(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス母材供給機構、ガラス母材収納容器、加熱炉および引取り機構を有するガラス母材延伸装置において、該加熱炉が、筐体内部に断熱材および発熱体を備え、中心部にガラス母材の通過する貫通孔および該貫通孔を通過するガラス母材の外径を測定する外径測定孔を有し、前記断熱材がカーボン製でグラファイト材と成形断熱材とを組み合わせてなり、前記貫通孔に面する内壁面が実質的にグラファイト材および発熱体により形成され、前記断熱材の熱容量Ｑ［ｋＪ／Ｋ］と前記内壁面の表面積Ｓ［ｍ2］との比Ｑ／Ｓが７０以上３５０以下であることを特徴とするガラス母材延伸装置。
【請求項２】
加熱炉の筐体底面に接する断熱材がグラファイト材である請求項１に記載のガラス母材延伸装置。
【請求項３】
外径測定孔に接する断熱材のうち、少なくとも一部がグラファイト材である請求項１に記載のガラス母材延伸装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス母材を加熱する加熱炉、特には、光ファイバ用ガラス母材の延伸に好適な加熱炉を備えたガラス母材延伸装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太径のガラス母材を延伸して、紡糸に適したより細径の光ファイバ用ガラスロッド（プリフォーム）を製造するのに使用されるガラス母材延伸装置の一例を図１に概略縦断面図で示した。図において、ガラス母材１は、その供給機構2に連結された垂下軸3に取り付けられて、収納容器4内に垂下され、大気から隔離されている。次いで、供給機構2によって加熱炉5内に送り込まれ、加熱炉5に設置された発熱体6によって加熱軟化される。
加熱軟化されたガラス母材１は、引取り機構7によって引張応力が加えられ、延伸されて、より細径のガラスロッド8が形成される。
【０００３】
従来、この加熱炉５には、図４に示すような構造の加熱炉が使用されていた。
図４に示す加熱炉において、加熱炉筐体９は鋼製の部材で構成され、内部は、種々の部材からなる断熱材で構成されている。断熱材には主にカーボンが使用され、これには、高密度・高強度・低断熱性を有するグラファイト材１０と称されるものや、低密度・低強度・高断熱性を有する多孔質の成形断熱材１１と称されるものがある(特開平１１−７９７７８号公報参照)。加工精度の面では、成形断熱材１１よりもグラファイト材１０の方がはるかに優れている。なお、図中のハッチングの部分がグラファイト材１０からなる部分である。
【０００４】
例えば、グラファイト材１０は１５０±０．２ｍｍの加工精度を容易に得ることができるが、成形断熱材１１では１５０±１ｍｍ程度が限界である。
通常、加熱炉に使用される断熱材は、グラファイト材１０と成形断熱材１１とを組み合わせて使用されている。加熱炉内の断熱構造は多数の断熱部材を積層した積層構造となっているため、加熱炉の下部に位置する断熱材には、それよりも上部に位置する全ての断熱材の重量が作用する。即ち、加熱炉の下部に位置する断熱材ほどこれに作用する圧力が大きくなる。
【０００５】
例えば、外径測定孔１２より上部に位置する断熱材の総重量は３０ｋｇを超える場合もある。このため外径測定孔１２周辺に使用する断熱材に、低強度の成形断熱材１１を使用したのでは強度不足となり、最悪の場合には、この部分の断熱材が破損し、外径測定孔１２が埋まる場合がある。このため、外径測定孔１２周辺に使用する断熱材としては、成形断熱材１１よりもグラファイト材１０が多用されていた。
【０００６】
また、外径測定器（発光側）１３から発射されたレーザ光は、外径測定孔１２を通って外径測定器（受光側）１５で受光される。この間、僅かでも発射されたレーザ光の光路が遮られると、ガラスロッド８の外径測定が不可能となる。
このため、光路を遮らないように外径測定孔１２を大きくすると、レーザ光の光路は確保される。しかしながら、外径測定孔１２を大きくすると、ガラスロッド８から外部へ放散される輻射熱の量が増し、加熱軟化途中にあるガラスロッド８の周方向での温度分布が一様でなくなり、ガラスロッド８の断面形状の非円を誘発する。
【０００７】
