光纤素线的制造方法

专利名称：光纤素线的制造方法
技术领域：
本发明涉及在光纤的制造工序中，对光纤母线进行拉丝来制造光纤素线的方法。本发明基于2009年4月16日在日本提出的专利申请2009-100044号要求优先权， 在此引用其内容。
背景技术：
图15是表示一般的光纤素线的制造装置的概要结构图。使用该制造装置的光纤素线的制造方法由下述工序构成。(1)将由作为光纤的原料的玻璃棒形成的光纤母材101插入加热炉102。然后，利用加热器10 以2000°C左右的温度对光纤母材101的前端进行加热熔融，将光纤裸线103 从加热炉102的下方抽出。(2)利用设置在加热炉102下方的冷却装置104，冷却抽出的光纤裸线103。该冷却装置104具有纵长的冷却筒。从冷却筒的侧部对该冷却筒的内部供给冷却气体(氦气体等)。图15中，箭头所示的冷却气体的流动110在冷却筒内朝向上方和下方，从加热炉102 抽出的光纤裸线103利用该冷却气体充分冷却至能够进行涂敷的温度。(3)在光纤裸线103的周围，以保护光纤玻璃表面为目的而涂敷覆盖层树脂以形成保护包覆层，成为光纤素线107。首先，利用涂敷装置106对冷却的光纤裸线103涂敷覆盖层树脂。接着，利用固化装置108使该覆盖层树脂热固化或者进行紫外线固化以形成保护包覆层。该保护包覆层一般由两层构造形成。在内侧的层使用扬氏模量低的材料进行涂敷，在外侧的层使用扬氏模量高的材料进行涂敷。(4)将形成保护包覆层的光纤素线107经由旋转滑轮109卷绕至省略图示的卷取机。现今，伴随光纤的生产率的提高和低成本化，实现了光纤母材的大型化和拉丝速度(以下也称为线速)的高速化。伴随该线速的高速化，产生以下的现象。a.光纤裸线的冷却所需要的冷却装置的长度变长。b.随着从加热炉送出的光纤裸线而流动的冷却气体的每单位时间的流量增加。c.随着光纤裸线从冷却装置内流出的冷却气体的每单位时间的流量增加。根据以上内容，伴随线速的高速化，冷却装置内的冷却气体的浓度下降，冷却装置的冷却能力下降。其结果，冷却装置中的光纤裸线的冷却变得不充分，存在保护包覆层的外径(以下也称为覆盖层径)变细的情况，光纤裸线的冷却变得不稳定而覆盖层径的变动变大的情况。为了解决以上问题，寻求提高冷却能力且具有稳定的冷却能力的冷却装置。一般来说，作为覆盖层径变动的主要原因，能够举出涂敷覆盖层树脂时的光纤裸线的温度的变化，涂敷装置内的模刃面(die land)的覆盖层树脂的剪断速度的变化等。包覆覆盖层树脂时的光纤裸线的温度的变化，在线速范围(在产品制造中变动的线速的范围，中心线速士X(m/min))内，在从光纤母材抽出的光纤裸线由冷却气体冷却直至能够涂敷的温度时，作为冷却装置的冷却能力的变化而表现出来。该冷却能力的变化对覆盖层径的变化造成很大影响。由此，在冷却装置中，希望具有能够总是稳定地冷却光纤裸线的能力，和能够在产品制造中变动的线速范围内适当地调整光纤裸线的温度的能力。另一方面，涂敷装置内的模刃面的覆盖层树脂的剪断速度，主要依赖于由覆盖层树脂的温度变化引起的粘度变化、向涂敷装置内的覆盖层树脂供给压力的变化而变化。但是，在线速范围中，它们的变化对覆盖层径的变动造成的影响小，可以认为基本不存在影响。作为用于解决该问题的技术，有专利文献1公开的方法。专利文献1记载的方法是，使用图16所记载的具有光纤裸线204的入线部和出线部的冷却装置211，使得与从冷却气体导入口到光纤裸线204的出线部的压力损失相比，从冷却气体导入口到光纤裸线204 的入线部的压力损失低，而进行光纤母材201的拉丝。为了实现该方法，在专利文献1中记载有以树脂涂敷装置205覆盖(密闭)光纤裸线204的出线部的冷却方法。从而，事实上向冷却装置211内导入的冷却气体的出口仅是冷却装置211的光纤裸线204的入线部(上部)。从而，能够使将要随着光纤裸线204向冷却装置211内流入的气体，高效地从该光纤裸线204剥离，提高冷却装置211的冷却效率。专利文献1 日本专利第4214389号公报但是，在专利文献1所记载的技术中，为了将随着光纤裸线而来的气体从光纤裸线剥离，通过调整压力损失，使冷却装置211内的冷却气体的流动为上行气流。特别是，在专利文献1所记载的技术中，以树脂涂敷装置205覆盖冷却装置211的光纤裸线204的出线部。因此，外部气体向冷却装置211内的流入口仅是冷却装置211的光纤裸线204的入线部(上部)，能够高效地将随着光纤裸线204而来的气体从该光纤裸线204剥离。此外， 在专利文献1所记载的技术中，外部气体混入冷却装置211内的地方仅是冷却装置211的上部。但是，该冷却装置211的上部成为来自冷却装置211内部的冷却气体的排出口。因此，向冷却装置211内部混入的外部气体成为最低限度，冷却装置211内的冷却气体的浓度非常高。结果，能够减少冷却气体的使用量。而且，冷却装置211内的冷却气体的浓度变得非常高，能够高效地进行光纤裸线204与冷却气体之间的热交换，以及冷却气体与冷却装置211之间的热交换。但是，在专利文献1所记载的技术中，存在冷却装置211的冷却能力过分提高，冷却能力相对于冷却气体流量的变化的响应性过于灵敏的问题。在光纤母材210的拉丝工序中，由于外部干扰而存在冷却装置211内的冷却气体的替换(冷却气体的流动)不均勻的情况。