CN106587591A - 一种基于vad工艺的多预制棒制备系统及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，包括沉积容腔、喷枪杆、芯部喷嘴、包层喷嘴和多个靶棒，芯部喷嘴和包层喷嘴均与喷枪杆的内部连通，各原料和燃料的管道均与喷枪杆的内部连通，靶棒通过升降平台驱动升降，多个靶棒以喷枪杆为中心的对称设置在喷枪杆的外侧，各靶棒的中心与喷枪杆的中心的距离均相同，各靶棒中心与喷枪杆中心的连线与坐标轴均成45°夹角，多个靶棒在各自独立的电机驱动下绕各自的轴线转动，多个靶棒均设置在升降平台上。本发明实现多棒的同时制作，预制棒的生产效率至少提高2倍；整个制备过程的各项工艺参数由PID控制器进行反馈环路控制，提高预制棒母体的外径和折射率的分布精度。
Description
技术领域
本发明属于光纤制造技术领域，具体涉及一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统。
背景技术
现有的光纤预制棒制备VAD工艺，首先将高纯度的原料化合物(SiCl4、GeCl4)通过氢、氧焰喷枪，在火焰中气相反应生成SiO2、GeO2玻璃粉末，从火焰方向喷射到一根旋转的靶棒(氧化铝棒)上，使之沉积在靶棒上。沉积起始后的靶棒向上提升，使沉积面始终保持在一定的位置，整个反应在容器中进行，通过排气的恒定来保证火焰的稳定。最后将制成的多孔质母材在电炉中脱水，烧结成透明玻璃体。喷枪的喷嘴结构设计、原料流量、排气流量、火焰温度、沉积体表面温度和旋转速度，以及沉积体端部的位置等都会影响预制棒母体的外径和折射率分布的精度。而目前VAD工艺的预制棒生产设备同时只能制作一根预制棒，生产效率低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，实现多棒的同时制作，预制棒的生产效率至少提高2倍；同时，优化结构设计的喷嘴结构能够有效的将火焰和原料反应区分隔开，并限制火焰的成形区，以此来保障芯层沉积体表面的温度，最终稳定预制棒的折射率和预制棒的母体外径，提高预制棒的质量。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，包括沉积容腔、均设置在沉积容腔内的靶棒、中空的喷枪杆、芯部喷嘴和包层喷嘴，所述芯部喷嘴和包层喷嘴均与喷枪杆的内部连通，各原料和燃料的管道均与喷枪杆的内部连通，所述靶棒通过一升降平台驱动升降，所述靶棒在电机的驱动下绕自身轴线转动，所述沉积容腔内设有进气端和排气端，其特征在于：所述靶棒具有独立工作的多个，多个所述靶棒以喷枪杆为中心的对称设置在喷枪杆的外侧，各所述靶棒的中心与喷枪杆的中心的距离均相同，各所述靶棒中心与喷枪杆中心的连线与坐标轴均成45°夹角，多个所述靶棒在各自独立的电机驱动下绕各自的轴线转动，多个所述靶棒均设置在升降平台上；
其还包括一PID控制器、和设置在沉积容腔内的摄像机和高温计，所述PID控制器控制连接摄像机、高温计；
所述进气端和出气端均设有压力传感器、气泵和气阀，各原料和燃料的管道上均设有流量泵和物料阀，各压力传感器、气泵、气阀、流量泵、物料阀和电机均连接PID控制器形成反馈。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述靶棒为四个。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述喷枪杆为圆柱体结构，其具有上节和下节，所述芯部喷嘴设置在喷枪杆的下节，所述包层喷嘴设置在喷枪杆的上节，使得芯棒在靶棒的下端沉积，包层在靶棒的沉积芯层外表面沉积。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述芯部喷嘴的截面为圆形结构，圆形结构的芯部喷嘴具有四组喷口，分别为自内向外依次分布的中心喷口、内屏蔽喷口、中间环孔喷口和外屏蔽喷口，原料化合物与氧气的混合物自中心喷口中喷出，燃料气体自中间环孔喷口中喷出，内屏蔽喷口和外屏蔽喷口中均用于喷出氧气。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述包层喷嘴与芯部喷嘴的结构相同。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述芯部喷嘴具有以喷枪杆为中心对称设置的四个，所述包层喷嘴具有上下位设置的两组，每组均具有以所述喷枪杆为中心对称设置的四个。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述靶棒沉积体表面的温度为1200℃±50℃。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括其还包括一固定夹具，所述固定夹具为圆形结构，其上设有中心通孔和多个靶棒固定孔，多个靶棒固定孔以中心通孔为中心的对称设置，所述中心通孔用于供喷枪杆穿过，各所述靶棒一一对应的设置在靶棒固定孔内。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种多预制棒的制备方法，其特征在于：使用权利要求1-3、5-8任一项所述的制备系统，安装好各靶棒并置于沉积容腔内，使各靶棒以相同的速度旋转；
