CN105502917B - 一种制造光纤预制棒的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管外法制造光纤粉体预制棒的装置及方法，该装置包括有机架、主旋转轴，行星式旋转轴，旋转夹头，沉积腔体与喷灯组件等。主旋转轴，行星式旋转轴及旋转夹头作为控制沉积过程靶棒及粉体预制棒旋转的机构，沉积过程中，主旋转轴始终处于垂直于水平面方向，以设定的恒定速度保持旋转。行星式旋转轴以一个预定的偏角固定于主旋转轴上，沉积过程中始终以主旋转轴的旋转速度围绕主旋转轴公转；同时行星式旋转轴自身也以设定的恒定速度围绕自身转轴保持旋转。该装置的运用可以大大提高管外法制备光纤粉体预制棒的制备效率，同时也可大幅提高单台设备的有效产能。

Description

一种制造光纤预制棒的装置及方法

技术领域

本发明属于光纤光缆技术领域，更具体地，涉及一种制造光纤预制棒的装置及方法。

背景技术

目前，光纤预制棒的制备通常有两种途径：以MCVD、PCVD等为代表的管内法；和以VAD、OVD为代表的管外法。其中，管外法以其水峰容易控制、生产成本相对较低等优势，逐渐成为当前制备单模光纤预制棒的主流技术。

其中，VAD技术更适合制备光纤预制棒芯棒。VAD制备技术环节包括：1.粉体棒的沉积过程；2.粉体棒的脱水过程；3.粉体棒的烧结过程，形成透明的玻璃光纤预制棒母棒；4.光纤预制棒母棒的拉伸过程，最终成为光纤预制棒的芯棒部分。其中，对于设备制造效率及设备产能影响最大的过程为粉体棒的沉积过程。因此，粉体棒的沉积过程也成为了VAD技术制备光纤预制棒的核心过程之一。

粉体棒的沉积过程对设备制造效率及设备产能的影响主要体现在：(1)芯层部分的直径：为了配合外包层的尺寸，VAD沉积并烧结后得到的芯棒母棒通常需要被拉伸至特定尺寸。在粉体预制棒长度一定的情况下，芯层部分的直径越大，意味着可拉伸长度越长，设备的产能越高。(2)沉积过程中粉尘的收集效率：沉积过程中，一部分粉尘作为有效部分被沉积在粉体预制棒上；另一部分粉尘作为无效部分被排风装置排走。更多有效的沉积意味着更高的收集效率，从而得到更高的材料利用率及更低的制造成本。

在现有技术中，沉积的过程必须发生在一定的衬底上。对VAD技术而言，其衬底为初始的靶棒以及粉体自身。VAD沉积过程中，通常使用两个喷灯同时进行。一个喷灯负责沉积芯层部分，另一个负责沉积包层部分。目前绝大多数VAD沉积时，靶棒固定于纵向推杆下端，并以推杆纵向为轴线旋转。靶棒的尺寸由于操作不便等原因通常不会大于50mm。因此从沉积初始阶段开始，衬底的面积就受到了限制，导致生长出的芯层尺寸也无法大幅提高，并进一步导致包层收集效率受到限制，以及芯棒母棒可拉伸长度受到限制。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种光纤预制棒的制造装置与方法，提高了制造效率和速率。

