ОХЛАДИТЕЛЬ БАШНИ ДЛЯ ВЫТЯГИВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК C03B37/02 

Область техники
Настоящее изобретение касается башни для вытягивания оптического волокна, а более конкретно, охладителя башни для вытягивания оптического волокна, способного осуществлять быстрое охлаждение оптического волокна, расплавленного в плавильной печи и затем вытянутого до заданного диаметра до нанесения на него покрытия.

Уровень техники
Вообще оптические волокна получают путем вытягивания заготовки для оптических волокон, используя башню для вытягивания оптического волокна. На фиг. 1 показана в схематичном виде обычная башня для вытягивания оптического волокна. Башня для вытягивания оптического волокна содержит плавильную печь 12 для расплавления заготовки 10 при высокой температуре, чтобы вытягивать непокрытое оптическое волокно 14, модуль 16 измерения диаметра, установленный ниже плавильной печи 12, для непрерывного измерения внешнего диаметра непокрытого оптического волокна, чтобы равномерно регулировать внешний диаметр непокрытого оптического волокна, модуль 18 охлаждения ниже модуля 16 измерения диаметра для понижения температуры непокрытого оптического волокна 14 до комнатной температуры, модуль 20 нанесения покрытия ниже модуля 18 охлаждения для покрытия поверхности непокрытого оптического волокна полимером, который отверждается под действием УФ-облучения, таким как акриловый полимер или силиконовый полимер, так чтобы защитить непокрытое оптическое волокно 14 от окружающей среды, модуль 22 отверждения ниже модуля 20 нанесения покрытия для отверждения оптического волокна с нанесенным покрытием 24, натяжной барабан 26 ниже модуля отверждения для вытягивания оптического волокна из заготовки 10 в направлении вниз и бобину 28 после натяжного барабана 26 для намотки вытянутого оптического волокна.

Далее будет описан способ формирования (вытягивания) оптического волокна, покрытого полимером с УФ отверждением. Заготовка 10 медленно подается в плавильную печь 12 с помощью механизма управления положением устройства управления положением заготовки (не показано). Здесь заготовка 10 нагревается в плавильной печи 12 до нескольких тысяч градусов, обычно до 2,100-2,200^oС. В результате непокрытое оптическое волокно 14 вытягивают из заготовки 10. Здесь вытягивающая сила обусловлена натяжным барабаном 26 и прикладывается к непокрытому оптическому волокну 14. Затем модуль 16 измерения диаметра измеряет наружный диаметр вытянутого непокрытого оптического волокна 14, чтобы определить, равен ли его диаметр заданной величине, например, 125 мкм, и передает измеренные значения диаметра в устройство управления диаметром (не показано). Устройство управления диаметром регулирует скорость вращения натяжного барабана 26 так, чтобы диаметр непокрытого оптического волокна 14 сохранялся равным по величине 125 мкм. Затем натяжной барабан 26 вращается так, чтобы регулировать вытягивающую силу, прикладываемую к непокрытому оптическому волокну 14, в ответ на управляющий сигнал устройства управления диаметром, тем самым вытягивая непокрытое оптическое волокно 14 в направлении вниз.

Затем для защиты непокрытого оптического волокна 14, охлажденного с высокой скоростью с помощью модуля 18 охлаждения, модуль 20 нанесения покрытия покрывает поверхность падающего вниз непокрытого оптического волокна 14 полимером с УФ отверждением, например акриловым полимером или силиконовым полимером. Затем оптическое волокно 24, покрытое УФ отверждаемым полимером, отверждается с помощью модуля 22 отверждения и затем наматывается на бобину 26 под управлением вытягивающей силы натяжного барабана 26.

