特許 5817801 光ファイバ冷却装置及び光ファイバ製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5817801

(24)【登録日】2015年10月9日

(45)【発行日】2015年11月18日

(54)【発明の名称】光ファイバ冷却装置及び光ファイバ製造方法

(51)【国際特許分類】

   C03B 37/12 20060101AFI20151029BHJP

【ＦＩ】

   C03B37/12 A

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-212776(P2013-212776)

(22)【出願日】2013年10月10日

(65)【公開番号】特開2015-74590(P2015-74590A)

(43)【公開日】2015年4月20日

【審査請求日】2014年10月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100153110

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100131037

【弁理士】

【氏名又は名称】坪井 健児

(74)【代理人】

【識別番号】100099069

【弁理士】

【氏名又は名称】佐野 健一郎

(72)【発明者】

【氏名】上ノ山 憲博

(72)【発明者】

【氏名】岡崎 巌

(72)【発明者】

【氏名】塩崎 学

【審査官】 田中 則充

(56)【参考文献】

【文献】 特開平６−２１０１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−３５７４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０３Ｂ３７／００−３７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ファイバガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバ冷却装置であって、
冷却ガスの通路が形成された冷却管部と、該冷却管部の下部に設けられた加圧室と、該加圧室の下部に設けられた直管部とを有し、
前記冷却管部の下部ゲージ圧をＡ、前記冷却管部の分割ユニット数をＮ、前記冷却管部の各分割ユニットの長さをＬｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却管部の各分割ユニットの半径をＲｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却管部の各分割ユニットに流す冷却ガスのガス流量をＱｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却ガスの粘性係数をμ１、前記光ファイバの半径をｒ１、前記光ファイバの線引速度をＶ１、前記直管部の圧力損失をＢ、前記直管部の分割ユニット数をｎ、前記直管部の各分割ユニットの長さをＬＬｊ（ｊ＝１〜ｎ）、前記直管部の各分割ユニットの半径をＲＲｊ（ｊ＝１〜ｎ）、前記直管部に流す加圧ガスのガス流量をＱ_ｇａｓ、前記加圧ガスの粘性係数をμ２、前記加圧室の圧力損失をＣ、前記加圧室の内圧相関定数をＤ１〜Ｄ５、前記加圧室の形状補正係数をｋ（１≦ｋ≦２）とした場合、
Ａ−Ｂ−ｋＣ≦０、
但し、

【数1】

【数2】

【数3】

を満足する光ファイバ冷却装置。

【請求項2】

前記直管部の各分割ユニットの長さＬＬｊの合計は、０.００１ｍ以上０.５ｍ以下である請求項１に記載の光ファイバ冷却装置。

【請求項3】

光ファイバガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバ冷却装置を用いた光ファイバ製造方法であって、
冷却ガスの通路が形成された冷却管部と、該冷却管部の下部に設けられた加圧室と、該加圧室の下部に設けられた直管部とを有し、
前記冷却管部の下部ゲージ圧をＡ、前記冷却管部の分割ユニット数をＮ、前記冷却管部の各分割ユニットの長さをＬｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却管部の各分割ユニットの半径をＲｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却管部の各分割ユニットに流す冷却ガスのガス流量をＱｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却ガスの粘性係数をμ１、前記光ファイバの半径をｒ１、前記光ファイバの線引速度をＶ１、前記直管部の圧力損失をＢ、前記直管部の分割ユニット数をｎ、前記直管部の各分割ユニットの長さをＬＬｊ（ｊ＝１〜ｎ）、前記直管部の各分割ユニットの半径をＲＲｊ（ｊ＝１〜ｎ）、前記直管部に流す加圧ガスのガス流量をＱ_ｇａｓ、前記加圧ガスの粘性係数をμ２、前記加圧室の圧力損失をＣ、前記加圧室の内圧相関定数をＤ１〜Ｄ５、前記加圧室の形状補正係数をｋ（１≦ｋ≦２）とした場合、
Ａ−Ｂ−ｋＣ≦０、
但し、

