CN115210190B - 光纤拉制炉系统和方法 - Google Patents

Abstract

光纤拉制系统及其运行方法。方法包括将用于支撑光纤预制件的下探把手放在炉内使得下探把手在炉内是可移动的。方法还包括对一个或多个加热元件进行操作从而对布置在炉内的靠上马弗炉延伸件的至少一部分进行热方式加热，所述一个或多个加热元件能够与下探把手一起移动。

Description

光纤拉制炉系统和方法

本申请根据35 U.S.C.§119(e)，要求2020年1月24日提交的美国临时专利申请序列号62/965,473的优先权，将其全文通过引用结合入本文。

技术领域

本发明大体上涉及用于运行光纤拉制炉的系统和方法，更具体来说，涉及用于在拉制炉中加热下探把手时的光纤拉制炉的运行系统和方法。

背景技术

制造的光纤通常包含被玻璃包层以及多层涂层围绕的内玻璃纤芯以提供足够的抗弯曲性和抗破坏性。生产光纤的常规技术和制造工艺包括从预制件拉制光纤。预制件由固结的二氧化硅玻璃形成，其包括一系列的掺杂剂水平或类型不同的二氧化硅玻璃的同轴区域。对预成形件中的掺杂剂的空间分布、浓度和/或类型进行控制，产生折射率不同的区域。这些折射率差异限定了生产得到的光纤中的不同功能的区域(例如，纤芯对比包层，低折射率凹陷，经调解的折射率分布)。

通常在拉制炉中进行预制件的拉制，并且涉及对预制件进行熔化和拉伸以实现目标光纤直径。对各种性质(包括，炉温、预制件位置和牵拉速度)进行控制，从而生产得到具有恒定直径的光纤。例如，炉温的临时变化会导致拉制过程期间的预制件的冷却速率改变，导致不均匀且不规则的光纤直径。

此外，拉制炉内的气体的非稳态对流会导致不均匀且不规则的光纤直径。通常在拉制炉的靠上部分中引入惰性加工气体以防止环境空气进入炉。环境空气会与拉制炉的组件发生反应，导致不合乎希望的氧化。但是，在炉的靠上部分处的加工气体的流动不稳定性会影响预制件的均匀拉制。更具体来说，炉的靠上的非主动加热部分中的流动不稳定性在炉中朝向预制件的缩颈(neckdown)区域向下传播。这会影响加工气体与预制件的缩颈区域之间的热传递，这进而导致预制件的冷却速率波动，引起了拉制得到的光纤的直径波动。

常规的惰性加工气体包括氮气和氩气。但是，这些气体会导致拉制炉的靠上部分中不合乎希望的流动不稳定性。已知氦气体降低了拉制炉中的任何非稳态对流，因而已经被用于替代氮气和氩气从而为拉制得到的光纤提供更均匀的直径。但是，氦气是从天然气井作为副产物回收的不可再生资源。预期氦气的价格在未来会发生增加，因而增加了在拉制炉中使用其他气体的需求。因此，存在提供这样的拉制炉运行系统和方法的需求，其不需要使用氦气的同时仍然维持了拉制炉内的稳态气体对流。

发明内容

根据一个实施方式，提供了一种光纤拉制炉的运行方法。方法包括将用于支撑光纤预制件的下探把手放在炉内使得下探把手在炉内是可移动的。方法还包括如下步骤：对一个或多个加热元件进行操作从而对布置在炉内的靠上马弗炉延伸件的至少一部分进行热方式加热，所述一个或多个加热元件能够与下探把手一起移动。

根据另一个实施方式，提供了光纤拉制炉系统。系统包括马弗炉，所述马弗炉包含靠上马弗炉延伸件且形成了内腔体。系统还包括下探把手和靠上加热器。下探把手以可移动的方式布置在内腔体中。此外，靠上加热器包括能够与下探把手一起在内腔体中移动的一个或多个加热元件。

附图说明

图1的示意图显示根据本公开内容实施方式的拉制炉装配件；

图2的示意图显示处于另一个位置的图1的拉制炉装配件；

图3的示意图显示处于另一个位置的图1和2的拉制炉装配件；

图4的示意图显示处于另一个位置的图1-3的拉制炉装配件；

图5的示意图显示根据本公开内容实施方式的拉制炉装配件；

图6A显示根据本公开内容实施方式的拉制炉装配件以及比较例拉制炉装配件的温度等高线图；

图6B显示根据本公开内容实施方式的拉制炉装配件以及比较例拉制炉装配件中的气体的流函数等高线图。流函数的闭合线表示孔道流；

图7显示根据本公开内容实施方式的拉制炉装配件以及比较例拉制炉装配件的靠上部分中的温度与时间关系图；

图8显示根据本公开内容实施方式的拉制炉装配件以及比较例拉制炉装配件的靠上部分中的气压与时间关系图；

图9显示根据本公开内容实施方式的拉制炉装配件以及比较例拉制炉装配件中的预制件的缩颈区域中的温度与时间关系图；

图10显示根据本公开内容实施方式的拉制炉装配件以及比较例拉制炉装配件中的预制件的缩颈区域中的气压与时间关系图；

图11显示对于加热到不同温度的拉制炉装配件，预制件的缩颈区域中的温度与时间关系图；

图12显示对于图11的拉制炉装配件，预制件的缩颈区域中的幅度与频率关系图；以及

图13显示对于加热到不同温度的拉制炉装配件，预制件的缩颈区域中的气压与时间关系图。

具体实施方式

在以下的详细描述中提出了本公开内容的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言由所述内容就容易理解，或按下面的描述和权利要求书以及附图所述实施本公开内容而被认识。

