專利名稱：用于制造光導(dǎo)纖維的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造光導(dǎo)纖維。具體而言，本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的方法在加熱爐中通過拉力對(duì)玻璃預(yù)成型坯進(jìn)行加工，用于制造光導(dǎo)纖維，或用于將玻璃預(yù)成型坯拉伸成適合于纖維制造的形狀。
本發(fā)明還可以用于其他預(yù)成型坯制造工藝及其設(shè)備，如用于MCVD車床和燒結(jié)爐，如在權(quán)利要求28的前序部分所限定的。
一般而言，本發(fā)明可以用于各種熱處理玻璃基片的工藝，其中玻璃基片放置在熱處理區(qū)的第一氣體空間，其被第二環(huán)境氣體空間所包圍，所述熱處理區(qū)在第一和第二氣體空間之間裝備有氣體導(dǎo)管并優(yōu)選使其相互連接。通常，在熱處理工藝中，氣體導(dǎo)管包括旋轉(zhuǎn)接頭。處理是在中至高溫下進(jìn)行(超過300℃，在大多數(shù)情況下超過1000℃，經(jīng)常超過1500℃)。在氣體導(dǎo)管兩側(cè)的氣氛(即，氣體空間的組成)是不同的。在用于加工預(yù)成型坯的設(shè)備內(nèi)部占優(yōu)勢(shì)的氣壓和在其外部占優(yōu)勢(shì)的氣壓之間經(jīng)常存在壓力差(高達(dá)1000毫巴，優(yōu)選高達(dá)100毫巴)。
本發(fā)明還涉及根據(jù)權(quán)利要求17的前序部分所述的用于加工玻璃預(yù)成型坯的裝置。
背景技術(shù)：
在制造光導(dǎo)纖維時(shí)，包括例如層狀玻璃結(jié)構(gòu)的玻璃預(yù)成型坯是通過爐拉出，而該爐具有限定細(xì)長(zhǎng)加熱室的夾套、并具有垂直或水平定向的中心軸，其中將預(yù)成型坯加熱到約1800℃至2200℃的溫度以軟化玻璃。實(shí)際上，使用具有ZrO或石墨電阻(電阻加熱或感應(yīng)加熱)的爐。在兩種情況下，在入口處設(shè)置密封，例如，通過入口垂直懸掛的玻璃預(yù)成型坯延伸到爐內(nèi)。該密封可以包括機(jī)械環(huán)，如機(jī)械擋板結(jié)構(gòu)，其將減少入口和預(yù)成型坯外壁之間的間隙。
借助具有ZrO電阻的爐，操作可以在環(huán)境大氣下進(jìn)行，因而入口的密封效率并不是關(guān)鍵的。也沒有將玻璃預(yù)成型坯和入口內(nèi)表面之間的間隙(clearing)降至最小程度的特殊需要。然而，這些爐受到很多缺點(diǎn)的妨礙在操作期間如果允許冷卻，構(gòu)造則會(huì)被破壞。因此，在供能中斷和類似操作故障期間可出現(xiàn)特別困難的情況。
第二加熱爐，即石墨爐，得到了更廣泛的應(yīng)用。為了避免燃燒石墨，在超過500℃的溫度下爐的石墨部分應(yīng)保持在保護(hù)氣體氣氛中。可以注意到，不僅更新石墨電阻(其已被燃燒)昂貴，而且灼熱和煙熏石墨也引起形成顆粒，其會(huì)降低纖維的性能。因而，在石墨爐的情況下，在控制保護(hù)氣體氣氛時(shí)的主要方式是1)在玻璃預(yù)成型坯之間，其被送入爐，2)在爐內(nèi)，以及3)在拉拔纖維/預(yù)成型坯以及爐體出口之間分別提供有效密封。迄今為止，還沒有控制這些密封的適當(dāng)方式。
另一種類型的預(yù)成型方法是MCVD(改進(jìn)的化學(xué)汽相淀積)，其中反應(yīng)氣體通過旋轉(zhuǎn)接頭送入基片管(石英管)，其用于制造玻璃預(yù)成型坯(用于制造光導(dǎo)纖維)的石英部分。這些氣體在高溫下送入MCVD車床，并且為了避免冷凝問題，旋轉(zhuǎn)接頭必須加熱到300℃或更高。旋轉(zhuǎn)接頭的作用是阻止工藝氣體擴(kuò)散到室內(nèi)空氣。這種類型的工藝氣體的實(shí)例是氯氣。另外，環(huán)境空氣(室內(nèi)空氣)總是含有一些水份和其他雜質(zhì)，如果在加工期間允許它們接觸基片管或MCVD車床內(nèi)的反應(yīng)氣體，其可能導(dǎo)致產(chǎn)品的缺陷。這種效應(yīng)的典型實(shí)例是公知的衰減，其是由于光導(dǎo)纖維的石英核心中的水峰而導(dǎo)致。
在現(xiàn)有MCVD技術(shù)中，使用O型環(huán)或鐵磁流體來密封旋轉(zhuǎn)接頭以防止來自車床內(nèi)部的氣體流入環(huán)境空氣。存在若干與已知技術(shù)解決方案有關(guān)的問題。因而，在苛刻的操作條件下，O型環(huán)無法承受1-5次以上的工藝試驗(yàn)，而在漏氣的情況下，可能會(huì)損壞制品。鐵磁流體是非常昂貴的材料并且對(duì)于其在高溫下的使用僅具有有限的經(jīng)驗(yàn)。
在本發(fā)明范圍內(nèi)的典型預(yù)成型坯加工方法的第三個(gè)實(shí)例是燒結(jié)工藝。此方法是例如在將煙炱燒結(jié)(壓實(shí))成固體材料的OVD或OVD工藝后加以使用。在此方法中，預(yù)成型坯通過爐加熱區(qū)送入，在此處發(fā)生燒結(jié)。為了獲得更均勻的效果，將預(yù)成型坯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而將旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)置在設(shè)備的部件之間，其進(jìn)行彼此之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在燒結(jié)期間，爐氣氛受到控制并且它可以含有有害氣體如氯氣。而且必須封閉源自環(huán)境大氣的任何水。旋轉(zhuǎn)接頭必須同時(shí)處理軸向和旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。按常規(guī)，這已通過利用石墨板或其他材料以及另外地通過安裝圍繞接頭的防護(hù)罩(用于俘獲氯氣分子)加以解決。這些構(gòu)造是不可靠的，因?yàn)樗鼈儾荒芎芎玫負(fù)踝∷?，氯氣可能?huì)排到大氣中，以及它們可引起在爐中形成有害顆粒。
各種機(jī)械密封裝置被披露在日本出版的專利申請(qǐng)第55020260號(hào)、美國(guó)專利第4,477,274號(hào)、德國(guó)專利第3903466及第4006839號(hào)中，在這些中請(qǐng)中，將牽引彈性體或石墨密封進(jìn)行了描述。在拉拔纖維期間，這些密封緊緊地與預(yù)成型坯相配合。
上述種類的典型機(jī)械密封還示于附圖2中。在該圖中，附圖標(biāo)號(hào)1表示擋板的支撐塊，1.2表示密封氈(附圖標(biāo)號(hào)1.3)的夾緊環(huán)，而標(biāo)號(hào)3表示玻璃預(yù)成型坯，而標(biāo)號(hào)4表示爐體。
另外的機(jī)械密封構(gòu)造包括用于密封供給口的懸浮石英板。
已提出了在纖維拉拔期間圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)預(yù)成型坯。這種旋轉(zhuǎn)在下述方面可提供便利過程的可控制性、加熱的均勻性、厚度測(cè)量。然而，預(yù)成型坯的任何橢圓度可能會(huì)(與牽引密封一起)破壞預(yù)成型坯的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，因而也損壞纖維的拉拔以及預(yù)成型坯的拉伸。另外，釋放自聚合物或石墨材料的顆粒可能污染纖維。
如上所述，基于與預(yù)成型坯機(jī)械接觸的密封會(huì)引起預(yù)成型坯的污染、以及在預(yù)成型坯表面上的劃痕和其他缺陷。代替彈性體密封，其在化學(xué)上是具有高度耐久性的密封材料，必須使用經(jīng)得起高溫的密封材料。通常使用的密封，其是基于石墨氈(見上述)或石英棉，還允許氧氣滲入爐內(nèi)并且它們要遭受相當(dāng)大的磨損。這可以由以下事實(shí)來解釋沒有從加熱室的內(nèi)部到外部的回流通過密封，其可以阻擋所產(chǎn)生的擴(kuò)散、或至少難以在多孔或未完全密封中形成這樣的流動(dòng)?？梢岳谜婵諣顟B(tài)檢查高度和分子的自由行程處于相同數(shù)量級(jí)的狹槽，因?yàn)榭蓪⒄婵諣顟B(tài)限定為一空間，其中分子的自由行程大于壁之間的距離。在真空狀態(tài)中，分子繼續(xù)其在壁之間的直線移動(dòng)而不會(huì)遇到接近的分子。因此，例如已進(jìn)入槽的氧分子，一旦它已達(dá)到那里，就通過該槽推進(jìn)。這種現(xiàn)象還可解釋下述已知事實(shí)分子在更高壓力的方向還擴(kuò)散通過多孔壁。就此而論，容易理解的是，密封是完全致密或它允許擴(kuò)散流透過，借助于超壓或其他方法其是難以防止的。為了解決此問題，必須引入其他裝置。
