DE69601660T2 - Zirconiumdioxid-Induktionsofen mit Isolierung aus Magnesiumoxid zum Ziehen optischer Glasfasern - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausziehen von Lichtleitfaser aus einer Glasvorform und insbesondere eine Faserausziehvorrichtung mit einem verbesserten Induktionsofen.
Hintergrund der Erfindung
• Die Entwicklung von dämpfungsarmen Lichtleitfasern aus Quarzgut führte zur Untersuchung von Hochtemperatur-Wärmequellen (z. B. etwa 2000ºC) zum Ausziehen von hochfester Faser aus einer Glasvorform. Von den in Frage kommenden Wärmequellen haben sich für das Ausziehen von siliciumdioxidreichen Fasern Knallgasgebläse, CO&sub2;-Laser, Induktionsöfen und Widerstandsöfen durchgesetzt. Mit der Gebläsemethode kann man zwar kostengünstig arbeiten, aber über große Faserlängen keinen einheitlichen Durchmesser aufrechterhalten. Der CO&sub2;-Laser liefert die sauberste Ausziehatmosphäre, erfordert jedoch zur radialen Verteilung der für das Ausziehen benötigten Energie spezielle optische Konstruktionen und liefert nur eine begrenzte Leistung. Induktionsöfen gehören zu den am besten geeigneten Hochtemperaturquellen.
• Ein Induktionsofen zum Ausziehen von Siliciumdioxid-Fasern ist in R. B. Runk, "A Zirconia Induction Furnace for Drawing Precision Silica Waveguides", Optical Fiber Transmission II Technical Digest (Tuß 5- 1) (22.-24. Februar 1977), beschrieben. In einem Faser- Induktionsofen verwendet man in der Regel ein Zirkoniumdioxid-Aufnahmerohr, das innerhalb einer Hochfrequenzspule (HF-Spule) angeordnet ist. Nach dem Erhitzen des Zirkoniumdioxid-Aufnahmerohrs auf eine gewünschte Temperatur, die etwa 2100ºC beträgt, wird in den Mittelteil des Aufnahmerohrs, der auch als heiße Zone bezeichnet wird, ein Glasvorformstab eingeführt. Die Vorform wird teilweise wieder fließfähig, und aus dem fließfähig gemachten Teil wird Lichtleitfaser ausgezogen.
• Herkömmliche Zirkoniumdioxid-Faserausziehöfen enthalten einen äußeren zylindrischen Becher aus Quarzglas, ein Innenrohr aus Zirkoniumdioxid und einen dazwischenliegenden, mit Zirkoniumdioxidgranulat gefüllten Isolierbereich. Zur Untersuchung eines axialen Bereichs des Aufnahmerohrs ist im Ofen ein radiales Pyrometer-Sichtrohr vorgesehen.
• Mit diesen herkömmlichen Öfen sind schon seit vielen Jahren Fasern hergestellt worden, wobei sich jedoch eine Reihe von Problemen ergab. Von Zeit zu Zeit wird die Faser durch Zirkoniumdioxidteilchen aus dem Isolierbereich kontaminiert, was zu Ausfällen führt. Außerdem neigt das durch das Zirkoniumdioxid-Isoliergranulat hindurchgehende Pyrometer-Sichtrohr dazu, mit der Zeit abzusacken, was zu fehlerhaften Temperaturanzeigen und vorzeitigem Versagen des Ofens führt.
• Neuere Trends zur Verwendung größerer Vorformen, schnelleren Ausziehgeschwindigkeiten und höheren Ofentemperaturen brachten weitere Schwächen der herkömmlichen Ofenbauweise zum Vorschein. Es gab eine Reihe von Fällen, in denen das Zirkoniumdioxid- Isolierkorn zusammensintert und zu einer Doughnutförmigen Masse verschmilzt, die den heißesten Teil des Zirkoniumdioxidrohrs vollständig umgibt. Sobald das Zirkoniumdioxidgranulat zu schmelzen beginnt, koppelt das HF-Feld mit der schmelzflüssigen Masse und verursacht weiteres Sintern und Schmelzen. Dadurch wird die Leistungsbelastung des Systems erhöht, was letztlich zum Versagen des Ofens führt. Demgemäß besteht Bedarf an einer neuen Ofenbauart mit erhöhter Stabilität bei Hochtemperaturbetrieb.
• Ein konventioneller Induktionsofen wird auch in der GB-A-2 121 028 von Western Electric Co. Inc. beschrieben.
• Ein anderer Versuch zur Lösung dieses Problems unter Verwendung von Formkörpern aus feuerfestem Material wird in der US-PS 5,410,567 beschrieben.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Ofen gemäß Anspruch 1.
• Erfindungsgemäß wird eine Faserausziehvorrichtung mit einem verbesserten Faserausziehofen versehen, in dem ein inneres Zirkoniumdioxidrohr von einem radial davon beabstandeten, ringförmigen Isolierbereich aus Magnesiumoxid in einem Siliciumdioxid-Becher umgeben wird. Das Magnesiumoxid hat zwar ungefähr den gleichen Schmelzpunkt wie Zirkoniumdioxid, kann aber aufgrund seiner wesentlich geringeren elektrischen Leitfähigkeit höherer HF-Leistung widerstehen. Magnesiumoxid ist außerdem in Siliciumdioxid besser löslich als Zirkoniumdioxid, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination der Faser durch Teilchen verringert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine Querschnittsansicht des Kerns eines Induktionsofens;
• Fig. 2 einen senkrechten Schnitt eines Induktionsofens mit dem Kern gemäß Fig. 1 und
• Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Faserausziehvorrichtung mit dem Induktionsofen gemäß Fig. 2.
Nähere Beschreibung
• Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Querschnittsansicht des Kerns 10 eines Ofens mit einem äußeren Siliciumdioxid-Becher 11, einem inneren Zirkoniumdioxid-Aufnahmerohr 12 und einer zwischen dem Becher und dem Rohr angeordneten Isolierschicht 13 aus feuerfestem Magnesiumoxidbruch (MgO-Bruch, MgO-"Korn"). Der Magnesiumoxidbruch kann vorteilhafterweise von einem Rohr 14 aus dichtem Magnesiumoxid begrenzt sein und dadurch an Ort und Stelle gehalten werden. Vorzugsweise ist ein Sichtrohr 9 vorgesehen, das optischen Zugang zum Zentrum des Kerns gewährt.
