JP7777404B2

JP7777404B2 - 多孔質ガラス体の加熱装置

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Publication number: JP7777404B2
Application number: JP2021122763A
Authority: JP
Inventors: 明小倉
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2025-11-28
Anticipated expiration: 2041-07-27
Also published as: JP2023018553A

Description

本発明は、多孔質ガラス体の加熱装置に関する。

光ファイバの製造に用いる光ファイバ用母材を製造する方法として、ＯＶＤ法（Outside Vapor Deposition method）やＶＡＤ法（Vapor Phase Axial Deposition method）等を用いてガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス体を形成し、当該多孔質ガラス体を加熱して脱水及び焼結させる方法が知られている。

下記特許文献１には、多孔質ガラス体を加熱して脱水処理や焼結処理を行う多孔質ガラス体の加熱装置が開示されている。この加熱装置は、上下方向に延在し多孔質ガラス体を収容可能な炉心管と、炉心管の外側に配置されて多孔質ガラス体を加熱するヒータと、炉心管の外周面の一部及びヒータを囲う炉体と、を備える。また、この加熱装置は、炉体の上方において炉心管の外周面を囲う上側断熱部と、炉体の下方において炉心管の外周面を囲う下側断熱部と、を備える。

特開平５－３３９０２４号公報

上記の加熱装置では、炉体、上側断熱部、及び下側断熱部が炉心管の外周面を囲っており、これら部材から成る部位によって炉心管からの放熱を抑制している。また、この加熱装置では、炉心管の底部に設けられる給気口から炉心管内に脱水用のガスが供給され、当該ガスは、上端部の開口から排気される。このため、炉心管内では、ガスが下側から上側に流れる。このガスの流れに起因してヒータによる熱は下側から上側に向かって輸送され、炉心管内の温度は、ヒータを基準とする上側が下側より高温となる傾向にある。しかし、この加熱装置では、このような熱の偏りが考慮されておらず、炉心管からの放熱を抑制している上記の部位は、ヒータの中心を基準として上下に概ね対称である。このため、この部位のうちヒータの中心より上側における外周面から放出される熱量は、下側における外周面から放出される熱量より大きい。つまり、炉心管における高温となる上側の部位から放出される熱量が多い。このため、炉心管からの放熱を抑制する部材には、多孔質ガラス体を適切に加熱するための改善の余地がある。

そこで、本発明は、多孔質ガラス体を適切に加熱し得る多孔質ガラス体の加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的の達成のため、本発明の多孔質ガラス体の加熱装置は、多孔質ガラス体を収容可能な内部空間、前記内部空間に連通する給気口、及び前記給気口より上方において前記収容間に連通する排気口を有し、上下方向に延在する炉心管と、前記給気口と前記排気口との間において前記炉心管の外周面を囲う断熱部と、前記炉心管と前記断熱部との間において前記断熱部によって囲われ、前記多孔質ガラス体を加熱するヒータと、前記給気口から前記内部空間にガスを供給するガス供給部と、を備え、前記ヒータによって前記多孔質ガラス体を加熱する状態において、前記断熱部のうち前記ヒータの中心より上側における外周面から放出される熱量が、前記ヒータの前記中心より下側における外周面から放出される熱量以下であることを特徴とするものである。

この多孔質ガラス体の加熱装置では、上記のように、給気口から内部空間にガスが供給されるため、内部空間のうち給気口と当該給気口より上方に位置する排気口との間では、ガスが下方から上方に向かって流れる。このようなガスの流れが生じている部位の炉心管の外周面を断熱部が囲う。このため、内部空間のうち断熱部によって囲われる部位では、ヒータを基準とする上側が下側より高温となる。しかし、上記のように、断熱部のうちヒータの中心より上側における外周面から放出される熱量が、下側における外周面から放出される熱量以下である。このため、炉心管の外周面から放出される熱量が上記特許文献１と同じであっても、上記特許文献１の加熱装置と比べて、炉心管のうちヒータより上側における外周面から放出される熱量を低減し得、所定の温度以上となる高温領域を広くし得る。従って、この多孔質ガラス体の加熱装置によれば、多孔質ガラス体を適切に加熱し得る。

前記断熱部は、前記ヒータを囲う中央断熱部と、前記中央断熱部の上端から前記炉心管に沿って延在し前記炉心管の外周面を囲う上側断熱部と、前記中央断熱部の下端から前記炉心管に沿って延在し前記炉心管の外周面を囲う下側断熱部とから成り、前記炉心管の径方向における前記上側断熱部の厚みは、前記下側断熱部の厚みより大きいこととしてもよい。

このような構成によれば、上側断熱部の熱伝導率が下側断熱部の熱伝導率と同じであっても、上記の高温領域を広くし易い。

この場合、前記上側断熱部及び前記下側断熱部は円筒状であり、前記上側断熱部及び前記下側断熱部のそれぞれの外径と内径とは、延在方向において一定であり、前記ヒータの中心から前記上側断熱部の下端までの距離と前記ヒータの中心から前記下側断熱部の上端までの距離が同じであり、前記上側断熱部の長さは、前記下側断熱部の長さと同じであり、前記上側断熱部の熱伝導率は、前記下側断熱部の熱伝導率と同じであり、前記上側断熱部及び前記下側断熱部の容積の合計に対する前記下側断熱部の容積の比は、０．３６より大きく、０．４９以下であることとしてもよい。

本発明者は、上記の比が上記の範囲であることによって、光ファイバ用母材の一部となる多孔質ガラス体を加熱する際の一般的な条件において、装置が大型化することを抑制しつつ上側断熱部及び下側断熱部から放出される熱量の合計が少なくなるようにし得ることを見出した。このため、この多孔質ガラス体の加熱装置によれば、装置が大型化することを抑制しつつ炉心管からの放熱量を低減し得る。

