CN1310804A - 具有冷却导向模的光纤涂敷组件及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种对光纤施加涂层的涂敷组件,它包括具有导向模接触区(48)的导向模、包含受压涂层材料(34)的套筒、整形模(38)和冷却机构(40)。冷却机构在操作上与导向模关联,用于冷却导向模,对与导向模接触区相邻的一区域内的受压涂层材料降温。将涂层材料保持在相对较低的温度可以降低涂敷满溢的可能性。

Description

具有冷却导向模的光纤涂敷组件及其使用方法

                       发明背景

本发明涉及一种新颖的用于涂敷光纤的涂敷组件，以及用它抑制涂敷满溢的方法。具体地说，本发明涉及一种用于涂敷光纤的涂敷组件，它包括一冷却机构，用于抑制在导向模中进行光波导涂敷时发生的满溢。

光纤必须具有较高的强度，以便在将光纤合并到一个保护护套或光缆内、安装光缆以及使用光纤时，能够承受所遇到的应力。尽管在用预制棒拉丝时光纤强度一般较大，但因处理而引入光纤内的表面缺陷会使该强度快速减小。

为了保持新拉制光纤的强度，传统上在拉丝后，马上将一层或两层保护涂层施加到光纤上，以便保护光纤免受表面磨损。涂层一般由一种有机或无机涂层材料构成。在两层涂层的实施例中，第一涂层或一次涂层直接施加在光纤上，而第二涂层或二次施加在一次涂层上。涂敷步骤一般是光纤制造工艺的一个必要部分，它确保在光纤原表面受损之前施加涂层材料。

美国专利第4,531,959号揭示了一种用于涂敷玻璃光纤的组件，示于图1，其相关部分通过引用包括在此。涂敷组件10一般包括导向模12、位于导向模12下方的分流套筒14，以及接在套筒14下面的整形模16。图中，涂敷组件10安装在一支持结构17上。

为了生产光纤，沿箭头A的方向，将拉制的光纤材料通过导向模12送入涂敷组件10。通过套筒14中的孔22，将涂层材料传送给涂敷组件10。涂层材料是沿箭头B的方向，通过管道，在受压和恒温的情况下传送的。涂层材料的上弯液面一般形成于导向模接触区18，而接触区18位于光纤和涂层材料之间的界面上，将在后面详述。当光纤通过涂敷组件10时，对涂层材料加速。当涂层材料和光纤进入整形模16时，一部分涂层材料随光纤拉出整形模16，涂敷在光纤上。未随光纤拉出的涂层材料在涂敷组件10内再循环。

在生产涂覆光纤过程中，涂敷组件的每个部件都起到一定的作用。整形模设置施加到光纤上的涂层量。由于整形模的出口呈锥形，所以它还可以使光纤位于中心，致使涂层是同心的。例如，参见美国专利4,246,299。美国专利5,366,527揭示了一种用于控制涂层直径的方法，其内容通过此用包括在此。该方法称为温控整形模TCSD，包括改变整形模的局部温度，以改变整形模内的涂敷粘度。较低的涂敷温度对应于较高的涂敷粘度。结果，较冷的模具对光纤施加较少的涂层，而较热的模具施加较多的涂层。

分流套筒位于整形模的上方，它将受压的涂层材料保持在整形模和导向模之间。如前所述，涂层材料是在恒温受压的情况下传送的。涂层材料的液压应该足够高，以便在导向模节流孔的附近形成弯液面，即在沿导向模接触区的较低位置，而不是套筒的下端。

导向模对增压涂敷组件起盖子的作用，并且防止涂层材料从涂敷组件的顶部流出。当导向模因涂敷组件内压力不足或过大而不能实现此功能时，会产生所谓的“涂敷满溢”，并且必须中断拉动过程。中断拉动过程的代价是很高的，因为它降低了机器的使用率，并且减少了拉动生产出的可用光纤的长度。

