CN104649577A - 一种对vad和ovd火焰温度进行在线调整的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其包括喷灯和设置在所述喷灯出口处的套筒，所述喷灯外表面套设有加热装置一，所述套筒外表面套设有加热装置二，预制棒疏松体靠近所述喷灯出口处为预制棒疏松体的沉积区域，靠近所述沉积区域设有一对加热装置三，所述加热装置三设置所述沉积区域的前后位置上。本发明的装置和方法提高了光纤预制棒折射率剖面分布的稳定性。因为光纤预制棒的折射率剖面分布及其稳定性会受到火焰温度及沉积区域温度的影响；本发明中火焰及沉积区域的温度部分由外部加热体(石墨电阻或电阻丝)进行控制，温度控制精度和稳定性都比单纯的燃烧火焰要好，其结果会使光纤预制棒的折射率剖面分布更加精确和稳定。

Description

一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置和方法

技术领域

本发明属于光纤预制棒制造领域，尤其涉及VAD和OVD用的石英质喷灯，更具体的涉及一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置和方法。

背景技术

VAD(气相轴向沉积)和OVD(外部气相沉积)工艺是当前制备低水峰或零水峰单模光纤预制棒最优秀的工艺方法之一。由于其良好的工艺稳定性和较高的沉积速率，VAD和OVD工艺被国内外主流光纤预制棒生产厂商所广泛采用。

VAD和OVD工艺的设备本体主要包括化学气相反应沉积腔体，喷灯和疏松体预制棒提升及旋转机构三部分组成。其中喷灯是其最关键的部件之一，它的主要功能是将反应气体转化为SiO₂或GeO₂混合粉尘粒子并在气体初始速度和热泳作用下向目标松体预制棒运动，然后粘附在目标疏松体预制棒上。具体的反应化学方程式包括：

SiCl₄+2H₂O→SiO₂+4HCl    (3)

SiCl₄+O₂→2SiO₂+2Cl₂    (4)

GeCl₄+2H₂O→GeO₂+4HCl    (5)

GeCl₄+O₂→GeO₂+2Cl₂    (6)

反应式1和2不但提供了SiCl4和GeCl4水解反应所需要的原料气体(水蒸汽)，而且提供了SiCl4和GeCl4水解和氧化反应(反应式3～6)所需的温度条件。

喷灯根据材质分类一般为石英质和金属质两种。由于石英质喷灯具有耐温性能好，无金属杂质污染等特性，一直被VAD和OVD工艺所优先使用。当反应气体从喷灯口运动到目标疏松体的过程中，反应火焰需要同时保持热力学和流体力学两方面的性能。热力学性能主要指为原料气体的水解和氧化反应提供反应发生所需的热能，同时也包括在沉积区将SiO₂和GeO₂粉尘粒子预烧结在目标疏松体上所需的热能。流体力学性能是指反应气体在运动过程中需要保持相对稳定的层流运动，使火焰中心区域的原材料反应气体(如SiCl₄和GeCl₄等)及其反应物(如SiO₂和GeO₂等)不会大量的扩散到火焰外焰中去。在预制棒沉积过程中，如果火焰的热力学性能和流体力学性能不能稳定控制，不但会影响到预制棒的折射率剖面曲线、疏松体密度等预制棒参数和特性，也会影响到预制棒的沉积效率和沉积速率等工艺性能。

反应火焰的热力学性能和流体力学性能在工艺实践过程中通常是一个矛盾体：为了满足火焰的流体力学性能，从喷灯通道内喷吹出的各路气体的速度需要进行合理控制，以满足喷出火焰气体的层流条件；而为了达到反应过程中的热力学条件，燃烧气体(H₂、O₂和CH₄等)的流量通常需要根据环境温度和原材料气体的流量变化进行调整，而这种调整一般又会破坏原有的流体力学性能。

