KR20080024428A

KR20080024428A - 섬유 냉각 시스템에서 냉각 가스를 회수하기 위한 가스제어 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20080024428A
Application number: KR1020070019274A
Authority: KR
Inventors: 조셉 이 파가네시
Original assignee: 레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-03-18
Also published as: CN101143762A; CN101143762B; KR101363713B1

Abstract

섬유 냉각 시스템용 가스 제어 장치는, 이 장치의 종방향으로 연장하여 그 장치를 통한 섬유의 이동을 용이하게 하는 내측 섬유 유동 통로를 포함한다. 이러한 장치는 또한 내측 섬유 유동 통로와 분리되어 그 내측 섬유 유동 통로를 적어도 부분적으로 둘러싸는 챔버와, 이 챔버와 내측 섬유 유동 통로 간의 가스 흐름을 촉진 및 제어하는 유동 안정화 영역과, 장치를 통해 섬유가 이동하는 동안에, 내측 섬유 유동 통로에서부터 챔버로 가스를 취출하고, 이 취출된 가스의 챔버 및 가스 제어 장치로부터 제거를 용이하게 하도록 챔버와 유체 연통 상태에 있는 가스 유동 포트를 더 포함한다.

Description

섬유 냉각 시스템에서 냉각 가스를 회수하기 위한 가스 제어 장치 및 그 방법{GAS CONTROL DEVICE AND CORRESPONDING METHOD FOR RECOVERING GASES IN A FIBER COOLANT SYSTEM}

도 1은 섬유 냉각 시스템의 냉각 튜브에 고정되는 가스 회수 캡의 제1 실시예의 측단면도이다.

도 2는 도 1의 섬유 냉각 시스템의 냉각 튜브에 고정되는 가스 회수 캡의 평면도이다.

도 3은 섬유 냉각 시스템의 냉각 튜브에 고정되는 가스 회수 캡의 제2 실시예의 측단면도이다.

도 4는 섬유 냉각 시스템의 냉각 튜브에 고정되는 가스 회수 캡의 제3 실시예의 측단면도이다.

도 5는 도 4의 섬유 냉각 시스템의 냉각 튜브에 고정되는 가스 회수 캡의 평면도이다.

도 6은 섬유 냉각 시스템의 냉각 튜브에 고정되는 가스 회수 캡의 제4 실시예의 측단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2, 30 : 하우징

4 : 냉각 튜브

7, 21 : 체결구

10 : 공동

15 : 섬유 오리피스

16 : 냉각 튜브 내의 섬유 유동 통로

17 : 가스 회수 캡 내의 섬유 유동 통로

20, 40, 40' : 링

22, 42 : 챔버

24, 44 : 유동 안정화 오리피스

25 : 가스 취출 포트

45 : 다공성 맴브레인 재료

본 발명은 섬유, 특히 광섬유의 처리 중에 냉각 튜브 또는 챔버 내의 가스의 흐름을 제어하는 가스 제어 장치에 관한 것이다.

광섬유는 통상 인발로(drawing furnace)에서 연화점까지 가열된 큰 덩어리의 실리카 또는 유리 예비 성형체의 단부로부터 고온 섬유를 인발하는 공정에 의해 형성된다. 이러한 인발 공정 후에는 열교환기 또는 냉각 튜브 내에서 냉각 가스를 사용하여 섬유를 냉각하는 것이 뒤따르게 되며, 이 경우 냉각 가스는 열교환기를 통해 이동하는 섬유의 속도 벡터와 동일한 방향 또는 반대 방향으로 냉각 튜브를 통해 흐르게 된다. 인발된 섬유는 추가적인 처리(예를 들면, 감열 보호 코팅으로 섬유의 피복)에 앞서 냉각 튜브 내에서 충분한 온도로 냉각되어야 한다.

헬륨과 같은 비교적 불활성의 냉각 가스를 사용하면, 고온의 인발된 섬유를 냉각 튜브 내에서 원하는 속도 및 원하는 온도로 냉각시키기 위한 안전하고 효율적인 기상 열교환제(heat exchange agent)가 제공된다. 그러나, 헬륨을 사용하는 데에 있어서 하나의 문제점으로는 섬유를 냉각시키는 중에 냉각 튜브의 출구단 및 입구단을 통해 주위의 대기 중으로 그러한 가스가 과도하게 손실된다는 점이다. 작업 중에 냉각 튜브로부터 헬륨 및/또는 기타 냉각 가스의 손실을 최소로 유지하기 위해, 냉각 튜브 내에서의 냉각 효율을 최대화하고 작업 비용을 최소화하는 것이 매우 바람직하다.

다른 문제점은 주위의 대기로부터 냉각 튜브 안으로 흡인되어 열교환기 내에서 흐르는 헬륨 및/또는 기타 냉각 가스와 혼합될 수 있는 공기의 양을 최소화하는 것에 관한 것이다. 예를 들면, 냉각 튜브 안으로 공기가 유입되면, 실질적으로 순수한 헬륨에 비해 헬륨/공기 혼합물의 낮은 열전달 특성으로 인해 냉각 튜브를 통해 이동하는 섬유의 냉각 속도를 현저히 변화시킬 수 있다.

섬유 냉각 시스템 내에서 사용된 냉각 가스를 효과적으로 회수하고, 또한 냉각 시스템 안으로 공기가 유입되는 것뿐만 아니라 그 냉각 시스템 내에서 가스의 난류 유동 조건이 발생하는 것을 최소화하거나 방지하는 섬유 냉각 시스템용 가스 제어 장치가 제공된다.

특히, 섬유 냉각 시스템용 가스 제어 장치는, 이 장치의 종방향으로 연장하여 그 장치를 통한 섬유의 이동을 용이하게 하는 내측 섬유 유동 통로를 포함한다. 이러한 장치는 또한 내측 섬유 유동 통로와 분리되어 그 내측 섬유 유동 통로를 적어도 부분적으로 둘러싸는 챔버와, 이 챔버와 내측 섬유 유동 통로 간의 가스 흐름을 촉진 및 제어하는 유동 안정화 영역과, 장치를 통해 섬유가 이동하는 동안에, 내측 섬유 유동 통로에서부터 챔버로 가스를 취출하고, 이 취출된 가스의 챔버 및 장치로부터 제거를 용이하게 하도록 챔버와 유체 연통 상태에 있는 가스 유동 포트를 더 포함한다.

