CH660659A5 - Verfahren zum erhitzen eines lichtleitfaser-rohlingteils und heizanordnung zur durchfuehrung des verfahrens. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhitzen eines Lichtleitfaser-Rohlingteils, aus welchem eine Lichtleitfaser gezogen wird und eine Heizanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei herkömmlichen Ziehvorgängen von Lichtleitfasern aus einem Lichtleitfaser-Rohling ist es nötig, einen Teil des Rohlings auf seine «Ziehtemperatur» zu erhitzen. Ein Glasfaden wird aus dem erhitzten Teil des Rohlings gezogen, um schlussendlich die Lichtleitfaser zu bilden, wobei herkömmliche Hitzequellen, wie z.B. CC>2-Laser, Widerstands- oder Induktionsöfen und C>2/H2-Brenner, verwendet werden. Die gewünschten Licht-übertragungs- und mechanischen Eigenschaften können der Faser durch sorgfältige Steuerung deren Durchmessers verliehen werden. Gleichmässige Lichtübertragungseigenschaften entlang der ganzen Faserlänge hängen wesentlich vom Konstanthalten des Durchmessers ab. Auch weitere Faktoren, wie z.B. die Ziehtemperatur und -Spannung, die Ziehgeschwindigkeit und der Oberflächenschutz der gezogenen Faser, bestimmen die optischen Eigenschaften der gezogenen Faser. Hierbei ist zu erwähnen, dass grosser Wert auf eine optimale Ziehtemperatur gelegt werden muss, da diese sowohl die optischen als auch die mechanischen Eigenschaften der Faser beeinflusst.
Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Ziehtemperatur und weitern Ziehparametern, wie z.B. Ziehgeschwindigkeit, Durchmesser von Faser und Rohling und Rohlings-Vorschubgeschwindigkeit. Aus diesem Grunde sollte die Faser-Ziehspan-nung, welche hauptsächlich von der Ziehtemperatur abhängig ist, sorgfältig kontrolliert werden. So z.B. kann eine Ziehspannung von ungefähr 50 g zum Ziehen von Lichtleitfasern mit sehr geringen Verlusten verwendet werden. Andererseits kann eine niedrige Ziehspannung von z.B. weniger als 5 g während des Ziehvorgangs von langen, hochfesten Fasern zur Anwendung gelangen. Niedrige Ziehspannungen werden durch hohe Ziehtemperaturen erreicht, wobei diese letztern eine starke Verdampfung von Siliciumduoxid verursachen. Die obere Limite der Ziehtemperatur in bezug auf eine optimale Ziehspannung hängt von den Ziehbedingungen ab.
Beim Ziehen von Lichtleitfasern ist es wichtig, den Wärme-fluss in jenem Teil des Rohlings, aus welchem die Faser gezogen wird, so konstant wie nur möglich zu halten, dies nicht nur während des Ziehvorgangs, sondern auch von Punkt zu Punkt des Rolingsumfangs im entsprechenden Querschnitt, da die Viskosität und folglich auch die Fliessgeschwindigkeit des Rohlingmaterials davon abhängt. Sollte der Wärmefluss in den Rohling und folglich die Temperatur und Viskosität dessen Materials sich in Richtung Umfang des entsprechenden Querschnitts ändern, wäre der Querschnitt der gezogenen Faser eher unregelmässig, also nicht kreisförmig, was zu einer Verschlechterung der lichtübertragenden Eigenschaften der Faser führen könnte. Eine saubere Ziehatmosphäre sollte aufrechterhalten werden, indem die Luft oft mit einem Staubpartikel-Zähler kontrolliert wird. Eine der Verunreinigungsquellen der Faseroberfläche könnte die Wärmequelle selbst sein, die Fremdteilchen aus Heizelementen, wie z.B. Kohlenstoff- und Zirkonoxid-Partikel, erzeugt. Bekanntlich werden durch Verunreinigungen der Oberfläche der Faser die mechanischen Eigenschaften dieser verschlechtert. Eine bekannte, saubere Wärmequelle ist der Knallgasflammen-Brenner, in welchem gefilterte Sauerstoff- und Wasserstoff gase gemischt und gezündet werden, um eine Knallgasflamme zu bilden. Die Anordnung des Brenners wird opti5
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miert, um einen einheitlichen Wärmefluss zu erzeugen, der einen verjüngten Teil am Rohling während des Ziehvorgangs der Faser bildet, wobei Rohlinge von verhältnismässig grossen Durchmessern verwendet werden.