このため外径測定孔１２はあまり大きくできず、できるだけ小さい方が望ましい。従って、外径測定孔１２を設ける断熱材には、強度だけでなく加工精度の高い材質、具体的にはグラファイト材１０を使用する必要もある。
このようなガラス母材延伸装置を使用した、太径のガラス母材１からより細径のガラスロッド８への延伸工程は、ガラス母材１本毎にバッチ処理によって行われる。
なお、図４において、符号１６はガラス母材１とガラスロッド８が通る貫通孔であり、符号１７はガラスロッド出口、符号１８は外径測定窓、符号１９は断熱材位置決め座、符号２０は熱電対である。
【０００８】
次に、図５（ａ），（ｂ）に示すガラス母材延伸装置を用いて、バッチ間の作業工程を説明する。図５（ａ）はガラス母材１の収納容器４が密閉状態にあり、同図（ｂ）は収納容器４の前後を左右に開いて大気解放された状態を示している。
あるガラス母材の延伸終了後、次のガラス母材の延伸工程へ移行するためには、加熱炉５の上部を大気解放して、収納容器４内から延伸を終えたガラス母材終了端２１を取り出し、次のバッチの原料である大型のガラス母材１を加熱炉５内に垂下しなければならない。
【０００９】
ガラス母材の延伸中は、炉内に不活性ガスが流入されているが、密閉状態にある収納容器４を大気解放すると、大気解放された収納容器４内だけでなく加熱炉５内にも酸素が流入する。このとき、加熱炉５内部の断熱材あるいは発熱体の温度が酸化温度以上にあると、酸化によって異常劣化を生じる。例えば、カーボンの場合、約６００℃以上あると急激に酸化され劣化する。
そのため、次バッチのガラス母材をガラス母材延伸装置内に垂下させるに先立って、加熱炉５内の断熱材および発熱体の温度が、それぞれの酸化温度以下になるまで加熱炉５を冷却してから大気解放しなければならない。
しかし、延伸終了後、収納容器とともに高温かつ密閉状態にある加熱炉５内の断熱材と発熱体を、それらが酸化温度以下になるまで自然冷却するには数時間を要していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、大型ガラス母材を延伸して製造されるガラスロッドは、基本的にバッチ方式で製造される。このため、延伸終了母材と次バッチのガラス母材との入れ替えに要する装置の休止時間が、加熱炉の自然冷却に長時間を要するため延伸稼動時間よりも長く、極めて設備生産性の低いものとなっていた。
すなわち、代表的な例では、ガラス母材延伸装置に、次バッチのガラス母材を垂下するのに要する時間と延伸時間の和が約２．５時間であるのに対し、加熱炉の冷却に約３時間を要し、極めて設備生産性が低かった。
【００１１】
加熱炉の冷却速度をアップするためには、断熱材の熱容量を低下させることが有効である。断熱材の熱容量としては、グラファイト材は高密度なため３．３×１０3ｋＪ／ｍ3Ｋと大きく、他方、成形断熱材は０．２４×１０3ｋＪ／ｍ3Ｋである。従って、冷却速度のアップには、できるだけグラファイト材の使用量を減らし、成形断熱材の使用量を増やすことが有効となる。
【００１２】
しかし、その場合、前記したように成形断熱材は加工精度や強度が低いという欠点に加えて、熱劣化による体積減少がグラファイト材に比較して起こり易いという欠点がある。そのため、断熱材の交換を頻繁に行わねばならず、断熱材の製作費用・交換費用がかさむ。さらに、断熱材交換の間生産停止となり、設備生産性が低下する。その結果、製品のコストアップとなる。
また、鋼製の加熱炉筐体が高温となるため、加熱炉の熱変形や材質の変質を生じ、加熱炉の寿命が短くなる。加熱炉の交換には、多大な費用と時間がかかり、これもまた設備生産性を低下させ、製品のコストアップにつながる。
【００１３】
従来のガラス母材延伸装置の設計では、経験的なデータにもとづき加熱炉の断熱材寸法、すなわち断熱材の熱容量を決定していた。そのため、加熱炉の冷却時間を短縮するための検討は殆どなされていなかった。
そこで、本発明の目的は、ガラス母材延伸装置において加熱炉の冷却時間が可能な限り短く、かつ加熱炉筐体に対する熱負荷の少ない断熱材構造を決定することを課題としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を重ね、ガラス母材延伸装置の設備生産性を向上させるためには、バッチ間の冷却・加熱に要する時間を短縮させることが、極めて有効であることを見出し、加熱炉の断熱材の熱容量を規定することで上記課題を解決し、バッチ間隔を短縮して設備生産性を向上させたものである。
