RU2774544C2

RU2774544C2 - Furnace system for suppressing the instability of the process gas flow when pulling an optical fibre preform during production

Info

Publication number: RU2774544C2
Application number: RU2020134455A
Authority: RU
Inventors: Эрлинг Ричард АНДЕРСОН; Тамми М. ХОФФМАНН; Джон Майкл ДЖЕВЕЛЛ; Николаос Пантелис КЛАДИАС; Роберт Кларк МУР
Original assignee: Корнинг Инкорпорейтед
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2022-06-21

Abstract

FIELD: fibres.

SUBSTANCE: invention generally relates to a fibre pulling system. Furnace system for suppressing the instability of the process gas flow when pulling an optical fibre preform during production of optical fibre, containing: a muffle furnace defining a furnace cavity; a lower heater connected with the muffle furnace and configured to create a hot area inside the furnace cavity with a temperature from 1,700°C to 2,000°C; an upper muffle expansion located over the muffle furnace and defining a holder cavity; a down-feeding holder located in the holder cavity so as to define a gap between the outer surface of the down-feeding holder and the inner surface of the upper muffle expansion; a boule coupled with the down-feeding holder, configured to support the optical fibre preform; an upper heater thermally coupled with the upper muffle expansion and configured to heat the gap; and a gas screen located in the upper muffle expansion and configured to introduce process gas into the holder cavity.

EFFECT: suppression of instability of the flow in the fibre pulling system.

9 cl, 20 dwg

Description

[0001] По настоящей заявке испрашивается приоритет нидерландской патентной заявки №2020854, поданной 1 мая 2018 г., испрашивающей приоритет американской предварительной патентной заявки № 62/646584, поданной 22 марта 2018 г., содержание каждой из которых включено в настоящий документ посредством ссылки во всей их полноте. [0001] This application claims priority of Dutch Patent Application No. 2020854, filed May 1, 2018, claiming priority of U.S. Provisional Patent Application No. 62/646584, filed March 22, 2018, the contents of each of which are incorporated herein by reference in in their entirety.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES

[0002] Настоящее изобретение в целом относится к системе вытяжки волокна, и более конкретно к способу и системе для подавления нестабильности потока в системе вытяжки волокна.[0002] The present invention generally relates to a fiber drawing system, and more particularly to a method and system for suppressing flow instability in a fiber drawing system.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

[0003] Газообразный гелий используется на различных стадиях обычных процессов производства волокна. Для некоторых производственных процессов значительная часть гелия расходуется в вытяжной печи волокна, где активная продувка печи инертным газом необходима для предотвращения засасывания воздуха и окисления горячих компонентов. Гелий является невозобновляемым ресурсом, извлекаемым в качестве побочного продукта из газовых скважин. Поскольку прогнозируется, что цена гелия в будущем будет только расти, а нехватка его поставок влияет на непрерывность производства волокна, удаление и/или повторное использование гелия из печи для вытяжки волокна может быть выгодным. Повторное использование гелия из печи для вытяжки волокна увеличивает сложность работ по сбору, очистке и повторному использованию гелия из вытяжной печи. Использование других инертных газов в печи для вытяжки волокна, таких как азот и аргон, может быть более дешевым по сравнению с гелием, но часто приводит к недопустимым изменениям диаметра волокна. Следовательно, существует потребность в обеспечении способов и устройств, которые позволяли бы вытягивать волокно с заданными характеристиками без использования гелия в печи для вытяжки волокна.[0003] Gaseous helium is used in various stages of conventional fiber manufacturing processes. For some manufacturing processes, a significant portion of the helium is consumed in the fiber draw furnace, where active inert gas purging of the furnace is necessary to prevent air entrainment and oxidation of hot components. Helium is a non-renewable resource extracted as a by-product from gas wells. As the price of helium is predicted to rise in the future and supply shortages affect the continuity of fiber production, removing and/or reusing helium from the fiber drawing furnace can be beneficial. The reuse of helium from the fiber drawing furnace increases the complexity of collecting, cleaning and reusing the helium from the drawing furnace. The use of other inert gases in the fiber drawing furnace, such as nitrogen and argon, can be cheaper than helium, but often results in unacceptable changes in fiber diameter. Therefore, there is a need to provide methods and apparatuses that allow fiber to be drawn with desired characteristics without the use of helium in a fiber drawing oven.

Из уровня техники(US6735983B1, опубл. 18.05.2004 г., IPC C03B 37/0253))известны способ вытягивания волокна и печь для вытягивания волокна, посредством которых обеспечивают вытягивание оптического волокна 14 с одного конца заготовки 13 волокна путем размягчения под действием тепла, при этом заготовка 13 волокна находится в полузакрытом пространстве 10, 20, частично открывающейся на нижнем конце в печи для вытягивания волокна, заготовка 13 волокна нагревается нагревателем 15, расположенным на стороне нижнего конца этого полузакрытого пространства 10, 20, и вытяжка волокна осуществляется с регулированием количества отвода тепла от верхней части 20 этого полузамкнутого пространства. From the prior art (US6735983B1, publ. 05/18/2004, IPC C03B 37/0253)) a fiber drawing method and a fiber drawing furnace are known, by which the optical fiber 14 is drawn from one end of the fiber preform 13 by softening under the influence of heat, while the fiber preform 13 is located in a semi-enclosed space 10, 20, partially opened at the lower end in a fiber drawing oven, the fiber preform 13 is heated by a heater 15 located on the side of the lower end of this semi-enclosed space 10, 20, and the fiber is drawn with the regulation of the amount removal of heat from the upper part 20 of this semi-enclosed space.

В указанном известном решении не обеспечиваются подавление нестабильности потока технологического газа во время вытягивания заготовки оптического волокна при производстве оптического волокна, поскольку эта задача в заявленном решении достигается посредством конструктивных особенностей печной системы, содержащей, в частности подающий вниз держатель, расположенный внутри полости держателя таким образом, чтобы зазор определялся между наружной поверхностью подающего вниз держателя и внутренней поверхностью верхнего расширения муфеля; булю, связанную с подающим вниз держателем, которая выполнена с возможностью поддерживать заготовку оптического волокна; верхний нагреватель, термически связанный с верхним расширением муфеля и выполненный с возможностью нагревания зазора; и газовый экран, расположенный в верхнем расширении муфеля и выполненный с возможностью ввода технологического газа в полость держателя.In said known solution, it is not ensured that the instability of the process gas flow during the drawing of the optical fiber preform during the production of the optical fiber is suppressed, since this task in the claimed solution is achieved by the design features of the furnace system, including, in particular, a downfeed holder located inside the holder cavity in such a way that so that the gap is defined between the outer surface of the feed down holder and the inner surface of the upper extension of the muffle; a bulge associated with the downward feed holder that is configured to support the optical fiber preform; an upper heater thermally connected to the upper extension of the muffle and configured to heat the gap; and a gas screen located in the upper extension of the muffle and configured to introduce process gas into the cavity of the holder.

Из уровня техники (ЕР0386756А1, опубл. 12.09.1990 г., IPC C03B 37/029) известна печь для вытягивания оптического волокна, по мнению заявителя, это решение можно отнести к ближайшему аналогу заявленного изобретения. Печь содержит вмещающий элемент (21, 22), в котором размещена заготовка (1) для оптического волокна, муфельную трубку (3), соединенную с вмещающим элементом (21, 22), вокруг которой расположены нагревательные средства (41), посредством которых нагревается и расплавляется концевая часть заготовки оптического волокно, и средство для подачи инертного продувочного газа в муфельную трубку (3). По меньшей мере часть муфельной трубы (3) и/или вмещающего элемента (21, 22) содержит по меньшей мере две стенки печи, смежные стенки которых имеют пространство между собой, при этом крайняя одна из стенок имеет впуск (24), через который в пространство подается инертный продувочный газ (например, N2), при этом через выпускное отверстие (25) продувочный газ выходит из пространства после прохождения через зазор между соседними стенками и тем самым нагревается. Однако известная печь не обеспечивает подавление нестабильности потока технологического газа во время вытягивания заготовки оптического волокна при производстве оптического волокна, которое достигается посредством заявленного изобретения, которое существенно отличается от известной печи для вытягивания и содержит подающий вниз держатель, расположенный внутри полости держателя таким образом, чтобы зазор определялся между наружной поверхностью подающего вниз держателя и внутренней поверхностью верхнего расширения муфеля; булю, связанную с подающим вниз держателем, которая выполнена с возможностью поддерживать заготовку оптического волокна; верхний нагреватель, термически связанный с верхним расширением муфеля и выполненный с возможностью нагревания зазора; и газовый экран, расположенный в верхнем расширении муфеля и выполненный с возможностью ввода технологического газа в полость держателя. From the prior art (EP0386756A1, publ. 09/12/1990, IPC C03B 37/029) a furnace for drawing optical fibers is known, according to the applicant, this solution can be attributed to the closest analogue of the claimed invention. The furnace contains a containing element (21, 22), in which a preform (1) for an optical fiber is placed, a muffle tube (3) connected to the containing element (21, 22), around which heating means (41) are located, by means of which it is heated and the end part of the optical fiber preform is melted, and the means for supplying an inert purge gas to the muffle tube (3). At least part of the muffle tube (3) and/or the containing element (21, 22) contains at least two walls of the furnace, the adjacent walls of which have a space between them, while the outermost one of the walls has an inlet (24), through which the space is supplied with an inert purge gas (eg N2), while through the outlet (25) the purge gas leaves the space after passing through the gap between adjacent walls and is thereby heated. However, the prior art furnace does not provide for suppression of the instability of the process gas flow during the drawing of the optical fiber preform in the production of optical fiber, which is achieved by the claimed invention, which differs significantly from the known drawing furnace and includes a downfeed holder located inside the holder cavity so that the gap was determined between the outer surface of the feed down holder and the inner surface of the upper extension of the muffle; a bulge associated with the downward feed holder that is configured to support the optical fiber preform; an upper heater thermally connected to the upper extension of the muffle and configured to heat the gap; and a gas screen located in the upper extension of the muffle and configured to introduce process gas into the cavity of the holder.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[0004] В соответствии по меньшей мере с одним вариантом осуществления настоящего изобретения печная система включает в себя муфельную печь, определяющий печную полость. Нижний нагреватель соединяется с муфельной печью и выполнен с возможностью создания горячей зоны внутри печной полости, имеющей температуру приблизительно 1900°C или больше. Верхнее расширение муфеля располагается над муфельной печью и определяет полость держателя. Подающий вниз держатель располагается внутри полости держателя таким образом, чтобы зазор определялся между наружной поверхностью подающего вниз держателя и внутренней поверхностью верхнего расширения муфеля. Верхний нагреватель термически связан с верхним расширением муфеля и выполнен с возможностью нагревания зазора. Газовый экран располагается в верхнем расширении муфеля и выполнен с возможностью ввода технологического газа в полость держателя. [0004] In accordance with at least one embodiment of the present invention, the furnace system includes a muffle furnace defining a furnace cavity. The lower heater is connected to the muffle furnace and is configured to create a hot zone within the furnace cavity having a temperature of approximately 1900°C or more. The top extension of the muffle is positioned above the muffle furnace and defines the holder cavity. The downward feed holder is positioned within the holder cavity such that a gap is defined between the outer surface of the downward feed holder and the inner surface of the top extension of the muffle. The upper heater is thermally connected to the upper extension of the muffle and is configured to heat the gap. The gas screen is located in the upper extension of the muffle and is configured to introduce process gas into the holder cavity.