In herkömmlichen Ziehvorrichtungen mit einem Knallgas-flammen-Brenner ist jedoch der Wärmefluss aus der Flamme in den Rohling unregelmässig, was einerseits auf Umgebungseinflüsse, andererseits auf die Form der Flamme zurückzuführen ist. Eine Verbesserung in dieser Hichsicht wird erreicht, wenn eine Anzahl der erwähnten Brenner verwendet wird, welche um die Achse des Rohlings verteilt und gegen jenen Rohlingsteil gerichtet sind, welcher erhitzt werden soll, um das Material für den Ziehvorgang fliessend zu gestalten. Auch bei dieser Verbesserung jedoch gibt es einen unterschiedlichen Wärmefluss von Punkt zu Punkt des Rohlingsumfangs; aus diesem Grunde werden relative Winkelverschiebungen in bezug auf die Ziehachse zwischen dem Rohling und dem Brenner bzw. den Brennern vorgenommen, so dass die zu einem bestimmten Punkt des Um-fangs des Rohlings übertragene Wärmemenge über eine gewisse Zeitspanne hinweg einen bestimmten Durchschnitt erreicht. Derartige relative Winkelverschiebungen komplizieren jedoch den Aufbau der Ziehvorrichtung und schaffen Probleme, welche sich dann ungünstig auf die Qualität der gezogenen Faser auswirken.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist'es, ein Verfahren zum Erhitzen eines Lichtleitfaser-Rohlingteils und eine entsprechende Heizanordnung anzugeben, welche die erwähnten Nachteile nicht aufweist. Auch sollte die bisher nötige Winkelverschiebung in bezug auf die Ziehachse nicht mehr nötig sein.
Die charakteristischen Merkmale der Erfindung sind dem Wortlaut der Patentansprüche 1 und 2 zu entnehmen.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Aufbaus liegt darin, dass das Wärmeplasma eine Ringform aufweist und eine saubere Wärmequelle darstellt mit einem sehr gleichförmigen Wärmeausstoss, sowohl was den Plasmaumfang betrifft wie auch die Zeit, dies mindestens nach Beendigung des An-fangs-Aufwärmeintervalls. Ausserdem kann das Plasma auf lediglich die gewünschte Wärmezone beschränkt werden, so dass jene Teile des Rohlings, der Heizanordnung und insbesondere der Faser, die nicht erwärmt werden sollen, von den Wärmeauswirkungen des Plasmas geschützt werden können. Als weiterer Vorteil des Plasmas ist noch zu erwähnen, dass es keine Nebenprodukte erzeugt, welche eine Umgebungsbelastung darstellen würden. Die Ringform des Plasmas stellt sicher, dass das Material der gezogenen Faser nicht schmilzt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen axialen Schnitt durch den Plasmabrenner der erfindungsgemässen Heizanordnung,
Fig. 2 einen ähnlichen Schnitt durch eine verbesserte Ausführungsform des Plasmabrenners, und
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von Fig. 2.
In Fig. 1 ist ein Faserrohrling 21 in einer Halterung 20 derart befestigt, dass eine Lichtleitfaser 22 aus dem Rohling gezogen werden kann. Eine richtige Halterung bedeutet, dass der sich verjüngende Teil 23 des Rohlings sich in der Nähe eines Plasmas 31 befindet, wobei dieses Plasma durch Induktion eines Hochfrequenzstroms entsteht, welcher eine Spule 33 passiert. Bei einer Frequenz von z.B. 23 MHz entsteht z.B. ein ringförmiges Plasma 31. Die Ziehvorrichtung der Faser weist einen herkömmlichen Aufbau auf und wird deshalb nicht näher beschrieben. Ein das Plasma aufrechterhaltendes Gas, z.B. Argon oder eine Mischung von Argon und Sauerstoff, wird durch einen Eingangsstutzen 41 in den innern (50) von zwei Strömungsdurchgängen 49 und 50 geleitet, wobei diese Durchgänge durch Zwischenräume zwischen einem äussern, einem zentralen und einem innern Rohr 45 bzw. 46 bzw. 47 definiert sind. (In der Fig. sind die erwähnten Rohre als einfache Striche dargestellt.) Die gezogene Faser 22 passiert einen innern Durchgang 51, welcher vom Rohr 47 umschlossen ist.
