FI113758B - Menetelmä ja laite optisten kuitujen valmistamiseksi - Google Patents

Description

113758

MENETELMÄ JA LAITE OPTISTEN KUITUJEN VALMISTAMISEKSI

Esillä oleva keksintö kohdistuu optisten kuitujen valmistamiseen. Erityisesti keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista menetelmää lasisen preformin käsittelemi-5 seksi vetovoimilla kuumennusuunissa optisten kuitujen valmistamiseksi tai lasisen preformin venyttämiseksi kuitujen valmistamiseen sopivan muotin muodostamiseksi. Esillä oleva keksintö koskee myös patenttivaatimuksen 17 johdannon mukaista laitetta lasisten pre-formien käsittelemiseksi.

10 Optisten kuitujen valmistuksessa lasinen preformi, joka muodostuu esimerkiksi kerroksisesta lasirakenteesta, vedetään sellaisen uunin läpi, joka muodostuu pitkänomaisesta kuu-mennuskammiosta, jonka keskiakseli suuntautuu vaaka- tai pystysuuntaan, ja jossa preformi kuumennetaan noin 1800 - 2200 °C:n lämpötilaan lasin pehmentämiseksi. Käytännössä käytetään uuneja, joissa käytetään joko ZrO- tai grafiitti vastuksia (vastuskuumennus 15 tai induktiokuumennus). Kummassakin tapauksessa syöttöaukolle, jonka läpi esimerkiksi pystysuoraan ripustettu lasi suuntautuu uuniin, on jäljestetty tiivistys. Tiivistys voi muodostua mekaanisesta renkaasta, esimerkiksi mekaanisesta iirisrakenteesta, joka pienentää syöttöaukon ja aihion ulkoseinämän välistä etäisyyttä.

20 Uuneissa, joissa käytetään ZrO-vastuksia, käsittely voidaan toteuttaa ympäristön lämpötilassa, jolloin syöttöaukon tiivistyksen teho ei ole kriittinen. Tällöin ei myöskään ole tarvetta minimoida lasisen preformin ja syöttöaukon sisäpinnan välistä etäisyyttä. Näiden uunien . . haittapuolena on kuitenkin se, että rakenteet tuhoutuvat, jos ne pääsevät jäähtymään käytön , · ! aikana. Näin ollen esimerkiksi sähkökatkosten ja vastaavien häiriöiden aikana saattaa , · * | 25 esiintyä erityisen hankalia tilanteita.

.:. Toista kuumennusuunityyppiä, siis grafiittiuunia, käytetään yleisemmin. Grafiitin palami- * · · · .' * ·. sen välttämiseksi uimin grafiittiosat on pyrittävä pitämään yli 500 °C:n lämpötiloissa suo- '. jakaasun ympäröimänä. Voidaan havaita, että palaneiden grafiittivastusten uusiminen ei ’1!!^ 30 ole ainoastaan kallista, vaan hehkuva ja savuava grafiitti myös aiheuttaa kuidun ominai- * · ’ suuksia heikentävien hiukkasten syntymistä.

* · · » · · ‘ : Tämän vuoksi grafiittiuunien ollessa kyseessä suojakaasun hallitsemisen olennainen osa on tehokkaan tiivistämisen järjestäminen 1) uuniin syötettävän lasisen preformin väliin, 2) 2 113758 uunin sisäpuolelle ja 3) uunin rungon poistoaukon ja vedetyn kuidun/preformin väliin. Tähän asti näitä tiivistyksiä ei ole voitu luotettavasti hallita.

JP-patenttijulkaisussa 55 020260, US-patenttijulkaisussa 4.477.274 ja DE-patentti-5 julkaisuissa 3 903 466 sekä 4 006 839 kuvataan erilaisia mekaanisia tiivistyksiä, joissa kuvataan laahaavia elastomeeri- tai grafiittitiivisteitä. Nämä tiivisteet sopivat tiukasti pre-formia vasten kuitua vedettäessä.

Edellä mainitun kaltainen tyypillinen mekaaninen tiiviste kuvataan myös oheisessa kuvios-10 sa 2. Kuviossa viitenumero 1 kuvaa iiriksen tukilohkoa, 1.2 kuvaa tiivistyshuovan (viitenumero 1.3), kiristysrengasta, numero 3 kuvaa lasista preformia ja 4 uunin runkoa.

Muita mekaanisia tiivistysrakenteita ovat ripustetut kvartsilevyt, joita käytetään syöttöau-kon tiivistykseen.

15

Preformin kiertämistä sen keskiakselin ympäri vetämisen aikana on ehdotettu. Kiertäminen on edullista prosessin hallittavuuden, kuumenemisen tasaisuuden ja paksuuden mittauksen kannalta. Preformin mahdollinen soikeus kuitenkin yhdessä laahaavien tiivisteiden kanssa haittaa preformin kiertämistä ja siten myös kuidun vetämistä sekä muotin venyttämistä.

. 20 Lisäksi polymeeristä tai grafiittimateriaalista irtoavat hiukkaset saattavat saastuttaa kuidun.

Kuten edellä on kuvattu, preformin kanssa olevaan mekaaniseen kontaktiin perustuvat , . tiivisteet aiheuttavat preformin pinnan saastumista sekä naarmuja ja muita vikoja. Kemial- , · J lisesti erittäin kestävien elastomeeritiivisteiden sijaan on käytettävä korkeita lämpötiloja , · · · ] 25 kestäviä materiaaleja. Yleisesti käytetyt grafiittihuopapohjaiset tiivisteet tai kvartsivillatii- visteet päästävät myös happea uuniin, ja ne myös kuluvat huomattavasti. Tämä voidaan .:. selittää sillä, että kuumennuskammiosta ei ole ulkopuolelle tiivisteen läpi suuntautuvaa : * * *. paluuvirtaa, joka estäisi syntyvän diffuusion tai ainakin tällaisen virtauksen muodostami- ’. nen huokoiseen tai epätäydellisen tiiviiseen tiivisteeseen on erittäin vaikeaa. Kapeaa uraa, ’! 11 30 jonka korkeus on samaa luokkaa molekyylin vapaan liikkeen kanssa, voidaan tutkia tyhjiön

• I

• käsitteiden avulla, sillä tyhjiö voidaan määrittää tilaksi, jossa molekyylin vapaa liike on ; * * * korkeampi kuin seinämien välinen etäisyys. Tyhjiössä molekyyli jatkaa lineaarista liiket- • I t * * tään seinämien välillä kohtaamatta vastaantulevaa molekyyliä. Tällöin esimerkiksi uraan joutunut happimolekyyli liikkuu uran läpi, kun se on mennyt sinne. Tämä ilmiö selittää sen 3 113758 tunnetun seikan, että molekyylit diffusoituvat huokoisen seinämän läpi myös korkeamman paineen suuntaan. Tässä valossa on helppo ymmärtää, että tiiviste on joko täysin tiivis tai se sallii diffuusiovirran tunkeutua, mikä on vaikeaa estää ylipaineen tai muiden menetelmien avulla. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on kehitettävä muita menetelmiä.

5

Alalla on ehdotettu suojakaasuvirtauksen muuttamista edellä mainitun ongelman ratkaisemiseksi. Esimerkiksi US-patenttijulkaisut 4.174.842, 5.970.083 ja 5.897.681 ja JP-patenttijulkaisu 60 081039 ehdottavat kaasuvirtauksen lisäämistä. Tämän menetelmän avulla voidaan pienentää hapen diffuusiota uunissa, mutta tämän nimenomaisen ratkaisun 10 ongelmana on, että se lisää inertin kaasun kulutusta ja kustannuksia huomattavasti. Itse asiassa, testattaessa ei kosketuksissa olevia ratkaisuja on käytetty erittäin suuria tiivistys-virtoja (yli 100 vakiolitraa minuutissa (Standard Litre per Minute, josta jäljempänä käytetään lyhennettä SLM) ja koko laitteen rakenteellisten osien pienet muutokset ovat aiheuttaneet tiivisteiden yllättäviä vioittumisia. Joissakin tapauksissa grafiittitiivisteiden on annettu 15 tahallaan rikkoutua ja ne on vaihdettu parin viikon välein. Tätä on käytetty ainakin prefor-mien venyttämisessä, ja saastunut preformi on tämän jälkeen puhdistettava erikseen.

