JP2004525063A

JP2004525063A - 特に光ファイバーの低圧極低温冷却のための装置および方法

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Publication number: JP2004525063A
Application number: JP2002583890A
Authority: JP
Inventors: パガネシ、ジョセフ・イー
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2004-08-19
Also published as: BR0209030A; US20030074916A1; CN1247476C; CN1503891A; US6668582B2; WO2002086403A1; EP1384037A1

Abstract

伝熱流体を用いて目的物を冷却するための方法および装置が提示される。その方法の１つは、主成分としてヘリウムを含む伝熱移動流体を前記目的物と接触させ、前記目的物が目的物入口末端および目的物出口末端を有する熱交換ユニットを通る工程、シールガスを用いて熱交換ユニット入口末端および出口末端への汚染物質の進入を防止し、前記シールガスは出口気体を生成するために伝熱流体とともに出て行く工程、圧縮されたリサイクルガスを生成させるために出口気体を圧縮する工程、圧縮されたリサイクル気体を気液分離器に通し、そうして伝熱流体として機能するヘリウム富化ガスおよび富化液体を生成させる工程、ならびにシールガスを生成するために富化液体を加熱する工程を含む。目的物と言う用語は、光ファイバープリフォーム、回路板、サブアセンブリおよび集積回路のような電子部品、金属部品、セラミック部品などを含む。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、熱伝導の分野に関する。より具体的には、本発明は、光ファイバー延伸プロセスにおけるような空気汚染物質が問題となり得る、伝熱流体としての水素またはヘリウムを第２のガスとともに用いる系における水素またはヘリウムの回収に関する。
【背景技術】
【０００２】
純粋かまたは相対的に純粋な水素およびヘリウムは、きわめて良好な伝熱特性を有する。例えば、ヘリウムは、化学的に不活性であるために、そしてその伝熱特性のために、光ファイバー延伸プロセスの間の繊維冷却を強化するために典型的に用いられている。一般的な純粋なガスの中で、水素のみが純粋なヘリウムより大きな熱伝導率を有する。
【０００３】
例えば、光ファイバー製造では、ヘリウムは現在、好ましい伝熱流体である。しかしながら、水素、アルゴン、窒素さらには酸素のような他のガスも用いられてきた。
【０００４】
ヘリウムは、単独で、または混合物中で、繊維延伸炉の中で、レイダウン（ｌａｙｄｏｗｎ）、固化（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ）を行う間、および樹脂コーティング適用前の延伸繊維の冷却に用いられている。例えば以下の文献を参照されたい。特許文献１は、酸素と窒素の使用を教示する。特許文献２は、酸素と窒素の混合物に対するヘリウムの添加の増加は、繊維の直径の変動を小さくすることを教示する。特許文献３は、「ガスカーテン」としてのアルゴンの使用を教示する。特許文献４は、繊維を取り囲む多孔性管または環状スロットから流れる冷却乾燥ヘリウムを教示する。特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０および特許文献１１は、空気、ヘリウム、窒素、アルゴンおよび／または水素の使用を教示する。特許文献１２は、ガス状窒素を冷却するための中空の平行なプレートの中を流れる液体窒素による室温でのガス状窒素の使用を教示する。特許文献１３は、高温のファイバー上にＳｉＯ₂が蓄積することを防ぐための取り外し可能な挿入物の使用を教示する。特許文献１４は、回転と同時にヘリウムを使用することを教示する。特許文献１５は、ヘリウムまたはヘリウムと非燃焼量（ｎｏｎ−ｃｏｎｂｕｓｔｉｂｌｅａｍｏｕｎｔ）の水素、窒素またはアルゴンとの使用を開示する。特許文献１６は、ユニット操作に応じての様々の純度のヘリウムの使用を開示する。特許文献１７は、不活性ガスと空気との温度差が小さく、一応は周囲空気の進入を減少させるように管内を流れる不活性ガスの使用を教示する。特許文献１８は、管状回収チャンバおよびチャンバへの空気の進入を防ぐための延伸炉と回収チャンバとの間のシールの使用を開示する。
【０００５】
上記文献で検討されている系の多くは、工学的な驚異であるが、しかし、不運にも、装置の観点からは非常に高価であり、および／または系から空気を減少させるか除去することを図る上で空間集約的である。このことは、また、有益な熱伝導の側面を有し得る窒素を排除する。
【特許文献１】
ＵＳ−Ａ−４，１２６，４３６
【特許文献２】
ＵＳ−Ａ−４，１５４，５９２
【特許文献３】
ＵＳ−Ａ−４，４００，１９０
【特許文献４】
ＵＳ−Ａ−４，４３７，８７０
【特許文献５】
ＵＳ−Ａ−４，６６４，６８９
【特許文献６】
ＵＳ−Ａ−５，０５９，２２９
【特許文献７】
ＵＳ−Ａ−５，２８４，４９９
【特許文献８】
ＵＳ−Ａ−５，３７７，４９１
【特許文献９】
ＵＳ−Ａ−４，９１３，７１５
【特許文献１０】
ＵＳ−Ａ−４，６７３，４２７
【特許文献１１】
ＵＳ−Ａ−４，７６１，１６８
【特許文献１２】
ＵＳ−Ａ−４，８３８，９１８
【特許文献１３】
