DE60108782T2

DE60108782T2 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer vorform für eine lichtleitfaser

Info

Publication number: DE60108782T2
Application number: DE60108782T
Authority: DE
Inventors: Robert Dennis SIMONS; Lambertus Henrikus JANSEN
Original assignee: Draka Fibre Technology BV
Current assignee: Draka Fibre Technology BV
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2021-11-03
Also published as: BR0115274A; CN1243678C; EP1339647A1; ATE288407T1; CN1474786A; JP2004513863A; BR0115274B1; JP4176468B2; EP1339647B1; ZA200302723B; NL1016644C2; DE60108782D1; AU2002224206A1; KR20030051713A; US6600769B2; WO2002040415A1; KR100765345B1; US20020097774A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Vorform, wobei ein Trägerrohr zu einer Vorform zusammengezogen wird, wobei die Vorrichtung aufweist: ein Heizelement, das eine zylindrische Hülle bildet, wobei die Hülle eine ringförmige Einlaßöffnung und eine ringförmige Auslaßöffnung an gegenüberliegenden Enden der Hülle definiert, wobei sich ein Trägerrohr innerhalb der zylindrischen Hülle zwischen den Öffnungen befindet, wobei das Heizelement in axialer Richtung bezüglich des Trägerrohrs verschiebbar ist; und Einrichtungen zum Zuführen eines nichtoxidierenden Gases in den Raum zwischen dem Trägerrohr und der Hülle. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform unter Verwendung der vorliegenden Vorrichtung.
Eine solche Vorrichtung ist an sich aus dem US-Patent Nr. 5 970 083 bekannt. Die Vorrichtung, die daraus bekannt ist, weist einen Graphitofen auf, der eine zylindrische Hülle umgibt, wobei ein Trägerrohr innerhalb der zylindrischen Hülle in deren Längsrichtung verschiebbar ist. Diese Vorrichtung wird zum Zusammenziehen einer primären Vorform verwendet, die die Form eines hohlen Stabs mit einem Durchmesser von ungefähr 30 mm hat, der in eine Vorform umgeformt werden muß, die zum Ziehen der optischen Faser verwendet werden kann, das heißt, einen Vollstab mit einem Durchmesser von ungefähr 20 mm. Diese Umformung erfolgt prinzipiell zur Mitte des Ofens hin, wo eine Temperatur von ungefähr 2000°C herrscht. Die zylindrische Hülle weist eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung auf, wobei beide Öffnungen zwei Ringe von Leitungen aufweisen, durch welche ein nichtoxidierendes Gas hindurchgeführt wird. Die ringförmigen Leitungen sind in einem Winkel zur axialen Richtung der Hülle geneigt, wobei das nichtoxidierende Gas von den ringförmigen Leitungen in zwei konischen Gasvorhängen eingeblasen wird. Das Gas, das auf diese Weise eingeblasen wird, wird von der Hülle weg gelenkt, so daß ein Eintritt von Luft in die Hülle, was eine Verbrennung des Graphitofens verursachen könnte, verhindert ist.
Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, daß die hohe Temperatur, die für den Zusammenziehungsprozeß erforderlich ist, zu einer Verbrennung des Inneren der zylindrischen Hülle, die ein Kohlerohr aufweist, führen kann, wenn Sauerstoff aus der Umgebungsluft in Kontakt mit dem Kohlerohr kommt. Die Verbrennungsprodukte, die bei der Verbrennung entstehen, können sich anschließend an dem Trägerrohr ablagern, wobei die Verunreinigungen eine nachteilige Wirkung auf die optischen Eigenschaften und/oder die Festigkeit der schließlich hergestellten Glasfaser haben können. Eine andere Wirkung der hohen Temperatur, die in der zylindrischen Hülle herrscht, ist, daß eine kleine Menge SiO₂, das Material nämlich, aus dem das Trägerrohr besteht, verdampft. Das SiO₂ kann mit der Kohle des Innenraums der zylindrischen Hülle reagieren, um SiC zu bilden, das sich auf der Innenwand ablagert. Experimente haben gezeigt, daß sich das SiC von der Kohle-Innenwand des Ofens löst und anschließend an das heiße und etwas weichgewordene Trägerrohr haftet. Das Vorhandensein solcher Verunreinigungen an dem Trägerrohr muß verhindert werden, da das Trägerrohr in einem Ziehturm in eine optische Glasfaser umgeformt wird, nachdem es zu einer Vorform zusammengezogen worden ist. Obwohl das oben diskutierte US-Patent eine Vorrichtung offenbart, bei welcher durch Bereitstellen eines doppelten Gasvorhangs an beiden Ofenenden und Spülen eines Gases in den Ofenraum zwischen dem Trägerrohr und der Innenwand des Ofens der Eintritt von Umgebungsluft verhindert wird, was, wie behauptet, die Verbrennung des Kohle-Innenrohrs minimieren soll, stellt die bekannte Vorrichtung kein ausreichendes Ausströmen von verdampftem SiO₂ aus dem Trägerrohr bereit, weswegen die Bildung von SiC und dessen Ablagerung außen am Trägerrohr nicht unter allen Bedingungen verhindert wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform be reitzustellen, wobei die oben erwähnten Probleme von Stand der Technik vermieden werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Erfindung, auf welche in der Einführung Bezug genommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Zuführen eines nichtoxidierenden Gases ausschließlich neben der ringförmigen Einlaßöffnung angeordnet sind und die ringförmige Einlaßöffnung verschließen, mit Ausnahme einer zweiten ringförmigen Einlaßöffnung abseits der ringförmigen Einlaßöffnung in einer Richtung weg vom Heizelement, wobei die Einrichtungen aufweisen:

i) ein erstes Element zum Spülen des Raums zwischen dem Trägerrohr und der Hülle, wobei das erste Element, das eine ringförmige Einblasöffnung aufweist, neben bzw. in der Nähe der ringförmigen Einlaßöffnung angeordnet ist und ein nichtoxidierendes Gas in einer laminaren Strömung an dem Trägerrohr vorbei in Richtung der ringförmigen Auslaßöffnung befördert, und
ii) ein zweites Element zum Zuführen eines nichtoxidierenden Gases zu der zweiten ringförmigen Einlaßöffnung, wobei das zweite Element bezüglich des von dem ersten Element gespülten Gasstroms stromaufwärts zum ersten Element angeordnet ist, wobei das zweite Element eine ringförmige Einblaskammer aufweist, die ein nichtoxidierendes Gas in eine Richtung, die zu der Richtung des nichtoxidierenden Gases von dem ersten Element entgegengesetzt ist, an dem Trägerrohr vorbei befördert, um so den Eintritt von Umgebungsluft an der Seite der ringförmigen Einlaßöffnung zu verhindern.

Die vorliegenden Erfinder haben somit für die oben erwähnten Probleme dadurch eine Lösung gefunden, daß ein nichtoxidierendes Gases in den Raum zwischen dem Trägerrohr und der Hülle gespült wird, wobei auch ein Gasvorhang aus einem nichtoxidierenden Gas an der Außenseite des Trägerrohrs gebildet wird, und dies nur an einer Seite des Ofens, nämlich in der Nähe der ringförmigen Einlaßöffnung. Die Verwendung eines inneren Spülschritts nur an einer Seite des Ofens, nämlich in der Nähe der ringförmigen Einlaßöffnung, verhindert das mögliche Auftreten von Wirbeln, die von entgegengesetzten Gasströmen in dem Raum zwischen der zylindrischen Hülle und dem Trägerrohr-Innenraum verursacht werden. Insbesondere werden irgendwelche Verunreini gungen, die sich aus den oben diskutierten Faktoren ergeben, den Ofen auf der anderen Seite, nämlich an der ringförmigen Auslaßöffnung, zusammen mit dem nichtoxidierenden Gasstrom verlassen. Wenn ein solches Verfahren verwendet wird, kann in dem Ofen die Ablagerung von siliziumhaltigen Verbindungen, wie beispielsweise SiC, in der heißen Zone des Kohle-Innenrohrs verhindert werden, da sich in dem Raum zwischen dem Trägerrohr und der Hülle keine Verbrennungsprodukte anhäufen. Versuche haben gezeigt, daß sich kubisches und hexagonales SiC bei Temperaturen des Kohle-Innenrohrs oberhalb von 1900°C am Kohle-Innenrohr ablagert. Solche kubischen SiC-Kristalle können sich von der Innenwand der zylindrischen Hülle lösen und auf dem Quarz-Trägerrohr landen. Da solche kubischen SiC-Kristalle nicht schmelzen, wenn eine optische Glasfaser aus der Vorform gezogen wird, die zusammengezogen worden ist, um einen Vollstab zu bilden, wird das Vorhandensein von solchen Kristallen zu einer lokalen Schwächung der so erzeugten optischen Glasfaser führen, wodurch sie brechen wird. Selbstverständlich umfaßt die vorliegende Vorrichtung die Ausführungsform eines Heizelements, das eine zylindrische Hülle bildet, sowie die Ausführungsform eines Heizelements, das eine zylindrische Hülle umgibt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die laminare Strömung eines nichtoxidierenden Gases in dem Element i) eine Reynolds-Zahl zwischen 10 und 200, wobei die Reynolds-Zahl definiert ist durch Re = ρvd/μ, wobei
ρ = Gasdichte,
v = Gasgeschwindigkeit,
μ = Gasviskosität, und
d = Differenz zwischen dem Außendurchmesser des Trägerrohrs und dem Durchmesser der Innenwand der zylindrischen Hülle.
Diese laminare Strömung ist insbesondere erwünscht, um das Auftreten von Wirbeln in dem Raum zwischen dem Trägerrohr und der zylindrischen Hülle zu verhindern, so daß irgendwelche SiC-haltigen Materialien, die möglicherweise entstanden sind, ausreichend in die Richtung der ringförmigen Auslaßöffnung ausgestoßen werden, wodurch eine Ablagerung dieser Materialien an dem Trägerrohr verhindert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat der oben erwähnte Parameter d einen Wert > 6 mm, wodurch sich die Diffusionsstrecke des verdampften SiO₂ zur Kohle-Innenwand vergrößert.
