JP2004051480A - 超高速線引き用の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率を向上させて超高速線引きを可能にし、必要な冷却ガスの量を低減しすると共に冷却ガスの分子流動を乱流化して冷却ガスの使用量を最小化する冷却装置を提供する。
【解決手段】光ファイバ線引き工程を使用する冷却装置は、線引きされる光ファイバの長手方向に沿って延設される左側冷却ボディー及び右側冷却ボディーから構成され、冷却ガスを内部に供給できるシーリングキャップによって密閉される分離型冷却ボディーと、冷却ボディー内に装着されて冷却ボディー内に供給される冷却ガスの分子流動を活発にし、線引きされる光ファイバの周りに沿って配置される少なくとも１つの乱流発生器と、から構成される。
【選択図】図５

Description

　本発明は、１つの光ファイバ母材から１本の光ファイバを線引きするための光ファイバ線引き装置に関し、特に、超高速線引き用の冷却装置に関する。

　一般的に、光ファイバを製作するための工程は、光ファイバ母材の製造工程と製造された光ファイバ母材から髪の毛より細い１本の光ファイバを線引きするための光ファイバ線引き工程に分類される。光ファイバ母材の製造工程において、１つの光ファイバ母材からより多くの本数の光ファイバを線引きするために、大口径光ファイバ母材の製造工程に関する多くの研究が進められている。例えば、大口径光ファイバ母材を製造するために、オーバージャケットチューブ(over-jacket tube)工程又はロッドインチューブ(rod-in tube method)工程などが適用される。結果的に、１つの光ファイバ母材からより多くの本数の光ファイバを線引きするための対策として、大口径光ファイバ母材を製造するか、それともより安定的な線引き装置を製作するなどの努力が要求される。

　このような過程を通して大口径光ファイバ母材が準備され、この準備された大口径光ファイバ母材から１本の光ファイバが線引きされる。

　図１に光ファイバ線引き過程において採用された従来の冷却装置を示す。図１に示すように、高温及び高速で線引きされた光ファイバＦ１は、冷却装置を経由して被覆に適した温度を持つ光ファイバＦ２に冷却される。冷却装置は、冷却ボディー３０、この冷却ボディー３０の上下端にそれぞれ装着されるアイリス(IRIS)３２、３４から構成される。アイリス３２、３４は、外部空気の進入及び初期線引き時の光ファイバの微細移動を防止する。

　冷却ボディー３０は、銅パイプを中心にして二重の構造、つまり、第１銅パイプ３１０内に第２銅パイプ３１２が同軸に位置する構造を有する。さらに、冷却ボディー３０の上下端においてそれぞれヘリウムガスが矢印Ａの方向に第２銅パイプ内部３０１に供給され、線引きされた光ファイバＦ１が通過する第２銅パイプ内部３０１にヘリウムガス雰囲気が形成される。また、第１銅パイプ３１０と第２銅パイプ３１２との間には、低温の冷却水３０２が矢印Ｂの方向に循環する空間が提供されて第２銅パイプ内部３０１のヘリウムガスを冷却する。冷却水３０２は、高温の線引きされた光ファイバＦ１と熱交換を遂行する。この相互熱交換によって高温の光ファイバＦ１は、適した温度まで冷却される。所定の光ファイバ母材からより多くの本数の光ファイバを線引きするためには、以前より高速で光ファイバを線引きすることができるように工程の効率性を増加させる必要がある。

　しかしながら、大口径光ファイバ母材から高速で光ファイバを線引きすると、アイリス３２を通して外部空気が第２銅パイプ内部３０１に進入するようになる。つまり、光ファイバが高速で線引きされる時、光ファイバの外周面に近接した領域で発生する気流によって外部空気がヘリウム雰囲気である第２銅パイプ内部３０１に進入するようになり、これによってヘリウム雰囲気である第２銅パイプ内部３０１のヘリウム密度が低下する。

