CN214218577U - 一种自动调整沉积速度匹配目标重量的ovd沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备，包括沉积箱体的工作台上对应布置的固定架和支撑架，在固定架上设置有用于固定芯棒的夹头杆；所述支撑架上设有用于实时监测芯棒重量的重力传感器；在工作台上安装有与重力传感器联系的沉积装置；所述沉积装置中的控制器根据重力传感器实时反馈的重量来匹配各轴次喷料量，该沉积装置包括通过出料管向喷灯提供原料的供料单元，所述出料管上安装有压差传感器。本发明创造提供的设备及方法，能有效提升预制棒的拉丝的综合合格率，并且，提升了OVD沉积设备的效率和沉积产能。

Description

一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备

技术领域

本发明创造属于OVD沉积设备技术领域，尤其是涉及一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备。

背景技术

OVD工艺是当前制备低水峰或零水峰单模光纤预制棒的最优秀的工艺方法之一，即外部气相沉积法。该工艺被国内外主流光纤预制棒生产厂商所广泛采用。OVD工艺制备的芯棒由芯层和光学包层两部分组成。OVD沉积设备主要包括化学气相反应及沉积腔体、气体喷灯平台、疏松体预制棒旋转机构、抽风系统、四氯化硅蒸发柜等五部分组成。四氯化硅蒸发柜主要包括料罐、加热棒、液位传感器、压力传感器、气动阀、加热单元、高温质量流量控制器等。液态四氯化硅在料罐内由加热棒加热后气化经由各阀门和管路进入喷灯。喷灯内喷吹的气体反应后产生的SiO₂粉尘粒子在气体初始速度和热泳作用下向疏松体预制棒运动，并粘附在疏松体预制棒的表面。喷灯平台通过丝杆的连动沿喷灯导轨来回运动，而预制棒本身被一个旋转轴承结构以一定的速度旋转。在以上工艺条件下将SiO₂微粒一层一层均匀的沉积在匀速旋转的母棒表面，最终形成圆柱状的预制棒疏松体。OVD技术作为生产预制棒包层的工艺具有得天独厚的技术优势，喷灯里喷吹的燃烧气体一般为CH4/O2，原材料气体为SiCl4。生成粉尘粒子的化学方程式包括：

SiCl₄+2H₂O→SiO₂+4HCl (2)

SiCl₄+O₂→2SiO₂+2Cl₂ (3)

2H₂O+2Cl₂→4HCl+O₂ (4)

化学气相反应及沉积腔体内的压力需要稳定控制，通过一个抽风和补风装置进行压力调节。

疏松体预制棒通过一根玻璃质的把棒固定在夹头上，夹头通过电机进行旋转。芯棒位于喷灯的正上方。喷灯平台通过丝杆进行前后和升降移动，随着预制棒外径不断变大，喷灯平台通过升降丝杆调节喷灯与疏松体预制棒的间距，平台平台同时丝杆进行前后匀速运动，进而获得密度和直径均匀的疏松体。每台设备可以沉积2根或者3根芯棒每批次，每根芯棒正下方有一组喷灯，每组喷灯2盏或者三盏喷灯，这种沉积设备每组喷灯的沉积速率略有差异，通过调节工艺配方可以改变每组喷灯的沉积速率。每根芯棒因光学参数和折射率剖面的不同，设计的理论外包层大小也有差异，因此每根芯棒的沉积目标重量也有较大的差异。所以每次沉积开始前需要经过大量的筛选芯棒平均直径相近的芯棒，再结合每台沉积设备近几个批次轴次之间的沉积重量差异来选择每个轴合适目标重量的芯棒，以保证沉积结束后每个轴的疏松体重量误差都在合格的范围内。若芯棒数量不足只能采用单根芯棒进行沉积，影响了设备产能和效率。当挑选芯棒不合适安排沉积，会导致疏松体实际重量和理论需求重量差异较大。若实际重量比理论需求的重量大，则需要烧结、退火结束后进行酸洗腐蚀处理，处理周期较长。若实际重量比理论需求的重量小，则没有挽救措施。导致拉丝截止波长和色散产生报废，而影响拉丝光纤的合格率。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备，可以根据各轴芯棒未完成的疏松体重量差异可以在线实时反馈并调整各轴喷灯喷料速度，进而实现可以同时安排芯棒直径差异大、芯棒目标直径有较大差异的三根芯棒同时在一台设备安排沉积，生产安排灵活度更高，局限性小。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备，包括沉积箱体的工作台上对应布置的固定架和支撑架，在固定架上设置有用于固定芯棒的夹头杆；