Кроме того, если заготовка становится большой, то башня для вытягивания оптического волокна должна быть увеличена. Это потому, что когда заготовка становится большой, то необходимо выполнять вытягивание очень быстро. После того, как заготовка расплавляется, проходя через плавильную печь, и затем вытягивается, на вытянутое оптического волокно наносится покрытие. Здесь до нанесения покрытия на оптическое волокно температура непокрытого оптического волокна должна быть понижена до заданной температуры. Обычно температура непокрытого оптического волокна, только что вытянутого из плавильной печи, 2,000^oС или более. Однако для гарантирования стабильного покрытия на вытянутом оптическом волокне температура непокрытого оптического волокна должна быть понижена, по меньшей мере, до 40^oС или ниже (обычно до комнатной температуры). Для этого температура непокрытого оптического волокна быстро понижается с использованием охладителя. Однако охладитель при использовании охлаждает непокрытое оптическое волокно недостаточно сильно, чтобы поддержать темп, соответствующий высокой скорости вытягивания. На фиг.2 показан обычный охладитель, выполненный для использования в башне для вытягивания оптического волокна, показанной на фиг.1. В охладителе, имеющем трубчатую форму, вытянутое оптическое волокно охлаждается за счет наполнения трубки гелием (Не).

Следовательно, необходимо увеличивать высоту башни для вытягивания оптического волокна для быстрого охлаждения непокрытого оптического волокна при быстрой скорости вытягивания оптического волокна. Однако, если башня для вытягивания оптического волокна изготавливается высокой, то при этом увеличивается стоимость изготовления волокна, а это неэффективно.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является охладитель установки для вытягивания оптического волокна, расположенный ниже плавильной печи для расплавления заготовки оптического волокна (см. патент США 4514205, кл. С О3 В 37/025, 1985г.)
Раскрытие изобретения
Для решения вышеуказанных проблем в настоящем изобретении предлагается охладитель башни для вытягивания оптического волокна, способный быстро осуществлять охлаждение оптического волокна, которое расплавлено в плавильной печи и затем вытянуто, без увеличения высоты традиционной башни для вытягивания оптического волокна, так, что оптическое волокно может быть быстро вытянуто из заготовки.

Согласно одному аспекту объекта настоящего изобретения предложен охладитель башни для вытягивания оптического волокна, расположенный ниже плавильной печи для расплавления заготовки для оптического волокна, для охлаждения оптического волокна, вытянутого из заготовки, расплавленной в плавильной печи, при этом охладитель содержит, по меньшей мере, один теплообменник, установленный с заданной длиной, окружая оптическое волокно, вытянутое из плавильной печи, для охлаждения вытянутого оптического волокна.

Предпочтительно, теплообменник выполнен из термоэлектрического охладителя (ТЭО) для того, чтобы при пропускании электрической энергии через одну теплопоглощающую поверхность, тепло испускалось (выделялось) в другую теплоиспускающую поверхность, и он имеет трубчатую форму, в которой поглощающая тепло поверхность ТЭО окружает оптическое волокно, вытянутое из плавильной печи, вдоль направления вытягивания на заданной длине, а вытянутое оптическое волокно охлаждается по мере того, как проходит через трубчатый ТЭО.

Предпочтительно, охладитель дополнительно содержит вспомогательный охладитель, прикрепленный к испускающей тепло поверхности ТЭО, для охлаждения выделенного тепла, при этом вспомогательный охладитель установлен в контакте с теплообменником и содержит резервуар, в котором выполнен тракт для протекания теплоносителя, подводящую трубку, прикрепленную к резервуару для подачи теплоносителя через тракт для протекания теплоносителя, и выводящую трубку для вывода теплоносителя.

Согласно другому аспекту объекта настоящего изобретения предложен охладитель башни для вытягивания оптического волокна, расположенный ниже плавильной печи для расплавления заготовки для оптического волокна, обеспечивающий охлаждение оптического волокна, вытянутого из заготовки, расплавленной в плавильной печи, при этом охладитель имеет форму с двумя отверстиями, через которые вытянутое оптическое волокно проходит в вертикальном направлении, и содержит два термоэлектрических охладителя (ТЭО), каждый из которых имеет одну теплопоглощающую поверхность для пропускания электрической энергии и другую теплоиспускающую поверхность для испускания тепла, расположенные так, что две теплопоглощающие поверхности обращены друг к другу, окружая вытянутое оптическое волокно, и две проставки, расположенные между ТЭО, чтобы окружать вытянутое оптическое волокно.

