JP6539609B2 - Sintering apparatus and sintering method - Google Patents
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Description
本発明は、多孔質ガラス母材の焼結装置および焼結方法に関する。 The present invention relates to an apparatus and method for sintering a porous glass base material.
光ファイバ用ガラス母材の製造方法として、VAD法、OVD法等が知られている。これらの方法では、まず火炎中でガラス原料を燃焼して加水分解によりガラス微粒子を生成させる。次いで、生成したガラス微粒子を回転するターゲット棒に付着させることにより多孔質ガラス母材を形成する。更に、多孔質ガラス母材を1400〜1600℃で焼結して、透明な光ファイバ用ガラス母材とする。 VAD method, OVD method, etc. are known as a manufacturing method of the glass base material for optical fibers. In these methods, first, a glass raw material is burned in a flame to generate fine glass particles by hydrolysis. Subsequently, a porous glass base material is formed by adhering the produced | generated glass particulates to the rotating target rod. Furthermore, the porous glass preform is sintered at 1400 to 1600 ° C. to obtain a transparent optical fiber glass preform.
多孔質ガラス母材は、特定組成の雰囲気下で焼結される。焼結装置において焼結中に、多孔質ガラス母材を収容する炉心管に外気が侵入した場合、製造された透明ガラス母材の品質が低下する。また、炉心管内の雰囲気が外部に漏れた場合は環境を汚染する。そこで、焼結装置における炉心管を閉鎖する種々の構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 The porous glass base material is sintered under an atmosphere of a specific composition. If outside air intrudes into a core tube containing a porous glass base during sintering in a sintering apparatus, the quality of the manufactured transparent glass base is degraded. In addition, if the atmosphere in the reactor core leaks to the outside, it pollutes the environment. Therefore, various structures for closing a core tube in a sintering apparatus have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
焼結中の炉心管を閉鎖する構造は、構造が複雑で組み立てが難しく、運用も容易ではない。更に、焼結装置の稼働時間の増加とともに部品の劣化により気密性が低下する。そこで、焼結中の炉心管に対する外気の侵入および管内ガスの漏洩を防止する、簡潔で寿命の長い構造が模索されている。 The structure for closing the core tube during sintering is complicated in structure, difficult to assemble, and difficult to operate. Furthermore, the airtightness is reduced due to the deterioration of parts as the operating time of the sintering apparatus increases. Therefore, a simple and long-life structure is sought to prevent the entry of outside air into the core tube during sintering and the leakage of the gas in the tube.
本発明の第一の態様によると、多孔質ガラス母材を焼結する焼結装置であって、多孔質ガラス母材を収容する、ヒータに取り巻かれた炉心管と、多孔質ガラス母材に結合された保持棒が挿通される挿通穴を有して炉心管の一端に装着される蓋部材とシールガスを導入する供給ポートとシールガスを排出する排出ポートとを有して、挿通穴を覆って蓋部材に設けられるシール室と、シール室の内部において保持棒を挿通され、炉心管の内部の管内ガスとシール室の内部のガスとの間に雰囲気の圧力差を生じさせる筒状部材とを備えることを特徴とする焼結装置が提供される。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a sintering apparatus for sintering a porous glass base material, which comprises a core tube surrounded by a heater, which accommodates the porous glass base material, and a porous glass base material. It has an insertion hole through which the combined holding rod is inserted, and has a cover member attached to one end of the core tube, a supply port for introducing a seal gas, and an exhaust port for discharging the seal gas. A cylindrical member which covers a seal chamber provided in a lid member and a holding rod is inserted inside the seal chamber to generate an atmospheric pressure difference between the gas in the core of the furnace core and the gas in the seal chamber And a sintering apparatus characterized by comprising:
本発明の第一の態様によると、多孔質ガラス母材を炉心管に収容して焼結する焼結方法であって、炉心管の内部における管内ガスの圧力を大気圧よりも高く維持しつつ、炉心管を取り巻くヒータにより炉心管に収容された多孔質ガラス母材を加熱し、多孔質ガラス母材に結合された保持棒と、保持棒が挿通される挿通穴を有して炉心管の一端に装着される蓋部材との間、および、保持棒と保持棒を挿通された筒状部材との間を通じて、挿通穴を覆って蓋部材に設けられたシール室に管内ガスの一部を排出し、シール室に排出した管内ガスの一部を、シール室に設けた供給ポートから供給されたシールガスと共に、シール室に設けた排出ポートから外部に排出させることを特徴とする多孔質ガラス母材の焼結方法が提供される。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a sintering method in which a porous glass base material is contained in a core tube and sintered, and the pressure of the gas in the core tube is maintained higher than atmospheric pressure. A heater surrounding the core tube heats the porous glass base material contained in the core tube, and a holding rod coupled to the porous glass base material and an insertion hole through which the holding rod is inserted A portion of the gas in the pipe is covered in a sealing chamber provided in the lid member so as to cover the insertion hole through the lid member attached to one end and the holding rod and the cylindrical member inserted with the holding rod. Porous glass characterized in that a part of the gas in the pipe discharged and discharged into the seal chamber is discharged from the discharge port provided in the seal chamber together with the seal gas supplied from the supply port provided in the seal chamber. A method of sintering a base material is provided.
