УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПРОТЯЖНОЙ ПЕЧИ Российский патент 2018 года по МПК C03B37/29 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к уплотнительному устройству протяжной печи.

Уровень техники

Известна печь для нагревания заготовки для производства стекловолокна, в которой указанная заготовка для производства стекловолокна может быть вытянута с получением оптического волокна. Эта известная печь содержит вертикальную внутреннюю центральную трубу печи с нагревателем, охватывающим её снаружи. Заготовку для производства стекловолокна подают в эту печь сверху, и во время нагревания заготовки оптическое стекловолокно может быть вытянуто из размягченного нижнего конца этой заготовки.

В печи может быть использован метод индукционного нагревания с нагреванием, например, графитового нагревательного элемента, или эта печь является резистивной электрической печью. Поскольку графит реагирует с кислородом и с продуктами разложения кварцевого стекла при высоких температурах, для предотвращения окисления необходимо использовать поток инертного газа. Инертный газ или тому подобный, такой как аргон, гелий или азот, подают во внутреннюю центральную трубу.

Заготовка для производства стекловолокна имеет удлиненную часть в виде тела вращения и суживающийся участок на верхнем конце. К верхнему концу присоединен поддерживающий стержень (держатель), который подвешен вместе с заготовкой для стекловолокна. По мере подачи заготовки для производства стекловолокна в печь происходящие изменения диаметра заготовки требуют наличия уплотнительного устройства для предотвращения утечки инертных газов из протяжной печи. Известно размещение элемента в виде гильзы, окружающего снаружи внешний периметр держателя, который закрывает отверстие, имеющееся в уплотнении печи, когда через это отверстие проходит суживающаяся часть заготовки для стекловолокна.

Недостатком известного решения является опасность вхождения в печь упомянутого металлического элемента в виде гильзы, охватывающей держатель, и образования соединения металлического элемента с заготовкой для производства стекловолокна. Кроме того, по мере прохождения суживающейся части заготовки через отверстие в уплотнении форма образованного проточного канала для инертных газов, проходящих из печи вверх, обуславливает возникновение турбулентности в потоке инертных газов, что нарушает процесс нагревания заготовки внутри печи.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в устранении вышеупомянутых недостатков и обеспечении простого и эффективного решения, позволяющего предотвратить вхождение элементов уплотнительного устройства в протяжную печь с образованием их соединения с заготовкой для стекловолокна и уменьшить утечки инертных газов из печи во время подачи указанной заготовки для производства стекловолокна.

Эта задача решается с помощью уплотнительного устройства протяжной печи в соответствии с независимым пунктом 1 формулы изобретения.

Уплотнительное устройство включает в своем составе протяжную печь, содержащую вертикальное центральное отверстие, окруженное нагревательными элементами, предназначенное для размещения заготовки для производства стекловолокна, содержащей суживающийся участок, соединенный с удлиняющий стержнем, и уплотнение, имеющее отверстие и установленное на верхней поверхности печи для уплотнения внутреннего объема печи относительно окружающей среды. Устройство содержит внешнюю цилиндрическую втулку, размещенную на верху протяжной печи и внутреннюю цилиндрическую втулку, содержащую первый и противоположный второй вертикальные концы, при этом внутренняя цилиндрическая втулка может быть установлена так, чтобы охватывать, по меньшей мере, часть суживающегося участка первым концом, размещенным в зоне начала суживающегося участка, а второй конец содержит на внешней поверхности выступающие элементы. Внутренняя втулка вставлена во внешнюю втулку так, что указанная внутренняя втулка и её выступающие элементы установлены внутри внешней втулки незакрепленными (с возможностью перемещения), а выступающие элементы образуют опоры, позволяющие удерживать второй конец внутренней втулки над вертикальным центральным отверстием печи.

Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что исключается опасность вхождения внутренней втулки, охватывающей удлиняющий стержень, в протяжную печь с образованием соединения с заготовкой для стекловолокна. Кроме того, поскольку суживающийся участок заготовки проходит через уплотнение, форма образованного проточного канала для инертных газов, проходящих из печи вверх, остается по существу одинаковой и не приводит к возникновению турбулентности в потоке инертного газа, благодаря чему процесс обработки заготовки внутри протяжной печи не нарушается.