此处所说的外部干扰是指伴随由混入光纤母材201中的气泡或异物引起的光纤裸线204的瞬间的外径变动(例如在数秒以内产生的基准外径(一般是125μπι) 士 Ιμπι以上的外径变动)的线速的变动(例如60m/min2以上的变化)；伴随光纤母材201的外径变动 (特别是光纤母材201的前端和末端部分的、光纤母材201的平均外径变化士 1 μ m以上的部分引起的外径变动)的线速的变动(例如30m/min2以上的变化)；和伴随冷却装置的历时变化的温度变化(从开始拉丝时到线速成为稳定线速的冷却装置的冷却水、内壁等的温度变化)。在专利文献1记载的技术中，冷却装置211的冷却能力的响应性过于灵敏，因此， 产生由于由该外部干扰产生的不均勻的冷却气体的流动，冷却装置211的冷却能力变得不稳定的问题。在专利文献1所记载的技术中，根据线速稳定时(制造中心线速、稳定线速)的线速变动，即使在为了调整冷却能力而使冷却气体流量微量变化的情况下，冷却能力的变化也变大。由于该冷却能力的变化，不仅是光纤裸线与冷却气体间的热交换，冷却气体与冷却装置之间的热交换也发生变化。特别是在专利文献1所记载的技术中这些变化的影响很大，因此在一定值的反馈控制(例如PID控制)中难以将覆盖层径保持为一定。另一方面，如果使用使反馈控制不灵敏的PID的设定值，则不能够将覆盖层径保持为一定。结果，存在覆盖层径变动变大，制造出的光纤素线的不良率上升这样的问题。

发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，其目的在于提供一种光纤素线的制造方法，其能够减少冷却气体的使用量，并且能够适当维持冷却装置针对上述外部干扰的响应性，能够稳定地进行光纤裸线的冷却。为了解决上述问题，本发明采用以下方法。(1)本发明的光纤素线的制造方法具有利用加热炉使光纤母材熔融变形的工序；将上述光纤母材的上述熔融变形的部位作为光纤裸线进行抽出的工序；利用冷却装置强制冷却上述光纤裸线的工序；利用涂敷装置在强制冷却后的上述光纤裸线上形成保护包覆层的工序；以及利用固化装置使上述保护包覆层固化的工序，该光纤素线的制造方法中， 对上述冷却装置和上述涂敷装置之间进行气密性的连接，利用上述涂敷装置内的树脂的弯月面封闭在上述冷却装置内流动的冷却气体向上述涂敷装置侧的流动，由此使上述冷却装置内的上述冷却气体的流动成为上行气流，从上述冷却装置的上端向外部排出；通过调整上述冷却气体的流量，使上述冷却气体的温度，从上述冷却装置的下部向上述冷却装置的上部变高。(2)在上述(1)所述的光纤素线的制造方法中，优选的是，作为上述冷却气体使用氦气和二氧化碳气体；从上述冷却装置的下部到上述涂敷装置内的上述树脂的上述弯月面之间的任意位置导入上述氦气；从上述冷却装置的下部到上述涂敷装置内的上述树脂的上述弯月面之间的、并且位于上述氦气的导入部位的下方侧的任意位置导入上述二氧化碳气体。(3)在上述(1)或(2)所述的光纤素线的制造方法中，优选使用连接部件连接上述冷却装置和上述涂敷装置。(4)在上述⑴ ⑶中任一项所述的光纤素线的制造方法中，优选的是，基于在上述冷却装置上端的上述氦气和上述二氧化碳气体的混合气体的温度和在导入上述氦气的导入口的上述混合气体的温度，调整上述氦气的流量和上述二氧化碳气体的流量。(5)在上述(1) 中任一项所述的光纤素线的制造方法中，优选的是，在上述冷却装置上端的上述混合气体的温度设为Tgas，在上述导入口的上述混合气体的温度设为 tgas 时，满足关系式[tgasX2(°C)] ^ Tgas(°C )彡[tgasX4(°C )]。(6)在上述(1) (5)中任一项所述的光纤素线的制造方法中，优选在比导入上述氦气的位置靠下的下方侧形成充满上述二氧化碳气体的空间。(7)在上述( ㈩)中任一项所述的光纤素线的制造方法中，优选的是，设置分隔物，对导入上述氦气的位置与导入上述二氧化碳气体的位置之间进行分隔，使光纤裸线通过在上述分隔物的中心部设置的直径为1 5mm的空孔。
(8)在上述C3) (7)中任一项所述的光纤素线的制造方法中，优选的是，从上述冷却装置的下部导入上述氦气；从上述连接部件导入上述二氧化碳气体。(9)在上述C3) (7)中任一项所述的光纤素线的制造方法中，优选的是，从上述连接部件导入上述氦气；从上述涂敷装置导入上述二氧化碳气体。(10)在上述(9)所述的光纤素线的制造方法中，优选从上述涂敷装置的上部导入上述二氧化碳气体。(11)在上述(1)所述的光纤素线的制造方法中，优选的是，作为上述冷却气体使用氦气和二氧化碳气体；在混合上述氦气和上述二氧化碳气体后，从上述冷却装置的下部到上述涂敷装置上部之间的任意位置导入上述混合气体。(12)在上述(1) (11)中任一项所述的光纤素线的制造方法中，优选预先设定上述冷却装置的内壁的表面积。在上述(1)所述的光纤素线的制造方法中，气密地连接冷却装置和涂敷装置，利用涂敷装置内的树脂封闭在冷却装置内流动的冷却气体向涂敷装置侧的流动，使冷却装置内的冷却气体的流动成为上行气流，从冷却装置的上端将冷却气体向外部排出。即，使氦气和二氧化碳气体的混合气体的流动，成为从冷却装置的下部向上部稳定的上行气流。由此， 能够将随着光纤裸线从冷却装置的上部侵入冷却装置内的外部气体减少至极限程度，提高冷却装置内的氦气浓度。此外，在上述(1)所述的光纤素线的制造方法中，通过调整氦气的流量和二氧化碳气体的流量，使它们的混合气体的温度从冷却气体的导入口向冷却装置的上部变高。由此，在冷却装置的上部，能够使从光纤裸线向冷却气体的热的移动缓慢，因此能够使冷却能力的调整的响应性适当。而且，能够将冷却能力调整至制造稳定范围，因此能够以在冷却装置内强制冷却的光纤裸线的温度均勻的状态，将光纤裸线导入涂敷装置，能够抑制上述外部干扰的影响，使形成于光纤裸线的保持包覆层径均勻。在上述(6)所述的光纤素线的制造方法中，在比导入氦气的位置靠近下方侧形成充满二氧化碳气体的空间。由此，在涂敷装置内的覆盖层树脂附近存在充分的二氧化碳气体，因此能够防止泡沫混入保护包覆层内。根据上述(7)所述的光纤素线的制造方法，通过分隔空间，能够提高二氧化碳气体的浓度。结果能够防止泡沫混入保护包覆层内。根据上述(10)所述的光纤素线的制造方法，氦气和二氧化碳气体的混合变得均勻，因此，能够再现性好地控制它们的混合气体的温度，能够使冷却装置的冷却能力的稳定