　特に、冷却ボディー３０内の上部アイリス３２と近接した領域でヘリウムガスの密度がより多く低下する。このようなヘリウム密度の低下は、冷却効率の低下の第１原因であり、これを補充するために、作業者はより多くのヘリウムガスを冷却装置に供給しなければならない。結局、ヘリウム密度の低下によって発生する冷却効率の低下を解決するために多量のヘリウムガスを供給することになるので、製造コストが高くなる。

　従って、以上の問題を解決するための本発明の目的は、冷却効率を向上させて超高速線引きを可能にする冷却装置を提供することにある。

　また、本発明の他の目的は、必要な冷却ガスの量を低減する冷却装置を提供することにある。

　さらに、本発明の他の目的は、冷却ガスの分子流動を乱流化して冷却ガスの使用量を最小化する冷却装置を提供することにある。

　このような目的を達成するために、本発明による光ファイバ線引き工程を使用する冷却装置は、線引きされる光ファイバの長手方向に沿って延設された左側冷却ボディー及び右側冷却ボディーから構成され、冷却ガスを内部に供給できするシーリングキャップによって密閉される分離型冷却ボディーと、冷却ボディー内に装着されて冷却ボディー内に供給される冷却ガスの分子流動を活発にし、線引きされる光ファイバの周りに沿って配置される少なくとも１つの乱流発生器と、から構成される。

　この冷却装置は、２つ以上の乱流発生器をさらに含むとよく、その乱流発生器は、スタック構造で冷却ボディーの長手方向に沿って装着されると好ましい。

　冷却装置は、乱流発生器と線引きされた光ファイバとの間に振動防止用のジグがさらに設置されて光ファイバの冷却品質を均一に維持するとよい。その振動防止用のジグは、線引きされた光ファイバの長手方向に沿って配置されると好ましい。冷却装置は、２つ以上の振動防止用のジグを含むとなお好ましい。また、振動防止用のジグは、冷却ボディーに対称をなして装着されるとなおよい。

　乱流発生器は、スロットを備え、このスロットは乱流発生器と冷却ボディー内部を通過する線引きされる高温の光ファイバとを連通させるとよい。乱流発生器は、冷却ファンから構成されると好ましい。また、乱流発生器は、対称をなして装着されてもよい。

　左側冷却ボディー及び右側冷却ボディーには、冷却水がさらに供給されるとよい。また、左側冷却ボディー及び右側冷却ボディーには、ヘリウムガスが供給されるとなおよい。

　乱流発生器は、乱流を発生するために、少なくとも１つの冷却ファンから構成されると好ましい。

　本発明による冷却装置は、乱流発生器を利用することによって超高速線引きが可能で、光ファイバの生産性を向上することができるようになる。さらに、本発明によれば、乱流発生器を利用することによって、冷却ガスの使用量を非常に低減することができるので、コスト面で競争力が向上する。

　以下、本発明に従う好適な一実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、関連した公知機能または構成に関する具体的な説明は省略する。

　図２は、光ファイバ線引き装置が線引きタワーに装着された状態を示す概略図である。特に、図２は、本発明の一実施形態に従う光ファイバ線引き設備に採用される高速線引き用の２つの冷却装置１０を示す。しかしながら、本発明の技術によれば２つ以上の冷却装置を具現することができることにも注意を要する。従って、図２の冷却装置は、本発明の範囲を限定するものではない。

　図２に示すように、光ファイバ線引き工程は、１つの線引きタワー(高さが少なくとも１０ｍ以上)の垂直下方向に向かって順次に遂行される。上部チャック４にホールドされて線引きタワー(drawing tower)の垂直中心軸を中心にして提供される光ファイバ母材Ｐは、溶融炉(furnace)８において十分な温度で溶融され、１本の光ファイバＦ１に線引きされる。線引きされた光ファイバＦ１は、直径制御器９によってその直径が制御されて、本発明の一実施形態による冷却装置１０を通過してクラッド(cladding)をコーティング（被覆）するために適した温度に冷却される。冷却された光ファイバＦ２は被覆装置１６を経てコーティングされ、多数の紫外線硬化装置１８を通過しながら光ファイバの外周面にコーティングされた紫外線硬化ポリマーが硬化される。

