KR950010808B1 - 광 도파관 섬유 제조용 가열 오븐 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

광 도파관 섬유 제조용 가열 오븐

제 1 도는 본 발명에 따라 구성된 가열 오븐 및 처리를 위해 그 오븐내로 다공성 유리 예비성형체를 도입시키기 위한 부설 장치의 투시도.

제 2 도는 제 1 도에 도시된 가열 오븐의 정밀 투시도.

제 3 도는 제 1 도에 도시된 가열 오븐 및 부설 장치의 측면도.

제 4 도는 제 1 도에 도시된 가열 오븐 및 부설 장치의 정면도.

제 5 도는 제 1 도에 도시된 가열 오븐의 단면도.

제 6 도는 제 1 도에 도시된 오븐을 통과하는 처리용 기체 및 정화용 기체의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면.

제 7 도는 제 5 도의 선 7-7의 단면도.

제 8 도는 제 1 도에 도시된 오븐의 상부 구조물의 부분 정밀 단면도.

제 9 도는 제 1 도에 도시된 오븐의 하부 구조물의 부분 정밀 단면도.

제10도는 제 4 도의 선 10-10의 단면도.

제11도는 제10도의 측면도.

제12도 내지 제15도는 제 1 도에 도시된 오븐의 서스셉터(susceptor)에 사용된 절연재를 조립하는 기술을 나타내는 도면.

제16도는 OVD방법에 의해 제조한 다공성 유리 예비성형체를 건조 및 소결 시키는데 본 발명의 오븐을 사용하는 방법을 개략적으로 나타내는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 가열 오븐 12 : 하강이송 타워

14 : 다공성 유리 예비성형체 16, 18 : 지지 구조물

22 : 체임버 24 : 머플

26 : 서스셉터 28 : 내부 절연체

30 : 외부 절연체 38 : 유도 가열 코일

40 : 슬롯 42, 44 : 고온도계

54, 56 : 단부 가열기

본 발명은 광 도파관 섬유를 제조하는데 사용하는 개량된 가열 오븐에 관한 것이다.

광 도파관 섬유를 제조하는 통상의 여러가지 기술은 약 1,000℃ 내지 약 1,500℃ 범위의 온도를 발생시킬 수 있는 가열 오븐을 사용하고 있다.

일례로, 외부 증착법(OVD)으로, 수우트 블랭크(soot blank)로도 불리우는 다공성 유리 예비성형체를 성형한뒤에 그 예비성형체를 가열 오븐에 장입하여 건조시키고 광 도파관 섬유로 인발(drawing)하기에 적합한 투명한 유리블랭크로 강화시킨다. 이때의 건조는 예비성형체를 헬륨과 염소의 혼합기체와 같은 1종 이상의 건성 기체의 존재하에서 약 1,100℃의 온도로 가열하는 것에 의해 이루어지며, 강화는 상기 건조된 예비성형체를 그의 소결온도 이상, 예컨대 1,450℃ 정도의 온도로 가열하는 것에 의해 이루어진다.

종래, 건조 및 강화용으로 사용되던 가열 오븐은 "고온 영역"을 고정시키고, 이에 따라 블랭크가 이동하도록 되어 있었다. 더욱 구체적으로, 종래의 오븐은 약 3m의 길이와 약 12.7cm의 내경을 가지는 원통형머플(muffle), 일례로 알루미나 머플을 구비하고 있는데, 이 머플의 외부는 열소실을 최소화하도록 예를들면 알루미나 절연체로 절연되어 있다. 머플의 중앙부 주위에는 저항 가열 부재와 같은 가열 부재가 설치되어, 중앙에 약 26cm의 길이를 갖는 고온 영역이 형성되며, 이 고온 영역의 양측중 한쪽은 약 84 내지 99c의 길이를 가지는 냉각기 단부 영역으로 둘러싸여 있다.

건조는 수우트 예비성형체를 머플의 상부내로 장입시키고 건성 기체를 머플내로 주입시킴으로써 오븐내에서 수행되는데, 몇몇 경우에는 건조 공정중에 수우트 블랭크가 그의 종축을 중심으로 회전한다. 통상, 수우트 블랭크는 강화에 앞서 약 3 내지 4분간 머플 상부에서 유지된다.

강화는 고온 영역의 온도를 약 1,500℃로 유지시키면서 수우트 블랭크를 그 고온 영역내로 약 5mm/분의 속도로 하강시킴으로써 상기한 오븐내에서 수행하는데 이러한 강화 공정중에 수우트 블랭크는 필요에 따라 회전시킬 수도 또는 회전시키지 않을 수도 있다.

이러한 종래의 가열 오븐은 여러가지의 단점을 가지고 있는데, 그중에서도 가장 문제가 되는 것은 종래의 오븐이 짧은 길이의 블랭크, 예컨대 약 75cm 정도의 길이를 갖는 블랭크를 사용하는 경우에만 실용성이 있다는 것이다.

