(57)【要約】【課題】マッフルの内圧変動を的確に抑制して高品質なガラス母材を製造することが可能なガラス母材の製造装置及び製造方法を提供する。【解決手段】  多孔質ガラスからなるガラス母材Ｇを収容するマッフル１３と、マッフル１３内のガラス母材Ｇを加熱して焼結させるヒータ１４と、マッフル１３に接続されてマッフル１３内のガスを排出させる排気管２１と、排気管２１の途中に設けられたバッファタンク２２と、を備え、マッフル１３の容積をＶ１、バッファタンク２２の容積をＶ２としたときに、Ｖ２／Ｖ１が１．５以上とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質ガラスからなるガラス母材を収容するマッフルと、
前記マッフル内の前記ガラス母材を加熱して焼結させるヒータと、
前記マッフルに接続されて前記マッフル内のガスを排出させる排気管と、
前記排気管の途中に設けられたバッファタンクと、を備え、
前記マッフルの容積をＶ１、前記バッファタンクの容積をＶ２としたときに、Ｖ２／Ｖ１が１．５以上とされていることを特徴とするガラス母材の製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガラス母材の製造装置であって、
前記Ｖ２／Ｖ１が３．５以上とされていることを特徴とするガラス母材の製造装置。
【請求項３】
マッフル内に収容した多孔質ガラスからなるガラス母材を加熱して焼結させるガラス母材の製造方法であって、
前記マッフルに接続されて前記マッフル内のガスを排出させる排気管の途中にバッファタンクを設け、
前記マッフルの容積をＶ１、前記バッファタンクの容積をＶ２としたときに、Ｖ２／Ｖ１を１．５以上とすることを特徴とするガラス母材の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載のガラス母材の製造方法であって、
前記Ｖ２／Ｖ１を３．５以上とすることを特徴とするガラス母材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス微粒子堆積体を加熱焼結させるガラス母材の製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、光ファイバの母材となるガラス母材は、ガラス微粒子を堆積させたガラス微粒子堆積体をマッフル内で加熱して焼結させることで得られる。
ガラス母材を製造する装置として、マッフルチューブに圧力緩衝用の風船バッファを取り付け、マッフル内圧の信号に応じて風船バッファの容積を変更するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、蒸気が結露するのを防止するために、断熱材によって被覆された圧力変動吸収装置を取り付けたものもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１９９０３８号公報
【特許文献２】特開２００５−１９４１７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ガラス微粒子堆積体を焼結するために炉心管のマッフル内を加熱すると、マッフル内でガスの膨張収縮が生じて排気のバランスが崩れ、マッフルの内圧が変動する。すると、このマッフルの内圧変動により外気の巻き込みが発生し、透明ガラス化させるガラス母材の品質の低下を招いてしまう。
このため、例えば作業者がマッフルの内圧を圧力計によって監視し、マッフルに繋がる流路の開閉弁を操作することでマッフルの内圧変動を抑制している。
【０００５】
しかし、マッフルの容積が大きく、マッフル内の一部でガラス微粒子堆積体を加熱するような炉心管では、手動による開閉弁の操作だけでは内圧変動に追従することが困難であった。
このような内圧変動を抑制する手段として、特許文献１，２に示される装置のように、マッフル内のガスの膨張収縮を吸収するバッファタンクを設けることが考えられるが、単にバッファタンクをマッフルに接続しただけではマッフルの内圧変動を的確に抑制することは困難であった。
【０００６】
本発明の目的は、マッフルの内圧変動を的確に抑制して高品質なガラス母材を製造することが可能なガラス母材の製造装置及び製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決することのできる本発明のガラス母材の製造装置は、
多孔質ガラスからなるガラス母材を収容するマッフルと、
前記マッフル内の前記ガラス母材を加熱して焼結させるヒータと、
前記マッフルに接続されて前記マッフル内のガスを排出させる排気管と、
前記排気管の途中に設けられたバッファタンクと、を備え、
前記マッフルの容積をＶ１、前記バッファタンクの容積をＶ２としたときに、
Ｖ２／Ｖ１が１．５以上とされていることを特徴とする。