在高速拉动时，涂敷满溢的发生率增大。传统上用于使涂覆满溢风险最小的办法是，对于较高的拉速，制造较小的导向模。例如，速度为20米/秒左右或更大的光纤拉动工艺一般使用节流孔内直径为20密耳(508微米)或较小的涂敷导向模，并且如果增大拉速，那么必须将这些节流孔直径做得更小。节流孔越窄，光纤接触孔壁造成磨损的机会越大。结果，很难将拉速增加到20米/秒以上，而光纤所受的磨损又不因涂敷导向模节流孔变窄而增加。这种传统的方法在实践中工作得相当好，并且符合人们对导向模内流体力学的理论认识，即，较小的导向模具有较大的过压极限。

但是，使用较小导向模时有一明显的缺点，即，光纤更易在涂敷前受到磨损。当导向模的节流孔减小时，光纤与导向模之间的间隙也减小。在生产条件下，光纤振动和拉动不对准是不可避免的。如在光纤振动或拉动未对准期间所发生的那样，当光纤受扰动而偏离导向模的中心线时，光纤更有可能与直径较小的导向模的壁相磨擦。由于这种磨擦发生在涂敷之前，所以称为涂前磨损。

涂前磨损是有害的，因为它们会剧烈地削弱光纤，和/或产生涂层缺陷。弱化的光纤很容易在拉动时、在离线试用试验时、或者在现场发生折断。因此，尽管使用较小的导向模可以在一定程度上克服高速时发生的涂敷满溢，但较小的导向模也会增加不希望有的涂前磨损的可能性。

前面提出的困难并不是详尽的，它们是削弱传统涂敷组件和光纤涂敷方法之作用的许多因素中的一些。还存在其它值得注意的问题，但是，上述这些问题足以证明现有技术中使用的设备和方法有待改进。

                         发明内容

本发明具有几个优点。例如，本发明提供了一种能够在高速拉动情况下使涂敷满溢最小的光纤涂敷组件。本发明的另一个优点是，光纤涂敷组件可以按高速且稳定的方式工作。本发明的又一个优点是，光纤涂敷组件使用直径相对较大的导向模，以使涂前磨损的发生率最小。

本发明一较佳实施例试图实现上述优点中的至少一些。该实施例包括一个具有导向模、包含受压涂层材料的套筒以及整形模的涂敷组件。涂敷组件还包括一冷却机构，它在操作上与导向模关联，用于冷却导向模，降低与导向模接触区相邻的一区域内的受压涂层材料的温度。该机构对受压涂层材料进行局部冷却，并且减少高速拉动时产生的粘性发热。不然，未受控制的粘性发热会降低涂层材料的粘度，增大涂敷满溢的可能性。因此，本发明的涂敷组件将导向模接触区附近的受压涂层材料保持在相对较冷的温度，由此降低导向模内发生涂敷满溢的可能性。

可以将冷却机构安装在导向模的外壁上。冷却机构可以完全围绕外壁的至少一部分，或者冷却机构断续地围绕外壁，以便对导向模进行点状冷却。尽管冷却导向模外壁下部三分之一是最重要的，但冷却机构可以沿外壁的整个长度延伸。

冷却机构可以包括一个安装在导向模周围的冷却套管，以及一种用于将冷却流体(气体或液体)传送给冷却套管的流体传输线。在另一实施例中，冷却机构包括一个与导向模热交换的热电片。该热电片如热泵一般工作，将热量抽出导向模，从而冷却与导向模相邻的一区域内的涂敷流体。

本发明用于防止光纤涂敷组件中发生涂敷满溢的方法包括以下步骤：使光纤通过导向模和包括受压涂层材料的涂敷套筒；以及保持导向模的温度小于90℃。也可以保持导向模的温度小于涂层材料的入口温度；也就是说，小于当涂层材料进入涂敷组件之涂敷套管时的温度。换句话说，保持导向模的温度小于没有任何积极冷却时的温度。通过将一冷却机构安装在导向模上，可以将导向模保持在相对较冷的温度。例如，可以将冷却套管安装在导向模的外壁上。

