JP2000072469A - 熱間絞り成形したファイバを冷却する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の冷却チャンバ内へのガス状冷却剤の流
れを実質的に一定に保ち且つ可変速度のガスの圧送手段
を使用して冷却チャンバからの冷却剤の吸引量を制御す
ることにより、光ファイバ冷却装置からのガス状冷却剤
の損失を少なくする方法を提供すること。 【解決手段】 予成形体から絞り成形された高温の光フ
ァイバは、二段階工程によりヘリウムで冷却した熱交換
器Ａ内で冷却される。熱交換器Ａを通じてのファイバの
引出し量が設計の引出し量よりも増大する第一の段階に
おいて、ファイバの引出し量の増大に伴なって、熱交換
器Ａに対するヘリウムの流量が増大する。ヘリウムは可
変速度ブロアにより熱交換器Ａから吸引され、第一の段
階の間、熱交換器Ａからのヘリウムの吸引量は、主とし
て熱交換器Ａ内へのヘリウムの流量により制御される。
第二の段階中、熱交換器Ａへのヘリウムの流量は、一定
に保たれ、引出し量が主として熱交換器Ａ内の圧力によ
って決定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絞り成形したファ
イバの冷却、より具体的には、ガス冷却剤を使用して絞
り成形したガラスファイバを冷却することに関する。具
体的には、本発明は、冷却チャンバからの冷却剤ガスの
損失を最小にし得るように、ガラスファイバの冷却チャ
ンバから吸引されるガス状冷却剤の量を制御することに
関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバは、従来から、その屈折率が
ガラスコアの屈折率よりも小さいガラスのクラッド材に
よって取り囲まれた中央のガラスコアを有するガラスロ
ッド、すなわち「予成形体」で製造されている。ファイ
バは、加熱炉内にてガラス予成形体を軟化温度まで加熱
し、軟化した予成形体からファイバを絞り成形すること
により製造される。ファイバは、樹脂材料の保護コーテ
ィングを絞り成形したファイバの表面に付与することを
可能にするのに十分、迅速に冷却される。熱交換器を有
する絞り成形タワーを通じて引き出すことにより冷却が
行われ、この熱交換器内にて、ファイバは、一般にヘリ
ウムであるガス冷却剤と接触するが、この冷却剤は、窒
素、二酸化炭素又は水素のような他のガスとすることも
できる。ガス冷却剤は、全体として、熱交換器を通るガ
ラスファイバの移動方向に対して交差流又は向流の方向
に向けて、熱交換器を通じて連続的に流れる。ガス状冷
却剤は、ガラスファイバから、冷却チャンバを取り囲む
室を通って流れる、通常、水である冷却媒体に熱を伝導
する。ヘリウムは、良好な熱伝導の性質を有し且つ安全
に使用できるため、ヘリウムが好ましい冷却剤ガスであ
る。しかしながら、ヘリウムは、他のガスに比してコス
ト高であり、このため、熱交換器内にて再使用するため
ヘリウムを再循環させることが望ましい。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】現在行われている、ガ
ラスファイバの冷却工程の１つの特徴は、ガラスファイ
バが冷却チャンバに出入りするときに通る開口部が、気
密でない点である。このため、空気は、通常、装置に浸
透し、ガス冷却剤を稀釈し、このことは、最終的に、冷
却剤を廃棄するか又は再使用のため精製することを必要
とする。冷却チャンバ内の圧力と周囲の環境内の圧力と
の間に正圧の差圧があることを確実にすることにより、
空気の浸透を著しく少なくすることができる。換言すれ
ば、冷却チャンバ内の圧力は、その周囲の大気圧力より
も高圧に保たれる。このことは、冷却チャンバのファイ
バ入口開口部及び／又はファイバ出口開口部を通って高
価なヘリウムが、環境中に失われるという不利な点があ
る。

【０００４】ファイバの入口及び出口の開口部を通って
流れるヘリウムの排出流れ及び空気の流入流の量を最小
にするための努力が為されている。米国特許第５，３７
７，４９１号及び同第５，４５２，５８３号には、熱交
換器内にて、ヘリウムのような冷却剤ガスでファイバを
冷却することにより、光ファイバを冷却する方法及び装
置が開示されている。この特許は、熱交換器への空気の
浸透量を制限するため熱交換器に出入りする冷却ガスの
流れを制御することを教示している。この開示された方
法は、０乃至１５０ｐｓｉｇの圧力にて冷却剤ガスを熱
交換器内に導入することを含む。残念なことに、熱交換
器を大気圧又は大気圧以上の圧力にて作動させる結果、
約５０％以下といわれる程、装置からの冷却剤ガスが著
しく損失する。

【０００５】光ガラスファイバをより経済的に製造する
方法が常に求められている。本発明は、ファイバの冷却
工程中、環境に失われるガス状冷却剤の量を最小にする
ことにより、熱ガラスファイバの製造コストを削減する
方法を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、装置の冷却チ
ャンバ内へのガス状冷却剤の流れを実質的に一定に保ち
且つ可変速度のガスの圧送手段を使用して冷却チャンバ
からの冷却剤の吸引量を制御することにより、光ファイ
バ冷却装置からのガス状冷却剤の損失を少なくする方法
を提供するものである。このことは、装置を僅かな真空
圧にて作動させることを可能にし、これにより、冷却チ
ャンバから環境へ逃げる冷却剤ガスの量を著しく少なく
することを可能にする。また、本発明は、冷却工程の最
初の段階中に、光ファイバの冷却装置から損失するガス
状冷却剤の量を少なくする方法も提供するものであり、
この冷却工程中、冷却チャンバ内に入る冷却剤の流量に
比例して冷却チャンバからのガス吸引量を調節すること
により、冷却チャンバ内へのガス状冷却剤の流れ及び冷
却チャンバを通るファイバの通過量を設計値まで徐々に
増大させることができる。

