(57)【要約】【課題】光ファイバの線引速度に対し、炉心管内の圧力を所定値以上の陽圧に維持して外気の巻き込みを抑制する光ファイバの線引装置と線引方法を提供する。【解決手段】ファイバ導出口の下方にシャッター管部１９を設け、ガラスファイバ１２の外径を２ｒ１、シャッター管１９の内径を２ｒ２、ガラスファイバ１２の線引速度をＶ１、炉心管１３の下方に流れてくる不活性ガスの流量をＱとしたとき、【数１】2013035742.tif 000011を満足するようにされている。なお、シャッター管の内径は５ｍｍ〜１５ｍｍ、シャッター管部の長さは３０ｍｍ以上５００ｍｍ以下とするのが好ましい。【選択図】図１
2013035742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管と、前記炉心管を外側から加熱するヒータを収納する炉筐体とを備え、前記炉心管内に不活性ガスを上方から下方に向けて流し、前記炉心管の下部のファイバ導出口から線引きされたガラスファイバを外部に導出すると共に、前記不活性ガスを外部に放出する光ファイバの線引装置であって、
前記ファイバ導出口の下方にシャッター管部を設け、
前記ガラスファイバの外径を２ｒ１、前記シャッター管の内径を２ｒ２、前記ガラスファイバの線引速度をＶ１、前記炉心管の下方に流れてくる不活性ガスの流量をＱとしたとき、
【数１】
2013035742.tif 000009
を満足することを特徴とする光ファイバの線引装置。
【請求項２】
前記シャッター管部の内径が５ｍｍ〜１５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの線引装置。
【請求項３】
前記シャッター管部の長さが３０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバの線引装置。
【請求項４】
光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管と、前記炉心管を外側から加熱するヒータを収納する炉筐体とを備え、前記炉心管内に不活性ガスを上方から下方に向けて流し、前記炉心管の下部のファイバ導出口から線引きされたガラスファイバを外部に導出すると共に、前記不活性ガスを外部に放出する光ファイバの線引方法であって、
前記ファイバ導出口の下方にシャッター管部を設け、
前記ガラスファイバの外径を２ｒ１、前記シャッター管の内径を２ｒ２、前記ガラスファイバの線引速度をＶ１、前記炉心管の下方に流れてくる不活性ガスの流量をＱとしたとき、
【数１】
2013035742.tif 000010
を満足することを特徴とする光ファイバの線引方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ用のガラス母材を加熱溶融して、光ファイバを線引きする光ファイバの線引装置および線引方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバは、専用の線引炉を用いて光ファイバ用ガラス母材（以下、ガラス母材という）を加熱溶融してガラスファイバを線引きし、その外面に保護被覆を施して製造される。ガラスファイバの線引きに際しては、ガラス母材が挿入される炉心管に耐熱性のあるカーボンが用いられるが、このカーボンは、高温の酸素含有雰囲気中では、酸化して消耗する。これを防止するために、炉心管内には、アルゴンガスやヘリウムガス等の希ガスや窒素ガス（以下、不活性ガス等という）が送り込まれる。
【０００３】
炉心管内に送り込まれた不活性ガスの多くは、炉心管の上方から下方に向かって流れ、ガラス母材の下端から垂下して線引きされたガラスファイバと共に、ファイバ導出口から外部に放出される。この場合、ファイバ導出口が大きく開いていると外気が炉心管内に入りやすく、炉心管等カーボン部品の劣化につながる。炉心管内への外気の浸入を抑制するには多くの不活性ガスを流す必要があるが、線引炉に用いる不活性ガス等は製造コストに影響するため、できるだけその使用を抑制することが要望されている。
【０００４】
このため、例えば、特許文献１には、ファイバ導出口にシャッターを設けること、また、ガラス母材の下端から垂下して線引きされた軟化状態にあるガラスファイバが、線引炉の外に出るまではある程度温度を下げて硬化された状態とするために、炉心管下端に円筒状の隔壁（下煙突とも言う）を設け、この隔壁の下端にシャッターを設けることが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、ガラス母材の下端の軟化形状（ネックダウン形状）に沿うように、炉心管の形状をテーパ状に縮径して、ガラス母材の下端部の不活性ガスの流れを安定させ、ガラスファイバの外径変動を抑制すると共に、テーパ状の延長筒（下煙突とも言う）のファイバ導出口に、さらに細径の口金を設けることが開示されている。
また、特許文献３には、ファイバ導出口のシャッターとして、小径の口径と該口径の１０倍以上の長さを有する管状のノズルを設けることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２７８７９８３号公報
