在制造光导纤维时，包括例如层状玻璃结构的玻璃预成型坯是 通过炉拉出，而该炉具有限定细长加热室的夹套、并具有垂直或水 平定向的中心轴，其中将预成型坯加热到约1800℃至2200℃的温 度以软化玻璃。实际上，使用具有ZrO或石墨电阻(电阻加热或感 应加热)的炉。在两种情况下，在入口处设置密封，例如，通过入 口垂直悬挂的玻璃预成型坯延伸到炉内。该密封可以包括机械环， 如机械挡板结构，其将减少入口和预成型坯外壁之间的间隙。
借助具有ZrO电阻的炉，操作可以在环境大气下进行，因而入 口的密封效率并不是关键的。也没有将玻璃预成型坯和入口内表面 之间的间隙(clearing)降至最小程度的特殊需要。然而，这些炉受 到很多缺点的妨碍：在操作期间如果允许冷却，构造则会被破坏。 因此，在供能中断和类似操作故障期间可出现特别困难的情况。
第二加热炉，即石墨炉，得到了更广泛的应用。为了避免燃烧 石墨，在超过500℃的温度下炉的石墨部分应保持在保护气体气氛 中。可以注意到，不仅更新石墨电阻(其已被燃烧)昂贵，而且灼 热和烟熏石墨也引起形成颗粒，其会降低纤维的性能。因而，在石 墨炉的情况下，在控制保护气体气氛时的主要方式是1)在玻璃预 成型坯之间，其被送入炉，2)在炉内，以及3)在拉拔纤维/预成 型坯以及炉体出口之间分别提供有效密封。迄今为止，还没有控制 这些密封的适当方式。
另一种类型的预成型方法是MCVD(改进的化学汽相淀积)， 其中反应气体通过旋转接头送入基片管(石英管)，其用于制造玻 璃预成型坯(用于制造光导纤维)的石英部分。这些气体在高温下 送入MCVD车床，并且为了避免冷凝问题，旋转接头必须加热到 300℃或更高。旋转接头的作用是阻止工艺气体扩散到室内空气。 这种类型的工艺气体的实例是氯气。另外，环境空气(室内空气) 总是含有一些水份和其他杂质，如果在加工期间允许它们接触基片 管或MCVD车床内的反应气体，其可能导致产品的缺陷。这种效 应的典型实例是公知的衰减，其是由于光导纤维的石英核心中的水 峰而导致。
在现有MCVD技术中，使用O型环或铁磁流体来密封旋转接 头以防止来自车床内部的气体流入环境空气。存在若干与已知技术 解决方案有关的问题。因而，在苛刻的操作条件下，O型环无法承 受1-5次以上的工艺试验，而在漏气的情况下，可能会损坏制品。 铁磁流体是非常昂贵的材料并且对于其在高温下的使用仅具有有 限的经验。
在本发明范围内的典型预成型坯加工方法的第三个实例是烧 结工艺。此方法是例如在将烟炱烧结(压实)成固体材料的OVD 或OVD工艺后加以使用。在此方法中，预成型坯通过炉加热区送 入，在此处发生烧结。为了获得更均匀的效果，将预成型坯进行旋 转，而将旋转接头设置在设备的部件之间，其进行彼此之间的相对 运动。在烧结期间，炉气氛受到控制并且它可以含有有害气体如氯 气。而且必须封闭源自环境大气的任何水。旋转接头必须同时处理 轴向和旋转移动。按常规，这已通过利用石墨板或其他材料以及另 外地通过安装围绕接头的防护罩(用于俘获氯气分子)加以解决。 这些构造是不可靠的，因为它们不能很好地挡住水，氯气可能会排 到大气中，以及它们可引起在炉中形成有害颗粒。
各种机械密封装置被披露在日本出版的专利申请第55020260 号、美国专利第4,477,274号、德国专利第3903466及第4006839 号中，在这些中请中，将牵引弹性体或石墨密封进行了描述。在拉 拔纤维期间，这些密封紧紧地与预成型坯相配合。
上述种类的典型机械密封还示于附图2中。在该图中，附图标 号1表示挡板的支撑块，1.2表示密封毡(附图标号1.3)的夹紧环， 而标号3表示玻璃预成型坯，而标号4表示炉体。
另外的机械密封构造包括用于密封供给口的悬浮石英板。
已提出了在纤维拉拔期间围绕其中心轴旋转预成型坯。这种旋 转在下述方面可提供便利：过程的可控制性、加热的均匀性、厚度 测量。然而，预成型坯的任何椭圆度可能会(与牵引密封一起)破 坏预成型坯的旋转移动，因而也损坏纤维的拉拔以及预成型坯的拉 伸。另外，释放自聚合物或石墨材料的颗粒可能污染纤维。
如上所述，基于与预成型坯机械接触的密封会引起预成型坯的 污染、以及在预成型坯表面上的划痕和其他缺陷。代替弹性体密封， 其在化学上是具有高度耐久性的密封材料，必须使用经得起高温的 密封材料。通常使用的密封，其是基于石墨毡(见上述)或石英棉， 还允许氧气渗入炉内并且它们要遭受相当大的磨损。这可以由以下 事实来解释：没有从加热室的内部到外部的回流通过密封，其可以 阻挡所产生的扩散、或至少难以在多孔或未完全密封中形成这样的 流动。可以利用真空状态检查高度和分子的自由行程处于相同数量 级的狭槽，因为可将真空状态限定为一空间，其中分子的自由行程 大于壁之间的距离。在真空状态中，分子继续其在壁之间的直线移 动而不会遇到接近的分子。因此，例如已进入槽的氧分子，一旦它 已达到那里，就通过该槽推进。这种现象还可解释下述已知事实： 分子在更高压力的方向还扩散通过多孔壁。就此而论，容易理解的 是，密封是完全致密或它允许扩散流透过，借助于超压或其他方法 其是难以防止的。为了解决此问题，必须引入其他装置。
