NO173182B - Anordning og fremgangsmaate for konsolidering av en poroes preform av glass - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning og en fremgangsmåte for konsolidering av porøse preformer av glass slik det nærmere er angitt i ingressen til de etterfølgende krav.

Nærmere bestemt er oppfinnelsen relatert til optiske bølgelederfibre, og en forbedret varmeovn for bruk til preparing av slike fibre. Ulike konvensjonelle teknikker for preparing av optiske bølgelederfibre innebærer bruken av varmeovner som kan generere temperaturer i området fra omkring 1000°C til omkring 1500°C.

F.eks. i utvendige dampavsetningsprosesser "(OVD), dannes en porøs glasspreform, også referert til som et sotemne (soot blank), og plasseres så i en varmeovn for tørking og konsolidering til et transparent glassemne egnet for trekking til en optisk bølgelederfiber. Tørking utføres ved å varme opp preformen til en temperatur på omkring 1100°C i nærvær av en eller flere tørkegasser, slik som en blanding av helium og klor. Konsolidering utføres ved oppvarming av den tørkede preform over sin sintringstemperatur, f.eks. til en temperatur i størrelsesorden 1450°C.

Tidligere har varmeovner brukt for tørking og konsolidering anvendt en stasjonær "varmesone" og et bevegelig emne. Nærmere bestemt har ovnene innbefattet en sylindrisk formet muffel, f.eks. en aluminiumsmuffel som har en lengde på omkring 3 meter og en innvendig diameter på omkring 12,7 cm. Utsiden av muffelen har vært isolert med f.eks. en alumini-umsisolasjon for å minske varmetapet. Et varmeelement, f.eks. et motstandsvarmeelement, har vært plassert rundt sentret av muffelen som fremkaller en sentral varm sone, som har en lengde på omkring 26 cm og omgitt på hver side av kjøligere endesoner som har lengder på omtrent 84 til 99 cm.

Tørking har vært utført med disse ovner ved innføring av sotpreformen inn i den øvre seksjon av muffelen og innføring av tørkegasser i muffelen. I noen tilfeller har sotemnet blitt dreid omkring sin lengdeakse under tørkeprosessen. Vanligvis har sotemnet blitt holdt i den øvre seksjon av muffelen i omtrent 3 til 4 minutter før konsolidering.

Konsolidering har vært utført med disse ovner ved å senke sotemnet inn i varmesonen ved en hastighet på omkring 5 mm pr. minutt mens temperaturen for den varme sone ble holdt ved omkring 1500°C. Under konsolidering kan sotemnet ha blitt dreid eller ikke, alt etter ønske.

Disse tidligere kjente varmeovner har lidd av ulike ulemper, hvor den mest begrensende av disse har vært at ovnene har vært komersielt praktiske kun når brukt til å behandle korte emner, f.eks emner som har en lengde i størrelsesorden 75 cm.

For å oppta både den sentrale varme sone og de kjøligere endesoner,har de tidligere kjente ovner krevd ovnmuffeler som har en lengde i størrelsesorden av omkring 3 til 4 ganger lengden av det lengste emne som skal behandles i ovnen. Følgelig har det vært nødvendig med en muffel på 3 m for et emne på 75 cm. På grunn av at muffel stykker ikke lengre enn 1,8 m har vært tilgjengelige i kommersielle mengder, har 3 m muffeler vanligvis vært oppbygd ved å skjøte sammen 2 muffelstykker, med skjøten deretter utsatt for temperaturer ikke større enn 1100°C, dvs. at skjøtene har blitt holdt utenfor den varme sone.

For et emne på 2 m, i motsetning til et emne på 75 cm, ville det være nødvendig med muffeler som har en lengde i størrel-sesorden 6 m. Selv om det er mulig å fabrikkere en 6 m muffel ved å skjøte sammen 3 eller flere muffelstykker, er skjøte- og innrettingsprosessen vanskelig å utføre, særlig med hensyn til at skjøten må være gasstett for slik å holde på prosessgassene inne i muffelen. Det er også mulighet for svikt i muffelen ved 2 eller flere skjøter på grunn av virkningene av prosessgassene og de forhøyede temperaturer anvendt under tørking og konsolidering av emnene.

I tillegg til muffelproblemene, har anvendelsen av tidligere kjente varmeovner for behandling av lange emner reist forskjellige andre problemer. F.eks har det fysiske rom nødvendig for å romme en tidligere kjent ovn i stand til å prosessbehandle lange emner, innbefattende ovnens muffel, dens bærekonstruksjon og utstyret anvendt til å innsette og ta ut emner fra muffelen, hurtig blitt uoverkommelig med økende emnestørrelse. Således for et emne på 75 cm kan en ovn og dens tilhørende utstyr rommes i en toetasjes bygning. For et emne på 2 m vil på den annen side en treetasjes bygning være nødvendig. Dette skaper simpelthen en for kostbar ovn.