因此，现在需要一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置和方法，通过该装置对VAD和OVD火焰温度进行在线调整，使其反应火焰同时具备沉积所需的热力学条件和流体力学条件。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置和方法，在VAD和OVD用石英质喷灯各通道内喷射出的气体满足火焰气体流体力学性能的前提下，该装置通过对喷灯、火焰及疏松体沉积区域增加外部加热装置的方式对其温度进行在线调节，从而使反应火焰和沉积区域的温度条件满足预制棒沉积所需的热力学条件。并且，由于本发明所采用外部加热装置是采用电阻加热的方式，没有引入额外的燃烧气体，所以会使反应火焰的层流环境和温度环境更加稳定，同时也节约的H₂、O₂和CH₄等燃烧气体的使用量。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其包括喷灯和设置在所述喷灯出口处的套筒，所述喷灯外表面套设有加热装置一，所述套筒外表面套设有加热装置二，预制棒疏松体靠近所述喷灯出口处为预制棒疏松体的沉积区域，靠近所述沉积区域设有一对加热装置三，所述加热装置三设置所述沉积区域的前后位置上。

优选的，所述加热装置一的加热体为石墨电阻或电阻丝，所述加热体外部包裹绝缘保温层。

优选的，所述加热装置一的加热体的最高加热温度至少为1200℃。

优选的，所述套筒的孔径比所述喷灯出口处的外径大且能够卡套到所述喷灯出口处，所述套筒突出于所述喷灯的长度为所述喷灯孔径的3-5倍，所述套筒与喷灯处在同轴位置。

优选的，所述加热装置二的加热体为石墨电阻或电阻丝，所述加热体外部包裹绝缘保温层。

优选的，所述加热装置二的加热体的最高加热温度至少为1400℃。

优选的，所述加热装置三为由支撑件支撑的石墨电阻，所述加热装置三的最高加热温度至少为1400℃。

优选的，还包括非接触式高温红外测温仪，所述非接触式高温红外测温仪用于在线检测火焰和所述沉积区域的温度。

优选的，所述喷灯为石英喷灯，所述套筒为石英套筒。

优选的，一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的方法，其以上任意一项中所述的对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，包括以下几步：

第一步：预制棒疏松体沉积之前，根据流体力学的要求先对所述喷灯各个通道内气体流量进行设定，使所述喷灯喷射出的各路气体处于层流状态；

第二步：预制棒疏松体沉积过程中，通过所述非接触式高温红外测温仪对喷灯喷出的火焰和沉积区域的温度在线检测，当所述喷灯被点火后并且调节各路气体达到目标值，开启并且调节加热装置一和加热装置二，使得火焰气流的温度达到目标值；

第三步：开启并且调节加热装置三，使沉积区域的温度达到目标值；

第四步：完成以上三步设备调节后，熄灭喷灯火焰，加热装置一、加热装置二和加热装置三的加热功率保持恒定，然后重新安装预制棒、点火等操作，开始沉积预制棒疏松体。

本发明的有益效果是:

其一、本发明的装置和方法提高了光纤预制棒折射率剖面分布的稳定性。因为光纤预制棒的折射率剖面分布及其稳定性会受到火焰温度及沉积区域温度的影响；本发明中火焰及沉积区域的温度部分由外部加热体(石墨电阻或电阻丝)进行控制，温度控制精度和稳定性都比单纯的燃烧火焰要好，其结果会使光纤预制棒的折射率剖面分布更加精确和稳定。

其二、由于本发明中反应和沉积所需的部分热量由外部加热体所提供，所以会大幅度降低燃烧气体(H₂、O₂和CH₄等)的使用量，降低了预制棒的生产成本。同时，由于燃烧气体使用量的降低，也减少了沉积腔体向车间所辐射的热量，从而降低车间空调系统运行的负荷，从这个角度讲也降低了光纤预制棒的生产成本。

其三、本发明中火焰的流体力学性能优秀，火焰的各路气体之间均成层流状态，所以火焰中心区域的原材料气体基本不会扩散到火焰的外焰，其结果会使原材料集中喷涂并沉积到目标疏松体上，从而大幅度的提高了原材料的使用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的装置的前视图。

图2是本发明的装置的仰视图。

图3是本发明火焰温度和沉积区域温度探测结果图。

图4是本发明制备的光纤预制棒的典型折射率剖面图。

其中，1-预制棒疏松体，2-喷灯，3-加热装置一，4-加热装置二，5-套筒，6-绝缘保温层，7-原材料气流，8-火焰，9-加热装置三，10-沉积区域，11-芯层折射率，12-包层折射率。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例中公开了一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其根据石英喷灯的几何尺寸及沉积速率的需求，调整喷灯各通道内各气体的流量，使反应火焰内各路气体及生成的粉尘粒子满足基本的层流流体力学性能。一般而言，这种气体流量配比会使燃烧反应产生的热量低于实际沉积所需的热能。

