CN1557755A - 光纤拉丝方法及拉丝炉 - Google Patents

Abstract

本发明的光纤拉丝方法是从一端对光纤母材(13)进行加热使其软化、对光纤进行拉丝的光纤拉丝方法，在该方法中，将光纤母材(13)收容在拉丝炉内的下端的一部分开放的半密闭空间(10、20)中，利用设置在该半密闭空间(10、20)下端侧的加热器(15)对光纤母材(13)进行加热，同时一边调整该半密闭空间上部(20)的放热量一边进行拉丝。

Description

光纤拉丝方法及拉丝炉

本申请是申请日为1999年10月29日、申请号为99810340.3、发明名称为光纤拉丝方法及拉丝炉的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及抑制线性波动的光纤拉丝方法及采用该方法的光纤拉丝炉。

背景技术

通常，光纤是在光纤拉丝炉内对棒状的光纤母材加热使其软化拉丝制造而成的。而且，使母材的尺寸长、减少其更换次数对降低光纤的制造成本是有效的。现在，一次拉丝能作成全长达数百千米的光纤。

为了稳定地进行这样长尺寸的光纤母材的拉丝，也对拉丝炉进行了改进。在日本专利特开平9-2832号公报(以下称现有技术)中公开的拉丝炉是进行这样的长尺寸光纤母材拉丝的拉丝炉的一例。该拉丝炉是将母材收容筒连接在周围备有加热器的炉心管上部构成的。而且，将光纤母材收容在母材收容筒内，并将其下端导入炉心管内。另一方面，从母材收容筒的上端部供给氦或氮等不活泼气体。因此，在使炉心管和由此往上的半密闭空间(以下简称半密闭空间)保持非氧化气氛之后，再利用加热器从下部加热使光纤母材软化，进行拉丝。

如果对光纤进行拉丝，则随着拉丝的进行，光纤母材变短。在连接该现有技术中公开的母材收容筒的拉丝炉中，如果随着拉丝的进行，光纤母材变小，则母材收容筒和光纤母材之间的空间逐渐扩大。于是，占据该空间的不活泼气体的流动变得容易，同时该空间内的不活泼气体与位于炉心管和拉丝中的光纤母材之间的不活泼气体的温差增大，在半密闭空间内发生不活泼气体的对流现象。

如果发生这样的对流现象，则处于加热软化状态中的光纤母材的下端附近，即在半密闭空间的开放端外侧附近的气体介质的流动也变得不稳定。而且，受其影响，被拉丝的光纤的直径变化有可能非常大，作为制品，难以获得所希望的质量。

作为其对策，在现有技术中记载了这样一种技术，即在母材收容筒上端部分周围设置环状的辅助加热器，将母材收容筒上端部分的内部加热至数百度并进行保温。因此，能防止半密闭空间中的对流现象的发生，使拉拔的光纤的直径稳定。

在这样的拉丝炉中，如果使光纤母材的尺寸更长，则收容它的母材收容筒也必须更长。因此，半密闭空间的容积也增大。为了防止该半密闭空间内的不必要的对流现象，显然由辅助加热器加热的区域也必须更长。

在母材收容筒内，以下垂的形式将这样的光纤母材支撑在其直径比母材的外径小的支撑棒上。而且，母材上与支撑棒连接的部分的附近形成其直径朝向端部逐渐变细的肩部。如果光纤母材为了拉丝而被加热，则因为从该肩部释放出大量的辐射热，所以与它相对的母材收容筒也被加热。如果光纤母材的尺寸长，母材收容筒内的加热区域也被扩大，则母材收容筒内壁过热有可能被熔化。另外，光纤母材的肩部自身也由于过热而软化，由于光纤母材自身的重量而使光纤在肩部部分沿轴向延伸，光纤的拉丝有可能不能正常地进行。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种在使用长尺寸的光纤母材的情况下，能可靠地获得直径稳定的光纤的光纤拉丝方法及拉丝炉。

为了解决上述问题，本发明的光纤拉丝方法是将光纤母材收容在炉心管和与其上部连接的母材收容筒内，从一端对光纤母材加热使其软化、对光纤进行拉丝的光纤拉丝方法，在该方法中，将辅助加热器设置在母材收容筒的上部，同时设置使上述母材收容筒上部冷却的冷却装置，对上述母材收容筒内至少一处的温度进行测定，根据该温度，一边调整由上述冷却装置产生的冷却量一边进行拉丝。

