KR100981502B1 - 광섬유 냉각제 기체를 회수 및 재순환시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

광섬유 냉각제 기체를 회수 및 재순환시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 교환기로부터 냉각제 기체를 회수하여 재순환시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 장치는 냉각제 기체 회수부, 분석부 및 냉각제 기체 블렌딩부를 포함한다. 냉각제 기체 회수부에서는 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 열 교환기로부터 회수한다. 분석부에서는 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량의 상태를 계측한다. 냉각제 기체 블렌딩부는, 분석부에 의해 계량 회수된 냉각제 기체의 상태에 기초하여 새로운(virgin) 냉각제 기체 및 회수된 냉각제 기체의 적어도 일부를 포함하는 재사용(reclaimed) 냉각제 기체를 포함하는 블렌드 냉각제 기체를 생성시키도록 작동한다. 블렌드 냉각제 기체는 사전결정된 오염물 농도를 갖고 열 교환기 내로 재순환된다. 따라서, 냉각제 기체는 열 교환기로부터 회수되고 정화 장치를 사용할 필요 없이 사전결정된 오염물 농도에서 열 교환기 내로 재순환된다.

Description

광섬유 냉각제 기체를 회수 및 재순환시키기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RECOVERY AND RECYCLE OF OPTICAL FIBER COOLANT GAS}
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시태양이 개시되어 있으며 이는 단지 예시하기 위한 것이다. 본 발명은 도면에 예시된 세부 구조 또는 구성요소의 배열로 한정되지 않는다. 본 발명은 다른 실시태양일 수 있거나 다른 다양한 방식으로 실행 또는 수행될 수 있다. 도면 전체에서 유사한 구성요소를 표시하기 위해 유사한 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 한 양태에 따른 냉각제 기체 회수 및 재순환 시스템의 실시태양의 개괄적인 작업 공정도이다.
도 2는 도 1의 시스템 내에 사용될 수 있는 열 교환기를 도시한다.
도 3은 도 1의 시스템을 사용하여 회수된 냉각제 기체의 오염물을 최소화하면서 최대의 냉각제 기체 회수율을 달성하는 재순환된 냉각제 기체의 최적 흐름을 자세하게 도시한 그래프이다.
본 발명은 일반적으로 냉각제 회수 및 재순환 장치에 관한 것이다. 한 가지 양태에서, 본 발명은 열 교환기에 연결된 헬륨 회수 및 재순환 장치에 관한 것이다.
광섬유를 제조할 때에는, 본질적으로 광섬유로 제조되는 유리봉 또는 "예비-성형체"를 광섬유 인발 시스템에서 가공한다. 광섬유 인발 시스템은 일반적으로 유럽 특허원 제 0079188 호에 기재되어 있는 바와 같이 노(furnace), 열 교환기, 피복기, 건조기 또는 경화로, 및 스풀(spool)을 포함한다. 먼저, 유리봉을 작은 반액체 광섬유가 형성되도록 로에서 용융시킨다. 이어, 반액체 광섬유를 공기 및 열 교환기를 통해 낙하시키면서 냉각 및 고화시킨다. 그 후, 냉각 및 고화된 광섬유를 피복기에서 피복시키고 경화로 또는 건조기에서 건조시키며 스풀을 사용하여 뽑아낸다.
광섬유의 인발 속도는 일반적으로 열 교환기에서의 광섬유의 냉각 속도에 따라 달라진다. 즉, 광섬유가 인발될 수 있는 속도는 광섬유가 냉각될 수 있는 속도가 증가함에 따라 증가한다. 광섬유의 냉각 속도를 증가시키기 위해 직접 열 교환 과정을 이용한다. 직접 열 교환 과정에서는, 냉각제 기체(예컨대, 헬륨, 질소, 헬륨-질소 혼합물, 헬륨-공기 혼합물, 헬륨-아르곤 혼합물, 헬륨-수소 혼합물, 헬륨-불활성 기체 혼합물 등)를 열 교환기 내로 도입하고, 열 교환기에서 냉각제 기체가 반액체 광섬유와 직접 접촉하여 반액체 광섬유를 냉각시킨다.
전형적으로, 열 교환기는 광섬유를 수용 및 배출하기 위한 말단 개구(예컨대, 광섬유 투입구 및 광섬유 배출구)를 갖는 통로(예를 들어, 통상 원통형임), 냉각제 기체를 수용하기 위한 하나 이상의 냉각제 기체 유입구, 및 냉각제 기체를 방출하기 위한 하나 이상의 냉각제 기체 유출구를 포함한다. 통로는 일반적으로 열 교환기의 상부에 근접한 하나의 말단 개구로부터 열 교환기의 바닥에 근접한 다른 하나의 말단 개구까지 연장된다. 따라서, 통로는 광섬유가 통과할 수 있는 복도를 제공한다. 냉각제 기체 유입구(또는 유입구들)는 냉각제 기체를 통로 내로 도입할 수 있는 한편, 냉각제 기체 유출구(또는 유출구들)는 냉각제 기체를 통로로부터 제거할 수 있다. 통상적인 시스템에서는, 칭량 밸브 및 유량계를 사용하여 열 교환기 내로의 냉각제 기체의 유동 속도를 조작 및/또는 제어한다.
사용된 냉각제 기체가 열 교환기, 전형적으로는 근접 유출구로부터 회수되는 경우, 회수된 냉각제 기체는 전형적으로 불순물, 찌꺼기 등("오염물"로 총칭함)을 내포 및/또는 함유할 것이다. 전형적인 오염물은 기체(예컨대, 질소, 산소, 아르곤, 및 대기중에 존재하는 다른 기체), 미립 성분(예를 들어, 먼지) 및 수분을 포함한다. 이들 오염물은 열 교환기의 통로, 냉각제 기체 유입구 및/또는 냉각제 기체 유출구로 스며들 수 있다. 오염물은 회수된 냉각제 기체에 모여 농도가 증가될 수 있다. 회수된 냉각제 기체중 오염물의 양 및/또는 농도는 재순환 및 재사용될 수 있는 냉각제 기체의 양을 한정 및/또는 제한할 수 있다.
