CN114538796A - 用于施涂光纤涂层的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于施涂光纤涂层的设备和方法。本发明的一个实施方式涉及光纤涂覆设备，其具有：光纤进入开口，锥形区段，所述锥形区段的壁以2‑25°的半角逐渐变细并且高度(本文也称作长度)L1为0.25‑2mm，以及圆柱形陆地部分，所述圆柱形陆地部分的直径d2为0.1‑0.5mm并且高度(长度)L2为0.05‑1.25mm。

Description

用于施涂光纤涂层的设备和方法
本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2014/065664，国际申请日为2014年11月14日，进入中国国家阶段的申请号为201480064401.1，发明名称为“用于施涂光纤涂层的设备和方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119，要求2013年11月26日提交的美国临时申请系列第61/908863号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景技术
本文一般地涉及用于涂覆光纤的设备和方法，更具体地，涉及可用于在拉制过程中涂覆光纤的涂覆模头。
常用于光纤制造的涂层材料是可通过暴露于紫外(UV)光固化的基于丙烯酸酯的组合物。将该材料以液体状态施涂到光纤表面，之后暴露于热或UV光进行固化。可以施涂一层或多层涂层材料，两层涂层体系通常是优选的实施方式。将第一涂层直接施涂到光纤表面，将第二涂层施涂到第一涂层上。
较高的拉制速率降低了制造光纤的成本。当对光纤进行涂覆时，重要的是以高拉制速率生产涂层，所述涂层具有均匀的直径并且与光纤是同心的。这些属性都对易于对光纤进行接合和连接化做出贡献，从而在现有的光纤应用中降低了损耗。对于光纤涂层的直径和同心度，市场不断地要求增加的严格容差。
本文的任何引用并不承认构成现有技术。申请人明确保留质疑任何引用文件的准确性和针对性的权利。
发明内容
本发明的一个实施方式涉及光纤涂覆设备，其具有：光纤进入开口，锥形区段，所述锥形区段的壁以2-25°的半角逐渐变细并且高度(本文也称作长度)L1为0.25-2mm，以及圆柱形陆地部分，所述圆柱形陆地部分的内直径d2使得0.1mm≤d2≤0.5mm并且高度(长度)L2为0.05-1.25mm。在一些实施方式中，0.5mm≤L1≤1.75mm，以及在一些实施方式中，高度L2是0.5d2≤L2≤2.5d2。
本发明的额外实施方式涉及光纤涂覆设备，其包括：
定型模，其具有主体，包括：
(a)光纤进入开口；
(b)第一部分，其位置与所述光纤进入开口直接相邻并且具有圆锥形套圈，所述圆锥形套圈具有逐渐变细的壁，所述圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中
2°≤α≤25°，L1是0.25-2mm；以及
(c)圆柱形陆地部分，其具有基本恒定的内直径d2和高度L2，并且0.1mm≤d2≤0.5mm。
在一些实施方式中，0.125mm≤d2≤0.5mm，以及0.5d2≤L2≤2.5d2。在一些实施方式中，5°≤α≤25°，以及0.5mm≤L1≤1.75mm。在一些实施方式中，8°≤α≤25°。
本发明的额外实施方式涉及光纤涂覆设备，其包括：
(I)引导模；以及
(II)位置与引导模相邻的第一定型模，涂覆模包括：
(a)光纤进入开口；
(b)第一部分，其位置在光纤进入开口下方，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中
2°≤α1≤25°，以及L1是0.25-2mm；
(c)圆柱形陆地部分，其位置与第一部分相邻，具有基本恒定的内直径d2和长度L2，从而使得0.1mm≤d2≤0.5mm以及0.5d2≤L2≤2.52；以及
(d)圆柱形腿部分，其具有大于d2的内直径，圆柱形腿部分的位置是在第一部分的上方或者是在圆柱形陆地部分的下方；以及
(III)位置与所述第一定型模相邻的第二定型模。
本发明的额外实施方式涉及对光纤进行涂覆的方法，其包括：
(I)通过使得光纤移动通过涂覆设备的第一定型模，用第一涂层材料涂覆光纤，所述第一定型模包括：
(a)光纤进入开口；(b)第一部分，其位于光纤进入开口的下方，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，所述圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中，2°≤α1≤25°以及L1是0.25-2mm；(c)圆柱形陆地部分，其位置与第一部分相邻，具有基本恒定的内直径d2和长度L2，从而使得0.1mm≤d2≤0.5mm以及0.5d2≤L2≤2.52；以及(d)圆柱形腿部分，其具有大于d2的内直径，圆柱形腿部分的位置是在所述第一部分的上方或者是在圆柱形陆地部分的下方，以及
(II)通过使得其上具有第一涂层的光纤移动通过涂覆设备的第二定型模，来施涂第二涂层，所述第二定型模包括：(a)光纤进入开口；(b)第一部分，其位于光纤进入开口的下方，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，所述圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中，2°≤α2≤25°以及L1是0.25-2mm；(c)圆柱形陆地部分，其位置与第一部分相邻，具有基本恒定的内直径d2和长度L2，从而使得0.1mm≤d2≤0.5mm以及0.5d2≤L2≤2.52；以及(d)圆柱形腿部分，其具有大于d2的内直径，圆柱形腿部分的位置是在所述第一部分的上方或者是在圆柱形陆地部分的下方。