【数1】

【数2】

【数3】

を満足する光ファイバ製造方法。

【請求項4】

前記加圧ガスは、空気、窒素、アルゴン、二酸化炭素のいずれかのガスを含む請求項３に記載の光ファイバ製造方法。

【請求項5】

前記加圧ガスのガス流量Ｑ_ｇａｓは、０.００１５ｍ^３／ｓ以下である請求項３または４に記載の光ファイバ製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ファイバガラス母材から線引きされた光ファイバを強制冷却する光ファイバ冷却装置及び該冷却装置を用いた光ファイバ製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光ファイバは、光ファイバガラス母材（以下、ガラス母材という）を光ファイバ用線引炉（以下、線引炉という）で加熱溶融し、線引炉の下方から線引きして製造される。ガラス母材から線引きされた光ファイバは、例えば、紫外線硬化樹脂を塗布、硬化して被覆されるが、線引き直後の光ファイバは高温であるため、樹脂を直ちに塗布することができない。このため、線引炉と樹脂塗布装置との間に光ファイバ冷却装置を設け、線引き直後の光ファイバを強制的に冷却している。

【0003】

上記光ファイバ冷却装置に関して、例えば、特許文献１には、冷却ガスが上向きに流れるように誘導する技術が開示されている。図７に示すように、光ファイバ冷却装置１００は、光ファイバ１０１を冷却する冷却管１０２の下端に、冷却路１０２ａに連通するガス導入室１０４が設けられている。このガス導入室１０４は、ガス導入口１０４ａを有しており、このガス導入口１０４ａからヘリウムガス等のガスＧ２が導入される。

【0004】

ガス導入室１０４から連通路１０４ｂを介して冷却路１０２ａ内に流れ込むガスＧ２によって、冷却路１０２ａ内のヘリウムガス等の冷却ガスＧ１が押圧される。そして、ガス導入室１０４近傍の冷却ガスＧ１の圧力が大きくなり、その後ガス導入口１０３側から導入されてくる冷却ガスＧ１が流れるときに受ける流体抵抗が大きくなり、圧力損失が大きくなる。このようにして出線部側領域の圧力損失を大きくし、冷却ガスＧ１の上昇流を顕著に発生させ、冷却効率を上げるようにしている。

【0005】

冷却ガスＧ１の上昇流は、冷却路１０２ａ内にて光ファイバ１０１の移動する方向に向けて流れる光ファイバ１０１の随伴流と衝突する。これにより、光ファイバ１０１の随伴流から露出した箇所に冷却ガスＧ１が直接接触し、光ファイバ１０１がより効果的に冷却される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第４２１４３８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記において、ガス導入室１０４の下部壁面に、出線用の貫通孔である出線部１０５が設けられており、この出線部１０５から光ファイバ１０１が送り出されるが、光ファイバ１０１と出線部１０５の周面との隙間からヘリウムガスが放出されてしまう可能性がある。一般にヘリウムガスは高価であるため、ヘリウムガスの漏れを極力防ぐことが望ましいが、上記特許文献１では、光ファイバ冷却装置の下部側からの冷却ガスの漏れを防ぐことについて具体的に言及されていない。

【0008】

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、装置下部側からの冷却ガスの漏れを極力防止することができる光ファイバ冷却装置及び該冷却装置を用いた光ファイバ製造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】

【0009】

本発明は、
光ファイバガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバ冷却装置及び該冷却装置を用いた光ファイバ製造方法であって、冷却ガスの通路が形成された冷却管部と、該冷却管部の下部に設けられた加圧室と、該加圧室の下部に設けられた直管部とを有し、前記冷却管部の下部ゲージ圧をＡ、前記冷却管部の分割ユニット数をＮ、前記冷却管部の各分割ユニットの長さをＬｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却管部の各分割ユニットの半径をＲｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却管部の各分割ユニットに流す冷却ガスのガス流量をＱｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却ガスの粘性係数をμ１、前記光ファイバの半径をｒ１、前記光ファイバの線引速度をＶ１、前記直管部の圧力損失をＢ、前記直管部の分割ユニット数をｎ、前記直管部の各分割ユニットの長さをＬＬｊ（ｊ＝１〜ｎ）、前記直管部の各分割ユニットの半径をＲＲｊ（ｊ＝１〜ｎ）、前記直管部に流す加圧ガスのガス流量をＱ_ｇａｓ、前記加圧ガスの粘性係数をμ２、前記加圧室の圧力損失をＣ、前記加圧室の内圧相関定数をＤ１〜Ｄ５、前記加圧室の形状補正係数をｋ（１≦ｋ≦２）とした場合、
Ａ−Ｂ−ｋＣ≦０、
但し、