【０００７】１つの広い実施の形態によれば、本発明
は、１つのファイバ入口開口部、１つのファイバ出口開
口部、少なくとも１つの冷却ガス入口、少なくとも１つ
の冷却ガス出口を有する冷却チャンバと、可変量のガス
圧送手段とを備える熱交換器内にて、熱間絞り成形され
たファイバを冷却する方法であって、（ａ）ファイバを
冷却チャンバを通すステップと、（ｂ）少なくとも１つ
の冷却ガス入口を介してガス状冷却剤を冷却チャンバ内
に導入するステップと、（ｃ）冷却チャンバの少なくと
も一部分における圧力が０．５バール乃至大気圧力との
範囲に保たれるような流量にて可変量のガス圧送手段に
より、ガス状冷却剤及び少なくとも１つのガス状不純物
を含むガス状排出流を冷却チャンバから吸引するステッ
プとを備える方法に関するものである。

【０００８】１つの好適な実施の形態において、冷却チ
ャンバ内にて行われる冷却工程の作動期間中、可変量の
ガス圧送手段の唯一の機能は、上記のガス状排出流を冷
却チャンバから吸引することである。

【０００９】本発明の別の好適な実施の形態において、
ガス状冷却剤は、複数の孔を介して冷却チャンバ内に導
入される。別の好適な実施の形態において、ガス状排出
流は、複数の孔を介して冷却チャンバから吸引される。

【００１０】別の好適な実施の形態において、ガス状排
出流は、複数の導管を介して冷却チャンバから吸引され
る。これら複数の導管は、冷却チャンバの上方領域内の
導管と、冷却チャンバの下方領域内の導管とを備えてい
る。この実施の形態の好適な形態において、ガス状排出
流は、冷却チャンバの上方及び下方領域内の導管を介し
て異なる量にて吸引される。例えば、ガス状排出流は、
冷却チャンバの下方領域内の導管を介して吸引される速
度よりもより速い速度にて冷却チャンバの上方領域内の
導管を介して吸引することができる。

【００１１】この方法は、熱間絞り成形したガラスファ
イバの冷却に特に適している。１つの好適な実施の形態
において、冷却チャンバ内に導入されたガス状冷却剤
は、ヘリウム、窒素、二酸化炭素、水素又はこれらの混
合体を含んでいる。

【００１２】別の好適な実施の形態において、ガス状排
出流は、冷却チャンバの少なくとも一部分内の圧力が約
０．７バール乃至大気圧力の範囲に保たれるような量に
て冷却チャンバから吸引される。

【００１３】より好適な実施の形態において、冷却チャ
ンバ内に導入されたガス状冷却剤は、少なくとも６０
％、ヘリウムを含んでいる。冷却チャンバを取り囲む雰
囲気は一般に空気である。

【００１４】１つの好適な実施の形態において、冷却チ
ャンバからのガス状排出流の吸引量は、冷却チャンバ内
へのガス状冷却剤の流量によって一部分、決定される。
ファイバは、冷却チャンバを介して引き出されることが
好ましく、また、ガス状冷却剤は、実質的に一定の量に
て冷却チャンバ内に導入されることが好ましい。

【００１５】本発明の１つの好適な実施の形態におい
て、この方法は、ファイバが増大する量にて上記の冷却
チャンバを通じて引き出され、ガス状冷却剤が増大する
量にて冷却チャンバ内に導入される第一の期間と、ファ
イバが実質的に一定の量にて冷却チャンバから引き出さ
れ、ガス状冷却剤が実質的に一定の量にて冷却チャンバ
内に導入される第二の期間とを備えている。

【００１６】別の好適な実施の形態において、冷却チャ
ンバからのガス状排出流の吸引量は、そのガス状排出流
中のガス状不純物の濃度によって一部分、決定される。
別の好適な実施の形態は、ガス状排出流から少なくとも
１つのガス状不純物の少なくとも一部分を除去し且つ不
純物が減少したガス状排出流をガス状冷却剤として使用
するため冷却チャンバに再循環することを備えている。
一般に、ガス状排出流からの少なくとも１つのガス状不
純物の少なくとも一部分の除去は、圧力スイング吸着
法、温度スイング吸着法、メンブラン分離法、蒸留法又
はこれらの組み合せから成る群から選択されたガス精製
法によって行われる。

【００１７】少なくとも１つのガス状不純物が空気を含
む場合、好適なガス精製法は、窒素及び酸素選択型吸着
材を使用する圧力スイング吸着法である。圧力スイング
吸着法のサイクルは、全体として、吸着ステップと、平
衡−減圧ステップと、向流減圧ステップと、平衡−再加
圧ステップと、再加圧ステップとを備えている。

【００１８】ガス精製法が圧力スイング吸着法である場
合、この方法は、平行に又は位相外にて作動する２つ以
上の吸着容器を備える吸着装置内にて行われることが好
ましい。この構成は、吸着装置への供給ガスが２つ以上
の冷却チャンバから吸引されたガス状排出流を含むと
き、特に有用である。

【００１９】本発明の別の実施の形態において、２つ以
上の冷却チャンバは、位相外及びバッチモードにて作動
させ、これにより可変流量にて供給ガスを発生させる。
この実施の形態において、吸着ステップの続行時間は、
供給ガスが低流量にて発生されるとき、長い持続期間で
あり、また、供給ガスがより高流量にて発生されると
き、短い持続期間であることが好ましい。別の好適な実
施の形態は、ＰＳＡ装置からの非吸着ガス製品流の純度
の変化に応答して吸着ステップの続行時間を調節するこ
とを備えている。

【００２０】本発明の１つの好適な実施の形態におい
て、ガス精製法は、９０°の位相外にて作動する４つの
吸着容器を備える、吸着装置内にて行われる。この形態
において、吸着ステップの続行時間は１つの容器に対し
吸着ステップが行われ、１つの容器に対し平衡−減圧ス
テップが行われ、１つの容器に対し平衡−再加圧ステッ
プが行われ、１つの容器に対し再加圧ステップが行われ
るとき、長い持続期間があることが好ましい。この再加
圧ステップは、この工程の吸着ステップ中に発生され
た、冷却剤ガスで高濃度となった製品、供給ガス又はこ
れらの組み合せ体にて容器を再加圧することを含むこと
ができる。