　次に、紫外線硬化装置１８を通過した光ファイバＦ３は、キャプスタン１９及び多数のガイドローラ(guide roller)２２、２４を通過した後、巻き取り部２６に巻き取られる。キャプスタン１９は、所定の張力を提供して光ファイバ母材から一定の直径サイズを有する光ファイバを線引きすることを可能にする。このような一連の線引き設備は、スタンド型の線引きタワーに工程順に装着される。参照符号２６ａは、最終的に光ファイバが巻き取られるリール(reel)又はスプール(spool)を示す。

　光ファイバ線引きタワーに装着される光ファイバ線引き設備は、全体的な基本フレームだけでなく、設備を構成している全ての要素に対して精密な水平及び垂直状態の維持が要求されており、振動や衝撃などに影響されない構造を有する。特に、それぞれの線引き設備のうち冷却装置１０は、線引きされた光ファイバＦ１を均一に冷却する機能を遂行する。

　図示した線引きタワーの垂直方向の高さは、約１０ｍ以上であり、１つの光ファイバ母材Ｐから線引きされた光ファイバは、約１０ｍを超える垂直方向の全長を有する。線引きされた光ファイバは、高温及び高速で線引きされるので、冷却装置１０は、線引きされた光ファイバを約４０℃まで冷却させるように機能する。

　図３〜図７を参照して、本発明の一実施形態による超高速線引き用の冷却装置の構成を説明する。図３及び図４に示すように、超高速線引き用の冷却装置(以下、冷却装置と称する)１０は、光ファイバ線引き設備に採用され、高温及び高速で線引きされる光ファイバを被覆に適した所望の温度に冷却する装置であり、自動で開閉及び制御(control)されるように構成される。本発明の要旨を明確にするために、説明の便宜上、冷却装置を開閉及び制御する装置は図示していない。特に、本発明の一実施形態による冷却装置１０は、線引きタワーに少なくとも１つ以上が装着されることができることに注意を要し、図２では２つの冷却装置が設置されている。さらに、本発明の一実施形態による冷却装置は、冷却ボディー１１０内部に乱流を誘導する装置が設置され、これにより冷媒(He、Ar、N₂)として使用される冷却ガスなどの使用量を最小にする。

　図３は、本発明の一実施形態による冷却装置の外観を示す側面図であり、冷却ボディーによって隠される光ファイバを示している。図４は、本発明の一実施形態による冷却装置で使用される乱流発生器の装着状態を示す。

　具体的に説明すると、冷却装置１０は、左側ボディー１１２及び右側ボディー１１４から構成される左右分離型冷却ボディー１１０、冷却ボディー１１０の上下端にそれぞれ装着されて外部空気の進入を遮断して供給される冷却ガスを通過させる上下部シーリングキャップ１２０、１３０、及び冷却ボディー１１０内に提供された冷却ガスの分子流動を活発化させるために、冷却ボディー１１０の長手方向に沿って所定の位置に配置される少なくとも１つ以上の乱流発生器１４０から構成される。

　冷却ボディー１１０は、光ファイバＦ１の長手方向に所定長さで延設され、内部中心の線引きされた光ファイバＦ１を適切な温度に冷却させる。上下部シーリングキャップ１２０、１３０は、高速線引き時に発生する外部空気の進入を防ぐために提供され、特に、逆方向の流速を提供して外部空気の進入を防止する。図３に示す矢印Ｃ方向は、それぞれの左側冷却ボディー１１２と右側冷却ボディー１１４を接合して一体形に組み立てられる方向を示し、矢印Ｄ方向は、それぞれの左側冷却ボディー１１２と右側冷却ボディー１１４が離隔されて冷却ボディー１１０が分解される方向を示す。

