專(zhuān)利名稱：光導(dǎo)纖維的冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種拉伸纖維的冷卻方法，更具體的說(shuō)，本發(fā)明涉及一種使用氣體冷卻劑，對(duì)拉伸的光導(dǎo)玻璃纖維進(jìn)行冷卻的方法。特別是，本發(fā)明涉及一種對(duì)從玻璃纖維冷卻室抽出的氣體冷卻劑的抽出比例進(jìn)行控制，以減少所述氣體冷卻劑從該冷卻室抽出時(shí)的損耗的氣體冷卻劑抽出比例的控制方法。
光導(dǎo)(學(xué))纖維(光纖)通常由玻璃棒或“預(yù)成形棒料”制得。所述玻璃棒或“預(yù)成形棒料”包括一位于其中心部位的玻璃芯子和包圍所述芯子、其光折射指數(shù)低于所述玻璃芯子的玻璃包層。所述光導(dǎo)纖維系在一加熱爐中，由將玻璃棒或“預(yù)成形棒料”加熱至玻璃軟化點(diǎn)溫度后，對(duì)所述軟化的玻璃預(yù)成形棒料進(jìn)行拉絲而制得。然后，急速充分冷卻所述經(jīng)拉伸的玻璃纖維，以將一層樹(shù)脂材料的保護(hù)性涂料包裹至該拉伸玻璃纖維的表面。所述的冷卻系將纖維經(jīng)由一附有換熱器的拉伸塔(draw tower)拉伸而進(jìn)行。在所述換熱器中，纖維與氣體冷卻劑接觸。盡管也可使用其它氣體，例如，可以使用氮?dú)?、二氧化碳或氫氣，但所述氣體冷卻劑通常是氦氣。接著，上述氣體冷卻劑以相對(duì)于換熱器中玻璃纖維運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榇怪被蛳喾吹姆较蜻B續(xù)通過(guò)該換熱器。所述氣體冷卻劑將熱量從玻璃纖維傳送至通常為水的冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)流經(jīng)包圍冷卻室的部分。因?yàn)榫哂袃?yōu)異的傳熱性能，且使用安全，氦氣為一較好的氣體冷卻劑。氦氣的成本較其它的氣體為高，因此，理想的是，回收后再重新用在換熱器中。
現(xiàn)今較為實(shí)用的玻璃纖維冷卻方法的一個(gè)特征是玻璃纖維進(jìn)入和輸出冷卻室的開(kāi)口并不是氣密的。因此，空氣往往會(huì)滲入該冷卻系統(tǒng)，并稀釋所述氣體冷卻劑，這就使得必須廢棄冷卻劑或?qū)λ隼鋮s劑進(jìn)行提純，以便重復(fù)使用。冷卻室內(nèi)和其周?chē)h(huán)境的壓力差只要在正壓力差的范圍之內(nèi)，可以大大地減少空氣的滲入。換句話說(shuō)，將冷卻室內(nèi)的氣壓保持高于其環(huán)境大氣壓。但所述方法的缺點(diǎn)是高價(jià)值的氦氣將通過(guò)所述冷卻室的纖維入口及/或纖維出口逸失于環(huán)境之中。
為減少氦氣在纖維入口出口處的逸失和空氣的滲入，人們作了許多努力。第5,377,491號(hào)美國(guó)專(zhuān)利及第5,452,583號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種用于冷卻光導(dǎo)纖維的冷卻方法及冷卻系統(tǒng)。所述冷卻方法及冷卻系統(tǒng)系在換熱器中，使用如氦氣等的冷卻空氣冷卻纖維。該專(zhuān)利教導(dǎo)了一種控制進(jìn)出換熱器的氣體冷卻劑的流量，以減少空氣滲入換熱器的方法。所述公開(kāi)的冷卻方法包括在約為0至約150psig的壓力下，將氣體冷卻劑引入該換熱器中。遺憾的是，在常壓或常壓上進(jìn)行所述換熱器的操作，將導(dǎo)致氣體冷卻劑從冷卻系統(tǒng)中大量地逸失、損耗。一般認(rèn)為，此時(shí)氣體冷卻劑的逸失為略少于50％。
人們一直在尋求生產(chǎn)光導(dǎo)纖維的更經(jīng)濟(jì)的制造方法。本發(fā)明提供了一種能降低熱玻璃纖維的生產(chǎn)成本的制造方法，即該方法藉由在纖維冷卻過(guò)程中減少氣體冷卻劑從所述系統(tǒng)逸失至環(huán)境的損耗量，降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明提供一種減少氣體冷卻劑從光導(dǎo)纖維冷卻系統(tǒng)損耗的方法。所述方法系由保持氣體冷卻劑進(jìn)入冷卻系統(tǒng)冷卻室的足夠穩(wěn)定，及使用一可變速的氣泵裝置以對(duì)控制從冷卻室抽出氣體冷卻劑的抽出速率。本發(fā)明的方法使得所述冷卻系統(tǒng)可以在較低的真空下進(jìn)行操作，由此，可顯著減少?gòu)乃隼鋮s室逃逸至外界環(huán)境的氣體冷卻劑量。本發(fā)明也提供了一種通過(guò)成比例地調(diào)節(jié)從冷卻室抽出的氣體流量和冷卻劑流入冷卻流量，在冷卻過(guò)程的起始階段顯著減少?gòu)睦鋮s室逃逸至外界環(huán)境的氣體冷卻劑的方法。在所述方法中氣體冷卻劑流入冷卻室的量和纖維進(jìn)入冷卻室的量逐漸增加至所設(shè)定的值。
根據(jù)一個(gè)范圍較廣的實(shí)施例，本發(fā)明包括一種在一個(gè)換熱裝置中冷卻熱拉伸纖維的方法，所述換熱裝置包括具有一個(gè)纖維入口，一個(gè)纖維出口，至少一個(gè)氣體冷卻劑進(jìn)氣口和至少一個(gè)氣體冷卻劑出氣口的冷卻室及一個(gè)可變速氣泵裝置；所述方法包括以下的過(guò)程(a)將纖維輸入冷卻室；(b)通過(guò)至少一個(gè)氣體冷卻劑進(jìn)氣口，將氣體冷卻劑導(dǎo)入冷卻室中；及(c)藉由可變速氣泵裝置，在冷卻室中的至少部分的壓力保持在0.5巴至常壓的條件下，從上述冷卻室抽出排出氣流，所述排出氣流包括所述氣體冷卻劑及至少一種雜質(zhì)氣體。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在冷卻室中所進(jìn)行的冷卻操作過(guò)程中，可變速氣泵裝置的獨(dú)具作用是從冷卻室抽出所述排出氣流。