專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖冷卻管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是光纖冷卻管領(lǐng)域，即用于在拔制光纖時(shí)對(duì)光纖進(jìn)行冷卻的冷卻管的方面。
第一種現(xiàn)有技術(shù)中的冷卻管是用于低速拔絲的，其包括一個(gè)圍繞光纖的距離為3m到4m的拉長(zhǎng)的腔，將氦氣從該腔的入口端注入這個(gè)腔。消耗氦氣是情理之中的事，而每分鐘不超過(guò)幾十升。然而，此種管子長(zhǎng)，且在拔絲速度提高時(shí)效率降低。
第二種現(xiàn)有技術(shù)中的冷卻管，例如為美國(guó)專(zhuān)利4761168所描述的冷卻管，是用于較大的拔絲速度的。這份文獻(xiàn)提出冷卻管的一種特殊結(jié)構(gòu)，在冷卻管的大的腔中布滿凸起，用來(lái)干擾光纖帶動(dòng)的邊界層(boundary layer)，簡(jiǎn)單地叫做邊界層。事實(shí)上，在拔絲時(shí)，光纖以一定的速度穿過(guò)冷卻管，并帶動(dòng)最近的氣體層隨著它以近似相同的速度移動(dòng)，正是這層氣體被稱(chēng)為邊界層，其延伸的程度和拔絲的速度特別有關(guān)。這種邊界層具有如下缺點(diǎn)一方面它主要由空氣組成，而空氣的熱導(dǎo)率低于氦氣；另一方面使處在光纖和冷卻管的腔壁之間的剩余氣體通過(guò)擴(kuò)散混合得很少，這就在很大程度上降低了光纖和注入的氦氣之間的熱交換的效率。然而，對(duì)于高的拔絲速度，典型值在1500mpm到1800mpm之間，冷卻就要迅速消耗非常多的氦氣，假設(shè)這種冷卻能夠在短的冷卻距離中保持充分的效率。
根據(jù)本發(fā)明的光纖冷卻管具有一個(gè)適于光纖通過(guò)的內(nèi)腔和一組注氣管，這些注氣管沿冷卻管分布，開(kāi)口于所述的內(nèi)腔內(nèi)，且取向和光纖移動(dòng)的方向相反。
為使注入的氦氣的量在和光纖進(jìn)行熱交換方面達(dá)到最優(yōu)，就是說(shuō)，為了能夠盡可能早，盡可能經(jīng)常地用冷的氦氣首先將空氣換出，然后將熱了的氦氣換出，根據(jù)本發(fā)明的冷卻管的特殊性結(jié)構(gòu)有下列兩個(gè)特征中的至少一個(gè)一方面，在注氣管處的內(nèi)腔壁距邊界層要近，以使盡可能有效地注入冷的氦氣；另一方面注氣管和抽氣管都是沿著光纖移動(dòng)方向的反方向交替布排的，以使效率更高地將空氣和熱的氦氣抽出。這種交替布排是和少量的外部開(kāi)口相結(jié)合的，以使注入到冷卻管中的空氣很少。本發(fā)明所提出的冷卻管可以和現(xiàn)有技術(shù)的冷卻管有相同的長(zhǎng)度但效率更高；或和現(xiàn)有技術(shù)的冷卻管有相同的效率但要短，還可以是介于前述的兩種可能性的中間。用短的冷卻管是有好處的，因?yàn)檫@可以降低拔絲爐所需的高度。
根據(jù)本發(fā)明，最好冷卻管內(nèi)腔具有在注入管處足夠窄的橫截面，以使當(dāng)冷卻管使用時(shí)，光纖在這個(gè)部分所攜運(yùn)的氣流的邊界層的外表面距內(nèi)腔的壁比其距光纖的外表面還近。冷卻管還包括一組抽氣管，所有的抽氣管沿冷卻管布排，開(kāi)口于冷卻管的內(nèi)腔，取向和光纖的移動(dòng)方向相反。冷卻管還包括注氣管組，每個(gè)冷卻管至少有三個(gè)注氣管組，每個(gè)注氣管組中有一個(gè)或多個(gè)注氣管，注氣管組和抽氣管組沿冷卻管交替布排，每個(gè)冷卻管至少有三個(gè)抽氣管組，每個(gè)抽氣管組中有一個(gè)或多個(gè)抽氣管。冷卻管向外的開(kāi)口只有注氣管、抽氣管和冷卻管的端部。
另外，根據(jù)本發(fā)明，還要設(shè)計(jì)內(nèi)腔的橫截面在注入管處足夠窄，以使在冷卻管使用時(shí)，在這里光纖所帶動(dòng)的氣流的邊界層的外表面距內(nèi)腔壁較距光纖的外表面還要近。
另外，根據(jù)本發(fā)明，冷卻管還包括一組沿冷卻管分布的抽氣管，抽氣管都開(kāi)口于冷卻管內(nèi)腔，并沿著和光纖移動(dòng)方向相反的方向取向。冷卻管還具有注氣管組，每個(gè)冷卻管至少有三個(gè)注氣管組，每個(gè)注氣管組有一個(gè)或多個(gè)注氣管，注氣管組和抽氣管組沿冷卻管交替布排，每個(gè)冷卻管至少有三個(gè)抽氣管組，每個(gè)抽氣管組中有一個(gè)或多個(gè)抽氣管，冷卻管向外的開(kāi)口只有注氣管、抽氣管和冷卻管的端部。