Kuten edellä olevasta tekniikan tason kuvauksesta ilmenee, tähän asti ei ole täysin ymmärretty kuumennusprosessia kokonaisuutena tai lasiaihiouunien sisäisten virtausten oikeaa : 20 jakautumista. Lisäksi tällaisten uunien tiivistysratkaisut on kehitetty erikseen eri osien yk sittäisten testien perusteella. Vastaavasti, jopa pienet preformin halkaisijan muutokset ,...: edellyttävät uutta testisarjaa ennen uunin käyttöönottoa.

; * ·, · Kummankin perustyypin hallittavuutta vaikeuttavat preformien geometrian muutokset, : ‘' *: 25 esimerkiksi paksuuden muutokset, soikea tai kaarimainen muoto ja taipuminen.

Kuten edellä on selitetty, edellä mainitut vaikeudet korostuvat, kun preformia kierretään •,, (ί prosessin aikana.

• · : “': 30 Esillä oleva keksintö kohdistuu tunnetun tekniikan haittapuolien poistamiseen sekä uuden ,♦* : ratkaisun tuottamiseen optisten kuitujen vetämiseen ja lasisten preformien venyttämiseen » i * ....: sekä vastaavien optisten kuitujen valmistukseen liittyvien toimien tekemiseen käytettävien • · uunien tiivistämiseen.

4 113758

Keksintö perustuu siihen ideaan, että epäpuhtauksien konsentraatio säilytetään uunissa olennaisesti samana kuin kaasuun syötettävän suojakaasun kaasumaisten epäpuhtauksien konsentraatio. Lisäksi tällöin muodostetaan diffuusioeste, joka estää ei-toivottujen kaasumaisten komponenttien virtaamisen ympäröivästä ilmasta diffuusiovoimien tuomana, 5 muodostamalla inertistä kaasusta estevirtaus kuumennusuunin syöttöaukkoon, jonka este-virtauksen virtaussuunta on yleisesti vastakkainen diffuusion suuntaan nähden. Näin ollen esillä olevan keksinnön mukaisessa laitteessa muodostetaan vähintään yksi diffuusioeste-vyöhyke, edullisesti yhtä monta diffuusioestevyöhykettä kuin uunin kammiossa on aukkoja. Diffuusioeste päästää lävitseen epäpuhtauksia ainoastaan niin vähän, että määrä ei ole 10 riittävä olennaisesti suurentamaan uunissa olevien epäpuhtauksien määrää. Tällainen suureneminen on edullisesti alle 10 %, erityisesti alle 5 % konsentraatiosta, joka aiheutuu uuniin syötettävän suojakaasun epäpuhtauksista.

Tämä tekninen ratkaisu toteutetaan keksinnön mukaisesti erityisesti menetelmässä lasisen 15 preformin (työkappaleen) käsittelemiseksi vetovoimilla uunissa muodoltaan ennalta määritetyn lasituotteen tuottamiseksi, jossa menetelmässä ainakin osa lasisesta preformista johdetaan kuumennusuuniin syöttöaukon kautta, osa kuumennusuuniin johdetusta lasipre-formista kuumennetaan lasin pehmenemislämpötilan yläpuolelle, lasipreformin kuumennettuun osaan kohdistetaan vetovoimia vetosuunnassa aihion käsittelemiseksi ennalta mää-: 20 ritettyyn muotoon, joka muodoltaan esimääritetty preformin käsitelty osa vedetään uunista . , \ poistoaukon kautta ja preformin pehmenevä osa ja ainakin osa preformin käsitellystä osasta huuhdellaan uunissa uuniin syöttöaukon kautta syötetyllä suojakaasulla.

; ’ ·, * Keksinnölle on erityisesti tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tun- : “ ‘: 25 nusmerkkiosassa.

t fj j ’ Keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen :17 tunnusmerkkiosassa.

• · • » : ’ ”: 30 Esillä oleva keksintö saa aikaan huomattavia etuja. Siten keksinnön mukaista ratkaisua .·’ : voidaan käyttää optisen kuidun valmistuksessa, esimerkiksi lasiaihioiden venytyksessä, • » · « · ..,.: kutistamisessa, sintraamisessa ja holkittamisessa, joita jäljempänä kutsutaan preformeiksi, » edellä mainituissa prosesseissa ja erilaisissa uuneissa, joita tarvitaan niiden yhdistämispro-sesseissa, sekä kuitujen vetouunissa. Keksintöä voidaan käyttää ei-koskettavan tiivistyksen 5 113758 tuottamiseen, suojakaasun kulutus voidaan optimoida ja tarkkojen osien määrä voidaan minimoida esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän avulla ja lisäksi keksintö mahdollistaa preformin samanaikaisen pyörittämisen. Keksinnössä yhdistetään ja integroidaan kaasunsyöttöjäijestelmä, uunin huuhtelu- tai pesuvirtaus, savupiippuilmiö, ylempi aukko 5 (’’ylempi iiris”), alempi aukko (’’alempi iiris”) ja niiden fyysiset mitat.

Tällöin kokonaisuuden minkä tahansa osan vaihtamisen vaikutusta voidaan tarkkailla ja vastaavasti se voidaan kompensoida jäijestelmän muilla osilla tai muuttamalla laitteen toimintaa, virtauksen jakautumista tai kaasunsyöttökohtia. Tämän tuloksena myös tarvittavien 10 käytännön haijoitussyklien määrä pienenee huomattavasti.

Esillä olevan keksinnön mukainen ratkaisu tuottaa ainakin seuraavat edut: yhdistelmänä: ei-koskettava tiivistys ja pyörittämisen käyttäminen erityisesti grafiittiuuneissa. Keksintö pidentää uunin käyttöikää, erityisesti grafiittivastusten käyttöikää, ja se vähentää uimin 15 säännöllisen huollon tarvetta. Kun otetaan huomioon se seikka, että laitteessa on vähemmän grafiittivastusten hapettumisen aiheuttamaa pölyä ja jauhetta (hiukkasia), puhtaus paranee. On tärkeää havaita, että suojakaasun kulutus pienenee verrattuna tekniikan tason mukaisiin ratkaisuihin. Virtauksien suuntia voidaan haluttaessa muuttaa ja laitteen rakenteellisista osista voidaan tehdä yksinkertaisia ja löysästi sopivia, jolloin laaja mitoituksen , 20 vaihtelu on mahdollista.

Lisäksi keksintö mahdollistaa savupiippuilmiön valinnan avulla syntyvien epäpuhtauksien . siirron,virtauksenjakaminentoteutetaanjohtavuudenjasuojakaasunsyöttöpisteenavulla, (· | alueelle, joka on lopullisen tuotteen kannalta edullisempi. Jäljempänä kuvataan erilaisia ,···,' 25 menetelmiä virtauksien määrän laskemiseksi, savupiippuilmiön laskemiseksi sekä koko naisuuden virtaamien ja suuntien laskemiseksi. Näitä voidaan käyttää tehokkaasti suunni-.:. teltaessa uutta laitteistoa sekä venytykseen että kuidun vetämisen suorittamiseksi. Mene- ’ *'. telmät mahdollistavat kaasunsyöttösuuttimien mitoittamisen.

_ · - # 30 Esillä oleva keksintö kuvaa menetelmiä kunkin puhtaustason ja tiivistysetäisyyden dif- • fuusion vaatiman tiivistysvirtauksen nopeuden määrittämiseksi sekä menetelmiä kokonai- suuksien ja virtauksien mitoittamiseksi käyttämällä edellä kuvattuja menetelmiä.

• · · 6 113758

Seuraavassa keksintöä kuvataan yksityiskohtaisesti viitaten oheiseen selitykseen sekä oheisiin piirustuksiin.

Kuvio 1 esittää kaaviomaisesti prosessiuunia ja preformia sekä uunin tärkeimpiä osia si-5 vusta nähtynä.

Kuvio 2 esittää tyypillistä nykyaikaista uunin tiivistysratkaisua vastaavana sivunäkymänä; Kuvio 3 esittää poikkileikkauksena esillä olevan keksinnön mukaista tiivistysratkaisua; Kuvio 4 esittää sivunäkymänä diffuusioesteen etenemistä;

Kuvio 5 esittää suojakaasun virtauksen jakaumaa kylmässä uunissa tai vaakasuuntaisessa 10 uunissa (yksinkertainen tapaus yhdellä syöttöpisteellä; kohtiin cl, c2 ja c3 voi kuulua useita alijohtavuuksia);

Kuvio 6 esittää savupiippuilmiön aiheuttamaa kaasuvirtausta;

Kuvio 7 esittää yhdistettyjä yhdevirtauksia ja suojakaasuvirtauksia;

Kuvio 8 esittää esillä olevan keksinnön mukaisia iirisratkaisuja; 15 Kuvio 9 esittää esillä olevan keksinnön edullista suoritusmuotoa;

Kuvio 10 esittää edellisen piirustuksen mukaisen suoritusmuodon mukaista vaakasuoraa leikkausta;

Kuvio 11 esittää kaaviomaisesti savupiippuilmiöön liittyviä perusvirtauksia;

Kuvio 12 esittää kaaviomaisesti preformin venyttämisprosessin välivaihetta; : 20 Kuvio 13 esittää vaihetta, jossa on käsittelijä työnnetään uuniin, ja

Kuvio 14 esittää prosessin loppuvaihetta, jossa muodostetaan tiivistys käsittelijän ja kau-.: luksen väliin.

