CN102863149A - 光纤的拉丝装置及拉丝方法 - Google Patents

光纤的拉丝装置及拉丝方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光纤的拉丝装置和拉丝方法，其即使使炉框体内的气体从炉管下端部形成的间隙向炉管内漏出，也不会使烟灰沿内径方向堆积。在将流入炉管（13）内并朝下流动的惰性气体的体积流量设为Q1，将从炉框体（14）内向炉管内漏出的惰性气体的体积流量设为Q2，将炉管下端的内径设为2D，将炉管（13）和延长管（17）之间的接合部的气体漏出口（19）的出口部分的间隙宽度设为H，将体积流量Q1和Q2各自相对于壁面的剪切力的比设为R时，将接合部的所述气体漏出口的出口部分的间隙宽度H设定为满足“R=（3D2Q2）/（4H2Q1）≤3”。

Description

光纤的拉丝装置及拉丝方法
技术领域
本发明涉及一种光纤的拉丝装置及拉丝方法，其将光纤用的玻璃母材加热熔融并拉丝，从而形成光纤。
背景技术
光纤以下述方式制造，即，使用专用的拉丝炉对光纤用的玻璃母材（下面称为光纤母材）进行加热熔融并拉丝而得到玻璃光纤，在其外表面上形成保护包覆层。在光纤母材的拉丝时使光纤母材插入的炉管使用具有耐热性的碳。并且，在实际进行拉丝时，为了防止玻璃母材、炉管氧化等而向炉管内送入惰性气体。此外，也向收容有对炉管进行加热的加热器或线圈等加热单元的炉框体内送入惰性气体，以用于防止由碳形成的加热器或隔热部件氧化、以及抑制对加热状态进行监视的窗口部产生雾气等。作为上述惰性气体，使用氮气（N2）、氩气（Ar）、氦气（He）等气体。
此外，例如在专利文献1中公开了一种技术，即，在炉管的下端设置圆筒状的分隔壁（也称为下烟筒或延长管），以用于使从光纤母材的下端下垂且被拉丝而形成的处于软化状态的玻璃光纤，在移动至拉丝炉的外侧之前成为使温度降低一定程度而硬化的状态。此外，在专利文献2中公开了一种技术，即，以沿着光纤母材下端的软化形状（缩颈（Neck Down）形状）的方式，使炉管的下端部以锥状缩径，在缩径后的炉管的下方设置延长筒（也称为下烟筒或延长管）。由此，玻璃母材下端部的惰性气体的流动变得稳定，进一步抑制玻璃光纤的外径变动。
专利文献1：日本专利第2787983号公报
专利文献2：日本特开平8-91862号公报
发明内容
由于拉丝炉所使用的惰性气体的使用量会影响光纤的制造成本，因此希望尽可能减少使用量。因此，提出了一种技术，即，将送入炉框体内的惰性气体并不就此排出，而是送入炉管内，以减少炉管内的惰性气体的使用量。此外，在专利文献1、2中公开的炉管和延长管等之间的接合部处存在间隙，因此，存在炉框体侧的气体从该间隙部分向炉管内漏出的情况。
由于炉管和延长管等之间的接合部位于远离加热单元的位置的下方位置，因此温度以一定程度降低。此外，由于在炉管内惰性气体从上方向下方流动，因此，成为在从接合部开始向下方的管内壁上容易粘附烟灰的状态，该烟灰是由熔融后的光纤用母材生成的SiO2等渣滓。如果在该状态下，从炉管的上方流入的炉管内的气流和从炉框体侧沿水平方向流入的气流碰撞，则烟灰并不会均匀地粘附在管内壁上，而是以在炉管内的局部向内径方向凸出的方式堆积烟灰。在该情况下，有可能该堆积的烟灰与玻璃光纤接触而使玻璃光纤的强度降低、或玻璃光纤断线。因此，如上述所示堆积在炉管的管内壁上的烟灰成为导致光纤特性降低的一个原因。
本发明就是鉴于上述实际情况而提出的，其目的在于，提供一种光纤的拉丝装置和拉丝方法，其即使使炉框体内的气体从炉管下端部的与延长管等之间的接合部附近的间隙流入炉管内，也不会使烟灰沿内径方向堆积。
本发明所涉及的光纤拉丝装置及拉丝方法，其将惰性气体独立地向炉管和炉框体内流入，使流入炉框体内的惰性气体从炉管下端部形成的间隙向炉管内漏出，其中，该炉管内部插入光纤用玻璃母材，该炉框体收容有配置在炉管的外部的加热单元及隔热部件。