性非常高。


图1是表示本发明的光纤素线的制造方法中使用的光纤素线的制造装置的概要结构图；图2是表示在本发明的光纤素线的制造方法中使用的冷却装置的概要截面图；图3是表示关于冷却装置的长度与能够冷却的极限线速的关系的实验结果的图表；图4是表示在本发明的光纤素线的制造方法中使用的、具有设置有凸部的内壁的冷却装置的概要截面图；图5是表示实施例1的光纤径变动和线速变动的图；图6是表示实施例1的覆盖层径变动的图；图7是表示实施例2的光纤径变动和线速变动的图；图8是表示实施例2的覆盖层径变动的图；图9是表示实施例3的光纤径变动和线速变动的图；图10是表示实施例3的覆盖层径变动的图；图11是表示比较例2的光纤径变动和线速变动的图；图12是表示比较例2的覆盖层径变动的图；图13是表示比较例3的光纤径变动和线速变动的图；图14是表示比较例3的覆盖层径变动的图；图15是表示在现有的光纤素线的制造方法中使用的光纤素线的制造装置的概要截面图；以及图16是表示在现有的另一光纤素线的制造方法中使用的光纤素线的制造装置的概要结构图。
具体实施例方式以下详细说明本发明的实施方式。该方式是为了更好地理解本发明的主旨而进行的具体说明，只要没有特别指定，就不限定本发明。图1是表示本发明的光纤素线的制造方法中使用的光纤素线的制造装置的概要结构图。该光纤素线的制造装置大致包括具有加热器加的加热炉2 ；冷却装置4、涂敷装置6、用于连接冷却装置4和涂敷装置6的筒状的连接部件5、外径测定器7、固化装置8、旋转滑轮9、抽取机10。在冷却装置4与涂敷装置6之间设置有连接部件5，该连接部件5气密地连接冷却装置4和涂敷装置6。通过在冷却装置4与涂敷装置6之间设置连接部件5，在开始拉丝时使光纤裸线通过涂敷装置6时，能够缩短连接部件5以确保空间。因此，能够开始运用而不使操作性变差。在冷却装置4的下部的侧面形成有氦气的导入口 4a。在连接部件5的侧面形成有二氧化碳气体的导入口 5a。在本实施方式中，将氦气和二氧化碳气体用作冷却气体。以下，将这些气体统称为冷却气体或混合气体。在冷却装置4的下部，配置有热电偶(省略图示)，其用于测定从导入口如导入的氦气和从导入口如导入的二氧化碳气体的混合气体的温度。在冷却装置4的上端部，配置有用于测定从该冷却装置4排出的混合气体的温度的热电偶(省略图示)。来自这些热电偶(温度测定部件)的温度信息被送至控制装置(省略图示)。作为冷却装置4，例如使用图2所示的构造。该冷却装置4由冷却筒1 和循环水筒14b构成。在冷却筒14a的上端，设置有插入光纤裸线3的开口部14c。在冷却筒14a的下部，设置有使光纤裸线3穿出的开口部 14d。此外，在冷却筒14a的下部，设置有导入冷却气体(氦气)的导入口 14e (与上述导入口如相当)。冷却水被导入循环水筒14b中并循环。光纤裸线3在通过该冷却筒1 的过程中通过与冷却气体和循环水的热交换被冷却，通过连接部件5，被送入涂敷成为保护包覆层的覆盖层树脂的涂敷装置6。在本实施方式中，这样的冷却装置4与多个筒连接而使用。在该情况下，构成为从配置在最下部的冷却装置4(冷却筒14a)的导入口 4a(14e)导入氦气，其它的冷却装置 4(冷却筒14)的导入口 4a (He)关闭的结构。外径测定器7测定涂敷有覆盖层树脂的光纤裸线(即光纤素线)的外径(以下称为覆盖层径)。该外径测定器7经由线缆15与第一控制装置(省略图示)连接。该第一控制装置控制从连接部件5的导入口 fe向冷却装置4流入的二氧化碳气体的流量。抽取机10经由线缆16与第二控制装置(省略图示)连接。该第二控制装置控制从冷却装置4的导入口如向冷却装置4内流入的氦气的流量。根据抽取机10的旋转速度， 计算光纤素线11的线速。对使用该光纤素线的制造装置的光纤素线的制造方法进行说明。使光纤母材1在加热炉2中熔融变形，作为光纤裸线3从加热炉2的出口抽出。接着，利用设置在加热炉2的下方的、不与加热炉2连接的冷却装置4对光纤裸线 3进行强制冷却。接着，利用设置在冷却装置4的下方的涂敷装置6对冷却的光纤裸线3涂敷覆盖层树脂，成为光纤素线11。利用外径测定器7测定涂敷有覆盖层树脂的光纤素线11的覆盖层径(光纤素线 10的外径)。接着，利用固化装置8使覆盖层树脂固化，成为在光纤裸线的周围形成有保护包覆层的光纤素线11。接着，将光纤素线11经由旋转滑轮9和抽取机10向省略图示的卷取机卷取。在本实施方式的光纤素线的制造方法中，冷却装置4的下方成为被冷却装置4、连接部件5、涂敷装置6、以及位于涂敷装置6的内侧的覆盖层树脂的面(弯月面)封闭的空间。由此，冷却装置4内部和连接部件5内部的冷却气体的流动，除了随着光纤裸线3流动的一部分气体，强制性地成为上行气流12、13，这些冷却气体仅从冷却装置4的上端部向外部排出。