在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。
应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。
附图说明
图1是用于光纤生产的光纤拉制和涂覆系统的示意图；
图2是用于对光纤进行涂覆工艺的典型涂覆模组件的示意图；
图3是用于图2的涂覆模组件的定型模组件的示意性横截面图；
图4所示是位于图3的定型模上方的涂覆材料漩涡；
图5是湿对湿双涂层施涂器的典型横截面示意图；
图6A是定型模的一个实施方式的示意性横截面图；
图6B是定型模的另一个实施方式的示意性横截面图；
图7A是湿对湿双涂层施涂器的一个实施方式的典型横截面示意图；
图7B是湿对湿双涂层施涂器的另一个实施方式的典型横截面示意图；
图7C是湿对湿双涂层施涂器的另一个实施方式的典型横截面示意图；
图8显示对于以两种不同定型模产生的第二涂层，第二涂层的中心相对于光纤的第一涂层的中心的偏移；
图9显示采用标准模施涂的单层涂层的偏移的偏移大小(径向分量)和方位定向；
图10显示通过类似于图6A的实施方式产生的单层涂层偏移；
图11-显示单层涂层直径与光纤进入涂层施涂器时的温度关系，其是用在引导模和定型模之间具有两种不同距离(间隙)的涂层施涂器生产的；以及
图12-显示对于两种涂层的湿对干(WOD)施涂以及两种不同类型的湿对湿(WOW)涂层施涂工艺，整体涂层偏移与第一涂层偏移的关系。
具体实施方式
如图1所示是用于光纤生产的光纤拉制和涂覆系统。从预成形件11拉制光纤10，在炉1中加热所述预成形件11。光纤21通过光纤冷却装置2，然后通过第一涂覆机3，在其中，对其涂覆了第一涂层材料层。第一涂层在第一涂层固化装置4中固化，以及通过装置5来测量包含经固化的第一涂层的光纤的直径。固化装置4一般包括辐射器阵列。光纤21通过第二涂覆机6，在其中，对其涂覆了第二涂层材料层，其在类似于固化装置4的固化装置7中固化。例如，通过装置8来测量包含固化的第二涂层的光纤的直径。牵引机9从炉1牵拉光纤，并通过中间装置。通常通过绕线机(未示出)将拉制的光纤收集到线圈上，用于进一步加工。分别从源12和14向涂覆机3和6供给涂层材料。可以分别通过与涂料传输线相连的装置13和15将涂层材料的入口或传递温度维持在所需值。
或者，光纤通过第一涂覆机3，然后通过第二涂覆机6，在两个涂覆机之间没有通过第一涂层固化装置4。将第二涂层直接施涂到第一涂层上，之后两层涂层进行固化。这被称为“湿对湿(wet-on-wet)”或者“WOW”施涂工艺。
比较例
图2显示目前用于光纤涂覆工艺中，作为图1的光纤拉制和涂覆系统中的涂覆机3和6的常规涂覆模组件。该附图显示常规涂覆组件的引导模、套管和定型模的横截面图。光纤21通过引导模22进入涂覆模组件20。通过套管23中的孔24，将涂层材料传递到涂覆模组件20。通常，在压力下，将涂层材料以相对于光纤21以径向呈恒定温度供给到模组件20。(本文所用的当涂层材料进入套管23时的平均温度称作涂层材料的传递温度)。加压涂覆机确保了在整个光纤涂覆过程中，在模组件20内维持涂层材料的水平。光纤21通过定型模25的孔的出口孔径(直径d2)离开涂覆模组件20。当光纤21通过涂覆模组件20时，通过剪切应力使得与光纤相邻的涂层材料起作用，并且以与光纤移动相同的方向被夹带(被加速)。当涂层材料和光纤21进入定型模25时，一部分的涂层材料与光纤一起被拉出。被光纤加速但是没有与光纤一起拉出的涂层材料从光纤移动的标称方向转变并再循环形成涂覆模组件20内的涡流G。
定型模25(本文也称作涂覆模)配置确定了施涂到光纤21的涂层量。定型模25还起了使得光纤居中的作用，从而涂层与光纤是同心的。商用定型模25通常具有：形成通过定型模的光纤通道的上部区域(本文也称作模罩区域(die bell region)或罩部分28’)的凸壁28，通过基本圆锥形壁形成的通道的逐渐变细形状的中间部分(逐渐变细区域27)，以及定型模25的通道的圆柱形陆地部分26(参见例如图3)。模的圆柱形陆地区域26定义为定型模25的出口处或者出口附近的区域，其中，定型模25的内壁的直径相对于定型模25的出口的距离基本恒定(即，变化不超过1％，以及优选小于0.2％)。
与光纤10一起被拉出的涂层材料的量取决于定型模25内的涂层材料的速度曲线。该速度曲线主要受到拉制通过涂层模组件20的光纤21的速度、定型模25的几何形貌以及定型模25中的涂层材料的粘度曲线的影响。涂层材料的粘度曲线与其温度相关。当在通过控制涂层材料的温度来控制粘度曲线的区域中，可以实现涂覆的光纤直径的非常具有响应性的控制。
套管23内的涂料的流体压力应该足够高，使得涂层材料在引导模22的出口孔处附近形成弯月面(meniscus)，在沿着引导模的圆柱形陆地区域的低位置。引导模22作为加压涂覆组件的盖子，以及防止涂层材料从涂覆组件的顶部流出。当引导模22由于涂覆组件内的加压下或者过压无法起到该作用时，发生所谓的“涂料洪水”，必须中断拉制过程。
在运行过程中，光纤21夹带(拖动)涂层材料的边界层，其大部分是在定型模25的凸形上部区域(罩部分)28’和逐渐变细区域27被排出的。排出导致在定型模25的逐渐变细区域27的锥形的顶点处累积其最高至800psi的压力。该压力迫使额外的涂料通过定型模25的圆柱形陆地区域26。该压力还产生了帮助使得光纤21位于定型模25中心的作用力。
