光纤冷却装置及其气动旋转装置、冷却方法

技术领域

本发明涉及光纤制造技术领域，具体涉及一种光纤冷却装置及其气动旋转装置、冷却方法。

背景技术

光纤拉丝是光纤制造中的关键技术之一，光纤拉丝制造大致可分为光纤预制棒高温热熔、玻璃纤维拉制、玻璃纤维冷却、涂料涂覆和紫外光固化定型等5个环节。在冷却方面，行业内多采用冷却管对玻璃纤维进行冷却，而氦气作为一种高效的冷却介质被广泛的使用。随着光纤制造技术的进步，光纤拉丝速度不断向上突破。光纤拉丝速度的提高能显著提高生产效率。各光纤厂商在追求生产效率时，发现冷却管的制冷效率低的问题日益凸显，伴随着氦气的价格攀升，生产成本压力逐步增大。基于现状，各光纤厂商对冷却管效率提升的需求显得越发迫切。

现有技术中，冷却管冷却技术分大致分为两类：

第一类：替换冷却介质。已有专利报道了液氮和氢气作为冷却介质，用于冷却管中冷却玻璃纤维。采用此种方式时，液氮利用超低温冷却玻璃纤维，玻璃纤维骤冷有增加内部应力，内部应力增大会有衰减偏大甚至出现光纤强度性能降低的风险；在导热效率方面，氢气作为冷却介质与氦气相近，但氢气作为易燃易爆的危险气体，在生产车间内使用具有安全风险；

第二类：冷却管内壁结构优化。一类增加冷却管内壁冷却面积，在冷却管冷却通道内沿纵向设置多重隔断板(叶片)；另一类是在冷却管内壁设置气体引流槽。采用此种结构时，在实际生产过程中，多重隔板(叶片)和气体引流槽的清洁作业十分困难，不便于生产应用，难以推广。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光纤冷却装置及其气动旋转装置、冷却方法，旨在提高冷却管的冷却效率，同时便于清洁叶片。

为实现上述目的，本发明提供一种光纤冷却装置的气动旋转装置，包括外壳体、外腔叶片、内腔叶片、连接板、外套筒以及内套筒，其中，

所述外壳体与外套筒外部连接形成一内部中空的密封腔室，外腔叶片容纳于密封腔体中，外腔叶片与外套筒的外侧壁固定连接，外套筒的内部形成两端开口设置的内部腔室，内套筒容纳于内部腔室中，内套筒与外套筒之间通过连接板固定连接，内腔叶片位于外套筒和内套筒之间且与内套筒的外侧壁固定连接，外壳体上开设有与密封腔室连通的进气孔和出气孔。

优选地，所述内腔叶片与水平面之间夹角为20°～60°。

优选地，所述外套筒和内套筒同轴设置。

优选地，所述进气孔和出气孔的轴线之间夹角为120°～150°。

优选地，所述外套筒的圆周方向均匀布置有多个外腔叶片，内套筒的圆周方向均匀布置有多个内腔叶片。

本发明还提供一种光纤冷却装置，包括上述的气动旋转装置，还包括至少两根冷却管，相邻两冷却管之间设置有一气动旋转装置，气动旋转装置与冷却管可拆卸连接。

优选地，所述气动旋转装置的内套筒轴线与冷却管内部过孔通道的轴线平齐设置；所述气动旋转装置的内套筒直径是冷却管内部过孔通道直径的1.0-1.8倍。

优选地，所述气动旋转装置的内套筒与冷却管内部过孔通道端部之间设置有间隙，内套筒和外套筒之间形成的腔室与冷却管内部过孔通道连通。

优选地，所述的光纤冷却装置还包括供气装置、与供气装置出气口连通的供气管路以及安装于供气管路上的控制阀，供气管路与所有气动旋转装置的进气孔连通；气动旋转装置的出气孔通过出气管道与冷却管的进气口连通。

本发明还提供一种基于上述的光纤冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：

根据气动旋转装置的数量N的个数，设置气动旋转装置的内腔叶片的朝向；

在拉丝时，实时监控拉丝速度，根据拉丝速度是否大于拉丝速度，来调整相应气动旋转装置的关闭或打开。

优选地，当N＝1时，气动旋转装置的内腔叶片朝上设置，当光纤拉丝速度达到预设拉丝速度，气动旋转装置启动；

当N＝2时，由上至下依次按内腔叶片朝上和叶片朝下设置，当光纤拉丝速度小于或等于预设拉丝速度时，控制内腔叶片朝上的气动旋转装置启动，并控制内腔叶片朝下的气动旋转装置关闭；当光纤拉丝速度大于预设拉丝速度时，控制内腔叶片朝下的气动旋转装置启动，并控制内腔叶片朝上的气动旋转装置关闭；