Ferner ist bevorzugt, als nichtoxidierendes Gas ein Gas mit einem Heliumgehalt von maximal 15 Vol.-% zu verwenden, wobei als anderer Bestandteil beispielsweise Argon oder Stickstoff oder ein Gemisch davon gewählt wird.
In einem solchen Zusammenziehungsprozeß wird Helium oft wegen seines guten Wärmeleitungsvermögens verwendet, da somit die Wärme von der zylindrischen Hülle ausreichend zum Trägerrohr, das zusammengezogen werden soll, übertragen wird. Ein Nachteil der Verwendung von Helium ist jedoch die Tatsache, daß wegen der oben erwähnten guten Wärmeleitung ebenfalls ein starkes Kühlen stattfindet. Somit kann sich das SiO₂, das von dem Trägerrohr verdampft, an einem größeren Teil des Kohlerohrs der zylindrischen Hülle ablagern. Folglich muß die maximale Menge Helium im Hinblick auf eine Minimierung der Ablagerung des von dem Trägerrohr verdampften SiO₂ an dem Kohlerohr der zylindrischen Hülle gewählt werden.
Die Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der zylindrischen Hülle aus gesinterter Kohle besteht. Ein spezieller Vorteil der Verwendung von gesinterter Kohle ist die Tatsache, daß ein Material, das eine sehr geringe Porosität hat, verwendet wird, wodurch die tatsächliche potentielle Reaktionsfläche kleiner ist als bei hochreiner Standardkohle. Dies hat eine verringerte Verbrennung der Kohle zur Folge, was folglich eine Reaktion mit SiO₂ minimiert. Außerdem ist ersichtlich geworden, daß es einfacher ist, Verunreinigungen von der gesinterten Kohleoberfläche zu entfernen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren, wobei ein Trägerrohr zu einer Vorform zusammengezogen wird, wobei das Verfahren in der oben beschriebenen Vorrichtung ausgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun detaillierter mit Bezug auf die beiliegende Figur beschrieben, die die vorliegende Vorrichtung schematisch in einer Querschnittansicht zeigt.
Die beiliegende Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur Herstellung einer Vorform, wobei ein Trägerrohr 7 zu einer Vorform zusammengezogen wird. Das Trägerrohr 7 befindet sich zwischen Heizelementen 2, die eine so hohe Temperatur bereitstellen, daß das Trägerrohr 7 etwas weich wird und zu einem Vollstab schmilzt. Der zwischen der Innenwand 3 des Ofens 10 und dem Trägerrohr 7 vorhandene Raum 9 wird mit einem nichtoxidierenden Gas gespült, das über eine ringförmige Einblaskammer 6 in die mit dem Pfeil P1 angegebene Richtung eingeblasen wird. Die Einblaskammer 6 befindet sich am Ort der ringförmigen Einlaßöffnung 5, so daß das eingeblasene nichtoxidierende Gas von der ringförmigen Einlaßöffnung 5 aus in Richtung der ringförmigen Auslaßöffnung 4 strömt. Um den Eintritt von Umgebungsluft in die ringförmige Einlaßöffnung 5 zu verhindern, ist ferner ein zweites Element 8 vorgesehen, das stromaufwärts zur ringförmigen Einblaskammer 6 angeordnet ist, wobei das zweite Element 8 ebenfalls eine ringförmige Einblaskammer aufweist, die ein nichtoxidierendes Gas in eine Richtung, die entgegengesetzt ist zu der Richtung des nichtoxidierenden Gases aus der ringförmigen Einblaskammer 6, insbesondere in die durch Pfeil P2 angegebene Richtung, an dem Trägerrohr 7 vorbei befördert. Die Kombination aus dem über das zweite Element 8 gewonnenen Gasvorhang und dem inneren Spülvorgang über die Einblaskammer 6 stellt sicher, daß Umgebungsluft am Eintritt in den Ofen gehindert wird und daß irgendwelche Verunreinigungen, die sich während des Zusammenziehungsprozesses gebildet haben, ausreichend in Richtung der ringförmigen Auslaßöffnung 4 ausgestoßen werden. Es ist offensichtlich, daß der Ofen 10 bezüglich des Trägerrohrs 7 bewegt werden kann, daß es aber in speziellen Ausführungsformen erwünscht ist, daß das Trägerrohr 7 bezüglich des Ofens 10 bewegt wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine spezielle Art der Bewegung beschränkt.

