JP6621388B2 - 焼結装置 - Google Patents

Description

本発明は、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法がある。これらの方法では、まず、燃焼する原料ガスの火炎で生成したガラス微粒子をターゲット棒に付着させて多孔質ガラス母材を作製する。その後、多孔質ガラス母材を炉心管内の雰囲気で加熱して焼結し、透明なガラス母材とする（例えば特許文献１参照）。
特許文献１ 特許第５２２１３０９号

炉心管内の圧力変動が急激な場合、過剰な機械的負荷が炉心管に掛かる場合がある。

本発明の第一の態様においては、多孔質ガラス母材を焼結する焼結装置であって、ヒータに取り巻かれ、多孔質ガラス母材を収容する炉心管と、多孔質ガラス母材に結合された保持棒を挿通する挿通穴を有し、炉心管の一端を塞ぐ蓋部材と炉心管の外部で蓋部材に一部を接触させ、炉心管の内側と外側との間の気圧差を維持すべく、保持棒および蓋部材の間隙の少なくとも一部を封止する封止部材とを備え、封止部材は、炉心管の内部の気圧が予め定めた閾値を超えた場合に、保持棒に沿って移動して蓋部材から離れ、炉心管の内部の気圧が閾値よりも低くなるまで、保持棒および蓋部材の間隙を通じて炉心管の内部の気体を炉心管の外部に流出させる重さを有する焼結装置が提供される。

本発明の第二の態様においては、多孔質ガラス母材を焼結する焼結装置であって、ヒータに取り巻かれ、多孔質ガラス母材を収容する炉心管と、多孔質ガラス母材に結合された保持棒を挿通する挿通穴を有し、炉心管の一端を塞ぐ蓋部材と、炉心管の外部で蓋部材に一部を接触させ、炉心管の内側と外側との間の気圧差を維持すべく、保持棒および蓋部材の間隙の少なくとも一部を封止する封止部材と、封止部材を蓋部材に向かって押しつけるべく付勢する付勢部材とを備え、付勢部材は、炉心管の内部の気圧が予め定めた閾値を超えた場合に、保持棒に沿って移動して蓋部材から離れ、炉心管の内部の気圧が閾値よりも低くなるまで、保持棒および蓋部材の間隙を通じて炉心管の内部の気体を炉心管の外部に流出させる付勢力を有する焼結装置が提供される。

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。

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の部分拡大図である。 焼結装置１０の動作を示す図である。 炉心管１２の内圧と、シール室２４へ流れるガスの量との関係を示すグラフである。 封止部材２５の仕様を説明する模式図である。 焼結装置２０の構造を示す図である。 焼結装置２０の動作を示す図である。

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。

［実施例１］
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、シール室２４、封止部材２５、および上蓋部材１３が配される。

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を側方から取り巻いて配される。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。

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。

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。

シール構造を形成する封止部材２５およびシール室２４は、蓋部材１８の図中上面に配される。封止部材２５は、その略中央に保持棒１４を挿通される。

シール室２４は、蓋部材１８の図中上面に、封止部材２５を覆って配される。更に、シール室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。シール室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。

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。

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。

シール室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からシール室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。

封止部材２５は、縦長の筒状の形状を有し、その内側に保持棒１４を挿通される貫通穴２６を有する。ここで、シール室２４の内径および高さは、封止部材２５の外径および高さよりも大きい。よって、封止部材２５は、シール室２４の内部で保持棒１４に沿って、図中の上下方向に円滑に移動できる。

また、シール室２４の内部において、封止部材２５の上には、やはり筒状または環状の錘２７が配される。これにより、これにより、封止部材２５の見かけ上の重量が増し、封止部材２５は、蓋部材１８の上面に押しつけられる。

封止部材２５の貫通穴２６の内径は、蓋部材１８の挿通穴１９の内径よりも小さい。よって、保持棒１４を挿通された封止部材２５の図中下面が蓋部材１８の図中上面に接した場合は、保持棒１４と蓋部材１８との間の間隙の一部が封止部材２５封止部材２５により塞がれて狭くなり、この間隙を通じた炉心管１２内外の気体の流通が抑制される。よって、封止部材２５は、焼結装置１０により多孔質ガラス母材１６を焼結する場合に、炉心管１２の内外の圧力差を生じやすくする。

上記のような封止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を焼結する場合に、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、炉心管１２の外部から内部に大気等が侵入することを防止できる。また、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、封止部材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からシール室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。

例えば、炉心管１２の内部で多孔質ガラス母材１６が昇降した場合等に、炉心管１２内部の圧力が短時間で著しく上昇する場合がある。このような場合は、保持棒１４と挿通穴１９との間隙から封止部材２５に作用する気体の圧力も上昇する。封止部材２５に作用する気体の圧力が、封止部材２５および錘２７を合わせた重量を上回った場合、封止部材２５は、錘２７と共に、保持棒１４に沿って上昇する。