圖2示意性地示出

圖1所示冷卻管中的諸模塊中的一個(gè)。
圖3示意性地示出光纖和周?chē)鷼饬鏖g的熱交換效率沿根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的冷卻管的演化。
圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的冷卻管的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，這個(gè)冷卻管是由多個(gè)疊層的模塊組成的。為簡(jiǎn)單明晰起見(jiàn)，在圖1中僅示出四個(gè)模塊，而實(shí)際的一根冷卻管中經(jīng)常有更多的模塊，約半米長(zhǎng)的管內(nèi)有大約十二個(gè)模塊是合適的。當(dāng)冷卻管使用時(shí)，一根光纖1從上到下通過(guò)冷卻管，光纖1端部的箭頭表示出光纖的移動(dòng)方向，如圖1所示，從上到下。光纖1在冷卻管的內(nèi)腔2中移動(dòng)。各個(gè)模塊9例如是用接口處的密封系統(tǒng)一個(gè)接一個(gè)組接起來(lái)，使得各模塊之間的連接處是密封的。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在圖1中沒(méi)有畫(huà)出眾所周知的榫連接系統(tǒng)和密封連接系統(tǒng)。然而，外面的空氣可以從冷卻管的兩端進(jìn)入內(nèi)腔2，就是說(shuō)，光纖1進(jìn)入第一個(gè)模塊9的入口處和光纖1伸出最后一個(gè)模塊9的出口處。將冷卻管分成多段甚至數(shù)量很多的短段的模塊9是有好處的。一方面單個(gè)的模塊9制造容易，另一方面在安裝時(shí)可以通過(guò)選擇首尾連接的模塊9的數(shù)量來(lái)選擇冷卻管的長(zhǎng)度，另外對(duì)冷卻管的維護(hù)也方便。每個(gè)模塊9上有多個(gè)開(kāi)口于內(nèi)腔2的注氣管3，這些注氣管相對(duì)于冷卻管有相同的軸向位置，相對(duì)于冷卻管有規(guī)則的徑向分布，使得注氣管3在垂直于光纖1的截面內(nèi)的分布相對(duì)于光纖1是軸對(duì)稱(chēng)的，而其整體構(gòu)成了注氣管組。在圖1中每個(gè)模塊只有一個(gè)注氣管組，每組只有兩個(gè)注氣管3。所有的注氣管3的取向都是和光纖1的移動(dòng)方向相反，取向上的方向而不是向下的方向。讓注氣管3的取向和光纖1的移動(dòng)方向相反是為了更好地干擾邊界層，特別是在邊界層處用冷的氦氣取代空氣或熱的氦氣。所說(shuō)的冷的氦氣例如是在室溫下的氦氣，就是說(shuō)具有冷卻管外部介質(zhì)的溫度。每個(gè)模塊9上有多個(gè)抽氣管4，開(kāi)口于內(nèi)腔2的它們的開(kāi)口處，相對(duì)于冷卻管有相同的軸向位置，且相對(duì)于冷卻管有規(guī)則的徑向分布，其整體構(gòu)成一個(gè)抽氣管組。在圖1中，每個(gè)模塊上只有一組抽氣管，每個(gè)抽氣管組有兩根抽氣管4。所有的抽氣管的取向都和光纖1的移動(dòng)方向相反。事實(shí)上向上較向下為好。使抽氣管4的取向和光纖1的移動(dòng)方向相反是為了更為有效地驅(qū)走空氣或熱的氦氣，特別是滯留在邊界層處的空氣或熱的氦氣。注氣管3和抽氣管4有同樣的取向。所有位于冷卻管的同一側(cè)的注氣管3，例如在光纖1的左側(cè)或右側(cè)的注氣管3，最好和同一條供氣管(畫(huà)中未畫(huà)出)連接。所有位于冷卻管的同一側(cè)的抽氣管4，例如在光纖的左側(cè)或右側(cè)的抽氣管4，最好是和同一條排氣管(圖1中未畫(huà)出)相連接。
