光纖冷卻裝置以及光纖制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用氣體對(duì)從光纖玻璃母材拉絲出的光纖進(jìn)行冷卻的光纖冷卻 裝置以及光纖制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖是通過(guò)下述方式進(jìn)行制造的，S卩，使光纖玻璃母材（以下，稱(chēng)為玻璃母材）在 光纖用拉絲爐（以下，稱(chēng)為拉絲爐）中加熱軟化，并從拉絲爐的下方拉出（拉絲）。從玻璃 母材拉絲得到的光纖例如通過(guò)涂敷紫外線硬化樹(shù)脂、進(jìn)行硬化而形成覆膜，但由于剛拉絲 出的光纖溫度高，因此無(wú)法立刻涂敷樹(shù)脂。因此，在拉絲爐和樹(shù)脂涂敷裝置之間設(shè)置光纖冷 卻裝置，將剛拉絲出的光纖冷卻。
[0003] 關(guān)于該光纖冷卻裝置，例如在JP2004 - 339026A中公開(kāi)了利用氦氣等冷卻氣體對(duì) 光纖進(jìn)行冷卻的裝置。具體而言，設(shè)置有在上下具有開(kāi)口的冷卻管部，在冷卻管部的中途形 成有供給冷卻氣體的通路。光纖從冷卻管部的上端導(dǎo)入，并與在上端處引入的空氣一起向 下方移動(dòng)。從通路供給來(lái)的冷卻氣體在冷卻管部?jī)?nèi)朝向上方或朝向下方流動(dòng)，從而將光纖 冷卻。冷卻后的光纖與冷卻氣體、空氣一起從冷卻管部的下端導(dǎo)出。
[0004] 這里，由于氦氣與氬氣、氮?dú)庀啾葍r(jià)格極高，因此優(yōu)選以少量的氦氣使光纖的溫度 下降。在該情況下，考慮到為了使光纖和冷卻氣體的接觸時(shí)間變長(zhǎng)，優(yōu)選將冷卻氣體從冷卻 管部的上端附近供給。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種光纖冷卻裝置以及光纖制造方法，其能夠減少冷卻氣 體的使用量并使光纖的溫度下降得最低。
[0006] 為了達(dá)成目的，提供一種光纖冷卻裝置，該光纖冷卻裝置包括冷卻管部，該冷卻管 部具有：上端，其導(dǎo)入光纖；下端，其導(dǎo)出冷卻后的光纖；以及中心軸，其沿著光纖，該冷卻 管部在上端和下端之間具備供給冷卻氣體的供給口。在該光纖冷卻裝置中，在將朝向下方 的氣流設(shè)為正時(shí)，將冷卻管部中的光纖周?chē)挠煽諝饧袄鋮s氣體形成的內(nèi)部氣體的朝向下 方的氣流的流量表示為Q1，將朝向下方的氣流周?chē)?、?nèi)部氣體的朝向上方的氣流的流量 表示為Q2，在朝向下方的氣流和朝向上方的氣流的邊界處將流速成為零的位置相距中心軸 的距離表示為R_CTse，將空氣的擴(kuò)散系數(shù)表示為D，將空氣的擴(kuò)散距離表示為length，將從 上端至供給口的距離L處的朝向下方的氣流中所包含的空氣的體積分?jǐn)?shù)表示為C1 (L)，在以 上述方式表示時(shí)，供給口位于使式13
[0009] 在本發(fā)明的光纖冷卻裝置中，也可以是冷卻氣體的供給口沿著冷卻管部的上下方 向而形成N個(gè)，在將從上端至各供給口的距離設(shè)為L(zhǎng)i、將各供給口的冷卻氣體的供給量設(shè) 為Q(He)i的情況下，將從上端至冷卻氣體的假想供給口的距離設(shè)為
[0011] 假想供給口位于使C1(L)成為最小的Lldral的附近。作為本發(fā)明的其他方式，還提 供一種使用本發(fā)明的光纖冷卻裝置的光纖制造方法。
[0012] 發(fā)明的效果
