DE69922728T2

DE69922728T2 - Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung des Ablieferns von Dampf beim Herstellen von optische Vorformen

Info

Publication number: DE69922728T2
Application number: DE69922728T
Authority: DE
Inventors: Fred Paul Atlanta Partus
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: CN1231380A; JP3654494B2; EP0949212A1; JPH11320556A; EP0949212B1; DE69922728D1; US6161398A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Systeme für Dampfliefersteuerung. Insbesondere bezieht sich dasselbe auf die Steuerung des Konzentrationspegels von Dampf, der zu einer Aufdampfungsstelle geliefert wird, wo derselbe bei der Herstellung optischer Vorformen verwendet wird, von denen ein Lichtwellenleiter gezogen wird.
Hintergrund der Erfindung
Die Verwendung von Optikfaserkommunikationssystemen hat sich während den letzten Jahren wesentlich erhöht. Es ist wahrscheinlich, dass die Verwendung dieses Kommunikationsmodus in der Zukunft weiter ansteigt. Es ist nicht überraschend, dass Firmen, die an der Herstellung von Komponenten für diese Systeme beteiligt sind, fortlaufend Möglichkeiten suchen, ihre Kosten zu reduzieren. Ein Lösungsansatz ist das Verbessern der Effizienz der Handhabung von Materialien, die bei der Herstellung von optischen Vorformen beteiligt sind, von denen optische Fasern gezogen werden können.
Derzeit werden optische Vorformen in einer Anzahl von unterschiedlichen Prozessen hergestellt, die Aufdampfung als eine Materialbildungstechnik umfassen. Diese Prozesse werden verwendet, um optische Vorformen herzustellen, was ein sehr früher Schritt beim Herstellen von optischen Lichtwellenleitern ist. Ein solcher Prozess, der als modifizierter chemischer Dampfaufbringungsprozess (hierin nachfolgend MCVD) bekannt ist, ist beschrieben in J. B. MacChesney, „Materials and Processes for Preform Fabrications – Modified Chemical Deposition", Bd. 64, Proceedings of IEEE, Seiten 1.181 – 1.184 (1980).
Die Eingabe in den MCVD-Prozess umfasst allgemein ein Trägergas und Reaktantdämpfe, wie z. B. Germaniumtetrachlorid (GeCl₄), Siliziumtetrachlorid (SiCl₄) und Phosphor(V-) Oxidchlorid (POCI₃). Diese Reaktantdämpfe werden von Verdampfern geliefert, die allgemein als Aufdampfungsgasspüler bezeichnet werden und zu einer Aufdampfungsstelle weitergeleitet werden, wie z. B. einer Glassubstratröhre. Eine optische Vorform wird hergestellt durch aufeinander folgendes Erwärmen von Abschnitten der Substratröhre auf eine Temperatur in dem Bereich von 1.600°C bis 1.800°C, um die Dämpfe zur Reaktion zu bringen, während dieselben durch die Öffnung der Röhre fließen, und Aufdampfen derselben innerhalb der Substratröhre. Bei der Herstellung der Vorformen unter Verwendung der MCVD-Technik müssen die Reaktantdämpfe genau gemischt oder vermengt werden und mit gesteuerten Konzentrationspegeln zu der Substratröhre geliefert werden (im Gegensatz zu einem Brenner für andere Herstellungstechniken, der nachfolgend erörtert wird). Bisher wurde eine solche gesteuerte Zuführung erreicht durch Spülen eines Trägergases, wie z. B. Sauerstoff (O₂), Argon (Ar), Helium (He) und/oder Stickstoff (N₂), beispielsweise durch erwärmte Vorräte der Reaktantmaterialien in flüssiger Form in Gasspülern und dann zu der Aufdampfungsstelle mit den Dämpfen mitgeführt in den Trägergasen.
Typische umfasst ein Aufdampfungsgasspüler einen Behälter, in dem eine Trägergasaufnahmeleitung in einer Öffnung endet, die sich unterhalb der freien Oberfläche der Flüssigkeit befindet, die in demselben enthalten ist. Eine Auslassleitung liefert Fluidkommunikation zwischen dem Raum oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit und der Aufdampfungsstelle. Beispiele von Aufdampfungssystemen, die Gasspüler verwenden, sind diejenigen, die in den U.S.-Patenten Nr. 3,826,560 und 4,276,243 dargestellt sind.
Da ja der Dampf der Flüssigkeit, die in einem Aufdampfungsgasspüler enthalten ist, während der Aufdampfung abgezogen wird, fällt der Flüssigkeitspegel, es sei denn, der Gasspüler wird von einer Hilfsquelle nachgefüllt. Bei einigen Anwendungen haben Verringerungen bei dem Flüssigkeitspegel in dem Gasspüler geringe Auswirkungen. Bei anderen Anwendungen jedoch, wie z. B. bei Aufdampfungsprozessen, die bei der Herstellung optischer Faservorformen verwendet werden, können Schwankungen bei dem Flüssigkeitspegel einen nachteiligen Effekt haben, wie z. B. das Ändern des Konzentrationspegels des gelieferten Dampfes.
Die Verdampfungsrate hängt auch von mehreren anderen Faktoren ab, einschließlich der Flusscharakteristika des Trägergases, das durch die Flüssigkeit gespült wird. Beispielsweise hat die Größe der Blasen, während dieselben durch die Flüssigkeit aufsteigen, eine Auswirkung auf die Verdampfungsrate. Die Flussrate des Trägergases, das in den Gasspüler eingeführt wird, beeinträchtigt auch die Verdampfungsrate, wie auch die Verweildauer der Blasen, die selbstverständlich von der Tiefe abhängt, bei der das Trägergas eingeführt wird, und wiederum der Nachfüllrate der Flüssigkeit relativ zu der Verwendungsrate, wie es oben erörtert ist. Ein weiterer Faktor ist die Steuerung der Wärmeübertragung in den Gasspüler, die durch beträchtliche Änderungen bei der Flüssigkeitsmenge in dem Gasspüler beeinträchtigt wird. Obwohl es möglich ist, eine Heizsteuerung zu programmieren, um einige dieser Variablen zu berücksichtigen, während Änderungen bei dem Flüssigkeitspegel fortlaufend überwacht werden, ist dieser Lösungsansatz komplex und erfüllt die benötigte Steuerung für Dampflieferung nicht völlig.
