CN111902376B - 用于抑制光纤拉制系统中的流动不稳定性的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

炉系统包括限定了炉腔体的马弗炉。下加热器连接到马弗炉并且构造成在炉腔体内产生约1900℃或更高温度的热区。上马弗炉延伸件置于马弗炉上方并且限定了把手腔体。下探把手置于把手腔体内，使得在下探把手的外表面与上马弗炉延伸件的内表面之间限定了间隙。上加热器与上马弗炉延伸件热连接并且构造成对间隙进行加热。气幕置于上马弗炉延伸件中并且构造成向把手腔体中注入加工气体。

Description

用于抑制光纤拉制系统中的流动不稳定性的方法和设备
本申请要求2018年5月1日提交的荷兰专利申请第2020854号的优先权权益，该专利申请要求2018年3月22日提交的美国临时申请系列第62/646,584号的优先权权益，本文以它们的内容作为基础并将其全文通过引用结合入本文。
技术领域
本公开内容一般地涉及光纤拉制系统，更具体地，涉及用于抑制光纤拉制系统中的流动不稳定性的方法和系统。
背景技术
在常规光纤制造工艺的各个阶段中使用氦气。对于一些制造工艺，在光纤拉制炉中需要用惰性气体对炉进行主动吹扫从而防止热组件的空气夹带和氧化的地方消耗了大部分的氦气。氦气是从天然气井作为副产物回收的不可再生资源。由于未来规划的氦气价格增加以及供给短缺对光纤生产造成干扰，从光纤拉制炉对氦气进行回收和/或重复使用可能是有利的。光纤拉制炉的氦气再循环增加了对拉制炉氦气进行收集、清洁和重复使用的操作复杂度。在光纤拉制炉中使用其他惰性气体(例如，氮气和氩气)可能比氦气便宜，但是常常导致不可接受的光纤直径变化。因此，需要提供不在光纤拉制炉中使用氦气的情况下实现能够拉制落在规格内的光纤的方法和设备。
发明内容
根据本公开内容的至少一个实施方式，炉系统包括限定了炉腔体的马弗炉。下加热器连接到马弗炉并且构造成在炉腔体内产生约1900℃或更高温度的热区。上马弗炉延伸件置于马弗炉上方并且限定了把手腔体。下探把手置于把手腔体内，使得在下探把手的外表面与上马弗炉延伸件的内表面之间限定了间隙。上加热器与上马弗炉延伸件热连接并且构造成对间隙进行加热。气幕(gas screen)置于上马弗炉延伸件中并且构造成向把手腔体中注入加工气体。
根据本公开内容的至少一个实施方式，炉系统包括限定了炉腔体的马弗炉。上马弗炉延伸件置于马弗炉上方。气幕(gas screen)置于上马弗炉延伸件中并且构造成注入加工气体。下探把手置于上马弗炉延伸件内，使得在下探把手的外表面与上马弗炉延伸件的内表面之间限定了间隙。从下探把手到上马弗炉延伸件测得的该间隙长度是约4cm或更小。梨晶(boule)连接到下探把手并且构造成支撑光纤预制件。上加热器与上马弗炉延伸件连接并且构造成对间隙进行加热。
根据本公开内容的至少一个实施方式，炉组合件的操作方法包括以下步骤：将下探把手置于上马弗炉延伸件内，使得在下探把手的外表面与上马弗炉延伸件的内表面之间限定了间隙；通过热连接到上马弗炉延伸件的上加热器对上马弗炉延伸件进行加热；以及通过绕着下探把手的气幕注入加工气体。
本领域技术人员通过参考以下说明书、权利要求书和附图能够进一步理解和体会本公开内容的这些和其它特征、优点和目的。
根据第1个方面，提供了一种炉系统，其包括限定了炉腔体的马弗炉。下加热器连接到马弗炉并且构造成在炉腔体内产生约1900℃或更高温度的热区。上马弗炉延伸件置于马弗炉上方并且限定了把手腔体。下探把手置于把手腔体内，使得在下探把手的外表面与上马弗炉延伸件的内表面之间限定了间隙。上加热器与上马弗炉延伸件热连接并且构造成对间隙进行加热。气幕(gas screen)置于上马弗炉延伸件中并且构造成向把手腔体中注入加工气体。
根据第2个方面，提供了方面1的炉系统，其中，加工气体包含约10体积％或更多的氩气。
根据第3个方面，提供了方面1的炉系统，其中，加工气体包含约10体积％或更多的氮气。
根据第4个方面，提供了方面1的炉系统，其中，下探把手还包括梨晶，以及其中，梨晶构造成支撑光纤预制件。
根据一个方面，提供了方面1的炉系统，其中，遮罩(shroud)置于上马弗炉与预制件之间。
根据第5个方面，提供了方面1的炉系统，其中，上加热器构造成将间隙加热至约800℃或更高的温度。