,1 Kuten edellä on kuvattu, keksinnön mukaisessa ratkaisussa mahdolliset ei-toivotut kaasu- : ’ ’; 25 maiset molekyylit voidaan pitää tilavuuden (esimerkiksi uunin) ulkopuolella käyttämällä suojakaasun virtausta diffuusiotiivistyksen muodostamiseen. Keksinnön mukaan jäännös-]: · sisällön hyväksytään vastaavan olennaisesti (olevan esimerkiksi hieman suurempi) suoja- , #,: kaasun epäpuhtauksien määrää ja diffuusiota vastapäätä oleva tiivistys virta järjestetään '.'. tiivistysvirran avulla muodostamaan riittävä diffuusiotiivistys käytetyn tiivistysetäisyyden : * ’ ‘: 30 avulla. Tyypillinen epäpuhtauksien tavoitekonsentraatio on alle 100 ppm, erityisesti 1-99 , · ’ : ppm, joka voi vastata 10 prosenttia suojakaasun epäpuhtauksien konsentraatiota suurempaa ....; arvoa, edullisesti enintään 5 prosenttia suojakaasun epäpuhtauksien konsentraatiota suu rempaa arvoa.

7 113758

Esilläolevassa keksinnössä käytettävä suojakaasu voi olla mikä tahansa inertti kaasu, joka on kevyempää tai painavampaa kuin ilma. Tyypillisesti käytetään typpeä. Argon on kalliimpaa, mutta argonkaasun kulutuksen on havaittu olevan vähäisempää kuin typen, mikä kompensoi kaasun korkeampaa hintaa ainakin jossain määrin. Argon on ilmaa tiheämpää, 5 minkä vuoksi se kääntää savupiippuvirtauksen tehokkaammin, kuten j äljempänä kuvataan.

Myös erilaisia teknisiä kaasuja ja kaasuseoksia, esimerkiksi ilmaa, josta on poistettu happi, voidaan käyttää.

10 Esillä olevaan keksintöön kuuluu uunikokoonpano, jossa on virtauksia käyttäviä kokonai suuksia ja jonka rakenteelliset Osat on suunniteltu siten, että kaasujen jakauma on otettu huomioon johtavuuksien, diffuusioesteen avulla toteutetun ei-koskettavan tiivistyksen (tiivistys ehdon), ja savupiippuilmiön avulla jäljestetyn kokonaisjohtavuuksien mahdollisen virtaaman ja virtaussuunnan ja edellä mainitut virtaukset yhdistetään tarvittavien tiivis-15 tysetäisyyksien muodostamiseksi. Valitsemalla varsinainen syöttöpiste voidaan ohjata dif-iuusioesteiden muodostumista uuniin.

Kuten jäljempänä kuvataan yksityiskohtaisemmin, on erityisen edullista suunnitella laite siten, että syöttöaukon - erityisesti ylemmän aukon - halkaisija vastaa olennaisesti uuni-20 putken (grafiittiputken) halkaisijaa.

• [ Käytännössä, j a kuten j älj empänä tarkemmin kuvataan, pystyuunissa on edullista, että alempi iiris (alempi syöttöaukko) on leveämpi kuin ylempi iiris (korkeampi johtavuus).

1 ! Tässä tapauksessa ylempi iiris pääasiassa määrittää yhdevirtauksen tilavuuden (aukko) ja 25 alemman iiriksen tiivistysvirtaus määritetään siten, että se muodostaa riittävän tiivistyksen määritetyillä mitoilla. Myös ylemmän iiriksen tiivistysehdon on oltava kelpaava, mutta suojakaasu virtauksen ylöspäin suuntautuvaan komponenttiin lisätty yhdevirtaus on yleensä • * * * . · · *. niin suuri, että tiivistysehto toteutuu rakenteissa, jotka ovat riittävän kuristavia. Esimerkik- •, si ylemmän iiriksen uran olisi preformilla oltava 0,1 -10 mm jotta savupiippuilmiö olisi ';;; 30 sopiva. Noin 0,5 - 100 mm:n tiivistysetäisyys kohtuullisten tiivistysvirtausten kanssa tun- '!' tuu olevan tarpeeksi alemmalle iirikselle.

’ · * · Kuvio 1 esittää esillä olevan keksinnön ensimmäistä edullista suoritusmuotoa, jossa käyte tään seuraavia viitenumerolta: 8 113758 1. ylempi iiris 2. alempi iiris 3. preformi, joka on muodoltaan yleisesti kohti toista päätään kapeneva, joka pää osoittaa ylöspäin tai alaspäin 5 4. uunin kammio 5 a. suojakaasun syöttöaukko 5b suojakaasun syöttöaukon putkisto 5c suojakaasun syöttöputkisto 6a uimin huuhteluvirtauksen poistoaukko 10 6b huuhtelukaasun suutin kaasun syöttämiseksi uunin putkeen 7 uunin putki.

Kuvion mukaisessa rakenteessa, joka voidaan sovittaa myös toisiin asentoihin, esimerkiksi vaakasuoraan, uunin (tai kuumennusuunin) suuttimet on merkitty viitenumeroilla 1,2, 5 ja 15 7 ja ne on mitoitettu siten, että kussakin niistä muodostuu diffuusioestevirtaus, joka takaa riittävän puhtauden. Tämän diffuusioestevirtauksen nopeuden ja esteen tarvittavien pituuksien laskeminen kuvataan jäljempänä.

Varsinainen uunitila muodostetaan uunin kuumennusputken 7 sisäosasta, johon kuumen-20 nettava preformin osa sijoitetaan. Uunin kuumennusputki 7 on tyypillisesti valmistettu grafiitista ja se kuumennetaan sähkövirran avulla. Tämä sähkövirta muodostuu joko induk-* tion tai galvaanisen parin avulla muodostetusta virrasta. Uunin kuumennusputken 7 ja uu nin kammion 4 välinen tila varataan eristystä varten ja induktiouunin tapauksessa myös ; \ induktiokelalle. Uunin kammio 4 on tyypillisesti vesijäähdytetty.

25

Suojakaasu johdetaan uuniin suuttimen 5a avulla, josta se edelleen johdetaan suuttunen 5b t; t avulla haluttuun sijaintiin uunissa. Kaasu voidaan johtaa myös iirisrakenteen kautta tai se . · · ·, voidaan syöttää useissa paikoissa 5b, 5c ja niin edelleen siten, että kaasuvirtaus haetaan •, ennalta määritetyissä suhteissa yhden tai usean syöttösuuttimen 5a kautta. On tärkeää, että t I · ';;; 30 puhdistettu suojakaasu johdetaan suoraan uunin putkeen 7, jotta eristeestä mahdollisesti

• I

• · *! ‘ irtoava pöly johdetaan pois herkästä preformista 3 (tai optisesta kuidusta). Valitsemalla ’ · · ’ suoj akaasun syöttöpiste tai -pisteet oikein voidaan vaikuttaa kaasuvirtauksen suuntaan ja * · ‘ · virtaamaan uuniputkessa ja uuniputken eri kohdissa. Olemme havainneet, että oikean kaa- suvirran virtaaman ja nopeuden valinnan avulla virtaus uuniputken keskellä (kuuma vyö- 9 113758 hyke) voidaan haluttaessa minimoida tai se voidaan saattaa jopa lähelle nollaa. Yksinkertaistetussa virtausmallissa, joka esitetään myöhemmin, syöttövirran sijaintia ei oteta huomioon, mutta se voidaan helposti lisätä siihen.

5 Oikealla kaasuvirtojen jakamisella uunissa voidaan muuttaa kaasun kulutusta. Edullisesti vähintään 5 % kaasun massavirtauksesta johdetaan alaspäin, erityisesti vähintään 50 %.

Kaasuvirtaukset voidaan jakaa uunin ulkopuolella eri alivirtoihin käyttämällä esimerkiksi erilaisia massavirtaussäätimiä.