在本技术领域中，改变保护气体的流动已被认为是上述问题的 一种解决方案。因此，例如美国专利第4,174,842号、第5,970,083 号、和第5,897,681号，以及日本出版的专利申请第JP 60081039号， 建议增加气体流量。通过这种方式，可以减少氧气在炉内的扩散， 但这种解决方案的特殊问题是，它显著地增加惰性气体的消耗和费 用。事实上，当试验非接触的解决办法时，已使用极高的密封流量 (超过100标准升/分钟，以下缩写为“SLM”)，而整个装置的结构 部分的较小变化却已引起密封的意外故障。在某些情况下，有意地 允许破坏石墨电阻并且以几周间隔对它们进行改变。这已至少用于 拉伸预成型坯，而受污染的预成型坯必须分别进行清洗。
如从以上相关技术的描述所明显看到的，迄今还没有正确地理 解：在用于玻璃预成型坯的感应炉内提供适当流动分布的整个加热 工艺或重要性。另外，这类炉的密封解决办法是基于各种部件的单 个试验分别进行开发。因此，甚至较小变化，例如，预成型坯直径 的变化，将导致在可以对炉进行操作之前需要一系列全新的试验。
变化预成型坯、输送装置、以及基片管的几何形状使得所有基 本类型中的可控制性变得更加困难，如变化厚度、椭圆或弯曲形状、 以及偏离。
在某些情况下，足以保护一种气氛免受在密封/旋转接头另一侧 的气氛的影响。然而，在许多情况下，非常需要将气氛彼此分开， 而此目标也必须通过密封来实现。
如上所解释的，当在加工期间将预成型坯进行旋转时，则加剧 上述困难。

本发明的目的是消除现有技术的缺点并为密封炉提供新的解 决方案，这些炉用于拉拔光导纤维和拉伸玻璃预成型坯以及与制造 光导纤维有关的类似操作。
本发明是基于以下想法而作出：在加热炉中气体杂质的浓度和 送入炉内的惰性气体中的相同杂质的浓度基本上保持在相同水平。 另外，通过在加热炉的入口产生惰性气体的阻挡流，形成扩散阻挡 层以阻止从环境空气流入不需要的气体成分(由扩散力驱动)，所 述阻挡流具有通常与扩散方向相反的流动方向。因此，在根据本发 明的装置中，形成至少一个、优选与炉室的开口一样多扩散阻挡区。 扩散阻挡层将仅允许一定量的杂质透入，其将基本上不会增加炉中 杂质的浓度。这样的增加优选小于10％、尤其是小于5％的浓度， 这是由于在送入炉中的保护气体中存在杂质而致。
基于以上基本概念可以制成双向构造。因此，在用于生产和处 理用于光导纤维的预成型坯的热处理设备中，可以有一个阻挡流， 其防止工艺气体从炉中逸出(扩散)，以及另一个阻挡流，其防止 环境大气气体扩散进入炉内。
具体而言，这种技术解决方案首先由本发明以下述方法实施： 在炉中用拉力对玻璃预成型坯(工件)进行加工以制成预定形状的 玻璃制品，其中，将至少一部分的玻璃预成型坯通过入口引入加热 炉，将一部分引入加热炉的玻璃预成型坯加热到玻璃的软化点以 上，在拉伸方向对玻璃预成型坯的加热部分施加拉力以将预成型坯 加工成预定形状，具有预定形状的经加工的预成型坯部分通过出口 从炉中拉出，以及预成型坯的软化部分和至少部分预成型坯的经加 工部分在炉内利用通过供给口送入炉内的惰性气体进行冲洗。
一般而言，该方法可以应用于玻璃基片的任何热处理工艺，即 通过在至少一个气体导管形成扩散阻挡层，其中热处理装置内的气 体空间与环境大气相互连接以密封导管，从而阻止在通过导管的至 少一个方向的气流。
除以上详细讨论的具体实施例以外，常规方法可以与将工艺气 体送入旋转基片管(用于制备MCVD预成型坯)一起实施。当烧 结经烟炱处理的预成型坯时，该技术解决方案也可以一种密封工艺 气体和环境空气的方式进行。
更具体而言，根据本发明的方法的主要特征在于在权利要求1 和权利要求28的说明部分所陈述的内容。
根据本发明装置的特征在于在权利要求17的说明部分所陈述 的内容。
本发明提供了大量的优点。因此，根据本发明的解决方案可以 用于制造光导纤维，如玻璃坯料(其在下文也称作“预成型坯”) 的MCVD、PVD、拉伸、塌陷、烧结、装套管，用于上述工艺和用 于其组合工艺需要的各种炉以及用于纤维拉拔炉。本发明可用来提 供非接触式密封，可以对保护气体的消耗进行最优化，以及通过本 发明描述的方法准确部件的数目可以减至最少，另外，它能够同时 旋转预成型坯。它可以是单向或双向型并且它可以用于所有温度以 及用所有气体。保护气体可以是惰性或活性的，但它必须适合于特 定情况。本发明结合并组合气体供给系统、炉的洗涤或冲洗流、烟 囱效应、上开口(也称作“上挡板”)、下开口(也称作“下挡板”)、 以及其物理尺寸。
因此，可将整体中一个部分的任何变化的效果进行观察，并且， 相应地，在系统的其他部分或通过改变装置的操作或流动分布或气 体供给点来进行补偿。因此，需要的实际导流循环的数目也可以显 著减少。
根据本发明的解决方案提供了至少以下优点：尤其在石墨炉中 非接触式密封和使用预成型坯旋转的结合。具体而言，本发明将增 加炉的使用寿命或石墨电阻，并且它将减少炉的定期维护。鉴于以 下事实：通过氧化石墨电阻所形成的灰尘和粉末(颗粒)较少，所 以清洁度将增大。重要的是，与目前的技术解决方案相比，保护气 体的消耗将降低。可以按需要改变流动方向并且设备的构造部分可 以变得简单并松散地配合，从而允许标注尺寸大的变化。
另外，本发明将保证杂质转移到对成品更有利的区域，其中杂 质是通过选择烟囱效应、流量分布(借助于传导而实施)、以及保 护气体的供给点而获得。下面披露计算流量数、计算烟囱效应、以 及计算聚集体中流率和方向的各种方法。这些方法可以有效地用于 设计新的设备，其用于在拉伸期间以及在纤维拉拔期间对预成型坯 进行加工。这些方法允许确定气体进料嘴的尺寸。