ＵＳ−Ａ−４，９８８，３７４
【特許文献１４】
ＵＳ−Ａ−５，１６０，３５９
【特許文献１５】
ＵＳ−Ａ−５，８９７，６８２
【特許文献１６】
ＵＳ６，０９２，３９１
【特許文献１７】
ＪＰ−Ａ−６２−２４６８３７
【特許文献１８】
ＥＰ−Ａ−３２１，１８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決されるべき問題は、多くの製造プロセス、特に光ファイバー製造プロセスへの汚染物質の進入を減少させながらヘリウムと水素の伝熱特性を利用することが可能であり、高圧装置とそれに付随する経費および空間の必要性なしに水素とヘリウムの少なくとも一部の効率的なリサイクルを可能とする装置と方法を開発することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、光ファイバー製造プロセスのような、特に汚染物質が問題となる公知の方法と装置の欠点を軽減または克服する方法および装置が提供される。
【０００８】
本発明の第１の側面は、目的物を冷却する方法であり、その方法は、
ａ）水素およびヘリウムからなる群より選択される主成分（ｍａｊｏｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を含む伝熱流体を目的物と接触させ、前記目的物が目的物入口末端と目的物出口末端を有する熱交換ユニットを移動する工程、
ｂ）アルゴン、二酸化炭素、および窒素からなる群より選択される主成分を含むシールガスを用いて前記熱交換ユニット入口末端および出口末端への汚染物質の進入を防ぎ、前記シールガスが、出口ガス（混合されているかいない）を生成するために前記伝熱流体とともに出て行く工程、
ｃ）圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記出口ガスを圧縮する工程、
ｄ）冷却されたリサイクル組成物を生成させるために前記圧縮されたリサイクルガスが冷却される凝縮器に前記圧縮されたリサイクルガスを通し、気液分離器に前記冷却されたリサイクル組成物を通し、そのようにして前記伝熱流体として機能する富化ガスおよび好ましくは気化したとき前記シールガスとして機能する富化液体を生成させる工程、
ｅ）好ましくは、前記シールガスを生成させるために前記富化液体を加熱する工程
を具備する。
【０００９】
シールガスは好ましくはリサイクルされるが、しかし、そうであることを要求されない。言い換えれば、新鮮なシールガスが用いられ得る。いずれにせよ、伝熱流体の少なくとも一部はリサイクルされる。
【００１０】
本発明の第２の側面は、目的物を冷却する方法であり、その方法は、
ａ）水素およびヘリウムからなる群より選択される主成分を含む伝熱流体を前記目的物と接触させ、前記目的物が目的物入口末端および目的物出口末端を有する熱交換ユニットを通って移動する工程、
ｂ）アルゴン、二酸化炭素、および窒素からなる群より選択される主成分を含むシールガスを用いて前記熱交換ユニット入口末端および出口末端への汚染物質の進入を防ぎ、前記シールガスが出口ガスを生成させるために前記伝熱流体とともに出て行く工程、
ｃ）圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記出口ガスを圧縮する工程、
ｄ）前記シールガスを含む混合物および冷却された圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記圧縮されたリサイクルガスが富化液体と熱を交換するリサイクルガス熱交換器に前記圧縮されたリサイクルガスを通す工程、
ｅ）冷却されたリサイクル組成物を生成させるために前記冷却された圧縮されたリサイクルガスが冷却される凝縮器に前記冷却された圧縮されたリサイクルガスを通し、前記冷却されたリサイクル組成物を気液分離器に通し、そのようにして前記伝熱流体として機能する富化ガスおよび前記富化液体を生成させる工程、
ｆ）好ましくは、前記リサイクルガス熱交換器に前記富化液体を通し、そうして前記シールガスを生成させる工程
を具備する。
【００１１】
本発明の第３の側面は、目的物を冷却する方法であり、その方法は、
ａ）水素およびヘリウムからなる群より選択される主成分を含む伝熱流体を前記目的物と接触させ、前記目的物が目的物入口末端および目的物出口末端を有する熱交換ユニットを通る工程、
ｂ）アルゴン、二酸化炭素、および窒素からなる群より選択される主成分を含むシールガスを用いて前記熱交換ユニット入口末端および出口末端への汚染物質の進入を防ぎ、前記シールガスが出口ガスを生成させるために前記伝熱流体とともに出て行く工程、
ｃ）圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記出口ガスを圧縮する工程、
ｄ）前記シールガスおよび冷却され圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記圧縮されたリサイクルガスが富化液体と熱を交換し、前記圧縮されたリサイクルガスもまた富化ガスと熱を交換する回収熱交換器に前記圧縮されたリサイクルガスを通す工程、
ｅ）冷却されたリサイクル組成物を生成させるために、前記冷却され圧縮されたリサイクルガスが冷却される凝縮器に前記冷却され圧縮されたリサイクルガスを通し、前記冷却されたリサイクル組成物を気液分離器に通し、そうして前記富化ガスと前記富化液体を生成させる工程、および
ｆ）前記回収熱交換器に前記富化ガスおよび好ましくは前記富化液体を通す工程
を具備する。
【００１２】