本发明的附加目的和优点将在以下描述中叙述，其中部分目的和优点将通过描述明显地看出，或者可以通过实践本发明学习到这些目的和优点。本发明的目的和优点可以利用特别在后附权利要求书中指出的各种仪器及其组合来实现和获得。

                          附图概述

说明书包含附图，附图构成说明书的一部分。附图图示了本发明目前较佳的实施例，并且与上述一般描述以及以下较佳实施例的详细描述一起用于说明本发明的原理。

图1是一截面图，示出了传统的用于涂敷光纤的涂敷组件；

图2是一截面图，示出了本发明用于涂敷光纤的涂敷组件；

图3A-3C是截面图，示出了传统涂敷组件的导向模和套筒，给出了导向模接触区中弯液面的可能构形；

图4是一截面侧视面，示出了本发明用于涂敷光纤的涂敷组件的第二实施例；

图5是一截面侧视图，示出了本发明用于涂敷光纤的涂敷组件的第三实施例；

图6是一截面侧视图，示出了本发明用于涂敷光纤的涂敷组件的第四实施例。

                     较佳实施例的详细描述

现在参照附图，附图中相同的标号表示类似的部件。首先参照图2，该图中本发明用于涂敷光纤的涂敷组件用标号30表示。此涂敷组件30特别适用于在拉速大于5米/秒的情况(例如拉速为20米/秒或更大，速度为25米/秒或更大则更好，最好是30米/秒或更大)下涂敷光纤，这时会产生涂敷满溢的情况。涂敷组件包括导向模32、分流套筒34和整形模38，其中分流套筒34具有让涂层材料37从中通过的孔36。紫外线固化材料、热固材料和热塑性聚合物材料之类的各种涂层材料适用于本发明的涂敷组件。在恒温(即入口温度)受压的情况下，使涂层材料通过孔36。对涂层材料保持压力，以便在整个光纤制造过程中，确保模具组件内涂层材料的高度基本上保持在同一水平面。

涂敷组件30还包括一冷却机构40，它在操作上与导向模32联系，用于冷却导向模32，特别是导向模接触区48，由此降低与导向模32相邻区域内受压涂层材料37的温度。在图2中，冷却机构40安装在导向模32的外壁42上，并围绕外壁42。冷却机构40起局部散热作用，用于冷却导向模32。如以下将更详细描述的，局部冷却导向模32可以抑制高速拉动时的涂敷满溢。

当未涂覆光纤44(或只有一次涂层的光纤)通过导向模32进入涂敷组件30时，在光纤44和涂层材料37之间的界面上形成涂层材料37的上弯液面46。如图3A-3C所示，一般可以假设此上弯液面46在导向模接触区48内有三种构形。如图3A所示，可以将弯液面46a限制在导向模接触区的隅谷处。如图3B所示，弯液面46b可以在导向模接触区浮动。最后，如图3C所示，弯液面46c可以上升到导向模接触区的顶部附近，甚至更高。最后一种构形代表涂敷满溢状态，这时，如果观察者向下看导向模，便可以看见上弯液面。

通过增加光纤的拉速可以更经济地制造光纤。但是，在较高的拉速下，诸如20米/秒或更大、25米/秒或更大则更好，最好是30米/秒或更大，拉动工艺变得更赋有挑战性，并且涂敷满溢的可能性也增加。

涂敷组件具有一稳定的工作窗口。该窗口的上限表示涂敷组件在一给定速度下、在不发生涂敷满溢的情况所能支持的最大压力。此极限有时称为“过压极限”。如果超过此极限，则上弯液面增大，即涂层材料在导向模接触区内上升，并且涂层材料可以通过导向模溢出涂敷组件的顶部。图3C示出了此情况。

实验数据表明，在较高的涂敷速度下，诸如拉速超过5米/秒，例如速度为20米/秒或更大，25米/秒或更大则更好，最好为30米/秒或更大，过压极限会降低。对于这些较高的拉速，用来预测过压极限的模型与实验数据之间缺乏相关性。模型显然没有考虑高拉速时发生的现象。用于解释此不同的假设是，当拉速增加时，导向模接触区中涂层材料的粘度下降到一个对应于涂层材料入口温度(即，大约为50℃)的标称值。以下两种机理可能造成了涂层材料粘度的局部下降：剪切变稀和粘性发热。