根据第6个方面，提供了方面1的炉系统，其中，从下探把手的外表面到上马弗炉延伸件的内表面测得的间隙长度是约2cm或更小。
根据第7个方面，提供了方面1的炉系统，其中，上加热器热连接在上马弗炉延伸件的入口处。
根据第8个方面，提供了炉系统，其包括限定了炉腔体的马弗炉。上马弗炉延伸件置于马弗炉上方。气幕(gas screen)置于上马弗炉延伸件中并且构造成注入加工气体。下探把手置于上马弗炉延伸件内，使得在下探把手的外表面与上马弗炉延伸件的内表面之间限定了间隙。从下探把手到上马弗炉延伸件测得的该间隙长度是约4cm或更小。下探把手构造成支撑光纤预制件。上加热器与上马弗炉延伸件连接并且构造成对间隙进行加热。
根据第9个方面，提供了方面8的炉系统，其中，马弗炉和上马弗炉延伸件中的至少一个包含碳。
根据第10个方面，提供了方面8的炉系统，其中，从下探把手的外表面到上马弗炉延伸件的内表面测得的间隙长度是约3cm或更小。
根据第11个方面，提供了方面8的炉系统，其中，从下探把手的外表面到上马弗炉延伸件的内表面测得的间隙长度是约2.5cm或更小。
根据第12个方面，提供了方面8的炉系统，其中，从下探把手的外表面到上马弗炉延伸件的内表面测得的间隙长度是约2cm或更小。
根据第13个方面，提供了方面8的炉系统，其中，加工气体包括惰性气体。
根据第14个方面，提供了方面13的炉系统，其中，加工气体包括氮气和氩气中的至少一种。
根据第15个方面，提供了炉组合件的操作方法，其包括以下步骤：将下探把手置于上马弗炉延伸件内，使得在下探把手的外表面与上马弗炉延伸件的内表面之间限定了间隙；通过热连接到上马弗炉延伸件的上加热器对上马弗炉延伸件进行加热；以及通过绕着下探把手的气幕注入加工气体。
根据第16个方面，提供了方面15的方法，其中，注入加工气体的步骤还包括：通过绕着下探把手的气幕注入氮气和氩气中的至少一种。
根据第17个方面，方面15的方法还包括在炉腔体内产生约1900℃或更高温度的热区。
根据第18个方面，方面15的方法还包括从下探把手支撑光纤预制件；以及从光纤预制件拉制光纤。
根据第19个方面，提供了方面15的方法，其中，对上马弗炉延伸件进行加热的步骤还包括将间隙加热至800℃至约1100℃的温度范围的步骤。
根据第20个方面，提供了方面15的方法，其中，将下探把手置于上马弗炉延伸件内的步骤还包括限定了间隙，使得在下探把手的外表面与上马弗炉延伸件的内表面之间的间隙的长度是约0.5cm至约2.5cm。
本文所述的每个方面和实施方式可以相互以各种方式组合。
附图说明
在附图中：
图1的示意图显示根据至少一个例子的炉组合件；
图2是根据一个实施方式，沿图1的区段II截取的放大图；
图3是根据至少一个例子的用于执行方法的流程图；
图4A是第一比较例的流路径图；
图4B是第一比较例的顶点平均静压力与流时间的关系图；
图4C是第一比较例的质量流速与流时间的关系图；
图4D是第一比较例的顶点平均温度与流时间的关系图；
图5A是第一实施例的流路径图；
图5B是第一实施例的顶点平均温度与流时间的关系图；
图6A是第二比较例的流路径图；
图6B是第二比较例的顶点平均静压力与流时间的关系图；
图6C是第二比较例的质量流速与流时间的关系图；
图6D是第二比较例的顶点平均温度与流时间的关系图；
图7A是第二实施例的流路径图；
图7B是第二实施例的顶点平均静压力与流时间的关系图；
图7C是第二实施例的质量流速与流时间的关系图；以及
图7D是第二实施例的顶点平均温度与流时间的关系图。
图8A是在150℃时的氩气的动粘度的平方与氦气的动粘度平方之比与温度的关系图。
图8B显示当用Ar取代He时，为了维持恒定的Gr数所必需降低的特性长度量。
图9显示对于使用不同气体情况的纤维直径。
具体实施方式
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言由所述内容就容易理解，或按下面的描述和权利要求书以及附图所述实施本发明而被认识。
如本文所用，术语“和/或”当用于列举两个或更多个项目时，表示所列项目中的任意一个可以单独采用，或者可以采用所列项目中的两个或更多个的任意组合。例如，如果描述组合物含有组分A、B和/或C，则组合物可只含有A；只含有B；只含有C；含有A和B的组合；含有A和C的组合；含有B和C的组合；或含有A、B和C的组合。