如图4所示，在涂覆过程期间，当使用商用定型模25时，被排出的涂层材料形成涂层材料的环形形状循环细胞，称作涂料漩涡或涡流G。涡流G形成在圆柱形陆地区域26上方的区域中(更具体地，在与定型模25的入口孔相邻的区域中，即与凸壁28相邻的区域中)，并且涡流G是不稳定的。涡流G的再循环区域(涡流)延伸通过定型模25的罩部分，向下进入模的逐渐变细区域27。经验显示，通常来说，涡流G并不是均匀方位的，并且气泡示踪剂(出于分析目的引入)揭示了涡流G可以旋进，即，其会经受绕着光纤21的转轴朝向的变化。也就是说，涡流/漩涡的旋转运动不是轴对称的。涡流移动的影响是在光纤上产生非轴对称且准无规的作用力，这得到光纤涂层的偏心度增加得以证实，即光纤涂层在光纤轴上不同呈中心状态的。
相比于到达套管23的涂层材料的传递温度，漩涡中的涂层材料温度提升，这是因为由于漩涡/涡流G中非常高的剪切率引起的剪切加热导致的。有限元计算机模型表明，在螺旋形漩涡/涡流G中部内的涂料温度随着光纤拉制速度的增加而快速增加，并且可能比涂层材料传递温度高最高至80℃。对于较小的定型模(例如，孔直径d2≤0.15mm的模)，漩涡/涡流G内的涂层材料相比于传递温度的温度增加甚至更厉害，因为相比于具有较大孔直径d2的模，更多的涂层材料被排出，并且对于更快的光纤拉制速度温度增加也更厉害，因为涡流G旋转的更快。也就是说，随着孔直径d2下降，在模的逐渐变细区段中被排出的涂料量增加。这进而增加了漩涡的尺寸，并且涡流G中部的温度增加。因为漩涡/涡流G是不稳定的，这种热涂层材料部分会通过漩涡流或其他扰动发生逃离，并且当热涂料进入标准定型模25的逐渐变细形状部分(即，中段部分27)时，作用在光纤21上的中心化作用力不再是轴对称的。不平衡的作用力再次导致差的光纤-涂层偏移。如本文所用，偏移测量为施加的涂层的中心与被涂覆的光纤的中心之间的距离，单位通常是μm。可能甚至更为严重的是，热涂层材料会迁移到引导模22，然后在引导模22内形成上弯月面形状。(由于较高的温度和剪切变稀所导致的)热涂层材料的较低粘度使得涂覆过程更易受到洪水化，也就是说，使得光纤去湿化并且因此而来的涂层材料的流动通过光纤21向上经过引导模22的上方和其中的气体空间，并离开。当发生洪水化时，光纤21通常发生破裂。破裂要求拉制过程进行重启，这会导致明显的制造成本。
剪切变稀是常见于非牛顿流体(例如聚合物)的现象。当流体经受较大的剪切率时，流体中的分子发生自身对准，从而使得流体的粘度下降至低于其在零剪切时的值。
粘性加热是牛顿流体和非牛顿流体都能看到的现象。当流体经受较大的剪切率时，流体分子之间的摩擦产生热。这种热量产生使得流体的温度发生局部增加。在波导光纤的情况下，由于通过涂层材料的光纤速度，建立起了剪切应力。这些剪切应力产生热，并提升了涂层材料的温度。涂层材料温度的增加使其粘度下降。在定型模的圆柱形陆地区域26中存在显著量的粘性加热，该粘性加热会导致局部涂层材料温度变得高于涂层材料的传递温度。温度增加使得定型模25的圆柱形区域26中的涂层粘度明显下降。
此外，当上述讨论的两个定型模如图5所示配置进行堆叠，从而依次施加两层涂层，在施加之间没有进行固化时(另外已知为湿对湿)，我们观察到这导致差的涂层偏移。也就是说，当采用图5的模配置来产生两层光纤涂层时，两层涂层(例如，第一涂层和第二涂层)的偏移都受到损害。通常来说，来自两个定型模25的中心化作用力以相同方向起作用，并且由于两个定型模25中存在的涡流的进动导致这些作用力变得更为无规则。因此，光纤上的作用力同时是混沌(即，随机运动)并且独立的。这些是由于绕着光纤的圆周的压力和剪切变化所产生的作用力。
我们确定了典型定型模的上部分的凸形状(即，壁28的凸形状)是产生强烈涂层材料漩涡/涡流G的主要机制。我们还发现，逐渐变细区域27的高度也影响漩涡/涡流G的尺寸和/强度。在一些实施方式中，通过使得定型模的凸壁28的尺寸最小化或者降低其尺寸，从而凸壁28的高L0≤0.5mm，我们使得涂料涡流的尺寸和强度相比于通过如图2、3和5所示的模设计产生的情况最小化(降低)。在一些实施方式中，通过完全地消除涂料/定型模25中的凸壁28以及通过将逐渐变细锥形物(通过模25的壁27A形成的模的逐渐变细区域27)的高度(本文中也称作长度)降低至小于或等于2mm，我们使得涂料涡流的尺寸和强度相比于通过如图2、3和5所示的模设计产生的情况最小化(降低)。该作用对于被夹带的涂层边界层的尺寸是大幅降低，这降低了在锥形物(逐渐变细区域27)中被排出的涂料量，进而降低了涂层材料涡流G的强度。(边界层是涂层材料与移动的光纤相邻的区域，其中，对于现代光纤拉制塔的典型拉制速度，可能存在高至106s-1的速度梯度)。
当光纤拉制速度增加或者定型模的直径下降时，在定型模逐渐变细区域27中更多的涂料被排出，并且商用定型模的上部分或者罩部分28’中的涡流G(即，在与凸壁28相邻的区域中的涡流)变得更强烈。这同时导致光纤位置不稳定性的增加(这引起涂层偏移的增加)以及导致洪水化可能性的增加(这引起光纤破裂)，使得成本增加。我们发现：1)降低中部区域27的锥形的高度(长度)L1；以及2)消除或者显著降低模罩区域28’的尺寸，这极大地降低了被模排出的涂料量，并因此降低了涡流G的尺寸。结果是改善了涂层的偏移，并且降低了洪水化的倾向性。
我们发现，当采用具有减小的罩区域高度(L0<0.5mm)以及减小的逐渐变细区域高度(L1<2.2mm，甚至更优选地，L1≤2mm)的定型模25时，经由湿对湿工艺施涂的涂层的几何形貌得到明显改善。优选地，定型模25不具有罩区域28’(即，L0＝0mm)，并且定型模25具有逐渐变细区域27，所述逐渐变细区域27具有小的高度(使得L1<2.2mm，优选地，L1<2mm)。因此每个定型模25中的涡流G是独立的并且以随机方式移动，所以两层涂层的偏移都会受到采用市售可得定型模(例如，图2、3和5所示的那些)的负面影响。罩部分28’的尺寸减小(或者消除了其)和/或逐渐变细区域27的尺寸减小，降低了涡流G的尺寸和强度，从而能够使得中心化作用力来改善涂层偏移/使得涂层偏移最小化。优选地，为了实现良好的涂层同心度，0.25<L1<2mm，更优选地，0.5<L1<1.8mm，以及在一些实施方式中0.7<L1<1.5mm。
