JP4563391B2 - 管又は棒を製造する装置及び方法 - Google Patents

Description

［説明］
本発明は、請求項１及び２５のプリアンブルに記載の、硬化性液体、特に溶融物をノズルから引き抜くことによって、ストランド全般、特に管又は棒を製造する装置及び方法に関する。

硬化性液体のストランドは、特に棒又は管を製造するために作られる。例えば、硬化性液体からの管の製造中、特にガラス管の製造中、特定の用途に応じて高い製品品質が重要となる。重要な品質要件としては、肉厚の維持及び管の外径の維持が挙げられる。さらに、別の重要な品質パラメータは、管の軸方向及び半径方向の材料特性の一貫性である。さらに、表面品質が重要因子である。目立った痕跡のないファイヤーポリッシュの表面を得ることが望ましい。

ガラスは、非晶質であり熱力学的に準安定な状態の過冷却液体である。特定の条件下では、事実上いかなるガラスもそれに対応する熱力学的に安定した結晶形に転移する。結晶形への転移は、ガラスの場合では失透とも呼ばれる。

しかしながら、ガラスが結晶化する傾向はガラスごとにかなり異なり、ガラスの化学組成によって変化する。結晶化の傾向は、組成の変化によって影響を受け得る。同時にこれは、ガラスの使用目的によって決まることが多いガラスの他の特性にも影響を与える。したがって、所定の物理的特性プロファイルを有するガラスの結晶化に関してさらに高い安定性を得ることが不可能であることが多い。

失透の生じ易さは、種々の方法を用いて決定することができる。ガラス試験片は、関連する成形材料と接触させられ、異なる温度で異なる長さの時間エージングされることが慣例的である。次に、結晶が形成された時刻／温度条件を確定するために試験が行われ、これら結晶のサイズが測定される。

結晶化に関して、試験片において結晶が形成される場所については通常区別がなされる。ガラス試験片内部のバルク結晶化は、概して、試験片表面の結晶化と比較してかなり遅い。最初の結晶化は、概して、試験片の縁と支持材料との接点で起こる。ガラス、支持体、及び大気の三相が同時に存在する結果、その場所で結晶化が促される。

失透温度上限又は液相線温度と呼ばれる特定の温度を超えると、長時間のエージング後でも結晶は形成されない。したがって、この温度は、特定のプロセスを用いて結晶化が見込まれるか否かの判定に関連するガラス加工中の温度に対応する。

複数の成分を含むガラスの場合、関連する結晶相及び形成場所に応じて、試験片には異なる失透限界があることが多い。そこで、評価のためにその特定のプロセスに関連する失透限界を考慮に入れる必要がある。引き抜き法によって製造されるガラスの場合、これは概して三相境界における結晶化である。

ガラス棒の製造で知られている方法は、底部が開閉する鋳型に液状ガラスを流し込む鋳造法と、成形中のガラスが固体の金型と接触せずに冷却する引き抜き法とに分けることができる。これらの方法は、不連続に又は連続して行うことができる。

鋳造法の１つの一般的な特徴は、ガラスが高温且つ低粘度で加工されることである。その結果、結晶化し易いために成形中に比較的低温での特に長い保持時間が許されないガラスでさえも成形することが可能である。このタイプの方法は、例えばＤＤ１５４ ３５９に記載されている。

閉じた金型にガラスを充填する不連続な方法は、製造量が少ない場合に概して用いられる。この場合、ガラスが固化して離型可能となるまで、金型をガラスとともに冷却する。この方法は、底部が開き且つ全体的に冷却される永久型として金型が設計されることによって、連続的に用いることができる。ガラスは、液体形態で永久型に導入され、永久型内で固化し、分割されて棒になっている一続きのストランドとして底部から引き出される。

これらの方法の利点は、ガラス棒の形状が固化中に鋳型によって形成されるため、ガラスを非常に低い粘度で鋳造できることである。したがって、ガラスが成形中に本質的に安定している必要はない。この低い成形粘度により、比較的高粘度での冷却が遅い場合に結晶化し易いガラスでさえも加工することができる。

これらの方法の１つの欠点は、概して、製造スループットが非常に限られていることである。ガラスは比較的高温で金型に導入され、固化後に低温でしか取り出すことができないため、大量の熱をガラスから抜熱しなければならず、これは金型を集中冷却しても比較的遅いプロセスでしか可能ではない。さらに、冷却が速すぎると、棒がまだ金型内にある間に又は高い熱応力のせいで金型から出た後で、棒が折れてしまうため、冷却が速すぎてはならない。

冷却中にガラスが金型と直接接触することから、さらなる欠点が生じる。成形粘度が低いため、金型内の非常に小さな構造でさえも棒の表面に再現され、その結果、金型の表面構造が棒に転写される。さらに、強力な冷却の結果として、特徴的な波状構造が表面上に形成される。

このように、ファイヤーフィニッシュの表面の要件を満たすことができない。したがって、例えば光学部品用の半製品として製造時の状態で棒を直接用いることは不可能である。研削及び研磨による棒の再加工には、再加工のための多大な労力及びコスト、並びに材料の損失が伴う。

金型ベースの方法の他に、金型を用いずに、すなわち金型と接触させずに棒をストランドの形態でノズルから自由に引き出す、さらなる方法もある。

これらの方法は、ガラスを結晶化せずに約１０^６ｄＰａ・ｓの粘度に対応する温度まで冷却できることを前提とする。製造時間が長くても、ガラスはこの温度範囲では結晶を形成する傾向があってはならない。

結晶化に特に不可欠な範囲は、液状ガラス、ノズル材料、及び周囲大気が互いに隣接するノズルの下側の三相境界である。結晶形成のエンタルピーがこの領域で減少するため、結晶形成はその領域で優先的に生じる。

鋳造時に用いられる粘度と比較して引き抜き時に用いられるガラス粘度が高いことは、ガラスが自らの重量で速く流れ落ちすぎることを「ドローバルブ」内の流れの広がりに対する抵抗が高いことによって防止すること、を確実にするために必要である。ドローバルブは、流れ方向に見た場合の、固体材料すなわちノズル又は変位体との最終接点に直接隣接するストランドの領域であり、この領域でのストランド断面は引き抜き方向に狭まり得る。

