CN113716860A - 一种纵向ovd工艺沉积光纤预制棒的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置及方法，属于光纤预制棒制造技术领域，包括沉积壳体，沉积壳体的顶部安装移动机构，移动机构上安装旋转夹头，旋转夹头的底部连接引杆，引杆与旋转夹头间安装重力计，引杆的底部安装芯棒，沉积壳体的一侧内壁安装喷灯台，喷灯台上安装多个喷灯，沉积壳体远离喷灯台的一侧套接排风管，沉积壳体的外壁安装开合门，且开合门两侧的沉积壳体上安装测距仪和测温仪。芯棒旋转的速度随疏松体的直径增大而降低，保持沉积面和火焰接触的点的线速度稳定，控制单个喷灯的燃气流量或氧气流量以改变不同时刻的温度，进而控制疏松体径向和轴向密度分布，通过不同区域直径改变硅量进而控制疏松体轴向均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤预制棒制造技术领域，具体为一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置及方法。
背景技术
光纤预制棒的制作工艺有OVD、VAD、PCVD、MCVD等。其中外包层制作主要采用OVD工艺。OVD工艺是外部气相沉积法的缩写，主要是用氧气携带原材料四氯化硅或八甲基硅烷通过特殊设计的喷灯，与燃烧气体氢气或甲烷形成火焰，发生水解反应，生产二氧化硅颗粒，利用热泳原理沉积到旋转的芯棒上，形成疏松体预制棒的过程；其中芯棒和喷灯要进行相对往复运动。芯棒相对喷灯的运动方向与重力加速度的平行和垂直，分为横向OVD和纵向OVD。
在沉积过程中，火焰不同位置，形成的颗粒大小和密度有差异。离喷灯口越近的地方颗粒越小，而密度越高，离喷灯越远的地方，颗粒越大，密度却降低。火焰温度是颗粒形成中的关键因素,原始颗粒的粒径大小取决于该温度下的固态扩散系数,因此提高火焰温度可以增大原始颗粒的粒径。为了控制沉积过程中疏松体开裂和烧结质量，疏松体的径向密度分布需要形成由内向外，依次减小的状态。疏松体密度可以通过气体流量、火焰温度、转速、移动速度、腔室压力等来进行控制。为控制光纤预制棒的参数均匀性，需要控制疏松体外径波动；使得拉丝时，尺寸等比例变化光纤芯径波动小，光纤的参数均匀性更优。
因此疏松体沉积时，需要控制径向密度分布和轴向均匀性。而径向密度分布监控需要实时测量疏松体直径和重量，轴向均匀性需要测量轴向多个点的直径。在沉积过程中控制径向密度分布，具体需要维持火焰温度、沉积面温度、转速、移动速度、腔室压力等参数在合适的范围内。轴向均匀性需要具体调整喷灯流量、移动速度。
目前的技术，如中国专利CN109020186中描述，在沉积过程中通过测量疏松体直径，控制转速，保持沉积面和火焰接触点的线速度稳定，同时控制喷灯和沉积面的距离，以减小沉积层之间的温度和密度差异，减少开裂现象等。为增加生产效率，单轴一般采用多喷灯进行沉积，容易产生轴向直径不均匀的情况。并且无法有效控制径向密度分布。专利CN208454819U中，通过激光器检测疏松体是否阻挡判断疏松体和喷灯台的距离远近，然后控制喷灯和疏松体的距离恒定，并且控制喷灯的原料气体流量来保证表面沉积密度的均匀一致性和烧结后的光纤预制棒的外径一致性。但在实际生产过程中因为多喷灯结构的微小差异和气体MFC的差异等会导致沉积过程中仅靠控制喷灯台距离和原料流量对于控制外径均匀性无法达到很好的效果。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：本发明提供一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置，包括沉积壳体，所述沉积壳体的顶部安装移动机构，所述移动机构上固定安装旋转夹头，所述旋转夹头的底部连接引杆，且引杆与旋转夹头间安装重力计，所述引杆的底部通过适配器安装芯棒，所述沉积壳体的一侧内壁固定安装喷灯台，所述喷灯台上固定安装多个喷灯，所述沉积壳体远离喷灯台的一侧固定套接排风管，所述沉积壳体的外壁安装开合门，且开合门两侧的沉积壳体上分别固定安装测距仪和测温仪。
