生产光纤的方法

专利名称：生产光纤的方法
技术领域：
本发明涉及生产光纤的方法，在此类光纤制造过程中，沿着非线性路径 (nonlinear pathway)生产光纤。更具体地说，本发明涉及结合了流体轴承(fluid bearing)的光纤生产方法。
背景技术：
生产光纤的常规技术和制造方法一般包括在各生产阶段中沿着线性路径 向下牵拉光纤。但是，这种技术严重妨碍了对光纤生产的改进和改良。例如， 与光纤线性生产相关的设备通常以从顶部到底部的方式排列，从而难以在不增 加整体系统高度的情况下对方法进行增加或改变。在一些情况下，对线性生产 系统进行增加需要额外的结构，从而增加了建筑外壳(building housing)的高度 (例如，拉制塔位于或接近已有建筑顶棚的情况)。这种妨碍作用导致为了改变 或更新光纤生产系统和设施的成本明显提高。
提供使得制造商得以取消只能线性方式进行生产的系统和方法将显著降 低进行改变或更新的成本。例如，通过使用水平伸展(取代垂直伸展，或与垂直 伸展同时使用)的系统，将更容易和更节约成本地为生产系统提供额外部件和设 备。另外，这种排列能够提供更有效的工艺路径，使得可以使用较低成本的聚 合物、较高的涂覆速度，从而提供改进的光纤冷却技术。
发明概述
本发明意在解决和消除问题和缺点，另外改进生产光纤的系统和方法。 为了实现上述目的，本发明一个实施方式包括生产光纤的方法，所述方法 包括沿着第一路径从预制件拉制裸光纤，使裸光纤接触流体轴承的流体缓冲垫(fluid cushion)区，在将裸光纤拉过流体缓冲垫区时沿着第二路径重新定向该裸光纤。
本发明另一方面包括生产光纤的方法，所述方法包括沿着第一路径拉制光 纤，使光纤接触流体轴承的一个区，其中，所述流体轴承包括具有弓形外表面 的第一挡板和具有相应弓形外表面的第二挡板，其中，所述相应外表面是充分 对准的，在第一挡板和第二挡板的相应外表面之间形成所述区，其中，所述区 设置成能够接受光纤，并且有至少一个开口通过第一挡板和第二挡板中的至少 一个，所述开口设置成能够提供流过流体轴承的流体。所述方法进一步包括在 将光纤拉过流体缓冲垫区时沿着第二路径重新定向所述光纤。
本发明另一方面包括生产光纤的方法，所述方法包括沿着第一路径拉制光 纤，使光纤接触第一流体轴承的第一流体缓冲垫区，在将光纤拉过第一流体轴 承的第一流体缓冲垫区时沿着第二路径重新定向光纤，使光纤接触第二流体轴 承的第二流体缓冲垫区，在将光纤拉过第二流体轴承的第二流体缓冲垫区时沿 着第三路径重新定向光纤。所述方法还包括用涂层涂覆光纤。
在本文所述本发明的任何方面中，流体轴承优选可以包括在光纤通过所述 流体轴承时用于引导所述光纤的通道。所述通道优选由两个平行或基本平行的 侧壁形成，这两个侧壁形成光纤从中通过并重新定向的通道。在光纤拉制操作 期间，优选将光纤完全定位并保持在所述通道内和所述侧壁之间，并且使所述 流体缓冲垫从所述通道的一端至另一端在其间喷过。通常，流体在由光纤通过 流体轴承而形成的弓形路径内的一点处进入通道，从所述光纤弓形路径外的一 点处离开通道。与光纤形成的弓形路径外的压力相比，在所述弓形路径内存在 于光纤下方的压力较高，这种较高的压力会使光纤浮起。优选为通道提供能够 在光纤在通道中朝向弓形路径的外侧运动时降低所述弓形路径内的压力的装 置。例如，可以提供楔形的通道，从而当光纤在通道内升高时降低光纤下方的 压力。在一些优选实施方式中，通道侧壁以一定角度倾斜，流体进口处的通道 宽度小于流体出口处的沟槽宽度。
本发明的其它特征和优点将在以下详细说明中提出，本领域技术人员通过 阅读说明书或者通过实施本文所述的本发明(包括以下详细说明、权利要求和附 图)将了解，这些其它特征和优点中的一些是显而易见的。
应该理解，以上一般说明和以下详细说明提出了本发明的实施方式，意在 为理解所要求权利的本发明的性质和特征提供概述或框架。包括附图以提供对本发明进一步的理解，附图结合在本说明书中，并且构成本说明书的一部分。


本发明的各实施方式，与说明书一起阐述了本发明的原理和操作。
附图简要说明
图1说明一种光纤生产系统； 图2说明另一种光纤生产系统；
图3说明用于光纤生产系统的一种流体轴承的分解图4说明用于光纤生产系统的具有楔形区的一种流体轴承的侧视图5说明图4中流体轴承的一个区域的部分放大图6说明流体轴承的一部分的前视图7说明另一种流体轴承设计的截面图8说明另一种流体轴承设计的截面图。