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實(shí)施例中，氣體冷卻劑是通過(guò)多個(gè)小孔導(dǎo)入冷卻室中。在本發(fā)明的又一優(yōu)選的實(shí)施例中，所述排出氣流是通過(guò)多個(gè)小孔從冷卻室中抽出的。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實(shí)施例中，所述排出氣體是通過(guò)多個(gè)小管從冷卻室中抽出。所述多個(gè)小管可以包括位于所述冷卻室上方的一個(gè)管線和位于所述冷卻室下方的一個(gè)管線。在本實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)選的方面，所述排出氣體是以不同的速率從位于冷卻室上方和下方的小管抽出。例如，從冷卻室上方的小管中抽出，排出氣體的速率可遠(yuǎn)大于從冷卻室下方小管中抽出的速率。
本發(fā)明的方法特別適用于熱光導(dǎo)玻璃纖維的冷卻。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述導(dǎo)入冷卻室的氣體冷卻劑包括氦氣、氮?dú)?、二氧化碳、氫氣或它們的混合氣體。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實(shí)施例中，所述從冷卻室抽出的排出氣體流是以這樣的速率抽出使得所述冷卻室中至少部分的壓力保持在約為0.7巴(bara)和常壓之間。
在本發(fā)明的再一優(yōu)選的實(shí)施例中，導(dǎo)入冷卻室的氣體冷卻劑至少包括60％的氦氣。
圍繞冷卻室的大氣通常為空氣。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，從冷卻室抽出的排出氣體的抽出速率部分地取決于氣體冷卻劑流入冷卻室的速率。
纖維最好是通過(guò)冷卻室時(shí)拉伸，所述氣體冷卻劑最好以保持基本恒定的速率導(dǎo)入冷卻室。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，上述冷卻方法包括第一冷卻階段和第二冷卻階段。在第一冷卻階段中，纖維以一增加的速率在所述冷卻室被拉伸，而氣體冷卻劑以一增加的速率被導(dǎo)入冷卻室中；在第二冷卻階段中，纖維以一基本恒定的速率被拉伸，而氣體冷卻劑以一基本恒定的速率被導(dǎo)入冷卻室中。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實(shí)施例中，所述排出氣體從冷卻室的抽出速率部分地取決于排出氣體中的雜質(zhì)氣體濃度。
本發(fā)明的另一優(yōu)選的實(shí)施例包括從排出氣體中至少部分地除去至少一種雜質(zhì)氣體。并將去除了雜質(zhì)的排出氣體再作為冷卻氣體循環(huán)輸送至冷卻室。通常，從排出氣體中至少部分地除去至少一種雜質(zhì)氣體的過(guò)程，可由選自壓力轉(zhuǎn)換吸附法、溫度轉(zhuǎn)換吸附法、薄膜分離法、蒸餾法或它們的組合中的任一種氣體純化方法進(jìn)行。
如果，至少一種雜質(zhì)氣體包括空氣，則較好的氣體純化方法為使用氮、氧選擇性吸附的壓力轉(zhuǎn)換吸附法。壓力轉(zhuǎn)換吸附法的一個(gè)周期通常包括一個(gè)吸附過(guò)程，一個(gè)均衡減壓過(guò)程，一個(gè)逆流減壓過(guò)程，一個(gè)均衡再加壓過(guò)程及一個(gè)再加壓過(guò)程。
如果氣體純化方法為壓力轉(zhuǎn)換吸附法，則較好的是，在一個(gè)包括平行操作和異相操作的二個(gè)或二個(gè)以上的吸附容器的吸附系統(tǒng)中進(jìn)行氣體純化。當(dāng)喂入吸附系統(tǒng)的氣體是從二個(gè)或二個(gè)以上的冷卻室抽出的排出氣體時(shí)，這樣的設(shè)置特別有用。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述二個(gè)或二個(gè)以上的冷卻室系以間歇式作異相的操作，因此喂入氣體的生成速率會(huì)有變化。在本實(shí)施例中，在喂入氣體以較低流速生成期間，上述吸附過(guò)程的持續(xù)時(shí)間最好延長(zhǎng)；而在喂入氣體以較高流速生成期間，上述吸附過(guò)程的持續(xù)時(shí)間最好縮短。本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例包括調(diào)節(jié)所述吸附過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，以與從PSA系統(tǒng)發(fā)出的非吸附氣體的純度變化相適應(yīng)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，氣體純化是在一個(gè)吸附系統(tǒng)中進(jìn)行。所述氣體吸附系統(tǒng)包括四個(gè)以90°異相操作的吸附容器。在這一方面，如果處于下述階段，吸附過(guò)程則最好延長(zhǎng)些一個(gè)容器處于吸附過(guò)程，一個(gè)容器處于均衡減壓過(guò)程，一個(gè)容器處于均衡再加壓過(guò)程，一個(gè)容器在處于再加壓過(guò)程。所述加壓過(guò)程可以包括用吸附階段產(chǎn)生的富集氣體冷卻劑、喂入氣體或其混合物對(duì)容器進(jìn)行加壓在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，所述纖維入口及纖維出口分別位于所述冷卻室的頂部及底部。


