CN115335337A - 光纤拉丝炉以及光纤制造方法 - Google Patents

光纤拉丝炉以及光纤制造方法 Download PDF

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冈崎岩
井田惣太郎
森本仁广
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Abstract

拉丝炉具备：待插入光纤用玻璃母材的炉心管、容纳从外侧加热光纤用玻璃母材的加热器的炉主体、配置在炉心管的下方的下部腔室、以及配置在下部腔室的下方的保护管，在炉心管内惰性气体从上方朝向下方流动。而且，拉丝炉具有将预定气体导入到保护管内的气体导入口，并且在气体导入口的上部侧具有内部空间的径向截面积比下部腔室小的狭窄部。

Description

光纤拉丝炉以及光纤制造方法
技术领域
本公开涉及光纤拉丝炉以及光纤制造方法。
本申请要求基于2020年3月23日申请的日本专利申请2020-051898号的优先权，并且援引所述申请中所记载的全部记载内容。
背景技术
在专利文献1中，公开了向拉丝炉内供给氦气来对光纤进行拉丝，并将拉丝后的光纤在与拉丝炉连结的冷却管内的氩气中冷却的光纤制造装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-128566号公报
发明内容
用于解决课题的手段
本公开的一个方式涉及的光纤拉丝炉具备：待插入光纤用玻璃母材的炉心管、将从外侧加热所述光纤用玻璃母材的加热器及所述炉心管容纳在内部的炉主体、配置在所述炉心管的下方的下部腔室、配置在所述下部腔室的下方的保护管、以及在所述炉心管内使惰性气体从上方朝向下方流动的炉内气体导入部，所述光纤拉丝炉具有将预定气体导入到所述保护管内的气体导入口，并且在所述气体导入口的上部侧具有内部空间的径向截面积比所述下部腔室小的狭窄部。
另外，本公开的一个方式涉及的光纤制造方法是使用上述光纤拉丝炉来制造光纤的方法。
附图说明
[图1]图1是本公开的一个实施方式涉及的光纤拉丝炉的示意图。
[图2A]图2A是示出保护管的气体导入口的其他例子的图。
[图2B]图2B是示出保护管的气体导入口的其他例子的图。
[图3A]图3A是本公开的其他实施方式涉及的光纤拉丝炉的示意图。
[图3B]图3B是图3A的3B-3B箭头剖面图。
具体实施方式
[本公开所要解决的课题]
在拉丝炉中设置有下部腔室(下烟囱)和位于下部腔室的下方的保护管，以使光纤(玻璃纤维部)的玻璃直径稳定的方式在下部腔室和保护管中保护光纤。另一方面，由于从成为高温的玻璃母材产生SiO2气体等，因此在下部腔室中，SiO2气体等变冷而产生二氧化硅
(SiO2)粉。二氧化硅粉漂浮在吹入拉丝炉内的惰性气体中，在拉丝炉内沉积，或者从拉丝炉的下部腔室和保护管出口向炉外排出，或者与光纤接触或碰撞。当拉丝中的玻璃纤维部与漂浮在拉丝炉内气体中的二氧化硅粉接触或碰撞时，光纤的强度降低。当光纤的强度降低时，在拉丝结束后所实施的光纤筛选试验(验证试验)中，光纤断线的频率上升，生产性可能会降低。
为了降低来自玻璃母材的二氧化硅粉的产生量，有降低拉丝炉温度的方法。但是，拉丝炉温度除了影响所希望的拉丝中的玻璃张力以外，还依赖于母材的尺寸等，因此难以单纯地降低拉丝炉温度。另外，为了降低漂浮在拉丝炉内气体中的二氧化硅粉的每单位气体流量的浓度，还考虑增加拉丝炉内的气体流量，但是制造成本可能会增加。
[本公开的实施方式的说明]
首先，列举本公开的实施方式并进行说明。
本公开涉及的光纤拉丝炉(1)具备：待插入光纤用玻璃母材的炉心管、将从外侧加热所述光纤用玻璃母材的加热器及所述炉心管容纳在内部的炉主体、配置在所述炉心管的下方的下部腔室、配置在所述下部腔室的下方的保护管、以及在所述炉心管内使惰性气体从上方朝向下方流动的炉内气体导入部，所述光纤拉丝炉具有将预定气体导入到所述保护管内的气体导入口，并且在所述气体导入口的上部侧具有内部空间的径向截面积比所述下部腔室小的狭窄部。
由此，能够降低保护管内的每气体流量的二氧化硅粉的浓度，因此二氧化硅粉与光纤接触或碰撞的概率降低，能够抑制光纤的强度降低的发生。
(2)所述保护管可以连结在所述下部腔室的下方。
由此，在下部腔室与保护管之间光纤不会暴露于外部空气，玻璃直径稳定。
(3)优选所述气体导入口设置在所述保护管的中央的上部侧。
由此，在保护管内的大半部分，能够降低每气体流量的二氧化硅粉的浓度，因此二氧化硅粉与光纤接触或碰撞的概率降低，能够抑制光纤的强度降低的发生。
(4)在所述下部腔室的下部，可以具有将所述下部腔室内的所述惰性气体排出到外部的排气孔。
由此，二氧化硅粉与光纤接触或碰撞的概率进一步降低，能够抑制光纤的强度降低的发生。
(5)可以从所述排气孔强制地排出气体。
由此，二氧化硅粉与光纤接触或碰撞的概率进一步降低，能够抑制光纤的强度降低的发生。
(6)优选所述气体导入口设置在所述保护管的上端部。
由此，在保护管内的大致全长，能够在保护管内迅速地降低二氧化硅粉的浓度，二氧化硅粉与光纤接触或碰撞的概率进一步降低。