　乱流発生器１４０は、一体型に組み立てられた冷却ボディー１１０内部に供給される冷却ガス(ヘリウムガス)の分子流動を乱流化するように機能することによって冷却効率を極大化する。乱流発生器１４０は、左側冷却ボディー１１２と右側冷却ボディー１１４にそれぞれ装着され、冷却ボディー１１０の長手方向に少なくとも１つ以上が装着される。また、乱流発生器１４０は、左側冷却ボディー１１２及び右側冷却ボディー１１４に対称をなして装着される。さらに、乱流発生器１４０が、スロットＳ（図６）を通して、線引きされた光ファイバＦ１の外周を囲む雰囲気と連通することで、線引きされた光ファイバＦ１が乱流発生器１４０によって発生された冷却ガスの乱流運動による直接的な影響を受ける。

　図５〜図７に示すように、冷却ボディー１１０を構成する左側冷却ボディー１１２及び右側冷却ボディー１１４には、低温の冷却水Ｗが絶えず供給され、この冷却水Ｗは所定の場所を継続して循環する。冷却水Ｗは、線引きされた光ファイバＦ１によって加熱された冷却ボディー１１０の熱を吸収し、線引きされた光ファイバＦ１を囲む雰囲気を一次的に冷却する。

　左側冷却ボディー１１２及び右側冷却ボディー１１４には、線引きされた光ファイバＦ１を囲む雰囲気を冷却するために供給されたヘリウムガス１４６が提供される。冷却水Ｗ及びヘリウムガス１４６は、両方とも左側／右側冷却ボディー１１２、１１４において対称をなして供給される。冷却水Ｗは、冷却ボディーの長手方向に沿って常に循環するように提供され、ヘリウムガス１４６、つまり、冷却ガスは、線引きされた光ファイバＦ１の外周方向に提供されて光ファイバの表面に向かう。

　乱流発生器１４０は、冷却ファン(cooling fan)から構成されることが望ましく、冷却ファン１４０による送風によって乱流を発生し、線引きされた光ファイバＦ１と連通されるようにスロットＳが提供される。冷却ファン１４０から発生した送風は、線引きされた高温の光ファイバＦ１に直接影響を与えるので、冷却効率を極大化する。線引きされた光ファイバＦ１は、高速で通過するが、線引きされた光ファイバＦ１の外周方向において冷却ファン１４０によって提供された送風がヘリウムガス１４６と混合されて光ファイバＦ１と直接接触するので、ヘリウムガス１４６の冷却効率を極大化することができる。

　さらに、線引きされた光ファイバＦ１の長手方向に沿って振動防止用のジグ１４２が装着され、特に、振動防止用のジグ１４２は、冷却ファン１４０と線引きされた光ファイバＦ１との間に配置されて供給された冷却ガス１４６の品質を均一に維持する。振動防止用のジグ１４２は、２つの所定の曲率半径を有する部材から構成され、線引きされた光ファイバＦ１を中心に対称をなして向き合っている。

　結果的に、冷却ファン１４０によって乱流化された冷却ガス１４６が高速で線引きされる高温の光ファイバＦ１に接し、分子流動が活発になった乱流化された冷却ガスは、光ファイバの表面と接触して活発な冷却機能を遂行する。

　以下、前述したように構成された冷却装置１０の動作を具体的に説明する。線引きタワーの溶融炉に位置した光ファイバ母材から、予熱及び加熱過程を経た後の光ファイバ線引き工程時に、光ファイバＦ１の線引き速度が上昇して光ファイバＦ１にテンション(tension)が付加されると(線速度が２００mpm〜５００mpm(meter per minute))、左側冷却ボディー１１２と右側冷却ボディー１１４が１体に結合される。同時に、上下部シーリングキャップ１２０、１３０も冷却ボディー１１０に１体化して結合され、次に、冷却ガス１４６が冷却ボディー１１０に供給される。続いて、基本テンションが与えられて線引きされた光ファイバＦ１の線速度が約７００mpm〜１０００mpmになると、乱流発生器１４０が動作する。乱流発生器１４０は乱流を生み出すことで冷却ガス１４６の分子流動をより活発にし、スロットＳを通して供給された冷却ガス１４６は光ファイバＦ１の表面から冷却ボディー１１０の表面に伝達する熱を吸収する。スロットＳは、冷却ボディー１１０の内部面を通して提供され、線引きされた光ファイバＦ１に対して垂直に延設される。