Предпочтительно, охладитель дополнительно содержит вспомогательный охладитель, прикрепленный к каждой теплоиспускающей поверхности обращенных друг к другу ТЭО. Кроме того, по меньшей мере, два охладителя могут быть установлены в направлении вытягивания оптического волокна. Предпочтительно, каждый охладитель дополнительно содержит вспомогательный охладитель, прикрепленный к каждой теплоиспускающей поверхности обращенных друг к другу ТЭО, а между охладителями размещен изолирующий материал.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематичное изображение обычной башни для вытягивания оптического волокна;
фиг. 2 - обычный охладитель, приспособленный к башне для вытягивания оптического волокна, показанной на фиг.1;
фиг. 3 - охладитель башни для вытягивания оптического волокна согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения, в котором применен термоэлектрический охладитель (ТЭО) и который удваивает эффект охлаждения;
фиг.4 - вид сверху охладителя, показанного на фиг.3;
фиг.5 - структура примера реализации ТЭО;
фиг. 6 - показаны положения а, b и с, в которых измеряются температуры, для иллюстрации эффекта охлаждения в зависимости от расстояния от заготовки;
фиг.7 - график, показывающий зависимость температуры оптического волокна в положении b на фиг.6 от скорости вытягивания;
фиг.8 - график, показывающий зависимость температуры оптического волокна в положении с на фиг.6 от скорости вытягивания; и
фиг.9 - график, иллюстрирующий изменение температуры оптического волокна в зависимости от временного интервала t, требующегося для того, чтобы заготовка из положения а была вытянута в оптическое волокно и достигла положения с.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Эффектом Пельтье называется изменение температуры, когда через два различных материала, контактирующих друг с другом, протекает ток. Небольшое полупроводниковое устройство, такое как, например, тепловой насос, на основе эффекта Пельтье называется "термоэлектрическим охладителем (ТЭО)". На фиг.5 показан пример ТЭО, в котором между двумя керамическими пластинами расположены последовательно соединенные пары полупроводников р-типа и n-типа.

Основная идея настоящего изобретения заключается в том, чтобы сконструировать охладитель, используемый в башне для вытягивания оптического волокна, используя ТЭО. На фиг.3 показан охладитель башни для вытягивания оптического волокна, соответствующий настоящему изобретению, в котором применяется ТЭО для удвоения эффекта охлаждения. Базовый модуль включает два ТЭО 300, два стержня 310 и вспомогательный охладитель, состоящий из трех модулей (элементов) 320, 330 и 340, которые прикреплены к каждой теплоиспускающей поверхности ТЭО 300. На фиг.4 показан вид сверху охладителя с фиг.3. Охладитель, показанный на фиг. 3, составлен из двух или более базовых модулей, соединенных друг с другом, а между базовыми модулями размещен изолирующий материал 350. Здесь высота охладителя может регулироваться путем применения ряда базовых модулей.

ТЭО 300 представляет собой теплообменник для генерации тепла за счет пропускания электрической энергии через линии 360 подачи энергии. ТЭО размещен так, чтобы окружать оптическое волокно, вытянутое из плавильной печи 12 по фиг. 1. То есть, ТЭО 300 расположены так, чтобы их теплопоглощающие поверхности были обращены друг к другу вокруг оптического волокна, вытянутого из плавильной печи 12. Кроме того, пластины могут быть прикреплены так, чтобы усиливать эффект охлаждения на теплопоглощающих поверхностях ТЭО 300.

Кроме того, стержни 310 действуют как проставки для разнесения обращенных друг к другу ТЭО на заданное расстояние.

Оптическое волокно 370 проходит через пространство, ограниченное двумя ТЭО 300 и двумя стержнями 310 в вертикальном направлении, а в это пространство для дополнительного понижения температуры оптического волокна 370 подается хладагент. В качестве хладагента может использоваться гелий (Не), аргон (Аr) или азот (N). В этом варианте в качестве хладагента используются Не и Аr.