(7)所述预定气体可以是氩气、氮气或空气。
由此，通过使用廉价的气体，能够抑制制造成本，并且能够抑制光纤的强度降低的发生。
(8)所述气体导入口可以在所述保护管的周向上等间隔地设置。
由此，由于气体均匀地分配在光纤的周围，因此能够防止光纤在保护管内摇晃，能够抑制对光纤直径变动的影响、温度的不均匀性引起的光纤的弯曲(光纤卷曲)。
(9)所述气体导入口可以朝下设置，以将所述预定气体朝下导入到所述保护管的内部。
由此，能够抑制保护管内的气流的紊乱。
(10)所述气体导入口可以倾斜朝下，并朝向沿着保护管壁面的方向，以将所述预定气体螺旋状地导入到所述保护管的内部。
由此，容易将二氧化硅粉从纤维周围分离。另外，能够降低纤维周围的气流的紊乱。
本公开的一个方式涉及的光纤制造方法(11)是使用上述光纤拉丝炉来制造光纤的方法。
由此，能够降低保护管内的每气体流量的二氧化硅粉的浓度，因此二氧化硅粉与光纤接触或碰撞的概率降低，能够抑制光纤的强度降低的发生。
[本公开的实施方式的详细情况]
以下，参照附图，对本公开涉及的光纤拉丝炉以及光纤制造方法的优选实施方式进行说明。在以下的说明中，在不同的附图中标注相同符号的构成部件也是相同的，有时省略其说明。需要说明的是，本公开不限于这些实施方式中的示例，并且包括权利要求书中所记载的范围和等同范围内的所有改变。另外，只要能够对多个实施方式进行组合，则本公开就包括将任意的实施方式组合而得的方式。
(第1实施方式)
图1是本公开的一个方式涉及的光纤拉丝炉的示意图。光纤拉丝炉(以下称为“拉丝炉”)10具有炉主体11、设置在炉主体11的上方的上部腔室12、以及设置在下方的下部腔室13。上部腔室12和下部腔室13为中空的管形状。在炉主体11的内部配置有对玻璃母材1进行加热熔融的加热器15，以被加热器15包围的方式配置有圆筒状的炉心管14。在加热器15与炉主体11之间，为了不使来自加热器15的热量散发到外部，以包围加热器15的方式设置有绝热材料16。需要说明的是，加热器也可以使用感应加热。
在下部腔室13的下方配置有后面详述的保护管20。保护管20优选与下部腔室13密合并连结，但是不论多少，可以在保护管20与下部腔室13之间存在间隙。另外，在本实施方式中，对下部腔室13和保护管20逐个设置的构成进行了说明，但是也可以各自分割为多个，也可以成为一体。
光纤2的拉丝是通过未图示的母材悬挂机构将玻璃母材1悬挂在炉心管14内，用加热器15加热玻璃母材1的下部，使光纤(玻璃纤维部)2从熔融了的玻璃母材1的下端部熔融下垂的工序，以使从拉丝炉10的下方取出的光纤2成为预定的外径的方式进行。从炉内气体导入部17导入的氮气或氦气、氩气等惰性气体从上方向下方供给到炉心管14内。由于炉心管14内为惰性气体气氛，因此能够防止作为碳部件的炉心管14等的氧化，并且能够保持内部的清洁。
导入到炉心管14内的惰性气体在炉心管14内被加热到约2000℃以上。并且，被加热的惰性气体的一部分通过向下流动，经过炉心管14的内侧的空间，经由下部腔室13和保护管20而与光纤2一起排出到外部。
在本实施方式中，下部腔室13与保护管20连结，在连结部分别形成内部空间的截面积比下部腔室13小的下部腔室13的狭窄部13a和保护管20的狭窄部20a。另外，在保护管20的狭窄部20a的正下方设置有气体导入口21。气体导入口21在保护管20的周向上例如以等间隔设置4处。狭窄部13a和狭窄部20a用于将比这些狭窄部13a、20a更上部的炉心管14和下部腔室13的内部的压力保持在比狭窄部13a、20a更下部的保护管20的内部的压力更正的压力。
狭窄部只要在气体导入口21的上部侧即可，并不限于设置在下部腔室13与保护管20的连结部，也可以仅设置在下部腔室13和保护管20的任意一者处。另外，气体导入口21优选设置在保护管20的上端部(不仅包括上端，还包括上端附近)，但是只要设置在保护管20的纵向方向中央的上部侧即可。需要说明的是，在下部腔室13和保护管20成为一体的情况下，优选将气体导入口21设置在其中央部附近。然后，从外部向气体导入口21导入清洁状态的氩气、氮气或空气等那样的比氦气便宜的气体。
在本实施方式中，通过在具有气体导入口21的保护管20内降低漂浮在拉丝炉10内的惰性气体中的二氧化硅粉的每单位气体流量的浓度，从而使拉丝中的光纤2与二氧化硅粉接触或碰撞的概率降低。
例如，在炉心管14内向下流动Q1slm(换算成标准状态为Q1升/分钟)流量的惰性气体时，假设每Q1升含有N个二氧化硅粉的情况下，下部腔室13内的二氧化硅粉的每气体流量的浓度为N/Q1。并且，当从保护管20的气体导入口21将Q2slm的气体导入到保护管20内时，从上方向下方流过保护管20的气体流量为Q3(＝Q1+Q2)slm。因此，保护管20内的二氧化硅粉的每气体流量的浓度为N/Q3，能够在具有气体导入口21的保护管20内降低漂浮在拉丝炉10内的惰性气体中的二氧化硅粉的每单位气体流量的浓度。需要说明的是，通过设置下部腔室13的狭窄部13a和保护管20的狭窄部20a，能够将下部腔室13内的压力保持为高于比狭窄部13a、20a更下部的保护管20的内部的压力。由此，抑制了从气体导入口21导入的气体流动到下部腔室13侧。