或いは、前記上側断熱部における前記中央断熱部側の厚みは、前記上側断熱部における前記中央断熱部側と反対側の厚みより大きいこととしてもよい。

炉心管における上側断熱部によって囲われる部位では、中央断熱部側の温度が中央断熱部側と反対側の温度より高くなる。このため、このような構成にすることで、上側断熱部における中央断熱部側の厚みが中央断熱部側と反対側の厚みより小さい場合と比べて、高温領域を広くし易い。

以上のように、本発明によれば、多孔質ガラス体を適切に加熱し得る多孔質ガラス体の加熱装置が提供される。

本発明の実施形態に係る多孔質ガラス体の加熱装置を概略的に示す図である。炉心管の内部空間の温度と当該炉心管の延在方向に沿った位置との関係の一例を示すグラフである。断熱部の外周面から放出される熱量に関するグラフである。測定結果を示すグラフである。

以下、本発明に係る多孔質ガラス体の加熱装置が添付図面とともに例示される。以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができる。なお、以下で参照する図面では、理解を容易にするために、各部材の寸法を変えて示す場合がある。

図１は、本発明の実施形態に係る多孔質ガラス体の加熱装置を概略的に示す図である。図１に示すように、本実施形態の多孔質ガラス体の加熱装置１は、加熱炉３０と、昇降部６０と、ガス供給部６５と、を主な構成として備え、多孔質ガラス体２０を加熱して、当該多孔質ガラス体２０の脱水及び焼結をするように構成される。図１に例示される多孔質ガラス体２０は、光ファイバのコアを形成するためのコアガラスロッドとなる多孔質ガラス体である。しかし、多孔質ガラス体は、特に制限されるものではなく、例えば、コアを囲うクラッドを形成するためのクラッドガラス体となるものであってもよい。

本実施形態の加熱炉３０は、炉心管３１と、断熱部４０と、ヒータ３５と、を主な構成として備える。

炉心管３１は、上下方向に延在する筒状部材であり、内部空間３１Ｓに多孔質ガラス体２０を収容可能である。炉心管３１の内径及び外径は、延在方向において概ね一定である。炉心管３１の下側の開口は下側蓋部３２によって塞がれ、上側の開口は上側蓋部３３によって塞がれる。本実施形態では、炉心管３１と下側蓋部３２とが一体に形成されているが、炉心管３１と下側蓋部３２とが別体に形成されてもよい。上側蓋部３３には、多孔質ガラス体２０を吊り下げるための支持棒２２を挿入する貫通孔が形成されている。支持棒２２の下端には接続部２３が設けられ、多孔質ガラス体２０が堆積されたガラスロッド２４がこの接続部２３に接続されている。また、炉心管３１には、内部空間３１Ｓに連通する給気口Ｓ１と当該給気口Ｓ１より上方において内部空間３１Ｓに連通する排気口Ｅ１が形成されている。本実施形態では、給気口Ｓ１は炉心管３１の下端部近傍に形成され、排気口Ｅ１は炉心管３１の上端部近傍に形成されている。炉心管３１、下側蓋部３２、及び上側蓋部３３を構成する材料として、例えば、石英、カーボン等が挙げられる。

断熱部４０は給気口Ｓ１と排気口Ｅ１との間において炉心管３１の外周面を囲うように構成され、ヒータ３５は炉心管３１と断熱部４０との間において断熱部４０によって囲われる。

本実施形態の断熱部４０は、中央断熱部４１と、下側断熱部５１と、上側断熱部５２とから成る。

本実施形態の中央断熱部４１は、筐体４２と内部断熱部４３とから成り、概ね上下対称の構成とされる。本実施形態の筐体４２は、上下方向に延在する円筒状の周壁４２ａと当該周壁４２ａの上方側の開口を塞ぐ上壁４２ｂと周壁４２ａの下方側の開口を塞ぐ下壁４２ｃとによって、概ね上下対称の中空の箱状に形成される。また、本実施形態の筐体４２は、冷却機能を有する。具体的には、周壁４２ａ、上壁４２ｂ、及び下壁４２ｃのそれぞれの内部には、図示しない流路が形成されており、当該流路を図示しない冷却水供給部から供給される冷却水が流れる。流路に冷却水が流れることによって筐体４２が冷却され、熱による筐体４２の損傷が抑制される。なお、筐体４２は冷却機能を有さなくてもよい。上壁４２ｂ及び下壁４２ｃのそれぞれの中心部には、上下方向に貫通する貫通孔が形成されており、当該貫通孔に炉心管３１が挿入される。炉心管３１の上端部及び下端部のそれぞれは、筐体４２から突出しており、筐体４２は上下方向における炉心管３１の中央部を囲い、炉心管３１と筐体４２とによって囲われる空間が形成されている。

内部断熱部４３は、断熱材から構成され、炉心管３１と筐体４２とによって囲われる空間において、炉心管３１を囲う筒状に形成される。本実施形態では、内部断熱部４３の内周面に環状の窪み部４４が形成されている。上下方向における窪み部４４の中心は、上下方向における中央断熱部４１の中心と概ね一致しており、内部断熱部４３の形状は窪み部４４の中心を基準として概ね上下対称の形状である。このため、本実施形態の中央断熱部４１は、窪み部４４を基準として概ね上下対称の構成である。内部断熱部４３の外周面は周壁４２ａに接し、内周面における窪み部４４以外の部位は炉心管３１に接し、上端面は上壁４２ｂに接し、下端面は下壁４２ｃに接している。なお、内部断熱部４３と筐体４２とが離隔していてもよく、内部断熱部４３と炉心管３１とが離隔していてもよい。この場合、これら部材間の隙間は、例えば２ｍｍ以下であることが好ましい。また、内部断熱部４３の内周面には窪み部４４が形成されなくてもよい。また、内部断熱部４３の熱伝導率は、長さ方向及び径方向において一定とされる。内部断熱部４３を構成する材料として、例えば、カーボン等が挙げられる。

