CN105084754A - 光纤冷却装置以及光纤制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的光纤冷却装置以及光纤制造方法能够确定冷却气体的最佳供给位置。冷却气体的供给位置在将包含从冷却管部(21)的上端(22)引入的空气以及冷却气体的内部气体的朝向下方的气流设为正时，将光纤的周围处朝向下方流动的流量设为Q₁，将在朝向下方的流量Q₁的周围处朝向上方流动的流量设为Q₂，将从上端至冷却气体投入口的距离L处的朝向下方的流量(Q₁)中包含的空气的体积分数设为C₁(L)，在将使式13成为最小的L设为L_ideal时，将L设为L_ideal附近。将从上端至冷却气体的供给位置的距离设为L，在朝向下方的气流和朝向上方的气流的边界将流速成为零的位置相距冷却管部的中心轴的距离设为R_reverse，将空气的扩散系数设为D，将空气的扩散距离设为length。

Description

光纤冷却装置以及光纤制造方法

技术领域

本发明涉及一种利用气体对从光纤玻璃母材拉丝出的光纤进行冷却的光纤冷却装置以及光纤制造方法。

背景技术

光纤是通过下述方式进行制造的，即，使光纤玻璃母材(以下，称为玻璃母材)在光纤用拉丝炉(以下，称为拉丝炉)中加热软化，并从拉丝炉的下方拉出(拉丝)。从玻璃母材拉丝得到的光纤例如通过涂敷紫外线硬化树脂、进行硬化而形成覆膜，但由于刚拉丝出的光纤温度高，因此无法立刻涂敷树脂。因此，在拉丝炉和树脂涂敷装置之间设置光纤冷却装置，将刚拉丝出的光纤冷却。

关于该光纤冷却装置，例如在JP2004－339026A中公开了利用氦气等冷却气体对光纤进行冷却的装置。具体而言，设置有在上下具有开口的冷却管部，在冷却管部的中途形成有供给冷却气体的通路。光纤从冷却管部的上端导入，并与在上端处引入的空气一起向下方移动。从通路供给来的冷却气体在冷却管部内朝向上方或朝向下方流动，从而将光纤冷却。冷却后的光纤与冷却气体、空气一起从冷却管部的下端导出。

这里，由于氦气与氩气、氮气相比价格极高，因此优选以少量的氦气使光纤的温度下降。在该情况下，考虑到为了使光纤和冷却气体的接触时间变长，优选将冷却气体从冷却管部的上端附近供给。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤冷却装置以及光纤制造方法，其能够减少冷却气体的使用量并使光纤的温度下降得最低。

为了达成目的，提供一种光纤冷却装置，该光纤冷却装置包括冷却管部，该冷却管部具有：上端，其导入光纤；下端，其导出冷却后的光纤；以及中心轴，其沿着光纤，该冷却管部在上端和下端之间具备供给冷却气体的供给口。在该光纤冷却装置中，在将朝向下方的气流设为正时，将冷却管部中的光纤周围的由空气及冷却气体形成的内部气体的朝向下方的气流的流量表示为Q₁，将朝向下方的气流周围的、内部气体的朝向上方的气流的流量表示为Q₂，在朝向下方的气流和朝向上方的气流的边界处将流速成为零的位置相距中心轴的距离表示为R_reverse，将空气的扩散系数表示为D，将空气的扩散距离表示为length，将从上端至供给口的距离L处的朝向下方的气流中所包含的空气的体积分数表示为C₁(L)，在以上述方式表示时，供给口位于使式13

$C_1\left(L\right)=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1-Q_2\exp \{(\frac{1}{Q_1}-\frac{1}{Q_2})2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{reverse}}\mathrm{DL}/\mathrm{length}\}}---\left(13\right)$

成为最小的L＝L_ideal附近。

在本发明的光纤冷却装置中，也可以是冷却气体的供给口沿着冷却管部的上下方向而形成N个，在将从上端至各供给口的距离设为Li、将各供给口的冷却气体的供给量设为Q(He)i的情况下，将从上端至冷却气体的假想供给口的距离设为

$L_{\mathrm{ave}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{i}Q{\left(\mathrm{He}\right)}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}Q{\left(\mathrm{He}\right)}_i}---\left(14\right),$