【０００８】
本発明のガラス母材の製造装置において、前記Ｖ２／Ｖ１が３．５以上とされていることが好ましい。
【０００９】
また、本発明のガラス母材の製造方法は、
マッフル内に収容した多孔質ガラスからなるガラス母材を加熱して焼結させるガラス母材の製造方法であって、
前記マッフルに接続されて前記マッフル内のガスを排出させる排気管の途中にバッファタンクを設け、
前記マッフルの容積をＶ１、前記バッファタンクの容積をＶ２としたときに、
Ｖ２／Ｖ１を１．５以上とすることを特徴とする。
【００１０】
本発明のガラス母材の製造方法において、
前記Ｖ２／Ｖ１を３．５以上とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、マッフル内の圧力変動がバッファタンクによって十分吸収されて大幅に低減される。これにより、マッフル内の圧力変動によるガラス母材の品質低下を抑制することができ、極めて高品質なガラス母材を製造することができる。
また、マッフルの内圧を安定化させることで、マッフルの正圧時のガス漏れや、負圧時の大気混入などの不具合を抑制してガラス母材の高品質化及び性能向上を図ることができる。また、装置の安全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係るガラス母材の製造装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】マッフルの内圧変動の一例を示すグラフである。
【図３】マッフルの内圧の周波数解析の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るガラス母材の製造装置及び製造方法の実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態のガラス母材を製造する製造装置１０は、炉心管１１を備えている。この炉心管１１は、密閉された容器であるマッフル１３と、このマッフル１３内の所定位置にヒートゾーンを形成するヒータ１４とを有している。マッフル１３内は、ガス供給装置（図示略）から供給されるヘリウムガス等の不活性ガスが充満される。
【００１４】
そして、このマッフル１３内には、ガラス微粒子堆積体からなるガラス母材Ｇが昇降可能に収容され、このガラス母材Ｇが昇降されることで、ヒータ１４によって形成されたヒートゾーンでガラス母材Ｇが加熱焼結されて透明ガラス化される。
【００１５】
炉心管１１を構成するマッフル１３には、その上部に、排気管２１が接続されており、マッフル１３内のガスが排気管２１を通して排気される。この排気管２１には、その途中にバッファタンク２２が設けられている。また、この排気管２１には、バッファタンク２２の下流側にモータバルブ（調整弁）２３が設けられている。
【００１６】
また、マッフル１３には、微差圧計２４が設けられており、この微差圧計２４は、マッフル１３の内圧を検出する。微差圧計２４は、モータバルブ２３に接続されており、微差圧計２４からモータバルブ２３へ、マッフル１３の内圧に基づいた制御信号が送信される。これにより、モータバルブ２３は、微差圧計２４からの制御信号に基づいて開閉されて、排気管２１を通して排気されるマッフル１３内のガスの流量が調整される。
【００１７】
上記構造のガラス母材の製造装置１０では、マッフル１３の容積をＶ１、バッファタンク２２の容積をＶ２としたときに、Ｖ２／Ｖ１が１．５以上とされている。
【００１８】
このような容積比とすることで、この製造装置１０では、マッフル１３内の圧力変動がバッファタンク２２によって十分吸収されて大幅に低減される。具体的には、マッフル１３内の圧力変動を±２００Ｐａ以下とすることができる。これは、バッファタンクを設けない場合のマッフル内の圧力変動±１０００Ｐａに対して、圧力変動を１／５以下とすることができるとも言える。これにより、このマッフル１３内の圧力変動によるガラス母材Ｇの品質低下を抑制することができ、極めて高品質なガラス母材Ｇを製造することができる。
【００１９】
そして、この高品質なガラス母材Ｇから光ファイバを線引きすることで、伝送損失が悪化することの無い、高品質な光ファイバを製造することができる。
【００２０】
また、マッフル１３内の圧力変動を低減させることで、マッフル１３からの全体排気量を、微差圧計２４の検出結果に基づいてモータバルブ２３の開度を自動制御で調整し、マッフル１３内を安定して目標圧力に保つことができる。これにより、高品質なガラス母材Ｇを安定的に製造することができるとともに、作業者による手動での弁操作をなくして作業者の負担を軽減させることができる。
【００２１】
また、マッフル１３の内圧を安定化させることで、マッフル１３の正圧時のガス漏れや、負圧時の大気混入などの不具合を抑制してガラス母材Ｇの高品質化及び性能向上を図ることができる。また、装置の安全性を向上させることができる。