10

Kaasun virtaaminen ulos uunista on tyypillisesti toteutettu sallimalla kaasun osan vuotaa pois uunin putkien 7 liitoksista (tai uunin putkiin tehtyjen aukkojen kautta) välitilaan. Tätä virtausta voidaan tehostaa poistamalla ilma osittain välitilasta suuttimen 6a avulla. Tätä menetelmää käytetään erityisesti välitilan huuhtelun aikana ennen lämpökäsittelyä hapen ja 15 kosteuden poistamiseksi uunista. Käsittelyn aikana välitilaa ei huuhdella. Huuhtelua voidaan tehostaa luomalla erillinen virtausreitti esimerkiksi uuniputkeen tehdyn suuttimen 6b avulla ja sovittamalla kaasun poistosuutin 6a paikkaan, jossa ei ole hankalasti huuhdeltavia taskuja. Tällaisen rakenteen avulla kaasuvirtauksen nopeus ja jakautuminen uunissa ei riipu käyttöparametreista. Samanaikaisesti on helpompaa löytää oikeat kaasun virtaamat, kun : 20 eri johtavuudet on selkeästi määritetty. Tarvittaessa voidaan myös järjestää imua poistoau- , ·. kolle, jonka virtaamaa voidaan säätää halutulle tasolle käyttämällä massavirtaussäädintä ja ,.: kaasun virtausreitti määritetään rakenteeseen muodostettujen reittien avulla. Puhdistaminen : ., j voidaan toteuttaa erillisen suoraan välitilaan yhteydessä olevan syöttösuuttimen avulla.

*: 25 Tämän järjestelyn avulla on mahdollista toisaalta toteuttaa tehokas välitilan huuhtelu ja toisaalta siirtää hiukkasia pois preformista. Kaasu ei myöskään jäähdytä uunin kammiota.

» «*

»‘Il * * I

:: On erityisen tärkeää, että edellä mainittujen reittien ja suuttimien muodostamia poikkeuk- •' · ‘: siä lukuun ottamatta uuni on kaasutiivis, jotta hapen ei sallita tunkeutua uunin kammioon.

: ’ ‘ : 30 Uuniin massavirtaussäätimen avulla syötettävän suojakaasun virtaama sekä uunin välitilas- : ta poistettavan huuhtelukaasun virtaama, jota säädetään massavirtaussäätimen avulla sekä ....: kaasun jakautuminen ylemmän ja alemman iiriksen välillä tunnetaan tarkoin, samoin kuin niiden muodostamat estevirtaukset.

10 113758

Uunissa, jossa on oikein toimivat diffuusioesteet, uunien grafiittiosia vahingoittava happi on pääosin peräisin kantokaasusta. Näin ollen on tärkeää minimoida uuniin syötettävän kaasun määrä ja käyttää puhdasta kaasua uunin kammion läpi syöttämiseen.

5 Käsiteltävään tuotteeseen kuuluu edullisesti optinen kuitu tai venytetty preformi. Käsiteltyä tuotetta vedetään edullisesti jatkuvasti, tyypillisesti eri vetonopeuksilla tehtävien venytyksen aikana, pois uunista.

Kuten seuraavasta edullisen suoritusmuodon kuvauksesta käy ilmi, ylempi aukko voidaan 10 muodostaa grafiittiputkesta tai kvartsista muodostetusta putkesta. Jälkimmäisen etuna on se, että se on inertti, kun taas ensimmäinen voidaan muodostaa kuluvana pohja-aineena, joka reagoi mahdollisen hapen kanssa ennen sen pääsemistä uuniin. Grafiittiputki sallii myös jonkin verran vetävää kosketusta preformin pinnan kanssa.

15 Tiiviste on estevyöhyke, jossa on olennaisesti laminaariset kaasun virtausolosuhteet. Tämän vuoksi se on järjestetty suojakaasun syöttösuuttimien yläpuolelle. Jos suuttimet kiinnitetään ylempään aukkoon, on edullista järjestää vähintään noin 10 mm:n pituinen vapaa virtaustie. 15 - 1000 mm:n pituudet ovat mahdollisia. Pituudella tarkoitetaan pituutta uunin putken keskiakselin suunnassa. Estevyöhyke muodostuu lasisen preformin ja uunin aukon : 20 väliin. Lasisen preformin ulkohalkaisijan ja aukon sisähalkaisijan välinen ero on tyypilli- sesti noin 0,5 -15 mm.

; ·,· Esillä olevan keksinnön mukaisen rakenteen mitat • · :" ’: 25 Diffuusioeste ,) j * Kuvio 3 esittää iiriksen virtauskuviota. Vastaavaa estevirtausta voidaan käyttää muissa t t ( •,,,: keksinnön mukaisissa ulkoisissa ja sisäisissä syöttö- ja poistokohdissa. Esillä olevan kek- t ; ‘ : sinnön tarkoitus on estää ei-toivottujen kaasumolekyylien virtaus syöttöaukon kautta (esi- ; ‘: 30 merkiksi uuniin). Mitoituksen edellytyksenä on, että epäpuhtauksien määrältä hyväksyttävä : sisäänpäin suuntautuva virtaus sallitaan. Täydellinen puhtaus ei ole tavoite. Tällainen hy- > t · • · ,.,,: väksyttävä taso on epäpuhtauksien keskittyminen inerttiin suojakaasuun (estevirtauksen muodostamiseen käytettyyn) tai osa (esimerkiksi kymmenesosa) siitä. Toisaalta esteen u 113758 tehokkuuteen vaikuttaa myös käytettävissä oleva esteen etäisyys. Esteviitaus voidaan laskea aukon poikkileikkauksesta ja estevirtauksen tilavuudesta.

Diffuusioesteen ehdot voidaan laskea seuraavasti: 5

Kaasuiirisrakenteen yhtälöt 1) Liikkumaton väliaine: 10 Fickin diffuusiolaki yhdessä ulottuvuudessa konsentraatiota varten C(x,t): dC(x,t) _ d2C(x,t) dt dx2

Ilmoittaa, että konsentraation aikaderivaatta on yhtä suuri kuin konsentraation toinen spati-15 aalinen derivaatta kerrottuna vakiolla D. Vakio D määritetään materiaalin diffuusiovakiok-si, [D]=[m2/s].

Oletetaan, että kohdassa x=0 on rajakohta, jonka vasemmalla puolella on x:n negatiiviset . . arvot ja oikealla puolella positiiviset arvot. Jos vasemmalla puolella on vakiokonsentraatio > (·] 20 Cs ja oikealla puolella aluksi nollakonsentraatio (t=0), Fickin diffuusioyhtälön ratkaisu on

» I I

* ♦ t : C(x,t)=Cs,x< 0

Γ ( x V

’ · C(x,t) = C l-erf —j= ,x>0 : _ v2sDt)_ ;: * 25 Tämä tarkoittaa, että kun havainnon aika t lähestyy ääretöntä (erf(0)=0), konsentraatio saa- , · vuttaa arvon Cs koko tilassa.

» » : ] ’ ’: 2) Liikkuva väliaine: » * » » » » • · ....: 30 Kaasuiiriksessä diffuusiovirtaa vaimentaa väliaineen vastakkaiseen suuntaan liikkuva virta.

• ·

Edellä olevassa esimerkissä väliaine liikkuisi oikealta vasemmalle diffuusiovirran tasapainottamiseksi.

12 113758

Fickin laissa liikkuvaa väliainetta varten on yhtälön oikealla puolella lisätermi, dC(x,t) „d2C(x,t) dC(x,t) dt dx2 dx jossa v on oikealta vasemmalle liikkuvan väliaineen nopeus (suuruusluokka). Lisätermin 5 ansiosta konsentraatio pienenee sitä enemmän, mitä suurempi nopeus v on. Huomaa, että konsentraatio pienenee oikealle ja arvon C(x,t) spatiaalisen derivaatan etumerkki on negatiivinen.

( X + Vt

Kaavan C(x,t) = Cs 1 -erf —== \ 2*v Dt) 10 koefunktio täyttää Fickin yhtälön liikkuvan väliaineen osalta.

-f-V

Kaavan C(x,t) = Cs-e^D' ajasta riippuva koefunktio täyttää myös Fickin yhtälön.

15 Tälle on olemassa vielä yksi ratkaisu, nimittäin +ίπ1(ί+2ν,) , ·: C{x,t) = C, -e {D) > I I f » « I * ’ * Tämä yhtälö siirtyy kuitenkin äärettömäksi ajan t kehittyessä, joten ratkaisua ei sen epäfy- * * ’ | 20 sikaalisuuden vuoksi käytetä.