即，该拉丝方法中使用的拉丝炉是这样一种拉丝炉，它备有能将光纤母材沿垂直方向插入的炉心管；配置在该炉心管周围的加热器；连接炉心管的上方与炉心管构成一体、下端的一部分形成开放的半密闭空间，同时把光纤母材收容在内部的母材收容筒，还备有设置在母材收容筒上部的辅助加热器和使母材收容筒上部冷却的冷却装置。

如果采用本发明，则即使在增大光纤母材的尺寸的情况下，也能降低由炉心管和母材收容筒形成的半密闭空间内与光纤母材之间间隙内的温差，能抑制上述对流的发生。另外，使母材收容筒上部冷却，能防止母材收容筒内壁过热、进而防止光纤母材肩部过热，能可靠地获得直径稳定的光纤，同时能防止拉丝炉破损。

这里，拉丝炉最好还备有测定母材收容筒上部部分的内部温度的至少一个温度传感器，根据该温度传感器测定的温度调整放热量。

最好用以下方法调整母材收容筒上部的冷却量。

例如，在辅助加热器和母材收容筒的外壁之间设置间隙，最好将冷却用的空气供给该间隙，以此再调整冷却量。或者，利用使辅助加热器移动、改变与母材收容筒的距离的移动装置来调整冷却量。在此情况下，也可以将冷却用空气供给由辅助加热器的移动产生的母材收容筒与辅助加热器之间的间隙。

或者，该辅助加热器具有发热体和在其周围形成的绝热材料，移动绝热材料，改变与母材收容筒的距离，调整冷却量。在此情况下，也可以将冷却用的空气供给由绝热材料的移动产生的绝热材料和辅助加热器之间的间隙。

另外，还可以备有：在母材收容筒周围形成、冷却用流体流过内部的冷却用流体循环回路；以及将冷却用流体供给该循环回路内的供给装置。该冷却用流体最好是空气或水。

附图说明

图1是本发明的光纤拉丝炉的第1实施形态的结构的剖面图，图2是其主要部分的放大图，图3是图2中的III-III线剖面图。图4是表示加热器移动装置的一例的图。

图5～图8分别是本发明的光纤拉丝炉的其它实施形态的上部母材收容筒部分及加热器移动装置的剖面图。

图9是本发明的光纤拉丝炉的第5实施形态的主要部分剖面结构图，图10是其X-X线剖面图。

图11是本发明的光纤拉丝炉第6实施形态的主要部分的结构图。

具体实施方式

以下参照附图详细地说明本发明的最佳实施形态。为了使说明容易理解，在各图中，对相同的结构元件尽可能地标以相同的标号，重复说明从略。

图1是表示本发明的光纤拉丝炉的第1实施形态的结构的剖面图，图2是表示其主要部分的放大图，图3是图2中的III-III剖面图。

该光纤拉丝炉备有用不锈钢制成的内衬绝热材料的炉体11。在该炉体11的中央部分配置着圆筒状的炉心管12，在其周围也就是在与炉体11之间配置着环状的石墨加热器15。将炉心管12和石墨加热器15配置成同心圆状。以下把炉心管12内部的圆筒状空间称炉心腔10。

在拉丝时，光纤13通过连接器17将其上端连接在支撑棒16的下端，该支撑棒16被夹持在图中未示出的卡盘上，从下端一侧将该光纤13沿着炉心腔10的中心轴送入，通过加热和延伸形成光纤14。在炉体11的下端，在中央安装着贯通了供光纤14通过用的开口18的密封板19。在光纤母材13是大型母材的情况下，最好替换密封板19，设置圆筒状的炉心管延长部。

在该炉体11中，装入连接在中未示出的制冷剂循环装置上的冷却套，与石墨加热器15的发热相结合，并利用下述的控制装置29对从制冷剂循环装置向制冷剂套内供给的制冷剂供给量、温度进行控制，将炉心腔10内的温度维持在规定温度。