通过以下实施例进一步阐述本发明的各个实施方式。
实施例1
如图6A和6B所示是改进的定型模25(“仅有锥形”模)的两个实施方式。(本文所称的“仅锥形膜”指的是这样的定型模，其具有锥形部分27，但是没有罩部分28。仅锥形模仍然具有圆柱形陆地部分26，并且可具有任选的出口圆柱形腿部分29，如图6A所示，或者可具有任选的上圆柱形腿部分32，如图6B所示。)在图6A和6B所示的仅锥形定型模的实施方式中，完全去除了标准模(例如，图2所示的那种)的(由凸壁形成的)罩部分28’(即，L0＝0mm)，并且保留了逐渐变细区域27和圆柱形陆地区域26以及任选的圆柱形腿部分29和/或32。逐渐变细区域27优选具有小的高度或长度L1，使得L1≤2.2mm，优选地，0.2mm≤L1≤2mm。例如，在一些示例性实施方式中，逐渐变细区域27的高度L1是0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.75mm、1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.7mm、1.75mm、1.8mm，或其中间值。更优选地，为了降低涡流G的尺寸，高度L1不大于2mm，甚至更优选地，L1≤1.8mm，以及最优选地L1≤1.5mm。优选地，L1≥0.25mm，更优选地，L1≥0.5mm，以及甚至更优选地，L1≥0.7mm。根据一些实施方式，0.9mm≤L1≤1.2mm。申请人发现，短的高度(小的长度)L1使得涂层材料涡流G稳定化，并且减小其尺寸，进而导致更好的涂料和加工稳定性。锥形的长度部分决定了被光纤夹带的涂料量。此外，出于相同的原因，影响了中心化作用力：更长的逐渐变细部分具有更高的中心化作用力，但是排出更多的涂料。例如，较长的锥形(较长的L1)可用于单涂层或者用于在湿对湿应用中生产第一涂层，并且对于生产第二涂层的第二定型模可以选择较短的逐渐变细区域(较小的L1)，从而使其中心化作用力最小化。
定型模25的逐渐变细部分的锥形半角θ优选不小于2°，也不大于25°。更大和更小的锥形角都不能建立足够的中心化作用力从而将光纤21限制在锥形区域27的中部。更优选地，5°≤θ≤25°，甚至更优选地，8°≤θ≤25°。
如图6A和6B所示，定型模25的圆柱形陆地部分26位于逐渐变细部分27的下方。陆地部分26含有圆柱形孔，其直径为d2，长度为L2。腿部分
定型模还可包括具有圆柱形内壁的腿部分29、32(孔)。例如，在一些实施方式中，腿部分的圆柱形内壁的内直径d3为0.5-5mm，以及高度L3为2-6mm。
如上文所述，仅锥形定型模25可具有位于圆柱形陆地部分26下方的任选的圆柱形出口腿部分29。模25的出口腿部分29是任选的，因为经过涂覆的光纤21的直径会明显小于腿部分的内直径d3。但是，圆柱形出口腿部分29的作用是保持定型模25在模固定器(未示出)中对准，从而防止定型模25的倾斜和随之而来的涂层偏移的劣化。圆柱形出口腿29优选具有如下高度，使得L3<8.7mm，更优选地，L3<6.7mm，以及最优选的L3<4.8mm。圆柱形出口腿29优选具有如下高度，使得L3>0.8mm，更优选地，L3>1.3mm，以及最优选地，L3>1.8mm。圆柱形腿部分29的内直径d3大于d2，优选大于2d2。例如，0.4mm<d3<5mm。
在图6A所示的实施方式中，锥形的逐渐变细的半角为8°，并且逐渐变细区域27的高度L1是1.4mm。该实施方式的定型模25的外直径为6.6mm，以及图6A的定型模的总高度或总长度为4.6mm。
图6B显示不包括下出口腿部分的定型模的实施方式。相反地，图6B的仅锥形定型模实施方式包括上腿部分32，其位于逐渐变细部分27的上方。上腿部分32的作用是保持定型模与模固定器对准，并且防止当将定型模压入固定器时，定型模发生倾斜。上腿部分32的内直径优选为1.2-5mm。优选地，上腿部分32的内直径大于d1，优选大于。优选地，上腿部分32的高度小于5mm且大于1mm，例如，1.3-4.5mm或者1.5-3mm。
下表1列出了本文所述的定型模的一些实施方式的一些示例性几何形貌参数。更具体来说，根据这些实施方式，如果定型模包括任选的出口腿部分29的话，定型模25的总长度L优选为3-9mm(更优选4.5-7mm)，优选的内直径d2(圆柱形部分26的孔直径)为0.1-0.5mm，更优选地，其是0.125-0.41mm；模圆柱形部分27的优选长度L2是0.5d2≤L2≤2.5d2并且更优选d2≤L2≤2d2；锥形部分27的优选高度L1小于2mm，优选为0.25-2mm(更优选为0.9-1.2mm)，优选的半锥角为4-25°(更优选为8-25°)。
表1
Figure BDA0003530545110000101
因此，根据一些实施方式，光纤涂覆设备包括：
定型模25，其具有：
(a)光纤进入开口25A；
(b)第一部分27，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁27A的圆锥形套圈，其中，圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中
2°≤α≤25°，以及L1是0.25-2mm；
