CN1274337A - 由预成形件拉成光导纤维的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由预成形件(1)生产光导纤维(2)的炉子,炉子有一个具有一根几何轴线的内腔(4),预成形件(1)可沿轴线运动,在内腔沿轴线的区域(10)内可调整熔化预成形件(1)材料的温度,此温度朝内腔(4)轴向的端部下降。本发明的特征在于,炉子的生热和/或从内腔(4)散热沿炉子轴线变化。此外,本发明还涉及一种生产光导纤维的方法。

Description

由预成形件拉成光导纤维的设备和方法

本发明涉及一种由预成形件生产光导纤维的炉子，炉子有一个具有几何轴线的内腔，预成形件可沿轴线运动，以及，在内腔沿轴线的一个区域内可调整熔化预成形件材料的温度，温度朝内腔轴向的端部下降。此外本发明还涉及一种生产光导纤维的方法。

光导纤维尤其是玻璃纤维为了导引光线在其内部有一个折射率剖面，它通常通过组合不同掺杂的材料达到。剖面的具体设计取决于纤维的类型，其中例如可能涉及多模梯度纤维或单模纤维。因为由于纤维截面小直接制成所要求的折射率剖面实际上行不通，所以在先有技术中纤维由近似圆柱形其半径在若干厘米范围内的预成形件拉出。为制造预成形件已知多种不同的方法，例如气相石英玻璃管内涂层随后压扁(CVD法)；气相玻璃芯外涂层(OVD法)；气相基质轴向涂层(VAD法)或在玻璃管内插入玻璃芯接着熔化(stab-Rohr法)。

预成形件的一端由于熔化处于粘滞状态，对于一般的石英玻璃制品约在1900至2200K的范围内出现粘滞状态。在这种状态下玻璃可拉出构成光导纤维的细丝。为了加热预成形件常用有旋转对称内腔的拉丝炉，预成形件在内腔中按作为纤维拉出的材料量沿轴向送进。在这种情况下预成形件熔化的部分，即所谓拉丝葱头(Ziehzwiebel)，处于沿炉子轴线炉温最高的区域内。与之相反，温度朝预成形件背对拉丝葱头的端部的方向以及朝纤维的方向下降。

炉子的加热例如借助于空心圆柱形石墨电阻构件实现，它围绕着内腔并通过大多平行于轴线流动的直流或交流电加热。也常用感应炉，它的内腔同样被一个管状的例如用锆氧化物或石墨制的构件围绕。在这种情况下电流由一个围绕着此管的线圈的磁场通过感应激发。炉子的加热构件最好设计为可更换的嵌入件。已知的拉丝炉的结构尤其是在加热构件的布局和设计方面沿轴向相对于其最高温度区是对称的。相应地，在内部特别在内腔的壁面上相对于此最高温度区构成一种对称的温度剖面，在这里拉丝葱头处于炉子中央。

为了生产例如在光的衰减或机械强度方面有特殊性质的纤维，有必要调整纤维预定的冷却速率和/或拉丝葱头的几何形状。在这情况下可能既要求快速冷却纤维又需要尽可能长期地保持拉丝温度。为此在先有技术中在拉丝炉上安装加长段，它的温度必要时是可调的。然而这种方式影响纤维温度的可能性是有限的。尤其是不能在拉丝葱头直接的周围改变冷却速率。此外，安装加长段需要在拉丝炉的纤维出口处有足够的结构空间，当配置在纤维拉伸塔上时往往不能提供所需的空间。

在生产光导纤维时存在的另一个问题是预成形件的直径不断增大，以便在一次操作时能制出更大的纤维长度。为了在这种情况下仍能达到拉丝所需的温度，在先有技术中提高了炉子加热装置的功率，例如感应线圈的馈电功率。通常这样做需要更换电源设施，因此成本很高。此外，在这种情况下功率损失增加，所以有必要改善炉子的冷却。

因此，本发明的目的是发展用于控制纤维的拉丝炉和方法，它们提供了影响纤维冷却速率和拉丝葱头形状的更广泛的可能性并能减小炉子加热功率。

按本发明为达到此目的采取的措施是，炉子的生热和/或从内腔散热沿炉子的轴线改变。在由预成形件生产光导纤维的一种有利的方法中，预成形件端部在最大温度区加热到熔点并拉成纤维，沿纤维纵轴线方向最大温度区两侧温度下降，此方法的特征在于，加热功率和/或从加热区散热沿纤维纵轴线变化并最好调整为相对于最大温度区非对称。