圖2示意性地示出圖1所示冷卻管的模塊中的一個(gè)模塊的截面圖。用截面圖示出的模塊是以光纖1的軸線呈軸對(duì)稱(chēng)的，其外形例如可以為平行六面體或圓柱體。在注氣管3和在抽氣管4中的氣流的方向用箭頭示出。當(dāng)冷卻管工作時(shí)，具有外表面10的光纖1沿圖2所示的模塊的對(duì)稱(chēng)軸穿過(guò)這個(gè)模塊，構(gòu)成這個(gè)模塊的材料6為熱的良導(dǎo)體，例如為金屬。從中垂直地穿過(guò)內(nèi)腔2，內(nèi)腔的截面可以沿模塊的軸向有變化。從上到下，內(nèi)腔2的截面先為一個(gè)保持不變的窄小的截面，然后在注氣管3的入口30處變寬，形成室8，最后在抽氣管4的開(kāi)口40處又重新變窄并保持不變直到模塊的出口處。內(nèi)腔2的橫截面是內(nèi)腔在和垂直光纖1的平面內(nèi)的截面。虛線7象征性地示出向下移動(dòng)的光纖1所帶動(dòng)的邊界層，光纖1的移動(dòng)方向用光纖1端部的箭頭表示出來(lái)。在圖2所示的模塊中，內(nèi)腔2的截面和具有外表面70的邊界層7的截面有相同的量級(jí)，這僅對(duì)于拔絲速度范圍內(nèi)的情況是正確的，因?yàn)檫吔鐚?的長(zhǎng)度隨著拔絲的速度而增大，此處內(nèi)腔2的截面和邊界層7的截面對(duì)于大于或等于1500mpm的拔絲速度有相同的量級(jí)。因此，邊界層7的外表面70距內(nèi)腔2的壁5比距光纖1的外表面10更接近。注氣管3在開(kāi)口于內(nèi)腔2的壁5處的開(kāi)口30處彎曲并和其開(kāi)口30的取向相反。和注氣管3和抽氣管4的壁相似，內(nèi)腔2的壁5用材料6中的冷的液體流循環(huán)冷卻，例如用冷水冷卻，因?yàn)槠湓诂F(xiàn)有技術(shù)中已知，這里沒(méi)有畫(huà)出。抽氣管4在其在內(nèi)腔2的壁5處的開(kāi)口處彎曲，且取向和開(kāi)口40處的方向相反。注氣管3和抽氣管4在到達(dá)內(nèi)腔2處時(shí)和光纖1成約45度角。用虛線示出的區(qū)A為注氣區(qū)，而用虛線示出的區(qū)B為抽氣區(qū)。
在冷卻管使用時(shí)，氣流在模塊內(nèi)依下面的方式循環(huán)一段光纖1進(jìn)入內(nèi)腔2便隨著它帶進(jìn)了包著它的一段邊界層7，這個(gè)邊界層7在第一段模塊的入口處為空氣，在第二段和第三段模塊的入口處為空氣和熱的氦氣的混合氣體，而在第四段及以后各段的模塊的入口處是熱的氦氣及極微量的空氣，而通常將最后兩三段模塊除外，在最后的兩三段模塊處，空氣可能從冷卻管的端部滲漏進(jìn)去。冷的氦氣被注入注入氣管3，通過(guò)開(kāi)口30注入到光纖1附近的室8，就是說(shuō)注入到A區(qū)，來(lái)自注氣管3的冷的氦氣將邊界層7截?cái)啵⒃谶吔鐚犹幦〈四抢锏拇蟛糠挚諝夂?或熱的氦氣。在室8處邊界層7中冷的氦氣明顯地提高了光纖1和其周?chē)鷼怏w之間的熱交換效率。在室8的出口處，即在區(qū)B處，在室8入口處注入到邊界層7的冷的氦氣已被加熱并在室8中擴(kuò)散，其中的一部分通過(guò)開(kāi)口40進(jìn)入抽氣管4被抽離室8，只有一部熱的氦氣仍殘留在邊界層7內(nèi)繼續(xù)在內(nèi)腔2內(nèi)向下朝下面一段模塊的入口方向移動(dòng)。通過(guò)加寬內(nèi)腔2的橫截面得到的室8，將B區(qū)處的抽氣管4的效率優(yōu)化，然而在整個(gè)模塊的高度上內(nèi)腔2的截面除去A區(qū)和B區(qū)都是同樣大的，而在A區(qū)和B區(qū)加大，上述大小不變的截面也應(yīng)該受到正視，并和圖3相適應(yīng)。這種同樣大小的截面使得冷的氦氣的注入更好，就是說(shuō)冷的氦氣更好地滲到邊界層7中，雖然這是以B區(qū)在一定程度上降低了對(duì)熱的氦氣的抽取效率為代價(jià)的。在一個(gè)好的數(shù)據(jù)的例子中，一段模塊的高度H大約為40mm，而對(duì)于拔絲速度約為1500mpm到1800mpm或更高的速度的直徑為125μm的光纖來(lái)說(shuō)其邊界層7的直徑約為2mm。邊界層的長(zhǎng)度尤其和拔絲的速度以及限制邊界層7的內(nèi)腔2的大小有關(guān)。注氣管3的開(kāi)口和抽氣管4的開(kāi)口都是圓形的，注氣管的直徑為0.5mm，每個(gè)注氣管3在其開(kāi)口30處的截面較邊界層7的橫截面要小。
