FI80558C - Foerfarande foer uppvaermning av glasroer, jaemte anordning. - Google Patents

Description

1 80558

Menetelmä ja laite lasiputkien lämmittämiseksi

Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä ja laite 5 lasiputkien, erityisesti kvartsiputkien, lämmittämiseksi optisten kuitujen valmistamista varten. Ruotsalaisessa patentissa ... (pat.hak. 840 3529-4) esitetään menetelmä ja laite paksuseinäisten lasiputkien lämmittämiseksi optisten kuitujen valmistuksessa. Patentin mukaan putki lämmite-10 tään mikroaaltoenergialla.

Erityisen luonteenomaista mainitun patentin mukaiselle menetelmälle on se, että putki esilämmitetään, edullisesti kaasuliekillä sinänsä tunnetulla tavalla, noin 1 000°C -15 1 500°C lämpötilaan, minkä jälkeen putkea lämmitetään mikro aaltoenergialla, joka tuotetaan mikroaaltogeneraattorilla siten, että putki syötetään aksiaalisesti mikroaaltokavi-teettiin, jonka molemmissa päissä on aukot putkea varten, jolloin sähköiselle kenttävoimakkuudelle annetaan kenttäku-20 vio, johon kuuluu vain tangentiaalinen komponentti, TE-01n-moodin mukaan, edullisesti moodin TE-011 mukaan, jolloin sähkökenttä muodostuu sellaiseksi, että se on tangentiaalinen putken pintojen kanssa, ja sellaiseksi, että sähkökentän voimakkuus on nolla kaviteetin pintojen vieressä.

25

Mikroaaltokavitetti on patentin mukaisen esitetyn suoritusmuodon mukaan sylinterinmuotoinen ja tehty metalliin, jossa kuten mainittu on aukot sen molemmissa päissä, joiden kautta lämmitettävä putki viedään aksiaalisesti sisään.

30

Eräänä ongelmana mainitussa ruotsalaisessa patentissa kuvatussa kaviteetissa on se, että kaviteettiin on suhteellisen rajoittunut mahdollisuus tuoda sellainen teho, että putkessa saavutetaan korkea lämpötila ilman että tällöin aiheutetaan 35 sähköinen ylilyönti.

Tämä rajoitus perustuu osaksi siihen, että lämmönjohtuminen lämmitetystä putkesta on suuri, osaksi siihen, että kavitee- 2 80558 tin liikuttaminen putken suhteen siirtää putken kuumaa osaa käviteetin toista päätä kohden, jolloin sähkökenttää käytetään lämmittämään jo lämmitettyä putkea suuremmassa määrin kuin on toivottavaa. Tällöin on vaikea tuoda riittävän suuri 5 teho käviteetin keskelle, so. sinne missä on putken lämmitettävä osa, ilman että tapahtuu sähköistä ylilyöntiä.

Mainitun TE-01n-moodin hyväksikäyttö antaa kaviteetille verraten korkean nk. Q-arvon. Ajatellen sitä, että maksimi-10 tehoa, joka voidaan tuoda, rajoittaa se, että sähköistä ylilyöntiä täytyy välttää, on toivottavaa, että käviteetin Q-arvoa voidaan alentaa ja siten voidaan tuoda suurempia tehoja ilman, että tapahtuu sähköistä ylilyöntiä.

15 Mainittu TE-011-moodi on eduksi silloin kun sitä käytetään sylinterimäisessä kaviteetissa, joka on hyvin edullinen kvartsiputkien lämmittämisessä niiden kokoonvetäytymislämpö-tilaan. Sähkökenttä on nolla kaviteetin ulkopinnalla ja käviteetin keskellä, kun taas kenttävoimakkuus on suuri 20 paksuseinäisen lasiputken seinissä.

Optisten kuitujen valmistuksessa tapahtuu kerrostusvaiheen ja sintrausvaiheen kokoonvetäytyminen.