Zusätzlich zu den oben aufgelisteten Verweisen wird das U.S.-Patent Nr. 4,235,829 erwähnt. Darin ist ein Dampfliefersystem gezeigt, das einen Aufdampfungsgasspüler umfasst, der angepasst ist, um aus einer Flüssigkeit, die in demselben und in einem Reservoir, das in Fluidkommunikation mit dem Gasspüler ist enthalten ist, Dampf zu erzeugen und zu liefern. Es sind Einrichtungen vorgesehen zum Erfassen des Flüssigkeitspegels, der in dem Gasspüler enthalten ist, und zum Liefern gasförmiger Druckhöhen in dem Reservoir von Größen, die von dem erfassten Flüssigkeitspegel abhängen. Der Flüssigkeitspegel in dem Gasspüler fällt, während Flüssigkeit verdampft wird und von dem Gasspüler entzogen wird, woraufhin der Pegel eingestellt wird durch Erhöhen der Druckhöhe in dem Reservoirs zum Zuführen von Flüssigkeit zu dem Gasspüler. Obwohl das System gut funktioniert, können Störungen in dem Aufdampfungsgasspüler, die durch einen Abfall des Flüssigkeitspegels und dann einen Anstieg aufgrund der Änderung des Drucks in dem Reservoir bewirkt werden, zu einem gewissen Ausmaß die Verdampfungsrate und somit den Konzentrationspegel des Dampfs nachteilig beeinträchtigen. Diese Pegeländerungen werden erhöht, während die Aufdampfungsrate und somit die Entziehungsrate des Dampfs erhöht werden.
Außerdem offenbart das gemeinschaftlich übertragene U.S.-Patent Nr. 4,276,243 ein ähnliches Dampfliefersystem, das die Temperatur der Flüssigkeit als die Eigenschaft verwendet, die überwacht und manipuliert wird, um den Konzentrationspegel bei dem gewünschten Wert zu steuern. Obwohl dieses System effektiv ist, führt die langsame Geschwindigkeit, mit der die Gesamttemperatur der Flüssigkeit geändert werden kann, insbesondere gekühlt werden kann, häufig zu einer unerwünschten Verzögerung beim Erreichen der gewünschten Konzentrationspegelkorrekturen.
Die Patentzusammenfassungen von Japan, Bd. 12, Nr. 450, 25. November 1988, und die JP 63176328 A offenbaren ein Dampfliefersteuersystem und ein Verfahren zum Steuern der Lieferung von Dampf einer Flüssigkeit an eine Aufdampfungsstelle. Das herkömmliche System führt eine Steuerung durch, um Rohmaterialgas bei einer konstanten Flussrate zuzuführen. Ein Ventil wird verwendet, um die Flussrate ansprechend auf Signale von einem Druckwandler zu variieren, um zu bewirken, dass das Ausgangssignal eines Wandlers gleich einem vorbestimmten Wert ist, wodurch ein erwünschter Flussratenpegel erzeugt wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dampfliefersteuersystem und ein Verfahren zum Steuern der Lieferung von Dampf einer Flüssigkeit an eine Aufdampfungsstelle zu schaffen, um den Konzentrationspegel des Trägergases und des Dampfes, der zu einer Aufdampfungsstelle geliefert wird, wie z. B. einer Substratröhre, die bei der Herstellung optischer Vorformen verwendet wird, genau und mit schneller Ansprechzeit zu steuern.
Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung sind ein Verfahren und System beschrieben zum Steuern der Lieferung von Dampf von einem Gasspüler, der einen Flüssigkeitsvorrat enthält, durch den ein Trägergas gespült wird und von dem Gasspülerdämpfe in einem Dampfstrom geliefert werden, der das Trägergas mitführt. Allgemein umfassen Ausführungsbeispiele der Erfindung das Verwenden des Gasdrucks, der den Gasspüler verlässt, als spezifische Charakteristik, die überwacht und gesteuert wird, um sicherzustellen, dass der Konzentrationspegel von Trägergas zu Dampf während dem Herstellungsprozess bei dem gewünschten Pegel beibehalten wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen das Einführen eines Konzentrationsdetektors in den Flussweg der Gasspülerdämpfe von dem Gasspüler, wobei der Ausgang des Konzentrationsdetektors in eine Konzentrationssteuerung eingegeben wird. Die Konzentrationssteuerung vergleicht den Konzentrationswert, der von dem Konzentrationsdetektor empfangen wird, mit einem gewünschten Konzentrationswert, der für das System bestimmt wird. Um alle Abweichungen zwischen den gemessenen und gewünschten Konzentrationspegeln zu korrigieren, aktiviert die Konzentrationssteuerung den Betrieb der Druckvariierungsvorrichtung, wie z. B. das Öffnen und/oder Schließen eines Ventils.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Andere Merkmale von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden von der folgenden detaillierten Beschreibung spezifischer Ausführungsbeispiele derselben in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Dampfliefersystems, das die Prinzipien dieser Erfindung umfasst; und
2 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Dampfliefersystems, das die Prinzipien dieser Erfindung umfasst.
Detaillierte Beschreibung
Allgemein umfassen Ausführungsbeispiele der Erfindung ein Dampfliefersystem für die Verwendung beim Herstellen einer optischen Vorform, von der optische Lichtwellenleiter gezogen werden. Das System ist entworfen, um einen Dampfstrom einer verdampfbaren Flüssigkeit zu liefern, die in einem Reservoir und in einem Verdampfungssystem enthalten ist. Das Reservoir kann ein Versandbehälter sein, der nicht permanent mit dem Dampfliefersystem verbunden sein muss. Ein Trägergas, wie z. B. Sauerstoff (O₂), Argon (Ar), Helium (He) und/oder Stickstoff (N₂) beispielsweise, wird durch die Flüssigkeit in dem Verdampfungssystem gespült, um zu bewirken, dass das Gas mit einem Dampf der Flüssigkeit mitgeführt wird und einer Aufdampfungsstelle zugeführt wird, wie z. B. einer Drehvorrichtung (nicht gezeigt) eines MCVD-Systems. Siehe hierfür beispielsweise das U.S.-Patent Nr. 4,217,027.
