いて多孔質ガラス母材の透明ガラス化処理を行った。導入ガス量はＨｅ＝１０Ｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ_２＝２Ｌ／ｍｉｎとし、炉芯管内圧の１時間平均値が外気圧＋２００Ｐａ〜＋６００Ｐａを保つように排気ポンプの流量を調整した。炉芯管内圧の瞬間値は大気圧−６００〜＋１４００Ｐａに達した。透明化したガラス母材の中に気泡の残留は見られなかったが、炉芯管に膨れが見られた。

［比較例３］
図１に示した焼結装置を用いて多孔質ガラス母材の透明ガラス化処理を行った。導入ガス量はＨｅ＝１０Ｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ_２＝２Ｌ／ｍｉｎとし、炉芯管内圧の１時間平均値が大気圧−６００Ｐａ〜−２００Ｐａを保つように排気ポンプの流量を調整した。炉芯管内圧の瞬間値は大気圧−１４００〜＋６００Ｐａに達した。透明化したガラス母材の中に気泡の残留は見られなかったが、炉芯管に潰れが見られた。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る光ファイバ用ガラス母材の焼結装置を用いることで、炉芯管内の内圧変動が起こって炉芯管内圧が一時的に負圧となった場合でも炉芯管の内部に外気を吸込むことを防止でき、光ファイバ母材の特性の劣化をおさえることができる。

さらに、炉芯管内の平均圧力を大気圧と同じ程度に保つことで、炉芯管の膨れや潰れの発生をおさえることができ、炉芯管の寿命をのばすことができる。

また、炉芯管内圧によってガス流量や排気量を常時コントロールする必要がないため、装置コストや故障確率を低減することができる。

本発明の光ファイバ用ガラス母材の焼結装置および焼結方法によれば、炉芯管内の内圧変動が起こって炉芯管内圧が一時的に負圧となった場合でも、光ファイバ母材の特性の劣化をおさえることができる。

１ 多孔質ガラス母材
２ 炉芯管
３ ヒーター
４ 断熱材
５ 水冷チャンバー
６ 加熱炉
７ 雰囲気ガス導入口
８ 圧力測定ノズル
９ 昇降装置
１０ シャフト
１２ 雰囲気ガス排気管
１３ 雰囲気ガス排気ポンプ
１４ 緩衝ガス導入管
１５ 緩衝室
１６ 第一のガスシール
１７ 第二のガスシール
１８ 緩衝室排気管
１９ 緩衝ガス滞留容器
２０ 主排気管
２１ 主排気ポンプ
２２ 除害設備
２３ 外気室
２４ 外気室排気管
２５ 大気吸込口
２６ 緩衝ガス排出管末端部
２７ 空隙
２８ 対流防止部材

Claims (12)

1. 光ファイバ用ガラス母材をシャフトに吊り下げ支持しながら炉心管の内部に収納し、雰囲気ガス中で加熱処理する焼結装置において、
   前記炉心管の上端に設けられ、前記シャフトが挿通される第一のガスシールと、
   前記第一のガスシールの上部に設けられ、前記シャフトを覆う緩衝室と、
   前記緩衝室の上端に設けられ、前記シャフトが挿通される第二のガスシールと、
   前記緩衝室に前記炉心管から排出した前記雰囲気ガスを導入する手段と、
   前記緩衝室の内圧を外気圧と略等しくする緩衝室内圧調整手段と
   を備えることを特徴とする光ファイバ用ガラス母材の焼結装置。
2. 前記炉心管から前記雰囲気ガスを排出する雰囲気ガス排気ポンプをさらに備え、
   前記雰囲気ガス排気ポンプにより排出した前記雰囲気ガスが前記緩衝室に導入されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ用ガラス母材の焼結装置。
3. 前記第二のガスシールの上部には前記シャフトを覆う外気室をさらに備え、
   前記外気室に外気が導入され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用ガラス母材の焼結装置。
4. 前記緩衝室内圧調整手段は、
   前記緩衝室に備えた緩衝室排気管と、
   前記緩衝室排気管に接続する主排気管と、
   前記緩衝室排気管と前記主排気管との間に設けられた外気吸入口と
   を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバ用ガラス母材の焼結装置。
5. 前記緩衝室排気管と前記外気吸入口との間に緩衝ガス滞留容器を備えることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ用ガラス母材の焼結装置。
6. 前記シャフトの下端付近に、前記シャフトの外周と前記炉心管の内周との間の空隙を狭める対流防止部材を備えること
   を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバ用ガラス母材の焼結装置。
7. 前記第一のガスシールおよび前記第二のガスシールは、フェルト状シートおよび気密性シートの積層構造であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光ファイバ用ガラス母材の焼結装置。
8. 前記フェルト状シートはカーボンフェルトであることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ用ガラス母材の焼結装置。
9. 前記気密性シートはフッ素樹脂シートであることを特徴とする請求項７または８に記載の光ファイバ用ガラス母材の焼結装置。
10. 光ファイバ用ガラス母材をシャフトに吊り下げ支持しながら炉心管の内部に収納し、雰囲気ガス中で加熱処理する焼結方法において、
    前記炉心管の上面に前記シャフトが挿通される第一のガスシールを設け、
    前記第一のガスシールの上部に前記シャフトを覆う形で緩衝室を設け、
    前記緩衝室の上面に前記シャフトが挿通される第二のガスシールを設け、
    前記緩衝室に前記炉心管から排出した前記雰囲気ガスを導入しながら加熱処理し、
    前記緩衝室の内圧を外気圧と略等しくすることを特徴とする光ファイバ用ガラス母材の焼結方法。
11. 前記第二のガスシールの上部に前記シャフトを覆う形で外気室を設け、
    前記外気室に外気を導入することを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバ用ガラス母材の焼結方法。
12. 前記炉心管の内部の１時間平均圧力を外気の気圧±２００Ｐａ以内に調節することを特徴とする請求項１０または１１に記載の光ファイバ用ガラス母材の焼結方法。