附图中提出的实施方式是说明性的，并不意在限制由权利要求限定的本发 明。而且，参考详细说明，附图和本发明的各特征将是更显而易见和更容易理 解的。
本发明优选实施方式
以下将具体参考本发明的优选实施方式，附图中说明了这些实施方式的实 施例。在附图中，将尽可能使用相同的附图标记指代相同或类似的部件。
本发明提供了生产光纤的新系统和新方法，其中，通过使用流体轴承沿着 非线性路径生产光纤。本文联系附图1-6具体描述本发明的实施方式，其中，
类似的附图标记指代附图中相同或相应的要素。
本发明提供的系统和方法使得能够从初始预制件拉制光纤并沿着非线性 路径传递光纤。本文使用术语"裸光纤"表示直接从预制件拉制的光纤，尚未对 其外表面施用保护性涂层(例如，在用聚合物基材料对裸光纤进行涂覆之前)。 本发明通过使光纤在施用保护性涂层之前沿着非线性路径在各生产阶段中传 递而提供了灵活性。另外，如下文讨论的，本发明的系统和方法不仅提供了非 线性路径，还能促进在生产过程期间对光纤进行加工(例如冷却)。
参见附图1，说明了生产光纤8的一种系统的例子。在图1所示的实施方 式中，将预制件10置于熔炉12中，由其拉制光纤，产生裸光纤14。预制件 10可以由适合于制造光纤的任何玻璃或材料构成。 一旦从预制件10拉制出裸
7光纤14并且离开熔炉12，裸光纤14立刻接触固定式流体轴承16(下文讨论) 并且在运动到冷却装置18之前从沿着第一(基本上垂直的)路径(A)运动转换成 沿着第二路径(B)运动。如图所示，第二路径(B)水平取向，或者与第一路径正 交，但是应该理解，本文所述的系统和方法可以在施用保护性涂层之前沿着任 何非线性路径重新定向光纤。
在图l所示的实施方式中，光纤14在到达涂覆单元20之前，在通过任选 的冷却装置18的时候被冷却，在所述涂覆单元20处，在裸光纤14的外表面 上施用第一层保护涂覆层21。冷却装置18可以是用来冷却光纤的本领域中已 知的任何装置。优选在冷却装置中填充能够促进光纤以比空气冷却更快的速率 冷却的气体。需要时可以使用任选的额外的流体轴承24，在裸光纤14运动至 涂覆单元从而接受保护层时，将其从基本水平的路径(B)(通过轴承16和24的 对准而产生)传递回到基本垂直的路径(A)(或者任何其它第三路径)。离开涂覆单 元20之后，具有保护层21的光纤(不再是裸光纤)可以通过系统内的各种其它 加工阶段(未显示)。在将光纤拉过图1所示整个系统并且最终绕在光纤储轴 (storage spool，未显示)上时，使用牵拉装置28在光纤上提供必需的牵引力。
如下文所述，流体轴承(例如16和24)将光纤14传递通过光纤生产系统8， 使得光纤在到达牵拉装置28之前没有发生任何机械接触。"机械接触"是指与拉 制过程中的固体部件发生接触。不发生机械接触对于保持脆弱的裸光纤的品质 是很重要的，对在通过施涂器20进行涂覆之前运动经过非线性路径的光纤而 言尤为重要。由牵拉装置28提供的机械接触是可以接受的，原因是，在系统 中的该点处，光纤已经涂覆有保护层21，机械接触不会象对未涂覆光纤那样对 已涂覆光纤的品质产生明显影响。
如本文所讨论的，提供在涂覆步骤之前具有非线性路径的光纤生产系统具 有许多优点。例如，在常规生产系统中，在涂覆单元之前增加新的或额外的部 件，例如额外的冷却装置18或额外的涂覆单元20，意味着所有这些装置需要 进行线性的重新排列， 一般需要增加系统的高度。使用本文所述的光纤生产系 统，可以在施用保护性涂层之前沿着水平或对角(例如与垂直方向的夹角)方向 输送光纤，从而不仅在构建设备时提供更大的灵活性，并且在以后的改变、增 加和更新时提供更大的灵活性。
图2说明光纤生产系统108的另一个实施方式。如图2中所示，可以组合 使用多个流体轴承116，将来自预制件110的光纤114传递至涂覆单元120。鉴于图1的冷却装置18位于从预制件10形成光纤14之后和光纤到达涂覆单
