DE60021877T2

DE60021877T2 - Verfahren und induktionsofen zum ziehen von vorformen grosser diameter zu optischen fasern

Info

Publication number: DE60021877T2
Application number: DE60021877T
Authority: DE
Inventors: Stefano Giacomo ROBA; Massimo Nutini; Franco Veronelli
Original assignee: Pirelli and C SpA
Current assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 2000-05-09
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2020-05-10
Also published as: AU5211900A; EP1181255B1; CN1207226C; CA2370494C; ATE301621T1; CA2370494A1; DE60021877D1; WO2000068157A1; BR0010441A; US20020088253A1; CN1354731A; DK1181255T3; US7814767B2; EP1181255A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ofen und ein Verfahren zum Ziehen von optischen Fasern und besonders auf einen Graphitinduktionsofen zum Ziehen von optischen Fasern von großen Glasvorformen und ein Verfahren zum Ziehen von optischen Fasern oder kleiner Durchmesser-Vorformen aus solchen Großdurchmesser-Vorformen.
Ein Ofen ausgelegt für das Ziehen optischer Fasern kann in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden, definiert durch das Heizverfahren, welches Erregungserwärmung oder induktive Erwärmung sein kann. Induktive Heizöfen sind generell bevorzugt hauptsächlich wegen ihrer flexiblen Verwendung. Induktionsöfen können des Weiteren nach der Verwendung der Heizelemente hergestellt aus Graphit oder aus Zirkonoxid kategorisiert werden.
Diese Öfen weisen generell einen zylindrischen Suszeptor (entweder Graphit oder Zirkonoxid), der die Heizzone in dem Ofen definiert, und durch Isoliermaterial umgeben ist, welches wiederum von einer Induktionsspule umgeben ist. Wenn die Spule mit Energie beaufschlagt wird, wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, welches sich mit dem Suszeptor (generell vorgeheizt) verbindet, wodurch dessen Temperatur erhöht wird und die gewünschte heiße Zone zum Schmelzen der Vorform, die in den zylindrischen Suszeptor eingesetzt wurde, erzeugt. Es können Verlängerungen in Form von zylindrischen Rohren vorgesehen sein auf der Oberseite (der so genannte obere Schlot) und/oder auf der Unterseite (der so genannte untere Schlot) der Heizzone des Ofens.
Graphitöfen verwenden ultrareine Graphitheizelemente. Ein typisches Problem mit diesen Öfen ist die Oxidation des Heizelements. Die Reaktivität des Heizelementes verunreinigt auch den Reaktionsbereich. Daher ist die Einsatzdauer des Heizelementes kurz und häufiger Austausch des Elementes ist notwendig. Diese Probleme werden allgemein gelöst durch Bereitstellen einer inerten Schutzatmosphäre innerhalb des Ofens. Gewöhnlich werden Argon oder Stickstoff für diesen Zweck angewendet. Im US Patent 4,154,592 wird die Verwendung von Helium als Konditionierungsgas offenbart. Seine hohe thermische Leitfähigkeit ist hilfreich für eine bessere thermische Stabilität und Gleichförmigkeit in der Region nahe der Spitze der Vorform.
Verschiedene Dokumente haben sich mit Öfen zum Ziehen von optischen Fasern beschäftigt. Beispielsweise beschreibt IT 1,077,118 einen Hochfrequenzelektroofen, der einen rohrförmigen Graphitkern aufweist, der die zu heizenden Gegenstände einschließt und durch eine Induktionswicklung selber eingeschlossen ist, die mit einem Hochfrequenzstrom beaufschlagt wird. Ein Gehäuse, das den Kern einschließt, weist eine Wand auf, die aus Abschnitten aufgebaut ist, die eine auf dem anderen angeordnet sind, und Inertgas wird zu dem Inneren davon zugeführt. Das den Kern umgebende Inertgas verhindert eine Oxidation des Kerns während der Ofen in Betrieb ist. Das Gas wird an der Mitte des Ofens zugeführt und kann zwischen den äußeren Abschnitten entweichen. Der Ofen kann bei Temperaturen von ungefähr 2000°C betrieben werden.
GB-A-1523595 beschreibt einen elektrischen Widerstandsofen, der ein Heizelement und Mittel zum Bereitstellen einer Inertgas-Atmosphäre in dem Ofen aufweist, wobei das Gaseinlassmittel eine Umfangspassage aufweist, die zwischen zwei parallelen konischen Oberflächen gebildet ist, wobei sie koaxial mit dem Heizelement angeordnet sind, um die benötigte Richtung des Gasflusses produzieren.
US 4,030,901 beschreibt einen elektrischen Widerstandsofen zum Ziehen von Siliziumoxidfasern. Der Ofen weist eine Kammer, die umgeben ist durch ein wärmeisolierendes Molybdän Lining und ein wassergekühltes äußeres Gehäuse, auf. Der Ofen hat des Weiteren Gaseinspritzöffnungen. Die Kammer beinhaltet ein zylindrisches Wolframgitter-Heizelement. Das vorgeschlagene Verfahren zum Ziehen von Siliziumoxidfasern beinhaltet die Schritte des Heizens einer Vorform in dem Ofen, so dass die Vorform anfängt zu fließen, um eine Faser zu bilden, Ziehen der Faser von dem Ofen und Spülen der Vorform, der Faser und des Heizelementes innerhalb der Kammer, die in dem Ofen angeordnet, ist mit einem gegen wirkenden inerten Gasfluss, durch Einspritzen des Gases von Öffnungen, die an den gegenüberliegenden Enden des Ofens angeordnet sind in die Kammer und Abführen des Gases von der Kammer durch eine Öffnung angeordnet nahe des Heizelementes innerhalb der Kammer, wobei der Gasfluss die Vorform und die Faser von Verunreinigungen schützt.
JP-A-06239639 beschreibt einen Heizofen, der aus einem oberen Abdichtflansch, einem unteren Abdichtflansch, einem elektrischen Heizelement, angeordnet zwischen den Flanschen, und einem Isoliermaterial angeordnet außerhalb des elektrischen Heizelements. Ein Gaszuführer führt ein Inertgas in den Ofen zu. Die Oberflächentemperatur der optischen Fasermatrix wird an dem äußeren Durchmesseränderungsabschnitt durch ein Strahlungsthermometer gemessen, welches an einer Unterseitenwand des Heizofens angeordnet ist. Der äußere Durchmesser der gezogenen optischen Glasfaser wird immer auf einer konstanten Größe gehalten durch Kontrollieren entweder oder einer Kombination der Zuführgeschwindigkeit der optischen Glasfasermatrix, der Ziehgeschwindigkeit der optischen Glasfaser und der Temperatur des elektrischen Heizelements, wenn die Oberflächentemperatur der optischen Fasermatrix geändert wird.
EP 0 795 519 beschreibt einen Ofen, der ein Graphitheizelement beinhaltet und zwei Leitungsringe aufweist, durch die nicht oxidierende Gase fließen, wobei die Leitungen mit demselben Winkel in die axiale Richtung des Ofens einfallend angeordnet sind, wobei der Winkel unterschiedlich für die zwei Leitungsringe sind, so dass das nicht oxidierende Gas in zwei konisch geformten Gasvorhängen eingespritzt wird; das Gas wird in der Richtung der Spitze des Kegels gerichtet und in die Richtung weg von dem Einschluss, um zu verhindern, dass in den Einschluss Luft eintritt, die eine Verpuffung des Graphits des Heizelements herbeiführen könnte.
US 4,174,462 beschreibt einen Graphitinduktionsofen mit einem großen Durchmesser zur allgemeinen Verwendung. In dem Ofen wird kein Konditionierungsgas verwendet. Stattdessen wird der Ofen mit Material voll gehalten, um Oxidationsschäden der Graphitsuszeptoren zu verhindern. Der Suszeptor wird mit pulverförmigen Kohlenstaubruß isoliert. Der Kohlenstaubruß ist innerhalb eines Zylinders aus Asbest und Beton enthalten.
DE 3,025,680 beschreibt einen Graphitinduktionsofen zum Ziehen von optischen Fasern. Das Heizelement ist beschichtet mit einer 10 Mikron starken Schutzschicht, die nicht mit Glas noch nicht einmal bei hohen Temperaturen reagiert, beispielsweise Platin oder Iridium. Die Beschichtung verhindert jeden Materialtransport zwischen dem Heizelement und dem Glas.
US 4,154,592 beschreibt ein Verfahren zum Bilden optischer Fasern durch Anordnen einer Vorform in einer zylindrischen Muffe. Die Muffe wird mit einem Widerstandsheizelement auf eine Temperatur erwärmt, die ausreichend ist, dass ein erstes Ende des Rohlings die Ziehtemperatur der Vorform erreicht. Die Faser wird von dem ersten Ende der Vorform gezogen während ein Helium enthaltendes Gas durch die Muffe in einer solchen Richtung fließt, dass es von dem Ende der Muffe abgegeben wird, von der die Faser gezogen wird.
US 4,400,190 beschreibt einen Graphitwiderstandsofen zum Ziehen einer optischen Faser. Das Graphitheizelement ist im Wesentlichen zylindrisch mit einer mittig angeordneten Heizkammer einer reduzierten Querschnittsfläche und Flächen von vergrößertem Durchmesser auf jedem Ende der Heizkammer. Einlass- und Auslassröhren werden in die Flächen mit vergrößertem Durchmesser eingelassen. Der innere Durchmesser der mittig angeordneten Heizkammer und der innere Durchmesser der Einlass- und Auslassröhren sind im Wesentlichen gleich. Die Übergänge von der mittig angeordneten Heizkammer zu den Bereichen des vergrößerten Durchmessers innerhalb des Heizelementes können kegelförmig sein.
Ein Problem in Verbindung mit Öfen mit offenen Ende durch die das Konditionierungsgas fließt ist jedoch, dass Turbulenzen um die Vorform und die neugezogene Faser Durchmesservariationen hervorrufen können und damit nachfolglich die Leistungsfähigkeit der optischen Faser beeinflussen. Ein möglicher Grund für solche Turbulenz ist das Aufsteigen der Umgebungsluft wie offenbart in US Patent 5,284,499 und Patent EP 0 329 898 , die ein Verhindern der aufsteigenden Strömung durch Einsetzen einer Schließe an dem Boden des Ofens vorschlagen.
Ein weiterer möglicher Grund für Turbulenz ist bezogen auf die Unterschiede in den Querschnittsflächen des Konditionierungsgasflusses um die Vorform. US Patent Nr. 4,400,180 schlägt vor, um diese Quelle der Turbulenz zu minimieren, das Verhältnis zwischen Durchmesser des Heizelements und Durchmesser einer Verlängerung vorgesehen an dem Heizelement entsprechend anzupassen.
US 5,545,246 schlägt vor, einen zusätzlichen Fluss von Konditionierungsgas in der Ziehzone der Vorform einzuführen, um die Turbulenzen zu reduzieren, die in dem Konditionierungsgas hervorgerufen werden können, wenn es entlang der Vorform in dieser Zone fließt.
