DE3234207A1

DE3234207A1 - Verfahren und vorrichtung zum erhitzen einer vorform, aus der eine lichtleiterfaser gezogen wird

Info

Publication number: DE3234207A1
Application number: DE19823234207
Authority: DE
Inventors: Rama 30247 Lilburn Ga. Iyengar
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-09-16
Filing date: 1982-09-15
Publication date: 1983-03-31
Also published as: US4383843A; CA1199495A; JPH0428652B2; GB2105705A; KR840001525A; IT8223278A0; JPS5864235A; KR860000996B1; IT1152586B; FR2512804A1; GB2105705B; FR2512804B1; DE3234207C2

Description

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Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen einer Vorform, aus der eine Lichtleiterfaser gezogen wird

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und · eine Vorrichtung zum Erhitzen einer Vorform und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhitzen einer Glasvorform , um das Ziehen von Lichtleiterfasern aus der Vorform zu vereinfachen.

Lichtleiterfasern werden üblicherweise durch örtliches und symmetrisches Erhitzen eines zylindrischen Quarzglasstabes erzeugt, der Vorform genannt wird. In typischer Weise hat die Vorform einen Durchmesser zwischen 7 und 25 mm und eine Länge von 100 cm. Sie wird auf Temperaturen oberhalb von ?000°C erhitzt. Beim Einführen der Vorform in eine heiße Zone wird eine Faser aus dem geschmolzenen Material gezogen, die im wesentlichen ein Abbild des Querschnitts der Vorform ist.

Aufgrund der vorliegenden Temperaturen und zur Vermeidung einer mögliehen Beschädigung der Fasefoborflache kann die Faser nicht durch einen Ziehstein gezogen werden. Folglich ist d^e Oberfläche des geschmolzenen Materials eine freie Grenzfläche, deren Form durch das Gleichgewicht zwischen Viskosekräften des Glasmaterials, der Oberflächenspannung und Scherkräften bestimmt wird.

Wenn das Glas sich im geschmolzenen Zustand befindet, ist es mechanischen, akustischen und thermisch induzierten Störungen sowie Änderungen des Durchmessers ausgesetzt, die auftreten, während der Prozeß sich seinem Gleichgewichtszustand nähert. Eine zusätzliche Quelle für langsame ,Änderungen ergibt sich aus Durchmesseränderungen der Vorform.

Bei einem in der Industrie bekannten Ziehsystem wird die Vorform in eine Aufheizzone geführt und dort in einem Schmelzkonus zur Fasergröße eingeschnürt, so daß die Faser abgezogen werden kann. Der Durchmesser der Faser wird an einem Punkt dicht hinter der Faserbildimg gemessen und der Meßwert als Eingangssignal eines

Ι Regelsystems benutzt. In dem Regelsystem wird der gemessene Faserdurchmesser mit einem gewünschten Wert verglichen und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Ziehgeschwindigkeit einstellt und -'falls nötig - den Durchmes- · ser korrigiert. Nach der Messung des Durchmessers wird eine Schutzschicht aufgebracht und gehärtet. Anschliessend wird die beschichtete Faser zur Prüfung und Lagerung vor der nachfolgenden Kabeiverarbeitung aufgespult. Dazu wird verwiesen auf "Western Electric Engineer", Winter-Ausgabe 1980, S. 44 ff.

Während des Ziehens der Faser können

Staub und Schmutzteilchen von der Aufheizzone zur Glasvorform in die Faseroberflache eintreten. Dadurch wird die Zugfestigkeit der Faser wesentlich verringert und die Dämpfung erhöht. Eine Erläuterung dieser Probleme findet sich in einem Aufsatz von H. Aulich et al. "Preparation of Optical Fibers of High Tensile Strength", Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, Band 7, Nr. 3, 1978, S. 165-168.

Vier Typen von Wärmequellen sind in einer Vorrichtung zum Ziehen von Lichtleiterfasern verwendet worden. Die einfachste ist ein Sauerstoff-Wasserstoff Brenner, der Schweißbrenner genannt wird. Bei einer Ausführungsform ist eine Vielzahl von Schweißbrennern auf die Vorform gerichtet. Die Verwendung von Schweißbrennern ist sauber, da keine Verunreinigungen in der Nähe des geschmolzenen Glases vorhanden sind, aber es können Änderungen des Faserdurchmessers aufgrund von Turbulenzen der Schweißflamme und der offenen Umgebung des eingeschnürten Bereichs auftreten. Bei Verwendung der Schweißflamme erfolgt die Erhitzung primär durch Wärmeleitung von der Flamme zum Glas. Da die Schweißflammen keine Vergiftung bewirken, sind die erzeugten Fasern im allgemeinen fester als die mit. einem elektrischen Ofen erzeugten Fasern gewesen. Außerdem ist die Betriebseinleitung bei dieser Art von Wärmequellen verhältnismäßig einfach, und es sind keine Rein.ij'.wigNj'.ase erforderlich. Außerdem wird keine Energie bei der Nichtbenutzung

verbraucht. Schließlich kann der Schmelzkonus der Vorform leicht beobachtet und gesteuert werden.

