光纤拉丝炉和拉丝方法 【技术领域】
本发明涉及由加热且熔融的预制件拉制光纤的熔炉以及拉制方法。
背景技术
对于由石英玻璃作为主要成分形成的加热预制件来拉制光纤的熔炉，已知有多种技术，它们在日本专利No．2，542，679、日本专利公开No．147969／1993以及日本专利公开No．2832／1997中有描述。由于这些现有技术中的附图和术语与本发明中采用的有些区别，因此下面在根据本发明用的附图和术语对其进行解释时会作出说明，以明确现有技术与本发明之间的区别。
图8表示日本专利No．2，542，679中公开的光纤拉制炉的主要部件，其中数标21表示预制件，21a表示光纤，22表示内管，22a表示气体吹入口，23表示外管，24表示供气口，24a表示气体通道，25表示毛坯棒，25a表示连接部，26表示保持架，27表示密封活塞，28表示套管，以及29表示加热器。
在该光纤拉制炉中，毛坯棒25和预制件21设在套管28以及连接在套管28上端的内管22之内，同时通过连接部25a将其相连并且一起垂下。通过设在套管28外部的加热器29的加热，使预制件21的下端附近熔化，从而从预制件21的下端向下拉制光纤21a。设置成与套管28上端相连的内管22在开始拉制时用以盛载长预制件21。
在内管22与设在其外部的外管23之间形成有气体通道24a，并且从供气口24向气体通道24a提供惰性气体，从而从沿高度方向设在内管22壁面周围的大量气体吹入口22a将惰性气体吹进内管22的内部。惰性气体在内管22和套管28之内流动以防止套管等的氧化退化，并且当由加热和惰性气体流动引起的惰性气体温度分布不均匀时，易于导致由预制件所拉制光纤的直径的波动。
因此，在此例地光纤拉制炉中，在预制件21上部的毛坯棒25处设有通过保持架26与毛坯棒25相连的密封活塞27，且可以与毛坯棒25一起运动。在拉制开始时，因为预制件较长，所以毛坯棒25和密封活塞27位于上部。随着拉制的进行，预制件21自下端缩短并且下降，从而毛坯棒25和密封活塞也一道下降。
在此情况下，如果没有密封活塞27，则毛坯棒25与内管22之间的间隔将逐渐增大，但是由于密封活塞27的存在，使得预制件21上方的空间体积基本恒定。因此，据说预制件21与密封活塞27之间惰性气体的紊流由于密封活塞27的存在而只是很少情况下才发生。
在采用密封活塞的光纤拉制炉中，当预制件的长度为1．5m以上时，必须使密封活塞具有成比例的长度，从而其重量也很重。因为用于在上部支承它们的支承部件必须承受预制件和密封活塞的重量，所以支承部件也变得必须较大。因为密封活塞必须耐受高温，所以必须采用耐热材料例如石墨、石英等制作密封活塞，从而在较大尺寸时变得很昂贵。
另外，因为密封活塞沿内管的内壁表面作滑动运动，所以其滑动部分易于产生灰尘，从而会对拉制光纤的强度产生不利的影响。
另外，随着密封活塞的下降，设在内管壁面上的大量气体吹入口被密封活塞从上部逐个密封，并且必需一个用于连续控制气体流速的精确控制器来保持惰性气流的恒定流速。
接着说明日本专利公开No．147969／1993中公开的光纤拉制炉。图9中画出了该光纤拉制炉的主要部分。在图9中，与图8中相同的标记表示相同的部件。数标30表示隔离板，30a表示间隙，30b表示微孔，31a表示上部空间，31b表示下部空间，以及32表示上盖。图9中所示的光纤拉制炉与图8中所示光纤拉制炉的区别在于如下几点。没有与图8中密封活塞相对应的部件，并且内管22的上端除了毛坯棒25通过的部分之外都由上盖32加以封闭。
在该光纤拉制炉中，预制件21设在套管28以及与其上端连接的内管22的内部，并且预制件21经由连接部25a通过以毛坯棒25悬吊而支承。通过设在套管28外部的加热器29使预制件21的下端附近加热并熔化，然后向下拉制光纤21a。