In dem Artikel "Kombinationsofen zum Ziehen großer optischer Faservorformen mit hohen Geschwindigkeiten", M. Rajala et al., International Wire and Cables Symposium 1998, wird ein Graphitinduktionsofen offenbart, in dem der Suszeptor ein Graphitelement ist, das einen inneren Durchmesser von 80 mm aufweist.
Die andere Art von Öfen, d.h. Induktions-erwärmte Zirkonoxidöfen, sind von relativ einfacher Konstruktion und ihre Möglichkeit, in Luft betrieben zu werden, ist ein Hauptvorteil. Im Wesentlichen ist das Heizelement in einen Induktionsofen ein inerter Zylinder aus ZrO₂ stabilisiert mit Y₂O₃.
Ein Problem verbunden mit der Verwendung von Zirkonoxidinduktionsöfen ist die relative hohe thermische Trägheit des Zirkonoxids. Dieses resultiert in ziemlich langen Zeitintervallen zwischen zwei nachfolgenden Ziehoperationen, da der Zirkonoxidsuszeptor auf natürliche Weise sich abkühlen muss, bevor die neue optische Vorform eingesetzt werden kann. Tatsächlich bedeuten thermische Schocks durch schnelle Änderungen der Temperatur des Heizelements ein ernstes Problem für Induktions-erwärmte Zirkonoxidöfen, wodurch eine Zwangskühlung zwischen zwei nachfolgenden Ziehoperationen verhindert wird. Wenn zusätzlich beispielsweise ein Ofen abgeschaltet wird durch einen Stromausfall oder Stromzuführprobleme, kühlt sich das Zirkonoxid durch seine strukturellen Übergänge ab, reißt und muss ausgetauscht werden. Dieses bewirkt, dass der Ofen für eine große Zeitmenge aus dem Betrieb herausgenommen ist, weil der Zirkonoxidsuszeptor aufgeheizt und stabilisiert werden muss bevor das Ziehen eingeleitet werden kann.
US 4,450,333 beschreibt einen Zirkonoxidinduktionsofen zum Ziehen von Fasern von einer Vorform. Der Ofen weist einen mittig angeordneten rohrförmigen Suszeptor mit einer dünnen Beschichtung aus dem Vorformmaterial (z.B. Siliziumoxid) auf zumindest einem Abschnitt seiner inneren Oberfläche auf. Die dünne Beschichtung auf den Suszeptor verhindert, dass kontaminierende Partikel aus schmalen Rissen in der inneren Oberfläche des Suszeptors sich auf die Vorform bewegen. Ein Zylinder ist angeordnet in konzentrisch angeordnetem Verhältnis um den Suszeptor und ist umgeben durch isolierende Körner. Der Zylinder verhindert, dass kleine Partikel, die aus den isolierenden Körnern austreten, durch die größeren Risse in dem Suszeptor gezogen werden und sich auf die Vorform und/oder die Faser bewegen.
US 4,608,473 beschreibt einen Zirkonoxidinduktionsofen zum Ziehen von Fasern aus einer Siliziumoxid-Vorform. Der Ofen beinhaltet einen axial angeordneten rohrförmigen Zirkondioxidsuszeptor. Vor der Verwendung wird zumindest ein Abschnitt der inneren Oberfläche des Suszeptors mit einem aufgedampften Siliziumoxid-"Ruß" beschichtet. Der Siliziumruß wird dann bei einer erhöhten Temperatur verdichtet. Solche Technik eliminiert im Wesentlichen die Migration von Zirkoniumdioxidpartikeln von dem Suszeptor zu der Vorform und/oder der Faser.
US 5,284,499 beschreibt einen Zirkonoxidinduktionsofen zum Ziehen von einer optischen Faser. Gase, die der Spitze des Ofens eingeführt werden, bilden benachbart zu der Faser eine Grenzschicht, die den Ofen zusammen mit der Faser in einer Röhre durchläuft. Die Röhre isoliert die Faser von der Umgebungsatmosphäre, so dass die Grenzschicht der Gase, die in dem Ofen eingerichtet ist, im wesentlichen gleichförmig verbleibt bis die Viskosität der umhüllenden Schicht der Faser hoch genug ist, die Differenzspannungen um den Umfang der Faser zu minimieren. Ein ebener Verschluss ist an dem Boden der Röhre angeordnet, um zu verhindern, dass die Umgebungsatmosphäre in das untere der Röhre eintritt.
EP 849 232 beschreibt einen Zirkonoxidinduktionsofen zum Ziehen optischer Fasern. Getrennte Gasversorgungen injizieren ein Konditionierungsgas in den Ofen zwischen der Vorform und der Ofenwand. Eine erste Gaszufuhr ist vorgesehen an dem Eintrittsende des Ofenraumes und eine zweite Gaszufuhr ist vorgesehen an dem konischen Ziehabschnitt an dem Ausgangsende.
Weitere Beispiele von Öfen zum Ziehen optischer Fasern beinhalten: FR 2,368,677 , die einen Graphitinduktionsofen beschreibt, der mehrere Bohrungen durch den Suszeptor aufweist; EP 329898 , die einen Induktionsofen beschreibt mit einen scheibenförmigen Verschluss, der das untere Ende schließt; GB 1,521,231 , die einen Graphitinduktionsofen mit einer inneren Hülse aus Zirkonoxid zeigt; GB 1,575,299 , die einen Graphitinduktionsofen mit einem beschichteten Suszeptor zeigt; US 4,142,063 , die einen Zirkonoxidinduktionsofen zeigt und US 5,017,209 , die einen Ofen mit einem zylindrischen Heizelement zeigt, das durch eine anisotrope zylindrische Isolierung umgeben ist.
Kommerzielle Öfen entweder des Graphit- oder des Zirkonoxidtyps, verwendbar zum Ziehen optischer Fasern, sind verfügbar beispielsweise von den folgenden Herstellern: Astro (USA), Centorr (USA), Heathway (UK), Lepel (USA), Stanelco (UK).
Konventionelle Vorformen, welche in kommerziellen Öfen verwendet werden können, weisen typischer Weise einen Durchmesser von ungefähr 40–50 mm (wenn produziert gemäß MCVD – Modified Chemical Vapor Deposition – Technology – (modifizierte chemische Dampfablerungstechnik)) und bis zu 70–80 mm auf (für diejenigen, die produziert gemäß der UVD-Outside Vapor Deposition (äußere Dampfablagerung) – oder der VAD – Vapor Axial Deposition – (axiale Dampfablagerungstechnik) werden). Basierend auf dem Vorformdurchmesser, beträgt der typische Suszeptordurchmesser entweder ungefähr 70 mm (MCVD Vorformen) oder ungefähr 100 mm (OVD oder VAD Vorformen).
Der vergrößerte Bedarf von optischen Fasern benötigt Verbesserungen des optischen Faserproduktionsprozesses, wobei sich die Verbesserung auf mehr als einen Aspekt des Prozesses, beispielsweise Erhöhung der Zielgeschwindigkeit der Faser oder Reduzierung der Totzeit zwischen einem Zug und nachfolgendem bezieht.
Beispielsweise könnte die Verwendung von Vorformen mit einem Durchmesser größer als dem konventionellen (z.B. 100 mm oder mehr) könnte die Produktivität der optischen Fasern erhöhen, weil es die Produktion längerer optischer Fasern ermöglichen würde unter Verwendung einer einzelnen Vorform. Typischer Weise beträgt die benötigte Zeit zwischen dem Ende des Ziehens einer Vorform und dem Beginn der Nachfolgenden 1–2 Stunden in Abhängigkeit von Dimensionen und Materialien des Ofens. Durch Reduzierung der Frequenz der Unterbrechungen des Ziehprozesses kann eine Erhöhung der optischen Faserproduktivität erreicht werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Mit der Zielrichtung des Entwickelns von Öfen größeren Durchmessers hat die Anmelderin jedoch einige Probleme in Verbindung mit einem einfachen Vergrößern der konventionellen Öfen beobachtet, um sie anzupassen, größere Durchmesser-Vorformen aufzunehmen.
Ein durch die Anmelderin beobachtetes Problem in Verbindung mit dem Heizen von großen Durchmesser-Vorformen in konventionellen Induktionsöfen ist die Turbulenz in dem Konditionierungsgas, und dass das umgebende Atmosphärengas in den Ofen eindringt. Tatsächlich erhöht sich der freie Raum zwischen den Ofenwänden und der Vorform in dem Bereich der nach unten gerichteten Zone der Vorform, d.h. in der Zone wo die Vorform in eine optischen Faser gezogen wird, allmählich bis zu einem Maximum in Übereinstimmung mit der Zone, wo die optische Faser vorliegt.
Falls der Durchmesser der Vorform ausreichend klein ist, wird der freie Raum in der nach unten gerichteten Zone stark reduziert und eine Turbulenz in dem Fluss des Konditionierungsgases kann einfacher verhindert werden, als vorgeschlagen durch den Stand der Technik, der vorher diskutiert wurde. Jedoch hat die Anmelderin festgestellt, dass durch Vergrößern des Durchmessers der Vorform auch der freie Raum in der nach unten gerichteten Zone vergrößert wird, wodurch es schwieriger wird, die Turbulenzen in dem Fluss des Konditionierungsgases durch den Ofen und die durch ungewolltes Eintreten von Umgebungsatmosphärengasen hervorgerufenen Turbulenzen zu kontrollieren.
Die Anmelderin hat des weiteren beobachtet, dass die zuvor genannten Nachteile offensichtlicher werden, wenn die Flussrate des Konditionierungsgases durch den Ofen erhöht wird, um die Anforderungen zu erreicht, die damit verbunden sind, die Rate der Zielgeschwindigkeit der optischen Faser zu erhöhen (z.B. bis zu 20 m/s).
Tatsächlich wird angenommen (siehe US 5,284,499 ), dass das Konditionierungsgas, das entlang und um die Faser fließt, eine Grenzschicht benachbart zu der Faser bildet, wobei die Grenzschicht eine symmetrische und allmähliche Kühlung des äußeren Abschnittes der optischen Faser (das so genannte "Cladding") ermöglicht, wodurch Differenzspannungen auf der Faser verhindert werden.
Die Anmelderin hat jedoch festgestellt, dass in konventionellen Öfen, in denen die Flussrate des Konditionierungsgases innerhalb des Ofens einige wenige Liter pro Minute beträgt, das Konditionierungsgas nur eine Geschwindigkeit von nur wenigen mm/s an dem Auslass des Ofens aufweist. Beispielsweise beträgt in US 5,284,499 die Flussrate des Gases innerhalb des Ofens mit einem inneren Durchmesser von 7 cm ungefähr 3,1 l/min, was eine Geschwindigkeit von ungefähr 4 mm/s am Auslass mit einem Durchmesser von 1,25 cm erzeugt. Die Anmelderin hat festgestellt, dass diese Geschwindigkeit des Gases sehr gering ist im Vergleich mit der Ziehgeschwindigkeit der Faser (beispielsweise 9 m/s wie offenbart in US 5,284,499 ). Die Anmelderin glaubt, dass eine geringe Gasgeschwindigkeit insbesondere im Fall von relativ hohen Geschwindigkeiten des Ziehprozesses (z.B. ungefähr 15 m/s bis ungefähr 20 m/s) eine nicht wünschenswerte Störung der Grenzschicht des Konditionierungsgases, das die Faser umgibt, erzeugt, wodurch sich eine ungewollte asymmetrische Kühlung der gezogenen Faser bildet. Zusätzlich kann eine geringe Geschwindigkeit des Konditionierungsgases in einigen Fällen nicht ausreichend sein, um den nötigen Überdruck des Gases zum Verhindern eines Aufsteigens der Umgebungsluft von außen zu erzeugen, insbesondere, wenn der Ofen einen Auslass mit einem relativ großen Durchmesser aufweist, wodurch die zuvor genannte Geschwindigkeit des Gases weiter reduziert werden wird, weswegen der Gasdruck, der als Gegenkraft zu dem Auftreten der nach oben gerichteten Strömung der Umgebungsluft entgegentreten soll, weiter reduziert wird.