当N＝3时，由上至下依次按内腔叶片朝上、叶片朝下和叶片朝上设置，当光纤拉丝速度小于或等于预设拉丝速度时，控制第一气动旋转装置启动，其他的气动旋转装置关闭；当光纤拉丝速度大于预设拉丝速度时，控制第二、第三气动旋转装置启动，第一气动旋转装置关闭；

当N＝4时，第一到第四气动旋转装置，按内腔叶片朝上、内腔叶片朝下、内腔叶朝上和内腔叶朝上依次设置，当拉丝速度小于或等于预设拉丝速度时，第一、第三和第四气动旋转装置启动，其他的气动旋转装置关闭；当拉丝速度大于预设拉丝速度时，第二、第三和第四气动旋转装置启动，其他的气动旋转装置关闭；

当N>4时，第一和第N气动旋转装置的内腔叶片朝上，第二到第N-1气动旋转装置中，至少一个气动旋转装置的内腔叶片朝下设置，至少一个气动旋转装置内腔叶片朝上设置，当拉丝速度小于或等于预设拉丝速度时，第一和第N气动旋转装置启动，并控制第二到第N-1气动旋转装置关闭，当光纤拉丝速度大于预设拉丝速度时，控制第N和所有内腔叶片朝下的气动旋转装置开启，其他的气动旋转装置关闭，当光纤拉丝速度超过预设拉丝速度200m/min后，控制第一气动旋转装詈关闭，第二至第N气动旋转装置开启；当光纤拉丝速度超过预设拉丝速度500m min后，控制第一和第三气动旋转装置关闭，第二至第N气动旋转装置开启。

本发明提出的光纤冷却装置，具有以下有益效果：

1、能根据拉丝速度的变化，通过调整气动旋转装置工作状态(控制冷却介质流速以及气动旋转装置工作的数量)，来在线同步优化冷却介质流动速率，从而有效增加冷却介质换热时间，显著改善冷却效率；

2、本光纤冷却装置对光纤扰动小，因气动旋转装置独立设置，便于与冷却管拆卸，而不是设置于冷却管内部，因此，气动旋转装置的内腔叶片便于清洁和更换，有利于实际生产应用；

3、本光纤冷却装置中气动旋转装置采用气流驱动内腔的转动，不需要额外再使用电能；

4、本光纤冷却装置还具有结构简单、容易实现以及工作稳定可靠的优点。

附图说明

图1为本发明光纤冷却装置优选实施例的结构示意图；

图2为图1所示A-A方向的剖视结构示意图；

图3为图1所示B-B方向的剖视结构示意图；

图4为图1的局部细节放大结构示意图。

图中，1-进气口，2-冷却管，3-玻璃纤维，4-第一气动旋转装置，5-进气孔，6-出气孔，7-外腔叶片，8-第二气动旋转装置，9-下倾角内腔叶片，10-上倾角内腔叶片，11-控制器，12-三通气动阀，13-内套筒，14-进气块出气口，15-环形气道，16-连接板。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提出一种光纤冷却装置。

参照图1至图4，本优选实施例中，一种光纤冷却装置，包括气动旋转装置，还包括至少两根冷却管2(竖直设置)，相邻两冷却管2之间设置有一气动旋转装置，气动旋转装置与冷却管2可拆卸连接。

具体地，气动旋转装置包括外壳体、外腔叶片7(设置有3-9片，外腔叶片7竖直设置)、内腔叶片(设置有4～12片)、连接板16、外套筒以及内套筒13，其中，

外壳体与外套筒外部连接形成一内部中空的密封腔室(外套筒相对于外壳体可转动)，外腔叶片7容纳于密封腔体中，外腔叶片7与外套筒的外侧壁固定连接，外套筒的内部形成两端开口设置的内部腔室，内套筒13容纳于内部腔室中，内套筒13与外套筒之间通过连接板16(连接板16设置为两块，为条形板)固定连接，内腔叶片位于外套筒和内套筒13之间且与内套筒13的外侧壁固定连接，外壳体上开设有与密封腔室连通的进气孔5和出气孔6。

