KR100459570B1 - 광섬유 인출공정에서 실링 캡이 제공된 고속 인출용냉각장치 - Google Patents

광섬유 인출공정에서 실링 캡이 제공된 고속 인출용냉각장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에는 광섬유 인출 공정에서 실링 캡이 제공된 초고속 광섬유 인출용 냉각 장치가 개시된다. 개시된 냉각 장치는 광섬유 인출 공정에서 인출된 광섬유를 냉각하기 위하여 제공된 냉각 몸체를 포함하는 냉각 장치에 있어서, (a) 고속으로 인출된 광섬유가 통과하면서 공급된 헬륨 가스와의 열교환이 이루어지는 냉각 몸체; 및 (b) 상기 냉각 몸체의 상하단에 각각 장착되고, 헬륨 가스의 방향성을 제공하기 위하여 링형 공급 부재들을 광섬유 진행방향을 따라서 그의 내부에 적층되게 제공되며, 상기 인출된 광섬유를 따라 유입된 외부 에어에 역방향의 유속을 제공하여 외부 에어의 영향을 최소화하는 실링 캡으로 구성된다.

Description

광섬유 인출 공정에서 실링 캡이 제공된 고속 인출용 냉각 장치{COOLING DEVICE WITH SEALING CAP FOR HIGH-SPEED DRAWING IN FIBER DRAWING PROCESS}
본 발명은 준비된 광섬유 모재로부터 한 가닥의 광섬유를 뽑아내기 위한 광섬유 인출 공정에서 사용되는 인출 설비들에 관한 것으로서, 특히 고속 인출이 가능한 냉각 장치에 관한 것이다.
통상적으로 광섬유를 제작하기 위한 공정은 광섬유 모재(preform) 제조 공정과, 제조된 광섬유 모재에서 머리카락 굵기보다 가는 한 가닥의 광섬유를 뽑아내기 위한 광섬유 인출 공정으로 분류된다. 광섬유 모재 제조 공정에서, 하나의 광섬유 모재에서 보다 많은 광섬유를 인출하기 위하여 대구경(large diameter) 광섬유 모재 제조 공정에 관한 연구가 진행되고 있으며, 특히 대구경 광섬유 모재 제조를 위하여 오버 자케팅 튜브(overjacketing tube) 또는 로드 인 튜브(rod in tube) 등의 공정이 적용되기도 한다. 제조업자는 상기한 점을 해결하기 위한 대책 방안으로서 대구경 광섬유 모재를 제조하던지, 보다 안정적인 광섬유 인출 설비를 제작하던지 등의 노력이 요구되고 있는 것이 현실이다.
도 1에 통상적인 광섬유 인출 공정의 인출 타워에 장착된 인출 설비들이 공정순으로 배치된 상태가 개략적으로 도시되었다. 도 1에 도시된 바와 같이, 통상적인 광섬유 인출 공정은 하나의 인출 타워(draw tower)(적어도 10m 이상)에 공정 순으로 수직방향으로 순차적으로 정렬되는 구조로 이루어진다. 인출 타워의 중심축을 중심으로, 준비된 광섬유 모재(P)(preform)는 용융로(8)(furnace)에서 충분한온도(약 2000°이상)로 용융되어 한 가닥의 광섬유(F1)로 인출된다. 상기 인출된 광섬유(F1)는 직경 제어기(9)에 의해 직경 크기가 제어되고, 냉각 장치(10)(cooling unit)를 통과하여 광섬유(F1)에 피복을 입히기 전에 적합한 온도로 냉각된다. 냉각된 광섬유(F2)는 피복 장치(16)(coater)를 거치면서 피복이 입혀지고, 다수 개의 자외선 경화장치(18)를 통과하면서 피복된 자외선 경화 폴리머가 경화된다.