Die Anmelderin bemerkte jedoch, dass in Öfen gemäß dem Stand der Technik keine Aufmerksamkeit dahingehend verwendet wurde, effektiv die Flussrichtung des Konditionierungsgases innerhalb des Ofens zu steuern. Gemäß dem Stand der Technik (siehe z.B. US 4,154,592 , Spalte 3, Zeilen 50–54 und US 5,284,499 , Spalte 5, Zeilen 26–33) wird das Gas tatsächlich in den Ofen von seinem oberen Ende in einer Richtung im wesentlichen rechtwinklig mit Bezug auf die Längsachse der Vorform zugeführt, und es wird einfach zugelassen, dass es sich zu dem unteren Ende ausbreitet, wobei das obere Ende des Ofens verschlossen ist. Es sind andere Öfen bekannt (siehe beispielsweise die japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 01-192741 oder GB 2,212,151 ), die ein Einlassrohr des Konditionierungsgases aufweisen, das einfallend zu der Achse der Vorform ausgeführt ist; wie in den entsprechenden Figuren der zuvor genannten Dokumente dargestellt, beträgt das Einfallen der Einlassrohre ungefähr 45° mit Bezug auf die Vorformachse. Trotz des Einlasseinfallens teilt sich das aus dem Rohr austretende Gas in einen oberen und einen unteren Fluss wie in der oben erwähnten JP Kokai 01-192741, bei denen der obere Fluss des Gases als ein in der Gasabdichtung zum Abdichten des oberen Ende des Ofens funktioniert.
Die Anmelderin hatte bemerkt, dass für die geringe Flussrate des Konditionierungsgases innerhalb des Ofens (wie in den Verfahren des Standes der Technik) das Fehlen einer effektiven Kontrolle der Richtung des Flusses des Konditionierungsgases nur relativ wenige Probleme in der Übertragung der Turbulenzen in die untere Ziehregion der Vorform erzeugen kann. Durch Erhöhen der Geschwindigkeit des Ziehprozesses (z.B. bis ungefähr 20 m/s) und durch Verwenden größerer Vorformen für den Ziehprozess, wäre eine Erhöhung der Flussrate des Konditionierungsgases innerhalb des Ofens trotzdem wünschenswert, um sowohl die Geschwindigkeit des Gases innerhalb des Ofens zu erhöhen und das Aufrechterhalten der Grenzschicht des Gases benachbart zu der gezogenen Faser zu verbessern. Die Anmelderin hat jedoch bemerkt, dass in den zuvor beschriebenen konventionellen Öfen eine Erhöhung der Flussrate, um die Geschwindigkeit des Gases am Auslass zu erhöhen, die Turbulenz des Gases in der Einlasszone des Ofens erhöhen würde, mit dem Risiko, dass eine solche Turbulenz in die Zielregion der Vorform übertragen würde, womit ungewollte Durchmesservariationen der gezogenen Faser und eine mögliche Aufnahme von Graphitpartikelmaterial, das von dem Suszeptor erzeugt wurde, das an der Oberfläche der gezogenen Faser festkleben würde, hervorgerufen würden Ein weiteres durch die Anmelderin beobachtetes Problem in Verbindung mit konventionellen Graphitinduktionsöfen bezieht sich auf das Graphitisolierungsmaterial, das um den Suszeptor angeordnet ist. Das Isolierungsmaterial besteht gewöhnlich aus Kohlenstoff oder filzartigen Materialien in Form von flexiblen und kompressiblen Bögen, die mit einen steifen Unterstützungselement verbunden werden müssen, um in den Ofen verwendet werden zu können. Üblicherweise ist ein Bogen eines solchen filzartigen Materials um den Suszeptor mit einer Anzahl von Wicklungen gewickelt, womit die Suszeptoren daher als ein Unterstützungselement für den Isolator fungieren.
Die Anmelderin hat jedoch festgestellt, dass das zuvor beschriebene filzartige Isolierungsmaterial einige Probleme hervorrufen kann. Da insbesondere diese filzartige Materialien in Form von Bögen vorliegen, die um den Suszeptor in einer Anzahl von Wicklungen herumgewickelt sind, muss die Anordnung des Isolators um den Suszeptor vorsichtig vorgenommen werden, um die höchste Gleichförmigkeit in der Isolierungsschicht beizubehalten. Zusätzlich kann sich während des Wickelns des Bogens vom dem Suszeptor das filzartige Material Partikelmaterie lösen, die bei hohen Temperaturen des Zeihprozesses die optische Vorform oder die optische Faser verunreinigen kann. Die Anmelderin hat beobachtet, dass durch Erhöhung der Dimensionen des Ofens die Anzahl von Wicklungen des Isolierungsbogens erhöht werden sollte, da verbesserte Isolierungsleistungen benötigt werden für die Isolierungsschicht, mit dem Ergebnis, dass die zuvor beschriebenen Probleme deutlicher werden. Zusätzlich wurde festgestellt, dass, wenn ein Austausch des Suszeptors notwendig wird, z.B. wegen des Verbrauchs desselben durch Verwendung, auch der darauf gewickelte Isolator entfernt werden sollte und ein neuer um den neuen Suszeptor gewickelt werden sollte. Daher können Probleme entstehen, die Eigenschaften der Suszeptor-Isolator Anordnung konstant zu halten.
Die Anmelderin hat jetzt beobachtet, dass eine Turbulenz in dem Fluss des Konditionierungsgases reduziert werden kann, insbesondere wenn relativ hohe Flussraten angewendet werden, durch Kontrollieren des Einlassflusses des Konditionierungsgases in den Ziehofen, wie auch durch ein passendes Anpassen des oberen und unteren Schlotes, der mit dem Ofen verbunden ist.
Die Anmelderin hat daher einen Induktionsofen entwickelt, besonders angepasst zum Ziehen großer Vorformen (mehr als 80 mm bis ungefähr z.B. 130 mm Durchmesser), der eine grundsätzliche Beeinflussung von Turbulenz in dem Fluss des Konditionierungsgases durch den Ofen und eine Turbulenz hervorgerufen durch wiederholtes Eintreten von Umgebungsatmosphärengases ermöglicht. Dieser Ofen ist insbesondere ein Graphitinduktionsofen.
Ein Verfahren und ein Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen jeweils ein Ziehen von Vorformen vom größerem Durchmesser als konventionelle, wodurch die Anzahl, dass der Ofen heruntergefahren werden muss, um eine neue Vorform einzusetzen, reduziert wird, und die Anzahl der gezogenen Fasern von einer einzelnen Vorform erhöht wird, wodurch die Kosten des Ziehprozesses reduziert werden.
Zusätzlich erlaubt eine Verwendung eines besonderen Isolierungsmaterials für einen Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung Verbesserung in Bezug auf Konstruktion, Wartung und Gleichförmigkeit der Leistung des Ofens.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich daher auf ein Verfahren zum Ziehen einer optischen Vorform eines größeren Durchmessers in eine optische Faser oder in eine Vorform eines kleineren Durchmessers, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet:

– Zuführen der optischen Vorform in einen Induktionsziehofen durch einen oberen mit dem Ofen verbundenen Schlot, wobei der Ziehofen des weiteren einen unteren Schlot beinhaltet;
– mechanisches Verschließen des oberen Abschnittes des oberen Schlotes;
– Erwärmen des unteren Ende der Vorform in dem Ofen bis zu seiner Erweichungstemperatur;
– Zuführen eines Flusses von Konditionierungsgas in den oberen Schlot, indem dem Fluss des Konditionierungsgases, das in den oberen Schlot eintritt, ein nach unten gerichteter Winkel verliehen wird;
– das Verfahren beinhaltet des weiteren den Schritt: Ermöglichen, dass das Gas von dem Ofenkörper durch den unteren Schlot und dann nach außen aus dem unteren Schlot fließt, wobei die Geschwindigkeit des Konditionierungsgases in zumindest einem unterem Abschnitt des unteren Schlotes einen im wesentlichen konstanten oder geringfügig erhöhten Gradienten aufweist.

Bevorzugter Weise bildet die nach unten gerichtete winklige Richtung einen Winkel von weniger als 45° mit Bezug auf die Längsachse des Ziehofens, bevorzugt von ungefähr 40° bis ungefähr 20°, insbesondere wird ein Winkel von ungefähr 30° bevorzugt.
Bevorzugt ist der Fluss des Konditionierungsgases ringförmig.
Bevorzugt beträgt das Inkrement der Geschwindigkeit des Gases innerhalb des unteren Abschnitts ungefähr 1/10 bis ungefähr 1/100 pro mm der Höhe des unteren Abschnitts mit Bezug auf die Geschwindigkeit des in den unteren Abschnitt eintretenden Gases.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Ziehofen zum Ziehen einer optischen Vorform in eine optische Faser oder in eine weitere Vorform mit einem geringeren Durchmesser, wobei der Ofen beinhaltet:

– einen Ofenkörper, der ein unteres Ende und ein oberes Ende und zumindest einen Suszeptor, eine Induktionsspule und ein Isoliermaterial, das zwischen dem Suszeptor und der Induktionsspule angeordnet ist, aufweist; und
– einen oberen Schlot, der mit dem oberen Ende des Ofenkörpers verbunden ist, wobei der obere Schlot eine mechanische Dichtung zum Verhindern eines Einlasses von Außenluft in den Ofenkörper aufweist;
– einen unteren Schlot, der mit dem unteren Ende des Ofenkörpers verbunden ist;

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der Verteilkörper:

– eine ringförmige Verteilkammer;
– einen nach unten gerichteten ringförmigen Auslass verbunden mit der ringförmigen Kammer und in Fließverbindung mit dem oberen Schlotinneren;

Bevorzugt ist der ringförmige Auslass nach unten gewinkelt mit einem Winkel α von weniger als ungefähr 45° mit Bezug auf die Längsachse des Ofens, bevorzugt von ungefähr 40° bis 20°, wobei ein Winkel von ungefähr 30° besonders bevorzugt ist.
Bevorzugt ist ein Zuführrohr, das von der Quelle des Konditionierungsgases zu der ringförmigen Kammer führt, wobei das Rohr tangential mit Bezug auf die Kammer angeordnet ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Finnen radial innerhalb des ringförmigen Auslasses angeordnet.
Optional kann ein poröser Filter innerhalb des Verteilungskörpers vorgesehen und zwischen der ringförmigen Verteilkammer und dem nach unten gerichteten ringförmigen Auslass angeordnet sein.