而且，本发明所涉及的光纤拉丝装置及拉丝方法，在将流入炉管且在所述炉管内向下流动的惰性气体的体积流量设为Q1，将从炉框体内向炉管内漏出的惰性气体的体积流量设为Q2，将炉管的内径设为2D，将炉管下端部的气体漏出口的出口部分的间隙宽度设为H，将体积流量Q1和Q2各自相对于壁面的剪切力的比设为R时，将所述接合部的气体漏出口的出口部分的间隙宽度H设定为满足
“R＝(3D2Q2)/(4H2Q1)≤3”。
另外，优选炉管下端部的内径小于炉管上部的内径。此外，优选气体漏出口的间隙宽度从径向中途至出口部分为止扩宽，此外，从径向中途进行扩宽的位置开始至所述出口部分为止的径向距离L形成为，大于或等于出口部分的间隙宽度H的1/2。此外，也可以在炉管下端部处，炉管与由石英或碳构成的环状部件接合。
发明的效果
根据上述本发明，即使从炉管下端部形成的间隙将炉框体内的气体送入炉管内，也可以抑制烟灰在漏出口以沿内径方向凸出的方式堆积。其结果，在玻璃光纤上不会粘附堆积的烟灰，不会导致光纤的特性降低。
附图说明
图1是概略地说明本发明的实施方式所涉及的光纤拉丝装置具有的光纤拉丝炉的结构的图。
图2是说明在光纤拉丝炉的炉管内的惰性气体的流动的图。
图3A是表示在图2的间隙宽度H改变时的剪切力比R、烟灰的堆积状态等的图。
图3B是对图3A的实例1、2的气流进行模拟的图。
图3C是对图3A的实例3～5的气流进行模拟的图。
图4是说明炉管下端部中的气体漏出口的间隙宽度H和径向距离L所引起的气体的流动的图。
图5是说明光纤拉丝炉中的炉管下部的接合部的实施方式的图。
图6是说明光纤拉丝炉中的炉管下部的接合部的其它实施方式的图。
具体实施方式
参照图1，概略地说明本发明的实施方式所涉及的光纤拉丝装置具有的光纤拉丝炉的结构，参照图2，说明在光纤拉丝炉的炉管内的惰性气体的流动。此外，下面将利用加热器对炉管进行加热的电阻炉作为例子进行说明，但对于向线圈施加高频电源而对炉管进行感应加热的感应炉，也可以应用本发明。在图中，10表示光纤拉丝炉，11表示光纤母材，11a表示光纤母材的下端部，12表示玻璃光纤，13表示炉管，13a表示缩径部，13b表示缩径管部，13c表示炉管下端部，14表示炉框体，15表示加热器，16表示隔热部件，17表示延长管，18表示环状部件，19表示气体漏出口。
如图1所示，在光纤的拉丝中，首先对被吊挂支撑的光纤母材11的下部进行加热。然后，从由于加热熔融而成为缩颈形状的光纤母材11的下端部11a使玻璃光纤12熔融下垂，并以成为规定外径的方式进行拉丝。在该拉丝时所使用的光纤拉丝炉10中，以围绕将光纤母材11插入供给的炉管13的方式配置有加热器15。并且，该加热器15被隔热部件16围绕，以使得所产生的热不会向外部释放，隔热部件16的外侧整体被炉框体14覆盖。
光纤母材11由母材吊挂机构（省略图示）吊挂支撑，随着光纤拉丝的进行，一边控制移动量一边顺序向下方移动。炉框体14由不锈钢等耐腐蚀性优异的金属形成，在中心部配置有后述的圆筒状的炉管13，该炉管由高纯度的碳形成。为了防止炉管13的氧化·劣化，向炉管13内流入氮气、氩气、氦气等惰性气体。该惰性气体通过光纤母材11与炉管13之间的间隙，其大部分从炉管13的下方经由延长管17向外部释放。
此外，同样地，向炉框体14中也流入氮气、氩气、氦气等惰性气体，以防止碳制的加热器15及隔热部件16氧化·劣化。在本实施方式中，流入炉框体14的惰性气体使用与流入炉管13内的惰性气体相同种类的气体，但流量等被分别单独控制。另外，在炉框体14的下方，也被称为下烟筒的延长管17与炉管13的下端部13c连结。
延长管17具有下述功能，即，对加热软化的玻璃光纤12的急速冷却进行缓和，同时使玻璃光纤12以一定程度冷却硬化而抑制外径变动。另外，有时也在延长管17的下端设置闸门等。从制作成本等方面出发，该延长管17与炉管13是可分割地形成的，与炉管的下端通过接合而连结。炉管13与延长管17之间的接合部使用具有耐热性的石英、碳等环状部件18，特别地，如果使用具有电气绝缘性的石英，则可以将炉管13和炉框体14之间进行电气绝缘，因此，可以防止发生大型短路事故。但是，有时也不使用环状部件18，而是将炉管和延长管直接接合。