由此，能够降低在保护管20内二氧化硅粉与光纤2接触或碰撞的概率。另外，通过从保护管20的气体导入口21导入的气体，使炉心管14内流动的气体中所含的二氧化硅粉从保护管20内迅速排出到外部。光纤2在炉心管14、下部腔室13及保护管20内等速移动，但是由于通过保护管20时的二氧化硅粉的每单位气体流量的浓度比不导入气体的情况低，因此能够使二氧化硅粉接触或碰撞的概率整体降低，能够抑制光纤的强度降低的发生。
另外，导入保护管20内的气体通过从保护管20的最上部附近导入，能够迅速降低比气体导入口21更下方的保护管20中的二氧化硅粉浓度。因此，优选通过将气体导入口21设置在保护管20的上端部附近来降低保护管20内的全长上的二氧化硅粉浓度。另外，导入保护管20的气体优选从光纤2的周向均等地流动，以使光纤2不摇晃。
(第2实施方式)
接下来，对设置于保护管20的气体导入口21的其他例子进行说明。图2A是示出保护管的气体导入口的其他例子的图，是长度方向的剖面图。在本实施方式中，设置于保护管20的多个气体导入口21’以朝向保护管20向斜下方倾斜的方式设置。因此，从气体导入口21’导入到保护管20内的气体以向下的角度导入到保护管20的内部。由此，导入到保护管20内的气体在光纤2的行进方向上顺畅地流动，因此抑制了气流的紊乱，抑制了对光纤2的直径变动的影响和对光纤卷曲的影响。需要说明的是，在本实施方式中，导入到保护管20的气体优选从光纤2的周向均等地流动。
(第3实施方式)
接下来，对设置于保护管20的气体导入口21的其他例子进行说明。图2B是示出保护管的气体导入口的其他例子的图，是径向的剖面图。在本实施方式中，设置于保护管20的多个气体导入口21”不是以朝向保护管20的中心的方向，而是以斜向下、沿着壁面的方向导入气体的方式设置。由此，导入到保护管20内的气体沿着保护管20的内壁旋转，即沿周向呈螺旋状地流动，容易将二氧化硅粉从光纤2的周围分离。需要说明的是，导入到保护管20的气体可以从一个气体导入口流动，也可以从多个气体导入口21”均等地流动。
(第4实施方式)
图3A是本公开的另一个方式涉及的光纤拉丝炉的示意图。图3B是图3A的3B-3B箭头剖面图。在本实施方式中，在下部腔室13的下方设置有向外部开口的排气孔13b，在这一方面与第1至第3实施方式不同，但是其他构成相同，因此省略重复的构成的说明。
在本实施方式中，如图3B所示，在设置于下部腔室13的下方的狭窄部13a的周围，以均等的间隔设置有多个排气孔13b。从该排气孔13b流过炉心管14及下部腔室13的惰性气体的一部分与二氧化硅粉一起排出到外部。
排气孔13b构成为将惰性气体排出到下部腔室13的下方，但是也可以以将惰性气体排出到下部腔室的侧方的方式设置在下部腔室的下部的侧面。
例如，与第1实施方式同样地，在炉心管14内向下流动Q1slm流量的惰性气体时，假设每Q1升含有N个二氧化硅粉的情况下，下部腔室13内的二氧化硅粉的每气体流量的浓度为N/Q1。并且，在本实施方式的情况下，当将Q4slm的惰性气体从排气孔13b排出到外部时，(Q1-Q4)slm的气体从下部腔室13导入到保护管20内。需要说明的是，导入保护管20的惰性气体中所含的每气体流量的二氧化硅粉的浓度与N/Q1一样，但是每分钟进入保护管20的二氧化硅粉的量为N×(1-Q4/Q1)。
并且，与第1实施方式同样地，当从保护管20的气体导入口21将Q2slm的气体导入到保护管20内时，使在保护管20从上方向下方流动的气体流量成为Q5(＝Q1-Q4+Q2)slm。因此，保护管20内的二氧化硅粉的每气体流量的浓度为{N×(1-Q4/Q1)}/Q5。因此，与第1实施方式相比，能够降低漂浮在保护管20内的惰性气体中的二氧化硅粉的每单位气体流量的浓度。
(实施例)
在连结部位不设置狭窄部、也不导入气体的情况下，筛选试验中的光纤的断线频率(＝每1Mm(＝1000km)的断线次数)为2次/Mm。另一方面，在设置狭窄部并导入气体的情况下，断线频率降低到1.5次/Mm。此外，在下部腔室的下部设置排气孔而导入气体的情况下，断线频率降低到1次/Mm。
需要说明的是，在第4实施方式中，也与第2、第3实施方式同样地，优选将导入保护管20内的气体以向下的角度导入到保护管20的内部，或者以沿着保护管20的内壁并在周向上呈螺旋状地流动的方式导入。而且，为了使从排气孔13b排出到外部的惰性气体的流量大于朝向保护管20的惰性气体的流量，也可以从排气孔13b吸引下部腔室13内的惰性气体，并强制地进行排气。这样，通过使惰性气体从排气孔13b排出到外部，能够控制光纤牵引的气体流量与从排气孔排出的气体流量的比例。
标号的说明
1…玻璃母材，2…光纤，10…拉丝炉，11…炉主体，12…上部腔室，13…下部腔室，13a…狭窄部，13b…排气孔，14…炉心管，15…加热器，16…绝热材料，17…炉内气体导入部，20…保护管，20a…狭窄部，21，21’，21”…气体导入口。