Die hohe Temperatur des Plasmas 31 erfordert eine Kühlung eines verlängerten Teils 52 des äussern Rohres 45. Zu diesem Zwecke wird ein Abschirmungs- oder Schutzgas über einen Eingangsstutzen 42 dem Strömungsdurchgang 49 (welcher sich zwischen den Rohren 46 und 45 befindet) zugeführt. Das Abschirmungs- und das plasmabildende Gas passieren den betreffenden Strömungsdurchgang 49 bzw. 50 und treten dann in die Region des ringförmigen Plasmas 31 ein. Wenn nötig, und unter der Voraussetzung, dass dies die optomechanischen Eigenschaften der Faser 22 nicht ungünstig beeinflusst, kann ein Kühlgas, wie z.B. Stickstoff, über den innern Durchgang 51 der zentralen Region des Plasmas 31 zugeführt werden, um dieses insbesondere von der bereits bezogenen Faser 22 zu trennen, wodurch ein Schmelzen der Faser verhindert wird.
In manchen Fällen wird noch eine zusätzliche Kühlung benötigt. Hierzu kann ein kurzes Rohr 48 mit grossem Durchmesser verwendet werden, welches den verlängerten Teil 52 umgibt und mit diesem eine Kühlkammer 53 bildet, die an ihrem obern Ende offen oder geschlossen sein kann. Durch einen Eingangsstutzen 44 tritt ein Kühlmedium, wie z.B. Wasser, in die Kammer 53 ein und verlässt diese durch einen Ausgangsstutzen 43. Das zirkulierende Wasser sorgt für eine niedrige Temperatur im Bereich des Verlängerungsteils 52 und verhindert dadurch ein Schmelzen dieser Region des Plasmabrenners.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen ist es möglich, die Lage der Gasströme umzukehren, d.h., dass das plasmabildende Gas im Durchgang 49 und das Abschirmungsgas im Durchgang 50 zirkuliert, um nun den Rohrling 21 oder seinen sich verjüngenden Teil 23 vor übermässiger Hitze des Plasmas 31 zu schützen. Unter diesen Umständen allerdings wird die Kühlung des verlängerten Teils 52 auf eine andere Art als mittels eines Abschirmungsgases durchgeführt werden müssen, so z.B. mittels Kühlwasser, wie oben erwähnt.
Es ist jedoch vorgesehen, dass eine Kühlung des äussern Rohres 45 und/oder seiner Verlängerung 52 durch ein gasförmiges Kühlmedium gleichzeitig mit der Kühlung des Rohlings 21 und/oder seines verjüngten Teils 23 durch das Abschirmungsgas vorgenommen wird, ohne den innern Strom von Gas über den Durchgang 51 verwenden zu müssen. Ein Plasmabrenner, der für diesen Zweck ausgelegt ist, wird in Fig. 2 gezeigt, in welcher für denselben Gegenstand die gleiche Überweisungsziffer wie in Fig. 1 verwendet wird.
Die Ausführungsform des Plasmabrenners gemäss Fig. 2 enthält zusätzlich zu den Rohren 45, 46 und 47 ein zusätzliches Rohr 54, welches teilweise durch das Rohr 47 aufgenommen und von diesem koaxial umgeben wird, um einen zusätzlichen Strömungsdurchgang 55 zubilden. Ein Kühlgas, wie z.B. Argon oder Stickstoff, wird durch einen Eingangsstutzen 56 in den Durchgang 55 geleitet und strömt dann, nachdem es diesen Durchgang verlassen hat, am gezogenen verjüngten Teil 23 des Rohlings 21 vorbei, so dass dieser Teil durch Kühlung vor den übermässigen Hitzeauswirkungen des Plasmas 31 geschützt wird. Die Faser 22 wird durch den Durchgang 51 gezogen, welcher vom Durchgang 55 durch das zusätzliche Rohr 54 getrennt ist. Auf diese Weise wird die frisch gezogene Faser von den Auswirkungen übermässiger Kühlung durch das strömende Kühlgas nach dem Verlassen der das Plasma 31 enthaltenden Wärmezone geschützt.
In Fig. 2 wird auch gezeigt, dass die Verlängerung 52 des Rohres 45 einen zylindrischen Teil 52a aufweisen kann, dessen Durchmesser grösser ist als jener des Rohres 45 und durch ein konisches Übergangsstück 57 mit dem Rohr 45 verbunden ist. Dieses Übergangsstück 57 ist in bezug auf die Strömungsrichtung des Gases stromabwärts von der Wärmezone mit dem Plasma 31 gelegen, und wird, noch weiter stromabwärts, vom
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zylinderförmigen Aufweitungsteil 52a gefolgt. Auf diese Weise wird der Durchflussquerschnitt des Plasmabrenners stromabwärts von der Wärmezone erweitert, wodurch eine Reduktion der Durchflussgeschwindigkeit des Gasmediums durch diese Region bewirkt wird: die Verweilzeit des Gasmediums in dieser Region und folglich auch die Menge der abgeführten Wärme, bezogen auf eine Volumeneinheit des Gasmediums, wird erhöht.