Obwohl der MCVD-Prozess hierin anfangs als Herstellungstechnik offenbart wird, die an der Aufdampfungsstelle zum Erzeugen eines optischen Produkts mit einer Kernregion und einer Umhüllungsregion verwendet wird, können andere bekannte Lösungsansätze, wie z. B. Axialaufdampfung (VAD; VAD = vapor axial deposition) und Außenaufdampfung (OVD; OVD = outside vapor deposition) auch von dem erfindungsgemäßen Aufdampfungssystem profitieren. Ein Funktionsunterschied ist jedoch, dass die Reaktantdämpfe sowohl während dem VADals auch dem OVD-Prozess zu einem Brenner geliefert werden, im Gegensatz zu einer Substratröhre während dem MCVD-Prozess.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung wird ein Druckwert oder eine andere Einrichtung zum Bewirken des Drucks in einer Ausgangsdampfleitung von dem Verdampfungssystem verwendet, um den Konzentrationspegel des Dampfs zu steuern, der in dem Trägergas mitgeführt wird, und um den gewünschten Konzentrationspegel beizubehalten, der für die letztendlich erzeugte optische Faser benötigt wird. Obwohl die bestimmten Einheiten, die verwendet werden, um die Konzentrationspegel zu beschreiben, nicht wesentlich ist, bezieht sich hierin der Konzentrationspegel der Zweckmäßigkeit halber auf die Molarkonzentration des Dampfes der Flüssigkeit und des Trägergases.
Wie es in 1 dargestellt ist, umfasst ein System gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Leitung 2, die eine Fluidkommunikation zwischen dem Reservoir 4 und dem Verdampfungssystem 10 liefert. Ein Ventil 6 ist in die Leitung 2 zwischen dem Reservoir 4 und dem Verdampfungssystem 10 eingefügt. Das Reservoir 4 ist abgemessen, um eine Kapazität zu haben, die mehrere Größenordnungen höher ist als die des Verdampfungssystems 10. Das Reservoir 4, das Verdampfungssystem 10 und die Leitung 2 sind aus einem Material aufgebaut, das wasser- und OH-undurchlässig ist, wie z. B. Glas oder Metall. Eine Gasaufnahmeleitung 8 erstreckt sich nach oben von der Oberseite des Reservoirs 4 durch einen Ventil- und Druckregler 9 zu einer Quelle (nicht gezeigt) komprimierten Gases, das das gleiche sein kann wie das Trägergas. Der Gasdruck wird nach Bedarf eingestellt, um entweder Flüssigkeit von dem Reservoir 4 zu dem Verdampfungssystem 10 zu übertragen oder um eine Reservoirdruckhöhe beizubehalten.
Als ein Beispiel einer Entwurfsanordnung eines Fluidübertragungssystems, das gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden kann, ist das Verdampfungssystem 10 so gezeigt, dass es einen Verdampfer in der Form eines Gasspülers 12 umfasst, der vorzugsweise ein Widerstandsheizelement 14 aufweist, das um die Außenoberfläche des Gasspülers 12 gehüllt ist. Eine Trägergasaufnahmeleitung 16 erstreckt sich von einer nicht gezeigten Druckgasquelle lateral in einen oberen Raum 22 einer temperaturgesteuerten Umhüllung 20 und durch eine Flusssteuereinheit 28. Es ist anzumerken, dass die Heizsteuerung eine herkömmliche Leistungssteuerung ist, wie z. B. eine herkömmliche 3-Mode-Leistungssteuerung.
Bei dem beispielhaften gezeigten Fluidübertragungssystem wird die Leitung 16 nach dem Übergang von der Flusssteuereinheit 28 durch eine Unterteilung 26 und durch einen unteren Raum 24 in der Umhüllung 20 nach unten gerichtet. Die Leitung 16 verlässt dann die Umhüllung 20 und erstreckt sich weiter nach unten in den Gasspüler 12 und endet mit einem unteren Auslass 18, der nahe der Unterseite eines Gasspülers 12 angeordnet ist. Eine Dampfstromleitung 30 erstreckt sich von einer Aufnahmeöffnung 32, die an der Oberseite des Gasspülers 12 angeordnet ist, nach oben in die temperaturgesteuerte Umhüllung 20. Als Folge der Verarbeitung in dem Verdampfungssystem 10 enthält die Ausgangsdampfstromleitung 30 Trägergas, das Dämpfe der Flüssigkeit mitführt, die zu der Aufdampfungsstelle, wie z. B. der Drehvorrichtung, übertragen werden sollen. Es sollte angemerkt werden, dass die Ausrichtung der Leitung 30 vorzugsweise vertikal ist, wenn dieselbe den Gasspüler 12 verlässt, so dass jede Verdampfung oder Aerosol, die in diesem Abschnitt der Leitung auftreten können, zurück in den Gasspüler sinkt. Außerdem sollte klar sein, dass zahlreiche Dampfstromleitungen, wie die Leitung 30, sich mit anderen nicht gezeigten Dampfstromleitungen von anderen Verdampfersystemen verbinden können, und dann aus der Umhüllung 20 zu einer ausgewählten Aufdampfungsstelle oder -station leiten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Druckwert in der Ausgangsdampfleitung 30 verwendet, um den Konzentrationspegel von Dampf zu steuern, der in dem Trägergas mitgeführt wird, und den gewünschten Konzentrationspegel beizubehalten, der für die letztendlich erzeugte optische Faser benötigt wird. Wie es dargestellt ist, erstreckt sich die Leitung 30 nach oben und aus dem Verdampfungssystem 10 und in die temperaturgesteuerte Umhüllung 20. Ein Ventil 34 und ein Konzentrationspegeldetektor 36 werden in den Teil der Leitung 30 eingeführt, der in die temperaturgesteuerte Umhüllung 20 eingeordnet ist. Der Konzentrationspegeldetektor 36 stellt das Verhältnis von verdampfter Flüssigkeit zu Trägergas sicher und überträgt dieses Verhältnis oder diesen Konzentrationspegel zu einer Konzentrationspegelsteuerung 38. Es ist wichtig, anzumerken, dass der Konzentrationspegeldetektor 36 entweder auf der Niederdruckseite oder der Hochdruckseite des Ventils 34 angeordnet sein kann, und trotzdem gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung noch effektiv sein kann, da die Prinzipien des idealen Gasverhaltens allgemein auf die hierin beschriebene Dampf-/Trägergasmischung angewendet werden können.
