CN1169542A - 形成光纤涂覆层的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用液态聚合物涂料涂覆光纤的装置和方法,包括用工作流体将膛室加压,并将工作流体沿着光纤以与光纤运动方向相反的方向排出,以将颗粒在其进入模具组件之前从通入的光纤上除出。

Description

形成光纤涂覆层的装置和方法

本发明涉及光纤的涂覆，涂覆的材料在涂敷时是液体，然后固化而在光纤上形成固体保护性有机涂层。更具体地，本发明涉及改进的装置和方法，其中有机涂料内夹杂物的数目，尤其是颗粒夹杂物的数目减少了，以提高固化后保护涂层的质量和完整性，从而提高最终产品的性能。

为了保护玻璃纤维防止损坏而在光导纤维上涂敷液态有机涂层的做法是人所共知的。目前生产的典型的光导纤维包括以二氧化硅为基础的玻璃丝，覆盖有两层保护用的丙烯酸酯涂层。玻璃丝起着波导的作用，并提供光纤绝大部分的拉伸强度。丙烯酸酯涂层则用以在制造过程和在野外使用时保护玻璃避免因磨耗和/或外应力而损坏。为了防止在制造过程中损坏，涂层是在玻璃纤维拉好以后在纤维与其它表面接触之前立即涂敷的。光纤正在以越来越高的速度拉制，涂敷保护涂层的装置必须能在这较高的光纤拉制速度下提质高质量的涂层。

在高速涂覆玻璃纤维时遇到的一个问题在聚合物涂层中会引入颗粒之类的夹杂物。夹杂物会使涂层的机械性能下降，从而对光纤的性能产生不利影响。

例如，当涂层中存在夹杂物时，玻璃纤维与涂层的热膨胀性能差别很大就会发生问题。由纤维和涂层的均匀热膨胀和收缩引起拉伸和压缩所产生的简单均匀应力，对光导纤维的光传输和强度特性并无严重影响。但是，由于涂层中有夹杂物而引起的不均匀膨胀或收缩，将会在涂层和玻璃纤维内都产生集中的弯曲应力。这些应力在极端温度条件下将对纤维的光导性能和强度性能都产生不利影响。

在涂层内有颗粒污染的情况下，更重要的问题是存在这样的可能性：颗粒与玻璃纤维接触而引起裂纹，使纤维立即断裂或在进一步处理时增长直至破坏。污染的颗粒通常是以二氧化硅为基的，因此它们具有足够的硬度，很容易划伤或穿透玻璃纤维。对光纤的故障分析表明，有颗粒埋在邻接玻璃表面的一次涂层内。处在这种位置的颗粒，在与卷绕等加工步骤相联系的正常变曲过程中，或在安装纤维的过程中，将在玻璃中引起表面缺陷。

在典型的纤维涂覆方法中，玻璃纤维在形成之后立即被引导至涂覆模具组合件。该组合件包括一个引导模，一个液体涂料的储料器，以及一个上胶模。玻璃纤维依次地通过上述每个部件。液体涂料粘附在纤维上形成涂层，该涂层随后再被固化。

对这方法已作过一些旨在减少或消除涂层中气泡的改进。例如，可在纤维通过含有液态涂料的储料器之前，用二氧化碳之类的工作流体(它是可溶解在液体涂料中的)来取代卷夹在光纤表面边界层内的空气。工作流体随同纤维一起进入液体涂料内，并溶解在涂料内而不是象空气那样形成气泡。

这方法的说明可见美国专利4,792,347，该专利已转让给本申请的同一受让人，这里引用它的全部内容作为参考。在该系统中，在向内运动的光纤周围置有调节单元，用以提供逆向气流以取代卷夹在光纤上的空气。该调节单元的内部圆柱形套管具有多个气流孔，用以将逆向气流引导至光纤上。

也有人通过冷却装置的槽来引入工作流体，以形成指向光纤的气流，如在美国专利申请08/409,231中所说明的那样，该申请已转让给本申请的同一受让人。在该装置中，使用氦来冷却光纤，并用它来在非常高的拉丝速度下取代或除去光纤上的空气。过剩的氦以及由光纤上清除掉的夹杂空气通过一个孔以离开光纤的方向排出。