本发明方法的技术方案为：

本发明对现有传统VAD旋转机构做出了改进：由以往的单一旋转轴的沉积方式改为具有行星旋转特征的双旋转轴的沉积方式。两个旋转轴之间存在一定夹角。主旋转轴带动行星式旋转整体以一定的转速在做公转运动的同时，行星式旋转轴自身以及固定于其上靶棒也在以一定的转速自转。沉积开始后，芯层沉积物以粉尘的形式逐渐在靶棒下端生长。本发明中的靶棒在双旋转轴的带动下作往复运动，模拟了一个更大的沉积衬底，本质上是增加喷灯喷出物与衬底(靶棒)的接触面积和/或接触时间，使得在其他条件不变的前提下，有更多的物质转化为预制棒沉积物。同时，由于沉积物的生长方向与主旋转轴一致，沉积物会在这个更大的衬底上不断生长，保证了沉积的均匀性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种制造光纤预制棒的装置，包括主旋转轴、行星式旋转轴、旋转夹头、沉积腔体与喷灯组件，所述行星式旋转轴安装于主旋转轴上并与主旋转轴具有预设夹角，主旋转轴能够以自身的中心轴线为旋转轴旋转并沿竖直方向移动，从而能够带动行星式旋转轴做公转运动；行星式旋转轴以自身的中心轴线为旋转轴旋转做自转运动，并且带动固定于其上的靶棒一起运动；所述旋转夹头固定连接于所述行星式旋转轴的下端，用于固定安装靶棒；所述喷灯组件用于对安装于行星式旋转轴下端的靶棒进行芯层沉积和包层沉积。

本发明的一个实施例中，所述行星式旋转轴包括行星式旋转轴本体、行星式旋转轴支架、旋转驱动电机、固定于主旋转轴上的导电环，以及用于连接导电环与旋转驱动电机的导电铜片，其中所述行星式旋转轴支架固定连接在所述主旋转轴的下端，行星式旋转轴本体与所述行星式旋转轴支架固定连接，所述旋转驱动电机用于驱动所述行星式旋转轴本体自转。

本发明的一个实施例中，所述喷灯组件包括芯层喷灯和包层喷灯，其中所述芯层喷灯用于沉积芯层部分，所述包层喷灯用于沉积包层部分。

本发明的一个实施例中，所述主旋转轴垂直于水平方向，行星式旋转轴与主旋转轴之间具有0-15°的夹角。

本发明的一个实施例中，所述导电环通过导电铜片与固定于行星式旋转支架上绕主旋转轴旋转的行星式旋转轴上的旋转驱动电机连通，并且为旋转驱动电机输送能源与控制信号。

本发明的一个实施例中，靶棒下端点与主旋转轴线间的水平距离L为0-50mm。

本发明的一个实施例中，主旋转轴转速为25-75rpm，行星式旋转轴转速为40-200rpm。

按照本发明的另一方面，还提供了一种利用上述装置制造光纤预制棒的方法，包括：将靶棒固定安装于行星式旋转轴下端的旋转夹头上，靶棒与行星式旋转轴同轴自转并且绕主旋转轴公转，喷灯组件的喷嘴喷出的反应物质在靶棒表面沉积为粉尘。

本发明的一个实施例中，主旋转轴垂直于水平方向，行星式旋转轴与主旋转轴之间具有0-15°的夹角，靶棒下端点与主旋转轴线间的水平距离L为0-50mm。

本发明的一个实施例中，主旋转轴转速为25-75rpm，行星式旋转轴转速为40-200rpm。

在其他工艺条件相同的前提下，一个更大的衬底通常意味着更高的收集效率。特别对于芯层部分，其直径越大，则设备产能越高，同时由于包层的沉积通常发生在芯层之上，芯层直径越大，提供给包层沉积的“衬底”面积也越大，从而可以得到更高的粉尘收集效率。本发明的有益效果在于：该装置的运用，使得靶棒在沉积初期进行公转加自转的往复运动，增加了反应物质与靶棒的接触效果，大大提高管外法制备光纤粉体预制棒的制造速率和沉积效率，进而大幅提高单台设备的有效产能。

附图说明

图1是传统VAD沉积系统示意图，包括粉体预制棒运送机构(01)，主旋转轴(02)，旋转夹头(03)，靶棒(04)，芯层喷灯(05)，包层喷灯(06)以及沉积腔体(07)；

图2是本发明实施例中具有行星式旋转特征的VAD沉积系统示意图，包括粉体预制棒运送机构(01)，主旋转轴(02)，旋转夹头(03)，靶棒(04)，芯层喷灯(05)，包层喷灯(06)以及沉积腔体(07)，行星式旋转轴本体(08)，行星式旋转轴支架(09)，旋转驱动电机(10)，固定于主旋转轴上的导电环(11)，导电铜片(12)；