Videre, etterhvert som den totale lengde av ovnen og dens tilhørende apparatur økes, blir det vesentlig mer vanskelig å opprettholde den nødvendige kontroll over bevegelsene til emnet. Særlig blir det vanskelig å innrette tre etasjer av apparaturen slik at et 2 m emne kan både bli dreid og overført langs senterlinjen av en 6 m muffel.

I tillegg til fysiske begrensninger, har de tidligere kjente ovner også lidd av prosessbegrensninger. Særlig på grunn av den stasjonære varmesone og det bevegelige emnet, har kun enkle termiske sykluser av den type beskrevet ovenfor for tørking og konsolidering hensiktsmessig kunnet bli utført i disse ovner.

I lys av teknikkens stand, er det et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe forbedrede varmeovner for bruk til preparering av optiske bølgelederfibre. Nærmere bestemt er det et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe forbedrede varmeovner som kan hensiktsmessig anvendes som del av OVD prosessen for å tørke og konsolidere sotemner som har en lengde større enn 75 cm. Det er et ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe forbedrede varmeovner som kan anvendes til å påføre termiske sykluser av ulike utforminger til glassmaterialer fra hvilke optiske bølgelederfibre fremstilles .

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse er det til-veiebragt en anordning og fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art som kjennetegnes av de trekk som fremgår av karakteristikken i de etterfølgende selvstendige krav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de uselv-stendige krav.

Ytterligere fordelaktige aspekter eller ytterligere utviklin-ger av det oppfinneriske konsept vil fremkomme fra den følgende beskrivelse og/eller kravene. Fig. 1 er et perspektivriss av en varmeovn oppbygd i samsvar med den foreliggende oppfinnelse og dens tilhørende apparat for innføring av porøs glasspreform inn i ovnen for prosessering. Fig. 2 er et mer detaljert perspektivriss av varmeovnen ifølge fig. 1. Fig. 3 er et sideriss av varmeovnen og tilhørende

apparat ifølge fig. 1.

Fig. 4 er et frontriss av varmeovnen og tilhørende

apparat ifølge fig. 1.

Fig. 5 er et snittriss av varmeovnen ifølge fig. 1. Fig. 6 illustrerer skjematisk strømmen av prosessgasser

og rensegasser gjennom ovnen ifølge fig. 1.

Fig. 7 er et tverrsnittsriss langs linjene 7-7 i fig.5. Fig. 8 er et detaljert riss, delvis i snitt av oppbygningen av det øvre parti av ovnen ifølge fig. 1. Fig. 9 er et detaljert riss, delvis i tverrsnitt, av oppbygningen av det nedre parti av ovnen ifølge fig.l. Fig.10 er et snittriss langs linjene 10-10 i fig.4.

Fig.11 er et sideriss av fig.10.

Fig.12-15 illustrerer en foretrukket teknikk for montering av isolasjonsmateriale brukt med suskeptoren i ovnen ifølge fig.l. Fig.16 viser skjematisk bruken av ovnen ifølge den foreliggende oppfinnelse for å tørke og sintre porøse glasspreformer produsert ved OVD prosessen .

Som beskrevet ovenfor vedrører den foreliggende oppfinnelse en forbedret varmeovn for bruk til preparering av optiske bølgelederfibre. I beskrivelsen som følger vil ovnen være illustrert med hensyn til dens bruk som del av OVD prosessen for produksjon av optiske bølgelederfibre. En omtale av denne prosess, og særlig tørkingen og konsolideringen av den porøse glasspreform som skjer under denne prosess, kan finnes i US patent nr. 4453961 og 4125388, og patentene referert til der. Det skal forstås at beskrivelsen av den foreliggende oppfinnelse i den foranstående sammenheng er kun for beskrivelsesformål og skal ikke tolkes som en begrensning for oppfinnelsens anvendelse til andre bølgelederformende prosesser nå kjent eller senere utviklet.

Det vises nå til figurene hvor det er vist i fig.l et perspektivriss av en varmeovn 10 oppbygd i samsvar med den foreliggende oppfinnelse og dens tilhørende nedmatingstårn 12 som tjener til å senke den porøse glasspreform 14 ned i ovnen 10 og fjerne den fra ovnen når tørking og konsolidering er fullendt. Ovnen 10 og nedmatingstårnet 12 er begge omkring en etasje høy, hvor støttekonstruksjonen 16 for ovnen bæres av et første, nedre gulv (ikke vist) og bærekonstruksjonen 18 for nedmatingstårnet bæres av et andre, øvre gulv 20.

