玻璃母材用加热炉的制作方法

本申请是基于2012年6月13日提出的中国国家申请号201280032793.4申请(玻璃母材用加热炉)的分案申请，以下引用其内容。

本发明涉及一种玻璃母材用加热炉，其对玻璃母材进行加热以进行延伸、拉丝等。

背景技术：

针对玻璃母材用加热炉，以光纤拉丝炉为例进行说明。如专利文献1所述(参照图1)，在光纤拉丝炉中，按照下述方式进行拉丝，即，对吊挂支撑的光纤母材2的下部进行加热，使光纤2a从通过加热熔融而变为细径的下端熔融垂下，成为规定的外径。用于这一目的的拉丝炉1构成为，以包围被供给光纤母材2的炉心管3的方式配置加热用的圆筒状加热器4，并用隔热材料5包围该圆筒状加热器4以使得该圆筒状加热器4的热量不会被释放到外部，将上述结构的外侧整体用炉框体6包围。

炉框体6由不锈钢等耐腐蚀性优良的金属形成，其能够通过隔热材料5而避免因圆筒状加热器4的热量使得温度上升，除此之外，能够设置冷却水路等进行冷却。由此，炉框体6能够实现即使在工作时，也不会由于热膨胀而使尺寸实质性地发生变动的状态。另外，向炉框体6内供给氦(he)气、氩(ar)气、氮(n2)气等惰性气体等，以避免圆筒状加热器4以及隔热材料5等的碳质部件发生氧化而老化。

圆筒状加热器4例如由条缝加热器而形成，在一侧的端部具有电力供给用的至少一对端子部9a、9b，其中，该条缝加热器构成为，在由碳质电阻体构成的圆筒体上，从上端和下端侧开始交替形成条缝7，具有沿上下方向蛇行的发热部8。一对端子部9a和9b设置在分离180°的相对位置上，与支撑固定在炉框体6上的供电部10电气且机械连接而设置。

专利文献1：日本专利3377131号公报

技术实现要素：

在上述的拉丝炉中，在使圆筒状加热器(以下称为条缝加热器)4的通电电力(电压)上升，逐渐达到规定的加热温度时，有时在炉心管3和条缝加热器4、或者条缝加热器4和最接近条缝加热器的导电性部件之间发生电弧放电。已知该电弧放电特别是在供给至炉框体6内的惰性气体等中使用ar气的情况下容易发生，但即使在使用he气的情况下，如果通电电力(电压)较大，也会同样地发生电弧放电。一旦发生电弧放电，则在放电路径上流过电流，因此，不会在条缝加热器中适当地流过电流，妨碍加热升温，无法实现光纤拉丝。另外，有时由于放电产生的过电流而使设备受到损伤。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种能够抑制在炉心管和条缝加热器之间发生电弧放电的玻璃母材用加热炉。

本发明所涉及的玻璃母材用加热炉具有：炉心管，玻璃母材被供给至该炉心管；条缝加热器，其包围该炉心管，呈圆筒状并交替地从上端和下端形成有条缝；隔热材料，其包围在所述条缝加热器的外侧；以及炉框体，其围住整个加热炉，玻璃母材用加热炉的特征在于，在将条缝加热器和炉心管、或者条缝加热器和最接近条缝加热器的导电性部件之间的间隔设为d，将该间隔中的电场的最大值设为e1，将条缝加热器的条缝数量设为n，将条缝加热器的条缝宽度设为s，将条缝间的电场的最大值设为e2时，按照e1≥e2的方式设定所述d、n、s的值。

在所述的条缝加热器为单相用条缝加热器的情况下，将条缝加热器的条缝宽度s设为大于或等于8×(d/n)，在条缝加热器为三相用条缝加热器的情况下，将条缝加热器的条缝宽度s设为大于或等于9×(d/n)，优选将条缝宽度s设为大于或等于12×(d/n)。

