JP2003192375A - キャップアセンブリ及び光ファイバー冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決課題】 ファイバー製造プロセスにおける空気浸
透及び冷却剤ガス損失の問題を解決しつつ、光ガラスフ
ァイバー製造コストを減少させるため、高純度で且つ高
回収率で冷却ガスを集める新規なキャップアセンブリを
提供する。 【解決手段】 冷却剤チャンバ管からの冷却ガスを収集
するキャップアセンブリ１は、熱交換器２の頂部に取り
付けられている。キャップアセンブリ１は、中央に開口
１２を有する接続手段１１と、冷却ガスチャンバ管の本
体に取り外し可能に取り付ける形状及び寸法である側壁
４から延在する出口手段８と、を有する。接続手段１１
の開口１２を介して、キャップアセンブリ１及び熱交換
器２の両者を貫通して、熱いファイバー３が通過する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、延伸されたファイ
バーの冷却に関し、特に、ガス状冷却剤を用いる延伸さ
れた光ガラスファイバーの冷却に関する。特に本発明
は、光ガラスファイバー熱交換器から抜き出した冷却ガ
スを集めて、熱交換器からの冷却ガスの損失を最小化す
るためのキャップアセンブリの使用に関する。本発明は
さらに、光ガラスファイバー熱交換器にガスを供給し、
光ガラスファイバー熱交換器からガスを抜き出すキャッ
プアセンブリの使用に関する。

【０００２】

【発明の背景】光ファイバーは、慣例的には、ガラスの
クラッドに囲包されたガラスの中央のコアを有する（ガ
ラスクラッドの反射率はガラスコアの反射率よりも低
い）ガラスロッド又は予備成形体（プレフォーム）から
作られる。ファイバーは、ガラス予備成形体を炉の中で
軟化点まで加熱して、軟化した予備成形体からファイバ
ーを延伸することにより製造される。ファイバーは、延
伸されたファイバーの表面に樹脂材料の保護コーティン
グを適用できるほど十分に迅速に冷却される。冷却は、
ガス状冷却剤と接触するようになる熱交換器を通してフ
ァイバーを延伸することにより行われる。

【０００３】ガス状冷却剤は、連続的に、熱交換器を通
過するガラスファイバーの運動方向に関して、横断流、
対向流、並行流又はこれらの組合せの状態で、熱交換器
を通過する。ガス状冷却剤は、ガラスファイバーから、
周囲の大気及び／又は冷媒、通常は熱交換器内の通路を
流通する水により冷却されている熱交換器の壁へと、熱
を移動させる。ガス状冷却剤は、一般に、ヘリウムであ
るが、他のガス又は混合物が用いられてもよい。ヘリウ
ムは、ヘリウムの好ましい熱移動特性及び使用の安全性
ゆえに、好ましい冷却剤ガスである。しかし、ヘリウム
は、他のガスよりも経費がかかるので、熱交換器内で再
使用するために、ヘリウムを捕捉して再循環させること
が望ましい。

【０００４】現行のファイバー製造プロセスにおいてな
されているように、熱交換器から排出されたヘリウムガ
スが大気中に排出される場合には、ファイバー製品コス
トは、特にファイバーの延伸速度が過去30年間に増加し
続けているので、不利なことに非常に高くなってしま
う。ファイバー冷却工程におけるヘリウム使用に関する
ファイバーコストを削減するために、ヘリウムガスを回
収するヘリウム回収システム及び装置が提案されてい
る。空気や水分などの汚染物質と一緒に排出されたヘリ
ウムガスは、熱交換器から真空引きされて、冷却剤ガス
供給流に再循環されて、熱交換器に戻る前に、精製され
る。

【０００５】しかし、これらのヘリウム回収システム
は、１以上の下記欠点を有する。 (1)ヘリウムが集められて真空が適用されるファイバー
入口又は出口における大気流の結果としてのファイバー
の振動、(2)回収システムの圧力、組成、及び流速の制
御の欠陥によるファイバー直径の変動、これはファイバ
ーの機械的及び光学的品質に悪影響を与えるであろう
(3)空気が集められた流に入ること及び冷却剤（ヘリウ
ムなど）が熱交換器から出てくることによる冷却剤（ヘ
リウムなど）の純度及び回収率の低下。

【０００６】空気浸透は、熱交換器内部の冷却ガスと周
囲の環境との間に正の圧力差を存在させることによっ
て、大幅に減少させることができる。これは、熱交換器
のファイバー入口端部開口及び／又はファイバー出口端
部開口を通して環境中に価値あるヘリウムが損失すると
いう欠点を有する。ファイバー入口端部及びファイバー
出口端部を通してのヘリウム流出量及び空気流入量を最
小化する努力がなされている。例えば、熱交換器へのヘ
リウム流入及び熱交換器からのヘリウム流出を制御する
ことにより、熱交換器への空気浸透を制限する。しか
し、大気圧すなわち周囲の圧力にて熱交換器を操作する
ことは、結果的に、システムからの冷却剤ガスの多量の
損失を招く。光ガラスファイバーを製造するためのより
経済的なプロセスが求められている。

【０００７】よって、本発明は、ファイバー製造プロセ
スにおける空気浸透及び冷却剤ガス損失の問題を解決し
つつ、光ガラスファイバー製造コストを減少させるた
め、高純度で且つ高回収率で冷却ガスを集める新規なキ
ャップアセンブリを提供する。