종래 오븐의 경우 중앙 고온 영역과 냉각기 단부 영역 모두를 수용하기 위해서는, 오븐 머플이 오븐내에서 처리할 블랭크의 최대 길이의 약 3 내지 4배 정도의 길이를 가져야만 한다. 따라서 75cm의 블랭크를 처리하기 위해서는 3m의 길이를 갖는 머플이 필요하게 된다. 그러나, 길이가 1.8m를 초과하는 머플 부재를 양산한다는 것은 불가능하기 때문에, 3m의 머플은 통상 두개의 머플 부재를 서로 연결하여 제작하여 왔으며, 이때 연결부는 그후 1,100℃ 이하의 온도에 노출되도록 즉 고온 영역의 외부에 유지시켜 왔다.

전술한 75cm의 블랭크와는 달리, 2m 블랭크의 경우는 약 6m 정도의 길이를 갖는 머플을 필요로 한다. 6m의 머플도 3개의 이상의 머플 부재를 서로 연결시켜 제작할 수는 있지만, 특히 처리용 기체를 머플내에 유지시키기 위해 연결부를 밀봉해야 한다는 점에서 머플 부재의 연결 및 배열 과정의 수행에 어려움이 있다. 또한 블랭크를 건조 및 강화시키는데 필요한 처리용 기체 및 높은 온도의 영향 때문에 둘 이상의 연결부에서 머플이 파손될 위험도 있다.

종래의 가열 오븐을 긴 블랭크 처리시 사용하는 데에는 전술한 머플상의 문제점 외에도 또다른 여러가지의 문제점이 대두된다. 예컨대, 오븐의 머플, 그의 지지 구조물, 및 블랭크를 머플내에 삽입하고 그로부터 제거해내는데 사용하는 설비등을 비롯하여 긴 블랭크를 처리할 수 있는 종래의 오븐을 수용하는데 필요한 물리적 공간이 블랭크 크기가 커짐에 따라 크게 증가된다는 것을 들 수 있다. 일례로, 75cm 블랭크의 경우에는 오븐 및 그 부설 설비를 2층 빌딩내에 설치할 수 있으나 2m 블랭크의 경우에는 3층 빌딩이 필요하게 되어, 이 때문에 오븐의 단가가 비싸지게 된다.

더욱이, 오븐 및 그 부설 장치의 전체 길이가 증가함에 따라, 블랭크의 이동시 필요한 제어를 유지시키기가 상당히 더 어려워지게 되며, 특히 2m의 블랭크를 6m 머플의 중앙선을 따라 회전 및 이동시킬 수 있도록 장치를 3층으로 일렬로 정렬시키는 것이 어렵게 된다.

이상과 같은 물리적인 문제점 외에도, 종래 오븐은 처리상의 문제점도 가지고 있다. 특히, 고온 영역을 고정하고 블랭크를 이동시키도록 하고 있기 때문에, 종래의 오븐은 건조 및 강화에 대해 전술한바 같은 형태의 아주 간단한 열 사이클을 수행하는데 편리할 뿐이다.

본 발명은 이상과 같은 종래 기술에 비추어 개량된 광 도파관 섬유 제조용 가열 오븐을 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 75cm을 초과하는 길이의 수우트 블랭크를 건조 및 강화시키는데 OVD과정의 일부로서 편리하게 사용할 수 있는 개량된 가열 오븐을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 광 도파관 섬유 제조에 사용되는 유리 재료에 다양한 특성의 열 사이클을 적용할 수 있는 개량된 가열 오븐을 제공하는 것이다.

본 발명의 소정 특정에 따라, 전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 (a) 처리할 유리 재료를 수용하는 긴 체임버 ; 및 (b) 그 체임버 전체 또는 그 체임버의 길이 방향을 따라 체임버를 부분별로 소정의 온도 또는 온도들로 가열하는 수단을 포함하는, 광 도파관 섬유 제조에 사용되는 유리 재료를 처리하기 위한 가열 오븐을 제공한다. 가열수단(1)은 체임버의 종축에 평행한 종축을 가지는 긴 서스셉터, 유도 가열 코일, 상기 서스셉터와 체임버의 종축에 평행한 통로를 따라 유도 가열 코일을 이동시키는 수단 및 유도 가열 코일에 에너지를 제공하는 수단을 포함할 수 있다.

본 발명의 또다른 장점 및 특징은 후술하는 바와 특허청구의 범위를 참조하면 명백해질 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 광 도파관 섬유를 제조하는데 사용하는 개량된 가열 오븐에 관한 것으로서, 이하의 설명에서, 오븐은 광 도파관 섬유를 제조하기 위한 OVD 공정의 일부로서 사용하는 것에 관하여 설명될 것이다. 상기 공정중에 수행되는 다공성 유리 예비성형체의 건조 및 강화에 관해서는 본문에서 참고로 인용되는 미합중국 특허 제4,453,961호 및 제3,125,388호에 기재되어 있다. 이상의 기재는 본 발명을 단지 설명하기 위한 것으로 본 발명이 그에 국한되지 않고 공지의, 또는 새로 개발되는 기타의 도파관 제조방법에 적용될 수 있음은 물론이다.