将铬镍铁合金等耐热合金制成的母材收容筒21、22连接在炉体11的上端。延长炉心管12的内壁，并使它与母材收容筒21、22的内壁呈一体，形成上部腔体20。其结果，炉心管12和母材收容筒21、22形成下端具有开口18的半密闭空间(上部腔体20和炉心腔10)。这里，母材收容筒除了图1所示的结构以外，既可以串联连接三个以上圆筒构件，也可以呈一体形成。

在母材收容筒21的上端安装着在中央形成了能滑动地贯通支撑棒16的小直径开口23的环形挡板24，并维持上部腔体20内的密封性。另外，在母材收容筒21的上端部分，设有图中未示出的气体导入口。而且，通过气体供给管将氦及氮等不活泼气体供给源连接在该气体导入口上。从该不活泼气体供给源通过气体供给管、气体导入口将不活泼气体供给到上部腔体20的上端部分，以此将作为半密闭空间的炉内10及20内保持为不活泼气氛。

呈上下两段结构的圆弧状的辅助加热器25被配置在该上端侧的母材收容筒21的周围。各辅助加热器25均具有铁-铬-铝系列的发热线27、以及包围该发热线并支撑它的陶瓷纤维绝热材料28，如图3所示，夹着母材收容筒21并使两者对称地配置，在两者之间形成间隙31。将测定母材收容筒21的壁温用的多个温度传感器30配置在该间隙部分31上。

而且，各发热线27与控制它们的通电状态的控制装置29连接。上述各温度传感器30连接在该控制装置29上，并发送各温度信息。

辅助加热器25连接在加热器移动装置33上，通过使该加热器移动装置33工作，能在图3中的双点划线所示的加热位置和实线所示的放热位置之间，调整辅助加热器25与母材收容筒21的距离。

图4是表示该加热器移动装置的一例的图。辅助加热器25能够移动地安装在导轨332上，该导轨332安装在母材收容筒21上。而且，使电动机330进行驱动，利用安装在辅助加热器25上的轴331使辅助加热器25接近或离开母材收容筒21。将直线电动机用于电动机330，通过把齿轮齿条副式齿轮配置在电动机330和轴331之间，能使辅助加热器25平行地移动。

其次，详细地说明本实施形态的操作，即本发明的光纤的拉丝方法。

通过连接器17将光纤母材13的上端连接在支撑棒16的下端上。而且，用图中未示出的卡盘夹着该支撑棒16，把光纤13收容在上部腔体20内也就是母材收容筒21、22内。而且，将环形挡板24安装得能使支撑棒16在开口23内滑动。

在该状态下，通过气体供给管、气体导入口，从图中未示出的不活泼气体供给源将不活泼气体供给到上部腔体20内，用不活泼气体介质充满所形成的半密闭空间。

此后，从下端把光纤母材13供给到炉心腔10中。在炉心腔10内，用石墨加热器15对光纤母材13进行加热，由于熔融而被软化，进行拉丝，形成光纤14。

在光纤母材13非常长、其上端直径逐渐变细的肩部26位于上侧的母材收容筒21内的拉丝初始阶段(参照图2)，该肩部26往上的上部腔体20的空间容积小，很难发生大的热对流。

可是，在简单地进行拉丝的情况下，产生以下问题。石墨加热器15发出的辐射热从光纤母材13的下端部分入射，通过其壳体，从肩部26放射。因此，母材收容筒21内壁的温度上升，在最坏的情况下，母材收容筒21有可能被融化。另外，即使在母材收容筒21不至于融化的情况下，肩部26的温度上升，光纤母材13的肩部软化，往往受其自重的作用而被拉长。于是，光纤14的直径发生很大的变化，最坏的情况下，光纤母材13本身有可能在肩部26处撕断而落下。

如果母材收容筒21上部的温度超过800℃，则会发生这种现象。于是，在本实施形态中，控制装置29利用温度传感器30监视母材收容筒21的温度，在测定温度超过规定温度的情况下，如图3的实线所示，控制装置29使加热器移动装置33进行，使辅助加热器25离开母材收容筒21。而且，在母材收容筒21的外壁和辅助加热器25之间设置约4～5cm的间隙32，促进从母材收容筒21的外壁通过该间隙32向外部大气放热，以此使母材收容筒21冷却，防止其过热。

