KR100248066B1

KR100248066B1 - 광섬유인출장치의냉각기

Info

Publication number: KR100248066B1
Application number: KR1019980000700A
Authority: KR
Inventors: 백운출; 오성국; 서만석; 황규환
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 2000-03-15
Also published as: DE69924355T2; CA2314344C; CA2314344A1; RU2184092C2; JP3519686B2; EP1047642B1; AU1984099A; EP1047642A1; AU737942B2; JP2002509071A; BR9906874A; WO1999036367A1; KR19990065427A; US6279354B1; CN1121986C; DE69924355D1; CN1287542A

Abstract

본 발명은 광섬유 인출장치의 냉각기에 관한 것으로서, 광섬유 모재를 용융시키는 용융로 하단에 위치하며, 상기 용융로에서 용융된 광섬유모재로 부터 인출된 광섬유를 냉각시키는 광섬유 인출장치의 냉각기에 있어서, 그 광섬유의 인출궤적 주위에 소정의 길이로 설치되어, 광섬유를 냉각시키는 적어도 하나의 열교환기를 포함하여 이루어짐이 바람직하다. 그 열교환기는 전기에너지를 받아들여 한쪽 면은 열을 흡수하고 다른 쪽 면은 열을 방출하는 TEC(Thermo-Electric Cooler)로 이루어지며, TEC의 열을 흡수하는 면이 상기 용융되어 인출되는 광섬유를 소정의 길이만큼 상기 광섬유의 인출방향으로 둘러싼 관 형태를 취하며, 광섬유가 그 관을 관통하면서 냉각됨을 특징으로 한다. 그리고 TEC의 열을 방출하는 면에 위치하며, 그 방출되는 열을 식혀주는 보조냉각기를 더 구비함이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 광섬유 인출장치의 냉각기의 냉각효과를 향상시킬 수 있다. 따라서 광섬유 인출장치(draw tower)의 높이를 높이지 않고서도 광섬유의 인출속도를 높일 수 있다.

Description

광섬유 인출장치의 냉각기{Cooler of optical fiber draw tower}

본 발명은 광섬유 인출장치에 관한 것으로서, 특히 상기 광섬유 인출장치의 용융로에서 용융되어 소정 굵기로 인출된 광섬유를 코팅하기 전에 상기 광섬유를 빨리 냉각시키키기 위한 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 광섬유는 광섬유 모재(preform)를 광섬유 인출장치(Draw Tower)에서 인출하여 만든다. 도 1은 일반적인 광섬유 인출장치를 도시한 개략도이다. 상기 광섬유 인출장치는 광섬유 모재(10)를 미코팅된 광섬유(14)로 인출하기 위해 고온으로 용융시키는 용융로(12)와, 상기 용융로(12)의 하단부에는 상기 미코팅된 광섬유(14)의 직경을 일정한 크기로 균일하게 인출하기 위해 연속적으로 측정하면서 제어하는 외경측정부(16)가 설치되며, 상기 외경측정부(16)의 하단부에는 고온의 미피복된 광섬유(14)를 상온까지 냉각시키는 냉각부(18)가 설치되며, 상기 냉각부(18)의 하단부에는 상기 미코팅된 광섬유(14)를 외부 환경으로부터 보호하기 위해 상기 미포복된 광섬유(14) 표면에 자외선 경화형 수지인 아크릴 수지 또는 실리콘 수지로 피복처리하는 코팅부(20)가 설치되며, 상기 코팅부(20)의 하단부에는 상기 피복처리된 광섬유(24)를 경화시키는 경화부(22)가 설치되며, 상기 경화부(22)의 하단부에는 상기 광섬유 모재(10)를 회전력으로 하부 방향으로 인출하는 캡스탄(26)이 설치되며, 상기 캡스탄(26)의 일측은 상기 광섬유(24)를 감는 스플(28)이 설치된다.