• Bei dem Becher 11 handelt es sich vorzugsweise um einen oben offenen Siliciumdioxidbehälter mit einer Seitenwand und einer Bodenfläche 15 mit einer zentralen Öffnung 16. Die Seitenwand, die vorzugsweise an die Bodenfläche angeschmolzen ist, ist vorteilhafterweise mit einer Schicht 17 aus Aluminiumsilicat-Isolierung isoliert.
• Das Zirkoniumdioxid-Aufnahmerohr 12 ist in der Isolierschicht 13 radial angeordnet und vorzugsweise im Becher 11 zentral positioniert. Das Aufnahmerohr ist vorzugsweise vom Magnesiumoxidisolator (z. B. dem Rohr 14) beabstandet, damit bei hoher Temperatur keine unerwünschten chemischen Reaktionen auftreten. Die Innenfläche 18 des Aufnahmerohrs liefert die Ofenbohrung.
• Zweckmäßigerweise sind am Kopf und am Boden des Siliciumdioxid-Bechers ringförmige, feuerfeste Filzscheiben 19 vorgesehen, die eine Bewegung von Teilchen aus feuerfestem Korn in das Innere des Aufnahmerohrs 12 verhindern, in welchem die Teilchen die Vorform oder Faser kontaminieren könnten. Geeignete feuerfeste Filzscheiben werden in der US-ps 4,547,644 von Bair et al. beschrieben.
• Nach einer typischen Ausführungsform handelt es sich bei dem Siliciumdioxid-Becher um einen zylindrischen Becher mit einem Durchmesser von 6 Zoll und einer Länge von 12 Zoll. Bei dem Zirkoniumdioxid-Aufnahmerohr 12 handelt es sich um yttriumoxidstabilisiertes Zirkoniumdioxid von der Fa. Stanelco Products Limited. Bei dem Aufnahmerohr, das vorzugsweise etwas länger als der Becher ist, kann es sich um ein zylindrisches Rohr mit einem Durchmesser von etwa 3 Zoll handeln. Bei dem isolierend wirkenden Magnesiumoxidbruch 13 handelt es sich um Magnesiumoxid des Typs Mag Chem P-98 Magnesia von der Fa. Martin-Marietta Magnesia Specialties, Inc., und bei dem Rohr 14 aus dichtem Magnesiumoxid handelt es sich um ein 3 mm dickes Rohr aus hochdichtem Magnesiumoxid von der Fa. Ozark Technical Ceramics, Inc.
• Fig. 2 zeigt einen Induktionsofen 20 mit dem Kern gemäß Fig. 1. Der Ofen 20 enthält den Siliciumdioxid-Becher 11 (und dessen Inhalt) innerhalb einer HF-Induktionsspule 21. Sowohl der Becher als auch die Spule sind von einem Metallgehäuse 22, wie z. B. einer zylindrischen Kupferhülle, umgeben. Das Gehäuse dient als Abschirmung zur Verringerung von Hochfrequenz- Streustrahlung von der Spule 21 und enthält vorzugsweise eine Kühlschlange 23 zur Zirkulation eines Kühlmittels wie Wasser. Bei der praktischen Durchführung genügt zum Koppeln des Aufnahmerohrs in der Regel eine Induktionsspule mit 4-8 Windungen und eine 3-5-MHz-Hochfrequenz-Energieversorgung.
• Aus diesem Faserausziehofen ergeben sich vielfältige Vorteile. Das Magnesiumoxid kann aufgrund seiner gegenüber Zirkoniumoxid wesentlich geringeren elektrischen Leitfähigkeit der Anwendung höherer HF- Leistung widerstehen. Magnesiumoxid ist außerdem in Siliciumdioxid besser löslich als Zirkoniumdioxid, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination der Faser durch Teilchen verringert wird. Darüber hinaus liefert ein zur Trennung des Magnesiumoxid-Ioslierkorns vom Zirkoniumdioxid-Aufnahmerohr verwendetes Magnesiumoxidrohr einen geeigneten inneren Träger für das Pyrometer-Sichtrohr. Ferner liefern das geringere Gewicht und die geringeren Kosten dieser Bauart gegenüber der früheren Bauart mit der zunehmenden Vergrößerung der Öfen zwecks Aufnahme von Vorformen des Standes der Technik klare Vorteile. Da die Schüttdichte von Magnesiumoxid nur etwa halb so groß ist wie die von Zirkoniumdioxid, ist der Ofen wesentlich leichter und in der Produktion einfacher zu handhaben. Außerdem wird Magnesiumoxidkorn in großen Mengen zur Verwendung in chemischen Prozessen und feuerfesten Materialien hergestellt und ist daher wesentlich billiger als das derzeit verwendete, speziell hergestellte Zirkoniumdioxid.
• Darüber hinaus erlaubt die Bauart dieses Ofens die Entnahme und den Ersatz des Zirkoniumdioxid-Aufnahmerohrs ohne Herausnehmen des Siliciumdioxid-Bechers aus dem Ausziehturm, was in der Produktion eine beträchtliche Zeitersparnis darstellt.
• Fig. 3 zeigt schematisch eine Faserausziehvorrichtung mit dem verbesserten Ofen gemäß den Fig. 1 und 2. Im wesentlichen ist der Ofen 20 so angebracht, daß er eine Glasvorform 30 aus einem konventionellen Vorform-Zuführungsmechanismus 31 aufnehmen kann. Die Vorform wird der Ofenbohrung zugeführt, und aus dem erhitzten Ende der Vorform wird eine Lichtleitfaser 32 ausgezogen. Die ausgezogene Faser wird wiederum durch eine Durchmesserkontrollvorrichtung 33 und einen Abkühlbereich 34 geführt. Die teilgekühlte Faser durchläuft eine Beschichtungsvorrichtung 35 und wird dort mit einem polymeren Schutzüberzug versehen. Der Überzug wird von der Kontrollvorrichtung 36 auf Konzentrizität kontrolliert, und die beschichtete Faser wird in einer Härtungsstation 37 gehärtet, in der Kontrollvorrichtung 38 auf ihren Durchmesser nach Härtung kontrolliert und über eine Winde 39 einer nicht gezeigten Aufwickelspule zugeführt.