如上所述，虽然将母材收容筒21的温度控制在800℃以下就可以，但是从确保拉丝炉的寿命和制造光纤14的稳定性方面考虑，最好控制在700℃以下。这时，控制装置29最好断开向辅助加热器25通电而呈非加热状态。

随着拉丝的进行，光纤母材13在上部腔体20内下降，其肩部26也随之下降。因此，上部腔体20内的肩部26以上的空间容积扩大。如果该部分的空间容积扩大到一定程度，则该空间内的上部气体温度降低。而且，在光纤母材13的肩部26以上的空间中，有可能发生以肩部26为热源的热对流。如果母材收容筒21的温度不足300℃，则该热对流非常显著。

如上所述，在本实施形态中，控制装置29利用温度传感器30监视母材收容筒21的温度。而且，在测定温度下降到规定温度的情况下，如图3中的双点划线所示，控制装置29使加热器移动装置33进行驱动，使辅助加热器25接触母材收容筒21的外壁。而且，通过使辅助加热器25工作来加热母材收容筒21，以此加热上部腔体20内的气体介质，防止上述热对流的发生。

此时母材收容筒21的温度必须调整到300℃以上，最好调整到400℃以上。

在本实施形态中，这样调整母材收容筒21外壁的放热量能调整母材收容筒21的温度，进而能精确地调整其内部的上部腔体20内的气体介质的温度、防止热对流的发生，同时能防止母材收容筒21及光纤母材13的肩部26过热。其结果，能稳定地进行光纤14的拉丝。

图5是本发明的光纤拉丝炉的第2实施形态的上部母材收容筒部分的剖面图。本实施形态的辅助加热器25a把用绝缘材料和耐热合金包着的发热线安装在母材收容筒21的外壁上。而且，形成利用绝热材料移动装置33a只能移动绝热材料28a的结构。该绝热材料移动装置33a是与第1实施形态(参照图3)的加热器移动装置33相同的装置。

在本实施形态中，利用绝热材料移动装置33a在双点划线所示的加热位置和实线所示的放热位置之间移动绝热材料28a，调整绝热材料28a与辅助加热器25a的间隙32。因此，通过调整辅助加热器25的外壁的放热量，能调整母材收容筒21的放热量，能稳定地进行光纤14的拉丝。

在这个实施形态中，辅助加热器25或绝热材料28a各自具有将圆筒分割成两部分形成的圆弧状的断面形状。可是，辅助加热器25或绝热材料28a的形状不限于此，也可以形成沿圆周方向将圆筒分割成三部分以上的结构。或者，也可以形成将圆筒侧面的一部分沿长度方向切去的“C”型断面结构，通过扩大该切口部的宽度，形成弹性变形来扩大与母材收容筒21的间隙32。

图6是具有这种形式的辅助加热器25的第3实施形态的拉丝炉的上部母材收容筒21的剖面图。即，本实施形态的辅助加热器25呈“C”型断面结构的近似于圆筒形状。而且，通过使辅助加热器移动装置33进行驱动，扩大切口部分的间隙31的幅度。因此，辅助加热器25进行弹性变形，从双点划线所示的加热位置向实线所示的放热位置移动，扩大母材收容筒21与辅助加热器25的间隙32。与第1、第2实施形态相同，通过调整该间隙32能调整母材收容筒21的放热量，能稳定地进行光纤14的拉丝。

图7是表示该实施形态的加热器移动装置33的具体例。把带子333卷绕在辅助加热器25的周围，利用电动机330a和轴331a调整该带子333的切口部分的距离，以此来调整母材收容筒21与辅助加热器25的间隙32。

图8是本发明的光纤拉丝炉的第4实施形态的上部母材收容筒部分的剖面图。与第2实施形态相同，本实施形态的辅助加热器25a是将用绝缘材料和耐热合金包着的发热线安装在母材收容筒21的外壁上构成的。而且，形成利用绝热材料移动装置33a只能移动具有与图3类似的“C”型断面形状的绝热材料28a的结构。该绝热材料33a是与第2实施形态相同的装置。

在本实施形态中，也利用绝热材料移动装置33a扩大绝热材料28a的切口部分的间隙31，调整绝热材料28a与辅助加热器25a的间隙32。因此，通过调整辅助加热器25a的外壁的放热，能调整母材收容筒21的放热量，能稳定地进行光纤14的拉丝。