在本文件中，关系术语，例如第一和第二、顶部和底部等，仅仅用于将一个实体或行为与另一个实体或行为区分开来，没有必然要求或暗示此类实体或行为之间的任何实际的此类关系或顺序。
参见图1和2，示意性显示炉系统10。炉系统10包括在其中限定了炉腔体18的马弗炉14。下加热器22连接到马弗炉14并且构造成在炉腔体18中产生热区26。上马弗炉延伸件30置于炉系统10中并且在马弗炉14的上方。上马弗炉延伸件30在其中限定了把手腔体34。气幕38置于上马弗炉延伸件30中并且构造成向把手腔体34中注入加工气体。下探把手42置于上马弗炉延伸件30内，使得在下探把手42的外表面42A与上马弗炉延伸件30的内表面30A之间限定了间隙46。下探把手42构造成支撑光纤预制件54。下探把手42任选地包括支撑了光纤预制件54的梨晶50。上加热器58与上马弗炉延伸件30热连接从而对间隙46进行加热。
马弗炉14和/或上马弗炉延伸件30可以包含耐火材料，例如石墨、氧化锆、粘合剂和/或其组合。由此，马弗炉和上马弗炉延伸件中的一个或多个可以包含碳。马弗炉14和上马弗炉延伸件30可以构造成在炉系统10中保留热量以及保护其他组件免受过度温度的影响。虽然马弗炉14和/或上马弗炉延伸件30的材料通常可以是良好的隔热物，但是可能在提升的温度下发生氧化。由此，可以向炉组合件10中插入或注入一种或多种加工气体，从而防止马弗炉14和/或上马弗炉延伸件30的氧化。虽然描述成分开的结构，但是会理解的是，马弗炉14与上马弗炉延伸件30可以是单个组件或者包含不止两个组件。马弗炉14和/或上马弗炉延伸件30可以具有基本均匀的内直径，或者内直径可以整个是恒定的。此外，马弗炉14和上马弗炉延伸件30可以相互具有不同的内直径。
下加热器22热连接到马弗炉14并且构造成在炉系统10中产生热区26。具体来说，在炉腔体18中产生热区。热区26可以具有约1800℃至约2000℃的温度。由此，热区26的温度可以相对于炉腔体18和/或把手腔体34的其余部分是升高的。例如，热区26的温度可以是约1700℃、1800℃、1900℃或约2000℃，或者这些值中的任意两个作为端点的任意范围。在一些例子中，热区26的温度可以是约1900℃或更高。如下文将更详细解释的那样，热区26的热量足以降低光纤预制件54的粘度。
上马弗炉延伸件30连接到马弗炉14。上马弗炉延伸件30可以是在其中限定了把手腔体34的环形结构。把手腔体34对于炉腔体18是流体连接且开放的。由此，把手腔体34内的气体可以穿过进入或者流动进入炉腔体18中。把手腔体34的尺寸和位置使得接收了下探把手42。在气幕38与下探把手42之间放置了密封件60，使得气体不可用从把手腔体34往上逃逸。下探把手42可以是空心或者实心的。下探把手42可以具有约6cm至约15cm、或者约7cm至约13cm、或者约8cm至约12cm的外直径。下探把手42连接到马达，这实现了把手42移动进出上马弗炉延伸件30的把手腔体34。如下文将更详细解释的那样，下探把手42可以移动穿过上马弗炉延伸件30，使得随着光纤预制件54的消耗，把手42可以连续地移动光纤预制件54进入热区26中。梨晶50连接到下探把手42的向下端或者远端。梨晶50是下探把手42的组件。根据各种例子，梨晶50构造成支撑光纤预制件54。根据各种例子，梨晶50的外直径可以与下探把手42基本相似。换言之，梨晶50的外表面可以与下探把手42的外表面42A基本齐平。由于梨晶50具有与下探把手42基本相同的外直径，随着梨晶50移动穿过上马弗炉延伸件30，间隙46可以保持基本恒定。在图2所示的实施方式中，梨晶50是焊接到把手42的玻璃片。梨晶50包括附连了光纤预制件54的槽。但是，可以使用任意合适的构造来将光纤预制件54附连到下探把手42，并且可以存在或者不存在梨晶50。随着下探把手42移动进出把手腔体34，梨晶50和光纤预制件54移动穿过把手腔体34并进入炉腔体18。在附连到下探把手42的光纤预制件45的直径小于下探把手42或梨晶50的情况下，可以使用围绕了54的遮罩54A来减小附连物与上马弗炉延伸件30之间的间隙。遮罩54A可以附连到下探把手42、梨晶50或者预制件。