【０００８】

【発明の概要】本発明は、熱交換器からの冷却ガスを集
めるキャップアセンブリを使用することにより、光ファ
イバー冷却システムからのガス状冷却剤の損失を減少さ
せる方法を提供する。キャップアセンブリは、熱交換器
の頂部、底部又は頂部と底部とに取り付けることがで
き、キャップアセンブリ及び熱交換器を貫通してファイ
バーを通過させることができるように設計されている。
キャップアセンブリは、さらに、キャップアセンブリが
熱交換器のどこに及びどのように取り付けられているか
に応じて、冷却ガス及び／又はシーリングガスを供給し
又は抜き出すために用いることができる少なくとも１個
のポートを具備する。本発明の装置によれば、ファイバ
ー延伸プロセスにいかなる負の衝撃も生じさせることな
く、冷却剤の高純度及び高回収率を達成することがで
き、空気の進入及びヘリウムの退出を顕著に最小化で
き、あるいは排除することさえできる。

【０００９】本発明の広い一実施形態において、１のフ
ァイバー入口開口と、１のファイバー出口開口と、少な
くとも１の冷却ガス入口と、少なくとも１の冷却ガス出
口と、キャップアセンブリと、を有する熱交換器ユニッ
ト内での延伸された熱いファイバーを冷却する方法、及
び、熱交換器にファイバーを通過させる工程と、少なく
とも１の冷却ガス入口を介して熱交換器にガス状冷却剤
を導入する工程と、汚染物質と混合している集められた
ヘリウム流を少なくとも１のガス出口を介してキャップ
アセンブリから抜き出す工程と、を含むガスポンプ手段
を含む。ここで、キャップアセンブリから抜き出された
ヘリウム流は、精製されて冷却ガス流に再循環されて戻
されてもよい。場合によっては、窒素、二酸化炭素、水
素、ヘリウム（精製された又は熱交換器から捕捉され
た）、アルゴン、乾燥空気又はこれらの混合物などのシ
ーリングガスをキャップアセンブリに導入してもよく、
この場合には、汚染物質の浸透及び熱交換器からのヘリ
ウムの退出を最小化することができる。

【００１０】

【発明の詳細な記述】本発明は、光ファイバー熱交換器
から冷却ガスを集めるキャップアセンブリを提供する。
キャップアセンブリの外形は、四角形でも、矩形でも、
筒状でも、あるいは他の形状でもよい。キャップアセン
ブリは、中央に開口を有するファイバー入口端部と、中
央に開口を有するファイバー出口端部と、ガスを通過さ
せるポート手段を有する側壁と、キャップアセンブリを
熱交換器に取り付けるための開口を中央に有する接続手
段と、からなる。ファイバー入口端部と、ファイバー出
口端部と、側壁とは、中空チャンバを形成する。キャッ
プは、一般に、熱交換器から取り外し可能な形状及び寸
法である。しかし、キャップアセンブリは、熱交換器の
一体的な部品として形成されていてもよい。

【００１１】キャップアセンブリは、ワンピースユニッ
トであっても、ヒンジ付けされてもされなくてもよい２
以上のピースに設計されていてもよい。ピースは、空気
シリンダ、機械的装置又は電気的手段によって開閉され
てもよい。キャップアセンブリは、典型的には、ステン
レススチール又はアルミニウムなどの金属から製造され
るが、適宜の金属を用いることができる。キャップアセ
ンブリは、内側壁が平行であるように設計されていてよ
く、あるいは一方の端部から他方の端部に向かって傾斜
してテーパード形状のチャンバを形成するように設計さ
れていてもよい。内側壁は、一方の端部から他方の端部
まで形状が湾曲していてもよい。

【００１２】さらに、キャップアセンブリのファイバー
入口端部は、平坦でもパラボラ形状に湾曲していてもよ
い。側壁のポート手段は、ガスをキャップアセンブリに
流出入させる。これらのポート手段は、ポンプ機構に導
く付属品を取り付けることができるようにねじ溝が付さ
れていてもよい。キャップアセンブリ自身は、典型的に
は熱交換器の頂部又は底部あるいは頂部と底部の両方に
取り付けられる。キャップアセンブリは、接続手段を介
して熱交換器に取り付けられる。典型的には、接続手段
とファイバー出口端部と熱交換器との間に、ある種のシ
ーラントが塗布されて、界面からの冷却剤ガスの損失を
排除し、並びに熱交換器全体の真空又はガス流を完全な
状態に維持する。接続手段がファイバー出口端部と熱交
換器との間に位置づけられる必要はない。接続手段をキ
ャップアセンブリの側壁に取り付けても、熱交換器の側
部に取り付けてもよい。この場合、ファイバー出口端部
は、熱交換器に直接取り付けられるであろう。

【００１３】添付図面を参照することによって、本発明
をより容易に理解できる。図１は、熱交換器２の頂部に
取り付けられて示されているキャップアセンブリ１であ
る。キャップアセンブリ１及び熱交換器２の両者を貫通
して、熱いファイバー３が通過している。図１に示すキ
ャップアセンブリ１及び熱交換器２の両者は、２個の半
体からなる。ポート手段８は、４で示される側壁を貫通
して半径方向に延在する。接続手段１１は、キャップア
センブリ１を熱交換器２に取り付けている。接続手段１
１の中央には、２個の半体が互いに接触する際に形成さ
れる開口１２すなわちホールがある。この開口１２を貫
通して、ファイバー３が通過する。