在本技術(shù)領(lǐng)域中，改變保護(hù)氣體的流動(dòng)已被認(rèn)為是上述問題的一種解決方案。因此，例如美國(guó)專利第4,174,842號(hào)、第5,970,083號(hào)、和第5,897,681號(hào)，以及日本出版的專利申請(qǐng)第JP 60081039號(hào)，建議增加氣體流量。通過這種方式，可以減少氧氣在爐內(nèi)的擴(kuò)散，但這種解決方案的特殊問題是，它顯著地增加惰性氣體的消耗和費(fèi)用。事實(shí)上，當(dāng)試驗(yàn)非接觸的解決辦法時(shí)，已使用極高的密封流量(超過100標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，以下縮寫為“SLM”)，而整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)部分的較小變化卻已引起密封的意外故障。在某些情況下，有意地允許破壞石墨電阻并且以幾周間隔對(duì)它們進(jìn)行改變。這已至少用于拉伸預(yù)成型坯，而受污染的預(yù)成型坯必須分別進(jìn)行清洗。
如從以上相關(guān)技術(shù)的描述所明顯看到的，迄今還沒有正確地理解在用于玻璃預(yù)成型坯的感應(yīng)爐內(nèi)提供適當(dāng)流動(dòng)分布的整個(gè)加熱工藝或重要性。另外，這類爐的密封解決辦法是基于各種部件的單個(gè)試驗(yàn)分別進(jìn)行開發(fā)。因此，甚至較小變化，例如，預(yù)成型坯直徑的變化，將導(dǎo)致在可以對(duì)爐進(jìn)行操作之前需要一系列全新的試驗(yàn)。
變化預(yù)成型坯、輸送裝置、以及基片管的幾何形狀使得所有基本類型中的可控制性變得更加困難，如變化厚度、橢圓或彎曲形狀、以及偏離。
在某些情況下，足以保護(hù)一種氣氛免受在密封/旋轉(zhuǎn)接頭另一側(cè)的氣氛的影響。然而，在許多情況下，非常需要將氣氛彼此分開，而此目標(biāo)也必須通過密封來實(shí)現(xiàn)。
如上所解釋的，當(dāng)在加工期間將預(yù)成型坯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，則加劇上述困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是消除現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)并為密封爐提供新的解決方案，這些爐用于拉拔光導(dǎo)纖維和拉伸玻璃預(yù)成型坯以及與制造光導(dǎo)纖維有關(guān)的類似操作。
本發(fā)明是基于以下想法而作出在加熱爐中氣體雜質(zhì)的濃度和送入爐內(nèi)的惰性氣體中的相同雜質(zhì)的濃度基本上保持在相同水平。另外，通過在加熱爐的入口產(chǎn)生惰性氣體的阻擋流，形成擴(kuò)散阻擋層以阻止從環(huán)境空氣流入不需要的氣體成分(由擴(kuò)散力驅(qū)動(dòng))，所述阻擋流具有通常與擴(kuò)散方向相反的流動(dòng)方向。因此，在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，形成至少一個(gè)、優(yōu)選與爐室的開口一樣多擴(kuò)散阻擋區(qū)。擴(kuò)散阻擋層將僅允許一定量的雜質(zhì)透入，其將基本上不會(huì)增加爐中雜質(zhì)的濃度。這樣的增加優(yōu)選小于10％、尤其是小于5％的濃度，這是由于在送入爐中的保護(hù)氣體中存在雜質(zhì)而致。
基于以上基本概念可以制成雙向構(gòu)造。因此，在用于生產(chǎn)和處理用于光導(dǎo)纖維的預(yù)成型坯的熱處理設(shè)備中，可以有一個(gè)阻擋流，其防止工藝氣體從爐中逸出(擴(kuò)散)，以及另一個(gè)阻擋流，其防止環(huán)境大氣氣體擴(kuò)散進(jìn)入爐內(nèi)。
具體而言，這種技術(shù)解決方案首先由本發(fā)明以下述方法實(shí)施在爐中用拉力對(duì)玻璃預(yù)成型坯(工件)進(jìn)行加工以制成預(yù)定形狀的玻璃制品，其中，將至少一部分的玻璃預(yù)成型坯通過入口引入加熱爐，將一部分引入加熱爐的玻璃預(yù)成型坯加熱到玻璃的軟化點(diǎn)以上，在拉伸方向?qū)ΣＡьA(yù)成型坯的加熱部分施加拉力以將預(yù)成型坯加工成預(yù)定形狀，具有預(yù)定形狀的經(jīng)加工的預(yù)成型坯部分通過出口從爐中拉出，以及預(yù)成型坯的軟化部分和至少部分預(yù)成型坯的經(jīng)加工部分在爐內(nèi)利用通過供給口送入爐內(nèi)的惰性氣體進(jìn)行沖洗。
一般而言，該方法可以應(yīng)用于玻璃基片的任何熱處理工藝，即通過在至少一個(gè)氣體導(dǎo)管形成擴(kuò)散阻擋層，其中熱處理裝置內(nèi)的氣體空間與環(huán)境大氣相互連接以密封導(dǎo)管，從而阻止在通過導(dǎo)管的至少一個(gè)方向的氣流。
除以上詳細(xì)討論的具體實(shí)施例以外，常規(guī)方法可以與將工藝氣體送入旋轉(zhuǎn)基片管(用于制備MCVD預(yù)成型坯)一起實(shí)施。當(dāng)燒結(jié)經(jīng)煙炱處理的預(yù)成型坯時(shí)，該技術(shù)解決方案也可以一種密封工藝氣體和環(huán)境空氣的方式進(jìn)行。
更具體而言，根據(jù)本發(fā)明的方法的主要特征在于在權(quán)利要求1和權(quán)利要求28的說明部分所陳述的內(nèi)容。
根據(jù)本發(fā)明裝置的特征在于在權(quán)利要求17的說明部分所陳述的內(nèi)容。
本發(fā)明提供了大量的優(yōu)點(diǎn)。因此，根據(jù)本發(fā)明的解決方案可以用于制造光導(dǎo)纖維，如玻璃坯料(其在下文也稱作“預(yù)成型坯”)的MCVD、PVD、拉伸、塌陷、燒結(jié)、裝套管，用于上述工藝和用于其組合工藝需要的各種爐以及用于纖維拉拔爐。本發(fā)明可用來提供非接觸式密封，可以對(duì)保護(hù)氣體的消耗進(jìn)行最優(yōu)化，以及通過本發(fā)明描述的方法準(zhǔn)確部件的數(shù)目可以減至最少，另外，它能夠同時(shí)旋轉(zhuǎn)預(yù)成型坯。它可以是單向或雙向型并且它可以用于所有溫度以及用所有氣體。保護(hù)氣體可以是惰性或活性的，但它必須適合于特定情況。本發(fā)明結(jié)合并組合氣體供給系統(tǒng)、爐的洗滌或沖洗流、煙囪效應(yīng)、上開口(也稱作“上擋板”)、下開口(也稱作“下?lián)醢濉?、以及其物理尺寸。
因此，可將整體中一個(gè)部分的任何變化的效果進(jìn)行觀察，并且，相應(yīng)地，在系統(tǒng)的其他部分或通過改變裝置的操作或流動(dòng)分布或氣體供給點(diǎn)來進(jìn)行補(bǔ)償。因此，需要的實(shí)際導(dǎo)流循環(huán)的數(shù)目也可以顯著減少。
根據(jù)本發(fā)明的解決方案提供了至少以下優(yōu)點(diǎn)尤其在石墨爐中非接觸式密封和使用預(yù)成型坯旋轉(zhuǎn)的結(jié)合。具體而言，本發(fā)明將增加爐的使用壽命或石墨電阻，并且它將減少爐的定期維護(hù)。鑒于以下事實(shí)通過氧化石墨電阻所形成的灰塵和粉末(顆粒)較少，所以清潔度將增大。重要的是，與目前的技術(shù)解決方案相比，保護(hù)氣體的消耗將降低?？梢园葱枰淖兞鲃?dòng)方向并且設(shè)備的構(gòu)造部分可以變得簡(jiǎn)單并松散地配合，從而允許標(biāo)注尺寸大的變化。
另外，本發(fā)明將保證雜質(zhì)轉(zhuǎn)移到對(duì)成品更有利的區(qū)域，其中雜質(zhì)是通過選擇煙囪效應(yīng)、流量分布(借助于傳導(dǎo)而實(shí)施)、以及保護(hù)氣體的供給點(diǎn)而獲得。下面披露計(jì)算流量數(shù)、計(jì)算煙囪效應(yīng)、以及計(jì)算聚集體中流率和方向的各種方法。這些方法可以有效地用于設(shè)計(jì)新的設(shè)備，其用于在拉伸期間以及在纖維拉拔期間對(duì)預(yù)成型坯進(jìn)行加工。這些方法允許確定氣體進(jìn)料嘴的尺寸。