外管23共轴地设在内管22的外部，经由气体吹入口22a通过由外管23和内管22形成的气体通道24a将惰性气体吹入内管的内部。惰性气体从供气口24导入气体通道24a。吹入内管22的惰性气体通过(内管22和套管28)与(预制件21或毛坯棒25)之间的空间下降，然后通过光纤21a的附近排出。
内管22的内部空间由石英板等制成的隔离板30分隔成上部和下部，惰性气体从隔离板30的上部空间31a通过隔离板30与内管22之间的间隙30a或者设在隔离板30上的微孔30b流向下部空间31b。因为下部空间31b具有相当高的温度，并且由于隔离板30的存在降低了气流的紊流，所以据说即使在较大预制件的情况下也可以拉制出具有较小直径波动的光纤。
然而，在该光纤拉制炉的情况下，当预制件21随着拉制的进行而变小时，上部空间31a变大。另一方面，预制件21上端附近的温度由于预制件21下端附近的加热而上升，从而在预制件变小时所述温度将增高。由于石英板制成的隔离板30的存在，使得隔离板上方的温度有些降低，但是在上部空间31a的下端附近变为550℃以上。同时，上部空间31a上端附近的温度为大约200℃，从而在上部空间31a之内的上部和下部之间形成有显著的温度差，因此易于产生对流。对流导致惰性气体体积的扰动，该扰动通过经由间隙30a或者隔离板30上的微孔30b的惰性气体流动传递给下部空间31b。因此，在光纤附近产生了惰性气流的扰动。其结果是，惰性气体的扰动使热传导量发生变化，从而易于引起玻璃粘滞系数和软化量的波动，因而难以将光纤直径的波动抑制在低于上述值的较小值。
接着说明日本专利公开No．2832／1997中公开的光纤拉制炉。图10中画出了该光纤拉制炉。在图10中，与图8中相同的标记表示相同的部件。数标33表示预制件上方的上部空间，以及34表示辅助加热器。在该光纤拉制炉中，预制件21设在套管28以及与其上端连接的内管22的内部，通过以毛坯棒25悬吊而支承，并且通过设在套管28外部的加热器29使预制件21的下端附近加热并熔化，从而向下拉制光纤21a。
外管23共轴地设在内管22的外部，经由气体吹入口22a通过由外管23和内管22形成的气体通道24a将惰性气体吹入内管的内部。因为预制件21上端附近的温度由于预制件21下端附近的加热而达到1000℃以上的高温，所以在预制件上方空间33的上部和下部之间形成较大的温度差。
为了降低该温度差，在内管22上端的外部设置有辅助加热器34。因此，通过辅助加热器34的加热，使得预制件上方内管22与毛坯棒25之间空间33的垂直温度差得以降低，以防止在空间33中发生对流，从而降低了由预制件21所拉制光纤21a的直径波动。
然而，在该光纤拉制炉的情况下，由于预制件上方的空间33随着拉制大尺寸预制件的进行而变大，所以单独通过设在内管22上部的外部的辅助加热器34难以使该空间内的温度均匀。
因此考虑不仅在内管上部而且在内管下部垂直设置数个辅助加热器，并且通过控制各辅助加热器的温度，以使预制件上方空间的温度均匀。然而还存在设备成本增大以及温度控制复杂的问题。
发明公开
本发明意在提供一种光纤拉制炉和光纤拉制方法，以解决与前述传统技术相关的问题。
根据本发明的光纤拉制炉包括一个套管和一个连接在该套管端部的内管。预制件设在套管和内管的内部，并且由一个位于其上部的毛坯棒以预制件与毛坯棒一起下降的方式加以支承。预制件由加热器从套管的外部加热并且熔化，以从预制件的下端拉制出光纤。在预制件上方内管中的空间内部，设置有一组或多组隔离板，用于将该空间沿预制件前进的方向分成多个部分，并且在隔离板下方部分的内管壁上设有气体吹入口，用于将惰性气体吹入内管和套管中。