제 1 도는, 본 발명에 따라 구성된 가열 오븐(10) 및 그 오븐(10)내로 다공성 유리 예비성형체(14)를 하강시킴과 동시에 건조 및 강화된 후에 상기 예비성형체(14)를 오븐(10)으로부터 제거시키도록 작용하는 하강이송타워(12)를 도시하는 투시도이다. 오븐(10)과 하강이송 타워(12)는 각각 대체로 1층 높이를 가지며, 오브의 지지 구조물(16)은 제 1 층, 즉 하층(도시안됨)에 설치되고, 하강이송 타워의 지지 구조물(18)은 제 2 층, 즉 상층(20)에 설치되어 있다.

제 7 도의 단면도를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 예비성형체(14)는 오븐내로 하강함에 따라 원통형 머플(24)에 의해 구획된 체임버(22)내에 수용된다. 머플(24)은 실리카로 만들어진 것이 바람직하나, 기타 재료, 예컨대 알루미나, 흑연, 또는 다른 유사 재료로 만들어질 수도 있다. 약 2m의 길이와 약 12cm의 직경을 가지는 유리 예비성형체를 처리하는데는, 약 3.7m의 길이, 약 15cm의 내경, 그리고 약 16.5cm의 외경을 가지는 머플을 사용하는 것이 편리함이 밝혀졌다. 이러한 칫수의 실리카 머플 부재는 미합중국, 뉴저지주 07006, 페어필드, 매디슨 로드 17, 유. 에스. 쿼츠 디비젼에 소재하는 버터크 컴패니에서 시판하고 있다.

머플(24)의 주위에는 흑연으로된 서스셉터(26)가 배치되어 있는데, 이러한 서스셉터는 대표적으로 미합중국, 펜실베니아주 15857, 세인트 마리스에 소재하는 에이코 스피어 컴패니에서 시판하는 Airco 등급 890 RL 흑연으로 제조된다. 서스셉터(26)는 용이한 조립을 위해 다수의 부분, 예를들면 4개의 부분으로 구성되는 것이 바람직하며, 이 경우 각각은 다른 것의 상부에 놓여지도록 배치된다. 후술하는 바와 같이, 서스셉터는 사용중에 유도 가열코일(38)(제 2 도 참조)에 의해 유도적으로 가열된다.

제 7 도에 도시된 바와 같이, 서스셉터(26)는 내부 절연체(28), 외부 절연체(30), 및 외피(32)로 둘러싸여져 있다. 내부 절연체(28)는 0.48m/㎤의 밀도를 갖는 알루미나로 제조된 것이 바람직하고, 외부 절연체(30)은 0.24m/㎤의 밀도를 갖는 알루미나로 제조된 것이 바람직하며, 외피(32)는 실리카로 제조된 것이 바람직하나, 상기 부재들에 다른 재료를 사용할 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 오븐 사용시 서스셉터(26)과 머플(24)간의 공간(34)과, 외부 절연체(30)과 외피(32)간의 공간(36)을 비롯한 머플(24)과 외피(32)간의 모든 공간들은 아르곤과 같은 불활성 기체로 정화되게 되는데, 이러한 정화는 흑연 서스셉터가 가열 상태에 있을때 산화되는 것을 방지하기 위해 실시하는 것이다.

내부 절연체(28)과 외부 절연체(30)는 슬롯(40)을 제공하도록 구성되어 있는데, 이 슬롯(40)이 제공됨에 따라 고온도계(42) 및 (44)(제 2 도에 도시된 것으로, 후술함)에 의해 서스셉터(26)의 온도를 모니터하게 된다.

구체적으로, 내부 절연체(28)와 외부 절연체(30)는 각각 상하로 배치되는 여러 부분들로 형성되어 있어, 내부 절연체(28)의 부분들간의 연결부들은 외부 절연체(30)의 부분들 간의 연결부와 엇갈리게 배치되어 있다. 제12도 및 제13도에 도시된 바와 같이, 각각의 외부 절연체(30) 부분들은 하나의 절연재로 되어 있는 반면, 각각의 내부 절연체(28) 부분들은 4조각의 절연재로 구성되어 있다.

제13도 내지 제15도에 도시된 바와 같이, 절연체의 내층 및 외층은 정렬공구(46) 과 세라믹핀(48)에 의해 조립되며, 슬롯(40)이 일렬로 배열되어 있다.

구체적으로, 공구(46)는 지지판(50) 및 (52)에 부착되고 서스셉터(26)의 최하단부가 제위치에 고정되며, 내부 및 외부 절연체는 서스셉터의 주위에 배치되어 공구(46)에 의해 일렬로 배열되며, 세라믹핀(48)에 의해 제위치에 핀결합되게 된다. 이와 같은 형식으로 서스셉터와 그 주위의 절연체가 완전히 조립될때까지 상기의 조립 공정이 반복된다.

제12도에 도시된 바와 같이, 세라믹핀(48)들은 엇갈리게 배치되는 것이 바람직한데, 실제로, 절연체 부분들은 슬롯(40)의 지역에서 서로 핀결합시켜 절연체 부분을 사용하면, 슬롯(40)의 크기 및 위치를 오븐의 열사이클 전체를 통해 대체로 일정하게 유지시킬 수 있는 전체 구조가 제공됨이 밝혀졌다.