【特許文献２】特開平８−９１８６２号公報
【特許文献３】特開平２−９２８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
線引炉に用いる不活性ガスの使用を抑制する方法として、上記の特許文献１〜３に示すように、ファイバ導出口を細くしてガスの流出を抑制することは有効であるが、単にファイバ導出口を細めると、線引きされたガラスファイバが接触して断線するおそれがある。また、光ファイバの製造線速が高速化すると、光ファイバの導出口の内圧、光ファイバの線速等の条件によっては、外気の巻き込みが生じることがある。
【０００８】
なお、特許文献２，３には、光ファイバの導出口に細径の管体を設けることが提案されているが、光ファイバの線引速度、外部に放出されるガス量との関係が明らかでなく、管体のファイバ導出口部分で、外気の巻き込みが発生するおそれがある。
【０００９】
本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、光ファイバの線引速度に対し、炉心管内の圧力を所定値以上の陽圧に維持して外気の巻き込みを抑制する光ファイバの線引装置と線引方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による光ファイバ線引装置および線引方法は、光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管と、炉心管を外部から加熱するヒータを収納する炉筐体を備え、炉心管内に不活性ガスを上方から下方に向けて流し、炉心管の下部のファイバ導出口から線引きされたガラスファイバを外部に導出すると共に、不活性ガスを外部に放出する光ファイバの線引装置および線引方法である。
そして、ファイバ導出口の下方にシャッター管部を設け、ガラスファイバの外径を２ｒ１、シャッター管の内径を２ｒ２、ガラスファイバの線引速度をＶ１、炉心管の下方に流れてくる不活性ガスの流量をＱとしたとき、
【数１】
2013035742.tif 000003
を満足することを特徴とする。
なお、シャッター管部の内径が５ｍｍ〜１５ｍｍであり、シャッター管部の長さは、３０ｍｍ以上５００ｍｍ以下とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
上記の本発明によれば、光ファイバの線引速度が大きい場合でも、炉心管内の圧力を所定値以上の陽圧に維持して外気の巻き込みを抑制しながら、光ファイバを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明で用いる光ファイバ線引炉の実施形態の一例を説明する図である。
【図２】図１の実施形態の他の例を説明する図である。
【図３】シャッター管内のガス流量と圧損を説明するための図である。
【図４】ガス流量ごとによるシャッター管の内径と圧損勾配との関係を示す図である。
【図５】シャッター管の長さごとによるガス流量と圧損との関係を示す図である。
【図６】シャッター管の内径ごとによるガス流量と圧損勾配との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１，２により本発明の光ファイバ線引装置の概略を説明する。図において、１０は光ファイバ線引炉、１１は光ファイバ用ガラス母材（ガラス母材）、１１ａはガラス母材の下端部、１２はガラスファイバ、１３は炉心管、１４は炉筐体、１５はヒータ、１６は断熱材、１７は延長管（下煙突）、１８は炉心管受け部材、１９，２０はシャッター管、２０ａは太径部、２０ｂはテーパ部、２０ｃは細径部を示す。
【００１４】
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、加熱用のヒータ１５を配し、このヒータ１５の熱が外部に放散されないように断熱材１６で囲い、その外側全体を炉筐体１４で囲って構成される。
【００１５】
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１４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内には窒素、アルゴン、ヘリウム等の希ガスや窒素ガスが導入される。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。
【００１６】
また、炉筐体１４にも、カーボン製のヒータ１５や断熱材１６の酸化・劣化を防ぐために、同様に窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス等が流し込まれる。炉筐体１４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１４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。
【００１７】