• * · 1 * ‘ Yleinen koefunktio löydetään asettamalla edellä kuvatut koefunktiot toistensa päälle t * i · * C(x,t = Cl(t)l-eTf(^i\ +C2(t).e^X , t *, v 2v Dt) l · 25 • » . jossa ,].,i Cy(x,t = C2(t) > · ratkaisun aikariippuvuus riippuu virhefunktion argumentista i3 1 13758 , x + vt s~2lot

Argumentin aikaderivaatta on dArg _ d x + vt _ x v dt dt{2y[Dt) AtJÖt 4y[Dt 5 jonka arvoksi tulee nolla, kun aika t on ehdon v = — mukainen. t Tällöin, jos siis nopeus v on vakio, ajassa on aina hetki t=to, jotta missä tahansa pisteessä jc 10 virhefunktion argumentissa on enimmäisarvo. Kun aika etenee, argumentti pienenee, kunnes siitä lopulta tulee nolla t:n ollessa ääretön. · Tällöin siis t:n ollessa ääretön ratkaisu sievennetään aikariippumattomaksi termiksi

V

C(x,f = oo) = C,e“ö' 15 Käytettäessä kaasuiiristä, jonka pituus on L, liikkumaton ehto määrittää, että kaasuiiriksen takana oleva konsentraatio on

• --L

. C(L,t = oo) = C,e D

i Jolloin iiriksen E tiivistystehokkuus on : C +-l

: , E-_—_-e. D

' \ C(L,r = «e) 20

Edellä kuvatusta voidaan havaita, että tiivistystehokkuus nousee eksponentiaalisesti suu- « > · renevan keskinopeuden v tai iiriksen pituuden L kanssa.

* : ’, * Iiriksen pituus L saadaan edellä olevasta eksponentiaalisesta yhtälöstä: 25 :**.i D ( C λ 14 113758 (yhtälö 1) 6.2.2 Suojakaasuvirran jakautuminen 5 Kuviossa 5a kuvataan kaasuvirran (F) jakautuminen ylemmän iiriksen (Cl), alemman iiriksen (C2) ja välitilan (C3) huuhteluvirran johtavuuksissa. Kun kaasut virtaavat samaan tilaan, sama ominaisuus voidaan näyttää kuvion 5b mukaisena virtausjärjestelmänä. Tämänkaltaisessa järjestelmässä virtaus jakautuu suoraan johtavuuksien suhteessa, jolloin esimerkiksi ylemmän iiriksen (Fl) virtaama on: 10 F1=F*C1/(C1+C2+C3). (2)

Muut virtaamat voidaan laskea vastaavalla tavalla.

Johtavuudet voidaan osaltaan laskea seuraavasta yhtälöstä: 15 C=KW*HA3/L, jossa (3) C on johtavuus K on kerroin W on aukon leveys . 20 H on aukon korkeus » i ·] L on aukon pituus.

» ; · . ·, : Kun syöttö- ja poistoaukkojen geometriset mitat otetaan huomioon, kunkin syöttöaukon • * . *. : virtausnopeus voidaan helposti laskea kappaleessa 6.2.1 johdetun yhtälön (1) avulla. Ver- ;. 25 taamalla fyysisen mallin esteen pituutta yhtälöstä saatuun esteen pituuteen on helppoa ha vaita, onko estevirtaus riittävä vai onko sitä muutettava.

: : Yhtälöstä (1) voidaan myös havaita, että suurentamalla esteaukon pituutta vaadittavaa es- : ·, *. tevirtaa voidaan vähentää, vaikka yhtälöstä (3) käykin ilmi, että johtavuus suurenee. Kun . “ ’. 30 aukon korkeutta pienennetään, virtausta voidaan suurentaa, jolloin tarvitaan myös pienem- . pi estekaasun virtaama. Tämä vaikuttaa johtavuuteen kolmannessa potenssissa, yhtälö (3).

• * φ

Kun tutkitaan kaasuvirtauksen jakautumisen yhtälöä (2), huomaamme, että laskutoimitukset on tehtävä iteroimalla, sillä suuttimen (esimerkiksi iiriksen) mittojen muutos vaikuttaa 15 113758 myös sen johtavuuksiin ja siten virtauksen jakautumiseen eri johtavuuksien ylitse. Tämä toisaalta muuttaa aukon läpi johdetun kaasun nopeutta ja siten vaikuttaa myös estepolun vaadittavaan pituuteen. Iteroivan laskutoimituksen voi helposti suorittaa käyttämällä pöytä-laskentaa.

5

Savupiippuilmiö

Kun uuni on sijoitettu pystysuoraan asentoon ja se on lämmin, uuniputkessa muodostuu kelluvuuteen perustuva savupiippuilmiö. Tämä ilmiö voidaan laskea seuraavassa kuvatulla 10 tavalla (myös kuvioon 10 viitaten):

Korkeudeltaan h oleva putki pidetään lämpötilassa T2. Ympäröivän ilman lämpötila on Ti. Ilmanpaine putken poistoaukon tasalla (viitetaso) on po. Paine viitetason alapuolella olevalla syvyydellä h riippuu lineaarisesti syvyydestä h ja kaasun tiheydestä p siten, että putken 15 ulkopuolella, syvyydessä h,

Pam =Po+Prgh jossa g 0 9,81 m/s2 painovoiman kiihtyvyysvakio. Putken sisällä, tasolla h,

Pm =Po+p2-8-h j 20

Paine-ero tasolla h, Jp/, on siis

Aph = g-h·^- p2) * · I,/ Tiheys p, lämpötila T ja paine p ovat ideaalikaasujen osalta toisiinsa suhteessa

25 p = ^LRT = ^-kT = -^-kT = -^—R-T

... F V V M M mol t ·

Argonkaasun (Ar) moolipaino on Mmoi (Ar) = 40 g/mol ja typpikaasun Mmoi (N2)= 28 i · · ',,! g/mol. Ilmalle Mmoi (ilma) = 29 g/mol. M on kaasun molekyylipaino.

• * R on molaarinen kaasuvakio, R = 8,314510 J-mol^-K'1 (0,08314510 bar dm3 mol *-KJ). k '' ’: 30 on Boltzmannin vakio, k = 1,380658 1023 J/K. R ja k ovat toisiinsa suhteessa *=-* N.

16 113758

Avogadron vakion Na avulla siten, että Na = 6,0221367· 1023 / mol.

o

Ideaalikaasun tiheys [kg/m ]on siis

5 n-P'Mmoi _P-M

P RT k-T

Jos kaasu lämmitetään lämpötilasta Ti lämpötilaan T2 painetta p muuttamatta, sen tiheys pienenee vastaavasti, p(T2) R T2 __ 7j pOd P P-^nu.1 T2 rt; 10 <=* f rp ^ Δp = p(T2)-p(T1)= -f-1 p{Tx) \l2 ) Lämmitys-jäähdytys-syklin aiheuttama paineen kokonaisero savupiipun pohjan tasolla saadaan korvaamalla tiheyden eron yhtälö paineen eron yhtälöllä 15 • f T* ^ : *P = 8-h-{p(T2)-p(Tl)) = g-h· ^-1 p{Tx)

: J

: (yhtälö 4) ; . Paine-ero voidaan laskea lisäämällä uunin lämpötila ja sen mitat yhtälöön 4.

20 ; · Yhtälöstä 4 on otettava huomioon, että jos käytetään kaasua, jonka tiheys on ilman tiheyttä : suurempi, suojakaasun virtaus suunnataan alaspäin. Tämän johdosta kaasu on lämmitettävä yli noin 400 K:n lämpötilaan, jossa lämpötilassa savupiippuvirtaus kääntyy ylöspäin. Tämä ."1. tarkoittaa samanaikaisesti, että mainituilla lämpötiloilla suojakaasun massavirtaus, joka * k f , 25 tarvitaan savupiippuvirtauksen kääntämiseen, pienenee.

• > I

Kun asiaa tutkitaan kuvion 6 kuvauksen perusteella, voidaan havaita, että paine-ero pyrkii tuottamaan virtauksen ylemmän iiriksen (Cl) ja alemman iiriksen (C2) johtavuuden kautta.

17 113758 Tässä esimerkissä uuniputken johtavuutta ei ole otettu huomioon, sillä sen on arvioitu olevan suuruusluokaltaan sellainen, että se ei vaikuta aukkojen diffuusioesteiden muodostumiseen. Sen huomioon ottaminen olisi kuitenkin verrattain yksinkertaista. Savupiippuvir-taus voidaan laskea seuraavalla yhtälöllä: 5 l/Ctot=l/Cl+ 1/C2 (5) saijajohtavuuksien kumulatiivista vaikutusta varten ja

Fh = Ctot'(PlA2-PoA2) (6) 10 savupiippuvirtausta varten, j ossa

Ctot on kokonaisjohtavuus ja

Fh on savupiippuvirtaus

Po on ilmanpaine 15 P1 on ilmanpaineen ja savupiippuilmiön summa.