如本文所用，术语“和/或”当用于列举两个或更多个项目时，表示所列项目中的任意一个可以单独采用，或者可以采用所列项目中的两个或更多个的任意组合。例如，如果描述组合物含有组分A、B和/或C，则组合物可只含有A；只含有B；只含有C；含有A和B的组合；含有A和C的组合；含有B和C的组合；或含有A、B和C的组合。

在本文件中，关系术语，例如第一和第二、顶部和底部等，仅仅用于将一个实体或行为与另一个实体或行为区分开来，没有必然要求或暗示此类实体或行为之间的任何实际的此类关系或顺序。

本领域技术人员会理解的是，所述公开内容和其他组分的构建不限于任何具体材料。除非本文另有说明，否则本文所揭示的本公开内容的其他示例性实施方式可以由宽范围的各种材料形成。

重要的是，还要指出，在示例性实施方式中显示的本公开内容的元件的构造和排布仅仅是示例性的。虽然在本公开内容中仅详细描述了本公开内容的一些实施方式，但是阅读了本公开内容的本领域技术人员会容易地理解，许多改进是可行的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例的变化，以及参数值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等)，这没有从本质上背离所述主题的新颖性和非显而易见的教导和优势。例如，显示为整体形成的元件可以由多个部件构成，或者显示为多个部件的元件可以整体形成，接口的操作可以颠倒或以其他方式变化，结构的长度或宽度，和/或元件或连接器或者系统的其他元件可以发生变化，并且可以改变在元件之间提供的调节位置的性质或数量。应该注意的是，系统的元件和/或组装件可以由任意宽范围的材料构造，所述材料以任意宽范围的各种颜色、纹理提供了足够的强度或耐久性，及其组合。因此，所有的这些改进都旨在被包括在本公开内容的范围之内。在不脱离本公开内容精神的情况下，可以对各种所需和其他示例性实施方式的设计、操作条件和布置进行其他替换、改进、改变和省略。

下面详细说明本公开内容的优选实施方式，它们的例子在附图中示出。只要可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。

现参见图，根据一个实施方式，显示总体上通过附图标记10标示的示例性光纤拉制炉系统。拉制炉10包括布置在外罐30中的马弗炉20。下探把手40以可移动方式布置在马弗炉20的把手腔体中，从而支撑光纤预制件50。如下文进一步所讨论的那样，包含一个或多个加热元件的靠上加热器连接到下探把手40并能够与下探把手40一起移动。加热元件帮助提供拉制炉10内的更均匀的温度和稳态气体对流。

马弗炉20包括第一端部分24和第二端部分25，如图1所示。第二端部分25形成靠上马弗炉延伸件23，其沿着马弗炉20的预定长度向下延伸。顶帽21布置在靠上马弗炉延伸件23的上方并且提供密封和移动能力，这是本领域已知的。如图1所示，马弗炉20和顶帽21形成内腔体27，下探把手40以可移动的方式布置穿过所述内腔体27。如下文进一步讨论的那样，腔体27包括腔体27的第一端处的炉腔体22。此外，把手腔体29可以形成布置在下探把手40与马弗炉20之间的腔体27的一部分。随着下探把手40在腔体27内的移动，把手腔体29可能包括腔体27的不同部分。例如，随着下探把手40在腔体27内向下移动使得下探把手40更多的部分布置在马弗炉20内，把手腔体29的长度也增加。弹性体密封件26可以提供下探把手40与靠上马弗炉延伸件23之间的气密连接。

马弗炉20和/或靠上马弗炉延伸件23可以包括耐火材料和/或耐火金属，例如：石墨、氧化锆、粘结剂、氧化铝、多铝红柱石、石英、碳化硅、氮化硅，和/或其组合。因此，马弗炉20和/或靠上马弗炉延伸件23可能由碳形成，其会与环境空气发生反应并燃烧。此外，马弗炉20和靠上马弗炉延伸件23可以是单个组件或者由两个或更多个分开的组件形成。如图1所示，马弗炉20和靠上马弗炉延伸件23可以具有基本均匀的内直径。还预期马弗炉20和靠上马弗炉延伸件23可以具有不同的内直径。在一些实施方式中，马弗炉20和/或靠上马弗炉延伸件23的内直径可能沿着组件的长度是变化的。

