JP6107193B2 - 光ファイバ線引炉 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材を加熱溶融して光ファイバを線引する光ファイバ線引炉に関する。

光ファイバの線引に用いられる線引炉は、炉筐体内に光ファイバ用ガラス母材（以下、ガラス母材という）が挿入される炉心管内と、該炉心管を加熱するヒータなどの加熱装置と、該炉心管を外側から囲い外部への熱放散を抑制する断熱材と、を配して構成される。炉心管には等方性黒鉛等からなる熱伝導率の大きいカーボンが用いられ、断熱材には断熱効果を高めるために多孔質のカーボンが用いられる。炉筐体は、耐蝕性の金属で形成され水冷構造などが用いられている。

炉心管内には、該炉心管の酸化を防ぐ等のために不活性ガス等が送り込まれる。また、炉心管を加熱する加熱装置を収納した炉筐体内にも、カーボンで形成される断熱材や炉心管などの酸化を防ぐため、等のために、不活性ガス等が送り込まれている。上記の不活性ガス等としては、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。

炉心管内に供給される上記の不活性ガス等は、加熱溶融状態にあるガラス母材の下端部付近で流れが乱れると、光ファイバの外径変動などに影響を及ぼすおそれがある。このため、例えば、特許文献１、２には、ガラス母材および光ファイバに沿って不活性ガス等が層状に流れるように、溶融状態にあるガラス母材の下端部の形状に対応して、炉心管の内径をテーパ状に縮径することが開示されている。

特開昭６２−１６２６４７号公報 特開平８−９１８６２号公報

図２（Ａ）は、上記特許文献１に開示の線引炉を模式的に示した図である。線引炉は、炉心管３と、該炉心管を加熱するヒータ４と、を備え、炉心管３内に光ファイバ用のガラス母材１を挿入して加熱溶融することで、光ファイバ２が線引される。光ファイバ２は、ヒータ４の中央部に位置する溶融状態にあるガラス母材の下端部１ａから垂下して、下方に引き出される。炉心管３は、その内径がガラス母材の下端部１ａの形状に沿うようにテーパ状に縮径された縮径部３ａと、縮径された均一内径と外径が縮径されない均一外径からなる縮径管部３ｂとを有している。

上記構成の線引炉によれば、不活性ガス流を層流とすることができ、光ファイバ外径の変動を抑えることができる。なお、特許文献１の線引炉によれば、炉心管の下方の縮径部３ａにより輻射熱を遮断し、均一で効率よく加熱されると考えられるが、炉心管３の下部の縮径管部３ｂは、管の肉厚が厚く、熱伝導抵抗が小さくなる形状となっているため、熱伝導により炉心管外部に熱が逃げやすく、加熱効率が低下するという問題があった。

図２（Ｂ）は、上記特許文献２に開示の線引炉を模式的に示した図である。線引炉は、図２（Ａ）の線引炉と同様に、炉心管３と、該炉心管を加熱するヒータ４と、該ヒータを囲う断熱材５とを炉筐体６内に備え、炉心管３内に光ファイバ用のガラス母材１を挿入して加熱溶融し、光ファイバ２が線引される。ただ、炉心管３は、その内径がガラス母材の下端部１ａの形状に沿うようにテーパ状に縮径された縮径部３ａと、縮径された内径に合わせ外径も縮径された縮径管部３ｂとを有している点が異なる。

この図２（Ｂ）の線引炉は、図２（Ａ）の線引炉の炉心管の縮径管部３ｂの管の肉厚を薄くした形状で、熱伝導により炉筐体６に熱が逃げるのを抑制することはできる。しかしながら、縮径管部３ｂとヒータ４及び断熱材５下部との間に空間が生じ、ヒータからの熱の一部が炉筐体６側に直接輻射され、炉心管３の加熱効率が同様に低下するという問題があった。

本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、ガラス母材の加熱溶融する下端部に対応する縮径部を有する炉心管を用いた光ファイバの線引で、ガラス母材の加熱効率を高め、省電力化を図ることが可能な光ファイバ線引炉の提供を目的とする。