虽然该第1～4实施形态都是利用自然空气冷却调整母材收容筒21的外壁的放热，但也可以利用强制冷却。用图9、图10分别表示利用这种强制冷却的本发明的光纤拉丝炉的第5实施形态的主要部分的剖面结构图及其VIII-VIII线剖面图。

与第1、第3实施形态的辅助加热器25不同，本实施形态的辅助加热器25呈圆筒状。而且，也与第2、第4实施形态不同，在与母材收容筒21之间形成5cm左右的间隙32。在辅助加热器25的上下两端分别配置紧密接触母材收容筒21的环状绝热材料34，对间隙32进行密封。在本实施形态中，因为辅助加热器25的发热线27相对于间隙32露出，所以最好使用耐氧化的镍铬或铁铬系列的发热体。

在辅助加热器25中设置从其外部向其内部的间隙32贯通的吸气管35和从其内部的间隙32向其外部贯通的排气管36。在吸气管35和排气管36各自的圆筒外的开口端上，配置能同时开闭的闸门38，利用由控制装置29驱动的闸门驱动装置37控制闸门的开闭。再通过供给管51将送风泵50连接在吸气管35上，构成能强制地向间隙32供给空气的结构。

在利用本实施形态的光纤的拉丝中，与其它实施形态相同，控制装置29利用温度传感器30监视母材收容筒21的温度。而且，在母材收容筒21的温度达到700℃以上的情况下，停止向辅助加热器25(发热线27)通电，打开闸门38，使送风泵50工作，通过供给管51、吸气管35，将最多5m3冷却用空气吹入间隙32。利用吹入的空气从外部强制冷却母材收容筒21，所以母材收容筒21的温度能维持在规定温度以下。其结果，通过排气管38把升温后的空气排放到大气中。

另一方面，在母材收容筒21的温度降低到400℃以下的情况下，停止送风泵50，关闭闸门38，在间隙32呈完全被密封的状态之后，再向辅助加热器25(发热线27)通电，从外壁加热母材收容筒21。

如图10所示，在本实施形态中，通过从接线方向将冷却用空气供给到间隙32中，在间隙32内形成旋转流，提高母材收容筒21的放热效果。除此之外，把间隙32内部隔成螺旋状也可以获得同样的效果。

作为强制冷却用的流体除了空气以外也可以利用水、油等液体。图11是采用了这样的冷却方式的本发明的光纤拉丝炉的第6实施形态的主要部分的简略结构图。

在本实施形态中，把用不锈钢等形成的传热板39安装在辅助加热器25外周。再以盘管状的形式将导管缠绕在该传热板39周围形成盘管40，并包围它配置绝热材料41。

冷却盘管40的一端通过流量控制阀42及泵43连接在水箱44上。另外，另一端通过冷凝器45与该水箱44连接形成循环回路。在该水箱44中储存着冷却水W，在水箱44的上端设置通气孔46。通过开关阀47将气泵48连接在冷却盘管40和流量控制阀42之间。利用控制装置29进行这些流量控制阀42、开关阀47的开与关、泵43、48的工作。

在本实施形态中对光纤进行拉丝的情况下，控制装置29监视温度传感器30的测定温度，在母材收容筒21的温度上升、有必要放热的情况下，控制装置29使开关阀47闭合、使泵43工作、调整流量控制阀42、使规定流量的冷却水在冷却盘管40中流动，强制冷却母材收容筒21，促进上部腔体20的放热。

由于母材收容筒21的冷却而被加热、气化的冷却水W在冷凝器45中冷凝之后返回水箱44。即使返回的高温冷却水W使水箱44的水温上升，也能利用通气孔46将蒸气排放出去，所以水箱44内的气压能维持在大气压。

另一方面，在母材收容筒21的温度降低后的情况下，控制装置29使泵43的工作停止，关闭流量控制阀42，另一方面，打开开关阀47，使气泵47工作，把空气吹入冷却盘管40内，将残留在冷却盘管40内的冷却水排放到冷凝器45一侧。此后，停止气泵48，关闭开闭阀47，使冷却盘管40内呈密闭状态后，向发热线27通电，从外部加热母材收容筒21，维持在规定温度以上。