(c)圆柱形部分26，其具有基本恒定的内直径d2和长度L2，其位于第一部分27下方，使得
0.1mm≤d2≤0.5mm，以及0.5d2≤L2≤2.5d2。
优选地，1d2≤L2≤2.2d2，更优选地，1.75d2≤L2≤2.25d2，甚至更优选地L2＝2d2。例如，在一个实施方式中，d2＝0.28mm，以及L2为0.56mm。
在一些实施方式中，定型模25还包含任选的圆柱形出口腿部分29，其具有内直径d3，其中，d3>d2，以及高度(或长度)L3，其中，1mm≤L3≤6.7mm。优选地，d3>2d2，例如，d3>2.5d2。
根据一些实施方式，光纤涂覆设备包括：
定型模25，其具有：
(a)光纤进入开口25A；
(b)第一部分27，其位置紧邻光纤进入开口25A，使得定型模27不包括位于光纤进入开口25A和第一部分27之间的具有凸横截面的壁，所述第一部分形成具有逐渐变细壁的圆锥形套圈，其中，圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中
5°≤α≤25°，以及L1是0.5-1.8mm；
(c)圆柱形部分26，其具有基本恒定的内直径d2和长度L2，其位于第一部分27下方，以及
0.1mm≤d2≤0.5mm，以及0.5d2≤L2≤2.5d2。
根据一些实施方式，所述涂覆设备还包括定型模25，其具有壁28，所述壁28具有凸的横截面，高度L0<0.5mm。但是，更优选地，涂覆设备不包括位于光纤进入开口和具有逐渐变细的壁27A的圆锥形套圈之间的具有凸横截面的壁。
实施例2、3和4
如图7A和7B所示是采用仅锥形定型模25的湿对湿涂覆施涂器的一些实施方式：如上文所述，仅锥形膜是没有罩区段28的模(即，当以横截面观察时，在其上部分没有凸的内壁)，但是除了逐渐变细部分27和陆地区域26之外，其可以包括其他部分。更具体来说，如图7A和7B所示，湿对湿涂覆施涂器包括引导模22、含有第一位(第一)涂层材料的第一套管231、用于在光纤21上施涂第一涂层的第一定型模251、含有第二位(第二)涂层材料的第二套管232以及用于在第一涂层上施涂第二涂层的第二定型模252(底部模)。在模之间的分隔件S1、S2通常是1-10mm，更优选0.25-5mm。在图7A的实施方式中，定型模251和252都是仅锥形模，半角θ＝8°。在图7A的实施方式中，第一(顶部)定型模251的尺寸如下：L1＝1.4mm、d1＝0.5-2mm、L2＝0.23mm、d2＝0.23mm、L3＝2.9mm以及d3＝2.5mm。在图7A的实施方式中，第二(底部)定型模的尺寸如下：L1＝1.4mm、L2＝0.34mm、L3＝2.8mm、d2＝0.34mm以及d3＝2.5mm。图7的定型模251和252的外直径d都是6.6mm。在图7A的实施方式中，引导模22和第一定型模251之间的分隔件S1为1.5mm。定型模251和252之间的分隔件S2也是1.5mm。
在图7B的实施方式中，第一(顶部)定型模251的尺寸如下：θ＝25°、L1＝1.4mm、d1为0.5-2mm、L2＝0.43mm、d2＝0.22mm、L3＝5mm以及d3＝2.5mm。第二(底部)定型模252的尺寸如下：θ＝8°、L1＝1.4mm、L2＝0.69mm、d2＝0.34mm、L3＝2.49mm以及d3＝2.5mm。在图7B的实施方式中，引导模和第一定型模之间的分隔件S1为1.5mm，以及第一和第二定型模之间的分隔件S2为2mm。模251和252的总高度分别优选是4-8mm。
相较于商用施涂器(例如，图5所示的一种设计)，通过本文所揭示的湿对湿涂覆施涂器实施方式(例如，图7A和7B所示的那些)所提供的一些优势如下：(i)两层涂层的偏移都得到改善(较小了)；以及(ii)通过图7A和7B的施涂器生产的涂层直径具有降低(即较小)的变化性。更具体来说，因为在这些实施方式中，尖端逐渐变细区域27处的涂层材料压力较不容易发生变化，因此被驱使通过每个定型模25的圆柱形部分26的涂料量的变化性下降。此外，引导模22较不容易发生洪水化，这也是由于位于引导模22下方的第一定型模(251)中的涡流G对于涂层材料的加热没有商业涂覆模所产生的涡流那么多，所述商业涂覆模具有大的上罩区域(图5中的28)和/或较长的逐渐变细区域。
根据一些实施方式，WOW涂覆设备包括引导模和至少两个定型模，并且至少一个(优选两个)定型模25包括：
(a)光纤进入开口25A；
(b)第一部分27，其位置在光纤进入开口25A下方，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中
2°≤α≤25°，以及L1是0.25-2mm；
(c)圆柱形部分26，其位置与第一部分相邻27，具有基本恒定的内直径d2和长度L2，从而使得0.1mm≤d2≤0.5mm以及0.5d2≤L2≤2.52。
图7A、7B的定型模251、252不具有位于第一部分27上方的罩区域28，所述罩区域28具有呈现凸的横截面的壁。
根据一些实施方式，WOW涂覆设备包括引导模和至少两个定型模，并且至少一个(优选两个)定型模25包括：
(a)光纤进入开口25A；
(b)第一部分27，其位置在光纤进入开口25A下方，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中
2°≤α≤25°，以及L1是0.25-2mm；
(c)圆柱形部分26，其位置与第一部分相邻27，具有基本恒定的内直径d2和长度L2，从而使得0.1mm≤d2≤0.5mm以及0.5d2≤L2≤2.52；以及
(d)圆柱形腿部分29、32，其具有大于d2的内直径，圆柱形腿部分的位置是在第一部分27的上方或者是在圆柱形部分26的下方(下游)。