【数1】

【数2】

【数3】

を満足する。

【発明の効果】

【0010】

上記発明によれば、装置下部側からの冷却ガスの漏れを極力防止することができる光ファイバ冷却装置及び該冷却装置を用いた光ファイバ製造方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明が適用される光ファイバ冷却装置を含む製造装置の概略構成例を示す図である。

【図2】冷却管部、直管部、及び加圧室の具体的な構成例について示す図である。

【図3】加圧室での圧力損失Ｃの発生メカニズムを説明するための図である。

【図4】本発明の光ファイバ冷却装置による冷却ガス速度分布の一例を示す図である。

【図5】図４の結果から、冷却ガスの流量削減効果の一例をまとめた図（表）である。

【図6】下部ゲージ圧Ａが最大値となる際の直管部の各分割ユニットの長さＬＬｊ（ｊ＝１〜ｎ）の合計ΣＬＬｊと直管部へ流す加圧ガスのガス流量Ｑ_ｇａｓとの関係、および、下部ゲージ圧Ａ＝６６７（Ｐａ）の時の直管部の各分割ユニットの長さＬＬｊ（ｊ＝１〜ｎ）の合計ΣＬＬｊと直管部へ流す加圧ガスのガス流量Ｑ_ｇａｓとの関係の一例を示す図である。

【図7】特許文献１に記載の従来技術を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（本発明の実施形態の説明）
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明は、
（１）光ファイバガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバ冷却装置であって、冷却ガスの通路が形成された冷却管部と、該冷却管部の下部に設けられた加圧室と、該加圧室の下部に設けられた直管部とを有し、前記冷却管部の下部ゲージ圧をＡ、前記冷却管部の分割ユニット数をＮ、前記冷却管部の各分割ユニットの長さをＬｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却管部の各分割ユニットの半径をＲｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却管部の各分割ユニットに流す冷却ガスのガス流量をＱｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却ガスの粘性係数をμ１、前記光ファイバの半径をｒ１、前記光ファイバの線引速度をＶ１、前記直管部の圧力損失をＢ、前記直管部の分割ユニット数をｎ、前記直管部の各分割ユニットの長さをＬＬｊ（ｊ＝１〜ｎ）、前記直管部の各分割ユニットの半径をＲＲｊ（ｊ＝１〜ｎ）、前記直管部に流す加圧ガスのガス流量をＱ_ｇａｓ、前記加圧ガスの粘性係数をμ２、前記加圧室の圧力損失をＣ、前記加圧室の内圧相関定数をＤ１〜Ｄ５、前記加圧室の形状補正係数をｋ（１≦ｋ≦２）とした場合、
Ａ−Ｂ−ｋＣ≦０、
但し、

【数1】

【数2】

【数3】

を満足する。
上記式を満たすように各パラメータを決定することにより、装置下部側からの冷却ガスの漏れを極力防止することができる。

【0013】

（２）前記直管部の各分割ユニットの長さＬＬｊの合計は、０.００１ｍ以上０.５ｍ以下であることが好ましい。
これにより、直管部を適切な長さとし、収納性を良好にすることができる。

【0014】

（３）光ファイバガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバ冷却装置を用いた光ファイバ製造方法であって、冷却ガスの通路が形成された冷却管部と、該冷却管部の下部に設けられた加圧室と、該加圧室の下部に設けられた直管部とを有し、前記冷却管部の下部ゲージ圧をＡ、前記冷却管部の分割ユニット数をＮ、前記冷却管部の各分割ユニットの長さをＬｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却管部の各分割ユニットの半径をＲｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却管部の各分割ユニットに流す冷却ガスのガス流量をＱｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、前記冷却ガスの粘性係数をμ１、前記光ファイバの半径をｒ１、前記光ファイバの線引速度をＶ１、前記直管部の圧力損失をＢ、前記直管部の分割ユニット数をｎ、前記直管部の各分割ユニットの長さをＬＬｊ（ｊ＝１〜ｎ）、前記直管部の各分割ユニットの半径をＲＲｊ（ｊ＝１〜ｎ）、前記直管部に流す加圧ガスのガス流量をＱ_ｇａｓ、前記加圧ガスの粘性係数をμ２、前記加圧室の圧力損失をＣ、前記加圧室の内圧相関定数をＤ１〜Ｄ５、前記加圧室の形状補正係数をｋ（１≦ｋ≦２）とした場合、
Ａ−Ｂ−ｋＣ≦０、
但し、