用可溶解的工作流体取代卷夹的空气对减少光纤涂层内的气泡虽已产生了可接受的结果，但也对该方法的其它改进作了尝试。在美国专利5,127,361中，引导模和上胶模的结构作了调整，使得它可在高拉丝速度下减少在涂层内形成的气泡的数目。在该装置中，调整了引导模与上胶模之间空隙的大小，并且在上胶模的孔内形成一个锥面，以改进涂覆过程。

另一种现有的模具组合件将工作流体引入至围绕移入引导模的那部分光纤的圆柱形膛室内。该膛室在与引导模相对的开口端与大气相通，而直径约为13mm(0.500英寸)。工作流体是通过在引导模附近通至膛室的一个或多个通道引入的。工作流体可从膛室的开口端以与光纤运动方向相反的方向流出。

虽然上述的一些系统在一定程度上有效地减少了液体涂覆涂层的缺陷，但仍希望能进一步改良。目前所用的涂覆光纤的方法，并不能有效消除液体涂层的颗粒污染。

本发明提供了一种能减少对光纤污染的涂敷层的方法和装置。本发明的一种方法是，将光纤通入装有液体涂料的储料器内，穿过该储类器并由它通出，使一层液体涂层粘在光纤上。在通向储料器的光纤上施加工作流体，使工作流体沿通入的光纤流动，方向与光纤运动的方向相反。

工作流体在光纤附近的最大速度至少为1.5米/秒。更高的速度可更为有效，如至少为14米/秒，更好为至少27米/秒，最好为至少35米/秒。下面将说明，可以使用两种流体速度的量度。真正的“测量”速度表示紧靠围绕光纤的边界层之外的实际流体速度。“测量”速度是用一种能测出流体内各点上的流体速度的仪器测得的。“理论”最大流体速度是根据系统的某些参量(如压力和孔的大小)，由下面将讨论的方程式和简化假设预料得到的速度分布中的最大流体速度。作用在通入的光纤上的工作流体射流，可防止颗粒进入液体涂料储料器。

在光纤拉制环境中，最难排除的颗粒是那些夹带在光纤上，或者卷夹在光纤周围空气边界层内的颗粒，这些颗粒以光纤的速度向储料器移动。最好是流体的气流(或液流)能够排斥光纤拉丝环境中预期的密度和尺寸最大的，运动方向与光纤通向储料器的运动方向(“光纤运动方向”)相同的，而且速度可与光纤本身的速度相比的颗粒。下面将进一步说明，工作流体对颗粒所作的使其减速的功，随流体速度增加而增加，而且可根据系统的一些参数，如流率、孔的尺寸、颗粒尺寸和颗粒密度算出。如果所作的减速的功等于或大于以光纤的速度随光纤一起运动的颗粒的动能，该颗粒就会被排斥。较好的是工作流体的各参量是选择成这样：对于在光纤拉制环境中会产生实际问题的预期密度和尺寸最大的颗粒(一般直径约为50微米，密度约为二氧化硅的密度，2.1克/立方厘米)，气流所能停止的颗粒最大速度或阈值速度，大于或等于光纤移向储料器的速度。换言之，工作流体的气流(或液流)应能使预期密度和尺寸最大的，以光纤速度运动的颗粒停止。因此，本发明可大大降低在典型制造条件下液体涂层的颗粒污染。相反，虽然现在认为现有的在通入的光纤周围施加工作流体的装置，可能会偶然地使一些轻的、运动慢的颗粒停止而不进入储料器，但那些结构不能有效地防止较大而运动较快的颗粒污染涂层。

将光纤通入储料器的步骤，较好是让光纤穿过膛室入口进入膛室，再将光纤由膛室通入装有液体涂料的储料器，然后穿过储料器通至光纤出口。施加工作流体的步骤最好包括用工作流体将膛室加压的步骤。工作流体离开储料器从膛室入口排出，使得工作流体沿着向内运动的光纤流动，其方向与光纤运动方向相反。如上所述，工作流体的气流(或液流)由膛室入口引出，其方向与光纤运动方向相反，最好能在颗粒进入膛室入口之前使其停止。通放工作流体的步骤还可包括在膛室的至少一部分内维持工作流体的流动，流动方向与光纤运动方向相反，在整个膛室内邻近光纤处的最大速度至少为1.5米/秒。在膛室内，最大速度最好比上述的更高。在膛室内的高速气流可有助于使被携带通过入口孔的颗粒停止。最好在膛室内沿光纤运动方向上相当长的一段长度上维持高速气流。