圖3示意性地示出沿根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的冷卻管的長(zhǎng)度方向上光纖室和其周?chē)庵g熱交換效率的演化。在圖3的曲線中，曲線的各點(diǎn)都用小圓環(huán)表示。橫軸表示沿冷卻管的軸線方向，即沿光纖1的方向的高度，單位為米。曲線h示出沿冷卻管方向的第一個(gè)20厘米。曲線h是模擬的結(jié)果，沒(méi)有表示出實(shí)例的值。效率h的單位為瓦特每平方米即開(kāi)爾文。示出的冷卻管段兩部分的總效率實(shí)際上是和示出曲線h之下的面積直接相關(guān)的，即和曲線的積分相關(guān)。這條曲線h對(duì)應(yīng)于高度為40mm的模塊、1800mpm的拔絲速度、10升每分鐘(1pm)的注氣流量和51pm的抽氣流量，且每個(gè)冷卻管有12個(gè)模塊的情況。曲線h以多個(gè)峰P1至P5以及多個(gè)略微下降的平坦區(qū)L1至L5為特征。各個(gè)峰P1至P5是和各注氣管3開(kāi)口于內(nèi)腔2的注氣區(qū)A相對(duì)應(yīng)的。將邊界層7截?cái)嗍沟迷诶涞暮庾⑷雲(yún)^(qū)A的效率比其他處高出許多，但是距離很短；各個(gè)峰P1至P5較平坦區(qū)L1至L5不僅高許多，而且窄得多。峰的高度及平坦區(qū)的平均高度沿著冷卻管的方向逐步增高，就是說(shuō)(例如)，峰P3較峰P2為高，而峰P2又較峰P1為高，而平坦區(qū)L3的平均高度較平坦區(qū)L2的平均高度為高，而平坦區(qū)L2的平均高度又較平坦區(qū)L1的平均高度為高；一個(gè)平坦區(qū)較另一個(gè)平坦區(qū)提高的高度越來(lái)越小，在第三個(gè)平坦區(qū)L3以后幾乎變得可以不計(jì)。從平坦區(qū)L1到平坦區(qū)L3的平均高度的增量對(duì)應(yīng)于用氦氣換去邊界層中的空氣，從第四個(gè)模塊開(kāi)始，空氣在內(nèi)腔2中實(shí)際上已經(jīng)近乎于消失。根據(jù)第二種現(xiàn)有技術(shù)的冷卻管的效率是AA’，大約僅相當(dāng)于根據(jù)本發(fā)明的冷卻管的效率的四分之一。具有和根據(jù)第二種現(xiàn)有技術(shù)的冷卻管相同的效率，根據(jù)本發(fā)明的冷卻管所消耗的氦氣量則要例如除以6，或許除以更大的數(shù)。
第二種現(xiàn)有技術(shù)的冷卻管是建立在干擾邊界層7的理念上的，而本發(fā)明試圖截?cái)噙吔鐚?，并在邊界層7用由冷的氦氣構(gòu)成的新的氣流取代由空氣和/或是熱的氦氣所構(gòu)成的舊的氣流，而且是沿整個(gè)冷卻管多次，最好是有規(guī)律的間隔。注氣管沿冷卻管分布，就是說(shuō)注氣管沿冷卻管分布在軸線的不同位置上，最好是沿管的長(zhǎng)度方向均勻分布，就是說(shuō)在冷卻管的軸向或長(zhǎng)度方面的間隔是周期性的。這里指出，可以用熱導(dǎo)率大于空氣的其他氣體取代氦氣，氣體注入時(shí)的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣的溫度。在拔絲速度為1500mpm的情況下，相當(dāng)于在冷卻管入口處的溫度為600℃，使用根據(jù)第二種現(xiàn)有技術(shù)的冷卻管系統(tǒng)，要正確冷卻光纖，在2m的長(zhǎng)度上需要250lpm的流量，而使用根據(jù)本發(fā)明的冷卻管系統(tǒng)，要獲得相等的效率僅需要40lpm的氦氣，作為比較，這相當(dāng)于在室溫下的7m的等效冷卻長(zhǎng)度。這明顯看出截?cái)噙吔鐚虞^單純的對(duì)邊界層的干擾要有效得多。也可以增加在根據(jù)本發(fā)明的冷卻管系統(tǒng)中的流量而將冷卻管的長(zhǎng)度縮短到1.5m而保持相同的效率，例如用約半米長(zhǎng)的管子三根首尾連接而不是用四根。使用更短的冷卻長(zhǎng)度就相應(yīng)地降低拔絲爐的高度。
在根據(jù)有本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施方式中，一方面內(nèi)腔2的橫截面在注氣管3處足夠窄，以使為光纖1所帶動(dòng)的氣體的邊界層7的外表面70距室8的壁5比距光纖1的外表面10更近；另一方面在冷卻管中還有抽氣管4，沿冷卻管長(zhǎng)度方向上分布，開(kāi)口于內(nèi)腔2中，其取向和光纖1的移動(dòng)方向相反。至少有三個(gè)注氣管組，每個(gè)注氣管組中有一根或多根注氣管3，注氣管組和抽氣管組沿冷卻管長(zhǎng)度方向交替布排，至少有三個(gè)抽氣管組，每組有一根或多根抽氣管4。冷卻管向外界的開(kāi)口只有注氣管3、抽氣管4以及冷卻管的兩個(gè)端部。在第一種實(shí)施方式中，注氣管3經(jīng)常并且最好是有規(guī)律地將邊界層7截?cái)?，而抽氣?反復(fù)地而最好是有規(guī)律地抽去了邊界層7的大部分。因此，在邊界層7的絕大部分地方，首先是空氣為氦氣迅速取代，然后熱的氦氣被冷的氦氣反復(fù)最好是有規(guī)律地所取代。將冷卻管向外的口開(kāi)得最小，使得在不靠近冷卻管端部的大部分模塊中循環(huán)的氦氣不被污染或很少被污染。這就使得氦氣只需少量?jī)艋僮骶涂稍傺h(huán)利用，或無(wú)需凈化就能進(jìn)行純粹的簡(jiǎn)單的重新注入?？諝庠谙鄳?yīng)的室8中在實(shí)際上是沒(méi)有的。