类似于图7C所示的湿对湿涂覆施涂器通过采用第二定型模252可以生产具有优异偏移的光纤，所述第二定型模252仅具有圆柱形陆地部分26，其具有内直径d3(孔直径)和孔26B并且没有圆锥形壁。(此类定型模在本文中也称作仅有孔模)。也就是说，在图7C的实施方式中，第二或下定型模(252)具有圆柱形区域26并且不具有逐渐变细和罩区域27和28。
因此，根据一些实施方式(参见，例如图7C)，涂覆设备包括：
(I)引导模；
(II)位于引导模下游的至少两个定型模，使得
(i)至少一个定型模包括：(a)光纤进入开口25A1；(b)第一部分27，其位置与光纤进入开口直接相邻，使得定型模不包括位于所述光纤进入开口和第一部分27之间的具有凸的横截面的壁，第一部分27形成具有逐渐变细壁27A的圆锥形套圈，其中，圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中，2°≤α≤25°，以及L1为0.25-2mm；(c)圆柱形部分261，其具有基本恒定的内直径d2和长度L2，使得0.1mm≤d2≤0.5mm，以及0.5d2≤L2≤2.5d2，以及出口孔26B1；
(ii)所述至少两个定型模的另一个不包括具有凸的横截面的壁或者具有逐渐变细壁的圆锥形套圈，并且包括(a)光纤进入开口25A2、与光纤进入开口25A2直接相邻的圆柱形部分262，以及出口孔26B2。
出于以下理由，图7A和7B的实施方式比图7C所示的实施方式是更优选的。在启动过程中，通常会首先打开用于第二涂层的材料流，并且在第二定型模252中没有逐渐变细区域27的情况下，在圆柱形陆地区域262的孔(出口开口)26B2与光纤21之间产生的间隙对于第二涂层材料流的抗性是非常小的。这种抗性缺乏会导致第二涂层材料的泄漏和结块(即，涂层中的缺陷，并且通常是由于涂料传递中的压力扰动引起的)。即使当仅有孔型的第二定型模不发生泄漏时，所得到的第二涂层的直径是大的，并且难以控制直径均匀性。此外，当压力是仅有的调节第二涂覆光纤直径的方式时，对于孔26B2，在装料(ramp)期间或者甚至是在稳定运行期间，也会存在较大的涂层直径变化性。
相比于使用仅有孔定型模(仅具有圆柱形部分的定型模)作为第二定型模的涂覆施涂器的实施方式(如图7C所示)，图7A和7B的湿对湿涂覆施涂器的实施方式具有优势的原因在于，第二(下方)定型模252的逐渐变细部分27的小的高度(0.2mm<L1≤2mm)使得模能够维持更高的施加压力。这消除了第二定型模252的孔26B在启动时发生泄漏的倾向性，并且极大地改善了装料和正常操作过程中的涂层直径控制。第二定型模252中的逐渐变细区域能够在启动期间施加5-20psi，这对于产生涂层弯月面是足够的。
在图7A、7B和7C的涂覆施涂器的实施方式中，这三个模的固定器31是单管制造的，使得模全都是同心的。管和固定器设计应该还在定型模251和252之间以及第一定型模251和引导模22之间容纳不同间隙(距离)，因为这些距离S1、S2会影响被夹带的涂料量，从而影响涂覆直径。(距离S1、S2是模边缘之间的距离)。
本文所述的定型模的改进的几何形貌的实施方式(参见例如，图6A、6B、7A和7B的定型模实施方式)导致如下一个或多个优点：降低涂料涡流G的尺寸(其是通过降低罩/锥形尺寸使得被排出的涂料量的下降的结果)；和/或排出足够的涂层材料，从而在定型模中维持明显中心化作用力(即，作用力足以使得光纤在模中间)，特别是在较快速度和较高涂料粘度的情况下。例如，图8显示第二涂层的中心相对于光纤的第一涂层的中心的偏移，第二涂层是由图3和6A的定型模生产的(分别标记为“标准”和“仅有锥形”)。如图8所示，在低的第二涂层材料传递温度的情况下(即，低于45℃)，通过仅有锥形定型模25产生的第二涂层的偏移比采用图5的标准模产生的情况低超过五分之一。此外，随着涂层材料温度增加，对于通过仅有锥形定型模实施方式产生的涂层，第二涂层偏移增加，这与轴对称计算机流体流动模型的预测是符合的，即，较低温度下的较高涂料粘度增加了中心化作用力，这降低了涂层偏移。图3的典型商用定型模(用作比较例)显示了相反的特性，即，当第二涂层材料温度增加时，涂层偏移下降。这也是由于标准模中存在的涂覆模罩部分中的涡流的结果。当涂料温度较低时，光纤与涡流的中心区域之间的温度梯度最大，这是因为当涂料更具有粘性时，涡流中的剪切加热最大。因而，当在较低温度(<45℃)下使用标准模时，涂料粘度中的梯度(这取决于温度的指数)也要大得多。如上文所述，在涡流中存在流和温度的方位变化，涡流倾向于进动。当涡流G中经加热的低粘度涂层材料被光纤运动拖曳进入逐渐变细区域27的锥形区时，温度的方位变化、进而粘度的方位变化产生净作用力，其作用是驱使光纤21离开模轴的中心。因而，净作用力对不与光纤同心的施加的涂层负责。此外，对于该涡流进动的观察发现，方位变化是不稳定的，有点随时间变化，并且进动的暂时特性导致混沌或无规涂层同心度。
图9显示采用类似于图2和3所示的那种标准定型模施涂的单层涂层的偏移的偏移大小(径向分量)和方位定向。(也就是说，我们采用径向坐标来定义图9所示的同心度。大小是从起始到点的距离，取向是距离直线的角度)。由于涡流G中的方位变化是无规存在的，光纤可以从模的一侧以混沌或无规方式移动到另一侧。这一光纤移动如图9所示。无规性独立于压力，因为涡流受到光纤运动的驱动，并且其在每种温度下都会发生。但是，其在较低温度下更明显，因为在较低温度下，涡流内部和外部之间的温差最大。图9显示偏移的大小从来不是零，这表示光纤从来没有完美地位于定型模的中心。(本文所用术语涂层偏移是光纤的中心(其轴)与涂层的中心之间的物理距离。理想地，光纤的中心和涂层的中心是相同的，并且涂层与玻璃是完美同心的)。