図３は、上記のように、封止部材２５が、炉心管１２内の気体から受けた圧力により、シール室２４の内部で保持棒１４に沿って上昇した様子を示す模式図である。封止部材２５が上昇して、蓋部材１８の上面から離れた場合は、封止部材２５の内径よりも大きな内径を有する蓋部材１８の挿通穴１９が露出し、保持棒１４と挿通穴１９との間隙が広くなるので、炉心管１２内の気体Ｇが、炉心管１２の内部からシール室２４の内部に、より円滑に流れる。これにより、上昇した炉心管１２内の圧力が緩和される。

換言すれば、例えば炉心管１２の耐圧強度等に基づいて、炉心管１２内部の圧力の上限を閾値として予め定め、炉心管１２内の圧力が当該閾値を超える前に封止部材２５が上昇するように、封止部材２５および錘２７の重さを調整する。これにより、炉心管１２内の圧力が、予め定めた閾値を超えることが防止され、焼結される光ファイバ母材の品質の変化や過大な圧力による部材の損傷等を未然に防止できる。

なお、錘２７の重さの調節は、互いに重さが異なる複数の錘２７を用意して交換してもよい。また、ひとつひとつが単位重さを有する複数の錘２７を用意して、封止部材２５封止部材２５に取り付ける錘２７の数により重量を調節してもよい。

こうして気体を外部に排出することにより炉心管１２の内部の気圧が低下すると、封止部材２５封止部材２５に作用する圧力も減少する。よって、封止部材２５封止部材２５は、保持棒１４に沿って蓋部材１８の上面に着地して、炉心管１２内の気圧が維持される。

図４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。

今、炉心管１２内部の気圧とシール室２４内の気圧との気圧差をΔｐ、封止部材２５の重量をＭ、重力加速度をｇとし、図５に示すように、蓋部材１８の挿通穴１９の内径をＤ、封止部材２５の内径をｄとすると、気圧差Δｐが、下記の式（１）で表される圧力よりも大きくなった場合に、封止部材２５の上昇により蓋部材１８から離れ、炉心管１２内の気体がシール室２４内に流れ出す。

また、封止部材２５に錘２７を載せている場合は、重りの重量をｍとすると、炉心管１２内の気体がシール室２４に流れ出す気圧差Δｐは、下記の式（２）で表される。

ここで、封止部材２５の重量をｌｋｇ、蓋部材１８における挿通穴１９の内径を４５ｍｍ、封止部材２５の内径を４０．２ｍｍとすると、炉心管１２内の気圧とシール室２４内の気圧との気圧差が２８５０Ｐａより大きくなると、封止部材２５が蓋部材１８から離れ、封止部材２５と蓋部材１８との隙間から炉心管１２内の気体が排出されて、炉心管１２内の気圧が上昇しなくなくり、やでて低下することが確認できた。

上記のような機能に鑑みて、まず、蓋部材１８の挿通穴１９の内径は、保持棒１４の外径に対して十分に大きいことが好ましい。これにより、上昇した炉心管１２内の気体を迅速に排出できる。また、上記の構造によれば、保持棒１４と挿通穴１９との間隙が広くても、封止部材２５が蓋部材１８の上面に着地している場合は、間隙が封止され、間隙からの漏洩による炉心管１２内の圧力低下を防止できる。

一方、シール室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、封止部材２５の内径と、保持棒１４の外径との差は小さいことが好ましい。また、シール室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、封止部材２５の下面とが密着することが望ましい。よって、蓋部材１８および封止部材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。

一方、封止部材２５は、保持棒１４に対して円滑に移動することが望ましい。よって、少なくとも貫通穴２６の内部において、保持棒１４と封止部材２５との摺動摩擦は、より低いことが好ましい。

より具体的には、例えば、封止部材２５の貫通穴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。また、封止部材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。更に、保持棒１４は、多孔質ガラス母材１６の焼結後に炉心管１２から引き上げる場合には高温になっている。よって、封止部材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、例えば、カーボンのバルク材が例示できる。

なお、上記の例では、シール室２４、封止部材２５、および錘２７として、それぞれ円柱状または円筒状の部材を用いた。しかしながら、これらの部材の形状が回転体形状に限られるわけではないことはもちろんである。

［実施例２］
図６は、焼結装置２０の炉心管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。焼結装置２０における炉心管１２の構造は、図１に示した焼結装置１０と等しい。よって、焼結装置１０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。

また、図６に示すシール構造は、次に説明する部分を除くと、図２および図３に示した焼結装置１０のシール構造と等しい。よって、シール構造に関しても、焼結装置１０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。

焼結装置２０は、焼結装置１０において封止部材２５に取り付けられた錘２７に換えて、上蓋部材１３と封止部材２５との間に挟まれた付勢部材２８を備える点において、焼結装置１０と異なる構造を有する。付勢部材２８は、例えばコイルばねであり、自然状態よりも短縮された状態で焼結装置２０に取り付けられている。これにより、付勢部材２８の復元力が付勢力として封止部材２５に作用し、封止部材２５は蓋部材１８に向かって押しつけられる。