圖1所示為實(shí)施本發(fā)明附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明所使用的單元裝置系統(tǒng)的流程示意圖。
圖2所示為包括一個(gè)氣體純化裝置的多單元裝置系統(tǒng)的流程示意圖。
圖中，相同的代號(hào)用于代表各圖中相同或相似的部分。
詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明，在二階段的纖維冷卻過(guò)程中，熱纖維材料在換熱器中被冷卻氣體冷卻，而冷卻劑在換熱器冷卻室的損耗被減至最小程度。在冷卻過(guò)程的第一階段中，氣體冷卻劑流入冷卻室的速率隨纖維流經(jīng)換熱器的速率的增加而逐漸增加。同時(shí)，冷卻劑從冷卻室的抽出速率成正比地隨冷卻劑流入冷卻室的速率的增加而增加。由此，至少部分冷卻室中的壓力可維持在低于常壓。在第二階段中，氣體冷卻劑流入冷卻室的速率及纖維流經(jīng)換熱器的速率基本上保持在一恒定值，同時(shí)，按需要調(diào)節(jié)從冷卻室抽出冷卻劑的速率，以使至少部分冷卻室中的壓力持續(xù)地維持在低于常壓下。盡管可以在常壓或常壓上將氣體冷卻引入冷卻室中，但在冷卻室的氣體冷卻劑出口處或其近旁的壓力維持在低于一個(gè)大氣壓。如上所述的操作將保證氣體冷卻劑在冷卻室的開(kāi)口，例如，在纖維入口及/或出口的損耗降至最低限度，或不損耗。
參照附圖，可以更容易地理解本發(fā)明。首先，見(jiàn)圖1。圖1所示為一光導(dǎo)纖維的冷卻系統(tǒng)。所述冷卻系統(tǒng)包括換熱器A，氣體流動(dòng)控制裝置B及可變速氣泵裝置C。換熱器A上設(shè)有纖維冷卻室2，該纖維冷卻室2具有纖維入口4、纖維出口6及冷卻水夾套8。該換熱器由玻璃纖維束10通過(guò)冷卻室2的拉伸得以說(shuō)明。所述纖維從一個(gè)位于纖維入口4上的爐中(圖中未示)軟化的預(yù)成形棒料拉伸成形。所述纖維由一位于所述纖維出口6之下的旋轉(zhuǎn)筒管(圖中未示)經(jīng)過(guò)所述換熱器而牽伸。冷卻氣體供應(yīng)線12與氣體流量控制器B的進(jìn)口端相連，氣體流量控制器B的出口端通過(guò)管線14與冷卻室相連。氣體冷卻劑抽出管線16及18分別連接與冷卻室2的上下部。管線16和12分別配有流量控制閥20及22。在所述管線的下游端，管線16及18匯流于管線24。管線24又連接至壓氣機(jī)C的抽氣端。排出氣體的排出管線26將氣泵裝置C的排放端連接至下游的氣體純化裝置。
換熱器A，氣流控制裝置B及氣泵裝置C為通常的設(shè)備，其具體的結(jié)構(gòu)及操作方式并不構(gòu)成本發(fā)明的部分。泵送裝置可以是任何適合于將氣體從一處移至另一處的泵。較好的是，泵C為可變速的氣泵，以下所涉及的泵皆指這樣的氣泵。
盡管，管線14和冷卻室2之間的連接被描述為連接至冷卻室2中心部的單管線，但管線14可位于沿冷卻室2延長(zhǎng)部分的任一位置處?；蛘?，也可用多根管線將氣體冷卻劑連接至冷卻室2。類(lèi)似地，冷卻室2可以在位于沿冷卻室2的室壁任一點(diǎn)處設(shè)置單一氣體冷卻劑抽出管線，也可以在位于沿冷卻室2的室壁任一點(diǎn)處設(shè)置多根排出氣體抽出管線。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的設(shè)置中，流入管線14位于冷卻室2的纖維出口端，而氣體冷卻劑排出管線位于冷卻室2的纖維入口端，以保證氣體冷卻劑的流動(dòng)方向的冷卻室2的纖維呈相反方向。在本發(fā)明的一個(gè)更優(yōu)選的設(shè)置(圖中未示)中，一系列氣體冷卻劑的流入小孔及/或一系列排出氣體的抽出小孔位于沿冷卻室2的縱向室壁延伸處，以保證流入/或流出冷卻室2的氣體均勻流動(dòng)。如果冷卻室2同時(shí)設(shè)置有一系列氣體冷卻劑的流入小孔及一系列排出氣體的抽出小孔，則經(jīng)過(guò)冷卻室2的纖維可以被交叉流經(jīng)冷卻室2的氣體冷卻劑所冷卻。在圖1所示的設(shè)置中，閥20及22可用于關(guān)閉管線16及18中的氣體流，或者用于調(diào)節(jié)氣體流經(jīng)管線16及18時(shí)的相對(duì)速率。
泵C的速度控制機(jī)構(gòu)經(jīng)氣流檢測(cè)控制回路28，與氣流控制裝置A連接；經(jīng)氣壓檢測(cè)控制回路30，與冷卻室2連接。氣壓檢測(cè)控制回路30設(shè)有氣壓傳感器32；經(jīng)管線雜質(zhì)檢測(cè)回路34，與管線26連接。所述管線雜質(zhì)檢測(cè)回路34設(shè)有雜質(zhì)氣體傳感器36。傳感器36可以是任何可以測(cè)定所選擇氣體雜質(zhì)濃度的裝置。例如，所述傳感器可以是一種氧傳感裝置。
圖2所示為一多單元纖維冷卻系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括三個(gè)換熱器A1～A3。各換熱器分別設(shè)有一個(gè)氣體流量控制裝置B1～B3，及分別設(shè)有一個(gè)可變速風(fēng)機(jī)C1～C3。泵C1～C3的排風(fēng)端通過(guò)管線38連接至一可選擇的氣體儲(chǔ)存容器D。管線40將容器C連接至氣體純化裝置E的進(jìn)口端。
純化裝置E可以是任何可將本方法中所使用的氣體冷卻劑從滲入該系統(tǒng)氣體冷卻室中的雜質(zhì)氣體，例如，空氣、二氧化碳及水蒸氣等中分離出來(lái)的氣體純化系統(tǒng)。合適的氣體純化系統(tǒng)包括吸附裝置，例如，加壓轉(zhuǎn)換吸附(PSA)單元、溫度轉(zhuǎn)換吸附(TSA)單元、滲透膜分離單元、低溫蒸餾單元，等等。在一個(gè)較好的實(shí)施例中，所述氣體純化系統(tǒng)為PSA裝置。在該系統(tǒng)中，使用適量可有效、經(jīng)濟(jì)地從氣體冷卻劑中去除雜質(zhì)氣體的吸附劑。