本発明の枠組みにおいて、水素およびヘリウムは熱交換ユニット中の伝熱流体として用いられ、アルゴン、二酸化炭素および窒素からなる群より選択されるシールガスは、シールガスとして用いられる。シールガスおよび伝熱流体は、混合された状態または混合されていない状態でともに熱伝導ユニットを出て行く。
【００１３】
本明細書で用いられる「汚染物質」には、限定されないが、酸素、水分、アルカン、アルケン、アルキン、アルコール、テトラフルオロメタンおよびヘキサフルオロエタンなどのようなペルフッ素化化合物を含むハロゲン化炭化水素のような炭化水素が含まれるがしかし、窒素、二酸化炭素およびアルゴンは除かれる。この方式で汚染物質が定義されるとき、熱交換ユニットを出て行くガスを組み合わせるためのリサイクル装置の操作の上である種の便益が実現し得る。
【００１４】
本明細書で用いられる「目的物（ｏｂｊｅｃｔ）」と言う用語には、限定されないが、光ファイバープリフォーム、回路板、サブアセンブリおよび集積回路のような電子部品、金属部品、セラミック部品などが含まれる。
【００１５】
また、本明細書で用いられる「熱交換ユニット」と言う用語は、目的物が連続的、半連続的またはバッチ式のいずれかで空間に入り、出て行くことを可能とするいずれかの装置を意味し、限定されないが、光繊維冷却熱交換器、ウエーブソルダリングマシン、リフローソルダリングマシン、低温処理ユニット、環境試験キャビネットなどが含まれる。ある種の好ましい態様において、目的物入口末端および目的物出口末端は、例えば、目的物の挿入と除去のための扉またはロードロック装置を有する熱交換ユニットにおけるように１つで同一であり得ることが理解されうる。
【００１６】
凝縮器を出て行く冷却され圧縮されたリサイクルガスの温度、圧力または温度と圧力のいずれかが、圧縮装置とユーティリティのコストを削減するために熱交換ユニットの熱伝導要求が可能な最低圧力に見合うことを保証するように制御される本発明のそれぞれの方法の側面による方法が好ましい。
【００１７】
本発明の第４の側面は、
ａ）目的物入口末端および目的物出口末端を有する、目的物を冷却するための熱交換ユニット、および水素およびヘリウムからなる群より選択される伝熱流体を前記目的物と接触させるための手段であって、前記熱交換ユニットは、前記目的物を、連続モード、半連続モードまたはバッチモードからなる群より選択されるモードで前記熱交換ユニットを通させるのに適合するものであり、
ｂ）前記熱交換ユニットの目的物入口末端および目的物出口末端への汚染物質の進入を防止するための手段であって、アルゴン、二酸化炭素および窒素からなる群より選択されるシールガスを用いるのに適合し、出口ガスを生成させるために前記シールガスを前記伝熱流体とともに前記熱交換ユニットを出て行くようにさせる手段、
ｃ）圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記出口ガスを圧縮するための手段、
ｄ）前記圧縮されたリサイクルガスを冷却されたリサイクル組成物を生成させるために冷却する凝縮器に前記圧縮されたリサイクルガスを通すための手段および気液分離器に前記冷却されたリサイクル組成物を通し、そうして伝熱流体として機能する富化ガスおよび富化液体を生成させるための手段、および
ｅ）好ましくは前記シールガスを生成させるために前記富化液体を加熱するための手段
を具備する装置である。
【００１８】
本発明の第５の態様は、
ａ）目的物入口末端および目的物出口末端を有する、目的物を冷却するための熱交換ユニット、および、水素およびヘリウムからなる群より選択される熱移動流体を前記目的物と接触させるための手段であって、前記熱交換ユニットは、連続モード、半連続モード、またはバッチモードからなる群より選択されるモードで前記目的物を前記熱交換ユニットに通させるのに適合するものであり、
ｂ）前記熱交換ユニットの目的物入口末端および目的物出口末端への汚染物質の進入を防止するための手段であって、アルゴン、二酸化炭素および窒素からなる群より選択される主成分を含むシールガスを用いるのに適し、出口ガスを生成させるために前記シールガスを前記伝熱流体とともに出て行くようにさせる手段、
ｃ）圧縮されたリサイクル気体を生成させるために前記出口ガスを圧縮するための手段、
ｄ）前記圧縮されたリサイクルガスと富化液体との間の熱の交換を可能とするリサイクルガス熱交換器に前記圧縮されたリサイクルガスを通し、そのようにして、冷却され圧縮されたリサイクルガスと前記シーリングガスを含む組成物を生成させるのに適合する手段、
ｅ）冷却されたリサイクル組成物を生成させるために前記冷却され圧縮されたリサイクルガスが冷却される凝縮器に前記冷却され圧縮されたリサイクルガスを通すための手段、および気液分離器に前記冷却されたリサイクル組成物を通し、そうして前記伝熱流体として機能する富化ガスおよび前記富化液体を生成させる手段、並びに
ｆ）好ましくは、前記リサイクルガス熱交換器に前記富化液体を通し、そのようにして前記シールガスを生成させるための手段
を具備する装置である。
【００１９】
本発明の第６の側面は、
ａ）目的物入口末端および目的物出口末端を有する、目的物を冷却するための熱交換ユニット、および水素およびヘリウムからなる群より選択される伝熱流体を前記目的物に接触させるための手段であって、前記熱交換ユニットが、連続モード、半連続モードまたはバッチモードからなる群より選択されるモードで前記目的物を前記熱交換ユニットに通すのに適合するものであり、