회수된 냉각제 기체중 오염물의 양 및/또는 농도를 감소시키기 위해, 냉각제 기체의 오염을 제거하고/하거나 정화시키기 위한 해결책이 다양하게 제안되어 왔다. 냉각제 기체 정화 장치, 시스템 및/또는 방법이 종종 이용된다. 이러한 정화 장치 및/또는 방법은 오염물중 일부를 회수된 냉각제 기체로부터 제거하여 회수된 냉각제 기체중 적어도 일부가 재순환될 수 있도록 한다. 그러나, 정화 장치를 사용하는 것은 광섬유 제조 공정의 비용을 상당히 증가시킬 수 있다.
불행하게도, 정화 장치를 사용하지 않으면, 회수된 냉각제 기체 내에 함유되는 불순물의 양이 상당할 수 있다. 회수된 냉각제 기체를 더 많이 재순환시키고자 하면, 회수된 냉각제 기체내의 오염물 농도가 결과적으로 증가할 수 있다. 따라서, 재순환에는 보다 적은 양의 회수된 냉각제 기체가 이용될 수밖에 없다.
따라서, 냉각제 기체를 회수 및 재순환시키기 위한 효율적이고 덜 복잡한 장치 및 방법이 필요하다.
한 가지 양태에서, 본 발명은 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 회수 및 재순환시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 작동가능하게 연결된 열 교환기와 분석기를 제공함을 포함한다. 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 열 교환기로부터 회수하고, 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량을 분석기로 운반한다. 그 후, 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량을 분석기로 분석하여 회수된 냉각제 기체의 상태를 측정한다. 이어, 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량을, 상기 측정된 상태에 기초하여 새로운 냉각제 기체와 블렌딩시켜 사전결정된 오염물 농도를 갖는 기상 냉각제 블렌드를 생성시킨다. 회수된 냉각제 기체의 적어도 일부가 재순환되도록 기상 냉각제 블렌드를 열 교환기 내로 도입한다.
한 실시태양에서는, 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 회수 및 재순환시키는 방법을 이용한다. 이 방법은 작동가능하게 연결된 열 교환기와 분석기를 제공함을 포함한다. 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 열 교환기로부터 회수하고, 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량을 분석기로 운반한다. 그 후, 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량을 분석기로 분석하여 회수된 냉각제 기체의 상태를 측정한다. 이어, 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량을, 상기 측정된 상태에 기초하여 새로운 냉각제 기체와 블렌딩시켜 사전결정된 오염물 농도를 갖는 기상 냉각제 블렌드를 생성시킨다. 재사용되는 회수 냉각제 기체의 적어도 일부가 재순환되도록 기상 냉각제 블렌드를 열 교환기 내로 도입한다. 이 실시태양에서는, 재사용되는 회수 냉각제 기체는 회수된 냉각제 기체와 반대방향으로 재순환시킨다.
다른 실시태양에서는, 열 교환기에 제공되는 기상 냉각제 블렌드의 오염물 농도를 제어하는 방법을 교시한다. 이 방법은 작동가능하게 연결된 열 교환기와 분석기를 제공함을 포함한다. 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 열 교환기로부터 회수하고, 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량을 분석기로 운반한다. 그 후, 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량을 분석기로 분석하여 회수된 냉각제 기체 내의 오염물 농도를 측정한다. 이어, 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량을, 상기 오염물 농도에 기초하여 새로운 냉각제 기체와 블렌딩시켜 기상 냉각제 블렌드를 생성시킨다. 열 교환기로 제공되는 기상 냉각제 블렌드의 오염물 농도를 제어하여, 기상 냉각제 블렌드를 열 교환기 내로 도입함으로써, 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량을 재순환시킨다.
다른 양태에서, 본 발명은 열 교환기와 함께 사용하기 위한 장치를 제공한다. 이 장치는 냉각제 회수부, 분석부 및 냉각제 기체 블렌딩부를 포함한다. 냉각제 회수부는 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 열 교환기로부터 회수하기 위한 것이다. 분석부는 회수된 냉각제 기체의 상태를 계측하도록 작동될 수 있다. 냉각제 기체 회수부 및 분석부와 작동가능하게 연결된 냉각제 기체 블렌딩부는, 회수된 냉각제 기체의 상태에 기초하여, 새로운 냉각제 기체 및 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량으로부터 사전결정된 오염물 농도를 갖는 기상 냉각제 블렌드를 제조하도록 작동될 수 있다.
한 가지 실시태양에서는, 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 열 교환기로부터 회수하고 회수된 냉각제 기체의 적어도 일부를 재순환시키기 위한 장치가 개시된다. 장치는 냉각제 기체를 열 교환기로부터 회수하고 회수된 냉각제 기체를 상기 장치 및 회수된 냉각제 기체의 상태를 계측하도록 작동할 수 있는 분석기를 통해 수송하도록 작동할 수 있는 펌프를 포함한다. 장치는 또한 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량을 혼합 지점으로 운반함으로써 회수된 냉각제 기체의 일부를 재사용시키도록 작동가능한 제 1 물질 유동 조절기, 새로운 냉각제 기체를 혼합 지점으로 제공하도록 작동될 수 있는 제 2 물질 유동 조절기, 및 상기 장치를 통한 회수된 냉각제 기체의 유동을 유지하도록 작동될 수 있는 제 3 물질 유동 조절기도 포함한다. 이와 같이, 장치는 회수된 냉각제 기체의 상태에 기초하여, 새로운 냉각제 기체 및 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량으로부터 기상 냉각제 블렌드를 제조하도록 작동될 수 있다. 따라서, 기상 냉각제 블렌드는 이를 열 교환기 내로 도입할 때 사전결정된 오염물 농도를 갖는다.