图3为传统VAD方法沉积初期芯层粉尘生长示意图；

图4本发明实施例中具有行星式旋转特征的VAD沉积初期粉尘生长示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是传统VAD沉积系统示意图，包括粉体预制棒运送机构01，主旋转轴02，旋转夹头03，靶棒04，芯层喷灯05，包层喷灯06以及沉积腔体07。上述主旋转轴02，旋转夹头03，靶棒04，芯层喷灯05，包层喷灯06均放置于沉积腔体07中，并且通过沉积腔体07的抽风口抽风。粉体预制棒运送机构01用于运送粉体预制棒在主旋转轴02下方形成靶棒04，旋转夹头03用于对靶棒04进行轴向限位，VAD沉积过程中，通常使用两个喷灯同时进行，其中芯层喷灯05用于沉积芯层部分，包层喷灯06用于沉积包层部分。目前绝大多数VAD沉积时，靶棒04固定于纵向推杆下端，并以推杆纵向为轴线旋转。

如图2所示，为本发明实施例中提供的制造光纤预制棒的装置的结构示意图。所述装置为具有行星式双轴旋转特征的VAD沉积设备，包括主旋转轴02、行星式旋转轴、旋转夹头03、沉积腔体07与喷灯组件，所述行星式旋转轴安装于主旋转轴02上并与主旋转轴02具有预设夹角，主旋转轴02能够以自身的中心轴线为旋转轴旋转并沿竖直方向移动，从而能够带动行星式旋转轴做公转运动；行星式旋转轴以自身的中心轴线为旋转轴旋转做自转运动，并且带动固定于其上的靶棒04一起运动；所述旋转夹头03固定连接于所述行星式旋转轴的下端，用于固定安装靶棒04；所述喷灯组件用于对安装于行星式旋转轴下端的靶棒04进行芯层沉积和包层沉积；上述主旋转轴02、行星式旋转轴、旋转夹头03与喷灯组件均处于所述沉积腔体07中。

其中，所述喷灯组件包括芯层喷灯05和包层喷灯06，其中所述芯层喷灯05用于沉积芯层部分，所述包层喷灯06用于沉积包层部分。

所述行星式旋转轴的部件包括行星式旋转轴本体08、行星式旋转轴支架09、旋转驱动电机10、固定于主旋转轴02上的导电环11，以及连接导电环与旋转驱动电机的导电铜片12。其中所述行星式旋转轴支架固定连接在所述主旋转轴02的下端，行星式旋转轴本体08与所述行星式旋转轴支架09固定连接，所述旋转驱动电机10用于驱动所述行星式旋转轴本体08自转。导电环11为电接触滑动连接。导电环11与导电铜片12一同负责为固定于行星式旋转支架09上、绕主旋转轴02旋转的行星式旋转轴上的旋转驱动电机10连通、输送能源与控制信号。

沉积开始前，使用挂秤测量直径35mm的靶棒重量m。后将该靶棒固定于行星式旋转轴前端的旋转夹头上。所述主旋转轴垂直于水平方向，行星式旋转轴与主旋转轴02之间具有0-15°的夹角(例如在本发明实施例中靶棒与主旋转轴之间的夹角θ取值为3°)。靶棒下端点与主旋转轴的轴线间的水平距离L为0-50mm(例如在本发明实施例中靶棒端点与主旋转轴02的轴线间的水平距离L为26mm)。沉积开始后，靶棒在两个旋转轴带动下同时做公转(即由主旋转轴02带动)及自转运动(即由行星式旋转轴带动)。主旋转轴转速为25-75rpm，行星式旋转轴转速为40-200rpm(例如在本发明实施例中公转的转速为45rpm，自转的转速为120rpm)。随着沉积的进行，芯层及包层粉体逐渐生长。粉体棒在粉体预制棒运送机构的带动下缓慢向上提升，使得芯层的生长点(即芯层下端点)与芯层喷灯之间的相对位置始终保持不变。在粉体预制棒长度达到预定值时，停机以完成粉体预制棒的沉积过程。随后，粉体预制棒被送到烧结设备中完成烧结过程。