靠下加热器60布置在外罐30内，与马弗炉的第一端部分24相邻。靠下加热器60可以以热方式连接到马弗炉20，从而在炉腔体22中产生热区。热区的温度可以是约为1800℃至约2100℃。在一些实施方式中，热区的温度可以是：约1800℃、约1900°、约2000℃或者约2100℃，或者这些值中的任意两个作为端点的任意范围。如下文将更详细解释的那样，热区的热量足以降低预制件50的粘度。在一些实施方式中，靠下加热器60可以包括感应线圈。

此外，马弗炉20和/或靠上马弗炉延伸件23构造成在拉制炉10中保留热量以及保护其他组件免受过度温度的影响。例如，马弗炉20和/或靠上马弗炉延伸件23可以具有足以维持炉腔体22内的热区的升高的温度的隔热性质。例如，还预期隔热件(insulation)65围绕马弗炉20。如图1所示，隔热件65可以布置在马弗炉20与靠下加热器60的感应线圈之间并且布置在靠上马弗炉延伸件23与外罐30之间。因此，隔热件65可以在长度上从靠下加热器60延伸到靠上马弗炉延伸件23，从而其围绕靠上马弗炉延伸件23布置。在一些实施方式中，隔热件65是石墨隔热件。

虽然马弗炉20和/或靠上马弗炉延伸件23的材料通常可以是良好的隔热物，但是仍然可能在提升的温度下发生氧化。因此，可以向拉制炉10内插入或注入一种或多种加工气体以防止这些组件的氧化。如下文更详细讨论的那样，加工气体可以包括惰性气体，例如：氮气、氩气、氦气，和/或这些气体的组合。

外罐30可以包括一个或多个气体入口端口从而将加工气体注入到腔体27中。例如，如图1所示，外罐30包括第一气体入口端口70、第二气体入口端口72以及第三气体入口端口74。第一气体入口端口70布置在靠上马弗炉延伸件23中，第二气体入口端口72布置在外罐30中靠近靠下加热器60，以及第三气体入口端口74布置在马弗炉20的底部。可以在马弗炉20的外壁与罐30的内壁之间注入加工气体。还可以在腔体27中注入加工气体，如图1所示。如下文更详细讨论的那样，将加工气体注入到拉制炉10中，从而确保在拉制过程期间，环境空气没有进入拉制炉10。因此，例如防止了来自环境空气的氧与马弗炉20的碳发生反应。

可以采用支撑元件80将预制件50附连到并悬挂到下探把手40。考虑支撑元件80是下探把手40的组件，或者是连接到下探把手40的分开的组件。支撑元件80可以具有与下探把手40基本相同的外直径。因此，下探把手40的外直径与马弗炉20的内直径之间的间隙可以基本等于支撑元件80的外直径与马弗炉20的内直径之间的间隙。支撑元件80构造成对预制件50进行支撑。在一些实施方式中，支撑元件80是焊接到下探把手40的玻璃片。作为补充或替代，支撑元件80可以包括缝隙，预制件50附连到所述缝隙。然而，也考虑可以使用任何合适的构造将预制件50附连到下探把手40。

下探把手40可以包含例如：石英玻璃、石墨、氮化硅、碳化硅或涂覆了碳化硅的石墨，以及下探把手40的外直径小于马弗炉20的内直径。因此，下探把手40(以及支撑元件80)能够在马弗炉20和顶帽21内沿着这些组件的纵向方向移动(例如，上下移动)。此外，下探把手40(以及支撑元件80)可以是能够在马弗炉20和顶帽21内以这些组件的径向方向移动(例如，左右移动，前后移动)，以及可以在这些组件内旋转。当附连到下探把手40时，预制件50可以在马弗炉20和顶帽21内与下探把手40一起移动。例如，在拉制工艺期间，随着预制件50的消耗，下探把手40可以在腔体27内纵向移动。如图1-4所示，在拉制工艺期间，下探把手40沿着马弗炉20的长度移动。

随着预制件50与下探把手40在马弗炉20内一起移动并且朝向靠下加热器60下降，可以由此拉制得到光纤。预制件50可以包含任何众所周知的玻璃或其他材料，并且可以进行适合于制造光纤的掺杂。在一些实施方式中，预制件50包括纤芯和包层。随着预制件50到达靠下加热器60的热区，预制件50的粘度降低从而使得可以从预制件50拉制得到光纤。由于在拉制工艺期间预制件50是连续消耗的，下探把手40可以连续下降从而将预制件50的新的部分暴露于通过靠下加热器60所产生的热区。通过拉制炉10的底部由预制件50拉制得到光纤62，并且可以将其卷绕到轴上。在一些实施方式中，光纤的直径约为125微米。

