CN1243678C - 制造光纤预型件的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造预型件的装置，其中载体管收缩成预型件，该装置包括形成圆筒形封套的加热元件，该封套在封套的相对端处限定一环形入口和一环形出口，载体管位于开口之间的圆筒形封套内，加热元件相对于载体管可在轴向上移动，和用于向载体管和封套之间的空间供送非氧化性气体的装置。

Description

制造光纤预型件的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造预型件的装置，其中载体管收缩成一预型件，该装置包括形成圆筒形封套的加热元件，该封套在封套的相对端处限定一个环形入口和一个环形出口，载体管位于所述开口之间的圆筒形封套内，加热元件相对于载体管可在轴向上移动，和用于向载体管和封套之间的空间供送非氧化性气体的装置。本发明还涉及利用本发明的装置制造预型件的方法。
背景技术
这样一种装置本身可由美国专利5970083了解到。由此公知的装置包括一个围绕圆筒形封套的石墨炉，载体管可在圆筒形封套内在其纵向上移动。所述装置用于使原始预型件收缩，该原始预型件为约30mm直径的空心棒的形式，其必须转变成用于拉拔光纤的预型件，即具有约20mm直径的实心棒。这种转变主要向炉的中部发生，在中部温度主要大约为2000℃。圆筒形封套包括一个入口和一个出口，两个开口包括两个管道环箍，非氧化性气体穿过该管道。所述环形管道与封套的轴向成一定角度倾斜，非氧化性气体通过环形管道注入两个圆锥气幕内。这样注入的气体被引导离开封套，这样防止了导致石墨炉燃烧的空气进入封套内的可能。
本发明人已经发现当外界空气中的氧与所述碳精管接触时，收缩过程所需要的高温可能导致圆筒形封套内部燃烧，该圆筒形封套包括碳精管。通过燃烧形成的燃烧产物随后沉积在载体管上，其中杂质可能对最终制造的玻璃纤维的光性能和/或强度产生不良影响。圆筒形封套中显现的高温的另一种效应是少量的SiO2，即制造载体管的材料将蒸发。所述SiO2可与圆筒形封套的内部的碳发生反应，形成SiC，这种SiC沉积在内壁上。实验表明所述SiC可与炉的碳内壁分离，且随后粘附在热和略软的载体管上。必须防止在载体管上出现这种杂质，因为所述载体管在收缩成预型件后在拉拔塔中转化成玻璃光纤。尽管上述美国专利公开了一种装置，其中通过在炉的两端提供双气幕并在载体管和炉的内壁之间的炉空间内用气冲刷，来防止外界空气进入，声称最大程度减少碳内管的燃烧，但所述公知的装置没有提供从载体管适当地排放蒸发的SiO2，结果在各种情况下，不能防止在载体管的外部形成SiC和SiC的沉积。
发明内容
这样，本发明的目的是提供一种制造预型件的装置和方法，其中可避免现有技术存在的前述问题。
根据本发明，参考引言中的本发明的特征在于，在环形入口附近设置用于提供非氧化性气体的装置，所述装置包括：
i)一种用于冲刷载体管和封套之间的空间的元件，包括环形注入室的该元件设置在环形入口附近，且包括在环形出口方向上经过载体管的成层流的非氧化性气体，和
ii)一种用于向环形入口供送非氧化性气体的元件，该元件设置在根据i)的元件的上游处，该元件ii)包括环形注入室，并载运在与来自元件i)的非氧化性气体的方向相反的方向上经过载体管的非氧化性气体，从而防止外界空气在环形入口侧进入。
这样，本发明人已经发现解决上述问题的方法，该方法即在载体管和封套之间的空间内用非氧化性气体冲刷，同时还在载体管的外侧上以及仅在炉的一侧上即环形入口附近形成非氧化性气体的气幕。采用仅在炉的一侧上即在环形入口附近的内部冲刷步骤，可防止由于在圆筒形封套和载体管内部之间的空间内相对的气体流动引起的可能出现的涡流。特别是，由上述因素产生的任何杂质将在另一侧即在环形出口与非氧化性气体流一起离开炉。当使用这种方法时，可防止含硅化合物例如SiC沉积在炉内的碳精内管的热区中，因为在载体管和封套之间的空间内不会发生燃烧产物的堆积。实验表明在碳精内管的温度超过1900℃时，立方形和六角形SiC沉积在碳精内管上。这种立方形SiC的晶体可从圆筒形封套的内壁上分离，并着落在石英载体管上。当由已经收缩以形成固体棒的预型件拉拔玻璃光纤时，由于这种立方形SiC的晶体没有熔化，这种晶体的存在将导致如此形成的玻璃光纤局部削弱，从而导致其破裂。应当理解，本发明的装置包括形成圆筒形封套的加热元件的实施例，以及围绕圆筒形封套的加热元件的实施例。
在一个特别优选的实施例中，在元件i)中的非氧化性气体的层流具有10-200的雷诺数，其中雷诺数定义为Re＝ρvd/μ，其中：
ρ＝气体密度
v＝气体速度
μ＝气体粘性，和
d＝载体管的外径和圆筒形封套的内壁之间的直径差
这种层流特别是期望的，以便防止在载体管和圆筒形封套之间的空间内产生涡流，因此，可能已经形成的任何含SiC的材料适当地在环形出口的方向上被排出，这样防止所述材料沉积在载体管上。
在一个特定的优选实施例中，上述参数d具有＞6mm的值，结果蒸发到炉的碳内壁上的SiO2的扩散距离增加。
而且，优选的是采用具有最大体积百分比含量为15％的氦的气体作为非氧化性气体，其中其它成分选自例如氩和氮，或其混合物。
在这种收缩过程中，氦由于其具有良好的导热性而被频繁地使用，因此来自圆筒形封套的热被适当地传递到要收缩的载体管上。然而，使用氦的一个缺点是，由于上述良好的导热性，也会发生很强的冷却。这样，从载体管蒸发的SiO2可能沉积在圆筒形封套的碳精管的大部分上。这样，考虑到为了使来自载体管的蒸发的SiO2在圆筒形封套的碳精管上的沉积最少，选择最大量的氦。
该装置的特征还在于圆筒形封套的内壁由玻璃化的碳制成。使用玻璃化的碳的特殊优点是该材料具有很低的孔隙率，结果，有效的潜在反应面积小于标准的高纯碳。这将导致碳的燃烧降低，这样与SiO2的反应最小。除此之外，显然很容易从玻璃化的碳表面去除任何杂质。
本发明还涉及一种方法，其中，载体管收缩成预型件，该方法在上述装置中实施。
附图说明
现在参照附图将对本发明更详细地描述，其中，
附图示意性地表示本发明装置的横截面视图。
具体实施方式
附图示意性地表示用于制造预型件的装置1，其中使载体管7收缩成一预型件。载体管7位于加热元件2之间，该加热元件提供高温，以便载体管7轻微软化，并融化成一固体棒。空间9位于炉10的内壁3和载体管7之间，该空间用非氧化性气体进行冲刷，该非氧化性气体在箭头P1所示的方向上通过环形注入室6注入。注入室6位于环形入口5的位置，因此，注入的非氧化性气体从环形入口5在环形出口4的方向上流动。为了防止外界空气进入环形入口5内，还提供有元件8，该元件8设置在环形注入室6的上游，该元件8也包括环形注入室，它载运非氧化性气体在与来自环形注入室6的非氧化性气体的方向相反的方向上，特别是在箭头P2所示的方向上经过载体管7。通过元件8获得的气幕和通过注入室6的内部冲刷过程的结合确保防止外界空气进入炉内，以及在收缩过程中形成的任何杂质适当地在环形出口4的方向上排出。显然，炉10可相对于载体管7移动，但在特定的实施例中，最好载体管7相对于炉10移动。然而，本发明不限制特定的移动方式。