本発明による光ファイバ線引炉は、炉心管と、該炉心管を加熱する加熱装置と、該炉心管の外側を囲う第１の断熱材とを炉筐体内に備え、炉心管内に光ファイバ用ガラス母材を挿入して加熱溶融し、光ファイバを線引する線引炉である。上記の炉心管は、加熱装置の中央部から下端に向けて、外径が略均一であり内径がテーパ状に縮径された縮径部と、該縮径部の下方で外径も縮径された縮径管部とを有し、該縮径管部と第１の断熱材との間に生じる炉筐体内のスペース部分にも放熱を抑制する第２の断熱材が配されていることを特徴とする。

上記のスペース部分に配された第２の断熱材の内径は、炉心管の縮径されていない箇所の外径より小さく、且つ加熱時の熱膨張により縮径管部に接触しない大きさであることが好ましい。

上記の本発明による光ファイバ線引炉によれば、加熱装置により加熱された炉心管の熱が、炉筐体へ放熱されるのを効率的に抑制することができ、光ファイバ線引炉の加熱効率を高め省電力化を図ることができる。

本発明による光ファイバ線引炉の概略を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

図１により本発明の実施の形態を説明する。なお、以下ではヒータにより炉心管を加熱する抵抗炉を例に説明するが、コイルに高周波電源を印加し、炉心管を誘導加熱する誘導炉にも、本発明は適用可能である。図において、１０は線引炉、１１はガラス母材、１１ａは下端部、１２は光ファイバ、１３は炉心管、１３ａは縮径部、１３ｂは縮径管部、１４は加熱装置（ヒータ）、１４ａはヒータ下端、１５ａは第１の断熱材、１５ｂは第２の断熱材、１６は炉筐体、１７は延長管、１８は炉心管受け部材を示す。

光ファイバの線引きは、図１に示すように、吊下げ支持されるガラス母材１１の下部を加熱し、溶融された下端部１１ａから光ファイバ（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、ガラス母材１１が挿入供給される炉心管１３を囲むようにして、加熱装置（以下、ヒータという）１４を配し、このヒータ１４の熱が外部に放散されないように第１の断熱材１５ａで囲い、その外側全体を炉筐体１６で囲って構成される。

ガラス母材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１６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Ａｒ、Ｈｅガス等の希ガスやＮ_２ガス（以下、不活性ガス等という）が導入される。この不活性ガス等は、ガラス母材と炉心管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を経て外部に放出される。

また、炉筐体１６内にも、カーボン製のヒータ１４や第１の断熱材１５ａの酸化・劣化を防ぐために、上記と同様にＡｒ、Ｈｅ、Ｎ_２ガス等の不活性ガス等が流し込まれる。炉筐体１６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１６の下方には、延長管（下煙突とも言う）１７が、炉心管１３の下端に連結される。

炉心管１３は、石英等の耐熱電気絶縁材からなる炉心管受け部材１８を介して炉筐体１６の下壁上に載置する形で支持するのが好ましい。絶縁体の炉心管受け部材１８を配することにより、炉心管１３と炉筐体１６を電気的に絶縁し、ヒータ１４と炉心管１３間に放電が生じた時に、短絡事故等に至らないようにしている。しかし、炉心管受け部材１８は、石英に限らずカーボンを使用したり、炉心管受け部材１８を介することなく炉心管１３を炉筐体１６に直接載置する場合もある。

本発明においては、炉心管１３は、光ファイバ母材１１の下端部１１ａの縮径形状に沿うようにヒータ１４の中央部から下端に向けて内径がテーパ状に縮径された縮径部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と共に、ヒータ１４の下方への放熱の抑制を図り、加熱効率を高めることを特徴としている。
加熱効率を高める具体的な方法として、炉心管１３のテーパ状の縮径部１３ａの下方で、ヒータ１４の下端より下方の縮径管部１３ｂの外径も縮径し、外径の縮径により生じるスペース部に第２の断熱材１５ｂを充填して放熱を抑制する構成としている。

本発明で言う炉心管１３の縮径部１３ａとは、最も加熱温度が高くなるヒータ１４の中央部領域から下方に向けて内径がテーパ状に徐々に縮径されている、ヒータ下端１４ａの付近までの範囲の箇所とする。この縮径部１３ａは、ヒータ１４により直接加熱され、ガラス母材の加熱溶融に寄与する領域であり、この部分の炉心管外径を、炉心管１３の上方から縮径せずに均一とすることで、炉心管とヒータとの距離を短く維持することができ、ヒータからの加熱効率を高めることができる。また、炉心管外径を均一とした方が、加工もしやすい。