如上文所讨论的那样，在预制件50的拉制过程中，将加工气体注入到马弗炉20中。更具体来说，在拉制工艺期间，门76打开并且通过气体入口端口70和/或72将加工气体注入到腔体27中。注入到第一气体入口端口70中的加工气体向下流动通过腔体27，沿着预制件50的长度流动，以及穿过炉腔体22并进入到靠下马弗炉延伸件90中。然后，加工气体通过门76离开。加工气体的这个流动路径被用于防止拉制工艺期间的环境空气进入马弗炉20。

当打开靠下加热器60来加热预制件50时，使用气体入口端口72。注入气体入口端口72中的加工气体可以在外罐30中向上流动并在靠近马弗炉20的第二端部分25处离开拉制炉10。注入气体入口端口72中的加工气体可以用作吹扫气体来确保外罐30中不存在会与隔热件65发生反应的空气。

除此之外，在预制件50的装载和卸载过程期间将加工气体注入到气体入口端口74中。在这些过程期间，关闭门76，并且注入到气体入口端口74中的加工气体在腔体27内向上流动。这防止了装载和卸载过程期间空气进入拉制炉10的顶部部分。

在传统拉制炉系统中，在拉制过程期间，加工气体当其在拉制炉内流动时遭遇流动不稳定性。如上文所讨论的那样，加工气体的此类流动不稳定性会导致拉制得到的光纤的不均匀且不规则的直径。流动不稳定性来自于由于马弗炉腔体中的密度分层和由于惰性气体的流动(其向下传播通过马弗炉)所导致的非稳态自然对流。这些流动不稳定性最终影响了加工气体与光纤预制件的拉制根部之间的热传递。更具体来说，流动不稳定性表现为温度变化、压力变化以及质量流动变化，它们传输到拉制根部并导致预制件粘度的变化。温度、压力和质量流动的变化导致拉制根部的加热和冷却的波动，导致从预制件拉制得到的光纤的直径波动(例如，对于给定的速度和张力，由于可以从光纤预制件拉出的材料量发生变化而导致这种情况)。

可以将加工气体的流动不稳定性或者非稳定态性量化为格拉晓夫(Gr)数。从物理上来说，可以将Gr数解读为气体系统的浮力与粘性力之比。当浮力变得明显大于粘性力时，流动变得不稳定并且是临时性变化的。格拉晓夫数以数值方式表述为如下等式(1)：

式中，g是重力加速度，β是加工气体的热膨胀系数，L_c是特性长度(例如，其中布置了气体的空间的长度)，ΔT是温差(例如，靠近光纤预制件的拉制根部的测量)，以及v是加工气体的动粘度。

如上文所讨论的那样，一些拉制炉可能采用氦气，因为氦气具有高的动粘度。从等式(1)可以看出，高的加工气体动粘度可以导致较低的格拉晓夫数，这导致稳态的不随时间变化的自然对流流动。换言之，具有高的动粘度的加工气体抵抗了非稳态的浮力驱动流动。此外，具有较低对流流动的加工气体较不容易在马弗炉的腔体中导致非稳态流动行为。因此，加工气体的动粘度越高，越能够抵抗加工气体的浮力驱动对流流动，从而降低或防止了马弗炉中的非稳态流动不稳定性。通常来说，约7000或更低、8000或更低、9000或更低、10000或更低、11000或更低或者12000或更低的格拉晓夫数导致稳定的不随时间变化的流动，而大于约13000的格拉晓夫数导致非稳态的随时间变化的流动。

参见图1，可以将包含一个或多个加热元件46的靠上加热器连接到下探把手40以调节马弗炉20中的温差从而降低格拉晓夫数和促进加工气体的稳定流动，从而降低了拉制得到的光纤的直径变化。因此，所述一个或多个加热元件46可以实现使用除了氦气之外的加工气体，同时仍然得到所需的低格拉晓夫数和稳定流动。例如，拉制炉10中的加热元件46可以提供当使用氩气或氮气中的任一种作为加工气体时约800至约1200的格拉晓夫数。

加热元件46可以包括例如：线圈电阻加热器、带状加热器和/或浸入式/棒式加热器，这是本领域众所周知的。

如图1所示，可以对加热元件46进行供能(即，调至打开位置)从而在下探把手40上形成不同加热区。例如，对不同的加热元件进行供能以形成下探把手40的第一加热区41、第二加热区42、第三加热区43和第四加热区44。虽然图1的实施方式显示四个加热区，但是也考虑可以使用较多或较少的加热区。例如，加热元件46可以形成例如一个、两个、五个、六个、七个、八个或十个加热区。每个加热区可以独立于其他加热区进行加热和供能。

区41、42、43、44可以布置在下探把手40的内表面上并沿着下探把手40的整个内周延伸。然而，也考虑区的延伸不到下探把手40的整个内周的情况。此外，区41、42、43、44可以分别具有约8英寸至约12英寸的长度。一个或多个区的长度尺寸可以与一个或多个其他区是相同或不同的。

