[发明专利]光学纤维在纤维成形过程中的冷却方法

说明书

本发明涉及在纤维成形过程中通过光学纤维在至少一个冷却区中与至少一种冷却剂流体接触冷却光学纤维的方法。

目前存在不同种类的光学纤维：基于氧化物玻璃的光学纤维、基于氟化物玻璃的光学纤维和基于聚合物材料的塑性光学纤维。基于氧化物玻璃、更常见地二氧化硅玻璃的光学纤维采用预制坯通过热拉制或纤维成形生产，该预制坯是一种粗的任选地至少部分掺杂的二氧化硅玻璃圆柱体，其直径一般地是20-200毫米，长度一般是300-2000毫米。图1表示了纤维成形炉1的示意图。预制坯2在纤维成形炉3中熔化，该炉使预制坯的温度达到约2000℃。这样得到的纤维7用环境空气冷却，然后在至少一个冷却设备4中冷却，最后，在放入涂布设备5之前再用环境空气冷却。一般地优化在纤维成形炉1上的冷却设备4的位置，以便在涂敷树脂时使纤维达到适宜温度。涂布设备5采用至少一种往往可在紫外线作用下交联的涂布树脂涂布纤维7。设备5一般包括至少一种注入设备(5a,5c)，接着是至少一种交联设备(5b,5d)。在图1所示情况下，设备5包括第一个树脂注入设备5a，接着是采用紫外线使所述树脂交联的设备5b，然后，第二个树脂注入设备5c，接着是采用紫外线使所述树脂交联的设备5d。最后，涂敷的光学纤维8由主动轮6拉动，然后卷绕在卷筒9上。

位于同一条向下垂直轴Z上的处在纤维成形炉3下方的设备，一般以它们的位置相对于纤维成形炉3底面定位，如纵坐标z所表示。图1说明的所有设备元件都是本领域技术人员熟知的。其他未表示的元件也是本领域技术人员熟知的。因此，例如未涂布和/或涂布的纤维直径测量设备，在第一次涂布和/或第二次涂布时纤维偏心测量设备和在给定纵坐标处纤维温度测量设备都属于已知技术。

冷却应该使纤维在纤维成形炉出口处的温度达到与涂布涂层树脂相容的温度，即约50℃。事实上，纤维在纤维成形炉出口处的温度是很高的，一般地，根据所使用的纤维成形炉和纤维成形速度，基于二氧化硅的纤维温度是约1000-2000℃。纤维在纤维成形炉出口与涂布设备进口之间的冷却是一个在纤维成形时待解决的主要问题，希望提高纤维成形速度时就更是如此。事实上，人们熟知，纤维的衰减取决于冷却条件，另外，如果纤维在涂布设备进口处的温度过高，无论是在纤维在其涂布时偏心还是所述涂布质量方面都可能带来许多问题。然而，在工业生产中，基于二氧化硅的纤维成形速度多年前尚为300米/分钟，这一速度增长得越来越快，今天已达到约1500米/分钟或更快。显然，目前这种趋势与提高作为光学纤维工业主要目标之一的生产率相关。

在生产基于氟化物玻璃的光学纤维的情况下，方法的原理是相同的，但是预制坯尺寸一般较小，通常是最大长度为几厘米到几十厘米时，例如10厘米，其直径为15-20毫米，纤维成形炉出口的温度一般是300-450℃。在这种情况下，可能存在同样的技术问题。同样地，在生产基于聚合物材料的光学纤维的情况下，其预制坯的最大长度为几十厘米，例如50厘米时，直径一般是几十毫米，例如80毫米，纤维成形炉出口的温度一般是200-250℃，可能存在同样的技术问题。在下面的说明书中，按照基于二氧化硅的光学纤维进行推理，同样的推理可以用于其他类型光学纤维，其中包括基于与二氧化硅不同的氧化物玻璃的光学纤维。

为了冷却基于二氧化硅的纤维，使用过不同的设备。一种可能的解决方案是具体地通过增加纤维成形炉与涂布设备之间的距离提高待冷却纤维与环境空气之间的换热面积。但是，这样一种解决方案涉及增加实际使用的纤维成形炉的高度，主要从投资上来说，其成本明显地过高。

另外一种解决方案是提高在纤维成形炉与涂布设备之间距离的冷却效率。除了用环境空气进行简单冷却之外，这种冷却对于实际使用的纤维成形炉来说显得非常不足，例如欧洲专利申请EP-A-0 079186所述，用于工业的不同设备的共同原理，包括在交换管核心的一定长度纤维上往在纤维成形炉出口处给定纵坐上的纤维表面径向注入气体，和使所述气体向上或向下流动。本领域技术人员已知气体如一般是空气、二氧化碳、氮气、氩气或氦气，优选氦气，其导热性是传热之源。优选地，该管用冷却流体在其周围进行冷却，冷却流体一般是水。例如US-A-4761168描述这种系统的改进方案，其中让气体沿着纤维在具有特定形状的交换管中循环，这样保证有规律的更换沿纤维循环的气体有限层。这种改进方案的目的在于改善换热换效率。