假想供给口位于使C₁(L)成为最小的L_ideal的附近。作为本发明的其他方式，还提供一种使用本发明的光纤冷却装置的光纤制造方法。

发明的效果

根据本发明，能够减少冷却气体的使用量并使光纤的温度下降得最低。

附图说明

图1是表示包含应用本发明的光纤冷却装置在内的光纤的制造装置的结构例的概念图。

图2是本发明的光纤冷却装置的第1实施方式中的冷却管部的概念图。

图3是表示冷却管部内的速度分布的一个例子的曲线图。

图4是用于说明冷却管部内的气流的图。

图5是表示冷却气体的供给位置、和冷却管部出口处的光纤温度及空气的体积分数之间的关系的曲线图。

图6是本发明的光纤冷却装置的第2实施方式中的冷却管部的图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式所涉及的光纤冷却装置及使用该冷却装置的光纤制造方法的具体例进行说明。此外，本发明并不限定于这些例示，而是由权利要求书示出，包含与权利要求书等同的内容及其范围内的全部变更。

在光纤冷却装置中，在从冷却管部的上端至冷却气体的供给位置的距离较短的情况下，被牵引至光纤的周围的空气难于从光纤的周围进行扩散，冷却气体难于扩散至光纤的周围。因此，存在光纤周围的空气的体积分数(也称为空气的体积浓度)不降低，难于使光纤的温度下降的问题。冷却气体优选从冷却管部的上端附近供给，但如果从冷却管部的上端至供给位置的距离过短，则光纤的温度反而难于下降，因此，应该存在冷却气体的最佳的供给位置。

图1是表示包含应用本发明的光纤冷却装置在内的光纤的制造装置的结构例的概念图。光纤制造装置具备：光纤用拉丝炉(以下，简称为拉丝炉)10、光纤冷却装置(以下，简称为冷却装置)20、树脂涂敷装置40、树脂硬化装置50、引导辊60以及卷绕装置70。

光纤12是通过下述方式进行制造的，即，使光纤玻璃母材(以下，简称为玻璃母材)11在拉丝炉10中加热软化，并从拉丝炉10的下方进行拉丝。从玻璃母材11拉丝得到的光纤12在利用冷却装置20强制冷却后，由树脂涂敷装置40涂敷紫外线硬化树脂，利用树脂硬化装置50使该树脂硬化。然后，树脂涂敷后的光纤13经由引导辊60而由卷绕装置70卷绕。

本发明的光纤制造装置所包含的光纤冷却装置20具有冷却管部21，该冷却管部21形成有冷却气体G的供给口。并且，在设计冷却装置20时，根据扩散方程式(式12)，将冷却气体的供给位置处的空气的体积分数C₁作为从冷却装置的上端至冷却气体的供给位置的距离L的函数C₁(L)(式13)而求出，确定使C₁(L)成为最小的至冷却气体的最佳供给位置的距离L_ideal。

图2是本发明的光纤冷却装置的第1实施方式中的冷却管部的概念图。冷却管部21以其长度方向作为上下方向而配置，具备上端22和下端23，其中，该上端22具有导入光纤12的开口，该下端23具有导出冷却后的光纤12的开口。另外，在冷却管部21的中途，形成供给例如氦气等冷却气体的冷却气体供给路24，能够将冷却气体供给至冷却管部21内。

由此，刚拉丝出的光纤12从上端22的开口导入，与从上端22的开口引入的空气一起向下方移动。从冷却气体供给路24供给来的冷却气体在冷却管部21内朝向上方或朝向下方流动而对光纤12进行冷却。然后，冷却后的光纤12与冷却气体、空气一起从下端23的开口导出。

将供给至冷却管部21内的冷却气体的流量设为Q(He)，将与冷却气体的供给位置相比上方处的内部气体的流量设为Q(UP)，将与冷却气体的供给位置相比下方处的内部气体的流量设为Q(DOWN)。对于内部气体，由于来自上端22的开口的空气及从冷却气体供给路24供给来的冷却气体从下端22排出，因此，如果将朝向下方的气流设为正，则根据质量守恒定律，式1成立。

Q(UP)+Q(He)＝Q(DOWN)(1)

另外，将冷却管部21的从轴中心的半径方向的距离设为r，将冷却管部21的长度方向的位置设为z，将冷却管部21内的冷却气体的粘性系数设为μ，将冷却管部21内的压力设为P，如果假设为在圆管内流动的稳定层流(也称为哈根-泊萧叶气流(Hagen-Poiseuilleflow))，则冷却管部21的内部气体的速度分布V_z由式2表示。