所述支撑架上设有用于实时监测芯棒重量的重力传感器；在工作台上安装有与重力传感器联系的沉积装置；

所述沉积装置中的控制器根据重力传感器实时反馈的重量来匹配各轴次喷料量，该沉积装置包括通过出料管向喷灯提供原料的供料单元，所述出料管上安装有压差传感器；

所述供料单元包括外料罐及外料罐内的内料罐；在内料罐中设有第一压力传感器、用于检测原料液体温度的第一温度传感器、用于检测原料蒸汽温度的第二温度传感器、以及用于对原料进行加热的加热棒；所述出料管上安装有第二压力传感器；

在外料罐底部设有出料口，内料罐底部设有能伸入出料口的顶针，在出料口上安装有进料管，该进料管上安装有第一控制阀。

进一步，所述出料管在靠近与外料罐连接的部分安装第二控制阀，在靠近与喷灯连接的部分安装有第三控制阀。

进一步，所述第二控制阀以及所述第三控制阀均采用气动阀。

进一步，所述出料管上安装有过滤器。

进一步，所述第一控制阀采用气动阀。

进一步，夹头杆由伺服电机驱动，该伺服电机与控制器电连接。

进一步，所述工作台上沿芯棒长度方向设有导轨，所述沉积装置的底座滑动安装在导轨上，通过驱动机构驱动底座在芯棒长度方向上往复运动。

相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：

本发明创造提供的设备及方法，能有效提升预制棒的拉丝的综合合格率。一方面，供料单元中采用新型的四氯化硅流量控制蒸发柜，四氯化硅的蒸汽均匀性和稳定性得到提升，沉积获得的SiO2颗粒的直径均匀性得到提升，预制棒疏松体的直径分布和密度分布更加均匀，烧结后的预制棒直径均匀性得到提高，减少了拉丝产生的丝径波动。另一方面，采用实时反馈的重量传感器和四氯化硅流量可实时调节的蒸发柜系统，把同一批次的预制棒实际重量，与理论需求重量的重量差异降到极地的水准，减少了拉丝的光学参数报废比例，因此，提升了预制棒的综合合格率。

另外，本发明创造提供的设备及方法，有效提升了OVD沉积设备的效率和沉积产能。采用本发明创造方案，打破了沉积需要严格挑选和把控芯棒直径的局限，现有技术中，芯棒目标重量差异较大时不能安排同一批次沉积，芯棒直径相差较多时也不能同时安排沉积，导致沉积设备有时仅能安排两根芯棒同时沉积，甚至只能单根芯棒沉积，严重影响了设备效率和产能。而通过本发明创造的优化，可以有效的提升OVD沉积设备的效率和单台设备的产能输出。

同时，本发明创造提供的设备及方法，有效提升OVD预制棒的沉积合格率。现有技术中，停机是由操作人员手动安排停机，本发明创造中可以实现当三个轴重量都达到100±1％，由控制器发出指令，设备自动结束工艺。减少了因人为操作失误而导致的异常停机和人为停机不合理而导致预制棒的重量误差较大。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造的结构示意图；

图2为本发明创造实施例中沉积装置部分的示意图。

附图标记说明：

1、伺服电机；2、夹头杆；3、芯棒；4、支撑架；5、喷灯；6、导轨；7、丝杆传动机构；8、第一控制阀；9、顶针；10、外料罐；11、内料罐；12、第一温度传感器；13、加热棒；14、第一压力传感器；15、第二温度传感器；16、过滤器；17、第二压力传感器；18、差压传感器；19-第二控制阀；20-第三控制阀。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备，如图1和图2所示，包括沉积箱体的工作台上对应布置的固定架和支撑架4，在固定架上对应每一芯棒3均设置有用于固定芯棒的夹头杆2；支撑架上对应每一芯棒也都设有用于实时监测芯棒重量的重力传感器；在工作台上安装有与重力传感器联系的沉积装置；本发明提供的沉积设备，可以根据各轴芯棒未完成的疏松体重量差异可以在线实时反馈并调整各轴喷灯喷料速度，进而实现可以同时安排芯棒直径差异大、芯棒目标直径有较大差异的三根芯棒同时在一台设备安排沉积。

所述沉积装置中的控制器根据重力传感器实时反馈的重量来匹配各轴次喷料量，该沉积装置包括通过出料管向喷灯5提供原料的供料单元，所述出料管上安装有压差传感器18。本发明创造中所指的控制器一般采用工业计算机或PLC设备，能实现相应的数据接收、分析数据、发出控制指令控制即可，本领域技术人员可以根据需要选用。

