CN111186999B - 一种用于光纤制造的真空拉丝炉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于光纤制造的真空拉丝炉，包括光纤预制棒，拉丝炉腔室外罩，拉丝炉本体、第二真空区外罩、核心加热区外罩、加热线圈以及石墨件；拉丝炉腔室外罩、第二真空区外罩以及拉丝炉本体之间围成第一真空区；第二真空区外罩与拉丝炉本体之间围成第二真空区；核心加热区外罩与拉丝炉本体之间围成核心加热区；光纤预制棒依次穿过拉丝炉腔室外罩、第二真空区和拉丝炉本体，并伸入至拉丝炉内的核心加热区底部，核心加热区底部设有石墨件，石墨件上侧沿光纤预制棒的周向设有一圈加热线圈。本发明结构设计更加优化，没有杂质污染，拉制普通光纤时具有成本较低、光纤参数一致性较好的优势，并且具备拉制复杂结构的光子晶体光纤的能力。
Description
技术领域
本发明涉及光纤制造领域，具体涉及一种用于光纤制造的真空拉丝炉。
背景技术
光纤拉丝是指将一定直径的光纤预制棒通过拉丝设备在线熔融并拉制成一定几何要求的光纤。熔融光纤预制棒的加热设备（通常称为光纤拉丝炉）是光纤拉丝工艺的核心设备之一，该设备可直接影响光纤多个重要技术参数，如几何参数、光纤衰减、光纤强度、偏振模色散等。传统光纤拉丝炉可拉制单模光纤（G.652、G.653、G.654、G.655、G.657等）、多模光纤（OM1、OM2、OM3、OM4等）。
目前光纤行业比较传统的拉丝炉是直流电阻加热炉和中高频交流感应加热炉，其中直流电阻加热炉的工作原理是直流电通过石墨或其他加热体加热，然后通过热传导加热石墨中心管，最后辐射到光纤预制棒，预制棒受热融化最后拉制成玻璃光纤。直流电阻的缺点是受加热体尺寸限制，很难用于大尺寸预制棒拉丝工艺，且加热体寿命较短，热传导过程中热量损失较大，温度场均匀性较差。交流感应加热炉的工作原理是中高频交流电通过金属螺旋线圈，产生交变的感应磁场，石墨或者其他发热体在交变的磁场中产生涡流加热，发热体热量直接辐射到光纤预制棒上，光纤预制棒受热熔化成光纤。中高频交流感应加热炉也存在能耗浪费、需要工艺气体保护石墨件等发热体的缺点。
而对具有微结构的光纤进行光纤拉丝一直以来是行业难题，而上述传统的光纤拉丝炉无法满足苛刻的温度场均匀，因此无法持续拉制出几何尺寸合格的微结构光纤。
发明内容
本发明目的在于针对现有的光纤拉丝炉无法拉制出几何尺寸合格的微结构光纤的问题，提供一种用于光纤制造的真空拉丝炉，该真空拉丝炉分为三层真空压力控制，可拉制除传统光纤外的多种特种光纤，例如具有复杂微结构的光子晶体光纤、稀土掺杂的特种光纤等。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种用于光纤制造的真空拉丝炉，包括光纤预制棒，还包括拉丝炉腔室外罩，拉丝炉本体、第二真空区外罩、核心加热区外罩、加热线圈以及石墨件；
所述的拉丝炉腔室外罩设于拉丝炉本体外侧；所述的第二真空区外罩垂直设于拉丝炉本体的上部，位于拉丝炉腔室外罩与拉丝炉本体之间的区域中；所述的核心加热区外罩设于拉丝炉本体内，沿所述拉丝炉本体的顶部由上至下设置至拉丝炉本体的底部；其中，所述的拉丝炉腔室外罩、第二真空区外罩以及拉丝炉本体之间围成第一真空区；所述的第二真空区外罩与拉丝炉本体之间围成第二真空区；所述的核心加热区外罩与拉丝炉本体之间围成核心加热区；所述的第一真空区，第二真空区以及核心加热区分别外接真空泵，真空泵用于控制各个区域的内部绝对压力；所述的光纤预制棒依次穿过拉丝炉腔室外罩、第二真空区和拉丝炉本体，并伸入至拉丝炉内的核心加热区底部，所述的核心加热区底部设有石墨件，石墨件上侧沿光纤预制棒的周向设有一圈加热线圈，所述的加热线圈通过石墨件对光纤预制棒进行加热。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的光纤预制棒与拉丝炉腔室外罩、第二真空区外罩以及核心加热区外罩之间均设有滑轮密封装置，用于控制第一真空区、第二真空区以及核心加热区的气密性。
