JP6184360B2

JP6184360B2 - 光ファイバ用ガラス母材の焼結装置

Info

Publication number: JP6184360B2
Application number: JP2014063460A
Authority: JP
Inventors: 内田　一也; 一也内田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: US9499430B2; US20150274576A1; JP2015182946A; CN104944758A

Description

本発明は、光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結に係り、炉芯管内ガスの室内への漏洩を防止するとともに、炉芯管内への大気の侵入を防止する光ファイバ用ガラス母材の焼結装置に関する。

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させ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。このようにして製造された多孔質ガラス母材は、焼結炉と呼ばれる装置において１４００〜１６００℃に加熱され、透明なガラス母材とされる。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。

多孔質ガラス母材の加熱は、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加熱ゾーンを形成している。炉芯管の上端部には、多孔質ガラス母材を炉心管に挿入するための開口部と該開口部を塞ぐための上蓋が設置され、上蓋には多孔質ガラス母材を吊り下げるシャフトが貫通している。炉心管と上蓋の間を密閉するために、炉心管側の開口部フランジと上蓋との間にシール部材が挟み込まれている。

多孔質ガラス母材を加熱し透明ガラス化する焼結工程では、雰囲気中にヘリウムを主成分とし、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ており、１４００〜１６００℃に加熱される。なお、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。

多孔質ガラス母材は、回転しつつ上昇または下降しつつ加熱ゾーンを通過することにより、その端部より順次加熱処理され、光ファイバ母材となる。
加熱処理後の光ファイバ母材は、炉心管の上部開口部からガラス母材昇降機構によって取り出されるが、光ファイバ母材が開口部フランジ近傍を通過する際、光ファイバ母材の熱放射により、炉心管、炉心管フランジが３００℃以上に加熱される。このとき、上蓋と炉心管との間に挿入されたＯリングなどのシール部材は円環形状しているため、炉心管開口部から待避させることができず、フランジ上に載置された状態のままなので、シール部材もまた母材取り出し時に高温に晒されることとなる。

一般に、高温箇所に用いられるシール部材には、金属製のガスケットが用いられることが多いが、塩素等の脱水ガスを炉心管内に流した際の腐食の恐れや、石英ガラス製の炉心管のフランジを傷める恐れがあることから、繰り返し使用が困難である。そこで、シール部材には、バイトンやＰＴＦＥなどの耐熱樹脂が使われるが、その耐熱温度は高々３００℃程度であり、母材取り出し時に受ける高温暴露を伴う繰り返し使用によってシール部材は硬化、収縮変形を起こし、密閉性が低下する。

他方、母材の加熱処理中の加熱炉の温度は、前述のように１６００℃まで上昇する。石英製の炉心管はその屈折率が約1.5程度であり、加熱炉付近の熱放射によって発生した熱線(赤外線等)に対して光導波路の役割をする。このため、母材の加熱処理中においても加熱炉の放射熱が上部開口部のフランジに向かって伝搬する。母材の大型化に伴い、ヒータの必要発熱量が増大し、またゾーン加熱による加熱処理時間も増大している。これにより、母材の加熱処理中、上部開口部のフランジ付近は常に高温に晒されることとなり、長時間の加熱処理を繰り返すことによって樹脂シール部材が熱変形して気密性が低下する。

本発明は、焼結装置の炉心管フランジ部をシールするシール部材の劣化を防止し、外気の吸い込みや、焼結雰囲気ガスの外部への漏れを防止することのできる光ファイバ用ガラス母材の焼結装置を提供することを目的とする。

（削除）

本発明は、上記課題を解決してなり、請求項１に記載の発明は、光ファイバ用多孔質ガラス母材を高温で加熱処理する焼結装置であって、ガラス母材昇降機構、該昇降機構によってガラス母材を挿入する開口部を上方に備えた石英ガラス製の炉心管、該炉心管の外周に配置した加熱炉、該炉心管の前記開口部を塞ぐための上蓋、該上蓋を前記開口部に載せるために設けられたフランジ、及び該フランジと上蓋との間を密閉するシール部材を備え、前記炉心管の前記開口部よりも下部に放熱機構を備え、該放熱機構が前記炉心管の外表面を荒らして不透明化されてな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である。
また、前記フランジは不透明石英製とするのが好ましい。上蓋にはＯリングが装着されている。また、シール部材の表面色は白色とし、シール部材が炉心管内壁の上方延長面を横切らないように設置するのが好ましい。