ガラスが自らの重量の影響下で引き抜き速度よりも速く流れ落ちる傾向がある場合、引き抜きプロセスは不安定になる。その場合、十分に直線状の棒を引き抜くことが不可能であるか、又はドローバルブの破断さえ生じることもある。

これらの自由引き抜き法の利点は、例えば光ファイバーの光学部品用の半製品として再加工せずに用いることができる、ファイヤーフィニッシュの表面を有する棒を製造するために、これらの方法を用いることができることである。

さらに、これらの方法は、多くの場合に金型ベースの方法の２倍を超える製造スループットを可能にし、そのためその製造コストに多大な利益をもたらす。このタイプのノズル引き抜き法は、長年にわたって既知であり、例えば、「Technik der Glasherstellung」と題するギュンター ネレ(Gunther Nolle)による著作（ＩＳＢＮ３−３４２−００５３９−４、１３５ページ以下）に記載されている。

単純な出口ノズルを用いた方法の他に、変位体が出口ノズル内に配置される方法がある。これは、管及び棒を製造するために用いることができるベロ（Vello）法に相当する。

通常はノズルの下縁と面一に嵌められる中央変位体は、ノズル内の流れ抵抗を増大させることにより、引き抜き速度をさらに高めることができ、これは引き抜きプロセスの安定性に良い影響を与える。その結果、ノズル及び変位体の下縁における温度をわずかに高くすることができる。

しかしながら、自由引き抜き法の適用性は、要求される温度―粘度範囲で長時間にわたっても失透及び結晶形成が生じにくいガラスに制限される。その結果、これらの成形法に適したガラスの選択肢は非常に限られる。原則的にこれらの方法を用いて製造することができるガラスの範囲では、結晶はしばらくしてから形成されるため、比較的高温で成形システムから再び結晶を除去するために製造を中断しなければならない。これは、正規の製造の中断時間及び損失につながる。

表面品質の高い板ガラスを製造する方法が、他のガラス成形分野に関して、例えばＤＥ１００ ６４ ９７７に記載されている。ＤＥ１００ ６４ ９７７に記載の方法の目的は、理想的な表面輪郭からのずれを焼鈍して除去することを可能にすることである。

板ガラスの高い平面性を達成するために、板ガラスの製造中に、ガラスをできる限り長く低粘度に保つことで、表面張力の結果として生じる理想的な表面輪郭からのずれを焼鈍して除去することが可能になる。これは、ガラスがそこで用いられる変位体の表面を流れ落ちるときに行われる。したがって、ガラスは、その低い粘度を維持するために、変位体上ではできる限り冷却してはならない。

変位体の端部の下では極めて急速な冷却が行われるため、ガラスリボンを安定した形態で引き抜くことができる。しかしながら、この急速な冷却は、ＤＥ１００ ６４ ９７７に記載されている３ｍｍ未満の薄いガラスリボン厚の場合にのみ可能である。しかしながら、この場合、ドローバルブの領域には非常に小さなガラス塊しか存在しない。

棒の場合は直径が１５ｍｍを超え、通常は直径が２５ｍｍを超えることさえあり、管の場合は肉厚が５ｍｍを超える、ガラス棒又は管の場合、ガラスのこの急速な冷却はドローバルブの直下では不可能である。

最近新たに開発されたガラスに対する需要の増加に伴い、結晶化感受性が増大している。それと同時に、高い製造スループットを維持するとともに優れた表面状態の棒又は管を得るために、このタイプのガラスを「自由に」引き抜くことができることも望まれている。

ダウンドロー法及びベロ法として知られているものが、ガラス管の製造で知られている。ベロ法は、溶融物を環状ノズルから引き抜き、次に水平方向に向ける、ガラス管の特殊な鉛直引き抜き法である。これにより、プロセスの進行に伴い硬化する液状ガラスの管が製造される。

ガラス溶融物は通常、供給装置を介してノズルに供給される。この供給装置の底面には、鉛直円錐を介してガラス溶融物が流出することができる環状ノズルを備える、円筒状の開口がある。鉛直円錐は特に、鉛直方向に調整可能であり、漏斗形状で下向きの方向に広がることができる。

円錐は中空であり、吹込空気として知られているものの供給源に延長管によって接続される。所望の外径／肉厚比は、環状ノズルで形成される液状ガラスの管の内部に導入される吹込空気によって定まる。次に、管は温度制御されたシャフト内に向けて下方に引き抜かれる。その後、管を、移動自在に吊り下がった状態で又はガイドを用いて、水平方向に向けて引き抜き機によって前方に引き抜くことができる。

ダウンドロー法は、管が水平方向に向けられるのではなく鉛直方向下方に直接引き抜かれるという点で、ベロ法とは異なる。

上記の方法では、管を製造するための成形用具は、円筒状又は円錐状のニードルがほぼ同心状に嵌められる円形ノズルを実質的に備える。ガラス溶融物は、ニードルとノズルの縁との間の環状隙間から鉛直方向下方に流れ出るため、中空のガラスストランドがニードルの下で形成される。このガラスストランドは、制御された方法で冷却され、最終的に、ノズルから一定の距離にある引き抜き機によって管として連続的に引き抜かれる。

このようにして製造される管の外径及び肉厚は、ガラススループット、引き抜き速度、及びノズル内のニードルの位置を適切に調整することによって調整可能である。達成され得る外径及び肉厚の範囲は、管の内部と管の周囲の領域との間に差圧を発生させることによって、かなり広げることができる。

しかしながら、上記の方法は、低粘度の粘性ガラスストランドが、引き抜き機によって引き抜かれるよりも速く自らの重量で流れ落ちる傾向があるため、ガラスストランドの幾何学的形状に許容し難い変動が生じるという欠点を有する。

これは、既知の方法が、要求される高い製品品質を、特定のガラス粘度未満では確実に維持できないという欠点を有することを意味する。これにより、できる限り正確な管の幾何学的形状を安定して製造することが妨げられる。