$V_z=\frac{1}{4\mathrm{\μ}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dz}}{r}^2+A\ln r+B---\left(2\right)$

冷却气体的粘性系数μ是在气体温度大于或等于230[K]且小于或等于1000[K]时的粘性系数，在氦气的情况下，成为μ＝1.9×10^{﹣ 5}[Pa·s]。

在式2中，如果将光纤的半径设为r₁，将光纤的拉丝速度设为V₁，则半径r₁处的内部气体的速度成为V_z＝V₁。另外，如果将冷却管部21的内径设为r₂(＞r₁)，则在r＝r₂时成为V_z＝0，式2的A由式3表示，式2的B由式4表示。

$A=\frac{V_1-\frac{1}{4\mathrm{\μ}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dz}}({r_1}^2-{r_2}^2)}{\ln (r_1/r_2)}---\left(3\right)$

$B=-\frac{1}{4\mathrm{\μ}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dz}}{r_2}^2-\frac{V_1-\frac{1}{4\mathrm{\μ}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dz}}({r_1}^2-{r_2}^2)}{\ln (r_1/r_2)}\ln r_2---\left(4\right)$

优选r₂大于或等于0.5[mm]且小于或等于5[mm]。

如果将冷却管部21的全流量设为Q(Q(UP)或者Q(DOWN))，则全流量Q能够由式5表示。

并且，如果将朝向下方的气流设为正，将式2、式3、式4代入式5的右边的V_z，并对压力损失dP/dz进行求解，则得到式6。

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dz}}=\frac{Q+{\mathrm{\πV}}_1(\frac{{r_2}^2-{r_1}^2}{\text{2ln}(r_1/r_2)}+{r_1}^2)}{\frac{\mathrm{\π}}{8\mathrm{\μ}}({r_1}^2-{r_2}^2)({r_1}^2+{r_2}^2+\frac{{r_2}^2-{r_1}^2}{\ln (r_1/r_2)})}---\left(6\right)$

如图2所示，如果将从冷却管部21的上端22至冷却气体G的冷却气体供给路24的距离设为L，将从冷却气体供给路24至冷却管部21的下端23的距离设为L’，则根据式1、式6，下端23相对于上端22的压力差ρ_air(L+L’)g由式7表示。

$\left(\frac{Q\left(\mathrm{UP}\right)+{\mathrm{\πV}}_1(\frac{{r_2}^2-{r_1}^2}{2\ln (r_1/r_2)}+{r_1}^2)}{\frac{\mathrm{\π}}{8\mathrm{\μ}}({r_1}^2-{r_2}^2)({r_1}^2+{r_2}^2+\frac{{r_1}^2-{r_1}^2}{\ln (r_1/r_2)})}\right)L+\left(\frac{Q\left(\mathrm{DOWN}\right)+{\mathrm{\πV}}_1(\frac{{r_2}^2-{r_1}^2}{2\ln (r_1/r_2)}+{r_1}^2)}{\frac{\mathrm{\π}}{8\mathrm{\μ}}({r_1}^2-{r_2}^2)({r_1}^2+{r_2}^2+\frac{{r_2}^2-{r_1}^2}{\ln (r_1/r_2)})}\right)L^{\′}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}(L+L^{\′})g---\left(7\right)$

并且，如果已知冷却气体的流量Q(He)，则能够根据式1、式7的联立方程式，求出与冷却气体供给路24相比上方处的内部气体的流量Q(UP)、与冷却气体供给路24相比下方处的内部气体的流量Q(DOWN)。此外，优选冷却气体的流量Q(He)小于或等于3.33×10^﹣4[m³/s](＝20[L/min])。

图3是表示冷却管部内的速度分布的一个例子的曲线图。例如，在使用半径α的冷却管部21、朝向下方进行拉丝的情况下，如果将以式6的Q作为Q(UP)而求出的dP/dz代入式2，则能够求出与冷却气体的供给口相比上方处的冷却管部21的内部气体的速度分布V_z。如图3所示，可知在光纤的周边即冷却管部21的中心附近，V_z为正、朝向下方流动，但随着远离冷却管部21的中心，朝向下方的气流变弱，不久V_z变为负而朝向上方流动(也称为逆流)。如果将流速成为零处的相距冷却管部21的中心的距离设为R_reverse，则R_reverse能够由设为式2的V_z＝0的式8表示。