25 Lasiputken sisäseinään kerrostetaan tällöin kerros puhdasta kvartsia Si02. Tietyissä kerroksissa kerrostetaan myös germaniumdioksidia Ge02 kyllästysaineena. Tämä tapahtuu päästämällä SiCl.*:ää ja happikaasua 02 putken sisään yhdessä GeCl*:n kanssa. Tällöin putken sisäpuolelle saostuu Si02:ta 30 ja Ge02:ta. Jotta nämä reaktiot tapahtuisivat, on putken sisätila kuumennettava noin 1 400°C:een. Tämä tapahtuu tavallisesti siten, että poltin kulkee putken koko pituutta pitkin putken pyöriessä akselinsa ympäri. Ensin viedään sisään SiCl* ja 02, jolloin Si02 saostuu ja muodostaa huo-35 koisen kerroksen. Polttimen kulkiessa tämän huokoisen kerroksen ohi sintrautuu tämä kokoon läpinäkyväksi Si02:ksi. Tämä kerrostus toistetaan, minkä jälkeen GeCl*:ää sekoitetaan SiCl.*-kaasuun, niin että muodostuu oikea ns. indeksi-

II

3 80558 profiili. Normaalisti kerrostusvaiheen aikana levitetään 30-100 kerrosta. Kerrostusvaiheen ja sintrausvaiheen jälkeen polttimen lämpötilaa nostetaan niin että putki kuumenee n.

2 200°C:een. Tässä lämpötilassa putki vetäytyy kokoon pinta-5 jännityksen vaikutuksesta. Polttimen parin läpikulun jälkeen putki muodostaa sauvan eli ns. aihion, josta voidaan vetää optinen kuitu.

Kerrostusvaiheen ja sintrausvaiheen aikana on toivottavaa, 10 että putken seinien sisäpuolella on riittävän korkea lämpötila. Myös näissä vaiheissa, samoin kuin kokoonvetäytymis-vaiheessa, on ongelmana se, että tuotavaa maksimitehoa rajoittaa se, että sähköistä ylilyöntiä täytyy välttää.

15 Esillä oleva keksintö täyttää toivomuksen saada aikaan korkea lämpötila putken seinien sisäpuolella samanaikaisesti kun keksinnön mukainen menetelmä ja laite aiheuttavat sen, että voidaan tuoda suurempi teho kuin mitä on mahdollista TE-011-moodilla ilman että tapahtuu sähköistä ylilyöntiä.

20

Esillä olevaa keksintöä on erityisen edullista käyttää kerrostusvaiheen ja sintrausvaiheen aikana, mutta sitä voidaan, kuten jäljempänä esitetään, käyttää myös kokoonve-täytymisvaiheessa.

25

Esillä olevan keksintöön kuuluu siten menetelmä lasiputkien, erityisesti kvartsiputkien, lämmittämiseksi optisten kuitujen valmistamista varten, jossa menetelmässä putki esilämmitetään, edullisesti kaasuliekillä, minkä jälkeen 30 putkea lämmitetään mikroaaltoenergialla, joka tuotetaan mikroaaltogeneraattorilla, viemällä putki aksiaalisesta mikroaaltokaviteetin sisään, jonka molemmissa päädyissä tai päätypinnoissa on aukot putkea varten, ja sille on tunnusomaista se, että ainakin yhdelle sähkökentälle anne-35 taan kenttäkuvio TM 0n0-moodin mukaan, edullisesti TM 020-moodin mukaan, jolla moodilla on maksimi pitkin kaviteetin keskiakselia ja minimi kummallakin puolella ja radiaalisella etäisyydellä keskiakselista ja että sitä osaa sähkökentästä, 4 80558 joka on mainittujen minimien välissä, käytetään lämmittämään mainitun lasiputken seinää.

Edelleen keksintöön kuuluu sellainen laite, jonka pääasial-5 liset tunnusmerkit esitetään patenttivaatimuksessa 4.