이어서, 경화 장치(18)를 지난 광섬유(F3)는 캡스탄(19)(capstan)을 통과한 후, 다수 개의 롤러들(22,24)을 지나, 권취부(26)(winder)에 권선된다. 상기 캡스탄(19)은 광섬유 모재로부터 소정의 인장력을 제공하여 일정한 직경크기를 갖는 광섬유를 인출할 수 있게 한다. 이러한 일련의 인출 설비는 스탠드형의 인출 타워에 공정순으로 장착된다. 참조부호 26a는 최종적으로 광섬유가 권선되는 릴이나 스풀을 지칭한다.
이러한 광섬유 인출타워에 장착되는 광섬유 인출설비들은 전체적인 기본 프레임뿐만 아니라, 설비를 구성하고 있는 모든 요소들에 대하여 정밀한 수평과 수직상태를 유지하여야 하며, 진동이나 충격 등에 대하여 둔감한 구조를 가지고 있어야 한다. 특히, 각각의 인출 설비 중에서 냉각 장치는 인출된 광섬유를 균일하게 냉각시키는 기능을 수행하여야 한다.
도면에 도시된 인출 타워의 수직 방향 높이는 대략 10m 이상이 되며, 하나의 광섬유 모재에서 인출된 광섬유는 대략 10m 정도의 수직방향 구간을 가지게 된다. 상기한 인출된 광섬유는 고온 및 고속으로 인출되기 때문에, 냉각 장치는 인출된광섬유를 약 40℃ 정도까지 냉각시키는 기능을 수행해야만 한다. 이러한 기능을 수행하는 종래의 일 실시 예에 따른 냉각 장치(cooling unit)의 구성이 도 2에 도시되었다. 도 2에 도시된 바와 같이, 고온(1500℃) 및 고속(1800mpm)으로 인출된 광섬유(F1)는 냉각 장치를 경유하여 피복하기에 적절한 광섬유(F2)로 냉각된다. 상기 냉각 장치는 냉각 몸체(10)(cooling)와, 상기 냉각 몸체(10) 상하단에 각각 아이리스(12,14)(IRIS)가 장착된 구조로 이루어 진다. 상기 각각의 아이리스(12,14)는 외부 공기의 유입 및 초기 인출 시의 광섬유(F1,F2))의 미세 이동을 방지한다.
상기 냉각 몸체(10)는 동 파이프를 이중으로 겹친 구조, 즉 제1동 파이프(110)내에 제2동 파이프(112)가 동축으로 이루어진다. 그리고, 상기 냉각 몸체(10) 상하단에 각각 헬륨 가스가 제2파이프 내부(101)로 공급(화살표①방향)되어 상기 인출된 광섬유가 통과하는 제2파이프 내부(101)는 헬륨 가스 분위기가 형성된다. 아울러, 상기 제1파이프(110)와 제2파이프(112) 사이에는 저온의 냉각수(102)가 순환(화살표②방향)되는 구조로 제공되어 제2동파이프 내의 헬륨 가스를 냉각시키고, 이러한 냉각수(102)는 고온의 인출된 광섬유(F1)와 열교환을 수행하게 된다. 상호간의 열교환으로서 고온의 인출된 광섬유(F1)는 적절한 온도까지 냉각된다. 하나의 준비된 광섬유 모재에서 보다 많은 광섬유를 인출하기 위해 종전보다 고속으로 광섬유를 인출해야 공정의 효율성이 증가된다.