在冷却装置4内的冷却气体的流量发生变化的情况下，或依存于光纤素线的拉丝条件而产生不稳定的气体的流动的情况下，也能够利用上述冷却气体的流动，使冷却气体的流动成为稳定的上行气流12、13。结果，冷却装置4能够得到稳定的冷却能力。冷却装置4和涂敷装置6的连接，可以使用连接部件5连接，也可以直接连接冷却装置4和涂敷装置6，只要能够得到同样的效果，则没有特别限定。在直接连接冷却装置4 和涂敷装置6的情况下，二氧化碳气体的导入口 fe形成于涂敷装置6即可。成为上行气流12、13的冷却气体，从也作为外部气体向冷却装置4内的侵入口的冷却装置4的上端强制性地向外部喷出。因此，能够将从外部向冷却装置4内混入的气体抑制为最小限度。由此，能够将冷却装置4内的冷却气体的浓度提高至最大限度。特别是， 在作为冷却气体使用氦气的情况下，能够显著减少氦气的使用量。具体地说，能够使氦气的流量显著减少至现有技术的5%左右至50%左右。因为能够这样大幅减少氦气的流量，所以能够抑制光纤素线的制造成本，能够制造价廉的光纤素线。在本实施方式中，在氦气之外在冷却装置4内流动二氧化碳气体。向冷却装置4、连接部件5和涂敷装置6中的任意一个导入氦气和二氧化碳气体。 此时，氦气和二氧化碳气体分离导入冷却装置4、连接部件5和涂敷装置6。作为一个例子， 在向冷却装置4的下部导入氦气的情况下，二氧化碳气体从冷却装置4的下部至涂敷装置6 内的树脂面之间的、导入氦气的位置的下方侧导入。即，将二氧化碳气体导入到连接部件5 的下部或涂敷装置6的上部。在将氦气导入到连接部件5的上部的情况下，将二氧化碳气体导入到涂敷装置6的上部。其中，优选将氦气导入到冷却装置4的下部，将二氧化碳气体导入到连接部件5的下部。通过这样导入冷却气体，能够在比导入氦气的位置靠近下方侧处形成充满二氧化碳气体的空间。由此，在涂敷装置6内的覆盖层树脂附近存在充分的二氧化碳气体，因此， 能够防止在保护包覆层内混入泡沫。此时，也可以在导入氦气的位置与导入二氧化碳气体的位置之间设置分隔物。由此，能够形成被高浓度的二氧化碳气体充满的空间，能够更有效地防止在保护包覆层内混入泡沫。此时，在分隔物的中央部，设置通过光纤裸线的直径1 5mm左右的空孔。如果空孔的直径小于1mm，则容易与光纤裸线接触而不适合，如果空孔的直径大于5mm，则以分隔物进行划分的效果下降。氦气和二氧化碳气体的导入口的位置关系是，使氦气流入的部位，相对于向上的冷却气体的流动为下游测，使二氧化碳气体流入的部位，相对于向上的冷却气体的流动为上游侧。由此，冷却气体的流动成为上行气流12、13，各个气体稳定流动。因此，能够进行连接部件5的长度方向上的二氧化碳气体的浓度调整，在涂敷装置6附近二氧化碳气体浓度变得最高，能够防止泡沫向保护包覆层的混入或泡沫的残留。进一步，因为在冷却装置4的上部(下游)流动的氦气和二氧化碳气体的混合状态总是稳定，所以冷却装置4的冷却能力不会根据线速变得不稳定而是保持稳定。因此，在根据线速使这些气体的流量变化时，能够响应性好地调整冷却装置4的冷却能力，能够以一定的覆盖层径利用覆盖层树脂对光纤裸线3进行涂敷。通过分别调整流入冷却装置4的下部或连接部件5的上部的氦气和流入涂敷装置 6的上部或连接部件5的下部的二氧化碳气体的流量，能够调整冷却装置4的冷却效率(冷却能力)。在本实施方式中，从冷却装置4的下部(或连接部件5的上部)的氦气的导入口如朝向冷却装置4的上部，使冷却装置4内的冷却气体的温度上升。因此，冷却装置4上部的光纤裸线3处于高温的区域中，混合气体的温度变高(温度比光纤裸线3的表面温度低)。结果，由光纤裸线3的表面温度与混合气体的温度的温度差产生的热的移动变缓慢。另一方面，冷却装置4下部的光纤裸线处于低温的区域中，混合气体的温度比光纤裸线3的表面的温度低。因此，从光纤裸线3的表面向混合气体产生热的移动，能够维持光纤裸线3的冷却。根据上述内容，即使冷却装置4内的氦气浓度高，对冷却能力调整的响应性也很适当(不过于灵敏，也不过于迟钝)，能够遍及拉丝出的光纤素线的全长，以一定的覆盖层径进行保护包覆层的涂敷。
此处，利用热电偶测定冷却装置4的上端的混合气体的温度和导入口如的混合气体的温度，以它们的温度满足以下的关系式的方式调整混合气体的流量。[tgasX2(°C )]≤Tgas (°C )≤[tgasX4(°C )]Tgas是冷却装置4的上端的混合气体的温度，tgas是导入口如的混合气体的温度。作为混合气体的温度，严格地说，在光纤裸线3的表面部附近、冷却装置4的内壁附近和它们的中间部能够形成温度分布。因此，难以将混合气体的温度严格地表示为哪个部分的温度。因此，在本实施方式中，在光纤裸线3与冷却装置4的内壁的中间位置设置热电偶，将测定出的温度作为混合气体的温度。在[tgasX 2 (0C)] > Tgas的情况下，冷却装置4的对冷却能力调整的响应性过于灵敏。在Tgas > [tgasX4(°C )]的情况下，相对于上述外部干扰的冷却能力的稳定性不足。而且，因为冷却效率下降，所以冷却装置4需要更长的冷却长度(冷却装置4内的代表温度(上述测定温度)中，温度[tgasX4(°C )]是上限，但实际的光纤裸线3附近的温度推测为数百度以上)。通过使冷却装置4的上端的混合气体的温度范围满足上述关系式，如上所述，对冷却能力调整的响应性变得适当，而且，即使在发生上述外部干扰的情况下，也能够维持光纤裸线3的冷却。因此，能够遍及拉丝制作出的光纤素线的全长，以一定的覆盖层径涂敷保护包覆层。以下叙述具体的条件。