[0013] 根據(jù)本發(fā)明，能夠減少冷卻氣體的使用量并使光纖的溫度下降得最低。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是表示包含應(yīng)用本發(fā)明的光纖冷卻裝置在內(nèi)的光纖的制造裝置的結(jié)構(gòu)例的 概念圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明的光纖冷卻裝置的第1實(shí)施方式中的冷卻管部的概念圖。
[0016] 圖3是表示冷卻管部?jī)?nèi)的速度分布的一個(gè)例子的曲線圖。
[0017] 圖4是用于說(shuō)明冷卻管部?jī)?nèi)的氣流的圖。
[0018] 圖5是表示冷卻氣體的供給位置、和冷卻管部出口處的光纖溫度及空氣的體積分 數(shù)之間的關(guān)系的曲線圖。
[0019] 圖6是本發(fā)明的光纖冷卻裝置的第2實(shí)施方式中的冷卻管部的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面，參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的光纖冷卻裝置及使用該冷卻裝置 的光纖制造方法的具體例進(jìn)行說(shuō)明。此外，本發(fā)明并不限定于這些例示，而是由權(quán)利要求書(shū) 示出，包含與權(quán)利要求書(shū)等同的內(nèi)容及其范圍內(nèi)的全部變更。
[0021] 在光纖冷卻裝置中，在從冷卻管部的上端至冷卻氣體的供給位置的距離較短的情 況下，被牽引至光纖的周?chē)目諝怆y于從光纖的周?chē)M(jìn)行擴(kuò)散，冷卻氣體難于擴(kuò)散至光纖 的周?chē)Ｒ虼?，存在光纖周?chē)目諝獾捏w積分?jǐn)?shù)（也稱(chēng)為空氣的體積濃度）不降低，難于使 光纖的溫度下降的問(wèn)題。冷卻氣體優(yōu)選從冷卻管部的上端附近供給，但如果從冷卻管部的 上端至供給位置的距離過(guò)短，則光纖的溫度反而難于下降，因此，應(yīng)該存在冷卻氣體的最佳 的供給位置。
[0022] 圖1是表示包含應(yīng)用本發(fā)明的光纖冷卻裝置在內(nèi)的光纖的制造裝置的結(jié)構(gòu)例的 概念圖。光纖制造裝置具備：光纖用拉絲爐（以下，簡(jiǎn)稱(chēng)為拉絲爐）10、光纖冷卻裝置（以 下，簡(jiǎn)稱(chēng)為冷卻裝置）20、樹(shù)脂涂敷裝置40、樹(shù)脂硬化裝置50、引導(dǎo)輥60以及卷繞裝置70。
[0023] 光纖12是通過(guò)下述方式進(jìn)行制造的，S卩，使光纖玻璃母材（以下，簡(jiǎn)稱(chēng)為玻璃母 材）11在拉絲爐10中加熱軟化，并從拉絲爐10的下方進(jìn)行拉絲。從玻璃母材11拉絲得到 的光纖12在利用冷卻裝置20強(qiáng)制冷卻后，由樹(shù)脂涂敷裝置40涂敷紫外線硬化樹(shù)脂，利用 樹(shù)脂硬化裝置50使該樹(shù)脂硬化。然后，樹(shù)脂涂敷后的光纖13經(jīng)由引導(dǎo)輥60而由卷繞裝置 70卷繞。
[0024] 本發(fā)明的光纖制造裝置所包含的光纖冷卻裝置20具有冷卻管部21，該冷卻管部 21形成有冷卻氣體G的供給口。并且，在設(shè)計(jì)冷卻裝置20時(shí)，根據(jù)擴(kuò)散方程式（式12)，將 冷卻氣體的供給位置處的空氣的體積分?jǐn)?shù)(^作為從冷卻裝置的上端至冷卻氣體的供給位 置的距離L的函數(shù)C1 (L)(式13)而求出，確定使C1 (L)成為最小的至冷卻氣體的最佳供給 位置的距離Lldeal。