상기와 같이 자외선 경화형 수지로 코팅처리된 광섬유의 제조(인출) 방법을 설명하면 다음과 같다. 모재위치제어기(미도시)의 위치제어 메카니즘에 의하며 광섬유 모재(10)가 용융로(12)에 천천히 공급된다. 이 때 상기 용융로(12)는 수천 ℃의 열을, 전형적으로는 2100 - 2200 ℃ 정도의 열을 가한다. 이에 의하여 미코팅된 광섬유(14)는 상기 광섬유 모재(10)로부터 단면적 감소부분으로부터 인출된다. 이 때 인출력은 상기 미피복된 광섬유(14)에 인가되며 캡스탄(26)으로부터 제공된다. 그후, 외경측정부(16)는 인출되는 상기 미코팅된 광섬유(14)의 직경이 미리 정한 길이(일반적으로 125㎛)가 되는 가를 측정하여 직경제어기로 전송한다. 그후 상기 직경제어기는 미코팅된 광섬유(14)의 직경이 125㎛ 가 유지되도록 캡스탄(26)을 제어한다. 그후, 상기 캡스탄(26)은 직경제어기의 제어에 응답하여 상기 미피복된 광섬유(14)의 인장하는 강, 약 정도를 조절하면서 회전하여 상기 미코팅된 광섬유(14)를 하부방향으로 인장시킨다.

그 후, 냉각부(18)에서 급냉되어진 상기 미피복된 광섬유(14)를 보호하기위해 코팅부(20)에서는 하강하는 미코팅된 광섬유(14) 표면을 자외선 경화형 수지인 아크릴 수지 또는 실리콘 수지로 코팅한다. 그후, 상기 자외선 경화형 수지로 피복처리된 광섬유(14)는 경화부(22)에서 경화된다. 그후, 상기 캡스탄(26)의 인출력 제어로 인출되는 광섬유(24)는 스플(26)에 감긴다.

한편, 상기 광섬유 모재의 크기가 크면 클수록 일반적으로 상기 광섬유 인출장치의 높이는 높아야 한다. 왜냐하면, 광섬유 모재가 크면 클수록 보다 빠른 속도로 인출하여야 하고, 상기 광섬유 모재가 용융로를 통과하면서 용융되어 광섬유로 인출되면, 이를 코팅하여야 하는데, 이렇게 하기 위해서는 상기 용융되어 인출된 광섬유의 온도가 일정온도 보다 높으면 안된다. 상기 광섬유 모재가 용융로에서 용융되어 인출될 때의 광섬유 온도는 통상적으로 2000℃ 이상이다. 그런데 인출된 광섬유를 안정되게 코팅하기 위해서는 상기 2000℃ 이상의 온도를 적어도 40℃ 이하(통상 상온 정도)로 내려가지 않으면 안된다. 이렇게 하기 위해서 냉각장치를 사용해서 급속히 냉각을 시키지만, 현재 사용되고 있는 냉각장치로는 한계가 있다. 도 2는 상기 광섬유 인출장치에서 사용하고 있는 일반적인 냉각장치를 도시한 것으로서, 긴 파이프 형태의 관에 헬륨을 삽입하여 상기 용융된 광섬유를 냉각시킨다.

따라서 보다 빠른 속도로 광섬유를 인출하기 위해서는 현재 사용하고 있는 냉각장치로는 한계가 있고, 이를 해결하기 위해서는 상기 광섬유 인출장치의 높이를 높여 상기 광섬유를 냉각시킬 수밖에 없다. 이는 광섬유 제조원가의 상승을 의미하며, 비효율적이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기존의 광섬유 인출 장치를 사용하면서도 광섬유모재로부터 광섬유를 보다 빠르게 인출할 수 있도록 하기 위해, 용융로에서 용융되어 인출된 광섬유를 보다 급속히 냉각시키는 광섬유 인출장치의 냉각기를 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 광섬유 인출장치를 도시한 개략도이다.

도 2는 광섬유 인출장치에서 사용하고 있는 일반적인 냉각장치를 도시한 것이다.

도 3은 TEC 소자를 이용하여 냉각효과를 배가시킨 본 발명에 의한 광섬유 인출장치의 냉각기의 일 실시예를 도시한 것이다.

도 4는 도 3에 도시된 냉각기를 위에서 본 평면도이다.

도 5는 TEC 소자의 일예에 대한 구조를 도시한 것이다.

도 6은 광섬유 모재와 냉각기 간의 거리에 따른 냉각효과를 설명하기 위해, 모재하단부(위치 0 cm)를 a 지점, 100 cm 지점을 b 지점, 200 cm 지점을 c 지점이라 할 때, 광섬유 모재와 냉각기 간의 거리를 도시한 것이다.

도 7은 도 6에 도시된 b 지점에서의 인출속도(Vf)에 따른 인출된 광섬유의 온도(T)를 도시한 것이다.

도 8은 광섬유 인출속고(Vf)에 따른 위치 b에서의 광섬유 온도(측정값)을 도시한 것이다.