１つの可能な対策は、引き抜き速度を高めることである。しかしながら、質量保存があるため、この措置は、管の幾何学的形状を一定に保つためにガラススループットも同様に増加させなければならないことによって制限される。しかしながら、ガラス加工の前ステップ（溶解、精製、均質化）及び次ステップ（冷却及び切断）により、ガラススループットは制限される。

引き抜き速度を高めることの他に、ガラスストランドが自らの重量で流れ落ちる速度と引き抜き速度との差は、より低温、すなわちより高いガラス粘度での引き抜きによって減らすことができる。しかしながら、温度が大幅に低下すると、ガラス溶融物に結晶が形成され得る。結晶の形成は、特に製品品質に関してガラス管の均質性に極めて有害である。特に、ガラスと、空気と、ノズル又はニードルの材料との間の三相境界は、その結果特に危険に曝される。

さらに、上述のように引き抜くことによってガラス管を製造する場合、ノズルからの引き抜き中にガラス溶融物の自由表面上に小さな波が形成される。温度を下げることによってガラス粘度を高めた場合、ガラスの自由表面上のこれらの小さな波の焼鈍は大幅に遅くなる。これは、より低温、すなわちより高いガラス粘度での引き抜きが、結晶の形成に加えて、ガラス管の表面品質及び肉厚の安定度の著しい低下ももたらし易いことを意味する。

したがって、標準的な棒又は管の自由引き抜きの温度／粘度範囲で結晶が形成され易い硬化性液体、特にガラスを、結晶化によって製造の中断が生じることなく、ファイヤーフィニッシュの表面を有する棒又は管として、長時間にわたって連続的に製造することを可能にする方法を提供することが、本発明の目的である。

したがって、上述の状況により、本発明の目的は、硬化性粘稠液体から正確な幾何学的形状及び高い表面品質を有するストランドを安定して製造することを可能にする装置及び方法を提供することである。

「ストランド」という用語は、基本的に任意の所望の断面で、この断面の寸法と比較して断面に垂直な方向の寸法を大きくして製造することができ、且つ硬化性液体から成り得る物体を意味するものと理解されたい。材料はすでに固体であってもよく、又は代替的に、一部硬化されているか若しくは液体のままであってもよい。

特に、ストランドを用いて、少なくとも１つの棒を製造することができる。ストランドは中空であってもよく、その結果、ストランドから少なくとも１つの管を製造することもできる。複数の管又は棒をストランドの切片として製造することができる。

「管」又は「棒」という用語は、その長手方向軸に垂直な平面の断面が円形、卵形、楕円形、又は多角形である物体を意味するものと理解されたい。

本発明のさらなる目的は、所定のスループットが独立したパラメータとして利用可能であり続けるように、このスループットに実質的に影響を与えることなく製品及び動作パラメータを自由に選択できるようにすることである。

このために、特に、粘性液体、特にガラス溶融物における結晶の形成を実質的になくすべきである。本発明のさらなる目的は、ストランドの形成中にガラス溶融物の自由表面上にできる凹凸、特に小さな波の焼鈍による除去を促すことである。

これらの目的は、驚くほど非常に簡単な方法で、請求項１の特徴を有する装置によって達成される。さらに、請求項３１は、上述の目的を達成する方法を記載している。有利な改良点は、それぞれに関連する従属請求項に見られる。

したがって、本発明による解決手段は、硬化性液体、特に溶融物をノズルから引き抜き方向に引き抜くことによって管を製造する装置であって、ノズルから引き抜き方向に突出するようにノズル内に配置することができる少なくとも１つの変位体を有する装置を初めて提供する。変位体は、一方ではノズル内の流れ抵抗を増大させ、他方ではノズルから出るときの材料の流れの方向及び制御された冷却を安定化する役割を果たす。

本発明者らの発見によれば、できる限り正確な管の幾何学的形状の安定した製造は、驚くべきことに、自由ガラスストランドが変位体の端部から引き抜き機まで引張応力を受けるだけで確実なものとすることができる。この引張応力は、ストランドの全長にわたって安定したままでなければならない。

ストランド内の引張応力は、ストランドに対して働く引き抜きにより生じる引張力と重量の力との差から主に生じる。引張力は、粘性抵抗によって、ドローバルブ内の伸長流に伝達される。十分な粘性抵抗を得るために必要とされるドローバルブ内の低いガラス温度は、本発明による解決手段では、変位体に向かって流れる間の、又は変位体の周りを流れる間の冷却を制御することによって定めることができる。

変位体を備える装置は、硬化性液体と、ノズルの材料と、周囲のガスとの間で三相境界が形成される場所のほぼ全てにおいて温度が失透上限を超えるように設計される、引き抜き用具を提供する。「変位体」という用語は、装置のうち、硬化性液体が表面上を流れ、結晶化に不可欠な温度範囲での三相境界の形成が完全にない部分を意味するものと理解されたい。

変位体上の膜流は、粘着状態であることにより非常に遅いため、ガラスは比較的短距離にわたってのみ大幅に冷却することができる。

硬化性液体の結晶化に関して重要な場所は通常、ノズルの下縁であるが、それは、ノズルの下縁が比較的低温であることが多いためである。しかしながら、結晶化に関して重要なガラスは、それらの失透上限温度では、粘度が低すぎて自由に引き抜くことができない。形成されるドローバルブは、もはやガラス内の粘性力によって保持されず、その結果不安定になり、最終的には自らの重量で破断するであろう。

ノズルから引き抜き方向に突出する変位体を設ける結果として、三相境界線の領域とストランドが装置から離脱する領域とを分離することが可能となる。これは、引き抜き方向への引き抜き中に硬化性液体と周囲のガスとが最初に接触する三相境界線の領域において、温度を高く粘度を低く保つことができることを意味する。ストランドが装置から、すなわち変位体の下方境界から離脱する領域では、温度が低くなるように、したがって粘度が高くなるように選択することができる。

したがって、本発明は、ドローバルブの領域の粘度を十分に高くしてガラスを加工することを可能にするだけでなく同時に、三相界面の温度を失透温度上限よりも高くすることができることが有利である。