또다른 양태에서, 본 발명은 고온의 광섬유를 냉각시키기 위한 냉각제 기체, 열 교환기, 냉각제 기체를 시스템으로부터 펌핑하여 배기시키기 위한 펌프, 냉각제 기체중의 불순물 농도를 계측하기 위한 분석기, 계측된 불순물 농도에 기초하여 냉각제 기체의 불순물 농도를 제어하기 위한 제 1 물질 유동 조절기 및 제 2 물질 유동 조절기, 및 냉각제 기체를 사용하여 열 교환기를 밀봉시키고 펌프를 확실히 연속적으로 작동시키도록 냉각제 기체의 일정한 유동을 유지하기 위한 제 3 물질 유동 조절기를 포함하는 냉각제 기체 회수 시스템을 제공한다.
열 교환기는 광섬유 투입구, 광섬유 배출구, 통로, 하나 이상의 냉각제 기체 유입구 및 하나 이상의 냉각제 기체 유출구를 포함한다. 광섬유 투입구는 고온의 광섬유를 열 교환기 내로 수용하기에 적합하고, 광섬유 배출구는 열 교환기로부터 고온의 광섬유를 배출하기에 적합하다. 통로는 광섬유 투입구와 광섬유 배출구 사이에서 연장되어 있고, 그를 통해 고온의 광섬유를 통과시키기에 적합하다. 냉각제 기체 유입구는 냉각제 기체를 통로 내로 도입하기 위한 것이고, 냉각제 기체 유출구는 통로로부터 냉각제 기체를 제거하기 위한 것이다.
부속품, 밸브, 장착물, 파이프, 배선 등과 같은 다양한 설비는 간단하게 기재하기 위해 생략한다. 그러나, 이러한 통상적인 설비 및 그의 용도는 당해 분야의 숙련자에게 공지되어 있고 목적하는 대로 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명이 아래에서 냉각제 기체의 회수 및 재순환과 관련하여 기재되지만, 본 발명은 많은 상이한 회수 및/또는 재순환 장치 및 공정과 함께 사용될 수 있으며 많은 상이한 회수 및/또는 재순환 장치 및 공정에 적용될 수 있다.
도 1에는, 헬륨, 질소, 헬륨-질소 혼합물, 헬륨-공기 혼합물 등과 같은 냉각제 기체를 회수 및 재순환시키기 위한 시스템(10)이 도시되어 있다. 시스템(10)은 서로 작동가능하게 연결된 열 교환기(12), 냉각제 기체 회수부(14), 분석부(16) 및 냉각제 기체 블렌딩부(18)를 포함한다.
도 2에 자세하게 도시된 바와 같이, 열 교환기(12)는 고온의 광섬유, 반액체 광섬유 등을 인수, 수용 및/또는 가공할 수 있는, 당해 분야에 공지되어 있는 다양한 열 교환기(예를 들어, 직접 열 교환 장치 등)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 열 교환기(12)는 냉각제 기체 유입구(20), 냉각제 기체 유출구(22), 통로(24) 및 말단 개구들(26)(예컨대, 광섬유 투입구 및 광섬유 배출구)를 포함한다. 열 교환기(12)는 하나 이상의 냉각제 기체 유입구(20) 및 하나 이상의 냉각제 기체 유출구(22)를 포함할 수 있지만, 도 2에는 예시 목적으로 하나의 냉각제 기체 유입구 및 냉각제 기체 유출구가 도시되어 있다.
냉각제 기체 유입구(20)는 냉각제 기체를 열 교환기(12) 내로 운반 및/또는 도입하도록 배열되어 있는 한편, 냉각제 기체 유출구(22)는 냉각제 기체를 열 교환기로부터 제거, 배출 및/또는 회수하도록 배열되어 있다. 통로(24)는 열 교환기(12)를 통해 형성될 수 있으며, 열 교환기의 대향하는 말단(28)의 말단 개구들(26) 사이에서 연장될 수 있다. 말단 개구들(26)은 고온의 광섬유를 수용하고 열 교환기(12)로부터 배출하도록 구성되어 있다. 따라서, 통로(24) 및 말단 개구들(26)은 고온의 광섬유에 열 교환기(12)를 통해 통과할 수 있는 행로, 복도 및/또는 경로를 제공한다. 따라서, 냉각제 기체는 냉각제 기체 유입구(20)에서 열 교환기 내로 도입되어, 통로(24)를 통해 유동하거나 통로(24) 전반에 걸쳐 순환될 수 있으며, 고온의 광섬유를 냉각시킬 수 있다. 그 후, 냉각제 기체는 냉각제 기체 유출구(22)에서 열 교환기로부터 제거, 배기 및/또는 회수될 수 있다.
종종, 열 교환기(12)로부터 회수된 냉각제 기체는 불순물, 찌꺼기 등("오염물"로 총칭함)과 같은 오염물을 함유한다. 이러한 오염물은 전형적으로 기체(예컨대, 질소, 산소, 아르곤, 및 대기에 존재하는 다른 기체), 미립 성분(예컨대, 먼지) 및 수분을 포함한다. 그러나, 오염물은 냉각제 기체 외의 임의의 성분을 포함할 수 있고, 회수된 냉각제 기체 내에 다양한 양 및 농도로 존재할 수 있다.
