JP2002211942A

JP2002211942A - ガラス母材延伸装置

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Publication number: JP2002211942A
Application number: JP2001002492A
Authority: JP
Inventors: Mitsukuni Sakashita; 光邦坂下
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2002-07-31
Anticipated expiration: 2021-01-10
Also published as: JP4360585B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】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提供する。【解決手段】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５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５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１の通過する貫通孔１６および該貫通孔１
６を通過するガラス母材１の外径を測定する外径測定孔
１２を有し、貫通孔１６に面する内壁面が実質的に前記
断熱材の一部および発熱体６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［ｍ
²］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。

Description

【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１１−７９
７７８号公報参照)。加工精度の面では、成形断熱材１
１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１
０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１
２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、貫通孔に面する内壁面が実質的に前記断熱材の一
部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、断熱材はカーボン製とし、グラファイト材お
よび成形断熱材よりなるものとするのが好ましい。貫通
孔に面する内壁面に使用する断熱材および加熱炉の筐体
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
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０．７５
４ｍ²であった。

【００２２】この装置を使用して、太径部１５０ｍｍ
φ、長さ１５００ｍｍの光ファイバ用ガラス母材１を６
５ｍｍφ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】

【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

Claims

【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、貫通孔に面する内壁面が実質的に前記断熱
材の一部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】前記断熱材がカーボン製であり、グラフ
ァイト材および成形断熱材よりなる請求項１に記載のガ
ラス母材延伸装置。
【請求項３】貫通孔に面する内壁面に使用する断熱材
がグラファイト材である請求項１又は２に記載のガラス
母材延伸装置。
【請求項４】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乃至３のいずれかに記載のガ
ラス母材延伸装置。
【請求項５】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乃至４のい
ずれかに記載のガラス母材延伸装置。