도 9는 광섬유가 위치 a에서 위치 b에 도달하는 시간(t)( = L/Vf : [sec])에 대한 광섬유의 온도변화log(Ts - T₁)를 도시한 것이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

300 : TEC 소자, 310 : 로드(rod)

320 : 탱크, 330 : 열교환 매체 배출구

340 : 열교환 매체 공급부 350 : 단열재

360 : 전원공급선, 370 : 광섬유 모재로부터 인출된 광섬유

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 광섬유 인출장치의 냉각장치는, 광섬유 모재를 용융시키는 용융로 하단에 위치하며, 상기 용융로에서 용융된 광섬유모재로 부터 인출된 광섬유를 냉각시키는 광섬유 인출장치의 냉각기에 있어서, 상기 인출되는 광섬유의 인출궤적 주위에 소정의 길이로 설치되어, 상기 광섬유를 냉각시키는 적어도 하나의 열교환기를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

상기 열교환기는, 전기에너지를 받아들여 한쪽 면은 열을 흡수하고 다른 쪽 면은 열을 방출하는 TEC(Thermo-Electric Cooler)로 이루어지며, 상기 TEC의 열을 흡수하는 면이 상기 용융되어 인출되는 광섬유를 소정의 길이만큼 상기 광섬유의 인출방향으로 둘러싼 관 형태를 취하며, 상기 광섬유가 상기 관을 관통하면서 냉각됨을 특징으로 한다.

그리고 상기 냉각기는 상기 TEC의 열을 방출하는 면에 위치하며, 상기 방출되는 열을 식혀주는 보조냉각수단을 더 구비한다. 상기 보조냉각수단은 상기 열교환기와 접촉되게 설치되며, 열교환매체 통로가 형성된 탱크와, 상기 탱크에 설치되어 열교환매체 통로를 통해 열교환 매체를 공급하는 공급관 및 상기 열교환매체를 배출하는 배출관을 구비한다.

한편, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 광섬유 인출장치의 다른 냉각기는, 광섬유 모재를 용융시키는 용융로 하단에 위치하며, 상기 용융로에서 용융된 광섬유모재로 부터 인출된 광섬유를 냉각시키는 광섬유 인출장치의 냉각기에 있어서, 상기 인출된 광섬유가 관통하도록 상하가 뚫려 있는 형태를 취하며, 전기에너지를 받아들여 한쪽 면은 열을 흡수하고 다른 쪽 면은 열을 방출하는 TEC 소자가 상기 광섬유의 양측에 상기 TEC 소자의 열을 흡수하는 면이 서로 마주하도록 설치되며, 상기 TEC 소자 사이에 스페이서가 설치되어 상기 광섬유를 감싼 것임이 바람직하다. 그리고 상기 냉각기는 상기 마주하는 두 면의 열을 방출하는 TEC 바깥면에 각각 위치하며, 상기 방출되는 열을 식혀주는 보조냉각수단을 더 구비하고, 상기 광섬유가 인출되는 길이방향을 따라 상기 냉각기를 적어도 하나 더 구비함이 바람직하다. 그리고 상기 냉각기 각각은 상기 마주하는 두 면의 열을 방출하는 TEC 바깥면에 각각 위치하며, 상기 방출되는 열을 식혀주는 보조냉각수단을 더 구비하고, 상기 냉각기와 냉각기 사이에 단열재가 위치함을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 펠티어 효과(Peltier effect) 란 상이한 두 물질이 접합되어 있을 때 상기 접합을 가로질러 전류가 흐를 경우, 온도 변화가 일어나는 현상을 말한다. 상기 펠티어 효과를 이용하여 heat pump로 사용되는 작은 고체소자(solid state device)를 열전기 냉각기(thermo-electric cooler : 이하 TEC 라 함)라 한다. 도 5는 상기 TEC 소자의 일예에 대한 구조를 도시한 것으로서, 두 개의 세라믹(ceramic) 판이 사이에 p 타입과 n 타입의 반도체 쌍들(pairs)이 여러개 직렬고 연결되어 있다.