本発明では、三相境界線の領域とストランドが装置から離脱する領域とを分離するのに可能な最大範囲を利用可能にすると同時に、この配置構成の十分な安定性を確保するために、変位体はその断面の最短寸法の少なくとも半分がノズルから軸方向に突出するようになっている。概して、変位体は、任意の所望の幾何学的形状を有することができる。円形断面の場合、本発明によれば、変位体は、例えば少なくともその直径の半分に相当する長さがノズルから突出する。

ストランドをできる限り均質に変位体から離脱させることができるように、ノズルの外側に配置される変位体（１６、２５）の境界は、事実上尖った尖端又は鋭い縁で終端することができる。

さらに、本発明では、ストランドが所定の破断縁においてノズルから離脱するようにストランドと接触する境界が設計される外殻を、ノズルが備えるようになっている。本発明者らが発見したように、これにより、三相界面での結晶化がさらに減ることが有利である。

本発明の一実施形態では、ストランドと接触するノズルの外殻の境界は、硬化性液体によってあまり濡れないか又は好ましくは全く濡れない材料を含み得る。その結果、核生成速度の高い範囲で、すなわち特に三相界面の領域でこの材料が硬化性液体によってあまり濡れない場合、保持時間が短くなるため、結晶が形成される可能性は低い。

有利な改良点では、本発明によれば、ストランドと接触するノズルの外殻の境界は微細構造化されていてもよい。この微細構造は、例えば、ノズル材料のうち特にストランドがノズルから離脱する領域を硬化性液体がほとんど濡らさないように、ロータス効果によって湿潤に影響を与えることができる。

変位体をノズル内に位置決めすることができるように、変位体をノズルに接続するための接続要素を設けることが可能である。特に、接続要素による流れ抵抗への影響を最小限に抑えるために、本発明によれば、変位体は上方からノズルに接続される。しかしながら、変位体の水平位置及び鉛直位置を動作中に調整できるように、変位体は、例えば上向きに延びるホルダによってノズル内に可変に位置決めされることが好ましい。これにより、製造及び材料のばらつきに対応することが可能になる。

本発明によれば、変位体は、ノズルの外殻内に配置されることができる。本発明のこの実施形態により、棒の製造が可能になる。

本発明によれば、変位体は、周囲の硬化性液体に対して開放されるとともにノズルの外殻とニードルとの間でノズル内に配置することができる、内側の中空体であってもよい。本発明のこの実施形態により、管の製造が可能になる。

硬化性液体がノズルから出た後に貼り付くことにより摩擦力を受ける中空体の２つの接触面、すなわち内面及び外面は、外殻とニードルとの間でノズル内に開口中空体を位置決めすることによって簡単に利用可能となる。

ノズルから出ると、製造すべき管の内面及び外面の両方が自由になる、すなわち固体壁と直接接触しない。その結果、管の内壁及び外壁の表面の凹凸を同じように良好に焼鈍して除去することができる。

本発明では、円形断面を有する管及び棒の製造を可能にするために、ノズルが円筒状の外殻を有するようにもなっている。

本発明によれば、変位体（１６、２５）及び／又はニードルは同様に円筒状の設計であることが有利であり得る。一実施形態によれば、変位体は、ノズル及び／又はニードルと同心状に配置される。

本発明は、管の内面及び／又は管若しくはストランドの外面の品質に課される要求にいずれの場合にも最適且つ幾何学的に見合う変位体の提供を可能にすることが有利である。

変位体において摩擦が生じるため、液体がノズルから出るときの速度は、液体が変位体と接触したままである限り、従来の方法での自由なストランドよりも著しく遅い。

変位体において硬化性液体が滞留している間、液体はノズル出口と変位体の端部との間で冷却され得る。特に、ノズルでの液体の温度は、例えば三相境界線において結晶化が生じないほど十分に高いレベルに保つことができる。しかしながら、同時に、自由なストランドが最初から最後まで引張応力下にあるほど十分に高い粘度は、デバイスの下端で定められる。

したがって、本発明は、結晶化のない安定した引き抜きプロセスを可能にできることが有利である。さらに、本発明により、変位体において流れが遅い間に、特に表面張力作用によるガラスの自由表面の凹凸を焼鈍して除去できるという利点が得られる。

したがって、本発明により、改善された表面品質を有する管及び棒の製造を可能にするという大きな利点が得られる。

本発明による変位体により、硬化性液体のスループットを温度に関係なく制御するためのさらなるパラメータが得られる。ストランドの温度、したがって粘度は、幾何学的設計及び設定が適切であれば、変位体を用いない引き抜き法では安定したプロセス管理を行なうことができない一方で、同時に、変位体を用いない方法で同じスループットを設定することができるような値に調整することができる。

したがって、有利な改良点では、変位体の寸法及びノズルの寸法は、ノズルと変位体との間の隙間の流れ抵抗が硬化性液体の所与の粘度で所定のスループットを可能にするように、長手方向軸に垂直な平面で互いに一致するようになっている。

本発明ではさらに、変位体の寸法がその長手方向軸に垂直な平面で一定ではないように、変位体を設計することができるようになっている。ノズルの隙間は、スループットを製造要件に合わせるために、変位体を調整することによって変えることができることが好ましい。

本発明によれば、上記パラメータは、硬化性液体のスループットを調整及び／又は制御及び／又は調節するデバイスによる影響も受け得る。硬化性液体のスループットは、ストランドのスループット、したがって製造速度に対応する。硬化性液体のスループットを調整及び／又は制御及び／又は調節することによって、設備全体の上流部品又は下流部品に適合することは容易である。

さらに、本発明による装置は、外殻及び／又は変位体の温度を制御するデバイスを提供する。これにより、ストランドの温度、及び特に変位体のうちノズルから突出する部分の温度、並びにドローバルブの温度を制御することも可能になることが有利である。

設けられる温度制御デバイスは、特に、ノズルの下に配置することができるマッフルであり得る。上記の部品の温度制御は、この領域で液体の粘度に有利に影響を与えることができる。