如果对流热传导率为α (J/m2/K)、固体的表面积为S(m2)、固体温度为Ts。lid(°C )、 气体(冷却气体)的温度为Tgas(°c)，则一般来说，在固体与其周围流动的某气体之间移动的热量Q(J)由下式(1)表示。Q= α S (Tsolid-Tgas) (1)此处，对流热传导率α由下式( 表示。α = c · λ . um · cT1 · vn_m · a_n (2)其中，各符号表示的是，c:比较常数，λ 气体的热传导率，u:气体的流速，d:固体的代表长度，ν 气体的动粘度(=粘度/密度)，a 气体的热扩散率(=热传导率/密度 /比热容)。m、η取m = 0. 5 0. 8、η = 0. 2 0. 5的值，是根据气体的流动而变化的系数。根据以上内容，由使用的气体的种类、气体相对于固体表面的相对流速和气体的流动决定流热传导率。S卩，如果以冷却装置4内进行说明，则光纤裸线3与周围的冷却气体的热的收支 Qfiber^gas依赖于光纤裸线3的温度与光纤裸线3周围的冷却气体的温度差、冷却装置4内的冷却气体相对于光纤裸线3的相对速度和该冷却气体的流动方式。另一方面，周围的冷却气体与冷却装置4的热的收支Qga^1依赖于冷却装置4内壁的温度与冷却装置4内的冷却气体的温度差、以及冷却装置4内的冷却气体相对于冷却装置4内壁的相对速度和冷却气体的流动方式。将式(2)代入式(1)，则
Qfiber — gas、Qgas — cool 如下所述。Qfiber^gas = C . λ . Uffl . (T1 · V-. a-n · Sfiber · (Tfiber-Tgas)Qgas^cool = C · λ · U、CT1 · V-. · Scool · (Tgas-Tcool)
根据以上叙述，能够得到以下内容。(1)为了使从光纤裸线3向冷却气体的热的移动缓慢，提高冷却气体的温度即可。(2)为了使从光纤裸线3向冷却气体的热的移动缓慢，使冷却气体的流速变慢(减少冷却气体的流量)即可(因为在本发明中，冷却气体的流动为与光纤裸线3的前进方向相对的上行气流)。(3)为了使从冷却气体向冷却装置4的热的移动缓慢，提高冷却装置4的温度(一般是致冷剂温度)即可。(4)为了使从冷却气体向冷却装置4的热的移动缓慢，使冷却装置4内壁的表面积变小即可。(5)为了使从冷却气体向冷却装置4的热的移动缓慢，使冷却气体的流速变慢(减少冷却气体的流量)即可。此处，⑵和(5)是相同的参数。此外，对于(3)来说需要在冷却装置4的长度方向上使温度变化。在冷却装置4的长度方向上，能够使致冷剂温度变化。但是，致冷剂的热容量大，因此难以短时间内使致冷剂的温度变化。本发明为了实现(1)，通过使(2) ((5))和 (4)最佳化，实施冷却装置4内的冷却气体温度的调整。但是，本条件中，实际上依赖于冷却装置4、冷却气体的实际流动的部分较多，因此需要对每个冷却装置进行调整。但是，本发明的特征是使冷却气体的温度处于规定的范围，只要能够设定为规定的温度范围，对于冷却装置4的结构、构造并没有限定。接着，表示冷却光纤裸线3所需要的冷却装置4的长度的估算方法。在连接冷却装置4和涂敷装置6的状态下，适当地选择在使冷却能力最大的状态也就是使冷却装置4内的气氛为氦气气氛的状态(氦气以外的气体流量为0的状态)下， 能够得到需要的冷却能力的冷却装置4的长度。例如，在冷却装置4的下部或连接部件5 的上部设置氦气的导入口 4a，使IOMandard Liter per Minute (SLM，每分钟标准立升)的氦气流入冷却装置4内，决定能够得到需要的冷却能力的冷却装置4的长度。对于所需冷却装置4的长度而言，根据冷却装置4的构造(内径、内壁表面的形状、内壁的材质、冷却水的温度等)变化，因此不能够一概地决定。但是，冷却装置4至少需要在能够使得制造出的光纤素线为良品的设想的最大线速和氦气浓度高的理想状态下，能够将光纤裸线冷却至需要的温度。此处，将对于使用图2所示的冷却装置4的情况下的冷却装置4的所需长度的线速依存性进行验证而得的结果表示于图3。作为冷却装置4，使用内径Φ IOmm的黄铜制造的管(冷却筒)，使光纤裸线3通过该管内。而且，在该管的外周使约20°C的水循环。图3 所示的结果是实际进行实验而验证得到的结果。根据图3能够确认，通过使冷却装置4的长度变长，能够使能够冷却光纤裸线3的极限线速(最大线速)增加。接着，研究覆盖层径的控制性。利用与线速对应的线速信号或与覆盖层径对应的覆盖层径信号对上述氦气流量和/或二氧化碳气体流量进行反馈控制。根据抽取机10的转速计算出的线速，作为线速信号向第二控制部发送。根据该线速信号，第二控制部对氦气流量进行反馈控制。由外径测定器7测定的覆盖层径作为覆盖层径信号向第一控制部发送。根据该覆盖层径信号，第一控制部对二氧化碳气体流量进行反馈控制。此时，进行在允许的线速范围的整个区域中二氧化碳气体的流量不为0、冷却气体的温度进入上述范围内、并且响应性适当、能够将覆盖层径控制为一定、抵抗外部干扰的能力强的情况的确认。结果能够确认，冷却气体的冷却装置4上端的温度进入上述温度范围，由此冷却能力调整的响应性好，相对于外部干扰也能够维持冷却能力。在后述的实施例中进行证实。此外，在本实施方式中，如图4所示，通过在冷却筒14a的内壁设置凸部14f，能够使冷却装置4的内部为凹凸形状。该凸部14f能够在冷却筒14a的同一面上设置多个，并且能够沿冷却筒14a的长度方向设置多个。通过在该冷却筒14a的内壁设置凸部14f，光纤裸线3的周围的混合气体与冷却筒 14a内的冷却水的热交换变得良好。