본 발명은 광섬유 인출장치에 사용되는 냉각기를 상기 TEC소자를 이용하여 구성하는 것이 그 기본 개념이다. 도 3은 상기 TEC소자를 이용하여 냉각효과를 배가시킨 본 발명에 의한 광섬유 인출장치의 냉각기의 일 실시예를 도시한 것이다. 상기 냉각기의 기본 모듈은 두 개의 TEC소자(300), 두 개의 로드(Rod, 310) lc 상 기 TEC소자의 열을 방출하는 면에 부착된 보조냉각기(320, 330, 340)로 이루어진다. 도 4는 상기 도 3에 도시된 냉각기를 위에서 본 평면도이다. 도 3에 도시된 냉각기는 상기 기본모듈이 적어도 두 개 이상 연결되어 있으며, 상기 기본모듈과 기본모듈 사이에 단열재(350)를 삽입하여 원하는 길이만큼의 냉각기를 구성한다.

상기 TEC(300)는 전원공급선(360)을 통해 전기에너지를 받아들여 열을 교환하는 열교환기(thermo exchange device)로서, 도 1에 도시된 용융로(12)에서 용융된 광섬유 모재(10)로부터 인출된 광섬유의 인출궤적 주위에 설치된다. 즉 상기 TEC의 열을 흡수하는 면이 상기 용융되어 인출되는 광섬유를 중심으로 서로 마주보도록 설치된다. 또한 상기 TEC소자(300)의 열을 흡수하는 면에서 냉각효과를 보다 향상시키기 위해 휜(fin)이 부착될 수 있다.

그리고 상기 로드(310)은 상기 마주보며 설치된 TEC소자(300)를 소정의 간격을 유지하도록 하는 스페이서(spacer)이다.

상기 두 개의 TEC소자(300)와 두 개의 로드(310)로 형성된 전후좌우 방향으로 밀폐된 공간에는 광섬유(370)가 상하방향으로 관통하고, 상기 광섬유(370)를 보다 강력하게 냉각시키기 위해 상기 공간에 냉각긱체가 공급된다. 상기 냉각기체로는 헬륨(He), 아르곤(Ar) 및 질소(N)이 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 헬륨(He) 및 아르곤(Ar)을 사용한다.

그리고 상기 TEC소자(300)의 열을 방출하는 면에는 방출되는 열을 더욱 빨리 방출하기 위해 보조냉각기(320, 330, 340)를 부착하는 것이 바람직하다. 상기 보조냉각기는 수냉식 냉각기로서, 열교환매체 통로가 형성된 탱크(320), 상기 탱크(320)에 설치되어 열교환매체 통로를 통해 열교환 매체를 공급하는 공급관(340) 및 상기 열교환매체를 배출하는 배출관(330)으로 이루어진다. 상기 열교환매체로는 본 실시예에서는 물을 사용하였지만, 경우에 따라서는 기름 등 열을 교환할 수 있는 적절한 매체이면 사용가능하다. 또한 상기 탱크(320)에도 휜(fin)이 부착되면 더욱 효과적이다. 그리고 상기 보조냉각기는 팬(fan)을 사용하여 공기를 가하여 열을 식히는 공냉식도 사용가능하며, 냉각방식에 의해서 본 발명이 제한되지 않는다.

그리고 상기 단열재(350)는 상기 냉각기의 기본모듈간의 보다 효율적인 냉각 효과를 위해 사용되며, 상부에 위치한 기본 냉각모듈의 열이 하부에 위치한 기본냉각모듈로 열이 전달되는 것을 차단한다. 본 실시예에서는 상기 단열재로 스티로폼(styrofoam)을 사용하며, 그 재질은 열을 차단할 수 있는 것이면 사용가능하다.

상기 실시예에서는 상기 인출된 광섬유(370)를 냉각시키기 위해 냉각기를 직육면체 모양으로 만들고 두 개의 TEC소자(300)와 두 개의 로드(310)를 사용하였으나 더욱 바람직하게는 상기 로드를 TEC 소자로 대체할 수 있으며, 나아가 관 형태의 TEC소자로 냉각기를 만들 수도 있다. 따라서 상기 냉각기의 형태는 얼마든지 변형가능하며, 이로 인해 본 발명이 제한되지 않음은 명백하다. 그리고 냉각기의 기본모듈은 상기 TEC소자의 길이에 따라 기본모듈 하나만으로도 사용 가능하며, 그 숫자는 필요에 따라 달라질 수 있다.

도 6은 광섬유 모재와 냉각기 간의 거리에 따른 냉각효과를 설명하기 위해, 모재하단부(위치 0 cm)를 a 지점, 100 cm 지점을 b 지점, 200 cm 지점을 c 지점이라 할 때, 상기 광섬유 모재와 냉각기 간의 거리를 도시한 것이다.