本發(fā)明披露了限定密封流速度的方法，其是用于每個(gè)水平的清潔度的擴(kuò)散和密封距離所需要的，以及利用上述方法確定聚集體和流動(dòng)尺寸的方法。
不僅在靜態(tài)系統(tǒng)，而且更多地是當(dāng)涉及旋轉(zhuǎn)、軸向及徑向移動(dòng)時(shí)，利用本發(fā)明的氣體流量可將兩種氣體體積彼此分開。


下面，將借助于詳細(xì)描述并參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說明。
圖1示意性地示出了具有預(yù)成型坯及其關(guān)鍵部件的加熱爐的側(cè)視圖；圖2示出了用于密封爐的典型現(xiàn)代解決方案的橫截面的類似側(cè)視圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的密封情況的剖視圖；
圖4以側(cè)視圖示出了擴(kuò)散阻擋層的推進(jìn)；圖5示出了在冷爐或在臥式爐中保護(hù)氣體的流量分布(具有一個(gè)供給點(diǎn)的簡(jiǎn)單情況；c1、c2、以及c3可以包括多個(gè)亞傳導(dǎo))；圖6示出了由煙囪效應(yīng)引起的氣體流量；圖7示出了結(jié)合的管流和保護(hù)氣體流；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的某些擋板解決方案；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選具體實(shí)施例；圖10示出了前圖具體實(shí)施例的水平剖面；圖11示意性地示出了涉及煙囪效應(yīng)的基本氣流；圖12示意性地示出了用于拉伸預(yù)成型坯工藝的中間階段；圖13示出了預(yù)成型坯的輸送裝置被推進(jìn)爐內(nèi)的狀態(tài)；圖14示出了該工藝的最終狀態(tài)，其中密封存在于輸送裝置和套環(huán)之間；圖15以側(cè)視圖示意性示出了用于MCVD/PVD基片管的旋轉(zhuǎn)接頭構(gòu)造的橫截面；以及圖16示出了用于燒結(jié)爐的接頭的類似視圖。
具體實(shí)施例方式
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的解決方案中，通過使用惰性氣體流來形成擴(kuò)散密封，任何不需要的氣體分子含量可以保持在容積(例如，爐)的外部。根據(jù)本發(fā)明，可以接受殘余物的含量基本上對(duì)應(yīng)于(例如稍微超過)例如保護(hù)氣體的雜質(zhì)水平，以及與擴(kuò)散相對(duì)的密封流量是通過密封流量進(jìn)行調(diào)整，從而借助于所使用的密封距離而形成足夠的擴(kuò)散密封。雜質(zhì)的目標(biāo)濃度通常小于100ppm，尤其是約1至90ppm，其可以相應(yīng)于超過10％、優(yōu)選5％、或小于在保護(hù)氣體中的雜質(zhì)濃度。
在本發(fā)明中所使用的保護(hù)氣體可以是任何惰性氣體，其比空氣更輕或更重。通常使用氮?dú)?。氬氣更為昂貴，但已發(fā)現(xiàn)氬氣的消耗小于氮?dú)?，其將至少一定程度上補(bǔ)償該氣體所增加的成本。氬氣比空氣具有更高的密度，因而它可以更有效地使煙囪流返料，如下文所解釋的。
也可以采用各種工業(yè)氣體和氣體混合物，如空氣，其已除去氧氣。重要的是，密封氣體(或氣體混合物)并不損害受保護(hù)的氣體體積(在MCVD時(shí)該氣體可以是氧氣)。
本發(fā)明包括含有聚集體的爐組合裝置，其將流量和結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便在傳導(dǎo)的比率中考慮到氣體的分布，借助于擴(kuò)散阻擋層(密封條件)的非接觸式密封，在聚集體傳導(dǎo)期間可能的流率和流動(dòng)方向(由煙囪效應(yīng)提供)、以及結(jié)合上述流量以限定需要的密封距離。通過選擇實(shí)際的供給點(diǎn)，也可以在爐內(nèi)控制擴(kuò)散阻擋層的形成。
如下文更詳細(xì)說明的，下述是特別有利的以這樣的方式設(shè)計(jì)裝置以使入口、尤其是上開口具有基本上相當(dāng)于爐管(石墨管)直徑的直徑。
實(shí)際上，以及如下文更詳細(xì)分析的，優(yōu)選的是，在豎式爐中，下?lián)醢?下入口)比上擋板(更高的傳導(dǎo)率)寬。在這種情況下，上擋板主要限定管流的體積(出口)，以及限定下?lián)醢宓拿芊饬饕允顾谠O(shè)定尺寸形成足夠密封。在上擋板的密封條件也必須是有效的，但加入保護(hù)氣體流的向上成分的管流通常是如此之大以使密封條件對(duì)于充分壓縮的構(gòu)造是有效的。例如，上擋板的槽應(yīng)在0.1mm至10mm的預(yù)成型坯上，為了使煙囪效應(yīng)適宜。約0.5mm至100mm密封距離并具有合理的流量水平對(duì)于下?lián)醢逅坪跏亲銐虻摹?br> 本發(fā)明的第一個(gè)優(yōu)選具體實(shí)施例示于圖1，在圖1中使用以下的附圖標(biāo)記1，上擋板(upper iris)2，下?lián)醢?lower iris)3，預(yù)成型坯(preform)，通常朝向端部之一呈錐形，將該端部向上或向下進(jìn)行定位，4，爐室5a，保護(hù)氣體的氣體入口5b，保護(hù)氣體的進(jìn)氣管5c，保護(hù)氣體的供給管6a，爐的氣體沖洗流的出口6b，用于在爐管內(nèi)供給氣體的沖洗氣體的管嘴7，爐管在根據(jù)該圖的構(gòu)造中，該構(gòu)造也可以定位在其他方向，如水平方向，爐(或“加熱爐”)的管嘴，其用附圖標(biāo)號(hào)1、2、5及7加以標(biāo)記，已確定尺寸以便在其每一個(gè)中形成擴(kuò)散阻擋流，從而保證足夠的純度。下文將討論如何計(jì)算擴(kuò)散阻擋流的速率和需要的阻擋距離的長(zhǎng)度。
實(shí)際爐空間由爐加熱管7的內(nèi)部構(gòu)成，其中將要進(jìn)行加熱的預(yù)成型坯的部件進(jìn)行定位。爐加熱管7通常由石墨制成并且它是通過電流加熱。這種電流包括由感應(yīng)或由電流耦合所產(chǎn)生的電流。爐加熱管7和爐室4之間的中間空間專供絕緣(保溫)材料之用，而在感應(yīng)爐的情況下，也供感應(yīng)圈之用。通常將該爐室4進(jìn)行水冷卻。
保護(hù)氣體是經(jīng)過管嘴5a送入爐中，從管嘴5a它被進(jìn)一步經(jīng)過管嘴5b引導(dǎo)到爐內(nèi)的所需要的位置。該氣體也可以通過擋板構(gòu)造送入或它可以在幾個(gè)位置5b、5c等送入，通過一個(gè)或多個(gè)進(jìn)料管嘴5a，氣流以預(yù)定比率被分開。重要的是，經(jīng)提純的保護(hù)氣體被直接引導(dǎo)到爐管7，這樣從保溫材料釋放的任何粉塵可以被引導(dǎo)離開敏感性預(yù)成型坯(/或光導(dǎo)纖維)3。通過適當(dāng)選擇保護(hù)氣體的供給點(diǎn)，則可以影響在爐管內(nèi)以及在爐管的不同部分的氣流的方向和速率。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)氣體的速率和流量，在爐管中心(熱區(qū))的流量可以降低到最低程度或甚至接近零(如果需要如此的話)。在簡(jiǎn)化的流動(dòng)模型中，其在以后介紹，未考慮進(jìn)料的位置，但它可以容易地加入其中。
通過在爐內(nèi)適當(dāng)分布?xì)怏w流量，則可以改變氣體消耗。優(yōu)選地，氣體的至少5％的質(zhì)量流量被向下引導(dǎo)，尤其是至少50％。
在爐外氣流可以分成不同的亞流，例如，利用不同的質(zhì)量流量調(diào)節(jié)器。