元20施用保护层21之前，图2提供了取消标准冷却装置的一个实施方式。具 体地说，流体轴承116(或图1中的14或24)替代了标准冷却装置(例如图1中 的18)，起到了冷却装置118的作用(并且提供了流体缓冲垫区，裸光纤114可 以运动经过该区)。将光纤114传递经过流体轴承116时(下文描述)，各流体轴 承116上的流体缓冲垫区使裸光纤114冷却。例如，参见图2，离开熔炉112 进入流体轴承116的光纤114的温度可能约为1000-180(TC或以下。在一些优 选实施方式中，光纤在其温度低于1300°C、更优选低于120(TC的情况下进入流 体轴承116，在一些实施方式中，低于110(TC。由于流体轴承应用承载光纤的 运动流体流，所以光纤的冷却速率比光纤在环境静止空气(例如刚离开拉制熔炉 时的情况)中的冷却速率更快。光纤和流体轴承中流体(优选为环境温度或室温 的空气)的温度差越大，流体轴承冷却光纤114的能力越大。在另一个实施方式 中，实际上可以对喷过流体轴承116的流体进行冷却，从而以更快的速率冷却 光纤。流体缓冲垫区内的流体能为光纤114提供充分的冷却，从而能够将光纤 直接传递至涂覆单元120，在裸光纤114的外表面上施用保护层，生产经过涂 覆的光纤121。在一个实施方式中，流体轴承116的流体缓冲垫区可以包含不 与裸光纤114反应的流体(例如空气、氦气)。
除了提供冷却之外，应用了多个流体轴承116的图2的排列还能在将裸光 纤114从基本线性的排列(Y)转换成基本非线性的排列(Y+Z)时提供更好的稳 定性。不希望受限于理论，通过应用彼此相邻排列的多个流体轴承116，能够 更容易地控制使光纤114从流体缓冲垫的一个区运动至下一个区时需要的精确 性。当然，应该理解，可以应用以任何顺序排列的任意数量的轴承组(以下讨 论)(包括应用一个轴承组的情况)、提供任意数量的所需路径来生产光纤。
至此，已经描述了以非线性路径生产光纤的系统和方法。如本文所述，这 些系统和方法可以包括结合一个或多个轴承组。图3说明可以如本文所述用于 生产光纤的轴承组216的一个实施方式。在图3所示的实施方式中，轴承组 216(有时候称为"流体轴承")包括第一挡板230、第二挡板232、内部元件236、 位于第一和第二挡板中至少一个中的至少一个开口 234。第一挡板230和第二 挡板232可以由金属制造，包括弓形外表面238、 239，可以彼此相对定位。第 一挡板230和第二挡板232通过紧固件(例如螺栓240)相连，从而将挡板230 和232连接在一起，使得流体可以通过轴承组216。各挡板230、 232的弓形外表面238、 239 —般沿着对应各挡板230、 232的周边展开。第一挡板230和第 二挡板232各自具有对应的内表面242、 244和外表面243、 245，其中，挡板 230、 232的内表面242、 244彼此对准。凹陷部分247至少部分地环绕第一挡 板230或第二挡板232的内表面242、 244，从而为流体流动提供增压(plenum)。 在另一个实施方式中，所述凹陷部分可以包括多种构造，从而在光纤承载通道 250中提供均匀的流动，如下文所讨论。
在所示实施方式中，第一挡板230和第二挡板232的弓形外表面238、 239 优选基本对准，并且在第一挡板230和第二挡板232的外表面238、 239之间 形成一个区。该区构造成能够接受光纤，因此，光纤能够沿着该区运动而不需 要轴承组发生旋转。图4中所示的实施方式中更清楚地说明了光纤承载通道 250(下文讨论)。至少一个开口 234通过第一挡板230和第二挡板232中的至少 一个。如图3中所示，第一挡板230和第二挡板232的开口 234使得流体(例如 空气、氦气、或其它所需的气体或液体)能够传送通过轴承组216，因此，流体 能够在光纤承载通道250处离开轴承组216，所述通道在第一挡板230和第二 挡板232之间形成(图4和5中能更清楚地显示)。
另外，如图3中的实施方式所示，轴承组216可以包括位于第一挡板230 和第二挡板232之间的内部元件236。所述内部元件236(例如薄垫片237)构造 成能够帮助将流体定向至第一挡板230和第二挡板232的外表面238、 239之 间的区，使得流体离开具有预定流动方向的光纤承载通道250。内部元件236 位于第一挡板230和第二挡板232之间，从而在其间提供缝隙。内部元件236 定向流体，使其离开具有预定流动方向的光纤承载通道250。需要时，内部元 件236可以包括多个指状物(未显示)，从而通过抑制非径向流动进一步控制流 体流动。另外，内部元件236作为密封(sealing)部分，在第一挡板230和第二 挡板232之间提供充分接触。内部元件还可以包括槽口，以促进光纤的进入和 离开，如图6中所示(下文所述)。