【００１４】ファイバー入口端部５は、２個の半体が互
いに接触する際に形成される中央の開口７を有し、熱い
ファイバー３はこの開口７を貫通して通過する。ファイ
バー出口端部６は、２個の半体が互いに接触する際に形
成される中央の開口９を有し、この開口９をファイバー
３が通過する。開口は、一般的に円形であるが、他の形
状でもよい。接続手段１１の開口及びファイバー出口端
部６の開口は、熱交換器の開口と一般的に同じ寸法及び
形状であるが、ファイバー入口端部５における開口は一
般的に小さい。図１の断面A-Aは、円形形状を有するキ
ャップアセンブリを示すが、キャップは他の形状であっ
てもよい。ファイバー入口端部５と側壁４とファイバー
出口端部６とにより形成されたチャンバ１０は、頂部又
は側部から見た場合のキャップアセンブリの形状と異な
る形状でもよい。

【００１５】図２に示されているのは、熱交換器２と、
ガスフローコントローラ２８と、ガスポンプ手段２９
と、を含む光ファイバー冷却システムである。図２にお
いて、キャップアセンブリ１は、熱交換器２の頂部に載
置されており、別のキャップアセンブリ１’は、熱交換
器２の底部に置かれている。熱交換器２は、ファイバー
冷却チャンバ１３と、ファイバー入口端部と、ファイバ
ー出口端部と、ジャケット１４と、を有する。熱交換器
は、キャップアセンブリ１，チャンバ１３及びキャップ
アセンブリ１’を貫通して延伸されているガラスファイ
バー３を伴って示されている。ファイバーは、キャップ
アセンブリ１の上に位置づけられている炉（図示せず）
内で柔らかくされたプレフォーム（予備成形体）から延
伸される。冷却剤ガス供給ライン１５は、ガスフローコ
ントローラ２８の入口に接続されている。フローコント
ローラ２８の出口は、ライン１６を介して熱交換器２に
接続されている。

【００１６】冷却剤ガス抜き出しライン１７は、熱交換
器２の上のキャップアセンブリ１に接続されている。一
方、冷却剤ガス抜き出しライン１８は、熱交換器２の底
部に取り付けられているキャップアセンブリ１’に接続
されている。ライン１７及び１８は、それぞれフローコ
ントロールバルブ１９及び２０を具備する。それらの下
流端部にて、ライン１７及び１８は、ライン２１に接続
されている。ライン２１は、ポンプ手段２９の吸引端部
に接続されている。排ガス排出ライン２２は、ポンプ手
段２９からの排気を下流ガス浄化プラントに接続する。
熱交換器２、ガスフローコントローラ２８及びガスポン
プ手段２９は、慣用の機器であり、これらの構造の詳細
及び操作は、本発明の部分を形成しない。

【００１７】ポンプ手段は、可変速度ガスブロワー又は
連続速度ガスブロワーなどのあるポイントから別のポイ
ントにガスを取り除くのに適する任意のポンプ手段でよ
い。ライン１６がチャンバ１３に入る位置をチャンバ１
３の中央に接続する単線として示すが、ライン１６は、
チャンバ１３のいかなる部分に沿って位置づけられてい
てもよいし、あるいは、チャンバ１３に冷却ガスを供給
するために用いられる複数のラインであってもよい。好
ましい配置において、供給ライン１６は、チャンバ１３
のファイバー出口端部に位置づけられ、冷却剤ガス排出
ライン１７はチャンバ１３のファイバー入口端部に位置
づけられて、チャンバ１３を貫通するファイバーの流方
向に対して対向流となる。

【００１８】図２に示す配置において、バルブ１９及び
２０は、ライン１７及び１８のいずれか内での流を遮断
するために用いることができる。あるいは、バルブ１９
及び２０を用いて、ライン１７及び１８を通過するガス
の相対流速を調節することができる。ポンプ２９の速度
制御機構は、フローコントロールループ２３を通してフ
ローコントローラ２８に接続され、圧力トランスデュー
サ２５を具備する圧力コントロールループ２４を介して
チャンバ１３に接続され、ガス状不純物センサ２７を具
備するライン不純物検出ループ２６を介してライン２２
に接続されている。センサ２７は、選択したガス状不純
物の濃度を測定することができる任意の装置でよい。例
えば、酸素検出装置でもよい。ライン２２は、ガス浄化
システム（図示せず）に導くことができる。ガス浄化シ
ステムは、空気、二酸化炭素及び水蒸気などのガス熱交
換器に浸透するガス状不純物から、プロセスで用いられ
るガス状冷却剤を分離することができる任意のガス浄化
システムでよい。収集したガス流中の汚染物質を除去す
る適切なガス浄化ユニットとしては、圧力スィング吸着
（PSA）ユニット、温度スィング吸着（TSA）ユニット、
透過性膜分離ユニット、極低温蒸留プラントなどを挙げ
ることができる。

【００１９】好ましい実施形態において、ガス浄化シス
テムは、適当な吸着剤と一緒に用いられる場合に冷却剤
ガスからガス状不純物を効率的に且つ廉価に除去するPS
Aプラントである。より詳細にプロセスを考慮すれば、
プロセスの第１ステージは、冷却剤の熱交換器への流を
確立することにより開始される。このとき、バルブ開口
を所望の程度に調節して、バルブ１９及び２０の一方又
は両者を開ける。次に、キャップアセンブリ１上に位置
づけられた炉内で、光ガラスプレフォームを軟化点まで
加熱する。プレフォームが軟化点に達すると、プレフォ
ームは流れ始めて、開口７を介してキャップアセンブリ
１を貫通して熱交換器２のチャンバ１３に延伸され、且
つ開口７’を介してキャップアセンブリ１’を出るファ
イバーを形成する。

