-
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;
wobei der obere Schlot auf seinem oberen Abschnitt
einen Verteilkörper
aufweist, der so aufgebaut ist, dass ein Konditionierungsgas gleichförmig in
den oberen Schlot eingeführt
werden kann und gezwungen in einer unteren Richtung zu dem Ofenkörper gerichtet
werden kann, und wobei der untere Schlot zumindest einen unteren
Abschnitt mit einer verringerten Querschnittsfläche vom oberen bis zum unteren
Ende des unteren Schlots in einer Ebene rechtwinklig zu der Längsachse
aufweist.
-
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;
wobei der ringförmige Auslass
einen nach unten gerichteten Fließweg von dem oberen Schlotinneren
zu der Wärmezone
des Ofens vorgibt.
-
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. TeflonTM), 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.