如图4中所示，在第一挡板230和第二挡板232的外表面238、 239之间 形成的光纤承载通道250可以是楔形的，其中，流体在第一挡板230和第二挡 板232之间离开。但是在另一个实施方式中，光纤承载通道250例如可以包括 平行或反向的楔形。另外，楔形光纤承载通道250内的开口 260可以根据光纤 214垂直定位的位置而变化。开口 260和光纤承载通道250的优选构造是，对 于应用的具体牵引力和牵拉速度、以及流体流过开口 260的速率，对于典型外直径是125微米的光纤，光纤能够保持在光纤承载通道250中小于500微米宽 度的横截面内，较优选该宽度小于400微米，更优选小于300微米，最优选小 于200微米。因此，优选光纤能保持在通道250中光纤直径l-2倍的区域内， 更优选为光纤直径的1-1.75倍，最优选为光纤直径的1-1.5倍的区域内。优选 光纤位于通道内部时使光纤外侧与各侧壁之间的距离为光纤直径的0.05-0.5 倍。
参见图5，形成光纤承载通道250的表面242和244的长度优选至少为0.5 厘米，更优选长度至少为1厘米。例如在一个实施方式中，光纤承载通道250 的深度可以是1.25厘米。对于125微米的光纤，光纤承载通道250横向宽度 (distance across fiber support channel)例如可以是，在挡板230禾卩232之间最内 部和最窄横向宽度约为127微米，在挡板230和232之间最外部和最宽横向宽 度(弓形外表面238、 239的略靠内侧)约为380微米。
图5是图4中一部分的放大图，更清楚地显示了光纤承载通道250，该通 道具有在光纤214传递通过流体轴承组216时接触光纤214并且防止光纤与流 体轴承组216的机械部件发生实质接触的流体254的一个区。如图5所示，流 体254(例如空气)从轴承组216内离开光纤承载通道250，流体254环绕光纤 214，并且在光纤214下方提供流体254的一个区，该区在光纤下方产生正压， 从而作用于光纤底部起到承载作用。可以对压力进行优化，使光纤214定位于 流体轴承组216的第一挡板230和第二挡板232之间形成的光纤承载通道250 内。具体地说，在光纤承载通道250处(目卩，光纤214的下方)离开轴承组216 的流体254可以具有恒定的流体流动速率，该速率能够将光纤214保持或承载 在光纤承载通道250内的特定位置处。为光纤承载通道250提供足够高的流体 压力，从而在光纤214运动经过流体轴承组216时承载光纤214并且将光纤保 持在光纤承载通道250内所需的位置处。
从图5中可知，在一些优选实施方式中，表面242和244优选是楔形或倾 斜的，从而使光纤承载通道250在流体254进入光纤承载通道250的端部(即， 在光纤214通过流体轴承时由光纤形成的弓形路径的内侧)具有较窄的宽度。在 所示实施方式中，为了方便观看，图中的倾斜角度(taperedangle)在朝向光纤承 载通道250的优选倾斜角度水平上有所夸张。事实上，表面242和244中至少 一个、优选两个是各自倾斜的，倾斜角度优选大于0且小于10度，更优选0.3-7 度，最优选0.4-3度，因此，光纤承载通道250顶部或外部256的宽度260要大于光纤承载通道250底部或内部257的宽度260。例如，在这样的一个实施 方式中，形成所述区的第一挡板230和第二挡板232可以分别倾斜-.6度和+ .6 度。或者，光纤承载通道250可以具有任意深度、宽度或倾斜角度。通过利用 楔形的光纤承载通道250(例如图4和5中所示)并且将流体注射入光纤承载通道 250形成的沟槽中，使流体进入光纤承载通道250较窄的内部并且从较宽的外 部离幵光纤承载通道250，喷过通道250的流体缓冲垫就能使光纤自定位于通 道250的深度内。例如，对于给定的流体流动，如果光纤牵引力增大，则光纤 将在通道250中向下运动直到光纤214与通道侧壁242和244之间的缝隙小到 足以使通道250中的压力足够大，足以恰当校正新的较高牵引力。如果光纤牵 引力减小，则光纤将在通道250中向上运动直到光纤214与通道侧壁242和244 之间的缝隙大到足以使通道250中的压力小到足以恰当校正新的较低牵引力。 使通道250呈楔形，从而使通道250能够适应更宽的牵引力范围。或者，如果 所示通道250并非楔形而且牵引力减小，则光纤会向上运动离开光纤承载通道 250。