【００２０】ファイバーが熱交換器２を下方に通過する
際に、ファイバーは、ライン１６を通ってチャンバ１３
に流れるガス状冷却剤と接触する。ガス状冷却剤は、光
ファイバーと反応しない（さもなければ光ファイバーの
品質に逆に影響を与える）任意のガスでよい。適切な冷
却剤ガスとしては、例えば、ヘリウム、水素、窒素、二
酸化炭素及びこれら又はその他のガスの混合物を挙げる
ことができる。冷却剤ガスは、好ましくは、60容積％以
上のヘリウムを含み、より好ましくは少なくとも90容積
％以上のヘリウムを含む。ヘリウムは、良好な熱転移特
性を有し、慣用の分離技術で他のガスから容易に分離さ
れ、安全に用いることができるので、他の冷却剤ガスよ
りも好ましい。

【００２１】熱交換器２のチャンバ１３をヘリウムが通
過する際に、ヘリウムは熱い光ファイバーを冷却して、
ファイバーを安定化し、開口７’を介してキャップアセ
ンブリ１’から延伸することができるようにする。冷却
されたファイバーは、続いて樹脂層で被覆され、巻き取
りスプロール上に巻き取られる。暖かいすなわち使用済
みのヘリウムは、ライン１７及び１８がブロワー２９に
より運転中に、ライン１７を介してキャップアセンブリ
１を経由し、ライン１８を介してキャップアセンブリ
１’を経由して、チャンバ１３から抜き出され、好まし
くはライン２２を介して下流の処理システムに送られ
る。

【００２２】ヘリウムは低い密度を有するので、チャン
バ１３を通過する際に上方向に流れる傾向にある。した
がって、ヘリウム回収率及び純度を最適化するために、
バルブ１９をバルブ２０よりも広く開き、より多量のヘ
リウムをチャンバ１３の上部に収容することが望まし
い。ある場合には、バルブ２０を完全に閉じて、ライン
１７だけを用いて、キャップアセンブリ１から排ガスを
抜き出すことが望ましいかもしれない。

【００２３】冷却剤ガスの損失を最小化するために、ポ
ンプ手段２９が、チャンバ１３の冷却ガス出口にてチャ
ンバ１３の少なくとも一部における圧力が大気圧よりも
低く、通常は約50kPa（0.5bara）〜大気圧、好ましくは
約70kPa（0.7bara）〜大気圧に実質的に維持されるよう
な速度で、チャンバ１３からガスを抜き出す。「大気圧
よりも低く実質的に維持される」とは、チャンバ１３全
体での圧力が短時間、大気圧よりも高くなることはあっ
ても、ヘリウムがチャンバ１３を通過する時間の少なく
とも90％にわたり、チャンバ１３の少なくとも一部に大
気圧よりも低い圧力が維持される、ことを意味する。

【００２４】上記したように、ガス分離ユニットは、適
宜のガス浄化プラントでよいが、PSAシステムが好まし
い。PSAシステムは、単一の吸着ユニット若しくは同期
運転される一連の吸着ユニット、又は複数の吸着ユニッ
ト又は非同期運転される複数連の吸着ユニットのいずれ
か所望のものを具備する。単一の吸着ユニット若しくは
すべてのユニットが同期運転される一連のユニットを具
備するシステムを用いる場合、吸着床の再生を行うため
に、吸着工程を周期的に停止しなければならない。一
方、複数の吸着ユニットが平行して且つ非同期運転で用
いられる場合、１以上のユニットを不純物を吸着する吸
着表面とし、１以上の他のユニットは不純物を脱着する
ために再生されてもよい。本発明の吸着システムの運転
は、循環的である。好ましい吸着プロセスにおいて、浄
化されたヘリウム生成が実質的に連続するような態様で
サイクルを繰り返す。

【００２５】PSAシステムにおいて、吸着容器は、粒状
形態の適切な吸着剤で充填される。窒素及び酸素の吸着
に適切な吸着剤としては、ゼオライト4A、ゼオライト5A
及びゼオライト13Xを含むゼオライト類、及びカーボン
モレキュラーシーブを挙げることができる。特に、吸着
プロセスで用いられる吸着剤は、選択事項であり、冷却
剤ガス流中で遭遇する不純物の性質により部分的に決定
される。吸着容器は、予備浄化層、大気中に含まれる水
蒸気を除去する活性アルミナ又はシリカゲルなどの乾燥
剤を含むことが望ましい。活性アルミナは、空気から二
酸化炭素を除去するように作用し、主要な吸着剤による
二酸化炭素の吸着を減少又は排斥するので、好ましい乾
燥剤である。あるいは、システムは、別個の空気予備浄
化ユニットを含むものでもよく、吸着容器に導入する前
に、供給ガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去する。

【００２６】PSAプロセスを実施する温度及び圧力は、
選択事項であり、重要ではない。一般に、吸着プロセス
は、約-50℃〜約100℃の範囲の温度で実施し得るが、一
般に、約0℃〜約40℃の範囲の温度で実施される。典型
的には、吸着は、約100kPa（1bara）以上の圧力で行わ
れる。吸着工程が行われる最低圧力は、好ましくは約20
0kPa（2bara）であり、より好ましくは約500kPa（5bar
a）である。圧力の上限は、経済性及び吸着システムの
制限により決定され、一般には約5000kPa（50bara）が
望ましく、好ましくは約2000kPa（20bara）であり、最
も好ましくは約1500kPa（15bara）である。吸着剤再生
が行われる圧力は、同様に、選択事項であり、最低圧力
は、これらの容器から吸着されたガスを抜き出すために
真空機器を用いるか否かに依存する。典型的には、これ
らの容器の吸着剤再生中の圧力の下限は、5kPa（50ミリ
bara）程度に低くてもよいが、好ましくは約15kPa（150
ミルbara）以上であり、最も好ましくは約20kPa（200ミ
リbara）以上である。吸着剤再生は、500kPa（5bara）
程度に高い圧力で行われてもよいが、好ましくは約200k
Pa（2bara）以下の圧力、最も好ましくは約100kPa（1ba
ra）以下の圧力で行われる。