일단 절연체층(28) 및 (30)이 조립되면, 공구(46)이 제거되고, 외피(32)가 외부 절연체(30)의 외측 주위에 배치되게 되며, 서스셉터(26)내에 머플(24)이 설치되어 제 7 도에 도시된 바와 같이 조립이 완성된다. 그후, 오븐(10)과 하강이송 타워(12)가 일렬로 배열되게 된다. 특히, 예비성형체가 머플의 중앙선을 따라 배치될 수 있도록 머플(24) 및 처리중 예비성형체(14)를 회전시키는 스핀들 드라이브(96)는 일렬로 배열된다. 이것은 스핀들로부터 측량추(plumb bob)를 매달아 놓고 머플 기준으로 스핀들의 위치를 조정하여, 추가 머플의 중앙선을 따라 배치되도록 하면 가장 용이하게 수행할 수 있다.

제 8 도 내지 제11도에 도시된 바와 같이, 오븐(10)은 유도 가열 코일(38)과 상단부 가열기(54) 및 하단부 가열기(56)에 의해 가열된다. 단부 가열기는 흑연으로 만들어지고, 저항 가열기로서 작동시키는 것이 바람직하다.

이 가열기들은 오븐의 상하부로부터의 열손실을 보충하기 위해 사용된다.

유도 가열 코일(38)은 이동성 지지 구조물(58)에 의해 이송되는데, 상기 지지 구조물(58)은 체임버(22)내에 요구되는 온도 상태를 제공하도록 강화 공정중에 코일을 소정의 속도, 예컨대, 7mm/분의 속도로 오븐의 길이를 따라 상하 이동시킨다. 변압기 및 적당한 캐패시턴스(도시안됨)을 통해 코일(38)에 전력을 공급하도록 교류 발생기(도시안됨)가 사용된다. 코일, 캐패시턴스 및 변압기들은 교류 발생기에 단일 전력 부하가 제공되도록, 그리고 코일이 교류 발생기의 작동 주파수와 공진하도록 적절히 선택된다. 코일은 서스셉터(26)에 전류를 발생시켜, 서스셉터, 그리고 그에 따라 체임버(22)를 가열시킨다.

실제로, 다공성 유리 예비성형체를 건조 및 강화시키는데 필요한 온도 상태는 10KHz에서 작동하는 75KW 고체 상태 발생기를 사용하면 제공될 수 있다는 것이 밝혀졌다.

온드 피이드백은 고온도계(42) 및 (44)와 열전쌍(60) 및 (62)(제 8 도 및 제 9 도 참조)를 사용함으로써 이루어진다. 열전쌍으로 플래티늄-로듐형 열전쌍을 사용하는 것이 바람직하며, 고온도계로는 단일광 파장형 온도 검출기를 사용하는 것이 바람직하다. 고온도계는 지지 구조물(58)에 장착되어, 코일(38)과 함께 이동하게 된다. 고온도계는 투명한 외피(32)와 슬롯(40)을 통해 색상을, 그리고 이에 따라 서스셉터(26)의 온도를 감지한다. 도면에는 두개의 고온도계가 도시되어 시스템에 여분을 제공하고 있으나, 단일의 고온도계를 사용하여 시스템을 작동시킬 수도 있다.

코일(38) 및 단부 가열기(54) 및 (56)에 공급되는 전력량을 제어하기 위해 마이크로프로세서(도시안됨)가 사용되는데, 이 마이크로프로세서는 열전쌍과 고온도계의 출력을 수신하여, 그 출력값에 의거, 코일과 단부 가열기에 공급되는 전력량을 조절함으로써 체임버(22)내에 목적하는 온도 상태가 이루어지게 해준다.

실제로, 사용 기간 후, 예컨대 약 한달의 사용기간후에는 슬롯(40)의 지역에서 외피(32)의 내면상에 필름이 형성되는 경향이 있는데, 이 필름은 고온도계의 온도 검출치를 낮게 판독케하여, 마이크로프로세서가 코일 및 단부 가열기에 공급되는 전력량을 증가시키게 작용하도록 한다. 건조 공정중에는 온도 제어가 일반적으로 소결 공정중의 온도 제어보다는 중요하지 않기 때문에, 전술한 바와 같은 과열이 보통 용납될 수 있다. 그러나, 소결 공정중에는 온도 제어가 더욱 중요하기 때문에, 특정 경우에는 고온도계를 사용한 피이드백 제어보다는 직접적인 전력 공급 제어를 이용하는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다.