本发明披露了限定密封流速度的方法，其是用于每个水平的清 洁度的扩散和密封距离所需要的，以及利用上述方法确定聚集体和 流动尺寸的方法。
不仅在静态系统，而且更多地是当涉及旋转、轴向及径向移动 时，利用本发明的气体流量可将两种气体体积彼此分开。

下面，将借助于详细描述并参照附图对本发明进行具体说明。
图1示意性地示出了具有预成型坯及其关键部件的加热炉的侧 视图；
图2示出了用于密封炉的典型现代解决方案的横截面的类似侧 视图；
图3示出了根据本发明实施的密封情况的剖视图；
图4以侧视图示出了扩散阻挡层的推进；
图5示出了在冷炉或在卧式炉中保护气体的流量分布(具有一 个供给点的简单情况；c1、c2、以及c3可以包括多个亚传导)；
图6示出了由烟囱效应引起的气体流量；
图7示出了结合的管流和保护气体流；
图8示出了根据本发明的某些挡板解决方案；
图9示出了根据本发明的优选具体实施例；
图10示出了前图具体实施例的水平剖面；
图11示意性地示出了涉及烟囱效应的基本气流；
图12示意性地示出了用于拉伸预成型坯工艺的中间阶段；
图13示出了预成型坯的输送装置被推进炉内的状态；
图14示出了该工艺的最终状态，其中密封存在于输送装置和 套环之间；
图15以侧视图示意性示出了用于MCVD/PVD基片管的旋转接 头构造的横截面；以及
图16示出了用于烧结炉的接头的类似视图。

如上所述，在根据本发明的解决方案中，通过使用惰性气体流 来形成扩散密封，任何不需要的气体分子含量可以保持在容积(例 如，炉)的外部。根据本发明，可以接受残余物的含量基本上对应 于(例如稍微超过)例如保护气体的杂质水平，以及与扩散相对的 密封流量是通过密封流量进行调整，从而借助于所使用的密封距离 而形成足够的扩散密封。杂质的目标浓度通常小于100ppm，尤其 是约1至90ppm，其可以相应于超过10％、优选5％、或小于在保 护气体中的杂质浓度。
在本发明中所使用的保护气体可以是任何惰性气体，其比空气 更轻或更重。通常使用氮气。氩气更为昂贵，但已发现氩气的消耗 小于氮气，其将至少一定程度上补偿该气体所增加的成本。氩气比 空气具有更高的密度，因而它可以更有效地使烟囱流返料，如下文 所解释的。
也可以采用各种工业气体和气体混合物，如空气，其已除去氧 气。重要的是，密封气体(或气体混合物)并不损害受保护的气体 体积(在MCVD时该气体可以是氧气)。
本发明包括含有聚集体的炉组合装置，其将流量和结构部件进 行设计，以便在传导的比率中考虑到气体的分布，借助于扩散阻挡 层(密封条件)的非接触式密封，在聚集体传导期间可能的流率和 流动方向(由烟囱效应提供)、以及结合上述流量以限定需要的密 封距离。通过选择实际的供给点，也可以在炉内控制扩散阻挡层的 形成。
如下文更详细说明的，下述是特别有利的：以这样的方式设计 装置以使入口、尤其是上开口具有基本上相当于炉管(石墨管)直 径的直径。
实际上，以及如下文更详细分析的，优选的是，在竖式炉中， 下挡板(下入口)比上挡板(更高的传导率)宽。在这种情况下， 上挡板主要限定管流的体积(出口)，以及限定下挡板的密封流以 使它在设定尺寸形成足够密封。在上挡板的密封条件也必须是有效 的，但加入保护气体流的向上成分的管流通常是如此之大以使密封 条件对于充分压缩的构造是有效的。例如，上挡板的槽应在0.1mm 至10mm的预成型坯上，为了使烟囱效应适宜。约0.5mm至100mm 密封距离并具有合理的流量水平对于下挡板似乎是足够的。
本发明的第一个优选具体实施例示于图1，在图1中使用以下 的附图标记：
1，上挡板(upper iris)
2，下挡板(lower iris)
3，预成型坯(preform)，通常朝向端部之一呈锥形，将该端部 向上或向下进行定位，
4，炉室
5a，保护气体的气体入口
5b，保护气体的进气管
5c，保护气体的供给管
6a，炉的气体冲洗流的出口
6b，用于在炉管内供给气体的冲洗气体的管嘴
7，炉管
在根据该图的构造中，该构造也可以定位在其他方向，如水平 方向，炉(或“加热炉”)的管嘴，其用附图标号1、2、5及7加 以标记，已确定尺寸以便在其每一个中形成扩散阻挡流，从而保证 足够的纯度。下文将讨论如何计算扩散阻挡流的速率和需要的阻挡 距离的长度。
实际炉空间由炉加热管7的内部构成，其中将要进行加热的预 成型坯的部件进行定位。炉加热管7通常由石墨制成并且它是通过 电流加热。这种电流包括由感应或由电流耦合所产生的电流。炉加 热管7和炉室4之间的中间空间专供绝缘(保温)材料之用，而在 感应炉的情况下，也供感应圈之用。通常将该炉室4进行水冷却。
保护气体是经过管嘴5a送入炉中，从管嘴5a它被进一步经过 管嘴5b引导到炉内的所需要的位置。该气体也可以通过挡板构造 送入或它可以在几个位置5b、5c等送入，通过一个或多个进料管 嘴5a，气流以预定比率被分开。重要的是，经提纯的保护气体被直 接引导到炉管7，这样从保温材料释放的任何粉尘可以被引导离开 敏感性预成型坯(/或光导纤维)3。通过适当选择保护气体的供给 点，则可以影响在炉管内以及在炉管的不同部分的气流的方向和速 率。人们已经发现，通过适当调节气体的速率和流量，在炉管中心 (热区)的流量可以降低到最低程度或甚至接近零(如果需要如此 的话)。在简化的流动模型中，其在以后介绍，未考虑进料的位置， 但它可以容易地加入其中。