膛室最好具有较小的最小直径，使得工作流体的质量流率即使较低，也能使由光纤入口孔射出的流体气流具有所需的高速度。于是，工作流体可用低于每分钟10标准升的流率排出，更好是低于每分钟6标准升。工作流体可以是空气或者是氦、二氧化碳或其它可防止形成气泡的气体。

本发明的另一方面，提供了一种用以给光纤涂敷涂层的装置。该装置包括一个具有入口端和出口端的模具夹具，邻接出口端的上胶模，该上胶模限定了一个上胶模孔，以及位于上胶模与模具夹具的入口端之间的引导模，该引导模限定了一个引导模孔。引导模孔与上胶模孔大体上与光纤轴共轴。上胶模、引导模与模具夹具在上胶模与引导模之间限定了一个储料器，用以容纳液体涂料。该装置还包括限定延伸于引导模与模具夹具入口端之间，围绕光纤轴的膛室的装置。所述膛室最好在沿光纤轴的某一位置上具有小于3.8mm(0.150英寸)的最小直径。有工作流体孔与该膛室连通。光纤可沿光纤轴移动通过该膛室和穿过储料器。工作流体可通入该膛室，并离开储料器围绕光纤由该膛室排出。

图1是本发明的一个实施例中模具夹具组合件的剖面图，它对应于图2中通过I-I线的剖面；

图2是图1所示模具夹具组合件的另一剖面图，它对应于图1中通过II-II线的剖面；

图3是图1～2所示涂覆装置与光纤在用本发明的方法涂覆过程中的示意图；

图4是图1～3中引导模与上胶模以及其中的光导光纤与液体涂料的示意图；

图5是具有几种起始速度的颗粒在各种工作流体射流速度下的停止距离的比较；

图6是在几种膛室直径下膛室内的理论速度分布；

图7是本发明另一实施例中模具夹具组合件的剖面图。

参看图1，图中显示了一个模具夹具组件(概括地用数字10表示)，它是用来将一种涂覆材料涂覆在光纤上的，光纤轴112通过组件的中心由其顶部延伸至底部。模具夹具组件10一般包括上胶模夹具20(其中装有上胶模21)，引导模夹具50(其中装有引导模51)，和模具盖70。

上胶模夹具20是大体上为圆柱形的部件，它有一个中心膛孔25，用来容纳引导模夹具。膛孔25有一个基本平坦的底面33。上胶模夹具20的外表面36上设有涂覆材料槽27，为涂覆材料提供通道。槽27内开有进口孔26，使槽与中心膛孔25相连。槽27和孔26位于靠近中心膛孔25的底面33的地方。

上胶模夹具20还有一个穿通底面33的中心模具安装膛孔24。上胶模21最好是以轻微的干涉配合压入膛孔24。上胶模21具有一个上胶模中心孔22。上胶模孔面向上胶模夹具20内部的一端可以有引流斜面或圆角23，以改善液态涂料的流动特性。光导纤维(图中未示出)由夹具组合件通出时，上胶模孔22将光纤围住，除去多余的液态涂料，在光纤上形成具有均匀直径的涂层。

在上胶模夹具20的涂料槽27与其顶面35之间，在上胶模夹具的外表面36上设有外部工作流体槽31。外部工作流体孔32将槽31与上胶模夹具的中心膛孔25连通。在图2的上胶模夹具中显示了4个外部工作流体孔32，但孔的数目可以少些或多些。

再看图1，引导模夹具50是一个大体上为圆柱形的部件，其外表面58的尺寸使它可精密地滑动配合于上胶模夹具的中心膛孔25内。当各模具夹具组装起来时，引导模夹具50的头部56座落在上胶模夹具的顶面35上。

引导模夹具的底面54，与中心膛孔25和上胶模夹具的底面33一起构成一个储料器66，用以存放涂覆光纤用的液态涂料。引导模51最好以轻微的干涉配合压入引导模夹具50底面54的孔内。引导模51上有一个引导模中心孔60以及引导斜面或圆角52，引导斜面位于远离储料器66的一侧。引导模、引导模夹具、上胶模和上胶模夹具的位置公差应能保证使引导模孔60与上胶模孔22基本上是同心的。

中心孔或膛53由引导模51沿引导模夹具50的光纤轴112延伸至引导模夹具50上与引导模51相对的另一端。在引导模夹具50的端部可有引导斜面或圆角57，以便在启动工作时帮助将光纤穿入中心膛53。