氣體從爐的流出通常是通過允許一部分氣體滲漏通過在爐管7中之間的接頭(或通過在爐管中制成的開口)進(jìn)入中間空間來完成。這種流量可以通過部分地經(jīng)過管嘴6a排空中間空間來增強(qiáng)。具體而言，這種方法用于熱加工之前中間空間的沖洗期間，以便從爐中除去氧氣和水分。在加工期間不沖洗中間空間。通過產(chǎn)生不同的流路可以使沖洗更為有效，例如通過在爐管中制成的管嘴6b以及通過在沒有留下氣阱(pocket)(其難以沖洗)的位置安裝氣體出口管嘴6a。利用這種構(gòu)造，在爐內(nèi)的氣流的速率和分布則不依賴于操作參數(shù)。同時(shí)，當(dāng)清楚地限定不同的傳導(dǎo)時(shí)，可以更容易地發(fā)現(xiàn)氣流的正確速率。如果需要的話，可以在出口設(shè)置具有一定流率的吸管，其可以利用質(zhì)量流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到所需要的水平，而氣體流路通過形成在構(gòu)造中的通路來確定。清洗也可以利用分開的進(jìn)料嘴來進(jìn)行，將該進(jìn)料嘴直接與間隙相連。
通過這種排列，一方面可以獲得中間空間的有效沖洗，另一方面可以將任何顆粒運(yùn)送離開預(yù)成型坯。該氣體也不冷卻爐室。
尤為重要的是，除上述通路和管嘴之外，該爐是氣密的，從而不允許氧氣滲入爐室。準(zhǔn)確地了解通過質(zhì)量流量調(diào)節(jié)器送入爐中的保護(hù)氣體的流率、及自爐的中間空間排出的沖洗氣體的流率(利用質(zhì)量流量調(diào)節(jié)器加以調(diào)節(jié))、上擋板和下?lián)醢宓牧髁糠植?，以及由而此提供的阻擋流?br> 在裝備有適當(dāng)工作擴(kuò)散阻擋層的爐中，損壞爐的石墨部件的氧氣主要來源于載氣。因而重要的是，最大程度減少送入爐中的氣體體積并使用清潔和純的氣體用于通過爐室供給。
優(yōu)選地，經(jīng)加工的制品包括光導(dǎo)纖維或拉伸的預(yù)成型坯，經(jīng)加工的制品優(yōu)選連續(xù)地，通常在拉伸期間，以不同的拉拔速度從爐中拉出。
如從以下優(yōu)選具體實(shí)施例的描述顯而易見，上開口可以用石墨管或石英管制成。后者的優(yōu)點(diǎn)在于它是惰性的，而前者可以制成犧牲基片，其在進(jìn)入爐中以前將與任何氧氣起反應(yīng)。石墨管還允許與預(yù)成型坯表面的某些牽引接觸。
密封形成一阻擋區(qū)，其基本上呈現(xiàn)氣體的層流狀態(tài)。因此，它被排列在保護(hù)氣體的進(jìn)料嘴上方。如果將管嘴安裝在上開口，則優(yōu)選向上約10mm以及更大的自由流路。約15mm至1000mm的長(zhǎng)度是可能的。長(zhǎng)度是指爐管的中心軸線方向上的長(zhǎng)度。阻擋區(qū)由玻璃預(yù)成型坯和爐的開口之間的空隙所限定。玻璃預(yù)成型坯的外徑和開口的內(nèi)徑之差通常在0.5mm至15mm的范圍內(nèi)。
第二個(gè)實(shí)施例示于圖15，其示出了用于MCVD/PVD車床的旋轉(zhuǎn)接頭構(gòu)造。在該圖中，使用以下附圖標(biāo)記51，旋轉(zhuǎn)玻璃管52，卡盤爪53，卡盤54，支架(在卡盤和反應(yīng)器本體之間)55，反應(yīng)器本體的部件56，阻擋區(qū)57，工藝氣體的輸送管58，用于阻擋氣體的輸送管59，氣體分布環(huán)
Dr，對(duì)來自反應(yīng)空間的氣體的擴(kuò)散阻擋層Dy，對(duì)環(huán)境氣體的擴(kuò)散阻擋層在根據(jù)本實(shí)施例的技術(shù)解決方案中，玻璃管51是通過爪52送入，該玻璃管在阻擋區(qū)56的底部是打開的。這些爪靠近并以管為中心以便在管和阻擋區(qū)之間形成共軸狹縫和氣體分布環(huán)59。在阻擋區(qū)的末端，以這樣的方式已形成氣流通道以使玻璃管并不阻礙氣體按照箭頭所示流動(dòng)。通過Dy流動(dòng)的氣體被允許離去，例如，通過爪。當(dāng)將管道進(jìn)行排列用以旋轉(zhuǎn)時(shí)，僅有的接觸點(diǎn)位于卡盤53的潤(rùn)滑支架54。在部件51和56之間的旋轉(zhuǎn)接頭中沒有接觸。由于部件56是不旋轉(zhuǎn)的，因此工藝氣體進(jìn)料嘴57可以用正常的管接頭進(jìn)行裝配。這樣，所達(dá)到的旋轉(zhuǎn)接頭的溫度僅受限于正常放置在接頭的構(gòu)造部件上的限制。因而，如果部件56是由石英制成，那么接頭的操作溫度可以高達(dá)1700℃。
通過輸送管58送入形成阻擋層所需要的氣體來獲得擴(kuò)散阻擋層。這種氣體可以是這樣的氣體，其相對(duì)于反應(yīng)是惰性的，或其是這樣的種類以使其濃度的較小波動(dòng)基本上不影響工藝過程。在到達(dá)氣體分布環(huán)以后，與附加的Dy和Dr的傳導(dǎo)相比其傳導(dǎo)率是較寬的，氣體通常沿著環(huán)的周邊進(jìn)行分布。從整個(gè)周邊氣體被分成共軸狹縫Dy和Dr(取決于其比率)。兩個(gè)狹縫的傳導(dǎo)以這樣的方式定尺寸以便在它們中形成阻擋層(根據(jù)為它們選擇的雜質(zhì)水平-該水平可以是，例如，ppm或ppb的數(shù)量級(jí))。阻擋狀態(tài)包括氣流，其依賴于流動(dòng)通道的尺寸僅允許在阻擋層的“下游”ppm的分子濃度到達(dá)氣體分布環(huán)。
當(dāng)檢測(cè)擴(kuò)散阻擋層的操作時(shí)，應(yīng)注意到，密封是由兩個(gè)相互連接的擴(kuò)散阻擋層構(gòu)成的，其在不同的、優(yōu)選相反的方向起作用。一個(gè)阻擋層在外部對(duì)裝置進(jìn)行密封，而另一個(gè)在內(nèi)部對(duì)裝置進(jìn)行密封?？梢詫?duì)阻擋層指定不同的純度要求，因此，相對(duì)于氣流的關(guān)鍵方向?qū)怏w消耗進(jìn)行最優(yōu)化。通過增加“安全限度”或通過使供給壓力恒定，可以為利用具有任意直徑(在預(yù)定范圍內(nèi))的管進(jìn)行適當(dāng)操作而設(shè)計(jì)阻擋層。可接受的變化越小，則所需要的狹縫越小，并且為提供阻擋層消耗更少的氣體?？商鎿Q地，可以降低狹縫的尺寸或增加流量以增加通過阻擋層的氣體的進(jìn)料壓力，從而阻擋層的操作不再依賴于壓力。在管外部和管內(nèi)部之間的壓力差也可以通過控制狹縫的傳導(dǎo)比來進(jìn)行補(bǔ)償?？梢酝ㄟ^改變狹縫的尺寸(高度、寬度、以及長(zhǎng)度)來進(jìn)行這種調(diào)節(jié)。
另外可以使用連接件，一種經(jīng)過彈性體密封附著于例如玻璃的金屬管，然后將這種金屬管安裝在部件56內(nèi)，在這種情況下使用玻璃管。從而，在相同的構(gòu)造中實(shí)現(xiàn)較小的氣體消耗(在51和56之間的空隙較小)和管道尺寸的較大變化。
第三個(gè)實(shí)施例示于圖16，其描述了燒結(jié)爐的部件，包括爐管61、用于加熱的爐62、用于工藝氣體的入口63。將預(yù)成型坯69從上面引入爐管而燒結(jié)發(fā)生在燒結(jié)區(qū)64。當(dāng)旋轉(zhuǎn)預(yù)成型坯時(shí)，在頸部形成旋轉(zhuǎn)接頭。通過管嘴65供給的阻擋氣體被分成兩個(gè)氣流67和68一個(gè)形成對(duì)于室內(nèi)空氣的阻擋氣體分布環(huán)66，而第二個(gè)形成對(duì)于工藝氣體體積的阻擋氣體分布環(huán)。將兩個(gè)氣流進(jìn)行調(diào)整以形成保護(hù)阻擋流，從而防止空氣到達(dá)阻擋氣體分布環(huán)，而另一方面可防止工藝氣體到達(dá)分布環(huán)66。這種類型的構(gòu)造可以用許多不同的方式進(jìn)行構(gòu)造，并且利用吸管代替供給氣體到阻擋氣體分布環(huán)它同樣起作用。一個(gè)目的是獲得這樣一種狀況，在其中存在兩個(gè)相反的氣流，將其進(jìn)行調(diào)節(jié)以形成保護(hù)擴(kuò)散阻擋層，如下文更詳細(xì)描述的。
根據(jù)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的標(biāo)注尺寸擴(kuò)散阻擋層在圖3中，披露了在擋板中的流動(dòng)方式。類似的阻擋流可以用于根據(jù)本發(fā)明的其他外部和內(nèi)部入口和出口。本發(fā)明的目的在于防止經(jīng)過入口的所不需要的氣體分子流(例如，進(jìn)入爐中)。標(biāo)注尺寸的前提是允許具有可容許量雜質(zhì)的流入。完全純凈并不是目標(biāo)。這樣的可接受水平是在惰性保護(hù)氣體(用于產(chǎn)生阻擋流)中雜質(zhì)的濃度或其幾分之一(例如，十分之一)。另一方面，阻擋層的效率也受到可獲得的阻擋距離的影響。可以按照開口的橫截面和阻擋流的體積流量來計(jì)算阻擋流量。