[0005] В соответствии по меньшей мере с одним вариантом осуществления настоящего изобретения печная система включает в себя муфельную печь, определяющую печную полость. Верхнее расширение муфеля устанавливается над муфельной печью. Газовый экран располагается в верхнем расширении муфеля и выполнен с возможностью ввода технологического газа. Подающий вниз держатель располагается внутри верхнего расширения муфеля таким образом, чтобы зазор определялся между наружной поверхностью подающего вниз держателя и внутренней поверхностью верхнего расширения муфеля. Этот зазор имеет длину от подающего вниз держателя до верхнего расширения муфеля приблизительно 4 см или меньше. Буля связывается с подающим вниз держателем и выполнена с возможностью поддерживать заготовку оптического волокна. Верхний нагреватель связан с верхним расширением муфеля и выполнен с возможностью нагревания зазора. [0005] In accordance with at least one embodiment of the present invention, the furnace system includes a muffle furnace defining a furnace cavity. The top extension of the muffle is installed above the muffle furnace. The gas screen is located in the upper extension of the muffle and is configured to introduce process gas. The downward feed holder is positioned within the top extension of the muffle such that a gap is defined between the outer surface of the downward feed holder and the inner surface of the top extension of the muffle. This gap has a length from the downward feed holder to the top extension of the muffle of approximately 4 cm or less. The boule is connected to the downward feed holder and is configured to support the optical fiber preform. The upper heater is connected to the upper extension of the muffle and is configured to heat the gap.

[0006] В соответствии по меньшей мере с одним вариантом осуществления настоящего изобретения способ работы печного узла содержит стадии: позиционирования подающего вниз держателя внутри верхнего расширения муфеля таким образом, что зазор определяется между наружной поверхностью подающего вниз держателя и внутренней поверхностью верхнего расширения муфеля; нагревания верхнего расширения муфеля посредством верхнего нагревателя, термически связанного с верхним расширением муфеля; и ввода технологического газа через газовый экран вокруг подающего вниз держателя. [0006] In accordance with at least one embodiment of the present invention, a method of operating a furnace assembly comprises the steps of: positioning a downfeed holder within a top muffle expansion such that a gap is defined between an outer surface of the downfeed holder and an inside surface of the top muffle expansion; heating the top expansion of the muffle through the top heater, thermally associated with the top expansion of the muffle; and introducing process gas through the gas shield around the downfeed holder.

[0007] Эти и другие особенности, преимущества и цели настоящего изобретения будут дополнительно поняты и оценены специалистом в данной области техники после рассмотрения последующего подробного описания, формулы изобретения и приложенных чертежей.[0007] These and other features, advantages, and objects of the present invention will be further understood and appreciated by those skilled in the art upon consideration of the following detailed description, claims, and accompanying drawings.

[0008] В соответствии с первым аспектом предлагается печная система, которая включает в себя муфельную печь, определяющую печную полость. Нижний нагреватель соединяется с муфельной печью и выполнен с возможностью создания горячей зоны внутри печной полости, имеющей температуру приблизительно 1900°C или больше. Верхнее расширение муфеля располагается над муфельной печью и определяет полость держателя. Подающий вниз держатель располагается внутри полости держателя таким образом, чтобы зазор определялся между наружной поверхностью подающего вниз держателя и внутренней поверхностью верхнего расширения муфеля. Верхний нагреватель термически связан с верхним расширением муфеля и выполнен с возможностью нагревания зазора. Газовый экран располагается в верхнем расширении муфеля и выполнен с возможностью ввода технологического газа в полость держателя.[0008] According to a first aspect, a furnace system is provided that includes a muffle furnace defining a furnace cavity. The lower heater is connected to the muffle furnace and is configured to create a hot zone within the furnace cavity having a temperature of approximately 1900°C or more. The top extension of the muffle is positioned above the muffle furnace and defines the holder cavity. The downward feed holder is positioned within the holder cavity such that a gap is defined between the outer surface of the downward feed holder and the inner surface of the top extension of the muffle. The upper heater is thermally connected to the upper extension of the muffle and is configured to heat the gap. The gas screen is located in the upper extension of the muffle and is configured to introduce process gas into the holder cavity.

[0009] В соответствии со вторым аспектом предлагается печная система аспекта 1, в которой технологический газ содержит приблизительно 10 об.% или больше аргона.[0009] According to a second aspect, an aspect 1 furnace system is provided wherein the process gas contains about 10% vol. or more argon.

[0010] В соответствии с третьим аспектом предлагается печная система аспекта 1, в которой технологический газ содержит приблизительно 10 об.% или больше азота.[0010] According to a third aspect, an aspect 1 furnace system is provided wherein the process gas contains about 10 vol% or more nitrogen.

[0011] В соответствии с четвертым аспектом предлагается печная система аспекта 1, в которой подающий вниз держатель дополнительно содержит булю, и в которой буля выполнена с возможностью поддерживать заготовку оптического волокна.[0011] According to a fourth aspect, the oven system of aspect 1 is provided, in which the downfeed holder further comprises a boule, and in which the boule is configured to support an optical fiber preform.

[0012] В соответствии с одним аспектом предлагается печная система аспекта 1, в которой кожух располагается между верхней муфельной печью и заготовкой.[0012] In accordance with one aspect, the furnace system of aspect 1 is provided, in which the casing is located between the upper muffle furnace and the workpiece.

[0013] В соответствии с пятым аспектом предлагается печная система аспекта 1, в которой верхний нагреватель выполнен с возможностью нагревать зазор до температуры приблизительно 800°C или больше.[0013] According to a fifth aspect, the furnace system of aspect 1 is provided, wherein the top heater is configured to heat the gap to a temperature of about 800°C or more.

[0014] В соответствии с шестым аспектом предлагается печная система аспекта 1, в которой зазор имеет размер от наружной поверхности подающего вниз держателя до внутренней поверхности верхнего расширения муфеля, составляющий приблизительно 2 см или меньше.[0014] According to the sixth aspect, the furnace system of aspect 1 is provided, wherein the gap is about 2 cm or less from the outer surface of the downward feed holder to the inner surface of the top expansion of the muffle.

[0015] В соответствии с седьмым аспектом предлагается печная система аспекта 1, в которой верхний нагреватель термически связывается у входа в верхнее расширение муфеля. [0015] According to a seventh aspect, an aspect 1 furnace system is provided in which an upper heater is thermally bonded at an inlet to an upper muffle expansion.

[0016] В соответствии с восьмым аспектом предлагается печная система, которая включает в себя муфельную печь, определяющую печную полость. Верхнее расширение муфеля устанавливается над муфельной печью. Газовый экран располагается в верхнем расширении муфеля и выполнен с возможностью ввода технологического газа. Подающий вниз держатель располагается внутри верхнего расширения муфеля таким образом, чтобы зазор определялся между наружной поверхностью подающего вниз держателя и внутренней поверхностью верхнего расширения муфеля. Этот зазор имеет длину от подающего вниз держателя до верхнего расширения муфеля приблизительно 4 см или меньше. Подающий вниз держатель выполнен с возможностью поддерживать заготовку оптического волокна. Верхний нагреватель связан с верхним расширением муфеля и выполнен с возможностью нагревания зазора.[0016] According to an eighth aspect, a furnace system is provided that includes a muffle furnace defining a furnace cavity. The top extension of the muffle is installed above the muffle furnace. The gas screen is located in the upper extension of the muffle and is configured to introduce process gas. The downward feed holder is positioned within the top extension of the muffle such that a gap is defined between the outer surface of the downward feed holder and the inner surface of the top extension of the muffle. This gap has a length from the downward feed holder to the top extension of the muffle of approximately 4 cm or less. The downward feed holder is configured to support the optical fiber preform. The upper heater is connected to the upper extension of the muffle and is configured to heat the gap.

[0017] В соответствии с девятым аспектом предлагается печная система аспекта 8, в которой по меньшей мере одно из муфельной печи и верхнего расширения муфеля содержит углерод.[0017] According to a ninth aspect, an aspect 8 furnace system is provided wherein at least one of the muffle furnace and the muffle top expansion contains carbon.

[0018] В соответствии с десятым аспектом предлагается печная система аспекта 8, в которой размер зазора от наружной поверхности подающего вниз держателя до внутренней поверхности верхнего расширения муфеля составляет приблизительно 3 см или меньше.[0018] According to a tenth aspect, an aspect 8 furnace system is provided in which the size of the gap from the outer surface of the downfeed holder to the inner surface of the top extension of the muffle is approximately 3 cm or less.

[0019] В соответствии с одиннадцатым аспектом предлагается печная система аспекта 8, в которой размер зазора от наружной поверхности подающего вниз держателя до внутренней поверхности верхнего расширения муфеля составляет приблизительно 2,5 см или меньше.[0019] According to an eleventh aspect, an aspect 8 furnace system is provided in which the size of the gap from the outer surface of the downfeed holder to the inner surface of the top extension of the muffle is about 2.5 cm or less.

[0020] В соответствии с двенадцатым аспектом предлагается печная система аспекта 8, в которой размер зазора от наружной поверхности подающего вниз держателя до внутренней поверхности верхнего расширения муфеля составляет приблизительно 2 см или меньше.[0020] According to the twelfth aspect, the furnace system of aspect 8 is provided, in which the size of the gap from the outer surface of the downward feed holder to the inner surface of the top extension of the muffle is approximately 2 cm or less.

[0021] В соответствии с тринадцатым аспектом предлагается печная система аспекта 8, в которой технологический газ содержит инертный газ.[0021] According to a thirteenth aspect, an aspect 8 furnace system is provided in which the process gas contains an inert gas.

[0022] В соответствии с четырнадцатым аспектом предлагается печная система аспекта 13, в которой технологический газ содержит по меньшей мере одно из азота и аргона.[0022] According to a fourteenth aspect, an aspect 13 furnace system is provided wherein the process gas contains at least one of nitrogen and argon.

[0023] В соответствии пятнадцатым аспектом способ работы печного узла содержит стадии: позиционирования подающего вниз держателя внутри верхнего расширения муфеля таким образом, что зазор определяется между наружной поверхностью подающего вниз держателя и внутренней поверхностью верхнего расширения муфеля; нагревания верхнего расширения муфеля посредством верхнего нагревателя, термически связанного с верхним расширением муфеля; и ввода технологического газа через газовый экран вокруг подающего вниз держателя. [0023] According to a fifteenth aspect, a method for operating a furnace assembly comprises the steps of: positioning a downfeed holder inside the top expansion of the muffle such that a gap is defined between an outer surface of the downfeed holder and an inside surface of the top expansion of the muffle; heating the top expansion of the muffle through the top heater, thermally associated with the top expansion of the muffle; and introducing process gas through the gas shield around the downfeed holder.

[0024] В соответствии с шестнадцатым аспектом предлагается способ аспекта 15, в котором стадия ввода технологического газа дополнительно содержит: ввод по меньшей мере одного из азота и аргона посредством газового экрана вокруг подающего вниз держателя.[0024] According to a sixteenth aspect, the method of aspect 15 is provided, wherein the step of introducing a process gas further comprises: introducing at least one of nitrogen and argon through a gas shield around the downstream holder.

[0025] В соответствии с семнадцатым аспектом способ аспекта 15 дополнительно содержит создание горячей зоны внутри печной полости, имеющей температуру приблизительно 1900°C или больше.[0025] According to a seventeenth aspect, the method of aspect 15 further comprises providing a hot zone within the oven cavity having a temperature of about 1900° C. or more.

[0026] В соответствии с восемнадцатым аспектом способ аспекта 15 дополнительно содержит поддержку заготовки оптического волокна подающим вниз держателем; и вытягивание оптического волокна из заготовки оптического волокна. [0026] According to an eighteenth aspect, the method of aspect 15 further comprises supporting the optical fiber preform with a downwardly feeding holder; and drawing the optical fiber from the optical fiber preform.

[0027] В соответствии с девятнадцатым аспектом предлагается способ аспекта 15, в котором стадия нагревания верхнего расширения муфеля дополнительно содержит стадию нагревания зазора до температуры в диапазоне от приблизительно 800°C до приблизительно 1100°C.[0027] According to a nineteenth aspect, the method of aspect 15 is provided, wherein the step of heating the top expansion of the muffle further comprises the step of heating the gap to a temperature in the range of about 800°C to about 1100°C.

