用于光纤生产的气体回收系统的制作方法

背景

本公开总体上涉及用于形成光纤的方法和设备，更具体而言，涉及用于俘获和回收用于光纤生产中的气体的光纤生产方法。

用于生产光纤的常规制造工艺通常包括在拉制炉中由光纤预制件拉制光纤，冷却经过拉制的光纤，并且在该光纤充分冷却后对其进行涂覆。通常在炉中在约2000℃下拉制光纤，且热量一般主要通过辐射来传递至预制件，但是，因遮蔽和自然对流而产生的强制流动所导致的炉中气体的流动也会影响气体温度。在光纤成形区的较低部位，即，光纤预制件根部及其下方的区域，对流热传递的相对贡献较大，在这些区域中，由于光纤的直径较小，辐射热传递通常变得微不足道。

在拉制炉中，因强制和自由对流所导致的气体流动一般会产生对流单体(convection cell)。这些单体可在温度梯度和气体密度的某些条件下变得不稳定。所导致的不稳定运动能够对光纤成形区中的热传递产生足够的影响，使得光纤包层的直径可发生显著改变，这通常是不希望的。为了抵消这种影响，可在炉中使用氦气作为气体。氦气能够降低对流单体的强度以及单体之间的温差。这一般能够改善对于光纤直径的控制，但其缺点在于昂贵的氦气被消耗，从而显著增加了成本。

概述

根据本公开的一种实施方式，提供了一种用于生产光纤的方法，所述方法包括使第一气体流入光纤拉制炉的步骤。第一气体通过加热区段，所述加热区段配置成容纳并加热玻璃源，光纤由所述玻璃源拉制，使第一气体通过限定俘获腔室的马弗炉。通过至少一个可操作连接至俘获腔室的回收口除去一部分第一气体。使第二气体以配置成基本上补偿与除去一部分第一气体相关联的压降的流速流入气体滤网。

根据本公开的另一种实施方式，提供一种光纤拉制炉，其包含高位马弗炉和连接至高位马弗炉的加热区段。所述加热区段配置成容纳并加热玻璃源，光纤由所述玻璃源拉制。低位延伸马弗炉在该低位延伸马弗炉的第一端部处连接至加热区段。低位延伸马弗炉在该低位延伸马弗炉的第二端部处限定俘获腔室。低位延伸马弗炉具有从第二端部向第一端部延伸的接头管，且所述接头管与该低位延伸马弗炉基本上同轴。

根据本公开的另一种实施方式，提供了一种光纤拉制炉，其包含加热区段和低位延伸马弗炉，所述加热区段配置成容纳并加热玻璃源，光纤由所述玻璃源拉制，所述低位延伸马弗炉具有连接至所述加热区段的第一端部。气体滤网连接至低位延伸马弗炉的第二端部，且包含限定入口和出口的外壳。管道从出口穿过外壳向入口延伸。在管道与外壳的入口之间限定狭缝，且所述狭缝配置成允许气体流入所述管道。

在以下的详细描述中给出了本文的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都仅仅是示例性，用来提供理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。

附图的简要说明

图1是根据一种实施方式的光纤拉制炉的剖面图；

图2是根据一种实施方式的图1的光纤拉制炉截取自区域II的放大剖面图；

图3A是根据一种实施方式的截取自图2的区域IIIA的放大剖面图；

图3B是根据另一种实施方式的截取自图2的区域IIIB的放大剖面图；

图3C是根据另一种实施方式的截取自图2的区域IIIC的放大剖面图；

图4是图示根据一种实施方式的用于操作光纤拉制炉的方法的流程图；

图5A是图示根据一个例子的光纤拉制炉的氦气俘获百分比的图线；

图5B是图示根据另一个例子的光纤拉制炉的氦气俘获百分比的图线；

图5C是图示根据另一个例子的光纤拉制炉的氦气俘获百分比的图线；以及

图5D是图示根据另一个例子的光纤拉制炉在各种系统配置下的氦气俘获百分比的图线。

详细描述

下面将详细说明优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要可能，在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的构件。