【００２１】別の好適な実施の形態において、ファイバ
の入口開口部及びファイバの出口開口部は、冷却チャン
バの頂部及び底部にそれぞれ配置される。

【００２２】

【発明の実施の形態】幾つかの図面において同一又は同
様の部品は、同一の参照番号で表示する。本発明では、
高温の繊維状材料がガス状冷却剤と熱交換することによ
り冷却される熱交換器の冷却チャンバからのガス状冷却
剤の損失は、２段階のファイバ冷却工程中、最小とな
る。この工程の最初の段の間、冷却チャンバ内への冷却
剤の流量は、熱交換器を通るファイバの流量の増加に伴
って徐々に増大し、冷却チャンバからの冷却剤の吸引量
は、冷却チャンバ内への冷却剤の流量の増加に比例して
増大し、冷却チャンバの少なくとも一部分における圧力
を大気圧以下に保つ。第二の段の間、冷却チャンバ内へ
の冷却剤の流量及び冷却チャンバを通るファイバの流量
は、実質的に一定に保たれ、冷却チャンバからの冷却剤
の吸引量は、冷却チャンバの少なくとも一部分における
圧力を大気圧以下に保つことを続けるのに必要な程度、
調節する。冷却ガスは大気圧又は大気圧以下の圧力にて
冷却チャンバ内に導入することができるが、冷却チャン
バの冷却ガス出口付近における圧力は、大気圧以下の圧
力に保たれる。このようにて、装置を作動させることに
より、例えば、ファイバの入口及び／又は出口におけ
る、冷却チャンバの開口部を通る冷却ガスの損失が最小
となり又は解消されるとが確実となる。

【００２３】本発明は、添付図面を参照することによ
り、より容易に理解できる。先ず図１を参照すると、熱
交換器Ａと、ガスの流れ制御装置Ｂと、可変の速度のガ
ス圧送手段Ｃとを備える光ファイバの冷却装置が図示さ
れている。熱交換器Ａには、ファイバ入口４と、ファイ
バ出口６と、冷却水ジャケット８とを有する、ファイバ
の冷却チャンバ２が設けられている。熱交換器は、ガラ
スファイバストランド１０がチャンバ２から引き出され
る作動中の状態で示されている。ファイバは、ファイバ
の入口４の上方に配置された加熱炉（図示せず）内にて
軟化した予成形体から絞り成形される。ファイバは、フ
ァイバの出口６の下方に配置された回転スプール（図示
せず）により熱交換器を通じて引き出される。冷却剤の
供給管１２はガスの流れ制御装置Ｂの入口端部に接続さ
れる。流れ制御装置Ｂの出口端は、管１４を介して冷却
チャンバ２に接続される。冷却剤ガスの吸引管１６、１
８は、チャンバ２の頂部及び底部にそれぞれ接続されて
いる。又、冷却剤ガスの吸引管１６、１８には流れ制御
弁２０、２２がそれぞれ設けられている。管１６、１８
はその下流端にて管２４に接続される一方、該管２４
は、ブロアＣの吸引端に接続されている。排気の排出管
２６は、圧送手段Ｃの排出端を下流のガス精製プラント
に接続する。

【００２４】熱交換器Ａ、ガスの流れ制御装置Ｂ及びガ
スの圧送手段Ｃは、従来の装置であり、その構造及び作
動の詳細は本発明の一部を構成しない。圧送手段は、ガ
スを一点から別の点まで移動するのに適した任意の圧送
装置とすることができる。圧送手段Ｃは、可変速度のブ
ロアであることが好ましく、以下、このブロアとして説
明する。

【００２５】管１４とチャンバ２との間の接続部は、チ
ャンバ２の中心に接続された単一の管として説明する
が、管１４は、チャンバ２の伸長部分に沿った任意の箇
所に配置することができ、または、かかる管を複数、使
用して冷却ガスをチャンバ２に送ることができる。同様
に、チャンバ２には、チャンバ２の壁に沿った任意の箇
所に配置された単一の冷却剤ガスの吸引管を設けること
ができ、または、チャンバには、チャンバ２の伸長部分
に沿って配置された複数の排出ガス吸引管を設けること
ができる。１つの好適な構成において、入口管１４は、
チャンバ２のファイバ出口端に配置され、冷却剤のガス
排出管は、チャンバ２を流れるファイバの流れ方向に対
して向流となる方向に向けて冷却剤ガスの流れを提供し
得るようにチャンバ２のファイバ入口端に配置されてい
る。より好適な実施の形態（図示せず）において、一連
の冷却剤ガス入口孔及び／又は一連の排出ガスの吸引孔
がチャンバ２の壁の長手方向伸長部に沿って配置されて
おり、チャンバ２へ及び／又はチャンバ２からの均一な
ガスの流れを提供する。チャンバ２に一連の冷却剤ガス
入口孔及び一連の排出ガス吸引孔の双方が設けられると
き、チャンバ２を通って進むファイバを、チャンバ２を
通って横断状に流れる冷却剤ガスによって冷却すること
ができる。図１に図示した構成において、管１６、１８
何れか一方における流れを遮断するため弁２０、２２を
使用することができ、または、管１６、１８を通るガス
の相対的な流量を調節するために、これらの弁を使用す
ることができる。

【００２６】ポンプＣの速度制御機構は流れ検出制御ル
ープ２８を通じて流れ制御装置Ａに接続され、また、圧
力センサ３２が設けられた圧力検出制御ループ３０を介
してチャンバ２に接続され、また、ガス状不純物センサ
３６が設けられた管の不純物検出ループ３４を介して管
２６に接続されている。センサ３６は、選択されたガス
状不純物の濃度を測定することができる任意の装置とす
ることができる。例えば、該センサは酸素検出装置とす
ることができる。

【００２７】図２には、各々ガスの流れ制御装置Ｂ１−
Ｂ３と、可変ガスブロアＣ１−Ｃ３とがそれぞれ設けら
れた３つの熱交換器Ａ１−Ａ３から成る多数ファイバ冷
却装置が図示されている。ポンプＣ１−Ｃ３の排出端部
は管３８を介してオプションとしてのガス貯蔵容器Ｄに
接続されている。管４０は容器Ｄをガス精製プラントＥ
の入口端に接続する。