优选光纤位于通道250中为光纤直径约l-2倍的区域中，更优选为光纤直 径约1-1.75倍，最优选为光纤直径约1-1.5倍。通过将光纤定位于通道250中 这样较窄的范围中，光纤能够在操作期间因为伯努利效应(Bernoulli effect)而使 自发居中定位。例如，当光纤接近表面244而远离表面242时，最靠近表面242 的空气速度将增大，而最靠近表面244的空气速度将减小。根据伯努利效应， 流体速度增大的同时压力会减小。结果是，靠近表面244的流体流速减小导致 压力增大，迫使光纤回到通道250的中心。因此，在优选实施方式中，至少基 本上由于伯努利效应，在牵拉光纤时产生环绕光纤使其离开光纤承载通道250 的流体流，从而使光纤在光纤承载通道250内居中。要注意的是，进行这种居 中时不需要利用任何从侧面冲击光纤的流体流动，例如，没有利用任何从侧壁 242或244发射的流体流动。优选对运动通过沟槽的流体流的速度进行调节， 从而使光纤保持整体定位于沟槽250的楔形区内。在所述实施方式中，光纤定 位于通道250内约为光纤直径l-2倍的一个区域中，通过光纤214下方存在的 压差承载光纤(而不是通过气动阻力承载光纤，需要时也可以选择利用气动阻力 来承载光纤)。与利用气动阻力来浮升光纤的情况相比，通过利用流体压差来承 载或浮升通道250内的光纤，流体流速可以低得多。
在所示实施方式中，优选提供单独一种流体流，该流体流经由光纤承载通道250较窄的内部进入该通道并且经由较宽的外部离开该通道。以这种方式，
可以将光纤整体定位于光纤承载通道250形成的沟槽内，使得光纤在沟槽的最 窄和最宽部分之间浮起。通过利用楔形的光纤承载通道250并且以这种方式注 射流体流过区域250，可以将光纤保持在光纤承载通道250形成的所述沟槽的 一个区中，其中，该沟槽的宽度比定向通过光纤承载通道250的光纤直径大 10-150微米，更优选大15-100微米，最优选大24-70微米左右。在光纤拉制过 程期间，还优选将光纤保持在通道的一个区内，使光纤外侧与各侧壁之间的距 离为光纤直径的0.05-0.5倍。
在一些优选实施方式中，光纤承载通道250具有在光纤向外运动远离流体 流动源时能够减小光纤下方压力的装置。这种用于减小压力的装置可以以上述 楔形通道设计的形式实现。或者，如图7中所示，可以在形成通道250的侧壁 242、 244中一个或两个中设置一个或多个沟槽270，沟槽270从通道250进口 处向通道出口处径向延伸，尤其是在光纤拉制操作期间将要使光纤定位的通道 区处(即，光纤通过空气轴承的位置)。由于流体接触开有沟槽的通道时会流出 沟槽并从而流出通道250，因此对于施加在通道250中的任何给定流体压力， 光纤在通道250中的位置越高，则用于承载光纤的流体压力越小。光纤处于较 高位置时，通道250中光纤下方的沟槽面积将较大。相反，光纤处于较低位置 时，在光纤下方的沟槽面积将较小。因此，随着光纤上牵引力的减小，光纤仍 然能够保持在通道250中，即使形成通道的侧壁彼此完全平行也是如此，原因 是，当光纤在通道内向上或向外运动时，会有更多的流体离开沟槽，从而减小 光纤下方的压差，使通道中的光纤停止向上运动。当然，本发明并不限于使用 沟槽来减小压力，还可以使用其他装置来减小压力，例如在表面242、 244上 设置成串排列并向外径向延伸的小孔。
在其他优选实施方式中，如图8中所示，可以使用多孔材料272提供在通 道250中的光纤向外运动远离流体流动源时用于减小压力的装置，所述多孔材 料使流体能够流过通道250的侧壁表面242、 244离开。这种用于减小压力的 装置可以以多孔金属介质的形式实现，例如使金属床烧结而形成，从而在烧结 过程期间使孔隙夹杂于金属中。这种多孔金属介质例如可以从美国康涅狄格州 塔利弗韦勒市的应用多孔技术公司(Applied Porous Technologies, Tariffville, Connecticut, USA)获得。由于流体通过多孔材料272流出通道，因此，光纤 在通道250内的位置越高，流过通道250的流体就越少，用以承载光纤214的流体压力就越小。因此，随着光纤上牵引力的减小，光纤仍然能够保持在通道 250内，即使形成通道的侧壁彼此完全平行也是如此，原因是，通道内的光纤 向上或向外运动时，流体通过多孔金属离开，从而减小了光纤下方的压差，使 通道中的光纤停止向上运动。
本文所述的流体轴承使得光纤能够沿着流体缓冲垫区运动，从而避免或基
本避免光纤和轴承组216之间的实际机械接触，例如，光纤在光纤承载通道250 内运动而不会接触挡板230或232。另外，由于所述区的尺寸和构造的原因， 在一定范围的牵引力之下，流体轴承可以在不需要对流体流动进行主动控制的 情况下将光纤保持在该区之内而不会发生机械接触。
