由預成形件拉成光導纖維的設備和方法

2023-04-26 01:35:01

專利名稱：由預成形件拉成光導纖維的設備和方法
技術領域：
本發明涉及一種由預成形件生產光導纖維的爐子，爐子有一個具有幾何軸線的內腔，預成形件可沿軸線運動，以及，在內腔沿軸線的一個區域內可調整熔化預成形件材料的溫度，溫度朝內腔軸向的端部下降。此外本發明還涉及一種生產光導纖維的方法。
光導纖維尤其是玻璃纖維為了導引光線在其內部有一個折射率剖面，它通常通過組合不同摻雜的材料達到。剖面的具體設計取決於纖維的類型，其中例如可能涉及多模梯度纖維或單模纖維。因為由於纖維截面小直接製成所要求的折射率剖面實際上行不通，所以在先有技術中纖維由近似圓柱形其半徑在若干釐米範圍內的預成形件拉出。為製造預成形件已知多種不同的方法，例如氣相石英玻璃管內塗層隨後壓扁(CVD法)；氣相玻璃芯外塗層(OVD法)；氣相基質軸向塗層(VAD法)或在玻璃管內插入玻璃芯接著熔化(stab-Rohr法)。
預成形件的一端由於熔化處於粘滯狀態，對於一般的石英玻璃製品約在1900至2200K的範圍內出現粘滯狀態。在這種狀態下玻璃可拉出構成光導纖維的細絲。為了加熱預成形件常用有旋轉對稱內腔的拉絲爐，預成形件在內腔中按作為纖維拉出的材料量沿軸向送進。在這種情況下預成形件熔化的部分，即所謂拉絲蔥頭(Ziehzwiebel)，處於沿爐子軸線爐溫最高的區域內。與之相反，溫度朝預成形件背對拉絲蔥頭的端部的方向以及朝纖維的方向下降。
爐子的加熱例如藉助於空心圓柱形石墨電阻構件實現，它圍繞著內腔並通過大多平行於軸線流動的直流或交流電加熱。也常用感應爐，它的內腔同樣被一個管狀的例如用鋯氧化物或石墨制的構件圍繞。在這種情況下電流由一個圍繞著此管的線圈的磁場通過感應激發。爐子的加熱構件最好設計為可更換的嵌入件。已知的拉絲爐的結構尤其是在加熱構件的布局和設計方面沿軸向相對於其最高溫度區是對稱的。相應地，在內部特別在內腔的壁面上相對於此最高溫度區構成一種對稱的溫度剖面，在這裡拉絲蔥頭處於爐子中央。
為了生產例如在光的衰減或機械強度方面有特殊性質的纖維，有必要調整纖維預定的冷卻速率和/或拉絲蔥頭的幾何形狀。在這情況下可能既要求快速冷卻纖維又需要儘可能長期地保持拉絲溫度。為此在先有技術中在拉絲爐上安裝加長段，它的溫度必要時是可調的。然而這種方式影響纖維溫度的可能性是有限的。尤其是不能在拉絲蔥頭直接的周圍改變冷卻速率。此外，安裝加長段需要在拉絲爐的纖維出口處有足夠的結構空間，當配置在纖維拉伸塔上時往往不能提供所需的空間。
在生產光導纖維時存在的另一個問題是預成形件的直徑不斷增大，以便在一次操作時能制出更大的纖維長度。為了在這種情況下仍能達到拉絲所需的溫度，在先有技術中提高了爐子加熱裝置的功率，例如感應線圈的饋電功率。通常這樣做需要更換電源設施，因此成本很高。此外，在這種情況下功率損失增加，所以有必要改善爐子的冷卻。
因此，本發明的目的是發展用於控制纖維的拉絲爐和方法，它們提供了影響纖維冷卻速率和拉絲蔥頭形狀的更廣泛的可能性並能減小爐子加熱功率。
按本發明為達到此目的採取的措施是，爐子的生熱和/或從內腔散熱沿爐子的軸線改變。在由預成形件生產光導纖維的一種有利的方法中，預成形件端部在最大溫度區加熱到熔點並拉成纖維，沿纖維縱軸線方向最大溫度區兩側溫度下降，此方法的特徵在於，加熱功率和/或從加熱區散熱沿纖維縱軸線變化並最好調整為相對於最大溫度區非對稱。