Der obere Schlot des Ofens gemäß der vorliegenden Erfindung kann des weiteren auch optional einen Abstützkragen beinhalten, der geeignet ist, ein Ende der optischen Vorform oder eine mit der Vorform verbundene Ausgangsstange, die im Ofen aufgenommen ist, aufzunehmen und festzuhalten. Bevorzugt kann der Abstützkragen frei auf dem Verteilkörper gleiten.
Bevorzugt ist eine im wesentlichen ringförmige elastische Dichtung auf der inneren Wand des Abstützkragens vorgesehen, wobei die Dichtung Außenluft am Eindringen in den Ofen verhindert, während es ermöglicht wird, die Vorform oder die Ausgangsstange von dem Inneren des Ofens durch den Abstützkragen zu entfernen, ohne an der Dichtung festzukleben. Insbesondere legt die Dichtung eine Dichtungshöhe fest und beinhaltet einen Dichtungssitz, der eine Dichtungshöhe hat, und zwei gegenüberliegende Dichtungswände aufweist, wobei sich jede davon von dem Dichtungssitz erstreckt, so dass das Verhältnis der Sitzhöhe zu der Dichtungshöhe weniger als ungefähr 2, bevorzugt zwischen ungefähr 2 bis ungefähr 1,4 beträgt. Bevorzugt haben die zwei gegenüberliegenden Wände beide eine Dicke von ungefähr 1 mm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der untere Schlot zumindest einen unteren Abschnitt auf, der kegelförmig in Form einer im Wesentlichen frusto-konisch geformten Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei die Wände der frusto-konischen Auslassöffnung ungefähr 12° bis ungefähr 16° mit Bezug auf die Längsachse des Ofens gewinkelt sind.
Bevorzugt beträgt der Winkel ungefähr 14°.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die frusto-konisch geformte Auslassöffnung eine Höhe von ungefähr 200 mm bis ungefähr 300 mm auf.
Insbesondere ist der untere Schlot besonders angepasst, um mit dem unteren Ende des Ofenkörpers verbunden zu werden, der den zuvor beschriebenen, oberen Schlot aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die frusto-konisch geformte Auslassöffnung an ihrem unteren Ende mit einem Schließabschnitt, der mit dem unteren Ende der Auslassöffnung verbunden ist, versehen, die eine Auslassöffnung definiert, die anpassbar ist, um die Größe der Auslassöffnung zu steuern.
Der untere Schlot eines Ofens gemäß der Erfindung kann optional beinhalten, entweder als Ganzes oder nur in dem Abschnitt mit einer verringerten Querschnittsfläche eine innere Wand und eine äußere Wand, welche zusammen einen Kühlraum bilden, durch den ein Kühlungsfluid zirkuliert wird, um das Innere des unteren Schlots umgeben von dem Kühlraum zu kühlen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Ziehofen, wie zuvor definiert, der des weiteren einen Isolator beinhaltet, der aus einer im Wesentlichen zylindrischen Schicht, die aus einem starren Graphitmaterial hergestellt ist, hergestellt ist und in der Lage ist, ihrem eigenen Gewicht zu widerstehen, ohne auf den Suszeptor zu kollabieren.
Bevorzugt besteht das starre Graphitmaterial aus Graphitfasern, die parallel zu der Achse der isolierenden, zylindrischen Schicht bestehen. Insbesondere ist die zylindrische Schicht ein isolierender Zylinder, bevorzugt aus einem einzelnen Bogen des starren Graphitmaterials, wobei die zwei gegenüberliegenden Enden gebogen und in Kontakt miteinander gehalten sind, um den Zylinder zu formen. Die Dicke des einzelnen Bogens ist bevorzugt ungefähr 45 bis ungefähr 60 mm.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Ziehofen, wie zuvor beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass der Suszeptor einen inneren Durchmesser von mehr als 100 mm, bevorzugt mehr als 120 mm bis ungefähr 150 mm aufweist.
In der vorliegenden Beschreibung ist es beabsichtigt, dass, wenn mit dem Begriff "Ziehofen" sich beschäftigt wird, der Ofen entweder für das Ziehen einer optischen Vorform in eine optische Faser oder das Strecken einer optischen Vorform mit größerem Durchmesser (z.B. von ungefähr 120 mm) in eine weitere Vorform von kleinerem Durchmesser (z.B. von ungefähr 50 mm) verwendet werden kann.
Die begleitenden Zeichnungen, welche in diese Beschreibung eingearbeitet sind und einen Teil dieser Beschreibung darstellen, beschreiben eine Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Graphit-Induktionsofens gemäß der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht des Ofenkörpers und unteren Schlots einer bevorzugten Ausführungsform eines Graphit-Induktionsofens gemäß der Erfindung, aufgenommen auf einer Ebene durch einen Durchmesser des Ofens.
3 ist eine detaillierte Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Induktionsspule des Graphit-Induktionsofens, dargestellt in 2, aufgenommen auf derselben Ebene wie der Querschnitts von 2.
4 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform des oberen Schlots des Graphit- Induktionsofens, dargestellt in 2, aufgenommen auf derselben Ebene wie der Querschnitt von 2.
5 ist eine Querschnittsansicht des oberen Schlots der 4, aufgenommen auf einer Ebene, rechtwinklig zu der Ebene, von der die Querschnittsansicht von 4 aufgenommen ist.
6 ist eine schematische Ansicht von Gasgeschwindigkeitsvektoren in dem unteren Schlot eines Graphit-Induktionsofens gemäß der Erfindung.
6A ist eine schematische Ansicht von Gasgeschwindigkeitsvektoren in einem unteren Schlot eines konventionellen Graphit-Induktionsofens.
7 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Dichtung, die in dem oberen Schlot verwendet wird.
8 und 9 zeigen zwei alternative Ausführungsformen einer Induktionsspule, die innerhalb des Ofens angeordnet werden.
10 ist eine schematische Ansicht eines Ziehsystems zum Ziehen einer optischen Faser.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird jetzt im Detail Bezug genommen auf die vorliegende, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, ein Beispiel davon ist in den begleitenden Zeichnungen dargestellt.
Wenn immer möglich, werden dieselben Bezugsziffern innerhalb der Zeichnungen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile zu verweisen.
10 beschreibt schematisch ein konventionelles System zum Ziehen einer optischen Faser 102 von einer optischen Vorform, wobei das System typischerweise auf einem so genannten Ziehturm angeordnet ist. Das Ziehsystem beinhaltet generell einen Ziehofen 101, in dem das untere Ende einer optischen Vorform auf seine Erweichungstemperatur erwärmt wird, eine Vorrichtung 103 zum Messen des Durchmessers der gezogenen Faser 102, eine Kühlvorrichtung 104 zum Kühlen der Faser vor ihrer Beschichtung, und eine Beschichtungsvorrichtung 105 zum Aufbringen einer Schutzbeschichtung auf die Faser. Die optische Vorform wird generell mit einem Bewegungsmittel verbunden, zum fortschreitenden Nachuntenbewegen der Vorform in die Heizzone des Ofens, während die Faser gezogen wird. Die Beschichtungsvorrichtung kann ein Beschichtungsgesenk enthalten, das ein flüssiges behandelbare Harz-Zusammensetzung (z.B. Urethan-Acrylat basiertes Harz) enthält, gefolgt durch eine Behandlungsvorrichtung 106 (z.B. ein UV-Ofen), und durch eine Vorrichtung 107 zum Messen des Durchmessers der beschichteten Faser und der Konzentrizität der Beschichtung. Wenn gewünscht, können weitere Beschichtungsvorrichtungen nach der ersten angeordnet werden, zum Aufbringen weiterer Schichten von unterschiedlichen Beschichtungszusammensetzungen auf die Faser.
Ein Rollenantrieb 108 wird angeordnet, stromabwärts von der Beschichtungsvorrichtung zum kontrollierbaren Ziehen der Faser von der Vorform, gefolgt von einer Aufwickeltrommel 109 zum Aufwickeln der gezogenen Faser.
1 ist eine hochgradige, schematische Querschnittsansicht einer Ebene durch den Durchmesser eines Ofens für das Ziehen einer optischen Faser gemäß der vorliegenden Erfindung. 1 ist nicht im Maßstab und stellt nicht alle Komponenten des Ofens im Detail dar. Generell beinhaltet der Ofen einen Ofenkörper F, einen oberen Schlot T und einen unteren Schlot B. Eine Vorform wird in den Ofenkörper durch den oberen Schlot eingeführt, und während die Vorform in eine Faser gezogen wird, verlässt die Faser den Ofen durch den unteren Schlot.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Ofens gemäß der Erfindung ist dargestellt in 2, in der eine detaillierte Querschnittsansicht durch eine Ebene durch einen Durchmesser des Ofens gezeigt wird. Der Ofenkörper F beinhaltet einen zylindrischen Suszeptor 2, eingeschlossen im Inneren des zylindrischen Isolators 3. Der Isolator 3 ist wiederum bevorzugt eingeschlossen im Inneren des zylindrischen Quarzbechers 4. Zwei ringförmige Quarzplatten 25 und 27 halten die Anordnung des Quarzbechers 4 um den Suszeptor 2 bei. Ein Abstand, bevorzugt von ungefähr 3–5 mm, ist bevorzugt vorgesehen zwischen der äußeren Oberfläche des Suszeptors 2 und der inneren Oberfläche des Isolators 3. Ein ähnlicher Abstand ist auch vorgesehen zwischen der äußeren Oberfläche des Isolators 3 und der inneren Oberfläche des Quarzbechers 4. Das Vorsehen dieser Abstände ermöglicht eine einfachere Montage der Anordnung des Ofenkörpers und ein einfaches Entfernen und Austauschen der einzelnen Komponenten davon, ohne die anderen Komponenten der Anordnung zu beeinflussen.
Die Höhe des Ofenkörpers ist so dimensioniert, um die Gesamtlänge der Vorform aufzunehmen, zusammen mit dem oberen Schlot und dem unteren Schlot. Die Höhe des Ofenkörpers sollte ausreichend gestreckt sein, um das untere Ende der Vorform zu erwärmen, um eine optische Faser davon zu ziehen, aber ausreichend reduziert sein, um unnötiges Überhitzen des übrig bleibenden Abschnitts der Vorform zu vermeiden. Beispielsweise kann eine Höhe von ungefähr 600 bis ungefähr 850 mm verwendet werden, bevorzugt ungefähr 750 mm.
Eine Spule 6 umgibt den Quarzbecher 4, angeordnet mit einem Abstand von ungefähr 5–6 mm von der äußeren Oberfläche des Quarzbechers 4. Die Spule 6 erzeugt ein elektrisches Feld, welches abwechselnd Wirbelströme erzeugt und damit den Suszeptor 2 auf Temperaturen so hoch wie ungefähr 2200°C erwärmt. Alle diese Hauptkomponenten, Spule 6, Quarzbecher 4, Isolator 3 und Suszeptor 2 werden innerhalb eines Gehäuses 1 eingeschlossen.
