KR20010040692A

KR20010040692A - 유리질의 재료, 특히 석영 유리로 제조되는 관의 제조 방법

Info

Publication number: KR20010040692A
Application number: KR1020007008570A
Authority: KR
Inventors: 겐지케프랑크; 간쯔올리버; 하인하랄트; 보크단토마스; 훔바흐올리버
Original assignee: 게르하르트 빌스마이어; 헤래우스 크바르츠글라스 게엠베하 ＆ 컴파니 케이지; 마쯔자끼히로시; 신에쯔 세끼에이 가부시키가이샤
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1999-12-06
Publication date: 2001-05-15
Also published as: ZA200004039B; ATE325082T1; US6516636B1; CA2320358A1; WO2000034193A1; KR100632756B1; DE19856892C2; CN1290236A; DE59913387D1; EP1054841A1; CN1160264C; BR9907813A; DE19856892A1; JP2002531366A; JP4397008B2; EP1054841B1

Abstract

유리질의 재료, 특히 석영 유리로 제조되는 관의 공지된 제조 방법에서는, 유리질의 재료로 제조된 중공 원통형의 준완성 제품을 실질적으로 수직방향을 따라 가열지역으로 운반하고, 이 가열지역에서 상기 준완성 제품을 가열한 후, 준완성 제품으로부터 관으로의 천이영역을 형성함으로써 -도구를 사용하지 않고- 하부로 인발하여 관으로 만드는 방법에 있어서, 관의 직경 및 벽두께를 연속적으로 측정하고 이 측정된 관의 기하학적 데이터를 제어 신호를 발생하는데 이용하여, 이 제어 신호에 의해서, 준완성 제품, 천이 영역, 및 관의 내부공간에서의 압력 P₁과, 가열 지역에서 조절되며 적어도 준완성 제품으로부터 관으로의 천이영역 및 이 천이영역에 인접한 관 영역에서 조절되는 가열챔버에서의 압력 P₂사이의 압력차를 조절한다. 상기 방법은 더 개발되어 다양한 중공 원통형의 준완성 제품을 원하는 내경 및 외경 치수를 갖는 관으로 가공할 수 있도록 한다. 상기 과제는, 본 발명에 따라 -외경(D_Ra) 대 내경(D_Ri)의 비가 준완성 제품의 외경(D_Ha) 대 내경(D_Hi)의 비보다 더 큰 관을 제조하기 위해- 준완성 제품, 천이영역, 및 관의 내부 공간에서의 압력 P₁을 흡입 펌프에 의해 유지하면서 가열 챔버에서의 압력 P₂의 값보다 더 작은 값으로 유지함으로써 해결된다.

Description

유리질의 재료, 특히 석영 유리로 제조되는 관의 제조 방법 {METHOD FOR PRODUCING A TUBE OF GLASSY MATERIAL, ESPECIALLY QUARTZ GLASS}

상기 내용을 특징으로 하는 방법이 EP-A1 394640 호에 공지되어 있다. 관을 제조하기 위해서, 준완성 제품으로서 중공 원통형을 갖는 석영 유리 또는 실리카를 고도로 함유한 유리가 수직 방법에 의해 관으로 인발되는데, 이 관의 내부 공간에서의 압력은 외부 압력, 즉 가열 지역에 존재하는 준완성 제품 및 관의 외부상에서 작용하는 압력보다 더 높다. 이 방법에 의해서는 단지, 관의 외경 대 내경의 비가, 매우 원통형인 준완성 제품의 외경 대 내경의 비와 기껏해야 동일한 관이 제조될 수 있다; 그러나, 일반적으로 상기 공지된 방법에 의해서 얻어지는 관의 외경 대 내경의 비는 준완성 제품의 외경 대 내경의 비보다 더 작다.