【数1】

【数2】

【数3】

を満足する。
上述の（１）と同様に、上記式を満たすように各パラメータを決定することにより、装置下部側からの冷却ガスの漏れを極力防止することができる。

【0015】

（４）前記加圧ガスは、空気、窒素、アルゴン、二酸化炭素のいずれかのガスを含むことが好ましい。
これにより、加圧ガスとして、ヘリウムガス以外の比較的安価なガスを用いることができる。

【0016】

（５）前記加圧ガスのガス流量Ｑ_ｇａｓは、０.００１５ｍ^３／ｓ以下であることが好ましい。
これにより、多くの加圧ガスを流すことなく、冷却ガスの漏れを防止することが可能となる。

【0017】

（本発明の実施形態の詳細）
以下、本発明の実施形態に係る光ファイバ冷却装置及び該冷却装置を用いた光ファイバ製造方法の具体例を、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【0018】

図１は、本発明が適用される光ファイバ冷却装置を含む製造装置の概略構成例を示す図である。図中、１０は光ファイバ用線引炉（以下、単に線引炉という）、１１は光ファイバガラス母材（以下、単にガラス母材という）、１２は線引き直後の光ファイバ、１３は樹脂塗布後の光ファイバ、２０は光ファイバ冷却装置（以下、単に冷却装置という）、４０は樹脂塗布装置、５０は樹脂硬化装置、６０はガイドローラ、７０は巻き取り装置を示す。

【0019】

光ファイバ１２は、ガラス母材１１を線引炉１０で加熱溶融し、線引炉１０の下方から線引きされている。ガラス母材１１から線引きされた光ファイバ１２は、冷却装置２０で強制冷却された後、樹脂塗布装置４０で紫外線硬化樹脂が塗布され、樹脂硬化装置５０でこの樹脂を硬化させる。続いて、樹脂塗布後の光ファイバ１３は、ガイドローラ６０を経て巻き取り装置７０により巻き取られる。

【0020】

本発明の主たる目的は、冷却装置下部側からの冷却ガスの漏れを極力防止できるようにすることにある。このための構成として、図１に示すように、冷却装置２０は、冷却ガスの通路が形成された冷却管部２１と、冷却管部２１の下部に設けられた加圧室２３と、加圧室２３の下部に設けられた直管部２２とを有する。

【0021】

そして、冷却管部２１の下部ゲージ圧（つまり、大気圧との差圧）をＡ、冷却管部２１の分割ユニット数をＮ、冷却管部２１の各分割ユニットの長さをＬｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、冷却管部２１の各分割ユニットの半径をＲｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、冷却管部２１の各分割ユニットに流す冷却ガスＧ３のガス流量をＱｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、冷却ガスＧ３の粘性係数をμ１、光ファイバ１２の半径をｒ１、光ファイバ１２の線引速度（線速）をＶ１、直管部２２の圧力損失をＢ、直管部２２の分割ユニット数をｎ、直管部２２の各分割ユニットの長さをＬＬｊ（ｊ＝１〜ｎ）、直管部２２の各分割ユニットの半径をＲＲｊ（ｊ＝１〜ｎ）、直管部２２に流す加圧ガスＧ４のガス流量をＱ_ｇａｓ、加圧ガスＧ４の粘性係数をμ２、加圧室２３の圧力損失をＣ、加圧室２３の内圧相関定数をＤ１〜Ｄ５、加圧室２３の形状補正係数をｋ（１≦ｋ≦２）とした場合、以下の式１を満足するように構成される。

【0022】

Ａ−Ｂ−ｋＣ≦０ …式１

【0023】

但し、

【数1】

【0024】

【数2】

【0025】

【数3】

【0026】

以下、冷却管部２１、直管部２２、及び加圧室２３の具体的な構成例について図２に基づいて説明する。図２の例では、冷却管部２１の分割ユニット数Ｎを“Ｎ＝４”、直管部２２の分割ユニット数ｎを“ｎ＝２”とした場合について示す。