$V_z=\frac{1}{4\mathrm{\μ}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dz}}{R}_{\mathrm{reverse}}^2+A\ln R_{\mathrm{reverse}}+B=0---\left(8\right)$

此外，式8的dP/dz如式9所示，是将式6的Q替换为Q(UP)而求出的。

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dz}}=\frac{Q\left(\mathrm{UP}\right)+{\mathrm{\πV}}_1(\frac{{r_2}^2-{r_1}^2}{\text{2ln}(r_1/r_2)}+{r_1}^2)}{\frac{\mathrm{\π}}{8\mathrm{\μ}}({r_1}^2-{r_2}^2)({r_1}^2+{r_2}^2+\frac{{r_2}^2-{r_1}^2}{\ln (r_1/r_2)})}---\left(9\right)$

另外，在将朝向下方的气流设为正时，如果如上述所示将内部气体的朝向下方的流量设为Q₁，将朝向上方的流量设为Q₂，则利用开始产生逆流的距离R_reverse，朝向下方的流量Q₁能够由式10定义，朝向上方的流量Q₂能够由式11定义。

图4是用于说明冷却管部内的气流的图，在将朝向下方的气流设为正时，将内部气体的朝向下方的流量Q₁所包含的空气的体积分数设为c₁，将朝向上方的流量Q₂所包含的空气的体积分数设为c₂，根据扩散方程式对空气的体积分数c₁、c₂进行规定。c₁、c₂是通过求解式12所示出的扩散方程式而求出的。式12称为质量通量的式(也称为菲克扩散的第1定律)，通过每单位面积的质量通量m_A[kg/s·m²]能够表示为与浓度梯度成正比。这里，c_A[kg/m³]是质量浓度，n[m]是长度。

$m_A=-D\frac{{\∂c}_A}{\∂n}---\left(12\right)$

这里，如果考虑边界条件，则可以认为在强制冷却装置上端，冷却气体为0[％]、空气为100[％]，因此，成为c₁(0)＝1。另一方面，在从上端的距离为L时，所流入的冷却气体上下分支，但在L的位置处没有上下的气流，因此，可以认为冷却气体为100％，成为c₂(L)＝0。将空气的扩散系数设为D，将空气的扩散距离设为length，如果基于该边界条件求解扩散方程式，并求出冷却气体供给口位置L处的c₁，则c₁(L)＝C₁(L)，C₁(L)由式13表示。

$C_1\left(L\right)=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1-Q_2\exp \{(\frac{1}{Q_1}-\frac{1}{Q_2})2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{reverse}}\mathrm{DL}/\mathrm{length}\}}---\left(13\right)$

此外，在以朝向下方的气流为正时，式13的空气的体积分数C₁(L)中所示的半径R_reverse是在冷却管部21的长度方向的距离z＝L的位置处，至气流的流向从朝向下方的流量Q₁改变为朝向上方的流量Q₂的边界位置为止的冷却管部的半径方向的距离，根据冷却管部21内的流速分布V_z的式(式8)求出。另外，空气的体积分数C₁(L)中所示的朝向下方、朝向上方流动的内部气体的体积流量Q₁、Q₂根据与半径R_reverse相关的体积流量Q₁、Q₂的式(式10、式11)求出。扩散系数D是气体温度大于或等于230[K]且小于或等于1000[K]时的扩散系数。另外，扩散距离length小于或等于r₂，成为r₂/2左右的值。

在从上端的距离L处，如果式13所涉及的空气的体积分数C₁(L)成为最小，则冷却气体的体积分数成为最大，因此能够最大程度地冷却光纤。由此，至冷却气体的最佳供给位置为止的距离L_ideal能够利用式13确定。并且，通过使用该光纤冷却装置，能够减少冷却气体的使用量并使光纤的温度下降得最低。

图5是表示冷却气体的供给位置、和冷却管部出口处的光纤温度及空气的体积分数之间的关系的曲线图。在该例子中，使用从上端至下端为相同直径的冷却管部，光纤温度根据流体解析软件的模拟结果求出。首先，在将规定量β的氦气以变更其供给位置的方式供给至冷却管部时，光纤温度描绘出在图5中如由●标记所示的曲线，与其相对，式13所涉及的空气的体积分数C₁(L)描绘出如由○标记所示的曲线。可知●标记及○标记的曲线均在从上端的距离为3a～4a之间成为最小。