또한, 모세관, 즉 매우 작은 내경을 갖는 관의 제조 방법이 EP-A1 259877 호에 공지되어 있다. 또한, 이러한 모세관의 외경은 통상적으로 내경보다 5 배까지 더 크다. 이러한 모세관의 제조는, 상이한 직경을 갖는 몇개의 유리관을 서로 배열시키고, 이 유리관들 각각의 내경 및 외경을 서로 조정함으로써 이루어진다. 상기 유리관들이 서로 끼워맞춤된 후, 상기 배열이 가열되고 종방향으로 인발됨으로써 각각의 관들이 서로에 대하여 용융된다. 그러나, 이러한 과정은 다양한 내경 및 외경을 갖는 유리관의 정교한 스탁키핑(stockkeeping)이 요구됨을 의미한다. 게다가, 상기 동축 배열은, 인발 및 용융 과정동안 관의 양 단부를 고도의 정밀도로 지지할 필요가 있게 된다. 또한, 서로 끼워맞춤된, 개별적인 사전제조 유리관들은 그 기하학적 치수에 있어서 매우 정확하게 제조되어, 특히 개별적인 관들의 균일한 조합을 보장하여야 한다.

본 발명은, 유리질의 재료, 특히 석영 유리로 제조되는 관의 제조 방법에 관한 것으로서, 유리질의 재료로 제조된 중공 원통형의 준완성 제품을 실질적으로 수직방향을 따라 가열지역으로 운반하고, 이 가열지역에서 상기 준완성 제품을 가열한 후, 준완성 제품으로부터 관으로의 천이영역을 형성함으로써 -도구를 사용하지 않고- 하부로 인발하여 관으로 만드는 방법에 있어서, 관의 직경 및 벽두께를 연속적으로 측정하고 이 측정된 관의 기하학적 데이터를 제어 신호를 발생하는데 이용하여, 이 제어 신호에 의해서, 준완성 제품, 천이영역, 및 관의 내부 공간에서의 압력 P₁과, 가열 지역에서 조절되며 적어도 준완성 제품으로부터 관으로의 천이영역 및 이 천이영역에 인접한 관 영역에서 조절되는 가열챔버에서의 압력 P₂사이의 압력차를 조절하는 것을 특징으로 하는 방법이다.

도 1 은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 나타내는 도면이다.

본 발명은, 상술된 종래 기술로부터 시작하여 초기의 구체화된 방법을 더 개발시켜서, 다양한 중공 원통형의 준완성 제품을 원하는 내경 및 외경 치수를 갖는 관으로 가공할 수 있도록 하는 과제에 기초를 두고 있다.

상기 과제는, 초기의 구체화된 방법으로부터 시작하여 -외경(D_Ra) 대 내경(D_Ri)의 비가 준완성 제품의 외경(D_Ha) 대 내경(D_Hi)의 비보다 더 큰 관을 제조하기 위해- 준완성 제품, 천이영역, 및 관의 내부 공간에서의 압력 P₁을 흡입 펌프에 의해 유지하면서, 가열 챔버에서의 압력 P₂의 값보다 더 작은 값으로 유지함으로써 해결된다.

준완성 제품 또는 관 각각의 내부의 압력 P₁및 그들 외부의 압력 P₂를 한정되게 설정하고 명목상의/실제적인 조정으로 상기 압력을 조절하기 때문에, 제조될 관의 외경 대 내경의 비를 -넓은 범위상에서- 조정하는 것이 가능하다. 특히, 본 발명에 따른 상기 방법으로 또한 벽두께 대 외경의 비가 준완성 제품에서보다 더 큰 관의 제조가 가능하다. 이로인해, 관 제조용으로 이용가능한 준완성 제품의 가능한 적용성이 상당히 확대되어, 현존하는 관 인발 시설의 융통성 및 효율이 증가된다.

