DE69812213T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Vorformen für Glasfasern - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft die Herstellung von Glasfaser-Vorformen, und insbesondere von Lichtwellenleiter-Vorformen, und betrifft im Besonderen ein Verfahren und ein Gerät, die insbesondere eine Steigerung der Herstellungsleistung für diese Vorformen erlauben.
• Das Dokument FR-A-2 253 723 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenführungsvorform, wobei ein Plasmabrenner ein Glaspulver auswirft, das durch ein Trägergas am Fuß der Flamme eingebracht wird. Es wird ein Trägergasstrom erzeugt, damit er das Glaspulver entlang einer im wesentlichen horizontal verlaufenden Wegstrecke verschiebt. Genauer gesagt, bewegt sich das Glaspulver in Abwesenheit von Trägergas nicht in Richtung des Plasmabrenners vorwärts, so daß die Plasmaflamme kein Glaspulver enthält. Es handelt sich um ein pneumatisches Glaspulver-Injektionsverfahren.
• Aus dem Dokument GB-A-2 134 896 ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform bekannt, das dem Verfahren des erstgenannten Dokuments entspricht. Ein Quarzglaspulver wird praktisch in einer mechanisch abgemessenen Menge in ein zentrales Rohr eingebracht, in das nacheinander Sauerstoff und Wasserstoff eingeleitet werden, die zur Bildung einer hydroxidischen Brennerflamme bestimmt sind, so daß das Pulver in diesen Brenner eingebracht wird, noch bevor er die Flamme bildet. Dieses Verfahren umfaßt demnach eine Injektion des Glaspulver vom Fuß der Flamme stromaufwärts und in das Innere von dieser.
• Das Dokument FR-A-2 446 264 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenführungsvorform, wobei eine zylindrische Vorform von kreisförmigem Querschnitt entsprechend ihrer Achse vor der Flamme eines Plasmabrenners verschoben wird. wobei diese Flamme horizontal ausgerichtet ist. Eine Zufuhrleitung mit einem schräg gestellten unteren Teilabschnitt führt unter der Wirkung der Schwerkraft ein Quarzglaspulver oberhalb der Flamme ein, damit das Pulver von der Flamme auf die Vorform mitgerissen wird. Obwohl dieses Dokument zeigt, daß der Plasmabrenner mehrere Orientierung in einer vertikalen Ebene senkrecht zur Rotationsachse der Vorform aufweisen kann, gibt die Beschreibung dennoch an, daß die Glaskörnchen in die Plasmaflamme "hinein fallen", so daß die Plasmaflamme eine nennenswerte Komponente in horizontaler Richtung aufweisen muß.
• Die in diesem Dokument FR-A-2 446 264 beschriebene Anordnung ist einfacher als diejenigen der vorhergehenden Dokumente, da die Vorgänge des Transports des. Glaspulvers und der Bildung der Plasmaflamme vollkommen voneinander getrennt sind, und da die Speisung mit Glaspulver einzig unter der Wirkung der Schwerkraft durchgeführt wird.
• Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren des im vorgenannten Dokument FR-A-2 446 264 beschriebenen Typs, wobei eine auf eine Vorform gerichtete Plasmaflamme erzeugt wird, und eine getrennte Vorrichtung zur Speisung mit Pulver durch Schwerkraft. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Einführen des Glaspulvers durch Schwerkraft, allerdings normalerweise nur am Rand der Plasmaflamme. Bei einem solche Verfahren ist die Menge des Glaspulvers, die in das Plasma eingebracht und auf der ersten Vorform abgeschieden wird durch die Eindringtiefe des Pulvers in die Plasmaflamme begrenzt.
• Erfindungsgemäß wird der Nachteil der begrenzten Eindringtiefe des Pulvers in die Plasmaflamme unter Bereitstellung eines Verfahrens und eines Geräts beseitigt oder wenigstens stark vermindert, mit denen die Herstellungsleistung für Glasvorformen in einem Schwerkraft-Speisungs- und Plasmaflammensystem durch verstärkte Schwerkraft- Einspeisung durch eine Beschleunigung des Glaspulvers vor dem Eindringen in die Flamme erhöht wird. Diese Beschleunigung wird durch die Verwendung eines Beschleunigergases für das Pulver im Endteil der Einspeisevorrichtung erreicht.
• Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Glasfaser-Vorformen des Typs, der die rotatorische Verschiebung einer zylindrischen ersten Vorform um ihre Achse, die relative translatorische Verschiebung der Vorform und eines Plasmabrenners parallel zur Achse der Vorform, wobei die Achse der Plasmaflamme nicht mit der Achse der Vorform zusammenfällt, und um einen bestimmten Abstand bezüglich der Achse der Vorform verschoben ist und das Einführen eines Glaspulvers durch Schwerkraft in die Plasmaflamme bis zum Äußeren der Flamme umfaßt; erfindungsgemäß umfaßt das Verfahren die Beschleunigung des durch Schwerkraft eingebrachten Glaspulvers, bevor es in die Plasmaflamme eindringt, mit Hilfe eines Beschleunigergases, das in den durch Schwerkraft vorgeschobenen Glaspulverstrom eingeleitet wird, und die Regelung des Verschiebungsabstands zwischen Achse der Plasmaflamme und Achse der Vorform, so daß der Verschiebungsabstand der Achsen bei zunehmender Beschleunigung des Pulvers vermindert wird.
• Vorzugsweise wird die Regelung der Beschleunigung durch Regelung des Ausstoßes des Beschleunigergases auf einen Wert, der 15 l/min erreichen kann, wobei die Menge an Glaspulver 90 g/min erreichen kann, durchgeführt.
• Es ist zweckmäßig, daß das Verfahren vor dem Einleiten des Beschleunigergases in den Glaspulverstrom eine Vorbehandlung des Beschleunigergases umfaßt. Diese Vorbehandlung des Beschleunigergases kann insbesondere das Vorheizen dieses Beschleunigergases und/oder das Einbringen einer Dotierungssubstanz in das Beschleunigergas sein.
• Die Erfindung betrifft auch ein Gerät zur Herstellung von Glasfaser-Vorformen des Typs, der einen Plasmabrenner, eine Vorrichtung zur relativen translatorischen Verschiebung einer ersten Vorform und der Plasmabrennerflamme und eine Glaspulver-Speisevorrichtung für die Plasmaflamme durch Schwerkraft bis zum Äußeren dieser Flamme aufweist; erfindungsgemäß weist die Schwerkraft-Speisevorrichtung ein unteres Rohr-Teilstück auf, dem vorgeschaltet sich ein Beschleunigergas-Einleitungsrohr anschließt. Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Regelungsvorrichtung für den Abstand zwischen der Achse der Plasmaflamme des Brenners und der Achse einer, ersten Vorform, auf der die Glasfaser-Vorform geformt wird.
• Vorzugsweise bilden die Achse des Einleitungsrohrs des Beschleunigergases und die Achse des unteren Teilstücks der Speisevorrichtung einen Winkel, der kleiner oder gleich 30º ist.
• Es ist zweckmäßig, daß das Gerät ferner eine Regelungsvorrichtung für den Ausstoß des Beschleunigergases aufweist.
• Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist das Gerät ferner vor dem Einleitungsrohr für das Beschleunigergas in den Glaspulverstrom eine Vorrichtung zur Vorbehandlung des Beschleanigergases auf. Die Vorbehandlungs-Vorrichtung für das Beschleunigergas ist zweckmäßigerweise eine Vorheizvorrichtung für das Beschleunigergas und/oder eine Einführvorrichtung für eine Dotierungssubstanz in das Beschleunigergas. Vorzugsweise ist das Beschleunigergas Luft.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der folgenden Beschreibung hervor, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt. Es zeigen:
• Fig. 1 einen schematischen seitlichen Aufriß, der ein Gerät zur Herstellung einer Glasfaser-Vorform durch ein Verfahren zum Speisen durch Schwerkraft mit Glaspulver einer Plasmaflamme darstellt;
• Fig. 2 eine Ansicht des Endes des in Fig. 1 gezeigten Geräts; und
• Fig. 3 einen schematischen Schnitt einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
• Die Fig. 1 und 2 stellen ein Gerät zur Herstellung von Glasfaser-Vorformen des Typs eines Plasmabrenners dar, das bei einem Verfahren zur Herstellung von Vorformen unter Schwerkraft-Speisung verwendet werden kann. Genauer gesagt wird die Glasfaser-Vorform 10 auf einer ersten Vorform von zylindrischer Form mit kreisförmigem Querschnitt, die sich um ihre Achse 12 dreht und sich parallel zu ihrer Achse von links nach rechts in Fig. 1 verschiebt, realisiert. Auf dem Niveau eines Plasmabrenners 14, der ein von einer Induktionsheizspule 16 umwickeltes Rohr aufweist wird eine Plasmaflamme 18 in Richtung der Vorform 10 ausgestoßen. Die Plasmaflamme weist eine Achse 20 auf.