擴(kuò)散阻擋條件可以計(jì)算如下氣體擋板設(shè)計(jì)方程1)靜態(tài)介質(zhì)濃度為C(x，t)的一維菲克擴(kuò)散定律∂C(x,t)∂t=D∂2C(x,t)∂x2]]>表示濃度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)等于濃度的二次空間導(dǎo)數(shù)乘以常數(shù)D。將常數(shù)D定義為材料擴(kuò)散常數(shù)，[D]＝[m2/s]。
假定邊界為x＝0，其中負(fù)x值在左邊而正值在右邊。假設(shè)恒定濃度Cs在左邊，以及最初(t＝0)零濃度在右邊，那么菲克擴(kuò)散方程的解應(yīng)是C(x，t)＝Cs，x＜0C(x,t)=Cs[1-erf(x2Dt)],x≥0]]>
這意味著，當(dāng)觀察時(shí)間t達(dá)到無限時(shí)(erf(0)＝0)，整個(gè)空間濃度達(dá)到Cs。
2)運(yùn)動(dòng)介質(zhì)在氣體擋板中，擴(kuò)散流受到介質(zhì)的相反流的抑制。繼續(xù)上述實(shí)施例，介質(zhì)將從右邊流到左邊以便平衡擴(kuò)散流。
用于運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的菲克定律在方程的右邊具有另外一項(xiàng)，∂C(x,t)∂t=D∂2C(x,t)∂x2+v∂C(x,t)∂x]]>其中v是介質(zhì)從右邊流到左邊的(數(shù)量)速率。另外一項(xiàng)的作用是降低濃度，速度v越大降低越大。值得注意的是，濃度減少到右邊，而C(x，t)的空間導(dǎo)數(shù)的符號(hào)是負(fù)的。
以下形式的近似解函數(shù)C(x,t)=Cs[1-erf(x+vt2Dt)]]]>滿足運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的菲克方程。
另一個(gè)以下形式的與時(shí)間無關(guān)近似解函數(shù)C(x,t)=Cs·e-(vD)x]]>也滿足菲克方程。
就奇特性而言，存在又一個(gè)解，即
C(x,t)=Cs·e+(vD)(x+2vt)]]>然而，當(dāng)時(shí)間t展開時(shí)此解達(dá)到無限，因此該解因?yàn)椴缓蠈?shí)際而被排除。
通過疊加上述的近似解函數(shù)可以獲得一般的近似解函數(shù)，C(x,t)=C1(t)[1-erf(x+vt2Dt)]+C2(t)·e-(vD)x]]>其中C1(t)+C2(t)＝Cs該解的時(shí)間依賴性取決于誤差函數(shù)自變量Arg=x+vt2Dt]]>自變量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)是∂Arg∂t=∂∂t(x+vt2Dt)=-x4tDt+v4Dt]]>當(dāng)時(shí)間t滿足以下條件時(shí)其達(dá)到零v=xt]]>因而，如果速度v恒定，則總有時(shí)間t＝t0的時(shí)刻，在任何點(diǎn)x誤差函數(shù)自變量具有最大值。隨時(shí)間繼續(xù)，自變量將減小直至隨著無窮大t最終達(dá)到零。
因而，對(duì)于無窮大的t而言，將該解簡(jiǎn)化成與時(shí)間無關(guān)的項(xiàng)C(x,t=∞)=Cse-vDx]]>假定長(zhǎng)度L的氣體擋板，靜態(tài)條件表示在氣體擋板后的濃度為C(L,t=∞)=Cse-vDL]]>因此，擋板的密封效率E是E=CsC(L,t=∞)=e+vDL]]>由上式可知，密封效率隨著增加介質(zhì)速度v或擋板長(zhǎng)度L而按指數(shù)地提高。
擋板長(zhǎng)度L是獲自上述指數(shù)方程L=Dvln(CsC(L,t=∞))]]>(方程1)6.2.2保護(hù)氣流的分布在圖5a中，示出了氣體流量(F)在上擋板(C1)、下?lián)醢?C2)、以及中間空間(C3)的清洗流的傳導(dǎo)中的分布。當(dāng)氣體流入相同室時(shí)，可以顯示與根據(jù)圖5b的氣流系統(tǒng)相同的特點(diǎn)。在這種類型的系統(tǒng)中，氣體流量是直接以傳導(dǎo)比加以分布，其意味著，例如，上擋板的流量(F1)是F1＝F*C1/(C1+C2+C3). (2)
可以類似方式計(jì)算其他流量。
對(duì)于其部件的傳導(dǎo)率可以按照以下方程進(jìn)行計(jì)算C＝K W*H^3/L，其中 (3)C表示傳導(dǎo)率K是系數(shù)W是狹縫的寬度H是狹縫的高度L是狹縫的長(zhǎng)度通過考慮入口和出口的幾何尺寸，在每個(gè)入口的氣流速度可以容易加以計(jì)算并代入在6.2.1段推導(dǎo)的方程(1)。通過比較物理試樣的阻擋長(zhǎng)度和由該方程給出的阻擋長(zhǎng)度，可以容易確定阻擋流量是否足夠或它是否應(yīng)加以改變。
從方程(1)還可以看到，通過增加阻擋狹縫的長(zhǎng)度可以減少需要的阻擋流量，即使從方程(3)可以明顯看到傳導(dǎo)率會(huì)增加。通過降低狹縫的高度，可以增加流率，從而需要更低的阻擋氣體的流率。這影響對(duì)第三電位的傳導(dǎo)率，方程(3)。
當(dāng)分析氣體流量分布方程(2)時(shí)，注意到通過迭代法已進(jìn)行了計(jì)算，這是因?yàn)楣茏?例如擋板)尺寸的變化也將影響其傳導(dǎo)并從而在不同傳導(dǎo)期間影響流量分布。另一方面，這會(huì)改變通過狹縫供給的氣體的流動(dòng)速度，并因此還影響需要的阻擋路徑的長(zhǎng)度。一種容易的進(jìn)行迭代計(jì)算的方法包括使用表格計(jì)算。
煙囪效應(yīng)當(dāng)將爐放置在垂直位置并且當(dāng)其變熱時(shí)，在爐管中將產(chǎn)生基于浮力的煙囪效應(yīng)?？梢杂?jì)算這種效應(yīng)，如在下文所說明的(還參照?qǐng)D10)將高度h的管保持在溫度T2。環(huán)境空氣處于溫度T1。在管出口水平(基準(zhǔn)水平)的空氣壓力是p0。在基準(zhǔn)水平以下深度h處的壓力與深度h和氣體密度ρ線性相關(guān)，以使在深度h處的管道外部，pout＝p0+ρ1·g·h其中g(shù)＝9.81m/s2是重力加速度常數(shù)。在水平h處的管道內(nèi)部，pin＝p0+ρ2·g·h因此，在水平h的壓力差，Δph是Δph＝g·h·(ρ1-ρ2)對(duì)于理想氣體，密度ρ、溫度T、以及壓力p通過以下方程聯(lián)系在一起p=nmolV·R·T=nkplV·k·T=ρM·k·T=ρMmol·R·T]]>對(duì)于氬氣(Ar)，摩爾量是Mmol(Ar)＝40g/mol，而對(duì)于氮?dú)?，Mmol(N2)＝28g/mol。對(duì)于空氣，Mmol(空氣)＝29g/mol。M是氣體分子量。
R是摩爾氣體常數(shù)，R＝8.314510J-mol-1-K-1(＝0.08314510巴dm3mol-1-K-1)。
k是波耳茲曼常數(shù)，k＝1.380658·10-23J/K。R和k是由以下方程聯(lián)系在一起k=RNa]]>阿弗伽德羅常數(shù)Na，以致Na＝6.0221367·1023/mol。
因此，理想氣體密度[kg/m3]是ρ=p·MmolR·T=p·Mk·T]]>如果氣體從溫度T1加熱到溫度T2同時(shí)保持壓力p恒定，則其密度相應(yīng)地降低，ρ(T2)ρ(T1)|p=p·MmolR·T2p·MmolR·T1=T1T2⇔Δρ=ρ(T2)-ρ(T1)=(T1T2-1)·ρ(T1)]]>在煙囪的底部水平由加熱-冷卻循環(huán)引起的總壓力差是通過將密度差方程代入上述壓力差方程而獲得，Δp=g·h·(ρ(T2)-ρ(T1))=g·h·(T2T1-1)·ρ(T1)]]>(方程4)壓力差可以通過將爐的溫度以及其尺寸代入方程4來計(jì)算。
從方程4應(yīng)當(dāng)注意到，如果使用密度大于空氣的氣體，那么保護(hù)氣體的流動(dòng)方向是向下。因此，氣體必須加熱到高于約400K的溫度，在該溫度煙囪流將變成向上。同時(shí)這意味著，在所述溫度，可以減少為用于恢復(fù)煙囪流所需要的保護(hù)氣體的質(zhì)量流量。