압력 P₁을 조정하기 위해 -제조시에- 준완성 제품으로부터 먼 쪽 관의 단부가 폐쇄되도록 유지하는 것이 바람직하다. 그러면, 관의 내부공간에서의 압력 P₁은, 흡입 펌프에 의해서, 그리고 준완성 제품, 천이 영역, 및 관의 내부로 통과되는 기체 유동의 공급에 의해서, 조정되고 소정의 값으로 유지될 것이다. 그래서, 한정된 부압이 관 내부에서 유지될 수 있으며, 조정하는데 있어서 한정될 수 있다.

관의 품질은 관 내부의 압력 변화가 비록 작다고 하더라도 그 변화에 의해 크게 영향을 받을 수 있음이 알려져 있다. 이러한 압력 변화를 줄이기 위하여, 본 방법의 다른 실시예에서는 -기체가 준완성 제품으로 유입되기 전에- 기체 유동이 먼저 흡입 펌프와 관의 내부 공간 사이에 삽입되어 완충기로서 기능을 하는 용기에 안내된다.

또한, 불활성 기체를 준완성 제품 및 관의 내부 공간으로 유입시키는 것이 유리하다고 입증되었다. 불활성 기체로 인해서, 고온의 부분들, 아마도 고온의 노 부분들과의 접촉시에 산화가 방지되는 장점이 제공된다.

특히, 관 및 준완성 제품의 내부 공간에서의 압력 P₁의 값이 가열 챔버에서의 압력 P₂의 값보다 5 mbar 내지 200 mbar 더 작은 값으로 유지될 때, 준완성 제품의 외경(D_Ha) 대 내경(D_Hi)의 비가 1.5 내지 4.5 의 매우 넓은 범위내에서 존재하는 준완성 제품이 제조될 수 있다.

상기 방법은 가열 챔버에서의 압력 P₂가 대략 대기압을 가질 때 매우 간단한게 설계된다.

준완성 제품으로부터 관을 제조하는 동안 제조될 관의 내경 및 외경이 영향을 받을 수도 있기 때문에, D_Ra대 D_Ri의 비가 특정의 명목값(nominal value)으로부터 벗어나게 되면 제어 신호가 발생됨과 함께, 상기 명목값에 다시 도달할 때까지 흡입 펌프의 상류측 밸브가 제어 및 폐쇄된다. 상기 명목값이 도달된 후에 상기 밸브는 다시 개방될 것이다. 이러한 제어 작용이 영구적으로 반복되어, 상기 관이 내경 및 외경에 대하여 특정의 명목값 한계내에서 제조되도록 유지된다. 본 발명에서 관의 직경(외경 및 내경)은, 관의 인발 방향에서 볼 때, 가열 챔버내에서의 천이영역 바로 다음에 측정되는 것이 유리하며, 이러한 기하학적 데이터는 압력차를 조절하기 위한 제어 신호를 발생하는데 사용된다. 상기 특정 방법은, 관의 외경 대 내경의 비(D_Ra/D_Ri)가 1.5 보다 더 크며, 바람직하게는 1.8 과 5.0 사이의 범위에 있는 관의 제조에 적합함이 입증되었다. 게다가, 상기 방법은, 준완성 제품의 외경 D_Ha대 내경 D_Hi의 비가 1.5 와 4.5 사이의 범위에 있는 준완성 제품이 사용되는 경우에 상기 비 D_Ra대 D_Ri가 1.5 보다 더 큰 관의 제조에 최적화될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은, 상대적으로 두꺼운 벽을 갖는 관이 하나의 가공 단계에서 제조될 수 있기 때문에, 작은 내경 및 높은 파괴 강도를 갖는 미세관의 제조에 적합하다.

특히, 상기 방법은 또한 광학 도파관용의 관을 제조하는데 이용된다. 고순도의 석영 유리, 특히 합성 유리로 이루어진 준완성 제품이 상기 목적을 위해 사용된다. 이와 같이 제조된 관들은, 예컨대 공지된 로드인튜브(rod-in-tube) 기술에 따른 광학 도파관의 제조시에 피복관으로서, 또는 공지된 MCVD 또는 PCVD 방법에서 기판으로서 사용된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 방법을 실현시키기 위한 대응 장치의 설계뿐만 아니라 상기 방법의 실시예에 기초하여 -도면과 관련하여- 바람직한 방법 변수들이 기술된다.