【００２８】精製プラントＥは、空気、二酸化炭素及び
水蒸気のような装置のガス冷却チャンバを浸透するガス
状不純物から工程中で使用されるガス状冷却剤を分離す
ることのできる任意のガス精製装置とすることができ
る。適当なガス精製装置は、圧力スイング吸着（ＰＳ
Ａ）装置、温度スイング吸着（ＴＳＡ）装置、透過性メ
ンブラン分離装置、極低温蒸留プラントなどのような吸
着プラントを含む。１つの好適な実施の形態において、
ガス精製装置はＰＳＡプラントである一方、該ＰＳＡプ
ラントは、適当な吸着材と共に使用されたとき、冷却剤
ガスからガス状不純物を効率的に且つ経済的に除去す
る。

【００２９】廃ガス排出管４２及び精製冷却剤ガスの排
出管４４がガス精製プラントＥに取り付けられている。
管４４は、精製した冷却剤ガスを熱交換器Ａ１−Ａ３の
入口に戻す再循環管として機能する。冷却剤ガスの補充
管４６が新しい冷却剤ガスの供給源を管４４に接続す
る。

【００３０】場合によっては、冷却チャンバ内への空気
及びその他のガス状不純物の浸透を制限するため密封手
段を使用することが望ましいことがある。これら密封手
段は図１に図示した装置の開口部４、６に配置すること
ができる。これと追加的に又は代替的に、冷却チャンバ
２内への空気の浸透を最小にするため流体の密封手段を
使用することができる。適当な密封流体は、窒素、アル
ゴン等を含む。開口部４、６を密封するその他の手段も
採用可能である。例えば、冷却タワーと共に使用される
加熱炉は、開口部４の周りに気密のシールを形成するた
めに使用することができ、また、この開口部をその周辺
に対して密封するように下流の樹脂被覆装置を開口部６
に隣接して配置してもよい。

【００３１】全体として、好適な実施の形態において、
本発明の光ファイバの製造工程は２つの段階に分けて行
われる。第一の段階は、冷却チャンバを通じてファイバ
を巻き取りスプールに安定的に引き出すことと、冷却チ
ャンバを通るガス状冷却剤の流れを設定することとを備
えている。この段階中、冷却したファイバを安定状態で
引き出す状態が設定される迄、ファイバを引き出す量及
び冷却ガスが冷却チャンバを通る流量は少ない。ファイ
バを安定に引き出す状態が設定されたならば、ファイバ
を引き出す量を設計の引き出し量に増大させる。典型的
に、この工程のこの段は数分間、続行する。この期間の
間、冷却チャンバ内への冷却剤ガスの流量は同様に増大
させ、ファイバが所望の程度まで連続的に冷却されるこ
とを確実にする。この工程の第二の段階は、冷却チャン
バを通るファイバの設計引き出し量及び流量が設定され
たときに開始する。第二の段階の間、冷却チャンバを通
るファイバの引き出し量及び冷却チャンバ内への冷却剤
ガスの流量は実質的に一定に保たれる。工程のこの段階
は、通常、数時間続行する。

【００３２】この工程をより詳細に検討すると、工程の
第一の段階は、冷却チャンバを通る冷却剤の流れを設定
することにより開始される。このとき、弁２０、２２の
一方又は双方が開放し、弁の開口部は所望の程度まで調
節されている。次に、光学的ガラス予成形体を熱交換器
Ａ（図１）の上方に配置された加熱炉内にてその軟化温
度まで加熱する。予成形体が軟化温度に達したとき、予
成形体は流動し始め、ファイバを形成し、このファイバ
は開口部４を介して熱交換器Ａのチャンバ２内に引き込
まれる。ファイバがチャンバＡを通って下方に進むと、
ファイバは管１４を通じて冷却チャンバに入るガス状冷
却剤に接触する。

【００３３】ガス状冷却剤は、光ファイバと反応せず又
は光ファイバに悪影響を与えない任意のガスとすること
ができる。上述したように、適当な冷却剤ガスはヘリウ
ム、水素、窒素、二酸化炭素及びこれらの混合体のよう
なガスを含む。又、冷却剤ガスは、ヘリウム及び水素、
又はヘリウム及びアルゴンの混合体のようなガスの混合
体とすることもできる。ガス状冷却剤は酸素のような不
純物を完全に含まないことを必要としないが、冷却ガス
は所望の冷却剤を高濃度にて含むことが好ましい。冷却
剤ガスは、ヘリウムの約６０重量％を含むことが好まし
く、最も好適な実施の形態において、冷却剤は少なくと
も約９０％のヘリウムを含む。ヘリウムは安全に使用で
き、極めて優れた熱伝達特性を有し、従来の分離技術に
より他のガスから容易に分離されるため、ヘリウムは他
の冷却剤ガスよりも好ましい。説明の便宜上、冷却剤ガ
スはヘリウムとして説明する。

【００３４】熱交換器Ａに入るヘリウムは、通常、水で
ある、室８内を循環する冷却媒体により冷却される。ヘ
リウムが熱交換器Ａのチャンバ２を通って流れるとき、
ヘリウムは高温の光ファイバから熱を除去し、これによ
り、ファイバを安定させ且つ、ファイバを開口部６を通
じてチャンバ２から引き出すことを可能にする。

【００３５】その後、冷却したファイバには、樹脂層を
被覆し且つそのファイバを巻き取りスプールに巻き取
る。温度が上昇したヘリウム、すなわち、「使用済み」
ヘリウムは、ブロアＣにより管１６、１８を通じて（こ
れら管の双方が使用されているとき）チャンバ２から吸
引され、好ましくは、管２６を通じて下流の処理装置に
送られるようにする。ヘリウムは密度が小さいため、チ
ャンバ２を通るときに上方に流れる傾向となる。従っ
て、ヘリウムの回収率及び純度を最適にするためには、
チャンバ２の頂部内により多量のヘリウムを受け入れる
ため、弁２０を弁２２より広く開放することが望まし
い。場合によっては、弁２２を完全に閉じ、また、管１
６のみを使用して排出ガスをチャンバ２から吸引するこ
とが望ましいことがある。

【００３６】冷却剤ガスの損失を最小にするため、例え
ば、チャンバ２の冷却剤ガス出口のようなチャンバ２の
少なくとも一部分における圧力が、通常、約０．５バー
ル（絶対バール）と大気圧との間の範囲、好ましくは約
０．７バールと大気圧との間にて大気圧以下に実質的に
保たれるような量にてブロアＣがチャンバ２からガスを
吸引する。「実質的に大気圧以下に保たれる」という語
は、チャンバ２の全体に亙る圧力は短時間にて大気圧よ
りも上昇するが、ヘリウムがチャンバ２を通って流れる
時間の少なくとも約９０％の間、その圧力がチャンバ２
の少なくとも一部にて大気圧以下の圧力に保たれる状態
を意味する。