Um die gewünschte Plasmaflammen-Anordnung zu erhalten, muss das Wirbelstrommuster gesteuert werden, indem die Eingangsleistung des Hochfrequenzgenerators und die Durchflussgeschwindigkeit des Gases optimiert werden. Die erwähnten Parameter müssen sorgfältig eingestellt werden, um sicherzustellen, dass ein ringförmiges Plasma entsteht. Als Beispiel wünschenswerter Parameter sei hier erwähnt: die Ausgangsleistung des HF-Generators entsprach ungefähr 10 bis 11% des Maximums von 20 kW bei Verwendung von Argon als plasmabildendes Gas; der Gitterstrom war ungefähr 110 mA; die Anodenspannung betrug 5, 8 kW; der Anodenstrom was ungefähr 0,4 A und die Frequenz 23,6 MHz. Der Leistungsausgang des HF-Generators wurde auf ungefähr 12 bis 13% erhöht, wenn eine 50:50-Mischung von Arbon und Sauerstoff als plasmabildendes Gas verwendet wurde.
In Fig. 2 wiesen die Rohre 45, 52, 46, 47, 54 eine einheitliche Wanddicke von 1 mm auf; die Abmessungen deren Aussen-durchmesser waren 28 bzw. 35 bzw. 25 bzw. 12 bzw. 7 mm. Ähnliche Dimensionen der Rohre sind auch in der Ausführungsform gemäss Fig. 1 vorzufinden. Die plasmabildenden Gase Argon oder eine Mischung von Argon und Sauerstoff hatten folgende Durchflussgeschwindigkeiten: Argon 0,5 bis 1,0 1/min bei einem Druck von 14.104 Pa und/oder Sauerstoff 0,5 bis 1 1/min bei einem Druck von 175.103 Pa für einen Gesamt-fluss von ungefähr 1,0 1/min. Das Kühlgas im Durchgang 49: Argon 12,0 bis 17,0 1/min bei einem Druck von 14.104 Pa und/oder Sauerstoff 5,0 bis 10,0 1/min bei einem Druck von 175.103 Pa für einen Gesamtfluss von ungefähr 17 1/min. Das
Kühlgas im Durchgang 55: Argon oder Stickstoff ungefähr 2 bis 3 1/min bei einem Druck von 14.104 Pa.
Die Eingangsstutzen 41, 42 und/oder 56 hatten einen Aus-sendurchmesser von ungefähr 4 mm und eine Wanddicke von s ungefähr 1 mm. Um einen gleichförmig verteilten Fluss der verschiedenen Gasmedien aus den entsprechenden Durchgängen 49, 50 und/oder 55 in die Wärmezone zu erhalten, waren die Stutzen 41, 42 und/oder 56 praktisch tangential zu den entsprechenden Strömungsdurchgängen 50, 49 und/oder 55 angeord-lo net, siehe Fig. 3. Auf diese Weise treten die Gasmedien in ihre entsprechenden Durchgänge 50, 49 und/oder 55 mit einer Bewegungskomponente lediglich oder überwiegend in der Um-fangsrichtung ein, so dass sie, die Gasmedien, gleichmässig über den Querschnitt der entsprechenden Durchgänge an deren i5 stromaufwärts liegenden Enden verteilt waren, während die Fortbewegung derartiger Gasmedien in Richtung Wärmezone ausschliesslich oder überwiegend durch den Druckunterschied zwischen den stromaufwärts liegenden Enden der Durchgänge und der Wärmezone bewirkt wurde, wohingegen die Umfangs-20 komponente der Bewegung praktisch unterdrückt oder sogar gänzlich eliminiert wurde, noch ehe das entsprechende Gasmedium das stromabwärts liegende Ende des Durchgangs erreicht hat. Das Plasma 31 wurde folglich in einer ungestörten Umgebung gebildet.
25 In der Fig. 3 sind die Eingangsstutzen 41, 42 und 56 so angeordnet, dass sie den in die entsprechenden Durchgänge 50, 49 und 55 eintretenden Gasmedien einen Ursprungsdrehsinn verleihen; es ist aber auch vorgesehen, die Orientierung eines der Stutzen 41, 42 und 56, insbesondere des erstgenannten, zu än-30 dern, so dass dadurch ein Drehsinn in entgegengesetzter Richtung verliehen wird.