【0027】

すなわち、冷却管部２１は、４つ（Ｎ＝４）のユニットに分割され、長さＬ_１及び半径Ｒ_１の第１分割ユニット２１１と、長さＬ_２及び半径Ｒ_２の第２分割ユニット２１２と、長さＬ_３及び半径Ｒ_３の第３分割ユニット２１３と、長さＬ_４及び半径Ｒ_４の第４分割ユニット２１４とを有する。また、冷却管部２１は、冷却ガスＧ３を流入させる２つの冷却ガス流入口２１８（Ｎ＝２，３）を有している。

【0028】

上記において、冷却管部２１の各分割ユニットの長さＬ_１〜Ｌ_４は、図２に示すように、半径が変化する領域間の距離、もしくは、冷却ガス流入口２１８間の距離、もしくは、半径が変化する領域と冷却ガス流入口２１８との間の距離のうち、最小となる距離で定義される。また、本例の場合、冷却ガスＧ３は、２つの冷却ガス流入口２１８から冷却管部２１内に流入されるが、冷却ガス流入口２１８の個数は、１以上の任意の個数とすることができる。

【0029】

ここで、下部ゲージ圧Ａ（Ｐａ）とは、冷却ガスＧ３が１つ以上の冷却ガス流入口２１８から流れると仮定したときの冷却管部２１の下部側圧力であり、冷却ガスＧ３の流れる方向は上向き、下向きのいずれであってもよい。なお、冷却ガスＧ３のガス流量Ｑｉ（ｉ＝１〜Ｎ）は、上向きが正、下向きが負とする。

【0030】

冷却管部２１の各パラメータについて、冷却管部２１の各分割ユニット２１１〜２１４の半径Ｒｉ（ｉ＝１〜Ｎ）は、光ファイバ１２への接触や冷却性の観点から、１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが望ましい。なお、半径Ｒｉは、各分割ユニット２１１〜２１４で同じでもよく、異なっていてもよい。

【0031】

また、冷却管部２１を構成する各分割ユニット２１１〜２１４の長さをＬｉ（ｉ＝１〜Ｎ）とした場合、各分割ユニット２１１〜２１４の長さＬｉの合計は、設備的な制約の観点から、１５ｍ以下であることが望ましい。この長さＬｉについても、各分割ユニット２１１〜２１４で同じでもよく、異なっていてもよい。

【0032】

また、冷却管部２１に流す冷却ガスＧ３は、例えば、ヘリウムガスであり、粘性係数μ１は、ガス温度が２３０Ｋ以上４００Ｋ以下のときの粘性係数であり、ヘリウムガスの場合、μ１＝１．９×１０^−５〜２．４×１０^−５（Ｐａ・ｓ）となる。また、各分割ユニット２１１〜２１４に流すヘリウムガスのガス流量Ｑｉ（ｉ＝１〜Ｎ）は、−３.３３×１０^−４ｍ^３／ｓ（＝−２０Ｌ／ｍｉｎ）以上３.３３×１０^−４ｍ^３／ｓ（＝２０Ｌ／ｍｉｎ）以下であることが望ましい。なお、上記したように、上向きを正、下向きを負としている。

【0033】

次に、直管部２２は、２つ（ｎ＝２）のユニットに分割されており、長さＬＬ_１及び半径ＲＲ_１の第１分割ユニット２２１と、長さＬＬ_２及び半径ＲＲ_２の第２分割ユニット２２２とを有する。直管部２２の各分割ユニットの長さＬＬ_１〜ＬＬ_２は、図２に示すように、半径が変化する領域間の距離として定義される。

【0034】

ここで、圧力損失Ｂ（Ｐａ）とは、加圧室２３から流入する加圧ガスＧ４が全て下方に流れると仮定したときの直管部２２における圧力損失である。直管部２２に流す加圧ガスＧ４は、ヘリウムガス以外のガスであればよいが、好ましくは、例えば、空気、窒素、アルゴン、二酸化炭素などを含む、比較的安価なガスを用いることができる。加圧ガスＧ４の粘性係数μ２は、ガス温度が２３０Ｋ以上４００Ｋ以下のときの粘性係数であり、空気の場合、μ２＝１．７×１０^−５〜２．３×１０^−５（Ｐａ・ｓ）となる。