本文中出于说明目的，术语“高位”“低位”“右”“左”“背面”“正面”“垂直”“水平”以及它们的变体应当是参照图1中所公开的取向而言的，除非另有说明。然而，应当理解的是，本公开可设想各种替代性的取向，除非另有特定相反表述。还应当理解的是，附图中所例示的以及以下说明中所描述的具体装置和工艺只是所附权利要求中所限定的发明构思的示例性实施方式。因此，与本文所述实施方式相关联的具体尺寸和其它物理特征不应当被认为是限制性的，除非权利要求有其它明确表述。此外，附图中图示的实施方式可以不按照比例绘制，或者可包含多于一种实施方式的特征。

参考图1，图1大致显示了根据一种实施方式的光纤生产系统10(例如光纤拉制炉)。系统10包含高位马弗炉14、加热区段18、低位延伸马弗炉22和底部气体滤网26。加热区段18可被加热至约2000℃的温度。玻璃光纤预制件30被放置于加热区段18中，且由被加热了的光纤预制件30拉制光纤，以形成裸露光纤34。光纤预制件30可由任意玻璃或材料构成，且可经过合适的掺杂以进行光纤的制造。根据一种实施方式，一旦由预制件30拉制出裸露光纤34，就使该裸露光纤34在低位延伸的马弗炉22中冷却。可以约30m/s至约60m/s、或约40m/s至约50m/s的速率由光纤预制件30拉制光纤34。在一种特定的实施方式中，可以约42m/s的速率由光纤预制件30拉制光纤34。虽然低位延伸马弗炉22显示为连接至加热区段18的出口，但应当理解的是，低位延伸马弗炉22可由加热区段18整合式地限定，或者连接至加热区段18。穿过低位延伸马弗炉22并且穿过底部气体滤网26来拉制光纤34。

根据各种实施方式，第一气体G1可流入或被输入系统10的顶部或高位部分。可经由端口、入口或气体滤网来输入第一气体G1。可以约10标准升每分钟(slpm)至约40slpm、或约15slpm至约35slpm、或约20slpm至约25slpm的流速将第一气体G1输入系统10。在一些实施方式中，可以约21slpm、约22slpm、约23slpm或约24slpm的流速输入第一气体G1。第一气体可以是惰性的或在很大程度上惰性的气体，例如氦气、氖气、氩气、氮气或它们的混合物。第一气体G1沿着以下流动路径向下通过或经过系统10：从系统10的顶部经由高位马弗炉14，经由加热区段18而进入低位延伸马弗炉22，这大致上与光纤34的拉制具有相同的方向。

现在参考图2，低位延伸马弗炉22中限定有俘获腔室46。系统10包含至少一个可操作连接至俘获腔室46的回收口50。在图示的实施方式中，一对回收口50定位在低位延伸马弗炉22的一侧上，并且紧邻且可操作地与俘获腔室46连接，且这对回收口50配置成拽入系统10中气体的俘获物流。俘获物流可包含输入系统10中的第一气体G1的一部分(例如大于50％、大于60％、大于70％、大于80％、或大于90％、或大于99％)。俘获物流中第一气体G1的百分比(即，纯度)可大于约70％、大于约75％、大于约80％、大于约85％、大于约90％、大于约95％、或大于约99％。被回收口50拽入的俘获物流可具有约10slpm至约40slpm、或约15slpm至约35slpm、或约20slpm至约30slpm的流速。在一些实施方式中，回收口50可拉拽流速约为29slpm、或约30slpm、或约31slpm或约32slpm的俘获物流。回收口50可将含有第一气体G1的俘获物流运送至回收和再利用设备，所述回收和再利用设备配置成将第一气体G1从俘获物流中的其它气体中冷却、过滤和提纯。回收的第一气体G1可随后被重新引入系统10的顶部或者储存起来以备后用。使用回收口50将俘获物流和第一气体G1从俘获腔室46中除去可导致系统10中发生压降。