또한, 섬유 냉각 시스템에서 섬유를 냉각시키고, 그 섬유 주위의 가스 흐름을 제어하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 냉각 튜브의 섬유 유동 통로를 통해 섬유를 이동시키는 단계와, 냉각 튜브 내에서 섬유의 냉각을 촉진시키도록 냉각 튜브의 섬유 유동 통로 안으로 냉각 가스를 유동시키는 단계와, 이동하는 섬유 근방의 가스를 가스 제어 장치에 의해 선택적으로 취출하는 단계를 포함한다. 가스 제어 장치는 냉각 튜브의 섬유 유동 통로와 연통하여 이동하는 섬유를 받아들이게 되는 내측 섬유 유동 통로와, 이 내측 섬유 유동 통로로부터 분리되어 내측 섬유 유동 통로를 적어도 부분적으로 둘러싸는 챔버와, 이 챔버와 내측 섬유 유동 통로 사이에서 가스 흐름을 촉진 및 용이하게 하는 유동 안정화 영역과, 챔버와 유체 연통 상태에 있는 가스 유동 포트를 포함하며, 가스는 가스 제어 장치의 내측 섬유 유동 통로로부터 유동 안정화 영역을 거쳐 챔버로 취출되며, 이 취출된 가스는 챔버에서부터 가스 유동 포트로 제거된다.

가스 제어 장치는 가스의 취출 중에 난류형 가스 흐름이 섬유 주위에 형성되는 것을 최소화 또는 제거하기 위해, 실질적으로 균일하면서 주변으로 팽창하는 방향으로 가스가 내측 섬유 유동 통로로부터 취출되게 한다.

전술하거나 기타 다른 특징 및 이점은 본 발명의 특정 실시예에 대한 후술하는 상세한 설명을, 특히 동일한 도면 부호가 동일한 구성 요소를 가리키는 데에 사용되고 있는 첨부 도면을 함께 고려할 때에 명백해 질 것이다.

본 명세서에서 설명하는 가스 제어 및 회수 장치는 광섬유 냉각 시스템과 같은 섬유 냉각 시스템을 위한 냉각 튜브에 결합되도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 광섬유는 인발로에서 연화점까지 가열된 실리카 또는 유리 예비 성형체의 단부로부터 고온 섬유를 인발함으로써 형성된다. 이 고온 섬유는 이어서 섬유가 안내되어 통과하게 되는 냉각 튜브를 포함하는 적절한 긴 열교환기에서 냉각된다. 냉각 튜브는 임의의 적절한 단면 형상(예를 들면, 원형, 정사각형, 직사각형 등)을 가질 수 있고, 그 냉각 튜브를 통해 이동하는 섬유를 충분히 냉각시킬 수 있는 적절한 단면 및 종방향 치수를 가질 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 가스 회수 장치의 구성 요소 및 냉각 튜브는 금속(예를 들면, 스테인레스강), 금속 합금, 적절한 플라스틱 또는 폴리머 재료 및 이들의 조합을 포함하며 이에 한정되지 않는 임의의 적절한 재료로 이루어질 수 있다.

또한, 냉각 튜브 내의 고온 섬유를 냉각시키기 위해 그 섬유와 열교환을 촉 진시키도록 냉각 가스가 냉각 튜브 내에 주입된다. 이 냉각 가스는 냉각 튜브를 통해 섬유가 이동하는 방향과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 주입될 수 있다. 냉각 가스는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 수소, 질소 및 이산화탄소를 포함하며 이들에 한정되지 않는 임의의 적절한 냉각 가스 중 어느 1종 또는 그 조합일 수 있다. 그러나, 특정 실시예에서, 다른 냉각 가스의 조합이 특정 섬유 냉각 용례를 위한 열교환의 최적화를 위해 바람직할 수 있다.

가스 회수 장치는 냉각 튜브로부터 냉각 가스의 적어도 일부 또는 상당 부분을, 가스가 취출될 때에 냉각 튜브 내의 섬유 주위에 발생할 수 있는 난류의 가능성을 방지 또는 최소화하면서 회수할 수 있게 한다. 이러한 가스 회수 장치는 또한 섬유가 냉각 튜브를 통해 이동하면서 냉각될 때에 냉각 튜브의 입구 및 출구에서 공기가 유입되는 것을 최소화 또는 방지한다.

이하에서 설명하는 실시예와 같은 예시적인 실시예에서, 가스 회수 장치는 냉각 튜브의 입구 및/또는 출구를 둘러싸며, 냉각 튜브 내에서 흐르는 가스의 흐름을 모니터 및 제어하도록 구성된 마개 또는 캡으로 마련된다. 다른 실시예에서, 가스 회수 장치는 냉각 튜브의 입구단 또는 출구단에 캡으로서 배치되기보다는 냉각 튜브 내의 하나 이상의 선택된 위치에 마련될 수 있다.

가스 회수 장치는 바람직하게는 냉각 튜브 안으로 들어가 이를 통과해 이동하는 섬유를 위한 내측 유동 통로를 제공하도록 그 장치를 통해 축방향으로 연장하는 중공형 내부, 즉 내부 섬유 유동 통로 또는 채널을 포함한다. 게다가, 가스 회수 장치는 바람직하게는 가스 회수 장치의 내측 섬유 유동 통로 내의 압력을 측정 및 모니터하는 압력 포트와, 그 유동 통로로부터 가스를 선택적으로 취출하는 가스 취출 포트를 포함한다.