Предпочтительные воплощения изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение будет описано более подробно с помощью предпочтительных воплощений и со ссылками на сопровождающие чертежи.

Фиг. 1 – уплотнительное устройство протяжной печи, показанное во время вытягивания заготовки.

Фиг. 2 - уплотнительное устройство протяжной печи, показанное во время конечной стадии вытягивания заготовки.

На фиг. 1 представлено уплотнительное устройство протяжной печи во время вытягивания заготовки. Печь 1 нагревает заготовку 2 для производства стекловолокна так, что указанная заготовка 2 может быть вытянута с формированием оптического волокна. Заготовку 2 для стекловолокна 2 вводят в вертикальное центральное отверстие 3 печи 1 для вытягивания стекловолокна сверху. Оптическое волокно изготавливают путем вытягивания оптического волокна при одновременном нагревании и плавлении заготовки 2 для производства стекловолокна и путем протягивания волокна через выход на нижнем участке центрального отверстия 3. На фигурах показан только верхний участок протяжной печи 1.

Центральное отверстие 3 охватывается снаружи одним или большим числом нагревательных элементов 4, например, графитовых нагревательных элементов, для нагревания и плавления заготовки для стекловолокна. В центральное отверстие 3 подают инертный газ, например, аргон, гелий или азот с целью предотвращения окисления в протяжной печи 1.

Уплотнение 5, содержащее отверстие, размещено на верхней поверхности протяжной печи 1 для уплотнения внутреннего объема печи относительно окружающей среды. Указанное уплотнение 5 может быть выполнено, например, в виде уплотнительного кольца. Величина внутреннего диаметра уплотнительного кольца соответствует внешнему диаметру заготовки 2 для производства стекловолокна, при этом внешняя часть кольца плотно прилегает к поверхности печи 1 для вытягивания стекловолокна.

Кроме того, уплотнение 5, содержащее отверстие и размещенное на поверхности протяжной печи, может быть выполнено из множества уплотнительных элементов, как это описано в патентном документе EP2664593В1, где эти уплотнительные элементы размещены, в целом, с образованием вокруг центрального отверстия кольцевой конфигурации, и каждый уплотнительный элемент имеет одну уплотнительную поверхность, обращенную к центральному отверстию. В известном уплотнении используется, по меньшей мере, одна камера для размещения участков уплотнительных элементов и входное отверстие для подвода, по меньшей мере, в одну камеру текучей среды для создания избыточного давления, действующего на эти участки уплотнительных элементов, размещенные, по меньшей мере, в одной камере, и для надавливания на уплотнительные поверхности уплотнительных элементов и их перемещения в направлении центрального отверстия. Известное уплотнение, содержащее большое количество уплотнительных элементов, регулируют, не для его функционирования, когда внутренняя втулка входит в зону уплотнения, образованного из большого количества уплотнительных элементов, для защиты уязвимых частей уплотнения.

Заготовка 2 для производства стекловолокна имеет протяженную часть 6 в виде тела вращения и участок 7 заготовки, суживающийся в направлении Y верхнего конца по вертикали. Указанный суживающийся участок соединен с удлиняющим стержнем 8. Указанный удлиняющий стержень 8 выполнен в виде протяженного тела вращения, содержащего на его первом конце 11 цилиндрическое отверстие 9 для размещения в нем держателя 10 заготовки 2 для производства стекловолокна. Держатель 10 заготовки 2 для стекловолокна прикреплен к удлиняющему стержню 8 с помощью крепежного элемента, например, штифта 12. Второй конец 13 выполнен с вертикальным отверстием и одной или большим количеством канавок 15 на внешней поверхности второго конца 13. Второй конец 13 стержня может быть также выполнен в виде сплошной части (без отверстия) и, по меньшей мере, с одной канавкой 15 на внешней поверхности этой сплошной части. Заготовка 2 для стекловолокна подвешена ко второму концу удлиняющего стержня 13 и перемещается вниз по мере вытягивания стекловолокна.