設(shè)置于氣體純化裝置E上的是一根廢氣排放管線42及一純化的氣體冷卻劑排放管線44。管線44用作循環(huán)管線，將純化的氣體冷卻劑返送至換熱器A1～A3的進(jìn)口。氣體冷卻劑補(bǔ)充管線46將新鮮的冷卻劑氣體源連接至管線44。
在某些場(chǎng)合下，最好使用密封裝置以限制空氣及其它雜質(zhì)氣體對(duì)冷卻室的滲入。所述密封裝置可以設(shè)置于如圖1所示的系統(tǒng)冷卻室的開(kāi)口4及6處。另外，或者，也可使用流體密封法，以限制空氣滲入冷卻室2。合適的流體密封材料包括氮?dú)狻鍤獾鹊?。也可使用其它密封開(kāi)孔4及6的手段。例如，可以使用帶有冷卻塔的加熱爐，以形成一圍繞開(kāi)孔4的氣密密封，而下游的樹(shù)脂涂覆設(shè)備可以位于開(kāi)孔6的鄰近處，以將所述開(kāi)孔與外界環(huán)境作隔離密封。
通常，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明的光導(dǎo)纖維的制造方法以二個(gè)階段進(jìn)行。第一階段包括建立纖維通過(guò)冷卻室的穩(wěn)定拉伸并使其卷繞至一輥筒上去、且使所述氣體冷卻劑穩(wěn)定地通過(guò)冷卻室。在這一階段中，纖維及氣體冷卻劑通過(guò)冷卻室的拉伸速率及流動(dòng)速率是低的，直至冷卻纖維形成穩(wěn)定的拉伸。冷卻纖維的拉伸一旦穩(wěn)定后，纖維的拉伸速率便增加至設(shè)定的速率。典型地，本方法的這一階段持續(xù)數(shù)分鐘。在該階段中，冷卻劑氣體流入至冷卻室的流動(dòng)速率也增加，以保證纖維持續(xù)地被冷卻至所希望的程度。一旦設(shè)定的纖維拉伸速率及氣體冷卻劑流經(jīng)冷卻室的流動(dòng)速率建立起來(lái)就開(kāi)始了本方法的第二階段。在第二階段中，纖維流經(jīng)冷卻室的拉伸速率及冷卻劑氣體流入冷卻室的流動(dòng)速率基本保持恒定。本方法中，該階段通常持續(xù)數(shù)小時(shí)。
更詳細(xì)地考查本方法，本方法的第一階段由建立起流經(jīng)冷卻室的氣體冷卻劑的流動(dòng)而開(kāi)始。此時(shí)，閥20及22中的一個(gè)或兩個(gè)調(diào)節(jié)到預(yù)定的打開(kāi)程度。其次，將一光學(xué)玻璃預(yù)成形棒料在位于換熱器A之上的爐中(圖1)加熱至其軟化點(diǎn)溫度。如果預(yù)成形棒料達(dá)到可以開(kāi)始流動(dòng)的軟化點(diǎn)溫度，就開(kāi)始流動(dòng)形成纖維。該纖維經(jīng)開(kāi)孔4在換熱器A的冷卻室2被拉伸。當(dāng)纖維向下經(jīng)過(guò)換熱器A時(shí)，即與通過(guò)管線14進(jìn)入冷卻室的氣體冷卻劑接觸。
氣體冷卻劑可以是任何不會(huì)與光導(dǎo)纖維反應(yīng)，或不會(huì)受光導(dǎo)纖維影響的氣體。如上所述，合適的氣體冷卻劑包括那些如氦氣、氫氣、氮?dú)?、二氧化碳和它們的混合物的氣體。氣體冷卻劑也可以是如氦氣與氫氣的混合氣體，或氦氣與氬氣的混合氣體。氣體冷卻劑不必完全不含雜質(zhì)，如氧。然而，冷卻劑氣體最好含有高濃度的預(yù)定的冷卻劑。冷卻劑氣體較好的是含有約為60％(體積)的或更多的氦氣。在本實(shí)施例中，最好的是，所述冷卻劑氣體含有至少約為90％的氦氣。氦氣因?yàn)槭褂冒踩?，具有?yōu)良的熱傳導(dǎo)性能及易于由通常的分離技術(shù)從其它的氣體中分離出來(lái)等，所以是優(yōu)于其它冷卻劑氣體的氣體。為研究方便起見(jiàn)，本發(fā)明中以下所談及的冷卻劑氣體均指氦氣。
進(jìn)入換熱器A的氦氣由循環(huán)經(jīng)過(guò)設(shè)備8的冷卻介質(zhì)冷卻，所述冷卻介質(zhì)通常為水。當(dāng)氦氣通過(guò)換熱器A的冷卻室2時(shí)，氦氣將熱量從熱光導(dǎo)纖維上帶走，以穩(wěn)定纖維，并使纖維經(jīng)開(kāi)孔6被拉伸出冷卻室2。
然后，冷卻的纖維被涂覆以一層樹(shù)脂，卷繞在輥筒上。變熱的或“消耗”的氦氣由風(fēng)機(jī)C，經(jīng)管線16及18(如果兩個(gè)管線都在使用)，從冷卻室2中被抽出，并且最好由管線26被送至下道加工系統(tǒng)。由于氦氣的密度較低，所以，氦氣在通過(guò)冷卻室2時(shí)易于向上方流動(dòng)。因此，為提高氦氣的回收率及其純度，較好的是使閥20的打開(kāi)程度大于閥22，以促進(jìn)氦氣在冷卻室2上部具有更大的體積。在某些情況下，較好的是關(guān)閉閥22，僅使用管線16從冷卻室2抽出排出氣體。
為減少氣體冷卻劑的損耗，風(fēng)機(jī)C以這樣的速率從冷卻室2中抽出氣體冷卻室2的至少部分的壓力，例如，冷卻室2的氣體冷卻劑的出口處壓力基本維持在低于常壓，通常在約0.5巴拉(巴，絕對(duì)壓)和一個(gè)大氣壓間，更好的是，所述壓力在約0.7巴和一個(gè)大氣壓間。此處的“基本維持在低于常壓下”意指，盡管整個(gè)冷卻室2內(nèi)的壓力可能在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)上升至高于一個(gè)大氣壓，但在氦氣通過(guò)冷卻室2時(shí)的至少90％的時(shí)間內(nèi)，冷卻室2的至少部分的壓力維持在低于一個(gè)大氣壓。