引导模夹具50的外表面58上有内部工作流体槽54a，与上胶模夹具20上的外部工作流体孔32对齐。在引导模夹具50上还设有内部工作流体孔55，将内部工作流体槽54a与膛室53连通。虽然图2中显示了四个内部工作流体孔55，但可以有更多或更少的孔。如图2所示，引导模夹具与上胶膜夹具是装配成旋转移位，使内部和外部工作流体孔并不对准。这种不对准的位置可使工作流体均匀流入膛室53。为了便于说明，图1中孔55的位置相对于图2的位置旋转了45°。

模具盖70将引导模夹具50的头部56夹在模盖70的内肩72与上胶模夹具20的顶面35之间。模盖70的中心孔73与膛53、引导模孔60和上胶模孔22对准，使所有这些部件都与光纤轴112共轴。在图1所示的实施方式中，模盖中心孔73略小于膛53的直径，以避免产生一个凸出部位，在启动工作时影响光纤的穿入。中心孔73起着延伸膛53的作用。于是，中心孔73限定了膛53的最小直径。

模具夹具组件10装在集气管100内，如图3所示。集气管100有一个入口102，与上胶模夹具20的液态涂料槽27相连。入口102连接于涂料源107，涂料经过温度保持装置(例如加热器106)，再通过压力调节装置105流至涂料入口102。于是，可将涂料源107的液态涂料供应至储料器66，而储料器内涂料的温度和压力可精确地控制。

集气管100还有一个工作流体入口101，与上胶模夹具20的外部工作流体槽31相连。工作流体源104通过压力调节器103连接于工作流体入口101。来自流体源104的工作流体可进入外部流体槽31(见图2)，通过外部流体孔32，流入引导模夹具50的内部工作流体槽54a。然后工作流体由槽54a通过内部工作流体孔55，快速地通入中心膛53。

按照本发明的一种实施方式，光纤111沿光纤轴112通过模具夹具组件10按箭头110的方向前进(见图3)。在储料器66中保持着液态涂料，使得光纤被常规牵引装置(图中未示出)拉曳通过上胶模21时，将有涂料粘附在光纤111上。上胶模21清除多余的涂料，形成涂覆的光纤113，如图4所示。

在图4可见，在储料器66内引导模51与前进的光纤111之间的液态涂料形成一个弯液面114。弯液面114的尺寸和形状，取决于进入储料器66的液态涂料的温度和压力，以及引导模孔60的大小。

较佳的液态涂料是可用紫外光固化的环氧树脂或氨基甲酸乙酯-丙烯酸酯。在本实施方式中，较好的工作流体是二氧化碳，因为它价格低廉而且可溶于所述液态涂料。当工作流体由内部工作流体孔55流出而通过中心膛53时，工作流体会夹带在进入组件的光纤111上，将逐渐接近的光纤上的边界空气层全部或大部分替换掉。据信由于工作流体比空气较易溶于涂料，这样的替换将可减少制成的光纤的涂层中的气泡，虽然本发明并不受这理论的限制。

进入模具夹具组件中的工作流体，大部分必须通过中心膛53，从进入组件的光纤111的周围流出，如图3所示。通过控制膛53和膛的入口75的大小和结构，可以调节通过膛53的工作流体的速度分布以及在中心膛入口75外工作气流150的速度分布，防止颗粒进入模具夹具组件并污染液态涂料。从本质上说，在膛的内部和外部形成一股显著的气流，其方向上与光纤运动的方向相反(在图3中是向上的方向)，把从周围漂入或在光纤边界层卷入的颗粒吹掉。

如图3所示，流出的工作流体在中心膛入口75的上方形成轴对称的喷射气流(图中概括地用标号150表示)。喷射气流150的总流量方向与光纤运动方向110相反。流出中心膛入口75的工作流体150，其速度分布151、152、153在其中心附近具有最大值，而进入组件的光纤即位于这中心位置。这样的高速度可抗衡光纤夹带的空气流的动量，防止卷在光纤边界层内的颗粒进入模具夹具组件10。而且，中心膛53内的高速管流分布可将模具夹具组件中的颗粒从膛53中吹扫掉。

应当理解，速度分布151、152和153是理论图形，它们是在假设气流遵从“自由喷射气流”的理论流动方式的基础上作出的，而“自由喷射气流”即是从口75在没有其它固体约束的条件下射出至周围介质(空气)的气流。所示的速度分布并未反映对光纤的影响。