Som det best vises i tverrsnittsrisset ifølge fig.7, sitter pref ormen 14 når den senkes ned i ovnen, i kammeret 22 definert ved den sylinderiske muffel 24." Muffelen 24 er fortrinnsvis tilvirket av silisium, men kan også tilvirkes av andre materialer, slik som aluminium, grafitt eller andre lignende materialer. For prosessbehandling av glasspreformer som har en lengde på omkring 2 m og en diameter på omkring 12 cm, har det vært funnet hensiktsmessig å anvende en muffel som har en lengde på omkring 3,7 m, en innvendig diameter på omkring 15 cm, og en utvendig diameter på omkring 16,5 cm. Silisiummuf f eler i et stykke med disse dimensjoner er tilgjengelige i kommersielle mengder fra slik leverandører som Verteq Co., U.S., Quartz Division, 17 Madison Road, Fairfield, NJ 07006.

En grafittsuskeptor 26 omgir muffelen 24. En vanlig suskeptor tilvirkes av Airco grade 890 RL grafitt levert av Åirco Speer Co., St. Marys, PA 15857. For enkel montering er suskeptoren 26 fortrinnsvis sammensatt av et antall seksjoner, f.eks. 4 seksjoner, som sitter den ene oppå den andre. Som omtalt nedenfor blir suskeptoren under bruk induktivt oppvarmet ved hjelp av en induksjonsvarmespole 38 (se f.eks. fig.2).

Som vist i fig.7 er suskeptoren 26 omgitt av innvendig isolasjon 28, utvendig isolasjon 30 og en ytre omhylling 32. Den indre isolasjon 28 er fortrinnsvis tilvirket av aluminium med densitet 0,48 g/cm<3>, den utvendig isolasjon 30 er fortrinnsvis tilvirket av aluminium med densitet 0,24 g/cm3, og den ytre omhylling 32 er fortrinnsvis tilvirket av silisium, skjønt andre materialer kan anvendes for hver av disse komponenter. Som omtalt nedenfor vil under bruk alle tomrom mellom muffelen 24 og omhyllingen 32, innbefattende rommet 34 mellom suskeptoren 26 og muffelen 24, og rommet 36 mellom den ytre isolasjon 30 og omhyllingen 32 renses med en inert gass, f.eks. argon. Rensingen gjøres for å hindre grafittsuskeptoren i å oksydere når den er i oppvarmet tilstand.

Den innvendige isolasjon 28 og den utvendige isolasjon 30 er oppbygd slik at den frembringer en slisse" 40 ved hjelp av hvilken temperaturen på suskeptoren 26 overvåkes med pyrometeret 42 og 44 (se fig.2 og omtalen nedenfor). Spesielt blir den indre isolasjon 28 og den ytre isolasjon 30 hver dannet i seksjoner som sitter den ene på den andre, i det skjøtene mellom seksjonene for den indre isolasjon 28 er forskjøvet i forhold til hverandre fra skjøtene mellom seksjonene av den ytre isolasjon 30. Som vist i fig. 12 og 13, er hver seksjon av ytre isolasjon 30 sammensatt av et stykke av isolasjonsmateriale, mens hver seksjon av den indre isolasjon 28 er sammensatt av fire stykker isolasjonsmateriale.

Som vist i fig. 13 - 15, er de indre og ytre lag av isola-sjonen sammensatt og slissen 40 er innrettet ved hjelp av innrettingsverktøy 46 og keramiske tapper 48. Spesielt er verktøyet 46 festet til støtteplater 50 og 52, hvor den nederste seksjon av suskeptoren 26 er satt på plass og de indre og ytre isolatorer er anbragt rundt suskeptoren, innrettet ved hjelp av verktøyet 46 og holdt på plass ved hjelp av keramiske tapper 48. Prosessen blir så repetert inntil hele suskeptoren og den omgivende isolasjon er montert.

Som illustrert i fig.12, er det funnet fordelaktig å forskyve i forhold til hverandre plasseringen av de keramiske tapper 48. I praksis er bruken av seksjonert isolasjon i kombinasjon med tappfesting av seksjonene til hveraandre i området av slissen 40 funnet å resultere i en total utforming i hvilken slissen 40 opprettholder en forholdsvis konstant størrelse og plassering gjennom hele den termiske syklus av ovnen.