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これら特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。 The above summary of the invention does not enumerate all of the features of the present invention. A subcombination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention. The following embodiments do not limit the claimed invention. Moreover, not all combinations of features described in the embodiments are essential to the solution of the invention.
図1は、焼結装置10の構造を示す模式的断面図である。焼結装置10は、ヒータ11、炉心管12および回転チャック15を備える。また、炉心管12の図中上端には、蓋部材18、円筒室24、円筒部材25、および上蓋部材13が配される。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a
炉心管12は、縦長の円筒形形状を有し、多孔質ガラス母材16を収容できる内径と長さとを有する。ヒータ11は、炉心管12を側方から取り囲んで配される。炉心管12の底部には、炉心管12の内部に、多孔質ガラス母材16を焼結する場合の雰囲気となる管内ガスを供給するガス導入ポート17が設けられる。焼結装置10において多孔質ガラス母材16を焼結する場合、炉心管12の内部には、He等をベースとした管内ガスが充填される。
The
回転チャック15は、炉心管12の図中上方に配され、炉心管12に収容された多孔質ガラス母材16に結合された保持棒14の上部を把持する。また、回転チャック15は、把持した保持棒14を昇降させ、且つ、保持棒14を回転軸として多孔質ガラス母材16を回転させる。これにより、多孔質ガラス母材16全体を効率よく均一に加熱できる。
The
炉心管12の上端には、多孔質ガラス母材16を収容した炉心管12を閉鎖するシール構造が形成される。図示の焼結装置10においては、炉心管12の上端に蓋部材18が置かれる。蓋部材18は、保持棒14が挿通される挿通穴を略中央に有する。また、蓋部材18には、炉心管12の内外を連通させるガス排出ポート21が配される。
A seal structure is formed at the upper end of the
シール構造を形成する円筒部材25および円筒室24は、蓋部材18の図中上面に配される。円筒部材25は、その略中央に保持棒14を挿通される。
A
円筒室24は、蓋部材18の図中上面に、円筒部材25を覆って配される。更に、円筒室24の上端は、上蓋部材13により閉鎖される。保持棒14は、上蓋部材13も貫通する。円筒室24および上蓋部材13は、炉心管12の上部にシール室を形成する。
The
図2は、焼結装置10において炉心管12上部に形成されたシール構造を拡大して示す図である。図1と共通の要素には図1と同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
FIG. 2 is an enlarged view of a seal structure formed on the upper portion of the
蓋部材18に設けられたガス排出ポート21は、炉心管12の内部を外部に連通させて、炉心管12の内部から管内ガスを外部に直截に排出する。これにより、例えば、炉心管12内部の管内ガス圧が急激に上昇した場合に、炉心管12にかかる衝撃を緩和できる。ガス排出ポート21から排出された管内ガスは、図示を省略した排気手段および排気処理装置へ導かれる。
The