剪切变稀是诸如聚合物等非牛顿流体普遍存在的现象。当流体经受较大的剪切速率时，流体内的分子本身会对齐，致使流体的粘度下降到零剪切值以下。

粘度发热是牛顿流体和非牛顿流体都存在的现象。当流体经受较大的剪切速率时，流体分子之间会磨擦生热。这种生热现象使流体的温度局部上升。对于光纤，剪应力因光纤通过涂层材料时的速度而上升。这些剪应力产生热量，并使涂层材料的温度升高。涂层材料温度上升使其粘度下降。导向模接触区内的粘度发热很明显；此粘度发热会使涂层材料的局部温度大于涂层材料的入口温度。温度的上升大大降低了导向模接触区内涂层材料的粘度。因此，本申请的发明人已经断定，粘度发热是造成高速拉动光纤时过压极限下降的主要机理。

因此，冷却机构40通过穿越导向模壁42的导管排出热量，控制并降低导向模接触区48内的温度。返回来参照图2，将热量排出导向模的壁42是通过冷却机构40实现的，冷却机构40是冷却套管的形式。对导向模接触区局部冷却降低了因粘度发热而造成的涂层材料的升温。较低的涂层材料温度对应于较高的涂层材料粘度。较高的涂层材料粘度提高了涂敷组件的过压极限，这使得涂敷组件不容易满溢。

将图2所示的冷却套管40放在导向模32之外壁42的周围，并且完全围绕外壁42。由于导向模扩散热量，所以对外壁42的温度控制将改变导向模内壁的温度，包括其接触区48。因此，冷却套管40能够降低外壁42的温度，从而降低内壁的温度。

冷却套管40包括与之相连的流体导管50，诸如冷却氦或冷却水等冷却流体(气体或液体)通过导管50，将冷却套管40的温度保持在最佳的冷却温度。沿箭头C所示的方向，流体通过输入导管进入冷却套管40中，然后通过输出导管流出。可以改变冷却流体的最佳温度，以改变冷却套管40的温度。一旦确定了温度，则最好保持冷却套管40的最佳温度不变。最佳温度可以通过实验或数学建模来确定。

涂敷组件30还可以包括温度控制部件49，它安装在整形模38的附近，最好在整形模39之基底的附近。如美国专利5,366,527所揭示的，当通过整形模拉出光纤时，温度控制部件49控制光纤的涂层直径。

本领域的熟练技术人员应该理解，可以用其它方法设计冷却套管40，以获得相同的冷却效果。例如，可以将冷却套管设计成只沿导向模外壁42的一部分长度延伸。在一个实施例中，冷却套管40只沿导向模外壁42的下部分延伸。例如，冷却套管最好至少延伸图2中的长度，对应于外壁下部的三分之一长度。此长度大致是接触区48的长度，这里将其限定为导向模内直径保持基本不变的区域。在此实施例中，对导向模的最重要的区域局部冷却，以便在标准条件下，将涂层材料保留在此较低的导向模接触区内。但是，由于热量在整个导向模内扩散，所以热量将被带离导向模的所有区域，包括其上部。

在另一实施例中，冷却机构断续地围绕在导向模的外壁周围。换句话说，冷却机构不“套”在导向模的外壁上，而是只与某些点热交换，对导向模进行点状冷却。由于热量在整个导向模内扩散，所以在许多场合下，只在某些点上冷却导向模外壁的做法是令人满意的。