Når isolasjonslagene 28 og 30 har blitt montert sammen, fjernes verktøyet 46, den ytre omhylling 32 anbringes rundt utsiden av den ytre isolasjon 30, og muffelen 24 anbringes inne i suskeptoren 26 for å ferdigstille enheten vist i fig. 7. Ovnen 10 og nedmatingstårnet 12 er dermed innrettet. Nærmere bestemt er muffelen 24 og spindeldriften 96, som dreier preformen 14 under prosessen, innrettet slik at preformen vil ligge langs senterlinjen av muffelen. Dette kan mest hensiktsmessig gjøres ved å henge et lodd fra spindelen og justere posisjonen for spindelen i forhold til muffelen slik at loddet ligger langs senterlinjen av muffelen.

Som vist i fig. 8-11, oppvarmes ovnen 10 ved hjelp av en induksjonsvarmespole 38 og øvre og nedre endevarmere 54 og 56. Endevarmerne er fortrinnsvis tilvirket av grafitt og opereres som motstandsvarmere. De anvendes for å kompensere for endetapene fra toppen og bunnen av ovnen.

Induksjonsvarmespolen 38 bæres av bevegbare støttestrukturer 58 som beveger spolen opp og ned langs lengden av ovnen ved forutbestemte hastigheter, f.eks. en hastighet på 7 mm pr. minutt under konsolidering, for å generere de ønskede temperaturprofiler inne i kammeret 22. En AC generator

(ikke vist) anvendes for å tilføre kraft til spolen 38 gjennom en omformer og en passende kapasitans (ikke vist). Spolen, kapasitansen og omformeren er valgt slik at en enhetlig kraftfaktorlast presenteres generatoren og slik at spolen vil være i resonans ved generatorens driftsfrekvens.

Spolen genererer elektriske strømmer i suskeptoren 26, hvilke varmer suskeptoren og således kammeret 22. I praksis er det funnet at temperaturprofilene nødvendige for å tørke og konsolidere porøs glasspreform kan fremstilles ved bruk av en 75 kW faststoffgenerator som opererer ved 10 kHz.

Tilbakemelding om temperaturen oppnås gjennom bruk av pyrometere 42 og 44 og termoelementer 60 og 62 (se fig. 8 og 9). Termoelementene er fortrinnsvis av platina-rodiumtypen, og pyrometerne er fortrinnsvis temperaturdetektorer av den optiske type med enkelt bølgelengde. Pyrometerne er montert på en bærekonstruksjonen 58 og beveger seg således i takt med spolen 38. Ved hjelp av en transparent ytre omhylling 32 og slisse 40, føler pyrometerne farven og således temeraturen i suskeptoren 26. Selv om to pyrometere er vist i figurene og foretrekkes å tilveiebringe en reserve i systemet, skal det forstås at systemet også kan opereres med et enkelt pyrometer .

En mikroprosessor (ikke vist) brukes til å regulere kraft-mengden levert til spolen 38 og endeoppvarmerne 54 og 56. Mikroprosessoren mottar utgangssignalet fra termoelementene og pyrometrene, og basert på disse verdier justerer kraften avgitt til spolen og endeoppvarmerne slik at de ønskede temperaturprofiler oppnås inne i kammeret 22.

I praksis er det funnet at etter en bruksperiode, f.eks. etter en måneds bruk, tenderer en film til å samle seg på den indre overflate av omhyllingen 32 i området av slissen 40. Denne film bevirker at pyrometerne gjør en lav avlesning, hvilket i sin tur bevirker at mikroprosessoren øker kraft-mengden avgitt til spolen og endeoppvarmerne. Under tørking er temperaturkontroll vanligvis ikke så kritisk som under sintrering, og således kan denne ekstravarme vanligvis tolereres. Under sintrering hvor temperaturkontrollen kan være mer kritisk er det imidlertid funnet mer fordelaktig i visse tilfeller å anvende direkte kraftstyring, istedenfor tilbakemeldingsstyring gjennom pyrometerne.

Mikroprosessoren styrer også innføringen av prosessgasser, f.eks. nitrogen, helium, oksygen og klor, inn i kammeret 22. Som vist skjematisk i fig. 6 entrer prosessgasser 64 bunnen av muffelen 24 gjennom manifolden 72 (se også fig. 9) og passerer ut av muffelen gjennom en avgasskjerm 66. Prosessgassene blandes med omgivende luft 68 i avgasskjermen før den entrer avgasskanalen 70 som fører til passende luftforurensningskontrollutstyr (ikke vist). Prosessgassene tilføres kammeret 22 ved et trykk og en strømningsgrad tilstrekkelig til å opprettholde kammeret ved et trykk "over atmosfærisk trykk.

Som det også er vist i fig.6 kan ovnen 10 anordnes med varm-luftutslippsutstyr 92 for å kontrollere omgivelsestempera-turen som omgir ovnen.