通过在炉内适当分布气体流量，则可以改变气体消耗。优选地， 气体的至少5％的质量流量被向下引导，尤其是至少50％。
在炉外气流可以分成不同的亚流，例如，利用不同的质量流量 调节器。
气体从炉的流出通常是通过允许一部分气体渗漏通过在炉管7 中之间的接头(或通过在炉管中制成的开口)进入中间空间来完成。 这种流量可以通过部分地经过管嘴6a排空中间空间来增强。具体 而言，这种方法用于热加工之前中间空间的冲洗期间，以便从炉中 除去氧气和水分。在加工期间不冲洗中间空间。通过产生不同的流 路可以使冲洗更为有效，例如通过在炉管中制成的管嘴6b以及通 过在没有留下气阱(pocket)(其难以冲洗)的位置安装气体出口管 嘴6a。利用这种构造，在炉内的气流的速率和分布则不依赖于操作 参数。同时，当清楚地限定不同的传导时，可以更容易地发现气流 的正确速率。如果需要的话，可以在出口设置具有一定流率的吸管， 其可以利用质量流量调节器调节到所需要的水平，而气体流路通过 形成在构造中的通路来确定。清洗也可以利用分开的进料嘴来进 行，将该进料嘴直接与间隙相连。
通过这种排列，一方面可以获得中间空间的有效冲洗，另一方 面可以将任何颗粒运送离开预成型坯。该气体也不冷却炉室。
尤为重要的是，除上述通路和管嘴之外，该炉是气密的，从而 不允许氧气渗入炉室。准确地了解通过质量流量调节器送入炉中的 保护气体的流率、及自炉的中间空间排出的冲洗气体的流率(利用 质量流量调节器加以调节)、上挡板和下挡板的流量分布，以及由 而此提供的阻挡流。
在装备有适当工作扩散阻挡层的炉中，损坏炉的石墨部件的氧 气主要来源于载气。因而重要的是，最大程度减少送入炉中的气体 体积并使用清洁和纯的气体用于通过炉室供给。
优选地，经加工的制品包括光导纤维或拉伸的预成型坯，经加 工的制品优选连续地，通常在拉伸期间，以不同的拉拔速度从炉中 拉出。
如从以下优选具体实施例的描述显而易见，上开口可以用石墨 管或石英管制成。后者的优点在于它是惰性的，而前者可以制成牺 牲基片，其在进入炉中以前将与任何氧气起反应。石墨管还允许与 预成型坯表面的某些牵引接触。
密封形成一阻挡区，其基本上呈现气体的层流状态。因此，它 被排列在保护气体的进料嘴上方。如果将管嘴安装在上开口，则优 选向上约10mm以及更大的自由流路。约15mm至1000mm的长 度是可能的。长度是指炉管的中心轴线方向上的长度。阻挡区由玻 璃预成型坯和炉的开口之间的空隙所限定。玻璃预成型坯的外径和 开口的内径之差通常在0.5mm至15mm的范围内。
第二个实施例示于图15，其示出了用于MCVD/PVD车床的旋 转接头构造。在该图中，使用以下附图标记：
51，旋转玻璃管
52，卡盘爪
53，卡盘
54，支架(在卡盘和反应器本体之间)
55，反应器本体的部件
56，阻挡区
57，工艺气体的输送管
58，用于阻挡气体的输送管
59，气体分布环
Dr，对来自反应空间的气体的扩散阻挡层
Dy，对环境气体的扩散阻挡层
在根据本实施例的技术解决方案中，玻璃管51是通过爪52送 入，该玻璃管在阻挡区56的底部是打开的。这些爪靠近并以管为 中心以便在管和阻挡区之间形成共轴狭缝和气体分布环59。在阻挡 区的末端，以这样的方式已形成气流通道以使玻璃管并不阻碍气体 按照箭头所示流动。通过Dy流动的气体被允许离去，例如，通过 爪。当将管道进行排列用以旋转时，仅有的接触点位于卡盘53的 润滑支架54。在部件51和56之间的旋转接头中没有接触。由于部 件56是不旋转的，因此工艺气体进料嘴57可以用正常的管接头进 行装配。这样，所达到的旋转接头的温度仅受限于正常放置在接头 的构造部件上的限制。因而，如果部件56是由石英制成，那么接 头的操作温度可以高达1700℃。
通过输送管58送入形成阻挡层所需要的气体来获得扩散阻挡 层。这种气体可以是这样的气体，其相对于反应是惰性的，或其是 这样的种类以使其浓度的较小波动基本上不影响工艺过程。在到达 气体分布环以后，与附加的Dy和Dr的传导相比其传导率是较宽的， 气体通常沿着环的周边进行分布。从整个周边气体被分成共轴狭缝 Dy和Dr(取决于其比率)。两个狭缝的传导以这样的方式定尺寸以 便在它们中形成阻挡层(根据为它们选择的杂质水平-该水平可以 是，例如，ppm或ppb的数量级)。阻挡状态包括气流，其依赖于 流动通道的尺寸仅允许在阻挡层的“下游”ppm的分子浓度到达气 体分布环。
当检测扩散阻挡层的操作时，应注意到，密封是由两个相互连 接的扩散阻挡层构成的，其在不同的、优选相反的方向起作用。一 个阻挡层在外部对装置进行密封，而另一个在内部对装置进行密 封。可以对阻挡层指定不同的纯度要求，因此，相对于气流的关键 方向对气体消耗进行最优化。通过增加“安全限度”或通过使供给 压力恒定，可以为利用具有任意直径(在预定范围内)的管进行适 当操作而设计阻挡层。可接受的变化越小，则所需要的狭缝越小， 并且为提供阻挡层消耗更少的气体。可替换地，可以降低狭缝的尺 寸或增加流量以增加通过阻挡层的气体的进料压力，从而阻挡层的 操作不再依赖于压力。在管外部和管内部之间的压力差也可以通过 控制狭缝的传导比来进行补偿。可以通过改变狭缝的尺寸(高度、 宽度、以及长度)来进行这种调节。