Die Konzentrationspegelsteuerung 38 vergleicht den gemessenen Wert mit einem Zielwert für die Dampfmenge, die in einer bestimmten Menge an Trägergas mitgeführt wird. Der Zielkonzentrationspegel kann auf der Basis der Leistungsfä higkeitskriterien erstellt werden, die für die letztendliche optische Faser gewünscht sind, die von der optischen Vorform gezogen werden soll, die aus einem Aufdampfungsprozess hergestellt wird, der das erfindungsgemäße Dampfliefersystem verwendet. Es sollte jedoch klar sein, dass gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung statt dem direkten Messen des tatsächlichen Konzentrationspegels ein anderer Parameter gemessen werden kann, der verwendet werden kann, um den Konzentrationspegel sicherzustellen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen das Prinzip, dass eine Druckänderung in der Dampfleitung 30 zu einer Änderung des Konzentrationspegels des Trägergases führt, das den Dampf der Flüssigkeit mitführt, die in der Leitung 30 vorliegt. Auf der Basis dieses Prinzips verwendet ein Ausführungsbeispiel der Erfindung das Ventil 34 als eine Einrichtung zum steuerbaren Variieren des Drucks in der Leitung 30, um den Konzentrationspegel gleich dem anvisierten oder gewünschten Konzentrationspegel zu halten.
Der Konzentrationspegel der Mischung von Dampf zu Trägergas ist proportional zu dem Dampfdruck der Flüssigkeit, dividiert durch den Gesamtdruck der Mischung. Dies kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:
wobei P_v den tatsächlichen Dampfdruck der Flüssigkeit darstellt und P_total den Druck der gesamten Mischung von Trägergas und mitgeführtem Dampf darstellt, beide bei den gegebenen Umgebungsbedingungen, d. h. Temperatur und Druck, bei denen das System arbeitet.
Das Ventil 34 liefert die Fähigkeit, den Druck des Dampf mitführenden Trägergases zu variieren, das durch die Leitung 30 fließt, P_total. Genauer gesagt, das weitere Öffnen des Ventils 34 reduziert den Druck in der Leitung 30 und erhöht den Konzentrationspegel der Mischung aus Dampf und Trägergas, bis schließlich die Aufdampfungsstelle erreicht wird. Andererseits bewirkt das Schließen des Ventils 34, dass sich der Druck des Dampf mitführenden Trägergases erhöht, das durch die Leitung 30 fließt, um dadurch dazu beizutragen, dass sich der Konzentrationspegel der Mischung von Dampf und Trägergas, der schließlich die Aufdampfungsstelle erreich, verringert.
In einem geschlossenen oder statischen System ist der Dampfdruck nur eine Funktion der Temperatur. In einem offenen oder dynamischen System, wie z. B. dem hierin beschriebenen Dampfliefersystem, ist der Dampfdruck über der Flüssigkeit auch eine Funktion der Trägergasflussrate. Um daher den Konzentrationspegel bei einem gewünschten Wert beizubehalten, kann entweder die Flüssigkeitstemperatur und/oder der gesamte Druck über der Flüssigkeit manipuliert werden, um den Konzentrationspegel zu steuern. Wie es oben angemerkt wurde, versucht das U.S.-Patent 4,276,243 den gewünschten Konzentrationspegel durch Manipulieren der Temperatur der Flüssigkeit beizubehalten. Ausführungsbeispiele der Erfindung erreichen eine schnellere Antwort durch Verwenden des Drucks des Dampf mitführenden Trägergases, das durch die Leitung 30 fließt, um den gewünschten Konzentrationspegel beizubehalten.
Als Folge von Ausführungsbeispielen der Erfindung können viele der Überlegungen, die zu einem unerwünschten Konzentrationspegel führen können, durch Nachverdampfungseinstellungen vermieden oder korrigiert werden. Einige der Überlegungen und/oder Aspekte, die nachteilige Effekte auf den Betrieb eines Dampfliefersystems haben, umfassen Änderungen bei 1) der Flussrate des Trägergases durch das Verdampfungssystem, 2) des Umgebungsbarometerdrucks, 3) der Temperatur der Flüssigkeit und 4) dem Abwärtsdruck und Temperaturstörungen (d. h. möglicherweise aufgrund der Einführung von mehr Chemikalien in das System, was zu einem höheren Gegendruck führt).
Eine weitere Erörterung einiger der verbleibenden Elemente eines Dampfliefersystems gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nachfolgend adressiert. Allgemein umfasst die Flusssteuereinheit 28 eine Flussratensensor. Ein im Handel erhältlicher Flussratensensor verwendet das Prinzip, dass der Temperaturanstieg eines Gases bei einem relativ konstanten Druck eine Funktion der hinzugefügten Wärmemenge, der Massenflussrate und anderen Eigenschaften des Gases ist. Konstante Leistung wird an die Sensoreinheit geliefert, die eine Widerstandsänderung erfährt, wenn Gas durch dieselbe fließt. Ein vorgeschalteter Sensor wird bei einer höheren Rate gekühlt als ein nachgeschalteter Sensor, was ein Brückenungleichgewicht liefert. Der Brückenausgang kann dann mit tatsächlichen Gasflüssen kalibriert werden, die mit einer Standardvorrichtung überwacht werden, wie z. B. einem Brooks-Volumeter. Eine detailliertere Erklärung dieser Flussratensensortypen wird in der vorher erwähnten U.S.-Patentanmeldung 4,276,243 gegeben.