회수된 냉각제 기체와는 대조적으로, "새로운(virgin)" 냉각제 기체는 오염물을 거의 함유하지 않는 냉각제 기체이다. 예를 들어, 공업 등급의 새로운 냉각제 기체 같은 새로운 냉각제 기체는 전형적으로 약 0.005부피% 이하의 오염물을 함유한다.
다시 도 1에서, 냉각제 기체 회수부(14)는 펌프(30), 회수 라인(32) 및 임의적으로 오리피스(orifice)(34) 또는 유사한 분리 장치 및/또는 유동 제한기를 포함한다. 펌프(30)는 시스템(10) 내에 부(-)압 및 정(+)압을 생성시키도록 작동될 수 있다. 예를 들어, 펌프(30)는 열 교환기(12) 내의 냉각제 기체가 열 교환기로부터 배기 및 회수될 수 있도록 회수 라인(32a, 32b)에 부(-)압을 생성 또는 형성시킬 수 있다. 또한, 펌프(30)는 냉각제 기체가 시스템 전체를 통해 밀려나가거나 유동할 수 있도록 시스템(10) 내의 하나 이상의 라인(즉, 32c, 32d 및 32e) 및 다른 지점에 정(+)압을 생성 또는 형성시킬 수 있다. 상기 기재된 부(-)압 및/또는 정(+)압을 생성시킬 수 있는 임의의 펌프를 펌프(30)로서 사용할 수 있다.
펌프(30)가 부(-)압 및 정(+)압을 생성시키도록 작동할 수 있기 때문에, 부가적인 펌프, 압축기 등은 시스템(10) 내에 필요하지 않다. 펌프(30)에 의해 생성되는 정(+)압의 수준 및/또는 양은 시스템(10)을 통해 유동하는 냉각제 기체의 양 및/또는 시스템의 구성요소에 의해 제공되는 유동 제한에 따라 달라진다.
오리피스(34)는, 오리피스가 열 교환기(12)를 펌프(30)로부터 분리할 수 있도록, 시스템(10) 및 냉각제 기체 회수부(14) 내에 배치된다. 오리피스(34)는 또한 열 교환기(12) 내의 압력 차이의 효과를 조절 및/또는 감소시킬 수 있다. 이러한 압력 차이는, 펌프가 시스템(10) 내에 정(+)압과 부(-)압을 모두 생성시키도록 작동함에 따라 펌프(30)에 의해 생성된다. 조절되지 않는 경우, 압력 차이(즉, 압력의 변동)로 인해 바람직하지 못한 광섬유 진동이 야기될 수 있다. 바람직하지 못한 광섬유 진동은 광섬유-인발 공정 및 생성되는 광섬유의 품질에 불리한 영향을 끼칠 수 있다.
분석부(16)는 분석기(36) 및 분석 라인(38)을 포함한다. 분석기(36)는, 예를 들어 산소 분석기, 헬륨 분석기, 질소 분석기 및 수분 분석기 등과 같이 당해 분야에 공지되어 있는 다양한 분석기 또는 모니터중 하나 이상을 포함할 수 있다. 분석기가 열 교환기로부터 배기된 회수된 냉각제 기체(또는 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량)의 상태를 계측하기 위해 작동할 수 있도록, 분석기(36)가 회수 라인(32) 및 분석 라인(38)을 통해 열 교환기(12)에 연결될 수 있다. 계측될 수 있는 회수된 냉각제 기체의 상태는 회수된 냉각제 기체중 산소의 양 및/또는 농도, 헬륨의 양 및/또는 농도, 질소의 양 및/또는 농도, 다른 불활성 기체의 양 및/또는 농도, 및 수분의 양을 포함하지만 이들로 국한되는 것은 아니다.
바람직하게는, 분석기(36)는 제어 시스템(37)과 작동가능하게 연결된다. 제어 시스템(37)은 분석기에 의해 계측된 상태가 시스템(10)의 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 물질 유동 조절기, 유동 조절기, 밸브 등)로 연계 및/또는 전송되도록 작동될 수 있다. 제어 시스템(37)은 또한 계측되어 연계 및/또는 전송된 상태에 기초하여, 유속 및 다른 작동 매개변수와 관련하여 하나 이상의 물질 유동 조절기에 지시를 내리고/내리거나 하나 이상의 물질 유동 조절기를 조절하도록 작동할 수 있다.
냉각제 기체 블렌딩부(18)는 유동 조절기 또는 물질 유동 조절기(40, 42), 새로운 냉각제 기체 라인(44), 재사용 냉각제 기체 라인(46) 및 블렌드 냉각제 기체 라인(48)을 포함한다. 물질 유동 조절기(40)는 회수된 냉각제 기체의 유동을 허용하거나 제한하도록 작동할 수 있다. 구체적으로는, 회수된 냉각제 기체가 물질 유동 조절기(40)를 통해 재사용 냉각제 기체 라인(46) 내로 통과하도록 선택적으로 허용되어 "재사용"될 수 있다. 이어, 재사용된 냉각제 기체는 재사용 냉각제 기체 라인(46)을 통해 혼합 지점(60)까지 유동할 수 있다.
물질 유동 조절기(42)는 새로운 냉각제 기체의 유동을 허용하거나 제한하도록 작동할 수 있다. 구체적으로, 새로운 냉각제 기체는 물질 유동 조절기(42)를 통해 새로운 냉각제 기체 라인(44) 내로 통과하도록 허용될 수 있다. 이어, 새로운 냉각제 기체는 새로운 냉각제 기체 라인(44)을 통해 혼합 지점(50)까지 유동할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 혼합 지점(50)은 새로운 냉각제 기체 라인(44), 재사용 냉각제 기체 라인(46) 및 블렌드 냉각제 기체 라인(48)이 교차하는 곳에 있다. 혼합 지점(50)에서는, 재사용 냉각제 기체와 새로운 냉각제 기체가 함께 블렌딩되어 사전결정된 및/또는 목적하는 순도의 냉각제 기체의 혼합물 및/또는 블렌드가 생성된다. 달리 말해, 블렌드가 사전결정된, 공지된 및/또는 목적하는 오염물 농도("사전결정된 오염물 농도"로 통칭함)를 갖도록 냉각제 기체의 블렌드를 생성시킬 수 있다.