光纤预制件54可以由任何玻璃或材料构成，并且可以进行适合光纤制造的掺杂。根据各种例子，光纤预制件54可以包括纤芯和包层。随着光纤预制件54抵达热区26，光纤预制件54的粘度下降，使得可以由此拉制光纤62。从光纤预制件54的拉制根部62A拉制光纤62。拉制根部62A靠近热区26。随着光纤62的生产消耗光纤预制件54，下探把手42可以持续地下降从而使得光纤预制件54的新的部分暴露于热区26。通过炉组合件10的底部由光纤预制件54拉制光纤62，并且可以将其卷绕到轴上。
上加热器58热连接到上马弗炉延伸件30。出于本公开内容的目的，术语“热连接”指的是上加热器58放置在构造成对间隙46进行加热的位置。上加热器58可以连接的不同地方包括靠近上马弗炉延伸件30的入口处和/或包括沿着上马弗炉延伸件30的轴向尺度的其他位置。在一些例子中，上加热器58可以在上马弗炉延伸件30的一部分的轴向尺度、大部分的轴向尺度或者基本整个轴向尺度上延伸。由此，上加热器88置于炉腔体18的热区26的上方。上加热器58可以绕着上马弗炉延伸件30的一部分的周界、大部分的周界或者基本上整个周界延伸。在常规光纤拉制应用中，由于来自热区的对流和传导，可以对上马弗炉进行被动加热。根据本公开内容，通过上加热器58对上马弗炉延伸件30进行主动加热。换言之，上加热器58构造成对把手腔体34以及存在于下探状态的上马弗炉延伸件30之间的间隙46进行加热，从而热区26上方的炉系统10得到主动加热。上加热器58构造成将把手腔体34和/或间隙46加热至如下温度范围：约600℃至约1800℃、或者约700℃至约1500℃、或者约800℃至约1100℃。例如，上加热器58构造成将间隙46加热至约800℃或更高的温度。在传统光纤拉制设计中，基于来自炉中位置靠下的加热器的向上热对流，上腔体仅达到约150℃至约250℃或者约200℃至约250℃的温度。如下文将更详细解释的那样，通过上加热器58对上马弗炉延伸件30、把手腔体34和/或间隙46进行主动加热，可以防止由于炉系统10的上部体积中的温度和密度层化导致产生流不稳定性。
如上文所解释的那样，下探把手42置于上马弗炉延伸件30内，使得在下探把手42的外表面42A与上马弗炉延伸件30的内表面30A之间限定了间隙46。会理解的是，随着梨晶50移动穿过上马弗炉延伸件30，还可能在梨晶50与上马弗炉延伸件30之间进一步限定间隙46。从下探把手42的外表面42A到上马弗炉延伸件30的内表面30A测得的间隙46的长度是：约4cm或更小、约3.5cm或更小、约3cm或更小、约2.5cm或更小、约2cm或更小、约1.5cm或更小、约1cm或更小、或者约0.5cm或更小。绕着下探把手42的周界，间隙46的长度可以是基本均匀的或者可以是变化的。除非另有规定，否则在绕着下探把手42的周界的间隙46是不均匀的例子中，所测量的间隙46的长度是间隙46的最小距离。此外，在下探把手42和/或上马弗炉延伸件30的轴向尺度上，间隙46的长度可以是恒定的或者是变化的。在其他例子中，间隙46的长度可以以依赖于时间的方式发生变化。例如，随着光纤预制件54的消耗以及下探把手42移动穿过上马弗炉延伸件30，间隙46的长度可以发生变化。虽然通常可以将间隙46的“长度”认为是“宽度”，但是本文将其称作“长度”从而与格拉晓夫(Grashhof)等式中使用的术语长度相一致。
气幕38放置在上马弗炉延伸件30内或者连接到上马弗炉延伸件30。气幕38构造成将一种或多种加工气体注入、释放进入或者任意其他方式插入把手腔体34中。气幕38包括至少一个开口(图2中未示出)，通过其将加工气体注入间隙46中。气幕38可以包括构造成注入加工气体的单个入口端口、多个入口端口和/或连续或半连续开口。会理解的是，气幕38可以包括构造成修改加工气体的流动特性的一个或多个格栅。可以在单个位置或者在多个位置注入加工气体。加工气体可以移动进入把手腔体34，到达炉腔体18，围绕光纤预制件54，以及离开炉系统10。加工气体可以包括对于上马弗炉延伸件30、马弗炉14、光纤预制件54和/或炉系统10的其他组件惰性的一种或多种气体。例如，加工气体可以包括氦气、氩气、氮气和/或其他惰性气体。加工气体可以包括氮气和氩气中的至少一种。加工气体的惰性例子对于防止炉组合件10的组件发生氧化和/或破损可能是有利的。加工气体可以含有约1体积％至约100体积％的氩气。在具体例子中，加工气体可以含有约10体积％或更多的氩气。加工气体可以含有约1体积％至约100体积％的氮气。在具体例子中，加工气体可以含有约10体积％或更多的氮气。