涡流G的强度也与示踪剂速率(即，光纤拉制速率)成比例，因此，其对于限制最快速度(即，拉制速率>25m/s)下的涡流尺寸变得更加重要。这可以通过如下方式完成：使得形成罩部分28的凸壁的高度最小化(即，使得凸壁的尺寸最小化)，使得高度L0<1mm，优选地L0≤0.5mm，更优选地，通过完全消除罩部分28(例如，使用仅锥形的实施方式)，如图6A、6B和7A-7C所示。
减小涡流尺寸的另一个重要结果是上涂层材料弯月面(涂层材料首先与光纤接触的点)稳定化。观察到在低至60psi的压力下，模发生洪水化(光纤去湿)，并且该压力在更快的速度下更低，其中，压力和拖曳力之间的作用力平衡暗示定型模应该在高至1000psi是稳定的。对于使用标准商用定型模(即，具有较大罩部分的模)，来自涡流G的热涂层材料会渗透光纤和引导模之间的空间，并且显著降低引导模对于洪水化的抗性。对于仅锥形定型模实施方式(参见例如图6A、6B、7A和7B)，温度增加和导致的粘度降低是小的，这极大降低了典型生产条件下发生洪水化的可能性。
申请人发现，逐渐变细区域27的高度L1是帮助降低涡流G的尺寸和其速度的重要参数。优选地，如上文所述，定型模25具有锥形高度L1，其中，L1<2mm。优选地，1.3mm≤L1≤1.5mm。优选地，1/2d2≤L2≤2.5d2，其中，0.5mm≤d2≤1.1mm。例如，d2≤L2≤2d2。例如，图10显示通过与图6类似的实施方式，采用锥形高度L1(其中，L1是1/2d2和2d2，并且在该研究中，d2＝0.56mm)的定型模25生产的单层涂层偏移。
如图10所示，相比于当逐渐变细高度L1是模直径d2的两倍时，当逐渐变细(即锥形)高度L1是直径d2一半时，涂层偏移要低得多。如上文所述，一个重要的考量是被定型模排出的涂层材料的量。重要的是减少被定型模25排出的涂层材料的量。较长的逐渐变细区域27增加了被光纤夹带的涂料量以及还有被排出的量。因此，优选地，逐渐变细区域27的高度L1是0.5-2mm，更优选为0.9-1.2mm。图10还暗示位于模25的逐渐变细部分27中的涡流G对于涂层偏移具有强烈的负面影响，需要减少该影响。申请人发现，当逐渐变细区域27的高度L1等于或小于2mm时，涡流G的负面影响明显最小化。
涂覆的光纤直径还与引导模22与定型模25之间的间隙(分隔)相关，如图11所示。对于较长的距离S1、S2，增加定型模25的逐渐变细部分27的尖端的压力，以及增加光纤上的涂层的厚度，使得被光纤夹带的涂料边界层更厚。
当采用改善的定型模时，湿对湿施加的涂层几何形貌也得到许多改善。图12显示对于两种涂层的湿对干(WOD)施涂以及两种不同类似的湿对湿(WOW)涂层施涂工艺，整体涂层偏移与第一涂层偏移的关系。整体偏移是第二涂层的中心与光纤的中心之间的物理距离，测量单位通常是μm；第一偏移是第一涂层的中心与光纤的中心之间的物理距离，测量单位通常是μm。更具体来说，图12显示对于以下涂层施涂情况的第一涂层的偏移和整体偏移(第二涂层相对于光纤中心的偏移)：1)图5的商用涂覆施涂器(绿点)；2)采用仅有孔定型模的施涂器(参见图7C，蓝色)；以及3)图3的常用湿对干施涂器(红色)。
如图12所示，采用“仅有孔”的第二定型模(例如，如图7C所示)的湿对湿施涂器，可以极大地改善涂层偏移，相对于图3的商用施涂器而言，但是如上文所述，这不是最优选的解决方案，因为具有启动和控制问题。通过采用具有仅有锥形设计的第二定型模的湿对湿施涂器(例如，图7A和7B那些)可以实现相同或更好的涂层偏移，没有那些缺点。
因此，根据一些实施方式，用于对光纤进行涂覆的方法包括：
(I)通过使得光纤移动通过至少一个定型模，用涂层材料涂覆光纤，所述至少一个定型模包括：
(a)光纤进入开口；(b)第一部分，其位于光纤进入开口的下方，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，所述圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中，2°≤α1≤25°以及L1是0.25-2mm；(c)圆柱形陆地部分，其位置与所述第一部分相邻，具有基本恒定的内直径d2和长度L2，从而使得0.1mm≤d2≤0.5mm以及0.5d2≤L2≤2.52。定型模还可包括圆柱形腿部分，其具有大于d2的内直径，圆柱形腿部分的位置是在第一部分的上方或者是在圆柱形陆地部分的下方；以及
根据一些实施方式，用于对光纤进行涂覆的方法包括：
(I)通过使得光纤移动通过涂覆设备的第一定型模，用第一涂层材料涂覆光纤，所述第一定型模包括：
(a)光纤进入开口；(b)第一部分，其位于光纤进入开口的下方，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，所述圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中，2°≤α1≤25°以及L1是0.25-2mm；(c)圆柱形陆地部分，其位置与第一部分相邻，具有基本恒定的内直径d2和长度L2，从而使得0.1mm≤d2≤0.5mm以及0.5d2≤L2≤2.52；以及(d)圆柱形腿部分，其具有大于d2的内直径，圆柱形腿部分的位置是在所述第一部分的上方或者是在圆柱形陆地部分的下方，以及