本發(fā)明方法的一個(gè)基本目的是防止氦氣從系統(tǒng)中大量損耗，不使大量的過(guò)剩空氣抽入冷卻室2而稀釋氦氣。上述系統(tǒng)在低于一個(gè)大氣壓的壓力下的運(yùn)轉(zhuǎn)減少了氦氣的損耗，但卻同時(shí)導(dǎo)致了一些空氣及其它大氣中的雜質(zhì)氣體滲入冷卻室2?？勺兯亠L(fēng)機(jī)的使用非常有利于冷卻室2內(nèi)壓力的精心控制，減少氦氣的損失和空氣的滲入。所述風(fēng)機(jī)度的確定取決于流入冷卻室2的氦氣率、冷卻室2中的壓力，及可選擇地，取決于從冷卻室流出的流動(dòng)氣體中的氣體雜質(zhì)的濃度。風(fēng)機(jī)速度要使冷卻室2中的壓力保持在稍稍低于一個(gè)大氣壓的壓力。
在本發(fā)明方法的第一階段中，消耗的氦氣從冷卻室2抽出的速率基本上根據(jù)新鮮氦氣引入冷卻室2的速率而控制。如新鮮氦氣引入冷卻室2的速率增大，流量控制器B會(huì)發(fā)出間歇或穩(wěn)定的信號(hào)給風(fēng)機(jī)C，風(fēng)機(jī)C的速度增加。在本發(fā)明方法的第一階段中，流量控制器B對(duì)風(fēng)機(jī)C速度的控制最好對(duì)冷卻室2中的壓力變化作出反應(yīng)。因?yàn)?，在冷卻室2中的壓力建立起來(lái)之前，它可對(duì)氦氣流入冷卻室2的流動(dòng)速率作出增加的反應(yīng)。由此，可避免或減少在該階段中、由于冷卻室2中的壓力臨時(shí)上升至超過(guò)一個(gè)大氣壓而導(dǎo)致氦氣的損耗。
在本發(fā)明方法的第二階段中，流量控制器B將氦氣流入冷卻室2的速率基本上保持恒定。在該階段中，風(fēng)機(jī)C的速度由冷卻室2中的壓力，通過(guò)控制回路30所控制。壓力傳感器32通過(guò)檢測(cè)回路30，持續(xù)或周期地檢測(cè)冷卻室2中的壓力，并將信號(hào)輸送至泵C的速度控制機(jī)構(gòu)，以在需要時(shí)調(diào)節(jié)泵的速度。一般來(lái)說(shuō)，由于壓力變化僅由冷卻室2中的溫度變化，或由自大氣壓的變化所引起，因此，在該階段中風(fēng)機(jī)C速度的變化相對(duì)來(lái)說(shuō)是次要的。
還可以控制氣體抽出速率，以保持排出氣體中雜質(zhì)氣體的濃度在一定的范圍內(nèi)。所述控制可由雜質(zhì)檢測(cè)回路34完成。當(dāng)該檢測(cè)回路啟動(dòng)時(shí)，傳感器36持續(xù)或周期地檢測(cè)排出氣體，以測(cè)定排出氣體中的雜質(zhì)濃度。如果排出氣體中的空氣濃度超過(guò)設(shè)定范圍，傳感裝置36即通過(guò)回路34發(fā)出信號(hào)至泵C，以調(diào)節(jié)泵的速度，將空氣濃度返回到設(shè)定范圍。
當(dāng)用一組光學(xué)拉伸塔實(shí)施本發(fā)明時(shí)，各個(gè)拉伸塔具有一個(gè)光導(dǎo)纖維冷卻室，各個(gè)冷卻室配有一個(gè)可變速風(fēng)機(jī)，所述風(fēng)機(jī)在換熱器操作中的獨(dú)特作用為從冷卻室抽出氣體冷卻劑。一個(gè)典型的、使用三個(gè)分離的可變速泵的三塔型系統(tǒng)，即泵C1～C3示于圖2。由于各個(gè)泵僅有一個(gè)流體控制裝置及僅僅控制一個(gè)冷卻室的壓力，因此可使冷卻室壓力得到更精確的控制。
在本發(fā)明方法的實(shí)施中，如圖2所示的多單元冷卻系統(tǒng)中，由泵C1～C3排放進(jìn)管線38中的空氣儲(chǔ)存于可選用的存儲(chǔ)容器D中。儲(chǔ)存的氣體可間歇或持續(xù)地喂入氣體分離裝置E中作純化。排放氣體通過(guò)管線44存在于分離裝置E中，在氣體分離裝置E中被分離大部分為空氣和其余為雜質(zhì)的廢氣和經(jīng)純化的氦氣。盡管，所述冷卻系統(tǒng)用較低純度的氦氣也可進(jìn)行令人滿意的操作，但較好的是，所述純化的氦氣含有90％或更多的氦氣。純化的氦氣通過(guò)管線44再循環(huán)至換熱器A1～A3。補(bǔ)償?shù)暮馔ㄟ^(guò)管線46供應(yīng)至冷卻系統(tǒng)。
如上所述，分離裝置E可以是任何合適的氣體純化裝置，但較好的是PSA系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可以包括一個(gè)單一的吸附單元或一組同相操作的吸附單元，或是包括多個(gè)吸附單元或多組異相操作的吸附單元，不論哪種都可以。如果使用了包括一個(gè)單一吸附單元或一組處于同相操作的吸附單元的冷卻系統(tǒng)，則上述吸附過(guò)程必須作周期的關(guān)閉，以允許吸附層的再生。而如果是平行和異相操作多個(gè)吸附單元，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)單元處于吸附雜質(zhì)的吸附狀態(tài)時(shí)，一個(gè)或多個(gè)其它的單元進(jìn)行再生解吸雜質(zhì)。本發(fā)明的吸附系統(tǒng)的操作是可循環(huán)的。在一個(gè)優(yōu)選的吸附方法中，吸附是以連續(xù)產(chǎn)生純化氦氣的方式反復(fù)進(jìn)行。
如果分離裝置E是一個(gè)PSA系統(tǒng)，則吸附容器裝入適量的顆粒狀的吸附劑。用于吸附氮及氧的合適的吸附劑包括沸石，例如沸石4A、沸石5A及沸石13X，以及碳分子篩。用于吸附方法中顆粒狀的吸附劑為一種物質(zhì)的選擇，則并不構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
吸附容器最好是含有如活性氧化鋁或硅膠等干燥劑的預(yù)純化層，以除去含于大氣中的水蒸氣?；钚匝趸X為一較好的干燥劑，因?yàn)樗部捎糜谌コ諝庵械亩趸迹纱丝蓽p少或消除由基礎(chǔ)吸附劑所吸附的二氧化碳?；蛘撸鲜鱿到y(tǒng)可以含有一個(gè)分離空氣預(yù)純化裝置，在將喂入氣體引入吸附容器之前，從喂入氣體中去除水蒸氣和二氧化碳。