将SiCl4、GeCl4、O2通入芯部喷嘴的中心喷口，将氢氧混合气体通入芯部喷嘴的中间环孔喷口，将O2通入芯部喷嘴的内屏蔽喷口和外屏蔽喷口；并在沉积容腔内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、GeCl4、O2在火焰中反应生成SiO2、GeO2粉尘，SiO2、GeO2粉尘沉积于靶棒的末端，形成芯层；
将SiCl4、O2通入包层喷嘴的中心喷口，将氢氧混合气体通入芯部喷嘴的中间环孔喷口，将O2通入芯部喷嘴的内屏蔽喷口和外屏蔽喷口；并在沉积容腔内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、O2在火焰中反应生成SiO2粉尘，SiO2粉尘附着在芯层外周，形成包层；
在升降平台的带动下多个靶棒同时上升，沉积面始终保持在靶棒的下端，使得粉尘在各个靶棒的下端连续沉积成圆柱形芯棒，芯棒沉积完成的部位随着升降平台的提升到达喷枪杆的上节沉积形成外包层，一次获得多个预制棒。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种多预制棒的制备方法，其特征在于：使用权利要求4所述的制备系统，安装好各靶棒并置于沉积容腔内，使各靶棒以相同的速度旋转；
将SiCl4、GeCl4、O2通入芯部喷嘴的中心喷口，将氢氧混合气体通入芯部喷嘴的中间环孔喷口，将O2通入芯部喷嘴的内屏蔽喷口和外屏蔽喷口；并在沉积容腔内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、GeCl4、O2在火焰中反应生成SiO2、GeO2粉尘，SiO2、GeO2粉尘沉积于靶棒的末端，形成芯层；
将SiCl4、O2通入包层喷嘴的中心喷口，将氢氧混合气体通入芯部喷嘴的中间环孔喷口，将O2通入芯部喷嘴的内屏蔽喷口和外屏蔽喷口；并在沉积容腔内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、O2在火焰中反应生成SiO2粉尘，SiO2粉尘附着在芯层外周，形成包层；
在升降平台的带动下多个靶棒同时上升，沉积面始终保持在靶棒的下端，使得粉尘在各个靶棒的下端连续沉积成圆柱形芯棒，芯棒沉积完成的部位随着升降平台的提升到达喷枪杆的上节沉积形成外包层，一次获得多个预制棒。
本发明的有益效果是:
其一、本发明的一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，实现多棒的同时制作，预制棒的生产效率至少提高2倍；同时，整个制备过程的各项工艺参数由PID控制器进行反馈环路控制，提高预制棒母体的外径和折射率的分布精度；
其二、优化结构设计的喷嘴结构能够有效的将火焰和原料反应区分隔开，并限制火焰的成形区，以此来保障芯层沉积体表面的温度，最终稳定预制棒的折射率和预制棒的母体外径，提高预制棒的质量。
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是本发明优选实施例的结构示意图；
图2是本发明优选实施例固定夹具的结构示意图；
图3上本发明优选实施例芯部喷嘴的结构示意图。
其中：2-沉积容腔，4-靶棒，6-喷枪杆，8-芯部喷嘴，10-包层喷嘴，12-PID控制器，14-中心喷口，16-内屏蔽喷口，18-中间环孔喷口，20-外屏蔽喷口，22-中心通孔，24-靶棒固定孔。
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。
实施例一
如图1所示，本实施例中公开了一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，包括沉积容腔2、均设置在沉积容腔2内的中空的喷枪杆6、芯部喷嘴8、包层喷嘴10、多个靶棒4、和PID控制器12。各原料和燃料的管道均与喷枪杆6的内部连通，所述芯部喷嘴8和包层喷嘴10均与喷枪杆6的内部连通，各原料和燃料从芯部喷嘴8和包层喷嘴10中喷出在沉积容腔2内燃烧形成火焰。
本发明优选靶棒4为四个，四个所述靶棒4以喷枪杆6为中心的对称设置在喷枪杆6的外侧，各所述靶棒4的中心与喷枪杆6的中心的距离均相同，各所述靶棒4中心与喷枪杆6中心的连线与坐标轴均成45°夹角(此处的坐标轴为图2中XOY坐标轴)，四个所述靶棒在各自独立的电机驱动下绕各自的轴线转动，四个所述靶棒均设置在升降平台上，升降平台驱动四个靶棒同时上升。如此结构设计的制备系统可以实现四根预制棒的同时制作。当然，根据实际使用需要，还可以同时制作六根、八根甚至更多根，大大提高预制棒的制备效率。