마이크로프로세서는 또한 질소, 헬륨, 산소, 및 염소와 같은 처리용 기체의 체임버(22)내로의 도입을 제어하게 된다. 제 6 도에 도시된 바와 같이 처리용 기체(64)들은 매니폴드(72)(제 9 도에도 도시됨)를 통해 머플(24)의 하부로 유입된 후, 배기 시라우드(shroud)(66)을 통해 머플로부터 배출되게 된다. 이 처리용 기체들은 배기 덕트(70)로 유입되기 전에 상기 배기 시라우드에서 주위공기(68)와 혼합되며 배기 덕트(70)는 적당한 공기 오염 제어설비(도시안됨)에 연결되어 있다. 처리용 기체들은 체임버(22)를 대기압 이상의 압력으로 유지시키기에 충분한 압력 및 유속으로 상기 체임버(22)내에 공급된다.

제 6 도에 도시된 바와 같이, 오븐(10)에는 오븐 주위의 온도를 제어하기 위한 고온 공기 배기 설비(92)가 설치될 수 있다.

또한 제 6 도에 도시된 바와 같이, 외피(32)와 머플(24) 사이의 공간에는 흡입 매니폴드(76)와 배출 매니폴드(78)(제 8 도 및 제 9 도 참조)에 의해 정화용 기체(74)가 공급되고, 그로부터 배출되게 된다. 처리용 기체와 마찬가지로, 이 정화용 기체는 오븐을 통과한 후에 적당한 공기 오염 제어설비에 공급되게 된다.

전술한 바와 같이, 정화용 기체로는 아르곤이 바람직하며, 그의 사용 목적은 흑연 서스셉터(26)와, 흑연 단부 가열기(54) 및 (56)의 산화를 방지하는 것이다. 이러한 목적을 위해, 매니폴드(78)를 통해 배출되는 기체의 일산화 탄소 함량을 모니터하여, 정화에도 불구하고 서스셉터와 단부 가열기에 산소가 도달하는지의 여부를 결정한다. 일례로, 만일 머플(24)이나 외피(32)가 사용중에 파손되었다면 상술한 바와 같은 상태가 발생할 수 있다.

일산화 탄소 모니터의 출력은 마이크로프로세서에 공급되며, 이에 따라 마이크로프로세는 완전무결함이 상실되었을 경우에 오븐의 작동을 정지시킨다.

이와 같이 매니폴드(78)을 통해 배출되는 기체중의 일산화 탄소 함량을 모니터하는 것외에도, 또한 상기 기체중의 물함량도 모니터하는데, 이것은 오븐의 여러가지 구조물에 공급되는 냉각수[제 8 도 및 제 9 도에 도시된 관(80) 내지 (90)들을 통해 공급됨]가 오븐내로 누수되는지의 여부를 결정하기 위해 수행한다(냉각수로는 증류수가 바람직하며, 지지 구조물은 알루미늄으로 만들어진 것이 바람직하다). 이 물함량 모니터의 출력도 마이크로프로세서에 공급되며, 이에 따라 오븐은 완전무결함이 상실되게 되면 작동이 정지하게 된다.

제16도에는 본 발명의 오븐을 사용하여 다공성 유리 예비성형체을 건조 및 강화시키기 위한 일련의 바람직한 공정예가 개략적으로 도시되어 있는데, 본 도면에 있어서, 긴 직사각형은 오븐(10)을 나타내는 것이며, 작은 직사각형은 이동하는 유도 가열 코일(38)을 나타내는 것이다.

제16도의 제 1 테에 도시된 '아이들'상태는 오븐이 오븐 또는 완전 정지상태에 있을때를 나타낸 것으로, 이때 코일에 대한 전력 공급은 중지되어 있으며, 단부 가열기에 대한 전력 공급기는 열전쌍(60) 및 (62)의 부근에서 예컨대 약 1150℃이 온도를 발생시킬 수 있게 배치된다(편리하게, 열정쌍(60) 및 (62)의 온도에 대한 약 1050℃의 설정점은 제16도에 도시된 다른 공정상태에 대해서도 사용된다). 체임버(22) 및 머플(24)와 외피(32)간의 공간은 아르곤으로 정화된다. 유사하게, 염소와 같은 처리용 기체들은 매니폴드(72)로 이송시키기 위한 이송관(도시안됨)은 질소로 정화된다.

오븐의 지지 구조물에는 관(80) 내지 (90)을 통해 냉각수가 공급되고, 열은 배기 설비(92)에 의해 오븐의 주위 설비로부터 제거된다.

오븐을 처리 온도까지 가열시키기 위해, 제16도의 제 1 테에 도시된 "가열/유지"단지중에는 코일(38)에 전력이 공급되는데, 이 단계중에 코일은 상승중에는 예컨대 1250mm/분의 속도로 그리고 하강중에는 예컨대 2300mm/분의 속도로 오븐의 전체 길이에 걸쳐 진동하게 된다. 이 단계중에 고온도계(42) 및 (44)의 설정점은 예컨대 약 1100℃가 가능하다. 이 단계중에, 체임버(22)에는 매니폴드(72)를 통해 헬륨과 산소의 혼합기체가 공급되며, 이 혼합 기체는 다시 배기 시라우드(66)을 거쳐 제거된다. "아이들"상태의 경우(제16도에 도시된 나머지 단계의 경우도 포함), 머플(24)과 외피(32) 사이의 공간에는 매니폴드(76)를 통해 아르곤이 공급되게, 이 아르곤은 매니폴드(78)를 통해 제거되며, 또한 냉각수가 관(80) 내지 (90)을 통해 오븐의 지지 구조물에 공급되고, 배기 설비(92)에 의해 열이 오븐의 주위 설비로부터 제거되다. 가열 공정은 오븐의 유지 온도가 목적하는 온도, 예컨대 1100℃에 도달할때까지 계속되며, 그러면 오븐은 유리예비성형체를 건조 및 강화시킬 수 있는 준비를 갖추게 된다.