上述的第一真空区的绝对压力为0.06~0.2Mpa；所述的第二真空区的绝对压力为0.03~0.06Mpa；所述的核心加热区的绝对压力为0.01~0.04Mpa。
上述的拉丝炉本体底部还设有密封腔，所述的密封腔外接惰性气源，向核心加热区底部的石墨件提供惰性气体。
上述的拉丝炉本体与外接冷源连接，所述的外接冷源能向上拉丝炉本体的外壳泵入冷却水，通过冷却水保持拉丝炉内外温度平衡。
上述的光纤预制棒在拉丝过程中随拉丝炉腔室外罩的移动而上下移动，移动速率为0.1~5mm/min。
上述的光纤预制棒采用光子晶体光纤预制棒，所述光子晶体光纤预制棒底端的外径逐渐减小形成变径区，所述光子晶体光纤预制棒上端内部设有若干贯穿的侧孔；光子晶体光纤预制棒的上端位于核心加热区中，光子晶体光纤预制棒底端的变径区位于石墨件中。
上述的核心加热区的压力相对于光子晶体光纤预制棒内侧孔的压力的比值为0.92~0.98；所述光子晶体光纤预制棒底端的变径区位于石墨件中的加热温度为1900~2050℃。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用的真空拉丝炉分为三层真空压力控制，与传统的拉丝炉相比，核心区温度可达1900-2050℃，绝对压力为0.01~0.04Mpa，真空度的保障可以有效提高温度场的均匀性，同时采用的第一真空区和第二真空区为过渡区，可以根据内侧腔室和外侧腔室的压力变化做出相应改变保证拉丝炉整体真空的稳定性。本发明的真空拉丝炉可拉制除传统光纤外的多种特种光纤，例如具有复杂微结构的光子晶体光纤、稀土掺杂的特种光纤等。
2、本发明所述的真空拉丝炉有效降低了光纤拉丝成本，真空拉丝过程中不使用或者大幅降低He、Ar等贵重惰性气体的使用，且大幅延长了拉丝炉中石墨件、加热线圈的生命周期。
3、本发明的真空拉丝炉结构设计更加优化，没有杂质污染，拉制的光纤具有强度好、衰减更低、圆度更优、几何尺寸一致性好等优点。
附图说明
图1是本发明所述真空拉丝炉示意图。
图2是本发明真空拉丝炉横断俯视图。
图3是本发明拉丝系统控制反馈图。
图4是本发明拉丝系统示意图。
图5是本发明所述的光子晶体光纤预制棒示意图。
图6是图5的横截面示意图。
图中序号，1-光纤预制棒、2-拉丝炉腔室外罩、3-拉丝炉本体、4-第二真空区外罩、5-核心加热区外罩、6-加热线圈、7-石墨件、8-滑轮密封装置、9-密封腔、101-第一真空区、102-第二真空区、103-核心加热区、200-光子晶体光纤预制棒、201-变径区、202-侧孔、302-退火炉、303-裸光纤张力测径仪、304冷却管、305-辅助牵引设备、306-湿对湿涂覆器、307-固化装置、308-外径测径器、309-牵引装置、310-双排收线机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1和图2所示的一种用于光纤制造的真空拉丝炉，包括光纤预制棒1，还包括拉丝炉腔室外罩2，拉丝炉本体3、第二真空区外罩4、核心加热区外罩5、加热线圈6以及石墨件7；所述的拉丝炉腔室外罩2设于拉丝炉本体3外侧；所述的第二真空区外罩4垂直设于拉丝炉本体3的上部，位于拉丝炉腔室外罩2与拉丝炉本体3之间的区域中；所述的核心加热区外罩5设于拉丝炉本体3内，沿所述拉丝炉本体3的顶部由上至下设置至拉丝炉本体3的底部；其中，所述的拉丝炉腔室外罩2、第二真空区外罩4以及拉丝炉本体3之间围成第一真空区101；所述的第二真空区外罩4与拉丝炉本体3之间围成第二真空区102；所述的核心加热区外罩5与拉丝炉本体3之间围成核心加热