CN1150134C - 从坯料中拔制光纤的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及从坯料中拔制光纤的设备，该设备包括：1.加热炉，包括将所述坯料的一端加热到其拔制温度的管，该管包括：i)中心管，ii)与所述中心管的下部相连的上部延伸管，以便获得针对所述加热炉周围大气的气体密封，其中上部延伸管包括在上部延伸管顶部的惰性气体入口，这样做的结果是坯料和要拔制的光纤被惰性气体包围，iii)下部延伸管，同所述上部延伸管与这样的方式相连：即，能够获得针对所述加热炉周围大气的气体密封，iv)连接到所述下部延伸管上的管出口；2.拔制光纤的装置；3.在炉中支承坯料的装置。
Description
本发明涉及从坯料中拔制光纤的设备，该设备包括：
-加热炉，包括将所述坯料的一端加热到其拔制温度的管，该管包括：
i)中心管，
ii)与所述中心管的下部相连的上部延伸管，以便获得针对所述加热炉周围大气的气体密封，其中上部延伸管包括在上部延伸管顶部的惰性气体入口，这样做的结果是坯料和要拔制的光纤被惰性气体包围。
iii)下部延伸管，同所述上部延伸管与这样的方式相连：即，能够获得针对所述加热炉周围大气的气体密封。
iv)连接到所述下部延伸管上的管出口，
-拔制光纤的装置，
-在加热炉中支承坯料的装置。
本发明还涉及从坯料中拔制光纤的方法。
该装置本身从美国专利第4,673,427号中可知，该专利在1987年已授予了本申请人。根据该美国专利，纤维从加热炉中的坯料被加热端中拔出，同时气体沿着在加热炉中的加热设备流动。在坯料的端部，气体基本上加热到纤维的温度，然后热气流以与纤维拔制速度几乎相同的速度沿纤维流动。虽然说明书中指明气体流应为气体层流，但为了保证在纤维中的温度梯度在任何时候均低于在纤维中产生应力的值—在纤维中产生应力将增加光学衰减，显然会在气体流中产生细小紊流，这导致了不希望发生的所拔制纤维的直径不稳定。
该设备从欧洲专利申请第0 321 182中也可得知，在该设备中，加热炉包括在其底侧的恢复室，恢复室用以在有空调的环境中以均匀的状态冷却纤维。在加热炉和恢复室之间的接头带有密封，以防止周围空气的进入，当从预热坯料中拔制纤维时，通过设置在邻近加热炉上侧的两条分开的歧管输送惰性气体，如氮或氦，以确保用于对称冷却纤维的对称温度分布。这样的结构在坯料处就已导致了在惰性气体流动状况中的扰动，因而难以在纤维周围形成稳定的边界层。该设备的另一缺点是，虽然恢复室的长度视拔制塔的高度和拔制速度而定(其中正提及的恢复室的长度在直线速度为2米/秒时约为45厘米)，在实际中，将会有不希望发生的周围空气进入恢复室端部。该周围空气的进入导致了直径的不稳定。此外，较冷的周围空气会在于该点上还未充分稳定的纤维中产生应力，导致以这种方式得到的纤维的光学性能下降。
该设备从欧洲专利申请第0 329 898中也可得知，其中惰性气体输送到位于加热炉上侧的入口处，然后，用设置在加热炉底侧的、垂直于惰性气体流动方向的挡板，使所述惰性气体流出加热后的炉中，该挡板包括许多个孔。所拔制的纤维经挡板的中心开口放出，而惰性气体从挡板的其它孔中排出。虽然使用这样的结构大大减小了周围空气的进入，但显然挡板开口的特殊结构，可能导致不希望发生的特别是在靠近挡板处的在加热炉中的惰性气体的紊流，这将导致不希望发生的直径的不稳定。
该设备从欧洲专利申请第0 567 961中也可得知，其中在加热炉的底侧设置有流体隔离器，以便对称地冷却从加热后的坯料中拔出的纤维，该流体隔离器包括在其底端开口处的单个出口。当使用该结构时，会发生如上所述的参照欧洲专利申请第0 329 898的同样问题，特别是紊流问题。
日本公开特许公报第6-115972号涉及一种从坯料中拔制光纤的方法，其中加热炉的下端直接与周围大气相通，因而在此情况下也有周围空气的进入，这会导致不希望发生的纤维直径不稳定。
本发明的目的为，提供一种从坯料中拔制光纤的方法和设备，其中不会发生已有技术的上述问题。
本发明的另一目的为：提供一种从坯料中拔制光纤的方法和设备，其中颗粒粘附到纤维上的程度最小化，该颗粒主要来自纤维经过的管的内壁，或由于在高拔制温度下坯料中的石英蒸发而形成。