가열 공정중에, 머플(24)은 길이 방향으로 팽창하게 되는데, 이 머플(24)의 상단부를 지지하는데 사용하는 시스템은 상기의 팽창을 보완하도록 설계되어 있다.

구체적으로, 제 8 도의 도시된 바와 같이 머플 플랜지(98)은 머플 플랜지링(102)에 부착되어 있는 머플 지지 스플릿 링(100)에 의해 지지되어 있다.

머플 플랜지 링(102)는 지지판(106)과 접촉하는 잭킹 볼트(94)를 포함하는데, 상기 지지판(106)은 제 2 도에 도시된 바와 같이 지지 부재(140)에 부착되어 있고, 지지 부재(140)는 오븐을 수용하는 빌딩 구조물에 부착되어 있다(이에 대한 부착장치는 도시안됨). 이러한 방식으로, 머플(24)의 상단부에 대한 지지 구조물은 오븐의 나머지 부분에 대한 지지 구조물과는 열적으로 거의 독립되어 있다.

머플(24)이 지지판(106)으로부터 멀어지게 팽창함에 따라, 잭킹 볼트는 스플릿 링(100)의 머플을 계속 지지할 수 있도록 조정되게 된다. 유사하게, 머플이 냉각될때, 잭킹 볼트는 머플의 수축을 보완하도록 조정된다.

지지판(106)이 오븐의 지지 프레임(16)이 아니라 오븐을 수용하는 빌딩에 부착되어 있기 때문에 머플의 팽창 및 수축은 지지 프레임의 팽창 및 수축과는 무관하게 보완될 수 있다.

또한 제 8 도에 도시된 바와 같이, 머플 지지 시스템은 머플(24)의 중앙선이 수우트 블랭크의 중앙선과 일치하도록 머플(24)을 측방향으로 위치시키기 위한 머플 플랜지 브레이스(112), 플랜지(98)의 상단면을 덮어 보호하는 머플 플랜지 보호링(114), 플랜지(98)와 스플릿 링(100)의 연결부에 배치된 o-링(110) 및 플랜지(98)와 플랜지 링(102)의 연결부에 배치된 o-링(108)을 포함한다. o-링(108) 및 (110)을 제외한 상기 머플 지지시스템의 부품들은 알루미늄으로 만들어진 것이 바람직하다. o-링은 머플(24)에 가해지는 높은 온도에 지탱할 수 있도록 비톤(Viton) 등과 같은 플루오로카본 화합물로 만드는 것이 바람직하다.

실제로, 실리카 머플을 사용하게 되면 상당한 기간 동안 1050℃ 이상의 온도로 가열되던 머플이 약 600℃미만의 온도로 냉각되는 것을 방지하는데 바람직하다는 것이 밝혀졌다. 그 이유는 유리질의 실리카가 서서히 그리고 비가역적으로 상변화를 일으켜 1050℃ 이상의 온도에서 베타-크리스토발라이트로되기 때문이다. 이에 관해서는 "The Journal of the Gritish Society of Scientific Glassblowers"의 제 3 권 제 1 호(1964)의 제1 내지 12면이 기재된 티. 피. 브로웰(T. P. Browell)과 지. 헤터링톤(G. Hetherington)의 "과학적 유리 송풍기용 유리질 실리카"에 기재되어 있다.

베타-크리스토발라이트와 유리질 실리카는 승온에서 비슷한 팽창 계수를 갖고 있어, 머플이 고온으로 유지되는 한은 머플에서 열응력이 발생하지 않는다. 그러나, 머플이 냉각됨에 따라 베타-크리스토발라이트는 알파-쿼츠(570℃에서) 및/또는 알파-크리스토발라이트(270℃에서)로 변화하게 되는데, 실리카계인 이들의 팽창 계수는 유리질 실리카의 팽창계수와는 상당히 다르다. 따라서, 이들의 상전이로 인해 상당 기간 동안 1050℃ 이상으로 가열되었던 실리카 머플은 냉각시 일반적으로 파쇄됨이 밝혀졌다. 전술한 바와 같이, 이러한 문제점은 실리카 머플을 일단 사용하게 되면 약 600℃ 또는 그 이상으로, 바람직하게 약 1100℃의 고온으로 유지시킴으로서 해결된다.