Jäljempänä kuvataan esillä olevaa keksintöä lähemmin osittain yhdessä liitteenä olevassa piirustuksessa esitetyn suoritusesimerkin kanssa, jossa piirustuksessa 10 - kuvio 1 esittää kenttäviivoja kuormittamattomassa sylinte-rimäisessä kaviteetissa kaviteetin pituusakselia pitkin otetussa leikkauksessa 15 - kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisia kenttäviivoja pitkit- täisakselia vastaan kohtisuorassa leikkauksessa - kuvio 3 esittää kenttäviivoja kuviossa 1 esitetyssä leikkauksessa, kun kuorma on tuotu kaviteettiin 20 - kuvio 4 esittää sähköisen kenttäjakauman määrää säteen suunnassa, kun kuorma on kaviteetissa, kahden eri moodin mukaan, 25 - kuvio 5 esittää kaaviollisesti kaviteettia ja sen liittä mistä mikroaaltolähteeseen.

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää ja laitetta optisten kuitujen valmistamiseksi lasiputkesta, jossa menetelmäs-30 sä lasiputki ensiksi esilämmitetään, edullisesti kaasullekin avulla, noin 1 000°C - 1 500°C lämpötilaan. Lasissa dielekt-riset häviöt lisääntyvät nimittäin huomattavasti huoneenlämpötilasta 1 000°C - 1 500°Cseen. Tässä ja tästä lämpötilasta putki lämmitetään mikroaaltoenergialla, joka tuotetaan 35 mikroaaltogeneraattorila 1, joka on liitetty aaltojohtimen 2 välityksellä metalliseen mikroaaltokaviteettiin 3. Mikro-aaltokaviteetti 3 on varustettu aukoilla 4,5 sen päädyissä 6,7 tai päätypinnoissa. Näiden aukkojen 4,5 kautta on lämmi-

II

5 80558 tettävä lasiputki 8 työnnetty sisään kuten on esitetty kuviossa 5 katkoviivoin. Lämmittämisen aikana kaviteettia siirretään putkea pitkin edestakaisin liikkein.

5 Keksinnön mukaan ainakin yksi mikroaaltogeneraattori 1 on liitetty aaltojohtimen 2 välityksellä kaviteettiin 6 siten, että sähkökentälle annetaan kenttäkuvio TM-OnO-moodin mukaan, edullisesti TM-020-moodin mukaan, ja siten että sähkökentällä on maksimi pitkin kaviteetin 6 keskiakselia 9 ja 10 minimi molemmilla puolillaan ja radiaalisella etäisyydellä keskiakselista. Edelleen käytetään kaviteettia siten, että mainittujen aukkojen 4,5 keskikohdan kautta kulkeva pitkit-täisakseli sattuu yhteen mainitun keskiakselin 9 kanssa. Tällöin käytetään hyväksi sitä osaa sähkökentästä, joka on 15 mainittujen minimien välissä, lasiputken 8 seinän lämmittämiseksi .

Edellä sanottu sähkökenttää koskeva selitetään lähemmin jäljempänä viittaamalla kuvioihin 1-4.

20 Sähkökentän komponentit häiriöttömässä sylinterimäisessä TM-020-moodissa käyvät ilmi kuvioista 1 ja 2, joissa kuvio 2 on leikkaus pitkin kuvion 1 linjaa A-A. Ehjillä viivoilla esitetään sähkökenttää (E-KENTTÄ) ja katkoviivoilla esite-25 tään magneettista kenttää (H-KENTTÄ). Ristillä merkitään kenttäviivoja, jotka kulkevat alaspäin paperin tasosta, ja pisteellä kenttäviivoja, jotka kulkevat ylöspäin paperin tasosta. Kuten käy ilmi, ovat sähkökentän kenttäviivat yhdensuuntaisia kaviteetin ulkopinnan kanssa ja päätyvät 30 sen päihin tai päätypintoihin.

Kun kvartsiputki 8 viedään sisään sellaiseen kaviteettiin 3, kuten on esitetty kuviossa 3, vääristyy kenttäkuvio. Tällöin muodostuu myös sähköisiä kenttäkomponentteja, jotka 35 ovat kohtisuorassa kvartsiputkea vastaan. Häiriöttömässä kaviteetissa muodostuu kohtisuoria komponentteja vain kaviteetin päätypinnoissa. Vaikka kenttäkuvio häiriintyy kuormasta, so. kvartsiputkesta, riippuen, käytetään tässä hake- 6 80558 muksessa ja sen patenttivaatimuksissa mainittuja moodimer-kintöjä, koska nämä parhaiten kuvaavat kenttäkuviota. Sama pätee, vaikka kaviteetti ei ole täysin sylinterimäinen, huolimatta siitä, että moodit on määritelty sylinterimäisil-5 le kaviteeteille.