进一步的，沉积容腔2内设有摄像机和高温计，所述进气端和出气端均设有压力传感器、气泵和气阀，各原料和燃料的管道上均设有流量泵和物料阀，各压力传感器、气泵、气阀、流量泵、物料阀、电机、摄像机和高温计均连接PID控制器12形成反馈，整个制备过程的各项工艺参数由PID控制器12进行反馈环路控制，提高预制棒母体的外径和折射率的分布精度。
进一步的，所述喷枪杆6为圆柱体结构，其具有上节和下节，所述芯部喷嘴8设置在喷枪杆6的下节，所述包层喷嘴10设置在喷枪杆6的上节，具体的，所述芯部喷嘴8具有以喷枪杆6为中心对称设置的四个，所述包层喷嘴10具有上下位设置的两组，每组均具有以所述喷枪杆6为中心对称设置的四个，如此结构使得芯棒在靶棒的下端沉积，包层在靶棒的沉积芯层外表面沉积。
作为本发明的进一步改进，如图3，所示所述芯部喷嘴8的截面为圆形结构，圆形结构的芯部喷嘴具有四组喷口，分别为自内向外依次分布的中心喷口14、内屏蔽喷口16、中间环孔喷口18和外屏蔽喷口20，原料化合物与氧气的混合物自中心喷口14中喷出，燃料气体自中间环孔喷口中喷出18，内屏蔽喷口16和外屏蔽喷口20中均用于喷出氧气。中间环孔喷口中喷出的燃料气体燃烧形成火焰，中心喷口14中喷出的气相原料化合物与氧气的混合物在火焰的高温下产生氧化反应，形成玻璃粉尘，沉积在靶棒上形成芯棒，包层喷嘴10与芯部喷嘴8的结构相同，其中心喷口14中喷出的气相原料化合物与氧气的混合物在火焰的高温下产生氧化反应，形成玻璃粉尘，附着在芯棒上形成外包层，由此制备形成预制棒母体。内屏蔽喷口16中喷出的氧气将火焰与原料反应区分隔开来，同时其喷出的氧气有助于原料的氧化反应更完全；外屏蔽喷口20喷出的氧气用于限制火焰的成形区。以上优化结构设计的喷嘴，在完成喷射物料的同时，可以保障芯层沉积体表面的温度，最终稳定预制棒的折射率和预制棒的母体外径，提高预制棒的质量。
通过控制各原料和燃料的流量、以及优化结构设计的喷嘴结构，使得靶棒沉积体表面的温度为1200℃±50℃，有效保障成型预制棒的折射率和母体外径。
本发明的靶棒4通过固定家具固定，如图2所示，所述固定夹具为圆形结构，其上设有中心通孔22和四个靶棒固定孔24，四个靶棒固定孔24以中心通孔22为中心的对称设置，所述中心通孔22用于供喷枪杆6穿过，各所述靶棒4一一对应的设置在靶棒固定孔24内。
实施例二
基于上述结构的制备系统提供一种多预制棒的制备方法，安装好各靶棒4并置于沉积容腔2内，在电机的驱动下各靶棒4以一定的速度旋转；
将SiCl4、GeCl4、O2通入芯部喷嘴8的中心喷口14，将氢氧混合气体通入芯部喷嘴8的中间环孔喷口18，将O2通入芯部喷嘴8的内屏蔽喷口16和外屏蔽喷口20；并在沉积容腔2内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、GeCl4、O2在火焰中反应生成SiO2、GeO2粉尘，SiO2、GeO2粉尘沉积于靶棒4的末端，形成芯层；
将SiCl4、O2通入包层喷嘴10的中心喷口14，将氢氧混合气体通入芯部喷嘴10的中间环孔喷口18，将O2通入芯部喷嘴10的内屏蔽喷口16和外屏蔽喷口20；并在沉积容腔2内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、O2在火焰中反应生成SiO2粉尘，SiO2粉尘附着在芯层外周，形成包层；
在升降平台的带动下四个靶棒2同时上升，沉积面始终保持在靶棒2的下端，使得粉尘在各个靶棒2的下端连续沉积成圆柱形芯棒，芯棒沉积完成的部位随着升降平台的提升到达喷枪杆6的上节沉积形成外包层，一次获得四个预制棒。
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)
1.一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，包括沉积容腔、均设置在沉积容腔内的靶棒、中空的喷枪杆、芯部喷嘴和包层喷嘴，所述芯部喷嘴和包层喷嘴均与喷枪杆的内部连通，各原料和燃料的管道均与喷枪杆的内部连通，所述靶棒通过一升降平台驱动升降，所述靶棒在电机的驱动下绕自身轴线转动，所述沉积容腔内设有进气端和排气端，其特征在于：所述靶棒具有独立工作的多个，多个所述靶棒以喷枪杆为中心的对称设置在喷枪杆的外侧，各所述靶棒的中心与喷枪杆的中心的距离均相同，各所述靶棒中心与喷枪杆中心的连线与坐标轴均成45°夹角，多个所述靶棒在各自独立的电机驱动下绕各自的轴线转动，多个所述靶棒均设置在升降平台上；
其还包括一PID控制器、和设置在沉积容腔内的摄像机和高温计，所述PID控制器控制连接摄像机、高温计；