Koska savupiippuilmiö suuntautuu ylöspäin, savupiippuvirtaus on lisättävä ylemmän iiriksen läpi suuntautuvaan virtaukseen. Se on vastaavasti vähennettävä alemman iiriksen läpi suuntautuvasta virtauksesta, sillä se heikentää tätä virtausta. Nämä ominaisuudet on kuvat-20 tu kuviossa 7.

:. * Savupiippuvirtauksen virtaama on yleensä merkittävä verrattuna estevirtauksiin, jolloin on helppoa tuottaa tilanne, jossa muodostetaan difluusioeste ylemmän iiriksen kohdalle. Rat- ‘ ‘: kaistava ongelma on siis se, kuinka voidaan muodostaa tilanne, jossa virtaamat ovat riittä- • · ♦ 25 vän suuria muodostamaan diffuusioesteen myös alemmalla iiriksellä.

• · , Katsottaessa tilannetta yleisemmin voidaan olettaa, että vaadittava suojakaasun tilavuusvir- • * · ",!; ta riittää kattamaan savupiippuvirtauksen ylemmän iiriksen läpi. Tämän tilavuuden lisäksi . suojakaasun lisävirran on oltava riittävä muodostamaan myös diffiiusioeste - kun virta jae- • ·: 30 taan yhtälön 2 mukaisesti - myös alemmalla iiriksellä (virtaus ylemmän iiriksen kautta kasvaa myös yhtälössä 2 kuvatulla tavalla). Tässä tapauksessa on edullista muodostaa *.:, * alempi iiris suuremmalla etäisyydellä preformin (tai optisen kuidun) ja aukon sisäpuolen :. ‘ i välillä suuremman suojakaasun virtauksen mahdollistamiseksi lisävirtauksen pääosan, edullisesti vähintään 60 tilavuus-%, erityisesti vähintään 70 tilavuus-% ohjaamiseksi alas- } 113758 18 päin. Vastaavasti voidaan päätellä yhtälöstä 1, että esteen pituuden ja virtausaukon pienentäminen (virtausnopeuden suurentaminen) pienentää tarvittavan estevirtauksen määrää.

Raja saavutetaan, kun johtavuudesta tulee alemmalla iiriksellä liian pieni (siis silloin, kun suurin osa virtauksesta johdetaan ylemmälle iirikselle). Myös preformin ja uuniputken 7 5 välinen aukko on johtavuus, jolloin se on otettava huomioon mitoitettaessa virtausnopeuk sia ja tilavuuksia. Siirtämällä syöttöpistettä ylemmältä aukolta kohti alempaa aukkoa ylös-ja alaspäin suunnattujen johtavuuksien välinen suhde vastaavasti muuttuu, jolloin savu-piippuvirtauksen kumoamiseen tarvittava syöttövirtaama pienenee. Tämä pienentää kaasun kulutusta.

10 Käytännössä voidaan sanoa, että alemman iiriksen johtavuuden on oltava pienempi kuin ylemmän iiriksen. Toisaalta diffuusioesteen muodostamiseen tarvittava virtaus on melko pieni (vain muutama SLM) verrattuna savupiippuvirtaukseen, kun alempaan iirikseen järjestetään noin 1 - 5 cm pituinen este. Tällöin väli alemman iiriksen luona voi olla huomat-15 tava, mikä helpottaa laitteiston käyttämistä. Tämä järjestely on erityisen edullinen vedon ollessa ylöspäin, sillä tällöin on mahdollista jättää runsaasti tilaa muodoltaan epätäydellistä, esimerkiksi pinnaltaan kaarevaa tai epätasaista preformia varten, kun taas vedetty tai venytetty pidennetty tuote, joka on muodoltaan paljon säännöllisempi, kulkee uunin aukon läpi ylemmällä iiriksellä, jossa välin on oltava pienempi oikean diffuusioesteen muodosta-. : 20 miseksi.

• I Hyvänä peukalosääntönä voidaan mainita virtaama, joka on savupiippuvirtaus 5 SLM.

;' , | Syöttöä voidaan tarvittaessa jonkin verran suurentaa välitilan huuhtelemiseen riittävän tila- : ‘ · vuuden mahdollistamiseksi. Kun alemman aukon sisähalkaisija on 80 mm ja sen pituus on :*: 25 100 mm, edellä mainittua suuruusluokkaa oleva virtaus on riittävä. Tämä virtaustilavuus on lisättävä savupiippuvirtaukseen, joka kaasun tiheyden, lämpötilan, kokonaisjohtavuuden ., I > * ja uunin pituuden mukaan on noin luokkaa 5 -100 SLM.

·* · ‘: Preformin ulkoisen halkaisijan ja ylemmän aukon sisähalkaisijan välinen ero on edullisesti : * ’': 30 noin 1-15 mm ja suojakaasun syöttösuuttimien yläpuolelle muodostetun - laminaarisen : kaasuvirtauksen vyöhykkeen tuottavan - vyöhykkeen pituus on noin 10 -1000 mm, edulli- sesti noin 15 -150 mm.

19 113758

Edellä kuvatussa tilanteessa ylempi iiris toimii kuristimena ja sen läpi virtaava virtaus on niin suuri, että diffuusioesteen ehdot on helppo täyttää. Vastaavasti uunin alemman iiriksen päässä on ensisijaisesti huolehdittava siitä, että diffuusioesteen ehto täyttyy.

5 Savupiippu virtaus voidaan helposti lisätä inerttikaasun jakaumayhtälöihin esimerkiksi tau lukkolaskennan avulla. On hyvä huomata, että iiristen mittojen muutokset vaikuttavat myös savupiippuvirtauksen suuruusluokkaan. Näin ollen yhden osan muuttaminen vaikuttaa koko virtausjärjestelmään. Näiden haitallisten vaikutusten näkeminen on vaikeaa ja ne on aina otettava huomioon, kun järjestelmään tehdään muutoksia.

10

Lopuksi, vaakasuuntaisissa uuneissa ei savupiippuilmiötä tarvitse ottaa huomioon. Pys-| tysuuntaisissa uuneissa se on erittäin merkittävä jo 500 °C:n lämpötiloissa.

f i

Keksinnön mukaista laitetta on käytetty preformien venyttämiseen seuraavalla tavalla: 15

Kuvio 12 esittää prosessin välivaiheita, kuvio 13 esittää vaihetta, jossa preformin 21 hand-leri eli käsittelijä 22 siirtyy uunissa 23 ja kuvio 14 esittää loppuvaihetta prosessista, jossa tiivistys muodostetaan käsittelijän 22 ja kauluksen 24 väliin. Seuraavia viitenumerolta käytetään: preformi 21, käsittelijä 22, uunin seinämä 23, kaulus 24, grafiittiputki 25, ylempi 20 diffuusioestevyöhyke 26, alempi diffuusioestevyöhyke 27 (kuviossa 14: huokoinen grafiit-, *. tilohko 28, kuumennuskierukka 29).

. : Laite on rakenteeltaan sellainen, että tiivistys muodostetaan preformin ja syöttöaukon sisä- • t · seinämän välisen aukon avulla. Koska preformi ei ole kosketuksissa uunin kanssa, sitä voi- ": 25 daan tarvittaessa kiertää.

: ’ Prosessin loppua kohti käsittelijä siirtyy tiivistysvyöhykkeelle, jossa vaiheessa tiivistys muodostetaan preformin kehän ja syöttöaukon sisäpinnan välisen aukon sekä kauluksen ja j ‘. syöttöaukon sisäpinnan välisen aukon avulla. Syöttöaukon halkaisija ja kauluksen halkaisi- :" ’: 30 ja ovat mitaltaan sellaiset, että uunin ylemmän osan tiivistyspituus ja kuristusvaikutus eivät

• t I

: , *, merkittävästi muutu tässä vaiheessa. Preformin kiertäminen on edelleen mahdollista.