【0035】

また、加圧ガスＧ４のガス流量Ｑ_ｇａｓは、０.００１５ｍ^３／ｓ（＝９０Ｌ／ｍｉｎ）以下であることが望ましい。これにより、多くの加圧ガスＧ４を流すことなく、冷却ガスＧ３の漏れを防止することができる。なお、これより多く圧力ガスＧ４を流すと、光ファイバの線振れなどが発生する可能性もある。また、直管部２２の各分割ユニット２２１，２２２の半径ＲＲｊ（ｊ＝１〜ｎ）は、０.５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下であることが望ましい。なお、半径ＲＲｊは、各分割ユニット２２１，２２２で同じでもよく、異なっていてもよい。これにより、光ファイバ１２との接触を防止し、また、加圧ガスＧ４の流量を低減することが可能となる。また、直管部２２の各分割ユニット２２１，２２２の長さＬＬｊ（ｊ＝１〜ｎ）の合計は、０.００１ｍ以上０.５ｍ以下であることが望ましい。この長さＬＬｊについても、各分割ユニット２２１，２２２で同じでもよく、異なっていてもよい。これにより、直管部２２を適切な長さとし、収納性を良好にすることができる。

【0036】

次に、加圧室２３について説明する。加圧室２３には、加圧ガスＧ４を流入させるための加圧ガス流入口２３１が設けられている。ここで、加圧室２３の圧力損失Ｃ（Ｐａ）は流体解析ソフトのシミュレーション結果から求めることが可能であるが、加圧ガスＧ４のガス流量Ｑ_ｇａｓと、光ファイバ１２の線速Ｖ１とに依存すると仮定し、ガス流量Ｑ_ｇａｓ、線速Ｖ１の関数として計算した連立方程式を解き、係数を求めている。また、圧力損失Ｃは、加圧室２３の形状に応じて差異が生じることが分かっている。このため、加圧室２３の形状に応じて１以上２以下の値をとる形状補正係数ｋを付与することにより、式１を補正できるようにしている。なお、数式３の内圧相関定数Ｄ１〜Ｄ５は、一定値であり、例えば、Ｄ１≒−７３.３０（Ｐａ）、Ｄ２≒−１７.６１（ｋｇ／ｍ^４ｓ）、Ｄ３≒４.１７（ｋｇ／ｍ^７）、Ｄ４≒３.１６（ｋｇ／ｍ^２ｓ）、Ｄ５≒１.６４（ｋｇ／ｍ^５）、と例示できるが、上述したように、これらの値は流体解析ソフトのシミュレーション結果に関して条件（ガス流量Ｑ_ｇａｓ、線速Ｖ１）を変更して５点計算を行い、連立方程式を解くことから求めている。

【0037】

図３は、加圧室２３での圧力損失Ｃの発生メカニズムを説明するための図である。光ファイバ１２は高速で下向きに走行しているため、光ファイバ１２の牽引効果により加圧ガスＧ４が急加速し、圧力損失Ｃが発生する。図３において、加圧ガスＧ４は、加圧ガス流入口２３１から加圧室２３へ流入するが、このとき、光ファイバ１２は、線速Ｖ１で牽引されているため、流入した加圧ガスＧ４が急加速され、加圧室２３内で圧力損失Ｃが発生する。

【0038】

なお、圧力損失Ｃには、前述したように、形状補正係数ｋが乗じられ、補正される。この形状補正係数ｋは、加圧室２３の形状に応じて１以上２以下の値をとり、例えば、比較的大きめの加圧室では形状補正係数ｋは“１”となり、比較的小さめの加圧室では形状補正係数ｋは“２”となる。

【0039】

このように、冷却管部２１の下部ゲージ圧Ａが、直管部２２の圧力損失Ｂと形状補正係数ｋが乗じられた加圧室２３の圧力損失ｋＣとの合計以下となるように、式１の各パラメータが決定される。すなわち、直管部２２の圧力損失Ｂ及び加圧室２３の圧力損失ｋＣを大きくして、冷却管部２１の下側からの冷却ガスの漏れを極力防止するようにしている。つまり、流体である冷却ガスは、流体抵抗が大きく、圧力損失が大きい直管部２２へは流れようとせず、圧力損失の小さい冷却管部２１への上昇流となって流れるため、冷却管部２１の下側からの冷却ガスの漏れを低減できる。