ｂ）前記熱交換ユニットの目的物入口末端および目的物出口末端への汚染物質の進入を防止するための手段であって、主成分としてアルゴン、二酸化炭素および窒素からなる群より選択されるシールガスを用いるのに適合し、出口ガスを生成させるために伝熱流体とともにシールガスが出て行くことを可能とする手段、
ｃ）圧縮されたリサイクルガスを生成させるための、前記出口ガスを圧縮するための手段、
ｄ）前記圧縮されたリサイクルガスが前記シールガスおよび冷却され圧縮されたリサイクル組成物を含む組成物を生成するために富化液体と熱を交換し、前記圧縮されたリサイクルガスもまた富化ガスとも熱を交換する回収熱交換器に前記圧縮されたリサイクルガスを通すための手段、
ｅ）冷却されたリサイクル組成物を生成するために前記冷却され圧縮されたリサイクル組成物が冷却される凝縮器に前記冷却され圧縮されたリサイクル組成物を通し、気液分離器に前記冷却されたリサイクル組成物を通し、そうして前記富化ガスおよび前記富化液体を生成させる手段、ならびに
ｆ）好ましくは前記回収熱交換器に前記富化液体と前記富化ガスを通すための手段
を具備する装置である。
【００２０】
本発明の更なる側面および利点は、以下に記載される好ましい態様の記載を検討することにより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明者は、伝熱流体ループ中の凝縮器の単純な温度および／または圧力制御により、アルゴン、二酸化炭素および窒素からなる群より選択されるシールガスと混合されるとき、水素およびヘリウムからなる群より選択されるガス状伝熱流体を用いる熱伝導系における圧縮装置の支出と設備を極めて有意に節約し得ることを見出した。
【００２２】
より具体的には、本発明者は、上記ガス混合物は、凝縮器の操作温度と圧力にきわめて敏感であり、それらのガスのリサイクルの間に液体から気体を分離するために用いられることを確定した。この極めて有用な知見は、好ましい態様の以下の記載の検討から明らかになるであろう。
【００２３】
ここで図面を参照すると、図１は、目的物、例えば熱交換ユニット６に入り４で出て行く光ファイバープリフォーム２を示す。大部分を構成する水素またはヘリウムを含む冷却ガスは、８で直接接触熱交換のための熱交換ユニットに入り、導管１０を通って出て行く。
【００２４】
暖められた水素またはヘリウムは導管１０を通過し、最終的に圧縮器１２に供給される。圧縮器は迂回導管１４を有し、その迂回導管は、導管１６中の圧縮されたガスの一部を供給導管１０にリサイクルして戻させる。導管１６を通って流れる圧縮されたガスは、凝縮器１８に達する。
【００２５】
導管２０の中を流れる液体窒素流は、凝縮器１８中の圧縮されたガスと熱を交換し、そうして、暖められた窒素ガス２２、および組み合わせられた液体とガス流である導管２４中を流れる出口流を生成する。
【００２６】
導管２４中を流れる液体とガスの組み合わされた流れは気液分離器２６に入り、その気液分離器は、水素富化ガスまたはヘリウム富化ガスを含む導管２８中を流れる流れと例えばアルゴン、窒素または二酸化炭素のようなシールガス中の液体富化流を含む導管３０中を流れる流れに分割する。
【００２７】
導管３０を通って流れる液体富化組成物は気化器３２を通って流れ、その気化器は大部分を構成するシールガスを含む蒸気流を生成させるために通常の手段により加熱され、そのシールガスは次いで、好ましくは導管３８の中を流れ、導管４０および４２に分かれ、続いてシール４１および４３に達する。導管２８を通って流れる流れは、背圧調節器５０を通って流れ、別の制御弁５６を通り、導管８を通って熱交換ユニット６に達する。
【００２８】
当業者により理解され得るように、導管４０および４２中のシールガスの圧力は、ガスシール４１および４３が正圧の下にある、すなわち、汚染物質がガスシール４１および４３の正圧により熱交換ユニット６から実質的に排除されるようなものである。したがって、いずれかの汚染物質を含む熱交換ユニットを取り囲むガス雰囲気は、熱交換ユニットに入ることを実質的に防止されている。
【００２９】
しかしながら、少量の取り囲む雰囲気は、なお、熱交換ユニット６に入る目的物２とともに連行されるであろう。
【００３０】
連行される量は、高速の製造速度中に行い得るように、目的物２の移相の速度とともに増加しうる。いずれの場合でも、導管４０および４２を通り、シール４１および４３に流入するシールガスは、最終的に、目的物２と直接接触した伝熱流体（水素またはヘリウム）と混合し、伝熱流体とシールガスの組み合わせが導管１０を通って出て行く。
【００３１】
図１で例示される態様の更なる完成は、シールガス調製導管４５および伝熱流体調製導管３６である。シールガスの調製は調節器６２により制御され、一方、ヘリウムの調製は、調節器５８により制御される。
【００３２】
更なる調節器５２、５４および５６は、導管４０および４２を通るシールガスならびに導管８を通る伝熱流体の流れをそれぞれ制御する。流れの測定と制御器は、明瞭さのために詳細に示されていない。マスフローコントローラーが好ましい。
【００３３】
１つの好ましい態様において、導管３８を通る気化したシールガスは別の導管３４と調節器６３を通って方向転換し、導管２８の中を通る伝熱流体と混ざる。
【００３４】
図１の態様は、４６で示される制御器および温度モニター素子４４を示す。温度素子４４は、導管２４の中を流れる冷却された流れの温度を検知する。ここで導管２４は、伝熱流体（例えばヘリウム）およびシールガス（例えばアルゴン）の混合物を運ぶものとして認識され得る。
【００３５】