会理解的是，加工气体可以包含一种或多种不同气体。气幕38可以以约5标准升每分钟(SLPM)至约40SLPM的速率注入加工气体。在具体例子中，气幕38可以以如下流速注入加工气体：约为18SLPM、19SLPM、20SLPM、21SLPM、22SLPM、23SLPM、24SLPM，或者这些值中的任意两个作为端点的任意范围。如下文将更详细解释的那样，加工气体的动粘度可能对从光纤预制件54拉制的光纤62的直径产生影响。由此，所使用的加工气体的选择可以取决于炉系统10的各种参数，例如间隙46的长度。在1atm压力和20℃温度下，氦气的动粘度可以是约1.180cm2/s。在1atm压力和20℃温度下，氮气的动粘度可以是约0.151cm2/s。在1atm压力和20℃温度下，氩气的动粘度可以是约0.134cm2/s。
所使用的加工气体的类型以及下加热器22所产生的对流作用力可能在加工气体中产生流动不稳定性，导致从光纤预制件54拉制的光纤62的不均匀直径。流动不稳定性可能是由于把手腔体34中的密度层化所导致的(例如，来自被下加热器22加热的加工气体)的天然对流流动与通过气幕38注入把手腔体34中的加工气体之间的相互作用所引起的。在把手腔体34中产生的流动不稳定性向下传播到炉腔体18并且影响了加工气体与位于马弗炉14的热区26中的光纤预制件54的拉制根部62A之间的热传输。流动不稳定性可能受到温度变化、压力变化和质量流变化的影响。温度、压力和质量流变化传递到拉制根部62A，这导致光纤预制件54的粘度变化。最终，温度、压力和质量流变化导致拉制根部62A的加热和冷却的波动，这最终导致从光纤预制件54拉制的光纤62的直径波动(例如，由于从光纤预制件54拉出的材料量发生变化而导致这种情况)。可以将加工气体的流动不稳定性或者紊流量化为格拉晓夫(Gr)数。从物理上来说，可以将Gr数解读为气体系统的浮力与粘性力之比。当浮力变得明显大于粘性力时，流动变得不稳定并且是临时性变化的。格拉晓夫数以数值方式表述为如下等式(1)：
Figure BDA0002694531190000091
式中，g是重力加速度，β是加工气体的热膨胀系数，Lc是特性长度(例如，间隙46的长度)，ΔT是温差(例如，靠近光纤预制件54的拉制根部62A和气幕38测量)，以及v是加工气体的动粘度。常规光纤拉制炉采用氦气，因为氦气具有高的动粘度。从等式(1)可以看出，高的加工气体动粘度可以导致较低的格拉晓夫数，这导致较低的天然对流流动。从物理上进行解读，较高的动粘度加工气体抵抗了对流流动。换言之，加工气体的动粘度越高，加工气体所提供的对于对流流动的抗性越大。当抵抗了对流流动时，加工气体可以从把手腔体34均匀地流入炉腔体18中。当存在对流流动时，加工气体可能倾向于发生向多室(multicellular)式样的转变，其在炉系统10中向上偏移，这导致加工气体的温度、压力和质量流变化的缓冲或者重复产生。此外，可以通过调节特性长度(例如，间隙46的长度)和/或(通过使用上加热器58)调节温差以降低格拉晓夫数以促进加工气体的稳定流动，使得可以将炉系统10调节至使用特定气体，从而降低光纤直径变化。这种调节可以实现使用除了氦气之外的加工气体，同时仍然得到所需的低格拉晓夫数和稳定流动。
参见图8A和8B，显示了温度对于动粘度的影响以及炉间隙对于对流流动抗性的影响。图8A是在150℃时(上马弗炉中的正常气体温度)氩气的动粘度的平方与氦气的动粘度的平方之比与氩气的温度的函数关系。在比值为1时，这两个因素是相等的，即对于给定炉构造，氩气的对流流动抗性与氦气相同。图8A显示温度为800℃时的情况。参见图8B，显示了炉间隙的影响。这类似于图8A所示的依赖性情况图。其显示当用Ar代替He时必须减小间隙量以维持恒定Gr数(没有增加马弗炉温度)。需要70倍的1/(间隙)3的增加，因为在150℃时，ν2(He)/ν2(Ar)＝70。
现参见图3，显示了炉系统10的操作方法70。方法70的开始可以是步骤74，将下探把手42放在上马弗炉延伸件30中，从而在下探把手42与上马弗炉延伸件30之间限定了间隙46。如上文所解释的那样，下探把手42和/或梨晶50构造成插入和移出上马弗炉延伸件30和/或马弗炉14，从而可以将光纤预制件54置于炉组合件10的热区26中。由此，由下探把手42支撑光纤预制件54。下加热器22可以在炉腔体18中产生热区26，热区26的温度是约1900℃或更高。在下探把手42(包括梨晶50)与上马弗炉延伸件30的内表面之间存在间隙46。如上文所解释的那样，可以将间隙46限定为在下探把手42/梨晶50与上马弗炉延伸件30之间具有约0.5cm至约2.5cm的长度。