通过估价支配膛53内的气流和中心膛入口75外的喷射气流150的方程，能算出工作流体的最大流速，将会停止在中心膛入口的入射颗粒的最大速度，以及当颗粒向中心膛入口移动时，喷射气流150对一给定颗粒所作功的数量。利用这些参量，可预料某一模具夹具组件结构的性能。

首先，确定颗粒重量等于工作流体产生的向上拉力的平衡条件，就可定出防止一给定颗粒漂入模具夹具组件所需的流速。假定是直径为50微米的球形氧化硅颗粒，而50微米是对现行方法的研究中所发现夹在光纤涂层内的最大颗粒的直径。颗粒的重量是：

其中颗粒的球半径R是25微米，密度p粒是2100公斤/立方米。作用在颗粒上的拉力可通过首先计算作为工作流体速度V的函数的雷诺数Re和拉曳系数Cd而确定：

$\mathrm{Cd}=\frac{24}{\mathrm{Re}}+\frac{6}{(1+\sqrt{\mathrm{Re}}}+0.4$

工作流体(假定为CO₂)的运动粘度v_气为6·10^-6m²/秒，其密度ρ_气为1.5kg/m³。令重量与拉力相等就得到平衡条件：

使用迭代方法，可算出使一直径为50微米的二氧化硅颗粒悬浮所需的二氧化碳流速为25.4cm/秒。该平衡速度给出了使没有初始向下动量的颗粒停止所需的气流的粗略统计。也就是说，如果一个直径为50微米的二氧化硅颗粒放在入口上方而不作向下运动，具有25.4cm/秒的二氧化碳气流将可使该颗粒悬浮在空气中。

但是在拉制光纤时，卷夹在光纤边界层中的颗粒具有动量，要防止颗粒进入模具夹具组件并污染涂层，必须抵消该动量。在典型的光纤拉制方法中，光纤以及很快的速率进入入口75，其速率一般大于10m/sec。卷夹在光纤边界层内的颗粒也近似地以这速率移动。于是通过膛室的工作流体的气流必须建立一个气流场，这气流场对颗粒作足够的功而使其方向逆转。于是喷射气流150由中心瞠入口75向外延伸时的衰减情况就变得很重要了。

以下给出描述颗粒通过喷射气流150和通过膛53的运动的控制方程。首先，膛53内气流的速度与膛内径向位置y的函数关系为：

其中膛的半径为γ_o，工作流体通过膛53的体积流率为Q。图6给出了几种膛或孔尺寸下膛53内的气流速度分布图。由图6可见，当孔的尺寸较小时(例如0.100英寸)，在靠近膛壁处其速度比孔尺寸较大时(例如0.170英寸)增加得快，而孔较大时速度分布比较平坦。于是，靠近膛壁进入膛内的颗粒在孔较小时更可能被排斥。此外，工作流体的最大速度发生在膛的中心线处，而在该处颗粒被卷夹在光纤边界层内。孔的尺寸较小时，中心线速度较高。在膛内的管流分布中心线处的理论最大管速为：

本文中，“理论最大管速”是指在中心线的理论最大速度，是在工作流体排放时所经过膛的直径最小部分按方程(1)算得的。除非另外指明，本文中“理论最大速度”即是理论最大管速。在图1的实施方式中，中心膛入口75确定膛直径最小的部分。该直径决定了膛53在排斥颗粒方面的有效程度。图6中显示了在给定的一组流量参数下，几种不同膛孔尺寸下的理论最大管速，即是在径向位置等于O(亦即管中心)处的最大速度。有效程度的另一量度是在膛内直径最小的部分所测得的最大速度，该数值是用一种不会显著地干扰流体场而测得某一流速的仪器测得的。

由膛入口75扩展的轴对称喷射气流中的理论最大射流速度与离膛入口75的距离x具有以下函数关系：

其中v气是工作流体的运动粘度，U_mzx射流在喷射气流的流量分布中心处的理论最大射流速度。这是中心线对称的射流速度的“远场”近似，只在膛外离孔一段距离的点上成立。假设喷射气流内的速度不大于理论最大管速，即在射流到达距离x^*之前，气流具有管流的性质，而x^*是按式(2)算得的U_mzx射流(x^*)等于按式(1)算得的U_管/max的位置，计算时令式(2)中的r_o(喷射气流的半径)等于膛入口处膛的半径。对于一组给定参量算得的理论最大射流速度可以作为射流排斥颗粒的有效程度的另一个量度。