另外，至少条缝加热器的端子部附近的条缝满足条缝加热器的条缝宽度s即可。另外，上述的玻璃母材用加热炉在向炉框体内流入有氩气或氮气的情况下更加有效。

发明的效果

根据本发明，在根据玻璃母材的大小等而预先设定了条缝加热器的大小、和炉心管与条缝加热器之间的间隔等时，能够通过仅使条缝加热器的条缝宽度增大这样的简单结构变更，而高效地抑制在条缝加热器和炉心管、或者条缝加热器和最接近条缝加热器的导电性部件之间发生电弧放电。

附图说明

图1是说明在本发明中作为对象的一个例子即光纤拉丝炉的概略的图。

图2是针对本发明所涉及的条缝加热器进行说明的图。

图3是图2的端子部分的放大图。

图4是针对向条缝加热器供电时的电场强度进行说明的图。

图5是对单相用条缝加热器的条缝宽度和放电电压以及放电功率的关系进行说明的图。

图6是对三相用条缝加热器的条缝宽度和放电电压之间的关系进行说明的图。

图7是对向条缝加热器施加电压的状态进行说明的模拟电路图。

具体实施方式

基于附图，对本发明的实施方式进行说明。另外，下面主要以单相用条缝加热器为例进行说明，但除了电极部的配置位置以外，三相用条缝加热器的构造与单相条缝加热器相同，加热器本身也配置在加热炉的相同位置。图1(a)是说明在本发明中使用的光纤拉丝炉的一个例子的图，图1(b)是表示条缝加热器的一个例子的图。在图中，1表示拉丝炉，2表示光纤母材，2a表示光纤，3表示炉心管，4表示条缝加热器，5表示隔热材料，6表示炉框体，7表示条缝，8表示发热部，9a、9b表示端子部，10表示供电部。

光纤拉丝如图1(a)所示，按照下述方式进行，即，对悬挂支撑的光纤母材2的下部进行加热，使光纤2a从通过加热熔融而变为细径的下端熔融垂下，成为规定的外径。用于这一目的的拉丝炉1构成为，以包围被供给光纤母材2的炉心管3的方式，配置由加热用碳质电阻体形成的圆筒状条缝加热器4，并用隔热材料5包围该条缝加热器4以使得该条缝加热器4的热量不会被释放到外部，将上述结构的外侧整体用炉框体6包围。

光纤母材2通过母材供给机构(省略图示)悬挂支撑，被控制为随着光纤拉丝的进行而逐渐向下方移动。炉框体6由不锈钢等耐腐蚀性优良的金属形成，在中心部配置有由例如高纯度碳形成的圆筒状炉心管3。炉框体6利用隔热材料5避免由于条缝加热器4的热量而使温度上升，除此以外，虽然省略图示，但能够设置冷却水路等进行冷却。由此，炉框体6能够成为实质上不会由于热膨胀而引起尺寸变动的状态。另外，向炉框体6内供给ar、n2气或he气等惰性气体等，以避免条缝加热器4以及隔热材料5由于氧化而引起老化。

对于条缝加热器4，在后面进行详细叙述，但如图1(b)所示，以圆筒形状形成，在由碳质电阻体构成的圆筒体上，从上端和下端侧交替形成条缝7，具有沿上下方向蛇行的发热部8。在为单相用的情况下，用于向该条缝加热器4一侧的端部(在本例中为下端部)供给电力的至少一对端子部9a和9b设置在分离180°的相对位置上，并连接固定在经由绝缘体而设置在炉框体6上的供电部10上。即，供电部10除了向条缝加热器4供给电力以外，还具有固定支撑条缝加热器4的功能。另外，在为三相用的情况下，上述端子部设置在彼此分离120°的三个位置处(三相三角接线)。

本发明的特征在于上述的光纤拉丝炉1的条缝加热器4这部分，利用图2及其之后的图，对其详细内容进行说明。图2(a)为单相用，是由图2(b)的x－x线剖开后的状态的斜视图，图2(b)是从上表面观察的图，图2(c)是表示三相用的例子的图。图3是图2(b)、(c)的端子部分的放大图。