Kuviosta 3 käy ilmi, että sähkökenttä keskittyy lasiputkeen. Kuviossa 4 esitetään sähkökentän (E) jakauma etäisyyden X funktiona kaviteetin poikkileikkauksen yli halkaisijaa 10 pitkin, katso kuvio 2. Kuviossa 4 mainittu keskiakseli 9 on merkitty C-C ja lasiputki 8 on esitetty katkoviivoin. Kuviossa 4 on moodin TM-020 kenttäkuvio merkitty ehjin viivoin. Kuviosta 4 ilmenee mainittu maksimi 10 ja mainitut minimit 11,12. Nämä minimit ovat nolla-asemassa. TM-0n0-15 moodia karakterisoidaan siten, että on olemassa huippu, joka sijaitsee aksiaalisymmetrisesti kaviteetissa. Kirjain "n" merkitsee sitä, kuinka monta huippua on pitkin sädettä keskiakselista c-c kaviteetin ulkopintaan. Keskimmäisen huipun ulkopuolella olevat huiput ovat aina matalampia.

20 Siksi keksintö ei ole rajoittunut TM-020-moodiin. Voidaan käyttää esimerkiksi moodeja TM-010; TM-030 ja TM-040.

Kuten kuviosta 4 ilmenee, antaa TM-020-moodi korkeasti varautuneen sähköisen kenttäenergian lasiputkeen 8. Kenttä-25 voimakkuus vähenee putken sisäpuolelta 13 sen ulkosivulle 14 sekä vähenee nopeasti lasiputken ulkopuolella mainittuja minimejä 11, 12 kohti.

Sovittamalla kaviteetti sopivasti niille lasiputkille, jotka 30 on lämmitettävä, voidaan siten saada aikaan huomattavasti korkeampi kenttävoimakkuus lasiputken sisäpuolelle kuin sen ulkopuolelle. Tämä on erityisen edullista edellä mainitussa kerrostusvaiheessa ja vastaavasti sintrausvaiheessa. Näissä vaiheissa tarvitsee saada ainoastaan lasiputken 35 sisäpintaan korkea lämpötila, esimerkiksi 1 400°C - 1 500°C. Sillä, että sähkökenttä on korkea lasiputken sisäpinnalla ja matalampi muualla lasiputken seinässä, keskitetään lämmitys putken sisäpintaan. Tästä syystä kaviteettiin ei tarvit-

II

7 80558 se tuoda yhtä suurta tehoa kuin käytettäessä esimerkiksi moodia TE-011 kerrostus- ja vastaavasti sintrausvaiheen aikana. Kuviossa 4 esitetään kenttäjakauma moodin TE-011 mukaisesti katkoviivoin. Kuviosta 4 ilmenee, että moodi 5 TE-011 lämmittää voimakkaammin putken ulkosivulla kuin putken sisäpuolella.

Sillä, että pienempi teho riittää kerrostus- ja vastaavasti sintrausvaiheessa kun käytetään TM-020-moodia verrattuna 10 siihen, että käytetään TE-011-moodia, saadaan mm. se etu, että sähköisen ylilyönnin riski vähenee huomattavasti.

TE-011-moodiin verrattuna aiheuttaa TM-020-moodi osaksi sen, että lasiputkeen varastoituu enemmän sähköistä kenttä-15 energiaa, osaksi sen että kenttävoimakkuus alenee putken ulkopintaa kohden. Edellinen aiheuttaa vuorostaan sen, että käviteetin suurempi kuormitus saavutetaan TM-020-moodilla, so. että saadaan alempi Q-arvo. Sillä, että saavutetaan alempi Q-arvo, voidaan käyttää korkeampaa kenttävoimakkuutta 20 ilman että tapahtuu sähköistä ylilyöntiä häviökertoimen tan 8 muuttumattomalla arvolla. Tällöin saavutetaan se etu, että putkea ei tarvitse esilämmittää yhtä korkeaan lämpötilaan kuin TE-011-moodia käytettäessä. Edelleen voidaan korkeamman sallitun tehon vuoksi saavuttaa korkeampi maksi-25 milämpötila putkessa TM-020-moodia käytettäessä.