Устройство содержит внешнюю цилиндрическую втулку 16. Внешняя цилиндрическая втулка 16 представляет собой деталь в форме цилиндра. На фигурах внешняя втулка 16 соединена с уплотнением 5, размещенным на верхней поверхности протяжной печи 1. Внешняя втулка 16 может быть также присоединена к печи 1. Можно также присоединить внешнюю втулку 16 к заготовке 2 для производства стекловолокна, и, таким образом, внешняя втулка 16 перемещается вниз в направлении печи 1 вместе с заготовкой 2 для стекловолокна. Внешняя втулка 16 предпочтительно выполнена из кварцевого стекла.

Устройство содержит внутреннюю цилиндрическую втулку 17 с первым 18 и противоположным вторым 19 вертикальными концами. Внутренняя 17 и внешняя втулки установлены коаксиально. Внутренняя цилиндрическая втулка 17 расположена так, что она охватывает снаружи, по меньшей мере, часть суживающегося участка 7. Внутренняя втулка 17 не прикреплена к заготовке 2 для производства стекловолокна, но внутренняя втулка 17 опирается на поверхность указанного сужающегося участка 7. Первый конец внутренней цилиндрической втулки 18 расположен в зоне начала суживающегося участка 7 заготовки 2 для стекловолокна. Кривизна поверхности заготовки 2 для стекловолокна резко изменяется в точке, в которой суживающийся участок 7 начинает вызывать возмущения в инертном газе 20, протекающем вдоль поверхности заготовки 2 для производства стекловолокна в вертикальном центральном отверстии 3. Внутренняя цилиндрическая втулка, поскольку она имеет по существу постоянный внешний диаметр, обеспечивает плавную непрерывную поверхность для потока 20 инертного газа. Внешний диаметр внутренней втулки 17 предпочтительно немного меньше внешнего диаметра заготовки.

Внутренняя кромка 21 первого конца внутренней втулки 18 может быть выполнена скошенной для создания конической поверхности. Угол скоса предпочтительно составляет 5-15°. Скошенная кромка обеспечивает уменьшение утечки 20а инертного газа между внутренней поверхностью первого конца внутренней втулки 18 и внешней поверхностью заготовки 2 для производства стекловолокна, поскольку формы этих поверхностей являются в значительной степени подобными.

Второй конец внутренней втулки 19 расположен в вертикальном направлении Y выше, чем первый конец 18, и он находится ближе к держателю 10, чем первый конец. Второй конец внутренней втулки 19 содержит на внешней поверхности выступающие элементы 22.

Над внутренней втулкой 17 в вертикальном направлении Y устройства размещена промежуточная втулка 23 коаксиально с внутренней втулкой 17. Указанная промежуточная втулка 23 не прикреплена к заготовке 2 для производства стекловолокна, а опирается на внутреннюю втулку 17. Удлиняющий стержень 8 и заготовка 2 для стекловолокна предотвращают сваливание промежуточной втулки 23 вбок. Промежуточная втулка 23 представляет собой деталь в форме цилиндра с выступающими частями, например, с фланцем 24 на её верхнем конце в вертикальном направлении Y. На верхней поверхности промежуточной втулки размещены один или большее количество уплотнительных элементов 25. Указанные уплотнительные элементы 25 представляют собой, например, кольцевые уплотнения. Уплотнительные элементы 25 уменьшают зазор между внутренней поверхностью промежуточной втулки 23 и внешней поверхностью удлиняющего стержня 8.

Часть промежуточной втулки 23, выполненная в виде цилиндра, имеет такие размеры, что она может быть свободно установлена внутри внешней втулки 16. Выступающие элементы, например, фланец 24 имеют размеры, превышающие внутренний диаметр внешней втулки 16, что предотвращает перемещение промежуточной втулки 23 внутрь внешней втулки 16.

При продолжении вытягивания заготовки 2 для производства стекловолокна и приближении заготовки 2 к конечному положению, внутренняя втулка 17 достигает уровня расположения внешней втулки 16 (её нижнего конца). Внутренняя втулка 17 и её выступающие элементы 22 имеют размеры, позволяющие размещать внутреннюю втулку незакрепленной (свободно) внутри внешней втулки 16 .