Das Gehäuse 1, welches aus einem Metall hergestellt sein kann, z.B. Kupfer, Messing, oder bevorzugt Aluminium, ist an der Ober- und Unterseite durch ringförmige Endplatten 15 und 16 verschlossen, die jeweils eine zentral angeordnete Öffnung aufweisen. Diese Endplatten und das Gehäuse 1 können beispielsweise aus Aluminium hergestellt sein. Die Öffnungen der Endplatten stimmen mit dem oberen Schlot T und dem unteren Schlot B überein. Die Endplatten und die innere Wand 1b des Gehäuses 1 definieren ein Ofeninneres.
In der Ausführungsform, dargestellt in 1 und 2, beinhaltet das Gehäuse 1 zwei Wände, eine äußere Wand 1a und eine innere Wand 1b, die einen ringförmigen Kühlungsraum 12 bilden. In der dargestellten Ausführungsform hat die äußere Wand 1b einen äußeren Durchmesser von 620 mm im Durchmesser, und die innere Wand 1a hat einen äußeren Durchmesser von 580 mm. Die Höhe des Gehäuses 1 ist ungefähr 740 mm. Um das äußere Gehäuse 1 zu kühlen, fließt ein Kühlungsfluid durch den Kühlungsraum 12. Beispielsweise ist der Raum zwischen den Wänden 1a und 1b gekühlt durch einen Wasserfluss. Das Kühlwasser tritt in den Raum 12 durch eine Mehrzahl von Wasserzuführrohren 11 ein. Beispielsweise können drei Zuführrohre 11 um den Umfang des Gehäuses 1 in Intervallen von 120° angeordnet sein. Wasser wird dann von der Öffnung 12 durch Abgaberohre 13 abgegeben. Bevorzugt sind die Anzahl der Zuführrohre 11 und der Abführrohre 13 gleich, und Zuführrohre 11 und die Abführrohre 13 sind auf den gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 1 angeordnet, so dass das Kühlwasser gleichförmig das Gehäuse 1 kühlt.
Die Spule 6 ist elektrisch verbunden mit einer Quelle von elektrischer Hochfrequenzströmung (nicht dargestellt) durch die Passage 23. Strömungsgrade in der Spule 6 können zu signifikanten Höhen von Widerstandswärme führen. Um solche Erwärmung zu kontrollieren, kann die Spule 6 beispielsweise aus Kupferrohren hergestellt sein, so dass ein Kühlungsfluid, wie beispielsweise Wasser, durch die Spule 6 während des Betriebs des Ofens zirkuliert werden kann. Das elektrische Feld, das durch den durch die Spule 6 fließenden Strom erzeugt wird, induziert Wirbelströme im Suszeptor 2. Ein Konditionierungsgas, beispielsweise Stickstoff, wird bevorzugt in den Raum 43 zugeführt, wo die Spule angeordnet ist, um beim Isolator und/oder beim Suszeptor eine mögliche Oxidation zu verhindern. Typische Flussraten des Gases betragen ungefähr 20 bis ungefähr 30 l/min. Zuführrohre 44 und Abgaberohre 45 sind an dem Gehäuse 1 vorgesehen, z.B. in derselben Art wie zuvor beschrieben für die Rohre 11 und 13, um den Fluss des Gases in das Gehäuse 1 zu ermöglichen.
Die Struktur, die die Spule 6 innerhalb des Gehäuses 1 unterstützt, sollte keine signifikanten, elektrischen Strömungen leiten. In der Ausführungsform, dargestellt in 9, sind drei Beine 18 innerhalb des Gehäuses 1 mit einem 120°-Winkel angeordnet, die aus einem isolierenden Keramikmaterial hergestellt sind, um die Spule 6 benachbart von dem Quarzbecher 4 (nicht dargestellt in 9) zu unterstützen. Nachdem die Spule 6 innerhalb des Ofens durch Befestigen der Spulenstützen 18 innerhalb des Ofens zentriert wurde, ist die Mittelachse der Spule 6 genau mit Bezug auf die Mittelachse des Ofens ausgerichtet durch ein Bezugnehmen auf Stifte 70, die in die entsprechenden vertikalen Schlitze 71, die auf den Stützen 18 vorgesehen sind, eingesetzt sind; nachdem die korrekte Anordnung erreicht wurde, wird die Spule in dieser Position fixiert, indem jeder Stift in die Stütze 18 fixiert wurde, z.B. mittels Muttern. Wie in 8 alternativ dargestellt, können die vertikalen Schlitze in den Stützen 18 durch eine Mehrzahl von horizontalen Schlitzen 72 ausgetauscht werden, die jeweils an der entsprechenden Höhe angeordnet sind, an der der Spulenwicklungsstift platziert werden soll. Mit dieser Ausführungsform ist die Befestigungsausrichtung und Durchführung generell einfacher, und das Zentrieren der Spule ist sehr viel genauer und zeitkonstant.
Der Suszeptor 2 des Ofens gemäß der vorliegenden Erfindung wird typischerweise aus Graphit hergestellt. Insbesondere sollte das Graphit-Suszeptormaterial eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit haben, bevorzugt höher als 50 W/m°K, z.B. ungefähr 100 W/m°K, und einen relativ geringen spezifischen Widerstand, bevorzugt ungefähr 1,0·10^–5 Ohm·m oder geringer. Die wärmephysikalischen und elektrischen Eigenschaften eines bevorzugten Suszeptormaterials wird gewerblich vertrieben unter der Marke Grede IG110 durch Morganite und werden nachfolgend in Tabelle 1 zusammengefasst.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Suszeptor 2 ungefähr 6 mm dick, mit einem Innendurchmesser von 150 mm, wodurch er kompatibel mit großen Vorformen wird (bis ungefähr 130 mm im Durchmesser).
Ein Konditionierungsgrad wird von dem oberen Schlot in das Innere des zylindrischen Suszeptors bereitgestellt, zum Bereitstellen einer kontrollierten Heizatmosphäre innerhalb des Ofens und des Bewahrens der Oberfläche des Suszeptors von möglicher Oxidation durch einen unfallartigen Einlass von Luft von der Außenseite des Ofens. Jedes inerte Gas kann geeignet sein als ein Konditionierungsgas inklusive, aber nicht beschränkend, Helium, Argon, und Stickstoff, wobei Helium bevorzugt wird. Typischerweise wird das Konditionierungsgas in den Ofen mit einer Flussrate von ungefähr 15 l/min bis ungefähr 20 l/min zugeführt. Das Konditionierungsgas verteilt sich durch den Suszeptor in den bereitgestellten Zwischenraum zwischen dem Suszeptor und Isolator und tritt dann in den Isolator ein. Durch die reduzierte Breite des Spaltes ist das in dem Spalt verteilte Konditionierungsgas im Wesentlichen stationär, d.h. kein wesentlicher gezwungener Fluss des Gases wird hervorgerufen innerhalb des Abstandes.
Isoliermaterialien, die geeignet für einen Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung sind, können auch graphit-basierte Materialien sein, zum Verbessern der Kompatibilität zwischen Suszeptor und Isolator. Isoliermaterialien unterscheiden sich hauptsächlich in Dichte (oder Porosität), thermischer Leitfähigkeit und Widerstandsfähigkeit von graphit-basierten Materialien, angewendet für den Suszeptor. Insbesondere ist die Dichte von Graphit-Isoliermaterialien geringer als ungefähr 0,4 g/cm³, bevorzugt geringer als 0,2 g/cm³ (verglichen mit einer typischen Dichte von zumindest 1,5 g/cm³ der Graphit-Suszeptormaterialien). Bezogen auf die geringere Dichte des Isoliermaterials ist ihre höher vorhandene Porosität, die höher als ungefähr 70% ist, bevorzugt höher als ungefähr 85% (verglichen mit dem typischen Wert der Dichte von Suszeptormaterial von ungefähr 20%). Auch durch die relativ hohe Porosität haben die Graphit-Isoliermaterialien gute Isoliereigenschaften. Die thermische Leitfähigkeit dieser Materialien ist relativ gering, verglichen mit einem der Suszeptormaterialien. Insbesondere ist die thermische Leitfähigkeit typischerweise geringer als ungefähr 1,5 W/m°K, bevorzugt geringer als ungefähr 1,2 W/m°K in einer Argonatmosphäre bei 2000°C, und geringer als ungefähr 0,6 W/m°K, bevorzugt geringer als ungefähr 0,4 W/m°K in einer Argonatmosphäre bei 400°C. Um eine mögliche elektromagnetische Verbindung mit der Spule zu begrenzen, sollte das Graphit-Isoliermaterial einen spezifischen Widerstand im Wesentlichen höher als der spezifische Widerstand des Suszeptors aufweisen, bevorzugt ungefähr 1,0·10^–3 Ohm·m oder höher.
Gewerblich verfügbare Kohlenstoff- oder Graphitfilze können als Isoliermaterialien in einem Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, solche wie die, angeboten beispielsweise durch SGL (z.B. Sigratherm KFA5 oder KFA10) oder durch Union Carbide (z.B. National Grade VDG, Grade WDF oder Grade GRI-1). Wie zuvor beschrieben, sind diese filzartigen Materialien in der Form von flexiblen Bögen vorhanden, die mit einer starren Unterstützung verbunden werden müssen. Typischerweise hat ein Bogen eines solchen filzartigen Materials eine Dicke von ungefähr 5–10 mm und wird um den Suszeptor mit einer Anzahl von Wicklungen gewickelt, die ausreichend ist, um die gewünschten Isoliereigenschaften herbeizuführen, wobei der Suszeptor somit als eine Unterstützung für den Isolator angewendet wird.
Vorteilhafterweise wird als Isolator für einen Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung ein starres Graphit-Isoliermaterial verwendet, wobei das Material eine ausreichende Steife aufweist, um einfach in einen selbst stehenden Zylinder geformt zu werden. Diese Materialien bestehen typischerweise aus Graphitfasern, deren Mehrzahl parallel zueinander entlang einer bevorzugten Richtung angeordnet ist. Um ausreichend steif und ihrem eigenen Gewicht widerstehend zu sein, sollte das Material ein Kompressionsmodul von zumindest 0,1 Mpa in Längsrichtung der Fasern, bevorzugt zumindest ungefähr 0,5 Mpa bis zu 10 Mpa aufweisen, wobei ein Kompressionsmodul von ungefähr 1 Mpa besonders bevorzugt ist. Typischerweise wird der Isolierzylinder aus einem einzelnen Bogen von gewünschter Dicke hergestellt. Der Bogen ist gebogen, um einen Zylinder zu bilden, und die zwei gegenüberliegenden Enden des gebogenen Bogens werden miteinander in Kontakt gehalten, z.B. mittels Schweißen oder Nähen. Der so erhaltene, isolierende Zylinder kann seinem eigenen Gewicht widerstehen, ohne auf den Suszeptor zu kollabieren, wodurch die Beibehaltung des gewünschten Abstandes (bevorzugt ungefähr 3–5 mm) zwischen dem Isolator und dem Suszeptor ermöglicht wird. In dem Fall, wenn der Austausch des Suszeptorzylinders notwendig wird, z.B. wegen des Verbrauchs desselben, kann der Suszeptor einfach von dem Ofenkörper entfernt werden, ohne die gesamte Geometrie der Struktur zu beeinträchtigen, wodurch der Isolierungszylinder an seinem Ort verbleiben kann.