【００３７】本発明の方法の主目的は、多量の余剰な空
気をチャンバ２内に吸引し、これによりヘリウムを稀釈
することなく、装置からヘリウムが実質的に損失される
のを防止することである。装置を大気圧以下の圧力にて
作動させることは、ヘリウムの損失を最小にするが、幾
分かの空気及びその他のガス状の大気中の不純物がチャ
ンバ２内に浸透する結果となる。ヘリウムの損失及び空
気の浸透を最小にするためチャンバ２内の圧力を慎重に
制御することは、チャンバ２内の圧力により且つオプシ
ョン的に、冷却チャンバの中からのガス状流出物中のガ
ス状不純物の濃度により、チャンバ２内にて大気圧より
も僅かに低い圧力が保たれるような仕方にて、チャンバ
２内へのヘリウムの流量によりその速度が決定される可
変速度ブロアを使用することにより、極めて容易とな
る。

【００３８】この工程の最初の段階の間、チャンバ２か
らの使用済みのヘリウムの吸引量は、主として、新たな
ヘリウムのチャンバ２内への導入量により制御される。
チャンバ２内へのヘリウムの導入量が増すに伴い、ブロ
アＣの速度は、ブロアＣの速度制御機構に送られる流れ
制御装置Ｂからの間欠的な又は安定的な信号により増加
する。工程の第一の段階中、流れ制御装置Ｂによりブロ
アＣの速度を制御することは、チャンバ２内の圧力の変
化に応答して制御することが好ましく、その理由は、チ
ャンバ２内で圧力が蓄積する前に、チャンバ２内へのヘ
リウムの流入量の増加に伴って応答することを可能に
し、これにより、チャンバ２内の圧力が一時的に大気圧
以上の圧力まで上昇することに起因するこの期間中のヘ
リウムの損失を解消し又は最小にするからである。

【００３９】工程の第二の段階の間、流れ制御装置Ｂ
は、チャンバ２内へのヘリウムの流量を実質的に一定に
保つ。この期間中、ブロアＣの速度は、制御ループ３０
を通じてチャンバ２内の圧力によって制御される。圧力
センサ３２は、検出ループ３０を介してチャンバ２内の
圧力を連続的に又は周期的に監視して、必要なとき、ポ
ンプの速度を調節するためポンプＣの速度制御機構に信
号を送る。一般に、圧力の変化は、チャンバ２内の温度
の変化又は大気圧力の変化にのみ起因するため、ブロア
Ｃの速度の変化は、この期間中、相対的に僅かである。

【００４０】オプションとして、排気ガス中のガス状不
純物の濃度を特定の範囲内に保つため、吸引量を制御し
てもよい。このことは、不純物の検出ループ３４によっ
て行われる。ループが作動されたとき、センサ３６は、
排出ガス中の不純物の濃度を決定するため排出ガスを連
続的に又は周期的に監視する。排出ガス中の空気の濃度
が所望の範囲外になるとき、検出装置３６は、ループ３
４を介してポンプＣに信号を送り、ポンプの速度を調節
して、空気の濃度を所望の範囲に戻す。

【００４１】引出しタワーの各々が光ファイバの冷却チ
ャンバを有する一組みの光ファイバ引出しタワーにより
本発明を実施するとき、冷却チャンバの各々は、熱交換
器が作動する間に、チャンバから冷却剤ガスを吸引する
ことが唯一の機能である、可変速度のガスブロアよる作
用を受ける。３つの別個の可変速度ポンプである、ポン
プＣ１乃至Ｃ３を使用する典型的な３つのタワーから成
る装置が図２に図示されている。各ポンプは、単一の流
れ制御装置、及び１つの冷却チャンバ内の圧力によって
のみ制御されるため、冷却チャンバ内の圧力をより正確
な制御状態に保つことができる。

【００４２】図２に図示した多数ユニット装置内にて本
発明を実施するとき、ポンプＣ１乃至Ｃ３によって管３
８内に排出されたガスは、オプショナルな貯蔵容器Ｄ内
に貯えられる。この貯えたガスは、精製の為、ガス分離
プラントＥに間欠的に又は連続的に供給することができ
る。ガス分離プラントＥにおいて、排出ガスは、全体と
して、実質的に空気及び他の不純物から成る廃ガス流
と、精製したヘリウム流とに分離され、このヘリウム流
は、管４４を介して分離器Ｅの外に出る。精製ヘリウム
流は、９０％以上のヘリウムを含むことが好ましいが、
この装置は、より低粘度のヘリウム流にても満足し得る
ように作動させることができる。精製したヘリウム流
は、管４４を通じて熱交換器Ａ１乃至Ａ３に再循環され
る。補充ヘリウムは、管４６を介して装置に供給され
る。

【００４３】上述したように、分離器Ｅは任意に適当な
ガス精製プラントとすることができるが、ＰＳＡ装置で
あることが好ましい。該分離器は、単一の吸着装置又は
同一位相にて作動する一組みの吸着装置若しくは複数の
吸着装置、或いは位相外にて作動する一組みの吸着装置
の何れか所望のものを備えることができる。単一の吸着
装置を備え又はその全てが同一位相にて作動する一組み
の装置を備える装置が使用される場合、吸着ステップ
は、吸着床を再生し得るように周期的に停止させなけれ
ばならない一方、複数の吸着装置が平行に採用され且つ
位相外にて作動されるとき、１つ以上の装置が不純物を
吸収する吸着作用を行うようにし、１つ以上の他の装置
が不純物を除去する再生を行うようにすることができ
る。本発明の吸着装置の作動は周期的に行う。好適な吸
着工程において、精製したヘリウムの製造が実質的に連
続的となるような仕方にてサイクルが繰り返して行われ
る。