On siten selvää, että TM-020-moodi on hyvin edullinen erityisesti kerrostus- ja vastaavasti sintrausvaiheessa, jolloin ensisijassa putken sisäpuoli on lämmitettävä. Putken 30 seinän paksuudesta ja läpimitasta sekä laadusta riippuen tarvitsee kuitenkin usein myös putken seinät lämmittää siinä määrin, että putki ei murru lämpöjännitysten seurauksena.

Se, että kenttävoimakkuus alenee TM-020-moodilla voimakkaas-35 ti putken ulkosivua kohti, aiheuttaa kuitenkin sen haittapuolen, että voi olla vaikea lämmittää putkea sen kokoonve-täytymislämpötilaan. Kuitenkin putken ulkopinnan säteilyhä-viötä voidaan rajoittaa muotoilemalla käviteetin sisäpuoli 8 80558 voimakkaasti heijastavaksi sekä muotoilemalla kaviteetista pääasiassa pallomainen säteilyn heijastamiseksi uudelleen putkea kohti.

5 Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaan muodostetaan kaviteettiin kuitenkin lisäsähkökenttä, jolle annetaan kenttäkuvio TE-01n-moodin mukaan, edullisesti moodin TE-011 mukaan. Tätä tarkoitusta varten on lisämikroaaltogene-raattori 15, joka on liitetty aaltojohtimen 16 välityksellä 10 kaviteettiin 3 siten, että TE-01n-moodi, edullisesti TE- 011-moodi muodostuu kaviteettiin. Tällöin superponoidaan TE-011-moodi ja TM-020-moodi, tai yleisemmässä tapauksessa TE-01n-moodi ja TM-0n0-moodi, toisiinsa ja ne ovat riippumattomia toisistaan.

15 Tällöin voidaan siis kaviteettiin syöttää huomattavasti suurempi kokonaisteho verrattuna siihen, että käytetään vain yhtä moodia. Paitsi että voidaan syöttää suurempi teho, saadaan se hyvin merkittävä etu, että yhdistetyn sähköisen 20 kentän voima jakautuu oleellisesti tasaisemmin säteen suunnassa putken seinän läpi, mikä käy ilmi kuviosta 4. Yhdistetty kenttä muodostuu nimittäin kuviossa 4 olevan kahden kentän summasta.

25 Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaan käytetään hyväksi molempia moodeja ainakin kokoonvetäytymisvaiheessa, koska on edullista, että osaksi voidaan syöttää korkea teho, osaksi saada tasainen lämpötila putken poikkileikkauksen yli.

30

Erityisen menetelmän mukaan käytetään sen vuoksi ainakin TM-020-moodia kerrostusvaiheessa ja sintrausvaiheessa sekä TM-020-moodia että TE-011-moodia kokoonvetäytymisvaiheessa.

35 Tätä tarkoitusta varten on sopiva tunnettua lajia oleva ohjauselin 17, joka on järjestetty johtimen 18,19 välityksellä käynnistämään ja sulkemaan kaksi vastaavaa mikroaalto-generaattoria 1:15.

Il 9 80558

Kuviossa 4 esitetään kenttäjakauma sylinterimäisen kavitee-tin poikkileikkauksessa. Kuitenkin voi, kuten edellä on osoitettu, käviteetin muoto poiketa sylinterimäisestä muo-5 dosta. Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan käytetään kuitenkin kaviteettia, joka on aksiaalisymmetrinen mainitun keskiakselin 9 suhteen, joka kaviteetti on edullisesti pääasiassa sylinterimäinen.

10 Esillä olevaa keksintöä ei voida pitää rajoittuneena edellä esimerkkeinä annettujen kaviteettien muotoiluun tai annettuihin generaattoreiden 1,15 fyysisiin kytkentöihin, vaan keksintöä voidaan muunnella liitteinä olevien patenttivaatimusten rajoissa.