另外可以使用连接件，一种经过弹性体密封附着于例如玻璃的 金属管，然后将这种金属管安装在部件56内，在这种情况下使用 玻璃管。从而，在相同的构造中实现较小的气体消耗(在51和56 之间的空隙较小)和管道尺寸的较大变化。
第三个实施例示于图16，其描述了烧结炉的部件，包括炉管 61、用于加热的炉62、用于工艺气体的入口63。将预成型坯69从 上面引入炉管而烧结发生在烧结区64。当旋转预成型坯时，在颈部 形成旋转接头。通过管嘴65供给的阻挡气体被分成两个气流67和 68：一个形成对于室内空气的阻挡气体分布环66，而第二个形成对 于工艺气体体积的阻挡气体分布环。将两个气流进行调整以形成保 护阻挡流，从而防止空气到达阻挡气体分布环，而另一方面可防止 工艺气体到达分布环66。这种类型的构造可以用许多不同的方式进 行构造，并且利用吸管代替供给气体到阻挡气体分布环它同样起作 用。一个目的是获得这样一种状况，在其中存在两个相反的气流， 将其进行调节以形成保护扩散阻挡层，如下文更详细描述的。
根据本发明结构的标注尺寸
扩散阻挡层
在图3中，披露了在挡板中的流动方式。类似的阻挡流可以用 于根据本发明的其他外部和内部入口和出口。本发明的目的在于防 止经过入口的所不需要的气体分子流(例如，进入炉中)。标注尺 寸的前提是允许具有可容许量杂质的流入。完全纯净并不是目标。 这样的可接受水平是在惰性保护气体(用于产生阻挡流)中杂质的 浓度或其几分之一(例如，十分之一)。另一方面，阻挡层的效率 也受到可获得的阻挡距离的影响。可以按照开口的横截面和阻挡流 的体积流量来计算阻挡流量。
扩散阻挡条件可以计算如下：
气体挡板设计方程
1)静态介质：
浓度为C(x，t)的一维菲克扩散定律：
$\frac{\partial C(x,t)}{\partial t}=D\frac{{\partial }^{2}C(x,t)}{\partial x^2}$
表示浓度的时间导数等于浓度的二次空间导数乘以常数D。将 常数D定义为材料扩散常数，[D]＝[m2/s]。
假定边界为x＝0，其中负x值在左边而正值在右边。假设恒定 浓度Cs在左边，以及最初(t＝0)零浓度在右边，那么菲克扩散方 程的解应是
C(x，t)＝Cs，x＜0
$C(x,t)=C_s[1-\mathrm{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}\right)],x\ge 0$
这意味着，当观察时间t达到无限时(erf(0)＝0)，整个空间浓 度达到Cs。
2)运动介质：
在气体挡板中，扩散流受到介质的相反流的抑制。继续上述实 施例，介质将从右边流到左边以便平衡扩散流。
用于运动介质的菲克定律在方程的右边具有另外一项，
$\frac{\partial C(x,t)}{\partial t}=D\frac{{\partial }^{2}C(x,t)}{\partial x^2}+v\frac{\partial C(x,t)}{\partial x}$
其中v是介质从右边流到左边的(数量)速率。另外一项的作 用是降低浓度，速度v越大降低越大。值得注意的是，浓度减少到 右边，而C(x，t)的空间导数的符号是负的。
以下形式的近似解函数
$C(x,t)=C_s[1-\mathrm{erf}\left(\frac{x+\mathrm{vt}}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}\right)]$
满足运动介质的菲克方程。
另一个以下形式的与时间无关近似解函数
$C(x,t)=C_s·e^{-\left(\frac{v}{D}\right)x}$
也满足菲克方程。
就奇特性而言，存在又一个解，即
$C(x,t)=C_s·e^{+\left(\frac{v}{D}\right)(x+2\mathrm{vt})}$
然而，当时间t展开时此解达到无限，因此该解因为不合实际 而被排除。
通过叠加上述的近似解函数可以获得一般的近似解函数，
$C(x,t)=C_1\left(t\right)[1-\mathrm{erf}\left(\frac{x+\mathrm{vt}}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}\right)]+C_2\left(t\right)·e^{-\left(\frac{v}{D}\right)x}$
其中
C1(t)+C2(t)＝Cs
该解的时间依赖性取决于误差函数自变量
$\mathrm{Arg}=\frac{x+\mathrm{vt}}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}$
自变量的时间导数是
$\frac{\partial \mathrm{Arg}}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial t}\left(\frac{x+\mathrm{vt}}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}\right)=-\frac{x}{4t\sqrt{\mathrm{Dt}}}+\frac{v}{4\sqrt{\mathrm{Dt}}}$