Bezüglich der Einzelheiten des Konzentrationsdetektors 36 sollte angemerkt werden, dass eine Brückenschaltung, auf die unmittelbar oben Bezug genommen wurde und die in dem U.S.-Patent 4,276,243 näher beschrieben wird, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung annehmbar ist. Außerdem beschreibt das ebenfalls übertragene U.S.-Patent 5,051,096 einen alternativen Konzentrationsdetektortyp, der gleichermaßen zum Implementieren der neuartigen Aspekte von Ausführungsbeispielen der Erfindung geeignet ist.
Beim Betrieb wird das Reservoir 4 teilweise mit Flüssigchemikalien gefüllt, die durch Aufdampfung an einer nicht gezeigten Aufdampfungsstation aufgedampft werden sollen, wie z. B. wo eine Faseroptikvorform oder ein Faseroptikstab aufgebaut werden soll. Wie es in 1 gezeigt ist, kann das Reservoir 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin- dung an der gleichen Höhe befestigt sein wie der Gasspüler 12. Als Folge fließen die Flüssigchemikalien von dem Reservoir durch die Leitung 2 in den Gasspüler, bis der Oberflächenpegel der Flüssigkeit in dem Gasspüler 12 gleich dem Oberflächenpegel der Flüssigkeit in dem Reservoir ist. Dann wird ein Gas unter Druck durch die Leitung 8 in das Reservoir 4 eingeführt, um einen gewünschten Pegel für die Oberfläche der Flüssigkeit in dem Gasspüler 12 herzustellen. Alternativ könnte das Reservoir 4 bei einer anderen Höhe von dem Gasspüler 12 sein, und ein Ventil 6 könnte verwendet werden, um den Flüssigkeitsfluss in den Gasspüler 12 von dem Reservoir 4 zu steuern.
Mit dem gewünschten Flüssigkeitspegel in dem Gasspüler 12 wird das Trägergas, das wie vorher erwähnt Sauerstoff (O₂), Argon (Ar), Helium (He) und/oder Stickstoff (N₂) sein kann, durch die Flusssteuerung 28 und durch das Verdampfungssystem 10 eingeführt und durch die Flüssigkeit nach oben gespült. Da die Flüssigkeit in dem Gasspüler 12 im wesentlichen konstant gehalten wird, wird die Anstiegszeit und Größe der Blasen durch die Größe des Auslasses 18 der Leitung 16 voreingestellt. Sowohl der Oberflächenbereich als auch der Zeitpunkt, wenn die Blasen des Trägergases der Flüssigkeit ausgesetzt werden, während das Gas zu der Oberfläche steigt, ist ebenfalls vorbestimmt. Dämpfe diffundieren somit in die Blasen selbst und besetzen auch den Raum oberhalb der Flüssigkeit in dem Gasspüler 12. Verdampfung tritt auch an der Oberfläche der Flüssigkeit auf. Es sollte angemerkt werden, dass gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung das Verdampfungssystem 10 nicht von dem Gasspülertyp sein muss.
Schließlich trägt das Trägergas die Dämpfe aus dem Gasspüler 12 durch die Einlassöffnung 32 der Leitung 30 und dann nach oben durch die Leitung 30 zu dem Konzentrationspegeldetektor 36, wie es oben beschrieben ist. Sobald die Konzentrationspegel entsprechend eingestellt und gesteuert sind, kann die Mischung aus Dämpfen und Trägergas in der Leitung 30 mit Gasen und anderen Dämpfen von anderen nicht gezeigten Verdampfern gemischt werden.
Zusätzlich zu einem Verdampfungssystem mit einem einzigen Gasspüler, wie es oben beschrieben ist und in 1 gezeigt ist, umfasst ein in 2 dargestelltes alternatives Ausführungsbeispiel eine Doppelgasspüleranordnung. Wie es in 2 ersichtlich ist, umfasst ein Gasspülersystem 126 bei dem Doppelgasspülerausführungsbeispiel einen Zuführgasspüler 140 und einen Aufdampfungsgasspüler 160, der vorzugsweise kleiner ist als der Zuführgasspüler 140. Eine Trägergasaufnahmeleitung 148 erstreckt sich von einer nicht gezeigten Druckgasquelle in eine temperaturgesteuerte Kammer 150 und durch die Flusssteuerungs- und Sensoreinheit 128 in derselben. Die Flusssteuerungs- und Sensoreinheit 128 umfasst einen Flussratensensor für das Trägergas. Siehe beispielsweise U.S.-Patent Nr. 4,276,243.
Nachdem dieselbe durch die Einheit 128 verläuft, wird die Leitung 148 nach unten aus der Kammer 510 und in den Zuführgasspüler 140 gerichtet, und endet in einem unteren Einlass 154, vorzugsweise benachbart zu der Unterseite des Zuführgasspülers 140. Der Einlass 154 kann ein Glasfrittebauglied umfassen, das wirksam ist, um relativ kleine Blasen zu erzeugen, um das Spülen des Trägergases zu verbessern. Eine Dampfstromleitung 156 erstreckt sich von einer Aufnahmeöffnung 158, die benachbart zu der Oberseite des Zuführgasspülers 140 angeordnet ist, nach oben in den Aufdampfungsgasspüler 160. Die Leitung 156 endet in einem Auslass 162 benachbart zu der Unterseite des Aufdampfungsgasspülers 160.
Durch die Oberseite des Aufdampfungsgasspülers 160 erstreckt sich eine Dampfstromleitung 170. Dieselbe erstreckt sich von einer Aufnahme 168 entlang einer Leitung 170 in eine temperaturgesteuerte Kammer 150. Wie es bezüglich des Einzelgasspülerausführungsbeispiels beschrieben wurde, umfassen Ausführungsbeispiele der Erfindung die Nutzung eines Ventils 180 und eines Konzentrationspegeldetektors 182, der in der Leitung 170 positioniert ist, in Verbindung mit der Konzentrationssteuerung 184, um den Druck in der Leitung zu manipulieren, um den Konzentrationspegel der Mischung aus Trägergas und Dampf, die den Aufdampfungsgasspüler 160 verlässt, einzustellen. Der Betrieb dieser Komponenten ist bei dem Doppelgasspülerausführungsbeispiel, wie es oben näher beschrieben ist, identisch wie bei dem Einzelgasspülerausführungsbeispiel, daher wird an diesem Punkt keine weitere Erörterung geliefert.