유리질 실리카로부터 베타-크리스토발라이트의 상변화는 오븐을 강화에 필요한 고온에서 작동할 수 있게 한다는 점에서 이점을 제공함이 밝혀졌다. 구체적으로, 강화에 필요한 1450℃의 온도는 베타-크리스토발라이트의 융점 보다는 낮으나, 유리질 실리카가 연화되는 온도 범위에 있는 것으로, 결과적으로 내표면에 베타-크리스토발라이트를 다량 가지고 있는 머플의 경우가 그보다 베타-크리스토발라이트를 적게 가진 머플보다 강화중에 적게 변형된다는 것이 밝혀졌다.

머플의 내면상에 비교적 다량의 베타-크리스토발라이트가 형성된 후라도, 강화에 사용된 온도에서 머플(24)의 변형이 발생할 수 있는데, 이러한 변형 및 실질적인 유리질 발생전에 일어날 수 있는 변형은 본 발명에 따라, 전술한 머플 지지 시스템(즉, 잭킹 볼트(94), 지지판(106), 지지 부재(104)를 사용하고, 머플 외부의 압력, 즉 외피(32)와 머플(24)간의 공간내의 압력을 머플 내부의 압력과 거의 동등하게 조절함으로써 제어된다. 이것은 예컨대 소결 단계중에 머플(24)의 압력을 측정하고, 배출 매니폴드(78)내 압력을 모니터하며, 흡입 매니폴드(74)로의 유속을 조절함으로써 배출 매니폴드내의 압력이 머플내에서 측정된 압력과 거의 동등하게하여 수행할 수 있다.

실제로, 소결중에 머플(24)내의 압력은 대기압보다 0.01 내지 0.2인치의 수두만큼 높게 되어 있고, 따라서 배출 매니폴드(78)내의 압력에 대한 설정점은 상기 범위내로 고정된다.

제16도에 또한 도시된 바와 같이, "가열/유지"단계가 완료되면, "부하"단계가 시작되어, 예비성형체(14)는 핸들(116)에 부착된 후 하강이송타워(12)에 의해 체임버(22)내로 하강하게 된다. "부하" 단계중에, 오븐(10)은 "가열/유지"단계의 경우와 마찬가지로 고온도계(42) 및 (44)의 설정점이 예컨대 약 1100℃로 되게 작동을 계속한다.

일단 부하가 완료되면, "Cl₂분출"단계가 시작되어, 매니폴드(72)에 연결된 공급관(도시안됨)내의 질소기체가 염소 기체로 교체되는데, 이 교체는 통상 약 1분이 소요될 수 있다. 이러한 단계중에는, 매니폴드(72)로의 산소의 유동이 정지되어, 상기 단계의 말기에 체임버(22)내로 유입되는 처리용 기체는 헬륨과 염소가 된다.

"Cl₂분출"단계가 완료되면, 오븐은 "건조"단계를 시작하게 되는데, 이때 예비성형체의 물 함량은 강화에 앞서 감소된다. 이 상태는 통상 20분 정도 소요될 수 있다. 이단계 전체를 통해 체임버(22)에는 헬륨과 염소 기체의 혼합 기체가 채워지게 되며, 예비성형체(14)는 스핀들 드라이브(96)에 의해 예컨대 7rpm의 속도로 회전하고 코일(38)은 상승시에는 예컨대 1250mm/분의 속도로 그리고 하강시에는 예컨대 2300mm/분의 속도로 오븐의 전체 길이를 따라 진동한다. 상기 단계중의 오븐의 온도는 예컨대 1100℃이다.

"건조"단계가 완료되면, 오븐은 "소결" 또는 "강화"단계를 시작하게 되는데, 상기 단계는 "가열"단계, "하부 유지"단계, "상승"단계, "상부유지"단계, 그리고 "하강"단계(제16도 참조)를 포함한다.

코일(38)은 "가열"단계중에는 오븐의 하부에 위치하며, 이 코일에는 서스셉터 온도가 고온도계(42) 및 (44)에 의해 예컨대 약 1400℃로 측정될때까지 전력이 공급된다. "하부 유지"단계중에, 코일은 정지 상태로 유지되어 예비성형체의 끝을 소결시키며, 이때 오븐 하부의 온도는 약 1450℃에 달하게 된다. 그 다음 "상승"단계중에, 코일은 예컨대 7mm/분의 속도로 상승하면서, 점차로 체임버(22)의 부분들을 예비성형체의 소결 온도 이상으로 가열시킨다. 그후, "상부 유지"단계중에는 예비성형체의 상부가 소결되며, 그 뒤에 오븐은 최종적으로 "하강"단계를 시작하게 되는데, 이 단계중에, 코일(38)은 예컨대 2300mm/분의 속도로 오븐 하부까지 이동하게 된다. 이 단계에서, 고온도계(42) 및 (44)의 설정점은 예컨대 약 1100℃일 수 있다.

상기 각 단계들 전체를 통해, 체임버(22)에는 헬륨과 염소의 혼합 기체가 채워지게 되며, 예비성형체(14)는 예컨대 7rpm의 속도로 스핀들 드라이브(96)에 의해 회전하게 된다. 기체적으로, 2m의 예비성형체에 대한 소결 단계 유지 기간은 약 5시간 정도일 수 있다.