Здесь три модуля, составляющие вспомогательный охладитель, в котором применяется водяная система охлаждения - это резервуар 320, в котором выполнен тракт для протекания теплоносителя, подводящая трубка 340, прикрепленная к резервуару 320 для подачи теплоносителя через тракт для протекания теплоносителя в резервуаре 320, и выводящая трубка 330 для вывода теплоносителя. В этом варианте в качестве теплоносителя используется вода. Однако в некоторых случаях может быть использована любая среда, способная осуществлять теплообмен, например масло. Кроме того, для усиления эффекта охлаждения к резервуару 320 могут быть прикреплены пластины. Может быть использован вспомогательный охладитель с системой воздушного охлаждения, в которой воздух для охлаждения подается с помощью вентилятора. То есть, система охлаждения, применяемая во вспомогательном охладителе, не ограничивается вышеуказанным вариантом, согласно настоящему изобретению.

Изолирующий материал 350 препятствует переносу тепла от верхнего базового модуля к нижнему базовому модулю, благодаря чему увеличивается эффективность охлаждения каждого базового модуля охладителя. Изолирующий материал 350, используемый в этом варианте настоящего изобретения, представляет собой стироловый пенопласт. Однако изолирующий материал не ограничивается конкретным материалом.

Охладитель, проиллюстрированный в этом варианте, имеет гексагональную форму, а непокрытое оптическое волокно 370, вытянутое из плавильной печи, окружено с использованием двух ТЭО 300 и двух стержней 310. Предпочтительно, на месте двух стержней 310 используются два ТЭО. Более предпочтительно, охладитель выполняется с использованием трубчатого ТЭО. То есть, охладитель может быть модифицирован в различные формы без ограничений. Кроме того, базовые модули, примененные в охладителе, могут быть различными. То есть, в случае, если длина ТЭО достаточна для охлаждения непокрытого оптического волокна, вытянутого из плавильной печи, при заданной скорости вытягивания, то охладитель может быть образован только одним базовым модулем.

На фиг.6 показаны положения а, b и с, в которых измеряется температура, для иллюстрации эффекта охлаждения в зависимости от расстояния от заготовки. Буквенная позиция а указывает нижнюю линию заготовки, а буквами b и с обозначены положения, отстоящие от нижней линии а на 100 и 200 см соответственно. Здесь охладитель расположен между позициями b и с. Кроме того, T_s обозначает температуру заготовки, а Т₁ и T₂ обозначают температуры вытянутого оптического волокна в позициях b и с соответственно.

На фиг.7 представлен график, показывающий температуру Т₁ вытянутого оптического волокна в позиции b по фиг.6 в зависимости от скорости вытягивания Vf. На фиг.8 представлен график, показывающий температуру T₂ вытянутого оптического волокна в позиции с по фиг.6 в зависимости от скорости вытягивания Vf.

Фиг. 9 представляет график, иллюстрирующий изменение температуры (log (Т₁-T₂)) оптического волокна в зависимости от времени t, требующегося для вытягивания заготовки из позиции а до вытягивания в оптическое волокно до позиции с. Здесь время t вычисляется как L/Vf, где L - расстояние между позициями b и с, которое равно 200 см. В условных обозначениях на фиг. 9 "Не9", "Не6", "Не3" и "Не1,5" указывают случаи, когда Не в качестве хладагента протекает через охладитель при расходе 9, 6, 3 и 1,5 л в минуту соответственно, когда работает охладитель, в котором применяется только ТЭО. "Воздух" указывает случай, в котором охладитель не работает, и хладагент отсутствует, "ТОЛЬКО Не3" указывает случай, в котором подается только Не при расходе 9 л в минуту, когда работа охладителя прекращена, а "Аr3" указывает на случай, в котором Аr подается в качестве хладагента при расходе 3 литра в минуту, когда охладитель работает.

Промышленная применимость
Охладитель башни для вытягивания оптического волокна в соответствии с настоящим изобретением, который описан выше, может улучшить эффект охлаждения. Следовательно, скорость вытягивания оптического волокна может быть увеличена без увеличения высоты башни для вытягивания оптического волокна.