在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式中，內(nèi)腔2在注氣管3處的橫截面足夠的窄，使得在冷卻管工作時(shí)由光纖1帶動(dòng)的氣體的邊界層7的外表面70距內(nèi)腔2的壁5較距光纖1的外表面10為近。事實(shí)上，為了切斷邊界層并使冷的氦氣大量滲入邊界層7以取代熱的氦氣或殘留的空氣，氦氣流的注入要快，并要接近光纖1，為此一方面注氣管3的入口30相對(duì)地要小，以能在保持合理流量的情況下注入的速度高，另一方面注氣管3的入口30距光纖1要近。然而，如果內(nèi)腔的截面過(guò)窄，光纖1可能遇上的很小的橫向偏移就可能遭到不可救治的損傷，特別是會(huì)斷裂。當(dāng)內(nèi)腔2具有大的截面時(shí)，距光纖1很近的入口30(典型的是穿過(guò)長(zhǎng)通路進(jìn)入內(nèi)腔2的注氣管的開(kāi)口)得到的結(jié)果就較差，原因是在光纖1和模塊的材料6間的氣體厚度較大，其結(jié)果是降低了光纖1和冷卻管材料6之間通過(guò)其間的氦氣進(jìn)行熱交換的效率。因此，注氣管3最好是開(kāi)口在內(nèi)腔2的壁5處，而不要伸進(jìn)內(nèi)腔2內(nèi)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選數(shù)字例子的情況下，拔絲速度為1500mpm，邊界層的直徑約為2mm，內(nèi)腔2的橫截面最好為圓形，橫截面的直徑在2mm到3.9mm之間，在注氣管處內(nèi)腔的橫截面的表面積約在3mm2到10mm2之間。
在根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式中，在冷卻管中還有一組抽氣管4，其沿冷卻管分布，開(kāi)口于內(nèi)腔2內(nèi)，其開(kāi)口的取向和光纖1的移動(dòng)方向相反，冷卻管中還有注氣管組，一根冷卻管至少有三個(gè)注氣管組，每個(gè)注氣管組中有一根或多根注氣管3，注氣管組與抽氣管組4沿冷卻管交替布排，一根冷卻管至少有三個(gè)抽氣管組，每個(gè)抽氣管組中有一根或多根抽氣管4，冷卻管向外界的開(kāi)口只有各注氣管3、各抽氣管4以及冷卻管的兩個(gè)端部。抽氣管4的作用在于將殘留的空氣或熱的氦氣排出。注氣管組和抽氣管組的規(guī)則的交替布排使得能有規(guī)則地抽走所在處釋放出來(lái)的熱氦氣以能接著注入冷的氦氣。抽氣管的另一個(gè)作用是將氦氣凈化和冷卻以后，或是單純地將氦氣冷卻后重新注入循環(huán)使用，以在給定流量的情況下節(jié)約消耗的氦氣的數(shù)量，因?yàn)橄蚶鋮s管外部逸散要損失氦氣。凈化主要是除去殘留的空氣，特別是殘留的氧氣。減少冷卻管向外界的開(kāi)口使得內(nèi)腔2只有在冷卻管端部才會(huì)沾染空氣，這樣，使位于冷卻管中間部分的模塊所注入的是純凈的且是簡(jiǎn)單的氦氣，或是只進(jìn)行稍微的凈化即可再循環(huán)的氮?dú)?。作為示例，在圖3中對(duì)應(yīng)的第一實(shí)施方式中，在第五個(gè)單元后的殘留的氧氣的比例是很小的，小于0.01％。將氦氣循環(huán)或再注入到例如冷卻管中間模塊的至少一半模塊，對(duì)于在給定流量的條件下減少氦氣的用量是非常重要的，這就大大降低了冷卻的費(fèi)用，因此降低了拔絲方法的費(fèi)用。