円筒室24は、シールガスが供給される供給ポート22と、供給されたシールガスを排出する排気ポート23とをそれぞれ側面に有する。シールガスは、例えば大気であってもよい。排気ポート23から排気されたガスは、シールガスと共に、炉心管12から円筒室24に漏洩した管内ガスも含む。よって、排気ポート23から排出されたシールガスは、図示を省略した排気手段および排気処理装置へ導かれる。
The
円筒部材25は、縦長の筒状の形状を有する。円筒室24は、円筒部材25の外径および高さよりも大きな内径および高さを有する。よって、円筒部材25は、円筒室24の内部で、保持棒14に沿って円滑に移動する。
The
上記のようなシール構造を有する焼結装置10においては、多孔質ガラス母材16の焼結を行う場合に、炉心管12内の圧力を大気圧よりも高く維持する。これにより、焼結装置10においては、蓋部材18の挿通穴19と保持棒14との間、および、円筒部材25の貫通穴26の内面と保持棒14との間隙を経て、炉心管12から円筒室24内に、炉心管12内の管内ガスの一部を流しながら多孔質ガラス母材16を焼結する。
In the
焼結装置10において、円筒部材25に保持棒14を挿通した状態で、円筒部材25の炉心管12側と円筒室24側との圧力差Δpは、円筒の長さをLとした場合に、下記の式1により表される。
ここで、流体力学的相当面積Sは、流路面積をA、ぬれぶち長さをsとした場合に、下記の数2式で表される。なお、ぬれぶち長さsとは、流路断面において流体に接している支持棒外壁面と円筒内壁面との長さの総和である。
また、流路面積A、ぬれぶち長さsは、保持棒14の直径をD、円筒部材の穴径をdと表した場合に、それぞれ下記の式3、式4で表される。
更に、円筒部材25と保持棒14との隙間を流れるガスの流速uは、隙間を流れるガス流量をqと表すと、下記の式5で表される。
よって、大気圧と炉心管12の内圧との圧力差、円筒部材25の長さおよび貫通穴26の径を決定して上記の式1から式5を用いることにより、炉心管12内から円筒室24へ向けて、炉心管12内のガスが予め定めた流量で流れるように制御できる。この場合、保持棒の直径Dの値は、装置の機械的強度などの設計で決められる。
Therefore, the pressure difference between the atmospheric pressure and the internal pressure of the
例えば、D=40mmとした場合、隙間を流れるガス流量qを0.1L/minとし、圧力差を500Paにしようとした場合、円筒部材の穴径dは、d=40.17mmとなる。円筒部材の穴径を小さくし、保持棒との隙間を狭くすれば、圧力差を大きくすることができ好ましいが、保持棒の外径の製作精度、円筒部材の穴の製作精度を考慮すると、円筒部材の穴径dと支持棒の直径Dとの差の下限を、d−D=0.1mm程度とするのが良い。 For example, when D = 40 mm, the gas flow rate q flowing through the gap is 0.1 L / min and the pressure difference is 500 Pa, the hole diameter d of the cylindrical member is d = 40.17 mm. It is preferable to reduce the hole diameter of the cylindrical member and narrow the gap with the holding rod, and thus the pressure difference can be increased, but in consideration of the manufacturing accuracy of the outer diameter of the holding rod and the manufacturing accuracy of the hole of the cylindrical member, The lower limit of the difference between the hole diameter d of the cylindrical member and the diameter D of the support rod may be approximately dD = 0.1 mm.