优选的一种实施案例，所述移动机构包括安装板和螺杆，所述安装板的两端均贯穿有螺杆，所述螺杆的底部固定连接沉积壳体的顶面，所述安装板的两端均转动卡接螺母套，所述螺母套通过螺纹结构套接在螺杆上，所述安装板的底部固定安装旋转夹头，所述安装板的顶面固定安装电机，所述电机的输出轴固定安装带轮，所述带轮与螺母套间套接传动带。
优选的一种实施案例，所述螺母套的外壁固定套接限位环，所述限位环与螺母套形成“中”字型结构，所述限位环转动卡接在安装板内。
优选的一种实施案例，所述喷灯的数量大于等于十个，且多个喷灯沿喷灯台均匀分布，且喷灯正对芯棒的轴线，所述喷灯台顶部和底部的喷灯为非原料灯，其余喷灯为原料灯，所述测温仪正对喷灯火焰与芯棒上的沉积面交点，且测温仪的数量与喷灯的数量相同。
优选的一种实施案例，所述排风管靠近沉积壳体的一端为喇叭状结构，所述排风管上固定安装压力传感器，所述压力传感器为BA型气压传感器，所述喷灯台两侧的沉积壳体上开有多个进风口，所述进风口内固定安装防尘网。
优选的一种实施案例，所述沉积壳体的底板上固定安装固定筒，所述固定筒的轴线与引杆的轴线重合，所述芯棒的底部活动套接在固定筒内。
优选的一种实施案例，所述沉积壳体上固定安装透明玻窗，所述测距仪固定安装在透明玻窗上，且测距仪中心正对芯棒的轴线，所述测距仪的数量大于等于3个。
一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的方法，包括如下步骤：
S1、打开开合门，将芯棒通过适配器卡接在引杆的底部，然后关闭开合门，排风管内设有排风机，通过排风机产生负压，使得外界空气从进风口流入沉积壳体内，并通过压力传感器检测排风管内气压，从而控制排风机功率，使得沉积壳体内保持恒压状态；
S2、喷灯将燃料气体以及物料喷入沉积壳体内，并在芯棒上生长疏松体，同时旋转夹头带动芯棒转动，电机带动带轮转动，从而使得传动带同步带动两个螺母套转动，则螺母套沿螺杆上移动，实现安装板的升降，从而带动芯棒上下往复移动；
S3、通过测距仪测量疏松体与沉积壳体内壁间距，从而得到疏松体的直径，根据疏松体直径控制旋转夹头的转速，保证疏松体沉积面与喷灯火焰间的线速度稳定，从而控制疏松体径向沉积均匀性，同时，根据调节疏松体上直径偏差较大的位置的喷灯原料输送量，并通过测温仪检测喷灯火焰温度，从而调整燃料或氧气的流量来实现温度稳定，使得疏松体轴向均匀沉积；
S4、根据重力计检测的疏松体重量，步骤S3得到的疏松体平均直径，沉积长度，从而确定疏松体密度，便于控制沉积的进程以及结束，沉积完成后，打开开合门，从而将芯棒取下。
优选的一种实施案例，步骤S2中，所述安装板的移动距离L与相邻喷灯8的间距M的关系为L＝A*M，其中，A为系数，设定为1.0-1.05。
优选的一种实施案例，步骤S3中，采集的疏松体直径为D1、D2、D3…Dn，则疏松体平均直径
所述旋转夹头3的转速
其中V为沉积面和火焰接触点的线速度，设定为45-90m/min，疏松体密度
其中，M为重力计测得的疏松体重量，h为沉积高度，沉积过程中，径向密度分布由内向外逐渐减小，疏松体整体平均密度在0.3-0.45g/cm3，在沉积至总趟数的20％时，疏松体平均密度在0.6-0.7g/cm3；在沉积至总趟数的50％时，疏松体平均密度在0.4-0.5g/cm3；在沉积至总趟数的80％时，疏松体平均密度在0.35-0.45g/cm3。
本发明的有益效果在于：
1、在沉积过程中，通过调节燃料气体或氧气的流量控制火焰和疏松体接触面温度的稳定性，进而保证轴向和径向的密度均匀性；
2、在沉积过程中，通过调节喷灯的原料流量，控制疏松体不同区域的直径，进而保证疏松体和烧结后光纤预制棒的轴向均匀性；
3、在沉积过程中，实时变化疏松体转速、移速，稳定喷灯台至疏松体的距离和腔体压力，使得疏松体轴向和径向密度更均匀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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为本发明实施例提供的一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置结构示意图。
图2为本发明沉积壳体剖面结构示意图。
图3为本发明图2中A处放大结构示意图。
附图标记说明：1、沉积壳体；2、移动机构；21、安装板；22、螺杆；23、螺母套；24、电机；25、带轮；26、传动带；27、限位环；3、旋转夹头；4、引杆；5、芯棒；6、重力计；7、喷灯台；8、喷灯；9、排风管；10、压力传感器；11、进风口；12、固定筒；13、开合门；14、透明玻窗；15、测距仪；16、测温仪。
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做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：如图1-3所示，本发明提供了一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置，包括沉积壳体1，沉积壳体1的顶部安装移动机构2，移动机构2上固定安装旋转夹头3，旋转夹头3的底部连接引杆4，且引杆4与旋转夹头3间安装重力计6，引杆4的底部通过适配器安装芯棒5，沉积壳体1的一侧内壁固定安装喷灯台7，喷灯台7上固定安装多个喷灯8，沉积壳体1远离喷灯台7的一侧固定套接排风管9，沉积壳体1的外壁安装开合门13，且开合门13两侧的沉积壳体1上分别固定安装测距仪15和测温仪16。
进一步的，移动机构2包括安装板21和螺杆22，安装板21的两端均贯穿有螺杆22，螺杆22的底部固定连接沉积壳体1的顶面，安装板21的两端均转动卡接螺母套23，螺母套23通过螺纹结构套接在螺杆22上，安装板21的底部固定安装旋转夹头3，安装板21的顶面固定安装电机24，电机24的输出轴固定安装带轮25，带轮25与螺母套23间套接传动带26，则电机24带动带轮25转动，从而使得传动带26同步带动两个螺母套23转动，则螺母套23沿螺杆22上移动，实现安装板21的升降，从而带动芯棒5移动，移动平稳，并且控制电机24转速即可控制移动速度和距离。
进一步的，螺母套23的外壁固定套接限位环27，限位环27与螺母套23形成“中”字型结构，限位环27转动卡接在安装板21内，从而对螺母套23进行限位。
进一步的，喷灯8的数量大于等于十个，且多个喷灯8沿喷灯台7均匀分布，且喷灯8正对芯棒5的轴线，喷灯台7顶部和底部的喷灯8为非原料灯，其余喷灯8为原料灯，测温仪16正对喷灯8火焰与芯棒5上的沉积面交点，且测温仪16的数量与喷灯8的数量相同。
进一步的，排风管9靠近沉积壳体1的一端为喇叭状结构，排风管9上固定安装压力传感器10，压力传感器10为BA5803型气压传感器，喷灯台7两侧的沉积壳体1上开有多个进风口11，进风口11内固定安装防尘网。
进一步的，沉积壳体1的底板上固定安装固定筒12，固定筒12的轴线与引杆4的轴线重合，芯棒5的底部活动套接在固定筒12内。
进一步的，沉积壳体1上固定安装透明玻窗14，测距仪15固定安装在透明玻窗14上，且测距仪15中心正对芯棒5的轴线，测距仪15的数量大于等于3个。
一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的方法，包括如下步骤：
S1、打开开合门13，将芯棒5通过适配器卡接在引杆4的底部，然后关闭开合门13，排风管9内设有排风机，通过排风机产生负压，使得外界空气从进风口11流入沉积壳体1内，并通过压力传感器10检测排风管9内气压，从而控制排风机功率，使得沉积壳体1内保持恒压状态；
S2、喷灯8将燃料气体以及物料喷入沉积壳体1内，并在芯棒5上生长疏松体，同时旋转夹头3带动芯棒5转动，电机24带动带轮25转动，从而使得传动带26同步带动两个螺母套23转动，则螺母套23沿螺杆22上移动，实现安装板21的升降，从而带动芯棒5上下往复移动；
S3、通过测距仪15测量疏松体与沉积壳体1内壁间距，从而得到疏松体的直径，根据疏松体直径控制旋转夹头3的转速，保证疏松体沉积面与喷灯8火焰间的线速度稳定，从而控制疏松体径向沉积均匀性，同时，根据调节疏松体上直径偏差较大的位置的喷灯8原料输送量，并通过测温仪16检测喷灯8火焰温度，从而调整燃料或氧气的流量来实现温度稳定，使得疏松体轴向均匀沉积；
S4、根据重力计6检测的疏松体重量，步骤S3得到的疏松体平均直径，沉积长度，从而确定疏松体密度，便于控制沉积的进程以及结束，沉积完成后，打开开合门13，从而将芯棒5取下。
优选的一种实施案例，步骤S2中，安装板21的移动距离L与相邻喷灯8的间距M的关系为L＝A*M，其中，A为系数，设定为1.0-1.05。
优选的一种实施案例，步骤S3中，采集的疏松体直径为D1、D2、D3…Dn，则疏松体平均直径
旋转夹头3的转速
其中V为沉积面和火焰接触点的线速度，设定为45-90m/min，疏松体密度
其中，M为重力计测得的疏松体重量，h为沉积高度，沉积过程中，径向密度分布由内向外逐渐减小，疏松体整体平均密度在0.3-0.45g/cm3，在沉积至总趟数的20％时，疏松体平均密度在0.6-0.7g/cm3；在沉积至总趟数的50％时，疏松体平均密度在0.4-0.5g/cm3；在沉积至总趟数的80％时，疏松体平均密度在0.35-0.45g/cm3。
进一步的，喷灯台7与沉积壳体1间设有电机丝杠装置，从而在沉积过程中能够控制喷灯台7与芯棒间距，喷灯台7位置随疏松体直径增大向远离疏松体方向移动，保持喷灯和疏松体距离固定。
综上所述，在沉积过程中，实时采集疏松体重量，沉积区域疏松体的直径和喷灯火焰温度，芯棒5旋转的速度随疏松体的直径增大而降低，保持沉积面和火焰接触的点的线速度稳定，喷灯台7位置随疏松体直径增大向远离疏松体方向移动，保持喷灯和疏松体距离固定，通过控制单个喷灯8的燃气流量或氧气流量以改变不同时刻的温度，进而控制疏松体径向和轴向密度分布，通过不同区域直径改变硅量进而控制疏松体轴向均匀性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置，包括沉积壳体(1)，其特征在于：所述沉积壳体(1)的顶部安装移动机构(2)，所述移动机构(2)上固定安装旋转夹头(3)，所述旋转夹头(3)的底部连接引杆(4)，且引杆(4)与旋转夹头(3)间安装重力计(6)，所述引杆(4)的底部通过适配器安装芯棒(5)，所述沉积壳体(1)的一侧内壁固定安装喷灯台(7)，所述喷灯台(7)上固定安装多个喷灯(8)，所述沉积壳体(1)远离喷灯台(7)的一侧固定套接排风管(9)，所述沉积壳体(1)的外壁安装开合门(13)，且开合门(13)两侧的沉积壳体(1)上分别固定安装测距仪(15)和测温仪(16)。
2.如权利要求1所述的一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置，其特征在于：所述移动机构(2)包括安装板(21)和螺杆(22)，所述安装板(21)的两端均贯穿有螺杆(22)，所述螺杆(22)的底部固定连接沉积壳体(1)的顶面，所述安装板(21)的两端均转动卡接螺母套(23)，所述螺母套(23)通过螺纹结构套接在螺杆(22)上，所述安装板(21)的底部固定安装旋转夹头(3)，所述安装板(21)的顶面固定安装电机(24)，所述电机(24)的输出轴固定安装带轮(25)，所述带轮(25)与螺母套(23)间套接传动带(26)。
3.如权利要求2所述的一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置，其特征在于：所述螺母套(23)的外壁固定套接限位环(27)，所述限位环(27)与螺母套(23)形成“中”字型结构，所述限位环(27)转动卡接在安装板(21)内。
4.如权利要求1所述的一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置，其特征在于：所述喷灯(8)的数量大于等于十个，且多个喷灯(8)沿喷灯台(7)均匀分布，且喷灯(8)正对芯棒(5)的轴线，所述喷灯台(7)顶部和底部的喷灯(8)为非原料灯，其余喷灯(8)为原料灯，所述测温仪(16)正对喷灯(8)火焰与芯棒(5)上的沉积面交点，且测温仪(16)的数量与喷灯(8)的数量相同。