周囲にあるマッフルによってだけでなく、変位体の温度、特に変位体のうちノズルの下に突出する部分の温度は、例えばマッフルによる温度制御に加えて他の方法で制御することができる。例として、直接電気加熱又は非接触誘導加熱をこのために行ってもよい。その結果、特に変位体の下側部分の温度を目標通りに設定することができる。特に、変位体を覆う硬化性液体の温度に主に影響を与えるマッフルの温度に関係なく、変位体の温度の制御が可能である。

本発明によれば、温度制御デバイスは、位置を可変調整できる少なくとも１つの温度制御要素を備える。したがって、本発明は、硬化性液体及び／又はストランドの温度を目標通り且つ局所的に変えることを可能にすることが有利である。

特に、温度制御デバイスは、互いに独立した少なくとも２つの温度制御要素を備えていてもよい。したがって、本発明は、特に所定の冷却及び／又は加熱の動力学を設定するために所望の温度プロファイルが可能となるように、円周方向及び引き抜き方向に装置のセグメント構造を実現することを可能にする。

所望の温度プロファイルを変化する材料及び動作パラメータに適合させることを可能にするために、本発明は、外殻及び／又は変位体の温度を調整及び／又は制御及び／又は調節するデバイスを提供することが有利である。温度プロファイルは特に、ストランドの、特にドローバルブの領域での温度に応じて影響を受け得る。

ストランドのさらなる冷却を有利に行うために、本装置は、有利な改良点において、液体を特にスプレーによってストランドに、特にドローバルブに塗布するデバイスを含む。硬化性液体から回収される塗布された液体の蒸発エンタルピーは、硬化性液体から熱を抽出することにより、ストランドのより集中的な冷却を可能にする。

本発明による装置、特に変位体を、高温によって引き起こされる損傷から保護するために、本発明では、装置、特に変位体が耐熱材料から成っていることが有利である。耐熱性は、少なくとも１つの高融点金属及び／又は貴金属、特に白金、及び／又は少なくとも１つの耐火金属及び／又は少なくとも１つのそれらの合金及び／又はセラミックから成る変位体によって、簡単に実現することができる。

管を製造するために、本発明による装置は、ストランドの内部と外部との間に差圧を発生させるデバイスも備える。したがって、本発明は、ストランドの内部と外部との間の差圧を用いて、管の内径、肉厚、及び外径に影響を与えるのに用いることができるさらなるプロセスパラメータを利用可能にするという選択肢を与えることが有利である。

さらに、本発明は、ストランドの内部の圧力及び／又は外部の圧力を調整及び／又は制御及び／又は調節するデバイスを利用可能にするようになっている。このようにして、差圧を種々の要件に可変に適合させることができることが有利であり、特に動作中に変えることもできる。

本発明による解決手段は、硬化性液体、特に溶融物を準備するステップと、ノズルから引き抜き方向に引き抜くことによってストランドを製造するステップとを含む、管を製造する方法であって、特に、変位体を用いない場合よりもノズルにおける流れ抵抗を増大させるとともにノズルから引き抜き方向に突出するように、少なくとも１つの変位体をノズル内に配置することによって、ノズル内で高温を達成することが可能であり、この温度は特に臨界結晶化温度よりも高く、それと同時に、変位体の端部における液体の粘度は、安定したプロセスに必要な引張力を吸収することができるほど十分に高い、管を製造する方法を初めて提供する。

変位体のうちノズルから突出する部分の領域においてストランドが滞留している間、液体の温度を意図的に低下させることができる。既知のプロセスパラメータ及び材料パラメータを用いて、この滞留時間を変位体の幾何学的形状の変更によって変えることができる。これにより、上述のように、三相境界線の領域で温度を高く粘度を低く保つ一方で、ストランドが装置から離脱する領域において温度を低く、したがって粘度を高く選択できるようにするためのその後の冷却に十分な時間を与えるという選択肢が与えられる。

本発明による方法では、変位体の寸法及びノズルの寸法が、ノズルと変位体との間の隙間の流れ抵抗が硬化性液体の所与の粘度で所定のスループットを可能にするように、長手方向軸に垂直な平面で互いに一致するようになっていることも有利である。

変位体の直径及びノズルの直径は、特に、ノズル及び変位体から形成される環状隙間の流れ抵抗が、失透限界よりも高い温度及びその結果定まる粘度で本方法の製造スループットに正確に対応する流れスループットを可能にするように、互いに適合させることができる。環状隙間は、スループットを製造要件に適合させるために、変位体を調整することによって変えることができることが好ましい。

本方法のために、本発明は、変位体の位置が引き抜き方向に垂直な方向と引き抜き方向とに調整されるようにもする。その結果、本発明は、補正を実行し、特に変位体のうちノズルから突出する部分における液体の滞留時間に影響を与えることを、用いられる設備の幾何学的形状をそれ以上変えることなく簡単に可能にする。その結果、この領域の周囲温度とともに、ノズルの下端における環状隙間の領域とストランドが変位体の下端から離脱する領域との間にできる温度差に影響を与えることが可能である。

本方法の有利な改良点では、変位体のうちノズルから突出する部分の長さは、変位体の位置決めによって、ノズルから突出する変位体の端部における硬化性液体がストランド全体を引張応力下で、したがって安定に維持するほど十分に高い粘度を有するように設定される。

さらに、本方法の状況では、外殻及び／又は変位体の温度を調整及び／又は制御及び／又は調節することが可能である。したがって、本発明は、硬化性液体の温度、したがって例えば硬化性液体の粘度に影響を与えることを可能にする。特に、マッフルを用いて、外殻及び／又は変位体の温度を制御することができる。このマッフルは、温度を個別に調整できる少なくとも２つのセグメントを円周方向又は引き抜き方向に含むことが好ましい。

硬化性液体の温度を本方法の過程で時間的且つ局所的に変えることができれば特に有利である。この場合、硬化性液体及び／又はストランドの温度プロファイルは、冷却及び／又は加熱の動力学の目的で事前決定することができる。

本発明では、変位体の下端における硬化性液体がストランド全体を引張応力下で、したがって安定に維持するほど十分に高い粘度、特に断面の平均粘度を有するように、ストランドの周囲の温度が調整されるようにもなっていることが有利である。