소결 완료후, 오븐은 "정화"단계를 시작하는데, 이 단계중에 코일은 오븐의 하부를 재가열시키도록 오븐하부를 따라 진동하게 된다. 이때, 체임버(22)내로의 염소 기체의 유동은 중단되며, 체임버는 예컨대 5분의 기간 동안 헬륨과 산소의 혼합 기체로 정화된다. 일단 염소 기체로 정화되면, 오븐은 "마무리"단계를 시작하게 되며, 이 "마무리"단계중에 강화된 예비성형체는 체임버(22)로부터 제거되게 한다. 코일은 예컨대 15분의 기간동안 오븐의 하부에서 진동을 계속하며, 이 기간 동안 상기 오븐 하부는 약 1000℃까지 가열되고, 오븐 상부도 거의 동일한 온도로 냉각된다. 그뒤에, 오븐은 "가열/유지"단계로 복귀되어 다음 예비성형체의 건조 및 강화를 위해 대기하게 된다.

이상 본 발명의 구체예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 정신 및 범주에 벗어나지 않는 범위에서 변경이 이루어질 수 있다. 일례로, 본 발명의 가열 오븐은 전술한 것 외에도 유리 예비성형체에 대한 다른 건조 및 소결 공정처리에 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 오븐은 이동 유도 가열 코일과 그 단 부 가열기를 사용하여 광 도파관 섬유 제조용 유리 재료를 처리하기 위한 다양한 열적 상태를 제공하는데 이용할 수 있다.

Claims (9)

1. (a) 처리할 유리 재료를 수용하기 위한 긴 체임버(22) ; (b) 상기 체임버(22)를 가열시키는 수단(1) ; 및 (c) 가열 오븐(10)를 지지하는 수단(16)을 포함하는 광 도파관 섬유 제조용의 유리 재료를 처리하기 위한 가열 오븐(10)에 있어서, 상기 체임버(22)를 가열시키는 수단(1)은 체임버(22)의 종축에 평행한 종축을 가진 긴 서스셉터(26), 유도 가열 코일(38), 상기 서스셉터(26)의 체임버(22)의 종축에 평행한 통로를 따라 상기 유도 가열 코일(38)을 이동시키는 수단(58) 및 상기 유도 가열 코일(38)에 에너지를 제공하는 수단을 포함하며, 상기 가열 오븐(10)은 상기 유도 가열 코일(38) 지역에서 서스셉터(26)의 온도를 감지하는 수단(42, 44)를 포함하며, 상기 체임버(22)를 가열시키는 수단(1)은 체임버(22) 전체 또는 체임버(22)의 길이 방향을 따라 체임버(22)를 부분별로 소정의 온도 또는 온도별로 가열시킬 수 있음을 특징으로 하는 가열 오븐.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 감지 수단(42, 44)이 유도 가열 코일(38)과 함께 이동하는 것을 특징으로 하는 가열 오븐(10).
3. 제 1 항에 있어서, 상기 서스셉터(26)가 절연체(28, 30)로 둘러싸여져 있고, 상기 절연체(28, 30)는 상기 감지 수단(42, 44)이 서스셉터(26)의 온도를 감지할 수 있도록 서스셉터(26)의 종축에 평행하게 배치된 슬롯(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 오븐(10).
4. 제 1 항, 제 2 항 및 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 상기 체임버(22)는 종축이 수직 방향으로 배치된 원통형 머플(24)의 형태를 가지며, 상기 머플(24)의 상단부를 지지하고 오븐(10)의 나머지 부분을 지지하는 수단(16)과는 열적으로 거의 독립되어 있는 지지 수단(106, 140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 오븐(10).
5. 제 6 항에 있어서, 머플(24)의 상단부를 지지하는 상기 지지수단(106, 140)이 머플(24)의 열 팽창 및 수축을 보완하는 수단(94)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 오븐(10).
6. 제 1 항, 제 2 항 및 제 3 항중에 어느 한항에 있어서, 1종 이상의 기체를 상기 체임버(22) 또는 머플(24)내로 도입시키는 수단(72), 상기 체임버(22) 또는 머플(24)을 불활성 대기로 둘러싸기 위한 수단(76) 및 불활성 대기의 압력과 체임버(22)내 또는 머플(24)내의 1종 이상의 기체의 압력을 거의 동등하게 유지시키기 위한 수단(78)을 포함하는 가열 오븐(10).
7. 제 5 항에 있어서, 상기 체임버(22) 또는 머플(24)의 각 단부에 설치된 고정식 가열기(54, 56)을 포함하는 가열 오븐(10).
8. (a) 예비성형체(14)를 고정된 긴 체임버(22)내로의 위치시키는 단계 ; 및 (b) 체임버(22)의 길이 방향을 따라 체임버(22)를 부분별로, 상기 예비성형체(14)의 소결 온도 이상으로 연속해서 가열하여, 예비성형체(14)를 강화시키는 단계를 포함하는 광 섬유 예비성형체(14)의 강화방법.
9. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 긴 체임버(22) 또는 머플(24)의 각 단부에 설치된 고정식 가열기(54, 56)을 포함하는 가열 오븐(10).

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