當(dāng)基于圖6的描述對(duì)問題進(jìn)行研究時(shí)，可以注意到，壓力差力求提供通過上擋板(C1)的傳導(dǎo)以及下?lián)醢?C2)的傳導(dǎo)的流動(dòng)。在此實(shí)施例中，沒有考慮爐管的傳導(dǎo)，因?yàn)閾?jù)估計(jì)它具有這樣的數(shù)量以致它不影響在開口形成擴(kuò)散阻擋層。然而，認(rèn)為它確實(shí)是簡(jiǎn)單明了的。煙囪流量可以利用以下方程來計(jì)算1/Ctot＝1/C1+1/C2 (5)用于系列傳導(dǎo)的累積效應(yīng)以及Fh＝Ctot(P1^2-Po^2)(6)對(duì)于煙囪流量而言，其中Ctot是總傳導(dǎo)率以及Fh是煙囪流量Po是空氣壓力P1是空氣壓力和煙囪效應(yīng)的總和因?yàn)闊焽栊?yīng)被引導(dǎo)向上，所以煙囪流必須加入引導(dǎo)通過上擋板的氣流。相應(yīng)地，它必須從引導(dǎo)通過下?lián)醢宓臍饬髦袦p去，因?yàn)樗鼫p弱該氣流。這些特征說明于圖7。
煙囪流的速率與阻擋流相比通常是顯著的，其意味著可以容易地獲得這樣的狀態(tài)，其中在上擋板形成擴(kuò)散阻擋層。因此，要解決的問題是如何產(chǎn)生一種狀態(tài)，其中流率足夠地大以在下?lián)醢瀹a(chǎn)生擴(kuò)散阻擋層。
可以假設(shè)，當(dāng)更一般地考察該狀態(tài)時(shí)，使所需要的保護(hù)氣體的體積流量足以覆蓋通過上擋板的煙囪流。除體積以外，當(dāng)流量根據(jù)方程2分開時(shí)，保護(hù)氣體的進(jìn)一步流量也應(yīng)在下?lián)醢遄阋孕纬蓴U(kuò)散阻擋層(通過上擋板的流量也增加，如方程2所示)。在這樣的情況下，優(yōu)選構(gòu)造在預(yù)成型坯(或光導(dǎo)纖維)與開口的內(nèi)側(cè)之間具有較大空隙的下?lián)醢逡栽试S更大流量的保護(hù)氣體，從而向下引導(dǎo)額外流量的大部分，優(yōu)選額外流量的至少60％(體積)，尤其是額外流量的至少70％(體積)。類似地，可以從方程1推導(dǎo)出，減少阻擋長(zhǎng)度和流動(dòng)狹縫(增加速率)將降低必要的阻擋流的量。當(dāng)在下?lián)醢宓膫鲗?dǎo)變得太小時(shí)(即，當(dāng)流動(dòng)的更大部分流向上擋板時(shí))就會(huì)達(dá)到限度。同樣地，在預(yù)成型坯和爐管7之間的狹縫是傳導(dǎo)性的，從而當(dāng)計(jì)算流率和體積時(shí)必須考慮到它。通過將供給點(diǎn)從上開口向下開口轉(zhuǎn)移，傳導(dǎo)之間的比率分別是上升和下降，從而降低用于消除煙囪流的供給速率。因而可以降低氣體消耗。
實(shí)際上，可以說下?lián)醢宓膫鲗?dǎo)率應(yīng)大于上擋板的傳導(dǎo)率。另一方面，當(dāng)將約1cm-5cm的阻擋長(zhǎng)度排列在下?lián)醢鍟r(shí)，與煙囪流相比，為產(chǎn)生擴(kuò)散阻擋層所需要的流量確定較小(僅幾個(gè)SLM)。此外，在下?lián)醢宓目障犊梢韵喈?dāng)大，其便于設(shè)備的操作。當(dāng)向上進(jìn)行拉拔時(shí)，這種結(jié)構(gòu)變得特別有利，這是因?yàn)樗梢詾轭A(yù)成型坯留下充分的空間，其具有不完善的形狀以及，例如，在表面上具有彎曲和撞傷，而拉拔或拉伸細(xì)長(zhǎng)產(chǎn)品，其具有更準(zhǔn)確限定的形狀，將在上擋板通過爐開口，在此，空隙應(yīng)更小以為適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散阻擋層創(chuàng)造條件。
作為良好的經(jīng)驗(yàn)法則，可以提及包括煙囪流+5SLM的流率。如果必要的話，可以稍微增加供給以為足以滿足沖洗中間空間的體積創(chuàng)造條件。當(dāng)下開口具有80mm的內(nèi)徑和100mm的長(zhǎng)度時(shí)，上述數(shù)量級(jí)的流量就足夠了。此流動(dòng)體積必須加入煙囪流，依賴于氣體的密度、溫度、總傳導(dǎo)率、以及爐的長(zhǎng)度，其約為5-100SLM。
預(yù)成型坯外徑和上開口內(nèi)徑之差優(yōu)選約1-15mm，而在用于保護(hù)氣體的進(jìn)料嘴的上方所形成區(qū)的長(zhǎng)度-提供層狀氣流區(qū)-約為10mm至1000mm，優(yōu)選約15-150mm。
在上述情況中，上擋板起節(jié)流閥的作用而通過它的流量是如此之大以致容易滿足擴(kuò)散阻擋層條件。類似地，在爐的下?lián)醢宥耍仨氈饕⒁獠榭词欠駶M足擴(kuò)散阻擋層條件。
可將煙囪流量容易地代入惰性氣體的分布方程，例如通過表格計(jì)算?？梢宰⒁獾?，變化擋板的尺寸也影響煙囪流量的數(shù)量。因此，一個(gè)部分的變化可影響整個(gè)氣流系統(tǒng)。難以查看這些相反效應(yīng)，當(dāng)在系統(tǒng)中要實(shí)施任何變化時(shí)，它們總是必須加以計(jì)算。
最后，在水平放置的爐(臥式爐)中，無需考慮煙囪效應(yīng)。在豎式爐中，它在500℃下是很顯著的。
根據(jù)本發(fā)明的裝置已以下述方式用于拉伸預(yù)成型坯圖12示出了過程的中間階段，圖13示出了預(yù)成型坯21的輸送裝置22在爐23內(nèi)移動(dòng)的時(shí)期，以及圖14示出了過程的末期，其中密封存在于輸送裝置22和套環(huán)(collar)24之間。使用以下的附圖標(biāo)號(hào)預(yù)成型坯21，輸送裝置22，爐壁23，套環(huán)24，石墨管25，上擴(kuò)散阻擋區(qū)26，下擴(kuò)散阻擋區(qū)27(在圖14多孔石墨塊28，加熱盤管29)。
該裝置以通過預(yù)成型坯和入口內(nèi)壁之間的狹縫而形成密封的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于預(yù)成型坯并不與爐接觸，因此它可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如果需要如此的話。
接近該過程結(jié)束時(shí)，輸送裝置向密封區(qū)內(nèi)移動(dòng)，在此階段，密封是由預(yù)成型坯的周邊和入口內(nèi)表面之間的狹縫以及套環(huán)和入口內(nèi)表面之間的狹縫所形成。入口的直徑和套環(huán)的周邊是以這樣的方式確定以致在此階段在爐上部的密封長(zhǎng)度和節(jié)流效應(yīng)并不顯著改變。預(yù)成型坯的旋轉(zhuǎn)仍然是可能的。
在過程結(jié)束時(shí)，套環(huán)密封入口而密封開口是由套環(huán)和輸送裝置之間的狹縫所形成。優(yōu)選地，此槽以這樣的方式成形以致入口的節(jié)流效應(yīng)在該過程的不同階段保持不變。預(yù)成型坯的旋轉(zhuǎn)仍然是可能的。如果套環(huán)和入口不一定利用密封材料彼此密封，那么可以在它們之間留下狹縫，其可保證密封流。因此，上密封區(qū)的節(jié)流效應(yīng)由兩個(gè)平行傳導(dǎo)所限定，即套環(huán)和輸送裝置之間以及套環(huán)和入口之間的狹縫。在此處分析的情況中，煙囪效應(yīng)更強(qiáng)，同時(shí)必須適當(dāng)注意，提供擴(kuò)散阻擋層的密封流在爐兩端要足夠強(qiáng)。
當(dāng)檢驗(yàn)根據(jù)圖14的拉拔時(shí)，人們注意到，可以認(rèn)為該爐是由5個(gè)連續(xù)的傳導(dǎo)(c1、c2、c3、c4、以及c5)所構(gòu)成，其總效應(yīng)將調(diào)節(jié)煙囪流(為了計(jì)算總效應(yīng)可以使用公式5)。因此，例如在爐管和預(yù)成型坯之間的狹縫非常狹窄的情況下，系統(tǒng)的主要傳導(dǎo)形成在此處(甚至在總計(jì)時(shí)，其他傳導(dǎo)小于此傳導(dǎo))，其是整個(gè)結(jié)構(gòu)的最主要的傳導(dǎo)。當(dāng)情況是這樣時(shí)，入口狹縫的變化將不會(huì)像僅通過分析入口的傳導(dǎo)所預(yù)期的那樣顯著地影響爐流的數(shù)量。優(yōu)選地，入口/管道的內(nèi)徑和爐管的內(nèi)徑應(yīng)基本上相同，其便于每個(gè)入口的爐效應(yīng)的最小化。實(shí)際上，當(dāng)預(yù)成型坯的尺寸有變化時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)以外這并不總是可達(dá)到的。