参见图5，要防止光纤214向光纤承载通道250的底部257运动并且接触 到光纤承载通道250的填隙片237或侧壁(内表面242、 244)，流体流动是很重 要的。在光纤仍然为裸光纤的时候这一点尤其重要，这样的话，光纤的品质才 不会因为与轴承组216的机械接触而受影响。而且，人们相信，光纤214的位 置越靠近光纤承载通道250的底部257，光纤承载通道250内就需要越高的压 力来使光纤214保持在所需位置处。显然通道侧壁242和244的倾斜将使通道 侧壁和光纤之间的缝隙变得更小，从而产生所需的更高的压力。对光纤承载通 道250内的光纤位置产生影响的其它因素包括牵引力。例如，流体流动相同的 情况下，200克牵引力的光纤在光纤承载通道250内浮起的高度将低于100克 牵引力的光纤在通道内浮起的高度。因此，重要的是，对于所利用的特定光纤 牵引速度和牵引力，离开流体轴承的所述区的流体要足以将光纤保持在所需位 置。例如，在上述实施方式中，所用光纤承载通道250在挡板230和232之间 最内部横向的宽度约为127微米，在最外部横向的宽度约为380微米，流体流 动速率可以是从约0.5升/秒至大于5升/秒。这种构造和流体流动可以使环绕光 纤的局部流体速度高达800千米/小时或者甚至更高。因此，在一些实施方式中， 在光纤承载通道250中所用的环绕光纤的最大流体速度大于100、大于200、 大于400、甚至可能大于600千米/小时。在一些实施方式中，在光纤承载通道 250中所用的环绕光纤的最大流体速度已经大于900千米/小时。例如，申请人 已经成功地在光纤承载通道250中利用了 1000千米/小时的环绕光纤的流体流 动。但是，本文所揭示的方法当然并不限于这些流体速度，事实上可以对流体 速度进行优选，使光纤位于光纤承载通道250内的所需位置，这取决于拉制条 件(例如牵拉速度、牵引力等)和流体轴承设计。在另一个实施方式中，流体流
14动速率可以约为3-4升/秒。当然，可以釆用足以在给定牵引力下将光纤保持在 所需位置的任何流体速率。利用如此高的流体流动速度能大大促进光纤的冷 却。光纤温度和喷过流体轴承的流体温度之间的差值越大，流体流动速度越高， 则可实现的冷却程度越大。在一些实施方式中，进入流体轴承的光纤温度可以
比喷过流体轴承并承载光纤的流体温度高IO(TC以上，500。C以上，IOO(TC以上， 甚至150(TC以上。在以上讨论的实施方式中利用这样的温差(S卩，流体轴承的 光纤承载通道250的最内部横向宽度约为127微米，最外部横向宽度约为380 微米，流体轴承半径(以及由此产生的光纤回转半径)约为8厘米(3英寸)，流体 流动速率约为0.5-5升/秒或以上)，光纤牵引速度大于20米/秒时，使用室温(即 约2(TC)流体(优选是空气)，使光纤通过流体轴承，使光纤实现180度方向的回 转，则进入流体轴承时的温度为IIO(TC的光纤可以降温高达IOO(TC，即降低至 约IO(TC。这种非常明显的冷却程度说明，利用例如本文所揭示的流体轴承能 够将光纤冷却超过50°C， 200°C， 500°C， 700°C ，甚至超过90(TC。可能更为显 著的是，这样的光纤冷却量可以在小于3米、更优选小于2米、最优选小于1 米的光纤距离(即，光纤接触流体轴承的流体缓冲垫的圆周距离)内实现。但是， 可以利用更大或更小的光纤/流体缓冲垫接触距离，这取决于所需结果和制造区 域的布局。本文所揭示的流体轴承的显著冷却能力使得可以取消光纤拉制过程 中的氦气冷却装置。
流体轴承16、 24、 116、 216、 316的半径并非关键。在一些实施方式中， 流体轴承的构造能够实现约8-16厘米的光纤回转半径。可以利用较大或较小半 径的流体轴承，或者可以利用额外的流体轴承(如图2中所示)，这取决于是否 需要更强的制冷效果(这时可能优选较大半径的流体轴承)或光纤拉制过程的限 制。
在图6所示的另一个实施方式中，流体轴承316可以具有与第一挡板和第 二挡板(未显示)的弓形外表面338相关的一个或多个开有槽口的部分370。在另 一个实施方式中，如上文讨论的，可以结合图6的结构作为参考图3所述的独 立内部元件。仍然参见图6，各挡板上的相应开有槽口的部分370使得可以对 光纤314的进入和/或离开进行更好的控制。具体地说，当光纤314进入流体轴 承时，光纤在第一挡板和第二挡板之间通过(参见上文图4和5的实施方式中所