Som ytterligere vist i fig.6 tilføres rensegass 74 til og fjernes fra rommet mellom den ytre omhylling 32 og muffelen 24 ved hjelp av inntaksmanifolden 76 og utgangsmanifolden 78 (se også fig. 8 og 9). Som med prosessgassene, er rensegass-ene avgitt til egnede luftforurensningskontrollutstyr etter passering gjennom ovnen.

Som omtalt ovenfor er rensegassen fortrinnsvis argon og dens formål er å forhindre oksydasjon av grafittsuskeptoren 26, såvel som endeoppvarmerne 54 og 56. Til dette formål overvåkes karbonmonoksydinnholdet i gassene som forlater manifolden 78 for å bestemme om oksygenet når suskeptoren og endeoppvarmerne til tross for rensingen. En slik tilstand kan oppstå f.eks. dersom hver muffel 24 eller ytre omhylling 32 skulle briste under bruk. Utgangssignalet for karbonmonoksyd-monitoren mates til mikroprosessoren som stenger ned ovnen dersom integriteten tapes.

I tillegg til å overvåke karbonmonoksydinnholdet til gassene som forlater gjennom manifolden 78, overvåkes også vanninnholdet i disse gasser. Dette gjøres for å bestemme om kjølevannet tilført de ulike støttestrukturer for ovnen (se linjene 80-90 i fig. 8 og 9) lekker inn i ovnen. (Kjølevannet er fortrinnsvis destillert vann og støttekonstruksjonen er fortrinnsvis tilvirket av aluminium). Igjen mates utgangssignalet fra vanninnholdsmonitoren til mikroprosessoren og ovnen stenges ned dersom integriteten tapes.

Fig. 16 illustrerer skjematisk en foretrukket opererings-sekvens for å tørke og konsolidere porøst glasspreform ved bruk av ovnen ifølge den foreliggende oppfinnelse. I fig.16 symboliserer den lange rektangulære boks ovnen 10 og den lille rektangulære boks symboliserer den bevegelige induksjonsoppvarmingsspole 38.

"Tomgangsfasen" vist i det første panel i fig.16 represen-terer ovnstilstanden under en delvis eller fullstendig avstengning. Spolekraften er avslått og endeoppvarmerkraften er satt til å produsere en temperatur på omkring 1150°C i nærheten av termoelementene 60 og 62. (Hensiktsmessig brukes et satt punkt på omkring 1050°C for temperaturen til termoelementene 60 og 62 for de andre prosessfaser vist i fig. 16). Kammeret 22 og rommet mellom muffelen 24 og den ytre omhylling 32 blir renset med argon. Likeledes renses mate-ledningene (ikke vist) for å bringe prosessgassene, f.eks. klor, til manifolden 72 med nitrogen. Kjølevann tilføres bærekonstruksjonene for ovnen gjennom ledningene 80-90, og varme fjernes fra ovnens omgivelser ved avgassutstyr 92.

For å bringe ovnen opp til prosesstemperaturen, tilfør--^s kraft til spolen 38 under fasen "oppvarming/holding" vist i panel 2 i fig. 16. Under denne fase oscillerer spolen over den totale lengde av ovnen ved en hastighet på f.eks. 1250 mm. pr. minutt når den beveger seg oppad, og en hastighet på f.eks 2300 mm. pr. minutt når den beveger seg nedad. Innstillingspunktet for pyrometerne 42 og 44 under denne fase kan være f.eks. omkring 1100°C. Under denne fase tilføres en blanding av helium og oksygen til kammeret 22 gjennom manifolden 72 og fjernes gjennom utslippsskjermen 66. Som i tomgangsfasen, såvel som i de gjenværende faser vist i fig.16, tilføres argon til rommet mellom muffelen 24 og den ytre omhylling 32 gjennom manifolden 76 og fjernes gjennom manifolden 78, og kjølevann tilføres ovnens støttestruktur gjennom ledningene 80-90, og varme fjernes fra ovnens omgivelser ved utslippsutstyr 92. Oppvarmingsprosessen fortsettes inntil den ønskede stabile temperatur på ovnen oppnås, f.eks 1100°C. Ovnen er så klar for tørking og konsolidering av en glasspreform.

Under oppvarmingsprosessen ekspanderer muffelen 24 i lengde-retningen. Systemet anvendt til å støtte muffelen 24 ved sin øvre ende er konstruert for å kompensere for denne ekspansjon .