本実施形態のヒータ３５は、リング状に形成されており、内部断熱部４３の窪み部４４内に配置されて炉心管３１を囲っている。上下方向におけるヒータ３５の中心は、上下方向における窪み部４４の中心と一致している。このため、上記の中央断熱部４１は、ヒータ３５の中心を基準として上下対称の構成である。なお、図１には、ヒータ３５の上下方向の中心を通り水平方向に延びる破線ＤＬが示されている。ヒータ３５が発熱することで炉心管３１が加熱され、炉心管３１の内部空間３１Ｓに収容される多孔質ガラス体２０が加熱される。このようなヒータ３５は、炉心管３１と断熱部４０における中央断熱部４１との間に位置し、当該中央断熱部４１の内部断熱部４３によって囲われている。このため、内部断熱部４３によって、ヒータ３５の熱を効果的に炉心管３１に伝達することができる。また、炉心管３１における内部断熱部４３によって囲われる部位から熱が放出されることが抑制される。なお、ヒータ３５は、複数の加熱部に分割されて構成され、これら複数の加熱部が炉心管３１を囲うように不連続に窪み部４４内に配置されてもよい。また、内部断熱部４３が窪み部４４を有さない場合には、炉心管３１の外周面と内部断熱部４３と間に配置される。ヒータ３５として、例えばカーボン製のヒータが挙げられる。

下側断熱部５１は、断熱材から構成され、中央断熱部４１の下端から炉心管３１に沿って延在して炉心管３１の外周面を囲う筒状に形成される。このため、炉心管３１における下側断熱部５１によって囲われる部位から熱が放出されることが抑制される。本実施形態では、下側断熱部５１は、長さ方向において外径及び内径が一定の円筒状に形成される。また、下側断熱部５１の内周面は炉心管３１に接し、上端は中央断熱部４１の上端に接している。なお、下側断熱部５１と炉心管３１とは離隔していてもよい。この場合、下側断熱部５１と炉心管３１との隙間は、例えば２ｍｍ以下であることが好ましい。また、本実施形態では、下側断熱部５１の下端は、炉心管３１の下端より上方に位置している。また、下側断熱部５１の熱伝導率は、長さ方向及び径方向において一定とされる。下側断熱部５１を構成する材料として、例えば、多孔質のセラミックが挙げられる。

上側断熱部５２は、断熱材から構成され、中央断熱部４１の上端から炉心管３１に沿って延在して炉心管３１の外周面を囲う筒状に形成される。このため、炉心管３１における上側断熱部５２によって囲われる部位から熱が放出されることが抑制される。本実施形態の上側断熱部５２の形状は、下側断熱部５１の形状において外径のみを大きくした円筒形状とされる。このため、上側断熱部５２の外径及び内径は長さ方向において一定であり、上側断熱部５２の内径は下側断熱部５１の内径と同じあり、上側断熱部５２の長さは下側断熱部５１の長さと同じであり、上側断熱部５２の径方向の厚みは下側断熱部５１の径方向の厚みより大きい。また、上側断熱部５２の熱伝導率は、長さ方向及び径方向において一定であり、下側断熱部５１の熱伝導率と同じとされる。また、上側断熱部５２の内周面は炉心管３１に接し、上端は中央断熱部４１の上端に接している。なお、上側断熱部５２と炉心管３１とは離隔していてもよい。この場合、上側断熱部５２と炉心管３１との隙間は、例えば２ｍｍ以下であることが好ましい。また、本実施形態では、ヒータ３５の中心から上側断熱部５２の下端までの距離とヒータ３５の中心から下側断熱部５１の上端までの距離が同じである。なお、この距離は、上下方向における距離である。また、上側断熱部５２の上端は炉心管３１の上端より下方に位置している。下側断熱部５１を構成する材料として、例えば、多孔質のセラミックが挙げられる。

このような中央断熱部４１、下側断熱部５１、及び上側断熱部５２から成る本実施形態の断熱部４０の上下方向における中心は、上下方向における窪み部４４の中心であり、断熱部４０の中心がヒータ３５の中心と概ね一致している。

昇降部６０は、把持する支持棒２２を昇降して多孔質ガラス体２０を上下に移動するように構成される。昇降部６０の構成は特に制限されるものではない。

ガス供給部６５は、給気口Ｓ１に接続される配管６６を介して内部空間３１Ｓに、塩素系ガスを含むガスを供給する。内部空間３１Ｓに供給されるガスは、排気口Ｅ１から排気管６７に排気される。上下方向における給気口Ｓ１と排気口Ｅ１との距離は、多孔質ガラス体２０の上下方向の長さより大きい。本実施形態では、ガスは塩素系ガス及び不活性ガスの混合ガスとされ、塩素系ガスとして、例えば、塩素、ＳｉＣｌ_４、塩化チオニル（ＳＯＣｌ₂）等が挙げられ、不活性ガスとして、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ₂等が挙げられる。

次に、多孔質ガラス体の加熱装置１を用いた多孔質ガラス体２０の加熱方法について説明する。

まず、多孔質ガラス体２０を準備する。多孔質ガラス体２０は、ＯＶＤ法やＶＡＤ法などのスート法によって形成することができる。本実施形態では、ＶＡＤ法によって、準備したガラスロッド２４の一端部から当該ガラスロッド２４の軸方向に沿うようにガラス微粒子を堆積させて、多孔質ガラス体２０を得る。

次に、多孔質ガラス体２０を加熱して脱水処理を行う。得られた多孔質ガラス体２０を支持棒２２に吊り下げ、当該多孔質ガラス体２０を炉心管３１の内部空間３１Ｓに収容させる。また、ガス供給部６５によって、給気口Ｓ１からガスを内部空間３１Ｓに供給し、当該内部空間３１Ｓにガスを充填するとともに、内部空間３１Ｓのガスを排気口Ｅ１から排気管６７へ排気する。このため、内部空間３１Ｓのうち給気口Ｓ１と排気口Ｅ１との間では、下方から上方に向かうガスの流れが生じている。

