[0001] 公开了对用于光纤生产的拉制炉的内表面进行清洁的方法和布置，更具体地，公开了从拉制炉的内表面移除微米颗粒和/或纳米颗粒的方法和布置，以防止生产期间玻璃光纤受到污染。最具体地，本公开涉及在光纤生产期间去除拉制炉的石墨表面上积聚的碳化硅颗粒。颗粒的去除使得在拉制期间从拉制炉的壁释放的颗粒数减少，并且最大程度地减少了玻璃光纤的微粒污染。避免污染减少了玻璃光纤中缺陷的发生，并最大程度地减少了因拉制过程中玻璃光纤断裂而导致的漫长及昂贵的生产中断。

[0002] 用于光学信号传输的玻璃光纤通常以两步法制造。首先，制备玻璃预制件。这通常涉及利用外汽相沉积(OVD)过程将二氧化硅和掺杂剂(例如锗和氟)沉积到旋转棒上来产生多孔玻璃主体，该多孔玻璃主体随后烧结及固结成固体预制件，或者使用改进的化学气相沉积(MCVD)过程将二氧化硅和掺杂剂沉积在旋转的中空二氧化硅管的内表面上，以在管内产生玻璃烟炱层，该玻璃烟炱层经加热、软化和坍缩成为固体预制件。另一种常规技术被称为轴向气相沉积(VAD)，其类似于OVD过程，不同之处在于可在轴向方向上连续制造预制件，并且在轴向方向上按顺序布置沉积和固结步骤。

[0003] 无论预制件是如何制备的，在制造玻璃光纤中，第二步基本步骤是在拉制炉中加热预制件并从经过加热的预制件连续拉制出玻璃光纤。随着玻璃光纤被拉制出，其冷却并且其直径的尺寸被调整(减小)以符合产品规格(通常是125微米)。经过冷却和尺寸调整的玻璃光纤连续涂覆有一种或多种聚合材料，这些聚合材料经固化形成护套，以保护膜不受外部损坏并保持玻璃光纤的强度。将经过涂覆的光纤收集在卷轴上。

[0004] 拉制炉是管状包壳的加热部分，所述管状包壳限定了包围至少一部分预制件的拉制室，包括对纤维进行拉制的颈缩区域。该管状包壳一般被称为衬托器或套筒，其通常是圆柱形并且通常由石墨或氧化锆制成。在石墨套筒中拉制光纤期间，在拉制炉中，通过在高温下(通常约1900℃或更高)二氧化硅(SiO2)与碳(来自套筒的石墨壁)反应产生碳化硅和二氧化碳(SiO2+3C→SiC+2CO(g))而连续产生碳化硅(SiC)颗粒。在拉制炉中可产生的其他颗粒包括碳(C)、二氧化硅(SiO2)、一氧化硅(SiO)和氮化硅(Si3N4)。拉制炉的加工环境中存在这些颗粒(尤其是SiC)可导致玻璃光纤在拉制过程期间断裂。这样的断裂是极其不期望的，其导致漫长的生产暂停期以及大量的产品被报废。套筒中的颗粒还可被包藏在玻璃光纤的表面处，从而形成缺陷(称为“点缺陷”)，其可导致不可接受的信号损失和产品报废。

[0005] 已经确定的是，通过大约每个月清洁套筒的内表面可以使产品品质的玻璃光纤最大化，各次清洁之间的较长时间导致在拉制期间具有不可接受的高频率断裂和/或由微粒物造成的不可接受的高频率的点缺陷，而各次清洁之间的较短时间通常导致不可接受的长时间停产，因为常规的清洁过程需要约5小时。具体地，常规过程需要使拉制炉冷却到室温以利于手动清洁(约1.5小时)，需要约1小时来手动清洁拉制炉，约1小时来用惰性气体(通常是氩气)来吹扫拉制炉，以及另外约1.5小时来将拉制炉加热回操作温度。因此，每个拉制生产线的年度生产停工时间是约60小时，这表示大量的生产时间损失和人力资源的使用。