Die Durchmessersteuerung bei Verwendung einer Schweißflamme zum Aufheizen einer Vorform ist ein 5· Problem auch deswegen gewesen, auf welche Weise die Flammen zugeführt worden sind. Die Flammen des Schweißbrenners haben Temperaturbereiche oder -zonen, die innerhalb verhältnismäßig kurzer Abstände schwanken. Bei einem Schweißbrenner treten Brenn- und Oxydiergase aus Zuführ-

]0 kanälen aus und erzeugen eine Flamme, die drei bestimmte

Zonen besitzt. Zuerst ist - gesehen von der Düse des Schweißbrenners - eine Misch- oder Vorverbrennungszone vorhanden, gefolgt von einer Verbrennungszone, die der heißeste Teil der Flamme ist. Die letzte oder äußere Zone, in der sich die Verbrennungsgase mit der Außenluft mischen, wird Außenkegel (plume) genannt und stellt eine Zone unstetiger Temperaturen dar. Nach dem Stand der Technik wird der Schweißbrenner in typischer Weise so angeordnet, daß die aufzuheizende Zielfläche im allgemeinen im Außenkegel der Schweißflamme liegt. Dies trägt zur Unstetigkoit der Temperatur bei.

Es wurden Mehrdüsen-Schweißbrenner, die Ringbrenner genannt werden, versuchsweise beputzt, bei denen die Düsen radial gerichtet sind. Diese haben aber keine einheitlichen Temperaturfelder erzeugt, weil die aus' einer Düse austretenden Gase in Wechselwirkung mit denen aus der radial gegenüberliegenden Düse treten und dadurch Ver- · änderungen bewirken.

Einige Fachleute haben eine Anordnung von nur zwei Düsen verwendet, wobei dannaber zur gleichmäßigen Verteilung der Wärme ujti die Vorform diese gedreht werden muß. Da Vorformen nicht perfekt gerade sind, bewirkt die Drehung, daß die Vorform sich in unterschiedliche Temperaturfelder hinein u^d heraus bewegt und dadurch Durchmesserschwankungen entstehen.

Bei Ring brennern ergibt sich ein weiteres Problem. Im allgemeinen verändern sich, sobald sich der Schmelzkonus zu formen beginnt, die Abstände zwischen

den Schweißflammen des Ringbrenners und der Vorform etwas gegenüber den ursprünglichen Abständen. In unerwünschter Weise können sich dann, wenn die Abstände festgelegt sind und wegen des Schmelzkonus verzerrt wurden, . die Konstruktionsparameter ändern.

Eine zweite, ebenfalls sehr saubere Wärmequelle ist ein Laser.. Durch die Verwendung einer rotierenden Linse oder von Abtastgalvanometern wird die Energie des Lasers einheitlich um die Vorform verteilt. Die Energie wird durch die Oberfläche der Vorform verteilt. Die Energie wird durch die Oberfläche der Vorform absorbiert, und das Innere wird durch Wärmeleitung aufgeheizt. Der Laser stellt deswegen eine saubere Energiequelle dar, da die Umgebung des geschmolzenen Glases unabhängig von dem Laser ist. Obwohl Durchmesserschwankungen wesentlich kleiner als bei Verwendung von Schweißflammen sind, unterliegt das geschmolzene Glas Konvektionsstörungen. Der Laser hat sich zwar im Labor als zweckmäßiges Werkzeug erwiesen, aber andere Quellen bieten nahezu gleiche Sauberkeit, eine bessere Umgebungssteuerung und wesentlich niedrigere Investitions- und Betriebskosten.

Die anderen beiden Wärmequellen, die benutzt worden sind, sind Öfen, die sich in ihre inneren Aufbau wesentlich unterscheiden. Ein Graphitofen verwendet einen Graphitring, der durch Stromwärme- oder induktiv aufgeheizt wird, um die Vorform durch Strahlung zu erhitzen. Bei erhöhten Temperaturen reagiert jedoch Graphit leicht mit Sauerstoff und muß'daher durch Einleiten eines Schutzgases, beispielsweise Argon oder Stickstoff,in den Ofen umgeben werden. Der Gasfluß muß sorgfältig gesteuert werden, um Störungen im eingeschnürten Bereich des geschmolzenen Glases zu vermeiden. Außerdem ergibt sich wegen der hohen Betriebstemperaturen der Ofenelemente die Gefahr einer Vergiftung der Vorform und folglich einer verringerten Faserfestigkeit.

Eine andere Ofenkonstruktion verwendet

Zirkonringo, die durch Hochfrequenz induktiv erhitzt worden, um die Vorform durch Konvektion und Strahlung auf zu-·

-δι heizen. Diese Ofenkonstruktion hat den Vorteil, daß Zirkon keine inerte Schutzatmosphäre benötigt, so daß die Vorform in verhältnismäßig ruhiger Umgebung ohne den Aufwand für ein Schutzgas gezogen werden kann. Es haben sich jedoch bei dem Zirkpnofen Schwierigkeiten ergeben. So wurde gefunden, daß das Isolationsmaterial körnige Teilchen erzeugt. Wenn diese Teilchen eine gerade gezogene Faser berühren, werden Blasen oder Narben erzeugt, und die Faser wird geschwächt. Außerdem wurde festgestellt, daß ein wesentlicher Prozentsatz von Faserbrüchen bei der Prüfung durch Blasen verursacht ist, die durch körnige Teilchen entstehen. Daran erkennt man, daß eine wünschenswerte Wärmequelle so beschaffen sein muß, daß sie das Quarzglas nicht vergiftet.