【００２７】キャップアセンブリの別の実施形態を図３
に示す。キャップアセンブリ１は、熱交換器２の頂部に
載置された状態で示されており、ここで、熱いファイバ
ー３はキャップアセンブリ１及び熱交換器２の両方を通
過している。ポート手段３５及び３６は、３１で示され
る側壁を半径方向に貫通して延在する。接続手段４２
は、熱交換器２にキャップを取り付ける。ファイバー入
口端部３２は、中央に開口３４を有し、開口３４を熱い
ファイバー３が通過する。ファイバー出口端部３３は、
中央に開口３７を有し、開口３７を熱いファイバー３が
通過する。この実施形態において、キャップアセンブ
は、図３において、隔壁３９によって２個の別個のチャ
ンバ４０及び４１に分割されている。隔壁３９は、キャ
ップアセンブリを２個の等寸法のチャンバに分割する
が、異なる寸法の２個のチャンバを作るように位置づけ
られてもよい。図１及び図３の両方の実施形態におい
て、シングル又はダブルチャンバキャップアセンブリ
は、ガスを抜き出すこともできるしガスを供給すること
もできる１又は１以上のポート手段を有していてもよ
い。例えば、図３におけるポート手段３５が、シーリン
グガス供給ポート手段として作用し、ポート手段３６が
冷却ガス抜き出しポート手段として作用してもよい。あ
るいは、ポート手段３５を遮断し、ポート手段３６を用
いて、キャップアセンブリからガスを抜き出してもよ
い。

【００２８】熱交換器の頂部で用いるキャップアセンブ
リ用のシーリングガスとして任意のガスを用いることも
できるが、収集したガスの一部を取り、シーリングガス
として用いることが好ましい。そうすることで、収集し
たガス流中の冷却ガス濃度を高めることができる。キャ
ップアセンブリのチャンバ及び隔壁は、別々に組立て、
一緒に積み重ねることができ、組立及び組み込みを容易
にするばかりでなく、冷却装置の改造をより自由にす
る。各チャンバ及び隔壁の開口の寸法は、冷却装置の幾
何学及び運転条件に応じて誂えることができる。

【００２９】冷却ガスを捕捉するため、キャップアセン
ブリを熱交換器の底部で用いる場合には、図３に示す位
置とは上下逆の位置でキャップアセンブリを冷却ガスに
取り付け、ポート手段３６をガス抜きポート手段とし
て、ポート手段３５をシーリングガス供給ポート手段と
する。あるいは、冷却ガスを底部から供給する場合に
は、キャップアセンブリを供給チャンバとして用いるこ
とができ、ポート手段３５及び３６の両者を供給ポート
手段として作用させる。冷却ガスは、ポート手段３６を
介してキャップアセンブリに導入され、シーリングガス
は、ポート手段３５を介してキャップアセンブリに導入
される。

【００３０】さて、図４を参照すれば、キャップアセン
ブリ内に２個以上のチャンバが存在するマルチチャンバ
キャップアセンブリが示されている。図４は、２個のポ
ート手段６０及び６１を示すが、１個のポート手段程度
の少数のポート手段があってもあるいは各チャンバが各
自のポート手段を有するものでもよい。４４で示される
このキャップアセンブリは、熱交換器２の頂部に載置さ
れている状態で示されているが、図４に示す位置とは上
下逆の位置で熱交換器の底部に取り付けることもでき
る。熱いファイバー３は、キャップアセンブリ及び熱交
換器２の両者を通過するように示されている。ポート手
段６０及び６１は、４５で示される側壁を半径方向に貫
通して延在する。接続手段６８は、キャップアセンブリ
を熱交換器２に接続する。ファイバー入口端部４６は中
央に開口５３を有し、開口５３を熱いファイバー３が通
過する。ファイバー出口端部５２は、中央に開口５９を
有し、開口５９を熱いファイバー３が通過する。マルチ
チャンバキャップアセンブリにおいて、マルチチャンバ
６２〜６７は、隔壁４７〜５１によって形成される。各
チャンバは、各自のポート手段（例えば６０及び６１）
を有していてもよい。チャンバを形成するために用いら
れる隔壁は、それぞれ中央に、開口５３と同様の開口
（５４〜５８）を有し、ファイバーを通過させる。図４
は、数個のチャンバを有するキャップアセンブリを示す
が、チャンバの数は増減してもよい。

【００３１】シングルチャンバキャップアセンブリ及び
ダブルチャンバキャップアセンブリにおけるように、ポ
ート手段６０及び６１は、ガスの入口又は出口として作
用してもよい。よって、マルチチャンバキャップアセン
ブリにおいて、ポート手段６０及び６１は、熱交換器の
底部に取り付けられる場合にキャップアセンブリにガス
を供給するために用いることができる。キャップアセン
ブリを熱交換器の頂部に載置して、ポート手段６０及び
６１を用いる場合には、一方はシーリングガス供給手段
として、他方はマルチチャンバキャップアセンブリから
の冷却ガス抜き出し手段として、用いることができる。
１又は１以上の入口／出口手段（６０及び６１など）を
キャップアセンブリに用いてもよい。

