具有防护涂层的光学纤维的制造方法和设备的制作方法

专利名称:具有防护涂层的光学纤维的制造方法和设备的制作方法
本发明是关于具有合成树脂类防护涂层的光学纤维的制造方法，其中的纤维，是在拉制温度下，由加热的予制件的末端拉制，将纤维纵向引入，通过充满气体的冷却设备进行冷却，并使冷却的纤维穿过一个涂敷涂层材料的设备。
本发明也是关于为实现本发明方法的设备。
实现这种方法的设备是已知的，例如，见国际申请公报(PCT)WO83/02268。该申请中所描述的设备，主要是使纤维通过一个多孔的管子，氮气通过管子的孔壁引入，进入由管子封闭的空间。借助于流动的气体把热能带走。只有在这种情况的氮气，仅仅利用了气体的吸热能力。由于为了这个目的需要相当大量的气体，因此为了防止纤维的起始振动，必须测定流动气体的影响。为了该目的用了多孔管。
从欧洲专利申请0079186中也知道，实现这类方法的设备。这些设备中，借助于沿着纤维通入的冷氦气来完成纤维的冷却。纤维的强制冷却，会产生纤维的拉制速度高于自然冷却的拉制速度。当从预制件拉制纤维后，不进行强制冷却，并且予制件和涂敷合成树脂的设备之间的距离不够长，因此可能存在，以高速度拉制时纤维得不到足够时间，靠自然冷却到涂敷防护层所允许的温度。这时当纤维与防护涂层材料接触时温度过高，纤维不能被涂层材料充分润湿，会发生涂层材料的热分别。这就导致防护涂层的质量低劣。
根据欧洲专利申请号0079186中的设备，含有一个管子，将纤维拉制后立刻引入该管子。以这样一种方式，向管子内通入冷却干燥氦气，其流动方向有一个在纤维上的经向分量和与纤维的移动方向相反的分量，该管子具有一个隔热的外壳，尽可能地防止冷却氦从外界空气中吸热。这样将减少热吸收，由此也减少了冷却能力。根据特殊的实施(看美国说4，437，870)。通过围绕纤维的具有多孔管的管供应氦气。在这个装置中的多孔管位于内径大于多孔管外径的双壁管内。向多孔管和双壁管的内壁之间的空间吹冷却的氦气。吹进的氦气，通过多孔管扩散进入纤维所通过的多孔管内空间。由于氦气从纤维方向的各个方面流动，因此就没有纤维起始振动的危险。在双壁管的壁之间充有液态氮，以防止冷却氦从周围空间中吸收热量。该液态氮仅仅起了绝热器的作用。在这样的设备中，热纤维产生的热能，没有被液态氮所吸收。仅仅利用了冷却介质的吸热能力(热能力)。纤维扩散的热能被具有氦气的设备所消耗。所说的专利申请中指出，以拉制速度为5米/秒，并为达到足够低的温度时，通过具有内径为12.7毫米内管的设备的氦气流速为39.9升/分;很显然，以这样高的气速，必须采取措施防止在冷却设备中纤维的起始振动，因此增加了纤维的断裂可能性和非对称性合成树脂皮。根据EP0079186，从设备所需要的高速气体，毫无疑问可以推断，通过气体到设备的壁以及通过该壁到大气的热传导。
本发明的目的是为了提供一个方法和设备，实现公开段落中所描述的方法，该方法减少了气体的消耗量，因由此减少了纤维振动的可能性。
本发明的目的是借助于如下方法达到的。该方法，通过热传导到一个强制冷却壁冷却纤维，用气体作为热传送介质。根据本发明的方法，纤维发散的热能，主要经由冷却壁扩散到冷却剂里。为了此目的，最好使用热传送能力的液体冷却剂。根据本发明方法，气流可以很少。然而，该气流至少足以防止外界空气经由设备的纤维进出的小孔的渗透，以及补偿通过该小孔的气体损失。最好是使气体相对于纤维的移动方向，逆向流过该设备。根据本发明的方法，使用氦气和/或氢气作为热传送气体最为有效，这是因为它们的热传送性能与其他气体相比特别高。氦气最为安全。也可以用具有一定量氢的氦-氢混合气体，当这些气体与周围的空气相接触的时候，不会产生易爆炸或易燃气体的混合物。以拉制速度为6米/秒，氦的流速为6升/分钟的时候，利用本发明的方法，以水冷却冷却壁，使纤维温度降至60℃。纤维进入冷却设备时的温度，大约为800℃。氦气不被冷却，当进入中空管时，温度大约为20℃。施加充分的安全防护的情况下，也可以使用纯氢。