Beim Betrieb ist ein Flüssigversandbehälter, der als Reservoir 124 dienen kann, mit einer Leitung 132 verbunden, mit einem Ventil 133, das in der Aus-Position ist. Der Versorgungs- und der Verdampfungsgasspüler 140 bzw. 160 werden einzeln durch Öffnen des Ventils 133 und Öffnen und Schließen des Ventils 174, und dann Öffnen des Ventils 172 gefüllt. Danach wird das Ventil 133 geschlossen. Dann wird ein Ventil 136, das in einer Leitung 134 angeordnet ist, geöffnet, um zu bewirken, dass ein unter Druck stehendes Gas in das Reservoir 124 eindringt.
Die Heizelemente 142 und 163 werden verwendet, um die Temperatur der Flüssigkeit in dem Versorgungs- bzw. Aufdampfungsgasspüler 140 bzw. 160 zu steuern, um Flüssigkeit darin zu verdampfen. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, das als temperaturgesteuert gekennzeichnet ist, werden Signale, die der Temperatur entsprechen, die durch die Sensoren 146 bzw. 166 erfasst wird, an Eingangsanschlüsse der Heizsteuerungen 145 bzw. 165 geliefert. Die Heizsteuerungen sind herkömmliche Leistungssteuerungen, wie z. B. eine herkömmliche 3-Moden-Leistungssteuerung. Jede Steuerung verwendet eine Temperatureingabe zum Berechnen eines Ausgangs, der den Stromfluss zu einem der Gasspülerheizelemente steuert.
Ein Trägergas, das wie es oben angemerkt wurde, beispielsweise Sauerstoff (O₂), Argon (Ar), Helium (He) und/oder Stickstoff (N₂) sein kann, fließt in die Flusssteuerungs- und Sensoreinheit 128. Das Signal von dem Trägergasflussratensensor (nicht gezeigt) der Flusssteuerungs- und Sensoreinheit 128 wird mit einem Sollwert verglichen. Ein Ausgangssignal wird verstärkt und zu einem Ventil (nicht gezeigt) gerichtet, das in der Eingangsleitung 148 positioniert ist, um den Fluss des Trägergases zu steuern.
Das Trägergas wird entlang der Leitung 148 in den Zuführgasspüler 140 eingeführt, unter einer freien Oberfläche desselben, um zu bewirken, dass Dampf der Flüssigkeit mit dem Trägergas mitgeführt wird. Dann fließt das Dampf mitführende Trägergas von dem Zuführgasspüler entlang der Leitung 156 in die Flüssigkeit in dem Aufdampfungsgasspüler 160 und aus dem Aufdampfungsgasspüler 160 zu der Aufdampfungsstelle. Die Einführung des Trägergases in die Flüssigkeit in dem Zuführgasspüler 140 und dem Aufdampfungsgasspüler 160 bewirkt, dass sich Blasen bilden und zu der Flüssigkeitsoberfläche steigen.
Die Aufdampfungsrate kann beeinträchtigt werden durch die Temperatur der Flüssigkeit, die Größe der Blasen und die Verbleibzeit der Blasen in der Flüssigkeit. Die Menge an Flüssigkeit in dem Zuführgasspüler 140 ist ausreichend, um eine ausreichende Temperatursteuerung zu ermöglichen, so dass das Trägergas teilweise mit Dampf gesättigt ist, wenn es den Zuführgasspüler verlässt. Die Menge an Flüssigkeit und die Temperatur werden im allgemeinen beibehalten, um zu bewirken, dass der Dampf in dem Ausfluss von dem Zuführgasspüler vorzugsweise etwa 90 bis 110% der Gesamtdampfmenge ist, die in dem Trägergas mitgeführt wird und aus dem Aufdampfungsgasspüler zu der Aufdampfungsstelle fließt. Bei 100% Ausfluss von dem Zuführgasspüler ändert sich der Flüssigkeitspegel in dem Aufdampfungsgasspüler nicht.
Die Verwendung von zwei Gasspülern ermöglicht, dass einer, der Zuführgasspüler 140, als ein Grobbeitragsgasspüler wirkt, während der Aufdampfungsgasspüler 160 verwendet wird, um die Dampfmenge abzugleichen oder feinabzustimmen. Aufgrund des relativ kleinen Nettodampfausflusses, d. h. der Ausfluss ist geringer als der Einfluss, der durch die Flüssigkeit in dem Aufdampfungsgasspüler 160 geliefert wird, fällt oder steigt der Flüssigkeitspegel in diesem Gasspüler während einem Vorformherstellungsverlauf nur leicht und bleibt für Rückkopplungszwecke im wesentlichen konstant. Als Folge werden unbeabsichtigte Störungen in dem Aufdampfungsgasspüler 160 verhindert und nachteilige Effekte auf die Rückkopplung werden minimiert.
Typischerweise ist die Differenz zwischen dem Ausfluss und Einfluss von Dampf in den Aufdampfungsgasspüler 160 relativ klein und kann mit Temperatur gesteuert werden. Zusätzlich zu solchen Temperaturmanipulationen zum Übertragen von Materialien zwischen dem Reservoir und/oder den Gasspülern kann das Ventil 174 verwendet werden, um direkt zusätzliche Flüssigkeit in den Aufdampfungsgasspüler einzuführen. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass das Einbringen neuen Materials, das eine andere Temperatur hat als dasjenige, das sich bereits in dem Gasspüler befindet, zu Temperaturstörungen führen kann.