本发明的中心思想在于，在炉子内沿其轴线调整为一个确定的温度剖面。从而可以在炉子内便已影响纤维的冷却速率和调整拉丝葱头的形状。为此目的改变沿内腔轴线的生热或散热，在这种情况下将两种措施结合起来往往是有利的。此外，通过减少散热，最好再加上在拉丝葱头区内有目的地生热，可以获得更高的加热效率。因此可以在不提高炉子最大加热功率的情况下采用直径更大的例如在约10厘米范围内的预成形件控制纤维。

在本发明的一种有利的设计中，沿轴向的尤其在内腔壁上的温度分布调整为非对称的。因此在炉子内腔中便已经可以影响冷却速率，在这种情况下炉子的最大温度通常不改变。最大温度区最好布置为朝炉子的一个轴向端偏移。其结果是形成一种非对称的温度剖面，这种温度剖面朝着炉子处于离最大温度区较近的那一端下降得较快，而朝相反端方向的下降进行得较缓慢。作为替换或补充，在最大温度区周围，温度梯度沿两个轴向可以是不同大小。例如，温度可从最大温度区朝炉子的一端基本上下降到内腔边缘附近，而向另一端的下降连续经内腔的延伸区进行。借助于这种温度剖面也可以改变取决于其周围温度分布的拉丝葱头的几何形状。

最大温度区的位置由内腔的壁温决定，亦即可通过影响当地的加热功率和从壁的散热确定。其中，对预成形件、拉丝葱头和纤维各部分温度的影响，主要通过从各自对置的壁段辐射传热造成。因此在炉子内部可按已知的方式引入保护气体层流，防止纤维污染和炉子氧化。保护气流对预成形件和纤维温度的影响比壁温的影响小得多，因为它的速度取决于炉子的几何参数，而且在炉子内的传热主要通过辐射造成。所以采用气流防止纤维和预成形件污染不会显著改变调整好的温度剖面。

其结果是大大扩展了改变纤维冷却速率和拉丝葱头几何形状的可能性，从而可在更大程度上调整纤维特性。在许多情况下可以取消在拉丝炉上安置在外侧的加长段。

炉子的加热最好借助于例如用石墨或氧化锆制的导电层进行，它沿径向围绕着内腔。导电层构成炉壁的一个组成部分，或作为管状构件插入炉子中并最好是可更换的。通过导电层的电流既可最好沿炉子轴向施加外电压造成，也可通过感应产生。可以设想将此层平行于电流方向再分段。

为了改变生热或散热，最好沿炉子轴线改变导电层的电阻或热导率。基于密切的物理关系，这两个参数的影响通常是对应的。例如增加导电层的厚度减小电阻，但与此同时使平行于层面尤其沿炉子轴向的热导率增大。

为了调整电阻或热导率，提供厚度改变的导电层。当通过在层上施加电压加热炉子时，生热主要在沿其纵轴线层厚小的区域内进行。反之，在感应加热时尤其加热层厚较大的区域，因为在这里与感应线圈的电磁场的耦合最佳。

作为替换或补充，导电层的材料可沿炉子纵轴线改变。为此目的可以设想例如是不同掺杂或成分不同的材料。

在炉子的最大温度区，导电层平行于内腔壁的热导率高是有利的，以便保证均匀的温度。反之，朝内腔的轴向端部热导率最好减小，以避免基于沿轴向的导热造成的能量损失。

为了在炉子内部造成非对称的温度剖面，可通过将导电层设计为相对于炉子轴向中面非对称。为此目的，导电层的截面可相对于中面非对称地变化，例如使导电层一侧在中面以外有一个或多个横截面缩小区。作为替换形式可以设想，导电层的当地电阻相对于中面非对称变化，例如借助于沿轴向变化的掺杂。

在炉子感应式加热的情况下存在一个或多个构件，它们在导电层内围绕着内腔产生可变的磁通。这些构件最好是在炉壁内以高频或中频工作的感应线圈。因为在导电层内的当地磁通随着离产生磁通的构件距离增加而减小，所以通过将这些构件相对于炉子中面非对称地布置，可以在内腔形成非对称的温度剖面。可以设想这些构件能沿轴向相对于内腔移动，从而可用简单的方式通过改变它们的位置调整为不同的温度剖面。

为了减少用于加热的必要的能量，炉壁通常包括一个隔热材料层，它沿径向围绕着内腔和加热内腔用的构件。若改变此隔热层沿炉子轴线的热导率，便可在炉壁上和在炉子内腔中构成与之相关的温度剖面。因此，作为前述那些措施的替代或补充尤其提供了构成一个相对于中面非对称温度剖面的可能性，即只要从内腔沿径向的散热非对称地进行。例如，隔热层的厚度朝内腔的一个轴向端线性或非线性地增大。此外还可以设想，隔热层材料的单位热导率沿内腔的轴向变化。