このようにガスが供給されている状態で、ヒータ３５を発熱させて炉心管３１を加熱する。図２は、炉心管３１の内部空間３１Ｓの温度と当該炉心管３１の延在方向に沿った位置との関係の一例を示すグラフであり、多孔質ガラス体２０を脱水処理する際の温度と位置との関係を示すグラフである。なお、図２のグラフの縦軸は、炉心管３１の上端を基準とした延在方向における位置である。また、位置ｐ１は上側断熱部５２の上端であり、位置ｐ２は上側断熱部５２の下端であり、位置ｐ３はヒータ３５の中心であり、位置ｐ４は下側断熱部５１の上端であり、位置ｐ５は下側断熱部５１の下端である。図２に示すように、内部空間３１Ｓの温度は、ヒータ３５の中心付近で最も高く、ヒータ３５から離れるにつれて低くなる。また、内部空間３１Ｓの温度は、ヒータ３５を基準とする上側が下側より高温となっている。このような熱の偏りは、ガス供給部６５から供給されるガスの流れに起因している。

このように炉心管３１が加熱されている状態で、昇降部６０によって多孔質ガラス体２０の全体がヒータ３５を横切るように、多孔質ガラス体２０を所定の速度で上方から下方へ移動させる。このため、多孔質ガラス体２０がヒータ３５によって加熱される。この加熱により、ガス供給部６５からのガスに含まれる塩素系ガスによって、多孔質ガラス体２０の表面におけるＯＨ基や表面に付着した水分が除去される。なお、多孔質ガラス体２０がヒータ３５を複数回横切るように、多孔質ガラス体２０を上下方向に往復移動させてもよい。また、加熱温度は、多孔質ガラス体２０の焼結温度より低い温度でかつ多孔質ガラス体２０から水分を除去できる温度であればよく、例えば、１０００℃以上１２００℃以下であることが好ましい。なお、この加熱温度は、内部空間３１Ｓにおけるヒータ３５近傍での温度である。加熱温度が１０００℃以上であることによって、多孔質ガラス体２０から水分を除去する時間を短縮し得、加熱温度が１２００℃以下であることによって、多孔質ガラス体２０が軟化することを十分に抑制し得る。

次に、多孔質ガラス体２０を加熱して焼結処理を行う。本実施形態では、上記の脱水処理と連続して行う。昇降部６０によって、多孔質ガラス体２０をヒータ３５より上方に位置させる。内部空間３１Ｓにおけるヒータ３５近傍での温度が、多孔質ガラス体２０が焼結して透明ガラス化する温度、例えば、１３００℃以上１６００℃以下となるようにヒータ３５を発熱させる。この際、脱水処理と同様に、内部空間３１Ｓには、ガス供給部６５によってガスが供給されている。この際の内部空間３１Ｓの温度は、脱水処理のときと同様に、ヒータ３５の中心付近で最も高く、ヒータ３５から離れるにつれて低くなっており、ヒータ３５を基準とする上側が下側より高温となっている。この状態で、昇降部６０によって多孔質ガラス体２０の全体がヒータ３５を横切るように、多孔質ガラス体２０を所定の速度で上方から下方へ移動させる。このため、多孔質ガラス体２０がヒータ３５によって加熱されて焼結する。なお、多孔質ガラス体２０がヒータ３５を複数回横切るように、多孔質ガラス体２０を上下方向に往復移動させてもよい。このようにして、多孔質ガラス体２０が透明ガラス化され、光ファイバのコアを形成するためのコアガラスロッドとなる。

このようにして得られたコアガラスロッドから光ファイバを形成するための光ファイバ用母材を製造することができる。例えば、得られたコアガラスロッドにＯＶＤ法によってガラス微粒子を堆積させて光ファイバのクラッドを形成するためのクラッドガラス体となる多孔質ガラス体を形成する。次に、上記の脱水処理及び焼結処理と同様に、当該多孔質ガラス体を加熱して脱水処理及び焼結処理を行う。コアガラスロッドはこの加熱によってほとんど変化することなく光ファイバのコアとなるコアガラス体となり、多孔質ガラス体は透明ガラス化されて光ファイバのクラッドとなるクラッドガラス体となる。そして、コアガラス体と当該コアガラス体の外周面がクラッドガラス体によって囲われた光ファイバ用母材を得ることができる。この光ファイバ用母材を加熱して線引きすることで、コアの外周がクラッドによって囲われた光ファイバを得ることができる。

ここで、上記のように、多孔質ガラス体の加熱装置１における炉心管３１は断熱部４０によって囲われている。このため、ヒータ３５によって多孔質ガラス体２０を加熱する脱水及び焼結処理を行う状態において、炉心管３１のうち断熱部４０によって囲われている部位の外周面から放出される熱は断熱部４０を介して放出される。この断熱部４０のうちヒータ３５の中心より上側における外周面は、中央断熱部４１におけるヒータ３５の中心より上側における外周面の全体と、上側断熱部５２の外周面の全体とから成る。一方、断熱部４０のうちヒータ３５の中心より下側における外周面は、中央断熱部４１におけるヒータ３５の中心より下側における外周面の全体と、下側断熱部５１の外周面の全体とから成る。本実施形態では、上側断熱部５２の外径を下側断熱部５１の外径より大きくすることで、上側断熱部５２の断熱性能を下側断熱部５１の断熱性能より高くしている。そして、断熱部４０のうちヒータ３５の中心より上側における外周面から放出される熱量を、ヒータ３５の中心より下側における外周面から放出される熱量以下にしている。なお、本実施形態では、断熱部４０の中央断熱部４１は、ヒータ３５の中心を基準として概ね上下対称の構成である。また、上側断熱部５２が囲う炉心管３１の外周面の範囲と下側断熱部５１が囲う炉心管３１の外周面の範囲は、ヒータ３５の中心を基準として概ね上下対称である。しかし、図２に示すように、炉心管３１の内部空間３１Ｓにおけるヒータ３５より上側は、下側より高温である。このため、このような熱の偏りも考慮したうえで、断熱部４０の外周面から放出される熱量が上記のようになるように、中央断熱部４１、下側断熱部５１、及び上側断熱部５２の上下方向の長さ、これらの外径が調節されている。