도면에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 방법을 실현시키기 위한 장치에는 상부 노 입구(2) 및 하부 노 출구(3)를 가지며 수직으로 배열된 노(1)가 포함된다. 노(1)의 내부 가열 챔버(4)는 2300℃ 이상까지의 온도로 가열될 수 있다.

캐리어(6)에 의해 상부면이 폐쇄된 석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5)이 준완성 제품으로서 적절한 안내 장치에 의해 상부면에서부터 노 입구(2)를 경유하여 챔버(4) 내부의 노로 안내된다. 상기 석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5)은 캐리어(6)에 의해 폐쇄된 그 상단부에서 공급 라인(7)을 통하여 가공 용기(8)와 연결되고, 이 가공 용기는 한편으로는 차단 밸브(9)를 통하여 불활성 기체 공급(10)과 연결되고 다른 한편으로는 조절 밸브(11) 및 진공 펌프(12)와 연결된다.

석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5)은 준완성 제품으로서 노(1)의 내부 챔버(4)로 통과하게 되고 이 노의 내부 챔버(4)의 대략 중앙에 점선의 원으로 암시되어 있는 변형 지역(13)의 영역내에서 연화되기 때문에, 석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5)을 화살표 방향으로 인발하고 그 벽의 단면을 감소시킴으로써 인발 벌브(bulb)(15)가 형성된다. 안내 롤(17)을 구비한 인발 장치(16)가 노(1)의 출구측에 제공된다.

도면에 도시된 것처럼 인발된 관(18)의 영역에서, 관의 내부 공간(19), 즉 석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5)의 내부 공간은 실리콘 플러그(plug)와 같은 플러그(20)에 의해 폐쇄된다.

인발 작용동안 관의 내부 공간(19), 즉 석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5)의 내부 공간뿐만 아니라 노(1)의 내부 챔버(4)에서의 압력 상태가 규정, 조정, 및 변화될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 노(1)의 내부 챔버(4)에서의 압력 측정용 압력계(22)뿐만 아니라 내부 챔버(19)에서의 압력 감시용 압력계(21)가 제공될 것이다. 또한 도면에 도시된 것처럼, 조절 밸브(11)를 제어하는 압력 조절기(23), 노의 온도를 조절하기 위한 온도 조절기(24), 고정된(set) 노의 온도를 측정 및 감시하기 위한 파이로미터(pyrometer)(25), 인발 벌브(15)의 영역에서의 온도를 측정하기 위한 또다른 파이로미터, 인발 벌브(15) 바로 다음의 인발된 관(18), 즉 노의 챔버(4)내에 있는 인발된 관(18)의 직경을 측정하기 위한 직경 계측기(27), 노(1)의 외부에 있는 인발된 관(18)의 직경을 측정하기 위한 또다른 직경 계측기(28), 노(1)의 외부에 있는 인발된 관(18)의 벽두께를 측정하기 위한 벽 두께 계측기(29), 화살표(14) 방향으로 관(18)의 인발 속도를 측정하기 위한 속도 계측기(30), 및 상기 인발 장치(16)를 제어해서 안내 롤(17)의 회전 속도를 설정하는 속도 조절기(31)가 제공된다. 상술된 모든 조절기, 계측기, 및 다른 장치들은 중앙 처리 조절 및 제어 시스템(32)과 연결된다. 입력 화살표(33)로 나타내진 것처럼, 명목값들, 예컨대 석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5)의 관 치수뿐만 아니라 제조되길 원하는 관(18)의 치수, 및 원하는 원료 처리량 등은 상기 중앙 처리 조절 및 제어 시스템을 통하여 입력될 것이다. 상기 직경 계측기(27)에 의해 측정되는 인발 벌브(15) 바로 아래의 제 1 측정 지점들이 화살표(34)에 의해 한번 더 개별적으로 표시되어 있고, 노(1)의 외부에 있는 인발된 관(18)에서 직경 계측기(28)에 의해 측정되는 제 2 측정 지점들이 화살표(35)에 의해 표시되어 있다.