本実施例においては、保持棒14の外径が40mmの場合に、円筒部材25において保持棒1が挿通される挿通穴19の内面と保持棒14とのクリアランスを0.1mm以上、且つ、0.15mm以下の範囲とした。このクリアランスが0.1mm未満の場合は、円筒部材25と保持棒14とが接触する可能性が高くなり、保持棒14の円滑な昇降が妨げられる懸念がある。
In the present embodiment, when the outer diameter of the holding
一方、上記クリアランスが0.15mmを超えた場合は、円筒部材25と保持棒14との間隙から、円筒室24内のシールガスが炉心管12に侵入しやすくなる。同様の観点から、円筒部材25の長さを100mm以上とすることにより、炉心管12へのシールガスの侵入を効果的に防止できる。
On the other hand, when the above-mentioned clearance exceeds 0.15 mm, the seal gas in the
なお、保持棒14および円筒部材25の円滑な相対移動を図るという観点からは、円筒部材25における貫通穴26の内面の垂直度が、蓋部材18の上面に接触する面に対して0.01mm以下であることが好ましい。
From the viewpoint of achieving smooth relative movement of the holding
一方、円筒室24と炉心管12との間のガス流を遮断するという観点から、蓋部材18の上面と、円筒部材25の下面とが密着していることが望ましい。そのような観点から、蓋部材18および円筒部材25において互いに接触する面の表面粗さを、Ra2.0以下とすることが好ましい。
On the other hand, it is desirable that the upper surface of the
また、円筒部材25を保持棒14に対して円滑に変移させるという観点から、円筒部材25は、少なくとも貫通穴26の内面において、保持棒14に対して潤滑性を有することが好ましい。また、保持棒14は、特に炉心管12から引き上げられる場合に高温になっている。よって、円筒部材25は、保持棒14の温度に対して耐熱性を有することが好ましい。そのような特性を兼ね備えた材料としては、例えば、カーボンのバルク材を例示できる。
Further, from the viewpoint of smoothly shifting the
上記の例では、シール室として円筒室24を、シール部材として円筒部材25をそれぞれ用いているが、シール室およびシール部材の形状が円筒形に限られるわけではないことはもちろんである。
In the above example, the
[実験例]
穴径40.14mm、長さ150mmの円筒部材25を作製し、炉心管の上蓋上に設けた円筒内に設置した。なお、保持棒の外径は40mm(設計値)とした。炉心管12の内圧を変えながら、保持棒14と円筒部材25の貫通穴26との隙間を流れるガス流量を測定した。
[Example of experiment]
A
図3は、上記測定の測定結果を示すグラフである。図示のように、炉心管12の内圧とガス流量との間には強い相関があり、ガス流量を制御することにより、炉心管12内の圧力を管理できることが判る。よって、炉心管12から円筒室24に向けて流れる管内ガスの流量は、予め定めた流量となるように制御することが好ましい。
FIG. 3 is a graph showing the measurement results of the above measurement. As shown, there is a strong correlation between the internal pressure of the
なお、炉心管内圧をゲージ圧で1000Pa〜2000Pa程度にすると、隙間を流れるガス量も抑えられ、使用に耐えうることが確認できた。炉心管内圧を1000Paに維持し、多孔質ガラス母材の焼結を行った結果、得られたガラス母材の光学特性に問題のないことが確認できた。 In addition, when the pressure in the core tube was set to about 1000 Pa to 2000 Pa in gauge pressure, it was confirmed that the amount of gas flowing in the gap was also suppressed, and it could withstand use. As a result of sintering the porous glass base while maintaining the pressure in the core tube at 1000 Pa, it was confirmed that there is no problem in the optical characteristics of the obtained glass base.
このように、焼結装置10は、上蓋上の円筒内に設けられた円筒部材の穴と保持棒との隙間(クリアランス)を0.1mm〜0.15mmとし、円筒部材の長さを100mm以上として、炉心管内から円筒へ向けてガスを流し、円筒の排気ポートから排気しながら焼結するようにしたことにより、該隙間から炉心管内への外気の侵入を防止することができ、ガラス母材の特性に悪影響を与えることなく焼結することができる。
Thus, in the
下記の式6は、焼結装置10において、炉心管12における管内ガスの圧力により円筒部材25が浮上する条件を表す。図4は、式6において用いる値を説明する図である。
上記の通り、炉心管12の管内ガスが圧力Pcに達すると、円筒部材25が浮上する。これにより、炉心管12の管内ガスは、蓋部材18の上面と円筒部材25の下面との間の広い間隙を通じて、炉心管12から円筒室24に大量に流れる。これにより、炉心管12の管内ガス圧力が急激に減少する。よって、炉心管12の耐圧に応じて円筒部材25の質量等を設定することにより、炉心管12の内圧の上限を規制して、内圧の上昇に起因する炉心管12の障害を防止できる。
As described above, when the gas in the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It is apparent to those skilled in the art that various changes or modifications can be added to the above embodiment. It is also apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such alterations or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The execution order of each process such as operations, procedures, steps, and steps in the apparatuses, systems, programs, and methods shown in the claims, the specification, and the drawings is particularly “before”, “preceding” It is to be noted that “it is not explicitly stated as“ etc. ”and can be realized in any order as long as the output of the previous process is not used in the later process. With regard to the flow of operations in the claims, the specification and the drawings, even if it is described using “first,” “next,” etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