가스 회수 장치는 또한 바람직하게는 내측 섬유 유동 통로로부터 가스를, 내측 섬유 유동 통로로부터 분리되어 적어도 그 내측 섬유 유동 통로의 일부를 둘러싸는 환형 플레넘(plenum) 또는 챔버 안으로 방사상 및 실질적으로 균일하면서 주변으로 팽창하는 형태로 취출하도록 구성되어 있다. 내측 섬유 유동 통로의 일부를 둘러싸거나 그 일부에 대해 둘레 방향으로 배향되어 있고 그 유동 통로와 환형 챔버 간에 유체 연통을 형성하는 유동 안정화 오리피스가 제공된다. 장치 내의 내측 섬유 유동 통로에 대한 환형 챔버 및 유동 안정화 오리피스의 그러한 구조는 가스를 취출하는 동안에 유동 통로와 환형 챔버 간에 실질적으로 균일한 압력 강하가 발생하게 한다. 이러한 방식으로 상기 장치에서 가스의 취출은 섬유 주위에서의 난류의 가능성을 현저히 감소시키거나 제거함으로써, 섬유에 대한 진동, 교란, 또는 손상의 가능성을 최소화하거나 방지한다. 따라서, 가스 회수 장치는 헬륨과 같은 냉각 가스의 재사용을 위해 냉각 튜브로부터 그 냉각 가스의 수집 및 회수를 용이하게 한다. 가스 회수 장치는 또한 이 장치 내로 유입될 수 있는 임의의 주위 공기를 취출하여, 섬유의 냉각 중에 냉각 튜브 내에 공기가 존재하는 것을 최소화 또는 방지한다.

가스 회수 장치의 예시적인 실시예가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 이 가스 회수 장치는 예비 성형체로(preform furnace)로부터 하류측의 적절한 위치에 있는 섬유 제조 시스템 내에 배치된 중공형 냉각 튜브(4)의 입구단 또는 출구단의 둘 레에 끼워지는 중공형 하우징(2)을 포함하는 캡으로서 구성되어 있다. 중공형 냉각 튜브(4)는 섬유의 냉각 중에 냉각 튜브 내에서 충분한 섬유 체류 시간이 얻어지도록 임의의 적절한 길이(예를 들면, 약 1m 내지 약 3m의 길이)를 가질 수 있다. 냉각 가스는 냉각 튜브의 길이를 따라 임의의 선택된 위치에서 냉각 튜브 안으로 주입된다. 대안적으로, 냉각 가스는 이 냉각 가스와 함께 섬유가 냉각 튜브 내에서 이동하도록. 냉각 튜브로부터 상류측의 적절한 위치에서 주입할 수 있다.

가스 회수 캡 및 냉각 튜브는 모두 이들 캡 및 튜브의 구성 요소들이 그 축방향 치수를 따라 (예를 들면, 힌지부에 의해) 2개 이상의 섹션으로 분할되는 축방향 분할 또는 "조개 껍질"형 구조를 가질 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 하나 이상의 밀봉 부재(3)(예를 들면, 가스켓)가 바람직하게는 가스 회수 캡의 하우징 및 냉각 튜브의 분할 섹션들 사이에 마련되어, 이들 섹션이 함께 결합될 때에 기밀 밀봉을 유지하게 된다. 이러한 분할 구조는 섬유가 개방, 즉 분할된 가스 회수 캡 및 냉각 튜브를 통해 용이하게 안내될 수 있어, 섬유 성형 처리의 시작시에 섬유가 예비 성형체로부터 권취 스핀들까지 처음으로 인발될 수 있게 한다. 그 후, 캡 및 냉각 튜브는 섬유가 일단 스핀들 상에 권취되면 닫힐 수 있다.

캡 하우징(2)의 제1 단부(6)는 내부 측벽(8)에 의해 형성된 개구 또는 리세스를 구비하며, 내부 측벽은 상기 제1 단부로부터 리세스의 단부벽(9)까지 연장한다. 리세스는 적절하기로는 냉각 튜브(4)의 단부(예를 들면, 입구단 또는 출구단)를 수용하여 그 단부에 맞물릴 수 있는 치수로 되어 있다. 캡 하우징의 제1 단부는 냉각 튜브 단부를 리세스의 측벽(8)에 고정하기 위해 리세스에서 캡 하우징을 가로로 통과해 연장하는 하나 이상의 적절한 체결구(7)(예를 들면, 장착 나사)에 의해 냉각 튜브에 고정된다. 캡 하우징은 그러한 연결에서 기밀 밀봉이 얻어지게 적절한 방식으로 냉각 튜브에 고정된다. 선택적으로, 가스켓 또는 기타 적절한 밀봉 부재가 기밀 밀봉을 보장하도록 캡 하우징의 제1 단부에 제공되어, 작동 중에 캡과 냉각 튜브 사이에 유지될 수 있게 한다.

캡 하우징(2)의 리세스는 제1 단부(6)에서부터, 리세스의 단면 치수보다 작은 단면 치수(예를 들면, 직경)의 공동(10)까지 연장한다. 이 공동(10)은 리세스 단부벽(9)으로부터 하우징의 제2 단부(14)를 향해 연장하는 측벽(12)에 의해 형성된다. 하우징(2)의 제2 단부(14)는 공동(10)과 연통하는 개구 또는 섬유 오리피스(15)를 포함한다. 이 섬유 오리피스(15)는 공동(10)의 횡방향 단면 치수(예를 들면, 직경)보다 훨씬 작은 치수를 갖는다. 게다가, 캡 하우징의 섬유 오리피스(15), 공동(10) 및 리세스는 모두, 중심, 즉 축선을 제공함은 물론, 냉각 튜브(4) 내에서 형성되어 이 냉각 튜브를 통해 연장하는 섬유 유동 통로(16)에 대응하여 캡을 통과해 연장하는 거의 선형 경로를 제공하기에 적절한 치수로 이루어져 서로 정렬되었다.

환형 부재, 즉 링(20)이 하우징(2)의 공동(10) 내에 제공된다. 이 링(20)은 적합하기로는 공동의 벽(12)과 맞물리는 외주 벽부를 갖는 치수로 되어 있다. 링의 내경에 의해 형성되는 링(20)을 통과하는 통로는 냉각 튜브의 섬유 유동 통로와 정렬되어 유체 연통하는 내측 섬유 유동 통로 또는 채널[도 1에서 점선(17)으로 나타냄]을 형성한다.