• Ein Glaspulver mit teilchenförmiger Dimension, beispielsweise in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 mm, wird durch Schwerkraft durch ein Rohr 22 bis zum Äußeren der Plasmaflamme 18 oberhalb der Vorform 10 eingebracht. Die Pulverkörnchen, die in die Flamme eindringen, werden geschmolzen und auf die Vorform aufgebracht, deren Durchmesser zunimmt.
• Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Achse 20 der Flamme bezüglich der Achse 12 der Vorform verschoben ist, wobei die beiden Achsen über einen bestimmten Abstand x in Fig. 2 getrennt sind.
• Das beschriebene Gerät gestattet bei Verwendung ohne die erfindungsgemäße Verbesserung das Aufbringen von etwa maximal 30 g/min Glaspulver mit einer Plasmabrennerenergie von 40 bis 100 kW.
• Die Erfindung betrifft eine Verbesserung des Verfahrens und des Vorgenannten Gerätes der Art, daß die Herstellungsleistung von Vorformen um mindestens das Zwei- bis Dreifache gesteigert werden kann. In dieser Hinsicht wird im Falle des unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen Geräts das durch Schwerkraft in die Plasmaflamme eingebrachte Glaspulver beschleunigt, damit es tiefer in die Flamme eindringt und somit eine größere Menge an Pulver gleichzeitig in der Plasmaflamme geschmolzen und auf die Vorform 10 aufgebracht werden kann zum Erhalt eines solchen Ergebnisses genügt es nicht, einfach die Pulvermenge zu erhöhen, da das Pulver nicht genug in die Flamme eindringen würde. Zum Erhalt eines solchen Ergebnisses genügt es auch nicht, ein pneumatisches System zur Projektion von Pulver in der gewünschten Menge in die Flamme in seitlicher Richtung zu verwenden, da eine solche Durchführung eine zu große Menge vor. Trägergas für das Pulver einbringen und eine übermäßige Abkühlung der Flamme hervorrufen und somit eine Verminderung ihrer Wirkung, gegebenenfalls unter Erzeugung von Fehlern auf der Vorform, bewirken würde.
• Die Erfindung realisiert somit eine Speisung durch einfache Schwerkraft-Beschleunigung des eingespeisten Pulvers, welche den Erhalt einer erhöhten Menge in einem dauerhaften Betriebszustand gestattet, und keine Speisung durch pneumatischen Ausstoß von Pulver, was eine bedeutende Verwirbelung der Plasmaflamme einführen würde und den Erhalt eines dauerhaften Betriebszustandes sehr schwierig macht.
• Es wurde ferner festgestellt, daß es zum Erhalt eines dauerhaften Betriebszustands, der ein regelmäßiges Wachstum einer Vorform erlaubt, nicht ausreicht, in die Plasmaflamme eine größere Menge an beschleunigtem Pulver durch ein Gas einzubringen, sondern daß auch die Regelung der Position der Plasmaflamme bezüglich der Vorform in Abhängigkeit der Menge des eingebrachten Pulvers notwendig ist.