10 焼結装置、11 ヒータ、12 炉心管、13 上蓋部材、14 保持棒、15 回転チャック、16 多孔質ガラス母材、17 ガス導入ポート、18 蓋部材、19 挿通穴、21 ガス排出ポート、22 供給ポート、23 排気ポート、24 円筒室、25 円筒部材、26 貫通穴
DESCRIPTION OF
Claims (8)
多孔質ガラス母材を収容する、ヒータに取り巻かれた炉心管と、
多孔質ガラス母材に結合された保持棒が挿通される挿通穴を有して前記炉心管の一端に装着される蓋部材と
前記蓋部材に設けられ、前記炉心管の内部を外部に連通させて、前記炉心管の内部から管内ガスを外部に直截に排出するガス排気ポートと、
シールガスを導入する供給ポートとシールガスを排出する排出ポートとを有して、前記挿通穴を覆って前記蓋部材に設けられるシール室と、
前記シール室の内部において前記保持棒を挿通され、前記炉心管の内部の管内ガスと前記シール室の内部のガスとの間に圧力差を生じさせる筒状部材と
を備えることを特徴とする焼結装置。 A sintering apparatus for sintering a porous glass base material, comprising:
A heater-wrapped core tube containing a porous glass matrix;
A lid member attached to one end of the core tube, having an insertion hole through which the holding rod coupled to the porous glass base material is inserted
A gas exhaust port provided on the lid member, communicating the inside of the core tube to the outside, and discharging the gas from the inside of the core tube directly to the outside;
A seal chamber provided in the lid member to cover the insertion hole and having a supply port for introducing a seal gas and a discharge port for discharging the seal gas;
The sintered body is characterized by comprising: a cylindrical member which is inserted through the holding rod inside the seal chamber and causes a pressure difference between the gas inside the core tube and the gas inside the seal chamber. Connection device.
前記炉心管の内部における管内ガスの圧力を大気圧よりも高く維持しつつ、前記炉心管を取り巻くヒータにより炉心管に収容された多孔質ガラス母材を加熱し、
多孔質ガラス母材に結合された保持棒と、前記保持棒が挿通される挿通穴を有して前記炉心管の一端に装着される蓋部材との間、および、前記保持棒と前記保持棒を挿通された筒状部材との間を通じて、前記挿通穴を覆って前記蓋部材に設けられたシール室に前記管内ガスの一部を排出し、
前記シール室に排出した前記管内ガスの一部を、前記シール室に設けた供給ポートから供給されたシールガスと共に、前記シール室に設けた排出ポートから外部に排出させ、
前記炉心管の内部を外部に連通するガス排気ポートにより、前記炉心管の内部から管内ガスを外部に直截に排出する
ことを特徴とする多孔質ガラス母材の焼結方法。 A sintering method in which a porous glass base material is contained in a core tube and sintered,
The porous glass base material housed in the core tube is heated by the heater surrounding the core tube while maintaining the pressure of the gas in the core tube higher than the atmospheric pressure,
Between a holding rod coupled to a porous glass base material, and a lid member having an insertion hole through which the holding rod is inserted and attached to one end of the core tube, and the holding rod and the holding rod And a part of the gas in the pipe is discharged to a seal chamber provided in the lid member so as to cover the insertion hole and between the cylindrical member into which the
A part of the gas in the pipe discharged into the seal chamber is discharged to the outside from a discharge port provided in the seal chamber together with a seal gas supplied from a supply port provided in the seal chamber;
A method of sintering a porous glass base material , wherein the gas in the pipe is directly discharged from the inside of the core tube to the outside by a gas exhaust port which communicates the inside of the core tube to the outside .
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