전형적으로, 블렌드 냉각제 기체의 사전결정된 오염물 농도는 블렌드 냉각제 기체의 부피를 기준으로 하여 오염물 약 5% 미만이다. 상응하게, 시스템(10)에 의해 재순환되는 냉각제 기체는 블렌드 냉각제 기체의 부피를 기준으로 하여 약 95% 내지 약 99%의 냉각제 기체 농도(즉, 순도)를 갖는다. 바람직한 실시태양에서, 블렌드 냉각제 기체중 사전결정된 오염물 농도 및 냉각제 기체 농도는 사용자에 의해 설정될 수 있다.
한 실시태양에서는, 다양한 양의 재사용 냉각제 기체와 새로운 냉각제 기체를 적절한 비로 함께 블렌딩하도록 물질 유동 조절기(40, 42)를 선택적으로 작동시킴으로써 사전결정된 오염물 농도를 달성할 수 있다. 새로운 냉각제 기체 내의 오염물 농도가 통상 알려져 있고 분석기가 회수된 냉각제 기체 내의 오염물 농도를 측정할 수 있기 때문에, 이 "블렌딩" 방법을 이용하여 블렌드 냉각제 기체를 생성시킬 수 있다.
혼합 지점(50)에서 블렌드 냉각제 기체를 형성시킨 후에는, 열 교환기(12) 내로 도입하기 위하여 블렌드 냉각제 기체를 블렌드 냉각제 기체 라인(48)을 통해 통과시킨다. 이와 같이, 블렌드 냉각제 기체, 더욱 구체적으로는 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량을 "재순환"시킨다. 열 교환기는 이전에 기재한 바와 같이 고온의 광섬유를 냉각시키는데 재순환된 냉각제 기체를 사용할 수 있으며, 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량을 포함하는 블렌드 냉각제 기체를 재순환 및/또는 재사용하기 때문에 상당한 비용이 절감될 수 있다.
바람직한 실시태양에서, 시스템(10)은 또한 우회부(52)도 포함한다. 우회부(52)는 물질 유동 조절기(54) 및 하나 이상의 밀봉 라인(56a, 56b)을 포함한다. 물질 유동 조절기(54)는 밀봉 라인(56a)을 통한 회수된 냉각제 기체의 유동을 허용하거나 제한하도록 작동한다. 회수된 냉각제 기체는 밀봉부(58a, 58b)가 형성되도록 열 교환기의 근접 말단(28)을 통과할 때까지 분석기(36), 분석 라인(38) 및 밀봉 라인(56a, 56b)을 통해 유동할 수 있다. 밀봉부(58a, 58b)는 예를 들어 통상적인 기체 밀봉부를 포함할 수 있다. 따라서, 우회부(52)는 열 교환기(12)의 통로(24) 내에서부터 냉각제 기체가 바람직하지 못하게 빠져나가는 것을 억제하고/하거나 방지할 수 있으며, 그렇게 함에 있어서 회수된 냉각제 기체의 일부를 이용할 수 있다.
예시적인 실시태양에서, 밀봉부(58a, 58b)는 2001년 11월 30일자로 출원되어 통상적인 절차에 의해 소유된 동시 계류중인 미국 특허원 제 09/998,288 호(발명의 명칭: "캡 어셈블리 및 광섬유 냉각 방법(Cap Assembly and Optical Fiber Cooling Process)")에 기재되어 있는 것과 같은 밀봉부를 포함하며, 상기 출원의 내용 및 개시내용은 본원에 전문이 기재된 것처럼 참고로 인용된다.
또한, 우회부(52), 특히 물질 유동 조절기(54)는 회수된 냉각제 기체의 적어도 일부가 시스템(10)을 통해 일정한 유동을 유지하도록 작동될 수 있다. 일정한 유동은 결과적으로 펌프(30)가 연속적으로 작동하도록 할 수 있다. 펌프(30)가 연속적으로 작동하면, 펌프에 의해 생성된 정(+)압(이로 인해 회수되어 재사용되고 블렌딩된 냉각제 기체가 시스템(10)을 통해 수송됨)이 유지될 수 있다. 시스템(10)에 정(+)압을 유지함으로써, "지체 시간"을 줄일 수 있다. 본원에 사용된 지체 시간이란 본질적으로 회수된 냉각제 기체가 시스템(10)을 통해(예를 들어, 분석기(36)에 이르는 라인(32d, 38)을 통해) 진행되는 동안 경과되는 시간의 양이다.
지체 시간은 종종, 시스템(10) 내에서 라인간(예를 들어 56과 46)의 냉각제 기체의 유동을 바꾸고/바꾸거나 방향을 바꿀 때 바람직하지 못하게 인지되고/되거나 경험하게 된다. 예를 들어, 물질 유동 조절기(54)가 밀봉 라인(56a)에 들어가는 회수된 냉각제 기체의 일부의 유동을 제한하고 물질 유동 조절기(40)가 동시에 재사용 냉각제 기체 라인(46)을 통해 회수된 냉각제 기체의 일부의 유동을 증가시킬 때, 지체 시간이 예상된다. 그러나, 펌프(30)가 연속적으로 작동하기 때문에, 회수된 냉각제 기체의 유동을 바꾸고/바꾸거나 방향을 바꾸기 위해 정(+)압을 증강시킬 필요는 없다. 따라서, 밀봉 라인(56a)에 들어간 회수된 냉각제 기체의 일부는 신속하게 재사용 냉각제 기체 라인(46)으로 방향을 바꿀 수 있다. 연속적으로 및/또는 지속적으로 작동하는 펌프로 인해 시스템(10) 내의 정(+)압이 실질적으로 없어지지 않을 때, 지체 시간이 감소될 수 있다.