綜上所述，易于理解的是，通過選擇氣體的入口/供給點(diǎn)可以影響所需要的氣體量。根據(jù)圖7，氣體分成向上引導(dǎo)的氣流和向下引導(dǎo)的氣流，其各自的量是由路線的總傳導(dǎo)之間的比所確定。向上引導(dǎo)的氣流受到供給點(diǎn)以上的傳導(dǎo)的累積傳導(dǎo)的限制而向下引導(dǎo)的氣流受到供給點(diǎn)以下的傳導(dǎo)的累積傳導(dǎo)的限制?？倐鲗?dǎo)可以按照公式5進(jìn)行計(jì)算。借助這些總傳導(dǎo)，可以替換在方程2中由“c1”和“c2”表示的傳導(dǎo)率(在兩個(gè)出口的情況下，可以省略c3)，從而可以分別計(jì)算向上引導(dǎo)和向下引導(dǎo)的氣流。當(dāng)供給點(diǎn)位置從主要限制以上變化到主要限制以下時(shí)，c1減少而c2增加。換而言之，向下引導(dǎo)的氣流部分增加而向上的量減少。因此，利用更小的流率可以獲得向下引導(dǎo)的氣流，其將抵抗向下引導(dǎo)的氣流。當(dāng)以這樣的方式實(shí)施該方法以致預(yù)成型坯從爐下面送入以及經(jīng)加工的產(chǎn)品通過上開口從爐中拉出時(shí)，此特點(diǎn)變得特別重要。
在根據(jù)本發(fā)明的解決方案中，采用了松散的下開口。
實(shí)施例在該實(shí)施例中，已計(jì)算流量，并具有以下尺寸預(yù)成型坯直徑80mm預(yù)成型坯長(zhǎng)度1000mm拉伸的預(yù)成型坯直徑 42.5mm輸送裝置直徑45mm上開口直徑 83mm上開口長(zhǎng)度 100mm
下開口直徑 83mm下開口長(zhǎng)度 150mm套環(huán)內(nèi)徑53mm套環(huán)內(nèi)部長(zhǎng)度80mm套環(huán)外徑80mm套環(huán)外部長(zhǎng)度50mm爐管內(nèi)徑93mm爐管長(zhǎng)度400mm使用的工作參數(shù)惰性氣體氬氣(Ar)溫度1950℃利用公式1-6在安全尺寸計(jì)算流量值最容易的方法是首先計(jì)算通過爐的煙囪效應(yīng)，然后計(jì)算用于所使用供給點(diǎn)的氣體分布。將下?lián)醢鍤饬魉枰臄U(kuò)散阻擋流量加到那個(gè)流量中。然后將總流量用作惰性氣體流量值。
通過利用計(jì)算的值在上開口下供給的氣體30SLM在中心線下150mm供給的氣體 15SLM
一般而言，在根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置中，處于或低于爐管的中心線(在爐中溫度最高的點(diǎn))供給一大部分的氣體，例如，約5-100％、尤其是50-100％(按照供給的質(zhì)量流量進(jìn)行計(jì)算)的氣體是有利的。
該構(gòu)造運(yùn)行良好并且沒有觀察到氧損傷。
當(dāng)計(jì)算傳導(dǎo)率時(shí)，重要的是要考慮實(shí)際采用什么種類的氣體(例如，其密度)以及在上述方程中使用系數(shù)來校正溫度效應(yīng)。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可替換的具體實(shí)施例也是可能的。因此，如圖8所示，可以沿爐向上或在爐內(nèi)安裝阻擋管或爐管可以起阻擋管的作用。這些替換方法的結(jié)合也是可能的。利用多個(gè)阻擋管(其安裝在彼此的內(nèi)部)進(jìn)一步可以使裝置適應(yīng)厚度變化。氣體供給可以發(fā)生自上入口、下入口、或通過爐中間的管嘴，或作為結(jié)合供給，進(jìn)入這些供給點(diǎn)的兩個(gè)或三個(gè)。如上所述，可在爐內(nèi)排列阻擋空間以便于調(diào)節(jié)作為預(yù)成型坯厚度及其厚度變化的函數(shù)的流率和體積。
雖然以上說明書描述了拉伸工藝，但相同的原理可以應(yīng)用于玻璃預(yù)成型坯的壓縮工藝。并且，其中沒有使用拉力的工藝也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
可以通過供給氣體或通過使用吸管獲得保護(hù)氣流，而這些氣流可以排列成相反以彼此分開兩個(gè)體積。在氣流系統(tǒng)可以有若干阻擋流。該方法可應(yīng)用于加工管、桿、以及空管。
尤為令人感興趣的具體實(shí)施例包括使用旋轉(zhuǎn)接頭，其通過目前的在MCVD車床中的擴(kuò)散阻擋原理來完成。通過這種密封方法，可以減輕或甚至消除與現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)接頭的漏氣和磨損有關(guān)的許多問題。具體而言，當(dāng)在過程的淀積/生長(zhǎng)階段熱和/或侵蝕性氣體被送入車床時(shí)，本發(fā)明為非接觸式密封提供技術(shù)上有利的解決方案。
權(quán)利要求
1.一種在爐中通過拉力對(duì)玻璃預(yù)成型坯進(jìn)行加工以制成預(yù)定形狀的玻璃制品的方法，根據(jù)所述方法-將至少一部分的所述玻璃預(yù)成型坯通過入口引入所述爐，-將一部分引入所述爐的玻璃預(yù)成型坯加熱到高于所述玻璃軟化點(diǎn)的溫度，-在拉拔方向?qū)λ霾ＡьA(yù)成型坯的加熱部分施加拉力以將所述預(yù)成型坯加工成所述預(yù)定形狀，-已加工成所述預(yù)定形狀的預(yù)成型坯部分通過出口從所述爐中拉出，以及-所述預(yù)成型坯的加熱部分和至少部分所述預(yù)成型坯的經(jīng)加工部分在所述爐內(nèi)用正被送入所述爐內(nèi)的惰性氣體進(jìn)行沖洗，其特征在于-在所述爐中氣體雜質(zhì)的濃度與送入所述爐內(nèi)的惰性氣體中的相同雜質(zhì)的濃度基本上保持在相同水平，-在至少一個(gè)選自所述爐的所述入口和所述出口的開口中，通過產(chǎn)生惰性氣體的阻擋流而形成擴(kuò)散阻擋層，以阻止由擴(kuò)散力驅(qū)動(dòng)從環(huán)境空氣流入不需要的氣體成分，所述阻擋流具有通常與所述擴(kuò)散的方向相反的流動(dòng)方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述爐包括具有垂直中心軸的細(xì)長(zhǎng)爐室，所述擴(kuò)散阻擋層形成于所述入口，其位于所述細(xì)長(zhǎng)爐室的上端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，擴(kuò)散阻擋層形成在所述玻璃預(yù)成型坯的入口、所述惰性氣體供給的入口、以及所述經(jīng)加工預(yù)成型坯的出口。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，通過所述玻璃預(yù)成型坯的入口的氣體流量符合方程(2)F1＝F*C1/(C1+C2) (2)其中F1表示通過所述入口的氣體流量，F(xiàn)表示總氣體流量，C1表示所述入口的傳導(dǎo)率以及C2表示所述出口的傳導(dǎo)率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述傳導(dǎo)率C1和C2中的每個(gè)均是按照方程(3)進(jìn)行計(jì)算C＝KW*H3/L， (3)其中C表示傳導(dǎo)率，K是在低壓力差下的常數(shù)，W是所述開口的寬度，H是所述開口的高度，以及L是所述開口的長(zhǎng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中，惰性氣體通過所述開口的流量至少等于由煙囪效應(yīng)引起的通過所述入口的氣體流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，進(jìn)入所述加熱爐的惰性氣體流量，基于根據(jù)方程(2)的氣體分布，仍然足以在所述經(jīng)加工預(yù)成型坯的出口形成擴(kuò)散阻擋層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述出口將比所述入口允許氣體更自由流動(dòng)，以引導(dǎo)送入所述爐的大部分惰性氣流通過所述出口。