[0012] 公开了用于从玻璃纤维拉制炉声波清洁颗粒的方法，优选地，在所述炉保持在纤维生产期间所用的正常操作温度或接近该温度的同时进行所述方法。本文所述的清洁一般是指从套筒的内表面，尤其是在限定了拉制室的套筒的经加热的拉制炉部分中，去除尺寸大于约1μm的颗粒，优选地，去除尺寸大于0.5μm的颗粒。已经确定的是，传播通过套筒的声音造成套筒内表面上的颗粒振动，并且克服了使颗粒结合到套筒内部的石墨表面的范德华力或静电力。在整个清洁过程中可以保持氩气(或其他惰性气体)吹扫，以防止石墨在清洁期间所维持的正常操作温度下发生氧化，以及将从石墨表面移除的颗粒带向及通过套筒或炉的出口。

[0013] 图1示意性地示出了光纤生产线。生产线10包括进料机构12，其用于将预制件14进料到由拉制炉102加热的套筒18中。如本文所使用的，“套筒”是指包围至少一部分预制件的管状(通常是圆柱形)结构，所述至少一部分预制件包括预制件的颈缩区域，在此处预制件从光纤的较大直径过渡到光纤的极小直径。套筒的颈缩区域是在光纤生产期间具有最高温度的区域，并且其可被称为拉制炉。由于拉制炉是套筒的加热部分，因此引导声波通过套筒一般同义于引导声波通过拉制炉。套筒通常具有使湍流最小化的光滑表面，并且通常用于从感应加热元件吸收热并在其内表面上均匀地发射所吸收的热(作为红外辐射)。拉制炉102可包括包围套筒18的下部或颈缩区域的绝缘体103。绝缘体103可设置在套筒18的外壁与石英容器104的内壁之间。感应加热线圈106位于容器104与内壳体壁108之间的环状空间中。用于循环冷却流体的环状冷却腔体109可限定在内壳体壁108与外壳体壁110之间。随着玻璃光纤16离开套筒18，通过监测器20连续测量玻璃光纤16的直径。玻璃光纤16通过受控冷却部分22，然后通过一个或多个涂覆模头24，其将一种或多种可固化的涂覆组合物施加于玻璃光纤16。可采用一个或多个涂层同心度监测器26和一个或多个涂层直径监测器28来确保根据厚度和同心度规定施加涂层。固化炉或紫外光源30引起涂层固化而形成固化涂层。然后通过拉制滑轮32将经涂覆的光纤36引导到卷起卷轴34而进行收集。图1的示意图是一般或通常的光纤生产线的例示，应理解，如果需要或者根据具体应用或产品的需要，可以将多个涂层施加于经拉制的光纤。在实际中，通常施加两个涂层，其中第一层是较软的内涂层，而第二层是较硬的外涂层。这种组合为搬运提供了机械保护，同时保护玻璃光纤的表面不受恶劣环境的影响。

[0014] 通过一系列绞盘缠绕每个经涂覆的光纤36的卷轴，并使其经受载荷测试(筛分测试)以确保经涂覆的光纤36满足规定的拉伸强度要求。然后将经涂覆的光纤36卷到运输卷盘上和/或切割成规定长度而运输给客户。

[0015] 还可以对经涂覆的光纤36测试点缺陷，例如用光时域反射计(OTDR)，以评估可能对信号传输特性产生不利影响的异常情况(例如，衰减、带宽、数值孔径、截止波长、模场直径和色散)。

[0016] 可能对信号传输特性产生不利影响的异常情况通常是由于SiC或其他颗粒在玻璃光纤16被拉制通过拉制炉102时，这些SiC或其他颗粒变得粘附或包藏于玻璃光纤16的表面而造成的。颗粒是由于预制件和/或拉制炉的构造材料反应或分解而在拉制炉102中形成的污染物。例如，SiC由SiO2与拉制炉中存在的石墨表面(例如套筒18)反应形成。其他污染物颗粒包括SiO2、SiO、Si3N4和C。通过周期性地清洁拉制炉以从拉制炉去除微粒物，尤其是较大的颗粒(例如尺寸大于1μm或0.5μm的颗粒)，可最大程度地减少这些颗粒的存在以及在拉制期间当这些颗粒撞击在玻璃光纤16上时所造成的断裂。认为目前约有一半(50％)的拉制断裂是由拉制炉的加工环境中的污染物颗粒所导致的。