[0028] В соответствии с двадцатым аспектом предлагается способ аспекта 15, в котором стадия позиционирования подающего вниз держателя внутри верхнего расширения муфеля дополнительно содержит определение зазора таким образом, чтобы его размер от наружной поверхности подающего вниз держателя до внутренней поверхности верхнего расширения муфеля составлял от приблизительно 0,5 см до приблизительно 2,5 см.[0028] According to the twentieth aspect, the method of aspect 15 is provided, wherein the step of positioning the downfeed holder inside the top expansion of the muffle further comprises determining the gap such that its size from the outer surface of the downfeed holder to the inside surface of the top expansion of the muffle is from about 0 .5 cm to approximately 2.5 cm.

[0029] Все из описанных в настоящем документе аспектов и вариантов осуществления могут быть объединены друг с другом различными способами.[0029] All of the aspects and embodiments described herein may be combined with each other in various ways.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0030] На чертежах:[0030] In the drawings:

[0031] Фиг. 1 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую печной узел в соответствии по меньшей мере с одним примером;[0031] FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a furnace assembly according to at least one example;

[0032] Фиг. 2 представляет собой увеличенный вид области II, показанной на Фиг. 1, в соответствии с одним вариантом осуществления;[0032] FIG. 2 is an enlarged view of region II shown in FIG. 1, in accordance with one embodiment;

[0033] Фиг. 3 представляет собой блок-схему выполнения способа в соответствии по меньшей мере с одним примером;[0033] FIG. 3 is a flowchart of a method in accordance with at least one example;

[0034] Фиг. 4A представляет собой диаграмму потоков первого сравнительного примера;[0034] FIG. 4A is a flow diagram of the first comparative example;

[0035] Фиг. 4B представляет собой график зависимости среднего статического давления в верхней точке от времени истечения для первого сравнительного примера;[0035] FIG. 4B is a plot of the average static top pressure versus flow time for the first comparative example;

[0036] Фиг. 4C представляет собой график зависимости массового расхода от времени истечения для первого сравнительного примера;[0036] FIG. 4C is a plot of mass flow versus flow time for the first comparative example;

[0037] Фиг. 4D представляет собой график зависимости средней температуры в верхней точке от времени истечения для первого сравнительного примера;[0037] FIG. 4D is a graph of the average top temperature versus flow time for the first comparative example;

[0038] Фиг. 5A представляет собой диаграмму потоков для первого примера; [0038] FIG. 5A is a flow chart for the first example;

[0039] Фиг. 5B представляет собой график зависимости средней температуры в верхней точке от времени истечения для первого примера;[0039] FIG. 5B is a graph of the average top temperature versus outflow time for the first example;

[0040] Фиг. 6A представляет собой диаграмму потоков для второго сравнительного примера; [0040] FIG. 6A is a flow chart for the second comparative example;

[0041] Фиг. 6B представляет собой график зависимости среднего статического давления в верхней точке от времени истечения для второго сравнительного примера;[0041] FIG. 6B is a plot of average static top pressure versus flow time for the second comparative example;

[0042] Фиг. 6C представляет собой график зависимости массового расхода от времени истечения для второго сравнительного примера;[0042] FIG. 6C is a plot of mass flow versus flow time for the second comparative example;

[0043] Фиг. 6D представляет собой график зависимости средней температуры в верхней точке от времени истечения для второго сравнительного примера;[0043] FIG. 6D is a graph of the average top temperature versus the outflow time for the second comparative example;

[0044] Фиг. 7A представляет собой диаграмму потоков для второго примера; [0044] FIG. 7A is a flow chart for the second example;

[0045] Фиг. 7B представляет собой график зависимости среднего статического давления в верхней точке от времени истечения для второго примера;[0045] FIG. 7B is a plot of average static top pressure versus flow time for the second example;

[0046] Фиг. 7C представляет собой график зависимости массового расхода от времени истечения для второго примера; и[0046] FIG. 7C is a graph of mass flow versus flow time for the second example; and

[0047] Фиг. 7D представляет собой график зависимости средней температуры в верхней точке от времени истечения для второго примера.[0047] FIG. 7D is a plot of the average high point temperature versus the outflow time for the second example.

[0048] Фиг. 8A представляет собой график зависимости отношения квадрата кинематической вязкости аргона к квадрату кинематической вязкости гелия при 150°C от температуры.[0048] FIG. 8A is a plot of the ratio of the squared kinematic viscosity of argon to the squared kinematic viscosity of helium at 150° C. versus temperature.

[0049] Фиг. 8B показывает, насколько необходимо уменьшить характеристическую длину для поддержания постоянного числа Gr при замене He на Ar. [0049] FIG. 8B shows how much it is necessary to reduce the characteristic length to maintain a constant number of Gr when replacing He with Ar.

[0050] Фиг. 9 показывает диаметр волокна при использовании различных газов.[0050] FIG. 9 shows the fiber diameter when using various gases.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕDETAILED DESCRIPTION

[0051] Дополнительные особенности и преимущества настоящего изобретения будут сформулированы в последующем подробном описании, и будут очевидными для специалистов в данной области техники из этого описания или будут признаны при практической реализации настоящего изобретения, описанного в последующем описании, включая формулу изобретения и приложенные чертежи. [0051] Additional features and advantages of the present invention will be set forth in the following detailed description, and will be apparent to those skilled in the art from this description, or will be recognized by practice of the present invention described in the following description, including the claims and accompanying drawings.

[0052] Используемый в настоящем документе термин «и/или», когда он используется в списке двух или более элементов, означает, что любой из перечисленных элементов может использоваться отдельно, или может использоваться любая комбинация из двух или более перечисленных элементов. Например, если композиция описывается как содержащая компоненты A, B и/или C, композиция может содержать один компонент А; один компонент B; один компонент C; компоненты A и B в комбинации; компоненты A и C в комбинации; компоненты B и C в комбинации; или компоненты A, B и C в комбинации.[0052] As used herein, the term "and/or" when used in a list of two or more elements means that any of the listed elements may be used alone, or any combination of two or more of the listed elements may be used. For example, if the composition is described as containing components A, B and/or C, the composition may contain one component A; one component B; one component C; components A and B in combination; components A and C in combination; components B and C in combination; or components A, B and C in combination.

[0053] В этом документе относительные термины, такие как первый и второй, верхний и нижний, и т.п., используются исключительно для того, чтобы отличить один объект или действие от другого объекта или действия, не требуя или не подразумевая какого-либо фактического соотношения или порядка между такими объектами или действиями. [0053] In this document, relative terms such as first and second, top and bottom, etc., are used solely to distinguish one object or action from another object or action, without requiring or implying any the actual relationship or order between such objects or activities.

[0054] На Фиг. 1 и 2 схематично показана печная система 10. Печная система 10 включает в себя муфельную печь 14, определяющую внутри себя печную полость 18. Нижний нагреватель 22 связывается с муфельной печью 14 и выполнен с возможностью создания горячей зоны 26 внутри печной полости 18. Верхнее расширение 30 муфеля располагается внутри печной системы 10 и над муфельной печью 14. Верхнее расширение 30 муфеля определяет внутри себя полость 34 держателя. Газовый экран 38 располагается внутри верхнего расширения 30 муфеля и выполнен с возможностью ввода технологического газа в полость 34 держателя. Подающий вниз держатель 42 устанавливается внутри верхнего расширения 30 муфеля таким образом, что зазор 46 определяется между наружной поверхностью 42A подающего вниз держателя 42 и внутренней поверхностью 30A верхнего расширения 30 муфеля. Подающий вниз держатель 42 выполнен с возможностью поддерживать заготовку 54 оптического волокна. Подающий вниз держатель 42 опционально включает в себя булю 50, которая поддерживает заготовку 54 оптического волокна. Верхний нагреватель 58 связывается с верхним расширением 30 муфеля для нагревания зазора 46.[0054] In FIG. 1 and 2 schematically show a furnace system 10. The furnace system 10 includes a muffle furnace 14 defining a furnace cavity 18 within it. The muffle is positioned inside the furnace system 10 and above the muffle furnace 14. The top extension 30 of the muffle defines a holder cavity 34 within itself. The gas screen 38 is located inside the upper extension 30 of the muffle and is configured to introduce process gas into the cavity 34 of the holder. The downfeed holder 42 is mounted inside the top muffle extension 30 such that a gap 46 is defined between the outer surface 42A of the downfeed holder 42 and the inner surface 30A of the top muffle extension 30. The downward feed holder 42 is configured to support the optical fiber preform 54 . The downward feed holder 42 optionally includes a boule 50 which supports the optical fiber preform 54. The top heater 58 is connected to the top extension 30 of the muffle to heat the gap 46.

[0055] Муфельная печь 14 и/или верхнее расширение 30 муфеля может состоять из огнеупорного материала, такого как графит, диоксид циркония, связующие вещества и/или их комбинации. По сути одно или более из муфельной печи и верхнего расширения муфеля может включать в себя углерод. Муфельная печь 14 и верхнее расширение 30 муфеля могут быть выполнены с возможностью удерживать тепло внутри печной системы 10, а также защищать другие компоненты от избыточных температур. Хотя материалы муфельной печи 14 и/или верхнего расширения 30 муфеля обычно могут быть хорошими изоляторами, при повышенных температурах может происходить окисление. По сути один или более технологических газов могут быть помещены или введены в печной узел 10 для предотвращения окисления муфельной печи 14 и/или верхнего расширения 30 муфеля. Хотя они описываются как отдельные структуры, следует понимать, что муфельная печь 14 и верхнее расширение 30 муфеля могут быть одним компонентом или могут состоять более чем из двух компонентов. Муфельная печь 14 и/или верхнее расширение 30 муфеля могут иметь по существу единообразный внутренний диаметр, или внутренний диаметр может быть постоянным по всей длине. Кроме того, муфельная печь 14 и верхнее расширение 30 муфеля могут отличающиеся друг от друга внутренние диаметры. [0055] The muffle furnace 14 and/or the top muffle extension 30 may be composed of a refractory material such as graphite, zirconia, binders, and/or combinations thereof. As such, one or more of the muffle furnace and the muffle top expansion may include carbon. The muffle furnace 14 and the top muffle extension 30 may be configured to retain heat within the furnace system 10 as well as protect other components from excessive temperatures. Although the materials of the muffle furnace 14 and/or the top expansion 30 of the muffle can generally be good insulators, oxidation can occur at elevated temperatures. As such, one or more process gases may be placed or introduced into the furnace assembly 10 to prevent oxidation of the muffle furnace 14 and/or top expansion 30 of the muffle. Although they are described as separate structures, it should be understood that the muffle furnace 14 and the top extension 30 of the muffle may be one component, or may consist of more than two components. The muffle furnace 14 and/or the top muffle extension 30 may have a substantially uniform inner diameter, or the inner diameter may be constant throughout its length. In addition, the muffle furnace 14 and the upper muffle extension 30 may have different inner diameters from each other.

[0056] Нижний нагреватель 22 термически связывается с муфельной печью 14 и выполнен с возможностью создания горячей зоны 26 внутри печной системы 10. В частности, горячая зона создается внутри печной полости 18. Горячая зона 26 может иметь температуру от приблизительно 1800°C до приблизительно 2000°C. По сути горячая зона 26 может иметь температуру более высокую, чем в остальной части печной полости 18 и/или в полости 34 держателя. Например, горячая зона 26 может иметь температуру приблизительно 1700°C, 1800°C, 1900°C или приблизительно 2000°C, или в любом диапазоне, имеющем любые два из этих значений в качестве конечных точек. В некоторых примерах горячая зона 26 может иметь температуру приблизительно 1900°C или больше. Как будет более подробно объяснено ниже, тепла горячей зоны 26 достаточно для уменьшения вязкости заготовки 54 оптического волокна.[0056] The bottom heater 22 is thermally coupled to the muffle furnace 14 and is configured to create a hot zone 26 within the furnace system 10. In particular, the hot zone is created within the furnace cavity 18. The hot zone 26 may have a temperature of from about 1800°C to about 2000 °C As such, the hot zone 26 may be at a higher temperature than the rest of the oven cavity 18 and/or the holder cavity 34 . For example, hot zone 26 may have a temperature of about 1700°C, 1800°C, 1900°C, or about 2000°C, or any range having any two of these values as endpoints. In some examples, hot zone 26 may have a temperature of approximately 1900°C or more. As will be explained in more detail below, the heat of the hot zone 26 is sufficient to reduce the viscosity of the optical fiber preform 54.