【００２２】
特に、マッフル１３の容積Ｖ１とバッファタンク２２の容積Ｖ２との比Ｖ２／Ｖ１を３．５以上とすれば、マッフル１３内の圧力変動をバッファタンク２２によってさらに吸収して大幅に低減させることができる。具体的には、マッフル１３内の圧力変動を±１００Ｐａ以下とし、変動比１／１０以下とすることができる。これにより、このマッフル１３内の圧力変動によるガラス母材Ｇの品質低下をさらに抑制することができ、極めて高品質なガラス母材Ｇを製造することができる。
【実施例】
【００２３】
（１）バッファタンクの容積計算式の検証
炉内圧安定性に向けて、バッファタンク２２の容積を最適化すべく検討を行なった結果、マッフル１３の容積をＶ１、バッファタンク２２の容積をＶ２、バッファタンク２２内の温度をＴｒ１、マッフル１３内のガス温度をＴｒ２とすると、炉心管１１のマッフル１３の内圧変動をΔＰｒからΔＰｔに低減するのに必要なバッファタンク２２の容積Ｖ２は、次の式（１）で決定される。
【００２４】
【数１】
2014047132.tif 000003
【００２５】
この式（１）から、目標とする炉内圧変動ΔＰｔが小さい程、現状の炉内圧変動との比（ΔＰｒ／ΔＰｔ）が大きくなるため、バッファタンク２２の容積Ｖ２を大きくする必要があることがわかる。
【００２６】
マッフル１３の内圧変動を±１０００Ｐａ（ΔＰｒ＝２０００Ｐａ）から±２００Ｐａ（ΔＰｔ＝４００Ｐａ）に低減するのに必要なバッファタンク２２の容積Ｖ２を計算するに当たり、炉内温度を１２００℃とした場合のマッフル１３内全域におけるガス温度Ｔｒ２の平均値を６００℃（８７３Ｋ）と仮定し、バッファタンク２２内の温度Ｔｒ１を室温２５℃（２９８Ｋ）と仮定すると、炉心管１１のマッフル１３（容積Ｖ１＝１５０Ｌ）に必要なバッファタンク２２の容積Ｖ２は、下記のように求められる。
【００２７】
【数２】
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【００２８】
この結果に基づいて、バッファタンク２２の容積Ｖ２＝１９８Ｌ（直径６００ｍｍ×高さ７００ｍｍ）のバッファタンク２２を作製し、１２００℃のヘリウム雰囲気における炉心管１１のマッフル１３の内圧を測定した結果、炉心管１１の内圧変動は±２２４Ｐａとなり、計算結果（１９８Ｌで±２０５Ｐａ）と近い値が得られた。
【００２９】
次に、正確な温度を調べるために、マッフル１３内のガス温度Ｔｒ２を１２００℃に設定して、マッフル１３内のガス温度Ｔｒ２とバッファタンク２２内の温度Ｔｒ１を以下のように実測した。
【００３０】
バッファタンク２２内の温度（Ｔｒ１）
バッファタンク２２に繋がる配管の出口側を接触式温度計で測定してバッファタンク２２内の温度とした。
マッフル１３内ガス温度（Ｔｒ２）
マッフル１３の上部での５点及びマッフル１３の下部での３点の合計８点を接触式温度計で測定し、さらに、マッフル１３の内部に熱電対を吊り下げて高さ方向の５点を測定し、これらの１３点の平均温度をマッフル１３内のガス温度とした。
【００３１】
その結果、Ｔｒ１＝３１２Ｋ（３９℃）、Ｔｒ２＝７７７Ｋ（５０４℃）が得られた。
【００３２】
式（１）をマッフル１３の内圧変動ΔＰｔに関する式（２）に変形し（数３）、今回測定したＴｒ１、Ｔｒ２及びバッファタンク２２の容積Ｖ２＝１９８Ｌを式（２）に代入すると、マッフル１３の内圧変動の計算値は以下のように求められる（数４）。
【数３】
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【数４】
2014047132.tif 000006
【００３３】
このようにして求めた計算値（４６６Ｐａ（±２３３Ｐａ））は、実験で得られた値４４８Ｐａ（±２２４Ｐａ）に対し、近い値となることが確認できた。
【００３４】
上記の検証結果をもとに、炉心管１１のマッフル１３の内圧変動を±２００Ｐａを達成するのに必要なバッファタンク２２の容積Ｖ２を再度計算した。
式（１）において、上記検討からＴｒ１＝３１２Ｋ、Ｔｒ２＝７７７Ｋとすると、必要なバッファタンク２２の容積Ｖ２は以下の様に求まる。
【数５】
2014047132.tif 000007
【００３５】
このようにして求めた計算値（Ｖ２）は、２４１（Ｌ）となり、この時Ｖ２／Ｖ１は１．６１となり、Ｖ２／Ｖ１は１．５以上となる。すなわち、マッフル１３の容積をＶ１、バッファタンク２２の容積をＶ２としたときに、誤差や式（１）では考慮されない他の要因の影響を考慮して、Ｖ２／Ｖ１を少なくとも１．５以上とすれば、炉心管１１のマッフル１３の内圧変動を±２００Ｐａに十分に抑えることができることを本発明者は見出した。マッフル１３の内圧変動を±２００Ｐａに抑えることで、マッフル１３内の圧力変動によるガラス母材Ｇの品質低下を抑制することができ、極めて高品質なガラス母材Ｇを製造することができる。