Spesielt, som vist i fig.8, støttes muffelflensen 98 av splittringen 100 på muffelstøtten, hvilken er festet til muffelflensringen 102. Muffelflensringen 102 innbefatter jekkebolter 94 som kontakter støtteplaten 106. Som vist i fig.2 er støtteplaten 106 festet til støtteelementene 140 som i sin tur er festet til bygningen som rommer ovnen (feste ikke vist). På denne måte er støttestrukturen for den øvre ende av muffelen 24 i hovedsak termisk uavhengig av støtte-strukturen for resten av ovnen.

Etterhvert som muffelen 24 ekspanderer bort fra støtteplaten 106, justeres jekkeboltene slik at splittringen 100 fortsetter å støtte muffelen. Likeledes når muffelen avkjøles justeres jekkeboltene til å kompensere for sammentrekningen av muffelen. Fordi støtteplaten 106 er festet til bygningen som omgir ovnen, istedenfor til ovnens bæreramme 16, kan ekspansjon og kontraksjon av muffelen kompenseres for uavhengig av ekspansjonen og kontraksjonen til bærerammen. Som også vist i fig. 8, innbefatter muf f elstøttesystemet muffelflensstøtter 112 for å lokalisere muffelen 24 sideveis for å bevirke at muffelens senterlinje sammenfaller med senterlinjen til sotendene, muffelflensen beskyttelsesring 114 som dekker, og således beskytter, den øvre flate av flensen 98, O-ringen 110 ved overgangen mellom flensen 98 og splittringen 100, og O-ringen 108 ved overgangen mellom flensen 98 og flensringen 102. Komponentene som utgjør muffelstøttesystemet, unntatt 0-ringene 108 og 110, er fortrinnsvis tilvirket av aluminium. 0-ringene er fortrinnsvis tilvirket av en florkarbonsammensetning, slik som f.eks. viton eller lignende, for slik å være i stand til å motstå de høye temeraturer som muffelen 24 oppvarmes til.

I praksis, når det anvendes silisiummuffeler, er det funnet fordelaktig å unngå kjølemuffeler, som har vært utsatt for temperaturer over 1050°C i vesentlige tidsperioder, for temperaturer under omkring 600°C. Dette er fordi glassaktig silisium sakte og irreversibelt undergår en faseendring for å bli beta-kristobalit ved temperaturer over 1050°C. Se T. P. Browell og G. Hetherington, "Vitreous Silica for Scientific Glassblower", The Journal of the British Society of Scientific Glassblowers. Vol.3, No.l, (1964) sidene 1-12.

Beta-kristobalit og glassaktig silisium har like ekspan-sjonskoeffisienter ved forhøyede temperaturer slik at termiske spenninger ikke utvikles i muffelen så lenge muffelen holdes varm. Etterhvert som muffelen avkjøles, endrer imidlertid beta-kristobaliten til alpha-quartz (ved 570°C) og/eller alpha-kristobalit (ved 270°C). Ekspansjons-koeffisientene for disse former av silisium er signifikant forskjellige fra ekspansjonskoeffisienten til glassaktig silisium. Følgelig på grunn av disse faseoverganger, er det funnet at silisiummuffeler som har vært oppvarmet til over 1050°C for vesentlige tidsperioder vanligvis brister under avkjøling. Som indikert ovenfor, er den foretrukne løsning på dette problem å holde silisiummuffelene varme, dvs. ved en temperatur på over 600°C eller større, fortrinnsvis omkring 1100°C når de først har vært satt i bruk.

Faseendringen fra glassaktig silisium til beta-kristobalit er funnet å være en fordel med hensyn til å la ovnen bli kjørt ved høye temperaturer som er nødvendig for konsolidering. Spesielt er temperaturen på 1450°C brukt for konsolidering under smeltepunktet for beta-kristobalit, men er i det området hvor glassaktig silisium mykner. Som en følge er det funnet at muffeler som har større mengder av beta-kristobalit på sine indre overflater er mindre utsatt for deformasjon under konsolidering enn muf reier med mindre mengder av beta-kristobalit.

Selv etter at forholdsvis store mengder av beta-kristobalit er dannet på den indre flate av muffelen, kan deformasjoner av muffelen 24 skje ved temperaturer brukt for konsolidering.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse kan disse deformasjoner, så vel som deformasjoner som kan oppstå før vesentlig avglassing har funnet sted, kontrolleres gjennom bruk av muffelstøttesystemet beskrevet ovenfor (dvs. jekkeboltene 94, støtteplaten 106 og støtteelementene 140) og ved justering av trykket på utsiden av muffelen, dvs. trykket i rommet mellom omhyllingen 32 og muffelen 24, til å være i hovedsak likt med trykket inne i muffelen. Dette kan hensiktsmessig gjøres ved f.eks. å måle trykket i muffelen 24 under f.eks sintreringsfasen, idet trykket i utgangsmanifolden 78 overvåkes, og justere strømningsgraden inn i inntaksmanifolden 74 slik at trykket i utgangsmanifolden er i hovedsak likt med trykket målt i muffelen. I praksis er trykket i muffelen 24 under sintreringen i størrelsesorden omkring 0,25-0,51 mm vann-søyle over atmosfærisk trykk, og følgelig innstilles innstillingspunktet for trykket i utgangsmanifolden 78 innenfor dette punktet.