[0057] Верхнее расширение 30 муфеля связано с муфельной печью 14. Верхнее расширение 30 муфеля может быть кольцевой структурой, определяющей внутри себя полость 34 держателя. Полость 34 держателя связана по текучей среде и открывается в печную полость 18. По сути газы внутри полости 34 держателя могут проходить или течь в печную полость 18. Полость 34 держателя имеет такие размеры и форму, чтобы принимать подающий вниз держатель 42. Уплотнение 60 располагается между газовым экраном 38 и подающим вниз держателем 42 таким образом, чтобы газ не мог уходить вверх из полости 34 держателя. Подающий вниз держатель 42 может быть полым или сплошным. Подающий вниз держатель 42 может иметь наружный диаметр от приблизительно 6 см до приблизительно 15 см, или от приблизительно 7 см до приблизительно 13 см, или от приблизительно 8 см до приблизительно 12 см. Подающий вниз держатель 42 соединен с двигателем, который позволяет держателю 42 перемещаться в и из полости 34 держателя верхнего расширения 30 муфеля. Как будет более подробно объяснено ниже, подающий вниз держатель 42 может перемещаться через верхнее расширение 30 муфеля таким образом, что по мере того, как заготовка 54 оптического волокна расходуется, держатель 42 может непрерывно перемещать заготовку 54 оптического волокна в горячую зону 26. Буля 50 связана с нижним или дистальным концом остальной части подающего вниз держателя 42. Буля 50 является компонентом подающего вниз держателя 42. В соответствии с различными примерами буля 50 выполнена с возможностью поддерживать заготовку 54 оптического волокна. В соответствии с различными примерами буля 50 может иметь по существу такой же наружный диаметр, что и подающий вниз держатель 42. Другими словами, внешняя поверхность були 50 может располагаться по существу заподлицо с наружной поверхностью 42A подающего вниз держателя 42. Поскольку буля 50 имеет по существу тот же самый наружный диаметр, что и подающий вниз держатель 42, зазор 46 может оставаться по существу постоянным по мере того, как буля 50 перемещается через верхнее расширение 30 муфеля. В варианте осуществления, проиллюстрированном на Фиг. 2, буля 50 является куском стекла, приваренным к держателю 42. Буля 50 включает в себя щель, к которой присоединяется заготовка 54 оптического волокна. Для присоединения заготовки 54 оптического волокна к подающему вниз держателю 42 может использоваться любая подходящая конфигурация, в частности и буля 50. По мере того, как подающий вниз держатель 42 перемещается в и из полости 34 держателя, буля 50 и заготовка 54 оптического волокна перемещаются через полость 34 держателя и в печную полость 18. В тех случаях, когда присоединение заготовки 54 оптического волокна к подающему вниз держателю 42 имеет меньший диаметр, чем подающий вниз держатель 42 или буля 50, кожух 54A, окружающий заготовку 54, может использоваться для уменьшения зазора между присоединением заготовки 54 и верхним расширением 30 муфеля. Кожух 54A может быть присоединен к подающему вниз держателю 42, буле 50 или заготовке.[0057] The top extension 30 of the muffle is connected to the muffle furnace 14. The top extension 30 of the muffle may be an annular structure defining within itself a cavity 34 of the holder. Holder cavity 34 is fluidly connected and opens into furnace cavity 18. As such, gases within holder cavity 34 may pass or flow into furnace cavity 18. Holder cavity 34 is sized and shaped to receive downwardly feeding holder 42. Seal 60 is positioned between gas shield 38 and downflow holder 42 in such a way that the gas cannot escape upward from the cavity 34 of the holder. The downward feed holder 42 may be hollow or solid. The downward feed holder 42 may have an outside diameter of from about 6 cm to about 15 cm, or from about 7 cm to about 13 cm, or from about 8 cm to about 12 cm. in and out of the cavity 34 of the holder of the upper extension 30 of the muffle. As will be explained in more detail below, the downward feed holder 42 can move through the upper muffle extension 30 such that as the optical fiber preform 54 is consumed, the holder 42 can continuously move the optical fiber preform 54 into the hot zone 26. Boule 50 is connected with the lower or distal end of the remainder of the downfeed holder 42. The bollard 50 is a component of the downfeed holder 42. According to various examples, the bollard 50 is configured to support the optical fiber preform 54. According to various examples, the boule 50 may have substantially the same outside diameter as the downfeed holder 42. In other words, the outer surface of the boule 50 may be substantially flush with the outer surface 42A of the downfeed holder 42. Since the bollard 50 has a substantially the same outer diameter as the downward feed holder 42, the gap 46 can remain substantially constant as the boule 50 moves through the top extension 30 of the muffle. In the embodiment illustrated in FIG. 2, bollard 50 is a piece of glass welded to a holder 42. Boule 50 includes a slot to which an optical fiber preform 54 is attached. Any suitable configuration may be used to attach the optical fiber preform 54 to the downfeed holder 42, in particular the boule 50. 34 of the holder and into the oven cavity 18. In cases where the connection of the optical fiber preform 54 to the downfeed holder 42 has a smaller diameter than the downfeed holder 42 or boule 50, the shroud 54A surrounding the preform 54 can be used to reduce the gap between the attachment blanks 54 and the top extension 30 of the muffle. The shroud 54A may be attached to a downward feed holder 42, a boule 50, or a workpiece.

[0058] Заготовка 54 оптического волокна может быть создана из любого стекла или материала и может быть подходящим образом легирована для производства оптического волокна. В соответствии с различными примерами заготовка 54 оптического волокна может включать в себя сердцевину и оболочку. По мере того, как заготовка 54 оптического волокна достигает горячей зоны 26, вязкость заготовки 54 оптического волокна понижается, так что оптическое волокно 62 может быть вытянуто из нее. Оптическое волокно 62 вытягивается из корня 62A вытягивания заготовки 54 оптического волокна. Корень 62A вытягивания находится рядом с горячей зоной 26. По мере того, как заготовка 54 оптического волокна расходуется при производстве оптического волокна 62, подающий вниз держатель 42 может непрерывно опускаться, так что новые части заготовки 54 оптического волокна оказываются в горячей зоне 26. Оптическое волокно 62 вытягивается из заготовки 54 оптического волокна через нижнюю часть печного узла 10 и может сматываться на шпульку. [0058] The optical fiber preform 54 may be formed from any glass or material and may be suitably doped to produce an optical fiber. According to various examples, the optical fiber preform 54 may include a core and a cladding. As the optical fiber preform 54 reaches the hot zone 26, the viscosity of the optical fiber preform 54 decreases so that the optical fiber 62 can be drawn out of it. The optical fiber 62 is drawn from the draw root 62A of the optical fiber preform 54 . The draw root 62A is adjacent to the hot zone 26. As the optical fiber preform 54 is consumed in the production of the optical fiber 62, the downward feed holder 42 may be continuously lowered so that new parts of the optical fiber preform 54 are in the hot zone 26. Optical fiber 62 is drawn from the optical fiber preform 54 through the bottom of the oven assembly 10 and can be wound onto a bobbin.

[0059] Верхний нагреватель 58 термически связан с верхним расширением 30 муфеля. Для целей данного раскрытия термин «термически связанный» означает, что верхний нагреватель 58 располагается в таком положении, в котором он может нагревать зазор 46. Различные места установки верхнего нагревателя 58 включают в себя окрестность входа в верхнее расширение 30 муфеля и/или другие положения в направлении оси верхнего расширения 30 муфеля. В некоторых примерах верхний нагреватель 58 может проходить через часть, большую часть, или по существу через всю длину в направлении оси верхнего расширения 30 муфеля. По сути верхний нагреватель 58 располагается над горячей зоной 26 печной полости 18. Верхний нагреватель 58 может проходить вокруг части, большей части, или по существу всей окружности верхнего расширения 30 муфеля. В обычных приложениях вытягивания волокна верхняя часть муфельной печи может пассивно нагреваться благодаря конвекции и теплопроводности от горячей зоны. В соответствии с настоящим изобретением верхнее расширение 30 муфеля активно нагревается верхним нагревателем 58. Другими словами, верхний нагреватель 58 выполнен с возможностью нагревать полость 34 держателя, а также зазор 46 между верхним расширением 30 муфеля подающим вниз держателем таким образом, чтобы печная система 10 активно нагревалась над горячей зоной 26. Верхний нагреватель 58 выполнен с возможностью нагревать полость 34 держателя и/или зазор 46 до температуры в диапазоне от приблизительно 600°C до приблизительно 1800°C, или от приблизительно 700°C до приблизительно 1500°C, или от приблизительно 800°C до приблизительно 1100°C. Например, верхний нагреватель 58 выполнен с возможностью нагревать зазор 46 до температуры приблизительно 800°C или больше. В традиционных конструктивных решениях вытягивания волокна верхние полости могут достигать лишь температуры от приблизительно 150°C до приблизительно 250°C, или от приблизительно 200°C до приблизительно 250°C, обеспечиваемой конвекцией тепла вверх от нагревателей, установленных ниже в печи. Как будет более подробно объяснено ниже, активное нагревание верхнего расширения 30 муфеля, полости 34 держателя и/или зазора 46 верхним нагревателем 58 может предотвращать нестабильность потока, которая возникает из-за стратификации температуры и плотности в верхнем объеме печной системы 10.[0059] The top heater 58 is thermally coupled to the top extension 30 of the muffle. For the purposes of this disclosure, the term "thermally coupled" means that the top heater 58 is positioned in such a position that it can heat the gap 46. direction of the axis of the upper extension 30 of the muffle. In some examples, the upper heater 58 may extend through part, most, or substantially the entire length in the direction of the axis of the upper extension 30 of the muffle. As such, the top heater 58 is located above the hot zone 26 of the furnace cavity 18. The top heater 58 may extend around part, most, or substantially the entire circumference of the top extension 30 of the muffle. In typical fiber drawing applications, the top of the muffle furnace can be passively heated by convection and conduction from the hot zone. In accordance with the present invention, the upper muffle extension 30 is actively heated by the upper heater 58. In other words, the upper heater 58 is configured to heat the holder cavity 34 as well as the gap 46 between the upper muffle extension 30 and the downfeed holder so that the furnace system 10 is actively heated. above the hot zone 26. The top heater 58 is configured to heat the holder cavity 34 and/or gap 46 to a temperature in the range of from about 600°C to about 1800°C, or from about 700°C to about 1500°C, or from about 800°C to approximately 1100°C. For example, the top heater 58 is configured to heat the gap 46 to a temperature of approximately 800°C or more. In conventional fiber drawing designs, the upper cavities can only reach temperatures of about 150°C to about 250°C, or about 200°C to about 250°C, provided by upward convection of heat from heaters located lower in the furnace. As will be explained in more detail below, active heating of the muffle top expansion 30, holder cavity 34 and/or gap 46 by the top heater 58 can prevent flow instability that occurs due to temperature and density stratification in the top volume of the furnace system 10.