PSA冷卻行的溫度及壓力是可以選擇的，而并不是臨界的。一般來(lái)說(shuō)，吸附過(guò)程可以在-50～約100℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，但通常是在約0～約40℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。典型地，上述吸附過(guò)程是在約1巴或以上的絕對(duì)壓力(bara)上進(jìn)行。吸附時(shí)的最小壓力較好的是在約2巴，更好的是在約為5巴的壓力下進(jìn)行。壓力的上限由吸附系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及有限性所決定。通常，壓力的上限較好的是在約50巴，更好的是在約為20巴，最好的是在約15巴。吸附劑時(shí)進(jìn)行的壓力也是可以選擇的，其最小壓力取決于是否使用了真空設(shè)備以從這些容器中抽出吸附的氣體。典型地，在這些容器中的吸附劑再生的壓力下限可以低至50mbara(毫巴絕對(duì)值)。但較好的是不低于約150mbara，更好的是不低于約200mbara。吸附劑再生可以在高至5巴的壓力下進(jìn)行，但較好的是在不大于約為2巴的壓力下，更好的是在不大于約為1巴的壓力下進(jìn)行。
如上所述，光導(dǎo)纖維的制造過(guò)程是一種間歇式生產(chǎn)的過(guò)程。因此，多單元制造系統(tǒng)的各個(gè)單元將作定期的關(guān)閉，以在單元中裝入新的預(yù)成形棒料。在關(guān)閉期間，關(guān)閉的單元中不會(huì)產(chǎn)生廢氦氣。多單元系統(tǒng)通常是作異相運(yùn)行，這樣，如果一個(gè)單元關(guān)閉，其它單元將處于運(yùn)行狀態(tài)，并產(chǎn)生含有雜質(zhì)的氦氣。如圖2所示的系統(tǒng)是以不同相的三個(gè)單元運(yùn)行，則流向分離裝置E的含雜質(zhì)的氦氣是會(huì)有變化。這種情況在本發(fā)明的使用可調(diào)節(jié)的循環(huán)的PSA方法的另一實(shí)施例中被提出。該實(shí)施例的PSA方法的吸附周期包括一個(gè)吸附過(guò)程，一個(gè)均衡過(guò)程，一個(gè)減壓或吸附劑再生過(guò)程及一個(gè)加壓過(guò)程。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)光導(dǎo)纖維的冷卻單元處于關(guān)閉或處于啟動(dòng)期間，為了補(bǔ)償含雜質(zhì)氣體進(jìn)入PSA系統(tǒng)的速率的降低，所述周期的吸附過(guò)程可以延長(zhǎng)一段時(shí)間，該時(shí)間正比于導(dǎo)入PSA系統(tǒng)的雜質(zhì)氣體體積的減少。同樣，如果另外的纖維冷卻管線也進(jìn)入運(yùn)行，則周期的吸附過(guò)程可以縮短。這樣可使吸附基本上處于最佳工作狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例、各個(gè)吸附床以90°的異相進(jìn)行操作的四床吸附系統(tǒng)的吸附周期示于表1。周期的各個(gè)過(guò)程是吸附過(guò)程；第一個(gè)減壓-均衡過(guò)程(Eq-Dep1)；第二個(gè)減壓-均衡過(guò)程(Eq-Dep2)；排入大氣(Vent1)；抽真空(Vent 2)；再加壓均衡過(guò)程(Eq-Pre1和Eq-Pre2)以及用非吸附的生成氣體、喂入氣體或其混合物進(jìn)行再加壓(再加壓)。
表1
過(guò)程3、6、9及12的持續(xù)時(shí)間取決于可吸附的氣體雜質(zhì)(空氣)喂入吸附系統(tǒng)的速率。一個(gè)設(shè)置于PSA裝置上游的檢測(cè)裝置，持續(xù)地檢測(cè)喂入吸附系統(tǒng)中的空氣濃度。當(dāng)吸附系統(tǒng)的所有光導(dǎo)纖維的冷卻塔處于運(yùn)作之中，且喂入所述吸附系統(tǒng)的空氣體積處于設(shè)定的水平，則周期的吸附持續(xù)時(shí)間為120秒。然而，如果一個(gè)或多個(gè)冷卻塔處于關(guān)閉狀態(tài)，則空氣檢測(cè)器檢測(cè)出喂入PSA系統(tǒng)的空氣較小，并發(fā)出信號(hào)至吸附周期控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)令過(guò)程3、6、9及12的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。延長(zhǎng)的時(shí)間與流至PSA裝置的氣體中雜質(zhì)體積的減少成反比。離開(kāi)PSA裝置的生成的非吸附氣體的純度也可用來(lái)控制所述PSA裝置的操作。例如，如果生成的非吸附氣體中的氦氣濃度降至一預(yù)定的、最小可接受值，或升高至一預(yù)定的、最大可接受值時(shí)，一個(gè)來(lái)自監(jiān)測(cè)生成的非吸附氣體的檢測(cè)器的監(jiān)測(cè)信號(hào)可引導(dǎo)PSA體系的控制機(jī)構(gòu)作出相應(yīng)的反應(yīng)，縮短或延長(zhǎng)PSA周期的吸附過(guò)程的持續(xù)時(shí)間。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述吸附過(guò)程的持續(xù)時(shí)間由喂入PSA裝置的雜質(zhì)氣體的體積及排出PSA裝置、生成的非吸附氣體流的純度共同控制。當(dāng)關(guān)閉的冷卻塔啟動(dòng)時(shí)，則流入PSA裝置的空氣返回至設(shè)定水平，PSA吸附周期返回正常狀態(tài)。