通过适当变更该凸部14f的大小、形状、配置和个数而调整冷却装置4的内壁表面积，能够使混合气体的温度从冷却装置4气体导入口如朝向上部变高。例如，如果从冷却装置4的上方向下方(气体导入口如周边)使凸部14f的大小逐渐变小，并且使个数增加， 使能够进行热交换的表面积逐渐变大，则能够使得在冷却装置4的下方(气体导入口如周边)混合气体的温度低，朝向上部使该温度变高。在本发明的光纤裸线的制造方法中，优选根据冷却装置4的长度、线速、冷却气体的混合比率、冷却气体的流量、温度等，预先设定冷却筒14a的内壁的表面积。在本实施方式中，利用两个系统以上的独立信号控制氦气的流量和二氧化碳气体的流量。作为两个系统以上的独立信号，使用表示光纤素线11的线速的线速信号，和表示光纤素线11的覆盖层径的覆盖层径信号。可以根据线速变动范围，切换利用覆盖层径信号控制的气体的种类。优选的是，根据线速信号通过反馈控制使热传导率高的氦气的流量变化，根据覆盖层径信号通过反馈控制(PID控制)使热传导率低的二氧化碳气体的流量变化。关于在二氧化碳气体的导入口 fe与氦气的导入口如之间存在的二氧化碳气体和氦气的混合气体区域(成为上行气流的二氧化碳气体和不随着光纤裸线3的氦气混合的区域)，该区域的混合气体，也由于在该区域的上游侧(涂敷装置6侧)产生的冷却气体的上行气流而成为上行气流。因此，冷却装置4、连接部件5和涂敷装置6内的冷却气体的流动总是向冷却装置4的上方(加热炉2侧)流动，最终从冷却装置4的上端排出。因此，在本实施方式的光纤素线的制造方法中，冷却能力的调整容易且响应性好。由此，在本实施方式的光纤素线的制造方法中，在整个线速范围内，能够响应性好地进行使覆盖层径一定的冷却装置4的冷却能力的控制。在本实施方式的冷却装置4中，使流入冷却装置4内的气体的流量根据线速等变化时，使用的各个气体的增减方向相反。即，在线速低的情况下，氦气的流量下降，二氧化碳气体的流量增加。因此，与热传导率高的氦气的流量固定的情况相比较，二氧化碳气体的增加量变少。另一方面，在线速高的情况下，氦气的流量增加而二氧化碳气体的流量下降。这样，在本实施方式中，虽然冷却装置4内的气体流量的总量变化，但来自外部的气体的侵入变少，而且气体的增减方向相互相反，因此，冷却气体流量的总量不会显著增加。因此，不会发生光纤裸线3的摇晃。在本实施方式的光纤素线的制造方法中，根据线速信号对热传导率高的氦气的流量进行反馈控制。由此，在线速慢的情况下，能够使氦气的流量尤其少，根据情况也能够减少至0。另一方面，在线速高的情况下，能够将氦气的流量增加至能够冷却光纤裸线3的适当的流量。但是，在确保冷却装置4的适当的冷却长度的基础上，调整各个冷却气体的流量并进行冷却能力的微调整。因此，冷却气体流量不会显著增加(例如lOL/min以上)。结果，不会成为使光纤裸线3的线发生摇晃的冷却气体流量。本实施方式的光纤素线的制造方法中，根据覆盖层径信号对热传导率低的二氧化碳气体的流量进行反馈控制。由此，在存在覆盖层径变大的倾向时，二氧化碳气体的流量增加。另一方面，在存在覆盖层径变细的倾向时，二氧化碳气体的流量减少。结果，能够将覆盖层径控制为一定。在上述实施方式中，记载了将氦气和二氧化碳气体分别导入的冷却装置、连接部件、涂敷装置的情况。但是，在本发明中，也可以在预先混合氦气和二氧化碳气体之后，将该混合气体从冷却装置的下部、连接部件或涂敷装置的上部导入。在该情况下，与上述实施方式同样，氦气的流量在根据线速信号进行反馈控制之后与二氧化碳气体混合，二氧化碳气体的流量在根据覆盖层径信号进行反馈控制之后与氦气混合。实施例以下利用实施例进行详细说明。在光纤素线的制造工序中，放入冷却装置时的光纤裸线的温度使用辐射温度计测定。向冷却装置导入的冷却气体和从冷却装置排出的冷却气体的温度使用热电偶测定。热电偶的设置位置为光纤裸线与冷却装置内壁的大约中间位置。冷却装置内的冷却气体在光纤裸线附近温度最高，具有随着朝向冷却装置内壁温度变低的倾向。实际上，光纤裸线附近的冷却气体根据光纤裸线的线速随着该光纤裸线成为下行气流。另一方面，冷却装置内的冷却气体基本上为上行气流。由此，下行气流和上行气流混合，冷却气体的流动变得复杂。因此，冷却气体的温度分布也变得混乱。从而，不是将冷却装置内的冷却气体温度， 而是将从冷却装置排出的冷却气体的温度作为冷却装置内的气体的温度的代表值使用。如下所述定义相对于外部干扰的耐性(外部干扰耐性)。即使在线速由于外部干扰而变动的情况下，也能够进行光纤裸线的稳定的冷却， 稳定冷却的结果是，冷却装置出口处的光纤裸线的温度的变动变小。结果，能够将覆盖层径的变动抑制为士 Iym以下。但是，除去光纤裸线的外径变动的主要原因(在光纤裸线变 Klym的情况下，测定出的覆盖层径=光纤裸线外径+覆盖层径壁厚，因此覆盖层径允许 2 μ m的变化)。此外，即使在线速由于外部干扰而变动的情况下，反馈控制也不会偏离，冷却装置中的冷却能力调整稳定地进行，稳定冷却的结果是，冷却装置出口处的光纤裸线的温度的变动变小。结果，能够将覆盖层径的变动抑制为士 Iym以下。(实施例1)在图1所示的装置结构中，以中心线速1500m/min进行光纤素线的拉丝，进行光纤素线的制造。与加热炉不连接的冷却装置与涂敷装置由连接部件连接。以向冷却装置的下部流入氦气的方式配置管路，以向涂敷装置的上部流入二氧化碳气体的方式配置管路。连接部件的长度为300mm。