【００３２】図１、３及び４においてキャップアセンブ
リ内にチャンバを形成する側壁、隔壁、ファイバー入口
端部及びファイバー出口端部は平坦及び／又は互いに平
行であるが、これらは任意の形状及び方向でよく、キャ
ップアセンブリ内部でガス流を助長し、ファイバー延伸
プロセスに与える負の影響を排除又は最小化する。

【００３３】本発明において述べられているキャップア
センブリの重要な特徴及び利点の幾つかを、アセンブリ
のデザイン及びファイバー延伸／冷却プロセスの運転に
関して以下に述べる。アセンブリの幾何学及び操作は、
回収システム及びファイバー延伸プロセスにとって重要
である。例えば、ヘリウムが熱交換器に底部から供給さ
れ、排ガスが頂部から出てくるファイバー冷却熱交換器
について議論する。

【００３４】冷却剤回収システムを用いない熱交換器と
比較すると、本アセンブリは、熱交換器からの使用済み
冷却剤ガスの流を再び方向付ける手段を提供する。頂部
にてファイバー入口から上方向に発生する代わりに、使
用済み冷却剤ガスをファイバーに直交する半径方向に再
び方向付けて流すことができる。熱交換器から発生する
ガスの流方向の変化は、熱交換器の上方に位置づけられ
ている炉内に環境中の粒子が吹き込まれることを防止
し、プレフォーム及び延伸されているファイバーの汚染
を防止する。

【００３５】ヘリウムが熱交換器から直接抜き出される
ヘリウム回収システムがある。これらの場合において、
排ガスが抜き出されるスペースは、特に、小径の冷却チ
ャンバ管を有する熱交換器について比較的狭い。よっ
て、より程度の高い真空が、消費されたガス流を抜き出
すために、通常は必要となり、さもなければ消費された
ガスの大部分がファイバー入口から損失してしまう。よ
り程度の高い真空は、チャンバ管を冷却する熱交換器内
の流体流パターン及び圧力プロファイルを中断させ、こ
の結果、延伸プロセスを中断させ、冷却効率（又はヘリ
ウム冷却剤使用量）を減少させることになる。本発明に
おいて述べられているアセンブリを用いるならば、アセ
ンブリ内の圧力降下は、熱交換器内のヘリウム消費量と
比較して、小さい。したがって、消費されたヘリウム
を、プロセスを中断することのない比較的低い真空で収
集することができる。ファイバー入口からの空気取り入
れを減少させるために、ダブル又はマルチチャンバアセ
ンブリを用いることができ、収集されたガス又は他のガ
スの一部を例えばダブルチャンバアセンブリの上部チャ
ンバに、シーリングガスとして導入することができる。
シーリングガス流は、冷却剤供給流及び消費されたガス
の収集チャンバに与えられる真空に従って調節される。
場合によっては、１以上のチャンバを抜き出しとシーリ
ングガスとの間に設けて、アセンブリ内の流パターン及
び圧力プロファイルを最適化することができる。

【００３６】アセンブリ幾何学設計及び抜き出しチャン
バのポート手段の方向を、ファイバー振動などファイバ
ー上のアセンブリ内部のガス流の衝撃を最小化するよう
に誂えることができる。例えば、ガス分配器、バッフル
又は多孔性チューブをアセンブリ内部に置いてもよい。

【００３７】多くの市販熱交換器において、冷却剤は、
シングルチャンバ供給アセンブリを貫通して底部から供
給される。通常、絞り板（iris plate）が供給アセンブ
リの底部に取り付けられ、供給チャンバからの冷却剤の
出口を制限する。絞り板の開口の直径は、非常に小さく
（通常は、1〜5mm）、絞り板におけるガス速度は、供給
流速、冷却チャンバ管直径及び冷却チャンバ管の長さ、
並びに絞り直径に依存して、50m/s以上に達することが
できる。絞り板を通過する高いガス速度は、ファイバー
振動を引き起こし、結果的に、ファイバー破損を引き起
こし、ファイバー品質に悪影響を与えるであろう。

【００３８】絞り板設計に関連する他の問題は、供給流
の減少による底部からの冷却剤損失割合の増加であり、
流速を変えるために都合よく調節できないことである。
熱交換器の底部にダブル又はマルチチャンバアセンブリ
を用いて、例えばダブルチャンバアセンブリの上部チャ
ンバに冷却剤を供給し、底部チャンバにシーリングガス
を供給することによって、ファイバー出口からの冷却剤
ガス損失を大幅に減少させることができ、シーリングガ
ス流を流速に従って調節することができる。加えて、底
部チャンバにおけるファイバー出口の開口の寸法を、底
部からの冷却剤の損失なしに用いることができる絞り板
の開口よりも大きくすることができる。そうすることに
よって、ファイバー出口における線形速度が減少し、高
い流速により引き起こされるファイバー振動のチャンス
が大幅に減少する。

【００３９】ヘリウムを熱交換器から又はシングルチャ
ンバヘリウム収集アセンブリから直接収集する場合、ヘ
リウム回収率及びヘリウム純度は独立に変えることがで
きない。一般的に、抜き出しチャンバアセンブリ内の真
空圧力は、ファイバー延伸プロセスに対する乱れを最小
化するために比較的一定に維持されるべきである。シー
リングガス流速を調節することで、収集されたガス流の
冷却剤純度を維持することができる。