На фиг. 1, иллюстрирующей стадию вытягивания стекловолокна, первый конец внутренней втулки 18 входит в отверстие уплотнения 5, размещенного на верхней поверхности печи 1. Промежуточная втулка 23 с опорными выступающими элементами 22 располагается поверх внешней втулки 16 этими выступающими частями 22. Промежуточная втулка 23 вместе с уплотнительными элементами 25 уплотняет в вертикальном направлении «y» верхнее отверстие внешней втулки 16. Поскольку верхнее отверстие в вертикальном направлении «y» внешней втулки 16 закрыто, инертный газ 20, проходящий через зазор между заготовкой 2 для стекловолокна и центральным отверстием 3, или инертный газ 20а, проходящий через зазор между заготовкой 2 для стекловолокна и внутренней втулкой 17, не может вытекать в атмосферу и остается внутри внешней втулки 16.

На фиг. 2 показано уплотнительное устройство в процессе вытягивания во время конечной стадии вытягивания заготовки. Второй конец 13 удлиняющего стержня 8 и уплотнительные элементы 25 на фиг. 2 не показаны в целях ясности.

Выступающие элементы 22 образуют опору для поддерживания второго конца внутренней втулки 19 в положении над центральным отверстием 3. Уплотнение 5, которое уплотняет центральное отверстие 3 сверху, образует опорную поверхность для внутренней втулки 17. Кроме того, внешняя втулка 16 может быть выполнена так, чтобы он содержала опорную поверхность для выступающих элементов 22 внутренней втулки 17. На фигурах выступающие элементы 22 представляют собой фланец, охватывающий внешнюю поверхность второго конца 19, выступающего в радиальном направлении «r» внутреннего переходника 17. Выступающие элементы 22, контактирующие с указанной опорной поверхностью, предотвращают прохождение внутренней втулки 17 в протяжную печь 1.

Расстояние h1 между опорной поверхностью, которая поддерживает внутреннюю втулку 17, и нагревательным элементом 4 больше, чем высота h2 внутренней втулки 17. Поскольку внутренняя втулка 17 не проходит в вертикальное центральное отверстие 3 к зоне расположения нагревательного элемента 4, образование её соединения с заготовкой 2 для производства стекловолокна исключается.

Внутренняя втулка 17 может содержать на втором конце 19 элемент 26, уменьшающий проходное сечение, выступающий внутрь в радиальном направлении «r» . Элемент 26, уменьшающий проходное сечение, уменьшает величину незакрытой площади поперечного сечения, создающей гидравлическое сопротивление при прохождении потока инертного газа 20а через зазор между заготовкой 2 для производства стекловолокна и первым концом внутренней втулки 18. Элемент 26, уменьшающий проходное сечение, способствует также центрированию внутренней втулки.

Когда сужающийся участок 7, охватываемый по существу цилиндрической внутренней втулкой 17, проходит через уплотнение 5, форма образованного проходного канала для инертных газов 20, протекающих вверх из печи 1, остается по существу кольцевой. Это уменьшает турбулентность потока 20 инертного газа, и процесс нагревания заготовки 2 для стекловолокна внутри протяжной печи 1 не нарушается.

Специалисту в данной области техники понятно, что по мере совершенствования технологии идея изобретения может быть осуществлена различными путями. Изобретение и его воплощения не ограничены описанными выше примерами, и могут изменяться в пределах объема пунктов формулы изобретения.

Перечень элементов устройства:

1 – протяжная печь,

2 – заготовка для производства стекловолокна,

3 – отверстие,

4 – нагревательный элемент,

5 – уплотнение,

6 – часть тела заготовки,

7 – суживающийся участок,

8 – удлиняющий стержень,

9 – цилиндрическое отверстие,

10 – держатель,

11 – первый конец удлиняющего стержня,

12 – штифт,

13 – второй конец удлиняющего стержня,

14 – центральное отверстие,

15 – канавка,

16 – внешняя втулка,

17 – внутренняя втулка,

18 - первый конец внутренней втулки,

19 – второй конец внутренней втулки,

20,20а – поток инертного газа,

21 – внутренняя кромка,

22 – выступающие элементы,

23 – промежуточная втулка,

24 – фланец,

25 – уплотнительный элемент,

26 – элемент, уменьшающий проходное сечение.

h1 – расстояние,

h2- высота внутренней втулки,

r – радиальное направление,

y – вертикальное направление.