可以理解到，利用通常的設(shè)備監(jiān)測(cè)及自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的氣體流，以使吸附系統(tǒng)可以完全、自動(dòng)、有效的方式持續(xù)運(yùn)行，這是屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
參照以下的實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。在這些實(shí)施例中，如無(wú)特別說(shuō)明，所說(shuō)的“份”、“百分比”及“比例”均以體積計(jì)。
實(shí)施例本實(shí)施例說(shuō)明了一延長(zhǎng)的、直立式光導(dǎo)纖維冷卻室的二階段的操作。在第一階段中，所述階段包括周期1～3(見(jiàn)表2)，氣體冷卻劑流入冷卻室的流量及排出氣體從冷卻室排出的量緩慢增加。在第二階段中，由周期4所代表地，氦氣流入冷卻室的流量及排出氣體從冷卻室排出量基本上維持恒定。含有約97％的氦氣冷卻劑，通過(guò)一個(gè)氦氣進(jìn)氣口被注入光導(dǎo)纖維冷卻室，并通過(guò)二個(gè)與可變速風(fēng)機(jī)連接的冷卻劑回收口，從冷卻室抽出。冷卻劑回收口位于冷卻室的底部及頂部。但冷卻劑的注入速率從40標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘增加至70標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(slpm)，可變速風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也作相應(yīng)的增加，以將冷卻室的氣體出口處的壓力保持在約為-25mmH2O?；厥盏暮饧盎厥諝饬髦械暮鉂舛确謩e保持在約為85％和60％。在穩(wěn)定運(yùn)行的條件下(周期4)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速按需要調(diào)節(jié)保持冷卻室內(nèi)達(dá)到預(yù)定的壓力?；厥盏暮饧盎厥諝饬髦械暮鉂舛攘斜硎居诒?。
表2<
>該實(shí)施例顯示，當(dāng)冷卻室的氣體冷卻劑的出口端的壓力保持在約為-25mmH2O時(shí)，回收氣流中的氦氣濃度保持在59％～65％的范圍，而回收的氦氣的濃度保持在85％～89％的范圍。通過(guò)將冷卻室內(nèi)的操作壓力維持在較低的壓力下，可以增加回收的氦氣。
以上，參照具體的裝置、設(shè)置，及參照了特定的試驗(yàn)，對(duì)本發(fā)明作了描述。然而，如上所描述的特征僅僅是對(duì)本發(fā)明所作的例舉，人們可以預(yù)計(jì)上述的例舉可以有變化。例如，如上所述，可以測(cè)得從換熱器冷卻室排出的冷卻劑氣體中雜質(zhì)氣體的濃度，并可將該濃度用作一變量，以輔助控制從排出于冷卻室的氣體速度。本發(fā)明的范圍僅限于所附權(quán)利要求書(shū)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種在換熱裝置中冷卻熱位伸纖維的方法，所述換熱裝置包括一個(gè)纖維入口，一個(gè)纖維出口，至少一個(gè)氣體冷卻劑的進(jìn)氣口和至少一個(gè)氣體冷卻劑的出氣口及一可變速氣泵裝置的單個(gè)冷卻室；其特征在于，所述方法包括以下的過(guò)程(a)將所述纖維輸入所述冷卻室；(b)通過(guò)至少一個(gè)所述氣體冷卻劑進(jìn)氣口，將氣體冷卻劑導(dǎo)入所述冷卻室中；及(c)藉由所述可變速氣泵裝置，在至少一個(gè)冷卻室的至少部分的壓力保持在0.5巴至環(huán)境壓力的條件下，從上述冷卻室抽出排出氣流，所述排出氣流包括所述氣體冷卻劑及至少一種雜質(zhì)氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在上述方法所進(jìn)行的操作過(guò)程中，所述可變速氣泵裝置的獨(dú)具作用是從所述冷卻室抽出所述排出氣流。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述纖維為光導(dǎo)纖維。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，導(dǎo)入所述冷卻室中的氣體冷卻劑包括氦氣、氮?dú)?、二氧化碳、氫氣或它們的混合物?br> 5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述從冷卻室抽出的所述排出氣流是以這樣的速率抽出使得所述冷卻室中至少部分的壓力保持在約為0.7巴和環(huán)境大氣壓之間。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)入冷卻室的氣體冷卻劑包括至少60％的氦氣。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一種雜質(zhì)氣體包括空氣。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，從上述冷卻室抽出的所述排出氣體的抽出速率部分地取決于氣體冷卻劑流入冷卻室時(shí)的流動(dòng)速率。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述纖維通過(guò)冷卻室而被拉伸，所述氣體冷卻劑引入所述冷卻室的速率保持在基本恒定的速率。