Die Kosten sind ebenfalls ein wesentlicher Faktor, der dazu führt, daß insgesamt der Zirkonofen nicht umbedingt, wünschenswert ist. Nachdem das Muffelrohr des Ofens, das durch Elemente genannte Zirkonringe gebildet wird, auf eine Betriebstemperatur oberhalb 1900⁰C gebracht ist, treten Brüche auf, wenn das Rohr abgekühlt wird. Aufgrund seiner Empfindlichkeit gegen einen thermischen Schock muß der Zirkonofen auf einer erhöhtem Temperatur gehalten werden, wodurch ein erhöhter Energieverbrauch eintritt. Wenn darüberhinaus die Vorform ein Zirkoneleraent berührt, bleibt es daran hängen, wodurch die Lebensdauer des Elements beendet ist.

Aus der obigen Erläuterung dürfte erkennbar sein, daß eine Schweißbrenneranordnung zahlreiche Vorteile gegenüber den weiterhin angegebenen Wärmequellen besitzt. Hi nc Schwoi Brenneranordnung stellt eine wesentlich sauberere Wiirineumgobung als ein Ofen dar. Der Wasserdampf als Verbrennungsprodukt kondensiert bei den hohen Temperaturen nicht. Als Ergebnis werden keine körnigen Teilchen auf der Oberfläche der Vorform abgelagert, und die erzeugte Faser hat hohe Festigkeit. Was jedoch benötigt wird und nach dem Stand der Technik offenbar nicht zur Verfügung steht, ist eine Schweißbren-

neranordnung mit allen zugehörigen Vorteilen, die aber eine brauchbare Durchmessersteuerung der gezogenen Lichtleiterfasern ermöglicht.

Die Lösung der sich daraus ergebenden

5. Aufgabe ist in Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es werden demgemäß ein Verfahren und Vorrichtungen zum Erhitzen einer Glasvorform angegeben, aus der eine Lichtleiterfaser gezogen wird. Die Glas vor -

XO form mit einem eingeschnürten Bereich wird so gelagert, daß ihre Achse vertikal verläuft und der eingeschnürte Teil sich am unteren Ende befindet. Dann wird eine Vielzahl von Flammen unter einem vorbestimmten Winkel zur Achse der Vorform auf eine Zielfläche des eingeschnürten Bereichs gerichtet. Jede Flamme enthält eine Vorverbrenungszone, eine Verbrennungszone und einen Außenkegel. Die Zielfläche und die Flammen sind so positioniert, daß die Zielfläche von der Verbrennungszone jeder Flamme berührt wird. Während die Lichtleiterfaser aus dem eingeschnürten BereiGh gezogen wird, wird die Glasvorform nach unten bewegt und an ihrem unteren Ende durch die Flammen erhitzt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Ring von Düsen eines Schweißbrenners unter dem eingeschnürten Endbereich einer Vorform angeordnet, die vertikal aufgehängt ist. Durch die Düsen und umgebende Durchlässe werden Brenn- und oxydierende Gase , beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, geführt, um Flammen zu erzeugen, die auf den eingeschnürten Bereich der Vorform auftreffen. Der Ring ist so bemessen, daß der Durchmesser eines Kreises, der die Düsenspitzen enthält, kleiner ist als der Durchmesser eines zentralen Teils der Vorform. Im Ergebnis wird die den Flammen ausgesetzte Fläche in einem Abstand von den Düsenspitzen gehalten, daß sie mit den Flammenzonen der höchsten Temperatur , nämlich den Verbrennungszonen,in Verbindung tritt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispie] des Schweißbrenners nach der Erfindung werden Sauerstoff-

-ιοί und Wasserstoffgnse durch Teile des Brennergehäuses geführt und außerhalb einer Fläche gemischt, zu der die Düsen und Durchgänge sich öffnen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind ein Schirm, der den eingeschnürten Bereich der Vorform umgibt, um eine ruhige Erhitzungs'zone zu erzeugen. Außerdem ist ein irisförmiges Ziehglied am unteren Ende der Erhitzungszone vorgesehen, um ein nach oben :Ziehen atmosphärischer Luft zu verhindern, die den Ziehprozeß beeinträchtigen könnten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Gesamtansicht einer Einrichtung nach der Erfindung zum Erhitzen einer Glasvor-

form, aus der eine Lichtleiterfaser gezogen wird ;

Fig. 2 eine Aufsicht der Einrichtung nach der Erfindung mit einem Ring von Brennern; Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht

entlang der Schnittlinien 3-3 in Fig.2 einer Einrichtung nach der Erfindung zum Erhitzen der Vorform;