Claims

Vorrichtung (1) zur Herstellung einer Vorform, wobei ein Trägerrohr (7) zu einer Vorform zusammengezogen wird, wobei die Vorrichtung (1) aufweist: mindestens ein Heizelement (2), das eine zylindrische Hülle (3) bildet oder umgibt, wobei die Hülle (3) eine ringförmige Einlaßöffnung (5) und eine ringförmige Auslaßöffnung (4) an gegenüberliegenden Enden der Hülle (3) definiert, wobei das Trägerrohr (7) innerhalb der zylindrischen Hülle (3) zwischen den Öffnungen (4, 5) angeordnet ist, wobei das Heizelement (2) in axialer Richtung bezüglich des Trägerrohrs (7) verschiebbar ist; und Einrichtungen (6, 8) zum Zuführen eines nichtoxidierenden Gases in den Raum zwischen dem Trägerrohr (7) und der Hülle (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (6, 8) zum Zuführen eines nichtoxidierenden Gases ausschließlich in der Nähe der ringförmigen Einlaßöffnung (5) angeordnet sind und die ringförmige Einlaßöffnung (5) verschließen, mit Ausnahme einer von der ringförmigen Einlaßöffnung (5) in einer Richtung weg vom Heizelement (2) entfernten zweiten ringförmigen Einlaßöffnung (5'), wobei die Einrichtungen aufweisen: i) ein erstes Element (6), zum Spülen des Raums zwischen dem Trägerrohr (7) und der Hülle (3), wobei das erste Element (6), das eine ringförmige Einblasöffnung aufweist, in der Nähe der ringförmigen Einlaßöffnung (5) angeordnet ist und ein nichtoxidierendes Gas in einer laminaren Strömung an dem Trägerrohr (7) vorbei in Richtung der ringförmigen Auslaßöffnung (4) befördert, und ii) ein zweites Element (8) zum Zuführen eines nichtoxidierenden Gases zu der zweiten ringförmigen Einlaßöffnung (5'), wobei das zweite Element (8) bezüglich des von dem ersten Ele ment (6) gespülten Gasstroms stromaufwärts zum ersten Element (6) angeordnet ist, wobei das zweite Element (8) eine ringförmige Einblaskammer aufweist, die ein nichtoxiderendes Gas in eine Richtung, die zu der Richtung des nichtoxiderenden Gases von dem ersten Element (6) entgegengesetzt ist, an dem Trägerrohr (7) vorbei befördert, um so den Eintritt von Umgebungsluft an der Seite der ringförmigen Einlaßöffnung (5) zu verhindern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die laminare Strömung in dem ersten Element (6) eine Reynolds-Zahl zwischen 10 und 200 hat, wobei die Reynolds-Zahl definiert ist durch Re = ρvd/μ, wobei ρ = Gasdichte, v = Gasgeschwindigkeit, μ = Gasviskosität, und d = die Differenz zwischen dem Außendurchmesser des Trägerrohrs (7) und dem Durchmesser der Innenwand der zylindrischen Hülle (3).
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter d einen Wert > 6 mm hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtoxidierendes Gas mit einem Heliumgehalt von maximal 15 Vol.-% als nichtoxidierendes Gas verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der zylindrischen Hülle (3) aus gesintertem Kohlenstoff besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (2) bezüglich des Trägerrohrs (7) verschiebbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorform, wobei das Trägerrohr (7) zu einer Vorform zusammengezogen wird, wobei das Verfahren in einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 ausgeführt wird.