如图2所示，气体滤网26定位在系统10的底部。气体滤网26可宽于或窄于低位延伸马弗炉22。气体滤网26可有助于防止第一气体G1向系统10外流失以及防止空气进入系统10，而空气进入系统10可能污染被回收口50拉拽的俘获物流。在图示的实施方式中，气体滤网26包含具有入口66和出口70的外壳62，所述入口66紧邻低位延伸马弗炉22定位，所述出口70定位在外壳62的相反侧上。管道74主要在入口66与出口70之间延伸。经由外壳62拉制光纤34，所述光纤34经由入口66进入气体滤网26，通过管道74，经由气体滤网26的出口70移动到系统10的外侧。在图示的实施方式中，管道74分成利用O型圈78隔开的高位管道74A和低位管道74B。应当理解的是，可在不偏离本公开精神的前提下用单一管道替代高位管道74A和低位管道74B。在这种实施方式中，O型圈78可环绕管道74延伸。低位管道74B可操作地连接至紧邻出口70的外壳62。在高位管道74A与紧邻入口66的外壳62之间限定狭缝82。狭缝82配置成允许气体流入高位管道74A。高位管道74A可不接触紧邻入口66的外壳62，以使狭缝82沿着高位管道74A的整个圆周延伸而成为单个连续开口，或者高位管道74A可在各种位置以各种方式与外壳62接触，以使狭缝82包含多个开口(例如形成滤网的多个孔洞、格栅或多个狭缝)。狭缝82的宽度可小于约3cm、小于约2cm、小于约1cm、或小于约0.5cm。在一种特定的实施方式中，狭缝82可具有约0.32cm的宽度。狭缝82使管道74的内部与限定在管道74与外壳62之间的空腔86流体连接。O型圈78配置成延伸进入空腔86一段预定距离。

进一步参考图2，当俘获物流被拽入时，回收口50可在系统10中产生压降。在系统10中逐渐产生压降可不利于第一气体G1的回收。随着系统10中的压力因第一气体G1的除去而降低，紧邻气体滤网26的出口70处的气氛(例如氮气、氧气、二氧化碳等)中的空气可具有被拽入系统10的趋势，从而污染被回收口50拽入的俘获物流。因此，多个气体口90配置成以一定的流速或量将第二气体G2输入系统10，所述流速或量配置成补偿与在俘获腔室46中利用回收口50除去第一气体G1相关联的系统10中的压降。气体口90可以约1slpm至约40slpm、或约5slpm至约35slpm、或约10slpm至约30slpm、或约25slpm至约35slpm、或约28slpm至约33slpm的流速引入第二气体G2。在一些实施方式中，气体口90可以约8slpm、约9slpm、约10slpm、约11slpm、约12slpm、约29slpm、约30slpm、约31slpm、或约32slpm的流速引入第二气体G2。在另一些实施方式中，气体口90可以约0.5slpm、约1slpm、约2slpm、约3slpm、约4slpm、约5slpm、约6slpm、或约7slpm的流速引入第二气体G2。第二气体G2可以是惰性的或在很大程度上惰性的气体，例如氦气、氖气、氩气和/或氮气。虽然气体口90图示为被定位在气体滤网26的相反侧上且具有大致相同的高度，但气体口90也可具有不同的高度，且它们之间可任意地在径向上分开。

气体口90定位在O型圈78的下方，紧邻气体滤网26的出口70和低位管道74B，以使得随着第二气体G2被引入气体滤网26，第二气体G2经由位于O型圈78与外壳62之间的空腔86向上流动。随着第二气体G2在O型圈78与外壳62之间流动，由于O型圈78的几何构型和外壳62(即，第二气体G2的流动路径收缩)，第二气体G2的流动被流形化(manifold)，变得更加均匀，或者变成层流。这样一来，应当理解的是，在不偏离本公开精神的前提下，可用类似的结构取代O型圈78，或者外壳62或管道74可限定类似的结构。第二气体G2的层流流动随后向狭缝82移动，进入管道74，再从气体滤网26的出口70流出。随着第二气体G2进入管道74，系统10中的压降可基本上(例如大于约50％、大于约60％、大于约70％、大于约80％、大于约90％、大于约95％、或大于约99％)或完全得到补偿。由于第二气体G2最终会经由气体滤网26的出口70而损耗在大气中，使第二气体G2比第一气体G1更加廉价或更加普通可能是有利的。例如，第一气体G1可以是氦气，而第二气体G2可以是氩气。在各种实施方式中，气体滤网26可(例如在管道74中或紧邻入口66处)使用氧气吸收剂或吸氧剂，以确保抵达回收口50的来自大气的氧的量最少(例如小于约30ppm、小于约20ppm或小于约10ppm)。