Fig. 4A und 4B vergrößerte Darstellungen eines Teils der Einrichtung nach Fig. 2 mit zwei

Schweißflammen und ihrer Berührung mit

einem eingeschnürten Teil der Vorform;

Fig. 5 eine Aufsicht einer Irisblende, die am

unteren Ende der Erhitzungseinrichtung befestigt, ist;

Fig. 6 und 7 perspektivische und auseinandergezogene Ansichten der Irisblende.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung 20 zum Ziehen einer Lichtleiterfaser 21 aus einer Glasvorform 22 dargestellt, die vertikal aufgehängt ist. Nachdem die Faser 21 durch eine allgemein mit 23 bezeichnete Erhitz-ungseinrichtung gezogen worden ist, wird ihr Durchmesser mittels einer Einrichtung 24 gemessen, durch

eine Vorrichtung 25 beschichtet und dann in einer Kammer 26 behandelt. Der Durchmesser der beschichteten Faser 28 wird vor dem Aufwickeln gemessen. All diese Vorgänge sind.bekannt und werden im einzelnen in dem oben angege-5. benen Aufsatz in der Winter-Ausgabe 1980 von Western Electric Engineer beschrieben.

Wie dargestellt, enthält die Einrichtung 20 eine Einrichtung 31 mit einer Einspannvorrichtung 32 zum Aufhängen der Vorform 22. Die Einrichtung 31 enthält außerdem Vorrichtungen, um die Vorform 22 nach unten vorzuschieben und das herabhängende Ende 33 in den Bereich der Einrichtung 23 zu bringen, die die Vorform erhitzt, so daß die Faser 21 abgezogen werden kann.

Gemäß Fig. 2 und 3 enthält die Einrichtung 23 ein Gehäuse 41 mit einem Einlaß 42 für ein Verbrennungsgas aus einer Quelle und einen Einlaß 43 für ein oxydierendes Gas. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Brenngas Wasserstoff und das oxydierende Gas Sauerstoff. Die Gase fließen über ein System von Kanälen in die Nähe der Vorform.

Der Einlaß 42 steht mit einem Hohlraum 44 und einer ringförmigen Kammer 45 in Verbindung. Aus der Kammer 45 führt eine Vielzahl von Rohren 4 6-46, die in Brennern oder Düsen 47-47 enden, nach oben und sind am Gehäuse 41 befestigt. Die Rohre 46-46 sind zur Versorgungskammer 45 offen, der das Wasserstoffgas zugeführt wird. Jedes Rohr 46 weist einen linearen Abschnitt 48 auf, der generell parallel zur Achse der Vorform 2 2 verläuft, und einen oberen geraden Abschnitt 49, der unter einem Winkel Φ zur Achse der Vorform nach innen gerichtet ist. Jede der Düsen 47-47 besitzt eine Öffnung 51, die als Brennerspritze bezeichnet wird und sich zu einer Fläche 52 öffnet. Es ist zwar nur ein Ring von Düsen 47-47 gezeigt, aber es dürfte klar sein, daß zwei oder mehrere Düsenringe je nach Bedarf bei bestimmten Ausführungsbeispielen verwendet werden können.

Der Einlaß 43 steht mit einem Hohlraum 56 und anschließend einer ringförmigen Kammer 57 in Ver-

bindung. Die Kammer 57 wiederum ist mit einem Hohlraum

58 verbunden, der nach oben führt und sich zur Fläche 52 des Gehäuses 41 öffnet. Die Düsen 47-47 sind in dem Hohlraum 58 angeordnet und definieren Durchlässe 59-59 (Fig. 2) für den Durchfluß von Sauerstoff zwischen sich und den Wänden des Hohlraums.

Die Düsen 47-47 und die Durchlässe 59-

59 zwischen den Düsen sind so angeordnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoff- und Wasserstoffgases angeglichen sind. Dies erfolgt dadurch , daß die Gesamtfläche, durch die der Wasserstoff fließt, etwa doppelt so groß ist wie dor , durch den der Sauerstoff fließt. Die Überwachung des Verhältnisses der Gase und ihrer Geschwindigkeiten vermindert eine übermäßige Abnutzung der Düsenwände und der Vorform 22. Außerdem bewirkt diese Anordnung, daß das Wasserstoffvolumen, das durch die Düsen 47-47 führt, etwa doppelt so groß wie das Sauerstoff volumen ist, das durch die Durchlässe 59-59 fließt.

Das Sauerstoff- und das Wasserstoffgas werden durch die Düsen 47-47 und die Durchlässe 59-59 geführt und im wesentlichen entlang der oberen Fläche 52 des Gehäuses 41 gemischt. Sie erzeugen eine Flamme, die auf die Vorform 22 auftrifft. Ein Vorteil der Konstruktion mit Oberflächenmischung ist die Möglichkeit, eine sogenannte "weiche" Flamme zu erzeugen. Dadurch wird der Stoß der Gase auf die Vorform 22 verringert und eine Oberflächenabnutzung der Vorform vermieden.