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，上述冷卻方法包括第一冷卻階段和第二冷卻階段，在第一冷卻階段中，所述纖維以一增加的速率經(jīng)過(guò)所述冷卻室而被拉伸，而所述氣體冷卻劑以一增加的速率被導(dǎo)入所述冷卻室中；在第二冷卻階段中，所述纖維以一基本恒定的速率拉伸經(jīng)過(guò)所述的冷卻室，而所述氣體冷卻劑以一基本上恒定的速率被導(dǎo)入所述冷卻室中。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述排出氣體從所述冷卻室的抽出速率部分地取決于所述排出氣體中的雜質(zhì)氣體濃度。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，從所述排出氣體中排出至少部分所述的一種雜質(zhì)氣體，將去除了雜質(zhì)的排出氣體作為氣體冷卻劑循環(huán)輸送至所述冷卻室。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，從所述排出氣體中排出至少一種氣體雜質(zhì)中的至少一部分的排出操作過(guò)程，系由選自壓力轉(zhuǎn)換吸附法、溫度轉(zhuǎn)換吸附法、薄膜分離法、蒸餾法或它們的組合中之任一種氣體純化方法進(jìn)行。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述氣體純化方法為使用氮、氧選擇吸附劑的壓力轉(zhuǎn)換吸附法。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述壓力轉(zhuǎn)換吸附法的一個(gè)周期包括一個(gè)吸附過(guò)程，一個(gè)均衡減壓過(guò)程，一個(gè)反向減壓過(guò)程，一個(gè)均衡加壓過(guò)程及一個(gè)再加壓過(guò)程。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述壓力轉(zhuǎn)換吸附法系在一個(gè)包括平行操作和異相操作的二個(gè)或二個(gè)以上的吸附容器的吸附系統(tǒng)中進(jìn)行。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述喂入吸附系統(tǒng)的氣體包括從二或二個(gè)以上的所述冷卻室抽出的排出氣體。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述二個(gè)或二個(gè)以上的冷卻室系以間歇方式，作異相的操作。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述喂入氣體的生成速率是可變化的。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述喂入氣體以較低流量產(chǎn)生期間，所述吸附過(guò)程的持續(xù)時(shí)間要延長(zhǎng)；而當(dāng)所述喂入氣體以較高流量產(chǎn)生期間，吸附過(guò)程的持續(xù)時(shí)間要縮短。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法還包括調(diào)節(jié)所述吸附過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，以與從PSA系統(tǒng)發(fā)出的非吸附氣體的純度變化相適應(yīng)。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述氣體吸附系統(tǒng)包括四個(gè)以90°異相操作的吸附容器。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，當(dāng)一個(gè)容器處于所述吸附過(guò)程，一個(gè)容器處于所述均衡減壓過(guò)程，一個(gè)容器處于所述均衡加壓過(guò)程，一個(gè)容器處于所述再加壓過(guò)程的階段時(shí)，所述吸附過(guò)程的時(shí)間要延長(zhǎng)。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述再加壓過(guò)程可以包括用在上述方法的吸附階段產(chǎn)生的富集氣體冷卻劑、所述喂入氣體或其混合物對(duì)容器進(jìn)行加壓的再過(guò)程。
25.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣體冷卻劑系通過(guò)多個(gè)小孔導(dǎo)入所述冷卻室。
26.如權(quán)利要求1或25所述的任一方法，其特征在于，所述排出氣體系通過(guò)多個(gè)小孔從所述冷卻室抽出。
全文摘要
在一個(gè)氦氣冷卻的換熱器中,由二階段冷卻法對(duì)從預(yù)成形料拉伸得到的熱光導(dǎo)纖維進(jìn)行冷卻。在第一階段中,通過(guò)換熱器的纖維拉伸速率增加至設(shè)定的速率,而所述氦氣流入換熱器的流動(dòng)速率隨纖維拉伸速率的增加而增加。氦氣由一可變速風(fēng)機(jī)抽出。第一階段中,從冷卻室抽出氦氣的速率基本上由氦氣流入該換熱器的速率所控制,而在第二階段中,氦氣流入換熱器的速率保持恒定,抽出的速率基本上由換熱器中的壓力所決定。
文檔編號(hào)C03B37/027GK1255460SQ9911806
公開(kāi)日2000年6月7日 申請(qǐng)日期1999年8月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月21日
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