条缝加热器4的概略如在图1(b)中说明所示，但在本发明中，其特征在于，在将条缝加热器4和炉心管3、或者条缝加热器4和最接近条缝加热器的导电性部件之间的间隔设为d，将该间隔中的电场的最大值设为e1，将条缝加热器的条缝数量设为n，将条缝加热器的条缝宽度设为s，将条缝间的电场的最大值设为e2时，按照e1≥e2的方式设定上述d、n、s的值。在为单相用条缝加热器的情况下，如后所述，将条缝7的宽度s设为大于或等于8×(d/n)，在为三相条缝加热器的情况下，将条缝7的宽度s设为大于或等于9×(d/n)，优选设为大于或等于12×(d/n)。

另外，通常炉心管是最接近条缝加热器的导电性部件，由于d是炉心管与条缝加热器之间的距离，因此，下面将与炉心管之间的距离设为d进行说明。另外，在这里所说的条缝数量n，是指在条缝加热器4上交替形成的条缝的总数。

另外，在条缝加热器4和炉心管3、或者条缝加热器4和最接近条缝加热器的导电性部件之间产生的电弧放电，大多发生在端子部9a～9c附近的以m表示的区域，因此，优选该端子部附近的条缝，例如从端子部9a～9c两侧的下方开始形成的条缝7b满足上述条件。

首先，针对图2(a)、(b)所示的单相用条缝加热器的情况进行说明。关于条缝7，交替地形成从发热部8的上方开始形成的条缝7a和从下方开始形成的条缝7b，能够使这些条缝7沿上下方向蛇行而获得规定的电阻长度。端子部9a、9b例如形成在从上方开始形成的条缝7a的下端侧，在两侧的端子部上连接有单相三线式电源的未接地两端的电位线。另外，由于炉心管3通常被施加零电位，因此，会在炉心管3和条缝加热器4之间产生由电位差引起的电场。在条缝加热器4中，端子部9a、9b中的一方电位最高，而另一方最低，因此，与炉心管3之间的电位差在该端子部9a、9b处达到最大。

另外，条缝加热器4为电阻体，会在蛇形的长度方向上产生电压降，因此，在条缝彼此相对的间隙(条缝之间)也会产生电场。如果对在该条缝之间、以及条缝加热器和炉心管之间的电场的发生状态进行调查，则在图2(a)所示的条缝加热器4的下部位置l(例如，加热器1/4高度的位置)和上部位置h(例如，加热器3/4高度的位置)处为不同的状态。

图4表示施加最大电位时与高电位侧的端子部相邻的条缝7b部分的电场等电位线，图4(a)表示条缝加热器4的下部位置l的电场状态，图4(b)表示条缝加热器4的上部位置h的电场状态。

如该等电位线所示，可知条缝加热器4的下部位置l处的条缝7b的电场强度，比上部位置h处的条缝7b的电场强度大(等电位线较密)，上部位置h处的条缝7b的电场强度小(等电位线较疏)。这种在下部位置l处电场强度变大的原因在于，在上述的从下方开始形成的条缝的情况下，条缝彼此相对的间隙的条缝加热器的电位差在下部位置(端子部附近)处成为最大。

如上所述，在端子部9a、9b附近，条缝加热器和炉心管之间的电位差最大，因此，如果沿条缝加热器的周向来考虑，则电场强度在端子部9a、9b附近最大。如上所述，条缝之间、以及条缝和炉心管之间的电场强度在端子部9a、9b附近为最大，因此，可以认为在端子部9a、9b附近容易发生电弧放电。因此，特别地，能够通过使端子附近的条缝7的条缝宽度s变大(扩大)而减弱条缝之间的电场强度，从而难以发生放电，减少与炉心管之间的电弧放电的发生。另外，由于条缝7角部的电场强度最高，因此，为了缓和该电场强度而使条缝7的角部形成圆角r(参照图3)也是有效的，从而优选。

另外，炉心管3和条缝加热器4之间的电场强度随着远离端子部9a、9b而减弱，因此，在端子部9a、9b以外的部位处难以发生电弧放电(如果在端子部附近没有发生放电，则在其它位置处不会发生放电)。因此，能够通过使得仅端子部9a、9b附近的条缝宽度s扩大，而减少电弧放电的发生。但是，如果仅使一部分条缝宽度扩大，则有时会破坏圆筒状条缝加热器的电阻加热的均匀性。因此，从加热特性的角度优选条缝宽度在全部的条缝中形成为一致的宽度。