本發明的中心思想在於，在爐子內沿其軸線調整為一個確定的溫度剖面。從而可以在爐子內便已影響纖維的冷卻速率和調整拉絲蔥頭的形狀。為此目的改變沿內腔軸線的生熱或散熱，在這種情況下將兩種措施結合起來往往是有利的。此外，通過減少散熱，最好再加上在拉絲蔥頭區內有目的地生熱，可以獲得更高的加熱效率。因此可以在不提高爐子最大加熱功率的情況下採用直徑更大的例如在約10釐米範圍內的預成形件控制纖維。
在本發明的一種有利的設計中，沿軸向的尤其在內腔壁上的溫度分布調整為非對稱的。因此在爐子內腔中便已經可以影響冷卻速率，在這種情況下爐子的最大溫度通常不改變。最大溫度區最好布置為朝爐子的一個軸向端偏移。其結果是形成一種非對稱的溫度剖面，這種溫度剖面朝著爐子處於離最大溫度區較近的那一端下降得較快，而朝相反端方向的下降進行得較緩慢。作為替換或補充，在最大溫度區周圍，溫度梯度沿兩個軸向可以是不同大小。例如，溫度可從最大溫度區朝爐子的一端基本上下降到內腔邊緣附近，而向另一端的下降連續經內腔的延伸區進行。藉助於這種溫度剖面也可以改變取決於其周圍溫度分布的拉絲蔥頭的幾何形狀。
最大溫度區的位置由內腔的壁溫決定，亦即可通過影響當地的加熱功率和從壁的散熱確定。其中，對預成形件、拉絲蔥頭和纖維各部分溫度的影響，主要通過從各自對置的壁段輻射傳熱造成。因此在爐子內部可按已知的方式引入保護氣體層流，防止纖維汙染和爐子氧化。保護氣流對預成形件和纖維溫度的影響比壁溫的影響小得多，因為它的速度取決於爐子的幾何參數，而且在爐子內的傳熱主要通過輻射造成。所以採用氣流防止纖維和預成形件汙染不會顯著改變調整好的溫度剖面。
其結果是大大擴展了改變纖維冷卻速率和拉絲蔥頭幾何形狀的可能性，從而可在更大程度上調整纖維特性。在許多情況下可以取消在拉絲爐上安置在外側的加長段。
爐子的加熱最好藉助於例如用石墨或氧化鋯制的導電層進行，它沿徑向圍繞著內腔。導電層構成爐壁的一個組成部分，或作為管狀構件插入爐子中並最好是可更換的。通過導電層的電流既可最好沿爐子軸向施加外電壓造成，也可通過感應產生。可以設想將此層平行於電流方向再分段。
為了改變生熱或散熱，最好沿爐子軸線改變導電層的電阻或熱導率。基於密切的物理關係，這兩個參數的影響通常是對應的。例如增加導電層的厚度減小電阻，但與此同時使平行於層面尤其沿爐子軸向的熱導率增大。
為了調整電阻或熱導率，提供厚度改變的導電層。當通過在層上施加電壓加熱爐子時，生熱主要在沿其縱軸線層厚小的區域內進行。反之，在感應加熱時尤其加熱層厚較大的區域，因為在這裡與感應線圈的電磁場的耦合最佳。
作為替換或補充，導電層的材料可沿爐子縱軸線改變。為此目的可以設想例如是不同摻雜或成分不同的材料。
在爐子的最大溫度區，導電層平行於內腔壁的熱導率高是有利的，以便保證均勻的溫度。反之，朝內腔的軸向端部熱導率最好減小，以避免基於沿軸向的導熱造成的能量損失。
為了在爐子內部造成非對稱的溫度剖面，可通過將導電層設計為相對於爐子軸向中面非對稱。為此目的，導電層的截面可相對於中面非對稱地變化，例如使導電層一側在中面以外有一個或多個橫截面縮小區。作為替換形式可以設想，導電層的當地電阻相對於中面非對稱變化，例如藉助於沿軸向變化的摻雜。