F.ine Konstruktion mit Oberflächenmischung ist nußcM"d(!in aus einem, anderen Grund zweckmäßig. Bei einer Brennerkonstruktion mit Vormischung kondensieren Quarzglasdämpfe am Grunde der Öffnungen und wachsen langsam in Richtung auf den Schmelzkonus. Nachdem dieses Wachsen eine bestimmte Größe erreicht hat, stört es die Flamme. Obzwar ein Gasvorhang benutzt werden kann, um jode Öffnung zur Vermeidung von Quarzglasablagerungen abzuschirmen, stört eine solche Abschirmung ebenfalls die Flamme. Diese Schwierigkeit wird durch Verwendung

einer Schweißflamme mit Oberflächenmischung vermieden, bei der Wasserstoff- und Sauerstoffgas durch getrennte Kanäle fließt und sich nahe der Außenfläche 52 mischt.

Das Verständnis der Flammentechnologie ' hat zu einer Schweißbrenneranordnung geführt, die eine Lösung für viele der obenerläuterten Probleme.darstellt. Die Flamme wird durch Verbrennen eines Brenngases mit einem oxydierenden Gas erzeugt. Zuerst machen diese beiden Gase eine Mischzeit vor der Zündung erforderlich und benötigen eine Schwellentemperatur zur Zündung.

Eine Flamme beinhaltet drei Zonen, eine

Vorverbrennungszone 61 (vgl. Fig. 4J, eine Verbrennungszone 62 und einen Außenkegel 63, gesehen von einem PunKt aus, an dem die zur Erzeugung der Flamme brennenden Gase zusammenkommen. Die Schwellenwerttemperatur für die Zündung ist eine Funktion der zu zündenden Gase sowie der Länge der Vorverbrennungszone. Die Länge der Verbrennungszone ist eine Funktion der Geschwindigkeit der Gase und des Durchmessers der Öffnungen. Die Vorverbrennungszone tritt nicht nur bei Schweißflammen mit Oberflächenmischung auf, bei der sich die Brenn- und oxydierenden Gase mischen, beispielsweise an der Oberfläche 52, an der die Kanäle für die Gase Öffnungen besitzen, sondern auch bei Schweißflammen mit Vormischung. Wenn ein vorgemischtes Gas aus seinem Durchlaß auftritt, ist eine unterscheidbare Vorverbrennungszone vor der Zündung vorhanden.

Die Geschwindigkeit der Gase ist ebenfalls wichtig. Wenn die Gase zünden, tritt daneben eine Expansion der Gase auf. Es ist eine Flammenfront vorhanden, die in Richtung zur Düsenspitze 51 läuft. Die Öffnungen haben eine solche Größe und die Versorgungseinrichtungen sind so ausgebildet, daß die Geschwindigkeit der aus den Düsenspitzen 51-51 austretenden Gase die Geschwindigkeit der Flammenfront übersteigt. Dies verhindert einen Rückschlag in die Düsen 17-47 und stellt das Auftreten einer Vorvcr brcnriuu/'.r.zoiie aui.U-i ha 1 l· der Spitzen 51-51 sicher. Bei einer Scnwcißflamme mit Oberflächen-

mischung ist dieses Problem nicht so kritisch, da die Brenn- und oxydierenden Gase einen größeren Weg vor der Zündung als bei einer Anordnung mit Vormischung benötigen.

· Die Heizanordnung nach der Erfindung ist

aus mehreren Gründen vorteilhaft und optimiert die Verwendung von Flammen zur Erhitzung der Vorform. Zweckmäßig bewirkt die Anordnung, wie sich am besten aus den Fig. 3 und 4 ersehen läßt, daß der heißeste Punkt der Flamme die Zielfläche der Vorform 22 berührt, d.h. den untersten Teil der vertikal aufgehängten Vorform. Nach dem Stand der Technik wird ein Kreis mit verhältnismäßig großer Teilung benutzt, in welchem die ßrennerspitzen angeordnet sind, damit die Möglichkeit besteht, daß der Anfang der Vorform hindur.chtreten kann. Bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung ist der Teilkreisdurchmesser etwas kleiner als der der Vorform, wodurch eine optimale Positionierung der Flammen mit Bezug auf die Zielfläche sichergestellt ist. Um beispielsweise eine Faser aus einer Vorform mit einem Durchmesser von 13 mm zu ziehen, beträgt der Teilkreisdurchmesser etwa 10 mm. Diese Anordnung.-bringt die Zielflä.che., d.h. die Vorform 22, an den heißesten Punkt der Schweißflamme, gibt aber trotzdem die Möglichkeit, daß die Faser durch den Teilkreisring mittels eines schlanken Stabes gezogen wird, der in das untere Ende des Gehäuses 41 eingeführt und an das untere Ende der Vorform angeschweißt wird.