最好，注氣管3的開(kāi)口30具有長(zhǎng)的形狀，沿冷卻管軸的方向所述開(kāi)口30的尺寸較大，就是說(shuō)在冷卻管使用時(shí)在光纖1的方向尺寸較大；而在冷卻管的橫截面的方向開(kāi)口的尺寸較小，即在冷卻管使用時(shí)和光纖1相垂直的方向尺寸較小。這樣注入的冷氦氣流就沿光纖1的方向集中，而不是象在圓形出口的情況下，有部分在距光纖較遠(yuǎn)處注入，后一種情況效率較低。和圓形開(kāi)口相比，在小截面大流量的情況下，對(duì)于相同的總流量，長(zhǎng)形開(kāi)口還具有注入氣流沿光纖1的長(zhǎng)度方向分布的好處，因而振動(dòng)較小。較大尺寸與較小尺寸相比最好在一倍半到四倍之間，在兩倍到三倍之間則更為有利，這樣使得在保持一個(gè)合理的流量的情況下注入氦氣的效率更為提高，并避免尺寸過(guò)小，因?yàn)檫^(guò)小的尺寸是有多種缺陷的。較小尺寸小于1mm是有利的，較大尺寸在1mm至5mm之間是有利的。作為示例較小尺寸取0.5mm，而較大尺寸取1.5mm，開(kāi)口30的形狀可以是長(zhǎng)方形或橢圓形。開(kāi)口30為長(zhǎng)形較圓形具有的好處在于加大了圖3中峰P1至P5的寬度，這是有利的，因?yàn)檫@些峰很高但太窄，而這樣就能增大曲線h的積分，因而也就可以增大光纖1和它周?chē)臍饬鏖g的熱交換的總效率，因此增大了冷卻管對(duì)光纖1的冷卻效率。這種長(zhǎng)形的開(kāi)口30同樣可以用于本發(fā)明冷卻管以外的別的冷卻管。
最好，為了用最為高效最為完全的方式截?cái)噙吔鐚?，注氣角要?0度到60度之間，例如等于約45度。這里所說(shuō)的注入角是注氣管3在其開(kāi)口30處的取向。當(dāng)注入角接近90度時(shí)，例如為75度時(shí)，光纖1移動(dòng)的速度矢量和注入的冷氦氣的位移速度對(duì)于截?cái)噙吔鐚?而結(jié)合的有效性差。當(dāng)注入角接近于0度，例如為15度時(shí)，注入的冷的氦氣在到達(dá)光纖1之前流動(dòng)的距離太長(zhǎng)，對(duì)注入角的優(yōu)化的好的折衷在45度附近。
最好在冷卻管中至少有十組抽氣管組，例如為12組，而且為了有至少一半的抽氣管組處于離冷卻管端部較遠(yuǎn)的地方，例如是處在最中間的六個(gè)抽氣管組，抽出的氣流或者直接再注入，這時(shí)可能混有一定比例的純凈氦氣以保證注入的流量，或者是進(jìn)行循環(huán)。與此同時(shí)，對(duì)于至少是處在最接近冷卻管某一個(gè)端部的抽氣管組，例如處在每個(gè)最端頭的三組抽氣管，抽出的氣流既不直接重新注入也不直接循環(huán)。其原則如下對(duì)于循環(huán)在處在足夠靠中間的模塊的內(nèi)腔2內(nèi)的氣流，很少或沒(méi)有為空氣所污染，將這種氣流重新注入或循環(huán)是有利的，而對(duì)于位于離外界足夠近的一個(gè)模塊的內(nèi)腔2內(nèi)循環(huán)的氣流，基本上被空氣污染，將這種氣流淘汰是有利的。這樣至少有一部分用過(guò)的氦氣沒(méi)有損失，可以以很低的代價(jià)重新使用。
最好，述及的冷卻管是用數(shù)量相對(duì)多而相對(duì)小的模塊組成，每個(gè)模塊中只有一組注氣管組和一組抽氣管組，這樣還使冷卻管的制造、清洗和操作更方便，并優(yōu)化了對(duì)光纖1的冷氮?dú)獾淖⑷牒蛷墓饫w1的附近將熱氮?dú)獬槌鲋g的熱交換距離，使得在氮?dú)夂凸饫w1之間的熱交換效率更高。因此將抽氣管和注氣管之間沿冷卻管方向上的距離選擇在小于100mm，最好在10mm到50mm之間，這對(duì)應(yīng)于模塊大約在20mm到60mm之間的高度H，將冷卻管分成模塊還使得用不同數(shù)量的完全相同的模塊可以制成不同長(zhǎng)度的冷卻管，而只需要相對(duì)低的額外代價(jià)。將冷卻管分成模塊還使得當(dāng)拔絲速度低于使用所有模塊完成冷卻需要的正常速度時(shí)，可以通過(guò)停止氦氣流動(dòng)，使某些模塊失去作用。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選數(shù)字示例，模塊的大小，即它的高度H為40mm，相應(yīng)的整個(gè)冷卻管的長(zhǎng)度中有十二個(gè)模塊，冷卻管大約有半米長(zhǎng)，而冷卻的高度大約為2m，使用四個(gè)冷卻管串聯(lián)是方便的，它們之間可以焊接，也可以不焊接，每根冷卻管約有半米長(zhǎng)，用于一個(gè)拔絲爐上。亦可使用一個(gè)含有五十來(lái)個(gè)模塊的約2米長(zhǎng)的冷卻管。