もし導管２４を通って流れる流体の温度が高くなるならば、このことは温度素子４４により検知され、そして制御器４６は、制御弁４８を介して導管２０の中の冷却用低温流体の流れを増やすであろう。
【００３６】
代わりに、または温度制御ループと組み合わせて、背圧制御器５０は、導管２４中の流体の冷却度をさらに制御するために作動する。
【００３７】
もし導管２８の中の圧力があまりに高くなるならば（伝熱ユニット６を含む個々の系、冷却される目的物、凝縮器１８のサイズにより規定される）、背圧調節器５０は圧力を減じるために開くであろう。
【００３８】
代わりに、もし導管２８の中の圧力があまりに低いならば、背圧導管５０は閉じる傾向にあるであろう。
【００３９】
ここで図２を参照すると、図２は、本発明の方法および装置のわずかに異なる態様を例示する。図２の態様は、図１の態様よりも熱回収とエネルギー効率の点でわずかにより効率的である。
【００４０】
主たる変更点は熱交換器３３の追加において見られ、この熱交換器は、本質的には、図１の態様の気化器３２を置換する。（気化器３２と熱交換器３３は、別態様では、ともに用いられ得ることが理解されうる。）
図２に例示されているように、導管２９は、シールガス富化液体を熱交換器３３に導く。導管１６の中を流れる流体は、熱交換器３３に入り、伝熱流体とシールガスを含む冷却された中間流１７を生成する。
【００４１】
導管３９は、加熱され、および／または気化したシールガスをすでに記載された導管４０および４２ならびにシール４１および４３に導く。
【００４２】
小さなサイズの気化器３２、より好ましくは気化器３２の除去と熱交換器３３の追加により、図２の態様は、図１の態様よりエネルギー利用についてより効率的になっている。
【００４３】
図３を参照すると、図３の態様は、図１および２で例示されるものよりさらによりエネルギー効率のよい態様を例示する。図３の態様は、図２の熱交換器３３および図１の気化器３２を回収熱交換器（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）６４と置換する。（別の態様では、気化器３２、熱交換器３３、および回収熱交換器６４は、すべて用いられ得ることが理解されうる。）
シールガス富化液体は導管２９を通って流れ、回収熱交換器６４の中で導管１６を通って流れるシールガスと伝熱流体との圧縮された組成物と熱を交換し、その圧縮された組成物は圧縮器１２の中で圧縮された後、適度の熱含量を有する。
【００４４】
この熱の一部はまた、導管２８の中を流れる伝熱流体富化ガスおよび凝縮器１８から回収熱交換器６４に流れる中間流２１と交換される。
【００４５】
図２および３の態様はそれぞれ、好ましくは、図１の態様を参照して記載したものと同じ様式で制御される。すなわち、温度制御ループ４４および４６は、背圧制御器５０と組み合わせられるか代替される。
【００４６】
温度制御ループ、背圧制御、または両方の組み合わせのいずれかを通しての圧力制御の重要性は、ヘリウム混合物については図４、５および６で、そして水素混合物については図７、８および９で強調されている。
【００４７】
それらの図において、凝縮器操作圧力は、Ｘ軸に沿ってプロットされ、図１、２および３の態様のそれぞれについて導管２４内の圧力として定義される。Ｙ軸に沿って、ヘリウム（または水素）の回収パーセントならびに導管２４の中を流れる流れの中のヘリウムのモル画分がプロットされている。図４は、凝縮器１８の操作圧力および温度に対する気液分離器の気体流２８のためのヘリウム／窒素気体混合物の感度のグラフによる表示である。例えば、ヘリウム伝熱流体および窒素シールガスについては、もし設計者が８０Ｋの凝縮器操作温度で８０モルパーセントのヘリウム純度を用いたいと思うならば、凝縮器圧力を約１１０ｐｓｉａにしさえすればよく、操業者は約９９．６パーセントのパーセントヘリウム回収率を獲得するであろう。しかしながら、同じヘリウム純度で同じパーセントヘリウム回収率で８５Ｋまで５度だけ凝縮器の操作温度を上げると、凝縮器１８の操作温度は、約２００ｐｓｉａまで上昇する。これは、窒素シールガスの使用により全ての汚染物質が系から除去されているか排除されている場合である。９０Ｋまでの凝縮器操作温度の上昇は、約３００ｐｓｉａまでの凝縮器操作圧力への増加を引き起こす。
【００４８】
同様な分析は、例えば、ヘリウムが伝熱流体として用いられ、アルゴンがシールガスとして用いられるときのヘリウム／アルゴン系にも適切である。図５は、凝縮器操作圧力および操作温度に対する気液分離器の気体流のためのヘリウム／アルゴン気体混合物の感度のグラフによる例示である。
【００４９】
例えば、もし設計者が８０Ｋの凝縮器操作温度で８０モルパーセントのヘリウム純度を用いようとするならば、凝縮機操作圧力を約６５ｐｓｉａにしさえすればよく、操業者は約９９．８５パーセントのパーセントヘリウム回収率を獲得するであろう。
【００５０】
しかしながら、同じヘリウム純度で同じパーセントヘリウム回収率で８５Ｋまで５度だけ凝縮機の操作圧力を上昇させることにより、凝縮器１８の操作圧力は、約１２５ｐｓｉａまで上昇する。これは、アルゴンシールガスの使用により実質的に全ての汚染物質が系から除去されているか排除されている場合である。９０Ｋまでの凝縮器の操作温度の上昇は、約２２５ｐｓｉａまでの凝縮器操作圧力の増加を引き起こす。
【００５１】