Beispiele für passende Materialien mit den gewünschten Charakteristiken sind Sigratherm PR-200-16, PR-201-16 oder PR-202-16 (von SGL), CBCF^® (Kohlenstoff-verbundene Kohlenstofffaser), hergestellt von Morganite und UCAR Graphit RIGID Insulation, hergestellt von Union Carbide. Ein bevorzugtes Material für den Isolator 3 ist CBCF^®. CBCF^® ist steif, von gleichförmiger Porosität, einfach maschinell bearbeitbar und anordbar. Wie zuvor dargelegt, bestehen diese Materialien aus Graphitfasern, die parallel zueinander entlang einer bevorzugten Richtung angeordnet sind. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Material zu einem Zylinder in einer solchen Art und Weise hergestellt, um hervorzurufen, dass die Graphitfasern hauptsächlich parallel zu der Achse des Isolierungszylinders angeordnet sind.
Ein starrer Graphit-Isolierungszylinder gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine Dicke von ungefähr 45 bis 60 mm und einen inneren Durchmesser von ungefähr 150 bis ungefähr 160 mm. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke ungefähr 52 mm und der innere Durchmesser ungefähr 156 mm. In der folgenden Tabelle 2 werden Eigenschaften einer bevorzugten Isolierung angegeben.
Der Quarzbecher 4 ist eine zylindrische Quarzröhre mit einem äußeren Durchmesser von ungefähr 265 bis 285 mm, ungefähr 275 mm in der dargestellten Ausführungsform, und wird angeordnet, um den Isolator 3 zu umgeben und das Konditionierungsgas innerhalb des zylindrischen Suszeptors 2 von dem Konditionierungsgas, das die Spule 6 umgibt, zu trennen, wenn diese unterschiedlich sind. Eine horizontale Quarzplatte 25 weist eine mittige Öffnung 26 auf, und drei konzentrische Vertiefungen auf ihrer Unterseite sind an dem oberen Ende des Bechers 4 vorgesehen. Eine horizontale Quarzplatte 27 hat eine mittige Öffnung 28, und es sind drei konzentrische Vertiefungen auf ihrer oberen Oberfläche am unteren Ende des Bechers 4 vorgesehen. Die Enden des Suszeptors 2, des Isolators 3 und des Bechers 4 werden in den konzentrischen Vertiefungen der Platte 25 und 27 aufgenommen, so dass diese Komponenten genau und exakt in Bezug aufeinander positioniert sind und einfach einzeln entfernbar sind. Dieses Verfahren des Positionierens des Suszeptors 2, des Isolators 3 und des Bechers 4 gewährleistet gleich bleibende Leistung von einem Ofen zum anderen. Auf den mittigen Vertiefungen der zwei Platten 25 und 27 sind eingesetzte, ringförmige Erhöhungen 29 und 30 auf den Enden des Isolators 3 gebildet. Die ringförmigen Erhöhungen 29 und 30 ordnen den Isolator 3 konzentrisch um den Suszeptor 2 an. Die Enden des Suszeptors 2 werden in die innerste konzentrische Vertiefung der zwei Platten 25 und 27 eingesetzt.
Ein Loch 46 ist durch den Becher 4, den Isolator 3 und das Gehäuse 2 hergestellt, um Messungen der Temperatur auf der äußeren Oberfläche des Suszeptors 2 zu ermöglichen, wobei ein Pyrometersatz, eingeführt in den Ofen durch die Passage 39, verwendet wird. Durch die maschinelle Herstellbarkeit des Isolators 3 ist es sehr einfach, ihn zu durchlöchern. Die Temperatur, die durch das Pyrometer gemessen wird, wird als Steuerungsparameter verwendet, um die Leistung des Ofens zu steuern.
3 zeigt einen Abschnitt einer Spule 6, in der der hohle Charakter der Spule 6 als Öffnung 51 offensichtlich wird. Das Kühlwasser fließt durch die Spule 6, um die Temperatur der Spule 6 unterhalb des Schmelzpunktes des Materials, aus dem es hergestellt ist, zu halten.
4 zeigt einen erhöhten Querschnittsabschnitt des oberen Schlotes T durch eine Ebene, die den Durchmesser des Schlotes T beinhaltet. Wie dargestellt in 1, stellt der obere Schlot T eine angemessene thermische und chemische Umgebung für die Vorform 32 bereit, die durch die Ausgangsstange 35 während der Vorbereitung der Vorform 32 zum Ziehen, bevor es in den Ofenkörper F eingesetzt wird, unterstützt wird. Die Stange 35 ist beispielsweise mit der Vorform durch eine Haken- und Laschenvorrichtung oder eine Stiftverbindungsvorrichtung verbunden. Wie dargestellt in 1 und 4 beinhaltet der obere Schlot T eine Quarzmuffe 33, in die die Vorform 32 eingeführt wird. Die Quarzmuffe 33 ist bevorzugter weise lang genug, um die gesamte Vorform 32 während der Eingangsphase des Prozesses zu umgeben, wenn nur das untere Ende der Vorform zum heißesten Teil des Suszeptors 2 benachbart ist.
Der Durchmesser der Quarzmuffe 33 ist bevorzugt im Wesentlichen gleich zu dem Durchmesser des Suszeptors 2, z.B. 150 mm in der gezeigten Ausführungsform. Gleiche Durchmesser für die Muffe 33 und den Suszeptor 2 minimieren Turbulenzen in dem Konditionierungsgas, weil die Muffe 33 und der Suszeptor 2 eine glatte, innere Wand bilden.
Wie dargestellt in 1, ist ein ringförmiger Verteiler 34 über der Muffe 33 angeordnet. Die ringförmige Form des Verteilers 34 ermöglicht ein gleichförmiges Einführen des Flusses des Konditionierungsgases in den Ofen. Jedes inerte Gas kann geeignet sein als ein Konditionierungsgas inklusive, aber nicht beschränkend, Helium, Argon und Stickstoff, wobei Helium bevorzugt ist. Die Verwendung eines solchen Konditionierungsgases sichert eine inerte, nicht-reaktive Atmosphäre innerhalb des Suszeptors eines Ofenkörpers F, des oberen Schlotes T und des unteren Schlotes B.
4 zeigt eine detaillierte Querschnittsansicht des Verteilers 34, aufgenommen entlang einer Ebene, die einen Durchmesser des Verteilers 34 beinhaltet. Der Verteiler 34 ist im Wesentlichen ein zylindrischer Körper, der ein Inneres definiert, im Wesentlichen, um die Ausgangsstange 35 am oberen Ende abzudichten und die Muffe 33 am unteren Ende abzudichten. Das Konditionierungsgas wird in das Innere eingeführt, wo das Gas innerhalb des Suszeptors des Ofenkörpers F nach unten und aus dem unteren Schlot B fließt. Ein Verteiler 34 kann im Wesentlichen aus Edelstahl, bevorzugt aus Aluminium, hergestellt sein.
In der Ausführungsform, dargestellt in 4 und 5, beinhaltet der Verteiler 34 einen Befestigungskragen 105, einen Konditionierungsgas-Verteilungskörper 37 und einen Unterstützungskragen 38 zum Unterstützen der Ausgangsstange 35 während des Betriebs des Ofens. Der Befestigungskragen ist um die Muffe 33 angebracht und beinhaltet eine obere Oberfläche 105a, an die der Konditionierungsgas-Verteilungskörper 37 befestigt ist. Eine Dichtung 116 ist vorgesehen an dem Befestigungskragen in Kontakt mit der Muffe 33.
Der Konditionierungsgas-Verteilungskörper 37 beinhaltet ein Verteilungsgehäuseoberes 103, das eine obere Oberfläche 103a aufweist, auf der der Unterstützungskragen 38 während des Betriebs des Ofens sich gleitend bewegt. Der Befestigungskragen 105, der Konditionierungsgas-Verteilungskörper 37 und der Unterstützungskragen 38 werden nachfolgend im Detail beschrieben.
Die Verteilungskörperunterseite 104 des Konditionierungsgas-Verteilungskörpers 37 ist befestigt an dem Befestigungskragen 105 mittels Schrauben. Das Verteilungskörpergehäuseobere 103 ist mit dem Verteilergehäuseunterem 104 mit Schrauben verbunden. Ein Verteilungsring 107 ist angeordnet zwischen Verteilergehäuseunterem 104 und Verteilergehäuseoberem 103, wobei der Verteilungsring 107 dem Verteilergehäuseunterem 104 über seine Finnen 108 aufgelegt ist. Eine ringförmige Verteilungskammer 109 wird gebildet zwischen dem Verteilergehäuseunterem 104 und dem Befestigungskragen 105.
Bezugnehmend auf 5, die eine Querschnittsabschnitts-Draufsicht auf den Verteiler 34 darstellt, wird das Konditionierungsgas (das von einem äußeren, nicht dargestellten Zuführsystem kommt) in die Verteilerkammer 109 durch zwei Rohre 29 zugeführt. Die Rohre 29 sind tangential mit Bezug auf die Verteilerkammer 109 angeordnet. Der tangentiale Eintritt der Rohre 29 ermöglicht, das Konditionierungsgas in die Verteilerkammer 109 mit geringer Turbulenz zuzuführen. Die Verteilerkammer 109 dient als Reservoir, welches Unregelmäßigkeiten im Gasfluss beim Eintritt in die Kammer 122 eliminiert.
Wenn gewünscht, kann ein poröser Filter 106 als eine innere Wand innerhalb der Verteilerkammer 109 vorgesehen sein. Vor dem Eintritt in die Kammer 122 passiert das Konditionierungsgas daher den optionalen Filter 106, wobei der Filter des Weiteren die Gleichförmigkeit des Flusses des Konditionierungsgases verbessert. Ein passender Filter zur Verwendung als ein Filter 106 beinhaltet, aber ist nicht beschränkt auf, einen Filter, der aus metallischen Fasern hergestellt ist, gemäß der FIBERMET AO Serie von MEMTEC (Memtec Applied Mechanics, 1750 Memtec Drive, Deland, Florida, USA).
Nachdem das Konditionierungsgas durch den optionalen Filter 106 hindurch getreten ist, lenkt der Verteilungsring 107 sanft dessen Fluss ab. Die konische, untere Oberfläche des Verteilungsrings zusammen mit dem Verteilergehäuseunteren 104 bildet einen nach unten gerichteten, ringförmigen Kanal 110, durch den das Konditionierungsgas entlang des Weges 150 fließt. Daher richtet sich der Fluss des Konditionierungsgases nach unten zur Muffe 33. Um die Turbulenz zu minimieren in dem Fluss des Konditionierungsgases, hat die Anmelderin beobachtet, dass ein ringförmiger Kanal 110 mit einem Winkel α von zumindest 45° mit Bezug auf die Längsachse des Ofens gewickelt sein soll, bevorzugt von 40° bis ungefähr 20°, wobei ein Winkel α von ungefähr 30° besonders bevorzugt ist. Falls der Winkel α größer als ungefähr 45° ist, würde der Fluss des Gases nicht ausreichend nach unten gelenkt, wodurch möglicherweise, insbesondere bei hohen Flussraten, ungewünschte Gasturbulenzen durch eine außergewöhnlich hohe radiale Komponente des Gasflusses, der in den oberen Schlot eintritt, hervorgerufen werden. Andererseits wäre ein Winkel von 0° (d.h. mit einem axialen Fluss des Gases, d.h. parallel zur Längsachse des Ofens) wünschenswert, mit Bezug auf die Kinetik des Prozesses, aber schwierig zu realisieren in Bezug auf die Vorrichtung, weil in diesem Fall der Verteilerkörper eine reduzierte Querschnittsfläche mit Bezug auf den verbleibenden Abschnitt des oberen Schlotes aufweisen würde.