유리하게는, 우회부(52)는 또한 고농도의 회수된 냉각제 기체의 흐름을 감소시킴으로써 야기되는 물질 유동 조절기(40) 이전에서 오염물의 축적을 억제 및/또는 방지할 수 있다.
작동시, 오염물을 갖는 냉각제 기체는 펌프(30)를 작동시킴으로써 열 교환기(12)로부터 배기된다(즉, 회수된다). 회수된 냉각제 기체는 회수 라인(32a)으로 들어가고 오리피스(34), 회수 라인(32b), 펌프(30) 및 회수 라인(32c)을 통해 유동한다. 회수 라인(32c)을 통해 진행되는 동안, 오염물을 갖는 냉각제 기체는, 회수된 냉각제 기체의 적어도 일부가 회수 라인(32d)을 통해 유동하고 다른 일부가 회수 라인(32e)을 통해 유동하도록 분리되고/분리되거나 쪼개진다.
회수 라인(32d)을 통해 유동하는 회수된 냉각제 기체의 일부 중에서, 분석 대상 분량은 분석 라인(38)으로 들어가서 분석기(36) 내로 도입되며 일부는 물질 유동 조절기(54)를 통해 통과한다. 바람직하게는, 분석기(36) 및 물질 유동 조절기(54) 각각을 통한 회수된 냉각제 기체의 일부의 유동은 일정하거나 또는 실질적으로 일정한 반면, 회수 라인(32e) 및 물질 유동 조절기(40)를 통한 회수된 냉각제 기체의 흐름은 가변적이다.
펌프(30)에 의해 발생되는 정(+)압은 분석기(36) 및 물질 유동 조절기(40, 54)를 통한 회수된 냉각제 기체의 유동의 조합에 직접 관련되고/되거나 의존한다. 달리 말해, 펌프(30)는 분석기(36) 및 물질 유동 조절기(40, 54)에 의해 야기되는 유동 제한의 합에 따라 필요한만큼 많이 또는 적게 정(+)압을 발생시키도록 작동할 수 있다.
회수된 냉각제 기체가 분리된 후, 분석기(36)는 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량의 상태를 계측하고, 이렇게 하여 회수된 냉각제 기체 내의 오염물 농도를 측정할 수 있다. 그 후, 분석기(36) 및/또는 제어 시스템(37)은 물질 유동 조절기(40, 42, 54)중 하나 이상에 농도 정보를 전송 및/또는 연계한다. 분석기(36) 및/또는 제어 시스템(37)은 또한 필요한 경우 회수된 냉각제 기체의 유동을 조작하도록 물질 유동 조절기(40, 42, 54)중 하나 이상에 지시를 내리고/내리거나 물질 유동 조절기(40, 42, 54)중 하나 이상을 제어할 수 있다.
분석기(36)로 회수된 냉각제 기체의 오염물 농도를 측정하고 새로운 냉각제 기체 내의 오염물 농도를 알게 되면, 물질 유동 조절기(40, 42)가 가동되고/되거나 작동된다. 물질 유동 조절기(42)가 가동될 때, 소정량의 새로운 냉각제 기체가 새로운 냉각제 기체 라인(44)을 통해 이동하여 혼합 지점(50)으로 운반된다. 또한, 물질 유동 조절기(40)가 가동되면, 소정량의 회수된 냉각제 기체가 물질 유동 조절기를 통해 통과하여 예비결정된 양의 회수된 냉각제 기체가 재사용되도록 한다. 재사용 냉각제 기체는 재사용 냉각제 기체 라인(46)을 통해 이동하여 마찬가지로 혼합 지점(50)으로 운반된다.
혼합 지점(50)에서는, 재사용 냉각제 기체와 새로운 냉각제 기체가 함께 블렌딩되고/되거나 혼합되어, 사전결정된 오염물 농도 또는 냉각제 기체 순도를 갖는 블렌드 냉각제 기체(즉, 기상 냉각제 블렌드)가 제조된다. 따라서, 냉각제 기체의 양(즉, 유속)과는 대조적으로 냉각제 기체의 품질(즉, 오염물 농도 또는 순도)은 시스템(10), 구체적으로는 물질 유동 조절기(40, 42)에 의해 조작되고/되거나 조절된다.
예비결정된 농도의 블렌드 냉각제 기체가 형성된 후, 블렌드 냉각제 기체는 펌프(30)의 정(+)압하에 열 교환기(12)에 들어갈 때까지 블렌드 라인(48)을 통해 통과한다. 이와 같이, 광섬유를 냉각시키기 위해 열 교환기(12) 내에 블렌드 냉각제 기체 및/또는 회수된 냉각제 기체를 다시 한 번 사용 또는 이용함으로써, 블렌드 냉각제 기체, 특히 재사용된 회수된 냉각제 기체를 "재순환"시킨다.
시스템(10)을 사용하여 냉각제 기체를 재순환시키는 경우, 블렌드 냉각제 기체의 농도가 측정될 수 있으며, 열 교환기(12) 내로의 블렌드 냉각제 기체의 유속은 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 예를 들어, 회수된 냉각제 기체가 비교적 높은 오염물 농도를 갖는 경우, 보다 적은 회수된 냉각제 기체와 보다 많은 새로운 냉각제 기체를 함께 블렌딩하여 목적하는 오염물 수준을 갖는 혼합물을 생성시킨다. 반대로, 회수된 냉각제 기체가 비교적 낮은 오염물 농도를 갖는 경우에는, 보다 많은 회수된 냉각제 기체와 보다 적은 새로운 냉각제 기체를 함께 블렌딩하여 목적하는 오염물 수준을 갖는 혼합물을 생성시킨다.