Eine ringförmige Plasma-Flamme weist in der im Mittelpunkt des Rings liegenden Zone eine niedrigere Temperatur auf als in der Ringzone selbst, so dass der Rohling, und insbesonde-35 re die frisch gezogene Faser keinen übermässigen Hitzeauswirkungen ausgesetzt sind.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
- 660 6592PATENTANSPRÜCHE1. Verfahren zum Erhitzen eines Lichtleitfaser-Rohlingteils, aus welchem eine Lichtleitfaser gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Atmosphäre aus einem plasmabildenden Gasmedium in einer Wärmezone um den erwähnten Rohlingteil (23), aus welchem die Faser (22) gezogen wird, aufrecherhalten wird, und dass in dieser, in der Wärmezone vorhandenen Atmosphäre ein Plasma (31) induziert wird, welches ringförmig den erwähnten Rohlingteil umschliesst.
- 2. Heizanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasmabrenner (Fig. 1, 2) vorgesehen ist, enthaltend mindestens zwei koaxial angeordnete, rohrförmige Elemente (46, 47), dass diese, eines (46) das andere (47) umschliessend, einen ringförmigen ersten Strömungsdurchgang (50) für das plasmabildende Gasmedium bilden, wobei ein in bezug auf die Strömungsrichtung des Gases stromabwärts liegendes Ende von zwei Durchgangsenden sich gegen die Wärmezone öffnet, derart, dass das den Durchgang passierende Gas in diese strömen kann, dass das andere (47) rohrförmige Element einen zweiten Durchgang (51) umschliesst, durch dessen Achse beim Ziehvorgang die Faser (22) gezogen wird, und dass mindestens ein Eingangsstutzen (41) vorgesehen ist, über welchen das plasmabildende Gas in den ersten Durchgang eingeführt wird.
- 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zufuhr eines Gases, welches aus einer Gasgruppe, bestehend aus Argon, Stickstoff und deren Mischungen, wählbar ist, zum Schutze des Plasmas (31) vor unerwünschten Umgebungseinflüssen und/oder zur Kühlung des Rohlings (21)oder dessen verjüngten Teils (23) ein weiteres rohrförmiges Element (45), koaxial mit den zwei ersterwähnten Elementen und um das eine (46) dieser Elemente angeordnet und mit diesem zusammen einen dritten, für die Beförderung des Schutzgases in Richtung Wärmezone dienenden Strömungsdurchgang (49) definierend, vorgesehen ist, und dass ein zweiter Eingangsstutzen (42) vorhanden ist, der zum Eintritt des Schutzgases in den dritten Strömungsdurchgang (49) dient.
- 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere rohrförmige Element (45) einen verlängerten Teil (52) aufweist, welcher sich in bezug auf die Strömungsrichtung des Gases stromabwärts vom stromabwärtigen Ende des dritten Durchgangs (49) erstreckt und mindestens die Wärmezone umgibt.
- 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung mindestens des verlängerten Teils (52) des weitern rohrförmigen Elements (45) eine mindestens den verlängerten Teil von aussen umgebende Kühlkammer (53) zum Zirkulieren einer Kühlflüssigkeit vorgesehen ist, und dass ein Eingangsstutzen (44) und ein Ausgangsstutzen (43) vorgesehen sind, durch welche die Kühlflüssigkeit in die Kammer eintritt bzw. diese verlässt.
- 6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich an das weitere rohrförmige Element (45) ein verlängerter Teil (52) anschliesst, welcher sich in bezug auf die Strömungsrichtung des Gases stromabwärts vom stromabwärtigen Ende des dritten Durchgangs (49) erstreckt und mindestens die Wärmezone umgibt, und dass dieser verlängerte Teil eine zylindrische Aufweitung (52a) aufweist, deren Durchmesser grösser ist als jener des weitern rohrförmigen Elements (45), um eine Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit des an der Wärmezone vorbeiströmenden Schutzgases zu erreichen, wodurch sich die aus der Zone abgeführte Wärmemenge erhöht.
- 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches rohrförmiges Element (54) im erwähnten zweiten Strömungsdurchgang (51) so angeordnet ist, dass es diesen Durchgang in einen innern Durchgang, durch welchen die Faser gezogen wird und einen, zu den ersterwähnten drei Durchgängen zusätzlichen, ringförmigen vierten Strömungsdurchgang (55) unterteilt, und dass ein dritter Eingangsstutzen (56) vorgesehen ist, über welchen ein Kühlgas durch den zusätzlichen, vierten Durchgang (55) der Mitte der Wärmezone zuführbar ist.
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