现在参考图2～3C，接头管98延伸穿过低位延伸马弗炉22的俘获腔室46。接头管98可连接至气体滤网26的入口66或低位延伸马弗炉22，或者由气体滤网26的入口66或低位延伸马弗炉22限定。接头管98包含管体102和进口106。管体102可与气体滤网26的管道74基本上同轴，以使光纤34可通过低位延伸马弗炉22和气体滤网26而不会发生接触或弯曲。接头管98的管体102具有足够的长度以通过俘获腔室46，以使通向接头管98的进口106定位在回收口50的上方。这种实施方式的优势可在于，第二气体G2或系统10周围气氛进入回收口50所需的流动路径得以延长，从而降低了第二气体G2或气氛可能向回收口50迁移并污染俘获物流的可能性。在各种实施方式中，这可提高回收口50的俘获物流中第一气体G1的纯度。接头管98可具有约0.25英寸(0.635cm)至约2.0英寸(5.08cm)、或约0.5英寸(1.27cm)至约1.0英寸(2.54cm)的内径。在一些特定的实施方式中，接头管98的内径可为0.5英寸(1.27cm)、0.75英寸(1.905cm)、1.0英寸(2.54cm)、或1.25英寸(3.175cm)。接头管98可具有约1英寸(2.54cm)至约10英寸(25.4cm)、或约2英寸(5.08cm)至约7英寸(17.78cm)的长度。在一些特定的实施方式中，接头管98可具有约3英寸(7.62cm)、约4英寸(10.16cm)、约5英寸(12.7cm)或约6英寸(15.24cm)的长度。

在光纤34的生产过程中，系统10中可产生各种微粒(例如SiC和/或石墨晶粒)从而污染光纤34，导致光纤34的断裂和/或因拉制而引起的点瑕疵。点瑕疵可测量为由光纤34的光时域反射计(OTDR)衰减测量得到的信号中的局部偏差。接头管98的进口106的改变可减少或缓和因拉制而引起的点瑕疵的数量和/或频率。图3A～C提供了接头管98的进口106的各种实施方式。接头管98的进口106可采用各种配置。在各种实施方式中，进口106可包含收窄部分110。收窄部分110可以是倒置的，以使接头管98的进口106随着其靠近管体102而逐渐变窄。使用收窄部分110可在以下方面具有优势：通过减小第一气体G1速度矢量的径向分量的大小来减少因拉制而引起的点瑕疵，从而减小第一气体G1向加热区段18的壁的流动(图1)，进而减少进入低位延伸马弗炉22并被再循环的颗粒。在第一种实施方式(图3A)中，进口106可简单地包含向接头管98的管体102逐渐变窄的收窄部分110。在第二种实施方式(图3B)中，进口102可结合第一凸缘114，所述第一凸缘114与接头管98基本上同轴。第一凸缘114可被置于收窄部分110的顶部，以使进口106从第一凸缘114向管体102逐渐变窄。在第三种实施方式(图3C)中，第二凸缘118可定位于第一凸缘114的顶部，第二凸缘114与接头管98的管体102以及第一凸缘114垂直。第二凸缘118可从接头管98向内和/或向外延伸。使用图3A～C中图示的实施方式可以将每一公里所制得的光纤34的因拉制而引起的点瑕疵从不具有进口106(例如，仅接头管98的管体102)的实施方式中的约5％减少到至少使用收窄部分110的实施方式中的小于约1.5％。

现在参考图4，下面讨论示例性的方法130，其用于操作光纤生产系统10来生产光纤34并且回收第一气体G1(例如氦气)。第一步骤134可包括在光纤拉制过程中使第一气体G1流入光纤生产系统10的操作。如上文所述，第一气体G1可经由入口、气体滤网、端口或者使气体进入系统10的其它方法进入系统10的顶部。随后，进行第二步骤138：使第一气体G1通过加热区段18。第一气体G1从系统10的顶部经由高位马弗炉14进入加热区段18。随着第一气体G1通过加热区段18，其流过玻璃光纤预制件30和由该预制件30拉制的光纤34。随后，进行第三步骤142：使第一气体G1通过低位延伸马弗炉22。随着第一气体G1通过低位延伸马弗炉22，第一气体G1的一部分进入俘获腔室46，而剩余的第一气体G1紧随通过接头管98的光纤34。接着，在第四步骤146中，第一气体G1中进入俘获腔室46且紧邻接头管98的部分通过回收口50而被除去。随后，可对第一气体G1的被除去部分进行冷却、清洁、循环和再利用。最后，进行第五步骤152：使第二气体G2流入气体滤网26，以补偿压降。如上所述，一部分第一气体G1通过回收口50被除去会在系统10中产生压降或负压，这可导致经由气体滤网26的出口70的气氛夹带(例如氮气和氧气)。这样一来，可使第二气体G2进入气体滤网26以抵消负压，或者补偿与第一气体G1的除去相关联的压降。