其次，在将规定量β的例如7成左右的氦气以变更其供给位置的方式供给至冷却管部时，光纤温度描绘出在图5中如由■标记所示的曲线，式13所涉及的空气的体积分数C₁(L)描绘出由□标记所示的曲线。■标记及□标记的曲线均在从上端的距离为2a附近成为最小。然后，尝试将规定量β的例如5.5成左右的氦气以变更其供给位置的方式供给至冷却管部时，光纤温度描绘出在图5中如由◆标记所示的曲线，式13所涉及的空气的体积分数C₁(L)描绘出如由◇标记所示的曲线。◆标记及◇标记的曲线均在从上端的距离为0～a之间成为最小。

如上所述，可知如果在光纤温度和空气的体积分数成为最小的部位附近处供给冷却气体，则光纤温度成为最低，如果确定了至空气的体积分数C₁(L)成为最小的冷却气体的最佳供给位置为止的距离L_ideal，则通过在距离L_ideal的位置处供给冷却气体，从而能够使光纤的温度下降得最低。此外，冷却气体的供给位置并不限定于至使上述空气的体积分数C₁(L)成为最小的供给位置为止的距离为L_ideal这一点，也可以是其附近(例如，为在上下方向上冷却管部全长的±10％左右)。只要将冷却气体的供给位置确定为根据经验所求出的范围内，就能够有效地冷却光纤。另外，在上述例子中，使用了相同直径的冷却管部，但使用随着朝向下方而半径变小的冷却管部，也获得了与上述相同的结果。

图6是用于说明本发明的第2实施方式的图。在上述例子中，例举冷却气体的供给位置沿着冷却管部21的上下方向而形成在1个部位的情况并进行了说明，但供给位置也可以沿着冷却管部的上下方向而形成多个。作为假想的流入位置的重心位置，设为

$L_{\mathrm{ave}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{i}Q{\left(\mathrm{He}\right)}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}Q{\left(\mathrm{He}\right)}_i}---\left(14\right),$

只要L_ave成为使C₁(L)为最小的L_ideal的附近即可。

如上式所示，只要通过冷却气体的供给位置L_i及供给量Q(He)_i而确定至冷却气体的供给位置为止的距离L_ave，就能够有效地确定距离L_ave。此外，除了单纯地以重心位置进行确定以外，还可以通过乘以与冷却气体的供给位置L_i、冷却气体的供给量Q(He)_i、内径r₂相对应的规定系数的方式确定。

Claims (3)

1.一种光纤冷却装置，其利用冷却气体对从光纤玻璃母材拉丝出的光纤进行冷却，

该光纤冷却装置包括冷却管部，该冷却管部具有：上端，其导入所述光纤；下端，其导出冷却后的所述光纤；以及中心轴，其沿着所述光纤，该冷却管部在所述上端和所述下端之间具备供给所述冷却气体的供给口，在将朝向下方的气流设为正时，

将所述冷却管部中的所述光纤周围的由空气及所述冷却气体形成的内部气体的朝向下方的气流的流量表示为Q₁，

将所述朝向下方的气流周围的、所述内部气体的朝向上方的气流的流量表示为Q₂，

在所述朝向下方的气流和所述朝向上方的气流的边界处将流速成为零的位置相距所述中心轴的距离表示为R_reverse，

将空气的扩散系数表示为D，

将空气的扩散距离表示为length，

将从所述上端至所述供给口的距离L中的所述朝向下方的气流中所包含的所述空气的体积分数表示为C₁(L)，

在以上述方式表示时，

所述供给口位于使式13

$C_1\left(L\right)=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1-Q_2\exp \{(\frac{1}{Q_1}-\frac{1}{Q_2})2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{reverse}}\mathrm{DL}/\mathrm{length}\}}---\left(13\right)$

成为最小的L＝L_ideal附近。

2.根据权利要求1所述的光纤冷却装置，其中，

所述冷却气体的供给口沿着所述冷却管部的上下方向而形成N个，在将从上端至各供给口的距离设为Li、将各供给口的冷却气体的供给量设为Q(He)i的情况下，将从上端至冷却气体的假想供给口的距离设为

$L_{\mathrm{ave}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{i}Q{\left(\mathrm{He}\right)}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}Q{\left(\mathrm{He}\right)}_i}---\left(14\right),$

所述假想供给口成为使所述C₁(L)成为最小的L_ideal的附近。

3.一种光纤制造方法，其使用权利要求1或2所述的光纤冷却装置。