延長管１７は、加熱軟化しているガラスファイバ１２の急冷を緩和すると同時に、ある程度冷却硬化させて外径変動を抑える機能を有している。この延長管１７は、メンテナンス等の面から炉心管１３とは分割可能に形成され、炉心管１３と連通するように炉筐体１４の下壁１４ａに取外し可能に取付けられる。炉心管１３と延長管１７との接合部は、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１４の下壁１４ａ上に載置する形で支持され、炉心管１３と炉筐体１４を電気的に絶縁し、大きな短絡事故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を用いることなく炉心管１３と延長管１７とを直接接合する場合もある。
【００１８】
本発明は、延長管１７の下端に板状のシャッター部材を設ける代わりに、図１のような形状の管であるシャッター管１９を用いることを特徴としている。シャッター管１９は、例えば、耐食性に優れた金属で形成することができ、後述するように内径が５ｍｍ〜１５ｍｍで均一径の管で、長さ（Ｌｓ）が３０ｍｍ以上で形成される。延長管１７は、このシャッター管１９の内径にスムーズに連通するように、テーパ部を設けるようにしてもよいが、テーパ部を有しない形状であってもよい。
【００１９】
図２は、他の実施形態を示す図で、図１の実施形態と比べて、シャッター管にテーパ部を有している点が異なる。
なお、図１、図２の炉心管１３は、ガラス母材１１の下端部１１ａの形状に沿うように縮径部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ことの他に、ヒータ１５による加熱効率を高めることができる。すなわち、ガラス母材１１の下端部１１ａより下方の炉心管を縮径することで、下方に放射される熱を遮断して省エネ化を図ることができる。
【００２０】
また、縮径部１３ａの下方を炉心管１３の上方部の径より細くした縮径管部１３ｂとすることで、不活性ガスの流れを安定にすることができる。そして、図１の例と同様に縮径管部１３ｂの下端に、さらに延長管１７を連結する場合は、この延長管１７の内径は縮径管部１３ｂの内径と異ならせてもよいが、同じ内径とするのが好ましい。
縮径管部１３ｂの下端または延長管１７の下端には、図１の場合と同様にシャッター管が設けられるが、このシャッター管２０はテーパ部を有する形状のものである。
【００２１】
このテーパ部を有するシャッター管２０は、例えば、太径部２０ａ、テーパ部２０ｂ、細径部２０ｃの３つのａ，ｂ，ｃ部分に分け、それぞれの長さを、シャッター管の全長（Ｌｓ）の１／３ずつとする。シャッター管の内径等については、後述するように、太径部２０ａ(内径２ｒ２’)を１５ｍｍ以下、細径部２０ｃ(内径２ｒ２’’)を５ｍｍ以上とし、長さ（Ｌｓ）が３０ｍｍ以上で形成される。なお、太径側が１５ｍｍ以下、細径側が５ｍｍ以上の範囲であれば、均一径の太径部２０ａ、細径部２０ｃは無くてもよい。また、テーパ部２０ｂの長さは全長の１／３より短くても良く、テーパ角θは、テーパ部２０ｂの長さに応じて、０°（直管の場合）を超え９０°未満とすることができる。なお、テーパ角が９０°以上になると、ガスの流れが不安定になるため、９０°未満とすることが望ましい。
【００２２】
なお、図１，２において、シャッター管１９，２０は、延長管１７を介して連結する例で説明したが、延長管１７を用いることなく、炉心管１３の下端に直接連結する構成であってもよい。また、シャッター管１９，２０は、延長管１７と一体構造で形成されていてもよく、管形状以外に厚板を筒状にくり抜いた形状のものであってもよい。
【００２３】
図３は、上述したシャッター管１９，２０内の不活性ガス等の流れを解析するための模式図である。図において、ガラスファイバ１２は、ファイバ径が２ｒ１で、Ｚ方向に走行速度（線速）Ｖ１で走行しているものとする。シャッター管１９，２０は、内径が２ｒ２で、管内には、流量Ｑで粘性係数μの不活性ガスが上方から下方へ流れているとする。
【００２４】
そして、上記のシャッター管内で、光ファイバの移動でハーゲン・ポアズイユ流れが生じていると仮定すると、下記の理論式を用いることができる。なお、式中のＰは圧力、ＶＺはＺ方向の速度、ｒは径方向距離を示す。
【数２】
2013035742.tif 000004
【００２５】
ここで、半径ｒ１の光ファイバ表面の流体速度をＶ１、半径ｒ２のシャッター管内径面の流体速度をゼロとすると、
【数３】
2013035742.tif 000005
が得られる。
【００２６】
シャッター管内の全体流量をＱ（ｍ３／ｓ）とすると、
【数４】
2013035742.tif 000006
が得られる。
【００２７】
これに、上記のＡ，Ｂを代入して、ｄＰ／ｄｚで纏めると、
【数５】
2013035742.tif 000007
となり、圧力損失（圧損）の評価式を得ることができる。
【００２８】
上記の圧損評価式から、
【数６】
2013035742.tif 000008
が得られる。この式により、圧力勾配（ｄＰ／ｄｚ）が、ゼロとなる点（クロスポイント）を求めることができる。
【００２９】