述)。在轴承的出口处，光纤可能会受到由各种原因产生的振荡力，使光纤在所 述区内与第一挡板或第二挡板发生机械接触。挡板上开有槽口的部分370(或独立内部元件)通过使光纤直接进入和/或离开流体缓冲垫区的所述部分，从而使 光纤进出所述区时作用于光纤的转移力最小化，或者使转移力消失，因此大体 规避振荡的流体动力。如图6的实施方式中所示，可以有两个与第一挡板和第 二挡板(未显示)相关的相应开有槽口的部分370(或内部元件)， 一个相应开有槽 口的部分帮助光纤进入，另一个帮助光纤离开。如上文讨论，可以同时设置图
3的内部元件236和图6的槽口，提供类似的功能。当然，可以利用能够使施 加在光纤上的转移力最小化或者使转移力消失的挡板和/或内部元件的任何设 计或排列。
这样，上述轴承组就具有很多功能，包括为光纤生产提供非线性路径。从 这方面考虑，轴承组可以与本文之前讨论的光纤传递方法以任意组合的方式使 用。另外，应该理解，本文讨论和说明的流体轴承的实施方式可以在光纤生产 过程中的任意阶段使用。通过在施涂器之前应用非线性路径，轴承组以及结合 了这些轴承组的光纤生产系统就变得极为灵活，可以在光纤生产系统内方便地 操纵和互换各部件，同时使该系统占用的空间小于常规拉制塔占用的空间。
如本文所讨论，轴承组以及结合有这些轴承组的光纤生产系统的其它有益 功能包括用于冷却光纤的新颖系统和方法，从而省去了额外的冷却装置和部 件，进一步提高了这些系统的灵活性。因此，结合了流体轴承的光纤生产系统 以及生产本文所述光纤的方法提供了许多优于常规系统和方法的优点。
实施例1-使用常规光纤拉制方法、以20米/秒的拉制速度、约200克的牵 引力，从光纤预制件拉制约125微米直径的光纤。按照本发明引导光纤通过流 体轴承，使裸光纤方向变化180度。所用流体轴承类型如图3-5所示，图中显 示了光纤承载通道250，其最内部横向的宽度约为127微米，最外部横向的宽 度约为380微米，流体轴承半径(以及由此产生的光纤回转半径)约为13厘米(5 英寸)。流体轴承的位置使光纤进入流体轴承时的温度可以约为IIO(TC。使室 温(即约24'C)空气喷过流体轴承。光纤承载通道250中环绕光纤区中的流体最 大速度约为1000千米/小时。流体轴承出口处的光纤温度约为5(KTC，从而证 明了本发明的显著冷却能力。光纤路径成功地回转180度而不会损伤光纤。
本领域技术人员显而易见的是，可以在不偏离本发明原理和范围的情况下 对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明意在覆盖本发明的这些修改和变 化，前提是它们都落在所附权利要求及其等同项的范围内。
权利要求
1.一种生产光纤的方法，所述方法包括沿着第一路径从预制件拉制裸光纤；使所述裸光纤与流体轴承中的流体的一个区域接触，所述流体轴承包括通道，所述通道由至少两个侧壁限定，光纤被保持在所述通道的一个区域中，基本足以使所述光纤在通道中浮起，其原因主要是通道内光纤下方存在压差，所述压差的成因是，供应至通道内光纤下方的流体产生的压力高于光纤上方存在的压力，在将所述裸光纤拉过所述流体缓冲垫区时，沿着第二路径重新定向所述裸光纤。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通道具有能随着光纤和高压流体源之间距离增大而减小压差的装置。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述通道具有第三进口和流体出 口区，以及彼此呈楔形的侧壁，因此所述通道的流体进口区比流体出口区窄。
4. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，用于减小压力的所述装置包括位 于所述侧壁中的开口 ，使得流体能够通过侧壁离开通道。
5. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，用于减小压力的所述装置包括多 孔金属，其使得流体能够通过侧壁离开通道。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少很大程度上是由于伯努利效 应，所述光纤在所述通道内自动居中。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通道是楔形的，使得通道在 流体进口处的宽度小于通道在流体出口处的宽度，使得光纤能够在通道内自动定 位。
8. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述拉制步骤期间，所述光纤 保持在所述通道内，其中，构成所述的通道的至少一个侧壁相对于另一个侧壁呈大 于0度且小于IO度的夹角。
9. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述拉制步骤期间，所述光纤 保持在所述通道的一个区域中，该区域的宽度为光纤直径的1-2倍。
10. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述光纤基本上保持在通道内， 使得当流体运动通过通道时，所述流体基本上以单独一种方向接触所述光纤。
11. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述光纤位于所述通道的一个区域中，使得光纤外直径与各侧壁之间的距离为光纤直径的0.05-0.5倍。
12. —种生产光纤的方法，所述方法包括沿着第一路径拉制光纤，在进行所述拉制的同时进行以下操作； 使所述光纤与流体轴承的一个区域接触，其中，所述流体轴承包括第一挡板 和第二挡板，它们组合形成通道区域，其中所述通道以一定角度倾斜，流体通过进 口流入所述通道中，从而在所述拉制步骤期间对所述通道区域内的光纤进行承载， 通道的较窄部分构造成能够接受将要传递通过所述通道的流体，从而在通道的流体 进口侧产生大于通道流体出口侧的压力，起到缓冲作用，将所述光纤以弓形路径传 递通过所述流体轴承；在将所述光纤拉过所述流体缓冲垫区时重新定向所述光纤使其沿着第二路径 通过所述弓形路径。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，形成所述通道的至少一个侧壁 与形成所述通道的另一个侧壁形成大于0度且小于或等于10度的夹角。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述拉制步骤期间，所述光纤保持在所述通道的一个区域内，使得光纤外侧和各侧壁之间的距离为光纤直径的 0.05-0.5 {咅。
15. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述拉制步骤期间，所述光 纤基本上保持在通道内，使得在流体运动通过通道时，所述流体缓冲垫基本上以单 独一种方向接触所述光纤。
16. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括使光纤与通过通道 的流体接触，从而冷却所述光纤，所述冷却的速率比在环境空气中冷却更快。
17. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括在使所述光纤与流 体轴承的一个区域接触之后，对所述光纤进行涂覆。
18. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括通过与所述轴承组 相联的开有槽口的内部元件，为所述光纤提供进口和出口 。
19. 一种生产光纤的方法，所述方法包括沿着第一路径从预制件拉制裸光纤，在所述拉制的同时进行以下操作； 使所述裸光纤与通道内的流体接触，所述通道由至少基本上平行的两个侧壁 限定，对所述流体的流体压力进行选择，使光纤保持在所述通道的一个区域内，所 述区域具有一定宽度，所述压力和宽度足以使所述光纤在通道内至少基本上出于伯 努利效应的原因而居中。
20. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，形成所述通道的至少一个侧壁与形成所述通道的另一个侧壁形成大于0度且小于或等于10度的夹角。
21. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，在所述拉制步骤期间，所述光 纤保持在所述通道的一个区域中，使得光纤外侧与各侧壁之间的距离为光纤直径的 0.05-0.5倍。
全文摘要
沿着非线性路径生产光纤的方法，其包括结合流体轴承。沿着第一路径从预制件拉制光纤，与流体轴承的流体缓冲垫区接触，在将光纤拉过所述流体缓冲垫区时沿着第二路径重新定向光纤。
文档编号C03B37/02GK101541695SQ200780043921
公开日2009年9月23日 申请日期2007年11月5日 优先权日2006年11月28日
发明者A·V·菲利波夫, B·W·雷丁, J·C·托马斯, J·H·法勒, J·J·柯斯特洛三世, S·J·格瑞格斯基 申请人:康宁股份有限公司