また、本発明で、炉心管１３の縮径管部１３ｂとは、縮径部１３ａに連通し、上方部の内径より縮径された均一な内径を有する管部で、ヒータ下端１４ａの付近から下方で、且つ炉筐体内にある範囲とする。この縮径管部１３ｂは、その外径を縮径された内径に整合させて、均一な径に縮径されている。
なお、図では炉心管１３の縮径管部１３ｂは、上方の炉心管および縮径部１３ａと別体で形成しているが、一体に形成されたものであってもよい。また、縮径管部１３ｂの外径は、フランジ状部分から直角状に縮径した図で示しているが、テーパ状に外径が縮径されていてもよい。

縮径管部１３ｂの外径を、内径に合わせて縮径することにより管部の厚さを薄くし、熱伝導抵抗を大きくすることができる。この結果、図２（Ａ）で示した炉心管の縮径管部に比べて、炉筐体への熱伝導による放熱を低減することができる。
一方、縮径管部１３ｂの外径を縮径することにより、第１の断熱材１５ａと縮径管部１３ｂとの間にスペース（空間）が生じる。このスペースは、図２（Ｂ）で説明したように、ヒータ１４の熱が炉心管を介して輻射されることになるため、炉筐体１６に熱を放散しやすくする。このため、本発明では、このスペース部分に第２の断熱材１５ｂを入れて、熱の放散を抑制している。

上記のスペース部分に入れられる第２の断熱材１５ｂは、炉筐体１６内に入れられる第１の断熱材１５ａと同じでよい。しかし、第２の断熱材１５ｂの内径Ｄは、炉心管１３の縮径されていない非縮径部分の外径Ａよりは小さいが、加熱時の熱膨張で縮径管部１３ｂに接触しない大きさで形成されていることが好ましい。また、第２の断熱材１５ｂは、第１の断熱材１５ａと一体構造であっても、分離構造であっても良く、第１の断熱材１５ａ自体が、数箇所に分割された構造であっても良い。
なお、炉心管１３には、通常、等方性黒鉛等が用いられ、かさ密度が高く、その熱伝導率は、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）位である。一方、炉筐体内に用いられるカーボン断熱材はかさ密度が小さく、その熱伝導率はＮ_２ガスやＡｒガス雰囲気中で１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満で、炉心管の１／２００と極めて小さい。

上記した本発明による線引炉で、炉筐体内に供給するガスにＡｒガスを用いた場合の一例として、ヒータの中心温度２２００℃を得るのに必要な炉電力を約３０％低減できた。また、炉筐体内に供給するガスに、Ｎ_２ガスやＡｒガスより熱伝導率が８倍程度あるＨｅガスを用いた場合でも、一例として、ヒータの中心温度２２００℃を得るのに必要な炉電力を約１０％低減できた。

１０…線引炉、１１…ガラス母材、１１ａ…下端部、１２…光ファイバ、１３…炉心管、１３ａ…縮径部、１３ｂ…縮径管部、１４…加熱装置（ヒータ）、１４ａ…ヒータ下端、１５ａ…第１の断熱材、１５ｂ…第２の断熱材、１６…炉筐体、１７…延長管、１８…炉心管受け部材。

Claims (2)

1. 炉心管と、該炉心管を加熱する加熱装置と、該炉心管の外側を囲う第１の断熱材とを炉筐体内に備え、前記炉心管内に光ファイバ用ガラス母材を挿入して加熱溶融し、光ファイバを線引する線引炉であって、
   前記炉心管は、前記加熱装置の中央部から下端に向けて、外径が略均一であり内径がテーパ状に縮径された縮径部と、該縮径部の下方で外径も縮径された縮径管部とを有し、前記縮径管部と前記第１の断熱材との間に生じる前記炉筐体内のスペース部分にも放熱を抑制する第２の断熱材が配されていることを特徴とする光ファイバ線引炉。
2. 前記スペース部分に配された前記第２の断熱材の内径は、前記炉心管の縮径されていない箇所の外径より小さく、且つ加熱時の熱膨張により前記縮径管部に接触しない大きさであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ線引炉。

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