如图1-2所示，该装置包括在VAD芯层的喷灯2和设置在上述喷灯2出口处的套筒5，并且，上述喷灯2为石英喷灯，上述套筒5为石英套筒。

上述套筒5的孔径比上述喷灯2出口处的外径略大且能够卡套到上述喷灯出口处，上述套筒5突出与喷灯2的长度为喷灯2孔径的3-5倍。在将上述套筒5安装在喷灯2上时，必须保持同轴位置，否则会影响到燃烧火焰8的气流和原材料气流7的运行方向。

在上述喷灯2外表面套设有加热装置一3，上述加热装置一3对喷灯2内流动的气体进行预热，上述加热装置一3可以是石墨电阻式或者电阻丝式的加热方式，即上述加热装置一3的加热体为石墨电阻或电阻丝；并且为了防止石墨氧化和减少热量损失，在上述加热体外部包裹绝缘保温层6，绝缘保温层6是保温材料，该材料是电的绝缘体，上述加热体的加热量采用功率控制的方式，最高加热温度需要达到1200℃以上。。

在上述套筒5外表面套设有加热装置二4，上述加热装置二4对喷射出来的气体进行加热，上述加热装置二4的加热体为石墨电阻或电阻丝；并且为了防止石墨氧化和减少热量损失，在上述加热体外部包裹绝缘保温层6，绝缘保温层6是保温材料，该材料是电的绝缘体，上述加热体的加热量采用功率控制的方式，最高加热温度需要达到1400℃以上。

在本实施例中，为了简化设计，加热装置一3和加热装置二4外部的绝缘保温层6的保温材料使用同一种。

预制棒疏松体靠近上述喷灯出口处为预制棒疏松体的沉积区域，靠近上述沉积附近区域设有一对加热装置三9，上述加热装置三9设置上述沉积区域的前后位置上。

该加热装置三9既能实现对沉积区域进行加热的功能，也不影响沉积区域火焰的流动。加热装置三9的加热体可以为石墨电阻或电阻丝。加热体需要支撑体对其进行支撑和固定。加热体的加热量采用功率控制的方式，最高加热温度需要达到1400℃以上。

在本实施例中，为了在沉积过程中使得火焰8温度和沉积区域10的温度达到目标温度，还设置有非接触式高温红外测温仪，上述非接触式高温红外测温仪用于在线检测火焰和上述沉积区域的温度。

本实施例中，还公开一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的方法，包括以下几步：

第一步：预制棒疏松体沉积之前，根据流体力学的要求先对上述喷灯各个通道内气体流量进行设定，使上述喷灯喷射出的各路气体处于层流状态。

第二步：预制棒疏松体沉积过程中，通过上述非接触式高温红外测温仪对喷灯喷出的火焰和沉积区域的温度在线检测，当上述喷灯被点火后并且调节各路气体达到目标值，开启并且调节加热装置一和加热装置二，使得火焰气流的温度达到目标值。

第三步：开启并且调节加热装置三，使沉积区域的温度达到目标值。

第四步：完成以上三步设备调节后，熄灭喷灯火焰，加热装置一、加热装置二和加热装置三的加热功率保持恒定，然后重新安装预制棒、点火等操作，开始沉积预制棒疏松体。

实际上，本发明中的一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置和方法的具体步骤如下：

在VAD芯层的石英喷灯2的出口处套装一个石英套筒5，该套筒5突出喷灯2部分的长度为喷灯2孔径的3-5倍；石英套筒5和喷灯2安装时必须保持同轴位置，否者会影响到燃烧火焰8及原材料气流7的运行方向。

在喷灯2接近出口的区域均匀缠绕数圈电阻丝3(加热装置一)，该电阻丝3通过功率对其加热量进行控制；在套筒5的外表面均匀数圈电阻丝4(加热装置二)，该电阻丝4同样通过功率对其加热进行控制；为了使电阻丝3和4所产生热量主要辐射到反应气体和火焰上，在电阻丝3和4的外表面包裹一层保温材料6，以避免电阻丝3和4所产生的热量有过多的损失。