内套筒13的内部光滑，呈圆柱状通孔。外套筒材质为铝合金，内套筒13材质为轻质塑料。轻质材料采用如聚四氟乙烯或聚乙烯等塑料，能有效减小阻力旋转结构转动阻力。

本实施例中，气动旋转装置与冷却管2可拆卸连接时，冷却管2端部采用柱形沉孔结构，该结构与气动旋转装置紧密配合，如二者可采用螺纹连接。

冷却管2内部设置有进气块，进气块内设置有环形气道15，环形气道15周向分布4个-10个的气孔，冷却介质从出气口喷射出。冷却管2长度800-1500mm。

冷却介质高速通过进气孔5进入密封腔室中(密封腔室密封设置，因此，冷却介质只能从出气孔6流出)，冷却介质气流吹动外腔叶片7，带动外套筒旋转，外套筒转动从而带动与其固定连接的内套筒13转动，从而带动内腔叶片旋转。冷却介质经过密封腔室后经管道通入冷却管2最上端的进气口1，喷射进入冷却管2内冷却玻璃纤维。

进一步地，参照图2和图4，外套筒和内套筒13同轴设置。

进一步地，参照图2，进气孔5和出气孔6的轴线之间夹角为120°～150°，采用此种角度设置，是为了冷却介质快进快出。

本实施例中，外套筒的圆周方向均匀布置有多个外腔叶片7，内套筒13的圆周方向均匀布置有多个内腔叶片。

内腔叶片与水平面之间夹角为20°～60°。内腔叶片朝上设置或朝下设置，根据具体情况来设置。

当设置有两个气动旋转装置时，最上方的气动旋转装置其内腔叶片朝上，下方的气动旋转装置其内腔叶片朝上。当设置有三个时，最上方的气动旋转装置其内腔叶片朝上，中间和下方的气动旋转装置其内腔叶片朝上。当设置有四个或四个以上气动旋转装置时，最上方和最下方的气动旋转装置其内腔叶片均朝上，中间的只是不是全部朝上或全部朝下即可(即采用上下叶片的组合形式)。

本实施例中，优选气动旋转装置的内套筒13轴线与冷却管2内部过孔通道的轴线平齐设置；气动旋转装置的内套筒13直径是冷却管2内部过孔通道直径的1.0-1.8倍。

进一步地，气动旋转装置的内套筒13与冷却管2内部过孔通道端部之间设置有间隙，也就是说，内套筒13和外套筒之间形成的腔室与冷却管2内部过孔通道连通(通过内套筒13与冷却管2内部过孔通道端部之间间隙连通)。

进一步地，光纤冷却装置还包括供气装置、与供气装置出气口连通的供气管路以及安装于供气管路上的控制阀，供气管路与所有气动旋转装置的进气孔5连通；气动旋转装置的出气孔6通过出气管道与冷却管2的进气口1连通。

以下以设置有两个气动旋转装置为例具体说明，此时，控制阀为三通气动阀12。

在拉丝低速阶段，控制器11控制三通气动阀12开启，冷却介质进入管道，经第一气动旋转装置4流出后，冷却介质从冷却管2最上端的进气口1进入冷却管2的内腔后再经其出气孔6喷出到冷却管2的内部过孔通道中，第一气动旋转装置4旋转带动冷却介质向上流动，增加冷却介质在冷却管2内换热时间。当拉丝速度提高，冷却介质流量增大，流量持续增大会在冷却管2上口出现冷却介质逃逸问题。因此，在冷却介质流量达到设定阈值时(拉丝速度大于2800m/min)，控制器11控制三通气动阀12转向，引导冷却介质进入第二气动旋转装置8中，经第二气动旋转装置8的出气孔6流出后，再通过出气管道进入冷却管2内部，第二气动冷却装置与第一气动旋转装置4结构相似，区别在于内腔中叶片倾斜方向相反，叶片旋转引导冷却介质加速向下流动，减少气体逃逸，此时，第一气动旋转装置4内腔叶片作为气栅减缓冷却介质向上流动。第一气动旋转装置4和第二气动旋转装置8的启停不仅可以延长冷却介质通过冷却管2的时间，而且还能增加了冷却介质的流速，能有效提高冷却效率。以上案例仅是一种组合配置方案，可以根据实际需要，增减冷却管2节数和气动旋转装置个数，在此不再赘述。

冷却管2和气动旋转装置通过管道串联在一起，当冷却过程需要提高冷却介质用量时，气动旋转装置随着冷却介质气流量的增加，旋转速度同步增加，减缓或增加冷却介质自上而下的流动速度，对提高玻璃纤维冷却效率起到了同步正增益的效果。

本发明提出的光纤冷却装置，具有以下有益效果：

1、能根据拉丝速度的变化，通过调整气动旋转装置工作状态(控制冷却介质流速以及气动旋转装置工作的数量)，来在线同步优化冷却介质流动速率，从而有效增加冷却介质换热时间，显著改善冷却效率；

