CN1156697A - 光纤拉丝用的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于光纤拉丝的设备和方法。该设备包括带有引入口和引出口的光纤拉丝加热炉10。配备有对通过引入口送入的光纤预制棒12加热用的加热元件24，以让裸光纤40能从引出口中拉出。加热炉10内的惰性气体28被引导从引入口中流出。其中形成有引入口的引入套筒16的内表面，包括许多突起和/或凹入18，能够增加其对输出的惰性气体流动的阻力。

Description

光纤拉丝用的设备和方法

本发明涉及光纤的拉丝。

图1为光纤拉丝设备的总体方框图。参照图1，光纤拉丝的工艺过程将描述如下。

通过位置控制器116的定位机构，将光纤预制棒100缓慢地送到加热炉102中。加热炉内的温度通常为摄氏数千度，比较典型地是2100℃-2300℃。此温度能从预制棒100通过渐缩端拉出来。牵引盘110则提供加在此裸光纤118上的拉力。外径检测器104确定此光纤的外径是否符合预定值(一般为125μm)，并将此结果提供给直径控制器114。直径控制器114用来控制牵引盘110，以将裸光纤的直径保持在125μm上。牵引盘110响应于来自直径控制器114的控制信号而旋转。以使加在光纤上的牵引拉力受到调节。初级涂敷装置106和次级涂敷装置108，对于下行的光纤涂敷保护性的丙烯酸树脂或者硅树脂。这种操作是在比较冷的裸光纤之上进行的。在上述过程之后，通过牵引盘110的牵引拉力拉出来的光纤，被缠绕在卷筒112的周围。

图3为表示传统性光纤拉丝设备中加热炉结构的剖面图。在高温之下使预制棒70液化以拉丝出光纤90的加热炉60中，安装有加热元件78，以由电阻产生出大量的热。在加热元件78的周围安装有绝热体80，以防止加热元件78产生的热向外界传递。由石墨制成的下部衬套84，安装在加热元件78的底端周围。在加热元件78的顶部安装有气体扩散器76，以提供惰性气体92。气体扩散器76在其顶端安装有供惰性气体92排出的薄石英管74。在安装在加热炉60底端上的拉伸装置86的底部，安装有隔圈88，以控制被拉出的光纤90所通过的孔的尺寸。

上述光纤拉丝设备，通常是在加热炉中温度高出2000℃时让预制棒70液化，以拉丝出直径125μm的光纤90。通常使用的是石墨电阻加热炉60。然而在高温下石墨电阻加热炉60会产生出石墨粉，对于光纤90的机械性能会有不利的影响。

由于这个缘故，此石墨电阻加热炉60配备有气体扩散器76、77。此气体扩散器76，77能使惰性气体92(例如氩或者氮)在加热炉60中流动，以得到质量均匀的光纤90。然后此惰性气体经过位于加热炉的顶部的薄石英管74和预制棒70之间形成的第一个空隙72，离开加热炉。为了获得加热炉60内由所供应的惰性气体92及其均匀流动施加的标准压力，加热炉60内的条件应是稳定的。为了得到这些条件，薄的石英管74被安装在加热炉60的顶部，以使预制棒70经过其***并朝向加热炉60中心运动，而让其与预制棒70之间的空隙保持在约为1mm。

在根据迄今已描述的结构而制成的加热炉60中，当预制棒70以略微变化的直径通过此加热炉60上部区域时，加热炉60中的条件会急剧地变化。这是由于惰性气体92离开加热炉而没有受到任何严格的约束，结果造成光纤90质量的下降。

当大直径的预制棒70用于光纤90拉丝时，需将此预制棒70安装在光纤拉丝设备的夹头62中。至少200mm的预制棒70不能用于光纤90的拉丝，因为此长度是夹头62的安装长度(约50mm)以及在上部的石英管74和预制棒的熔化区26之间留有距离(约150mm)所必需的。因此，为了充分利用昂贵的预制棒，传统技术是把用编号66a及66b标记的辅助性石英棒固定在预制棒一端，如图2A，2B和2C中表示的那样。