[0017] 图2示出了套筒18和套筒延伸部分19的部分透视图，其中切除了套筒18和套筒延伸部19的一部分以示出其内部。使用连接器42将声波装置40安装于套筒延伸部19的顶端，所述连接器42在声波装置40与套筒延伸部19之间提供了气密性密封。在清洁期间，套筒不包含预制件并且未拉制光纤。通常的套筒直径是约6.5英寸(16.5cm)。然而，有时使用直径更小和直径更大(例如23英寸或58厘米)的套筒。套筒和套筒延伸部的总长度(高度)可以是约3.3米(套筒3米且套筒延伸部0.3米)。声波装置40包括换能器或驱动器44以及喇叭或扬声器46(例如具有发散出口的管，如具有钟形、锥形或锥状出口的管)，以用于产生频率为75Hz至5000Hz且强度为110dB至160dB，更优选125dB至160dB的声音。声波驱动器44和喇叭
46可用于产生宽的频率范围或窄的频率范围。目前优选或适合的频率是约220Hz。声波装置将声音以所需强度(例如110dB至160dB)引导到套筒18的顶部或进口45，所述强度在套筒中仅略微衰减。例如，在长度为约3米且直径为约15cm的常规圆柱形拉制炉套筒中，当进口强度为130dB且频率为220Hz时，套筒18的底部或出口处的声音强度将为约108dB。较低的频率是优选的，这是因为其具有较低的能量衰减。认为对于光纤拉制炉所用的各种套筒几何结构和尺寸，衰减将不会显著变化，并且本文所述的方法和设备可以有利地用于任何商业上实用的光纤拉制炉。

[0018] 在各个实施方式中，在套筒18的顶部45处的声音强度大于95dB、或大于110dB、或大于125dB、或大于140dB、或在95dB至160dB的范围内、或在110dB至160dB的范围内、或在125dB至160dB的范围内。在喇叭46的顶部或入口处的声音强度应为至少150dB、160dB或
170dB。使用声波装置来清洁拉制炉的方法具有能够在不将炉冷却到室温或接近室温的情况下进行清洁的重要优点，而将炉冷却到室温或接近室温是标准的手动清洁方法所要求的。使用声波装置40，可在高温下清洁套筒18，特别地以及有利地，可在光纤生产期间采用的正常操作温度下或接近该温度下进行清洁(例如，约1000℃以上、或约1250℃以上、或约
1500℃以上、或约1750℃以上、或者在约1000℃至约2000℃的范围内、或者在约1250℃至约
1950℃的范围内、或者在约1500℃至约1900℃的范围内)。拉制室内的温度被认为等于套筒的温度，其可使用红外高温计直接测量。

[0019] 因为在存在氧气的情况下，石墨在高操作温度下易于氧化，因此在整个清洁过程中保持惰性气体吹扫。在清洁期间用于吹扫炉的优选惰性气体是氩气。然而，可以使用其他惰性气体，例如氦气或氮气。

[0020] 使用频率为75Hz至5000Hz且强度为约110dB至160dB的声音约15秒至约2分钟的时间可实现从套筒18的内表面完全去除或接近完全去除尺寸(例如直径或长度)大于0.5μm或1.0μm的颗粒。如本文中所使用的，颗粒的尺寸是指非球形颗粒的等效球直径，其通过计算最大截面积等于非球形颗粒的最大截面积的球形颗粒的直径来确定。如果颗粒是球形的，则尺寸是指颗粒的直径。如果颗粒是非球形的，则尺寸是指非球形颗粒的最大截面积与4/π的乘积的平方根。有利的是，可在15秒至1分钟的时间内采用约125-160dB的声音强度以去除尺寸大于0.1μm的全部或大部分的颗粒，该尺寸被认为是可造成拉制断裂(也被称为拉制诱导的点缺陷或DIPD)的最小颗粒尺寸。已经确定的是，在一个实施方式中，当来自驱动器
44的声音强度在套筒进口45处(即，大致在连接器42处)为至少130dB时，可以实现前述目的。在其他实施方式中，将来自声波装置的声波引导到套筒进口45，持续的时间为至少10秒、或者至少20秒、或者至少30秒、或者至少40秒、或者10秒至10分钟、或者10秒至5分钟、或者15秒至4分钟、或者20秒至3分钟。