Der Flüssigkeitspegel in dem Zuführgasspüler 140 ist zumindest bei einem Pegel, so dass die Flüssigkeitsmenge in dem Zuführgasspüler 140 ausreichend ist, um eine Temperatursteuerung über die Flüssigkeit darin zu ermöglichen, die geeignet ist für die Steuerung der Massenstromrate von Dampf in und aus dem Aufdampfungsgasspüler. Die Massenstromrate in Einheiten von Gramm pro Minute ist beispielsweise das Produkt der Konzentration in Gramm pro Kubikzentimeter und des Volumenstroms in Kubikzentimetern pro Minute. Wenn die Massenstromrate von Dampf in den Aufdampfungsgasspüler nur etwas geringer ist als die Massenstromrate von Dampf von demselben, wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Flüssigkeitspegel in dem Aufdampfungsgasspüler 160 beinahe konstant beibehalten, d. h. innerhalb etwa +/– 1 Zoll des Zielpegels. Falls der Flüs sigkeitspegel in dem Zuführgasspüler 140 so niedrig ist, dass das Heizelement 142 nicht wirksam ist, um eine geeignete Temperatursteuerung der Flüssigkeit darin zu liefern, tritt ein stärkeres Ungleichgewicht der Massenströme in und aus dem Aufdampfungsgasspüler 160 auf. Da weniger Dampf in dem Zuführgasstrom 140 mitgeführt wird, erhöht sich der Nettodampfausfluss von dem Aufdampfungsgasspüler 160 vielleicht wesentlich. Als Folge dieser Störungen in dem Aufdampfungsgasspüler 160 ändert sich der Konzentrationspegel des gelieferten Dampfes und beeinträchtigt dadurch nachteilig die Aufdampfung in der optischen Vorform.
Vorteilhafterweise sind derzeit verwendete Versandbehälter der Flüssigkeiten, die bei dem Aufdampfungsprozess verwendet werden, ausreichend groß, so dass dieselben verwendet werden können, um den Zuführgasspüler 140 bei einer Mehrzahl von Gelegenheiten mit Flüssigkeit zu füllen, die für einen Vorformherstellungsdurchgang ausreichend ist. Sobald der Zuführgasspüler 140 gefüllt ist und das Ventil 133 geschlossen ist, wird folglich der Betrieb für den Vorformherstellungsdurchgang fortgesetzt und es gibt keinen Bedarf, das Ventil 133 erneut zu öffnen. Ferner kann der Versandbehälter an dem Ventil 133 von dem Gasspülersystem getrennt werden und verwendet werden, um anderer Gasspülersysteme zu füllen. Die gestrichelte Linie 175 in 2 wird verwendet, um anzuzeigen, dass das Reservoir 124 kein permanenter Teil des Systems 120 sein muss.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen es, dass Echtzeiteinstellungen an dem Konzentrationspegel des Dampf mitführenden Trägergases in der Leitung gemacht werden, die den Aufdampfungsgasspüler verlässt. Diesbezüglich gibt es weniger Bedarf zur Verwendung komplexer Techniken, um zu versuchen, die relativen Temperaturen der Flüssigkeit in einem der Gasspüler und/oder der Reservoirs zu steuern, als ein Verfahren zum Beibehalten des darin gewünschten Flüssigkeitspegels. Solange es ausreichend Flüssigkeit gibt, um die gewünschte Mitführung von Dampf in dem Trägergas zu erreichen, erfordern Ausführungsbeispiele der Erfindung statt dessen keine Manipulation des/der Flüssigkeitspegel und/oder Temperatur (en) während der Zeit, in der das Material tatsächlich von dem Verdampfungssystem zu einer Aufdampfungsstelle übertragen wird. Daher ist es zumindest ein Vorteil, den Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zu bestehenden Dampfliefersystemen haben, dass die Flüssigkeitspegel in jedem der Gasspüler und Reservoirs nur vor dem Beginn eines Aufdampfungsherstellungslaufs oder -durchgangs eingestellt werden müssen, und dann während der Dauer dieses Aufdampfungsdurchgangs so gelassen werden können. Im Gegensatz dazu führen bestehende Dampfliefersysteme während einem Aufdampfungsdurchgang eine zusätzliche Flüssigkeit in die Gasspüler ein, und als Folge davon, dass die Flüssigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen sind, bewirkt wird, dass die Konzentrationspegel der Materialien, die schließlich das Verdampfungssystem verlassen, nachteilig beeinträchtigt sind.
Es sollte jedoch klar sein, dass einige der bekannten Techniken, die verwendet werden, um Flüssigkeitspegel herzustellen und beizubehalten, auch in Verbindung mit Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden können, um den/die Gasspüler vor jedem Aufdampfungsablauf zu füllen. Insbesondere kann das System 120 eine Rückkopplungsschleife umfassen, die das Ventil 133 und ein Paar von Detektoren 176 und 178 umfasst, wie z. B. Photodetektoren, die benachbart zu der Außenseite des Zuführgasspülers befestigt sind. Siehe beispielsweise das vorher identifizierte U.S.-Patent Nr. 4,235,829. Während der Pegel des Flüssigkeitszuführgasspülers 140 fällt, kann derselbe einen Pegel erreichen, der mit dem Detektor 178 bei einem niedrigen Pegel für den Zuführgasspüler ausgerichtet ist.
Allgemein ist ein elektrisches Signal, das durch einen der Detektoren erzeugt wird, funktional verwandt mit dem Flüssigkeitspegel in dem Zuführgasspüler 140. Sollte der Flüssigkeitspegel in dem Zuführgasspüler 140 unter den Detektor 178 fallen, wird ein Signal an das Ventil 133 geliefert, das mit Energie versorgt wird, um geöffnet zu werden und es der Flüssigkeit 122 in dem Reservoir unter einer Druckhöhe zu ermöglichen, durch das offene Ventil 172 in den Zuführgasspüler 140 bewegt zu werden. Wenn der Flüssigkeitspegel in dem Zuführgasspüler 140 auf den Pegel des Detektors 176 ansteigt, wird ein weiteres Signal an das Ventil 133 geliefert, um zu bewirken, dass dasselbe geschlossen wird, wodurch der Flüssigkeitsfluss in dem Zuführgasspüler 140 unterbrochen wird. Wie es oben angemerkt wurde, sollte klar sein, dass, falls solche Temperaturmanipulationen während einem Aufdampfungsverlauf verwendet werden, um die Flüssigkeitspegel zu steuern, unerwünschte Temperaturgradienten auftreten können (da die neu eingeführte Flüssigkeit eine andere Temperatur haben kann als diejenige, die bereits in dem Gasspüler ist) und zu Trägergasflussstörungen führen können.
Es ist klar, dass die oben beschriebenen Anordnungen nur darstellend für die Erfindung sind. Andere Anordnungen, die die Prinzipien der Erfindung umfassen und in die Wesensart und den Schutzbereich derselben fallen, können durch Fachleute auf diesem Gebiet entwickelt werden.

Claims

Ein Dampfliefersteuersystem, das einen Dampf einer Flüssigkeit an eine Aufdampfungsstelle liefert, das folgende Merkmale umfasst: einen Verdampfer (12), der eine Menge der Flüssigkeit enthält und der eine Zustandsänderung einführt, um zumindest einen Teil der Flüssigkeit zu Dämpfen zu transformieren; eine Vorrichtung (16), die ein Trägergas in den Verdampfer einbringt; und einen Fluidkommunikationsweg (30) zwischen dem Verdampfer und der Aufdampfungsstelle, der Trägergas, das mit Dämpfen der Flüssigkeit mitgeführt wird, zu der Aufdampfungsstelle überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass das System ferner folgende Merkmale umfasst: einen Detektor (36), der in dem Fluidkommunikationsweg angeordnet ist, der eine Charakteristik misst, die verwendet werden kann, um den Konzentrationspegel des Dampfs der Flüssigkeit in dem Trägergas festzustellen, eine Konzentrationssteuerung, die den festgestellten Konzentrationspegel mit dem gewünschten Konzentrationspegel einer Mischung des Trägergases, das mit dem Dampf der Flüssigkeit mitgeführt wird, vergleicht, und eine Vorrichtung (38), die den Druck in dem Fluidkommunikationsweg auf eine Weise steuert, die einen ge wünschten Konzentrationspegel des Dampfs der Flüssigkeit in dem Trägergas beibehält.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Vorrichtung, die den Druck in dem Fluidkommunikationsweg variiert, ein Ventil ist, das in dem Fluidkommunikationsweg angeordnet ist.
Das System gemäß Anspruch 2, bei dem der Konzentrationsdetektor an der Niederdruckseite des Ventils angeordnet ist, das in dem Fluidkommunikationsweg angeordnet ist.
Das System gemäß Anspruch 2, bei dem der Konzentrationsdetektor an der Hochdruckseite des Ventils angeordnet ist, das in dem Fluidkommunikationsweg angeordnet ist.
Das System gemäß Anspruch 2, bei dem der Verdampfer ferner folgende Merkmale umfasst: einen Aufdampfungsgasspüler, der eine Menge einer Flüssigkeit enthält und der in Fluidkommunikation mit der Aufdampfungsstelle ist; einen Zuführgasspüler, der eine Menge der Flüssigkeit enthält und der in Fluidkommunikation mit dem Aufdampfungsgasspüler ist.
Das System gemäß Anspruch 5, das ferner ein Heizsystem umfasst, das die Temperatur der Flüssigkeit in dem Aufdampfungsgasspüler relativ zu der der Flüssigkeit in dem Zuführgasspüler steuert.
Ein Verfahren zum Steuern der Lieferung von Dampf einer Flüssigkeit an eine Aufdampfungsstelle, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Verwenden eines Gasspülers, der eine Menge der Flüssigkeit enthält und der in Fluidkommunikation mit der Aufdampfungsstelle ist; Verdampfen eines Teils der Flüssigkeit in dem Gasspüler; und Einführen eines Gases in den Gasspüler zum Bewirken, dass Dampf der Flüssigkeit in dem Gas mitgeführt wird und von dem Gasspüler zu der Aufdampfungsstelle fließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die Schritte des Erfassen des Konzentrationspegels von Dampf der Flüssigkeit in dem Trägergas umfasst; Vergleichen des erfassten Konzentrationspegels mit einem gewünschten Dampfkonzentrationspegel der Flüssigkeit in dem Trägergas; und Steuern des Drucks zwischen dem Gasspüler und der Aufdampfungsstelle zum Bewirken, dass der Konzentrationspegel des Dampfs der Flüssigkeit in dem Trägergas geregelt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem das Erfassen des Konzentrationspegels des Trägergases und des Dampfs der Flüssigkeit auftritt, bevor der Fluidfluss das Ventil in Eingriff nimmt, das zwischen dem Gasspüler und der Aufdampfungsstelle angeordnet ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner folgenden Schritt umfasst: Manipulieren eines Ventils, das zwischen dem Gasspüler und der Aufdampfungsstelle angeordnet ist, um den Druck zwischen dem Gasspüler und der Aufdampfungsstelle nach Bedarf zu variieren, um den Konzentrationspegel des Dampfs beizubehalten, der in dem Gas mitgeführt wird, um einen vorbestimmten Wert beizubehalten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem das Erfassen des Konzentrationspegels des Trägergases und des Dampfs der Flüssigkeit auftritt, nachdem der Fluidfluss das Ventil in Eingriff nimmt, das zwischen dem Gasspüler und der Aufdampfungsstelle angeordnet ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner folgenden Schritt umfasst: Bereitstellen eines zusätzlichen Gasspülers, der eine Menge der Flüssigkeit enthält und der in Fluidkommunikation mit dem Gasspüler ist, der in Fluidkommunikation mit der Aufdampfungsstelle ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, das ferner folgenden Schritt umfasst: Beibehalten der Temperatur der Flüssigkeit in dem zusätzlichen Gasspüler bei einem gewünschten Wert relativ zu dem der Flüssigkeit in dem Gasspüler, der in Fluidkommunikation mit der Aufdampfungsstelle ist.