炉子两个轴向端侧通常加盖，它们减少从炉子内腔流出保护气体和热损失并避免污染物入侵。盖有孔，预成形件可通过孔插入并引出纤维。通过使盖有互相不同的温度可以在内腔造成非对称的温度剖面。为此在最简单的情况下它们用热导率不同的材料制造，换句话说一个盖用热导率高的材料如铜或黄铜制成，而另一个用热导率低的材料如钢制造。同样，一个盖为了其表面达到高的温度可以用热导率低的材料例如陶瓷或石英涂层或覆盖，或在两个盖上有厚度不同的此类涂层。

内腔的盖设冷却装置是有利的，为了在炉子内造成非对称的温度剖面冷却装置的功率可调整为不同的。例如，对于液体冷却式盖，冷却剂的量或进口温度可以不同。若两个盖串联地被冷却剂回路流过，则通过选择流动方向可调整盖的温度。

为了调整纤维的具体特性，另一种可能性在于沿炉子轴线炉子有两个或多个加热区，亦即温度极大值。在这种情况下导电层最好由适当数量的分段组成，它们沿炉子的轴向用热导率低的材料彼此隔开距离并感应加热。

除了影响炉内温度剖面的上述这些措施外还存在一种可能性，即炉子有一个沿径向围绕着纤维的轴向加长段。在不可能调节温度的被动式加长段的情况下，它减缓纤维从炉子排出后的冷却。若加长段的温度可以主动调整，例如通过加热或冷却，则可以做到在纤维从炉子排出后特别缓慢或快速冷却。

下面借助于附图进一步说明本发明的实施例。附图用示意图表示通过不同拉丝炉的横剖面。

图1  先有技术的炉子；

图2  有非对称加热层的炉子；

图3  有非对称布置的感应线圈的炉子；

图4  有非对称隔热层的炉子；

图5  有最佳加热效率的感应加热炉。

图1至5表示不同的拉丝炉，炉内预成形件(1)端部加热并拉成纤维(2)。炉子通常安装在纤维拉伸塔上，它的轴线垂直定向，纤维(2)沿此轴线延伸。炉子的加热总是通过导电层(3)实现，导电层沿径向围绕着炉子近似圆柱形的内腔(4)。在导电层(3)内电流借助于图中未表示的馈电线通过施加外电压产生或通过感应产生。加热层(3)外侧被隔热层(5)包围，后者设在炉子的外壳(6)内并减少热损失。内腔(4)在其端侧用盖(7、8)封闭，在盖(7、8)中的孔允许预成形件(1)以及纤维(2)贯通。还可设想在盖(7、8)中有其他的孔，作为通过内腔(4)的保护气体层流的进口和出口，从而减少污染预成形件(1)和纤维(2)的表面。

拉丝葱头(9)，亦即在预成形件(1)下端处的熔化区，在所有情况下均处于内腔(4)温度T最大的区(10)内。温度T朝炉子的轴向端侧不断下降，以避免预成形件(1)提前软化和能使纤维(2)硬化。由图1至4右侧的温度剖面可以看出沿炉子内腔(4)温度T示意的变化曲线。

在先有技术(图1)中，炉子相对于其中面(11)有一种镜面对称的结构，此中面(11)垂直于炉子轴线延伸。因此在内腔(4)形成相对于中面(11)对称的温度分布，在这种情况下最大温度区(10)与中面(11)重合。影响纤维(2)冷却速率的一种可能性在于通过在炉子下盖(8)上安装一个用虚线表示的加长段(12)。加长段(12)的隔热效果延缓了纤维的散热，如在图的右部同样用虚线表示的那样。可设想也加热或冷却加长段(12)。然而以此方式可达到的纤维(2)冷却速度的改变并因而其材料性质的变化是有限的。

通过在内腔(4)中形成相对于中面(11)非对称的温度剖面提供了大大扩展了的可能性。图2表示了一种炉子，其中为此目的用于加热的层(3)有一个横截面缩小区(13)，它布置在中面(11)下方，亦即相对于中面非对称地设置。在电流平行于炉子纵轴线通过层(3)时，横截面缩小区(13)超比例地加热，所以在这里形成了最大温度区(10)。现在偏离中面(11)设置的最大温度区(10)，导致温度向炉子的两个端侧有不同梯度的非对称温度剖面。在图示的例子中，炉子的温度T朝其下端下降得要快得多。如在所有的实施例中那样，在此情况下也可以通过在下盖(8)上安装加长段(12)附加地影响纤维(2)的冷却速率。

在图3所示的感应式加热炉中，导电层(3)通过由感应线圈(14)产生的电流加热，感应线圈(14)流过高频交流电。在这种情况下层(3)可认为是感应线圈(14)短路的次级绕阻。因为感应磁通的量随着离感应线圈(14)的距离增加而减少，所以在层(3)处于离感应线圈(14)最近的那个区域内亦即尤其在线圈内部感应电流最大。相应地，内腔(4)的壁(15)的温度在那里也是最高的。通过相对于炉子中面(11)非对称地布置感应线圈(14)，例如全部在中面(11)上方或下方，可以在内腔(4)中产生非对称的温度剖面。