根据本发明的方法另一个有效的实施，把冷却壁冷却到外界温度之下，由此纤维和壁之间的温度梯度要比壁为外界温度时纤维和壁之间的温度梯度大。这就导致更快的热传送，因此减少了冷却设备的长度，而拉制速度保持不变或当长度不变时，可以导致拉制速度的提高。根据本发明方法，另一个优点是将气体的或挥发性的材料加入到作用于纤维表面的氦气中，以这种方式来影响对合成树脂皮的粘合，因此，由此和/或，减少水蒸气对纤维表面的反应性。
从予制件拉制纤维并在纤维上提供合成树脂一类涂层的设备，包括
-在拉制纤维温度下加热予制件一端的加热炉;
-在由予制件拉制的纤维上涂敷防护涂层的设备;
-安装在炉子和涂敷合成树脂皮的设备之间的冷却设备，在该设备中利用气体，把纤维冷却到适合于涂敷防护涂层的温度。
根据本发明，这种设备有如下特征带有中空管的冷却设备，向纤维通过的，由中空管封闭的空间中提供热传送气体的装置和冷却中空管的装置。
该中空管最好用液体冷却，是因为液体冷却中空管比用气体冷却得到的效率更好。另一个可能性是珀尔帖(Pelter)系统。
当然，中空管最好由易于热传导的金属制成，例如，铝，铜或该金属的合金。如果该中空管能把面向纤维通过的，中空管的内壁弄黑。以增加热吸收的话，仍可达到增加热扩散的效果;这样的薄层可以是细碎的镍或硫化钴。
适宜的管直径为10毫米到20毫米之间。中空管的冷却装置，可以这样制成，例如将被冷却管置于第二个管之中，该管上的使冷却剂充填在两管之间的冷却剂进出口。两个管壁之间适宜空间的距离，例如5到15毫米之间，在两管之间的空间中可以用冷却助连接中空管的内壁，也可以在第二管之间的空间中。安置螺旋状的隔板，以强制冷却剂在二个管之间围绕着中空管做螺旋形地移动。然而，也可以在纤维通过的外侧中空管上，安装螺旋形冷却管，让冷却剂从中通过。
该中空管，在纤维离开该中空管的一端，也就是，涂敷防护层的设备那一边，最好装有开向中空管封闭间的气体入口，这样即可通入热传送气体。气体与纤维相反的流向通过管子。为了支撑纤维，中空管除了输导纤维的小孔之外都要封闭。借助于一个小孔板即可做到这一点，拉制纤维板上孔的直径随时可以减少到所要求的小的直径，纤维以稳定的方式通过中空管，也就是说，没有任何摇摆或振动。也可以防止纤维的振动和摇摆，例如，通过相对于中空管成切线的，并开向中空管空间的管子供气体。根据适宜的实施方案，在气体进入管的开口和中空管的轴心之间的中空管内安装一个内径足以使纤维通过的管子，在沿着插入纤维的中空管末端，即朝着炉子的一边不再有任何延伸，仍有必要防止在送入热传送气体时引起的振动或摇摆。
正像在实践中已发现的那样，利用所描述过的设备，能把纤维冷却到足够低的温度，但利用各种手段改进纤维质量，似乎也是可能的。
例如，尽可能防止纤维和冷却设备与涂敷防护层设备之间的周围空气接触等都是有效的。一种可能是直接把它们连结在一起，另一个可能是，在纤维离开中空管的一端处配合一个空心管子，也就是在面向涂敷合成树脂皮的设备那一端，配合一个开口腔室，该腔室开在一端的例外，备有吹进无尘干燥气体进口管。当纤维进入冷却设备时，空气也可被带进冷却设备，这就导致中空管气体的热传导能力下降。如果认为需要的话，可在进口端，即在面向炉子的一端，安装带有腔室的中空管，该腔室开在这一端的外侧，并带有吹入气体的气体进口管。该气体被作为由中空管进入腔室的热传送介质。
甚至可以在炉子和冷却设备之间，安装一个辐射板来提高冷却能力，例如，反射热能的金属镜，如，可用铅板把冷却设备和辐射源炉子隔开。
根据本发明方法的实施和实现该方法的设备，可参照附图和实例，进一步详细描述。
图示
图1是本发明设备的剖视示意图，
图2是在图1所示的设备中用作冷却设备的更详细示意剖视图，
图3是图2中Ⅲ-Ⅲ线的剖视图，
图4是具有附加气体入口的设备图，
图4A是图4中Ⅳ-Ⅳ线的剖视图，
图5是图1中给出的带有辐射隔板的设备局部图。
根据本发明设备，包括一个拉制炉1，装有供气入口的一个双壁金属管2，如将氦气送入管2的内侧空间中。管2还装有分别为双壁管之间提供冷却剂和排泄冷却剂的入口管4和出口管5。该设备还装有一个为提供和熟化合成树脂防护涂层的装置，如槽板6示意的装置。图1进一步给出绕纱机7和连续测量纤维直径的设备和纤维的拉制速率控制取决于纤维直径(槽板8)。