另外，由于条缝间的电场强度在条缝的开口端侧成为最大，因此，条缝也可以是开口端侧的条缝宽度较宽的形状、即锥状(v字状)。

图5是表示在对外径120mm的光纤母材进行拉丝时，使用炉心管和单相用条缝加热器之间的间隔d为10mm，条缝加热器的条缝数量n为20的拉丝炉，进行改变了条缝宽度s时的电弧放电发生试验的结果的图，测定的是在炉心管和单相用条缝加热器之间发生电弧放电时供给至端子部的电压以及功率。另外，作为流入炉框体内的气体，使用ar气。

图5(a)表示条缝宽度和发生放电的放电电压的关系，在条缝宽度小于4mm时，以一次函数(虚线部分)表示，可知放电电压与条缝宽度成正比。图5(b)表示条缝宽度和发生放电的放电功率的关系，在条缝宽度小于4mm时，以二次函数(虚线部分)表示，可知放电功率相对于条缝宽度以二次函数增大。在任一种情况下，在条缝宽度大于或等于4mm时，即使条缝宽度变大，放电电压、放电功率也几乎不会增加。除了炉心管和条缝加热器之间的间隔d、条缝数量n以外，该条缝宽度的阈值(该情况下为4mm)还会随着气体的种类等而变动，在单相用条缝加热器中，在炉内气体为ar气的情况下，成为阈值的条缝宽度s为8×(d/n)。通过使条缝宽度大于或等于该阈值，从而能够进行稳定的拉丝。

另外，对于阈值成为上述值的理由，也可以如下进行说明。

图7(a)是模拟示出单相用条缝加热器的电阻电路的图。如果两个端子部9a和9b之间形成以条缝数量n分割的电阻元件r，则其成为将两个由r×(n/2)构成的串联电阻进行并联连接的形态。如果施加在端子间9a和9b之间的电压是将对地电压设为v的单相三线式电源的两端侧的+电位和－电位，则其为“2v”。因此，相邻的两个电阻元件之间的条缝间电压(电位差)为2个电阻元件的分压值，因此成为“2v×[2r÷r(n/2)]”＝8v/n。如果条缝宽度为s，则该条缝间的电场(e2)成为(8v/n)/s。

另一方面，最接近条缝加热器的导电性部件(包含炉心管在内)为零电位，因此，在条缝加热器和最接近的导电性部件之间(间隔d)产生v/d的电场(e1)。

为了使条缝加热器和最接近的导电性部件之间的放电不受条缝构造的影响，只要e1≥e2即可，即，v/d≥(8v/n)/s→“s≥8d/n”。

根据图5的测定结果可知，在炉心管和单相用条缝加热器之间的间隔d为10mm、条缝加热器的条缝数量n为20、炉内气体为ar气的情况下的拉丝炉中，例如，如果将条缝加热器的条缝宽度s设为3mm，则在放电电压45v左右或者放电功率40kw左右时发生电弧放电，无法加热至能够进行光纤拉丝的温度。但是，例如，如果将条缝加热器的条缝宽度s设为5mm，则即使在放电电压50v或者放电功率60kw时也不会发生电弧放电，能够加热至可进行光纤拉丝的温度，能够良好地进行光纤拉丝。

下面，对三相用条缝加热器的情况进行说明。由于三相用条缝加热器与单相用条缝加热器相同，在端子部处与炉心管之间的电位差最大、以及在条缝的开口端侧条缝间的电场最高等方面也相同，因此，省略与单相用条缝加热器重复的说明。

三相用条缝加热器如图2(c)所示，除了三个端子部9a、9b、9c以120°间隔设置以外，与单相用条缝加热器相同地，交替形成从上方开始形成的条缝7a和从下方开始形成的条缝7b，沿着上下方向蛇行而得到规定的电阻长度。另外，如果向炉心管3施加零电位，则会在炉心管3和条缝加热器4之间产生由电位差引起的电场。在三相用的条缝加热器4中，端子部9a、9b、9c中的某一个电位最高，与炉心管3之间的电位差最大。