在预制棒疏松体1的沉积区域10的附近区域前后安装一对加热体9(加热装置三)，该加热体9为石墨电阻的方式，其加热量通过功率进行控制。加热体9不能阻挡和影响火焰8的运行方向，同时能够对沉积区域10进行有效加热。

如图3所示，在预制棒沉积之前，根据流体力学的要求对喷灯2各通道内气体流量进行设定，使喷灯喷射出的各路气体处于层流状态。在沉积过程中，在沉积腔体前架设一台非接触式高温红外测温仪对火焰8和沉积区域10的温度进行在线检测。当喷灯2被点火并调节各路气体达到目标值后，开启并调节加热电阻丝3和4的加热功率，使火焰8的温度达到目标值(如850-900℃)。当火焰8的温度达到目标值后，在开启并调节石墨电阻9的加热功率，使沉积区域10的温度达到目标值(如750-800℃)。

当以上设备调节完成后，熄灭喷灯火焰，加热丝3和4及石墨电阻9的加热功率保持恒定。然后重新进行安装种棒、点火等操作，开始正式沉积疏松体预制棒。一般情况下，加热电阻丝3和4及石墨电阻9的功率调整完成后，即可连续生产，如果发现沉积区域或火焰温度有变动，才需再次调整。

如图4所示，通过本发明制备的预制棒折射率剖面分布精确且稳定。预制棒的芯层折射率11分布非常平滑，且芯层折射率11和包层折射率12的界面非常清晰，包层折射率12分布同样非常平缓。该种类型预制棒所拉丝光纤的MFD、截止波长及色散等参数分布都非常集中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其包括喷灯和设置在所述喷灯出口处的套筒，其特征在于，所述喷灯外表面套设有加热装置一，所述套筒外表面套设有加热装置二，预制棒疏松体靠近所述喷灯出口处为预制棒疏松体的沉积区域，靠近所述沉积区域设有一对加热装置三，所述加热装置三设置所述沉积区域的前后位置上。

2.根据权利要求1所述的一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其特征在于，所述加热装置一的加热体为石墨电阻或电阻丝，所述加热体外部包裹绝缘保温层。

3.根据权利要求2所述的一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其特征在于，所述加热装置一的加热体的最高加热温度至少为1200℃。

4.根据权利要求1所述的一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其特征在于，所述套筒的孔径比所述喷灯出口处的外径大且能够卡套到所述喷灯出口处，所述套筒突出于所述喷灯的长度为所述喷灯孔径的3-5倍，所述套筒与喷灯处在同轴位置。

5.根据权利要求4所述的一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其特征在于，所述加热装置二的加热体为石墨电阻或电阻丝，所述加热体外部包裹绝缘保温层。

6.根据权利要求5所述的一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其特征在于，所述加热装置二的加热体的最高加热温度至少为1400℃。

7.根据权利要求1所述的一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其特征在于，所述加热装置三为由支撑件支撑的石墨电阻，所述加热装置三的最高加热温度至少为1400℃。

8.根据权利要求1所述的一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其特征在于，还包括非接触式高温红外测温仪，所述非接触式高温红外测温仪用于在线检测火焰和所述沉积区域的温度。

9.根据权利要求1所述的一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其特征在于，所述喷灯为石英喷灯，所述套筒为石英套筒。

10.一种对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的方法，其基于权利要求1-8任意一项中所述的对VAD和OVD火焰温度进行在线调整的装置，其特征在于，包括以下几步：

第一步：预制棒疏松体沉积之前，根据流体力学的要求先对所述喷灯各个通道内气体流量进行设定，使所述喷灯喷射出的各路气体处于层流状态；

第二步：预制棒疏松体沉积过程中，通过所述非接触式高温红外测温仪对喷灯喷出的火焰和沉积区域的温度在线检测，当所述喷灯被点火后并且调节各路气体达到目标值，开启并且调节加热装置一和加热装置二，使得火焰的温度达到目标值；

第三步：开启并且调节加热装置三，使沉积区域的温度达到目标值；

第四步：完成以上三步设备调节后，熄灭喷灯火焰，加热装置一、加热装置二和加热装置三的加热功率保持恒定，然后重新安装预制棒、点火等操作，开始沉积预制棒疏松体。