Claims (7)

1.一种用于制造预型件的装置(1)，其中，载体管(7)收缩成预型件，该装置(1)包括至少一个形成或围绕圆筒形封套(3)的加热元件(2)，该封套(3)在封套(3)的相对端处限定一环形入口(5)和一环形出口(4)，载体管(7)位于所述出口(4)和所述入口(5)之间的圆筒形封套(3)内，加热元件(2)相对于载体管(7)可在轴向上移动，和用于向载体管(7)和封套(3)之间的空间供送非氧化性气体的装置(6，8)，其特征在于，用于提供非氧化性气体的装置(6，8)单独地设置在环形入口(5)附近，所述装置(6，8)包括：
i)一种用于冲刷载体管(7)和封套(3)之间的空间的元件(6)，包括环形注入室的该元件(6)设置在环形入口(5)附近，且该元件承载在环形出口(4)方向上经过载体管(7)的成层流的非氧化性气体；和
ii)一种用于向环形入口(5)供送非氧化性气体的元件(8)，该元件(8)设置在根据i)的元件(6)的上游处，该元件(8)包括环形注入室，并承载在与来自元件(6)的非氧化性气体的方向相反的方向上经过载体管(7)的非氧化性气体，以防止外界空气在环形入口(5)侧进入。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在元件(6)中的层流具有范围在10到200之间的雷诺数，其中雷诺数定义为Re＝ρvd/μ，其中：
ρ＝气体密度；
v＝气体速度；
μ＝气体粘性；和
d＝载体管(7)的外径和圆筒形封套(3)的内壁之间的直径差。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，参数d具有＞6mm的值。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，采用具有最大体积百分比含量为15％的氦的非氧化性气体作为非氧化性气体。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，圆筒形封套(3)的内壁由玻璃化的碳制成。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，加热元件(2)可相对于载体管(7)移动。
7.一种用于制造预型件的方法，其中，载体管(7)收缩成预型件，该方法利用根据权利要求1至6中任一项所述的装置来实施。
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