在任一种情况下，虽然作为该接合部而使用碳衬垫等，但在该接合部处多少存在间隙。
对于上述流入炉框体14的惰性气体，有时设置排出口而直接排出，但由于惰性气体价格高，因此优选尽可能减少使用量。因此，考虑不将炉框体14内的惰性气体直接排出，而是用作为炉管内的气体，或者尽可能将炉框体14进行密封而防止气体向外部泄漏。在本发明的实施方式中，将从炉管13与在其下端连结接合的延长管17之间的上述间隙向炉管13内漏出惰性气体的方式作为对象。
另外，对于炉管13，通过以沿着光纤母材11的下端部11a的缩颈形状的方式设置缩径部13a，从而除了使流动至下方的惰性气体的流动稳定以外，还可以提高加热器15的加热效率。即，通过将与光纤母材11的下端部11a相比处于下方的炉管进行缩径，从而可以阻止向下方辐射的热量，实现能量节省化。
此外，通过将缩径部13a的下方形成与炉管13的上方部分相比直径更细的缩径管部13b，从而可以使惰性气体的流动稳定。但是，通过形成缩径管部13b及与其直径相同的延长管17，使温度下降，从而成为在缩径管部13b及延长管17的内壁上容易粘附由光纤用母材生成的SiO2等渣滓即烟灰的状态。在该烟灰以相同的厚度均匀地粘附在缩径管部13b及延长管17的内壁上的情况下，没有什么特别的问题，但发现下述情况，即，根据从炉管13的上方朝下流动的惰性气体（流量Q1）、和从炉管与延长管之间的接合部的气体漏出口19流入的炉框体14内的惰性气体（流量Q2）之间的关系，产生烟灰S在气体漏出口19附近以从管的内壁沿内径方向凸出的方式堆积的现象。
图2（A）是示意地表示缩径管部13b、延长管17的内壁面、和接合部的气体漏出口19的壁面的图，图2（B）是示意地表示气体流体的流动的图。
在图中，将来自炉管上方的气体流体作为干流，将其粘度设为η、将体积流量设为Q1，将从接合部的气体漏出口19流入的气体流体作为支流，将其粘度设为η、将体积流量设为Q2。并且，将干流的体积流量设为Q1，将该干流相对于壁面产生的剪切力设为τ1、将压力损耗设为P1，将支流的体积流量设为Q2，将该支流相对于壁面产生的剪切力设为τ2、将压力损耗设为P2，将以体积流量Q1流动的干流的管的内径设为2D，将以体积流量Q2流动的支流的环状的气体漏出口19的间隙宽度设为H。
根据粘性流体中的与压力损耗相关的理论公式，干流的体积流量Q1和支流的体积流量Q2各自产生的在流动方向上的压力损耗P1、P2可以表示为
P1=（8ηQ1）/（πD4）
P2=（6ηQ2）/（πDH3）。
而且，根据压力损耗和剪切力之间平衡的算式，干流和支流在各自所接触的壁面上的各自的剪切力τ1和τ2成为
τ1=（DP1）/2=（4ηQ1）/（πD3）
τ2=（HP2）/2=（3ηQ2）/（πDH2），
如果将支流与干流的剪切力的比设为R，则得出
R=τ2/τ1=（3D2Q2）/（4H2Q1）。
图2（B）是表示上述干流的体积流量Q1和支流的体积流量Q2的流动汇合部分处的气流状态的一个例子的图。由于各自的气流所接触的壁面上的剪切力τ1和τ2的作用，气流的状态变化，在上述算式中，如果R＜1，则与支流的剪切力τ2相比，干流侧的剪切力τ1更强，因此，汇合地点处的气体的流动是由干流占据支配地位的。另一方面，如果支流侧的剪切力τ2更强，则如图2（B）的圆内所示，可能成为支流侧的气体的流动向上方隆起的状态。如果成为这种隆起的状态，则在该部分处流动停滞，由此，该部分附近的壁面上烟灰易于堆积。
实际上，在R=1即干流和支流的剪切力平衡的状态下，汇合部的流动成为朝下45度，另外，干流即从炉管上方流过来的气体温度高，此外，有时支流即从炉框体侧流过来的气体并未充分形成，因此，即使R＞1，在汇合部分（炉管与延长管之间的接合部）处，也不会导致支流侧的气体的流动向上方隆起的状态。即，作为R的值，存在烟灰是否堆积的阈值，通过对R的值进行调整，可以抑制烟灰的堆积。