最好，每個(gè)注氣管組是由一個(gè)注氣管3或是由多個(gè)相對(duì)于冷卻管有同樣的軸向位置且相對(duì)于冷卻管有規(guī)則的徑向分布的注氣管3組成的，而每組抽氣管組也是由一根抽氣管或是由多根相對(duì)于冷卻管有相同的軸向位置且相對(duì)于冷卻管有規(guī)則的徑向分布的抽氣管組成。在各組中只有一根管的情況下，最好同一種類(lèi)型的管道—注氣管或抽氣管—沿冷卻管交替出現(xiàn)，通過(guò)補(bǔ)償(即稍微增加或減小)在一根管道的位置上施于光纖1的力，以避免光纖1的過(guò)大的振動(dòng)而造成的危害。為了避免光纖1的過(guò)大的振動(dòng)的危害，要抵消掉管道在同一位置施于光纖1的力，最好是在每組管中有多根管道，就是說(shuō)兩根或更多根，在冷卻管使用時(shí)，這些管道相對(duì)于光纖1的軸線、即相對(duì)于冷卻管的軸線是軸對(duì)稱(chēng)的。
最好，為了簡(jiǎn)單地制造和維護(hù)冷卻管，所有的注氣管3都和一條共用的供氣管連接，而所有的抽氣管4都和一條共同的排氣管連接，這樣就能令每根注氣管3和抽氣管4的本身的長(zhǎng)度最小。
在圖2中，為了將每組注氣管和抽氣管之間的空氣或熱的氦氣抽出，將內(nèi)腔擴(kuò)寬以形成一個(gè)室。抽氣效率的改善的實(shí)現(xiàn)是建立在注氣效率的降低上面的，相反為了優(yōu)先考慮注氣的效率并提高它，在每組注氣管和每組抽氣管之間的內(nèi)腔要縮小，以構(gòu)成一個(gè)窄狹的瓶頸。
權(quán)利要求
1.一種光纖冷卻管，包括一個(gè)適于光纖通過(guò)的內(nèi)腔，和一組沿冷卻管分布的注氣管，注氣管開(kāi)口于內(nèi)腔內(nèi)，其取向與光纖的移動(dòng)方向相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖冷卻管，其特征在于，內(nèi)腔的橫截面在注氣管處足夠窄，以使在冷卻管使用時(shí)，光纖所帶動(dòng)的氣體的邊界層的外表面距內(nèi)腔的壁較距光纖的外表面要近。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖冷卻管，其特征在于，冷卻管還包括沿冷卻管分布的一組抽氣管。抽氣管開(kāi)口于內(nèi)腔內(nèi)，其取向和光纖的移動(dòng)方向相反，至少有三個(gè)注氣管組，每個(gè)注氣管組中有一根或多根注氣管，注氣管組與抽氣管組沿冷卻管交替分布，至少有三個(gè)抽氣管組，每個(gè)抽氣管組有一根或多根抽氣管，冷卻管朝外界的開(kāi)口只有注氣管、抽氣管以及冷卻管的端部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖冷卻管，其特征在于，內(nèi)腔在注氣管處的橫截面足夠窄，以使光纖所帶動(dòng)的氣流的邊界層的外表面距內(nèi)腔的壁較距光纖的外表面要近，并且冷卻管中還有一組沿冷卻管分布的抽氣管，抽氣管開(kāi)口于內(nèi)腔內(nèi)，其取向和光纖移動(dòng)的方向相反，至少有三個(gè)注氣管組，每個(gè)注氣管組中有一根或多根注氣管，注氣管組和抽氣管組沿冷卻管方向交替布排，至少有三個(gè)抽氣管組，每個(gè)抽氣管組中有一根或多根抽氣管，冷卻管向外界的開(kāi)口只有注氣管、抽氣管以及冷卻管的端部。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，每組注氣管或包括一根注氣管，或包括相對(duì)于冷卻管有相同的軸向位置和規(guī)則分布的徑向位置的多根注氣管，每組抽氣管或包括一根抽氣管，或包括相對(duì)于冷卻管有相同的軸向位置和規(guī)則分布的徑向位置的多根抽氣管。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或5的任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，所有的注氣管都和一條共同的供氣管連接，并且所有的抽氣管都和一條共同的排氣管連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6的任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，加寬內(nèi)腔，在每組注氣管與每組抽氣管之間形成一個(gè)室。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至6的任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，變窄內(nèi)腔，在每組注氣管和每組抽氣管之間形成一個(gè)瓶頸。