作为冷却装置，将黄铜制造的内径Φ为10mm、内壁形状平坦、长度为Im的冷却筒连接5个而使用，使冷却装置的冷却长度为5m。此外，使在循环水筒内循环的冷却水的温度为20°C。利用覆盖层径信号对二氧化碳气体的流量进行反馈控制。冷却装置内的总气体流量为5SLM，使氦气的流量为4SLM，使二氧化碳气体的流量为1SLM。测定光纤裸线的温度和混合气体的温度。进入冷却装置的光纤裸线的温度为 1100°C，导入冷却装置内的冷却气体(氦气和二氧化碳气体的混合气体)的温度为25°C，从冷却装置的上端排出的混合气体的温度为68°C。在该情况下，实施合计1万km的光纤素线的拉丝。结果，冷却装置的冷却能力的响应性、相对于外部干扰的耐性良好，制造出的光纤素线中覆盖层径均勻为良好的状态。在图5和图6分别表示该实施例1的光纤裸线的光纤径变动、线速变动和覆盖层径变动的一个例子。(实施例2)使冷却装置的内径Φ为7mm，并且使冷却装置内的总气体流量为2SLM，使氦气的流量为1. 5SLM，使二氧化碳气体的流量为0. 5SLM，除此之外与实施例1同样地进行光纤素线的制造。测定光纤裸线的温度和混合气体的温度。进入冷却装置的光纤裸线的温度为 1100°C，导入冷却装置内的冷却气体(氦气和二氧化碳气体的混合气体)的温度为25°C，从冷却装置的上端排出的混合气体的温度为99°C。在该情况下，实施合计1万km的光纤素线的拉丝。结果，冷却装置的冷却能力的响应性、相对于外部干扰的耐性良好，制造出的光纤素线中覆盖层径均勻为良好的状态。在图7和图8分别表示该实施例2的线速变动和覆盖层径变动的一个例子。(实施例3)使冷却装置的内径Φ为15mm，使冷却装置的内壁的形状为凹凸形状(参照图4)， 并且使冷却装置内的总气体流量为10SLM，使氦气的流量为8SLM，使二氧化碳气体的流量为2SLM，除此之外与实施例1同样地进行光纤素线的制造。在本实施例中，在冷却装置的内壁1 形成有凸部14f，由此在冷却装置内形成凹凸形状，使冷却装置内的表面积增大。因此，冷却装置的内壁和冷却装置内的气体的热交换更为良好。测定光纤裸线的温度和混合气体的温度。进入冷却装置的光纤裸线的温度为 1100°C，导入冷却装置内的冷却气体(氦气和二氧化碳气体的混合气体)的温度为25°C，从冷却装置的上端排出的混合气体的温度为52°C。在该情况下，实施合计1万km的光纤素线的拉丝。结果，冷却装置的冷却能力的响应性、相对于外部干扰的耐性良好，制造出的光纤素线中覆盖层径均勻为良好的状态。在图9和图10分别表示该实施例3的线速变动和覆盖层径变动的一个例子。(比较例1气体流量少(流速慢)，因此光纤裸线与气体之间的热交换不充分，不能够冷却光纤裸线的例子)使冷却装置内的总气体流量为1SLM，使氦气的流量为0. 75SLM，使二氧化碳气体的流量为0. 25SLM，除此之外与实施例2同样地进行光纤素线的制造。虽然开始了拉丝，但在成为线速1500m/min的稳定线速之前，不能够进行光纤裸线的冷却，不能够拉丝。(比较例2排出气体温度高，冷却装置的响应性变得过于不敏感的例子)
作为冷却装置，将黄铜制造的内径Φ为7mm、内壁形状平坦、长度为Im的冷却筒连接7个而使用，使该冷却装置的冷却长度为7m，除此之外，与比较例1同样地进行光纤素线的制造。开始拉丝，能够使线速为1500m/min。测定光纤裸线的温度和混合气体的温度。进入冷却装置的光纤裸线的温度为1100°c，导入冷却装置内的冷却气体(氦气和二氧化碳气体的混合气体)的温度为25°c，从冷却装置的上端排出的混合气体的温度为134°C。在该状态下，实施合计1万km的光纤素线的拉丝。结果，在约三次的瞬间的光纤径变动产生时，冷却装置的冷却能力来不及响应，覆盖层径变细，结果不能够涂敷，观察到光纤素线的断线。 在图11和图12分别表示该比较例2的线速变动和覆盖层径变动的一个例子。(比较例3排出气体温度低，响应性过于灵敏的例子)使冷却装置的内径Φ为20mm，并且使冷却装置内的总气体流量为20SLM，使氦气的流量为16SLM，使二氧化碳气体的流量为4SLM，除此之外与实施例3同样地进行光纤素线的制造。测定光纤裸线的温度和混合气体的温度。进入冷却装置的光纤裸线的温度为 1100°C，导入冷却装置内的冷却气体(氦气和二氧化碳气体的混合气体)的温度为25°C，从冷却装置的上端排出的混合气体的温度为44°C。在该情况下，实施合计1万km的光纤素线的拉丝。结果，存在冷却装置的冷却能力的响应性变得灵敏的情况，在由线速变动引起的低线速时存在覆盖层径微小变动的部位。相对于外部干扰的耐性良好，能够进行拉丝，但制造出的光纤素线的覆盖层径存在变动，不是良品。在图13和图14分别表示线速变动和覆盖层径变动的一个例子。如图14所示，线速越低，变动幅度越大。(实施例4线速为2000m/min的例子)以中心线速2000m/min进行拉丝，作为冷却装置，将黄铜制造的内径Φ为10mm、 内壁形状平坦、长度为Im的冷却筒连接7个而使用，使该冷却装置的冷却长度为7m，并且使冷却装置内的总气体流量为4SLM，使氦气的流量为3. 5SLM，使二氧化碳气体的流量为 0. 5SLM，除此之外与实施例1同样地进行光纤素线的制造。测定光纤裸线的温度和混合气体的温度。进入冷却装置的光纤裸线的温度为 1200°C，导入冷却装置内的冷却气体(氦气和二氧化碳气体的混合气体)的温度为25°C，从冷却装置的上端排出的混合气体的温度为86°C。在该情况下，实施合计1万km的光纤素线的拉丝。