Det vises igjen til fig.16, etter at "oppvarming/bibehold-else" fasen er ferdig hvor "belastnings" fasen kan entres hvor preformen 14 festes til et grep 116 og senkes ned i kammeret 22 ved hjelp av nedmatingstårnet 12. Under belast-ningsfasen fortsetter ovnen 10 å operere som i oppvarm-ings-/bibeholdelsesfasen idet innstillingspunktet for pyrometerne 42 og 44 er f.eks. omkring 1100°C.

Når belastningen er fullendt, starter fasen for "CI2 skylling" hvor nitrogengass i tilførselsledningene (ikke vist) som fører til manifolden 72 skiftes ut med klorgass. Denne utskiftning kan vanligvis ta omkring et minutt. Under denne fase stoppes strømmen av oksygen til manifolden 72 slik at ved slutten av fasen er prosessgassene som entrer kammeret 22 helium og klor.

Etter fasen med CI2 skylling entrer ovnen "den tørre" fase under hvilken vanninnholdet i preformen reduseres før konsolidering. Denne fase kan vanligvis ta i størrelsesorden 20 minutter. Gjennom hele denne fase er kammeret 22 oppfyllt med en blanding av helium og klorgass, idet preformen 14 dreies ved en hastighet av f.eks. 7 rpm ved spindeldriften 96, og spolen 38 oscillerer over hele lengden av ovnen med en hastighet av f.eks 1250 mm pr. minutt når den beveger seg oppad og med en hastighet av f.eks. 2300 mm pr. minutt når den beveger seg nedad. Temperaturen i ovnen under denne fase er f.eks. 1100°C.

Etter at tørkefasen er fullendt, entrer ovnen sintrerings-eller konsolideringsfasen som innbefatter et oppvarmings-trinn, et "nedre bibeholdelsestrinn", et "oppkjøringstrinn", et "øvre bibeholdelsetrinn" og "et nedkjøringstrinn" (se fig. 16).

Spolen 38 er lokalisert ved bunnen av ovnen under oppvarm-ingstrinnet, og kraft tilføres spolen inntil pyrometerne 42 og 44 måler en suskeptortemperatur på f.eks omkring 1400°C. Under det nedre bibeholdelsestrinn, forblir spolen stasjonær og sintrer spissen av preformen, idet temperaturen ved bunnen av ovnen når omkring 1450"C under dette trinn. Deretter under oppkjøringstrinnet, beveger spolen seg oppad med en hastighet på f.eks. 7 mm pr. minutt og progressivt oppvarmer partier av kammeret 22 over sintreringstemperaturen for preformen. Deretter under det øvre bibeholdelsestrinn, sintres den øvre del av preformen. Tilslutt entrer ovnen nedkjøringstrinnet under hvilket spolen 38 beveger seg til nederenden av ovnen med en hastighet på f.eks 2300 mm pr. minutt. Under dette trinn, kan innstillingspunktet for pyrometerne 42 og 44 være f.eks. omkring 1100"C. Gjennom hvert av disse trinn er kammeret 22 oppfyllt med en blanding av helium og klor, og preformen 14 dreies ved spindeldriften 96 med en hastighet på f.eks. 7 rpm. I sin helhet kan sintreringsfasen for en to-meters preform skje i størrelsesorden omkring 5 timer.

Etter at sintreringen er ferdig, entrer ovnen rensefasen under hvilken spolen oscillerer over det nedre parti av ovnen for å gjenoppvarme dette området. Strømmen av klorgass inn i kammeret 22 avstenges, og kammeret renses med en blanding av helium og oksygen i en periode på f.eks. 5 minutter. Når klorgassen er renset, entrer ovnen sluttfasen under hvilken den konsoliderte preform fjernes fra kammeret 22. Spolen fortsetter å oscillere over det nedre parti av ovnen i en periode på f.eks 15 minutter under hvilken det nedre parti oppvarmes til omkring 1000°C og det øvre parti avkjøles til omkring den samme temperatur. Ovnen returnerer deretter til "oppvarmings/bibeholdelsesfasen" for å avvente tørking og konsolidering av den neste preform.