对于光纤拉丝操作来说，最好的连接是当石英棒66a和预制棒70具有相同的直径，并且象68a一样平滑连接在一起达到的。然而对于40-80mm的大直径的预制棒70来说，将同样直径的辅助石英棒66a象68a一样平滑地连接在预制棒70上面，是非常困难的。即使可能连接，其连接过程要花费大量的时间，而且预制棒70和辅助石英棒之间的连接直径容易变象68b一样不均匀，并且在预制棒70的***附近无法构成均匀地连接，以致当预制棒运动时，很容易在连接区处断开。当预制棒70的直径增加时，这时问题发生得更频繁。

基于现有技术的另外一种技术，是使用其直径小于预制棒70直径的石英棒66b，如图2c所示。然而如68c表示的急剧的直径变化，一旦该连接进入加热炉60中，便会引起加热炉60中惰性气体92的压力和流速的改变，以致于由于光纤抽丝速度和拉力以及光纤直径发生变化，生产出来的光纤质量将会下降。

因此，对于用于石墨电阻加热炉60的大直径的预制棒70来说，预制棒和辅助石英棒66a及66b之间的连接，以及沿预制棒70整个长度的直径，应当均匀而没有任何急剧的变化。然而当预制棒70直径增加时，由于将预制棒70平滑地连接在辅助石英棒66a及66b上变得更加困难，故距预制棒20一端200mm内由预制棒70拉丝出来的光纤90，具有不规则的直径，这就导致劣质的光纤90。

本发明的一个目的在于将加热炉中的压力变化减至最小，而让光纤预制棒和辅助石英棒之间形成和存在的局部直径变化均匀。另一个目的是将加热炉中惰性气体的流速变化减至最小。

本发明的进一步目的是，更容易地将光纤预制棒连接在辅助石英棒上。本发明另外一个目的是使光纤质量改进。

根据本发明的光纤拉丝加热炉，带有引入口和引出口，它包括：

适合于加热通过引入口送入的光纤预制棒的加热器，以便让裸光纤能从引出口拉出；

使加热器中的惰性气体产生流动而从引入口中流出的装置；以及

其中加工有引入口的引入套筒，引入套筒的内表面包括许多突起和/或凹入，能够增加其对输出的惰性气体的阻力。

最好是在引入套筒的内圆周周围至少有一个凹槽。该凹槽可以以固定的深度均匀地加工在圆周周围。最好是使凹槽的深度至少为0.5mm，凹槽宽度至少为1mm，引入套筒的轴向长度至少为10mm。在这种不只一个凹槽的场合下，凹槽之间的距离至少可为1mm。