在本发明的第二实施例中，如图4所示，用外部控制***52来控制冷却套管40，该控制***52根据从传感器54收集到的数据确定最佳温度，而传感器54安装在导向模上。传感器54监视表示导向模接触区48内粘度发热的信息。例如，传感器54监测导向模接触区处导向模内壁的温度，或者监测导向模接触区内上弯液面的高度。控制***52与温度控制***56交流信息，温度控制***56响应于来自控制***52的数据控制冷却流体(气体或液体)的温度。根据导向模接触区内检测到的状态，改变冷却流体的温度，以保持最佳工作状态。当实验已得出由检测变量(诸如导向模内壁温度和上弯液面高度和相应的最佳温度)组成的一个数据组时，可以使用此实施例。

图5示出了本发明的第三实施例。导向模60位于分流套筒62的上方，与前面的实施例一样，分流套筒62是涂层材料64进入涂敷组件的入口。整形模66位于分流套筒62的下方。在此实施例中，导向模60的上表面是一般的平面。热电片68位于导向模60的上表面，并且与导向模60热交换。

热电片68利用Peltier效应，如热泵一般工作，对导向模60进行冷却。关于Peltier效应的详细介绍，例如参见Caillat等人在1992年《物理、化学和固体杂志》第53卷，第8期，第121-129页上发表的“用T.H.M方法生长的(Bi_xSb_1-x)₂Te₂单晶固溶液的热电特性”。作为热泵，热电片68需要一种热库，以便将热量从热电片68的顶部抽出。热库(未图示)可以用与热电片68热交换的散热器组成。例如用再循环水或液池将散热器的温度保持在恒定的水平。为了冷却导向模60，散热器要将热量从热电片68的上表面排出。这又使热量从导向模60的上表面，乃至导向模的接触区排出，由此冷却导向模接触区内涂层材料的温度。冷却涂层材料可以减少粘性发热，增加涂层材料的粘度，提高过压极限，以及由此降低涂敷满溢的可能性。可以调节施加在热电片68上的电压电平和极性，以控制导向模60的温度。

图6示出了本发明的第四实施例。与图5的实施例一样，导向模70位于分流套筒72的上方，起涂层材料74进入涂敷组件的入口作用。整形模76位于分流套筒72的下方。在此第四实施例中，导向模70具有一带角的上表面。热电片78位于导向模的带角上表面上，并且与导向模70热交换。此热电片78的工作方式与图5中热电片68的工作方式相同。

图6的涂敷组件还包括热电偶器件80，它位于导向模接触区82中导向模70的内表面上。热电偶器件80测量接触区82的温度。然后，用此温度读数控制热电片78的工作，以便适当地冷却导向模70。

热电偶器件80位于一种穿过导向模70的热电偶进入孔84。热电偶器件80的两根导线86a和86b通过进入孔84延伸到导向模70的外部，以便获得温度读数。将这些温度读数反馈到与热电片78电气相连的控制器(未图示)。然后，控制器调节施加在热电片78上的电压或电流，以控制其温度。最好用环氧材料填充热电偶进入孔84。

本发明的涂敷组件可以用来对裸露光纤或者事先已施加到光纤上的中间涂覆层施加涂层，以获得一复合涂层。

本发明用于防止光波导涂敷组件中发生涂敷满溢的方法包括以下步骤：使光纤通过导向模和包含受压涂层材料的涂敷套筒，以及最好将导向模保持在小于90℃的温度，温度小于75℃则更好，最好是小于60℃。还可以将导向模保持在小于涂层材料之入口温度的温度，诸如小于50℃。

虽然没有叙述本发明的所有需要特征，但本发明提供了一种涂敷组件，它能够在高速拉动情况下工作，并且解决了涂敷满溢的问题，但没有采用节流孔较小的导向模。

在本发明之前，在高速拉动的情况下使用节流孔较小的导向模。光纤制造商采用节流孔较小的导向模，是因为在高速拉动情况下会出现流体动力现象。当拉动速度增加时，会出现粘性发热。粘性发热降低了导向模接触区中涂层材料的粘度。涂层材料粘度较低导致了较小的过压极限，并会导致涂敷满溢。具有较小节流孔的导向模可以通过增加过压极限来防止涂敷满溢。