本発明の光ファイバ用ガラス母材の焼結装置を用いることで、炉芯管内部への外気の吸込み、及び焼結雰囲気ガスの外部への漏れが防止され、光ファイバ母材の特性の劣化を抑えることができる等の優れた効果を奏する。

本発明の焼結装置における、炉心管の開口部と上蓋との間のシール状態を示す概略部分断面図である。炉心管フランジに不透明石英を使用した例を示す概略部分断面図である。炉心管外周部を黒く塗装した焼結装置を示す概略部分断面図である。炉心管外周部の表面を粗し不透明化した焼結装置を示す概略部分断面図である。白色のシール部材を使用した例を示す概略部分断面図である。

本発明の焼結装置は、上蓋と炉心管の開口部との間をシールするために、上蓋にシール部材を保持するシール部材保持機構を備えており、この保持機構には、例えば、上蓋に刻まれたアリ溝が挙げられる。このように上蓋側にシール部材を取り付けることで、焼結工程終了後、上蓋を上げ光ファイバ母材を取り出す際、高温状態にある光ファイバ母材とシール部材とを一定の距離離すことができ、シール部材は高温に曝されず、熱による劣化を抑えることができる。

加熱炉ヒータからの放射熱は、炉心管を上方に伝搬してシール部材に到達し、シール部材を加熱し、変質、劣化させるが、炉心管のフランジを不透明石英製とすることで、放射熱はフランジ部分で散乱され外部に放射されるため、シール部材の変質、劣化を抑えることができる。また、シール部材を白色とすることで、シール部材の熱線に対する反射率が増し、熱吸収を抑えることができる。なお、シール部材は、樹脂製Ｏリングとし、材質にはシリコーンゴム、フッ化物ゴム、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。

また、炉心管の開口部よりも下部に放熱機構を設けて、炉心管を上方に伝搬してくる熱線を減衰させ、上部フランジ部に到達する熱線を減じることで、シール部材の温度上昇を抑えることができる。放熱機構として、炉心管の上部フランジと加熱炉による加熱ゾーンの途中の外壁を黒色塗料等で塗装することで、放射熱は、炉心管の石英ガラス部材を伝搬する間に徐々に塗装で吸収され、塗装部から外部に放射され、上方への放射熱を減じることができる。さらに、炉心管外壁表面を荒らして不透明とすることでも、上蓋側への放射熱を減じることができる。

なお、上蓋にはＯリングを装着し、シール部材は、炉心管内壁の上方延長面を横切らないように設置するとよい。これにより、炉心管を上方に伝搬してくる放射熱は、直接シール部材を照射することなく、透明な上蓋を通過し、上蓋上方に放射される。
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。

実施例１；
図１は、本発明の炉心管の開口部と上蓋との間のシール状態を示す概略図であり、符号１は炉心管上部開口部のフランジ、符号２は上蓋、符号３はシール部材である。なお、シール部材３は上蓋２に刻まれた溝に収められている。
炉心管は、内径３８０ｍｍ、外径３９０ｍｍの透明石英ガラス製で、開口部には厚さ１０ｍｍ、幅２５ｍｍの透明石英ガラス製のフランジ１が設けられている。上蓋２は、直径４３０ｍｍ、厚さ１５ｍｍの透明石英ガラスからなり、その中央には母材を吊り下げるシャフトが貫通しており、該シャフトは母材昇降装置に接続されている。

シール部材３は、内径４００ｍｍ、線径８ｍｍのフッ化物ゴム製の黒色のＯリングであり、上蓋２の直径４０５ｍｍの円周上に刻まれた溝に収められている。溝は、深さ５ｍｍ、開口部６ｍｍ、底辺１０ｍｍのアリ溝であり、シール部材３を上蓋２に保持している。シール部材３は、フランジ１の平坦面に接触することで炉心管を密閉することができる。なお、シール部材３は、炉心管（内径３８０ｍｍ／外径３９０ｍｍ）の内壁の上方延長面を横切らない外側（内径４００ｍｍ）に配置されている。

上記した炉心管、上蓋、シール部材を備えた焼結装置を用いて、直胴部直径３６０ｍｍ、直胴部長さ２０００ｍｍの多孔質ガラス母材を焼結した。
具体的には、シャフトに吊り下げられた多孔質ガラス母材を炉心管の上部開口部から挿入して炉心管内に収容し、上蓋を閉じて密閉した。炉心管内に塩素を１５ｖｏｌ％含有するアルゴンガスで満たした状態で、加熱炉の温度を１２００℃に設定して、多孔質ガラス母材を５ｍｍ／ｍｉｎの速度で加熱ゾーンを通過させながら脱水処理を行った。次いで、炉心管内の雰囲気ガスをヘリウムガスとして加熱炉の温度を１５５０℃に設定し、多孔質ガラス母材を３ｍｍ／ｍｉｎの速度で加熱ゾーンを通過させながら透明ガラス化処理を行った。