加热元件46可以加热下探把手40的一个或多个加热区41、42、43、44，这进而加热了布置在下探把手29内的加工气体。如上文所讨论的那样，把手腔体29是腔体27布置在下探把手40与马弗炉20之间的部分。当下探把手40在拉制炉10中移动时，把手腔体29可以包括腔体27的不同部分。布置在把手腔体29中的加工气体的加热则可以对靠上马弗炉延伸件23围绕了经加热的下探把手40的部分(因此，是围绕了把手腔体29的部分)进行加热。因此，加热元件46加热了靠上马弗炉延伸件23围绕经加热的下探把手40的部分。

布置在把手腔体29中的加工气体的加热增加了加工气体的温度，这降低了垂直方向和径向方向这两个方向上的温度梯度并且增加了加工气体的动粘度。此类温度梯度的降低和动粘度的增加导致加工气体的流动稳定性增加。如上文所讨论的那样，拉制操作中的流动不稳定性可能来源于加工气体的非稳态的浮力驱动流动。来自下探把手40的热量降低/防止了拉制炉10中的此类流动不稳定性。然后可以用氩气或氮气代替氦气作为加工气体。

由于加热元件46，把手腔体29中的加工气体的温度可以增加约450至750℃。如图1所示，围绕靠上马弗炉延伸件23的隔热件65可以帮助维持把手腔体29中增加的气体温度。

如图1所示，加热元件46可以布置在下探把手40的内侧(例如，在其内壁表面上)。因此，加热元件46布置成马弗炉20(包括靠上马弗炉延伸件23)的径向向内以及外罐30的径向向内。然而，也考虑加热元件46可以布置成下探把手40和/或马弗炉20的外向情况。在一些实施方式中，加热元件46可以布置在下探把手40的外壁表面上或者嵌入下探把手40的壁中。加热元件46可以布置在拉制炉10上的任何地方使得它们能够对下探把手40与靠上马弗炉延伸件23之间的环状空间中的加工气体进行加热从而降低加工气体的温度梯度。然而，在下探把手40上(而不是在马弗炉20的壁上)提供加热元件46提供了以下益处：降低了由于到达靠上罐的热损耗从而降低了能耗，通过简化能源和热电偶绕圈限制减少了设计限制，简化了马弗炉的设计，以及允许在没有改动炉适用性的情况下能够利用把手的加热。加热元件46可以包括沿着下探把手40的长度垂直布置的多个加热元件。

加热元件46可以连接到下探把手40从而使得加热元件46能够和下探把手40一起在马弗炉20中移动。加热元件46还可以依次包括热区41、42、43、44。例如，如下文进一步讨论的那样，随着下探把手40(进而加热元件46)在马弗炉20中纵向移动，加热元件46可以对所述区进行依次加热。

在一些实施方式中，加热元件46可以仅对下探把手40布置在靠上马弗炉延伸件23中的部分进行加热。因此，下探把手40布置在靠上马弗炉延伸件23外部(例如，顶帽21内)的部分可以没有被加热元件46所加热，甚至当至少一些加热元件46处于打开状态时亦是如此。随着下探把手40在马弗炉20中向下移动(即，朝向靠下加热器60移动)从而使得下探把手40的这个部分现如今布置在靠上马弗炉延伸件23中，下探把手40的初始位于靠上马弗炉延伸件23的外部且没有被加热的这个部分变得被加热元件46所加热。

下探把手40被加热元件46所加热的部分可以被加热到如下温度范围：约200℃至约1200℃，约400℃至约1000℃，约600℃至约900℃，约700℃至约850℃，或者约800℃。因此，下探把手40的每个区41、42、43、44可以被分开且独立地加热到这些公开范围内的温度。一个或多个区可以被加热到不同于一个或多个其他区的温度。也考虑所有的区41、42、43、44被加热到相同温度。

在一些实施方式中，一个或多个区41、42、43、44可以被加热成在特定区内具有温度梯度。因此，例如第一区41可以被加热成使得该区(更远离靠下加热器60)的顶部部分被加热到温度高于该区(更靠近靠下加热器60)的底部部分，在这两个部分之间提供了梯度。

(未示出的)控制单元可以连接到加热元件46从而对每个区41、42、43、44的温度以及把手腔体29内的加工气体的温度进行监测和调节。例如，可以将一个或多个传感器(例如，热电偶)连接到控制单元来监测和调节温度。传感器可以帮助提供闭路温度控制和温度热梯度管理。

随着下探把手40在马弗炉20中移动到更靠近靠下加热器60，加热元件46可以依次加热区41、42、43、44。随着拉制过程消耗预制件60越来越多的部分，可以发生区的依次加热。例如，在下探把手40的第一位置，加热元件46可以处于关闭位置从而区41、42、43、44没有被加热。可以在例如预制件50的装载和卸载期间使用第一位置。在这个第一位置，每个区41、42、43、44可以布置在靠上马弗炉延伸件23的外部。