도 7은 상기 도 6에 도시된 b 지점에서의 인출속도(Vf)에 따른 인출된 광섬유의 온도(T)를 도시한 것이다.

도 9는 광섬유가 위치 a에서 위치 b에 도달하는 시간(t)( = L/Vf : [sec])에 대한 광섬유의 온도변화log(Ts - T₁)를 도시한 것이다. 여기서, L은 a 지점에서 b 지점까지의 거리이며, 200 cm 이다. 그리고 He9, He3, He6, He1.5 등은 각각 TEC 냉각기 가동시, He 유량으로서 단위는 [liter/min], 예를 들면 He9는 cooler 내에 분당 He을 9 리터를 공급하는 것을 나타낸다. Air는 TEC 냉각기를 가동하지 않고 개스를 공급하지 않는 경우이고, Only He3은 TEC 냉각기를 가동하지 않고 He를 분당 3 리터를 공급하는 것을 나타내고, Ar은 TEC 냉각기 가동시 Ar을 분당 3리터를 공급하는 것을 나타낸다.

이상, 실시예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분아에서 통상의 지식으로 그 변형이나 개량이 가능하다.

Claims

광섬유 모재를 용융시키는 용융로 하단에 위치하며, 상기 용융로에서 용융된 광섬유모재로 부터 인출된 광섬유를 냉각시키는 광섬유 인출장치의 냉각기에 있어서,

상기 인출되는 광섬유의 인출궤적 주위에 소정의 길이로 설치되어, 전기에너지를 받아들여 한쪽 면은 열을 흡수하고 다른 쪽 면은 열을 방출하는 열전기냉각기(Thermo-Electric Cooler; TEC)로 이루어지며, 상기 TEC의 열을 흡수하는 면이 상기 광섬유의 인출방향으로 소정의 길이만큼 상기 인출되는 광섬유를 둘러싼 관의 형태를 취하며, 상기 광섬유가 상기 관을 관통하면서 냉각되도록 하는 열교환기를 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.
제1항에 있어서,

상기 TEC의 열을 방출하는 면에 위치하며, 상기 방출되는 열을 식혀주는 보조냉각수단을 더 구비함을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.
제2항에 있어서, 상기 보조냉각수단은

상기 열교환기와 접촉되게 설치되며, 열교환매체 통로가 형성된 탱크와, 상기 탱크에 설치되어 열교환매체 통로를 통해 열교환 매체를 공급하는 공급관 및 상기 열교환매체를 배출하는 배출관을 구비함을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.
제3항에 있어서, 상기 열교환매체는

물임을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.
제1항에 있어서, 상기 광섬유를 둘러싼 관내는

냉각기체가 흐름을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.
제5항에 있어서, 상기 냉각기체는

헬륨(He), 아르곤(Ar) 및 질소(N) 중에서 선택된 어느 하나 임을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.
광섬유 모재를 용융시키는 용융로 하단에 위치하며, 상기 용융로에서 용융된 광섬유모재로 부터 인출된 광섬유를 냉각시키는 광섬유 인출장치의 냉각기에 있어서,

상기 인출된 광섬유가 관통하도록 상하가 뚫려 있는 형태를 취하며, 전기에너지를 받아들여 한쪽 면은 열을 흡수하고 다른 쪽 면은 열을 방출하는 TEC 소자가 상기 광섬유의 양측에 상기 TEC 소자의 열을 흡수하는 면이 서로 마주하도록 설치되며, 상기 TEC 소자 사이에 스페이서가 설치되어 상기 광섬유를 감싼 것임을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.
제7항에 있어서, 상기 마주하는 두 면의 열을 방출하는 TEC 바깥면에 각각 위치하며, 상기 방출되는 열을 식혀주는 보조냉각수단을 더 구비함을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.
제7항에 있어서,

상기 TEC 소자와 스페이서로 밀폐된 공간에 냉각가스가 흐름을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.
제7항에 있어서,

상기 광섬유가 인출되는 길이방향을 따라 상기 냉각기를 적어도 하나 더 구비함을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.
제10항에 있어서, 상기 냉각기 각각은

상기 마주하는 두 면의 열을 방출하는 TEC 바깥면에 각각 위치하며, 상기 방출되는 열을 식혀주는 보조냉각수단을 더 구비함을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.
제11항에 있어서,

상기 냉각기와 냉각기 사이에 단열재가 위치함을 특징으로 하는 광섬유 인출장치의 냉각기.