区103；所述的第一真空区101，第二真空区102以及核心加热区103分别外接真空泵，真空泵用于控制各个区域的内部绝对压力，本实施例中，所述的第一真空区101的绝对压力控制为0.06~0.2Mpa；所述的第二真空区102的绝对压力控制为0.03~0.06Mpa；所述的核心加热区103的绝对压力控制为0.01~0.04Mpa；所述的光纤预制棒1依次穿过拉丝炉腔室外罩2、第二真空区102和拉丝炉本体3，并伸入至拉丝炉内的核心加热区103底部，所述的核心加热区103底部设有石墨件7，石墨件7上侧沿光纤预制棒1的周向设有一圈加热线圈6，所述的加热线圈6通过石墨件7对光纤预制棒1进行加热。
参见图1，本实施例中，所述的光纤预制棒1与拉丝炉腔室外罩2、第二真空区外罩4以及核心加热区外罩5之间均设有滑轮密封装置8，所述的滑轮密封装置8可选用高纯石英玻璃或其他耐高温材料，用于控制第一真空区101、第二真空区102以及核心加热区103的气密性，阻隔分子大量泄露。
参见图1，本实施例中，所述的拉丝炉本体3底部还设有密封腔9，所述的密封腔9外接惰性气源，向核心加热区103底部的石墨件7提供惰性气体，所述的石墨件7下部为多孔状，在工艺需求时进行少量的He和Ar气体补充，拉丝过程中，稀有气体均匀吹向石墨件，确保石墨件与光纤预制棒之间均匀充满稀有气体，维持整个拉丝环节的温场环境。
本实施例中，所述的拉丝炉本体3与外接冷源连接，所述的外接冷源能向上拉丝炉本体3的外壳泵入冷却水，通过冷却水保持拉丝炉内外温度平衡，保持拉丝炉整体在比较低的温度，所述拉丝炉本体3的炉壳为致密精钢材质或者同等材料。
本实施例中，所述的光纤预制棒1在拉丝过程中随拉丝炉腔室外罩2的移动而上下移动，移动速率为0.1~5mm/min。
本实施例中，参见图5和图6，所述的光纤预制棒1可以采用光子晶体光纤预制棒200，光子晶体光纤预制棒200在真空拉丝炉的中心，所述光子晶体光纤预制棒200底端的外径逐渐减小形成变径区201，所述光子晶体光纤预制棒200上端内部设有若干贯穿的侧孔202；光子晶体光纤预制棒200的上端位于核心加热区103中，由核心加热区103中对其进行压力调整，光子晶体光纤预制棒200底端的变径区201位于石墨件7中，通过石墨件对其进行加热，最高加热温度为1900~2050℃。
参见图3和图4，本发明的拉丝炉通过中央集控系统与拉丝系统的各部件信号连接，中央集控系统通过控制真空拉丝炉的温度、压力等参数，和拉丝系统各子系统进行反馈控制拉丝。所述的中央集控系统为现有可以采用PLC控制，由于这里利用了PLC控制系统的现有结构，拉丝炉与中央集控系统以及拉丝系统的各部件的信号传输方式以及控制连接方式等均属于现有技术，因此不做详细描述。所述的拉丝系统除了本发明的真空拉丝炉外，还包括退火炉302，裸光纤张力测径仪303，冷却管304，辅助牵引设备305，湿对湿涂覆器306，固化装置307，外径测径器308，牵引装置309，双排收线机310，气线测径仪和搓扭装置等，在拉制普通光纤预制棒时候，真空拉丝炉仅通过控制拉丝炉的温度和压力调节裸光纤拉丝速度和拉丝张力，在裸光纤、光纤测径仪协同作用下反馈控制得到几何尺寸、截止波长、色散、模场直径等以制备得到符合标准要求的光纤。
本发明的具体使用过程：