图6是表示在对外径120mm的光纤母材进行拉丝时，使用炉心管和三相用条缝加热器之间的间隔d为10mm、条缝加热器的条缝数量n为18的拉丝炉，进行改变了条缝宽度s时的电弧放电发生试验的结果的图，测定的是在炉心管和三相用条缝加热器之间发生电弧放电时供给至端子部的相电压。另外，作为流入炉框体内的气体，使用ar气。

条缝宽度和发生放电的放电电压的关系，在条缝宽度小于5mm时以一次函数(虚线部分)示出，可知放电电压与条缝宽度成正比。如果条缝宽度大于或等于5mm，则从正比关系偏离一定量，在条缝宽度大于或等于6.7mm时，即使条缝宽度变大，放电电压也几乎不会增加。除了炉心管和条缝加热器之间的间隔d、条缝数量n以外，该条缝宽度的两个阈值(在该情况下为5mm和6.7mm)还会随着气体的种类等而变动，在三相用条缝加热器中，在炉内气体为ar气的情况下，成为阈值的条缝宽度s分别与9×(d/n)以及12×(d/n)相当。通过使条缝宽度大于或等于这些阈值，从而能够进行稳定的拉丝。

另外，对于阈值为上述值的理由，也可以如下进行说明。

图7(b)是模拟示出三相用条缝加热器的电阻电路的图。如果在三个端子部9a和9c之间、9b和9c之间、9c和9a之间形成以条缝数量n分割的电阻元件r，则其成为将r×(n/3)的串联电阻三相三角接线的形态。如果将对地电压设为v，则施加在各个端子之间的电压为因此，相邻的两个电阻元件之间的条缝间电压(电位差)为2个电阻元件的分压值，因此成为如果条缝宽度为s，则该条缝间的电场(e2)成为

另一方面，由于条缝加热器和最接近的导电性部件(包含炉心管在内)为零电位，因此，在条缝加热器和最接近的导电性部件之间(间隔d)产生v/d的电场(e1)。

为了使条缝加热器和最接近的导电性部件之间的放电不受条缝构造的影响，只要e1≥e2即可，即，

但是，由于是通过三相交流进行供电，因此，条缝加热器和导电性部件之间的电场(e1)、及条缝之间的电场(e2)的相位相差π/3。因此，为了使条缝之间的电场在任意的相位状态下都比在条缝加热器和导电性部件之间产生的电场小，考虑即可。即，“s≥12d/n”。

另外，如果使得在条缝之间产生的电场(e2)，在一段期间内比在条缝加热器和导电性部件之间产生的电场(e1)小，则具有一定程度的效果。由于条缝间的电场(e2)有时为因此考虑则能够成为“s≥9d/n”。

通常，根据进行拉丝的光纤母材的种类、拉丝炉等的规格等，预先将条缝加热器的条缝数量n及其与炉心管之间的间隔d，作为设计值而确定下来。在本发明中已掌握到，在单相用条缝加热器的情况下，将条缝宽度s设定为大于或等于8×(d/n)，另外，在三相条缝加热器的情况下，将条缝宽度s设定为大于或等于9×(d/n)，优选设定为大于或等于12×(d/n)，从而能够高效地抑制电弧放电的发生。

另外，如果炉框体内的气体使用he气，则能够提高电弧放电发生的电压阈值。其理由被认为是，一旦发生电弧放电，由于ar气和n2气的热传导性较小，因此成为容易持续放电的状态，与此相对，he气的热传导性较大，难以持续放电。另外，与ar和n2气相比，he在高温下的电离度较小，也被认为是影响因素。但是，ar气和n2气与he气相比非常便宜，因此尽可能使用ar气和n2气进行拉丝，这在成本方面有利。

标号的说明

1…拉丝炉、2…光纤母材、2a…光纤、3…炉心管、4…条缝加热器、5…隔热材料、6…炉框体、7、7a、7b…条缝、8…发热部、9a～9c…端子部、10…供电部。