所用的设备描述如下。由予制件9拉制纤维10，直径检测器8 制拉制速率，因此能够得到直径稳定的纤维10。将纤维10插入冷却设备，该设备主要是由一个双壁管2组成，在其中把纤维冷却到一个可涂敷合成树脂皮的温度，例如用水冷却管2，由管4进入，并由管5排出，当纤维在设备6中，涂敷合成树脂后，进行熟化，并卷绕在绕纱机7上。
图2更详细地描述了本发明设备中用作冷却的设备。该冷却设备的剖视图表示包括双壁管2和外管2A及由易导热材料做的内管2B。在实际实验中，管子2B是一个具有内径16毫米，外径20毫米，长度220厘米的铝管。管壁之间的间隔为7毫米。在由管2A和2B，密封垫10和11密封的空间中，通过管由入口管4提供冷却剂。再由出口管5排出，在本实施设备中冷却剂由进入管2A和2B之间的密封空间顶部，经由延伸管12从管5排出。冷却剂可以是自来水，但低于外界温度冷却液体也可用泵进行循环。在这情况下，冷却剂可以是盐水溶液或冰点低于外界温度的液体，例如，三氯氟代甲烷、丙二醇、乙二醇、亚甲基乙二醇、三氯乙烯，乙酮，甲醇，乙醇。冷却设备还包括气体进入管3，通过它可把热传送气体导入由管2B封闭的空间中。当然传送气体被选择为氦气和氢气，特别是氦气时，只考虑热传送能力。从安全的观点考虑，最好是氦气或氢气的混合物，当与空气混合时，不会导致燃烧或高温下爆炸。通过进气管成切线地导入热传送气体，进入邻近管2B的锥形扩展区13，如图3所示。以防护纤维在该地区起始振动观点看，一个内径为16毫米，外径20毫米的防护管子14，位于气体入口3的水平方向，在锥形扩展区13连接于管2B。
实际上已经找到了，当纤维在设备的6部位(图1)，涂敷合成树脂之前，离开冷却设备2时，防止水蒸气和灰尘的得当的方法;为了达到这个目的，根据设备的最好实施。吹进一种干燥气体，例如氮气或氦气，经由进气口15进入开向靠低侧外壳的腔室16，纤维离开设备。该设备包括具有小孔的横隔杨17，纤维穿过该孔离开实际冷却空间以及能够做到在纤维移动方向上氦的损失很少。分别经由小孔18和19，在设备末端的纤维入口和纤维出口，可以位于相对于纤维，于是后者尽可能处于管22B的轴上。
用图2给出的冷却设备，表1中记载了达到的温度和所用的氦量;管2B长度为220厘米，内径为16毫米，管2B为厚度2毫米的铝管。管2B用自来水冷却，流速为1-2升/分。氦不是冷却的。流速为4升/分钟。18处的纤维温度大约800℃。
表1
纤维输送速度 离开冷却设备时的
米/分钟 温度℃
4 50
5 60
6 75
当纤维输送速度稳定地保持在6米/秒，而氦的供给量不同时，其结果记录在表2中。
表2
氦的供给量 离开冷却设备时的
升/分钟 温度℃
2 120
3 100
4 75
6 60
很清楚，气体流动速度的增加，对冷却速度和最终达到的温度发生的影响，仅仅是相当小。通过增加供给，基本上减小通过纤维带进设备中的空气的阻力。通过使管2B的内壁变黑(和/或)，提供带氦供给设备的2B管末端入口防止由纤维带进的空气和/或辐射隔板23隔离辐射热的方法可以提高冷却能力，例如，铝的。
图4示意绘出附加的氦供给装置，由外壳部分20和气体供给管21，以切线供给通过的气体(看图4A);管22在外壳20内。通过管22供给的氦经过入口管21，防止使纤维引起振动。该入口设备在管2B的顶端(看图1)。
图5绘出辐射横格板23的装置。
权利要求
1、一种具有防护材料涂层的光学纤维的制造方法，其中在拉制温度下，由加热的予制件一端拉制纤维，将纤维以纵向引入，经过填充气体的冷却设备进行冷却，然后使冷却的纤维经过一个向其提供涂层材料的设备，其特征在于，使热量传送到一个强制冷却壁，冷却纤维，用气体做热传送介质。
2、根据权利要求
1中的方法，其特征在于使纤维通过一个充满热传送气体的管子，并通过气体填充空间外侧的液体冷却该管。
3、根据权利要求
1中的方法，其特征在于热传送气体为氦，或氢，或氢氦的混合气。
4、根据权利要求
1中的方法，其特征在于通过冷却设备的热传送气体流向与纤维移动的方向相反。
5、根据权利要求