【００４４】分離器ＥがＰＳＡ装置である場合、吸着容
器には、微粒子の形態の適当な吸着材が充填される。窒
素及び酸素の吸着に適した吸着材は、ゼオライト４Ａ、
ゼオライト５Ａ、ゼオライト１３Ｘのようなゼオライト
及び炭素分子ふるい分け粒子を含む。吸着工程に使用さ
れる特定の吸着材は、選択の問題であり、本発明の一部
を構成するものではない。

【００４５】吸着容器は、大気中の空気に含まれる水蒸
気を除去するため活性したアルミナ又はシリカゲルのよ
うな乾燥剤の前精製層を含むことが望ましい。活性化し
たアルミナは、二酸化炭素を空気から除去し、これによ
り、主要な吸着材による二酸化炭素の吸着を少なくし又
は解消するため、この活性化したアルミナが好適な乾燥
剤である。これと代替的に、この装置が吸着容器内に導
入する前に水蒸気及び二酸化炭素を供給ガスから除去す
るため、別個の空気前精製装置を備えるようにしてもよ
い。

【００４６】ＰＳＡ工程が行われるときの温度及び圧力
は選択の問題であり、重要な要件ではない。一般に、吸
着工程は、−５０乃至約１００℃の範囲の温度にて行う
ことができるが、一般に、約０乃至４０℃の範囲の温度
にて行われる。典型的に、吸着は、約１絶対バール（バ
ラ）以上の圧力にて行われる。吸着ステップが行われる
ときの最小圧力は約２バールであることが好ましく、約
５バールであることが最も好ましい。圧力の上限値は、
吸着装置の経済性及び限界により決定され、一般に、約
５０バールであることが好ましく、約２０バールである
ことがより好ましく、約１５バールであることがもっと
も好ましい。同様に、吸着再生が行われるときの圧力は
選択の問題であり、最小圧力は、これら容器から吸着し
たガスを吸引するために真空装置が使用されるか否かに
よって決まる。典型的に、これら容器における吸着再生
中の圧力の可変値は５０ｍバール（絶対ミリバール）程
度と低くすることができるが、約１５０ｍバール以上で
あることが好ましく、約２００ｍバール以上であること
が最も好ましい。吸着再生は、５バールという高圧にて
行うことができるが、約２バール以下の圧力にて行うこ
とが好ましく、約１バール以下の圧力にて行われること
が最も好ましい。

【００４７】上述した、光ファイバの製造工程は、バッ
チ工程である。従って、多数の装置から成るシステムの
各装置は、新たな予成形体を装置に装填するため、周期
的に運転を停止する。この運転停止中、その運転を停止
した装置内にて、使用済みのヘリウムは発生しない。多
数装置から成るシステムは、通常、位相をずらして作動
され、１つの装置が停止したとき、他の装置は作動し、
不純物を含むヘリウムガスを発生させる。図２に図示し
たシステムは、位相外にて機能する３つの装置にて作動
するとき、分離器Ｅに対する不純物を含むヘリウムガス
の流れは可変となる。この状況は、調節可能なサイクル
を有するＰＳＡ工程を使用して本発明の他の実施の形態
にて取り扱われている。この実施の形態のＰＳＡ工程の
吸着サイクルは、吸着ステップと、平衡ステップと、減
圧又は吸着材の再生ステップと、再加圧ステップとを含
んでいる。１つ以上の光ファイバ冷却装置が停止し又は
始動期間中であるとき、ＰＳＡ装置に対する不純物を含
んだガスの量の減少を補償するため、このサイクルの吸
着ステップは、ＰＳＡ装置内に導入されるガス状不純物
の量の減少に比例する期間だけ延長させる。同様に、追
加的なファイバの冷却ラインが作動されたとき、このサ
イクルの吸着ステップを短くすることができる。このこ
とは、吸着床を実質的に最適な状態にて作動させること
を可能にする。本発明のこの実施の形態に従って作動す
る４つの床から成る吸着装置の吸着サイクルは、各床が
９０°位相外にて作動する状態にて表１に示してある。
このサイクルのステップは、吸着と、第一の減圧−平衡
ステップ（Ｅｑ−Ｄｅｐ１）と、第二の減圧平衡ステッ
プ（Ｅｑ−Ｄｅｐ２）と、大気中への通気（通気１）
と、排気（通気２）と、再加圧平衡ステップ（Ｅｑ−Ｐ
ｒｅ１、Ｅｑ−Ｐｒｅ２）と、非吸着製品ガス、供給ガ
ス又はこれらの組み合わせによる再加圧（Ｒｅｐｒｅｓ
ｓ）とである。

【００４８】 表１ ステップ 床Ａ 床Ｂ 床Ｃ 床Ｄ 時間 秒 １ 吸着 Ｅｑ−Ｐｒ 通気１ Ｅｑ−Ｄｅ ３０ ｅ１ ｐ１ ２ 吸着 Ｅｑ−Ｐｒ 通気２ Ｅｑ−Ｄｅ ６０ ｅ１ ｐ１ ３ 吸着 再加圧 Ｅｑ−Ｐｒ Ｅｑ−Ｄ ３０＋ｔ ｅ２ ｅｐ２ ４ Ｅｑ−Ｄｅ 吸着 Ｅｑ−Ｐｒ 通気１ ３０ ｐ １ ｅ１ ５ Ｅｑ −Ｄｅ 吸着 Ｅｑ−Ｐｒ 通気２ ６０ ｐ１ ｅ１ ６ Ｅｑ−Ｄ ｅ 吸着 再加圧 Ｅｑ−Ｐｒ ３０＋ｔ ｐ２ ｅ２ ７ 通気１ Ｅｑ−Ｄｅ 吸着 Ｅｑ−Ｐｒ ３０ ｐ １ ｅ１ ８ 通気２ Ｅｑ −Ｄｅ 吸着 Ｅｑ−Ｐｒ ６０ ｐ１ ｅ１ ９ Ｅｑ−Ｐｒ Ｅｑ−Ｄ ｅ 吸着 再加圧 ３０＋ｔ ｅ２ ｐ２ １０ Ｅｑ−Ｐｒ 通気１ Ｅｑ−Ｄｅ 吸着 ３０ ｅ１ ｐ１ １１ Ｅｑ−Ｐｒ 通気２ Ｅ ｑ−Ｄｅ 吸着 ６０ ｅ１ ｐ１ １２ 再加圧 Ｅｑ−Ｐｒ Ｅｑ− Ｄｅ 吸着 ３０＋ｔ ｅ２ ｐ２ ステップ３、６、９、１２の持続時間は、吸着装置に対
する吸着可能なガスの不純物（空気）の供給量によって
決まる。ＰＳＡプラントの上流に配置された検出装置
は、吸着装置への供給物中の空気の濃度を連続的に測定
する。装置の光ファイバ冷却タワーが作動し、吸着装置
に供給される空気の量が設計レベルであるとき、サイク
ルの吸着ステップの持続時間は、１２０秒である。しか
しながら、１つ以上の冷却タワーが休止しているとき、
空気測定装置は、ＰＳＡプラントに供給される空気が少
ないことを検出し、吸着サイクルの制御装置に対して信
号を送り、この制御装置は、ＰＳＡプラントへのガス流
中の不純物の量の減少に逆比例する期間だけステップ
３、６、９、１２の持続時間を延長する。ＰＳＡ装置を
離れる非吸着ガス製品の純度は、また、ＰＳＡ装置の作
動を制御するためにも使用することができる。例えば、
非吸着ガス製品流中のヘリウムの濃度が所定の最小の許
容可能な値まで降下し、又は、所定の最大の許容値まで
上昇したとき、非吸着ガス製品流を監視する検出装置か
らの信号は、ＰＳＡ装置の制御機構に命令して、これに
対応して、ＰＳＡサイクルの吸着ステップの持続時間を
短くし、又は長くする。好適な実施の形態において、吸
着ステップの持続時間は、ＰＳＡ装置への供給体中のガ
ス状不純物の量と、ＰＳＡ装置から去る非吸着ガス製品
流の純度との双方によって制御される。休止した冷却タ
ワーが再度、作動すると、ＰＳＡプラントへの空気の流
れは、設計レベルに戻り、ＰＳＡサイクルは、正常な状
態に復帰する。