なお、本実施形態では、断熱部４０に冷却機能を有する筐体４２が含まれる。このように断熱部４０に冷却機能を有する部材が含まれる場合、断熱部４０のうちヒータ３５の中心より上側における外周面から放出される熱量には、当該外周面から放出される熱量と、冷却機能を有する部材のうちヒータ３５の中心より上側における部位から冷却機能によって放出される熱量とが含まれるものとする。このため、本実施形態では、断熱部４０のうちヒータ３５の中心より上側における外周面から放出される熱量には、筐体４２のうちヒータ３５の中心より上側における部位から冷却機能によって放出される熱量が含まれる。また、断熱部４０のうちヒータ３５の中心より下側における外周面から放出される熱量には、上側における外周面から放出される熱量と同様に、筐体４２のうちヒータ３５の中心より下側における部位から冷却機能によって放出される熱量が含まれる。

本実施形態の断熱部４０における内部断熱部４３、下側断熱部５１、及び上側断熱部５２は、冷却機能を有さない円筒状の部材である。このような円筒状の部材において内周面から外周面へ伝わって当該外周面から放出される熱量Ｑは、フーリエの法則により、以下の式（１）で表すことができる。
なお、Ｔ（ｘ）は部材の一端を基準とした延在方向における位置ｘでの内周面の温度と外周面の温度との差、Ｄ_in（ｘ）は位置ｘでの内径、Ｄout（ｘ）は位置ｘでの外径、ｋ（ｘ）は位置ｘでの径方向における熱伝導率の平均値、Ｌは部材の長さである。ここで、下側断熱部５１の上端面及び内部断熱部４３の下端面は、冷却機能を有する筐体４２の下壁４２ｃに接し、上側断熱部５２の下端面及び内部断熱部４３の上端面は、筐体４２の上壁４２ｂに接している。このため、下側断熱部５１の上端面、内部断熱部４３の下端面及び上端面、上側断熱部５２の下端面から筐体４２の冷却機能に熱が放出される。しかし、上記のような脱水及び焼結処理を行う状態では、このように放出される熱量は、それぞれの部材の外周面から放出される熱量に比べて無視できる程度に小さい。このため、内部断熱部４３、下側断熱部５１、及び上側断熱部５２のそれぞれの外周面から放出される熱量は、概ね上記の式（１）で近似できる。ここで、下側断熱部５１及び上側断熱部５２の外周面は、断熱部４０の外周面の一部であり、以下では、下側断熱部５１及び上側断熱部５２の外周面から放出される熱量について詳細に説明する。

本実施形態では、上記のように、炉心管３１の外径は長さ方向において一定であり、下側断熱部５１及び上側断熱部５２の内周面は炉心管３１に接している。また、下側断熱部５１及び上側断熱部５２の外径は延在方向において一定であり、下側断熱部５１の長さは、上側断熱部５２の長さと同じであり、下側断熱部５１の熱伝導率は、上側断熱部５２の熱伝導率と同じである。このため、下側断熱部５１における内周面の温度と外周面の温度との差をΔＴ_１、上側断熱部５２における内周面の温度と外周面の温度との差をΔＴ_２、炉心管３１の外径をＤ_０、下側断熱部５１の外径をＤ_１、上側断熱部５２の外径をＤ_２、下側断熱部５１及び上側断熱部５２の熱伝導率をｋ、下側断熱部５１及び上側断熱部５２の長さをＬとすると、下側断熱部５１の外周面から放出される熱量Ｑ_１は、以下の式（２）で表され、上側断熱部５２の外周面から放出される熱量Ｑ_２は、以下の式（３）で表される。
また、下側断熱部５１の断面積Ａ_１は、以下の式（４）で表され、上側断熱部５２の断面積Ａ_２は、以下の式（５）で表される。
また、断面積Ａ_１と断面積Ａ₂との合計をＡ、下側断熱部５１及び上側断熱部５２の容積の合計に対する下側断熱部５１の容積の比をβとすると、断面積Ａ_１は、以下の式（６）で表され、断面積Ａ_２は、以下の式（７）で表される。
そして、上記の式（４）及び式（６）に基づいて、下側断熱部５１の外径Ｄ_１は、以下の式（８）で表され、上記の式（５）及び式（７）に基づいて、上側断熱部５２の外径Ｄ_２は、以下の式（９）で表される。

ここで、ΔＴ_１に対するΔＴ_２の比をα、炉心管３１の外径を直径とする円の面積をＡ₀とすると、上記の式（２）及び式（８）に基づいて、熱量Ｑ_１は、以下の式（１０）で表され、上記の式（３）及び式（９）に基づいて、熱量Ｑ_２は、以下の式（１１）で表され、熱量Ｑ_１と熱量Ｑ_２との合計の熱量Ｑは、以下の式（１２）で表される。
面積Ａ_０に対するＡの比をＣとすると、上記の式（１２）におけるβに依存する部分ｆ（α,β）は、以下の式（１３）で表される。