在过去，可以将最小节流孔直径大约为20密耳(508微米)或更小的导向模用于拉速大约为20米/秒或更快的情况。当速度增大时，一般必须减小节流孔的直径。例如，在本发明之前，在拉速为25米/秒或更大的过程中，必须使用内直径仅13密耳(330.2微米)的导向模，才能成功地涂敷光纤。节流孔较小的导向模存在一个不希望有的负面效应，即它会增加涂前磨损的风险。

但是，通过使用本发明的冷却式导向模组件，可以在最小节流孔直径大于15密耳(381微米)并且最好大于20密耳(508微米)或更大的导向模中获得超过25米/少甚至30米/秒的速度。本发明涂敷组件的冷却机构对涂层材料进行局部冷却，并减少高速拉动时产生的粘性发热。降低导向模接触区中涂层材料的温度可以降低涂层材料的粘性，由此可以增大过压极限，从而降低涂敷满溢的发生率。因此，本发明允许在快速拉动的情况使用直径相对较大的导向模，不存在高风险的涂前磨损。

本领域的熟练技术人员很容易了解附加的优点和修改。因此，本发明的最宽范围不局限于这里图示和描述的具体细节以及代表性器件。相应地，不脱离后附权利要求书所限定的一般发明概念的精神或范围，可以进行各种变化。

Claims (20)

1．一种用于对光纤施加涂层的涂敷组件，其特征在于，包括：

导向模；

套筒，用于包含受压涂层材料；

整形模；和

冷却机构，它在操作上与所述导向模关联，用于冷却所述导向模。

2．如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述导向模包括一外壁，并且所述冷却机构位于所述外壁上。

3．如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述冷却机构至少完全围绕所述导向模之所述外壁的一部分。

4．如权利要求3所述的组件，其特征在于，所述冷却机构沿所述导向模之所述外壁的整个长度延伸。

5．如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述冷却机构断续地围绕所述外壁，以便对所述导向模进行点状冷却。

6．如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述冷却机构包括一个安装在所述导向模周围的冷却套管，以及一种用于将冷却流体传送给所述冷却套管的流体传输线。

7．如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述冷却机构包括一个与所述导向模热交换的热电片。

8．如权利要求7所述的组件，其特征在于，所述组件还包括一传感器和一控制器，其中所述传感器安装在所述导向模上，用于至少测量所述导向模温度和所述导向模内涂层材料之高度中的一个，所述控制器以电学方法与所述传感器和所述热电片联系。

9．如权利要求8所述的组件，其特征在于，所述传感器是热电偶器件。

10．一种用于防止光纤涂敷组件中发生涂敷满溢的方法，其特征在于，包括以下步骤：

使光纤通过导向模和包括受压涂层材料的涂敷套筒；以及

将所述导向模保持在小于90℃的温度。

11．如权利要求10所述的方法，其特征在于，保持所述导向模的温度小于75℃。

12．如权利要求10所述的方法，其特征在于，保持所述导向模的温度小于60℃。

13．如权利要求10所述的方法，其特征在于，保持所述导向模的温度小于受压涂层材料的入口温度。

14．如权利要求13所述的方法，其特征在于，入口温度大约为50℃。

15．如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述保持步骤包括使用一冷却机构冷却所述导向模。

16．如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述使用步骤中的所述冷却机构包括一个安装在所述导向模外壁上的冷却套管。

17．一种用于涂敷光纤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

以25米/秒或更高的速度使光纤通过一个包含受压涂层材料的导向模；以及

在所述通过步骤期间，将所述导向模保持在足以完全涂敷光纤的温度，所述导向模的最小内直径为15密耳或更大。

18．如权利要求17所述方法，其特征在于，所述通过步骤包括以30米/秒或更大的速度使光纤通过导向模。

19．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述导向模的最小内直径为20密耳或更大。

20．一种用于防止在光波导涂敷组件内发生涂敷满溢的方法，其特征在于，包括以下步骤：

使光纤通过导向模和包括受压涂层材料的涂敷套筒；以及

保持所述导向模的温度小于所述导向模在没有任何积极冷却的情况下的温度。

Images