図６は、凝縮器操作圧力および操作温度に対する気液分離器ガス流のためのヘリウム／二酸化炭素気体混合物の感度のグラフによる例示である。例えば、もし設計者が２００Ｋの凝縮器操作温度でシールガスとしての二酸化炭素とともに伝熱流体として７０モルパーセントのヘリウム純度を用いようとするならば、凝縮器操作圧力は、約１２０ｐｓｉａだけであらねばならず、操業者は、約９９．５パーセントのパーセントヘリウム回収率を獲得するであろう。
【００５２】
しかしながら、同じヘリウム純度およびパーセントヘリウム回収率で２２０Ｋまで２０度だけ凝縮器の操作温度を上昇させることにより凝縮器１８の操作圧力は３００ｐｓｉａを超えて上昇する。これは、二酸化炭素シールガスの使用により実質的に全ての汚染物質が系から除去されているか排除されている場合である。
【００５３】
図７は、凝縮器１８の操作圧力および温度に対する気液分離器気体流２８のための水素／窒素気体混合物の感度のグラフによる例示である。
【００５４】
例えば、水素伝熱流体および窒素シールガスについては、もし設計者が８０Ｋの凝縮器操作温度で８０モルパーセントの水素純度を用いようとするならば、凝縮器の圧力を、約１１０ｐｓｉａにしさえすればよく、操業者は、約９９．６パーセントのパーセント水素回収率を獲得するであろう。
【００５５】
しかしながら、同じ水素純度およびパーセント水素回収率で８５Ｋまで５度だけ凝縮器の操作温度を増加させることにより、凝縮器１８の操作圧力は約２２５ｐｓｉａまで上昇する。
【００５６】
これは、窒素シールガスの使用により、実質的に全ての汚染物質が系から除去または排除されている場合である。水素純度およびパーセント水素回収率定数を保持しながらの９０Ｋへの凝縮器操作温度の上昇は、約３００ｐｓｉａへの凝縮器操作圧力の上昇を引き起こす。
【００５７】
同様の分析は、例えば、水素が伝熱流体として用いられ、アルゴンがシールガスとして用いられるときの水素／アルゴン系にも適切である。
【００５８】
図８は、凝縮器操作圧力および操作温度に対する気液分離器ガス流のための水素／アルゴン気体混合物の感度のグラフによる例示である。たとえば、もし設計者が８０Ｋの凝縮器操作温度で９０モルパーセントの水素純度を用いようとするならば、凝縮器操作圧力を約６０ｐｓｉａにしさえすればよく、操業者は、約９９．７パーセントのパーセントヘリウム回収率を獲得するであろう。しかしながら、同じ水素純度で同じパーセント水素回収率で８５Ｋまで５度だけ凝縮機の操作温度を上昇させることにより、凝縮器１８の操作圧力は約１３５ｐｓｉａまで上昇する。これは、アルゴンシールガスの使用により実質的に全ての汚染物質が系から除去または排除されている場合である。９０Ｋまでの凝縮器操作温度の上昇は、約２５０ｐｓｉａまでの凝縮器操作温度の上昇を引き起こす。
【００５９】
図９は、凝縮器操作圧力および操作温度に対する気液分離器ガス流のための水素／二酸化炭素気体混合物の感度のグラフによる例示である。例えば、もし設計者が２００Ｋの凝縮器操作温度でシールガスとしての二酸化炭素とともに伝熱流体として７０モルパーセントの水素純度を用いようとするならば、凝縮器操作圧力を約１２０ｐｓｉａにしさえすればよく、操業者は、約９９．５パーセントのパーセントヘリウム回収率を獲得するであろう。しかしながら、同じ水素純度および同じパーセント水素回収率で２２０Ｋまで２０度だけ凝縮器の操作温度を上昇させることにより、凝縮器１８の操作温度は３００ｐｓｉａを超えて上昇する。これは、二酸化炭素シールガスの使用により実質的に全ての汚染物質が系から除去または排除されている場合である。
【００６０】
図４〜９は、凝縮器の操作圧力と操作温度が、操業の経済性に多大な影響を有することを例証する。圧縮装置と凝縮装置の大きさと電力の要求は、操作温度のほんのわずかな変化により多大となるに違いない。ヘリウム／アルゴン混合物および水素／アルゴン混合物を利用することが好ましい。というのは、それらは最も感度が小さいからである。図４〜９に示されているデータは、商品名「アスペン」，バージョン１０．２として知られるシミュレーションソフトウエアを用いて作られた。それらのシミュレーションでは、「温度」は、気体と液体が平衡にある凝縮器を出て行く組成物の温度である。
【００６１】
図１０は、平板上を流れる純粋な水素、純粋なヘリウムおよび純粋なアルゴンの、強制対流の熱伝達率についての実験データに基づく実験的に誘導された式を例証する。図１０は３つの曲線を表し、それぞれは、層流から乱流への変化が起こる変曲を有する。約７５から約１５０メートル／秒の範囲の速度で、アルゴンは、その変化範囲で水素またはヘリウムのいずれかより大きな熱伝達率を有することに注意されたい。このことは予想外であった。このことは、熱交換ユニットがプリント回路板のような比較的平坦である目的物上の伝熱流体の対流を可能とするとき有益に用いられ得る。この場合当業者は、例えば、伝熱流体としてアルゴン、シールガスとして窒素を用いることを想定し得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】図１は、本発明の１態様の模式的なプロセスフローダイアグラムである。
【図２】図２は、本発明の１態様の模式的なプロセスフローダイアグラムである。
【図３】図３は、本発明の１態様の模式的なプロセスフローダイアグラムである。
【図４】図４は、凝縮器操作圧力および操作温度での気液分離器の気体流のためのヘリウム／窒素気体混合物の感度のグラフによる表示である。
【図５】図５は、凝縮器操作圧力および温度に対する気液分離器の気体流のためのヘリウム／アルゴン気体混合物の感度のグラフによる表示である。
【図６】図６は、凝縮器操作圧力および温度に対する気液分離器の気体流のためのヘリウム／二酸化炭素気体混合物の感度のグラフによる表示である。