因此，从气体吹入口进入的惰性气体主要向下流动，因而预制件上方隔离板的上部空间中的气体对预制件的拉制条件影响较小。相应地，拉制稳定地继续，并且减少光纤直径的波动。因此，采用此光纤拉制炉制作的光纤具有沿纵向基本恒定的外径，并且具有较小的传输特性波动。由于采用了简单的隔离板而没有采用较大的元件例如密封活塞，所以设备成本较低，并且由于不会发生如密封活塞中的沉重滑动，所以由滑动形成的灰尘非常微少以致于不会对光纤的强度产生不利的影响。
虽然隔离板包括多组被设置成由毛坯棒穿过的隔离板，并且该多组隔离板随着毛坯棒的下降而下降，但是该多组隔离板的相应组依次停止在内管的内壁表面上，使得预制件上方的内管内部的空间被所停止的隔离板相应地分成上部空间和下部空间。这样，由于内管内部的空间可以被多个位置分隔成适当尺寸，所以可以进一步稳定内管内部的惰性气体流动，即使是在预制件较小并且内管内部的空间随着光纤的拉制而扩大的时候。
虽然相应的各组隔离板可以各包括一个碟形板，但是这些隔离板组也可以各由一外部件和内部件组成的两个板部件构成。在此情况下，在隔离板被停止的位置处外部件的外径与内管的内径相同，并且外部件具有一大于毛坯棒外径的中央孔径以吸收对内管和毛坯棒共轴条件的偏离。内部件的外径大于外部件的中央孔径并且小于外部件的外径，且其中央孔径比毛坯棒的外径大2至10mm。
当毛坯棒穿过全部两个部件时，其中内部件位于上方而外部件位于下方，则上面的内部件通过设置在外部件上而受到支承。通过由外部件和内部件构成各组隔离板，即使在预制件摇摆引起偏心而偏离了内管和毛坯棒的共轴条件时，上部件也可以通过在下部件上滑动而沿径向运动，从而不会发生隔离板损伤内管的内壁表面这样的现象。
替代地，通过固定在毛坯棒、连接部或预制件上，可以将一组或多组隔离板设置在毛坯棒的下端附近或者预制件的上部，它们随着预制件的下降而下降，而不停止在内管内壁的途中。相应地，隔离板与预制件之间的空间即使在预制件缩短时也可以保持不变和恒定，因而预制件上方的空间中的气流可以保持稳定。在此情况下同样也可以将隔离板的相应组都制成具有一外部件和一内部件。然而在此情况下，外部件的外径必须比内管的内径小5至10mm，而且外部件的中央孔径必须大于毛坯棒的外径。内部件的外径必须大于外部件的中央孔径但必须小于外部件的外径。内部件的中央孔径必须等于或大于毛坯棒的外径。于是内部件由毛坯棒或连接部加以支承，使得内部件朝下而外部件朝上。
通过由外部件和内部件构成各相应组的隔离板，即使在预制件摇摆引起偏心而偏离了共轴条件的情况下，上部件也可以通过在下部件上滑动而沿径向运动，从而不会发生隔离板损伤内管的内壁表面这样的现象。
当在隔离板的外周设置有多个凸起时，可以减小隔离板在下降时对于内管的内壁表面的滑动摩擦系数，从而不致于损伤内管，因为只有这些凸起与内管的内壁表面接触。
通过以隔热材料制作隔离板，可以减少从被加热预制件的上端向隔离板上方的上部空间传输的热量，因而可以降低隔离板上方的上部空间的温度。因此，也降低了上部空间中的上部与下部之间的温度差，并且也可抑制由于该温度差而引起的惰性气体对流的产生。其结果是，可以抑制由上部空间的惰性气体对流所造成的对预制件下部附近的气流波动的影响，从而可抑制惰性气体传热量的波动以及玻璃粘滞系数和软化量的波动，以便减小光纤直径的波动。另外，因为降低了上部空间中惰性气体对流的影响，所以通过在预制件附近仅仅流动少量的惰性气体，可以保持惰性气体环境并且抑制光纤直径的波动。因此可降低高成本惰性气体如氦的消耗量，从而也可以预期具有经济上的效益。
另外，通过在内管的上端附近的外部设置辅助加热器以加热内管的上部附近，可以使上部空间内的温度进一步均匀。
附图的简要说明
图1为表示根据本发明的光纤拉制炉的一个实施例的主要部件的垂直剖面图；