在膛内以及在喷射气流中，一个球状二氧化硅颗粒沿工作流体的气流中心线移动通过气流时，作用于其上的拉力都可表示为沿光纤轴的坐标x的函数Drag(x)。首先，将在射流中心线上的雷诺数Re(x)和作用于颗粒的拉曳系数Cd(x)表示为x的函数：

$\mathrm{Cd}\left(x\right)=\frac{24}{\mathrm{Re}\left(x\right)}+\frac{6}{(1+\sqrt{\mathrm{Re}\left(x\right)}}+0.4---\left(4\right)$

在膛内的任一部分，U_mzx是按式(1)应用膛内该点的直径算得的U_管mzx。而在射流中的任一部分，U_mzx是按式(2)算得的U_max射流。由流动的工作流体作用于颗粒的拉力作为x的函数可表示为：

确定了二氧化硅颗粒穿过工作流体时作用于其上的力之后，就可将牛顿第二定律应用于系统，以确定在给定的拉力函数Drag(x)下，在x₁至x₂的距离内速度的变化Δv：

                   F＝m·a

                   F＝Drag(x)-(重量) $a=\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}$ $v=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}$ $\∫\mathrm{vdv}=\∫\frac{F}{m}\·\mathrm{dx}$ $\mathrm{\Δ}{V}^2=\frac{V{\left(x_1\right)}^2}{2}-\frac{V{\left(x_2\right)}^2}{2}=\frac{1}{m}{\∫}_{x_1}^{x_2}F\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(6\right)$

近似计算由x＝X_L(射流引起的拉力可以忽略的地方至入口75的距离)至x＝0(入口处)经过整个射流的Δv，就可得出经过整个射流的速度改变Δv_射流：

Δv_射流也是射流在颗粒进入膛入口前使其停止的最大速度的估计值。

利用上述作用于颗粒的力F(x)的积分的离散估计值，可以估计出一些描述颗粒在膛53内的运动的参量。忽略颗粒重量(颗粒速度大于每秒5米时，重量与拉力相比是可忽略的)以进一步简化计算，则在膛内的距离Δx与经历该距离所发生的颗粒速度变化Δv_管之间的关系，可表示为颗粒在工作流体内的相对速度V_气的函数：

其中ρ_粒和ρ_气分别是颗粒和工作流体的密度，R是颗粒半径，V_气是在Δx开始处的工作流体速度，而Cd是在管流中心线处的拉曳系数。将上式重新排列后求取在给定距离Δx内所能停止的最大颗粒速度：

当膛室在其长度x上不同的部分具有不同的半径R时，可将Δx和Δv的表示式分别应用于膛室的每一部分。在这些表示式中所作的简化，导致对拉力的预计值过低；因此，速度的改变低于实际值，而产生给定的速度改变所需的距离Δx大于实际值。

工作气流在颗粒到达涂料流体的储料器之前所能停止的颗粒最大起始速度Δv_粒等于在膛内和气流中的Δv之和，即：

               Δv_粒＝Δv_射流+∑Δv_管             (10)

其中∑Δv_管是经过整个膛室(由工作流体引入处至膛室入口)的Δv_管。对于在膛内和射流中的任何给定的工作流体，并且对于给定的颗粒半径和密度，就可按上述各式计算Δv_粒数值。∑Δv_管随着携带工作气流的膛室的长度(即图1的实施例中由气体入口55至膛室入口75的距离)增大而增大。Δv_粒则随着颗粒半径增大和颗粒密度增大而减小。如果Δv_粒大于进入的光纤速度，则卷夹在光纤边界层内具有所述给定半径和密度的颗粒，将在到达储料器之前被停止。较好的是，对于具有二氧化硅的密度、直径为50微米以上的颗粒，Δv_粒大于光纤速度。更好的是，对于具有二氧化硅的密度、更大的(如直径100微米以上)颗粒，Δv_粒大于光纤速度。在一种更保守的设计方法中，可使Δv_射流或∑Δv_管大于光纤速度。

图5是对于在膛室内恒定速度二氧化碳气流中运动大直径为50微米的二氧化硅颗粒，计算所得的使其停止所需的距离与气流速度的关系。计算时忽略了颗粒重量。曲线A、B、C分别代表颗粒起始速度为10m/s、20m/s和30m/s。从图中可清楚看出，气流速度对颗粒的停止距离有很大影响。而且，增大气流速率可大大减小具有不同起始速度的颗粒之间的停止距离的差别。例如，气流速度(U_{管 max})为3m/s时，起始速度为10m/s的颗粒与初始速度为30m/s的颗粒停止距离之间的差别近似等于1.75米。而当气流速度为6m/s时，该停止距离之差减小至小于0.65米。该图显示了高速气流使具有变化范围很大的起始速度的颗粒停止的能力。