本发明的另一目的为：提供一种从坯料中拔制光纤的方法和设备，其中在纤维周围形成的惰性气体的边界层，在拔制过程中为纤维提供对称冷却，其中边界层的扰动必须最小化。
本发明的另一目的为：提供一种从坯料中拔制光纤的方法和设备，其中在拔制过程中，在防止紊流的同时也防止涡流。
根据本发明在简介中提及的设备，其特征为：管出口为锥形，其中管出口端部的内径小于上部延伸管的内径，以防止周围大气的侵入以及在管出口中的紊流和涡流，该管出口包括，设置在所述锥形部分圆周面上的惰性气体的多个出口。
设置在管出口锥形圆周面上的(最好在其端部的)的惰性气体出口的使用，确保环绕纤维的惰性气体的边界层在其拔制方向以层流状态沿纤维流动，从而纤维扭转的发生或纤维直径的波动的发生减到最小。为了消除压力波动，尤其需更锥形，压力波动特别地发生在管出口的端部，在管出口的端部，纤维从管出口的中心开口放出。作为附加的惰性气体出口存在的结果，部分环绕纤维的气体排出，从而减小了因出口收窄而产生的紊流量。虽然在前面提到出口设置在管出口的端部，在某些实施例中，所述出口的位置可以靠近从下部延伸管到管出口的过渡部分。
另外，最好下部延伸管的内径基本上与上部延伸管的内径相同。
通过使下部延伸管的直径与上部延伸管的直径相匹配，确保了沿所拔制的纤维流动的惰性气体，在环绕所述纤维的边界层中不会遇到任何障碍，从而当纤维移动时边界层不受干扰，且在纤维中不产生应力。
在本发明的一特殊实施例中，管出口端部内径为小于30毫米，特别地，小于20毫米。为了防止周围空气的进入，尤其需要这样的直径。周围空气的进入可能导致上部延伸管的燃烧，结果燃烧产物落在从坯料中拔出的纤维上。所述燃烧产物可能在局部使最终得到的纤维减弱，这可能使纤维在进一步加工中断裂。此外，周围空气的进入还对加热炉中使用材料的寿命有不良影响。
当从坯料中拔制纤维时，没有颗粒粘附到纤维周边上极重要。来自加热炉中所使用材料的燃烧产物颗粒的污染，导致了不希望发生的纤维的局部减弱。故最好用从高纯度碳或陶瓷碳类中选出的碳来制成上部延伸管，高纯度碳有最好为小于百万分之两百的低灰份含量。此外，最好用从石英玻璃及陶瓷材料类中选出的材料来制成下部延伸管，由此必须进一步指明，最好用金属和陶瓷材料类中选出的材料来制成管出口。这类材料对在光纤拔制中采用的高温不敏感。此外，在下部延伸管中使用的材料必须能承受在其内部占上风的高温，同时承受在其外部的较冷的周围空气。
在本发明的一特殊实施例中，在管出口的内部带有装置，该装置防止：粘附到上及/或下延伸管内表面上的、并可能从所述表面上突然脱落的颗粒，由于管出口的锥形而被带到纤维上并沉积在纤维上。这些颗粒对所拔制的光纤质量有不良影响。该装置可以是适合用于管出口内侧的一个或多个隔板，或挡板，或粗糙的鱼鳞状结构，同时其尺寸及/或位置选择成能防止在靠近纤维的气体流中的有害紊流的发生。设置在管出口内圆周上的隔板被证明正是这样的装置，其位置设计成能拦截由气流携带的颗粒。
本发明还涉及从坯料中拔制光纤的方法，其中坯料在加热炉中加热到拔制温度，之后纤维从坯料加热后的端部中拔出，随后依次经上部延伸管、下部延伸管、管出口放出，该方法的特征在于，管出口为锥形，其中管出口端部的内径小于上部延伸管的内径，以便于防止周围大气的进入，以及防止在管出口内的紊流和涡流的发生，该管出口带有设置在其锥形圆周面上的多个出口。
本发明将通过多个例子，参照附图在以下进行详细说明。
图1为用于从坯料中拔制光纤的根据本发明的设备的示意图。
图2为根据本发明的管出口的示意图。
图3为根据本发明的管出口的一特殊实施例的示意图。
在图1中，从坯料中拔制光纤的本装置用参考数字1表示。本装置1包括加热炉3，在加热炉3中有加热元件4，该加热元件4的作用为对称加热上部延伸管5。上部延伸管5在其底侧与下部延伸管6相连，该下部延伸管6在其底侧与管出口7相连。本装置1还包括惰性气体供应管8，所述惰性气体通过供应管8带入上部延伸管5中，由此环绕着坯料2和从所述坯料中拔制出的纤维9。供应管8特别地用不同于制成上部延伸管5的材料制成，例如用金属制成。根据本发明，坯料2位于中心管10内，该中心管10在其底侧以气体密封状态与加热炉3相连，特别是与上部延伸管5相连。加热元件4提供的温度极高，从而坯料2开始熔化，由此从锥形11中拔制出光纤9。在光纤9沿管出口7的方向传送的过程中，在上部延伸管5、下部延伸管6和管出口7中的条件，选定成能使光纤9受到对称的冷却。更特别的，管出口7为锥形，同时管出口7端部的内径小于上部延伸管5的内径；该管出口7，特别地在其端部，带有多个设置在锥形圆周面上的出口12。该出口12的特别作用是防止在管出口7端部的内部压力不稳定，该压力不稳定可能导致纤维扭转或纤维9直径的波动。