在爐子感應式加熱的情況下存在一個或多個構件，它們在導電層內圍繞著內腔產生可變的磁通。這些構件最好是在爐壁內以高頻或中頻工作的感應線圈。因為在導電層內的當地磁通隨著離產生磁通的構件距離增加而減小，所以通過將這些構件相對於爐子中面非對稱地布置，可以在內腔形成非對稱的溫度剖面。可以設想這些構件能沿軸向相對於內腔移動，從而可用簡單的方式通過改變它們的位置調整為不同的溫度剖面。
為了減少用於加熱的必要的能量，爐壁通常包括一個隔熱材料層，它沿徑向圍繞著內腔和加熱內腔用的構件。若改變此隔熱層沿爐子軸線的熱導率，便可在爐壁上和在爐子內腔中構成與之相關的溫度剖面。因此，作為前述那些措施的替代或補充尤其提供了構成一個相對於中面非對稱溫度剖面的可能性，即只要從內腔沿徑向的散熱非對稱地進行。例如，隔熱層的厚度朝內腔的一個軸向端線性或非線性地增大。此外還可以設想，隔熱層材料的單位熱導率沿內腔的軸向變化。
爐子兩個軸向端側通常加蓋，它們減少從爐子內腔流出保護氣體和熱損失並避免汙染物入侵。蓋有孔，預成形件可通過孔插入並引出纖維。通過使蓋有互相不同的溫度可以在內腔造成非對稱的溫度剖面。為此在最簡單的情況下它們用熱導率不同的材料製造，換句話說一個蓋用熱導率高的材料如銅或黃銅製成，而另一個用熱導率低的材料如鋼製造。同樣，一個蓋為了其表面達到高的溫度可以用熱導率低的材料例如陶瓷或石英塗層或覆蓋，或在兩個蓋上有厚度不同的此類塗層。
內腔的蓋設冷卻裝置是有利的，為了在爐子內造成非對稱的溫度剖面冷卻裝置的功率可調整為不同的。例如，對於液體冷卻式蓋，冷卻劑的量或進口溫度可以不同。若兩個蓋串聯地被冷卻劑迴路流過，則通過選擇流動方向可調整蓋的溫度。
為了調整纖維的具體特性，另一種可能性在於沿爐子軸線爐子有兩個或多個加熱區，亦即溫度極大值。在這種情況下導電層最好由適當數量的分段組成，它們沿爐子的軸向用熱導率低的材料彼此隔開距離並感應加熱。
除了影響爐內溫度剖面的上述這些措施外還存在一種可能性，即爐子有一個沿徑向圍繞著纖維的軸向加長段。在不可能調節溫度的被動式加長段的情況下，它減緩纖維從爐子排出後的冷卻。若加長段的溫度可以主動調整，例如通過加熱或冷卻，則可以做到在纖維從爐子排出後特別緩慢或快速冷卻。
下面藉助於附圖進一步說明本發明的實施例。附圖用示意圖表示通過不同拉絲爐的橫剖面。


圖1 先有技術的爐子；圖2 有非對稱加熱層的爐子；圖3 有非對稱布置的感應線圈的爐子；圖4 有非對稱隔熱層的爐子；圖5 有最佳加熱效率的感應加熱爐。
圖1至5表示不同的拉絲爐，爐內預成形件(1)端部加熱並拉成纖維(2)。爐子通常安裝在纖維拉伸塔上，它的軸線垂直定向，纖維(2)沿此軸線延伸。爐子的加熱總是通過導電層(3)實現，導電層沿徑向圍繞著爐子近似圓柱形的內腔(4)。在導電層(3)內電流藉助於圖中未表示的饋電線通過施加外電壓產生或通過感應產生。加熱層(3)外側被隔熱層(5)包圍，後者設在爐子的外殼(6)內並減少熱損失。內腔(4)在其端側用蓋(7、8)封閉，在蓋(7、8)中的孔允許預成形件(1)以及纖維(2)貫通。還可設想在蓋(7、8)中有其他的孔，作為通過內腔(4)的保護氣體層流的進口和出口，從而減少汙染預成形件(1)和纖維(2)的表面。
拉絲蔥頭(9)，亦即在預成形件(1)下端處的熔化區，在所有情況下均處於內腔(4)溫度T最大的區(10)內。溫度T朝爐子的軸向端側不斷下降，以避免預成形件(1)提前軟化和能使纖維(2)硬化。由圖1至4右側的溫度剖面可以看出沿爐子內腔(4)溫度T示意的變化曲線。