当时间t满足以下条件时其达到零
$v=\frac{x}{t}$
因而，如果速度v恒定，则总有时间t＝t0的时刻，在任何点x 误差函数自变量具有最大值。随时间继续，自变量将减小直至随着 无穷大t最终达到零。
因而，对于无穷大的t而言，将该解简化成与时间无关的项
$C(x,t=\infty )=C_s{e}^{-\frac{v}{D}x}$
假定长度L的气体挡板，静态条件表示在气体挡板后的浓度为
$C(L,t=\infty )=C_s{e}^{-\frac{v}{D}L}$
因此，挡板的密封效率E是
$E=\frac{C_s}{C(L,t=\infty )}=e^{+\frac{v}{D}L}$
由上式可知，密封效率随着增加介质速度v或挡板长度L而按 指数地提高。
挡板长度L是获自上述指数方程：
$L=\frac{D}{v}\ln \left(\frac{C_s}{C(L,t=\infty )}\right)$
(方程1)
6.2.2保护气流的分布
在图5a中，示出了气体流量(F)在上挡板(C1)、下挡板(C2)、 以及中间空间(C3)的清洗流的传导中的分布。当气体流入相同室 时，可以显示与根据图5b的气流系统相同的特点。在这种类型的 系统中，气体流量是直接以传导比加以分布，其意味着，例如，上 挡板的流量(F1)是：
F1＝F*C1/(C1+C2+C3).     (2)
可以类似方式计算其他流量。
对于其部件的传导率可以按照以下方程进行计算：
C＝K W*H^3/L，其中         (3)
C表示传导率
K是系数
W是狭缝的宽度
H是狭缝的高度
L是狭缝的长度
通过考虑入口和出口的几何尺寸，在每个入口的气流速度可以 容易加以计算并代入在6.2.1段推导的方程(1)。通过比较物理试 样的阻挡长度和由该方程给出的阻挡长度，可以容易确定阻挡流量 是否足够或它是否应加以改变。
从方程(1)还可以看到，通过增加阻挡狭缝的长度可以减少 需要的阻挡流量，即使从方程(3)可以明显看到传导率会增加。 通过降低狭缝的高度，可以增加流率，从而需要更低的阻挡气体的 流率。这影响对第三电位的传导率，方程(3)。
当分析气体流量分布方程(2)时，注意到通过迭代法已进行 了计算，这是因为管嘴(例如挡板)尺寸的变化也将影响其传导并 从而在不同传导期间影响流量分布。另一方面，这会改变通过狭缝 供给的气体的流动速度，并因此还影响需要的阻挡路径的长度。一 种容易的进行迭代计算的方法包括使用表格计算。
烟囱效应
当将炉放置在垂直位置并且当其变热时，在炉管中将产生基于 浮力的烟囱效应。可以计算这种效应，如在下文所说明的(还参照 图10)：
将高度h的管保持在温度T2。环境空气处于温度T1。在管出 口水平(基准水平)的空气压力是p0。在基准水平以下深度h处的 压力与深度h和气体密度ρ线性相关，以使在深度h处的管道外部，
          pout＝p0+ρ1·g·h
其中g＝9.81m/s2是重力加速度常数。在水平h处的管道内部，
          pin＝p0+ρ2·g·h
因此，在水平h的压力差，Δph是
          Δph＝g·h·(ρ1-ρ2)
对于理想气体，密度ρ、温度T、以及压力p通过以下方程联系 在一起
$p=\frac{n_{\mathrm{mol}}}{V}·R·T=\frac{n_{\mathrm{kpl}}}{V}·k·T=\frac{\rho }{M}·k·T=\frac{\rho }{M_{\mathrm{mol}}}·R·T$
对于氩气(Ar)，摩尔量是Mmol(Ar)＝40g/mol，而对于氮气， Mmol(N2)＝28g/mol。对于空气，
Mmol(空气)＝29g/mol。M是气体分子量。
R是摩尔气体常数，R＝8.314510J-mol-1-K-1(＝0.08314510巴dm3 mol-1-K-1)。
k是波耳兹曼常数，k＝1.380658·10-23J/K。R和k是由以下方程 联系在一起
$k=\frac{R}{N_a}$
阿弗伽德罗常数Na，以致
Na＝6.0221367·1023/mol。
因此，理想气体密度[kg/m3]是
$\rho =\frac{p·M_{\mathrm{mol}}}{R·T}=\frac{p·M}{k·T}$
如果气体从温度T1加热到温度T2同时保持压力p恒定，则其 密度相应地降低，
$\begin{array}{c}{\frac{\rho \left(T_2\right)}{\rho \left(T_1\right)}|}_p=\frac{\frac{p·M_{\mathrm{mol}}}{R·T_2}}{\frac{p·M_{\mathrm{mol}}}{R·T_1}}=\frac{T_1}{T_2}\\ \iff \\ \mathrm{\Delta \rho }=\rho \left(T_2\right)-\rho \left(T_1\right)=(\frac{T_1}{T_2}-1)·\rho \left(T_1\right)\end{array}$
在烟囱的底部水平由加热-冷却循环引起的总压力差是通过将 密度差方程代入上述压力差方程而获得，