Prosessin lopussa kaulus tiivistää syöttöaukkoa vasten ja tiivistysaukko muodostetaan käsittelijän ja kauluksen välisen aukon avulla. Edullisesti tämä aukko on muodoltaan sellai- 20 113758 nen, että syöttöaukon kuristusvaikutus pysyy vakiona prosessin eri vaiheiden aikana. Pre-formin kiertäminen on edelleen mahdollista. Jos kaulusta ja syöttöaukkoa ei välttämättä ole tiivistetty toisiaan vasten käyttämällä ... tai tiivistysmateriaaleja, on mahdollista jättää niiden väliin aukko, joka tuottaa tiivistysvirran. Tällöin ylemmän tiivistysvyöhykkeen ku-5 ristusvaikutus muodostuu kahden rinnakkaisen johtavuuden avulla, siis kauluksen ja käsittelijän välisen aukon ja kauluksen ja syöttöaukon välisen aukon avulla. Tässä kuvatussa tapauksessa savupiippuilmiö on paljon vahvempi ja samanaikaisesti on muistettava huolehtia siitä, että diffuusioesteen tuottava tiivistysvirta on riittävän vahva uunin kummassakin päässä.

10

Kun tutkitaan kuvion 14 mukaista piirustusta, huomataan, että uunin voidaan katsoa muodostuvan viidestä peräkkäisestä johtavuudesta (cl, c2, c3, c4, c5), joiden kokonaisvaikutus kuristaa savupiippuilmiötä (kokonaisvaikutuksen laskemiseksi voidaan käyttää kaavaa 5). Tällöin esimerkiksi tapauksissa, joissa uunin putken ja preformin välinen aukko on hyvin 15 pieni, järjestelmän hallitseva johtavuus muodostuu tähän paikkaan (muut johtavuudet ovat tätä johtavuutta pienempiä, myös yhteen laskettuna), joka on koko järjestelyn hallitseva johtavuus. Tässä tapauksessa syöttöaukon aukon muuttaminen ei vaikuta uunin virtauksen suuruusluokkaan niin dramaattisesti kuin voitaisiin odottaa tutkimalla ainoastaan syöttöaukon johtavuutta. Edullisesti syöttöaukon/putken sisähalkaisija ja uunin putken sisähalkaisi-; 20 ja ovat olennaisesti samat, jolloin voidaan minimoida savupiippuilmiö kunkin syöttöaukon luona. Kun preformien koot vaihtelevat käytännössä, tämä ei aina ole saavutettavissa va-..; kiotuotantoa lukuun ottamatta.

' > : Edellä kuvatun perusteella on helppoa ymmärtää, että valitsemalla kaasun syöttöpiste voi- ;" ’: 25 daan vaikuttaa tarvittavan kaasun määrään. Kuvion 7 mukaan kaasu jaetaan ylöspäin suun- ♦ « * tautuvaan virtaan ja alaspäin suuntautuvaan virtaan, joiden vastaavat määrät määräytyvät I * reittien kokonaisjohtavuuksien välisen suhteen mukaan. Ylöspäin suuntautuvaa virtaa ra- • * » joittaa syöttöpisteen yläpuolella olevien johtavuuksien kokonaisjohtavuus ja alaspäin suun-:'tautuvaa virtaa vastaavasti rajoittaa syöttöpisteen alapuolella olevien johtavuuksien koko-:' ’ ’: 30 naisjohtavuus. Kokonaiskonduktanssit voidaan laskea kaavasta 5. Näiden kokonaiskonduk- : * , tanssien avulla on mahdollista korvata johtavuudet cl ja c2 kaavassa 2 (kahden poistoau- ' t I · ,...: kon tapauksessa voidaan c3 jättää pois), jolloin ylös- ja alaspäin suuntautuvat virrat voi daan laskea. Kun syöttöpisteen sijaintia muutetaan tärkeimmän rajoituksen yläpuolelta sen alapuolelle, cl pienenee ja c2 suurenee. Toisin sanoin alaspäin suuntautuva virta suurenee „ 113758 ja ylöspäin suuntautuva virta pienenee. Näin pienempää virtaamaa käyttämällä voidaan siis hankkia alaspäin suuntautuva virta, joka heikentää alaspäin suuntautuvaa virtaa. Tästä ominaisuudesta tulee erityisen tärkeä, kun prosessia käytetään siten, että preformi syötetään uunin alapuolelta ja käsitelty tuote vedetään pois uunista ylemmän aukon kautta.

5

Esillä olevan keksinnön mukaisessa ratkaisussa käytettiin väljää alempaa aukkoa. ESIMERKKI

Esimerkissä virtaus on laskettu seuraavien mittojen avulla: 10

Preformin halkaisija 80 mm

Preformin pituus 1 000 mm

Venytetyn preformin halkaisija 42,5 mm Käsittelijän halkaisija 45 mm 15 Ylemmän aukon halkaisija 83 mm

Ylemmän aukon pituus 100 mm

Alemman aukon halkaisija 83 mm Alemman aukon pituus 150 mm

Kauluksen sisähalkaisija 53 mm . 20 Kauluksen sisäpituus 80 mm .’ Kauluksen ulkohalkaisij a 80 mm ,: Kauluksen ulkopituus 50 mm : Uuniputken sisähalkaisija 93 mm : Uuniputken pituus 400 mm 25

I» I

Käytetyt käyttöparametrit ··· Inerttikaasu argon (Ar) ( · I ♦

: ’": Lämpötila 1950 °C

* » k • · · • » . · * *. 30 Virtausarvot laskettiin turvallisella koolla käyttämällä kaavoja 1-6.

» » »

Helpointa on ensin laskea uunin läpi vaikuttava savupiippuilmiö ja sitten laskea kaasun jakautuminen käytettyjen syöttöpisteiden osalta. Alemman iiriksen virtauksen tarvittava 22 113758 diffuusioestevirtaus lisättiin tähän virtaukseen. Summavirtaa käytettiin sitten inerttikaasun virtauksen arvona.

Käyttämällä laskettuja arvoja:

5 Ylemmän aukon kaasun syöttö 30 S LM

Kaasun syöttö 150 mm keskiviivan alapuolella 15 S LM

Yleisesti, kaasun merkittävän osan, esimerkiksi noin 5 -100 %:n, syöttäminen, erityisesti 50 -100 %:n (syötetystä massavirrasta laskettuna) syöttäminen uunin putken keskiviivan 10 kohdalla tai sen alapuolella (kohdassa, jossa uunin lämpötila on korkein) on ollut edullista keksinnön mukaisessa menetelmässä ja laitteessa.

Rakenne toimi hyvin eikä happivaurioita havaittu.

15 Kun konduktanssit lasketaan, on tärkeää ottaa huomioon käytössä olevan kaasun laatu (esimerkiksi sen tiheys) ja käyttää kertoimia lämpötilan vaikutusten korjaamiseen edellä mainituissa yhtälöissä.

Myös vaihtoehtoiset suoritusmuodot ovat mahdollisia esillä olevan keksinnön puitteissa.

. 20 Näin ollen on mahdollista, kuten kuviossa 8 esitetään, sovittaa esteputki uunin päälle tai ‘ sen sisäosaan tai uuniputki voi toimia esteputkena. Näiden vaihtoehtojen yhdistelmä on ; myös mahdollinen. On edelleen mahdollista sovittaa laite paksuuden vaihteluihin käyttä- ; mällä useita esteputkia, jotka on sovitettu toistensa sisään. Kaasu voidaan syöttää ylem- : mästä syöttöaukosta, alemmasta syöttöaukosta tai uunin keskellä olevan suuttimen kautta 25 tai yhdistettynä virtauksena kahteen tai kolmeen näistä syöttöpisteistä. Kuten edellä on kuvattu, on mahdollista järjestää estetila uunin sisään virtausnopeuksien ja -tilavuuksien ’ 1 säätämisen mahdollistamiseksi preformin paksuuden ja sen paksuusvaihteluiden funktio- ; : na.

• · . · , 30 Vaikka edellä oleva kuvaus kuvaakin tensionaalista käsittelyä, samoja periaatteita voidaan * 1 1 . käyttää lasisten prefonnien puristuskäsittelyyn.