[0060] Как было объяснено выше, подающий вниз держатель 42 располагается внутри верхнего расширения 30 муфеля таким образом, что зазор 46 определяется между наружной поверхностью 42A подающего вниз держателя 42 и внутренней поверхностью 30A верхнего расширения 30 муфеля. Следует понимать, что зазор 46 может быть дополнительно определен между булей 50 и верхним расширением 30 муфеля по мере того, как буля 50 перемещается через верхнее расширение 30 муфеля. Зазор 46 имеет размер от наружной поверхности 42A подающего вниз держателя 42 до внутренней поверхности 30A верхнего расширения 30 муфеля приблизительно 4 см или меньше, приблизительно 3,5 см или меньше, приблизительно 3 см или меньше, приблизительно 2,5 см или меньше, приблизительно 2 см или меньше, приблизительно 1,5 см или меньше, приблизительно 1 см или меньше, или приблизительно 0,5 см или меньше. Размер зазора 46 может быть по существу постоянным или может изменяться вокруг окружности подающего вниз держателя 42. Если явно не указано иное, в тех примерах, где зазор 46 является неравномерным вокруг окружности подающего вниз держателя 42, размер зазора 46 измеряется как его минимальная величина. Кроме того, размер зазора 46 может быть постоянным или изменяющимся вдоль осевого направления подающего вниз держателя 42 и/или верхнего расширения 30 муфеля. В дополнительных примерах размер зазора 46 может изменяться во времени. Например, размер зазора 46 может изменяться по мере того, как заготовка 54 оптического волокна расходуется, и подающий вниз держатель 42 перемещается через верхнее расширение 30 муфеля. В то время как «размер» зазора 46 может традиционно считаться «шириной», он упоминается в настоящем документе как «размер» для соответствия с уравнением Грасгофа.[0060] As explained above, the downfeed holder 42 is positioned within the upper muffle extension 30 such that a gap 46 is defined between the outer surface 42A of the downfeed holder 42 and the inner surface 30A of the upper muffle extension 30. It should be understood that the gap 46 can be further defined between the boule 50 and the upper muffle extension 30 as the boule 50 moves through the upper muffle extension 30. The gap 46 has a dimension from the outer surface 42A of the downward feed holder 42 to the inner surface 30A of the top extension 30 of the muffle about 4 cm or less, about 3.5 cm or less, about 3 cm or less, about 2.5 cm or less, about 2 cm or less, about 1.5 cm or less, about 1 cm or less, or about 0.5 cm or less. The size of the gap 46 may be substantially constant or may vary around the circumference of the downfeed holder 42. Unless explicitly stated otherwise, in those instances where the gap 46 is uneven around the circumference of the downfeed holder 42, the size of the gap 46 is measured as its minimum value. In addition, the size of the gap 46 may be constant or vary along the axial direction of the downwardly feeding holder 42 and/or the upper extension 30 of the muffle. In additional examples, the size of gap 46 may vary over time. For example, the size of the gap 46 may change as the optical fiber preform 54 is consumed and the downward feed holder 42 moves through the top extension 30 of the muffle. While the "size" of the gap 46 may traditionally be considered the "width", it is referred to herein as the "size" to match the Grashof equation.

[0061] Газовый экран 38 располагается внутри или связывается с верхним расширением 30 муфеля. Газовый экран 38 выполнен с возможностью ввода, выделения или иного помещения одного или более технологических газов в полость 34 держателя. Газовый экран 38 включает в себя по меньшей мере одно отверстие (не показано на Фиг. 2), через которое технологический газ вводится в зазор 46. Газовый экран 38 может включать в себя единственное впускное отверстие, множество впускных отверстий и/или непрерывное или полунепрерывное отверстие, выполненное с возможностью ввода технологического газа. Следует понимать, что газовый экран 38 может включать в себя одну или несколько решеток, выполненных с возможностью изменения характеристик потока технологического газа. Технологический газ может в одном положении или во множестве положений. Технологические газы могут проходить в полость 34 держателя, к печной полости 18, вокруг заготовки 54 оптического волокна и выходить из печной системы 10. Технологические газы могут включать в себя один или более газов, которые являются инертными к верхнему расширению 30 муфеля, муфельной печи 14, заготовке 54 оптического волокна и/или другим компонентам печной системы 10. Например, технологический газ может включать в себя гелий, аргон, азот и/или другие инертные газы. Технологический газ может включать в себя по меньшей мере одно из азота и аргона. Инертные технологические газы могут быть выгодными для предотвращения окисления и/или повреждения компонентов печного узла 10. Технологические газы могут содержать от приблизительно 1 до приблизительно 100 об.% аргона. В одном конкретном примере технологический газ может содержать приблизительно 10 об.% или более аргона. Технологический газ может содержать от приблизительно 1 до приблизительно 100 об.% азота. В одном конкретном примере технологический газ может содержать приблизительно 10 об.% или более азота. Следует понимать, что технологический газ может включать в себя один или более различных газов. Газовый экран 38 может вводить технологический газ со скоростью от приблизительно 5 до приблизительно 40 стандартных литров/мин (SLPM). В конкретных примерах газовый экран 38 может вводить технологический газ со скоростью потока приблизительно 18 SLPM, 19 SLPM, 20 SLPM, 21 SLPM, 22 SLPM, 23 SLPM, 24 SLPM, или в любом диапазоне, имеющем любые два из этих значений в качестве конечных точек. Как будет более подробно объяснено ниже, кинематическая вязкость технологического газа может влиять на диаметр оптического волокна 62, вытягиваемого из заготовки 54 оптического волокна. По сути выбор используемого технологического газа может зависеть от множества параметров печной системы 10, таких как размер зазора 46. Гелий может иметь кинематическую вязкость приблизительно 1,180 см²/с при давлении 1 атм и температуре 20°C. Азот может иметь кинематическую вязкость приблизительно 0,151 см²/с при давлении 1 атм и температуре 20°C. Аргон может иметь кинематическую вязкость приблизительно 0,134 см²/с при давлении 1 атм и температуре 20°C.[0061] The gas shield 38 is located within or communicates with the top extension 30 of the muffle. The gas shield 38 is configured to introduce, release, or otherwise contain one or more process gases into the cavity 34 of the holder. The gas shield 38 includes at least one opening (not shown in FIG. 2) through which process gas is introduced into gap 46. The gas shield 38 may include a single inlet, a plurality of inlets, and/or a continuous or semi-continuous orifice. , configured to introduce process gas. It should be understood that the gas shield 38 may include one or more gratings configured to change the characteristics of the process gas stream. The process gas may be in one position or in multiple positions. The process gases may pass into the holder cavity 34, to the furnace cavity 18, around the optical fiber preform 54, and out of the furnace system 10. The process gases may include one or more gases that are inert to the top extension 30 of the muffle, the muffle furnace 14, optical fiber preform 54 and/or other components of furnace system 10. For example, the process gas may include helium, argon, nitrogen, and/or other inert gases. The process gas may include at least one of nitrogen and argon. Inert process gases may be beneficial in preventing oxidation and/or damage to components of furnace assembly 10. Process gases may contain from about 1 to about 100 vol% argon. In one specific example, the process gas may contain about 10% vol or more argon. The process gas may contain from about 1 to about 100 volume percent nitrogen. In one particular example, the process gas may contain about 10% by volume or more of nitrogen. It should be understood that the process gas may include one or more different gases. The gas shield 38 may introduce process gas at a rate of from about 5 to about 40 standard liters/minute (SLPM). In specific examples, the gas shield 38 may introduce process gas at a flow rate of approximately 18 SLPM, 19 SLPM, 20 SLPM, 21 SLPM, 22 SLPM, 23 SLPM, 24 SLPM, or any range having any two of these as endpoints. . As will be explained in more detail below, the kinematic viscosity of the process gas may affect the diameter of the optical fiber 62 drawn from the optical fiber preform 54. As such, the choice of process gas used may depend on a variety of parameters of the furnace system 10, such as the size of gap 46. Helium may have a kinematic viscosity of approximately 1.180 cm ² /s at 1 atm pressure and 20°C. Nitrogen may have a kinematic viscosity of approximately 0.151 cm ² /s at a pressure of 1 atm and a temperature of 20°C. Argon may have a kinematic viscosity of approximately 0.134 cm ² /s at a pressure of 1 atm and a temperature of 20°C.

[0062] Тип используемого технологического газа, наряду с конвективными силами, создаваемыми нижним нагревателем 22, может создавать нестабильности потока в технологическом газе, приводя к неравномерному диаметру оптического волокна 62, вытягиваемого из заготовки 54 оптического волокна. Нестабильности потока могут являться результатом взаимодействия между естественным конвекционным потоком (например, от технологического газа, нагретого нижним нагревателем 22) благодаря стратификации по плотности в полости 34 держателя и технологическим газом, введенным в полость 34 держателя посредством газового экрана 38. Нестабильности потока, которые образуются в полости 34 держателя, распространяются вниз к печной полости 18 и влияют на теплопередачу между технологическим газом и корнем 62A вытягивания заготовки 54 оптического волокна, расположенным в горячей зоне 26 муфельной печи 14. Нестабильности потока могу проявляться как колебания температуры, колебания давления и колебания массового расхода. Колебания температуры, давления и массового расхода передаются на корень 62A вытягивания, что вызывает изменения вязкости заготовки 54 оптического волокна. В конечном счете колебания температуры, давления и массового расхода приводят к колебаниям в нагревании и охлаждении корня 62A вытягивания, что приводит к колебанию диаметра оптического волокна 62, вытягиваемого из заготовки 54 оптического волокна (например, благодаря изменениям количества материала, которое можно вытянуть из заготовки 54 оптического волокна). Нестабильность потока или турбулентность технологического газа может быть оценена количественно как число Грасгофа (Gr). Число Gr может интерпретироваться физически как отношение выталкивающих сил к силам вязкости (внутреннего трения) газовой системы. Когда выталкивающие силы становятся значительно больше, чем силы внутреннего трения, поток становится неустойчивым и варьирующимся во времени. Число Грасгофа выражается численно уравнением (1): [0062] The type of process gas used, along with the convective forces generated by the bottom heater 22, can create flow instabilities in the process gas, resulting in an uneven diameter of the optical fiber 62 drawn from the optical fiber preform 54. Flow instabilities may result from interactions between natural convection flow (eg, from process gas heated by bottom heater 22) due to density stratification in holder cavity 34 and process gas introduced into holder cavity 34 via gas shield 38. Flow instabilities that form in holder cavities 34 extend downward to furnace cavity 18 and affect heat transfer between process gas and fiber preform draw root 62A located in hot zone 26 of muffle furnace 14. Flow instabilities can manifest as temperature fluctuations, pressure fluctuations, and mass flow fluctuations. Fluctuations in temperature, pressure, and mass flow are transmitted to the draw root 62A, which causes changes in the viscosity of the optical fiber preform 54. Ultimately, fluctuations in temperature, pressure, and mass flow result in fluctuations in heating and cooling of draw root 62A, resulting in a fluctuation in the diameter of the optical fiber 62 drawn from optical fiber preform 54 (e.g., due to changes in the amount of material that can be drawn from preform 54 optical fiber). Flow instability or process gas turbulence can be quantified as a Grashof number (Gr). The number Gr can be interpreted physically as the ratio of buoyant forces to the forces of viscosity (internal friction) of a gas system. When the buoyant forces become significantly greater than the forces of internal friction, the flow becomes unstable and time-varying. The Grashof number is expressed numerically by equation (1):

(1)

(one)

где g - ускорение свободного падения, β - коэффициент теплового расширения технологического газа, L_c - характеристический размер (например, размер зазора 46), ΔT - разность температур (например, между окрестностями корня 62A вытягивания заготовки 54 оптического волокна и газовым экраном 38), а v - кинематическая вязкость технологического газа. Обычные печи для вытяжки волокна используют гелий, поскольку он имеет высокую кинематическую вязкость. Как видно из уравнения (1), высокая кинематическая вязкость технологического газа может приводить к уменьшению числа Грасгофа, что приводит к более низкому естественному конвекционному потоку. С физической точки зрения технологические газы с более высокой кинематической вязкостью сопротивляются конвекционному потоку. Другими словами, чем выше кинематическая вязкость технологического газа, тем большее сопротивление конвекционному потоку обеспечивается технологическим газом. Когда конвекционному потоку оказывается сопротивление, технологический газ может равномерно течь из полости 34 держателя в печную полость 18. Когда присутствует конвекционный поток, технологический газ может иметь тенденцию к переходу в многоячеечную структуру, которая дрейфует вверх в печной системе 10, что приводит к буферизации или повторяющемуся образованию изменений температуры, давления и массового расхода технологического газа. Печная система 10 может быть адаптирована для использования определенного газа путем регулирования характеристического размера (например, размера зазора 46) и/или разности температур (например, путем использования верхнего нагревателя 58) для уменьшения числа Грасгофа с тем, чтобы обеспечить устойчивый поток технологического газа, уменьшая тем самым колебания диаметра волокна. Такая адаптация может позволить использовать технологические газы, отличные от гелия, при сохранении желательно низкого числа Грасгофа и стабильного потока.where g is the acceleration of gravity, β is the thermal expansion coefficient of the process gas, L _c is the characteristic dimension (for example, the size of the gap 46), ΔT is the temperature difference (for example, between the vicinity of the root 62A of drawing the optical fiber preform 54 and the gas screen 38), and v is the kinematic viscosity of the process gas. Conventional fiber drawing ovens use helium because it has a high kinematic viscosity. As can be seen from equation (1), the high kinematic viscosity of the process gas can lead to a decrease in the Grashof number, resulting in a lower natural convection flow. From a physical point of view, process gases with higher kinematic viscosities resist convection flow. In other words, the higher the kinematic viscosity of the process gas, the greater the resistance to convection flow provided by the process gas. When convection flow is resisted, process gas may flow uniformly from holder cavity 34 into furnace cavity 18. When convection flow is present, process gas may tend to become a multi-cell structure that drifts upward in furnace system 10, resulting in buffering or repetitive the formation of changes in temperature, pressure and mass flow of the process gas. Furnace system 10 can be adapted to use a particular gas by adjusting the characteristic size (eg, the size of gap 46) and/or temperature difference (eg, by using top heater 58) to reduce the Grashof number so as to provide a steady stream of process gas, reducing thereby fluctuating fiber diameter. Such an adaptation may allow the use of process gases other than helium while maintaining a desirably low Grashof number and stable flow.