Die Anmelderin hat bemerkt, dass, wenn hohe Flussraten eines Konditionierungsgases (z.B. ungefähr 100 slm – Standardliter pro Minute – oder höher) in einem Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet würden, der den zuvor beschriebenen Einlass, angeordnet mit 30°, mit Bezug auf die Längsachse des Ofens aufweist, ungewünschte Turbulenz in dem Gas nicht auf die Zone der Vorform übertragen werden.
Das Konditionierungsgas fließt weiter entlang des Weges 150 zwischen den Finnen 108, die radial innerhalb des ringförmigen Kanals 110 angeordnet sind, bevorzugt in Übereinstimmung mit dem Auslass des Kanals. Das Vorhandensein der Finnen am Auslass des Kanals 110 trägt im Wesentlichen zur Eliminierung einer umfänglichen Wirbelkomponente in dem Gasfluss bei.
Optional kann auch der Verteilerring 107 mit seiner oberen Oberfläche konisch geformt sein, so dass ein schmaler Betrag von Konditionierungsgas durch den nach oben gerichteten, ringförmigen Weg 152, der durch die obere Oberfläche 111 des Verteilerrings 107 und des Verteilergehäuseobere 103 definiert ist, in die Kammer 122 fließen kann. Dieser optionale Fluss des Konditionierungsgases 152, der sehr gering sein sollte, um Gasturbulenzen innerhalb des oberen Schlotes zu vermeiden, erzeugt in dem oberen Abschnitt des oberen Schlotes einen Gaspuffer, der einen Druck aufweist, der höher als der der äußeren Atmosphäre ist, wodurch des weiteren (zusätzlich zu der mechanischen Dichtung 114 hiernach beschrieben) verhindert wird, dass Umgebungsluft in die Kammer und somit in die Muffe 33 eintreten kann.
Der Unterstützungsflansch 102 des Unterstützungskörpers 38 kann gleitend über die obere Oberfläche 103a einer Verteilergehäuseoberfläche 103 bewegt werden. Ein Abdichtungskragen 101 ist an dem Unterstützungsflansch 102 mit Schrauben befestigt. Eine Manschette 112 wird in den Kanal auf der inneren Oberfläche des Unterstützungsflansches 102 eingesetzt. Die Manschette 112 ist aus einem Material mit geringer Reibung hergestellt, bevorzugt Polytetrafluorethylen (z.B. Teflon^TM), um jede Reibung zwischen der Vorform 32 und der inneren Oberfläche des Unterstützungskörpers 38 zu reduzieren. Der Durchmesser der Manschette 112 ist ausgelegt, um die Ausgangsstange 35 festzuhalten, die als ein Handgriff für die Vorform 32 funktioniert oder durch die die Vorform 32 während des Faserziehens unterstützt ist. Somit führt der Unterstützungskörper 38 die Ausgangsstange 35 und die Vorform 32 während des Betriebs des Ofens. Der Unterstützungskörper 38 kann verwendet werden, um die Ausgangsstange 35 und die Vorform 32 während des Betriebs des Ofens horizontal gleiten zu lassen, um zu verhindern, dass die Vorform 32 oder die Ausgangsstange 35 einen Teil des Verteilers 34 während des Betriebs des Ofens berühren. Die Vorformen und Ausgangsstangen unterschiedlichen Durchmessers können durch Wechseln der Manschette 112 berücksichtigt werden. Die sich von dem Unterstützungskörper 38 nach außen erstreckende Ausgangsstange wird beispielsweise durch Mittel, wie ein Spannfutter (nicht dargestellt) blockiert, welches die Vorform festhält. Die Vorform wird dann nach unten während des Ziehbetriebs bewegt, um zu ermöglichen, dass die Vorform konstant in der Schmelzzone innerhalb des Ofens positioniert ist.
Eine Dichtung 114 ist befestigt in einem Kanal auf der inneren Wand des Dichtungskragens 101. Die Dichtung 114 hält die inerte Atmosphäre innerhalb des Ofens zurück. Übliche Dichtungen (z.B. EnerSeal von Advanced), die eine flache Öffnung in ihrer oberen Oberfläche aufweisen, üben oft eine zu starke Dichtungskraft auf die Ausgangsstange 35 oder die Vorform 32 aus. Wenn eine solche übliche Dichtung verwendet wird, kann es passieren, dass beim Anheben der Vorform 32 der Unterstützungskörper 38 fest in Kontakt mit der Vorform durch die Dichtung verbleibt und mit Bezug auf den Konditionierungsgas-Verteilerkörper 37 nach oben angehoben wird. Bei einem weiteren Anheben der Vorform kann es passieren, dass der Unterstützungskörper sich plötzlich von der Dichtung löst, so dass er auf den Konditionierungsgas-Verteilerkörper 37 fällt, wodurch der darunter liegende Verteilerkörper 37 üblicherweise beschädigt wird.
Die Dichtung 114 ist ausgelegt, eine ausreichende Dichtungskraft auf die Ausgangsstange 35 oder die Vorform 32 auszuüben, um zu verhindern, dass die Umgebungsatmosphäre in die Kammer 122 eintritt. Jedoch ist die Dichtung 114 elastischer in die radiale Richtung als gewöhnliche Dichtungen, so dass die Ausgangsstange 35 oder Vorform 32 sanft von dem Unterstützungskörper 38 zurückgezogen werden kann, ohne zwischen Ausgangsstange 35 oder Vorform 32 und Dichtung 14 zu haften. Die zugefügte Elastizität der Dichtung 114 wird erreicht durch Anpassen einer Dichtung mit einem Y-förmigen Profil, wie dargestellt in 7, wobei ein Sitz 115 das Y-förmige Profil in der Dichtung 114 bildet und tiefer ist als in den gewöhnlichen Dichtungen. Wenn insbesondere die Dicke der Dichtungswände 116 etwa 1 mm beträgt, ist das Verhältnis der Höhe H2 zu der gesamten Dichtungshöhe H1 weniger als ungefähr 2, bevorzugt von ungefähr 2 bis ungefähr 1,4. In der beschriebenen Ausführungsform ist die Dicke der Wände der Dichtung 114 ungefähr 1 mm, wobei die Dichtung eine Gesamthöhe von ungefähr 10 mm und eine Höhe von ungefähr 5,8 mm von dem Sitz 155 beträgt. Die Dichtung wird hergestellt aus einem inerten elastomeren Material, das widerstandsfähig gegen die hohen Temperaturen des Ofens ist. Bevorzugt wird ein Fluorelastomer, wie Viton^®, verwendet.
Wie schematisch in 1 und detaillierter in 2 dargestellt, ist der untere Schlot B mit dem unteren Abschnitt des Ofenkörpers F verbunden. Der untere Schlot B beinhaltet ein wassergekühltes, zylindrisches Rohr 40, welches von dem Unteren des Ofens F hervortritt. Bevorzugt wird der innere Teil des zylindrischen Rohrs 40 aus einem Quarzrohr hergestellt. Ein Konus 41, der auch wassergekühlt sein kann, wird mit dem unteren Ende des Zylinders 40 verbunden. Ein kegelförmiger Schließer 42 wird mit dem unteren Abschnitt des Konus 41 verbunden. Der Schließer 42 wird aus zwei trennbaren Hälften hergestellt, die beabstandet zueinander zu Beginn des Ziehbetriebs angeordnet sein können, um einen größeren Durchlass für den Ausgangsblasabfall, der von der Vorform kommt, bereit zu stellen. Während des Ziehprozesses werden die zwei Hälften des Schließers dicht zueinander angeordnet, wodurch ein Auslass am unteren Teil des unteren Schlotes von ungefähr 20 mm übrig bleibt.
Mit konventionellen, querschnittskonstanten unteren Schloten führt eine mögliche Turbulenz in dem Konditionierungsgas, wie es durch den unteren Schlot fließt, zu ungewünschten Schwingungen in dem Durchmesser der Faser. Die kegelförmige Form des Konus 41 des Endabschnitts des unteren Schlotes B führt zu graduellen Veränderungen in der Querschnittsfläche, durch die das Konditionierungsgas fließt. Daher ändert sich auch die Geschwindigkeit des Konditionierungsgases, wie es durch den unteren Schlot B fließt, graduell, und Turbulenzen werden minimiert. Der sanfte Fluss des Konditionierungsgases durch den unteren Schlot minimiert ungewollte Schwingungen in dem Faserdurchmesser.
Weil der Schließer 42 eine sehr enge Ausgangspassage für das Konditionierungsgas vorsieht, ist der Konus 41 besonders geeignet zum Reduzieren von Turbulenzen, um das Bilden von Wirbeln durch die Gasrezirkulation zu verhindern, die durch das Gas hervorgerufen werden, das auf den verschlossenen Teil des Schließers trifft. Dieser Effekt wird beseitigt mit der Hilfe des Entwurfes von Fließwegen, dargestellt in 6 und 6A. 6 beschreibt die Fließwege des Gasflusses durch eine Ausführungsform eines unteren Schlotes gemäß der Erfindung. Alle Fließwege konvergieren an dem Ausgang des unteren Schlotes. Der Fluss ist geordnet und beinahe turbulenzfrei.
6A beschreibt Fließwege eines Gasflusses durch einen konventionellen unteren Schlot, der einen wesentlichen konstanten Durchmesser entlang seiner Länge und einen signifikant kleineren Ausgangsdurchmesser an dem Schließer als der Durchmesser des Schlotes unmittelbar über dem Schließer aufweist. Wie dargestellt, können Verwirbelungen innerhalb des Gasflusses in den Lateralabschnitten des Flusses erzeugt werden, die zu ungewünschten Gasturbulenzen innerhalb des Ofens führen würden.
Tatsächlich wird die Geschwindigkeit des Konditionierungsgases, das durch den konischen Teil 41 des unteren Schlotes fließt, graduell erhöht, wodurch graduell die gewünschte Austrittsgeschwindigkeit am Ausgang des unteren Schlotes erreicht wird und keine Verwirbelungen innerhalb des unteren Schlotes erzeugt werden. Die zuvor beschriebene konische Form des unteren Schlotes ermöglicht daher, dem Konditionierungsgas einen im Wesentlichen konstanten oder geringfügig sich erhöhenden Gradienten der Geschwindigkeit zu verleihen.
Bevorzugt beträgt das Inkrement der Geschwindigkeit des Gases innerhalb des konischen Abschnittes 41 ungefähr 1/10 bis 1/100 pro Millimeter Höhe des Abschnittes mit Bezug auf die Geschwindigkeit des Gases bei Eintritt in den Abschnitt. Beispielsweise wird ein Konditionierungsgas, das in den konischen Abschnitt von ungefähr 180 mm Höhe mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 0,2 m/s eintritt, eine Geschwindigkeit am Ausgang des Abschnittes (d.h. am Einlass des Schließers 42) von ungefähr 1,25 m/s aufweisen.