$\mathrm{\Delta p}=g·h·(\rho \left(T_2\right)-\rho \left(T_1\right))=g·h·(\frac{T_2}{T_1}-1)·\rho \left(T_1\right)$
(方程4)
压力差可以通过将炉的温度以及其尺寸代入方程4来计算。
从方程4应当注意到，如果使用密度大于空气的气体，那么保 护气体的流动方向是向下。因此，气体必须加热到高于约400K的 温度，在该温度烟囱流将变成向上。同时这意味着，在所述温度， 可以减少为用于恢复烟囱流所需要的保护气体的质量流量。
当基于图6的描述对问题进行研究时，可以注意到，压力差力 求提供通过上挡板(C1)的传导以及下挡板(C2)的传导的流动。 在此实施例中，没有考虑炉管的传导，因为据估计它具有这样的数 量以致它不影响在开口形成扩散阻挡层。然而，认为它确实是简单 明了的。烟囱流量可以利用以下方程来计算
1/Ctot＝1/C1+1/C2                      (5)
用于系列传导的累积效应以及
Fh＝Ctot(P1^2-Po^2)                    (6)
对于烟囱流量而言，其中
Ctot是总传导率以及
Fh是烟囱流量
Po是空气压力
P1是空气压力和烟囱效应的总和
因为烟囱效应被引导向上，所以烟囱流必须加入引导通过上挡 板的气流。相应地，它必须从引导通过下挡板的气流中减去，因为 它减弱该气流。这些特征说明于图7。
烟囱流的速率与阻挡流相比通常是显著的，其意味着可以容易 地获得这样的状态，其中在上挡板形成扩散阻挡层。因此，要解决 的问题是如何产生一种状态，其中流率足够地大以在下挡板产生扩 散阻挡层。
可以假设，当更一般地考察该状态时，使所需要的保护气体的 体积流量足以覆盖通过上挡板的烟囱流。除体积以外，当流量根据 方程2分开时，保护气体的进一步流量也应在下挡板足以形成扩散 阻挡层(通过上挡板的流量也增加，如方程2所示)。在这样的情 况下，优选构造在预成型坯(或光导纤维)与开口的内侧之间具有 较大空隙的下挡板以允许更大流量的保护气体，从而向下引导额外 流量的大部分，优选额外流量的至少60％(体积)，尤其是额外流 量的至少70％(体积)。类似地，可以从方程1推导出，减少阻挡 长度和流动狭缝(增加速率)将降低必要的阻挡流的量。当在下挡 板的传导变得太小时(即，当流动的更大部分流向上挡板时)就会 达到限度。同样地，在预成型坯和炉管7之间的狭缝是传导性的， 从而当计算流率和体积时必须考虑到它。通过将供给点从上开口向 下开口转移，传导之间的比率分别是上升和下降，从而降低用于消 除烟囱流的供给速率。因而可以降低气体消耗。
实际上，可以说下挡板的传导率应大于上挡板的传导率。另一 方面，当将约1cm-5cm的阻挡长度排列在下挡板时，与烟囱流相 比，为产生扩散阻挡层所需要的流量确定较小(仅几个SLM)。此 外，在下挡板的空隙可以相当大，其便于设备的操作。当向上进行 拉拔时，这种结构变得特别有利，这是因为它可以为预成型坯留下 充分的空间，其具有不完善的形状以及，例如，在表面上具有弯曲 和撞伤，而拉拔或拉伸细长产品，其具有更准确限定的形状，将在 上挡板通过炉开口，在此，空隙应更小以为适当的扩散阻挡层创造 条件。
作为良好的经验法则，可以提及包括烟囱流+5SLM的流率。 如果必要的话，可以稍微增加供给以为足以满足冲洗中间空间的体 积创造条件。当下开口具有80mm的内径和100mm的长度时，上 述数量级的流量就足够了。此流动体积必须加入烟囱流，依赖于气 体的密度、温度、总传导率、以及炉的长度，其约为5-100SLM。
预成型坯外径和上开口内径之差优选约1-15mm，而在用于 保护气体的进料嘴的上方所形成区的长度-提供层状气流区-约 为10mm至1000mm，优选约15-150mm。
在上述情况中，上挡板起节流阀的作用而通过它的流量是如此 之大以致容易满足扩散阻挡层条件。类似地，在炉的下挡板端，必 须主要注意查看是否满足扩散阻挡层条件。
可将烟囱流量容易地代入惰性气体的分布方程，例如通过表格 计算。可以注意到，变化挡板的尺寸也影响烟囱流量的数量。因此， 一个部分的变化可影响整个气流系统。难以查看这些相反效应，当 在系统中要实施任何变化时，它们总是必须加以计算。
最后，在水平放置的炉(卧式炉)中，无需考虑烟囱效应。在 竖式炉中，它在500℃下是很显著的。
根据本发明的装置已以下述方式用于拉伸预成型坯：
图12示出了过程的中间阶段，图13示出了预成型坯21的输 送装置22在炉23内移动的时期，以及图14示出了过程的末期， 其中密封存在于输送装置22和套环(collar)24之间。使用以下的 附图标号：预成型坯21，输送装置22，炉壁23，套环24，石墨管 25，上扩散阻挡区26，下扩散阻挡区27(在图14：多孔石墨块28， 加热盘管29)。
该装置以通过预成型坯和入口内壁之间的狭缝而形成密封的 方式进行设计。由于预成型坯并不与炉接触，因此它可以进行旋转， 如果需要如此的话。
接近该过程结束时，输送装置向密封区内移动，在此阶段，密 封是由预成型坯的周边和入口内表面之间的狭缝以及套环和入口 内表面之间的狭缝所形成。入口的直径和套环的周边是以这样的方 式确定以致在此阶段在炉上部的密封长度和节流效应并不显著改 变。预成型坯的旋转仍然是可能的。