作为非对称地加热内腔(4)或其壁(15)的替换形式或补充，非对称的温度剖面也可以通过从内腔(4)非对称地散热建立。相应地在图4的实施例中有一隔热层(5)，它的厚度从上盖(7)朝着到下盖(8)的方向线性增大。由此也使温度T沿轴向的下降朝下盖(8)比朝上盖(7)缓慢得多。

图5中表示的炉子允许用功率最小的感应线圈(14)加热预成形件(1)。为此改变导电导(3)沿炉子轴线的厚度。在感应线圈(14)的所在区内，最好用石墨制的层(3)厚度大，以提高平行于内腔(4)壁(15)的热导率。因此在此区域可调整为一个高的恒定的温度。此外，通过设计层厚可以优化与感应线圈(14)电磁场的耦合。在内腔(4)的轴向端部区内层(3)的厚度显著较小，所以它们沿轴向的热导率也低。其结果是，从最大温度区(10)沿内腔(4)壁(15)朝通常被冷却的盖(7、8)的热流显著减小。隔热层(5)避免沿径向的热损失。以此方式纤维可以在炉子加热功率较低和盖(7、8)较少冷却的情况下拉制。

其结果是获得了一种用于拉出光导纤维的炉子，它提供了更高的加热效率和大大扩展了的影响纤维冷却速率和拉丝葱头几何形状的可能性，并因而允许大范围地改变光导纤维的特性。

Claims (19)

1.由预成形件(1)生产光导纤维(2)的炉子，炉子有一个具有一根几何轴线的内腔(4)，预成形件(1)可沿轴线运动，在内腔沿轴线的区域(10)内可以调整熔化预成形件(1)材料的温度，此温度朝内腔(4)轴向的端部下降，其特征为：炉子的生热和/或从内腔(4)散热沿炉子轴线变化。

2.按照权利要求1所述的炉子，其特征为：内腔(4)沿轴线的温度分布可相对于最大温度区(10)调整为非对称的。

3.按照权利要求2所述的炉子，其特征为：最大温度区(10)可调整为在内腔(4)垂直于轴线延伸的中面(11)之外。

4.按照前列诸权利要求之一所述的炉子，其特征为：内腔(4)被导电层(3)围绕。

5.按照权利要求4所述的炉子，其特征为：导电层(3)的电阻和/或热导率沿炉子轴线改变。

6.按照权利要求4或5所述的炉子，其特征为：导电层(3)的厚度是变化的。

7.按照权利要求4至6之一所述的炉子，其特征为：导电层(3)的材料是变化的。

8.按照权利要求4至7之一所述的炉子，其特征为：导电层(3)的热导率在炉子的最大温度区大于炉子沿轴向的端部区。

9.按照权利要求4至8之一所述的炉子，其特征为：导电层(3)相对于内腔(4)中面(11)设计为非对称的。

10.按照权利要求4至9之一所述的炉子，其特征为：内腔(4)被一个可感应加热的层(3)围绕，以及，用于产生感应磁通的构件相对于内腔(4)的中面(11)布置为非对称的。

11.按照前列诸权利要求之一所述的炉子，其特征为：内腔(4)及其加热元件被隔热装置(5)围绕，它的热导率沿内腔(4)的轴线是变化的。

12.按照权利要求2至11之一所述的炉子，其特征为：内腔(4)在两个端侧设盖(7、8)，它们的热导率互不相同。

13.按照权利要求12所述的炉子，其特征为：盖(7、8)用热导率不同的材料制造或有热导率不同的涂层。

14.按照权利要求12或13所述的炉子，其特征为：盖(7、8)有冷却装置，它们的冷却功率可调整为不同的。

15.按照前列诸权利要求之一所述的炉子，其特征为：炉子沿其轴线有多个温度极大值。

16.按照前列诸权利要求之一所述的炉子，其特征为：炉子有一个轴向加长段(12)，它围绕着纤维(2)。

17.按照前列诸权利要求之一所述的炉子，其特征为：加长段(12)的温度是可调的。

18.由预成形件(1)生产光导纤维(2)的方法，预成形件端部在最大温度区(10)加热至熔点并拉成纤维(2)，其中，沿纤维纵轴线方向的温度在最大温度区(10)两侧下降，其特征为：加热功率和/或从加热区散热沿纤维纵轴线变化。

19.按照权利要求18所述的方法，其特征为：沿纤维纵轴线的加热功率和/或从加热区散热调整为相对于最大温度区(10)非对称的。

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