结果，冷却装置的冷却能力的响应性、相对于外部干扰的耐性良好，制造出的光纤素线的覆盖层径均勻为良好的状态。(实施例5线速为2500m/min的例子)以中心线速2500m/min进行拉丝，作为冷却装置，将黄铜制造的内径Φ为15mm、 内壁形状凹凸、长度为Im的冷却筒连接8个而使用，使该冷却装置的冷却长度为8m，并且使冷却装置内的总气体流量为3SLM，使氦气的流量为2. 6SLM，使二氧化碳气体的流量为 0. 4SLM，除此之外与实施例1同样地进行光纤素线的制造。测定光纤裸线的温度和混合气体的温度。进入冷却装置的光纤裸线的温度为 1200°C，导入冷却装置内的冷却气体(氦气和二氧化碳气体的混合气体)的温度为25°C，从冷却装置的上端排出的混合气体的温度为76°C。在该情况下，实施合计1万km的光纤素线的拉丝。结果，冷却能力的响应性、相对于外部干扰的耐性良好，制造出的光纤素线的覆盖层径均勻为良好的状态。(实施例6线速为1000m/min的例子)以中心线速lOOOm/min进行拉丝，作为冷却装置，将黄铜制造的内径Φ为10mm、内壁形状平坦、长度为Im的冷却筒连接3. 5个而使用，使该冷却装置的冷却长度为3. 5m，除此之外与实施例1同样地进行光纤素线的制造。测定光纤裸线的温度和混合气体的温度。进入冷却装置的光纤裸线的温度为 1000°C，导入冷却装置内的冷却气体(氦气和二氧化碳气体的混合气体)的温度为25°C，从冷却装置的上端排出的混合气体的温度为57°C。在该情况下，实施合计1万km的光纤素线的拉丝。结果，冷却能力的响应性、相对于外部干扰的耐性良好，制造出的光纤素线的覆盖层径均勻为良好的状态。在表1中总结以上的实施例1 6和比较例1 3的结果。研究该结果。[表1]
权利要求
1.一种光纤素线的制造方法，其具有 利用加热炉使光纤母材熔融变形的工序；将所述光纤母材的所述熔融变形的部位作为光纤裸线进行抽出的工序； 利用冷却装置强制冷却所述光纤裸线的工序；利用涂敷装置在强制冷却后的所述光纤裸线上形成保护包覆层的工序；以及利用固化装置使所述保护包覆层固化的工序， 该光纤素线的制造方法的特征在于，对所述冷却装置和所述涂敷装置之间进行气密性的连接，利用所述涂敷装置内的树脂的弯月面封闭在所述冷却装置内流动的冷却气体向所述涂敷装置侧的流动，由此使所述冷却装置内的所述冷却气体的流动成为上行气流，从所述冷却装置的上端向外部排出；通过调整所述冷却气体的流量，使所述冷却气体的温度从所述冷却装置的下部向所述冷却装置的上部变高。
2.如权利要求1所述的光纤素线的制造方法，其中， 作为所述冷却气体使用氦气和二氧化碳气体；从所述冷却装置的下部到所述涂敷装置内的所述树脂的所述弯月面之间的任意位置导入所述氦气；从所述冷却装置的下部到所述涂敷装置内的所述树脂的所述弯月面之间的、并且位于所述氦气的导入部位的下方侧的任意位置导入所述二氧化碳气体。
3.如权利要求1或2所述的光纤素线的制造方法，其中， 使用连接部件连接所述冷却装置和所述涂敷装置。
4.如权利要求1 3中任一项所述的光纤素线的制造方法，其中，基于在所述冷却装置上端的所述氦气和所述二氧化碳气体的混合气体的温度和在导入所述氦气的导入口的所述混合气体的温度，调整所述氦气的流量和所述二氧化碳气体的流量。
5.如权利要求1 4中任一项所述的光纤素线的制造方法，其中，在所述冷却装置上端的所述混合气体的温度设为Tgas，在所述导入口的所述混合气体的温度设为tgas时，满足以下的关系式，[tgasX2(°C)]彡 Tgas(°C)彡[tgasX4(°C)]。
6.如权利要求1 5中任一项所述的光纤素线的制造方法，其中，在比导入所述氦气的位置靠下的下方侧形成充满所述二氧化碳气体的空间。
7.如权利要求2 6中任一项所述的光纤素线的制造方法，其中，设置分隔物，对导入所述氦气的位置与导入所述二氧化碳气体的位置之间进行分隔， 使光纤裸线通过在所述分隔物的中心部设置的直径为1 5mm的孔。
8.如权利要求3 7中任一项所述的光纤素线的制造方法，其中， 从所述冷却装置的下部导入所述氦气；从所述连接部件导入所述二氧化碳气体。
9.如权利要求3 7中任一项所述的光纤素线的制造方法，其中， 从所述连接部件导入所述氦气；从所述涂敷装置导入所述二氧化碳气体。
10.如权利要求9所述的光纤素线的制造方法，其中， 从所述涂敷装置的上部导入所述二氧化碳气体。
11.如权利要求1所述的光纤素线的制造方法，其中， 作为所述冷却气体使用氦气和二氧化碳气体；在混合所述氦气和所述二氧化碳气体后，从所述冷却装置的下部到所述涂敷装置上部之间的任意位置导入所述混合气体。
12.如权利要求1 11中任一项所述的光纤素线的制造方法，其中， 预先设定所述冷却装置的内壁的表面积。
13.—种光纤素线，其由权利要求1 12中任一项所述的光纤素线的制造方法制造得
全文摘要
本发明提供一种光纤素线的制造方法。在该光纤素线的制造方法中，气密地连接冷却装置和涂敷装置，利用涂敷装置内的树脂的弯月面封闭在冷却装置内流动的冷却气体向涂敷装置侧的流动，由此使冷却装置内的冷却气体的流动成为上行气流，从冷却装置的上端向外部排出，通过调整冷却气体的流量，使冷却气体的温度从冷却装置的下部向冷却装置的上部变高。
文档编号G02B6/44GK102272063SQ20108000391
公开日2011年12月7日 申请日期2010年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者冈田健志 申请人:株式会社藤仓