【００１５】
すなわち、本発明のガラス母材延伸装置は、ガラス母材供給機構、ガラス母材収納容器、加熱炉および引取り機構を有するガラス母材延伸装置において、該加熱炉が、筐体内部に断熱材および発熱体を備え、中心部にガラス母材の通過する貫通孔および該貫通孔を通過するガラス母材の外径を測定する外径測定孔を有し、前記断熱材がカーボン製でグラファイト材と成形断熱材とを組み合わせてなり、前記貫通孔に面する内壁面が実質的にグラファイト材および発熱体により形成され、前記断熱材の熱容量Ｑ［ｋＪ／Ｋ］と前記内壁面の表面積Ｓ［ｍ2］との比Ｑ／Ｓが、７０以上３５０以下であることを特徴としている。
なお、加熱炉の筐体底面に接する断熱材はグラファイト材とし、また、外径測定孔に接する断熱材のうち、少なくとも一部をグラファイト材とするのが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、加熱炉内部の断熱材の熱容量を規定したものであり、具体的には、加熱炉内に配設される断熱材の熱容量Ｑ［ｋＪ／Ｋ］と、ガラス母材および延伸されたガラスロッドが通る貫通孔の内壁面の表面積Ｓ［ｍ2］との比Ｑ／Ｓ（以下、単に熱容量面積比Ｑ／Ｓと称する）を７０以上３５０以下としたものである。
なお、熱容量面積比Ｑ／Ｓが７０未満では、断熱材中に占める成形断熱材の体積が多くなりすぎて断熱材の劣化消耗が激しく、断熱材の交換サイクルが短くなり、断熱材のメンテナンス費用が上昇する。このため、断熱材すなわち熱容量の過度の削減はかえって製品のコストアップを招く。また、熱容量面積比Ｑ／Ｓが３５０を超えると、熱容量が多過ぎて冷却時間が長くバッチ間隔が長くなり、設備生産性が低くなる。なお、好ましくは１００以上３００以下である。
【００１７】
このように断熱材の熱容量面積比Ｑ／Ｓを７０以上３５０以下と規定することによって、グラファイト材が占める部分の体積を従来より小さくすることができ、熱容量を必要最低限に小さくすることができる。その分、加熱炉の自然冷却に要する時間も短くなる。
なお、加熱炉の自然冷却に要する時間（以下、単に冷却時間と称する）とは、加熱炉内に設置された発熱体、グラファイト材、成形断熱材の温度が、大気から隔離された密閉状態で、延伸終了直後の温度からそれらが酸化温度以下になり、大気解放が可能となるまでに要する時間である。
【００１８】
また、加熱炉のガラス母材および延伸されたガラスロッドが通る貫通孔の内周面には、グラファイト材を配置するのが好ましい。
グラファイト材は、発熱体からの輻射熱を成形断熱材に直接あてないための遮熱板および成形断熱材の保護部材として設けられる。発熱体からの輻射熱によってグラファイト材は加熱されるが、グラファイト材の温度が発熱体の温度と同一になった平衡状態では、グラファイト材を通って成形断熱材に伝えられる熱量は、グラファイト材がない場合と比較して約２分の１となる。
【００１９】
従って、成形断熱材の表面にグラファイト材が存在すると伝熱抵抗が大きくなり、成形断熱材に伝えられる熱量が少なくなる。言い換えれば、成形断熱材を通って加熱炉筐体に作用する熱負荷が小さくなる。これは加熱炉本体の熱変形やクラックなどのトラブルの発生頻度を低減させ、結果として加熱炉の寿命を延ばすことにつながる。
【００２０】
また、加熱炉の筐体底面に接する断熱材には、グラファイト材を使用するのが好ましい。このことにより、重力による断熱材底部の変形を防止することができる。さらに、外径測定孔に接する断熱材のうち、少なくとも一部をグラファイト材とすることが好ましい。これにより重力による断熱材の破損がなくなり、外径測定孔が埋まることがなくなる。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
図２に、本発明のガラス母材延伸装置における加熱炉５の構造の一例を実施例１として示す。この加熱炉５の断熱材構造は、貫通孔１６の内壁が、管状グラファイト材２２，２３，２４および円環状グラファイト材２５，２６，２７，２８を組み合わせて形成され、これらのグラファイト材と筐体９との間には、成形断熱材１１が配置されている。外径測定孔１２周辺の断熱材には、従来よりもグラファイト材を減少させた。この装置の断熱材の熱容量Ｑは１６７ｋＪ／Ｋであり、貫通孔１６に面する内壁面の表面積Ｓは０．７５４ｍ2であった。