5.如权利要求1所述的一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置，其特征在于：所述排风管(9)靠近沉积壳体(1)的一端为喇叭状结构，所述排风管(9)上固定安装压力传感器(10)，所述压力传感器(10)为BA5803型气压传感器，所述喷灯台(7)两侧的沉积壳体(1)上开有多个进风口(11)，所述进风口(11)内固定安装防尘网。
6.如权利要求1所述的一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置，其特征在于：所述沉积壳体(1)的底板上固定安装固定筒(12)，所述固定筒(12)的轴线与引杆(4)的轴线重合，所述芯棒(5)的底部活动套接在固定筒(12)内。
7.如权利要求1所述的一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的装置，其特征在于：所述沉积壳体(1)上固定安装透明玻窗(14)，所述测距仪(15)固定安装在透明玻窗(14)上，且测距仪(15)中心正对芯棒(5)的轴线，所述测距仪(15)的数量大于等于3个。
8.一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、打开开合门(13)，将芯棒(5)通过适配器卡接在引杆(4)的底部，然后关闭开合门(13)，排风管(9)内设有排风机，通过排风机产生负压，使得外界空气从进风口(11)流入沉积壳体(1)内，并通过压力传感器(10)检测排风管(9)内气压，从而控制排风机功率，使得沉积壳体(1)内保持恒压状态；
S2、喷灯(8)将燃料气体以及物料喷入沉积壳体(1)内，并在芯棒(5)上生长疏松体，同时旋转夹头(3)带动芯棒(5)转动，电机(24)带动带轮(25)转动，从而使得传动带(26)同步带动两个螺母套(23)转动，则螺母套(23)沿螺杆(22)上移动，实现安装板(21)的升降，从而带动芯棒(5)上下往复移动；
S3、通过测距仪(15)测量疏松体与沉积壳体(1)内壁间距，从而得到疏松体的直径，根据疏松体直径控制旋转夹头(3)的转速，保证疏松体沉积面与喷灯(8)火焰间的线速度稳定，从而控制疏松体径向沉积均匀性，同时，根据调节疏松体上直径偏差较大的位置的喷灯(8)原料输送量，并通过测温仪(16)检测喷灯(8)火焰温度，从而调整燃料或氧气的流量来实现温度稳定，使得疏松体轴向均匀沉积；
S4、根据重力计(6)检测的疏松体重量，步骤S3得到的疏松体平均直径，沉积长度，从而确定疏松体密度，便于控制沉积的进程以及结束，沉积完成后，打开开合门(13)，从而将芯棒(5)取下。
9.如权利要求8所述的一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的方法，其特征在于：步骤S2中，所述安装板(21)的移动距离L与相邻喷灯(8)的间距M的关系为L＝A*M，其中，A为系数，设定为1.0-1.05。
10.如权利要求8所述的一种纵向OVD工艺沉积光纤预制棒的方法，其特征在于：步骤S3中，采集的疏松体直径为D1、D2、D3…Dn，则疏松体平均直径D＝(D1+D2+...+Dn)/n，所述旋转夹头(3)的转速
其中V为沉积面和火焰接触点的线速度，设定为45-90m/min，疏松体密度
其中，M为重力计测得的疏松体重量，h为沉积高度，沉积过程中，径向密度分布由内向外逐渐减小，疏松体整体平均密度在0.3-0.45g/cm3，在沉积至总趟数的20％时，疏松体平均密度在0.6-0.7g/cm3；在沉积至总趟数的50％时，疏松体平均密度在0.4-0.5g/cm3；在沉积至总趟数的80％时，疏松体平均密度在0.35-0.45g/cm3。
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