Obwohl bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Brennerspitzen 51-51 in einem Teilkreis angeordnet sind, dessen Durchmesser kleiner als der der Vorform 22 ist, kann dies gegebenenfalls auch nicht der Fall sein. In solchen Fällen kann sich die Zielfläche am Ende der Verbrennungszone der Flammen befinden, aber wegen des nachfolgenden Meniskus-Zugs auf die Vorform muß dafür gesorgt werden, daß die Vorform nicht in den Außenkegel gelangt. Zweckmäßig ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel für eine kontinuierliche Ziehopera-

tion ausgelegt und vermeidet dieses Problem.

Eine weitere wichtige Überlegung betrifft den Winkel, den die Achsen der Düsen 47-47 mit der Mittellinie der Vorform 22 bilden. Wenn die Düsen 47-47 parallel zur Achse der Vorform verlaufen, würden die Flammen sich zu weit erstrecken. Außerdem könnte der Schmelzkonus der Vorform nicht gesteuert werden. Er würde sich verlängern und eine Regelung des Faserdurchmessers verhindern. Wenn andererseits der Ziehkonuswinkel zu flach ist, geht das Material der Vorform in verhältnismäßig kurzer Zeit aus dem festen in den geschmolzenen Zustand über. Außerdem tritt bei dieser Anordnung, bei der die Düsen radial einwärts gerichtet sind, ein Zusammenstoßproblem für die Flammen auf. Die Turbulenz der Gase an einer Düse 47 tritt in Wechselwirkung mit der einer radial gegenüberliegenden Düse, so daß das Temperaturfeld instabil wird. Zweckmäßig soll der Winkel φ zwischen der Schweißflamme und einer vertikalen . Achse im Bereich von 10 bis 50° und bei einem bevorzug- *·- ten Ausführungsbeispiel bei 30° liegen. Zweckmäßig liegt bei einer Vorrichtung nach der Erfindung der Schmelzkonus oberhalb der Düsen 47-47, so daß die Vorform die Düsen nicht berührt.

Es ist außerdem wichtig, das Gehäuse 41 und die Wände der Düsen 47-47 zu Kühlen, um ein sauberes Gas zu liefern, das eine Oxydation und ein sich daraus ergebendes Abblättern des Materials zu vermeiden. Gekühltes Wasser wird durch einen Einlaß 70 zugeführt und zirkuliert durch einen Kanal 72, der in der Nähe der Oberfläche 52 und der Durchgänge 59-59 angeordnet ist. Das Kühlmittel kühlt das Gehäuse 41 und dann durch Wärmeleitung die Düsen. Primär werden die Düsen 47-47 durch die Verbrennungsgase gekühlt, die durch die Düsen und die Durchlässe 59-59 strömen. Das Kühlen verhindert eine Oxydation von Teilen des Gehäuses und der Düsen 47-47, die im anderen Falle dazu führen könnte, daß kleine Teilchen oxydierten Metalls durch die Gasströme mitgerissen werden und die Vorform 22 vergiften. Auch

die obere Fläche des Gehäuses 41 ist gekühlt.

Es ist nicht nur der Teilungsring der Düsen 47-4 7 und deren Auftreffwinkel wichtig, sondern außerdem muß eine Störung der Flammen vermieden werden. ; Einer der Vorteile eines ruhenden Ofens besteht darin, daß die enthaltene Luft in Ruhe ist, wodurch die Durchmessersteuerung vereinfacht wird. Dies wird auf zwei Wegen erreicht. Zum ersten ist eine Abschirmung 76 am Gehäuse 41 befestigt, die sich nach oben erstreckt. Sie umgibt den Düsenring und verhindert eine direkte Störung der Flammen.

Das Auftreffen der Gase auf die Vorform 22 erzeugt eine Zone mit positivem Druck, die sich nach unten ausbreitet. Dies wirkt einem nach oben gerichteten Zug durch das untere Ende des Ofens entgegen, wenn dieser offen ist. Ohne Gegenmaßnahmen würde die kalte Außenluft des nach oben gerichteten Zugs zu ungleichen Temperaturfeldern führen. Als Gegenmaßnahme sieht ein zweites Merkmal zur Verhinderung einer Flammenstörung eine einstellbare Öffnung vor, die am unteren Ende der Einrichtung 23 angeordnet ist und im geschlossenen Zustand den nach oben gerichteten 'Zug verringert. Außer- ^: dem bewirkt sie, daß die Erhitzungszone auf einer erhöhten Temperatur bleibt. Die Anordnung nacn der Erfindung hilft weitgehend bei der Stabilitätssteuerung der Flammen.

Dies wird erreicht mit Hilfe einer Einrichtung, die generell mit der Bezugsziffer 80 (vgl. Fig. 1 und 5-7) versehen ist. Die Einrichtung ist im Prinzip eine Irisblende, die in einem Ringhalter 81 befestigt und in einem unteren Abschnitt des Gehäuses 41 angeordnet ist. Der Ringhalter 81 wird durch eine Vielzahl von Befestigungseinrichtungen 82-82 in einer gewünschten Umfangsposition gehalten, die durch Öffnungen in einen unteren Abschnitt des Gehäuses 41 eingeschraubt sind.

In Fig. 6 und 7 ist der Aufbau der Irisblende 80 dargestellt. Sie enthält einen Basisring 86

-M-

mit einem ringförmigen Teil 87, von dem sich eine Wand 88 nach oben erstreckt. Der ringförmige Teil 87 besitzt eine zentrale Öffnung 89 und eine Vielzahl kleinerer Öffnungen 91, die im Abstand voneinander innerhalb des 5'. ringförmigen Teils 87 angeordnet sind.

Die Irisblende 80 ist so ausgebildet,

daß ein Teil der Öffnung 89 durch eine Bedienungsperson oder ein Regelsystem verengt oder erweitert werden kann. Wie dargestellt, ist eine Vielzahl von Blendenlamellen 92-92 auf dem ringförmigen Teil 87 befestigt. Jede der • Lamellen 92-92 enthält einen bogenförmigen Abschnitt 93 mit Stiften 94 und 96 verhältnismäßig kleiner Höhe, die auf entgegengesetzten Seiten am Ende der Lamellen vorstehen. Jede Lamelle 92 ist auf dem ringförmigen Teil 87 so angeordnet, daß der Stift 94 an einem Ende in einer der öffnungen 91 liegt. Dann führen die Stifte 96 am anderen Ende der Lamellen 92-92 vom ringförmigen Teil 87 nach oben und liegen im Abstand auf einem Kreis oberhalb des ringförmigen Teils.

Zur Vervollständigung der Blende 80 ist ein zweites ringförmiges Teil 101 mit einer Vielzahl von radialen Schlitzen 102-102 auf dem Basisring 86 oberhalb der Blendenlamellen 92-92 angeordnet. Das zweite ringförmige Teil 101 liegt so oberhalb der Lamellen 92-92, daß der zweite Stift 86 jeder Lamelle in einem zugeordneten Schlitz 102 des zweiten ringförmigen Teils aufgenommen ist. Dieses besitzt außerdem einen Betätigungshebel 104, der sich radial nach außen erstreckt. Das zweite ringförmige Teil 101 und die Lamellen 92-92 werden im Basisring 86 durch einen Sprengring 105 festgehalten.

Die Blende 80 ist so ausgebildet, daß

die Lamellen 92-92 gleichzeitig so bewegt werden können, daß die Größe der Öffnung, durch die die beschichtete Faser 21 die Einrichtung 23 verläßt, verkleinert oder vergrößtert werden kann. Wenn die Stifte 96-96 in einer Richtung in eine Endlage gebracht werden, ist die Öffnung 98 zwischen den Lamellen 92-92 in der Mitte des

Teils 101 verhältnismäßig klein. In der anderen Endlage und in Positionen zwischen den beiden Endlagen, die durch eine Bewegung der Stifte in entgegengesetzter Richtung erreicht werden, nimmt die Öffnung 108 (Fig. 5· 6 und T) zwischen den Lamellen 92-92 zu.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 3

kann der Betätigungshebel 104 ^wischen zwei Sperrstiften 106-106 verschoben werden. Die Sperrstifte 106-106 führen durch Öffnungen in Ohren des Gehäuses 41. Durch eine Voreinstellung der Stifte 106-106 wird der Bereich gewählt, in dem die Blende geöffnet und geschlossen werden kann.

Im praktischen Betrieb wird der Betätigungshebel 104 im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn verschwenkt und kann in einer gewünschten Lage durch eine entsprechende Positionierung der Stifte 106-106 gesperrt werden. Die Verschiebung des Hebels 104 bewirkt eine Bewegung des zweiten ringförmigen Teils 101, das wiederum Kräfte auf die zweiten Stifte 96-96 jeder Lamelle 92 ausübt, Dadurch bewegen sich die Lamellen 92-92 um die ersten Stifte 94-94,· um die Öffnung 108 der Blende zu verengen oder zu erweitern. Man beachte, daß der zweite Stift jeder Lamelle 92 sich innerhalb seines Schlitzes 102 verschiebt, wenn der Betätigungshebel 104 bewegt wird, Abhängig von der Bewegungsrichtung des Betätigungshobels 104 führt, jeder Stift eine Bewegung in der einen oder anderen Richtung innerhalb seines Schlitzes aus.

Die Temperatursteuerung ist bei der Aufheizeinrichtung 23 nach der Erfindung verhältnismäßig einfach. Ein Pyrometer 107 befindet sich am sogenannten heißen Fleck am unteren Ende der Vorform 22. Das Pyrometer 107 gibt ein Signal an ein Steuergerät (nicht gezeigt), das erforderlichenfalls die Menge an Sauer stoff und Wasserstoff einstellt, die durch die Durchlässe 59-59 und die Düsen 47-47 zugeführt wird, um die Temperatur innerhalb eines schmalen Bereichs zu halten.

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Darüberhinaus ist ein System zur automatischen Zentrierung der Vorform 22 in der Mitte des Düsenrings vorgesehen, um damit die Gleichmäßigkeit der Erhitzung sicherzustellen. Ein analoges oder digitales Signal, das eine · Funktion der Abweichung von einer Mittellage ist, wird einer Positioniereinrichtung zugeführt, um die Vo.rform 22 zu verschieben, falls nötig.