1的方法，其特征在于将纤维引入冷却设备之前，纤维被冷却设备中与其逆流向的，作为热传送介质的气体或气体混合物所包围。
6、根据权利要求
1中的方法，其特征在于，纤维离开冷却设备后，使其被干燥的无尘气体所包围。
7、根据权利要求
1的方法，其特征在于，纤维离开冷却设备后，使其被干燥氮气所包围。
8、根据权利要求
2的方法，其特征在于使纤维经过一个充气空间外侧用水冷却的管子。
9、根据权利要求
2的方法，其特征在于使纤维经过一个在充气空间外侧用低于环境温度的液体冷却的管子。
10、根据权利要求
2的方法，其特征在于使纤维经过一个由容易热传导金属作成的管子。
11、根据权利要求
2的方法，其特征在于使纤维经过一个铝，铜，或这些金属合金的管子。
12、根据权利要求
2的方法，其特征在于使纤维经过使其面向纤维的内表面异黑的管子。
13、制造一种涂有防护材料层的光学纤维的设备，包括顺序为
-一个在拉制温度下，加热予制件一端的炉子，
-一个在由予制件拉的制纤维上涂敷防护材料涂层的设备，
-一个安装在炉子和涂敷合成树脂皮设备之间的冷却设备，在该设备中借助于气体把纤维冷却到一个适合涂敷涂层的温度，其特征在于该冷却设备包括一个中空管，向能使纤维通过的中空管封闭空间提供热传送气体的装置，以及冷却中空管的装置。
14、根据权利要求
13的设备，其特征在于冷却设备包括用液体冷却中空管的装置。
15、根据权利要求
13的设备，其特征在于该中空管由容易导热的金属制成。
16、根据权利要求
13的设备，其特征在于该中空管由铝，铜，或这些金属的合金制成。
17、根据权利要求
13的设备，其特征在于中空管由容易导热的合金制成，并使面向纤维通过的内表面异黑。
18、根据权利要求
13的设备，其特征在于中空管内径至少为10毫米，最大为20毫米。
19、根据权利要求
13的设备，其特征在于该中空管由铝制成，管的内径为16毫米，外径为20毫米。
20、根据权利要求
14的设备，其特征在于中空管位于第二个管子中，并有液体冷却剂的进出口，冷却剂从两管之间的空间通过。
21、根据权利要求
20的设备，其特征在于在通过纤维的管外侧，中空管有一个成螺旋形的延伸冷却管。
22、根据权利要求
13的设备，其特征在于纤维离开处的中空管末端有一个管状气体入口，该口开向中空管围绕的空间，向管子的空间提供热传送气体。
23、根据权利要求
13的设备，其特征在于纤维离开的中空管那一端，有一个带纤维排出孔的横隔板，直径可以使纤维减小达到所要求的直径。
24、根据权利要求
22的设备，其特征在于气体入口包括位于相对于周围成切线形的管子，并通向由中空管所包围的空间。
25、根据权利要求
24的设备，其特征在于以中空管封闭的空间中的气体入口管子的孔和中空管的轴之间，装上一个内径足以使纤维通过的而可在中空管末端方向上延伸的管子，纤维从中通过的一步，需要防止由于气体流进而引起的起始振动或摇摆。
26、根据权利要求
13的设备，其特征在于在纤维离开处的中空管一端外侧，有一个开口腔室，该腔室包括一个把无氧无尘干燥气体吹进腔室的入口管。
27、根据权利要求
13的设备，其特征在于在纤维进入处的中空管的一端外侧，有一个开口腔室，该腔室包括一个把气体吹入腔室的入口管，该腔室的气体作为中空管中热传送介质。
28、根据权利要求
13的设备，其特征在于炉子和冷却设备之间设一个辐射隔板，防止从炉子中发出的辐射热影响冷却装置。
专利摘要
本发明描述了一种具有防护涂层的光学纤维制造方法，该方法中利用一个在预制任拉制纤维后进行冷却的设备。该冷却设备包括一个强制冷却的双壁管。在使纤维通过，并从中冷却的由内管封闭的空间中，通有一种热传送特性好的气体，例如，氦。热通过扩散，经由氦到强制冷却管壁，使纤维冷却。
文档编号C03B37/025GK85101537SQ85101537
公开日1986年10月29日 申请日期1985年4月1日
发明者乔琴·科尼利斯·马里纳斯·格里特, 范德莱特·雅各布斯·威尔马斯·科尼利斯 申请人:菲利浦光灯制造公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan