CN111468484A - 一种用于mcvd尾端粉尘的清扫装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于MCVD尾端粉尘的清扫装置及其使用方法。该清扫装置包含环形清扫器、撑杆、环形器清扫装置、移动单元等组件。当沉积进行时，清扫装置位于初始位置不动，可以避免移动造成的衬管管内压力波动；而当沉积返程时，清扫装置将尾管粉尘清扫至粉尘收集器、并实现自清理后回到初始位置。采用本装置时可及时保证尾管的清洁、畅通，从而保证衬管内压力的稳定，可以实现MCVD制备超大芯径的光纤预制棒。另外通过采用不锈钢316L EP等级的材料可以使清扫装置轻便、精准，通过焊接既保证了装置的强度又保证了装置的气密性，通过对冷凝的高纯氮气吹扫既避免了型材在高温下的氧化又增强了尾管粉尘的吹扫能力，使该清扫装置可以在高温高腐蚀的环境中长久的运行。

Description

一种用于MCVD尾端粉尘的清扫装置及其使用方法
技术领域
本发明属于光纤预制棒制备技术领域，更具体地，涉及一种用于MCVD尾端粉尘的清扫装置及其使用方法。
背景技术
随着科技的发展，特种光纤材料在通讯、工业加工、军事、医疗、航天等领域的应用取得巨大的成功。其中尤以二氧化硅特种光纤的应用最为广泛。光纤预制棒作为光纤的基体材料，成分为高纯的二氧化硅及共掺剂。目前制备光纤预制棒的方法为气相沉积法，主要是MCVD、PCVD、OVD、VAD四种制备方法。其中MCVD制备工艺以其掺杂灵活性强、可制备复杂折射率剖面的特种无源光纤和有源光纤获得光纤制备厂商的广泛青睐，它的沉积原理是将高纯O2、高纯He、高纯SiCl4、高纯GeCl4、高纯POCl3、高纯Cl2、高纯C2F6等（纯度都在99.999%）等工艺气体输送至沉积区域在加热条件下（氢氧焰或者石墨炉）发生化学反应生成高纯的SiO2、GeO2、P2O5、SiO1.5F等粉尘，然后以热泳机理沉积在衬管的内壁上。由于MCVD工艺的沉积效率降低，在反应的尾端存在大量的粉尘、尾气，加上尾端尾管较细、且温度低，这些粉尘极易在尾管堆积。MCVD设备的尾端尾管设计用于控制衬管内的压力、排放废气粉尘，当粉尘由于热泳机理在尾管内大量聚集时，造成尾管堵塞，衬管内压力急剧上升、衬管变形甚至是衬管吹破导致有毒有害气体的泄露，对生产和安全带来极大地不确定性。尤其是在生产B棒或者高掺F的预制棒时，由于这两种物质的沉积效率极低，尾气中粉尘含量非常高，极易造成安全事故。
目前主要的处理办法是在尾管中放置一根带刮扫功能的掏灰杆，通过掏灰杆与尾管的相对运动实现对尾管内壁进行周期性的清理，这种方法对粉尘含量低的尾气效果较好，当粉尘含量高时，粉尘堆积成块状在尾管中不停的滚动，而管内的气压也不足以将块状粉尘推向粉尘收集器，随着沉积的进行块状越长越大，尾管通路越来越细，衬管内的压力也逐渐上升，导致衬管变形或破损。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于MCVD尾端粉尘的清扫装置及其使用方法。该清扫装置包含环形清扫器、撑杆、环形器清扫装置、移动单元等组件。采用本装置时可及时保证尾管的清洁、畅通，从而保证衬管内压力的稳定。
所述的环形清扫器呈楔形圆柱状，其外侧面为呈圆柱侧面（长度为L，半径为R1）；内侧面呈楔形，即一头大一头小，均匀渐变，楔形大的一头半径为R2，楔形小的一头半径为R3，故楔形小头的厚度为R1-R2，故楔形大头的厚度为R1-R3；楔形圆柱内部为中空，在楔形大的一头有三个中空的支撑管用于固定楔形圆柱清扫器；在楔形内侧面上有两个气环，分别靠近楔形的大小头；
所述的楔形圆柱清扫器长度L通常在0.5-10cm之间，R1根据尾管的半径R0而定，一般的R0-R1在0.1-0.3mm之间为宜，楔形大头的厚度为R1-R2一般在3-10mm为宜，故楔形小头的厚度为R1-R3一般在0.1-5mm为宜；
所述的楔形圆柱清扫器可以选用不锈钢、哈氏合金、高强度玻璃、陶瓷等材质，优选地采用不锈钢316L；
所述的支撑管用于支撑楔形圆柱清扫器，同时与楔形圆柱清扫器的中空部分保持相通，三个支撑管呈120°分布且长度相同，都汇聚于轴线上的撑杆上；
所述的支撑管选用与楔形圆柱清扫器相同的材质，优选地采用不锈钢316L，管的直径尽可能的小，优选地采用1/8英寸不锈钢316L管；
所述的靠近于楔形大头的气环，与楔形大头的距离为1-10mm，其为楔形内侧面上的一圈狭缝，缝的大小10-200微米之间，狭缝的开口方向与轴线方向呈20-60°；
所述的靠近于楔形小头的气环，与楔形小头的距离为1-10mm，其为楔形内侧面上的一圈狭缝，缝的大小5-100微米之间，狭缝的开口方向与轴线方向呈5-45°；
所述的撑杆用于支撑楔形圆柱清扫器，撑杆通过与三个支撑管相连从而支撑楔形圆柱清扫器，撑杆的内部为中空，即撑杆、支撑管、楔形圆柱清扫器保持相通；
所述的撑杆选用和楔形圆柱清扫器相同的材质，优选地选用1/4英寸不锈钢316L EP管，撑杆与支撑管、支撑管与楔形圆柱清扫器的连接通过焊接进行，且焊接处均需做光滑处理；
所述的楔形圆柱清扫器、支撑管、撑杆组成的整体经EP处理，确保装置的耐腐蚀性；
所述的环形器清扫装置位于粉尘收集器中，其同环形清扫器呈公母结构，即环形器清扫装置可刚好置于环形清扫器内部，与含撑杆的环形清扫器组合成一个长为L半径为R1的圆柱体，环形器清扫装置可以选用不锈钢、哈氏合金、高强度玻璃、陶瓷等材质，优选地采用不锈钢316L；
所述的移动单元，位于MCVD车床的尾端，包含步进电机和传动装置，用于带动撑杆和环形清扫器在尾管内做往复运动，其运动控制可由MCVD的控制系统控制；
所述的上述清扫装置的使用方法是：
（1）当衬管准备沉积时，环形清扫器移动到尾管靠近衬管一端（记为初始位置），此时经撑杆向环形器内供气，气体通过气环流出，所用气体选用高纯氮气，且气体在进入撑杆前经冰水混合物降温，氮气的流量以控制衬管内的压力稳定为准；
（2）当衬管沉积开始时（即加热主灯从气端移动向尾端时），环形清扫器保持不动，气环内有氮气流出，由于沉积的开始，尾管内开始有废气和粉尘流过，此时粉尘经环形清扫器，被衬管内的气体和气环的气体推着向粉尘收集器移动，但是由于热泳机理，在环形清扫器、撑杆、尾管内壁上还是会沉积一定量的粉尘；
（3）当沉积结束时（即沉积到尾端时），主灯开始返程，此时移动单元带动环形清扫器向粉尘收集器方向匀速移动，气环有氮气流出，环形清扫器的小头便开始刮扫尾管内壁上的粉尘，刮下的粉尘会首先经过位于小头的气环氮气吹扫、再经过位于大头的气环吹扫向粉尘收集器移动，即尾管内壁的粉尘随环形清扫器向粉尘收集器移动；当环形清扫器移动到环形器清扫装置时，位于撑杆和环形清扫器上的粉尘便会被环形器清扫装置清理干净，环形清扫器快速回到初始位置，此时主灯回到衬管的气端准备下一趟沉积。
经上述清理后环形清扫器、撑杆、尾管内的粉尘被清理干净，准备下一趟的沉积，当下一趟沉积完成后上述清理进行，知道衬管的沉积结束。
本发明取得的有益效果是：
（1）利用不锈钢316L EP等级材质可以将清扫装置做到非常薄、非常精细，各组件之间通过焊接既保证了装置的强度又可以保证气密性，使装置在含氯气的尾气中可以有很长的寿命；
（2）当环形清扫器位于初始位置时，所处的温度较高（最高可以达到1000℃），通过向环形器内通入冷的氮气不仅可以吹扫粉尘还可以取到对装置降温的效果；
（3）当沉积进行时，清扫装置位于初始位置不动，可以避免移动造成的衬管管内压力波动；而当沉积返程时，清扫装置将尾管粉尘清扫至粉尘收集器、并实现自清理后回到初始位置，保证了尾管的清洁畅通。
利用该清扫装置和清扫方法可以实现MCVD制备超大芯径的光纤预制棒。
附图说明
图1为本发明的环形清扫器的结构图
图2为本发明中用于MCVD尾端粉尘的清扫装置示意图
1-楔形圆柱清扫器的大头 2-楔形大头气环 3-楔形小头气环 4-楔形圆柱清扫器的小头 5-支撑管1 6-支撑管与撑杆的连接处 7-支撑管2 8-支撑管3 9-尾管起始端 10-环形清扫器 11-撑杆 12-MCVD尾端 13-尾管的末端 14-位于粉尘收集器中的环形器清扫装置15-移动单元。
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。
如图1、2所示，一种用于MCVD尾端粉尘的清扫装置，包括环形清扫器10、撑杆11、环形清扫器清扫装置14、移动单元15组成，其中环形清扫器呈楔形圆柱状，由楔形大头1、气环2、气环3、支撑管5、支撑管连接头6、支撑管7、支撑管8组成。其中5、7、8与环形清扫器的大头1位于同一截面上，且连接采用焊接；经5、7、8进入环形清扫器的气体经过2和3流出，6与5、7、8焊接成一个整体，且相通，11与6为焊接连接，即经11、6、再到5、7、8的气体进入环形清扫器后从2、3流出；移动单元15可带动撑杆11在尾管为往复运动。
下面以尾管的内径尺寸35mm（即R0=17.5mm），500mm长的尾管弓曲度小于0.1mm为例进行说明，具体的装置尺寸如下：
楔形圆柱清扫器的外测半径R1为17.3mm，即与尾管的间隔为0.2mm；楔形圆柱清扫器的大头半径R2为14.3mm，大头的内径为28.6mm；楔形圆柱清扫器的小头半径R3为16.3mm；楔形圆柱清扫器的长度为20mm；气环2与与楔形大头1的距离为5mm，气环2的狭缝大小为30微米，缝的开口方向与中心轴线成45°；气环3与与楔形小头4的距离为5mm，气环3的狭缝大小为20微米，缝的开口方向与中心轴线成10°；5、7、8为1/8英寸不锈钢316L EP管，6、11为1/4英寸不锈钢316L EP管。
该装置的具体使用方法如下：
（1）当MCVD车床准备进入沉积时（即主灯位于衬管靠近气端的限位时），环形清扫器10移动到尾管的9处并保持静止，且经冷却的高纯氮气通入11，再经过6、5、7、8到10内部，最后经2、3流出，氮气的流量以维持衬管内的压力稳定为准；当一切准备就绪时，沉积开始，此时主灯从气端限位往尾端限位移动，生成物在衬管内沉积，此时废气粉尘经10、再经过2和3的吹扫沿着尾管向粉尘收集器移动，但是10、11、尾管上依然有粉尘的堆积；
（2）当主灯移动到衬管尾端的限位时，表明该趟沉积结束，主灯从尾端向气端返程，其所需时间记为t。在主灯刚刚准备返程时，15开始工作，通过11带动10往14运动，此时环形清扫器的4将会刮扫尾管内壁的粉尘，并在2和3的吹扫下，带动粉尘向粉尘收集器移动；当环形清扫器达到14时，环形清扫器10和撑杆11上沉积的粉尘被11清理，此时移动单元15通过11带动10往尾管的9处运动；记环形清扫器一个来回的周期为t1，应当满足t-t1大于5s，即环形清扫器回到尾管9处的时间比主灯回到衬管气端限位的时间早5s，此时衬管内压力稳定在设定值。
（3）主灯回到衬管气端限位后，开始下一趟的沉积，即粉尘清扫装置回到（1）的状态。
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 (8)

1.一种用于MCVD尾端粉尘的清扫装置，其特征在于，所述清扫装置包括环形清扫器、撑杆、环形器清扫装置、移动单元，所述环形清扫器呈楔形圆柱状，其外侧面为呈圆柱侧面，具有长度L，半径R1，内侧面呈楔形，即一头大一头小，均匀渐变，楔形大的一头半径为R2，楔形小的一头半径为R3，楔形小头的厚度为R1-R2，楔形大头的厚度为R1-R3，楔形圆柱内部为中空，在楔形大的一头有三个中空的支撑管用于固定楔形圆柱清扫器，在楔形内侧面上有两个气环，分别靠近楔形的大头和小头；
所述的支撑管用于支撑楔形圆柱清扫器，与楔形圆柱清扫器的中空部分保持相通，三个支撑管呈120°分布且长度相同，都汇聚于轴线上的撑杆上；
所述气环为楔形内侧面上的一圈狭缝，靠近于楔形大头的气环狭缝的开口方向与轴线方向呈20-60°，靠近于楔形小头的气环狭缝的开口方向与轴线方向呈5-45°；
所述的撑杆用于支撑楔形圆柱清扫器，撑杆通过与三个支撑管相连从而支撑楔形圆柱清扫器，撑杆的内部为中空，即撑杆、支撑管、楔形圆柱清扫器保持相通；
所述的移动单元，位于MCVD车床的尾端，包含步进电机和传动装置，用于带动撑杆和环形清扫器在尾管内做往复运动，其运动控制可由MCVD的控制系统控制。
2.根据权利要求1所述的用于MCVD尾端粉尘的清扫装置，其特征在于，所述的楔形圆柱清扫器长度L在0.5-10cm之间，半径R1根据尾管的半径R0而定， R0-R1在0.1-0.3mm之间，楔形大头的厚度为R1-R2在3-10mm，楔形小头的厚度为R1-R3在0.1-5mm。
3.根据权利要求1所述的用于MCVD尾端粉尘的清扫装置，其特征在于，所述的楔形圆柱清扫器选用不锈钢、哈氏合金、高强度玻璃、陶瓷材质，优选地采用不锈钢316L。
4.根据权利要求3所述的用于MCVD尾端粉尘的清扫装置，其特征在于，所述的支撑管选用与楔形圆柱清扫器相同的材质，优选地采用不锈钢316L，管的直径尽可能的小，优选地采用1/8英寸不锈钢316L管。
5.根据权利要求1所述的用于MCVD尾端粉尘的清扫装置，其特征在于，靠近于楔形大头的气环，与楔形大头的距离为1-10mm，其狭缝的大小为10-200微米，所述的靠近于楔形小头的气环，与楔形小头的距离为1-10mm，其狭缝的大小为5-100微米。
6.根据权利要求1所述的用于MCVD尾端粉尘的清扫装置，其特征在于，所述的撑杆选用和楔形圆柱清扫器相同的材质，撑杆与支撑管、支撑管与楔形圆柱清扫器的连接通过焊接进行，且焊接处均需做光滑处理，且所述的楔形圆柱清扫器、支撑管、撑杆组成的整体经EP处理，确保装置的耐腐蚀性。
7.根据权利要求1所述的用于MCVD尾端粉尘的清扫装置，其特征在于，所述的环形器清扫装置位于粉尘收集器中，同环形清扫器呈公母结构，即环形器清扫装置可刚好置于环形清扫器内部，与含撑杆的环形清扫器组合成一个长为L半径为R1的圆柱体，环形器清扫装置选用不锈钢、哈氏合金、高强度玻璃、陶瓷材质。
8.一种使用权利要求1-7任一项所述的清扫装置进行清扫的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）衬管准备沉积，环形清扫器移动到尾管靠近衬管一端，记为初始位置，此时经撑杆向环形器内供气，气体通过气环流出，所用气体选用高纯氮气，且气体在进入撑杆前经冰水混合物降温，氮气的流量以控制衬管内的压力稳定为准；
（2）衬管沉积开始时，即加热主灯从气端移动向尾端时，环形清扫器保持不动，气环内有氮气流出，由于沉积的开始，尾管内开始有废气和粉尘流过，此时粉尘经环形清扫器，被衬管内的气体和气环的气体推着向粉尘收集器移动，但是由于热泳机理，在环形清扫器、撑杆、尾管内壁上还是会沉积一定量的粉尘；
（3）沉积结束时，即沉积到尾端时，，主灯开始返程，此时移动单元带动环形清扫器向粉尘收集器方向匀速移动，气环有氮气流出，环形清扫器的小头便开始刮扫尾管内壁上的粉尘，刮下的粉尘会首先经过位于小头的气环氮气吹扫、再经过位于大头的气环吹扫向粉尘收集器移动，即尾管内壁的粉尘随环形清扫器向粉尘收集器移动；当环形清扫器移动到环形器清扫装置时，位于撑杆和环形清扫器上的粉尘便会被环形器清扫装置清理干净，环形清扫器快速回到初始位置，此时主灯回到衬管的气端准备下一趟沉积。
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