図３は、断熱部の外周面から放出される熱量に関するグラフである。具体的には、図３のグラフは、ｆ（α,β）と比βとの関係を示すグラフの一例であり、比Ｃを１とし、比αを１．５、２、３、５とする際のそれぞれにおけるｆ（α,β）と比βとの関係を示すグラフである。下側断熱部５１及び上側断熱部５２の両方が存在するものとすると、比βの範囲は、ゼロより大きく、１未満となる。そして、図３のグラフから、ｆ（α,β）はこの範囲で最小値となり、比αが大きくなるほどｆ（α,β）が最小となる比βの値が小さくなることが分かる。なお、図３には、ｆ（α,β）が最小となる位置に丸い印が付されている。

ここで、上記のように、内部空間３１Ｓに供給されるガスの流れに起因して、内部空間３１Ｓのうち断熱部４０によって囲われる部位では、ヒータ３５を基準とする上側が下側より高温となる。比αが１より大きいという条件をｆ（α,β）に適用する場合、ｆ（α,β）が最小値となる比βは、０．５未満となる。これにより、下側断熱部５１の外周面から放出される熱量Ｑ_１と上側断熱部５２の外周面から放出される熱量Ｑ_２との合計の熱量Ｑを最小とする最適な比βが存在し、比αが大きいほど熱量Ｑが最小となる比βを小さくすべきという指針が得られる。

上記の比αは、炉心管３１の外径Ｄ_０、炉心管３１の内部空間３１Ｓに供給されるガスの種類、当該ガスの流量、加熱温度等の条件によって変化する。そこで、以下に示す４つの条件ａ，ｂ，ｃ，ｄにおいて、炉心管３１の外周面の温度と断熱部４０の外周面の温度との差を測定した。その結果を図４に示す。条件aでは、ガスの種類はヘリウムであり、ガスの流量は３ＳＬＭであり、内部空間３１Ｓにおけるヒータ３５の近傍の温度が概ね１４００℃である。条件ｂでは、ガスの種類はヘリウムであり、ガスの流量は３ＳＬＭであり、内部空間３１Ｓにおけるヒータ３５の近傍の温度が１１００℃である。条件ｃでは、ガスの種類はヘリウムであり、ガスの流量は３ＳＬＭであり、内部空間３１Ｓにおけるヒータ３５の近傍の温度が概ね１４００℃である。条件ｄでは、ガスの種類はヘリウムであり、ガスの流量は３ＳＬＭであり、内部空間３１Ｓにおけるヒータ３５の近傍の温度が概ね１０００℃である。これらの条件は、光ファイバ用母材の一部となる多孔質ガラス体を加熱する際の一般的な条件である。また、これらの条件では、下側断熱部５１の外径Ｄ_１と上側断熱部５２の外径Ｄ_２とは５００ｍｍであった。

図４のグラフにおいて、横軸はヒータ３５の中心を基準とする上下方向の相対位置であり、１．０は下側断熱部５１の下端であり、－１．０は上側断熱部５２の上端である。また、０．２付近が中央断熱部４１の下端であり、－０．２付近が中央断熱部４１の上端である。また、縦軸は、炉心管３１の外周面の温度と断熱部４０の外周面の温度との差であるが、当該差の値は、最大値で割ることによって正規化された値である。図３に示される結果から、下側断熱部５１の外周面の温度の平均値に対する上側断熱部５２の外周面の温度の平均値の比を、上記の比αとして算出した。条件aでの比αは２．４であり、条件ｂでの比αは１．６であり、条件ｃでの比αは１．９であり、条件ｄでの比αは１．１であった。このため、光ファイバ用母材の一部となる多孔質ガラス体を加熱する一般的な条件において、αは１．１以上、２．４以下であることが分かった。

ここで、上記の比Ｃは、炉心管３１の外径を直径とする円の面積Ａ_０に対する、下側断熱部５１の断面積Ａ_１と上側断熱部５２の断面積Ａ₂との合計Ａの比である。このため、Ｃが大きくなるほど下側断熱部５１や上側断熱部５２が大きくなり、多孔質ガラス体の加熱装置１が大きくなる。このため、装置が大型化することを抑制する観点では、Ｃは３０以下であることが好ましい。そして、上記の式（１３）で示されるｆ（α,β）において、比Ｃが３０以下、比αが１．１以上、２．４以下である制限を与えた際に、ｆ（α,β）が最小値となる比βが０．３６より大きく、０．４９以下であることを得た。このようにして、本発明者は、この比βがこの範囲であることによって、光ファイバ用母材の一部となる多孔質ガラス体を加熱する際の一般的な条件において、装置が大型化することを抑制しつつ上側断熱部５２及び下側断熱部５１から放出される熱量の合計が少なくなるようにし得ることを見出した。そして、本実施形態の多孔質ガラス体の加熱装置１では、上記の比βが上記の範囲となるように、下側断熱部５１及び上側断熱部５２の外径Ｄ_１，Ｄ_２が設定されている。

以上説明したように、本実施形態の多孔質ガラス体の加熱装置１は、上下方向に延在する炉心管３１と、断熱部４０と、ヒータ３５と、ガス供給部６５と、を備える。炉心管３１は、多孔質ガラス体２０を収容可能な内部空間３１Ｓ、当該内部空間３１Ｓに連通する給気口Ｓ１、及び当該給気口Ｓ１より上方において内部空間３１Ｓに連通する排気口Ｅ１を有する。断熱部４０は、給気口Ｓ１と排気口Ｅ１との間において炉心管３１の外周面を囲う。ヒータ３５は、炉心管３１と断熱部４０との間において断熱部４０によって囲われ、多孔質ガラス体２０を加熱する。ガス供給部６５は、給気口Ｓ１から内部空間３１Ｓにガスを供給する。このガスによって、ヒータ３５によって多孔質ガラス体２０を加熱する状態において、内部空間３１Ｓのうち断熱部４０によって囲われる部位では、ヒータ３５を基準とする上側が下側より高温となる。しかし、この状態において、断熱部４０のうちヒータ３５の中心より上側における外周面から放出される熱量が、ヒータ３５の中心より下側における外周面から放出される熱量以下である。一方、前述の特許文献１の加熱装置では、上記の断熱部４０に対応する部位である炉体、上側断熱部、及び下側断熱部からなる部位のうちヒータの中心より上側における外周面から放出される熱量は、下側における外周面から放出される熱量より大きい。このため、炉心管３１の外周面から放出される熱量が前述の特許文献１と同じであっても、この特許文献１の加熱装置と比べて、炉心管３１のうちヒータ３５より上側における外周面から放出される熱量を低減し得、その結果、所定の温度以上となる高温領域を広くし得る。従って、本実施形態の多孔質ガラス体の加熱装置１によれば、多孔質ガラス体を適切に加熱し得る。なお、所定の温度としては、例えば、内部空間３１Ｓにおける最高温度の０．９倍の温度が挙げられる。