在过程结束时，套环密封入口而密封开口是由套环和输送装置 之间的狭缝所形成。优选地，此槽以这样的方式成形以致入口的节 流效应在该过程的不同阶段保持不变。预成型坯的旋转仍然是可能 的。如果套环和入口不一定利用密封材料彼此密封，那么可以在它 们之间留下狭缝，其可保证密封流。因此，上密封区的节流效应由 两个平行传导所限定，即套环和输送装置之间以及套环和入口之间 的狭缝。在此处分析的情况中，烟囱效应更强，同时必须适当注意， 提供扩散阻挡层的密封流在炉两端要足够强。
当检验根据图14的拉拔时，人们注意到，可以认为该炉是由5 个连续的传导(c1、c2、c3、c4、以及c5)所构成，其总效应将调 节烟囱流(为了计算总效应可以使用公式5)。因此，例如在炉管和 预成型坯之间的狭缝非常狭窄的情况下，系统的主要传导形成在此 处(甚至在总计时，其他传导小于此传导)，其是整个结构的最主 要的传导。当情况是这样时，入口狭缝的变化将不会像仅通过分析 入口的传导所预期的那样显著地影响炉流的数量。优选地，入口/ 管道的内径和炉管的内径应基本上相同，其便于每个入口的炉效应 的最小化。实际上，当预成型坯的尺寸有变化时，在标准生产以外 这并不总是可达到的。
综上所述，易于理解的是，通过选择气体的入口/供给点可以影 响所需要的气体量。根据图7，气体分成向上引导的气流和向下引 导的气流，其各自的量是由路线的总传导之间的比所确定。向上引 导的气流受到供给点以上的传导的累积传导的限制而向下引导的 气流受到供给点以下的传导的累积传导的限制。总传导可以按照公 式5进行计算。借助这些总传导，可以替换在方程2中由“c1”和 “c2”表示的传导率(在两个出口的情况下，可以省略c3)，从而 可以分别计算向上引导和向下引导的气流。当供给点位置从主要限 制以上变化到主要限制以下时，c1减少而c2增加。换而言之，向 下引导的气流部分增加而向上的量减少。因此，利用更小的流率可 以获得向下引导的气流，其将抵抗向下引导的气流。当以这样的方 式实施该方法以致预成型坯从炉下面送入以及经加工的产品通过 上开口从炉中拉出时，此特点变得特别重要。
在根据本发明的解决方案中，采用了松散的下开口。
实施例
在该实施例中，已计算流量，并具有以下尺寸：
预成型坯直径            80mm
预成型坯长度            1000mm
拉伸的预成型坯直径      42.5mm
输送装置直径            45mm
上开口直径              83mm
上开口长度              100mm
下开口直径              83mm
下开口长度              150mm
套环内径                53mm
套环内部长度            80mm
套环外径                80mm
套环外部长度            50mm
炉管内径                93mm
炉管长度                400mm
使用的工作参数：
惰性气体                氩气(Ar)
温度                    1950℃
利用公式1-6在安全尺寸计算流量值
最容易的方法是首先计算通过炉的烟囱效应，然后计算用于所 使用供给点的气体分布。将下挡板气流所需要的扩散阻挡流量加到 那个流量中。然后将总流量用作惰性气体流量值。
通过利用计算的值：
在上开口下供给的气体                    30SLM
在中心线下150mm供给的气体               15SLM
一般而言，在根据本发明的方法和装置中，处于或低于炉管的 中心线(在炉中温度最高的点)供给一大部分的气体，例如，约 5-100％、尤其是50-100％(按照供给的质量流量进行计算)的气体 是有利的。
该构造运行良好并且没有观察到氧损伤。
当计算传导率时，重要的是要考虑实际采用什么种类的气体 (例如，其密度)以及在上述方程中使用系数来校正温度效应。
在本发明的范围内，可替换的具体实施例也是可能的。因此， 如图8所示，可以沿炉向上或在炉内安装阻挡管或炉管可以起阻挡 管的作用。这些替换方法的结合也是可能的。利用多个阻挡管(其 安装在彼此的内部)进一步可以使装置适应厚度变化。气体供给可 以发生自上入口、下入口、或通过炉中间的管嘴，或作为结合供给， 进入这些供给点的两个或三个。如上所述，可在炉内排列阻挡空间 以便于调节作为预成型坯厚度及其厚度变化的函数的流率和体积。
虽然以上说明书描述了拉伸工艺，但相同的原理可以应用于玻 璃预成型坯的压缩工艺。并且，其中没有使用拉力的工艺也包括在 本发明的范围内。
可以通过供给气体或通过使用吸管获得保护气流，而这些气流 可以排列成相反以彼此分开两个体积。在气流系统可以有若干阻挡 流。该方法可应用于加工管、杆、以及空管。
尤为令人感兴趣的具体实施例包括使用旋转接头，其通过目前 的在MCVD车床中的扩散阻挡原理来完成。通过这种密封方法， 可以减轻或甚至消除与现有旋转接头的漏气和磨损有关的许多问 题。具体而言，当在过程的淀积/生长阶段热和/或侵蚀性气体被送 入车床时，本发明为非接触式密封提供技术上有利的解决方案。