Claims (11)

1.一种光纤拉丝炉，具备：
待插入光纤用玻璃母材的炉心管、
将从外侧加热所述光纤用玻璃母材的加热器及所述炉心管容纳在内部的炉主体、
配置在所述炉心管的下方的下部腔室、
配置在所述下部腔室的下方的保护管、以及
在所述炉心管内使惰性气体从上方朝向下方流动的炉内气体导入部，
所述光纤拉丝炉具有将预定气体导入到所述保护管内的气体导入口，并且在所述气体导入口的上部侧具有内部空间的径向截面积比所述下部腔室小的狭窄部。
2.根据权利要求1所述的光纤拉丝炉，其中，所述保护管连结在所述下部腔室的下方。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光纤拉丝炉，其中，所述气体导入口设置在所述保护管的中央的上部侧。
4.根据权利要求1至权利要求3中任1项所述的光纤拉丝炉，其中，在所述下部腔室的下部，具有将所述下部腔室内的所述惰性气体排出到外部的排气孔。
5.根据权利要求4所述的光纤拉丝炉，其中，从所述排气孔强制地排出气体。
6.根据权利要求1至权利要求5中任1项所述的光纤拉丝炉，其中，所述气体导入口设置在所述保护管的上端部。
7.根据权利要求1至权利要求6中任1项所述的光纤拉丝炉，其中，所述预定气体是氩气、氮气或空气。
8.根据权利要求1至权利要求7中任1项所述的光纤拉丝炉，其中，所述气体导入口在所述保护管的周向上等间隔地设置。
9.根据权利要求1至权利要求8中任1项所述的光纤拉丝炉，其中，所述气体导入口朝下设置，以将所述预定气体朝下导入到所述保护管的内部。
10.根据权利要求1至权利要求8中任1项所述的光纤拉丝炉，其中，所述气体导入口倾斜朝下，并朝向沿着保护管壁面的方向，以将所述预定气体螺旋状地导入到所述保护管的内部。
11.一种制造光纤的光纤制造方法，其使用权利要求1至权利要求10中任1项所述的光纤拉丝炉。
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