9.根據(jù)權(quán)利要求3至8的任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，每根注氣管和每根抽氣管間沿冷卻管方向的距離小于100mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光纖冷卻管，其特征在于，每根注氣管與每根抽氣管在沿冷卻管方向的距離在10mm至50mm之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求3至10的任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，在冷卻管中至少有十組抽氣管，其中至少有一半抽氣管組距冷卻管端部較遠(yuǎn)，其抽取的氣體或直接重新注入或進(jìn)行循環(huán)，并且對(duì)于處在離冷卻管端部最近的至少每個(gè)抽氣管組，其抽取的氣體既不直接重新注入，也不循環(huán)。
12.根據(jù)權(quán)利要求3至11的任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，冷卻管由多個(gè)模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊中有一組注氣管和一組抽氣管。
13.根據(jù)前述各項(xiàng)權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，注氣管處的內(nèi)腔的橫截面的面積在3mm2到10mm2之間。
14.根據(jù)前述各項(xiàng)權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，注氣管都開(kāi)口于內(nèi)腔的壁處。
15.根據(jù)前述各項(xiàng)權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，注氣管的開(kāi)口為長(zhǎng)形，沿冷卻管的軸向開(kāi)口有較長(zhǎng)的尺寸，在冷卻管的橫截面方向開(kāi)口有較小的尺寸。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光纖冷卻管，其特征在于，較大尺寸是較小尺寸的一倍半到四倍。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光纖冷卻管，其特征在于，較大尺寸是較小尺寸的兩到三倍。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17的任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，較小尺寸小于1mm。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18的任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，較大尺寸在1mm到5mm之間。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的光纖冷卻管，其特征在于，注入角在30度到60度之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的光纖冷卻管，其特征在于，注氣角約為45度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光纖冷卻管。這種光纖冷卻管包括適于光纖通過(guò)的內(nèi)腔以及一組沿冷卻管分布的注氣管。注氣管開(kāi)口于內(nèi)腔，其取向和光纖的移動(dòng)方向相反。
文檔編號(hào)C03B37/027GK1450009SQ0310916
公開(kāi)日2003年10月22日 申請(qǐng)日期2003年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月8日
發(fā)明者奧若林·里昂, 丹尼斯·舒姆佩爾, 奧立維爾·舒爾巴赫, 杰恩－弗朗索瓦·鮑立斯 申請(qǐng)人:阿爾卡特公司