例として、本発明による装置は、Ｖｏｇｅｌ−Ｆｕｌｃｈｅｒ−Ｔａｍａｎｎの式に従って温度依存性粘度に基づいて設計することができる。

変位体の下端の温度は、失透限界未満であってもよい。この場合、三相境界が存在する場合に結晶化する可能性が高いであろう。しかしながら、本発明は、三相境界の位置が下端ではなく、変位体のうちノズル出口に近く、それに対応して高温である領域にあることを意味するため、特にストランドの表面で結晶が依然として形成されないことが有利である。

温度プロファイルは、この場合、ストランドの供給及び硬化が得られる製品品質のために最適化されるように構成されることができることが有利である。これに関して、本発明による方法の状況では、少なくとも１つの温度制御要素の位置が調整及び／又は制御及び／又は調節されれば特に有利である。

さらに、本発明では、液体を特にスプレーによってストランドに、特にドローバルブの領域に塗布するようになっていることが有利である。これにより、ストランドのさらなる冷却を実現するという選択肢ができる。

変更されない設備で一定のスループットでの管の製造中に、作製される管の内径及び／又は肉厚及び／又は外径に影響を与えることができるように、本発明による方法は、ストランドの内部と外部との間に差圧を発生させる簡単な方法を提供する。

さらに、方法を例えば材料特性の変化に適合させることができるように、本発明では、管の内部及び／又は外部の圧力が調整及び／又は制御及び／又は調節されるようになっている。

さらに、本発明による方法によれば、硬化性液体のスループットを調整及び／又は制御及び／又は調節できることが有利である。したがって、用いられる特定の手順の範囲内で本発明による方法をどのように実行するかに応じて、スループットのさらなる独立したプロセスパラメータによって製造速度に影響を与えることが可能である。

用いられる硬化性液体は、特にガラス溶融物であり得る。本発明による方法によって非晶質の棒又は管として得られるが、次に目標とするバルク結晶化によって、例えば温度処理によってガラスセラミックに変換されるガラス溶融物を加工することも可能である。

本発明による装置及び／又は方法は、通常は製造中に結晶化するが、本発明を用いれば特に表面に結晶化が実質的になく自由表面に凹凸が実質的になくなる材料、例えばガラスから、棒又は管を製造することを初めて可能にする。

特に、管の内側の表面及び/又は管若しくは棒の外側の表面は、ファイヤーポリッシュの品質を有する。

さらに、本発明は、本発明を用いて作製された棒又は管から製造されたガラスセラミック棒又はガラスセラミック管に関し、ガラスセラミックは特にゼロデュアーである。

さらに、本発明は、本発明を用いて生産された棒から製造されたレンズを含む。

本発明はまた、本発明を用いて生産された管及び／又は棒から製造されたファイバー、特に光ファイバーに関する。

本発明を、例示的な実施形態に基づいて添付図面を参照して以下で説明する。同じ部品は、図面全てにわたって同じ参照符号で示される。

図１は、棒を製造する既知の方法を実行するために用いることができるノズル１０を有する装置を示す。ノズル１０は外殻１２を備える。硬化性液体３５がノズル内に入っている。従来技術によれば、棒が、金型から「自由に」、すなわち金型と接触せずに、ノズル１０からストランド３の形態で引き抜かれる。

図２は、従来技術によるさらなるストランド引き抜き装置を示す。これも同様に、外殻１２を有するノズル１０を備える。図示の配置構成はダウンドロー法に対応する。ニードル１５がノズル１０内に配置される。ニードル１５は、ノズル１０の下縁と面一に嵌められる。これによりノズル１０内の流れ抵抗が増大するため、ノズルの下縁でわずかに高い温度が得られる。

しかしながら、この配置構成を用いる場合、三相境界４０の領域及びストランドがノズルから離脱する領域４２が互いにつながっているため、結晶が形成された結果、製造を中断しなければならない可能性がある。既知の方法は特に、ストランド３が自らの重量で速く流れすぎるのを防止するために、比較的高い粘度を必要とする。これは、ストランド３がノズル１０から離脱する領域４２の温度が対応して低くなければならないことを意味する。しかしながら、温度が低下するにつれて、硬化性液体３５の失透の生じ易さが高まり、この液体は結晶化し始める。結晶化は、三相界面４０で優先的に起こる。しかしながら、離脱領域４２及び三相界面４０は、従来技術によれば互いに関連つけられている。

図３ａは、ノズル１０と、少なくとも１つの変位体１６と、棒を形成するストランド３とを有する、本発明による装置の第１の実施形態を示す。ノズル１０は、外殻１２及び変位体１６を備える。

従来技術とは異なり、変位体１６は、ノズル１０からずっと先に突出する。図３ａに示す図では、変位体１６は接続要素２２を用いて外殻１２に接続される。

硬化性液体３５は、外殻１２と変位体１６との間でノズル内１０に入っている。ノズル１０の出口において、硬化性液体３５がノズルから出ると、引き抜き方向４に引き抜かれるストランド３が形成される。

ストランド３が離脱する領域４２は、変位体１６を用いる結果として三相境界４０から分離される。その結果、特にストランド３の表面上での硬化性液体３５の結晶化が確実に回避される温度を、三相境界４０の領域で設定することができる。

しかしながら、ノズル１０から突出する変位体１６の領域において硬化性液体３５が滞留している間、本発明による配置構成は、離脱領域４２に達したときに安定した引抜きを可能にするほど十分に低い程度の温度まで、硬化性液体３５を冷却することを可能にする。

図３ｂは、本発明による装置の第２の実施形態を示す。この実施形態は、変位体１６がノズルの外殻１２に固定されるのではなく、ホルダ２３によってノズル１０内で水平方向及び鉛直方向に調整できるという点で、図３ａとは異なる。その結果、プロセスの実行中に調整も実行することができる。

図４ａは、ノズル１０と、開口中空体の形態の変位体２５と、管を形成するストランド３とを有する、本発明による装置の第３の実施形態を示す。ノズル１０は、外殻１２及びニードル１５を備える。硬化性液体１５は、外殻１２とニードル１５との間でノズル１０内に入っている。ノズル１０の出口において、硬化性液体３５が中空ストランド３としてノズルから出ると、引き抜き方向４に引き抜かれる管が形成される。