在一个实施方式中，可以在下探把手40下降到腔体27内的第二位置使得第一区41至少部分布置在靠上马弗炉延伸件23中之后，使得加热元件46加热第一区41。在这时，余下的区42、43、44每一个都没有被加热元件46加热，并且至少部分布置在靠上马弗炉延伸件23的外部。图1显示其中的区41被加热元件46加热的下探把手40的第二位置。如图1-4所示，第一区41可以布置成是所有区中最靠近靠下加热器60(当下探把手40布置在马弗炉20内的时候)。

然后，可以通过向下移动(例如，相对更靠近靠下加热器60)使得探把手40从第二位置移动到第三位置，从而第一区41和第二区42这两者都布置成至少部分位于靠上马弗炉延伸件23内。在这个时候，现在可以对第二区42进行加热。因此，在加热第一区41之后对第二区42进行加热。可以在通过拉制工艺消耗额外的预制件50的同时，使得下探把手40从第二位置移动到第三位置。在下探把手40的第三位置时，余下的区43、44每一个都没有被加热元件46加热，并且至少部分布置在靠上马弗炉延伸件23的外部。图2显示其中的区41、42这两个区都被加热元件46加热的下探把手40的第三位置。同样如图1-4所示，第一区41布置成比第二区42相对更靠近靠下加热器60(当下探把手40布置在马弗炉20内的时候)。

然后，可以通过向下移动(例如，相对更靠近靠下加热器60)使得下探把手40从第三位置移动到第四位置，从而第一区41、第二区42和第三区43分别布置成至少部分位于靠上马弗炉延伸件23内。在这个时候，现在可以对第三区43进行加热。因此，在加热第一和第二区41、42之后对第三区43进行加热。可以在通过拉制工艺消耗额外的预制件50的同时，使得下探把手40从第三位置移动到第四位置。在下探把手40的第四位置时，余下的区44没有被加热元件46加热，并且至少部分布置在靠上马弗炉延伸件23的外部。图3显示其中的区41、42、43全都被加热元件46加热的下探把手40的第四位置。同样如图1-4所示，第一和第二区41、42这两者布置成比第三区43相对更靠近靠下加热器60(当下探把手40布置在马弗炉20内的时候)。

然后，可以通过向下移动(例如，相对更靠近靠下加热器60)使得下探把手40从第四位置移动到第五位置，从而第一区41、第二区42、第三区43和第四区44分别布置成至少部分位于靠上马弗炉延伸件23内。在这个时候，现在可以对第四区44进行加热。因此，在加热第一、第二和第三区41、42、43之后对第四区44进行加热。可以在通过拉制工艺消耗额外的预制件50的同时，使得下探把手40从第四位置移动到第五位置。图4显示其中的区41、42、43、44全都被加热元件46加热的下探把手40的第五位置。如图1-4所示，第一、第二和第三区41、42、42的位置全都比第四区44相对更靠近靠下加热器60(当下探把手40布置在马弗炉20内的时候)。

然后，可以通过在马弗炉20内的向下移动(例如，相对更靠近靠下加热器60)，使得下探把手40从第五位置移动到预定位置。可以在通过拉制工艺消耗额外的预制件50的同时，使得下探把手40从第五位置移动到预定位置。在一些实施方式中，第五位置可以是预定位置从而下探把手40不需要进行移动从而从第五位置到预定位置。预定位置可以是相对于靠下加热器60的位置。当下探把手40处于预定位置时(如图4所示)，可以减小对应于第一区41的一个或多个加热元件46的功率。例如，对应于第一区41的一个或多个加热元件46的功率可以减小约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％或者约100％。当下探把手40处于预定位置且对应于第一区41的所述一个或多个加热元件46减小时，可以将对应于余下区42、43、44的加热元件46维持在它们的功率水平。因此，在一些实施方式中，第一区41的经过降低的功率可以低于分别施加到第二、第三和第四区42、43、44的功率。

当下探把手40处于预定位置时，第一区41的功率下降可以通过该区相对于靠近靠下加热器60来弥补。例如，当第一区41移动到更靠近靠下加热器60的加热时，可以降低对应于第一区41的加热元件46的功率。因此，在一些实施方式中，由于来自靠下加热器60的额外加热，第一区41的温度可以不随着加热元件46的功率减小而降低。

还考虑了下探把手40可以在第一、第二、第三、第四、第五和预定位置之间以任意顺序移动。因此，例如在一些实施方式中，下探把手40可以从第三位置移动到预定位置。

在一些实施方式中，当下探把手40处于预定位置时，可以降低对应于第一区41和第二区42这两者的加热元件46的功率。还考虑当下探把手40处于预定位置时，降低对应于第一、第二和第三区41、42、43的加热元件的功率。在其他实施方式中，当下探把手40处于预定位置时，可以降低所有加热元件46的功率。