　その後、線引きされた光ファイバの断線及び終了時、自動的に冷却ボディーは互いに離隔されて開かれ、別途の洗浄工程を必要とせずに工程を終了する。望ましくは、冷却ボディー１１０内に線引きされた光ファイバＦ１の長手方向に沿って設置された振動防止用のジグ１４２によって冷却ガスの品質が均一に維持されるとよい。

　光ファイバ線引きタワーには、本発明の一実施形態による冷却装置が少なくとも１つ以上装着されることができ、望ましくは、図示したように、２つの冷却装置が採用されるとよい。

　前述の如く、本発明の詳細な説明では具体的な一実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲は前述の一実施形態によって限られるべきではなく、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。

従来の線引きタワーにおいて使用された冷却装置の冷却ボディーの一部を示す正面図。 本発明の好適な一実施形態による冷却装置を採用する光ファイバ線引き装置の構成図。 本発明の好適な一実施形態による超高速線引き用の冷却装置の外見を示す側面図。 本発明の好適な一実施形態による乱流発生器の配置状態を示す側面図。 図４のラインＸ-Ｘの断面図。 図４のラインＹ-Ｙの断面図。 図４に示す冷却装置の分離状態を示す断面図。

符号の説明

１０　冷却装置
１１０　冷却ボディー
１１２　左側ボディー
１１４　右側ボディー
１２０　上部シーリングキャップ
１３０　下部シーリングキャップ
１４０　乱流発生器
１４２　ジグ
１４６　ヘリウムガス
Ｆ１，Ｆ２　光ファイバ
Ｓ　スロット
Ｗ　冷却水

Claims (13)

1. 　光ファイバ線引き工程を使用する冷却装置において、
   　(Ａ)線引きされる光ファイバの長手方向に沿って延設された左側冷却ボディー及び右側冷却ボディーから構成され、冷却ガスを内部に供給できるシーリングキャップによって密閉される分離型冷却ボディーと、
   　(Ｂ)該冷却ボディー内に装着されて前記冷却ボディー内に供給される冷却ガスの分子流動を活発にし、前記線引きされる光ファイバの周りに沿って配置される少なくとも１つの乱流発生器と、から構成されることを特徴とする冷却装置。
2. 　前記冷却装置は、２つ以上の乱流発生器をさらに含む請求項１記載の冷却装置。
3. 　前記乱流発生器は、スタック構造で前記冷却ボディーの長手方向に沿って装着される請求項１記載の冷却装置。
4. 　前記乱流発生器と線引きされた光ファイバとの間に振動防止用のジグがさらに設置されて光ファイバの冷却品質を均一に維持する請求項１記載の冷却装置。
5. 　前記振動防止用のジグは、前記線引きされた光ファイバの長手方向に沿って配置される請求項４記載の冷却装置。
6. 　前記冷却装置は、２つ以上の振動防止用のジグを含む請求項４記載の冷却装置。
7. 　前記振動防止用のジグは、前記冷却ボディーに対称をなして装着される請求項４記載の冷却装置。
8. 　前記乱流発生器は、スロットを備え、該スロットは前記乱流発生器と冷却ボディー内部を通過する前記線引きされる高温の光ファイバとを連通させる請求項１記載の冷却装置。
9. 　前記乱流発生器は、冷却ファンから構成される請求項１記載の冷却装置。
10. 　前記乱流発生器は、対称をなして装着される請求項２記載の冷却装置。
11. 　前記左側冷却ボディー及び右側冷却ボディーには、冷却水がさらに供給される請求項１記載の冷却装置。
12. 　前記左側冷却ボディー及び右側冷却ボディーには、ヘリウムガスが供給される請求項１記載の冷却装置。
13. 　前記乱流発生器は、乱流を発生するために、少なくとも１つの冷却ファンから構成される請求項１記載の冷却装置。
    　

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