第３の実施形態によれば、変位体２５は、外殻１２とニードル１５との間でノズル１０に接続される円筒状の中空体である。図４ａに示す図では、変位体２５は、接続要素２２によって外殻１２に接続される。しかしながら、図４ｂに示すように、変位体２５は、ニードル１５に接続されてもよい。図４ｃに示すように、変位体２５をホルダ２３’によって外殻及びニードルから独立して保持することも可能である。これにより、プロセスの実行中に変位体の水平方向及び鉛直方向の変位、したがって調整が可能である。ホルダ２３’は、硬化性液体がホルダ２３’とニードル１５との間の空間にも入り込むことができるように、円周方向に中断される。

中空ストランドの内部３１と外部３２との間には差圧が設定され得る。例として、中空ストランド３の肉厚は、内部３１と外部３２との間の差圧によって影響を受け得る。

変位体（２５）の使用により、中空ストランド３の離脱領域４２が三相界面４０から分離される。棒を製造するための本発明による第１の実施形態に関して上述したように、このようにして、特にストランド３の内面及び／又は外面上の硬化性液体３５の結晶化が確実に回避される温度を、三相界面４０の領域で設定することが可能である。

しかしながら、ノズル１０から突出する変位体２５の表面において硬化性液体３５が滞留している間、本発明による配置構成は、離脱領域４２に達したときに安定した引抜きを可能にするほど十分に低い程度の温度まで、硬化性液体３５を冷却することを可能にする。

図５は、例として、中空体の形状である変位体２５を本発明の第３の実施形態による装置に配置することができる方法を示す。変位体２５は、複数の接続要素２２によって外殻１２に取り付けられる。ニードル１５は、外殻１２と同軸状に配置される。硬化性液体３５は、外殻１２と変位体２５との間、及び変位体２５とニードル１５との間に入っている。

例として、本発明による装置は、所与のガラスのために以下のように設計することができる。以下の特性を有する例示的なガラスが考慮される。

の温度依存性は、Ｖｏｇｅｌ−Ｆｕｌｃｈｅｒ−Ｔａｍｍａｎｎ式によりパラメータＡ、Ｂ、及びＴ_ｏを用いて記述される。以下の関係が当てはまる。

式中、Ａ＝−４．１６；Ｂ＝５１５６Ｋ、及びＴ_ｏ＝２６３Ｋである。

失透上限は１０１０℃である。ガラスの密度は３４００ｋｇ／ｍ^３である。表面張力は０．３Ｎ／ｍである。ガラス内の有効熱伝導率は３Ｗ／（ｍＫ）である。ガラスの比熱容量は１０００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）である。

検討中の例では、一定温度５００℃であるマッフルがノズルの底部に隣接するものとする。この方法の製造スループットは７２ｋｇ／時間である。

結晶化による中断のない安定した製造作業のために、三相境界が生じる最冷点は、少なくとも１０２０℃に、したがって失透限界よりも高く保たれる必要がある。

従来の数学シミュレーションソフトウェアを用いて流れパターンを計算すれば、出口ノズル及び変位体の適切な幾何学的寸法を求めることが可能である。検討中の例では、出口ノズル及び変位体の断面は円形である。この寸法の他に、変位体の長さも求められる。

寸法は、ガラスが、変位体に沿って流れているときに、安定して自由に引き出されることを可能にする十分に低い温度に冷却されるように決定される。

これにより、例えば、ノズルの直径は１６０ｍｍ、変位体の直径は１４０ｍｍ、変位体のうちノズルの下に突出する長さは１７０ｍｍとなり、そのうち１００ｍｍは円筒状部分の形態であり、７０ｍｍは円錐状部分の形態である。その結果、ノズルから突出する変位体の境界は尖った尖端を有する。

このように寸法が決められた装置は、失透温度よりも高い温度で、ガラスが所望の製造スループットでノズル及び変位体から形成される環状隙間を通って出ることを可能にする。ガラスは、変位体の下側部分の外面に沿って流れ落ちるにつれて冷却する。このとき、変位体の端部において、ガラスは、自らの重量で引き抜き速度よりも速く流れ落ちることなく、所望の製造スループットで安定して引き抜かれることが可能な十分に高い粘度を有する。

従来技術による自由ストランド引き抜き装置の長手方向断面を概略的に示す図である。 従来技術による第２のストランド引き抜き装置の長手方向断面を概略的に示す図である。 本発明による装置の第１の例示的な実施形態の長手方向断面を概略的に示す図である。 本発明による装置の第２の例示的な実施形態の長手方向断面を概略的に示す図である。 本発明による装置の第３の例示的な実施形態の長手方向断面を概略的に示す図である。 本発明による装置の第４の例示的な実施形態の長手方向断面を概略的に示す図である。 本発明による装置の第５の例示的な実施形態の長手方向断面を概略的に示す図である。 第３の例示的な実施形態に対応する図４ａに示す装置の平面Ｘ−Ｘの断面を概略的に示す図である。

Claims (39)