그러나, 하나의 준비된 대구경 광섬유 모재로 부터 고속으로 광섬유를 인출하면, 상기 상부 아이리스(12)를 통하여 외부 공기가 제2동 파이프(112) 내로 침투하게 된다. 즉, 광섬유 고속 인출에 따라서 광섬유 외주면에 근접하는 부위에서 발생하는 유속에 의해서 외부 공기가 헬륨 분위기로 조성된 제2동 파이프(112)내로 침입하게 됨으로써, 헬륨 분위기로 조성된 제2동 파이프내의 헬륨 밀도가 저하된다. 특히, 상기 냉각 몸체(10) 중, 상부 아이리스(12)와 근접한 영역쪽에 헬륨 가스의 밀도가 저하된다. 이러한 헬륨 밀도의 저하는 냉각 효율을 저하시키는 가장 중요한 원인이 되며, 이를 보충하기 위하여 작업자는 더 많은 헬륨 가스를 냉각 장치에 공급해 주어야 하는 문제점이 발생한다. 결국은 제조 업자는 헬륨 밀도 저하로 인하여 발생하는 냉각 효율의 저하를 해결하기 위하여 더 많은 헬륨 가스를 공급해 줌으로써, 제조 원가의 상승의 한 원인이 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 광섬유 인출 공정에서 고속 인출이 가능한 냉각 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 광섬유 인출 공정의 생산성을 증가시킬 수 있는 고속 인출용 냉각 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은 광섬유 인출 공정에서 인출된 광섬유를 냉각하기 위하여 제공된 냉각 몸체를 포함하는 냉각 장치에 있어서,
(a) 고속으로 인출된 광섬유가 통과하면서 공급된 헬륨 가스와의 열교환이 이루어지는 냉각 몸체; 및
(b) 상기 냉각 몸체의 상하단에 각각 장착되고, 헬륨 가스의 방향성을 제공하기 위하여 링형 공급 부재들을 광섬유 진행방향을 따라서 그의 내부에 적층되게 제공되며, 상기 인출된 광섬유를 따라 유입된 외부 에어에 역방향의 유속을 제공하여 외부 에어의 영향을 최소화하는 실링 캡으로 구성된다.
도 1은 통상적인 광섬유 인출 공정을 진행하기 위한 인출 설비들을 개략적으로 나타내는 구성도.
도 2는 종래의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 냉각 몸체 일부를 절개하여 나타내는 정면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 실링 캡이 채용된 냉각 장치의 상부를 나타내는 단면도.
도 4는 도 3의 냉각 장치의 가동 전의 상태를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 실링 캡이 적용된 냉각 장치의 축 위치에 대한 인출된 광섬유 표면상의 공기의 질량 분율간의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 실링 캡이 적용된 냉각 장치의 헬륨 가스 공급 위치와 유량에 따른 광섬유 표면상의 에어의 함유량의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 실링 캡이 적용된 냉각 장치에서 헬륨 가스 유량에 따른 광섬유 표면의 온도(냉각효율)의 관계를 나타내는 그래프.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 실링 캡(20)이 냉각 몸체(10)의 상단에 제공된 냉각 장치의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각 장치는 길이방향으로 연장되어 인출된 광섬유(F1)가 통과하는 냉각 몸체(10)와, 상기 냉각 몸체(10)에 장착되어 인출된 광섬유를 외부 환경으로부터 격리시키는 실링 캡(20)으로 구성된다. 도 3에는 실링 캡(20)이 냉각 몸체의 상단에만 장착된 것이 도시되었으나, 하단에도 장착될 수 있음에 유의하여야 한다. 아울러, 하단에 장착된 실링 캡(미 도시됨)의 구성 및 동작에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 고속으로 인출된 고온의 광섬유(F1)는 실링 캡(20)과 냉각 몸체(10)를 지나면서 적절한 온도로 냉각된다. 이러한 냉각 기능을 수행하데 도움을 주는 본 발명에 따른 실링 캡(20)의 구성에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 실링 캡(20)은 기본 지지대(210)와, 상기 기본 지지대(210)를 감싸게구성되는 실링 몸체(212)와, 상기 실링 몸체(212)에 구비되어 가스를 공급하는 적어도 하나 이상의 가스 공급부(214)가 장착된다. 물론, 상기 실링 캡(20)은 광섬유 냉각 장치에 적용되어 인출 타워에서 탈착이 가능하도록 한 쌍으로 이루어 진다. 또한, 상기 실링 몸체(212)내로 공급되는 가스는 헬륨 가스이며, 상기 공급되는 헬륨 가스는 상기 가스 공급부(214)를 통하여 실링 몸체(212) 내로 공급된다. 상기 가스 공급부는 광섬유를 실링 몸체를 따라서 외주방향 등간격으로 적어도 하나 이상 제공되며, 본 발명에서는 3개가 제공되었으나, 도면에는 2개만이 도시되었다.