接着，进行步骤78，通过连接到上马弗炉延伸件30的上加热器58对上马弗炉延伸件30进行加热。上马弗炉延伸件30的加热将间隙46加热到约800℃至约1100℃的温度范围。通过加热间隙46和/或上马弗炉延伸件30的把手腔体34，可以降低间隙46与热区26之间的温差。如上文所解释的那样，对间隙46进行加热以及调节间隙46的长度，可以减小或消除加工气体中的紊流。
接着，进行步骤82，通过绕着下探把手42的气幕38注入加工气体。如上文所解释的那样，通过绕着下探把手42的气幕38注入的加工气体可以包括氮气、氩气、其他惰性气体和/或其组合。例如，步骤82可以包括通过气幕38注入氮气和氩气中的至少一种。
最后，进行步骤86，从光纤预制件54拉制光纤62。由于通过上加热器58加热了间隙46，光纤62可以展现出基本均匀的直径。虽然采用诸如“接着”之类的在一定程度上表达了顺序的语言对一些步骤进行描述，但是要理解的是，在本文所述的方法中，步骤可以连续且同时地发生。例如，马弗炉的加热(步骤78)、气体的流动(步骤82)以及光纤的拉制(步骤86)全部都是在同一时间。
使用本文所公开的炉系统10可以提供各种优点。首选，本公开内容可以实现在炉系统10中消除氦气。例如，通过调节间隙46的长度和/或通过使用上加热器58，可以在使用具有较低动粘度的惰性气体(例如，氮气、氩气等)的同时消除由于多室对流路径所产生的流动不稳定性，从而消除了对于氦气的使用需求，同时还维持了合适的光纤直径规格。此类特征对于降低与氦气相关的生产成本可能是有利的。此外，还可以消除涉及氦气供给不稳定性相关的生产停工时间。第二，通过消除对于氦气的使用，可以消除对于氦气回收系统的使用(其通常可能导致光纤62上的缺陷和/或光纤破裂)。此类特征对于增加从光纤预制件54拉制得到的光纤62的可用长度可能是有利的。第三，通过使得梨晶50与下探把手42的余下部分是齐平的，从而当下探把手42和光纤预制件54插入把手腔体34中的时候间隙46保持基本恒定，这可以降低光纤62的直径的蜂窝(beehive)效应。蜂窝效应是随着下探把手42插入到常规光纤拉制塔的上马弗炉延伸件30中的时候，梨晶50与上马弗炉延伸件30之间的间距剧烈变化从而光纤62的直径发生宽范围的变化的趋势。第四，结合上加热器58和调节间隙46的长度在机械上来说具有简单设计，这实现了以简单和便捷的方式有效地控制以炉系统10拉制的光纤62的直径，同时还允许使用较为便宜的惰性气体。
实施例
现参见图4A至7D，显示的是炉组合件(例如，炉系统10)中的气体流动与传热的计算机流体动力学(CFD)模拟。采用历史观察基于现有生产配制，对CFD模拟验证它们的有效性。
现参见图4A-4D，显示的是第一比较例的CFD模型。在比较例1中，沿着炉80(例如，类似于炉系统10)的轴向尺度存在温度变化，炉80的热区(例如，类似于热区26)的温度是约2100℃，以及上部分84(例如，类似于把手腔体34和/或间隙46)的温度要低得多，约200℃。把手88(例如，类似于下探把手42)的外直径是约7.62cm，以及上马弗炉92(例如，类似于上马弗炉延伸件30)具有较大的内直径，使得把手88与上马弗炉92之间的间距96(例如，类似于间隙46)大于约4cm。从图4A的流动路径可以看出，在把手88与上马弗炉92之间的间距96中的上炉体积中建立起了孔状(cellular)流动式样。流动式样主要由大的对流孔室构成，其以与重力相反的方式向上偏移(例如，由于对流所导致)并且与从气体入口(例如，气幕38)计量进入炉的相反受力的气体流(例如，加工气体)发生相互作用。用于比较例1的气体流动的气体是100％氦气。流动路径的闭合线显示了再循环流动式样。模型显示，由于上文所述的这两种相反流动之间的相互作用，整体流动变得不稳定，这导致诸如气体温度、压力和质量流速之类的流动参数随时间发生波动。不稳定流是周期性的，明显峰频率是0.63Hz。模型结果与制造观察相一致(即，对于大的把手，光纤直径控制在规格内；而对于小的把手，直径变化落在规格外)。对于产生的旋涡，从图4B-D可以看出，在光纤根部的区域(例如，拉制根部62A)中，撞击到预制件(例如，光纤预制件54)上的气流的静压力、质量流速和温度随时间快速波动。如上文所解释的那样，压力、流速和温度的快速波动可能影响由预制件拉制得到的光纤的最终直径。