此外，上述剪切力比R也可以通过干流的体积流量Q1和支流的体积流量Q2的变化而改变，但这些值是由拉丝的设备规格确定的，此外，炉管的内径（2D）也是由光纤母材的直径、缩颈的形状等确定的。因此，对于剪切力比R，优选通过改变环状的气体漏出口的间隙宽度H而进行设定。
图3A～图3C是表示对剪切力比R、烟灰的堆积状态和气体的流动等进行验证的结果的图，对实例1～实例5这5个例子进行了验证。
在任一个实例中，都使在图2中说明的炉管的内半径D为45mm、使在炉管内流动的惰性气体的体积流量Q1为20（升/分）、使从炉框体向炉管内流入的体积流量Q2为4（升/分），使体积流量Q2所流入的气体漏出口19的间隙宽度H在1mm～26mm的范围内变化以使剪切力比R变化，并对烟灰的堆积状态和气流的状态进行模拟。
实例1是气体漏出口19的间隙宽度H成为1mm的情况，剪切力比R成为304，如图3B的实例1所示，支流侧的体积流量Q2的流动成为向上方隆起的流动。其结果，烟灰沿内径方向产生堆积，烟灰堆积状态为×。
实例2是气体漏出口19的间隙宽度H成为7mm的情况，剪切力比R成为6.2，如图3B的实例2所示，与实例1相比，由支流侧的体积流量Q2引起的流动变弱，但支流侧的体积流量Q2的流动依然成为向上方隆起的流动。其结果，烟灰沿内径方向产生堆积，烟灰堆积状态为×。
实例3是气体漏出口19的间隙宽度H成为10mm的情况，剪切力比R成为30，如图3C的实例3所示，由支流侧的体积流量Q2引起的流动进一步变弱，由干流侧的体积流量Q1引起的流动占据支配地位，支流侧的体积流量Q2在汇合点处向上方隆起的流动消失。其结果，烟灰没有沿内径方向堆积，烟灰堆积状态为○。
实例4是气体漏出口19的间隙宽度H成为12mm的情况，剪切力比R成为2.1，如图3C的实例4所示，支流侧的体积流量Q2引起的流动与实例3相比进一步变弱，由干流侧的体积流量Q1引起的流动占据支配地位，支流侧的体积流量Q2在汇合点处向上方隆起的流动消失。此外，实例5是气体漏出口的间隙宽度H成为26mm的情况，剪切力比R成为0.45，如图3C的实例5所示，由支流侧的体积流量Q2引起的气流变得非常弱，由干流侧的体积流量Q1引起的流动处于压倒性的地位，支流侧的体积流量Q2在汇合点处向上方隆起的流动完全消失。其结果，在实例4、5中，烟灰都没有沿内径方向堆积，烟灰堆积状态为○。
根据上述验证结果可知，实际上，由于基于剪切力的平衡条件而支流略微比干流强也是可以的，此外，从炉管的上方朝下流动的干流侧的气体温度较高，此外，从炉框体漏出的支流侧的气体有时没有被充分加热，因此，即使剪切力比R≤3，也可以抑制烟灰在作为体积流量Q1和体积流量Q2的汇合点的气体漏出口附近沿内径方向堆积。
另外，在图3A～图3C中，将气体漏出口19的径向距离设为无限长，但如图4所示，在气体漏出口19的出口处的气体流体的流动，经过一定程度的距离L后成为平行的层流。因此，优选气体漏出口19的出口部分19a的间隙宽度H可以确保该距离L。图4所示的气体流体的流动是通过模拟得到的，但可知距离L大于或等于间隙宽度H的1/2就足够。
图5及图6是表示用于确保上述气体漏出口的间隙宽度H的具体例子的图。图5是使用图1所说明的石英或碳等的耐热性环状部件18将炉管13和延长管17接合的方式下的、接合部的剖面形状的例子。在该情况下，气体漏出口19形成在环状部件18和延长管上端部17a之间。图6是将炉管和延长管直接接合的情况，在其接合面处形成气体漏出口19。
图5（A）是将环状部件18的内径设置为与炉管下端部13c及延长管上端部17a的内径相比更大的例子，是使气体的出口部分19a以如下状态形成的例子，即，径向距离为L，间隙宽度H在径向上是均匀形成的。
图5（B）是将环状部件18的内径侧下表面形成为倾斜面的例子，是使气体的出口部分19a以如下状态形成的例子，即，径向距离为L，间隙宽度H随着朝向气体的出口侧逐渐扩大。