[0021] 图3是基于理论计算，从石墨表面移除颗粒所需的最小声音强度根据颗粒直径的变化的图。对于理论计算，假设颗粒是球形的并且粘附范德华力(FVDW)根据如下确定：FVDW＝AR/6D2，其中A是哈梅克(Hamaker)常数，假设其为8.86x10-20J，R是颗粒半径，并且D是颗粒与颗粒所粘附的石墨表面之间的距离(出于理论计算的目的，假设其为0.01μm)。假设声波力(F声波)根据如下给出：F声波＝ma＝Vρa＝Sλρa＝(1/4πd2)λρa＝(1/4πd2)ρ(v/f)a＝7.09x -12 210 N，其中m是一个声波波长中氩气的重量(单位为kg)，“a”是加速度大小(单位为m/s)，V是一个声波波长内的氩气体积(单位为m3)，ρ是氩气密度(20℃和常压下为1.7837kg/m3)，λ是声波波长(λ＝v/f)，v＝干燥气体环境中的声速(约344m/s)，f是声波频率(假设为
220Hz)，S是颗粒的截面积，并且“d”是最小颗粒直径。在实验测试期间，确定的是，由于高的体积流量，离开高温(例如>1500℃)套筒的氩气的温度是约60℃。认为在清洁过程期间，套筒温度和压力对实现有效地去除套筒内表面的颗粒所需的声音强度将不会有显著影响。

[0022] 假设加速度大小通过下述给出：a＝Pmω/(ρv)＝Pm(2πf)/(ρv)＝2.35Pm，其中d是最小颗粒直径，λ是声波波长，f＝声波频率，ω是角速度，并且Pm是声波最大压力。

[0023] 使用上述理论和假设产生了图3，并且该图示出了在220Hz的声波频率以及具有一般的3米长×15cm直径的套筒的情况下，在套筒进口处需要约95dB的最小声音强度来去除尺寸为约100μm或更大的颗粒，需要约130dB的最小声音强度来去除尺寸为约1μm或更大的颗粒，并且需要约160dB的最小声音强度来去除尺寸为0.1μm或更大的颗粒，并且在所需的声音强度与颗粒尺寸之间存在大致线性的关系(以对数标度绘制)。认为，所需的声音强度不强烈取决于颗粒组成，并且从套筒表面去除颗粒所需的最小的所需声音强度几乎完全取决于颗粒尺寸。然而，使用除氩气之外的惰性气体(例如氦气或氮气)可影响去除颗粒所需的声波力，从而可能需要调整上述计算以将惰性气体的属性特性考虑进去。

[0024] 在实际情况下，去除尺寸大于约1μm的颗粒具有极大的益处，去除尺寸大于约0.5μm的颗粒具有益处，并且去除尺寸大于0.1μm的颗粒具有小小的益处。去除小于0.1μm的颗粒几乎没什么实际益处，因为这些较小的颗粒往往不太会造成拉制中断或点缺陷。另外，高的声音强度可对拉制炉的石墨表面造成损坏。因此，认为当来自驱动器44的声音强度(或者进入拉制炉的声音强度或进入套筒的声音强度)为约110dB至160dB时，可实现所公开的方法的最大的实际益处，但是就去除可造成拉制诱导的点缺陷或不利地影响信号传播特性的异常情况的较大颗粒而言，略微较低的强度水平可提供一些益处。并且，虽然略高于160dB的声音强度水平在去除极小的颗粒(<0.1μm)方面可提供某些益处，但是这样的益处通常是极小的，并且应当权衡对拉制炉的石墨表面造成损坏的风险。

[0025] 实验生产运行表明，相比于每个月使用常规的海绵清洁技术，每周使用所公开的声波清洁方法显著减小了拉制诱导的点缺陷(即，使生产中断的拉制断裂)。例如，当使用本文公开的声波方法每周进行清洁而不是使用常规的海绵清洁方法每月清洁时，在四个月的时间内，在三条生产线上生产的光纤显示出筛分断裂平均减小超过15％(通过每百万米光纤的断裂数来测量)。

[0026] 已经确定的是，由于拉制炉无需冷却到室温或加热回高至操作温度，并且由于仅需要约2分钟或更短的声波处理，因此，总的清洁时间(即，清洁之前的一个生产运行的结束点与清洁之后的另一个生产运行的起始点之间的时间)可以从海绵清洁的约5小时下降到所公开的声波清洁方法的仅约10分钟至约20分钟(即，相比于常规的海绵清洁每年常需要60小时，每周声波清洁每年要约17小时)。以较高的频率(每周而不是每个月)并且使停机时间缩短来清洁拉制炉的内表面和/或套筒的表面预计使最大长度显著增加，并且每条生产线节约大约$200,000，同时能够实现更高的拉制速度并且对拉制性能的影响更低。