»

Claims (18)

1. 23 1 13758
2. 1. Menetelmä lasisen preformin (3; 21) käsittelemiseksi vetovoimilla uunissa (7; 23) muodoltaan ennalta määritetyn lasituotteen tuottamiseksi, jonka menetelmän mukaan 5 - ainakin osa lasisesta preformista (3; 21) johdetaan uuniin syöttöaukon (1; 26) kaut ta, - osa uuniin johdetusta lasisesta preformista (3; 21) kuumennetaan lasin peh-menemislämpötilan yläpuolella olevaan lämpötilaan, - lasisen preformin (3; 21) kuumennettuun osaan kohdistetaan vetovoimia vetosuun- 10 nassa preformin työstämiseksi ennalta määritettyyn muotoon, - ennalta määritettyyn muotoon työstetty preformi (3; 21) vedetään uunista poistoau-kon (2; 27) kautta, ja - preformin lämmitettyä osaaja ainakin osaa preformin käsitellystä osasta huuhdellaan uunissa inertillä kaasulla, jota johdetaan uuniin, 15 tunnettu siitä, että - uunin kaasumaisten epäpuhtauksien konsentraatio pidetään olennaisesti samalla tasolla uuniin (7; 23) syötettävän inertin kaasun samojen epäpuhtauksien konsentraa-tion kanssa, ja - muodostetaan diffuusioeste ei-toivottujen kaasumaisten komponenttien ympäröi- i 20 västä ilmasta diffuusiovoimien avulla sisään virtaamista vastaan muodostamalla _: inertistä kaasusta estevirta ainakin toiseen mainitusta uunin syöttö- tai poistoaukos- ‘: ta (1,2; 26,27), jolla estevirralla on virtaussuunta, joka on yleisesti vastakkainen . ·: diffuusion kanssa. * * » ’.. · ’ 25 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että uuni käsittää pit känomaisen uunikammion (7; 23), jossa on pystysuora keskeinen akseli, joka diffuusioeste •;; muodostetaan syöttöaukkoon (1; 26), joka on sovitettu pitkänomaisen uunikammion ylem- ' ’; · * pään päähän. • * · • * ‘’ 30 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että diffuusioeste t : : muodostetaan lasisen preformin syöttöaukkoon (1; 26), inertin kaasun syötön syöttöauk- “ * * · koon ja käsitellyn preformin poistoaukkoon (2; 27). 113758
3. 4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lasisen preformin syöttöaukon läpi virtaava kaasuvirta vastaa yhtälöä (2) F1=F1C1/(C1+C2+C3) (2) 5 jossa F1 on kaasun virtaus syöttöaukon läpi, F on kaasun kokonaisvirtaus, Cl on syöttöaukon johtavuus ja 10 C2 on poistoaukon johtavuus.
4. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kumpikin johtavuuksista Cl ja C2 lasketaan yhtälöstä (3)
5. 15 C=KW1H3/L, (3) jossa C on johtavuus K on kerroin pienillä paine-eroilla . 20 W on aukon leveys .' H on aukon korkeus j a ,: L on aukon pituus. .'. : 6. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että inertin ; ‘ . 25 kaasun virtaus aukon läpi on ainakin yhtä suuri kuin savupiippuilmiön syöttöaukon läpi • · # aiheuttama kaasun virtaus. • I I : : 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että inertin kaasun vir- • · ♦ : v. taus kuumennusuuniin on riittävä edelleen muodostamaan, yhtälön (2) mukaisen kaasun • · :; 30 jakautumisen perusteella, diffuusioesteen käsitellyn preformin poistoaukolle. • · · • I t • · · .,,, · 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poistoaukko mah dollistaa kaasun vapaamman virtauksen kuin syöttöaukko uuniin suunnatun inertin kaasun virtauksen suurimman osan suuntaamiseksi poistoaukon kautta. j j 25 113758
6. 9. Jonkin patenttivaatimuksen 3-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poisto-aukon johtavuus on suurempi kuin syöttöaukon johtavuus.
7. 10. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuumennusuuniin johdettu inertti kaasu on yhtä suuri tai suurempi kuin savupiippuil-miön aiheuttama kaasun virtaus + 1 SLM, erityisesti savupiippuilmiö + 5 SLM.
8. 11. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 10 että lasiseen preformiin kohdistetaan tensiiliä vetoa preformin venyttämiseksi jälkikäsittelyyn, esimerkiksi optisten kuitujen vetämiseen, sopivaksi muodoksi. !
9. 12. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lasiseen preformiin kohdistetaan optisen kuidun vetäminen. 15
10. 13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lasisen preformin (3; 21) ulkohalkaisijan ja syöttöaukon (1; 26) halkaisijan välinen väli on 0,1 -10 mm 80 mm:n preformia varten. : 20 14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että on estevirtaus . 0,5 -100 mm:n estepituudella. , j 15. Jonkin patenttivaatimuksen 1-14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että uuni ; ‘ *,: käsittää grafiitti-induktiouunin (26,28). * * ♦
11. 16. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, jonka menetelmän mukaan lasinen preformi kierretään sen keskisen akselin ympäri uunissa tapahtuvan läm-pökäsittelyn aikana. • t · · • · k • k » ·* : 30 17. Laite lasisten preformien lämmittämiseksi, jotka preformit (3; 21) työstetään vetovoi- j .millä muodoltaan ennalta määritetyksi lasituotteeksi, joka laite käsittää • » k k •: · · · - uunin rungon (7; 23), jossa on pitkänomaisen uunikammion muodostava vaippa, jonka poikkileikkaus on vähintään olennaisesti pyöreä kammion keskisen akselin poikkisuunnassa, 113758 - ensimmäisen aukon (1; 26) kammion toisessa päässä käsiteltävän lasisen preformin toisen pään vastaanottamiseksi, - toisen aukon (2; 27) kammiossa vastapäätä ensimmäistä aukkoa käsitellyn lasituotteen pois vetämiseksi, 5. uunin kammioon sovitetut grafiittiset lämmitysvastukset (28) lasisen preformin uunissa tapahtuvaa induktiokuumennusta varten, ja - ainakin kammion ensimmäiseen aukkoon yhteydessä olevat syöttöyhteet (5a, 5b, 5c) suojakaasun johtamiseksi uunin kammioon, tunnettu siitä, että 10. uunissa on ensimmäinen diffuusioestevyöhyke (1; 26) ensimmäisessä aukossa ei- toivottujen kaasumaisten komponenttien ympäröivästä ilmasta uunin kammioon diffuusiovoimien avulla tapahtuvan virtaamisen estämiseksi lasisen preformin kuumentamisen aikana. 15 18 Patenttivaatimuksen 17 mukainen laite, tunnettu toisesta diffuusioeste vyöhykkees tä (2; 27) uunin kammion toisessa aukossa.
12. 19. Patenttivaatimuksen 17 tai 18 mukainen laite, tunnettu siitä, että yhteet (5a, 5b, 5c) suojakaasun syöttämiseksi on yhdistetty sekä ensimmäiseen että toiseen aukkoon ja : 20 lisäksi, valinnaisesti, uunin kammion vaippaan muodostettuun aukkoon ensimmäisen ja toisen aukon välissä olevassa pisteessä. i » · ;' \: 20. Jonkin patenttivaatimuksen 17 -19 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite on : # : sovitettu optisen kuidun vetämiseen käytetyn lasisen preformin kuumentamiseen. 25
13. 21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen laite, tunnettu siitä, että lasisen preformin (3; i* 21) ulkohalkaisijan ja syöttöaukon halkaisijan välinen väli on 0,1 -10 mm 80 mm:n pre- . * formia varten. • : : 30 22. Patenttivaatimuksen 21 mukainen laite, tunnettu siitä, että kuhunkin estevyöhyk- : . ·. keeseen kuuluu uunikammion (7; 23) pituus, joka on noin 0,5 -100 mm, jolle pituudelle > I I » •: · · voidaan jäljestää suojakaasun estevirtaus. 113758
14. 23. Jonkin patenttivaatimuksen 17 - 22 mukainen laite, tunnettu siitä, että estevyöhy-ke käsittää olennaisesti laminaarisen kaasuvirtauksen vyöhyke.
15. 24. Patenttivaatimuksen 23 mukainen laite, tunnettu siitä, että estevyöhyke on muo-5 dostettu suojakaasun syöttösuuttimien (5a, 5b, 5c) yläpuolelle.
16. 25. Jonkin patenttivaatimuksen 17 - 24 mukainen laite, tunnettu siitä, että estevyöhyke muodostuu lasisen preformin ja uunin aukon välisestä välistä.
17. 26. Patenttivaatimuksen 25 mukainen laite, tunnettu siitä, että lasisen preformin (3; 21. ulkohalkaisijan ja aukon sisähalkaisijan välinen ero on alueella 0,5-15 mm.
18. 27. Jonkin patenttivaatimuksen 23 - 26 mukainen laite, tunnettu siitä, että este-vyöhykkeen pituus on samansuuntainen uunin putken keskiakselin kanssa noin 10 -1000 15 mm:n verran, edullisesti noin 15 -150 mm:n verran. • I 1 j | • » < 1 t < 1 I 1 • I · t < • I « » • # 1 % » % • · • 1 1 « • · • · I · f • » I t I • « 1 · 113758