最好是使引入套筒的轴向长度和内径分别为450mm和53mm，每个凹槽的深度为1.5mm，每个凹槽的宽度为5mm，而且凹槽间的距离为5mm。

换一种方式，此引入套筒可以包括不同深度的至少两个这样的凹槽。

加热器可以包括电加热元件，并且可以被绝热体环绕，以防止加热元件产生的热向外界逸散。

石墨制的下衬套可以由加热元件环绕提供，并且邻近引出口定位。

使惰性气体产生流动用的装置，可以包括气体扩散器，在邻近引入套筒和加热元件的底部被定位。

引出口最好是由在拉伸装置中形成的可调节的隔圈来限定。

最好是使引入套筒的内径至少比预制棒的直径大0.5mm，但不能超过8mm。

根据本发明的光纤预制棒连接在辅助石英棒上的方法，它包括：

将预制棒连接在较小直径的辅助石英棒上；

将辅助石英管插在较小直径的辅助石英棒上面；以及

将预制棒、石英棒和石英管安装在光纤拉丝设备的夹头上。

最好将辅助石英管插在较小直径的辅助石英棒上面，使得该石英管紧靠在预制棒上。

最好是使辅助石英管的内径和辅助石英棒的外径之间形成的间隙在0.5mm和4mm之间。

辅助石英管的外径可与预制棒的外径基本上相同。最好使辅助石英管的外径与预制棒的外径最多相差±0.5mm。

辅助石英管的长度可以大于50mm。至少可以一起使用两极短于50mm的石英管，以构成纯长度大于50mm的复合石英管。

本发明现在将参照附图通过实例进行描述，其中：

图1为光纤拉丝设备的总体方框图；

图2A，2B和2C，示意表示根据现有技术将预制棒连接在辅助石英棒时光纤预制棒的结构；

图3为表示根据现有技术制造的传统光纤拉丝设备中加热炉结构的剖面图；

图4为表示根据本发明的光纤拉丝设备中加热炉结构的剖面图；

图5A和5B，示意绘出用以表示根据本发明的安装在加热炉项部的引入套筒结构的剖面图；

图6表示根据本发明的预制棒连接在辅助石英棒和辅助石英管时光纤基部的结构，以及

图7A和7B表示本发明采用的用以将辅助石英管和光纤预制棒的直径保持在同一直径上的结构。

本发明的最佳实施例，将参照该附图详细描述。

图4，5A及5B为根据本发明的光纤拉丝设备中加热炉和引入套筒的剖面图，其中通过电阻用以产生高温的加热元件24，安装在加热炉10中。此加热元件24能使预制棒12液化以让光纤40被拉丝。绝热体30安插在加热元件24的***，以防止其产生的热向外界传递。石墨制的下衬套34安装在加热元件24内底部周围。供给惰性气体28的气体扩散器20及21，安装在加热元件24的顶部和底部。引入套筒16安装在气体扩散器20的顶部，以与加热元件24的中心轴对中，使得加热元件24中的压力波动和惰性气体28的流速变化最小。引入套筒16的内径至少比预制棒12的直径大0.5mm，但不超过8mm。

引入套筒16，在其内圆周周围至少加工有一个均匀的凹槽18，以对输出的惰性气体28的流动产生大的阻力。凹槽18的内径C至少比引入套筒的内径B大1mm(即其深度至少为0.5mm)，凹槽18的宽度D至少为1mm，凹槽之间的距离E至少为1mm，引入套筒16的高度A至少为10mm。此外，引入套筒16的形状是使其高度A和内径B分别为450mm和53mm，凹槽18的内径C为56mm(即凹槽深度为1.5mm)，凹槽18的宽度D为5mm，而且凹槽18之间的距离E为5mm。至少可以加工出不同直径的两个凹槽18。

在安装于加热炉10正下方的拉伸装置36的底部，加工有隔圈38，用于控制拉制光纤时通过的孔的大小。

在这样的加热炉中，光纤预制棒12是通过引入套筒16的中心***加热炉10中的，而且惰性气体28是经过预制棒12和套筒16间的第一空隙14离开加热炉10的。虽然惰性气体28离开加热炉10，但对加热炉10内条件的影响却比较小，因为加热炉10的引入套筒16加工出来的高度A大于现有技术的加热炉60的高度，而且套筒16的内表面上有许多不同直径的凹槽18，因而能够对经过第一空隙14离开加热炉10的惰性气体28提供大的阻力。

因此，本加热炉能将由于加热炉内条件变化造成的光纤质量下降减至最小，甚至当预制棒与辅助石英棒连接的条件是带有某种变化的直径时也可做到。而且加热炉带有的引入套筒，能够将惰性气体流速的变化和炉内的压力波动减至最小，即使当预制棒以某种固定的直径变化与辅助石英棒相连接时也如此。

图6，7A及7B为表示用于将光纤预制棒与辅助石英棒及管相连的方法和设备的剖面图。

将预制棒12与辅助石英棒44连接的方法，参照图6将描述如下。

第一个步骤是将预制棒12连接在直径比其小的辅助石英棒44上，由于石英棒44具有较小的直径，故其进行比较容易。

第二个步骤，是将与预制棒12相同材料制成的辅助石英管48定位在较小直径石英棒的周围，然后支撑在预制棒12顶部，以避免光纤40拉丝过程中由于辅助石英棒44和预制棒12之间直径变化大而出现问题。石英管48的外径与预制棒12的外径相同。石英管结构的内径，是当该石英管48围绕辅助石英棒44时形成一预定尺寸的第二空隙46。此第二空隙大于0.5mm且小于4mm。石英管48的外径与预制棒外径可以相差±0.5mm。石英管48的长度大于50mm，或者两根以上的较短长度石英管一起使用，构成的纯长度大于50mm。