[0027] 当具有通常尺寸(例如约3米长×15cm直径)的套筒18的顶部或套筒进口45处的声波频率为220Hz，声音强度为至少160dB时，所公开的声波清洁方法预计去除尺寸等于或大于0.1μm的所有颗粒或基本上所有颗粒(至少99％或至少95％)。当具有通常尺寸(例如约3米长×15cm直径)的套筒18的顶部或套筒进口45处的声波频率为220Hz，声音强度为至少130dB时，所述方法预计去除尺寸等于或大于1.0μm的所有颗粒或基本上所有颗粒(至少
99％或至少95％)。

[0028] 从拉制炉的套筒的石墨表面移除的颗粒掉落或通过吹扫气体被带到拉制炉底部并通过拉制炉的出口排出。在所述声波清洁过程期间，建议拉制炉的出口配备有过滤器以用于收集颗粒，以及配备有消音器以用于减少噪音并最大限度地降低拉制炉区域中的工人的健康风险。出口还可配备有过滤器以用于收集颗粒(例如用于收集大多数的移除颗粒)。

[0029] 在实际情况下，可通过监测性能(例如发生拉制中断断裂的频率)来评估清洁方法的清洁度或有效性。还可对离开炉的吹扫气体进行取样，以使用激光和动态光扫描技术来确定颗粒计数和颗粒尺寸。

[0030] 本说明书的方面1为：

[0031] 一种用于清洁光纤拉制炉的方法，所述方法包括：

[0032] 将声波引导到光纤拉制炉的套筒内部中，所述套筒的表面粘附有颗粒，所述声波的声波力足以将颗粒从套筒的表面移除。

[0033] 本说明书的方面2为：

[0034] 如方面1所述的方法，其中，所述声波的频率在75Hz至5000Hz的范围内。

[0035] 本说明书的方面3为：

[0036] 如方面1或2所述的方法，其中，在套筒的内表面处，所述声波的强度大于95dB。

[0037] 本说明书的方面4为：

[0038] 如方面1或2所述的方法，其中，在套筒的内表面处，所述声波的强度大于110dB。

[0039] 本说明书的方面5为：

[0040] 如方面1或2所述的方法，其中，在套筒的内表面处，所述声波的强度在110dB至160dB的范围内。

[0041] 本说明书的方面6为：

[0042] 如方面1-5中任一个方面所述的方法，其中，将声波引导到套筒的内部中，持续至少10秒的时间。

[0043] 本说明书的方面7为：

[0044] 如方面1-5中任一个方面所述的方法，其中，将声波引导到套筒的内部中，持续10秒至10分钟的时间。

[0045] 本说明书的方面8为：

[0046] 如方面1-7中任一个方面所述的方法，其中，所述套筒包含石墨。

[0047] 本说明书的方面9为：

[0048] 如方面1-8中任一个方面所述的方法，其中，套筒中的温度高于约1000℃。

[0049] 本说明书的方面10为：

[0050] 如方面1-8中任一个方面所述的方法，其中，套筒中的温度高于约1500℃。

[0051] 本说明书的方面11为：

[0052] 如方面1-8中任一个方面所述的方法，其中，套筒中的温度为约1500℃至约1900℃。

[0053] 本说明书的方面12为：

[0054] 如方面1-11中任一个方面所述的方法，其中，所述颗粒包含硅。

[0055] 本说明书的方面13为：

[0056] 如方面12所述的方法，其中，所述颗粒包含碳化硅。

[0057] 本说明书的方面14为：

[0058] 如方面1-13中任一个方面所述的方法，其中，颗粒的尺寸大于0.5μm。

[0059] 本说明书的方面15为：

[0060] 一种清洁用于光纤生产的拉制炉的设备，包括：

[0061] 拉制炉，所述拉制炉具有套筒；和

[0062] 声波装置，其可操作地连接到套筒，所述声波装置被构造用于将声波引导到套筒的内部中。

[0063] 本说明书的方面16为：

[0064] 如方面15所述的设备，其中，所述套筒包含石墨。

[0065] 本说明书的方面17为：

[0066] 如方面15或16所述的设备，其中，所述声波装置利用连接器可操作地连接到套筒的进口，所述连接器被构造用于在声波装置与进口之间形成密封。

[0067] 本文所述的实施方式是优选的和/或说明性的，但不是限制性的。各种修改被认为在所附权利要求的权限和范围内。