【0040】

図４は、本発明の光ファイバ冷却装置による冷却ガス速度分布の一例を示す図であり、逆流限界流量（冷却ガス及び加圧ガスが上向きに流れない流量）を説明する図である。図５は、図４の結果から、冷却ガスの流量削減効果の一例をまとめた図（表）である。本例の場合、冷却管部２１の分割ユニット数Ｎを“Ｎ＝１”（１段構成）、直管部２２の分割ユニット数ｎを“ｎ＝１”（１段構成）とする。そして、直管部２２の長さＬＬ_１を１５０ｍｍ、直管部２２の半径ＲＲ_１を１.５ｍｍとした。また、冷却管部２１の長さＬ_１を５.０ｍ、半径Ｒ_１を１.５ｍｍまたは３.０ｍｍとした。また、光ファイバ１２の線速Ｖ１を１０００ｍ／分または１５００ｍ／分とした。

【0041】

なお、冷却ガスＧ３はヘリウムガス、加圧ガスＧ４は空気とし、光ファイバ１２の半径ｒ１＝６２．５μｍ、粘性係数μ１＝２．０×１０^-５（Ｐａ・ｓ），μ２＝１．８１×１０^-５（Ｐａ・ｓ）としている。また、加圧ガスＧ４のガス流量Ｑ_ｇａｓは、図５の「下部直管空気流量」に相当するものであり、各々の条件で、逆流が起きない限界値として求めた。そして、図４のグラフは、これらの各パラメータに基づいて、前述の式１の条件、すなわち、Ａ−Ｂ−ｋＣ＝０、を満たすように、冷却管部２１の半径方向の距離（ｍ）と冷却ガスＧ３の流速（ｍ／ｓ）との関係を計算したものである。なお、冷却ガスＧ３の流速（ｍ／ｓ）は、ガス流量Ｇｉ（ｍ^３／ｓ）を、冷却管部２１の断面積（ｍ^２）で除することで求めることができる。

【0042】

図４（Ａ）は線速Ｖ１＝１０００ｍ／分で且つ冷却管部２１の半径Ｒｉ＝１.５ｍｍの例を示し、図４（Ｂ）は線速Ｖ１＝１０００ｍ／分で且つ冷却管部２１の半径Ｒｉ＝３.０ｍｍの例を示し、図４（Ｃ）は線速Ｖ１＝１５００ｍ／分で且つ冷却管部２１の半径Ｒｉ＝１.５ｍｍの例を示し、図４（Ｄ）は線速Ｖ１＝１５００ｍ／分で且つ冷却管部２１の半径Ｒｉ＝３.０ｍｍの例を示す。図中、横軸は冷却管部２１の半径方向の距離（ｍ）、縦軸は流速（ｍ／ｓ）を示す。つまり、図４のグラフは、冷却管部２１の下端半径方向における下向きの流速分布を示すものである。

【0043】

図４（Ａ）〜図４（Ｄ）において、冷却管部２１の中心部（半径０の近傍）は光ファイバ１２が走行しているため、光ファイバ１２の外周付近ではヘリウムガスの流速が速く、光ファイバ１２から離れる方向に向けて徐々にヘリウムガスの流速が遅くなっていることが分かる。ここで、流速が０を下回ると、冷却管内にヘリウムガスが加圧ガスを巻き込んで逆流してしまう（上向きに流れる）ため、これら図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、逆流しない（流速が０を下回らない）限界の流速分布を示すものである。

【0044】

ここで、図４（Ａ）〜図４（Ｄ）における半径方向の積分値が、図５における「加圧室・直管有りの時のヘリウム漏れ量」になる。また、図５における「直管を流れる流量」は、「加圧室・直管有りの時のヘリウム漏れ量」と「下部直管空気流量」とを合計したものである。また、「加圧室・直管無しの時のヘリウム漏れ量」は、従来例のように加圧室・直管無しの構成におけるヘリウム漏れ量であり、前述の式１で、下部ゲージ圧Ａのみを考慮し、下部ゲージ圧Ａ＝０を満たすように、冷却管部２１の半径方向の距離（ｍ）と冷却ガスＧ３の流速（ｍ／ｓ）との関係を計算し、上記と同様に、その半径方向の積分値から求めることができる。
この「加圧室・直管無しの時のヘリウム漏れ量」と、「加圧室・直管有りの時のヘリウム漏れ量」との差分が、「削減量」であり、本実施形態の光ファイバ冷却装置の構成とすることにより、削減できるヘリウム流量となる。