【００４０】以下の実施例により、本発明を説明する
が、本発明はこれらに限定されるものではない。

【００４１】

【実施例】実施例１ シングルチャンバキャップアセンブリ及びダブルチャン
バキャップアセンブリに対する収集されたヘリウムの純
度及び空気流入速度をTable1に示す。ファイバーがキャ
ップアセンブリに入るチャネルの長さが0.635cm（0.25
インチ）から2.54cm（1インチ）まで増加する場合、ヘ
リウム純度は46％から53％に増加する。一方、空気流入
速度は、チャネルの余分の長さが空気流入に対するより
多くの抵抗を提供するので、16.9SLPMから15.7SLPMに減
少する。

【００４２】

【表１】

【００４３】Table1に示すように、ダブルチャンバキャ
ップアセンブリ設計は、シングルチャンバキャップアセ
ンブリ設計で得られるよりも高いヘリウム純度を与え
る。収集チャンバ容積を減少させ、バッファチャンバ容
積を増加させることで、ヘリウム濃度は65％から69％に
増加し、空気流入は8.1SLPMから6.1SLPMに低下する。熱
交換器の頂部及び底部の両者に用いられる各ダブルチャ
ンバキャップアセンブリ用のシーリングガスの使用は、
冷却剤損失及び空気流入を減少させ、さらにシステム効
率を改良する。

【００４４】実施例２ ヘリウム回収収集テストを15m高さの光ファイバー延伸
塔の熱交換器上で行った。ダブルチャンバキャップアセ
ンブリを熱交換器（又は冷却装置）の底部に取り付け
た。ヘリウムを冷却剤ガスとして用いて、熱交換器の底
部のキャップアセンブリに供給した。熱交換器は、内部
チャネル直径10mmで、高さ2mであった。光ファイバーが
通過するキャップアセンブリの開口の直径は、3〜5mmで
あった。ファイバー延伸速度は、3〜20m/sであった。フ
ァイバー延伸速度に応じて変化するヘリウム供給流速を
0〜100リットル／分の間で変えた。ファイバーがキャッ
プアセンブリに入る上部チャンバは、ヘリウム供給チャ
ンバとして用い、ファイバーがキャップアセンブリを出
る下部チャンバは、シーリングガスチャンバとして用い
た。乾燥空気をシーリングガスとして用いた。別のキャ
ップアセンブリを熱交換器の頂部において用いた。シン
グルチャンバキャップアセンブリ及びダブルチャンバキ
ャップアセンブリの両者とも、冷却剤収集キャップアセ
ンブリとしてテストした。ダブルチャンバキャップアセ
ンブリを熱交換器の頂部において用いた場合には、排ガ
スをファイバー出口端部にてチャンバに接続されている
出口手段から排出し、シーリングガス（収集されたヘリ
ウム流からのもの）をファイバー入口端部にてチャンバ
に供給した。頂部及び底部キャップアセンブリに供給さ
れたシーリングガスは、ヘリウム回収効率を最大化する
ように調節した。

【００４５】チャンバ管及びキャップアセンブリを冷却
する熱交換器内の乱流は、延伸によるファイバーのテン
ション（緊張）よりも上向き流の抗力が大きくなる場合
に、ファイバー内に低い振幅の振動を引き起こし得る。
ファイバー振動は、結果的に、光ファイバーの減衰の一
因となるファイバーの曲げ又はねじれを生じさせ得る。
振動が大きくなりすぎると、ファイバーは、熱交換器の
壁を打撃して、切断又は破断を引き起こし得る。真空ポ
ンプの吸引側で測定した場合に真空レベルが0〜14イン
チ水ゲージ（IWG）の広い範囲で、ファイバーの振動は
観察されなかった。

【００４６】ファイバー延伸操作において、ヘリウム流
速を、被覆されたファイバーの外径に基づいて調節し
た。特定値よりも小さな被覆されたファイバーの直径
は、より大きな冷却容量が必要であることを示したの
で、ヘリウム流速を増加させた。

【００４７】冷却効率に対するヘリウム収集の効果を、
ヘリウム回収システムの使用時及び非使用時に被覆され
たファイバーの直径を測定することによって研究した。
ファイバー直径測定値は、ヘリウム収集システムが光フ
ァイバー熱交換器の冷却効率を減少させないことを示
す。したがって、ヘリウム需要は、ヘリウム回収システ
ムの追加の結果としては増加しないであろう。

【００４８】図５は、異なる操作条件（例えば、真空レ
ベル、供給流速、シーリングガス流速及びファイバー延
伸速度）でのヘリウム純度及び収集されたガス流の収集
回収率を示す。収集回収率は、熱交換器へ供給されたヘ
リウムの百分率としての収集装置により収集されたヘリ
ウム量である。

【００４９】図からわかるように、最大80〜90％のヘリ
ウム回収率及び97〜99％の収集されたヘリウム流純度が
観察された。一般的に、より高いヘリウム回収率は、よ
り低いヘリウム純度の場合に観察された。実施例により
達成された高いヘリウム純度は、ヘリウム回収システム
の設備投資を減少させる追加の浄化を必要としないヘリ
ウムの直接リサイクルの可能性を示唆する。しかし、PS
A、TSA、膜などの浄化プロセスの包摂は、ヘリウム回収
率及び純度の両者を改良するであろう。システムの選択
は、ヘリウム流速、抜き出し塔及び熱交換器のタイプ、
並びにファイバー延伸操作の程度に応じて決定されるべ
きである。

【００５０】真空レベルが増加するにつれ、より多くの
汚染物質が収集されたガス流に引き込まれるので、収集
されたガスの純度は減少した。一方、真空レベルが増加
するにつれ、回収されたヘリウム量は増加し、ヘリウム
損失量が減少した。