このクロスポイントは、ガスの種類によらず、光ファイバの線速Ｖ１とシャッター管の内径ｒ２のみに依存し、後述する図５に示すように横軸をガス流量、縦軸を圧損とし、異なるシャッター管の長さごとに示したグラフで、管の長さに係らず一点で交わる交点Ｋで示される。このクロスポイントＫにおけるガス流量が、シャッター管に外気が入り込まないようにする必要最低限のガス流量となる。すなわち、ガス流量をこのクロスポイントＫにおけるＱの値以上にすることによって、シャッター管に外気が入り込まないようにすることができる。
【００３０】
一方、ガス流量Ｑが一定である場合、シャッター管の内径２ｒ２を小さくすることにより圧損を高め、所定の陽圧を確保することができる。図４は、横軸をシャッター管内径（ｍｍ）、縦軸を圧損勾配（Ｐａ／ｍ）とし、管内のガス流量を各々１０，２０，３０（Ｌ／min）としたときのグラフである。なお、前記したように、ガス流量が少ないほどコスト的には有利であり、ガス流量を３０Ｌ／min以下にすることが望ましい。図４（A）は、シャッター管内径を３０ｍｍ以下で計算した例であり、図４（Ｂ）は、図（Ａ）の領域Ｐの部分を拡大した図である。
【００３１】
この図からシャッター管内径が１５ｍｍ以下でないと、有効な圧損勾配は得られないことが判明した。また、シャッター管内の陽圧は、大気圧に対して、少なくとも５Ｐａ以上とするのが好ましく、この陽圧確保の観点からもシャッター管内径が１５ｍｍ以下とするのが望ましい。しかし、シャッター管内径は、小さいほど大きな圧損勾配を得られるが、あまり小さいと光ファイバと接触するおそれがあり、最小のシャッター管内径は、経験的に５ｍｍ以上とするのが望ましい。
【００３２】
図５は、横軸をガス流量（Ｌ／min）、縦軸を圧損（Ｐａ）とし、シャッター管の内径１０ｍｍを一定とし、長さ（Ｌｓ）を各々０，３０，５０，１００，２００，５００（ｍｍ）としたときのグラフである。
この図から、シャッター管の内径が一定で、長さも一定なら、ガス流量を増加させることで圧損を大きくすることができることがわかる。一方、シャッター管の内径が一定で、ガス流量が一定なら、シャッター管の長さを増加させることで、圧損を大きくすることができる。そして、例えば、圧損１０Ｐａを得るのに、シャッター管無し（Ｌｓ＝０）の場合は、ガス流量を２４Ｌ／min必要とするのに対し、シャッター管有り（Ｌｓ＝５００ｍｍ）の場合は、ガス流量が７Ｌ／minでよいことになる。すなわち、この場合、シャッター管を付けることにより、１７Ｌ／minのガス流量を減らすことが可能となる。
【００３３】
シャッター管の長さＬｓは、例え短くても、全く付けない場合（Ｌｓ＝０ｍｍ）よりは、圧損の増加を期待することができる。例えば、炉心管内の陽圧を、大気圧に対して＋５Ｐａ以上を確保するには、図５のグラフからシャッター管の長さＬｓ＝３０ｍｍ程度であれば、ガス流量１２Ｌ／min以上流せばよく、これにより、Ｌｓ＝０ｍｍのガス流量に比べてガス流量を１／３程度削減することが期待される。したがって、シャッター管の長さＬｓは、少なくとも３０ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００３４】
一方、シャッター管をあまり長くすると、設備や光ファイバに振動（例えば地震）などが生じた場合に、シャッター管と光ファイバとが接触するおそれがある。また、長いシャッター管は線引装置の高さ方向の距離を必要とするため、設備的な面から制約を受ける。このため、シャッター管の長さは、経験的には５００ｍｍ以下とするのが望ましい。
【００３５】
図６は、横軸をガス流量（Ｌ／min）、縦軸を圧損勾配（Ｐａ／ｍ）とし、シャッター管の内径（２ｒ２）を各々５，１０，１５（ｍｍ）としたときのグラフである。
図６は、図４において、望ましいシャッター管の内径を５ｍｍ〜１５ｍｍとしたので、これの圧損勾配とガス流量の関係を示したものであり、シャッター管の内径を一定とすると、圧損勾配はガス流量に比例して増加する。
なお、図２に示したテーパ部を有するシャッター管においては、例えば、テーパの細径側の内径を１０ｍｍ、太径側の内径を１５ｍｍとし、テーパ部の長さが全長の１／３とした場合、内径１０ｍｍ管と１５ｍｍ管の中間付近を通るグラフを、テーパ管の圧損勾配とすることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０…光ファイバ線引炉、１１…ガラス母材、１１ａ…ガラス母材の下端部、１２…ガラスファイバ、１３…炉心管、１３ａ…縮径部、１３ｂ…縮径管部、１４…炉筐体、１５…ヒータ、１６…断熱材、１７…延長管、１８…炉心管受け部材、１９，２０…シャッター管、２０ａ…太径部、２０ｂ…テーパ部、２０ｃ…細径部。
【図１】
2013035742.tif 000012
【図２】
2013035742.tif 000013
【図３】
2013035742.tif 000014
【図４】
2013035742.tif 000015
【図５】
2013035742.tif 000016
【図６】
2013035742.tif 000017