图5（C）是将延长管上端部17a的内径侧上表面形成为倾斜面的例子，是使气体的出口部分19a以如下状态形成的例子，即，径向距离为L，间隙宽度H随着朝向气体的出口侧逐渐扩大。
图5（D）是将环状部件18和延长管上端部17a的相对的表面这两者的内径侧削去的例子，是使气体的出口部分19a以如下状态形成的例子，即，径向距离为L，间隙宽度H在径向上是均匀形成的。
图6（A）是将炉管下端部13c和延长管上端部17a的接合面的间隔均匀地扩宽的例子，是使气体的出口部分19a以如下状态形成的例子，即，径向距离L与接合面的凸缘宽度相同，间隙宽度H在径向上是均匀形成的。
图6（B）是将炉管下端部13c和延长管上端部17a的相对的表面这两者的内径侧平坦地削去的例子，是使气体的出口部分19a以如下状态形成的例子，即，径向距离为L，间隙宽度H在径向上是均匀形成的。
图6（C）是将炉管下端部13c的与延长管上端部17a相对的表面的内径侧平坦地削去，且将延长管上端部17a的与炉管下端部13c相对的内径面形成为倾斜面的例子，是使气体的出口部分19a以如下状态形成的例子，即，径向距离为L，间隙宽度H随着朝向气体的出口侧逐渐扩大。
图6（D）是将炉管下端部13c和延长管上端部17a的相对的表面这两者的内径侧形成为倾斜面的例子，是以如下状态形成的例子，即，径向距离为L，间隙宽度H随着朝向气体的出口侧逐渐扩大。

Claims (6)

1.一种光纤的拉丝装置，其将惰性气体独立地向炉管和炉框体内流入，将流入所述炉框体内的惰性气体从所述炉管下端部形成的间隙向所述炉管内漏出，其中，该炉管的内部插入光纤用玻璃母材，该炉框体收容配置于所述炉管的外部的加热单元及隔热部件，
该光纤的拉丝装置的特征在于，
在将流入所述炉管且在所述炉管内朝下流动的惰性气体的体积流量设为Q1，将从所述炉框体内向所述炉管内漏出的惰性气体的体积流量设为Q2，将所述炉管的内径设为2D，将所述炉管下端部的气体漏出口的出口部分的间隙宽度设为H，将所述体积流量Q1和Q2各自相对于壁面的剪切力的比设为R时，将所述气体漏出口的出口部分的间隙宽度H设定为满足
R=（3D2Q2）/（4H2Q1）≤3。
2.根据权利要求1所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，
所述炉管下端部的内径小于所述炉管上部的内径。
3.根据权利要求1或2所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，
所述气体漏出口的间隙宽度从径向中途开始扩宽。
4.根据权利要求3所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，
所述气体漏出口的间隙宽度从径向中途开始至出口部分为止被扩宽，从扩宽的位置至所述出口部分为止的径向距离L形成为，大于或等于所述出口部分的间隙宽度H的1/2。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，
在所述炉管下端部，所述炉管与由石英或碳构成的环状部件接合。
6.一种光纤的拉丝方法，其将惰性气体独立地向炉管和炉框体内流入，将流入所述炉框体内的惰性气体，从所述炉管下端部形成的间隙向所述炉管内漏出，其中，该炉管的内部插入光纤用玻璃母材，该炉框体收容配置于所述炉管的外部的加热单元及隔热部件，
该光纤的拉丝方法的特征在于，
在将流入所述炉管且在所述炉管内朝下流动的惰性气体的体积流量设为Q1，将从所述炉框体内向所述炉管漏出的惰性气体的体积流量设为Q2，将所述炉管的内径设为2D，将所述炉管下端部的气体漏出口的出口部分的间隙宽度设为H，将所述体积流量Q1和Q2各自相对于壁面的剪切力的比设为R时，将所述气体漏出口的出口部分的间隙宽度H设定为满足
R=（3D2Q2）/（4H2Q1）≤3，
从而拉制光纤。
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