加熱処理中、上蓋の温度は１３０℃以下に保たれ、シール部材の温度も２００℃以下に保たれていた。処理後のガラス母材は直胴部直径１７０ｍｍ、長さ約２０００ｍｍの透明ガラス母材となった。該ガラス母材を炉心管内で約１０００℃まで徐冷後、上蓋を開放して炉心管上部開口部から取り出した。取り出しは、ガラス母材を母材昇降装置により３０ｍｍ／ｓｅｃの速度で上昇させて行い、開口部付近を約１分間かけて通過させた。このとき、開口部フランジの表面温度は４００℃まで上昇したが、上蓋およびシール部材の温度はそれぞれ１３０℃以下、２００℃以下のままであり、シール部材に変形はなかった。

実施例２；
図２の焼結装置を用いて、実施例１と同様の条件で多孔質ガラス母材を焼結した。図２に示す焼結装置は、本発明の焼結装置において、炉心管フランジ部を不透明石英にした例であり、これにより、加熱炉から発せられ炉心管を上方に伝搬してくる熱線は、フランジ部分で散乱され外部に放射されるため、上蓋およびシール部材の温度の上昇を効果的に低減することができ、上蓋およびシール部材の温度を１１０℃以下に保つことができた。

実施例３；
図３の焼結装置を用いて、実施例１と同様の条件で多孔質ガラス母材を焼結した。図３に示す焼結装置は、炉心管の開口部よりも下部に放熱機構を備えており、放熱機構として、炉心管の上部フランジと加熱炉による加熱ゾーンの途中の外壁を黒く塗装したものである。加熱炉から発せられ炉心管を上方に伝搬してくる熱線は、炉心管の石英ガラス部材を伝搬する間に徐々に塗装で吸収され、吸収された熱はそこから外部に放射される。こうして、上部フランジ部に到達する熱線を減じることができ、上蓋およびシール部材の温度を１１０℃以下に保つことができた。

実施例４；
図４の焼結装置を用いて、実施例１と同様の条件で多孔質ガラス母材を焼結した。図４に示す焼結装置は、炉心管の開口部よりも下部に放熱機構を備えており、放熱機構として、炉心管の上部フランジと加熱炉による加熱ゾーンの途中の外壁を磨りガラス状に不透明化したものである。加熱炉から発せられ炉心管を上方に伝搬してくる熱線は、炉心管の石英ガラス部材を伝搬する間に徐々に外壁の不透明部分で散乱され、そこから外部に放射される。こうして、上部フランジ部に到達する熱線を減じることができ、上蓋およびシール部材の温度を１２０℃以下に保つことができた。

実施例５；
図５の焼結装置を用いて、実施例１と同様の条件で多孔質ガラス母材を焼結した。図５に示す焼結装置は、シール部材を白色にしたものであり、これによりシール部材の熱線に対する反射率が増し、熱吸収を抑えることができ、シール部材の温度を１５０℃以下に保つことができた。

１フランジ、
２上蓋、
３シール部材、
４不透明石英製フランジ、
５加熱ヒータ、
６黒色塗装部、
７表面荒らし部、
８白色シール部材。

Claims

光ファイバ用多孔質ガラス母材を高温で加熱処理する焼結装置であって、ガラス母材昇降機構、該昇降機構によってガラス母材を挿入する開口部を上方に備えた石英ガラス製の炉心管、該炉心管の外周に配置した加熱炉、該炉心管の前記開口部を塞ぐための上蓋、該上蓋を前記開口部に載せるために設けられたフランジ、及び該フランジと上蓋との間を密閉するシール部材を備え、前記炉心管の前記開口部よりも下部に放熱機構を備え、該放熱機構が前記炉心管の外表面を荒らして不透明化されてな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。
前記フランジが不透明石英製である請求項１に記載の焼結装置。
前記上蓋に樹脂製Ｏリングが装着されている請求項１に記載の焼結装置。
前記シール部材の表面色が白色である請求項１に記載の焼結装置。
前記シール部材が炉心管内壁の上方延長面を横切らないように設置されている請求項１に記載の焼結装置。