링은 제1 단부면이 단부벽(9)과 대체로 동일 평면을 이룬 상태로 공동의 벽(12)을 따라 위치한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 링(20)은 그 제1 단부면이 냉각 튜브가 캡의 제1 단부에 고정될 때에 냉각 튜브(4)의 단부에 인접하도록 하우징(2) 내에 고정될 수 있다. 선택적으로, 밀봉 부재(예를 들면, 가스켓)가 링의 제1 단부면과 냉각 튜브의 단부 사이의 계면에 제공되어, 결합부에서 기밀 밀봉이 보장되게 한다. 링(20)은 하우징 및 링의 부분을 가로로 통과해 연장하는 적절한 체결구(21)(예를 들면, 나사)에 의해 캡 하우징(2) 내에 고정된다.

링(20)은 캡 하우징의 제2 단부(14)의 내벽면에 근접한 제2 단부면을 향해 연장하여 그 제2 단부면에서 종결됨으로써, 링의 제2 단부면과 제2 단부(14)의 내벽면 사이에 약간의 간극이 형성된다. 링(20)은 제2 단부에서 링의 벽 두께가 감소되어 제1 단부에서의 링의 벽두께보다 현저히 작도록, 링의 제2 단부면에서부터 공동의 벽(12)과 맞물리는 링의 외주 벽부로 연장하는, 환형으로 제거된 부분, 즉 두께 감소부를 포함한다. 따라서, 하우징의 공동 벽(12) 부분과 링(20)의 벽두께 감소부 사이에는 환형 챔버(22)가 형성된다.

링(20)의 제2 단부와 하우징의 제1 단부의 내벽면 사이의 간극은 환형 챔버(22)와 유체 연통하여, 환형 형상의 유동 안정화 오리피스(24)를 형성한다. 유동 안정화 오리피스(24)는 하우징(2) 내에서 축방향으로 연장하는 내측 섬유 유동 통로 또는 채널(17)의 일부를 둘러싸거나, 그 주위에 둘레 방향으로 배향되어, 가스가 섬유 유동 통로에서부터 링과 캡 하우징 사이에 형성된 환형 챔버로 흐를 수 있게 한다.

가스 회수 캡은 또한 환형 챔버(22)와 유체 연통하도록 적절한 위치에서 하우징(2)을 가로로 통과해 연장하는 가스 취출 채널 또는 포트(25)를 더 포함한다. 이 포트(25)는 시스템의 작동 중에 공동(10) 및 환형 챔버(22)로부터 가스를 취출할 수 있도록 적절한 유동 배관(26)에 연결된다. 하나 이상의 밸브가 포트(25) 및/또는 유동 배관(26) 내에 마련되어, 포트를 통한 가스 흐름을 선택적으로 제어할 수 있게 한다. 또한, 적절한 압력 제어 장치(예를 들면, 펌프 또는 블로어)가 밸브에 대한 대안으로 혹은 그 밸브와 조합하여 유동 배관(26) 내에 마련되어, 유동 배관 내에 진공을 조성함으로써 캡으로부터의 가스의 취출을 선택적으로 제어할 수 있게 한다. 또한, 하나 이상의 압력, 유속 및/또는 농도 센서가 작동 중에 캡으로부터 제거되는 가스의 흐름(및 그러한 가스 내의 공기의 양)을 모니터하도록 포트(25) 및/또는 배관(26) 내에 마련될 수 있다.

또한, 작동 중에 공동(10) 및 섬유 유동 통로 내의 압력을 모니터하도록 압력 센서 포트(28)가 가스 회수 캡에 마련된다. 포트(28)는 캡 하우징(2) 및 링(20)을 가로로 통과해 연장하여, 캡 하우징 내의 내측 섬유 유동 통로(17)와 유체 연통하게 된다. 포트(28)(또는, 이 포트에 연결된 유체 유동 배관) 내에는 적절한 압력 센서가 마련되어, 작동 중에, 섬유 유동 통로 내의 압력 및 섬유 유동 통로와 가스 회수 캡 외부의 주위 환경 간의 압력차 중 적어도 하나를 측정 및 모니터한다. 예를 들면, 압력 센서 포트는 섬유 오리피스(15)에서 압력차를 모니터하도록 구성될 수 있다. 압력에서의 어떤 변화는 가스 회수 포트(24)를 수동 또는 자동적으로 제어(예를 들면, 하나 이상의 밸브 및/또는 진공원의 작동의 제어를 통 해)하여, 섬유 유동 통로로부터 추출되는 가스의 양을 조절하도록 작업자 또는 선택적으로는 제어기에 통지될 수 있다.

섬유 오리피스(15), 유동 안정화 오리피스(24), 환형 챔버(22), 캡(2) 내의 섬유 유동 통로 및 냉각 튜브(4) 내의 섬유 유동 통로(16)는 각각 냉각 가스가 섬유 유동 통로를 통해 대체로 층류 유동을 하게 할 뿐만 아니라, 그 가스가 내측 섬유 유동 통로(17)에서부터 캡 하우징 내의 환형 챔버(22)로 방사상으로 대체로 균일하게 취출될 수 있게 한다. 캡에서의 섬유 오리피스(15)의 치수는 냉각 튜브(14) 내의 유동 통로(16)의 횡단면 치수에 기초하여 선택된다. 바람직하게는, 섬유 오리피스(15)의 최대 횡단면 치수(예를 들면, 직경)는 냉각 튜브(4) 내의 섬유 유동 통로(16)의 횡단면 치수 이하이다. 게다가, 유동 안정화 오리피스(24)는 바람직하게는 작동 중에 그 오리피스(24) 양단에서의 압력 강하 또는 압력차가 섬유 오리피스(15) 양단에서의 압력차보다 작게 되는 것을 보장하는 치수로 되는 것이 적합하다. 이로 인해, 유동 통로(17)에서부터 환형 챔버(22)로 가스를 (예를 들면, 가스 회수 포트(25)에 의한 회수를 위해) 균일하게 방사상으로 취출하는 것이 보장된다.