Охладитель, расположенный ниже плавильной печи для расплавления заготовки для оптического волокна, для охлаждения оптического волокна, вытянутого из заготовки, расплавленной в плавильной печи, включает, по меньшей мере, один теплообменник, установленный с заданной длиной, окружая оптическое волокно, вытянутое из плавильной печи, для охлаждения вытянутого оптического волокна. Теплообменник выполнен из термоэлектрического охладителя для того, чтобы при пропускании электрической энергии через одну теплопоглощающую поверхность тепло выделялось в другую теплоиспускающую поверхность, и имеет трубчатую форму, в которой теплопоглощающая поверхность охладителя окружает оптическое волокно, вытянутое из плавильной печи, вдоль направления вытягивания на заданной длине. Вытянутое оптическое волокно охлаждается по мере прохождения через трубчатый охладитель. Кроме того, охладитель дополнительно включает вспомогательный охладитель, прикрепленный к теплоиспускающей поверхности, для охлаждения выделенного тепла. Техническая задача изобретения - увеличить эффект охлаждения, так что вытягивание оптического волокна может быть ускорено без увеличения высоты башни для вытягивания оптического волокна. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Охладитель башни для вытягивания оптического волокна, расположенный ниже плавильной печи для расплавления заготовки для оптического волокна, для охлаждения оптического волокна, вытянутого из заготовки, расплавленной в плавильной печи, при этом охладитель содержит, по меньшей мере, один теплообменник, установленный с заданной длиной, окружая оптическое волокно, вытянутое из плавильной печи, для охлаждения вытянутого оптического волокна, причем теплообменник выполнен из термоэлектрического охладителя для пропускания электроэнергии через одну теплопоглощающую поверхность, обеспечения выделения тепла в другую теплоизлучающую поверхность и имеет трубчатую форму, в которой теплопоглощающая поверхность термоэлектрического охладителя окружает оптическое волокно, вытянутое из плавильной печи, вдоль направления вытягивания на заданной длине, а вытянутое оптическое волокно охлаждается по мере прохождения через трубчатый термоэлектрический охладитель. 2. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит вспомогательный охладитель, прикрепленный к теплоиспускающей поверхности термоэлектрического охладителя для охлаждения выделенного тепла. 3. Охладитель по п. 2, отличающийся тем, что вспомогательный охладитель устанавливается в контакте с теплообменником и содержит резервуар, в котором выполнен тракт для протекания теплоносителя, подводящую трубку, прикрепленную к резервуару, чтобы подавать теплоноситель через тракт для протекания теплоносителя, и выводящую трубку для вывода теплоносителя. 4. Охладитель по п. 3, отличающийся тем, что теплоносителем является вода. 5. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что хладагент протекает в пределах трубчатого термоэлектрического охладителя, окружающего вытянутое оптическое волокно. 6. Охладитель по п. 5, отличающийся тем, что хладагент выбирается из группы, состоящей из гелия (Не), аргона (Аr) и азота (N). 7. Охладитель башни для вытягивания оптического волокна, расположенный ниже плавильной печи для расплавления заготовки для оптического волокна, для охлаждения оптического волокна, вытянутого из заготовки, расплавленной в плавильной печи, при этом охладитель имеет форму, имеющую два отверстия, через которые проходит в вертикальном направлении вытянутое оптическое волокно, и содержит два термоэлектрических охладителя, каждый из которых имеет одну теплопоглощающую поверхность для пропускания электрической энергии и другую теплоиспускающую поверхность для выделения тепла, установленные так, что две теплопоглощающие поверхности обращены одна к другой, окружая вытянутое оптическое волокно, и две проставки, размещенные между термоэлектрическими охладителями для окружения вытянутого оптического волокна. 8. Охладитель по п. 7, отличающийся тем, что дополнительно содержит вспомогательный охладитель, прикрепленный к каждой теплоиспускающей поверхности обращенных друг к другу термоэлектрических охладителей. 9. Охладитель по п. 7, отличающийся тем, что хладагент протекает в пределах пространства, ограниченного термоэлектрическими охладителями и проставками. 10. Охладитель по п. 7, отличающийся тем, что, по меньшей мере, два охладителя установлены в направлении вытягивания оптического волокна. 11. Охладитель по п. 10, отличающийся тем, что каждый охладитель дополнительно содержит вспомогательный охладитель, прикрепленный к каждой теплоиспускающей поверхности обращенных друг к другу термоэлектрических охладителей. 12. Охладитель по п. 11, отличающийся тем, что изолирующий материал размещен между охладителями.