• Genauer gesagt wurde, wie in Fig. 2 angedeutet, der Abstand x zwischen Achse 20 der Plasmaflamme und Achse 12 der Vorform 10 unter einem dauerhaften Betriebszustand gemessen, der einerseits in dem Fall eine Speisung mit Pulver ausschließlich durch Schwerkraft (Abstand x&sub0;) und andererseits im Falle einer Beschleunigung des Glaspulverstroms durch ein Gas unter nachfolgender Leistungserhöhung erlaubt. Man, erkennt, daß der Abstand x zwischen den Achsen 20 und 12 um so kleiner wird, je mehr die Geschwindigkeit des Pulvers zunimmt. Dennoch ist es nicht notwendig, daß die Beschleunigung einen solchen Wert erreicht, daß das Beschleunigergas einen mechanischen Effekt und einen Abkühlungseffekt der Flamme ausübt, der übermäßig stark ist und den Erhalt einer Qualitäts-Vorform 10 verhindert.
• Erfindungsgemäß wird die Beschleunigung des Glaspulverstroms vorzugsweise im unteren Teilstück 26 des gebräuchlichen Schwerkraft-Einspeisungsrohrs 24 durch Injektion eines Beschleunigergases, beispielsweise Luft oder Argon, über eine seitliche Leitung 28 durchgeführt. Diese seitliche Leitung 28 bildet vorzugsweise einen spitzen Winkel mit der normalen Leitung 24 von unter 30%. In der Tat ist es zweckmäßig, die kinetische Energie des Gases zusätzlich zu seinem Überdruckeffekt einzusetzen.
• In einem Durchführungsbeispiel der Erfindung wurde mit dem beschriebenen Gerät mit maximal einer Beschleunigerluftmenge von 15 l/min für eine gleiche Leistung des Plasmabrenners eine Glaspulvermenge von 90 g/min erreicht.
• Erfindungsgemäß wird demnach der Abstand x, der die Achsen 12 und 20 trennt, als Funktion der eingebrachten Glaspulvermenge geregelt. Das Gerät enthält als Vorrichtung, die zur Variation dieses Abstandes x ausgelegt ist, eine in dieser Hinsicht bereits bekannte Vorrichtung, beispielsweise Schienen, auf denen Räder der Trägergesamtheit für die Vorform unter der Steuerung eines Motors rollen können.
• Darüber hinaus ist es zweckmäßig, daß das Beschleunigergas zweckmäßige Eigenschaften besitzt. Wenn die angewandte Substanz ein Quarzglaspulver ist, eignet sich Luft ausgezeichnet, allerdings können andere Gase, wie Inertgase, verwendet werden. Es ist dennoch notwendig, daß das verwendete Beschleunigergas die zum Erhalt einer nicht verunreinigten Glasvorform notwendige Reinheit oder nur die zur Dotierung notwendigen Verunreinigung oder Verunreinigungen aufweist.
• Erfindungsgemäß ist es ferner zweckmäßig, daß das Beschleunigergas für das Glaspulver auch eine präparative Rolle für das Pulver an sich spielt, damit die Herstellung der Vorform leichter ist. Beispielsweise kann das Beschleunigergas eine Behandlung erfahren, die ein Aufheizen sein kann, um ein Vorheizen des Glaspulvers zu bewirken. Das Aufheizen des Gases wird beispielsweise durch das Hindurchleiten durch einen Wärmeaustauscher erzielt. Bei einem anderen Beispiel enthält das Beschleunigergas eine Dotierungssubstanz, die von der Qualität der Glasschicht abhängt, die auf der Vorform 10 gebildet werden muß. Es kommt in er Tat häufig vor, daß die Vorform zur Herstellung von Fasern mit zunehmender Änderung des Brechungsindex verwendet wird. Es ist demnach notwendig, daß die Vorform, mit eventuellen Zwischenschritten, Schichten aufnimmt, deren Brechungsindizes verschieden sind. Erfindungsgemäß kann diese Indexvariation durch Modifikation der Zusammensetzung des Beschleunigergases erzielt werden; beispielsweise kann das Gas eine variable Konzentration einer Halogenverbindung aufweisen.