또한, 시스템(10) 내에서 냉각제 기체를 회수 및 재사용하는 단계를 반복적으로 수행할 수 있기 때문에, 재사용 냉각제 기체의 유동을 저하시키면 회수된 냉각제 기체에 내포되는 오염물 농도가 더 낮아진다는데 주목하는 것이 중요하다.
또한, 사전결정된 오염물 농도를 갖는 블렌드 냉각제 기체를 생성시킬 때 새로운 냉각제 기체에 대한 재사용 냉각제 기체의 비와 무관하게, 열 교환기(12) 내로의 블렌드 냉각제 기체의 유속은 동일하게 또는 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다. 따라서, 열 교환기(12) 내로의 블렌드 냉각제 기체의 유속은 회수되거나 재사용된 냉각제 기체의 오염물 농도에 따라 변하지 않는다.
바람직하게는, 재사용되어 블렌딩된 냉각제 기체를 생성시키는데 사용되는 회수된 냉각제 기체의 양은 최대량의 회수된 냉각제 기체가 재사용되어 재순환될 수 있도록 최적화된다. 한 실시태양에서는, 유동 및 농도 방정식 시스템을 계산함으로써 최적화를 달성할 수 있다. 이러한 최적화는 도 1을 참조하여 아래에 기재되어 있다.
먼저, 회수된 냉각제 기체의 불순물 농도(yr)를 분석기(36)에 의해 측정한다. 이어, 물질 유동 조절기(42)는 fv로 유동하고 불순물 농도 yv를 갖는 새로운 냉각제 기체를 수용하고, 물질 유동 조절기(40)는 fr로 유동하고 불순물 농도 yr을 갖는 회수된 냉각제 기체를 수용한다. 블렌딩부(18)는 불순물 yp를 갖고 fp로 유동하는 블렌딩된 냉각제 기체가 생성되도록 작동한다. 블렌딩된 냉각제 기체의 유속 fp는 하기 수학식 1에 의해 측정될 수 있고, 블렌딩된 냉각제 기체의 불순물 농도 yp는 하기 수학식 2에 의해 측정된다:
Figure 112003031842847-pat00001
Figure 112003031842847-pat00002
목적하는 fp 및 yp 값을 갖거나 알고 분석기(36)로 yr을 확인하고 새로운 냉각제 기체 내의 불순물 농도 yv를 알면, 블렌딩된 냉각제 기체 유속 및 불순물 농도에 관한 수학식 1 및 2를 사용하여 fr과 fv를 둘 다 계산해낼 수 있다. 그 결과, 회수된 냉각제 기체 유속 fr과 새로운 냉각제 기체 유속 fv를 하기 수학식 3 및 4에 따라 조작함으로써, 목적하는 농도 yp에서의 fp를 달성할 수 있다:
Figure 112003031842847-pat00003
Figure 112003031842847-pat00004
회수된 냉각제 기체의 불순물 농도 yr가 흡입 유속 fs가 fr 미만일 때 회수 라인(32a)에서의 흡입 유속 fs에 따라 달라지는 것으로 밝혀졌기 때문에, 하기 수학식 5와 같이 되도록 100% 순수한(예를 들어, 오염물을 실질적으로 함유하지 않거나 오염물이 없는) 새로운 냉각제 기체를 열 교환기(12) 내로 도입함으로써 fs에 대한 yr 의존성을 직접 측정할 수 있다:
Figure 112003031842847-pat00005
하기 수학식 6과 같이 되도록 회수된 냉각제 기체 yr의 최종 불순물 농도를 다양한 fs 값에 대해 측정할 수 있다:
Figure 112003031842847-pat00006
이어, 회수된 냉각제 기체의 불순물 농도 yr은 하기 수학식 7을 만족시킨다:
Figure 112003031842847-pat00007
도 3에는 yr(fs)와 fr(yr) 의존성이 도시되어 있다. 최대 회수율에서, 하기 수학식 7 및 3으로 나타낸 각 방정식이 충족되며, 따라서 상기 방정식을 풀 때 생기는 두 곡선의 교차점에 회수된 기체의 최적 유속 fr opt가 불순물 농도 yr opt와 함께 생긴다:
수학식 7
Figure 112003031842847-pat00008
수학식 3
Figure 112003031842847-pat00009
따라서, 최적 농도에서의 회수 기체의 최적 유속을 알아낼 수 있다.
이용되는 경우, 시스템(10)은 다수의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 시스템(10)은 증가되거나 상승되는 냉각제 기체 회수 속도를 지속적으로 유지시킬 수 있으며 흡입 유속을 감소시킴으로써 회수된 냉각제 기체의 오염을 감소시킬 수 있다. 또한, 시스템(10)은 일정한 농도에서 냉각제 기체의 일정한 유속 fp을 보증하고/하거나 고무시킨다. 달리 말해, 새로운 기체와 블렌딩된 기체 사이에 전형적으로 "변화(toggling)"가 없다. 또한, 시스템(10)을 사용하면 가변 속도 펌프, 인발기 또는 흡입압을 조절하기 위한 다른 수단이 필요하지 않게 된다. 시스템(10)은 광섬유-냉각 공정을 조절하기 위하여 냉각제 기체를 배기시킬 필요가 없고 압력 또는 진공을 측정할 필요가 없다. 명백히, 시스템(10)에 부가되거나 또는 시스템(10) 내에 이용되는 불필요하거나 부수적인 설비 없이도 이러한 각 이점이 달성된다.