1. 少なくとも１つのガラス溶融物（３５）を外殻（１２）及びニードル（１５）を備えるノズルから引き抜き方向（４）に引き抜くことによって、中空ストランド（３）を製造する装置であって、少なくとも１つの変位体（２５）を備え、該変位体（２５）は、前記ノズルから前記引き抜き方向（４）に突出するように前記ノズル内に配置され、周囲の前記ガラス溶融物に対して開放されるとともに前記外殻（１２）と前記ニードル（１５）との間で前記ノズル内に配置される中空体であり、該中空体は前記ノズルから突出する、中空ストランドを製造する装置。
2. 前記変位体（２５）は、その断面の最短寸法の少なくとも半分が前記ノズルから軸方向に突出する、請求項１に記載の装置。
3. 前記ノズルの外側に配置される前記変位体（２５）の境界は、尖端又は鋭い縁で終端する、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ノズルは前記外殻（１２）を備え、前記ストランド（３）と接触する前記外殻（１２）の境界は、前記ノズルからの前記ストランドの離脱が実質的に所定の破断縁で軸方向に行われるように設計される、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記ストランド（３）と接触する前記ノズル（１０）の前記外殻（１２）の前記境界は、前記ガラス溶融物によってあまり濡れない、好ましくは全く濡れない材料を含む、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記変位体（２５）を前記ノズルに接続する接続要素（２２）を備える、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記変位体（２５）は、前記ノズルに対して水平方向及び／又は鉛直方向に摺動できるように、ホルダ（２３、２３’）によって保持することができる、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記ノズルは円筒状の外殻（１２）を有する、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記変位体（２５）及び／又は前記ニードル（１５）は円筒状である、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記変位体（２５）は前記ノズルと同心状に配置される、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記変位体の寸法及び前記ノズルの寸法は、該ノズル（１０）及び／又は前記ニードル（１５）と前記変位体との間の隙間の流れ抵抗が前記ガラス溶融物の所与の粘度で事前決定可能なスループットを可能にするように、その長手方向軸に垂直な平面で互いに一致する、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記変位体（２５）は、その寸法がその長手方向軸に垂直な平面で一定ではないように設計される、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記外殻（１２）及び／又は前記変位体（２５）の温度を制御するデバイスを含む、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記温度制御デバイスとして、マッフルが前記ノズルの下に配置される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記温度制御デバイスとして、直接電気加熱及び／又は特に非接触誘導加熱を行うデバイスが用いられる、請求項１３又は１４に記載の装置。
16. 前記温度制御デバイスは、位置が可変調整される少なくとも１つの温度制御要素を備える、請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 前記温度制御デバイスは、互いに独立した少なくとも２つの温度制御要素を備える、請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載の装置。
18. 前記外殻（１２）及び／又は前記変位体（２５）の温度を調整及び／又は制御及び／又は調節するデバイスを含む、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
19. 液体を特にスプレーによって前記ストランド（３）に、特にドローバルブ（４２）に塗布するデバイスを含む、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
20. 前記変位体（２５）は、少なくとも１つの高融点金属及び／又は少なくとも１つの貴金属、特に白金、及び／又は少なくとも１つの耐火金属及び／又は少なくとも１つのそれらの合金及び／又はセラミックから成る、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
21. 前記中空ストランド（３）の内部（３１）と外部（３２）との間に差圧を発生させるデバイスを含む、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
22. 前記ストランド（３）の前記内部（３１）及び／又は前記外部（３２）の圧力を調整及び／又は制御及び／又は調節するデバイスを含む、先行の請求項のいずれか１項に記載の装置。
23. ガラス溶融物（３５）を供給するステップと、ノズルから引き抜き方向（４）に引き抜くことによって中空ストランド（３）を製造するステップとを含む、中空ストランド（３）を製造する方法であって、
    変位体（２５）が、前記ノズルから前記引き抜き方向（４）に突出するように前記ノズル内に配置され、前記変位体は、周囲の前記ガラス溶融物に対して開放されるとともに外殻（１２）とニードル（１５）との間に配置される中空体であり、該中空体は前記ノズルから突出する、中空ストランドを製造する方法。
24. 前記変位体（２５）の寸法及び前記ノズル（１０）の寸法は、該ノズル（１０）及び／又は前記ニードル（１５）と前記変位体との間の隙間の流れ抵抗が前記ガラス溶融物（３５）の所与の粘度で事前決定可能なスループットを可能にするように、その長手方向軸に垂直な平面で互いに一致する、請求項２３に記載の方法。
25. 前記変位体（２５）の位置は水平方向及び／又は鉛直方向に調整可能である、請求項２３又は２４に記載の方法。
26. 前記変位体（２５）の位置決めの結果として、該変位体（２５）のうち前記ノズルから突出する部分の長さは、該ノズルから突出する前記変位体（２５）の端部における前記ガラス溶融物（３５）が、引き抜き中に前記ストランド（３）全体が引張応力下にあるほど十分に高い粘度を有するように設定される、請求項２３乃至２５のいずれか１項に記載の方法。
27. 前記外殻（１２）及び／又は前記変位体（２５）の温度は調整及び／又は制御及び／又は調節される、請求項２３乃至２６のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記ストランド（３）の周囲の温度は、前記変位体（２５）の下端における前記ガラス溶融物が、引き抜き中に前記ストランド（３）全体が引張応力下にあるほど十分に高い粘度、特に断面の平均粘度を有するように設定される、請求項２３乃至２７のいずれか１項に記載の方法。
29. 少なくとも１つの温度制御要素の位置が調整及び／又は制御及び／又は調節される、請求項２３乃至２８のいずれか１項に記載の方法。
30. 液体が特にスプレーによって前記ストランド（３）に、特に前記ドローバルブの領域に塗布される、請求項２３乃至２９のいずれか１項に記載の方法。
31. 前記ガラス溶融物（３５）は棒を形成するように硬化する、請求項２３乃至３０のいずれか１項に記載の方法。
32. 前記ガラス溶融物（３５）は管を形成するように硬化する、請求項２３乃至３１のいずれか１項に記載の方法。
33. 前記ストランド（３）の内部（３１）と外部（３２）との間に差圧が発生する、請求項２３乃至３２のいずれか１項に記載の方法。
34. 前記ストランド（３）の前記内部（３１）及び／又は前記外部（３２）の前記圧力は、調整及び／又は制御及び／又は調節される、請求項２３乃至３３のいずれか１項に記載の方法。
35. ガラス溶融物が前記ガラス溶融物（３５）として用いられる、請求項２３乃至２４のいずれか１項に記載の方法。
36. 請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の装置及び／又は請求項２３乃至３５のいずれか１項に記載の方法を使用し、実質的に非晶質の固体から管又は棒を製造する方法。
37. 前記固体はガラスである、請求項３６に記載の方法。
38. 前記管（３）の内側の表面（３３）及び／又は前記管（３）の外側の表面（３７）は、実質的に平滑である、請求項３６又は３７に記載の方法。
39. 請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の装置及び／又は請求項２３乃至３８のいずれか１項に記載の方法を使用し、ガラスセラミック管、特にゼロデュアー、を製造するための方法であって、前記管は、目標のバルク結晶化によってガラスセラミックに変換されることを特徴とする方法。

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