상기 헬륨 가스 공급부(214)를 통하여 유입된 헬륨 가스는 실링 몸체(212) 내에 제공된 링형 공급 부재(220,222,224)에 의해 인출된 광섬유(F1)가 존재하는 공간을 헬륨 가스 분위기로 제공함과 아울러 고속 인출에 따라 발생하는 외부 에어의 침입을 막기 위한 역방향 유속(화살표③방향)을 제공한다. 또한, 상기 링형 공급 부재들간은 상기 가스 공급부와 연통되져서 공급된 헬륨 가스는 링형 공급 부재들 사이를 통과하여 인출된 광섬유에 도달하게 된다.
이러한 헬륨 가스의 유선 및 유입된 공기의 재배출 유선이 도 7에 도시되었다. 참조부호⑤는 헬륨의 유선을 나타내고, 참조부호⑥은 유입된 공기의 재배출 유선을 나타낸다. 그리고, 상기 한 쌍의 실링 몸체(212)의 적소에 제공된 가스 공급부(214)에는 가스 공급 체결구(214a)가 제공되며, 상기 가스 공급 체결구(214a)에 의해 상기 가스 공급부(214)는 실링 몸체(212)에서 착탈가능하다.
이미 기술한 바와 같이, 상기 실링 캡(20)의 내부에는 가스 공급부(214)를 통해 들어온 헬륨 가스에 방향성을 제공하기 위한 링형 공급 부재(220,222,224)가설치된다고 기술한 바, 상기 링형 공급 부재는 인출된 광섬유(F1)를 따라서 적층되는 구조로 제공되며, 인출된 광섬유(F1)를 향하여 균일하게 제공하도록 링형으로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 링형 공급 부재는 실링 몸체(212)의 내벽을 따라서 제공되며, 특히 고속 광섬유 인출 시 광섬유 원주면을 따라서 에어가 실링 캡(20) 내부로 유입되는 것을 차단하기 위하여 소정의 각도로 헬륨 가스의 방향성을 제공한다.
인출된 광섬유의 고속 인출 공정 시, 고속 인출 시에 발생하는 유체는 실링 캡(20)의 개구를 통과하면서 내부로 유입되는 유속이 발생됨과 아울러 상기 유속에 저항하는 유체 저항이 발생된다. 이러한 유체 저항은 하부에서 유입된 헬륨 가스에 의하여 반대 방향으로 힘을 제공하게 된다. 이러한 현상은 냉각 몸체(10) 내의 헬륨 가스 밀도를 100% 가깝도록 유지하기 위함이다. 아울러, 상기 냉각 몸체(10) 내의 헬륨 가스 밀도가 유지되면, 고온의 인출된 광섬유와 헬륨 가스간의 열전달이 활발하게 진행되어 냉각 효율이 극대화된다.