• Die in das erfindungsgemäße Gerät eingebauten Vorrichtungen können auf die gleiche Weise wie die Vorrichtungen realisiert werden, die in den bekannten Geräten die gleiche Funktion besitzen. Beispielsweise kann die Schwerkraft-Einspeisevorrichtung einen klassischen Verteiler aufweisen, der Plasmabrenner kann in dieser Anmeldung von einem bereits bekannten Typ sein etc. Schließlich kann die Granulometrie der verwendeten Pulver die gleiche sein wie diejenige, die üblicherweise angewandt wird; beispielsweise weisen die Teilchen eine Dimension in der Größenordnung von einigen Zehntel Millimeter auf, beispielsweise 0,1 bis 0,2 mm.
• Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht als bevorzugtes Beispiel beschrieben und dargestellt wurde, und daß in diese konstitutiven Elementen sämtliche entsprechenden Techniken eingebaut werden können, ohne von ihrem Umfang abzuweichen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Glasfaser-Vorformen und insbesondere von Lichtwellenleiter-Vorformen des Typs, der folgendes umfaßt:

- rotatorische Verschiebung einer ersten zylindrischen Vorform um ihre Achse,

- relative translatorische Verschiebung der Vorform (10) und eines Plasmabrenners (14) parallel zur Achse (12) der Vorform (10), und

- Einbringen eines Glaspulvers durch Schwerkraft in die Plasmaflamme (18) bis zum Äußeren der Flamme, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achse (20) der Plasmaflamme (18) nicht mit der Achse (12) der Vorform (10)

überschneidet und um einen bestimmten Abstand (x) bezüglich der Achse (12) der Vorform (10) verschoben ist, und dadurch, daß folgendes eingeschlossen ist:

- Beschleunigung des durch Schwerkraft eingebrachten Glaspulvers vor seinem Eindringen in die Plasmaflamme (18) mit Hilfe eines Beschleunigergases, das in den Strom des durch die Schwerkraft vorwärts bewegten Glaspulvers eingeleitet wird, und

- Regelung des Abstands (x) der Verschiebung zwischen Achse (20) der Plasmaflamme (18) und Achse (12) der Vorform (10), damit der Abstand (x) der Verschiebung der Achsen (12, 20) bei zunehmender Beschleunigung des Pulvers vermindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Regelung der Beschleunigung über die Regelung des Ausstoßes des Beschleunigergases auf einen Wert von kleiner oder gleich 15 l/min umfaßt, wobei die Menge an Glaspulver 90 g/min erreichen kann.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren vor dem Einleiten des Beschleunigergases in den Glaspulverstrom eine Vorbehandlung des Beschleunigergases umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung des Beschleunigergases das Vorheizen dieses Beschleunigergases umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung des Beschleunigergases das Einbringen einer Dotierungssubstanz in das Gas umfaßt.

6. Gerät zur Herstellung von Glasfaser-Vorformen des Typs, der einen Plasmabrenner (14), eine Vorrichtung zur relativen translatorischen Verschiebung einer ersten Vorform und der Flamme (18) des Plasmabrenners (14), und eine Zuführvorrichtung (24) für Glaspulver in die Plasmaflamme (18) durch Schwerkraft bis zum Äußeren dieser Flamme umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerkraft-Zuführvorrichtung (24) einen unteren Rohrabschnitt (26) aufweist, dem ein Einleitungsrohr (28) für ein Beschleunigungsgas vorgeschaltet ist, und dadurch, daß sie ferner eine Regelungsvorrichtung für den Abstand (x) zwischen Achse (20) der Plasmaflamme (18) des Brenners und Achse (12) der ersten Vorform, mit der die Vorform (10) Von Glasfaser geformt wird, aufweist.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (28) des Einleitungsrohrs für das Beschleunigungsgas und die Achse des unteren Rohrabschnitts (26) der Zuführvorrichtung einen Winkel bilden, der kleiner oder gleich 30º beträgt.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner vor dem Rohr 28 zur Einleitung des Beschleunigungsgases in den Glaspulverstrom eine Vorrichtung zur Vorbehandlung des Beschleunigergases aufweist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung des Beschleunigergases aus der Gruppe ausgewählt ist, die eine Vorheizvorrichtung für Beschleunigergas und eine Einführvorrichtung für eine Dotierungssubstanz in das Beschleunigergas umfaßt.