在先有技術(圖1)中，爐子相對於其中面(11)有一種鏡面對稱的結構，此中面(11)垂直於爐子軸線延伸。因此在內腔(4)形成相對於中面(11)對稱的溫度分布，在這種情況下最大溫度區(10)與中面(11)重合。影響纖維(2)冷卻速率的一種可能性在於通過在爐子下蓋(8)上安裝一個用虛線表示的加長段(12)。加長段(12)的隔熱效果延緩了纖維的散熱，如在圖的右部同樣用虛線表示的那樣。可設想也加熱或冷卻加長段(12)。然而以此方式可達到的纖維(2)冷卻速度的改變並因而其材料性質的變化是有限的。
通過在內腔(4)中形成相對於中面(11)非對稱的溫度剖面提供了大大擴展了的可能性。圖2表示了一種爐子，其中為此目的用於加熱的層(3)有一個橫截面縮小區(13)，它布置在中面(11)下方，亦即相對於中面非對稱地設置。在電流平行於爐子縱軸線通過層(3)時，橫截面縮小區(13)超比例地加熱，所以在這裡形成了最大溫度區(10)。現在偏離中面(11)設置的最大溫度區(10)，導致溫度向爐子的兩個端側有不同梯度的非對稱溫度剖面。在圖示的例子中，爐子的溫度T朝其下端下降得要快得多。如在所有的實施例中那樣，在此情況下也可以通過在下蓋(8)上安裝加長段(12)附加地影響纖維(2)的冷卻速率。
在圖3所示的感應式加熱爐中，導電層(3)通過由感應線圈(14)產生的電流加熱，感應線圈(14)流過高頻交流電。在這種情況下層(3)可認為是感應線圈(14)短路的次級繞阻。因為感應磁通的量隨著離感應線圈(14)的距離增加而減少，所以在層(3)處於離感應線圈(14)最近的那個區域內亦即尤其在線圈內部感應電流最大。相應地，內腔(4)的壁(15)的溫度在那裡也是最高的。通過相對於爐子中面(11)非對稱地布置感應線圈(14)，例如全部在中面(11)上方或下方，可以在內腔(4)中產生非對稱的溫度剖面。
作為非對稱地加熱內腔(4)或其壁(15)的替換形式或補充，非對稱的溫度剖面也可以通過從內腔(4)非對稱地散熱建立。相應地在圖4的實施例中有一隔熱層(5)，它的厚度從上蓋(7)朝著到下蓋(8)的方向線性增大。由此也使溫度T沿軸向的下降朝下蓋(8)比朝上蓋(7)緩慢得多。
圖5中表示的爐子允許用功率最小的感應線圈(14)加熱預成形件(1)。為此改變導電導(3)沿爐子軸線的厚度。在感應線圈(14)的所在區內，最好用石墨制的層(3)厚度大，以提高平行於內腔(4)壁(15)的熱導率。因此在此區域可調整為一個高的恆定的溫度。此外，通過設計層厚可以優化與感應線圈(14)電磁場的耦合。在內腔(4)的軸向端部區內層(3)的厚度顯著較小，所以它們沿軸向的熱導率也低。其結果是，從最大溫度區(10)沿內腔(4)壁(15)朝通常被冷卻的蓋(7、8)的熱流顯著減小。隔熱層(5)避免沿徑向的熱損失。以此方式纖維可以在爐子加熱功率較低和蓋(7、8)較少冷卻的情況下拉制。
其結果是獲得了一種用於拉出光導纖維的爐子，它提供了更高的加熱效率和大大擴展了的影響纖維冷卻速率和拉絲蔥頭幾何形狀的可能性，並因而允許大範圍地改變光導纖維的特性。
權利要求