[0063] На Фиг. 8A и Фиг. 8B иллюстрируется влияние температуры на кинематическую вязкость и печного зазора на сопротивление конвекционному потоку. Фиг. 8A показывает отношение квадрата кинематической вязкости для аргона к квадрату кинематической вязкости гелия при 150°C (нормальная температура газа в верхнем расширении муфеля) как функцию температуры аргона. Когда это отношение равно 1, эти два фактора равны, то есть для данной конструкции печи сопротивление конвекционному потоку аргона равно сопротивлению конвекционному потоку гелия. Фиг. 8A показывает, что это происходит при температуре 800°C. На Фиг. 8B иллюстрируется влияние печного зазора. Этот график аналогичен зависимости, показанной на Фиг. 8A. Он показывает величину, на которую зазор должен быть уменьшен для поддержания постоянного числа Gr, когда Не заменяется на Ar (без увеличения температуры муфеля). Для этого требуется 70-кратное увеличение значения 1/(зазор)³, поскольку ν² (He) / ν² (Ar) = 70 при 150°C. [0063] In FIG. 8A and FIG. 8B illustrates the effect of temperature on kinematic viscosity and furnace gap on convection flow resistance. Fig. 8A shows the ratio of the squared kinematic viscosity of argon to the squared kinematic viscosity of helium at 150° C. (normal gas temperature in the top expansion of the muffle) as a function of argon temperature. When this ratio is equal to 1, these two factors are equal, that is, for a given furnace design, the resistance to the convection flow of argon is equal to the resistance to the convection flow of helium. Fig. 8A shows that this occurs at 800°C. On FIG. 8B illustrates the effect of the furnace gap. This graph is similar to the relationship shown in Fig. 8A. It indicates the amount by which the gap must be reduced to maintain a constant Gr number when He is replaced by Ar (without increasing the muffle temperature). This requires a 70-fold increase in the value of 1/(gap) ³ because ν ² (He) / ν ² (Ar) = 70 at 150°C.

[0064] На Фиг. 3 показан способ 70 работы печной системы 10. Способ 70 может начинаться со стадии 74 позиционирования подающего вниз держателя 42 внутри верхнего расширения 30 муфеля таким образом, чтобы зазор 46 определялся между подающим вниз держателем 42 и верхним расширением 30 муфеля. Как было объяснено выше, подающий вниз держатель 42 и/или буля 50 выполнены с возможностью вставки и удаления из верхнего расширения 30 муфеля и/или муфельной печи 14 таким образом, чтобы заготовка 54 оптического волокна могла быть расположена в горячей зоне 26 печного узла 10. По сути заготовка 54 оптического волокна поддерживается подающим вниз держателем 42. Нижний нагреватель 22 может создавать горячую зону 26 внутри печной полости 18 так, чтобы горячая зона 26 имела температуру приблизительно 1900°C или больше. Зазор 46 существует между подающим вниз держателем 42 (включая булю 50) и внутренней поверхностью верхнего расширения 30 муфеля. Как было объяснено выше, зазор 46 может быть определен так, чтобы он имел размер от приблизительно 0,5 см до приблизительно 2,5 см между подающим вниз держателем 42/булей 50 и верхним расширением 30 муфеля. [0064] In FIG. 3 shows a method 70 of operating the furnace system 10. Method 70 may begin with the step 74 of positioning the downfeed holder 42 within the top muffle extension 30 such that a gap 46 is defined between the downfeed holder 42 and the top muffle extension 30. As explained above, the downward feed holder 42 and/or the boule 50 is designed to be inserted into and removed from the top extension 30 of the muffle and/or the muffle furnace 14 so that the optical fiber preform 54 can be located in the hot zone 26 of the furnace assembly 10. As such, the optical fiber preform 54 is supported by a downwardly feeding holder 42. The bottom heater 22 may create a hot zone 26 within the furnace cavity 18 such that the hot zone 26 has a temperature of approximately 1900° C. or more. A gap 46 exists between the downward feed holder 42 (including the boule 50) and the inner surface of the top extension 30 of the muffle. As explained above, gap 46 can be defined to be between about 0.5 cm and about 2.5 cm between the downward feed holder 42/boule 50 and the top extension 30 of the muffle.

[0065] Затем выполняется стадия 78 нагревания верхнего расширения 30 муфеля посредством верхнего нагревателя 58, связанного с верхним расширением 30 муфеля. Нагревание верхнего расширения 30 муфеля нагревает зазор 46 до температуры в диапазоне от приблизительно 800°C до приблизительно 1100°C. За счет нагрева зазора 46 и/или полости 34 держателя верхнего расширения 30 муфеля разность температур между зазором 46 и горячей зоной 26 может быть уменьшена. Как было объяснено выше, нагревание зазора 46, а также адаптация размера зазора 46 могут уменьшить или устранить турбулентность в технологическом газе. [0065] Next, step 78 is performed to heat the upper muffle extension 30 by means of an upper heater 58 associated with the upper muffle extension 30. Heating the top expansion 30 of the muffle heats the gap 46 to a temperature in the range from about 800°C to about 1100°C. By heating the gap 46 and/or the cavity 34 of the holder of the top extension 30 of the muffle, the temperature difference between the gap 46 and the hot zone 26 can be reduced. As explained above, heating gap 46 as well as adapting the size of gap 46 can reduce or eliminate turbulence in the process gas.

[0066] Затем выполняется стадия 82 ввода технологического газа посредством газового экрана 38 вокруг подающего вниз держателя 42. Как было объяснено выше, технологический газ, вводимый посредством газового экрана 38 вокруг подающего вниз держателя 42, может включать в себя азот, аргон, другие инертные газы и/или их комбинации. Например, стадия 82 может включать в себя ввод по меньшей мере одного из азота и аргона посредством газового экрана 38. [0066] Next, step 82 of introducing process gas through a gas shield 38 around the downstream holder 42 is performed. As explained above, the process gas introduced through the gas shield 38 around the downstream holder 42 may include nitrogen, argon, other inert gases. and/or combinations thereof. For example, step 82 may include introducing at least one of nitrogen and argon through gas shield 38.

[0067] И, наконец, выполняется стадия 86 вытягивания оптического волокна 62 из заготовки 54 оптического волокна. Поскольку зазор 46 нагревается верхним нагревателем 58, оптическое волокно 62 может иметь по существу однородный диаметр. В то время как некоторые стадии описываются с использованием такого языка, как «следующий», который передает порядок в некоторых контекстах, следует понимать, что в описанном способе эти стадии могут происходить непрерывно и одновременно. Например, муфельная печь нагревается (стадия 78), газ течет (стадия 82), и оптическое волокно вытягивается (стадия 86) в одно и то же время. [0067] Finally, the step 86 of drawing the optical fiber 62 from the optical fiber preform 54 is performed. Because gap 46 is heated by top heater 58, optical fiber 62 can have a substantially uniform diameter. While some steps are described using language such as "next" that conveys order in some contexts, it should be understood that in the method described, these steps may occur continuously and simultaneously. For example, the muffle furnace is heated (step 78), the gas flows (step 82), and the optical fiber is drawn out (step 86) at the same time.

[0068] Использование раскрытой печной системы 10 может характеризоваться множеством преимуществ. Во-первых, настоящее изобретение может позволить устранить гелий из печной системы 10. Например, путем адаптации размера зазора 46 и/или путем использования верхнего нагревателя 58, нестабильность потока, образующаяся в результате многоячеечных конвекционных путей, может быть устранена при использовании инертных газов, которые имеют более низкую кинематическую вязкость (например, азота, аргона и т.д.), устраняя тем самым необходимость использования гелия, а также поддерживая подходящие спецификации диаметра волокна. Такая особенность может быть выгодной для сокращения производственных затрат, связанных с гелием. Кроме того, также может быть устранено время простоя, связанное с нестабильностью поставок гелия. Во-вторых, за счет устранения использования гелия может быть устранено использование систем регенерирования гелия, которые часто могут приводить к дефектам оптического волокна 62 и/или его обрывам. Такая особенность может быть выгодной для увеличения полезной длины оптического волокна 62, вытягиваемого из заготовки 54 оптического волокна. В-третьих, за счет установки були 50 заподлицо с остальной частью подающего вниз держателя 42, так что зазор 46 остается по существу постоянным в то время как подающий вниз держатель 42 и заготовка 54 оптического волокна вставляются в полость 34 держателя, можно уменьшить эффект улья в диаметре оптического волокна 62. Эффект улья представляет собой тенденцию изменения в широких пределах диаметра оптического волокна 62 по мере того, как расстояние между булей 50 и верхним расширением 30 муфеля резко изменяется, когда подающий вниз держатель 42 вставляется в верхнее расширение 30 муфеля обычных башен вытяжки волокна. В-четвертых, механически простая конструкция, включающая верхний нагреватель 58, и адаптация размера зазора 46 позволяют легко и удобно эффективно регулировать диаметр оптического волокна 62, вытягиваемого с помощью печной системы 10, а также позволяют использовать относительно более дешевые инертные газы.[0068] The use of the disclosed oven system 10 can have many advantages. First, the present invention can eliminate helium from furnace system 10. For example, by adapting the size of gap 46 and/or by using top heater 58, flow instability resulting from multi-cell convection paths can be eliminated by using inert gases that have lower kinematic viscosities (eg nitrogen, argon, etc.), thus eliminating the need for helium while also maintaining suitable fiber diameter specifications. Such a feature can be advantageous in reducing production costs associated with helium. In addition, downtime associated with fluctuating helium supplies can also be eliminated. Second, by eliminating the use of helium, the use of helium regeneration systems, which can often lead to optical fiber 62 defects and/or breaks, can be eliminated. Such a feature may be advantageous for increasing the usable length of the optical fiber 62 drawn from the optical fiber preform 54. Third, by positioning the boule 50 flush with the rest of the downfeed holder 42 so that the gap 46 remains substantially constant while the downfeed holder 42 and the optical fiber preform 54 are inserted into the holder cavity 34, the hive effect can be reduced in diameter of the optical fiber 62. The beehive effect is a trend over a wide range of the diameter of the optical fiber 62 as the distance between the boule 50 and the top muffle extension 30 changes abruptly when the downfeed holder 42 is inserted into the top muffle extension 30 of conventional fiber drawing towers. . Fourth, the mechanically simple design including the top heater 58 and the adaptation of the size of the gap 46 make it easy and convenient to effectively control the diameter of the optical fiber 62 drawn by the furnace system 10, and also allow the use of relatively cheaper inert gases.