【００３６】
（２）圧力変動幅を±１００Ｐａ以下とするためのバッファタンク２２の容積の試算
上記（１）の検証をもとに、炉心管１１のマッフル１３の内圧変動±１００Ｐａを達成するのに必要なバッファタンク２２の容積Ｖ２を計算した。
式（１）において、上記検討からＴｒ１＝３１２Ｋ、Ｔｒ２＝７７７Ｋとすると、必要なバッファタンク２２の容積Ｖ２は以下の様に求まる。
【００３７】
【数６】
2014047132.tif 000008
【００３８】
このようにして求めた計算値（Ｖ２）は、５４２（Ｌ）となり、この時Ｖ２／Ｖ１は３．６１となり、Ｖ２／Ｖ１は３．５以上となる。すなわち、マッフル１３の容積をＶ１、バッファタンク２２の容積をＶ２としたときに、誤差や式（１）では考慮されない他の要因の影響を考慮して、Ｖ２／Ｖ１を少なくとも３．５以上とすれば、炉心管１１のマッフル１３の内圧変動を±１００Ｐａまで抑えることができることを本発明者は見出した。マッフル１３の内圧変動を±１００Ｐａに抑えることで、マッフル１３内の圧力変動によるガラス母材Ｇの品質低下を更に抑制することができ、極めて高品質なガラス母材Ｇを製造することができる。
【００３９】
（３）炉心管１１のマッフル１３の内圧調査
容積５３７Ｌのバッファタンク２２を設けた場合、容積２４１Ｌのバッファタンク２２を設けた場合、及びバッファタンク２２を設けない場合で、炉温１２００℃でヘリウム雰囲気中の炉心管１１のマッフル１３の内圧を調査した。その結果を図２に示す。また、炉心管１１のマッフル１３の内圧の周波数解析を行った。その結果を図３に示す。なお、炉心管１１のマッフル１３の内圧のデータは炉温が１２００℃に到達して５分後から取得した。
【００４０】
バッファタンク２２を設けない場合では、図２中点線で示すように、炉心管１１のマッフル１３内の圧力変動が±１０００Ｐａと非常に大きくなった。この原因は、排気管２１の圧損により炉心管１１のマッフル１３の上部のガスが対流するためと考えられる。
【００４１】
これに対して、排気管２１に容積２４１Ｌのバッファタンク２２を設置して圧力変動の低減を図ると、図２中細線で示すように、炉心管１１のマッフル１３の内圧を±１８４Ｐａに安定化させることができ、バッファタンクを設けない場合に比べ、圧力変動を１／５以下に抑制することができる。
【００４２】
さらに、排気管２１に容積５３７Ｌのバッファタンク２２を設置して圧力変動の低減を図ると、図２中太線で示すように、炉心管１１のマッフル１３の内圧を±９８Ｐａとすることができ、バッファタンクを設けない場合に比べ、圧力変動を１／１０以下に抑制することができる。
【００４３】
また、炉心管１１のマッフル１３の内圧変動を周波数解析した結果、図３中太線で示すように、容積５３７Ｌのバッファタンク２２の全周波数域での振幅（平均振幅４．１Ｐａ）が、図３中細線で示す容積２４１Ｌのバッファタンク２２の全周波数域での振幅（平均振幅８．４５Ｐａ）に比べて半減することが確認された。なお、図３中点線はバッファタンク２２を設けない場合での全周波数域での振幅を示す。
【００４４】
このように、炉心管１１のマッフル１３の内圧変動の低減策として、排気管２１にバッファタンク２２を設けることが有効であり、そのバッファタンク２２の容積を大きくするほど低減できることが確認され、また、バッファタンク２２の容積を適正調整することで炉心管１１のマッフル１３の内圧変動を±１００Ｐａまで抑えられることがわかった。
【００４５】
上述のように、マッフル１３の容積をＶ１、バッファタンク２２の容積をＶ２としたときに、Ｖ２／Ｖ１を１．５以上とすれば、マッフル１３の内圧変動を約±２００Ｐａ以下に抑えられ、また、Ｖ２／Ｖ１を３．５以上とすれば、マッフル１３の内圧変動を約±１００Ｐａ以下に抑えられることを本発明者は見出した。マッフルの内圧を±２００Ｐａ程度、好ましくは±１００Ｐａ程度の範囲に収まるように安定化させることで、マッフルの正圧時のガス漏れや、負圧時の大気や異物混入などによるガラス母材の透明化の精度への悪影響を十分に防ぎ、ガラス母材の高品質化及び性能向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０：ガラス母材の製造装置、１３：マッフル、１４：ヒータ、２１：排気管、２２：バッファタンク、２３：モータバルブ（調整弁）、Ｇ：ガラス母材、Ｖ１：マッフルの容積、Ｖ２：バッファタンクの容積
【図１】
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【図２】
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【図３】
2014047132.tif 000011