1.由預成形件(1)生產光導纖維(2)的爐子，爐子有一個具有一根幾何軸線的內腔(4)，預成形件(1)可沿軸線運動，在內腔沿軸線的區域(10)內可以調整熔化預成形件(1)材料的溫度，此溫度朝內腔(4)軸向的端部下降，其特徵為爐子的生熱和/或從內腔(4)散熱沿爐子軸線變化。
2.按照權利要求1所述的爐子，其特徵為內腔(4)沿軸線的溫度分布可相對於最大溫度區(10)調整為非對稱的。
3.按照權利要求2所述的爐子，其特徵為最大溫度區(10)可調整為在內腔(4)垂直於軸線延伸的中面(11)之外。
4.按照前列諸權利要求之一所述的爐子，其特徵為內腔(4)被導電層(3)圍繞。
5.按照權利要求4所述的爐子，其特徵為導電層(3)的電阻和/或熱導率沿爐子軸線改變。
6.按照權利要求4或5所述的爐子，其特徵為導電層(3)的厚度是變化的。
7.按照權利要求4至6之一所述的爐子，其特徵為導電層(3)的材料是變化的。
8.按照權利要求4至7之一所述的爐子，其特徵為導電層(3)的熱導率在爐子的最大溫度區大於爐子沿軸向的端部區。
9.按照權利要求4至8之一所述的爐子，其特徵為導電層(3)相對於內腔(4)中面(11)設計為非對稱的。
10.按照權利要求4至9之一所述的爐子，其特徵為內腔(4)被一個可感應加熱的層(3)圍繞，以及，用於產生感應磁通的構件相對於內腔(4)的中面(11)布置為非對稱的。
11.按照前列諸權利要求之一所述的爐子，其特徵為內腔(4)及其加熱元件被隔熱裝置(5)圍繞，它的熱導率沿內腔(4)的軸線是變化的。
12.按照權利要求2至11之一所述的爐子，其特徵為內腔(4)在兩個端側設蓋(7、8)，它們的熱導率互不相同。
13.按照權利要求12所述的爐子，其特徵為蓋(7、8)用熱導率不同的材料製造或有熱導率不同的塗層。
14.按照權利要求12或13所述的爐子，其特徵為蓋(7、8)有冷卻裝置，它們的冷卻功率可調整為不同的。
15.按照前列諸權利要求之一所述的爐子，其特徵為爐子沿其軸線有多個溫度極大值。
16.按照前列諸權利要求之一所述的爐子，其特徵為爐子有一個軸向加長段(12)，它圍繞著纖維(2)。
17.按照前列諸權利要求之一所述的爐子，其特徵為加長段(12)的溫度是可調的。
18.由預成形件(1)生產光導纖維(2)的方法，預成形件端部在最大溫度區(10)加熱至熔點並拉成纖維(2)，其中，沿纖維縱軸線方向的溫度在最大溫度區(10)兩側下降，其特徵為加熱功率和/或從加熱區散熱沿纖維縱軸線變化。
19.按照權利要求18所述的方法，其特徵為沿纖維縱軸線的加熱功率和/或從加熱區散熱調整為相對於最大溫度區(10)非對稱的。
全文摘要
本發明涉及一種由預成形件(1)生產光導纖維(2)的爐子,爐子有一個具有一根幾何軸線的內腔(4),預成形件(1)可沿軸線運動,在內腔沿軸線的區域(10)內可調整熔化預成形件(1)材料的溫度,此溫度朝內腔(4)軸向的端部下降。本發明的特徵在於,爐子的生熱和/或從內腔(4)散熱沿爐子軸線變化。此外,本發明還涉及一種生產光導纖維的方法。
文檔編號C03B37/02GK1274337SQ99801163
公開日2000年11月22日 申請日期1999年6月2日 優先權日1998年6月13日
發明者漢斯－于爾根·呂森, 曼努埃拉·哈恩, 弗蘭克·利斯, 讓－弗朗西斯·博爾希斯, 馬克·讓－皮埃爾·尼古拉多特, 埃裡克·萊因特, 喬爾·雅克·盧佩提, 安德烈·伊夫·瑪利·達格尼 申請人:阿爾卡達公司