また、本実施形態では、断熱部４０は、ヒータ３５を囲う中央断熱部４１と、中央断熱部４１の上端から炉心管３１に沿って延在し炉心管３１の外周面を囲う上側断熱部５２と、中央断熱部４１の下端から炉心管３１に沿って延在し炉心管３１の外周面を囲う下側断熱部５１とから成る。炉心管３１の径方向における上側断熱部５２の厚みは、下側断熱部５１の厚みより大きい。このため、上側断熱部５２の熱伝導率が下側断熱部５１の熱伝導率と同じであっても、上記の高温領域を広くし易い。

また、本実施形態の多孔質ガラス体の加熱装置１では、上側断熱部５２及び下側断熱部５１は円筒状であり、上側断熱部５２及び下側断熱部５１の外径は、延在方向において一定であり、ヒータ３５の中心から上側断熱部５２の下端までの距離とヒータ３５の中心から下側断熱部５１の上端までの距離が同じであり、上側断熱部５２の長さは、下側断熱部５１の長さと同じであり、上側断熱部５２の熱伝導率は、下側断熱部５１の熱伝導率と同じである。また、上記の比βは０．３６より大きく、０．４９以下である。従って、本実施形態の多孔質ガラス体の加熱装置１によれば、装置が大型化することを抑制しつつ炉心管３１からの放熱量を低減し得る。

以上、本発明について、上記実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、下側断熱部５１及び上側断熱部５２の形状が長さ方向において外径及び内径が一定の円筒形状である断熱部４０を例に説明した。しかし、ヒータ３５によって多孔質ガラス体２０を加熱する状態において、断熱部４０のうちヒータ３５の中心より上側における外周面から放出される熱量が、ヒータ３５の中心より下側における外周面から放出される熱量以下であればよく、下側断熱部５１及び上側断熱部５２の形状は制限されるものではない。例えば、下側断熱部５１の外径及び内径、上側断熱部５２の外径及び内径は、長さ方向において一定でなくてもよく、上側断熱部５２及び下側断熱部５１の厚みが長さ方向において一定でなくてもよい。図示による説明は省略するが、例えば、上側断熱部５２における中央断熱部４１側の厚みは、上側断熱部５２における中央断熱部４１側と反対側の厚みより大きくてもよい。この場合、上側断熱部５２の厚みが中央断熱部４１に近くづくにつれて段階的に大きくなってもよく、徐々に大きくなってもよい。図２に示すように、炉心管３１における上側断熱部５２によって囲われる部位では、中央断熱部４１側の温度が中央断熱部４１側と反対側の温度より高くなる。このため、このような構成にすることで、上側断熱部５２における中央断熱部４１側の厚みが中央断熱部４１側と反対側の厚みより小さい場合と比べて、高温領域を広くし易い。

また、上記実施形態では、下側断熱部５１及び上側断熱部５２の熱伝導率は、長さ方向及び径方向において一定とされたが、この２つの方向の少なくとも一方において変化してもよい。また、上記実施形態では、上側断熱部５２の長さと下側断熱部５１の長さとは同じとされたが、異なっていてもよい。また、上記実施形態では、ヒータ３５の中心から上側断熱部５２の下端までの距離とヒータ３５の中心から下側断熱部５１の上端までの距離が同じであった。しかし、これらの距離は異なっていてもよく、中央断熱部４１の構成は、ヒータ３５の中心を基準として上下対称の構成でなくてもよい。

また、上記実施形態では、筐体４２と内部断熱部４３とから成る中央断熱部４１を例に説明した。しかし、中央断熱部４１はヒータ３５を囲っていればよく、例えば、筐体４２がない構成とされてもよい。また、上記実施形態では、炉心管３１の外周面の一部を囲う断熱部４０を例に説明した。しかし、断熱部４０は給気口Ｓ１と排気口Ｅ１との間において炉心管３１の外周面を囲っていればよい。例えば、給気口Ｓ１が下側蓋部３２に形成され、排気口Ｅ１が上側蓋部３３に形成される場合には、断熱部４０は炉心管３１の外周面の全体を囲っていてもよい。また、多孔質ガラス体の加熱装置１は、断熱部４０とは別に、当該断熱部４０より上方や下方において炉心管３１の外周面を囲う別の断熱部を更に有していてもよく、断熱部４０と別の断熱部とが互いに接続されてもよい。

また、上記実施形態では、塩素系ガスを含むガスを供給するガス供給部６５を例に説明した。しかし、ガス供給部６５は、供給するガスを塩素系ガスを含むガスと不活性ガスのみとに変更できる構成とされもよい。この場合、例えば、ガス供給部６５は、多孔質ガラス体２０を脱水処理する際に塩素系ガスを含むガスを内部空間３１Ｓに供給し、多孔質ガラス体２０を焼結処理する際に不活性ガスのみを内部空間３１Ｓに供給する。また、多孔質ガラス体の加熱装置１は、多孔質ガラス体２０の脱水処理のみをするものであってもよく、多孔質ガラス体２０の焼結処理のみをするものであってもよい。