다른 감시 장치들뿐만 아니라 수많은 측정 및 제어 장치들에 의해 명백하듯이 -석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5)에서부터 시작하여- 원하는 치수를 갖는 관(18)의 제조가 영구적으로 감시될 수 있고 새로이 설정, 즉 상태에 따라 각각 조정될 수 있다.

상기 장치를 이용하여, 외경 D_Ha대 내경 D_Hi의 비의 값이 3.17 인 석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5)이 준완성 제품으로서 사용되어, 관의 외경이 50 mm 이고 관의 내경이 12 mm, 즉 두 직경의 비 D_Ra/D_Ri의 값이 4.17 인 관이 통상적인 실시예로서 제조되었다. 이 경우에 처리량은 34 kg/h 이었다. 인발 과정은 2300℃(노(1)의 내부 챔버(4)에서의 온도)의 가열 챔버 온도에서 수행되었다. 노(1)를 운전하는 동안, 가열 챔버(4)에서의 압력 P₂는 대략 1120 mbar 이었다. 외경 대 내경의 비의 값이 4.17 인 상기 관을 제조하기 위해, 압력 P₁의 값이 관의 내부 챔버(19)에서 1070 mbar 로 조정되어야 했다. 이러한 목적을 위해, 관(18)의 내부 챔버(19)는 실리콘 플러그와 같은 밀봉물(20)에 의해 관(18)의 일단부에서 폐쇄된다. 내부 압력은 석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5)의 상단부에서 연결 부재-도면에 도시된 캐리어(6)-를 경유하여 진공 펌프(12)에 의해 생성되었다. 일어날 수 있는 압력 변화를 둔화시키기 위하여, 가공 용기(8)가 진공 펌프(12)와 석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5) 사이에 완충기로서 삽입된다.

원하는 길이의 관(18)이 인발된 후에 이 관은 분리될 수 있다. 내부 챔버(19)에서의 압력은 일시적으로 무너지게 된다. 밀봉물(20)로 관의 단부가 다시 폐쇄된 후에, 상기 압력 손실은 압력 제어 시스템에 기초하여 2초 미만의 시간내에 균형이 유지될 수 있다.

이러한 짧은 시간내에는 상기 관의 치수상에 어떠한 부정적인 영향이 미칠 수 없기 때문에 내경 및 외경뿐만 아니라 벽 두께가 일관되게 인발될 수 있음이 입증되었다.

석영 유리로 이루어진 중공형 원통(5)으로부터 통상적인 치수 및 작용 변수들을 갖도록 제조된 관(18)의 두가지 실시예는 다음과 같았다.