가스 회수 캡(2) 내의 내측 섬유 유동 통로(17)의 횡단면 치수[링(20)의 내경 치수에 의해 정해짐]는 그 영역 내에서 가스의 층류 유동이 유지되도록 선택된다. 특히, 가스 회수 캡의 섬유 오리피스 및 냉각 튜브의 섬유 유동 통로 각각의 횡단면 치수보다 큰 횡단면 치수[링(20)의 내경]를 갖는 가스 회수 캡의 내측 섬유 유동 통로를 제공하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 링, 섬유 오리피스 및 냉각 튜브의 섬유 유동 통로의 치수는 캡의 내측 섬유 유동 통로의 횡단면 치수(즉, 캡 하우징 링의 내경)가 섬유 오리피스의 치수 및 냉각 튜브의 섬유 유동 통로의 횡단면 치수의 적어도 2배가 되도록 선택될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 섬유 회수 캡의 구성 요소 및 냉각 튜브는 적절하게는 캡의 섬유 오리피스는 약 6 ㎜의 직경을 가지며, 캡 하우징의 링은 약 15 ㎜의 내경을 가지며, 냉각 튜브의 섬유 유동 통로는 약 7㎜의 직경을 갖도록 치수가 정해진다.

작동시에, 가스 회수 캡의 하우징(2)은 섬유 냉각 튜브(4)의 단부에 고정된다. 섬유 회수 캡은 냉각 튜브의 입구단 또는 출구단에 고정될 수 있다. 선택적으로, 가스 회수 캡은 냉각 튜브의 입구단 및 출구단 모두에 고정될 수 있다. 예를 들면, 가스 회수 캡은 냉각 튜브의 입구단에 고정되어, 하우징을 통과해 냉각 튜브 안으로 이동하는 섬유와 함께 하우징 안으로 유입될 수 있는 공기의 흐름을 제어 및 제거할 수 있다. 가스 회수 캡은 또한 냉각 튜브의 출구단에 고정되어, 냉각 튜브 내에서 섬유의 냉각에 사용된 냉각 가스를 제거 및 회수할 수 있다. 냉각 튜브의 출구단에서, 가스 회수 캡은 또한 출구단을 통해 유입될 수 있는 임의의 공기를 취출하는 데에도 사용될 수 있다.

압력 센서 포트(28)는 내측 섬유 유동 통로의 압력 및/또는 섬유 오리피스(15)에서의 압력차를 모니터링할 수 있게 한다. 이러한 압력 또는 압력차는 수동(예를 들면, 작업자에 의해) 또는 자동적(제어기를 통해)으로 모니터되어, 가스 취출 포트(25) 및 유동 배관(26)으로 취출되는 가스의 양을 전술한 바와 같이 밸브 및/또는 압력 제어 장치의 작동을 조절하여, 적절히(수동 또는 자동적으로) 제어된다. 하우징(2)의 내측 유동 통로 내의 가스는 유동 안정화 오리피스(24)에서, 환형 챔버(22) 및 포트(25)를 지나 유동 배관(26)을 통해 취출된다.

가스 회수 캡이 (예를 들면, 냉각 튜브의 입구단 및/또는 출구단에서) 냉각 가스의 회수는 필요치 않은 상태로 작동되는 경우, 캡의 내측 섬유 유동 통로 내의 압력은 냉각 튜브를 둘러싸는 주위 압력(예를 들면, 대기압)보다 약간 클 수 있다. 이는 공기가 냉각 튜브 안으로 유입되는 것을 최소화하거나 실질적으로 방지할 것이다. 냉각 가스의 회수가 (예를 들면, 냉각 튜브의 출구단에서) 요구되는 경우, 가스 회수 캡의 내측 섬유 유동 통로 내의 압력을 캡 및 냉각 튜브를 둘러싸는 주위 압력과 대략 동일한 압력이거나 약간 작은 압력으로 유지하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 가스 회수 캡 및 냉각 튜브 내의 압력은 작동 중에 가스 취출 포트 또는 유동 배관 내에 배치된 하나 이상의 밸브 및/또는 압력 제어 장치를 통해 조절되어, 캡 하우징 내에 기껏해야 약 0.025 ㎪의 부압 또는 진공(즉, 주위 압력과 캡 하우징 내부의 압력 간의 차)이 존재하게 된다.

가스 회수 캡의 섬유 유동 통로, 유동 안정화 오리피스 및 섬유 오리피스의 적절한 치수의 선정과 함께 환형 챔버(22)의 구조는 내측 섬유 유동 통로(17)에서부터 유동 안정화 오리피스(24)를 거쳐 환형 챔버로 가스를, 방사상으로 대체로 주변으로 팽창하는 형태로 대체로 균일하게 취출할 수 있게 한다. 이 때, 환형 챔버(22) 내의 가스는 포트(25)를 통해 유동 배관(26)으로 취출된다. 그와 같이 내측 섬유 유동 통로 내에 배치된 섬유로부터 멀어지게 가스를 균일하게 취출하면, 가스 흐름에 있어서의 발생될 수 있는 어떠한 잠재적인 난류 효과를 감소 또는 제거하여, 섬유에 바람직하지 않은 진동 및 손상이 발생할 가능성을 최소화한다.

가스 회수 캡의 구조는 임의의 다양한 방식으로 수정될 수 있고, 도 1 및 도 2에 도시한 전술한 실시예에 한정되지는 않는다. 예를 들면, 캡 하우징(2) 내에서 링(20)의 배향은 도 3에 도시한 캡의 다른 실시예에서 나타낸 바와 같이 180°만큼 회전할 수 있다. 다시 말해, 도 3의 가스 회수 캡은 환형 챔버(22) 및 유동 안정화 오리피스(24)가 하우징의 제2 단부(14)보다는 하우징의 제1 단부(6)에 근접하여 위치하도록 구성된다. 또한, 이 실시예에서, 가스 취출 포트(25)는 환형 챔버(22)와 정렬되어 이와 유체 연통하도록 하우징(2')을 따라 적절히 배치된다. 환형 형상의 유동 안정화 오리피스(24) 또한 환형 챔버와 유체 연통하도록 냉각 튜브 단부에 근접하여 배치된다. 도 3의 가스 회수 캡은 도 1 및 도 2에 도시한 전술한 캡과 유사한 방식으로 작동하여, 섬유가 캡 내에서 따라 이동하게 되는 내측 섬유 유동 통로의 중앙부로부터 대체로 균일한 방사상으로 가스가 취출된다.