Claims (8)

1. Menetelmä lasiputkien, erityisesti kvartsiputkien, lämmittämiseksi optisten kuitujen valmistamista varten, jossa menetelmässä putki esilämmitetään, edullisesti kaasu- 5 liekillä, minkä jälkeen putkea lämmitetään mikroaaltoener-gialla, joka tuotetaan mikroaaltogeneraattorilla (1), viemällä putki aksiaalisesti mikroaaltokaviteetin (3) sisään, jonka päädyissä (6,7) tai päätypinnoissa on aukot putkea varten, tunnettu siitä, että ainakin yhdelle sähkökentälle 10 annetaan kenttäkuvio TM-0n0-moodin mukaan, edullisesti TM-020-moodin mukaan, jolla moodilla on maksimi (10) pitkin kaviteetin (3) keskiakselia (9;c-c) ja minimi (11,12) kummallakin puolella ja radiaalisella etäisyydellä keskiakse-lista (9;c-c) ja että sitä osaa sähkökentästä, joka on 15 mainittujen minimien (11,12) välissä, käytetään lämmittämään mainitun lasiputken (8) seinää.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisäksi muodostetaan sähkökenttä toisen mikro- 20 aaltogeneraattorin (15) välityksellä, jolle kentälle annetaan kenttäkuvio TE-01n-moodin mukaan, edullisesti TE-011-moodin mukaan, joka kenttä siten superponoidaan TM-0n0-moodin mukaiseen kenttään.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin ensin mainittu mikroaaltogeneraattori (1) muodostaa mainitun sähkökentän kerrostus- ja vastaavasti sintrausvaiheessa, jossa erilaisista aineista koostuva kerros sijoitetaan lasiputken sisäpuolelle, ja että sitä 30 seuraavassa kokoonvetäytymisvaiheessa, jossa putki vetäyte-tään kokoon sauvaksi, molemmat mainitut mikroaaltogeneraattori t (1;15) kehittävät kumpikin vastaavan sähkökenttänsä moodien TM-0n0 ja vastaavasti TE-01n mukaan.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään metallista mikroaaltokavi-teettia (3), joka on aksiaalisymmetrinen mainittujen aukko- II n 80558 jen (4,5) keskipisteiden kautta kulkevan akselin (9) suhteen.

5. Laite lasiputkien, erityisesti kvartsiputkien, lämmit-5 tämiseksi optisten kuitujen valmistamista varten, joka laite käsittää välineen lasiputken esilämmittämiseksi, edullisesti kaasullekin, sekä sisältää mikroaaltogeneraattorin, joka on liitetty mikroaaltokaviteettiin, joka mikroaaltokaviteetti on varustettu aukoilla päädyissään tai päätypinnoissaan 10 lasiputken läpiviemiseksi käviteetin läpi, tunnettu siitä, että ainakin yksi mikroaaltogeneraattori (1) on aaltojohtimen (2) välityksellä liitetty kaviteettiin (3) siten, että ainakin yhdelle sähkökentälle annetaan kenttäkuvio TM-0n0-moodin mukaan, edullisesti TM-020-moodin mukaan, jolla 15 moodilla on maksimi (10) pitkin käviteetin (3) keskiakseli (9;c-c) ja minimi (11,12) kummallakin puolella ja radiaali-sella etäisyydellä keskiakselista (9;c-c) ja että mainittujen aukkojen (4,5) keskikohdan kautta kulkeva pitkittäisak-seli yhtyy mainittuun keskiakseliin (9). 20

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että toinen lisämikroaaltogeneraattori (15) on kytketty kaviteettiin (3) siten, että sähkökentälle annetaan kenttä-kuvio TE-01n-moodin mukaan, edullisesti TE-011-moodin mu- 25 kaan, joka kenttä siten superponoidaan TM-0n0-moodin mukaiseen kenttään.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että ohjauselin (17) on järjestetty käynnistämään ja sulke- 30 maan kumpikin mainituista kahdesta mikroaaltogeneraattorista (1;15).

8. Patenttivaatimuksen 5, 6 tai 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että mikroaaltokaviteetti (3) on metallista ja että 35 se on aksiaalisymmetrinen mainitun keskiakselin (9) suhteen. 12 80558