以制备具有复杂微结构的光子晶体光纤为例，采用光子晶体光纤预制棒200，将光子晶体光纤预制棒200安装在本发明真空拉丝炉的中心位置，由于光子晶体光纤的复杂结构，需要对其每一个侧孔202进行压力控制，由核心加热区103对其进行协调控制，其中心加热区103的压力相对于预制棒侧孔202孔压力比值约为0.92～0.98，接通真空拉丝炉外接的真空泵，控制第一真空区101、第二真空区102以及核心加热区103的绝对压力分别为0.12Mpa，0.05Mpa和0.02Mpa，石墨件对光子晶体光纤预制棒200底部的变径区进行加热，温度为2000℃，光子晶体光纤预制棒200拉丝过程中，随拉丝炉腔室外罩2的移动而上下移动，移动速率为2.5mm/min，然后通过中央集控系统，与拉丝系统的其他部件共同完成光纤制造过程。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于光纤制造的真空拉丝炉，包括光纤预制棒(1)，其特征在于：还包括拉丝炉腔室外罩(2)，拉丝炉本体(3)、第二真空区外罩(4)、核心加热区外罩(5)、加热线圈(6)以及石墨件(7)；
所述的拉丝炉腔室外罩(2)设于拉丝炉本体(3)外侧；所述的第二真空区外罩(4)垂直设于拉丝炉本体(3)的上部，位于拉丝炉腔室外罩(2)与拉丝炉本体(3)之间的区域中；所述的核心加热区外罩(5)设于拉丝炉本体(3)内，沿所述拉丝炉本体(3)的顶部由上至下设置至拉丝炉本体(3)的底部；其中，所述的拉丝炉腔室外罩(2)、第二真空区外罩(4)以及拉丝炉本体(3)之间围成第一真空区(101)；所述的第二真空区外罩(4)与拉丝炉本体(3)之间围成第二真空区(102)；所述的核心加热区外罩(5)与拉丝炉本体(3)之间围成核心加热区(103)；所述的第一真空区(101)，第二真空区(102)以及核心加热区(103)分别外接真空泵，真空泵用于控制各个区域的内部绝对压力；所述的光纤预制棒(1)依次穿过拉丝炉腔室外罩(2)、第二真空区(102)和拉丝炉本体(3)，并伸入至拉丝炉内的核心加热区(103)底部，所述的核心加热区(103)底部设有石墨件(7)，石墨件(7)上侧沿光纤预制棒(1)的周向设有一圈加热线圈(6)，所述的加热线圈(6)通过石墨件(7)对光纤预制棒(1)进行加热；
所述的光纤预制棒(1)与拉丝炉腔室外罩(2)、第二真空区外罩(4)以及核心加热区外罩(5)之间均设有滑轮密封装置(8)，用于控制第一真空区(101)、第二真空区(102)以及核心加热区(103)的气密性；
所述的拉丝炉本体(3)与外接冷源连接，所述的外接冷源能向上拉丝炉本体(3)的外壳泵入冷却水，通过冷却水保持拉丝炉内外温度平衡。
2.根据权利要求1所述的一种用于光纤制造的真空拉丝炉，其特征在于：所述的第一真空区(101)的绝对压力为0.06～0.2Mpa；所述的第二真空区(102)的绝对压力为0.03～0.06Mpa；所述的核心加热区(103)的绝对压力为0.01～0.04Mpa。
3.根据权利要求1所述的一种用于光纤制造的真空拉丝炉，其特征在于：所述的拉丝炉本体(3)底部还设有密封腔(9)，所述的密封腔(9)外接惰性气源，向核心加热区(103)底部的石墨件(7)提供惰性气体。
4.根据权利要求1所述的一种用于光纤制造的真空拉丝炉，其特征在于：所述的光纤预制棒(1)在拉丝过程中随拉丝炉腔室外罩(2)的移动而上下移动，移动速率为0.1～5mm/min。
5.根据权利要求4所述的一种用于光纤制造的真空拉丝炉，其特征在于：所述的光纤预制棒(1)采用光子晶体光纤预制棒(200)，所述光子晶体光纤预制棒(200)底端的外径逐渐减小形成变径区(201)，所述光子晶体光纤预制棒(200)上端内部设有若干贯穿的侧孔(202)；光子晶体光纤预制棒(200)的上端位于核心加热区(103)中，光子晶体光纤预制棒(200)底端的变径区(201)位于石墨件(7)中。
6.根据权利要求5所述的一种用于光纤制造的真空拉丝炉，其特征在于：所述核心加热区(103)的压力相对于光子晶体光纤预制棒内侧孔(202)的压力的比值为0.92～0.98；所述光子晶体光纤预制棒底端的变径区(201)位于石墨件(7)中的加热温度为1900～2050℃。
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