当下探把手40处于预定位置时，可以降低对应于一个或多个区的加热元件46的功率，从来维持沿着马弗炉20的长度的所需的热分布。随着越来越多的预制件50被拉制工艺所消耗掉并且下探把手40移动到更靠近靠下加热器60，存在由于来自加热元件46和靠下加热器60的组合加热导致的马弗炉20内的温度可能发生增加的潜在风险。如果马弗炉20内的温度变得太高，则下探把手40可能过热，这可导致诸如把手拉伸之类的此类不合乎希望的副效应。因此，当下探把手40抵达预定位置时，降低一个或多个区41、42、43、44的功率从而防止此类过热。

对下探把手40上的一个或多个区的温度进行调节还可以维持靠上马弗炉延伸件23的温度从而将拉制炉10的格拉晓夫数维持在低于稳态对流所要求的临界值。例如，格拉晓夫数可以维持在约800至约1200的范围内。

如上文所讨论的那样，将加热元件46连接到下探把手40以降低加工气体的流动不稳定性，从而允许使用诸如氮气和氩气之类的气体。此外，通过产生加热区，可以防止下探把手40的过热。不同的加热区还可以帮助更好地调节马弗炉20内的温度，允许使用例如较低温度的密封材料。例如，密封26可以包含较低温度的密封材料，例如：硅酮、聚氨酯、橡胶或者其他弹性体材料。

同样如上文所讨论的，一旦区分别至少部分布置在靠上马弗炉延伸件23内，加热元件46依次对区41、42、43、44进行加热。然而，也考虑当区至少部分布置在顶帽21中的时候，对每个区进行加热。因此，例如下探把手40的第二位置可以是当第一区41至少部分布置在顶帽21中的时候。

图5显示加热元件46被非接触式加热元件所替代的另一种实施方式。例如，在这个实施方式中，感应加热向热区41、42、43、44提供了非接触式加热。如图5所示，感应线圈100围绕马弗炉20并且产生与下探把手40耦合的磁场。磁场穿过靠上马弗炉延伸件23的材料并对下探把手40进行加热。例如，在图5的实施方式中，下探把手40可以包含石墨，以及靠上马弗炉延伸件23可以包含石英。

图6A-13呈现了炉装配件(例如，拉制炉10)内的作为气流和温度图的计算机流体动力学(CFD)模拟结果。采用历史观察基于现有生产配制，对CFD模拟验证它们的有效性。

参见图6A和6B，所示的CFD模型显示了这三个实施例在拉制过程期间的温度分布和气流图案。具体来说，比较例A显示以氦气作为加工气体的未加热的把手的模型；比较例B显示以氩气作为加工气体的未加热的把手的模型；以及实施例C显示以氩气作为加工气体的经加热的把手的模型。在所有三个实施例中，所使用的下探把手的外直径为4.87英寸且内直径为4.49英寸。此外，对于实施例C，采用加热元件46将下探把手加热到约800℃，并且向长度为47英寸的靠上马弗炉延伸件的外壁添加了厚度为2.565英寸的隔热件。

如图6A所示，比较例A和B与实施例C的对比显示实施例C的吹扫气体在下探把手与靠上马弗炉延伸件之间的环状空间(例如，区域X)中具有更高的温度。例如，比较例A和B的环状空间中的吹扫气体的温度约为75-100℃。相反地，实施例C的环状空间中的吹扫气体的温度约为600℃。实施例C的温度增加是由于下探把手上的加热元件所导致的。

如图6B所示，在使用未加热的下探把手以及氩气作为加工气体的比较例B中，在炉的靠上部分中的环状空间中建立了多孔道(multi-cellular)浮力驱动流动图案。更具体来说，加工气体的流动是不稳定且随时间变化的，导致环状空间内的温度和压力波动。使用氦气作为加工气体的比较例A具有一致的气体流动，仅在靠近气体入口处由于气体垂直于壁进入炉导致形成两个小的再循环涡流。因此，比较例A提供了稳定的不随时间变化的加工气体流动。类似于比较例A，实施例C也提供了加工气体的稳定流动。然而，实施例C能够在使用氩气作为加工气体时通过下探把手的加热来实现稳定流动。更具体来说，图6B显示实施例C的浮力流动是稳定的，并且抑制了温度波动。

图7显示对于比较例A和B以及实施例C的位置X处的作为时间的函数的气温图。如上文所讨论的那样，使用氦气作为加工气体的比较例A具有较为稳定的温度图。类似地，使用经加热的下探把手以及氩气作为加工气体的实施例C具有较稳定的温度图。然而，使用未经加热的下探把手以及氩气作为加工气体的比较例B具有较不稳定的温度图。比较例B具有约为150-400℃的大幅温度波动范围。

图8显示对于比较例A和B以及实施例C的位置X处的作为时间的函数的气压图。类似于上文所讨论的温度图，比较例A和实施例C在位置X处具有较稳定的气压。相反地，比较例B在位置X处具有较不稳定的气压。