确定在Δx内所能停止的向内运动颗粒最大速度Δv_管的方程(8)和(9)，可用来预计各种膛室最小直径和工作流体速率的有效程度。例如，流体的流率Q为每分钟6升而要求停止距离Δx为2厘米时，在0.100英寸直径的膛室中产生的工作流体气流，将可使直径为50微米起始速度为22.9m/s的颗粒停止。与此成对比，在同样条件下，同样的工作流体流率在0.170英寸膛室内产生的气流，只能停止最大起始速度为9.5m/s的颗粒。直径更大的膛室，其停止能力将更低。相反，按照本发明较佳实施例中的装置，可在给定质量流率下，在光纤周围产生较高速度的气流。图6中的曲线D、E和F，分别显示了二氧化碳的6s/pm通过直径为0.100英寸，0.120英寸和0.170英寸的膛室时的理论速度分布。由此可看到最大膛室直径约为0.100英寸的装置，在流体的流率为每分钟6标准升时，产生的理论最大管速约为39m/s。

由方程(8)和(9)得到的另一个明显的结果是携带工作流体的膛室的管流区(从流体进入膛室之点到膛室入口)应长于以光纤速度运动的预期最大颗粒所对应的Δx。

膛室的最小直径小，除了形成的射流可增大停止颗粒的能力以外，还因为标的面积减小，而对颗粒的进入提供一种被动的保护。例如直径为0.100英寸的膛室，其标的面积仅为0.170英寸膛室的35％。

将膛室入口75设计成在该入口处产生最大的工作流体出射速度，而仍留有足够的余隙供光纤准直，可使在典型拉丝环境中基本上全部的颗粒污染物排除在模具夹具组件之外。本发明的膛室入口建立了由该入口发出的一股强烈的向上射流，从而排斥掉卷夹在光纤边界层内以光纤速度向下运动的颗粒。

与此相反，以前的模具夹具组件并不设计来利用出射的工作流体以阻止颗粒进入模具夹具。例如，一种现有的模具夹具中，工作流体入口上方的膛室直径近似为0.500英寸。这种结构产生的最大工作流体速率较低，仅为约1.01m/s，它很容易受到拉丝环境中周围空气流的干扰。这气流只能防止最大速度为1.45m/s的向下运动的颗粒。以典型的光纤拉制速度移动的颗粒，将不能被这种工作流体气流排斥。

上述方法和装置的其它实施方式对本领域的技术人员是显而易见的。例如，膛53可由远离引导模的另一点伸延，在引导模51与引导模夹具50的未端之间，在这情况下有一个光纤余隙孔(图中未示出)将膛室53与引导模孔60相连接。另外，虽然图1中膛53在其整个长度上是均匀的圆柱形，本发明可使用其它的形状。例如膛53可具有圆锥形状，锥形的小端接近引导模夹具的引导模端。也可以使用其它的旋转面以及角锥形。

模具夹具组件需要定期清洗然后用显微镜检验。图7的实施例可便于检验过程。模具夹具组件210包括一个其中装有上胶模221的上胶模夹具220，一个其中装有引导模251的引导模夹具250，以及模具盖270。组件210在引导模夹具250的底面254与上胶模221的底面之间的部分与图1中的组件基本相同。

引导模夹具250是大体为圆柱形的文件，其外表面258的大小使其可精确地滑动配合在上胶模夹具的中心膛孔225之内；当引导模夹具装配起来时，其头部256置于上胶模夹具的顶面235之上。膛室253由引导模251延伸至头部256的顶面。引导模夹具250在其外表面258上有一个内部工作流体槽254A，与上胶模夹具220上的外部工作流体孔232对准。孔232将槽231与上胶槽夹具的中心膛孔225连通。内部工作流体孔255形成于引导模夹具内，将内部工作流体槽254A与膛室253连通。与图2所示情况相似，引导模夹具与上胶模夹具装配起来时有一个旋转错位，使外部工作流体孔与内部工作流体孔并不对准。