图2为表示根据本发明的光纤拉制炉的另一个实施例的主要部件的垂直剖面图，其中(A)为表示光纤拉制开始时的状态图，(B)为表示光纤拉制接近完成时的状态图；
图3为一例在连接部与预制件之间设有隔离板的示意图；
图4表示根据本发明的隔离板的另一实施例，其中(A)为其透视图，(B)为在隔离板所固定位置附近该隔离板的垂直剖面图；
图5(A)为表示根据本发明的隔离板的另一实施例的垂直剖面图，图5(B)为一组隔离板的详细剖面图；
图6为表示根据本发明的隔离板的另一实施例的透视图；
图7为表示根据本发明的光纤拉制炉的另一个实施例的垂直剖面图，其中(A)为表示光纤拉制开始时的状态图，(B)为表示光纤拉制接近完成时的状态图；
图8为表示根据现有技术的光纤拉制炉的主要部件的垂直剖面图；
图9为表示根据另一现有技术的光纤拉制炉的主要部件的垂直剖面图；以及
图10为表示根据另一现有技术的光纤拉制炉的主要部件的垂直剖面图。
本发明的最佳实施方式
下面参照图1至7说明根据本发明的光纤拉制炉以及光纤拉制方法。
图1和2为根据本发明的光纤拉制炉实施例的主要部件的垂直剖面图。图1表示采用多个隔离板的实施例，图2表示采用单组隔离板的实施例。图2(A)表示光纤拉制开始时的状态，此时预制件较大，而图2(B)表示光纤拉制完成前的状态，此时预制件已经变小。在图1和2中，数标1表示预制件，1a表示光纤，2表示毛坯棒，3表示连接部，4表示隔离板，5和5’表示内管，6表示外管，7表示供气口，7a表示气体通道，8表示气体吹入口，9表示上盖，10表示套管，11表示加热器，以及12表示炉体向下延伸的壳体。
在图1和2的情况下，内管5或5’设置成连接在套管10的上端。大部分套管10和内管5一般都具有圆柱的形状。在图1的情况下，内管5’具有截锥形，其内径从上部向下部逐渐减小。由毛坯棒2支承的预制件1设置在套管10以及内管5和5’的内部，预制件1的下端附近被加热器11从套管10的外部加热并熔化，以便从预制件1的下端拉制出光纤1a。
外管6设置在内管5和5’的外部，通过设置在外管6上通向气体通道7a的供气口7从设置在内管5和5’壁上的气体吹入口8将惰性气体引入内管5和5’以及套管10的内部。内管5和5’的上端由一个具有供毛坯棒穿过的孔的上盖加以盖封以防止惰性气体溢出。
在内管5和5’下端附近的壁上，以基本恒定的间隔设置有大量位置(即10个或以上)的气体吹入口8，从而使得内管5和5’中由之吹出的惰性气流在周围尽可能均匀。在外管6的周围设有大约四个供气口7。
每组隔离板4为具有厚度从数毫米至大约10mm的平板形，由例如石英、石墨、碳化硅等耐热材料制成，并且在内管具有圆柱形的情况下，其为碟形，而在内管具有棱柱管形的情况下，其为与内管的内壁形状相对应的多边形。使每组隔离板的中央孔径大于毛坯棒2的外径以便吸收对内管和毛坯棒的共轴条件的偏离，使中央孔径小于毛坯棒2和预制件1的连接部3的尺寸以便将隔离板4置于连接部3之上。
在图1的情况下，相应多组隔离板4的外径从上部至下部依次逐渐减小，对应于具有截锥形的内管5’以基本固定的间隔从内管5’上端下降的位置处的内径。当预制件1随着拉制的进行而变小时，连接部3与毛坯棒2一起下降，但是该多组隔离板以基本固定的间隔从上部的隔离板开始逐组被停止在内管的内壁表面上，因为在内管5’的内径与隔离板4的外径一致的位置处隔离板4的下降被阻止。