[0069] Примеры [0069] Examples

[0070] На Фиг. 4A - 7D изображены результаты компьютерного моделирования гидродинамики (CFD) потока газа и теплопередача внутри печного узла (например, печной системы 10). Результаты моделирования CFD были подтверждены с использованием исторических наблюдений, основанных на текущих производственных конфигурациях. [0070] In FIG. 4A-7D depict the results of computer fluid dynamics (CFD) simulations of gas flow and heat transfer within a furnace assembly (eg, furnace system 10). The CFD simulation results have been validated using historical observations based on current production configurations.

[0071] На Фиг. 4A-4D изображена модель CFD первого сравнительного примера. В Сравнительном примере 1 колебание температуры происходит вдоль осевого направления печи 80 (например, аналогичной печной системе 10) с зоной нагрева (например, аналогичной горячей зоне 26) печи 80, имеющей температуру приблизительно 2100°C, и с гораздо более низкой температурой верхней части 84 (например, аналогичной полости 34 держателя и/или зазору 46), составляющей приблизительно 200°C. Держатель 88 (например, аналогичный подающему вниз держателю 42) имеет наружный диаметр приблизительно 7,62 см, и верхний муфель 92 (например, аналогичный верхнему расширению 30 муфеля) имеет больший внутренний диаметр, так что пространство 96 (например, аналогичное зазору 46) между держателем 88 и верхним муфелем 92 составляет больше чем приблизительно 4 см. Как можно заметить из пути потока на Фиг. 4A, ячеечная структура потока устанавливается в верхнем печном объеме в пространстве 96 между держателем 88 и верхним муфелем 92. Структура потока состоит преимущественно из больших конвекционных ячеек, которые дрейфуют вверх против силы тяжести (например, благодаря конвекции) и взаимодействуют с вынужденным потоком газа противоположного направления (например, технологического газа), который подается в печь через вход для газа (например, газовый экран 38). Газ, используемый в Сравнительном примере 1, является 100%-ым гелием. Замкнутые линии путей потока изображают структуры рециркуляции. Эта модель показывает, что поток в целом становится неустойчивым благодаря вышеупомянутому взаимодействию между двумя противоположными потоками, что приводит к колебаниям во времени параметров потока, таких как температура, давление и массовый расход газа. Неустойчивый поток является периодическим с явной частотой пиков 0,63 Гц. Результаты моделирования соответствуют наблюдениям при производстве (то есть диаметр волокна остается в пределах спецификации при большом держателе, тогда как колебания диаметра выходят за пределы спецификации при малом держателе). С образующимися вихрями из Фиг. 4B-D можно видеть, что статическое давление, массовый расход и температура потока газа, обдувающего заготовку (например, заготовку 54 оптического волокна) в области корня волокна (например, корня 62A вытягивания), быстро колеблются во времени. Как было объяснено выше, быстрое колебание давления, скорости потока и температуры может влиять на окончательный диаметр оптического волокна, вытягиваемого из заготовки. [0071] In FIG. 4A-4D show the CFD model of the first comparative example. In Comparative Example 1, the temperature fluctuation occurs along the axial direction of furnace 80 (e.g., similar to furnace system 10) with the heating zone (e.g., similar to hot zone 26) of furnace 80 having a temperature of approximately 2100° C. and with a much lower temperature of top 84 (for example, similar to the cavity 34 of the holder and/or the gap 46), which is approximately 200°C. The holder 88 (for example, similar to the downfeed holder 42) has an outer diameter of approximately 7.62 cm, and the upper muffle 92 (for example, similar to the upper muffle extension 30) has a larger inner diameter, so that the space 96 (for example, similar to the gap 46) between holder 88 and top muffle 92 is greater than about 4 cm. As can be seen from the flow path in FIG. 4A, the cell flow structure is installed in the upper furnace volume in the space 96 between the holder 88 and the upper muffle 92. The flow structure consists predominantly of large convection cells that drift upward against gravity (for example, due to convection) and interact with the forced gas flow in the opposite direction (eg, process gas), which is fed into the furnace through the gas inlet (eg, gas screen 38). The gas used in Comparative Example 1 is 100% helium. Closed flow path lines represent recirculation structures. This model shows that the flow as a whole becomes unstable due to the aforementioned interaction between the two opposite flows, which leads to fluctuations in time of flow parameters such as temperature, pressure and gas mass flow. The intermittent flow is periodic with an apparent peak frequency of 0.63 Hz. The simulation results are in line with manufacturing observations (i.e., the fiber diameter stays within specification with the large holder, while diameter fluctuations are out of specification with the small holder). With the resulting vortices from Fig. 4B-D, it can be seen that the static pressure, mass flow rate, and temperature of the gas stream blowing over the preform (eg, optical fiber preform 54) in the region of the fiber root (eg, draw root 62A) fluctuate rapidly with time. As explained above, rapid fluctuations in pressure, flow rate, and temperature can affect the final diameter of the optical fiber drawn from the preform.

[0072] На Фиг. 5A и 5B показан первый пример по настоящему изобретению. В Примере 1 условия печи 80 являются теми же самыми, что и в Сравнительном примере 1, но держатель 88 имеет наружный диаметр приблизительно 12,37 см, а верхний муфель 92 имеет малый внутренний диаметр, так что пространство 96 между держателем 88 и верхним муфелем 92 составляет приблизительно 4 см или меньше. Как видно на Фиг. 5A, когда пространство 96 является малым, поток газа от газового экрана является преимущественно нисходящим, лишь с двумя малыми вихрями рециркуляции, формирующимися около входа газа благодаря входу газа в печь 80 перпендикулярно к верхнему муфелю 92. Как показано на Фиг. 5B, температура газа, обдувающего заготовку в области корня волокна (например, у корня 62A вытягивания заготовки 54, где вытягивается оптическое волокно 62), является очень устойчивой во времени. Как было объяснено выше, устойчивая температура приводит к устойчивой теплопередаче, в результате чего получается оптическое волокно постоянного диаметра. [0072] In FIG. 5A and 5B show a first example of the present invention. In Example 1, the conditions of the furnace 80 are the same as in Comparative Example 1, but the holder 88 has an outer diameter of approximately 12.37 cm and the upper muffle 92 has a small inner diameter, so that the space 96 between the holder 88 and the upper muffle 92 is approximately 4 cm or less. As seen in FIG. 5A, when the space 96 is small, the gas flow from the gas shield is predominantly downward, with only two small recirculation vortices forming near the gas inlet due to the gas inlet into the furnace 80 perpendicular to the upper muffle 92. As shown in FIG. 5B, the temperature of the gas flowing over the preform at the region of the fiber root (eg, at the root 62A of drawing the preform 54 where the optical fiber 62 is drawn) is very stable over time. As explained above, a stable temperature leads to a stable heat transfer resulting in an optical fiber of constant diameter.

[0073] На Фиг. 6A-6D изображен Сравнительный пример 2, имеющий те же самые параметры процесса, что и Сравнительный пример 1, за исключением того, что гелий заменен аргоном. Как видно из чертежей, замена гелия аргоном приводит к установлению многоячеечной конвекции в верхней части 84 печи 80. Кроме того, природа нестабильности потока изменяется с периодической в Сравнительном примере 1 на нерегулярную или хаотическую в Сравнительном примере 2. Например, когда газ в печи представляет собой 100%-ый гелий, неустойчивый поток является периодическим с явной частотой пиков 0,63 Гц, тогда как в том случае, когда газ в печи представляет собой 100%-ый аргон, колебания не имеют частоты. Как было объяснено выше, более низкая кинематическая вязкость аргона приводит к большему числу Грасгофа по сравнению с гелием, приводя к большей нестабильности потока газа. Увеличенная нестабильность приводит к быстрому и хаотическому колебанию давления, скорости потока и температуры. [0073] In FIG. 6A-6D show Comparative Example 2 having the same process parameters as Comparative Example 1 except that helium is replaced by argon. As can be seen from the drawings, the replacement of helium with argon leads to the establishment of multi-cell convection in the upper part 84 of the furnace 80. In addition, the nature of the flow instability changes from periodic in Comparative Example 1 to irregular or chaotic in Comparative Example 2. For example, when the gas in the furnace is 100% helium, the fluctuating flow is periodic with an apparent peak frequency of 0.63 Hz, while when the furnace gas is 100% argon, the fluctuations have no frequency. As explained above, the lower kinematic viscosity of argon results in a higher Grashof number compared to helium, resulting in greater gas flow instability. Increased instability results in rapid and chaotic fluctuations in pressure, flow rate, and temperature.

[0074] На Фиг. 7A-7D показаны результаты моделирования CFD Примера 2 по настоящему изобретению. Как было объяснено выше, один способ подавления нестабильности потока заключается в активном нагреве верхнего муфеля 92 выше зоны нагрева. При нагреве верхнего муфеля 92 выше зоны нагрева число Грасгофа может быть уменьшено путем уменьшения значения β/ν², а также разности температур между зоной нагрева и верхней частью печи 80. Например, в верхней части заполненной аргоном печи может быть получено то же самое значение β/ν² (то есть то же самое число Грасгофа), что и со смесью 95% гелия/5% аргона, если заполненный аргоном верхний муфель 92 нагревается приблизительно до 1100°C с использованием верхнего нагревателя (например, структуры, подобной верхнему нагревателю 58). Когда верхний муфель 92 нагревается до 1100°C, кинематическая вязкость аргона становится на один порядок больше, чем когда верхний муфель 92 над зоной нагрева активно не нагревается. Из Уравнения (1) можно вывести, что число Грасгофа будет по меньшей мере на два порядка меньше, и поэтому можно ожидать, что величина естественной конвекции будет уменьшена. Следует понимать, что для того, чтобы достичь подобного эффекта, также могут быть использованы температуры ниже 1100°C (например, вплоть до приблизительно 700°C) или выше 1100°C (например, вплоть до температуры горячей зоны 26). Действительно, сравнение контурных графиков путей потока Сравнительного примера 2 и Примера 2 показывает, что при нагреве верхнего муфеля 92 печи 80 происходит подавление многоячеечной конвекции в пространстве 96 между верхним муфелем 92 и держателем 88, и поток газообразного аргона проходит преимущественно сверху к зоне нагрева и является устойчивым. Влияние нагрева верхнего муфеля 92 на стабилизацию потока можно ясно увидеть из сравнения переходного профиля параметров потока, температуры, давления и массового расхода, представленных на Фиг. 7B-7D. Временная стабильность потока, температуры и давления приводит к устойчивому охлаждению корня, давая стабильный диаметр волокна.[0074] In FIG. 7A-7D show the results of the CFD simulation of Example 2 of the present invention. As explained above, one way to suppress flow instability is to actively heat the upper muffle 92 above the heating zone. By heating the top muffle 92 above the heating zone, the Grashof number can be reduced by decreasing the value of β/ν ² as well as the temperature difference between the heating zone and the top of the furnace 80. For example, the same β value can be obtained in the top of an argon-filled furnace. /ν ² (i.e. the same Grashof number) as with a mixture of 95% helium/5% argon, if the argon-filled top muffle 92 is heated to approximately 1100°C using an top heater (for example, a structure similar to top heater 58 ). When the top muffle 92 is heated to 1100°C, the kinematic viscosity of argon becomes one order of magnitude greater than when the top muffle 92 above the heating zone is not actively heated. From Equation (1), it can be deduced that the Grashof number will be at least two orders of magnitude smaller, and therefore the amount of natural convection can be expected to be reduced. It should be understood that temperatures below 1100°C (eg, up to about 700°C) or above 1100°C (eg, up to the temperature of hot zone 26) can also be used to achieve a similar effect. Indeed, a comparison of the contour plots of the flow paths of Comparative Example 2 and Example 2 shows that when the upper muffle 92 of the furnace 80 is heated, multi-cell convection in the space 96 between the upper muffle 92 and the holder 88 is suppressed, and the flow of argon gas passes predominantly from above to the heating zone and is sustainable. The effect of heating the upper muffle 92 on flow stabilization can be clearly seen from a comparison of the transient profile of the flow, temperature, pressure, and mass flow parameters presented in FIG. 7B-7D. The temporal stability of flow, temperature and pressure results in stable cooling of the root, giving a stable fiber diameter.