図７は、封止部材２５が、炉心管１２内の気体から受けた圧力により、シール室２４の内部で保持棒１４に沿って上昇した様子を示す模式図である。図示の状態は、封止部材２５が付勢部材２８の付勢力と封止部材２５自体の重量とに抗して上昇し、蓋部材１８の上面から離れている。これにより、封止部材２５の内径よりも大きな内径を有する蓋部材１８の挿通穴１９が露出し、保持棒１４と挿通穴１９との間隙が広くなるので、炉心管１２内の気体Ｇが、炉心管１２の内部からシール室２４の内部に、より円滑に流れる。従って、上昇した炉心管１２内の圧力が緩和される。

上記のような封止構造を有する焼結装置２０においては、封止部材２５の重量と、付勢部材２８が伸張しようとする付勢力との両方が、炉心管１２の内部から封止部材２５が受ける圧力に対抗する。よって、付勢部材２８の付勢力を調整することにより、予め定めた気圧差Δｐで、封止部材２５を上昇させることができる。

なお、付勢部材２８の付勢力を調整する方法としては、付勢部材２８自体をばね定数の異なるものと取り替えてもよい。また、付勢部材２８の一端を移動させたり、付勢部材２８の端部と他の部材との間に厚さの異なるスペーサ等を挟むことによっても、付勢部材２８の長さを変更して、付勢部材２８の付勢力を調節できる。

実施例１と同様に、炉心管１２内部の気圧とシール室２４内の気圧との気圧差をΔｐ、封止部材２５の重量をＭ、重力加速度をｇとし、蓋部材１８の挿通穴１９の内径をＤ、封止部材２５の内径をｄとする。更に、付勢部材２８のばね定数をｋ、付勢部材２８の収縮長さをｘとすると、炉心管１２内の気圧とシール室２４内の気圧との気圧差Δｐが、下記の式（３）で表される圧力よりも大きくなった場合に、封止部材２５の上昇により蓋部材１８から離れ、炉心管１２内の気体がシール室２４内に流れ出す。

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。

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。

１０、２０ 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 導入ポート、１８ 蓋部材、１９ 挿通穴、２１ 排出ポート、２２ 供給ポート、２３ 排気ポート、２４ シール室、２５ 封止部材、２６ 貫通穴、２７ 錘、２８ 付勢部材

Claims (7)

1. 多孔質ガラス母材を焼結する焼結装置であって、
   ヒータに取り巻かれ、多孔質ガラス母材を収容する炉心管と、
   前記多孔質ガラス母材に結合された保持棒を挿通する挿通穴を有し、前記炉心管の一端を塞ぐ蓋部材と
   前記炉心管の外部で前記蓋部材に一部を接触させ、前記炉心管の内側と外側との間の気圧差を維持すべく、前記保持棒および前記蓋部材の間隙の少なくとも一部を封止する封止部材と
   を備え、
   前記封止部材は、重さを調節する目的で交換可能な錘を有し、前記炉心管の内部の気圧が予め定めた閾値を超えた場合に、前記保持棒に沿って移動して前記蓋部材から離れ、前記炉心管の内部の気圧が前記閾値よりも低くなるまで、前記保持棒および前記蓋部材の間隙を通じて前記炉心管の内部の気体を前記炉心管の外部に流出させる重さを有する焼結装置。
2. 多孔質ガラス母材を焼結する焼結装置であって、
   ヒータに取り巻かれ、多孔質ガラス母材を収容する炉心管と、
   前記多孔質ガラス母材に結合された保持棒を挿通する挿通穴を有し、前記炉心管の一端を塞ぐ蓋部材と、
   前記炉心管の外部で前記蓋部材に一部を接触させ、前記炉心管の内側と外側との間の気圧差を維持すべく、前記保持棒および前記蓋部材の間隙の少なくとも一部を封止する封止部材と、
   前記封止部材を前記蓋部材に向かって押しつけるべく付勢する付勢部材と
   を備え、
   前記付勢部材は、前記炉心管の内部の気圧が予め定めた閾値を超えた場合に、前記保持棒に沿って移動して前記蓋部材から離れ、前記炉心管の内部の気圧が前記閾値よりも低くなるまで、前記保持棒および前記蓋部材の間隙を通じて前記炉心管の内部の気体を前記炉心管の外部に流出させる付勢力を有する焼結装置。
3. 前記封止部材において、少なくとも前記保持棒に対向する面がカーボン材料により形成される請求項１または２に記載の焼結装置。
4. 前記炉心管の外側に、前記蓋部材に隣接して設けられ、前記間隙および前記封止部材を内部に収容するシール室を更に有する請求項１から３のいずれか一項に記載の焼結装置。
5. 前記シール室は、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卜とを有する請求項４に記載の焼結装置。
6. 前記蓋部材に設けられ、前記炉心管の内部から排出するガスが通過する直截排気ポートを更に備える請求項１から５のいずれか一項に記載の焼結装置。
7. 前記封止部材と前記保持棒とのクリアランスが、０．１ｍｍ以上、且つ、０．１５ｍｍ以下であり、前記封止部材の長さが１００ｍｍ以上である請求項１から６のいずれか一項に記載の焼結装置。

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