这里，虽然说明了把冷却盘管40设置在辅助加热器25外部的例子，但也可以把冷却盘管40设置在辅助加热器25的绝缘材料28内。

本发明人用这些光纤拉丝炉，把母材收容筒21的温度调整到400～700℃，对长尺寸的光纤母材13(长1.8m、直径9cm)进行了拉丝。其结果，能制造出直径为125μm±0.1μm的沿其全长(900km)线性波动少的光纤14。

工业上应用的可能性

本发明的光纤拉丝炉及光纤拉丝方法特别适用于利用长尺寸的光纤母材稳定地制造线性波动少的光纤。

Claims (14)

1.一种光纤拉丝方法，它是将光纤母材收容在炉心管和与其上部连接的母材收容筒内，从一端对上述光纤母材加热使其软化，来对光纤进行拉丝的光纤拉丝方法，其特征在于：

将辅助加热器设置在上述母材收容筒的上部，同时设置使上述母材收容筒上部冷却的冷却装置，

对上述母材收容筒内至少一处的温度进行测定，根据该温度，一边调整由上述冷却装置产生的冷却量一边进行拉丝。

2.根据权利要求1所述的光纤拉丝方法，其特征在于：将上述辅助加热器能移动地配置在上述母材收容筒的外壁上，基于上述冷却装置的冷却量的调整包含对上述母材收容筒的外壁与上述辅助加热器的距离的调整。

3.根据权利要求1所述的光纤拉丝方法，其特征在于：将上述辅助加热器配置在上述母材收容筒的外壁上，将绝热材料能移动地配置在它的周围，基于上述冷却装置的冷却量的调整包含对上述母材收容筒的外壁与上述绝热材料的距离的调整。

4.根据权利要求1所述的光纤拉丝方法，其特征在于：基于上述冷却装置的冷却量的调整包含对向上述母材收容筒的外壁周围供给冷却流体的供给量的调整。

5.根据权利要求4所述的光纤拉丝方法，其特征在于：上述冷却流体是空气或水。

6.一种光纤拉丝炉，它备有能将光纤母材沿垂直方向插入的炉心管；配置在上述炉心管周围的加热器；连接上述炉心管的上方与上述炉心管构成一体、下端的一部分形成开放的半密闭空间，同时把上述光纤母材收容在内部的母材收容筒，其特征在于：

备有设置在上述母材收容筒上部的辅助加热器和使上述母材收容筒的上部冷却的冷却装置。

7.根据权利要求6所述的光纤拉丝炉，其特征在于：还备有测定上述母材收容筒上部部分的内部温度的至少一个温度传感器，上述冷却装置具有根据上述温度传感器测定的温度调整冷却量的控制部。

8.根据权利要求6所述的光纤拉丝炉，其特征在于：在上述辅助加热器和上述母材收容筒外壁之间设置间隙，上述冷却装置是将冷却用空气供给上述间隙的送风装置。

9.根据权利要求6所述的光纤拉丝炉，其特征在于：上述冷却装置备有移动上述辅助加热器、改变与上述母材收容筒的距离的加热器移动装置。

10.根据权利要求9所述的光纤拉丝炉，其特征在于：还备有将冷却用空气供给由于上述辅助加热器的移动而产生的上述母材收容筒和上述辅助加热器的间隙的送风装置。

11.根据权利要求6所述的光纤拉丝炉，其特征在于：上述辅助加热器具有发热体和在其周围形成的绝热材料，上述冷却装置是移动上述绝热材料、改变与上述母材收容筒的距离的绝热材料移动装置。

12.根据权利要求11所述的光纤拉丝炉，其特征在于：还备有将冷却用空气供给到由于上述绝热材料的移动而产生的上述绝热材料和上述辅助加热器的间隙的送风装置。

13.根据权利要求6所述的光纤拉丝炉，其特征在于：上述冷却装置备有在上述母材收容筒的周围形成、使冷却用流体流过内部的冷却用流体循环回路；以及将上述冷却用流体供给上述循环回路的供给装置。

14.根据权利要求13所述的光纤拉丝炉，其特征在于：上述冷却用流体是空气或水。

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