Diese Anordnung ist zweckmäßig in der

Hinsicht, daß das Pyrometer 107 die Temperatur der Vor-10" form 22 abfühlt. Bei dem obenbeschriebenen Zirkonofen . fühlt das Pyrometer die Temperatur einer Außenfläche eines Ofenelementes ab. Dies ist anders als bei dem Meßwert des Pyrometers in der Einrichtung 23 nach.der Erfindung nicht notwendigerweise eine genaue Anzeige . für die. Temperatur der Vorform.

Claims

BLUMBACH · WESEFf,- BEFiGiEiJ .· ZWiRNER .-HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/683604 Telex 05-212313 Telegramme Patanlconsull Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-180 237 Telegramme Palentconsull

Western Electric Company Incorporated Iyengar, R. 3 New York, N.Y. 10038, USA

Patentansprüche

(Π J Verfahren zur Erhitzen einer Glas vor form, aus der eine Lichtleiterfaser gezogen wird, unter Stützen der Glasvorform mit vertikal verlaufender Achse, wobei die Glasvorform einen eingeschnürten Bereich am unteren Ende besitzt,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Flammen mit je einer Vorverbrennungszone, einer Verbrennungszone und einem Außenkegel unter einem vorbestimmten Winkel zur Achse der Vorform auf eine Zielfläche des eingeschnürten Bereichs gerichtet wird, um die Vorform aufzuheizen,

daß die Zielfläche und die Flammen so positioniert werden, daß die Zielfläche auf ihrem Umfang von der. Verbrennungszone jeder Flamme berührt wird, und daß die Glasvörform während der Erhitzung ihres unteren Endes nach unten bewegt wird, während eine Lichtleiterfaser aus dem eingeschnürten Teil gezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß individuelle Gase, aus denen di_e Flammen erzeugt werden, aus Kanälen zugeführt werden, deren Öffnungen in einem den eingeschnürten Bereich der Vorform umgebenden Kreis angeordnet sind, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Vorform ist.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. - W. Wessr Dipl.-Phys. FJr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbncli Dipl.-Ing. · P. Rergen Prof. Dr, jur. Dipl.-Ing., Püt.-Ass., F'nt.-Anw. bis 1Π79 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Iiig.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die individuellen Gase Wasserstoff und Sauerstoff umfassen, daß der Wasserstoff durch eine Anordnung von rohrförmigen Gliedern geführt wird, von denen wenigstens Teile auf die Achse der Vorform gerichtet sind, daß der Sauerstoff über Durchgänge zugeführt wird, die zwischen den rohrförmigen Gliedern und Wänden eines Hohlraums gebildet sind, in welchem die rohrförmigen Glieder befestigt sind, und däß die Gase außerhalb ihrer Kanal Öffnungen gemischt werden.

4. Verfahren nach Artspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, unter dem die Teile der rohrförmigen Glieder zur Vorform verlaufen, im Bereich von etwa 10 bis 50° liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel 30° beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Glieder und die Wände der Durchlässe nahe ihrer Oberfläche, aus der die Gase austreten, gekühlt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwärtsbewegung der atmosphärischen Luft in Richtung auf den Kreis von Öffnungen der Kanäle gesteuert wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch eine Stützeinrichtung, die die Glasvorform mit vertikal verlaufender Achse hält, Kanäle zur Zuführung einer Vielzahl von Flammen unter einem vor bestimmton Winkel zur Achse der Vorform auf eine Zielfläche des eingeschnürten Bereichs, eine Positionierungseinrichtung, die bewirkt, daß die Zielfläche auf ihrem Umfang durch die Verbrennungszone jeder Flamme berührt wird, und eine Bewegungseinrichtung, die die Vorform bei Erhitzung ihres unteren Endes nach unten vorschiebt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle Düsen enthalten, aus denen die Gase austreten, und daß die Düsen Öffnungen besitzen, die auf einem Kreis angeordnet sind, der den eingeschnürten Bereich der Vorform umgibt und einen Durchmesser besitzt, der kleiner als der Durchmesser der Vorform ist.

1Oi Vorrichtung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle eine Vielzahl von Düsen besitzen, die je im Hohlraum eines Gehäuses aufgenommen sind, wobei die Achse der Düsen unter einem Winkel zur Achse der Vorform verlaufen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas durch die Düsen und ein zweites Verbrennungsgas über Durchlässe zwischen benachbarten Düsen und den Wänden des Hohlraums im Gehäuse geführt sind, in welchen die Düsen angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Schirm oberhalb des Gehäuses befestigt ist, um das untere Ende der Vorform und den Kreis von Öffnungen gegen. Luftströme zu schützen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Ziehglied mit einer variablen Öffnung am unteren Ende des Gehäuses befestigt ist, daß die Öffnung des Ziehgliedes den Durchgang der gezogenen Faser ermöglicht, daß die Öffnung vergrößerbar ist , um das Durchziehen der Faser durch das Gehäuse zu erleichtern, und verkleinerbar ist, um das Hochziehen von Luftströmen zu verhindern.