【図７】図７は、凝縮器操作圧力および温度に対する気液分離器の気体流のための水素／窒素気体混合物の感度のグラフによる表示である。
【図８】図８は、凝縮機操作圧力および温度に対する気液分離器の気体流のための水素／アルゴン気体混合物の感度のグラフによる表示である。
【図９】図９は、凝縮器操作圧力および温度に対する気液分離器の気体流のための水素／二酸化炭素気体混合物の感度のグラフによる表示である。
【図１０】図１０は、実験データに基づく実験的に誘導された式を用いての純粋な水素、ヘリウム、およびアルゴンの熱伝達率のグラフによる表示である。
【符号の説明】
【００６３】
２…光ファイバープリフォーム、６…熱交換ユニット、８，１０，１４，１６，２０，２４，２８，２９，３０，３４，３６，３８，３９，４０，４２，４５…導管、１２…圧縮器、１８…凝縮器、２６…気液分離器、３２…気化器、３３…熱交換器、４１，４３…シーリング、４４…温度モニター要素、４６…制御器、５０…背圧調節器、４８，５６…制御弁、５２，５４，５６，５８，６２，６３…調節器、６４…回収熱交換器

Claims

ａ）水素およびヘリウムからなる群より選択される主成分を含む伝熱流体を目的物と接触させ、前記目的物が目的物入口末端と目的物出口末端を有する熱交換ユニットを移動する工程、
ｂ）アルゴン、二酸化炭素、および窒素からなる群より選択される主成分を含むシールガスを用いて前記熱交換ユニット入口末端および出口末端への汚染物質の進入を防ぎ、前記シールガスが、出口ガスを生成するために前記伝熱流体とともに出て行く工程、
ｃ）圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記出口ガスを圧縮する工程、
ｄ）冷却されたリサイクル組成物を生成させるために前記圧縮されたリサイクルガスが冷却される凝縮器に前記圧縮されたリサイクルガスを通し、気液分離器に前記冷却されたリサイクル組成物を通し、そのようにして前記伝熱流体として機能する富化ガスおよび富化液体を生成させる工程
を具備する目的物を冷却する方法。
ａ）水素およびヘリウムからなる群より選択される主成分を含む伝熱流体を前記目的物と接触させ、前記目的物が目的物入口末端および目的物出口末端を有する熱交換ユニットを通って移動する工程、
ｂ）アルゴン、二酸化炭素、および窒素からなる群より選択される主成分を含むシールガスを用いて前記熱交換ユニット入口末端および出口末端への汚染物質の進入を防ぎ、前記シールガスが出口ガスを生成させるために前記伝熱流体とともに出て行く工程、
ｃ）圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記出口ガスを圧縮する工程、
ｄ）前記シールガスを含む混合物および冷却された圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記圧縮されたリサイクルガスが富化液体と熱を交換するリサイクルガス熱交換器に前記圧縮されたリサイクルガスを通す工程、
ｅ）冷却されたリサイクル組成物を生成させるために前記冷却された圧縮されたリサイクルガスが冷却される凝縮器に前記冷却された圧縮されたリサイクルガスを通し、前記冷却されたリサイクル組成物を気液分離器に通し、そのようにして前記伝熱流体として機能する富化ガスおよび前記富化液体を生成させ、前記リサイクルガス熱交換器に前記富化液体を通し、そうして前記シールガスを生成させる工程
を具備する目的物を冷却する方法。
ａ）水素およびヘリウムからなる群より選択される主成分を含む伝熱流体を前記目的物と接触させ、前記目的物が目的物入口末端および目的物出口末端を有する熱交換ユニットを通る工程、
ｂ）アルゴン、二酸化炭素、および窒素からなる群より選択される主成分を含むシールガスを用いて前記熱交換ユニット入口末端および出口末端への汚染物質の進入を防ぎ、前記シールガスが出口ガスを生成させるために前記伝熱流体とともに出て行く工程、
ｃ）圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記出口ガスを圧縮する工程、
ｄ）前記シールガスを含む組成物および冷却され圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記圧縮されたリサイクルガスが富化液体と熱を交換し、前記圧縮されたリサイクルガスもまた富化ガスと熱を交換する回収熱交換器に前記圧縮されたリサイクルガスを通す工程、
ｅ）冷却されたリサイクル組成物を生成させるために、前記冷却され圧縮されたリサイクルガスが冷却される凝縮器に前記冷却され圧縮されたリサイクルガスを通し、前記冷却されたリサイクル組成物を気液分離器に通し、そうして前記富化ガスと前記富化液体を生成させる工程、および
ｆ）前記回収熱交換器に前記富化ガスを通す工程
を具備する目的物を冷却する方法。
前記富化液体の少なくとも一部が気化し、前記シールガスの一部を生成する請求項１記載の方法。
前記制御が前記凝縮器への液体低温源の流れを調節することを含む請求項１ないし４のいずれか１項記載の方法。
前記低温源が窒素、アルゴン、水素およびそれらの混合物からなる群より選択され、好ましくは前記低温源が窒素である請求項１ないし５のいずれか１項記載の方法。
前記アルゴンを含むシールガスの一部が、前記ヘリウム富化ガスが前記熱交換ユニットに入る前に前記ヘリウム富化ガスと混合される、請求項１または４ないし６のいずれか１項記載の方法。
前記熱交換ユニットを通る前記目的物が光ファイバープリフォームである請求項１ないし７のいずれか１項記載の方法。