9.根據(jù)權(quán)利要求3至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述出口的傳導(dǎo)率是大于所述入口的傳導(dǎo)率。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，送入所述加熱爐的惰性氣體是等于或大于由所述煙囪效應(yīng)+1SLM所引起的氣體流量，尤其是煙囪效應(yīng)+5SLM。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，將所述玻璃預(yù)成型坯進(jìn)行拉力拉拔，以便將所述預(yù)成型坯拉伸成適合于后加工如拉拔光導(dǎo)纖維的形狀。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中，將所述玻璃預(yù)成型坯進(jìn)行光導(dǎo)纖維的拉拔。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，就80mm預(yù)成型坯而言，在所述玻璃預(yù)成型坯外徑和所述入口直徑之間的空隙是0.1-10mm。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，沿著0.5-100mm的阻擋距離有阻擋流。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述爐包括石墨感應(yīng)爐。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，包括在所述爐中熱處理期間圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)所述玻璃預(yù)成型坯。
17.一種用于加熱玻璃預(yù)成型坯的裝置，其通過拉力加工成預(yù)定形狀的玻璃制品，包括-爐體，具有限定細(xì)長(zhǎng)爐室的夾套以及一個(gè)垂直于所述室的中心軸的至少基本上圓形的橫截面，-在所述室一端的第一開口，用于接收要加工的玻璃預(yù)成型坯的一端，-在所述室相對(duì)端的第二開口，用于取出所述經(jīng)加工的玻璃制品，-安裝到所述爐室中的石墨加熱電阻，用以感應(yīng)加熱所述爐中的玻璃預(yù)成型坯，以及-至少連接到所述室的所述第一開口的進(jìn)料嘴，用于將保護(hù)氣體引入所述爐室，其特征在于-在所述第一開口的第一擴(kuò)散阻擋區(qū)，用于在加熱所述玻璃預(yù)成型坯期間防止通過擴(kuò)散力驅(qū)動(dòng)的不需要的氣體成分從環(huán)境空氣流入所述爐室。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中，在所述爐室的所述第二開口有第二擴(kuò)散阻擋區(qū)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或權(quán)利要求18所述的裝置，其中，用于供給保護(hù)氣體的管嘴連接于所述第一開口和所述第二開口，并且可選地在所述第一開口和所述第二開口之間的位置連接于形成在所述爐室的夾套上的開口。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述裝置適用于加熱進(jìn)行拉拔光導(dǎo)纖維的玻璃預(yù)成型坯。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中，就80mm預(yù)成型坯而言，在所述玻璃預(yù)成型坯外徑和所述入口直徑之間的空隙是0.1-10mm。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中，所述每個(gè)阻擋區(qū)包括長(zhǎng)度為0.5mm至100mm的所述爐室，沿著其可將保護(hù)氣體的阻擋流進(jìn)行排列。
23.根據(jù)權(quán)利要求17至22中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述阻擋區(qū)包括基本上為層狀氣流的區(qū)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中，所述阻擋區(qū)是形成在所述保護(hù)氣體的進(jìn)料嘴上方。
25.根據(jù)權(quán)利要求17至24中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述阻擋區(qū)是由玻璃預(yù)成型坯和所述爐的開口之間的空隙所限定。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中，在所述玻璃預(yù)成型坯外徑與所述開口內(nèi)徑之差是在0.5mm至15mm的范圍內(nèi)。
27.根據(jù)權(quán)利要求23至26中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述阻擋區(qū)具有約10mm至1000mm的平行于所述爐管的中心軸的長(zhǎng)度，優(yōu)選約15mm至150mm。
28.一種熱處理玻璃基片的方法，在該方法中，將所述玻璃基片放置在熱處理區(qū)的第一氣體空間，其由第二環(huán)境氣體空間所包圍，所述熱處理區(qū)裝備有至少一個(gè)相互連接所述第一氣體空間和所述第二氣體空間的氣體導(dǎo)管，其特征在于，在所述至少一個(gè)氣體導(dǎo)管形成擴(kuò)散阻擋層，所述氣體導(dǎo)管使所述熱處理裝置內(nèi)的氣體空間與所述環(huán)境氣體相互連接，以相對(duì)在通過所述導(dǎo)管的至少一個(gè)方向的氣流密封所述導(dǎo)管。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，包括在至少一個(gè)選自所述爐的所述入口和所述出口的氣體導(dǎo)管，通過產(chǎn)生惰性氣體的阻擋流而形成擴(kuò)散阻擋層，以阻止通過擴(kuò)散力驅(qū)動(dòng)的從所述環(huán)境空氣流入不期望的氣體成分或不期望的氣體成分流出到所述環(huán)境空氣，所述阻擋流具有通常與所述擴(kuò)散的方向相反的流動(dòng)方向。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的方法，包括在相互連接所述第一氣體空間和所述第二氣體空間的每個(gè)氣體導(dǎo)管中形成擴(kuò)散阻擋層。
31.根據(jù)權(quán)利要求28至30中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述熱處理包括在MCVD車床中通過改進(jìn)的化學(xué)汽相淀積對(duì)預(yù)成型坯進(jìn)行加工。
32.根據(jù)權(quán)利要求28至30中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述熱處理包括在燒結(jié)爐中對(duì)預(yù)成型坯進(jìn)行加工。
33.根據(jù)權(quán)利要求28至32中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述擴(kuò)散阻擋層形成在包括旋轉(zhuǎn)接頭的氣體導(dǎo)管。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述旋轉(zhuǎn)接頭是非接觸接頭。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制造預(yù)定形狀的玻璃制品的方法和裝置。在該方法中，將預(yù)成型坯引入爐中并加熱到高于玻璃軟化點(diǎn)的溫度。加熱部分受到拉力并通過出口從爐中拉出。在加工期間，將惰性氣體注入爐中。根據(jù)本發(fā)明，在爐中氣體雜質(zhì)的濃度保持在與注入爐中的惰性氣體相同水平。為了防止不需要的氣體成分從環(huán)境空氣流入，通過在入口或出口產(chǎn)生惰性氣體的阻擋流而形成擴(kuò)散阻擋層。該阻擋流具有與擴(kuò)散方向相反的流動(dòng)方向。本發(fā)明在爐和預(yù)成型坯之間設(shè)置了非接觸式密封，同時(shí)優(yōu)化了保護(hù)氣體的消耗。本發(fā)明還允許同時(shí)旋轉(zhuǎn)預(yù)成型坯。
文檔編號(hào)C03B37/02GK1720200SQ200380105253
公開日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者安斯西·霍維寧, 揚(yáng)內(nèi)·凱塞萊, 佩卡·索伊尼寧 申請(qǐng)人:奈克斯特羅姆·霍爾丁公司