Zum Erzeugen der vorgenannten Gradienten in der Geschwindigkeit des Konditionierungsgases ist der konische Endabschnitt des unteren Schlotes von ungefähr 12° bis ungefähr 16° mit Bezug auf die Längsachse des Ofens angewinkelt, bevorzugt ungefähr 14°. Winkel, ungefähr kleiner als 12°, würden, obwohl sie wünschenswerter zum Erzeugen eines graduellen Ansteigens der Geschwindigkeit des Konditionierungsgases wären, jedoch entweder einen zu langen konischen Abschnitt des unteren Schlotes benötigen, falls der Auslassdurchmesser unverändert beibehalten wird (wodurch eine ungewünschte Erhöhung der Höhe des Ziehturmes bewirkt wird), oder die Erhöhung des Durchmessers des Auslasses, wenn die Länge des konischen Abschnittes unverändert beibehalten werden soll (womit ungewünscht die Geschwindigkeit und der Druck des Gases am Auslass reduziert würden). Andererseits können Winkel von mehr als 16° einfacher ungewünschte Verwirbelungen in dem Konditionierungsgasfluss durch den unteren Schlot erzeugen.
Wenn das Konditionierungsgas durch den Schließer 42 fließt, erhöht sich seine Geschwindigkeit weiter, und der Gradient wird noch steiler. Der Druck des Gases erhöht sich somit, und dieses verhindert einen ungewünschten Aufstieg von äußerem Atmosphärengas in den Ofen.
Der konische Endabschnitt 41 des unteren Schlotes hat eine Höhe von ungefähr 100 mm bis ungefähr 250 mm, bevorzugt ungefähr 175 mm. Die Höhe des Schließers 42 ist ungefähr 60 bis 90 mm, bevorzugt ungefähr 75 mm.
Der Schließer 42 kann in einer Richtung rechtwinklig zu der Längsachse der Vorform gleiten, um ein Durchtreten des Abtropfens während der Eingangsziehphase zu ermöglichen. Wenn er in dieser offenen Position ist, existiert ein Abstand zwischen den Hälften des Schließers 42. Sobald der Abfall durch den Schließer 42 gefallen ist, können die Hälften zusammengeschoben werden, um eine Verlängerung des Konus 41 mit einer Öffnung an der Unterseite des Schließers 42 zu bilden, der hinreichend klein ist, um die gezogene Faser eng zu umschließen.
Der obere und untere Schlot, offenbart mit besonderem Bezug auf Graphit-Induktionsöfen, kann auf vorteilhafte Weise für zirkonoxidartige Induktionsöfen angewendet werden.

Claims

Verfahren zum Ziehen einer optischen Vorform eines größeren Durchmessers in eine optische Faser oder in eine Vorform eines kleineren Durchmessers, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: – Zuführen der optischen Vorform in einen Induktionsziehofen durch einen oberen mit dem Ofen verbundenen Schlot, wobei der Ziehofen des weiteren einen unteren Schlot beinhaltet; – mechanisches Verschließen des oberen Abschnittes des oberen Schlots; – Erwärmen des unteren Ende der Vorform in dem Ofen bis zu seiner Erweichungstemperatur; – Zuführen eines Flusses von Behandlungsgas in den oberen Schlot, indem dem Fluss des Behandlungsgases, das in den oberen Schlot eintritt, eine nach unten gerichtete winklige Richtung verliehen wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren die Schritte beinhaltet: – Ermöglichen, dass das Gas von dem Ofenkörper durch den unteren Schlot und dann nach außen aus dem unteren Schlot fließt, wobei die Geschwindigkeit des Behandlungsgases in zumindest einem unteren Abschnitt des unteren Schlots einen im Wesentlichen konstanten oder geringfügig erhöhten Gradienten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nach unten gerichtete winklige Richtung einen Winkel von weniger als 45° mit Bezug auf die Längsachse des Ziehofens bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nach unten gerichtete winklige Richtung einen Winkel von 40 bis 20° mit Bezug auf die Längsachse des Ziehofens bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Inkrement der Geschwindigkeit des Gases innerhalb des unteren Abschnittes von ungefähr 1/10 bis ungefähr 1/100 pro mm der Höhe des unteren Abschnittes mit Bezug auf die Geschwindigkeit des in den unteren Abschnitt eintretenden Gases beträgt.
Ziehofen zum Ziehen einer optischen Vorform in eine optische Faser oder in eine andere Vorform mit einem geringeren Durchmesser, wobei der Ofen (101) beinhaltet: – einen Ofenkörper F, der ein unteres Ende und ein oberes Ende und zumindest einen Suszeptor (2), eine Induktionsspule und ein Isoliermaterial (3), die zwischen dem Suszeptor und der Induktionsspule angeordnet sind, aufweist; und – einen oberen Schlot (T), der mit dem oberen Ende des Ofenkörpers (F) verbunden ist, wobei der obere Schlot (T) eine mechanische Dichtung zum Verhindern eines Einlasses von Außenluft in den Ofenkörper (F) aufweist; und – einen unteren Schlot (B), der mit dem unteren Ende des Ofenkörpers (F) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass der obere Schlot (T) auf einem oberen Abschnitt einen Verteilkörper (34) aufweist, der so aufgebaut ist, dass ein Behandlungsgas gleichförmig in den oberen Schlot (T) eingeführt werden kann und gezwungen in eine untere Richtung zu dem Ofenkörper (F) gerichtet werden kann, und dass der untere Schlot (B) zumindest einen unteren Abschnitt mit einer verringerten Querschnittsfläche vom oberen bis zum unteren Ende des unteren Schlots (B) in einer Ebene rechtwinklig zu der Längsachse aufweist.
Ziehofen gemäß Anspruch 5, wobei die nach unten gerichtete Richtung einen Winkel mit weniger als ungefähr 45° mit Bezug auf die Längsachse des Ziehofens bildet.
Ziehofen gemäß Anspruch 5, wobei die nach unten gerichtete Richtung einen Winkel von ungefähr 40° bis ungefähr 20° mit Bezug auf die Längsachse des Ziehofens bildet.
Ziehofen gemäß Anspruch 5, wobei der Verteilkörper (94) beinhaltet: – eine ringförmige Verteilkammer (109); – einen nach unten gerichteten ringförmigen Auslass (110) verbunden mit der ringförmigen Kammer (109) und in Fließverbindung mit dem oberen Schlotinneren; wobei der ringförmige Auslass (110) einen nach unten gerichteten Fließweg von dem oberen Schlotinneren zu der Wärmezone des Ofens vorgibt.
Ziehofen gemäß Anspruch 8, des weiteren beinhaltend ein Zuführrohr (29), das von der Quelle des Behandlungsgases zu der ringförmigen Kammer (109) führt, wobei das Rohr (29) tangential mit Bezug zu der Kammer angeordnet ist.
Ziehofen gemäß Anspruch 8, wobei eine Mehrzahl von Finnen (108) radial innerhalb des ringförmigen Auslasses angeordnet sind.
Ziehofen gemäß Anspruch 8, wobei ein poröser Filter (106) innerhalb des Verteilungskörpers (34) angeordnet ist und zwischen der ringförmigen Verteilkammer (109) und dem nach unten gerichteten ringförmigen Auslass (110) angeordnet ist.
Ziehofen gemäß Anspruch 8, des Weiteren beinhaltend einen Abstützkragen (38), der geeignet ist, ein Ende der optischen Vorform oder eine mit der Vorform verbundenen Ausgangsstange, die im Ofen aufgenommen ist, aufzunehmen und festzuhalten.
Ziehofen gemäß Anspruch 12, wobei der Abstützkragen (38) frei auf den Verteilungskörper (34) gleiten kann.
Ziehofen gemäß Anspruch 12, wobei eine im Wesentlichen ringförmige elastische Dichtung (114) auf der inneren Wand des Abstützkragen (101) vorgesehen ist, wobei die Dichtung (114) Außenluft am Eindringen in den Ofen hindert, während es ermöglicht wird, die Vorform oder die Ausgangsstange von dem Inneren des Ofens durch den Abstützkragen (38) zu entfernen, ohne an der Dichtung (114) festzukleben.
Ziehofen gemäß Anspruch 14, wobei die Dichtung (114) eine Dichtungshöhe festlegt und einen Dichtungssitz (115), der eine Dichtungshöhe hat, und zwei gegenüberliegende Dichtungswände (116) aufweist, wobei sich jede davon von dem Dichtungssitz (115) erstreckt, und wobei das Verhältnis der Dichtungshöhe zu der Dichtungshöhe weniger als 2, bevorzugt zwischen 2 und 1,4 beträgt.
Ziehofen gemäß Anspruch 15, wobei der untere Schlot (B) zumindest einen unteren Abschnitt (41, 42) aufweist, der kegelförmig in Form eines im Wesentlichen frusto-konisch geformten Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei die Wände der frusto-konischen Auslassöffnung (41, 42) ungefähr 12° bis ungefähr 16° mit Bezug auf die Längsachse des Ofens angewinkelt sind.
Ziehofen gemäß Anspruch 16, wobei die frusto-konisch geformte Auslassöffnung (41, 42) eine Höhe von ungefähr 200 mm bis ungefähr 300 mm aufweist.
Ziehofen gemäß Anspruch 16, wobei die frusto-konisch geformte Auslassöffnung (41, 42) an ihrem unteren Ende mit einem Schließabschnitt (42), verbunden mit dem unteren Ende der Auslassöffnung, versehen ist, die eine Auslassöffnung definiert, die anpassbar ist, um die Größe der Auslassöffnung zu steuern.
Ziehofen gemäß Anspruch 16, wobei der untere Schlot (B) des weiteren eine innere Wand und eine äußere Wand aufweist, welche zusammen einen Kühlraum (40) bilden, durch den ein Kühlungsfluid zirkuliert wird, um das Innere des unteren Schlots umgeben von dem Kühlraum zu kühlen.
Ziehofen gemäß Anspruch 5, wobei das Isoliermaterial (3) ein starres Graphitmaterial in Form eines im Wesentlichen zylindrischen hohlen Körpers ist, welches in der Lage ist, seinem eigenen Gewicht zu Wiederstehen, ohne auf den Suszeptor (2) zu kollabieren.
Ziehofen gemäß Anspruch 20, wobei das starre Graphitmaterial aus Graphitfasern besteht, die parallel zu der Achse des zylindrischen Körpers ausgerichtet sind.
Ziehofen gemäß Anspruch 20, wobei der zylindrische Körper (3) aus einem einzelnen Bogen des starren Graphitmaterials hergestellt ist, wobei die zwei gegenüberliegenden Enden gebogen und in Kontakt miteinander gehalten sind, um den Zylinder auszubilden.
Ziehofen gemäß Anspruch 22, wobei die Dicke des einzelnen Bogens des starren Graphitmaterials ungefähr 45 bis 60 mm beträgt.
Ziehofen gemäß einem der Ansprüche 5 bis 23, wobei der Suszeptor (2) einen inneren Durchmesser von mehr als 100 mm aufweist.