실시예 1

석영 유리로 이루어진 중공형 원통의 외경 D_Ha= 162 mm

석영 유리로 이루어진 중공형 원통의 내경 D_Hi= 48 mm

비 D_Ha/D_Hi= 3.375

관의 치수

관의 외경(D_Ra) = 60 mm

관의 내경(D_Ri) = 15 mm

비 D_Ra/D_Ri= 4

석영 유리 처리량 : 35 kg/h

노의 내부 챔버에서의 온도 2200℃

1090 mbar 인 가열 챔버에서의 압력 P₂와 관 내부의 압력 P₁간의 압력차 : 30 mbar

실시예 2

석영 유리로 이루어진 중공형 원통의 외경 D_Ha= 162 mm

석영 유리로 이루어진 중공형 원통의 내경 D_Hi= 52 mm

비 D_Ha/D_Hi= 3.116

관의 치수

관의 외경(D_Ra) = 67 mm

관의 내경(D_Ri) = 16 mm

비 D_Ra/D_Ri= 4.188

석영 유리 처리량 : 47 kg/h

노의 내부 챔버에서의 온도 2300℃

1090 mbar 인 가열 챔버에서의 압력 P₂와 관 내부의 압력 P₁간의 압력차 : 15 mbar

Claims

유리질의 재료, 특히 석영 유리로 제조되는 관의 제조 방법으로서, 유리질의 재료로 제조된 중공형 원통의 준완성 제품을 실질적으로 수직방향을 따라 가열지역으로 운반하고, 이 가열지역에서 상기 준완성 제품을 가열한 후, 준완성 제품으로부터 관으로의 천이영역을 형성함으로써 -도구를 사용하지 않고- 하부로 인발하여 관으로 만들며, 상기 관의 직경 및 벽두께를 연속적으로 측정하고 이 측정된 관의 기하학적 데이터를 제어 신호를 발생하는데 이용하여, 이 제어 신호에 의해서, 준완성 제품, 천이 영역, 및 관의 내부 공간에서의 압력 P₁과, 가열 지역에서 조절되고 적어도 준완성 제품으로부터 관으로의 천이영역 및 이 천이영역에 인접한 관 영역에서 조절되는 가열챔버에서의 압력 P₂사이의 압력차를 조절하는 방법에 있어서,

외경(D_Ra) 대 내경(D_Ri)의 비가 상기 준완성 제품의 외경(D_Ha) 대 내경(D_Hi)의 비보다 더 큰 관을 제조하기 위해, 상기 준완성 제품, 천이영역, 및 관의 내부 공간에서의 압력 P₁을 흡입 펌프에 의해 유지하면서 가열 챔버에서의 압력 P₂의 값보다 더 작은 값으로 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 관을 제조하는 동안 상기 준완성 제품으로부터 먼 쪽의 관의 단부를 폐쇄한 채로 유지하고, 압력 P₁을 흡입 펌프에 의해서 및 상기 준완성 제품, 천이영역, 및 관의 내부 공간으로 유입되는 기체 유동의 조절된 공급에 의해서 미리 산출된 값으로 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 기체 유동이, 상기 준완성 제품, 천이영역, 및 관의 내부 공간으로 유입되기 전에, 상기 흡입 펌프와 연결되고 완충기로서 기능을 하는 용기를 통하여 통과되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 준완성 제품, 천이 영역, 및 관의 내부 공간으로 불활성 기체가 통과되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 압력 P₁의 값을 압력 P₂의 값보다 5 mbar 내지 200 mbar 더 작은 값으로 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 압력 P₁의 값을 압력 P₂의 값보다 10 mbar 내지 60 mbar 더 작은 값으로 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 압력 P₂를 적어도 1,000 mbar 의 값으로 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 관의 외경 대 내경의 비(D_Ra/D_Ri)가 특정의 명목값으로부터 벗어나게 되면, 상기 명목값이 다시 도달될 때까지 상기 제어 신호에 의해 흡입 펌프의 상류측 밸브가 폐쇄되고, 이어서 개방되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 준완성 제품으로부터 관의 외경(D_Ra) 대 내경(D_Ri)의 비가 1.5 보다 큰 관이 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 준완성 제품으로부터 관의 외경(D_Ra) 대 내경(D_Ri)의 비가 1.8 내지 5.0 사이의 범위에 있는 관이 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 또는 제 9 항에 있어서, 준완성 제품의 외경(D_Ha) 대 내경(D_Hi)의 비가 1.5 내지 4.5 사이의 범위에 있는 준완성 제품이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 준완성 제품으로부터 모세관이 인발되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 광학 도파관용의 관을 제조하기 위해 고순도의 석영 유리, 특히 합성 석영 유리의 준완성 제품이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.