[0025] 圖2是本發(fā)明的光纖冷卻裝置的第1實(shí)施方式中的冷卻管部的概念圖。冷卻管部 21以其長(zhǎng)度方向作為上下方向而配置，具備上端22和下端23,其中，該上端22具有導(dǎo)入光 纖12的開(kāi)口，該下端23具有導(dǎo)出冷卻后的光纖12的開(kāi)口。另外，在冷卻管部21的中途，形 成供給例如氦氣等冷卻氣體的冷卻氣體供給路24,能夠?qū)⒗鋮s氣體供給至冷卻管部21內(nèi)。
[0026] 由此，剛拉絲出的光纖12從上端22的開(kāi)口導(dǎo)入，與從上端22的開(kāi)口引入的空氣 一起向下方移動(dòng)。從冷卻氣體供給路24供給來(lái)的冷卻氣體在冷卻管部21內(nèi)朝向上方或朝 向下方流動(dòng)而對(duì)光纖12進(jìn)行冷卻。然后，冷卻后的光纖12與冷卻氣體、空氣一起從下端23 的開(kāi)口導(dǎo)出。
[0027]將供給至冷卻管部21內(nèi)的冷卻氣體的流量設(shè)為Q(He)，將與冷卻氣體的供給位置 相比上方處的內(nèi)部氣體的流量設(shè)為Q(UP)，將與冷卻氣體的供給位置相比下方處的內(nèi)部氣 體的流量設(shè)為Q(DOWN)。對(duì)于內(nèi)部氣體，由于來(lái)自上端22的開(kāi)口的空氣及從冷卻氣體供給 路24供給來(lái)的冷卻氣體從下端22排出，因此，如果將朝向下方的氣流設(shè)為正，則根據(jù)質(zhì)量 守恒定律，式1成立。
[0028] Q(UP)+Q(He) =Q(DOWN) (I)
[0029] 另外，將冷卻管部21的從軸中心的半徑方向的距離設(shè)為r，將冷卻管部21的 長(zhǎng)度方向的位置設(shè)為z，將冷卻管部21內(nèi)的冷卻氣體的粘性系數(shù)設(shè)為y，將冷卻管部 21內(nèi)的壓力設(shè)為P，如果假設(shè)為在圓管內(nèi)流動(dòng)的穩(wěn)定層流（也稱(chēng)為哈根-泊蕭葉氣流 (Hagen-Poiseuilleflow))，則冷卻管部21的內(nèi)部氣體的速度分布火由式2表示。
[0031] 冷卻氣體的粘性系數(shù)y是在氣體溫度大于或等于230 [K]且小于或等于1000[K] 時(shí)的粘性系數(shù)，在氦氣的情況下，成為y= 1.9X10- 5[Pa*s]。
[0032] 在式2中，如果將光纖的半徑設(shè)為ri，將光纖的拉絲速度設(shè)為V1,則半徑ri處的內(nèi) 部氣體的速度成為Vz=Vi。另外，如果將冷卻管部21的內(nèi)徑設(shè)為r2( >ri)，則在r=r2 時(shí)成為Vz= 0,式2的A由式3表示，式2的B由式4表示。

[0035] 優(yōu)選r2大于或等于0? 5 [mm]且小于或等于5 [mm]。
[0036] 如果將冷卻管部21的全流量設(shè)為Q(Q(UP)或者Q(DOWN))，則全流量Q能夠由式5 表不。
[0037]
[0038] 并且，如果將朝向下方的氣流設(shè)為正，將式2、式3、式4代入式5的右邊的Vz，并對(duì) 壓力損失dP/dz進(jìn)行求解，則得到式6。
[0040] 如圖2所示，如果將從冷卻管部21的上端22至冷卻氣體G的冷卻氣體供給路24 的距離設(shè)為L(zhǎng)，將從冷卻氣體供給路24至冷卻管部21的下端23的距離設(shè)為L(zhǎng)'，則根據(jù)式 1、式6,下端23相對(duì)于上端22的壓力差P_(L+L'）g由式7表示。
[0042] 并且，如果已知冷卻氣體的流量Q(He)，則能夠根據(jù)式1、式7的聯(lián)立方程式，求出 與冷卻氣體供給路2