前記アルゴンを含むシールガスが、熱交換ユニット繊維入口末端および熱交換ユニット繊維出口末端の間で等しく分かれる請求項１ないし８のいずれか１項記載の方法。
前記富化液体の少なくとも一部を前記リサイクルガス熱交換器に通し、そうして前記シールガスの少なくとも一部を生成させる請求項２記載の方法。
前記富化液体を回収熱交換器に通す請求項３記載の方法。
前記シールガスおよび前記伝熱流体が混合されているか混合されていない状態でともに前記熱伝導ユニットを出て行く、請求項１ないし１１のいずれか１項記載の方法。
ａ）目的物入口末端および目的物出口末端を有する、目的物（２）を冷却するための熱交換ユニット（６）、および水素およびヘリウムからなる群より選択される伝熱流体を前記目的物（２）と接触させるための手段であって、前記熱交換ユニット（６）は、前記目的物（２）を、連続モード、半連続モードまたはバッチモードからなる群より選択されるモードで前記熱交換ユニットを通させるのに適合するものであり、
ｂ）前記熱交換ユニット（６）の目的物入口末端および目的物出口末端への汚染物質の進入を防止するための手段であって、アルゴン、二酸化炭素および窒素からなる群より選択されるシールガスを用いるのに適合し、出口ガスを生成させるために前記シールガスを前記伝熱流体とともに前記熱交換ユニット（６）を出て行くようにさせる手段、
ｃ）圧縮されたリサイクルガスを生成させるために前記出口ガスを圧縮するための手段（１２）、
ｄ）前記圧縮されたリサイクルガスを、冷却されたリサイクル組成物を生成させるために冷却する凝縮器（１８）に前記圧縮されたリサイクルガスを通すための手段および気液分離器（２６）に前記冷却されたリサイクル組成物を通し、そうして伝熱流体として機能する富化ガスおよび富化液体を生成させるための手段
を具備する装置。
前記シールガスの少なくとも一部を生成させるために前記富化液体を加熱するための手段（３２）を含む請求項１３記載の装置。
ａ）目的物入口末端および目的物出口末端を有する、目的物（２）を冷却するための熱交換ユニット（６）、および、水素およびヘリウムからなる群より選択される熱移動流体を前記目的物（２）と接触させるための手段であって、前記熱交換ユニット（６）は、連続モード、半連続モード、またはバッチモードからなる群より選択されるモードで前記目的物（２）を前記熱交換ユニットに通させるのに適合するものであり、
ｂ）前記熱交換ユニット（６）の目的物入口末端および目的物出口末端への汚染物質の進入を防止するための手段であって、アルゴン、二酸化炭素および窒素からなる群より選択される主成分を含むシールガスを用いるのに適し、出口ガスを生成させるために前記シールガスを前記伝熱流体とともに出て行くようにさせる手段、
ｃ）圧縮されたリサイクル気体を生成させるために前記出口ガスを圧縮するための手段（１２）、および
ｄ）前記圧縮されたリサイクル気体と富化液体との間の熱の交換を可能とするリサイクルガス熱交換器（３３）に前記圧縮されたリサイクル気体を通し、そのようにして、冷却され圧縮されたリサイクルガスと前記シールガスを含む組成物を生成させるのに適合する手段、冷却されたリサイクル組成物を生成させるために前記冷却され圧縮されたリサイクルガスが冷却される凝縮器（１８）に前記冷却され圧縮されたリサイクルガスを通すための手段、および気液分離器（２６）に前記冷却されたリサイクル組成物を通し、そうして前記伝熱流体として機能する富化ガスおよび前記富化液体を生成させる手段
を具備する装置。
前記富化液体を前記リサイクルガス熱交換器（３３）に通し、そうしてシールガスを生成させる手段を含む請求項１５記載の装置。
ａ）目的物入口末端および目的物出口末端を有する、目的物（２）を冷却するための熱交換ユニット（６）、および水素およびヘリウムからなる群より選択される伝熱流体を前記目的物（２）に接触させるための手段であって、前記熱交換ユニット（６）が、連続モード、半連続モードまたはバッチモードからなる群より選択されるモードで前記目的物（２）を前記熱交換ユニットに通すのに適合するものであり、
ｂ）前記熱交換ユニット（６）の目的物入口末端および目的物出口末端への汚染物質の進入を防止するための手段であって、主成分としてアルゴン、二酸化炭素および窒素からなる群より選択されるシールガスを用いるのに適合し、出口ガスを生成させるために伝熱流体とともにシールガスが出て行くことを可能とする手段、
ｃ）圧縮されたリサイクルガスを生成させるための、前記出口ガスを圧縮するための手段（１２）、
ｄ）前記圧縮されたリサイクルガスが前記シールガスおよび冷却され圧縮されたリサイクル組成物を含む組成物を生成するために富化液体と熱を交換し、前記圧縮されたリサイクルガスもまた、富化ガスとも熱を交換する回収熱交換器（６４）に前記圧縮されたリサイクルガスを通すための手段、
ｅ）冷却されたリサイクル組成物を生成させるために前記冷却され圧縮されたリサイクル組成物が冷却される凝縮器（２６）に前記冷却され圧縮されたリサイクル組成物を通し、気液分離器に前記冷却されたリサイクル組成物を通し、そうして前記富化ガスおよび前記富化液体を生成させる手段、ならびに
ｆ）前記回収熱交換器（６４）に前記富化ガスを通すための手段
を具備する装置。
前記回収熱交換器（６４）に前記富化液体を通すための手段を含む請求項１７記載の装置。
請求項１３ないし１８のいずれか１項記載の装置を具備する光ファイバー製造設備。
請求項１ないし１２のいずれか１項記載の冷却方法により光ファイバープリフォームが冷却される光ファイバー製造方法。