부가적으로, 광섬유 인출 설비에서 냉각 장치의 착탈이 용이하도록 슬라이더 가이드(216)와 슬라이딩 핸들(218)이 제공된다. 또한, 작업의 편의성을 위하여 상기 실링 캡(20)은 두 개의 대칭되는 실링 몸체(212)로 구성되었으며, 그의 내면은 테프론으로 처리되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 실링 캡 비 가동 시, 광섬유의 원할한 준비작업을 위하여 한 쌍의 실링 캡(20)을 분리한다. 이러한 작업은 작업자가 체결상태를 해제한 다음, 상기 슬라이딩 핸들을 서로 멀어지는 방향으로 당겨서 분리한다.그 이유는 저속(300mpm)으로 광섬유 모재로부터 광섬유가 인출되기 때문에 실링 캡을 사용할 필요가 없다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 실링 캡(20) 가동 시, 즉 광섬유 모재로부터 인출된 선속이 300mpm이상 일 때, 좌우측의 슬라이딩 핸들(218)을 이용하여 서로 가까워지려는 방향으로 당겨서 밀착시킨다. 상기 실링 캡(20)의 정렬 상태를 확인할 후, 헬륨 가스를 헬륨 가스 공급부(214)를 통하여 공급함으로서, 고속 광섬유 인출의 냉각 기능을 수행하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 실링 캡이 적용된 냉각 장치의 헬륨 가스 공급 위치와 유량에 따른 광섬유 표면상에서 공기의 함유량과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 참조번호①은 실링 캡의 미사용 시, 광섬유 표면상의 공기 함유량을 나타내고, 참조번호②는 실링 캡 사용 시, 광섬유 표면상의 공기의 함유량을 나타낸다. 참조번호①은 가스 주입위치가 상단 및 하단에 각각 동등하게 주입된 것을 나타내는 것으로서, 상단에서 10(lpm:liter per minute)이 주입되고, 하단에서 10(lpm)이 주입된 것이다. 즉, 냉각 장치에 3개의 가스 주입구가 상하단에 각각 제공되었다고 가정하면, 약 60(lpm)의 헬륨 가스가 주입된 것이다.
한편, 참조번호②에 나타난 바와 같이, 실링 캡이 상단에 한군데에서 5(lpm)이 주입된다면, 즉, 냉각 장치에 3개의 가스 주입구가 제공되었다고 가정하면, 약 15(lpm)이 주입된 것이며, 이러한 광섬유 표면상의 공기의 함유량이 기존에 비해서 극히 적음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 실링 캡이 적용된 냉각 장치에서 헬륨 가스의 유량에따른 광섬유 표면의 온도(냉각 효율)와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 종래와 본 발명의 냉각 효과(종래의 냉각 장치를 채용한 냉각 효과는 참조번호⑤이고, 본 발명의 냉각 장치를 채용한 냉각 효과는 참조번호⑥이다)를 보면, 거의 유사하게 나타남을 알 수 있다. 즉, 기존의 냉각 장치에서는 60(lpm)이 필요하다면, 본 발명에서는 15(lpm)의 헬륨 가스만으로 동일한 냉각 효과를 달성할 수 있게 되었다. 즉 본 발명에 따른 냉각 장치는 동일한 냉각 효과를 얻으면서, 약 75%의 헬륨 가스를 절약할 수 있게 되었다.
이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 광섬유 인출 공정에서, 고속으로 광섬유가 인출된 경우에 실링 캡을 작동시킴으로서, 경제적으로 헬륨 가스의 밀도를 일정하게 유지할 수 있게 되었다. 따라서, 본 발명은 냉각 장치의 헬륨 가스의 공급량을 약 50% 이상 절감할 수 있게 되었다.

Claims (3)

  1. 광섬유 인출 공정에서 인출된 광섬유를 냉각하기 위하여 제공된 냉각 몸체를 포함하는 냉각 장치에 있어서,
    (a) 고속으로 인출된 광섬유가 통과하면서 공급된 헬륨 가스와의 열교환이 이루어지는 냉각 몸체; 및
    (b) 상기 냉각 몸체의 상하단에 각각 장착되고, 헬륨 가스의 방향성을 제공하기 위하여 링형 공급 부재들을 광섬유 진행방향을 따라서 그의 내부에 적층되게 제공되며, 상기 인출된 광섬유를 따라 유입된 외부 에어에 역방향의 유속을 제공하여 외부 에어의 영향을 최소화하는 실링 캡으로 구성되어짐을 특징으로 하는 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 링형 공급 부재들은 3개가 제공되어짐을 특징으로 하는 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 링형 공급 부재들간은 헬륨 가스 공급부와 연통된 구조임을 특징으로 하는 냉각 장치.
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