在图1的例子中，通过采用截锥形内管5’并且采用具有从上部至下部逐渐减小的外径的多组隔离板，使得该多组隔离板间隔地被停止在内管的内壁表面上，但是也可以采用其它方法作为该多组隔离板的停止方法。例如，通过采用外径小于内管内径的碟盘，如同多组隔离板一样，在相应碟盘的外圆周上以固定间隔在周围设置大约2至4个凸起，并且使得这些凸起的连接尖端外径比内管的内径小5至10mm。将多组隔离板互相堆叠在一起并且使凸起不发生叠加。另一方面，在内管的内壁上以固定间隔沿内管的轴向并且圆周地设置凸起接收部。凸起接收部的圆周间隔与隔离板凸起的间隔一致。凸起接收部的圆周位置沿内管的轴向偏移相应的幅度。通过以上述方式构造内管和隔离板，以堆叠方式设置在毛坯棒支承部件上的隔离板在初始阶段与毛坯棒一起下降，并且通过内管内壁表面上的凸起接收部对隔离板外周上的凸起的阻止而从其上部逐组被停止下降，从而可以以固定的间隔分隔内管内部的空间。但是在此方法中，存在隔离板的凸起与内管内壁表面的凸起接收部之间的位置对准的问题，等等，因而图1的方法从设备来看易于操作。
图2表示采用一组隔离板的实施例。在此情况下，隔离板4是一个碟形的平板，设置在毛坯棒2的连接部3之上。隔离板4的外径比内管5的内径小约5至10mm。也可以不将隔离板4设置在连接部3之上，而是将一个支承部件固定在毛坯棒2上，并且将隔离板4置于其上，或者直接将隔离板4固定在毛坯棒2上。另外，通过在隔离板4与毛坯棒2之间提供间隙，可以防止隔离板4损伤内管5，即使在毛坯棒2和预制件1在内管5内部摇摆的时候。由于单组隔离板具有隔离内管中预制件上方空间的作用，所以可以获得稳定内管中惰性气流的效果。更优选采用多组隔离板来降低内管空间中惰性气流的紊流，以降低对所拉制光纤直径波动的影响，因为内管的长度变为2m以上。
取决于预制件的形状，在连接部与预制件之间偶尔会形成较大的空间。在此情况下，如图3中所示，在预制件1与连接部3之间并且在预制件1上部的锥形部分以固定间隔设置有隔离板4，从而可以将内管中预制件上方的空间分隔成较小的部分以进一步提高隔离效果。
隔离板4的另外实施例包括如图4和5中表示的隔离板。图4(A)表示一组隔离板的透视图，图4(B)表示该单组隔离板设置在内管中的状态的垂直剖面图。图5(A)表示多组隔离板设置状态的垂直剖面图，图5(B)表示一组隔离板的详细剖面图。在这些例子中，隔离板组13或14由一内部件13a或14a和一外部件13b或14b构成。其材料与图1和2中的情况相同。外部件13b和14b的外径小于内管5的内径或者在外部件被停止的位置处与内管5’的内径相等，并且外部件13b和14b的中央孔径大于毛坯棒2的外径以吸收对内管和毛坯棒共轴条件的偏离。内部件13a和14a的外径大于外部件13b和14b的中央孔径并且小于外部件13b和14b的外径。内部件13a和14a的中央孔径略大于毛坯棒2的外径。在图4(B)的例子中，单组隔离板13的内部件13a置于连接部3之上，并且外部件13b置于内部件13a之上。因此，即使在毛坯棒2在内管5中左右摇摆而破坏了共轴条件的时候，也可以防止隔离板13损伤内管5，因为外部件13b通过在内部件13a上的滑动而随动。
尽管图4画出的例子中外部件和内部件都是碟形，但是在内管具有棱柱管形的情况下，至少外部件的外周形状必须为多边形。至于其外径和内径，可以考虑成沿同一方向从中心至外圆周和内圆周所测得的距离。
图5(A)的例子表示的实施例中相应组的隔离板14除了最下面隔离板15之外都由外部件14b和内部件14a构成。在此例中，内管5’为截锥形，隔离板14的外径，即外部件14b的外径，从上部至下部逐渐减小，并且在隔离板被停止的位置处与内管的内径一致。在图5(A)的例子中，相应组的隔离板14中外部件置于下面而内部件置于上面。