如上文所讨论的那样，靠近靠上马弗炉延伸件23处的温度和气体波动会在马弗炉20内向下传播到达预制件50的缩颈区域。图9显示对于比较例A和B以及实施例C的位置Y(靠近预制件50的缩颈区域)处的作为时间的函数的气温图。分别由于使用氦气和使用经加热的下探把手，比较例A和实施例C具有较为稳定的不波动的温度图。比较例B再次具有较不稳定的温度图，在50秒时间间隔上的温度波动从约1771℃到约1816℃。

图10显示对于比较例A和B以及实施例C的位置Y处的作为时间的函数的气压图。类似于图8，比较例A和实施例C具有较稳定的气压，而比较例B具有波动的气压。

图11显示对于下探把手40的三种不同加热速率，在位置Y处的作为时间的函数的温度图。更具体来说，第一下探把手被加热到约400℃的温度，第二下探把手被加热到约600℃的温度，以及第三下探把手被加热到约800℃的温度。第一下探把手温度在位置Y处产生最大的温度波动，而第三下探把手温度在位置Y处产生最小的温度波动。因此，相比于将下探把手加热到600℃的温度和400℃的温度，将下探把手加热到800℃在马弗炉的位置Y处(靠近预制件50的缩颈区域)产生更稳定的温度。

图12显示图11的数据的FFT(快速傅里叶变换)分析。如图12所示，随着下探把手的温度增加，温度波动的幅度减小。图12显示当下探把手的温度接近约800℃时，明显抑制了波动。

类似于温度与时间关系图，对于下探把手温度接近约800℃的情况，位置Y处的气压波动也较为稳定。图13显示对于三种下探把手温度，在位置Y处的作为时间函数的气压图：第一下探把手被加热到约400℃的温度，第二下探把手被加热到约600℃的温度，以及第三下探把手被加热到约800℃的温度。第一下探把手温度在位置Y处产生最大的气压波动，而第三下探把手温度在位置Y处产生最小的气压波动。因此，相比于将下探把手加热到600℃的温度和400℃的温度，将下探把手加热到800℃在马弗炉的位置Y处(靠近预制件50的缩颈区域)产生更稳定的气压。

如上文所讨论，本文公开的光纤拉制炉有利地实现了使用较低动粘度的加工气体(例如，氮气或氩气)的同时仍然提供拉制得到的具有恒定且均匀直径的光纤。

Claims (15)

1.一种对光纤拉制炉进行操作的方法，该方法包括：

将用于支撑光纤预制件的下探把手放在炉内使得下探把手在炉内是能够移动的；以及

对一个或多个加热元件进行操作从而对布置在炉内的靠上马弗炉延伸件的至少一部分进行热方式加热，所述一个或多个加热元件能够与下探把手一起移动，

其中，所述一个或多个加热元件的操作包括将下探把手加热到400℃至1000℃的温度范围。

2.如权利要求1所述的方法，其还包括绕着下探把手注入加工气体。

3.如权利要求2所述的方法，其中，加工气体包括氮气和氩气中的至少一种。

4.如权利要求1所述的方法，其还包括在炉内运行靠下加热器，所述靠上马弗炉延伸件布置在炉内的靠下加热器的上方。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个加热元件的操作包括加热下探把手从而下探把手仅位于靠上马弗炉延伸件内的部分被加热。

6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个加热元件的操作包括对下探把手的多个区依次进行加热。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述多个区的依次加热包括随着下探把手移动到相对更靠近靠下加热器，对一个或多个额外的区进行加热。

8.如权利要求6所述的方法，其中：

所述多个区包括第一区，所述第一区布置成在所述多个区的所有区中是最靠近靠下加热器，以及

所述多个区的依次加热包括在下探把手移动到相对于更靠近靠下加热器之后，对第一区进行加热。

9.如权利要求8所述的方法，其中：

所述多个区还包括第二区，所述第一区的位置相比于所述第二区相对更靠近靠下加热器，以及

所述多个区的依次加热包括在加热第一区之后以及在下探把手移动到相对于更靠近靠下加热器之后，对第二区进行加热。

10.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其还包括：

由下探把手支撑光纤预制件；以及

从光纤预制件拉制光纤。

11.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个加热元件连接到下探把手。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个加热元件布置在下探把手上。

13.一种光纤拉制炉系统，其包括：

马弗炉，所述马弗炉包含靠上马弗炉延伸件且形成了内腔体；

下探把手，所述下探把手以能够移动的方式布置在内腔体中；以及

靠上加热器，所述靠上加热器包括能够与下探把手一起在内腔体中移动的一个或多个加热元件，所述一个或多个加热元件包括第一加热元件和第二加热元件，所述第一加热元件配置成与所述第二加热元件分开且独立地加热下探把手。

14.如权利要求13所述的炉系统，其还包括布置在炉内的靠下加热器，所述下探把手能够相对于靠下加热器发生移动。

15.如权利要求13或14所述的炉系统，其中，所述一个或多个加热元件布置在下探把手上。