가스 회수 캡의 다른 실시예가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 캡 하우징(30)은 도 1 및 도 2의 캡 하우징과 실질적으로 유사한 구조를 갖는 것으로써, 냉각 튜브(4)의 입구단 또는 출구단과 맞물리는 리세스를 갖는 제1 단부(6)와, 섬유 오리피스(15)를 갖는 제2 단부(14)를 포함한다. 링(40)은 하우징의 공동(10) 내에 배치되며, 링의 외주 벽부가 하우징의 공동 벽과 맞물리기에 적절한 치수로 되어 있다. 링은 상기한 실시예에 대해 설명한 바와 유사한 방식으로 냉각 튜브의 단부와 맞물리도록 리세스의 단부벽(9) 근방에 배치되는 제1 단부를 포함한 다. 하우징(30)을 가로로 통과해 링(40) 안으로 연장하는 체결구(21)는 링을 하우징 내에서 제위치에 유지한다. 링(40)의 내경은 또한 작동 중에 섬유가 통과해 이동하게 될 내측 섬유 유동 통로(17)를 형성한다. 캡 내의 섬유 유동 통로, 캡의 섬유 오리피스, 냉각 튜브의 섬유 유동 통로의 치수는 상기한 실시예에서 설명한 것과 유사하다.

링(40)의 제2 단부는 하우징의 제2 단부(14)로부터 선택된 거리에서 종결되어, 링의 제2 단부와 하우징의 제2 단부(14)의 내면 사이에 간극이 남게 된다. 압력 센서 포트(28)는 링과 하우징의 제2 단부 사이의 간극에 대응하는 위치에서 하우징(40)을 가로로 통과해 연장하여, 캡 하우징 내의 공동(10) 및 내측 섬유 유동 통로(17)와 유체 연통하게 된다. 전술한 실시예에서와 같이, 적절한 압력 센서가 포트 내에 마련되어, 작동 중에 섬유 유동 통로 내의 압력 및 섬유 오리피스에서의 압력차 중 적어도 하나를 측정 및 모니터한다.

링(40)은 이 링의 제1 단부면과 제2 단부면 각각에까지 완전하게 연장하지는 않고 이들 제1 단부면과 제2 단부면 사이에 형성된 환형 제거부, 즉 두께 감소부를 포함한다. 따라서, 환형 챔버(42)가 링(20)의 제1 단부와 제2 단부 사이에 위치한 벽두께 감소부와 하우징의 공동 벽(12) 부분의 사이에 형성된다. 게다가, 링의 제2 단부는 링의 제1 단부의 외경보다 약간 작은 외경을 가져, 링의 제2 단부와 하우징(2)의 공동 벽(12) 사이에 약간의 공간 또는 간극이 존재하게 된다. 이러한 간극은 링의 제2 단부에서 환형 챔버(42)와 내측 섬유 유동 통로(17) 간에 유체 연통을 제공하는 환형 유동 안정화 오리피스(44)를 형성한다.

가스 취출 포트(25)는 이 포트(25)가 환형 챔버(42)와 유체 연통하도록 환형 챔버(42)에 대응하는 위치에서 하우징(30)을 가로로 통과해 연장한다. 가스 취출 포트는 도 1 및 도 2에 도시한 전술한 가스 취출 포트와 실질적으로 유사한 것으로써, 그 포트는 시스템의 작동 중에 공동(10) 및 환형 챔버(42)로부터 가스를 취출할 수 있도록 적절한 유동 배관(26)에 연결된다. 상기한 실시예에서와 같이, 하나 이상의 밸브가 포트(25) 및/또는 유동 배관(26) 내에 마련되어, 포트를 통한 가스 흐름을 선택적으로 제어할 수 있게 한다. 또한, 적절한 압력 제어 장치(예를 들면, 펌프 또는 블로어)가 밸브에 대한 대안으로 혹은 그 밸브와 조합하여 유동 배관(26) 내에 마련되어, 유동 배관 내에 진공을 조성함으로써 캡으로부터의 가스의 취출을 선택적으로 제어할 수 있게 한다. 또한, 하나 이상의 압력, 유속 및/또는 농도 센서가 작동 중에 캡으로부터 제거되는 가스의 흐름(및 그러한 가스 내의 공기의 양)을 모니터하도록 포트(25) 및/또는 배관(26) 내에 마련될 수 있다.

도 4 및 도 5의 가스 회수 캡은 상기한 실시예와 유사한 방식으로 작동하는 것으로써, 가스가 하우징(30) 내의 내측 섬유 유동 통로에서부터 유동 안정화 오리피스(44)를 거쳐 가스 취출 포트(25) 및 유동 배관(26) 안으로 방사상으로 주변으로 팽창하면서 대체로 균일한 형태로 취출된다. 게다가, 섬유 오리피스(15)에서의 압력 차[즉, 하우징(30) 내의 내측 섬유 유동 통로(17)에서의 압력과 하우징을 둘러싸는 주위 압력 간의 차]는 시스템의 작동 중에 하우징 내에 진공 또는 약간의 부압을 생성하여 냉각 가스 및/또는 공기를 가스 취출 포트(25) 안으로 흡인하도록 선택적으로 조정 및 제어될 수 있다.

도 4 및 도 5의 가스 회수 캡의 링은 유동 안정화 오리피스를 기상 유체가 내측 섬유 유동 통로에서부터 환형 챔버로 흐르도록 통과할 수 있는 맴브레인으로 대체하도록 수정될 수 있다. 도 6을 참조하면, 하우징(30)은, 링의 제2 단부가 링의 제1 단부의 외경과 동일한 외경을 갖고 있다는 점(이에 따라, 링의 제2 단부와 하우징의 공동 벽 사이의 간극 또는 유동 안정화 오리피스가 제거됨)을 제외하면 상기한 실시예에서 설명한 링과 구조가 유사한 링(40')을 포함한다.