【００２２】
この装置を使用して、太径部１５０ｍｍφ、長さ１５００ｍｍの光ファイバ用ガラス母材１を６５ｍｍφの光ファイバ用プリフォーム８に延伸した。なお、加熱炉筐体９は水冷ジャケットを外壁に備えており（図示を省略）、常時、水道水で冷却されている。また、各温度の測定は熱電対２０により測定した。加熱炉内の温度は２０００℃に設定し、延伸終了後、断熱材の温度が５００℃に低下するまでの時間を測定したところ、２．０時間を要した。また、延伸中の筐体９の内壁温度は２４℃であった。これらの結果を表１に示した。
【００２３】
（実施例２，３）
使用するグラファイト材及び成形断熱材の厚さを変更して、断熱材の熱容量を表１のように変更した以外は、実施例１と同様にして光ファイバ用ガラス母材の延伸を行った。
その結果は表１に示した通りである。
【００２４】
（比較例１）
断熱材の構成を、図４に示す構成に変更した以外は、実施例１と同様にして、光ファイバ用ガラス母材の延伸を行った。その結果を表１に示す。
【００２５】
（比較例２）
断熱材の構成を、図３に示す構成に変更した以外は、実施例１と同様にして、光ファイバ用ガラス母材の延伸を行った。その結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
0004360585.tif 000002
【００２７】
表１の結果から明らかなように、実施例１〜３においては、加熱炉筐体の内壁温度は適度に低く保たれ、また、断熱材の冷却時間も増大しすぎることはない。これに対して、比較例１においては、断熱材の熱容量が大きいため熱容量面積比Ｑ／Ｓが大きくなり、加熱炉筐体の内壁温度は低く保たれるが、断熱材の冷却時間が大きくなっている。比較例２においては、断熱材の熱容量が小さいため熱容量面積比Ｑ／Ｓが小さくなり、断熱材の冷却時間は小さくなるが、加熱炉筐体の内壁温度が高くなっている。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のガラス母材延伸装置の加熱炉に、上記断熱材構造を採用することで、バッチ間の作業時間は短縮され、加熱炉の延伸サイクルタイムを短縮することができる。さらに、鋼製の加熱炉筐体に過大な熱負荷が作用しないため、加熱炉の熱変形などのトラブルが少なくなる。その結果、装置の設備生産性を向上させ、製品のコストダウンに貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガラス母材延伸装置の概略を示す概略縦断面図である。
【図２】  本発明のガラス母材延伸装置における加熱炉の一例を示す概略縦断面図である。
【図３】  比較例２で使用した加熱炉の断面構造を示す概略縦断面図である。
【図４】  従来の加熱炉（比較例１）の断面構造を示す概略縦断面図である。
【図５】  バッチ間の作業工程を説明する図であり、（ａ）は、密閉状態にある収納容器４へのガラス母材の垂下工程を示し、（ｂ）は大気解放された状態にある収納容器４からのガラス母材終了端の取出し工程を示している。
【符号の説明】
１    ガラス母材
２    供給機構
３    垂下軸
４    収納容器
５    加熱炉
６    発熱体
７    引取り機構
８    ガラスロッド（プリフォーム）
９    加熱炉筐体
１０    グラファイト材
１１    成形断熱材
１２    外径測定孔
１３    外径測定器（発光側）
１５    外径測定器（受光側）
１６    貫通孔
１７    ガラスロッド出口
１８    外径測定窓
１９    断熱材位置決め座
２０    熱電対
２１    ガラス母材終了端
２２，２３，２４    管状グラファイト材
２５〜２８、３１ａ，ｂ、３２ａ，ｂ、３３ａ，ｂ    円環状グラファイト材
３０    ガラス母材軟化部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0004360585.tif 000006
【図５】
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