现参见图5A和5B，显示的是本公开内容的第一实施例。在实施例1中，炉80的状态与比较例1相同，但是把手88的外直径是约12.37cm，以及上马弗炉92具有小的内直径，从而使得把手88与上马弗炉92之间的间距96是约4cm或更小。从图5A看出，当具有小的间距96时，来自气幕入口的气体流动主要向下，仅在气体入口处附近由于垂直于上马弗炉92进入炉80的气体导致形成两个小的再循环旋涡。如图5B所示，在光纤根部(例如，对光纤62进行拉制的预制件54的拉制根部62A)的区域中，撞击到预制件上的气体的温度随时间是非常稳定的。如上文所解释的那样，稳定的温度导致稳定的热传递，这产生了具有一致直径的光纤。
现参见图6A-6D，除了用氩气代替了氦气之外，显示的比较例2具有与比较例1相同的工艺参数。从附图可以看出，用氩气替代氦气导致在炉80的上部分84中建立起了多室对流。此外，流动不稳定性的特性从比较例1的周期性变化为比较例2的不规则性或者混乱无序。例如，当炉气体是100％氦气时，不稳定流动是明显峰频率为0.63Hz的周期性，而当拉制炉气体是100％氩气时，波动不具有频率。如上文所解释的那样，相对于氦气而言，氩气较低的动粘度导致较大的格拉晓夫数，这导致较大的气流不稳定性。不稳定性的增加导致压力、流速和温度的快速且混乱无序的波动。
现参见图7A-7D，附图显示本公开内容的实施例2的CFD建模。如上文所解释的那样，抑制流动不稳定性的一种方法是对高于热区的上马弗炉92进行主动加热。通过对高于热区的上马弗炉92进行加热，可以通过减小β/ν2值以及炉80的热区与上部分之间的温差来减小格拉晓夫数。例如，如果采用顶部加热器(例如，类似于上加热器58的结构)将氩气填充的上马弗炉92加热到约1100℃，在氩气填充的炉的上部分中可以获得与95％氦气/5％氩气混合物相同的β/ν2值(即，相同的格拉晓夫数)。相比于没有对热区上方的上马弗炉92进行主动加热的情况，当上马弗炉92加热到1100℃时，氩气动粘度高了一个数量级。从等式(1)可以推断出，格拉晓夫数会小至少2个数量级，因此可以预期自然对流的大小会减小。会理解的是，也可以采用低于1100℃(例如，低至约700℃)或者高于1100℃(例如，高至热区26的温度)的温度来实现类似效果。事实上，比较例2与实施例2的流动路径轮廓图对比显示，通过对炉80的上马弗炉92进行加热，发生了对于上马弗炉92与把手88之间的间距96中的多室对流的抑制，以及氩气流主要是从顶部到热区并且是稳定的。从图7B-7D所呈现的流参数、温度、压力和质量流速的瞬时轮廓对比可以清楚地看出上马弗炉92的加热对于流稳定化的影响。流动、温度和压力的临时稳定性导致根部的稳定冷却，得到稳定的光纤直径性能。
参见图9，附图显示对于炉几何形貌和拉制参数一致的三种情况下，对于500Hz频率收集的光纤直径。在这三种情况中，下探把手与上马弗炉之间的间隙维持在12mm。在第一种情况下(标准氩气)，没有对上马弗炉进行额外加热，以及光纤直径变化是大且不可接受的。在第二种情况下(标准氦气)，同样没有对上马弗炉进行额外加热，但是氦气的大的动粘度导致光纤直径受到良好控制并且符合规格标准。在第三种情况下(800℃氩气)，上马弗炉加热到800℃导致氩气的动粘度增加，以及光纤直径得到良好控制且符合规格标准。
本领域技术人员以及利用和使用本公开内容的人会进行本公开内容的改进。因此，要理解的是，附图所示和上文所述的实施方式仅仅是示意性目的而不是旨在限制本公开内容的范围，本公开内容的范围由所附权利要求书所限定，根据专利法的原理解读为包括等同原则。
本领域技术人员会理解的是，所述公开内容和其他组分的构建不限于任何具体材料。除非本文另有说明，否则本文所揭示的本公开内容的其他示例性实施方式可以由宽范围的各种材料形成。
出于本公开内容的目的，术语“相连”(其所有形式：连接、相连接、连接的等)通常表示两个组件(以电或机械方式)相互直接或间接接合到一起。此类接合自然可以是静态或者自然可以是可移动的。可以通过这两个组件以及任何额外的中间元件(以电或机械方式)实现此类接合，所述任何额外的中间元件相互整体形成单个单体件或者与所述两个组件整体形成单个单体件。除非另有说明，否则此类接合自然可以是永久的，或者自然可以是可去除或者可脱离的。