임의의 방법이 단계별 순서로서 개괄되어 있지만, 특정한 시간별 순서대로 행동 또는 단계를 완결시키는 것이 필수적이지는 않다. 또한, 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위의 영역 내에서 행동 또는 단계의 제거, 변경, 재배치, 조합, 재정리 등이 고려된다.
바람직한 실시태양과 관련하여 본 발명을 기재하였지만, 명백히 언급된 것 외에 다양한 등가물, 변형 및 변경이 가능하며 이들이 첨부된 특허청구범위의 영역 내에 있는 것으로 간주된다.
본 발명에 따른 광섬유 냉각제 기체의 회수 및 재순환 장치 및/또는 방법을 이용하면, 별도의 정화 장치 없이도, 한 번 사용된 냉각제 기체의 오염물 농도를 용이하게 조절할 수 있으며, 최대한 다량의 냉각제 기체를 재순환시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 회수하여 재순환시키는 방법으로서,
    작동가능하게 연결된 열 교환기와 분석기를 제공하는 단계;
    상기 열 교환기로부터 상기 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 회수하는 단계;
    상기 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량을 상기 분석기로 운반하는 단계;
    상기 회수된 냉각제 기체의 상기 분석 대상 분량을 상기 분석기로 분석하여, 상기 회수된 냉각제 기체의 오염물 농도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 상태에 기초하여, 상기 회수된 냉각제 기체의 재사용(reclaimed) 분량을, 0.005부피% 이하의 오염물을 함유하는 냉각제 기체와 블렌딩하여, 사전결정된 오염물 농도를 갖는 기상 냉각제 블렌드를 생성시키는 단계; 및
    상기 기상 냉각제 블렌드를 상기 열 교환기 내로 도입시켜 상기 회수된 냉각제 기체의 적어도 일부가 재순환되도록 하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회수 단계 전에 상기 0.005부피% 이하의 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 상기 열 교환기 내로 도입함을 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량을 상기 열 교환기에 결합된 밀봉부에 제공함을 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석기에 연결되고 블렌딩을 조절하도록 작동되는 제어 시스템을 제공함을 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량을 일정한 유속으로 상기 분석기에 통과시키고, 상기 기상 냉각제 블렌드를 일정한 유속으로 상기 열 교환기 내로 도입하는, 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 교환기 내로 도입되는 오염물의 양을 조절하기 위한 수단을 제공함을 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기상 냉각제 블렌드의 오염물 농도를 조절하며, 상기 열 교환기 내로 도입되는 기상 냉각제 블렌드의 오염물 농도를 조절하기 위한 수단을 제공함을 추가로 포함하는, 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 회수된 냉각제 기체를, 상기 회수된 냉각제 기체의 분석 대상 분량을 포함하는 분량과 상기 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량으로 나눔을 추가로 포함하는, 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기상 냉각제 블렌드의 상기 사전결정된 오염물 농도가 사용자에 의해 설정되는, 방법.
  10. 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 열 교환기로부터 회수하고, 상기 회수된 냉각제 기체의 적어도 일부를 재순환시키기 위한 장치로서,
    상기 냉각제 기체를 상기 열 교환기로부터 회수하고, 상기 회수된 냉각제 기체를 상기 장치에 통과시키도록 작동하는 펌프;
    상기 회수된 냉각제 기체의 오염물 농도를 계측하도록 작동하는 분석기;
    상기 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량을 혼합 지점으로 운반함으로써, 상기 회수된 냉각제 기체의 일부를 재사용하도록 작동하는 제 1 물질 유동(mass flow) 조절기;
    상기 혼합 지점에 0.005부피% 이하의 오염물을 함유하는 냉각제 기체를 제공하도록 작동하는 제 2 물질 유동 조절기;
    상기 장치를 통과하는 상기 회수된 냉각제 기체의 유동을 유지하도록 작동하는 제 3 물질 유동 조절기를 포함하며,
    이때, 상기 회수된 냉각제 기체의 오염물 농도에 기초하여, 상기 0.005부피% 이하의 오염물을 함유하는 냉각제 기체 및 상기 회수된 냉각제 기체의 재사용 분량으로부터 기상 냉각제 블렌드를 생성시키되, 상기 기상 냉각제 블렌드가 열 교환기 내로 도입될 때 사전결정된 오염물 농도를 갖도록 작동하는 장치.
  11. 냉각제 기체 회수 시스템으로서,
    고온의 광섬유를 냉각시키기 위한 냉각제 기체;
    열교환기로서, 상기 고온의 광섬유가 상기 열 교환기 내에 수용되기에 적합한 광섬유 투입구; 상기 고온의 광섬유를 상기 열 교환기로부터 배출시키기에 적합한 광섬유 배출구; 상기 광섬유 투입구와 상기 광섬유 배출구 사이에서 연장되어 있고 상기 고온의 광섬유가 통과하기에 적합한 통로; 상기 통로 내로 상기 냉각제 기체를 도입하기 위한 하나 이상의 냉각제 기체 유입구; 및 상기 냉각제 기체를 상기 통로로부터 제거하기 위한 하나 이상의 냉각제 기체 유출구를 포함하는 열 교환기;
    상기 냉각제 기체를, 상기 시스템을 통해 펌핑하고 배기시키기 위한 펌프;
    상기 냉각제 기체의 불순물 농도를 계측하기 위한 분석기;
    상기 계측된 불순물 농도에 기초하여 상기 냉각제 기체의 불순물 농도를 조절하기 위한 제 1 물질 유동 조절기 및 제 2 물질 유동 조절기; 및
    상기 냉각제 기체를 사용하여 상기 열 교환기에 밀봉부(seal)를 제공하고, 상기 냉각제 기체의 일정한 유동을 유지시켜 펌프의 연속적인 작동을 보장하기 위한, 제 3 물질 유동 조절기
    를 포함하는, 냉각제 기체 회수 시스템.
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