2、本光纤冷却装置对光纤扰动小，因气动旋转装置独立设置，便于与冷却管2拆卸，而不是设置于冷却管2内部，因此，气动旋转装置的内腔叶片便于清洁和更换，有利于实际生产应用；

3、本光纤冷却装置中气动旋转装置采用气流驱动内腔的转动，不需要额外再使用电能，另外，气动设置可以从现场直接取用，减少设备占地空间；

4、本光纤冷却装置还具有结构简单、容易实现以及工作稳定可靠的优点。

本发明进一步提出一种光纤冷却装置的气动旋转装置。

本优选实施例中，一种光纤冷却装置的气动旋转装置，包括外壳体、外腔叶片7、内腔叶片、连接板16、外套筒以及内套筒13，其中，

外壳体与外套筒外部连接形成一内部中空的密封腔室，外腔叶片7容纳于密封腔体中，外腔叶片7与外套筒的外侧壁固定连接，外套筒的内部形成两端开口设置的内部腔室，内套筒13容纳于内部腔室中，内套筒13与外套筒之间通过连接板16固定连接，内腔叶片位于外套筒和内套筒13之间且与内套筒13的外侧壁固定连接，外壳体上开设有与密封腔室连通的进气孔5和出气孔6。

进一步地，本实施例中，外套筒和内套筒13同轴设置。进气孔5和出气孔6的轴线之间夹角为120°～150°，进气孔5和出气孔6的轴线与密封腔室中心线之间夹角均为45°～60°。

进一步地，本实施例中，外套筒的圆周方向均匀布置有多个外腔叶片7，内套筒13的圆周方向均匀布置有多个内腔叶片。内腔叶片与水平面之间夹角为20°～60°。

本发明进一步提出一种光纤冷却装置的冷却方法。

本优选实施例中，一种光纤冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：

S10，根据气动旋转装置的数量N的个数，设置气动旋转装置的内腔叶片的朝向；

S20，在拉丝时，实时监控拉丝速度，根据拉丝速度是否大于拉丝速度，来调整相应气动旋转装置的关闭或打开。

优选地，当N＝1时，气动旋转装置的内腔叶片朝上设置，当光纤拉丝速度达到预设拉丝速度，气动旋转装置启动；

当N＝2时，由上至下依次按内腔叶片朝上和叶片朝下设置，当光纤拉丝速度小于或等于预设拉丝速度时，控制内腔叶片朝上的气动旋转装置启动，并控制内腔叶片朝下的气动旋转装置关闭；当光纤拉丝速度大于预设拉丝速度时，控制内腔叶片朝下的气动旋转装置启动，并控制内腔叶片朝上的气动旋转装置关闭；

当N＝3时，由上至下依次按内腔叶片朝上、叶片朝下和叶片朝上设置，当光纤拉丝速度小于或等于预设拉丝速度时，控制第一气动旋转装置启动，其他的气动旋转装置关闭；当光纤拉丝速度大于预设拉丝速度时，控制第二、第三气动旋转装置启动，第一气动旋转装置关闭；

当N＝4时，由上至下的第一到第四气动旋转装置，按内腔叶片朝上、内腔叶片朝下、内腔叶朝上和内腔叶朝上依次设置，当拉丝速度小于或等于预设拉丝速度时，第一、第三和第四气动旋转装置启动，其他的气动旋转装置关闭；当拉丝速度大于预设拉丝速度时，第二、第三和第四气动旋转装置启动，其他的气动旋转装置关闭；

当N>4时，第一和第N气动旋转装置的内腔叶片朝上(也就是头尾两个气动旋转装置的内腔叶片朝上)，第二到第N-1气动旋转装置中，至少一个气动旋转装置的内腔叶片朝下设置，至少一个气动旋转装置内腔叶片朝上设置(也就是说第二到第N-1气动旋转装置中，不是全朝上或全朝下)，当拉丝速度小于或等于预设拉丝速度时，第一和第N气动旋转装置启动，并控制第二到第N-1气动旋转装置关闭，当光纤拉丝速度大于预设拉丝速度时，控制第N气动旋转装置和所有内腔叶片朝下的气动旋转装置开启，其他的气动旋转装置关闭，当光纤拉丝速度超过预设拉丝速度200m/min后，控制第一气动旋转装詈关闭，第二至第N气动旋转装置开启；当光纤拉丝速度超过预设拉丝速度500m min后，控制第一和第三气动旋转装置关闭，第二至第N气动旋转装置开启。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。