【００４９】装置内のガスの流れを監視し且つ自動的に
調節し、効率的な方法にて連続的に作動するように完全
に自動化されるようにするため、従来の装置を利用する
ことも本発明の範囲に属することが理解されよう。

【００５０】本発明は、特段の記載がない限り、部品、
比率及び比が容積に基づくものである以下の実施例に関
して更に説明する。

【００５１】

【実施例】この実施例は、長い、光ファイバの垂直の冷
却チャンバの２段工程の持続的時間を示すものである。
期間１乃至３（表２参照）から成る第一の段階中、冷却
チャンバ内への冷却剤の流れ及び冷却チャンバからの排
出ガスの吸引は、ゆっくりと増大させた。期間４によっ
て示した第二の段階の間、冷却チャンバ内へのヘリウム
の流れ及び冷却チャンバからの排出ガスの吸引は、実質
的に一定に保った。約９７％のヘリウムを含む冷却剤流
は、１つのヘリウム入口を介して光ファイバの冷却チャ
ンバ内に噴射し、可変速度ブロアに接続された２つの冷
却剤回収ポートを通じてチャンバから吸引した。冷却剤
回収ポートは、冷却チャンバの頂部及び底部に配置し
た。冷却剤の噴射量が分当たり４０乃至７０リットルの
標準量（ｓｌｐｍ）から増大するに伴ない、可変速度ブ
ロアの速度をこれに対応して増大させて冷却チャンバの
ガス出口における圧力を約−２５ｍｍＨ₂Ｏに保った。
回収した流れ中のヘリウムの回収量及びヘリウムの濃度
をそれぞれ約８５％及び６０％に保った。安定状態の間
（期間４）、ブロアの速度を冷却チャンバ内にて所望の
圧力を保つのに必要なように調節した。回収した流れ中
のヘリウムの回収量及びヘリウムの濃度は表２にまとめ
てある。

【００５２】 表２ 期間 Ｈｅの噴射量 回収した流れの 回収した流中の Ｈｅの回 （ｓｌｐｍ） 流量（ｓｌｐｍ） Ｈｅ％ 収％ １ ４０ ６０ ５９ ８９ ２ ５０ ７２ ５９ ８５ ３ ６０ ８２ ６２ ８５ ４ ７０ ９１ ６５ ８５ この実施 例は、回収した流れ中のヘリウムの濃度は、５９乃至６５％の範囲に保たれ、冷 却チャンバのガス状冷却剤の出口端における圧力が約−２５ｍｍＨ₂Ｏに保たれ るとき、ヘリウムの回収率は、８５乃至８９％に保たれることを示す。冷却チャ ンバをより低圧にて作動させることによりヘリウムの回収量を増すことができる 。

【００５３】本発明は、特定の装置の配置及び特定の実
験に関して説明したが、これらの特徴は、単に、本発明
の一例にしか過ぎず、その変形例が可能である。例え
ば、上述したように、熱交換器の冷却チャンバからの排
出冷却剤ガス中のガス状不純物の濃度は、測定し且つ冷
却チャンバからの排出ガスの吸引量を制御するのに役立
つ可変値として使用することができる。本発明の範囲
は、特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実施するため単一の装置から成
るシステムの概略図である。

【図２】ガス精製プラントを含む多数装置から成るシス
テムの概略図である。

【符号の説明】

２ 冷却チャンバ ４ ファイバ入口 ６ ファイバ出口 ８ 冷却水ジャケッ
ト／室 １０ ガラスファイバストランド １２ 冷却剤の供給
管 １４ 入口管 １６、１８ 吸引管 ２０、２２ 流れ制御弁 ２４ 管 ２６ 排出管 ２８ 流れ検出制御
ループ ３０ 圧力検出制御ループ ３２ 圧力センサ ３４ 不純物検出ループ ３６ ガス状不純物
センサ ３８ 管 ４０ 管 ４２ 排出管 ４４ 精製冷却剤ガ
スの排出管 ４６ 冷却剤ガスの補充管 Ａ 熱交換器 Ｂ ガスの流れ制御
装置 Ｃ ガス圧送手段 Ｅ ガス精製プラン
ト／分離装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウェンチャン・ジ アメリカ合衆国ペンシルバニア州18901, ドイルスタウン，ウッドストーン・ドライ ブ 10 (72)発明者 アーサー・アイ・シャーリー アメリカ合衆国ニュージャージー州08854, ピスカタウェイ，ニュー・マーケット・ロ ード 373 (72)発明者 ロジャー・ミージャー オーストラリア連邦ヴィクトリア 3058, コーバーグ，ハーディング・ストリート 11／129