模具盖270将引导模夹具250的头部256夹在模具盖的内肩272与上胶模夹具270的顶面235之间。模具盖270包括位于中心由内肩272沿轴向向下延伸的凸出部分280。凸出部分280的下端282与引导模251的顶部相隔一定距离，该距离足以使工作流体不受约束地在其周围流动。凸出部分280的底部有一段直径较狭的区域284，与孔255对准，以提供一个环状区域286让工作流体由孔255流入其中。

模具盖270具有中心孔273，与引导模孔和上胶模孔对准，使全部这些元件都与光纤轴312共轴。在膛孔273的上端有引导斜面257以帮助光纤的穿入。

组件210可分解开来清洗模具。完成清洗过程后，可以很容易地通过引导模251较大直径的膛孔253检验它。可以用二氧化碳以外的工作流体，如氮、V111族或所谓的贵气体(如氙、氖、氩等)以及化学惰性的碳卤化物气体或其汽体(如氯仿、氟里昂碳卤化合物、或其它氯取代或氟取代的烃类)来替代二氧化碳。此外，可用与涂覆材料相容的工作液体，作为工作流体。液体的密度较大，使它在停止颗粒污染方面更为有利。

以上已结合具体实施例说明了本发明，但应理解，这些实施例只是本发明的原理和应用的说明，因此可以在不背离本发明的精神与范围的条件下，对这些说明性的实施例作各种改动或作出其它安排方式。

Claims (15)

1.一种在光纤上涂敷涂层的方法，包括：

将光纤通入包含液体涂料的储料器内，穿过该储料器并由它通出，使由储料器通出的光纤上粘有一层所述液体的涂层；以及

在通向储料器的光纤周围施加工作流体的气流或液流，使工作流体沿光纤流动，其方向与光纤运动方向相反，其测量最大速度在邻近光纤处至少为1.5米/秒，该流动的工作流体将阻止颗粒进入储料器。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的工作流体的理论最大速度是选自至少35米/秒、至少27米/秒和至少10米秒。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将光纤通入储料器的步骤是让光纤穿过膛室入口进入膛室，再将光纤由膛室通入所述储料器，然后穿过该储料器通至光纤出口；而所述施加工作流体的步骤包括用工作流体将所述膛室加压，使该工作流体离开储料器通过膛室入口排出。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述排出流体的步骤包括：在从储料器与膛室入口之间的第一位置至膛室入口的区域内，在膛室内维持工作流体的气流或液流，其方向与光纤运动的方向相反，而工作流体在膛室内的理论最大管速至少为1.5米/秒。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在膛室内工作流体的理论最大管速是约35米/秒或约27米/秒。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述工作流体的通气流率是于每分钟10标准升或约每分钟6标准升。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述工作流体在密度为2.1克/立方厘米，直径为50微米的颗粒到达储料器之前能使其停止的最大颗粒速度大于光纤向所述储料器的运动速度。

8.一种用以在光纤上涂敷涂层的装置，包括：

(a)模具夹具，它具有入口端和出口端；

(b)上胶模，它邻接所述模具夹具的出口端，该上胶模设有一上胶模孔；

(c)引导模，它装在上胶模和模具夹具的入口端之间，该引导模设有一引导模孔，引导模孔与上胶模孔彼此之间大体上与光纤轴共轴，上胶模、引导模与模具夹具在上胶模与引导模之间形成一储料器，用以容纳液体涂料；

在引导模与模具夹具入口端之间限定围绕光纤轴的膛室的装置，所述膛室在沿光纤轴某一位置具有小于0.180英寸的最小直径；

在所述引导模与上述位置之间的，连通于所述膛室的工作流体孔；

光纤可沿光纤轴移动通过所述膛室和储料器，而工作流体可通入膛室并在上述位置离开液体储料器围绕光纤而由膛室排出。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述最小直径约为0.100英寸或更小和/或所述膛室在至少0.400英寸的一段长度上的直径小于0.200英寸。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述膛室至少部分地由穿过所述模具夹具的孔限定。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述工作流体孔是由至少一个在模具夹具内的孔限定。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述模具夹具在其入口端还包括一个模具盖，而所述膛室还包括在所述模具盖内的孔。

13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述模具盖还包括向所述引导模延伸的凸出部分，而所述膛室是由穿过该凸出部分的孔限定。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述凸出部分邻接引导模的部分的直径小于该凸出部分远离引导模的部分的直径。

15.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述模具夹具包括用以夹住上胶模的上胶模夹具、用以夹住引导模的引导模夹具、以及在所述入口端用以连接上述上胶模夹具与引导模夹具的模具盖。

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