如前所述，当穿过有毛坯棒2的多组隔离板设置在连接部3之上时，在进行光纤拉制而使毛坯棒2持续下降的过程中，外部件14b按照从最上面隔离板14往下的顺序停止在内管5’的内壁表面上，在内部件14a置于相应组的外部件14b之上的状态下阻止了内部件14a向下运动，从而由相应组的隔离板14将内管5中的空间垂直加以分隔。尽管图5(A)所示的例子中多组隔离板除了最下面的隔离板之外分别由外部件和内部件构成，但是也可以仅仅一部分组的隔离板或者包括最下面隔离板在内的所有的多组隔离板由外部件和内部件构成。不采用外部件和内部件的组合，也可以用一个隔离板将所述空间加以分隔。如图5(B)所示，当在外部件14b的外周14c上设置有直径向上减小的尖锥形时，可以减小与内管5’的接触面积，从而可以减小隔离板14损伤内管5’的几率。
如图6所示，当在隔离板16的外周上以固定间隔设置具有向外的半球形凸起16a时，可以减小隔离板在内管中下降过程中在内管的内壁表面上滑动的滑动摩擦系数。既对于采用一个隔离板的情况，也对于如图4(A)和(B)以及图5中采用两个平板的组合的情况，都可以在外部件的外圆周上设置这种凸起以获得类似的效果。
图7表示隔离板由隔热材料制成的实施例的垂直剖面图，其中(A)表示光纤拉制开始时的状态，(B)表示光纤拉制接近完成时的状态。与图1中相同的标记表示相同的部件。数标17表示隔离板，18表示辅助加热器，19a表示上部空间，19b表示下部空间。由隔热材料制成的隔离板17由于其隔热效果而可以使毛坯棒下端附近的温度保持在400℃以下。可以采用隔热材料制成的碳素毡。隔热材料的厚度为大约30至150mm。存在其上方和下方由厚度约10mm的石英板夹持的情况。通过设置由隔热材料制成的隔离板，可以将隔离板上方的温度降低至大约300至400℃，即使在预制件上端附近的温度为大约1，200℃时。通过增加隔热材料的厚度，可以进一步降低隔离板上方的温度。可以采用由例如通过压制碳粉、泡沫陶瓷、泡沫石英等获得的材料制成的隔离板，如果其隔热效果可以达到与所述隔热材料相当的话。
因为上部空间19a中的下部温度可以通过采用隔热材料制作隔离板17加以降低，所以很少发生由于上部空间19a中温度差而引起在上部空间19a中保留的惰性气体的对流。因此，上部空间19a中惰性气体对流而影响预制件的光纤拉制部分附近的气流的情况也很少发生。
当在内管5的上端的外部设置有辅助加热器18以便将内管5的上端附近加热至大约400℃时，上部空间19a中的垂直温度差进一步降低，从而进一步促进温度的均匀性。这样，通过上部空间19a中的温度均匀性可以进一步抑制上部空间中的气体对流。在此情况下，由于隔离板降低了上部空间19a中的温度，所以不必要垂直设置大量的辅助加热器。在内管上部的外部仅仅设置一个辅助加热器就有可能充分具有这个效果。
在本发明的光纤拉制炉中，由于隔离板4或17设置在毛坯棒2的周围或者在毛坯棒2与预制件1之间，并且在内管壁上隔离板4和17的运动范围之下设有气体吹入口8，所以即使在预制件随着从其拉制的进行而缩短时，也可以保持隔离板4和17与预制件1之间的空间总是恒定，从而从气体吹入口8只有少量的向上气流，因而可以认为预制件与隔离板之间气流的紊流不会发生。虽然惰性气体会部分进入由隔离板4和17隔离的上部空间，但是由于该气流很小，所以该空间的惰性气流不会影响隔离板4和17之下的下部空间。
因此，从气体吹入口8进入的惰性气流很少流向预制件的上部，而是向下流向从炉体向下延伸的壳体12，因此所拉制光纤1a周围的惰性气流保持在层流状态。由于该气流基本不因预制件的下降而改变，所以可以使从预制件下端拉制的光纤的直径波动很小。
在图1、图2和图7所示的光纤拉制炉中，从直径90mm且长度1，500mm的预制件拉制出直径125μm的光纤，并且在每一情况下可以将光纤直径的波动抑制在±0．1μm以下。
工业应用性
本发明的光纤拉制炉和光纤拉制方法可以用于操作从含有玻璃例如石英玻璃作为主要成分的预制件拉制以制造光纤。