沉积完成时，根据质量流量计统计出整个沉积过程所消耗的SiCl₄质量n。得到烧结的母棒后，使用母棒折射率测量设备测量其芯层直径a及包层直径b。使用挂秤测量母棒的重量w。

粉尘收集率η可根据以下公式得到：

传统单轴VAD沉积初期的粉尘生长情况如图3所示。沉积开始后，粉尘13逐渐沉积在靶棒04周围，并向下不断生长。但受到靶棒尺寸的限制，芯层直径以及粉尘收集率都相对较小。

本发明行星式旋转轴的VAD沉积初期的粉尘生长情况如图4所示。采用行星式旋转轴的VAD沉积系统在沉积初期，双旋转轴行星式的运动方式模拟了一个面积较大的衬底。使得芯层直径有了大幅提高。同时，在芯层粉尘上沉积的包层也由于芯层衬底面积加大，从而可以大大提高粉尘收集的效率。

与传统单轴VAD沉积相比，使用此发明的行星式双旋转轴的VAD系统沉积效率提高了10％，芯层直径增加18％。将粉体预制棒制备为母棒后，在其拉伸目标芯径相同时，设备产能提高39％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制造光纤预制棒的装置，其特征在于，包括主旋转轴、行星式旋转轴、旋转夹头、沉积腔体与喷灯组件，所述行星式旋转轴安装于主旋转轴上并与主旋转轴具有预设夹角，主旋转轴能够以自身的中心轴线为旋转轴旋转并沿竖直方向移动，从而能够带动行星式旋转轴做公转运动；行星式旋转轴以自身的中心轴线为旋转轴旋转做自转运动，并且带动固定于其上的靶棒一起运动；所述旋转夹头固定连接于所述行星式旋转轴的下端，用于固定安装靶棒；所述喷灯组件用于对安装于行星式旋转轴下端的靶棒进行芯层沉积和包层沉积；上述主旋转轴、行星式旋转轴、旋转夹头与喷灯组件均处于所述沉积腔体中。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述行星式旋转轴包括行星式旋转轴本体、行星式旋转轴支架、旋转驱动电机、固定于主旋转轴上的导电环，以及用于连接导电环与旋转驱动电机的导电铜片，其中所述行星式旋转轴支架固定连接在所述主旋转轴的下端，行星式旋转轴本体与所述行星式旋转轴支架固定连接，所述旋转驱动电机用于驱动所述行星式旋转轴本体自转。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述喷灯组件包括芯层喷灯和包层喷灯，其中所述芯层喷灯用于沉积芯层部分，所述包层喷灯用于沉积包层部分。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述主旋转轴垂直于水平方向，行星式旋转轴与主旋转轴之间具有0-15°的夹角。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述导电环通过导电铜片与固定于行星式旋转支架上绕主旋转轴旋转的行星式旋转轴上的旋转驱动电机连通，并且为旋转驱动电机输送能源与控制信号。

6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，靶棒下端点与主旋转轴线间的水平距离L为0-50mm。

7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，主旋转轴转速为25-75rpm，行星式旋转轴转速为40-200rpm。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述装置制造光纤预制棒的方法，其特征在于，包括：将靶棒固定安装于行星式旋转轴下端的旋转夹头上，靶棒与行星式旋转轴同轴自转并且绕主旋转轴公转，喷灯组件的喷嘴喷出的反应物质在靶棒表面沉积为粉尘。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，主旋转轴垂直于水平方向，行星式旋转轴与主旋转轴之间具有0-15°的夹角，靶棒下端点与主旋转轴线间的水平距离L为0-50mm。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，主旋转轴转速为25-75rpm，行星式旋转轴转速为40-200rpm。