Изобретение относится к уплотнительному устройству протяжной печи для вытягивания стекловолокна. Устройство содержит печь (1) для вытягивания стекловолокна, содержащую центральное вертикальное отверстие (3), вокруг которого размещены нагревательные элементы (4), предназначенные для размещения заготовки (2) для производства стекловолокна, содержащей суживающийся участок (7), соединенный с удлиняющим стержнем (8). На верхней поверхности печи (1) размещено уплотнение (5) с отверстием, предназначенное для уплотнения внутреннего объема печи (1) относительно окружающей среды. Устройство содержит внешнюю цилиндрическую втулку (16), размещенную на верхней поверхности печи (1), и внутреннюю цилиндрическую втулку (17), имеющую первый (18) и противоположный второй вертикальный конец (19). Внутренняя цилиндрическая втулка (17) установлена с возможностью охватывания, по меньшей мере, части суживающегося участка (7) первым концом (18), расположенным в зоне начала указанного суживающегося участка (7), а второй конец (19) содержит на внешней поверхности выступающие элементы (22). При размещении внутренней втулки (17) во внешней втулке (16) внутренняя втулка (17) не закреплена внутри внешней втулки (16), и указанные выступающие элементы (22) образуют опоры для удерживания второго конца внутренней втулки (19) над вертикальным центральным отверстием (3). Уплотнение (5) содержит опорную поверхность для выступающих элементов (22), при этом расстояние h1 между опорной поверхностью и нагревательным элементом больше высоты внутренней втулки h2. Технический результат – исключение вхождения элементов уплотнения в печь и соединения их с заготовкой стекловолокна, а также уменьшение утечки инертных газов из печи во время подачи в неё заготовки. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Уплотнительное устройство протяжной печи, включающее протяжную печь (1), содержащую центральное вертикальное отверстие (3), вокруг которого размещены нагревательные элементы (4), предназначенное для размещения заготовки (2) для производства стекловолокна, в которой имеется суживающийся участок (7), соединенный с удлиняющим стержнем (8), уплотнение (5) с отверстием, расположенное на верхней поверхности протяжной печи (1), предназначенное для уплотнения внутреннего объема протяжной печи (1) относительно окружающей среды, отличающееся тем, что

устройство содержит внешнюю цилиндрическую втулку (16), установленную на верхней поверхности протяжной печи (1), и внутреннюю цилиндрическую втулку (17), имеющую первый (18) и противоположный второй вертикальный конец (19), при этом указанная внутренняя цилиндрическая втулка (17) установлена с возможностью охватывания, по меньшей мере, части суживающегося участка (7) первым концом (18), расположенным в зоне начала указанного суживающегося участка (7), а второй конец (19) содержит на внешней поверхности выступающие элементы (22), при этом при размещении внутренней втулки (17) во внешней втулке (16) внутренняя втулка (17) и её выступающие элементы (22) не закреплены внутри внешней втулки (16), а указанные выступающие элементы (22) образуют опоры для удерживания второго конца внутренней втулки (19) над вертикальным центральным отверстием (3),

уплотнение (5) с отверстием, расположенное на верхней поверхности протяжной печи (1), или внешняя втулка (16) содержит опорную поверхность для выступающих элементов (22), и

расстояние (h1) между опорной поверхностью и нагревательным элементом больше высоты внутренней втулки (h2).

2. Уплотнительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанные выступающие элементы (22) образуют вокруг второго конца (19) фланец, выступающий в радиальном направлении (r) внутренней втулки (17).

3. Уплотнительное устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что содержит промежуточную втулку (23), установленную коаксиально над внутренней втулкой (17).

4. Уплотнительное устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что внешняя втулка (16) присоединена к уплотнению (5).

5. Уплотнительное устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что внешняя втулка (16) присоединена к заготовке (2) для производства стекловолокна.

6. Уплотнительное устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что внутренняя кромка (21) первого конца внутренней втулки (18) выполнена скошенной под углом 5-15^°.

7. Уплотнительное устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что удлиняющий стержень (8) представляет собой удлиненное круглое тело, содержащее на первом конце (11) цилиндрическое отверстие (9) для размещения держателя (10) заготовки (2) для производства стекловолокна.

8. Уплотнительное устройство по п. 7, отличающееся тем, что удлиняющий стержень (8) содержит на втором конце (13) сплошную часть, по меньшей мере, с одной канавкой (15), выполненной на внешней поверхности указанной сплошной части.