Varmeovnen kan anvendes til å utsette glasspreformen for tørkings- og sintreringsprosedyrer forskjellig fra de illustrert her. Mer generelt, ved hjelp av dens bevegelige induksjonsoppvarmingsspole og dens endeoppvarmere, kan ovnen anvendes til å skape et utvalg av termiske profiler for prosessbehandling av glassmaterialer fra hvilke optiske bølgelederfibre prepareres.

Claims (11)

1. Anordning for konsolidering av porøse preformer (14) av glass omfattende: (a) innretninger for tildanning av en hovedsakelig porøs preform (14) av glass; (b) et langstrakt kammer (24) for mottak av preformen (14); (c) innretninger (12) for innføring av preformen (14) frembragt av tildanningsinnretningen inn i kammeret (24); og (d) innretninger for konsolidering innbefatter oppvarmings-organer (26,38,58), karakterisert ved at oppvarmingsorganene oppvarmer utvalgte partier av det langstrakte kammer (24) til en temperatur over preformens (14) sintreringstemperatur, hvorved nevnte partier er fordelt langs kammerets (24) lengde.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at oppvarmingsorganene (26,38,58) innbefatter en stasjonær, langstrakt suskeptor eller mottager (26) som omgir minst en del av det langstrakte kammer (24), hvorved mottagerens (26) lengdeakse er parallell med kammerets (24) lengdeakse, en induksjonsvarmespole (38) som omgir minst en del av mottageren (26), innretninger (58) for å forskyve induksjonsvarmespolen (38) langs en vei som er parallell med mottagerens (26) og kammerets (24) lengdeakse, og innretninger for tilførsel av energi til induksjonsvarmespolen (38).

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at innretningene for konsolidering (10) innbefatter: (a) følerinnretninger innbefattende et pyrometer (42) som beveger seg med induksjonsvarmespolen (38) for avføling av mottagerens (26) temperatur på induksjonsvarmespolens (38) område, og (b) en isolering (28,38) som omgir mottageren (26) hvilken isolering omfatter en slisse (40) som er parallell med mottagerens (26) lengdeakse og gjennom hvilken pyrometeret (42) avføler mottagerens (26) temperatur.

4. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det stasjonære, langstrakte kammer (24) utgjøres av en vertikal, sylindrisk muffelovn (24).

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at innretningene for konsolidering (10) omfatter: (a) første innretninger (94,100,102,106,140) for å bære muffelovnens (24) øvre parti, og (b) andre innretninger (16) for støtte av de øvrige konsoli-deringsinnretninger (10), hvorved de første støtteinn-retninger (94,100,102,106,140) er vesentlig termisk uavhengig av de andre støtteinnretninger (16).

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at konsolideringsinnretningene (10) er plassert i en bygning og den hovedsakelig termiske uavhengighet har fremkommet ved å feste de første støtteinnretningene (94,100,102,106,140) til bygningen på et sted som er i avstand fra det sted der de andre støtteinnretninger (16) er festet til bygningen.

7. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at de første støtteorganene (94,100,102,106,140) innbefatter innretninger (94) for kompensering av muffelovnens (24) varmeutvidelse og kontraksjon.

8. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at muffelovnen (24) er en kiselmuffelovn og at når muffelovnens (24) parti har blitt omvandlet til beta kristobalit som følge av oppvarming over 1050°C under en vesentlig tidsperiode, opprettholdes muffelovnens (24) temperatur deretter over 600°C for å forhindre omvandling av beta-kristobalit til alfakvarts og/eller alfakristobalit.

9. Fremgangsmåte for konsolidering av en porøs preform av glass, i hvilket preformen (14) plasseres i et stasjonært, langstrakt kammer (24), karakterisert ved at deretter oppvarmes et antall utvalgte partier av kammeret (24) sekvensvis til en temperatur over preformenes (14) sintreringstemperatur for forsterkning av" preformen (14), hvorved nevnte partier er fordelt langs kammerets (24) lengde.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at et antall utvalgte partier av kammeret (24) oppvarmes over preformens (14) sintreringstemperatur etter hverandre med start fra partier som anslutter seg til kammerets (24) ene ende og med forflytning langs kammerets (24) lengde til partier som befinner seg i den andre enden av kammeret (24).

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at minst en del av kammeret (24) omgis av en stasjonær, langstrakt mottager (26) hvis lengdeakse er parallell med kammerets (24) lengdeakse, og at et antall utvalgte partier av kammeret oppvarmes ved å bevege på en induksjonsvarmespole (38) hvortil energi tilføres og som omgir en del av mottageren (26), langs en vei som er parallell med lengdeaksene av den stasjonære mottageren (26) og det stasjonære kammeret (24).