Claims (7)

1. Induktionsofen (20 gemäß Fig. 2) zum Erhitzen eines Glasstabs mit einem Zirkoniumdioxid-Aufnahmerohr (12) mit einem Innenbereich zur Aufnahme des Glasstabs, einem das Zirkoniumdioxid-Aufnahmerohr umgebenden zylindrischen Siliciumdioxid-Becher (11) und einem zwischen dem Aufnahmerohr und dem Becher angeordneten Isolierbereich mit teilchenförmigem Material,

DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS

es sich bei dem teilchenförmigen Material um Magnesiumoxidbruch (13) handelt.

2. Ofen nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend ein zwischen dem Magnesiumoxidbruch und dem Aufnahmerohr angeordnetes Magnesiumoxidrohr (14), das den Bruch in Position hält.

3. Ofen nach Anspruch 2, wobei das Magnesiumoxidrohr (14) vom Aufnahmerohr beabstandet ist.

4. Ofen nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine zwischen dem Becher und dem Magnesiumoxidbruch angeordnete Schicht aus Aluminosilicat-Isolator (17).

5. Ofen nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine HF-Induktionsspule (21) zum Erhitzen des Ofens.

6. Ofen nach Anspruch 5, weiterhin enthaltend einen die HF-Induktionsspule (21) weitgehend umgebenden Metallmantel (22) zur Verringerung der Abstrahlung von Spulenstrahlung vom Ofen weg.

7. Ofen nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend einen Vorformmechanismus (31) zum Einbringen einer Glasvorform (30) in den Ofen (20) und eine Vorrichtung (39) zum Ausziehen von Lichtleitfaser (32) aus der Vorform.