[0075] Фиг. 9 показывает диаметр волокна, измеренный с частотой 500 Гц, для трех случаев, в которых геометрия печи и параметры вытяжки являются идентичными. Зазор между подающим вниз держателем и верхним муфелем в этих трех случаях поддерживался равным 12 мм. В первом случае использовался стандартный аргон, не было никакого дополнительного нагрева верхнего муфеля, и изменчивость диаметра волокна была большой и неприемлемой. Во втором случае использовался стандартный гелий, опять же не было никакого дополнительного нагрева верхнего муфеля, но большая кинематическая вязкость гелия привела к тому, что диаметр волокна хорошо контролировался и соответствовал стандартам спецификации. В третьем случае использовался аргон с температурой 800°C, верхний муфель нагревался до 800°C, что привело к увеличению кинематической вязкости аргона, в результате чего диаметр волокна хорошо контролировался и соответствовал стандартам спецификации. [0075] FIG. 9 shows the fiber diameter measured at 500 Hz for three cases in which the furnace geometry and drawing parameters are identical. The gap between the downward feed holder and the upper muffle was maintained at 12 mm in these three cases. In the first case, standard argon was used, there was no additional heating of the top muffle, and the variability in fiber diameter was large and unacceptable. In the second case, standard helium was used, again there was no additional heating of the top muffle, but the large kinematic viscosity of the helium resulted in the fiber diameter being well controlled and meeting specification standards. In the third case, 800°C argon was used, the top muffle was heated to 800°C, resulting in an increase in the kinematic viscosity of the argon, resulting in a well-controlled fiber diameter that met specification standards.

[0076] Модификации настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники и тем, кто реализует или использует его. Следовательно, подразумевается, что варианты осуществления, показанные на чертежах и описанные выше, предназначены просто для иллюстративных целей и не предназначены для ограничения объема защиты настоящего изобретения, которая определяется следующей формулой изобретения, интерпретируемой согласно принципам патентного закона, включая доктрину эквивалентов. [0076] Modifications of the present invention will be apparent to those skilled in the art and those who implement or use it. Therefore, it is understood that the embodiments shown in the drawings and described above are merely for illustrative purposes and are not intended to limit the scope of protection of the present invention, which is defined by the following claims, interpreted according to the principles of patent law, including the doctrine of equivalents.

[0077] Специалисту в данной области техники будет понятно, что конструкция описанного раскрытия и других компонентов не ограничивается каким-либо конкретным материалом. Другие примерные варианты осуществления настоящего изобретения, раскрытые в настоящем документе, могут быть сформированы из большого разнообразия материалов, если в настоящем документе не указано иное.[0077] Those skilled in the art will appreciate that the construction of the described disclosure and other components is not limited to any particular material. Other exemplary embodiments of the present invention disclosed herein may be formed from a wide variety of materials, unless otherwise indicated herein.

[0078] Для целей данного раскрытия термин «связанный» (во всех его формах: пара, связывание, связанный и т.д.) обычно означает соединение двух компонентов (электрических или механических) напрямую или косвенно друг с другом. Такое соединение может быть по своей природе неподвижным или подвижным. Такое соединение может быть достигнуто с помощью этих двух компонентов (электрических или механических), а также любых дополнительных промежуточных элементов, интегрально сформированных как одиночное унитарное тело друг с другом или с этими двумя компонентами. Такое соединение может быть постоянным по природе, или может быть съемным или разъемным по природе, если явно не указано иное.[0078] For the purposes of this disclosure, the term "coupled" (in all its forms: pair, bond, bonded, etc.) generally means the connection of two components (electrical or mechanical) directly or indirectly to each other. Such a connection may be immovable or movable in nature. Such a connection can be achieved with these two components (electrical or mechanical) as well as any additional intermediate elements integrally formed as a single unitary body with each other or with these two components. Such a connection may be permanent in nature, or may be removable or releasable in nature, unless explicitly stated otherwise.

[0079] Используемый в настоящем документе термин «примерно» означает, что количества, размеры, составы, параметры и другие величины и характеристики не являются и не обязательно должны быть точными, но могут быть приблизительными и/или больше или меньше, по желанию, отражая допуски, факторы преобразования, округление, ошибки измерения и т.п., а также другие факторы, известные специалистам в данной области техники. Когда термин «примерно» используется для описания значения или конечной точки диапазона, следует понимать, что настоящее раскрытие включает в себя указанное конкретное значение или конечную точку. Независимо от того, указывается ли числовое значение или конечная точка диапазона в описании со словом «примерно», это числовое значение или конечная точка диапазона подразумевают включение двух вариантов осуществления: один со словом «примерно», а другой без слова «примерно». Кроме того, следует понимать, что конечные точки каждого из диапазонов являются значимыми как относительно другой конечной точки, так и независимо от другой конечной точки. [0079] As used herein, the term "about" means that quantities, sizes, compositions, parameters, and other quantities and characteristics are not and need not be exact, but may be approximate and/or more or less, as desired, reflecting tolerances, conversion factors, rounding off, measurement errors, and the like, as well as other factors known to those skilled in the art. When the term "about" is used to describe a value or endpoint of a range, it is to be understood that the present disclosure includes the specified specific value or endpoint. Whether or not a numeric value or range endpoint is specified in the description with the word "about", that numeric value or range endpoint is intended to include two embodiments, one with the word "about" and the other without the word "about". In addition, it should be understood that the endpoints of each of the ranges are significant both relative to the other endpoint and independently of the other endpoint.

[0080] Термины «существенный», «по существу» и их варианты, используемые в настоящем документе, предназначены для того, чтобы отметить, что описываемая особенность равна или приблизительно равна значению или описанию. Например, «по существу плоская» поверхность означает поверхность, которая является плоской или приблизительно плоской. Кроме того, термин «по существу» означает, что два значения равны или приблизительно равны. В некоторых вариантах осуществления термин «по существу» может обозначать значения, отличающиеся друг от друга в пределах приблизительно 10%.[0080] The terms "substantial", "substantially", and variations thereof, as used herein, are intended to indicate that the feature being described is equal to or approximately equal to the meaning or description. For example, a "substantially flat" surface means a surface that is flat or approximately flat. In addition, the term "substantially" means that the two values are equal or approximately equal. In some embodiments, the term "substantially" may mean values that differ from each other within about 10%.

[0081] Также важно заметить, что конструкция и компоновка элементов настоящего изобретения, показанные в примерных вариантах осуществления, являются лишь иллюстративными. Хотя только несколько вариантов осуществления настоящих новшеств были описаны подробно в данном раскрытии, специалисты в данной области техники легко поймут, что возможны множество модификаций (например, вариации в размерах, структурах, формах и пропорциях различных элементов, значениях параметров, установочных расположениях, использовании материалов, цветов, ориентаций и т.д.) без существенного отклонения от новых идей и преимуществ изложенного предмета. Например, элементы, показанные как интегрально сформированные, могут состоять из нескольких частей, или элементы, показанные как несколько частей, могут быть сформированы как единое целое, работа интерфейсов может быть обращена или изменена иным образом, длина или ширина структур и/или элементов или соединителей, или других элементов системы, могут быть изменены, и характер или количество положений регулировки, предусмотренных между элементами, может быть изменено. Следует отметить, что элементы и/или узлы системы могут быть созданы из любого из большого разнообразия материалов, которые обеспечивают достаточную прочность или долговечность, с любыми из большого разнообразия цветов, текстур, а также их комбинаций. Соответственно, все такие модификации рассматриваются как находящиеся в рамках настоящих новшеств. Другие замены, модификации, изменения и пропуски могут быть сделаны в конструктивном решении, эксплуатационных условиях и компоновке желаемых и других примерных вариантов осуществления без отступлений от духа настоящих новшеств.[0081] It is also important to note that the construction and arrangement of the elements of the present invention shown in the exemplary embodiments are illustrative only. Although only a few embodiments of the present innovations have been described in detail in this disclosure, those skilled in the art will readily appreciate that many modifications are possible (e.g., variations in sizes, structures, shapes, and proportions of various elements, parameter values, mounting locations, use of materials, colors, orientations, etc.) without substantially deviating from the new ideas and advantages of the subject matter. For example, elements shown as integrally formed may be composed of multiple parts, or elements shown as multiple parts may be formed as a single unit, the operation of interfaces may be reversed or otherwise altered, the length or width of structures and/or elements or connectors , or other elements of the system, may be changed, and the nature or number of adjustment positions provided between the elements may be changed. It should be noted that the elements and/or assemblies of the system can be made from any of a wide variety of materials that provide sufficient strength or durability, with any of a wide variety of colors, textures, and combinations thereof. Accordingly, all such modifications are considered to be within the scope of the present innovations. Other substitutions, modifications, alterations, and omissions may be made in the design, operating conditions, and layout of the desired and other exemplary embodiments without departing from the spirit of the present innovations.

[0082] Следует понимать, что любые описанные процессы или стадии в рамках описанных процессов могут быть объединены с другими раскрытыми процессами или стадиями для формирования структур в пределах объема настоящего раскрытия. Примерные структуры и процессы, раскрытые в настоящем документе, служат лишь для целей иллюстрации и не предназначены для ограничения.[0082] It should be understood that any described processes or steps within the described processes may be combined with other disclosed processes or steps to form structures within the scope of this disclosure. The exemplary structures and processes disclosed herein are for illustrative purposes only and are not intended to be limiting.

[0083] Также следует понимать, что в вышеупомянутые структуры и способы могут быть внесены изменения и модификации без отклонения от концепций настоящего раскрытия, и, кроме того, следует понимать, что такие концепции охватываются следующей формулой изобретения, если в ней явно не указано иное. Кроме того, приведенная ниже формула изобретения входит в данное подробное описание и составляет его часть.[0083] It is also to be understood that changes and modifications may be made to the aforementioned structures and methods without deviating from the concepts of the present disclosure, and it is further to be understood that such concepts are covered by the following claims unless it is expressly stated otherwise. In addition, the following claims are included in and form part of this detailed description.

Claims

1. Furnace system for suppressing process gas flow instability during optical fiber preform drawing in optical fiber production, comprising:

a muffle furnace defining a furnace cavity;

a lower heater connected to the muffle furnace and configured to create a hot zone within the furnace cavity having a temperature of 1700°C to 2000°C;

the upper extension of the muffle, located above the muffle furnace and defining the cavity of the holder;

a downfeed holder positioned within the holder cavity such that a gap is defined between an outer surface of the downfeed holder and an inner surface of the top extension of the muffle;

a bulge associated with the downward feed holder that is configured to support the optical fiber preform;

an upper heater thermally connected to the upper extension of the muffle and configured to heat the gap; and

a gas screen located in the upper extension of the muffle and configured to introduce process gas into the holder cavity.

2. Furnace system according to claim. 1, in which the process gas contains from 1 vol.% to 100 vol.% argon.

3. A furnace system according to claim 1, wherein the process gas contains from 1 vol% to 100 vol% nitrogen.

4. Furnace system according to any one of paragraphs. 1-3, in which the upper heater is configured to heat the gap to a temperature of 600°C to 1800°C.

5. Furnace system according to any one of paragraphs. 1-4, in which the upper heater is thermally connected to the entrance to the upper extension of the muffle.

6. Furnace system according to any one of paragraphs. 1-5, in which at least one of the muffle furnace and the top expansion of the muffle contains carbon.

7. Furnace system according to any one of paragraphs. 1-6, in which the length of the gap from the outer surface of the feed down holder to the inner surface of the upper expansion of the muffle is from 0.5 cm to 4 cm.

8. Furnace system according to claim 7, in which the length of the gap from the outer surface of the feed down holder to the inner surface of the upper expansion of the muffle is from 1 cm to 3.5 cm.

9. Furnace system according to claim 8, in which the length of the gap from the outer surface of the feed down holder to the inner surface of the upper expansion of the muffle is from 1.5 cm to 3 cm.