所述进气端和出气端均设有压力传感器、气泵和气阀，各原料和燃料的管道上均设有流量泵和物料阀，各压力传感器、气泵、气阀、流量泵、物料阀和电机均连接PID控制器形成反馈。
2.根据权利要求1所述的一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，其特征在于：所述靶棒为四个。
3.根据权利要求1所述的一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，其特征在于：所述喷枪杆为圆柱体结构，其具有上节和下节，所述芯部喷嘴设置在喷枪杆的下节，所述包层喷嘴设置在喷枪杆的上节，使得芯棒在靶棒的下端沉积，包层在靶棒的沉积芯层外表面沉积。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，其特征在于：所述芯部喷嘴的截面为圆形结构，圆形结构的芯部喷嘴具有四组喷口，分别为自内向外依次分布的中心喷口、内屏蔽喷口、中间环孔喷口和外屏蔽喷口，原料化合物与氧气的混合物自中心喷口中喷出，燃料气体自中间环孔喷口中喷出，内屏蔽喷口和外屏蔽喷口中均用于喷出氧气。
5.根据权利要求4所述的一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，其特征在于：所述包层喷嘴与芯部喷嘴的结构相同。
6.根据权利要求3所述的一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，其特征在于：所述芯部喷嘴具有以喷枪杆为中心对称设置的四个，所述包层喷嘴具有上下位设置的两组，每组均具有以所述喷枪杆为中心对称设置的四个。
7.根据权利要求1所述的一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，其特征在于：所述靶棒沉积体表面的温度为1200℃±50℃。
8.根据权利要求1所述的一种基于VAD工艺的多预制棒制备系统，其特征在于：其还包括一固定夹具，所述固定夹具为圆形结构，其上设有中心通孔和多个靶棒固定孔，多个靶棒固定孔以中心通孔为中心的对称设置，所述中心通孔用于供喷枪杆穿过，各所述靶棒一一对应的设置在靶棒固定孔内。
9.一种多预制棒的制备方法，其特征在于：使用权利要求1-3、5-8任一项所述的制备系统，安装好各靶棒并置于沉积容腔内，使各靶棒以相同的速度旋转；
将SiCl4、GeCl4、O2通入芯部喷嘴的中心喷口，将氢氧混合气体通入芯部喷嘴的中间环孔喷口，将O2通入芯部喷嘴的内屏蔽喷口和外屏蔽喷口；并在沉积容腔内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、GeCl4、O2在火焰中反应生成SiO2、GeO2粉尘，SiO2、GeO2粉尘沉积于靶棒的末端，形成芯层；
将SiCl4、O2通入包层喷嘴的中心喷口，将氢氧混合气体通入芯部喷嘴的中间环孔喷口，将O2通入芯部喷嘴的内屏蔽喷口和外屏蔽喷口；并在沉积容腔内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、O2在火焰中反应生成SiO2粉尘，SiO2粉尘附着在芯层外周，形成包层；
在升降平台的带动下多个靶棒同时上升，沉积面始终保持在靶棒的下端，使得粉尘在各个靶棒的下端连续沉积成圆柱形芯棒，芯棒沉积完成的部位随着升降平台的提升到达喷枪杆的上节沉积形成外包层，一次获得多个预制棒。
10.一种多预制棒的制备方法，其特征在于：使用权利要求4所述的制备系统，安装好各靶棒并置于沉积容腔内，使各靶棒以相同的速度旋转；
将SiCl4、GeCl4、O2通入芯部喷嘴的中心喷口，将氢氧混合气体通入芯部喷嘴的中间环孔喷口，将O2通入芯部喷嘴的内屏蔽喷口和外屏蔽喷口；并在沉积容腔内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、GeCl4、O2在火焰中反应生成SiO2、GeO2粉尘，SiO2、GeO2粉尘沉积于靶棒的末端，形成芯层；
将SiCl4、O2通入包层喷嘴的中心喷口，将氢氧混合气体通入芯部喷嘴的中间环孔喷口，将O2通入芯部喷嘴的内屏蔽喷口和外屏蔽喷口；并在沉积容腔内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、O2在火焰中反应生成SiO2粉尘，SiO2粉尘附着在芯层外周，形成包层；
在升降平台的带动下多个靶棒同时上升，沉积面始终保持在靶棒的下端，使得粉尘在各个靶棒的下端连续沉积成圆柱形芯棒，芯棒沉积完成的部位随着升降平台的提升到达喷枪杆的上节沉积形成外包层，一次获得多个预制棒。
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