또한, 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장하여 링(40')의 내경부의 대부분을 형성하는 벽 두께가 얇은 부분은 다공성 맴브레인 재료(45)로 형성된다. 이 다공성 맴브레인 재료는 그 형상이 환형으로써, 하우징 내에 배치된 내측 섬유 유동 통로의 일부를 둘러싸거나 그 둘레에 둘레 방향으로 배향된다. 다공성 맴브레인 재료(45)는 냉각 가스 및 공기가 하우징(30) 내의 내측 섬유 유동 통로에서부터 맴브레인 재료(45)를 거쳐 환형 챔버(42)로 흐를 수 있게 하기에 적절한 다공도를 갖는다. 다공성 재료는 금속 메쉬 재료이거나 가스가 용이하게 통과해 흐를 수 있는 임의의 기타 적절한 다공성 재료(예를 들면, 다공성 폴리머)일 수 있다.

도 6의 가스 회수 캡의 작동은 상기한 실시예의 것과 유사한 것으로써, 가스가 하우징(30) 내의 내측 섬유 유동 통로(17)에서부터 맴브레인(45)을 거쳐 가스 취출 포트(25) 및 유동 배관(26) 안으로 방사상으로 주변으로 팽창하면서 대체로 균일한 형태로 취출된다. 따라서, 환형 형상 맴브레인은 상기한 실시예와 마찬가지로 내측 섬유 유동 통로와 환형 챔버 사이에서 가스의 흐름을 안정화시켜, 캡으로부터 가스를 취출하는 중에 바람직하지 않은 난류 및 섬유에 대한 잠재적인 손상 을 최소화 또는 방지하게 된다.

상기한 실시예에서는 냉각 튜브의 입구단 또는 출구단에 고정되어 있거나 고정될 수 있는 캡 또는 부재에 대해 설명하였더라도, 가스 회수 장치는 그러한 캡 형태의 실시예에 한정되지 않는다. 오히려, 가스 회수 장치는 냉각 튜브 내에(예를 들면, 냉각 튜브의 입구단과 출구단 사이의 선택된 위치에) 배치될 수도 있다.

게다가, 특정 용례에서, 가스 취출 포트는 부압 또는 흡인력보다는 정압을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 가스 회수 장치가 냉각 튜브의 입구단 및/또는 출구단 근방에 설치되는 용례의 경우, 어떠한 공기가 냉각 튜브로 유입되는 것을 방지하도록 주위 압력보다 약간 높은 압력을 장치에 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 압력이 유동 안정화 오리피스를 통해 내측 섬유 유동 통로 내에 균일하게 둘레 방향으로 가해지면, 그 장치를 통해 이동하는 섬유 주위에 난류의 생성이나 그 섬유에 대한 교란을 실질적으로 최소화 또는 방지하게 된다.

또한, 상기 장치는 환형 형상의 유동 안정화 오리피스(또는 다공성 맴브레인) 및 환형 챔버에 한정되지는 않는다. 오히려, 상기 장치 내에는 내측 섬유 유동 통로와 이 유동 통로를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하나 이상의 챔버 간에 유체 연통을 제공하는 하나 이상의 오리피스(또는 맴브레인)가 마련되어, 유동 통로에서부터 챔버로의 가스를 대체로 균일한 방사상 취출을 촉진시킨다. 예를 들면, 상기 장치 내에는 복수 개의 별개의 다른 챔버가 장치 내에 형성되어, 내측 섬유 유동 통로를 적어도 부분적으로 둘러싸며, 또한 역시 유동 통로를 적어도 부분적으 로 둘러싸도록 정렬된 복수 개의 오리피스(또는 다공성 맴브레인)를 통해 내측 섬유 유동 통로와 연통하게 된다.

섬유 냉각 시스템에서 냉각 가스를 회수하는 장치 및 그 방법에 대해 설명하였지만, 다른 수정, 변형 및 변경이 본 명세서의 교시를 고려하여 당업자들에 의해 제안될 수 있는 것으로 여겨진다. 따라서, 그러한 모든 수정, 변형 및 변경은 첨부된 청구의 범위에 의해 정해지는 보호 범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 섬유 냉각 시스템용 가스 제어 장치는 섬유 냉각 시스템 내에서 사용된 냉각 가스를 효과적으로 회수하고, 또한 냉각 시스템 안으로 공기가 유입되는 것뿐만 아니라 그 냉각 시스템 내에서 가스의 난류 유동 조건이 발생하는 것을 최소화하거나 방지할 수 있다.

Claims

섬유 냉각 시스템용 가스 제어 장치로서,

상기 가스 제어 장치의 종방향으로 연장하여 그 장치를 통한 섬유의 이동을 용이하게 하는 내측 섬유 유동 통로와,

상기 내측 섬유 유동 통로와 분리되어 그 내측 섬유 유동 통로를 적어도 부분적으로 둘러싸는 챔버와,

상기 내측 섬유 유동 통로와 상기 챔버 사이에 가스의 흐름을 촉진 및 제어하는 유동 안정화 영역과,

상기 가스 제어 장치를 통해 섬유가 이동하는 동안에, 상기 내측 섬유 유동 통로로부터 상기 챔버로 가스를 취출하고, 이 취출된 가스를 챔버 및 가스 제어 장치로부터 제거할 수 있도록 상기 챔버와 유체 연통 상태에 있는 가스 유동 포트