第三个步骤是，将与石英棒44和石英管48连接的预制棒12安装在光纤拉丝设备的夹头62上，并且进行光纤40拉丝。

当预制棒12按照上述方法制成时，石英管48和预制棒12之间的连接稍微向内凹下。这是由于预制棒12和辅助石英棒44在其连接之前被加热，喷灯的火焰将予制棒的锐棱变为圆形的缘故。一旦该间隙开始通过加热炉60，这种轻微的凹下，能够引起现有技术的石墨电阻加热炉60中条件的变化。但是，如果根据本发明在加热炉中使用引入套筒16，那么在预制棒12和辅助石英棒44之间连接处50形成的间隙，对加热炉10内的条件并没有任何影响。

因此，迄今描述的方法具有以下优点。它容易使用，因为石英管容易固定并从光纤预制棒和辅助石英棒上取下。它能够降低生产成本，因为重复利用的可能性增加了。当把大直径的预制棒连接在辅助石英棒上时，这种连接做起来非常简单。

Claims (20)

1.一种带有引入口和引出口的光纤拉丝加热炉，它包括：

适合于加热通过引入口送入的光纤预制棒的加热器，以便让裸光纤能从引出口拉出；

使加热器中的惰性气体产生流动而从引入口中流出的装置；以及

其中加工有引入口的引入套筒，引入套筒的内表面包括许多突起和/或凹入，能够增加其对输出的惰性气体的阻力。

2.根据权利要求1的加热炉，其中至少有一个凹槽加工在引入套筒的内圆周周围。

3.根据权利要求1的加热炉，其中的凹槽以固定的深度均匀地加工在圆周周围。

4.根据权利要求2的加热炉，其中凹槽的深度至少为0.5mm，凹槽的宽度至少为1mm，而且引入套筒的轴向长度至少为10mm。

5.根据权利要求2的加热炉，其中这种凹槽不只一个，而且凹槽之间的距离至少为1mm。

6.根据权利要求5的加热炉，其中引入套筒的轴向长度和内径分别为450mm和53mm，每个凹槽的深度为1.5mm，每个凹槽的宽度为5mm，而且凹槽之间的距离为5mm。

7.根据权利要求2的加热炉，其中引入套筒至少包括不同深度的两个这样的凹槽。

8.根据权利要求1的加热炉，其中的加热器包括电加热元件。

9.根据权利要求8的加热炉，进一步包括环绕在加热元件周围的绝热体，以防止加热元件产生的热向外界逸散。

10.根据权利要求8的加热体，进一步包括为加热元件环绕的石墨制的下衬套，定位在邻近引出口。

11.根据权利要求1的加热炉，其中使惰性气体产生流动用的装置，包括气体扩散器，它在邻近引入套筒和加热元件的底部被定位。

12.根据权利要求1的加热炉，其中的引出口是由在拉伸装置中形成的可调节的隔圈来限定的。

13.根据权利要求1的加热炉，与光纤预制棒组合，其中引入套筒的内径至少比预制棒的直径大0.5mm，但不能超过8mm。

14.一种将光纤预制棒连接在辅助石英棒上的方法，它包括：

将预制棒连接在较小直径的辅助石英棒上；

将辅助石英管插在较小直径的辅助石英棒上面，以及

将预制棒、石英棒和石英管安装在光纤拉丝设备的夹头上。

15.根据权利要求14的方法，其中辅助石英管***在较小直径的辅助石英棒上面，使得该石英管紧靠在预制棒上。

16.根据权利要求14的方法，其中在辅助石英管的内径和辅助石英棒的外径之间形成的间隙，在0.5mm和4mm之间。

17.根据权利要求14的方法，其中辅助石英管的外径与预制棒的外径基本上相同。

18.根据权利要求17的方法，其中辅助石英管的外径与预制棒的外径最多相差±0.5mm。

19.根据权利要求14的方法，其中辅助石英管的长度大于50mm。

20.根据权利要求19的方法，其中至少两根短于50mm的石英管被一起使用，以构成纯长度大于50mm的复合石英管。

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