【００５１】本発明を特定の実施形態に関して記述した
が、本発明の多数の他の形態及び変形例が当業者に自明
であろう。特許請求の範囲は、これらの他の形態及び変
形例が本発明の技術的範囲に含まれるように解釈される
べきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、キャップアセンブリの概略図である。

【図２】図２は、本発明のプロセスを実施するためのキ
ャップアセンブリを含むシングルユニット回収システム
の概略図である。

【図３】図３は、ダブルチャンバキャップアセンブリの
概略図である。

【図４】図４は、マルチチャンバキャップアセンブリの
概略図である。

【図５】図５は、ヘリウム回収率と集められたガス流内
のヘリウム純度とのプロット図である。

フロントページの続き (72)発明者 ヤピン・ル アメリカ合衆国ニュージャージー州07076, スコッチ・プレインズ，カントリー・クラ ブ・レーン 261 (72)発明者 アーサー・アイ・シルリー アメリカ合衆国ニュージャージー州08844 −2241，ヒルズボロウ，ポウェルソン・ド ライブ 24 (72)発明者 ニーラジ，サクセナ アメリカ合衆国ニュージャージー州07974, マーレイ・ヒル，セイラム・ロード 40 (72)発明者 ポール・エイ・プロプスナー アメリカ合衆国ニュージャージー州08618, トレントン，リバーサイド・ドライブ 1624 (72)発明者 リップ・イー・リー シンガポール国545800，シラット・ロード 48

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却ガスとシーリングガスとを熱交換器
   に供給し、且つ熱交換器からの冷却ガスを収集するキャ
   ップアセンブリであって、側壁と、中央に開口を有する
   ファイバー入口端部と、中央に開口を有するファイバー
   出口端部と、該ファイバー出口端部に取り付けられる中
   央に開口を有する接続手段と、を備え、該側壁には側壁
   を貫通してガスを流させるポート手段が設けられてお
   り、該ポート手段は該側壁から半径方向外方向に延在す
   る中空孔を備え、該キャップアセンブリは一般に該熱交
   換器から取り外し可能な形状及び寸法とされている、キ
   ャップアセンブリ。
2. 【請求項２】 前記内側の側壁は、前記ファイバー入口
   端部から前記ファイバー出口端部に対して、平行である
   か、ある勾配を有するか、あるいは湾曲している、請求
   項１に記載のキャップアセンブリ。
3. 【請求項３】 前記ファイバー入口端部は平坦であるか
   又は湾曲している、請求項１に記載のキャップアセンブ
   リ。
4. 【請求項４】 前記ポート手段は、ポンプ機構に連結し
   ている請求項１に記載のキャップアセンブリ。
5. 【請求項５】 前記ポート手段は、前記側壁から半径方
   向に延在しており、ネジ溝が付けられている請求項１に
   記載のキャップアセンブリ。
6. 【請求項６】 前記接続手段は、前記熱交換器に取り付
   けられている請求項１に記載のキャップアセンブリ。
7. 【請求項７】 前記キャップは半体に分割されている請
   求項１に記載のキャップアセンブリ。
8. 【請求項８】 さらに、内方向に延在し、前記チャンバ
   を２個のチャンバに分割する隔壁を含む請求項１に記載
   のキャップ。
9. 【請求項９】 前記隔壁は、中央に開口を有する請求項
   ８に記載のキャップ。
10. 【請求項１０】 前記ポート手段は少なくとも１又は２
    のポート手段である請求項１に記載のキャップ。
11. 【請求項１１】 １個のファイバー入口端部開口と、１
    個のファイバー出口端部開口と、少なくとも１個の冷却
    ガス入口と、ガスポンプ手段と、少なくとも１個の入口
    及び少なくとも１個の出口を有するキャップアセンブリ
    と、を有する単一の熱交換器を備える熱交換器ユニット
    内で、延伸した熱いファイバーを冷却する方法であっ
    て、 ａ）該熱交換器を通して該ファイバーを延伸する工程
    と、 ｂ）該少なくとも１個の冷却ガス入口を介して、該熱交
    換器にガス状冷却剤を導入する工程と、 ｃ）該ガスポンプ手段により、該キャップアセンブリか
    ら該ガス状冷却剤と少なくとも１種のガス状不純物とを
    含むガス状排気流を抜き出す工程とを含む方法。
12. 【請求項１２】 前記熱交換器内に導入された前記ガス
    状冷却剤は、ヘリウム、窒素、二酸化炭素、水素及びこ
    れらの混合物を含む請求項１１に記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記熱交換器の少なくとも一部におけ
    る圧力が約0.7bara〜大気圧の間に維持されるような速
    度で、前記ガス状排気流が前記キャップアセンブリから
    抜き出される請求項１１に記載の方法。
14. 【請求項１４】 前記熱交換器から前記キャップアセン
    ブリを介しての前記ガス状排気流の抜き出し速度は、前
    記熱交換器に入る前記ガス状冷却剤の流速により部分的
    に決定される請求項１１に記載の方法。
15. 【請求項１５】 実質的に一定の速度で、前記ファイバ
    ーは前記熱交換器を貫通して延伸され、前記ガス状冷却
    剤は前記熱交換器に導入される請求項１１に記載の方
    法。
16. 【請求項１６】 さらに、前記ガス状排気流から少なく
    とも１種のガス状不純物の少なくとも一部を除去し、不
    純物を除いたガス状排気流をガス状冷却剤として前記熱
    交換器に再循環させる工程を含む請求項１１に記載の方
    法。
17. 【請求項１７】 前記熱交換器上に、１以上のキャップ
    アセンブリが存在する請求項１１に記載の方法。