【0045】

次に、冷却管部２１の半径Ｒｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下、長さＬｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の合計を１５ｍ以下、冷却管部２１に流す冷却ガスＧ３をヘリウムガスとし、ヘリウムガスのガス流量Ｑｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を、逆向きに流れることも考え、−３.３３×１０^−４ｍ^３／ｓ（＝−２０Ｌ／ｍｉｎ）以上３.３３×１０^−４ｍ^３／ｓ（＝２０Ｌ／ｍｉｎ）以下としたときの、下部ゲージ圧Ａ（Ｐａ）の最大値及び最小値を求める。

【0046】

上記の各パラメータ及び前述の式１に基づいて、下部ゲージ圧Ａの最大値及び最小値を求めると、この条件での最大圧力が３９８２８（Ｐａ）、最小圧力が２５５（Ｐａ）となる。そして、下部ゲージ圧Ａが最大圧力（＝３９８２８Ｐａ）となる際に、式１を満たすように直管部２２の各分割ユニットの長さＬＬｊ（ｊ＝１〜ｎ）の合計ΣＬＬｊと、直管部２２へ流す加圧ガスのガス流量Ｑ_ｇａｓとの関係を求めた結果を、図６（Ａ）に示す。なお、図６（Ａ）は、直管部２２の内径をφ１ｍｍとしたときの結果である。

【0047】

図６（Ａ）において、横軸は直管部２２の合計長さΣＬＬｊ（ｍ）、縦軸は直管部２２に流す加圧ガスのガス流量Ｑ_ｇａｓ（Ｌ／ｍｉｎ）を示す。上記で説明したように、直管部２２の合計長さΣＬＬｊは、収納性の観点から、０.００１ｍ以上０.５ｍ以下とするのが望ましい。図６（Ａ）より、ΣＬＬｊが長いほど、ガス流量Ｑ_ｇａｓを少なくすることができることが分かり、直管長さ０．５ｍ程度でガス流量はほぼ一定になる。

【0048】

なお、図６（Ａ）は、下部ゲージ圧Ａが最大圧力になる場合の計算結果であるが、実際にはそこまで下部ゲージ圧Ａは高くならない場合もある。図４と同様に、冷却管部２１の分割ユニット数Ｎを“Ｎ＝１”（１段構成）、直管部２２の分割ユニット数ｎを“ｎ＝１”（１段構成）とし、冷却管部２１の長さＬ_１を５．０ｍ、半径Ｒ_１を１．５ｍｍ、光ファイバの線速Ｖ１を１５００ｍ／分として、下部ゲージ圧Ａを６６７（Ｐａ）とし、式（１）を満たすように直管部２２の各分割ユニットの長さＬＬｊ（ｊ＝１〜ｎ）の合計ΣＬＬｊと、直管部２２へ流す加圧ガスのガス流量Ｑ_ｇａｓとの関係を求めた結果を、図６（Ｂ）に示す。なお、図６（Ｂ）は、直管部２２の内径をφ５ｍｍとしたときの結果である。図６（Ｂ）より、図６（Ａ）と同様に、ΣＬＬｊが長いほどガス流量Ｑ_ｇａｓを少なくすることはできるが、直管部２２の内径が大きくなると、長さの影響は小さくなることが分かる。

【符号の説明】

【0049】

１０…光ファイバ用線引炉、１１…光ファイバガラス母材、１２…線引直後の光ファイバ、１３…樹脂塗布後の光ファイバ、２０…光ファイバ冷却装置、２１…冷却管部、２１１〜２１４…分割ユニット、２１８…冷却ガス流入口、２２…直管部、２２１〜２２２…分割ユニット、２３…加圧室、２３１…加圧ガス流入口、４０…樹脂塗布装置、５０…樹脂硬化装置、６０…ガイドローラ、７０…巻き取り装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】