实施例

现在参考图5A～D，图5A～D图示的各个图线显示了在系统10的模拟中被回收口50俘获的氦气(例如第一气体G1)的百分比，这些数据根据系统10的参数有所改变的各个实施例得到。

现在参考图5A，图5A图示了在一种模拟中从系统10(例如通过回收口50)俘获得到的气体物流中氦气的百分比或纯度，其涉及接头管98的直径。在该特定实施例中，回收口50具有约32slpm的俘获流速，接头管98具有约3英寸(7.62cm)的长度，以约42m/s的速度牵拉光纤34，并且以约10slpm的流速将第二气体输入气体滤网26。从图5A的图线中可以发现，随着接头管98的直径的增大，俘获气体物流中氦气的百分比减小。这可能是由于随着接头管98中可用空间(例如直径)的增加，来自气体滤网26的第二气体G2向上移动通过接头管98并且通过回收口50的能力增强。

现在参考图5B，图5B图示了基于接头管98的多种示例性直径，通过回收口50的俘获气体物流中氦气的百分比随俘获流速而变化的情况。在这些模拟中，光纤的拉制速度约为42m/s，气体滤网26的自气体口90的流速约为10slpm，且接头管98具有约3英寸(7.62cm)的长度。与图5A中观察到的类似，增大接头管98的直径会减小通过回收口50的俘获气流中氦气的百分比，这相当于增强了对于通过回收口50的空气和第二气体G2的俘获。

现在参考图5C，图5C图示了基于接头管98的多种示例性长度，通过回收口50的俘获气体物流中氦气(例如第一气体G1)的百分比随俘获流速而变化的情况。在这些模拟中，光纤34的拉制速度约为42m/s，气体滤网26的自气体口90的流速约为10slpm，且接头管98具有约0.75英寸(1.9cm)的直径。如图5C中所示，增加接头管98的长度允许在获得与更短的接头管98相比类似或更大的氦气百分比的同时，施加更高的俘获流速。

表1：系统10的示例性配置。

现在参考图5D，图5D图示了基于自回收口50的俘获流速的表1中所示试样配置的俘获气体物流中的氦气(例如第一气体G1)。从图5D中可以发现，随着通过回收口50的俘获流速的增大，俘获气体物流中氦气的纯度减小。此外，从图5D中可以发现，随着第一气体G1流速的增大，通过回收口50的俘获气流中氦气的百分比增大。

尽管为了说明而给出了本文所述的实施方式，但是前面的描述不应被认为是对本说明书或所附权利要求书的范围的限制。对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不偏离权利要求的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和变动。

本领域普通技术人员应当理解的是，所述公开的结构以及其它组件不限于任何具体材料。本文所公开的公开内容的其它示例性实施方式可由各种各样的材料形成，除非本文另有描述。在本说明书和修改的权利要求中，单数形式“一个”、“一种”和“该/所述”包括复数形式，除非上下文中另有明确规定。

当提供数值范围时，应当理解的是，该范围的上限与下限之间的每一个中间值(直至下限单位的十分之一)以及所述范围内的任意其它所述数值或中间值都包含在本公开中，除非上下文另有明确表述。这些更小范围的上限和下限可独立地包含在这些更小的范围内，并且也包含在本公开内，受制于所述范围中的任意特定排出界限。在所述范围包含这些界限中的一个或两个的情况下，将那些包含在内的界限中的一个或两个排除在外的范围也包含在本公开内。

出于本公开的目的，术语“连接”(其它表述方式：相连、连接至、与……相连等)一般表示两个组件彼此直接或间接地(电或机械)接合。这种接合可以是本质上固定的或本质上可移动的。这种(电或机械)接合可通过两个组件以及任意附加中间部件来实现，所述中间部件可彼此或与两个组件整体地形成为单体主体。这种接合可以是本质上永久的，或者可以是本质上可移除的或可释放的，除非本文另有说明。对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不偏离权利要求的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和变动。