如本文所用，术语“约”表示量、尺寸、制剂、参数和其他变量和特性不是也不需要是确切的，而是可以按照需要是近似的和/或更大或更小的，反映了容差、转换因子、舍入和测量误差等，以及本领域技术人员已知的其他因素。当使用术语“约”来描述范围的值或端点时，应理解本公开内容包括所参考的具体值或者端点。无论本说明书的数值或者范围的端点有没有陈述“约”，该数值或者范围的端点旨在包括两种实施方式：一种用“约”修饰，一种没有用“约”修饰。还会理解的是，每个范围的端点值在与另一个端点值有关和与另一个端点值无关时，都是有意义的。
本文所用术语“基本”、“基本上”及其变化形式旨在表示所描述的特征与数值或描述相等同或近似相同。例如，“基本平面”表面旨在表示平面或近似平面的表面。此外，“基本上”旨在表示两个值是相等或者近似相等的。在一些实施方式中，“基本上”可以表示值是相互相差在约10％之内。
重要的是，还要指出，在示例性实施方式中显示的本公开内容的元件的构造和排布仅仅是示例性的。虽然在本公开内容中仅详细描述了本发明的一些实施方式，但是阅读了本公开的本领域技术人员会容易地理解，许多改进是可行的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例的变化，以及参数值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等)，这没有从本质上背离本文所述主题的新颖性教导和优势。例如，显示为整体形成的元件可以由多个部件构成，或者显示为多个部件的元件可以整体形成，接口的操作可以颠倒或以其他方式变化，结构的长度或宽度，和/或元件或连接器或者系统的其他元件可以发生变化，并且可以改变在元件之间提供的调节位置的性质或数量。应该注意的是，系统的元件和/或组装件可以由任意宽范围的材料构造，所述材料以任意宽范围的各种颜色、纹理提供了足够的强度或耐久性，及其组合。因此，所有的这些改进都旨在被包括在本发明的范围之内。在不脱离本发明精神的情况下，可以对各种所需和其他示例性实施方式的设计、操作条件和布置进行其他替换、改进、改变和省略。
会理解的是，任意所述的工艺或者所述工艺中的步骤可以与所揭示的工艺或步骤结合，从而形成本公开内容范围内的结构。本文所揭示的示例性结构和工艺是示意性目的，而不理解为限制性。
还理解的是，可以对上文所述的结构和方法进行改变和改进而不背离本公开的概念，此外，要理解的是，此类概念旨被所附权利要求覆盖，除非这些权利要求另有明确说明。此外，如下所附的权利要求书结合在该具体实施方式中并构成其部分。

Claims (10)

1.一种炉系统，其包括：
限定了炉腔体的马弗炉；
下加热器，其连接到马弗炉并且构造成在炉腔体内产生1900℃或更高温度的热区；
上马弗炉延伸件，其置于马弗炉上方并且限定了把手腔体；
下探把手，其置于把手腔体内，使得在下探把手的外表面与上马弗炉延伸件的内表面之间限定了间隙，从下探把手的外表面到上马弗炉延伸件的内表面测得的间隙的长度是4cm或更小；
上加热器，其与上马弗炉延伸件热连接并且构造成将间隙加热至600℃至1800℃；以及
气幕，其置于上马弗炉延伸件中并且构造成向把手腔体中注入加工气体。
2.如权利要求1所述的炉系统，其中，加工气体包含10体积％或更多的氩气。
3.如权利要求1所述的炉系统，其中，加工气体包含10体积％或更多的氮气。
4.如权利要求1所述的炉系统，其还包括：
连接到下探把手的梨晶，所述梨晶构造成支撑光纤预制件。
5.如权利要求1-4中任一项所述的炉系统，其中，上加热器构造成将间隙加热到700℃至1500℃的温度。
6.如权利要求1-4中任一项所述的炉系统，其中，上加热器热连接在上马弗炉延伸件的入口处。
7.如权利要求1-4中任一项所述的炉系统，其中，马弗炉和上马弗炉延伸件中的至少一个包含碳。
8.如权利要求1-4中任一项所述的炉系统，其中，间隙的长度是3cm或更小。
9.如权利要求8所述的炉系统，其中，间隙的长度是2.5cm或更小。
10.如权利要求9所述的炉系统，其中，间隙的长度是2cm或更小。
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