(II)通过使得其上具有第一涂层的光纤移动通过涂覆设备的第二定型模，来后续施涂第二涂层，所述第二定型模包括：(a)光纤进入开口；(b)第一部分，其位于光纤进入开口的下方，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，所述圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中，2°≤α2≤25°以及L1是0.25-2mm；(c)圆柱形陆地部分，其位置与第一部分相邻，具有基本恒定的内直径d2和长度L2，从而使得0.1mm≤d2≤0.5mm以及0.5d2≤L2≤2.52；以及(d)圆柱形腿部分，其具有大于d2的内直径，圆柱形腿部分的位置是在所述第一部分的上方或者是在圆柱形陆地部分的下方。
根据一些实施方式，α1>α1。优选地，10°<α1<25°，以及2°<α2<15°。例如，第一(顶部)定型模的半角α可以是15°<α1<25°以及5°<α2<10°。此外，优选地，在顶部(第一)定型模251中，圆柱形腿部分的位置至少高于第一(逐渐变细部分)部分27，并且在底部(第二)定型模252中，圆柱形腿部分的位置是位于或低于圆柱形陆地部分26。
除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不偏离本发明的范围或精神的情况下对本发明进行各种修改和变动。因为本领域的技术人员可以想到所述实施方式的融合了本发明精神和实质的各种改良组合、子项组合和变化，应认为本发明包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。

Claims (7)

1.一种光纤涂覆设备，其包括：
主体，其包含：
(a)光纤进入开口；
(b)第一部分，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，所述圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和锥高度L1，其中，2°≤α≤25°，并且所述锥高度L1为0.25mm至2mm；
(c)圆柱形部分，其具有基本恒定的内直径d2以及长度L2，使得0.1≤d2≤0.5mm以及0.05≤L2≤1.25mm，并且L1≤d2；以及
(d)具有圆柱形内壁的腿部分，所述腿部分的所述圆柱形内壁的内直径d3为0.5mm至5mm以及高度L3为2至6mm，
其中，所述涂覆设备在所述光纤进入开口和具有逐渐变细的壁的所述圆锥形套圈之间不包括具有凸的横截面的壁。
2.一种光纤涂覆设备，其包括：
定型模，其包括：
(a)光纤进入开口；
(b)第一部分，其位置与光纤入口直接相邻，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和锥高度L1，其中，2°≤α≤25°，L1是0.5mm至2mm；
(c)圆柱形部分，其具有基本恒定的内直径d2和长度L2，从而使得0.1mm≤d2≤0.5mm以及0.05d2≤L2≤2.5d2，并且L1≤d2；以及
(d)具有圆柱形内壁的腿部分，所述腿部分与所述圆柱形部分相邻且位于其下游，所述腿部分的所述圆柱形内壁的内直径为0.5mm至5mm以及长度L3为2至6mm，
其中，所述涂覆设备在所述光纤进入开口和具有逐渐变细的壁的所述圆锥形套圈之间不包括具有凸的横截面的壁。
3.如权利要求2所述的光纤涂覆设备，其中，0.5mm≤L1≤1.5mm；和/或4°≤α≤25°。
4.一种光纤涂覆设备，其包括：
(I)引导模；
(II)以间距S1与所述引导模相邻的第一定型模，所述第一定型模模包括：
(a)光纤进入开口；
(b)第一部分，其位置在光纤进入开口下方，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α呈角度的内壁和高度L1，其中，2°≤α1≤25°，以及L1是0.25mm至2mm；
(c)圆柱形陆地部分，其位置与第一部分相邻，具有基本恒定的内直径d2和长度L2，从而使得0.1mm≤d2≤0.5mm以及0.5d2≤L2≤2.5d2；以及
(d)圆柱形腿部分，其具有大于d2的内直径，圆柱形腿部分的位置是在第一部分的上方或者是在圆柱形陆地部分的下方；以及
(III)以间距S2与所述第一定型模相邻的第二定型模，
其中，所述涂覆设备在所述光纤进入开口和具有逐渐变细的壁的所述圆锥形套圈之间不包括具有凸的横截面的壁，
其中，所述第一定型模的所述圆柱形腿部分位于所述光纤进入开口的上方并且与所述第一定型模的所述第一部分相邻，以及
其中，S1是1.5mm而S2是1.5mm或2mm。
5.如权利要求4所述的光纤涂覆设备，其中，所述第一定型模的所述圆柱形腿部分位于所述光纤进入开口的上方并且与所述第一定型模的所述第一部分相邻，并且8°≤α1≤25°。
6.如权利要求5所述的光纤涂覆设备，其中：
所述第二定型模包括：(a)光纤进入开口；(b)第一部分，其位于所述光纤进入开口的下方，所述第一部分形成具有逐渐变细的壁的圆锥形套圈，其中，所述圆锥形套圈具有横截面，所述横截面具有以半角α2呈角度的内壁和高度L1，其中，2°≤α1≤25°以及L1是0.25mm至2mm；(c)圆柱形陆地部分，其位置与所述第一部分相邻，具有基本恒定的内直径d2和长度L2，从而使得0.1mm≤d2≤0.5mm以及0.5d2≤L2≤2.5d2；以及(d)圆柱形腿部分，其具有大于d2的内直径，所述圆柱形腿部分的位置是在所述圆柱形陆地部分的下方。
7.一种对光纤进行涂覆的方法，其包括：
(I)通过使得所述光纤移动通过权利要求4所述的涂覆设备的所述第一定型模，用第一涂层材料涂覆所述光纤，以及
(II)通过使得其上具有所述第一涂层的所述光纤移动通过权利要求4所述的涂覆设备的所述第二定型模，施加第二涂层。
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