所述供料单元包括外料罐及外料罐10内的内料罐11；在内料罐中设有第一压力传感器14、用于检测原料液体温度的第一温度传感器12、用于检测原料蒸汽温度的第二温度传感器15、以及用于对原料进行加热的加热棒13；所述出料管上安装有第二压力传感器17；

在外料罐底部设有出料口，内料罐底部设有能伸入出料口的顶针9，在出料口上安装有进料管，该进料管上安装有第一控制阀。顶针为内料罐底部朝向的凸起，顶针伸入出料口时，可与出料口形成密封。一般，在上述出料管上安装有过滤器16，对原料进行过滤。

通常，夹头杆为铬钼合金钢材质，表面进行冷电镀防腐处理。喷灯为硬铝材质，表面进行冷电镀防腐处理。芯棒尾端支撑架为钛合金材质，表面经过冷电镀防腐处理。

上述出料管在靠近与外料罐连接的部分安装第二控制阀19，在靠近与喷灯连接的部分安装有第三控制阀20。

通常，上述第一控制阀采用气动阀。上述第二控制阀以及所述第三控制阀均采用气动阀。而夹头杆一般由伺服电机1驱动，该伺服电机与控制器电连接，由控制器(控制电脑)控制伺服电机动作，实现对夹头杆上芯棒转速的控制。

工作台上沿芯棒长度方向设有导轨6，所述沉积装置的底座滑动安装在导轨上，通过驱动机构驱动底座在芯棒长度方向上往复运动。通常，作为举例，驱动机构可选用丝杆传动机构7，能够带动底座来回运动即可，本领域技术人员可以根据实际需要设计驱动机构。

一种应用上述OVD沉积设备的沉积方法，具体方法为：

将芯棒一端通过夹头杆固定，另一端由重力传感器实时检测重量变化；将芯棒的棒号信息、芯棒的重量、芯棒沉积的目标重量输入控制器程序内，点火开始沉积，原料从供料单元供给至喷灯处；

点火开始沉积后，在伺服电机的驱动下，固定在夹头杆内的芯棒按照设定的转速开始旋转，在丝杆电机的驱动下，位于芯棒正下方的喷灯平台沿着导轨往复运动。

喷灯平台通过丝杆进行前后和升降移动，随着预制棒外径不断变大，喷灯平台通过升降丝杆调节喷灯与疏松体预制棒的间距，平台平台同时丝杆进行前后匀速运动，进而获得密度和直径均匀的疏松体。

沉积过程中，重力传感器实时检测各轴已完成疏松体的重量，并反馈至控制器，控制器通过各轴次的目标重量和已完成重量，计算出各轴已经完成目标重量的百分比；

利用芯棒的目标重量减去已经完成的疏松体重量，再结合当前的沉积速度，计算出各轴同时完成沉积重量的100％时，各轴所需的沉积四氯化硅流量，并反馈信息至控制器；进而由控制器实时调整对各轴的喷料速度；

重力传感器通过信号线(或无线)连接至控制器(控制电脑端)，重力传感器可以实时精确的检测到各轴已完成疏松体的重量，并反馈至控制电脑端，沉积电脑自动通过各轴次的目标重量和已完成重量，计算出各轴已经完成目标重量的百分比。

利用芯棒的目标重量减去已经完成的疏松体重量结合目前的沉积速度，计算出各轴同时完成沉积重量的100％时，各轴所需的沉积四氯化硅流量，并反馈信息至沉积电脑端。

供料单元中，沉积蒸发柜与控制器通过通讯线缆进行信号传输，本发明的蒸发柜在原有设备蒸发柜的基础上，在四氯化硅的料罐内部增加了两个温度传感器分别用于监测四氯化硅的液体温度和四氯化硅蒸汽温度，弃用高温质量流量计，蒸发柜通过调节被压传感器阀门和差压传感器阀门开合度来匹配沉积电脑计算得出的四氯化硅流量。

随着沉积时间延迟预制棒疏松体的外径逐渐增大，疏松体与喷灯的火焰距离逐渐缩短，因此喷灯平台按照沉积工艺设定的高度开始往下移动，各轴的预制棒疏松体因直径的差异导致各轴的沉积速度发生变化，重力传感器、沉积电脑主机、四氯化硅蒸发柜不断的进行信息传递和反馈，实时调整各轴的喷料速度以满足三个轴基本可以同时达到沉积理论需求重量的100％。

当三个轴次均接近理论需求重量的100％左右时，系统发出指令停止沉积，喷灯和尾灯流量逐渐降低为零，预制棒停止旋转，抽风缓慢降到零，沉积设备进入冷却阶段，冷却结束后将操作员操控机械手将疏松体从腔体去除，进行密度测试，测试结束后流转至烧结工序和退火工序。

在一个可选的实施例总，四氯化硅蒸发柜中设有数个料罐，每个四氯化硅料罐对应一个沉积轴。四氯化硅料罐分为内外两层，内料罐用于存储并加热液态四氯化硅，内料罐下部由顶针和进料管连接并配备气动阀，上部通过气动阀和出料管连接。内料罐里的液态四氯化硅通过加热棒进行加热，有两个温度传感器分别用于监测四氯化硅的液体温度和四氯化硅蒸汽温度，此外还有一个压力传感器检测内罐的四氯化硅蒸汽压力，通过加热棒的发热程度来维持四氯化硅的实际蒸汽压力与设定蒸汽压力的一致性。

外料罐高度一般要高于内料罐，主要起保护作用，防止液态四氯化硅逸出而产生危险。在沉积工艺过程中出料管的控制阀打开，内料罐的重力大于进料管的液体压力，则顶针下移，此时进料管的液体无法进入料罐，无需对内料罐补料。

随着沉积的进行，内料罐的液态料逐渐减少，进料管的压力大于内料罐的重力，顶针上移，进料管上的控制阀打开，开始缓慢的补料，因内料罐采用的是压力和温度双重控制，因此补料的过程不会对料罐的温度和压力产生明显的影响，保证了料罐内四氯化硅蒸汽的均匀性和稳定性。当料罐重力大于进料管液体压力，顶针下移停止补料。

上述重力传感器通过CDA冷却气体进行冷却，以防温度过高致传感器显示异常。另外，重力传感器优选采用耐高温型传感器，精确到小数点后三位，量程为150千克，可通过沉积砝码进行人工校准。

传统的OVD沉积设备一般采用两轴或三轴同时沉积，每次沉积开始前需要挑选芯棒直径相近的芯棒，结合上次沉积轴次之间的重量差异再从芯棒直径相近的芯棒中再次筛选出目标重量差异和上个沉积批次重量差异相近的芯棒安排沉积，当芯棒库存较小时，很难满足每台设备都有芯棒直径和目标重量都匹配的芯棒安排沉积，只能安排单根芯棒沉积。有些厂家试图通过把控芯棒参数和剖面的一致性来实现芯棒目标重量的可控性，但芯棒的光学参数和折射率剖面受芯棒制作喷灯位置、清洁度、喷灯角度、沉积环境温度等较多因素的影响很难实现参数的稳定。本发明从OVD沉积速率入手，打破芯棒直径和芯棒目标重量的限制，同时保证各轴疏松体的重量差异较小。

由于每根芯棒的光学参数和折射率剖面都有差异，所以芯棒的外包直径也有差异，此外芯棒直径的大小影响SiO2颗粒的附着面积，因此芯棒直径也会影响沉积速率。现有技术中，在每次沉积之前都要根据上个批次的沉积速率和轴次之间的重量差异来匹配芯棒以保证沉积结束后三根预制棒疏松体的重量都在100％左右，工作繁琐，尤其是芯棒比较少时，往往没法挑选合适的芯棒进行匹配，只能选取一根或者两根芯棒同时沉积，严重影响了沉积产能和设备效率。

而应用本发明创造提供的设备具体实施OVD沉积时，过程如下：

挂棒结束后，芯棒在伺服电机的驱动下按照设定的转速旋转，喷灯平台在传动丝杆的驱动下沿着导轨移动至芯棒方向。沉积前期喷灯仅提供氢氧焰对芯棒和沉积腔体进行预热，加热结束后，四氯化硅蒸发控制系统由离线状态转变为上线，液态SiCl4在内料罐内经过加热棒变为气态，加热的温度取决于蒸发罐设定的压力值，当内料罐的蒸气压到达设定值后，由压力传感器反馈信息至蒸发柜控制端，加热棒停止加热，当内料罐的压力的低于设定值时，加热棒开始加热，以维持料罐的蒸气压在设定压力值动态平衡。

气态SiCl4经由过滤器、差压传感器进入由加热带包裹的管路后通过喷灯的火焰燃烧形成SiO2颗粒附着于芯棒表层。SiCl4的流量由配方设定，由PLC通讯至四氯化硅蒸发控制系统通过调整差压传感器的开合度以达到配方设定值。

随着沉积时间的延长，预制棒疏松体的直径逐渐增大，预制棒疏松体的重量逐渐增大，喷灯缓慢下移，重力传感器测试的重量为疏松体重量的一半，结合疏松体的目标重量计算出每根疏松体重量完成百分比显示在沉积电脑界面。

通过芯棒尾端支撑重量传感器精准的反馈沉积疏松体的实际重量，计算出对应轴次的实时沉积速率，并根据未完成沉积的重量估算出每根疏松体达到目标重量所需的时间，以三个轴中剩余时间最短的轴次为基准，其他两个轴次分别用沉积剩余重量除以沉积最短时间，后台计算出两个轴所需的SiCl4流量，通过调整被压传感器、差压传感器的开合度以达到所需的SiCl4流量。

并且，随着沉积的继续根据重量传感器实时反馈的重量，不间断的来估算沉积所需时间，实时调整轴次所需的SiCl4流量。最终三根疏松体基本同时达到沉积重量的100％，沉积结束后三根芯棒的重量误差基本都为“0”。

本发明创造能有效提升预制棒的拉丝的综合合格率。

一方面，供料单元中采用新型的四氯化硅流量控制蒸发柜，四氯化硅的蒸汽均匀性和稳定性得到提升，沉积获得的SiO2颗粒的直径均匀性得到提升，预制棒疏松体的直径分布和密度分布更加均匀，烧结后的预制棒直径均匀性得到提高，减少了拉丝产生的丝径波动。

另一方面，采用实时反馈的重量传感器和四氯化硅流量可实时调节的蒸发柜系统，把同一批次的预制棒实际重量，与理论需求重量的重量差异降到极地的水准，减少了拉丝的光学参数报废比例，因此，提升了预制棒的综合合格率。

另外，本发明创造提供的设备及方法，有效提升了OVD沉积设备的效率和沉积产能。采用本发明创造方案，打破了沉积需要严格挑选和把控芯棒直径的局限，现有技术中，芯棒目标重量差异较大时不能安排同一批次沉积，芯棒直径相差较多时也不能同时安排沉积，导致沉积设备有时仅能安排两根芯棒同时沉积，甚至只能单根芯棒沉积，严重影响了设备效率和产能。而通过本发明创造的优化，可以有效的提升OVD沉积设备的效率和单台设备的产能输出。

同时，本发明创造提供的设备及方法，有效提升OVD预制棒的沉积合格率。现有技术中，停机是由操作人员手动安排停机，本发明创造中可以实现当三个轴重量都达到100±1％，由控制器发出指令，设备自动结束工艺。减少了因人为操作失误而导致的异常停机和人为停机不合理而导致预制棒的重量误差较大。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备，包括沉积箱体的工作台上对应布置的固定架和支撑架，在固定架上设置有用于固定芯棒的夹头杆；其特征在于：

所述支撑架上设有用于实时监测芯棒重量的重力传感器；在工作台上安装有与重力传感器联系的沉积装置；

所述沉积装置中的控制器根据重力传感器实时反馈的重量来匹配各轴次喷料量，该沉积装置包括通过出料管向喷灯提供原料的供料单元，所述出料管上安装有压差传感器；

所述供料单元包括外料罐及外料罐内的内料罐；在内料罐中设有第一压力传感器、用于检测原料液体温度的第一温度传感器、用于检测原料蒸汽温度的第二温度传感器、以及用于对原料进行加热的加热棒；所述出料管上安装有第二压力传感器；

在外料罐底部设有出料口，内料罐底部设有能伸入出料口的顶针，在出料口上安装有进料管，该进料管上安装有第一控制阀。

2.根据权利要求1所述的一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备，其特征在于：所述出料管在靠近与外料罐连接的部分安装第二控制阀，在靠近与喷灯连接的部分安装有第三控制阀。

3.根据权利要求2所述的一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备，其特征在于：所述第二控制阀以及所述第三控制阀均采用气动阀。

4.根据权利要求1所述的一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备，其特征在于：所述出料管上安装有过滤器。

5.根据权利要求1所述的一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备，其特征在于：所述第一控制阀采用气动阀。

6.根据权利要求1所述的一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备，其特征在于：所述夹头杆由伺服电机驱动，该伺服电机与控制器电连接。

7.根据权利要求1所述的一种自动调整沉积速度匹配目标重量的OVD沉积设备，其特征在于：所述工作台上沿芯棒长度方向设有导轨，所述沉积装置的底座滑动安装在导轨上，通过驱动机构驱动底座在芯棒长度方向上往复运动。

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