以上説明したように、多孔質ガラス体を適切に加熱し得る多孔質ガラス体の加熱装置が提供され、光ファイバ通信等の分野で利用することが期待される。

１・・・多孔質ガラス体の加熱装置
２０・・・多孔質ガラス体
３１・・・炉心管
３５・・・ヒータ
４０・・・断熱部
４１・・・中央断熱部
５１・・・下側断熱部
５２・・・上側断熱部

Claims

多孔質ガラス体を収容可能な内部空間、前記内部空間に連通する給気口、及び前記給気口より上方において前記内部空間に連通する排気口を有し、上下方向に延在する炉心管と、
前記給気口と前記排気口との間において前記炉心管の外周面を囲う断熱部と、
前記炉心管と前記断熱部との間において前記断熱部によって囲われ、前記多孔質ガラス体を加熱するヒータと、
前記給気口から前記内部空間にガスを供給するガス供給部と、
を備え、
前記断熱部は、前記ヒータを囲う中央断熱部と、前記中央断熱部の上端から前記炉心管に沿って延在し前記炉心管の外周面を囲う上側断熱部と、前記中央断熱部の下端から前記炉心管に沿って延在し前記炉心管の外周面を囲う下側断熱部とから成り、
前記下側断熱部における内周面の温度と外周面の温度との差をΔＴ _１、前記上側断熱部における内周面の温度と外周面の温度との差をΔＴ _２、前記下側断熱部及び前記上側断熱部の熱伝導率をｋ、前記下側断熱部及び前記上側断熱部の長さをＬ、前記下側断熱部の断面積と前記上側断熱部の断面積との合計をＡ、前記炉心管の外径を直径とする円の面積をＡ ₀ 、前記下側断熱部及び前記上側断熱部の容積の合計に対する前記下側断熱部の容積の比をβ、前記差ΔＴ _１に対する前記差ΔＴ _２の比をαとすると、前記下側断熱部の外周面から放出される熱量Ｑ _１は、以下の式（１０）で表されると共に、前記上側断熱部の外周面から放出される熱量Ｑ _２は、以下の式（１１）で表され、
前記ヒータによって前記多孔質ガラス体を加熱する状態において、前記熱量Ｑ _２と前記中央断熱部における前記ヒータの中心より上側の外周面から放出される熱量との合計が、前記熱量Ｑ _１と前記中央断熱部における前記ヒータの中心より下側の外周面から放出される熱量との合計以下である
ことを特徴とする多孔質ガラス体の加熱装置。
多孔質ガラス体を収容可能な内部空間、前記内部空間に連通する給気口、及び前記給気口より上方において前記内部空間に連通する排気口を有し、上下方向に延在する炉心管と、
前記給気口と前記排気口との間において前記炉心管の外周面を囲う断熱部と、
前記炉心管と前記断熱部との間において前記断熱部によって囲われ、前記多孔質ガラス体を加熱するヒータと、
前記給気口から前記内部空間にガスを供給するガス供給部と、
を備え、
前記断熱部は、前記ヒータを囲う中央断熱部と、前記中央断熱部の上端から前記炉心管に沿って延在し前記炉心管の外周面を囲う上側断熱部と、前記中央断熱部の下端から前記炉心管に沿って延在し前記炉心管の外周面を囲う下側断熱部とから成り、
前記炉心管の径方向における前記上側断熱部の厚みは、前記下側断熱部の厚みより大きく、
前記上側断熱部及び前記下側断熱部は円筒状であり、
前記上側断熱部及び前記下側断熱部のそれぞれの外径と内径とは、延在方向において一定であり、
前記ヒータの中心から前記上側断熱部の下端までの距離と前記ヒータの中心から前記下側断熱部の上端までの距離が同じであり、
前記上側断熱部の長さは、前記下側断熱部の長さと同じであり、
前記ヒータによって前記多孔質ガラス体を加熱する状態において、前記断熱部のうち前記ヒータの中心より上側における外周面から放出される熱量が、前記ヒータの前記中心より下側における外周面から放出される熱量以下である
ことを特徴とする多孔質ガラス体の加熱装置。
前記上側断熱部の熱伝導率は、前記下側断熱部の熱伝導率と同じであり、
前記上側断熱部及び前記下側断熱部の容積の合計に対する前記下側断熱部の容積の比は、０．３６より大きく、０．４９以下である
ことを特徴とする請求項２に記載の多孔質ガラス体の加熱装置。
多孔質ガラス体を収容可能な内部空間、前記内部空間に連通する給気口、及び前記給気口より上方において前記内部空間に連通する排気口を有し、上下方向に延在する炉心管と、
前記給気口と前記排気口との間において前記炉心管の外周面を囲う断熱部と、
前記炉心管と前記断熱部との間において前記断熱部によって囲われ、前記多孔質ガラス体を加熱するヒータと、
前記給気口から前記内部空間にガスを供給するガス供給部と、
を備え、
前記断熱部は、前記ヒータを囲う中央断熱部と、前記中央断熱部の上端から前記炉心管に沿って延在し前記炉心管の外周面を囲う上側断熱部と、前記中央断熱部の下端から前記炉心管に沿って延在し前記炉心管の外周面を囲う下側断熱部とから成り、
前記炉心管の径方向における前記上側断熱部の厚みは、前記下側断熱部の厚みより大きく、
前記上側断熱部における前記中央断熱部側の厚みは、前記上側断熱部における前記中央断熱部側と反対側の厚みより大きく、
前記ヒータによって前記多孔質ガラス体を加熱する状態において、前記断熱部のうち前記ヒータの中心より上側における外周面から放出される熱量が、前記ヒータの前記中心より下側における外周面から放出される熱量以下である
ことを特徴とする多孔質ガラス体の加熱装置。