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 1つのファイバ入口開口部、1つのファイ
   バ出口開口部、少なくとも1つの冷却ガス入口、少なく
   とも1つの冷却ガス出口を有する単一の冷却チャンバ
   と、可変量のガス圧送手段とを備える熱交換装置内にて
   熱間絞り成形したファイバを冷却する方法において、 （ａ） 前記ファイバを前記冷却チャンバを通じて引き
   出すステップと、 （ｂ） 前記少なくとも1つの冷却ガス入口を介してガ
   ス状冷却剤を前記冷却チャンバ内に導入するステップ
   と、 （ｃ） 前記少なくとも1つの冷却チャンバの少なくと
   も一部における圧力が０．５バール乃至大気圧の範囲内
   に保たれるような流量にて、前記可変量のガス圧送手段
   により、前記ガス状冷却剤及び少なくとも１つのガス状
   不純物を含むガス状排出流を前記冷却チャンバから吸引
   するステップとを備える方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、該方法
   の工程期間中、前記可変量のガス圧送手段の唯一の機能
   が前記ガス状排出流を前記冷却チャンバから吸引するこ
   とである方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の方法において、前記フ
   ァイバが光ガラスファイバである方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の方法において、前記冷
   却チャンバ内に導入されるガス状冷却剤が、ヘリウム、
   窒素、二酸化炭素、水素又はこれらの混合体を含む方
   法。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の方法において、前記冷
   却チャンバの少なくとも1つにおける圧力が約０．７バ
   ール乃至大気圧の範囲内に保たれるような量にて、前記
   ガス状排出流が前記冷却チャンバから吸引される方法。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の方法において、前記冷
   却チャンバ内に吸引されるガス状冷却剤が少なくとも６
   ０％のヘリウムを含む方法。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の方法において、前記少
   なくとも１つのガス状不純物が空気を含む方法。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の方法において、前記冷
   却チャンバからの前記ガス状排出流の吸引量が、前記冷
   却チャンバ内へのガス状冷却剤の流量により一部分、決
   定される方法。
9. 【請求項９】 請求項８に記載の方法において、前記フ
   ァイバが前記冷却チャンバを通じて引き出され、前記ガ
   ス状冷却剤が実質的に一定の量にて前記冷却チャンバ内
   に導入される方法。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の方法において、前記
    ファイバが、増大する量にて前記冷却チャンバを通じて
    引き出され、前記ガス状冷却剤が増大する量にて前記冷
    却チャンバ内に導入される第一の期間と、前記ファイバ
    が前記冷却チャンバを通じて引き出され、前記ガス状冷
    却剤が実質的に一定の量にて前記冷却チャンバ内に導入
    される第二の期間とを備える方法。
11. 【請求項１１】 請求項９に記載の方法において、前記
    冷却チャンバからの前記ガス状排出流の吸引量が、前記
    ガス状排出流中のガス状不純物の濃度により一部分、決
    定される方法。
12. 【請求項１２】 請求項７に記載の方法において、少な
    くとも１つのガス状不純物の少なくとも一部を前記ガス
    状排出流から除去することと、不純物が減少したガス状
    排出流をガス状冷却剤として前記冷却チャンバに再循環
    することとを更に備える方法。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の方法において、前
    記少なくとも１つのガス状不純物の少なくとも一部を前
    記ガス状排出流から除去することが圧力スイング吸着
    法、温度スイング吸着法、メンブラン分離法、蒸留法又
    はこれら組み合せから成る群から選択されたガス精製法
    により行われる方法。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の方法において、前
    記ガス精製法が、窒素及び酸素を選択可能な吸着材を使
    用する圧力スイング吸着法である方法。
15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の方法において、前
    記圧力スイング吸着法のサイクルが、吸着ステップと、
    平衡−減圧ステップと、向流減圧ステップと、平衡−再
    加圧ステップと、再加圧ステップとを含む方法。
16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の方法において、前
    記圧力スイング吸着法が平行に且つ位相外にて作動する
    ２つ以上の吸着容器を備える吸着装置内にておこなわれ
    る方法。
17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の方法において、前
    記吸着装置への供給ガスが、２つ以上の前記冷却チャン
    バから吸引されたガス状排出流を含む方法。
18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の方法において、前
    記２つ以上の冷却チャンバが位相外で且つバッチモード
    にて作動される方法。
19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の方法において、前
    記供給ガスが可変流量にて発生される方法。
20. 【請求項２０】 請求項１９に記載の方法において、前
    記吸着ステップの持続時間が前記供給ガスが少ない流量
    にて発生されるとき、長い期間であり、前記供給ガスが
    増大した流量にて発生されるとき、短い期間である方
    法。
21. 【請求項２１】 請求項２０に記載の方法において、前
    記ＰＳＡ装置からの非吸着ガス製品流の純度の変化に応
    答して前記吸着ステップの持続時間を調節することを更
    に備える方法。
22. 【請求項２２】 請求項１９に記載の方法において、前
    記吸着装置が、９０°の位相外にて作動する４つの吸着
    容器を備える方法。
23. 【請求項２３】 請求項２２に記載の方法において、１
    つの容器に対し前記吸着ステップが行われ、１つの容器
    に対し前記平衡−減圧ステップが行われ、１つの容器に
    対し前記平衡−再加圧ステップが行われ、１つの容器に
    対し前記再加圧ステップが行われるとき、前記吸着ステ
    ップの持続時間が長い期間である方法。
24. 【請求項２４】 請求項２３に記載の方法において、前
    記再加圧ステップが、前記工程の吸着ステップの間に発
    生されたガスの高濃度製品流、前記供給ガス又はその組
    み合せにて前記容器を再加圧することを含む方法。
25. 【請求項２５】 請求項１に記載の方法において、前記
    ガス状冷却剤が複数の孔を通じて前記冷却チャンバ内に
    導入される方法。
26. 【請求項２６】 請求項１又は２５に記載の方法におい
    て、前記ガス状排出流が複数の孔を通じて前記冷却チャ
    ンバから吸引される方法。