를 포함하는 가스 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 가스 제어 장치의 내측 섬유 유동 통로와 냉각 튜브 내의 유동 통로 간에 상기 섬유가 이동할 수 있도록 상기 냉각 튜브의 단부에 고정될 수 있는 것인 가스 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 챔버는 상기 내측 섬유 유동 통로의 적어도 일부를 둘러싸는 환형 형상의 챔버를 포함하는 것인 가스 제어 장치.
제3항에 있어서, 상기 유동 안정화 영역은 환형 형상으로써, 가스를 상기 내측 섬유 유동 통로에서부터 환형 형상의 상기 챔버로 주변으로 팽창하는 방향으로 취출할 수 있도록 상기 환형 형상의 챔버와 상기 내측 섬유 유동 통로 간에 유체 연통을 제공하는 것인 가스 제어 장치.
제4항에 있어서, 상기 유동 안정화 영역은 환형 형상 오리피스를 포함하는 것인 가스 제어 장치.
제4항에 있어서, 상기 유동 안정화 영역은 가스가 통과해 흐를 수 있기에 적합한 다공도를 갖는 환형 형상 재료인 것인 가스 제어 장치.
제4항에 있어서, 내부에 공동이 배치되어 있는 하우징과, 이 하우징의 공동 내에 배치되는 링을 더 포함하며, 환형 부재의 내경이 상기 내측 섬유 유동 통로의 적어도 일부를 획정하며, 상기 환형 형상의 챔버는 상기 링의 외주 벽부와 상기 하우징의 내벽면 사이에 형성되는 것인 가스 제어 장치.
제7항에 있어서, 상기 가스 제어 장치는 그 가스 제어 장치의 내측 섬유 유동 통로와 냉각 튜브 내의 유동 통로 간에 상기 섬유가 이동할 수 있도록 냉각 튜브의 단부에 고정될 수 있고, 상기 섬유가 통과할 수 있도록 상기 가스 제어 장치 의 단부에 배치된 오리피스를 더 포함하는 것인 가스 제어 장치.
제8항에 있어서, 상기 가스 제어 장치의 섬유 오리피스의 직경은 상기 냉각 튜브 내의 유동 통로의 횡단면 치수 이하이며, 상기 가스 제어 장치의 내측 섬유 유동 통로는 상기 냉각 튜브 내의 유동 통로보다 큰 것인 가스 제어 장치.
제7항에 있어서, 상기 하우징 및 상기 링은 각각 상기 가스 제어 장치를 개방하여 그 가스 제어 장치의 내측 섬유 유동 통로 안에 처음으로 섬유를 공급하는 것을 용이하게 하도록 적어도 2개의 서브섹션으로 분리될 수 있는 것인 가스 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 내측 섬유 유동 통로와 유체 연통하고, 상기 내측 섬유 유동 통로 내의 압력의 측정을 용이하게 하도록 구성된 압력 센서 포트를 더 포함하는 것인 가스 제어 장치.
섬유 냉각 시스템에서 섬유를 냉각시키고 그 섬유 주위의 가스 흐름을 제어하는 방법으로서,

냉각 튜브의 섬유 유동 통로를 통해 섬유를 이동시키는 단계와,

상기 냉각 튜브 내에서 섬유의 냉각을 촉진시키도록 상기 냉각 튜브의 섬유 유동 통로 안으로 냉각 가스를 유입하는 단계와,

이동하는 섬유 근방의 가스를 가스 제어 장치에 의해 선택적으로 취출하는 단계

를 포함하며, 상기 가스 제어 장치는 상기 냉각 튜브의 섬유 유동 통로와 연통하여 상기 이동하는 섬유를 받아들이는 내측 섬유 유동 통로와, 이 내측 섬유 유동 통로로부터 분리되어 적어도 부분적으로 그 내측 섬유 유동 통로를 둘러싸는 챔버와, 이 챔버와 내측 섬유 유동 통로 사이의 가스 흐름을 촉진 및 용이하게 하는 유동 안정화 영역과, 상기 챔버와 유채 연통 상태에 있는 가스 유동 포트를 포함하며, 가스는 상기 가스 제어 장치의 내부 섬유 유동 통로로부터 상기 유동 안정화 영역을 거쳐 챔버로 취출되며, 이 취출된 가스는 상기 챔버에서부터 상기 가스 유동 포트로 제거되는 것인 방법.
제12항에 있어서, 상기 가스 제어 장치는 상기 냉각 튜브의 입구단 또는 출구단에 고정되는 캡을 포함하는 것인 방법.
제12항에 있어서, 상기 챔버는 상기 가스 제어 장치의 내측 섬유 유동 통로의 적어도 일부를 둘러싸는 환형 형상의 챔버를 포함하며, 상기 유동 안정화 영역은 환형 형상으로써, 상기 환형 형상의 챔버와 상기 가스 제어 장치의 내측 섬유 유동 통로 간을 유체 연통시켜, 상기 이동하는 섬유 근방의 가스가 상기 내측 섬유 유동 통로에서부터 상기 가스 제어 장치의 환형 형상의 챔버로 주변으로 팽창하는 방향으로 취출되도록 하는 것인 방법.
제14항에 있어서, 상기 유동 안정화 영역은 환형 형상의 오리피스와, 가스가 통과해 흐를 수 있기에 적합한 다공도를 갖는 환형 형상 재료 중 하나인 것인 방법.
제14항에 있어서, 상기 가스 제어 장치는 내부에 공동이 배치되어 있는 하우징과, 이 하우징의 공동 내에 배치되는 링을 더 포함하며, 환형 부재의 내경이 상기 내측 섬유 유동 통로의 적어도 일부를 획정하며, 상기 환형 형상의 챔버는 상기 링의 외주 벽부와 상기 하우징의 내벽면 사이에 형성되는 것인 방법.
제12항에 있어서, 상기 가스 제어 장치의 내측 섬유 유동 통로의 압력을 측정하는 단계와,

측정된 압력에 기초하여 상기 내측 섬유 유동 통로에서부터 상기 가스 제어 장치의 챔버로 취출되는 가스의 양을 조절하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
제12항에 있어서, 상기 섬유 근방에서 취출되는 가스는 헬륨 및 공기 중 적어도 어느 1종인 것인 방법.
제12항에 있어서, 상기 냉각 튜브와 상기 가스 제어 장치는 각각 적어도 2개의 서브섹션으로 분리될 수 있으며,

상기 냉각 튜브 및 상기 가스 제어 장치 각각의 안으로 섬유의 공급을 용이하게 하도록 상기 냉각 튜브와 상기 가스 제어 장치를 각각 서브섹션으로 분리하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
섬유 냉각 시스템용 가스 제어 장치로서,

상기 가스 제어 장치를 통한 섬유의 이동을 용이하게 하는 내측 섬유 유동 통로와,

상기 내측 섬유 유동 통로를 적어도 부분적으로 둘러싸서, 상기 내측 섬유 유동 통로로부터 가스를 둘레 방향으로 팽창하는 방향으로 취출하는 가스 취출 수단과,

상기 가스 취출 수단에 의해 취출된 가스를 상기 가스 제어 장치로부터 제거하는 제거 수단

을 포함하는 가스 제어 장치.