图2为本管出口7的示意图。从坯料2(未示出)中拔出的纤维9，经管出口7的中心导出开口13放出，由此惰性气体经中心放出开口13和出口12部分排出。应指明在图2中只示意性地展示了锥形管出口7的出口12。这意味着，本发明不受在图2中示出的出口12特殊位置的任何限制。
图3为本管出口7的剖视示意图。在管出口7内部有一个或多个隔板14，15，其功能为拦截固体颗粒。该颗粒，例如来自坯料2或来自管壁，尤其是纤维9从中经过的上及/或下部延伸管5，6的管壁。隔板14，15最好沿管出口7的整个内圆周延伸。虽然图3中所示为只有两排隔板14，15，应理解排数不限于一特定的数量。
Claims (14)
1.一种从坯料中拔制光纤的设备，包括：
-加热炉，包括将所述坯料的一端加热到其拔制温度的管，该管包括：
i)中心管，
ii)与所述中心管的下部相连的上部延伸管，以便获得针对所述加热炉周围大气的气体密封，其中上部延伸管包括在上部延伸管顶部的惰性气体入口，使得坯料和要拔制的光纤被惰性气体包围，
iii)下部延伸管，同所述上部延伸管与这样的方式相连：即，能够获得针对所述加热炉周围大气的气体密封，
iv)连接到所述下部延伸管上的管出口，
-拔制光纤的装置，
-在加热炉中支承坯料的装置，
其特征在于：管出口为锥形，其中管出口端部的内径小于上部延伸管的内径，以便于防止周围大气的进入，以及防止在管出口内的紊流和涡流，该管出口包括设置在其锥形圆周面上的多个惰性气体出口。
2.根据权利要求1的从坯料中拔制光纤的设备，其特征在于：下部延伸管的内径基本上与上部延伸管的内径相同。
3.根据权利要求1-2的从坯料中拔制光纤的设备，其特征在于：管出口端部内径小于30毫米。
4.根据权利要求3的从坯料中拔制光纤的设备，其特征在于：管出口端部内径小于20毫米。
5.根据权利要求1-4的从坯料中拔制光纤的设备，其特征在于：上部延伸管由从高纯度碳和陶瓷碳类中选出的碳制成，高纯度碳有小于百万分之两百的灰份含量。
6.根据权利要求1-5的从坯料中拔制光纤的设备，其特征在于：下部延伸管由从石英玻璃和陶瓷材料类中选出的材料制成。
7.根据权利要求1-6的从坯料中拔制光纤的设备，其特征在于：管出口由从金属或陶瓷材料类中选出的材料制成。
8.根据权利要求1-7的设备，其特征在于：管出口在其端部带有设置在其锥形圆周面上的多个惰性气体的出口。
9.根据权利要求1-8的从坯料中拔制光纤的设备，其特征在于：在管出口的内侧带有装置，该装置防止来自管内表面及/或来自坯料材料的、由惰性气体流携带的固体颗粒，被引导到所拔制的纤维上。
10.根据权利要求9的设备，其特征在于：管出口的内部带有一个或多个隔板，该隔板拦截由惰性气体流携带的固体颗粒。
11.一种从坯料中拔制光纤的方法，其中坯料在加热炉中加热到拔制温度，之后纤维从坯料加热后的端部中拔出，随后依次经上部延伸管、下部延伸管、管出口放出，该方法的特征在于，管出口为锥形，其中管出口端部的内径小于上部延伸管的内径，以便于防止周围大气的进入，以及防止在管出口内的紊流和涡流的发生，该管出口带有设置在其锥形圆周面上的多个惰性气体出口。
12.根据权利要求11的从坯料中拔制光纤的方法，其特征在于：采用了有与上部延伸管的内径基本相同内径的下部延伸管。
13.根据权利要求11-12的从坯料中拔制光纤的方法，其特征在于：采用了在其端部内径小于30毫米的管出口。
14.根据权利要求11-13的从坯料中拔制光纤的方法，其特征在于：采用了在其端部内径小于20毫米的管出口。
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